WO2021200375A1 - 駆動装置 - Google Patents
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- H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
Definitions
- This disclosure relates to a drive device.
- a magnetic shaft support mechanism may be applied to a turbo compressor that is electrically driven by an electric motor.
- the shaft support mechanism needs to generate an electromagnetic force having a magnitude and a response speed that resists load fluctuations due to the surging phenomenon. Therefore, for example, when the voltage of the DC link circuit during the regenerative operation of the motor is relatively low, the shaft support mechanism is used to realize the response speed of the electromagnetic force that resists the load fluctuation due to the surging phenomenon that occurs with the deceleration of the motor. It may be necessary to reduce the number of turns of the coil.
- the flow current is increased in order to realize the magnitude of the electromagnetic force that resists the load fluctuation due to the surging phenomenon that occurs with the deceleration of the motor. May need to be increased. Therefore, as a result, the current capacity of the drive unit that drives the shaft support mechanism may become relatively large.
- An object of the present disclosure is to provide a technique capable of suppressing an increase in the current capacity of a drive unit that electrically drives a magnetic shaft support mechanism of a turbo compressor.
- DC link part and A forward conversion unit that converts the power of the external power supply into a predetermined DC power and supplies it to the DC link unit
- the motor unit that rotates and drives the compression mechanism, A support portion that magnetically supports the rotation axis of the compression mechanism and
- the electric power unit can be driven by the electric power from the DC link unit, and the electric motor unit can perform a regenerative operation for converting the power from the rotating shaft into electric energy, and the regenerative electric power can be output to the DC link unit.
- First drive unit and A second drive unit that drives the support unit with electric power from the DC link unit is provided.
- the first drive unit performs the regenerative operation on the motor unit so that the voltage of the DC link unit becomes higher than the voltage of the DC link unit when the power of the external power source is normally supplied. Let, let A drive is provided.
- the drive device makes the voltage of the DC link portion during the regenerative operation of the motor higher than the voltage when power is normally supplied from the external power source (for example, the voltage during power running operation of the motor). can do. Therefore, the response speed of the electromagnetic force that resists the load fluctuation due to the surging phenomenon that occurs due to the deceleration during the regenerative operation of the motor can be realized by the support portion including the coil having a relatively large number of turns. Further, the magnitude of the electromagnetic force that resists the load fluctuation due to the surging phenomenon that occurs due to the deceleration during the regenerative operation of the motor can be realized with a relatively small current flowing through the support portion. Therefore, it is possible to suppress an increase in the current capacity of the second drive unit that drives the support unit.
- a limiting element provided between the forward conversion unit and the DC link unit and capable of limiting the current from the external power source, It is provided with a connecting / disconnecting portion for switching between a connected state and a cutoff state of a power path that short-circuits both ends of the limiting element.
- the disconnection unit may connect the power path to the connection state at the time of a power failure when the power supply from the external power source to the forward conversion unit is stopped.
- turbo compressor configuration First, the configuration of the turbo compressor 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration centered on the drive system of the turbo compressor 1 according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the magnetic shaft support portion 20 and the power amplifier circuit 70.
- FIG. 3 is a diagram showing another example of the configuration of the magnetic shaft support portion 20 and the power amplifier circuit 70.
- FIG. 4 is a time chart showing an example of the regenerative link voltage command.
- the turbo compressor 1 includes a drive device 100 and a control device 200.
- the drive device 100 includes an electric motor 10, a magnetic shaft support portion 20, a forward conversion circuit 30, a DC link circuit 40, an inrush current suppression circuit 50, an inverter circuit 60, a power amplifier circuit 70, and a current sensor 80. Includes 90 and.
- the electric motor 10 (an example of the electric motor unit) rotationally drives the compression mechanism of the turbo compressor 1.
- the motor 10 includes a motor winding 11 provided on a stator (stator).
- the magnetic shaft support portion 20 (an example of the support portion) magnetically supports the rotating shaft of the compression mechanism of the turbo compressor 1, that is, the rotating shaft of the electric motor 10.
- the magnetic shaft support portion 20 is, for example, a shaft support winding 21.
- the shaft support winding 21 is provided on the stator of the motor 10 together with the motor winding 11, and generates an electromagnetic force for supporting the rotating shaft of the turbo compressor 1 (motor 10).
