JP2018121416A - ブラシレス励磁装置及びこれを用いた発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】励磁機の巻線の形状、巻線方式、回路方式などの構成の自由度が高く、発電機の界磁巻線に対して界磁電圧を印加する際に送電効率を向上できるブラシレス励磁装置及びこれを用いた発電システムを提供する。
【解決手段】本発明に係るブラシレス励磁装置１００は、直流励磁される固定子巻線である励磁機固定子巻線３２と、発電機回転子巻線１１と共に回転する回転子巻線である励磁機回転子巻線３１と、磁機回転子巻線３１からの電力を直流電力に整流して発電機回転子巻線１１に供給する回転整流器４と、送電コイルを少なくとも１つ有する送電装置５と、送電コイルに供給される交流電力が非接触給電により受電され、受電コイルを少なくとも１つ有する受電装置６とを備え、受電装置６が受電した交流電力は整流され、発電機回転子巻線１１に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン発電などに用いられるブラシレス励磁装置及びこれを用いた発電システムに関する。

電力需要の増加や地球環境に対する負荷低減などの社会的ニーズにより、熱効率が高く、二酸化炭素などの排出量が少ないガスタービンを使用した発電が増加している。

ガスタービン発電機は、ガスタービン及び発電機などから構成され、ガスタービンの着火まではガスタービンが単独で回転及び加速できないため、起動装置が必要になる。ここで、発電機とＳＦＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：静止形周波数変換器）とを組合せ、発電機を同期モータとしてガスタービン軸を回転及び加速させるＳＦＣ起動方式がガスタービン発電機の起動装置として増加している。

発電機の励磁方式として、サイリスタ励磁方式とブラシレス励磁方式とが挙げられる。ブラシレス励磁方式は、発電機との共通回転軸に取付けられた回転電機子形の交流励磁機と回転整流器からなり、スリップリング及びカーボンブラシなどを利用しない。このため、カーボンブラシ、コレクタリングなどの摺動接触部が必要なサイリスタ励磁方式と比べると、カーボンブラシ交換、カーボンブラシのダスト清掃などの定期的な保守が不要であり、保守性に優れている。

この保守性に優れたブラシレス励磁方式を、ＳＦＣ起動装置に適用したＳＦＣ起動対応のブラシレス励磁装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。詳細には、このブラシレス励磁装置は、ＳＦＣ起動期間には交流励磁機において商用交流電源による励磁を行うとともに、ガスタービンが定格回転速度で回転している状態である定常運転期間には交流励磁機において直流励磁を行うことで、発電機の界磁巻線に対して界磁電圧を印加していた。

特開２００３−１４３８９９号公報

特許文献１のブラシレス励磁装置にあっては、交流励磁機をＳＦＣ起動期間の交流励磁及び定常運転期間の直流励磁の両方に対応させる必要があり、交流励磁機の巻線の構造や形状、巻線方式、回路方式などの構成が限定され、発電機の界磁巻線に対して界磁電圧を印加する際の送電効率の観点からすると十分ではなかった。

本発明は、上述のような事情を鑑みてなされたもので、交流励磁機の巻線の形状、巻線方式、回路方式などの構成の自由度が高く、発電機の界磁巻線に対して界磁電圧を印加する際に送電効率を向上できるブラシレス励磁装置及びこれを用いた発電システムを提供することを目的としている。

本発明に係るブラシレス励磁装置は、発電機の回転子巻線である発電機回転子巻線に電力を供給するブラシレス励磁装置であって、直流励磁される固定子巻線である励磁機固定子巻線と、励磁機固定子巻線に対して設けられ、発電機回転子巻線と共に回転する回転子巻線である励磁機回転子巻線と、励磁機回転子巻線で発電される交流電力を直流電力に整流して発電機回転子巻線に供給する回転整流器と、励磁機固定子巻線とは別に設けられ、交流電力が供給される固定されたコイルである送電体を少なくとも１つ有する送電装置と、励磁機回転子巻線とは別に設けられ、送電体に供給される交流電力が非接触給電により受電され、発電機回転子巻線と共に回転するコイルである受電体を少なくとも１つ有する受電装置とを備え、受電装置が受電した交流電力は整流され、発電機回転子巻線に供給される。

本発明に係るブラシレス励磁装置にあっては、ＳＦＣ起動期間に、交流励磁機とは別に設けた送電装置及び受電装置により、発電機の界磁巻線に電力を伝送する構成であるので、交流励磁機を直流励磁に適した構成とすることができ、発電機の界磁巻線に対して界磁電圧を印加する際に送電効率が向上できる。

