JP5709314B2 - ブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置 - Google Patents

Description

この発明は、改良されたブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置に関する。

ブラシレス交流励磁機を有するブラシレス同期発電機の回転子は、固定子側と絶縁(非接触)しているために温度の直接計測は困難である。このため、回転子の電流を外部から供給する役割をする交流励磁機の界磁電流値、或いは発電機の出力値の制限値超過の有無のみによる保護監視制御機能を採用する事が多かった。従って、回転子温度に余裕があるにも拘わらず発電機出力を制限する事例、又、過渡時には熱的容量の小さい回転子の保護が満足に行えない事例が生じていた。

これに対し、本願発明者は、温度計測器による計測値を電波等で外部に伝達する発信装置を回転子に取り付ける技術を開示している（例えば特許文献１参照。）。

特開平１０−３２７５６１号公報（第２−３頁、図１）

特許文献１による非接触温度検出の手法は、温度の直接計測という点では検出精度の向上が計れるが、回転子の高速回転による機械的荷重に対する検出器、発信装置の強度・信頼性に問題があり、適用に至っていなかった。

本発明は上記問題点に鑑み為されたもので、回転子に特別な測定器具を搭載する事無く、比較的良好な精度で回転子の温度を検出可能なブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置は、ＡＶＲの制御によって、ブラシレス励磁機を介して回転子に励磁電流を供給して出力制御を行うようにしたブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置であって、前記ブラシレス同期発電機の出力電圧及び出力電流と、前記ＡＶＲの出力電流と、前記ブラシレス同期発電機の固定子に取り付けた温度検出器の出力とを入力とし、データ記憶部を有する回転子温度検出部を具備し、前記データ記憶部は、前記ブラシレス同期発電機の出力電圧、出力電流及び前記ＡＶＲの出力電流をパラメータとしたときの、前記ブラシレス同期発電機の回転子温度の飽和値と熱時定数を事前測定から求めてパターンデータとして記憶し、前記回転子温度検出部は、前記ブラシレス同期発電機の出力電圧及び出力電流と、前記ＡＶＲの出力電流の測定値と前記パターンデータを参照比較することにより回転子温度の飽和値と熱時定数を求め、所定の演算処理を行うことによって補正前の回転子温度を推定し、前記温度検出器の出力に応じて補正した回転子温度を検出温度としたことを特徴としている。

この発明によれば、回転子に特別な測定器具を搭載する事無く、比較的良好な精度で回転子の温度を検出可能なブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置を提供することが可能となる。

本発明のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置の回路構成図の一例。 回転子温度検出部による温度推定のフローチャートの一例。 ＡＶＲ出力電流、回転子温度、発電機出力のトレンドグラフの一例。

以下、図１乃至図３を参照して本発明に係るブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置の実施例について説明する。

図１は、本発明のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置の回路構成図の一例である。系統電源１に対して、系統母線２及び遮断器３を介してブラシレス同期発電機４が接続されている。ブラシレス同期発電機４はブラシレス交流励磁機５によって回転子が励磁される。ブラシレス交流励磁機５の固定子巻線には、ブラシレス同期発電機４の界磁電流を供給して発電機電圧を所定値に制御するためのＡＶＲ(電圧調整器)１０が接続されている。

ブラシレス同期発電機４の出力側には、出力電圧を検出する変成器７と出力電流を検出する変流器８が接続されており、各々の検出量はＡＶＲ１０に供給されている。ＡＶＲ１０はこれらの検出量をフィードバック値として用い、制御指令に従って、ブラシレス同期発電機４の単独運転時には出力電圧制御、また系統連係時には通常は無効電力制御を行う。

ブラシレス同期発電機４の固定子側には、例えば測温抵抗体を用いた温度検出器６が取り付けられており、ブラシレス同期発電機４の内部温度を検出している。また、ＡＶＲ１０の出力電流は電流検出器９によって検出されている。

温度検出器６、変成器７、変流器８及び電流検出器９によって検出された各信号は回転子温度検出制御装置２０の回転子温度検出部２１に与えられる。回転子温度検出部２１は回転子温度推定器２２、データ記憶部２３及び温度補正器２４から成り、変成器７、変流器８及び電流検出器９によって検出された、電圧信号と２つの電流信号は、回転子温度推定器２２に、また温度検出器６で検出された温度信号は温度補正器２４に与えられる。

回転子温度推定器２２は、後述するような手法によって同期発電機４の回転子温度を推定し、その時点の温度をデータ記憶部２３に書き込むと共に比較判定器２５に与える。比較判定器２５において、設定された温度制限値と推定された回転子温度を比較し、回転子温度が温度制限値以上であれば警報回路２６に警報指令を与える。また、必要に応じてＡＶＲ１０に停止指令を与える。

