JPS5846710B2 - ユウドウデンドウキノカヘンフカソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は誘導電動機を同期速度から停止に至る回転領域
の任意回転数に於て安定に回転せしめ得る親規な可変負
荷装置に関するものである。

一般に、電動機の負荷特性を測定する場合には、被試験
機の回転速度を広範にして円滑に変化せしめ得る何等か
の可変負荷装置を必要こするが、被試験機を所望の回転
数（Ｎｘとする）に於て安定に回転させるためには、第
１図に示す如く負荷の制動トルク曲線（ＴＬ曲線）と被
試験機のトルク対速度曲線（ＴＭ曲線）の交点に於て次
式の関係が成立せねばならない。

而して電動機の可変負荷装置としては、従来よりブロー
ニブレーキ、渦電流ブレーキ及び直流動力計等が広く使
用されているが、ブローニブレーキの制動トルクはブレ
ーキシューの締付けを加減することによってのみ変化し
、被試験機の回転速度には依存しないから、誘導電動機
の負荷試験にブローニブレーキを用いると、第２図より
明らかな如＜Ｎ＝Ｎｉから停止に至る回転領域に於ては
（１）式の関係は成立せず、従ってこの領域の特性は測
定不能である。

また、渦電流ブレーキ及び直流動力計の制動トルク特性
はいずれも第３図のＴＬ直線で示され、該ブレーキ又は
動力計の励磁コイルに供給する電流を増すことにより、
前記直線の勾配を増加せしめ得るが、第３図より明らか
なように渦電流ブレーキ乃至は直流動力計による場合も
Ｎｅ１〉Ｎ＞Ｎｅ２なる回転領域に於ける誘導電動機の
特性を測定することは出来ない。

ところで、誘導電動機、特に簾形誘導電動機に於ては各
種高周波磁界に起因する寄生トルクのために低速回転領
域のトルク対速度曲線に起伏が生じ、前記寄生トルクが
優勢なる場合にはクローリング等の異常現象を呈するか
ら、誘導電動機の特性試験に於ては屡々、低速領域のト
ルク特性を詳細に測定することが必要となる。

そこで斯かる場合に有効な可変負荷装置が提案されては
いるが、該装置は直流電動機、直流発電機及び誘導発電
機により構成される関係上、据付に広い場所を必要とし
、而も製作費が高く、操作が面倒である等の難点を有す
るため、殆ど実用に供されていない現状にある。

本発明は上記の如き実情に鑑み検討の結果創案されたも
ので、その目的は誘導電動機の負荷特性を全回転領域に
ついて測定可能ならしめる操作簡易にして安価に製作し
得る電気的な可変負荷装置を提供せんとするにある。

以下本発明を図面を参照して詳説すると、第４図は本発
明に係る可変負荷装置の電気的結線図にして、ＡＣは電
圧■（実効電圧）及び周波数ｆなる交流電源、Ｄは他励
直流機を示し、該直流機には被試験電動機（誘導電動機
）Ｍが機械的に直結されている。

また、Ｆ、Ａ、ｂは夫々直流機りの界磁巻線、電機子及
び刷子を示し、前記界磁巻線の入力端子間には直流電源
ＵＦ１可変抵抗ＶＦ及びスイッチＳが直列に接続されて
いる。

尚、電動機Ｍが回転している状態に於てスイッチＳを閉
成すると、直流機りの電機子巻線には刷子ｂ１側が刷子
ｂ２側より高電位となるような極性の速度起電力が誘起
されるものとする。

ＢはサイリスタＴＨ−１乃至ＴＨ−４を図示せる如くに
接続して成る全波整流ブリッジ回路（以後、ブリッジ回
路と略称する）にして、サイリスタＴＨ−１の陰極とサ
イリスタＴＨ−４の陽極は交流電源ＡＣの一端に、また
サイリスクＴＨ−２の陰極とサイリスタＴＨ−３の陽極
は前記交流電源の他端に夫々接続され、更に前記サイリ
スタＴＨ−１゜ＴＨ−２の各陽極はチョークコイルＣＨ
を介して直流機りの刷子ｂ２に、また前記サイリスタＴ
Ｈ−３ＴＨ−４の各陰極は前記直流機の刷子ｂ１に夫々
接続されている。

