JPH0522998A - 交流同期発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 不平衡電流を抑制するようにしたものであ
る。 【構成】 三相交流同期発電機ＳＧと三相誘導電動機Ｉ
Ｍとを原動機ＰＲＭを挾んで左右に配置し、両回転軸を
同軸上で連結する。また、発電機ＳＧの主回路と電動機
ＩＭの主回路とを並列接続し、三相不平衡負荷ＵＬによ
って生じる三相不平衡電流のうち逆相電流を誘導電動機
の主回路に流して制動効果やフィルタ効果を大きくす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は不平衡電流を抑制する
ことができるようにした交流同期発電機に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】三相交流同期発電機を用いた自家用発電
設備により、例えば、図１１に示すような単相負荷ＳＬ
と三相負荷Ｌからなる三相不平衡負荷に交流同期発電機
ＳＧから電力を供給する場合、現在は次に述べるような
手段を採っている。

【０００３】三相交流同期発電機ＳＧを三相不平衡電流
状態で使用した場合は、不平衡電流中の逆相電流成分が
発電機機能に悪影響を与えるため、例えば電気学会規格
調査規格（ＪＥＣ１１４−１９７９）では不平衡負荷電
流中の逆相電流値を定格電流値の１２％以下（突極形の
場合）または１０％以下（円筒形の場合）に規制してい
る。このため、図１１に示すように三相負荷Ｌと単相負
荷ＳＬからなる三相不平衡負荷に、標準の三相交流同期
発電機ＳＧを用いて電力を供給する場合、単相負荷ＳＬ
と三相負荷Ｌの給電可能範囲は図１２の斜線で示す通り
となる。

【０００４】従って、図１１に示す単相負荷量が図１２
に示す許容値を越える場合は、標準の交流同期発電機に
比べて定格容量（形状）の大きな発電機にて対応する等
の対策を要する。なお、図１１において、ＣＢは遮断
器、ＡＶＲは自動電圧調整器、Ｔは励磁用変圧器、ＦＲ
は界磁整流回路、ＥＸＣは初期励磁回路であり、この回
路ＥＸＣは初期励磁用接触器４１Ｉ、ダイオードＤ、限
流抵抗Ｒ及び直流電源Ｅから構成される。

【０００５】図１３は単相負荷回路側が２回路独立して
設備されている場合のもので、このような設備には図１
３に示すようにスコットトランスＳＣＴを用いて給電す
る。この図１３の場合、単相負荷ＳＬ₁とＳＬ₂が同一負
荷容量（力率も同一）の場合に限り、スコットトランス
ＳＣＴの１次側は三相平衡電流となる。しかし、単相負
荷容量が異なる場合は、スコットトランスＳＣＴの１次
側も不平衡電流となり、極端な場合、例えば単相負荷Ｓ
Ｌ₂がオフした場合、スコットトランスＳＣＴの三相平
衡化作用は消滅し、単相負荷ＳＬ₁にみあった単相電流
がスコットトランスＳＣＴの１次側に流れてしまう。こ
のようにスコットトランスＳＣＴによる発電機電流の三
相平衡化は独立２回路の単相負荷容量が等しいときに、
はじめて成り立つため、図１３のスコットトランスＳＣ
Ｔを使用する手段も特例を除きオールマイティな平衡化
対策とはいえない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１１は発電機巻線に
流れる三相不平衡電流に着目すると、発電機ＳＧ出力の
２線間に単相負荷ＳＬが接続されているところに、三相
負荷Ｌが重畳されて接続されているとみなせる。この場
合、発電機各相電流は、等価的に正相電流成分と逆相電
流成分が流れたことになり、発電機ＳＧはその逆相電流
成分による逆相回転磁界や、２次的に派生する高調波回
転磁界により逆相電流の値如何によっては次のような弊
害が発生し、実用上支障を生じる恐れがある。

