JP2019088071A - 同期発電システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子である界磁に供給される励磁電流を直接測定し、信頼性の高い過励磁判定を実施する同期発電システムを提供する。【解決手段】同期発電システム１０は、回転子である界磁２１と、この界磁２１と共に回転しこの界磁２１に流れる界磁電流１５を検出する検出部５０と、この界磁２１と共に回転し界磁電流１５の検出値を無線信号５４にして送信する送信部５１と、この無線信号５４を受信する受信部と、を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、回転子が界磁である同期発電システム及びその制御方法に関する。

回転子が界磁である同期発電システムの励磁方式の一つにブラシレス励磁方式がある。このブラシレス励磁方式は、交流励磁機の交流出力を、同軸上に取り付けた回転整流器で整流する。そしてこの回転整流器の直流出力を界磁に供給する。ブラシレス励磁方式では、回転体と静止体との間での機械的接触が無いため、そのような機械的接触を有するサイリスタ励磁方式と比較して、保守が容易である特徴を有する。

過励磁制限機能（ＯＥＬ: Over Excitation Limit)とは、発電機の回転子に生じる発熱がその熱耐量を超えないように、界磁に供給される電流を制限する機能である。この過励磁制限機能は、短時間耐量を表す時間−界磁電流グラフの内側領域に、界磁電流の供給が制限されように機能する。
この過励磁制限機能が動作すると、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）から界磁電流を減少させる信号が出力され、その供給が定格付近まで下がり、過励磁状態による回転子の損傷が防止される。

サイリスタ励磁方式における過励磁制限機能は、発電機の主回路（電機子）に接続する励磁変圧器の二次側出力である交流の励磁電流を監視している。つまり、サイリスタ励磁方式では、同期発電システムの界磁電流ではなく制御の結果として現れる励磁電流を監視して、過励磁状態であるか否かを判定する。
一方で、ブラシレス励磁方式では、界磁に励磁電流を供給する交流励磁機及び回転整流器が、この界磁と共に同軸回転している。そのような構造上の制約によりブラシレス励磁方式では、直接測定した励磁電流を監視することによる過励磁制限機能が設けられていない。

特開平５−２７６７９７号公報 特開平４−５４８２２号公報 特開２００５−１６０１７６号公報 特開昭５６−５６１９６号公報

ブラシレス励磁方式では、静止側で直接測定できない励磁電流を、複数の運転情報から求めた理論値に代替させて、過励磁状態であるか否かを推定することが可能である。
そのような励磁電流の理論値は、仮定条件が理想状態である場合に、高精度で実測値に一致する。しかし、機器の経年劣化が進行していたり想定外の外乱が加わったりした場合は、励磁電流の理論値の精度が低下し、過励磁状態であるか否かの判定の信頼性が低下する課題がある。

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、回転子である界磁に供給される励磁電流を直接測定し、信頼性の高い過励磁判定を実施する同期発電システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

実施形態では、回転子が界磁である同期発電システムにおいて、前記界磁と共に回転し前記界磁に流れる界磁電流を検出する検出部と、前記界磁と共に回転し前記界磁電流の検出値を無線信号にして送信する送信部と、前記無線信号を受信する受信部と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、回転子である界磁に供給される励磁電流を直接測定し、信頼性の高い過励磁判定を実施する同期発電システム及びその制御方法が提供される。

本発明の第１実施形態に係る同期発電システムの回路図。 第２実施形態に係る同期発電システムの回路図。 第３実施形態に係る同期発電システムの回路図。 第４実施形態に係る同期発電システムの回路図。 第４実施形態で適用される電流検出器の構成図。 第５実施形態で適用される電流検出器の構成図。 第６実施形態で適用される自動電圧調整装置（ＡＶＲ）のブロック図。 各実施形態における同期発電システムの構成図。

