JP5696381B2

JP5696381B2 - 巻線形誘導機の始動制御方法及び始動制御装置

Info

Publication number: JP5696381B2
Application number: JP2010152600A
Authority: JP
Inventors: 隆太安木; 大沢　博; 博大沢; 佐藤　以久也; 以久也佐藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: JP2012016227A

Description

本発明は、回転子巻線に接続された電力変換器により巻線形誘導機の入出力電力を制御可能とした巻線形誘導機の始動制御方法、及び、この方法を実施するための始動制御装置に関するものである。

巻線形誘導機の回転子巻線に入出力される電力は、電源系統に接続された固定子巻線に入出力される電力と誘導機のすべりとの積にほぼ比例する特性がある。このため、巻線形誘導機をすべりが小さな範囲で可変速制御する用途では、回転子巻線に接続された小容量の電力変換器により、可変速制御するための大きな電力を制御できるという特徴がある。しかるに、このためには巻線形誘導機をすべりが小さな速度、すなわち同期速度近傍まで加速するための始動手段が別途、必要になる。

このような巻線形誘導機の始動制御方法として、特許文献１には、［従来の技術］として、巻線形誘導機の固定子巻線を短絡し、回転子巻線に接続された電力変換器を用いて巻線形誘導機をかご形誘導機として始動する方法が記載されており、更に、回転子座標上の直交２軸量に変換した電源系統の電圧に固定子巻線端子電圧の振幅、位相、周波数を一致させて固定子巻線を電源系統に同期投入する方法が開示されている。

また、特許文献２には、ブースタトランスと称する変圧器を回転子巻線と２台の電力変換器との間に接続し、これらの電力変換器を運転して回転子巻線の電圧を上昇させる方法が記載されている。以下、この従来技術について詳述する。

図９は、この従来技術に係る巻線形誘導機の始動制御装置を示している。図９において、５０は巻線形誘導機（巻線形誘導発電電動機）であり、５１は遮断器６１を介して電源系統６０に接続された固定子巻線、５２は回転子巻線である。
回転子巻線５２は、遮断器７１，７３を介して電力変換器７６，７７にそれぞれ接続されている。また、回転子巻線５２は、ブースタトランス７５及び遮断器７２を介して前記電力変換器７６に接続されると共に、ブースタトランス７５及び遮断器７４を介して前記電力変換器７７に接続されている。
なお、７８は交流出力電力変換装置、７９，８０，８１は電源系統６０と電力変換装置７８との間に接続されたトランス、９１は誘導機５０の回転子に取り付けられた回転位相角検出器、９２は同じく回転速度検出器、１０１は遮断器、１０２は誘導機５０の固定子巻線５１を短絡するための三相短絡器である。

この動作を説明すると、誘導機５０の始動時に三相短絡器１０２により固定子巻線５１を短絡した状態において、遮断器７１，７３をオフし、遮断器７２，７４をオンすることによって電力変換器７６，７７をブースタトランス７５に接続する。この状態で、電力変換器７６，７７をベクトル制御等の方法により運転する。
これにより、回転子巻線５２には電力変換器７６の出力電圧と電力変換器７７の出力電圧とが重畳して印加されるため、特許文献１記載の従来技術に比べて出力電圧が増加する。従って、誘導機５０からは高速運転時に大きな始動トルクを得ることができ、例えば発電機水車の水中始動に適した始動制御装置を実現することができる。

特開平１−１９８２９７号公報（第１頁右下欄第６行〜第３頁左上欄第８行、第２図，第３図等）特開平７−７９９５号公報（段落［００１９］〜［００２１］、図２等）

特許文献１、特許文献２に記載された従来技術は、巻線形誘導機を起動する方法として、何れも固定子巻線を短絡し、回転子巻線に接続された比較的小容量の電力変換器により巻線形誘導機をかご形誘導機として始動する点で一致する。
一方、巻線形誘導機では、固定子巻線の巻数と回転子巻線の巻数との比（巻数比）がほぼ１に設計されることが多い。この場合、すべりが０．１程度の範囲で可変速制御する場合、電源系統の電圧が例えば３．３［ｋＶ］であるとすると、回転子巻線の電圧は最大で約３３０［Ｖ］となり、標準的な４００［Ｖ］定格の電力変換器を回転子巻線に接続して使用することができる。すなわち、電力変換器の定格電圧は低くてよいため、電力変換器の必要容量も小さくて済むという特徴がある。

