JP2021191176A - 同期発電機の励磁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子が界磁である同期発電機の励磁制御装置であって、界磁巻線に対して測定器を取り付ける必要なく、界磁電流に基づいた過励磁制限機能を実現する。【解決手段】出力電圧計測部７５により測定される主発電機電圧（Ｖ）の出力電圧値４５と、出力電流計測部７８により測定される主発電機電流（Ｉ）の出力電流値４４と、パラメータ設定部７２Ａにより設定されるポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値５２ｄ１と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値５２ｄ２と、主発電機２０の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値５２ｄ３とに基づいて、界磁電流推定手段７２により主発電機２０の界磁２１に流れる界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７を算出する。そして、算出された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７に基づいて、判定手段７３により界磁２１が過励磁状態にあるか否かを判定し、当該判定結果に応じて過励磁制限手段７４により界磁電流制御信号４８を調整する。【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、回転子が界磁である同期発電機の励磁制御装置に関する。

回転子が界磁である同期発電機の励磁装置の一つにブラシレス励磁装置がある。

このブラシレス励磁装置は、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、回転整流器の直流出力を界磁巻線に供給する。ブラシレス励磁装置では、回転部と静止部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装置と比較して、保守が容易である特徴を有する。

一般に励磁装置には、過励磁制限機能（ＯＥＬ：Over Excitation Limit）を付加する。

過励磁制限機能とは、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、界磁巻線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るように機能する。

過励磁制限機能が動作すると、自動電圧調整装置（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）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。

サイリスタ励磁装置における過励磁制限機能は、サイリスタ整流器の直流出力電流である発電機の界磁巻線に流れる電流を直接測定し、過励磁状態であるか否かを判定する。また、サイリスタ整流器の交流入力電流を直接測定して界磁電流であるサイリスタ整流器の直流出力電流に一定比で換算し、これを過励磁制限機能に用いる場合もある。いずれの場合も、測定器は静止部に取付け可能であり、構造上の制約も少なく、保守性にも優れ、過励磁制限機能へ比較的容易に界磁電流を用いることができる。

一方で、ブラシレス励磁装置では、界磁巻線に界磁電流を供給する交流励磁機及び回転整流器が同軸回転している。そのような構造上の制約により、ブラシレス励磁装置では界磁電流を静止部で直接監視することはできない。回転部に界磁電流の測定器を置くことも考えられるが、保守が難しく、機構も複雑となる。

特開２０１９−０８８０７１号公報 特開平０３−０５２６００号公報 特開平０６−２４５３６８号公報 特開２０１７−０９９１０３号公報

同期機 電気学会電気規格調査会標準規格 ＪＥＣ−２１３０：２０１６／電気書院／２０１６年８月

ブラシレス励磁装置においては、過励磁防止に発電機の界磁電圧を用いる方法がある。

この場合、界磁電圧測定用のブラシを取付ける必要があるため、摺動部分が生じてブラシの保守が必要になり、システムを構成するためのコストも高くなる。

また、前述したように、回転部となる界磁巻線へ無線の測定器を取り付けることで、界磁電流を直接測定する方法も考えられるが、機構が複雑となり、コストが高いことに変わりなく、更には、発電機運転中の測定器の保守も困難である。

本発明が解決しようとする課題は、界磁巻線に対して測定器を取り付ける必要なく、界磁電流に基づいた過励磁制限機能を実現することが可能になる同期発電機の励磁制御装置を提供することにある。

実施形態の同期発電機の励磁制御装置は、
主発電機の出力電圧値と、前記主発電機の出力電流値と、前記主発電機のポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、前記主発電機の電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、前記主発電機の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値とに基づいて、前記主発電機の界磁に流れる界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する界磁電流推定手段と、
前記界磁電流推定手段により算出された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）に基づいて、前記界磁が過励磁状態にあるか否かを判定し、過励磁状態にあると判定した場合に、当該過励磁状態を制限する方向に前記界磁に流れる界磁電流の制御信号を調整する過励磁制限手段と、を備えている。

