JPH0468875B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 原動機によつて巻線形誘導機を駆動し、その誘
導機の極数とその一次巻線に流れる三相交流励磁
電流の周波数とに関係して定まるその誘導機の回
転磁界の回転方向と同一方向にその回転磁界より
も早く、その誘導機の二次回転子を上記原動機に
よつて回転駆動し、その誘導機の二次出力端子か
ら出た回路に整流器と逆変換装置を接続し、それ
によつて逆変換装置の交流出力端子から得られる
交流を上記誘導器の一次巻線励磁電流として与え
るようにした回路を造り、誘導発電装置の自励化
を得る方式は例えば本出願人の発明になる特許第
540293号、第556553号、第727416号などにより公
知である。

このような発明では原動機により駆動される発
電機の回転速度に関係なく負荷へ送る発電機の出
力周波数を制御しうる特長を持つ。例えば原動機
の回転速度がある程度変化しても、負荷に対し一
定周波数の電力を供給しうるとか、又原動機の回
転速度を略々一定に保ちながらも負荷に対し供給
する発電機の出力周波数を或る範囲内で制御しう
るとか云つた特長である。かゝる特長を持ちなが
ら前記公知例においては通常の巻線形誘導機を使
うため、スリツプリングとブラシを必要とするの
で、装置の保守には好ましくない。最近の交流発
電機においては同期機を用いる場合でもブラシな
し構造とし、保守を容易にするよう努められてい
ることは周知の事実である。

本発明ではこのような公知例の欠点をおぎない
原動機により駆動される発電機の回転速度に関係
なく負荷へ送る発電機の出力周波数を制御しうる
発電装置を造るに際し、その発電機の構造をブラ
シなし構造とし、装置の保守を容易ならしめるこ
とをその目的とする。

この目的を達成せしめるため本発明ではその具
体的な電気接続図例の第１図に示すように、第一
の固定子交流巻線１と第一の回転子導電体部２か
ら成る第一の誘導機部３、第二の固定子交流巻線
４と第二の回転子導電体部５から成る第二の誘導
機部６、第一と第二の回転子導電体部２と５相互
間が連動回転するよう両回転子導電体部２と５相
互間になされた機械的結合７、第一と第二の回転
子導電体部２と５相互間の電気接続１６、第一の
固定子交流巻線１と交流毋線８との間に電力授受
しうるような１と８両者間の電気接続１８より成
る組合せにおいて、第一と第二の回転子導電体部
２と５相互間を互いに逆相順になるように電気接
続し、また制御素子付き整流器２２，２３より成
る周波数変換装置９の入力端子１９と第二の固定
子交流巻線４との間を電気接続すると共に、上記
周波数変換装置９の出力端子２０と上記交流毋線
８との間を電気接続し、上記の第一の誘導機部３
と第二の誘導機部６の結合装置７を原動機２１に
よつて駆動するように配列し、上記第一の誘導機
部３の極数と第一の固定子交流巻線１に流れる三
相交流励磁電流の周波数とに関連して定まる第一
の誘導機部３の回転磁界の回転方向と同一方向に
その回転磁界よりも早く、第一の誘導機部３の回
転子と第二の誘導機部６の回転子を上記原動機２
１によつて回転駆動し、上記周波数変換装置９の
出力端子２０から得られる交流を上記交流毋線８
を経て上記第一の固定子交流巻線１に励磁電流と
して与えるようにした回路を造り、上記第一の固
定子交流巻線１から上記交流毋線８へ交流電力を
与えるようにするのである。

第１図の例では周波数変換装置９の例として順
変換装置１０と逆変換装置１１の組合せより成る
場合を示す。またこの順変換装置１０と逆変換装
置１１の間にリアクトル１４を直列接続し、コン
デンサー１５を並列接続する。順変換装置１０を
構成する制御素子付き整流器２３の制御素子には
その制御装置１２を接続して制御する。その制御
電流の周波数を順変換装置１０の入力電力の周波
数と同期させるため、制御装置１２へ第二の固定
子交流巻線４の端子から入力信号を供給するよう
その両者を電気接続する。逆変換装置１１を構成
する制御素子付き整流器２２の制御素子にはその
制御装置１３を接続して制御する。この逆変換装
置１１の出力電力周波数を制御する装置が逆変換
装置１１とその制御装置１３に関連して設けられ
る。すなわち自励式逆変換装置となる。