更に、Ｋは後述する如く高速回転領域に於て直流機りを
電動機として運転するための駆動回路にして、該回路は
電圧ＥＫなる直流電源ＵＫ（但しＥＫ＞ｖ’２ Ｖ ）
と可変抵抗ＶＫを直列接続して成るものである。

而して、１駆動回路にの高電位側は直流機りの刷子ｂ１
に、また低電位側は前記直流機の刷子ｂ２に夫々接続さ
れている。

第５図は点弧回路（図示せず）からサイリスタＴＨ−１
乃至ＴＨ−４に夫々供給されるゲート信号Ｇ１乃至Ｇ４
（いずれも繰返し周期は１／ｆ）の発生順序と、これら
ゲート信号の供給に応じて前記各サイリスクが後述の如
く動作している状態に於けるブリッジ回路Ｂの直流側電
圧ｅＤ（但し該電圧は第４図示の導線Ｌ１側が導線Ｌ２
側より高電位にある場合を正とする）の時間的変化を交
流電源ＡＣの電圧Ｖ（瞬時値）と関連付けて示したもの
で、図中、ＥＤは電圧ｅＩ）の平均値、ｔＤはゲート信
号Ｇの遅延時間である。

尚、ゲート信号Ｇの遅延時間は上記点弧回路の一構成要
素たる位相調整用の可変抵抗（以後、可変抵抗と略記す
る）を加減することにより変化せしめられるが、その可
変範囲はＯ〜１／（’２ ｆ ）であるものとする。

鼓で、説明の都合上、第５図を用いてブリッジ回路Ｂの
動作を簡単に述べておく。

但し導通状態に於けるサイリスクＴＨの順電圧降下は非
常に小さいから、以後の説明に於ては前記電圧降下は零
と仮定する。

いま、ブリッジ回路Ｂが正常に動作しているものとすれ
ば、後述する如く電圧Ｖの正の半サイクルの開始時点に
於てはサイリスクＴＨ−ｉ （ｉ ＝ １．３ ）は不
導通状態、サイリスタＴＨ−ｉ＋１は導通状態にあり、
而も斯かる状態はサイリスタＴＨ−ｉが点弧するまで維
持されるから、電圧Ｖの正の半サイクルが開始されると
前記サイリスクＴＨ−ｉは該電圧によって順バイアスさ
れることとなる。

従って時刻ｔ１に於てサイリスタＴＨ−１にゲート信号
Ｇｉ −ｎが供給されると、該サイリスクは点弧する。

サイリスタＴＨ−ｉが点弧すると電圧■によってサイリ
スクＴＨ−ｉ＋１は逆バイアスされるから、該サイリス
クは消弧し、ブリッジ回路Ｂを流れる電流はサイリスク
Ｉ’Ｈ−ｉ＋１からサイリスタＴＨ−ｉに転流する。

而して、転流完了時点より時刻ｔ３に至る期間に於ては
サイリスクＴＩ−（−ｉ＋１にゲート信号は供給されな
いから、該サイリスクは順バイアスされても点弧せず、
他方、サイリスタＴＨ−ｉは時刻ｔ３に至るまで導通し
続ける。

尚、時刻ｔ２゜４３間に於て電圧Ｖの絶対値が駆動回路
にの端子間電圧より犬となる期間が存在してもチョーク
コイルＣＨのインダクタンスが適当に選定されているた
めにサイリスタＴＨ−ｉの順電流は前記期間に於ても該
サイリスクの保持電流以上に保たれ、従って前記サイリ
スクはサイリスタＴＨ−ｉ＋ｉが点弧せぬ限り消弧する
ことはない。

