JP2000166294A

JP2000166294A - 同期モータの群運転制御方法及びシステム

Info

Publication number: JP2000166294A
Application number: JP10334757A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Horinouchi; 豊堀之内; Norihiro Uchino; 徳弘内野
Original assignee: Topre Corp
Current assignee: Topre Corp
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】システムの信頼性及び経済性を共に満足し得
る同期モータの群運転制御方法を提供する。【解決手段】複数台の同期モータ５₁〜５nを可変速制
御運転する。複数の同期モータ５₁〜５nのうちの一部
（５₁）をパイロットモータとして、このパイロットモ
ータ５₁の回転子の磁極位置を磁極位置検出センサ６で
検出する。検出されたパイロットモータ５₁の磁極位置
と固定子巻線が作る回転磁界との位相角が所定範囲に収
まるように、パワー回路部３の出力電圧及び出力周波数
を制御する。また、パワー回路部３の出力電力を複数の
同期モータ５₁〜５nに共通に供給することにより、複数
の同期モータ５₁〜５nを、これらが同一速度となるよう
に可変速制御運転する。複数の同期モータ５₁〜５nのい
ずれかに運転異常が発生した場合には、過電流検出保護
装置８₁〜８nが、その運転異常が発生した同期モータへ
の電力供給を停止する。その他の同期モータの運転は継
続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、同一電源に接続
された複数台の同期モータを可変速で安定に群制御する
同期モータの群運転制御方法及びシステムに関する。

【０００２】厳密な温度制御が要求される特殊なビルや
クリーンルーム等では、部屋全体を均一且つ正確に温度
コントロールするため、一般的な一括流量制御方式では
なく、吹出し・排出ファンを分散し、これらファンを個
々に細かく流量制御できるシステムが用いられる。この
種の空調システムでは、分散配置された多数のファンを
それぞれ同一速度で制御するために、分散型の群運転制
御を行う必要がある。

【０００３】この種の群運転制御システムとしては、電
力変換される電力変換器を用いて複数台の誘導モータを
可変速駆動するシステム（例えば特開昭５９−９６８９
６号）や複数台の同期モータを可変速駆動するシステム
（例えば特公昭５１−３０４６号）が知られている。し
かし、誘導モータは一般的に同期モータよりも運転効率
が悪く、また起動時に定常時の５倍近くの電流が流れる
ため、多数のモータを群運転するには大容量の電力変換
器を使用しなければならないという問題がある。特に、
ビルやクリーンルーム等のエアーコンディショニング用
ファンの可変速駆動モータのように、１台当たり数百ワ
ット程度のモータでは、その運転効率の面からは、同期
モータが誘導モータに比べ圧倒的に有利である。これは
可変速運転の有無に拘わらず、省エネルギ運転の面でも
必要なことである。

【０００４】一方、同期モータは運転効率の面で有利で
ある反面、振動、過負荷、過渡現象等により脱調現象を
起こしやすいという欠点を有する。この脱調現象を防止
して、安定制御を実現するために、磁極位置検出センサ
（ＰＰＳ；Pole Position Sensor）を設けて回転子の磁
極位置を常時モニタして、その磁極位置と固定子巻線が
作る回転磁界との位相角（トルク角）をほぼ９０°近辺
の最適角度に制御すべく、固定子巻線に供給する電力の
電圧及び周波数を電力変換器で制御するようにした同期
モータが用いられている。このような同期モータは、一
般にブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣモータ）として知
られている。

