JP3897365B2 - 非同期発電機の交流接続方法及びそれに使用する電気的接続 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、非同期発電機(asynchronous generator)の交流接続方法(procedure;手順)と、この方法に使用する電気的接続に関する。この方法は請求の範囲第１項の導入部分「サイリスタ又は同種の可変（調整可能な）接続素子に基づく多相交流電圧ネットワーク上の多相発電機の接続方法」により更に詳しく説明され、その接続は請求の範囲第５項の導入部分「ある種の相導体中で、その固有のサイリスタ全体に並設された二組の対向発光ダイオードによる電子回路を設けた前記接続方法を解除するための電気接続方式」に記載の方法とすることができる。
背景技術
非同期モーター（asynchronous motor）を同期軌道数（synchronous orbitalnumber）以下で駆動させる場合、モーターは誘導機械的軸(induced mechanic axle)の出力を電気力に伝える発電機として働く。このモーターはここで非同期発電機として、交流電圧ネットワークに接続するものとすると、発生電流は上記の様に送られる。この特徴は現行の風力タービン及び同類の確率的エネルギー源(stochastic energy source)利用のためのエネルギーシステムに利用され、発電機運転用に特に開発された非同期機械装置を、この目的に使用することが注目されている。
特に風力タービン(wind turbine)については、ネットワークへの接続には風の不安定な性状から、大きな困難が予測される。風速を別に制御できる運転要素で調整できるものとすると、風力タービンのローターが同期発電機の軌道数に見合う速度でのみ回転するまで、風力を緩慢に高めることはできるであろう。位相(phase)を同期調整する場合、ネットワークとの接続は、タービン装置中（つまり、ローター、ギヤ及び発電機）ネットワーク上にパルスを生ずること無く、又はトルク変換(torque transition)を含めずに、リレー又は同類の単一電気接触装置を使って行なうことができる。しかし実際はそれほど簡単にはいかない。
実際には、当然風の変動速度と、その非定常で計算できぬ性質を考慮に入れなければならない。風力タービンにあっては、特に早い風とこの場合のエネルギー量が極めて早く変動し得るのは重要な問題点である。このため、強力な突風の際に風力タービンのローターが、短時間で同期軌道数以下で速度を速めて回転することができ、またこのため発電機が無負荷になった時にこの無負荷状態から操作し始めた場合、同期速度を経過するか又は風力タービンが停止する時点で、ネットワークへの発電機接続が行なわれるべきである。ここで「緩やかな(soft)」接続を行ない、この接続過程でネットワークの歓迎できない大きなパルスと、ローターのトルクパルスに備える必要がある。これについては、その接続時点で発電機とネットワークとの間での電力の伝わりが、最低パワーから完全に接続パワーに達するまで漸増する必要があることを意味している。しかし、タービン廻りの力学的条件(dynamic condition)がこれを必要とする場合、つまり風力タービンが記載のごとく強い突風に曝される場合、前記要請と迅速にネットワークに発電機を接続する要請とは矛盾してくる。実際にはその折衷策を取るべきで、この場合には調整された接続期間に発電機を接続し、その効果がネットワーク上で一部は風力タービンの構成上、例えばギヤ及びローター軸のトルクの負荷及び、屈曲部の風に与える影響等が許容し得る限度内にあるようにする。このため、電気接続及び発電機の接続及び制御の方式(principal;原理)の異なるタイプのものが開発されている。
既存の接続に見られる接続調整の基本は、例えば発生する発電機電圧の測定方法にある。ここで発電機電圧と発電機電流の強さとは多数の要素に影響されるため、間接測定に基づく接続の調整が問題とされる。このため異なる操作条件のもとでは、特に接続の期間中、ネットワーク及びタービン間に遷移モーメント(moment transition)を生ずること無く、正確な調整を実施することはできない。この種の調整に当って、モーメントの変換が維持し難いことが知られている。また、このことからネットワーク内にはその保有者の行なう限度内のパルスが見受けられる。特に通常の発電機出力に比例した発電効果が低い場合、モーメント変換を低めることは困難である。