本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置を備えた発電システムを説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置と発電機との関係を示すための概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置の送電装置及び受電装置の概略構成図である。 非接触給電における高周波磁束の状態を示した原理図である。 本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る発電システムが動作した場合における、回転子速度、発電機界磁電圧、及び発電機端子電圧の時系列変化の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るブラシレス励磁装置における送電装置及び受電装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係るブラシレス励磁装置における送電装置及び受電装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係るブラシレス励磁装置における送電装置及び受電装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態５に係る送電装置の制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態６に係る送電装置の制御を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置１００を備えた発電システム２００を説明するための概略構成図である。図中、発電システム２００及びブラシレス励磁装置１００は、それぞれ破線及び一点鎖線にて囲まれた領域の構成である。また、図１に示す発電システム２００において円柱内部にて記載した構成は、後述する共通回転軸３０Ｂと共に回転する回転部分である。一方、この円柱外部にて記載した構成は、共通回転軸３０Ｂと共に回転せず静止している固定部分である。図２は、本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置１００と発電機１との関係を示すための概略構成図である。なお、図の簡易化のため、図１では後述するＰＭＧ７１の図示を省略し、図２ではＧＴ２０（Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ：ガスタービン）と送電装置５と受電装置６との図示を省略している。

発電システム２００は、回転軸３０Ａを介してＧＴ２０に接続されたブラシレス励磁装置１００、発電機１、及び発電機１を同期モータとして動作させるＳＦＣ２を備える。発電機１及びブラシレス励磁装置１００は図２に示す共通回転軸３０Ｂを介して接続される。

ＳＦＣ２は、断路器８を介して発電機１の発電機固定子巻線１２に接続され、入力された電源の周波数を可変速に出力するインバータである。

以下では、ＳＦＣ起動期間は、ＳＦＣ２が起動している期間を言う。また、定常運転期間は、ＧＴ２０単独で動作している期間を言う。

発電機１は、発電機１の回転子側（図１における回転部分に対応する）である発電機回転子巻線１１と、発電機１の固定子側（図１における固定部分に対応する）である発電機固定子巻線１２とを有する。なお図中Ｐ及びＮは、発電機回転子巻線１１の正側端子及び発電機回転子巻線１１の負側端子を示す。以下「界磁電圧Ｖｆ」は、発電機回転子巻線１１の正側端子Ｐ及び負側端子Ｎ間の電圧であるとする。

ブラシレス励磁装置１００は、交流励磁機３、回転整流器４、送電装置５、受電装置６、受電用整流器７及び励磁制御部１０を有する。交流励磁機３の回転部分である励磁機回転子巻線３１、回転整流器４、発電機１の回転部分である発電機回転子巻線１１、受電装置６、及び受電用整流器７は、図２に示すように一体化されている。これら一体化した構成は図１に示す回転軸３０ＡによりＧＴ２０に連結される。

ブラシレス励磁装置１００は、励磁用整流器７０及び図２に示すＰＭＧ７１（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏr：永久磁石発電機）をさらに備える。図１では図示を省略したが図２に示す通りＰＭＧ７１の回転子（永久磁石）は、共通回転軸３０Ｂを介して交流励磁機３の励磁機回転子巻線３１に固定され、この共通回転軸３０Ｂと共に回転する。ＰＭＧ７１の回転子の回転によりＰＭＧ７１の固定子に生じる交流は、励磁用整流器７０により交流から直流に変換され、この直流が励磁機固定子巻線３２に入力される。本実施の形態のようにＰＭＧ７１の回転子の回転により励磁用整流器７０に電力を供給する代わりに、他の交流電源を励磁用整流器７０に接続して電力を供給する構成であってもよい。

図１及び図２に示す交流励磁機３は、励磁機回転子巻線３１及び励磁機固定子巻線３２を有し、ＧＴ２０の定常運転期間に励磁機固定子巻線３２にて直流励磁を行い、これにより励磁機回転子巻線３１及び回転整流器４を介して、発電機回転子巻線１１に電力を供給する。

励磁機回転子巻線３１は交流励磁機３の回転子側（図１における回転部分）の巻線であり、回転整流器４を介し発電機回転子巻線１１に接続されている。一方、励磁機固定子巻線３２は交流励磁機３の固定子側（図１における固定部分）の巻線であり、励磁用整流器７０に接続される。また、ＰＭＧ７１の構成にて説明したように、励磁機固定子巻線３２にはＰＭＧ７１及び励磁用整流器７０を介して直流電力が供給される。この直流電力により励磁機固定子巻線３２が直流励磁されることで、共通回転軸３０Ｂと共に回転する励磁機回転子巻線３１に交流が誘起される。

回転整流器４は、交流励磁機３の励磁機回転子巻線３１に接続され、複数のダイオード４１から構成された交流を直流に変換する電力変換回路である。回転整流器４は交流励磁機３の三相交流出力を整流し、発電機１の発電機回転子巻線１１に界磁電圧を印加する。図中、回転整流器４は３相全波整流器として記載されている。

ここで、図３及び図４を用いて、送電装置５及び受電装置６の内部構成を説明する。図３は送電装置５及び受電装置６の概略構成図である。図４は非接触給電における高周波磁束の状態を示した原理図である。