【０００５】図１１は、複数のＢＬＤＣモータを接続し
た群運転制御システムの構成を示すブロック図である。
交流商用電源ライン１０１から供給される交流三相商用
電源電力は、整流装置（ＣＯＮ）１０２によって直流電
圧に変換されたのち、複数のＢＬＤＣモータ１０３₁，
１０３₂，１０３₃，…，１０３nに供給されている。各
ＢＬＤＣモータ１０３₁〜１０３ｎは、同期モータ（Ｓ
Ｍ）１０４₁，１０４₂，１０４₃，…，１０４nと、この
同期モータ１０４₁〜１０４ｎを可変速制御するインバ
ータ（ＩＮＶ）１０５₁，１０５₂，１０５₃，…，１０
５nと、各同期モータ１０４₁〜１０４ｎの回転子の磁極
位置を検出する磁極位置検出センサ（ＰＰＳ）１０
６₁，１０６₂，１０６₃，…，１０６nとにより構成され
ている。インバータ１０５₁〜１０５nは、磁極位置検出
センサ１０６₁〜１０６nの出力に応じて出力電圧及び出
力周波数を制御する。これにより、各同期モータ１０４
₁〜１０４nは、それぞれに設けられた磁極位置検出セン
サ１０６₁〜１０６nの検出値に基づいて、最適トルク角
を維持するようにそれぞれ独立に可変速制御される。こ
こで、群制御を行う場合には、速度指令信号系に共通の
信号を加えることにより、各同期モータ（ＢＬＤＣモー
タ）は、ほぼ同じ速度で可変速制御運転が行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＢＬＤＣモータの群運転制御システムでは、各
々の同期モータに磁極位置検出センサと専用の電子制御
回路を設け、１台ずつ完全なＢＬＤＣモータとして並列
運転を行っている。このため、各同期モータは、その駆
動用三相電力線の他に磁極位置検出用の３個のホールセ
ンサと、それを接続するための８〜９本のセンサ用信号
線を接続する必要があり、これが回路的に信頼性を低下
させる大きな原因となっていた。また、その配線コスト
や磁極位置検出センサ及びインバータのコストが、数十
から数百といった多数のファンを設置する分散制御型空
調システムにおいては、経済性の面で無視できない問題
となっていた。

【０００７】本発明は、このような問題点に鑑みなされ
たもので、システムの信頼性及び経済性を共に満足し得
る同期モータの群運転制御方法及びシステムを提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る同期モータ
の群運転制御方法は、複数台の同期モータを電力変換手
段によって可変速制御運転する同期モータの群運転制御
方法において、前記複数の同期モータのうちの一部に、
回転子の磁極位置を検出し検出されたモータの磁極位置
と固定子巻線が作る周期的に変化する磁界との間の位相
角が所定範囲に収まるように前記電力変換手段の出力電
圧及び出力周波数を制御するパイロットモータを設ける
と共に、前記電力変換手段の出力電力を前記複数の同期
モータに共通に供給することにより、前記複数の同期モ
ータが同一速度で運転されるように制御するようにし、
各電力供給路にそれぞれ設けられ、前記複数の同期モー
タのいずれかに運転異常が発生した場合にこれを検出し
て、その運転異常が発生した同期モータへの電力供給を
停止させる異常検出保護手段を備えると共に、その他の
同期モータの運転を継続するようにしたことを特徴とす
る。

【０００９】本発明によれば、群運転制御される複数台
の同期モータのうちの一部に、回転子の磁極位置を磁極
位置検出手段で直接的又は間接的に検出して電力変換手
段にフィードバックするパイロットモータを設けること
により、パイロットモータのトルク角制御を行うと同時
に、電力変換手段の電圧及び周波数制御された出力電力
を他の同期モータへも供給するようにしているので、全
ての同期モータがほぼ同一仕様で同様の負荷条件で運転
されている限り、全ての同期モータに対してトルク角制
御がなされたのと同様の制御が可能になる。

【００１０】但し、本発明によれば、全ての同期モータ
がパイロットモータのトルク角制御に基づいて同一速度
で運転されるので、万一、いずれかの同期モータが拘束
又は脱調等により停止してしまった場合、その影響は他
の全ての同期モータに及ぶ。そこで、この発明では、こ
のようにいずれかの同期モータに運転異常が発生したこ
とが検出されたとき、その同期モータへの電力供給を停
止するようにしているので、システム全体から見ると、
その同期モータが接続されていないのと同様の制御がな
される。このため、他の正常な同期モータが影響を受け
ることなく継続運転されることになる。

