JP4528552B2

JP4528552B2 - 同期機の励磁制御装置

Info

Publication number: JP4528552B2
Application number: JP2004122393A
Authority: JP
Inventors: 雅彦柴田; 健一高橋; 文生佐藤; 敏明曾我部; 長徳鬼塚; 篤士佐藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP2005312108A

Description

本発明は、同期機の界磁巻線に直流電流を供給する同期機の励磁制御装置に関する。

同期発電機や同期電動機などの同期機は、励磁制御装置により界磁巻線の直流回路に直流電流を供給して励磁するようになっている。通常、界磁巻線に供給する直流電流は、交流励磁電源を例えばサイリスタ整流器で整流して供給し、界磁巻線とサイリスタ整流器との間に界磁巻線の保護のために界磁遮断器が設けられている。この界磁遮断器は直流遮断器であるため大型であることから、近年においては、直流遮断器に代えて交流遮断器をサイリスタ整流器と交流励磁電源との間に設け、励磁制御装置の小型化を図るようにしている。

交流遮断器を用いる場合には、交流遮断器の開極時に発生する界磁側過電圧から界磁巻線を保護するために直流回路に過電圧保護装置が設けられる。すなわち、交流遮断器の開極動作は機械的に行われるため、開極動作の間に交流遮断器の主極にはアークが発生し、このアークは、界磁巻線のインピーダンスがほとんどがリアクタンスであることから、同期機の界磁側のインピーダンスを著しく高めるように作用する。従って、交流遮断器の開極時には界磁側過電圧が発生するので、過電圧保護装置が設けられている。

交流遮断器を用い過電圧保護装置を備えた励磁制御装置としては、交流遮断器の開極時に、その開極に伴って発生する界磁側過電圧を適正に抑制するために、界磁側過電圧が発生する前の交流遮断器への開指令により早期に過電圧保護装置を動作させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１８は従来の同期機の励磁制御装置の回路構成図、図１９は従来の同期機の励磁制御装置における過電圧保護装置の動作説明図である。同期機の界磁巻線１１に界磁電流を供給する直流回路には過電圧保護装置１２が設けられている。３相の交流励磁電源１３は励磁変圧器１４および交流遮断器１５を介してサイリスタ整流器１６に入力され、サイリスタ整流器１６はゲートパルス発生器１７からのゲート信号で動作し３相交流を直流に変換して直流回路に供給する。

過電圧保護装置１２は、直流回路の過電圧保護と同期機が停止する際の界磁電流の放電の機能を担うものである。直流回路は、通常時は正極Ｐがプラス電圧であり負極Ｎがマイナス電圧であるが、同期機が停止する際の界磁電流の放電時には、負極Ｎがプラス電圧となり正極Ｐマイナス電圧となる過電圧が発生する。また、交流遮断器１４の開放時に発生するアークにより正極Ｐがプラス電圧で負極Ｎがマイナス電圧である過電圧が発生する。また、通常運転中においても何らかの異常により直流回路の正極Ｐおよび負極Ｎの間に過電圧が発生する。

過電圧保護装置１２は、直流回路の正極Ｐおよび負極Ｎの間に発生した過電圧を抑制するものであり、正極Ｐの電圧が負極Ｎの電圧より高い過電圧の発生（Ｐ＞Ｎ方向）時は実線矢印で示す方向で動作し、負極Ｎの電圧が正極Ｐの電圧より高い過電圧の発生（Ｐ＜Ｎ方向）時は破線矢印で示す方向で動作する。

過電圧の検出は過電圧ブレーク素子１８で行われ、過電圧の極性の判別はダイオードブリッジ回路１９で行われる。すなわち、直流回路の正極Ｐとダイオードブリッジ回路１９とはダイオードＤ１および電流抑制抵抗Ｒ１を介して接続され、ダイオードブリッジ回路１９からサイリスタＳ１にゲート信号が与えられるように接続されている。また、直流回路の負極Ｎとダイオードブリッジ回路１９とは放電抵抗Ｒ２およびダイオードＤ２を介して接続され、ダイオードブリッジ回路１９から電流抑制抵抗Ｒ１を介してサイリスタＳ２にゲート信号が与えられるように接続されている。

いま、図１９に示すように時刻ｔ０において、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間にＰ＞Ｎ方向で電圧が上昇を始めたとする。そして、時刻ｔ１に過電圧ブレーク素子１８が有する固有のブレーク電圧Ｖ_ＢＯに達すると、ダイオードＤ１および電流抑制抵抗Ｒ１を介してダイオードブリッジ回路１９および過電圧ブレーク素子１８に実線矢印の方向の電流が流れ、さらに、サイリスタＳ１のゲートとカソードとの間（以下ＧＫ間と称す）および放電抵抗Ｒ２の順路で電流が流れる。サイリスタＳ１はゲート電流が流れるためサイリスタＳ１はアノードとカソードとの間（以下ＡＫ間と称す）が導通する。この導通期間は数μsec（Ｔｗ）である。その後の時刻ｔ２にＡＫ間電圧はほぼゼロになる。これに伴い、放電抵抗Ｒ２の電圧Ｖ_Ｒ２が発生する。

