JP6482028B2

JP6482028B2 - 同期電動機

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Publication number: JP6482028B2
Application number: JP2015216741A
Authority: JP
Inventors: 和浩大久保
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-11-04
Also published as: JP2017093044A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および同期電動機に関する。

製鐵所の圧延プラントを構成する機器の一つに電動機があり、そのうち主機駆動用大形電動機は、圧延プラントにおける重要な電気設備である。主機駆動大形電動機は、一度大きな故障が発生すると、圧延を継続することができず、圧延プラント自体の操業が停止してしまう。このように、電動機の故障が圧延プラント全体に影響するため、安定した圧延プラントの操業のためには、各電動機の状態を監視することにより、電動機の異常を早期に発見する必要がある。電動機の異常を発見することができれば、電動機の故障を未然に防止することが可能になる。

主機駆動用大形電動機には、大形化が容易なことから同期電動機が用いられることが多い。一般的に、同期電動機の状態の監視を行う場合には、固定子巻線に取り付けられた温度検出器によって固定子巻線の温度を監視する。これによって、過負荷等により固定子巻線が異常な温度となっているかどうかを監視することができる。固定子巻線の温度は、同期電動機に供給される交流電流の増加に伴って上昇するので、固定子巻線の温度を監視することによって、固定子巻線に流れる交流電流を合わせて監視することもできる。

同期電動機は、回転子に設けられた界磁巻線を有しており、同期電動機の異常状態の有無を把握するために、同期電動機の運転時において界磁巻線の温度監視することが望まれている。しかしながら、界磁巻線は、回転子に設けられているため、運転状態の同期電動機では、界磁巻線上に取り付けた温度検出器の配線を引き出すことができない。そのため、界磁巻線の温度検出を行う場合には同期電動機を停止させなければならず、プラント操業の円滑な運営の観点から実現することは困難である。

特開２０１３−２３３０６５号公報

実施形態は、電動機運転時においても界磁巻線温度を適切に測定し、監視することができる同期電動機を提供する。

実施形態に係る同期電動機は、界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出部と、前記界磁巻線の温度を計算するためのデータを格納する記憶部と、前記データ、前記電流検出部によって検出された前記電流、およびブラシを介して検出された前記界磁巻線の両端の電圧にもとづいて、前記界磁巻線の温度を計算する演算部と、を含む電力変換装置によって駆動される。この同期電動機は、固定子を固定するフレームと、回転子に設けられた前記界磁巻線と、前記固定子に設けられ、前記回転子に設けられたコレクタリングを介して前記界磁巻線と電気的に接続された前記ブラシと、前記ブラシを介して前記界磁巻線に電気的に接続され、前記界磁巻線の両端の電圧である第１電圧を入力して前記第１電圧に比例した第２電圧を出力する直流入力変換器と、前記直流入力変換器の出力に電気的に接続され、前記演算部に電気的に接続される端子と、を備える。前記直流入力変換器は、前記ブラシとともに前記フレームに設けられる。前記直流入力変換器は、前記第１電圧よりも小さい前記第２電圧を出力する。前記直流入力変換器は、前記第２電圧を出力する端子を含む。前記端子は、前記演算部に電気的に接続されることによって、前記演算部に前記第２電圧を供給する。

実施形態の同期電動機では、ブラシを介して界磁巻線の両端電圧を検出し、検出された界磁巻線の電圧等にもとづいて界磁巻線温度を計算する演算部に接続することができるので、電力変換装置において同期電動機の運転状態における界磁巻線温度を監視することができる。そのため、より安全な運転を継続させることができる。

