JP2581973B2 - 定周波発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業の利用分野」 この発明は、速度変動のある原動機によって駆動され
る定周波発電装置に関し、さらに詳しくは、２次励磁式
誘導発電機において、軸の回転速度が変化しても、その
２次励磁回路の周波数を回転速度に応じて常にすべり周
波数になるように調節することにより、その１次出力回
路に定周波数の出力を得るようにする定周波発電装置の
改良に関するものである。

「従来の技術」 この２次励磁式誘導発電機は、通常、固定子側に１次
出力巻線を、回転子側に２次励磁巻線を備えたブラシ付
の巻線形が用いられ、２次励磁巻線への励磁電力の供給
は静止側よりブラシを介して行なわれている。したがっ
て、消耗品であり面倒な保守点検を要するブラシを有す
るという欠点がある。そこで、この欠点を解決するもの
として、先に、同一発明者により巻線誘導機形の励磁機
を付加することによりブラシレス化を図った発電装置が
提供されている。（特開昭61−42300号公報） 先ずこれにつき、第９図および第10図を用いて、もう
少し詳しく説明する。

原動機１によって２次励磁式誘導発電機３（以下、単
に発電機という）を駆動しその固定子3Sからの発電出力
を遮断器９を介して母線５に供給する。この発電機３の
回転子3Rには巻線誘導機形の励磁機２（以下、単に励磁
機という）の回転子2Rが機械的に結合され、かつ、電気
的にも相互に接続されており、回転子3Rへの励磁を回転
子2Rの発電出力より行なわせることによりブラシを不要
にしている。そして、励磁機２の固定子2Sへは静止電力
変換器４および遮断器10を介して母線５から交流電力W₃
が供給される。静止電力変換器４はその制御入力とし
て、発電機３からの出力電圧（E₁），周波数（f₁）信号
７と発電機３に直結された速度検出器６からの回転数
（Nm）信号８を導入して回転数Nmが変動しても、E₁,f₁
を一定ならしめるに適した電圧，周波数（f₃）に制御さ
れた交流電力W₃を出力する。

そして、今、回転子2Rと3R間の相順接続は、3Rに生ず
る回転磁界の方向Je₁が機械的回転方向Jmと同一に、ま
た、静止電力変換器４から固定子2Sへの相順接続は2Sに
生ずる回転磁界の方向Je₂が機械的回転方向Jmに対して
逆方向になるようにした場合（以下、Ａ例という）につ
き、回転数NmにNm₁（最小）〜Nm₂（最大）間の変動があ
っても固定子2Sの励磁周波数f₃を、回転数Nmに応じてそ
のNmを横軸にして画いた第10図に示すf₃線上、すなわ
ち、Nm₂より若干大きいNm₃｛＝120f₁/（Ｐ＋P₂）｝のと
き零となるf₃線上の値に制御してやれば、回転子2Rの出
力周波数（＝3Rの励磁周波数）f₂および発電機３の出力
周波数f₁は第10図に示すf₂線上およびf₁線上の値とな
り、f₁は一定（60Hz）に保持される。また、このときの
固定子2Sへの入力電力W₃および回転子2Rの発電出力（＝
3Rへの入力電力）W₂の発電機３の発電出力W₁（＝100
％）に対する比率（％）は、それぞれ、10図に示すW₃線
上およびW₂線上の値となる。ただし、発電機３および励
磁機２の各極数はP₁およびP₂とし、また、これら発電機
3,励磁機２の損失および漏れリアクタンス等は無視し、
励磁リアクタンスは無限大とする。（このただし書き
は、以下のすべての実施例の説明にも適用される） この第10図からも分かるようにW₃のW₁に対する比率
（％）は、回転数Nmの大きさによって変化し、Nmが最大
Nm₂のとき最小のW_3MIN（％）（＝▲▼／▲
▼×100％）で、Nmが最小Nm₁のとき最大のW
_3MAX（％）（＝▲▼／▲▼×100％）
になる。したがって、励磁機２および静止電力変換器４
の容量はこのW_3MAXを満たすものとなるので、かなりの
大きさ、たとえばNm₁が70％（Nm₂を100％として）の場
合には少なくとも30％を越える大きなものになるといっ
た欠点がある。なお、特開昭61−42300号公報には、以
上説明したＡ例のほかにも３つの例が記載されている
が、それらの例でも励磁機２および静止電力変換器４の
容量はＡ例の場合とほぼ同一になる。

