JPS62244292A - 無整流子電動機 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は交流電力をコンバータで直流電力に変換し、こ
の変換された直流電力ををサイリスタインバータで交流
電力に変換して同期電動機を駆ｌｊＪするようにした無
整流子電動機の改良に関する。

（従来の技術） サイリスタ電力変換器により同期電動膿を駆動するシス
テムを一般に無整流子電動機（サイリスタモータ）と言
うが、中でも同期型ｖＪ機の速度起電力による逆起電力
を利用し、サイリスク電力変換器のサイリスタインバー
タ（サイリスタ逆変換器）のサイリスクの転流（切換）
を行なわせる負荷転流形の無整流子層１ｊＪＲは構成が
簡単で信頼性が高いことから従来多く使用されている。

この負荷転流形の無整流子電動機は、回転速度が零付近
においては、同期電動機の速度起電力が零であるため、
サイリスタインバータのサイリスタを逆起電力を利用し
て切換えることができない。

このため、回転速度零付近から定格速度の１０％付近に
達するまでの間は、サイリスク電力変換器のサイリスク
コンバータ（サイリスタ順変換器）の直流出力電流を、
インバータ側のサイリスタの切替タイミング毎に（６パ
ルス方式インバータにおいては電動機側の電気角にて６
０°毎、１２パルス方式インバータにおいては同じく ３０°毎、一般に３６０／６ｎ　　ｎ＝１．２．３・・
・）零にするいわゆる断続始動方式が採用されている。

この断続始動方式における切替タイミングは従来転流進
み角（β）零において行なわれるのが一般的であった。

これは、電流が方波形であると想定した時同期電動機の
発生トルクが最大となる理論に基づいている。

ところが、上記転流進み角（β）を零として制御する断
続始動領域について、出願人が特性解析を行った結果、
同期電動機の発生トルクが大きく、脈動することが明ら
かとなった。

一般に、同期電動機の駆動系およびこれにより駆動され
る負荷すなわち被駆動系の一次共擾周波数は、断続領域
に存在することが多いため、この断続領域におけるトル
ク脈動が大きい場合、負荷に直接影響を及ぼしたり、上
記駆動系および被駆動系の回転軸の共振による機械部品
の損傷を引き起したり、ひいてはプラント全体の停止に
致る可能性がある。

このため、従来無整流子電動機の始動時断続領域におけ
る電動製発生トルクの脈動によるねじり振動低減を図る
目的で、以下のような電気的対策と機械的対策が施こさ
れている。

■、電気的対策 トルク共振点通過時の加速レート（加速倍率）を速める
方法 ｎ、ｉ械的対策 （１）無整流子電動機の駆動系と負荷の被駆動系とを機
械的に連結するカップリングとして、脈動トルク吸収特
性を有する構成のものを使用する方法 （２）上記駆動系と被駆動系の回転軸の太さを太くした
り回転軸の材質を変えたりして、機械的共撮周波数を移
動させる方法 （発明が解決しようとする問題点） しかし上記の対策では次のような問題がある。

■は特性的にはすぐれているが、プラント全体の加速度
を速めるので、複雑な回転軸を有する設備には採用でき
ない。

■の（１）はカップリングが微妙な特性を有しているの
で、メインテナンスが複雑で、このため労力を多く必要
とする。

■の（２）はプラント全体で行わなければならないで、
これを実施することは困難である。

本発明は上記の事情に基づいてなされたもので、簡単な
構成であっていかなる種類でも通用できかつメインテナ
ンスの必要がなく、実用的で断続始動領域におけるトル
ク脈動を低減でき、信頼性の高い無整流子電動機を提供
することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、同期電動機の断続始
動領域では、サイリスタインバータの設定転流進み角を
０°を超え６０°の範囲に設定したものである。

（作　用） これにより同期電動機の断続始動領域における発生トル
クの波形改善がされ、トルク脈動を低減できる。

（発明の実施例） 以下、本発明による無整流子電動機の実施例について図
面を参照して説明する。

第１図は、同期電動機を駆動する電流形の６パルス形無
整流子電動機の一実施例を示す構成図である。この図に
おいて、１は商用交流電源ＥＲ。

ＥＳ、ＥＴから交流電力を入力とし直流電力を出力する
コンバータで、サイリスタＲＰ、ＲＮ。

ＳＰ、ＳＮ、およびＴＰ、ＴＮを３相ブリツジ接続した
回路から構成されている。２は電流リップルを平滑にす
る直流リアクトル、３は直流電流を入力とし交流電流を
出力とするインバータで、サイリスタＵＰ、ＵＮ、ＶＰ
、ＶＮおよびＷＰ。

