JP2001510018A

JP2001510018A - 同期機械

Info

Publication number: JP2001510018A
Application number: JP53281698A
Authority: JP
Inventors: ベルグレン，ベルティル; ゲルトマー，ラース; ニュグレン，ジャン−アンダース; ペテルッソン，トーレ; レイジョン，マッツ
Original assignee: エービービーエービー
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2001-07-24
Also published as: EP1016179A1; AU730760B2; CA2279414A1; US6828701B1; NO993686L; NO993686D0; AU5892598A; BR9807131A; CN1246969A; CN1080474C; SE9704431D0; NZ337069A; WO1998034312A1; PL334995A1

Abstract

(57)【要約】電力および／または電圧を制御する同期機械は、固定子巻線を有する固定子と、界磁巻線を有する回転子とを備える。固定子の巻線は、固体絶縁体を有する高圧ケーブルを備える。回転子は、可能出力グラフにおいて定格力率よりはるかに下の力率で、熱ベースの固定子電流限界と交差する熱ベースの回転子電流限界を有するか、可能出力グラフで熱ベースの固定子電流限界より高い熱ベースの回転子電流限界を有する。熱損傷を回避するために、電流を制限する手段を設ける。このような同期機械の電力および／または電圧を制御する方法では、機械が、最大許容時間限界より短い特定の時間、熱ベースの固定子電流限界を超える固定子電流で作動し、その後、有効電力または界磁電流またはその組合せを減少させることにより、過負荷を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】同期機械本発明は、同期機械の電力および／または電圧制御方法、および電力および／または電圧制御の同期機械に関する。以下では、「同期機械」とは同期発電機を意味するものとする。同期発電機は、まず「時間規模」で有効電力および無効電力を供給する電力網に使用される。有効電力は「秒・分規模」でも制御でき（周波数制御）、無効電力もそうである（電圧制御）。同期機械は障害電極電流にも「ミリ秒規模」で適切に寄与し、したがって網のエラー状態を選択的な方法で迅速に解決することができる。同期機械は、電力システムの無効電力の重要な発生源である。システムの無効電力要件が増大すると、これは同期機械の端子電圧を下げる傾向がある。電圧を一定に維持するため、界磁電流が、通常、同期機械の電圧調整器によって増加する。したがって、同期機械は、所望の端子電圧で無効電力のバランスをとるのに必要な無効電力を生成する。上記のプロセスは、電力生成が同期機械の可能出力グラフ、つまり無効および有効電力に関する限界のグラフの許容範囲の一点に対応する限り、当てはまる。過剰励磁動作における関係を示す図１を参照されたい。過剰励磁動作時、つまり同期機械が無効電力を発生する場合、許容範囲は熱に基づく回転子および固定子の電流限界によって制限される。今日の同期機械は、通常、回転子と固定子との電流限界が、定格力率における定格電力に対応する可能出力グラフの１点で、互いに交差する。図１参照。同期発電機の定格力率は、通常、０．８〜０．９５である。過剰励磁動作時で、力率が定格力率より大きい場合は、同期機械の可能出力グラフの限界が固定子の電流限界で構成され、過剰励磁動作時で、力率が定格力率より小さい場合は、限界が回転子の電流限界で構成される。従来のテクノロジーでは、固定子または回転子の電流限界を超えた場合、電流リミッタを設置し、使用している場合は、これが作動する。これらのリミッタは励磁を下げることによって電流を減少させる。損傷を与える温度に達する前に特定の時間がかかるので、固定子または回転子への電流リミッタの介入がは、電流が下がる前に数秒遅れる。遅延は、通常は電流のサイズによって決まるが、通常は１分未満である。例えばIEEE Transaction on Energy Conversion，Vol．10， No.3，１９９５年９月号のVERIFICATION OF LIMITER PERFORMANCE IN MODERN EX CITATION CONTROL SYSTEMSを参照のこと。電流減少は界磁電流を減少させることによって達成し、その結果、発電機の端子電圧および無効電力生成が減少する。機械の近傍にあるシステムに対する結果は、局所的な無効電力の生成が低下し、電圧が下がると、システムの隣接する部分から電力を取り入れるのが、さらに困難になることである。送電網が優勢な電圧で必要な電力を送電できない場合は、電力システムに電力崩壊が生じる危険がある。これを回避するため、電力は負荷の近傍で、局所的に生成すると有利である。これが不可能であり、電力をシステムの他の部分から送電しなければならない場合は、周知のように、これを可能な限り高い電圧レベルで実施できれば有利である。電圧が低下すると、送電線の無効電力の生成（分路キャパシタンス）が低下する。