JPH03504195A - 多相負荷、静的変換器およびインダクタンスコイルを有する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 多相負荷、静的変換器およびインダクタンスコイルを有する装置本発明は、多相 負荷と、該負荷へ多相の電力を供給する静的変換器と、相線に配置されかつ共通 の磁気鉄心に同方向に巻かれさらに同一の巻線数を有する複数のインダクタンス コイルを含む装置に関する。

この種の装置は、たとえば負荷としての多相非同期電動機を駆動させる装置すな わち駆動手段として使用される。基本的に、この種の装置は、磁気振動器、圧電 共振器等、長い導線のような誘導エネルギー蓄積手段を含む負荷にも使用するこ とができる。

多相非同期電動機を負荷とする駆動手段において、駆動手段の要素の負担は、特 に高速旋回での運転時に、変換器の接続半導体出力段およびまたは非同期電動機 の電磁的つり合いの不完全さにより損なわれる。これは、上記の高速旋回と各動 的比か要求されず、電動機の軸受特に磁気軸受に高い性能を付与する必要がない かぎり重要でなかった。現在の高速駆動技術においては、シャフトに垂直に作用 する磁気力を許さずに、駆動手段の原動力を増大させることが要求されている。

非同期電動機の回転子部分の完全に異なるおよび新たな作用は、特に、その原動 力に関して、危険速度および軸受ストレスを生じる。このような駆動手段は、た とえば、国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨＯＯ１８８により公知である。

同じことは、磁気振動器、圧電共振器等の長い導線のような誘導エネルギー蓄積 手段を有する負荷にも適用される。

このような装置、特に駆動手段の変換器出力は、高周波の高電気的スパイクに影 晋されやすい。その結果、特に高飽和負荷での高駆動力運転状態において、すな わち要求エネルギーとエネルギー流の方向（加速および遮断）が切換操作により 生じた変換器の回復ダイオードの各負担で急激に変化するとき、変換器の信頼性 を維持する必要がある。現在公知の安全性の度合は、変換器の半導体出力段の保 護には不充分である。さらに、それらは電気的損失を発生し、したがって装置す なわち駆動手段の有効性を減少させている。

したがって、負荷および変換器の電磁的つり合いの不完全さは、負荷の援助の負 担となる。装置は、この負担により生じた異常と力に対処し克服しなければなら ず、それにより危険周波数を減衰させ、除去しなければならない。多相非同期電 動機を負荷とする駆動手段において、変換器および非同期電動機の電磁的つり合 いにおける不完全さは、非同期電動機の軸受に負担を生じさせる。この負担によ る力と異常は、軸受により耐え、駆動手段の要素により克服しなければならず、 そのため危険速度は低減されず、除去されない。

三相電力にスパイクの形で生じる相線における妨害を単一の穴開き鉄心の周りに 一方向に巻かれた複数のコイルにより抑圧することは、濾波技術およびたとえば ＥＰ−０３００８７２から公知である。これに関連して、高周波用の単一の穴開 き鉄心またはＵ−Ｉ薄板を使用することは、たとえば、ＪＰ５４−１４４８５１ から公知である。

加えて、高性能分野において、共通の鉄心に巻かれた複数のコイルにより三相整 流器からのパルスにより生じる電源網の負担を、変圧器のような作用により平衡 させることは、５Ｕ−６８０１０７により公知である。

しかし、このような技術は、変換器により周波数制御される負荷用の多相電源に 適用されていない。特に、この技術は、変換器により周波数制御される非同期電 動機の多相電源には、対称磁化の目的から使用されていない。現在適用可能の電 源範囲において、現在利用できる速度および原動力では、変換器およびまたは多 相非同期電動機の電磁的つり合いの不完全さを無視することができることから、 そのような適用をする必要はない。非対称力は駆動手段が低原動力および低速度 であることから無視し得る。これは、非同期電動機の回転速度の二乗の電力で高 速運転するときに変わる。同じことは、原動力についても通用される。直列に接 続された変換器において、スパイクは、現在まで、この目的用の既知の保護回路 に用いられているダイオード、抵抗器、キャパシタ等、変換器内の付加的な回路 素子により防止していた（スナツパ回路網）。

