JP4800677B2

JP4800677B2 - 同期機の励磁装置

Info

Publication number: JP4800677B2
Application number: JP2005174976A
Authority: JP
Inventors: 紳也野口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP2006352990A

Description

この発明は、同期機の励磁装置に関するものであり、特に多並列整流回路を備えた同期機の励磁用整流器の半導体整流素子が複数並列回路にわたって溶断したとき、同期機の運転を停止することなく継続して運転可能とする同期機の励磁装置に係るものである。

同期発電機や同期電動機等の同期機は、励磁装置からの出力によって励磁運転されている。励磁装置は同期機の界磁巻線に供給する励磁電流（励磁電圧）を制御する半導体（例えばサイリスタ）整流器と、励磁変圧器や永久磁石発電機等の電源とによって構成されている。半導体整流器は同期機の容量などに応じた界磁電流値と、適用される半導体の容量などにより選定され、並列接続（あるいは必要に応じて直列接続）されている。通常並列数は同期機の運転に必要な並列数Ｎに対して冗長を持たせＮ＋１並列で構成されているが、Ｎ＋２などとする場合もある。

前記半導体整流器の構成は通常３相で、相数分の半導体整流並列回路からなっている。このような励磁装置において従来より並列１回路欠の故障（ヒューズ断）発生の場合、警報のみ発して同期機の運転を継続させ、並列２回路欠の場合に同期機をトリップさせていた。しかしながら例えば発電所の発電機をトリップさせると、他の発電所を含め電力系統全般の運転制御に影響を及ぼすことから望ましいことではない。前記のような並列２回路欠の故障時のトリップ発生をなくするため、励磁装置内のＡＶＲにランバック回路を設け、連続運転を可能とすることが示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０２−２８５９２８号公報（第１図Ｐ５）

しかしながら前記特許文献１に示されたものでは、ランバック回路を設置する必要があり、その為励磁装置が複雑化し、コストが上昇するという問題点があった。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであって、多並列で構成された半導体整流器の整流並列回路の複数並列回路に故障が発生したとしても、同期機をトリップさせることなく連続して運転することを可能とするとともに、過度安定度の向上した運転を行うことの出来る同期機の励磁装置を提供することを目的とする。

この発明に係る同期機の励磁装置は、同期機の界磁巻線に励磁電流を供給する整流器と、前記整流器の出力を制御する自動電圧調整器とを備えており、
整流器には、半導体素子と該半導体素子の過電流保護用ヒューズとよりなる整流回路が複数並列に設けられているとともに、該複数の整流回路において過電流保護用ヒューズが溶断したときに信号を出力するヒューズ断検出ロジックが設けられており、
自動電圧調整器には、複数の整流回路で過電流保護用ヒューズが溶断したとき、界磁巻線への励磁電流を制限する複数のヒューズ溶断に対応して設定されたヒューズ断時リミット電流値指令信号を出力する制限電流指令回路と、該制限電流指令回路の出力信号を入力して、界磁巻線への励磁量を制限する指令値を出力する制限回路が設けられているとともに、制限電流指令回路に設けられた比較器には、界磁電流値と、切換回路を介して界磁巻線過励磁時の電流値であるＯＥＬ動作点電流値と、複数の整流回路において過電流保護用のヒューズが溶断した時のヒューズ断時動作点電流値とが入力されており、制限電流指令回路がヒューズ断検出ロジックからの信号を入力すると、切換回路によってＯＥＬ動作点電流値からヒューズ断時動作点電流値に切り換えられて、比較器にヒューズ断時動作点電流値が入力し、ヒューズ断時動作点電流値が界磁電流値よりも大きい時に出力する比較器のＯＮ信号により、ヒューズ断時リミット電流値指令信号が出力され、該信号を入力する制限回路を介して整流器の出力を制限するものである。

この発明の同期機の励磁装置は、上記のような構成を備えているので、複数のヒューズ溶断時においても整流器を破損することがなくかつ同期機を停止することなく運転継続することができ、さらに同期機の過度安定度を向上できるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は同期機の励磁装置を示すブロック図である。図１において、例えばタービン発電機である同期機１は界磁巻線２を備え、励磁装置２００によって励磁される。前記励磁装置２００は、励磁変圧器や永久発電機等の電源３と、この電源３の出力を整流し前記界磁巻線２に供給する励磁電流（励磁電圧）を制御する、例えばサイリスタよりなる整流器４と、自動電圧調整器（以下ＡＶＲと称す）５とで構成される。前記同期機１の出力電圧、電流は電圧検出用変圧器（ＰＴ）６と、電流検出用変圧器（ＣＴ）７を介して、ＡＶＲ５に入力される。ＡＶＲ５は同期機１の出力に応じて、例えばサイリスタ点弧パルス制御信号を発し、トリガ回路８を介して整流器４を制御する。

