JP3181636U - 簡単化された電気制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータを介して電圧が供給される電子駆動式のシンクロナスモータに対する電気制動装置を提供し、一方で要求されている冗長性を確保し、他方で付加的な電気素子ができるだけ少なくて済むようにする。
【解決手段】電気制動装置のシンクロナスモータＭは巻線中点を有しており、該巻線中点は電気抵抗ＲおよびスイッチＳ_７を介してコンバータＵのアース点に接続されており、該アース点に接続されているコンバータＵの複数の相がそれぞれ１つずつフリーホイーリングダイオードＤ_４，Ｄ_５，Ｄ_６を有する。
【選択図】図１

Description

本考案は、コンバータを介して電圧が供給される電子駆動式のシンクロナスモータに対する電気制動装置に関する。

この種の電子駆動式のシンクロナスモータは、特に、電気的に駆動される車両（例えば路面電車）の牽引駆動機構として、また、大型機械（例えば印刷システム）の駆動機構として用いられる。ここで、電子駆動式シンクロナスモータには、たいていの場合、双方向コンバータを介して電圧が供給されるので、シンクロナスモータは電気エネルギを受け取るだけでなく、例えば制動の際に電気エネルギを出力することもできる。このように、シンクロナスモータを発電機モードで制動装置として用いて、電気エネルギを電流電源網へフィードバックし、エネルギおよびコストの節約をはかることができる。永久励磁型のシンクロナスモータの利用は独国公開第１０１６０６１２号から公知であり、ここではモータが例えば鉄道車両の牽引駆動機構として用いられる。この場合にも、牽引モードにおいてシンクロナスモータに電流コンバータを介して電圧が供給される。相ごとに別個の複数の制動抵抗を星形結線した形態の電気制動装置が設けられており、各制動抵抗は、３つの相のすべてにつき、それぞれ１つのスイッチを介してシンクロナスモータへ接続される。このようにすれば、鉄道車両に対する電気制動装置を実現することができる。

印刷システムでは、安全上の理由により、第１の制動装置から独立に電気駆動用モータを制動することのできる第２の制動装置が必要である。印刷システムのためのこうした冗長的な制動装置は米国特許第８０２６６８１号から公知である。この冗長的な電気制動装置では、印刷機の駆動用モータとこの駆動用モータを駆動するインバータとのあいだに切換可能な電気制動装置が配置されており、この電気制動装置が、電流電源網の故障時にコンピュータからの制御によって安全な発電機制動過程を行う。この電気制動装置には、電気制動抵抗と、この電気制動抵抗に対するモータ電圧を整流する整流器とが設けられている。付加的な電気制動装置の整流器によって、制動過程を制御できる。さらに、電気駆動機構の停止後にモータを機械的制動装置によってロックすることもできる。

従来技術の各手段には、１次の制動装置が故障した際に要求される冗長性を確保するために、付加的な整流器もしくは複数のスイッチ、制動回路に必要な相応の冷却体、ケーシングなどが必要となるという欠点がある。また、たいていの場合、例えば付加的なブリッジ分岐の電流監視回路から成る付加的な監視回路が必要となる。こうした付加的な素子は必要な構造空間を増大させ、駆動機構のコスト増大をまねく。

独国公開第１０１６０６１２号 米国特許第８０２６６８１号

本考案の課題は、コンバータを介して電圧が供給される電子駆動式のシンクロナスモータに対する電気制動装置を提供し、一方で要求されている冗長性を確保し、他方で付加的な電気素子ができるだけ少なくて済むようにすることである。

この課題は、本考案の請求項１に記載された手段により解決される。本考案の有利な実施態様は従属請求項および図に示されている。

付加的な電気制動抵抗による第１の実施例を示す図である。 電気制動抵抗が電流線路から成る第２の実施例を示す図である。

本考案の電気的制動装置は、シンクロナスモータによって駆動される機械内ないし車両内でコンバータが故障した場合の冗長的な電気制動に適する。この場合、シンクロナスモータには、直流電圧中間回路の直流電圧をモータ用電圧へ変換するコンバータが設けられている。直流電圧中間回路の直流電圧は電源側に接続された整流器から印加される。通常モードでは、シンクロナスモータはコンバータを介して制動される。これは、コンバータがシンクロナスモータを発電機モードで運動させ、制動時に電流を形成してこの電流を電源へフィードバックするかもしくは制動抵抗において相殺するように駆動されることによって行われる。

