JP4022768B2 - 同期発電機の自動電圧調整器 - Google Patents

Description

本発明は、同期発電機の出力電圧を所望の電圧に自動制御する同期発電機の自動電圧調整器に関する。

従来の同期発電機の自動電圧調整器は特許文献１や特許文献２に開示されている。かかる同期発電機の一例としてブラシレス同期発電機を用いた場合を図５を参照して説明する。
同図において、１はブラシレス同期発電機、２は変圧器、３及び５はダイオード、４はスイッチング素子、６は電圧検出器、７は電圧指令信号発生器、１０１は減算器、１０２は演算増幅器、１０はパルス幅変調器、１１はスイッチング素子４のドライブ回路である。

図に示すように、変圧器２は１次側が発電機の出力端子に接続され、発電機出力電圧を降圧し、ダイオード３とスイッチング素子４を介して同期発電機の界磁巻線へ界磁電流を供給する。ダイオード３は変圧器２の２次側電圧を整流する。スイッチング素子４はドライブ回路１１によりオン／オフ駆動され、界磁巻線に印加される電圧をオン／オフする。ダイオード５はスイッチング素子４がオフしている期間に発電機の界磁巻線に流れる電流を還流させる。電圧検出器６は発電機端子電圧を検出して電圧検出信号を出力し、電圧指令信号発生器７は発電機端子電圧を所望の電圧とするための電圧指令信号を出力し、減算器１０１は前記電圧指令信号から電圧検出信号を減算して誤差信号を出力する。演算増幅器１０２は減算器１０１の出力する誤差信号を増幅し且つ発電機の特性を補償し、発電機１の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する。パルス幅変調器１０は演算増幅器１０２の出力する制御信号に比例したオン期間のパルス信号を出力する。ドライブ回路１１はパルス幅変調器１０の出力するパルス信号に従ってスイッチング素子４をオン／オフ駆動する。

以上のような構成の同期発電機の自動電圧調整器は、負荷量の変動により同期発電機の出力電圧が変動した場合においても自動的に同期発電機の界磁巻線に流れる界磁電流を調整するので、同期発電機の出力電圧を所望の電圧に制御することができる。
特許第２６９０２１７号 特許第２７４９７２８号

同期発電機と自動電圧調整器を組み合わせた発電システムの電圧一定制御の安定性を評価する場合、一般に無負荷時電圧微小ステップ応答を測定して評価される。無負荷時電圧微小ステップ応答とは、図５において、同期発電機１が無負荷定格電圧で運転中に電圧指令信号発生器７の信号を微小量（一般に定格電圧の２％）だけステップ状に変化させた時の同期発電機端子電圧の応答をいう。この無負荷時電圧微小ステップ応答の安定性が悪い場合、同期発電機の負荷量を増加させた場合や負荷量の急激な変化時に同期発電機の電圧が一定とならず、同期発電機に接続している機器の誤動作や破壊を招く恐れがある。従って、測定した無負荷時電圧微小ステップ応答の安定性が悪い場合には、自動電圧調整器の演算増幅器１０２の制御定数の設定を変更し、適切な無負荷時電圧微小ステップ応答が得られるように調整することで安定化が図られる。

しかしながら、電圧一定制御の安定化の調整作業において、演算増幅器１０２に設定できる制御定数の組合せが多数ある場合、その中から電圧一定制御に最適な制御定数を選択するためには、演算増幅器１０２の制御定数の変更作業と発電機の無負荷時電圧微小ステップ応答の測定作業、評価作業を繰り返し行う必要があり、電圧一定制御安定化のための調整工程に長時間を要するという欠点があった。

本発明は上記状況に対処するためになされたもので、その課題は、多様な発電機と組み合わせて用いても自動的に最適な制御設定が可能な同期発電機の自動電圧調整器を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、同期発電機の電圧を一定制御する同期発電機の自動電圧調整器において、この一定制御に必要な複数の制御定数を当該自動電圧調整器内部に備え、前記同期発電機を無負荷定格電圧にて運転中にそれらの制御定数の組合せの各々についての電圧微小ステップ応答を自動的に実施し、目標とする電圧微小ステップ応答制御波形と実際に検出した応答波形とを比較し、応答波形差が最小となる応答波形に対応する制御定数の組合わせを選択するために、発電機電圧制御のための制御定数を切り替える機能と、自動的にそれらの中から発電機に最適な制御定数を選択する機能を当該自動電圧調整器内部に備えたことを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。