図３に示す通り、送電装置５は、交流を受電して直流を出力する電源５１、直流を入力として送電のための単相高周波電流を流すインバータ５２、及び受電装置６に電力を送る送電体としての送電コイル５３を有する。換言すると、送電装置５は、交流励磁機３の固定部分に配置された送電コイル５３を有し、送電コイル５３により電力を送電する。また、受電装置６は、受電コイル６１（受電体に対応する）及び受電モジュール６２を有し、受電用整流器７に接続される。受電装置６は、送電コイル５３により送電される電力を受電する受電コイル６１を有し、交流励磁機３の回転部分に配置され、受電用整流器７を介して、発電機回転子巻線１１に受電した電力を出力する。

なお、受電装置６及び受電用整流器７を別の構成としているが、受電装置６が受電用整流器７を含む構成であってもよい。また、回転整流器４及び受電用整流器７は別の構成であるとしているが、回転整流器４が受電用整流器７の機能を兼ねるようにしてもよい。この場合、回転整流器４は受電用整流器７の代わりに、受電装置６の交流電力を整流して、発電機回転子巻線１１に直流電力を供給する。

ここで、送電装置５及び受電装置６による電力伝送（非接触給電）の原理を簡単に説明する。近年、十数ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ程度の高周波などを使用した非接触電力送電技術が進歩しており、携帯電話用非接触充電器、電気自動車用屋外非接触充電設備などに応用されている。図４に示す通り、まず、電源５１で直流を出力し、その直流をインバータ５２でスイッチングして単相の高周波を作り、送電コイル５３に電流を流す。送電コイル５３に電流を流すことで磁束が発生し、この磁束により送電コイル５３に対向する受電コイル６１に交流が発生する。この発生した交流は、受電モジュール６２により電圧とされた後、受電用整流器７により直流に変換される。受電用整流器７は直流電力を発電機回転子巻線１１に出力し、正側端子Ｐ及び負側端子Ｎ間に界磁電圧Ｖｆを印加する。

図４に示す通り、送電コイル５３の送電面及び受電コイル６１の受電面は、回転軸３０Ａ又は共通回転軸３０Ｂの回転軸方向と交差するよう配置される。なお、以下では「回転軸方向」及び「径方向」は、それぞれ回転軸３０Ａ（又は共通回転軸３０Ｂ）の回転軸方向及び径方向であるとする。送電コイル５３及び受電コイル６１は、送電面及び受電面が対向するように配置される。送電コイル５３により発生する磁束は、受電コイル６１の受電面に直交する向きで通過する。

ここで、ＧＴ２０のＳＦＣ起動方式について簡単に説明する。ブラシレス励磁装置１００は、先述した送電装置５、受電装置６、及び受電用整流器７を用いて、発電機回転子巻線１１に電力を供給して界磁電圧Ｖｆを印加する。界磁電圧Ｖｆが印加された後、ＳＦＣ２は、ＧＴ２０のＳＦＣ起動期間に断路器８を介して発電機１に接続される。次に、ＳＦＣ２が発電機固定子巻線１２に対して交流電流を供給することで、発電機１の回転子がＳＦＣ２の出力に同期して回転する。その後、ＳＦＣ２は発電機１を同期モータとして加速させることでＧＴ２０を加速させ、ＧＴ２０の起動を行う。詳細には、ＳＦＣ２の出力する交流電力の周波数を徐々に増加させることで、発電機１の回転子は回転子速度Ｗｒを増加しながら回転する。なお、回転子速度Ｗｒは回転軸３０Ａ及び共通回転軸３０Ｂの回転速度に対応する。続いて、ＧＴ２０は、回転子速度Ｗｒが後述する着火判断値Ｎ１以上にＳＦＣ２により加速された後に着火される。ＧＴ２０は着火後に、ガバナー制御で回転子速度Ｗｒを増加させる。その後、系統に同期運転後、発電機１の発電機固定子巻線１２から遮断器９（図１）を経由して系統に電力が供給される。なおガバナー制御はＧＴ２０の回転数制御のことである。

次に、本実施の形態に係るブラシレス励磁装置１００の動作を簡単に説明する。ブラシレス励磁装置１００は、ＳＦＣ起動期間は送電コイル５３により送電される電力を用いて、発電機回転子巻線１１を励磁する。定常運転期間は励磁機固定子巻線３２による直流励磁によって励磁機回転子巻線３１に生じた電力を用いて、発電機回転子巻線１１を励磁する。従来のブラシレス励磁装置では交流励磁及び直流励磁に対応させる必要があったが、本実施の形態に係る交流励磁機３では直流励磁を行うことができればよいため、直流励磁に対応させて交流励磁機３を自由に構成できる。

さらに、図５及び図６を用いて、本実施の形態に係るブラシレス励磁装置１００を備えた発電システム２００の動作をより詳細に説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係るブラシレス励磁装置１００の動作を説明するためのフローチャートの一例である。図６は、本発明の実施の形態１に係る発電システム２００が動作した場合における、発電機１の回転子速度Ｗｒ、発電機１の界磁電圧Ｖｆ、及び発電機１の端子電圧Ｖｇｅｎの時系列変化の一例を示す図である。なお、図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、横軸が時間（分）を示し、縦軸がそれぞれ、発電機１（ＧＴ２０）の回転子速度Ｗｒ、発電機回転子巻線１１の界磁電圧Ｖｆ、及び発電機１の端子電圧Ｖｇｅｎを示す。なお、図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の縦軸では、発電機１の、定格回転子速度、定格界磁電圧、及び定格端子電圧を、それぞれ１．０としている。

