JP6695246B2 - 界磁巻線型同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、界磁巻線型同期電動機に関するものである。

界磁巻線型同期電動機の始動手段として、インバータを用いる手段が適用されている。しかしながら、可変速運転を必要としない場合、インバータの使用は始動時のみとなるため、インバータ分のイニシャルコストおよび設置スペース等の負担が大きい。

これに対し、ダイレクトオンライン（ＤＯＬ）始動はインバータを使用しない始動手段である。この始動手段は、誘導電動機の全電圧始動と同様の始動手段であり、同期電動機でありながら、誘導電動機の特性を利用して始動する。この時、誘導電動機の特性を得るために、回転子側の界磁巻線を、励磁用のＡＣエキサイターから切り離して、短絡状態にする。また、始動トルクの減少を抑制するために、放電抵抗（ＤＲ：Discharge Resistor）を短絡回路に挿入する。

しかしながら、ＤＲは、同期速度での定常運転時には電力損失を発生するので、電動機の効率は低下する。このため、ＤＲを同期運転時には切り離すことが必要となる。ＤＯＬ始動から同期運転に移行するには、始動後、同期速度付近まで加速されたら、界磁巻線を、短絡状態から、ＡＣエキサイターと接続される状態に切り替える。切り替え手段として、整流回路と界磁巻線の間にサイリスタが設けられる。サイリスタは、専用の始動用制御回路によって開閉される。始動用制御回路は、界磁巻線に発生する誘導起電圧のすべり（周波数）および振幅を検知して、検知信号に応じてサイリスタへ制御信号を出力している。

誘導起電圧は始動用制御回路への入力信号となる。入力信号を基に始動用制御回路は制御信号を出力しているため、入力信号が、不具合や急激な信号の変化（信号が設定値に到達する前に消失）等で検知不能となった場合、始動用制御回路からサイリスタへ制御信号を出力できなくなる。このため、ＡＣエキサイターからの界磁電圧に切り替えることが難しくなる怖れがある。

このような状況の下、界磁巻線型同期電動機の始動から同期運転に切り替えるための回路について、特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１に記載の技術では、三相整流回路の２相ブリッジ分のみ半極性をサイリスタとし、残りの半極性をダイオードとし、三相整流回路の素子とは逆極性になるようにサイリスタを主界磁巻線と並列に接続している。サイリスタの制御はゲート制御部によって行なう。これにより、放電抵抗を不要としノイズ等によりサイリスタが誤点弧しても、正常動作に自動回復することができる。

特開平６−３４３２５０号公報

特許文献１の技術においては、ゲート制御部が健全でも、入力信号が消失した場合は、サイリスタへの制御信号を出力できなくなる怖れが有る。また、多数（６個）のサイリスタを有し、ゲート制御部からの制御信号の出力数も多い。このため、始動装置としての信頼性の低下を招く。

そこで、本発明は、入力信号が消失した場合でも界磁投入を可能ならしめる信頼性の高い界磁巻線型同期電動機を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による界磁巻線型同期電動機は、回転機部と、回転機部と同軸に回転する回転子を有するエキサイターと、を備え、界磁巻線を短絡して始動させた後、エキサイターによって界磁巻線を励磁するものであって、エキサイターと界磁巻線は第１の開閉装置を介して接続され、第１の開閉装置のオン・オフを制御する制御信号を出力する始動用制御回路を備え、始動用制御回路は、界磁巻線に発生する誘導起電圧の振幅あるいは周波数に基づいて検出される、同期運転に切り替えるタイミングにおいて、制御信号を出力する信号発信回路と、始動用制御回路が起動してから所定時間経過後に、信号発信回路に制御信号の出力を指令する時限設定回路と、を備え、始動用制御回路には、電源として、エキサイターの交流電圧が、整流回路により直流電圧に変換されて、定電圧回路を経て定電圧で供給され、時限設定回路は、所定時間を任意に設定可能な時限設定手段を備え、時限設定回路は、電源の電圧が増加して始動用制御回路が起動してからの時間をカウントし、カウントした時間が時限設定手段によって設定される所定時間に等しい場合、信号発信回路に制御信号の出力を指令し、所定時間は、電源の電圧が増加して始動用制御回路が起動してから、回転速度が同期速度になるまでの時間であり、誘導起電圧が健全である場合、界磁巻線に発生する誘導起電圧の振幅あるいは周波数に基づいて検出されるタイミングにおいて出力される制御信号によって、第１の開閉装置がオンされ、誘導起電圧が異常である場合、時限設定回路が信号発信回路に制御信号の出力を指令することにより、信号発信回路が出力する制御信号によって、第１の開閉装置がオンされる。