実施形態の同期発電機の励磁制御装置を備えた同期発電システム１０の構成を示す回路図。 同期発電システム１０の構成を示す図。 自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０の構成を示すブロック図。 自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０のコンピュータシステムＣの構成を示すブロック図。 界磁電流推定手段７２の構成を示すブロック図。 力率角算出手段７２１の構成を示すブロック図。 ギャップ電圧算出手段７２２の構成を示すブロック図。 ギャップ電圧算出手段７２２を構成するギャップ電圧無効分計算手段７２２Ａと、ギャップ電圧有効分計算手段７２２Ｂと、ギャップ電圧計算手段７２２Ｃと、の各計算手段による計算処理のロジックを示す図。 ギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３による計算処理のロジックを示す図。 界磁電流算出手段７２４による計算処理のロジックを示す図。 主発電機２０の誘導電圧と電機子電流に対する界磁電流の無負荷飽和曲線と短絡特性曲線を示す図。 ギャップ電圧算出手段７２２によるギャップ電圧（Ｖｇ）の算出処理および界磁電流算出手段７２４による界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）の算出処理のロジックを説明するためのベクトル図。

以下、実施形態の同期発電機の励磁制御装置について、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の同期発電機の励磁制御装置を備えた同期発電システム１０の構成を示す回路図である。

図２は、同期発電システム１０の構成を示す図である。

先ず、同期発電システム１０の構成について説明する。

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（図示せず）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（図示せず）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（ＰＭＧ）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（ＰＭＧ）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、界磁電流推定手段７２により界磁電流１５を推定しその制限値を超えたところで過励磁制限機能（ＯＥＬ）７７を発動させる機能を有する。

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３１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３０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（図示せず）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（ＰＭＧ）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。

図３は、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０の構成を示すブロック図である。

自動電圧制御装置７０は、出力電圧計測部７５、電圧設定手段７６、界磁電流制御手段７１、出力電流計測部７８、界磁電流推定手段７２、過励磁制限機能（ＯＥＬ）７７を構成する判定手段７３および過励磁制限手段７４を備える。

出力電圧計測部７５は、変圧器１２を介して入力される主発電機２０の出力電圧（Ｖ）を測定し、測定した出力電圧値４５を出力する。

電圧設定手段７６は、出力電圧計測部７５により測定される主発電機２０の出力電圧値４５の目標値４６をオペレータの操作に応じて設定する。

界磁電流制御手段７１は、出力電圧計測部７５により測定される出力電圧値４５及びその目標値４６に基づいて、当該出力電圧値４５が目標値４６に一致するように界磁電流１５を制御するための制御信号４８を出力する。

出力電流計測部７８は、変流器１３を介して入力される主発電機２０の出力電流（Ｉ）を測定し、測定した出力電流値４４を出力する。

界磁電流推定手段７２は、パラメータ設定部７２Ａを有し、出力電圧計測部７５により測定される主発電機２０の出力電圧値４５と、出力電流計測部７８により測定される主発電機２０の出力電流値４４と、オペレータの操作に応じてパラメータ設定部７２Ａにより設定されるポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、主発電機２０の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値と、に基づいて、界磁２１に流れる界磁電流１５を推定し、界磁電流推定値４７を出力する。

判定手段７３は、界磁電流推定手段７２により推定された界磁電流推定値４７をリアルタイムに監視し、界磁２１が、主発電機２０の回転子に損傷を引き起こすような過励磁状態にあるか否かを所定のシーケンスに基づき判定する。

過励磁制限手段７４は、判定手段７３により界磁２１が過励磁状態にあると判定された場合に、当該過励磁状態を制限する方向に界磁電流制御手段７１により出力される制御信号４８を調整する。

なお、実施形態の同期発電システム１０において、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０を構成する電圧設定手段７６、界磁電流制御手段７１、界磁電流推定手段７２、励磁制限機能（ＯＥＬ）７７としての判定手段７３および過励磁制限手段７４は、例えば、発電所の制御盤に組み込まれたコンピュータシステムＣにより構成される。

図４は、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０のコンピュータシステムＣの構成を示すブロック図である。

コンピュータシステムＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、および当該ＣＰＵ５１のシステムバスＢｕｓに接続されたフラッシュメモリ、ハードディスクなどの記憶部（Memory）５２、記録媒体読取部５４、キーボード、ボリュームなどの入力部５５、タッチパネル式液晶ディスプレイなどの表示部５６を備える。

ＣＰＵ５１は、記憶部５２に予め記憶された自動電圧調整プログラム５２ａおよび界磁電流推定プログラム５２ｂ、あるいはＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなどの外部記録媒体５３から記録媒体読取部５４を介して記憶部５２に記憶された各プログラム５２ａ，５２ｂに従いコンピュータシステムＣの各部の動作を制御し、励磁装置４２の固定整流器８０に対する図示しないハードウエアインターフェイスを介して界磁電流１５の制御信号４８を出力させる。

記憶部５２には、各プログラム５２ａ，５２ｂのデータを記憶するプログラム記憶エリアのほかに、目標電圧記憶エリア５２ｃ、パラメータ記憶エリア５２ｄ、作業データ記憶エリア５２ｅが確保される。

目標電圧記憶エリア５２ｃには、電圧設定手段７６としての入力部５５または記録媒体読取部５４により入力された出力電圧の目標値４６のデータが記憶される。

パラメータ記憶エリア５２ｄには、パラメータ設定部７２Ａとしての入力部５５または記録媒体読取部５４から入力されたポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値５２ｄ１と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値５２ｄ２と、主発電機２０の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値５２ｄ３と、の各値のデータが記憶される。

作業データ記憶エリア５２ｅには、ＣＰＵ５１による自動電圧調整プログラム５２ａおよび界磁電流推定プログラム５２ｂの実行に応じて各部の制御に必要なデータが一時的に記憶される。

自動電圧調整プログラム５２ａは、出力電圧計測部７５により測定される主発電機２０の出力電圧値４５が目標電圧記憶エリア５２ｃに記憶された目標値４６に一致するように界磁電流１５の制御信号４８を出力させるためのプログラム、界磁電流推定プログラム５２ｂに従い推定される界磁電流推定値４７に基づいて界磁２１が過励磁状態にあるか否かを判定するためのプログラム、および界磁２１が過励磁状態にあると判定された場合に、当該過励磁状態を制限する方向に界磁電流１５の制御信号４８を調整するためのプログラムを含む。

界磁電流推定プログラム５２ｂは、出力電圧計測部７５により測定される主発電機２０の出力電圧値４５と、出力電流計測部７８により測定される主発電機２０の出力電流値４４と、パラメータ記憶エリア５２ｄに記憶されたポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値５２ｄ１と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値５２ｄ２と、主発電機２０の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値５２ｄ３と、に基づいて、界磁電流推定値４７を算出するためのプログラムを含む。

このような自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０を接続した同期発電システム１０において、界磁２１が設けられている主発電機２０の回転子には、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。

（実施形態の動作）
次に、界磁電流推定手段７２としての界磁電流推定プログラム５２ｂに従い界磁電流推定値４７を算出するための処理の流れについて説明する。

以下の説明では、出力電圧計測部７５により測定された主発電機電圧（Ｖ）の出力電圧値４５を単に主発電機電圧（Ｖ）、出力電流計測部７８により測定された主発電機電流（Ｉ）の出力電流値４４を単に主発電機電流（Ｉ）、パラメータ設定部７２Ａにより設定されたポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値５２ｄ１を単にポーシェリアクタンス（Ｘｐ）、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値５２ｄ２を単に電機子巻線抵抗（Ｒａ）、主発電機２０の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値５２ｄ３を単に定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）、と略して説明する。

図５は、界磁電流推定手段７２の構成を示すブロック図である。

界磁電流推定手段７２は、力率角算出手段７２１と、ギャップ電圧算出手段７２２と、ギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３と、界磁電流算出手段７２４と、パラメータ設定部７２Ａと、を備える。

