特許 6695250 界磁巻線型同期電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6695250

(24)【登録日】2020年4月23日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】界磁巻線型同期電動機

(51)【国際特許分類】

   H02P 1/46 20060101AFI20200511BHJP

【ＦＩ】

   H02P1/46

【請求項の数】9

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-187838(P2016-187838)

(22)【出願日】2016年9月27日

(65)【公開番号】特開2018-57095(P2018-57095A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2019年1月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】319007240

【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】郡 大祐

(72)【発明者】

【氏名】小山 貴之

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 元信

【審査官】 佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０３３１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３４３２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−１３９２１６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭４８−０６８７１２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５８−００９５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−２１３３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４８−０５４４６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エキサイターを備え、界磁巻線を短絡して始動させた後、前記エキサイターによって前記界磁巻線を励磁する界磁巻線型同期電動機において、
前記エキサイターと前記界磁巻線は第１の開閉装置を介して接続され、
前記第１の開閉装置のオン・オフを制御する制御信号を出力する始動用制御回路を備え、
前記始動用制御回路は、
前記界磁巻線に発生する誘導起電圧に基づいて同期運転に切り替えるタイミングを検出して、前記タイミングにおいて前記制御信号を作成し、
作成した前記制御信号を、前記タイミングから予め設定される遅延時間だけ遅延させて出力する遅延回路を備え、
前記始動用制御回路は、同期速度に向けて加速して行くに従い減衰していく前記誘導起電圧の振幅あるいは周波数が、予め設定される所定値以下に低下したことを検知することによって前記タイミングを検出し、
前記始動用制御回路は、前記遅延時間を任意に設定可能な遅延時間設定手段を備え、
前記遅延時間設定手段には、前記第１の開閉装置がターンオンされ前記界磁巻線が前記エキサイターに接続されてから、前記界磁巻線の電圧が、前記エキサイターの出力が整流されて得られる直流電圧に到達するまでの時定数に応じて、前記遅延時間が設定されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項2】

請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記界磁巻線は、前記界磁巻線の両端間に接続される放電抵抗によって短絡されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項3】

請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記放電抵抗は、第２の開閉装置を介して、前記界磁巻線の両端間に接続されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項4】

請求項３に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記第２の開閉装置はサイリスタであり、前記界磁巻線からの誘導起電流を、抵抗とツェナーダイオードとの直列接続回路を介してゲートに与えることによりターンオンされることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項5】

請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記第１の開閉装置と前記界磁巻線との間に接続される第３の開閉装置と、
前記界磁巻線の温度に基づいて、前記第３の開閉装置のオン・オフを制御する温度検出回路と、
を備え、
前記温度検出回路は、前記界磁巻線の温度が、予め設定される温度以上になると、前記第３の開閉装置をターンオフすることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項6】

請求項２に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記放電抵抗が可変抵抗であることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項7】

請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記第１の開閉装置と前記界磁巻線との間に接続される第３の開閉装置と、
前記エキサイターから前記界磁巻線に供給される電流に基づいて、前記第３の開閉装置のオン・オフを制御する電流検出回路と、
を備え、
前記電流検出回路は、前記電流が、予め設定される電流以上になると、前記第３の開閉装置をターンオフすることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項8】

請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
前記制御信号が、連続する複数のパルス信号からなるパルス列によって構成されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【請求項9】

請求項１に記載の界磁巻線型同期電動機において、
回転軸となるシャフトが増速ギアを介してコンプレッサーと機械的に接続されることを特徴とする界磁巻線型同期電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、界磁巻線型同期電動機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

界磁巻線型同期電動機の始動手段として、インバータを用いる手段が適用されている。しかしながら、可変速運転を必要としない場合、インバータの使用は始動時のみとなるため、インバータ分のイニシャルコストおよび設置スペース等の負担が大きい。

【0003】

これに対し、ダイレクトオンライン（ＤＯＬ）始動はインバータを使用しない始動手段である。この始動手段は、誘導電動機の全電圧始動と同様の始動手段であり、同期電動機でありながら、誘導電動機の特性を利用して始動する。この時、誘導電動機の特性を得るために、回転子側の界磁巻線を、励磁用のＡＣエキサイターから切り離して、短絡状態にする。また、始動トルクの減少を抑制するために、放電抵抗（ＤＲ：Discharge Resistor）を短絡回路に挿入する。