（第１実施形態）
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、第１実施形態の同期発電システム１０は、回転子である界磁２１と、この界磁２１と共に回転しこの界磁２１に流れる界磁電流１５を検出する検出部５０Ａ（５０）と、この界磁２１と共に回転し界磁電流１５の検出値を無線信号５４にして送信する送信部５１と、この無線信号５４を受信する受信部７２（図７）と、を備えている。

第１実施形態の検出部５０Ａ（図１）は、界磁電流１５が流れる回路に直列接続された電気抵抗５２の抵抗値を検出するものである。
そしてこの検出部５０Ａは、界磁２１と共に回転する回転整流器４０で整流した後の、直流状態の界磁電流１５を検出する。
界磁２１が設けられている主発電機２０の回転子は、界磁電流１５の流れ等に伴う発熱に対し、熱耐量が規定される。そして同期発電システム１０の運転中は、この熱耐量を超過しないように、界磁電流１５の大きさを制限する必要がある。

第１実施形態の検出部５０Ａにおける界磁電流１５の検出方法は、電気抵抗５２としてシャント抵抗等を用いる。そして、界磁電流１５を通過させたとき、電気抵抗５２の両端の電位差である電圧値が検出値として、無線信号化され送信部５１から送信される。
送信部５１から発信される送信電波は、特に限定されないがＦＭ波などが例示される。
これにより、回転運動している界磁２１に流れる界磁電流１５を、無線伝送により、静止側においてリアルタイムで監視することができる。

ここで図８に基づいてブラシレス励磁方式の同期発電システム１０の構成について説明する（適宜、図１の回路図を参照）。
同期発電システム１０の回転軸４１には、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）が、同軸接続されている。このタービンの回転運動エネルギーが、主発電機２０において電気エネルギーに変換され、三相交流の発電電力が、主変圧器１１を介して送電網（図示略）に供給される。

同期発電システム１０の電力出力系統には、主発電機２０の出力電圧を計測することができる変圧器１２を介して自動電圧調整装置（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）７０が接続されている。この自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０は、同期発電システム１０の出力電圧と設定電圧との偏差が規格内に収まるように、この出力電圧を制御する制御信号４８を固定整流器８０に送信する。この制御信号４８を受信した固定整流器８０は、点弧信号を変調させることで、永久磁石発電機６０から入力した交流を、電圧調整された直流に変換して交流励磁機３０に供給する。このようにして永久磁石発電機６０からの出力電圧が調整されることにより、同期発電システム１０の出力電圧は、設定値に対して安定的に制御される。

本実施形態に適用される自動電圧調整装置７０は、上述した同期発電システム１０の出力電圧を安定的に制御する機能の他に、後述するように、受信した無線信号５４（図１）により界磁電流１５を監視して制限値を超えたところで過励磁制限機能（ＯＥＬ）を発動させる。

主発電機２０は、回転整流器４０から直流電流の供給を受け回転軸４１の軸回転により回転磁束を発生する界磁２１と、この発生した回転磁束を横切らせることで交流電流を誘導させる電機子２２と、から構成されている。この主発電機２０は、界磁２１が回転子で、電機子２２が固定子の回転界磁形となっている。
主発電機２０の電機子２２は、三相巻線で構成され、位相が互いに１２０°ずつずれた三相の交流電流を出力し、主変圧器１１で電圧調整したうえで、送電網に供給する。

交流励磁機３０は、永久磁石発電機６０の出力を固定整流器８０で整流した直流電流の供給を受け磁界を発生させる界磁３１と、回転軸４１が軸回転することによりこの磁界を横切り交流電流を誘導させる電機子３２と、から構成されている。この交流励磁機３０は、界磁３１が固定子で、電機子３２が回転子の回転電機子形となっている。
交流励磁機の電機子３２は、三相巻線で構成され、位相が互いに１２０°ずつずれた三相の交流電流を出力し、回転整流器４０に供給する。