【００１１】本発明により、多数の同期モータを備えた
システムにおいても、一部の同期モータにのみ磁極位置
検出手段や電力変換手段を制御するパイロットモータを
設け、他の同期モータにはこれらを設ける必要がないの
で、システムの信頼性を確保しつつ、全体コストを削減
することができる。更に、いずれかの同期モータが運転
異常となっても、その同期モータが他の同期モータの運
転に影響を及ぼすのを防止することができるので、例え
ば製造ラインの稼働状態をそのまま維持することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施の形態について説明する。図１は、本発明の
一実施例に係る同期モータの群運転制御システムの構成
を示す図である。交流商用電源ライン１から供給される
交流三相商用電源電力は、整流回路（ＣＯＮ）２で直流
電力に変換され、更にパワー回路部（ＰＷ）３によっ
て、理想的な力率と運転効率となるように制御された可
変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の三相交流出力電力に変
換され、この三相交流出力電圧が共通のＶＶＶＦ出力線
４を介して複数台の同期モータ（ＳＭ）５₁，５₂，
５₃，…，５nに供給されている。複数台の同期モータ５
₁〜５nのうちの一部、この例では１台の同期モータ５₁
にのみ磁極位置検出センサ（ＰＰＳ）６及び制御回路７
が設けられており、これら同期モータ５₁、磁極位置検
出センサ６及び制御回路７によってパイロットモータ１
０が構成されている。磁極位置検出センサ６は、モータ
５₁の回転子の磁極位置を検出する。制御回路７は、そ
の検出値から同期モータ５₁が理想的な力率と運転効率
となるようにパワー回路部３を制御する。パワー回路部
３は、制御回路７の制御に基づいて、電圧及び周波数が
調整されたＶＶＶＦ出力電圧を同期モータ５₁〜５nに共
通に供給する。

【００１３】複数台の同期モータ５₁〜５nの電力供給側
には、過電流を検出して瞬時に電力供給路を断つ過電流
検出保護装置８₁〜８nが介挿されている。過電流検出保
護装置８₁〜８nとしては、例えばノーヒューズブレーカ
（ＮＦＢ）や即断ヒューズ等を用いることができる。過
電流検出保護装置８₁〜８nからの検出信号は、例えば操
作パネル等に設けられた表示器９に異常のあった同期モ
ータを特定する形で表示される。

【００１４】図２は、パイロットモータ１０の構成例を
示す図である。内部を密閉した筒状のケース１１の内周
面には、固定子巻線１２が施された固定子１３が装着さ
れ、この固定子１３に囲まれるように回転子１４が配置
されている。回転子１４の回転軸１５は、ケース１１の
両端中央に装着された軸受１６，１７を介してケース１
１に回転自在に支持されている。回転子１４は、固定子
巻線１２によって生ずる回転磁界に追従するように径方
向に着磁又は励磁された磁極部１８を構成する。磁極部
１８は、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転
子コア２１に複数の永久磁石２２を適宜埋込配置して形
成されていても良いし、同図（ｄ）に示すように、鉄心
２３に巻回された励磁コイル２４に直流電流を流すこと
により励磁して磁極を形成するようにしても良い。ま
た、同図（ｅ）に示すように、回転方向の磁気抵抗が増
減するように形成された鉄心２５のみの構成としてもよ
い。これはＶＲ（Variable Reluctance）型モータとし
て知られている。

【００１５】前述した磁極位置検出センサ６は、回転子
１４の磁極部１８の近傍に設けられ、ケース１１の一方
の側に配置された制御装置３１の基板３２に装着されて
いる。制御装置３１には、磁極位置検出信号からＶＶＶ
Ｆ出力を生成するための制御回路７が内蔵されている。
なお、パイロットモータ以外の同期モータ５₂〜５ｎに
は、磁極位置検出センサ６、制御装置３１及び基板３２
が設けられておらず、固定子巻線１２にＶＶＶＦ出力が
直接供給されることになる。このため、制御回路７によ
って制御されるパワー回路部３には、対象とする群制御
用同期モータ５₁〜５ｎの全数に十分な電力を供給でき
る容量のものを使用する。なお、この例では、制御回路
７をケース１１内部の制御装置３１内に収容した例を示
しているが、勿論、制御回路７をケース１１の外部に配
置したり、パワー回路部３と同一装置内に収容しても良
いことはいうまでもない。また、パワー回路部３と制御
装置７とをケース１１の内部に配置すれば、ＢＬＤＣモ
ータとして構成されることになる。

