JP2004260982A - 誘導機のブラシレス二次電力制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブラシなしで三相誘導機の二次電力制御を行い、しかも誘導機のトルク発生効率を向上させて、装置の小型化を図る。
【解決手段】固定子巻線が三相交流電源に接続された第一誘導機とその回転子巻線を、直結させた第二誘導機の回転子巻線と接続し、第二誘導機の固定子に電気角で互いに３０度の位相差をもつ２組の三相巻線を設け、それらに接続した電力変換装置によって、第二誘導機の固定子各相巻線に、基本波周波数の電流成分に、その３倍周波数の電流成分を重畳して流す。
【選択図】図１
【解決手段】固定子巻線が三相交流電源に接続された第一誘導機とその回転子巻線を、直結させた第二誘導機の回転子巻線と接続し、第二誘導機の固定子に電気角で互いに３０度の位相差をもつ２組の三相巻線を設け、それらに接続した電力変換装置によって、第二誘導機の固定子各相巻線に、基本波周波数の電流成分に、その３倍周波数の電流成分を重畳して流す。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数１００ｋＷから数１０００ｋＷの比較的容量の大きい産業用可変速駆動装置及び水力や風力を駆動源とする可変速発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
比較的容量の大きい産業用可変速装置及び水力や風力を駆動源とする可変速発電装置には、従来は、図６に示す巻線形誘導機の二次電力制御方式（静止セルビウス方式とも呼ばれる）が用いられてきた。その理由は、誘導機や同期機の一次（固定子）側の電力を制御する方式では、誘導機や同期機の定格容量に相当する容量の電力変換装置が必要になるのに対して、二次電力制御装置では、一次側電力よりも小さい二次電力のみを制御すればよいので、電力変換装置容量が小さくて済み、経済的であるためである。とくに、ポンプやファンなどの負荷では、一般に速度制御範囲が比較的狭く、例えば、定格速度の７０−１００％の場合、二次電力制御方式では変換装置容量は電動機容量の約３０％で済み、非常に経済的であること、変換装置内部の発生損失が小さくなり効率が良いなどの利点がある。このため、大型のポンプやファン駆動装置、風力発電装置、揚水発電装置などに広く用いられている。しかし、回転子巻線と電力変換装置を接続するために、ブラシやスリップリングが必要になり、ブラシの磨耗など保守性に問題があった。
【０００３】
これに対して、ブラシレスで二次電力制御を行う方式として、誘導機のカスケード（縦続）方式が以前から知られている。この方式は図７に示すように、第一巻線形誘導機（極対数ｐ１）と第二巻線形誘導機（極対数ｐ２）の２台の回転子を機械的に直結し、それぞれの回転子巻線を逆相順に接続し、第一誘導機の固定子側は三相交流電源に接続し、第二誘導機の固定子側を電力変換装置に接続する。三相電源電圧の周波数をｆとすると、誘導機の回転角速度ωｍとの間には以下の関係が成り立つ。
【０００４】
第一誘導機の同期速度ωｓとすべりｓ１は次式で与えられる。
【数１】
したがって、
【数２】
【数３】
このように、カスケード時の同期角速度ω０とすべりｓｋを用いると、回転速度は単一誘導機と類似の関係式で表現できる。また、第二誘導機固定子電力を変換装置により制御することにより、単一誘導機の二次電力制御の同様な可変速制御をブラシレスで実現できる。しかし、この装置では、２台の巻線形誘導機を用いるので、同一出力・同一可変速範囲の単一のブラシ付き巻線形誘導機に比べると、マシンサイズが大型化する欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
巻線形誘導機の二次電力制御装置では、ブラシとスリップリングの磨耗に伴う保守・点検の問題があり、また、２台の誘導機のカスケード接続によるブラシレス二次電力制御方式では、マシンサイズが増大する問題があった。
本発明の目的は、ブラシレス二次電力制御装置の利点を活かすとともに、カスケード接続誘導機の小型化を図り、経済的で高効率な可変速駆動装置や可変速発電装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、カスケード接続された第二誘導機の固定子に電気角で互いに３０度位相差をもつ２組の三相巻線を設け、電力変換装置によって、これらの各相巻線に、基本周波数の電流成分に重畳して、その３倍周波数の電流成分を流すものである。これにより、第二誘導機エアギャップの磁束のピーク値を増大させることなく基本波磁束を増加させ発生トルクや発生電力を増大できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のブラシレス二次電力制御装置の実施態様を詳細に説明する。
【０００８】
