JP2017093044A - Power converter and synchronous motor - Google Patents

Abstract

Translated fromJapanese

【課題】電動機運転時においても界磁巻線温度を適切に測定し、監視することができる電力変換装置および同期電動機を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、ブラシ付き同期電動機を駆動する電力変換装置である。この電力変換装置は、界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出部と、前記界磁巻線の温度を計算するためのデータをあらかじめ格納する記憶部と、前記データ、前記電流検出部によって検出された前記電流、およびブラシを介して検出された前記界磁巻線の両端の電圧である第１電圧にもとづいて、前記界磁巻線の温度を計算する演算部と、を備える。【選択図】図１Provided are a power converter and a synchronous motor capable of appropriately measuring and monitoring a field winding temperature even when the motor is operated. A power conversion device according to an embodiment is a power conversion device that drives a synchronous motor with a brush. The power converter includes a current detection unit that detects a current flowing through a field winding, a storage unit that stores data for calculating the temperature of the field winding in advance, the data, and the current detection unit. And an arithmetic unit that calculates a temperature of the field winding based on the detected current and a first voltage that is a voltage across the field winding detected via a brush. [Selection] Figure 1

Description

Translated fromJapanese

本発明の実施形態は、電力変換装置および同期電動機に関する。  Embodiments described herein relate generally to a power converter and a synchronous motor.

製鐵所の圧延プラントを構成する機器の一つに電動機があり、そのうち主機駆動用大形電動機は、圧延プラントにおける重要な電気設備である。主機駆動大形電動機は、一度大きな故障が発生すると、圧延を継続することができず、圧延プラント自体の操業が停止してしまう。このように、電動機の故障が圧延プラント全体に影響するため、安定した圧延プラントの操業のためには、各電動機の状態を監視することにより、電動機の異常を早期に発見する必要がある。電動機の異常を発見することができれば、電動機の故障を未然に防止することが可能になる。  One of the equipment that constitutes the rolling mill of a steelworks is an electric motor, and a large electric motor for driving a main machine is an important electrical facility in the rolling plant. Once a major failure occurs in the main motor-driven large electric motor, rolling cannot be continued and the operation of the rolling plant itself is stopped. Thus, since the failure of the electric motor affects the entire rolling plant, it is necessary to detect the abnormality of the electric motor early by monitoring the state of each electric motor for stable operation of the rolling plant. If the abnormality of the electric motor can be found, it becomes possible to prevent the electric motor from being broken.

主機駆動用大形電動機には、大形化が容易なことから同期電動機が用いられることが多い。一般的に、同期電動機の状態の監視を行う場合には、固定子巻線に取り付けられた温度検出器によって固定子巻線の温度を監視する。これによって、過負荷等により固定子巻線が異常な温度となっているかどうかを監視することができる。固定子巻線の温度は、同期電動機に供給される交流電流の増加に伴って上昇するので、固定子巻線の温度を監視することによって、固定子巻線に流れる交流電流を合わせて監視することもできる。  Synchronous motors are often used for large motors for driving main machines because they can be easily increased in size. Generally, when monitoring the state of the synchronous motor, the temperature of the stator winding is monitored by a temperature detector attached to the stator winding. This makes it possible to monitor whether the stator winding is at an abnormal temperature due to overload or the like. Since the temperature of the stator winding rises as the alternating current supplied to the synchronous motor increases, by monitoring the temperature of the stator winding, the alternating current flowing through the stator winding is also monitored. You can also.

同期電動機は、回転子に設けられた界磁巻線を有しており、同期電動機の異常状態の有無を把握するために、同期電動機の運転時において界磁巻線の温度監視することが望まれている。しかしながら、界磁巻線は、回転子に設けられているため、運転状態の同期電動機では、界磁巻線上に取り付けた温度検出器の配線を引き出すことができない。そのため、界磁巻線の温度検出を行う場合には同期電動機を停止させなければならず、プラント操業の円滑な運営の観点から実現することは困難である。  The synchronous motor has a field winding provided on the rotor, and it is desirable to monitor the temperature of the field winding during operation of the synchronous motor in order to grasp the presence or absence of an abnormal state of the synchronous motor. It is rare. However, since the field winding is provided in the rotor, the wiring of the temperature detector attached on the field winding cannot be pulled out by the synchronous motor in the operating state. Therefore, when detecting the temperature of the field winding, the synchronous motor must be stopped, which is difficult to realize from the viewpoint of smooth operation of the plant operation.

特開２０１３−２３３０６５号公報JP 2013-233065 A

実施形態は、電動機運転時においても界磁巻線温度を適切に測定し、監視することができる電力変換装置および同期電動機を提供する。  The embodiment provides a power conversion device and a synchronous motor that can appropriately measure and monitor the field winding temperature even during motor operation.

実施形態に係る電力変換装置は、ブラシ付き同期電動機を駆動する電力変換装置である。この電力変換装置は、界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出部と、前記界磁巻線の温度を計算するためのデータを格納する記憶部と、前記データ、前記電流検出部によって検出された前記電流、およびブラシを介して検出された前記界磁巻線の両端の電圧である第１電圧にもとづいて、前記界磁巻線の温度を計算する演算部と、を備える。  The power converter device which concerns on embodiment is a power converter device which drives the synchronous motor with a brush. The power converter includes a current detection unit that detects a current flowing through the field winding, a storage unit that stores data for calculating the temperature of the field winding, and the data and the current detection unit. And an arithmetic unit that calculates the temperature of the field winding based on the current and the first voltage that is the voltage across the field winding detected through the brush.

