JP3364289B2 - 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 - Google Patents
可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大容量、急激可変負荷
を駆動する可変速同期電動機の誘導機形励磁を採用した
ブラシレス励磁装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図６は、従来技術による可変速同期電動
機のブラシレス励磁装置の一例を示す。図６において、
可変速同期電動機（主機）の電機子６は、可変周波数・
可変電圧の電源２０により、その供給周波数を変化させ
て励磁され電動機として駆動される。 【０００３】その際、主機界磁１８では、図６に示すよ
うに、励磁機１の固定子巻線２が、可変電圧の電源２１
で励磁され、回転部分１９の回転子巻線９に誘導される
交流を回転整流器１７で直流に変換して励磁が行なわれ
る。 【０００４】この励磁器１では、いわゆる誘導機形励磁
機であって、固定子巻線２、回転子巻線９とも多相の回
転磁界を形成する交流巻線で構成される為、回転子巻線
９に誘導される交流の周波数、電圧は、主機回転数によ
って変化し、また、主機電機子６の負荷電流によっても
必要とする主機励磁電流を変化させる必要があるため、
回転周波数検出器５、主機電機子電流検出器７の信号よ
り、各々の信号変換装置２２，２３とこれら出力信号よ
り電源２１の電圧を決定する演算装置２４を経てゲート
制御回路２５により電源２１の出力電圧を制御して励磁
運転されている。 【０００５】主機定常負荷（トルク）では、その界磁電
流を一定に保持する必要があるため、主機回転数の変化
がある場合には、それに伴って励磁機固定子巻線２を励
磁する電源２１の電圧を制御し、主機界磁電流を一定に
している。 【０００６】もちろん負荷（トルク）変化時には、主機
励磁を変化させる必要があるため、この際にも励磁機１
の固定子巻線２を励磁する電源２１の電圧を制御するこ
とになる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】かかる図６に示す従来
技術の可変速同期電動機のブラシレス励磁装置では、急
速な、負荷急変時、あるいは広範囲な速度制御される場
合に、次のような欠点がある。 【０００８】（１）励磁機１の固定子側から回転子側へ
の誘導は、鉄心を介した磁気的な結合によってこの磁束
量の変化によって誘導する為、急速な負荷急変時に対応
する主機励磁電流の変化が遅れ、また必要な主機励磁電
流を確保する為には過電圧による励磁（フォーシング）
が必要となり、電源容量や励磁機サイズを大きくしてお
くことが必要になる。 【０００９】（２）広範囲な速度可変を必要とする機械
では、上記（１）で説明した原理で固定子側から回転子
側への電力変換が行われるので、主機回転数によっては
励磁機１の回転子巻線９に誘導される周波数が極端に低
くなる場合があり、その結果として誘導電力が減少する
ため、設計段階からそのような特殊な条件を考慮した体
格の大きな励磁機１を準備しておく必要がある。この様
に、従来技術では、特殊な運転条件を考慮した励磁機１
や電源装置の準備が必要なことから、これら励磁関係の
装置が大きくなり経済的にも高価なものになる。 【００１０】したがって、本発明では、これら励磁関係
の装置を大きくしなくても、小形の装置で所定の機能が
発揮できると共に、負荷急変時には時間遅れが少なく、
急速に励磁を変化させる事ができる励磁装置を提供する
ことを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、可変周波数電源にて運転される同期電動機（主機）
のブラシレス励磁制御装置において、本発明は、励磁機
は誘導機形交流励磁機であり、この励磁機の固定子巻線
には可変周波数可変電圧の電源が接続され、この電源か
らの回転磁界の誘導により交流を得る回転子巻線から直
流に変換する回転整流器を介して励磁される主機界磁巻
線を有し、主機電機子電流の微分値を求める微分手段
と、上記回転子巻線に誘導される交流の周波数として、
微分手段で求めた微分値が正のときには微分値が零のと
きの基準周波数に対して大きく設定し、負のときには基
準周波数に対して小さく設定する周波数設定手段とを具
備し、主機電機子電流信号による磁束、及び回転周波数
信号と周波数設定手段で設定された周波数との和によっ
