CN108631667B - 绕线形感应机的控制系统、控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供绕线形感应机的控制系统、控制装置及控制方法。根据一实施方式，控制系统具备斩波器、短路器、电压检测电路及控制装置。斩波器将连接在绕线形感应机的定子上的变换器与连接在绕线形感应机的转子上的逆变器之间的直流电压降压。短路器将连接转子和逆变器的电线短路，电压检测电路检测直流电压。控制装置当电压值超过了第1规定值时，在使斩波器驱动的同时使叠加了直流成分的交流电流从逆变器输出，当电压值超过了第2规定值时，在使短路器驱动的同时使逆变器停止。

Description

绕线形感应机的控制系统、控制装置及控制方法

本发明以日本专利申请2017－058141(申请日：2017年3月23日)为基础主张优先权。本发明通过参照该申请而包含其全部内容。

技术领域

本发明涉及绕线形感应机的控制系统、控制装置及控制方法。

背景技术

在绕线形感应机的控制系统中，如果在电力系统中发生短路等的故障，则通过连接在绕线形感应机的定子侧(一次侧)的断路器，将绕线形感应机从电力系统分离。此时，在定子侧，有发生不再有交流电流(一次电流)成为零的定时的电流异常现象、所谓的错过零点(日文：零ミス)的情况。在此情况下，连接在绕线形感应机的转子侧(二次侧)的逆变器切换为与通常不同的动作模式。由此，直流成分被叠加到从逆变器输出的交流电流(二次电流)中。结果，在绕线形感应机的定子侧，制作出交流电流成为零的定时、所谓的零交叉点(日文：零クロース点)。

此外，如果电力系统故障，则有故障电流流入到绕线形感应机中的情况。在此情况下，构成逆变器的开关元件立即被关闭。但是，如果开关元件的关闭期间变长，则输入到逆变器中的直流电压上升，开关元件有可能破坏。所以，通过驱动斩波器，抑制电压上升。

在电力系统的故障发生前，如果绕线形感应机进行从电力系统观察无效电力在前进方向上较大的运转、即励磁较强的运转，则在电力系统的故障发生时故障电流变大。在此情况下，开关元件的关闭期间变长，直流电压容易上升。因此，为了抑制该直流电压的上升，对于斩波器，要求功耗较大的电阻器。如果该电阻器的功耗变大，则有可能导致装置的大型化或成本的增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种在抑制斩波器的功耗的同时、能够使得起因于系统故障的电流异常现象不易发生的绕线形感应机的控制系统、控制装置及控制方法。

根据一实施方式，控制系统具备斩波器(英文：chopper)、短路器、电压检测电路及控制装置。斩波器将连接在绕线形感应机的定子上的变换器与连接在绕线形感应机的转子上的逆变器之间的直流电压降压。短路器将连接转子和逆变器的电线短路，电压检测电路检测直流电压。控制装置当电压值超过了第1规定值时，在使斩波器驱动的同时使叠加了直流成分的交流电流从逆变器输出，当电压值超过了比第1规定值大的第2规定值时，在使短路器驱动的同时使逆变器停止。

根据本实施方式，在抑制斩波器的功耗的同时，能够使得起因于系统故障的电流异常现象不易发生。

附图说明

图1是表示有关本实施方式的绕线形感应机的控制系统的结构的块图。

图2是表示扬水发电系统的运转模式与错过零点(日文：零ミス)的发生的关系的图。

图3是表示电力系统的故障发生时的控制系统1的动作流程的流程图。

图4是表示励磁为最大的动作点A处的模拟结果的波形图。

图5是表示与错过零点界限对应的动作点B处的模拟结果的波形图。

图6是表示励磁为最小的动作点C处的模拟结果的波形图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。本实施方式不是限定本发明的。

图1是表示有关本实施方式的绕线形感应机的控制系统的结构的块图。图1所示的控制系统1是以绕线形感应机10为控制对象的系统，具备变换器20、逆变器30、斩波器40、短路器50、电压检测电路60、电流传感器61、驱动电路70～73、控制装置80、断路器90、主变压器91及变换器变压器92。

