WO2003032482A1 - Appareil de commutation d'enroulements de moteur triphase a courant alternatif - Google Patents

Description

關分野]

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、 卷取り機、 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。

' [背景技術]

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レ、ト 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、 卷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、 2 2は電源、 1 6〜2 1は 3相全波整 流ブリッジを構成するダイォード、 1 5は平滑コンデンサである。 1 4は交流電 源 2 2を直流電源に変換するコンバータ部である。 端子 T P , T Nはコンバータ 部 1 4の直流出力端子であり、 ィンバータ部 1の入力となる。 2は交流電動機、 T 1〜T 6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。 Ν 1は中性点である。 低速領域ではスター (Υ) 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。 低速時にはスィッチ 5を閉じて卷線を直列接続し、 高速時にはスィツチ 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、 スィッチ 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。 スィッチ 9を閉じると卷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、 残りの卷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、 磁束を作るための卷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 3 0 3 7 4 7 1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ィツチによって切換る ことを前提にしたものである。 スィツ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— 9 9 9 5 9で開 示したもので、 2組のィンパータを組合せて， 各ィンバータの制御方法の変更に より、 スタ一結線とデルタ結線とを無接点で切換えるものである。 図 1 0は、 IE EE Transactions on Industry Appiications、 Vol. 32d No. 4、 July/August、199 6、 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 つた仕様の卷線を 2台のィンバータで駆動し、 それぞれの電流べクトルの組合せ 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 P it用のダイォ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 2 7 4 2 8 0 0号で開示されている。

図 6、 7、 8の方式や特許第 3 0 3 7 4 7 1号の技術では、 すべて接点付きの スィ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パ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 2 7 4 2 8 0 0号の方式では、 半導体素子による開閉、 あるいは制御モー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 2 7 4 2 8 0 0号の方法では、 卷線の中間点に 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。

[発明の開示]

本発明ほ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相交流電動機の卷線切換装置を提供することにある。

( 1 ) 卷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、 卷線切換用の半導体 スィツチ素子を極力少なくして小形で低コストにする。

( 3 ) 卷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、 卷線の絶縁を強化し なくてよいようにする。

本発明は上記目的を達するため、 各相の卷線が複数の卷線からなり、 前記複数 の卷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卷線切換手段と、

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 相交流電動機の卷線切換装置にぉレ、て、

前記卷線切換手段が、 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 けた半導体スィッチとからなるものである。

また、 前記複数の 3相整流手段を 3相全波整流ダイォードブリッジとしたこと を特徴とする請求項 1記載の 3相交流電動機の卷線切換装置である。

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、 前記半導体スィ ツ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、 前記半導体スィッチがオンの時に、 前記並列回路から前記半導 体スィツチに逆流しない方向に設けられたダイォードを介して前記 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請求項 1記載の 3相交 流電動機の卷線切換装置である。 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、 前記半導体スィ ツチがオフの時に、 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、 前記半導体スィッチがオンの時に、 前記可変周波数電源の前記直 流母線から前記半導体スィツチに逆流しない方向に設けられたダイォードを介し 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請求項 1記載の 3相交流電動機の卷線切換装置である。 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。

各相の巻線が複数の卷線からなり、 前記複数の巻線を互レ、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 切換える卷線切換手段と、 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相交流電動構の卷線切換装置において、 前記卷線切換手 段が、 前記各相卷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ィッ 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 ) 構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 スィツチ素子を極力少なくして小形で低コストにできる。

( 3 ) 卷線の中間点電源を供給する場合においても、 残りの使用しない卷線部分 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、 卷線の絶縁を強化し 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、 格段に短い時間で卷線の切 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は、 本発明の第 1実施例の基本回路構成図である。 図 2は、 本発明の電圧 状態を示す図である。 図 3は、 本発明の切換えシーケンスを示す図である。 図 4 は、 本発明の第 2実施例の回路構成図である。 図 5は、 本発明の第 1実施例 （図

1) の応用変形例の回路構成図である。 図 6は、 従来のスター ·デルタ卷線切換 えの構成図である。 図 7は、 2組のスター卷線を直並列に切換える従来技術であ る。 図 8は、 従来の卷線切換えの構成図である。 図 9は、 2組のインパータを組 み合わせた従来技術である。 図 10は、 従来の巻線切換えの構成図である。

[発明を実施するための最良の形態]

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¾1であるィンバータ部であり、 主回路トランジスタ Q 1〜Q 6から構成され る。端子 TP、 ΤΝ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は卷線切換部である。 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 TU 3、 TV 3、 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の各相の卷線端子の一端 TU 2、 TV2、 TW

2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。

交流電動機 2の各相の卷線端子の他端 T U 4、 T V 4、 TW4は卷線切換部 1 2中の 3相ダイオードブリッジ DB 2の交流入力端子 TU 7、 TV 7、 TW7に 各々接続される。 交流電動機の各相の前記中間端子 TU 3、 TV 3、 TW3は、 卷線切換部 12中の 3相ダイォードプリッジ D B 1の交流入力端子 TU 6、 T V 6、 TW 6に各々接続される。 3相ダイオードブリッジ DB 1、 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ゃ I GBTのような自己消弧形の半導体スィツチング素 子である。

