JPS5849120B2 - ブラシレス回転電機の速応励磁方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は例えばブラシレス同期発電機において、特にそ
の界磁を急速に過励磁できるようにしたブラシレス回転
電機の速応励磁方法に関する。

電力系統に同期発電機を接続しているとき、系統に突発
的異常が発生して安定度を失う危険がある場合には同期
発電機の界磁を急激に変化させ、系統の安定に寄与する
ことが必要である。

そのため、同期発電機においては速応励磁方式が各種考
えられ採用されており、またこれとは別に保守点検の低
減のため、ブラシレス化が普及し、ブラシレス同期発電
機も数を増しつつある。

ところで、従来ブラシレス同期発電機の速応励磁方式は
、第１図に示す如くなっている。

すなわち、第１図において、１は電機子巻線１ａおよび
界磁巻線１ｂを備えた同期発電機（以下主機という）、
２は電機子巻線２ａおよび界磁巻線２ｂを備えた回転電
機子形同期発電機（以下励磁機という）、３は励磁機２
の交流出力を受けこれを直流に変換して主機１の界磁巻
線１ｂに与える回転整流器、４は励磁機２の界磁巻線２
ｂを直流励磁する励磁機界磁制御直流電源である。

上記で主機１の界磁巻線１ｂ、励磁機２の電機子巻線２
ａおよび回転整流器３は回転部分５を構或している。

従って、このようなブラシレス同期発電機の速応励磁方
式において、直流電源４により励磁機２の界磁巻線２ｂ
が励磁されてその電機子巻線２ａより交流出力が得られ
ると、この出力は電機子巻線２ａと同軸上にある主とし
て整流素子より或る回転整流器３により直流に変換され
、主機１の界磁巻線１ｂに直流励磁電流が供給される。

しかしこの励磁方式では励磁機２の界磁時定数が大きく
励磁機界磁電圧を急激に増加しても励磁機発生電圧は遅
れて上昇し、また主機１の界磁時定数があるので主機１
の界磁電流の増加速度は各各の時定数が加算され更に遅
れることになる。

し？がって急速励磁するためには、励磁機本体の構造に
考慮が払われ、励磁機２の界磁時定数を小さくする工夫
が行なわれている。

また急速励磁を行なうためのもう１つの励磁方式は、第
１図と同一部分には同一記号を付して示す第２図に示す
ように、回転整流器３の整流素子をサイリスクに置き換
え、その制御角を回転変圧器電源６に回転変圧器７を介
して接続されたサイリスクゲート制回路８により制御す
ることにより、急速励磁するようにしたものである。

この場合、励磁機２の発生電圧を常に高くしておき、サ
イリスク整流回路で制御遅れ角を９０°に近い値〔しぼ
った状態）で主機界磁巻線１ｂに直流電流を供給してお
き、また急速励磁するときは制御遅れ角を急速に小さく
することにより、主機界磁巻線１ｂに印加されるべき直
流電圧は急速に大きくなり、主機界磁電流はその時定数
で決まる遅れのみで増加する。

しかし乍ら、これら第１図および第２図に示すブラシレ
ス同期発電機の急速励磁方式では次のような欠点がある
。

すなわち、励磁機の界磁を直流励磁を採用する励磁機で
は励磁機本体の時定数の減少に眼度がある。

また第２図に示すようにサイリスク素子を用いる場合、
サイリスクのゲート信号をブラシレスで与えるため、図
示する如く多くの回転変圧器を要し、また回転部分のゲ
ート制御回路等回転する部品が多くなり、信頼性の点で
劣る。

さらに主機界磁巻線には鋸歯状（サイリスク制御に伴う
）過電圧が印加されることになり、主機界磁巻線の絶縁
を強固にしておく必要がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的はブラシレス化の励磁機として従来とは異なった
方式による励磁機を採用してその応答を早め、回転子側
には整流素子による回転整流器を用い回転体の信頼性を
向上させることにより、信頼性が高くしかも速応励磁に
適するブラシレス回転電機の速応励磁方法を提供するに
ある。