整流器４は同期機１の容量に対応した界磁電流値と、適用される半導体の容量などにより選定されており、並列接続や必要に応じて直列接続されるが、この実施の形態１による図１では並列接続の例を示す。
並列数は通常同期機１の運転に必要な並列数Ｎに対して冗長をもたせ、Ｎ＋１並列で構成される。なお用途により冗長数を増やし、Ｎ＋２などとする場合もあるが、ここではＮ＋１並列の場合を示す。
図１における整流器４は１直列４並列の構成であり、３相で相数分の半導体整流回路３６ａ、３６ｂ、３６ｃからなり、それぞれが同じ構成を有しており、図１では１相分の半導体整流回路３６ａについて詳細に図示している。１相分の半導体整流回路３６ａは、半導体素子３１ａ〜３１ｈと、前記各半導体素子３１ａ〜３１ｈの過電流保護用ヒューズ３２ａ〜３２ｈを備えており、前記半導体素子３１と過電流保護用ヒューズ３２とで整流回路３０を形成し、図１では２直列４並列の例を示している。前記ヒューズ３２ａ〜３２ｈが溶断した場合に、ヒューズ溶断信号（接点信号）３３ａ〜３３ｈを発信する。前記半導体素子３１ａ〜３１ｈのトリガ回路８は集約して示しており、これはＡＶＲ５の制御出力信号である。
図２に示すように、整流器４に設けられたヒューズ断検出ロジック３４に、前記ヒューズ溶断信号３３ａ〜３３ｈが集約される。

図２において、１並列ヒューズ断、つまりヒューズ３２ａおよびヒューズ３２ｅ（Ａ列と称す）、ヒューズ３２ｂおよびヒューズ３２ｆ（Ｂ列）、ヒューズ３２ｃおよびヒューズ３２ｇ（Ｃ列）、ヒューズ３２ｄおよびヒューズ３２ｈ（Ｄ列）のいずれかの列のヒューズが何らかの要因によって溶断したときには、ヒューズ断検出ロジック３４は１並列ヒューズ断信号３５ａをＡＶＲ５に出力するが、この場合、例えば図示省略の中央制御室において警報信号を発するのみで、ＡＶＲ５はヒューズ断以前と同様の運転を継続するよう動作する。
２並列ヒューズ、つまり例えばＡ列とＢ列のヒューズが溶断したとき、ヒューズ断検出ロジック３４は２並列ヒューズ断信号３５ｂをＡＶＲ５に出力する。

図３はＡＶＲ５に設けられたこの実施の形態１による制限電流指令回路９（以下、ＯＥＬと称す）を示す。前記２並列ヒューズ断信号３５ｂはこのＯＥＬ９に入力される。ＯＥＬ９は同期機１の界磁巻線２の励磁量を制限回路１１を介し制限するものである。
図３に示すように、界磁巻線２の過熱防止の為、標準的に規定されている過励磁を制限する制限電流値がＯＥＬリミット電流値９２として設定されている。また、制限値初期値９５が設定されており、通常運転時には制限回路１１の値はこの制限値初期値９５に設定されている。一方、ＡＶＲ５は励磁量指令値１０により励磁制御信号８で整流器４を制御している。
次に通常運転時のＯＥＬ９の動作を述べる。
界磁巻線２に過電流が流れ、図１には省略した検出器が過電流を検出すると、ＯＥＬ動作９４によりＯＥＬリミット電流値９２が第１の切換回路９３ａ、第２の切換回路９３ｂを介して制限回路１１に入力され、励磁制御信号８としてＡＶＲ５から整流器４に入力し、前記ＯＥＬリミット電流値９２により整流器４の出力制御を行う。

