JP7183827B2 - 多巻線交流電動機駆動システム - Google Patents
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Description
図10の駆動システムでは、直流電源1に接続された(m×n)台の単相2レベルインバータ、例えばインバータ群211~21mが1台の駆動装置を構成し、この駆動装置がm群かつn相の(m×n)個の巻線を有する電動機M1を駆動している。同様にして、インバータ群2q1~2qmが1台の駆動装置を構成し、この駆動装置が同様に(m×n)個の巻線を有する電動機Mqを駆動している。
ここで、各インバータは、三角波等の搬送波(キャリア)と信号波とを比較して得たPWMパルスを用いて半導体スイッチング素子をオン/オフすることにより制御される。
また、電動機Mqの駆動装置を構成するインバータ群2q1~2qmは、上述したインバータ群211~21mと基本的に同様に構成されている。
なお、図10において、Vd11~Vd1m,Vdq1~Vdqmは各インバータの直流入力電圧、Vo111~Vo1mn,Voq11~Voqmn(Vo1mn,Voqmnは便宜上、図示せず)は単相出力電圧、io111~io1mn,ioq11~ioqmnは出力電流である。
図11において、1001は電動機M1用のインバータの制御回路であり、図10のインバータ群211~21mを制御する同一構成の制御部10011,10012,……,1001mからなっている。また、内部構成の図示は省略してあるが、100qは上記制御回路1001と同様に構成された電動機Mq用のインバータの制御回路である。
電流制御部5は、前記トルク指令と電流検出値io111~io11n及び位置検出値θから、インバータ群211のインバータINV111~INV11nに対する電圧指令111~11nを生成する。
基準化部6では、インバータ群211の直流入力電圧Vd11を用いて電圧指令111~11nを基準化することにより信号波111~11nを作成し、インバータINV111~INV11n用のPWM制御部111~11n内の比較器10にそれぞれ入力する。
PWM制御部111~11n内の搬送波発生器9は、位相111~11nと位相基準信号とに基づいてインバータINV111~INV11n用に設定された位相の搬送波111~11n(これらの符号は図示せず。以下、同じ。)を作成し、比較器10にそれぞれ入力する。これらの比較器10では信号波111~11nと搬送波111~11nとをそれぞれ比較することにより、各インバータINV111~INV11nのスイッチング素子に与えるオン/オフ信号(PWMパルス)を生成する。
AND回路121~12nによって運転/停止指令と比較器10の出力との論理積を求めれば、操作員により停止指令が設定された電動機を駆動するインバータの全てのスイッチング素子はオフされるため、当該電動機の運転を停止することができる。
なお、特許文献1には、一つの群において各相の搬送波位相をずらすことにより直流電流や電圧の振動を抑制できるという知見と共に、搬送波位相をずらしたインバータによりそれぞれ給電される二つの巻線間の干渉によって巻線電流の高調波成分が増加し、結果的に電動機の銅損が増加するという問題点も指摘されている。
この場合に、各電動機を駆動する5台のインバータ(例えば、インバータINV111~INV115)の出力電力の合計波形を周波数解析した結果を、図12,図13に示す。これらの図における縦軸、横軸は同スケールである。
図12は、5台のインバータINV111~INV115をPWM制御する際の搬送波の位相差を図14に示す如く180deg/5ずつとした場合の解析結果、図13は、搬送波を図15のように5台とも同位相とした場合の解析結果であり、位相以外の運転条件は全く同一である。
図12と図13とを比較すると、各インバータの搬送波に180deg/5ずつ位相差を設けた図12の(1),(2)の方が搬送波を全て同位相にした図13の(3)よりも小さくなっているが、それでも、最も問題となる第2調波付近の高調波成分を完全になくすことができていない。このため、当該高調波成分と同一周波数の直流電流等の振動が発生し、電動機にも同一周波数の機械的振動や騒音が発生するという問題がある。
このため、振動を抑制する防振ゴム等の防振対策や防音対策に多くの費用がかかり、システム全体のコストが高くなるという問題があった。
全ての前記多巻線交流電動機のうちの一部の電動機のみを運転する機能を備えた多巻線交流電動機駆動システムにおいて、