ＷＮを３相ブリツジ接続した回路から構成されている。

４は上記コンバータ１およびインバータ３゛からなる電
力変換装置により駆動される同期電動機で、３相の！ｔ
Ｉ子巻１！Ｕ、Ｖ、Ｗ（総称して４Ａとする）を有する
。５は同期電動機４の回転子４Ｂの回転位置を検出する
機械的位置検出器、６はこの機械的位置検出器５の信号
により同期電動機４の回転速度を検出する速度検出器、
７は同期電動機４の回転速度を設定するための速度指令
信号を出すための速度基準設定器、８は速度基準設定器
７よりの速度指令信号と速度検出器６からの速度！１！
還信号とを比較増幅する速度偏差増幅器、９はコンバー
タ１の交流入力電流に比例した信号である電流帰還信号
を検出する電流検出器、１０は速度偏差増幅器８の出力
信号と上記電流帰還とを比較増幅する電流偏差増幅器、
１１はこの電流偏差増幅器１０の出力信号によってコン
バータ１の点弧位相を制御するα制陣回路である。１２
はβ制御回路であり、これは速度検出器６又は後述する
電気的位置検出器１３の出力信号に基づき、同期電動Ｒ
４の始動時の断続的ｆｉｌＩ域においてインバータ３の
サイリスクＵＰ−ＷＰ、ＵＮ−ＷＮのゲート信号として
設定転流進み角βを０°を唱え６０’の範囲のグー１〜
信号を与えるものである。

上記電気的位置検出器１３はインバータ３の転流領域に
おける設定制御角度β及び回転速度を検知するものであ
る。

１４は切換回路であり、これは断続始動領域では上記速
度検出器６からの速度！ｌ！還信号を出力し、またイン
バータ３の転流領域では上記電気的位置検出器１３の出
力信号を出力するものである。

以下、このように構成された無整流子電動機の動作につ
いて第２図を参照して説明するが、第２図（ａ　）は交
流電源ＥＲ，ＥＳ、ＥＴの電圧波形図、第２図（ｂ）は
コンバータ１のサイリスタの点弧タイミングを示す図、
第２図（Ｃ）はインバータ３の出力電圧（同期電動機４
の誘起電圧）波形図、第２図（ｄ　）はインバータ３の
サイリスタの点弧タイミングを示す図である。

コンバータ１の入力電流およびそれと比例関係にある同
期電動機４の電機子電流は、電気的位置検出器１３から
の信号を切換回路１４を介して速度信号として帰還し、
この速度帰還信号と速度基準設定器７からの速度指令信
号とを速度偏差増幅器８の入力側で比較する。このとき
、速度偏差増幅器８の出力側には速度偏差信号が現われ
、この速度偏差信号を基準として、同期電動８１４の電
流に比例した電流検出器９の電流帰還信号とを比較し、
電流偏差増幅器１０を介してα位相制ｍ回路１１で第２
図（ａ　）に示すコンバータ１の制御遅れ角（転流遅れ
角）αのゲート信号を出力し、コンバータ１のサイリス
タＲＰ、ＳＰ、ＴＰ、ＲＮ。

ＳＮ、ＴＮを第２図（ｂ）に示す点弧タイミングで導通
し、インバータ３に入力される電力を制御する。

一方、β制御回路１２は、電気的位置検出器１３の電流
位相指令信号を入力し、第２図（Ｃ）に示す制御進み角
（転流進み角）βのゲート信号を、インバータ３のサイ
リスタＩＪＰ〜ＷＰ、ＩＪＮ〜’ｖＶ　Ｎに与えて第２
図（ｄ　）に示す点弧タイミングによって導通する。従
って、同期電動機４の電機子電流は、上記β制御回路１
２のゲート信号と同位相で流れる。このように、電殿子
電流の大きさと位相を制御することによって同期電動機
４の可変速運転が可能となる。