本発明の目的は、上記した装置、特に該装置が駆動手段に関するときの原動力、 信頼性および有効性を向上させることにある。特に、スパイクと、変換器出力段 の接続半導体要素およびまたは多相負荷の電磁的つり合いの不完全さとが信頼性 を低下させることを防止して、機能不能により生じる故障率を減少させる。

上記課題を解決する本発明の装置は、各インダクタンスコイルが負荷に給電する 相線に接続されているとともに変換器と負荷との間に直列に配置されていること により特徴付けられる。

変換器の接続用半導体出力段およびまたは多相負荷の電磁的つり合いの不完全さ を変圧器のような作用により平衡させるためには、インダクタンスコイルと磁気 鉄心とが、変換器の定格および周波数に調節された電力用変圧器と等しい次元を 有することが好ましい。

このような処置は、接続された多相負荷の磁界を平衡させる。負荷が多相非同期 電動機であるとき、非同期電動機を増大された原動力で運転することを許す高飽 和状態で高駆動力で非同期電動機を運転する間、軸受の負担が軽減される。この 利点は、非同期電動機の運転ノイズにより生じた雑音レベルが減少し、特にたと えば四極以上の多極電動機における危険速度による運転が減少するということに ある。

一般的なスパイクにおいて、平衡変換は、負荷に供給された出力の約３分の１に 等しい変圧器定格の相間で行われる。国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨ−８９１００１ ８８に記載された三相または四相の非同期電動機は、負荷として使用されている 。これらの電動機は電動機システムを構成しており、各電動機は同じ最大トルク を有する。

線間電圧および運転周波数の特性値は、互いに異なり、それぞれｆｌまたはｆｌ の比により形成される等比級数の要素であり、その結果比ｆｌまたはｆｌにより 形成された電動機システムの電動機は互いに調節される。もし負荷がこの電動機 システムの１つの電動機であるとき、このような電動機に適合する平衡変圧器が その巻線に関して、比ｆｌまたは、／７により形成された等比級数の要素の１つ であることになる。換言すれば、適切な平衡変圧器システムは国際特許出願Ｐｃ Ｔ／Ｃ）１８９１００１８８にしたがう電動機システムに適合し、このような平 衡変圧器システムの平衡変圧器は国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨ３９１００１８８の 基に電動機システムの適切な電動機のように形成の法則（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　 ｒｕｌｅ）として同じ比Ｊ３に設計されている。

電源の各相の変換器スパイクを除去するために、インダクタンスコイルと磁気鉄 心とを、これらのスパイクの定格および周波数に調節されたメインフィルタに等 しく設計することが好ましく、それにより各コイルは変換器の内部直流電源の基 準極へ導かれる変換器基１！端子にキャパシタを介して接続される中間端子を含 み、その結果スパイクは一１＝１の比に変換され、変換されたスパイクは基準端 子に供給される。これにより、接続半導体出力段からのスパイクが変圧器のよう な作用により除去される。さらに、各インダクタンスコイルを他のキャパシタと 並列に接続し、インダクタンスコイルの共振周波数を調節するために、転流の間 、変換されたスパイクの立上がりを調節することが好ましい。これにより、妨害 周波数スペクトルの電圧がそれを低周波範囲に移動させることによりおよびスパ イクの縁の急激性を減じることにより低下する。変換器の切換えノイズにより生 じる音響ストレスを減少させる。さらに、本発明の装置における電気要素の歪か 減少され、それら要素の信頼性が向上する。

他のコイルを磁気鉄心に配置し、これを給電変圧器の二次巻線として使用するこ とが好ましい。これにより、多相非同期電動機の使用時に、電源が遮断された場 合に、たとえば、上記のおよび国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨ３９１００１８８に記 載されている駆動手段から公知のように、負荷（絶縁変圧器を介して）に制動を かけることにより発生された電力から、変換器の非常用電力を得ることができる 。したかって、別の変圧器を必要としない。

