JP2005086906A

JP2005086906A - 可変速発電電動機の始動方法、及び、可変速発電電動機の制御装置

Info

Publication number: JP2005086906A
Application number: JP2003316143A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nishioka; 淳西岡; Takashi Koyake; 孝小宅
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】
始動初期において、断続制御と位相検出演算を行う必要があり制御回路が複雑化するとの従来の問題点を解決し、速やかな始動を実現することにある。
【解決手段】
一次巻線１ａを電力系統８から遮断する共に、一次巻線１ａを三相短絡させた状態で、二次巻線１ｂに電力を供給して始動させ、所定の回転状態に達したら、二次巻線１ｂの励磁を停止するとともに、一次巻線１ａの三相短絡を開放し、一次巻線１ａに電力を供給し、二次巻線１ｂの励磁を直流または一定低周波数の三相交流で再励磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変速発電電動機の始動方法及び可変速発電電動機の制御装置に関する。

一般に大容量の同期発電電動機を電動機として始動するには、他の始動装置が必要であり、始動装置としてサイリスタ始動装置が広く適用されている。サイリスタ始動装置は、サイリスタを用いたコンバータ，インバータから成る周波数変換器で、発電電動機の一次巻線に零から商用周波までの回転磁界を発生させ、発電電動機を始動する。可変速発電電動機の場合も基本的に同様で、二次巻線を直流励磁または一定の低周波で励磁した状態で、サイリスタ始動装置が一次巻線に回転磁界を発生させ始動する。このような技術は、例えば、特開平８−８００９４号公報に知られている。

この始動方法での始動初期においては、発電電動機が発生する誘起電圧が低く、インバータのサイリスタを転流することができないため、転流タイミングでコンバータの電流を零にする断続制御が行われる。

また、発電電動機の電圧が低い状態では、点弧位相の検出ができないため、機械的に回転子の位置を検出する位置検出器が設けられる。同期機の場合は、回転子の磁極が固定であるため、回転軸に取り付けた歯型円盤と近接スイッチにより位置を検出し、インバータのサイリスタを点弧する。

可変速発電電動機の場合は、回転子に発生する磁極が回転子の機械的位置と一致しないため、レゾルバにより検出した機械的な位置と励磁位相とから、インバータが点弧すべき位相を演算する必要がある。

特開平８−８００９４号公報

従来の始動方法では、始動初期において、断続制御と位相検出演算を行う必要があった。このため、制御回路が複雑化し、また、電流が断続するため、始動が遅いという問題があつた。また、始動初期の点弧位相演算は高い精度が要求され、わずかにずれただけでも転流失敗等を引き起こしてしまうため、調整には多大な工数が必要であった。しかも、発電電動機を点検したとき等にも点弧位相演算回路の調整を行わねばならず、発電電動機の点検員の他にも制御装置の技術員が必要になるなど、メンテナンス工数がかかった。

さらに、位置検出器のわずかな特性変化等によって転流失敗してしまうことがあり、安全性にも問題があった。本発明は、始動初期の断続制御と位相検出演算を不要とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、始動初期において、可変速発電電動機の一次巻線を三相短絡した状態で、二次巻線に（例えば、励磁用周波数変換器より）所定（望ましくは所定周波数）の電力を供給することにより始動し、所定の回転状態に達したら、二次巻線への励磁を停止するとともに、三相短絡用（例えば、断路器を操作することにより短絡）を開放し、一次巻線を周波数変換器（始動用の周波数変換器）に接続して、二次巻線の励磁を直流または一定低周波の三相交流で再励磁し、一次巻線に前記始動用周波数変換器より所定周波数の電力を供給するように構成する。

或いは、始動初期において、周波数変換器（望ましくは始動用であり、コンバータ，インバータを構成する）素子を連続的に点弧し(素子は望ましくは全素子)、発電電動機の一次巻線が（具体例としては、始動用周波数変換器を介して）三相短絡された状態として、二次巻線に（例えば、励磁用周波数変換器より）電力を供給することにより始動し、所定の回転に達したら、周波数変換器（始動用の周波数変換器）の素子点弧を停止するとともに（素子は望ましくは全素子）、二次巻線への励磁を停止し、その後、二次巻線の励磁を直流または一定低周波の三相交流で再励磁し、一次巻線に前記始動用周波数変換器より所定周波数の電力を供給することにより発電電動機を始動するように構成する。