以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第３図において、１１は電機子巻線１１ａおよび界磁巻
線１１ｂを備えた同期発電機、１２は１次巻線（固定子
巻線）１２ａおよひ２次巻線（回転子巻線）１２ｂを備
えた多相交流分布巻き構造の励磁機で、この励磁機は従
来の巻線形誘導機と同じである。

また１３は誘導形励磁機１２の２次巻線１２ｂから得ら
れる交流出力を受けこれを直流に変換して同期発電機１
１の界磁巻線１１ｂを直流励磁する整流素子を主体とす
る回転整流器、１４は誘導形励磁機１２の１次巻線を励
磁する少なくとも周波数を急激に叶変し得るインバータ
の如き電源である。

上記で、同期発電機１１の界磁巻線１１ｂ、誘導形励磁
機１２の２次巻線１２ｂおよび回転整流器１３は回転部
分１５を構成している。

次に上記のように構或されたブラシレス同期発電機の励
磁装置の作用について述べる。

定常状態では励磁機１２の１次巻線１２ａはインバータ
電源１４により励磁され、その時の周波数をｆ１とする
。

ここで、励磁機１２の極数をＰＥとするとその回転磁界
回転数はＮ， ＝ １ ２ ０ ｆ１７ＰＥとなり、回
転軸が静止しているときは励磁機１２は誘導機における
すベリＳ＝１の状態であるため、その２次〔回転子）巻
線１２ｂに誘起される電圧の周波数ｆ２はｆ，に一致す
る。

しかし回転軸の回転方向が１次巻線１２ａにより発生す
る回転磁界方向と逆の場合はすべりＳ＞１となり、２次
巻線１２ｂに誘起する電圧の周波数ｆ２はｆ１より犬と
なる。

その時の回転数をＮとすると、ｆ２＝ （ Ｎ＋Ｎ，
） ｘ ＰＥ／１ ２ ０ ・・・・・・・・・（１
）が或立し、また１次巻線励磁相電圧■，、１次巻線ｌ
相直列巻回数ｎ，、巻線係数Ｋｗとすると、１ 磁束数は、 （但しＫ ，”” ４４ ４ Ｘ ｎ ＋ ×ＫＷ １
）が成立する。

同じ磁束数が２次側巻線と交鎖すると仮定すれば、２次
側に誘起する相電圧■２は次の（３）式となる。

但し、２次１相直列巻回数０２、巻線係数ＫＷ ２とす
る。

上記式でＫ２，Ｋ，は定数であり、さらに軸回転数Ｎお
よび１次電圧■１を一定として周波数ｆ１のみ変化させ
減少させると、（４）式より２次電圧■２は増加する。

もちろん（１）式より周波数ｆ２は減少するが、第３図
のように、２次巻線１２ｂの負荷は回転整流器１３を介
して同期発電機界磁巻線１ｌｂに直流を供給するので、
周波数は問題でなく、２次巻線１２ｂに誘起される電圧
のみが問題となる。

ここで上記（１） ， （４）式について具体的に説明
する。

今、励磁機１１の極数ＰＥ＝２、１次側周波数ｆ１＝５
０■Ｚとすると、Ｎ１二１ ２ ０Ｘ５ ０／２＝３０
０Ｏｒｐｍとなる。

また軸回転数Ｎ＝３００Ｃｌｒｌ）１１１（但し回転方
向が励磁機磁界回転方向と逆の場合、即ちすべりＳ＝２
）とすると：（１）式よりｆ２＝ｌＯＯＨＺとなる。

（４）式で（Ｋ２／Ｋｌ）二ｌ（ほぼ１次、２次の巻線
直列巻回数が等しい時）とし、Ｖ，＝５０Ｖとすると、 となる。

次にＮ，Ｖ１を不変の状態でｆ１のみ２０Ｈｚまで減少
したとする（即ち、もとの２／５にしたとする）。

この時Ｎ，＝ｉ２０ｘ２０／２＝１２０Ｏｒｐｍとなり
、（１）式よりｆ２＝（３０００＋１．２００）Ｘ２／
１２０＝７０Ｈｚとなる。

また電圧■２は（４）式より？る。

この具体例より分るように励磁機１２の１次巻線１２ａ
を励磁するインバータ電源１４の制により、その出力電
圧（励磁機１２の１次電圧）を一定に保持した状態でそ
の出力周波数のみ低くすると、励磁機１２の２次電圧、
即ち同期発電機１１の端子電圧は増加することが分る。