【００１６】図４は、整流回路２、パイロットモータ１
０及びパワー回路部３に関する回路の詳細を示すブロッ
ク図である。整流回路２は、三相商用電源電圧を整流す
るダイオードＤ１〜Ｄ６又は電圧調整機能を有するサイ
リスタ等からなるブリッジ回路と、その出力から脈動を
除去して安定化直流電力を得るための平滑コンデンサＣ
並びにツェナーダイオードＺＤ、抵抗Ｒ及びトランジス
タＴＲ０からなるパワーバック時のエネルギーの消費回
路から構成されている。パワー回路部３は、整流回路２
から与えられる直流電力を三相交流電力に変換して固定
子巻線１２に供給するためのパワートランジスタＴＲ１
〜ＴＲ６と、これらトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６に逆並
列接続された保護用フライホイールダイオードＤ１１〜
Ｄ１６とを備えている。制御回路７は、磁極位置検出セ
ンサ６で検出された回転子１４の磁極位置信号に基づい
て、パワー回路部３のパワートランジスタＴＲ１〜ＴＲ
６のオンオフを制御する。

【００１７】次にこのように構成された群運転制御シス
テムの動作について説明する。同期モータ５₁〜５ｎの
起動時においては、パワー回路部３のＶＶＶＦ出力周波
数を０Ｈｚから徐々に上昇させる。これにより、同期モ
ータ５₁〜５ｎの回転数が徐々に上昇する。このように
起動していくと、起動電流を少なくすることができるの
で、電力制御変換装置を小容量化することができ、装置
の経済性を大幅に高めることができる。同期モータの場
合、理想的なトルク角（永久磁石２２又は励磁コイル２
４の発生する主磁束とＶＶＶＦ出力電圧を固定子巻線１
２に供給して作られる回転磁束との位相角）は、電気角
９０°である。トルク角が９０°で最大の力率が得られ
るからである。但し、同期モータに負荷がかかって、ト
ルク角が９０°を超えると、同期モータは脱調しやすく
なる。このため、多少の制御の安全性の余裕を見込み、
制御回路７は、トルク角が９０°前後の範囲、好ましく
は過渡時を含め６０°〜１２０°の範囲に収まるように
パワー回路部３のＶＶＶＦ出力を制御する。このシステ
ムでは、通常の同期モータの商用電源運転とは基本的に
異なり、同期モータ５₁のトルク角（位相角）を制御す
ることで、他の同期モータ５₂〜５ｎのトルク角も制御
している。

【００１８】いま、Ｖを同期モータ５₁〜５ｎへの印加
電圧、ｋを誘導電圧定数、Φを主磁束量、ＩＺをモータ
のインピーダンス降下電圧（ベクトル量）とすると、モ
ータの回転数ｎは、次のように表すことができる。

【００１９】

【数１】

【００２０】よって、同期モータに加える印加電圧Ｖを
調整することにより、回転数をコントロールすることが
できる。印加電圧Ｖの調整は整流回路２のＤＣ出力電圧
の調整か、又は制御回路７及びパワー回路部３がＰＷＭ
（パルス幅変調）制御方式に基づく場合には、そのＰＷ
Ｍパルス幅の調整によっても行うことができる。更に両
方の機能の併用も可能である。

