JPH0472461B2

JPH0472461B2 -

Info

Publication number: JPH0472461B2
Application number: JP58233936A
Authority: JP
Inventors: Minoru Kikuchi; Takashi Mera
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-12-12
Filing date: 1983-12-12
Publication date: 1992-11-18
Also published as: JPS60128852A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は２重３相の無整流子電動機（以下サイ
リスタモータと称する）の改良に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］一般にサイリスタ周波数変換器により交流電動
機を駆動するものはサイリスタモーターとして良
く知られている。第１図は、同期電動機を駆動す
る電流形の直流サイクリストモーターの一例を示
す構成図である。第１図において１は、商用交流
電源E_R，E_S，E_Tから交流電力を入力とし直流電
圧を出力するコンバーターで、サイリスタRP，
RN，SP，SN、およびTP，TN、を３相ブリツ
ジ接続した回路から構成されている。２は電流リ
ツプルを平滑にする直流リアクトル、３は直流電
流を入力とし交流電流を出力とするインバーター
で、サイリスタUP，UN，VP，VNおよびWP，
WNを３相ブリツジ接続した回路から構成されて
いる。４はコンバーター１およびインバーター３
により駆動される同期電動機で、３相の電機子巻
線Ｕ，Ｖ，Ｗ（総称して４Ａとする）を有する。
５は同期電動機４の回転子４Ｂの回転位置を検出
する位置検出器、６は位置検出器５の信号により
同期電動機４の回転速度を検出する速度検出器、
７は同期電動機４の回転速度を設定するための速
度指令信号を出すための速度基準設定器、８は速
度基準設定器７よりの速度指令信号と速度検出器
６からの速度帰還信号とを比較増幅する速度偏差
増幅器、９はコンバーター１の交流入力電流に比
例した信号である電流帰還信号を検出する電流検
出器、１０は速度偏差増幅器８の出力信号と前記
電流帰還とを比較増幅する電流偏差増幅器、１１
は電流偏差増幅器８の出力信号によつてコンバー
ター１の点弧位相を制御するα制御回路、１２は
速度検出器６の出力信号から後述するような位相
関係にあるインバーター３の点弧を行うβ制御回
路である。

以下、このように構成された直流サイリスタモ
ーターの動作を第２図を参照して説明するが、第
２図ａは交流電源E_R，E_S，E_Tの電圧波形図、第
２図ｂはコンバーター１のサイリスタの点弧タイ
ミングを示す図。第２図ｃはインバーター３の出
力電圧波形図、第２図ｄはインバーター３のサイ
リスタの点弧タイミングを示す図である。

コンバータ１の入力電流およびそれと比較関係
にある同期電動機４の電機子電流は、位置検出器
５からの信号を速度検出器６によつて速度信号に
変換し、この変換した速度信号とを帰還し、この
速度帰還信号と速度基準設定器７からの速度指令
信号とを速度偏差増幅器８の入力で比較する。こ
のとき、速度偏差増幅器８の出力には速度偏差信
号が現われ、この偏差信号を基準として、同期電
動機４の電流に比例した電流検出器９の電流帰還
信号とを比較し、電流偏差増幅器１０を介してα
位相制御回路１１でコンバーター１の制御遅れ角
（転流遅れ角）αを移動させ同期電動機４に与え
る電力を制御する。

一方、β位相制御回路１２は、速度検出器６の
電流位相指令信号を入力し、第２図ｃ，ｄに示す
ような制御進み角（転流進み角）βのゲート信号
を出力する。したがつて、インバータ３のサイリ
スタUP，VP，WP，UN，VN，WNはこのゲー
ト信号第２図ｄによつて導通する。すなわち同期
電動機４の電機子電流は、前記ゲート信号と同位
相で流れる。このように、電機子電流の大きさと
位相を制御することによつて可変速運転が可能と
なる。

