JPS59216495A - 誘導機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 原動機によつて巻線形誘導機を駆動し、その誘導機の極
数とその一次巻線に流れる三相交流励磁電流の周波数と
に関係して定まるその誘導機の回転磁界の回転方向と同
一方向にその回転磁界よりも早く、その誘導機の二次回
転子を上記原動機によつて回転駆動し、その誘導機の二
次出力端子から出た回路に整流器と逆変換装置を接続し
、それによつて逆変換装置の交流出力端子から得られる
交流を上記誘導機の一次巻線励磁電流として與えられる
ようにした回路を造り、誘導発電装置の自励化を得る方
式は例えば本出願人の発明した特許第５４０２９３号、
第５５６５５３号、第７２７４１６号などにより公知で
ある。

このような発明では原動機により駆動される発電機の回
転速度に関係なく負荷へ送る発電機の出力周波数を制御
しうる特長を持つ。例えば原動機の回転速度がある程度
変化しても、負荷に対し一定周波数の電力を供給しうる
とか、又原動機の回転速度をほゞ一定に保ちながらも負
荷に対し供給する発電機の出力周波数を或る範囲内で制
御しうるとか云つた特長である。

かゝる特長を持ちながら、前記公知例においては次のよ
うな欠点がある。すなわち誘導機の極数ｐ個と一次巻線
に流れる三相交流励磁電流の周波数ｆＨＺに対応する同
期回転速度ｎ（ｒｐｍ）は１２０ｆ／ｐであり、例えば
２極機で６０ＨＺに対応させるためにはその同期回転速
度３６００ｒｐｍよりも早い速度で回転させなければな
らない。然るに原動機が風車や水車のような場合、その
回転速度は１０００ｒｐｍ以下の低速の場合が多い。そ
のような時には回転機の極数は１０極或いは１２極と云
うように多極となり、構造的に複雑で高価とならざるを
得ない。

本発明は以上のように発電機として誘導機を使い、且つ
自励構造とし、前記の公知例の特長を持ちながら而もそ
の公知例の上記欠点をおぎない、比較的低速度の原動機
に対応しながら而もその極数を比較的少ない数におさえ
、構造的に単純化し、装置を安価に造りうるようにする
ことを目的とする。

この目的を達成せしめるため、本発明ではその具体的な
電気接続図例の第１図に示すように、互いに電磁的に結
合された一次巻線１と二次巻線２を持つ誘導機３の一次
巻線端子４から電力を供給されるよう電気接続された入
力端子５を持つ周波数変換装置６の出力端子７から上記
誘導機３の二次巻線２へ電力を供給しうるよう電気接続
をし、更に上記誘導機３の回転子１４を原動機８により
駆動してその誘導機３の回転速度ｎ（ｒｐｍ）と極数ｐ
（個）の相乗積ｎｐと一次巻線１に発生する電力周波数
ｆ１（ＨＺ）との関係がｐｎ＜１２０ｆ１となるように
、且つ上記周波数変換装置６から誘導機３の二次巻線２
へ電力を供給してその供給電力周波数ｆ２がｐｎ＝１２
０ｆ３のｆ３に加えられてｆ２＋ｆ３＝ｆ１となるよう
に周波数変換装置６の出力端子７から誘導機３の二次巻
線２への電気接続相順を配列するのである。

第１図において電池１２とその開閉器１３の回路は誘導
機３の電圧を始めに発生させるための所謂始動装置を示
す。又誘導機３の一次巻線１は交流母線１０に接続され
、負荷１１へ電力を供給するように配列される。制御装
置９は周波数変換装置６を構成する半導体整流器１５の
制御素子に接続され、周波数変換装置６の出力周波を制
御しうる装置である。

一般に誘導機において種々の損失を無視すると次の等式
が成り立つ。すなわち Ｐ１：Ｐ２：Ｐ３＝１：Ｓ：（１−Ｓ）…（１）但しＰ
１：二次入力、Ｐ２：二次電気出力、Ｐ３：機械出力、
Ｓ：滑りである。誘導機を原動機により駆動するとき、
（１）式のＰ３は負になる。又二次端子から二次巻線へ
電力を加えると、Ｐ２も負になる。Ｐ２もＰ３も負で同
符号であるのに対し、Ｓの符号も１−Ｓの符号も負であ
ることはあり得ない。