請求項２記載の発明は、同期発電機の電圧を一定制御する同期発電機の自動電圧調整器において、発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の出力する検出信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、電圧指令信号発生器の電圧指令信号から前記Ａ／Ｄ変換器の出力する電圧検出信号を減算し且つ補助入力信号を加算した結果の誤差信号を出力する加減算器と、同期発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器が制御演算に用いる制御定数の組み合わせを複数内部に備え且つ外部からの選択信号に従って制御定数の組み合わせを切り替え、外部からの入力信号が真の場合のみ出力する論理積演算器と、前記Ａ／Ｄ変換器と論理積演算器に一定の周波数のパルス信号を供給するパルス信号発生器と、前記論理積演算器の出力するパルス信号に基づいてカウンタ動作を行う第１のカウンタと、前記第１のカウンタの出力信号の増加に伴ってステップ信号波形のデータを順に出力し前記加減算器へ補助入力信号として入力する第１の関数発生器と、第１のカウンタの出力信号の増加に伴ってステップ応答信号波形のデータを順に出力する第２の関数発生器と、前記電圧指令発生器の出力する電圧指令信号から前記Ａ／Ｄ変換器の出力する電圧検出信号を減算する第１の減算器と、前記第２の関数発生器の出力信号から前記第１の減算器の出力信号を減算する第２の減算器と、第２の減算器の出力信号を積分し且つ外部からのリセット信号により積分値をリセットする積分器と、前記第１のカウンタのカウント値が第１の最大カウント値を超えた場合に真を出力し且つ前記積分器へリセット信号を与える第１の比較器と、前記第１の比較器の出力信号に基づいてカウンタ動作を行い且つ外部からのリセット信号入力によりカウンタをリセットする第２のカウンタと、前記第２のカウンタのカウント値が第２の最大カウント値を超えた場合に真を出力する第２の比較器と、データを保存するメモリと、外部の押しボタンスイッチからのオン信号により、メモリ内部に保存されたデータを読み出し、それらのデータの中から最小のデータを検索してその最小データが格納されているアドレス値を制御定数選択信号として前記演算増幅器へ与え且つ前記論理積演算器に出力許可信号を与える制御器と、前記制御器が第１のカウンタへ与えるリセット信号と前記第１の比較器の出力信号と前記第２の比較器の出力信号の何れかが真である場合に前記第１のカウンタへリセット信号を与える論理和演算器と、前記論理積演算器への出力許可信号が偽である場合には前記制御器の出力する制御定数選択信号を演算し、前記信号が真である場合には前記第２のカウンタの出力信号を選択して前記演算増幅器へ制御定数選択信号として与える信号選択器を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、多様な発電機と組み合わせて用いられる同期発電機の自動電圧調整器において、自動電圧調整器本体のみで自動的に最適な制御設定が行えるため、手動による電圧一定制御の安定化調整が不要となり、短時間に制御定数の決定ができ、調整工程の省力化を図ることが可能となる。

本発明の最良の形態は、制御定数切替機能付演算増幅器がその内部に備える制御定数の組合せを順に切り替え、各々の制御定数の組合せの場合の発電機無負荷時電圧微小ステップ応答を実施し、応答結果の中から所望する応答に最も近い応答が得られる制御定数の組合せを選択することを自動的に行う機能を持つ同期発電機の自動電圧調整器を実現することができる。