初期状態（時間ｔ１より前の時間）では断路器８と遮断器９とが、図１に示す通り開状態であり、各装置が停止状態である。

まず、時間ｔ１にて、断路器８が投入される（ステップＳ０１）。これによりＳＦＣ２は発電機固定子巻線１２に電気的に接続される。

次に、励磁制御部１０は、送電装置５を制御して送電を開始させる（ステップＳ０２）。これにより、図６（ｂ）に示す通り、発電機回転子巻線１１に界磁電圧Ｖｆが印加される。なお、送電装置５が電力伝送している間には、励磁用整流器７０は励磁制御部１０により制御され停止している。また、交流励磁機３の励磁機回転子巻線３１にも、電圧が印加されておらず、回転整流器４のダイオード４１が出力する電力は０である。

次に、ＳＦＣ２は出力電力の周波数を増加させて発電機１の回転子を加速する（ステップＳ０３）。ここで、時間ｔ１から後述する時間ｔ２までの期間Ｔｂ（図６（ｂ）に図示）では、発電機１の発電機回転子巻線１１の界磁電圧Ｖｆが一定に制御（以下、「界磁電圧一定制御」という。）されており、ＳＦＣ２は徐々に出力電力の周波数を増加させて発電機回転子巻線１１を加速することにより、回転軸３０Ａを介して発電機１と接続されたＧＴ２０を加速する。なお、時間ｔ１の前に予め発電機回転子巻線１１には界磁電圧Ｖｆが印加されているものとする。

ここで、期間Ｔｂで行われる界磁電圧一定制御をより詳細に説明する。まず、励磁制御部１０は、期間Ｔｂで（時間ｔ１から時間ｔ２まで）、界磁電圧一定制御を行う。ここで、時間ｔ２は回転子速度Ｗｒが制御切替設定値Ｎ０（例えばＷｒ＝０．２）以上となるときである。詳細には、励磁制御部１０はインバータ５２の動作情報（電圧、電流、又は電力）及び後述するデータベースに基づいて界磁電圧Ｖｆを推定し、推定した界磁電圧Ｖｆに応じて送電装置５のインバータ５２の出力を制御する。なお、界磁電圧Ｖｆを推定する方法として、例えば、まず、事前に、インバータ５２の動作情報と界磁電圧Ｖｆとの関係を測定し、その測定データを記録してデータベースを作成する。次にこのデータベースとインバータ５２の動作情報から発電機回転子巻線１１の両端子（正側端子Ｐ及び負側端子Ｎ）間の界磁電圧Ｖｆを推定する。なお、インバータ５２の動作情報を利用して界磁電圧Ｖｆを推定する代わりに、スリップリング及びカーボンブラシを介して両端子に接続し、励磁制御部１０が界磁電圧Ｖｆを取得する構成としてもよい。

続いて、ＳＦＣ２は、発電機１の回転子速度Ｗｒと制御切替設定値Ｎ０（図６では０．２）とを比較する（ステップＳ０４）。ステップＳ０４にて、回転子速度Ｗｒが制御切替設定値Ｎ０以上であれば（ＹＥＳ）、ＳＦＣ２は励磁制御部１０に切替信号を入力し、ステップＳ０５に進む。ステップＳ０４にて、制御切替設定値Ｎ０以上でなければ（ＮＯ）、ステップＳ０３に戻る。

励磁制御部１０にＳＦＣ２からの切替信号が入力されると、励磁制御部１０は制御方式を切替える（ステップＳ０５）。すなわち、界磁電圧一定制御から、発電機１の固定子側（発電機固定子巻線１２）の端子電圧を一定とする制御（以下、「端子電圧一定制御」という。）への制御方式切替が行われる。励磁制御部１０は、端子電圧一定制御として、送電装置５のインバータ５２及びＳＦＣ２を制御して発電機１の端子電圧Ｖｇｅｎを一定に維持させる。なお、発電機端子電圧一定制御が継続される期間は期間Ｔｃ（図６（ｃ）に図示）であり、時間ｔ２から時間ｔ５までの期間である。

なお、上述の例では、界磁電圧一定制御から端子電圧一定制御に制御方法を切替えるために、ＳＦＣ２が励磁制御部１０に切替信号を出力する構成であるが、ＳＦＣ２が励磁制御部１０に周波数を出力する構成でもよい。この場合、励磁制御部１０はＳＦＣ２より送られた周波数に基づき制御方法を切替える。

ＧＴコントローラの制御は、励磁制御部１０による制御方式切替が完了したことを検知した後、ＧＴ２０にパージを実行させる（ステップＳ０６）。例えば図６に示す時間ｔ３にて、ＧＴ２０はパージを開始して、ＧＴ２０内の余分なガスを取り除く。パージ開始から予め決定された期間が経過した後にパージが完了する。なお、予め決定された期間は、この期間はＧＴ２０の内部をパージするために十分な時間に調整されている。