従つてＳも１−Ｓも正で同符号、すなわちＳの値は１＞
Ｓ＞０でなければならぬ。つまり（１）式において右辺
は１もＳも１−Ｓもすべて正符号の数であるから、左辺
はすべて負とならねばならない。そこでＰ１も負で、一
次巻線から外部へ電力を出すことになる。原動機から誘
導機軸への機械入力は｜Ｐ３｜＝（１−Ｓ）｜Ｐ１｜と
なる。

このような機械入力｜Ｐ３｜と二次端子から二次巻線へ
の電気入力｜Ｐ２｜＝Ｓ｜Ｐ１｜とが誘導機に加かられ
て一次巻線から｜Ｐ１｜が出力として出ることになる。

これは前述のように種々の損失を無視してこのような結
論となる。この場合、外部から二次巻線への電気入力の
周波数ｆ２はＳｆ１に等しい。つまりｆ２＝Ｓｆ１なる
周波数の電力を外部から二次巻線へ加えると、一次巻線
■から外部へｆ１なる周波数の電気出力を出すことにな
る。この場合制御装置９においてはその検出機構により
母線１０の電圧周波数ｆ１を検出して、この周波数をあ
る設定周波数と比較して、その誤差を出し、それにより
周波数変換装置６の出力周波数を制御し、交流母線１０
の電圧周波数を期待の値になるように制御しうることを
示す。期待の値は一定値であつても変化値であつても良
い。制御装置９の内部の詳細を第８図に示す。

第８図の例では検出装置１６により交流母線１０の周波
数を検出する。この検出された周波数をフイードバツク
要素の変換器１７で電圧に変え、基準入力要素１８と比
較器１９で比較され、その差が動作信号として増幅器２
０に加えられ、増幅器２０は動作信号を適当な大きさに
増幅して、操作器２１で誘導機３の二次巻線に加えられ
る外部からの電力の周波数を適当に変化させる。それに
より制御対象の交流母線周波数を基準設定値と合致させ
るようにする。

周波数変換装置６を構成する半導体整流器１５を例えば
サイリスターとし、その点弧を例えばシリコン単接合ト
ランジスターＵＪＴによりおこなうとすると、そのＵＪ
Ｔによる発振回路は第９図（ａ）のようになり、ＵＪＴ
はＢ２−Ｂ１間の電圧ＶＢＢに対してＡ−Ｂ１間の電圧
ＶＥがエミツタせん頭点電圧Ｖｐといわれる値に達し、
エミツタ電流ＩＥがやはりせん頭点電流ＩＰに達すれば
Ａ−Ｂ１間の抵抗が低くなり、ターンオンする。したが
つてＲＴを通してＣＴを充電、ＣＴの電圧が上昇し前記
条件に達すればＵＪＴはオンとなるので、Ｒ１にＣＴの
放電電流による電圧を得る。放電により電圧が低くなれ
ばＵＪＴはもとの状態になり、ふたたび同じ過程を繰り
返すので、ＲＴＸＣＴの時定数できまる信号をＳＣＲサ
イリスターの点弧信号に使える。この中のＲＴの値を連
続的に変えると、第９図（ｂ）のＵＲ１の発生圧間が制
御され、結局それによつて周波数変換装置６の出力周波
数が制御されることになる。

以上の第１図の装置において、周波数変換装置６につい
ては必らずしも順変換装置と逆変換装置の組み合わせに
限らず、交流から直接他の交流へ変換するサイクロコン
バーター式の周波数変換装置も考えられる。然し、順変
換装置と逆変換装置を組み合わせた時には以下に示す長
所もある。今その説明のために帰還ダイオードＤ１〜Ｄ
６を設けた逆変換装置を含む周波数変換装置６の例を第
１０図に示す。図において、順変換装置は２３で示され
、Ｔｈ１〜Ｔｈ６は制御素子付き整流器、Ｃ１〜Ｃ６は
転流コンデンサー、ＳＤ１〜ＳＤ６は直列ダイオード、
Ｌ１〜Ｌ２はリアクトル、Ｚａ〜Ｚｃは第１図における
周波数変換装置６の出力端子から見た負荷であり、誘導
機３の二次巻線端子から見た負荷回路でもある。このよ
うな負荷は誘導機の交流励磁電力も含むからかなりの誘
導性負荷となる。誘導性負荷時の動作を検討すると、た
とえばＴｈ１−Ｔｈ５の導通からＴｈ１−Ｔｈ６に移し
た場合、負荷Ｚｂの電流はＴｈ５導通時とは同一方向に
流れるため、Ｄ２か導通し、Ｚｂ−Ｄ２−Ｔｈ１−Ｚａ
の回路で遅れ電流は循還する。

