JPS6018182B2 - 変換器運転用同期機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、揺動現象或は揺動現象を抑制するための手段
を有する変換器運転用制動形同期機に関するものである
。

例えば船舶の電源系統において起りうるように直流回路
に電動機負荷及び（又は）電池によって逆電圧が現われ
る場合には、変換器運動用の発電機動作する同期機は揺
動現象或は振動現象を起こす傾向があることは知られて
いる。

この望ましくない現象を抑制するために、交流電流回路
に充分大きなィンダクタンスの直列リアクトルを補助回
路素子として配置することがあるが、この直列リアクト
ルは同期機の力率に負の影響を与え（発電機出力の減少
）、転流リアクタンスの好ましくない増大をもたらすこ
とになる。普通の大きさをもつ制動巻線装置を備えた同
期機においては、その横軸磁界は、負荷変動の際、界磁
巻線の時定数に応じて比較的緩慢に反応する機械の直軸
磁界よりも著しく急速に変化しうるものであるというこ
とが確かめられた。

このことを第１図に示す船舶の電源設備の例について詳
細に説明する。可変遠の原動機１（タービン、ディーゼ
ルエンジン）によって同期発電機２は駆動され、この発
電機２は３相整流器ブリッジ３を介して並列接続された
直流電動機４（例えば船舶駆動用主電動機）及び船舶電
源電池５に給電する。

整流器を後遣したこのようなブラシ無し同期発電機は実
用上保守が不要であり、直流整流子発電機よりも本質的
に高い回転速度で運転することができ、そのため本質的
に効率が良くなり、従って整流子を有する通常の直流発
電機よりも軽量、４・形に構成することも可能である。
このように効率の高い同期発電機は比較的大きな電流分
布をもっており、そのため直軸万向及び横軸方向の同期
リアクタンス×ｄ及び×ｑの値が大きくなる。

このような運転状態では同期発電機はいよいよ定格電圧
を大幅に下まわって動作し、運転速度の変動によっても
磁気回路は広い運転範囲内で飽和しないので、各発電機
電圧における同期リアクタンス×ｄ及び×ｑの、定格電
圧で動作する飽和している同期発電機のそれに対する比
はかなり大きくなる。第２図には、円筒回転子形同期機
の負荷時における定常状態の電圧ベクトル図が示されて
いる。

同期リアクタンスＸｄ＝×ｑニ５（ｐ．ｕ．）は定常負
荷状態において生ずる内部相差角及び励磁所要量を決定
する。第１図に示すような整流器負荷の場合、負荷電流
Ｊは端子電圧Ｕからわずかしか遅れない。負荷電流Ｊを
伴うこの負荷状態に対応する同期発電機の界磁は界磁電
圧Ｅｐによって特徴づけられる。負荷変動の場合は直軸
磁界及び横軸磁界に対する過渡同期リアクタンスＸ′ｄ
、Ｘ′ｑが作用することになる。

直軸（ｄ軸）及び機軸（ｑ藤）において界磁巻線と鎖交
する磁束には「過渡電圧」Ｅ′ｑ及びＥｄが直接対応し
、そのベクトル和はＥ′で与えられる。第２図の定常負
荷状態においては、負荷時の８ｐ／Ｕから無負荷時の界
滋電流の約５．針音の界磁電流が必要であることが分か
る。無負荷の場合はＪ＝０であり、Ｕ＝Ｅ′＝８ｑ＝Ｅ
ｐである。負荷時には界磁巻線と鎖交する磁束は磁極子
の直軸においてＥ′ｑ／Ｕに相応してほぼこの無負荷値
の半分に下る。過渡電圧Ｅ′ｄに対応しかつその大きさ
を支配する磁束は、磁極回転子軸に対して横方向にシフ
トする。負荷急変の場合には界磁巻線はまず界磁巻線と
鎖交する磁束の変化に逆向きに作用する。

磁極回転子軸方向の磁束はその場合界磁巻線の実効直鞠
磁界時定数に応じて比較的ゆっくりと変化する負荷状態
に応じて、その時間は無負荷時定数Ｔ′ｄ。（十分の数
砂）と短絡時定数ｒｄ（中容量の機械では数秒）との間
にある。これに対して機軸磁界は、制動巻線なしの全成
層回転子の場合実用上遅れることはなく、普通の大きさ
を持つ制動巻線装置を備えている場合には初期過渡時定
数に応じて形成され、その値は実効直軸磁界定数の約１
／１０になるにすぎない。

