JPH07108081B2 - ブラシレス同期機の界磁異常検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシレス同期機にお
いて同軸上に設けてある交流励磁機の電機子回路の異
常、主同期機の界磁回路の異常および交流励磁機の電圧
を整流して主同期機の界磁に電流を供給するために設け
ている整流器の故障等を検出するブラシレス同期機の界
磁異常検出装置に関する。

【０００３】一般に、ブラシレス同期機は定回転数にて
使用されるが、特殊な用途においては回転数を変化させ
て使用することがある。例えば、省エネルギーやエンジ
ンへの過負荷防止などを目的として使用される空調用熱
搬送設備用電源、冷凍船冷凍庫用設備用電源等において
は、ポンプやファン用モータの回転数を変化させて使用
する。このように可変電圧・可変周波数電源を用いて必
要流量に応じて周波数を変化させると、軸動力は回転数
の３乗に比例するため、大幅な省エネが実現できる。上
記した従来のブラシレス同期機を図５の構成図について
説明する。図５において、１は主同期機の電機子巻線、
２は主同期機の界磁巻線、３は回転整流器、４は交流励
磁機の電機子巻線、５は交流励磁機の界磁巻線であっ
て、これらのうち主同期機の界磁巻線２，回転整流器
３，交流励磁機の電機子巻線４は、回転軸６上に取付け
られている。７は自動電圧調整装置（以下ＡＶＲと記
す）であり、これによりブラシレス同期機の出力電圧を
一定に制御される。１６は前記ＡＶＲ７の電圧検出用の
変圧器、１７はブラシレス同期機を並列運転する場合、
横流補償装置を設けるが、そのための出力電流を検出す
る変流器である。

【０００４】このように構成されたブラシレス同期機に
おいて、何等かの原因で回転整流器３を構成する整流素
子が短絡あるいは開路故障を生じた場合、交流励磁機の
電機子巻線４および他の健全な整流素子が過負荷とな
り、故障が拡大するおそれがあるため、ブラシレス同期
機を停止する等の措置を講ずる必要がある。

【０００５】そこで、回転整流器に故障が生じた場合、
その故障を検出する方法が従来より種々検討されてい
る。その一例として、図６に示すように交流励磁機の界
磁磁極８，８間に検出コイル９を設け、それに誘起され
る脈動電圧の周波数成分が回転整流器の正常時と故障時
に各々異なるため、フィルタ回路によりその周波数成分
を判別することにより、回転整流器の故障を検出する方
法が知られている（特公昭６１−１２４６９号公報参
照）。この故障検出方法において、検出コイル９に誘起
する電圧波形に含まれる周波数成分は、回転整流器の正
常時には交流励磁機の電機子電圧周波数の６倍（三相全
波整流方式）または３倍（三相半波整流方式）の周波数
が、また回転整流器の故障時にはその故障モードにより
交流励磁機の電機子電圧の周波数の１倍および２倍の周
波数成分が発生することから、この周波数を図８に示す
ような特定の周波数ｆ₁ のみ通過する特性を持った能動
フィルタ回路により、検出コイル９に誘起する電圧の周
波数成分によって通過あるいは遮断するようにして、回
転整流器の故障を検出するようにしている。従って、ブ
ラシレス同期機の定格回転数時の交流励磁機の電機子電
圧の周波数に対して、この能動フィルタ回路の特性を調
整しており、界磁異常検出装置として図７に示す構成図
のものが知られている。

【０００６】図７において、９は検出コイル、１０はブ
ラシレス同期機の過渡状態により高い電圧が誘起された
とき、能動フィルタに過大電圧が加わらないようにする
ためのリミッタ回路、１１は能動フィルタ回路、１２は
能動フィルタ回路１１の出力電圧と内部に設けた設定値
を比較し、その比較結果に基づき整流器の故障信号を発
生する比較回路、１３は比較回路１２の出力が１レベル
に達すると同時に継電器を動作させ、接点出力を出すよ
うにしたリレー回路である。１４はブラシレス同期機の
定格回転時に１を出力する回転数リレーであり、１５は
前記リレー回路１３と回転数リレー回路１４の出力信号
を入力とするＡＮＤ回路で定格回転数において動作する
ようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように構成された
従来の検出装置においては、ブラシレス同期機の回転整
流器の故障を検出するために図６で示したように交流励
磁機の界磁磁極８，８間に検出コイル９を設ける必要が
ある。この検出コイル９はブラシレス同期機を新製する
場合は比較的容易に設けることはできるが、既設のブラ
シレス同期機に検出コイルを設けることは容易にできな
い。従って、既設のブラシレス同期機に回転整流器故障
検出装置を設置することはほとんど不可能である。ま
た、従来の検出装置では回転整流器の故障のみの検出し
かできず、界磁回路の地絡等の異常は検出できない等の
問題があった。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的は、ブラシレス同期機を可変電圧・
可変周波数電源として用いる場合のブラシレス同期機の
界磁異常検出装置に係わり、特にブラシレス同期機の回
転整流器のみならず界磁地絡等の界磁回路の異常をブラ
シレス同期機に特別な検出コイルを設けることなく、確
実に界磁回路の異常を検出することのできる界磁異常検
出装置を提供することにある。