以下に記載の電気接続は、米特許第4,656,413号の明細書から知られるサイリスタ又は同類の可変、調整可能の接続素子を使ってネットワークとの接続が試されている。サイリスタの開口角(aperture angle)は、ここでは接続度を指すが、発電機電圧及び発電機電流を測定することにより制御される。この他については発電機の回転数の安全な限界を測定するために、積算回転計(revolution counter)を使って求めており、装置には更に風速を測る装置が付属している。風速が固定レベル以下の場合、ネットワーク及び発電機間の電気接続は切っておく。実際には、この接続と操作手段とから、固有消費率(own consumption)は４〜８％以下となることは無い。特に非同期発電機が励磁(excitation)される場合は然りである。風力タービンが微風のポジションにある場合、即ちタービンをネットワークに接続し、発電機が最低の電力のみを生ずる場合、その固有消費率が発電機で発生できる最大効果の４〜８％を依然示し続ける。これは経済的に見て受入れられぬのは明らかである。更にこの他、電気接続による調整方法が示され、この場合微風操作に従って発電機の接続は切られ、ネットワークが発電機をモーターとして使用せぬようにする。この結果、その操作状態中では接続と切離しとが反復される。接続に当っては全てローター装置への望ましくないトルク衝撃(torque impact)及びネットワークへのパルス影響が伴ってくる。
予め作成したプログラムによるサイリスタ開口角の漸増(ramp;ランプ)、及びこの結果の非同期循環数(asynchronous circulation number)の非同期発電機の通過の際に見られる、ネットワーク上への接続度の漸増に関わらず、接続操作時点にはそのシステムには好ましくない極めて大きいパルスが認められる。このパルスの最も簡単な説明としては、機械装置がモーターの回転から発電機の作動に切り替わる場合、つまり同期回転数(asynchronous circulation number)を経る際に、非同期機械の位相角(phase angle)ψが著増するということである。位相角ψは効果的なサイリスタの解放時間に影響し、この結果（サイリスタの開口角が変わらないとして）位相角ψが増大すると開口時間も増すことになる。このことはサイリスタの開口角の漸増だけでは、パルスの無い「緩やか」な接続操作は得られぬことを意味している。一般的な言い方からすると、同期回転数付近の短い回転間隔(narrow rotation interval)では、サイリスタの接続はそれ自体の増加性(self-increasing)を示すと言える。幾つかの操作パラメータの内、意図したアンペア数の限度が接続プロセスの間及びこの直後に達成される場合、プロセス操作時点で位相角ψの変化に考慮を払う如き、一層有効なサイリスタの制御が必要とされる。
接続の強度を望む考え方は、タービンの構成についての技術条件に限られるばかりで無く、トルク衝撃が限られている場合、歯車及び羽根等の機械的使用時間の延長にあることをここで考えると、現在、幾つかのネットワーク所有者は、接続した風力装置の電流と、最大接続アンペア数に対する固有の要請とが見合うことにを望んでいる。本発明の目的は、上述の要請に適合する接続方式及び接続を提供することにある。
発明の開示
請求の範囲第１項の特徴部分で記載し、請求の範囲第５項に記載の電気接続の利用の実施例のプロセスを選定することにより、同期回転数を経る際と経過後の発電機のアンペア数の調整限度を示すことができる調整可能な接続が得られる。サイリスタの接続度(connecting degree)は、全接続期間を通じイグニッションポイント(ignition point)（サイリスタの開口角)をコントロールして連続的に調整する。何れにしてもイグニッションポイントは特に位相角ψを基準に計算されるが、更に別途操作パラメータも計算中に折り込むことができ、とりわけ発電機の回転数、発電機の加速度及び形成アンペア数がこれに含まれる。発明によれば、計算は請求の範囲第５項に従いマイクロプロセッサ型コンピュータにインストールされたアルゴリズム(algorithm)を使って行なうことができる。問題の発電機の主なる特徴は発電機用パラメター群としてコンピュータにインストールすることができ、この結果全ての発電機タイプに対し特殊のアルゴリズムを試みる必要も無い。
