JP2619099B2 - 可変速運転制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は周波数変換器を用い、巻線形誘導機の二次巻
線に可変周波数の電力を与えて、可変速運転する可変速
運転制御装置に係り、特に二次巻線の過電圧を抑制する
のに好適な可変速運転制御装置に関する。

（従来の技術） 風車、水車、ポンプ水車等の可変速原動機と巻線形誘
導機と可変周波数装置とで構成する可変速運転システム
は風力、落差、揚程に応じて原動機の最適速度、出力で
運転することができることから実用化が計られている
（特開昭57−113971号公報）。

第４図はその可変速運転システムの構成図を示すもの
であり、１は巻線形誘導機で、一次巻線端子U,V,Wと、
二次巻線端子u,v,wを有している。２はこのシステムが
接続される電源母線であり、３は誘導機１の二次巻線
に、可変周波数の電力を与える三相のサイクロコンバー
タである。3AU,3AV,3AWはサイクロコンバータ３の主要
回路である正群、負群のサイリスタが逆並列接続された
各相用サイリスタブリッジである。3Bは各相サイリスタ
ブリッジ3AU,3AV,3AWを保護するための非直線素子であ
る。４は電源母線２に一次巻線側が接続され、各相用サ
イリスタブリッジ3AU,3AV,3AWに二次巻線側が接続され
た電源変圧器である。５はサイクロコンバータ３の制御
回路で、一次電圧検出器（電圧変成器）６および回転検
出器７および電流検出器８より得られる信号により、サ
イクロコンバータ３の出力の電圧及び位相を制御するも
のである。９はサイクロコンバータ３に対して並列に接
続され、整流器ブリッジ9Aとインピーダンス9Bと短絡用
スイッチング手段例えばゲートターンオフサイリスタ
（以下GTOと称する）9Cと過電圧検出器9Dからなる過電
圧抑制回路である。

このような可変速運転システムにおいて、サイクロコ
ンバータ３より誘導機１の二次巻線に供給しなければな
らない電圧は、概略、電源母線電圧と誘導機の巻数比と
すべりの積である。すべりの小さい通常運転時は、この
電圧は電源母線電圧に比べ小さい値であり、サイクロコ
ンバータ３の出力電圧は、それに対応した小さな電圧の
ものに設計できる。

ところが、各相用サイリスタブリッジ3AU,3AV,3AW
は、それぞれ正群、負群のサイリスタが逆並列接続され
ているので、電流の極性が切換わる時一時的にオフする
が、オフしなければ二次巻線に流れるべき電流の変化率
に比例した電圧が、オフした相の二次巻線に誘起され
る。二次巻線に流れるべき電流の周波数f₂は、電源母線
電圧の周波数とすべりＳの積であり、通常運転時は、す
べりが小さいので、周波数f₂は小さく、従って誘起され
る電圧も小さい。

しかし、それはあくまでも誘導機１が通常運転されて
いる場合であり、電源母線電圧が急変した場合は、二次
巻線側からサイクロコンバータ３に異常な電圧が印加さ
れる場合がある。例えば、電源母線２が接続されている
電力系統で、三相短絡が発生し、電源母線電圧がほぼ零
となった場合、誘導機１には初期値が概略次の（１）式
で示される過渡電流i_Tが流れる。

i_T＝（V_A−V_B）/Z …（１） 但し、V_Bは事故前の電源母線電圧、V_Aは事故後の電源
母線電圧、Ｚは誘導機１の過渡インピーダンスである。

この場合、誘導機１の一次巻線に流れる過渡電流i_Tは
直流であるが、二次巻線に流れる過渡電流i_T2は次の
（２）式で示される周波数f₂の電流となり、電源母線電
圧の周波数ｆに近い値となる。

f₂＝（１−Ｓ）ｆ …（２） 但し、Ｓはすべりである。周波数f₂は電源母線電圧の
周波数ｆに近い値であり、通常運転時に二次巻線に流れ
る電流の周波数に比べ大きな値となるので、二次巻線に
過電圧が発生する。この過電圧が規定値を越えると、過
電圧検出器9DからGTO9Cをターンオンさせる信号ｆが出
力され、これによりGTO9Cがオンするので、二次巻線は
整流器ブリッジ9Aとインピーダンス9Bを介して短絡さ
れ、これにより二次巻線に過電圧発生するのが抑制され
る。