一方、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間にＰ＜Ｎ方向で電圧が異常に大きくなり始める場合は、時刻ｔ１に過電圧ブレーク素子１８が有する固有のブレーク電圧Ｖ_ＢＯに達すると、放電抵抗Ｒ２およびダイオードＤ２を介して、ダイオードブリッジ回路１９および過電圧ブレーク素子１８の方向に電流が流れ、さらに電流抑制抵抗Ｒ１からサイリスタＳ２のＧＫ間の順路で電流が流れる。サイリスタＳ２はゲート電流が注入されるとＡＫ間が導通し、数μsec（Ｔｗ）後の時刻ｔ２にＡＫ間電圧はほぼゼロになる。

なお、放電抵抗Ｒ２、ダイオードＤ２、ダイオードブリッジ回路１９、過電圧ブレーク素子１８、電流抑制抵抗Ｒ１およびダイオードＤ１で構成されるＰ＜Ｎ方向の過電圧保護回路は、同期機を緊急停止する場合の界磁電流の放電回路としても使用される。

同期機の緊急停止の場合は、界磁電流が流れている状態で交流遮断器１５を遮断することになる。このとき、同期機の界磁巻線１１は大きなリアクトルＬ分をもつので電流は瞬時にはゼロにはなり得ないことから、界磁巻線１１の直流回路のＰ−Ｎ間には、Ｌ・ｄｉ／ｄｔでＰ＜Ｎ方向の大きな電圧が発生する。従って、交流遮断器１５の遮断接点の極間は瞬時には遮断できずアークでつながる。この場合、Ｐ−Ｎ間に過電圧ブレーク素子１８のブレーク電圧Ｖ_ＢＯより大きな電圧が発生すれば、過電圧保護動作により放電抵抗Ｒ２とサイリスタＳ２とのルートに界磁電流がバイパスすることになり交流遮断器１５は遮断される。
特開２００３−２２９３９８号公報

ところが、このような従来の励磁制御装置では、過電圧保護装置１２のサイリスタＳ１、Ｓ２へのゲート電流の供給時間Ｔｗが極端に短いので、サイリスタＳ１、Ｓ２が壊れる可能性があり、また、同期機の緊急停止時に交流遮断器１５に極端な負担がかかり、交流遮断器１５の寿命を大きく消耗したり損傷する可能性がある。

すなわち、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間の電圧が過電圧ブレーク素子１８のブレーク電圧Ｖ_ＢＯを超えると、その極性にしたがいサイリスタＳ１、Ｓ２が導通し、ＡＫ間電圧が数μsecでほぼゼロになり、その後は直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間の電圧のほとんどは放電抵抗Ｒ２に負荷される。従って、電流抑制抵抗Ｒ１に電流が流れる時間は数μsecである。このため、サイリスタＳ１、Ｓ２の内部では充分に拡散が出来ず、電流が接合面全体でなく狭い範囲に集中して流れ、この部分の過熱によりサイリスタＳ１、Ｓ２が破損する可能性がある。

また、同期機の緊急停止で界磁巻線１１に界磁電流が流れている状態で交流遮断器１５を緊急遮断する場合、交流遮断器１５の遮断極間に発生する電圧が過電圧ブレーク素子１８のブレーク電圧Ｖ_ＢＯを超過してＰ＜N方向の過電圧保護回路が動作して界磁電流が放電抵抗Ｒ２およびサイリスタＳ２にバイパスすることを期待しているが、ブレーク電圧Ｖ_ＢＯは運転継続を要求される過渡時を含めて通常発生し得る電圧よりかなり大きい電圧であり、交流遮断器１５の遮断極間に容易に発生できるような電圧より大きい。交流遮断器１５の遮断極間にブレーク電圧Ｖ_ＢＯより大きな電圧が発生しない場合は、遮断極間がアークでつながることで界磁電流が交流遮断器１５で遮断できる値まで徐徐に減衰するまで遮断できない。この場合は、交流遮断器１５はその寿命を大きく消耗するか、または最悪破損する。