一方、この欠点を解決し、励磁機２および静止電力変
換器４の容量を約1/2に減小できるものとして第11図に
示すようなブラシ（11）付の発電装置が知られている。

以下、これにつき説明する。なお、第11図において前
述の第９図と同一部分は同一符号を付し説明は省略す
る。30と30S,30Rは２次励磁式誘導発電機とその固定
子，回転子で、その構成は第９図の３と3S,3Rと同一で
あるが、30Rへの励磁はブラシ11を介して静止電力変換
器40より直接行なわれる。この静止電力変換器40は電力
の変換方向が双方向性のものであり、その制御入力とし
て発電機30からの出力電圧（E₁），周波数（f₁）信号７
と発電機30に直結された速度検出器６からの回転数（N
m）信号８を導入してE₁,f₁を一定ならしめるようにブラ
シ11を介して回転子30R側につながる回路の交流電力W₂
の方向，大きさおよび周波数f₂を制御する。すなわち、
回転数NmにNm₁（最小）〜Nm₂（最大）間の変動があって
も、30Rと40間の相順接続は30Rに生ずる回転磁界の回転
方向Je₁が機械的回転方向Jmと同一方向になるように
し、かつ又、静止電力変換器40による回転子30R側回路
の周波数f₂の制御を、回転数Nmに応じて、そのNmを横軸
として画いた第12図に示すf₂線上の値となるようにすれ
ば、発電機30の出力周波数f₁は第12図に示すf₁線上の
値、つまり一定（＝60H_z）に保持される。また、このと
きの回転子30Rへの入力電力W₂の発電機30の発電出力W₁
（＝100％）に対する比率（％）は、第12図に示すW₂線
上の値、すなわち、W₂の方向はNm₁とNm₂の中間回転数Nm
₃（＝120f₁/P₁）を境とし、Nm＜Nm₃のときは母船５から
供給される方向、Nm＞Nm₃のときは母船５の方へ出力す
る方向で、その大きさはNm₁またはNm₂のとき最大、たと
えばNm₁が70％（Nm₂を100％として）の場合には17.6％
となり、前述（第９図）のものより約半減される。

「発明が解決する課題」 以上説明した従来の両定周波発電装置では、前者方式
のものは消耗品であり面倒な保守点検を要するブラシを
不要とするも、反面、静止電力変換器の容量が大きくな
り、その分コスト高になるといった欠点を有し、後者方
式のものはこの欠点は解消されるが、反面、ブラシ付に
なるという欠点を有する。この発明は上記に鑑みなされ
たもので、ブラシを不要とし、しかも静止電力変換器の
容量も小さくして済む発電装置の提供を目的とするもの
である。

「課題を解決するための手段、作用」 そのような課題を解決するものとしてこの発明におい
ては次のような２通りの手段を採った。なお、以下は従
来の前者方式（第９〜10図）と対比して話を進める。