ところで“、上記のような構成のものにおいて、始動時
には同期電動□４の誘起電圧が確立していないため、イ
ンバータ３のサイリスタｕｐ−ｗｐ。

ｔＪＮ−ＷＮの切換え（転流）は、これらに流れる直流
電流を断続して電流通電相を切換える必要がある。この
動作は同期電動機４に設けられた位置検出器５からの信
号を速度検出器６によって速度信号に変換し、この変換
した速度信号を切換回路１４にて速度帰還信号として帰
還することによって行なわれる。第３図は断続始動領域
において上記した従来技術により制御した場合、すなわ
ち転流進み角βａ−０°の場合の各部の波形図であり、
第３図（ａ　）は同期電動機４の誘起電圧波形図、第３
図＜１））は同期電動Ｒ４の相電流波形図、第３図（Ｃ
）はインバータ３のサイリスク点弧タイミングを示す図
、第３図（ｄ　）はインバータ３の入力側の直流電流波
形詳細図である。この第３図（ｄ　）においてインバー
タ３のサイリスタにゲート信号が与えられると、直流電
流の立上りの電流ｒ（ｔ）は簡易的に（１）式で近似さ
れる。

−ωｃｔ ｔ　　（ｔ　　）＝Ｉｄｃ（１−ｅ　　　　　　）（０
＜ｔ　＜ｔ　１）　　　　　　　　（１）ここで、）ｄ
ｃ：速度基準によりきまる直流電流設定（直 ωＣ：電流制御系−巡伝達関数のゼロクロス周波数 【１　：通電期間 である。

又、電流を絞る場合は、コンバータ１の制ｍ遅れ角αを
最大としインバータ３に負の一定電圧を与える。この場
合、断続始動？！４域では同期電動機４の逆起電力がほ
とんど生じないからこの電流はほぼ直線状に変化しく２
式で近似される。

ｈ　（ｔ　）　＝　Ｉｄｃ（１−（ｔ　−ｔｔ　）／Ｔ
ｄ　）（ｔｌ　＜ｔ＜　　ｔｌ＋Ｔｄ）　　　　（２１
となり、ここでＴｄ　　［第３図（ｄ）］はサイリスタ
をオン状態から電流をしぼり零に至る期間である。ＴＺ
　　［第３図（ｄ）］は電流ゼゼロ間であり、これは一
旦サイリスクに流れる電流が零となったのち、再び制御
能力を回復するまで数十〜数百μｓ程度（ターンオフタ
イム）以上のサイリスタで決まる逆バイアス期間が必要
であることから設けである。

次に、第４図により位置検出器（第１図の１３）により
インバータ３の設定転流進み角β０の設定の仕方につい
て説明する。第４図（ａ＞は第１図の同期電動機４の軸
上に取付けられた状態を示す位置検出器１３の側面図、
第４図（ｂ）は第４図（ａ　＞のＸ−ＸＪＩＩに沿って
矢印方向に見た図である。図中１３ａは回転軸、１３ｂ
はセンサ取付台、１３ｃはセンサ、１３ｄはポジション
リング、１３ｅはコレクタリング、１３「はコレクタカ
バー、１３０は取付ボルト、Ａ　１．Ａ　２，８１，８
２．　Ｃ１゜Ｃ２はセンサである。第４図（Ｃ）は位置
検出器１３の出力すなわち各センサの出力を示すもので
あり、第４図（ｄ　）は例えばＵ−Ｖａ間雷電圧立上の
点を示している。いま、Ｂ１の出力をＵ−ｖ線間電圧立
上りの点、Ｃ１をＶ−Ｗ、ＡＩをＷ−Ｕ線間立上りの点
に一致させた場合、設定転流進み各βｏ　＝Ｏ”に設定
される。

又、設定転流進み角を３０°にするには、センサ取付台
１３ｂを矢印に示す回転方向と反対に電気角で３０°ま
わずことにより、第４図（ｄ　）の如く設定される。こ
れは、インバータ３の転流領域は電気的位置検出器１３
より検出されるため、機械的位置検出器５の設定角度は
断続始動ｆｒ４域のみ使用するという点からも達成し得
る。