绕线形感应机10具有定子11及转子12。定子11经由主变压器91及断路器90被连接在电力系统100上。转子12设在定子11内。

变换器20连接在定子11上。变换器20具有与三相交流的各相对应的3个臂。各臂具有串联连接的2个开关元件21、和逆并联地连接在各开关元件21上的2个二极管22。变换器20将从电力系统100供给的三相的交流电压变换为直流电压。该直流电压、换言之直流链路电压(日文：直流リンク電圧)被电容器C维持。开关元件21既可以如本实施方式那样是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)，也可以是其他种类的开关元件。

逆变器30被连接在转子12上。逆变器30与变换器20一起构成控制绕线形感应机10的频率的频率变换器。逆变器30也与变换器20同样，具有与三相交流的各相对应的3个臂。各臂具有串联连接的2个开关元件31、和逆并联地连接在各开关元件31上的2个二极管32。开关元件31也与上述开关元件21同样，既可以是IGBT，也可以是其他种类的开关元件。

当电力系统100是正常时，在逆变器30中，各开关元件21进行通常的开关动作。由此，直流链路电压被变换为三相的交流电压。该交流电压的频率相当于作为定子11生成的旋转磁场与转子12的转速的频率差的滑差频率。另一方面，如果电力系统100故障，则在逆变器30中，各开关元件21进行与通常不同的开关动作。由此，直流成分被叠加到从逆变器30输出的交流电流中。

斩波器40被设置在变换器20与逆变器30之间。斩波器40具有开关元件41(斩波器用开关元件)、和串联连接在开关元件41上的电阻器42(斩波器电阻器)。如果开关元件41开启，则直流电流流到电阻器42中。由此，直流链路电压降压，所以能够保护上述开关元件21、31。开关元件41既可以是IGBT，也可以是GTO(Gate Turn Off：门极关断)晶闸管及GCT(GateCommutated Turn off：门极换流关断)晶闸管等)那样的其他种类的开关元件。

短路器50具有3个开关元件51(短路用开关元件)及3个电阻器52(电流限制电阻器)。各开关元件51被设置在将转子12与逆变器30连接的三相的电线U、V、W间。电阻器52被串联连接在各开关元件51上。如果各开关元件51开启，则短路器50的电线U、V、W短路，在短路器50中流过短路电流。该短路电流的大小可以由电阻器52调整。

电压检测电路60检测电容器C的电压，即直流链路电压。电压检测电路60例如向控制装置80输出将直流链路电压用2个电阻器分压的电压值。电流传感器61检测逆变器30的输出电流，将检测出的电流值向控制装置80输出。

驱动电路70～73基于控制装置80的控制，分别驱动变换器20、逆变器30、斩波器40、短路器50。具体而言，各驱动电路驱动开关元件21、开关元件31、开关元件41及开关元件51。

控制装置80具有判定部81、指令部82、计时器83和计数器84。判定部81基于由电压检测电路60检测出的电压值、由电流传感器61检测出的电流值进行各种各样的判定动作。指令部82基于判定部81的判定结果，向驱动电路70～73输出各种各样的指令。计时器83计测电力系统100的故障时间。计数器84计测电力系统100的故障次数。

断路器90被设置在电力系统100与主变压器91之间。在本实施方式中，多个断路器90被连接在电力系统100上，但断路器90的数量也可以是1个。如果在串联连接的断路器90间的送电线中发生短路等的故障，则多个断路器90中的任1个被从电力系统100切离。各断路器90的状态被控制装置80监视。

主变压器91将定子11侧的一次电压变换为与电力系统100同等的电压。此外，变换器变压器92将上述一次电压变换为变换器20的驱动电压。

有关本实施方式的控制系统1例如可以在扬水发电系统中使用。这里，参照图2，对扬水发电系统的运转状态与错过零点的发生的关系进行说明。

图2是表示扬水发电系统的运转模式与错过零点的发生的关系的图。在图2中，横轴表示有效电力，纵轴表示无效电力。当电力系统100为正常时，从系统侧看到的绕线形感应机10的电压对应于励磁的强度而决定。在图2中，动作点A的励磁最强，动作点C的励磁最弱。

如果电力系统100故障，则流入到绕线形感应机10中的故障电流根据励磁的强度而决定。此时，在励磁的强度比某个界限大的运转模式中，由于定子11侧的一次电流的交流成分变大，所以不发生错过零点。以下，将该界限称作错过零点界限。