図１はこの発明のブラシレス二次電力装置の一実施態様を示す電気回路図である。また図２は第一誘導機２と第二誘導機３の巻線構成を示す。このブラシレス二次電力制御装置は、三相交流電源１に第一誘導機の固定子巻線１０を接続し、その回転子巻線１１を、第一誘導機２の回転子に機械的に直結された第二誘導機３の回転子の回転子巻線１２に互いに逆相順になるように接続する。第二誘導機の固定子には、電気角３０度位相差のある２組の三相巻線１３と１４が施されていて、それらは電力変換装置５と６に接続されている。電力変換装置５と６の直流側は、並列接続された平滑コンデンサを介して系統側電力変換装置７に接続され、さらに電力変換装置７の交流側は直接、または変圧器８を介して、三相交流電源１に接続されている。
【０００９】
図３に集中巻線による１相分起磁力の空間分布を示す。１相の巻数がＮｓ、極数２ｐ２の固定子巻線に電流ｉｓａ１を流すと、その起磁力分布は図３のように方形波１５になる。エアギャップに沿った空間角（電気角）をθｓとすると、
【数４】
ただし、
【数５】
【００１０】
起磁力にはこのように多くの空間高調波が含まれるが、第５次以上の高調波成分の影響は小さいものとして、以下の考察では、基本波１６と第３調波１７のみを考慮する。
【数６】
【００１１】
ここで、２組の三相巻線１３と１４に、互いに３０度位相差を有する三相交流を流し、基本波に対する第３調波の含有率ｋｉすると、
【数７】
【数８】
角速度で回転する起磁力を表わす。第二項は第３次時間高調波と第３次空間高調波による項であり、基本波起磁力と同じ速度で同一方向に回転する正相分とそれとは逆回転する逆相分から成る。すなわち、単一の三相巻線では第３高調波は交番磁界を形成する。しかし、この場合の２組の三相巻線による全合成起磁力Ｆｓ（θ）は
【数９】
となり、上述の逆相分が相殺されて、第３高調波も基本波と同一速度、同一方向に回転する磁界を形成する。
【００１２】
したがって、第３高調波によっても一定トルクが発生するが、その大きさは基本波トルクと比べると比較的小さい。数９において、ｋｉを図５の場合のように１／６とすると、第三調波起磁力は基本波起磁力の１／１８＝０．０５６程度であるからである。ここで、集中巻の場合の係数１／３は分布巻ではさらに小さくなる。
【００１３】
このように、第三空間高調波と第三時間高調波の作用により、基本波成分による回転磁界と同じ速度で回転する回転磁界を作ることができる。その大きさは、巻線設計に依存するが、一般に基本波磁界の５．６％以下である。この結果、第三高調波注入によって直接得られるトルク増大効果はあまり大きくない。
【００１４】
次に、第三高調波重畳によるエアギャップ磁束のピーク値抑制効果を説明する。
波状に変化する。誘導機のエアギャップが均一であるとすると、ギャップ磁束も起磁力も同じ時間変化をするので、図４に示すように正弦波で変化する。しかし、
とすると、エアギャップのピーク値は、図５の合成磁束波形２０に示すように抑制される。合成磁束のピーク値が図４と同じＢｍ１とすると、基本波磁束１８は図
決まるので、トルクは約１５．５％増大できる。さらに、前述の第三調波による回転磁界によるトルク改善効果と組み合わせると約２０％程度トルク増大が見込める（改善効果は固定子巻線設計にも関係する）。
【００１５】
このとき増大する固定子電流は磁束形成に関係する成分、すなわち励磁電流成分だけである。
【００１６】
【発明の効果】
第二誘導機固定子の２組（互いに電気角３０度位相差を有する）の三相巻線に基本波電流に重畳して第３調波電流を流すことにより、第二誘導機エアギャップ磁束のピーク値を増大させることなく、発生トルクを約２０％増大できるので、与えられた出力に対して、第二誘導機のマシンサイズをその分だけ小型化でき、誘導機のブラシレス二次励磁方式の欠点が克服でき、経済的で高効率な可変速駆動装置や可変速発電装置が実現できる。とくに、可変速駆動装置としてはポンプやファンなどの速度制御範囲の狭い用途に、また、可変速発電装置としては、風力や水力などの低速発電用途に適した装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のブラシレス二次電力制御装置の一実施態様を示す電気回路図である。
【図２】第一と第二誘導機の巻線配置を示す図である。
【図３】集中巻線による１相分起磁力の空間分布を示す図である。
【図４】基本波電流によるエアギャップ磁束の時間変化を示す図である。
【図５】第３調波電流重畳時のエアギャップ磁束の時間変化を示す図である。
【図６】従来のブラシ付き二次電力制御装置の構成を示す電気回路図である。
【図７】従来のブラシレス二次電力制御装置の構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１ 三相交流電源
２ 第一誘導機
３ 第二誘導機
４ 負荷（または原動機）
５ 第一の電力変換装置
６ 第二の電力変換装置
７ 系統側電力変換装置
８ 変圧器
９ 平滑コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、数１００ｋＷから数１０００ｋＷの比較的容量の大きい産業用可変速駆動装置及び水力や風力を駆動源とする可変速発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
