JPH06284657A - 誘導発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 励磁のためのブラシ構成も、特別の励磁回路
構成をも必要とせず、発電機の出力電圧の制御が簡単に
行える、商用電源から独立した誘導発電機を得る。 【構成】 三相スター結線した電機子巻線３からなる固
定子側１と、電機子巻線３の出力端子間に可変リアクト
ル５とコンデンサＣとを接続した制御回路６と、回転子
導体７を設けてかご形回転子８にした回転子側２とから
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は商用電源を必要としない
自励式誘導発電機に係り、特に簡単に出力制御を可能と
した誘導発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られる誘導発電機には他励式
誘導発電機、二次励磁式誘導発電機あるいは自励式誘導
発電機等が存在する。まず他励磁式誘導発電機は誘導機
の固定子一次巻線を電源に接続した状態で、回転子であ
るかご形あるいは二次短絡の巻線形回転子に外力を加え
て、回転子を同期速度以上に回転させ、Ｓ（すべり）＜
０の領域で誘導発電機として動作させるものである。こ
の回転子導体は電動機の場合と逆方向に磁束を切るよう
に、換言すれば電源から遅れ無効電力の供給を受けて、
発電機として電力を電源に変換している。この発電機
は、かご形誘導発電機の構造をそのまま利用できるの
で、構造簡単、保守容易と利点は多いものの、励磁電流
や二次遅れ力率に起因する無効電力を電源から受取るの
で、系統の力率を低下させるものであった。

【０００３】次に二次励磁式誘導発電機は、巻線形誘導
機の二次側をすべり周波数で適当に励磁して回転させれ
ば、任意のすべりで誘導発電が可能になるというもので
ある。これは回転子の回転速度が変化しても、それに応
じて常にすべり周波数になるように励磁周波数を調整す
れば、一次巻線にはセルビウス方式により一定の周波数
の電圧を誘起することが可能で、発電周波数が一定であ
ることを要求される用途に利用される。しかしながら巻
線形誘導機の二次回路を励磁するためには、回転する二
次回路の巻線に電力を供給するためのブラシを必要とす
る。従来からこのブラシは保守面でめんどうであること
からブラシを必要としない誘導機の開発が、電動機・発
電機両面に求められていることは言うまでもない。

【０００４】このような２つの他励式誘導発電機や二次
励磁式誘導発電機は、共に誘導機の一次側に電力を供給
したり、二次側を励磁したりと、他から誘導発電機に電
力を供給する必要があることから、電力事情の悪いとこ
ろや、とりわけ電力供給できない場所では使用すること
はできないものであった。

【０００５】これに対して自励式誘導発電機は、発電機
端子に静電容量としてコンデンサを接続して、残留磁気
の有る回転子を回転させるだけで自励式発電が可能とな
るものである。この自励式誘導発電は、外部から電力を
供給することがなく、また保守がめんどうなブラシも必
要としないことから簡便な発電機として知られている。

【０００６】ここで自励式誘導発電機についてその作用
を以下に説明する。図１において、無励磁のかご形ある
いは二次短絡巻線形の回転子側１と、主力端子ａ，ｂ，
ｃ間にスイッチＳを介し、コンデンサＣを接続した固定
子側２とによって誘導発電機１０を構成した場合、たと
え回転子が無励磁であっても、残留磁気のある回転子を
回転させると、回転子の残留磁気によってきわめて低い
起電力が固定子の電機子巻線に誘導される。この時の電
機子進み電流Ｉに対する端子電圧Ｖの関係は図２の直線
Ａ´のようになる。ただし、これは飽和を無視した場合
であり、実際の発電機では磁路の飽和が起こるため、発
電機のＶ−Ｉ特性はＡで示す飽和曲線となる。

【０００７】更にコンデンサＣを負荷として接続した場
合の自励発電について説明する。負荷として接続したコ
ンデンサＣの端子電圧Ｖとその充電電流Ｉとの間には、
周波数をｆとすれば次の関係が明らかである。

【０００８】

【数１】 この関係を図２に示すと直線Ｂの充電特性曲線となる。
自励発電では残留磁気による起電力でコンデンサＣに９
０°の進み電流が流れ、これによって固定子の電機子端
子電圧Ｖが上昇し、更にそれに応じて充電電流が増加す
るというくり返しで飽和曲線Ａと充電特性曲線Ｂとの交
点Ｐで電圧と電流は安定して、発電を持続していくこと
になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように自励式誘
導発電機においては、商用電源を必要としないので他の
誘導発電機と違い、発電機単体として独立させることが
できる。つまりこれは商用電源のない場所での使用に最
適となる。