従って負荷投入時にま、Ｅ′ｑはまずその無負荷電圧Ｕ
に応じた大きさを保持し、次いで比較的ゆっくりと第２
図に示されている定常値Ｅ′ｑに減衰する。これに対し
てＥ′ｄはきわめて急速に形成されるので、負荷投入の
際、同期発電機は直ちにかなりの出力を出すにもかかわ
らずまず端子における電圧上昇を示し、この電圧上昇は
他の過渡時間領域において始めて低下する。最終的に生
ずる定常負荷状態及び端子電圧Ｕの大きさは発電機界磁
の追従動作に依存する。このようにして、負荷状態にお
ける電圧Ｕを一定に維持するためにはＥｐ／Ｕ倍だけ大
きな界磁電流が必要ということになり、これに対して界
磁電流が変化しない場合には負荷されたときの電圧はほ
ぼ同じ割合だけ小さくなる。界磁の影響は過渡電圧上昇
の拳動にわずかな影響しか与えない。この電圧上昇を抑
制するためには、最初の瞬間に逆励磁によって界磁をか
なり減少させ、次いで比Ｅｐ／Ｕに従って増加させなけ
ればならない。発電機の電圧調整は界磁回路の有する可
能出力の範囲内で過渡電圧上昇のこの作用を軽減するこ
とはできるが、除去することはできない。複巻発電機で
は過渡電圧上昇は更に大きな値で現われる。というのは
、強められた界磁は直ちに負荷電流サージと共に生ずる
からである。過渡電圧上昇のために、逆電圧が生じた場
合には第１図の直流回路には揺動現象が生ずる。

即ち発電機電圧が直流電圧より低い間は、同期発電機２
は無負荷運転となる。発電機電圧がそれより高い場合に
は、整流器ブリッジ３が導適状態になるので、直流回路
は同期発電機２から有効電力を受け取る。同期発電機２
は負荷が作用することに過渡電圧上昇を伴って反応し、
この電圧上昇はサージ電流を流し、その大きさはその都
度の有効差電圧によって決定される。引き続いて発電機
電圧は減衰する。この発電機電圧が逆電圧の値以下に低
下するや否や、整流器ブリッジ３は再び阻止状態になり
、それによって電流通流は中断され、同期発電機は無負
荷運転となる。その場合、発電機電圧は直軸における磁
束（Ｅ′ｑに相応）がより小さな値に保たれているため
急速に低下する。その後有効界磁に基づいて逆電圧の高
さへの新たな電圧上昇が生じ、こうして上記の過程が繰
返される。上記したように、制動巻線装置を持たない同
期発電機の場合、横軸磁界は実用上遅れないこ確立され
、それが特に突然現われる整流サージをもたらす。普通
の制動巻線装置を有する同期機では、機軸磁界の発生、
従って機械の端子における電圧上昇の発生は、第一の、
即ち初期過渡時間領域においてのみ阻止され、これに対
して続く過渡時間領域においては制動無しの同期機にお
けると同様の電圧上昇が生じ、その結果電流サージが突
然加わることは軽減だけはされることになる。整流器運
転用の同期発電機がいよいよ制動巻線ないこ構成される
理由は、それに伴って初期過渡リアクタンスが大きくな
ることによって、直流側の短絡の際に生ずる最大短絡サ
ージ電流が低く保たれ、その結果短絡時でも整流器が危
険にさらされることはないことにある。

本発明の目的は、過渡時に不都合な過電圧を生ずること
なく、従って振動現象及び揺動現象に対する励起源とし
て作用する電流サージを避けることのできる変換器運転
用に特に好適な同期機を構成することにある。

この目的を達成するために本発明によれば、誘導子内に
機軸磁界制動巻線を設けるか、又は誘導子内に設けられ
た界磁巻線を機軸磁界制動巻線として共用し、その過渡
時定数が直軸万向に磁界を発生する界磁巻線の過渡時定
数に合わせられる。

次に図面を参照しながら本発明の実施例を更に詳細に説
明する。第３図において、譲導子内には直軸ｄ内に界磁
巻線６が設けられ、それに直角な機軸ｑ内に分離され短
絡された機軸制動用制動巻線７が設けられている。

