JP6483036B2

JP6483036B2 - 同期機の回転子励磁システム

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Publication number: JP6483036B2
Application number: JP2016006745A
Authority: JP
Inventors: 由宇子原田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2036-01-18
Also published as: JP2017130987A

Description

本発明の実施形態は、回転子に設けられた界磁巻線への励磁装置を有する同期機の回転子励磁システムに関する。

同期電動機や同期発電機などの同期機は、回転子に設けられた界磁を励磁することで運転される。このような同期機の一つである、同期電動機の回転子に設けられた界磁巻線の励磁システムの一例を図７により説明する。

図７は所謂、直流ブラシレス同期電動機の回転子励磁システムを示している。同期電動機１１の固定子には、固定速運転の場合、固定周波数の電源（商用電源とする）１２が接続される。この同期電動機１１に対しては、回転子励磁システムとして、励磁装置１３、後述する電圧リップルを検出するための検出巻線１４、後述する回転整流器の故障を検出する故障検出装置１５を設けている。

励磁装置１３は、同期電動機１１の図示しない回転軸と同軸の励磁機回転子１７を有する。この励磁機回転子１７は、同期電動機１１の回転に伴い、対応する励磁機固定子１８からの磁界を受けて交流電力を発電する。発電された交流電力は、ダイオードをブリッジ接続した回転整流器１９により整流され、同期電動機１１の回転子（図示せず）に設けられた界磁巻線２０に出力されて、これを励磁する。

すなわち、励磁機固定子１８の磁界内で、同期電動機１１の回転軸と同軸の励磁機回転子１７が回転することにより、励磁機回転子１７には三相電圧が発生する。この三相電圧は、回転軸上の回転整流器１９によって整流され、同期電動機１１の界磁巻線２０に供給され、これを励磁する。

図８は、回転整流器１９による上述した三相交流電圧の整流波形と、この整流の際に生じる電圧リップルの波形を示している。図８において、波形Ａは整流された交流電圧の最大値を、波形Ｂは整流された交流電圧の最小値を、波形Ｃは整流の際に生じる電圧リップル（検出巻線１４に誘起された電圧）をそれぞれ表している。

回転整流器１９による整流の際に発生する電圧リップルは、励磁機固定子１８に伝播するので、励磁機固定子１８側に検出巻線１４を設け、この検出巻線１４に誘起される電圧信号から電圧リップルを検出する。ここで、回転整流器１９は三相グレッツ結線のダイオードブリッジ回路であり、発生する電圧リップルは、図８で示すように同期電動機回転数の６倍の周波数となる。

故障検出装置１５は、検出巻線１４で検出される電圧リップルの大きさ（時間幅）を判定し、その結果により回転整流器１９の故障を検出する。

上記構成において、同期電動機１１が固定速の場合、回転整流器１９が正常であれば、整流の際に発生する電圧リップルは、図８の波形Ｃで示すように、一定時間幅のリップル波形となる。これに対し、回転整流器１９を構成する１つのダイオードが故障した場合、検出巻線１４により検出される電圧リップルの波形は一定時間幅のリップル波形とはならず、図９の波形Ｃで示すように、部分的に時間幅の長い大きなリップルが現れる。

本発明の実施形態に係る同期機の回転子励磁システムは、同期機の固定子に可変周波数の交流電力を出力するインバータと、前記同期機の回転軸と同軸の励磁機回転子が、前記同期機の回転に伴い励磁機固定子からの磁界を受けて発電する交流電力を、ダイオードをブリッジ接続した回転整流器により整流して前記同期機の回転子に設けられた界磁巻線に出力して励磁する励磁装置と、前記回転整流器による整流の際に発生し、前記励磁機固定子に伝播する電圧リップルを検出するための検出巻線と、前記インバータの出力周波数を前記同期機の回転速度情報として入力し、前記回転速度情報と前記回転整流器の接続構成から決まる倍数とを用いて前記回転整流器が発生する電圧リップルの周波数を算出し、この算出された電圧リップルの周波数と前記検出巻線からの入力信号から取り出される前記回転整流器が発生する電圧リップルの実測周波数とを比較し、その比較結果により前記回転整流器の故障を検出する故障検出装置とを備えている。