本発明によれば、時限設定して同期運転に切り替えるので、入力信号に消失などの異常がある場合でも界磁投入が可能になる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１である界磁巻線型同期電動機の外観図である。 実施例１における回転子および固定子の断面図である。 実施例１における同期投入装置の回路構成を示す。 始動用制御回路の入力信号となる誘導起電圧の波形例を示す。 始動用制御回路の機能ブロック図を示す。 界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。 界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。 誘導起電圧に異常が生じた場合における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。 誘導起電圧に異常が生じた場合における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の他の波形例を示す。 時限設定回路が動作する場合における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。 本発明の実施例２である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。 本発明の実施例３である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。 整流回路が出力する直流電圧波形を示す。 本発明の実施例４である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。 温度検出回路の内部構成を示す。 本発明の実施例５である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。 本発明の実施例６である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。 電流検出回路の内部構成を示す。 本発明の実施例７である界磁巻線型同期電動機における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。 本発明の実施例８である界磁巻線型同期電動機の回路構成を示す。 本発明の実施例９である界磁巻線型同期電動機の外観図である。

以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１〜９により、図面を用いながら説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図１は、本発明の実施例１である界磁巻線型同期電動機の外観図である。本実施例１は、数十ＭＷ級のＬＮＧプラント等に適用され、駆動電源として三相交流電源が供給され、回転速度が７５０〜１８００ｍｉｎ^−１の範囲で回転する。

図１に示すように、界磁巻線型同期電動機１３は、回転機部３、回転機部３を冷却するための熱交換器１５、並びに励磁用のＡＣエキサイター４（本実施例では、ブラシレスＡＣエキサイター）を備えている。回転機部３の筐体内部において、後述するような、回転子、固定子およびシャフトが配置されている。図示していないが、回転機部３の内部で冷却風を循環するためのファンが設けられる。ＡＣエキサイター４は、回転子の界磁巻線に直流電流を通電して励磁するための装置である。熱交換器１５は、回転機部３内の冷却風を熱交換するための装置であり、本実施例では水冷式の熱交換器であるが、空冷式の熱交換器を適用しても良い。

図２は、実施例１における回転子および固定子の断面図である。

図２に示すように、回転子８は、回転子鉄心２６、回転軸となるシャフト９、および回転子鉄心２６に巻装される界磁巻線１０を備えている。界磁巻線１０は、周方向に交互に極性が変わるように、巻線方向を変えて配置される。回転子鉄心２６は、ダンパー効果を得るために、塊状鉄心としている。これにより、始動時のトルクを増加させることができる。なお、回転子鉄心２６として、積層電磁鋼板を用いても良い。固定子５においては、固定子鉄心２７が軸方向に電磁鋼板が積層されて構成され、固定子スロット６にはコイル７が設けられる。

図２に示すように、実施例１では、回転子極数は４極、固定子スロット数は８４個であるが、他の極数、スロット数でも良い。また、コイル７の巻線方法は分布巻や集中巻のいずれでも良い。

図３は、実施例１における同期投入装置の回路構成を示す。以下、図３を用いて回路動作を説明する。

始動時、サイリスタ１はオフ状態である。よって、界磁巻線１０はＡＣエキサイター４を含む励磁回路から電気的に切り離されるが、界磁巻線１０にはＤＲ１４（放電抵抗）が並列接続される。すなわち、界磁巻線１０の両端はＤＲ１４を介して短絡される。これにより、始動時、固定子５に三相電圧を印加することで、界磁巻線１０には誘導起電流が発生し、誘導電動機と同様の動作原理で始動できる。ＤＲ１４を設けることで、誘導電動機において二次回路の抵抗によって始動トルクを調整できるのと同様に、始動トルクの低下を抑制することができる。

ここで、サイリスタ１に代えて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタなどの開閉装置を用いても良い。

なお、本実施例１において、放電抵抗は固定抵抗によって構成される。

次に、界磁巻線型同期電動機が同期速度付近まで加速されると、同期投入装置は、界磁巻線型同期電動機を同期運転に切り替えるために界磁投入動作を行う。ここで、ＡＣエキサイター４の発電原理はいわゆる交流励磁式同期発電機と同様であり、ＡＣエキサイター４の固定子側に励磁電流を流し、ＡＣエキサイター４の回転子が回転機部３の回転子８と同軸に回転することにより、ＡＣエキサイター４の回転子に発電電流が発生する。これにより、ブラシレスにて界磁巻線１０に励磁電流を供給することができる。このような動作により、発電電流は、電動機が加速するに従い増加する。ＡＣエキサイター４から流れる三相交流電流は、六個のダイオード１１ｂから構成される三相ブリッジ型整流回路によって直流電流へ変換される。

直流電流は、始動時、サイリスタ１がオフ状態であるため、界磁巻線１０には通電されない。始動用制御回路３０からサイリスタ１のゲートへ制御信号すなわちゲート駆動信号が発信されると、サイリスタ１はターンオンとなり、これにより界磁巻線１０へ直流電流が通電される。

サイリスタ１をターンオンする条件としては、始動特性の特長を検出して、同期速度付近でターンオンさせることが好ましい。そのため、始動用制御回路３０には、サイリスタ１のカソード側から、始動時の誘導起電圧を入力信号として取り込む（ａ）。

