JPH061951B2 - 同期電動機の同期投入制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、同期電動機の同期投入制御装置に係り、起動
中の同期電動機の界磁巻線に誘導されるすべり電流の最
適位相において、同期引入を行うに好適な同期投入制御
に関する。

〔従来の技術〕

同期電動機の起動にあたっては、界磁巻線に放電抵抗を
接続し、誘導電動機の原理で回転子に起動トルクを発生
させる。起動中、界磁巻線には、すべり周波数を有する
電流（すべり電流という）が誘導されるが、このすべり
電流は、界磁巻線回路の放電抵抗で消費される。

回転子が同期引入可能なすべり周波数まで加速されれ
ば、界磁巻線には、同期引入トルクを発生させるための
強制励磁を励磁装置より与えるとともに、放電抵抗に流
れようとしているすべり電流を励磁装置へ転流させ、放
電抵抗を界磁巻線から切り離す。同期引入が行われると
すべり電流は消失し、励磁装置の強制励磁によって界磁
電流は所望の値に制御される。この際、励磁装置の界磁
巻線への接続と、放電抵抗の界磁巻線からの切離しと
は、一台の遮断器の主極（ａ接点）と放電極性（ｂ接
点）とを介して制御される。この両極は、動作時に同時
閉成となる期間を有するように構成されており、前記転
流は、この同時閉成となる期間内に行なう必要があり、
この転流を円滑に行い、かつ最短時間で同期引入れを行
うことが必要で、その為には次に述べるすべり電流波形
の最適位相において遮断器のａ接点を投入する必要があ
る。ここにいう最適位相とは、すべり電流が零から増加
しようとする瞬間の位相であって、すべり電流の増加し
ようとする極性と、励磁装置による強制励磁の極性とが
一致するようなすべり電流の位相である。両者の極性が
相反する位相（不適位相）において遮断器を投入する
と、両者は相反撥する極性故に、界磁巻線中の高インピ
ーダンスにより過大電圧が誘起され、前記転流が行われ
にくくなり、放電極の焼損、界磁巻線及び励磁装置を含
む周辺装置の過電圧破壊等に到る。

また、最適位相のタイミングより遅れて遮断器を投入す
ると、同期引入時間が長くなり、電源系統への無用の外
乱を与えることとなる。

即ち、電動機における同期投入制御の要諦は、遮断器を
すべり電流の最適位相において、正しく投入するところ
にある。そして従来の同期電動機の同期投入制御装置
は、ジエネラル イレクトリック カンパニー(GENERAL
ELECTRIC COMPANY)、シンクロナス モータス アンド
モダーン ソリット ステイト コントロール(SYNCH
RONOUMOTORS AND MODERN SOLID STATE CONTROL)に記載
のように、すべり電流の波形がひずみの極めて少ない正
弦波であることを装置構成上の条件としていた。即ち、
従来の同期投入制御装置は、すべり電流波形の最適位相
の検出にあたって、すべり電流波形のひずみが小さいと
仮定し、すべり電流の極性と、すべり電流のゼロクロス
の検出をもって最適位相と判断をしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、同期電動機の起動時にすべり電流の波形に、大
きなひずみを生ずる場合がある。

例えば、ポンプ用電動機の凸極形同期電動機が負荷を負
って起動される場合、すべり電流波形には、基本波の２
倍の周波数成分が生ずる場合があり、このとき、すべり
電流波形は、最適位相と異なる位相においてゼロクロス
を生ずる。従って、従来技術においては、不適位相を最
適位相と誤検出する可能性があった。また、遮断器の投
入動作時間の遅れに対する配慮もなされておらなかっ
た。