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。第２の実施形態に係る同期電動機を例示する側面図である。図３（ａ）は、図２の同期電動機のＡ−Ａ’矢視断面図である。図３（ｂ）は、図２の同期電動機のＢ−Ｂ’矢視断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１は、界磁電流検出部３６と、温度演算部３７と、記憶部３８と、を含む制御回路３０を備える。電力変換装置１は、入力電源３と同期電動機２との間に接続されている。電力変換装置１は、入力端子１ａ〜１ｃを介して入力電源３に接続され、出力端子１ｄ〜１ｆを介して同期電動機２に接続されている。入力電源３は、この例では三相交流電源である。入力電源３は、三相交流に限定されず、単相の商用電源であってもよく、直流電源であってもよい。電力変換装置１の出力は、同期電動機の端子４０ａ〜４０ｃを介して、固定子巻線４０に電気的に接続されている。同期電動機２は、界磁巻線４１の両端の電圧を出力する端子４８ａ，４８ｂを有しており、端子４８ａ，４８ｂを介して、電力変換装置１の制御回路３０に電気的に接続されている。

電力変換装置１は、入力電源３から電力の供給を受けて、交流電力を出力することによって同期電動機２を駆動する。電力変換装置１が同期電動機２に供給する交流電力は、たとえば、あらかじめ設定された電圧、電流および周波数を有しており、同期電動機２は、この交流電力によって速度制御等されて運転される。

電力変換装置１は、整流平滑回路を含んだインバータ装置である。電力変換装置１は、整流回路１０と、平滑回路１２と、主回路２０と、をさらに含む。

整流回路１０は、三相交流を出力する入力電源３に接続されている。整流回路１０の出力には、平滑回路１２を構成するコンデンサが接続されている。整流回路１０に入力された三相交流電力は、直流電力に変換されて主回路２０に出力される。

主回路２０は、平滑回路１２の出力に接続されている。主回路２０は、整流平滑された直流電力を高周波でスイッチングしてＰＷＭ等によって所定の電圧、電流および周波数の交流電力に変換する。主回路２０には、ブリッジ回路等出力電力や出力電圧等に合わせて適切な回路方式が選択される。

制御回路３０は、主回路２０、電力変換装置１の出力端子１ｄ〜１ｆ、および同期電動機２に接続されている。制御回路３０は、界磁電流検出部３６、温度演算部３７および記憶部３８のほか、電流制御回路３１と、基準信号発生回路３２と、ゲート駆動回路３３と、界磁巻線整流回路３４と、界磁制御回路３５と、を含んでいる。制御回路３０は、主回路２０の出力電流を電流検出部２２によって検出して、所定の交流電流が出力されるように制御する。制御回路３０は、同期電動機２の電機子に印加される電圧に応じて同期電動機２の固定子巻線４０に流れる電流を制御する。また、制御回路３０は、同期電動機２の界磁巻線４１に流れる界磁電流およびブラシ４２ａ，４２ｂから出力される電圧を入力して界磁巻線４１の温度を推定する。

電流制御回路３１は、主回路２０の出力と、電力変換装置１から見た負荷である同期電動機２との間に直列に接続されている電流検出部２２の出力に接続されている。電流制御回路３１は、基準信号発生回路３２の出力にも接続されている。電流制御回路３１は、電流検出部２２によって検出された電力変換装置１の出力電流と、基準信号発生回路３２から出力される基準信号とを比較して、出力電流が基準信号に一致するように制御信号を出力する。ゲート駆動回路３３は、電流制御回路３１から出力された制御信号にしたがって、主回路２０を構成するスイッチング素子の駆動信号を出力する。電流制御回路３１は、たとえば直交座標変換回路および回転座標変換回路等を含んでおり、基準信号発生回路３２およびゲート駆動回路３３とともに、電力変換装置１の出力電流を、設定された波形で出力されるように制御する。