本発明の目的は、過電圧保護装置の破損や交流遮断器の劣化を防止できる同期機の励磁制御装置を提供することである。

本発明の同期機の励磁制御装置は、同期機の界磁巻線に界磁電流を供給する直流回路に過電圧保護装置を備え、交流遮断器を介して入力される交流励磁電源をサイリスタ整流器で直流に変換し直流回路に供給する同期機の励磁制御装置において、過電圧保護装置は、サイリスタ整流器と並列に接続され直流回路の正極側がプラス方向に過電圧となったときに動作する正極性過電圧保護回路と、サイリスタ整流器および正極性過電圧保護回路と並列に接続され直列回路の負極側がプラス方向に過電圧となったときに動作する負極性過電圧保護回路とを備え、正極性過電圧保護回路および負極性過電圧保護回路は、直流回路の両端電圧が過電圧となったときにオンするサイリスタとそのサイリスタへの印加電圧を抑制する抵抗との直列回路と、直流回路の両端電圧が印加され直流回路の両端に過電圧が発生したときにサイリスタにゲート電流を継続して供給するゲートトリッガ回路とから構成され、負極性過電圧保護回路のゲートトリッガ回路に組み込まれた過電圧ブレーク回路は、複数個の過電圧ブレーク素子を直列に接続して構成され、過電圧ブレーク回路の複数個の過電圧ブレーク素子のうちの１個または複数個を短絡する接点を有し、交流遮断器の遮断指令があったときは接点をオンし過電圧ブレーク回路のブレーク電圧値を小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、同期機の界磁巻線の直流回路の両端に過電圧が発生したときに過電圧保護装置のサイリスタにゲート電流を継続して供給するので、過電圧保護装置のサイリスタでの電荷の拡散が適正に行われ過電圧保護装置のサイリスタの破壊を防止できる。また、交流遮断器の遮断指令があったとき過電圧防止装置のパルス発生器は、交流励磁電源の周波数より数倍大きい周波数の連続パルスをサイリスタのゲートに供給しサイリスタを断続的に導通させているので、交流遮断器の遮断時には遮断極間に発生する電圧を低くすることができ遮断極間がアークでつながることを防止できる。さらに、交流遮断器の遮断指令があったときサイリスタ整流器の２相に接続されるアームを非導通とし、残りの１相に接続される２アームの導通を維持するので、交流遮断器の遮断時に遮断極間に発生する電圧を低くすることができ遮断極間がアークでつながることを防止できる。また、交流遮断器の遮断による界磁電流のバイパス放電に起因しない過電圧保護動作の場合と、交流遮断器の遮断による界磁電流のバイパス放電に起因する過電圧保護とにより、過電圧保護装置の負極性過電圧保護回路のブレーク電圧の切り替えを行うので、通常運転時の過電圧を適正に保護できるとともに、交流遮断器の遮断時には交流遮断器のアーク放電を速やかに解消できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図、図２は本発明の第１の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置における過電圧保護装置の動作説明図である。図１において、３相の交流励磁電源１３は励磁変圧器１４および交流遮断器１５を介してサイリスタ整流器１６に入力され、サイリスタ整流器１６はゲートパルス発生器１７からのゲート信号で動作し３相交流を直流に変換して、同期機の界磁巻線１１に界磁電流を供給する直流回路に供給する。交流遮断器１５としては、気中遮断器ＡＣＢあるいは真空遮断器ＶＣＢが使用される。

過電圧保護装置１２は界磁電流を供給する直流回路にサイリスタ整流器１６と並列に接続され、直流回路の正極側がプラス方向に過電圧となったときに動作する正極性過電圧保護回路２０と、直列回路の負極側がプラス方向に過電圧となったときに動作する負極性過電圧保護回路２１とから構成される。

正極性過電圧保護回路２０は、直流回路の正極Ｐおよび負極Ｎ間の両端電圧が過電圧となったときにオンするサイリスタＳ１と、このサイリスタＳ１への印加電圧を抑制する抵抗Ｒ３との直列回路が接続され、また、直流回路の両端に過電圧が発生したときにサイリスタＳ１にゲート電流を継続して供給するゲートトリッガ回路２２が、サイリスタＳ１のゲートとカソード間の逆過電圧保護用のダイオードＤ２を介して直流回路の両端に接続されている。

また、負極性過電圧保護回路２１も同様に、直流回路の正極Ｐおよび負極Ｎ間の両端電圧が過電圧となったときにオンするサイリスタＳ２と、このサイリスタＳ２への印加電圧を抑制する抵抗Ｒ２との直列回路が接続され、また、直流回路の両端に過電圧が発生したときにサイリスタＳ２にゲート電流を継続して供給するゲートトリッガ回路２３が、サイリスタＳ２のゲートとカソード間の逆過電圧保護用のダイオードＤ１を介して直流回路の両端に接続されている。

さらに、ゲートトリッガ回路２２、２３は、それぞれ逆方向阻止用のダイオードＤ３、Ｄ４と、電流抑制抵抗Ｒ４、Ｒ５と、過電圧ブレーク素子Ｂ１、Ｂ２との直列回路で形成されている。正極性過電圧保護回路２０と負極性過電圧保護回路２１とは回路要素を供給しないでそれぞれ独立に形成されている。