【０００９】上記目的を達成するために、本発明は、回
転界磁形の主同期機と回転電機子形の交流励磁機とを同
一軸上に設け、前記交流励磁機の出力を同一軸上に設け
た整流器にて直流に変換し，前記主同期機の界磁を励磁
するブラシレス同期機において、前記ブラシレス同期機
の端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記ブラシレス
同期機の端子電圧から周波数を検出する周波数検出回路
と，前記ブラシレス同期機の出力電流を検出する電流検
出回路と、前記電圧検出回路と前記電流検出回路から力
率角を検出する位相角検出回路と、前記電圧検出出力と
飽和率補正信号により端子電圧に相当する交流励磁機の
界磁電流を算出する第１の界磁電流算出回路と、前記第
１の界磁電流算出回路の出力に接続する定格周波数を実
際の検出周波数の自乗で除算する第１の界磁電流算出補
正回路と、前記電流検出回路の出力によりブラシレス同
期機の出力電流に相当する界磁電流を算出する第２の界
磁電流算出回路と、前記第２の界磁電流算出回路の出力
に接続する定格周波数を実際の検出周波数で除算する第
２の界磁電流算出補正回路と、前記位相角検出回路と第
１の界磁電流算出補正回路と第２の界磁電流算出補正回
路の各々の出力を入力とし，ある負荷時の界磁電流を演
算する界磁電流演算回路と、前記交流励磁機の実際の界
磁電流を検出する界磁電流検出回路と、前記界磁電流演
算回路の出力と界磁電流検出回路の出力を比較し，その
比較結果に基づきブラシレス同期機の界磁異常を発する
比較回路と、前記比較回路の後段に発電機の界磁回路時
定数より長い時限を持たせたタイマー回路とを設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】本発明は、ブラシレス同期機の端子電圧および
出力電流を入力とし、その電圧，電流により力率角φを
求め、ある負荷における交流励磁機の界磁電流を演算
し、さらに周波数による補正を加えて求めた界磁電流と
実際の交流励磁機の界磁電流を比較し、その比較結果に
基づいてブラシレス同期機の界磁異常を検出することが
できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図４は本発明が適用される回路構成図であり、既に
説明した図５と同一構成部分には同一符号を付して説明
する。

【００１２】図４において、１は主同期機の電機子巻
線、２は主同期機の界磁巻線、３は回転整流器、４は交
流励磁機の電機子巻線、５は交流励磁機の界磁巻線であ
って、これらのうち主同期機の界磁巻線２，回転整流器
３，交流励磁機の電機子巻線４は、回転軸６上に取付け
られている。７はＡＶＲであり、これによりブラシレス
同期機の出力電圧は一定に制御される。１６はＡＶＲ７
の電圧検出用の変圧器、１７はブラシレス同期機を並列
運転する場合、横流補償装置を設けるが、そのための出
力電流を検出する変流器である。１８は界磁異常検出装
置であり、１６ａ，１７ａは界磁異常検出装置にブラシ
レス同期機の端子電圧および出力電流を検出する変圧器
および変流器である。また、１９は交流励磁機の界磁電
流を検出する界磁電流検出用のセンサである。ブラシレ
ス同期機の出力に対する界磁電流は、図２に示すように
定格速度，一定力率，一定電流の負荷をかけたとき、そ
の端子電圧と界磁電流との関係を示す曲線を負荷飽和曲
線といい、この曲線で表される。この負荷飽和曲線は無
負荷飽和曲線からの無負荷定格端子電圧に対する界磁電
流をＩ_f1、短絡曲線からの三相短絡定格電流をＩ_f2とす
れば、端子電圧Ｅｔ、出力電流Ｉ_G 、力率ｃｏｓφのと
きの界磁電流Ｉ_f3は下記（１）式により求められる。

