JP6993596B2 - 駆動装置 - Google Patents

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Description

本開示は、駆動装置に関する。
例えば、停電時に、電動機を減速運転させ電動機から直流リンク回路に発電電力を回生させることで、直流リンク回路からの電力で駆動される磁気的な軸支持機構の運転の稼働状態を継続させる技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２０１０－２００５２４号公報
ところで、電動機で電気駆動されるターボ圧縮機に磁気的な軸支持機構が適用される場合がある。
しかしながら、ターボ圧縮機では、その前段と後段との間の差圧が非常に大きい運転状態で電動機が減速すると、サージング現象が発生し、作動流体からインペラに作用する力の変動が非常に大きくなる可能性がある。この場合、軸支持機構は、サージング現象による負荷変動に抗する大きさや応答速度の電磁力を発生させる必要が生じる。よって、例えば、電動機の回生運転時の直流リンク回路の電圧が相対的に低い場合、電動機の減速に伴い発生するサージング現象による負荷変動に抗する電磁力の応答速度を実現するため、軸支持機構のコイルの巻き数を少なくする必要が生じうる。また、例えば、電動機の回生運転時の直流リンク回路の電圧が相対的に低い場合、電動機の減速に伴い発生するサージング現象による負荷変動に抗する電磁力の大きさを実現するため、通流電流を増加させる必要が生じうる。そのため、結果として、軸支持機構を駆動する駆動部の電流容量が相対的に大きくなってしまう可能性がある。
本開示は、ターボ圧縮機の磁気的な軸支持機構を電気駆動する駆動部の電流容量の増大を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る一実施形態では、
直流リンク部と、
外部電源の電力を所定の直流電力に変換して前記直流リンク部に供給する順変換部と、
圧縮機構を回転駆動する電動機部と、
前記圧縮機構の回転軸を磁気的に支持する支持部と、
前記直流リンク部からの電力で前記電動機部を駆動可能であると共に、前記回転軸からの動力を電気エネルギに変換する回生動作を前記電動機部に行わせ、前記直流リンク部に回生電力を出力可能な第１の駆動部と、
前記直流リンク部からの電力で前記支持部を駆動する第２の駆動部と、を備え、
前記第１の駆動部は、前記直流リンク部の電圧が前記外部電源の電力が正常に供給されるときの前記直流リンク部の電圧よりも高くなるように、前記電動機部に前記回生動作を行わせる、
駆動装置が提供される。
本実施形態によれば、駆動装置は、電動機の回生動作時の直流リンク部の電圧を、外部電源から電力が正常に供給されるときの電圧（例えば、電動機の力行運転時の電圧）より高くすることができる。そのため、電動機の回生動作時の減速に伴い発生するサージング現象による負荷変動に抗する電磁力の応答速度を、相対的に巻数の多いコイルを含む支持部で実現することができる。また、電動機の回生動作時の減速に伴い発生するサージング現象による負荷変動に抗する電磁力の大きさを、支持部に通流する相対的に小さい電流で実現することができる。よって、支持部を駆動する第２の駆動部の電流容量の増大を抑制することができる。
また、上述の実施形態において、
前記第１の駆動部は、前記外部電源から前記順変換部への電力供給が停止する停電時に、前記電動機部に前記回生動作を行わせてもよい。
また、上述の実施形態において、
前記順変換部と前記直流リンク部との間に設けられ、前記外部電源からの電流を制限可能な制限素子と、
前記制限素子の両端間を短絡させる電力経路の接続状態と遮断状態とを切り替える断接部と、を備え、
前記断接部は、前記外部電源から前記順変換部への電力供給が停止する停電時に、前記電力経路を接続状態にしてもよい。
上述の実施形態によれば、ターボ圧縮機の磁気的な軸支持機構を電気駆動する駆動部の電流容量の増大を抑制することが可能な技術を提供することができる。
ターボ圧縮機の構成の一例を示す図である。 磁気軸支持部及びパワーアンプ回路の構成の一例を示す図である。 磁気軸支持部及びパワーアンプ回路の構成の他の例を示す図である。 回生リンク電圧指令の一例を示すタイムチャートである。 比較例に係るターボ圧縮機の動作を示すタイムチャートである。 実施形態に係るターボ圧縮機の動作の一例を示すタイムチャートである。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。
［ターボ圧縮機の構成］
