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図面 (5)

課題

本発明は、二次電流高調波によって引き起こされる一次電流の高調波を低減できる可変誘導回転電機を提供することを目的とする。

解決手段

巻線形誘導回転電機の二次側の1極1相当たりのスロット数偶数とし、同極同相で且つ電気角で30°ずれたスロットに挿入された巻線を分割して引き出し各々ダイオード整流器直結して、二次回路インピーダンスの殆どがインダクタンス分である場合は、各々の巻線に接続された整流器直列に接続し、二次回路のインピーダンスの殆どが抵抗分である場合は、各々の巻線に接続された整流器を並列に接続にすることによって達成される。

概要

背景

誘導回転電機はその周辺機器が少なく構造が簡単であることから、ポンプファンなどを駆動する電動機として幅広く使用される。特に可変速運転が必要とされる場合、巻線形誘導電動機二次巻線整流器直結し、その出力側可変抵抗を接続して抵抗値を変化させるなどして、二次側電力を制御することで回転速度を制御するといった、誘導回転電機の比例推移原理を利用した運用や、セルウビウスのように、前述の可変抵抗の代わりに直流リアクトルを介して回生インバータを接続し、可変速運転時の余剰電力回生する運用がなされる場合がある。

また発電機としては、特開平2−179300 号公報の図1に記されているような、誘導発電機の二次巻線に整流器を直結しその出力側に直流チョッパを接続し、チョッパオンオフ動作させることによって回転速度を制御するとともにチョッパオフ時の余剰電力をインバータなどで回生する可変誘導発電装置などに利用されている。

ところが、誘導回転電機の二次巻線にダイオード整流器を接続すると、転流現象によって二次電流高調波が多く含まれるため、これが一次電流に影響を及ぼし、系統電圧を歪ませる要因になる。つまり、転流現象によって二次巻線に流れる電流は180°の半周期のうち、30°から150°までの120°を通電し、基本波に対して5,7,11,13次・・・といった、即ちmを整数とすると、周波数成分は1±6m倍の高調波を含んだものとなる。このような高調波二次電流による回転磁界の回転方向まで考えると、一次電流には1±6ms倍(sはすべり)の高調波となって波及することが知られている。なお、二次回路抵抗分の占める割合がインダクタンス分を無視できるくらい大きい場合、インダクタンスによる電流急変を抑制する作用は殆どないため、二次電流は30°から90°と90°から150°の180°の半周期のうち2回通電する三角波状となり、1±6m倍の高調波のうち、特に5次,7次成分の占める割合が高くなり、11,13次・・・成分は無視できるほど小さくなる特徴を有する。

このため、特開昭56−160000号公報では、巻線形誘導回転電機の二次巻線を二重巻線とし一方をデルタ結線、もう一方をスター結線として各々に整流器を接続して、その30°の位相ずれにより各相の高調波を相殺させ、誘導回転電機から発生する高調波を低減させる方法が提案されている。

また、高調波を低減するその他の方法として、ダイオード整流器を使用せず正弦波コンバータ置換し、二次回路の交流側の電流を正弦波になるように制御して、二次電流そのものに含まれる高調波を低減させる方法が提案されている。

更に、巻線形誘導回転電機の一次側すなわち系統側高調波フィルタを設置し、特定次数調波を低減する方法も提案されている。

概要

本発明は、二次電流の高調波によって引き起こされる一次電流の高調波を低減できる可変速誘導回転電機を提供することを目的とする。

巻線形誘導回転電機の二次側の1極1相当たりのスロット数偶数とし、同極同相で且つ電気角で30°ずれたスロットに挿入された巻線を分割して引き出し各々ダイオード整流器に直結して、二次回路のインピーダンスの殆どがインダクタンス分である場合は、各々の巻線に接続された整流器を直列に接続し、二次回路のインピーダンスの殆どが抵抗分である場合は、各々の巻線に接続された整流器を並列に接続にすることによって達成される。

目的

本発明の目的は、以上の点に鑑みなされたものであり、正弦波コンバータや高調波フィルタなどの新たな装置を用いることなく、同じ仕様のダイオード整流器を2組用いて効果的に高調波が低減できる可変速誘導回転電機を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

巻線誘導回転電機二次巻線ダイオード整流器を接続し、二次電力直流側で制御して可変速運転を行う可変速誘導回転電機装置において、前記回転電機の二次側の1極1相当たりのスロット数偶数個とし、同極同相で互いに電気角で30°ずれた位置の巻線を引き出して、その各々の巻線に整流器を接続したことを特徴とする可変速誘導回転電機装置。

請求項2

請求項第1項において、前記回転電機の二次電力を制御する二次回路抵抗分の割合がインダクタンス分に対して十分大きい場合、前記各々の巻線に接続された整流器を並列接続とすることを特徴とする可変速誘導回転電機装置。