第１図において周波数変換装置６を構成する逆変換装置
の出力周波数を制御するのは整流器１５の制御素子に加
えられる点弧信号の周波数を制御装置９の中の装置で制
御しておこなう。すなわちこの場合の逆変換装置はそれ
自体転流装置を持つ自励式で、且つ出力周波数を交流出
力側とは独立的に決定しうる他制式と云える。またこの
逆変換装置の出力電圧の制御は順変換装置２３の制御素
子付き整流器２４の制御角の位相制御でおこなう。コン
デンサー２５が励磁電力を供給しうるのであるが、直流
充電で、大容量コンデンサーを安価で接続しうる利点が
ある。

第２図では第１図における誘導機３の一次巻線１、二次
巻線２の電磁結合に加えて、この二次巻線２と逆相接続
される三次巻線２６及びこの三次巻線２６と相互に電磁
結合される四次巻線２７を設ける。この三次巻線２６は
回転子１４に設けられ、四次巻線２７は固定子に設けら
れる。周波数変換装置６から四次巻線２７に電力を加え
ると、四次巻線２７と三次巻線２６との電磁結合により
三次巻線２６に電圧を誘起し、二次巻線２にその電力が
加えられることになる。すなわち、この場合には周波数
変換装置６から誘導機二次巻線２へ電力を供給するのに
三次巻線２６と四次巻線２７を通して供給することにな
る。そして二次巻線２へ供給する電力周波数をｆ２とす
るのである。そのためにはｆ２と一定関係にある周波数
の電力を周波数変換装置６の出力として出さなければな
らない。

第３図は第２図の誘導機３の固定子巻線と回転子巻線を
簡略化させた図を示す。すなわち第３図では第２図にお
ける一次巻線１と四次巻線２７を兼用させた固定子巻線
が示される。第２図では一次巻線１と二次巻線２との電
磁結合に対し三次巻線２６と四次巻線２７との電磁結合
はそれぞれ別々の磁気回路を使つているが、第３図では
それらの磁気回路が兼用される。第３図の電気接続図例
では一相当り並列に接続された二重接続電機子巻線２８
の中間点に中間タツプａｑ、ａ′ｑ、ｂｑ、ｂ′ｑ、ｃ
ｑ、ｃ′ｑを設け、この中間タツプ端子ａｑ、ａ′ｑ、
ｂｑ、ｂ′ｑ、ｃｑ、ｃ′ｑとは異なる電機子巻線２８
の外部端子ａｐ、ｂｐ、ｃｐと上記中間タツプ端子ａｑ
、ａ′ｑ、ｂｑ、ｂ′ｑ、ｃｑ、ｃ′ｑとの間に周波数
変換装置６を電気接続する。これによつて周波数変換装
置６の出力側が上記中間タツプ端子ａｑ…ｃ′ｑに電気
接続されるように配列する。この場合の周波数変換装置
６は第４図に示されるが、第４図の周波数変換装置６の
入力側端子は第５図の変成器が接続され、この変成器を
通して電機子巻線２８の外部端子ａｐ、ｂｐ、ｃｐに電
気接続される。周波数変換装置６は第４図では制御素子
付き整流器１５から成る逆変換装置２９、３０、３１と
制御素子付き整流器３８から成る順変換装置３２、３３
、３４との間をリアクトル３５、３６、３７を経て接続
したものである。逆変換装置２９、３０、３１はその整
流器１５…の制御素子に接続される制御装置９によつて
制御される。第４図の周波数変換装置６の入力端子ａ′
′ｑ、ａ′′′ｑ、ｂ′′ｑ、ｂ′′′ｑ、ｃ′′ｑ、
ｃ′′′ｑと同符号の変成器３９の端子（第５図に示さ
れる）とを電気接続し、この変成器３９の他方の端子ａ
ｐ、ｂｐ、ｃｐと同符号の電機子巻線２８の端子（第３
図）を電気接続する。この端子ａｐ、ｂｐ、ｃｐを交流
母線１０を通して負荷或いは他の電源と接続する。第３
図の電機子巻線２８の中間タツプ端子ａｑ、ａ′ｑ、ｂ
ｑ、ｂ′ｑ、ｃｑ、ｃ′ｑと同符号の第４図の周波数変
換装置６の出力端子とを電気接続する。第３図で電機子
巻線２８は固定子中に設けられ、回転子には回転子巻線
として二次巻線２と三次巻線２６が設けられる。判りや
すくするために第３図では互いに逆相接続された二種類
の三相星形巻線２と２６が示される。電機子巻線２８の
中を流れる負荷電流は第３図の実線矢印に示されるよう
に、二重星形接続の端子ａｐ、ｂｐ、ｃｐと中性点Ｏの
間を各相二重並列回路間で同一方向に流れる。一方ａｑ
、ａ′ｑ、ｂｑ、ｂ′ｑ、ｃｑ、ｃ′ｑなる同符号間を
接続することにより、電機子巻線２８と周波数変換装置
６との間に電力が接受され、それに関する電流が電機子
巻線２８の中を点線矢印のように流れる。