速度変動のある原動機により駆動される２次励磁式誘
導発電機（３）とそのブラシレス化を図るための励磁機
（２）の構成は同一とし、また、その励磁機の固定子
（2S）側と前記発電機の出力側または他電源との間に静
止電力変換器（ただし、第９図の４とは機能を異にす
る）を挿入し、その静止電力変換器に検出入力として発
電機に直結された速度検出器（６）からの回転数（Nm）
信号を導入してその励磁機につながる回路の周波数
（f₃）を回転数Nmに応じて適当に制御させることによ
り、発電機の出力周波数（f₁）一定ならしめることも同
一とするが、一方、発電機の回転数Nmの使用変動域のNm
₁（最小）〜Nm₂（最大）は、回転数Nm₃｛＝120f₁/（P₁
＋P₂）｝より低い領域にしていたのに対し、このNm₃をN
m₁〜Nm₂の中間値となるようにする。（以上、静止電力
変換器の機能を除き第1,第２手段とも同一）そして、発
電機の出力周波数（f₁）を一定に保つための静止電力変
換器の出力周波数（f₃）の制御を、回転数Nmに応じてNm
₃のとき零となる逆比例制御の領域だけで行なっていた
のに対して、この発明における第１手段と第２手段では
次のようにした。先ず、第１手段ではNm₃を境にして、
回転相順の切換えを行なう機能を付加させた上で、Nmに
応じて出力周波数（f₃）制御は、このNm₃を境にして低
速領域Nm₁〜Nm₃ではNm₃のとき零となる逆比例制御を、
高速領域Nm₃〜Nm₂では比例制御を行なわせるようにす
る。その結果、静止電力変換器よりの出力電力（W₃）は
励磁機側は向かう一方向だけで、その大きさは出力周波
数（f₃）と同様に回転数NmがNm₃のとき最小（零）で、N
m₁またはNm₂のとき最大となるが、この最大値は従来の
約1/2に減小される。

次に、第２手段ではNm₃を境にして回転相順の切換え
ではなく、出力電力（W₃）の変換方向の切換えを行なう
機能を付加させた上で出力周波数（f₃）制御は第１手段
と同様な制御を行なわなわせるようにする。その結果、
静止電力変換器よりの出力電力（W₃）は回転数NmがNm₃
のとき最小（零）で、これを境にしてその方向が切換わ
り、Nm₁またはNm₂のとき最大となるが、この最大値は従
来値の約1/2に減小される。

「実施例」 この発明に係わる実施例を第１図と第２図を用いて説
明する。なお、第１図において既に説明した第９図と同
一部分は同一符号を付し説明は省略する。

4Aは第９図の４や第11図の40とは異なる構成，機能を
有する静止電力変換器、すなわち、固定子2Sにつながる
出力側の周波数f₃を零（＝直流）まで制御でき、しか
も、この零を境にして回転相順の切換えを行なう機能を
有し電力の変換方向は母線５側から固定子2S側への一方
向だけの静止電力変換器であり、その制御入力として発
電機３からの出力電圧（E₁），周波数（f₁）信号７と発
電機３に直結された速度検出器６からの回転数（Nm）信
号８を導入して、回転数Nmが変化しても、E₁,f₁を一定
ならしめるに適した電圧，周波数（f₃）に制御された交
流電力W₃を出力し固定子2Sに供給する。

今、発電機３の回転数Nmの使用変動域は最小Nm₁〜最
大Nm₂間とし、その中間回転数をNm₃とする。（以下のす
べての実施例にも適用）回転子2Rと3R間の相順接続は3R
に生ずる回転磁界の方向Je₁を機械的回転方向Jmと同一
になるようにしておき、静止電力変換器4Aから固定子2S
への相順接続はJmに対する2Sの回転磁界の回転方向Je₂
を回転数Nmが中間回転数Nm₃｛＝120f₁/（P₁＋P₂）｝を
境にしてNm＜Nm₃のときは逆方向に、Nm＞Nm₃のときは同
一方向になるように、静止電力変換器4Aによつて相順切
換え制御を行わせ、かつ又、静止電力変換器4Aによるf₃
の制御を、回転数Nmに応じてそのNmを横軸として画いた
第２図に示すf₃線上、すなわち、前記Nm₃でf₃が最小
（零）となるＶ曲線上の値となるようにすれば、回転子
2Rの出力周波数（＝3Rの励磁周波数）f₂および発電機３
の出力周波数f₁は第２図に示すf₂線上およびf₁線上の値
となり、f₁は一定（＝60H₂）に保持される。また、この
ときの固定子2Sへの入力電力（＝4Aの出力）W₃および回
転子2Rの発電出力（3Rへの入力電力）W₂の発電機３の発
電出力W₁（＝100％）に対する比率（％）はそれぞれ第
２図に示すW₃線上およびW₂線上の値となる。