【0004】

しかしながら、ＤＲは、同期速度での定常運転時には電力損失を発生するので、電動機の効率は低下する。このため、ＤＲを同期運転時には切り離すことが必要となる。ＤＯＬ始動から同期運転に移行するには、始動後、同期速度付近まで加速されたら、界磁巻線を、短絡状態から、ＡＣエキサイターと接続される状態に切り替える。切り替え手段として、整流回路と界磁巻線の間にサイリスタが設けられる。サイリスタは、専用の始動用制御回路によって開閉される。始動用制御回路は、界磁巻線に発生する誘導起電圧のすべり（周波数）および振幅を検知して、検知信号に応じてサイリスタへ制御信号を出力している。

【0005】

界磁巻線をＡＣエキサイターとの接続状態への切り替え、すなわち界磁投入する際、適位相である必要がある。適位相の条件は、始動時の同期電動機の特性、負荷、慣性等の影響で変化する。よって、適位相で界磁投入できない場合、界磁投入後の電機子電流、トルク、回転速度が不安定になる怖れがある。

【0006】

界磁巻線型同期電動機の始動から同期運転に切り替えるための回路について、特許文献１，２および３に記載の技術が知られている。

【0007】

特許文献１に記載の技術では、界磁巻線が、界磁投入用のサイリスタを介して、ＡＣエキサイターおよび整流回路に接続されている。さらに、始動時における界磁巻線短絡用のサイリスタのゲートに接続される。また、放電抵抗を切り離すためのサイリスタのゲートと界磁巻線の間には、誘導起電流をゲートに流してサイリスタをオンするために、抵抗とダイオードからなる直列回路が接続される。この直列回路の途中とグランド間に接続されるバイパス回路によって、界磁投入後に、放電抵抗を切り離すためのサイリスタがオンすることを防止している。

【0008】

特許文献２に記載の技術では、一次巻線および二次巻線が、それぞれ回転軸および固定子に設けられる回転変圧器を用いて検出される回転位相に基づいて、適位相で界磁投入する適位相投入装置が設けられる。また、励磁機に接続される整流回路を構成するサイリスタが、適位相投入装置によって制御され、界磁投入する。

【0009】

特許文献３に記載の技術では、界磁巻線は、整流回路、界磁投入用のサイリスタおよび適位相同期投入装置を介して励磁機が接続される。適位相同期投入装置は、同期電動機が同期速度近くまで加速されると、同期投入指令を出力してサイリスタをオンする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１５−３３１５０号公報

【特許文献2】特開平７−５９３７２号公報

【特許文献3】特開平３−７８４７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

特許文献１の技術においては、界磁巻線の時定数（インダクタンス）が大きい場合、適位相のタイミングを調整することが難しい。また、界磁投入後、パイパス回路を構成するダイオードが常時通電状態となるため、ダイオードが発熱する。

【0012】

特許文献２の技術においては、界磁投入用のサイリスタが整流回路を構成するため、このサイリスタは回転子に配置されることを要する。本技術は、適位相投入装置の保守点検を容易にするものである。このため、適位相投入装置は同期電動機の外部に設置されることを要する。従って、サイリスタと適位相投入装置を接続するためには、スリップリング装置等を回転軸に設けることを要する。このため、始動用の装置の部品点数が増加する。また、変圧器は、電子回路や半導体素子等に比べると質量が大きいため、回転子内に配置する場合、遠心力により強度信頼性が低下する怖れがある。

【0013】

特許文献３の技術においては、ＤＲを備えていないため、始動時の同期電動機の特性、負荷、慣性等の影響により、始動中のトルクが減少して回転加速度が低下する場合がある。このため、同期電動機の回転速度が同期速度まで到達すること難しくなる可能性がある。

【0014】

そこで、本発明は、電動機特性に応じて、確実に適位相で界磁投入が可能な界磁巻線型同期電動機を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するために、本発明による界磁巻線型同期電動機は、エキサイターを備え、界磁巻線を短絡して始動させた後、エキサイターによって界磁巻線を励磁するものであって、エキサイターと界磁巻線は第１の開閉装置を介して接続され、開閉装置のオン・オフを制御する制御信号を出力する始動用制御回路を備え、始動用制御回路は、界磁巻線に発生する誘導起電圧に基づいて同期運転に切り替えるタイミングを検出して、このタイミングにおいて制御信号を作成し、作成した制御信号を、このタイミングから予め設定される遅延時間だけ遅延させて出力する遅延回路を備え、始動用制御回路は、同期速度に向けて加速して行くに従い減衰していく誘導起電圧の振幅あるいは周波数が、予め設定される所定値以下に低下したことを検知することによってこのタイミングを検出し、始動用制御回路は、遅延時間を任意に設定可能な遅延時間設定手段を備え、遅延時間設定手段には、第１の開閉装置がターンオンされ界磁巻線がエキサイターに接続されてから、界磁巻線の電圧が、エキサイターの出力が整流されて得られる直流電圧に到達するまでの時定数に応じて、遅延時間が設定される。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、界磁投入のタイミングを遅らせることにより、電動機特性に応じて確実に適位相で界磁投入が可能となる。

