JP2011041459A - 界磁巻線の静止励磁器および静止励磁器の作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】公知の問題を除去する静止励磁器および方法を提供する。
【解決手段】発電機（４）の界磁巻線（８）の静止励磁器（１）は、双方向電子スイッチ（９）とキャパシタバンク（１０）との間に配置され、コントロールユニット（２２）に接続されたスイッチ（１１）を有し、該コントロールユニットは、グリッド電圧を指示する電圧が第１の所定電圧値を下回るときに前記スイッチを閉成して、前記キャパシタバンク（１０）を前記界磁巻線（８）に接続する。前記コントロールユニット（２２）は、グリッド電圧を指示する電圧が第２の所定電圧値を上回ると前記スイッチ（１１）を開放して、前記キャパシタバンク（１０）を前記界磁巻線（８）から分離し、これによりキャパシタバンク（１０）はエネルギーを界磁巻線（８）に、必要な時間の間だけ供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、界磁巻線の静止励磁器および静止励磁器の作動方法に関する。

静止励磁器は、発電機の界磁巻線に給電するため広く使用されている。

特許文献１（この刊行物の図１参照）は、励磁トランス２を有する静止励磁器を開示しており、この励磁トランスは一方で発電機４のバスバー３に（すなわち発電機の出力端）、他方で整流器５に接続されており、整流器は励磁トランス２から給電されたＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。

整流器５は典型的には、バスバー３に電圧トランス７を介して接続されたＡＶＲ（自動電圧制御器）６によりドライブされる。

整流器５のＤＣ電圧側は、発電機４の界磁巻線８および順方向バイアスされたダイオード９と直列に接続されている。

順方向バイアスされたダイオード９はキャパシタバンク１０に並列に接続されており、さらにスイッチ１１がキャパシタバンク１０とダイオード９との間に設けられている。このスイッチ１１は、キャパシタバンク１０を整流器５に直列に接続するよう閉成することができる。

通常動作中、スイッチ１１は開放しており、励磁トランス２からのＡＣ電圧がＤＣ電圧に変換され、界磁巻線８に供給される。なぜならダイオード９は順方向バイアスされ、導通しているからである。
（例えば伝送ラインでの短絡のため）グリッドに障害が発生する場合、グリッドの電圧、したがってバスバー３の電圧も降下し、電圧トランス７の低電圧側の電圧が降下する。

電圧トランス７の低電圧側で電圧が所定の電圧値よりも降下すると、スイッチ１１はダイオード９がリバースバイアスされるように閉成し（それ以上導通しなくなる）、キャパシタバンク１０が整流器５および界磁巻線８と直列に接続される。

これによりかなり高い励磁電圧が界磁巻線８に供給され、発電機／グリッドシステムの安定性が保証される。

それにもかかわらずいったん障害が発生すると、キャパシタバンク１０が完全に放電され、したがって複数の障害が発生するとシステムはそれに対処することができない。

実際（図１）、キャパシタバンク１０の充電を維持する充電デバイス１２（例えばバッテリー）が静止励磁器１に設けられていても、この充電デバイスの大きさは通例小さく、キャパシタバンク１０を許容できる充電レベルに再充電するためには数分から数時間かかる。

米国特許公開公報第２００７／０２９６２７５号

したがって本発明の技術的課題は、前記公知の問題を除去する静止励磁器および方法を提供することである。

この技術的課題の範囲内で本発明によれば、短期間（例えば数分）に連続して発生する複数の障害に対処することのできる静止励磁器および方法が提供される。

この技術的課題は本発明によれば、請求項記載の静止励磁器および方法に関連して達成される。

本発明のさらなる特徴および利点は、静止励磁器および本発明の方法の好ましい、しかし限定ではない実施形態から明らかとなる。

従来技術による静止励磁器の概略図である。 本発明の実施形態による静止励磁器の概略図である。 本発明の実施形態によるスイッチ閉成／開放遅延時間範囲を示す線図である。 本発明の実施形態によるスイッチ閉成／開放遅延時間範囲を示す線図である。

図面を参照すると、発電機４の界磁巻線８の静止励磁器１が示されている。

発電機４は、トランス２１を介して電気グリッド２０と接続されたバスバー３を有する。

静止励磁器１は、サイリスタブリッジからなる整流器５を有し、一方の側でバスバー３に励磁トランス２を介して接続され（択一的に電圧トランス７をグリッド２０に接続することもできる）、他方の側で発電機の界磁巻線８に接続されている。