ここで、上記構成を理解するために、具体的な例の動作を説明する。始動初期において可変速発電電動機の一次巻線を三相短絡した状態で、二次巻線に励磁用周波数変換器より所定周波数の電力を供給することにより始動し、所定の回転に達したら、二次巻線への励磁を停止するとともに、三相短絡用の断路器を開放し、一次巻線を始動用周波数変換器に接続して、二次巻線の励磁を直流または一定低周波の三相交流で再励磁し、一次巻線に前記始動用周波数変換器より所定周波数の電力を供給することにより発電電動機を始動する。始動初期に必要だった断続制御および位置検出演算が不要になり、制御装置が簡素化され、またメンテナンスコストの低減も図ることができる。

また、始動初期において、始動用周波数変換器のコンバータ，インバータを構成する全素子を連続で点弧し、前記発電電動機の一次巻線が始動用周波数変換器を介して三相短絡された状態として、二次巻線に励磁用周波数変換器より所定周波数の電力を供給する。所定の回転に達したら、始動用周波数変換器の全素子点弧を停止するとともに、二次巻線への励磁を停止し、その後、二次巻線の励磁を直流または一定低周波の三相交流で再励磁し、一次巻線に前記始動用周波数変換器より所定周波数の電力を供給することにより発電電動機を始動する。始動初期に必要だった断続制御および位置検出演算が不要になり、制御装置が簡素化され、またメンテナンスコストの低減も図ることができる。

以上説明したとおり、本発明によれば、断続制御と複雑な点弧位相検出演算が不要となり、装置の簡素化が図ることができる。或いは、据付試運転時等における位相検出演算の調整が不要となり、工数低減が図れる。或いは、位相検出の調整が不要となり、メンテナンスコストの低減を図ることが出来る。或いは、位相検出の特性変化による転流失敗等がなくなり、安全性が向上する。

以下、本発明の実施例を図にもとづいて説明する。図１は本発明が適用される可変速揚水発電システムの一実施例である。図１において、可変速発電電動機１の１次巻線１ａは、並列遮断器６，相反転断路器７を介して電力系統８に接続している。可変速発電電動機１の二次巻線１ｂは、励磁制御装置３により制御される励磁用周波数変換器２と励磁用変圧器９，励磁用遮断器１０を介して電力系統８に接続され、励磁用周波数変換器２は可変速発電電動機１の二次巻線１ｂに３相交流電力を供給する。

一方、可変速発電電動機１の一次巻線１ａは、始動用断路器１１，１２、始動用遮断器１３を介して始動制御装置５により制御される始動用周波数変換器４に接続される。始動用周波数変換器４は、サイリスタコンバータ（あるいは始動用周波数変換器のコンバータと称す。以下同様）４ａとサイリスタインバータ（あるいは始動用周波数変換器のコンバータと称す。以下同様）４ｂと直流リアクトル４ｃから構成されており、始動用変圧器
１４，始動用入力側遮断器１６を介して電力系統８に接続する。始動用周波数変換器４は、並列遮断器６が開放されている状態で、可変速発電電動機１の一次巻線１ａに交流電力を供給し、可変速発電電動機１を始動する。

ここでは、始動初期の低回転領域では、発電電動機１の誘起電圧が低く、サイリスタインバータ４ｂが転流できないため、インバータ４ｂの点弧タイミングに合わせてコンバータ４ａをゲートシフトして電流を零に絞り、その後再び通流することによって転流する、断続制御が行われており、また、発電電動機１の誘起電圧が低い領域では、インバータ
４ｂを点弧するための電圧位相が検出できないため、励磁制御装置３で、レゾルバ１５により検出される回転子の機械的位置と励磁位相からインバータ４ｂが点弧すべき位相を演算して始動制御装置５に出力し、これによりインバータ４ｂが点弧されるものに対し、始動初期の複雑な断続制御と、位相検出演算を省略することが望ましい。以下にその具体的構成を説明する。

可変速発電電動機１は、一次巻線１ａを短絡し励磁用周波数変換器２から所定周波数の交流電力を供給すると、誘導トルクが発生し回転する。ただし、この場合、系統周波数付近まで回転を上げるには、励磁用周波数変換器２の容量が大きくなってしまうことと、揚水発電所には他の同期機を始動するため始動用周波数変換器４が必要なため、始動用周波数変換器４をなくすことができないことから、この始動方法は一般的ではない。しかし、系統周波数付近までは加速できないが、始動装置の断続制御や位置検出演算が不必要な回転まで始動することはできるので、この始動方法により断続制御と位相検出演算を省略することができる。

