JP2724222B2 - 発電電動機の制御装置 - Google Patents

発電電動機の制御装置

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JP2724222B2 JP1279840A JP27984089A JP2724222B2 JP 2724222 B2 JP2724222 B2 JP 2724222B2 JP 1279840 A JP1279840 A JP 1279840A JP 27984089 A JP27984089 A JP 27984089A JP 2724222 B2 JP2724222 B2 JP 2724222B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は揚水始動時揚水ポンプを駆動する電動機とし
て運転される発電電動機に接続され、PWM制御方式のイ
ンバータにより発電電動機を交流励磁して可変速制御す
る制御装置に関する。
(従来の技術) 揚水発電設備において、巻線形回転子を持つ発電電動
機を揚水ポンプを駆動する電動機として運転する場合、
交流電源系統からの交流をコンバータにより直に変換
し、その直流出力をPWM制御方式のインバータにより可
変周波数の交流に変換し巻線形回転子を二次励磁して発
電電動機を可変速制御するようにしている。
第4図はかかる揚水発電設備における発電電動機を励
磁する主回路の構成例を示すものである。第4図におい
て、1は巻線形回転子を持つ発電電動機で、この発電電
動機1の回転子はしゃ断器2を介して図示しない交流電
源系統に接続されている。また、3は交流電源系統より
電源変圧器4を介して必要な大きさの交流電圧が入力さ
れると、これを直流に交換するコンバータ、5はこのコ
ンバータ3により変換された直流が平滑コンデンサ6を
通して入力される正弦波PWM制御方式のインバータで、
このインバータ5は直流を可変周波数の交流に変換して
発電電動機1の回転子を二次励磁するものである。さら
に、7は発電電動機1を揚水ポンプを駆動する電動機と
して始動するとき、発電電動機1の固定子を短絡するあ
めの断路器である。
このような構成の発電電動機の励磁システムにおい
て、揚水始動時にはしゃ断器2を開放し、段路器7を閉
じて一次側を短絡した状態でインバータからの可変周波
数の交流励磁電流を二次側に与え、発電電動機1をかご
形誘導電動機として始動する。また、通常の揚水運転時
にはしゃ断器2を閉じ、断路器7を開放した状態で発電
電動機1の固定子、すなわち一次側に系統周波数の電圧
が与えられ、また回転子、すなわち二次側にはインバー
タ5より運転速度に相当する周波数と系統周波数の差の
周波数の交流励磁電流が与えられることにより、発電電
動機1は可変速運転される。
ところで、コンバータ3より入力される直流を可変周
波数の交流に変換して発電電動機1の二次側を励磁する
正弦波PWM制御方式のインバータ5は例えば第5図に示
すような回路の変換器を構成しており、この変換器は第
6図に示すような制御装置において制御される。但し、
実際には三相回路であるが、第5図および第6図におい
ては、説明の便宜上単相回路で示してある。
インバータ5は第5図に示すようにGTO素子G1〜G4
ダイオードD1〜D4をブリッジ接続して構成されている。
また、制御装置は第6図に示すようにインバータ出力
電流基準(瞬時値)IS とインバータ出力電流(瞬時
値)ISとの偏差を電流制御器11に与えて目標値電圧eiを
得ている。そして、この目標値電圧eiと三角搬送波発生
器12から発生する三角搬送波とを比較してその偏差をゲ
ートパルス発生器13−1,13−2に入力してゲートパルス
を発生させるようにしている。
ここで、インバータ5の制御動作について第7図に示
すタイムチャートを参照しながら述べる。
交流出力の目標値電圧eiと三角搬送波X,Yとを比較し
てGTO素子をオン、オフし、一定の直流電圧VDから波高
値VDのパルスを作る。その結果、交流出力の目標値電圧
eiの瞬時値の高いところではパルスの幅が広くなり、目
標値電圧eiの瞬時値の低いところではパルスの幅が狭く
なる。このパルスの平均電圧波形V1は目標値電圧波形と