いま、図２に示すように時刻ｔ０において、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間にＰ＞Ｎ方向で電圧が上昇を始めとする。この場合、過電圧保護装置１２の正極性過電圧保護回路２０が動作することになる。すなわち、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間の電圧が時刻ｔ１にゲートトリッガ回路２２の過電圧ブレーク素子Ｂ１が有する固有のブレーク電圧Ｖ_ＢＯに達すると、電流抑制抵抗Ｒ４、ダイオードＤ３を介してサイリスタＳ１のＧＫ間にゲート電流が流れサイリスタＳ１のＡＫ間が導通する。

この場合、数μsec（Ｔｗ）後の時刻ｔ２にサイリスタＳ１のＡＫ間電圧はほぼゼロになるが、抵抗Ｒ３によりサイリスタＳ１と抵抗Ｒ３との直列回路の電圧は直流回路の正極Ｐと負極ＮとのＰＮ間の電圧Ｖ_ＰＮに維持される。また、過電圧ブレーク素子Ｂ１、電流抑制抵抗Ｒ４、ダイオードＤ３およびサイリスタＳ１のＧＫ間から構成されるゲート電流供給回路には、直流回路の正極Ｐと負極ＮとのＰＮ間の電圧Ｖ_ＰＮが継続して印加され、サイリスタＳ１には継続して充分のゲート電流が注入される。従って、サイリスタＳ１は充分に電荷が拡散されて、電流は接合面全体に平均して流れ、部分過熱による損傷の可能性は払拭される。

一方、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間にＰ＜Ｎ方向で電圧が異常に大きくなった場合も同様の動作であり、サイリスタＳ２も部分過熱による損傷の可能性はなくなる。

以上の説明では、励磁変圧器１４とサイリスタ整流器１６との間に交流遮断器１５を設けた場合について説明したが、３相の交流励磁電源１３と励磁変圧器１４との間に交流遮断器１５を設けるようにしてもよい。好ましくは、励磁変圧器１４とサイリスタ整流器１６との間に設ける交流遮断器１５は気中遮断器ＡＣＢとし、３相の交流励磁電源１３と励磁変圧器１４との間に設ける交流遮断器１５は真空遮断器ＶＣＢとする。

第１の実施の形態によれば、過電圧保護装置１２の正極性過電圧保護回路２０と負極性過電圧保護回路２１とを回路要素を供給しないでそれぞれ独立に形成し、同期機の界磁巻線の直流回路の両端に過電圧が発生したときに過電圧保護装置１２の正極性過電圧保護回路２０と負極性過電圧保護回路２１とは、それぞれ独立して、サイリスタＳ１、Ｓ２にゲート電流を継続して供給するので、過電圧保護装置１２のサイリスタＳ１、Ｓ２での電荷の拡散が適正に行われ、過電圧保護装置１２のサイリスタＳ１、Ｓ２の破壊を防止できる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、過電圧保護装置１２の負極性過電圧保護回路２１に連続パルス発生器２４を追加して設けたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

連続パルス発生器２４は、交流遮断器１５の遮断指令があったときは、交流励磁電源１３の周波数より数倍大きい周波数の連続パルスをサイリスタＳ２のゲートに供給しサイリスタＳ２を断続的に導通させる。すなわち、連続パルス発生器２４は、図４に示すように同期機を停止するために交流遮断器１５に出力される遮断指令があったときは、サイリスタＳ２のゲートとカソードとの間へ連続パルスを印加する。これにより、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間に発生する電圧がゲートトリッガ回路２３の過電圧ブレーク素子Ｂ２のブレーク電圧Ｖ_ＢＯになる以前にサイリスタＳ２を導通させることができ、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間に発生する過電圧を防止する。

図５は連続パルス発生器２４を有していない場合のサイリスタ整流器１６の入出力電圧の特性図、図６は連続パルス発生器２４を設けた本発明の第２の実施の形態の場合のサイリスタ整流器１６の入出力電圧の特性図である。

同期機を停止する場合には、交流遮断器１５に遮断指令が出力されるとともにサイリスタ整流器１６にゲートパルス停止指令が出力される。交流遮断器１５への遮断指令が出力されてから、実際に交流遮断器１５が遮断を開始するまでには時間遅れがあり、同様に、サイリスタ整流器１６へのゲートパルス停止指令が出力されてから、実際にサイリスタ整流器１６がゲートパルスの発生を停止するまでには時間遅れがある。

連続パルス発生器２４を具備せずに交流遮断器を遮断した場合は、図５に示す特性となる。図５において、時点ｔ０で実際にゲートパルスの発生停止が行われ、時点ｔ１で実際に交流遮断器１５が遮断を開始したとする。この場合、ゲートパルスの発生が停止したことに伴いサイリスタ整流器１６の出力である直流電圧は、ゲートパルスの停止前に導通していたサイリスタ整流器１６の２アームを介して単相交流電圧になり数ｍsec以内に負電圧となる。そして、時点ｔ１で交流遮断器１５が遮断を開始しても負荷が大きなリアクトルを所持する同期機の界磁巻線１１であるので簡単には遮断できない。

