JP2014045649A - 電気機械、および、電気機械の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】公知の電気機械の欠点を回避できる電気機械、とりわけ、始動時に励磁を行うことができ、スリップリングを省略できる電気機械を実現すること。
【解決手段】第１のロータ巻線（１４）および励磁装置（１８）の第２のロータ巻線は多相巻線であり、かつ相互に接続されている、電気機械。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械と、電気機械の動作方法とに関する。

電気機械はたとえば電気的な回転機であり、この回転機はたとえば、ガスタービンまたは蒸気タービンに接続される同期発電機（タービン発電機）であるか、または、水力タービンに接続される同期発電機（水力発電機）であるか、または非同期発電機であるか、または、同期電動機または非同期電動機であるか、または、他の種類の電気機械である。以下の記載ではとりわけ、発電機を取り上げる。

たとえば発電機等（典型的には、発電機は同期機であり、以下ではこの同期機を主電気機械と称する）である電気機械は、電力が供給されるロータ巻線を備えたロータと、配電網に供給される電力を集めるためのステータ巻線を備えたステータとを有する。

このロータ巻線に電力を供給するために使用できる励磁装置は種々存在する。

第１の励磁装置はいわゆる静止型励磁装置である。これは、交流電力を受け取るために片側が配電網に接続された静止型整流器を有し、この静止型整流器のもう片側は、前記ロータ巻線に直流電力を伝送するためのスリップリングに接続されている。

この静止型励磁装置の欠点は、動作中、スリップリングと該スリップリングに接続されたブラシとに摩耗が生じ、これは、炭素の粉塵を生じさせる原因となることである。

別の励磁装置として、いわゆるブラシレス励磁装置がある。このブラシレス励磁装置は３相ロータ励磁巻線または多相ロータ励磁巻線を有する励磁ロータと、直流励磁ステータ巻線を有する励磁ステータとを備えた励磁装置である。

動作中には、ステータ励磁巻線によってロータ励磁巻線に交流電圧が誘導され、この交流電圧は、（主電気機械のロータに印加するために）、ロータとともに回転するダイオードによって整流される。

ＥＰ１２８９１１８Ａ１にブラシレス励磁装置が開示されており、同文献ではとりわけ、回転する整流器に接続されたＡＣ励磁ロータ巻線と、ＤＣ励磁ステータ巻線を有する励磁ステータとを有するブラシレス励磁装置が開示されている（前記整流器は、主電気機械のロータに接続されている）。

上述のような電気機械の欠点は、始動時に（すなわち、励磁ロータが未だ静止している場合）励磁を行えないことである。その結果、比較的低速の場合には制動を行うことができない。

ＥＰ１２８９１１８Ａ１

本発明の課題は、公知の電気機械の欠点を回避する電気機械を提供することである。また、他の課題として、スリップリングを省略できる電気機械を提供するという課題がある。さらに、上述のような電気機械の動作方法を提供するという課題もある。

前記課題および別の課題は、請求項１に記載された電気機械と、請求項７に記載された動作方法とにより解決され、巻線端部コロナ保護（end winding corona protection）により解決される。

前記電気機械は、第１のロータ巻線を有する第１のロータと、第１のステータ巻線を有する第１のステータと、前記第１のロータ巻線に電流を供給するための励磁装置とを有する。前記励磁装置は、第２のロータ巻線を有する第２のロータと、第２のステータ巻線を有する第２のステータとを備えており、前記第２のロータと前記第１のロータとは、固定的な回転関係になるように接続されている。

前記電気機械は、前記第２のロータ巻線および前記第２のステータ巻線が多相巻線であり、前記第１のロータ巻線と前記第２のロータ巻線とが相互に接続されていることを特徴とする。

本発明の１実施例による非同期機を簡略的に示す図である。 配電網に接続された電気機械を示す図である。 本発明の別の実施形態の、別の電気機械を示す図である。

第１の実施形態では、第１のロータ巻線および第２のロータ巻線の全ての相が、相接続導体によって相互に接続されている。

別の実施形態では、前記第１のロータ巻線と前記第２のロータ巻線とは、同じロータ軸に取り付けられている。

別の実施形態では、前記相接続導体は、前記ロータ軸内に設置されている。

さらに別の実施形態では、前記励磁装置は非同期電気機械を成す。

さらに別の実施形態では、前記第１のロータ巻線は多相巻線であり、前記第１のロータ巻線と前記第２のロータ巻線とは相互に直接接続されている（つまり、たとえば整流器等の別の構成要素を介挿することなく相互に接続される）。