【0018】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施例１である界磁巻線型同期電動機の外観図である。

【図2】実施例１における回転子および固定子の断面図である。

【図3】実施例１における同期投入装置の回路構成を示す。

【図4】始動用制御回路の入力信号となる誘導起電圧の波形例を示す。

【図5】始動用制御回路の機能ブロック図を示す。

【図6】界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。

【図7】界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の他の波形例を示す。

【図8】誘導起電圧と、遅延された始動用制御回路の出力信号を示す。

【図9】本発明の実施例２である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。

【図10】本発明の実施例３である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。

【図11】整流回路が出力する直流電圧波形を示す。

【図12】本発明の実施例４である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。

【図13】温度検出回路の内部構成を示す。

【図14】本発明の実施例５である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。

【図15】本発明の実施例６である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。

【図16】電流検出回路の内部構成を示す。

【図17】本発明の実施例７である界磁巻線型同期電動機における、界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。

【図18】本発明の実施例８である界磁巻線型同期電動機の外観図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１〜８により、図面を用いながら説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

【実施例1】

【0021】

図１は、本発明の実施例１である界磁巻線型同期電動機の外観図である。本実施例１は、数十ＭＷ級のＬＮＧプラント等に適用され、駆動電源として三相交流電源が供給され、回転速度が７５０〜１８００ｍｉｎ^−１の範囲で回転する。

【0022】

図１に示すように、界磁巻線型同期電動機１３は、回転機部３、回転機部３を冷却するための熱交換器１５、並びに励磁用のＡＣエキサイター４（本実施例では、ブラシレスＡＣエキサイター）を備えている。回転機部３の筐体内部において、後述するような、回転子、固定子およびシャフトが配置されている。図示していないが、回転機部３の内部で冷却風を循環するためのファンが設けられる。ＡＣエキサイター４は、回転子の界磁巻線に直流電流を通電して励磁するための装置である。熱交換器１５は、回転機部３内の冷却風を熱交換するための装置であり、本実施例では水冷式の熱交換器であるが、空冷式の熱交換器を適用しても良い。

【0023】

図２は、実施例１における回転子および固定子の断面図である。

【0024】

図２に示すように、回転子８は、回転子鉄心２６、回転軸となるシャフト９、および回転子鉄心２６に巻装される界磁巻線１０を備えている。界磁巻線１０は、周方向に交互に極性が変わるように、巻線方向を変えて配置される。回転子鉄心２６は、ダンパー効果を得るために、塊状鉄心としている。これにより、始動時のトルクを増加させることができる。なお、回転子鉄心２６として、積層電磁鋼板を用いても良い。固定子５においては、固定子鉄心２７が軸方向に電磁鋼板が積層されて構成され、固定子スロット６にはコイル７が設けられる。

【0025】

図２に示すように、実施例１では、回転子極数は４極、固定子スロット数は８４個であるが、他の極数、スロット数でも良い。また、コイル７の巻線方法は分布巻や集中巻のいずれでも良い。

【0026】

図３は、実施例１における同期投入装置の回路構成を示す。以下、図３を用いて回路動作を説明する。

【0027】

始動時、サイリスタ１はオフ状態である。よって、界磁巻線１０はＡＣエキサイター４を含む励磁回路から電気的に切り離されるが、界磁巻線１０にはＤＲ１４（放電抵抗）が並列接続される。すなわち、界磁巻線１０の両端はＤＲ１４を介して短絡される。これにより、始動時、固定子５に三相電圧を印加することで、界磁巻線１０には誘導起電流が発生し、誘導電動機と同様の動作原理で始動できる。ＤＲ１４を設けることで、誘導電動機において二次回路の抵抗によって始動トルクを調整できるのと同様に、始動トルクの低下を抑制することができる。

【0028】

ここで、サイリスタ１に代えて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタなどの開閉装置を用いても良い。

【0029】

なお、本実施例１において、放電抵抗は固定抵抗によって構成される。

【0030】

次に、界磁巻線型同期電動機が同期速度付近まで加速されると、同期投入装置は、界磁巻線型同期電動機を同期運転に切り替えるために界磁投入動作を行う。ここで、ＡＣエキサイター４の発電原理はいわゆる交流励磁式同期発電機と同様であり、ＡＣエキサイター４の固定子側に励磁電流を流し、ＡＣエキサイター４の回転子が回転機部３の回転子８と同軸に回転することにより、ＡＣエキサイター４の回転子に発電電流が発生する。これにより、ブラシレスにて界磁巻線１０に励磁電流を供給することができる。このような動作により、発電電流は、電動機が加速するに従い増加する。ＡＣエキサイター４から流れる三相交流電流は、六個のダイオード１１ｂから構成される三相ブリッジ型整流回路によって直流電流へ変換される。