回転整流器４０は、その円盤形状の中心を直交するように回転軸４１が貫通し、この円盤形状の表面に沿って複数の整流素子（図示略）が、放射状に質量分布が均等になるように配列されている。そして回転整流器４０は、交流励磁機３０の電機子３２からの入力を、これら整流素子で整流させた後に、主発電機２０の界磁２１に出力する。

永久磁石発電機６０は、回転子に永久磁石回転子６１を用い、固定子に電機子巻線６２を用いた、高周波数の小型の発電機である。この永久磁石発電機６０は、回転軸４１の軸回転に同期して、高周波電圧を出力するものであるために、起動時及び定常運転時にかかわらず、同期発電システム１０の界磁２１の励磁源としての役割を果たす。

固定整流器８０は、永久磁石発電機６０の電機子巻線６２からの入力である交流を整流し、交流励磁機３０の界磁３１に直流を出力するものである。そして、この界磁３１に入力される直流は、自動電圧調整装置７０から入力した制御信号４８により、その大きさが制御されている。

ここで、回転整流器４０と交流励磁機３０と永久磁石発電機６０とは、共通の回転軸上にユニット構成されて励磁装置４２を成している。ブラシレス励磁方式の同期発電システム１０は、主発電機２０の回転軸４１Ａと励磁装置４２の回転軸４１Ｂとが、互いの先端のフランジ面において、突合せて締結されている。

第１実施形態において検出部５０Ａ（図１）は、主発電機側の回転軸４１Ａ又は励磁装置側の回転軸４１Ｂのいずれか一方に設けられている。
もしくは、主発電機側の回転軸４１Ａの先端フランジと励磁装置側の回転軸４１Ｂの先端フランジとの間に中継継手（図示略）を配置し、この中継継手に検出部５０Ａを設置してもよい。

（第２実施形態）
次に図２に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態における界磁電流１５の検出部５０Ｂは、界磁電流１５が作る磁場の大きさを検出するものである。

第２実施形態の検出部５０Ｂにおける界磁電流１５の検出原理は、界磁電流１５が流れる回路の一部を、高透磁率磁性材料から成る磁気コアで挟み、この磁気コア中に流れる磁束を様々な方式で検出することによる。
磁気コア中に流れる磁束の検出方式の一例として、磁気コア内の空隙部にホール素子などの磁電変換素子を配置し、この空隙部の磁束密度を検出することで、界磁電流１５を測定する方式である。このホール素子によれば、界磁電流１５が整流後の直流状態であることに限定されず、後述の第３実施形態のように交流状態である場合もその電流値を測定することができる。

第２実施形態によれば、界磁電流１５を検出するにあたって、界磁回路の一部を加工する必要がなく、検出に伴うこの界磁電流１５エネルギーロスも少ない。

（第３実施形態）
次に図３に基づいて本発明の第３実施形態について説明する。なお、図３において図１，図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し重複する説明を省略する。
第３実施形態の検出部５０Ｃは、界磁２１と共に回転する回転整流器４０で整流される前の、交流状態の界磁電流１５を検出する。

第３実施形態の検出部５０Ｃは、交流状態の界磁電流１５を検出するものであるために、上述したホール素子方式の他に、磁気コアにコイルを巻回しこのコイルの出力を検出する変流器（CT:Current Transformer）を採用することもできる。

（第４実施形態）
次に図４及び図５に基づいて本発明の第４実施形態について説明する。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。第４実施形態では、検出部５０への電源電力の供給方法に関し、静止側から無線方式で供給することについて規定している。
つまり、第４実施形態において検出部５０Ｄ及び送信部５１の少なくとも一方は、静止側に配置された電源装置５３から非接触給電を受けて充電されるバッテリ５６が接続されている。

図４に示すように静止側に置かれた電源装置５３（自動電圧調整装置７０に内蔵させてもよい）から発せられる電源電波４３を、図５に示す検出部５０Ｄに内蔵させた集電アンテナ５８で集電し、充電器５７を介してバッテリ１７に充電させる。このバッテリ１７は、電源供給回路５５を介して送信部５１及びセンサ部５９に必要な電力を供給する。