【００１０】しかしながらこの自励式誘導発電機は負荷
の変動に影響を受ける。負荷が変動するとそのままでは
発電周波数が変動し、それとともに電圧も大きく変化す
ることになる。とくに負荷が遅れ力率であれば電圧変動
も大きく、コンデンサ容量を負荷の変動に応じて調整す
ることが必要となる。

【００１１】このように商用電源を使用しない自励式誘
導発電機を、屋外で他の原動機（エンジン等）を駆動源
として使用するようにした場合には、電灯のような負荷
変動の少ない負荷には最適であるが、負荷変動の有るも
のにはコンデンサ容量を調整するという実用面では採用
できない手段を用いることになる。特にコンデンサ容量
を調整する場合、複数個のコンザンサの接続を変えてコ
ンデンサ容量を変化させることになり、逆にこの接続を
変える時の電圧変動は大きい。

【００１２】ところで負荷の変動による発電周波数の変
動は、回転子を回転駆動する原動機の回転数制御で、周
波数が一定になるようにすれば良く、これは現状の技術
で十分対応可能である。

【００１３】これらのことから、本発明においては商用
電源を必要としない独立した発電機であると共に、負荷
の変動に応じて簡単に出力制御を可能とした誘導発電機
の提供を技術的課題とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によると、回転子
コアに三相の回転子導体を装設した回転子と、前記回転
子コアに対向して周設した固定子コアを有し、該固定子
コアに三相の電機子巻線を巻装した固定子と、前記の三
相の電機子巻線の出力端子間に接続した三相の可変リア
クトルと静電容量とからなる制御回路とにより誘導発電
機を構成したことにより前記課題を解決するための手段
とした。

【００１５】

【作用】本発明の誘導発電機は、三相の回転子導体を装
設した回転子と、三相の電機子巻線を巻装した固定子
と、該固定子の電機子巻線の出力端子間に可変リアクト
ルと、静電容量とを設けた制御回路とにより構成してい
る。

【００１６】以上の構成において、回転子を他の原動機
で回転駆動すると、回転子の残留磁気により電機子巻線
に電圧を誘起する。この電圧で出力端子間の静電容量に
は９０°の進み電流が流れ、この進み電流によって固定
子の電機子端子電圧Ｖが上昇し、更にそれに応じて充電
電流が増加するというくり返しで電機子巻線の電圧は大
きくなる。最終的には電機子巻線の飽和曲線と静電容量
の充電特性との交点の電圧と電流に落ちつくことにな
る。これまでは従来の自励式誘導発電機と同じ作用とな
る。

【００１７】さて、本発明においては固定子の電機子巻
線の出力端子間に、電機子巻線と同じ三相の可変リアク
トルと静電容量とを制御回路として設けてある。

【００１８】この制御回路には、前述の電機子巻線に誘
起した電圧により流れる三相電機子電流により電流が流
れている。この電圧により制御回路の可変リアクトル
は、その可変リアクトルの制御素子を介して電流が流れ
るようになるが、以下この制御素子がトライアック素子
である場合についてその作用を説明する。

【００１９】この制御回路の可変リアクトルに流れる電
流は電圧を低下させる作用があり静電容量に流れる電流
は電圧を上昇させる作用を有するものである。したがっ
て本発明では、静電容量の容量は変えないで、可変リア
クトルの可変制御により可変リアクトルに流れる電流を
変化させるようにしてある。この制御は可変リアクトル
を巻線と制御素子であるトライアック素子で構成するこ
とにより実現可能である。

【００２０】ここで静電容量に流れる電流をＩ_ｃ、可変
リアクトルに流れる電流をＩ_Ｌとすると、Ｉ_ｃ−Ｉ_Ｌ＞
０でＩ_ｃ−Ｉ_Ｌの値が小さいと電圧を上昇させる作用が
小さく、逆にＩ_ｃ−Ｉ_Ｌの値が大きいと電圧を上昇させ
る作用が大きい。したがって、可変リアクトルに流れる
電流をトライアック素子で制御すれば発電機の出力電圧
を制御することができるようになる。つまり、可変リア
クトルに流れる遅れ電流をトライアック素子を制御して
小さくなるようにすれば、静電容量による増磁作用によ
って出力電圧が上昇する。逆に可変リアクトルに流れる
遅れ電流をトライアック素子を制御して大きくなるよう
にすれば、静電容量による増磁作用が減少して出力電圧
が下がるものである。