等しくなる。このような制御原理により直流電圧を一定
の周波数でスイッチングしてパルス幅を変化させること
により、正弦波パルス幅変調(PWM)によりインバータ
5を制御することができる。
(発明が解決しようとする課題) このように揚水発電設備における発電電動機1を揚水
ポンプを駆動する電動機として始動し、運転する場合に
はインバータ5を前述した制御装置でPWM制御して正弦
波交流を得、これを発電電動機1の二次側に与えて可変
速制御するようにしている。しかし、かかる従来の発電
電動機の制御装置において、発電電動機をかご形誘導電
動機として始動する場合、インバータの容量が発電電動
機の容量に比べて十分に大きい場合には同期速度付近ま
で発電電動機を始動することが可能であるが、可辺速運
転の速度幅が狭い場合には次のような理由によりインバ
ータの容量が小さいものとなり、発電電動機を同期速度
付近まで始動することが不可能なことがある。
誘導電動機の最大発生トルク(始動トルク)は、概略
次の式(一次側換算式)で表わされる。
T=[(E2・a/E1)/n]2/2X …(1) ここで、E1:発電電動機の一次電圧、E2:発電電動機の
二次電圧、a:巻数比(一次側巻線/二次側巻線)、n:速
度(速度/同期速度)、X:発電電動機のインピーダンス 従って、上記(1)式より分るようにインバータの出
力電圧、すなわち発電電動機の二次電圧が一定の場合、
速度が上昇するに連れて始動トルクは減少する。もし、
加速中に反抗トルクが始動トルクに達するとそれ以上の
加速を行なうことはできない。
また、最大二次電圧は、 E2=(E1/a)・s …(2) s:通常運転時のすべりの最大値 なので、(1)式は次のように表わすこともできる。
T=(s/n)2/2X …(3) このことは通常運転時のすべりの最大値が小さいほ
ど、すなわちインバータの容量が小さいほど最大始動ト
ルクは小さいことを意味する。
さらに、発電電動機の二次電圧E2はインバータの出力
電圧に等しいので、始動トルクはインバータの出力電圧
の2乗に比例するが、インバータの出力線間電圧(実効
値)V1は直流リンク電圧VDDに対して次の式で表され
る。
ここで、kはPWM制御を行なうこと等による電圧低下
係数であり、主にインバータブリッジ内の上下アームが
同時にオフする期間による電圧低下を示すものである。
上下のアームが同時にオンするのを避けるため、このk
としては最大で0.7〜0.8程度の値となる。従って、イン
バータの出力線間電圧(実効値)V1は最大で0.4〜0.5VD
程度の値になってしまう。
本発明の発電電動機を始動することが不可能な小容量
のPWM制御方式のインバータでも発電電動機を同期速度
付近まで始動することができる発電電動機の制御装置を
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) 本発明は上記の目的を達成するため、揚水始動時揚水
ポンプを駆動する電動機として運転される発電電動機に
接続され、交流電源系統からの交流を直流に変換するコ
ンバータおよびその直流出力を可変周波数の交流に変換
するPWM制御方式のインバータにより前記発電電動機を
交流励磁して可変速制御する制御装置において、前記発
電電動機を電動機といて始動するとき前記PWM制御方式
によりインバータを制御し、次に配電電動機が予め定め
られた速度まで上昇した時点で前記インバータにPWM制
御方式による最大出力電圧よりも高い実効値の出力電圧
を発生させるパルス幅の制御信号により前記インバータ
を制御し、その後通常運転時に前記PWM制御方式により
インバータを制御する制御手段を備えた構成とするもの
である。
(作用) このような構成の発電電動機の制御装置にあっては、
発電電動機を揚水ポンプを駆動する電動機として始動す
るときPWM制御方式によりインバータを制御し、発電電
動機が予め定められた速度まで上昇した時点でインバー
タにPWM制御方式による最大出力電圧よりも高い実効値
の出力電圧を発生させるパルス幅の制御信号によりイン
バータを制御することにより、始動トルクがインバータ
の出力電圧の2乗に比例するので、PWM制御を行うとき
よりも大きな始動トルクが得られ、PWM制御では始動で