（発明が解決しようとする課題） 以上説明した従来の可変速運転システムにおいては、
サイクロコンバータ３の出力電圧は電源母線電圧V_Bと誘
導機の巻数比と通常運転時のすべりＳとの積で設計し、
サイクロコンバータ３と並列に過電圧抑制回路９を設け
ている。過電圧抑制回路９のインピーダンス9Bは最大の
過渡電流が流れてもインピーダンス9Bの両端電圧が規定
値以下になるように小さな値が選ばれる。従って、この
過電圧抑制回路９が動作すると、サイクロコンバータ３
は停止してサイクロコンバータ３に過電流が流れるのを
防止できる。また、過電圧抑制回路９が動作し、サイク
ロコンバータ３が停止した状態で可変速運転システムを
運転し続けると、過電圧抑制回路９を介して誘導機１の
二次巻線に過電流が流れ、また誘導機１の一次巻線にも
過電流が流れて、電力系統に悪影響を及ぼす。

このため、過電圧抑制回路９が動作すると、発電機系
統の遮断器を開いて運転を停止せざるをえない。発電機
系統の運転を継続するために、発電機系統の遮断器を開
かず、電源母線電圧が回復した後、速やかに過電圧抑制
回路９を復帰させようとしても、事故後の過電流が流れ
続けているので、二次巻線に過電圧が発生し、過電圧抑
制回路９を復帰させられない。

つまり、従来の可変速運転システムは、電源母線電圧
が急変した場合には、二次巻線に過電圧が発生するのを
防ぐために、過電圧抑制回路９を動作させると共に、誘
導機１の運転を停止せざるをえない不具合がある。

また、サイクロコンバータ３を活かし、過電圧抑制回
路９に流れる電流を引き取って復帰させたとしても二次
巻線に流れる電流を急変させ、事故復帰後安定化の方向
に向っている系統に再度擾乱を与えることとなる。

本発明は、電力系統事故回復後、スムーズな運転状態
の復元が実現でき、電力系統に対する悪影響を最小限に
抑えて誘導機を継続運転することができる可変速運転制
御装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は前記目的を達成するため、巻線形誘導機の一
次巻線を電力系統に接続し、誘導機の二次巻線に可変周
波数の電力を供給する周波数変換器を接続し、前記二次
巻線に回転子速度と電力系統の周波数とできまる周波数
の電力を与えて前記誘導機を可変速運転する可変速運転
制御装置において、前記二次巻線を短絡するためのスイ
ッチング手段と、このスイッチング手段に流れる電流を
検出する第１の電流検出手段と、前記周波数変換器から
前記二次巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出手
段と、前記誘導機の二次巻線の電圧を検出し、この検出
値が規定値を越えたとき過電圧検出信号を出力する電圧
検出手段と、前記第１および第２の電流検出手段からの
電流を入力すると共に、前記電圧検出手段から過電圧検
出信号が出力されたとき、前記スイッチング手段を動作
させ、また前記過電圧検出信号が生じないとき前記スイ
ッチング手段を不動作とする第１の制御手段と、前記電
圧検出手段からの過電圧検出信号が生じたとき前記第２
の電流検出手段で検出される前記二次巻線に流れる電流
を、前記周波数変換器の電流引取り用の電流指令とする
電流指令作成手段と、前記電力系統の電圧が回復し、か
つ前記電圧検出手段から前記第１の制御手段に対して過
電圧検出信号が生じないときであって、前記スイッチン
グ手段が不動作のとき前記電流指令作成手段からの電流
指令を、通常の電流指令に切り換える切換手段と、この
切換手段により前記電流指令作成手段からの電流指令に
切換えたときの電流指令の急変を防ぐ一次遅れ器と、前
記切換手段により切換えられたとき前記電流指令は、前
記一次遅れ器を通して出力し、前記周波数変換器の電流
指令として前記スイッチング手段の電流を零にするよう
に前記周波数変換器の電流を制御する第２の制御手段と
を設けたことを特徴とするものである。

（作用） 本発明によれば、過電圧抑制回路が動作していても、
電源母線電圧が回復すれば、周波数変換器を生かし、過
電圧抑制回路に流れている電流を零にするように周波数
変換器を制御し、過電圧制御回路に流れている電流が、
規定値以下になれば、過電圧抑制回路が復帰させられ、
その後周波数変換器が通常の制御に戻される。