静止励磁器１はまた、順方向バイアスされたダイオード９のような双方向電子スイッチを有し、これは整流器５と直列に接続されている。

加えて静止励磁器１はまた、例えば互いに直列および並列に接続された複数のスーパーキャパシタからなるキャパシタバンク１０を有する。キャパシタバンク１０はダイオード９に並列に接続されている。

静止励磁器１はさらに、コントロールユニット２２と接続されたスイッチ１１をダイオード９とキャパシタバンク１０との間に有する。コントロールユニット２２は、グリッド電圧（これはグリッド２０にトランス２１を介して接続されたバスバー３の電圧により制御される）を指示する電圧が第１の所定の電圧値Ｖ１より降下するときスイッチ１１を閉成し、キャパシタバンク１０を界磁巻線８と接続する。

有利にはコントロールユニット２２は、グリッド電圧（これはバスバー３の電圧により制御される）を指示する電圧が第２の所定の電圧値Ｖ２を上回るとき、キャパシタバンク１０を界磁巻線８から遮断する。

これによりキャパシタバンク１０はエネルギーを界磁巻線８に必要な場合だけ供給し、キャパシタ板１０が完全に放電するのを防止し、必要のないときにエネルギーを供給するのを回避する。

第２の所定値Ｖ２は第１の所定値Ｖ１より大きいか、または等しく、好ましくはスイッチ１１が閉成および再開放を繰り返す発振を回避するために、第２の所定値Ｖ２は第１の所定値Ｖ１より大きい。

静止励磁器１はまた、界磁巻線８のＡＶＲ６（自動電圧制御器）に給電する電圧トランス７を有し、好ましくはグリッド電圧の降下は電圧トランス７の低電圧側で測定される。

コントロールユニット２２は第３の所定電圧値Ｖ３を有し、キャパシタバンク１９の電圧が第３の所定電圧値Ｖ３を下回って降下すると、コントロールユニット２２はスイッチ１１を開放する（これによりキャパシタバンク１０の完全な放電を防止する）。

加えて充電デバイス１２には充電スイッチ３２が、充電デバイス１２を過電流から保護するために設けられている。この充電スイッチ３２はおもに定電圧源として動作する。とりわけスイッチ１１が閉成されているとき、充電スイッチ３２が開放され、スイッチ１１が開放されているとき、充電スイッチ３２は閉成される。図２は、スイッチ１１が開放されており、充電スイッチ３２が閉成されている様子を示す。択一的に充電デバイスは、電圧制限の制御により定電流を形成する（したがって充電スイッチが不要である）。

本発明の実施形態における静止励磁器の作動は、明細書および図面から明らかであり、実質的に以下のように行われる。

障害がグリッド２０に発生すると、その電圧およびバスバー３の電圧が降下する。

コントロールユニット２２は連続的にバスバー３の電圧（すなわちグリッド２０の電圧）を監視し、降下を検知するとスイッチ１１を閉成する。

したがってキャパシタバンク１０は整流器５と直列に接続されており、エネルギーを発電機４の界磁巻線８に供給する。

グリッド２０の電圧（したがってバスバー３の電圧）が再び上昇すると（通例これは、グリッドの自動保護デバイスにより非常に短時間しか掛からない）、コントロールユニット２２はバスバー３の電圧上昇を検知する。

グリッド２０の電圧（したがってバスバー３の電圧）が第２の所定電圧値Ｖ２を上回ると、コントロールユニット２２がスイッチ１１を開放する。

通例、スイッチ１１の再開放は、キャパシタバンク１０が完全に放電されないほど高速であり、さらなる障害がグリッド２０に発生してもキャパシタバンク１０はこれに対処することができる。

さらにキャパシタバンク１０が完全に放電するのを防止するために、コントロールユニット２２がキャパシタバンク１０の電圧が第３の所定電圧値Ｖ３より低いことを検知する場合には、スイッチ１１を開放する。この場合、実際には動作の多くの重大なフェーズはすでに克服されており、キャパシタバンクの電荷はグリッド２０でのさらなる障害のために温存される。

本発明の別の実施形態では、コントロールユニット２２がスイッチ１１を所定の遅延で閉成または開放する。
実際、障害がグリッド２０に発生する場合は、電圧が２ステップ以上で降下または上昇することがしばしばである。
例えば図３は、２つのステップで降下する電圧を示し、図４は再び２つのステップで上昇する電圧を示す。

遅延時間により、キャパシタバンクの放電が、現在必要な電力に関連して最適化される。

とりわけ（図３）コントロールユニット１０は、電圧降下レンジ列（グリッド電圧の降下の場合に使用される）と、電圧降下レンジ列の各電圧レンジを関連してスイッチ１１を閉成する所定の遅延時間を用意している。