【０００７】（ａ）発電機回転子の制動巻線や界磁磁極
表面等に異常加熱を生じる。

【０００８】（ｂ）発電機誘起電圧は基本波分に高調波
分が重畳され、出力電圧波形歪を生じる。

【０００９】（ｃ）高調波トルクにより、回転系に脈動
を生じることがある。

【００１０】（ｄ）発電機内部誘起電圧に逆相分電圧が
生じるため、発電機出力電圧が三相不平衡を生じ、自動
電圧調整器では各線間電圧の平均を一定にすることはで
きるが、各線間の不平衡電圧分を是正することはできな
い。

【００１１】また、発電機ＳＧの各相不平衡電流のた
め、発電機出力電圧に三相不平衡が生じた場合は、接続
された負荷にも不平衡電圧が印加されるため、その値如
何によっては負荷側機器の障害も生じる可能性がある。
従って、図１１のような負荷回路において、図１２の単
相入力容量の限度を越えて単相負荷ＳＬを使用する場合
は次のようにしなければならない。

【００１２】（１）三相交流同期発電機を標準適用のも
のより大きな定格容量のもの（発電機形状を大形化す
る）を適用する。

【００１３】（２）単相負荷をいくつかの設備構成に分
割することが可能な場合は、単相負荷を三相各線間に均
等に振り分ける。この場合、三相各線間に振り分けた同
一容量（同一力率）の単相負荷は発電機から見ると、三
相平衡負荷とみなすことができる。ただし、この場合、
単相負荷が均等に３分割できることと、負荷側配線が同
じく三相各線間に振り分けることができるようになって
いることが必要である。このため、発電機側電流三相平
衡化のためには、前述の単相負荷が３回路とも同時に使
用することが条件となり、スコットトランスの場合と同
様に特例を除きオールマイティな平衡化対策とは言えな
い問題がある。

【００１４】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、不平衡電流を抑制するようにした交流同期発電機
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明の第１発明は上
記の目的を達成するために、不平衡負荷や高調波負荷に
使用する三相交流同期発電機において、駆動源に対し直
結された同期発電機と同軸に同一極数のかご形三相誘導
電動機を直結し、同期発電機と誘導電動機の両主回路を
常に同期状態で並列接続し、負荷側条件により生じた逆
相電流や高調波電流を誘導電動機側に分流させ、不平衡
負荷耐量や高調波負荷耐量を増大するようにしたもので
ある。

【００１６】また、この発明の第２発明は三相交流同期
発電機と同一極数のかご形三相誘導電動機を同一軸にし
て同一フレーム内に組込み、発電機と誘導電動機の両主
回路を並列接続したものである。

【００１７】

【作用】負荷側条件により生じた逆相電流や高調波電流
を誘導電動機に分流させる。誘導電動機は固定子側に印
加する電源条件により、逆相磁界や高調波磁界が固定子
側に存在すると、容易かつ受動的に回転子側に逆相電流
や高調波電流と流す。このため、誘導電動機の回転子側
は逆相磁界や高調磁界を打ち消す方向に作用するととも
にこれらの電流は熱やトルクにエネルギー変換されるた
め、固定子側から見ると、逆相分や高調波分に対する制
動効果やフィルタ効果が大きくなる。このような作用を
利用して不平衡負荷耐量や高調波負荷耐量を増大するこ
とができる。

【００１８】

【実施例】以下この発明の一実施例を図面に基づいて説
明するに、図１１と同一部分は同一符号を付して示す。
図１において、ＩＭはかご形三相誘導電動機で、この誘
導電動機ＩＭと三相交流同期発電機ＳＧは図２に示すよ
うに原動機ＰＲＭを挾んで配置され、回転軸は同軸上で
連結される。誘導電動機ＩＭと三相交流同期発電機ＳＧ
の主回路は並列接続され、誘導電動機ＩＭの主回路には
常時オンの遮断器ＣＢ_ONが介挿される。８４は電圧継電
器である。