負荷側である直流回路側では、電流が減少しようとするためにＬ・ｄｉ／ｄｔで大きな負電圧を発生する。従って、交流遮断器１５の遮断極間はアークでつながったまま大きな電圧がかかる状態が続く。そして、時点ｔ２になって直流回路の両端電圧がゲートトリッガ回路２１のブレーク電圧Ｖ_ＢＯ以上となったときに、ようやくサイリスタＳ２が導通し界磁電流の放電バイパス路ができ、サイリスタ整流器１６の出力電圧が小さくなったときに交流遮断器１５は遮断される。

なお、ゲートトリッガ回路２１のブレーク電圧Ｖ_ＢＯは、実効値と瞬時値との違い、アーム転流時の転流サージ、同期機の短時間許容過電圧、過電圧ブレーク素子Ｂ２のバラツキ等を考慮し、交流電圧実効値に比較してかなり大きな電圧に設定されている。従って、直流回路の両端電圧がゲートトリッガ回路２１のブレーク電圧Ｖ_ＢＯ以上となる間に、交流遮断器１５の遮断極接点は激しく損耗することになる。

そこで、第２の実施の形態では連続パルス発生器２４を設け、交流遮断器１５に出力される遮断指令があったときは、サイリスタＳ２のゲートとカソードとの間へ連続パルスを印加し、サイリスタＳ２を断続的に導通させ、直流回路の正極Ｐと負極Ｎとの間に発生する電圧がゲートトリッガ回路２３の過電圧ブレーク素子Ｂ２のブレーク電圧Ｖ_ＢＯになる以前にサイリスタＳ２を導通させる。

図６において、時点ｔ０で交流遮断器１５への遮断指令があると、連続パルス発生器２４はパルスを発生しサイリスタＳ２のゲートとカソードとの間へ連続パルスを印加する。これにより、サイリスタＳ２は断続的に導通する。

そして、時点ｔ１でサイリスタ整流器１６のゲートパルスが停止して直流回路が負電圧に移行すると、連続パルスがサイリスタＳ２に印加されているので、すぐにサイリスタＳ２は導通し界磁電流の放電バイパス路ができる。従って、時点ｔ２で交流遮断器１５が遮断を開始したときには、直流回路の両端電圧は小さい値となっており、そのため交流遮断器１５は容易に遮断され、遮断極の接点には接点の寿命を大きく消耗するような負担は掛からない。

第２の実施の形態によれば、交流遮断器の遮断指令があったとき過電圧防止装置のパルス発生器は、交流励磁電源の周波数より数倍大きい周波数の連続パルスをサイリスタのゲートに供給しサイリスタを断続的に導通させているので、直流回路が負電圧に移行すると、すぐにサイリスタＳ２は導通し、交流遮断器の遮断時には遮断極間に発生する電圧を低くすることができ遮断極間がアークでつながることを防止できる。

次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置における過電圧保護装置１２の負極性過電圧保護回路２１の回路構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ゲートトリッガ回路２３の過電圧ブレーク素子Ｂ２に代えて、複数個の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎを直列に接続した過電圧ブレーク回路２５を設けたものである。図１のゲートトリッガ回路２３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図７において、ゲートトリッガ回路２３に組み込まれた過電圧ブレーク回路２５は、複数個の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎを直列に接続して構成されている。各々の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎは固有のブレーク電圧Ｖ_ＢＯ２１〜Ｖ_ＢＯ２ｎを有しており、これら複数個の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎのブレーク電圧Ｖ_ＢＯ２１〜Ｖ_ＢＯ２ｎの合計が過電圧ブレーク回路２５全体のブレーク電圧Ｖ_ＢＯとなる。

図８は、過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎの電圧電流の特性図である。過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎに印加される電圧がブレーク電圧Ｖ_ＢＯを越すと短絡動作が開始し、電流が保持電流Ｉ_Ｈ以上であればその短絡状態を継続する。このような電流電圧特性を有する過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎを直列に接続するので、過電圧ブレーク回路２５全体のブレーク電圧Ｖ_ＢＯは、これら複数個の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎのブレーク電圧Ｖ_ＢＯ２１〜Ｖ_ＢＯ２ｎの合計となる。過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎとしては、例えば、双方向２端子のサイリスタ構造で構成される新電元工業株式会社製のサイダック（登録商標）を使用する。

第３の実施の形態によれば、同期機の励磁制御装置の過電圧保護装置１２に要求されるブレーク電圧Ｖ_ＢＯに見合った過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎの直列数を選択することで、ブレーク電圧値を設定することが可能となる。