このように電機子巻線２８の中を流れる電流には実線矢
印と点線矢印で示す二種類の電流が流れその中の一方の
電流によつて造られる磁極の極数と他方の電流によつて
造られる磁極の極数との比は１対２になる。これは本出
願人の発明になる昭和５７年特許願第４９７１２号その
他の説明にもあるように、例えば一方の極数が４極であ
ると、他方の極数が８極であり、一方が６極で、他方が
１２極と云うようなことである。

第６図では周波数変換装置６において、順変換装置４０
はグレーツ回路としてまとめられ、その交流側端子はａ
ｐ、ｂｐ、ｃｐとして変成器を介せずに直接電機子巻線
２８の外部端子ａｐ、ｂｐ、ｃｐと接続する。第７図の
例では第６図のリアクトル３個分を一つにまとめて、３
６だけとしたもので、コンデンサー４１を並列に接続す
る。

今、第１図より第７図に到る図の作動を考えるが、始動
時には前述のように第１図の直流電源１２から開閉装置
１３を通して二次巻線２に直流励磁して一次巻線１側に
交流電圧が確立されていることを認めた上で説明する。

第１図において一次巻線１に発生した交流電圧を受けて
、周波数変換装置６の入力端子５に電力が與えられ、そ
の出力端子７から二次巻線２に周波数ｆ２の電力を與え
る。それにより一次巻線１にｆ２＋ｆ３＝ｆ２＋（ｐｎ
）／１２０＝ｆ１なる周波数の電圧が発生させられる。

その場合に交流母線１０の周波数ｆ１を検出して、それ
が設定値になるように、制御装置により自動的に制御さ
れる。この制御については前述の通りである。

第２図では前述のように周波数変換装置６から二次巻線
２へ、三次巻線２６と四次巻線２７の電磁結合を通して
電力が與えられるが、それ以外は第１図と同様で、自励
形となる。第３図の電機子巻線２８を用いる時には次の
ようになる。すなわち電機子巻線２８の外部端子ａｐ、
ｂｐ、ｃｐから電力を受けた周波数変換装置６の出力端
子より電機子巻線２８の中間タツプ端子ａｑ、ａ′ｑ…
ｃ′ｑに電力を與える。これにより電機子巻線２８の外
部端子ａｐ、ｂｐ、ｃｐより出る電機子巻線２８の負荷
電流に対応して電機子巻線２８の中には実線矢印のよう
な電流が生じ、中間タツプ端子ａｑ、ａ′ｑ、…ｃ′ｑ
から電機子巻線２８へ入る電力により、点線矢印のよう
な電流が生じる。点線矢印の電流によつて電機子巻線２
８により造られる磁極数と同一の極数を持ち、回転子に
設けられた三次巻線２６に電機子巻線２８から作用し、
それによつて三次巻線２６の造る磁極数とは異なる磁極
数を持つ二次巻線２に電力を與え、電流を流し、二次巻
線２に流す電流により造られる磁極数と同一極数を持つ
ような電流を電機子巻線２８に実線矢印のように流すの
である。このような起磁力発生の現象は磁気回路を兼用
した第一の誘導機部（第２図における一次巻線１と二次
巻線２とから或る）と第二の誘導機部（第２図における
三次巻線２６と四次巻線２７とから成る）との間でそれ
らの極数が２対１又は１対２である場合、互いに同一極
数を持つ固定子巻線と回転子巻線との間でのみ電磁的に
作用し合い、互いに異なる磁極数を持つ固定子巻線と回
転子巻線との間では全く電磁的に作用し合わないと云う
理論に基づくものである。それは例えば本出願人自身の
発明した特許出願公告昭５７−２１９５９号にも説明さ
れた如くである。

第３図における回転子巻線２と２６は互いに逆相接続し
た二次巻線と三次巻線として示されているが、本出願人
の発明した特許出願昭５７−３６２９１号に示した複数
の単独二層巻線によつても同様の作用がなされる。又回
転子を次のような個数Ｑ２の溝を持つ篭形巻線とした第
３図の誘導機でも良い。