- the electric motor 10 corresponds to a so-called bearingless motor.
- the magnetic shaft support portion 20 may include a thrust magnetic bearing that supports the rotating shaft AX of the turbo compressor 1 (motor 10) in the thrust direction in place of or in addition to the shaft support winding 21.
- the thrust magnetic bearing includes, for example, two electromagnets arranged so as to sandwich a disk-shaped portion provided at one end of the rotation shaft of the turbo compressor 1 (motor 10) in the thrust direction. ..
- the magnetic shaft support portion 20 is, for example, a magnetic bearing 22.
- the magnetic bearing 22 includes a radial magnetic bearing 22A provided at one end of the rotating shaft AX of the turbo compressor 1 (motor 10) and a radial magnetic bearing 22B provided at the other end of the rotating shaft AX.
- the radial magnetic bearing 22A includes electromagnets 22A1, 22A2 arranged at one end of the rotating shaft AX so as to face each other with the rotating shaft AX sandwiched between them.
- the radial magnetic bearing 22B includes electromagnets 22B1, 22B2 arranged opposite to each other at the other end of the rotating shaft AX so as to sandwich the rotating shaft AX in between.
- the magnetic shaft support portion 20 (magnetic bearing 22) is a thrust magnetic bearing that supports the rotary shaft AX of the turbo compressor 1 (electric motor 10) in the thrust direction in place of or in addition to the radial magnetic bearings 22A and 22B. May include.
- the forward conversion circuit 30 (an example of the forward conversion unit) rectifies the AC power supplied from the external power supply PS and outputs a predetermined DC power to the DC link circuit 40.
- the forward conversion circuit 30 is, for example, a bridge-type full-wave rectifier circuit in which six diodes are formed in a bridge shape.
- the DC link circuit 40 (an example of the DC link unit) is electrically connected to the forward conversion circuit 30, the inverter circuit 60, and the power amplifier circuit 70, respectively.
- the DC link circuit 40 includes a forward conversion circuit 30 and a power storage unit 42 and a coil unit 44 for smoothing the DC power output from the inverter circuit 60 as described later.
- the DC link circuit 40 smoothes the DC power output from the forward conversion circuit 30, and supplies it to each of the inverter circuit 60 and the power amplifier circuit 70, for example.
- the DC link circuit 40 smoothes the regenerative power output from the inverter circuit 60 in response to the deceleration operation of the motor 10 when the turbo compressor 1 for decelerating the motor 10 is in a predetermined abnormality. And supply it to the power amplifier circuit 70.
- a predetermined abnormality includes, for example, a power failure in which the power supply from the external power supply PS to the drive device 100 is stopped.
- a predetermined abnormality includes, for example, an abnormality in the circuit operation of the drive device 100, an abnormal vibration of the rotating shaft of the turbo compressor 1 (motor 10), a communication abnormality in the control device 200, and the like. Is done.
- the power storage unit 42 is arranged in parallel with the forward conversion circuit 30, the inverter circuit 60, and the power amplifier circuit 70 in a power path connecting between the positive and negative bus lines.
- the power storage unit 42 smoothes the DC power output from the forward conversion circuit 30 and the inverter circuit 60 while appropriately repeating charging and discharging.
- the power storage unit 42 is, for example, an electrolytic capacitor.
- the coil unit 44 is provided on the positive bus side of the power storage unit 42 on the forward conversion circuit 30 side and in series with the forward conversion circuit 30, the inverter circuit 60, and the power amplifier circuit 70.
- the coil unit 44 smoothes the DC power output from the forward conversion circuit 30 and the inverter circuit 60 while appropriately generating a voltage so as to prevent a change in the current.
- the coil portion 44 is, for example, a DC reactor.
- the inrush current suppression circuit 50 is provided between the forward conversion circuit 30 and the DC link circuit 40, and suppresses the inrush current that can flow in the DC link circuit 40.
- the inrush current suppression circuit 50 includes a resistor 52, a switch 54, and a control unit 56.
- the resistor 52 (an example of a limiting element) is interposed in the bus on the positive side connecting the forward conversion circuit 30 and the DC link circuit 40 (coil portion 44). The resistor 52 limits the current output from the external power supply PS to the DC link circuit 40 via the forward conversion circuit 30.