て、可変周波数可変電圧の電源の電圧の制御回路を形成
した、ことを要旨とする。 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【作用】励磁機の周波数変化に伴う高速応答により主機
の界磁制御をすることができ、負荷急変に対応すること
ができて、高精度の制御ができる。また、このため即応
励磁により体格の増加なく過励磁に対する裕度も少なく
て小形化が図れる。更に、周波数設定により回転数に関
係なく運転できて広範囲な運転制御ができる。 【００１５】 【実施例】図１は本発明による可変速同期電動機のブラ
シレス励磁装置の構成の実施例を示す。なお、図１にて
図６と同一部分には同符号を付す。図１において、交流
励磁機１の固定子巻線２を励磁する電源３は、従来と異
なり可変周波数、可変電圧の出力を出せる電源である。 【００１６】この電源３の出力周波数、出力電圧を制御
する為、次のような検出器や制御装置が構成されてい
る。まず励磁用の電源３の出力周波数を制御する為に
は、主機同期電動機４の回転周波数検出器５、主機電機
子６、電流を検出する検出器７を設ける。このうち、電
流検出器７は主機電機子電流ｉs の信号を微分する回路
８に接続され、更にその出力信号によって図２に示す関
係で周波数を決定する周波数設定器１０に接続され、回
転周波数検出器５に接続されて周波数ｆs を交流励磁機
周波数信号に変換する周波数信号変換装置１１の出力信
号ｆr と前記設定器１０の出力信号ｆ2cを加算する加算
回路１２の出力信号によって、ゲート制御回路１３を制
御し、結果的に電源３のインバータ３２の出力周波数を
制御する。ここで、周波数設定器１０は、その入力とし
て主機電機子電流を微分信号（ｄｉs ／ｄｔ）に対し、
図２に示す関係による設定値信号ｆ2cをその出力とす
る。 【００１７】また、周波数信号変換装置１１は、回転周
波数ｆs の信号を励磁機１の極数にあった周波数ｆr の
信号に変換する機能を持っており、後述の（２）式にて
信号変換される。 【００１８】励磁用の電源３の出力電圧を制御する為に
は、前記電機子６の電流を検出する検出器７の信号ｉs
を入力として図３に示すように予め設定された主機電機
子電流に対する励磁機磁束に関連した信号レベルΦc を
発生する磁束信号制御装置１４と、その出力信号と前記
加算回路１２の出力信号を入力として制御される電圧制
御装置１５とを有し、この出力信号で制御されるゲート
制御回路１６で、電源３のコンバータ３１の直流出力電
圧、結果的にはインバータ３２の出力交流電圧を制御す
る。 【００１９】ここで、磁束信号制御装置１４は、主機電
機子電流ｉs に対し、図３に示す関係のする励磁機１の
磁束Φに関係した信号Φc を発生する機能を持ってい
る。また、電圧制御装置１５は、磁束信号制御装置１４
の出力信号Φe と、前記加算回路１２の出力信号（ｆr
＋ｆ2c）の掛け算の演算機能を持った制御装置である。 【００２０】この様に制御された電源３で励磁機１の固
定子巻線を励磁すると、その回転磁界で、回転子巻線９
に誘導される交流は、回転整流器１７で直流に変換さ
れ、主機４の界磁巻線１８を励磁する構成となってい
る。 【００２１】つぎに、図１に示す構成の動作を説明す
る。励磁用の電源３の出力周波数、即ち励磁機固定子巻
線２の励磁周波数ｆ1 、励磁機回転子巻線９の誘導周波
数ｆ2 、励磁機極数に換算した回転周波数ｆr の関係は
下記（１）式で表せる。 【００２２】 【数１】 ｆ1 ＝ｆ2 ＋ｆr ……（１） ここで、主機電機子６の回転周波数ｆs 、主機極数Ｐ
s 、励磁機の極数をＰe とすると、励磁機極数Ｐe に換
算した回転周波数ｆr は次の（２）式で表せる。 【００２３】 【数２】 ｆr ＝ｆs ＋（Ｐe ／Ｐs ） ……（２） 図１で回転周波数検出器５で検出する信号はｆs に相当
し、周波数信号変換装置１１によって（２）式で変換さ
れるので、電源３の出力周波数を決定するゲート回路入
力信号ｆ1 は、周波数設定器１０の出力信号ｆ2cと周波
数信号変換装置１１の出力信号ｆr の和で、次の（３）
式で表す事ができる。 【００２４】 【数３】 ｆ1 ＝ｆ2c＋ｆs ×（Ｐe ／Ｐs ） ……（３） そして、上述の（１）〜（３）式から次の（４）式を得
る。 【００２５】 【数４】 ｆ2 ＝ｆ2c ……（４） つまり、周波数設定器１０の出力信号ｆ2cが励磁機１の
回転子巻線誘導周波数ｆ2 と１対１対応している。そこ
