JP2009038903A - 同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転整流部の素子の不具合を容易に検出でき、回転部分に組み込む検出器の検出精度も高精度の必要はなく、簡単な回路構成で実現できる同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置を得る。
【解決手段】交流励磁機と、回転整流器とを備えた同期機のブラシレス励磁回路において、回転部である交流励磁機の発電コイルの電流を検出する電流センサー回路と、回転整流器の３相全波整流回路の整流器の内の１相の整流電流を検出する電流センサー回路と、界磁コイルの直流電流を検出する電流センサ−回路と、それぞれの電流センサー回路の出力信号を入力して、故障判定回路により正常、異常を判定する判定回路と、判定回路の判定結果を入力して表示灯を点灯／消灯する点灯回路とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転界磁型の同期機（電動機や発電機）などで使われるブラシレス励磁回路に係わり、特に回転部に組み込まれる励磁回路の異常を簡単に検出でき、設備の信頼性向上に寄与する同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置に関するものである。

従来、回転界磁型の同期機（同期発電機や同期電動機）などでは、ローター側（回転側）に励磁コイルを持ち、簡便な方法としてはコレクタリング／ブラシを介して外部の直流電源より励磁コイルに電源供給する方法が取られていたが、機械的な摺動部があるため定期的なメンテナンスが必要とされていた。図１０は従来のコレクタリング方式の同期機の励磁回路を示す概略構成図である。図中、１は電機子コイルを有する固定子、２は回転界磁からなる磁極、３はスリップリング、４はブラシ、５は直流電源である。
一方、これに代わるものとして、交流励磁機、回転整流器、そして励磁コイルから構成されるブラシレス励磁装置が多用されてきている。図１１は従来のブラシレス励磁方式の同期機の励磁回路を示す概略構成図、図１２は従来のブラシレス励磁方式の回路構成を示す図である。図中、１は電機子コイルを有する固定子、２は回転界磁からなる磁極、２２は回転整流器、２１は交流励磁機、２４は界磁コイル、６は外部交流電源である。
ブラシレス励磁回路はコレクタリング方式に比べ機械上のトラブルは少なく、格段に設備の信頼性は向上する。しかし、ブラシレス励磁装置が回転部に収納されるため、故障発見は容易でないという問題があった。このため特に故障しやすい半導体部品である整流器（ダイオード）にはディレイティング適用や冗長化設計等により、故障の軽減と長時間の運転化を図る必要があるため、一般的には高価な設備となっていた。

特開平４−２８５４５７号公報 特開平４−３７２５５９号公報

従来のブラシレス励磁回路では、整流回路は故障発見や故障時の交換が容易でないことから、部品のディレイティング適用や冗長化設計を行っており、その手法としては高耐圧素子の適用や、その冗長化を行っている。特に、例えば整流回路のディレイティング手法では、ダイオード（素子）電圧破壊に対しては高耐圧の素子を適用し電圧破壊し難くしたり、複数素子を直列接続したりする。電流破壊に対しては、電流低減した素子の選定或いは素子のパラ接続等を行ったり、或いは３相全波整流が単相整流になっても素子通電電流に耐えられるように大容量素子を選定する。また、冗長化設計では、整流回路を二重化し素子故障で素子が非導通になっても、他方の素子で整流器としては正常動作を続けるような工夫を講じていた。しかしながら、これらの対策は逆に外部からは異常判別ができないまま運転続行し、故障原因に気がつかないまま同じ故障原因が繰り返され、設備停止に至ると言う問題を引き起こしていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転整流部の素子の不具合を容易に検出でき、回転部分に組み込む検出器の検出精度も高精度の必要はなく、しかも簡単な回路構成で実現できる同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置においては、同期機の回転部に取り付けられ、固定側の励磁コイルにより励磁され、回転側の発電コイルに交流電圧が誘起される交流励磁機と、この誘起された交流電圧を３相全波整流回路の整流器を通じて直流電圧に変換する回転整流器とを備え、この直流電圧を同期機の界磁コイルに接続され、界磁コイルを直流励磁して磁極を形成する同期機のブラシレス励磁回路において、回転部である交流励磁機の発電コイルの電流を検出する電流センサー回路と、回転整流器の３相全波整流回路の整流器の内の１相の整流電流を検出する電流センサー回路と、界磁コイルの直流電流を検出する電流センサ−回路と、それぞれの電流センサー回路の出力信号を入力して、故障判定回路により正常、異常を判定する判定回路と、判定回路の判定結果を入力して表示灯を点灯／消灯する点灯回路とを備えたものである。