なお、電源装置５３が出力する電源電波４３は、送信部５１が送信する無線信号５４と混信しないように、周波数などをずらしたものとする。また集電アンテナ５８の形態は、検出部５０Ｄの円周全面にリング状に設置して、任意の角度から集電可能な形状を採用することが考えられる他に、公知の形態も採用することもできる。
このように、充電式のバッテリ１７を採用することにより、電源装置５３（図４）からの非接触給電が停止もしくは不安定になった場合でも、安定して界磁電流１５を監視することができる。

以上の第４実施形態の説明は、検出部５０Ｄが、整流後の直流状態の界磁電流１５を検出する場合を想定しているが、第３実施形態で説明した整流前の交流状態の界磁電流１５を検出する場合にも適用される。

（第５実施形態）
次に図６に基づいて本発明の第５実施形態について説明する。なお、図６において図５と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第５実施形態では、検出部５０への電源電力の供給方法に関し、界磁２１の回路側から供給することについて規定している。
第５実施形態において検出部５０Ｅ及び送信部５１の少なくとも一方は、界磁電流１５が作る磁場の作用により充電されるバッテリ５６が接続されている。

以上の第５実施形態の説明は、検出部５０Ｅが、整流後の直流状態の界磁電流を検出する場合を想定しているが、整流前の交流状態の界磁電流１５を検出する場合にも適用される。また、第４実施形態と第５実施形態を合わせて、電源電波４３が届かなくなり非接触給電が不可能となった場合にも、界磁２１の回路側から給電する方法をバックアップとして装備させておくことも考えられる。

（第６実施形態）
次に図７に基づいて本発明の第６実施形態について説明する。なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第６実施形態に適用される自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０は、界磁２１の回転磁束に相互作用する電機子２２の出力電圧値４５及びその目標値４６に基づいて界磁電流１５を制御するための制御信号４８を出力する制御部７１と、無線信号５４を受信する受信部７２と、無線信号５４から認識される界磁電流１５の検出値４７に基づいて界磁２１（図８）が過励磁状態であるか否かを判定する判定部７３と、この判定の結果が過励磁状態である場合その状態を制限する方向に制御信号４８を調整させる過励磁制限部７４と、を有している。
なお、本発明の第６実施形態は、上述の自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０により実行されることに限定されず、その他の実行手段を用いた同期発電システム１０の制御方法でも実施可能である。

出力電圧計測部７５は、変圧器１２を介して主発電機２０の出力電圧値４５すなわち送電網に供給される電圧を計測するものである。
制御部７１は、この計測された出力電圧値４５が、設定部７６で設定されている目標値４６に一致するように制御信号４８を出力する。そして、この制御信号４８を入力した固定整流器８０により、交流励磁機３０から出力される界磁電流１５が制御される。

受信部７２は、界磁２１と共に回転する検出部５０から、この界磁２１を流れる界磁電流１５の無線信号５４を受信する。判定部７３では、受信した界磁電流１５の検出値をリアルタイムで監視しつつ、主発電機２０の回転子の損傷引き起こすような過励磁状態になるか否かについて所定のシーケンスで判定を行う。
過励磁制限部７４は、過励磁状態であるとの判定結果が出た場合、過励磁制限機能（ＯＥＬ）を発動して、制御部７１に対し、界磁電流１５の出力が制限されるように制御信号４８を出力させる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の同期発電システムによれば、回転子である界磁に供給される励磁電流を直接測定し、信頼性の高い過励磁判定を実施することが可能となる。更に、発電機の立ち上がり（起動）時や、過渡時の電圧確立前において、Ｖ／Ｈｚ対策としての機能を付与することもできる。

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。
各実施形態の説明において、ブラシレス励磁方式での実施形態について説明したが、既存のＯＥＬ機能よりも検出・制御性能の良いものとしてサイリスタ励磁方式にも適用することもできる。