実施形態の電力変換装置では、ブラシを介して界磁巻線の両端電圧を検出し、検出された界磁巻線の電圧等にもとづいて界磁巻線温度を計算する演算部を備えているので、同期電動機の運転状態における界磁巻線温度を監視することができる。そのため、より安全な運転を継続させることができる。  The power conversion device according to the embodiment includes a calculation unit that detects the voltage across the field winding via a brush and calculates the field winding temperature based on the detected voltage of the field winding. Therefore, the field winding temperature in the operating state of the synchronous motor can be monitored. Therefore, safer driving can be continued.

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。It is a block diagram which illustrates the power converter concerning a 1st embodiment.第２の実施形態に係る同期電動機を例示する側面図である。It is a side view which illustrates the synchronous motor which concerns on 2nd Embodiment.図３（ａ）は、図２の同期電動機のＡ−Ａ’矢視断面図である。図３（ｂ）は、図２の同期電動機のＢ−Ｂ’矢視断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the arrow A-A ′ of the synchronous motor of FIG. 2. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of the synchronous motor of FIG. 2.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
In the present specification and drawings, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１は、界磁電流検出部３６と、温度演算部３７と、記憶部３８と、を含む制御回路３０を備える。電力変換装置１は、入力電源３と同期電動機２との間に接続されている。電力変換装置１は、入力端子１ａ〜１ｃを介して入力電源３に接続され、出力端子１ｄ〜１ｆを介して同期電動機２に接続されている。入力電源３は、この例では三相交流電源である。入力電源３は、三相交流に限定されず、単相の商用電源であってもよく、直流電源であってもよい。電力変換装置１の出力は、同期電動機の端子４０ａ〜４０ｃを介して、固定子巻線４０に電気的に接続されている。同期電動機２は、界磁巻線４１の両端の電圧を出力する端子４８ａ，４８ｂを有しており、端子４８ａ，４８ｂを介して、電力変換装置１の制御回路３０に電気的に接続されている。(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a power conversion apparatus according to this embodiment.
As shown in FIG. 1, thepower conversion device 1 according to the present embodiment includes acontrol circuit 30 including a fieldcurrent detection unit 36, atemperature calculation unit 37, and astorage unit 38. Thepower converter 1 is connected between the input power source 3 and thesynchronous motor 2. Thepower conversion device 1 is connected to an input power source 3 viainput terminals 1a to 1c, and is connected to asynchronous motor 2 viaoutput terminals 1d to 1f. The input power source 3 is a three-phase AC power source in this example. The input power supply 3 is not limited to three-phase alternating current, and may be a single-phase commercial power supply or a direct-current power supply. The output of thepower converter 1 is electrically connected to the stator winding 40 viaterminals 40a to 40c of the synchronous motor. Thesynchronous motor 2 hasterminals 48a and 48b that output voltages at both ends of the field winding 41, and is electrically connected to thecontrol circuit 30 of thepower converter 1 through theterminals 48a and 48b. Yes.

電力変換装置１は、入力電源３から電力の供給を受けて、交流電力を出力することによって同期電動機２を駆動する。電力変換装置１が同期電動機２に供給する交流電力は、たとえば、あらかじめ設定された電圧、電流および周波数を有しており、同期電動機２は、この交流電力によって速度制御等されて運転される。  Thepower converter 1 drives thesynchronous motor 2 by receiving supply of power from the input power supply 3 and outputting AC power. The AC power supplied from thepower conversion device 1 to thesynchronous motor 2 has, for example, a preset voltage, current, and frequency, and thesynchronous motor 2 is operated under speed control by the AC power.

電力変換装置１は、整流平滑回路を含んだインバータ装置である。電力変換装置１は、整流回路１０と、平滑回路１２と、主回路２０と、をさらに含む。  Thepower conversion device 1 is an inverter device including a rectifying and smoothing circuit. Thepower conversion device 1 further includes arectifier circuit 10, asmoothing circuit 12, and amain circuit 20.

整流回路１０は、三相交流を出力する入力電源３に接続されている。整流回路１０の出力には、平滑回路１２を構成するコンデンサが接続されている。整流回路１０に入力された三相交流電力は、直流電力に変換されて主回路２０に出力される。  Therectifier circuit 10 is connected to an input power supply 3 that outputs a three-phase alternating current. A capacitor constituting thesmoothing circuit 12 is connected to the output of therectifier circuit 10. The three-phase AC power input to therectifier circuit 10 is converted into DC power and output to themain circuit 20.

主回路２０は、平滑回路１２の出力に接続されている。主回路２０は、整流平滑された直流電力を高周波でスイッチングしてＰＷＭ等によって所定の電圧、電流および周波数の交流電力に変換する。主回路２０には、ブリッジ回路等出力電力や出力電圧等に合わせて適切な回路方式が選択される。  Themain circuit 20 is connected to the output of thesmoothing circuit 12. Themain circuit 20 switches the rectified and smoothed DC power at a high frequency and converts it into AC power having a predetermined voltage, current and frequency by PWM or the like. For themain circuit 20, an appropriate circuit system such as a bridge circuit is selected in accordance with output power, output voltage, and the like.

