巻線形誘導機の駆動装置
【課題】簡単な構成で巻線形誘導機を高トルクにて始動可能とした駆動装置を提供する。
【解決手段】巻線形誘導機１の固定子巻線１Ｓ及び回転子巻線１Ｒに給電するための電力変換器２と、電力系統と固定子巻線１Ｓとの間に接続された第１の開閉器４１と、電力変換器２と固定子巻線１Ｓとの間に接続され、その閉動作時に固定子巻線１Ｓと回転子巻線１Ｒとの印加電圧・電流の相回転方向が互いに異なるように結線される第２の開閉器４２と、を備えた駆動装置において、固定子巻線１Ｓを、第２の開閉器４２と相間リアクトル８Ａとを介して電力変換器２の出力側に接続すると共に、回転子巻線１Ｒを、相間リアクトル８Ａを介して電力変換器２の出力側に接続し、かつ、電力変換器２の出力側を、直接または等価的に相間リアクトル８Ａの中間タップに接続する。
【解決手段】巻線形誘導機１の固定子巻線１Ｓ及び回転子巻線１Ｒに給電するための電力変換器２と、電力系統と固定子巻線１Ｓとの間に接続された第１の開閉器４１と、電力変換器２と固定子巻線１Ｓとの間に接続され、その閉動作時に固定子巻線１Ｓと回転子巻線１Ｒとの印加電圧・電流の相回転方向が互いに異なるように結線される第２の開閉器４２と、を備えた駆動装置において、固定子巻線１Ｓを、第２の開閉器４２と相間リアクトル８Ａとを介して電力変換器２の出力側に接続すると共に、回転子巻線１Ｒを、相間リアクトル８Ａを介して電力変換器２の出力側に接続し、かつ、電力変換器２の出力側を、直接または等価的に相間リアクトル８Ａの中間タップに接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線形誘導機の回転子巻線に接続された電力変換器によって巻線形誘導機を始動または停止させる駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固定子巻線が電力系統に接続され、回転子巻線が電力変換器に接続された巻線形誘導機では、すべりが小さい速度範囲で運転する場合、回転子側の小さな電力で固定子側の大きな電力を制御できる特徴があり、これによって電力変換器の所要容量を小さくできる利点がある。しかるに、そのためには、巻線形誘導機を所定の回転速度まで加速させる始動装置が別途必要になる。
【０００３】
このため、従来より、巻線形誘導機の回転子巻線と電力変換器との間を開路するとともに、回転子巻線に直列に始動抵抗を接続して始動する方法がよく知られている。この方法は、始動時に電力変換器に印加される過電圧から電力変換器を保護すると共に、始動時に流れる過大な突入電流を抑制することを可能にしている。ただし、この方法では比較的大形で高価な始動抵抗が必要になり、また、少なからず電力系統に突入電流が流れるという問題がある。
【０００４】
一方、双方向の電力変換が可能な電力変換器、例えばＰＷＭコンバータとＰＷＭインバータとを直流中間回路を介して接続した電力変換器を使用して、巻線形誘導機を始動することも可能である。この種の方法としては、巻線形誘導機の固定子巻線を三相短絡することにより、かご形誘導機と等価な構成にして始動する方法が知られている。
【０００５】
しかし、上記の方法では、電力変換器の出力電圧の限界から巻線形誘導機に十分な磁束を発生させることができず、高速時の加速トルクが著しく低下するという欠点があり、例えば、同期速度のときのトルクが定格トルクの５％程度になる。このため、始動時間が著しく長くなったり、最悪の場合には目標速度まで加速できなくなる等の問題が生じる。
【０００６】
これらの問題を解決する始動装置や制御装置として、特許文献１〜特許文献３に記載された従来技術が知られている。
まず、図８は、特許文献１に記載された従来技術と原理的に等価な構成図（単線図）を示している。図８において、１は巻線形誘導機、２１，２２は第１，第２の電力変換器、３１，３２，３３は変圧器、４１は巻線形誘導機１の固定子巻線と電力系統との間に接続された開閉器、４６は固定子巻線と三相短絡器との間に接続された開閉器、４２〜４５は巻線形誘導機１の回転子巻線または変圧器３３と電力変換器２１，２２との間に接続された開閉器である。
【０００７】
この従来技術では、始動時に開閉器４１をオフ（開路）し、開閉器４６をオン（閉路）にして固定子巻線を三相短絡する。また、開閉器４２をオンすることにより、電力変換器２１から回転子巻線に電力を供給して巻線形誘導機１を始動する。
【０００８】
このときの、巻線形誘導機１の回転速度に対する回転子電圧及び加速トルクの波形例を、図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ破線で示す。電力変換器２１の出力電圧限界から、図９（ｂ）に示すごとく、速度上昇と共に加速トルクは低下する。ここで、電力変換器２２と、ブースタトランスと称される変圧器３３とは、加速トルクが不足する場合に使用される付帯機器である。
加速トルクが不足する場合は、開閉器４２，４４をオフして開閉器４３，４５をオンにし、変圧器（ブースタトランス）３３を介して第１の電力変換器２１の出力電圧に第２の電力変換器２２の出力電圧を重畳し、その電圧が巻線形誘導機１の回転子電圧になるようにする。
図９（ａ），（ｂ）における実線は電力変換器２１，２２の出力電圧重畳時の回転子電圧、トルクを示しており、これらの図から明らかなように、第２の電力変換器２２及び変圧器３３の使用によって回転子電圧の上限が大きくなるので、高速時の加速トルクを大きくすることができる。
【０００９】
次に、図１０は、特許文献２によって回路構成とその原理が開示され、特許文献３によって制御方法が開示された従来技術と原理的に等価な構成図を示している。なお、この従来技術では三相間の接続が重要であるため、図１０では三相接続図として表してある。
図１０において、４１，４２は図８と同様に開閉器、１は巻線形誘導機、２は電力変換器、３は変圧器、６は回転子位置を検出する位置センサ、７は制御装置、５１，５２はそれぞれ回転子電流、固定子電流を検出する電流センサである。
【００１０】
巻線形誘導機１を始動するときは、開閉器４１をオフして開閉器４２をオンする。開閉器４２をオンすると、回転子巻線と固定子巻線とが並列接続されることになるが、図１０では、電力変換器２から給電される回転子巻線電圧と固定子巻線電圧の相回転方向が互いに逆方向となるように結線されている。
【００１１】
ところで、誘導機では、周波数に対する毎分の回転数Ｎの定常値が、数式１によって表される基本特性がある。
［数１］
Ｎ＝（１２０／極数）×（固定子巻線の周波数−回転子巻線の周波数）
【００１２】
数式１において、周波数とは相順を考慮した巻線に流れる電流の周波数であり、正相順の場合は正値、逆相順の場合は負値である。このため、固定子電流が正相順、回転子電流が逆相順であって、両者の周波数の絶対値が同一の場合、巻線形誘導機は固定子電流の周波数の２倍の速度で回転する。