【００１３】

【数１】

【００１４】一般にブラシレス同期機は定格回転数にて
使用されるが、特殊な用途においてはブラシレス同期機
は回転数を定格回転数の５０％の時の無負荷飽和曲線お
よび三相短絡曲線は第３図に示すようになり、無負荷定
格端子電圧に対する界磁電流は定格回転数の時の値に対
して４倍、また三相短絡時の定格電流に対する界磁電流
は定格回転数の時の値に対して２倍の値となる。このよ
うに回転数の変化するブラシレス同期機の界磁回路の異
常を検出するために、本発明では、上記（１）式の原理
に基づくとともに回転数の変動をも考慮して構成したも
のである。

【００１５】図１は本発明の一実施例のブロック構成図
である。図１において、２１はブラシレス同期機の出力
電流Ｉ_G を検出する電流検出回路、２２は端子電圧Ｖ_G
を検出する電圧検出回路、２３は電流検出回路および電
圧検出回路の出力から力率角φを演算する位相角検出回
路、２４は出力電流に相当する界磁電流Ｉ_f2を算出する
第２の界磁電流算出回路、２５はブラシレス同期機の端
子電圧の飽和率を補正する設定器で、それぞれのブラシ
レス同期機によって設定を行う。２６は端子電圧検出信
号と飽和率補正信号により端子電圧に相当する界磁電流
Ｉ_f1を算出する第１の界磁電流算出回路である。２７は
端子電圧から周波数を検出する周波数検出回路、２８は
周波数検出回路２７からの実際の周波数で定格周波数を
除す第２の界磁電流算出補正回路で前記第２の界磁電流
算出回路２４に乗算される。２９は周波数検出回路２７
からの実際の周波数の自乗で定格回転数を除算する第１
の界磁電流算出補正回路で前記第１の界磁電流算出回路
２６に乗算される。３０は前記位相角検出回路２３と第
１の界磁電流算出補正回路２９と第２の界磁電流算出補
正回路２８の各々の出力信号を入力とするブラシレス同
期機の負荷時の界磁電流を演算する界磁電流演算回路で
あり、前記（１）式を演算するようにしている。３１は
交流励磁機の実際の界磁電流を検出する界磁電流検出回
路であり、３２は前記界磁電流演算回路３０の出力と界
磁電流検出回路３１の出力を比較する比較回路で、界磁
電流演算回路３０の出力に比較し、界磁電流検出回路３
１の出力が大きくなるとブラシレス同期機の界磁回路に
何等かの異常があると判断し、この比較回路３２により
ブラシレス同期機の界磁異常を検出する。しかし、ブラ
シレス同期機の温度等により必ずしも一致することは難
しいが、通常の条件内においてその差は経験上２０％程
度である。実際に回転整流器が故障すると、その故障モ
ードにも依るが最も差の少ない開路故障の場合でも界磁
電流は５０％程度増加になる。従って、比較回路３２の
設定値を３０％程度界磁電流演算値に対して、界磁電流
実測値が大きくなると動作するように設定しておけばよ
い。整流器の故障は一般に短絡故障であり、この場合は
２００〜３００％もの電流増加となる。３３は負荷投
入、遮断時の過渡時（界磁回路時定数内）には（１）式
が満足されない場合があるため、ある一定時限継続する
と界磁異常と判断するためのタイマー回路である。３４
は界磁異常信号を外部に出力するための出力回路であ
り、例えばリレー等で構成される。

【００１６】このように構成された本発明の実施例の動
作を以下に説明する。ブラシレス同期機の回転整流器を
含む界磁回路が正常な場合は、端子電圧，出力電流およ
びそれらの位相角より（１）式を界磁電流演算回路によ
り演算した界磁電流値と実際の交流励磁機の界磁電流は
ブラシレス同期機の温度等により若干異なる場合はある
がほぼ一致する。この場合は比較回路３２は動作しない
ため、界磁異常検出装置としては何等動作しない。回転
整流器に故障があればブラシレス同期機の端子電圧およ
び出力電流から演算した界磁電流に比較し、回転整流器
が１素子短絡していると交流励磁機の出力はある位相に
おいては回転整流器間で短絡電流が流れ、主同期機の界
磁には充分電流が供給されない。従ってブラシレス同期
機の出力電圧が低下する。ブラシレス同期機の出力電圧
が低下すると、ＡＶＲにより交流励磁機の界磁電流を増
加させ、端子電圧が定格値になるように制御する。その
結果、界磁電流の演算値は正常値とほぼ一定となって
も、実際の交流励磁機の界磁電流は正常値の界磁電流に
比較して大きく増加する。その結果、比較回路により界
磁異常であると判断するようにしている。また、本実施
例では比較回路３２の後段に発電機の界磁回路時定数よ
り長い時限を持たせたタイマー回路３３を設けているの
で、検出装置の過渡時の誤動作を防止することができ、
回転整流器の故障を間違いなく検出することができる。