- the switch 54 (an example of a disconnection portion) is arranged on an electric wire (hereinafter, “short-circuit path”) that short-circuits both ends of the resistor 52, and is connected to the short-circuited path (that is, closed) and cut off (that is, closed). That is, it switches between (open state) and.
- the switch 54 is, for example, a normally open type that is normally in a cut-off state (open state), and is put into a cut-off state (open state) in response to a control command from the control unit 56.
- the switch 54 is, for example, a switching element such as a thyristor, a triac, or a relay.
- the control unit 56 controls switching between the connected state and the disconnected state of the switch 54. Specifically, the control unit 56 takes in a signal related to the power supply state from the external power supply PS to the drive device 100 (hereinafter, “power supply state signal”) output from the power failure detection unit 202 described later. As a result, the control unit 56 can grasp whether or not there is a power failure state in which the supply of electric power from the external power supply PS to the drive device 100 is stopped. Further, the control unit 56 takes in a signal (link voltage detection value v ⁇ DC ) related to the voltage of the DC link circuit 40 (hereinafter, “link voltage”) output from the link voltage detection unit 204 described later. As a result, the control unit 56 can grasp the link voltage.
- link voltage detection value v ⁇ DC related to the voltage of the DC link circuit 40
- the control unit 56 normally maintains the switch 54 in a connected state (closed state). On the other hand, the control unit 56 outputs a control command to the switch 54, for example, when the power is supplied from the external power supply PS to the drive device 100 and the link voltage is relatively low.
- the switch 54 may be in a cutoff state (open state). Thereby, for example, the control unit 56 can output a control command to the switch 54 and put the switch 54 in the cutoff state (open state) when the power is turned on when the turbo compressor 1 is connected to the external power supply PS. Therefore, the short-circuit path connecting both ends of the resistor 52 is cut off, and the current output from the forward conversion circuit 30 passes through the resistor 52. Therefore, the action of the resistor 52 causes the turbo compressor 1 to flow. It is possible to suppress the inrush current that may occur when the power is turned on.
- the inverter circuit 60 (an example of the first drive unit) electrically drives the motor 10 by generating three-phase AC power from the DC power supplied from the DC link circuit 40 and supplying it to the motor winding 11. Can be done. Further, the inverter circuit 60 can cause the motor 10 to perform a regenerative operation of converting the power of the rotating shaft of the turbo compressor 1 (motor 10) into electric energy, and output the regenerative power to the DC link circuit 40.
- a series connection body switching leg in which two arms configured by arranging a switching element and a circulation diode in parallel are arranged in series is on the positive side and the negative side.
- the power amplifier circuit 70 (an example of the second drive unit) generates a predetermined electric power from the DC power supplied from the DC link circuit 40 and supplies the electric power to the magnetic shaft support unit to electrically charge the magnetic shaft support unit 20. Drive.
- the power amplifier circuit 70 is an inverter circuit 71.
- the inverter circuit 71 generates three-phase AC power from the DC power supplied from the DC link circuit 40, and supplies the three-phase AC power to the U-phase, V-phase, and W-phase windings of the shaft support winding 21.
- the shaft support winding 21 is electrically driven.
- the inverter circuit 71 has a two-arm series connection body (switching leg) formed by arranging a switching element and a circulation diode in parallel to connect between the positive side and negative side bus wires. It is composed of three arranged in parallel.
- the power amplifier circuit 70 is an H-bridge circuit 72.
- the H-bridge circuit 72 electrically drives the radial magnetic bearings 22A and 22B by generating a predetermined electric power from the DC electric power supplied from the DC link circuit 40 and supplying the electric power to each of the electromagnets 22A1, 22A2, 22B1, 22B2. .
- the H-bridge circuit 72 includes H-bridge circuits 72A1, 72A2, 72B1, 72B2 that supply electric power to the electromagnets 22A1,22A2, 22B1,22B2, respectively.
- the control device 200 controls the drive device 100.
- the function of the control device 200 may be realized by any hardware, or a combination of any hardware and software.
- the control device 200 is composed of, for example, a memory device such as a CPU (Central Processing Unit) and a RAM (Random Access Memory), an auxiliary storage device such as a ROM (Read Only Memory), and an interface device for input / output to / from the outside. Including the computer to be.