例えば、極数が４極（ｐ＝４）の誘導機を小さいすべりで１５００〔ｒ／ｍｉｎ〕にて回転させる場合、同期速度Ｎｓ＝１２０ｆ／ｐ＝１５００の関係から、図８の構成によると電力変換器２１が出力すべき周波数ｆは約５０〔Ｈｚ〕になるが、図１０の構成では回転子巻線と固定子巻線とが逆相順であるため、電力変換器２が出力すべき周波数ｆは約２５〔Ｈｚ〕となる。このように電力変換器２の出力周波数が低下すると、誘導機１の同一磁束に対して必要な端子電圧が低くて済むので、この従来技術によれば、端子電圧が低くても大きなトルクを発生することができる。
【００１３】
特許文献３においては、図１０に示すように回転子巻線の電流を検出する電流センサ５１、固定子巻線の電流を検出する電流センサ５２、及び、回転子位置を検出する位置センサ６を備えることを前提としている。制御装置７では、これらのセンサ５１，５２，６による各検出値と巻線形誘導機１の等価回路定数とを用いて、巻線形誘導機１の励磁電流、トルク発生に寄与するトルク電流、磁束、磁束角の変化率、励磁電流とトルク電流との相互的な影響を相殺するための補正量等を演算し、これらを電力変換器２の制御に反映させることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−７９９５号公報（段落［００１９］〜［００２１］、図２等）
【特許文献２】昭６３−１１７６７８号公報（第３頁左上欄第１２行〜右下欄第１７行行、第１図等）
【特許文献３】特開平１−２４８９８４号公報（第４頁右下欄第９行〜第５頁左下欄の下から第６行、第１図等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に係る従来技術では、巻線形誘導機を始動するために第２の電力変換器、ブースタトランス及び開閉器が必要になることから、装置全体が大形化・高コスト化する問題がある。
また、特許文献３に係る従来技術では、回転子電流と固定子電流とを合成した電流は制御できるものの、電力変換器が１台であるため、回転子電流と固定子電流とをそれぞれ個別に制御できないという基本的な問題がある。
【００１６】
そこで、本発明の解決課題は、特許文献２に開示された主回路を基本構成として、簡単な構成で巻線形誘導機を高トルクにて始動可能とした駆動装置を提供することにある。なお、本発明は、巻線形誘導機を停止させる場合にも適用できるが、以下では巻線形誘導機の始動装置として機能させる場合につき説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、巻線形誘導機の固定子巻線及び回転子巻線に給電するための電力変換器と、電力系統と前記固定子巻線との間に接続された第１の開閉手段と、前記電力変換器と前記固定子巻線との間に接続され、その閉動作時に前記固定子巻線及び前記回転子巻線への印加電圧・電流の相回転方向が互いに異なるように結線される第２の開閉手段と、を備えた巻線形誘導機の駆動装置において、
前記固定子巻線を、前記第２の開閉手段と相間リアクトルとを介して前記電力変換器の出力側に接続すると共に、前記回転子巻線を、前記相間リアクトルを介して前記電力変換器の出力側に接続し、かつ、
前記電力変換器の出力側を、直接または等価的に前記相間リアクトルの中間タップに接続したものである。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記相間リアクトルを構成する巻線のうち、前記固定子巻線に接続される巻線と前記回転子巻線に接続される巻線との巻数比が、前記固定子巻線と前記回転子巻線との巻数比にほぼ等しいことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る発明は、請求項２において、電力変換装置の出力側に接続された電流センサと、巻線形誘導機の回転速度が所定値以下では回転子巻線軸と固定子巻線軸との中間位置を基準軸として、電流センサによる検出電流を前記基準軸に平行な第１の電流成分（ｄ軸電流という）と前記基準軸に直交する第２の電流成分（ｑ軸電流という）とからなる回転座標系の電流成分に座標変換する手段と、巻線形誘導機の磁束または端子電圧に基づいてｄ軸電流を制御し、巻線形誘導機のトルクまたは回転速度に基づいてｑ軸電流を制御する手段と、を備えたものである。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、電力変換器の出力側と回転子巻線とを接続する第３の開閉手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回転子巻線及び固定子巻線に相回転方向が互いに異なる同一周波数の交流電圧・電流を電力変換器から供給することにより、印加周波数の倍速度で回転可能な巻線形誘導機の駆動装置において、相間リアクトルを介して回転子巻線と固定子巻線とに給電し、相間リアクトルの巻数比を巻線形誘導機の巻数比に関連付けて設計することにより、巻線形誘導機の磁束制御とトルク制御とを分離して制御するベクトル制御が可能となる。これにより、巻線形誘導機や電力変換器が能力として有する最大電力または最大トルクで巻線形誘導機を始動することができる。
通常、巻線形誘導機の巻数比は１前後に設計されることが多い。この場合、相間リアクトルの端子電圧は電力変換器の出力電圧に比較して非常に小さな電圧となるため、本発明によれば相間リアクトルの容量を小さくすることができ、装置の小形化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態の主回路を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の主回路を示す構成図である。
【図３】図１及び図２における制御装置の構成図である。
【図４】本発明の実施形態におけるｄ軸，ｑ軸及び巻線軸の説明図である。
【図５】本発明の実施形態における巻線形誘導機の等価回路図である。
【図６】図１及び図２における制御装置の他の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】特許文献１に記載された従来技術と原理的に等価な構成図である。
【図９】図８における誘導機の回転速度と回転子電圧及び加速トルクの関係を示す特性図である。
【図１０】特許文献２，３に開示された従来技術と原理的に等価な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態に係る駆動装置の主回路を示している。なお、図１では、本発明に関係する部分、すなわち巻線形誘導機の始動及び停止に関係する部分のみを記載してある。