【００２１】いま、同期モータ５₁〜５nのいずれかの負
荷が増大すると、負荷が増大した同期モータのトルク角
が低下する。同期モータに加わる印加電圧と逆起電力と
の間のいわゆる差電圧は、トルク角の増大と共に増大す
るので、負荷が増大した同期モータの電流値は増大し、
これによりパワー回路部３の出力電流、ひいては電源ラ
イン１に流れる電流値も増加する。適度の回路インピー
ダンスが存在する場合、電源ライン１及びＶＶＶＦ出力
線４等の電流値の増加は、それらのインピーダンスによ
る電圧降下分の増加をもたらし、各同期モータ５₁〜５n
の印加電圧Ｖを低下させる。また、各並列接続された同
期モータ５₁〜５n間に作用（発生）する同期化力によ
り、負荷がかかった同期モータ以外の同期モータにも負
荷されたモータと同様の位相の電圧が印加されるため、
回転数も低下して、全ての同期モータ５₁〜５nの速度が
低下し、且つトルク角が制御され安定する。

【００２２】このように、このシステムでは、磁極位置
検出センサ６及び制御回路７を有しない同期モータ５₂
〜５nに関しても、一般の同期モータのトルク余裕によ
る運転（最大発生可能トルク以下での運転条件）とは根
本的に異なり、一種のＢＬＤＣモータとしてのフィード
バック制御運転がなされているのと等価となる。この点
は、本発明者の実験でも確認されている。即ち、本発明
者の実験によれば、無負荷状態で群運転制御しているモ
ータ群において、群内の磁極位置検出センサ及び制御回
路７を有しない同期モータの１台に一定の負荷を掛けて
運転したところ、回転数はその分低下するものの、パイ
ロットモータを含む同一群内の全てのモータが振動（動
揺）せずに、安定運転のまま同一速度で脱調もせずに運
転された。

【００２３】また、パイロットモータ１台と、磁極位置
検出センサ６及び制御回路７を有しない２台の同期モー
タの合計３台の同期モータの群制御運転の例では、上記
同様磁極位置検出センサ及び制御回路７を有しない１台
の同期モータの出力シャフトに外部から加える力を調整
して、無負荷状態から負荷を徐々に増大していき、最終
的には、過負荷状態にして回転子を拘束する実験を行っ
た。その結果、負荷の増大と共に群内の全てのモータが
回転速度を徐々に下げていき、最後に全数が脱調・停止
した。

【００２４】従って、もし群内の同期モータの一つが、
軸受１６，１７の損傷等で拘束又は脱調現象となり、停
止してしまった場合、そのままでは群内の全てのモータ
が停止してしまう。そこで、このシステムでは、そのよ
うな運転異常が発生したことを、過電流検出保護装置８
₁〜８nがモータへの過電流という形で検出し、速やかに
モータへの電力供給路を遮断する。これと同時に、異常
発生信号を表示器９に出力し、表示器９で異常があった
ことを表示する。

【００２５】このようにすることで他の正常なモータの
運転を継続することができる。一つの群で例えば２０〜
３０台といった多数の同期モータを並列運転するような
分散配置型の群運転制御システムの場合、その中の１台
が停止することによる影響は、全ての同期モータが停止
してしまう影響に比べればはるかに小さい。従って、こ
のシステムを応用することで空調システムの全ての同期
モータが一旦停止するといった事態を回避することがで
き、空調システムの信頼性が向上する。

【００２６】例えば１群で１０〜２０台のファンが接続
されるシステムでは、パワー回路部３の容量は、当然こ
れら全数のモータを安定に駆動できるだけの容量でなけ
ればならない。しかし、その制御方式としては、単に出
力段のパワー素子を若干大型化したり、出力段を増幅す
る程度で対応することができる。そのために特別の技術
は要しない。この結果、パイロットモータを使用した多
数の同期モータの群制御を行うことにより、信号系の配
線の本数や部品点数を大幅に削減することができ、シス
テムの信頼性向上と経済性向上に大きく寄与することが
できる。