- the control device 200 includes a power failure detection unit 202, a link voltage detection unit 204, and a current detection unit 206. Further, the control device 200 includes a rotation speed control unit 208, a link voltage command output unit 210, a PI (Proportional Integral) control unit 212, a conversion unit 214, a switching unit 216, a conversion unit 218, and a PI control unit. It includes 220, a conversion unit 222, and a drive command generation unit 224.
- PI Proportional Integral
- the power failure detection unit 202 determines the power supply state from the external power supply PS to the drive device 100 (forward conversion circuit 30), and detects a power failure in which the power supply to the external power supply PS is stopped.
- the power failure detection unit 202 detects, for example, the intersection (zero cross) of the AC power voltage with the zero reference voltage in the power path between the external power supply PS and the drive device 100, thereby causing the drive device 100 (zero cross) from the external power supply PS.
- the state of power supply to the forward conversion circuit 30) is determined.
- the zero reference voltage may be a constant voltage slightly deviated from 0V (volts), and the amount of deviation of the zero reference voltage from 0V may be predetermined based on the assumed noise magnitude. .. As a result, it is possible to suppress erroneous detection of zero cross due to noise.
- the power failure detection unit 202 outputs a signal indicating the power supply state from the external power supply PS to the drive device 100.
- the link voltage detection unit 204 detects the link voltage of the DC link circuit 40 (that is, the voltage between the positive and negative generatrix).
- the link voltage detection unit 204 outputs a signal related to the link voltage of the DC link circuit 40.
- the signal output from the link voltage detection unit 204 includes, for example, the link voltage detection value v ⁇ DC .
- the current detection unit 206 detects the U-phase, V-phase, and W-phase currents of the motor 10 (motor winding 11) based on the signals taken from the current sensors 80 and 90.
- the current detection unit 206 outputs signals related to the detected U-phase, V-phase, and W-phase currents.
- the signal output from the current detection unit 206 includes, for example, the current detection values i ⁇ u , i ⁇ v , i ⁇ w of the U phase, the V phase, and the W phase, respectively.
- the rotation speed control unit 208 rotates the motor 10 at a predetermined rotation speed based on a signal output from the power failure detection unit 202 and a control command (hereinafter, “operation command”) indicating the operating conditions of the motor 10. It generates and outputs control commands i * d and i * q regarding the d-axis current and q-axis current during power running of the motor 10.
- the link voltage command output unit 210 outputs a control command (hereinafter, “regenerative link voltage command”) relating to the link voltage during the regenerative operation of the motor 10.
- the regenerative link voltage command includes, for example, a link voltage command value (hereinafter, “regenerative link voltage command value”) v * DC .
- the regenerative link voltage command value v * DC is larger than the link voltage when only the power from the external power supply PS of the power supply sources (external power supply PS and inverter circuit 60) to the DC link circuit 40 is supplied. It may be set to be high. Specifically, the regenerative link voltage command value v * DC may be set to be higher than the upper limit of the rated voltage range of the external power supply PS, for example. Further, the regenerative link voltage command value v * DC may be set to be higher than, for example, the average value or the maximum value of the voltage of the external power supply PS or the link voltage for a predetermined period (for example, the latest 10 minutes).
- the regenerative link voltage command value v * DC is necessary for the power amplifier circuit 70 to magnetically support the rotating shaft of the turbo compressor 1 (motor 10) on the magnetic shaft support portion 20 in addition to the above conditions.
- the voltage may be set higher than the above voltage.
- the PI control unit 212 performs PI control based on the deviation between the regenerative link voltage command value v * DC and the link voltage detection value v ⁇ DC so that the link voltage becomes the voltage command value v * DC.
- a control command i * DC relating to the current of the DC link circuit 40 is generated and output.
- the conversion unit 214 converts the control command i * DC into control commands i * d and i * q regarding the d-axis current and the q-axis current during the regenerative operation of the motor 10 and outputs the control command i * DC.
- the switching unit 216 When the power running operation of the motor 10 is instructed by the operation command, the switching unit 216 outputs a control command i * d regarding the d-axis current and the q-axis current during the power running operation of the motor 10 output from the rotation speed control unit 208. , I * q is selected and output. On the other hand, when the regenerative operation of the motor 10 is instructed by the operation command, the switching unit 216 outputs a control command i * d regarding the d-axis current and the q-axis current during the regenerative operation of the motor 10 output from the conversion unit 214. , I * q is selected and output.
