(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機のインピーダンス特性を測定するインピーダンス特性測定装置であって、
前記回転電機の電機子側に並列に接続されて直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源に並列に設けられてスイッチ動作により低抵抗特性と高抵抗特性に交互に切り替え可能な短絡スイッチと、
前記直流電源と直列に設けられた電源保護用抵抗と、
前記直流電源および前記短絡スイッチと直列に設けられ前記インピーダンス特性の測定に際してノイズを低減するためのノイズ低減用抵抗と、
前記直流電源および前記短絡スイッチと直列に設けられて出力部に電流信号を出力する電流計と、
前記直流電源および前記短絡スイッチと並列に設けられて前記出力部に電圧信号を出力する電圧計と、
を有することを特徴とするインピーダンス特性測定装置。
【請求項２】
前記回転電機は、電機子を有し、
前記ノイズ低減用抵抗の抵抗値は、前記電機子の等価抵抗分の抵抗値よりも大きく、かつ、１００倍未満であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス特性測定装置。
【請求項３】
前記回転電機にかかる電圧の波形と、前記回転電機に流れる電流の波形を測定するオシロスコープをさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインピーダンス特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機のインピーダンス特性の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象機器のインピーダンス特性を測定する技術は、電子回路あるいは電池などから、送電系統のような設備に至るまで、種々の方法が開発され、使用されている（特許文献１、２）。また、応答特性データを処理する技術も開発されている（特許文献３）。
【０００３】
回転電機のインピーダンス特性の把握は、起動特性あるいは高調波分のトルクリップルの評価などのため重要である。回転電機のインピーダンス特性は、実負荷をかけて測定することができる。
【０００４】
一方、実負荷試験によらずに、回転電機のインピーダンス特性を測定する方法として、可変周波数電源を用いた静止試験法によって回転機の各周波数における演算子インピーダンスを測定する方法が知られている。
【０００５】
さらに、高価な可変周波数電源を用いずに、直流電源を用いた静止試験（以下、「直流試験」という。）によって、交流回転機の運転特性を算出する方法が知られている（非特許文献１）。これは、回転電機に直流電源を接続し、そのＯＮ／ＯＦＦ時の波形をフーリエ変換することによって、インピーダンス特性を測定する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５０１９０９７号公報
【特許文献２】特許第５３７０７１７号公報
【特許文献３】特許第３０６９３４６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】田中晃他，直流試験による交流回転機の特性算出法の開発，職業能力開発研究誌，３０巻，１号  ２０１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
直流試験は、高価な試験装置を必要とせずに回転電機のインピーダンス特性を測定できる点で優れた方法である。しかしながら、回転電機のインピーダンスが小さい場合、ＯＮ／ＯＦＦスイッチの切り替え時に、高周波ノイズが発生するという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、回転電機の直流試験において、広範囲のインピーダンスを測定するために、測定時の高周波ノイズを相対的に低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明は、回転電機のインピーダンス特性を測定するインピーダンス特性測定装置であって、前記回転電機の電機子側に並列に接続されて直流電力を供給する直流電源と、前記直流電源に並列に設けられてスイッチ動作により