次に、パージが完了した後、励磁制御部１０はＳＦＣ２により発電機１の回転子の回転速度を再度加速させる（ステップＳ０７）。なお、本実施の形態では、ＳＦＣ２により再度加速させているが、パージが完了した後にステップＳ０８に進んでもよいことは言うまでもない。

次に、ＳＦＣ２は、発電機１の回転子速度Ｗｒと着火判断値Ｎ１とを比較する（ステップＳ０８）。ステップＳ０８にて、回転子速度Ｗｒが着火判断値Ｎ１以上であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ０９に進む。ステップＳ０８にて、着火判断値Ｎ１以上でなければ（ＮＯ）、ステップＳ０７に戻る。

次に、ＧＴ２０及び発電システム２００を制御するＧＴコントローラ（図示省略）に制御され、ＧＴ２０が着火されることで（ステップ０９）、ＧＴ２０は自律的に加速を開始する（ステップＳ１０）。例えば、図６中では着火のタイミングは時間ｔ４である。

次に、ＧＴコントローラは、速度検出器（図示省略）から回転子速度Ｗｒを取得し、回転子速度Ｗｒと励磁切替値Ｎ２（図６にて０．７）とを比較する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１にて、回転子速度Ｗｒが励磁切替値Ｎ２以上であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進み、回転子の回転子速度Ｗｒが励磁切替値Ｎ２より低い場合は（ＮＯ）、ステップＳ１０に戻る。なお、図６（ａ）に示す時間ｔ５は、回転子速度Ｗｒが励磁切替値Ｎ２以上となる時間である。

次に、ＧＴコントローラは励磁制御部１０を介してＳＦＣ２の出力を停止させる（ステップ１２）。図６は、時間ｔ５から時間ｔ６の部分で、ＳＦＣ２の停止方法の一例を示している。時間ｔ５にてＳＦＣ２の出力を下げ始め、その後さら発電機１の回転速度が励磁切替値Ｎ２から上昇してＳＦＣ停止値Ｎ３以上になると、出力を停止する。この場合、上述したＳＦＣ起動期間は、期間Ｔａ（時間ｔ１から時間ｔ６まで）に対応する。なお、上述の例ではＳＦＣ停止値Ｎ３が励磁切替値Ｎ２と異なる値の例を示しているが、ＳＦＣ停止値Ｎ３が励磁切替値Ｎ２と同じであってもよいことは言うまでもない。

続いて、ＧＴコントローラは、励磁制御部１０を介して停止指示信号を送信することで送電装置５に送電を停止させる（ステップＳ１３）。

次に、ＧＴコントローラにより断路器８が開放される（ステップＳ１４）。なお、断路器８を開放することで、ＳＦＣ２が発電機１から切り離される。

続いて、ＧＴコントローラから停止指示信号が入力されると、励磁制御部１０は、ＰＭＧ７１及び励磁用整流器７０を制御して、交流励磁機３の励磁機固定子巻線３２に直流励磁を開始させる（ステップＳ１５）。これにより、交流励磁機３の励磁機回転子巻線３１は励磁機固定子巻線３２から発生した固定磁界と鎖交し、励磁機回転子巻線３１に交流が誘起される。励磁機回転子巻線３１に接続された回転整流器４により整流された電流が、発電機１の発電機回転子巻線１１に供給される。

なお、上述のフローチャートでは、ステップＳ１４の後に直流励磁を開始するステップＳ１５を実行している。しかし、ステップＳ１５をステップＳ１２と直前又は同時に行ってもよく、ステップＳ１２からステップＳ１４のいずれか１つのステップに関し、そのステップの直前のタイミング又は同じタイミングで実行してもよい。また、励磁制御部１０及びＧＴコントローラにより、制御を行っているが、励磁制御部１０がＧＴコントローラの機能を有するよう構成してもよい。

ここで、本発明の実施の形態に係る効果について説明する。従来のブラシレス励磁装置では、上述した通り、交流励磁及び直流励磁に対応させる必要があったが、本実施の形態に係る交流励磁機３では直流励磁を行うことができればよいため、直流励磁に対応させて交流励磁機３を自由に構成できる。例えば、従来のブラシレス励磁装置では交流励磁及び直流励磁に対応させるため励磁機固定子巻線は分布巻で構成する必要があったが、本実施の形態では励磁機固定子巻線３２を分布巻の代わりに集中巻で構成することができる。これにより、励磁機固定子巻線３２の小型化を図ることができると共に、鉄損などの損失が低減でき励磁機回転子巻線３１への送電効率を向上することができる。

