技術開発情報

東洋電機技報 第115号

※ 技術論文、開発レポート、製品解説については東洋電機技報本文からの抜粋です。

技術論文

中間相接続率を活用したマトリックスコンバータ
The Matrix Converter using middle phase conduction

佐藤 基、大森 洋一
Mooki Sato, Yoichi Ohmori

The matrix converter is a power converter which has several merits compared with conventional Rectifier / Inverter system.
During past two decades, the matrix converter has been paid attention because of its attractive features such as sinusoidal input current waveform, size reduction, and realization of high efficiency by using a novel IGBT with reverse blocking, etc. Therefore, the matrix converter has been widely researched until today.
This paper describes some control methods of matrix converter based on direct AC/AC conversion which are induced by calculation of input current duty to a middle phase. Moreover, this paper proposes a novel matrix converter control theory. The proposed method is carried out enlarging output voltage of the matrix converter without input current harmonics rise. As a result, the effectiveness of proposed method is shown by simulation and experimental results.

<概要>
近年、直流電圧に変換することなく、三相交流電源から直接に双方向スイッチにより任意の電圧で任意の周波数の三相交流電圧を得ることができるマトリックスコンバータが注目されている。マトリックスコンバータは、電源電流の高調波成分の抑制や、電源力率の調整、及び電力の回生も可能である。従来の技術は、三相交流電源を直流電圧に変換するPWMコンバータと、その出力電圧を電源とするインバータとを組み合わせたコンバータ・インバータ装置となる。
表1に従来装置とマトリックスコンバータの比較を示す。マトリックスコンバータをPMWコンバータ+インバータ装置と比較すると、双方向スイッチに逆阻止IGBTを採用することで電流が流れる半導体素子の数を減らせることや、直流電圧を得るための電解コンデンサが不要なことから、小型化や高効率化が可能である。また比較的寿命が短い電解コンデンサが不要なことから長寿命化も期待できる。
しかしながら、電力貯蔵要素である電解コンデンサがないので停電耐量が得られない。また、出力可能最大電圧も従来のインバータの0.866倍となってしまう欠点も有する。
以上より、電力回生が容易であるという特長を生かして、エレベータや遠心分離機、クレーンなどへの適用が考えられている。
このようなマトリックスコンバータの制御法として、様々な方法が既に提案されている。それらは、2つに大別される。ひとつは仮想AC/DC/AC制御である(1)。これはマトリックスコンバータに仮想的な直流リンク電圧があると考えて、従来のコンバータの制御によるスイッチング信号と、インバータの制御によるスイッチング信号を論理合成した信号を用いてマトリックスコンバータを制御するものである。この制御法は、従来制御の延長線上として捉えることができるが、すべてのスイッチング信号の組み合わせを取り扱うことができないという欠点がある。(2)(3)(4)(5)
これに対し、マトリックスコンバータにおけるすべてのスイッチング信号の組み合わせを取り扱うことが出来る直接AC/AC変換方式がある。直接AC/AC変換方式には、更にVenturini法に基づく変調方式(6)、空間ベクトルに基づく変調方式(7)、キャリア比較に基づく変調方式(8)などに分類される。
本論分では、直接AC/AC変換方式のキャリア比較に基づく方式において、従来の制御方法では電圧の0.866倍の電圧が出力できないことがあることを示す。また、電源の中間の電圧である相(以下中間相)に出力相を接続する時間比率(以下中間相接続率)に着目し、この中間相接続率を適切に選択することにより、最大出力可能電圧を限界まで拡張できることをシミュレーションと実機実験により確認している。

製品解説

比叡山鉄道株式会社 鋼索鉄道架線レス車両システム
Catenary-less System for Funicular Railway of Hieizan Railway Co., Ltd

星 吉輝、矢達 悦典
Yoshiteru Hoshi, Yoshinori Yadachi

The Sakamoto cable railway is a scenic funicular railway running between the Cable Sakamoto station and Hieizan Sancho station in Otsu, served as main approach route to the Hieizan Enryakuji temple. It runs through seven bridges and two tunnels, and the length of the railway is 2025m, the longest of its kind in Japan. Funicular cars run on the inclined rail by attaching to a steel cable driven by an electric winding machine on the top station. Formerly the power was supplied through the headlight, tail light, and interior light of the funicular cars by overhead catenary line via pantograph. Considering the reduction of the maintenance cost and environmental impact, catenary-less system has been developed. To introduce this catenary-less system, funicular cars are equipped with a battery to be charged while the car is stopping at top or bottom stations. Power is supplied by the battery while the car is running. We worked on newly developed main electrical equipments such as DC power unit, battery, interior lighting, tail light, etc. We modified the pantograph so that the car can run with the pantographs raised when there is no catenary line along the running path.