一般にポンプ・フアン等の機械的容量はこれが
使用されるプラントの非常時をベースに設計され
ているものが多く、同期電動機定格運転時には大
きな余裕をもつていることが多く、正常時は、同
期電動機の定格能力の50％程度の機械的出力にて
運転することになる。このためサイリスタモータ
ーを駆動運転機として使用し、回転数を同期電動
機の定格回転数の70％程度にて運転するような省
力化設備が近年増加している。従来は商用電源で
運転される誘導電動機・同期電動機が多く、それ
らは信頼性が高いので特別なバツクアツプは不要
であつたが、サイリスタモーターは、前述の如く
複雑な制御を行う装置であり部品点数も多く、前
記電動機に比べ故障の確率が高く、バツクアツプ
装置が必要となる。

一方、近年、駆動機側の要求から装置容量が大
容量化し、サイリスタ電力変換装置（コンバータ
ーとインバーター）もこれに伴い大容量化し、サ
イリスタ素子の直列接続数や並列接続数が増加し
部品点数も増え、その信頼性からサイリスタ電力
変換装置の多相化が実用化されている。第３図が
多相化サイリスタモーターの一例を示すブロツク
ダイヤグラムである。

同期電動機４は60／Ｎ度（Ｎは２以上の自然
数）の位相差を持つたお互に絶縁された（独立し
た）Ｎ組の３相巻線を有し、このＮ組の３相巻線
にそれぞれ60／Ｎ度の位相差を有する６ステツプ
120°通電の方形波電流を通電させるような３相サ
イリスタブリツジ回路で構成されるＮケのインバ
ーター３、コンバーター１および直流リアクトル
２を設ける。このような構成のものではコンバー
ター１とインバーター３とからなる電力変換装置
が各々独立できるので、いくつかのコンバーター
１、インバーター３が故障しても他の電力変換装
置がバツクアツプとなり、同期電動機の運転が継
続できる。

しかしながら、現在多相化サイリストモーター
にて実用化されているのは２組の３相巻線の場合
である。すなわち、同期電動機４に30°の位相差
を持つた３相電機子巻線を２組設け、この２組の
３相巻線にそれぞれ30°の位相差を持つた120°通
電の方形波電流を通電させるような３相サイリス
タブリツジで構成される２組のコンバータ１−
１，１−２、インバータ３−１，３−２を設けた
ものがある。以下これについて第３図を用いて説
明を加える。第４図は２組の３相巻線の場合の１
組のインバーター内サイリスタUP間の極間電圧
波形である。第４図中斜線部は他の１組の転流に
よるものである。ここでサイリスタUPに加わる
逆電圧期間（以下有効バイアス期間）γは γ＝30°−ｕ (1) ｕ＝β−cos^-1（cosβ＋√2XcId／V_M） (2) β：転流進み角 X_C：転流インピーダンス Id：直流電流 V_M：電動機端子電圧であることがわかる。この期間はサイリスタが電
流零となつたのち再び制御能力を回復するまで数
十〜数百μs程度（ターンオフタイム）以上のサイ
リスタ素子で決まる逆バイアス期間が必要である
ことから、極端に小さくすることは転流失敗の可
能性を大きくすることになる。ここで(1)式中30°
の意味について考えると、インバータ３−１のサ
リスタUPがオフ状態からインバータ３−２のサ
イリスタVP，WPの転流が始まるまでの電気角
度である。すなわち60°／Ｎ＝30°（Ｎ＝２）によ
つて決まる値である。このことは、Ｎ≧３の場
合、Ｎ＝２の時30°であつたものが60／Ｎに減少
し、これに伴いγが小さくなり、ターンオフタイ
ム以上の逆バイアス期間γ′が確保できなくなる恐
れがある。このようなことから、現在実用化され
ているものは２組の３相巻線がほとんどである。

二組の独立した電力変換装置取例えばインバー
ター３−１，３−２と巻線を有する多相化サイリ
タモーターでは、万一一組のインバーター３−１
が故障を生じた場合にても他の一組のインバータ
ー３−２にて連続運転が可能である。この場合、
機械的出力を駆動機の機械的容量にて運転するこ
とになり同期電動機４の定格能力の50％程度の機
械的出力にてバツクアツプ運転することになる。
つまりプラント設備全体の能力は変えることな
く、インバーター３を１組100％余備として使用
するのと全く同様な効果が得られる。