第１図において、第一の誘導機部３の滑りをS₁
とし、第二の誘導機部６の滑りをS₂とする。第一
の誘導機部３においては滑りS₁＜０となるように
駆動せしめられる。すなわち、第一の固定子巻線
１に交流毋線８から供給される交流励磁電流で造
られる回転磁界がある。この回転磁界は静止した
空間に対して回転する磁界であるので、このよう
な回転磁界を以后、空間回転磁界と呼ぶことにす
る。この空間回転磁界を第一の回転子導電体部２
が切り、それによつて第一の回転子導電体部２に
電圧を発生する。この場合、第一の回転子導電体
部２は上記空間回転磁界よりも早く原動機２１に
よつて回転駆動せしめられ、空間回転磁界と第一
の回転子導電体部との関係は第２図のようにな
る。すなわち交流毋線８から供給される励磁電流
I₀で造られた空間回転磁界Φ₁はω₁（角速度の単位
はrad／sec）の角速度で回転し、それに対し第一
の回転子導電体部２は（１＋1S₁１）ω₁なる角速
度で回転する。従つて第一の回転子導電体部２は
空間回転磁界Φ₁によりω₁の矢印方向と逆方向に
向け1S₁1ω₁なる角速度で切られることになる。
第一の回転子導電体部２に流れる電流による起磁
力で造られる第一の回転子上の二次回転磁界Φ₂
の角速度が1S₁1ω₁で、又その方向が点線矢印で
示される。この回転磁界Φ₂の空間回転角速度も
前記空間回転磁界Φ₁のそれと同様ω₁となり、こ
の回転方向は実線矢印のように空間回転磁界Φ₁
のそれと同一方向になる。

今上述のように、第一の回転子導電体部２が空
間回転磁界Φ₁により1S₁1ω₁なる角速度で点線矢
印の方向に切られるとするならば、フレミングの
右手の法則により、空間回転磁界Φ₁のベクトル
矢印方向に対し、第一の回転子導電体部２におけ
るΦ₁と鎖交する部分の起電力の方向は紙面表よ
り裏へ向ける方向となり、この起電力により流れ
る負荷電流と空間回転磁界Φ₁との間で発生する
トルクT₁は実線矢印の方向に働らく。そのT₁の
矢印方向に対抗して原動機２１によりω₁の矢印
の方向に回転子は回転駆動せしめられる。

起電力の空間ベクトルをある瞬間に最大値とな
つている巻線コイルの巻線軸方向に正方向を右ね
じ糸にとるものとすれば、空間回転磁界Φ₁によ
り第一の固定子巻線１に誘導される起電力E₁は
Φ₁よりも90°遅れるが、第一の回転子導電体部２
に誘導される起電力S₁E₂はΦ₁よりも90°進み、第
２図に示すようになる。第一の回転子導電体部２
の電流I₂が最大となるのは起電力が最大となつた
瞬間からρ₂だけ時間的に遅れる。然し回転子は
ω₂＞ω₁で回転しているため、第一の回転子導電
体部２の電流I₂が最大となる導体位置は空間的に
は電気角でρ₂だけS₁E₂最大の位置よりも進む。従
つて、このI₂による起磁力を打ち消すために、第
一の固定子巻線１にはI₁′の電流が流れ、結局、
全体としてI₁＝I₀＋I₁′が流れる。この第２図の空
間ベクトル図から第３図の時間ベクトル図が得ら
れる。交流毋線８の電圧V₁を基準に考えれば、
第３図のようにV₁とI₁との位相差ρ₁は90°よりも
大きいので、第一の固定子交流巻線１への入力
P₁＝3V₁I₁×cosρ₁（三相入力と考えてV₁I₁cosρ₁を
３倍した）は負となる。すなわち第一の誘導機部
３は交流毋線８より遅れ、無効電力3V₁I₁sinρ₁の
供給を受けながら発電機として1P₁１の電力を交
流毋線８に返還していることを表わす。また発電
機として前記誘導起電力E₁を基準に考えると、
第一の固定子交流巻線１のインピーダンス電圧降
下γ₁I₁＋jx₁I₁を差し引いた残りの電圧が発電機の
端子電圧V₁′となる。発電機電流I₁はV₁′より
ρ₁″＝π−ρ₁だけ位相の進んだ電流となる。