<概要>
 比叡山延暦寺の表参道を担う坂本ケーブルは、大津市のケーブル坂本駅から比叡山頂のケーブル比叡山駅に至る、全長2025m、所要時間約11分の日本一長い鋼索線である。道中橋梁7カ所、トンネル2ヵ所を通り、車窓からは比叡山の自然や琵琶湖の眺望が堪能できる。
開業は1927年(昭和2年)3月で、大正ロマン漂う外観のケーブル坂本駅は木造2階建て、山頂のケーブル延暦寺駅は洋風鉄筋2階建ての両駅舎は、1997年(平成9年)国の登録有形文化財に登録されている。また、途中駅は「ほうらい丘」、「もたて山」の2駅で、普段は通過するが、申し入れがあれば停車する。
車両は朱と緑を基調としたもので、左右が朱で真ん中が緑の『福』と左右が緑で真ん中が朱の『縁』の2両が走っている。車内は眼下に広がる景色を楽しんでもらおうと座席が下向きに設けられており、大きな窓が特徴である。まさに、《長さも・景色も・日本一》である。鋼索線はレールと車輪により車体を支持し、車体に緊結した鋼索を山頂の巻場所に設置した原動機で巻き揚げることにより、急こう配の路線を走行する。また、前照灯・尾灯や車内灯等車両内の電源は架線からパンタグラフを介して供給されていたが、架線関係設備の保守低減と車内からの景色を損なう架線を取り外すシステムを実現した。
この実現のため、車両内に蓄電池を搭載し、山麓と山頂の駅停車時に蓄電池に充電し、車両走行時は蓄電電力を使用する新発想のシステムを開発した。当社では、この架線レス蓄電池車両搭載システム全体の取り纏めを行った。主な電機品として直流電源装置、蓄電池、車内灯、尾灯などの主要電機品を納入した。また、走行場所には架線がないため、パンタグラフは上昇させたまま走行するための改良を施した。
本架線レス蓄電池車両搭載システムは設備関連の付帯工事を一部残し完成しており、平成18年夏より営業導入された。
以下、本システムの概要と各装置について紹介する。

高精度回転位相検出システム
Detection system of highly accurate rotation phase

小谷 郁雄
Ikuo Kotani

In this report, detection system of highly accurate rotation phase which is produced with our industrial control device is introduced. It is not to mention that detection of rotation phase and position is applied to many areas such as machine tools, industrially use robot, mounter for printed wiring board and transportation devices. moreover, each of detection method of rotation phase and position have differences corresponding to the device, and needs construction of most suitable firmware by using sensors and hardware according to the functions and purpose. Our company has worked on developing highly accurate synchronous control and draw control among plural motors. From the late 1990s we have been producing sectional drive of offset rotary press and shipping many electrical equipment for rotary press machine. This synchronous control among plural motors is to maintain the rotation phase of each high speed drove motors steadily in high accuracy, and can be said as a kind of position control device.
This synchronous control is usually run continuously at top speed, without deceleration movement or stop movement. To do so, followings are necessary.
(1) High performance inverter and motor (2) Appliance of modern control
(3) Real-time and highly accurate phase and speed command system (4) Real-time and highly accurate phase and speed feedback system
Since above mentioned items 1 to 3 are already introduced, we would like to explain about detection system for highly accurate rotation phase produced for our synchronous control and draw control, which is related to item 4.

<概要>
本解説では当社の産業用制御装置にて製品化している高精度の回転位相の検出システムについて紹介を行う。ここで、回転位相や位置の検出は工作機械、産業用ロボット、プリント基板の自動搭載機や各種搬送装置などさまざまな分野において実施され、高精度の位置制御が行われている。そして、これらの装置に対応して回転位相や位置の検出方法にそれぞれ相違があり、機能や目的に応じてセンサやハードウェアを構成し最良のファームウェアを構築する必要がある。
当社は複数のモータ間の高精度な同期制御やドロー制御の実用化に取り組み、1990年代後半からオフセット輪転印刷機のセクショナル駆動を製品化し多くの輪転印刷機用電気品を出荷している。この複数のモータ間の同期制御は、モータを高速に駆動しながらそれぞれのモータ相互間の回転位相を高精度に一定の範囲に保持させるもので、一種の位置制御と言える。
この同期制御は減速動作や停止動作を繰り返すこと無く、通常トップスピードにて連続して運転されこれを実現するためには、 (1) 高性能のインバータ装置とモータ
(2) 現代制御理論の適用
が必要のほか、
(3) リアルタイムで高精度の位相及び速度指令システム
(4) リアルタイムで高精度の位相及び速度フィードバックシステム
が必要不可欠である。そして、上記(1)項から(3)項についてはこれまでに紹介されており、本解説では上記(4)項に関連して当社の同期制御やドロー制御において製品化している高精度回転位相検出システムについて解説を行う

VF64A/ED64A シリーズ(インバータ装置)
VVVF Inverter Series VF64A / ED64A

山本 知信、竹下 直樹、中西 俊人
Tomonobu Yamamoto, Naoki Takeshita, Toshihito Nakanishii

The interest on environmental burden is rising in the world, for example, CO2 reduction as the counter measure of global warming, improvement of recyclables and restriction of hazardous substances. In the meantime, the European Union (EU) has directed "RoHS" under the policy of environmental protection to the electronic and electric equipment sold after July 1 2006.The use of lead, cadmium, mercury, the hexavalent chromium, PBB and PBDE in the Europe are strictly prohibited by RoHS directions. The industrial inverter is exempted from RoHS direction currently. However, the demand of the environmental consideration design in the industrial applications is increasing.
Therefore we have developed the novel inverter VF64A series and ED64A series as our standard products and have developed its options. According to our environmental consideration, the VF64A series, the ED64A series and its options do not contain hazardous substances which are restricted by RoHS directive. The VF64A series, the ED64A series and its options up to 11kW~315kW are developed and commercialized.

<概要>
近年地球温暖化の対策としてのCO2削減に加え、環境汚染に対する対策として有害物質制限、リサイクル性向上など、環境負荷への関心も高まってきている。こうした中で、EU(欧州連合)では、地球環境保護の基本理念のもとに、2006年7月1日以降に納入される電気・電子機器に対しRoHS指令(特定含有6物質:鉛、カドミウム、水銀、六価クロム、PBB、PBDEを許容値以上含むことを禁止)が施行された。
現在、産業用インバータはRoHS指令の該当品目ではないが、当社標準インバータであるVF64A/ED64Aシリーズ及びオプション製品等に対し、規制6物質の使用を廃止し、RoHS指令に適合したシリーズとして11kW~315kW を開発・商品化したので紹介する。

※ 第1号~第104号は目次のみの掲載です。


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