各電動機のm群の固定子巻線からそれぞれ一つの群を選択して得たq個の群により一つの組を構成して全電動機分の(m×q)個の群からm個の組を生成し、各組内の一台の電動機の一つの群を構成するn相の固定子巻線にそれぞれ給電するn台の単相インバータ用の搬送波位相と、同一組の他の電動機の一つの群を構成するn相の固定子巻線にそれぞれ給電するn台の単相インバータ用の搬送波位相とを、群ごとに、180deg/(q×m×p)の整数倍(p:自然数)の差を有し、かつ互いに異なる値となるように設定したことを特徴とする。
また、運転中の電動機を停止させ、あるいは停止中の電動機を復帰させる際に、各インバータ間の搬送波位相差を設定し直す必要がないため、位相差の切替回路や設定変更に伴う各インバータのスイッチング素子への異常なオン/オフ信号の発生対策を不要とし、簡素な制御により運転を継続しながら電動機の運転台数を変更することができる。
ここで、多巻線交流電動機駆動システムの全体的な構成は図10と同様である。すなわち、インバータ群211~21mからなる駆動装置が、m群かつn相の(m×n)個の固定子巻線を有する電動機M1を駆動し、以下同様にして、インバータ群2q1~2qmからなる駆動装置が(m×n)個の巻線を有する電動機Mqを駆動するものであり、これらのq台の駆動装置によって出力軸M1’~Mq-1’が連結されたq台の電動機M1~Mqをそれぞれ駆動するようになっている。
図11では、群ごとに搬送波位相設定器7及び搬送波位相基準信号発生器8を備えているのに対し、図1では、単一の搬送波位相設定器7A及び搬送波位相基準信号発生器8Aを備えている。そして、搬送波位相設定器7Aから、電動機M1を駆動するインバータ群(第1群~第m群)用の位相111~11n,……,1m1~1mnを出力し、以下同様に、電動機Mqを駆動するインバータ群(第1群~第m群)用の位相q11~q1n,……,qm1~qmnを出力する。また、搬送波位相基準信号発生器8Aは、電動機M1~Mqを駆動する各インバータ群(第1群~第m群)用の搬送波位相の同期をとるために共通の位相基準信号を出力する。
図1における他の部分については、図11と同一である。
なお、各実施形態では、全ての電動機を運転するモードだけでなく、一部の電動機を運転して残りの電動機を停止するモードについても考察する。
なお、各群を複数台の単相2レベルインバータにより構成する場合、最も問題になる高調波成分は、図12,図13のように第2調波成分であるため、通常はp=1としているが、電気的または機械的な共振点が例えば4fc(fcは搬送波周波数)付近にある場合などでは、p=2として第4調波付近の高調波成分を抑制することも可能である。
この場合にも、p=2とすることにより、第4調波付近の成分やより高次の高調波成分を抑制することができる。
ここで、4台の電動機M1~M4の第1群(m=1)の固定子巻線からなる4個(q=4)の群により一つの組を構成し、これを第1組とする。
例えば、電動機M1用の第1群の制御部20011においては、搬送波位相基準信号発生器8Aから出力される位相基準信号を共通の基準信号として、図2の例では、5台のインバータINV111~INV115用に搬送波位相設定器7Aから互いに36degの位相差を有する位相111~115を出力し、図3の例では、位相111~115を全て0degとする。また、電動機M2用の第1群の制御部20012においては、制御部20011と同様に前記位相基準信号を共通の基準信号として、図2の例では、5台のインバータINV211~INV215用に搬送波位相設定器7Aから互いに36degの位相差を有する位相211~215を出力し、図3の例では、位相211~215を全て0degとする。以下、電動機M3用,M4用についても同様の処理によって各インバータに対する搬送波位相をそれぞれ設定する。
また、図5は、図3に対応して、1台の電動機を駆動するための各5台のインバータに対する搬送波を同位相とした場合の各インバータの出力電力の合計波形を周波数解析した結果であり、(a)は4台の電動機を全て運転した場合、(b)は2台の電動機を運転(2台を停止)した場合を示している。
なお、図4(b),図5(b)のように2台の電動機を運転(2台を停止)するモードとしては、図2または図3において、電動機M1,M3を運転(電動機M2,M4を停止)する、あるいは、電動機M2,M4を運転(電動機M1,M3を停止)する、等の組み合わせが考えられるが、何れにしても、電動機M1,M3用または電動機M2,M4用の第1群の間の搬送波位相差は360deg/(q×m×p)=90degである。
何れの場合も、4台の電動機M1~M4の第1群の巻線に給電するインバータ用の搬送波の位相が、群ごとに、それぞれ180deg/4=45degの整数倍の差を有し、かつ互いに異なる値となるように設定されている。
