JP4488896B2

JP4488896B2 - 軸系の立上げ方法及びその方法を実施するための装置

Info

Publication number: JP4488896B2
Application number: JP2004544309A
Authority: JP
Inventors: ドゥルーベル・オリヴァー; ヨホ・ラインハルト
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-10-13
Also published as: JP2006503536A; US7211989B2; DE10247905A1; AU2003286191A1; WO2004036731A1; EP1554796A1; US20050200336A1

Description

この発明は、電気エネルギーの生産分野に関する。この発明は、請求項１の上位概念にもとづく、軸系の立上げ方法並びに請求項１０の上位概念にもとづく、この方法を実施するための装置に関する。

そのような方法及びそのような装置は、例えば特許文献１から周知である。

電気エネルギーを生産するために、ガスタービンが、益々利用されて来ている。この場合、ガスタービンで燃焼された油又はガスは、機械的な運動エネルギーに、そして次に発電機によって電気エネルギーに変換される。ここでは、ガスタービンと発電機は、互いに連結されて、軸系を構成している。ガスタービンは、所定の回転数からようやく稼動させることができる。軸系は、別の構成要素によって、この回転数にまで加速しなければならない。引き続き、この構成要素は、なおも広い範囲の回転数に渡って、ガスタービンを支援しなければならない。

今日、この始動プロセスに対しては、発電機自身が使用されている。この場合、発電機は、発電機としてではなく、電動機として動作する。しかしながら、発電機を電力網に直接接続することは、始動プロセスに必要な高い制御品質並びに電力網と発電機の負荷のために、考慮の対象とはならない。そのため、今日では、このプロセスの間に、静止形周波数変換器(Static Frequency Converter; SFC) を介して、発電機に電力を供給するのが一般的である。この場合、特に中間から高い回転数までの所要の回転モーメントが、ＳＦＣの容量を決める。発電機の励磁を制御するためには、この始動又は立上げ装置に追加して、第二の装置が必要である。発電機の界磁巻線は、スリップリング或いはブラシレス励磁機のどちらかを介して、電力を供給される。ブラシレス励磁の場合、周波数変換のために、第二の装置が必要な場合もある（これに関しては、最初に述べた特許文献１を参照）。

しかし、ガスタービンは、主軸に係合する独立した駆動部によって始動される場合もある。これは、様々な方法で実現することができる。その場合、例えば相応の周波数変換器を有する非同期電動機が使用される。

始動プロセスに関する周知の解決法では、比較的高い負担が欠点である。発電機による立上げの際、周波数変換器を、固定子の主回路の電圧レベルに適合させなければならず、そして発電機としての動作と分離するための開閉手段を備えなければならない。独立した駆動部の場合、軸系の機構がより複雑となる。
米国特許出願第５，０９７，１９５号公報 M. Leijon - Powerformaer - a radicaly new rotating machine, ABB Review 2 (1998) pp.21-26

以上のとおり、この発明の課題は、従来技術の欠点を回避した、軸系を立ち上げるための方法及び装置を提供することである。

この課題は、請求項１及び１０の特徴部全体によって解決される。この発明の核心は、立上げ装置として、軸系に据え付けられている励磁機を利用することにある。こうすることによって、さもなければ立上げ時に発電機に電力を供給していた、従来のＳＦＣ設備を削減することができる。

この発明の有利な実施形態では、この励磁機は、回転子巻線を持つ励磁回転子と固定子巻線を持つ励磁固定子を有する。立上げ時には、この回転子巻線に可変周波数の交流を、この固定子巻線に一定周波数、特に電力網の周波数の交流を供給する。特に、励磁機の回転子巻線に電力を供給するために、電力網と接続された周波数変換器を使用する。しかし、これとは逆に、固定子巻線に可変周波数の交流を、回転子巻線に一定周波数の交流を供給することもできる。