対応して（図４）コントロールユニット１０は、電圧上昇レンジ列（グリッド電圧の上昇の場合に使用される）と、各電圧レンジを関連してスイッチ１１を開放する所定の遅延時間を用意している。

図３は、電圧降下レンジ列の電圧レンジＡ，Ｂを示す。電圧降下レンジ列は電圧Ｖ１よりも大きく、各電圧レンジＡ，Ｂは遅延時間ＴＡ，ＴＢに関連している。これらの遅延時間は、電圧の低下とともに連続的に減少し、電圧Ｖ１より低い電圧に対して遅延時間はゼロである。

対応して図４は、電圧上昇レンジ列の電圧レンジＣ，Ｄ，Ｅを示す。電圧降下レンジ列は電圧Ｖ２よりも低く、各電圧レンジＣ，Ｄ，Ｅは遅延時間ＴＣ，ＴＤ，ＴＥに関連している。これらの遅延時間は、電圧の上昇とともに連続的に減少し、電圧Ｖ２より大きい電圧に対して遅延時間はゼロである。

動作中にコントロールユニット２２に伝送すべき情報は、グリッドの電圧が降下しているか、または上昇しているか（使用すべき電圧レンジを選択するため）と、グリッドの実際の電圧またはそれを指示する電圧である（特定の電圧レンジ、すなわち遅延時間を選択するため）。

本発明の種々の実施形態において、電圧降下レンジ列と電圧上昇レンジ列は同じ、または互いに異なることができ、それに関連する遅延時間も同じ、または互いに異なることができる。

本発明のこの実施形態における静止励磁器の作動は、第１の実施形態を参照して説明したものと実質的に同じである。

とりわけ図３を参照すると、グリッド２０に障害が発生すると、グリッド２０（およびバスバー３）の電圧が降下する。

この点で例えば電圧が、２つのステップで電圧３０（１００％）から電圧Ｖ１より大きい電圧３１に降下する。

コントロールユニット２２はバスバー３の電圧（これはグリッド２０の電圧を指示する）を検知し、これが電圧降下レンジＡに含まれることを確定する。

遅延時間ＴＡが電圧降下レンジＡに関連しているので、コントロールユニット２２はスイッチ１１を、（電圧が電圧降下レンジＡに入ってから）遅延時間ＴＡを以て閉成する。

スイッチ１１の閉成前に電圧がさらに降下すると、コントロールユニット２２はバスバー３の電圧（これはグリッド２０の電圧を指示する）を検知し、新たな電圧降下レンジ、そしてこれが電圧Ｖ１より低いことを確定し、したがってスイッチ１１が対応して閉成される。

例えば図３で、電圧が電圧Ｖ１より降下すると直ちに、コントロールユニット２２がスイッチ１１を閉成する（遅延時間はゼロ）。

対応してバスバー３の電圧が、（グリッド２０の自動保護デバイスにより）２つまたは３つのステップで上昇する。

したがってコントロールユニット２２は、バスバー３の目下の電圧を検知し、これが含まれる電圧上昇レンジを確定する。

例えばバスバー３の電圧は、電圧レンジＤに相当するレベルまで上昇する。

電圧レンジＤは遅延時間ＴＤに対応するから、コントロールユニット２２は（電圧が電圧上昇レンジＤに入ってから）遅延時間ＴＤの後に初めてスイッチ１１を開放する。

スイッチが開放する前に電圧がさらに上昇すると、コントロールユニット２２は新たな電圧を検知し、スイッチを遅延時間に対応して駆動する。

図４では、電圧が電圧Ｖ２を上回ると、直ちにスイッチ１１が閉成される（遅延時間はゼロ）。

本発明はまた、発電機の界磁巻線の静止励磁器の作動方法に関する。

この方法は、グリッド２０の電圧、すなわちバスバー３の電圧が第１の所定電圧値Ｖ１より降下するときにスイッチ１１を閉成して、キャパシタバンク１０を整流器５に直列に接続し、グリッド２０の電圧（したがってバスバー３の電圧）が第２の所定電圧値Ｖ２を上回ると再びスイッチ１１を開放する。ここで第２の所定電圧値Ｖ２は第１の所定電圧値Ｖ１より大きいか、または等しい。

さらにキャパシタバンク１０の電圧が第３の所定電圧値Ｖ３を下回る場合にもスイッチ１１は開放される。

本方法の種々の実施形態では、スイッチ１１が所定の遅延で閉成または開放される。

とりわけコントロールユニット２２は複数の電圧降下レンジを有し、それぞれの電圧降下レンジは所定の閉成遅延時間と関連しており、電圧Ｖ１より低い電圧に対しては遅延時間がゼロである。