図６は、力率角算出手段７２１の構成を示すブロック図である。

力率角算出手段７２１は、出力電圧計測部７５により測定された主発電機電圧（Ｖ）と出力電流計測部７８により測定された主発電機電流（Ｉ）とに基づいて、力率角算出手段７２１Ａにより力率角（φ）を算出し、算出した力率角（φ）をギャップ電圧算出手段７２２およびギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３に出力する。

図７は、ギャップ電圧算出手段７２２の構成を示すブロック図である。

ギャップ電圧算出手段７２２は、ギャップ電圧無効分計算手段７２２Ａと、ギャップ電圧有効分計算手段７２２Ｂと、ギャップ電圧計算手段７２２Ｃと、を備えて構成される。

図８は、ギャップ電圧算出手段７２２を構成するギャップ電圧無効分計算手段７２２Ａと、ギャップ電圧有効分計算手段７２２Ｂと、ギャップ電圧計算手段７２２Ｃと、の各計算手段による計算処理のロジックを示す図である。

ギャップ電圧無効分計算手段７２２Ａは、図８の（ａ）に示すように、力率角算出手段７２１により算出された力率角（φ）の正弦値（ｓｉｎφ）を算出する正弦計算手段７２２Ａ１を備え、主発電機電圧（Ｖ）と当該力率角（φ）の正弦値（ｓｉｎφ）とに基づく乗算値（Ｖｓｉｎφ）と、主発電機電流（Ｉ）とパラメータ設定部７２Ａにより設定されたポーシェリアクタンス（Ｘｐ）とに基づく乗算値（Ｉ＊Ｘｐ）とに基づいて、ギャップ電圧（Ｖｇ）無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）を算出する。算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）は、ギャップ電圧計算手段７２２Ｃおよびギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３に出力される。

ギャップ電圧有効分計算手段７２２Ｂは、図８の（ｂ）に示すように、力率角算出手段７２１により算出された力率角（φ）の余弦値（ｃｏｓφ）を算出する余弦計算手段７２２Ｂ１を備え、主発電機電圧（Ｖ）と当該力率角（φ）の余弦値（ｃｏｓφ）とに基づく乗算値（Ｖｃｏｓφ）と、主発電機電流（Ｉ）とパラメータ設定部７２Ａにより設定された電機子巻線抵抗（Ｒａ）とに基づく乗算値（Ｉ＊Ｒａ）とに基づいて、ギャップ電圧（Ｖｇ）有効分（Ｖｃｏｓφ＋Ｉ＊Ｒａ）を算出する。算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）有効分（Ｖｃｏｓφ＋Ｉ＊Ｒａ）は、ギャップ電圧計算手段７２２Ｃに出力される。

ギャップ電圧計算手段７２２Ｃは、図８の（ｃ）に示すように、ギャップ電圧無効分計算手段７２２Ａにより算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）と、ギャップ電圧有効分計算手段７２２Ｂにより算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）有効分（Ｖｃｏｓφ＋Ｉ＊Ｒａ）とに基づいて、次の（式１）に従いギャップ電圧（Ｖｇ）の大きさを算出する。

Ｖｇ＝√［（Ｖｃｏｓφ＋Ｉ＊Ｒａ）^２＋（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）^２］ …（式１）
すなわち、ギャップ電圧（Ｖｇ）は、図１２に示すように、主発電機電圧（Ｖ）ベクトルと、電機子巻線抵抗（Ｒａ）により発生する降下電圧ベクトル（Ｉ＊Ｒａ）と、ポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の背後電圧ベクトル（Ｉ＊Ｘｐ）とのベクトル和として算出される。

ギャップ電圧算出手段７２２により算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）は、ギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３および界磁電流算出手段７２４に出力される。

図９は、ギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３による計算処理のロジックを示す図である。

ギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３は、ギャップ電圧算出手段７２２のギャップ電圧無効分計算手段７２２Ａにより算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）の大きさと、ギャップ電圧計算手段７２２Ｃにより算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）の大きさとの比を計算してギャップ電圧（Ｖｇ）位相角正弦値（ｓｉｎδ）を算出し、界磁電流算出手段７２４に出力する。