で、周波数設定器１０の出力信号が変化すれば、励磁機
の回転子巻線９の誘導周波数も変化することができる。 【００２６】一定負荷、即ち主機電機子電流ｉs を一定
とすると、電機子電流の時間的変化率（ｄｉs ／ｄｔ）
は零で、図２に示すようにｆ2cはｆ2oの信号を発生す
る。即ち、励磁機１の回転子巻線誘導周波数ｆ2 は、主
機の回転数に関係なく一定で励磁される。また、電源３
の電圧、即ち励磁機固定子巻線２の電圧ｖ1 、励磁機１
の回転子巻線９の誘導電圧ｖ2 の関係は次の（５），
（６）式で表せる。 【００２７】 【数５】 ｖ2 ＝ｋｅ2 ×ｆ2 ×Φ ……（５） ｖ1 ＝ｋｅ1 ×ｆ1 ×Φ ＝ｋｅ1 ×（ｆ2 ＋ｆr ）×Φ ……（６） かかる（５），（６）式において、ｋｅ1 ，ｋｅ2 は励
磁機設計で決まる定数、Φは励磁機１磁気回路の磁束数
である。 【００２８】こうして、電源３の出力電圧ｖ1 は、前記
（６）式にしたがって、磁束Φに関しては、磁束信号制
御装置１４の出力信号、（ｆ2 ＋ｆr ）に関しては加算
回路１２の出力信号を入力信号として制御される電圧制
御装置１５の機能によりコンバータ３１の出力電圧を制
御することによって決められる。 【００２９】回転部分１９の回路において、主機界磁電
流Ｉｆは、主機界磁巻線１８の抵抗値をＲｆ、定数をｋ
ｆとすると、（６）式を考慮して次の（７）式の関係で
表せる。 【００３０】 【数６】 Ｉｆ＝ｋｆ×ｖ2 ／Ｒｆ ＝（ｋｆ／Ｒｆ）×ｋｅ2 ×ｆ2 ×Φ ……（７） すなわち、ｆ2 及びΦによって主機界磁電流Ｉｆが変化
する。 【００３１】次に主機負荷が急激に変化する運転時の制
御の方法について説明する。主機電機子電流ｉs が急増
した時、（ｄｉs ／ｄｔ）は正の値となり、図２に示す
場合にはｆ2c＞ｆ2oとなり、上記の説明から、励磁機１
の回転子巻線９の誘導周波数ｆ2 が増加する制御をする
ことになる。同時に図３に示すように磁束Φも増加させ
るようにｖ1 を制御する。 【００３２】これを（７）式で説明すると、ｆ2 ，Φの
両者が急増することになるが、Φは磁気回路の遅れを持
つが、ｆ2 は遅れなくＩｆを急速に増加させることにな
るので、磁束Φの変化のみによっていた従来技術に比較
して早い界磁電流応答を実現できる。 【００３３】また逆に主機電機子電流ｉs が急減した時
には、反対の作用でやはり、急速に界磁電流変化を減少
させる事ができる。以上、定常負荷時、負荷急変時につ
いて、本実施例の動作を説明してきた。 【００３４】この実施例による可変速同電動機に及ぼす
効果について次に述べる。特に負荷急変時には、従来技
術に比べ、励磁器の周波数を変化できる為、負荷に見合
った早い応答で主機の界磁電流を制御できることになる
ので、鉄鋼圧延主機における応用のように、鋼板噛み込
み時における急激な負荷増加にたいして、時間遅れを少
なく、即応励磁が提供でき、主機の体格を増加させるこ
となく、また過励磁（フォーシング）等の装置上の裕度
を持つ必要がなく、小形の制御装置や電源装置でも、十
分その機能を発揮させる事ができる。 【００３５】交流励磁機も殆どの定常負荷時には、回転
数に関係なく一定の周波数ｆ2 で運転できるので、広範
囲な運転制御を必要とする負荷に対する駆動機の場合で
も、大きな体格の励磁機を必要とすることなく構成する
ことが可能となる。 【００３６】その究極的効果としては、小形で、高い制
御性のブラシレス同期電動機を提供できる。図４は、本
発明による他の実施例である。ここでは、前述の実施例
の回転周波数検出器５がなく主機回転周波数の検出を主
機駆動電源電圧検出器２９の周波数（電源周波数）信号
より得ている。これは、本実施例の対象が同期機である
ため、回転周波数と電源周波数は、いかなる運転条件に
おいても一義的に次式（８）で関連付けられることによ
る。 【００３７】 【数７】 ｆr ＝２×ｆs ／Ｐs ……（８） 但し、ｆr ：回転周波数、ｆs ：電源周波数、Ｐs ：主
機極数。前述の実施例と異なる点を述べるに、この実施
例での磁束信号制御装置２６は、主機駆動電源電圧ｖs
の信号と周波数ｆs の信号の除算器２７の出力信号Ｔs
を更に周波数設定器１０の信号で割り算するもう一つの
除算器２８の出力信号を入力として図５に示すような関
係の設定信号Φc を発生する機能を有している。 【００３８】主機発生トルクＴs は、主機磁束Φs 、電
機子電流ｉs 、その位相差θ、主機端子電圧ｖs 、力率
角φ、回転角速度ω、主機効率ηとすると、次式の関係
