JP2533485B2 - 直流機の整流補償装置 - Google Patents

直流機の整流補償装置

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JP2533485B2
JP2533485B2 JP61056840A JP5684086A JP2533485B2 JP 2533485 B2 JP2533485 B2 JP 2533485B2 JP 61056840 A JP61056840 A JP 61056840A JP 5684086 A JP5684086 A JP 5684086A JP 2533485 B2 JP2533485 B2 JP 2533485B2
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春雄 小原木
和雄 田原
篤固 小関
信孝 鈴木
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は直流機の整流補償装置の改良に係り、特に補
極に補助巻線を有する直流機の整流補償装置に関するも
のである。
〔従来の技術〕
機械的に整流を行う整流子を、回転子に備えた直流機
においては、整流性能の良否が機械の性能及び寿命を左
右すると言つても過言ではなく、従来から多くの研究や
改善がなされてきている。一般に行なわれているこの整
流性能の良否は、実機の無火花帯を測定することにより
その判定がなされている。一方、この種整流は回転数に
より無火花帯位置が移動する現象があり、この無火花帯
移動量が大きいと常に無火花整流で直流機を運転するこ
とが不可能になる。
この対策として、従来一般には、たとえば実開昭50−
99408号公報に示されているようなものがある。すなわ
ちその代表例を第5〜8図に示しその概要を説明する
と、第5図は直流機の要部を展開して示す断面図であ
り、継鉄1の内周側には主極2と補極3が設けられてい
る。主極2は主極鉄心4と界磁巻線5とにより形成さ
れ、固定子内部で回転する電機子9の電機子巻線6に主
磁束を与える役目をしている。主極2の間には補極3が
あり、この補極3は補極鉄心7と補極巻線8とにより形
成され、電機子巻線(回転子側)6内を流れる電流が反
転する整流現象時に整流起電力を発生させるための補極
磁束を与える役目をなしている。
また、補極鉄心7の先端側には補助巻線10が設けられ
ており、この補助巻線10は第6図に示すように、無火花
帯位置が回転数(横軸)の増加に従つて過整流側(補極
磁束が過剰)に移動するので、補極磁束を減少させる方
向に補助巻線起磁力を調整し、負荷軸を無火花帯中心の
0−P線上に移動する役目をなす。
第7図は補助巻線の電流量を回転数と電機子電流に応
じて制御するための系統の一実施例であり、無火花帯移
動現象を補償する回路構成のブロツク図である。この図
において、電機子電流ILはブラシ11、整流子12を介して
補極巻線8に流れる。一方、補助巻線10の電流IPは、電
流検出器13と回転数検出器14の出力を掛算器15に入力
し、掛算器15の出力をゲート信号発生器16に入力し、こ
のゲート信号発生器16の出力により、外部直流電源17か
らの直流電流を、電流制御回路18内の半導体素子(GTO
サイリスタ,パワートランジスタ等)のスイツチング周
波数、流通率Tを制御して供給する構成となつてい
る。
これより、補助巻線10の電流IPが回転数と電機子電流
の大きさに応じて増加すると、補極起磁力が変化し、負
荷軸は第6図に示したように、無火花帯中心の0−P線
上に移動する。この結果、直流機は無火花整流で運転で
きることになる。
第8図はそ電流制御回路18を示すものでチヨツパ方式
を用いた場合の電流制御回路の主回路構成を示す。図に
おいて、補助巻線10はGTOサイリスタ(以下、単にGTOと
略す)19がオンすると直流電源17より電流IP1が供給さ
れ、オフするとそのインダクタンスのエネルギーにより
環流ダイオード20Bを通して電流IP2が流れる。20Aは帰