另一方面，在励磁的强度比错过零点界限低的运转模式中，假如短路器50动作，则电线U、V、W短路，所以逆变器30的开关元件31成为关闭状态。在此情况下，逆变器30不能输出叠加了直流成分的交流电流。结果，发生错过零点。

所以，在本实施方式中，在比错过零点界限低的运转模式时，在电压检测电路60的电压值超过后述的第2规定值之前，不使短路器50动作，将斩波器40及逆变器30同时驱动。因此，斩波器40的电阻器42在由电压检测电路60检测出的电压值不超过第2规定值的范围内设定。

以下，参照图3对电力系统100的故障发生时的控制系统1的动作详细地说明。图3是表示电力系统100的故障发生时的控制系统1的动作流程的流程图。

在电力系统100中，例如如果发生短路，则直流链路电压上升。由此，由电压检测电路60检测的电压值增加。因此，控制装置80的判定部81首先判定从电压检测电路60输入的电压值是否超过了第1规定值(步骤S1)。

如果电压值超过第1规定值，则控制装置80的指令部82对驱动电路72指示斩波器40的驱动(步骤S2)。驱动电路72基于指令部82的指示，输出使开关元件41开启的驱动信号。此外，指令部82对驱动电路71指示逆变器30的动作模式的切换(步骤S2)。驱动电路71基于指令部82的指示，变更开关元件31的开关动作内容。

例如，在对流过电线U的电流在正方向上叠加直流成分的情况下，驱动电路71输出使连接在电线U上的高侧的开关元件31、和连接在电线V、电线W上的低侧的开关元件31总是开启的驱动信号。另外，与电压值的变化无关，驱动电路70使逆变器30通常动作。

接着，判定部81判定电压值是否超过了第2规定值(步骤S3)。如果电压值超过第2规定值，则指令部82对驱动电路73指示短路器50的驱动(步骤S4)。驱动电路73基于指令部82的指示，输出使开关元件51开启的驱动信号。此外，指令部82对驱动电路71指示逆变器30的停止(步骤S4)。驱动电路71基于指令部82的指示，输出使全部的开关元件31关闭的驱动信号。在步骤S4中，斩波器40的驱动继续。

接着，判定部81判定故障时间是否超过了规定时间(步骤S5)。故障时间由控制装置80的计时器83计测。计时器83当短路器50驱动了时开始计测时间。如果故障时间较短，则故障点没有被断路器90除去，当将短路器50解除时直流链路电压再次上升，短路器50再动作，运转继续有可能变得困难。因此，在步骤S5中，判定部81确认故障时间。

如果故障时间超过规定时间，则判定部81判定由电流传感器61检测出的电流值是否低于规定电流值(步骤S6)。规定电流值由逆变器30的电流耐受量决定。

如果电流值低于规定电流值，则指令部82对驱动电路73指示短路器50的停止(步骤S7)。驱动电路73基于指令部82的指示，输出使全部的开关元件51关闭的驱动信号。此外，指令部82对驱动电路71指示逆变器30的再起动(步骤S7)。驱动电路71基于指令部82的指示，将开关元件31以通常的动作模式驱动。

在本实施方式的短路器50中，在开关元件51上串联连接着电阻器52。因此，在流过短路器50的电流中包含的直流成分的衰减时常数变小。结果，到电流值低于规定电流值为止的时间变短，能够较早地将短路器50停止。但是，如果电阻器52的电阻值较大，则在短路器50的动作中施加在逆变器30上的电压变大。因此，优选的是在该电压不超过第2规定值的范围内设定电阻器52的电阻值。

接着步骤S7，判定部81判定是否继续绕线形感应机10的运转(步骤S8)。例如，在绕线形感应机10经由1个断路器90连接在电力系统100上的情况下，如果由该断路器90将绕线形感应机10从电力系统100切离，则变得不能送电。因此，判定部81选择绕线形感应机10的运转停止。在此情况下，指令部82对驱动电路70～72指示变换器20、逆变器30及斩波器40的停止。

另一方面，在多个断路器90被并联连接在电力系统100上的情况下，当电力系统100短路时，多个断路器90中的一个断路器90被从电力系统100切离，但其他的断路器90与电力系统100连接。因此，当电力系统100回到了正常时，判定部81选择绕线形感应机10的运转继续。