インダクタンスコイルと磁気鉄心とは、キャパシタに接続する変換器巻線の小さ な比率を使用する平衡およびスパイク変圧器の結合ユニットとして構成すること がてきる。キャパシタに接続された結合ユニットの入力端は、変換器の半導体出 力段に接続される。２つの選択の間、すなわち、変換器の定格および周波数に調 節された給電変圧器に等しい最適な実施例と、スパイクの定格および周波数に調 節されたメインフィルタに等しい最適な実施例との間に妥協することが賢明であ る。インダクタンコイルと磁気鉄心とは、変換器の転流および生き位相の間を自 動的に識別することかできるフィルタとして共同する。インピーダンスコイルの 各インピーダンスは、転流位相の間は勝るが、生き位相の間は電流の総計がゼロ に等しい場合に互いに補正し互いの効果を平衡させる。静的変換器において、運 転周波数および整流周波数は１：１０００の比を有する。少なくとも３つの巻線 を有する平衡およびスパイク変圧器の結合ユニットとしてのインダクタンスコイ ルと磁気鉄心の配列において、製造上の理由から、スパイク変圧器として使用さ れる巻線比はｌ：２０〜１：５０になる。よって、インダクタンスは、スパイク 変圧器のために充分大きい。

以下に、図面を参照して本発明の典型的な実施例について説明する。

第１図は、本発明に係る装置の一実施例であって負荷として多相非同期電動機を 用いまたその駆動手段である実施例の電気回路のブロック図である。

第２図は本発明に係る装置における共通の磁気鉄心のインダクタンスコイルの典 型的な配置関係を示す図である。

以下においては、三相非同期電動機を負荷とする三相負荷用装置の実施例につい て説明する。この三相負荷用駆動手段は一実施例であり、本発明に係る装置は、 他の多相、特に四相および六相の負荷にも使用し得え、したがって端子、電線、 コイル、キャパシタ等の全ての構成要素は負荷の相の数に応じて異なり、たとえ ば、以下に説明する三相非同期電動機の実施例では３重または６重てあり、四相 の負荷の場合は４重または８重となる。

第１図を参照するに、変換器１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨ３９１００１８８ に記載された種類のものであり、また、三相電力用幹線２から三相電流を受け、 これを出力用電線３および接続用電線５を介して三相非同期電動機４へ供給する 。

各出力用電線３は、チョークコイルのようなインダクタンスコイル６を介して接 続用電線５に接続されている。各インダクタンスコイル６は、２つの巻線部６ａ 、６ｂと、両巻線部６ａ、６ｂの間の中央端子７とを含む。

各インダクタンスコイル６は、非同期電動機４へ電力を供給する接続用電線５に 個々に対応されており、また変換器１と非同期電動機４との間に直列に接続され ている。

第２図を参照するに、３つのインダクタンスコイル６は、共通の磁気鉄心８に巻 かれている。第２図に示す実施例では、磁気鉄心８は、Ｕ字状要素９と１字状要 素１０とを備えるＵ・■薄板鉄心として構成されている。しかし、これは一実施 例であり、磁気鉄心８は他の形状を有する他の要素により形成することができる し、１つの片から製作されたトロイダル鉄心として形成することができる。２つ の巻線部を有する実施例において、各インダクタンスコイルは３つの接続線３’ 　、５’　、７’を含み、中央の接続線７′は中央端子７に対応する。各インダ クタンスコイル６の２つの巻線部６ａおよび６ｂは、そわぞれ、接続線７°と３ ゛との間および接続線７゜と５″との間に配置されている。

共通の磁気鉄心８へのインダクタンスコイル６の巻き方向は、理想的な三相電流 （正確に１２０度移相されかつ全てのインダクタンスコイルにおいて正確に同じ 強さを有する正弦減電′ａ）がトータルでセロの磁束を磁気鉄心８に誘導する方 向である。

本発明に係る駆動手段の実施例において、インダクタンスコイル６と磁気鉄心８ とは、給電変圧器のような次元を有しており、また、変換器の定格および周波数 に適合されている。換言すれば、次元に関して、磁気鉄心８のインダクタンスコ イル６は、全ての項目が互いに１対１の位相比の電源変圧器として使用すること ができる平衡変圧器として設計されている。外部環境の基で、理想的な三相電流 からの電流偏差は、これらの偏差を妨害しかつ非同期電動機の多相電流がベクト ル的トータルで本質的にゼロになる磁束を誘導する。