負荷への電圧を一定に維持し、したがって負荷の電力を一定に維持するために、変圧器のタップ切換器が作動する。負荷の電力消費が一定であり、送電電圧が通常より低い場合は、送電線の電流が高くなり、送電線の無効電力消費が大きくなる（直列インダクタンス）。１９９５年１０月の Cigre brochure 101参照。多くの電力システムで、電流リミッタが上述したような特定の同期機械のために作動すると、無効電力の生成が制限され、これがシステムの電圧崩壊を招くことがある。通常の電力システムの動作で、基本的に無傷の網では、必要に応じて、例えば機械的に切り替える分路コンデンサおよび／またはサイリスタ制御の静止リアクタンス補償装置（ＳＶＣ）など、追加の無効電力発生資源を設置することにより、このような状態が通常は回避される。しかし、高域の電圧崩壊は通常、社会に深刻な結果を招くので、異常動作状態も考慮する必要がある。網が弱体化すると、例えば網の重要な要素の故障または保守などにより、設置した無効電力発生資源がもはや十分でないことがあり、その結果、電圧崩壊を招く上記の状況になる。これらの異常動作状態を扱えるよう、例えばＳＶＣ装置など、追加の制御可能な無効電力発生資源を設置する費用は高額になる。その結果、安価で制御可能な無効電力発生資源に対する需要がある。これらの予備資源は、電圧を少なくとも１０から２０分間、規定のレベルに維持し、システム・オペレータに、ガス・タービンを始動するか、負荷を制限するなど、予防措置をとる時間を与えられるよう、無効電力を出力できなければならない。今日知られている電力システム、または発電所では、エネルギーの変換は通常、昇圧変圧器を使用して２段階で行われる。回転同期機械および変圧器は、それぞれ磁気回路を有する。このような機器の製造業者は、制限装置の設定値の推奨値について注意深く、慎重であることが知られている。Cigre brochure 101の１９９５年１０月号セクション４．５．４の６０ページを参照のこと。調整が必要であり、したがって発電機と変圧器の寸法決定と保護には、特定の葛藤の危険がある。昇圧変圧器にはエア・ギャップがなく、したがって高い電圧や地磁気電流の結果生じる飽和状態の影響を受けやすい。変圧器はまた、正常動作時にも異常動作時にも、発電機の無効電力の一部を消費する。有効電力損失の大部分は電機子回路の導体および昇圧変圧器で発生し、両方の装置とも、芯での損失は比較的小さい。ここで複雑な問題の一つは、損失が通常は中位および高い電圧で発生し、したがって接地電位で発生した場合より冷却するのが困難なことである。本発明の目的は、電力および／電圧制御の同期機械、および電力システムの電圧崩壊を回避するために、電力および／電圧を制御する方法を達成することである。この目的は、それぞれ請求項１、２６および３０に記載した特徴を有する、序文で述べたタイプの同期機械および方法で達成される。したがって、本発明によると、同期機械は、熱に基づく回転子の電流限界が、熱に基づく固定子の電流限界より上がり、したがって可能出力出力グラフの熱に基づく固定子電流限界との交点が、定格力率値よりはるかに低い力率値にあるか、回転子の電流限界が固定子の電流限界より上がり、したがって２つの限界が交差しないよう設計される。回転子と固定子の電流限界が、図２に示すように可能出力グラフの力率ゼロで交差するか、回転子の電流限界が固定子の電流限界より上がる場合は、固定子の電流限界が全ての過剰励磁動作で制限される。以下で、「ケーブル」とは、例えば銅などの導電材料の数本の撚り線部分を有する芯と、芯を囲む内部半導体層と、内部半導体層を囲む高圧絶縁層と、絶縁層を囲む外部半導体層とを備える、高圧絶縁電気導体を指す。このタイプのケーブルを備える固定子巻線を有する同期機械は、従来の機械より高い電圧で電力網に直接接続するよう設計することができ、したがって昇圧変圧器を必要としない。無効電力発生の場合は、送電レベルに直接接続するよう設計された機械を使用すると有利である。というのは、従来の発電所の昇圧変圧器で消費される無効電力を、本発明による機械で電力網に送出できるからである。本発明の利点は、特に、上述したタイプのケーブル、特に直径が２０〜２００ｍｍの範囲で導電面積が８０〜３０００ｍｍ²の範囲のケーブルで巻いた機械で顕著である。したがって、本発明のこのような用途が、その好ましい実施形態となる。同期機械で回転子の電流限界を上げることには、幾つかの利点がある。例えば、制限を与える固定子の温度を直接測定することができる。これは、制限を与える温度が、固定子にある場合は測定するのが困難なので、はるかに困難になり、他の何らかの方法で回転物体と連絡している場合も、はるかに困難になる。さらに、有効電力を減少させると、より多くの無効電力を生成することができる。これは、従来の回転子の寸法でも可能であるが、この場合は、図１および図２の曲線から分かるように、減少させたＭＷ当たりのＭＶＡｒが大きくなる。回転子の電流限界を上昇させることによって、このタイプの機械に特有の利点が他にも幾つか得られる。固定子を加熱（および冷却）する時定数が、従来の機械と比較すると大きい。つまり、従来の固定子の電流限界を有するこの機械は、過負荷状態で、従来の機械より長く、損傷温度に到達せずに運転することができる。