界磁巻線整流回路３４は、端子３０ａ，３０ｂを介して、同期電動機２の界磁巻線４１に接続されている。界磁巻線整流回路３４の界磁巻線４１への電気的接続は、ブラシ４２ａ，４２ｂおよびコレクタリング４３ａ，４３ｂを介して行われる。界磁巻線４１およびコレクタリング４３ａ，４３ｂは、同期電動機２の回転子側に固定されるように設けられ、ブラシ４２ａ、４２ｂは、固定子側に固定されるように設けられている。界磁巻線４１およびコレクタリング４３ａ，４３ｂは、回転子とともに回転し、ブラシ４２ａ，４２ｂはその先端で回転するコレクタリング４３ａ，４３ｂに接触して電気的な接続が確保される。したがって、界磁巻線整流回路３４と界磁巻線４１との電気的接続をとるための配線は、同期電動機２の回転子の回転を妨げることはない。界磁巻線整流回路３４は、界磁制御回路３５から出力される交流電力を整流平滑して直流電力に変換する。変換された直流電力は、同期電動機２の界磁巻線４１に印加される。

界磁制御回路３５は、回転磁極方向から内部相差角だけ回転した無効軸と有効軸とか常に直交し、ベクトル制御を行うために主磁束の制御を行う。

界磁電流検出部３６は、界磁巻線整流回路３４と界磁巻線４１の一端との間に直列に接続されている。界磁電流検出部３６は、界磁巻線整流回路３４から出力される電流値を検出して出力する。界磁電流検出部３６は、たとえば計器用変流器もしくはホール素子またはこれらを組み合わせた検出モジュールである。

温度演算部３７は、端子３０ｃ，３０ｄを介して、界磁巻線４１の両端に電気的に接続されている。温度演算部３７は、同期電動機２の界磁巻線４１の両端、すなわちブラシ４２ａ，４２ｂから出力される電圧に相当する信号値を入力する。また温度演算部３７は、界磁電流検出部３６から出力される電流値に相当する信号値を入力する。温度演算部３７は、これらの信号値にもとづいて、界磁巻線４１の温度を計算する。界磁巻線４１の温度を計算するためのいくつかの定数（データ）は、記憶部３８に格納されている。

記憶部３８には、界磁巻線４１の温度を計算するための定数のほか、計算された界磁巻線の温度に対するしきい値が格納されていてもよい。たとえば、計算された界磁巻線の温度がこのしきい値よりも高い場合には、温度演算部３７は、ゲートブロック信号を出力（図１の破線）し、ゲート駆動回路３３に対して電力変換装置１の動作を停止させるようにしてもよい。

同期電動機２は、固定子巻線４０と、界磁巻線４１と、２つのブラシ４２ａ，４２ｂと、２つのコレクタリング４３ａ，４３ｂと、を有している。固定子巻線４０は、固定子に設けられ、界磁巻線４１は、回転子に設けられている。界磁巻線４１の一端は、一方のコレクタリング４３ａに電気的に接続されている。界磁巻線４１の他端は、他方のコレクタリング４３ｂに電気的に接続されている。一方のブラシ４２ａは、接触させることによってコレクタリング４３ａに電気的に接続されている。他方のブラシ４２ｂは、接触させることによってコレクタリング４３ｂに電気的に接続されている。したがって、界磁巻線４１の両端は、ブラシ４２ａ，４２ｂに電気的に接続される。ブラシ４２ａ，４２ｂ間には、界磁巻線４１の両端に発生する電圧が出力される。ブラシ４２ａ，４２ｂは、端子４８ａ，４８ｂに電気的に接続されている。端子４８ａ，４８ｂには、界磁巻線整流回路の出力および温度演算部の入力がそれぞれ電気的に接続される。

この例では、同期電動機２の端子４８ａ，４８ｂと、温度演算部３７の入力との間に、直流入力変換器５０が接続されている。直流入力変換器５０は、直流電圧を入力して、入力した直流電圧値に比例した直流電圧を出力する。このときの比例定数ｋは、１よりも小さく、直流入力変換器５０は、大きな直流入力電圧を降圧して、入力電圧に比例する電圧を出力電圧として出力する。直流入力変換器５０の出力電圧は、制御回路３０に入力することができる程度の直流電圧である。界磁巻線４１の両端の電圧は、同期電動機２の出力等によって、１００Ｖ〜数１００Ｖに達する場合があるので、直流入力変換器５０によって数Ｖ〜１０Ｖ程度に降圧することによって、温度演算部３７への電圧入力を容易にすることができる。直流入力変換器５０は、電力変換装置１の内部に設置してもよく、外部に設置してもよく、後述するように、同期電動機２の内部に設置するようにしてもよい。なお、上述では比例定数ｋは１よりも小さい値であるとしたが、界磁巻線の両端に発生する電圧が小さい場合を考慮して、ｋ≧１に設定する場合があってもよい。