制御回路３０は、主回路２０、電力変換装置１の出力端子１ｄ〜１ｆ、および同期電動機２に接続されている。制御回路３０は、界磁電流検出部３６、温度演算部３７および記憶部３８のほか、電流制御回路３１と、基準信号発生回路３２と、ゲート駆動回路３３と、界磁巻線整流回路３４と、界磁制御回路３５と、を含んでいる。制御回路３０は、主回路２０の出力電流を電流検出部２２によって検出して、所定の交流電流が出力されるように制御する。制御回路３０は、同期電動機２の電機子に印加される電圧に応じて同期電動機２の固定子巻線４０に流れる電流を制御する。また、制御回路３０は、同期電動機２の界磁巻線４１に流れる界磁電流およびブラシ４２ａ，４２ｂから出力される電圧を入力して界磁巻線４１の温度を推定する。  Thecontrol circuit 30 is connected to themain circuit 20, theoutput terminals 1 d to 1 f of thepower conversion device 1, and thesynchronous motor 2. In addition to the fieldcurrent detection unit 36, thetemperature calculation unit 37, and thestorage unit 38, thecontrol circuit 30 includes acurrent control circuit 31, a referencesignal generation circuit 32, agate drive circuit 33, and a fieldwinding rectification circuit 34. , And afield control circuit 35. Thecontrol circuit 30 detects the output current of themain circuit 20 by thecurrent detection unit 22 and performs control so that a predetermined alternating current is output. Thecontrol circuit 30 controls the current flowing through the stator winding 40 of thesynchronous motor 2 in accordance with the voltage applied to the armature of thesynchronous motor 2. Further, thecontrol circuit 30 estimates the temperature of the field winding 41 by inputting the field current flowing through the field winding 41 of thesynchronous motor 2 and the voltage output from thebrushes 42 a and 42 b.

電流制御回路３１は、主回路２０の出力と、電力変換装置１から見た負荷である同期電動機２との間に直列に接続されている電流検出部２２の出力に接続されている。電流制御回路３１は、基準信号発生回路３２の出力にも接続されている。電流制御回路３１は、電流検出部２２によって検出された電力変換装置１の出力電流と、基準信号発生回路３２から出力される基準信号とを比較して、出力電流が基準信号に一致するように制御信号を出力する。ゲート駆動回路３３は、電流制御回路３１から出力された制御信号にしたがって、主回路２０を構成するスイッチング素子の駆動信号を出力する。電流制御回路３１は、たとえば直交座標変換回路および回転座標変換回路等を含んでおり、基準信号発生回路３２およびゲート駆動回路３３とともに、電力変換装置１の出力電流を、設定された波形で出力されるように制御する。  Thecurrent control circuit 31 is connected to the output of thecurrent detection unit 22 that is connected in series between the output of themain circuit 20 and thesynchronous motor 2 that is a load as viewed from thepower conversion device 1. Thecurrent control circuit 31 is also connected to the output of the referencesignal generation circuit 32. Thecurrent control circuit 31 compares the output current of thepower conversion device 1 detected by thecurrent detection unit 22 with the reference signal output from the referencesignal generation circuit 32 so that the output current matches the reference signal. Output a control signal. Thegate drive circuit 33 outputs a drive signal for the switching elements constituting themain circuit 20 in accordance with the control signal output from thecurrent control circuit 31. Thecurrent control circuit 31 includes, for example, an orthogonal coordinate conversion circuit and a rotation coordinate conversion circuit, and outputs the output current of thepower conversion device 1 with a set waveform together with the referencesignal generation circuit 32 and thegate drive circuit 33. To control.

界磁巻線整流回路３４は、端子３０ａ，３０ｂを介して、同期電動機２の界磁巻線４１に接続されている。界磁巻線整流回路３４の界磁巻線４１への電気的接続は、ブラシ４２ａ，４２ｂおよびコレクタリング４３ａ，４３ｂを介して行われる。界磁巻線４１およびコレクタリング４３ａ，４３ｂは、同期電動機２の回転子側に固定されるように設けられ、ブラシ４２ａ、４２ｂは、固定子側に固定されるように設けられている。界磁巻線４１およびコレクタリング４３ａ，４３ｂは、回転子とともに回転し、ブラシ４２ａ，４２ｂはその先端で回転するコレクタリング４３ａ，４３ｂに接触して電気的な接続が確保される。したがって、界磁巻線整流回路３４と界磁巻線４１との電気的接続をとるための配線は、同期電動機２の回転子の回転を妨げることはない。界磁巻線整流回路３４は、界磁制御回路３５から出力される交流電力を整流平滑して直流電力に変換する。変換された直流電力は、同期電動機２の界磁巻線４１に印加される。  The field windingrectifier circuit 34 is connected to the field winding 41 of thesynchronous motor 2 viaterminals 30a and 30b. The field windingrectifier circuit 34 is electrically connected to the field winding 41 viabrushes 42a and 42b and collector rings 43a and 43b. The field winding 41 and the collector rings 43a and 43b are provided to be fixed to the rotor side of thesynchronous motor 2, and thebrushes 42a and 42b are provided to be fixed to the stator side. The field winding 41 and the collector rings 43a and 43b rotate together with the rotor, and thebrushes 42a and 42b come into contact with the collector rings 43a and 43b rotating at the tips thereof to ensure electrical connection. Therefore, the wiring for establishing electrical connection between the field windingrectifier circuit 34 and the field winding 41 does not hinder the rotation of the rotor of thesynchronous motor 2. The field windingrectification circuit 34 rectifies and smoothes the AC power output from thefield control circuit 35 and converts it into DC power. The converted DC power is applied to the field winding 41 of thesynchronous motor 2.

界磁制御回路３５は、回転磁極方向から内部相差角だけ回転した無効軸と有効軸とか常に直交し、ベクトル制御を行うために主磁束の制御を行う。  Thefield control circuit 35 always controls the main magnetic flux in order to perform vector control, in which the invalid axis and the effective axis rotated by the internal phase difference angle from the rotating magnetic pole direction are always orthogonal.

界磁電流検出部３６は、界磁巻線整流回路３４と界磁巻線４１の一端との間に直列に接続されている。界磁電流検出部３６は、界磁巻線整流回路３４から出力される電流値を検出して出力する。界磁電流検出部３６は、たとえば計器用変流器もしくはホール素子またはこれらを組み合わせた検出モジュールである。  The fieldcurrent detection unit 36 is connected in series between the field windingrectifier circuit 34 and one end of the field winding 41. The fieldcurrent detector 36 detects and outputs the current value output from the field windingrectifier circuit 34. The fieldcurrent detection unit 36 is, for example, an instrument current transformer, a Hall element, or a detection module that combines these.