【００１９】次に上記実施例の動作を述べる。遮断器Ｃ
Ｂが開放状態のとき、原動機ＰＲＭにより三相交流同期
発電機ＳＧを定格回転数まで加速する。このとき、初期
励磁回路ＥＸＣは始動開始とともに直流電源Ｅより接触
器４１Ｉを通して励磁され、回転数上昇に伴い、８０％
程度まで電圧が確立（継電器８４により検知）した時点
で４１Ｉを開放にする。以降は初期励磁回路ＥＸＣか
ら、励磁電流が供給されなくても、発電機ＳＧのＡＶＲ
作用により発電機ＳＧの主回路から界磁回路ＦＲを通し
て励磁電流が供給され、一定電圧制御が行われる。

【００２０】交流同期発電機ＳＧと誘導電動機ＩＭは三
相主回路同士が並列接続されているため、回転数立上り
とともに電圧も零から立上がってくるため、三相誘導電
動機ＩＭ側も徐々に励磁される。このため、特に突入電
流がＩＭに流れることはない。また、誘導電動機ＩＭは
常に三相交流発電機ＳＧの発電電圧と同期状態で励磁さ
れることからも急に突入電流が流れるようなことはな
い。

【００２１】次に遮断器ＣＢを投入すると、単相負荷Ｓ
Ｌと三相負荷Ｌに発電機電圧が印加され、負荷電流が供
給される。いま仮に、かご形誘導電動機ＩＭが接続され
ていない状態（仮に遮断器ＣＢ_ONがオフしていると仮定
する）をみると、同期発電機ＳＧには三相不平衡電流が
流れるため、標準適用の同期発電機ではそれに含まれる
逆相電流成分が定格電流値の１０〜１２％以下になるよ
うに単相負荷量を制限する必要がある。

【００２２】一方、遮断器ＣＢ_ONをオンしたままの場合
の電源部としての機能をみてみる。遮断器ＣＢをオフし
た状態（負荷側回路オフした状態）では発電機ＳＧと電
動機ＩＭは主回路同士が並列接続されているため、電動
機ＩＭにはすべり零の同期状態で励磁電流が流れてい
る。

【００２３】また、電動機ＩＭは発電機ＳＧと同一軸で
駆動されるため、常に電源は同期状態（すべり零）で、
電動機ＰＲＭが駆動源となるから、電動機ＩＭ側は回転
系脈動時の制動トルクを除いて定常的にはトルクは発生
しない。従って、電動機ＩＭ側は電気的なパワーの授受
は生じないため、例えば電動機ＩＭを加速するための始
動電流や励磁するための突入電流は考えなくてもよい。

【００２４】次に遮断器ＣＢをオンすると図１の実施例
の場合、三相負荷Ｌと単相負荷ＳＬが接続されるため、
図３に示すように電源部ＰＷに対しては三相不平衡負荷
ＵＬが接続されたことになり、各相に流れる不平衡負荷
電流Ｉ_La，Ｉ_Lb，Ｉ_Lcは正相分電流Ｉ₁と逆相分電流Ｉ₂
を合成したものと考えることができる。この実施例のよ
うに三相負荷Ｌと単相負荷ＳＬからなるような負荷回路
の場合、電源側中性点を共通帰路とする零相回路は存在
しないため、不平衡負荷電流中に零相分Ｉ₀は相しな
い。

【００２５】従って、図１の実施例の三相分正相等価回
路は図４のようになり、その一相分の正相等価回路は図
５のようになる。同様に三相分逆相等価回路は図６のよ
うになり、その一相分の逆相等価回路は図７のようにな
る。まず、正相分は図５に示すように、発電機ＳＧの正
相誘起電圧Ｖ₁により、発電機ＳＧの正相インピーダン
スを介して、発電機ＩＭの励磁電流Ｉ_m1と負荷電流の正
相分Ｉ₁を供給する。一方、発電機ＳＧは図１の実施例
で示すようにＡＶＲにより電源部ＰＷ出力電圧が一定電
圧になるように界磁電流制御を行うから、負荷側から電
源部ＰＷをみた場合、一定の正相電圧源であり、電動機
ＩＭの有無に無関係になる。

