JP2002095288A - 巻線形誘導機の制御装置 - Google Patents

巻線形誘導機の制御装置

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JP2002095288A
JP2002095288A JP2000282182A JP2000282182A JP2002095288A JP 2002095288 A JP2002095288 A JP 2002095288A JP 2000282182 A JP2000282182 A JP 2000282182A JP 2000282182 A JP2000282182 A JP 2000282182A JP 2002095288 A JP2002095288 A JP 2002095288A
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induction machine
power
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wound
winding
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Shigeo Nomiya
Takeshi Taniguchi
健 谷口
成生 野宮
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Nishishiba Electric Co Ltd
Toshiba Corp
株式会社東芝
西芝電機株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【課題】巻線形誘導機のブラシの交換が不要となるの
で、メンテナンスの手間とコストを大幅に減らすことに
ある。 【解決手段】商用電源5に接続された電力変換器3によ
り巻線形誘導機8Aの二次巻線に可変周波数の電力を与
えて可変速制御する制御装置において、巻線形誘導機8
Aの一次巻線を商用電源5に接続し、この巻線形誘導機
とは別個に励磁用巻線形誘導機8Bを設けて両巻線形誘
導機8A,8Bの回転子を機械的に接続するとともに、
二次巻線同士を接続し、且つ巻線形誘導機8Bの一次巻
線に電力変換器3を接続する構成とし、巻線形誘導機8
Aを同期速度より高速に回転させたとき、巻線形誘導機
8Bの一次巻線に電力変換器3から巻線形誘導機8Aの
回転速度と商用電源5の周波数から決定される周波数の
電流を供給する手段を設け、この手段により励磁用巻線
形誘導機8Bの一次側から出力する電力を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、巻線形誘導機の二
次巻線に電力変換器より可変周波数の電力を与えて可変
速制御する制御装置に関する。

【0002】

【従来の技術】近年、巻線形誘導機を用いた可変速制御
システムが種々利用されている。

【0003】図3はこの巻線形誘導機を用いた可変速制
御システムの一例として、フライホイール式電力貯蔵装
置の構成例を示す回路図である。

【0004】図3において、1はフライホイールであ
り、このフライホイール1は電力を回転エネルギーの形
態で蓄えるものである。8Aは巻線形誘導機であり、こ
の巻線形誘導機8Aは電動機としてフライホイール1を
駆動し、また発電機としてフライホイール1の運動エネ
ルギーを電力に変換する。

【0005】また、3はパワートランジスタなどのスイ
ッチング素子で構成される電力変換器であり、この電力
変換器3はトランス9を介して商用電源5より交流電力
の供給を受け、制御回路100からの指令に基づき可変
周波の電流をブラシ2を介して巻線形誘導機8Aの二次
巻線に出力する。6は商用電源5の系統につながる負荷
である。

【0006】さらに、7は巻線形誘導機8Aの一次電流
を検出する電流検出器、10は巻線形誘導機8Aの二次
電流を検出する電流検出器、13は負荷6に流れる電流
を検出する電流検出器、11は巻線形誘導機8Aの回転
速度を検出する速度検出器、12は商用系統の電圧を検
出する電圧検出器である。また、16は巻線形誘導機8
Aの二次電圧を検出する電圧検出器である。

【0007】ところで、電力系統を安定に保つには常に
電力の需要と供給が均衡している必要があるが、急速な
負荷の変動があると需給のアンバランスが生じ、系統の
周波数の変動が生じる。

【0008】フライホイール式電力貯蔵システムは、電
気エネルギーを回転エネルギーの形でフライホイールに
蓄え、発電電動機を介して高速に電力の出し入れを行う
ことにより、上記のアンバランスを緩和する装置であ
る。図3では巻線形誘導機8Aがこの発電電動機に相当
する。

【0009】ここで、巻線形誘導機8Aについて、一次
側から商用電源に流れる電力をP1、商用電源からトラ
ンス9、電力変換器3を介して巻線形誘導機8Aの二次
巻線に入力される電力をP2とする。

【0010】また、巻線形誘導機8Aのすべりをs1
すると、 P2=s11 フライホイール式電力貯蔵装置から出力電力をPOUT
すると、 POUT=P1−P22=(s1/1−s1)・POUT (1) となる。

