JP2611972B2 - 超同期セルビウス装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は超同期セルビウスシステムの保護に関するも
のであり、巻線形誘導機を同期速度を中心として前後の
いずれの速度で運転する必要のある運動機および発電機
等の産業分野で利用でき、運転速度の範囲が同期速度よ
りあまり離れていない場合に効果が顕著である。

（従来の技術） 従来の超同期セルビウスシステムを第２図に示しその
動作を説明する。１は巻線形誘導電動機で、U,V,Wがそ
の１次巻線端子、u,v,wがその２次巻線端子である。２
はこのシステムに供電する電源母線であり、３は巻線形
誘導電動機の２次巻線に可変周波数電力を供給するサイ
クロコンバータで、４はその電源変圧器である。3AU,3A
V,3AWはサイクロコンバータ３の主要回路である各相用
サイリスタブリッジであり、3Bはこれらのサイリスタブ
リッジ保護用の非直線素子である。５はサイクロコンバ
ータ３の制御回路で電圧変成器６及び回転検出器７及び
電流検出器８より得られる信号によりサイクロコンバー
タ３の出力の周波数、電流、電圧及び位相を制御するも
のである。９はこのシステムにより駆動される機械負荷
を示す。

ところで、このような超同期セルビウス装置におい
て、サイクロコンバータ３より巻線形誘導電動機１の２
次巻線に供給する交流電力の周波数は、概略同期速度と
実際の回転数の差分Δω（単位法表示）（Δω＝（実速
度−同期速度）／同期速度）であり、定常状態の電圧
は、このΔωに比例する。一般には、このΔωはスリッ
プと呼ばれ記号Ｓが使用されることが多いが、実際には
サイクロコンバータ３から周波数Δωの交流を与えるこ
とで、２次巻線によって発生する回転磁束と１次巻線に
よって発生する回転磁束とは同期しており、スリップは
発生していないのでスリップという述語は避けた。Δω
が小さく限定された（同期速度からあまり離れた回転速
度での運転をしない）場合は、サイクロコンバータ３の
出力電圧は、Δωの変化範囲に対応した小さな値に設計
できる。また、サイクロコンバータ３の出力しうる周波
数の極限は電源周波数と同じ周波数であるが、その周波
数出力では波形歪が大きくなり実用的でない。実用的な
最大周波数は電源周波数の50％程度である。最大Δωが
20％程度以下の超同期セルビウス装置の可変周波数電力
の発生装置としてサイクロコンバータが使用されてい
る。

しかし、それは電源母線等が健全で正常運転されてい
る場合であり電源母線に事故が発生した場合には、２次
巻線側からサイクロコンバータ３に異常な電圧が印加さ
れることがある。例えば電源母線の接続されている電力
系統で３相短絡が発生し、電源母線電圧がほぼ０とな
り、これが継続した後に、復旧したような場合、例え事
故直後の速度変化が許容Δｗの範囲であっても、巻線形
誘導電動機１の１次巻線に電圧復旧で流れる突入電流が
２次巻線にも誘起される。この時のサイクロコンバータ
３が動作中であればサイクロコンバータ３にその誘起電
流が流れるので、電圧上昇は避けられるが、サイクロコ
ンバータ３の電源も１次電圧と同時に復旧するので１次
巻線に電圧が印加される前にサイクロコンバータを正常
動作させることはできない。従ってこのような場合、通
常運転でサイクロコンバータ３が発生する電圧に比較し
て非常に大きな電圧が発生する。最悪の場合１次巻線に
印加される電圧が２次巻線に巻数比倍で発生することに
なる。別の表現をすると許容ΔｗをΔwmとしてサイクロ
コンバータ３を設計しているとすれば、設計値の出力電
圧の1/Δwm倍の電圧が加わる可能性がある。従来はこの
ような電圧が２次巻線側からサイクロコンバータ３に印
加されてもサイクロコンバータ３は耐え得るように設計
していた。小形機の場合はサイクロコンバータのサイリ
スタブリッジの過電圧耐量を大きくするか、保護素子の
容量を大きくすることによりあまり不経済にならないで
このような過電圧に対処できていた。