この発明によれば、簡便な方法として、判定回路の結果を点灯回路で表示する方法としている。これは外部で点灯回路との回転同期（例えばストロボ発光装置）することにより、回転部に取り付けた判定回路の結果を点灯回路の点灯状態／消灯状態で簡単に目視区別できる方法であり、既存設備に物理的に付加することでブラシレス励磁回路の故障検出が容易となる。また、無線やＩＲ技術を応用し非接触で外部に発信し、外部にて受信する方法によれば遠隔場所から常時故障監視することが可能である。このように簡便システムから大規模な予防保全システムなどにも応用が広がるという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置を示す回路構成図、図２は故障検出装置の第１及び第２の電流センサー回路を示す構成図、図３は故障検出装置の第３の電流センサー回路の直流電流検出の場合を示す構成図、図４は故障検出装置の判定回路及び点灯回路を示す構成図、図５は故障判定回路の動作フローを示すフローチャート、図６は外部にて点灯回路の動作を確認する例を示す模式図である。

図１において、２１は回転部（ローター）に取り付けられた交流励磁機であり、この交流励磁機２１は固定側励磁コイル２１１により励磁され、回転側の発電コイル２１２には交流電圧が誘起される。この誘起された交流電圧は回転整流器２２の３相全波整流回路の整流器（ダイオード）２３１〜２３６を通じて直流電圧に変換される。この直流電圧は同期機の界磁コイル２４に接続され、この界磁コイル２４を直流励磁して磁極を形成する。界磁コイル２４に流れる電流値は交流励磁機２１の固定側励磁コイル２１１の電流値（又は電圧値）を調整することにより、発電コイル２１２の誘起電圧を変化させ（チェック）、結果として同期機の運転特性（発電機では発電電圧、電動機では力率等）を調整する。
電流センサー回路は、交流励磁機２１の発電コイル２１２の電流を検出する第１の電流センサー回路Ａ３１（図では３相中のｕ相に設けている）と、回転整流器２２の３相全波整流回路の整流器２３１〜２３６の内の１相の整流電流を検出する第２の電流センサー回路Ｂ３２（図では＋Ｖ相に設けている）と、界磁コイル２４の直流電流を検出する第３の電流センサ−回路Ｃ３３とから構成されている。これら第１〜第３の電流検出センサー回路３１〜３３のそれぞれの信号は、判定回路４０に入力され、故障判定回路４０１により判定され、整理され、その結果が点灯回路４１に入力される。

次に、第１〜第３の電流センサー回路３１〜３３の構成、動作について、図２、図３を用いて説明する。図２が第１の電流センサー回路３１及び第２の電流センサー回路３２の構成、動作を示し、図３が第３の電流センサー回路３３の構成、動作を示す。
図２において、３１１はリングコア、３１２はターンコイル、３１３は増幅及び直流変換回路である。交流負荷電流はリングコア３１１を貫通して流れ、このときリングコア３１１の磁束が変化し、ターンコイル３１２に電圧が誘起される。この電圧は増幅及び直流変換回路３１３により増幅され、かつ、直流信号電圧に変換される。
図３において、３３１はリングコア、３３２はホール素子、３３３は増幅及び直流変換回路である。図３は直流電流検出の場合で、同様に直流負荷電流はリングコア３３１を貫通して流れる。このときリングコア３３１の磁束変化はホール素子３３２の磁束変化に影響し、ホール素子３３２で微小電圧が誘起され、増幅され、直流信号電圧に変換される。

次に、判定回路４０と点灯回路４１の構成、動作について、図４を用いて説明する。
図４において、４０１は故障判定回路、４１１〜４１３は表示灯である。第１の電流センサー回路Ａ３１、第２の電流センサー回路Ｂ３２、第３の電流センサー回路Ｃ３３の出力信号は、判定回路４０にそれぞれ入力され、故障判定回路４０１により判定される。故障判定回路４０１により判定された“正常”、“異常”の結果は、点灯回路４１のＬＥＤ等を応用した表示灯４１１〜４１３を点灯する。