次に第一と第二の回転子導電体部２と５相互間
を互いに逆相順に電気接続することにより、前記
交流毋線８から第一の固定子交流巻線１と第一の
回転子導電体部２および第二の回転子導電体部５
へと順次に与えられる交流励磁電流によつて第二
の誘導機部６に造られる回転磁界Φ₅の空間回転
方向を第一の誘導機部３の回転子上における空間
回転磁界Φ₁の回転方向つまり1S₁1ω₁の回転方向
と逆向きに、すなわち原動機２１の回転方向と同
一方向に、回転子に対しω₃なる角速度で回転す
るのである。つまり上記回転磁界Φ₅とΦ₁の回転
方向が互いに逆向きになるよう第一と第二の回転
子導電体部２と５相互間の接続配列がなされると
き、これを互いに逆相順接続と云う。

理解を容易ならしめるため、回転子が静止して
いる場合を考える。回転子が静止しているため、
上記回転磁界Φ₅は空間に対してもω₃なる角速度
で第４図の実線矢印方向に回転し、これが第二の
固定子交流巻線４を切り、第二の固定子交流巻線
４にフレミングの右手の法則に従つた起電力を誘
起する。この回転子を原動機２１により回転磁界
Φ₅の回転方向と同一方向に回転駆動すると、回
転磁界Φ₅は空間に対してS₂ω₃の角速度で回転す
ることになる。すなわちこの場合には第二の誘導
機部６ではS₂＞１の運転となる。第二の固定子交
流巻線４に生じた上記起電力によりその中に流れ
る電流と前記回転磁束Φ₅との間に生じる発生ト
ルクT₂は第４図に示すように、原動機２１の回
転方向と反対の方向に向けて働らく。

以上の考察から第１図にもどり、パワーの流れ
をこの第一および第二の誘導機部３と６に関して
考えると、次のようになる。第一の誘導機部３で
は原動機２１より駆動され、ある部分は第一の固
定子交流巻線１から交流毋線８の方へ、また他の
部分は第一の回転子導電体部２から電力を出す。
第一の回転子導電体部２からの電力は第二の誘導
機部６の第二の回転子導電体部５が受け、この電
力と第二の回転子導電体部５が原動機２１より駆
動される動力とを合せて第二の固定子交流巻線４
から電力を外部に出す。これらのパワーの流れは
矢印に示すようになる。

第一の誘導機部３において、空間回転磁界Φ₁
はω₁＝2πf₁／p₁（rad／sec）の角速度で空間に対
して回転する。たゞしf₁は交流毋線８の電力周波
数（Hz）、この時、回転子の滑りS₁は０より小さ
く、 S₁＝（ω₁−ω₂）／ω₁ …………(1) 従つて第一の回転子導電体部２における周波数
f₂は1S₁1f₁（Hz）となる。第二の回転子導電体部
５では回転磁界は回転子に対して角速度ω₃
（rad／sec）で回転子と同一方向に回転する。

ω₃＝2π1S₁1f₁／p₂ ……(2) ＝ω₁p₁1S₁１／p₂＝1S₁１（p₁／p₂）ω₁
……（2′） たゞし、p₂は第二の誘導機部６の極対数 この回転磁界は原動機２１により更に早く回転
し、第二の固定子交流巻線４に対し ω₃＋ω₂＝S₂ω₃ ……(3) の角速度で回転する。S₂＞１である。

従つて第二の誘導機部６の固定子に誘導される
起電力の周波数f₃（HZ）は f₃＝S₂f₂＝1S₁1S₂f₁ ……(4) （2′）より 1S₁１＝（p₂／p₁）（ω₃／ω₁） ……(5) (3)より S₂＝（ω₂＋ω₃）／ω₃ ……(6) 1S₁1S₂＝（p₂／p₁）（ω₂＋ω₃）／ω₁……(7) (7)に(1)（2′）を代入 1S₁1S₂＝（p₂／p₁）｛ω₁−S₁ω₁＋1S₁１×（p₁／
p₂）ω₁｝／ω₁＝（p₂／p₁）（１−S₁）＋1S₁１
……(8) これを(4)式に代入 f₃＝｛1S₁１＋（１−S₁）（p₂／p₁｝f₁……(9) また回転子の角速度ω₂をS₁，S₂で表わすと、
(1)式から ω₂＝ω₁（１−S₁）＝2πf₁／p₁（１−S₁） ……(10) また(3)式からω₂＝（S₂−１）ω₃であり、これに
（2′）式を代入し ω₂＝（S₂−１）1S₁１（p₁／p₂）ω₁＝（S₂−１）
1S₁１（１／p₂）2πf₁ ……(11) (10)式と（11）式より ω₂＝2πf₁（１−S₁）／p₁＝2πf₁｛1S₁１（S₂−１）
｝／p₂ ＝2πf₁｛１−S₁＋1S₁1S₂−1S₁１｝／p₁＋p₂ ＝2πf₁（１＋1S₁1S₂）／p₁＋p₂ ……(12) 次に第１図におけるパワーの配分は次のようで
ある。たゞし損失は無視する。すなわち、第一の
誘導機部３の二次入力をP₂とすれば、原動機２
１から第一の誘導機部３への機械出力は（１＋
1S₁１）×P₂であり、第一の固定子交流巻線１か
ら交流毋線８への出力電力はP₂、第一の回転子
導電体部２から第二の回転子導電体部５への電力
伝達は1S₁１×P₂である。そして第二の固定子交
流巻線４からの出力電力は1S₁S₂1P₂で、そのた
め原動機２１から第二の誘導機部６へ（1S₁S₂１
−1S₁１）P₂の機械出力が与えられる。そして原
動機２１から全誘導機部への全機械出力は （１＋1S₁１）P₂＋（1S₁S₂１−1S₁）P₂＝（１＋
1S₁S₂１）P₂である。