ところが、同期電動機４の機械的出力が50％程
度では回転数は定格回転数の70％程度で運転する
ことになり、又１組の電機子巻線４Ａには定格電
機子電流を100％流すことになる。この場合、通
常の同期電動機４では、回転数が70％程度に落ち
ることにより、冷却能力が定格回転数運転時の約
40％程度に落ちる。この状態にて１組の通常の巻
線方法の電機子巻線４Ａに100％定格電機子電流
を流そうとすれば、電機子巻線４Ａの温度が上が
り絶縁種別で規定される温度上昇を越える場合が
あり、同期電動機４自身の機器寿命等を著しく短
くする恐れがある。又通常の巻線方法にて、上記
バツクアツプ運転を連続運転させるような電機子
巻線を設計しようとすれば電流密度で30％程度下
げる設計を行う必要があるため同期電動機４ひい
てはプラント全体の設備の大きさを大きくせざる
を得ない。

前記通常の巻線方法の電機子巻線として第５図
および第６図のようにしたものがある。第５図は
４極、48スロツト、Ｙ結線された２重３相巻線を
示すもので、第６図は第５図のスロツト内コイル
配置図である。図中Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ
２，Ｗ２はいずれも相コイル口出し、Ｕ１Ｎ，Ｖ
１Ｎ，Ｗ１Ｎ，Ｕ２Ｎ，Ｖ２Ｎ，Ｗ２Ｎはいずれ
も相中性点口出しである。第６図のハツチングな
しの○、□、△はそれぞれＵ１相コイル、Ｗ１相
コイル、Ｖ１相コイル、ハツチングありの○、
□、△はそれぞれＵ２相コイル、Ｗ２相コイル、
Ｖ２相コイルを表わしている。

この図から明らかなように、同一スロツトに同
一組のコイルが例えば２，４，６…スロツトに同
時に入つたり、異なる組のコイル例えば１，３，
５…スロツトに入つたりしている。このため、熱
分布が不平衝になり局部加熱が発生する。

［発明の目的］本発明は１組の電力変換装置が故障して他の１
組の電力変換装置にてバツクアツプ運転を連続し
ても電機子巻線内の熱分布の不平衝による局部加
熱の発生を防止でき、信頼性の高い２重３相無整
流子電動機を提供することを特徴とする。

［発明の概要］本発明は電機子巻線として、各極各相60°の位
相差を有する巻線、30°の位相差を持つた巻線群
に２分割し、しかも単節率を5/6とすることによ
つて、１組の巻線だけに100％定格電機子電流を
流しても極部加熱を防止できる２重３相無整流子
電動機である。

［発明の実施例］以下本発明の実施例について説明するが、本発
明の特徴は電機子巻線にあるので、この点につい
てのみ説明するが、はじめに第７図に示す重ね巻
（二層巻）の分布巻短節巻巻線の接続図に前記短
節率について説明する。

一般にｍ相巻線とは、各相巻線が電気的に360／2m 度の位相角で相離れているものを言うが、実際の
ステータ鉄心内のコイル配置は電気的に各相巻線
を360／2m度の位相角毎に配置する。これは2m相巻線となるが、このような巻線配置である任意の相
の巻線に対して必ずこれと180度の位相差を有す
る巻線が存在する。電気的に180度の位相差を有
する巻線に対して逆方向に電流が流れるように結
線すれば電気的にｍ相巻線となる。

第７図は４極、全スロツト数24の三相巻線の例
である。４極24スロツトであるから磁極ピツチτ
（電気角で180°）は、スロツトピツチNp全スロツ
ト数（コイル数）をNs（＝相数ｍ×極数ｐ×各極
各相のスロツト数ｑ）とすれば、 Np＝Ns／ｐ (3) であるから、第７図の場合Np＝６となる。又１
スロツトピツチN₁pは電気角で N₁p＝180／Np［度］ (4) であるから、１スロツトピツチN₁pは電気角で
30°に相当する。