次に、故障判定回路４０１の構成、動作について、図５を用いて説明する。
ここで、第１の電流センサー回路Ａ３１の信号＝Ｉac、第２の電流センサー回路Ｂ３２の信号＝Ｉam、第３の電流センサー回路Ｃ３３の信号＝Ｉdcとする。そして、交流励磁機２１の出力電流（１相分）と界磁コイル２４の直流電流との関係として、下記（１式）の関係を展開し、回転整流器２２のアーム電流と界磁コイル２４の直流電流との関係として、下記（２）式の関係を展開する。
Ｉdc≒Ｋ_１×Ｉac ・・・（１式）
Ｉdc≒Ｋ₂×Ｉam ・・・（２式）
まず、電流センサー回路の良否判断として、（１式）と（２式）の成立を得る。
次に、界磁コイル２４に流れる電流Ｉdcが流れているか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１で電流Ｉdcが流れていなければ、０Ａと判定し界磁コイル２４の断線を判定する（ステップＳ２）。ステップＳ１で電流Ｉdcが流れていれば、三相全波整流の正常チェックを行う（ステップＳ３）。全波整流が正常（Ｉdc≒Ｋ_１×Ｉac）であれば、ステップＳ４に進み、電流Ｉdcが定格以上か否か判定する。ステップＳ４で電流Ｉdcが定格以上であれば、過励磁を判定する（ステップＳ５）。界磁コイル２４の断線や過励磁でなく、（１式）が成立であれば、ブラシレス励磁回路は正常の結論となる（ステップＳ６）。上記（１式）が不成立であれば、三相全波整流が出来ていないことから、順次、三相非対称整流回路（６個の整流器のうち１個が欠けた時）での判定（Ｉdc≒Ｋ_１１×Ｉacか）を行い（ステップＳ７）、該当すれば素子異常を判定する（Ｓ８）。また、単相整流回路（素子故障或いは交流励磁機の出力 １相断線）での判定（Ｉdc≒Ｋ_１２×Ｉacか）を行い（ステップＳ９）、該当すればＡＣ−ＥＸＴ断線又は素子複数異常を判定する（ステップＳ１０）。なお、いずれも該当なしの場合は、原因不明の異常２と判定する（ステップＳ１１）。また、（１式）と（２式）の成立を得ると、全てＯＫとなり（ステップＳ１２）、センサー正常を判定する（ステップＳ１３）。そして、ステップＳ６とステップＳ１３が正常となる（ステップＳ１４）。また、ステップＳ２、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１０が異常１となる（ステップＳ１５）。

次に、図６により、外部にて点灯回路４１の表示灯４１１〜４１３の動作状態を簡便に確認する方法を説明する。
点灯回路４１との回転同期(例えば、ストロボ発光装置等を用いる)することにより、回転部に取り付けた判定回路４０の結果を点灯回路４１の点灯状態／消灯状態で簡単に目視区別できる方法を示しており、既存設備に物理的に付加することでブラシレス励磁回路の故障検出が容易となる。図示では、回転整流器部２２に取り付けられた表示灯４１１が点灯状態で正常を示し、表示灯４１２、４１３が消灯状態で異常なしを表示している。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２における同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置を示す回路構成図、図８は送信回路を示す構成図、図９は受信回路及び発光回路を示す構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

上記実施の形態１では、判定回路４０に入力され、故障判定回路４０１により判定され、整理され、その結果が点灯回路４１に入力されるものとしたが、常時監視は困難であることも考えられる。これを改善する方法として、この実施の形態２においては、外部にて常時監視のため等に、判定回路４０の故障判定回路４０１により判定され、整理され、その結果を点灯回路４１に入力するとともに、送信回路５０に入力する。
送信回路５０では入力された信号を変調し発信する。発信された信号は外部の固定部に設けられた受信回路６０で受信し、復調され元の判定信号を得る。この判定信号は発光回路６１等により、目視確認したり、或いは動作状態をリレー接点で出力し、警報や同期機トリップ等のシーケンスに組むことも可能である。

次に、図８及び図９により送信回路５０、受信回路６０及び発光回路６１の構成について説明する。
判定回路４０の故障判定回路４０１からの信号は送信回路５０に入力され、信号変換回路５０１により、例えば、２進の信号列５０２に整理される。この信号列５０２は、変調回路５０３により無線周波数或いは赤外線通信周波数などに変調され、送信部５０４に入力される。無線或いは赤外線通信などの通信方法によっては送信アンテナ、外部には受信アンテナなどの組込むが必要となるが、汎用技術を応用できるので詳細な説明は省略する。送信部５０４から発信された信号は、外部の固定部に設けられた受信回路６０の受信部６０１で受信し、受信信号は復調回路６０２、信号列６０３、信号変換回路６０４により、元の信号列、すなわち故障判定回路４０１の結果を得ることになる。そして、発光回路６１等により、目視確認したり、或いは動作状態をリレー接点で出力し、警報や同期機トリップ等のシーケンスに組むことも可能である。