まず、図１～図４を参照して、本実施形態に係るターボ圧縮機１の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係るターボ圧縮機１の駆動系を中心とする構成の一例を示す図である。図２は、磁気軸支持部２０及びパワーアンプ回路７０の構成の一例を示す図である。図３は、磁気軸支持部２０及びパワーアンプ回路７０の構成の他の例を示す図である。図４は、回生リンク電圧指令の一例を示すタイムチャートである。
図１に示すように、ターボ圧縮機１は、駆動装置１００と、制御装置２００とを含む。
駆動装置１００は、電動機１０と、磁気軸支持部２０と、順変換回路３０と、直流リンク回路４０と、突入電流抑制回路５０と、インバータ回路６０と、パワーアンプ回路７０と、電流センサ８０、９０とを含む。
電動機１０（電動機部の一例）は、ターボ圧縮機１の圧縮機構を回転駆動する。電動機１０は、固定子（ステータ）に設けられる電動機巻線１１を含む。
磁気軸支持部２０（支持部の一例）は、ターボ圧縮機１の圧縮機構の回転軸、即ち、電動機１０の回転軸を磁気的に支持する。
図２に示すように、磁気軸支持部２０は、例えば、軸支持巻線２１である。軸支持巻線２１は、電動機１０の固定子に電動機巻線１１と共に設けられ、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸を支持するための電磁力を発生させる。この場合、電動機１０は、いわゆるベアリングレスモータに相当する。
尚、磁気軸支持部２０は、軸支持巻線２１に代えて、或いは、加えて、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸ＡＸをスラスト方向で支持するスラスト磁気軸受を含んでもよい。この場合、スラスト磁気軸受には、例えば、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸の一端に設けられる円盤状の部位をスラスト方向で挟む形に対向して配置される２つの電磁石が含まれる。
また、図３に示すように、磁気軸支持部２０は、例えば、磁気軸受２２である。磁気軸受２２は、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸ＡＸの一端に設けられるラジアル磁気軸受２２Ａと、回転軸ＡＸの他端に設けられるラジアル磁気軸受２２Ｂとを含む。
ラジアル磁気軸受２２Ａは、回転軸ＡＸの一端において、回転軸ＡＸを間に挟む形で対向して配置される電磁石２２Ａ１，２２Ａ２を含む。同様に，ラジアル磁気軸受２２Ｂは、回転軸ＡＸの他端において、回転軸ＡＸを間に挟む形で対向して配置される電磁石２２Ｂ１，２２Ｂ２を含む。
尚、磁気軸支持部２０（磁気軸受２２）は、ラジアル磁気軸受２２Ａ，２２Ｂに代えて、或いは、加えて、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸ＡＸをスラスト方向で支持するスラスト磁気軸受を含んでもよい。
図１に戻り、順変換回路３０（順変換部の一例）は、外部電源ＰＳから供給される交流電力を整流して所定の直流電力を直流リンク回路４０に出力する。順変換回路３０は、例えば、６つのダイオードをブリッジ状に構成したブリッジ型全波整流回路である。
直流リンク回路４０（直流リンク部の一例）には、順変換回路３０と、インバータ回路６０及びパワーアンプ回路７０のそれぞれと電気的に接続される。
直流リンク回路４０は、順変換回路３０や後述の如くインバータ回路６０から出力される直流電力を平滑化するための蓄電部４２及びコイル部４４を含む。
直流リンク回路４０は、例えば、順変換回路３０から出力される直流電力を平滑化し、インバータ回路６０及びパワーアンプ回路７０のそれぞれに供給する。
また、直流リンク回路４０は、例えば、後述の如く、電動機１０を減速運転すべきターボ圧縮機１の所定の異常時に、電動機１０の減速運転に応じてインバータ回路６０から出力される回生電力を平滑化し、パワーアンプ回路７０に供給する。所定の異常時には、例えば、電源ＰＳから駆動装置１００への電力供給が停止する停電時が含まれる。また、所定の異常時には、例えば、駆動装置１００の回路動作の異常時、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸の異常振動の発生時、制御装置２００内の通信異常の発生時等が含まれる。
蓄電部４２は、順変換回路３０やインバータ回路６０及びパワーアンプ回路７０と並列に、正側及び負側の母線の間を接続する電力経路に配置される。蓄電部４２は、適宜、充放電を繰り返しながら、順変換回路３０やインバータ回路６０から出力される直流電力を平滑化する。蓄電部４２は、例えば、電解コンデンサである。