その後、時刻ｔ３に至りサイリスタＴ”Ｈ−ｉ ＋ １
にゲート信号Ｇｉ＋Ｉ ｎが供給されると、この時点
に於てはサイリスクＴＨ−ｉ＋１は電圧Ｖによって順バ
イアスされているから、該サイリスクは点弧し、これに
伴いサイリスタＴＨ−ｉは消弧する。

而して、サイリスクＴＨ−ｉ＋１はチョークコイルＣＨ
の作用により時刻ｔ５に至るまで導通し続けるから、時
刻ｔ４に於て電圧Ｖの正の半サイクルが開始されると、
該電圧によってサイリスクＴＨ−ｉは順バイアスされる
。

従って時刻ｔ５に至りサイリスタＴＨ−ｉにゲート信号
Ｇ ｌ−ｎ＋１が供給されると該サイリスクは再び点弧
し、以後、同様な動作が繰返される。

上記動作態様から明らかな如く、サイリスクＴＨ−ｉが
導通状態にある期間に於ては、サイリスタＴＨ−ｉ＋１
は不導通状態にあるから電圧ｅＤは−Ｖに等しく、また
サイリスタＴＨ−ｉ＋１が導通状態にある期間に於ては
サイリスタＴＨ−１は不導通状態にあるから前記電圧は
Ｖに等しい。

従って電圧ｅＤの平均値は次式で与えられる。

但し、α：サイリスタＴＨ−１の点弧角（＝２πｆｔＤ
）次に本発明装置の作用について詳説すると、第４図の
構成に於て、いまスイッチＳは開放されており、また「
可変抵抗」はサイリスタＴＨ−１の点弧角がα０（但し
αｏ−Ｆπ）となるように調整されているものとする。

この状態に於て電動機Ｍに規定の電圧（Ｖｏとする）を
印加して起動させると共に点弧回路を動作させてサイリ
スタＴＨにゲート信号Ｇを供給し、更に前記電動機の起
動完了後にスイッチＳを閉成し、然る後に可変抵抗ＶＦ
、ＶＫを加減して直流機り従って電動機Ｍの回転数Ｎを
該電動機の同期速度（Ｎｏとする）に一致させる（この
場合の直流機りの界磁電流をＩｆとする）。

斯様な操作により電動機Ｍが回転数Ｎｏで回転している
状態に於ては電動機Ｍはトルクを発生させないから、該
電動機の機械損は直流機りから機械的に供給されており
、従って前記直流機は電動機として運転されているわけ
である。

そこで、斯かる状態に於ける直流機りの電機子誘起起電
力をＥＡＯとすればＥＡＯ＜ＥＫである。

一方、サイリスタＴＨ１乃至′ｒＨ−４は既述の如く動
作しているからチョークコイルＣＨのインダクタンスが
十分大きく、ブリフジ回路の直流側を流れる電流に殆ど
交流弁が含まれないものとすれば、前記チョークコイル
にはほぼ次式で示す電流ＩｃＱが流れている。

上述の如き状態に於て「可変抵抗」を調整し、サイリス
タＴＨの点弧角を進ませると、以下に説明する如く電動
機Ｍの回転数は低下し、点弧角αによって定まる或回転
数（以後設定回転数という）に於て前記電動機は安定回
転するようになる。

而して印加電圧Ｖｏに於ける電動機Ｍの軸出力Ｗと直流
機りの（機械損＋鉄損）Ｊ（但し直流機の界磁電流はＩ
ｆ）が等しくなる回転数をＮ ＯＮこの回転数に対応す
るサイリスタＴＨ−１の点弧角をαＣとすれば、α〉α
Ｃなる場合には直流機りは電動機として運転され、また
α〈αＣなる場合には前記直流機は発電機として運転さ
れる。

ところで、同期速度の近傍に於ける誘導電動機の軸出力
及び高速回転領域に於ける他励直流機の（機械損＋鉄損
）はいずれも回転数の一次式で表わされる。

そこでまず、Ｗ、ＪがいずれもＮの一次式で表わされる
高速回転領域の動作特性について検討してみる。

第６図は直流機りが電動機として運転されている場合の
本装置の等何回路（但し刷子すの接触抵抗電圧降下は無
視）を示したもので、同図により次の電圧方程式を得る
。

また、電動機Ｍが回転数Ｎで安定回転している場合の出
力方程式は次のように書き表わされる（ＩＡ＜Ｏなる場
合、即ち直流機りが発電機として動作している場合にも
（５）式の関係は成立する）。