この発明の実施の形態１における同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置を示す回路構成図である。 故障検出装置の第１及び第２の電流センサー回路を示す構成図である。 故障検出装置の第３の電流センサー回路の直流電流検出の場合を示す構成図である。 故障検出装置の判定回路及び点灯回路を示す構成図である。 故障判定回路の動作フローを示すフローチャートである。 外部にて点灯回路の動作を確認する例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２における同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置を示す回路構成図である。 故障検出装置の送信回路を示す構成図である。 故障検出装置の受信回路及び発光回路を示す構成図である。 従来のコレクタリング方式の同期機の励磁回路を示す概略構成図である。 従来のブラシレス励磁方式の同期機の励磁回路を示す概略構成図である。 従来のブラシレス励磁方式の回路構成を示す図である。

符号の説明

２１ 交流励磁機
２１１ 固定側の励磁コイル
２１２ 回転側の発電コイル
２２ 回転整流器
２３１〜２３６ 整流器（ダイオード）
２４ 同期機の界磁コイル
３１ 電流を検出する第１の電流センサー回路Ａ
３２ 整流電流を検出する第２の電流センサー回路Ｂ
３３ 界磁コイルの直流電流を検出する第３の電流センサー回路Ｃ
３１１、３３１ リングコア
３１２ ターンコイル
３１３、３３３ 増幅及び直流変換回路
３３２ ホール素子
４０ 判定回路
４０１ 故障判定回路
４１ 点灯回路
４１１〜４１３ 表示灯
５０ 送信回路
５０１、６０４ 信号変換回路
５０２、６０３ 信号列
５０３ 変調回路
５０４ 送信部
６０ 受信回路
６０１ 受信部
６０２ 復調回路
６１ 発光回路

Claims (3)

1. 同期機の回転部に取り付けられ、固定側の励磁コイルにより励磁され、回転側の発電コイルに交流電圧が誘起される交流励磁機と、この誘起された交流電圧を３相全波整流回路の整流器を通じて直流電圧に変換する回転整流器とを備え、この直流電圧を同期機の界磁コイルに接続され、界磁コイルを直流励磁して磁極を形成する同期機のブラシレス励磁回路において、
   回転部である前記交流励磁機の前記発電コイルの電流を検出する第１の電流センサー回路と、前記回転整流器の３相全波整流回路の整流器の内の１相の整流電流を検出する第２の電流センサー回路と、前記界磁コイルの直流電流を検出する第３の電流センサ−回路と、前記それぞれの電流センサー回路の出力信号を入力して、故障判定回路により正常、異常を判定する判定回路と、前記判定回路の判定結果を入力して表示灯を点灯／消灯する点灯回路とを備えたことを特徴とする同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置。
2. 同期機の回転部に取り付けられ、固定側の励磁コイルにより励磁され、回転側の発電コイルに交流電圧が誘起される交流励磁機と、この誘起された交流電圧を３相全波整流回路の整流器を通じて直流電圧に変換する回転整流器とを備え、この直流電圧を同期機の界磁コイルに接続され、界磁コイルを直流励磁して磁極を形成する同期機のブラシレス励磁回路において、
   回転部である前記交流励磁機の前記発電コイルの電流を検出する第１の電流センサー回路と、前記回転整流器の３相全波整流回路の整流器の内の１相の整流電流を検出する第２の電流センサー回路と、前記界磁コイルの直流電流を検出する第３の電流センサ−回路と、前記それぞれの電流センサー回路の出力信号を入力して、故障判定回路により正常、異常を判定する判定回路と、前記判定回路の判定結果を入力して表示灯を点灯／消灯する点灯回路と、前記判定回路の故障判定回路により判定された結果を入力し、入力された信号を変調し送信する送信回路と、外部の固定部に設けられ、前記送信回路から送信された信号を受信し、復調されて元の判定信号を得る受信回路と、前記受信回路の判定信号により、目視確認を可能とする発光回路とを備えたことを特徴とする同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置。
3. 受信回路の判定信号により、動作状態をリレー接点で出力し、警報や同期機トリップ等のシーケンスに組むことを特徴とする請求項２記載の同期機のブラシレス励磁回路の故障検出装置。

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