コイル部４４は、蓄電部４２よりも順変換回路３０側、且つ、順変換回路３０やインバータ回路６０及びパワーアンプ回路７０と直列に、正側の母線に介設される。コイル部４４は、適宜、電流の変化を妨げるように電圧を発生させながら、順変換回路３０やインバータ回路６０から出力される直流電力を平滑化する。コイル部４４は、例えば、直流リアクトルである。
突入電流抑制回路５０は、順変換回路３０と直流リンク回路４０との間に設けられ、直流リンク回路４０に流れうる突入電流を抑制する。突入電流抑制回路５０は、抵抗器５２と、スイッチ５４と、制御部５６とを含む。
抵抗器５２（制限素子の一例）は、順変換回路３０と直流リンク回路４０（コイル部４４）とを接続する正側の母線に介設される。抵抗器５２は、順変換回路３０を介して外部電源ＰＳから直流リンク回路４０に出力される電流を制限する。
スイッチ５４（断接部の一例）は、抵抗器５２の両端間を短絡させる電線（以下、「短絡経路」）上に配置され、短絡経路の接続状態（即ち、閉成状態）と遮断状態（即ち、開放状態）とを切り替える。スイッチ５４は、例えば、通常、遮断状態（開放状態）にある常開型であり、制御部５６から制御指令に応じて、遮断状態（開放状態）にされる。スイッチ５４は、例えば、サイリスタ、トライアック、リレー等のスイッチング素子である。
制御部５６は、スイッチ５４の接続状態と切断状態との切替制御を行う。具体的には、制御部５６は、後述の停電検出部２０２から出力される、外部電源ＰＳから駆動装置１００への給電状態に関する信号（以下、「給電状態信号」）を取り込む。これにより、制御部５６は、外部電源ＰＳから駆動装置１００への電力の供給が停止される停電状態であるか否かを把握することができる。また、制御部５６は、後述のリンク電圧検出部２０４から出力される、直流リンク回路４０の電圧（以下、「リンク電圧」）に関する信号（リンク電圧検出値ｖ＾ＤＣ）を取り込む。これにより、制御部５６は、リンク電圧を把握することができる。
制御部５６は、通常、スイッチ５４を接続状態（閉成状態）に維持する。一方、制御部５６は、例えば、外部電源ＰＳから駆動装置１００への電力供給が行われており、且つ、リンク電圧が相対的に低くなっている場合に、スイッチ５４に制御指令を出力し、スイッチ５４を遮断状態（開放状態）にしてよい。これにより、例えば、制御部５６は、ターボ圧縮機１を外部電源ＰＳに接続する電源投入時において、スイッチ５４に制御指令を出力し、スイッチ５４を遮断状態（開放状態）にすることができる。よって、抵抗器５２の両端を接続する短絡経路が遮断され、順変換回路３０から出力される電流が抵抗器５２を通流することになるため、抵抗器５２の作用で、ターボ圧縮機１の電源投入時に発生しうる突入電流を抑制することができる。
インバータ回路６０（第１の駆動部の一例）は、直流リンク回路４０から供給される直流電力から三相交流電力を生成し、電動機巻線１１に供給することにより、電動機１０を電気駆動することができる。また、インバータ回路６０は、ターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸の動力を電気エネルギに変換する回生動作を電動機１０に行わせ、直流リンク回路４０に回生電力を出力することができる。図１に示すように、インバータ回路６０は、例えば、スイッチング素子及び循環ダイオードを並列に配置して構成されるアームを２つ直列に配置した直列接続体（スイッチングレグ）が、正側及び負側の母線の間を接続する形で３つ並列に配置されることで構成される。そして、インバータ回路６０の３つのスイッチングレグのそれぞれの上下アームの間の中間点からＵ相端子、Ｖ相端子、及びＷ相端子が引き出される。
パワーアンプ回路７０（第２の駆動部の一例）は、直流リンク回路４０から供給される直流電力から所定の電力を生成し、磁気軸支持部に供給することにより、磁気軸支持部２０を電気駆動する。
例えば、図２に示すように、パワーアンプ回路７０は、インバータ回路７１である。インバータ回路７１は、直流リンク回路４０から供給される直流電力から三相交流電力を生成し、軸支持巻線２１のＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの巻線に供給することにより、軸支持巻線２１を電気駆動する。インバータ回路７１は、インバータ回路６０と同様、スイッチング素子及び循環ダイオードを並列に配置して構成される２つアームの直列接続体（スイッチングレグ）が、正側及び負側の母線の間を接続する形で３つ並列に配置されることで構成される。