【００２４】
図１において、巻線形誘導機１の固定子巻線１Ｓは、第１の開閉器４１を介して三相電力系統に接続されている。また、固定子巻線１Ｓと回転子巻線１Ｒとは、第２の開閉器４２と相間リアクトル８Ａとの直列回路を介して接続され、相間リアクトル８Ａの中間タップは電力変換器２の出力側に接続されている。この電力変換器２の入力側は、変圧器３を介して三相電力系統に接続されている。相間リアクトル８Ａは、相ごとに巻数Ｎ１の巻線８１と巻数Ｎ２の巻線８２とを直列に接続して構成されており、これらの巻線８１，８２は磁気結合されている。
ここで、開閉器４２は、そのオンにより相間リアクトル８Ａの三相出力のうち二相を入れ替えて固定子巻線１Ｓに接続するように結線されている。
【００２５】
巻線形誘導機１の回転子には位置センサ６が接続されており、その出力である回転子位置θｒは制御装置７に入力されている。また、電力変換器２の出力側には電流センサ５が設けられ、その出力である電流検出値Ｉａ，Ｉｃも制御装置７に入力されている。
制御装置７は、電力変換器２に対する三相各相の電圧指令値Ｖａ＊，Ｖｂ＊，Ｖｃ＊を生成して出力するものである。
【００２６】
次に、この実施形態における巻線形誘導機１の始動時の動作を説明する。
巻線形誘導機１の始動時には、まず、開閉器４１をオフして開閉器４２をオンする。開閉器４２をオンすると、電力変換器２から相間リアクトル８Ａを介して、固定子巻線１Ｓ及び回転子巻線１Ｒの両方に同一周波数の交流電圧・電流が供給されるが、前述したような開閉器４２の相入れ替え作用により、両巻線１Ｓ，１Ｒに給電される電圧・電流の相回転方向は互いに逆方向となる。
【００２７】
本実施形態の特徴は、開閉器４２と直列に相間リアクトル８Ａが接続されると共に、電力変換器２の出力側が相間リアクトル８Ａの中間タップに接続されていることである。また、電力変換器２の出力側の電流センサ５からは、回転子電流と固定子電流との合成電流が検出されて制御装置７に入力されることになる。
【００２８】
ところで、一相当たり二巻線、例えば巻線８１，８２が磁気結合された相間リアクトル８Ａでは、二巻線８１，８２を流れる電流が生成する合成起磁力がゼロに近付くような起電力を発生する。その結果、相間リアクトル８Ａの中間タップからみて、固定子巻線１Ｓに接続される巻線８１の巻数をＮ１とし、回転子巻線１Ｒに接続される巻線８２の巻数をＮ２にすると、回転子巻線１Ｒに供給される電流Ｉｒと固定子巻線１Ｓに供給される電流Ｉｓとの比Ｉｒ／Ｉｓを、理想的にはＮ１／Ｎ２と等しくすることができる。
なお、制御装置７の動作については後述する。
【００２９】
次に、図２は第２実施形態の主回路を示す構成図であり、第１実施形態の変形例に相当する。
この第２実施形態では、相間リアクトル８Ｂが、相ごとに巻数Ｎ１の巻線８１と巻数Ｎ２の巻線８２とに二分割されて構成され、更に、図１と比べた場合に開閉器４２と巻線８１の位置とが入れ替わっている。すなわち、固定子巻線１Ｓの各相が巻線８１を介して開閉器４２の各一端に接続され、開閉器４２の各他端が、電力変換器２に接続されると共に巻線８２を介して回転子巻線１Ｒの各相に接続されている。この変形例でも、開閉器４２は、そのオンにより、巻線８１に対する三相出力のうち二相を入れ替えるように結線されている。
このように第２実施形態の主回路構成は図１と異なっているが、電気的な動作は図１と同一である。
【００３０】
上記第１実施形態または第２実施形態においては、巻線８１，８２の巻数比Ｎ１／Ｎ２を、巻線形誘導機１の巻数比と等しくする。すなわち、巻線形誘導機１の固定子巻線１Ｓの等価巻数をＮｓ、回転子巻線１Ｒの等価巻数をＮｒとすると、Ｎ１／Ｎ２＝Ｎｓ／Ｎｒとする。ここで、前述したようにＩｒ／Ｉｓ＝Ｎ１／Ｎ２の関係があるとすれば、結果としてＩｒ／Ｉｓ＝Ｎｓ／Ｎｒとなり、巻線形誘導機１の固定子側、回転子側の電流と巻数とは反比例の関係になる。
【００３１】
図３は、図１，図２における制御装置７の構成を示している。
図１，図２の位置センサ６により検出した、固定子に対する回転子位置θｒは、図３における分周器７０３によって二分周され、θｒ０＝θｒ／２として与えられるθｒ０が得られる。電流センサ５による検出電流Ｉａ，Ｉｃ（及びこれらを用いて求めたＩｂ）は、周知の三相／二相変換器７０５に入力され、二相電流Ｉα，Ｉβに変換される。
二相電流Ｉα，Ｉβは座標変換器７０６に入力され、回転座標系の電流であるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとに変換される。数式２及び数式３は、Ｉα，ＩβからＩｄ，Ｉｑへの変換式を示している。
［数２］
Ｉｄ＝Ｉα×cos（θｒ０）−Ｉβ×sin（θｒ０）
［数３］
Ｉｑ＝Ｉα×sin（θｒ０）＋Ｉβ×cos（θｒ０）
【００３２】
これらの電流Ｉｄ，Ｉｑと、それぞれの指令であるＩｄ＊，Ｉｑ＊との偏差が加減算器７０７，７０８により演算され、電流調節器７０１，７０２の入力信号となる。電流調節器７０１，７０２から出力されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は、角度θｒ０が入力されている座標変換器７０９により直交二相電圧指令Ｖα＊，Ｖβ＊に変換され、更に二相／三相変換器７１０により三相の電圧指令Ｖａ＊，Ｖａ＊，Ｖｃ＊が演算される。これらの電圧指令Ｖａ＊，Ｖａ＊，Ｖｃ＊は図１，図２における電力変換器２に送られ、その出力電圧が電圧指令Ｖａ＊，Ｖａ＊，Ｖｃ＊に従って制御されることとなる。
【００３３】
次いで、この実施形態を更に詳述する。ここでは説明を簡単にするため、巻数比Ｎｓ／Ｎｒ＝１（つまり、Ｎ１／Ｎ２＝１）と仮定して説明する。
いま、図１の第１実施形態において、開閉器４１がオフの状態で開閉器４２がオンしたときに、回転子のａ相電流Ｉａｒと固定子ａ相電流Ｉａｓとは互いに等しく、回転子ｂ相電流Ｉｂｒと固定子ｃ相電流Ｉｃｓとは互いに等しく、回転子ｃ相電流Ｉｃｒと固定子ｂ相電流Ｉｂｓとは互いに等しくなる。この結果、回転子α相電流Ｉαｒと固定子α相電流Ｉαｓとは絶対値及び極性が互いに等しく（Ｉαｒ＝Ｉαｓ）、回転子β相電流Ｉβｒと固定子β相電流Ｉβｓとは絶対値が等しく極性が互いに異なっている（Ｉβｒ＝−Ｉβｓ）。
【００３４】
従って、回転子電流を例えば数式４，数式５のように仮定すると、固定子電流を数式６，数式７のように仮定することができる。
［数４］
Ｉαｒ＝Ｉsin（θｒ０＋φ）
［数５］
Ｉβｒ＝Ｉcos（θｒ０＋φ）
［数６］
Ｉαｓ＝Ｉsin（θｒ０＋φ）
［数７］
Ｉβｓ＝−Ｉcos（θｒ０＋φ）
【００３５】