環ダイオード、21はスナバ回路である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ここで問題は、常に補助巻線10が環流ダイオード20B
で閉回路を形成し、かつ第5図に示したように補極巻線
と同一磁路に配置されていることにあり、このため、次
のような問題が生ずる。
すなわち、起動−停止が頻繁に繰り返えされる直流機
は、電機子電流が過渡的に上昇したり、減少したりす
る。この場合補極巻線8にも電機子電流が流れているの
で、補極磁束も過渡的に変化する。このため、補助巻線
10は磁束変化に伴う電圧を誘起する。定常及び停止運転
モードの時は、電流制御回路18が動作し、所要の電流I
P1が補助巻線10に流れる。しかし、起動運転モードの時
には、電機子電流が過渡的に上昇するため、電流指令値
より実際に流れている電流量が大きなるので、GTO19は
オフする(電流比較形の制御方式を採用した場合)。そ
して、補助巻線10は磁束変化に伴う電圧を誘起している
ので、この誘起電圧により、環流ダイオード20Bを通し
て制御できない電流iP2が流れて指令値より大きくな
る。この結果、直流機は過補償となり、第6図に示した
負荷軸が無火花帯の下側(不足整流側)から外れ、ブラ
シ11から整流火花を発生する。特に電機子電流の電流変
化率が大きい場合には補助巻線10の誘起電圧も非常に大
きくなつてブラシ11から大きな火花を発生し、ブラシの
異常摩耗や整流子の荒損を生じ、また、本チヨツパ方式
の電流制御回路の主回路構成では4象限運転に対応でき
ない問題があつた。
本発明はこれにかんがみなされたものであり、その目
的とするところは、たとえ電機子電流の変化率が大きく
ても火花の発生がなく、かつ4象限運転に対応できるこ
の種整流補償装置を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
すなわち本発明は、外部から与えられる直流電流をブ
ラシと整流子より機械的に整流して、回転する電機子巻
線に電機子電流として流す電機子と、前記電機子巻線に
主磁束を与える主極と、該主極の間に配置される補極鉄
心に巻回した補極巻線に前記電機子電流を流す補極とか
らなる直流機であって、前記補極鉄心に巻回された補助
巻線と、該補助巻線に電流を流通せしめる外部直流電源
と、該外部直流電源と前記補助巻線間に介在され、該補
助巻線に与えられる電流量を制御する電流制御回路とを
備え、前記補助巻線に流れる電流量を制御して無火花整
流を行なうようになした直流機の整流補償装置におい
て、前記外部直流電源は、交流電源の電圧を昇圧する昇
圧手段と、この昇圧電圧を直流電圧に変換する整流回路
と、該直流電圧を平滑するコンデンサからなり、該外部
直流電源の直流電圧値は、前記直流機の4象限運転時に
おける前記電機子電流の変化時に誘起する前記補助巻線
の誘起電圧値よりも大きい電圧値に設定され、前記電流
制御回路は、帰還ダイオードが逆極性で並列接続された
制御素子でH形ブリッジ回路を形成し、前記ブリッジ回
路の相対角にある制御素子同志を一対として交互にオ
ン,オフさせて、前記外部直流電源より前記補助巻線に
電流を流すように構成され、該補助巻線に流す電流量
は、前記直流機の回転数と前記電機子電流との積から得
られる電流指令値に従って制御する制御回路とからなる
ことを特徴とする。
〔作用〕
先ず、ダイオードが逆極性で並列接続された制御素子
でH形ブリッジ回路を形成した電流制御回路により、補
助巻線に正,逆方向の電流を流すことができるので4象
限運転に対応ができる。
また、補助巻線の外部直流電源の電圧値を電機子電流
の急変時に誘起する補助巻線の誘起電圧値より大きく設
定することにより、補助巻線の誘起電圧によって帰還ダ
イオードを介して外部直流電源のコンデンサへの充電電
流が流れなくなるので、常に電機子電流に対応した電流
指令値通りの電流を外部直流電源側から補助巻線に流す
ことができるので、4象限運転のような急加減速時にお
いて電機子電流が急変しても、負荷軸は常に無火花帯の
範囲内に納まり、ブラシからの大きな火花の発生が防止