（発明が解決しようとする問題点） Δwnが小さくてよい場合、異常音にサイクロコンバー
タに２次巻線より加わる電圧倍率は大きく、このような
場合はその電圧に耐えるようなサイクロコンバータを製
作することは不経済である。特に電動機容量が大きくな
れば非常に不経済となる。本発明は異常時にサイクロコ
ンバータに加わる電圧を抑制してサイクロコンバータの
過電圧耐量を小さなものとし経済的なシステムを提供し
ようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、１次巻線を電源母線に接続する巻線形誘導
機と、前記巻線形誘導機の２次巻線に可変周波数の電力
を供給するサイクロコンバータと、前記サイクロコンバ
ータに並列に前記２次巻線の各相と接続する整流器ブリ
ッジと、前記整流器ブリッジの直流側の出力を制御する
スイッチング手段と、前記スイッチング手段と直列に接
続される抵抗器と、前記整流器ブリッジからの出力電圧
が設定値以上と検出された場合に前記スイッチング手段
にターンオン信号を出力するターンオン制御回路と、前
記電源母線の電気量が平衡状態であると検出された場合
に、前記スイッチング手段にターンオフ信号を出力する
と共に、前記サイクロコンバータに運転を再開させる信
号を出力するターンオフ制御回路とを備えたものであ
る。

（作 用） 上記発明の目的を達成するために、２次巻線に異常電
流が誘起されかつサイクロコンバータにその電流が流れ
ない時、整流器にこの電流がバイパスされ巻線形誘導機
の２次巻線端子間の電圧を抑制する。すなわち、このサ
イクロコンバータに巻線形誘導機側から印加される電圧
を抑制する。そして、電源母線が復旧した場合に、サイ
クロコンバータの運転をスムーズに再開させる。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例を示すその構成を説明す
る。１〜９迄は第２図の従来例と同様であり、電流辺変
成器10と保護装置11が本発明で従来システムに付加した
部分である。保護装置11の内部は巻線形誘導電動機１の
２次巻線に接続される整流器ブリッジ11Aとその出力を
スイッチングするためのスイッチング素子11C（例えば
ゲートターンオフサイリスタ等）とそのスイッチングさ
れた整流器ブリッジ11Aの出力を流す抵抗器11Eと整流器
ブリッジ11Aの出力電圧Vdを検出して、それが設定値以
上になった時にスイッチング素子11Cにターンオン信号
を与えるターンオン制御回路11B及び電圧変成器６より
の電源母線電圧信号と巻線形誘導電動機１の１次巻線に
給電する回路に設けた電流変成器10よりの電流信号とか
ら電源母線２が正常（各相電圧がほぼ平衡しており、電
動機１次電流も各相がほぼ平衡している）であることを
検出して、スイッチング素子11Cにターンオフ信号を与
えるターンオフ制御回路11Dより構成される。またこの
ターンオフ制御回路11Dはサイクロコンバータ３の制御
回路５にも信号を送り、サイクロコンバータ３の運転を
再開させる機能を持たせる。

尚、抵抗11Eの抵抗値の選択は、サイクロコンバータ
３が実際に耐え得る過電圧と最悪条件でどの程度の抵抗
値にしておけばその電圧に抑制できるかの両方から決定
しなければならない。

即ち、抵抗値を小さくすると電圧は小さく抑制できる
が、この回路の電流容量を増加する必要があり整流器ブ
リッジ11A、スイッチング素子11Cの電流容量アップが必
要となる。逆に抵抗値を大きくすると異常時に発生電圧
が増大して電圧抑制効果が減少しサイクロコンバータ３
の過電圧耐量を上げなければならない。

また、ターンオン制御回路11Bの動作値の設定は常時
の運転状態でサイクロコンバータから発生される最大電
圧のVdへの換算値より充分高く、かつサイクロコンバー
タ３の実際に耐え得る電圧のVdへの換算値より充分低い
値に設定しなければならない。しかし自己の最大出力電
圧と自己の過電圧耐量との間には通常大きなマージンが
ありこの動作値の設定は非常に楽であり、その動作値精
度は非常に大まかでよい。

実施例の構成に於ては、異常時、正常時を問わず２次
巻線の端子間の最大電圧が図中にVdとして示した電圧と
して現われる。従ってVdが設定値以上になったというこ
とは、２次巻線端子間のいずれかが設定値以上になって
いることである。これをターンオン制御回路11Bで検出
してスイッチング素子11Cをターンオンすることによ
り、電圧の一番高くなっている線間に抵抗器11Eが整流
器ブリッジ11Aを介して接続されることになる。以後、
スイッチング素子11Cをターンオフする迄は整流器ブリ
ッジ11Aの動作により抵抗器11Eが電圧の一番高い線間に
接続された状態となり電流経路が形成されて電流が流れ
ることで、２次巻線間電圧の上昇を抑制することができ
る。従って、２次巻線からサイクロコンバータ３に印加
される電圧が抑制される。電源が復旧したことをターン
オフ制御回路11Dで検出している時間で、２次巻線に誘
起される電流は定常値になり、２次巻線間を開路しても
その時点のΔｗに比例した電圧しか発生しない状態とな
りターンオフ制御回路11Dよりの信号でスイッチング素
子11Cがターンオフされて整流器ブリッジ11Aを介して２
次巻線間に接続されていた抵抗器11Eが切離されてかつ
ターンオフ制御回路11Dの信号がサイクロコンバータ３
の制御回路５に入力されて通常の制御に戻る。

