JPH0474955B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は主機同期電動機の界磁回路非対称に起
因するトルク脈動を抑制できるブラシレス同期電
動機装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

最近同期電動機においては、保守点検を軽減す
る目的でブラシレス化が一般的となつて来た。し
かしてこのブラシレス同期電動機装置の始動は誘
導電動機と同様に非同期始動が採用されるが、従
来は界磁回路の非対称性のため、脈動トルクから
なる過渡的トルクが、負荷と連結されている回転
軸に捩り振動を与え、繰返し作用による回転軸の
被労破断という大事故に至る恐れがあり、回転軸
は太く高強度のものにしなければならず、非常に
高価なものとなる欠点があつた。この捩り振動を
発生する原因を検討の結果、本発明者は原因を突
き止めたので第１図を参照して説明する。

第１図は従来の自動的に同期引入れが行なわれ
るいわゆる自動同期投入回路付きブラシレス同期
電動機装置の一例の回路図である。第１図におい
て、１はサイリスタ１１とダイオード１２からな
る回転整流器、２は励磁用電機子巻線２１と励磁
機界磁巻線２２からなる交流励磁機、３はサイリ
スタ３１とダイオード３２を逆並列にした短絡制
御サイリスタ回路、４は主機電機子巻線４１と主
機界磁巻線４２からなる主機同期電動機である。
主機同期電動機４の主機界磁巻線４２を有する図
示しない回転子と、交流励磁機２の励磁用電機子
巻線２１を有する図示しない回転子と、回転整流
１と、短絡制御サイリスタ回路３等は図示しない
回転軸にて同軸に設けられている。始動初期は回
転整流器１のサイリスタ１１がオフ状態で、短絡
制御サイリスタ回路３が放電抵抗器３３を介して
主機界磁巻線４２を短絡し、誘起電圧の異常を抑
制している。しかし始動終期の同期速度近くにお
いては、主機界磁巻線４２に誘起される電圧の値
が小さくなり、一方の端子Ｊが負極性の電圧の時
はダイオード３２で短絡されるが、その端子Ｊが
正極性の電圧の場合は、その電圧が定電圧ダイオ
ード３５を動作させてサイリスタ３１をオンさせ
る電圧（クリツプ電圧とも言う）以下ではオフ状
態となる。このような状態はすべりが５％付近以
下２％程度の間で起こる。更にすべりが小さくな
りつて２％程度になると、適位相投入制御回路５
１が回転整流器１のサイリスタ１１をオンさせる
信号を発し、主機界磁間線４２が直流励磁され、
その同期化力により、同期速度に引入れされる。
しかし５％から２％にすべりの間は、前記一方の
端子Ｊが正極性の時は主機界磁間線４２はサイリ
スタ３１がオフであるため開放であり、負極性の
時は放電抵抗器３３で短絡されることになり、極
性による主機界磁巻線４２（非同期機の２次側に
相当する）側の開放、短絡の非対称性が生じる。
この時、主機界磁巻線４２には一定方向に間けつ
電流が流れ、電動機のトルク変動が大きくなり、
回転軸に対して大きな捩り振動を発生させたり、
電機子電流の変動が大きくなり、電源に対して擾
乱を与えることになる。