ところで、巻線形誘導機の回転子巻線または固定子巻線のいずれか一方を短絡し、他方の巻線から電力を供給して誘導機を加速する場合、誘導機が出力可能な最大トルク（停動トルク）は、誘導機に印加される電圧の２乗にほぼ比例することが知られている。従って、例えば回転子巻線を短絡し、固定子巻線に印加される電圧の上限値を定格電圧の１／１０にすると、同期速度時の最大トルクは定格トルクの１／１００まで低下するという問題がある。

ここで、図１０は、下記の等価回路定数を用いて、固定子巻線を短絡したときの速度−トルク特性の計算結果を示している。
定格出力：１０００［ｋＷ］
定格速度：６００［ｒ／ｍｉｎ］
電源系統：３．３［ｋＶ］，５０［Ｈｚ］
極数：１０
固定子巻線抵抗：２［％］（０．１８３［Ω］）
回転子巻線抵抗：２［％］（０．１８３［Ω］）
固定子漏れインダクタンス：１０［％］（２．９２［ｍＨ］）
回転子漏れインダクタンス：１０［％］（２．９２［ｍＨ］）
励磁インダクタンス：２００［％］（１８．３［ｍＨ］）
固定子巻線の電圧上限値：４００［Ｖ］
巻数比：１．３

図１０によれば、特許文献１に係る従来技術（特性線Ｂ１とする）では、同期速度（電源周波数ω_２）での最大トルクは定格トルクの約３．５［％］となる。誘導機の等価回路から計算した最大トルクには、機械損及び鉄損の影響は考慮されていない。従って、回転速度の上昇に伴って大きくなる機械損及び鉄損の影響を考慮すると、同期速度近傍まで加速できないという問題や、同期速度近傍まで加速する時間（加速時間）が許容できないほど長くなる等の問題が生じる。
なお、図１０において、特性線Ｂ２は特許文献２に係る従来技術の速度−トルク特性、特性線Ａは本発明の実施例による速度−トルク特性であり、これらの特性線Ａ，Ｂ１，Ｂ２の比較結果については後述することとする。

一方、特許文献２では、上記問題を解決するため、ブースタトランス７５等を追加して回転子巻線５２に印加される最大電圧を大きくしているが、誘導機５０を始動するためにブースタトランス７５や各２台の電力変換器７６，７７及び変圧器７９，８０が必要であり、装置体積の大型化や重量化、高コスト化を招くという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、巻線形誘導機の始動トルクを改善し、装置全体の小型軽量化、低コスト化を可能にした巻線形誘導機の始動制御方法及び始動制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る始動制御方法は、第１の開閉手段を介して第１の電源系統に接続され、かつ、第２の開閉手段を介して第１の電源系統よりも低圧の第２の電源系統に接続される固定子巻線と、電力変換器を介して第１の電源系統に接続される回転子巻線と、を備えた巻線形誘導機の始動制御方法において、
前記誘導機の回転子を停止させた状態で、第１，第２の開閉手段をオフして前記固定子巻線を開放した状態で前記電力変換器により前記回転子巻線に電圧を印加し、前記固定子巻線の誘起電圧と第２の電源系統の電圧とを同期させてから第２の開閉手段をオンして第２の電源系統を前記固定子巻線に接続する第１の同期投入モードと、
前記電力変換器により前記回転子巻線に電力を供給して前記誘導機を所定速度まで加速し、その後、第２の開閉手段をオフして前記固定子巻線を開放する第１の加速モードと、
前記固定子巻線の誘起電圧と第１の電源系統の電圧とを同期させてから第１の開閉手段をオンして第１の電源系統を前記固定子巻線に接続する第２の同期投入モードと、
を順次実行して前記誘導機を始動するものである。

請求項２に係る始動制御装置は、第１の電源系統と巻線形誘導機の固定子巻線との間に接続された第１の開閉手段と、
第１の電源系統よりも低圧の第２の電源系統と前記固定子巻線との間に接続された第２の開閉手段と、
第１の電源系統と巻線形誘導機の回転子巻線との間に接続された電力変換器と、
第１，第２の開閉手段及び前記電力変換器を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記誘導機の回転子を停止させた状態で、第１，第２の開閉手段をオフして前記電力変換器により前記回転子巻線に電圧を印加すると共に、前記固定子巻線の誘起電圧と第２の電源系統の電圧とを同期させて第２の開閉手段をオンし、第２の電源系統を前記固定子巻線に接続する第１の同期投入モードと、
前記電力変換器により前記回転子巻線に電力を供給して前記誘導機を加速してから第２の開閉手段をオフし、前記固定子巻線を開放する第１の加速モードと、
前記固定子巻線の誘起電圧と第１の電源系統の電圧とを同期させて第１の開閉手段をオンし、第１の電源系統を前記固定子巻線に接続する第２の同期投入モードと、
を順次実行して前記誘導機を始動するものである。

