JP2015033150A - 界磁巻線型同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】同期運転後に外乱等でも放電抵抗が再接続される可能性を低減させ、且つ、回路を小型化するする。【解決手段】電力系統に接続される固定子５と、シャフト上に界磁巻線１０を巻回した回転子と、シャフト上に搭載されたブラシレス交流エキサイター４と、ブラシレス交流エキサイター４の出力を整流して直流線路に与える整流回路１００とを備え、界磁巻線１０に並列に、放電抵抗ＤＲと、ダイオード１１ｂと第１の開閉装置の並列回路を直列接続した第１回路を接続し、第１回路と整流回路１００を接続する直流線路の一方の線路に直列に第２の開閉装置を備え、第１の開閉装置を界磁巻線１０に誘導された誘導機電圧を抵抗により分圧した電位により開閉制御するとともに、分圧した電位の点からダイオード１１ｅを介して第２の開閉装置が接続された直流線路の一方の線路の整流回路１００側に接続し、第２の開閉装置を同期速度近傍において閉成する。【選択図】図３

Description

本発明は、界磁巻線型同期電動機に係り、その始動時に界磁投入するための界磁回路を備えた界磁巻線型同期電動機に関する。

界磁巻線型同期電動機は同期機であり、その始動手法として幾つかのものが知られている。

代表的な例はインバータを使用するものである。インバータによる方法は、界磁巻線型同期電動機の始動時に回転速度を可変に調整できるので始動が容易である。しかしながら、電力系統への同期併入後に可変速運転を必要としない場合、インバータは始動時のみの使用となるため、インバータ分のイニシャルコスト及び設置等の負担が過大となる。

インバータを使用しない始動方法として、ダイレクトオンラインにより始動する手法（ＤＯＬ始動）がある。ＤＯＬ始動は誘導電動機の全電圧始動と同等の始動方法であり、同期電動機でありながら、始動時のみ誘導電動機の特性を利用して始動する。界磁巻線型同期電動機では、通常は回転子側の界磁巻線を交流ブラシレスエキサイターからの直流電流により励磁するが、ＤＯＬ始動では誘導電動機の特性を得るために、始動時には界磁巻線を交流ブラシレスエキサイターから切り離し、界磁巻線を短絡状態にする。また、始動電流を低減するために、放電抵抗ＤＲ（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）を短絡した回路に接続する。

しかしながら、放電抵抗ＤＲは始動時にのみ必要な機器であり、同期速度での定常運転時には逆に損失となり、電動機の効率を低下させることになる。このため、同期運転時には放電抵抗ＤＲを切り離すことが必要となる。また同期運転にするにはＤＯＬ始動して、同期速度付近まで加速したら、交流ブラシレスエキサイターからの直流電流に切り替えるための措置が必要となる。

このような中、界磁巻線型同期電動機の始動から同期運転に切り替えるための回路について、様々な回路が検討されており、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３が知られている。

このうち特許文献１の回路では、交流ブラシレスエキサイター及び整流回路からサイリスタを介して界磁巻線に接続されている。また、界磁巻線と並列に放電抵抗ＤＲが配置されている。ここでは同期運転に切り替えるための回路はサイリス及びゲート回路である。

特許文献２の回路では、その図６に記載されている回路が、放電抵抗ＤＲの切り離し及び同期運転への切り替えを備えた回路となる。この回路での放電抵抗ＤＲ切り離しはサイリスタ２４Ａにより切り離すことになる。界磁巻線短絡での始動は誘導電流が発生する。この誘導電流を放電抵抗ＤＲに通電させるために、サイリスタ２４Ａとダイオード２４Ｂにて通電する。同期運転に切り替わると直流電流が流れるが、サイリスタ２４Ａはターンオフし、ダイオード２４Ｂは直流電流をブロックする向きに配置されているため、放電抵抗ＤＲが切り離された状態となる。ここでは同期運転へ切り替えるための回路はサイリスタ２ａとなる。