β、Ｉ ｆＮＩＡ ＋Ｗ＝ Ｊ ・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）更に、回
転数Ｎに対する電動機Ｍの軸出力Ｗ及び直流機りの（機
械損＋鉄損）Ｊが夫々第７図示のＷ、Ｊ曲線で表わされ
るものとすれば、回転領域Ｉ（第７図示）に於けるＷ、
Ｊは夫々（６）、（７）式で与えられるから、上記出力
方程式は（８）式の如くとなる。

尚、他励直流機に於て界磁電流を一定に保ち、種々の回
転数に於ける（機械損＋鉄損）を測定し、その結果を回
転数を横軸にとってグラフ化すると、第７図の５曲線と
同様な形状の特性曲線が得られるから）該特性曲線の直
線部の延長と横軸との交点に該当する回転数は一般に正
である。

と置けば、αυ、０２）式は夫々ＩＡを変数とする直線
及び双曲線の方程式であるから、卸、α２）、（１３）
式の関係を図示すると、夫々第８図の点線、一点鎖線及
び二点鎖線の如くになるが、ＩＡ＞（β２＋β３′）／
Ｃβ１■ｆ）なる領域に関しては（９）式より明らかな
ように、Ｎ〈Ｏとなるから、この領域は考慮しなくてよ
い。

そこで、点弧角α（α〉αＣ）に対応する電機子電流Ｉ
Ａは（１０）式の関係によりη直線とφ曲線の交点（以
後、動作点という）、即ち第８図示のＱ点の横座標で与
えられる。

而して、サイリスタＴＨの点弧角を進ませると、ηが減
少するから第８図に於てＱ点がＱｃ点に接近し、従って
電機子電流ＩＡは減少する。

電機子電流ＩＡが減少すると、（９）式より明らかなよ
うにＮが低下するから、結局サイリスタＴＨの点弧角を
進ませると、設定回転数は低下することとなる。

上記動作点がφ曲線上を移動してＱｃ点に達すると、電
機子電流ＩＡは零となるから（５）式によりＷ＝Ｊとな
る。

この場合のサイリスタＴＨ−１の点弧角は既述の如くα
Ｃであり、また設定回転数はＮｃである。

サイリスタＴＨの点弧角を更に進ませてα〈αＣにする
と、第８図に於て動作点が縦軸ｎ′の左側に移動しＩＡ
＜Ｏとなるから直流機りは発電機として運転される。

尚、ＩＡ〈０なる場合には（５）式によりＷ＞Ｊである
から第１図を参照すれば明らかな如＜Ｎ＜ＮＣであり、
従って直流機りの電機子誘起起電力はＥＡＯより小さい
。

然るに既述の如＜ＥＡＯ＜ＥＫであるから、直流機りが
発電機として動作している場合も駆動回路Ｋに逆電流は
流れない。

上述の如くα〈αＣなる場合にはＩＡ＜Ｏであるから、
■Ａ′ニーＩＡと置けば、（９）式は次のようになる。

而して、第８図を参照すれば明らかなようにサイリスタ
ＴＨの点弧角を進ませるに従い、電機子電流■Ａ′は増
加するからｏａ式により設定回転数は低下する。

斯様にして設定回転数が第７図示のＮｅに達し、更にサ
イリスタＴＨの点弧角を進ませると電動機Ｍの回転数は
回転領域■（第７図示）に移行する。

同期速度からＮｅまでの回転領域に於ける動作特性は上
記の如くであるが、該領域の任意設定回転数に於ける定
常運転状態が安定なることは次のようにして証明される
。

即ち、点弧角αがα０≧α〉αＣなる場合には既述の如
く直流機りは電動機として運転されるから、制動トルク
ＴＬは次式の如く表わされる。

起因する制動トルク 而して、トルクＴＤはＴＤ−ＡＩｆＩＡ（β４は定数）
と表わされ、また（３）、（４）式よりＩｃを消去して
得られる式からＩＡを求めると、 そこで、αを一定としてα０式の関係を図示すると第９
− ａ図のＴＤ直線を得る。