このとき、電流指令を電流引取り用から通常の制御用
に切り換えられるが、指令値がステップ状に急変しない
ように一次遅れ器が追加されている。

従って、過電圧抑制回路を復帰させる時は、過電圧抑
制回路に流れている電流が小さく、また、周波数変換器
は既に生きているので、二次巻線に過電圧が発生するこ
となく、過電圧抑制回路を復帰させることが出来る。そ
の後、周波数変換器は通常の制御にスムーズに戻され、
一次巻線の電流も通常の状態に突変することなく移行で
きるので、電力系統に対する悪影響を最小限に抑えて誘
導機の運転を継続することができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示す構成図であり、誘導
機１、電源母線２、サイクロコンバータ３、電源変圧器
４、一次電圧検出器（電圧変成器）６、回転検出器７、
電流検出器８の構成は、第４図の従来例と同一構成であ
り、第４図とは異なる点は次の点である。

すなわち、本発明の第１の制御手段を構成する制御回
路11と、電流検出器12を、従来システムに追加し、さら
にサイクロコンバータ３を制御する制御回路（本発明の
第２の制御手段を構成する）50および過電圧抑制回路90
の機能を後述するようにし、また電流指令切換回路13を
設けた点である。

過電圧抑制回路90は、整流器ブリッジ9Aと、整流器イ
ンピーダンス9Bと、短絡用スイッチング手段例えばGTO9
Cと、過電圧検出器9Dとを備えている点は、第４図と同
じであるが、過電圧検出器9Dの出力として、過電圧抑制
回路90が動作していることを示す信号ａが得られるよう
にし、この信号ａを後述する制御回路11に入力させるよ
うにしてある。

第２図は制御回路11および電流指令切換回路13の一例
を示すものである。制御回路11は、電圧監視部11Aと、
電流ベクトル検出器11B、11Cと、状態監視部11Dと、加
算器11E、11Fと、電流監視部11Gと、オフディレイタイ
マ11Hから構成されている。

電圧監視部11Aは、電源母線２の電圧が回復するのを
一次電圧検出器６により検出し、電源母線２の電圧が正
常であることを示す信号ｂを出力するものである。

電流ベクトル検出器11Bは、電流検出器８により検出
されたサイクロコンバータ３の出力電流i_2u,i_2v,i_2wに
基づいてｄ軸電流成分I_2d、ｑ軸電流成分I_2qを検出する
ものである。また、電流ベクトル検出器11Cは電流検出
器12により検出された三相電流i_3u、i_3v,i_3wに基づいて
ｄ軸電流成分I_3d、ｑ軸電流成分I_3qを検出するものであ
る。

電流監視部11Gは、電流ベクトル検出器11Cからのｄ軸
電流成分I_3d、ｑ軸電流成分I_3qを入力し、これに基づい
てGTO9Cをターンオフする信号ｄを出力するものであ
る。

状態監視部11Dは、電圧監視部11Aからの信号ｂと、過
電圧検出器9Dからの信号ａと、電流監視部11Gからの反
転信号ｄ（つまり信号がオフの状態）を入力し、これら
の論理積条件が成立したとき、過電圧抑制回路電流制御
中の状態を示す信号ｃを出力するものである。

加算器11Eは、ｄ軸電流成分I_2dとI_3dを加算して、過
電圧抑制回路電流制御中のｄ軸電流（励磁電流分）指令
値I_dRYを出力するものである。

加算器11Fは、ｑ軸電流成分I_2qとI_3qとを加算して、
過電圧抑制回路電流制御中のｑ軸電流（トルク電流分）
指令値I_qRYを出力するものである。

オフディレイタイマ11Hは状態監視部11Dからの信号ｃ
が入力（オン）されたとき同時に動作し始め、信号ｃが
入力されなくなったとき（オフのとき）からある一定時
間後、後述するバイパススイッチ13Cに動作オフ信号ｅ
を出力するものである。

また、電流指令切換回路13は、電流指令切換スイッチ
13Aと、バイパススイッチ13C,13Dと、一次遅れ器13Bと
からなっている。電流指令切換スイッチ13Aは、加算器1
1Eの出力であるｄ軸電流指令値I_dRYとサイクロコンバー
タの制御回路50からの信号I_dRYのいずれかに切換えるも
のであり、状態監視部11Dからの信号ｃがオンとなった
ときI_dRY側になり、また状態監視部11Dからの信号ｃが
オフとなったときI_dRY側に切換る。バイパススイッチ13
C、13Dは、オフディレイタイマ11Hからの動作オフ信号
ｅがオフとなったとき（ローレベルとなったとき）開路
され、これにより一次遅れ器13B側が接続されないよう
になる。