本考案によれば、星形結線されるシンクロナスモータの複数の巻線は１つの巻線中点でまとめられており、この巻線中点は電気抵抗およびスイッチを介してコンバータのアース点に接続されている。また、このアース点に接続されているコンバータの複数の相はそれぞれ１つずつフリーホイーリングダイオードを有しており、各フリーホイーリングダイオードに制動時の電流が導通される。このように、コンバータの故障時にも、複数のフリーホイーリングダイオードと、シンクロナスモータと、電気抵抗と、この電気抵抗に接続されたスイッチとを介して、電流回路を閉成することができる。通常モードではスイッチは開放されているので、電気抵抗を介しては電流が流れない。スイッチはリレーであっても良いが、有利には、大きな電流を導通可能な半導体素子、例えばＩＧＢＴもしくはサイリスタとして構成される。

本考案の第１の実施形態では、電気抵抗は電流線路から成る。これは、既存の電流線路以外の付加的な電気抵抗を組み込む必要がないので、特に低コストな手段である。電流線路は所定の長さを有するため、当該電流線路を介して制動時の熱を良好に放出できる。ただし、電流線路の電気抵抗値は小さいので、この手段による制動過程は迅速には行えない。このため、たいていの場合、電流線路を設けるのみでは充分でない。

本考案の第２の実施形態では、電気抵抗はシンクロナスモータ内に集積されている。この場合、電気抵抗を直接にモータケーシング内に収容できるので、ケーシングの外側には電気抵抗用の唯一の端子を設けるだけでよい。当該電気抵抗はコンバータのアース点に接続されたスイッチへ通じている。当該電気抵抗は複数の抵抗に分割することもでき、これにより熱を良好に放出できる。

有利には、コンバータは、第１のブリッジ半部および第２のブリッジ半部を有するブリッジ回路から成る。本考案で云う第１のブリッジ半部とは上方半部の第１の３つのスイッチであり、第２のブリッジ半部とは下方半部の第２の３つのスイッチである。この場合、ブリッジ回路の２つの半部は制動過程を制御するために用いられる。ここで、コンバータのアース点に接続されている第２のブリッジ半部を介して電気制動装置の動作時に電流が流れるため、制動モードにおいては電気制動装置が必然的にスイッチオンされる。コンバータのアース点に接続されていない第１のブリッジ半部は、コンバータと直流電圧中間回路とのあいだの接続を遮断するために設けられており、第１のブリッジ半部が遮断されると、駆動用モータがコンバータへの給電を行う直流電圧中間回路から切り離される。

さらに有利には、モータへ電圧を供給する各相に機能検査のための電流センサが配置される。各電流センサによりコンバータが正しく機能しているか否かを検査でき、同時に、制動過程の監視を行うこともできる。

有利には、コンバータは双方向インバータである。この実施形態では、シンクロナスモータから出力される電気エネルギは、通常の発電機制動過程の場合には、第１の双方向インバータを介して直流電圧中間回路へ、さらに、第２の双方向インバータを介して電流電源網へ、フィードバックされる。こうして、制動時に形成された電気エネルギがむやみに熱に変換されずに電流電源網へフィードバックされることにより、電気エネルギを節約することができる。

さらに、シンクロナスモータを停止させるために機械的に作用するホールドブレーキが設けられている。このホールドブレーキは小さくコンパクトな構造を有しており、シンクロナスモータを制動する必要はなく、制動後にシンクロナスモータを機械的にロックし、意図しないさらなる回転を防止できればよい。こうした機械的ホールドブレーキは、高い回転数の電気駆動機構を制動できるように構成された機械的ダイナミックブレーキよりも低コストである。

以下に、本考案を２つの図に即して詳細に説明する。

図１には、印刷システムで利用される同期駆動機構の電子駆動回路が示されている。シンクロナスモータＭには、ここでは、コンバータＵから３相端子を介して必要なモータ用電圧が給電される。コンバータＵは２つのブリッジ分岐から成り、上方の第１のブリッジ分岐は３つのトランジスタＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を含み、下方の第２のブリッジ分岐は３つのトランジスタＳ_４，Ｓ_５，Ｓ_６を含む。２つのブリッジ分岐の各トランジスタＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３；Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６はそれぞれフリーホイーリングダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３；Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６に並列接続されている。各フリーホイーリングダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６は、コンバータＵの要素であって、スイッチＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６としてＩＧＢＴが使用される場合には、ＩＧＢＴ内に集積される。ブリッジ回路に設けられるフリーホイーリングダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６はコンバータＵの通常モードで必要とされる既存のものなので、電気制動装置に付加的なダイオードを設けなくてよい。各フリーホイーリングダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６は、さらに、電気制動装置の使用時およびコンバータＵの故障時に発電電流を駆動用モータＭに導通させるためにも用いられる。