国際特許出願ＰＣＴ／ＣＨ３９１００１８８に記載された種類の変換器を備える 駆動手段において、理想的な三相電流からの上記の偏差は、変換器の接続半導体 出力段または三相非同期電動機の電磁的つり合いの不完全さにより、主としても たらされる。それゆえに、磁気鉄心８に巻かれかつ変換器１と非同期電動機４と の間に直列に接続されたインダクタンスコイル６を用いる実施例は、変換器の接 続半導体出力段およびまたは三相非同期電動機４の電磁的つり合いの不完全さを 補正する。非同期電動機４の正確な動作に必要な鉄の量は、最小に減じられる。

非同期電動機４が高飽和かつ動的手法で運転されると、非同期電動機４における 上記の平衡変換は、固定子の鉄を一定利用て一致する同心に磁化させる。

変換器の接続半導体出力段およびまたは三相非同期電動機の電磁的つり合いの補 正により、非同期電動機のシャフト用軸受のストレスは、高駆動力運転において 特に減少し、特にシャフトに垂直に作用する軸受ストレスは、たとえ多相非同期 電動機が四極以上に接続されても減少する。さらに、高飽和のモータ時定数は、 電磁的つり合いを補正しかつ三相非同期電動機の鉄重量を減少させることにより 低くされる。

換言すれば、３つの同じ巻線数と同じ方向の磁束とを有する磁気鉄心は、電流源 からの強制電流出力として変換器出力の内部抵抗偵を増大させることなく、低イ ンピーダンス電気発生器の特性を有する変換器からの電流を平衡させることがで きる６つの極を構成する。

本発明は、特に高飽和および高駆動力に関して、非同期電動機を相当に高い駆動 力で回転させ、その回転性能をなめらかにする利点を有する。

本発明の駆動手段の実施例は、また、変換器をスパイクから保護するように設計 されている。インダクタンスコイル６と磁気鉄心８とは、このようなスパイクを 供給電流の各相から除去するために、インダクタンスコイルと磁気鉄心とが変換 器のスパイクの定格および周波数に適合された主フィルタに等しい次元を有する ように構成されている。

特に、インダクタンスコイル６は、上記実施例と比較して、変換器の接続半導体 出力段およびまたは三相非同期電動機の電磁的つり合いを補正するように設計さ れており、１０〜２０倍以上の巻線数を含む。

インダクタンスを直列に有する電力出力段においては、接点が接続または開放さ れたとき、接続半導体出力段にスパイクを生じる。

このようなスパイクを回復ダイオードにより除去することは公知である。しかし 、電圧の増加は理論上ゼロのときおこり、ダイオードはそれに追従することがで きず、したかつてダイオードを備えていても、許容できないスパイクが接続半導 体出力段に生じる。

各インダクタンスコイルの中間端子７は、キャパシタ１１を介して、変換器の基 準端子１２に接続されており、変換器１の内部直流電源の基準極に導ひかれてい る。キャパシタ１１はスパイクを基準端子に関して遅延させる。このため、１対 １の比を有する変圧器は、転換されたスパイクの周波数をインダクタンスコイル ６の２つの巻線部６ａ、６ｂの間に生じる。この変圧器は、インダクタンスコイ ル６の巻線部６ｂにおけるスパイクの増加と同じ大きさの反対方向に作用する電 圧をインダクタンスコイル６の巻線部６ａに誘導させる。転換されたスパイクは 、変換器１の基準端子１２に供給される。したがって、低損失でもって両妨害ス パイクは消滅され、実行立上り時間が長くされる。それゆえに、接続半導体出力 段のソフト的な変換が達成される。

さらに、接続半導体出力段に得られたソフト的な変換は電流の瞬時値により生じ 、その結果半導体出力段上のリアクタンス負荷と各キャパシタ７上の負荷とは、 変換の間減少される。変換の後、各インダクタンスコイル６の誘導効果は、消滅 する。

第１図に示すように、各インダクタンスコイルには、他のキャパシタ１３か並列 に接続されている。他のキャパシタ１３により、インダクタンスコイル６の共振 周波数、したがってスパイク変換の時定数を調節することができる。換言すれば 、キャパシタ１３により、妨害周波数スペクトルが制限され、それに上記のスパ イク変換が通用される。これにより、変換の間、変換されたスパイクの前縁の度 合いを調節することができる。