【0031】

直流電流は、始動時、サイリスタ１がオフ状態であるため、界磁巻線１０には通電されない。始動用制御回路３０からサイリスタ１のゲートへ制御信号すなわちゲート駆動信号が発信されると、サイリスタ１はターンオンとなり、これにより界磁巻線１０へ直流電流が通電される。

【0032】

サイリスタ１をターンオンする条件としては、始動特性の特長を検出して、同期速度付近でターンオンさせることが好ましい。そのため、始動用制御回路３０には、サイリスタ１のカソード側から、始動時の誘導起電圧を入力信号として取り込む（ａ）。

【0033】

図４は、始動用制御回路３０の入力信号となる誘導起電圧の波形例を示す。

【0034】

図４に示すように、始動時は電圧の振幅が大きく周波数も高い。これは誘導電動機のすべりが大きい状態と同様であり、同期速度（定格速度）に向けて加速して行くに従い、誘導起電圧２３の振幅および周波数は共に減衰していく。従って、誘導起電圧２３の振幅または周波数が予め設定される所定値以下に低下したことを検知すれば、回転速度が同期速度付近になり、同期運転へ切り替えるタイミングであることを検知することができる。

【0035】

図５は、始動用制御回路３０の機能ブロック図を示す。図５に示すように、始動用制御回路３０は、主にピークホールド回路１９、Ｆ／Ｖコンバータ２０（Frequency／Voltageコンバータ）、遅延回路２８で構成される。各々の機能は次のとおりである。

【0036】

ピークホールド回路１９は、入力された誘導起電圧２３（図４）のピーク値を検出する。ピークホールド回路１９において、誘導起電圧２３は端子ａに入力され、電源は端子ｃに接続され、グランドは、入力および電源に対して共通の端子ｂに接続される。ピークホールド回路１９の電源は、ＡＣエキサイター４（図３）の交流出力電圧がダイオード１１ｂ（図３）を介して直流電圧に変換され、さらに抵抗１８（図３）とツェナーダイオード１６ｂ（図３）から構成される定電圧回路を経て定電圧で供給される。検出した誘導起電圧の電圧値と、電圧設定３４にて設定される電圧値とが比較器３２で比較され、両電圧が同じになったら、比較器３２は遅延回路２８に信号を出力する。

【0037】

Ｆ／Ｖコンバータ２０は、すべりを検出する回路である。Ｆ／Ｖコンバータ２０の入力、出力、電源、グラウンドはピークホールド回路１９と共通である。Ｆ／Ｖコンバータ２０は、すべりを電圧に変換し、周波数設定３１にて設定される周波数と比較器３２で比較し、両者が同じになったら、遅延回路２８に信号を出力する。

【0038】

これらピークホールド回路１９側およびＦ／Ｖコンバータ２０側により、回転速度が同期速度付近であること、すなわち同期運転に切り替えるタイミングであることが検出される。

【0039】

遅延回路２８は、入力信号を遅延時間設定３３に設定される遅延時間だけ遅延させて、端子ｄから出力する。すなわち、遅延回路２８は、ＡＣエキサイター４と界磁巻線１０との接続を、界磁巻線１０に発生する誘導起電圧の振幅あるいは周波数が、界磁巻線１０の励磁に切り替えるための所定の条件となる。すなわち同期運転に切り替える条件を満たす時点から、所定時間遅らせる機能を有する。これにより、後述するように、安定した始動特性が得られる。なお、遅延時間設定３３は、遅延時間を任意に設定できる。

【0040】

遅延回路２８は、ピークホールド回路１９側およびＦ／Ｖコンバータ２０側のいずれかから信号が発信されると動作する。これにより、同期運転に切り替えるタイミング検出の信頼性が向上する。なお、ピークホールド回路１９側およびＦ／Ｖコンバータ２０側のいずれか一方のみを設けるようにしても良い。

【0041】

図５に示す始動用制御回路は、アナログ回路、デジタル回路、ソフトウェアによって制御される演算処理装置など各種の回路によって構成できる。また、これらの回路が混在しても良く、例えば、少なくとも遅延回路２８および遅延時間設定３３をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって構成し、他をアナログＩＣなどによって構成しても良い。これにより、遅延時間を任意に設定することが容易になる。