電気機械の動作方法では、当該電気機械を制御／調整するために、前記励磁装置の第２のステータ巻線に流れるステータ電流に基づいて、前記第１のロータ巻線に流れるロータ電流を求める。

前記動作方法の第１の実施形態では、前記ロータの速度を測定し、この測定された速度と前記励磁装置の等価回路図とから、前記第１のロータ巻線に流れるロータ電流を求める。

別の実施形態では、前記第１のロータ巻線に流れるロータ電流を求めるために、前記励磁装置の機械モデルを使用し、これにより、前記励磁装置の測定された電流に基づき、前記第１のロータ巻線に流れるロータ電流を計算する。

別の実施形態では、前記第１のロータ巻線に流れるロータ電流は、多段カスケード制御を用いて求められ、前記第１のステータ巻線に流れるステータ電流を用いて、前記電気機械の磁化およびトルクを制御する。この第１のステータ巻線のステータ電流は、前記第１のロータ巻線に流れるロータ電流によって制御され、この第１のロータ巻線のロータ電流自体は、前記励磁装置の第２のステータ巻線にステータ側電流を供給することによって制御される。

以下、図面を参照して、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１に主電気機械１０を示す。この主電気機械１０はたとえば非同期機であり、たとえば、揚水発電所および／または風力タービンにおいて可変速エネルギー生成を行う発電機等である。

前記主電気機械１０はロータ１２を有し、このロータ１２は、機械軸１１を中心として回転するロータ軸１２ａを有する。

ロータ１２は第１のロータコア１３を有し（このロータコア１３は積層型または非積層型とすることができる）、この第１のロータコア１３には第１のロータ巻線１４が設けられている。

前記ロータコア１３は、第１のステータ積層コア１６を有するステータ１５によって同心状に囲まれており、この第１のステータ積層コア１６には第１のステータ巻線１７が設けられている。このステータ巻線１７は、配電網２８に接続されている。

この主電気機械１０に対して、前記第１のロータ巻線１４に電流を供給する励磁装置１８が設けられている。

前記励磁装置１８は第２のロータコア１９を有し（積層コアまたは非積層コア）、この第２のロータコア１９には第２のロータ巻線２０が設けられている。この第２のロータ巻線２０は、第２のステータ巻線２２を備えた第２のステータ積層コア２１によって同心状に囲まれている。

第２のロータコア１９と前記第１のロータコア１３とは、固定的な回転関係を成すように接続されており、たとえば、前記第２のロータコア１９は前記ロータ軸１２ａに取り付けられている（他のどのような構成も可能である）。

前記第１のロータ巻線１４および前記第２のロータ巻線２０は多相巻線であり、相接続導体２９を用いて相互に直接接続されている。有利には、これら２つの巻線１４，２０は３相巻線であり、これらの３相巻線は、１つまたは複数の並列回路から構成することができる。

この実施形態では（主電気機械が非同期機である実施形態）、前記巻線１４と２０との間に整流用ダイオードを設ける必要がない。

比較的大電流を流すことができる全ての相が相互に接続されている。一般に、前記主電気機械と励磁装置１８との間にベアリングが配置されているので、この接続部（相接続導体２９）は有利には、ロータ軸１２ａ内に設置される（図１の矢印を参照されたい）。この構成の特徴は、（過電圧に関する）内在的な安全性と、電気機器の回転部分が比較的簡略であることである。

本発明のこの解決手段により、前記２つの巻線１４と２０とを電気的および機械的に直接接続することによって、開放できない閉回路が形成される。その結果、ロータ１２に危険な電圧が生じる可能性が実質的に無くなる。さらに、前記主電気機械のロータ巻線１４は、コンバータ（ＰＷＭパターン）が使用される場合にその出力端で生じる可能性のある、非常に高速な電圧変化に直接さらされることがなくなる。本発明の解決手段とは対照的に、スリップリングを用いた従来の静止型励磁装置では、スリップリングを有する非同期機のロータ回路が何らかの理由で開放されると、これにより、ロータ巻線において、損傷の原因となる可能性のある過電圧が引き起こされてしまう。前記ロータ回路が開放される原因はたとえば、スリップリング装置に損傷が生じること等である。