次に２並列ヒューズ断信号３５ｂがＯＥＬ９に入力された場合つまり、２並列ヒューズ断という故障発生時の動作を説明する。
２並列ヒューズ断信号３５ｂがＯＮになると、制限回路１１の出力は、第１、第２の切換回路９３ａ，９３ｂで１の側が選択されることにより、２並列ヒューズ断時の整流器４の容量に設定された制限電流値である２並列ヒューズ断時リミット電流値９１に設定される。つまり界磁巻線２の励磁電流は励磁量指令値１０によらず、励磁制御信号８が制限され、整流器４の出力が２並列ヒューズ断時リミット電流値９１に対応した電流値に制限される。即ち２並列ヒューズ断時リミット電流値９１を、整流器４を破損しない値に定めることにより、２並列ヒューズ断時においても整流器４の容量以内の励磁量指令値しか出力されない為、整流器４を破損することなく、同期機１の運転を継続することが可能な励磁装置１００となる。
なお、ＯＥＬ９の動作方式として、前記の如く、制限回路１１の出力を強制的に設定する方式以外に、界磁電流フィードバック回路を用いて界磁電流値を所定の値に制御する方式もあり、この場合においても前述した図３の回路構成を採用することが可能である。

実施の形態２．
次に実施の形態２によるＯＥＬ９ａを図４に基づいて説明する。図４において切換回路９３以外は前記実施の形態１で示した図３と同一であるので説明を省略する。
この実施の形態２の図４に示すＯＥＬ９ａの構成は、２並列ヒューズ断時に、整流器４の容量が、標準的に設定されているＯＥＬリミット電流値９２以上の容量（整流器４の出力定格）を有しておれば採用できるものである。図４において、２並列ヒューズ断信号３５ｂがＯＮすると、切換回路９３で１の側が選択され、ＯＥＬリミット電流値９２に設定される。これにより制限回路１１から界磁巻線２の励磁電流値は、励磁量指令値１０によらずＯＥＬリミット電流値９２を整流器４が出力する。整流器４の容量が２並列ヒューズ断時においても、標準的に設定されているＯＥＬリミット電流値９２（定格界磁電流値を１００％とした場合、例えば１０５％の電流値をＯＥＬリミット値とする）以上の励磁装置１００であればこのような構成のＯＥＬ９ａを採用してもよい。なお、この実施の形態２では２並列ヒューズ断時について述べたがこれに限らず２並列以上の複数の並列ヒューズ断時であってもよい。このようにこの実施の形態２のＯＥＬ９ａを備えた同期機１の励磁装置１００は、前記実施の形態１の効果に加えて、システムの簡易化、コスト低減さらには２並列ヒューズ断時のリミット値を設定する必要が無くなることによるヒューマンエラ防止の効果がある。

実施の形態３．
次に実施の形態３によるＯＥＬ９ｂを図５に基づいて説明する。図５において、実施の形態１で示した図３と同一符号のものは同一機能であり、説明を省略する。
前記実施の形態１のＯＥＬ９では、２並列ヒューズ断時に即時に２並列ヒューズ断時のリミット値電流値９１の値の出力をするよう整流器４へ制御指令をＡＶＲ５が行っていたが、この実施の形態３では図５に示すように、ＯＥＬ９ｂに設けられた第２の切換回路９３ｂの切換条件を、比較器９９の出力によるものとする。この比較器９９には、同期機１の界磁巻線２に流れる界磁電流値９８とＯＥＬ動作点電流値９６と２並列ヒューズ断時動作点電流値９７が入力され、前記ＯＥＬ動作点電流値９６と２並列ヒューズ断時動作点電流値９７が第３の切換回路９３ｃによって切り換えられるものである。そしてこの第３の切換回路９３ｃの切換条件として、前記実施の形態１の図３で示したと同様に、２並列ヒューズ断信号３５ｂを用いるものである。

比較器９９は、第３の切換回路９３ｃの出力が界磁電流値９８より大きい場合にＯＮとなるよう設定されている。このような構成のＯＥＬ９ｂを備えた同期機１の励磁装置１００では２並列ヒューズ断信号３５ｂがＯＮすると、第３の切換回路９３ｃによってＯＥＬ動作点電流値９６が２並列ヒューズ断時動作点電流値９７に切り換えられる。従って界磁巻線２への界磁電流値９８が２並列ヒューズ断時動作点電流値９７以下の場合に、つまり２並列ヒューズ断時動作点電流値９７＞界磁電流値９８の場合には比較器９９の出力がＯＮとなり、２並列ヒューズ断信号３５ｂを入力する第１の切換回路９３ａは２並列ヒューズ断時リミット電流値９１を出力するとともに、第２の切換回路９３ｂの出力は制限値初期値９５から、２並列ヒューズ断時リミット電流値９１となる。