図４は、始動用制御回路３０の入力信号となる誘導起電圧の波形例を示す。

図４に示すように、始動時は電圧の振幅が大きく周波数も高い。これは誘導電動機のすべりが大きい状態と同様であり、同期速度（定格速度）に向けて加速して行くに従い、誘導起電圧２３の振幅および周波数は共に減衰していく。従って、誘導起電圧２３の振幅または周波数が予め設定される所定値以下に低下したことを検知すれば、回転速度が同期速度付近になり、同期運転へ切り替えるタイミングであることを検知することができる。

図５は、始動用制御回路３０の機能ブロック図を示す。図５に示すように、始動用制御回路３０は、主にピークホールド回路１９、Ｆ／Ｖコンバータ２０（Frequency／Voltageコンバータ）、時限設定回路３３、信号発信回路２８で構成される。各々の機能は次のとおりである。

ピークホールド回路１９は、入力された誘導起電圧２３（図４）のピーク値を検出する。ピークホールド回路１９において、誘導起電圧２３は端子ａに入力され、電源は端子ｃに接続され、グランドは、入力および電源に対して共通の端子ｂに接続される。ピークホールド回路１９の電源は、ＡＣエキサイター４（図３）の交流出力電圧がダイオード１１ｂ（図３）を介して直流電圧に変換され、さらに抵抗１８（図３）とツェナーダイオード１６ｂ（図３）から構成される定電圧回路を経て定電圧で供給される。検出した誘導起電圧の電圧値と、電圧設定３４にて設定される電圧値とが比較器３２で比較され、両電圧が同じになったら、比較器３２は信号発信回路２８に信号を出力する。

Ｆ／Ｖコンバータ２０は、すべりを検出する回路である。Ｆ／Ｖコンバータ２０の入力、出力、電源、グラウンドはピークホールド回路１９と共通である。Ｆ／Ｖコンバータ２０は、すべりを電圧に変換し、周波数設定３１にて設定される周波数と比較器３２で比較し、両者が同じになったら、信号発信回路２８に信号を出力する。

これらピークホールド回路１９側およびＦ／Ｖコンバータ２０側により、回転速度が同期速度付近であること、すなわち同期運転に切り替えるタイミングであることが検出される。

なお、上述したピークホールド回路１９は電圧を検出できる機能を有するものであれば良い。また、Ｆ／Ｖコンバータ２０も周波数を検出できる機能を有するものでれば良く、例えばカウンター機能を有した回路であれば、ゼロクロス点をカウントすることで、周波数とゼロクロス点を検出することが可能である。

信号発信回路２８は、ピークホールド回路１９側およびＦ／Ｖコンバータ２０側のいずれかから信号を入力すると、界磁巻線型同期電動機の運転状態を同期運転に切り替えるために、サイリスタ１をオンして界磁投入する制御信号を作成して出力する。これにより、同期運転に切り替えるタイミング検出の信頼性が向上する。なお、ピークホールド回路１９側およびＦ／Ｖコンバータ２０側のいずれか一方のみを設けるようにしても良い。

ここで、予め設定される誘導起電圧の電圧値やすべりの周波数値に基づいて界磁投入を制御する詳細な理由は、次のとおりである。誘導電動機は始動時の負荷状態により、加速状態が異なり、これに伴いすべり周波数も変化していく。負荷状態を考慮し、適切な電圧振幅とすべりを設定して、これらに基づき界磁投入を制御することで、安定した始動特性を得ることができる。すなわち、電圧設定３４および周波数設定３１は適位相条件を設定する。

図５における時限設定回路３３は、クロック４３、カウンター４４、比較器、時限設定４５で構成される。時限設定回路３３においては、回路電源およびグランドが、それぞれ端子ｃおよびｂに接続される。時限設定回路３３は、誘導起電圧２３を入力信号とすることなく、動作する。時限設定回路３３に電源が印加される時点で、クロック４３が起動し、クロック信号がカウンター４４によってカウントされる。カウント数と、時限設定４５にて予め設定される時間とが比較器３２で比較され、両者が同じになったら、比較器は信号発信回路２８に、制御信号を出力させるための指令信号を出力する。このような時限設定回路３３を始動用制御回路３０に設けることで、始動用制御回路３０に回路駆動用の電源が供給されれば、後述するように、誘導起電圧２３を検出することなく界磁投入することが可能となる。すなわち、時限設定回路３３は、界磁巻線１０の誘導起電圧の振幅あるいは周波数に関わらず、界磁巻線型同期電動機の回転速度が同期回転速度（定格回転速度）になるのに要する時間が経過したらＡＣエキサイター４を界磁巻線１０に接続する機能を備える。

図５に示す始動用制御回路は、アナログ回路、デジタル回路、ソフトウェアによって制御される演算処理装置など各種の回路によって構成できる。また、これらの回路が混在しても良く、例えば、少なくとも時限設定回路３３をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって構成し、他をアナログＩＣなどによって構成しても良い。これにより、時限設定を任意に設定することが容易になる。

図６は、始動用制御回路３０が周波数設定に基づき動作する場合について、始動から界磁投入後までにおいて界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。なお、図６において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。