【００１７】以上の説明は、回転整流器の故障について
行ったが、整流器の故障以外にも界磁回路に異常があ
り、界磁電流の演算値と実測値に差が生ずればこの場合
も界磁故障として検出することができる。またブラシレ
ス同期機の回転数の要素に周波数を用いたが、実際の回
転数を検出して周波数の代りに使用してもよい。なお、
ブラシレス同期機の回転整流器を三相全波回路で説明し
たが、三相半波回路でも本発明がそのまま適用できる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればブ
ラシレス同期機の回転整流器の故障のみならず、界磁地
絡等の界磁回路の異常を特別に検出コイルをブラシレス
同期機に設置することなく、またブラシレス同期機の回
転数の如何に拘らず検出することが可能なブラシレス同
期機の界磁異常検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック構成図。

【図２】本発明の界磁異常検出の原理を説明するための
特性曲線図。

【図３】本発明の界磁異常検出の原理を説明するための
特性曲線図。

【図４】本発明の界磁異常検出装置を適用した励磁回路
構成図。

【図５】ブラシレス同期機の励磁回路構成図。

【図６】従来のブラシレス同期機の界磁異常検出装置用
に検出コイルを設ける場合の構成図。

【図７】従来のブラシレス同期機の界磁異常検出装置の
ブロック構成図。

【図８】従来のブラシレス同期機の界磁異常検出装置に
使用されるフィルタ回路の周波数特性図。

【符号の説明】

１…主同期機の電機子巻線、２…主同期機の界磁巻線、
３…回転整流器、４…交流励磁機の電機子巻線、５…交
流励磁機の界磁巻線、６…回転軸、７…ＡＶＲ（自動電
圧調整装置）、８…交流励磁機の界磁磁極、９…検出コ
イル、１６，１６ａ…変圧器、１７，１７ａ…変流器、
１８…界磁異常検出装置、１９…センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転界磁形の主同期機と回転電機子形の
   交流励磁機とを同一軸上に設け、前記交流励磁機の出力
   を同一軸上に設けた整流器にて直流に変換し，前記主同
   期機の界磁を励磁するブラシレス同期機において、前記
   ブラシレス同期機の端子電圧を検出する電圧検出回路
   と、前記ブラシレス同期機の端子電圧から周波数を検出
   する周波数検出回路と，前記ブラシレス同期機の出力電
   流を検出する電流検出回路と、前記電圧検出回路と前記
   電流検出回路から力率角を検出する位相角検出回路と、
   前記電圧検出出力と飽和率補正信号により端子電圧に相
   当する交流励磁機の界磁電流を算出する第１の界磁電流
   算出回路と、前記第１の界磁電流算出回路の出力に接続
   する定格周波数を実際の検出周波数の自乗で除算する第
   １の界磁電流算出補正回路と、前記電流検出回路の出力
   によりブラシレス同期機の出力電流に相当する界磁電流
   を算出する第２の界磁電流算出回路と、前記第２の界磁
   電流算出回路の出力に接続する定格周波数を実際の検出
   周波数で除算する第２の界磁電流算出補正回路と、前記
   位相角検出回路と第１の界磁電流算出補正回路と第２の
   界磁電流算出補正回路の各々の出力を入力とし，ある負
   荷時の界磁電流を演算する界磁電流演算回路と、前記交
   流励磁機の実際の界磁電流を検出する界磁電流検出回路
   と、前記界磁電流演算回路の出力と界磁電流検出回路の
   出力を比較し，その比較結果に基づきブラシレス同期機
   の界磁異常を発する比較回路と、前記比較回路の後段に
   発電機の界磁回路時定数より長い時限を持たせたタイマ
   ー回路とを設けたことを特徴とするブラシレス同期機の
   界磁異常検出装置。