また、例えば、図３に示すように、パワーアンプ回路７０は、Ｈブリッジ回路７２である。Ｈブリッジ回路７２は、直流リンク回路４０から供給される直流電力から所定の電力を生成し、電磁石２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ｂ１，２２Ｂ２のそれぞれに供給することにより、ラジアル磁気軸受２２Ａ，２２Ｂを電気駆動する。Ｈブリッジ回路７２は、電磁石２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ｂ１，２２Ｂ２のそれぞれに電力を供給するＨブリッジ回路７２Ａ１，７２Ａ２，７２Ｂ１，７２Ｂ２を含む。
尚、上述の如く、磁気軸支持部２０にスラスト磁気軸受が含まれる場合、パワーアンプ回路７０には、例えば、スラスト磁気軸受に含まれる２つの電磁石のそれぞれに電力を供給する２つのＨブリッジ回路が含まれてよい。
電流センサ８０，９０は、電動機１０の電動機巻線１１のＵ相、Ｖ相、及びＷ相のうちの何れか二つの電動機巻線に流れる電流に関する信号を出力する。電流センサ８０，９０は、例えば、カレントトランス（ＣＴ：Current Transformer）である。電流センサ８０，９０の出力信号は、制御装置２００に取り込まれる。
制御装置２００は、駆動装置１００に関する制御を行う。
制御装置２００の機能は、任意のハードウェア、或いは、任意のハードウェア及びソフトウェアの組み合わせ等により実現されてよい。制御装置２００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ装置、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の補助記憶装置、及び外部との入出力用のインタフェース装置等により構成されるコンピュータを含む。
制御装置２００は、停電検出部２０２と、リンク電圧検出部２０４と、電流検出部２０６とを含む。また、制御装置２００は、回転数制御部２０８と、リンク電圧指令出力部２１０と、ＰＩ（Proportional Integral）制御部２１２と、変換部２１４と、切替部２１６と、変換部２１８と、ＰＩ制御部２２０と、変換部２２２と、駆動指令生成部２２４とを含む。
停電検出部２０２は、外部電源ＰＳから駆動装置１００（順変換回路３０）への電力の供給状態を判断し、外部電源ＰＳへの電力の供給が停止する停電を検出する。停電検出部２０２は、例えば、外部電源ＰＳと駆動装置１００との間の電力経路における交流電力の電圧のゼロ基準電圧との交差（ゼロクロス）を検出することにより、外部電源ＰＳから駆動装置１００（順変換回路３０）への電力の供給状態を判断する。この場合、ゼロ基準電圧は、０Ｖ（ボルト）から幾分ずれた一定電圧であってよく、ゼロ基準電圧の０Ｖからのずれ量は、想定されるノイズの大きさに基づき、予め規定されてよい。これにより、ノイズによるゼロクロスの誤検出を抑制することができる。停電検出部２０２は、外部電源ＰＳから駆動装置１００への電力の供給状態を表す信号を出力する。
リンク電圧検出部２０４は、直流リンク回路４０のリンク電圧（即ち、正側及び負側の母線間の電圧）を検出する。リンク電圧検出部２０４は、直流リンク回路４０のリンク電圧に関する信号を出力する。リンク電圧検出部２０４から出力される信号には、例えば、リンク電圧検出値ｖ＾ＤＣが含まれる。
電流検出部２０６は、電流センサ８０、９０から取り込まれる信号に基づき、電動機１０（電動機巻線１１）のＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの電流を検出する。電流検出部２０６は、検出したＵ相、Ｖ相、及びＷ相の電流に関する信号を出力する。電流検出部２０６から出力される信号には、例えば、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの電流検出値ｉ＾ｕ，ｉ＾ｖ，ｉ＾ｗが含まれる。
回転数制御部２０８は、停電検出部２０２から出力される信号や電動機１０の運転条件を表す制御指令（以下、「運転指令」）に基づき、電動機１０が所定の回転数で回転するように、電動機１０の力行運転時のｄ軸電流及びｑ軸電流に関する制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑを生成し出力する。
リンク電圧指令出力部２１０は、電動機１０の回生運転時のリンク電圧に関する制御指令（以下、「回生リンク電圧指令」）を出力する。回生リンク電圧指令は、例えば、リンク電圧の指令値（以下、「回生リンク電圧指令値」）ｖ＊ ＤＣを含む。