【0042】

ここで、予め設定される誘導起電圧の電圧値やすべりの周波数値に基づいて界磁投入を制御する詳細な理由は、次のとおりである。誘導電動機は始動時の負荷状態により、加速状態が異なり、これに伴いすべり周波数も変化していく。負荷状態を考慮し、適切な電圧振幅とすべりを設定して、これらに基づき界磁投入を制御することで、安定した始動特性を得ることができる。すなわち、電圧設定３４および周波数設定３１は適位相条件を設定する。

【0043】

図６は、始動から界磁投入後までにおいて界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。なお、図６において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。

【0044】

界磁投入する位相として、図６に示すように誘導起電圧が負極性側に切り替わるゼロクロス点に合わせて界磁投入すると適位相となる。界磁投入後は整流回路を介した界磁電圧２９に切り替わる。図６においては、界磁電圧２９が、始動用制御回路３０から出力された単一のパルスからなる制御信号により、整流回路を介するＡＣエキサイター側からの電圧に切り替わった直後に直流電圧に到達する時の時定数は比較的小さい。このような場合、上述した適位相にて界磁投入すれば安定した始動特性を得ることができる。なお、ゼロクロス点検出機能は、ピークホールド回路１９およびＦ／Ｖコンバータ２０に持たせることができる。

【0045】

図７は、始動から界磁投入後までにおいて界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の他の波形例を示す。なお、図６と同様に、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。

【0046】

図７においては、界磁電圧２９が始動用制御回路３０から出力された信号により切り替わった直後に直流電圧に到達する時の時定数は、図６と比較すると大きい。このような時定数の大小は電動機の特性に依存し、図６のように、適位相となるような、時定数が小さい特性になるとは限らない。この場合、界磁投入する適位相の条件が成立する時点が、時定数の影響により、誘導起電圧２３の負極性側に切り替わるゼロクロス点からずれてくる。よって、遅延時間設定３３（図５）によりゼロクロス点より遅延させた点で界磁投入することで、安定した始動特性を得ることが可能となる。

【0047】

図８は、誘導起電圧と、遅延された始動用制御回路３０の出力信号を示す。

【0048】

図８に示すように、ゼロクロス点から誘導起電圧の１周期以内の任意の点で界磁投入する。また、適位相の条件に、慣性や負荷の大小関係が影響する場合もある。よって、電圧設定３４や周波数設定３１にて設定される適位相条件で界磁投入しても安定した始動特性を得られない場合でも、本実施例１のように、界磁投入を指令する始動用制御回路３０の出力信号を任意に遅延させることができる機能を有することで、様々な条件下で安定した始動特性を得ることが可能となる。

【0049】

なお、上述したピークホールド回路１９は電圧を検出できる機能を有するものであれば良い。また、Ｆ／Ｖコンバータ２０も周波数を検出できる機能を有するものでれば良く、例えばカウンター機能を有した回路であれば、ゼロクロス点をカウントすることで、周波数とゼロクロス点を検出することが可能である。

【0050】

本実施例１によれば、上述のような遅延回路を設けることにより、同期投入装置の規模を大きくすることなく、確実に適位相で界磁投入することが可能になる。

【実施例2】

【0051】

図９は、本発明の実施例２である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例２の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。以下、実施例１と異なる点について説明する。

【0052】

本実施例２の同期投入装置は、界磁投入後にＤＲ１４を電気的に切り離すための回路を備える。ＤＲ１４は、前述のように、始動時のトルク低下を抑制するために設けられ、界磁投入後に電流が流れると電力損失を生じる。このため、電動機の効率低下や発熱を招く。そこで、本実施例２では、次に説明するように、界磁投入後はＤＲ１４が電気的に切り離される。

【0053】

本実施例２において、ＤＲ１４は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、界磁巻線１０と並列に接続される。すなわち、界磁巻線１０の両端は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、ＤＲ１４によって短絡される。サイリスタ２のカソード・ゲート間には、サイリスタ２に、ゲート信号として、界磁巻線１０の誘導機電流をゲートに与えるために、ツェナーダイオード１６ａとダイオード１１ａの直列接続回路が接続される。

【0054】

始動時において、サイリスタ１はオフ状態であり、固定子５（図２）に三相電圧が印加されると、界磁巻線１０には発生する誘導起電圧が、抵抗１７，ＤＲ１４を介してツェナーダイオード１６ａに印加される。一定以上の逆方向電圧が加わると、ツェナーダイオード１６ａの降伏現象によりサイリスタ２のゲートに電流が流れる。これにより、サイリスタ２はターンオンし、プラス側の誘導起電流がＤＲ１４に流れる。一方、マイナス側の誘導起電流は、ダイオード１１ａを含む経路でＤＲ１４に流れる。