次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図９は本発明の第４の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図である。この第４の実施の形態は、図７に示した第３の実施の形態に対し、ゲートトリッガ回路２３の過電圧ブレーク回路２５は、複数個の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎのうちの１個または複数個を短絡する接点２６を有し、交流遮断器１５の遮断指令があったときは、その接点２６をオンして、過電圧ブレーク回路２３のブレーク電圧値を小さくするようにしたものである。図１および図７と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

負極性過電圧保護回路２１の過電圧ブレーク回路２３は、複数の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎの直列回路および接点２６で構成され、接点２６は界磁遮断時の放電動作のときに複数の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎの中の１つまたはいくつかの複数の過電圧ブレーク素子Ｂを橋絡して、過電圧ブレーク回路２３全体のブレーク電圧値を小さくする動作を行う。

図１０は過電圧ブレーク回路２３の動作説明図である。交流遮断器１５への遮断指令が出力される時点ｔ０の以前においては、交流遮断器１５の遮断による界磁電流のバイパス放電に起因しない過電圧保護動作の場合であるので、過電圧ブレーク回路２３全体のブレーク電圧Ｖ_ＢＯを大きく設定しておく。これにより、通常運転時の過電圧に対する保護動作を行う。一方、交流遮断器１５への遮断指令が出力された時点ｔ０以降においては、交流遮断器１５のアーク放電を速やかに解消するために過電圧ブレーク回路２３全体のブレーク電圧Ｖ_ＢＯを小さく設定する。つまり、接点２６をオンして複数の過電圧ブレーク素子Ｂ２１〜Ｂ２ｎの１つまたはいくつかの複数の過電圧ブレーク素子Ｂを橋絡して、過電圧ブレーク回路２３全体のブレーク電圧Ｖ_ＢＯを小さくする。

第４の実施の形態によれば、交流遮断器１５の遮断による界磁電流のバイパス放電に起因しない過電圧保護動作の場合と、交流遮断器１５の遮断による界磁電流のバイパス放電に起因する過電圧保護とにより、過電圧保護装置１２の負極性過電圧保護回路２１のブレーク電圧の切り替えを行うので、通常運転時の過電圧を適正に保護できるとともに、交流遮断器１５の遮断時には交流遮断器１５のアーク放電を速やかに解消できる。

次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図１１は本発明の第５の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図である。この第５の実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態に対し、連続パルス発生器２４は外部からのパルス発生開始指令ａから時間カウントするタイマー回路２７を有し、交流遮断器１５の遮断指令があったとき、タイマー回路２７に設定された時間遅れで連続パルスをサイリスタＳ２のゲートに供給開始するようにしたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

連続パルス発生器２４はタイマー２７とパルス発生器２８とから構成され、外部からパルス発生開始指令ａを受けるとタイマー２７で設定される時間だけ遅れて連続パルスを発生する。

図１２は連続パルス発生器２４にタイマー２７を有していない場合の特性図であり、サイリスタ整流器１６へのゲートパルス停止より連続パルスの発生が早い場合を示す。図１２中、時点ｔ０は交流遮断器１５への遮断指令およびサイリスタ整流器１６へのゲートパルス停止指令の時点、時点ｔ１はサイリスタ整流器１６がゲートパルスの発生を停止した時点、時点ｔ２は界磁電流のバイパスが完了した時点、時点ｔ３は交流遮断器１５が遮断開始した時点である。

時点ｔ０で交流遮断器１５への遮断指令およびサイリスタ整流器１６へのゲートパルス停止指令があると、連続パルス発生器２４はパルスを発生しサイリスタＳ２のゲートとカソードとの間へ連続パルスを印加する。この場合には、この間わずかであるがサイリスタＳ２のアノードカソードへの印加電圧が負の状態でゲートパルスが印加される可能性がある。あるいは順方向でゲートパルスが印加され一旦導通した後にサイリスタ整流器１６からの逆電圧で再びオフする状態もあり得る。励磁変圧器１４の２次側電圧が非常に大きい場合は、このような状態の発生はサイリスタＳ２にとって好ましくない場合もある。

そこで、連続パルス発生器２４のタイマー２７で連続パルスの発生開始をサイリスタ整流器１６のゲートパルス停止直後とする。図１３は連続パルス発生器２４にタイマー２７を有している場合の特性図である。図１３中、時点ｔ１はサイリスタ整流器１６がゲートパルスの発生を停止した時点、時点ｔ２はタイマー回路２７が連続パルス信号の出力を許可した時点、時点ｔ３は交流遮断器１５が遮断開始した時点である。連続パルス発生器２４のタイマー２７で連続パルスの発生開始をサイリスタ整流器１６のゲートパルス停止直後にすることで、サイリスタＳ２が確実に順方向の時に導通して界磁電流のバイパス回路を形成させ、その直後には交流遮断器１５を容易に遮断させることができる。