請求の範囲第１項の導入部分に基づき発電機の位相角ψを決めるようにするために、問題の位相中にサイリスタの電流のゼロ循環(zero circulation)ポイントを見出す必要がある。本発明によればゼロ循環の測定は請求の範囲第２項で示すごとく、サイリスタについて有効に全電圧を間接測定して得ることができる。請求の範囲第５項に記載のゼロ循環の検出用として、光接続方式(optoconnection principle)を用いて、ゼロ循環時間を精密正確に測定でき、これにより位相角ψも決定される。光接続方式により過渡現象(transient)及び電気又は電磁気雑音(electromagnetic noise)に全く影響されずに、ゼロ循環点の識別ができる。電流、電圧及び対象相中のゼロ循環の測定結果を指定コンピュータ（又は使用する場合はアナログ回路）の送り込み、ここで位相角に基づきサイリスタのイグニッションポイントを計算する。調整を行なった結果、サイリスタから得られる接続度は位相角に記録される変動に関係無く、接続方法を通じて制御速度の増大が見られ、言わば主要事項として位相角ψが増大傾向を示す際には、サイリスタの開口角は低減している。調整の際には発電機により得られるアンペア数が同期回転数を経る際と、経過後に見られる最大値を越さぬように先ず第一に配慮すべきである。明確な理由からこれはトルクの衝撃を伴わない発電機のソフトで周到な接続を意味しており、言い替えれば本発明による接続により、歯車、ローター軸、羽根及び他の必要機械構成体の使用期間が、最良条件で極力延長されることを意味している。
【図面の簡単な説明】
発明は更に図面に基づき詳述することができる。
第１図は発明による電気接続を示す図であり、
第２図は曲線で示した電流、位相角、及びサイリスタの開口角のための接続時間（同期軌道数）の経過を例示する図であり、
第３図は同期循環数廻りの狭い区間で示した、同一曲線の拡大部分を表す図である。
発明を実施するための最良の形態
第１図で示す非同期風力タービン発電機１及び三相交流電圧ネットワーク２間の一例としての電気接続方法は、サイリスタ電池組込形式のものを表し、この組は合計６個の単一サイリスタ４からなる。このサイリスタ群をその固有コンダクターＲ，Ｓ，Ｔに二組ずつ取付け、各相中の二組のサイリスタを独立に並列に対向接続としている。なおサイリスタは従来方式で全交流期間を通じ、その固有の１／２周期に開くことにより操作され、この時点でサイリスタ全期間の開口角(complete aperture angle)のもとにイグニッションされる。サイリスタのみが一部イグニッションされると、即ち１８０°以下の開口角と効果的な開口時間のもとでイグニッションされると、これにより接続度は対応して低減される筈である。この特性を用いて前記の接続を調整する。
なお、この電気接続方法には位相角ψを測定する測定循環回路(measuringcirculation)５と、サイリスタ４向けにイグニッションインパルスを発生させるイグニッション循環回路(ignition circulation)６が含まれる。この目的のためイグニッション循環回路６の装置容量には計算とデータ処理装置が内蔵され、これにより多種の測定操作パラメータ、とりわけ位相角ψ及び発生アンペア数、及び固定取付け装置のデータ、例えば発電機のデータセットの基づくイグニッションポイント、即ち適切なアルゴリズム操作により開口角を計算している。
測定循環回路５は新しい光学方式に基づくもので、それぞれの単一サイリスタの電流ゼロの循環は、サイリスタ上に平行接続した発光ダイオードにより検出され、この一組と同じ誘導方向を有している。発光ダイオードは約７０Ｖの電圧でイグニッションされ、即ちサイリスタがオンの場合この発光ダイオードはオフを示し、サイリスタの電圧が７０Ｖ以上の時、即ちサイリスタがブロック(block)されていると、発光ダイオードはイグニッションする。電流がゼロを通過する場合、サイリスタは常にブロック状態(blocked condition)にあるため、このイグニッションポイントは発光ダイオードにより常時検知され、発光ダイオードの同時点滅（即ち検出可能であることを光で告知する）で表示される。しかし発光ダイオードはサイリスタの電圧が７０Ｖ以上に増大を示した以前にはイグニッションせず、即ちある程度の遅れを示す。時間間隔については、このオフセットは実質上それほど重要で無い。計算の際位相角は発光ダイオードのオフセットに対して調整することができる。
発光ダイオード７はその対向側に設けた光検波器(photo demodulator)８を使って探索される。これに替えて適当な光接続(opto-connecting)を、発光ダイオード／光検波器の組込装置７，８の代替として使っても良い。発光ダイオードの光放出に当って、光検波器は光サイクル６に向けて一種の信号を与える。光サイクルはそれぞれの位相Ｔから更に電圧信号Ｕｆを受け入れ、この信号を使って電圧及び位相のゼロ通過が検出される。電力ゼロ通過及び電圧ゼロ通過のそれぞれの両時間値を基準として、位相角ψが決定される。測定システムは単純かつ（厳密に）正確なものとして認定され、この装置は同時に電気過渡現象によって影響されない。