【００２６】ただし、発電機ＳＧ自体には負荷に供給す
る正相電流Ｉ₁と、電動機ＩＭの励磁電流Ｉ_m1のベクト
ル合成値が流れる。なお、この発電機ＳＧに流れる正相
電流のうち、Ｉ_m1の影響を低減するためには、電動機Ｉ
Ｍの励磁電流Ｉ_m1を打ち消すための三相進相コンデンサ
を電動機ＩＭに並列に接続してもよい。

【００２７】次に逆相分は、図７に示すように不平衡負
荷量が与えられれば、その不平衡電流中の逆相分電流Ｉ
₂を定電流源とする等価回路を考えることができ、Ｉ₂は
電源部内部で発電機ＳＧ側と電動機ＩＭ側にそれぞれの
逆相インピーダンスの逆比に応じて分流する。従って、
Ｚ_m2＜Ｚ_g2になるような電動機ＩＭを選定すれば、電動
機ＩＭ側に分流する逆相電流分が増え、発電機ＳＧ側に
分流する逆相分と抑制することができる。

【００２８】逆相等価回路において、電源部の合成逆相
インピーダンスは、Ｚ_g2とＺ_m2の並列合成インピーダン
スになるため、次式のようにＺ_g2より小さくなる。

【００２９】 （Ｚ_g2×Ｚ_m2）／（Ｚ_g2＋Ｚ_m2）＜Ｚ_g2 従って、負荷側よりＩ₂が電源部ＰＷに流れ込むことに
より、電源の逆相インピーダンスとの積によってきまる
逆相電圧も発電機ＳＧ単独の場合より小さくなり、結果
として電源の電圧不平衡も小さくなる。

【００３０】次に上記実施例のように三相誘導電動機Ｉ
Ｍを同期発電機ＳＧと同期状態で並列接続した場合の電
動機ＩＭの正相インピーダンスは励磁インピーダンスと
なり、相対的に大きいのに対し、逆相インピーダンスは
相対的に小さくなるこを述べる。

【００３１】まず、正相分を考えると、正相電圧Ｖ₁に
対して電動機ＩＭ一相分の正相等価回路は一般的には図
８（ａ）のように示される。しかし、この実施例の場合
は電源の発電機ＳＧと電動機ＩＭは常に同期状態を保っ
ていることが特徴であるから、すべりＳ＝０とおくと、
図８（ｂ）のように励磁回路丈となり、正相インピーダ
ンスは励磁インピーダンス分となる。

【００３２】一方、逆相分を考えると、上記の説明で不
平衡負荷電流中の逆相電流分と電源部ＰＷの逆相インピ
ーダンスとの積が逆相電圧Ｖ₂として発生するが、この
逆相電圧Ｖ₂に対する電動機ＩＭ一相分の逆相等価回路
は一般的に図９（ａ）のように示され、前述のように発
電機ＳＧと電動機ＩＭの回転子側が同一軸で回転する場
合は、逆相電圧により電動機ＩＭの固定子巻線に生ずる
回転磁界と、かご形回転子の回転方向は逆方向となり、
相対速度２となるため、わずかの逆相電圧に対しても、
電動機ＩＭの２次側かご形巻線には相対的に大きな２次
電流（１次側からみると逆相電流）が流れるため結果と
して電動機ＩＭの逆相インピーダンスは相対的に小さい
ことになる。なお、この場合、実用範囲において、逆相
電圧Ｖ₂は逆相電圧Ｖ₁に比べ小さく、かつ２次側の等価
逆相インピーダンスが小さいため、図９（ｂ）のように
励磁インピーダンスは省略して考えることができる。