次に速応性について述べる。

励磁機１２内における磁束は、時間的に極性までかわる
交流磁束であるため、常に磁束は変化しており、この点
が従来の励磁機の直流磁束と異なるところである。

またインバータ電源１４は電子回路によりその出力周波
数を制御しているので、出力周波数を急変することは容
易で、ほとんど時間遅れがない。

従って、上記のような性能を有するインバータ電源１４
と交流励磁の励磁機１２とを組合せ、フ？レス励磁方式
を用いると、従来の励磁方式より格段に早い速応性が発
揮される。

実験によると、本速応励磁方式における同期発電機の立
上り時間Ｔｆは急変後の１次励磁周波数ｆ′，に関係し
、その値はおよそｌ／２ｆ’秒である。

前述の具体例で、周波数ｆ１を５０Ｈｚより２０Ｈｚに
急変した場合、Ｔｆ中１／２ Ｘ ２ ０＝０．０ ２
５ｓｅｃとなり、これは従来の励磁機の場合（Ｔｄｏ
＝１〜１．５ｓｅｃ）に比較し、格段に改善されている
ことが判明した。

即ち、同期発電機１１の界磁を急激に増磁する必要があ
る場合、本装置によるブラシレス励磁が有効であること
が実験的にも確認できた。

このような制御による急速励磁の場合、上記（２）式で
分るように、磁束のが増加するため、励磁機としては増
磁状態でも磁気回路があまり飽和しないようにする必要
があるため、定常時は比較的低い磁束密度で運転される
。

このような特性は増磁を要する従来の励磁機でも同じで
あり、本励磁方式における欠点とはならない。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例にのみ限定
されず、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実
施できるものである。

以上述べたように本発明によれば、定常運転時は軸回転
方向と誘導励磁機固定子の回転磁界の方向が逆になるよ
うにインバークの如き電源により励磁され、同期発電機
の界磁を急速に増磁しようとする際、上記電源の出力電
圧を少なくとも減少させることなく、その出力周波数が
零でない低い周波数に急速に変化させる方向に制するよ
うにしたので、従来の励磁方式よりより高い速応性が得
られ、また、回転部分にサイリスクあるいはその他それ
に付随するゲート制（財）用の各部品を要さず、信頼性
が向上し、特にタービン発電機の如き高速回転発電機の
速応励磁方式に有効であり、さらに、各機器で励磁機は
従来の巻線形誘導電動機と構造的に同じであり、回転機
としての実積が多く、その電源となるインバークも従来
インバークとほとんど変わるところがなく、システムと
して特に開発を要する機器としなくともよい実用性の高
いブラシレス回転電機の速応励磁方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のブラシレス同期発電機の速
応励磁方式のそれぞれ異なる例を示す回略図、第３図は
本発明によるブラシレス回転電機の速応励磁方式の一実
症例を示す回路図である。 １１・・・・・・同期発電機、１２・・・・・・誘導形
励磁機、１３・・・・・・回転整流器、１４・・・・・
・インバータ電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固定子および回転子巻線とも多相交流分布巻き構造
   をもつ励磁機と、この励磁機の固定子巻線を励磁する周
   波数が町変の多相インバータの如き電源と、前記励磁機
   の回転子巻線より得られる交流出力を直流に変換してブ
   ラシレス回転電機の界磁巻線に供給する回転整流器とを
   備えた励磁装置を用いて、定常運転時は前記励磁機の固
   定子巻線を軸回転方向と励磁機固定子の回転磁界の方向
   が逆になるように前記インバークの如き電源により励磁
   し、また前記ブラシレス回転電機の界磁を急速に増磁し
   ようとするときは、前記インバータの如き電源の出力電
   圧を一定としてその出力周波数を零でない低い周波数に
   急速に低下させ、さらに前記ブラシレス回転電機の界磁
   を急速に減磁しようとするときは前記インバータの如き
   電源の出力電圧を一定としてその出力周波数を急速に上
   昇させることを特徴とするブラシレス回転電機の速応励
   磁方法。