さらに、従来のブラシレス励磁装置では、交流励磁を行う構成の出力電力が２０ｋＶＡであり、直流励磁を行う構成の出力電力が６ｋＶＡである。従来のブラシレス励磁装置と同様の出力を得ようとすると、送電コイル５３での出力電力は６ｋＶＡであり、一方で励磁機固定子巻線３２での出力電力は２０ｋＶＡである。本実施の形態では、必要出力電力が大きい励磁機固定子巻線３２を集中巻きで構成でき、小型化が可能である。従って、必要出力電力が小さい送電コイル５３及び受電コイル６１を新たに追加したとしても、従来のブラシレス励磁装置のように交流及び直流励磁を切替える場合に比べて、ブラシレス励磁装置の全体構成を小型化することも可能である。さらに、送電装置５及び受電装置６で用いる電力の周波数を大きくすれば送電コイル及び受電コイルを一層小型化することも可能である。

また、従来のブラシレス励磁装置においては、ＳＦＣ起動期間の三相交流による交流励磁とガスタービン着火後の回転数での直流励磁を断路器で切替する必要があった。従って、励磁機固定子巻線による交流励磁と直流励磁を行うために用いられる配線切替が複雑になるという問題点があった。一方で、本実施の形態に係るブラシレス励磁装置にあっては、ＳＦＣ起動期間における界磁電圧の印加を目的として送電装置５及び受電装置６を設けたため、電源５１及び励磁用整流器７０を制御するだけでよく、複雑な配線切替が不要となる。

なお、本実施の形態に係る送電装置５及び受電装置６は、高周波による電力伝送を非接触で行うものであればよく、例えば数ＭＨｚ〜十数ＭＨｚなどの別の周波数帯域を用いて送電してもよい。

以上の構成より、ＳＦＣ起動期間に、交流励磁機とは別に設けた送電装置及び受電装置により、発電機の界磁巻線に電力を伝送する構成であるので、交流励磁機を直流励磁に適した構成とすることができ、発電機の界磁巻線に対して界磁電圧を印加する際に送電効率が向上できる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係るブラシレス励磁装置における送電装置及び受電装置を説明するための図である。図７（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）はそれぞれ、送電コイル５３ａの正面図、受電コイル６１ａの正面図、及び受電コイル６１が取付けられた共通回転軸３０Ｂの断面図を示す。図中、送電コイル５３ａ及び受電コイル６１ａにおいて斜線が引かれた領域は、それぞれ送電面及び受電面を示す。また、送電面及び受電面の中心をそれぞれ、Ｏ（ａ）及びＯ（ｂ）にて示す。

実施の形態１では、送電コイル５３と受電コイル６１を共通回転軸３０Ｂの回転軸方向にて対向する構成を説明した。本実施の形態では、実施の形態１の送電コイル５３と受電コイル６１の配置に加えてさらに以下のように配置される。すなわち、図７に示すように、送電コイル５３ａの送電面及び受電コイル６１ａの受電面を同半径の円として構成し、さらに送電面の中心Ｏ（ａ）及び受電面の中心Ｏ（ｂ）を共通回転軸３０Ｂの軸心に合わせて配置する構成である。換言すると、送電コイル５３ａのコイルの巻回の半径と受電コイル６１ａのコイルの巻回の半径が同じ大きさであり、送電体５１ａのコイルの巻回の中心軸と、受電コイル６１ａのコイルの巻回の中心軸と、発電機１の回転軸とが一致する。なお、送電面及び受電面は同半径であると記載したが、両者の半径は同半径でなくともよく、設計上の誤差及び製造上の誤差を許容するものとする。また、本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成のみについて説明を行うこととし、図中、同じまたは対応する構成については同一符号を付し、それらの構成の説明は繰り返さない。

実施の形態１の構成にて上述した共通回転軸３０Ｂが回転中であっても、送電コイル５３ａ及び受電コイル６１ａがそれぞれ送電及び受電を行う範囲が同一となる。これにより、送電装置と受電装置との間での電力損失が低減できる。

本実施の形態に係るブラシレス励磁装置にあっては、送電コイルの送電面及び受電コイルの受電面について、配置位置及び形状を調整した。これにより、受電コイルが共通回転軸の周りを回転していても、送電コイルの送電面及び受電コイルの受電面の位置ずれを抑制でき、電力損失を抑制することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係るブラシレス励磁装置における送電装置及び受電装置を説明するための図である。図８（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、送電コイル５３ｂの正面図及び受電コイル６１ｂの正面図である。上述の実施の形態１及び２では送電コイル及び受電コイルはそれぞれ一体部品で構成されている。一方で、本実施の形態では図８に示すように、送電コイル５３ｂと受電コイル６１ｂとが、それぞれ複数のコイルモジュール５３０を組合せて円形になるように配置することにより構成される。図中、各コイルモジュール５３０の形状が長方形の場合を例に挙げて説明を行っているが、各コイルモジュール５３０が円形であってもよく、任意の形状をしていてもよい。なお、本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成のみについて説明を行うこととし、図中、同じまたは対応する構成については同一符号を付し、それらの構成の説明は繰り返さない。