図１は、本発明の実施例１のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器の構成図である。同図において、１はブラシレス同期発電機、２は変圧器、３，５はダイオード、４はスイッチング素子、６は電圧検出器、７は電圧指令信号発生器、８は加減算器、９は制御定数切替機能付演算増幅器、１０はパルス幅変調器、１１はスイッチング素子４のドライブ回路、１２はＡ／Ｄ変換器、１３はパルス信号発生器、１４は論理積演算器、１５は第１のカウンタ、１６は第１の関数発生器、１７は第２の関数発生器、１８は第１の減算器、１９は第２の減算器、２０は積分器、２１は第１の比較器、２２は第２のカウンタ、２３は第２の比較器、２４はメモリ、２５は制御器、２６は論理和演算器、２７は信号選択器、２８は押しボタンスイッチである。

次に、本実施例の主要な構成機器の作用について説明する。
変圧器２は１次側が同期発電機の出力端子に接続され、発電機出力電圧を降圧し、ダイオード３とスイッチング素子４を介して同期発電機の界磁巻線へ界磁電流を供給する。ダイオード３は変圧器２の２次側電圧を整流する。スイッチング素子４はドライブ回路によりオン／オフ駆動され、界磁巻線に印加される電圧をオン／オフする。ダイオード５はスイッチング素子４がオフしている期間に発電機の界磁巻線に流れる電流を還流させる。

電圧検出器６は発電機端子電圧を検出して電圧検出信号を出力する。パルス信号発生器１３は発電機電圧の周波数よりも十分に大きい一定の周波数のパルス信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器１２は電圧検出器６の出力信号をパルス信号発生器１３の出力するパルス信号の周期でディジタル信号に変換する。電圧指令信号発生器７は発電機端子電圧を所望の電圧とするための電圧指令信号を出力する。加減算器８は電圧指令信号から前記Ａ／Ｄ変換器の出力する電圧検出信号を減算し且つ補助入力信号を加算した誤差信号を出力する。制御定数切替機能付演算増幅器９は誤差信号を増幅し且つ発電機の特性を補償し、発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力し且つ制御演算に用いる制御定数の組合せを複数内部に備え且つ外部からの選択信号に基づいて制御定数の組合せを切り替える機能を持つ。パルス幅変調器１０は制御定数切替機能付演算増幅器９の出力する制御信号に比例したオン期間のパルス信号を出力する。スイッチング素子４のドライブ回路１１はパルス幅変調器１０の出力するパルス信号に従ってスイッチング素子４をオン／オフ駆動する。論理積演算器１４はパルス信号発生器１３の出力するパルス信号を外部から与えられる出力許可信号が真の場合のみ出力する。

第１のカウンタ１５は論理積演算器１４の出力するパルス信号に基づいてカウンタ動作を行い、また論理和演算器２６からのリセット信号によりカウント値をリセットする。第１の関数発生器１６は、内部に図２に示すＮ個のデータからなるステップ信号波形のデータ列を備え、且つ第１のカウンタの増加に伴ってステップ信号波形のデータを順に出力し前記加減算器８へ補助入力信号として出力する。該ステップ信号のステップ量としては、例えば前記電圧指令信号の２％とする。第２の関数発生器１７は、内部に図３に示すＮ個のデータからなる自動電圧調整器が目標とする発電機の無負荷時の電圧微小ステップ応答信号波形のデータ列を備え、且つ第１のカウンタの増加に伴ってステップ応答信号のデータを順に出力する。該ステップ応答信号の整定値は、例えば前記電圧指令信号の２％とする。第１の減算器１８は、電圧指令発生器７の出力する電圧指令信号からＡ／Ｄ変換器１２の出力する電圧検出信号を減算した信号を出力する。第２の減算器１９は、第２の関数発生器１７の出力信号から第１の減算器１８の出力信号を減算した信号を出力する。積分器２０は、第２の減算器１９の出力信号を積分して出力し、また第１の比較器２１からのリセット信号により積分値をリセットする機能を備える。

第１の比較器２１は、第１のカウンタ１５の出力信号と予め設定された第１の最大カウント値を比較し、第１のカウンタ１５のカウント値が第１の最大カウント値に達した場合に真を出力し且つ前記積分器２０へリセット信号を与える。第１の最大カウント値としては、第１の関数発生器１６及び第２の関数発生器１７が内部に備えるデータの総数Ｎから１を減じた値を設定する。第２のカウンタ２２は、第１の比較器２１の出力信号に基づいてカウンタ動作を行い、また制御器２５からのリセット信号によりカウンタをリセットする機能を備える。