〔発明の目的〕

本発明は始動初期は勿論のこと、同期引入れ前
のすべりが５％程度から２％程度までの間でも主
機界磁巻線に流れる電流の非対称性を無くし、回
転軸へのトルク脈動、電源に対する擾乱を少なく
し、滑らかな始動特性を有するブラシレス同期電
動機装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明においては、主機同期電動機の回転子と
交流励磁機の回転子と回転整流機とを同軸に設
け、主機同期電動機の回転子の主機界磁巻線に交
流励磁機の回転子の励磁機電機子巻線の出力を回
転整流器にて直流に変換して励磁電流を供給する
ブラシレス同期電動機装置において、２個のサイ
リスタを逆並列にした短絡制御サイリスタ回路を
主機界磁巻線と並列に設け、この短絡制御サイリ
スタ回路の各々のサイリスタのゲート回路は各々
のアノードにほぼ同じ所定の電圧で動作する定電
圧ダイオードで接続し、各短絡制御サイリスタに
順方向に印加される所定の電圧値以上で短絡状態
となりそのサイリスタを導通させる構成とし、更
に主機界磁巻線と並列に、抵抗器、コンデンサ、
ダイオード等の電子部品で構成され、界磁誘起電
圧を検出し、適切な周波数、位相により前記回転
整流器の主器界磁巻線への導通信号を発する適位
相投入制御回路を設け、主機同期電動機始動中、
主機界磁巻線に誘起される電圧が低下し、前記短
絡制御サイリスタが不導通状態になつた回転速度
以上の範囲で前記適位相投入制御回路を動作さ
せ、主機界磁巻線に励磁電流を流すようにしたこ
とにより、主界磁巻線に流れる電流の非対称性を
無くして、始動を滑らかにするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について、第２図を参
照して説明する。第２図において、１はサイリス
タ１１とダイオード１２によつて構成されるいわ
ゆる三相混合ブリツジ回路の回転整流器である。
２は励磁用電機子巻線２１と励磁機界磁巻線２２
からなる交流励磁機である。３は２個のサイリス
タ３１，３４を逆並列にした短絡制御サイリスタ
回路である。４は主機電機子巻線４１と主機界磁
巻線４２からなる主機同期電動機である。主機同
期電動機４の主機界磁巻線４２を有する図示しな
い回転子と、交流励磁機２の励磁用電機子巻線２
１を有する図示しない回転子と、回転整流器１
と、短絡制御サイリスタ回路３等は図示しない回
転軸にて同軸に設けられている。励磁用電機子巻
線２１の出力は回転整流器１の交流入力側に接続
されている。回転整流器１の直流出力側は主機界
磁巻線４２と、短絡制御サイリスタ回路３に放電
抵抗器３３を直列にしたものとの並列回路に接続
されている。その一方の端子をＪ、他方の端子を
Ｋとする。短絡制御サイリスタ回路３の各々のサ
イリスタ３１，３４のゲート回路は各々のアノー
ドにほぼ同じ所定の電圧で動作する定電圧ダイオ
ード３５，３６で接続されている。また両端子
Ｊ，Ｋ間には数10kΩ程度の高い値の誘起電圧検
出抵抗器５１１を含む抵抗器、コンデンサ、ダイ
オード等の電子部品で構成され、界磁誘起電圧を
検出し、適切な周波数、位相により前記回転整流
器１１の主機界磁巻線４２への導通信号を発する
適位相投入制御回路５１が接続されている。この
適位相投入制御回路５１から、従来公知の方式の
ように、励磁投入信号保持回路５２およびゲート
回路５３を介して、回転整流器１サイリスタ１１
がオンする点弧信号を与えることが出来る構成に
なつている。