低抵抗特性と高抵抗特性に交互に切り替え可能な短絡スイッチと、前記直流電源と直列に設けられた電源保護用抵抗と、前記直流電源および前記短絡スイッチと直列に設けられ前記インピーダンス特性の測定に際してノイズを低減するためのノイズ低減用抵抗と、前記直流電源および前記短絡スイッチと直列に設けられて出力部に電流信号を出力する電流計と、前記直流電源および前記短絡スイッチと並列に設けられて出力部に電圧信号を出力する電圧計と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転電機の直流試験において、広範囲のインピーダンスを測定するために、測定時の高周波ノイズを相対的に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置の構成を示す回路図である。
【図２】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置の対象が同期機の場合のｄ軸の等価モデル示す回路図である。
【図３】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置の対象が同期機の場合のｑ軸の等価モデル示す回路図である。
【図４】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置による、界磁巻線を開放した同期機に対するｄ軸直流試験時の状態を示す概念的な結線図である。
【図５】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置による、界磁巻線を短絡した同期機に対するｄ軸直流試験時の状態を示す概念的な結線図である。
【図６】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置によるｑ軸直流試験時の状態を示す概念的な結線図である。
【図７】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置のノイズ低減用抵抗の作用を説明するための概念的回路モデル図である。
【図８】図７のＲＬ直列回路モデルでのノイズ無しの場合のオペレーショナルインピーダンスの周波数依存性の例を示すグラフである。
【図９】図７のＲＬ直列回路モデルでのＦが０．０５の場合のオペレーショナルインピーダンスの周波数依存性の例を示すグラフである。
【図１０】図７のＲＬ直列回路モデルでのＦが０．００５の場合のオペレーショナルインピーダンスの周波数依存性の例を示すグラフである。
【図１１】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置を用いたインピーダンス特性測定試験の結果の例であり、ノイズ低減用抵抗なしの場合である。
【図１２】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置を用いたインピーダンス特性測定試験の結果の例であり、ノイズ低減用抵抗が１０オームの場合である。
【図１３】実施形態に係るインピーダンス特性測定装置を用いたインピーダンス特性測定試験の結果の例であり、ノイズ低減用抵抗が３０オームの場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係るインピーダンス特性測定装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１４】
図１は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置の構成を示す回路図である。インピーダンス特性測定装置２００は、測定対象とする回転電機１０のインピーダンス特性を測定する装置である。図１は、３相交流の回転電機の場合を含めて表示しているが、説明上の便宜のため、１相分のみを示している。また、誘導機の場合を例にとって示している。
【００１５】
図１の回転電機１０の部分は、回転電機１０の等価回路を示す。回転電機１０のモデルは、電機子１７側の等価抵抗分である電機子抵抗１１および等価リアクトル分である電機子リアクトル１２、回転子１８側の等価抵抗分である回転子抵抗１３および等価リアクトル分である回転子リアクトル１４、および電機子１７側と回転子１８側との相互作用等価リアクトル分である相互リアクトル１５より構成されている。また、インピーダンス特性測定装置２００とは、第１端子１５ａおよび第２端子１５ｂで接続される。