第５の実施の形態によれば、放電方向のサイリスタＳ２を連続パルスで点弧させるにあたり、連続パルス発生器２４のタイマー回路２７で連続パルスの発生時点をサイリスタ整流器１６に対してより良いタイミングとするので、サイリスタＳ２のアノードカソードへの印加電圧が負の状態でゲートパルスが印加されることを防止できる。また、順方向でゲートパルスが印加され一旦導通した後にサイリスタ整流器１６からの逆電圧で再びオフする状態も防止できる。

次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。図１４は本発明の第６の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図である。第６の実施の形態は、交直変換用のサイリスタ整流器１６を界磁遮断時には界磁電流の放電バイパス回路として使用するものである。

交流励磁電源１３の３相電圧は、励磁変圧器１４および交流遮断器１５を介して、ＵＶＷおよびＸＹＺの６アームのグレッツ接続で構成されたサイリスタ整流器１６に入力される。サイリスタ整流器１６は、ゲートパルス発生器１７からのゲート信号により、ＵＶＷおよびＸＹＺの６アームのうち順次２アームを導通させて交流励磁電源１３の３相を整流する。

また、ゲートパルス発生器１７は、外部からのゲートパルス停止信号ＧＲにより、サイリスタ整流器１６に印加される交流励磁電源１３の３相のうちのいずれか２相に接続される２組の４アームへのゲートパルスを停止し、残りの１相に接続される２アームの導通を維持する。

すなわち、ゲートパルス発生器１７はＵアームパルス発生器１７Ｕ、Ｘアームパルス発生器１７Ｘ、Ｖアームパルス発生器１７Ｖ、Ｙアームパルス発生器１７Ｙ、Wアームパルス発生器１７W、Ｚアームパルス発生器１７Ｚで構成され、外部からのゲートパルス停止信号ＧＲにより、いずれか２相に接続される２組のアーム（例えばＶＹ、ＷＺのアーム）のゲートパルス発生を停止できる機能を有している。

図１５は、本発明の第６の実施の形態におけるサイリスタ整流器１６の電圧波形の特性図である。時刻ｔ０に交流遮断器１５の遮断指令があったとすると、その遮断指令と同時にゲートパルス停止信号ＧＲが出力され、サイリスタ整流器１６の交流入力のうちＶ相とＷ相とに接続されるＶ、Ｙ、ＷおよびＺアームのサイリスタへのゲートパルスが停止される。これにより、時刻ｔ１にはＵアームとＸアームとが導通し、界磁電流の放電回路となる。この時点で交流遮断器１５の遮断極は遮断できる。

第６の実施の形態によれば、交流遮断器の遮断指令があったときサイリスタ整流器の２相に接続されるアームを非導通とし、残りの１相に接続される２アームの導通を維持するので、交流遮断器の遮断時に遮断極間に発生する電圧を低くすることができ遮断極間がアークでつながることを防止できる。

次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。図１６は本発明の第７の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図である。第７の実施の形態は、図１４に示した第６の実施の形態に対し、ゲートパルス発生器１７は、外部からのゲートパルス停止信号ＧＲが入力されたとき、サイリスタ整流回路１６のＵＶＷおよびＸＹＺの６アームのうち導通状態にある２アームの次に導通する２アームの導通を維持し、他の４アームへのゲートパルスを停止するようにしたものである。

図１６に示すように、ゲートパルス発生器１７はＵアームパルス発生器１７Ｕ、Ｘアームパルス発生器１７Ｘ、Ｖアームパルス発生器１７Ｖ、Ｙアームパルス発生器１７Ｙ、Wアームパルス発生器１７WおよびＺアームパルス発生器１７Ｚを有するともに、３個のゲートパルス停止回路ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３を有する。

ゲートパルス停止回路ＧＲ１は、ＯＲ回路２９ＵＸおよびＡＮＤ回路３０ＵＸを有し、ＵアームあるいはＸアームのパルス発生と外部からのゲートパルス停止信号ＧＲとのＡＮＤ条件により、Ｕアーム、Ｘアーム、ＷアームおよびＺアームのゲートパルス発生を停止させる。

同様に、ゲートパルス停止回路ＧＲ２は、ＯＲ回路２９ＶＹおよびＡＮＤ回路３０ＶＹを有し、ＶアームあるいはＹアームのパルス発生と外部からのゲートパルス停止信号ＧＲとのＡＮＤ条件により、Ｖアーム、Ｙアーム、ＵアームおよびＸアームのゲートパルス発生を停止させる。