比較的容量の大きい産業用可変速装置及び水力や風力を駆動源とする可変速発電装置には、従来は、図６に示す巻線形誘導機の二次電力制御方式（静止セルビウス方式とも呼ばれる）が用いられてきた。その理由は、誘導機や同期機の一次（固定子）側の電力を制御する方式では、誘導機や同期機の定格容量に相当する容量の電力変換装置が必要になるのに対して、二次電力制御装置では、一次側電力よりも小さい二次電力のみを制御すればよいので、電力変換装置容量が小さくて済み、経済的であるためである。とくに、ポンプやファンなどの負荷では、一般に速度制御範囲が比較的狭く、例えば、定格速度の７０−１００％の場合、二次電力制御方式では変換装置容量は電動機容量の約３０％で済み、非常に経済的であること、変換装置内部の発生損失が小さくなり効率が良いなどの利点がある。このため、大型のポンプやファン駆動装置、風力発電装置、揚水発電装置などに広く用いられている。しかし、回転子巻線と電力変換装置を接続するために、ブラシやスリップリングが必要になり、ブラシの磨耗など保守性に問題があった。
【０００３】
これに対して、ブラシレスで二次電力制御を行う方式として、誘導機のカスケード（縦続）方式が以前から知られている。この方式は図７に示すように、第一巻線形誘導機（極対数ｐ１）と第二巻線形誘導機（極対数ｐ２）の２台の回転子を機械的に直結し、それぞれの回転子巻線を逆相順に接続し、第一誘導機の固定子側は三相交流電源に接続し、第二誘導機の固定子側を電力変換装置に接続する。三相電源電圧の周波数をｆとすると、誘導機の回転角速度ωｍとの間には以下の関係が成り立つ。
【０００４】
第一誘導機の同期速度ωｓとすべりｓ１は次式で与えられる。
【数１】
【数２】
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
巻線形誘導機の二次電力制御装置では、ブラシとスリップリングの磨耗に伴う保守・点検の問題があり、また、２台の誘導機のカスケード接続によるブラシレス二次電力制御方式では、マシンサイズが増大する問題があった。
本発明の目的は、ブラシレス二次電力制御装置の利点を活かすとともに、カスケード接続誘導機の小型化を図り、経済的で高効率な可変速駆動装置や可変速発電装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、カスケード接続された第二誘導機の固定子に電気角で互いに３０度位相差をもつ２組の三相巻線を設け、電力変換装置によって、これらの各相巻線に、基本周波数の電流成分に重畳して、その３倍周波数の電流成分を流すものである。これにより、第二誘導機エアギャップの磁束のピーク値を増大させることなく基本波磁束を増加させ発生トルクや発生電力を増大できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のブラシレス二次電力制御装置の実施態様を詳細に説明する。
【０００８】
図１はこの発明のブラシレス二次電力装置の一実施態様を示す電気回路図である。また図２は第一誘導機２と第二誘導機３の巻線構成を示す。このブラシレス二次電力制御装置は、三相交流電源１に第一誘導機の固定子巻線１０を接続し、その回転子巻線１１を、第一誘導機２の回転子に機械的に直結された第二誘導機３の回転子の回転子巻線１２に互いに逆相順になるように接続する。第二誘導機の固定子には、電気角３０度位相差のある２組の三相巻線１３と１４が施されていて、それらは電力変換装置５と６に接続されている。電力変換装置５と６の直流側は、並列接続された平滑コンデンサを介して系統側電力変換装置７に接続され、さらに電力変換装置７の交流側は直接、または変圧器８を介して、三相交流電源１に接続されている。
【０００９】
図３に集中巻線による１相分起磁力の空間分布を示す。１相の巻数がＮｓ、極数２ｐ２の固定子巻線に電流ｉｓａ１を流すと、その起磁力分布は図３のように方形波１５になる。エアギャップに沿った空間角（電気角）をθｓとすると、
【数４】
【数５】
起磁力にはこのように多くの空間高調波が含まれるが、第５次以上の高調波成分の影響は小さいものとして、以下の考察では、基本波１６と第３調波１７のみを考慮する。
【数６】
ここで、２組の三相巻線１３と１４に、互いに３０度位相差を有する三相交流を流し、基本波に対する第３調波の含有率ｋｉすると、
【数７】
【数９】
【００１２】
したがって、第３高調波によっても一定トルクが発生するが、その大きさは基本波トルクと比べると比較的小さい。数９において、ｋｉを図５の場合のように１／６とすると、第三調波起磁力は基本波起磁力の１／１８＝０．０５６程度であるからである。ここで、集中巻の場合の係数１／３は分布巻ではさらに小さくなる。
【００１３】
このように、第三空間高調波と第三時間高調波の作用により、基本波成分による回転磁界と同じ速度で回転する回転磁界を作ることができる。その大きさは、巻線設計に依存するが、一般に基本波磁界の５．６％以下である。この結果、第三高調波注入によって直接得られるトルク増大効果はあまり大きくない。