【００２７】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。使用する同期モータとして、例えば図
５に示すように、回転子１４に、磁極部１８と軸方向に
同軸配置されたカゴ型回転子１９を備えるようにしても
良い。カゴ型回転子１９は、固定子巻線１２によって生
ずる回転磁界との相互作用によって誘導モータのトルク
発生手段及び振動吸収ダンパーとして機能する。このた
め、この同期モータを使用することにより、始動時は、
パワー回路部３の出力周波数による起動と、誘導モータ
による起動の２種類の起動方法を選択することが可能に
なる。また、前記のパイロットモータを用いた群制御で
は、群内の同期モータが１台でも停止してしまうと、そ
の群の全ての同期モータについて、再度起動し直す必要
があるが、図５の同期モータを用いることにより、誘導
モータによる自己起動が可能になる。

【００２８】誘導モータによる起動がなされた場合に
は、回転子１４の回転数ｎが非同期速度から同期速度に
近づくと磁極部１８が回転磁界と吸引し合って同期速度
に引き込む。以後、カゴ型回転子１９は、振動吸収用ダ
ンパーとして機能して、振動や過渡応答による脱調など
の発生を防止し、システムの安定運転を確保する。図３
（ｆ）は、回転子コア２１に永久磁石２２と回転子導線
２６とを埋め込んで、磁極部１８とカゴ型回転部１９と
を一体的に形成したタイプの例である。

【００２９】また、本発明は、群内の１台の同期モータ
のみをパイロットモータとするシステムに限定されるも
のではなく、群内の一部であれば、複数台の同期モータ
をパイロットモータとするようにしても良い。

【００３０】なお、本発明は上述したように、ホール素
子や近接スイッチ等の磁極位置検出センサ（ＰＰＳ）を
使用することが必須の要件ではなく、これら磁極位置検
出センサを直接使用せずに、回転子の回転に伴って発生
する電機子巻線の誘起電圧等を回転子の磁極位置信号と
して用い、間接的に回転子の磁極位置信号を取り出し、
この信号を用いて運転制御を行う磁極位置検出器無し
（ＰＰＳＬ：Pole Position Sensor Less）ＢＬＤＣモ
ータを使用したシステムにも適用可能である。

【００３１】また、以上は、多相交流巻線より通常の回
転磁界を発生するタイプの「回転磁界型モータ」につき
説明したが、本発明はこのタイプのものに限定されず、
これとは異なる「磁極集中巻型モータ」や「励磁相切替
型モータ」にも適用可能である。

【００３２】即ち、図６（ａ）に示すように、従来の回
転磁界型モータは、各磁極に多相交流巻線の各相巻線が
互いに重なり合うようにコイルがスロットに巻回される
方式である。この場合の３相機の合成磁界又は起磁力分
布は、ほぼ数２のようになる。

【００３３】

【数２】

【００３４】ここでＢ₀はギャップの合成磁束、Ｂa，Ｂ
b，Ｂcは各相ａ，ｂ，ｃの発生する磁束成分の瞬時値、
ω₀は回転速度、ｔは時間、φは位相角である。

【００３５】しかし、磁極集中巻方式の場合、同図
（ｂ）に示すように、突極構造の鉄心の磁極に互いの相
巻線が重なり合わないように独立にコイルを巻くことに
より、各相巻線の起磁力が互いに合成されることはな
い。しかし、コイル周長を短縮できるという利点があ
る。磁極集中巻型では、合成磁束Φ₀は一定値の回転磁
界とはならないため、回転子として通常のカゴ型回転子
を挿入しても回転せず回転力は得られない。しかし、回
転子が永久磁石や直流励磁磁石である場合、周方向の各
位置での磁束を周期的に変化させ、ＮＳの磁極による吸
引・反発力をたくみに利用することにより、滑らかな回
転力を発生させることができる。

【００３６】また、ＶＲ型（Variable Reluctance Typ
e）モータの回転子の場合も、ほぼ同様の原理により同
期モータとして回転するが、吸引力のみであり、反発力
の発生が期待できないので、滑らかな回転とはならな
い。また、上述したようにカゴ型回転子を付けても回転
力は発生せず、回らない。ＶＲ型ステッピングモータや
ＳＲ（Switched Reluctance Moter：商標）モータ等と
呼ばれるものがこれに該当し、一般に正負の交流励磁で
なくても同一極性の方形波又は脈動電流による駆動が行
われることが多い。その場合には「磁極集中巻起磁相切
替型」という表現をすることもある。