以上の装置において第二の固定子交流巻線４に
接続される周波数変換装置９については必らずし
も順変換装置と逆変換装置の組み合わせに限ら
ず、交流から直接他の交流へ変換するサイクロコ
ンバーター式の周波数変換装置も考えられる。然
し第１図に示したような順変換装置と逆変換装置
の組み合わせを用いる時には以下に示すような長
所がある。今その説明のために帰還ダイオード
D₁〜D₆を設けた逆変換装置を含む周波数変換装
置の例を第５図に示す。図においてT_h1〜T_h6は
制御素子付き整流器、C₁〜C₆は転流コンデンサ
ー、SD₁〜SD₆は直列ダイオード、L₁〜L₂はリア
クトル、Za，Zb，Zcは第１図における逆変換装
置の出力端子から見た負荷であり、負荷１７と誘
導発電機３−６の並列回路である。このような負
荷は特に誘導発電機の交流励磁電流も含むため、
かなりの誘導性負荷となる。第５図の回路で、誘
導性負荷時の動作を検討すると、たとえばT_h1〜
T_h5の導通からT_h1〜T_h6に移した場合、負荷Z_bの
電流はT_h5導通時と同一方向に流れるため、D₂が
導通し、Zb−D₂−T_h1−Zaの回路で遅れ電流は
循環する。

第１図に於て逆変換装置１１の出力周波数を制
御するのは整流器２２の制御素子に加えられる点
弧信号の周波数を制御装置１３の中の装置で制御
しておこなう。すなわち、この場合の逆変換装置
１１はそれ自体転流装置を持つ自励式で、且つ出
力周波数を交流出力側とは独立的に決定しうる他
制式と云える。またこの逆変換装置の出力電圧の
制御は制御装置１２による順変換装置１０の制御
素子付き整流器２３の制御角の位相制御でおこな
う。

このようにして第１図の装置では原動機２１に
よつて縦続的に結合された二つの誘導機部３と６
の回転子を駆動し、第二の固定子交流巻線４の出
力端子から出る電力の中から周波数変換装置９を
通して第一の固定子交流巻線１へ交流励磁電流を
供給する。そしてその与える交流励磁電流の周波
数を上記のように周波数変換装置９で制御すると
き、その周波数の電力を第一の固定子交流巻線１
からと周波数変換装置９の出力端子から交流毋線
８を通して負荷１７へ供給しうる。なお、この発
電装置の始動時には、例えばコンデンサー１５の
両端に始動用の直流を加えれば電圧が確立される
と云うことが判る。