界磁投入する位相として、図６に示すように誘導起電圧が負極性側に切り替わるゼロクロス点に合わせて界磁投入すると適位相となる。界磁投入後は整流回路を介したＡＣエキサイター側からの界磁電圧２９に切り替わる。界磁電圧２９が始動用制御回路３０から出力された単一のパルスからなる制御信号により切り替わった直後に直流電圧に到達する。なお、ゼロクロス点検出機能は、ピークホールド回路１９およびＦ／Ｖコンバータ２０に持たせることができる。

図７は、始動用制御回路３０が電圧設定に基づき動作する場合について、始動から界磁投入後までにおいて界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。なお、図６と同様に、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。

図７に示すように、電圧設定の場合、周波数設定の場合とは異なり、電圧位相に関わらず界磁投入される。なお、設定電圧を適切に設定すれば、例えば、電動機の容量が数ＭＷ以上であれば、数十ボルト程度に設定すれば、すべりも小さい状態で界磁投入されるので、電圧位相に関わらず界磁投入できる。このときの条件式は次のとおりである。
Ｓ＜（２４２／Ｎ）・（Ｐ_ｍ／（ＧＤ^２・Ｆ））^１／２×１００
Ｐ_ｍ＝Ｓ_ｎ・（Ｅ・Ｖ／Ｘ_ｄ）
ここで、Ｓ：すべり［％］、Ｎ：同期回転速度［ｍｉｎ^−１］、ＧＤ^２：はずみ効果［ｋｇ・ｍ^２］、Ｆ：同期周波数［Ｈｚ］、Ｓ_ｎ：定格皮相出力［ｋＶＡ］、Ｅ：無負荷誘起電圧［ｐ．ｕ］、Ｖ：電機子電圧［ｐ．ｕ］、Ｘ_ｄ：ｄ軸リアクタンス［ｐ．ｕ］。界磁投入時のすべりＳが、上式を満足している場合、すなわち不等式の右辺において算出されるすべりより小さければ、電圧位相に関わらず界磁投入すること、すなわち非適位相投入が可能となる。また、界磁投入時のすべりが算出したすべりより大きい場合は、回転速度、トルク、固定子電流のいずれかが不安定となる。

図６，７に示すように、誘導起電圧２３を健全に検知できる場合には、始動用制御回路３０は制御信号を出力し、界磁投入される。しかし、誘導起電圧２３に異常が生じると、始動用制御回路３０自体は正常であっても、始動用制御回路３０は制御信号を出力できず、界磁投入されないことになる。このような場合を、図８および図９に示す。

図８は、始動用制御回路３０が検知する誘導起電圧２３に異常が生じた場合における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。なお、本図８は、時限設定回路３３（図３３）が設けられない場合であり、かつ周波数設定の場合である。図６，７と同様に、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。図中には、電動機の回転速度も示す。従って、縦軸は回転速度も示す。

図８においては、誘導起電圧２３の周波数が設定された周波数になる前に、回転速度が同期速度まで急激に加速されている。この場合、図示のように、本来、誘導起電圧の周波数が設定周波数に到達した時に出力される出力信号（制御信号）（破線）が出力されない。このため、サイリスタ１（図３）をターンオンできないので、界磁投入できない。

図９は、誘導起電圧２３に異常が生じた場合における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の他の波形例を示す。なお、本図８は、時限設定回路３３（図３３）が設けられない場合であり、かつ周波数設定の場合である。図６，７と同様に、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。

図９においては、誘導起電圧２３の周波数が設定された周波数になる前に、不具合等により誘導起電圧２３が消失している。この場合も、図８と同様に、出力信号（制御信号）（破線）が出力されない。このため、サイリスタ１（図３）をターンオンできないので、界磁投入できない。なお、誘導起電圧２３が消失する要因としては、例えば、検出信号経路における断線や、ピークホールド回路やＦ／Ｖコンバータ（例えば、アナログＩＣによって構成される）の故障などがある。

図５で示した時限設定回路３３を設けることで、図８，９のような状況のもとにおいても、始動用制御回路は制御信号を出力することができる。

図１０は、時限設定回路３３が動作する場合における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。

図１０に示すように、時間と共に界磁電圧は増加していく。始動用制御回路３０は界磁電圧を電源としている。このため、時間がゼロ付近の場合、界磁電圧も小さいため、始動用制御回路３０は起動しておらず、始動途中から起動する。時限設定４５（図５）には、始動用制御回路３０が起動してからの所定時間が設定される。時限設定に設定される所定時間は、電動機が定常状態となり、図１０に示すように、すべりが小さい状態になるのに十分な時間とする。こうすることで、電圧位相に関わらず、非適位相で界磁投入することが可能になる。

なお、本実施例１は、界磁巻線型電動機を他の電動機で回しながら発電機として検査する場合に、界磁投入を可能にする。特に無負荷飽和電圧を測定する場合、固定子の巻線端子を開放状態にするため、固定子５の界磁巻線１０には誘導起電圧２３が発生しない。このため、始動用制御回路３０への入力信号が無い状態となるため、界磁投入できない。これに対し、本実施例１によれば、制御信号が出力されるための時限設定により、無負荷飽和電圧の測定時も始動用制御回路３０から信号を出力し界磁投入することが可能となる。