温度演算部３７は、端子３０ｃ，３０ｄを介して、界磁巻線４１の両端に電気的に接続されている。温度演算部３７は、同期電動機２の界磁巻線４１の両端、すなわちブラシ４２ａ，４２ｂから出力される電圧に相当する信号値を入力する。また温度演算部３７は、界磁電流検出部３６から出力される電流値に相当する信号値を入力する。温度演算部３７は、これらの信号値にもとづいて、界磁巻線４１の温度を計算する。界磁巻線４１の温度を計算するためのいくつかの定数（データ）は、記憶部３８に格納されている。  Thetemperature calculation unit 37 is electrically connected to both ends of the field winding 41 via terminals 30c and 30d. Thetemperature calculation unit 37 inputs a signal value corresponding to the voltage output from both ends of the field winding 41 of thesynchronous motor 2, that is, thebrushes 42a and 42b. Thetemperature calculation unit 37 receives a signal value corresponding to the current value output from the fieldcurrent detection unit 36. Thetemperature calculation unit 37 calculates the temperature of the field winding 41 based on these signal values. Some constants (data) for calculating the temperature of the field winding 41 are stored in thestorage unit 38.

記憶部３８には、界磁巻線４１の温度を計算するための定数のほか、計算された界磁巻線の温度に対するしきい値が格納されていてもよい。たとえば、計算された界磁巻線の温度がこのしきい値よりも高い場合には、温度演算部３７は、ゲートブロック信号を出力（図１の破線）し、ゲート駆動回路３３に対して電力変換装置１の動作を停止させるようにしてもよい。  In addition to the constant for calculating the temperature of the field winding 41, thestorage unit 38 may store a threshold value for the calculated temperature of the field winding. For example, when the calculated temperature of the field winding is higher than this threshold value, thetemperature calculation unit 37 outputs a gate block signal (broken line in FIG. 1) and supplies power to thegate drive circuit 33. The operation of theconversion device 1 may be stopped.

同期電動機２は、固定子巻線４０と、界磁巻線４１と、２つのブラシ４２ａ，４２ｂと、２つのコレクタリング４３ａ，４３ｂと、を有している。固定子巻線４０は、固定子に設けられ、界磁巻線４１は、回転子に設けられている。界磁巻線４１の一端は、一方のコレクタリング４３ａに電気的に接続されている。界磁巻線４１の他端は、他方のコレクタリング４３ｂに電気的に接続されている。一方のブラシ４２ａは、接触させることによってコレクタリング４３ａに電気的に接続されている。他方のブラシ４２ｂは、接触させることによってコレクタリング４３ｂに電気的に接続されている。したがって、界磁巻線４１の両端は、ブラシ４２ａ，４２ｂに電気的に接続される。ブラシ４２ａ，４２ｂ間には、界磁巻線４１の両端に発生する電圧が出力される。ブラシ４２ａ，４２ｂは、端子４８ａ，４８ｂに電気的に接続されている。端子４８ａ，４８ｂには、界磁巻線整流回路の出力および温度演算部の入力がそれぞれ電気的に接続される。  Thesynchronous motor 2 includes a stator winding 40, a field winding 41, twobrushes 42a and 42b, and twocollector rings 43a and 43b. The stator winding 40 is provided on the stator, and the field winding 41 is provided on the rotor. One end of the field winding 41 is electrically connected to onecollector ring 43a. The other end of the field winding 41 is electrically connected to theother collector ring 43b. Onebrush 42a is electrically connected to thecollector ring 43a by being brought into contact therewith. Theother brush 42b is electrically connected to thecollector ring 43b by being brought into contact therewith. Therefore, both ends of the field winding 41 are electrically connected to thebrushes 42a and 42b. A voltage generated at both ends of the field winding 41 is output between thebrushes 42a and 42b. Thebrushes 42a and 42b are electrically connected to theterminals 48a and 48b. Theterminals 48a and 48b are electrically connected to the output of the field winding rectifier circuit and the input of the temperature calculation unit, respectively.

この例では、同期電動機２の端子４８ａ，４８ｂと、温度演算部３７の入力との間に、直流入力変換器５０が接続されている。直流入力変換器５０は、直流電圧を入力して、入力した直流電圧値に比例した直流電圧を出力する。このときの比例定数ｋは、１よりも小さく、直流入力変換器５０は、大きな直流入力電圧を降圧して、入力電圧に比例する電圧を出力電圧として出力する。直流入力変換器５０の出力電圧は、制御回路３０に入力することができる程度の直流電圧である。界磁巻線４１の両端の電圧は、同期電動機２の出力等によって、１００Ｖ〜数１００Ｖに達する場合があるので、直流入力変換器５０によって数Ｖ〜１０Ｖ程度に降圧することによって、温度演算部３７への電圧入力を容易にすることができる。直流入力変換器５０は、電力変換装置１の内部に設置してもよく、外部に設置してもよく、後述するように、同期電動機２の内部に設置するようにしてもよい。なお、上述では比例定数ｋは１よりも小さい値であるとしたが、界磁巻線の両端に発生する電圧が小さい場合を考慮して、ｋ≧１に設定する場合があってもよい。  In this example, aDC input converter 50 is connected between theterminals 48 a and 48 b of thesynchronous motor 2 and the input of thetemperature calculation unit 37. TheDC input converter 50 inputs a DC voltage and outputs a DC voltage proportional to the input DC voltage value. The proportionality constant k at this time is smaller than 1, and theDC input converter 50 steps down a large DC input voltage and outputs a voltage proportional to the input voltage as an output voltage. The output voltage of theDC input converter 50 is a DC voltage that can be input to thecontrol circuit 30. Since the voltage at both ends of the field winding 41 may reach 100V to several hundreds V depending on the output of thesynchronous motor 2 and the like, the temperature calculation unit is lowered by theDC input converter 50 to about several V to 10V. The voltage input to 37 can be facilitated. TheDC input converter 50 may be installed inside thepower conversion apparatus 1, may be installed outside, or may be installed inside thesynchronous motor 2 as will be described later. In the above description, the proportional constant k is a value smaller than 1. However, in consideration of the case where the voltage generated at both ends of the field winding is small, k ≧ 1 may be set.

