JP2016019318A - 発電機励磁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用するサイリスタ素子の総数を抑制しつつ、その故障に対する冗長性を有する発電機励磁装置を提供する。
【解決手段】発電機励磁装置１０は、多相交流の送電線１１から各々の相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）の交流電流を分岐する分岐線１２と、この分岐線１２から伝送された交流電流を常用サイリスタ１３により整流して直流電流ＤＣを出力する整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）と、常用サイリスタ１３の各々に設けられたヒューズ１５が溶断すると検出信号Ｐを出力する検出部１６（図２参照）と、各々の整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）を構成する常用サイリスタ１３に対し電気的に並列に設けられる予備サイリスタ１７と、検出信号Ｐが出力された整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）に対する予備サイリスタの接続回路１８（１８_R，１８_S，１８_T）を開回路から閉回路に設定するスイッチ１９と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、タービン発電機を励磁するサイリスタ整流器を用いた発電機励磁装置に関する。

発電機の励磁方式の一つであるサイリスタ直接励磁方式では、交流／直流変換にサイリスタ整流器を用いている。
そして発電機は、このサイリスタ整流器を構成するサイリスタ素子のいずれかが故障し、素子が欠落した場合であっても、運転が直ぐに停止しないことが望まれる。

このために、サイリスタ整流器は、複数のサイリスタ素子を電気的に並列接続させた多重化構成を備えている。
つまり、サイリスタ整流器の正常動作に、最少でＮ個のサイリスタ素子が並列接続されていることが必要な場合、Ｎ＋１個の素子構成によりサイリスタ整流器の冗長性を確保している。

特開平２−２５４９９９号公報

サイリスタ整流器の冗長性をさらに拡張するには、並列接続されているサイリスタ素子の個数をさらに増加させることが考えられる。
しかしその場合、多相の交流電源から電力供給を受ける発電機励磁装置においては、交流の相数に比例した数のサイリスタ素子の並列接続群が必要となるため、使用するサイリスタ素子の総数が増加してしまう。
そうすると、発電機励磁装置がサイズアップしたりコストアップしたりすることが避けられない課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、使用するサイリスタ素子の総数を抑制しつつ、その故障に対する冗長性を有する発電機励磁装置を提供することを目的とする。

本発明に実施形態に係る発電機励磁装置において、多相交流の送電線から各々の相の交流電流を分岐する分岐線と、前記分岐線から伝送された前記交流電流を常用サイリスタにより整流して直流電流を出力する整流ユニットと、前記常用サイリスタの各々に設けられたヒューズが溶断すると検出信号を出力する検出部と、各々の前記整流ユニットを構成する前記常用サイリスタに対し電気的に並列に設けられる予備サイリスタと、前記検出信号が出力された前記整流ユニットに対する前記予備サイリスタの接続回路を開回路から閉回路に設定するスイッチと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により使用するサイリスタ素子の総数を抑制しつつ、その故障に対する冗長性を有する発電機励磁装置が提供される。

本発明の実施形態に係る発電機励磁装置の構成図。 実施形態に係る発電機励磁装置の構成を示す部分拡大図。 （Ａ）交流電源から供給される交流波形を示すグラフ、（Ｂ）位相制御部が出力する位相制御信号を示すグラフ、（Ｃ）スイッチから送信された切替信号を示すグラフ、（Ｄ）遅延回路を通過した切替信号を示すグラフ、（Ｅ）タイミング調整部から出力される位相制御信号を示すグラフ、（Ｆ）整流ユニットのアーム回路における交流電流の波形制御を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、多相交流同期発電機であるタービン発電機３０は、原子炉やボイラーで発生させた蒸気により回転運動するタービン（図示略）に、同軸接続されている。
そして、このタービン発電機３０は、回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電した電力を、多相交流（図では三相交流）の送電線１１から遮断器３１を経て、送電網（図示略）に供給している。

タービン発電機３０は、タービン（図示略）と同軸回転し界磁巻線３２が巻回されている回転子３３と、多相交流の送電線１１から交流電流ＡＣを分岐して直流電流ＤＣに変換して界磁巻線３２に通電させる発電機励磁装置１０と、回転子３３の界磁巻線３２が生成する回転磁場により起電力を生じさせ送電線１１に多相交流を送電させる固定子巻線３４（３４_R，３４_S，３４_T）と、発電機励磁装置１０を構成するサイリスタ１３を位相制御し直流電流ＤＣの出力を調整してタービン発電機３０の発電電力量を調整する位相制御部２１（図２）と、から構成されている。
なお、発電機励磁装置１０から出力された直流電流ＤＣは、摺動接点３５を介して、回転運動している界磁巻線３２に通電される。