特許文献３の回路は、同期運転に切り替わったことを確実に検知するための装置を備えたことが特徴である。

特開昭５９−２２２０８７号公報 特開昭０６−３４３２５０号公報 特開平０３−０７８４７８号公報

特許文献１の回路の場合、放電抵抗ＤＲを切り離すための回路が存在しない。またサイリスタがターンオンしたことにより、直流電流が界磁巻線に通電されるのと同時に、放電抵抗ＤＲにも電流が通電されることになる。この結果、上述したように直流通電され同期運転状態においても放電抵抗ＤＲに電流が流れ続けるため損失となり、電動機の効率を低下させることになる。

特許文献２の回路の場合、放電抵抗ＤＲの切り離し及び同期運転への切り替えは、サイリスタのゲート制御回路２３にて行うことになる。この回路ではサイリスタは四つ存在することになる、これに伴い、ゲート制御回路２３の信号用の発信部をサイリスタの個数分必要となり、ゲート制御回路２３が大型化するため、回転子内に配置する場合、実装面積が大きくなる。また、放電抵抗ＤＲを切り離すためのサイリスタ２４Ａに対してはノイズやゲート制御回路２３の誤作動により、同期運転時において、ゲートに信号が入力されてしまい、サイリスタがターンオンし放電抵抗ＤＲに電流が通電されてしまう可能性がある。

特許文献３の回路の場合、放電抵抗ＤＲが存在しない回路となるめ、ＤＯＬ始動時の電流が増加し、系統への動揺も大きくなることが予想される。

上述した特許文献の発明では、始動電流を低減し同期運転後も確実に放電抵抗ＤＲを切り離すことが困難であると考えられる。

本発明は界磁回路上に放電抵抗ＤＲを有し、同期運転への切り替えと放電抵抗ＤＲの切り離しを行える回路を備え、同期運転後に外乱等でも放電抵抗ＤＲが再接続される可能性を低減させ、且つ、回路を小型化することができる界磁巻線型同期電動機を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、電力系統に接続される固定子と、シャフト上に界磁巻線を巻回した回転子と、シャフト上に搭載されたブラシレス交流エキサイターと、ブラシレス交流エキサイターの出力を整流して直流線路に与える整流回路とを備え、直流線路に界磁巻線を接続した界磁巻線型同期電動機であって、界磁巻線に並列に、放電抵抗と、ダイオードと第１の開閉装置の並列回路を直列接続した第１回路を接続し、第１回路と整流回路を接続する直流線路の一方の線路に直列に第２の開閉装置を備え、第１の開閉装置を界磁巻線に誘導された誘導機電圧を抵抗により分圧した電位により開閉制御するとともに、分圧した電位の点からダイオードを介して第２の開閉装置が接続された直流線路の一方の線路の前記整流回路側に接続し、第２の開閉装置を同期速度近傍において閉成することを特徴とする。

本発明によれば、始動電流を低減し、同期運転後の放電抵抗の再接続される可能性を低減させ、放電抵抗を切り離すための制御回路を小型化するこが可能となる。

界磁巻線形同期電動機の外観の一例を示す図。 図１の回転機部の具体的な内部構成例を示す図。 実施例１に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 実施例２に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 実施例２に係る界磁回路の周波数検出装置の具体構成を示す図。 実施例３に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 実施例３に係る界磁回路の電圧検出装置の具体構成を示す図。 実施例４に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 実施例４に係る界磁回路の制御回路の具体構成を示す図。 実施例５に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 実施例５に係る界磁回路のゼロクロス検出装置の具体構成を示す図。 誘導起電圧の時間変化を示す図。 実施例６に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 実施例７に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図。 界磁巻線形同期電動機の外観の一例を示す図。

以下本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお各図において同一部分は同じ番号を付与している。

実施例１について、図１、図２、図３を用いて説明する。

図１は、一般的な界磁巻線型同期電動機の外観の一例を示す図である。ここで適用対象とされる界磁巻線型同期電動機１３は、例えばＬＮＧプラント等に適用される数十ＭＷ級の大容量の電動機である。駆動電源は三相交流電源が供給され、回転速度は７５０〜１５００回転／分の範囲で回転する。図１に示すように、界磁巻線型同期電動機１３をその主たる構成要素（構成機器）に大別すると、回転機部３、熱交換器１５、ブラシレス交流エキサイター４で構成される。