【0055】

ここで、一定以上の逆方向電圧は、誘導起電圧２３（図４）であり、図４で示したように、始動時は電圧の振幅も大きく周波数も高い状態となる。そこで、ツェナーダイオード１６ａの電圧特性を、発生する誘導起電圧２３に応じて選定すれば、同期速度付近でサイリスタ２をターンオフさせて、サイリスタ２を介してＤＲ１４に流れるプラス側の電流を遮断することができる。このように、始動してから同期速度付近までは、誘導起電流がＤＲ１４に流れ、同期速度付近になるとＤＲ１４には、ダイオード１１ａを介して誘導起電流のマイナス側の電流のみ流れる。

【0056】

界磁投入時に界磁巻線１０には直流電流が流れるため、サイリスタ２をターンオフすれば、直流電流はダイオード１１ａに対しては逆方向電流となるため、ＤＲ１４に電流は流れない。従って、界磁投入後に、ＤＲ１４を界磁巻線１０から電気的に切り離される。これにより、ＤＲ１４により始動時のトルク低下を抑制しながらも、電動機の効率低下や発熱を防止することができる。

【0057】

なお、サイリスタ２に代えて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタなどの開閉装置を用いても良い。

【実施例3】

【0058】

図１０は、本発明の実施例３である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例３の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。また、本実施例３の同期投入装置においては、実施例２（図９）と同様に、ＤＲ１４は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、界磁巻線１０と並列に接続されると共に、サイリスタ２のカソード・ゲート間には、サイリスタ２にゲート信号を与えるためにツェナーダイオード１６ａとダイオード１１ａの直列接続回路が接続される。

【0059】

以下、実施例２と異なる点について説明する。

【0060】

本実施例３においては、サイリスタ２とダイオード１１ａの並列接続回路とＤＲ１４との接続点と、ツェナーダイオード１６ａのカソード、すなわち抵抗１７とツェナーダイオード１６ａとの接続点との間に、フィルターコンデンサ２４が接続される。

【0061】

上述したように、サイリスタ１がターンオンすることで界磁投入される。界磁投入されると、ＡＣエキサイター４からの三相交流電流が、六個のダイオード１１ｂから構成される整流回路によって直流電流に変換されて界磁巻線１０に供給される。

【0062】

図１１は、整流回路が出力する直流電圧波形を示す。

【0063】

図１１に示すように、直流電圧波形は三相全波整流のため、ＡＣエキサイターの周波数の６倍の周波数でリップルが発生する。この波形から判るように、サージ電圧３９が周期的に発生している。サージ電圧３９の大きさは、直流電圧の平均値の数倍となる。サージ電圧３９は、ダイオード１１ｂの逆回復電流の影響により発生する。ダイオード１１ｂには、交流電圧が印加されるので、順方向と逆方向にバイアス電圧が加わる。逆回復電流は、逆方向にバイアス電圧が加わった時に発生し、時間経過と共に減少する。この時の逆方向電流の減少率（ｄｉ／ｄｔ）により、回路中の寄生インダクタンス（Ｌ）にサージ電圧３９（Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ））が発生する。

【0064】

サージ電圧３９はツェナーダイオード１６ａにも印加されるので、サージ電圧３９が過大になると、ツェナーダイオード１６ａが降伏してサイリスタ２がターンオンし、切り離したＤＲ１４が再び界磁巻線１０に接続される可能性がある。これに対し、本実施例３では、上述のようなフィルターコンデンサ２４がローパスフィルタとして機能するため、サージ電圧３９によるサイリスタ２の再ターンオンを防止することができる。

【0065】

サージ電圧３９の周波数成分は直流リップル（周波数の６倍成分）よりも、更に高い周波数となるため、ＡＣエキサイターの周波数に応じて、コンデンサの容量を適宜設定することが好ましい。さらに、ノイズ等の突発的な電圧変化に対しても、フィルターコンデンサ２４がローパスフィルタとなるため（一般的にノイズは高周波）、サイリスタ２をオフ状態に維持し、ＤＲ１４を界磁巻線１０から確実に切り離すことができる。また、フィルターコンデンサ２４としては、比較的経年変化の影響が小さいフィルムコンデンサを適用することが好ましい。さらに、本実施例３によれば、フィルターコンデンサ２４を追加すればよいので、サージ電圧３９によるサイリスタ２の再ターンオンを防止する機能を付加しながらも、部品点数の増加は抑制される。

【実施例4】

【0066】

図１２は、本発明の実施例４である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例４の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。また、本実施例３の同期投入装置においては、実施例２（図９）と同様に、ＤＲ１４は、サイリスタ２とダイオード１１ａの逆並列回路を介して、界磁巻線１０と並列に接続されると共に、サイリスタ２のカソード・ゲート間には、サイリスタ２にゲート信号を与えるためにツェナーダイオード１６ａとダイオード１１ａの直列接続回路が接続される。さらに、実施例３（図１０）と同様に、サイリスタ２とダイオード１１ａの並列接続回路とＤＲ１４との接続点と、ツェナーダイオード１６ａのカソード、すなわち抵抗１７とツェナーダイオード１６ａとの接続点との間に、フィルターコンデンサ２４が接続される。