以下、このように設定転流進み角が３０°に設定された
無整流子電動機の作用について説明する。

いま、瞬時入力電力をＰ（ｔ）、トルクをＴ（【）とす
れば次式が成立する。

Ｐ　（ｊ　）−Ｅｕ−１ｕ　−Ｅｖ−１ｖ　　　　（４
）Ｅｖ　＝Ｅｖ　ｓｉｎ　　（ωｔ　＋−＞−βＤ−θ
１）θ１≠ω（ｔ２＋ｔ３） Ｔ　（ｔ　）　−Ｐ　（ｔ　）／ωｍ　　　　　　　　
（５）ここで　ωｍ＝機械角速度 （４）式にて断続始動領域は二相Ｕ、■通電モードであ
るからＩｕ＝　　Ｉｖであるので（４）式は次式の如く
書き直せる。

Ｐ（ｔ）＝　５　ＥＭ　ｓ　ｉｎ（ωを十三−−Ｉ０−
ｅＨ）　Ｉｕ　　　　＜６）従って、上記（１）（２お
よび（６）式より瞬時入力電力は次式より求まる。

θ≦　ｔ−＜ｔＩ Ｐ（ｔ）＝、／ｒ　ＥＭＩＤ（ｓｉｎ（ωｔ−＋−ｉ−
β０−θ１）・Ｃ１−８−”ｅｔ）　（７）ｔｌ　≦　
ｔ＜　　ｔ２ ｔ２　　≦　ｔ＜　　ｔ３ ある任意の微少時間でωｍ一定と考えれば、トルク脈動
は第５図の概念図のようになる。第５図（ａ　）はβｏ
　＝Ｏ”の場合のトルク脈動を示し、（ｂ）はβｏ　＝
３０”の場合である。この図から明らかなようにβｏ＝
ｏ’の従来の場合、通電位相の進んでいる周波数変換器
の１１！電流による同期電動機４の発生トルクは、他の
一組による発生トルクよりも大きくなることが明らかと
なる。このため１サイクル６０’の期間に大きさの異な
る加振力が加わりトルク脈動率も大きくなり機械軸系の
共振が発生しやすい。一方、βｏ−３０°なる本発明の
場合、トルク脈動が均一化され脈動率の低減が計れるこ
とになる。

さらに、第１図のコンバータ１、直流リアクトル２、イ
ンバータ３、同期電動機４より構成される電気系と、被
駆動機・同期電動機より構成される機械系および制御装
置の数式モデルを作成し、時系列にて過渡解析した結果
を第６図、第７図に示す。第６図は本発明の一実施例、
第７図は従来方法である。

（ａ）はシャフト軸トルク（負荷なしのトルク）（ｂ）
は周期筒ｖＪ機中の発生トルク（負荷と同期電動機が接
続された状態のトルク）、（Ｃ）は回転数、（ｄ　）は
同期電動機４のＵ相電流である。

この結果よりも電動機発生トルクによる機械軸系のねじ
り振動は、設定転流進み角β０を３０°に設定すること
により従来より低減していることがわかる。

以上述べた本発明の実施例によれば、従来無整流子電動
機の断続始動領域におけるトルク脈動によるねじり振動
低減に関する種々な電気的対策。

機械的対策などを考慮することなく、同期電動機４の電
気的位置検出器１３の出力信号を進める（センサ取付台
１３ｂを反回転方向に進める）ことで設定転流進み角β
口を０°を越え６０°の範囲に設定することにより、無
整流子電動機断続時のトルク脈動を抑える効果を有する
。

また、インバータ３にβ制御回路１２から与えられる転
流タイミング信号及び機械的位置検出器５からの速度帰
還信号が、断続始動領域では機械的位置検出器５、負荷
転流領域では電気的位置検出器１３と定格速度の１０％
付近で切換える際に、断続始動領域ではβロシフトし、
負荷転流領域では転流余裕角一定制御を行う点で、負荷
転流領域の負荷特性に依存することなく、断続領域のみ
のトルクリップル低減が可能となる。