図１０は、界磁電流算出手段７２４による計算処理のロジックを示す図である。

界磁電流算出手段７２４は、ポーシェリアクタンスに相応する界磁電流推定手段７２４Ａと、ギャップ電圧に相応する界磁電流推定手段７２４Ｂと、界磁電流推定値算出手段７２４Ｃと、を備える。

図１１は、主発電機２０の誘導電圧と電機子電流に対する界磁電流の無負荷飽和曲線と短絡特性曲線を示す図である。

ポーシェリアクタンスに相応する界磁電流推定手段７２４Ａは、出力電流計測部７８により測定された主発電機電流（Ｉ）とパラメータ設定部７２Ａにより設定されたポーシェリアクタンス（Ｘｐ）との乗算値であるポーシェリアクタンス（Ｘｐ）背後電圧（Ｉ＊Ｘｐ）を入力し、図１１に示す主発電機２０の無負荷飽和曲線に基づいて、ポーシェリアクタンスに相応する界磁電流（Ｉｆｘ）を推定して算出する。

ギャップ電圧に相応する界磁電流推定手段７２４Ｂは、ギャップ電圧算出手段７２２により算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）を入力し、図１１に示す主発電機２０の無負荷飽和曲線に基づいて、ギャップ電圧に相応する界磁電流（Ｉｆｅ）を推定して算出する。

また、界磁電流算出手段７２４は、出力電流計測部７８により測定された主発電機電流（Ｉ）とパラメータ設定部７２Ａにより設定された定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）との乗算値である任意の主発電機電流（Ｉ）時の界磁電流（Ｉ＊Ｉｆｓ）と、ポーシェリアクタンスに相応する界磁電流（Ｉｆｘ）との差である電機子反作用打消界磁電流（Ｉｆａ）を算出する。

そして、界磁電流推定値算出手段７２４Ｃは、ギャップ電圧位相角正弦値算出手段７２３により算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）位相角正弦値（ｓｉｎδ）と、任意の主発電機電流（Ｉ）時の界磁電流（Ｉ＊Ｉｆｓ）とポーシェリアクタンスに相応する界磁電流（Ｉｆｘ）との差として算出された電機子反作用打消界磁電流（Ｉｆａ）と、ギャップ電圧に相応する界磁電流（Ｉｆｅ）とを入力し、次の（式２）に従い、図１２のベクトル図に示すように、界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する。

Ｉｆｅｓｔ＝√（Ｉｆａ^２＋Ｉｆｅ^２＋２Ｉｆａ＊Ｉｆｅ＊ｓｉｎδ） …（式２）
図１２は、ギャップ電圧算出手段７２２によるギャップ電圧（Ｖｇ）の算出処理および界磁電流算出手段７２４による界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）の算出処理のロジックを説明するためのベクトル図である。

こうして界磁電流算出手段７２４により算出された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７は、界磁電流推定手段７２の出力として、過励磁制限機能（ＯＥＬ）７７を構成する判定手段７３に入力される。そして判定手段７３において、入力された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７をリアルタイムに監視し、界磁２１が、過励磁状態にあるか否かを判定する。

判定手段７３により界磁２１が過励磁状態にあると判定されると、過励磁制限手段７４により、界磁電流制御手段７１により出力される制御信号４８が当該過励磁状態を制限する方向に調整され、界磁電流１５の制御が行われる。

（実施形態のまとめ）
従って、実施形態の同期発電機の励磁制御装置を備えた同期発電システム１０によれば、出力電圧計測部７５により測定される主発電機電圧（Ｖ）の出力電圧値４５と、出力電流計測部７８により測定される主発電機電流（Ｉ）の出力電流値４４と、パラメータ設定部７２Ａにより設定されるポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値５２ｄ１と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値５２ｄ２と、主発電機２０の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値５２ｄ３とに基づいて、界磁電流推定手段７２により主発電機２０の界磁２１に流れる界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７を算出する。そして、算出された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７に基づいて、判定手段７３により界磁２１が過励磁状態にあるか否かを判定し、当該判定結果に応じて過励磁制限手段７４により界磁電流制御信号４８を調整する。