上述のように、本実施例１によれば、時限設定回路を設けることにより、始動制御回路への誘導起電圧の検出入力信号が消失した場合など、検出入力信号に異常がある場合でも確実に界磁投入ができる。従って、界磁巻線型同期電動機における界磁投入の信頼性が高くなる。

図１１は、本発明の実施例２である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例２の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。以下、実施例１と異なる点について説明する。

本実施例２の同期投入装置は、界磁投入後にＤＲ１４を電気的に切り離すための回路を備える。ＤＲ１４は、前述のように、始動時のトルク低下を抑制するために設けられ、界磁投入後に電流が流れると電力損失を生じる。このため、電動機の効率低下や発熱を招く。そこで、本実施例２では、次に説明するように、界磁投入後はＤＲ１４が電気的に切り離される。

本実施例２において、ＤＲ１４は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、界磁巻線１０と並列に接続される。すなわち、界磁巻線１０の両端は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、ＤＲ１４によって短絡される。サイリスタ２のカソード・ゲート間には、サイリスタ２に、ゲート信号として、界磁巻線１０の誘導機電流をゲートに与えるために、ツェナーダイオード１６ａとダイオード１１ａの直列接続回路が接続される。

始動時において、サイリスタ１はオフ状態であり、固定子５（図２）に三相電圧が印加されると、界磁巻線１０には発生する誘導起電圧が、抵抗１７，ＤＲ１４を介してツェナーダイオード１６ａに印加される。一定以上の逆方向電圧が加わると、ツェナーダイオード１６ａの降伏現象によりサイリスタ２のゲートに電流が流れる。これにより、サイリスタ２はターンオンし、プラス側の誘導電流がＤＲ１４に流れる。一方、マイナス側の誘導電流は、ダイオード１１ａを含む経路でＤＲ１４に流れる。

ここで、一定以上の逆方向電圧は、誘導起電圧２３（図４）であり、図４で示したように、始動時は電圧の振幅も大きく周波数も高い状態となる。そこで、ツェナーダイオード１６ａの電圧特性を、発生する誘導起電圧２３に応じて選定すれば、同期速度付近でサイリスタ２をターンオフさせて、サイリスタ２を介してＤＲ１４に流れるプラス側の電流を遮断することができる。このように、始動してから同期速度付近までは、誘導起電流がＤＲ１４に流れ、同期速度付近になるとＤＲ１４には、ダイオード１１ａを介して誘導起電流のマイナス側の電流のみ流れる。

界磁投入時に界磁巻線１０には直流電流が流れるため、サイリスタ２をターンオフすれば、直流電流はダイオード１１ａに対しては逆方向電流となるため、ＤＲ１４に電流は流れない。従って、界磁投入後に、ＤＲ１４を界磁巻線１０から電気的に切り離される。これにより、ＤＲ１４により始動時のトルク低下を抑制しながらも、電動機の効率低下や発熱を防止することができる。

なお、サイリスタ１に代えて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタなどの開閉装置を用いても良い。

図１２は、本発明の実施例３である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例３の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。また、本実施例３の同期投入装置においては、実施例２（図１１）と同様に、ＤＲ１４は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、界磁巻線１０と並列に接続されると共に、サイリスタ２のカソード・ゲート間には、サイリスタ２にゲート信号を与えるためにツェナーダイオード１６ａとダイオード１１ａの直列接続回路が接続される。

以下、実施例２と異なる点について説明する。

本実施例３においては、サイリスタ２とダイオード１１ａの並列接続回路とＤＲ１４との接続点と、ツェナーダイオード１６ａのカソード、すなわち抵抗１７とツェナーダイオード１６ａとの接続点との間に、フィルターコンデンサ２４が接続される。

上述したように、サイリスタ１がターンオンすることで界磁投入される。界磁投入されると、ＡＣエキサイター４からの三相交流電流が、六個のダイオード１１ｂから構成される整流回路によって直流電流に変換されて界磁巻線１０に供給される。

図１３は、整流回路が出力する直流電圧波形を示す。

図１３に示すように、直流電圧波形は三相全波整流のため、ＡＣエキサイターの周波数の６倍の周波数でリップルが発生する。この波形から判るように、サージ電圧３９が周期的に発生している。サージ電圧３９の大きさは、直流電圧の平均値の数倍となる。サージ電圧３９は、ダイオード１１ｂの逆回復電流の影響により発生する。ダイオード１１ｂには、交流電圧が印加されるので、順方向と逆方向にバイアス電圧が加わる。逆回復電流は、逆方向にバイアス電圧が加わった時に発生し、時間経過と共に減少する。この時の逆方向電流の減少率（ｄｉ／ｄｔ）により、回路中の寄生インダクタンス（Ｌ）にサージ電圧３９（Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ））が発生する。