きない場合でも確実に発電電動機を始動することが可能
となる。また、通常運転時にはPWM制御方式によりイン
バータを制御するようにしているので、交流電源系統へ
の高調波の影響が殆どなくなる。
(実施例) 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明による揚水発電設備における発電電動
機の制御装置の構成例を示すブロック図であり、第6図
と同一部分には同一記号を付してその説明を省略し、こ
こでは異なる点についてのみ述べる。本実施例では第1
図に示すようにPWM制御系とは別個に周波数設定器14か
ら入力される周波数指令値に応じた周波数のパルス信号
を発生する可変周波発振器15を設け、発電電動機の始動
時にこの可変周波発振器15から出力されるパルス信号を
切換スイッチ16を通してゲートパルス発生器13−1,13−
2に与えるようにしたものである。
次に作用について述べるに、まずゲートパルス発生器
13−1,13−2が切換スイッチ16によりPWM制御系側に接
続されている状態で発電発電器を揚水ポンプを駆動する
かご形誘導電動機として始動する。このときインバータ
5は従来例で述べたようなPWM制御によりかご形誘導電
動機の回転子が励磁される。次にかご形誘導電動機が予
定の速度まで上昇した時点でゲートパルス発振器13−1,
13−2の入力を切換スンイッチ16によりPWM制御系側か
ら可変周波発振器15側に切換える。すると、可変周波発
振器15から発生する周波数指令値による周波数のルス信
号が切換スイッチ16を通してゲートパルス発生器13−1,
13−2にそれぞれ与えられる。このゲートパルス発生器
13−1,13−2では可変周波発振器15から入力されるパル
ス信号に合わせて発生するゲートパルスが第5図に示す
インバータ5のGTO素子G1,G2とG3,G4とに与えられる。
この場合、ゲートパルス発生器13−1,13−2からインバ
ータ5の各GTO素子に与えられるゲートパルスはPWM制御
方式による最大出力電圧よりも高い実効値の出力電圧を
発生させるに必要なパルス幅に設定されている。これに
よりインバータ5の各GTO素子は第2図に示すようにオ
ン、オフ制御され、インバータ5の出力電流は方形波に
なる。このときのインバータ5の出力線間電圧(実効
値)V1は直流リンク電圧VDに対して次の式で表される。
従って、上記(5)式から分るように方形波を出力す
るときの電圧(実効値)は、(4)式に示す正弦波PWM
制御を行なうときよりも高く、これを発電電動機の揚水
始動に用いれば始動トルクが増加する。すなわち、揚水
始動時には第4図で説明したように発電電動機1の一次
側が短絡し、二次側にその方形波電圧を与えることによ
って、正弦波PWM制御ではトルクが不足して始動できな
い場合でも始動することができる。
第3図(a)は正弦波PWM制御で始動する場合、第3
図(b)は途中から方形波電圧に切換えて始動する場合
のそれぞれの加速例を示すものである。第3図(a),
(b)を対比すれば明らかなように、途中で方形波制御
に切換えた方が遥かに加速度が大きいことが分かる。
なお、低速のうちに方形波制御を行なうとトルクリッ
プルによって加速が乱調になるが、速度がある程度上昇
してから方形波制御を行うことにより、回転子の慣性に
よりトルクリップルの影響はほとんどない。逆に低速の
うちは正弦波PWM制御でも大きな加速トルクが得られ、
発電電動機、揚水ポンプの反抗トルクが小さいので方形
波制御を行なう必要がない。
また、もし通常の運転で方形波制御を行なうとすれ
ば、交流電源系統への高調波の影響が問題になるが、第
3図で述べたように始動中はしゃ断旗を開いているの
で、交流電源系統へ高調波が流出することはない。
上記実施例では回転子巻線を持つ発電電動機をPWM制
御方式のインバータにより交流二次励磁する場合につい
て述べたが、従来の同期発電電動機において揚水始動時
に固定子にPWM制御方式のインバータを接続して制御す
る場合にも前述同様に適用実施できるものである。
また、上記実施例では可変周波パルス発生器15から方
形波パルスを発生させてゲートパルス発生器13−1,13−
2に与えるようにしたが、インバータ出力電流目標値