１０…同期発電システム、１１…主変圧器、１２…変圧器、１５…界磁電流、１７…バッテリ、２０…主発電機、２１…主発電機の界磁（界磁）、２２…主発電機の電機子（電機子）、３０…交流励磁機、３１…交流励磁機の界磁、３２…交流励磁機の電機子、４０…回転整流器、４１（４１Ａ，４１Ｂ）…回転軸、４２…励磁装置、４３…電源電波、４５…出力電圧値、４６…目標値、４７…検出値、４８…制御信号、５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ）…検出部、５１…送信部、５２…電気抵抗、５３…電源装置、５４…無線信号、５５…電源供給回路、５６…バッテリ、５７…充電器、５８…集電アンテナ、５９…センサ部、６０…永久磁石発電機、６１…永久磁石回転子、６２…電機子巻線、７０…自動電圧調整装置、７１…制御部、７２…受信部、７３…判定部、７４…過励磁制限部、７５…出力電圧計測部、７６…設定部、８０…固定整流器。

Claims (10)

1. 回転子が界磁である同期発電システムにおいて、
   前記界磁と共に回転し前記界磁に流れる界磁電流を検出する検出部と、
   前記界磁と共に回転し前記界磁電流の検出値を無線信号にして送信する送信部と、
   前記無線信号を受信する受信部と、を備えることを特徴とする同期発電システム。
2. 請求項１に記載の同期発電システムにおいて、
   前記界磁の回転磁束に相互作用する電機子の出力電圧値及びその目標値に基づいて、前記界磁電流を制御するための制御信号を出力する制御部と、
   前記無線信号から認識される前記界磁電流の検出値に基づいて、前記界磁が過励磁状態であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定の結果が過励磁状態である場合、その状態を制限する方向に前記制御信号を調整させる過励磁制限部と、を備えることを特徴とする同期発電システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の同期発電システムにおいて、
   前記検出部は、前記界磁電流が流れる回路に直列接続された電気抵抗の抵抗値を検出するものであることを特徴とする同期発電システム。
4. 請求項１又は請求項２に記載の同期発電システムにおいて、
   前記検出部は、前記界磁電流が作る磁場の大きさを検出するものであることを特徴とする同期発電システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の同期発電システムにおいて、
   前記検出部は、前記界磁と共に回転する回転整流器で整流した後の、直流状態の前記界磁電流を検出することを特徴とする同期発電システム。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の同期発電システムにおいて、
   前記検出部は、前記界磁と共に回転する回転整流器で整流される前の、交流状態の前記界磁電流を検出することを特徴とする同期発電システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の同期発電システムにおいて、
   前記検出部及び前記送信部の少なくとも一方は、静止側に配置された電源装置から非接触給電を受けて充電されるバッテリを有していることを特徴とする同期発電システム。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の同期発電システムにおいて、
   前記検出部及び前記送信部の少なくとも一方は、前記界磁電流が作る磁場の作用により充電されるバッテリが接続されていることを特徴とする同期発電システム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の同期発電システムにおいて、
   ブラシレス励磁方式及びサイリスタ励磁方式のいずれか一方が採用されていることを特徴とする同期発電システム。
10. 回転子である界磁と共に回転し前記界磁に流れる界磁電流を検出する検出部と、
    前記界磁と共に回転し前記界磁電流の検出値を無線信号にして送信する送信部と、
    前記無線信号を受信する受信部と、を備える同期発電システムにおいて、
    前記界磁の回転磁束に相互作用する電機子の出力電圧値及びその目標値に基づいて、前記界磁電流を制御するための制御信号を出力するステップと、
    前記無線信号から認識される前記界磁電流の検出値に基づいて、前記界磁が過励磁状態であるか否かを判定するステップと、
    前記判定の結果が過励磁状態である場合、その状態を制限する方向に前記制御信号を調整させるステップと、を含むことを特徴とする同期発電システムの制御方法。

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