【0011】図4は上記インバータ制御回路100の構
成を示すブロック図である。

【0012】図4において、30は電力基準演算器で、
この電力基準演算器30は電流検出器13により検出さ
れた負荷電流と電圧検出器12により検出された系統の
電圧より負荷電力を演算し、この負荷電力に応じてフラ
イホイール式電力貯蔵装置が出力すべき電力の基準P
OUT *を求める。また、すべり演算器42からすべりs1
を入力し、(1)式により電力変換器3が出力すべき電
力P2 *を演算し出力する。

【0013】また、31は電力演算器で、この電力演算
器31は電流検出器10及び電圧検出器16により検出
された巻線形誘導機8Aの二次電流及び二次電圧から巻
線形誘導機8Aの二次側に入力する電力P2を演算す
る。

【0014】33は電力制御回路で、この電力制御回路
33は巻線形誘導機8Aの二次電流の有効分の電流Iq *
を出力する。34は比例増幅器で、この比例増幅器34
は次式により巻線形誘導機8Aの回転速度Nを周波数f
Nに換算する。

【0015】fN=pN/120(p:巻線形誘導機8
Aの極数) すべり演算器42は系統の周波数f1と巻線形誘導機8
Aの回転速度Nから、次式により巻線形誘導機8Aのす
べりを演算する。

【0016】s1=(f1−pN/120)/f1 さらに、35は周波数検出器で、この周波数検出器35
は電圧検出器12から系統の電圧波形を入力し、商用電
源5の周波数を検出する。36は減算器で、この減算器
36は商用電源の周波数f1から周波数fNを減じてf2
を出力する。37は電流制御回路で、この電流制御回路
37は巻線形誘導機8Aの二次電流の有効分の電流
q *、巻線形誘導機8Aの二次電流、f2を入力し、電
力変換器3が出力すべき電圧Vu*,Vv*,Vw*を演算す
る。

【0017】従って、上記のような演算に基づいて制御
回路100から出される指令により電力変換器3を制御
し、巻線形誘導機8Aを発電電動機として系統に対して
高速に電力の出し入れを行って需給のアンバランスを緩
和することで、電力系統を安定に維持できる。

【0018】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の巻線
形誘導機の制御装置では、制御回路100からの指令に
基づき電力変換器3を制御し、この電力変換器3より出
力される可変周波の電流をブラシ2を介して巻線形誘導
機8Aの二次巻線に供給して励磁している。

【0019】しかし、電力変換器3の出力側(静止側)
から巻線形誘導機8Aの二次巻線側(回転側)への通電
手段として設けられているブラシは、時間の経過に伴っ
て摩耗するため、定期的にブラシの点検や交換が必要と
なり、メンテナンスの手間と費用がかかるという問題が
ある。

【0020】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、巻線形誘導機のブラシを無くし、メンテナン
スの手間とコストを減らすことができる巻線形誘導機の
制御装置を提供することを目的とする。

【0021】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により巻線形誘導機の制御
装置を構成する。

【0022】請求項1に対応する発明は、商用電源に接
続された電力変換器により巻線形誘導機の二次巻線に可
変周波数の電力を与えて可変速制御する制御装置におい
て、前記巻線形誘導機の一次巻線を前記商用電源に接続
し、前記巻線形誘導機とは別個に励磁用巻線形誘導機を
設けて両巻線形誘導機の回転子を機械的に接続するとと
もに、二次巻線同士を接続し、且つ前記励磁用巻線形誘
導機の一次巻線に前記電力変換器を接続する構成とし、
前記巻線形誘導機を同期速度より高速に回転させたと
き、前記励磁用巻線形誘導機の一次巻線に前記電力変換
器から前記巻線形誘導機の回転速度と前記商用電源の周
波数から決定される周波数の電流を供給する手段を設
け、この手段により前記励磁用巻線形誘導機の一次側か
ら出力する電力を制御する。

【0023】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。

【0024】図1は本発明による巻線形誘導機の制御装
置をフライホイール式電力貯蔵装置に適用した場合の実
施の形態を示す回路構成図で、図3と同一部分には同一
符合を付して説明する。なお、図1では巻線形誘導機を
発電機として使用する場合について示している。

【0025】図1において、1はフライホイールであ
り、このフライホイール1は電力を回転エネルギーの形
態で蓄えるものである。8Aは巻線形誘導機であり、こ
の巻線形誘導機8Aは電動機としてフライホイール1を
駆動し、また発電機としてフライホイール1の運動エネ
ルギーを電力に変換する。また、8Bは励磁用の巻線形
誘導機であり、この巻線形誘導機8Bは回転子同士が巻
線形誘導機8Aと機械的に直結されている。