で表される。但し、ｋsa，ｋsbは定数である。 【００３９】 【数８】 Ｔs ＝ｋsa（Φs ×ｉs ×ｃｏｓθ） ＝ｋsb（ｉs ×ｖs ×ｃｏｓφ）×η／ω ……（９） （９）式とω＝２πｆs の関係より、Φs は次式とな
る。なお、ｋscは定数である。 【００４０】 【数９】 Φs ＝ｋsc（ｖs ×η×ｃｏｓφ）／（ｆs ×ｃｏｓθ） ……（１０） Φs は、略励磁電流Ｉｆと比例関係にあるので、（７）
式から励磁機１の磁束Φは、次式となる。但し、η，
φ，θに関係する値は、一括して関数ｆ（η，φ，θ）
として表現しておくことにする。ｋsdは定数である。 【００４１】 【数１０】 上記に述べた演算装置の組合せによって（１１）式の関
係を実現する事ができる。即ち、除算器２７は、主機電
圧、周波数に関係する要素が、除算器２８によって、
（４）式の関係から励磁機回転子巻線９の誘導周波数ｆ
2 に関係する要素が演算できる。従って、磁束信号制御
装置２６は、（１１）式の他の要素、即ちｋsd，ｆ
（η，φ，θ），ｋｆ，Ｒｆ，ｋｅ2 に関係した設定値
を考慮した演算機能を持っている。図４の実施例によれ
ば、主機運転状態に必要な励磁機１の磁束量を設定し
て、電源３、即ち励磁機固定子巻線２、印加電圧、周波
数を制御できることになる。 【００４２】ここに述べた実施例に限らず、その主旨を
変えない範囲で図１の実施例を含め、その全部又は一部
を変更して組合わせ実施する事ができるのは言うまでも
ない。 【００４３】 【発明の効果】本発明の効果を整理すると次のようにな
る。 （１）急速に変動する負荷に対する駆動機として、早い
応答の界磁電流制御を行うことができるブラシレス可変
速同期電動機を提供できる。 【００４４】（２）広範囲な速度範囲を必要とする負荷
の駆動機として、その交流励磁機は小形で良く、電動機
全体としても据付面積が小さく、安価なブラシレス可変
速同期電動機を提供できる。 【００４５】（３）電動機のみならず、電源設備面でも
従来より小容量で済む等、ユーザーに取って、経済的に
大きなメリットをもたらす。 （４）ブラシ等の摺動部がないブラシレスであるため、
保守点検が容易であるばかりでなく、雰囲気を選ばない
広範囲の用途に適用可能となる。
を駆動する可変速同期電動機の誘導機形励磁を採用した
ブラシレス励磁装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図６は、従来技術による可変速同期電動
機のブラシレス励磁装置の一例を示す。図６において、
可変速同期電動機（主機）の電機子６は、可変周波数・
可変電圧の電源２０により、その供給周波数を変化させ
て励磁され電動機として駆動される。 【０００３】その際、主機界磁１８では、図６に示すよ
うに、励磁機１の固定子巻線２が、可変電圧の電源２１
で励磁され、回転部分１９の回転子巻線９に誘導される
交流を回転整流器１７で直流に変換して励磁が行なわれ
る。 【０００４】この励磁器１では、いわゆる誘導機形励磁
機であって、固定子巻線２、回転子巻線９とも多相の回
転磁界を形成する交流巻線で構成される為、回転子巻線
９に誘導される交流の周波数、電圧は、主機回転数によ
って変化し、また、主機電機子６の負荷電流によっても
必要とする主機励磁電流を変化させる必要があるため、
回転周波数検出器５、主機電機子電流検出器７の信号よ
り、各々の信号変換装置２２，２３とこれら出力信号よ
り電源２１の電圧を決定する演算装置２４を経てゲート
制御回路２５により電源２１の出力電圧を制御して励磁
運転されている。 【０００５】主機定常負荷（トルク）では、その界磁電
流を一定に保持する必要があるため、主機回転数の変化
がある場合には、それに伴って励磁機固定子巻線２を励
磁する電源２１の電圧を制御し、主機界磁電流を一定に
している。 【０００６】もちろん負荷（トルク）変化時には、主機
励磁を変化させる必要があるため、この際にも励磁機１
の固定子巻線２を励磁する電源２１の電圧を制御するこ
とになる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】かかる図６に示す従来
技術の可変速同期電動機のブラシレス励磁装置では、急
速な、負荷急変時、あるいは広範囲な速度制御される場
合に、次のような欠点がある。 【０００８】（１）励磁機１の固定子側から回転子側へ
の誘導は、鉄心を介した磁気的な結合によってこの磁束
量の変化によって誘導する為、急速な負荷急変時に対応