請求項１または請求項２に係る発明によれば、特許文献１に係る従来技術に対しては、高速時の始動トルク特性を改善し、また、特許文献２に係る従来技術に対しては、ブースタトランスや２台の電力変換器を用いることなく巻線形誘導機を始動可能として、装置全体の小型軽量化、低コスト化を図ることができる。

実施例１に係る始動制御装置の構成図である。実施例１に係る始動制御方法の操作手順を示すフローチャートである。実施例１における誘導機の時間−速度特性図である。従来技術に係る始動制御方法の操作手順を示すフローチャートである。従来技術における誘導機の時間−速度特性図である。実施例２に係る始動制御装置の構成図である。実施例２に係る始動制御方法の操作手順を示すフローチャートである。実施例２における誘導機の時間−速度特性図である。特許文献２に係る従来技術の構成図である。従来技術及び本発明の実施例による誘導機の速度−トルク特性図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態は、誘導機の始動時に、巻線形誘導機の固定子巻線を低圧の電源系統に接続すると共に、回転子巻線に接続された電力変換器によって誘導機の入出力電力を制御することにより、従来技術に比べて速度−トルク特性を改善するものである。この実施形態を具体化した実施例１，２を、以下に説明する。

図１は、請求項１，２に対応する実施例１の構成図であり、例えば三相の電源系統に接続された三相巻線形誘導機の始動制御装置を単線図によって表したものである。
図１において、１０は三相巻線形誘導機、１１はその固定子巻線、１２は回転子巻線、１３は回転子であり、回転子１３には、速度検出器１４が取り付けられている。

また、２１は第１の交流電源系統であり、この電源系統２１には、開閉器３１を介して誘導機１０の固定子巻線１１が接続されている。ここで、「開閉器」は、故障時の大電流の遮断能力を持たない開閉手段であり、大電流の遮断能力を持つ「遮断器」と区別されるが、本発明では大電流の遮断能力の有無を問わず、単に電路を開閉する開閉手段として機能すればよいため、開閉器、遮断器の何れであっても良い。以下、各実施例における「開閉器」は開閉器、遮断器を総称した意味で用いることとする。
２２は、電源系統２１よりも低圧の第２の交流電源系統であり、この電源系統２２には、開閉器３２を介して誘導機１０の固定子巻線１１が接続されている。
なお、第２の電源系統２２としては、下記の降圧トランス３３の低圧巻線（二次巻線）を、開閉器３２を介して固定子巻線１１に接続して構成することも可能である。すなわち、第２の電源系統２２は、必ずしも第１の電源系統２１と独立した別個の電源系統である必要はなく、第１の電源系統２１を降圧して構成してもよい。

電源系統２１には降圧トランス３３の一次側が接続され、その二次側はインバータやマトリクスコンバータ等の電力変換器３４を介して誘導機１０の回転子巻線１２に接続されている。
本実施例では、第１の電源系統２１に接続された電力変換器３４によって回転子巻線１２への供給電力を制御することにより、第２の電源系統２２に接続された固定子巻線１１の入出力電力を制御する。ここで、図１では回転子１３の軸に速度検出器１４を取り付けて速度をフィードバック制御する例を示しているが、本発明は、速度を検出せずにＶ／ｆ一定制御や速度センサレス制御などによって始動する場合にも適用可能である。
なお、第１，第２の開閉器３１，３２の開閉制御及び電力変換器３４の駆動制御を行うための制御装置は、図示を省略してある。

次に、この実施例１における誘導機１０の始動制御方法を、図２、図３を参照しつつ説明する。図２は、始動制御方法の操作手順を示すフローチャートであり、図３は、誘導機１０の時間−速度特性図である。