図２は、図１の回転機部３の具体的な内部構成例を示している。回転機部３には回転子８、固定子５、シャフト９が内部に配置されている。また図示していないが、回転機部３の内部で冷却風を循環されるためのファンも設けている。このうち回転子８は回転子鉄心２６、シャフト９、界磁巻線１０で構成されている。界磁巻線１０は周方向に交互に極性が変わるように、巻線方向を変えて配置される。回転子鉄心２６はダンパー効果を得るために、電磁鋼板では無く塊状鉄心としている。これにより、始動時のトルクを増加させることが可能となる。

固定子５は固定子鉄心２７が軸方向に電磁鋼板にて積層され、固定子スロット６にコイル７が施されている。図２では回転子極数は４極、固定子スロット数は８４であるが、他の極数、スロット数で構成してもよい。また、コイル７の巻線方法は分布巻や集中巻としてもよい。

図１に戻り、他の主たる構成要素であるブラシレス交流エキサイター４は、回転子８の界磁巻線１０に直流電流を通電し励磁させるための装置である。熱交換器１５は回転機部３内の冷却風を熱交換するための装置であり、実施例１では水を適用した熱交換器であるが、空気を適用してもよい。

図３に実施例１に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成例を示している。図３の界磁巻線型同期電動機の界磁回路は、ブラシレス交流エキサイター４から回転子８の回転子巻線（界磁巻線）１０に直流電流を与えるための回路構成である。この回路は、整流回路部１００と同期投入回路部２００とで構成されている。このうち整流回路部１００は、ダイオード１１ａで構成された６相グレーツ結線により構成されており、ブラシレス交流エキサイター４からの交流電流を直流電流に変換して回転子８の回転子巻線（界磁巻線）１０に直流電流を与える。なお図においてＬは電源線であり、ＬＰが正電位線、ＬＭが負電位線とする。但しここでの正負は、整流回路部１００で定まる極性を基準としている。

同期投入回路部２００は、さらに放電抵抗部２００Ａと同期投入部２００Ｂと条件検知部２００Ｃで構成されている。このうち放電抵抗部２００Ａは、放電抵抗ＤＲと逆方向ダイオード１１ｂとサイリスタ２で構成されている。同期投入部２００Ｂはサイリスタ１で構成されている。条件検知部２００Ｃでは、要するに始動時と同期運転時を弁別し、検知した状態に応じてサイリスタ１、２の導通（ターンオン）と非導通（ターンオフ）を制御する。

図３を用いて界磁巻線型同期電動機の界磁回路の動作を説明する。この回路において、整流回路部１００の構成はすでに述べたとおりであり、正電位線ＬＰを正電位とし、負電位線ＬＭを負電位とする出力を与える。

放電抵抗部２００Ａでは、正電位線ＬＰと負電位線ＬＭの間に、放電抵抗ＤＲと、逆方向ダイオード１１ｂとサイリスタ２の並列回路を直列接続している。後で説明するが、この回路により、界磁巻線１０に誘起された交流誘導起電流の流路を形成する。交流誘導起電流が正電位線ＬＰ側に流れるときに放電抵抗ＤＲからサイリスタ２を経由して負電位線ＬＭに至る電流流路を形成し、交流誘導起電流が負電位線ＬＭ側に流れるときに逆方向ダイオード１１ｂから放電抵抗ＤＲを経由して正電位線ＬＰに至る電流流路を形成させる。従って、サイリスタ２は交流誘導起電流が負電位線ＬＭ側に流れるときに導通（ターンオン）制御される。

同期投入部２００Ｂは、負電位線ＬＭにサイリスタ１を直列配置している。これにより、サイリスタ１がターンオフの時、ブラシレス交流エキサイター４側の回路（整流回路部１００）と、界磁巻線１０の回路（放電抵抗部２００Ａ）を回路的に分離する。またサイリスタ１がターンオンの時、ブラシレス交流エキサイター４側の回路（整流回路部１００）と、界磁巻線１０の回路（放電抵抗部２００Ａ）を回路的に結合する。なお正電位線ＬＰにサイリスタ１を直列配置してもよい。

