旋转电机电源装置、旋转电机系统及旋转电机运行方法与流程

本发明涉及旋转电机的电源装置、使用该电源装置的旋转电机系统、以及旋转电机的运行方法。

背景技术：

现有技术存在以下结构：配置于水中而直接被水浸泡来使用的电缆用由高分子材料等所构成的绝缘部来对导电体即铜线进行覆盖。这里，多将例如聚乙烯等热塑性树脂、交联聚乙烯(Cross-Linked Polyethylene、以下称为XLPE)等热固性树脂用于高分子材料。

由产生50Hz、60Hz商用频率的交流电压的电源装置或产生各种频率的交流电压的直流交流转换电源装置所产生的交流电压在配置于水中的这些绝缘电缆中进行传播。若以如上所述的状态将绝缘电缆在使交流电压起作用的状态下在水中使用数年，则在XLPE等绝缘部中有可能会产生水树并发生蔓延。可以获知，所谓水树是指在长时间与水共存的状态下，在电场对绝缘部发生作用时绝缘部的绝缘材料所产生的树(树枝)状的绝缘恶化现象。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012-103158号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

在水中使用的电动机等旋转电机中，如上所述其绝缘部被置于水中环境内来进行使用。因此，抑制水树现象的产生特别是对于确保在水中使用的旋转电机的长期可靠性来说是尤为重要的课题。

因此，本发明的目的在于，对旋转电机的绝缘部的水树现象的产生、蔓延进行抑制。

解决技术问题的技术方案

为了达到上述目的，本发明的旋转电机电源装置用于防止旋转电机内的绝缘部分产生水树，并对所述旋转电机提供电力，所述旋转电机电源装置的特征在于，包括：交流电力产生部，该交流电力产生部产生交流电力；以及直流偏置电力产生部，该直流偏置电力产生部提供叠加至所述交流电力的电压的直流电压分量，提供给所述旋转电机的电力的电压相对于接地维持同一极性。

另外，本发明的旋转电机系统包括旋转电机以及旋转电机电源装置，该旋转电机电源装置设置用来防止所述旋转电机内的绝缘部分产生水树并发生蔓延，并对所述旋转电机提供电力，所述旋转电机系统的特征在于，所述旋转电机电源装置包括：交流电力产生部，该交流电力产生部产生交流电力；以及直流偏置电力产生部，该直流偏置电力产生部提供叠加至所述交流电力的电压的直流电压分量，提供给所述旋转电机的电力的电压维持同一极性。

另外，本发明的旋转电机的运行方法用于防止旋转电机内的绝缘部分产生水树并发生蔓延，其特征在于，将直流电压叠加至交流电力，并将相对于接地维持同一极性的电压的电力提供给所述旋转电机，从而使所述旋转电机运行。

发明效果

根据本发明，能抑制旋转电机的绝缘部产生水树现象并发生蔓延。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的旋转电机系统的结构的示意性框图。

图2是表示实施方式1所涉及的旋转电机电源装置的结构的框图。

图3是表示实施方式1所涉及的旋转电机电源装置的输出电压的时间变化的图。

图4是表示输入至被实施方式1所涉及的旋转电机电源装置所驱动的交流电动机的线间电压的时间变化的图。

图5是表示用于对实施方式1所涉及的旋转电机运行方法的效果进行说明的水树的产生蔓延试验中的水树的蔓延长度的比较的图。

图6是表示用于对实施方式1所涉及的旋转电机运行方法的效果进行说明的水树的产生蔓延试验中的水树宽度比较的图。

图7是表示实施方式2所涉及的旋转电机电源装置的结构的框图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施方式所涉及的旋转电机电源装置、旋转电机系统及旋转电机运行方法。这里，对互相相同或类似的部分标注共通的标号，并省略重复说明。

[实施方式1]

图1是表示实施方式1所涉及的旋转电机系统的结构的示意性框图。在本实施方式中，示出了旋转电机为交流电动机1的情况。旋转电机系统200具有交流电动机(旋转电机)1和旋转电机电源装置100。在图1中，示出了交流电动机1置于水550中的情况。交流电动机1的壳体1a接地。由于交流电动机1置于水550中，因此，在壳体1a的内部也充满水550。因此，交流电动机1内的绝缘物的外部也与水550相接触。未图示的导体等的覆盖物的外侧也与水550相接触，覆盖物的外部与接地电压(接地)相等。