直流入力変換器５０は、入力と出力との間が電気的に絶縁されていてもよい。直流入力変換器５０の入出力間が電気的に絶縁されている場合には、界磁巻線の電圧のデータを取得するときに、ノイズの少ない信号データを得ることが可能になる。  TheDC input converter 50 may be electrically insulated between the input and the output. When the input and output of theDC input converter 50 are electrically insulated, it is possible to obtain signal data with less noise when obtaining the voltage data of the field winding.

本実施形態の電力変換装置１の動作について説明する。
まず、入力電源３が電力変換装置１に投入されると、主回路２０および制御回路３０が起動する。Operation | movement of thepower converter device 1 of this embodiment is demonstrated.
First, when the input power supply 3 is turned on to thepower converter 1, themain circuit 20 and thecontrol circuit 30 are activated.

電流制御回路３１、基準信号発生回路３２およびゲート駆動回路３３は、電力変換装置１の出力電圧および出力電流それぞれの振幅、周波数および位相が所定の値に達するように起動動作する。  Thecurrent control circuit 31, the referencesignal generation circuit 32, and thegate drive circuit 33 are activated so that the amplitude, frequency, and phase of the output voltage and output current of thepower conversion device 1 reach predetermined values.

一方、同期電動機２には、たとえば始動用の電動機が回転軸を介して接続されており、電力変換装置１で発生された交流電力に対応する回転磁界に同期するように始動動作させる。  On the other hand, for example, a motor for starting is connected to thesynchronous motor 2 via a rotating shaft, and a starting operation is performed so as to synchronize with a rotating magnetic field corresponding to the AC power generated by thepower conversion device 1.

同期電動機２では、界磁制御回路３５、界磁巻線整流回路３４、端子４８ａ，４８ｂ、ブラシ４２ａ，４２ｂおよびコレクタリング４３ａ，４３ｂを介して界磁巻線４１に界磁電流が供給される。  In thesynchronous motor 2, the field current is supplied to the field winding 41 via thefield control circuit 35, the field windingrectification circuit 34, theterminals 48a and 48b, thebrushes 42a and 42b, and the collector rings 43a and 43b.

界磁巻線４１の電流値は、界磁電流検出部３６によって検出され、温度演算部３７に入力される。  The current value of the field winding 41 is detected by the fieldcurrent detector 36 and input to thetemperature calculator 37.

界磁巻線４１で発生した電圧は、コレクタリング４３ａ，４３ｂ、ブラシ４２ａ，４２ｂ、端子４８ａ，４８ｂ、直流入力変換器５０および端子３０ｃ，３０ｄを介して温度演算部３７に入力される。  The voltage generated in the field winding 41 is input to thetemperature calculation unit 37 via the collector rings 43a and 43b, thebrushes 42a and 42b, theterminals 48a and 48b, theDC input converter 50, and the terminals 30c and 30d.

温度演算部３７では、以下の式（１）を用いて、界磁巻線温度θ［℃］を計算する。  Thetemperature calculation unit 37 calculates the field winding temperature θ [° C.] using the following equation (1).

ここで、Ｖ［Ｖ］は、ブラシ４２ａ，４２ｂ、コレクタリング４３ａ，４３ｂ、端子４８ａ，４８ｂおよび直流入力変換器５０を介して検出される界磁巻線４１の両端の電圧（第１電圧）である。Ｒ_１［Ω］は、同期電動機２の設計段階で設計値として算出される電動機基準巻線抵抗値である。Ｉ_２［Ａ］は、界磁電流検出部３６によって検出される界磁電流値である。Ｔは、界磁巻線の巻線材料により決定される定数であり、銅の場合には、Ｔ＝２３５［℃］である。θ_１［℃］は、Ｒ_１を算出する際に設計値として用いた界磁巻線温度である。Here, V [V] is a voltage (first voltage) at both ends of the field winding 41 detected via thebrushes 42a and 42b, the collector rings 43a and 43b, theterminals 48a and 48b, and theDC input converter 50. It is. R₁ [Ω] is a motor reference winding resistance value calculated as a design value at the design stage of thesynchronous motor 2. I₂ [A] is a field current value detected by the fieldcurrent detector 36. T is a constant determined by the winding material of the field winding, and in the case of copper, T = 235 [° C.]. θ₁ [° C.] is a field winding temperature used as a design value when calculating R₁ .

直流入力変換器５０の降圧率をｋ（＝出力電圧／入力電圧＜１）とすると、界磁巻線４１の両端の電圧Ｖは、直流入力変換器５０の出力電圧Ｖｏｕｔ（第２電圧）を用いて、Ｖ＝Ｖｏｕｔ／ｋより、式（１）は、以下のように変形される。  When the step-down rate of theDC input converter 50 is k (= output voltage / input voltage <1), the voltage V across the field winding 41 is the output voltage Vout (second voltage) of theDC input converter 50. By using V = Vout / k, the expression (1) is transformed as follows.