特開平８−１９２３１号公報

このように、同期電動機１１が固定速運転されている場合は、上述した故障検出手法により回転整流器１９の故障を検出することができる。しかし、同期電動機１１の固定子に、インバータを介して可変周波数の電源を供給して、同期電動機１１を可変速運転する場合は、時間幅の長いリップルを検出することだけでは、回転整流器１９の故障を検出することができない。すなわち、同期電動機１１を可変速運転する場合、発生する電圧リップルの時間幅も、同期電動機１１の回転速度に応じて変化する。このため、電圧リップルの時間幅のみからでは、回転整流器１９の故障の有無を判別できない。

図１０は、同期電動機１１の回転速度が５０％程度の場合の、界磁回路の電圧波形を示す。この場合、回転整流器１９は正常であり、整流の際に生じる電圧リップルは、波形Ｃで示すように、一定の時間幅で繰り返し生じる。しかし、図８の１００％速度の場合と比較する、電圧リップルの時間幅は大きく異なることがわかる。

このように、同期電動機１１をインバータ駆動により可変速運転する場合は、同期電動機１１の運転速度が変化するため、回転整流器１９から発生する電圧リップルの時間幅も変化する。このため、故障検出用の周波数が商用電源周波数に固定されている従来の故障検出手法では、回転整流器１９の故障の有無を判別できない。

本発明は、可変速の同期機であっても、回転整流器の故障を確実に検出することができる同期機の回転子励磁システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る同期機の回転子励磁システムは、同期機の回転軸と同軸の励磁機回転子が、前記同期機の回転に伴い励磁機固定子からの磁界を受けて発電する交流電力を、ダイオードをブリッジ接続した回転整流器により整流して前記同期機の回転子に設けられた界磁巻線に出力して励磁する励磁装置と、前記回転整流器による整流の際に発生し、前記励磁機固定子に伝播する電圧リップルを検出するための検出巻線と、前記同期機の回転駆動系からこの同期機の回転速度情報を入力し、この同期機の回転速度と前記回転整流器の接続構成から決まる倍数とを用いて前記回転整流器が発生する電圧リップルの周波数を算出し、この算出された電圧リップルの周波数と前記検出巻線からの入力信号から取り出される前記回転整流器が発生する電圧リップルの実測周波数とを比較し、その比較結果により前記回転整流器の故障を検出する故障検出装置とを備えている。

上記構成によれば、故障検出回路に同期機の回転速度を認識させることにより、駆動される同期機の、回転整流器の故障を正確に検出することができる。

本発明の実施形態に係る同期機の回転子励磁システムを示す構成図である。図１で示した実施形態における逆相励磁方式を説明するための模式図である。図１で示した実施形態における故障検出装置を使示す機能ブロック図である。図１で示した実施形態における同期電動機周波数に対応した回転整流器への入力周波数とリップル周波数をの関係を示す特性図である。図１で示した電圧調整器にサイリスタを使用した場合のフィルタの特性を示す特性図である。本発明の他の実施形態に係る同期機の回転子励磁システムを示す構成図である。一般的な同期機の回転子励磁システムを示す構成図である。正常な回転整流子の整流波形及び整流により生じるリップル波形を示す波形図である。回転整流子の故障時における整流波形及び整流により生じるリップル波形を示す波形図である。正常な回転整流子による５０%の回転速度時の整流波形及び整流により生じるリップル波形を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

この実施の形態では、同期機として、可変速運転される同期電動機を例にとって説明する。図１は、所謂、交流ブラシレス(逆相励磁方式)同期電動機の回転子励磁システムを示し、図２は逆相励磁方式を実現する励磁機回転子２７及び励磁機固定子２８の構成を模式的に示している。

これら図１及び図２において、同期電動機１１は、インバータ駆動により可変速運転される。このため、同期電動機１１の固定子には、回転駆動系を構成するインバータ２４の出力側が接続されている。同期電動機１１は、インバータ２４から出力される三相交流電力の周波数に応じた回転速度で運転される。

この同期電動機１１に対しては、回転子励磁システムとして、励磁装置２３、電圧リップルを検出するための検出巻線１４、回転整流器１９の故障を検出する故障検出装置２５が設けられている。