以上の本発明装置によつて次のような作用効果
の特長を得る。すなわち、原動機２１により駆動
される発電機３−６の回転速度に関係なく、負荷
１７へ供給する発電機３−６の出力周波数を制御
しうる発電装置を造り、その発電機構造をブラシ
なし構造とし、装置の保守を容易にする。この場
合、発電機の回転速度に関係なく負荷へ供給する
発電機の出力周波数を制御するとは次のことを云
う。すなわち原動機の回転速度がある程度変化し
ても負荷に対し一定周波数の電力を供給しうると
か、又原動機の回転速度を略々一定に保ちながら
も、負荷に対し供給する発電機の出力周波数を或
る範囲内で制御しうるとか云つた特長のことを云
う。発電機３−６の励磁電流および負荷１７の遅
れ電流は第二の誘導機部６より周波数変換装置９
を通して供給しうることは前述の通りである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構造を示す具体的な電気接続
図例、第２図は本発明の装置の第一の誘導機部に
おける作動を説明するための空間ベクトル図、第
３図は本発明の装置の第一の誘導機部における作
動を説明するための時間ベクトル図、第４図は本
発明の装置の第二の誘導機部における作動を説明
するための図、第５図は本発明に使われる周波数
変換装置の具体的接続図例である。また各図に示
される記号は次のようなものであることを表わ
す。 １……第一の固定子交流巻線、２……第一の回
転子導電体部、３……第一の誘導機部、４……第
二の固定子交流巻線、５……第二の回転子導電体
部、６……第二の誘導機部、７……第一と第二の
回転子相互間の機械的結合、８……交流毋線、９
……周波数変換装置、１０……順変換装置、１１
……逆変換装置、１２……制御装置、１３……制
御装置、１４……リアクトル、１５……コンデン
サー、１６……２と５の間の電気接続、１７……
負荷、１８……１と８の間の電気接続、１９……
９の入力端子、２０……９の出力端子、２１……
原動機、２２……制御素子付き整流器、２３……
制御素子付き整流器、Φ₁……空間回転磁界、Φ₂
……第一の回転子導電体部に流れる電流により造
られる回転磁界、Φ₅……第二の回転子導電体部
に流れる励磁電流により第二の回転子に造られる
回転磁界、Φ₄……第二の固定子交流巻線電流に
より造られる回転磁界、ω₁……Φ₁の角速度
（rad／sec）、ω₂……回転子の角速度（rad／
sec）、ω₃……Φ₅の回転子に対する角速度（rad／
sec）、T₁……第一の回転子導電体部に流れる負
荷電流とΦ₁との間に生じるトルク、T₂……第二
の固定子交流巻線に流れる電流とΦ₅との間に生
じるトルク、E₁……第一の固定子交流巻線１に
誘導される起電力、E₁′……E₁と対抗する電圧、
V₁……交流毋線８の電圧、V₁′……第一の固定子
交流巻線１の端子電圧、I₀……第一の誘導機部の
励磁電流、I₁……第一の固定子交流巻線に流れる
全電流、I₂……第一の回転子導電体部に流れる電
流、I₁′……I₂に対応する第一の固定子巻線に流れ
る電流、ρ₁……V₁とI₁との相差角、ρ₁′……E₁とI₁
との相差角、ρ₁″……V₁′とI₁との相差角、ρ₂……
I₂とE₁′との相差角、SE₂……第一の回転子導電体
部に誘導される起電力、T_h1〜T_h6……制御素子
付き整流器、C₁〜C₆……転流コンデンサー、L₁
〜L₂……リアクトル、Za，Zb，Zc……逆変換装
置の出力端子から見た負荷、２４……T_h1〜T_h6
の点弧順と導通角（α）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第一の固定子交流巻線と第一の回転子導電体
   部から成る第一の誘導機部、第二の固定子交流巻
   線と第二の回転子導電体部から成る第二の誘導機
   部、第一と第二の回転子導電体部相互間が連動回
   転するよう両回転子導電体部相互間になされた機
   械的結合、第一と第二の回転子導電体部相互間の
   電気接続、第一の固定子交流巻線と交流毋線との
   間に電力授受しうるような両者間の電気接続より
   成る組合せにおいて、第一と第二の回転子導電体
   部相互間を互いに逆相順になるように電気接続
   し、また制御素子付き整流器より成る周波数変換
   装置の入力端子と第二の固定子交流巻線との間を
   電気接続すると共に、上記周波数変換装置の出力
   端子と上記交流毋線との間を電気接続し、上記の
   第一の誘導機部と第二の誘導機部の結合装置を原
   動機によつて駆動するように配列し、上記第一の
   誘導機部の極数と第一の固定子交流巻線に流れる
   三相交流励磁電流の周波数とに関係して定まる第
   一の誘導機部の回転磁界の回転方向と同一方向に
   その回転磁界よりも早く、第一の誘導機部の回転
   子と第二の誘導機部の回転子を上記原動機によつ
   て回転駆動し、上記周波数変換装置の出力端子か
   ら得られる交流を上記交流毋線を経て上記第一の
   固定子交流巻線に励磁電流として与えるようにし
   た回路を造り、上記第一の固定子交流巻線から上
   記交流毋線へ交流電力を与えるようにした誘導発
   電装置。