这里，对于图2所示的动作点A～C，分别说明上述动作流程的模拟结果。图4是表示励磁为最大的动作点A处的模拟结果的波形图。图5是表示与错过零点界限对应的动作点B处的模拟结果的波形图。图6是表示励磁为最小的动作点C处的模拟结果的波形图。

在图4～图6中，表示有效电力Q、无效电力P、送电端电压、送电端电流、线电流、直流链路电压的模拟波形。送电端电压是将定子11与电力系统100连接的三相的送电线U、V、W的一端的电压。送电端电流是送电线U、V、W的一端的电流。线电流是流过电线U、V、W的电流，即电流传感器61的检测电流。

根据图4所示的动作点A的模拟结果，在定时t1发生电力系统100的故障，直流链路电压上升。然后，如果在定时t2直流链路电压超过第1规定值V1，则斩波器40驱动。同时，开关元件31的开关动作内容被变更。由此避免了错过零点的发生。

然后，如果在定时t3直流链路电压超过第2规定值V2，则短路器50驱动。同时，逆变器30停止。然后，在定时t4，如果短路器50停止则同时逆变器30再起动。然后，如果在定时t5直流链路电压再次超过第2规定值V2，则短路器驱动。最后，在定时t6，在送电端电流形成零交叉点，绕线形感应机10被从电力系统100分离。

根据图5所示的动作点B处的模拟结果，定时t1及定时t2的动态与动作点A大致相同。但是，由于动作点B的励磁的强度比动作点A小，所以直流链路电压不上升到第2规定值V2。因此，短路器50不驱动。结果，在定时t6，在送电端电流形成零交叉点，绕线形感应机10被从电力系统100分离。

根据图6所示的动作点C处的模拟结果，定时t1及定时t2的动态与动作点A大致相同。但是，动作点C的励磁的强度比动作点B还小。因此，直流链路电压不上升到第2规定值V2。由此，短路器50不驱动。因而，与动作点B同样，在定时t6，在送电端电流形成零交叉点，绕线形感应机10被从电力系统100分离。

根据以上说明的本实施方式，在容易发生错过零点的从动作点B到动作点C的运转范围中，斩波器40驱动，逆变器30输出叠加了直流成分的电流。因此，能够避免错过零点。

此外，在直流链路电压容易上升的动作点A的运转中，短路器50驱动。由此，直流链路电压的上升被抑制。另外，由于在动作点A不发生错过零点，所以在短路器50的驱动时即使逆变器30停止也没有妨碍。

通过如上述那样驱动短路器50，即使使斩波器40的电阻器42的功耗变小，也能够抑制直流链路电压的上升而保护变换器20及逆变器30。通过使电阻器42的功耗变小，能够使装置小型化并降低成本。特别是，在本实施方式中，当电力系统100故障时，比短路器50的驱动靠前而将斩波器40及逆变器30同时驱动。因此，对于错过零点能够更迅速地应对。

另外，在本实施方式中，故障电流流到逆变器30中的时间是几十～几百ms的短时间。因此，控制装置80也可以在逆变器30输出叠加了直流成分的交流电流的期间中，即仅在步骤S2与步骤S3之间的区间中将规定电流值暂时地设定得较高。如果规定电流值变大，则由上述逆变器30的输出电流带来的防止错过零点的效果提高。进而，由于直流链路电压的上升被抑制，所以也有利于斩波器40的低功耗。

此外，在斩波器40中，也可以多个开关元件41相互被并联连接，电阻器42串联连接在各开关元件41上。在本实施方式中，设定电阻器42的电阻值，以使得在与错过零点界限线对应的动作点B处短路器50不驱动。因此，在励磁最小的动作点C，电阻器42的电阻值可能成为过大。因此，在动作点C，控制装置80的指令部82对于驱动电路72指示一部分的开关元件41的驱动。此时使用的电阻器42有可能成为高温状态。所以，在电力系统100的故障连续发生了2次的情况下，通过在第2次的故障中使用在第1次的故障中未使用的电阻器42，能够迅速地应对系统故障。另外，电力系统100的故障次数由控制装置80的计数器84计测。如果电力系统100故障，则断路器90的状态变化。因此，计数器84基于断路器90的状态变化计测电力系统100的故障次数。