【0067】

以下、実施例３と異なる点について説明する。

【0068】

図１２に示すように、本実施例４においては、界磁巻線１０に温度センサー３５を取付けて、界磁巻線１０の温度を検出する。温度センサー３５からの信号は温度検出回路２１へ入力され、予め設定される温度以上になった場合、サイリスタ１と界磁巻線１０の間に設けられる開閉装置２２をターンオフする。

【0069】

温度検出回路２１において、温度センサー３５からの信号は端子ｅへ入力され、電源は端子ａに接続され、グランドは入力および電源に対して共通の端子ｂに接続される。温度センサー３５からの信号に基づいて温度検出回路２１は開閉装置２２の制御信号を作成して端子ｆに出力する。この制御信号は開閉装置の制御端子に与えられると、開閉装置２２は制御信号に応じてターンオンおよびターンオフする。なお、開閉装置２２としては、オン・オフが可能な自己消弧形素子、例えばＩＧＢＴなどが適用される。

【0070】

図１３は、温度検出回路２１の内部構成を示す。

【0071】

図１３に示すように、端子ａに入力される温度センサー３５からの信号は、増幅回路３６によって増幅される。増幅回路３６の駆動用電源は、ＡＣエキサイター４（図１２）の交流出力電圧がダイオード１１ｂ（図１２）を介して直流電圧に変換され、さらに抵抗１８（図１２）とツェナーダイオード１６ｂ（図１２）から構成される定電圧回路を経て定電圧で供給される。比較器３２は、増幅回路３６より増幅された信号の電圧と、温度設定３７にて予め設定される電圧を比較器３２で比較し、両者が同じになったら、開閉装置２２への制御信号を端子ｄに出力する。

【0072】

本実施例４によれば、界磁巻線１０の温度が、巻線に許容されている温度上限値になった場合、開閉装置２２がオフして、同期運転状態からＤＯＬ状態に戻る。ＤＯＬ状態に戻り、すべりが低い場合は、界磁電流よりも誘導起電流は小さくなるため、界磁巻線１０のオーバーヒートを回避することができる。一方、ＤＯＬ状態に戻り、すべりが高い場合は、回転速度自体も低下するため、電動機自体が異常状態であることを検知することができる。

【実施例5】

【0073】

図１４は、本発明の実施例５である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例５の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。

【0074】

本実施例５の同期投入装置の回路構成は、実施例３（図１０）とほぼ同様であるが、実施例３とは異なり、放電抵抗ＤＲ（図１０ではＤＲ１４）を可変抵抗３８としている。ＤＲを可変抵抗３８にすることにより、電動機の素性（出力、周波数）が変わった場合でも、最適な抵抗値に設定することができる。ＤＲの抵抗値を最適化にすることにより、始動電流を最小限にすることができる。

【実施例6】

【0075】

図１５は、本発明の実施例６である界磁巻線型同期電動機における同期投入装置の回路構成を示す。なお、本実施例６の外観、並びに、回転子および固定子の断面図は、それぞれ図１、並びに図２に示す実施例１と同様である。

【0076】

本実施例６の同期投入装置の回路構成は、実施例４（図１２）とほぼ同様であるが、以下、実施例４とは異なる点について説明する。

【0077】

図１５に示すように、ツェナーダイオード１６ｂのアノード側とグランド間に、ツェナーダイオード１６ｂに流れる電流を検出する電流センサー４０が設けられる。

【0078】

電流センサー４０からの信号は電流検出回路４１へ入力され、電流検出回路４１は、信号の示す検出電流が予め設定した電流以上になった場合、サイリスタ１と界磁巻線１０の間に設けられる開閉装置２２をオフする。

【0079】

電流検出回路４１において、電流センサー４０からの信号は端子ｅへ入力され、電源は端子ａに接続され、グランドは入力・電源に対して共通の端子ｂに接続される。電流センサー４０からの信号に基づいて電流検出回路４１は開閉装置２２の制御信号を作成して端子ｆに出力する。この制御信号は開閉装置の制御端子に与えられると、開閉装置２２は制御信号に応じてターンオンおよびターンオフする。なお、開閉装置２２としては、オン・オフが可能な自己消弧形素子、例えばＩＧＢＴなどが適用される。