【００３３】上記実施例のように電動機ＰＲＭにより同
期発電機ＳＧと同一極数の誘導電動機ＩＭを同一軸で駆
動すると、次のような利点がある。

【００３４】（イ）誘導電動機の加速トルクは全て電動
機が受けもつため、誘導電動機には始動突入電流が流れ
ない。

【００３５】（ロ）電源部（同期発電機と誘導電動機を
機械的に同軸とし、電気的に並列接続したもの）からみ
て、無負荷又は三相平衡負荷時は負荷側の正相電流は同
期発電機に流れ、誘導電動機には負荷の大小、如何にか
かわらず定常時一定の励磁電流（電源部の端子電圧はＡ
ＶＲにより定常時は一定電圧に保持される）が流れる。
つまり、負荷に流れる正相電流は同期発電機が分担する
ことになる。

【００３６】（ハ）電源部からみて、不平衡負荷が接続
された場合は、不平衡負荷電流中の正相分は前述の通
り、同期発電機が分担するが、逆相分は同期発電機と誘
導電動機に分流し、同期発電機側の逆相インピーダンス
より誘導発電機側の逆相インピーダンスを小さくなるよ
うな適用をすれば、その分、逆相電流は誘導電動機側が
主体となって分担するため、同期発電機側に及ぼす悪影
響を軽減することができる。一方、誘導電動機側に流れ
た逆相電流は２次側回転子が短絡環付のかご形状巻線の
ため、十分な逆相電流耐量があり、これによって生じる
逆相トルクは駆動機によって補償される。

【００３７】図１０は同一回転軸１１に同期発電機ＳＧ
の回転子１２とかご形誘導電動機ＩＭの回転子１３を設
け、これらを同一フレーム１４内に収納し、フレーム１
４内に上記回転子１２，１３に対応してそれぞれ固定子
１５，１６を設けた実施例であり、図中１７，１８はブ
ラケット、１９，２０は固定子巻線である。このよう
に、同期発電機ＳＧと誘導電動機ＩＭとを同一フレーム
１４内に収納し、両主回路を電気的に並列接続した構成
にすれば、図２に示すものに比較して小形化及び軽量化
を図ることができ、しかも前記実施例と同様に不平衡電
流を抑制することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
次のような効果がある。

【００３９】（Ａ）不平衡負荷を接続した場合、不平衡
負荷電流中に含まれる正相分電流は同期発電機側で分担
し、逆相分電流は主として誘導電動機側が分担するよう
にすると、結果として同期発電機からみて不平衡負荷を
接続したにも拘らず、不平衡抑制装置を設けたことと等
価になる。すなわち、不平衡負荷中の正相電流は同期発
電機から供給し、逆相電流は主に誘導電動機側から供給
するため、逆相電流が同期発電機に及ぼす悪影響を軽減
することができる。

【００４０】（Ｂ）誘導電動機に逆相電流が流れた場
合、かご形回転子に誘導電流が流れるが、これによって
生じる逆相トルクは電動機による駆動トルクにて補償さ
れる。また、かご形回転子は同期発電機の回転子に比
べ、銅棒が全周に均一に高密度に設けられているため、
制動効果も大きく、固定子側に各種の高調波電流が流れ
ても、かご形回転子に変流器と同じようにアンペアター
ン打ち消しの作用に基づく高調波電流を積極的に流す。
これにより、固定子，回転子間に高調波磁界を積極的に
低減するような作用を行うため、不平衡負荷や高調波負
荷時も電圧波形歪を抑制する効果が大きい。

【００４１】（Ｃ）同期発電機と誘導発電機の並列逆相
インピーダンスが同期発電機単独のときより、大幅に低
減可能であるから、不平衡負荷による逆相電流成分が電
源側に流入しても、逆相インピーダンスとの積できまる
逆相電圧を小さくおさえることができる。従って、不平
衡負荷時の電源側電圧不平衡も小さくおさえることがで
きる。