この発明の別の有利な実施形態にもとづき、発電機が界磁巻線を有することと、始動プロセスの終了後に、励磁機の回転子巻線が、発電機の界磁巻線に電力を供給することと、励磁電圧を制御するために、周波数変換器が、励磁機の固定子巻線に接続されるか、接続されたままであることとにより、一層の簡略化が達成される。

励磁機の回転子巻線によって、発電機の界磁巻線に電力を供給することは、有利には、電子部品、特に回転整流器の形式の電子部品によって実現され、その際励磁機の回転子巻線は、この電子部品を介して、発電機の界磁巻線と継続的に接続されており、この電子部品は、軸系を立ち上げるのか、発電機を励磁するのかに対応する信号によって、スイッチ・オン又はスイッチ・オフされる。

この発明にもとづく装置の有利な実施形態は、励磁機の回転子巻線が、制御可能な電子部品を介して、発電機の界磁巻線と接続されており、この制御可能な電子部品が、制御信号導線によって、スイッチ・オン又はスイッチ・オフすることが可能であり、そしてこの電子部品が回転整流器で構成されることによって特徴付けされる。

別の実施構成は、従属請求項において明らかにされている。

以下において、実施例にもとづき、図面と関連して、この発明をより詳しく説明する。

図１には、この発明の有利な実施例が、簡略化した接続図の形で図示されている。ガスタービン１０、発電機回転子１１だけが図示された発電機２２、並びに励磁機１４は、共通の主軸２１を介して連結されて、軸系を形成している。この励磁機１４は、固定子巻線２５を持つ励磁固定子１６と、回転子巻線２３を持つ励磁回転子１５とを有する。固定子巻線２５は、二つの開閉器Ｓ１とＳ３によって、電力網２４又は電力網２４と接続された周波数変換器２０の出力と選択的に連結することができる。回転子巻線２３は、回転整流器１３の形式の電子部品を介して、発電機回転子１１内の界磁巻線１２と接続される。回転整流器１３は、制御信号導線１８によってスイッチ・オン及びスイッチ・オフすることが可能な電子部品（例えば、サイリスタ）を有する。この電子部品をスイッチ・オンした場合、回転子巻線２３は、界磁巻線１２と接続される。それに対して、この電子部品をスイッチ・オフした場合、この接続は、遮断される。回転子巻線２３は、別の開閉器Ｓ２によって、周波数変換器２０の出力と接続される。可変変圧器１９は、電力供給回路内に挿入することができる。

標準又は連続運転中は、開閉器Ｓ２とＳ３は開いており、一方開閉器Ｓ１は閉じている。励磁機１４の固定子巻線２５は、周波数変換器２０から電力を供給される。回転子巻線２３に誘導された電圧は、回転整流器１３で整流されて、発電機２２の界磁巻線１２に供給される。発電機２２の（図示されていない）固定子巻線において、発生した電力を利用することが可能である。この場合、周波数変換器２０は、励磁電圧を制御するために使用することができる。

始動プロセス時において、軸系を立ち上げるために、開閉器Ｓ２とＳ３を閉じて、開閉器Ｓ１を開ける。即ち、励磁機１４の固定子巻線２５は、電力網２４から、回転子巻線２３は、スリップリング２６を介して、周波数変換器２０から電力を供給される。可変変圧器１９と回転子巻線２３間の導線内にある変流器１７によって、相応の制御信号が検出されて、制御信号導線１８を介して回転整流器１３に伝えられ、その電子部品をスイッチ・オフする、即ち回転子巻線２３と界磁巻線１２間の接続が切断される。このように、励磁機１４は、軸系の駆動電動機として動作する。この場合、この始動に関する挙動は、周波数変換器２０によって制御することができる。ガスタービン１０を稼動させるのに必要な回転数が達成されたら、前述した連続運転に切り換えることができる。可変変圧器１９は、周波数変換器の負荷を緩和するためのタップ設定にすることが可能であり、その際タップの切換は、有利には電子的に行うことができる。この始動プロセスの枠組みにおいて、回転数が低い場合には先ず、励磁機１４の固定子巻線２５に、特に電力網２４に接続された周波数変換器２０から、可変周波数の交流を供給するとともに、この励磁機１４の固定子巻線２５に可変周波数の交流を供給する際における励磁抵抗を、負荷として利用するのが有利である場合がある。