条件検知部２００Ｃは、サイリスタ１、２の導通（ターンオン）と非導通（ターンオフ）を制御している。サイリスタ１の制御のために抵抗２８と順方向ダイオード１１ｄの直列回路を、正電位線ＬＰと負電位線ＬＭに直列接続されたサイリスタ１のゲートの間に接続している。従って、正電位線ＬＰに印可された電位により、整流回路部１００と放電抵抗部２００Ａの間の分離、結合が決定されることになる。

また条件検知部２００Ｂは、サイリスタ２の制御のために抵抗１７，１６と順方向ダイオード１１ｃの直列回路を、正電位線ＬＰとサイリスタ２のゲートの間に接続している。また抵抗１７と１６の接続点間から順方向ダイオード１１ｅを介して整流回路部１００側の負電位線ＬＭに接続している。これによりサイリスタ２は、正電位線ＬＰの電位に対応して制御され、放電抵抗ＤＲを介した電流流路を形成する。

この回路は要するに電源線の電位を分圧してサイリスタ２の導通を制御するとともに、分圧点の電位を負電位線ＬＭに落としたものである。この結果、サイリスタ２は整流回路部１００と、界磁巻線１０の回路が分離された状態では分圧された電位により制御され、整流回路部１００と、界磁巻線１０の回路が結合された状態では分圧点の電位を負電位に落とすためにサイリスタ２の導通を確実に阻止することができる。言い換えると、放電抵抗ＤＲを界磁巻線から切り離すことができる。

以下、図３の回路動作を時系列的な順序を追いながら説明する。まずＤＯＬ始動時には、ブラシレス交流エキサイター４は十分な出力を与えておらず、整流回路部１００における正電位線ＬＰの電位は立ち上がっていない。このため抵抗２８と順方向ダイオード１１ｄの直列回路は、サイリスタ１のゲートに信号を与えておらず、サイリスタ１はターンオフの状態である。このため、整流回路部１００と放電抵抗部２００Ａの間は分離されており、図３の回路は界磁コイル１０、放電抵抗ＤＲ、サイリスタ２、抵抗１６、１７、ダイオード１１ｂにより構成されている。よって、界磁コイル１０から見た場合、放電抵抗ＤＲとサイリスタ２、ダイオード１１ｂを介した短絡回路となる。

係る状態からの始動時において、固定子５に三相電圧を投下する（遮断器を介して固定子巻線を電力系統に接続）ことで、界磁コイル１０には誘導起電流が発生する。発生した交流の誘導起電流についてプラス側の電流は、放電抵抗ＤＲを介してサイリスタ２に印可され、また抵抗１６、１７、ダイオード１１ｃを介してサイリスタ２のゲートに流れる。サイリスタ２のゲートに電流が流れると、サイリスタ２のアノード、カソード間がターンオンする。これにより、プラス側の誘導起電流は放電抵抗ＤＲからサイリスタ２を経由して界磁コイル１０に流れる。

一方、マイナス側の電流はダイオード１１ｂから放電抵抗ＤＲを介して界磁コイル１０に流れる。この時、サイリスタ２には負電圧が掛かり、且つ、ゲート電流はゼロであるため、サイリスタ２のアノード、カソード間はターンオフする。以上を通じて、界磁コイル１０からの誘導起電流は、その正負に拘わらず放電抵抗ＤＲに流れることで、制限される。

その後電動機は始動し加速するに従い周波数も小さくなることから、誘導起電流も小さくなる。これにより、同期速度付近まで加速すると、サイリスタ２のゲートへ流れる電流も小さくなるためサイリスタ２のアノードカソード間は継続してターンオフした状態になる。このように、始動して同期速度付近までは誘導起電流が放電抵抗ＤＲに流れ、同期速度付近になると放電抵抗ＤＲには誘導起電流のマイナス側のみ流れることになる。

なおここで、放電抵抗ＤＲに直列にサイリスタ２とダイオード１１ｂを接続する理由は以下のようである。界磁投入は直流電流であるため、サイリスタ２をターンオフした状態にすれば、ダイオード１１ｂに対しては逆方向電流となるため直流電流をブロックすることになる。これにより、放電抵抗ＤＲに直流電流が流れないようにし、界磁投入後に放電抵抗ＤＲを切り離すことでき、放電抵抗ＤＲを設けることで、始動時の始動電流を低減することが可能となる。