図１に示すように発電機励磁装置１０は、多相交流の送電線１１から各々の相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）の交流電流を分岐する分岐線１２と、この分岐線１２から伝送された交流電流を常用サイリスタ１３により整流して直流電流ＤＣを出力する整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）と、常用サイリスタ１３の各々に設けられたヒューズ１５が溶断すると検出信号Ｐを出力する検出部１６（図２参照）と、各々の整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）を構成する常用サイリスタ１３に対し電気的に並列に設けられる予備サイリスタ１７と、検出信号Ｐが出力された整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）に対する予備サイリスタの接続回路１８（１８_R，１８_S，１８_T）を開回路から閉回路に設定するスイッチ１９と、を備えている。

分岐線１２は、降圧用の励磁変圧器（図示略）が設けられ、交流電流の送電線１１からＲ相，Ｓ相，Ｔ相の交流電流の一部を分岐し、発電機励磁装置１０に入力させる。

常用サイリスタ１３は、通常状態において分岐線１２から交流電流が入力されるものである。サイリスタとは、ｐｎｐｎ接合構造を有し、ゲートＧに印加するゲート電圧を制御することによりｐ側からｎ側へ導通する電流のスイッチングを行う３端子の半導体素子である。

整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）の各々は、分岐線１２の接続点を挟んで、二つのアーム回路がペアとなって形成されている。そして、それぞれのアーム回路は、２以上（図では３つ）の常用サイリスタ１３が相互に並列接続されて構成されている。
整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）の各々は、この分岐線１２から伝送された交流電流を、ペアで形成されたアーム回路の作用により整流し、直流電流ＤＣを出力する。

なお、常用サイリスタ１３の各々には、過電流が流れた時に溶断するヒューズ１５が設けられている。ヒューズ１５が溶断することによって、対応する常用サイリスタ１３は、整流ユニット１４のアーム回路から切り離される。

検出部１６（図２参照）は、常用サイリスタ１３の各々に設けられたヒューズ１５が溶断すると、そのヒューズ１５が属する整流ユニット１４のアーム回路に関連付けした検出信号Ｐを、スイッチ１９に出力する。
なお、この検出信号Ｐは、警報回路（図示略）にも出力され、ヒューズ溶断が発生した旨の警報がなされる。

予備サイリスタ１７は、素子としては常用サイリスタ１３と同一のもので、各々の整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）を構成する常用サイリスタ１３に対し、スイッチ１９を介して電気的に並列に接続されている。
実施形態においては、整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）のｐ側及びｎ側のアーム回路の各々に共用の予備サイリスタ１７が、一つずつ電気的に並列に接続されている。

図２に示すように、スイッチ１９（１９_R，１９_S，１９_T）が、整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）のアーム回路の各々に接続する接続回路１８（１８_R，１８_S，１８_T）に、設けられている。
整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）のうちいずれか一つから、ヒューズ１５の溶断の検出信号Ｐが出力されると、対応する接続回路１８（１８_R，１８_S，１８_T）が開回路から閉回路に設定される。
すると、対応する整流ユニット１４は、ヒューズ１５の溶断した常用サイリスタ１３に代わって予備サイリスタ１７が並列接続し、異常状態（素子欠落）から正常状態に復帰する。

図２に示すように、さらに発電機励磁装置１０は、常用サイリスタ１３のゲートＧに位相制御信号Ｑ（Ｑ_R，Ｑ_S，Ｑ_T）を入力させ直流電流ＤＣの出力を調整する位相制御部２１と、開回路から閉回路にスイッチ１９が設定された時点から所定の遅延時間ｘが経過した後に位相制御信号Ｑを予備サイリスタ１７のゲートＧに入力させるタイミング調整部２２と、を備えている。

図３（Ａ）に示すように、交流電流が、分岐線１２から整流ユニット１４に供給されている。そして、図３（Ｂ）に示すように、位相制御部２１から常用サイリスタ１３のゲートＧに、位相制御信号Ｑが交流電流の周期毎に入力される。この位相制御信号Ｑの入力タイミングを変化させることにより、整流ユニット１４の出力を連続的に制御することができる。

ところで、常用サイリスタ１３のヒューズ１５が溶断して検出信号Ｐがスイッチ１９に入力するタイミングと、位相制御信号Ｑが予備サイリスタ１７のゲートＧに入力するタイミングと、が一致してしまう場合が考えられる。
この場合、接続回路１８が開回路から閉回路になって予備サイリスタ１７が整流ユニット１４に投入されるのと同時に、この予備サイリスタ１７は交流電流の波形制御を開始することになる。

すると、予備サイリスタ１７に、位相制御信号Ｑが不完全なパルスで入力され、整流が開始されずに、予備サイリスタ１７が故障する可能性が生じる。
そこで、スイッチ１９（１９_R，１９_S，１９_T）から切替信号Ｖ（Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_T）が送信されるタイミングに対し、位相制御信号Ｑが予備サイリスタ１７のゲートＧに入力するタイミングを外すことが要求される。