する主機励磁電流の変化が遅れ、また必要な主機励磁電
流を確保する為には過電圧による励磁（フォーシング）
が必要となり、電源容量や励磁機サイズを大きくしてお
くことが必要になる。 【０００９】（２）広範囲な速度可変を必要とする機械
では、上記（１）で説明した原理で固定子側から回転子
側への電力変換が行われるので、主機回転数によっては
励磁機１の回転子巻線９に誘導される周波数が極端に低
くなる場合があり、その結果として誘導電力が減少する
ため、設計段階からそのような特殊な条件を考慮した体
格の大きな励磁機１を準備しておく必要がある。この様
に、従来技術では、特殊な運転条件を考慮した励磁機１
や電源装置の準備が必要なことから、これら励磁関係の
装置が大きくなり経済的にも高価なものになる。 【００１０】したがって、本発明では、これら励磁関係
の装置を大きくしなくても、小形の装置で所定の機能が
発揮できると共に、負荷急変時には時間遅れが少なく、
急速に励磁を変化させる事ができる励磁装置を提供する
ことを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、可変周波数電源にて運転される同期電動機（主機）
のブラシレス励磁制御装置において、本発明は、励磁機
は誘導機形交流励磁機であり、この励磁機の固定子巻線
には可変周波数可変電圧の電源が接続され、この電源か
らの回転磁界の誘導により交流を得る回転子巻線から直
流に変換する回転整流器を介して励磁される主機界磁巻
線を有し、主機電機子電流の微分値を求める微分手段
と、上記回転子巻線に誘導される交流の周波数として、
微分手段で求めた微分値が正のときには微分値が零のと
きの基準周波数に対して大きく設定し、負のときには基
準周波数に対して小さく設定する周波数設定手段とを具
備し、主機電機子電流信号による磁束、及び回転周波数
信号と周波数設定手段で設定された周波数との和によっ
て、可変周波数可変電圧の電源の電圧の制御回路を形成
した、ことを要旨とする。 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【作用】励磁機の周波数変化に伴う高速応答により主機
の界磁制御をすることができ、負荷急変に対応すること
ができて、高精度の制御ができる。また、このため即応
励磁により体格の増加なく過励磁に対する裕度も少なく
て小形化が図れる。更に、周波数設定により回転数に関
係なく運転できて広範囲な運転制御ができる。 【００１５】 【実施例】図１は本発明による可変速同期電動機のブラ
シレス励磁装置の構成の実施例を示す。なお、図１にて
図６と同一部分には同符号を付す。図１において、交流
励磁機１の固定子巻線２を励磁する電源３は、従来と異
なり可変周波数、可変電圧の出力を出せる電源である。 【００１６】この電源３の出力周波数、出力電圧を制御
する為、次のような検出器や制御装置が構成されてい
る。まず励磁用の電源３の出力周波数を制御する為に
は、主機同期電動機４の回転周波数検出器５、主機電機
子６、電流を検出する検出器７を設ける。このうち、電
流検出器７は主機電機子電流ｉs の信号を微分する回路
８に接続され、更にその出力信号によって図２に示す関
係で周波数を決定する周波数設定器１０に接続され、回
転周波数検出器５に接続されて周波数ｆs を交流励磁機
周波数信号に変換する周波数信号変換装置１１の出力信
号ｆr と前記設定器１０の出力信号ｆ2cを加算する加算
回路１２の出力信号によって、ゲート制御回路１３を制
御し、結果的に電源３のインバータ３２の出力周波数を
制御する。ここで、周波数設定器１０は、その入力とし
て主機電機子電流を微分信号（ｄｉs ／ｄｔ）に対し、
図２に示す関係による設定値信号ｆ2cをその出力とす
る。 【００１７】また、周波数信号変換装置１１は、回転周
波数ｆs の信号を励磁機１の極数にあった周波数ｆr の
信号に変換する機能を持っており、後述の（２）式にて
信号変換される。 【００１８】励磁用の電源３の出力電圧を制御する為に
は、前記電機子６の電流を検出する検出器７の信号ｉs
を入力として図３に示すように予め設定された主機電機
子電流に対する励磁機磁束に関連した信号レベルΦc を
発生する磁束信号制御装置１４と、その出力信号と前記
加算回路１２の出力信号を入力として制御される電圧制
御装置１５とを有し、この出力信号で制御されるゲート
制御回路１６で、電源３のコンバータ３１の直流出力電
圧、結果的にはインバータ３２の出力交流電圧を制御す