また、ゲートパルス停止回路ＧＲ３は、ＯＲ回路２９ＷＺおよびＡＮＤ回路３０ＷＺを有し、ＷアームあるいはＺアームのパルス発生と外部からのゲートパルス停止信号ＧＲとのＡＮＤ条件により、Ｗアーム、Ｚアーム、ＶアームおよびＹアームのゲートパルス発生を停止させる。ここで、ゲートパルス停止回路ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３におけるＵＸ、ＶＹおよびＷＺの出力パルスのＯＲ回路は、次のパルスは発生されるまで継続する時限機能を所持する。

図１７は、本発明の第７の実施の形態におけるサイリスタ整流器１６の電圧波形の特性図である。時刻ｔ０に交流遮断器１５の遮断指令があったとすると、その遮断指令と同時にゲートパルス停止信号ＧＲが発生し、そのタイミングがＶアームパルス発生直後であるので、正極Ｐ側がＶからＷに転流した時点でＷＺのペアが導通し界磁電流の放電回路となる。この時点で交流遮断器１５の遮断極は容易に遮断可能となる。

第７の実施の形態によれば、外部からのゲートパルス停止信号ＧＲが入力されたとき、サイリスタ整流回路１６のＵＶＷおよびＸＹＺの６アームのうち導通状態にある２アームの次に導通する２アームの導通を維持し、他の４アームへのゲートパルスを停止するようにしたので、交流遮断器の遮断時に遮断極間に発生する電圧を低くすることができ遮断極間がアークでつながることを防止できる。

本発明の第１の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図。本発明の第１の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置における過電圧保護装置の動作説明図。本発明の第２の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図。本発明の第２の実施の形態における連続パルス発生器の動作説明図。本発明の第２の実施の形態における連続パルス発生器を有していない場合のサイリスタ整流器の入出力電圧の特性図。本発明の第２の実施の形態における連続パルス発生器を有した場合のサイリスタ整流器の入出力電圧の特性図。本発明の第３の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置における過電圧保護装置の負極性過電圧保護回路２１の回路構成図。本発明の第３の実施の形態における過電圧ブレーク素子の電圧電流の特性図。本発明の第４の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図。本発明の第４の実施の形態における過電圧ブレーク回路の動作説明図。本発明の第５の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図。本発明の第５の実施の形態における連続パルス発生器にタイマーを有していない場合の特性図。本発明の第５の実施の形態における連続パルス発生器にタイマーを有している場合の特性図。本発明の第６の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図。本発明の第６の実施の形態にけるサイリスタ整流器の電圧波形の特性図。本発明の第７の実施の形態に係わる同期機の励磁制御装置の回路構成図。本発明の第７の実施の形態におけるサイリスタ整流器の電圧波形の特性図。従来の同期機の励磁制御装置の回路構成図。従来の同期機の励磁制御装置における過電圧保護装置の動作説明図。

符号の説明

１１…界磁巻線、１２…過電圧保護装置、１３…交流励磁電源、１４…励磁変圧器、１５…交流遮断器、１６…サイリスタ整流器、１７…ゲートパルス発生器、１８…過電圧ブレーク素子、１９…ダイオードブリッジ回路、２０…正極性過電圧保護回路、２１…負極性過電圧保護回路、２２…ゲートトリッガ回路、２３…ゲートトリッガ回路、２４…連続パルス発生器、２５…過電圧ブレーク回路、２６…接点、２７…タイマー回路、２８…パルス発生器、２９…ＯＲ回路、３０…ＡＮＤ回路

Claims

同期機の界磁巻線に界磁電流を供給する直流回路に過電圧保護装置を備え、交流遮断器を介して入力される交流励磁電源をサイリスタ整流器で直流に変換し前記直流回路に供給する同期機の励磁制御装置において、前記過電圧保護装置は、前記サイリスタ整流器と並列に接続され前記直流回路の正極側がプラス方向に過電圧となったときに動作する正極性過電圧保護回路と、前記サイリスタ整流器および前記正極性過電圧保護回路と並列に接続され前記直列回路の負極側がプラス方向に過電圧となったときに動作する負極性過電圧保護回路とを備え、前記正極性過電圧保護回路および前記負極性過電圧保護回路は、前記直流回路の両端電圧が過電圧となったときにオンするサイリスタと前記サイリスタへの印加電圧を抑制する抵抗との直列回路と、前記直流回路の両端電圧が印加され前記直流回路の両端に過電圧が発生したときに前記サイリスタにゲート電流を継続して供給するゲートトリッガ回路とから構成され、前記負極性過電圧保護回路の前記ゲートトリッガ回路に組み込まれた過電圧ブレーク回路は、複数個の過電圧ブレーク素子を直列に接続して構成され、前記過電圧ブレーク回路の複数個の過電圧ブレーク素子のうちの１個または複数個を短絡する接点を有し、前記交流遮断器の遮断指令があったときは前記接点をオンし前記過電圧ブレーク回路のブレーク電圧値を小さくすることを特徴とする同期機の励磁制御装置。