図１とは逆の始動が、図２に示されている。この場合、回転子巻線２３は、スリップリング２６、開閉器Ｓ２及び場合によっては可変変圧器１９を介して、電力網と接続されており、一定周波数、特に電力網の周波数の交流を供給される。それに対して、固定子巻線２５は、周波数変換器２０から、可変周波数の交流を供給される。

様々な場合における、立上げの際の回転速度ｒにもとづく電圧の推移Ｕ（ｒ）が、図３に描かれている。曲線Ａは、可変変圧器１９を使用しない場合の回転子電圧ＵＲを示しており、曲線Ｂは、可変変圧器１９を使用した場合の回転子電圧ＵＲを示しており、曲線Ｃは、可変変圧器１９を使用しない場合の固定子電圧Ｕ_Stを示しており、曲線Ｄは、可変変圧器１９を使用した場合の固定子電圧Ｕ_Stを示している。

全体的に、この発明による解決法に関して、以下の特徴的な特性、特徴及び利点が得られる。

・ブラシレス発電機の励磁機の回転数を可変とする実施形態によって、励磁機を立上げ装置として使用することができる。さもなければ発電機に直接電力を供給していた、従来のＳＦＣ設備が削減される。

・そのような立上げ励磁装置により、周波数可変による電力供給を、段間変成器を介して、発電機の電圧レベルにまで昇圧することなく、並びに負担のかかる補助巻線を必要とすることなく、発電機が高圧巻線を有する（例えば、所謂「パワーフォーマー」、これに関しては、非特許文献１を参照）、発電機タービンの始動が可能となる。

・立上げ励磁装置は、これによって、発電機と変換器を、電動機としての動作に対してではなく、発電機としての動作に対してだけ設計すればよいこととなるので、回転数が可変の発電機を使用することを支援するものである。

・発電機の固定子巻線は、もはや始動の間に、始動装置の高周波のピーク電圧に曝されない。このため、発電機の絶縁が損傷される恐れが低減される。同様に、ピーク電圧によるリップル電圧が低減される。

・この解決法は、軸系の減速に対しても適している。

・このブラシは、運転中における、励磁の促進、即ち短時間での励磁電流の増進に適している。

・このブラシは、運転中に引き上げることができる。

・この方法及び設備は、軸系を遅く回転させる、ターン運転に対して使用することができる。

立上げ時に、回転子巻線に可変周波数の交流を、固定子巻線に一定周波数の交流を供給する、この発明の第一の有利な実施例の簡略化した接続図。立上げ時に、固定子巻線に可変周波数の交流を、回転子巻線に一定周波数の交流を供給する、図１と比較可能な、この発明の第二の有利な実施例の接続図。可変変圧器を持つ場合（曲線ＢとＤ）と持たない場合（曲線ＡとＣ）における、この発明にもとづく立上げの際の回転子電圧ＵＲ（曲線ＡとＢ）と固定子電圧Ｕ_St（曲線ＣとＤ）の曲線の例。

符号の説明

１０ガスタービン
１１発電機回転子
１２界磁巻線
１３電子部品（回転整流器）
１４励磁機
１５励磁回転子
１６励磁固定子
１７変流器
１８制御信号導線
１９可変変圧器
２０周波数変換器
２１主軸
２２発電機
２３回転子巻線（励磁機）
２４電力網
２５固定子巻線
２６スリップリング
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３開閉器
Ａ〜Ｄ曲線