できる。
〔実施例〕
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。
第1図には本発明の直流機の整流補償装置の全体が線
図で示されている。この図において、電機子12を流れる
電機子電流ILは従来と同様に流れ、直流子の運転状態を
示す回転数検出器14と電流検出器13の出力が整流補償装
置30に入力されている。整流補償装置30の電流制御回路
18は制御素子のパワートランジスタT1〜T4(D1〜D4は帰
環ダイオード)をH形に構成し、補助巻線10に正及び逆
方向の電流を供給する。直流電源17は交流電源25の電圧
を昇圧トランス24で昇圧し、この電圧を整流回路22で直
流に変換し、電源コンデンサ23で平滑する構成となつて
いる。この整流補償装置30は回転数検出器14の出力を絶
対値回路29で常に正の電圧に変換して掛算器15に入力
し、もう一方の入力である電流検出器13の出力と掛算す
る。この出力IP が補助巻線10の電流指令となる。電流
指令IP はヒステリシス特性をもつ比較器26で補助巻線
電流検出器28と比較され、電流制御信号VAに変換され
る。ゲート信号発生回路16は電流制御信号VAの大きさに
応じてパワートランジスタT1とT4のオン,オフの信号VB
と、T2とT4のオン,オフの信号VCを出力し、この出力が
ゲートアンプ27で増幅され、T1〜T4が駆動される。すな
わち、本整流補償装置30はパワートランジスタT1とT4
しくはT2とT3を同時にオン,オフして、補助巻線10に正
方向及び逆方向の電流を直流電源17から供給する。そし
て、パワートランジスタT1とT4もしくはT2とT3のオン,
オフのタイミングを変えて補助巻線の電流量を調整しよ
うとするものである。
第2図は第4象限運転される直流機における回転数N,
絶対値回路29の出力|N|、電機子電流ILと掛算機15の出
力IP を示す。ここで、期間t1が起動、t2が正転力行、
t3が制動、t4が正転回生、t5が逆転起動、t6が逆転力
行、t7が逆転制動、t8が逆転回生運転モードの期間であ
る。これより、補助巻線電流指令IP は電機子電流IL
方向に応じて、かつ回転数の絶対値|N|と電機子電流IL
の大きさに比例し、4象限運転に対応したものとなる。
ここで、問題となるのは正及び逆転起動と正及び逆転
制動運転モードの時である。第3図の(イ)はパワート
ランジスタT1とT4のオン時、(ロ)はパワートランジス
タT1とT4がオフ時の動作説明図である。例えば、正転起
動運転モードの時、電流指令IP が正の電圧となるの
で、(イ)に示すようにパワートランジスタT1とT4がオ
ンし、電源側よりパワートランジスタT1とT4を介して補
助巻線10に電流IP1が供給される(補助巻線10を抵抗R
とインダクタンスLで示した)。電流IP1が電流指令IP
より流れすぎると、補助巻線電流検出器28の出力をIP
とつき合わせているので、パワートランジスタT1とT4
がオフして(ロ)に示す導通状態となる。ここで、補助
巻線10は電機子電流ILが急増して補極磁束も急増する
と、補極磁束を減らそうとする方向の電圧E(図示した
方向)を誘起する。この誘起電圧Eが電源コンデンサの
直流電圧VDCより小さいと補助巻線電流iP1は減少し、電
流指令IP に応じた電流が補助巻線10に流れる。しかし
ながら、たとえば圧延機駆動用の直流電動機は過負荷領
域まで運転され、電機子電流ILの変化率も大きくなる。
この磁、補助巻線10の誘起電圧Eが電源電圧VDCより大
きくなると、誘起電圧Eによつて帰環ダイオードD2とD3
を介して電源コンデンサ23へ充電々流IP2が流れ、この
電流IP2は制御できない。本発明では、過負荷領域まで
運転された時の補助巻線10の誘起電圧Eに対し、電源コ
ンデンサ23の直流電圧VDCを大きくした。これより、補
助巻線10の誘起電圧Eによつて電源コンデンサ23への充
電々流IP2が流れなくなり、電流指令IP に応じて補助
巻線10の電流IP1を制御できる。他の運転モードの時