以上の構成により、既製のコイルモジュールを活用することができるため、本実施の形態１の効果に加えて、送電コイル５３ｂ及び受電コイル６１ｂの入手性が向上するという効果が得られる。また、必要な送電効率に応じてコイルモジュール５３０の大きさ及び形状を調整すれば、実施の形態１又は２のような一体部品で構成された送電コイル５３及び受電コイル６１に近い送電効率を得ることができる。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係るブラシレス励磁装置における送電装置及び受電装置を説明するための図である。上述の実施の形態１では送電コイル５３と受電コイル６１とを、共通回転軸３０Ｂの回転軸方向に対向させた構成である。一方で、本実施の形態では送電コイル５３ｃ及び受電コイル６１ｃを径方向で互いに対向する構成である点が異なる。なお、本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成のみについて説明を行うこととし、図中、同じまたは対応する構成については同一符号を付し、それらの構成の説明は繰り返さない。

図９に示す通り、本実施の形態では、受電コイル６１ｃを共通回転軸３０Ｂの周方向かつ外周に複数配置して、複数の受電コイル６１ｃのそれぞれに対し径方向にて対向する送電コイル５３ｃを配置する構成である。換言すると、本実施の形態に係るブラシレス励磁装置における受電コイル６１ｃ及び送電コイル５３ｃは、それぞれ複数個設けられ、複数個の受電コイル６１ｃは、共通回転軸３０Ｂの周方向に沿って配置され、複数個の送電コイル５３ｃは、複数個の受電コイル６１ｃのそれぞれに対向して設けられる。

上述の構成により、送電コイル及び受電コイルを回転軸方向に対向させる場合に比べて、径方向に対向させる場合の方が、合計の受電面積及び送電面積を広くすることができるので、本実施の形態１の効果に加えて、高い送電効率を確保することができる。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係る送電装置の制御を説明するための図である。本実施の形態では、発電機１の回転子側である発電機回転子巻線１１の正側端子Ｐと負側端子Ｎ間に、電圧検知送信部（検知送信部）１３が設けられる。この電圧検知送信部１３はＤＣＶＴ（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｏｍｅｒ：直流変圧器）及び無線電波通信機能を有する送信機（図示省略）を備える。電圧検知送信部１３は、自身の送信機を用いて、ＤＣＶＴにより出力される電圧を、発電機回転子巻線１１の電圧信号Ｖｆｄとして、送電装置の送電制御部５４Ａに送信する。なお、本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成のみについて説明を行うこととし、図中、同じまたは対応する構成については同一符号を付し、それらの構成の説明は繰り返さない。

送電制御部５４Ａは、発電機回転子巻線１１の電圧を検知する電圧検知送信部１３から送信された電圧信号Ｖｆｄに基づき、送電装置の出力を制御する。詳細には電圧信号Ｖｆｄは、送電装置に設けられた受信部（図示省略）を介して送電装置に設けられた送電制御部５４Ａに入力される。送電制御部５４Ａは、界磁電圧の基準Ｖｆｄ＊と電圧信号Ｖｆｄとの間の偏差を生成する偏差生成部５４０と、偏差生成部５４０により出力された偏差に比例した比例積分を行うことで送電制御指令値を出力する制御アンプ５４１Ａとを有する。送電制御指令値をインバータ５２に入力することにより、送電装置５の送電コイル５３による出力が制御される。なお、制御アンプ５４１Ａは比例積分の代わりにその他の制御方式を用いてもよい。なお、界磁電圧を得るためにブラシ、スリップリングなどの接触摺動部を設けることも考えられるが、接触摺動部を設けた場合に比べて、本実施の形態では接触摺動部なしに発電機１の界磁電圧を検出できるため、巻線温度の変化による巻線抵抗の影響を抑制でき、精度よく界磁電圧の制御を行うことができる。また、摺動接触部が必要ないため、構成を簡便化することができる。

本実施の形態に係るブラシレス励磁装置にあっては、実際に測定した界磁電圧値を用いて制御を行っているため、実施の形態１の効果に加え、精度よく界磁電圧の制御が行える。

実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６に係る送電装置の制御を説明するための図である。実施の形態５では、電圧検知送信部１３が電圧信号Ｖｆｄを送信する構成であった。一方で、本実施の形態では、発電機１に電流検知送信部（検知送信部）１４を設ける構成である。電流検知送信部１４は、発電機１の回転子に設けられた発電機回転子巻線１１の正側端子Ｐ又は負側端子Ｎに流れる直流電流を計測するＤＣＣＴ（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ：直流変流器）及び無線電波通信機能を有する送信機を備える。また、電流検知送信部１４は、ＤＣＣＴにより出力される電流を、送信機を用いて発電機回転子巻線１１の電流信号Ｉｆｄとして、送電装置に送信する。なお、本実施の形態では、実施の形態１とは異なる構成のみについて説明を行うこととし、図中、同じまたは対応する構成については同一符号を付し、それらの構成の説明は繰り返さない。