- the switching unit 216 outputs the d-axis during the regenerative operation of the motor 10 output from the conversion unit 214 regardless of the content of the operation command.
- the control commands i * d and i * q regarding the current and the q-axis current may be selected and output.
- the control device 200 PI control unit 220, conversion unit 222, and drive command generation unit 224) performs an appropriate control operation according to the operating conditions of the motor 10 (whether power running operation or regenerative operation). Can be done.
- the conversion unit 218 sets the current detection values i ⁇ u , i ⁇ v , i ⁇ w of the U phase, V phase, and W phase output from the current detection unit 206 to the current detection values i ⁇ of the dq coordinate system. Convert to d and i ⁇ q and output.
- the PI control unit 220 performs PI control based on the deviations of the control commands i * d , i * q and the current detection values i ⁇ d , i ⁇ q output from the switching unit 216 and the conversion unit 218, and performs PI control of the electric motor 10. Outputs control commands v * d and v * q related to d-axis and q-axis voltages.
- the conversion unit 222 issues control commands v * d , v * q regarding the d-axis and q-axis voltages of the motor 10 output from the PI control unit 220 to the U-phase, V-phase, and W-phase of the motor 10, respectively. Converts to the control commands v * u , v * v , v * w related to the voltage of, and outputs them.
- the drive command generation unit 224 is an inverter circuit based on the control commands v * u , v * v , v * w regarding the respective voltages of the U phase, V phase, and W phase of the motor 10 output from the conversion unit 222. Generate a drive command to drive 60. Specifically, the drive command generation unit 224 generates a PWM (Pulse Width Modulation) waveform that drives each of the gates Gs1 to Gs6 of the six switching elements of the inverter circuit 60, and outputs the PWM (Pulse Width Modulation) waveform to the gates Gs1 to Gs6. As a result, the inverter circuit 60 can control the electric motor 10 under the control of the control device 200 to perform power running operation or regenerative operation.
- PWM Pulse Width Modulation
- the regenerative link voltage command value is equal to or less than the link voltage when power is normally supplied from the external power source to the forward conversion circuit (normal time). Is set to. In particular, in this example, the regenerative link voltage command value is set to be somewhat lower than the normal link voltage.
- the regenerative link voltage command value when the motor is regeneratively operated is set to some extent lower than the normal link voltage. Therefore, when the link voltage drops from time t11 and drops to a value corresponding to the regenerative link voltage command value, the link voltage is constantly controlled by that voltage value (see time chart 510).
- a power failure occurs in an operating state in which the differential pressure between the front stage and the rear stage of the turbo compressor is very large. Therefore, the deceleration of the turbo compressor (motor) causes a surging phenomenon in the turbo compressor, and the load fluctuation accompanying the surging phenomenon acts on the compression mechanism (impeller) of the turbo compressor, and the current of the magnetic shaft support portion fluctuates. (See time chart 530).
- the link voltage is somewhat lower than in the normal state.
- the magnetic shaft support portion generates an electromagnetic force having a magnitude that resists the load fluctuation caused by the surging phenomenon, so that it is necessary to pass a relatively large current (maximum current value I1 of the time chart 530). sell.
- the current capacity of the power amplifier circuit may become relatively large.
- the link voltage at the time of power failure is controlled to be relatively low, so that the power storage unit uses the power from the external power source until the link voltage rises to the link voltage required for the power running operation of the motor. Needs to be charged. Therefore, the motor cannot start the power running operation immediately, and the rotation of the motor continues to decrease until the time t13 when the link voltage reaches the normal level.
- FIG. 6 is a time chart 600 showing the operation of the turbo compressor 1 according to the present embodiment at the time of a power failure.
- the time chart 600 is a time chart 610, 620, 630 showing each time change of the link voltage of the turbo compressor 1 according to the present embodiment, the rotation speed of the motor 10, and the current of the magnetic shaft support portion 20. include.
- a power failure occurs at time t21, and the power supply to the turbo compressor 1 (drive device 100) from the external power supply PS is stopped. Then, after the power failure state continues until the time t22, the power is restored at the time t22, and the power supply from the external power supply PS to the turbo compressor 1 (drive device 100) is restored.