第４ａ図及び第４ｂ図には、４極の全成層誘導子に対し
て、界磁巻線６及び比較的太い導体棒から形成された制
動巻線の配置が示されている。

磁極中心において互いに隣り合う２つのスロット内に装
入された制動巻線導体７は、界磁巻線６の鋼断面積の３
０ないし５０％の断面頭をもっている。制動巻線導体７
はセグメント状又は容接された枠状（第５ａ，５ｂ図）
の接合部７ａで閉じられた横軸磁界制動ループを形成す
る。第４ａ図に示されているような制動巻線導体７用の
半閉スロットの代りに、第６ａ図及び第６ｂ図に示すよ
うな閉鎖スロットに制動巻線導体７を装入するようにし
てもよい。その場合各磁極に対してその中央にそれぞれ
１本の制動巻線導体７のみ設けられ、すべての制動巻線
導体７の内側は前面の短絡環７ｂによって一つの制動巻
線装置につなぎ合わされる。しかしながら、制動巻線導
体に対し界磁巻線６と同じスロット形状を使用すること
もできる。第６図に示すような閉鎖スロットの場合、ス
ロット閉鎖片８は横軸磁束によってすぐに飽和してしま
い、そのため磁気的に作用しなくなる。第４図ないし第
６図の界磁巻線及びその間に配置される別々の制動巻線
導体を備える誘導子の部分的な巻袋の代りに、第７ａ図
及び第７ｂ図に示すようなそれ自体公知の星型結線又は
三角結線され、かつ誘導子のスロットを設けた周辺に沿
って一様に分散配置された三相界磁巻線を使用すること
ができる。

所望の機軸磁界抑制効果は、第７ａ図の星型結線の場合
には２相の相巻線９を並列接続し、又第７ｂ図の三角結
線の場合には一つの相巻線９を短絡することによって達
せられる。それに相応することは第８ａ図及び第８ｂ図
に示すような２相界滋巻線について成立する。第８ａ図
においては、両相巻線の各々はそれぞれ２つの部分巻線
Ａ′，Ａ′′及びＢ′，Ｂ″に分割され、これら４つの
部分巻線はブリッジ接続の様式に従い平衡導体１０とつ
なぎ合わされ、平衡導体ＩＱは短絡された横流回路を形
成する。第８ｂ図においては、互いに電気角９びに配置
された２組の相巻線Ａ及びＢが電気的に並列接続されて
いる。機軸滋界抑効果を有する多相界滋巻線にあっては
、直軸ｄ及び横軸ｑにおいてそれぞれ全銅断面積が用い
られ、その結果両方の場合ともに同じ時定数が作用する
。第９ａ図及び第９ｂ図においては、機軸磁界抑制付き
の二相４極界滋巻線が、Ｎ′＝６０ス。

ットのピッチを有し間欠的にスロットが設けられた円筒
形磁極回転子内に配置されている。磁極ピッチの２／３
にスロットが形成されており、従って全体としてＮ＝４
０ス。ツトだけ存在し、巻線が設けられる。部分巻線Ａ
′，Ｂ′，Ａ″，Ｂ″は電気角６０ｏをなし、それ故直
軸ｄ及び横軸ｑに有効な巻線係数はノ３：１の割合で異
っている。スロットのない範囲が狭く定められるほどこ
の比の値は１に近くなる、即ち巻線係数の差或は直軸及
び横軸に作用する時定数の差は僅かとなる。本発明の上
記実施例の場合、機軸磁界制動時定数は、横軸磁界回路
に有効な抵抗を適当に小さくすることによって、適当に
大きく保持され、そのためには、制動巻線導体７及び榛
接続導体７ａ、７ｂの断面積を十分大きくするか（第４
図乃至第６図）、第７図、第８図及び第９図の実施例に
おいて両軸に対し界磁巻線の適当に大きな巻線断面積が
作用するようにする。

時定数を大きくするための原則的に異なる可能性は機軸
回路のィンダクタンスを人為的に大きくすることにある
。

第８ａ図及び第９図の実施例の場合では、例えば破線で
示す補助リアクトル１１を平衡導体１０に挿入すること
によって横軸回路のインダクタンスを大きくすることが
でき、それによって相応する時定数を更に大きくするこ
とができる。横軸回路のィンダクタンスを大きくするた
めの具体例が第１０図に示されているが、ここでは比較
的小さな制動巻線断面積が用いられている。

間欠的にスロットが設けられ、部分的に界滋巻線６が巻
装された誘導子は突出片を有する軸１２上に配置されて
いる。界滋巻線６用のスロットが設けられた部分セグメ
ント間において、各磁極の領域に（磁極中心に）、鞠１
２を通り誘導子外周においてスロットに戻される２本の
機軸制動用のりング状巻線１３が配置され、この巻線は
ヨークに巻きついている。このリング状巻線１３の漏れ
リアクタンスは通常の制動巻線装置の幾倍にもなる。リ
ング状蒲線１３のヨーク磁化作用はそれぞれ交互に変化
する方向に生ずる。第１１ａ図及び第１１ｂ図において
は、磁極から磁極へと配置される制動巻線１４が前面で
それぞれ共通のりング板１５に巻きつけられ、このリン
グ板１５はリングバンド鉄○として構成され、界磁巻線
６のコイルエンドの半径方向内側に配置されている。