本発明の目的は、すべり電流波形がひずむ場合において
も、確実な最適位相の検出が可能で、遮断器の動作時間
をも考慮した理想的な同期投入制御装置を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、界磁巻線に接続され、起動時に界磁巻線に生
ずる高電圧を放電させる放電抵抗と、起動終了後の前記
界磁巻線に励磁電流を供給する励磁装置と、前記界磁巻
線と前記放電抵抗との間に閉回路を構成する第１接触子
と、前記界磁巻線と前記励磁装置とを接続して閉回路を
構成する第２接触子とを有し、前記界磁波線の起動時に
前記第１接触子と前記第２接触子とを一時的に同時に閉
成した後、前記第１の接触子を開成する遮断器と、を備
えた同期電動機の同期投入制御装置において、前記界磁
巻線に生起したすべり電流の極性を判定する極性判定器
と、この極性判定器の出力信号に基づき、前記第２接触
子を閉成するのに適した前記すべり電流の同期投入適位
相サイクルが、予め定められた同期投入可能周波数に到
達したことを判断するとともに、前記同期投入適位相サ
イクル終了前における極性変化の読み取りを禁止する同
期投入可能周波数検知回路と、前記第２接触子を閉成す
るのに適した、投入不適位相サイクルから投入適位相サ
イクルへのゼロクロス時期を算出するとともに、このゼ
ロクロスが生じる時刻より予め定めた時間だけ早く、前
記第２接触子の閉成指令を出力する投入タイミング発生
装置と、この投入タイミング発生装置の出力により、前
記遮断器の第２接触子を閉成する投入指令器と、を設け
たことを特徴とする同期電動機の同期投入制御装置であ
る。

〔作用〕

上記の如く構成した本発明においては、界磁巻線に生ず
るすべり電流波形の、正負に交番する１サイクルにおい
て、励磁装置による強制励磁の方向と一致する極性を保
つ区間を適位相サイクル、一致しない区間を不適相サイ
クルと定義したとき、適、不適サイクルは極性判定器に
より検知され、同期投入可能すべり周波数の検出は、極
性判定器の信号を受けた同期投入可能周波数検知回路
が、くり返し発生する適位相サイクル期間の時間積分値
を所定の時間と比較することで達成される。この際、波
形ひずみによって、適位相サイクル中に不適位相サイク
ル側へのゼロクロスを生ずるような波形ひずみ期間があ
っても、その期間に相当する分だけ積分検出値が小とな
るだけで、同期投入可能すべり周波数の検出としては、
余裕をとった検出となっている。

投入タイミング発生器は、同期投入可能周波数検知回路
により回転子が同期投入可能すべり周波数まで加速され
たことを検出した次の不適位相サイクルで、同期投入の
ための遮断器の投入タイミングを演算する。この投入タ
イミング発生装置が演算し、出力する投入タイミング時
間は、不適位相サイクルから適位相サイクルへのゼロク
ロスの時刻より、遮断器による作動遅れを考慮した所定
時間だけ早い。

〔実施例〕

本発明に係る同期電動機の同期投入制御装置の好ましい
実施例を、添付図面に従って詳説する。

第１図において、同期電動機の電機子固定側１は、電機
子遮断器２を介して、図示しない三相交流電源よって給
電されている。界磁巻線３は、遮断器６の第１接触子で
あるｂ接点（放電極）６ｂと、第２接触子であるａ接点
（主極）６ａとを介して、放電抵抗４と励磁装置５とに
接続されるようになっている。放電抵抗４は、検知器７
を介して極性判定器としての演算比較器８と、ａ接点６
ａを閉成（投入）する時期を算出するタイミング発生器
１３に接続してある。

演算比較器８には、同期投入可能周波数検知回路３５を
構成している積分演算器９が接続してある。積分演算器
９には、比較器１０を介して記憶回路１４が接続してあ
り、この記憶回路１４の出力側は、積分演算器９に接続
してある比較器１１とともに、論理積回路１７の入力側
に接続してある。

演算比較器８の出力は、積分演算器９へ入力されるとと
もに、比較器１２にも入力される。比較器１２の出力側
は、タイミング発生器１３の出力側とともに、論理和回
路１９の入力側に接続してある。論理和回路１９の出力
側は、論理積回路１８の入力側に接続してある。また、
論理積回路１８には、入力側に記憶回路１５を介して論
理積回路１７が接続してあり、出力側が記憶回路１６に
接続してある。記憶回路１６は、遮断器６にａ接点６ａ
の投入指令を与える。