次に同期速度まで加速して、界磁投入する動作について説明する。まず交流エキサイター４の原理について説明する。この原理は交流励磁式同期発電機と同じであり、固定子側に励磁電流を流すことで、回転子に発電電流が発生する。これにより、ブラシレスに界磁コイル１０に電流を供給することが可能となる。よって、発電電流は電動機が加速するに従い、発電電流も増加することになる。このようにして交流エキサイター４からは三相交流電流が流れ、ダイオード１１ａを六つ配置した整流回路部１００において直流電流に変換される。

同期速度付近まで加速した状態での直流電流は抵抗２８、ダイオード１１ｄを介して、サイリスタ１のゲートへ流れる。サイリスタ１のゲートに電流が流れるとアノード、カソード間がターンオンになる。これにより整流回路部１００と放電抵抗部２００Ａの間が結合され、直流電流は界磁コイル１０へ流れる。

なおこの状態におけるサイリスタ２の動作は、ターンオフ状態を維持するものとされる。つまり、サイリスタ２のアノード、カソード間がターンオンになる条件として、界磁電圧より誘導起電圧が大きい場合にターンオンするように、抵抗１６、１７の値を設定しておくことで、界磁投入してもサイリスタ２はターンオフした状態を維持することができる。

またこの状態において、抵抗１６と１７の接続点から分岐したパイパス回路１８に設けられたダイオード１１ｅにより、以下の機能を果たす。ダイオード１１ｅは始動時の誘導起電圧が発生している時は、サイリスタ１がターンオフしているため電流は流れないが、サイリスタ１がターンオンするとバイパス回路１８とダイオード１１ｅを介して電流が流れる。これにより、始動時の特性を利用しダイオード１１ａで構成された整流回路を切り離すことで、サイリスタ１のゲート回路部を無電位状態にし、始動時の誘導起電圧でサイリスタ１がターンオンすることを防止している。

さらに、パイパス回路１８とダイオード１１ｅはサイリスタ１がターンオンすることで、サイリスタ２のゲート回路がバイパス回路１８とダイオード１１ｅを介してサイリスタ１のカソード側に接続されるため、サイリスタ２を確実にターンオフ状態にし、放電抵抗ＤＲが通電されたまま同期運転されることを回避できる。

また、ノイズ等の突発的な信号に対しても、サイリスタ２をターンオフ状態に維持し、放電抵抗ＤＲを切り離すことが可能となる。

なお図３に示した回路の内、固定子５以外は、回転子８のシャフト９に取り付けられる構成となるため、電動機が駆動する際は回路も一緒に回転することになる。実施例１では、サイリスタ１、２を半導体素子としているが、機械式の開閉装置としても良く、その場合、シャフト９に取り付けられる回路部をシャフト９から外し、別設置しブラシを搭載する構成でも、上述した効果を得られる。

実施例２について、図４、図５、図１２を用いて説明する。

図４は実施例２に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成例を示している。実施例２では、サイリスタ１の制御のために周波数検出装置を搭載した界磁回路の回路図を示している。周波数検出装置ではすべり周波数を監視して、サイリスタ１切替えの条件としている。

図４の回路構成は、図２における条件検知部２００Ｃの回路構成のうち、サイリスタ１のゲートを制御する抵抗２８と順方向ダイオード１１ｄの直列回路部分が周波数検出装置１９に置き換えられている。従って、サイリスタ１のゲート制御手法のみが実施例１と相違しているので、この部分を主体に説明する。

この制御では、すべり周波数に着目している。図１２はＤＯＬ始動時における誘導機電圧の時間経過を示す図である。固定子５側の巻線の電源投入により回転子巻線１０側に誘導される交流電圧は、時刻ｔ０以降時間経過とともに低減し、かつ交流電圧の周期は時間経過とともに長くなる。この場合の交流電圧の周波数はいわゆるすべり周波数である。係る始動時の誘導起電圧の特性として、回転速度が低い場合、固定子５に通電される電源周波数との差が大きいため、界磁コイル１０に発生する誘導起電圧も大きく、周波数が高い状態である。この周波数をすべり周波数と呼び、電動機の回転速度が高くなるにつれ、誘導起電圧もすべり周波数も低下していく関係にある。このことから、実施例２に示した周波数検出装置１９では設定した周波数（すべり周波数）になった時点で、サイリスタ１のゲートに信号を発信することで界磁投入することが可能となる。