これにより、界磁電流を直接測定できないブラシレス励磁装置であっても、界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７を用いて過励磁制限機能を実装することができる。

よって、界磁巻線に対して摺動部分を生じさせる測定機器を用いたり、界磁巻線に直接測定器を取り付けたりする必要なく、界磁電流に基づいた過励磁制限機能を実現することが可能になる。

なお、前記実施形態においてコンピュータシステムＣを用いて構成した自動電圧調整装置（ＡＶＲ）７０は、その一部または全てをＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いて構成することで、界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）４７を算出して界磁電流１５を制御するまでの一連の動作速度を高速化してもよい。

本願発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの構成要件が組み合わされたりしても、発明の解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされたりした構成が発明として抽出され得るものである。

１０…同期発電システム、１２…変圧器、１３…変流器、１５…界磁電流、２０…主発電機、２１…界磁、３０…交流励磁機、４０…回転整流器、４１…回転軸、４２…励磁装置、４４…出力電流値、４５…出力電圧値、４６…目標値、４７…界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）、４８…界磁電流制御信号、５１…ＣＰＵ、５２…記憶部、５２ａ…自動電圧調整プログラム、５２ｂ…界磁電流推定プログラム、５２ｃ…目標電圧記憶エリア、５２ｄ…パラメータ記憶エリア、５３…外部記録媒体、５４…記録媒体読取部、５５…入力部、５６…表示部、６０…永久磁石発電機、７０…自動電圧調整装置（ＡＶＲ）、７１…界磁電流制御手段、７２…界磁電流推定手段、７２Ａ…パラメータ設定部、７２１…力率角算出手段、７２２…ギャップ電圧算出手段、７２２Ａ…ギャップ電圧無効分計算手段、７２２Ａ１…正弦計算手段、７２２Ｂ…ギャップ電圧有効分計算手段、７２２Ｂ１…余弦計算手段、７２２Ｃ…ギャップ電圧計算手段、７２３…ギャップ電圧位相角正弦値算出手段、７２４…界磁電流算出手段、７２４Ａ…ポーシェリアクタンスに相応する界磁電流推定手段、７２４Ｂ…ギャップ電圧に相応する界磁電流推定手段、７２４Ｃ…界磁電流推定値算出手段、７３…過励磁判定手段、７４…過励磁制限手段、７５…出力電圧計測部、７６…電圧設定手段、７７…過励磁制限機能（ＯＥＬ）、７８…出力電流計測部、８０…固定整流器。

Claims (6)