Ｒ_１、Ｔおよびθ_１は、所与の値であり、あらかじめ記憶部３８にこれらの適切な値が格納されている。ＶｏｕｔおよびＩ_２をそれぞれ上述のようにして検出し、検出された値が式（２）に代入されて、そのときの界磁巻線温度θ［℃］が算出される。R₁ , T, and θ₁ are given values, and these appropriate values are stored in thestorage unit 38 in advance. Detected by the Vout, and I₂ as described above, respectively, the detected value is substituted into equation (2), the field winding temperature theta [° C.] at that time is calculated.

式（１）は、電気規格調査会標準規格ＪＥＣ−２１３０（電気学会）によって規定されている同期電動機の界磁巻線温度の計算式である。  Equation (1) is a calculation formula for the field winding temperature of the synchronous motor defined by the JEC-2130 (Electrical Society) of the Electrical Standards Committee.

なお、界磁巻線温度θ以外の同期電動機２の動作パラメータ、たとえば、電動機回転数、運転周波数、あるいは電機子電流等は、電力変換装置１の側において取得することができる。  Note that the operating parameters of thesynchronous motor 2 other than the field winding temperature θ, for example, the motor speed, the operating frequency, the armature current, and the like can be acquired on thepower conversion device 1 side.

本実施形態の電力変換装置１の作用および効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１では、コレクタリング４３ａ，４３ｂ、ブラシ４２ａ，４２ｂおよび端子４８ａ，４８ｂを介して界磁巻線４１に電気的に接続されているため、同期電動機２が運転中であっても界磁巻線４１の両端の電圧Ｖを検出することができる。電力変換装置１では、制御回路３０が界磁巻線に流れる電流を検出する界磁電流検出部３６を備えているので、同期電動機２の動作中の界磁電流Ｉを検出することができる。そして、電力変換装置１は、検出された界磁巻線の電圧Ｖ（またはＶｏｕｔ）および界磁巻線に流れる界磁電流Ｉを入力して、式（１）または式（２）にしたがって界磁巻線温度θを計算する温度演算部３７を備えているので、同期電動機２が運転中であっても、界磁巻線４１の温度を計算することができる。電力変換装置１では、動作状態における界磁巻線温度θを同期電動機２の他の動作パラメータと同時に取得することができるので、異常な温度上昇等不具合を生じたことを検出することができ、信頼性の高い、同期電動機の駆動システムを実現することができる。The operation and effect of thepower conversion device 1 of this embodiment will be described.
In thepower converter 1 of the present embodiment, thesynchronous motor 2 is in operation because it is electrically connected to the field winding 41 via the collector rings 43a and 43b, thebrushes 42a and 42b, and theterminals 48a and 48b. Even if it exists, the voltage V of the both ends of the field winding 41 is detectable. In thepower converter 1, since thecontrol circuit 30 includes the fieldcurrent detection unit 36 that detects the current flowing in the field winding, the field current I during operation of thesynchronous motor 2 can be detected. Then, thepower conversion device 1 inputs the detected field voltage V (or Vout) of the field winding and the field current I flowing through the field winding, and thefield conversion device 1 according to the formula (1) or the formula (2). Since thetemperature calculation unit 37 for calculating the magnetic winding temperature θ is provided, the temperature of the field winding 41 can be calculated even when thesynchronous motor 2 is in operation. In thepower converter 1, since the field winding temperature θ in the operating state can be obtained simultaneously with other operating parameters of thesynchronous motor 2, it is possible to detect that a malfunction such as an abnormal temperature rise has occurred, A highly reliable drive system for a synchronous motor can be realized.

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態の同期電動機を例示する部分断面図である。
図３は、図２の同期電動機のＡ−Ａ’矢視断面図である。
図２に示すように、本実施形態の同期電動機６２は、界磁巻線４１と、ブラシ４２ａ，４２ｂと、直流入力変換器５０と、出力端子５２ａ，５２ｂと、を備える。
第１の実施形態において説明した同期電動機２と同一の構成要件については、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。(Second Embodiment)
FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating the synchronous motor of this embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the synchronous motor of FIG.
As shown in FIG. 2, thesynchronous motor 62 of this embodiment includes a field winding 41, brushes 42a and 42b, aDC input converter 50, andoutput terminals 52a and 52b.
The same components as those of thesynchronous motor 2 described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

図２では、同期電動機６２の固定子４５およびフレーム４６の断面を示し、他の部分の側面を示している。図２に示すように、界磁巻線４１は、同期電動機６２の回転子４４に固定されるように設けられている。回転子４４は、中心線Ｃ−Ｃ’を回転軸にして回転する。したがって、同期電動機２の運転中には、界磁巻線４１は、中心線Ｃ−Ｃ’を軸にして回転子４４とともに回転している。界磁巻線４１の一端は、コレクタリング４３ａに電気的に接続され、他端は、コレクタリング４３ｂに電気的に接続されている。なお、界磁巻線４１は、中心線Ｃ−Ｃ’に垂直な方向に磁界を発生するように巻回されている。  In FIG. 2, the cross section of thestator 45 and theframe 46 of thesynchronous motor 62 is shown, and the side surface of the other part is shown. As shown in FIG. 2, the field winding 41 is provided so as to be fixed to therotor 44 of thesynchronous motor 62. Therotor 44 rotates about the center line C-C ′ as a rotation axis. Therefore, during operation of thesynchronous motor 2, the field winding 41 rotates with therotor 44 about the center line C-C '. One end of the field winding 41 is electrically connected to thecollector ring 43a, and the other end is electrically connected to thecollector ring 43b. The field winding 41 is wound so as to generate a magnetic field in a direction perpendicular to the center line C-C ′.

固定子巻線４０は、鉄心である固定子４５のスリットに挿入されている。固定子４５は、フレーム４６に固定されている。  The stator winding 40 is inserted into a slit of astator 45 that is an iron core. Thestator 45 is fixed to theframe 46.