【００２１】したがって、制御回路のトライアック素子
の点弧角を制御することにより、可変リアクトルの遅れ
電を変化させることができるから、従来例のように静電
容量を変化させて制御するという実用化の難しい手段に
よらなくとも、可変リアクトルの遅れ電流を変化させ
て、静電容量を変化させたことに等しい制御、つまり発
電機の出力電力の制御を可能とした。

【００２２】以上のように、本発明の目的とする、ブラ
シレスの構成で商用電源から独立した自励式誘導発電機
を、固定子の電機子巻線の出力端子間に、巻線とトライ
アック素子による可変リアクトルと、静電容量とによる
制御回路を設けた誘導発電機としたことにより簡単な構
成で実現可能となった。

【００２３】

【実施例】図３において本発明の実施例を説明する。図
３に示すものは本発明の誘導発電機における、固定子と
回転子の部分だけを抜き出したものを示している。ここ
で固定子の電機子巻線はスター結線として説明するが、
デルタ結線でもよい。同じく制御回路もスター接続とし
て説明するが、デルタ接続でもよい。更に回転子は、か
ご形回転子として説明するが、二次短絡巻線形回転子と
してもよい。

【００２４】まず符号１は同期発電機の固定子側を示
し、符号２は同じく回転子側を示している。

【００２５】まず固定子側１は、固定子コア（省略）に
スター結線の電機子巻線３を設けてある。更にスイッチ
Ｓ_１を介して電機子巻線３の出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの端子
間には、静電容量としてのコンデンサＣと、トライアッ
クＴＲ（ＴＲ_１，ＴＲ_２，ＴＲ_３）とリアクトル巻線４
とからなる可変リアクトル５と、が設けてある。またこ
の静電容量コンデンサＣと可変リアクトル５とで制御回
路６としてある。

【００２６】一方回転子側２は、回転子コア（省略）に
回転子導体７を装設し、かご形回転子８としてある。ま
た、このかご形回転子８は、その回転軸に原動機９を連
結してある。この原動機９には調速機１１を設けてあ
り、一方出力端子には出力の周波数を検出する検出回路
１２を設けてあり、前記調速機１１と検出回路１２とは
電気的に接続してある。

【００２７】最後に負荷１３は、出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに
スイッチＳ_２を介して接続してあり、電機子巻線３と、
制御回路５とからスイッチＳ_２で切り離せるようになっ
ている。

【００２８】以上のように構成した本発明の誘導発電機
は、前記回転子側２を他の原動機９によって回転駆動す
ることにより発電作用を行うものである。

【００２９】かご形回転子８を原動機９によって回転駆
動すると、回転子の残留磁気により電機子巻線３にわず
かの電圧Ｖを誘起する。この電圧Ｖにより静電容量負荷
のコンデンサＣには９０°の進み電流が流れ、この進み
電流によって固定子の電機子電圧Ｖが上昇し、更にそれ
に応じて充電電流が増加するというくり返しで電機子巻
線３の電圧Ｖは大きくなり、最終的には電機子巻線３の
飽和曲線と静電容量Ｃの充電特性との交点Ｐ（図２参
照）に落ちつくことになる。

【００３０】本発明においては、その特徴として固定子
の電機子巻線３の出力端子間に三相にリアクトル巻線４
を設けてある。またこのそれぞれの相のリアクトル巻線
４にトライアックＴＲ_１，ＴＲ_２，ＴＲ_３を接続し、可
変リアクトル５にしてあること及び、前述のコンデンサ
Ｃとともに制御回路６を形成していることに特徴を有す
るものである。

【００３１】まずこの発電機の運転方法を始動から運転
状態に至る順序で説明する。始動時にはスイッチＳ_１を
投入、スイッチＳ_２を開放、また可変リアクトル５のト
ライアックＴＲの点弧角を、無負荷状態で定格電圧が確
立するような値で設定する。次に原動機９を始動して回
転子８を回転させる。ここで原動機９の回転数は、発電
機の出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの周波数が定格周波数になるよ
うに制御する。