直流入力変換器５０は、入力と出力との間が電気的に絶縁されていてもよい。直流入力変換器５０の入出力間が電気的に絶縁されている場合には、界磁巻線の電圧のデータを取得するときに、ノイズの少ない信号データを得ることが可能になる。

本実施形態の電力変換装置１の動作について説明する。
まず、入力電源３が電力変換装置１に投入されると、主回路２０および制御回路３０が起動する。

電流制御回路３１、基準信号発生回路３２およびゲート駆動回路３３は、電力変換装置１の出力電圧および出力電流それぞれの振幅、周波数および位相が所定の値に達するように起動動作する。

一方、同期電動機２には、たとえば始動用の電動機が回転軸を介して接続されており、電力変換装置１で発生された交流電力に対応する回転磁界に同期するように始動動作させる。

同期電動機２では、界磁制御回路３５、界磁巻線整流回路３４、端子４８ａ，４８ｂ、ブラシ４２ａ，４２ｂおよびコレクタリング４３ａ，４３ｂを介して界磁巻線４１に界磁電流が供給される。

界磁巻線４１の電流値は、界磁電流検出部３６によって検出され、温度演算部３７に入力される。

界磁巻線４１で発生した電圧は、コレクタリング４３ａ，４３ｂ、ブラシ４２ａ，４２ｂ、端子４８ａ，４８ｂ、直流入力変換器５０および端子３０ｃ，３０ｄを介して温度演算部３７に入力される。

温度演算部３７では、以下の式（１）を用いて、界磁巻線温度θ［℃］を計算する。

ここで、Ｖ［Ｖ］は、ブラシ４２ａ，４２ｂ、コレクタリング４３ａ，４３ｂ、端子４８ａ，４８ｂおよび直流入力変換器５０を介して検出される界磁巻線４１の両端の電圧（第１電圧）である。Ｒ_１［Ω］は、同期電動機２の設計段階で設計値として算出される電動機基準巻線抵抗値である。Ｉ_２［Ａ］は、界磁電流検出部３６によって検出される界磁電流値である。Ｔは、界磁巻線の巻線材料により決定される定数であり、銅の場合には、Ｔ＝２３５［℃］である。θ_１［℃］は、Ｒ_１を算出する際に設計値として用いた界磁巻線温度である。

直流入力変換器５０の降圧率をｋ（＝出力電圧／入力電圧＜１）とすると、界磁巻線４１の両端の電圧Ｖは、直流入力変換器５０の出力電圧Ｖｏｕｔ（第２電圧）を用いて、Ｖ＝Ｖｏｕｔ／ｋより、式（１）は、以下のように変形される。

Ｒ_１、Ｔおよびθ_１は、所与の値であり、あらかじめ記憶部３８にこれらの適切な値が格納されている。ＶｏｕｔおよびＩ_２をそれぞれ上述のようにして検出し、検出された値が式（２）に代入されて、そのときの界磁巻線温度θ［℃］が算出される。

式（１）は、電気規格調査会標準規格ＪＥＣ−２１３０（電気学会）によって規定されている同期電動機の界磁巻線温度の計算式である。

なお、界磁巻線温度θ以外の同期電動機２の動作パラメータ、たとえば、電動機回転数、運転周波数、あるいは電機子電流等は、電力変換装置１の側において取得することができる。