サージ電圧３９はツェナーダイオード１６ａにも印加されるので、サージ電圧３９が過大になると、ツェナーダイオード１６ａが降伏してサイリスタ２がターンオンし、切り離したＤＲ１４が再び界磁巻線１０に接続される可能性がある。これに対し、本実施例３では、上述のようなフィルターコンデンサ２４がローパスフィルタとして機能するため、サージ電圧３９によるサイリスタ２の再ターンオンを防止することができる。

サージ電圧３９の周波数成分は直流リップル（周波数の６倍成分）よりも、更に高い周波数となるため、ＡＣエキサイターの周波数に応じて、コンデンサの容量を適宜設定することが好ましい。さらに、ノイズ等の突発的な電圧変化に対しても、フィルターコンデンサ２４がローパスフィルタとなるため（一般的にノイズは高周波）、サイリスタ２をオフ状態に維持し、ＤＲ１４を界磁巻線１０から確実に切り離すことができる。また、フィルターコンデンサ２４としては、比較的経年変化の影響が小さいフィルムコンデンサを適用することが好ましい。さらに、本実施例３によれば、フィルターコンデンサ２４を追加すればよいので、サージ電圧３９によるサイリスタ２の再ターンオンを防止する機能を付加しながらも、部品点数の増加は抑制される。

図１４は、本発明の実施例４である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例４の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。また、本実施例３の同期投入装置においては、実施例２（図１１）と同様に、ＤＲ１４は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、界磁巻線１０と並列に接続されると共に、サイリスタ２のカソード・ゲート間には、サイリスタ２にゲート信号を与えるためにツェナーダイオード１６ａとダイオード１１ａの直列接続回路が接続される。さらに、実施例３（図１２）と同様に、サイリスタ２とダイオード１１ａの並列接続回路とＤＲ１４との接続点と、ツェナーダイオード１６ａのカソード、すなわち抵抗１７とツェナーダイオード１６ａとの接続点との間に、フィルターコンデンサ２４が接続される。

以下、実施例３と異なる点について説明する。

図１４に示すように、本実施例４においては、界磁巻線１０に温度センサー３５を取付けて、界磁巻線１０の温度を検出する。温度センサー３５からの信号は温度検出回路２１へ入力され、予め設定される温度以上になった場合、サイリスタ１と界磁巻線１０の間に設けられる開閉装置２２をターンオフする。

温度検出回路２１において、温度センサー３５からの信号は端子ｅへ入力され、電源は端子ａに接続され、グランドは入力および電源に対して共通の端子ｂに接続される。温度センサー３５からの信号に基づいて温度検出回路２１は開閉装置２２の制御信号を作成して端子ｆに出力する。この制御信号は開閉装置の制御端子に与えられると、開閉装置２２は制御信号に応じてターンオンおよびターンオフする。なお、開閉装置２２としては、オン・オフが可能な自己消弧形素子、例えばＩＧＢＴなどが適用される。

図１５は、温度検出回路２１の内部構成を示す。

図１５に示すように、端子ａに入力される温度センサー３５からの信号は、増幅回路３６によって増幅される。増幅回路３６の駆動用電源は、ＡＣエキサイター４（図１４）の交流出力電圧がダイオード１１ｂ（図１４）を介して直流電圧に変換され、さらに抵抗１８（図１４）とツェナーダイオード１６ｂ（図１４）から構成される定電圧回路を経て定電圧で供給される。比較器３２は、増幅回路３６より増幅された信号の電圧と、温度設定３７にて予め設定される電圧を比較器３２で比較し、両者が同じになったら、開閉装置２２への制御信号を端子ｄに出力する。

本実施例４によれば、界磁巻線１０の温度が、巻線に許容されている温度上限値になった場合、開閉装置２２がオフして、同期運転状態からＤＯＬ状態に戻る。ＤＯＬ状態に戻り、すべりが低い場合は、界磁電流よりも誘導起電流は小さくなるため、界磁巻線１０のオーバーヒートを回避することができる。一方、ＤＯＬ状態に戻り、すべりが高い場合は、回転速度自体も低下するため、電動機自体が異常状態であることを検知することができる。

図１６は、本発明の実施例５である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例５の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。

本実施例５の同期投入装置の回路構成は、実施例３（図１２）とほぼ同様であるが、実施例３とは異なり、放電抵抗ＤＲ（図１２ではＤＲ１４）を可変抵抗３８としている。ＤＲを可変抵抗３８にすることにより、電動機の素性（出力、周波数）が変わった場合でも、最適な抵抗値に設定することができる。ＤＲの抵抗値を最適化にすることにより、始動電流を最小限にすることができる。

図１７は、本発明の実施例６である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例６の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。

本実施例６の同期投入装置の回路構成は、実施例４（図１４）とほぼ同様であるが、以下、実施例４とは異なる点について説明する。

図１７に示すように、ツェナーダイオード１６ｂのアノード側とグランド間に、ツェナーダイオード１６ｂに流れる電流を検出する電流センサー４０が設けられる。

電流センサー４０からの信号は電流検出回路４１へ入力され、電流検出回路４１は、信号の示す検出電流が予め設定した電流以上になった場合、サイリスタ１と界磁巻線１０の間に設けられる開閉装置２２をオフする。