【００１６】
インピーダンス特性測定装置２００は、直流回路１００と、制御器１２５、調整器１３５、出力部１５０およびデータ処理部１７０を有する。直流回路１００は、直流電源１１０、短絡スイッチ１２０、ノイズ低減用抵抗１３０、電流計１４１、電圧計１４２を有する。直流電源１１０は、回転電機１０と並列に設けられ、直流電力を供給する。直流電源１１０には、直流電源１１０に直列に電源保護用抵抗１１１が設けられている。
【００１７】
短絡スイッチ１２０は、直流電源１１０に並列に設けられている。短絡スイッチ１２０は、ＯＮ動作で短絡し、ＯＦＦ動作で開放状態となる。短絡時は、電流は、直流電源１１０、短絡スイッチ１２０、および電源保護用抵抗１１１と還流する。短絡スイッチ１２０としては、たとえば、図１に示すような、ゲート信号によりオンオフをする半導体スイッチである。半導体スイッチは汎用品として入手可能である。あるいは、ブレーカあるいは断路器などの機械的なスイッチでもよい。
【００１８】
制御器１２５は、短絡スイッチ１２０に動作指令を出力する。また、制御器１２５は、動作指令の時間間隔の設定値を外部から入力可能である。この結果、短絡スイッチ１２０によって、回転電機１０に流れる直流電流が高速で入り切りされる。
【００１９】
ノイズ低減用抵抗１３０は、直流電源１１０に直列に設けられている。ノイズ低減用抵抗１３０の抵抗値は、外部から調整器１３５を操作することにより調整できる。
【００２０】
電流計１４１は、直流電源１１０に直列に設けられている。電圧計１４２は、直流電源１１０に並列に設けられている。電流計１４１および電圧計１４２の出力は、出力部１５０に入力される。出力部１５０は、電流計１４１からの電流信号および電圧計１４２からの電圧信号の時間的な応答を表示する。出力部１５０は、たとえば、オシロスコープである。また、出力部１５０は、電流計１４１からの電流信号および電圧計１４２からの電圧信号を、演算処理装置部であるデータ処理部１７０が処理可能な形態に変換処理、たとえばディジタル化を行う。
【００２１】
変換処理された電流信号および電圧信号は、出力部１５０からデータ処理部１７０に出力され、データ処理部１７０において、後述するような演算処理がなされインピーダンス特性が算出される。
【００２２】
直流試験は、回転電機の電機子巻線の２端子間（三相のいずれか２つの端子間）にステップ電圧（Ｖｄｃ→０）を印加した場合に流れる電流を測定する試験である。ステップ電圧の印加は、短絡スイッチ１２０を動作させて、対象とする回転電機１０の電機子２相間にステップ的に電圧を印加し、電圧計１４２および電流計１４１の出力を測定することにより行う。
【００２３】
電圧計１４２および電流計１４１の出力は時間領域の信号であるが、データ処理部１７０において、フーリエ展開することにより周波数領域に変換し、周波数領域のインピーダンス特性を算出する。なお、電圧をステップ的に印加する代わりに、定常的な電圧を印加した状態から印加電圧をゼロとして、その応答を測定することにより行ってもよい。
【００２４】
図２は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置の対象が同期機の場合のｄ軸の等価モデル示す回路図である。ここでｄ軸は、同期機の回転磁界の主たる磁束すなわち直軸の方向をとっている。図中のｒａは電機子巻線抵抗２１、ｘＬは電機子漏れリアクタンス２２、ｘａｄは直軸電機子反作用リアクタンス２３、ｘｋｄ１、ｘｋｄ２は直軸制動巻線漏れリアクタンス２６ｂ、２７ｂ、ｒｋｄ１、ｒｋｄ２は直軸制動巻線抵抗２６ａ、２７ａ、ｘｆは界磁巻線漏れリアクタンス２５ｂ、ｒｆは界磁巻線漏れ抵抗２５ａ、ｘ２３は制動巻線と界磁巻線の相互に漏れるリアクタンス２４である。
【００２５】
図３は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置の対象が同期機の場合のｑ軸の等価モデル示す回路図である。ここでｑ軸は、同機器の回転磁界の主たる磁束に垂直の方向、すなわち横軸の方向をとっている。図中のｘａｑは横軸電機子反作用リアクタンス３３、ｘｋｑ１、ｘｋｑ２は横軸制動巻線漏れリアクタンス３５ｂ、３６ｂ、ｒｋｑ１、ｒｋｑ２は横軸制動巻線抵抗３５ａ、３６ａである。