なお周波数検出装置１９の入力は図４に示したｃ、ｄ（正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）であり、装置の電源はａ、ｂ（整流回路部１００側の正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）である。出力はｅ（サイリスタ１のゲート信号）である。

図５に、周波数検出装置１９の内部構成を示す。図５に示すように、周波数検出装置１９では、周波数／電圧コンバータ２９において周波数を電圧へ変換する。周波数／電圧コンバータ２９の駆動用電源は電源３０から得る。電源３０には、ブラシレス交流エキサイター４からダイオード１１ａを介して得られた直流電流が入力される。誘導起電圧の周波数と、周波数設定器３１にて設定した周波数を比較器３２で比較し、周波数が同じになったら、サイリスタ１へ信号を発信する。

電動機は始動時の負荷状態により、加速状態が異なり、これに伴いすべり周波数も変化していく。実施例２によれば負荷状態を考慮し、適切なすべり周波数を設定して、界磁投入することで安定した始動特性を得ることが可能となる。

実施例３について、図６、図７を用いて説明する。

図６は、実施例３に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成例を示している。実施例３では、実施例２の周波数検出装置１９に替えて電圧検出装置２０を搭載した界磁回路の回路図を示している。電圧検出装置２０では誘導起電圧を監視して、サイリスタ１切替えの条件としている。

実施例２で図１６を用いて説明したように、回転速度に応じて誘導起電圧の大きさも変化する。このため図６に示すように、誘導起電圧の大きさを電圧検出装置２０にて検出して、設定した電圧になった時点で、サイリスタ１のゲートに信号を発信し、界磁投入することが可能となる。

電圧検出装置２０の入力は図６に示したｃ、ｄ（正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）であり、装置の電源はａ、ｂ（正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）である。出力はｅ（サイリスタ１のゲート信号）である。

図７に、電圧検出装置２０の内部構成を示す。図７に示すように、電圧検出装置２０ではピークホールド回路３３にて、入力された誘導起電圧の最大値を検出する。ピークホールド回路３３の駆動用電源は電源３０から得る。電源３０には、交流エキサイター４からダイオード１１ａを介して得られた直流電流が入力される。誘導起電圧の電圧値と、電圧設定部３４にて設定した電圧を比較器３２で比較し、同じになったら、サイリスタ１へ信号を発信する。

電動機は始動時の負荷状態により、加速状態が異なり、これに伴い誘導起電圧も変化していく。実施例３によれば負荷状態を考慮し、適切な電圧を設定して、界磁投入することで安定した始動特性を得ることが可能となる。

実施例４について、図８、図９を用いて説明する。

図８に実施例４に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成例を示している。実施例４では、図３で説明した実施例１の界磁回路の構成に、さらに制御回路２１と制御回路２１により制御されるサイリスタ２２を追加設置している。

ここで、サイリスタ２２は負電位線ＬＭに設置されたサイリスタ１と直列に設置されている。また制御回路２１は、界磁コイル１０に取り付けた温度センサー３５からの温度信号が設定温度以上になった場合、サイリスタ２２をターンオフするようにしている。

このため、ブラシレス交流エキサイター４側の回路（整流回路部１００）と界磁巻線１０の回路（放電抵抗部２００Ａ）を回路的に分離する機能は、負電位線ＬＭに設置された２つのサイリスタ１と２２のいずれか一方のターンオフにより実施されることになる。これに対し、ブラシレス交流エキサイター４側の回路（整流回路部１００）と界磁巻線１０の回路（放電抵抗部２００Ａ）を回路的に結合する機能は、負電位線ＬＭに設置された２つのサイリスタ１と２２の双方のターンオンにより実施されることになる。

図８に示すように、界磁コイル１０に取り付けた温度センサー３５からの温度信号を制御回路２２にて検出して、設定した温度になった時点で、サイリスタ２２のゲートに信号を発信し、界磁投入することが可能となる。

