JP3948009B2 - ３相交流電動機の巻線切換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相交流電動機の巻線を切換ることによって速度制御範囲を拡大する３相交流電動機の巻線切換装置に関するものであり、車両駆動、工作機械主軸駆動、クレーンの横行・走行、巻取り機、サーボ装置を含む広い範囲の産業分野を対象とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流可変周波数電源で駆動される工作機械の主軸や車両の駆動装置において、低速領域で十分に大きいトルクを得るとともに、高速領域での運転を可能にするための手段として、巻線切換方法が採用されている。
図６に示すスター・デルタ切換方法は、工作機械の主軸駆動等に広く実用されているものの一例である。図６において、２２は電源、１６〜２１は３相全波整流ブリッジを構成するダイオード、１５は平滑コンデンサである。１４は交流電源２２を直流電源に変換するコンバータ部である。端子ＴＰ，ＴＮはコンバータ部１４の直流出力端子であり、インバータ部１の入力となる。２は交流電動機、Ｔ１〜Ｔ６は切換に用いられる端子、３と４は電磁接触器等の開閉器である。開閉器４を開放して開閉器３を閉じるとスター結線となり、開閉器４を閉じて開閉器３を開放すればデルタ結線となる。Ｎ１は中性点である。低速領域ではスター（Ｙ）結線を選択し、十分に高い電圧を印加することで同一電流に対して大きいトルクを得ることができる。電動機のインピーダンスが周波数に比例して大きくなるため、周波数が高くなる高速領域では電流が流れ難くなるため、インピーダンスの低いデルタ（Δ）結線を選択することで、電流を流れ易くすることができる。
図７は、二組のスター巻線を直並列に切換るものである。低速時にはスイッチ５を閉じて巻線を直列接続し、高速時にはスイッチ６と７を閉じて並列接続することにより、図６と同様の効果を得る。さらに、図８は図７の回路を簡素化したもので、スイッチ８を閉じると直列接続と同等になり、全巻線を利用することになる。スイッチ９を閉じると巻線の一部が使用され、図７の並列接続に相当する特性となる。この場合、残りの巻線が使用されずに遊ぶことになるため、図７に比べて電流密度が２倍になるものの、磁束を作るための巻数は同じであるため誘起電圧やトルク特性は並列接続と基本的に同等である。
以上の例はいずれも２段の切換であるが、これを３段切換にして、さらにきめ細かく制御する方法が、特許第３０３７４７１号として開示されている。
これまでに述べた例は、いずれも機械的接点を持ったスイッチによって切換ることを前提にしたものである。スイッチの動作時間に伴う切換の無駄時間を短縮するための提案がなされている。図９は、本出願人が特公平７−９９９５９で開示したもので、２組のインバータを組合せて、各インバータの制御方法の変更により、スター結線とデルタ結線とを無接点で切換えるものである。図１０は、IEEE Transactions on Industry Applications、 Vol.32d No. 4、 July/August、1996、 pp. 938-944で発表されたものである。同一電動機の中に施された２組の異なった仕様の巻線を２台のインバータで駆動し、それぞれの電流ベクトルの組合せを変更することで、２極と４極の特性を切り替えるものである。
また、図８の回路をもとに、スイッチング素子として半導体制御素子と逆電圧阻止用のダイオードとを直列接続した回路どうしを逆並列接続したものを適用する方式が、特許番号第２７４２８００号で開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図６、７、８の方式や特許第３０３７４７１号の技術では、すべて接点付きのスイッチで切り替えている。したがって、接点を入り切りする機構動作のための時間が必要になる。また、接点寿命を考慮するとインバータ側で一旦電流を遮断したうえで、いわゆる無電流開閉を行うことが望ましい。これらの動作時間を総合すると、無視できない程度（通常、数十ミリ秒）の無駄時間が生じることになる。この無駄時間は、たとえば工作機械主軸駆動装置においては、最終製品の品質に影響することになり、また、車両の駆動装置では乗り心地に影響を与える。接点寿命が有限であること自体も、見逃せない短所である。
図８、９や特許番号第２７４２８００号の方式では、半導体素子による開閉、あるいは制御モ−ドの変更によって切換えを行っているために、動作時間の問題は改善される。しかしながら、必要な能動形半導体素子の数が多いために、コストが実用化を阻害する要因になる。