励磁装置２３は、同期電動機１１の回転子１１ａ（図２に図示）と同軸の励磁機回転子２７と、この励磁機回転子２７に対応する励磁機固定子２８とを有する。励磁機回転子２７は、同期電動機１１の回転に伴い、対応する励磁機固定子２８からの磁界を受けて交流電力を発電する。発電された交流電力は、ダイオードをブリッジ接続した回転整流器１９（図２では図示を省略）により整流され、同期電動機１１の回転子に設けられた界磁巻線２０に供給されて、これを励磁する。

ここで、同期電動機１１をインバータ２４により可変速運転する場合、同期電動機１１の回転速度が零のときにも同期電動機１１の界磁巻線２０を励磁する必要があり、逆相励磁方式を適用する。この場合、励磁機固定子２８のコイルに、図２で示すように、同期電動機１１回転方向αと逆位相の三相交流電力（例えば、６０Ｈｚ）を、電圧調整器２９（図２では図示を省略）を介して供給する。すると、励磁機固定子２８には、同期電動機１１の回転方向と逆向きの６０Ｈｚの回転磁界βが発生する。このため、励磁機回転子２７の速度が零の場合、励磁機回転子２７のコイルには６０Ｈｚの誘導電圧が発生する。定格回転数（例えば６０Ｈｚ）で回転している状態では、励磁機回転子２７の回転αは励磁機固定子２８の磁束回転方向βと逆方向であるため、励磁機回転子２７の発生電圧周波数は１２０Ｈｚとなる。

励磁機回転子２７に発生した三相電圧は、回転軸上の回転整流器１９によって整流され、同期電動機１１の界磁巻線２０に供給され、これを励磁する。

前述した電圧調整器２９は、同期電動機１１の運転状態に応じて励磁機固定子２８に供給される電圧を調整する。この電圧調整器２９には、ＰＷＭ用素子あるいはサイリスタ等を用いた装置を用いる。

故障検出装置２５は、各種値を設定及び変更するためのパーソナルコンピュータ（以下、パソコン）３２を有し、同期電動機１１の回転駆動系を構成するインバータ２４から、この同期電動機１１の回転速度情報を入力する。そして、この同期電動機１１の回転速度と回転整流器１９の接続構成から決まる倍数とを用いて、回転整流器１９が発生する電圧リップルの周波数を算出する。この算出された周波数と、検出巻線１４の入力信号から取り出される回転整流器１９が発生する電圧リップルの実測周波数とを比較し、その比較結果により回転整流器１９の故障を検出する
この故障検出装置２５は、具体的には図３で示すように、入力処理部２５１，２５２、フィルタ２５３、リップル周波数計算部２５４、比較判定部２５５、及び故障検出信号の出力接点２５６を有する。

入力処理部２５１は、検出巻線１４からの電圧信号を入力する。また、入力処理部２５２は、インバータ２４からの同期電動機１１の回転速度情報（回転周波数とする）を入力する。フィルタ２５３は、検出巻線１４に誘起された電圧信号から、その中に含まれる電圧調整器２９の基本波及び整流時のリップルを除去して、回転整流器１９によって発生した電圧リップル（実測値）を抽出する。

リップル周波数計算部２５４は、インバータ２４から入力された同期電動機１１の回転周波数を用い、これに回転整流器１９の接続構成から決まる倍数を用いて、回転整流器１９が発生する電圧リップルの周波数ｆ_Ｒを算出する。

ここで、回転整流器１９の整流作用により発生する電圧リップルは、回転整流器１９の接続構成が、三相グレッツ結線のダイオードブリッジ回路であるから、回転整流器１９への入力周波数の６倍となる。回転整流器１９への入力周波数は、逆相励磁方式であるから、励磁機固定子２８の励磁周波数ｆｅｘｃと同期電動機１１の回転周波数ｆｍｏｔの和であり、その６倍の周波数が電圧リップルの周波数ｆ_Ｒである。これらの関係は図４のように表現される。

このように、インバータ２４から同期電動機１１の回転速度情報を入力して、停止状態から定格速度までの回転速度における、回転整流器１９が発生する電圧リップルの周波数ｆ_Ｒの値をリップル周波数計算部２５４で求める。

比較判定部２５５は、リップル周波数計算部２５４で求めた電圧リップルの周波数ｆ_Ｒの値と、検出巻線１４により検出されフィルタ２５３により抽出された回転整流器１９が発生する電圧リップルの実測周波数とを比較し、その結果から回転整流器１９の故障の有無を判定する。