【0080】

図１６は、電流検出回路４１の内部構成を示す。

【0081】

図１６に示すように、端子ａに入力される電流センサー４０からの信号は、増幅回路３６によって増幅される。増幅回路３６の駆動用電源は、ＡＣエキサイター４（図１５）の交流出力電圧がダイオード１１ｂ（図１５）を介して直流電圧に変換され、さらに抵抗１８（図１５）とツェナーダイオード１６ｂ（図１５）から構成される定電圧回路を経て定電圧で供給される。比較器３２は、増幅回路３６より増幅された信号の電圧と、電流設定４２にて予め設定される電圧を比較器３２で比較し、両者が同じになったら、開閉装置２２への制御信号を端子ｄに出力する。

【0082】

本実施例６によれば、ＡＣエキサイターからの電流が過電流状態になった場合、開閉装置２２がオフして、同期運転状態からＤＯＬ状態に戻る。ＤＯＬ状態に戻り、すべりが低い場合は、界磁電流よりも誘導起電流は小さくなるため、界磁巻線１０のオーバーヒートを回避することができる。一方、ＤＯＬ状態に戻り、すべりが高い場合は、回転速度自体も低下するため、電動機自体が異常状態であることを検知することができる。また、ツェナーダイオード１６ｂのアノード側の電流を検出しているため、電流は界磁電流よりも低いことから、電流センサー４０の体格も小さくコンパクトにすることが可能となる。

【0083】

なお、回路中における電流検出箇所は、本実施例における検出箇所に限らず、界磁巻線を流れる電流あるいはＡＣエキサイターからの電流が直接あるいは間接に検出可能な場所であれば良い。

【実施例7】

【0084】

図１７は、本発明の実施例７である界磁巻線型同期電動機における、始動から界磁投入後までにおいて界磁巻線に発生する電圧と始動用制御回路から出力される信号の波形例を示す。なお、図１７において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。また、図１７は、遅延回路２８（図５）が動作していない場合について示すが、動作している場合も同様である。

【0085】

本実施例７においては、実施例１とは、始動用制御回路から出力される信号の波形が次のように異なっている。

【0086】

図１７に示すように、本実施例７においては、界磁投入の条件成立後に、始動用制御回路から、断続的に信号が出力される。

【0087】

界磁投入によりＡＣエキサイターからの直流電圧に切り替わる時に、すべりが大きい場合等に、切り替わった直後に電圧が大きく動揺する場合がある。このとき、動揺した電圧の振幅が負極性側まで振れた場合、サイリスタ１がターンオフする可能性がある。このように、サイリスタ１がターンオフするとき、始動用制御回路３０からの出力信号が１パルスのみであると、再度、界磁投入することが難しくなる。すなわち、界磁投入がなされず誘導電動機として運転し続けることになる。これに対し、本実施例７では、界磁投入の条件成立後に断続的にパルス信号を出力し続けること、すなわち連続する複数のパルスからなるパルス列を出力することで、再度、界磁投入することが可能となる。

【実施例8】

【0088】

図１８は、本発明の実施例８である界磁巻線型同期電動機の外観図である。

【0089】

本実施例８においては、界磁巻線型同期電動機１３において回転軸となるシャフトが、増速ギア２５を介してコンプレッサー１２と連結される。界磁巻線型同期電動機１３としては、実施例１〜７のいずれかが適用される。

【0090】

本実施例８によれば、界磁巻線型同期電動機を、ＬＮＧや薬品の製造プラント、化学プラントなどの圧縮機を必要とするプラントへ設置し、運転することが可能となる。

【0091】

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

【符号の説明】

【0092】

１，２ サイリスタ、３ 回転機部、４ ＡＣエキサイター、５ 固定子、
６ 固定子スロット、７ コイル、８ 回転子、９ シャフト、１０ 界磁巻線、
１１ａ，１１ｂ ダイオード、１２ コンプレッサー、１３ 界磁巻線型同期電動機、
１４ ＤＲ（放電抵抗）、１５ 熱交換器、１６ａ，１６ｂ ツェナーダイオード、
１７，１８ 抵抗、１９ ピークホールド回路、２０ Ｆ／Ｖコンバータ、
２１ 温度検出回路、２２ 開閉装置、２３ 誘導起電圧、
２４ フィルターコンデンサ、２５ 増速ギア、２６ 回転子鉄心、
２７ 固定子鉄心、２８ 遅延回路、２９ 界磁電圧、３０ 始動用制御回路、
３１ 周波数設定、３２ 比較器、３３ 遅延時間設定、３４ 電圧設定、
３５ 温度センサー、３６ 増幅回路、３７ 温度設定、３８ 可変抵抗、
３９ サージ電圧、４０ 電流センサー、４１ 電流検出回路、４２ 電流設定

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】