制御回路２２の入力は図８に示したｃ（界磁コイル１０に取り付けた温度センサー３５からの温度信号）であり、装置の電源はａ、ｂ（正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）である。出力はｄ（サイリスタ２２のゲート信号）である。

図９に、制御回路２１の具体的な内部構成を示す。図９に示すように、制御回路２１では増幅回路３６において、端子Ｃから入力された温度信号を検出し、増幅する。増幅回路３６の駆動用電源は電源３０から得る。電源３０には、交流エキサイター４からダイオード１１ａを介して得られた直流電流が入力される。検出した温度信号と、温度設定部３７にて設定した設定温度を比較器３２で比較し、同じになったら、サイリスタ２２へ信号を発信する。

実施例４により、界磁コイル１０の温度が適用しているコイルの温度上限値になった場合、サイリスタ２２がターンオフして、同期運転状態からＤＯＬ状態に戻ることになる。ＤＯＬ状態に戻り、すべり周波数が低い場合は、界磁電流よりも誘導起電流は小さくなるため、界磁コイル１０のオーバーヒートを回避することができる。一方、ＤＯＬ状態に戻り、すべり周波数が高い場合は、回転速度自体も低下するため、電動機自体が異常状態であることを検知することができる。

尚、サイリスタ２２はゲート信号の極性を変えることで、ターンオンとターンオフを切り替えることができるＧＴＯサイリスタを適用する。また、機械式の開閉装置でも同様の機能を得ることが可能である。

実施例４の制御回路２１と制御回路２１により制御されるサイリスタ２２は、要するに界磁巻線１０の温度保護要素を構成したものである。従ってここでは、図１の回路に温度保護要素を追加設置しているがこれは実施例２、実施例３、さらには他の界磁回路に適用することも可能である。

実施例５について、図１０、図１１を用いて説明する。

図１０に実施例５に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成例を示している。実施例５では、実施例２の周波数検出装置１９、実施例３の電圧検出装置２０に替えてゼロクロス検出装置２３を搭載した界磁回路の回路図を示している。ゼロクロス検出装置２３では誘導起電圧のゼロクロスポイントを検出して、ゼロクロスした時点で、サイリスタ１へのゲートに信号を発信し、界磁投入することが可能となる。

ここでサイリスタ１の投入による整流回路側と界磁巻線との接続タイミングをゼロクロスした時点で定めるのは以下の理由による。起動時に回転機は誘導機として起動しており、サイリスタ１の投入により同期機となるが、この過程では電動運転モードと発電運転モードを交互に繰り返す状態である。このため、投入時のタイミングによっては同期運転であっても不安定な運転状態で接続される恐れがある。このためゼロクロスした時点を起点として安定運転点を目指したものである。

ゼロクロス検出装置２３の入力は図１０に示したｃ、ｄ（正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）であり、装置の電源はａ、ｂ（正電位線ＬＰと負電位線ＬＭにおける電位）である。出力はｅ（サイリスタ１のゲート信号）である。

図１１に、ゼロクロス検出装置２２の具体的な内部構成を示す。図１１に示すように、ゼロクロス検出装置２３はゼロクロス検出回路３８にて、入力された誘導起電圧のゼロクロスを検出する。ゼロクロス検出回路３８の駆動用電源は電源３０である。電源３０は交流エキサイター４からダイオード１１ａを介した直流電流が入力される。これにより、界磁投入時の位相を常に、同じタイミングで投入することができるため、毎回、同じ始動特性を得ることが可能となる。

尚、実施例１、実施例２で記述している誘導起電圧２４の時間変化を図１２に示す。これは振幅が時間変化により変動する正弦波状の信号である。図１２に示すように、始動後は振幅も大きく周波数も高く、電動機の回転速度が上がっていくと、振幅は小さくなり、周波数も低くなる。

実施例６について、図１３を用いて説明する。

図１３は、実施例６に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図であり、ここでは放電抵抗ＤＲを可変抵抗にした事例を示している。放電抵抗ＤＲを可変抵抗３９にすることで、電動機の素性（出力、周波数）が変わった場合でも、最適な抵抗値に設定することができる。放電抵抗ＤＲの抵抗値を最適化することは、始動電流を最小限にしていることとなる。