また、トルクＴＪはＴＪ二β５（Ｊ／Ｎ）（β、は定数
）と表わされるから、この式に（７）式を代入すると次
式を得る。

（１８）式はＮを変数とする双曲線の方程式であり、且
つＮ＝ＮＣなる場合には既述の如＜Ｗ＝Ｊ従ってＴＭ＝
ＴＪ（ＴＭは電動機Ｍの軸トルク）であるから、０８）
式の関係は第９図示のＰＣ点を通るＴＪ曲線で表わされ
る（但し、電動機Ｍのトルク特性は第９図の７０曲線で
表わされるものとする）。

依って、サイリスタＴＨ−１の点弧角がα（但しα０≧
α〉αＣ）なる場合の制動トルク特性は０５）式により
第９−ａ図のＴＬ凸曲線表わされる。

そこで斯かる場合の設定回転数は前記７０曲線と前記Ｔ
Ｌ凸曲線交点即ち第９−ａ図に示すＰ点の横座標で与え
られる。

また、α−αＣなる場合にはα６）式により、（２２）
式の関係は第９−ｂ図のＴＤ直線で表わされるからα−
αＣなる場合の制動トルク特性は同図のＴＬ凸曲線表わ
される。

而して、斯かる場合の設定回転数は既述の如くＮｃであ
る。

更に点弧角αがα〈αＣなる場合には直流機りは発電機
として運転されるから該直流機の発生トルクＴＤ及び制
動トルクＴＬは夫々（２３） 、 Ｃ１１！４）式で表
わされる。

αを一定として（２！１９式の関係を図示すると第９−
Ｃ図のＴＤ直線を得るから、サイリスタＴＨ−１の点弧
角がα（但しα〈αＣ）なる場合の制動トルク特性は同
図のＴＬ凸曲線表わされ、従って斯かる場合の設定回転
数は第９− ｃ図に示すＰ点の横座標で与えられる。

さて、電動機Ｍが第９図示のＰ点乃至はＰＣ点に対応す
る設定回転数で運転されている状態に於て、何等かの原
因で回転数が僅かに低下（または上昇）したとすると、
第９図より明らかな如くトルクＴＭは増加（または減少
）シ、制動トルクＴＬは減少（または増加）するから電
動機Ｍは加速（または減速）され、その結果回転数Ｎは
自動的に前記設定回転数に引戻される。

斯くの如き抑制作用により電動機Ｍの回転数は所望の設
定回転数に保持されるから、Ｎｏ≧Ｎ≧Ｎｅなる回転領
域の如何なる設定回転数に於ても前記電動機は安定に運
転される。

次に回転領域Ｈに於ける動作特性について検討すると、
第１図より明らかな如く、この領域に於てはＷ＞Ｊであ
るから、直流機りは発電機として運転される。

従って前記直流機の発生トルクは（２５）式で与えられ
る。

また、制動トルクＴＬは（２４）式で与えられるが、一
般に回転領域■に於てはＴＤ＞ Ｔ Ｊなる関係が成立
し、トルクＴＪは無視し得るから、制動トルクＴＬは次
式の如く表わされる。

そこで、αを一定として上式の関係を図示すると第１０
図のＴＬ直線を得るから、電動機Ｍのトルク特性が同図
のＴＭ曲線で表わされるものとすれば、サイリスタＴＨ
−１の点弧角がαなる場合の設定回転数は第１０図示の
Ｐ点の横座標で与えられる。

而して、サイリスクＴＨの点弧角を進ませるに従い（２
６）式の右辺に於ける定数項が犬となるため第１０図に
於てＴＬ直線が左方に平行移動し、これに伴いＰ点が２
８点に接近するから設定回転数は低下する。