対応して、コントロールユニット２２は複数の電圧上昇レンジを有し、それぞれの電圧上昇レンジは所定の開放遅延時間と関連しており、電圧Ｖ２より大きい電圧に対しては遅延時間がゼロである。

グリッド電圧（したがってバスバー３の電圧）が降下すると、目下のグリッド電圧を指示する目下の電圧が測定され、グリッド電圧が含まれる電圧降下レンジが確定される。例えば電圧トランス７の低電圧側の電圧が測定される。

次に電圧が特定の電圧降下レンジに入ると、この特定の電圧降下レンジに対応する遅延時間を以てスイッチ１１が閉成される。電圧がＶ１より低ければ遅延時間はゼロである。

対応して、グリッド電圧（したがってバスバー３の電圧）が上昇すると、目下のグリッド電圧を指示する目下の電圧が測定され、このグリッド電圧が含まれる電圧上昇レンジが確定される。例えば電圧トランス７の低電圧側の電圧が測定される。

次に電圧が特定の電圧上昇レンジに入ると、この特定の電圧上昇レンジに対応する遅延時間を以てスイッチ１１が開放される。電圧がＶ２より大きければ遅延時間はゼロである。

もちろん前記の構成は、互いに独立して設けることができる。

静止励磁器とこれに関連する方法には多数の変形が可能であり、それらも本発明の技術思想の枠内にある。さらにすべての詳細は技術的同等手段により置換することができる。

とりわけ使用される材料および寸法は、必要性および形式に応じて選択することができる。

１ 静止励磁器
２ 励磁トランス
３ バスバー
４ 発電機
５ 整流器
６ ＡＶＲ（自動電圧制御器）
７ 電圧トランス
８ 発電機の界磁巻線
９ ダイオード
１０ キャパシタバンク
１１ スイッチ
１２ 充電デバイス
２０ グリッド
２１ トランス
２２ コントロールユニット
３０ 電圧
３１ 電圧
３２ 充電スイッチ
Ｖ１ 第１の所定電圧値
Ｖ２ 第２の所定電圧値
Ｖ３ 第３の所定電圧値
Ａ−Ｅ 電圧レンジ
ＴＡ−ＴＥ 電圧レンジＡ−Ｅに対応する遅延時間

Claims (15)