も、駆動するパワートランジスタ及び導通する帰環ダイ
オードが変わるのみであり、良好な電流制御が行え、4
象限運転に対応できる。
第4図は電流指令IP と実際の補助巻線電流IPを示し
たものであり、従来のE>VDCの時がIP2、本発明のE<
VDCの時がIP1となり、補助巻線1の電流IPを4象限運転
に対応して電流指令IP 通りに制御できる。
〔発明の効果〕
以上説明してきたように、本発明は補助巻線の外部直
流電源の電圧値を、補助巻線が電機子電流の急変時に誘
起する誘起電圧値より大きくするようになしたから、電
機子電流に対応して、すなわち電流指令通りに補助巻線
電流を制御できるので、負荷軸が常に無火花帯の範囲内
に納まり、急加減速運転時にブラシから大きな火花を発
生することがなく、したがつて、4象限運転に対応で
き、かつ急加減速にブラシから発生する火花を充分防止
できるので、ブラシの異常摩耗や整流子の荒損が発生す
ることのない直流機の整流補償装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す直流機の整流補償装置
の全体構成図、第2図は4象限運転モードの説明図、第
3図は整流補償装置の動作説明図、第4図は電流指令値
と補助巻線電流を示す説明図、第5図は直流機の要部展
開断面図、第6図は無火花帯移動現象の説明図、第7図
は従来の直流機の整流補償装置の回路ブロック図、第8
図は電流制御回路構成を示す図である。 8……補極巻線、10……補助巻線、17……電流電源、18
……電流制御回路、22……整流回路、23……電源コンデ
ンサ、24……昇圧トランス、25……交流電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小関 篤固 日立市幸町3丁目1番1号 株式会社日 立製作所日立工場内 (72)発明者 鈴木 信孝 日立市会瀬町2丁目9番1号 日立設備 エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−26494(JP,A) 特開 昭60−144152(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外部から与えられる直流電流をブラシと整
    流子より機械的に整流して、回転する電機子巻線に電機
    子電流として流す電機子と、前記電機子巻線に主磁束を
    与える主極と、該主極の間に配置される補極鉄心に巻回
    した補極巻線に前記電機子電流を流す補極とからなる直
    流機であって、前記補極鉄心に巻回された補助巻線と、
    該補助巻線に電流を流通せしめる外部直流電源と、該外
    部直流電源と前記補助巻線間に介在され、該補助巻線に
    与えられる電流量を制御する電流制御回路とを備え、前
    記補助巻線に流れる電流量を制御して無火花整流を行な
    うようになした直流機の整流補償装置において、 前記外部直流電源は、交流電源の電圧を昇圧する昇圧手
    段と、この昇圧電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
    該直流電圧を平滑するコンデンサからなり、該外部直流
    電源の直流電圧値は、前記直流機の4象限運転時におけ
    る前記電機子電流の変化時に誘起する前記補助巻線の誘
    起電圧値よりも大きい電圧値に設定され、 前記電流制御回路は、ダイオードが逆極性で並列接続さ
    れた制御素子でH形ブリッジ回路を形成し、前記ブリッ
    ジ回路の相対角にある制御素子同志を一対として交互に
    オン,オフさせて、前記外部直流電源より前記補助巻線
    に電流を流すように構成され、該補助巻線に流す電流量
    は、前記直流機の回転数と前記電機子電流との積から得
    られる電流指令値に従って制御する制御回路とからなる
    ことを特徴とする直流機の整流補償装置。
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