以上述べた電流指令切換回路13は加算器11Eと制御回
路50の間に接続されたものであり、また、加算器11Fと
制御回路50の間にも同様に電流指令切換回路13が接続さ
れている。

一次遅れ器13Bの出力は、過電圧抑制回路90が動作し
てから過電圧抑制回路電流制御中となるまでは、クリア
されるようになっている。

以上述べた実施例において、電力系統に事故が発生す
ると、事故電流により過電圧抑制回路90が動作し、GTO9
Cがオンするので巻線形誘導機１の二次巻線に過電圧が
発生するのを防止できる。そして、保護リレーにより事
故が除去されると、電源母線２の電圧が、一次電圧検出
器６より検出され、この検出値が正常に回復するのを電
圧監視部11Aが検出し、第３図に示すように、電源母線
２の電圧が正常であることを示す信号ｂが電圧監視部11
Aに入力され、また、電圧監視部11Aには過電圧検出器9D
から過電圧抑制回路90が動作していることを示す信号ａ
が入力されるので、状態監視部11Dから過電圧抑制回路
電流制御中を示す信号ｃが出力される。この信号ｃが出
力されると同時に、オフデイレイタイマ11Hはオンにな
り、信号ｅが出力され、この信号ｅは、信号ｃがオフし
てからある一定時間後オフとなる。なお、一次遅れ器13
Bの出力は、過電圧抑制回路90が動作してから、過電圧
抑制回路電流制御中となるまでの間は、クリアされてい
る。

一方、電流ベクトル検出器11Bには、電流検出器８か
らの三相のサイクロコンバータ出力電流i_2u,i_2v,i_2wが
力され、ここでｄ軸電流成分I_2d、ｑ軸電流成分I_2qが検
出される。また、電流ベクトル検出器11Cは過電圧抑制
回路９の三相電流i_3u、i_3v,i_3wからｄ軸電流成分I_3d、
ｑ軸電流成分I_3qが検出される。従って、加算器11E、11
Fでは、前記I_2d,I_2q,I_3d,I_3qから過電圧抑制回路電流制
御中のｄ軸電流指令値I_dRY、ｑ軸電流指令値I_qRYが出力
される。

この場合、巻線形誘導機１の二次巻線に流れている三
相電流は、サイクロコンバータ出力電流i_2u,i_2v,i
_2wと、過電圧抑制回路90の三相電流i_3u,i_3v,i_3wの和で
あるので、I_dRY,I_qRYは巻線形誘導機１の二次巻線に流
れている電流のｄ軸電流、ｑ軸電流に等しい。

電流指令切換回路13の電流指令切換スイッチ13Aは、
状態監視部11Dからの過電圧抑制回路電流制御中を示す
信号ｃにより、制御回路11の加算器11E、11Fからの電流
引取り用のｄ軸電流指令値I_dRY、電流引取り用のｑ軸電
流指令値I_qRYが選択され、これがバイパススイッチ13C
を介して一次遅れ器13Bに出力される。一次遅れ器13Bか
らは、入力したｄ軸電流指令値I_dRY、ｑ軸電流指令値I
_qRYの一次遅れの信号が出力され、コンバータの制御回
路50は、ｄ軸電流指令値I_dR、ｑ軸電流指令値I_qRとして
受け取る。

従って、サイクロコンバータ３の制御回路50は、サイ
クロコンバータ出力電流が、巻線形誘導機１の二次巻線
に流れている電流に徐々に等しくなるように制御される
ことになる。サイクロコンバータ出力電流が、巻線形誘
導機１の二次巻線に流れている電流に等しくなるに従っ
て、過電圧抑制回路90の電流は小さくなっていく。この
間、過電圧抑制回路90のGTO9Cは動作したままであるの
で、巻線形誘導機１の二次巻線に、過電圧が発生しない
ことは言うまでもない。過電圧抑制回路90の電流が規定
値以下になると、電流監視部11GからGTO9Cをターンオフ
する信号ｄが出力される。このとき、過電圧抑制回路90
の電流がすでに規定値以下になっているので、巻線形誘
導機１の二次巻線には過電圧が発生することなく、GTO9
Cをターンオフすることができる。前記電流監視部11Gか
らの信号ｄにより、状態監視部11Dから出力される過電
圧抑制回路電流制御中を示す信号ｃがリセットされ、こ
れにともなってオフディレイタイマ11Hからの信号ｅも
所定時間後オフとなる。