【００１４】
次に、第三高調波重畳によるエアギャップ磁束のピーク値抑制効果を説明する。
【００１５】
このとき増大する固定子電流は磁束形成に関係する成分、すなわち励磁電流成分だけである。
【００１６】
【発明の効果】
第二誘導機固定子の２組（互いに電気角３０度位相差を有する）の三相巻線に基本波電流に重畳して第３調波電流を流すことにより、第二誘導機エアギャップ磁束のピーク値を増大させることなく、発生トルクを約２０％増大できるので、与えられた出力に対して、第二誘導機のマシンサイズをその分だけ小型化でき、誘導機のブラシレス二次励磁方式の欠点が克服でき、経済的で高効率な可変速駆動装置や可変速発電装置が実現できる。とくに、可変速駆動装置としてはポンプやファンなどの速度制御範囲の狭い用途に、また、可変速発電装置としては、風力や水力などの低速発電用途に適した装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のブラシレス二次電力制御装置の一実施態様を示す電気回路図である。
【図２】第一と第二誘導機の巻線配置を示す図である。
【図３】集中巻線による１相分起磁力の空間分布を示す図である。
【図４】基本波電流によるエアギャップ磁束の時間変化を示す図である。
【図５】第３調波電流重畳時のエアギャップ磁束の時間変化を示す図である。
【図６】従来のブラシ付き二次電力制御装置の構成を示す電気回路図である。
【図７】従来のブラシレス二次電力制御装置の構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１ 三相交流電源
２ 第一誘導機
３ 第二誘導機
４ 負荷（または原動機）
５ 第一の電力変換装置
６ 第二の電力変換装置
７ 系統側電力変換装置
８ 変圧器
９ 平滑コンデンサ
Claims (1)
- ２台の巻線形誘導機２と３の回転子を機械的に直結し、三相交流電源１、第一誘導機の固定子巻線１０及び第一と第二誘導機の回転子巻線１１と１２を電気的にカスケード接続した装置において、第二誘導機の固定子に電気角で互いに３０度の位相差をもつ２組の三相巻線１３と１４を設け、電力変換装置５と６によって、これらの巻線１３と１４の各相に、基本波周波数の電流成分に重畳して、その３倍周波数の電流成分を流すことを特徴とするブラシなし二次電力制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003096545A JP2004260982A (ja) | 2003-02-24 | 2003-02-24 | 誘導機のブラシレス二次電力制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003096545A JP2004260982A (ja) | 2003-02-24 | 2003-02-24 | 誘導機のブラシレス二次電力制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004260982A true JP2004260982A (ja) | 2004-09-16 |
Family
ID=33127500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003096545A Pending JP2004260982A (ja) | 2003-02-24 | 2003-02-24 | 誘導機のブラシレス二次電力制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004260982A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101237123B1 (ko) | 2011-09-07 | 2013-02-25 | 서울대학교산학협력단 | 단일 외부 전원 공급형 가변속 유도 전동기 및 그 제어 방법 |
-
2003
- 2003-02-24 JP JP2003096545A patent/JP2004260982A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101237123B1 (ko) | 2011-09-07 | 2013-02-25 | 서울대학교산학협력단 | 단일 외부 전원 공급형 가변속 유도 전동기 및 그 제어 방법 |
| US9257933B2 (en) | 2011-09-07 | 2016-02-09 | Snu R&Db Foundation | Variable speed induction motor with single external power supply and control method thereof |
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