このように２並列ヒューズ断時動作点電流値９７≧界磁電流値９８の場合には、結果的には前記実施の形態１と同様に制限回路１１は、２並列ヒューズ断時リミット電流値９１を励磁制御信号８として出力するが、しかし２並列ヒューズ断時動作点電流値９７の電流値以下の界磁電流値で運転している場合には、この実施の形態３による励磁装置１００の短時間の過励磁運転は可能であり、前記実施の形態１の効果に加え、同期機１の過渡安定度を向上できるという効果が得られる。

実施の形態４．
次に実施の形態４について説明する。
前記実施の形態１〜３による励磁装置１００では、２並列ヒューズ断時に同期機１の界磁巻線２への界磁電流値を制限していたが、この界磁電流値を制限することで同期機１と整流器４との容量の組み合わせによっては、同期機１の出力電圧が不足してしまい、同期機１の運転に必要な定態安定度が確保できず、脱調してしまう可能性もある。
この実施の形態４では、上記のような組み合わせであっても定態安定度を確保するとともに、前記実施の形態１〜３と同様の動作を行う励磁装置１００の構成を有している。この実施の形態４の発電システムのブロック図を図６に示す。図６において、図１と同一符号は同一機能であり、説明を省略する。タービン発電機である同期機１はタービン１２を原動機として回転し、タービン１２の回転数はガバナ制御装置１３により制御される。励磁装置１００のＡＶＲ５の入力として、同期機１の出力電圧検出用変圧器（ＰＴ）６、出力電流検出用変圧器（ＣＴ）７の出力を用い、前記実施の形態１〜３のいずれかの構成を備えた整流器４の出力は、同期機１の界磁巻線２に供給される界磁電流となる。

前記実施の形態１〜３で述べたと同様な２並列ヒューズ断が発生した際、ＡＶＲ５は同期機１の有効電力を制御する為に同期機に直結されたタービン１２を制御するガバナ制御装置１３に対して、有効電力を制限する有効電力制御信号１４を出力し、このガバナ制御装置１３によってタービン１２の回転数を制御し同期機１の出力を制限するよう制御する。
このような構成により、励磁装置１００の半導体整流回路４の２並列ヒューズ断が発生時、同期機１と整流回路４の容量の組み合わせによって生じる同期機１の界磁電流が制限されることにより発生する可能性のある定態安定度不足による脱調を防止できるという効果がある。

実施の形態５．
次に実施の形態５を説明する。
前記実施の形態３では、２並列ヒューズ断時に過励磁制限点を変更することで、過渡安定度を向上させていたが、この実施の形態５では図７に示すようにさらに通常運転時の力率制限をすることで、定常的な過励磁制限を回避し、さらに安定度を向上させるものである。
図７において図５と同一符号のものは同―機能を持ち、説明を省略する。
図７において同期機１の出力電圧検出用変圧器（ＰＴ）６、同期機１の出力電流検出用変圧器（ＣＴ）７の出力をＡＶＲ５に設けられた力率制限回路１６に入力することで電圧設定値１５に対応した励磁量指令値１０を出力させる。更に出力電圧検出用変圧器（ＰＴ）６と上記電圧設定値１５の誤差を検出するとともにこの誤差に対応した励磁量を励磁量指令値１０として制限回路１１に出力するものである。このように通常運転時の力率制限をした結果を励磁量指令値１０として出力することで、定常的な過励磁制限を回避し、さらに安定度向上を図ることができる。
また、前記実施の形態４で示したように、ＡＶＲ５からガバナ１３への有効電力制御信号１４を出力する有効電力制限を付加すると、更にこの実施の形態５による機能が有効に機能する。

実施の形態６．
次に実施の形態６を説明する。
前記実施の形態１〜実施の形態５では、２並列ヒューズ断時に界磁電流制限をしていたが、この実施の形態６では図８に示すように、３並列以上のヒューズ断時においても、切り換え回路を追加することで更に同期機１の運転を停止することなく運転継続を行うものである。
図８において図３と同一符号のものは同一機能を持ち、説明を省略する。
図８は図３に３並列ヒューズ断信号３５ｃ、３並列ヒューズ断時リミット値電流値１００、第４の切換回路９３ｄを追加して設けたものである。
図８において、３並列ヒューズ断は起こらず、２並列ヒューズ断が起こった場合、つまり３並列ヒューズ断信号３５ｃがＯＦＦで２並列ヒューズ断信号３５ｂがＯＮになると、第１の切換回路９３ａでは１が選択されているが、第４の切換回路９３ｄでは０が選択され、さらに最終段の第２の切換回路９３ｂの切換条件がＯＮであるから、第２の切換回路９３ｂでは１が選択される。結果的に２並列ヒューズ断時リミット値９１の値が制限回路１１に設定される。つまり図８は図３の機能を包含している。