主電気機械の制御は、前記励磁装置１８の第２のロータコア１９に誘導される電流を制御することによって行われる。

本発明の励磁装置１８では、前記第２のステータ巻線２２に電流Ｉｓが供給された場合に前記第２のロータ巻線２０に誘導される電流Ｉｒは（これは、第１のロータ巻線１４に供給される電流である）、以下の通りとなる：
Ir=Is ・ f(w)
ここで、
Ｉｒは、前記第２のロータ巻線２０に誘導される電流であり、
Ｉｓは、前記第２のステータ巻線２２に供給される電流であり、
ｗは、前記第２のステータコア２１と第２のロータコア１９との間の相対速度であり、
ｆ（ｗ）は、ｗおよび電気機械の構成の既知の関数である。

換言すると前記励磁装置１８は、変圧比が速度に依存する、回転するトランスと見なすことができる。

（たとえば、前記主電気機械１０の始動時または停止時に）前記第２のロータコア１９の速度が変化した場合、前記第２のロータ巻線２０において所要電流を得るためには、前記第２のステータ巻線２２に供給される電流を制御しなければならない。

前記励磁装置１８の速度および等価回路図が既知であれば、当該励磁装置１８のステータ巻線２２に流れるステータ電流からロータ電流を計算により求めることができる。

たとえば、このことは多段カスケード制御を用いて実現することができる。

図１では、上記のことを実現するために、ステータ巻線１７に流れるステータ電流に関する情報を、電流センサ２６を介して受け取るコントローラ／レギュレータ２３が設けられている。さらに、前記コントローラ／レギュレータ２３は、ロータ軸１２ａに取り付けられた回転速度センサ２７から、前記主電気機械の現在の速度を受け取る。その代わりに択一的に、この情報のいずれかまたは全てを（有利には、ステータ巻線１７に流れるステータ電流を）、機械モデルから導き出すこともできる。

前記励磁装置１８のステータ巻線２２の電源装置２５（たとえばコンバータ）は、前記コントローラ／レギュレータ２３によって制御される。

前記ロータ電流の制御品質は、数学的な機械モデル２４（オブザーバ）を用いると改善することができる。というのも、ロータ電流を測定する手段が無いからである。このような機械モデル２４は、前記主電気機械のロータ巻線１４に流れるロータ電流を求めるために必要な関連性を、前記コントローラ／レギュレータ２３に供給する。

前記電気機械の基本的な動作は以下の通りである：
図２に、配電網２８に接続された主電気機械１０の一例を示す。

配電網２８はトランス３０を介して電源装置２５に接続されており、この電源装置２５は電力レギュレータ２３に接続されている。

電源装置２５の方は、第２のロータコア１９の第２の巻線２０に電流を誘導することができる第２のステータコア２１の第２の巻線２２に接続されている。

前記第２の巻線２０は前記第１のロータコア１３の第１の巻線１４に接続されており、この第１の巻線１４は、前記第１のステータコア１６の第１の巻線１７に電力を生じさせる。この第１の巻線１７は、トランス３１を介して配電網２８に接続されている。

動作中には、前記第２の巻線２２に電流Ｉｓが供給される。この電流Ｉｓは、当該第２の巻線２０における所望の電流Ｉｒと（Ｉｒは、第１の巻線１４に供給されるのと同じ電流である）、第２のロータコア速度とに基づいて決定される。前記電流Ｉｓは、たとえば３相電流等である交流電流である。もちろん、この交流電流に任意の相数を使用することができる。電流Ｉｓにより、ロータ巻線１９に電流Ｉｒが誘導される。

電流Ｉｒは、相接続導体２９を介して第１のロータ巻線１４へ伝送される。この第１のロータ巻線１４から、前記電流Ｉｒは前記第１のステータ巻線１７に電力を生じさせる。

ロータ１２の速度が変化すると、所望のＩｒを得るために、前記電流Ｉｓを前記速度の変化に応じて変化させる。このことは、たとえば風力タービンまたは水力タービンの調整中、始動時または停止時に行うことができる。

第１のロータコア１３において直流電力が必要とされる場合には（たとえば、主電気機械が同期機である場合）、ロータに回転整流器３３を設けることもできる。

有利には、非同期機または同期機または２重給電式非同期機（たとえば、揚水発電所において可変速エネルギー生成を行うために使用されるものであり、また、風車でも使用されるものである）を構成する第１のロータおよびステータとともに、本発明の励磁装置を使用することができる。さらに、高速回転同期機（ターボジェネレータ、少数の極数を有する水力発電機、これらと同様の同期機）や、低速の電気機械と、本発明の励磁装置とを併用することもできる（低速の電気機械の場合には、前記励磁装置は、非接触手段によってのみステータからロータへ電力を伝送するのに使用されるので、このことに応じて、前記励磁装置をより小型に構成することができる）。