さらに、図８および特許番号第２７４２８００号の方法では、巻線の中間点に電源を供給する場合に、残りの巻線部分に誘起する電圧が電源電圧に加算され、非使用の端子に高電圧が加わるため、絶縁を強化する必要がある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は次の（１）〜（３）
を実現した３相交流電動機の巻線切換装置を提供することにある。
（１）巻線切換えに要する時間を短縮する。
（２）機械的な可動部をもつ開閉器を使用することなしに、巻線切換用の半導体スイッチ素子を極力少なくして小形で低コストにする。
（３）巻線の中間点電源を供給する場合においても、残りの使用しない巻線部分に誘起する電圧が電源電圧以上に高圧にならないようにし、巻線の絶縁を強化しなくてよいようにする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達するため、各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切換える巻線切換手段と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変周波数電源と、前記巻線切換手段が、前記各相巻線の一端を前記可変周波数電源に接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の３相整流手段と、前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチを備えた３相交流電動機の巻線切換装置において、前記複数の３相整流手段の各々の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に前記３相整流手段から流れる電流が抵抗とコンデンサからなる並列回路に流れ、前記半導体スイッチがオンの時に、前記並列回路から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記３相整流手段の直流出力側を前記並列回路に接続することを特徴とするものである。
また、前記複数の３相整流手段の各々の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に、前記３相整流手段から流れる電流が前記可変周波数電源の直流母線に流れ、前記半導体スイッチがオンの時に、前記可変周波数電源の前記直流母線から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して、前記３相整流手段の直流出力側を前記可変周波数電源の前記直流母線に接続することを特徴とするものであるである。
半導体による切換えであるため、極短時間に切換え動作を完了させることが、少数の半導体素子で構成できる。
また、巻線を部分的に使用するモードを選択しても、残りの端子に誘起する電圧が極度に大きくなることが避けられる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施例の基本回路構成図である。図１において１は３相電動機制御用の可変周波数可変電圧電源であるインバータ部であり、主回路トランジスタＱ１〜Ｑ６から構成される。端子ＴＰ、ＴＮはコンバータの直流出力端子に接続される。２は交流電動機、１２は巻線切換部である。電動機２の各相巻線は２つのコイルから形成され、それらのコイルを接続した中間端子ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３は電動機の外部端子として取り出される。交流電動機２の各相の巻線端子の−端ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２はインバータ部１の各相の出力端子ＴＵ１、ＴＶ１、ＴＷ１にそれぞれ接続される。
【０００６】
交流電動機２の各相の巻線端子の他端ＴＵ４、ＴＶ４、ＴＷ４は巻線切換部１２中の３相ダイオードブリッジＤＢ２の交流入力端子ＴＵ７、ＴＶ７、ＴＷ７に各々接続される。交流電動機の各相の前記中間端子ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３は、巻線切換部１２中の３相ダイオードブリッジＤＢ１の交流入力端子ＴＵ６、ＴＶ６、ＴＷ６に各々接続される。３相ダイオードブリッジＤＢ１、ＤＢ２の直流出力側を開閉するように直流出力側をまたがって各々接続されたＳＷ１、ＳＷ２は、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴのような自己消弧形の半導体スイッチング素子である。