Claims

軸系（１０，１４，２１，２２）の立上げ方法であって、この軸系は、共通の主軸（２１）を介して互いに連結された、タービン、特にガスタービン（１０）、発電機（２２）及び励磁機（１４）を有し、この方法では、始動プロセスの間に、立上げ装置を用いて、タービンが立ち上げられる方法において、
立上げ装置として、可変周波数の交流を供給される励磁機（１４）を使用することと、
励磁機（１４）が、回転子巻線（２３）を持つ励磁回転子（１５）と固定子巻線（２５）を持つ励磁固定子（１６）とを有し、立上げ時に、この回転子巻線（２３）に可変周波数の交流を、この固定子巻線（２５）に一定周波数、特に電力網の周波数の交流を供給するか、或いは
励磁機（１４）が、回転子巻線（２３）を持つ励磁回転子（１５）と固定子巻線（２５）を持つ励磁固定子（１６）とを有し、立上げ時に、この固定子巻線（２５）に可変周波数の交流を、この回転子巻線（２３）に一定周波数、特に電力網の周波数の交流を供給することと、
を特徴とする方法。
当該の励磁機（１４）の回転子巻線（２３）又は固定子巻線（２５）に電力を供給するために、電力網（２４）に接続された周波数変換器（２０）を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
当該の発電機（２２）が、界磁巻線（１２）を有することと、始動プロセスの終了後に、当該の励磁機（１４）の回転子巻線（２３）が、発電機（２２）の界磁巻線（１２）に電力を供給することと、当該の周波数変換器（２０）が、励磁電圧を制御するために、励磁機（１４）の固定子巻線（２５）に接続されるか、或いは接続されたままであることとを特徴とする請求項２に記載の方法。
当該の励磁機（１４）の回転子巻線（２３）による発電機（２２）の界磁巻線（１２）への電力供給が、電子部品（１３）、特に回転整流器の形式の電子部品（１３）によって行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
当該の励磁機（１４）の回転子巻線（２３）が、当該の電子部品（１３）を介して、発電機（２２）の界磁巻線（１２）と継続的に接続されていることと、当該の電子部品（１３）が、当該の軸系（１０，１４，２１，２２）を立ち上げるか、或いは発電機（２２）を励磁するかに対応する信号によって、スイッチ・オン又はスイッチ・オフされることとを特徴とする請求項４に記載の方法。
回転数が低い場合に先ずは、当該の励磁機（１４）の固定子巻線（２５）に、特に電力網（２４）と接続された周波数変換器（２０）から、可変周波数の交流を供給することを特徴とする請求項１に記載の方法。
当該の励磁機（１４）の固定子巻線（２５）への電力供給時における励磁抵抗が、負荷として使用されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、この装置は、軸系（１０，１４，２１，２２）を有し、この軸系は、共通の主軸（２１）を介して互いに連結された、タービン、特にガスタービン（１０）、発電機（２２）及び励磁機（１４）を有し、並びにこの装置は、この軸系（１０，１４，２１，２２）を立ち上げるための手段（１７，１８，２０；Ｓ１〜Ｓ３）を有する装置において、
この立上げ手段が、電力網（２４）と接続された周波数変換器（２０）を有し、この周波数変換器は、励磁機（１４）の回転子巻線（２３）と選択的に接続することが可能であることを特徴とする装置。
当該の励磁機（１４）の回転子巻線（２３）が、制御可能な電子部品（１３）を介して、発電機（２２）の界磁巻線（１２）と接続されていることと、この制御可能な電子部品（１３）は、制御信号導線（１８）によって、スイッチ・オン及びスイッチ・オフすることが可能であることとを特徴とする請求項８に記載の装置。
当該の電子部品（１３）が、回転整流器（１３）で構成されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
当該の周波数変換器（２０）と励磁機（１４）の回転子巻線（２３）との間に、可変変圧器（１９）が配置されていることを特徴とする請求項８から１０までのいずれか一つに記載の装置。
当該の励磁機（１４）が、固定子巻線（２５）を有し、この固定子巻線は、当該の周波数変換器（２０）又は電力網（２４）と選択的に接続することが可能であることを特徴とする請求項８から１１までのいずれか一つに記載の装置。