単位巻線の幅βτ（第８図）は上コイルの納めら
れているスロツトを＃N₁、下コイルの納められ
ているスロツトを＃N₂とすれば、電気角度で βτ＝（＃N₂−＃N₁）N₁p (5) で得られる。本例の場合、＃N₁＝１、＃N₂＝６
であるからβτ＝150°であるから短節巻である。さ
らに短節率（磁極ピツチに対する比）βは β＝βN₂−＃N₁／Np (6) にて求められ本例の場合β＝5/6である。

各極各相のスロツト数ｑは２である。又各相巻
線の配置は第８図の如く60°の位相差を有しそれ
と180°の位相差を有する巻線を逆方向に電流を流
すような結線である。

本発明の場合、各極各相のスロツト数（コイル
数）ｑは、２分割されこれら２組の電機子巻線が
おのおの２組の電力変換装置に接続されるのであ
るから、ｑ＝2n（ｎは１以上の自然数）の偶数で
なければバツクアツプ運転時の各電機子巻線の電
流分担のアンバランスが生じてしまうことにな
る。第９図は本発明の一実施例で４極24slatの30°
位相差を有する２組の電機子巻線の接続図であ
る。

各巻線は短節率5/6となるよう組み立てられて
いる。図中Ｕ１は変換器１へ接続される巻線のＵ
相、Ｖ１は変換器１へ接続される巻線のＶ相、Ｗ
１は変換器１へ接続される巻線のＷ相、Ｕ２は変
換器２へ接続される巻線のＵ相、Ｖ２は変換器２
へ接続される巻線のＶ相、Ｗ２は変換器２へ接続
される巻線のＷ相である。ここで各相巻線Ｕ１と
Ｕ２，Ｖ２とＶ１およびＷ２とＷ１を合成した巻
線群はそれぞれ電気角で60度の位相角を有してい
る。したがつて各相巻線群を２分割すれば、電気
的に30°位相差を持つた巻線群が２組形成される
ことになる。第１０図は、本発明の一実施例第９
図のスロツト内での巻線の配置として各巻線の相
と各巻線に接続される変換器を示している。この
ような構成においてスロツト内の巻線の配置は例
えば第２図のインバーター３−１に接続される巻
線と第２図のインバーター３−２に接続される巻
線がおのおの１巻線ずつ配置されることになる。

以下、このように構成された２重３相無整流子
電動機の作用について説明する。第９図、第１０
図から明らかなように同一スロツト内に、インバ
ーター３−１に接続される巻線とインバーター３
−２に接続される巻線がおのおの１巻線ずつ配置
されているので、インバーター３−１から供給さ
れる電機子電流の銅損による熱発生と、インバー
ター３−２から供給される電機子電流の銅損によ
る熱発生が、それぞれ全スロツトの上下に均等に
分割され最適な冷却条件を形成している。従つ
て、万一変換器の１組がなんらかの理由で故障
し、他の１組の変換器でバツクアツプ運転する場
合、バツクアツプ運転する変換器に接続される巻
線だけに電機子電流の銅損による熱が発生する。
この場合にでも、全スロツトに均等に分割され
る。

以上説明したように、同期電動機の定格能力の
50％程度の機械的出力にてバツクアツプ運転する
ようなプラント設備全体の能力は変えずに変換器
１組を100％余備として使用する運転の場合は、
回転数が70％程度に落ち冷却能力が定格回転数の
約40％に落ちるが、前述した電機子巻線を備えて
いるので、巻線の１組に100％定格電機子電流を
流してもその熱発生を全スロツト内均等とできる
ことから本状態での同期電動機の運転を安定に継
続可能となる。

なお、以上説明した実施例は４極24スロツトの
電機子巻線について説明したが、それ以外の２組
の３相電子巻線を備えた電動機についても同様に
行える。

第１１図は４極、48スロツトで短節率が5/6の
電機子巻線を示すもので、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ
２，Ｖ２，Ｗ２は相コイル口出し、Ｕ１Ｎ，Ｖ１
Ｎ，Ｗ１Ｎ，Ｕ２Ｎ，Ｖ２Ｎ，Ｗ２Ｎは中性点口
出しである。第１２図は第１４図のスロツト内コ
イル配置図で、ハツチングなしの○、△、□はそ
れぞれＵ１，Ｖ１，Ｗ１相コイル、ハツチングあ
りの○、△、□はそれぞれＵ２，Ｖ２，Ｗ２相コ
イルである。