- the regenerative link voltage command value v * DC when the motor 10 is regeneratively operated is set higher than the normal link voltage (for example, the link voltage before a power failure) as described above. Therefore, when the link voltage rises from time t21 and rises to a value corresponding to the regenerative link voltage command value v * DC , it is controlled to be constant at that voltage value (see “High voltage control” in the time chart 610).
- the motor 10 performs regenerative operation by being decelerated and controlled, and the rotation speed of the motor 10 decreases (see the time chart 620).
- the link voltage is higher than usual to some extent.
- the magnetic shaft support portion 20 has a relatively large number of coil turns in order to generate an electromagnetic force having a magnitude and a response speed that resists load fluctuations caused by the surging phenomenon, and a relatively large amount of current is required. It can be suppressed to a small size.
- the magnetic shaft support portion 20 can reduce the maximum value of the required current to the maximum current value I2, which is smaller than the maximum current value I1 in the case of the comparative example.
- the control unit 56 keeps the switch 54 of the inrush current suppression circuit 50 in the connected state (closed state). .. Therefore, the current supplied from the forward conversion circuit 30 to the DC link circuit 40 after the power is restored is not limited by the inrush current suppression circuit 50.
- the turbo compressor 1 As a result, in the turbo compressor 1 according to the present embodiment, it is required by the time t23 when the electric motor 10 starts the power running operation immediately after the power is restored at the time t22 and returns to the level of the rotation speed before the power failure.
- the time (return time) can be shortened relatively.
- the drive device 100 and the control device 200 operate in the same manner as in the case of this example (FIG. 6) and have the same operation even in the case of other abnormalities in which the turbo compressor 1 should be decelerated. ⁇ Effective.
- the forward conversion circuit 30 converts the power of the external power supply PS into a predetermined DC power and supplies it to the DC link circuit 40.
- the electric motor 10 rotationally drives the compression mechanism of the turbo compressor 1.
- the magnetic shaft support portion 20 magnetically supports the rotation shaft of the compression mechanism.
- the inverter circuit 60 can drive the electric motor 10 with the electric power from the DC link circuit 40, and causes the electric motor 10 to perform a regenerative operation for converting the electric power from the rotating shaft into electric energy, and the DC link circuit 40 regenerates the electric power. It is configured to be able to output power.
- the power amplifier circuit 70 drives the magnetic shaft support portion 20 with the electric power from the DC link circuit 40. Then, the inverter circuit 60 causes the motor 10 to perform a regenerative operation so that the voltage of the DC link circuit 40 becomes higher than the voltage of the DC link circuit 40 when the power of the external power supply PS is normally supplied.
- the inverter circuit 60 may cause the motor 10 to perform a regenerative operation at the time of a power failure when the power supply from the external power supply PS to the forward conversion circuit 30 is stopped.
- the drive device 100 can restore the electric motor 10 to the level of the rotation speed before the power failure earlier after the power is restored.
- Turbo compressor 10 Motor (motor part) 20 Magnetic shaft support (support) 30 Forward conversion circuit (forward conversion unit) 40 DC link circuit (DC link section) 42 Power storage unit 44 Coil unit 50 Inrush current suppression circuit 52 Resistor (restricting element) 54 switch (connecting part) 56 Control unit 60 Inverter circuit (first drive unit) 70 power amplifier circuit (second drive unit) 80, 90 Current sensor 100 Drive device 200 Control device 202 Power failure detection unit 204 Link voltage detection unit 206 Current detection unit 208 Rotation speed control unit 210 Link voltage command output unit 212 PI control unit 214 Conversion unit 216 Switching unit 218 Conversion unit 220 PI Control unit 222 Conversion unit 224 Drive command generation unit
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Abstract
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。駆動装置100は、直流リンク回路40と、外部電源PSの電力を直流電力に変換して直流リンク回路40に供給する順変換回路30と、圧縮機構を回転駆動する電動機10と、圧縮機構の回転軸を磁気的に支持する磁気軸支持部20と、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圧縮機構の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なインバータ回路60と、直流リンク回路40からの電力で磁気軸支持部20を駆動するパワーアンプ回路70と、を備え、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。
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)。
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。
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。
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。
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できる。
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。
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、外部電源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。
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。
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。
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。
最後に、本願は、2020年3月31日に出願した日本国特許出願2020-062594号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
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(制限素子)
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
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(制限素子)
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)
- 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。 - 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。 - 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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