各インダクタンスコイルにおいて、電圧は、インダクタンスコイル６の（変換器 １の側の）＠線部６ａに誘導され、インダクタンスコイル６の（負荷の側の）＠ 線部６ｂにおけるスパイクと同じ大きさで逆に向けられる。このようなスパイク は、切換プロセス等により負荷の側に生じ、半導体出力段にとって危険なスパイ クは妨害周波数スペクトルにおいて低損失で減少される。加えて、実行立上がり 時間が長くされる。

本発明に係る駆動手段は、インダクタンスコイル７と、キャパシタ７．１３との 組合わせにより、変換器ｌの半導体出力段用の低損失保護回路を含む。この保護 回路は、スパイクを変換器の半導体出力段から非同期電動機４へ変換し、負荷の 側に供給されたスパイクを、変換器１の半導体出力段のためにもはや危険のない ように変換１−る。

インダクタンスコイル６の次元は、変換器の接続半導体出力段およびまたは三相 非同期電動機の電磁的つり合いを補正するためまたはスパイクを変換するために 、必要な電力、周波数スペクトル、およびそれらの目的に依存する。

スパイク変換による最も重要な結果は、駆動手段の高効率および低電気的損失で 、高動的運転状態における、すなわち切換えプロセスにより生じる変換器の回復 ダイオードの各負担によるエネルギー流の方向（加速／減速）と電力条件の通常 の変化を有する静的変換器の信頼性を高めることである。

電磁的つり合いの補正による最も重要な結果は、非同期電動機が高飽和状態で高 動的運転される間、軸受の負担が軽減されることであり、このため非同期電動機 を増大される力で駆動させることができる。

結果として、本発明の駆動手段のインダクタンスコイルによれば、駆動手段の接 続半導体出力段および非同期電動機の電磁的つり合いが最適になるから、変換器 の出力に付加的な内部抵抗が発生せず、その結果、熱損失がなく、駆動手段の効 率が低下しない。現在公知の保護回路（スナツパ回路網）は、本発明の駆動手段 とは反対に、熱損失をともなう抵抗器を含む。

本発明は上記実施例に制限されず、当業者であれば本発明の範囲内で本発明を実 施することができる。

１）島　霊膳　　喜　鯨　　牛 □□、に丁１０１９０１０００２１ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．多相の負荷と、該負荷へ多相の電力を供給する静的変換器と、相線に配置さ れかつ共通の磁気鉄心に同じ方向に巻かれさらに同一の巻線数を有する複数のイ ンダクタンスコイル（６）とを含む装置であって、各インダクタンスコイルは前 記負荷（４）への給電用の相線（３，５）に接続されかつ前記変換器（１）と前 記負荷（４）との間に直列に配置されている、装置。 ２．前記インダクタンスコイル（６）と前記磁気鉄心（８）とは、トランスのよ うな作用により前記変換器（１）または前記多相の負荷（４）の電磁的つり合い の不完全さを平衡させるべく、前記変換器（１）の定格および周波数に調節され た給電用トランスに等しい次元を有する、請求項１に記載の装置。 ３．前記インダクタンスコイル（６）と前記磁気鉄心（８）とは、電源の各相（ ３）からのスパイクを除去すべく、変換器（１）のスパイクの定格および周波数 に調節されたメインフィルタに等しい次元を有しており、各インダクタンスコイ ル（６）は、スパイクを−１対１の比に変換しかつ変換したスパイクを基準端子 （１２）へ供給すべく、変換器（１）の内部直流電源の基準極に導く変換器（１ ）の基準端子（１２）にキャパシタ（１１）を介して接続された中央端子（７） を含む、請求項１に記載の装置。 ４．前記インダクタンスコイルの共振周波数を調節すべく、各インダクタンスコ イル（６）と並列に接続された他のキャパシタ（１３）を含む、請求項３に記載 の装置。 ５．前記給電用トランスの二次側として使用される他のコイル（１４）が前記磁 気鉄心（８）に配置されている、請求項２に記載の装置。 ６．前記装置は駆動手段であり、前記負荷は多相非同期電動機である、請求項１ に記載の装置。