さらに第３図のようにコンバーターを直列的に
接続したものに限らず全体的に並列的に接続する
ようにしてもよい。

また巻線方法も以下のいずれの方法でも短節率
を5/6にすることができる。

(1) 重ね巻、波巻重ね巻は第１３図のように、導体＃１と異な
る導体＃２を接続したら引き返して＃１と同じ
極のつぎの導体＃３に接続し以下順次＃４，
＃５，…と進んでいく巻き方である。波巻は第
１４図のように＃２の導体から引き返さず先へ
進み、つぎの極の＃３と接続し、以下同様に
＃４…と進んでいく巻き方である。

(2) 二層巻１個のスロツトにコイル辺が２個入るものを
二層巻という。二層巻では第１５図ａ，ｂのよ
うにコイルは二つのコイル辺を有しているが、
これをスロツトに納める場合、一方のコイル辺
をスロツトの上半分に（上コイルと称す）他方
のコイルを下半分に（下コイル）入れる。

(3) 集中巻と分布巻１極１相のスロツト数が１のものを集中巻、
１を越えるものを分布巻という。

(4) 全節巻と短節巻コイルピツチが極間隔に等しいものを全節
巻、極間隔より小さいものを短節巻という。

前記重ね巻・二層巻は同じ型巻コイルを作つて
おけばつぎつぎにスロツトに納めて巻線が完了で
き量産に適する。前記短節巻は、ピツチを適当に
選べは、電圧波形を良好に、又コイル端の長さを
短く漏洩リアクタンスを小にすることができる。

［発明の効果］本発明によれば１組の電力変換装置が故障して
他の１組の電力の変換装置でバツクアツプ運転す
る際に、電機子巻線内の熱分布の不平衝により極
部加熱の発生を防止でき、簡素で信頼性の高い２
重３相無整流子電動機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、無整流子電動機の概略構成を示す
図、第２図ａ〜ｄは同電動機の動作を説明するた
めのタイムチヤート、第３図は多相化無整流子電
動機の概略構成を示す図、第４図は第１図の電動
機逆起電圧とRP間印加電圧を表わす図、第５図
および第６図は従来の２重３相無整流子電動機の
電機子巻線の一例を示す接続図およびスロツト内
コイル配置図、第７図および第８図は短節率を説
明するための３相巻線の接続図および位相説明
図、第９図および第１０図は本発明による２重３
相無整流子電動機の一実施例の電機子巻線の接続
図およびスロツト内コイル配置図、第１１図およ
び第１２図は本発明による２重３相無整流子電動
機の他の実施例の電機子巻線の接続図および配置
図、第１３図、第１４図および第１５図ａ，ｂは
それぞれ重ね巻、波巻および二層巻の電機子巻線
を説明するための図である。１，１−１，１−２，…１−Ｎ……コンバータ
ー、２……直流リアクトル、３，３−１，３−
２，…３−Ｎ……インバーター、４……同期電動
機、４Ａ……電機子巻線、４Ｂ……回転子、５…
…位置検出器、６……速度検出器、７……速度基
準設定器、８……速度偏差増幅器、９……電流検
出器、１０……電流偏差増幅器、１１……α制御
回路、１２……β制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】１互に絶縁され電気的位相差が順次30度となる
よう配列した各々独立した２組の３相電機子巻線
とこの３相電機子巻線にそれぞれ30度の位相差を
持つた120度通電の方形波電流を通電可能な２組
の電力変換装置を備えた２重３相無整流子電動機
において、前記３相電機子巻線のスロツトピツチ
をNp、上コイルの納められているスロツト番号
を＃N₁、下コイルの納められているスロツト番
号を＃N₂としたとき短節率 β＝＃N₂−＃N₁／Np を5/6としたことを特徴とする２重３相無整流子
電動機。