次に、図４を用いて、ｄ軸及びｑ軸の定義を明らかにする。図示するように、固定子α巻線軸に対する回転子α巻線軸の角度がθｒである。これらの両巻線軸の中間の基準軸をｄ軸と定義し、更にｄ軸と直交するｑ軸を定義する。また、θｒを２分周した角度θｒ０は、ｄ軸からみた回転子α巻線軸及び固定子α巻線軸の角度である。
この定義と、前述した数式４〜数式７から、Ｉｄｒ，Ｉｑｒは数式８，数式９により表され、Ｉｄｓ，Ｉｑｓは数式１０，数式１１により表される。
［数８］
Ｉｄｒ＝Ｉαｒ×cos（θｒ０）−Ｉβｒ×sin（θｒ０）＝Ｉsinφ
［数９］
Ｉｑｒ＝Ｉαｒ×sin（θｒ０）＋Ｉβｒ×cos（θｒ０）＝Ｉcosφ
［数１０］
Ｉｄｓ＝Ｉαｓ×cos（θｒ０）＋Ｉβｓ×sin（θｒ０）＝Ｉsinφ
［数１１］
Ｉｑｓ＝−Ｉαｓ×sin（θｒ０）＋Ｉβｓ×cos（θｒ０）＝−Ｉcosφ
【００３６】
数式８〜数式１１から、回転子ｄ軸電流Ｉｄｒと固定子ｄ軸電流Ｉｄｓとは等しく、回転子ｑ軸電流Ｉｑｒと固定子ｑ軸電流Ｉｑｓとは絶対値が等しく、極性が互いに異なる電流値であることが分かる。
【００３７】
図５は、巻線形誘導機１の等価回路と電流との関係を示している。上述したようにＩｄｓとＩｄｒとはその値が等しいので、両者を合成した電流ＩＭは励磁インダクタンスＬｍに流れ、巻線形誘導機１の磁束発生に寄与する。一方、ＩｑｓとＩｑｒとは値が等しく逆極性であるため、固定子巻線から流入して回転子巻線から流出する。図５において、Ｅｓ，Ｅｒはそれぞれ固定子巻線、回転子巻線に誘導する誘導起電力であり、ＩｑｓとＥｓ、及び、ＩｑｒとＥｒの作用によって巻線形誘導機１に機械出力やトルクが発生する。
なお、図５において、Ｒ１は一次抵抗、Ｒ２は二次抵抗、Ｌ１は一次漏れインダクタンス、Ｌ２は二次漏れインダクタンスを示す。
【００３８】
巻線形誘導機１の巻数比Ｎｓ／Ｎｒが１でない場合でも、Ｎｓ／ＮｒとＮ１／Ｎ２とを等しく、またはほぼ等しくすれば、回転子側の電流を固定子側に換算した場合にＩｄｓとＩｄｒとはその値が等しく、ＩｑｓとＩｑｒとはその値が等しく逆極性になるので、巻数比が１の場合と基本原理は同じである。
【００３９】
次いで、図６は制御装置７の他の構成を示しており、図３と異なる部分を中心に説明する。
ｄ軸電流Ｉｄが磁束発生に寄与する電流であり、ｑ軸電流Ｉｑがトルク発生に寄与する電流であることから、巻線形誘導機１の始動においても従来のベクトル制御と同様な制御が可能になるため、図６では、磁束に関連付けてｄ軸電流Ｉｄを制御し、速度指令ωｒ＊に関連付けてｑ軸電流Ｉｑを制御する構成としている。
【００４０】
図６において、加減算器７１４は、速度指令ωｒ＊と速度演算器７１２により演算した速度ωｒとの偏差を求め、速度調節器７１５は、前記偏差を増幅してｑ軸電流指令Ｉｑ＊を出力する。関数器７１３は、速度ωｒからｄ軸電流指令Ｉｄ＊を演算するものであり、例えば、所定速度までＩｄ＊は一定で、所定速度を超えたらＩｄ＊を速度にほぼ反比例させるように機能し、弱め磁束制御を行って端子電圧をほぼ一定に制御する。図６のその他の構成及び動作は、図３と同様である。
図６に示したような制御装置を用いれば、磁束制御とトルク制御とを分離しながら駆動装置が出力可能な最大トルクで巻線形誘導機１を始動することができる。
【００４１】
次に、図７は本発明の第３実施形態に係る駆動装置の主回路を示している。この実施形態が図１の第１実施形態と異なるのは、相間リアクトル８Ａの中間タップと回転子巻線１Ｒとの間に、第３の開閉器４７を接続した点であり、その他の構成は図１と同様である。
【００４２】
以下に、本実施形態における開閉器４７の機能及び動作を説明する。
巻線形誘導機１の始動後にその速度が所定速度まで上昇したら、開閉器４２をオフして回転子巻線１Ｒだけに給電する。このとき、開閉器４７がオフされていると、相間リアクトル８Ａは巻線８２によって単なるインダクタンスとして作用し、回転子電流を高応答に制御しようとする際の阻害要因となる。このため、開閉器４２をオフした後に開閉器４７をオンして巻線８２を短絡する。しかる後に、巻線形誘導機１の誘起電圧と電源電圧の大きさ、周波数及び位相を一致させてから、開閉器４１を同期投入すればよい。
【符号の説明】
【００４３】
１：巻線形誘導機
１Ｓ：固定子巻線
１Ｒ：回転子巻線
２：電力変換器
３：変圧器
４１，４２，４７：開閉器
５：電流センサ
６：位置センサ
７：制御装置
７０１，７０２：電流調節器
７０３：分周器
７０５：三相／二相変換器
７０６，７０９：座標変換器
７０７，７０８，７１４：加減算器
７１０：二相／三相変換器
７１２：速度演算器
７１３：関数器
７１５：速度調節器
８Ａ，８Ｂ：相間リアクトル
８１，８２：巻線
Ｉｄ：ｄ軸電流
Ｉｑ：ｑ軸電流
Ｉｄ＊：ｄ軸電流指令
Ｉｑ＊：ｑ軸電流指令
Ｖｄ＊：ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＊：ｑ軸電圧指令
Ｖａ＊〜Ｖｃ＊：三相電圧指令
Ｉｄｓ：固定子ｄ軸電流
Ｉｄｒ：回転子ｄ軸電流
Ｉｑｓ：固定子ｑ軸電流
Ｉｑｒ：回転子ｑ軸電流
θｒ：回転子位置
ωｒ：回転速度
ωｒ＊：速度指令
Ｒ１：一次抵抗
Ｒ２：二次抵抗
Ｌ１：一次漏れインダクタンス
Ｌ２：二次漏れインダクタンス
Ｌｍ：励磁インダクタンス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線形誘導機の回転子巻線に接続された電力変換器によって巻線形誘導機を始動または停止させる駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固定子巻線が電力系統に接続され、回転子巻線が電力変換器に接続された巻線形誘導機では、すべりが小さい速度範囲で運転する場合、回転子側の小さな電力で固定子側の大きな電力を制御できる特徴があり、これによって電力変換器の所要容量を小さくできる利点がある。しかるに、そのためには、巻線形誘導機を所定の回転速度まで加速させる始動装置が別途必要になる。
【０００３】
このため、従来より、巻線形誘導機の回転子巻線と電力変換器との間を開路するとともに、回転子巻線に直列に始動抵抗を接続して始動する方法がよく知られている。この方法は、始動時に電力変換器に印加される過電圧から電力変換器を保護すると共に、始動時に流れる過大な突入電流を抑制することを可能にしている。ただし、この方法では比較的大形で高価な始動抵抗が必要になり、また、少なからず電力系統に突入電流が流れるという問題がある。
【０００４】
一方、双方向の電力変換が可能な電力変換器、例えばＰＷＭコンバータとＰＷＭインバータとを直流中間回路を介して接続した電力変換器を使用して、巻線形誘導機を始動することも可能である。この種の方法としては、巻線形誘導機の固定子巻線を三相短絡することにより、かご形誘導機と等価な構成にして始動する方法が知られている。
【０００５】