図３（ａ）に示すように、ブラシ４２ａは、ブラシホルダ４７ａに挿入されブラシ４２ａの先端がコレクタリング４３ａに接触するように、フレーム４６に固定されている。フレーム４６は、固定されているので、ブラシ４２ａは同期電動機２に対して固定されている。ブラシ４２ａは、同期電動機２の運転中には、コレクタリング４３ａに接触しているので、接触部が摩耗する。そのため、ブラシ４２ａとコレクタリング４３ａとの接触抵抗を低減するために、この例では、ブラシ４２ａは、複数個をコレクタリング４３ａの周囲を適切な間隔だけ離間して配置されている。複数のブラシ４２ａは、並列に接続されている。図３（ｂ）に示すように、界磁巻線４１の他端には、複数のブラシ４２ｂが並列に接続されている。複数のブラシ４２ｂは、コレクタリング４３ｂに接触することによって、電気的接続が図られている。複数のブラシ４２ｂは、ブラシ４２ａと同様にそれぞれブラシホルダ４７ｂに挿入され、フレーム４６に固定されている。このように、固定子側に固定されているブラシ４２ａおよびブラシ４２ｂは、回転する界磁巻線４１の一端および他端にそれぞれ電気的に接続されることができる。  As shown in FIG. 3A, thebrush 42a is fixed to theframe 46 so that thebrush 42a is inserted into thebrush holder 47a and the tip of thebrush 42a contacts thecollector ring 43a. Since theframe 46 is fixed, thebrush 42 a is fixed to thesynchronous motor 2. Since thebrush 42a is in contact with thecollector ring 43a during the operation of thesynchronous motor 2, the contact portion is worn. Therefore, in this example, in order to reduce the contact resistance between thebrush 42a and thecollector ring 43a, a plurality ofbrushes 42a are arranged around thecollector ring 43a at an appropriate interval. The plurality ofbrushes 42a are connected in parallel. As shown in FIG. 3B, a plurality ofbrushes 42b are connected to the other end of the field winding 41 in parallel. The plurality ofbrushes 42b are electrically connected by contacting thecollector ring 43b. The plurality ofbrushes 42b are respectively inserted into thebrush holder 47b and fixed to theframe 46 in the same manner as thebrush 42a. Thus, thebrush 42a and thebrush 42b fixed to the stator side can be electrically connected to one end and the other end of the rotating field winding 41, respectively.

ブラシ４２ａ，４２ｂには、配線４９ａ，４９ｂの一端がそれぞれ接続されており、延伸された配線４９ａ，４９ｂの他端は、直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂに電気的に接続されている。  One ends ofwirings 49a and 49b are connected to thebrushes 42a and 42b, respectively, and the other ends of theextended wirings 49a and 49b are electrically connected to inputterminals 51a and 51b of theDC input converter 50. Yes.

直流入力変換器５０は、この例ではコレクタリング４３ａ，４３ｂの下部に配置され、フレーム４６に固定されている。ブラシ４２ａ，４２ｂから延伸された配線４９ａ，４９ｂは、コレクタリング４３ａ，４３ｂの外周をとおって直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂに電気的に接続される。  In this example, theDC input converter 50 is disposed below the collector rings 43 a and 43 b and is fixed to theframe 46. Thewirings 49a and 49b extended from thebrushes 42a and 42b are electrically connected to theinput terminals 51a and 51b of theDC input converter 50 through the outer circumferences of the collector rings 43a and 43b.

直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂは、配線４９ａ，４９ｂによって、それぞれブラシ４２ａ，４２ｂに電気的に接続されている。ブラシ４２ａ，４２ｂは、それぞれコレクタリング４３ａ，４３ｂを介して界磁巻線４１の両端に電気的に接続されているので、直流入力変換器５０の入力には、界磁巻線４１の両端の電圧が入力される。直流入力変換器５０の出力端子５２ａ，５２ｂは、電力変換装置１の端子３０ｃ，３０ｄを介して、制御回路３０の温度演算部３７の入力に接続される。直流入力変換器５０は、直流電圧を入力して、入力した直流電圧値に比例した直流電圧を出力する。  Theinput terminals 51a and 51b of theDC input converter 50 are electrically connected to thebrushes 42a and 42b throughwirings 49a and 49b, respectively. Since thebrushes 42a and 42b are electrically connected to both ends of the field winding 41 via collector rings 43a and 43b, respectively, the input of theDC input converter 50 is connected to both ends of the field winding 41. A voltage is input. Theoutput terminals 52 a and 52 b of theDC input converter 50 are connected to the input of thetemperature calculation unit 37 of thecontrol circuit 30 via the terminals 30 c and 30 d of thepower converter 1. TheDC input converter 50 inputs a DC voltage and outputs a DC voltage proportional to the input DC voltage value.

直流入力変換器５０の入力端子５１ａ，５１ｂは、上述のように界磁巻線４１に電気的に接続されているので、別の配線によって端子６４ａ，６４ｂに接続され、外部の回路に接続される。具体的には、端子６４ａ，６４は、電力変換装置１の端子３０ａ，３０ｂを介して、制御回路３０の界磁巻線整流回路３４に電気的に接続される。  Since theinput terminals 51a and 51b of theDC input converter 50 are electrically connected to the field winding 41 as described above, they are connected to theterminals 64a and 64b by another wiring and connected to an external circuit. The Specifically, theterminals 64 a and 64 are electrically connected to the field windingrectifier circuit 34 of thecontrol circuit 30 via theterminals 30 a and 30 b of thepower conversion device 1.