電流検出回路４１において、電流センサー４０からの信号は端子ｅへ入力され、電源は端子ａに接続され、グランドは入力・電源に対して共通の端子ｂに接続される。電流センサー４０からの信号に基づいて電流検出回路４１は開閉装置２２の制御信号を作成して端子ｆに出力する。この制御信号は開閉装置の制御端子に与えられると、開閉装置２２は制御信号に応じてターンオンおよびターンオフする。なお、開閉装置２２としては、オン・オフが可能な自己消弧形素子、例えばＩＧＢＴなどが適用される。

図１８は、電流検出回路４１の内部構成を示す。

図１８に示すように、端子ａに入力される電流センサー４０からの信号は、増幅回路３６によって増幅される。増幅回路３６の駆動用電源は、ＡＣエキサイター４（図１７）の交流出力電圧がダイオード１１ｂ（図１７）を介して直流電圧に変換され、さらに抵抗１８（図１７）とツェナーダイオード１６ｂ（図１７）から構成される定電圧回路を経て定電圧で供給される。比較器３２は、増幅回路３６より増幅された信号の電圧と、電流設定４２にて予め設定される電圧を比較器３２で比較し、両者が同じになったら、開閉装置２２への制御信号を端子ｄに出力する。

本実施例６によれば、ＡＣエキサイターからの電流が過電流状態になった場合、開閉装置２２がオフして、同期運転状態からＤＯＬ状態に戻る。ＤＯＬ状態に戻り、すべりが低い場合は、界磁電流よりも誘導起電流は小さくなるため、界磁巻線１０のオーバーヒートを回避することができる。一方、ＤＯＬ状態に戻り、すべりが高い場合は、回転速度自体も低下するため、電動機自体が異常状態であることを検知することができる。また、ツェナーダイオード１６ｂのアノード側の電流を検出しているため、電流は界磁電流よりも低いことから、電流センサー４０の体格も小さくコンパクトにすることが可能となる。

なお、回路中における電流検出箇所は、本実施例における検出箇所に限らず、界磁巻線を流れる電流あるいはＡＣエキサイターからの電流が直接あるいは間接に検出可能な場所であれば良い。

図１９は、本発明の実施例７である界磁巻線型同期電動機における、始動から界磁投入後までにおいて界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。なお、図１９において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。また、図１９は、時限設定回路３３（図５）が動作していない場合について示すが、動作している場合も同様である。

本実施例７においては、実施例１とは、始動用制御回路から出力される信号の波形が次のように異なっている。

図１９に示すように、本実施例７においては、界磁投入の条件成立後に、始動用制御回路から、断続的に信号が出力される。

界磁投入によりＡＣエキサイターからの直流電圧に切り替わる時に、すべりが大きい場合等に、切り替わった直後に電圧が大きく動揺する場合がある。このとき、動揺した電圧の振幅が負極性側まで振れた場合、サイリスタ１がターンオフする可能性がある。このように、サイリスタ１がターンオフするとき、始動用制御回路３０からの出力信号が１パルスのみであると、再度、界磁投入することが難しくなる。すなわち、界磁投入がなされず誘導電動機として運転し続けることになる。これに対し、本実施例７では、界磁投入の条件成立後に断続的にパルス信号を出力し続けること、すなわち連続する複数のパルスからなるパルス列を出力することで、再度、界磁投入することが可能となる。

図２０は、本発明の実施例８である界磁巻線型同期電動機の回路構成を示す。

本実施例８においては、実施例１の界磁巻線型同期電動機に励磁用電源４７および励磁用制御器４６が接続される。

図２０に示すように、ＡＣエキサイター（ＡＣ・ＥＸ）は励磁用電源４７にて励磁される。始動前は、界磁投入用のサイリスタがオフ状態であり、界磁巻線の通電は遮断されているため、停止状態で励磁用電源４７を印加して、界磁巻線を励磁する。始動用制御回路から制御信号が発信され界磁投入されると、励磁用制御器４６から励磁用電源４７に制御信号が発信され励磁電流が制御される。励磁用制御器４６は固定子と系統４８の間に接続される。

本実施例８の界磁巻線型同期電動機が、界磁投入後、同期状態になると、励磁用制御器４６は固定子の電圧および電流を測定し力率を算出し、力率が１．０ではない場合、励磁電流を制御して力率１．０にする。このため、励磁用制御器４６は、同期状態になったことを確認して制御される。励磁用制御器４６の制御開始を時間で設定する場合、始動用回路が起動するまでの時間と時限設定した時間の和よりも、長い時間に設定する。または、速度センサー等を適用し同期速度に到達したことを確認した後に、励磁用制御器４６の制御を開始する。こうすることで、同期状態になる前に励磁電流が制御されることを防止でき、安定した始動特性を得られる。

図２１は、本発明の実施例９である界磁巻線型同期電動機の外観図である。

本実施例９においては、界磁巻線型同期電動機１３において回転軸となるシャフトが、増速ギア２５を介してコンプレッサー１２と連結される。界磁巻線型同期電動機１３としては、実施例１〜８のいずれかが適用される。