タイミング調整部２２は、接続回路１８（１８_R，１８_S，１８_T）に設けられたスイッチ１９（１９_R，１９_S，１９_T）が開回路から前記閉回路に切り替わった時に送信される切替信号Ｖ（Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_T）を遅延して送信させる遅延回路Ｄと、この切替信号Ｖを送信したスイッチ１９（１９_R，１９_S，１９_T）に関連付けられた整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）への位相制御信号Ｑ（Ｑ_R，Ｑ_S，Ｑ_T）とこの切替信号Ｖ（Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_T）とを対応させて入力する複数のＡＮＤ回路と、複数のＡＮＤ回路のそれぞれの出力を入力し出力を予備サイリスタ１７に入力させるＯＲ回路と、から構成されている。

ここで、図３（Ｃ）は、ヒューズ溶断の検出信号Ｐを受信したスイッチ１９が切替信号Ｖを送信したタイミングを示している。
タイミング調整部２２に送信された切替信号Ｖは、図３（Ｄ）に示すように、時間ｘだけ遅延回路Ｄで遅延してからＡＮＤ回路に入力される。なお、この遅延時間ｘは、位相制御信号Ｑの出力周期と不一致であることとする。

このため図３（Ｅ）に示すように、スイッチ１９が切り替わって遅延時間ｘが経過するまでは、位相制御信号Ｑは、ＡＮＤ回路を通過することができず、予備サイリスタ１７のゲートＧに入力されることはない。
そして、遅延時間ｘが経過した後に受信された位相制御信号Ｑは、ＡＮＤ回路を通過して、予備サイリスタ１７のゲートＧに入力される。

すると図３（Ｆ）に示すように、予備サイリスタ１７が整流ユニット１４のアーム回路に投入されるタイミング（図３（Ｃ）の切替信号Ｖの立ち上がり）においては、分岐線１２から伝送された交流電流の波形制御は実行されない。そして、次の位相制御信号Ｑの送信タイミング以降において、波形制御が実行されることになる。

なお、ＡＮＤ回路の数は、分岐線１２で分岐される交流電流の相数又はスイッチ１９の数に関連して設けられ、複数のＡＮＤ回路のそれぞれの出力は、ＯＲ回路に入力して予備サイリスタ１７のゲートＧに出力される。
これにより、複数の整流ユニット１４（１４_R，１４_S，１４_T）のいずれかに所属する常用サイリスタ１３が故障して予備サイリスタ１７に置き換わった場合、この置き換わりのタイミングを外して交流電流の波形制御が開始されることになる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の発電機励磁装置によれば、常用サイリスタが故障して欠落した場合、共用の予備サイリスタが置き換わって投入されることにより、使用するサイリスタ素子の総数を抑制しつつ、その故障に対する冗長性を確保することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…発電機励磁装置、１１…送電線、１２…分岐線、１３…常用サイリスタ、１４（１４_R，１４_S，１４_T）…整流ユニット、１５…ヒューズ、１６…検出部、１７…予備サイリスタ、１８（１８_R，１８_S，１８_T）…接続回路、１９（１９_R，１９_S，１９_T）…スイッチ、２１…位相制御部、２２…タイミング調整部、３０…タービン発電機、３１…遮断器、３２…界磁巻線、３３…回転子、３４（３４_R，３４_S，３４_T）…固定子巻線、３５…摺動接点、Ｇ…ゲート、Ｐ…検出信号、Ｑ（Ｑ_R，Ｑ_S，Ｑ_T）…位相制御信号、Ｖ（Ｖ_R，Ｖ_S，Ｖ_T）…切替信号、ｘ…遅延時間。

Claims (4)

1. 多相交流の送電線から各々の相の交流電流を分岐する分岐線と、
   前記分岐線から伝送された前記交流電流を常用サイリスタにより整流して直流電流を出力する整流ユニットと、
   前記常用サイリスタの各々に設けられたヒューズが溶断すると検出信号を出力する検出部と、
   各々の前記整流ユニットを構成する前記常用サイリスタに対し電気的に並列に設けられる予備サイリスタと、
   前記検出信号が出力された前記整流ユニットに対する前記予備サイリスタの接続回路を開回路から閉回路に設定するスイッチと、を備えることを特徴とする発電機励磁装置。
2. 請求項１に記載の発電機励磁装置において、
   前記常用サイリスタに位相制御信号を入力させ前記直流電流の出力を調整する位相制御部と、
   前記開回路から前記閉回路に前記スイッチが設定された時点から所定の遅延時間が経過した後に前記位相制御信号を前記予備サイリスタに入力させるタイミング調整部と、を備える発電機励磁装置。
3. 請求項２に記載の発電機励磁装置において、
   前記タイミング調整部は、
   前記接続回路に設けられた前記スイッチが前記開回路から前記閉回路に切り替わった時に送信される切替信号を遅延して送信させる遅延回路と、
   前記切替信号を送信した前記スイッチに関連付けられた前記整流ユニットへの前記位相制御信号と前記切替信号とを対応させて入力する複数のＡＮＤ回路と、
   複数の前記ＡＮＤ回路のそれぞれの出力を入力し出力を前記予備サイリスタに入力させるＯＲ回路と、を有する発電機励磁装置。
4. 各々の前記整流ユニットは、２以上の前記常用サイリスタが相互に並列接続されて構成される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電機励磁装置。

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