ここで、第２図のf₃線を示す式f₃＝f₁−Nm（P₁＋P₂）
/120（ただし、Nm＜Nm₃のとき）、f₃＝Nm（P₁＋P₂）/12
0−f₁（ただし、Nm＞Nm₃のとき）につき詳しく説明す
る。

回転数Nmで駆動されている発電機３の回転子3R上には
その機械的回転方向Jmと同一方向でその励磁周波数f₂に
同期した速度Ne₁（＝120f₂/P₁）の回転磁界を生ずる
が、この回転磁界の固定子3Sに対する相対速度N₀₁はNe₁
とNmの和となるので、この固定子3Sの出力周波数f₁は次
式のようになる。

f₁＝（P₁/120）N₀₁ ＝（P₁/120）（Ne₁＋Nm） ＝f₂＋（P₁/120）Nm したがつて、 f₂＝f₁−（P₁/120）Nm ……（１） 一方、励磁機２の方は、先ず、Nm＜Nm₃のときは、固
定子2Sには回転子2Rの機械的回転方向Jmと逆方向で速度
Ne₂（＝120f₃/P₂）の回転磁界を生ずるが、この回転磁
界の回転子2Rに対する相対速度N₀₂はNe₂とNmの和となる
ので、この回転子2Rに生ずる周波数f₂は次式のようにな
る。

f₂＝（P₂/120）N₀₂ ＝（P₂/120）（Ne₂＋Nm） ＝f₃＋（P₂/120）Nm したがって、 f₃＝f₂−（P₂/120）Nm ……（２） この（２）式に（１）式を代入して、次の（３）式を
得る。

f₃＝f₁−Nm（P₁＋P₂）/120 ……（３） このf₃をf₁は一定（＝60H₂）として画いたものが第２
図のNm＜Nm₃におけるf₃線である。

次に、Nm＞Nm₃のときは、固定子2Sには回転子2Rの機
械的回転方向Jmと同一方向で速度Ne₂（＝120f₃/P₂）の
回転磁界を生ずるがこの回転磁界の回転子2Rに対する相
対速度N₀₂はNmとNe₂の差となるので回転子2Rに生ずる周
波数f₂は次式ようになる。

f₂＝（P₂/120）N₀₂ ＝（P₂/120）（Nm−Ne₂） ＝（P₂/120）Nm−f₃ したがって f₃＝（P₂/120）Nm−f₂ ……（４） この（４）式に（１）式を代入して次の（５）式を得
る。

f₃＝Nm（P₁＋P₂）/120−f₁ ……（５） このf₃をf₁は一定（＝60H_Z）として画いたものが、第
２図のNm＞Nm₃におけるf₃線である。

さらに又、第２図のW₃線を示す式W₃＝｛１−Nm（P₁＋
P₂）/120f₁｝W₁（ただし、Nm＜Nm₃とき）,W₃＝｛Nm（P₁
＋P₂）/120f₁−１）｝W₁（ただし、Nm＞Nm₃のとき）に
つき詳しく説明する。

誘導機におけるすべりＳをその固定子，回転子のうち
の主磁束を作る励磁側となる方の励磁周波数に対するそ
の主磁束によって生ずる他方側の周波数の割合として定
義づければ、励磁側電力に対して他方側電力はＳ倍とな
ることより、発電機3,励磁機２のすべりS₁,S₂および各
部の電力W₁、W₂、W₃の関係は次式のようになる。