本実施形態の同期電動機２の作用および効果について説明する。
本実施形態の同期電動機２は、ブラシ４２ａ，４２ｂによって検出された界磁巻線４１の両端の電圧を入力して、入力電圧に比例する電圧を出力電圧として出力する直流入力変換器５０を備えているので、１００Ｖを超える高電圧に達することがある界磁巻線４１の両端の電圧を低電圧化して、そのまま制御回路３０に入力することができる。また、同期電動機２は、第１の実施形態の電力変換装置１とともに用いることによって、制御回路３０において、界磁巻線４１の温度を計算することができるので、高い信頼性で動作させることができる。The operation and effect of thesynchronous motor 2 of this embodiment will be described.
Thesynchronous motor 2 of the present embodiment includes aDC input converter 50 that inputs the voltage across the field winding 41 detected by thebrushes 42a and 42b and outputs a voltage proportional to the input voltage as an output voltage. Therefore, the voltage at both ends of the field winding 41 that may reach a high voltage exceeding 100 V can be reduced and input to thecontrol circuit 30 as it is. Moreover, since thesynchronous motor 2 can calculate the temperature of the field winding 41 in thecontrol circuit 30 when used with thepower conversion device 1 of the first embodiment, it can be operated with high reliability. it can.

以上説明した実施形態によれば、同期電動機を可変速制御する電力変換装置にて界磁巻線温度を含めた界磁諸量を監視することが可能となり、より安全な運転を継続させることができる。  According to the embodiment described above, it becomes possible to monitor the field quantities including the field winding temperature in the power converter that performs variable speed control of the synchronous motor, and to continue safer operation. it can.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。  As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalents thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.

１ 電力変換装置、２，６２ 同期電動機、３ 入力電源、１０ 整流回路、１２ 平滑回路、２０ 主回路、２２ 電流検出部、３０ 制御回路、３１ 電流制御回路、３２ 基準信号発生回路、３３ ゲート駆動回路、３４ 界磁巻線整流回路、３５ 界磁制御回路、３６ 界磁電流検出部、３７ 温度演算部、３８ 記憶部、４０ 固定子巻線、４１ 界磁巻線、４２ａ，４２ｂ ブラシ、４３ａ，４３ｂ コレクタリング、４４ 回転子、４５ 固定子、４６ フレーム、４７ａ，４７ｂ ブラシホルダ、４８ａ，４８ｂ 端子、４９ａ，４９ｂ 配線、５０ 直流入力変換器、５１ａ，５１ｂ 入力端子、５２ａ，５２ｂ 出力端子  DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 Power converter, 2,62 Synchronous motor, 3 Input power supply, 10 Rectifier circuit, 12 Smoothing circuit, 20 Main circuit, 22 Current detection part, 30 Control circuit, 31 Current control circuit, 32 Reference signal generation circuit, 33 Gate drive Circuit, 34 field winding rectifier circuit, 35 field control circuit, 36 field current detection unit, 37 temperature calculation unit, 38 storage unit, 40 stator winding, 41 field winding, 42a, 42b brush, 43a, 43b Collector ring, 44 rotor, 45 stator, 46 frame, 47a, 47b brush holder, 48a, 48b terminal, 49a, 49b wiring, 50 DC input converter, 51a, 51b input terminal, 52a, 52b output terminal

Claims (4)

Translated fromJapanese

ブラシ付き同期電動機を駆動する電力変換装置であって、
界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記界磁巻線の温度を計算するためのデータを格納する記憶部と、
前記データ、前記電流検出部によって検出された前記電流、およびブラシを介して検出された前記界磁巻線の両端の電圧である第１電圧にもとづいて、前記界磁巻線の温度を計算する演算部と、
を備えた電力変換装置。A power converter for driving a brushed synchronous motor,
A current detector for detecting the current flowing through the field winding;
A storage unit for storing data for calculating the temperature of the field winding;
The temperature of the field winding is calculated based on the data, the current detected by the current detection unit, and a first voltage that is a voltage across the field winding detected via a brush. An arithmetic unit;
The power converter provided with. 前記ブラシと前記演算部との間に接続され、前記第１電圧を入力して、前記第１電圧に比例した第２電圧を出力する直流入力変換器をさらに備えた請求項１記載の電力変換装置。  2. The power conversion according to claim 1, further comprising a DC input converter connected between the brush and the arithmetic unit, which inputs the first voltage and outputs a second voltage proportional to the first voltage. apparatus. 前記直流入力変換器は、前記第１電圧よりも小さい前記第２電圧を出力する請求項２記載の電力変換装置。  The power converter according to claim 2, wherein the DC input converter outputs the second voltage that is smaller than the first voltage. 回転子に設けられた界磁巻線と、
固定子に設けられ、前記回転子に設けられたコレクタリングを介して前記界磁巻線と電気的に接続されるブラシと、
前記ブラシを介して前記界磁巻線に電気的に接続され、前記界磁巻線の両端の電圧である第１電圧を入力して前記第１電圧に比例した第２電圧を出力する直流入力変換器と、
前記直流入力変換器の出力に電気的に接続され、前記界磁巻線の温度を計算するためのデータ、前記界磁巻線を流れる電流、および前記第２電圧にもとづいて、前記界磁巻線の温度を計算する演算部に電気的に接続される端子と、
を備えた同期電動機。A field winding provided on the rotor;
A brush provided on the stator and electrically connected to the field winding via a collector ring provided on the rotor;
DC input that is electrically connected to the field winding via the brush, inputs a first voltage that is a voltage across the field winding, and outputs a second voltage proportional to the first voltage. A converter,
The field winding electrically connected to the output of the DC input converter and based on data for calculating the temperature of the field winding, the current flowing through the field winding, and the second voltage. A terminal electrically connected to an arithmetic unit for calculating the temperature of the wire;
Synchronous motor with

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