しかし、上記の方法では、電力変換器の出力電圧の限界から巻線形誘導機に十分な磁束を発生させることができず、高速時の加速トルクが著しく低下するという欠点があり、例えば、同期速度のときのトルクが定格トルクの５％程度になる。このため、始動時間が著しく長くなったり、最悪の場合には目標速度まで加速できなくなる等の問題が生じる。
【０００６】
これらの問題を解決する始動装置や制御装置として、特許文献１〜特許文献３に記載された従来技術が知られている。
まず、図８は、特許文献１に記載された従来技術と原理的に等価な構成図（単線図）を示している。図８において、１は巻線形誘導機、２１，２２は第１，第２の電力変換器、３１，３２，３３は変圧器、４１は巻線形誘導機１の固定子巻線と電力系統との間に接続された開閉器、４６は固定子巻線と三相短絡器との間に接続された開閉器、４２〜４５は巻線形誘導機１の回転子巻線または変圧器３３と電力変換器２１，２２との間に接続された開閉器である。
【０００７】
この従来技術では、始動時に開閉器４１をオフ（開路）し、開閉器４６をオン（閉路）にして固定子巻線を三相短絡する。また、開閉器４２をオンすることにより、電力変換器２１から回転子巻線に電力を供給して巻線形誘導機１を始動する。
【０００８】
このときの、巻線形誘導機１の回転速度に対する回転子電圧及び加速トルクの波形例を、図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ破線で示す。電力変換器２１の出力電圧限界から、図９（ｂ）に示すごとく、速度上昇と共に加速トルクは低下する。ここで、電力変換器２２と、ブースタトランスと称される変圧器３３とは、加速トルクが不足する場合に使用される付帯機器である。
加速トルクが不足する場合は、開閉器４２，４４をオフして開閉器４３，４５をオンにし、変圧器（ブースタトランス）３３を介して第１の電力変換器２１の出力電圧に第２の電力変換器２２の出力電圧を重畳し、その電圧が巻線形誘導機１の回転子電圧になるようにする。
図９（ａ），（ｂ）における実線は電力変換器２１，２２の出力電圧重畳時の回転子電圧、トルクを示しており、これらの図から明らかなように、第２の電力変換器２２及び変圧器３３の使用によって回転子電圧の上限が大きくなるので、高速時の加速トルクを大きくすることができる。
【０００９】
次に、図１０は、特許文献２によって回路構成とその原理が開示され、特許文献３によって制御方法が開示された従来技術と原理的に等価な構成図を示している。なお、この従来技術では三相間の接続が重要であるため、図１０では三相接続図として表してある。
図１０において、４１，４２は図８と同様に開閉器、１は巻線形誘導機、２は電力変換器、３は変圧器、６は回転子位置を検出する位置センサ、７は制御装置、５１，５２はそれぞれ回転子電流、固定子電流を検出する電流センサである。
【００１０】
巻線形誘導機１を始動するときは、開閉器４１をオフして開閉器４２をオンする。開閉器４２をオンすると、回転子巻線と固定子巻線とが並列接続されることになるが、図１０では、電力変換器２から給電される回転子巻線電圧と固定子巻線電圧の相回転方向が互いに逆方向となるように結線されている。
【００１１】
ところで、誘導機では、周波数に対する毎分の回転数Ｎの定常値が、数式１によって表される基本特性がある。
［数１］
Ｎ＝（１２０／極数）×（固定子巻線の周波数−回転子巻線の周波数）
【００１２】
数式１において、周波数とは相順を考慮した巻線に流れる電流の周波数であり、正相順の場合は正値、逆相順の場合は負値である。このため、固定子電流が正相順、回転子電流が逆相順であって、両者の周波数の絶対値が同一の場合、巻線形誘導機は固定子電流の周波数の２倍の速度で回転する。
例えば、極数が４極（ｐ＝４）の誘導機を小さいすべりで１５００〔ｒ／ｍｉｎ〕にて回転させる場合、同期速度Ｎｓ＝１２０ｆ／ｐ＝１５００の関係から、図８の構成によると電力変換器２１が出力すべき周波数ｆは約５０〔Ｈｚ〕になるが、図１０の構成では回転子巻線と固定子巻線とが逆相順であるため、電力変換器２が出力すべき周波数ｆは約２５〔Ｈｚ〕となる。このように電力変換器２の出力周波数が低下すると、誘導機１の同一磁束に対して必要な端子電圧が低くて済むので、この従来技術によれば、端子電圧が低くても大きなトルクを発生することができる。
【００１３】
特許文献３においては、図１０に示すように回転子巻線の電流を検出する電流センサ５１、固定子巻線の電流を検出する電流センサ５２、及び、回転子位置を検出する位置センサ６を備えることを前提としている。制御装置７では、これらのセンサ５１，５２，６による各検出値と巻線形誘導機１の等価回路定数とを用いて、巻線形誘導機１の励磁電流、トルク発生に寄与するトルク電流、磁束、磁束角の変化率、励磁電流とトルク電流との相互的な影響を相殺するための補正量等を演算し、これらを電力変換器２の制御に反映させることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−７９９５号公報（段落［００１９］〜［００２１］、図２等）
【特許文献２】昭６３−１１７６７８号公報（第３頁左上欄第１２行〜右下欄第１７行行、第１図等）
【特許文献３】特開平１−２４８９８４号公報（第４頁右下欄第９行〜第５頁左下欄の下から第６行、第１図等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に係る従来技術では、巻線形誘導機を始動するために第２の電力変換器、ブースタトランス及び開閉器が必要になることから、装置全体が大形化・高コスト化する問題がある。
また、特許文献３に係る従来技術では、回転子電流と固定子電流とを合成した電流は制御できるものの、電力変換器が１台であるため、回転子電流と固定子電流とをそれぞれ個別に制御できないという基本的な問題がある。
【００１６】
そこで、本発明の解決課題は、特許文献２に開示された主回路を基本構成として、簡単な構成で巻線形誘導機を高トルクにて始動可能とした駆動装置を提供することにある。なお、本発明は、巻線形誘導機を停止させる場合にも適用できるが、以下では巻線形誘導機の始動装置として機能させる場合につき説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、巻線形誘導機の固定子巻線及び回転子巻線に給電するための電力変換器と、電力系統と前記固定子巻線との間に接続された第１の開閉手段と、前記電力変換器と前記固定子巻線との間に接続され、その閉動作時に前記固定子巻線及び前記回転子巻線への印加電圧・電流の相回転方向が互いに異なるように結線される第２の開閉手段と、を備えた巻線形誘導機の駆動装置において、