以上，说明了一些实施方式，但这些实施方式是仅作为例子提示的，不是要限定发明的范围。在本说明书中说明的新的系统能够以其他各种各样的形态实施。此外，对于在本说明书中说明的系统的形态，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种各样的省略、置换、变更。权利要求书及其等价的范围意味着包含在发明的范围或主旨中包含的这样的形态或变形例。

标号说明

10绕线形感应机；11定子；12转子；20变换器、30逆变器；40斩波器；41斩波器用开关元件；42斩波器电阻器；50短路器；51短路用开关元件；52电流限制电阻器；60电压检测电路；61电流传感器；80控制装置；81判定部；82指令部；90断路器；100电力系统。

Claims (6)

1.一种绕线形感应机的控制系统，其特征在于，具备：

斩波器，将连接在绕线形感应机的定子上的变换器与连接在上述绕线形感应机的转子上的逆变器之间的直流电压降压；

短路器，将连接上述转子和上述逆变器的电线短路；

电压检测电路，检测上述直流电压；

控制装置，当从上述电压检测电路输入的电压值超过了第1规定值时，在使上述斩波器驱动的同时使叠加了直流成分的交流电流从上述逆变器输出，当上述电压值超过比上述第1规定值大的第2规定值时，在使上述短路器驱动的同时使上述逆变器停止；以及

检测在上述电线中流动的线电流的电流传感器；

在1个断路器被连接在上述定子与电力系统之间的情况下，上述控制装置在上述线电流的电流值低于规定电流值后，使上述绕线形感应机的运转停止；

在多个上述断路器的任一个被连接在上述定子与上述电力系统之间的情况下，上述控制装置在上述电流值低于上述规定电流值后，继续上述绕线形感应机的运转。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

上述控制装置在从基于上述第1规定值使上述斩波器及上述逆变器驱动、到基于上述第2规定值使上述短路器驱动为止的期间中，将上述规定电流值暂时地设定得比其他期间高。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

上述短路器具有设在上述电线间的短路用开关元件、和串联地连接在上述短路用开关元件上的电流限制电阻器。

4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

上述斩波器具有斩波器用开关元件、和串联连接在上述斩波器用开关元件上的斩波器电阻器；

上述斩波器电阻器的电阻值设定在上述电压值未超过上述第2规定值的范围内。

5.一种控制方法，是具有定子和设在上述定子内的转子的绕线形感应机的控制方法，上述定子经由至少1个以上的断路器连接在电力系统上，其特征在于，

检测连接在上述定子上的变换器与连接在上述转子上的逆变器之间的直流电压；

当检测出的电压值超过了第1规定值时，在使将上述直流电压降压的斩波器驱动的同时，使叠加了直流成分的交流电流从上述逆变器输出；

当上述电压值超过了比上述第1规定值大的第2规定值时，在将连接上述转子和上述逆变器的电线短路的同时使上述逆变器停止；

检测在上述电线中流动的线电流；

在1个断路器被连接在上述定子与电力系统之间的情况下，在上述线电流的电流值低于规定电流值后，使上述绕线形感应机的运转停止；

在多个上述断路器的任一个被连接在上述定子与上述电力系统之间的情况下，在上述电流值低于上述规定电流值后，继续上述绕线形感应机的运转。

6.一种控制装置，是具有定子和设在上述定子内的转子的绕线形感应机的控制装置，上述定子经由至少1个以上的断路器连接在电力系统上，其特征在于，具备：

判定部，判定与连接在上述定子上的变换器和连接在上述转子上的逆变器之间的直流电压对应的电压值是否超过第1规定值，并且判定上述电压值是否超过比上述第1规定值大的第2规定值；以及

指令部，当由上述判定部判定为上述电压值超过了上述第1规定值时，在使将上述直流电压降压的斩波器驱动的同时，使叠加了直流成分的交流电流从上述逆变器输出，当由上述判定部判定为上述电压值超过了上述第2规定值时，在使将连接上述转子和上述逆变器的电线短路的短路器驱动的同时使上述逆变器停止；

在1个断路器被连接在上述定子与电力系统之间的情况下，在通过电流传感器检测出的上述电线中流动的线电流的电流值低于规定电流值后，使上述绕线形感应机的运转停止；

在多个上述断路器的任一个被连接在上述定子与上述电力系统之间的情况下，在上述电流值低于上述规定电流值后，继续上述绕线形感应机的运转。

Images