個々の制動巻線１４によるリング板１５への巻きつけは
、全リング断面に対して周方向に同じ向きの磁化が生ず
るように選定される。このようにして、比較的鋼の少な
い横軸磁界制動巻線装置によっても、漏れィンダクタン
スが増大することにより、本質的に高められた十分な横
鞄回路時定数を得ることができる。第１２図ないし第１
４図には制動巻線１４を巻袋し片側又は両側に配置され
たりング板１５が示されている。

第１２図に破線で示された接続導体１６は省略してもよ
く（第１３図の下方前面参照）、或はリング板１５に沿
って配置してもよく、或は制動巻線１４と逆の巻回万向
にリング板１５の回りに巻きつけてもよい。後者の場合
は第１４図に誘導子の前面に対する展開図として、又第
１１ａ図に正面図として示された実施形態が生ずる。本
発明の更に別の構成によれば、成層されてスロットを設
けた誘導子に存在するヨーク断面を機軸磁界制動巻線用
の磁化鉄０として利用するのが有利である。

第１５ａ図及び第１５ｂ図によれば、リング状巻線１８
として形成された部分は第１０図とは反対にそれぞれ第
２の磁極上にのみ配設され、２重ループとしてヨークを
介して導びかれている。

磁極から磁極への接続は前面のブリッジ又はセグメント
１７によって作られ、それによって誘導子ヨークに対す
る環状の磁化が行なわれる。第１６図の実施例において
はリング状巻線１９の帰路導体は誘導子ヨーク内の別々
の貫通孔２０を通して設けられ、貫通孔２０は内側の磁
気橋絡部２１により軸から分離されている。

この磁気橋縦部２１は破線で示されている機軸磁束に対
する転位路を形成する。磁気橋縦部２１の大きさは、発
生する機軸磁界が磁気橋絡部の方向に押しのけられる動
的平衡過程の際に磁気橋総部２１が磁気狭随部（飽和部
）として作用しうるように選定される。類似の作用を行
う実施例が第１７図に示されている。この実施例では各
磁極毎にＶ字状に配置されそれぞれ隣接する磁極領域に
突出した２つの閉りング状巻線２２，２３によって、横
軸超磁力に対する転位路２４（１つの磁極に対してのみ
破線で示されている）の入りくんだ突出部が形成されて
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は整流器負荷運転される同期発電機の負荷回路の
一例を示す回路図、第２図は円筒回転子形同期機の負荷
時の定常電圧ベクトル図、第３図乃至第１７図は本発明
の種々の実施例を示し、第３図は界磁巻線と横軸磁界制
動巻線装贋を有する誘導子の構成図、第４ａ、第５ａ図
及び第６ａ図はそれぞれ第３図の誘導子の構造の異なる
例の正面図、第４ｂ図、第５ｂ図及び第６ｂ図はそれぞ
れ第４ａ図、第５ａ図及び第６ａ図に示すものの縦断面
図、第７ａ図及び第７ｂ図は横軸磁界制動巻線装置とし
て界磁巻線の部分を使用した三相誘導子の構成図、第８
ａ図及び第８ｂ図は機軸磁界制動巻線装置として界磁巻
線の部分を使用した二相譲導子の構成図、第９ａ図は二
相界磁巻線を有する誘導子の巻線展開図、第９ｂ図は第
９ａ図のものの原理接続図、第１０図は漏れリアクタン
スを大きくした制動巻線導体に対するヨーク巻菱の説明
図、第１１ａ図及び第１１ｂ図はそれぞれリング板を有
する機軸磁界制動巻線装置の正面図及び縦断面図、第１
２図、第１３図及び第１４図はそれぞれリング板を有す
る機軸磁界制動巻線装置の異なる例の展開図、第１５ａ
図、第１６図及び第１７図はそれぞれヨーク巻装の異な
る例の説明図、第１５ｂ図は第１５ａ図のものの巻線展
開図である。 ２・・・・・・同期発電機、３・・・・・・整流器ブリ
ッジ、４・・・・・・直流電動機、６・・・・・・界磁
巻線、７…・・・制動巻線導体、ｄ…・・・直軸、ｑ・
…・・横軸。 第１図第２図 第３図 第４ａ図 第４ｂ図 第５，ａ図 第５ｂ図 第６ａ図 第６ｂ図 第７ａ図 第７ｂ図 第８ａ図 第８ｂ図 第９ａ図 第９ｂ図 第１０図 第１１ａ図 第１１ｂ図 第１２図 第１３図 第１４図 第１５ａ図 第１５ｂ図 第１６図 第１７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 誘導子内に横軸磁界制動巻線を設けるか、又は誘導
   子内に設けられた界磁巻線を横軸磁界制動巻線として共
   用し、その過渡時定数が直軸方向に磁界を発生する界磁
   巻線の過渡時定数に合わせられていることを特徴とする
   揺動現象或は振動現象を抑制するための手段を備えた変
   換器運転用同期機。