【0026】また、巻線形誘導機8Aの二次巻線は巻線
形誘導機8Bの二次巻線に接続されている。この場合、
巻線形誘導機8Aと8Bとの間の接続は例えばUとW相
の相順が入替えられている。

【0027】ここで、巻線形誘導機8Aの極数は4極、
巻線形誘導機8Bの極数は2極とする。また、巻線形誘
導機8Bの一次巻線は電力変換器3に接続されている。

【0028】さらに、14は巻線形誘導機8Bの一次電
流を検出する電流検出器、15はトランス9を介して商
用系統に流れる電流を検出する電流検出器である。

【0029】101は電力変換器3を制御する電力変換
器制御回路である。

【0030】上記以外の構成要素は図3に示す従来例と
同様なので、同一構成要素には同一符合を付して、ここ
ではその説明を省略する。

【0031】図2は上記電力変換器制御回路101の構
成を示すブロック図である。

【0032】図2において、38は巻線形誘導機8Bの
一次側から電力変換器3、トランス9を介して系統に流
れる電力の基準値P3 *を演算する電力演算器、39は電
力変換器3の出力周波数f3を演算する周波数演算器、
40は巻線形誘導機8Bの一次側から電力変換器3、ト
ランス9を介して系統に流れる電力P3を演算する電力
演算器である。43は巻線形誘導機8Bのすべりを演算
するすべり演算器である。

【0033】また、46は減算器で、P3 *とP3との差
ΔP3を演算する。44は電力制御回路で、この電力制
御回路44はΔP3から巻線形誘導機8Bの一次電流の
有効分電流の指令値Iq1 *を出力する。

【0034】さらに、45は電流制御回路で、この電流
制御回路45は指令値Iq1 *、巻線形誘導機8Bの一次
電流、周波数演算器39で求められた電力変換器の出力
周波数f3を入力し、電力変換器3が出力すべき電圧Vu
1,Vv1,Vw1を演算する。

【0035】上記以外の構成要素は図4に示す従来例と
同様なので、同一構成要素には同一符合を付して、ここ
ではその説明を省略する。

【0036】次に上記のような構成のインバータ制御回
路の作用を述べる。

【0037】周波数演算器39はフライホイール1の回
転速度と商用電源5の周波数から電力変換器の出力周波
数f3を演算する。

【0038】ここで、f3の演算について説明する。

【0039】巻線形誘導機8Aについて、フライホイー
ル1からの機械入力をPm1、一次側から商用電源に流れ
る電力をP1、二次側から巻線形誘導機8Bに流れる電
力をP2、すべりをs1とする。

【0040】フライホイール1の回転速度を巻線形誘導
機8Aの同期速度より上げると、s1<0であり、次の
ような関係が成り立つ。

【0041】 Pm1=P1+P2 (2) P2=−s11(s1<0) (3) 巻線形誘導機8Bについて、フライホイール1からの機
械入力をPm2、一次側からインバータ、コンバータを介
して商用電源に流れる電力をP3、フライホイール式電
力貯蔵装置からの出力をPOUT、すべりをs2とする。

【0042】 Pm2=P3−P2 (4) P2=s23 (5) POUT=P1+P3 (6) 巻線形誘導機8Aの一次側周波数をf1[Hz]、二次側周
波数をf2[Hz]、フライホイールの回転数をN1[mi
n-1]、回転子の周波数をfm1[Hz]とすると、巻線形誘導
機8Aは4極であるから、 fm1=N1/30[Hz] (7) ここで、フライホイール1の回転速度は巻線形誘導機8
Aの同期速度より速く、励磁用巻線形誘導機8Bの同期
速度より遅い速度で運転する。

【0043】よって、S1<0、S2>0である。

【0044】 励磁用巻線形誘導機8Bは2極なので、励磁用巻線形誘
導機8Bから見た回転子の周波数fm2は、 fm2=N1/60[Hz] (10) ここで、巻線形誘導機8A,8B間の接続で相順を入替
えているのは、巻線形誘導機8Aと8Bの二次巻線に流
れる電流の相回転方向を逆にするためである。

【0045】励磁用巻線形誘導機8Bの二次側周波数を
2´とすると、相順を入替えていることから、 f2´=−f2=N1/30−f1[Hz] (11) 一次側の入力周波数をf3とすると、 f3=f2´+fm2=N1/30−f1+N1/60=N1/20−f1[Hz] (12) 周波数演算器39は、(12)式の演算を行う。