すなわち、故障検出装置２５は、検出巻線１４に誘起される電圧を取り込み、フィルタ２５３で電圧調整器２９の基本波及び整流時のリップルを除去して、回転整流器１９によって発生した電圧リップル信号を取り出す。また、インバータ２４から同期電動機１１の回転速度を読み込み、その運転速度に対して正常な界磁回路の誘起電圧リップル周波数ｆ_Ｒをリップル周波数計算部２５４にて計算する。そして、これら検出巻線１４から得られた電圧リップルの周波数の実測値と、励磁周波数ｆｅｘｃと同期電動機１１の運転周波数ｆｍｏｔとに基づいて計算されたリップル周波数ｆ_Ｒとを比較し、正常、異常の判断を行う。また、測定されたリップルの大きさ（リップル周期）についても正常、異常の判断を行う。異常と判定した場合は出力接点２５６をオンさせ、故障検出信号を出力する。

ここで、回転整流器１９が発生するリップル周波数ｆ_Ｒは、次式で容易に計算される。

パソコン３２は、フィルタ設定部３２１、許容時間設定部３２２、許容差設定部３２３、及び回数設定部３２４を有し、前述したフィルタ２５３の値を設定したり、比較判定部２５５における各種判定基準の設定・変更を行う。

上記構成において、同期電動機１１は、インバータ２４により停止状態から起動され、任意の回転速度に制御される。励磁装置２３の回転整流器１９には、逆相励磁方式により、同期電動機１１の回転速度が零であっても励磁周波数ｆｅｘｅ（６０ＨＺとする）の交流電力が励磁機回転子２７から入力されている。そして、この回転整流器１９の整流出力により同期電動機１１の回転子に設けられた界磁巻線２０を励磁している。このため、同期電動機１１の固定子にインバータ２４から電力が供給されると同期電動機１１は起動され、インバータ２４の出力周波数に対応した回転速度に制御される。

同期電動機１１の回転速度が上昇すると回転整流器１９への入力周波数は、励磁周波数ｆｅｘｅに同期電動機１１の運転周波数ｆｍｏｔが加算されるため、図４で示すように上昇する。これに伴い、回転整流器１９への入力周波数の６倍の関係にあるリップル周波数ｆ_Ｒ（回転整流器１９の整流作用により生じる電圧リップルの周波数）も上昇する。このリップル周波数ｆ_Ｒは、インバータ２４から同期電動機の回転速度情報を入力することにより、図４の関係に基づいて、図３で示したリップル周波数計算部２５４により逐次算出される。

一方、回転整流器１９の整流作用により生じた電圧リップルは励磁機固定子２８に伝播され、検出巻線１４に誘起される電圧信号として検出される。この電圧信号には、励磁機固定子２８の励磁の基本周波数及びリップルが含まれているため、フィルタ２５３によりこれらを除去する。このため、回転整流器１９によって発生する高次の電圧リップルの実測値が取り出される。この取り出された信号から電圧リップルの周波数が検出され、また個別のリップルの大きさ（リップル周期）も検出される。

比較判定部２５５は、上述のように検出されたリップル周波数の実測値を、同期電動機１１の回転速度からリップル周波数計算部２５４により計算されたリップル周波数ｆ_Ｒと比較して、設定された許容範囲外になったときに異常と判断する。一度の検出では誤検出の可能性があるので、許容時間以上に異常が継続した場合に故障として出力接点２５６をオンさせ、故障検出信号を外部出力する。また、ある許容時間内に、設定された以上の頻度で異常があった場合にも故障として外部出力する。さらに個々のリップルの大きさについても、平均値との比較を行い、異常判断を行う。許容時間については同期電動機速度から計算されるリップル周波数にかける係数を設定することで、同期電動機速度に適正な値で判断されることになる。励磁周波数、同期電動機定格速度それぞれの許容範囲、許容検出回数等は、図３で得示したパソコン３２により、それぞれで変更可能となっている。なお、パソコン３２は設定時のみ必要であり、通常運転時は取り外し可能である。