旋转电机电源装置100具有直流偏置电力产生部10和交流电力产生部20。直流偏置电力产生部10例如是直流电源。交流电力产生部20产生三相交流电力。交流电力产生部20所产生的三相交流电力经由电力传输部40提供给交流电动机1。

如后所述，交流电力产生部20所产生的交流电力的电压因直流偏置电力产生部10而发生直流分量程度的偏移。直流分量的电压值比交流电力的电压的单侧振幅值要大。其结果是，输出至交流电动机1的电力的各相的电压的极性不发生正负交替，其极性相对于接地维持在一个方向。但是，如后所述，输出至交流电动机1的电力的线间电压正负交替。因此，交流电动机1也可以使用普通的交流电动机。

图2是表示实施方式1所涉及的旋转电机电源装置的结构的框图。交流电力产生部20具有第1相用变压器21和第2相用变压器22。第1相用变压器21设置于与交流电动机1的U相相连接的第1相。第1相用变压器21将商用电源500的某1相作为一次侧输入，二次侧与交流电动机1的U相相连接，向交流电动机1的U相输出二次侧输出。

第2相用变压器22设置于与交流电动机1的V相相连接的第2相。第2相用变压器22将商用电源500的另1相作为一次侧输入，二次侧与交流电动机1的V相相连接，向交流电动机1的V相输出二次侧输出。这里，商用电源500的、输入第2相用变压器22的1相的相位比输入第1相用变压器21的1相的相位要延迟60度(π/3弧度)。

第3相与交流电动机1的W相相连接。在第3相上未设置变压器。第1相、第2相和第3相互相并联地与直流偏置电力产生部10相连接。

图3是表示实施方式1所涉及的旋转电机电源装置的输出电压的时间变化的图。现在，关于提供给交流电动机1的电力，若将第1相的电压设为Vu，将第2相的电压设为Vv，将第3相的电压设为Vw，则这些电压分别由以下的式(1)、式(2)和式(3)来给出。

V_U＝V₀sin(ωt)-V_DC (1)

V_v＝V₀sin(ωt-π/3)-V_DC (2)

V_w＝-V_DC (3)

这里，V₀表示交流电力产生部20的输出电压的单侧振幅值，V_DC表示直流偏置电力产生部10的输出电压值。在图3中，示出了V₀为负值且|V₀|＜V_DC的情况。在这种情况下，如图3所示，交流电力产生部20的输出电压的各相都维持负值，交流电动机1的导体的电位始终为负。

图4是表示输入至被实施方式1所涉及的旋转电机电源装置所驱动的交流电动机的线间电压的时间变化的图。现在，用V_UV来表示U相、V相间的线间电压，用V_VW来表示V相、W相间的线间电压，用V_WU来表示W相、U相间的线间电压。此时，各线间电压成为以下的式(4)、式(5)和式(6)的结果。

V_UV＝V_U-V_V

＝[V₀sin(ωt)-V_DC]

-[V₀sin(ωt-π/3)-V_DC]

＝V₀sin(ωt+π/3) (4)

V_VW＝V_V-V_W

＝[V₀sin(ωt-π/3)-V_DC]-[-V_DC]

＝V₀sin(ωt-π/3) (5)

V_WU＝V_W-V_U

＝[-V_DC]－[V₀sin(ωt)-V_DC]

＝V₀sin(ωt)＝V₀sin(ωt-π) (6)

各线间电压V_UV、V_VW和V_WU如图4所示，成为互相平衡的3相交流。

图5是表示用于对实施方式1所涉及的旋转电机运行方法的效果进行说明的水树的产生蔓延试验中的水树的蔓延长度比较的图。另外，图6是表示用于对实施方式1所涉及的旋转电机运行方法的效果进行说明的水树的产生蔓延试验中的水树的宽度比较的图。

图5和图6是引用自“2013IEEE CONFERENCE ON ELECTRICAL INSULATION AND DIELECTRIC PHENOMINA(IEEE-CEIDP 2013)”中的论文“Polarity Effect of Water Treeing Us ing New Water Electrode Method：利用新水电极法的水树的极性效应”的图。