S₁＝f₁/f₂ S₂＝f₂/f₃ W₁＝S₁W₂ W₂＝S₂W₃ したがって、次の各式が導かれる。（前式（１），
（３），（５）も用いる） W₂＝W₁/S₁＝W₁（f₂/f₁） ＝（１−P₁Nm/120f₁）W₁ （６） W₃＝W₂/S₂＝W₁/S₁・S₂ ＝W₁（f₃/f₁） ＝｛１−Nm（P₁＋P₂）/120f₁｝ W₁ （但し、Nm＜Nm₃のとき） ……（７） ＝｛Nm（P₁＋P₂）/120f₁−１｝ W₁ （但し、Nm＞Nm₃のとき） ……（８） これら（６）および（７），（８）式をW₁＝100％と
して画いたものが第２図のW₂線およびW₃線である。

以上は機械的回転方向Jmに対して、発電機３の回転子
3Rの作る回転磁界の回転方向Je₁は同一方向、励磁機２
の固定子2Sの作る回転磁界の回転方向Je₂はNm＜Nm₃のと
きは逆方向、Nm＞Nm₃のときは同一方向とした場合（以
下、（ａ）例という）について説明したが、このほか
に、Jmに対して回転子3Rの作る回転磁界の回転方向Je₁
は逆方向、固定子2Sの作る回転磁界の回転方向Je₂はNm
＜Nm₃のときは同一方向、Nm＞Nm₃のときは逆方向にした
場合においても適用可能である。なお、この場合の中間
回転数Nm₃は120f₁/（P₁−P₂）であり、（ａ）例におけ
る第２図と同様にNmを横軸にとってf₁,f₂,f₃およびW₁,W
₂,W₃を図示すれば第３図のようになる。

さらに、この発明に係わる他の実施例を第４図および
第５図を用いて説明する。なお、第４図において第９図
と同一部分は同一符号を付し説明は省略する。4Bは第９
図の４や第１図の4Aとは異なる機能を有する静止電力交
換器、すなわち、4Aのような固定子2Sにつながる回路の
回転相順の切換え機能は無く、また、周波数f₃は零まで
制御でき、しかも電力変換方向を回転数N_mが後述の中間
回転数Nm₃｛＝120f₁/（P₁＋P₂）｝を境にして切換える
双方向性の電力変換器であり、その制御入力として発電
機３からの出力電圧（E₁），周波数（f₁）信号７と発電
機３に直結された速度検出器６からの回転数（Nm）信号
８を導入して、回転数Nmが変化しても、E₁,f₁を一定な
らしめるように固定子2Sにつながる回路の電圧，電力W₃
の方向，周波数f₃を制御する。

今、機械的回転方向Jmに対して回転子3R,固定子2Sの
作る回転磁界の回転方向Je₁,Je₂をそれぞれ同一方向，
逆方向になるようにしておき（以下、（イ）例とい
う）、静止電力変換器4Bによるf₃の制御を、回転数Nmに
応じてそのNmを横軸として画いた第５図に示すf₃線上の
値となるようにすれば、回転子2Rの出力周波数（＝3Rの
励磁周波数）f₂および発電機３の出力周波数f₁は第５図
に示すf₂線上およびf₁線上の値となり、f₁は一定（＝60
Hz）に保持される。また、このときの固定子2S,回転子3
Rへの入力電力W₃,W₂の発電機３の発電出力W₁（＝100
％）に対する比率（％）は、第５図に示すW₃線上、W₂線
上の値となる。さらに、W₃について言えばその電気パワ
ーの方向は、Nm₃（＝120f₁/（P₁＋P₂））を境にしてNm
＜Nm₃のときは母線５の方から固定子2Sへ入力される方
向、Nm＞Nm₃のときは固定子2Sの方から母線５の方へ出
力する方向となる。

以上の（イ）例のほか、機械的回転方向Jmに対して、
回転子3R,固定子2Sの作る回転磁界の回転方向Je₁,Je₂を
次のようにした場合においても適用可能である。

（ロ） Je₁,Je₂ともに逆方向 （ハ） Je₁,Je₂ともに同一方向 （ニ） Je₁は逆方向,Je₂は同一方向 これら（ロ），（ハ），（ニ）の場合において、
（イ）例における第５図のように回転数Nmを横軸にとつ
て各周波数f₁,f₂,f₃および各電力W₁,W₂,W₃を図示すれ
ば、第６図，第７図，第８図のようになる。