シミュレーションによると、固定子は、場合によっては８０％の過負荷を１５分間、安全にかけることができる。このように長い時間を利用して、システムの無効電力の需要を低下させるか、無効電力の生成量を増加させるため、措置をとることができる。機械の固定子の強制冷却を実施するのも容易になる。このタイプの機械は、従来の機械と同様の効率を有する。つまり固定子の損失がほぼ同等である。従来の機械は主に導体で損失するが、このタイプの機械は導体の損失が少なく、芯での損失が多くなる。芯の損失は接地電位で発生するので、冷却しやすい。芯の温度が高い状況で強制冷却するため、例えば冷却機械を使用することができる。従来の電流リミッタでは、時定数が加熱に寄与する時間を利用して有効電力を減少させ、したがって無効電力を増加させるか、長時間生成させる、あるいはその両方を行うことができる。したがって、磁界を縮小させる必要は小さく、最適の場合は、その必要がない。温度を直接測定するか、温度を推定する（またはその両方を行う）ことで、「固定子電流限界」という用語を使用することから、固定子温度限界の話に進むことができる。制限を与えるのは固定子電流ではなく（臨界点における）固定子の温度であるので、これには幾つかの利点がある。リミッタを控えめに設定するという一般的な傾向を緩和することができる。というのは、分かっているのが導関数ではなく初期量だからである。従来の電流リミッタでは、電流限界を超えた場合に、機械の温度を考慮することができない。つまり、例えば機械が電流限界を超えた直前に始動した、または直前に負荷が低かったという事実を考慮することができない。代わりに固定子温度限界を使用することによって、これを回避することができる。連続定格運転中の固定子が特定の温度（これを定格温度と呼ぶことにする）を超えないよう、機械の冷却規模を決める。この温度は、意識的に控えめに設定される。つまり、固定子（絶縁）は、これより高い温度に長時間耐えることができる。臨界点の温度が分かる場合は、機械を定格運転より上で比較的長時間運転することができる。本発明による同期機械の突極を有する固定子（水力発電機）の寸法決定は、固定子の内径を従来の機械より大きくできることによって容易になる。というのは、固定子の巻線は、絶縁体がより大きなスペースを占めるケーブルで構成されるからである。したがって、従来通りの寸法決定手順に従ってこのタイプの同期機械の固定子を設計し、回転子の電流限界を所望の方法で上げられるよう、回転子の設計のみを変更することが可能である。突極を有する空冷回転子を組み込んだ同期機械では、例えば磁極電圧を上げるため、余分なスペースを使用して界磁巻線に余分な巻を巻くことにより、これを実行することができる。これで、界磁巻線の特定の巻数は冷却用の巻で構成され、したがって界磁巻線の被冷却表面が大きくなる。余分な巻に他の巻と同じ割合の冷却巻を設けると、磁極電圧が上昇しても、界磁巻線の温度上昇を従来の寸法決定手順と同じレベルに維持することができる。円筒形の回転子（ターボ回転子）を有する同期機械の場合、回転子電流限界は、例えば機械を長くすることによって上げることができる。次に、本発明を、添付図面に関して以下でさらに詳細に説明する。図１および図２は、それぞれ、従来通りに寸法決定した過励磁同期機械と、本発明による過励磁同期機械との可能出力グラフを示す。図３は、本発明による同期機械の固定子巻線に使用するケーブルの断面を示す。図４および図５は、本発明による同期機械の温度推定器の２つの実施形態を示す。図６は、さらに制御するために出力信号を出す温度監視回路の一例を示す。図７から図９は、本発明による同期機械を制御する様々な回路を示す。図３は、本発明に使用するケーブルの断面図を示す。ケーブルは、例えば銅で作成され、円形の断面を有する数本の撚り線部分２で構成された導体を備える。この導体はケーブル１の中央に配置され、導体の周囲に第１半導体層３がある。第１半導体層３の周囲には、例えばＸＬＰＥ絶縁体などの絶縁層があり、絶縁層の周囲には、通常は設置されている第２半導体層がある。本発明による機械では、巻線は、ＸＬＰＥケーブルのように、現在配電に使用されているような固体押出し絶緑体を有するタイプのケーブル、またはＥＰＡ絶縁体を有するケーブルに相当するタイプであることが好ましい。このようなケーブルは可撓性であり、これはこの状況では非常に重要な特性である。というのは、本発明による装置のテクノロジーが、主に、巻線が組立中に曲げられる導体で実行される巻線システムをベースとするからである。ＸＬＰＥケーブルの可撓性は、通常、直径３０ｍｍのケーブルの場合は約２０ｃｍの曲率半径に、直径８０ｍｍのケーブルの場合は約６５ｃｍの曲率半径に相当する。本出願では、「可撓性」という用語は、巻線がケーブル直径の４倍、好ましくはケーブル直径の８倍から１２倍のオーダーで曲率半径まで撓むことができることを示す。本発明の巻線は、使用中に曲げられ、熱応力がかかった場合でも、その特性を維持するよう構築する。この状況で、層が互いに対する付着力を保持することがきわめて重要である。ここでは層の材料特性、特にその弾性および相対熱膨張率が非常に重要である。例えばＸＬＰＥケーブルでは、絶縁層が架橋低密度ポリエチレンで構成され、半導体層が、煤および金属粒子を混合したポリエチレンで構成される。