始めに、時刻ｔ_０にて開閉器３１，３２をオフしておくことにより、初期状態とする（ステップＳ１）。

次に、期間ｔ_２の第１の同期投入モードにおいて、まず、電力変換器３４によって回転子巻線１２に電圧を印加すると共に、開閉器３１，３２のオフにより固定子巻線１１を開放した状態で固定子巻線１１に誘起電圧を発生させ、この誘起電圧を第２の電源系統２２の電圧に同期させる制御を行う（ステップＳ２）。
すなわち、後に開閉器３２をオンする前に固定子巻線１１の誘起電圧と電源系統２２の電圧との振幅及び位相を一致させることで、開閉器３２をオンした際のショックを低減する。なお、電圧の振幅及び位相を制御する方法は、電圧のフィードバック制御やＰＬＬ制御など各種公知であるため、ここでは説明を省略する。
そして、固定子巻線１１の誘起電圧の振幅及び位相が、電源系統２２の電圧の振幅及び位相と等しくなったら開閉器３２をオンし、固定子巻線１１を電源系統２２に接続して同期投入する（ステップＳ３）。

次に、期間ｔ_３の第１の加速モードにおいて、電力変換器３４を用いた公知のベクトル制御により、回転子巻線１２に電圧を印加して回転子１３を加速する（ステップＳ４）。回転速度が、同期速度に相当するω_２になったら、開閉器３２をオフし、固定子巻線１１を開放する（ステップＳ５）。

次いで、期間ｔ_４の第２の同期投入モードにおいて、第１の同期投入モードと同様に、固定子巻線１１を開放した状態で固定子巻線１１の誘起電圧を電源系統２１の電圧に同期させる制御を行った後に、開閉器３１をオンし、固定子巻線１１を電源系統２１に接続する（ステップＳ６，Ｓ７）。

その後、期間ｔ_５の第２の加速モードにおいて、第１の加速モードと同様に電力変換器３４のベクトル制御により、回転子１３を更に加速する。ここでは、定格電力によって回転子１３を加速することができる。そして、図３に示すごとく、回転速度がω_３に達したら、始動終了とする。

以下、この実施例１と対比するために、前述した特許文献２に係る従来技術（図９参照）の始動制御方法を説明する。図４は、この従来技術による始動制御方法の手順を示すフローチャートであり、図５は誘導機の時間−速度特性図である。
従来技術では、まず、時刻ｔ_０の初期状態として、図９における遮断器７１，７３をオフし、遮断器７２，７４をオンし、電力変換器７６，７７をブースタトランス７５に接続する（ステップＳ３１）。また、遮断器６１をオフすると共に遮断器１０１をオンして三相短絡器１０２により固定子巻線５１を短絡し、誘導機５０を一般的な誘導電動機として構成する。

次に、期間ｔ_１の加速モードにおいて、電力変換器７６，７７を運転し、これらの出力電圧をブースタトランス７５を介し重畳して誘導機５０の回転子巻線５２に印加することにより誘導機５０を加速する（ステップＳ３２）。
その後、回転速度がω_２になったら、遮断器１０１をオフし（ステップＳ３３）、以後は図２における第２の同期投入モード、第２の加速モードと同様に、期間ｔ_４の同期投入モード、期間ｔ_５の加速モードを順次実行する（ステップＳ３４〜Ｓ３６）。

図６は、実施例２の構成図であり、図１に示した実施例１と同様な部分は同一符号を付して説明を省略し、以下では実施例１と異なる部分を中心に説明する。
この実施例２では、誘導機１０の固定子巻線１１が開閉器３５を介して三相短絡器３６に接続されている。

実施例２に係る始動制御装置は、回転子１３が静止している状態から回転速度がω_１（図８参照）になるまで三相短絡器３６により固定子巻線１１を短絡して始動するものである。この実施例２による始動制御方法を、図７のフローチャート及び図８の時間−速度特性図を参照しつつ以下に説明する。

まず、時刻ｔ_０の初期状態として、回転子１３が静止している状態で、開閉器３１，３２をオフ、開閉器３５をオンとする（ステップＳ１１）。

次に、期間ｔ_１の初期加速モードにおいて、上述した如くオン状態の開閉器３５及び三相短絡器３６によって固定子巻線１１を短絡することにより、巻線形誘導機１０を一般的な誘導電動機として構成する。その後、電力変換器３４を用いた公知のベクトル制御により、回転子巻線１２に給電し、回転子１３を加速する（ステップＳ１２）。回転子１３の回転速度がω_１になったら開閉器３５をオフし、短絡されていた固定子巻線１１を開放する（ステップＳ１３）。

以下、回転速度ω_１の状態で、実施例１と同様にして期間ｔ_２の第１の同期投入モードに移行し（ステップＳ１４，Ｓ１５）、固定子巻線１１を第２の電源系統２２に同期投入する。以後の操作（ステップＳ１６〜Ｓ２０）は実施例１と同様であるため、説明を省略する。