ここで卷線切換部 12の構成を説明する。 D 1、 D 2は 3相ダイォードプリッ ジ D B 1の直流出力側に接続されたダイォードである。 t) 3、 D 4は 3相ダイォ 一ドブリッジ D B 2の直流出力側に接続されたダイォードである。 ダイォード D 1、 D 2は半導体スィツチ SW1がオフの時に DB 1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 D 3、 D4も Dl、 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。 ダイォード D 1の力ソード側の一端は、 C R並列接続端子の一端とダイォード D 3のカソード側の一端に接続される。 ダイ ォード D 1のァノード側の一端は、 3相ダイォードブリッジ D B 1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 D 2のァノード側の一端 は、 C R並列接続端子の他端とダイォード D 4のァノード側の一端に接続される。 ダイォード D 2のカソード側の一端は、 3相ダイォードブリッジ D B 1の直流出 力の負側耑子と SW 1めエミッタへ接続される。 ダイォード D 3のァノード側の 一端は、 3相ダイォードブリッジ D Β 2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 D 4のカソード側の一端は、 3相ダイォードブリッ ジ DB 2の直流出力の負側端子と SW2のェミッタへ接続される。

次に図:！ ^の動作を説明する。 いま、 .SW1だけをオンする （SW2は OFF) と、 DB 1を通してモータ,端子 TU3、 TV3、 TW3が短絡することになり、 モータ卷線の一部分である TU 2— TU 3、 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、 卷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!/ヽため、 D3、 R、 D 4を流れる電流は無視できるほど小さい。 この構成は、 モータ卷線 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、 SW 2だけをオンする (SW1は OF F) と、 DB 2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 D B 1の直流出力側の負側端子から D 1、 R、 D2を流れる電流は無視できるほど 小さい。 この構成は、 前者のモータ卷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では卷線切換部の逆流防止ダイォードがコ 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、 D 1、 D 3のダイォードは端子 T P 1から可変周波数電源であるィンバータ部 1 直流側の入力端子 T Pに接続され、 D2、 D4のァノードは端子 T N 1力らィ 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 DB 1、 DB 2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。

図 2は、 SW1をオンしたときと、 SW2をオンしたときの、 電圧の状態をべ クトル的に表したものである。 卷線の一部を使った高速卷線 （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 同等な電圧し力誘起しないことが分かる。

次に卷泉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 号により先ずィンパータ部 1側で電流を遮断する。 この無電流の状態で SW 1、 SW2間の切換えを行い、 その後インパータ部 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 t 1 、実際の切換えに要する時間となる。 （S G 1 ) はィンバータ制御回路又はィンバータを制御する上位制御装置から出力さ れる卷線の切換え信号、 （ S G 2 )はモータ卷線に流れる電流、 （ S G 3 ) 、 (S G4) は各々半導体スィッチ 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 _t 1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。 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 つて、 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、 双方の半導体スィッチ SW 1と SW2がオフとなるデッドタイム t 2を入れる必要がある。 このデットタイ ムは、 半導体の高速スィツチング特性によりごく短くてすむものの （通常、 数マ ィグロ秒以下） 、 モータ卷線のインダクタンス （L) に蓄えられた電流 （i) に よるエネ ギ （E = (l/2)L i ²) 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 D 1、 D 2、 D3、 D 4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、 SWl、 SW2はダイオード D l、 D2、 D3、 D 4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。

本発明の第 2の実施例を図 4に示す。本実施例は、モータの各相毎の卷線が各々 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 Iの分害 ij数が 2力 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 DB 3、 ダイオード D 5、 D6、 半導体スィッチ SW 3を増設し た点である。

次に第 2実施例における卷線切換部 13が第 1実施例の卷線切換部 12と異な る構成について説明する。 ダイォード D 5の力ソード側の一端は、 ダイォード D 1、 D 3のカソード側端子と同様に C R並列接続線端子の一端に接続される。 ダ ィォード D 5のカソード側の一端は、 3相ダイォードブリッジ D B 3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 D 6のァノード側端子は、 ダイオード D 2、 D 4のァノード側端子 と同様に CR並列接続端子の他端に接続される。 ダイォード D 6の力ソード側端 子は、 3相ダイォードブリッジ D B 3の直流出力の負側端子と S W 3のェミッタ 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 防止用のダイォ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。

[産業上の利用可能†生]

各相の卷線が複数の卷線からなり、 前記複数の卷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 切換える卷,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ぉレヽて、 前記卷線切換手 段が、 前記各相卷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ィッ チとで構成したので、 つきの効果をもつ。

( 1 ) 卷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、 卷線切換用の半導体 スィツ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、 残りの使用しない卷線部分 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、 卷線の絶縁を強化し 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、 格段に短い時間で卷線の切 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。

Claims

請求の範囲

1 . 各相の卷線が複数の卷線からなり、 前記複数の卷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 適宜切換える卷線切換手段と、 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相交流電動機の卷線切換装置にぉレ、て、 前記卷線切 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 イッチとカゝらなることを特徴とする 3相交流電動機の卷線切換装置。

2 . 前記複数の 3相整流手段を 3相全波整流ダイォードブリッジとしたことを 特徴とする請求項 1記載の 3相交流電動機の巻線切換装置。

3 . 前記複数の 3相整流手段の各々の直流出力側の両端に、 前記半導体スイツ 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、 前記半導体スィッチがオンの時に、 前記並列回路から前記半導体 スィツチに逆流しない方向に設けられたダイォードを介して前記 3相整流手段の 直流出力個 Jを前記並列回路に接続することを特徴とする請求項 1記載の 3相交流

4. 前記複数の 3相整流手段の各々の直流出力側の両端に、 前記半導体スィッ 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、 前記半導体スィッチがオンの時に、 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レ、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 ことを特徴とする請求項 1記載の 3相交流電動機の巻線切換装置。