例えば、図４に示すように、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、外部電源ＰＳから駆動装置１００に正常に電力が供給されるとき（以下、便宜的に「通常時」）の順変換回路３０から出力される直流電力の電圧（図中の電源電圧）よりも高くなるように設定される。即ち，回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、外部電源ＰＳからの電力が正常に供給されるときのリンク電圧よりも高くなるように設定される。電力が正常に供給される状態には、瞬時電圧低下の状態や停電の状態等が含まれない。また、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、直流リンク回路４０への電力供給源（外部電源ＰＳ及びインバータ回路６０）のうちの外部電源ＰＳからの電力のみが供給されるときのリンク電圧よりも高くなるように設定されてもよい。具体的には、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、例えば、外部電源ＰＳの定格電圧の範囲の上限よりも高くなるように設定されてよい。また、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、例えば、外部電源ＰＳの電圧やリンク電圧の所定期間（例えば、直近の１０分間）の平均値や極大値より高くなるように設定されてもよい。
また、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、上記の条件に加えて、パワーアンプ回路７０が磁気軸支持部２０にターボ圧縮機１（電動機１０）の回転軸を磁気的に支持させるために必要な電圧より高くなるように設定されてもよい。これにより、磁気軸支持部２０は、電動機１０の回生運転時においても、ターボ圧縮機１の回転軸を確実に支持し続けることができる。
図１に戻り、ＰＩ制御部２１２は、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣとリンク電圧検出値ｖ＾ＤＣとの偏差に基づき、ＰＩ制御を行い、リンク電圧が電圧指令値ｖ＊ ＤＣになるように、直流リンク回路４０の電流に関する制御指令ｉ＊ ＤＣを生成し出力する。
変換部２１４は、制御指令ｉ＊ ＤＣを電動機１０の回生運転時のｄ軸電流及びｑ軸電流に関する制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑに変換し出力する。
切替部２１６は、停電検出部２０２から出力される信号や運転指令に基づき、回転数制御部２０８及び変換部２１４のそれぞれから出力される制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑのどちらを出力するかを切り替える。
切替部２１６は、運転指令により電動機１０の力行運転が指示されている場合、回転数制御部２０８から出力される、電動機１０の力行運転時のｄ軸電流及びｑ軸電流に関する制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑを選択して出力する。一方、切替部２１６は、運転指令により電動機１０の回生運転が指示されている場合、変換部２１４から出力される、電動機１０の回生運転時のｄ軸電流及びｑ軸電流に関する制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑを選択して出力する。また、切替部２１６は、停電検出部２０２から出力される信号が停電状態を表している場合、運転指令の内容に依らず、変換部２１４から出力される、電動機１０の回生運転時のｄ軸電流及びｑ軸電流に関する制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑを選択して出力してもよい。これにより、制御装置２００（ＰＩ制御部２２０、変換部２２２、及び駆動指令生成部２２４）は、電動機１０の運転条件（力行運転か回生運転かの別）に合わせた適切な制御動作を行うことができる。
変換部２１８は、電流検出部２０６から出力される、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの電流検出値ｉ＾ｕ，ｉ＾ｖ，ｉ＾ｗをｄｑ座標系の電流検出値ｉ＾ｄ，ｉ＾ｑに変換し出力する。
ＰＩ制御部２２０は、切替部２１６及び変換部２１８から出力される制御指令ｉ＊ ｄ，ｉ＊ ｑ及び電流検出値ｉ＾ｄ，ｉ＾ｑの偏差に基づき、ＰＩ制御を行い、電動機１０のｄ軸及びｑ軸の電圧に関する制御指令ｖ＊ ｄ，ｖ＊ ｑを出力する。