(瞬時値)IS を始動時にある一定値として与えるよう
にしてもよい。このようにすれば、始動加速中にトルク
が低下し実際のインバータ出力電流が下がって目標値IS
との偏差が増大すると、第7図に示す交流出力の目標
値電圧eiの振幅が参画搬送波X,Yの振幅より大きくな
り、連続通電の幅がだんだん大きくなって、ついには方
形波を出力するので、この方形波をゲートパルス発生器
13−1,13−2に与えることにより、前述同様の作用効果
を得ることができる。
[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、従来では発電電動
機を始動することが不可能であった小容量のPWM制御方
式のインバータでも発電電動機を同期速度付近まで始動
することができ、また加速に対するトルクリップルの影
響も少なく、しかも交流電源系統へ高調波の影響を与え
ることもない発電電動機の制御装置を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による発電電動機の制御装置の一実施例
を示すブロック図、第2図は同実施例の作用を説明する
ためのタイムチャート、第3図は正弦波PWM制御と方形
波制御を実施した場合の発電電動機の加速状態を比較し
て示す特性図、第4図は揚水始動時に発電電動機を励磁
する主回路を示す構成図、第5図は第4図のインバータ
を示す回路図、第6図は正弦波PWM制御インバータの制
御装置を示すブロック図、第7図は同制御装置の動作原
理を説明するためのタイムチャートである。 1……発電電動機、2……しゃ断器、3……コンバー
タ、4……電源変圧器、5……インバータ、6……平滑
コンデンサ、7……断路器、11……電流制御器、12……
三角搬送波発生器、13−1,13−2……ゲートパルス発生
器、14……周波数設定器、15……可変周波パルス発生
器、16……切換スイッチ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 充幸 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 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 菅原 良二 東京都中央区銀座6丁目15番1号 電源 開発株式会社内 (72)発明者 小田 誠司 東京都中央区銀座6丁目15番1号 電源 開発株式会社内 (72)発明者 小林 雅一 東京都中央区銀座6丁目15番1号 電源 開発株式会社内 (72)発明者 加藤 真敏 東京都港区芝浦1丁目1番1号 株式会 社東芝本社事務所内 (56)参考文献 特開 昭63−64585(JP,A) 特開 昭61−269686(JP,A) 特開 昭62−16088(JP,A) 実開 昭55−109397(JP,U) 実開 昭60−129894(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】揚水始動時揚水ポンプを駆動する電動機と
    して運転される発電電動機に接続され、交流電源系統か
    らの交流を直流に変換するコンバータおよびその直流出
    力を可変周波数の交流に変換するPWM制御方式のインバ
    ータにより前記発電電動機を交流励磁して可変速制御す
    る制御装置において、 前記発電電動機を電動機として始動するとき前記PWM制
    御方式によりインバータを制御し、次に発電電動機が予
    め定められた速度まで上昇した時点で前記インバータに
    PWM制御方式による最大出力電圧よりも高い実効値の出
    力電圧を発生させるパルス幅の制御信号により前記イン
    バータを制御し、その後通常運転時に前記PWM制御方式
    によりインバータを制御する制御手段を備えたことを特
    徴とする発電電動機の制御装置。
JP1279840A 1989-10-30 1989-10-30 発電電動機の制御装置 Expired - Lifetime JP2724222B2 (ja)

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