前記固定子巻線を、前記第２の開閉手段と相間リアクトルとを介して前記電力変換器の出力側に接続すると共に、前記回転子巻線を、前記相間リアクトルを介して前記電力変換器の出力側に接続し、かつ、
前記電力変換器の出力側を、直接または等価的に前記相間リアクトルの中間タップに接続したものである。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記相間リアクトルを構成する巻線のうち、前記固定子巻線に接続される巻線と前記回転子巻線に接続される巻線との巻数比が、前記固定子巻線と前記回転子巻線との巻数比にほぼ等しいことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る発明は、請求項２において、電力変換装置の出力側に接続された電流センサと、巻線形誘導機の回転速度が所定値以下では回転子巻線軸と固定子巻線軸との中間位置を基準軸として、電流センサによる検出電流を前記基準軸に平行な第１の電流成分（ｄ軸電流という）と前記基準軸に直交する第２の電流成分（ｑ軸電流という）とからなる回転座標系の電流成分に座標変換する手段と、巻線形誘導機の磁束または端子電圧に基づいてｄ軸電流を制御し、巻線形誘導機のトルクまたは回転速度に基づいてｑ軸電流を制御する手段と、を備えたものである。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、電力変換器の出力側と回転子巻線とを接続する第３の開閉手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回転子巻線及び固定子巻線に相回転方向が互いに異なる同一周波数の交流電圧・電流を電力変換器から供給することにより、印加周波数の倍速度で回転可能な巻線形誘導機の駆動装置において、相間リアクトルを介して回転子巻線と固定子巻線とに給電し、相間リアクトルの巻数比を巻線形誘導機の巻数比に関連付けて設計することにより、巻線形誘導機の磁束制御とトルク制御とを分離して制御するベクトル制御が可能となる。これにより、巻線形誘導機や電力変換器が能力として有する最大電力または最大トルクで巻線形誘導機を始動することができる。
通常、巻線形誘導機の巻数比は１前後に設計されることが多い。この場合、相間リアクトルの端子電圧は電力変換器の出力電圧に比較して非常に小さな電圧となるため、本発明によれば相間リアクトルの容量を小さくすることができ、装置の小形化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態の主回路を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の主回路を示す構成図である。
【図３】図１及び図２における制御装置の構成図である。
【図４】本発明の実施形態におけるｄ軸，ｑ軸及び巻線軸の説明図である。
【図５】本発明の実施形態における巻線形誘導機の等価回路図である。
【図６】図１及び図２における制御装置の他の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】特許文献１に記載された従来技術と原理的に等価な構成図である。
【図９】図８における誘導機の回転速度と回転子電圧及び加速トルクの関係を示す特性図である。
【図１０】特許文献２，３に開示された従来技術と原理的に等価な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態に係る駆動装置の主回路を示している。なお、図１では、本発明に関係する部分、すなわち巻線形誘導機の始動及び停止に関係する部分のみを記載してある。
【００２４】
図１において、巻線形誘導機１の固定子巻線１Ｓは、第１の開閉器４１を介して三相電力系統に接続されている。また、固定子巻線１Ｓと回転子巻線１Ｒとは、第２の開閉器４２と相間リアクトル８Ａとの直列回路を介して接続され、相間リアクトル８Ａの中間タップは電力変換器２の出力側に接続されている。この電力変換器２の入力側は、変圧器３を介して三相電力系統に接続されている。相間リアクトル８Ａは、相ごとに巻数Ｎ１の巻線８１と巻数Ｎ２の巻線８２とを直列に接続して構成されており、これらの巻線８１，８２は磁気結合されている。
ここで、開閉器４２は、そのオンにより相間リアクトル８Ａの三相出力のうち二相を入れ替えて固定子巻線１Ｓに接続するように結線されている。
【００２５】
巻線形誘導機１の回転子には位置センサ６が接続されており、その出力である回転子位置θｒは制御装置７に入力されている。また、電力変換器２の出力側には電流センサ５が設けられ、その出力である電流検出値Ｉａ，Ｉｃも制御装置７に入力されている。
制御装置７は、電力変換器２に対する三相各相の電圧指令値Ｖａ＊，Ｖｂ＊，Ｖｃ＊を生成して出力するものである。
【００２６】
次に、この実施形態における巻線形誘導機１の始動時の動作を説明する。
巻線形誘導機１の始動時には、まず、開閉器４１をオフして開閉器４２をオンする。開閉器４２をオンすると、電力変換器２から相間リアクトル８Ａを介して、固定子巻線１Ｓ及び回転子巻線１Ｒの両方に同一周波数の交流電圧・電流が供給されるが、前述したような開閉器４２の相入れ替え作用により、両巻線１Ｓ，１Ｒに給電される電圧・電流の相回転方向は互いに逆方向となる。
【００２７】
本実施形態の特徴は、開閉器４２と直列に相間リアクトル８Ａが接続されると共に、電力変換器２の出力側が相間リアクトル８Ａの中間タップに接続されていることである。また、電力変換器２の出力側の電流センサ５からは、回転子電流と固定子電流との合成電流が検出されて制御装置７に入力されることになる。
【００２８】
ところで、一相当たり二巻線、例えば巻線８１，８２が磁気結合された相間リアクトル８Ａでは、二巻線８１，８２を流れる電流が生成する合成起磁力がゼロに近付くような起電力を発生する。その結果、相間リアクトル８Ａの中間タップからみて、固定子巻線１Ｓに接続される巻線８１の巻数をＮ１とし、回転子巻線１Ｒに接続される巻線８２の巻数をＮ２にすると、回転子巻線１Ｒに供給される電流Ｉｒと固定子巻線１Ｓに供給される電流Ｉｓとの比Ｉｒ／Ｉｓを、理想的にはＮ１／Ｎ２と等しくすることができる。
なお、制御装置７の動作については後述する。
【００２９】
次に、図２は第２実施形態の主回路を示す構成図であり、第１実施形態の変形例に相当する。
この第２実施形態では、相間リアクトル８Ｂが、相ごとに巻数Ｎ１の巻線８１と巻数Ｎ２の巻線８２とに二分割されて構成され、更に、図１と比べた場合に開閉器４２と巻線８１の位置とが入れ替わっている。すなわち、固定子巻線１Ｓの各相が巻線８１を介して開閉器４２の各一端に接続され、開閉器４２の各他端が、電力変換器２に接続されると共に巻線８２を介して回転子巻線１Ｒの各相に接続されている。この変形例でも、開閉器４２は、そのオンにより、巻線８１に対する三相出力のうち二相を入れ替えるように結線されている。