温度変動の結果生じる体積の変動は、ケーブルの半径の変化として完全に吸収され、これらの材料は弾性に対して層の熱膨張率の差が比較的わずかであるので、層が互いから離れることなく半径方向に膨張することができる。上述した材料の組合せは、例証にすぎないと考えられる。規定された状態を満たす他の組合せ、および半導性である、つまり抵抗率が１０^-1〜１０^-6Ωｃｍ、例えば１〜５００Ωｃｍまたは１０〜２００Ωｃｍの範囲である状態も、当然、本発明の範囲に入る。絶縁層は、例えば低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリメチルペンタン（ＰＭＰ）などの固体熱可塑性材料、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＣ）などの架橋材料、またはエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）またはシリコンゴムなどのゴムで構成することができる。内部および外部半導体層は、同じ基本的材料でもよいが、煤や金属粉などの導電材料の粒子が混入される。これらの材料の機械的性質、特にその熱膨張率は、煤または金属粉が混入されているか否かには、少なくとも本発明により必要な導電性を達成するのに必要な割合では、それほど影響されない。したがって、絶縁層および半導体層は、ほぼ同じ熱膨張率を有する。エチレン酢酸ビニル共重合体／ニトリル・ゴム、ブチル・グラフト・ポリエチレン、エチレン酢酸ブチル共重合体およびエチレンエチルアクリレート共重合体も、半導体層の適切な重合体を構成することができる。種々の層のベースとして異なるタイプの材料を使用する場合でも、その熱膨張率がほぼ同じであることが望ましい。上に挙げた材料の組合せは、これに当てはまる。上に挙げた材料は弾性が比較的良好で、弾性率がＥ＜５００ＭＰａ、好ましくは＜２００ＭＰａである。弾性率は、層の材料の熱膨張率にわずかな差があっても、ひび割れや他の損傷が現れず、層が互いから剥離しないよう、半径方向の弾性率に吸収されるのに十分である。層の材料は弾性であり、層間の付着力は、少なくとも最も弱い材料と同じ大きさである。２つの半導体層の導電性は、各層に沿って電位をほぼ等しくするのに十分である。外部半導体層の導電性は、ケーブル内に電界を含むのに十分なほど大きいが、層の縦方向に誘導された電流によって有意の損失が生じることがないほど十分に小さい。したがって、２つの半導体層はそれぞれ、基本的に１つの等電位表面を備え、これらの層を伴う巻線はその中に電界をほぼ封じ込める。言うまでもなく、絶縁層内に１つまたは複数の追加の半導体層を配置するのは差し支えない。上述したように、固定子電流限界は本発明では温度的に限定される。まず限界を設定するのは、絶縁体４である。ＸＬＰＥ絶縁体を有するケーブルを使用する場合は、導体と絶縁体との間の層の温度は、例えば定格運転および地球の普通の場所での最高温度である９０℃を超えてはならない。つまり、絶縁体はこの温度に数時間耐えることができ、短時間では多少上回ってもよい。絶縁体と固定子の鉄との間の表面層の温度は、通常は５５℃である温度限界を超えてはならない。つまり、絶縁体の温度差は、少なくとも３５℃になる。本発明による同期機械は、定格運転で導体が７０〜８０℃の温度、芯温度が４０〜５０℃になるような寸法にするとよい。この温度は、冷却剤の温度に非常に依存する。冷却機械を使用してこの温度を下げてもよいが、通常の運転では、これは効率にマイナスの効果を与える。これに対して、このような機械の接続は、緊急時に正当とされるが、これは始動に比較的長い時間がかかることがあるのを考慮しなければならない。本発明による同期機械の固定子の熱慣性を最大限に利用するため、周囲の導体および鉄芯の温度を、熱の面から最も重要である絶縁で部分的に決定することが望ましい。これは、測定装置を使用して直接測定するか、図４に示すタイプの温度推定器で達成することができる。図５に従って温度測定と温度推定を組み合わせることも可能である。図４では、固定子電流によって、したがって機械の負荷に応じて変化する導体での損失は電流源Ｐ_LEで表され、磁束（電圧）によって生じる芯の損失は、負荷に関係なく多少一定であるが、電流源Ｐ_FEで表される。冷却剤の温度は、電圧源Ｔ_KYで表される。Ｒ_R+Sは冷却管およびシリコン充填剤の熱抵抗、Ｒ_ISOは絶縁体の熱抵抗、Ｃ_LE、Ｃ_ISOおよびＣ_FEは導体、絶縁体および芯の熱キャパシタンスを表す。点５４のＴ_LEは導体の温度、点５２のＴ_ISOは絶縁体の平均温度を表す。図４に示すモデルは、Ｔ_FEを直接測定した鉄の温度と比較することによって較正することができる。温度Ｔ_LEは、導体が通常は電位が高いので、直接測定することが比較的困難で、費用もかかる。図４に示すモデルは、導体と鉄芯との間の熱抵抗を、直列接続した幾つかの抵抗に分割することによって改善することができ、これは絶縁体の様々な半径に対応する。連続する各抵抗間の点からのキャパシタンスと０℃の基準温度とを配置することにより、絶縁体の熱キャパシタンスの温度依存性を、より正確にモデル化することができる。絶縁体には温度勾配が存在するので、このように分割すると、結果が多少改善される。図４では、温度Ｔ_LE、Ｔ_ISOおよびＴ_FEが状態と考えられ、Ｔ_KY、Ｐ_LEおよびＰ_FEは入力信号と考えられる。