1. 発電機（４）の界磁巻線（８）の静止励磁器（１）であって、発電機（４）の電気グリッド（２０）および界磁巻線（８）に接続された整流器（５）と、該整流器（５）と直列に接続された双方向電子スイッチ（９）と、キャパシタバンク（１０）とを有し、
   さらに前記静止励磁器（１）は、前記双方向電子スイッチ（９）と前記キャパシタバンク（１０）との間に配置され、コントロールユニット（２２）に接続されたスイッチ（１１）を有し、
   該コントロールユニットは、グリッド電圧を指示する電圧が第１の所定電圧値（Ｖ１）を下回るときに前記スイッチを閉成して、前記キャパシタバンク（１０）を前記界磁巻線（８）に接続する静止励磁器において、
   前記コントロールユニット（２２）は、グリッド電圧を指示する電圧が第２の所定電圧値（Ｖ２）を上回ると前記スイッチ（１１）を開放して、前記キャパシタバンク（１０）を前記界磁巻線（８）から分離し、これによりキャパシタバンク（１０）はエネルギーを界磁巻線（８）に、必要な時間の間だけ供給することを特徴とする静止励磁器。
2. 前記双方向電子スイッチ（９）は順方向バイアスされたダイオードであることを特徴とする請求項１記載の静止励磁器（１）。
3. 前記第２の所定電圧値（Ｖ２）は、前記第１の所定電圧値（Ｖ１）より大きいか、または等しいことを特徴とする請求項１記載の静止励磁器（１）。
4. 前記ダイオード（９）は、前記キャパシタバンク（１０）に並列に接続されていることを特徴とする請求項２記載の静止励磁器（１）。
5. 前記界磁巻線（８）の自動電圧制御器（６）に給電する電圧トランス（７）を有し、グリッド電圧の降下は該電圧トランス（７）の低電圧側で測定されることを特徴とする請求項１記載の静止励磁器（１）。
6. 前記整流器（５）はサイリスタブリッジであることを特徴とする請求項１記載の静止励磁器（１）。
7. 前記コントロールユニット（２２）はは第３の所定電圧値（Ｖ３）を有し、キャパシタバンク（１０）の電圧が前記第３の所定電圧値（Ｖ３）を下回って降下すると、コントロールユニット（２２）は前記スイッチ（１１）を開放することを特徴とする請求項１記載の静止励磁器（１）。
8. 前記コントロールユニット（２２）は前記スイッチ（１１）を、所定の遅延を以て閉成または開放することを特徴とする請求項１記載の静止励磁器（１）。
9. 前記コントロールユニット（２２）は複数の電圧降下レンジ（Ａ，Ｂ）を有し、それぞれの電圧降下レンジはスイッチ（１１）に対する所定の閉成遅延時間（ＴＡ、ＴＢ）と関連しており、第１の所定電圧値（Ｖ１）より低い電圧に対しては遅延時間がゼロであり、
   前記コントロールユニット（２２）はまた複数の電圧上昇レンジ（Ｃ，Ｄ，Ｅ）を有し、それぞれの電圧上昇レンジはスイッチ（１１）に対する所定の開放遅延時間（ＴＣ，ＴＤ，ＴＥ）と関連しており、第２の所定電圧値（Ｖ２）より大きい電圧に対しては遅延時間がゼロであることを特徴とする請求項８記載の静止励磁器（8）。
10. 発電機（４）の界磁巻線（８）の静止励磁器（１）の作動方法であって、
    該静止励磁器（１）は、発電機（４）の電気グリッド（２０）および界磁巻線（８）に接続された整流器（５）と、該整流器（５）と直列に接続された双方向電子スイッチ（９）と、キャパシタバンク（１０）とを有し、
    さらに前記静止励磁器（１０）は、前記双方向電子スイッチ（９）と前記キャパシタバンク（１０）との間に配置され、コントロールユニット（２２）に接続されたスイッチ（１１）を有し、
    該コントロールユニットは、グリッド電圧を指示する電圧が第１の所定電圧値（Ｖ１）を下回るときに前記スイッチを閉成して、前記キャパシタバンク（１０）を前記界磁巻線（８）に接続する作動方法において、
    前記コントロールユニット（２２）は、グリッド電圧を指示する電圧が第２の所定電圧値（Ｖ２）を上回ると前記スイッチ（１１）を再び開放して、前記キャパシタバンク（１０）を前記界磁巻線（８）から分離し、これによりキャパシタバンク（１０）はエネルギーを界磁巻線（８）に、必要な時間の間だけ供給することを特徴とする作動方法。
11. 前記双方向電子スイッチ（９）は順方向バイアスされたダイオードであることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記第２の所定電圧値（Ｖ２）は、前記第１の所定電圧値（Ｖ１）より大きいか、または等しいことを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. キャパシタバンク（１０）の電圧が第３の所定電圧値（Ｖ３）を下回る場合に、前記スイッチ（１１）は開放されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 前記スイッチ（１１）は、所定の遅延を以て閉成または開放されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
15. 前記コントロールユニット（２２）は複数の電圧降下レンジ（Ａ，Ｂ）を有し、それぞれの電圧降下レンジはスイッチ（１１）に対する所定の閉成遅延時間（ＴＡ、ＴＢ）と関連しており、第１の所定電圧値（Ｖ１）より低い電圧に対しては遅延時間がゼロであり、
    前記コントロールユニット（２２）はまた複数の電圧上昇レンジ（Ｃ，Ｄ，Ｅ）を有し、それぞれの電圧上昇レンジはスイッチ（１１）に対する所定の開放遅延時間（ＴＣ，ＴＤ，ＴＥ）と関連しており、第２の所定電圧値（Ｖ２）より大きい電圧に対しては遅延時間がゼロであり、
    グリッド電圧が降下すると、目下のグリッド電圧を指示する目下の電圧が測定され、目下のグリッド電圧が含まれる電圧降下レンジが確定され、
    次に電圧が特定の電圧降下レンジに入ると、この特定の電圧降下レンジに対応する遅延時間を以てスイッチ（１１）が閉成され、
    ただし電圧が第１の所定電圧値（Ｖ１）より低い場合には遅延時間はゼロであり、
    対応してグリッド電圧が上昇すると、目下のグリッド電圧を指示する目下の電圧が測定され、目下のグリッド電圧が含まれる電圧上昇レンジが確定され、
    次に電圧が特定の電圧上昇レンジに入ると、この特定の電圧上昇レンジに対応する遅延時間を以てスイッチ（１１）が開放され、
    ただし電圧が第２の所定電圧値（Ｖ２）より大きい場合には遅延時間はゼロであることを特徴とする請求項１４記載の方法。

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