上記の如く構成した実施例の作用を、第２図のタイムチ
ャートを参照しつつ説明する。

電機子固定側１に三相の交流電流を供給し、回転磁界を
回転子に与えて同期電動機が起動されると、界磁巻線３
にはすべり電流Ｉが発生する。すべり電流Ｉは、第２図
の_ｎ−２，_ｎ−１，_ｎのように変化し、回転子が
加速されるに伴い、その周期は長くなり、途中から、波
形にひずみを生ずるようになる。すべり電流Ｉは、放電
抵抗４の電圧降下Ｖ_１として検出器７に入力され、検出
器７によりＶ_２として出力される。Ｖ_２の極性は、極性
判定器である演算比較器８によって、正負の二値に演算
され、第２図のＶ_３の如くとなる。Ｖ_３は、積分演算器
９に導かれ、第２図に示すＶ_４の如く出力される。第２
図においては、すべり電流Ｉの負の部分が適位相サイク
ル、正の部分が不適位相サイクルで、積分演算器９は、
適位相サイクルで積分を行い、次の不適位相サイクルで
リセットを行う。

即ち、積分演算器９は、第３図の如く構成されており、
異符号演算器２０は、分圧器２１〜２３による電圧を入
力とし、抵器２４〜２５及びコンデンサ２６とにより積
分演算器を構成する。分圧器２１は、同期投入可能すべ
り周波数の設定用であり、分圧器２２は、適位相サイク
ル期間中の積分傾配を定める。ダイオード２８と分圧器
２３とにより、不適位相サイクル期間中のＶ_４のリセッ
トの演算とリセットの勾配が定まる。なお、第３図中の
符号２７は、逆電圧の出力を防止する、積分器の出力制
限用ツエナーダイオードである。

第２図のずべり電流Ｉには、_ｎなる不適位相サイクル
中に波形ひずみがあるが、積分演算器９は、こおんゼロ
クロス期間だけリセット動作を中止し、積分動作をして
おり波形ひずみによるゼロクロスでの積分器のリセット
を防止しつつ、波形ひずみによるゼロクロス期間が経過
した後にリセット動作を完了している。これは、次の理
由による。

同期電動機の起動中のｎ番目のすべり電流波形の１サイ
クルにおいて、ｎ番目の適位相サイクル期間をＴ_ａｎ、
不適位相サイクル期間をＴ_ｆｎとすれば、同期電動機は
加速中であるから、……Ｔ_{ａ（ｎ−１）}＜Ｔ
_{ｆ（ｎ−１）}＜Ｔ_ａｎ＜Ｔ_ｆｎ＜Ｔ_{ａ（ｎ＋１）}＜……
となる。加速は連続して行われているから、Ｔ_ｆｎの長
さは、Ｔ_ａｎと、従って、不適位相サイクルＴ_ｆｎの始
めより、Ｔ_ｆｎが始まる前の適位相サイクル期間Ｔ_ａｎ
と同じ時間が経過する間、最適位相検出のためのゼロク
ロスの検出（読み出し）を禁止すれば、波形ひずみによ
るゼロクロスが適位相サイクルへの転換とする誤りを排
除できる。この波形ひずみによるゼロクロスは、不適位
相サイクルの前半に生ずるので、積分演算器９により、
適位相サイクル期間Ｔ_ａｎを積分し、リセットの勾配を
適正に選択することにより、不適位相サイクルにおける
波形ひずみによるゼロクロスを適位相サイクルと誤検出
することがない。

即ち、積分演算器の出力は、次の不適位相サイクルの開
始と同時にリセットを開始し、適位相サイクル中の積分
の時間勾配と、不適位相サイクル中のリセットの時間勾
配を等しいか、または後者をわずかに大きくしておい
て、リセット動作中は、同期投入の最適位相検出を禁止
するようにすれば、波形ひずみによって、最適位相に非
ざるゼロクロスがある場合でも、不適位相サイクルから
適位相サイクルに向うすべり電流波形の正しい位相を検
出することが可能となる。