温度推定器を始動するのに初期状態値が必要であり、推定器は通常、機械と同時に、つまり常温の機械から始動する。言うまでもなく、節の数を増加させることができるが、図４に関して述べた実施形態および図５に関して以下で述べる実施形態が好ましい。図５は、図４の温度推定器の変形を示し、ここでは鉄芯の温度Ｔ_FEが直接測定される。鉄芯の温度は、このように単純化した図では電圧源Ｔ_FEとして表され、Ｐ_LEとともに入力信号として働く。温度Ｔ_ISOおよびＴ_LEは状態を構成し、図４と同じ方法で点５２および５４で獲得される。銅の損失は固定子の電流に依存し、したがって機械にどの程度の負荷がかかっているかに依存する。鉄の損失は磁束に依存し、これは負荷に応じて、端子電圧で多少一定である。これに対して、温度上昇および芯回路の冷却の時定数は、このタイプの機械では非常に大きく、したがってこの機械は、始動したばかりの場合は過負荷容量が大きくなる。鉄の損失も銅の損失も、磁界が縮小すると減少する。従来の機械と比較した本発明による同期機械の利点は、電気損失が、電機子回路の導体の電流より芯の磁束の方に関連することである。芯の損失は接地電位で発生し、これは通常の冷却、そして冷却機械での強制冷却をも容易にする。電機子回路の導体は、電流密度が比較的低く、高圧電位の損失は比較的小さい。芯回路を加熱、したがって冷却する時定数は、極めて大きい。計算によると、断熱温度上昇は百分の１°Ｋ／ｓのオーダーで生じる。電機子回路の温度上昇も、巻線ケーブルの固体絶縁体の熱抵抗が大きい結果、多少上がる。問題の電流密度で、断熱温度は１／３０から１／１００°Ｋ／ｓ上昇し、従来の機械は断熱温度上昇が約１／１０°Ｋ／ｓである。導体の温度Ｔ_LEと芯の温度Ｔ_FEとは、両方とも監視しなければならず、図６は、さらに制御するために出力信号を出す監視回路の一例を示す。したがって、この回路は図４による温度推定器２を備え、それに入力の大きさＩ（固定子回路）、Ｕ（端子電圧）およびＴ_KYが供給される。出力信号Ｔ_LEおよびＴ_FEは推定器２から獲得され、これを上述したように、それぞれ４および６で予め設定した限界値Ｔ_L,LEおよびＴ_L,FEと比較し、比較の結果をゲート８（最低値ゲート）に供給する。このゲートは、出力部で、絶対項が最大の温度限界と温度との温度差を構成する制御信号を出す。Ｔ_FEを直接測定する場合は、温度推定器の助けで、ＩおよびＴ_FEからＴ_LEのみを決定すればよい。Ｔ_FEとＴ_LEとの両方を直接測定する場合は、温度推定器が必要なく、測定温度を限界値と直接比較する。図７は、ブロック図の形態で、固定子電流が最大許容限界値を超えた場合に有効電力を減少させる制御回路の一例を示す。同期発電機Ｇを、遮断器１０を介して電力網に接続する。発電機Ｇはサイリスタ整流器１２で励磁する。変圧器ＰＴ_Sを介して電圧Ｕを測定値コンバータ１４、実際の固定子電流限界Ｉ_Lを求めるユニットＩ_L「プロド」、および固定子電流が固定子電流限界を超えた場合に有効電力を減少させる信号「ΔＰ命令」を生成するユニットΔＰ「プロド」に供給する。同じ方法で、変流器ＣＴ_Sを介して電流Ｉ〜をユニットＩ_L「プロド」およびΔＰ「プロド」に供給する。ユニットＩ_L「プロド」では、固定子電流限界を決定する場合に、無効電力の方向、電圧低下、および磁界を減少させるのに許された初期時間遅延を考慮する。固定子電流限界は、定格運転での固定子温度に基づく（Ｔ_LE＝７０〜８０℃およびＴ_FE＝４０〜５０℃、ＸＬＰＥ絶縁）。有効電力減少の減少率および最大範囲もユニットΔＰ「プロド」で決定され、システムの無効電力要件が再び減少する場合は、固定子電流限界を超える以前の同期機械の有効電力生成量に戻る関数があれば、それも決定する。記載した実施形態の同期機械が定常状態運転で生成できる最大無効電力は、定格電力の１００％と等しく、有効電力がゼロに減少した時に獲得される。しかし、有効電力の減少に、ゼロより大きい下限を導入する理由がある。というのは、有効電力をさらに減少させると、代わりに無効電力を生成する能力がほとんど増加しないからである。図２を参照のこと。定常状態運転でさらに無効電力が必要な場合、これは適切な時間遅延の後に磁界を減少させて適合しなければならない。網変換器１４からの出力信号Ｕを１６で、所定の基準値Ｕ_REFと比較し、比較結果を、ゲート２０に供給する前に増幅器および信号処理ユニット１８に供給する。２２で、固定子電流Ｉを、ユニットＩ_L「プロド」で生成した固定子電流限界ＩLと比較し、比較結果を非線形の特性で増幅器および信号処理ユニット２４およびその後のブロック２６に供給する。非線形の特性とは、プラスの出力信号では大きい出力信号を獲得し、マイナスの入力信号では入力信号に比例する出力信号を獲得するような特性である。ブロック２６からの出力信号は、最低値ゲートであるゲート２０にも供給される。つまり出力信号として最低の信号が獲得される。ゲート２０からの出力信号を、積分動作で信号処理ユニット２８に供給し、これは励磁機械の整流器１２のトリガ回路３０に接続される。図７の制御回路は、基本的に３つの部分を備える。つまり自動電圧調整器、固定子電流リミッタ、および所望の電圧レベルでシステムの無効効果需要を満たすよう同期機械の能力を高めるため、有効効果を減少させるシステムである。