る。 【００１９】ここで、磁束信号制御装置１４は、主機電
機子電流ｉs に対し、図３に示す関係のする励磁機１の
磁束Φに関係した信号Φc を発生する機能を持ってい
る。また、電圧制御装置１５は、磁束信号制御装置１４
の出力信号Φe と、前記加算回路１２の出力信号（ｆr
＋ｆ2c）の掛け算の演算機能を持った制御装置である。 【００２０】この様に制御された電源３で励磁機１の固
定子巻線を励磁すると、その回転磁界で、回転子巻線９
に誘導される交流は、回転整流器１７で直流に変換さ
れ、主機４の界磁巻線１８を励磁する構成となってい
る。 【００２１】つぎに、図１に示す構成の動作を説明す
る。励磁用の電源３の出力周波数、即ち励磁機固定子巻
線２の励磁周波数ｆ1 、励磁機回転子巻線９の誘導周波
数ｆ2 、励磁機極数に換算した回転周波数ｆr の関係は
下記（１）式で表せる。 【００２２】 【数１】 ｆ1 ＝ｆ2 ＋ｆr ……（１） ここで、主機電機子６の回転周波数ｆs 、主機極数Ｐ
s 、励磁機の極数をＰe とすると、励磁機極数Ｐe に換
算した回転周波数ｆr は次の（２）式で表せる。 【００２３】 【数２】 ｆr ＝ｆs ＋（Ｐe ／Ｐs ） ……（２） 図１で回転周波数検出器５で検出する信号はｆs に相当
し、周波数信号変換装置１１によって（２）式で変換さ
れるので、電源３の出力周波数を決定するゲート回路入
力信号ｆ1 は、周波数設定器１０の出力信号ｆ2cと周波
数信号変換装置１１の出力信号ｆr の和で、次の（３）
式で表す事ができる。 【００２４】 【数３】 ｆ1 ＝ｆ2c＋ｆs ×（Ｐe ／Ｐs ） ……（３） そして、上述の（１）〜（３）式から次の（４）式を得
る。 【００２５】 【数４】 ｆ2 ＝ｆ2c ……（４） つまり、周波数設定器１０の出力信号ｆ2cが励磁機１の
回転子巻線誘導周波数ｆ2 と１対１対応している。そこ
で、周波数設定器１０の出力信号が変化すれば、励磁機
の回転子巻線９の誘導周波数も変化することができる。 【００２６】一定負荷、即ち主機電機子電流ｉs を一定
とすると、電機子電流の時間的変化率（ｄｉs ／ｄｔ）
は零で、図２に示すようにｆ2cはｆ2oの信号を発生す
る。即ち、励磁機１の回転子巻線誘導周波数ｆ2 は、主
機の回転数に関係なく一定で励磁される。また、電源３
の電圧、即ち励磁機固定子巻線２の電圧ｖ1 、励磁機１
の回転子巻線９の誘導電圧ｖ2 の関係は次の（５），
（６）式で表せる。 【００２７】 【数５】 ｖ2 ＝ｋｅ2 ×ｆ2 ×Φ ……（５） ｖ1 ＝ｋｅ1 ×ｆ1 ×Φ ＝ｋｅ1 ×（ｆ2 ＋ｆr ）×Φ ……（６） かかる（５），（６）式において、ｋｅ1 ，ｋｅ2 は励
磁機設計で決まる定数、Φは励磁機１磁気回路の磁束数
である。 【００２８】こうして、電源３の出力電圧ｖ1 は、前記
（６）式にしたがって、磁束Φに関しては、磁束信号制
御装置１４の出力信号、（ｆ2 ＋ｆr ）に関しては加算
回路１２の出力信号を入力信号として制御される電圧制
御装置１５の機能によりコンバータ３１の出力電圧を制
御することによって決められる。 【００２９】回転部分１９の回路において、主機界磁電
流Ｉｆは、主機界磁巻線１８の抵抗値をＲｆ、定数をｋ
ｆとすると、（６）式を考慮して次の（７）式の関係で
表せる。 【００３０】 【数６】 Ｉｆ＝ｋｆ×ｖ2 ／Ｒｆ ＝（ｋｆ／Ｒｆ）×ｋｅ2 ×ｆ2 ×Φ ……（７） すなわち、ｆ2 及びΦによって主機界磁電流Ｉｆが変化
する。 【００３１】次に主機負荷が急激に変化する運転時の制
御の方法について説明する。主機電機子電流ｉs が急増
した時、（ｄｉs ／ｄｔ）は正の値となり、図２に示す
場合にはｆ2c＞ｆ2oとなり、上記の説明から、励磁機１
の回転子巻線９の誘導周波数ｆ2 が増加する制御をする
ことになる。同時に図３に示すように磁束Φも増加させ
るようにｖ1 を制御する。 【００３２】これを（７）式で説明すると、ｆ2 ，Φの
両者が急増することになるが、Φは磁気回路の遅れを持
つが、ｆ2 は遅れなくＩｆを急速に増加させることにな
るので、磁束Φの変化のみによっていた従来技術に比較
して早い界磁電流応答を実現できる。 【００３３】また逆に主機電機子電流ｉs が急減した時
には、反対の作用でやはり、急速に界磁電流変化を減少
させる事ができる。以上、定常負荷時、負荷急変時につ
いて、本実施例の動作を説明してきた。 【００３４】この実施例による可変速同電動機に及ぼす
効果について次に述べる。特に負荷急変時には、従来技