【００３７】図７は、これらのモータの鉄心構造の一例
を示す図である。図示のものは６／４構造と呼び、固定
子８１の６個の突極８２の各軸対称となる対の突極８２
が同相となるように、ｕ，ｖ，ｗの三相巻線が巻回され
ている。回転子８２は４つの突極８４を持つ。一般に、
固定子８１の極数（歯数）をＮ1、回転子８３の極数
（歯数）をＮ2とすると、これらのモータでは、Ｎ1±２
＝Ｎ2の関係となっている。これらのモータでも、本発
明のパイロットモータを含む同期モータとして使用する
ことができる。

【００３８】図８は、同期モータの代表的な運転特性を
示す図であり、「Ｖ曲線」と呼ばれている。縦軸は電機
子電流Ｉ、横軸は励磁電流Ｉｆ又は印加電圧Ｖである。
実線（０′−ｎ′の下部のＶ曲線）は実際のモータ運転
領域を示す。０′−ｎ′よりも上側の点線のＶ曲線は、
不安定領域を示している。ここで厳密には、横軸にＩｆ
をとった場合と印加電圧Ｖをとった場合とでは、多少曲
線形状は異なるが、ほぼ類似の形となっているので、こ
こでは区別せず共にＶ曲線と呼ぶことにする。このグラ
フで０−ｎの実線はＶ曲線の底部を結んだもので電機子
電流が最小の点であり、ほぼ力率が１００％の条件を示
す点である。この縦の０−ｎ線の左側が遅れ力率領域、
右側が進み力率領域の運転領域である。

【００３９】通常のＢＬＤＣモータは、磁極位置を検出
しトルク角の条件（θ＝δ＝９０°，cosψ＝1.0）、つ
まり図８の０−ｎ線上を運転している。この０−ｎ線か
ら遠ざかるにつれ、cosψ＜1.0となり、運転力率は急激
に低下する。

【００４０】図９は、電動機のトルクカーブであり、縦
軸に発生トルク、横軸に回転子磁極の中心と固定子電機
子電流の作る起磁力の中心位置（回転磁界の中心位置）
との位相角δを示している。トルク角が０の状態とは、
無負荷条件での固定子と回転子の磁極が吸引しバランス
状態にある点である。図９は、非突極機の例であり、位
相角（トルク角）＝０では、発生トルクは零となり、位
相角（θ＝δ）の増加と共に発生トルクは正弦（波）関
数的に増大し、θ＝９０°で最大値を示し、それ以上の
位相角では逆に発生トルクは減少して行く。ここで、φ
をモータの端子電圧と電流の位相角であるとすると、上
記トルク角θと力率ψの関係は、図１０に示す通りであ
る。

【００４１】図９には、印加電圧Ｖを変化させたときの
トルクカーブの変化も示されている。実線は定格電圧以
下の条件、点線は定格電圧超過の条件でのトルクカーブ
である。発生トルクは印加電圧の増減につれてほぼ電圧
の二乗に比例して増減する。これらの関係を数式で表現
すると、下記数３のようになる。