界磁電流の減少は、本発明によると幾つかの方法で達成することができる。したがって、最大許容期間の間、固定子電流が固定子電流限界を超えた場合に、固定子電流が固定子電流限界と等しくなるまで、界磁電流が下がるという原理で作動する従来通りのリミッタを使用することができる。実際の制御は、様々な方法で実行することができる。この場合、初期時間遅延は、少なくとも、システムのエラー状態から短時間大きい電流が生じても、電流限界を超えているので磁界が減少しないことを確保するのに十分な長さがなければならない。様々な方法の時間遅延が可能である。例えば、電流がどの程度限界を超えているかに関係ない一定の時間遅延、または逆時間特性、つまり限界を超える電流が大きいほど、時間遅延が短くなる。考慮中のタイプの同期機械は、固定子の加熱および冷却に関して時定数が大きく、したがって従来の機械の場合と比較すると、時間遅延が大きくなることがある。システムの無効電力需要を低下させるか、機械の無効電力生成能力を高めるだけの時間がとれるのは、このせいである。機械の寸法決定は、有効電力の減少とともに、無効電力を生成する機械の能力を高める。本発明によると、界磁電流の減少は大抵の臨界点の温度から開始することもできる。固定子の導体の温度および固定子の芯の温度は、大抵の臨界点で、直接測定するか、温度推定器の助けにより求めることができ、直接測定は、導体温度の場合は困難なことがあり、温度推定器は、上記で検討したように、銅の損失（固定子電流）、鉄の損失（電圧）および冷却剤温度を入力信号とする。したがって、制御するには以下のように２つのモードが可能である。１）温度が最高許容温度限界より低い場合は、端子電圧が所望の動作電圧と等しくなるよう界磁電流を制御する。２）端子電圧が所望の動作電圧より低い場合、導体温度または芯温度が最高許容温度限界に等しくなり、他の温度がその限界より低くなるよう、界磁電流を制御する。固定子温度が最高許容固定子温度に等しく、端子電圧が所望の動作電圧に等しい遷移点は、図に関連して述べるように、最低値ゲートで実現することができる。上記のモード１は、通常の電圧制御に相当し、モード２は機械を高温から保護する。というのは、界磁電流が低下すると端子電圧および固定子温度が低下するからである。図８は、上述したタイプの制御を獲得するための制御回路を示す。電流Ｉ〜および電圧Ｕ〜以外に、ユニットΔＰ「プロド」にも冷却剤の温度Ｔ_KY を供給する。ユニットΔＰ「プロド」からの出力信号は、電圧Ｕを所望の動作電圧Ｕ_refと比較した処理および増幅済み出力信号とともにゲート２０に供給するため、上述したように非直線の特性で、増幅器および信号処理ユニット４０およびブロック２６に供給される。ゲート２０からの出力信号に応じて、機械の制御は、図７による実施形態で述べたのに相当する方法で実行される。制限を与える温度（Ｔ_LEまたはＴ_FE）が、ゼロより大きい時間導関数で最高温度限界（例えばＴ_L,LE＝９０℃、Ｔ_L,FE＝５５℃、ＸＬＰＥ絶縁）に近づく場合、上記のように制御すると、温度が「過剰変動」することがある。この過剰温度が短時間であり、適度であれば、絶縁に深刻な危険は生じない。しかし、一時的な温度低下を招くことがあり、これは磁界を減少させることによって過剰温度を抑制しようとする制御回路の結果として、電力システムの安定性を混乱させることがある。これを回避するため、最高温度に到達する前でも、電圧が穏やかに低下し始めることができるよう、制御回路に、例えば温度の時間導関数に基づく温度予測回路を補うことができる。したがって、温度の「過剰変動」がわずかになるか、全くなくなる。したがって、電圧は早めに低下し始めるが、それほど急激ではない。図７による従来の電流リミッタと図８による固定子温度リミッタとを比較すると、後者が、数時間程度の長い時間にわたって過負荷を許容するという利点がある一方、従来の電流リミッタは、数秒から数分程度の短い時間しか過負荷を許容しない。しかし、機械が固定子温度リミッタを装備すると、定格運転の温度を超えるとすぐに、オペレーティング・センターに警告信号が送信されるはずである。というのは、これは過負荷状態が存在しており、補修すべきであることを示すからである。図９は、図７の制御回路をさらに開発したものを示す。ここでは、固定子の熱容量を最大限に利用することにより、可能な限り許容できるレベルの端子電圧を可能な限り長く維持することを目的とした、温度に基づく限定的な制御を、有効および無効電力の制御と組み合わせる。したがって、出力信号は、図８による回路と同じ方法でユニットΔＴ「プロド」で生成される。この信号は、増幅器および信号処理ユニット４０、ブロック２６およびゲート２０に供給され、図８と同じ制限を与える制御を達成する。ユニットΔＴ「プロド」からの出力信号は、電圧Ｕ〜とともにユニットΔＰ「プロド」にも供給され、ここで有効電力をＵ＝ｒｅｆ、つまり所望動作電圧と等しい端子電圧まで減少させるため、または前述したように有効電力が所定の最小電力限界に到達するまで、ユニットΔＰ「プロド」からの出力信号として制御信号ΔＰ命令が獲得される。有効電力の減少は、芯または導体の温度が機械に意図された温度を超えた時に開始することが好ましい。制御が可能になるさらに別の方法は、電流または温度の限界に到達したら、冷却機械を始動して鉄および銅の温度を低下させることに基づく。これによって、機械にさらに負荷をかけることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者ペテルッソン，トーレスウェーデン．エス―724 66 ヴェステロス，スコルデガタン６ (72)発明者レイジョン，マッツスウェーデン．エス―723 35 ヴェステロス，ヒュヴラーガタン５