変換部２２２は、ＰＩ制御部２２０から出力される、電動機１０のｄ軸及びｑ軸の電圧に関する制御指令ｖ＊ ｄ，ｖ＊ ｑを、電動機１０のＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの電圧に関する制御指令ｖ＊ ｕ，ｖ＊ ｖ，ｖ＊ ｗに変換し出力する。
駆動指令生成部２２４は、変換部２２２から出力される、電動機１０のＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれの電圧に関する制御指令ｖ＊ ｕ，ｖ＊ ｖ，ｖ＊ ｗに基づき、インバータ回路６０を駆動する駆動指令を生成する。具体的には、駆動指令生成部２２４は、インバータ回路６０の６つのスイッチング素子のそれぞれのゲートＧｓ１～Ｇｓ６を駆動するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波形を生成し、ゲートＧｓ１～Ｇｓ６に出力する。これにより、インバータ回路６０は、制御装置２００の制御下で、電動機１０を制御し、力行運転させたり、回生運転させたりすることができる。
［比較例に係るターボ圧縮機の停電時の動作］
次に、図５を参照して、比較例に係るターボ圧縮機の停電時の動作について説明する。以下、比較例に係るターボ圧縮機について、本実施形態に係るターボ圧縮機１と同様の構成について、符号なしで同じ名称を用いる。
図５は、比較例に係るターボ圧縮機の停電時の動作を表すタイムチャート５００である。タイムチャート５００は、比較例に係るターボ圧縮機の停電時のリンク電圧、電動機の回転数、及び磁気軸支持部の電流のそれぞれの時間変化を表すタイムチャート５１０，５２０，５３０を含む。
比較例に係るターボ圧縮機では、本実施形態に係るターボ圧縮機１と異なり、回生リンク電圧指令値が外部電源から順変換回路に正常に電力が供給されるとき（通常時）のリンク電圧以下に設定される。特に、本例では、回生リンク電圧指令値が通常時のリンク電圧よりもある程度低くなるように設定される。
図５に示すように、本例では、時刻ｔ１１にて、停電が発生し、ターボ圧縮機（駆動装置）への外部電源からの電力供給が停止されている。そして、時刻ｔ１２まで停電状態が継続した後、時刻ｔ１２にて、復電し、外部電源からのターボ圧縮機（駆動装置）への電力供給が回復している。
時刻ｔ１１にて、停電が発生すると、運転指令に含まれる電動機の運転条件が力行運転から回生運転に切り替わる。
電動機が回生運転されるときの回生リンク電圧指令値は、上述の如く、通常時のリンク電圧よりもある程度低く設定される。そのため、リンク電圧は、時刻ｔ１１から低下し、回生リンク電圧指令値に相当する値まで低下すると、その電圧値で一定に制御される（タイムチャート５１０参照）。
時刻ｔ１１以降の停電状態において、電動機は、減速制御されることにより、回生運転を行い、電動機の回転数は、低下していく（タイムチャート５２０参照）。
また、本例では、ターボ圧縮機の前段と後段との間の差圧が非常に大きい運転状態で停電が発生している。そのため、ターボ圧縮機（電動機）の減速によって、ターボ圧縮機にサージング現象が発生し、サージング現象に伴う負荷変動がターボ圧縮機の圧縮機構（インペラ）に作用し、磁気軸支持部の電流が変動している（タイムチャート５３０参照）。
尚、サージング現象に伴う負荷変動は、ターボ圧縮機（電動機）の回転軸のラジアル方向及びスラスト方向の少なくとも一方に作用する。以下、後述の本実施形態に係るターボ圧縮機１の場合（図６）についても同様である。
比較例では、上述の如く、リンク電圧が通常時よりもある程度低くなっている。これにより、磁気軸支持部は、サージング現象に伴う負荷変動に抗する大きさの電磁力を発生させるため、相対的に大きい電流（タイムチャート５３０の最大電流値Ｉ１）を通流させる必要が生じうる。
また、リンク電圧が通常時よりもある程度低くなっている状況で、サージング現象に伴う負荷変動に抗する応答速度を実現するため、磁気軸支持部のコイルの巻き数を相対的に少なくする必要が生じうる。
その結果、比較例に係るターボ圧縮機では、パワーアンプ回路の電流容量が相対的に大きくなってしまう可能性がある。
また、時刻ｔ１２にて、復電しても、停電時のリンク電圧が相対的に低く制御されていたため、電動機の力行運転に必要なリンク電圧に上昇するまで、外部電源からの電力で蓄電部の充電（チャージ）が行われる必要がある。そのため、電動機は、力行運転をすぐに開始することができず、リンク電圧が通常時のレベルまで達する時刻ｔ１３まで電動機の回転は低下し続ける。