第２の比較器２３は、第２のカウンタ２２の出力信号と予め設定された第２の最大カウント値を比較し、第２のカウンタ２２のカウント値が第２の最大カウント値に達した場合に真を出力する。第２の最大カウント値としては、制御定数切替機能付演算増幅器９が内部に備える制御定数の組合せの総数Ｐから１減じた値を設定する。メモリ２４は、第２のカウンタ２２の出力信号をアドレスとして受信し、且つ積分器２０の出力信号をデータとして受信し、且つ第１の比較器２１の出力信号が真に変わるタイミングで内部へデータを保存し、且つ制御器２５からのアドレス信号とデータの読み出し信号を受信すると当該アドレスに保存されているデータを制御器２５へ出力する機能を備える。

制御器２５は図４に示すように、起動と同時に第１のカウンタ１５へ与えるリセット信号を出力し、且つ第２のカウンタ２２へ与えるリセット信号を出力し、且つ押しボタンスイッチ２８からのオン信号により論理積演算器１４へ真の出力許可信号を与え、且つ第２の比較器２３の出力信号が真の場合に論理積演算器１４へ偽の出力許可信号を与え、且つメモリ２４への読み出し信号を出力し、アドレス信号としてゼロから順に１カウントずつ加算して出力しながらメモリ２４の当該アドレスに保存されたデータを読み出し、読み出したデータの中から最小のデータを検索し、その最小データのアドレス値を制御定数選択信号として制御定数切替機能付演算増幅器９へ与える機能を備える。

論理和演算器２６は、制御器２５が第１のカウンタ１５へ与えるリセット信号と第１の比較器２１の出力信号と第２の比較器２３の出力信号の何れかが真である場合に第１のカウンタ１５へリセット信号を与える。信号選択器２７は、制御器２５の出力する論理積演算器１４への出力許可信号が偽である場合には制御器２５の出力する制御定数選択信号を選択し、該信号が真である場合には第２のカウンタ２２の出力信号を選択して制御定数切替機能付演算増幅器９へ制御定数選択信号として与える。

電圧指令信号発生器７，加減算器８，制御定数切替機能付演算増幅器９，パルス幅変調器１０，パルス信号発生器１３，論理積演算器１４，第１のカウンタ１５，第１の関数発生器１６，第２の関数発生器１７，第１の減算器１８，第２の減算器１９，積分器２０，第１の比較器２１，第１の最大カウント値，第２のカウンタ２２，第２の比較器２３，第２の最大カウント値，制御器２５，論理和演算器２６，信号選択器２７は、例えば、マイクロコンピュータとそれによって実行されるソフトウェアで実現される。

以上のような構成とすることにより、制御定数切替機能付演算増幅器が内部に備える制御定数の組合せを順に切り替え、各々の制御定数の組合せの場合の発電機無負荷時電圧微小ステップ応答を実施し、応答結果の中から所望する応答に最も近い応答が得られる制御定数の組合せを選択することを自動的に行う機能を持つ同期発電機の自動電圧調整器を実現することができる。

図１の実施例ではブラシレス同期発電機を用いているが、ブラシレス同期発電機を同期発電機に置き換えてもその効果は図１の実施例と同じであり、また、発電機の励磁方式には一般に分巻方式、他励方式、複巻方式の３種類が用いられているが、いずれの方式も励磁電源から発電機の界磁巻線へ供給される界磁電流を制御することで調整するものであり、図１の実施例では分巻方式の場合を示しているか、他の方式の場合も図１の実施例と同様な効果を奏する。