【００４２】（Ｄ）誘導電動機にはかご形巻線により強
力な制動効果があるから、例え制動巻線を有しない構造
の同期発電機と組み合わせても誘導電動機の制動効果
で、電源としては強力な制動効果が付加され、他の三相
交流電源との並列運転時の安定性が大きくなる等の特性
向上を図ることができる。

【００４３】（Ｅ）誘導電動機を同期発電機と常に同期
状態で同一駆動源により駆動することにより、誘導電動
機のもつ逆相電流や高調波電流に対する制動効果やフィ
ルタ効果を最大限に利用し、機械的な駆動力は直接駆動
機側が負担し、交流同期発電機の電気的出力には極力負
担をかけないようにすることにより、相対的に大きな不
平衡負荷に対して良質な電源が供給できるようにしたも
のである。また、三相不平衡負荷対策のみならず、高調
波負荷対策用といても適用できる。

【００４４】（Ｆ）三相不平衡負荷や高調波負荷時、同
期状態で回転している誘導電動機側の逆相電流や高調波
電流の吸収作用や、制動作用により、電圧波形歪や各相
電圧不平衡を抑制する効果が大きいため、負荷側条件に
より生じた逆相電流や高調電流を電源側電圧波形歪や各
相電圧不平衡により助長することを抑制することができ
る。

【００４５】（Ｇ）発電機負荷は三相不平衡負荷や高調
波負荷のみならず、完全な単相負荷の場合も、逆相電流
が同期発電機に与える影響は全く同様であるから、電源
部の構成としては前述の三相交流同期発電機と、かご形
三相誘導発電機の組合わせとし、単相負荷丈を接続した
使用方法にすれば、単相負荷に対しても電圧波形歪の少
ない良質の電源を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す概略的な結線図、

【図２】誘導電動機直結形三相交流同期発電機の構成説
明図、

【図３】三相不平衡負荷の各相電流を示す説明図、

【図４】図１の実施例における三相分正相等価回路図、

【図５】図１の実施例における一相分正相等価回路図、

【図６】図１の実施例における三相分逆相等価回路図、

【図７】図１の実施例における一相分逆相等価回路図、

【図８】（ａ）は三相誘導電動機の一相分正相等価回路
図、（ｂ）はＳ＝０のときの回路図、

【図９】（ａ）は三相誘導電動機の一相逆相等価回路
図、（ｂ）はＳ＝０のときの回路図、

【図１０】誘導電動機組込形三相交流同期発電機の構成
図、

【図１１】従来例を示す概略的な結線図、

【図１２】標準突極形三相交流同期発電機の概略許容不
平衡負荷特性図、

【図１３】三相交流同期発電機とスコットトランスの組
合わせで三相不平衡負荷に給電する従来例を示す結線
図。

【符号の説明】

ＳＧ…三相交流同期発電機、ＩＭ…かご形三相誘導電動
機、Ｌ…三相負荷、ＳＬ…単相負荷、ＵＬ…三相不平衡
負荷。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不平衡負荷や高調波負荷に使用する三相
   交流同期発電機において、 駆動源に対し直結された同期発電機と同軸に同一極数の
   かご形三相誘導電動機を直結し、同期発電機と誘導電動
   機の両主回路を常に同期状態で並列接続し、負荷側条件
   により生じた逆相電流や高調波電流を誘導電動機側に分
   流させ、不平衡負荷耐量や高調波負荷耐量を増大するこ
   とを特徴とする交流同期発電機。
2. 【請求項２】 三相交流同期発電機と同一極数のかご形
   三相誘導電動機を同一軸にして同一フレーム内に組込
   み、発電機と誘導電動機の両主回路を並列接続したこと
   を特徴とする請求項１に記載の交流同期発電機。