次に作用について説明する。

主機同期電動機４は非同期始動により停止（す
べり＝1.0）から回転速度が上昇する。この時、
主機界磁巻線４２には交流電圧が誘起される。端
子Ｊ，Ｋが開放状態（誘起電圧検出抵抗器５１１
が接続されているが高抵抗であるから無視でき
る）であれば非常に高い電圧が誘起されるが、短
絡すると誘導電流が流れる。今、一方の端子Ｊに
正極性の電圧が誘起されたとすると、短絡制御サ
イリスタ回路３の第２図の左側のサイリスタ３１
は不導通であるため高電圧を発生しようとする。
しかし定電圧ダイオード３５がその動作電圧（ク
リツプ電圧）を越えるとインピーダンスが小さく
なり、前記サイリスタ３１をオンさせ、主機界磁
巻線４２は放電抵抗器３３によつて短絡される。
従つて、短絡電流が流れ、主機界磁巻線４２両端
間の電圧は、この電流と放電抵抗値で決まる電圧
に抑制される。次の半サイクルには前記一方の端
子Ｊが負極性になるため、前記左側のサイリスタ
３１はオフとなり、さきの半サイクルとは逆極性
の高電圧が誘起されようとする。しかし今度は、
右側のサイリスタ３４の定電圧ダイオード３６の
動作電圧になると、急にそのインピーダンスが小
さくなり、右側のサイリスタ３４をオンして主機
界磁巻線４２は放電抵抗器３３で短絡され、短絡
電流が流れる。両定電圧ダイオード３５，３６の
動作電圧はほぼ同一であるから、以上の動作は主
機界磁巻線４２からみると、いずれの極性でも同
等の短絡状態であつて、極性による対称性は守ら
れている。

次に回転速度が上昇し、すべりが５％程度の低
い値になると、主機界磁巻線４２の誘起電圧が減
少してくる。そしてその値は定電圧ダイオード３
５，３６の動作電圧（クリツプ電圧）以下になる
と、もはやいずれのサイリスタ３１，３４もオン
しなくなる。即ち、主機界磁巻線４２は一転して
常に開路状態になる。しかし第１図に示した従来
の場合と異なり、極性による非対称性状態にはな
らない。そしてこのとき、適位相投入制御回路５
１の誘起電圧検出抵抗器５１１には主機界磁巻線
４２の電圧が印加されており、従来公知の機構の
通り、すべり周波数、位相を検出する機能が発揮
し、抵抗器、コンデンサ、ダイオード等の電子部
品の組合せで決定される約２％程度のすべり周波
数と位相タイミングにおいて励磁投入信号を発
し、励磁投入信号保持回路５２およびゲート回路
５３を通じて、回転整流器１のサイリスタ１１が
オンされることになる。この時すでに交流励磁機
２の励磁機界磁巻線２２には励磁が掛けられてお
り、励磁用電機子巻線２１には電力が確立してい
るので、直ちに主機界磁巻線４２を直流励磁でき
ることになるのも従来公知の通りである。この励
磁電流が同期化力を発生し、主機同期電動機４を
非同期状態から同期状態へと引入れが行なわれ始
動が完了する。

本実施例の効果を述べると次のようになる。

非同期状態のあらゆる状態、即ち、短絡制御サ
イリスタ回路３の各サイリスタ３１，３４がオン
する５％以上のすべりにおける主機界磁巻線の短
絡状態、および５％以下のすべりにおける主機界
磁巻線４２の開路状態のいずれにおいても、主機
界磁巻線４２の誘起電圧の極性による非対称性は
全くない。従つて、第１図に示した従来の構成に
比べ、トルクや電機子電流の変動は著しく改善さ
れる。このことは負荷と連結する回転軸に発生す
る捩り振動が減少することになり、機械系として
の安定性が増し、信頼性が向上することになる。
特に同期速度付近の５〜２％程度のすべりでは、
主機同期電動機４の発生トルクが最も大きくなる
領域であり（第３図参照）、また負荷反抗トルク
も増大する領域であるので、トルク変動を少なく
することはスムーズに加速でき、ひいては加速時
間も短縮できることになる。例えば第３図は非同
期始動中の発生トルクとすべりの関係を示すが、
すべりが５〜２％の領域で第１図の従来例のもの
は、主機界磁巻線４２の誘起電圧および短絡電流
の非対称性に基く脈動トルク幅が破線で示す
TpminおよびTpmaxの幅で変動し、負荷反抗ト
ルクの曲線との交点A′で交叉し、２％のすべり
までは回転速度が上昇しない場合がある。これに
対し、本実施例のものは第３図中、電動機発生ト
ルクとして示した曲線のように、トルクに脈動が
ないから、負荷反抗トルクの曲線とＡ点で交叉
し、すべりが２％より小さい速度まで加速でき、
同期引入れは確実に可能となる。