【０００７】
ここで巻線切換部１２の構成を説明する。Ｄ１、Ｄ２は３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力側に接続されたダイオードである。Ｄ３、Ｄ４は３相ダイオードブリッジＤＢ２の直流出力側に接続されたダイオードである。ダイオードＤ１、Ｄ２は半導体スイッチＳＷ１がオフの時にＤＢ１を流れた電流がＣＲの並列回路へ流れるようにし、ＳＷ１がオンの時にＣＲの並列回路からＳＷ１に逆流するのを防ぐためのダイオードである。ダイオードＤ３、Ｄ４もＤ１、Ｄ２と同様、逆流防止のためのダイオードである。Ｃはコンデンサ、Ｒは放電抵抗器である。ＣとＲは互いに並列接続されている。ダイオードＤ１のカソード側の一端は、ＣＲ並列接続端子の一端とダイオードＤ３のカソード側の一端に接続される。ダイオードＤ１のアノード側の一端は、３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力の＋側端子とＳＷ１のコレクタへ接続される。ダイオードＤ２のアノード側の一端は、ＣＲ並列接続端子の他端とダイオードＤ４のアノード側の一端に接続される。ダイオードＤ２のカソード側の一端は、３相ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力の負側端子とＳＷ１のエミッタへ接続される。ダイオードＤ３のアノード側の一端は、３相ダイオードブリッジＤＢ２の直流出力の＋側端子とＳＷ２のコレクタへ接続される。ダイオードＤ４のカソード側の一端は、３相ダイオードブリッジＤＢ２の直流出力の負側端子とＳＷ２のエミッタへ接続される。
【０００８】
次に図１の動作を説明する。いま、ＳＷ１だけをオンする（ＳＷ２はＯＦＦ）と、ＤＢ１を通してモータ端子ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３が短絡することになり、モータ巻線の一部分であるＴＵ２―ＴＵ３、ＴＶ２−ＴＶ３、ＴＷ２−ＴＷ３で構成されるスター結線に電圧が印加される。端子ＴＵ４、ＴＶ４、ＴＷ４には、巻線間の電磁結合により電圧が誘起されるが、放電抵抗Ｒの抵抗値が大きいため、Ｄ３、Ｒ、Ｄ４を流れる電流は無視できるほど小さい。この構成は、モータ巻線の全部を使う場合よりインピーダンスが低いので高周波領域でも十分な電流を流すことが可能で高速運転に適する。一方、ＳＷ２だけをオンする（ＳＷ１はＯＦＦ）と、ＤＢ２を通して電動機端子ＴＵ４、ＴＶ４、ＴＷ４が短絡することになり、巻線全部のＴＵ２―ＴＵ４、ＴＶ２−ＴＶ４、ＴＷ２−ＴＷ４で構成されるスター結線に電圧が印加される。この場合、放電抵抗Ｒの抵抗値が大きいためＤＢ１の直流出力側の負側端子からＤ１、Ｒ、Ｄ２を流れる電流は無視できるほど小さい。この構成は、前者のモータ巻線の一部分を使う場合よりインピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して大きいトルクを発生することができるので、低速での運転に適する。したがって、運転速度に対応して、ＳＷ１またはＳＷ２を選択的にオンすることで、速度制御範囲を拡大することができる。
図５は、本発明の図１を変形した実施例の回路構成である。図５の回路構成が図１の回路構成と異なる部分は、図１では巻線切換部の逆流防止ダイオードがコンデンサＣと抵抗Ｒの並列回路に接続されているのに対して、図５では逆流防止ダイオードが、可変周波数電源の直流母線に接続されている部分である。即ち、Ｄ１、Ｄ３のダイオードは端子ＴＰ１から可変周波数電源であるインバータ部１の直流側の入力端子ＴＰに接続され、Ｄ２、Ｄ４のアノードは端子ＴＮ１からインバータ部１の直流側の入力端子ＴＮに接続されている。その結果ＤＢ１、ＤＢ２を流れてきた電流のエネルギは抵抗で熱損失として放散することなく、可変周波数電源の平滑コンデンサへ吸収され、モータの駆動に再利用できる。
【０００９】
図２は、ＳＷ１をオンしたときと、ＳＷ２をオンしたときの、電圧の状態をベクトル的に表したものである。巻線の一部を使った高速巻線（図２（ａ））を選択したときでも、残りの巻線端子（ＴＵ３、ＴＶ４、ＴＷ４）には、電源電圧と同等な電圧しか誘起しないことが分かる。