以上に述べたこの発明に係わるすべての実施例におい
ては、中間回転数Nm₃の通過点で静止電力変換器に行な
わせる回転相順などの切換制御で、特に不感帯を設けて
いないが、不感帯を設けるようにしたものも当然考えら
れる。

「発明の効果」 以上、この発明に係わる２通りの方式の定周波発電装
置の実施例、すなわち、定周波発電装置の構成要素であ
る静止電力変換器として、回転相順の切換機能を有し、
電力の変換方向は一方向だけのもの（第１図〜第３図）
と回転相順の切換機能は有せず電力の変換方向は双方向
性のもの（第４図〜第８図）を採用する２通りの方式の
定周波発電装置について詳しく説明したが、いづれの方
式のものを採用しても、従来の技術に係わる装置の発電
機がブラシ付となるか、しからざれば静止電力変換器の
容量が大きくなるといつた欠点を有していたのに対し、
ブラシなしで、しかも静止電力変換器の容量も小さくて
済むので、ブラシに係わるやっかいな保守点検が不要
で、しかもコスト安にもできるという性能面，経済面の
双方に大きな効果が得られる。

特に、前者方式の装置は、従来のブラシ付の装置が静
止電力変換器は小さくて済む反面、中間回転数（Nm₃）
を境にして電力変換方向の切換えを行なうやっかいな双
方性のものを用いるため、その分、複雑で高価なものと
なるといった欠点を有していたのに対し、中間回転数
（Nm₃）を境にしてきわめて簡単にできる回転相順の切
換えを行なう機能をもたせることにより一方向だけの電
力変換器の採用を可能としたところに大きな特長を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係わる定周波発電装置の実施例を示
す配置接続図、第２図および第３図はその装置の２通り
の作用を説明するための各特性図であり、第４図はこの
発明に係わる定周波装置の他の実施例を示す配置接続
図、第５図，第６図，第７図，第８図はその装置の４通
りの作用を説明するための各特性図である。 第９図および第11図はそれぞれ従来知られている定周波
発電装置を示す配置接続図であり、第10図および第12図
はそれぞれ第９図および第11図の装置の作用を説明する
ための特性図である。 １……原動機、２……励磁機、3,30……２次励磁式誘導
発電機、4,4A,4B,40……静止電力変換器、５……母線、
６……速度検出器、11……ブラシ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】速度変動のある原動機により駆動される２
   次励磁式誘導発電機と核発電機をブラシレス化するため
   の巻線誘導機形の励磁機と核励磁機の固定子側と前記発
   電機の出力側または他の電源との間に接続された静止電
   力変換器とを備え、前記静止電力変換器は、制御入力と
   して前記発電機の回転数（Nm）検出信号を導入して前記
   励磁機の固定子側に接続する３相出力回路の回転相順お
   よび周波数（f₃）制御を、前記回転数（Nm）が使用変動
   域の中間回転数（Nm₃）を境にして、回転相順の切換え
   および周波数（f₃）を零から回転数（Nm）の増，減の両
   方向ともに対して増大させる制御を行わせることによ
   り、前記発電機から定周波数の出力を得るようにしたこ
   とを特徴とする定周波数発電装置。
2. 【請求項２】前記静止電力変換器は、制御入力として前
   記発電機の回転数（Nm）検出信号を導入して前記励磁機
   の固定子側に接続する３相回路の電力の方向および周波
   数（f₃）制御を、前記回転数（Nm）が使用変動域の中間
   回転数（Nm₃）を境にして、電力方向の切換えおよび周
   波数（f₃）を零から回転数（Nm）の増，減の両方向とも
   に対して増大させる制御を行なわせることを特徴とする
   第１請求項記載の定周波発電装置。