以上述べた実施例は設定転流進み各βａを３０゜とした
場合であるが、これをのぞく０°を超え６０°の範囲に
設定しても上記実施例と同様な効果が得られることは実
験結果から明らかであり、また上記実施例はインバータ
３が１個で６パルス形断続始動の場合であるが、これを
第８図に示すようにコンバータ１−１．１−２とし、イ
ンバータ３−１．３−２を組み合せ、多重化無整流子電
動機とし、同期電動機へ供給する直流電流の断続を少な
くする方法や、３０°の位相差を持った３相電機子巻線
２組設けた同期電動機に、３０”の位相差を持った１２
０°方形波電流を通電させるような２組のサイリスタ変
換装置を設けた多相化無整流子１！１Ｄ１１などのシス
テム構成とすることもできる。

二組のサイリスタ周波数変換器より構成される１２パル
ス形無整流子電動機の始動方法は、各組のサイリスタの
通電期間を３０゛とする交互断続方式が採用されている
。第９図は従来技術で制御した場合の交互断続方式を示
すタイムチャー１・で、２組のインバータ側の切換え（
転流）は３０°おきに繰り返され、各組交互に通電され
る。（β〇−〇°）第９図＜ａ　＞は、電動Ｒ誘起電圧
、第９図（ｂ）は各組の周波数変換器による電動機線電
流波形で第９図（Ｃ）はインバータ３−１．３−２を構
成している各組サイリスタのゲート信号を表わす。交互
断続方式は始動時１２パルスにて駆動される。第１０図
は本発明の制御を表わすタイムチャートで設定制御進み
角βｏ−３０°の場合である。

なお、第９図、第１０図において、Ｉｕｔ。

Ｉｖｔ　、Ｉｖｘ　ｌ　　ＩＵ２１　１Ｖ２．ＩＷ２は
同期電動機４の相電流、ｔｌは通電期間、ｔ２コンバー
タ絞り期間、ｔ３は電流零期間である。

この実施例の場合も上記実施例と同様な効果が得られる
。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、同期電動機の断続始動領域
ではサイリスタインバータの設定転流進み角を０°を超
え６０°の範囲に設定したので、いかなる種類でも適用
でき、メインテナンスの必要がなく実用的で、断続始動
領域におけるトルク脈動を低減でき、信頼性の高い無整
流子ＮｖＪ機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による無整流子電動機の一実施例の概略
構成図、第２図は第１図の動作を説明するだめのタイム
チャート、第３図（ａ）、（ｂ）。 （ｃ）、（ｄ）はそれぞれ第１図のインバータの設定転
流転流進み角をＯｏとしたときの同期電動機の誘起電圧
波形、同期電動機の相電流波形、インバータ３のサイリ
スタ点弧タイミング、インバータの入力側の直流電流波
形図の拡大、第４図（ａ　）、　　（ｂ　）、　　（ｃ
　）、　　（ｄ　）はそれぞれ第１図の位置検出器の側
面図、第４図（ａ　）のＸ−Ｘ線に沿って矢印方向に見
た図、位置検出器の出力波形図、位置検出器の調整方法
を説明するための図、第５図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ
断続始動領域における従来と本発明のトルク波形図、第
６図および第７図はそれぞれ従来と本発明における過渡
解析結果を示す図、第８図は本発明の他の実施例の概略
構成を示す図、第９図および第１０図はそれぞれ従来と
本発明の詳細な説明するための口である。 １．１−１．１−２・・・コンバータ、２・・・直流リ
アクトル、３．３−１．３−２・・・インバータ、４・
・・同期電動機、４Ａ・・・′２１ｉ機子巻線、４Ｂ・
・・回転子、５・・・機械的位置検出器、６・・・速度
検出器、７・・・速度基準設定器、８・・・速度偏差増
幅器、９・・・電流検出器、１０・・・電流偏差増幅器
、１１・・・α制御回路、１２・・・β制御回路、１３
・・・電気的位置検出器、１４・・・切換回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第４図 （Ｃ） Ｖｌ／−Ｕ＝ＡＩ 第４図 第５図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この変
   換された直流電力をサイリスタインバータにより交流電
   力に変換して同期電動機を駆動するようにした無整流子
   電動機において、上記同期電動機の断続始動領域では上
   記サイリスタインバータの設定転流進み角を０°を超え
   ６０°の範囲に設定したことを特徴とする無整流子電動
   機。