【００４２】

【数３】

【００４３】ここで、Ｐin，Ｐoutは入力及び出力、Ｖ
ａ，Ｅａは図１０に示したように、モータの端子電圧及
び内部誘起電圧、Ｘｓは同期リアクタンスである。

【００４４】いま、同一印加電圧のもとでは、図９のト
ルクカーブに示すように、ほぼトルク角に対して正弦波
状に発生トルクは変化している。よって、この図では最
大負荷トルクは、トルク角δ＝９０°のときのＴmaxで
あり、これ以上の負荷トルクに対しては、このモータは
耐えきれずにトルク角が進み脱調する。一般に同期機
（発電機やモータ）は負荷の急変による振動や共振現象
により、このＴmax状態では安定に運転することはでき
ず脱調する。つまり、通常、このトルク角又は最大発生
トルク値（Ｔmax）に対し、余裕を見て安全な範囲内で
運転する必要がある。この安全な範囲がトルク角で４５
〜６０°程度である。このためには負荷トルクに２７〜
１３．５％程度の余裕を持たせて運転する必要がある。
但し、これは平均値（定常状態）での話である。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、多数
の同期モータを備えたシステムにおいても、一部の同期
モータにのみ磁極位置検出手段や電力変換手段を制御す
る制御回路を設け、他の同期モータにはこれらを設ける
必要がないので、システムの信頼性を確保しつつ、全体
コストを削減することができ、更に、いずれかの同期モ
ータが運転異常となっても、その同期モータが他の同期
モータの運転に影響を及ぼすのを防止することができる
ので、例えば空調システムの稼働状態をそのまま維持す
ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る同期モータの群運転
制御システムの構成を示す図である。

【図２】同システムに使用されるパイロットモータの
一例を示す断面図である。

【図３】同期モータの回転子の例を示す図である。

【図４】パイロットモータとパワー回路部の回路ブロ
ック図である。

【図５】本発明の他の実施例に係る同期モータの断面
図である。

【図６】本発明が適用されるスロット内分布巻き及び
磁極集中巻きのモータを説明するための図である。

【図７】同磁極集中巻きのモータの固定子と回転子の
断面図である。

【図８】同期モータの代表的運転特性を示すＶ曲線を
示す図である。

【図９】同期モータの各印加電圧毎のトルクカーブを
示す図である。

【図１０】同期モータの等価回路図及びベクトル図で
ある。

【図１１】従来のＢＬＤＣモータの群運転制御システ
ムの構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，１０１…交流商用電源ライン、２，１０２…整流回
路、３…パワー回路部、４…ＶＶＶＦ出力線、５₁〜５
n，１０４₁〜１０４n…同期モータ、６，１０６₁〜１０
６n…磁極位置検出センサ、７…制御回路、８₁〜８n…
過電流検出保護装置、９…表示器、１０…パイロットモ
ータ、１０３₁〜１０３n…ＢＬＤＣモータ、１０５₁〜
１０５n…インバータ。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数台の同期モータを電力変換手段によ
って可変速制御運転する同期モータの群運転制御方法に
おいて、前記複数の同期モータのうちの一部に、回転子の磁極位置を検出し検出されたモータの磁極位置
と固定子巻線が作る周期的に変化する磁界との間の位相
角が所定範囲に収まるように前記電力変換手段の出力電
圧及び出力周波数を制御するパイロットモータを設ける
と共に、前記電力変換手段の出力電力を前記複数の同期モータに
共通に供給することにより、前記複数の同期モータが同
一速度で運転されるように制御するようにし、前記複数の同期モータのいずれかに運転異常が発生した
場合には、その運転異常が発生した同期モータへの電力
供給を停止すると共に、その他の同期モータの運転を継
続するようにしたことを特徴とする同期モータの群運転
制御方法。
【請求項２】前記複数の同期モータは、ほぼ同様の負
荷がかかる同種の同期モータであることを特徴とする請
求項１記載の同期モータの群運転制御方法。
【請求項３】複数台の同期モータと、これら同期モータの一部のモータであって回転子の磁極
位置を検出する磁極位置検出手段によって検出された前
記回転子の磁極位置と固定子巻線が作る周期的に変化す
る磁界との間の位相角が所定範囲に収まるように出力電
圧及び出力周波数を制御するパイロットモータと、このパイロットモータによって出力電圧及び出力周波数
が制御された出力電力を前記複数の同期モータに共通に
供給する電力変換手段と、前記複数の同期モータへの各電力供給路にそれぞれ設け
られ、同期モータに運転異常が発生した場合にこれを検
出して、その同期モータへの電力供給を停止させる異常
検出保護手段とを備えたことを特徴とする同期モータの
群運転制御システム
【請求項４】前記異常検出保護手段が運転異常を検出
したとき、その運転異常となった同期モータを特定して
表示する表示手段を更に備えたことを特徴とする請求項
２記載の同期モータの群運転制御システム。