また、このようにすれば、不適位相サイクルの終了部分
の波形を正しく認識できるから、後述する如くその時間
変化を検出して、最適位相の到来する時刻を推定するこ
とが出来て、予め早いタイミングで遮断器に投入指令を
与え、投入動作時間遅れを考慮して、最適位相において
その主極を閉路させるこも可能となる。

積分演算器９の出力Ｖ_４は、比較器１０に導かれ、予め
設定された値Ｖ_Ｂ４と比較される。比較器１０は、Ｖ_４
＞１／Ｖ _Ｂ４となれば、同期投入可能すべり周波数ま
で可速されたと判断し、状態信号Ｐ_１＝１を発生する。
この信号は、記憶回路１４に導かれ、記憶回路１４は状
態信号Ｍ_１＝１を記憶する。第２図にみられるように、
Ｍ_１＝１は、Ｐ_１がリセットされた後も同期投入が完了
するまで保持される。また、Ｖ_４は、比較器１１にも導
かれる。比較器１１は、積分演算器９がリセットを完了
したことをもって、状態信号Ｐ_２＝１を出力する。論理
積回路１７は、Ｍ_１とＰ_２を入力とし、論理積Ｐ_２・Ｍ
_１＝１のとき、記憶回路１５に対して、状態信号Ｍ_２＝
１を記憶させる。第２図に示すように、Ｎ_２はすべり電
流波形が、不適位相サイクルから適位相サイクルに向つ
て、ひずみを生ずることなく正しく変化していることを
意味する状態信号となる。

演算比較器８の出力Ｖ_３は、比較器１２にも導かれる。
比較器１２は、不適位相サイクルから適位相サイクルへ
の零クロスを検出して状態信号Ｐ_３＝１を出力し、論理
和回路１９に出力信号を入力する。論理和回路１９は、
後述する状態信号Ｐ_４とＰ_３との論理和を演算し、出力
を論理積回路１８に導く。論理積回路１８はＭ_２・（Ｐ
_３＋Ｐ_４）を演算し、Ｍ_２・（Ｐ_３＋Ｐ_４）＝１なら
ば、記憶回路１６に対して、状態信号Ｍ_３＝１を出力せ
しめ、これにより遮断器の投入を行わせる。この記憶回
路１６に対する投入指令が、不適位相サイクルから適位
相サイクルへのゼロクロスの時に出力されると、遮断器
６の投入動作時間遅れ分だけ理想的な投入タイミングよ
りもずれた位相で同期投入される。そこで、この遮断器
６の投入動作時間遅れＴ_Ｄを補償するために、タイミン
グ発生器１３を設ける。

タイミング発生器１３は、第４図の如く構成してある。
第４図において、検出器７の出力Ｖ_２は、片極性出力回
路２９に導かれる。片極性出力回路２９は、不適位相サ
イクル中のＶ_２をＶ_７として出力し、微分回路３１に入
力する。微分回路３１は、Ｖ_７を微分して、 を算出する。Ｖ_７とＶ_８とは片極性出力回路３０に導か
れ、片極性出力回路３０がＶ_７−Ｖ_８＝Ｖ_９０を演算
する。Ｖ_９は、比較器３２に導かれ、動作を確実にする
ための微小バイアスΔＶ_Ｂ９と比較され、Ｖ_９＞ΔＶ_Ｂ
のときＰ_４＝１を発生する。即ち、タイミング発生器１
３は、 となるように時刻ｔを求め、Ｐ_４＝１を出力する。

ただし、 なる対応関係を有し、Ｔ_Ｄは遮断器６の動作遅れ時間で
ある。

Ｐ_４＝１の出力タイミングは、第２図に示すようにゼロ
クロスのタイミングＰ_３＝１よりもＴ_Ｄだけ早くなって
いる。即ち、第２図に示すように、Ｖ_９＞ΔＶ_Ｂ９とな
ったときに，タイミング発生器１３はＰ_４＝１を出力す
る。Ｐ_４＝１のタイミングでＭ_２＝１となっていれば、
投入指定器である記憶回路１６は、Ｍ_８＝１の投入指令
信号を遮断器６に与える。遮断器６は、直ちに投入動作
を開始し、動作遅れによってＴ_Ｄ時間後の最適投入タイ
ミング（ゼロクロス）でａ接点６ａを閉成する。そして
閉成期間ｔ_ａｂ後にｂ接点６ｂを開成する。