次に巻線切換方法について説明する。ＳＷ１とＳＷ２とを切り替えるシーケンスとしては、図３に示すように二通りの方法がある。同図（ａ）では、切換え信号により先ずインバータ部１側で電流を遮断する。この無電流の状態でＳＷ１、ＳＷ２間の切換えを行い、その後インバータ部２側で電流を再通流する。電流を遮断して、再投入するまでの時間ｔ１が、実際の切換えに要する時間となる。（ＳＧ１）はインバータ制御回路又はインバータを制御する上位制御装置から出力される巻線の切換え信号、（ＳＧ２）はモータ巻線に流れる電流、（ＳＧ３）、（ＳＧ４）は各々半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の導通状態を示す。この方法は、従来の接触器を使う方法で、接点の寿命を延長するために行われているものであり、本発明に適用する場合でも、素子を無電流でオンオフするため、スイッチングにともなう過大電圧を避けることができる。半導体素子の動作が速いために、無電流にする期間ｔ１は接触器を用いる方法に比べて桁違いに動作時間を短くすることができる。
【００１０】
図３（ｂ）に示す切換え方法は、インバータ部１での電流遮断を行わずに切換えるものである。半導体の動作が極めて速いとはいえ、僅かの動作遅れ時間によって、ＳＷ１とＳＷ２とが同時にオンする期間が生じる可能性があるため、これを防止するために、それぞれがオンする期間の間に、双方の半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２がオフとなるデッドタイムｔ２を入れる必要がある。このデットタイムは、半導体の高速スイッチング特性によりごく短くてすむものの（通常、数マイクロ秒以下）、モータ巻線のインダクタンス（Ｌ）に蓄えられた電流（ｉ）によるエネルギ（Ｅ＝(1/2)Ｌｉ²）がこの期間に放出されるので、スイッチング回路に過電圧が印加されることになる。第１実施例である。図１のＳＷ１、ＳＷ２両端から、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を介して接続されているコンデンサＣは、このサージ電圧を吸収するためのもので、Ｒは放電抵抗器である。図１の変形例である図５の場合は、ＳＷ１、ＳＷ２はダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を介して可変周波数電源の平滑コンデンサに接続されているので放電抵抗器は不要である。図３（ａ）で示した無電流の状態でＳＷ１、ＳＷ２の切換えをする場合はコンデンサＣは必ずしも設けなくてもよい。
【００１１】
本発明の第２の実施例を図４に示す。本実施例は、モータの各相毎の巻線が各々３つに分割されている場合である。第１実施例(図１)と異なる部分は、モータの各相巻線の分割数が２から３に増えた点と、分割数の増加に対応して、３相ダイオードブリッジＤＢ３、ダイオードＤ５、Ｄ６、半導体スイッチＳＷ３を増設した点である。
次に第２実施例における巻線切換部１３が第１実施例の巻線切換部１２と異なる構成について説明する。ダイオードＤ５のカソード側の一端は、ダイオードＤ１、Ｄ３のカソード側端子と同様にＣＲ並列接続線端子の一端に接続される。ダイオードＤ５のカソード側の一端は、３相ダイオードブリッジＤＢ３の直流出力の＋側端子とＳＷ３のコレクタへ接続される。
ダイオードＤ６のアノード側端子は、ダイオードＤ２、Ｄ４のアノード側端子と同様にＣＲ並列接続端子の他端に接続される。ダイオードＤ６のカソード側端子は、３相ダイオードブリッジＤＢ３の直流出力の負側端子とＳＷ３のエミッタへ接続される。
また、図１の変形例として図５を構成したのと同様にして、図４の場合も逆流防止用のダイオードを可変周波数電源の直流母線へ接続することができる。
なお、本発明で使用する交流電動機は、誘導形、同期形、あるいは回転形、直動形の別を問わないので、どのような交流電動機でも適用できる。
【００１２】
【発明の効果】
各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切換える巻線切換手段と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変周波数電源とを備えた３相交流電動機の巻線切換装置において、前記巻線切換手段が、前記各相巻線の一端を前記可変周波数電源に接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の３相整流手段と、前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチとで構成したので、つきの効果をもつ。
（１）巻線切換えに要する時間を短縮できる。
（２）機械的な可動部をもつ開閉器を使用することなしに、巻線切換用の半導 体スイッチ素子を極力少なくして小形で低コストにできる。