更に、復電時のリンク電圧が相対的に低くなっていることから、突入電流抑制回路のスイッチが遮断状態（開放状態）にされ、順変換回路から直流リンク回路に供給される電流が相対的に低く制限される。そのため、復電（時刻ｔ１２）からリンク電圧が通常時のレベルに達するタイミング（時刻ｔ１３）までの期間が相対的に長くなってしまう可能性がある。
その結果、比較例に係るターボ圧縮機では、時刻ｔ１２に復電してから、時刻ｔ１３に電動機が力行運転を開始し、停電前の回転数のレベルに復帰する時刻ｔ１４までに要する時間（復帰時間）が相対的に長くなってしまう可能性がある。
［本実施形態に係るターボ圧縮機の停電時の動作］
次に、図６を参照して、本実施形態に係るターボ圧縮機１の停電時の動作について説明する。
図６は、本実施形態に係るターボ圧縮機１の停電時の動作を表すタイムチャート６００である。タイムチャート６００は、本実施形態に係るターボ圧縮機１の停電時のリンク電圧、電動機１０の回転数、及び磁気軸支持部２０の電流のそれぞれの時間変化を表すタイムチャート６１０，６２０，６３０を含む。
図５に示すように、本例では、時刻ｔ２１にて、停電が発生し、ターボ圧縮機１（駆動装置１００）への外部電源ＰＳからの電力供給が停止されている。そして、時刻ｔ２２まで停電状態が継続した後、時刻ｔ２２にて、復電し、外部電源ＰＳからのターボ圧縮機１（駆動装置１００）への電力供給が回復している。
時刻ｔ２１にて、停電が発生すると、上述の比較例の場合と同様、運転指令に含まれる電動機１０の運転条件が力行運転から回生運転に切り替わる。
電動機１０が回生運転されるときの回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣは、上述の如く、通常時のリンク電圧（例えば、停電前のリンク電圧）よりも高く設定される。そのため、リンク電圧は、時刻ｔ２１から上昇し、回生リンク電圧指令値ｖ＊ ＤＣに相当する値まで上昇すると、その電圧値で一定に制御される（タイムチャート６１０の"高電圧制御"参照）。
時刻ｔ２１以降の停電状態において、電動機１０は、減速制御されることにより、回生運転を行い、電動機１０の回転数は、低下していく（タイムチャート６２０参照）。
また、本例では、上述の比較例の場合と同様、ターボ圧縮機１の前段と後段との間の差圧が非常に大きい運転状態で停電が発生している。そのため、ターボ圧縮機１（電動機１０）の減速によって、ターボ圧縮機１にサージング現象が発生し、サージング現象に伴う負荷変動がターボ圧縮機１の圧縮機構（インペラ）に作用し、磁気軸支持部２０の電流が変動している（タイムチャート６３０参照）。
本実施形態では、上述の如く、リンク電圧が通常時よりもある程度高くなっている。これにより、磁気軸支持部２０は、サージング現象に伴う負荷変動に抗する大きさ、応答速度の電磁力を発生させるためにコイルの巻き数を相対的に多くし更に必要な電流を相対的に小さく抑制することができる。具体的には、磁気軸支持部２０は、必要な電流の最大値を比較例の場合の最大電流値Ｉ１よりも小さい最大電流値Ｉ２に低減することができる。
その結果、本実施形態では、比較例の場合と異なり、パワーアンプ回路７０の電流容量を相対的に小さく抑制することができる。
また、時刻ｔ２２の復電時に、リンク電圧が通常時よりも相対的に高くなっていることから、電動機１０は、すぐに、力行運転を開始させることができる。そのため、電動機１０の回転数は、時刻ｔ２２からすぐに上昇を開始し、比較的短い時間の経過後、時刻ｔ２３にて、停電前のレベルに復帰することができる。
更に、時刻ｔ２２の復電時に、リンク電圧が通常時よりも相対的に高くなっていることから、制御部５６は、突入電流抑制回路５０のスイッチ５４を接続状態（閉成状態）に維持させる。そのため、復電後に，順変換回路３０から直流リンク回路４０に供給される電流が突入電流抑制回路５０によって制限されることもない。
その結果、本実施形態に係るターボ圧縮機１では、時刻ｔ２２に復電してから、すぐに、電動機１０が力行運転を開始し、停電前の回転数のレベルまで復帰する時刻ｔ２３までに要する時間（復帰時間）を相対的に短期化させることができる。
また、停電時の他、ターボ圧縮機１を減速運転すべき他の異常時においても、駆動装置１００及び制御装置２００は、本例（図６）の場合と同様の動作を行い、同様の作用・効果を奏する。
［作用］
次に、本実施形態に係るターボ圧縮機１（駆動装置１００）の作用について説明する。