請求項3

請求項第1項において、前記回転電機の二次電力を制御する二次回路のインダクタンス分の割合が抵抗分に対して無視できない場合、前記各々の巻線に接続された整流器を直列接続とすることを特徴とする可変速誘導回転電機装置。

技術分野

0001

本発明は、巻線誘導回転電機装置に係り、特に回転電機の一次側から発生する高調波成分を低減した可変速誘導回転電機装置に関する。

背景技術

0002

誘導回転電機はその周辺機器が少なく構造が簡単であることから、ポンプファンなどを駆動する電動機として幅広く使用される。特に可変速運転が必要とされる場合、巻線形誘導電動機二次巻線整流器直結し、その出力側可変抵抗を接続して抵抗値を変化させるなどして、二次側電力を制御することで回転速度を制御するといった、誘導回転電機の比例推移原理を利用した運用や、セルウビウスのように、前述の可変抵抗の代わりに直流リアクトルを介して回生インバータを接続し、可変速運転時の余剰電力回生する運用がなされる場合がある。

0003

また発電機としては、特開平2−179300 号公報の図1に記されているような、誘導発電機の二次巻線に整流器を直結しその出力側に直流チョッパを接続し、チョッパオンオフ動作させることによって回転速度を制御するとともにチョッパオフ時の余剰電力をインバータなどで回生する可変速誘導発電装置などに利用されている。

0004

ところが、誘導回転電機の二次巻線にダイオード整流器を接続すると、転流現象によって二次電流高調波が多く含まれるため、これが一次電流に影響を及ぼし、系統電圧を歪ませる要因になる。つまり、転流現象によって二次巻線に流れる電流は180°の半周期のうち、30°から150°までの120°を通電し、基本波に対して5,7,11,13次・・・といった、即ちmを整数とすると、周波数成分は1±6m倍の高調波を含んだものとなる。このような高調波二次電流による回転磁界の回転方向まで考えると、一次電流には1±6ms倍(sはすべり)の高調波となって波及することが知られている。なお、二次回路抵抗分の占める割合がインダクタンス分を無視できるくらい大きい場合、インダクタンスによる電流急変を抑制する作用は殆どないため、二次電流は30°から90°と90°から150°の180°の半周期のうち2回通電する三角波状となり、1±6m倍の高調波のうち、特に5次,7次成分の占める割合が高くなり、11,13次・・・成分は無視できるほど小さくなる特徴を有する。

0005

このため、特開昭56−160000号公報では、巻線形誘導回転電機の二次巻線を二重巻線とし一方をデルタ結線、もう一方をスター結線として各々に整流器を接続して、その30°の位相ずれにより各相の高調波を相殺させ、誘導回転電機から発生する高調波を低減させる方法が提案されている。

0006

また、高調波を低減するその他の方法として、ダイオード整流器を使用せず正弦波コンバータ置換し、二次回路の交流側の電流を正弦波になるように制御して、二次電流そのものに含まれる高調波を低減させる方法が提案されている。

0007

更に、巻線形誘導回転電機の一次側すなわち系統側高調波フィルタを設置し、特定次数調波を低減する方法も提案されている。

発明が解決しようとする課題

0008

これら従来技術において、二次巻線をスター結線とデルタ結線との二重巻線にする方法は、二次側の各スロットに、スター,デルタ結線の巻線を個別に挿入しているため、その結線法の原理から、スター結線とデルタ結線の線間電圧位相が30°ずれるという効果が得られるが、相もしくは線間いずれかの誘起電圧の大きさに相違を生じるため、各々の巻線に定格仕様が異なる整流器を接続しなければならないという問題があり、更に巻線の数がスロット数の2倍になるため回転電機が高価になる。

0009

次に、正弦波コンバータを用いる方法は、新たに正弦波コンバータを構成するスイッチング素子を駆動するための、制御回路を付加せねばならないため保守性欠けるだけでなく、誘導回転電機の原理上、回転速度の変化に伴い二次側の誘起電圧の大きさと周波数が同時に変化するため、これを考慮した制御回路は非常に複雑となり経済的ではない。

0010

更に、高調波フィルタを一次側に接続するものにあたっては、フィルタリアクトルコンデンサなどから構成し、しかも特定次数調波の数だけ設置する必要があるため、余分な設置面積が必要になる問題がある。また前述のように、本発明の対象となる誘導回転電機から発生する一次電流の高調波は、すべりに伴い高調波次数と大きさが変化するから、その補償には限界がある。

0011

本発明の目的は、以上の点に鑑みなされたものであり、正弦波コンバータや高調波フィルタなどの新たな装置を用いることなく、同じ仕様のダイオード整流器を2組用いて効果的に高調波が低減できる可変速誘導回転電機を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