送電制御部５４Ｂは、発電機回転子巻線１１の電流を検知する電流検知送信部１４から送信された電流信号Ｉｆｄに基づき、送電装置の出力を制御する。詳細には、電流信号Ｉｆｄは、送電装置に設けられた受信部（図示省略）を介して送電装置に設けられた送電制御部５４Ｂに入力される。この送電制御部５４Ｂは、界磁電流の基準Ｉｆｄ＊と電流信号Ｉｆｄとの間の偏差を生成する偏差生成部５４０と、偏差生成部５４０により出力された偏差に比例した比例積分を行うことで送電制御指令値を出力する制御アンプ５４１Ｂと、を有する。送電制御指令値が入力されることにより、送電装置のインバータ５２の出力が制御される。なお、制御アンプ５４１Ｂは比例積分の代わりにその他の制御方式を用いてもよい。実施の形態５と同様に、本実施の形態では接触摺動部なしに発電機１の界磁電流を検出できるため、巻線温度の変化による巻線抵抗の影響を抑制でき、精度よく界磁電流の制御を行うことができる。また、摺動接触部が必要ないため、構成を簡便化することができる。

上述の構成により、本実施の形態のブラシレス励磁装置にあっては、実際に測定した界磁電流値を用いて制御を行っているため、本実施の形態１の効果に加えて、精度よく界磁電圧の制御を行うことができる。

１ 発電機
２ ＳＦＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：静止形周波数変換器）
３ 交流励磁機
４ 回転整流器
５ 送電装置
６ 受電装置
７ 受電用整流器
８ 断路器
９ 遮断器
１０ 励磁制御部
１１ 発電機回転子巻線
１２ 発電機固定子巻線
１３ 電圧検知送信部（検知送信部）
１４ 電流検知送信部（検知送信部）
２０ ガスタービン
３０Ａ 回転軸
３０Ｂ 共通回転軸
３１ 励磁機回転子巻線
３２ 励磁機固定子巻線
４１ ダイオード
５１ 電源
５２ インバータ
５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ 送電コイル（送電体）
５４Ａ 送電制御部
５４Ｂ 送電制御部
６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ 受電コイル（受電体）
６２ 受電モジュール
７０ 励磁用整流器
１００ ブラシレス励磁装置
２００ 発電システム
５３０ コイルモジュール（モジュール体）
５４０ 偏差生成部
５４１Ａ，５４１Ｂ 制御アンプ

Claims (12)

1. 発電機の回転子巻線である発電機回転子巻線に電力を供給するブラシレス励磁装置であって、
   直流励磁される固定子巻線である励磁機固定子巻線と、
   前記励磁機固定子巻線に対して設けられ、前記発電機回転子巻線と共に回転する回転子巻線である励磁機回転子巻線と、
   前記励磁機回転子巻線で発電される交流電力を直流電力に整流して前記発電機回転子巻線に供給する回転整流器と、
   前記励磁機固定子巻線とは別に設けられ、交流電力が供給される固定されたコイルである送電体を少なくとも１つ有する送電装置と、
   前記励磁機回転子巻線とは別に設けられ、前記送電体に供給される交流電力が非接触給電により受電され、前記発電機回転子巻線と共に回転するコイルである受電体を少なくとも１つ有する受電装置と
   を備え、
   前記受電装置が受電した交流電力は直流電力に整流され、前記発電機回転子巻線に供給される
   ブラシレス励磁装置。
2. 前記送電体と前記受電体は、前記発電機の回転軸方向において互いに対向する
   請求項１に記載のブラシレス励磁装置。
3. 前記送電体と前記受電体は、前記発電機の回転軸の径方向において互いに対向する
   請求項１に記載のブラシレス励磁装置。
4. 前記送電体の前記コイルの巻回の中心軸と、前記受電体の前記コイルの巻回の中心軸と、前記発電機の回転軸とが一致する
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
5. 前記送電体の前記コイルの巻回の半径と前記受電体の前記コイルの巻回の半径が同じ大きさである
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
6. 前記送電装置は複数の前記送電体を有し、前記受電装置は複数の前記受電体を有する
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
7. 前記複数の受電体のそれぞれは、前記複数の送電体のそれぞれに対向して設けられる
   請求項６に記載のブラシレス励磁装置。
8. 前記受電装置に接続された受電用整流器を備え、
   前記受電装置が受電した交流電力は前記受電用整流器により直流電力に整流され、前記発電機回転子巻線に供給される
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
9. 前記受電装置が受電した交流電力は前記回転整流器により直流電力に整流され、前記発電機回転子巻線に供給される
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
10. 前記発電機の回転軸の回転速度が予め設定された励磁切替値より小さい場合には、前記受電装置により供給された電力を用いて、前記発電機回転子巻線を励磁し、
    前記回転速度が前記励磁切替値以上となる場合には、前記励磁機回転子巻線において発電された電力を用いて、前記発電機回転子巻線を励磁する
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
11. 前記送電装置は、送電制御部をさらに備え、
    前記送電制御部は、前記発電機回転子巻線の電圧又は電流を検知する検知送信部から送信された電圧信号又は電流信号に基づき、前記送電体に供給する交流電力の大きさを制御する請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のブラシレス励磁装置と、
    前記ブラシレス励磁装置に接続された前記発電機と
    を備えた発電システム。

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