【００２６】
図４は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置による、界磁巻線を開放した同期機に対するｄ軸直流試験時の状態を示す概念的な結線図である。ここで、ｄ軸の位置とは、例えば、Ｕ相からＶ相に流した電流の作る起磁力の向きと、界磁巻き線に流れる電流の起磁力の向きとが一致する状態であり、この状態で、回転電機１０の電機子２相間にステップ的に電圧を印加する。界磁巻線を開放することにより、界磁巻線の影響を除いたインピーダンス特性が測定できる。
【００２７】
図５は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置による、界磁巻線を短絡した同期機に対するｄ軸直流試験時の状態を示す概念的な結線図である。図５のＳ部で界磁回路が短絡された状態である。この状態で、回転電機１０の電機子２相間にステップ的に電圧を印加する。界磁巻線を短絡することにより、界磁巻線の影響を含めたインピーダンス特性を測定することができる。
【００２８】
図６は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置によるｑ軸直流試験時の状態を示す概念的な結線図である。ここで、ｑ軸の位置とは、Ｕ相からＶ相に流した電流の作る起磁力の向きと、界磁巻き線に流れる電流の起磁力の向きとが互いに直交する状態であり、この状態で、回転電機１０の電機子２相間にステップ的に電圧を印加する。同期機は回転子が磁気的な突極性を有するため、ｄ軸とｑ軸ではインピーダンス特性が異なる。したがって、上記のようにｑ軸の位置でも測定を行うことが一般的である。なお、誘導機の場合は突極性がないため、回転子位置に依らず同じ結果が得られる。また、界磁巻線はなく、界磁開放や界磁短絡などの試験はない。
【００２９】
今、図１において、第１端子１５ａと第２端子１５ｂからみた回転電機１０のインピーダンスをＺ（ｓ，ω）とする。ここで、ｓはスリップ、ωは角周波数である。インピーダンスＺ（ｓ，ω）は、次の式（１）のように与えられる。
Ｚ（ｓ，ω）
＝ｒ１＋ｊωＬ１−（ω２Ｌ２Ｌｍ−ｊωＬｍｒ２／ｓ）
／（ｒ２／ｓ＋ｊω（Ｌ２＋Ｌｍ））            …（１）
【００３０】
ただし、ｒ１は電機子１７側の等価抵抗分である電機子抵抗１１、Ｌ１は電機子１７側の等価リアクトル分である電機子リアクトル１２、ｒ２は回転子１８側の等価抵抗分である回転子抵抗１３、Ｌ２は回転子１８側の等価リアクトル分である回転子リアクトル１４、Ｌｍは電機子１７側と回転子１８側との相互作用等価リアクトル分である相互リアクトル１５のそれぞれの値、ｊは虚数単位を示す。
【００３１】
直流試験を実施することにより、印加電圧と減衰電圧とから、試験結果に基づくインピーダンスの周波数特性Ｚｄｃ（１，ω）が求まる。
【００３２】
次に、回転電機１０のインピーダンスＺ（ｓ，ω）と試験結果に基づくインピーダンスの周波数特性Ｚｄｃ（１，ω）の実部、虚部をそれぞれ次の式（２）、式（３）のように一致させる。
Ｒｅ（Ｚｄｃ（１，ω）−Ｚ（１，ω））＝０              …（２）
Ｉｍ（Ｚｄｃ（１，ω）−Ｚ（１，ω））＝０              …（３）
【００３３】
具体的には、Ｚｄｃ（１，ω）とＺ（１，ω）との差をたとえば最小二乗法により最小化する。この結果、最適解として、未知数である回路定数が同定できる。このようにして同定された回路定数を用いて負荷特性を算出することができる。以上が、直流試験の手順である。
【００３４】
図７は、実施形態に係るインピーダンス特性測定装置のノイズ低減用抵抗の作用を説明するための概念的回路モデル図である。図７は、インピーダンス特性測定装置２００と測定対象とする回転電機１０からなる全体の特性を互いに直列に接続された抵抗要素ＲＴと誘導性リアクタンス成分ＬＴとにまとめた等価回路モデルであり、ＲＬ直列回路である。
【００３５】
この等価回路モデルの回路方程式は次の式（４）で表される。
【００３６】
【数１】
0006357451.tif 000002
【００３７】
今、次の式（５）（６）のようなステップ電圧を印加した場合を考える。