前記目的は、巻線形誘導回転電機の二次側の1極1相当たりのスロット数を偶数個とし、同極同相で互いに電気角で30°ずれた位置の巻線を引き出して、その各々の巻線に整流器を接続することにより達成される。

0013

また、回転電機の二次電力を制御する二次回路の抵抗分の割合がインダクタンス分に対して十分大きい場合、各々の巻線に接続された整流器を並列接続とすることにより達成される。

0014

また、回転電機の二次電力を制御する二次回路のインダクタンス分の割合が抵抗分に対して無視できない場合、前記各々の巻線に接続された整流器を直列接続とすることにより達成される。

0015

巻線形の可変速誘導回転電機において、各々の巻線が整流器に接続されているため、巻線に流れる電流は1±6m倍の高調波を含んだものとなるが、同極同相で30°位相がずれている位置のスロットの巻線を引き出しているため、各々の電流は互いに30°の時間的な位相差を有し、且つ各々のスロットが空間的にも30°ずれた配置にあることから、二次側の高調波電流による回転機内の高調波磁界としては互いに打ち消しあう周波数成分が顕在化し、誘導回転電機の一次巻線に流れる高調波電流を低減する作用がある。

0016

更に、各々の巻線は挿入されるスロットの配置が異なるのみであり、巻数寸法形状、および接続線は同一にでき、巻線のみならず接続する整流器も同じ仕様にすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0017

以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する。

0018

図1は、本発明の一実施例を示す可変速誘導回転電機のブロック図である。負荷もしくは原動機2に機械的に直結された巻線形誘導回転電機1の一次側(固定子)3を系統9に接続し、二次側(回転子)4からは電気角で互いに30°の位相差を持った二次巻線5,6をスリップリングなどの給電手段により引き出し、並列接続されたダイオード整流器7,8を介し可変抵抗10を接続して構成する。なお、二次回路の直流側配線などに含まれるインダクタンスを11として表す。

0019

図2は、二次巻線の配置を直線的に展開して示す断面図であり、1極1相のスロット数を4とし、3相平衡巻線を想定している。即ち、図2のように二次側スロットを順にS1 ,S2 ・・・とすると、S1 からS12までが電気角で180°となる1極を形成し、S1 からS4 までのスロットが電気角で60°となる1極1相を形成しており、各スロットは15°ピッチで配置されていることになる。各スロットに挿入されている導体をスロットと同様にC1 ,C2 ・・・とし、C1 からC4 までをU相、C5 からC8 をV相、C9 からC12をW相として導体を接続すると、従来の巻線形誘導回転電機の二次巻線に施される3相3線式の平衡巻線1組を得るが、本発明では、上記U相の導体C1 からC2 までを接続した巻線U1 相と、導体C3 からC4 までを接続した巻線U2 相とに分割して引き出し、これをV相,W相でも同様に行うことで、同じ電圧の大きさを持った互いに電気角で30°の位相差を有する3相3線式の平衡巻線2組を得る。

0020

なお、図2の例では二次側の1極1相のスロット数を4としているが、二次側に3相平衡巻線を形成しようとする場合、前述の通り1極1相の電気角は60°であるため1極1相のスロット数が偶数であれば、電圧の大きさは同じで電気角で30°の位相差をもった3相3線式の平衡巻線2組を得ることができる。

0021

以下に、図1において巻線形誘導回転電機1を電動機として動作させた場合であって、可変抵抗10が二次巻線の抵抗漏れインダクタンス、ならびに直流側のインダクタンス11に対して十分大きい場合を想定して、定常的な動作を説明する。

0022

巻線形誘導回転電機1を系統9に接続すると、一次巻線には負荷2に応じた大きさの電流(以下、一次電流とする)I1 が流れる。なお、一次電流I1 の基本波成分は電動機としてトルクを発生させるための負荷電流と、機内に磁界確立させるために必要な励磁電流とが合成されたものであり、励磁電流による機内の磁界は、巻線型誘導回転電機1の極数と系統9の周波数で一義的に決まる一定の速度(以下、同期速度とする)で回転する。また、巻線形誘導回転電機1の回転子は負荷2のトルクに応じて同期速度との相対差(すべり)をもって回転するが、誘導回転電機の比例推移の原理により、整流器7,8の直流側に接続された可変抵抗10の値を変えることで巻線形誘導回転電機1のトルクが調整される結果、回転子の回転速度が制御される。一方、巻線形誘導回転電機1がすべりをもって運転すると、二次巻線5,6には系統9の周波数にすべりを乗じた周波数(すべり周波数)を基本波とした正弦波状の電圧が誘起されるが、各々整流器7,8が直結されているため、二次巻線5,6に流れる電流(以下、二次電流とする)I21,I22は1±6m次(mは整数)の高調波を含み、特に二次回路中のインピーダンスの殆どが抵抗分でありインダクタンス分による電流急変を抑制する作用は殆どないから、二次電流の高調波成分はすべり周波数の5,7次が卓越したものとなる。