图5和图6示出了将多个壳体的电压施加于试验体并对水树的成长进行比较而得的试验结果。各个横轴表示3种施加电压，关于各个施加电压，列出了最小值、平均值、最大值。对于施加电压的种类的表示，“sine”表示正弦波波形的电压。“p-fcr”表示在与正弦波电压相同的波形中将负侧的相位区间的电压反转至正侧而使整个周期示出在正侧所获得的正极性的电压。另外，“n-fcr”表示在与正弦波电压相同的波形中将正侧的相位区间的电压反转至负侧而使整个周期示出在负侧所获得的负极性的电压。图5的纵轴表示水树的长度(mm)，图6的纵轴表示水树的宽度(mm)。

在试验结果中，如图5和图6所示，在施加有正极性的电压的情况下，水树的长度、宽度都比施加有正弦波的情况要大。另外，在施加有负极性的电压的情况下，水树的长度与施加有正弦波的情况基本程度相同，但水树的宽度比施加有正弦波的情况要小。由此，在该试验结果中，示出了水树的蔓延受到施加电压的种类的影响的情况。

在本实施方式中，将交流电压的电平在整个周期中相对于接地设于负侧，而将作为负极性的电压的电力提供给普通的交流电动机，从而能抑制水树的蔓延。

[实施方式2]

图7是表示实施方式2所涉及的旋转电机电源装置的结构的框图。本实施方式是实施方式1的变形。在本实施方式2中，设有直流交流转换装置30来作为交流电力产生部，以代替实施方式1中的交流电力产生部20。

本实施方式中的直流交流转换装置30是三相桥式电路。直流交流转换装置30具有：直流电源31；并联设置于直流电源31并分别与交流电动机1的U相、V相、W相相对应的第1转换部32a、第2转换部32b、第3转换部32c；以及电阻35。

第1转换部32a、第2转换部32b、第3转换部32c具有相同结构。这里，以第1转换部32a为例来进行说明。第1转换部32a具有电气性串联配置的开关元件33a和33b。开关元件33a例如可以为晶闸管等。开关元件33a和33b作为整体而电气性并联设置于直流电源31。开关元件33a是单向的电流通路，利用开关动作来使电流通路通断。二极管34a与开关元件33a并联地进行设置，二极管34a的电流的正方向与开关元件33a的电流通路方向相反。开关元件33b上也同样并联设置有二极管34b。各个开关元件进行开关动作，使得产生平衡三相交流。

如上所述的本实施方式与实施方式1相同，产生交流电压并将交流电压电平在整个周期内向负侧进行偏置。由此，将设为负极性的电压的电力提供给普通的交流电动机，从而能抑制水树的蔓延。

[其它实施方式]

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为示例而呈现，而并非要对发明范围进行限定。例如，在各实施方式中，虽然示出了旋转电机为交流电动机的情况，但并不局限于此，例如也可以是同步调相器等。另外，虽然示出了交流电力产生部20所产生的电力为三相交流的情况，但并不局限于此。只要能产生旋转磁场即可，也可以为3相以外。另外，直流偏置电力产生部也并不局限于实施方式，只要结果是提供给旋转电机的电力的电压相对于接地能维持同一极性即可。

另外，在各实施方式中，示出了施加电压为负极性的情况，但也可以是正极性的情况。其原因在于，根据在施加直流电压的情况下产生水树较少的认识，由于水树的产生起点、水质的差异，即使是正极性也可期待同样的效果。另外，在实施方式中，示出了交流电动机没于水中的情况，但并不局限于此。对于未设于水中的情况也能适用。

由此，利用具有直流偏置且产生电源电压为单极性而形成的旋转电机电源装置100所提供的电压波形，来使形成旋转线圈的电缆相对于周围的接地电极即水维持单极性，从而抑制水树的产生、蔓延。

另外，上述实施方式可以以其它各种形式来实施，在不脱离本发明思想的范围内，能进行各种省略、替换、变更。

上述实施方式及其变形均包含在本发明的范围、思想内，并包含在本专利申请权利要求所记载的发明及与其等同的范围内。

标号说明

1 交流电动机(旋转电机)

10 直流偏置电力产生部

20 交流电力产生部

21 第1相用变压器

22 第2相用变压器

30 直流交流转换装置(交流电力产生部)

31 直流电源

32a 第1转换部

32b 第2转换部

32c 第3转换部

33a、33b 开关元件

34a、34b 二极管

35 电阻

40 电力传输部

100 旋转电机电源装置

200 旋转电机系统

500 商用电源

550 水