ｖ（ｔ）＝ＲＩ０      （ｔ＜０）      …（５）
ｖ（ｔ）＝０          （ｔ≧０）      …（６）
【００３８】
この場合、ｔ≧０の時間領域において、次の式（７）で示す解が得られる。
【数２】
0006357451.tif 000003
【００３９】
直流試験法では、式（７）のような電流減衰波形（電動機のインピーダンス測定の場合は単純なＲＬ直列回路ではないため、もっと複雑な減衰波形となる）を実測し、それを次の式（８）に代入することによってインピーダンスに変換する。
【００４０】
【数３】
0006357451.tif 000004
【００４１】
実際に、式（７）を式（８）に代入すると、次の式（９）となる。
【００４２】
【数４】
0006357451.tif 000005
【００４３】
このように、インピーダンスＺ（ω）は、図７のＲＬ直列回路の、抵抗分Ｒとインダクタンス分からなるインピーダンスに一致することがわかる。なお、このＲＬ直列回路にかかわらず、任意の線形回路について同様の方法でインピーダンス特性が得られる。
【００４４】
次に、実測値に重畳される白色ノイズの影響について考える。先ほどのように、ＲＬ直列回路のインピーダンス特性を直流試験によって求める場合、実際に得られる電流波形には、次の式（１０）のようにノイズｎ（ｔ）が重畳されている。
【００４５】
【数５】
0006357451.tif 000006
【００４６】
ノイズが重畳された実測波形である式（１０）を式（８）に代入した場合、得られるインピーダンス特性は次の式（１１）のようになる。
【００４７】
【数６】
0006357451.tif 000007
【００４８】
ここで、白色ノイズｎ（ｔ）は理想的、すなわち、周波数スペクトルが一定であり、任意の周波数成分の振幅が一定値Ｎであるとする。ただし、各周波数成分の位相はランダムであり、関数θ（ω）で表されるとする。この場合、得られるインピーダンス特性は、次の式（１２）のようになる。
【００４９】
【数７】
0006357451.tif 000008
【００５０】
ただし、Ｆ＝Ｎ／（ＲＩ０）とした。式（１２）によれば、Ｆが大きいほど、ノイズの影響度が大きくなる。すなわち、ノイズの大きさ（電力）が同一であれば、ＲＩ０を大きくすることでノイズの影響を軽減できる。
【００５１】
図８は、図７のＲＬ直列回路モデルでのノイズ無しの場合のオペレーショナルインピーダンスの周波数依存性の例を示すグラフである。横軸は、周波数［Ｈｚ］が対数目盛で、縦軸は、直流試験法から得られるオペレーショナルインピーダンス｜Ｚ（ω）｜／ωの例が対数目盛で示されている。具体的には、式（１２）において、Ｆ＝０とした場合であり、低周波数領域では右下がりで、高周波領域では一定値である。０．１〜０．２Ｈｚ付近に折点周波数がある。
【００５２】
図９は、白色ノイズを付加し、Ｆが０．０５の場合のオペレーショナルインピーダンスの周波数依存性の例を示すグラフである。この、Ｆ＝０．０５の場合には、０．４Ｈｚ程度から数Ｈｚ程度までの範囲にわたり縦軸の値が明確ではなく上下に幅のある状態であり、特に２Ｈｚ程度において大きく変動している。
【００５３】
図１０は、白色ノイズを付加し、Ｆが０．００５の場合のオペレーショナルインピーダンスの周波数依存性の例を示すグラフである。この、Ｆ＝０．００５の場合には、１Ｈｚ程度から数１０Ｈｚ程度までの範囲にわたり縦軸の値が明確ではなく上下に幅のある状態であり、特に７Ｈｚ程度において大きく変動している。
【００５４】
Ｆ＝Ｎ／（ＲＩ０）であるからＦ＝０に近づけるためには、ＲまたはＩ０を大きくしていく必要がある。実際に直流試験を行う場合、電源や試験対象である回転電機の電流値の制約から、Ｉ０を極端に大きくすることは難しい。したがって、Ｒを大きくすることが現実的である。具体的には、図１のインピーダンス特性測定装置２００の直流回路に設けられたノイズ低減用抵抗１３０の抵抗値を調整器１３５によって十分に大きな値に設定することにより見かけ上のＲＴを大きくすれば、高い周波数帯におけるノイズの影響を低減でき、測定精度を改善できる。
【００５５】