有利には前記励磁装置は、静止時の同期機を励磁するのにも適している。このような励磁は、従来のブラシレス励磁装置では不可能であった。このことはとりわけ、同期機をモータモードで始動させるときに重要となる。

１０ 主電気機械
１１ 機械軸
１２ ロータ
１２ａ ロータ軸
１３ ロータ積層コア
１４ ロータ巻線
１５ ステータ
１６ ステータ積層コア
１７ ステータ巻線
１８ 非同期励磁機
１９ ロータ積層コア
２０ ロータ巻線
２１ ステータ積層コア
２２ ステータ巻線
２３ コントローラ／レギュレータ
２４ 機械モデル
２５ 電源
２６ 電流センサ
２７ 回転速度センサ
２８ 配電網
２９ 相接続導体
３０ トランス
３１ トランス
３３ 回転整流器

動作中には、前記第２の巻線２２に電流Ｉｓが供給される。この電流Ｉｓは、当該第２の巻線２０における所望の電流Ｉｒと（Ｉｒは、第１の巻線１４に供給されるのと同じ電流である）、第２のロータコア速度とに基づいて決定される。前記電流Ｉｓは、たとえば３相電流等である交流電流である。もちろん、この交流電流に任意の相数を使用することができる。電流Ｉｓにより、ロータ巻線２０に電流Ｉｒが誘導される。

Claims (10)

1. 第１のロータ巻線（１４）を備えた第１のロータコア（１３）と、
   第１のステータ巻線（１７）を備えた第１のステータコア（１６）と、
   前記第１のロータ巻線（１４）に電流を供給するための励磁装置（１８）と
   を有する電気機械（１０）であって、
   前記励磁装置は、
   第２のロータ巻線（２０）を備えた第２のロータコア（１９）と、
   第２のステータ巻線（２２）を備えた第２のステータコア（２１）と
   を有し、
   前記第２のロータコア（１９）と前記第１のロータコア（１３）とは、固定的な回転関係になるように接続されている、電気機械（１０）において、
   前記第２のロータ巻線（２０）および前記第２のステータ巻線（２２）は多相巻線であり、
   前記第１のロータ巻線（１４）と前記第２のロータ巻線（２０）とは相互に接続されている
   ことを特徴とする電気機械（１０）。
2. 前記第１のロータ巻線（１４）および前記第２のロータ巻線（２０）の全ての相が、相接続導体（２９）によって相互に接続されている、
   請求項１記載の電気機械（１０）。
3. 前記第１のロータ巻線（１４）と前記第２のロータ巻線（２０）とは、同じロータ軸（１２ａ）に取り付けられている、
   請求項１記載の電気機械（１０）。
4. 前記相接続導体（２９）は前記ロータ軸（１２ａ）内に設置されている、
   請求項２および３記載の電気機械（１０）。
5. 前記励磁装置（１８）は非同期電気機械である、
   請求項１記載の電気機械（１０）。
6. 前記第１のロータ巻線（１４）は多相巻線であり、
   前記第１のロータ巻線（１４）と前記第２のロータ巻線（２０）とは、相互に直接接続されている、
   請求項１記載の電気機械（１０）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機械（１０）の動作方法において、
   前記電気機械を制御／調整するため、前記第１のロータ巻線（１４）に流れるロータ電流を、前記励磁装置（１８）の第２のステータ巻線（２２）に流れるステータ電流に基づいて求める、
   ことを特徴とする動作方法。
8. 前記ロータ（１２）の速度を測定し、
   前記第１のロータ巻線（１４）に流れるロータ電流を、測定した前記速度と、前記励磁装置（１８）の等価回路図とから求める、
   請求項７記載の動作方法。
9. 前記第１のロータ巻線（１４）に流れるロータ電流を求めるために、前記励磁装置（１８）の機械モデル（２４）を使用する、
   請求項８記載の動作方法。
10. 多段カスケード制御を用いて前記第１のロータ巻線（１４）に流れるロータ電流を求め、
    前記第１のステータ巻線（１７）に流れるステータ電流を用いて、前記電気機械の磁化およびトルクを制御し、
    前記第１のステータ巻線（１７）のステータ電流を、前記第１のロータ巻線（１４）に流れるロータ電流によって制御し、
    前記第１のロータ巻線（１４）のロータ電流自体は、前記励磁装置（１８）の前記第２のステータ巻線（２２）にステータ側電流を供給することによって制御される、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の動作方法。

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