このように第２実施形態の主回路構成は図１と異なっているが、電気的な動作は図１と同一である。
【００３０】
上記第１実施形態または第２実施形態においては、巻線８１，８２の巻数比Ｎ１／Ｎ２を、巻線形誘導機１の巻数比と等しくする。すなわち、巻線形誘導機１の固定子巻線１Ｓの等価巻数をＮｓ、回転子巻線１Ｒの等価巻数をＮｒとすると、Ｎ１／Ｎ２＝Ｎｓ／Ｎｒとする。ここで、前述したようにＩｒ／Ｉｓ＝Ｎ１／Ｎ２の関係があるとすれば、結果としてＩｒ／Ｉｓ＝Ｎｓ／Ｎｒとなり、巻線形誘導機１の固定子側、回転子側の電流と巻数とは反比例の関係になる。
【００３１】
図３は、図１，図２における制御装置７の構成を示している。
図１，図２の位置センサ６により検出した、固定子に対する回転子位置θｒは、図３における分周器７０３によって二分周され、θｒ０＝θｒ／２として与えられるθｒ０が得られる。電流センサ５による検出電流Ｉａ，Ｉｃ（及びこれらを用いて求めたＩｂ）は、周知の三相／二相変換器７０５に入力され、二相電流Ｉα，Ｉβに変換される。
二相電流Ｉα，Ｉβは座標変換器７０６に入力され、回転座標系の電流であるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとに変換される。数式２及び数式３は、Ｉα，ＩβからＩｄ，Ｉｑへの変換式を示している。
［数２］
Ｉｄ＝Ｉα×cos（θｒ０）−Ｉβ×sin（θｒ０）
［数３］
Ｉｑ＝Ｉα×sin（θｒ０）＋Ｉβ×cos（θｒ０）
【００３２】
これらの電流Ｉｄ，Ｉｑと、それぞれの指令であるＩｄ＊，Ｉｑ＊との偏差が加減算器７０７，７０８により演算され、電流調節器７０１，７０２の入力信号となる。電流調節器７０１，７０２から出力されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は、角度θｒ０が入力されている座標変換器７０９により直交二相電圧指令Ｖα＊，Ｖβ＊に変換され、更に二相／三相変換器７１０により三相の電圧指令Ｖａ＊，Ｖａ＊，Ｖｃ＊が演算される。これらの電圧指令Ｖａ＊，Ｖａ＊，Ｖｃ＊は図１，図２における電力変換器２に送られ、その出力電圧が電圧指令Ｖａ＊，Ｖａ＊，Ｖｃ＊に従って制御されることとなる。
【００３３】
次いで、この実施形態を更に詳述する。ここでは説明を簡単にするため、巻数比Ｎｓ／Ｎｒ＝１（つまり、Ｎ１／Ｎ２＝１）と仮定して説明する。
いま、図１の第１実施形態において、開閉器４１がオフの状態で開閉器４２がオンしたときに、回転子のａ相電流Ｉａｒと固定子ａ相電流Ｉａｓとは互いに等しく、回転子ｂ相電流Ｉｂｒと固定子ｃ相電流Ｉｃｓとは互いに等しく、回転子ｃ相電流Ｉｃｒと固定子ｂ相電流Ｉｂｓとは互いに等しくなる。この結果、回転子α相電流Ｉαｒと固定子α相電流Ｉαｓとは絶対値及び極性が互いに等しく（Ｉαｒ＝Ｉαｓ）、回転子β相電流Ｉβｒと固定子β相電流Ｉβｓとは絶対値が等しく極性が互いに異なっている（Ｉβｒ＝−Ｉβｓ）。
【００３４】
従って、回転子電流を例えば数式４，数式５のように仮定すると、固定子電流を数式６，数式７のように仮定することができる。
［数４］
Ｉαｒ＝Ｉsin（θｒ０＋φ）
［数５］
Ｉβｒ＝Ｉcos（θｒ０＋φ）
［数６］
Ｉαｓ＝Ｉsin（θｒ０＋φ）
［数７］
Ｉβｓ＝−Ｉcos（θｒ０＋φ）
【００３５】
次に、図４を用いて、ｄ軸及びｑ軸の定義を明らかにする。図示するように、固定子α巻線軸に対する回転子α巻線軸の角度がθｒである。これらの両巻線軸の中間の基準軸をｄ軸と定義し、更にｄ軸と直交するｑ軸を定義する。また、θｒを２分周した角度θｒ０は、ｄ軸からみた回転子α巻線軸及び固定子α巻線軸の角度である。
この定義と、前述した数式４〜数式７から、Ｉｄｒ，Ｉｑｒは数式８，数式９により表され、Ｉｄｓ，Ｉｑｓは数式１０，数式１１により表される。
［数８］
Ｉｄｒ＝Ｉαｒ×cos（θｒ０）−Ｉβｒ×sin（θｒ０）＝Ｉsinφ
［数９］
Ｉｑｒ＝Ｉαｒ×sin（θｒ０）＋Ｉβｒ×cos（θｒ０）＝Ｉcosφ
［数１０］
Ｉｄｓ＝Ｉαｓ×cos（θｒ０）＋Ｉβｓ×sin（θｒ０）＝Ｉsinφ
［数１１］
Ｉｑｓ＝−Ｉαｓ×sin（θｒ０）＋Ｉβｓ×cos（θｒ０）＝−Ｉcosφ
【００３６】
数式８〜数式１１から、回転子ｄ軸電流Ｉｄｒと固定子ｄ軸電流Ｉｄｓとは等しく、回転子ｑ軸電流Ｉｑｒと固定子ｑ軸電流Ｉｑｓとは絶対値が等しく、極性が互いに異なる電流値であることが分かる。
【００３７】
図５は、巻線形誘導機１の等価回路と電流との関係を示している。上述したようにＩｄｓとＩｄｒとはその値が等しいので、両者を合成した電流ＩＭは励磁インダクタンスＬｍに流れ、巻線形誘導機１の磁束発生に寄与する。一方、ＩｑｓとＩｑｒとは値が等しく逆極性であるため、固定子巻線から流入して回転子巻線から流出する。図５において、Ｅｓ，Ｅｒはそれぞれ固定子巻線、回転子巻線に誘導する誘導起電力であり、ＩｑｓとＥｓ、及び、ＩｑｒとＥｒの作用によって巻線形誘導機１に機械出力やトルクが発生する。
なお、図５において、Ｒ１は一次抵抗、Ｒ２は二次抵抗、Ｌ１は一次漏れインダクタンス、Ｌ２は二次漏れインダクタンスを示す。
【００３８】
巻線形誘導機１の巻数比Ｎｓ／Ｎｒが１でない場合でも、Ｎｓ／ＮｒとＮ１／Ｎ２とを等しく、またはほぼ等しくすれば、回転子側の電流を固定子側に換算した場合にＩｄｓとＩｄｒとはその値が等しく、ＩｑｓとＩｑｒとはその値が等しく逆極性になるので、巻数比が１の場合と基本原理は同じである。
【００３９】
次いで、図６は制御装置７の他の構成を示しており、図３と異なる部分を中心に説明する。
ｄ軸電流Ｉｄが磁束発生に寄与する電流であり、ｑ軸電流Ｉｑがトルク発生に寄与する電流であることから、巻線形誘導機１の始動においても従来のベクトル制御と同様な制御が可能になるため、図６では、磁束に関連付けてｄ軸電流Ｉｄを制御し、速度指令ωｒ＊に関連付けてｑ軸電流Ｉｑを制御する構成としている。
【００４０】
図６において、加減算器７１４は、速度指令ωｒ＊と速度演算器７１２により演算した速度ωｒとの偏差を求め、速度調節器７１５は、前記偏差を増幅してｑ軸電流指令Ｉｑ＊を出力する。関数器７１３は、速度ωｒからｄ軸電流指令Ｉｄ＊を演算するものであり、例えば、所定速度までＩｄ＊は一定で、所定速度を超えたらＩｄ＊を速度にほぼ反比例させるように機能し、弱め磁束制御を行って端子電圧をほぼ一定に制御する。図６のその他の構成及び動作は、図３と同様である。
図６に示したような制御装置を用いれば、磁束制御とトルク制御とを分離しながら駆動装置が出力可能な最大トルクで巻線形誘導機１を始動することができる。