斯様にして点弧角αが（２７）式の関係を満足する電気
角αＳに一致すると、Ｐ点がＰＳ点に合致してＮ＝０と
なるから電動機Ｍは通電状態で拘束されることとなる（
但し■ｆ ＋ ＥＫ 、 Ｖは（２８）式の関係を成立
せしめるような適当な値に逸走されているものとする）
。

但し、Ｔ、；電動機Ｍの始動トルク 尚、定常運転時の安定性は被試験機のトルク対速度曲線
と負荷の制動トルク曲線の交点に於ける該制動トルク曲
線の接線の勾配が犬なる程良好であり、本発明装置では
回転領域■に於ける制動トルクは（２６）式で与えられ
るから、界磁電流■ｆを増すことにより前記安定性を十
分に高め得る。

従って低速領域に於ける被試験機のトルク対速度曲線の
形状が如何様であろうと本発明装置によれば、前記領域
の負荷特性を詳細に測定することが可能である。

第１１図は下記仕様の他励直流発電機及びチョークコイ
ルを用イ、Ｖ＝１００ （Ｖ〕、 ＥＫ１８０（Ｖ）、
Ｉｆ＝０．０９（Ａ）、ＲＫ＝１００〔Ω〕に選定した
場合の制動トルク特性の実測結果を点弧角αをパラメー
タとして示したものである。

他励直流発電機；定格出力 ４００（Ｗ）定格電流
４〔Ａ〕 定格回転数 ２８００（ＲＰＭ、１ チョークコイル；定格電流 ５〔Ａ〕 インダクタンス ４００（ｍＨ） 以上詳説したところから明らかな如く本発明によれば被
試験機（誘導電動機）を同期速度から停止に至る回転領
域の任意回転数に於て安定に回転せしめ得るから、プロ
ーニブレーキ又は渦電流ブレーキ或は直流動力計の如き
従来装置による場合には測定不可能な回転領域の特性も
詳細且つ正確に測定することが出来、従って異常現象等
の検討に極めて有用なるデータを得ることができる。

また、本発明装置は他励直流機以外に回転機を必要とせ
ず、回路構成も甚だ簡単であるから安価に製作し得ると
共に据付に広い場所をとらず、且つサイリスクの点弧角
を制御することにより被試験機の回転速度を広範に而も
円滑に変化せしめ得るから操作が至って簡単である等の
利点を有し、その工業的実用的価値は極めて犬である。

尚、本発明装置は誘導電動機の可変負荷装置として開発
されたものであるが、直流電動機又は交流整流子電動機
等の負荷試験に於ける可変負荷装置としても勿論使用可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は安定運転の条件を説明するための図、第２図は
プローニブレーキの制動トルク特性図、第３図は渦電流
ブレーキ又は直流動力計の制動トルク特性図、第４図は
本発明装置の電気的結線図、第５図は前記装置の構成要
素たる全波整流ブリフジ回路に於ける各部の電圧及び電
流波形図、第６図は本発明装置の等価回路図、第７図は
前記装置の動作説明に必要な諸式を導出するための特性
図、第８図乃至第１０図は本発明装置の動作説明図、第
１１図は本発明装置の制動トルク特性図である。 而して、図中ＡＣは交流電源、Ｍは被試験電動機（誘導
電動機）、Ｄは他励直流機、Ｂは全波整流ブリッジ回路
、Ｔｎはサイリスク、ＣＨはチョ−クコイル、 Ｋは駆動回路、 ＵＫは直流電源、 ＶＫは可変抵抗器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数個のサイリスタから成る全波整流ブリッジ回路
   の交流側端子間に交流電源を接続すると共に、前記ブリ
   ッジ回路の直流側端子間に被試験機（誘導電動機）によ
   り駆動される他励直流機の電機子とチョークコイルを直
   列に接続し、更に直流電源と可変抵抗を直列接続して成
   る駆動回路を前記電機子に並列接続したことを特徴とす
   る誘導電動機の可変負荷装置。