以下は、実際の回転電機について実施したインピーダンス特性測定試験の結果である。図１１は、本実施形態に係るインピーダンス特性測定装置を用いたインピーダンス特性測定試験の結果の例であり、ノイズ低減用抵抗なしの場合である。横軸は、周波数［Ｈｚ］が対数目盛で、縦軸は、オペレーショナルインピーダンス［Ｈ］が対数目盛で示されている。測定対象である回転電機の電機子抵抗の純抵抗分は、１．６Ωである。この場合、図１１に示されるように、数１０Ｈｚ以上の領域においてのオペレーショナルインピーダンスの特性が、ノイズに隠れて見えず、あるいは連続的に減少せずに別の要素があるかのようにも見える。
【００５６】
図１２は、インピーダンス特性測定試験の結果の例であり、ノイズ低減用抵抗が１０オームの場合である。この場合、等価回路の一次側の純抵抗分が、１．６Ωから１１．６Ωと約７倍になっている。この、図１２で示されるように、ノイズ低減用抵抗１３０を追加すると、ノイズの影響が重畳してはいるものの、マクロの特性が、連続的である状況が明確になっている。
【００５７】
図１３は、ノイズ低減用抵抗が３０オームの場合である。この場合、等価回路の一次側の純抵抗分が、１．６Ωから３１．６Ωと約２０倍になっている。図１３に示されるように、ノイズ低減用抵抗１３０の抵抗値をさらに大きくすると、ノイズの影響の重畳の程度が減少し、マクロの特性としては、数１００Ｈｚ領域でオペレーショナルインピーダンスの減少程度が緩和し、数１０Ｈｚに変曲点があることが明確に示されている。
【００５８】
数１０Ｈｚの領域は、商用周波数である５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚを含む始動特性に関わる領域であり、始動特性の評価上、オペレーショナルインピーダンスの周波数特性を正確に把握することが重要である。また、数１００Ｈｚ領域でのオペレーショナルインピーダンスの周波数特性を正確に把握することは、高調波分のトルクリップルを評価する上で重要である。図１２、図１３の結果で示されるように、ノイズ低減用抵抗１３０は、電機子抵抗１１の数倍ないし数１０倍の値で、良好な結果が得られる。なお、ノイズ低減用抵抗１３０の抵抗値を大きくしすぎることは、試験時の直流抵抗損が大きくなり、好ましくない。したがって、ノイズ低減用抵抗１３０の値は、電機子抵抗１１の数倍ないし数１０倍の値が効果的である。
【００５９】
以上のように構成されたインピーダンス特性測定装置２００により、始動特性あるいは高調波分のトルクリップルの評価の上で重要な広範囲のインピーダンスを測定するために、測定時の高周波ノイズを相対的に低減させ、より正確なオペレーショナルインピーダンスの周波数特性を得ることができる。
【００６０】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。さらに、実施形態は、その他の様々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。
【００６１】
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６２】
１０…回転電機、１１…電機子抵抗、１２…電機子リアクトル、１３…回転子抵抗、１４…回転子リアクトル、１５…相互リアクトル、１５ａ…第１端子、１５ｂ…第２端子、１７…電機子、１８…回転子、１００…直流回路、１１０…直流電源、１１１…電源保護用抵抗、１２０…短絡スイッチ、１２５…制御器、１３０…ノイズ低減用抵抗、１３５…調整器、１４１…電流計、１４２…電圧計、１５０…出力部、１７０…データ処理部、２００…インピーダンス特性測定装置
【図１】
0006357451.tif 000009
【図２】
0006357451.tif 000010
【図３】
0006357451.tif 000011
【図４】
0006357451.tif 000012
【図５】
0006357451.tif 000013
【図６】
0006357451.tif 000014
【図７】
0006357451.tif 000015
【図８】
0006357451.tif 000016
【図９】
0006357451.tif 000017
【図１０】
0006357451.tif 000018
【図１１】
0006357451.tif 000019
【図１２】
0006357451.tif 000020
【図１３】
0006357451.tif 000021