【００４１】
次に、図７は本発明の第３実施形態に係る駆動装置の主回路を示している。この実施形態が図１の第１実施形態と異なるのは、相間リアクトル８Ａの中間タップと回転子巻線１Ｒとの間に、第３の開閉器４７を接続した点であり、その他の構成は図１と同様である。
【００４２】
以下に、本実施形態における開閉器４７の機能及び動作を説明する。
巻線形誘導機１の始動後にその速度が所定速度まで上昇したら、開閉器４２をオフして回転子巻線１Ｒだけに給電する。このとき、開閉器４７がオフされていると、相間リアクトル８Ａは巻線８２によって単なるインダクタンスとして作用し、回転子電流を高応答に制御しようとする際の阻害要因となる。このため、開閉器４２をオフした後に開閉器４７をオンして巻線８２を短絡する。しかる後に、巻線形誘導機１の誘起電圧と電源電圧の大きさ、周波数及び位相を一致させてから、開閉器４１を同期投入すればよい。
【符号の説明】
【００４３】
１：巻線形誘導機
１Ｓ：固定子巻線
１Ｒ：回転子巻線
２：電力変換器
３：変圧器
４１，４２，４７：開閉器
５：電流センサ
６：位置センサ
７：制御装置
７０１，７０２：電流調節器
７０３：分周器
７０５：三相／二相変換器
７０６，７０９：座標変換器
７０７，７０８，７１４：加減算器
７１０：二相／三相変換器
７１２：速度演算器
７１３：関数器
７１５：速度調節器
８Ａ，８Ｂ：相間リアクトル
８１，８２：巻線
Ｉｄ：ｄ軸電流
Ｉｑ：ｑ軸電流
Ｉｄ＊：ｄ軸電流指令
Ｉｑ＊：ｑ軸電流指令
Ｖｄ＊：ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＊：ｑ軸電圧指令
Ｖａ＊〜Ｖｃ＊：三相電圧指令
Ｉｄｓ：固定子ｄ軸電流
Ｉｄｒ：回転子ｄ軸電流
Ｉｑｓ：固定子ｑ軸電流
Ｉｑｒ：回転子ｑ軸電流
θｒ：回転子位置
ωｒ：回転速度
ωｒ＊：速度指令
Ｒ１：一次抵抗
Ｒ２：二次抵抗
Ｌ１：一次漏れインダクタンス
Ｌ２：二次漏れインダクタンス
Ｌｍ：励磁インダクタンス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線形誘導機の固定子巻線及び回転子巻線に給電するための電力変換器と、電力系統と前記固定子巻線との間に接続された第１の開閉手段と、前記電力変換器と前記固定子巻線との間に接続され、その閉動作時に前記固定子巻線及び前記回転子巻線への印加電圧・電流の相回転方向が互いに異なるように結線される第２の開閉手段と、を備えた巻線形誘導機の駆動装置において、
前記固定子巻線を、前記第２の開閉手段と相間リアクトルとを介して前記電力変換器の出力側に接続すると共に、前記回転子巻線を、前記相間リアクトルを介して前記電力変換器の出力側に接続し、かつ、
前記電力変換器の出力側を、直接または等価的に前記相間リアクトルの中間タップに接続したことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載した巻線形誘導機の駆動装置において、
前記相間リアクトルを構成する巻線のうち、前記固定子巻線に接続される巻線と前記回転子巻線に接続される巻線との巻数比が、前記固定子巻線と前記回転子巻線との巻数比にほぼ等しいことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載した巻線形誘導機の駆動装置において、
前記電力変換装置の出力側に接続された電流センサと、
前記巻線形誘導機の回転速度が所定値以下では回転子巻線軸と固定子巻線軸との中間位置を基準軸として、前記電流センサによる検出電流を前記基準軸に平行な第１の電流成分と前記基準軸に直交する第２の電流成分とからなる回転座標系の電流成分に座標変換する手段と、
前記巻線形誘導機の磁束または端子電圧に基づいて前記第１の電流成分を制御し、前記巻線形誘導機のトルクまたは回転速度に基づいて前記第２の電流成分を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した巻線形誘導機の駆動装置において、
前記電力変換器の出力側と前記回転子巻線とを接続する第３の開閉手段を備えたことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項１】
巻線形誘導機の固定子巻線及び回転子巻線に給電するための電力変換器と、電力系統と前記固定子巻線との間に接続された第１の開閉手段と、前記電力変換器と前記固定子巻線との間に接続され、その閉動作時に前記固定子巻線及び前記回転子巻線への印加電圧・電流の相回転方向が互いに異なるように結線される第２の開閉手段と、を備えた巻線形誘導機の駆動装置において、
前記固定子巻線を、前記第２の開閉手段と相間リアクトルとを介して前記電力変換器の出力側に接続すると共に、前記回転子巻線を、前記相間リアクトルを介して前記電力変換器の出力側に接続し、かつ、
前記電力変換器の出力側を、直接または等価的に前記相間リアクトルの中間タップに接続したことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載した巻線形誘導機の駆動装置において、
前記相間リアクトルを構成する巻線のうち、前記固定子巻線に接続される巻線と前記回転子巻線に接続される巻線との巻数比が、前記固定子巻線と前記回転子巻線との巻数比にほぼ等しいことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載した巻線形誘導機の駆動装置において、
前記電力変換装置の出力側に接続された電流センサと、
前記巻線形誘導機の回転速度が所定値以下では回転子巻線軸と固定子巻線軸との中間位置を基準軸として、前記電流センサによる検出電流を前記基準軸に平行な第１の電流成分と前記基準軸に直交する第２の電流成分とからなる回転座標系の電流成分に座標変換する手段と、
前記巻線形誘導機の磁束または端子電圧に基づいて前記第１の電流成分を制御し、前記巻線形誘導機のトルクまたは回転速度に基づいて前記第２の電流成分を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した巻線形誘導機の駆動装置において、
前記電力変換器の出力側と前記回転子巻線とを接続する第３の開閉手段を備えたことを特徴とする巻線形誘導機の駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２４４５５８（Ｐ２０１１−２４４５５８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１２８１５（Ｐ２０１０−１１２８１５）
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]