これにより電流切換スイッチ13Aは、通常のサイクロ
コンバータｄ軸電流指令値I_dRX、ｑ軸電流指令値I_qRXが
選択され、これがバイパススイッチ13Cを介して一次遅
れ器13Bに出力される。一次遅れ器13Bからは、入力した
ｄ軸電流指令値I_dRX、ｑ軸電流指令値I_qRXの一次遅れ信
号が出力され、サイクロコンバータ３の制御回路50は、
第３図に示すようにサイクロコンバータ３のｄ軸電流指
令値I_dR、ｑ軸電流指令値I_qRとして受け取る。これによ
り、サイクロコンバータ３のｄ軸電流指令値I_dR、ｑ軸
電流指令値I_qRは、徐々に通常の指令値に戻り、巻線形
誘導機１の一次巻線に流れる電流も通常の制御状態に移
行していく。

［発明の効果］ 本発明の可変速運転制御装置によれば、電力系統の事
故等で、過電圧抑制回路が動作しても、電源母線電圧が
回復すれば周波数変換器を生かし、二次巻線に過電圧が
発生することなく、過電圧抑制回路を復帰させることが
でき、その後、周波数変換器を通常の制御にスムーズに
戻され、一次巻線の電流も通常の状態に突変することな
く移行できるので、電力系統に対する悪影響を最小限に
抑えて運転を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の可変速運転制御装置の一実施例を示す
構成図、第２図は第１図の過電圧抑制回路の制御回路お
よび電流指令切換回路の一例を示すブロック図、第３図
は第１図および第２図の動作を説明するための図、第４
図は従来の可変速運転制御装置の構成図である。 １……巻線形誘導機、２……電源母線、３……サイクロ
コンバータ、４……電源変圧器、50……サイクロコンバ
ータの制御回路、６……電圧変成器、７……回転検出
器、８……電流検出器、90……過電圧抑制回路、11……
制御回路、12……電流検出器、13……電流指令切換回
路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 寛和 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 影山 隆久 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (72)発明者 柳沢 忠洋 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】巻線形誘導機の一次巻線を電力系統に接続
   し、誘導機の二次巻線に可変周波数の電力を供給する周
   波数変換器を接続し、前記二次巻線に回転子速度と電力
   系統の周波数とできまる周波数の電力を与えて前記誘導
   機を可変速運転する可変速運転制御装置において、 前記二次巻線を短絡するためのスイッチング手段と、 このスイッチング手段に流れる電流を検出する第１の電
   流検出手段と、 前記周波数変換器から前記二次巻線に流れる電流を検出
   する第２の電流検出手段と、 前記誘導機の二次巻線の電圧を検出し、この検出値が規
   定値を越えたとき過電圧検出信号を出力する電圧検出手
   段と、 前記第１および第２の電流検出手段からの電流を入力す
   ると共に、前記電圧検出手段から過電圧検出信号が出力
   されたとき、前記スイッチング手段を動作させ、また前
   記過電圧検出信号が生じないとき前記スイッチング手段
   を不動作とする第１の制御手段と、 前記電圧検出手段からの過電圧検出信号が生じたとき前
   記第２の電流検出手段で検出される前記二次巻線に流れ
   る電流を、前記周波数変換器の電流引取り用の電流指令
   とする電流指定作成手段と、 前記電力系統の電圧が回復し、かつ前記電圧検出手段か
   ら前記第１の制御手段に対して過電圧検出信号が生じな
   いときであって、前記スイッチング手段が不動作のとき
   前記電流指令作成手段からの電流指令を、通常の電流指
   令に切り換える切換手段と、 この切換手段により前記電流指令作成手段からの電流指
   令に切換えたときの電流指令の急変を防ぐ一次遅れ器
   と、 前記切換手段により切換えられたとき前記電流指令は、
   前記一次遅れ器を通して出力し、前記周波数変換器の電
   流指令として前記スイッチング手段の電流を零にするよ
   うに前記周波数変換器の電流を制御する第２の制御手段
   とを設けたことを特徴とする可変速運転制御装置。