Claims

【特許請求の範囲】１．固定子巻線を有する固定子および界磁巻線を有する回転子を備える、電力および／または電圧制御機能付き同期機械であって、固定子巻線が、固体絶縁体を有する高圧ケーブルを備え、回転子が、可能出力グラフで定格力率よりはるかに下の力率で、熱ベースの固定子電流限界と交差する熱ベースの回転子電流限界を有するか可能出力グラフで熱ベースの固定子電流限界より高い熱ベースの回転子電流限界を有し、さらに、熱損傷を回避するために電流を制限する手段を備えることを特徴とする同期機械。２．電流を制御する手段が、固定子の電流および電圧を測定するため、電流測定装置および電圧測定装置の加熱および／または冷却に非常に重要な少なくとも１カ所で、固定子の温度を決定する温度決定部材を備え、温度決定部材および／または電流測定および電圧測定装置に接続された制御回路も備えて、温度および／または固定子電流または固定子電圧が所定の限界値を超えた場合に有効電力または界磁電流を減少させることを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。３．温度決定部材が、加熱の影響を受けやすい固定子のポイントに、そこの温度を測定するために配置された少なくとも１つの測定装置を備えることを特徴とする、請求項２に記載の同期機械。４．測定装置が、固定子の巻線スロットの内側にあるスロットの壁に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の同期機械。５．温度決定部材が、決定された温度が所定の限界値を超えた場合に、制御回路を誘導して界磁電流を減少させるため、芯の損失および導体の損失および冷却剤の温度に基づき、固定子の積層の温度を決定するよう配置された温度推定器を備えることを特徴とする、請求項２に記載の同期機械。６．温度決定部材が、導体の損失から、導体およびケーブル絶縁体の基本的部分の温度を決定するよう配置された温度推定器を備えることを特徴とする、請求項２から５のいずれか１項に記載の同期機械。７．制御回路が、固定子の温度が上昇すると、最高許容固定子温度より低い温度で界磁電流を減少させ始めるよう配置されることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載の同期機械。８．温度が所定の時間にわたり、定格動作温度、つまり機械が定格運転時に意図された温度より高いが、最高許容固定子温度より低いと、制御回路が減少させ始めるよう配置されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の同期機械。９．固定子電流が固定子電流限界を超えると、固定子電流が固定子電流限界を超えている時間が最大許容時間より短い場合、機械の端子電圧が所望の動作電圧と等しくなるよう、制御回路が界磁電流を制御するよう配置され、最大許容時間を超えると、固定子電流が固定子電流限界と等しくなるまで界磁電流を低下させるよう制御回路が配置されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の同期機械。１０．制御回路が、固定子電流限界を超えた後、特定の時間遅延で界磁電流を減少させ始めるよう配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の同期機械。１１．界磁巻線が、磁極電圧を上げるため、余分な巻数を有するよう設計されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の同期機械。１２．余分な巻の特定の割合が、巻線の冷却巻の形態であることを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。１３．巻線の電流密度を比較的低くするため、界磁巻線の導電面積を大きくすることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の同期機械。１４．界磁巻線のために特殊な冷却手段が配置されていることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の同期機械。１５．固定子電流が固定子電流限界を超えるか、超えると予測された場合、または測定温度が所定の限界値を超えた場合、あるいはその両方の場合、強制冷却を行うために、冷却機械が接続されるよう配置されることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の同期機械。１６．ケーブルが高圧ケーブルであり、複数の撚り線部分を有する芯と、芯を囲む内部半導体層と、内部半導体層を囲む絶縁層と、絶縁層を囲む外部半導体層とを備えるタイプであることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の同期機械。