第４図に示す実施例は第２図の放電抵抗器３３
を除去したものである。第は第２図の通りであ
る。

このようにした効果としては次の点が挙げられ
る。

(1) 回転軸に装着される部品の一つ（放電抵抗
器）がなくなるので、回転子の構造が単純にな
り、軸方向長さが短縮される等の小形化の利点
がある。このことは機械構造的な信頼性が向上
することになり、特に高速機においては有利で
ある。

(2) 放電抵抗器３３内での損失、発熱がなくなる
ので比較的耐熱性に欠ける半導体を備えて構成
される適位相投入制御回路５１等への影響もな
くなり、寸法的に小形で、配置場所の選定自由
度の高い制御回路装置を構成できる。

その他の作用効果は第２図の実施例と同様であ
る。

第５図に示す実施例は、第４図の回転整流器１
の構成をダイオード１２が６個の完全ブリツジ構
成とし、直流励磁回路に励磁投入サイリスタ６を
設け、非同期始動時はオフ、同期引入れはゲート
回路５３の信号によつてオンされ、励磁される機
能を有する構成である。

このようにしても第４図に示した実施例と同様
の作用効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、主機同
期電動機が停止状態から始動完了同期引入れに至
るまでの非同期始動中、主機界磁巻線に誘起され
る電圧およびその電圧によつて流される電流に対
して、極性による対称性が保たれるので、特にス
ベリが小さく、電動機発生トルクが最も大きい領
域でのトルク変動抑制に大きな効果があり、回転
軸に加わる捩り振動疲労に対して寿命を長くし、
長期に亘る信頼性の高いブラシレス同期電動機装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のブラシレス同期電動機装置を示
す回路図、第２図は本発明のブラシレス同期電動
機装置の一実施例を示す回路図、第３図は第１図
と第２図の装置の始動トルク特性を比較して示す
曲線図、第４図および第５図はそれぞれ異なる他
の実施例を示す回路図である。 １……回転整流器、２……交流励磁機、２１…
…励磁用電機子巻線、３……短絡制御サイリスタ
回路、３１，３４……２個のサイリスタ、３５，
３６……定電圧ダイオード、４……主機同期電動
機、４１……主機電機子巻線、４２……主機界磁
巻線、５１……適位相投入制御回路、５２……励
磁投入信号保持回路、５３……ゲート回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 主機同期電動機の回転子と交流励磁機の回転
   子と回転整流器とを同軸に設け、主機同期電動機
   の回転子の主機界磁巻線に交流励磁機の回転子の
   励磁機電機子巻線の出力を回転整流機にて直流に
   変換して励磁電流を供給するブラシレス同期電動
   機装置において、２個のサイリスタを逆並列にし
   た短絡制御サイリスタ回路を主機界磁巻線と並列
   に設け、この短絡制御サイリスタ回路の各々のサ
   イリスタのゲート回路は各々のアノードにほぼ同
   じ所定の電圧で動作する定電圧ダイオードで接続
   し、各短絡制御サイリスタに順方向に印加される
   所定の電圧値以上で短絡状態となりそのサイリス
   タを導通させる構成とし、更に主機界磁巻線と並
   列に、抵抗器、コンデンサ、ダイオード等の電子
   部品で構成され、界磁誘起電圧を検出し、適切な
   周波数、位相により前記回転整流器の主機界磁巻
   線への導通信号を発する適位相投入制御回路を設
   け、主機同期電動機始動中、主機界磁巻線に誘起
   される電圧が低下し、前記短絡制御サイリスタが
   不導通状態になつた回転速度以上の範囲で前記適
   位相投入制御回路を動作させ、主機界磁巻線に励
   磁電流を流すようにしたことを特徴とするブラシ
   レス同期電動機装置。