以下に第１の実施例に係る始動方法を具体的に説明する（特に、本願の請求項１に関係する）。図１において、まず可変速発電電動機１の一次巻線１ａを短絡するための三相短絡用断路器１７を閉じ、励磁用周波数変換器２より可変速発電電動機１の二次巻線１ｂを直流励磁する。次に、励磁周波数を徐々に上げていくと、可変速発電電動機１は誘導トルクにより回転を始める。この方法で断続制御が不要な回転数、たとえば８Ｈｚ程度まで加速したら、一度励磁用周波数変換器２の出力を止め、三相短絡用断路器１７を開くとともに始動用断路器１１，１２、始動用遮断器１３を閉じ、再び励磁用周波数変換器２により直流または一定の低周波数の交流で励磁し、始動用周波数変換器４を運転する。この後は始動用周波数変換器４により、可変速発電電動機１が電力系統に並列できる速度まで加速できる。なお、切替速度は、回路切替中に速度が低下する分を考慮して決める必要がある。また、切替えの回路操作や励磁停止，再励磁の操作は極力速く行う必要がある。

次に第２の実施例に係る始動方法を説明する（特に、請求項５に関係する）。三相短絡用断路器１７がない場合に、始動用周波数変換器４を使って、可変速発電電動機１の一次巻線１ａを短絡状態にする方法である。図１において、まず始動用遮断器１３，始動用断路器１１，１２を閉じ、始動装置入力遮断器１６を開いた状態で、始動用周波数変換器４のコンバータ（変換器）４ａ，インバータ（逆変換器）４ｂの全素子を連続で点弧する。これで、可変速発電電動機１の一次巻線１ａは、直流リアクトル４ｃを介して短絡された状態となる。この状態で、励磁用周波数変換器２より、可変速発電電動機１の二次巻線
１ｂを直流励磁する。次に、励磁周波数を徐々に上げていくと、可変速発電電動機１は誘導トルクにより回転を始める。この方法で断続制御が不要な回転数、たとえば８Ｈｚ程度まで加速したら、一度励磁用周波数変換器２の出力を止め、始動用周波数変換器４の点弧を止める。電流が零になったら、始動装置入力遮断器１６を閉じ、再び励磁用周波数変換器２により直流または一定の低周波数の交流で励磁し、始動用周波数変換器４を通常運転する。この後は始動用周波数変換器４により、可変速発電電動機１が電力系統に並列できる速度まで加速できる。なお、切替速度は、回路切替中に速度が低下する分を考慮して決める必要があるが、この方法では断路器，遮断器の操作がないので、第１の実施例の方法より短時間で切替えができる。このように始動することによって、従来始動初期に必要であった断続制御と複雑な点弧位相検出演算が不要となり、始動制御装置５と励磁制御装置３の簡素化が図ることができる。

このように、本実施例によれば、従来始動初期に必要であった断続制御と複雑な点弧位相検出演算が不要となり、始動制御装置５と励磁制御装置３の簡素化が図ることができ、据付試運転時等における位相検出演算の調整が不要となり、工数低減が図れる。また、発電電動機のメンテナンス時にも、従来必要であった位相検出の調整が不要となり、メンテナンスコストの低減も図ることが出来る。さらに、位相検出の特性変化による転流失敗等がなくなり、安全性も向上する。

本発明の一実施例である可変速発電電動機およびその始動装置の構成図である。

符号の説明

１…可変速発電電動機、１ａ…可変速発電電動機の一次巻線、ｌｂ…可変速発電電動機の回転子および二次巻線、２…励磁用周波数変換器、３…励磁制御装置、４…始動用周波数変換器、４ａ…始動用周波数変換器のコンバータ、４ｂ…始動用周波数変換器のインバータ、４ｃ…始動用周波数変換器の直流リアクトル、５…始動制御装置、６…並列遮断器、７…相反転断路器、８…電力系統、９…励磁用変圧器、１０…励磁用遮断器、１１…始動用断路器（発電機側）、１２…始動用断路器（始動装置側）、１３…始動用遮断器、
１４…始動用変圧器、１５…レゾルバ、１６…始動装置入力遮断器、１７…三相短絡用断路器。