1. 主発電機の出力電圧値と、前記主発電機の出力電流値と、前記主発電機のポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、前記主発電機の電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、前記主発電機の定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値とに基づいて、前記主発電機の界磁に流れる界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する界磁電流推定手段と、
   前記界磁電流推定手段により算出された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）に基づいて、前記界磁が過励磁状態にあるか否かを判定し、過励磁状態にあると判定した場合に、当該過励磁状態を制限する方向に前記界磁に流れる界磁電流の制御信号を調整する過励磁制限手段と、
   を備えた同期発電機の励磁制御装置。
2. 前記主発電機の出力電圧値を測定する出力電圧計測手段と、
   前記主発電機の出力電流値を測定する出力電流計測手段と、
   前記主発電機のポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値とを設定するパラメータ設定手段と、を備え、
   前記界磁電流推定手段は、前記出力電圧計測手段により測定された前記主発電機の出力電圧値と、前記出力電流計測手段により測定された前記主発電機の出力電流値と、前記パラメータ設定手段により設定された前記主発電機のポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値とに基づいて、前記主発電機の界磁に流れる界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する、
   請求項１に記載の同期発電機の励磁制御装置。
3. 前記界磁電流推定手段は、
   前記主発電機の出力電圧値と、前記主発電機の出力電流値とに基づいて力率角（φ）を算出する力率角算出手段と、
   前記力率角算出手段により算出された力率角（φ）と、前記主発電機の出力電圧値と、前記主発電機の出力電流値と、前記ポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値とに基づいて、ギャップ電圧無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）を算出するギャップ電圧無効分計算手段と、
   前記力率角算出手段により算出された力率角（φ）と、前記主発電機の出力電圧値と、前記主発電機の出力電流値と、前記電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値とに基づいて、ギャップ電圧有効分（Ｖｃｏｓφ＋Ｉ＊Ｒａ）を算出するギャップ電圧有効分計算手段と、
   前記ギャップ電圧無効分計算手段により算出されたギャップ電圧無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）と、前記ギャップ電圧有効分計算手段により算出されたギャップ電圧有効分（Ｖｃｏｓφ＋Ｉ＊Ｒａ）とに基づいて、ギャップ電圧（Ｖｇ）を算出するギャップ電圧計算手段と、
   前記ギャップ電圧無効分計算手段により算出されたギャップ電圧無効分（Ｖｓｉｎφ＋Ｉ＊Ｘｐ）と、前記ギャップ電圧計算手段により算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）とに基づいて、ギャップ電圧位相角正弦値（ｓｉｎδ）を算出するギャップ電圧位相角正弦値算出手段と、
   前記ギャップ電圧計算手段により算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）と、前記ギャップ電圧位相角正弦値算出手段により算出されたギャップ電圧位相角正弦値（ｓｉｎδ）とに基づいて、前記界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する界磁電流算出手段と、
   を有する請求項１または請求項２に記載の同期発電機の励磁制御装置。
4. 前記界磁電流算出手段は、
   前記主発電機の出力電流値と、前記ポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値とに基づいて、前記主発電機の無負荷飽和曲線におけるポーシェリアクタンス背後電圧（Ｉ＊Ｘｐ）に対応した界磁電流（Ｉｆｘ）を算出するポーシェリアクタンスに相応する界磁電流推定手段と、
   前記ギャップ電圧計算手段により算出されたギャップ電圧（Ｖｇ）に基づいて、前記主発電機の無負荷飽和曲線における当該ギャップ電圧（Ｖｇ）に対応した界磁電流（Ｉｆｅ）を算出するギャップ電圧に相応する界磁電流推定手段と、
   前記主発電機の出力電流値と前記定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値との乗算値（Ｉ＊Ｉｆｓ）と、前記ポーシェリアクタンスに相応する界磁電流推定手段により算出されたポーシェリアクタンス背後電圧に対応した界磁電流（Ｉｆｘ）との差分である電機子反作用打消界磁電流（Ｉｆａ）を算出する電機子反作用打消界磁電流算出手段と、
   前記ギャップ電圧位相角正弦値算出手段により算出されたギャップ電圧位相角正弦値（ｓｉｎδ）と、電機子反作用打消界磁電流算出手段により算出された電機子反作用打消界磁電流（Ｉｆａ）と、前記ギャップ電圧に相応する界磁電流推定手段により算出されたギャップ電圧に対応した界磁電流（Ｉｆｅ）とに基づいて、前記界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する界磁電流推定値算出手段と、
   を有する請求項３に記載の同期発電機の励磁制御装置。
5. 前記界磁電流推定手段及び前記過励磁制限手段は、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡを用いて構成される請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の同期発電機の励磁制御装置。
6. プロセッサと、メモリとを備え、
   前記メモリは、
   主発電機のポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値とを記憶するパラメータ記憶エリアと、
   前記プロセッサを、
   前記主発電機の出力電圧値と、前記主発電機の出力電流値と、前記主発電機のポーシェリアクタンス（Ｘｐ）の値と、電機子巻線抵抗（Ｒａ）の値と、定格三相短絡界磁電流（Ｉｆｓ）の値とに基づいて、前記主発電機の界磁に流れる界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）を算出する界磁電流推定手段、
   前記界磁電流推定手段により算出された界磁電流推定値（Ｉｆｅｓｔ）に基づいて、前記界磁が過励磁状態にあるか否かを判定し、過励磁状態にあると判定した場合に、当該過励磁状態を制限する方向に前記界磁に流れる界磁電流の制御信号を調整する過励磁制限手段、として機能させるプログラムを記憶するプログラム記憶エリアとを有する、
   同期発電機の励磁制御装置。

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