【0046】すべり演算器43は電力変換器の出力周波
数f3と巻線形誘導機8Aの回転速度Nから、次式によ
り巻線形誘導機8BのすべりS2を演算する。

【0047】 S2=(f3−fm2)/f3=(f3−N1/60)/f3 (13) また、(13)式は、S2=(N1/30−f1)/(N1
/20−f1)となり、S2>0である。

【0048】次に電力演算器38について説明する。

【0049】上記(3),(5)式より −S11=S23 (14) 上記(6),(14)式から P3=POUT/(1−S2/S1) (15) 電力演算器38は負荷電流と系統の電圧より負荷電力を
演算し、それに応じてフライホイール式電力貯蔵装置が
出力すべき電力の基準POUT *を求める。また、すべり演
算器42からすべりS1を、すべり演算器43からすべ
りS2を入力し、(15)式により電力変換器が出力す
べき電力P3 *を演算し出力する。

【0050】以上、巻線形誘導機を発電機として使用
し、フライホイールからエネルギーを取り出す場合につ
いて述べたが、逆に巻線形誘導機を電動機として使用
し、フライホイールにエネルギーを蓄える場合は、上記
と同様の作用で電力の流れが逆になるだけである。

【0051】このように本実施の形態では、上述した電
力演算器38から得られる基準となる電力P3 *と電力演
算器40から得られる電力P3との偏差を電力制御回路
44に与え、この電力制御回路44より励磁用巻線形誘
導機8Bの一次電流の有効分の電流の指令値Iq1 *を電
流制御回路45に与えて電力変換器3が出力すべき電圧
Vu*,Vv*,Vw*を演算するようにしたので、ブラシレ
スとしても従来と同等の制御性能が得られ、従って従来
のようにブラシの交換が不要となり、メンテナンスの手
間を大幅に省くことができる。

【0052】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、巻線
形誘導機をブラシレスとして、従来と同等の制御性能が
得られ、従来に比べて巻線形誘導機のブラシの交換が不
要となるので、メンテナンスの手間とコストを大幅に減
らすことができる巻線形誘導機の制御装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明による巻線形誘導機の制御装置をフライ
ホイール式電力貯蔵装置に適用した場合の実施の形態を
示す回路構成図。

【図2】同実施の形態における電力変換器制御回路の詳
細を示すブロック回路図。

【図3】従来の巻線形誘導機の制御装置をフライホイー
ル式電力貯蔵装置に適用した場合の一例を示す回路構成
図。

【図4】同従来例における電力変換器制御回路の詳細を
示すブロック回路図。

【符号の説明】

1…フライホイール 3…電力変換器 5…商用電源 7,13〜15…電流検出器 8A,8B…巻線形誘導機 11…回転速度検出器 12…電圧検出器 44…電力制御回路 35…周波数検出器 37…電流制御回路 38,40…電力演算器 39…周波数演算器 42,43…すべり演算回路 44…電力制御回路 45…電流制御回路 46…減算器 101…電力変換器制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野宮 成生 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社 東芝本社事務所内 Fターム(参考) 5H572 AA20 BB08 CC05 DD03 EE03 GG04 HB05 HB08 HC01 HC02 LL01 LL21 LL22 LL24 LL50 5H575 AA20 BB07 DD05 EE20 GG04 HB08 LL01 LL22 LL24 LL26 LL50 5H590 AA08 CA30 CC10 CD05 DD43 EB14 EB21 FA08 FB07 GA04 GA06 GA09 GB10 HA01 HA06 HA09 HA27 HB02 HB03 JB06

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 商用電源に接続された電力変換器により
    巻線形誘導機の二次巻線に可変周波数の電力を与えて可
    変速制御する制御装置において、 前記巻線形誘導機の一次巻線を前記商用電源に接続し、
    前記巻線形誘導機とは別個に励磁用巻線形誘導機を設け
    て両巻線形誘導機の回転子を機械的に接続するととも
    に、二次巻線同士を接続し、且つ前記励磁用巻線形誘導
    機の一次巻線に前記電力変換器を接続する構成とし、 前記巻線形誘導機を同期速度より高速に回転させたと
    き、前記励磁用巻線形誘導機の一次巻線に前記電力変換
    器から前記巻線形誘導機の回転速度と前記商用電源の周
    波数から決定される周波数の電流を供給する手段を設
    け、この手段により前記励磁用巻線形誘導機の一次側か
    ら出力する電力を制御することを特徴とする巻線形誘導
    機の制御装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7649292B2 (en) 2005-10-20 2010-01-19 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Rotating electrical machine and hybrid drive unit provided with the same
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