0023

従って、この二次電流I21,I22によって機内に発生する回転磁界で考えると、高調波磁界は基本波磁界の1±6m倍の角速度で回転する。ところが、高調波次数によって正相分逆相分とで回転方向が逆であること、二次巻線5,6の配置は電気角で30°の位相差を有していること、二次電流I21,I22の基本波および高調波成分は時間的に30°の位相差を有していること、という理由から高調波磁界を合成すると、1±6m次の高調波磁界のうち、5,7,17,19・・・といった次数の磁界は互いに打ち消し合い、1±12m次の高調波磁界のみが残るため、一次巻線3に発生する高調波は1±12ms次(sはすべり)成分のみであり、高調波は低減される。

0024

本実施例では、整流器の直流側に可変抵抗が接続された、比例推移の原理を利用した可変速誘導回転電機を想定しているが、特願平2−179300 号公報の図1に記されているような、巻線形誘導回転電機の二次巻線に接続された整流器の直流側に半導体素子を接続しても良く、本発明では、二次電力を制御して可変速を実現する誘導回転電機であれば、整流器の出力側に接続される設備の種類は問わない。

0025

次に、整流器の並列接続と直列接続の関係について、図3図4を用いて説明する。

0026

二次回路の抵抗分の割合がインダクタンス分に対して十分大きい場合には、図3のように整流器7,8は並列に接続する。

0027

即ち、二次巻線5のU1 相とW1 相が導通している条件において、二次電流I21が流れる回路はU1 相の抵抗20→U1 相の漏れインダクタンス21→整流器7→直流側負荷30→整流器7→W1 相の漏れインダクタンス23→W1 相の抵抗22となり、見かけ上の巻線のインダクタンスは2相分であるため比較的小さくなる。

0028

即ちインダクタンスによる電流急変を抑制する作用は殆どないから、二次電流I21の高調波成分は1±6m次のうち5次及び7次成分が卓越し、11次以降の高調波は殆どになる。これは二次電流I22側についても同様である。従って、回転磁界の5次及び7次成分は打ち消され、且つ1±12m次成分は殆ど零であるから、一次巻線3に流れる1±12ms倍の高調波は殆ど零となる。

0029

二次回路中のインダクタンス分が比較的無視できない場合は、図4のように整流器7,8を直列接続とする。

0030

即ち、二次巻線5のU1 相とW1 相、および二次巻線6のU2 相とW2 相とが導通している条件において、二次電流I21が流れる回路はU1 相の抵抗20→U1 相の漏れインダクタンス21→整流器7→直流側負荷30→整流器8→W2相の漏れインダクタンス27→W2 相の抵抗26→U2 相の抵抗24→U2 相の漏れインダクタンス25→整流器8→整流器7→W1 相の漏れインダクタンス23→W1 相の抵抗22となり、見かけ上の巻線のインダクタンスは4相分で並列接続のときの2倍となるため、インダクタンスによる電流急変を抑制する作用を効果的に高めることができ、二次電流に含まれる高調波そのものが低減される結果、一次側3に発生する高調波を低減することが可能となる。

0031

以上は、巻線形誘導回転電機を電動機として使用した場合について説明したが、原動機2を駆動源として回転子4を同期速度以上の回転速度で駆動すれば発電機として作動し、上述と同様にして一次側の高調波成分を低減することができる。

発明の効果

0032

本発明によれば、電圧の大きさは同じで電気角で30°の位相差をもった3相3線式の平衡巻線2組を得ることができ、誘導回転電機の巻線と整流器の仕様が統一できるので、合理性経済性に優れた高調波の発生量が少ない可変速誘導回転電機が提供できる効果がある。

0033

また、二次回路のインピーダンスに応じて、直列接続,並列接続を選択することにより、二次電流の高調波を更に、効果的に低減できる効果がある。

図面の簡単な説明

0034

図1本発明の一実施例を示す可変速誘導回転電機の構成図。
図2巻線形誘導回転電機の二次巻線の配置を示す構造断面図
図3整流器を並列接続とした構成図。
図4整流器を直列接続とした構成図。

--

0035

1…巻線形誘導回転電機、2…負荷もしくは原動機、3…一次側(固定子)、4…二次側(回転子)、5,6…二次巻線、7,8…整流器、9…系統、10…可変抵抗、11…直流側インダクタンス、20,22,24,26…二次巻線の抵抗、21,23,25,27…二次巻線の漏れインダクタンス、30…直流側負荷。

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