本実施形態では、順変換回路３０は、外部電源ＰＳの電力を所定の直流電力に変換して直流リンク回路４０に供給する。また、電動機１０は、ターボ圧縮機１の圧縮機構を回転駆動する。また、磁気軸支持部２０は、圧縮機構の回転軸を磁気的に支持する。また、インバータ回路６０は、直流リンク回路４０からの電力で電動機１０を駆動可能であると共に、回転軸からの動力を電気エネルギに変換する回生動作を電動機１０に行わせ、直流リンク回路４０に回生電力を出力可能に構成される。また、パワーアンプ回路７０は、直流リンク回路４０からの電力で磁気軸支持部２０を駆動する。そして、インバータ回路６０は、直流リンク回路４０の電圧が外部電源ＰＳの電力が正常に供給されるときの直流リンク回路４０の電圧よりも高くなるように、電動機１０に回生動作を行わせる。
これにより、駆動装置１００は、電動機１０の回生動作時のリンク電圧を、外部電源ＰＳから電力が正常に供給されるときの電圧（例えば、電動機１０の力行運転時の電圧）より高くすることができる。そのため、電動機１０の回生動作時の減速に伴い発生するサージング現象による負荷変動に抗する電磁力の応答速度を、相対的に巻き数の多いコイルを含む磁気軸支持部２０で実現することができる。また、電動機１０の回生動作時の減速に伴い発生するサージング現象による負荷変動に抗する電磁力の大きさを、磁気軸支持部２０に通流する相対的に小さい電流で実現することができる。よって、磁気軸支持部２０を駆動するパワーアンプ回路７０の電流容量の増大を抑制することができる。
また、本実施形態では、インバータ回路６０は、外部電源ＰＳから順変換回路３０への電力供給が停止する停電時に、電動機１０に回生動作を行わせてもよい。
これにより、駆動装置１００は、停電時に、より小さい電流容量のパワーアンプ回路７０を用いて、磁気軸支持部２０を適切に駆動することができる。
また、本実施形態では、順変換回路３０と直流リンク回路４０との間に設けられ、外部電源ＰＳからの電流を制限可能な抵抗器５２と、抵抗器５２の両端間を短絡させる電力経路（短絡経路）の接続状態と遮断状態とを切り替えるスイッチ５４とが設けられる。そして、スイッチ５４は、外部電源ＰＳから順変換回路３０への電力供給が停止する停電時に、短絡経路を接続状態にしてもよい。
これにより、停電後の復電時に、外部電源ＰＳから順変換回路３０を経由して供給される電流が抵抗器５２により制限さない。よって、駆動装置１００は、復電後、電動機１０を停電前の回転数のレベルまでより早期に復帰させることができる。
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変形・変更が可能なことが理解されるであろう。
１ ターボ圧縮機
１０ 電動機（電動機部）
２０ 磁気軸支持部（支持部）
３０ 順変換回路（順変換部）
４０ 直流リンク回路（直流リンク部）
４２ 蓄電部
４４ コイル部
５０ 突入電流抑制回路
５２ 抵抗器（制限要素）
５４ スイッチ（断接部）
５６ 制御部
６０ インバータ回路（第１の駆動部）
７０ パワーアンプ回路（第２の駆動部）
８０，９０ 電流センサ
１００ 駆動装置
２００ 制御装置
２０２ 停電検出部
２０４ リンク電圧検出部
２０６ 電流検出部
２０８ 回転数制御部
２１０ リンク電圧指令出力部
２１２ ＰＩ制御部
２１４ 変換部
２１６ 切替部
２１８ 変換部
２２０ ＰＩ制御部
２２２ 変換部
２２４ 駆動指令生成部

Claims (3)

  1. 直流リンク部と、
    外部電源の電力を所定の直流電力に変換して前記直流リンク部に供給する順変換部と、
    ターボ圧縮機の圧縮機構を回転駆動する電動機部と、
    前記圧縮機構の回転軸を磁気的に支持する支持部と、
    前記直流リンク部からの電力で前記電動機部を駆動可能であると共に、前記回転軸からの動力を電気エネルギに変換する回生動作を前記電動機部に行わせ、前記直流リンク部に回生電力を出力可能な第１の駆動部と、
    前記直流リンク部からの電力で前記支持部を駆動する第２の駆動部と、を備え、
    前記第１の駆動部は、前記直流リンク部の電圧が前記外部電源の電力が正常に供給されるときの前記直流リンク部の電圧よりも高くなるように、前記電動機部に前記回生動作を行わせる、
    駆動装置。
  2. 前記第１の駆動部は、前記外部電源から前記順変換部への電力供給が停止する停電時に、前記電動機部に前記回生動作を行わせる、
    請求項１に記載の駆動装置。
  3. 前記順変換部と前記直流リンク部との間に設けられ、前記外部電源からの電流を制限可能な制限素子と、
    前記制限素子の両端間を短絡させる電力経路の接続状態と遮断状態とを切り替える断接部と、を備え、
    前記断接部は、前記外部電源から前記順変換部への電力供給が停止する停電時に、前記電力経路を接続状態にする、
    請求項１又は２に記載の駆動装置。
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