第２図と第３図はサイリスタ−イグナイトロン角(thyristor-ignition angle)が、接続期間に通じて位相角ψを関数として、如何に調整し得るかを例示したものである。この他に本明細書の序文の部で述べた調整方式(adjustmentprinciple)の説明を参照すると良い。その内容は第３図の曲線上に示されており、方式としてはサイリスタの開口角は、位相角ψが増大し続けると低減してくる。
発明は提示した図面及び上記の記載内容に限定されることは無い。その接続方法がここに説明した他の分野にも使用の増大が見込まれることから、この発明の範囲内で別途接続組合せ、別途詳細設計及び単一部材についての別途構成体等が見込まれる。その一例としては更に、同期以上及び同期以下の軌道数のもとで、この接続方法を非同期発電機の結線に利用できる。

Claims (5)

1. サイリスタ又は同種の可変（調整可能な）接続素子に基づく多相交流電圧ネットワーク上の多相発電機の接続方法であって、前記接続には調整可能な電気接続を利用し、接続素子の接続度は制御された接続期間を通じて変え得るものとし、前記接続度はネットワーク上への緩やかな接続と、その接続期間中のアンペア数の最大限度とを考慮して操作され、プロセスは更に、前記接続期間の全体を通じて前記発電機の位相角ψの連続測定を行なうことからなり、サイリスタの場合は、前記位相角測定に基づいて前記接続素子の開口角の連続調整を行い、前記発電機の継続負荷接続がネットワーク上で緩やかな接続として達成されており、前記プロセスにおいては、相電圧のゼロ通過時間を記録すること及びそれぞれの前記サイリスタの電力−ゼロ通過期間の同時に検出することにる前記発電機の位相角を測定するための方法が含まれ、両期間の内の差が各相の前記位相角ψを示し、前記サイリスタのイグニッション時間に前記位相角ψを適応させ、この結果サイリスタの接続度は、前記接続期間を通じて位相角内における記録された変動に関係なく前記位相角ψが増大を続ける場合、原則的に前記サイリスタの開口角が低減し、調整に際して、発電機により生ずるアンペア数が、同期回転数を経過する際とその通過後に一定最大値を越さないように調整することを特徴とする接続方法。
2. 前記サイリスタの電力ゼロ通過ポイントの検出が、前記サイリスタの電圧測定により試されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の接続方法。
3. 前記接続部材のコントロール操作で、電子回路内における、前記サイリスタの場合のイグニッションポイントである、アルゴリズムの開始と、問題となる非同期発電機に対して特定され、及び計算及び／又は経験的に求められる別途関連の計算要素について、記録した位相角ψを基準に、前記アルゴリズムが、イグニッションポイントを計算することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の接続方法。
4. 公知のＰＤ制御動作又はＰＩＤ制御動作方式において、位相角検出を基準に前記接続度の方法と組み合わせた、発電機の従来方式のコントロールを行い、前記発電機の発生アンペア数は一次調整要素としての部分を形成し、かつ前記発電機の周波数及び加速度についての考慮が示されることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の接続方法。
5. ある種の相導体中で、その固有のサイリスタ全体に並設された二組の対向発光ダイオードによる電子回路を設けた前記接続方法を解除するための電気接続方式であって、前記サイリスタ全体に亘り電圧のかかるそれぞれのサイリスタがオフの場合、単一発光ダイオードはオン操作を示し、前記サイリスタがオンの場合オフ操作を示し、前記全ての発光ダイオードに対し、オプト−カプラー、光検出器、又は同種の活性化光学器具を取付け、前記発光ダイオードのライティングポイントの検出用として用いて、サイリスタの消弧時点としての前記サイリスタの電力ゼロ通過を正しく示し、かつ請求の範囲第２項によって問題とされる位相中の電力及び前記電圧間の前記位相角ψの測定部分を構成し、上記電気接続方式は各相中に接続した並設の二組の対向サイリスタにより、電子イグニッション回路を形成し、この回路にはマイクロプロセッサ型のコンピュータ形態の、計算及びデータ処理施設を含み、ライティングポイントを計算で求め、これに替えて同一機能を備えたアナログ調整回路と、電子測定回路を設けて前記位相角を求めるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、又は第４項に記載の接続方法解除用の電気接続方式。

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