コンバータＵは直流電圧中間回路Ｇに接続されており、直流電圧中間回路Ｇは、詳しくは図示されていないが、整流器を介して電流電源網へ接続されている。さらに、モータＭの電圧供給のための３つの相には３つの電流センサＷが集積されており、各電流センサＷは電流検出およびコンバータＵの機能監視に用いられる。

コンバータＵが故障し、上方のスイッチＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３が切り換え不能になると、当該スイッチＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３が開放され、コンバータＵの下方半部が直流電圧中間回路Ｇから切り離され、さらに別個のスイッチＳ_７が閉成されて、制動電流回路が形成される。ここでは、スイッチＳ_７は他のスイッチＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６と同様にＩＧＢＴとして構成される。ここで、スイッチＳ_７は、一方側ではモータＭの巻線中点Ｓに接続されており、他方側では制動抵抗Ｒに接続されている。この場合、第２のブリッジ半部のダイオードＤ_４，Ｄ_５，Ｄ_６によって電流回路が閉成され、モータＭに発生した回転エネルギが制動抵抗Ｒ内で熱へ変換される発電機制動過程によって、制動が生じる。モータＭが制動されて静止した後、機械的ホールドブレーキＨが閉鎖され、モータＭの意図しない回転が防止される。

図２の実施例では、付加的な抵抗Ｒは設けられず、巻線中点ＳとスイッチＳ_７とのあいだの電流線路が制動抵抗Ｒとして用いられる。スイッチＳ_７と巻線中点Ｓとのあいだの線路が充分に長ければ、熱は均等に放出され、短い制動過程が達成されて、電流線路の過負荷は生じない。この場合にも、モータＭが制動されて静止した後、機械的ホールドブレーキＨが閉鎖され、モータＭの意図しない回転が防止される。

図１，図２の実施例によって、コンバータＵが故障したときにもスイッチＳ_７を閉成することにより発電機制動過程を行うことができる。その際、従来技術で要求されるような付加的な電気素子を複数設ける必要はない。

Ｍ モータ、 Ｇ 直流電圧中間回路、 Ｒ 抵抗、 Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６，Ｓ_７ スイッチ、 Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６ フリーホイーリングダイオード、 Ｓ 巻線中点、 Ｗ 電流センサ、 Ｕ コンバータ、 Ｈ 機械的ホールドブレーキ

Claims (10)

1. コンバータ（Ｕ）を介して電圧が供給される電子駆動式のシンクロナスモータ（Ｍ）に対する電気制動装置において、
   前記シンクロナスモータ（Ｍ）は巻線中点（Ｓ）を有しており、
   該巻線中点（Ｓ）は電気抵抗（Ｒ）およびスイッチ（Ｓ_７）を介して前記コンバータ（Ｕ）のアース点に接続されており、
   該アース点に接続されている前記コンバータ（Ｕ）の複数の相がそれぞれ１つずつフリーホイーリングダイオード（Ｄ_４，Ｄ_５，Ｄ_６）を有する
   ことを特徴とする電気制動装置。
2. 前記電気抵抗（Ｒ）は電流線路から成っている、請求項１記載の電気制動装置。
3. 前記電気抵抗（Ｒ）は前記シンクロナスモータ（Ｍ）内に集積されている、請求項１記載の電気制動装置。
4. 前記コンバータ（Ｕ）は、該コンバータ（Ｕ）の前記アース点に接続された第１のブリッジ半部および第２のブリッジ半部を含むブリッジ回路から成っている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気制動装置。
5. 前記電気制動装置の動作時には前記コンバータ（Ｕ）の前記第２のブリッジ半部がスイッチオンされる、請求項４記載の電気制動装置。
6. 前記第１のブリッジ半部を遮断することにより、前記電気制動装置および前記シンクロナスモータ（Ｍ）が前記コンバータ（Ｕ）への給電を行う直流電圧中間回路（Ｇ）から切り離される、請求項４または５記載の電気制動装置。
7. 前記シンクロナスモータ（Ｍ）へ電圧を供給する各相に前記コンバータ（Ｕ）の機能を検査する電流センサ（Ｗ）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気制動装置。
8. 前記コンバータ（Ｕ）は双方向インバータである、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気制動装置。
9. さらに前記シンクロナスモータ（Ｍ）を停止させるために機械的に作用するホールドブレーキ（Ｈ）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気制動装置。
10. 前記コンバータ（Ｕ）は複数のスイッチ（Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６）を含み、各スイッチはＩＧＢＴスイッチである、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気制動装置。

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