（３）巻線の中間点電源を供給する場合においても、残りの使用しない巻線部 分に誘起する電圧が電源電圧以上に高圧にならないようにし、巻線の絶 縁を強化しなくてよいようにできる。
（４）また放電用抵抗をなくし図５のようにた場合は、エネルギーを抵抗で熱 損失として放散させることなく、可変周波数電源の平滑コンデンサに吸 収されるので、モータ駆動に再利用できる。
波及効果として、接点による切換え方式にくらべて、格段に短い時間で巻線の切換えを行うことができるので、負荷となる機械・装置への切換えの影響を極小にとどめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の基本回路構成図である。
【図２】本発明の電圧状態を示す図である。
【図３】本発明の切換えシーケンスを示す図である。
【図４】本発明の第２実施例の回路構成図である。
【図５】本発明の第１実施例（図１）の応用変形例の回路構成図
【図６】従来のスター・デルタ巻線切換えの構成図である。
【図７】２組のスター巻線を直並列に切換える従来技術である。
【図８】従来の巻線切換えの構成図。
【図９】２組のインバータを組み合わせた従来技術。
【図１０】従来の巻線切換えの構成図。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ インバータ部
２ 交流電動機
３〜９開閉器
１０，１１ 半導体スイッチ
１２，１３、２３ 巻線切換部
１４ コンバータ部
１５ 平滑コンデンサ
１６〜２１ ダイオード
２２ 電源
Ｑ１〜Ｑ６、Ｑ１'〜Ｑ６’ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３半導体スイッチ
ＳＧ１〜ＳＧ８ 信号波形
ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３ ３相ダイオードブリッジ
Ｎ１、Ｎ２，Ｎ３、Ｎ４ 中性点
ＴＰ、ＴＮ、ＴＰ１、ＴＰ２、Ｔ１〜Ｔ６ 端子
ＴＵ１〜ＴＵ８ 端子
ＴＶ１〜ＴＶ８ 端子
ＴＷ１〜ＴＷ８ 端子
Ｒ 放電抵抗
Ｃ コンデンサ

Claims (2)

1. 各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切換える巻線切換手段と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変周波数電源と、前記巻線切換手段が、前記各相巻線の一端を前記可変周波数電源に接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の３相整流手段と、前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチとを備えた３相交流電動機の巻線切換装置において、
   前記複数の３相整流手段の各々の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に前記３相整流手段から流れる電流が抵抗とコンデンサからなる並列回路に流れ、前記半導体スイッチがオンの時に、前記並列回路から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して前記３相整流手段の直流出力側を前記並列回路に接続することを特徴とする３相交流電動機の巻線切換装置。
2. 各相の巻線が複数の巻線からなり、前記複数の巻線を互いに連結した連結端子と各相巻線の両端子とをモータ外部に設けた交流電動機と、前記連結端子を適宜切換える巻線切換手段と、前記交流電動機に可変周波の可変電圧を供給する可変周波数電源と、前記巻線切換手段が、前記各相巻線の一端を前記可変周波数電源に接続し、他端と前記連結端子とを各相毎に各々３相整流手段の交流側入力端子に接続した複数の３相整流手段と、前記３相整流手段の直流出力側の両端を開閉するように設けた半導体スイッチとを備えた３相交流電動機の巻線切換装置において、
   前記複数の３相整流手段の各々の直流出力側の両端に、前記半導体スイッチがオフの時に、前記３相整流手段から流れる電流が前記可変周波数電源の直流母線に流れ、前記半導体スイッチがオンの時に、前記可変周波数電源の前記直流母線から前記半導体スイッチに逆流しない方向に設けられたダイオードを介して、前記３相整流手段の直流出力側を前記可変周波数電源の前記直流母線に接続することを特徴とする３相交流電動機の巻線切換装置。

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