これにより、すべり電流Ｉは、正確に不適位相サイクル
から適位相サイクルへのゼロクロス時刻ｔ_０において、
零の値から励磁装置５側へ転流し、放電抵抗４にすべり
電流が流れていない状態でｂ接点（放電極）６ｂを開成
することが出来る。即ち、遮断器６は、高インダクタン
スを有する界磁巻線３に流れるすべり電流を遮断するこ
とはなく、界磁巻線に高電圧を誘起することを防止で
き、ｂ接点の焼損等の防止することができる。

このように、実施例によれば、すべり電流波形に著しい
ひずみがあっても、同期投入制御を確実に、最適位相の
タイミングで実施できるという効果があり、簡単な界磁
回路構成で界磁回路の同期投入時の過電圧の発生を防止
して、かつ速かに同期引入を可能とする信頼性の高い同
期投入制御装置を構成できる。なお、回路の構成は、デ
ィジタル回路又はマイクロプロセッサのソフト等により
構成することが可能であり、積分演算器の放電時間の代
りに、固定タイマーで代用する等の案も考えられる。

〔発明の効果〕 以上に説明した如く、本発明によれば、スベリ電流がひ
ずむ場合においても、確実な最適位相の検出が可能であ
り、最適のタイミングをもって遮断器の投入をすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る同期電動機の同期投入制御装置の
実施例を示すブロック図、第２図は第１図に示した実施
例の動作を示すタイムチャート、第３図は第１図に示し
た実施例の積分演算器の一例を示す回路構成ブロック
図、第４図は第１図に示した実施例のタイミング発生器
の一例を示す回路構成ブロック図である。 １…電機子固定側、２…電機子遮断器、３…界磁巻線、
４…放電抵抗、５…励磁装置、６…遮断器、７…検出
器、８…演算比較器（極性判定器）、９…積分演算器、
１０，１１，１２…比較器、１３…タイミング発生器
（投入タイミング発生器）、１４、１５…記憶回路、１
６…記憶回路（投入指令器）、１７，１８…論理積回
路、１９…論理和回路、３５…同期投入可能周波数検知
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】界磁巻線に接続され、起動時に界磁巻線に
   生ずる高電圧を放電させる放電抵抗と； 起動終了後の前記界磁巻線に励磁電流を供給する励磁装
   置と； 前記界磁巻線と前記放電抵抗との間に閉回路を構成する
   第１接触子と、前記界磁巻線と前記励磁装置とを接して
   閉回路を構成する第２接触子とを有し、前記界磁巻線の
   起動時に前記第１接触子と前記第２接触子とを一時的に
   同時に閉成して後、前記第１の接触子を開成する遮断器
   と； を備えた同期電動機の同期投入制御装置において： 前記界磁巻線に生起したすべり電流の極性を判定する極
   性判定器と； この極性判定器の出力信号に基づき、前記第２接触子を
   閉成するのに適した前記すべり電流の同期投入適位相サ
   イクルが、予め定められた同期投入可能周波数に到達し
   たことを判断するとともに、前記同期投入適位相サイク
   ル終了前における極性変化の読み取りを禁止する同期投
   入可能周波数検知回路と； 前記第２接触子を閉成するのに適した、投入不適位相サ
   イクルから投入適位相サイクルへのゼロクス時期を算出
   するとともに、このゼロクスが生じる時刻より予め定め
   た時間だけ早く、前記第２接触子の閉成指令を出力する
   投入タイミング発生装置と； この投入タイミング発生装置の出力により、前記遮断器
   の第２接触子を閉成する投入指令器と； を設けたことを特徴とする同期電動機の同期投入制御装
   置。