本実施形態の電力変換装置１の作用および効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１では、コレクタリング４３ａ，４３ｂ、ブラシ４２ａ，４２ｂおよび端子４８ａ，４８ｂを介して界磁巻線４１に電気的に接続されているため、同期電動機２が運転中であっても界磁巻線４１の両端の電圧Ｖを検出することができる。電力変換装置１では、制御回路３０が界磁巻線に流れる電流を検出する界磁電流検出部３６を備えているので、同期電動機２の動作中の界磁電流Ｉを検出することができる。そして、電力変換装置１は、検出された界磁巻線の電圧Ｖ（またはＶｏｕｔ）および界磁巻線に流れる界磁電流Ｉを入力して、式（１）または式（２）にしたがって界磁巻線温度θを計算する温度演算部３７を備えているので、同期電動機２が運転中であっても、界磁巻線４１の温度を計算することができる。電力変換装置１では、動作状態における界磁巻線温度θを同期電動機２の他の動作パラメータと同時に取得することができるので、異常な温度上昇等不具合を生じたことを検出することができ、信頼性の高い、同期電動機の駆動システムを実現することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態の同期電動機を例示する部分断面図である。
図３は、図２の同期電動機のＡ−Ａ’矢視断面図である。
図２に示すように、本実施形態の同期電動機６２は、界磁巻線４１と、ブラシ４２ａ，４２ｂと、直流入力変換器５０と、出力端子５２ａ，５２ｂと、を備える。
第１の実施形態において説明した同期電動機２と同一の構成要件については、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図２では、同期電動機６２の固定子４５およびフレーム４６の断面を示し、他の部分の側面を示している。図２に示すように、界磁巻線４１は、同期電動機６２の回転子４４に固定されるように設けられている。回転子４４は、中心線Ｃ−Ｃ’を回転軸にして回転する。したがって、同期電動機２の運転中には、界磁巻線４１は、中心線Ｃ−Ｃ’を軸にして回転子４４とともに回転している。界磁巻線４１の一端は、コレクタリング４３ａに電気的に接続され、他端は、コレクタリング４３ｂに電気的に接続されている。なお、界磁巻線４１は、中心線Ｃ−Ｃ’に垂直な方向に磁界を発生するように巻回されている。

固定子巻線４０は、鉄心である固定子４５のスリットに挿入されている。固定子４５は、フレーム４６に固定されている。

図３（ａ）に示すように、ブラシ４２ａは、ブラシホルダ４７ａに挿入されブラシ４２ａの先端がコレクタリング４３ａに接触するように、フレーム４６に固定されている。フレーム４６は、固定されているので、ブラシ４２ａは同期電動機２に対して固定されている。ブラシ４２ａは、同期電動機２の運転中には、コレクタリング４３ａに接触しているので、接触部が摩耗する。そのため、ブラシ４２ａとコレクタリング４３ａとの接触抵抗を低減するために、この例では、ブラシ４２ａは、複数個をコレクタリング４３ａの周囲を適切な間隔だけ離間して配置されている。複数のブラシ４２ａは、並列に接続されている。図３（ｂ）に示すように、界磁巻線４１の他端には、複数のブラシ４２ｂが並列に接続されている。複数のブラシ４２ｂは、コレクタリング４３ｂに接触することによって、電気的接続が図られている。複数のブラシ４２ｂは、ブラシ４２ａと同様にそれぞれブラシホルダ４７ｂに挿入され、フレーム４６に固定されている。このように、固定子側に固定されているブラシ４２ａおよびブラシ４２ｂは、回転する界磁巻線４１の一端および他端にそれぞれ電気的に接続されることができる。

ブラシ４２ａ，４２ｂには、配線４９ａ，４９ｂの一端がそれぞれ接続されており、延伸された配線４９ａ，４９ｂの他端は、直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂに電気的に接続されている。