また、図6の例では、図2と同様に、電動機M1~M4の第1群の巻線に給電する各5台のインバータINV111~INV115,INV211~INV215,INV311~INV315,INV411~INV415の搬送波の位相差がそれぞれ180deg/5=36degに設定され、図7の例では、図3と同様に全て同位相に設定されている。
更に、各インバータの搬送波位相を図7のように設定して4台の電動機M1~M4を運転した場合に、全インバータの出力電力の合計波形を周波数解析した結果は図5(a)と同一になり、2台の電動機、例えば電動機M1,M3または電動機M2,M4を運転した場合に、全インバータの出力電力の合計波形を周波数解析した結果は図5(b)と同一になる。
図8,図9は、2台の電動機M1,M2用の第1群の相互間の各インバータの搬送波位相差をそれぞれ45deg、第2群の相互間の各インバータの搬送波位相差をそれぞれ45degとし、かつ、電動機M1,M2用の第1群,第2群の間の各インバータの搬送波位相差をそれぞれ90degとした場合の搬送波位相を示しており、各電動機M1,M2の第1群の固定子巻線からなる2個(q=2)の群により構成した一つの組を第1組とし、同じく電動機M1,M2の第2群の固定子巻線からなる2個(q=2)の群により構成した一つの組を第2組としている。
これらの搬送波位相についても、図1の搬送波位相基準信号発生器8A及び搬送波位相設定器7Aの動作により生成される。
また、図9のように各群の全てのインバータに対する搬送波位相を同位相とすれば、搬送波位相をずらした場合の電動機の隣接巻線間の干渉に起因する高調波電流や銅損の増加を防ぐことができる。
211~21m,2q1~2qm:インバータ群
3:位置検出器
5:電流制御部
6:基準化部
7A:搬送波位相設定器
8A:搬送波位相基準信号発生器
9:搬送波発生器
10:比較器
111~11n:PWM制御部
121~12n:AND回路
20:運転/停止信号発生器
2001~200q:制御回路
20011~2001m:制御部
M1~Mq:多巻線交流電動機
M1’~Mq-1’:出力軸
INV111~INV11n,INV1m1~INV1mn,INVq11~INVq1n,INVqm1~INVqmn:単相2レベルインバータ
Claims (5)
- 互いに絶縁されたn相(n:4以上の整数)の固定子巻線をm群(m:自然数)有するq台(q:2以上の偶数)の多巻線交流電動機の出力軸を互いに連結し、前記固定子巻線に、直流電源から給電された(m×n)台の単相インバータの交流出力側をそれぞれ接続すると共に、搬送波と信号波とを比較するPWM制御により前記単相インバータの半導体スイッチング素子に対するオン/オフ信号をそれぞれ生成する多巻線交流電動機駆動システムであって、
全ての前記多巻線交流電動機のうちの一部の電動機のみを運転する機能を備えた多巻線交流電動機駆動システムにおいて、
各電動機のm群の固定子巻線からそれぞれ一つの群を選択して得たq個の群により一つの組を構成して全電動機分の(m×q)個の群からm個の組を生成し、各組内の一台の電動機の一つの群を構成するn相の固定子巻線にそれぞれ給電するn台の単相インバータ用の搬送波位相と、同一組の他の電動機の一つの群を構成するn相の固定子巻線にそれぞれ給電するn台の単相インバータ用の搬送波位相とを、群ごとに、180deg/(q×m×p)の整数倍(p:自然数)の差を有し、かつ互いに異なる値となるように設定したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動システム。 - 請求項1に記載した多巻線交流電動機駆動システムにおいて、
前記pが1または2であることを特徴とする多巻線交流電動機駆動システム。 - 請求項1または2に記載した多巻線交流電動機駆動システムにおいて、
全ての電動機のうちの(q/2)台の電動機の運転を停止することを特徴とする多巻線交流電動機駆動システム。 - 請求項3に記載した多巻線交流電動機駆動システムにおいて、
前記qが4以上である時に、一つの組における各群の搬送波位相差が360deg/(q×m×p)となる群を選択し、これらの群の固定子巻線を有する(q/2)台の電動機の運転を停止することを特徴とする多巻線交流電動機駆動システム。 - 請求項1~4の何れか1項に記載した多巻線交流電動機駆動システムにおいて、
前記mが2以上である時に、各電動機の一つの群の固定子巻線に給電するn台の単相インバータ用の搬送波位相と、同一電動機の他の群の固定子巻線に給電するn台の単相インバータ用の搬送波位相との差を、360deg/(q×m×p)に設定したことを特徴とする多巻線交流電動機駆動システム。
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