３並列ヒューズ断が起こった場合、つまり３並列ヒューズ断信号３５ｃがＯＮの時、２並列ヒューズ断信号３５ｂもＯＮになる。よって第１の切換回路９３ａでは１が選択され、第４の切換回路９３ｄでも１が選択され、さらに最終段の第２の切換回路９３ｂの切換条件がＯＮであるから、第２の切換回路９３ｂでは１が選択される。結果的に３並列ヒューズ断時リミット値９１の値が制限回路１１に設定される。以下４並列以上のヒューズ断時も同様でありいずれの場合でも、ヒューズ断が発生しても同期機の運転は継続できる。
なお並列ヒューズ断数が増加する毎にヒューズ断時のリミット値は小さくなる。例えば２並列断時はリミット値３０００Ａとすると３並列時は２０００Ａ、４並列断時は１０００Ａなど各複数の並列ヒューズ断リミット値電流値を出すように制限され、運転継続される。また、本実施の形態６に前記実施の形態２〜５の機能も具備、適用させることもできる。

この発明の実施の形態１〜６は、タービン発電機などの同期機の励磁装置に利用可能である。

この発明の実施の形態１の同期機の励磁装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態１のヒューズ断検出ロジックを示すブロック図である。この発明の実施の形態１の制限電流指令回路を示す図である。この発明の実施の形態２の制限電流指令回路を示す図である。この発明の実施の形態３の制限電流指令回路を示す図である。この発明の実施の形態４の発電システムを示すブロック図である。この発明の実施の形態５の制限電流指令回路を示す図である。この発明の実施の形態６の制限電流指令回路を示す図である。

符号の説明

１同期機、２界磁巻線、４整流器、５ＡＶＲ、８励磁制御信号、
９，９ａ，９ｂ制限電流指令回路、１１制限回路、１２原動機、
１３ガバナ制御装置、３０ａ〜３０ｄ整流回路、３１ａ〜３１ｈ半導体素子、
３２ａ〜３２ｈ過電流保護用ヒューズ、３３ａ〜３３ｈヒューズ断信号、
３４ヒューズ断検出ロジック、３５ｂ２並列ヒューズ断信号、
３６ａ〜３６ｃ半導体整流並列回路、９１２並列ヒューズ断時リミット電流値、
９２ＯＥＬリミット値、９３ａ第１の切換回路、９３ｂ第２の切換回路、
９３ｃ第３の切換回路、９３ｄ第４の切換回路、９６ＯＥＬ動作点電流値、
９７２並列ヒューズ断時動作点電流値、９８界磁電流値、９９比較器、
２００同期機の励磁装置。

Claims

同期機の界磁巻線に励磁電流を供給する整流器と、前記整流器の出力を制御する自動電圧調整器とを備えた同期機の励磁装置であって、
前記整流器には、半導体素子と該半導体素子の過電流保護用ヒューズとよりなる整流回路が複数並列に設けられているとともに、該複数の整流回路において前記過電流保護用ヒューズが溶断したときに信号を出力するヒューズ断検出ロジックが設けられており、
前記自動電圧調整器には、前記複数の整流回路で前記過電流保護用ヒューズが溶断したとき、前記界磁巻線への励磁電流を制限する前記複数のヒューズ溶断に対応して設定されたヒューズ断時リミット電流値指令信号を出力する制限電流指令回路と、該制限電流指令回路の出力信号を入力して、前記界磁巻線への励磁量を制限する指令値を出力する制限回路が設けられているとともに、前記制限電流指令回路に設けられた比較器には、界磁電流値と、切換回路を介して界磁巻線過励磁時の電流値であるＯＥＬ動作点電流値と、前記複数の整流回路において前記過電流保護用のヒューズが溶断した時のヒューズ断時動作点電流値とが入力されており、前記制限電流指令回路が前記ヒューズ断検出ロジックからの信号を入力すると、前記切換回路によって前記ＯＥＬ動作点電流値から前記ヒューズ断時動作点電流値に切り換えられて前記比較器に前記ヒューズ断時動作点電流値が入力し、前記ヒューズ断時動作点電流値が前記界磁電流値よりも大きい時に出力する前記比較器のＯＮ信号により前記ヒューズ断時リミット電流値指令信号が出力され、該信号を入力する前記制限回路を介して前記整流器の出力を制限することを特徴とする同期機の励磁装置。