本実施例９によれば、界磁巻線型同期電動機を、ＬＮＧや薬品の製造プラント、化学プラントなどの圧縮機を必要とするプラントへ設置し、運転することが可能となる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

１，２ サイリスタ
３ 回転機部
４ ＡＣエキサイター
５ 固定子
６ 固定子スロット
７ コイル
８ 回転子
９ シャフト
１０ 界磁巻線
１１ａ，１１ｂ ダイオード
１２ コンプレッサー
１３ 界磁巻線型同期電動機
１４ ＤＲ（放電抵抗）
１５ 熱交換器
１６ａ，１６ｂ ツェナーダイオード
１７，１８ 抵抗
１９ ピークホールド回路
２０ Ｆ／Ｖコンバータ
２１ 温度検出回路
２２ 開閉装置
２３ 誘導起電圧
２４ フィルターコンデンサ
２５ 増速ギア
２６ 回転子鉄心
２７ 固定子鉄心
２８ 信号発信回路
２９ 界磁電圧
３０ 始動用制御回路
３１ 周波数設定
３２ 比較器
３３ 時限設定回路
３４ 電圧設定
３５ 温度センサー
３６ 増幅回路
３７ 温度設定
３８ 可変抵抗
３９ サージ電圧
４０ 電流センサー
４１ 電流検出回路
４２ 電流設定
４３ クロック
４４ カウンター
４５ 時限設定
４６ 励磁用制御器
４７ 励磁用電源
４８ 系統

Claims (10)

1. 回転機部と、前記回転機部と同軸に回転する回転子を有するエキサイターと、を備え、界磁巻線を短絡して始動させた後、前記エキサイターによって前記界磁巻線を励磁する界磁巻線型同期電動機において、
   前記エキサイターと前記界磁巻線は第１の開閉装置を介して接続され、
   前記第１の開閉装置のオン・オフを制御する制御信号を出力する始動用制御回路を備え、
   前記始動用制御回路は、
   前記界磁巻線に発生する誘導起電圧の振幅あるいは周波数に基づいて検出される、同期運転に切り替えるタイミングにおいて、前記制御信号を出力する信号発信回路と、
   前記始動用制御回路が起動してから所定時間経過後に、前記信号発信回路に前記制御信号の出力を指令する時限設定回路と、
   を備え、
   前記始動用制御回路には、電源として、前記エキサイターの交流電圧が、整流回路により直流電圧に変換されて、定電圧回路を経て定電圧で供給され、
   前記時限設定回路は、前記所定時間を任意に設定可能な時限設定手段を備え、
   前記時限設定回路は、前記電源の電圧が増加して前記始動用制御回路が起動してからの時間をカウントし、カウントした時間が前記時限設定手段によって設定される前記所定時間に等しい場合、前記信号発信回路に前記制御信号の出力を指令し、
   前記所定時間は、前記電源の電圧が増加して前記始動用制御回路が起動してから、回転速度が同期速度になるまでの時間であり、
   前記誘導起電圧が健全である場合、前記界磁巻線に発生する前記誘導起電圧の振幅あるいは周波数に基づいて検出される前記タイミングにおいて出力される前記制御信号によって、前記第１の開閉装置がオンされ、
   前記誘導起電圧が異常である場合、前記時限設定回路が前記信号発信回路に前記制御信号の出力を指令することにより、前記信号発信回路が出力する前記制御信号によって、前記第１の開閉装置がオンされることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
2. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記界磁巻線は、前記界磁巻線の両端間に接続される放電抵抗によって短絡されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
3. 請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記放電抵抗は、第２の開閉装置を介して、前記界磁巻線の両端間に接続されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
4. 請求項３に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記第２の開閉装置はサイリスタであり、前記界磁巻線からの誘導起電流を、抵抗とツェナーダイオードとの直列接続回路を介してゲートに与えることによりターンオンされることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
5. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記第１の開閉装置と前記界磁巻線との間に接続される第３の開閉装置と、
   前記界磁巻線の温度に基づいて、前記第３の開閉装置のオン・オフを制御する温度検出回路と、
   を備え、
   前記温度検出回路は、前記界磁巻線の温度が、予め設定される温度以上になると、前記第３の開閉装置をターンオフすることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
6. 請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記放電抵抗が可変抵抗であることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
7. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記第１の開閉装置と前記界磁巻線との間に接続される第３の開閉装置と、
   前記エキサイターから前記界磁巻線に供給される電流に基づいて、前記第３の開閉装置のオン・オフを制御する電流検出回路と、
   を備え、
   前記電流検出回路は、前記電流が、予め設定される電流以上になると、前記第３の開閉装置をターンオフすることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
8. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   前記制御信号が、連続する複数のパルス信号からなるパルス列によって構成されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
9. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
   さらに、
   前記エキサイターを励磁する励磁用電源と、
   前記制御信号に応じて前記励磁用電源を制御する励磁用制御器と、
   を備えることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。
10. 請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
    回転軸となるシャフトが増速ギアを介してコンプレッサーと機械的に接続されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

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