図１で示した励磁機固定子２８への電力供給路に設けた電圧調整器２９として、サイリスタを使用する場合、検出巻線１４に誘起される電圧信号には、励磁機固定子２８側の励磁周波数の６倍のリップルが含まれる。同期電動機１１の回転速度が遅く、零速度に近い速度範囲では、励磁機固定子２８側のリップルの周波数と、回転整流器１９から発生するリップル周波数：ｆ_Ｒ＝６×（ｆｅｘｃ＋ｆｍｏｔ）との値が近くなる。このためフィルタ２５３として、全速度範囲で１つの値に設定されたフィルタでは判別が難しい。

そこで、図５のように、最低検出速度を設定すると共に、予め設定した或る速度以下ではフィルタの下限を上げて、回転整流器１９から発生する電圧リップルの周波数を判別可能とする。この設定調整は図３で示したパソコン３２のフィルタ設定部３２１で行う。

図６は同期電動機１１をソフトスタートする場合を示しており、インバータ２４をソフトスタータとして使用している。すなわち、インバータ２４により、同期電動機１１を停止状態から起動し、定格回転速度に達した起動完了後に商用同期切り替える方式である。この場合、起動完了後は、インバータ２４からの回転速度情報は意味をなさなくなり故障検出の機能を阻害する。このため、起動完了後は、図６に示すように、遮断器盤（図示せず）等から、商用同期運転中であることを意味する信号を故障検出装置２５に入力させ、同期電動機１１の運転速度を商用同期速度に固定する機能を持たせる。

上記構成において、インバータに２４によるソフトスタータ起動時は、前述の説明と同様に、同期電動機１１の回転速度情報をインバータ２４から読み込み、可変速運転中の回転整流器１９の故障監視を行う。同期電動機１１が定格速度に達し、インバータ駆動から商用電源運転に切り替わると、同期電動機１１は可変速運転から固定速運転に切り替わる。このとき、故障検出のために設定する同期電動機速度は商用運転速度に固定する。本機能により、インバータ２４からの速度信号が零となった場合やインバータの制御電源を落とした場合にも、正常に故障監視を継続できる。

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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…同期機
１４…検出巻線
１９…回転整流器
２０…界磁巻線
２３…励磁装置
２４…回転駆動系
２５…故障検出装置
２７…励磁機回転子
２８…励磁機固定子
２９…電圧調整器

Claims

同期機の固定子に可変周波数の交流電力を出力するインバータと、
前記同期機の回転軸と同軸の励磁機回転子が、前記同期機の回転に伴い励磁機固定子からの磁界を受けて発電する交流電力を、ダイオードをブリッジ接続した回転整流器により整流して前記同期機の回転子に設けられた界磁巻線に出力して励磁する励磁装置と、
前記回転整流器による整流の際に発生し、前記励磁機固定子に伝播する電圧リップルを検出するための検出巻線と、
前記インバータの出力周波数を前記同期機の回転速度情報として入力し、前記回転速度情報と前記回転整流器の接続構成から決まる倍数とを用いて前記回転整流器が発生する電圧リップルの周波数を算出し、この算出された電圧リップルの周波数と前記検出巻線からの入力信号から取り出される前記回転整流器が発生する電圧リップルの実測周波数とを比較し、その比較結果により前記回転整流器の故障を検出する故障検出装置と、
を備えた同期機の回転子励磁システム。
前記同期機が、起動時のみ前記インバータからの可変周波数の電力を受け、起動完了後は固定周波数電源により運転される場合、前記故障検出装置は、提供される前記同期機の回転速度情報として、前記同期機の起動時は前記インバータの出力周波数を用い、起動後は固定周波数電源の周波数に固定される請求項１に記載の同期機の回転子励磁システム。
前記励磁機固定子は、前記励磁機回転子の回転方向とは逆向きの回転磁界を発生する逆相励磁方式である請求項１又は請求項２に記載の同期機の回転子励磁システム。
前記励磁機固定子へ供給される励磁電圧の調整器として、サイリスタを用いた電圧調整器を用いた場合、この励磁機固定子側で生じるリップル周波数と前記回転整流器から発生する電圧リップルの周波数の値が近くなる予め設定した低速域では、フィルタの下限を前記回転整流器から発生するリップルの周波数近くへ上昇させた請求項３に記載の同期機の回転子励磁システム。