実施例７について、図１４を用いて説明する。

図１４は、実施例７に係る界磁巻線型同期電動機の界磁回路の構成を示す図である。ここでは、正電位線ＬＰと負電位線ＬＭの間に平滑コンデンサを配置している。ダイオード１１ａで構成された整流回路部１００の隣に、平行して平滑コンデンサ２５を配置している。整流回路部１００において整流された電流は、リップル成分を含んでいる。平滑コンデンサ２５を配置することで、リップル成分を除去し、脈動の無い界磁電流を界磁コイル１０に供給することができる。こうすることで、リップルによる電動機のトルク脈動や振動成分を無くすことができる。

実施例８について、図１５を用いて説明する。

図１５は、界磁巻線形同期電動機の外観の一例を示す図である。ここでは、電動機負荷として、コンプレッサーと連結した例を示す。上記の実施例１から実施例７で示した回路を有した、界磁巻線型電動機１３と増速ギア２６とコンプレッサー１２が連結される。これにより、ＬＮＧや薬品、化学プラントへの圧縮機を必要とするプラントへ設置し、運転することが可能となる。

なお上記の実施例の説明においてはサイリスタにより回路の接続分離を行う事例を示しているが、これは一般的には開閉装置により構成することができるものであり、サイリスタも各種の半導体素子で代替可能であることは言うまでもない。

１、２，２２：サイリスタ
３：回転機部
４：ブラシレス交流エキサイター
５：固定子
６：スロット
７：コイル
８：回転子
９：シャフト
１０：界磁コイル
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ：ダイオード
１２：コンプレッサー
１３：界磁巻線形同期電動機
１４：ＤＲ（放電抵抗）
１５：熱交換機
１６、１７：抵抗
１８：バイパス回路
１９：周波数検出装置
２０：電圧検出装置
２１：制御回路
２３：ゼロクロス検出器
２４：誘導起電圧
２５：平滑コンデンサ
２６：回転子鉄心
２７：固定子鉄心
２８：抵抗
２９：Ｆ／Ｖコンバータ
３０：電源
３１：周波数設定
３２：比較器
３４：ピークホールド回路
３５：電圧設定
３６：温度センサー
３７：増幅回路
３９：温度設定
４０：ゼロクロス検出器
４１：可変抵抗
４６：増速ギア

Claims (8)

1. 電力系統に接続される固定子と、シャフト上に界磁巻線を巻回した回転子と、前記シャフト上に搭載されたブラシレス交流エキサイターと、該ブラシレス交流エキサイターの出力を整流して直流線路に与える整流回路とを備え、前記直流線路に前記界磁巻線を接続した界磁巻線型同期電動機であって、
   前記界磁巻線に並列に、放電抵抗と、ダイオードと第１の開閉装置の並列回路を直列接続した第１回路を接続し、該第１回路と前記整流回路を接続する前記直流線路の一方の線路に直列に第２の開閉装置を備え、
   前記第１の開閉装置を前記界磁巻線に誘導された誘導機電圧を抵抗により分圧した電位により開閉制御するとともに、前記分圧した電位の点からダイオードを介して前記第２の開閉装置が接続された前記直流線路の一方の線路の前記整流回路側に接続し、
   前記第２の開閉装置を同期速度近傍において閉成することを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
2. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記第１回路を前記界磁巻線に並列に接続し、前記第２の開閉装置を開放した状態で前記固定子を電力系統に接続し、同期速度近傍において前記第２の開閉装置を閉成することを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
3. 請求項１または請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記第１の開閉装置は、前記固定子の電力系統接続により前記界磁巻線に誘起された誘導起電流の極性に応じて開閉されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
4. 請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記同期速度近傍であることを、すべり周波数により検知することを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
5. 請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記同期速度近傍であることを、前記固定子の電力系統接続により前記界磁巻線に誘起された誘導起電圧により検知することを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
6. 請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記同期速度近傍であることを、すべり周波数のゼロクロスポイントにより検知することを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
7. 請求項１または請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記第２の開閉装置と直列に第３の開閉装置を接続し、前記界磁巻線温度により開閉制御することを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
8. 請求項１または請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機であって、
   前記開閉装置が半導体素子で構成されていることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

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