Ｑ２＝（ｐ１＋ｑ１）／２……（２） この（２）式でｐ１とｑ１は電機子巻線２８の実線矢印
及び点線矢印の電流で造られた磁極数をそれぞれ示す。

以上説明してきた本発明の装置における作用効果の特長
をまとめると、次に述べるようになる。

（１）自励式誘導発電機を造りうるが、その誘導発電機
によつて原動機の回転速度如何に拘わらず、設定した周
波数の電力を負荷に供給しうる発電装置を造りうる。特
にそのような種類の公知の方式例えば特許第５４０２９
３、特許第５５６５５３号、第７２７４１６号などとく
らベイ原動機の回転速度を低速にし得て、造りやすく、
簡略な且つ安価の装置となしうる。

（２）交流母線の周波数は周波数変換装置６を構成する
逆変換装置の制御装置を制御し、設定値に合わせうるし
、一方交流母線の電圧はそれを■出し、周波数の制御と
同様、周波数変換装置を構成する順変換装置の制御装置
を制御し、設定値に自動的に合致せしめうる。

（３）第２図の装置では以上のような誘導発電装置がブ
ラシレス構造で造りうるし、第３図の装置ではそれが単
一固定子、単一回転子によつて実現しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な電気接続図例であり第２図も
同様、本発明の具体的な電気接続図例である。第３図は
本発明の電気接続中、誘導機部の一例を示す接続例であ
り、第４図、第５図はそれぞれ本発明の第３図に示す誘
導機部分と接続する周波数変換装置の接続例と変成器の
接続図例である。第６図と第７図はそれぞれ第４図とは
若干異なつた周波数変換装置の電気接続図例である。更
に第８図は本発明の交流母線周波数を自動的に制御する
制御図例、第９図は周波数変換装置の出力周波数を制御
する回路図例である。最后に第１０図は本発明装置に使
いうる周波数変換装置の電気接続図例を示す。また図面
の中、主要な部分をあらわす符号は次に示す通りである
。 １：一次巻線、２：二次巻線、３：誘導機、４：一次巻
線端子、５：周波数変換装置の入力端子、６：周波数変
換装置、７：周波数変換装置の出力端子、８：原動機、
９：制御装置、１０：交流母線、１１：負荷、１２：直
流電源、１３：開閉装置、１４：回転子、１５：半導体
整流器、１６：検出装置、１７：変換器、１８：基準入
力要素、１９：比較器、２０：増幅器、２１：操作器、
２２：整流器、２３：順変換装置、２４：制御素子付き
整流器、２５：コンデンサー、２６：三次巻線、２７：
四次巻線、２８：電機子巻線、２９、３０、３１：逆変
換装置、３２、３３、３４：順変換装置、３５、３６、
３７：リアクトル、３８：制御素子付き整流器、３９：
変成器、４０：順変換装置、４１：コンデンサー、ａｐ
、ｂｐ、ｃｐ：電機子巻線２８の外部端子であり、これ
と接続する端子にも同符号がつけられている。ａｑ、ａ
′ｑ、ｂｑ、ｂ′ｑ、ｃｑ、ｃ′ｑ：電機子巻線２８の
中間タツプ端子であり、これと接続する端子にも同符号
がつけられている。ａ′′ｑ、ａ′′′ｑ、ｂ′′ｑ、
ｂ′′′ｑ、ｃ′′ｑ、ｃ′′′ｑ：周波数変換装置の
入力端子であり、変成器３９の出力端子にも同符号がつ
けられている。 特許出願人　柴田福夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 互いに電磁的に結合された一次巻線と二次巻線を持つ誘
   導機の一次巻線端子から電力を供給されるよう電気接続
   された入力端子を持つ周波数変換装置の出力端子から上
   記誘導機の二次巻線へ電力を供給しうるよう電気接続を
   し、更に上記誘導機の回転子を原動機により駆動してそ
   の誘導機の回転速度ｎ（ｒｐｍ）と極数ｐ（ 個）の相乗積ｎｐと一次巻線に発生する電力周波数ｆ１
   （ＨＺ）との関係がｐｎ＜１２０ｆ１となるように、且
   つ上記周波数変換装置から誘導機二次巻線へ電力を供給
   してその供給電力周波数ｆ２がｐｎ＝１２０ｆ３のｆ３
   に加えられてｆ２＋ｆ３＝ｆ１となるように配列された
   誘導機制御装置