直流入力変換器５０は、この例ではコレクタリング４３ａ，４３ｂの下部に配置され、フレーム４６に固定されている。ブラシ４２ａ，４２ｂから延伸された配線４９ａ，４９ｂは、コレクタリング４３ａ，４３ｂの外周をとおって直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂに電気的に接続される。

直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂは、配線４９ａ，４９ｂによって、それぞれブラシ４２ａ，４２ｂに電気的に接続されている。ブラシ４２ａ，４２ｂは、それぞれコレクタリング４３ａ，４３ｂを介して界磁巻線４１の両端に電気的に接続されているので、直流入力変換器５０の入力には、界磁巻線４１の両端の電圧が入力される。直流入力変換器５０の出力端子５２ａ，５２ｂは、電力変換装置１の端子３０ｃ，３０ｄを介して、制御回路３０の温度演算部３７の入力に接続される。直流入力変換器５０は、直流電圧を入力して、入力した直流電圧値に比例した直流電圧を出力する。

直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂは、上述のように界磁巻線４１に電気的に接続されているので、別の配線によって端子６４ａ，６４ｂに接続され、外部の回路に接続される。具体的には、端子６４ａ，６４は、電力変換装置１の端子３０ａ，３０ｂを介して、制御回路３０の界磁巻線整流回路３４に電気的に接続される。

本実施形態の同期電動機２の作用および効果について説明する。
本実施形態の同期電動機２は、ブラシ４２ａ，４２ｂによって検出された界磁巻線４１の両端の電圧を入力して、入力電圧に比例する電圧を出力電圧として出力する直流入力変換器５０を備えているので、１００Ｖを超える高電圧に達することがある界磁巻線４１の両端の電圧を低電圧化して、そのまま制御回路３０に入力することができる。また、同期電動機２は、第１の実施形態の電力変換装置１とともに用いることによって、制御回路３０において、界磁巻線４１の温度を計算することができるので、高い信頼性で動作させることができる。

以上説明した実施形態によれば、同期電動機を可変速制御する電力変換装置にて界磁巻線温度を含めた界磁諸量を監視することが可能となり、より安全な運転を継続させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１電力変換装置、２，６２同期電動機、３入力電源、１０整流回路、１２平滑回路、２０主回路、２２電流検出部、３０制御回路、３１電流制御回路、３２基準信号発生回路、３３ゲート駆動回路、３４界磁巻線整流回路、３５界磁制御回路、３６界磁電流検出部、３７温度演算部、３８記憶部、４０固定子巻線、４１界磁巻線、４２ａ，４２ｂブラシ、４３ａ，４３ｂコレクタリング、４４回転子、４５固定子、４６フレーム、４７ａ，４７ｂブラシホルダ、４８ａ，４８ｂ端子、４９ａ，４９ｂ配線、５０直流入力変換器、５１ａ，５１ｂ入力端子、５２ａ，５２ｂ出力端子

Claims

界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出部と、前記界磁巻線の温度を計算するためのデータを格納する記憶部と、前記データ、前記電流検出部によって検出された前記電流、およびブラシを介して検出された前記界磁巻線の両端の電圧にもとづいて、前記界磁巻線の温度を計算する演算部と、を含む電力変換装置によって駆動される同期電動機であって、
固定子を固定するフレームと、
回転子に設けられた前記界磁巻線と、
前記固定子に設けられ、前記回転子に設けられたコレクタリングを介して前記界磁巻線と電気的に接続された前記ブラシと、
前記ブラシを介して前記界磁巻線に電気的に接続され、前記界磁巻線の両端の電圧である第１電圧を入力して前記第１電圧に比例した第２電圧を出力する直流入力変換器と、
を備え、
前記直流入力変換器は、前記ブラシとともに前記フレームに設けられ、
前記直流入力変換器は、前記第１電圧よりも小さい前記第２電圧を出力し、
前記直流入力変換器は、前記第２電圧を出力する端子を含み、
前記端子は、前記演算部に電気的に接続されることによって、前記演算部に前記第２電圧を供給する同期電動機。