ここで、図１０は、特許文献１，２に係る従来技術（特性線をそれぞれＢ１，Ｂ２とする）、及び、本発明の実施例１（特性線をＡとする）による誘導機の速度−トルク特性図であり、ある巻線形誘導機の回路定数を用いてそれぞれの始動制御装置を用いた場合のものである。
特許文献１に係る従来技術（特性線Ｂ１）では、電力変換器の電圧制限により、高速時では回転速度とトルクとがほぼ反比例しており、前述したように、電源周波数ω_２付近ではトルクが３．５［％］程度になっている。このため、誘導機の摩擦損や機械損が大きいと電源周波数まで加速することができない恐れがある。
また、特許文献２に係る従来技術（特性線Ｂ２）では、ブースタトランスによって電力変換器の電圧を回転子巻線に重畳することにより、トルクを増加させることが可能になっているが、高速になるほその効果が小さくなっていることが明らかである。

これに対して、本発明の実施例１（特性線Ａ）では、低速時では電力変換器の電圧制限の影響が現れるものの、少なくとも７［％］程度のトルクが得られるため、始動不能に陥る可能性は低くなる。
また、高速時には、固定子巻線の電圧と回転子巻線の電圧とのベクトル和が誘導機に作用すると共に、回転子巻線の電圧周波数が小さくなるのでリアクタンスによる損失が少なくなり、結果的に大きなトルクが得られている。
総じて、本発明によれば、高速時の始動トルク特性を改善し、ブースタトランスや複数台の電力変換器を必要とせずに小型軽量かつ低コストの装置構成によって巻線形誘導機を始動可能であると共に、静止状態から高速回転時までのトルク特性を改善してスムーズな加速を実現することができる。

１０：巻線形誘導機
１１：固定子巻線
１２：回転子巻線
１３：回転子
１４：速度検出器
２１，２２：交流電源系統
３１，３２，３５：開閉器
３３：降圧トランス
３４：電力変換器
３６：三相短絡器

Claims

第１の開閉手段を介して第１の電源系統に接続され、かつ、第２の開閉手段を介して第１の電源系統よりも低圧の第２の電源系統に接続される固定子巻線と、電力変換器を介して第１の電源系統に接続される回転子巻線と、を備えた巻線形誘導機の始動制御方法において、
前記誘導機の回転子を停止させた状態で、第１，第２の開閉手段をオフして前記固定子巻線を開放した状態で前記電力変換器により前記回転子巻線に電圧を印加し、前記固定子巻線の誘起電圧と第２の電源系統の電圧とを同期させてから第２の開閉手段をオンして第２の電源系統を前記固定子巻線に接続する第１の同期投入モードと、
前記電力変換器により前記回転子巻線に電力を供給して前記誘導機を所定速度まで加速し、その後、第２の開閉手段をオフして前記固定子巻線を開放する第１の加速モードと、
前記固定子巻線の誘起電圧と第１の電源系統の電圧とを同期させてから第１の開閉手段をオンして第１の電源系統を前記固定子巻線に接続する第２の同期投入モードと、
を順次実行して前記誘導機を始動することを特徴とする巻線形誘導機の始動制御方法。
第１の電源系統と巻線形誘導機の固定子巻線との間に接続された第１の開閉手段と、
第１の電源系統よりも低圧の第２の電源系統と前記固定子巻線との間に接続された第２の開閉手段と、
第１の電源系統と巻線形誘導機の回転子巻線との間に接続された電力変換器と、
第１，第２の開閉手段及び前記電力変換器を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記誘導機の回転子を停止させた状態で、第１，第２の開閉手段をオフして前記電力変換器により前記回転子巻線に電圧を印加すると共に、前記固定子巻線の誘起電圧と第２の電源系統の電圧とを同期させて第２の開閉手段をオンし、第２の電源系統を前記固定子巻線に接続する第１の同期投入モードと、
前記電力変換器により前記回転子巻線に電力を供給して前記誘導機を加速してから第２の開閉手段をオフし、前記固定子巻線を開放する第１の加速モードと、
前記固定子巻線の誘起電圧と第１の電源系統の電圧とを同期させて第１の開閉手段をオンし、第１の電源系統を前記固定子巻線に接続する第２の同期投入モードと、
を順次実行して前記誘導機を始動することを特徴とする巻線形誘導機の始動制御装置。