本発明の実施例の自動電圧調整器の構成図。 第１の関数発生器の関数。 第２の関数発生器の関数。 図１の制御器の処理フローチャート。 従来の自動電圧調整器の構成図。

符号の説明

１…ブラシレス同期発電機、２…変圧器、３，５…ダイオード、４…スイッチング素子、６…電圧検出器、７…電圧指令信号発生器、８…加減算器、９…制御定数切替機能付演算増幅器、１０…パルス幅変調器、１１…スイッチング素子４のドライブ回路、１２…Ａ／Ｄ変換器、１３…パルス信号発生器、１４…論理積演算器、１５…第１のカウンタ、１６…第１の関数発生器、１７…第２の関数発生器、１８…第１の減算器、１９…第２の減算器、２０…積分器、２１…第１の比較器、２２…第２のカウンタ、２３…第２の比較器、２４…メモリ、２５…制御器、２６…論理和演算器、２７…信号選択器、１０１…減算器、１０２…演算増幅器。

Claims (2)

1. 同期発電機の電圧を一定制御する同期発電機の自動電圧調整器において、この一定制御に必要な複数の制御定数を当該自動電圧調整器内部に備え、前記同期発電機を無負荷定格電圧にて運転中にそれらの制御定数の組合せの各々についての電圧微小ステップ応答を自動的に実施し、目標とする電圧微小ステップ応答制御波形と実際に検出した応答波形とを比較し、応答波形差が最小となる応答波形に対応する制御定数の組合わせを選択するために、発電機電圧制御のための制御定数を切り替える機能と、自動的にそれらの中から発電機に最適な制御定数を選択する機能を当該自動電圧調整器内部に備えたことを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。
2. 同期発電機の電圧を一定制御する同期発電機の自動電圧調整器において、発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の出力する検出信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、電圧指令信号発生器の電圧指令信号から前記Ａ／Ｄ変換器の出力する電圧検出信号を減算し且つ補助入力信号を加算した結果の誤差信号を出力する加減算器と、同期発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器が制御演算に用いる制御定数の組み合わせを複数内部に備え且つ外部からの選択信号に従って制御定数の組み合わせを切り替え、外部からの入力信号が真の場合のみ出力する論理積演算器と、前記Ａ／Ｄ変換器と論理積演算器に一定の周波数のパルス信号を供給するパルス信号発生器と、前記論理積演算器の出力するパルス信号に基づいてカウンタ動作を行う第１のカウンタと、前記第１のカウンタの出力信号の増加に伴ってステップ信号波形のデータを順に出力し前記加減算器へ補助入力信号として入力する第１の関数発生器と、第１のカウンタの出力信号の増加に伴ってステップ応答信号波形のデータを順に出力する第２の関数発生器と、前記電圧指令発生器の出力する電圧指令信号から前記Ａ／Ｄ変換器の出力する電圧検出信号を減算する第１の減算器と、前記第２の関数発生器の出力信号から前記第１の減算器の出力信号を減算する第２の減算器と、第２の減算器の出力信号を積分し且つ外部からのリセット信号により積分値をリセットする積分器と、前記第１のカウンタのカウント値が第１の最大カウント値を超えた場合に真を出力し且つ前記積分器へリセット信号を与える第１の比較器と、前記第１の比較器の出力信号に基づいてカウンタ動作を行い且つ外部からのリセット信号入力によりカウンタをリセットする第２のカウンタと、前記第２のカウンタのカウント値が第２の最大カウント値を超えた場合に真を出力する第２の比較器と、データを保存するメモリと、外部の押しボタンスイッチからのオン信号により、メモリ内部に保存されたデータを読み出し、それらのデータの中から最小のデータを検索してその最小データが格納されているアドレス値を制御定数選択信号として前記演算増幅器へ与え且つ前記論理積演算器に出力許可信号を与える制御器と、前記制御器が第１のカウンタへ与えるリセット信号と前記第１の比較器の出力信号と前記第２の比較器の出力信号の何れかが真である場合に前記第１のカウンタへリセット信号を与える論理和演算器と、前記論理積演算器への出力許可信号が偽である場合には前記制御器の出力する制御定数選択信号を演算し、前記信号が真である場合には前記第２のカウンタの出力信号を選択して前記演算増幅器へ制御定数選択信号として与える信号選択器を備えたことを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。

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