Claims

可変速発電電動機の一次巻線を電力系統から遮断すると共に、前記可変速発電電動機の一次巻線を三相短絡させた状態で、前記可変速発電電動機の二次巻線に電力を供給して前記可変速発電電動機を始動させ、前記可変速発電電動機が所定の回転状態に達したら、前記可変速発電電動機の二次巻線への励磁を停止するとともに、前記可変速発電電動機の一次巻線の三相短絡を開放し、前記可変速発電電動機の一次巻線に電力を供給し、前記可変速発電電動機の二次巻線の励磁を直流または一定低周波数の三相交流で再励磁することにより可変速発電電動機を始動する可変速発電電動機始動方法。
請求項１において、前記一次巻線には周波数変換器から電量が供給され、前記三相短絡は、前記二次巻線と前記周波数変換器との間を断路器によって電気的導通を操作することでなされる可変速発電電動機始動方法。
請求項２において、周波数変換器は、コンバータ及びインバータによって構成される可変速発電電動機始動方法。
請求項１乃至３において、前記可変速発電電動機の一次巻線を電力系統から遮断は、前記電力系統と前記一次巻線との間を遮断機によって電気的導通を操作することでなされる可変速発電電動機始動方法。
可変速発電電動機の一次巻線を電力系統から遮断すると共に、前記可変速発電電動機の一次巻線に電力を供給する周波数変換器を構成する複数の素子を連続的に点弧し、前記可変速発電電動機の一次巻線を三相短絡された状態で、前記可変速発電電動機の二次巻線に前記周波数変換器より所定の電力を供給することにより前記可変速発電電動機を始動し、前記可変速発電電動機が所定の回転に達したら、前記周波数変換器の点弧を停止するとともに、前記可変速発電電動機の二次巻線への励磁を停止し、その後、前記可変速発電電動機の二次巻線の励磁を直流または一定低周波の三相交流で再励磁し、前記可変速発電電動機の一次巻線に前記周波数変換器より所定周波数の電力を供給することにより可変速発電電動機を始動する可変速発電電動機始動方法。
請求項５において、前記三相短絡は、前記二次巻線と前記周波数変換器との間を断路器によって電気的導通を操作することでなされる可変速発電電動機始動方法。
請求項５において、周波数変換器は、コンバータ及びインバータによって構成される可変速発電電動機始動方法。
請求項６乃至８において、前記可変速発電電動機の一次巻線を電力系統から遮断は、前記電力系統と前記一次巻線との間を遮断機によって電気的導通を操作することでなされる可変速発電電動機始動方法。
可変速発電電動機の一次巻線及び二次巻線に供給する電力を制御して前記可変速発電電動機を始動させる可変速発電電動機の制御装置において、前記可変速発電電動機の一次巻線を電力系統から遮断すると共に、前記可変速発電電動機の一次巻線を三相短絡させた状態で、前記可変速発電電動機の二次巻線に電力を供給して前記可変速発電電動機を始動させ、前記可変速発電電動機が所定の回転状態に達したら、前記可変速発電電動機の二次巻線への励磁を停止するとともに、前記可変速発電電動機の一次巻線の三相短絡を開放し、前記可変速発電電動機の一次巻線に電力を供給し、前記可変速発電電動機の二次巻線の励磁を直流または一定低周波数の三相交流で再励磁することにより可変速発電電動機を始動することを特徴とする可変速発電電動機の制御装置。
可変速発電電動機の一次巻線及び二次巻線に供給する電力を制御して前記可変速発電電動機を始動させる可変速発電電動機の制御装置において、前記可変速発電電動機の一次巻線に電力を供給する周波数変換器を有し、前記可変速発電電動機の一次巻線を電力系統から遮断すると共に、前記可変速発電電動機の複数の素子を連続的に点弧し、前記可変速発電電動機の一次巻線を三相短絡された状態で、前記可変速発電電動機の二次巻線に前記周波数変換器より所定の電力を供給することにより前記可変速発電電動機を始動し、前記可変速発電電動機が所定の回転に達したら、前記周波数変換器の点弧を停止するとともに、前記可変速発電電動機の二次巻線への励磁を停止し、その後、前記可変速発電電動機の二次巻線の励磁を直流または一定低周波の三相交流で再励磁し、前記可変速発電電動機の一次巻線に前記周波数変換器より所定周波数の電力を供給することにより可変速発電電動機を始動することを特徴とする可変速発電電動機の制御装置。