術に比べ、励磁器の周波数を変化できる為、負荷に見合
った早い応答で主機の界磁電流を制御できることになる
ので、鉄鋼圧延主機における応用のように、鋼板噛み込
み時における急激な負荷増加にたいして、時間遅れを少
なく、即応励磁が提供でき、主機の体格を増加させるこ
となく、また過励磁（フォーシング）等の装置上の裕度
を持つ必要がなく、小形の制御装置や電源装置でも、十
分その機能を発揮させる事ができる。 【００３５】交流励磁機も殆どの定常負荷時には、回転
数に関係なく一定の周波数ｆ2 で運転できるので、広範
囲な運転制御を必要とする負荷に対する駆動機の場合で
も、大きな体格の励磁機を必要とすることなく構成する
ことが可能となる。 【００３６】その究極的効果としては、小形で、高い制
御性のブラシレス同期電動機を提供できる。図４は、本
発明による他の実施例である。ここでは、前述の実施例
の回転周波数検出器５がなく主機回転周波数の検出を主
機駆動電源電圧検出器２９の周波数（電源周波数）信号
より得ている。これは、本実施例の対象が同期機である
ため、回転周波数と電源周波数は、いかなる運転条件に
おいても一義的に次式（８）で関連付けられることによ
る。 【００３７】 【数７】 ｆr ＝２×ｆs ／Ｐs ……（８） 但し、ｆr ：回転周波数、ｆs ：電源周波数、Ｐs ：主
機極数。前述の実施例と異なる点を述べるに、この実施
例での磁束信号制御装置２６は、主機駆動電源電圧ｖs
の信号と周波数ｆs の信号の除算器２７の出力信号Ｔs
を更に周波数設定器１０の信号で割り算するもう一つの
除算器２８の出力信号を入力として図５に示すような関
係の設定信号Φc を発生する機能を有している。 【００３８】主機発生トルクＴs は、主機磁束Φs 、電
機子電流ｉs 、その位相差θ、主機端子電圧ｖs 、力率
角φ、回転角速度ω、主機効率ηとすると、次式の関係
で表される。但し、ｋsa，ｋsbは定数である。 【００３９】 【数８】 Ｔs ＝ｋsa（Φs ×ｉs ×ｃｏｓθ） ＝ｋsb（ｉs ×ｖs ×ｃｏｓφ）×η／ω ……（９） （９）式とω＝２πｆs の関係より、Φs は次式とな
る。なお、ｋscは定数である。 【００４０】 【数９】 Φs ＝ｋsc（ｖs ×η×ｃｏｓφ）／（ｆs ×ｃｏｓθ） ……（１０） Φs は、略励磁電流Ｉｆと比例関係にあるので、（７）
式から励磁機１の磁束Φは、次式となる。但し、η，
φ，θに関係する値は、一括して関数ｆ（η，φ，θ）
として表現しておくことにする。ｋsdは定数である。 【００４１】 【数１０】 上記に述べた演算装置の組合せによって（１１）式の関
係を実現する事ができる。即ち、除算器２７は、主機電
圧、周波数に関係する要素が、除算器２８によって、
（４）式の関係から励磁機回転子巻線９の誘導周波数ｆ
2 に関係する要素が演算できる。従って、磁束信号制御
装置２６は、（１１）式の他の要素、即ちｋsd，ｆ
（η，φ，θ），ｋｆ，Ｒｆ，ｋｅ2 に関係した設定値
を考慮した演算機能を持っている。図４の実施例によれ
ば、主機運転状態に必要な励磁機１の磁束量を設定し
て、電源３、即ち励磁機固定子巻線２、印加電圧、周波
数を制御できることになる。 【００４２】ここに述べた実施例に限らず、その主旨を
変えない範囲で図１の実施例を含め、その全部又は一部
を変更して組合わせ実施する事ができるのは言うまでも
ない。 【００４３】 【発明の効果】本発明の効果を整理すると次のようにな
る。 （１）急速に変動する負荷に対する駆動機として、早い
応答の界磁電流制御を行うことができるブラシレス可変
速同期電動機を提供できる。 【００４４】（２）広範囲な速度範囲を必要とする負荷
の駆動機として、その交流励磁機は小形で良く、電動機
全体としても据付面積が小さく、安価なブラシレス可変
速同期電動機を提供できる。 【００４５】（３）電動機のみならず、電源設備面でも
従来より小容量で済む等、ユーザーに取って、経済的に
大きなメリットをもたらす。 （４）ブラシ等の摺動部がないブラシレスであるため、
保守点検が容易であるばかりでなく、雰囲気を選ばない
広範囲の用途に適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるブラシレス励磁制御装
置のブロック図である。 【図２】本発明の一実施例による周波数設定器の機能動
作特性図である。 【図３】本発明の一実施例による磁束信号制御装置の機
能動作特性図である。 【図４】本発明の他の実施例によるブラシレス励磁制御