異常電圧の発生が、従来例で説明したような電力系統
の３相短絡から正常に復旧したような場合には異常電圧
の発生と電源母線２の復旧が同時であるがターンオン制
御回路11Bは図示のVdが設定値を越えた時にターンオン
信号を発生させるだけの回路故、時間遅れはマイクロセ
コンドのオーダーで動作する回路ができるのでVdが設定
値を越えた後スイッチング素子11Cのターンオン時間、
これも数マイクロセコンドのオーダーでありほぼ瞬時に
スイッチング素子11Cはターンオンすると云える。一
方、ターンオフ制御回路11Dの方は３相交流回路の各相
の電圧、電流の平衡を点検して正常に復旧したことを判
定しなければならず応答の速い回路の設計が困難であ
る。従って、公知の回路で構成してターンオフ制御回路
11Dが動作する時点ではすでに電動機内部の磁速は定常
状態に達しており、抵抗器11Eを切り離してよい状態に
なっていると云える。

できるだけ速く正常運転に戻したいとの要求よりター
ンオフ制御回路11Dに特殊な工夫をし、きわめて速い時
間でターンオフ制御回路11Dを動作させ抵抗器11Eを切り
離した場合には、電動機内部の磁束の変化中であり、再
度過電圧が発生する可能性があるが、その場合は再度タ
ーンオン制御回路11Bが動作し、抵抗器11Eが投入される
ことになり過電圧が抑制できる。

尚、このような場合できるだけ速く正常運転に戻した
いという要求は異常状態の間にΔｗが許容範囲から逸脱
してしまうと、サイクロコンバータ３の出力電圧が不足
してもはや正常運転に復することができないためであ
る。

すでに作用のところで説明した如く本実施例によれ
ば、異常時に２次巻線よりサイクロコンバータ３に印加
される過電圧を抑制できる。また、電源母線が単相状態
になったような場合にも、その時の運転状態によって、
２次巻線よりサイクロコンバータ３に異常電圧が印加さ
れる場合があり、その場合の本発明の保護回路の動作は
前記作用の説明と同様であるが、この場合抵抗器11Eの
値と電動機諸元とその時の負荷の状態及びΔｗによって
は、比較的大きな駆動力が発生し減速が非常にゆっくり
したものになるという副次的効果も得らえる場合があ
る。

尚、前項までの説明は全て電動機の場合について説明
してあるが、第１図に於ける機械負荷を原動機に変えれ
ば、発電機としても使用することができることは明らか
である。そのように使用した場合のシステムの長所は原
動機の速度と電源母線に送出する電力を独立に制御でき
る点である。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明によれば、異常時にサイクロ
コンバータに巻線形誘導機の２次巻線より印加される異
常電圧を低く抑制することができ、サイクロコンバータ
の過電圧耐量を小さく設計でき特に、速度変化範囲が同
期速度からあまり離れない範囲で使用される大形機に於
てその経済的効果が著るしい。そして、電源母線が復旧
した場合に、サイクロコンバータのスムーズな運転の再
開を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す超同期セルビウス装置
の構成図であり、第２図は従来の超同期セルビウス装置
の構成図である。 １……巻線形誘導電動機、２……電源母線 ３……サイクロコンバータ、４……電源変圧器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１次巻線を電源母線に接続する巻線形誘導
   機と、前記巻線形誘導機の２次巻線に可変周波数の電力
   を供給するサイクロコンバータと、前記サイクロコンバ
   ータに並列に前記２次巻線の各相と接続する整流器ブリ
   ッジと、前記整流器ブリッジの直流側の出力を制御する
   スイッチング手段と、前記スイッチング手段と直列に接
   続される抵抗器と、前記整流器ブリッジからの出力電圧
   が設定値以上と検出された場合に前記スイッチング手段
   にターンオン信号を出力するターンオン制御回路と、前
   記電源母線の電気量が平衡状態であると検出された場合
   に、前記スイッチング手段にターンオフ信号を出力する
   と共に、前記サイクロコンバータに運転を再開させる信
   号を出力するターンオフ制御回路とを備えたことを特徴
   とする超同期セルビウス装置。