【００３２】次に、スイッチＳ_２を投入して負荷に電力
を供給する。この負荷が大きく、力率が遅れの負荷の時
は電圧が低くなるので発電機としては定格電圧まで上昇
しなければいけないが、これは次のようにして行う。

【００３３】可変リアクトル５に流れる電流は電圧を低
下させる作用があり、コンデンサＣに流れる電流は電圧
を上昇させる作用がある。しかもコンデンサＣの容量は
固定して変化させることはできず、可変リアクトル５に
流れる電流のみがトライアックＴＲの点弧角の制御によ
って可能である。

【００３４】ここでコンデンサＣに流れる電流をＩ_Ｃ、
可変リアクトル５に流れる電流をＩ_Ｌとすると、Ｉ_Ｃ−
Ｉ_Ｌ＞０でＩ_Ｃ−Ｉ_Ｌの値が小さいと電圧を上昇させる
作用が小さく、逆にＩ_Ｃ−Ｉ_Ｌの値が大きいと電圧を上
昇させる作用が大きい。このようにそれぞれに変化させ
ることができるので、可変リアクトル５の電流をトライ
アックＴＲによって制御すれば発電機の出力電圧を制御
できる。つまりトライアックＴＲの点弧角を大きくして
可変リアクトル５に流れる遅れ電流を小さくなるように
制御する。するとコンデンサＣによる増磁作用によって
電圧が上昇する。

【００３５】逆に軽負荷になると出力電圧が上昇するこ
とになる。そこで定格電圧まで電圧を下げるには、トラ
イアックＴＲの点弧角を小さくして可変リアクトル５に
流れる遅れ電流を大きくなるように制御する。するとコ
ンデンサＣによる増磁作用が減少して電圧が下がる。

【００３６】したがって、可変リアクトル５はこの発電
機にとっては三相平衡した遅れ無効電力を消費する負荷
として作用する。つまりトライアックＴＲの点弧角を制
御すればリアクトル巻線４に流れる遅れ無効電力が変化
し、この遅れ無効電力が静電容量Ｃによる増磁作用を打
ち消し、発電機の出力電圧がトライアックＴＲの点弧角
の制御により変化することになり、発電機の電圧制御が
可能となった。

【００３７】結局この発電機の制御は、原動機の回転数
制御により発電機の周波数を一定にし、サイリスタの点
弧角制御により発電機の出力電圧を一定にすることが可
能になる。

【００３８】ところで、出力端子に設けた周波数検出器
１２からの周波数信号は、あらかじめ定めた調速機１１
の周波数と比較され、検出した周波数信号が低下してお
れば、調速機１１は原動機９の回転子を上昇させ、逆に
高ければ原動機９の回転を低くするように作用する。こ
れら制御の電源は、別に蓄電池を設けることや、出力電
力を採用することなどで確保可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によると、固定子の
電機子巻線の出力端子間にトライアックとリアクトル巻
線とからなる可変リアクトルと、コンデンサＣとを設け
て、可変リアクトルに流れる電流をトライアックで制御
するという制御回路を設けるという単純な回路の追加
と、回転子を二次短絡巻線形回転子、あるいはかご形回
転子にするというありふれた回転子の構成とにより、直
流電源を必要とせず、励磁用発電機も必要とせず、保守
のめんどうなスリップリングなども省略した、簡単なブ
ラシレス自励式誘導発電機を提供可能とした。また、ト
ライアック素子による制御で簡単な発電機の出力制御が
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】自励式発電機の容量負荷による自励発電を示す
回路図。

【図２】容量負荷における電機子の飽和曲線と容量負荷
の充電特性を示す図。

【図３】本発明の誘導発電機の固定子と回転子の部分だ
けを抜き出した図。

【符号の説明】

１ 固定子側 ２ 回転子側 ３ 電機子巻線 ４ リアクトル巻線 ５ 可変リアクトル ６ 制御回路 ７ 回転子導体 ８ かご形回転子 ９ 原動機 １０ 自励式誘導発電機 １１ 調速機 １２ 検出回路 １３ 負荷 ＴＲ トライアック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子コアに三相の回転子導体を装設し
   た回転子と、前記回転子コアに対向して周設した固定子
   コアを有し、該固定子コアに三相の電機子巻線を巻装し
   た固定子と、前記の三相の電機子巻線の出力端子間に接
   続した三相の可変リアクトルと静電容量とからなる制御
   回路と、により構成したことを特徴とする誘導発電機。