装置のブロック図である。 【図５】本発明の他の実施例による磁束信号制御装置の
機能動作特性図である。 【図６】従来技術によるブラシレス励磁制御装置のブロ
ック図である。 【符号の説明】 １ 励磁機 ２ 固定子巻線 ３ 可変周波数可変電圧電源 ４ 同期電動機（主機） ５ 回転周波数検出器 ７ 電機子電流検出器 ８ 微分回路 ９ 回転子巻線 １０ 周波数設定器 １４ 磁束信号制御装置 １５ 電圧制御装置 ２７，２８ 除算器 ２９ 駆動電源電圧検出器
置のブロック図である。 【図２】本発明の一実施例による周波数設定器の機能動
作特性図である。 【図３】本発明の一実施例による磁束信号制御装置の機
能動作特性図である。 【図４】本発明の他の実施例によるブラシレス励磁制御
装置のブロック図である。 【図５】本発明の他の実施例による磁束信号制御装置の
機能動作特性図である。 【図６】従来技術によるブラシレス励磁制御装置のブロ
ック図である。 【符号の説明】 １ 励磁機 ２ 固定子巻線 ３ 可変周波数可変電圧電源 ４ 同期電動機（主機） ５ 回転周波数検出器 ７ 電機子電流検出器 ８ 微分回路 ９ 回転子巻線 １０ 周波数設定器 １４ 磁束信号制御装置 １５ 電圧制御装置 ２７，２８ 除算器 ２９ 駆動電源電圧検出器
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H02P 5/28 - 5/44
H02P 7/36 - 7/66
H02K 19/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 可変周波数電源にて運転される同期電動
機（主機）のブラシレス励磁制御装置において、 励磁機は誘導機形交流励磁機であり、この励磁機の固定
子巻線には可変周波数可変電圧の電源が接続され、 この電源からの回転磁界の誘導により交流を得る回転子
巻線から直流に変換する回転整流器を介して励磁される
主機界磁巻線を有し、主機電機子電流の微分値を求める微分手段と、上記回転
子巻線に誘導される交流の周波数として、微分手段で求
めた微分値が正のときには微分値が零のときの基準周波
数に対して大きく設定し、負のときには基準周波数に対
して小さく設定する周波数設定手段とを具備し、主機電
機子電流信号による磁束、及び回転周波数信号と周波数
設定手段で設定された周波数との和によって、可変周波
数可変電圧の電源の電圧の制御回路を形成した、 ことを特徴とする可変速同期電動機のブラシレス励磁制
御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26143993A JP3364289B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26143993A JP3364289B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07123781A JPH07123781A (ja) | 1995-05-12 |
| JP3364289B2 true JP3364289B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=17361911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP26143993A Expired - Fee Related JP3364289B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 可変速同期電動機のブラシレス励磁制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3364289B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6424729B2 (ja) * | 2015-05-07 | 2018-11-21 | スズキ株式会社 | 回転電機 |
-
1993
- 1993-10-20 JP JP26143993A patent/JP3364289B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07123781A (ja) | 1995-05-12 |
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