１７．高圧ケーブルが、２０〜２００ｍｍの範囲の直径および８０〜３０００ｍｍ²の範囲の導電面積を有することを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１項に記載の同期機械。１８．巻線が可撓性であり、前記層が互いに接触していることを特徴とする、請求項１から１７のいずれか１項に記載の同期機械。１９．前記層が、使用中の温度変動による層の体積変化が材料の弾性によって吸収され、したがって使用中に温度変動が発生しても層が互いへの付着力を保持するような弾性率および材料の熱膨張率の関係を有する材料で構成されることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか１項に記載の同期機械。２０．前記層の材料が高い弾性、好ましくは５００ＭＰａ未満の弾性率、最も好ましくは２００ＭＰａ未満の弾性率を有する、請求項１から１９のいずれか１項に記載の同期機械。２１．前記層の材料の熱膨張率がほぼ同じ大きさである、請求項１から２０のいずれか１項に記載の同期機械。２２．層間の付着力が、少なくとも最も弱い材料の強度と同じ大きさである、請求項１から２１のいずれか１項に記載の同期機械。２３．半導体層がそれぞれ、基本的に１つの等電位表面を構成する、請求項１から２２のいずれか１項に記載の同期機械。２４．回転子が突極を有するタイプであることを特徴とする、請求項１から２３のいずれか１項に記載の同期機械。２５．回転子が非突極タイプであることを特徴とする、請求項１から２３のいずれか１項に記載の同期機械。２６．機械が、最大許容時間限界より短い特定の期間、熱ベースの固定子電流限界を超える固定子電流で作動し、その後、有効電力または界磁電流またはその両方の組合せを減少させることによって過負荷が低下することを特徴とする、請求項１から２５のいずれか１項に記載の同期機械の電力および／または電圧を制御する方法。２７．機械が過負荷状態の前に定格温度であったとして、機械が少なくとも３分間、熱損傷の危険なく、少なくとも３０％で熱ベースの固定子電流限界を超えた固定子電流で作動できることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。２８．機械が過負荷状態の前に定格温度であったとして、機械が少なくとも５分間、熱損傷の危険なく、少なくとも３０％で熱ベースの固定子電流限界を超えた固定子電流で作動できることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の方法。２９．機械が過負荷状態の前に定格温度であったとして、機械が少なくとも５分間、熱損傷の危険なく、少なくとも５０％で、好ましくは少なくとも１５分間、少なくとも８０％で、熱ベースの固定子電流限界を超えた固定子電流で作動できることを特徴とする、請求項２６から２８のいずれか１項に記載の方法。３０．固定子巻線が固体高圧絶縁体を設けたケーブルで巻かれ、可能出力グラフにおいて定格力率値よりはるかに下の力率値で、熱ベースの回転子電流限界と固定子電流限界が互いに交差するよう機械の回転子が構築され、熱損傷の危険を生じるほど固定子電流が上昇すると、有効電力が減少することを特徴とする、固定子巻線を有する固定子と、界磁巻線を有する回転子とを備える同期機械の電力および／または電圧を制御する方法。３１．固定子電流が所定の最大時間、固定子電流限界を超えることができ方法であって、固定子電流が固定子電流限界を超えている時間が前記最大許容時間より短い場合、固定子電流が固定子電流限界より高いと、固定子電流が固定子電流限界と等しくなるまで、有効電力を減少させることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。３２．固定子電流が最大許容時間より長い間、固定子電流限界を超えると、固定子電流が固定子電流限界と等しくなるまで、有効電力および界磁電流を低下させることを特徴とする、請求項３１に記載の方法。３３．有効電力がランプ関数に従って減少することを特徴とする、請求項３０から３２のいずれか１項に記載の方法。３４．固定子電流が固定子電流限界を超えるが、固定子電流限界より高い所定の第２限界値より低い場合は、有効電力がランプ関数に従って減少し、固定子電流が前記第２限界値を超えると、有効電力が可能な限り急速に低下することを特徴とする、請求項３０から３２のいずれか１項に記載の方法。３５．ランプ関数に、電力網の電力振動が回避され、同期機械が含まれる発電所のタービンおよび他の部品への損傷が防止されるような導関数が選択されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の方法。３６．ランプ関数に、固定子を暖めるための時定数に依存する導関数が選択されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の方法。３７．機械に許容端子電圧が維持されるほど有効電力を減少させることを特徴とする、請求項３３から３６のいずれか１項に記載の方法。３８．力率の限界値がゼロであることを特徴とする、請求項３０から３７のいずれか１項に記載の方法。