以下回転子温度検出部２１が行う温度推定手法について、図２に示すフローチャートに従って説明する。図２はサンプリング監視を行う場合の回転子温度検出のフローチャートの一例である。

まず、ブラシレス同期発電機４及びＡＶＲ１０を運転していないときの初期温度は温度検出器６が検出する固定子温度とする（ステップＳＴ１）。

以下時刻ｔ＝Ｔｋ（ｋ＝１、２、・・・）におけるサンプリング温度推定を行う。ステップＳＴ２において、ｔ＝Ｔｋにおける関連信号Ｄ（Ｔｋ）を計測する。関連信号Ｄ（Ｔｋ）は、変成器７で検出される発電機電圧Ｖｓ（Ｔｋ）、変流器８によって検出される発電機電流Ｉｓ（Ｔｋ）及び電流検出器９によって検出されるＡＶＲ電流Ｉａ（Ｔｋ）から成る。発電機電圧Ｖｓ（Ｔｋ）と発電機電流Ｉｓ（Ｔｋ）の位相差についても、回転子温度に影響を与えるので、発電機の出力力率φを発電機電圧Ｖｓ（Ｔｋ）と発電機電流Ｉｓ（Ｔｋ）の変化から求め、上記関連信号Ｄ（Ｔｋ）に加えるようにしても良い。

次に、関連信号Ｄ（Ｔｋ）が一定のときの飽和状態の回転子温度Θｓ（Ｔｋ）を、データ記憶部２３に予め記憶されたパターンデータを参照して求める（ステップＳＴ３）。ここで、飽和状態とは、回転子の熱時定数に比べて極端に長い時間連続運転して回転温度が一定値に飽和した状態のことである。このパターンデータは、同期発電機４自身または同一定格の同期発電機を用いて事前に求める。例えば、不可逆の示温計を回転子に貼り付けた状態で上記関連信号Ｄ（Ｔｋ）を一定値に保った状態で同期発電機４を運転し所定時間経過後に停止して記憶された回転子の最高温度を測定する。或いは、示温計を使用せず、急停止した直後の回転子巻線の抵抗値から温度を推定するようにしても良い。上記における所定時間を何点か変えてプロットすれば、外挿法によって飽和状態の回転子温度Θｓ（Ｔｋ）を求めることができる。またこのプロットによって熱時定数τを演算推定できる。このような事前測定を、上記関連信号Ｄ（Ｔｋ）を変化させて繰り返し行うことによって、任意の関連信号Ｄ（Ｔｋ）における飽和状態の回転子温度Θｓ（Ｔｋ）を推定することが可能なパターンデータを得ることができる。

また、上記事前計測において、温度検出器６が検出する固定子側温度も同時に計測しておけば、飽和状態における固定子温度と固定子側の熱時定数も同時にパターンデータとして得ることができる。

次に、現在（ｔ＝Ｔｋ）の状態が定常状態かどうか判定する（ステップＳＴ４）。ここで定常状態とは、所定時間、あるいは所定のサンプリング数の期間、ステップＳＴ３で求めた飽和状態の回転子温度Θｓ（Ｔｋ）の変動幅が所定値以内であることである。このステップＳＴ４で定常状態と判断されれば、回転子温度Θｓ（Ｔｋ）は回転子温度Θｓ（Ｔｋ）と等しいものとする（ステップＳＴ５）。

ステップＳＴ４で定常状態でないと判断されれば、過渡温度推定演算を行う（ステップＳＴ６）。過渡温度推定は直近のＴｋ＝Ｔｓにおける定常状態の温度Θ（Ｔｓ）からどれだけ温度上昇したかを求めて、これを定常状態の温度Θ（Ｔｓ）に加算する。直近のＴｋ＝Ｔｓにおける定常状態の温度Θ（Ｔｓ）が存在しないときはＳＴ１で求めたｔ＝０における初期温度Θ（Ｔ０）を用いる。推定計算式は（１）式となる。

Θ（Ｔｋ）＝Θ（Ｔｓ）＋{Θｓ（Ｔｋ）−Θ（Ｔｓ）}{１−ｅｘｐ（Ｔｋ−Ｔｓ）／τ｝・・・（１）
ここでτは前述の回転子温度の熱時定数である。厳密には、関連信号Ｄ（Ｔｋ）が変化したときの熱時定数は、どの値が変化したのかによって異なるが、ＡＶＲ電流Ｉａ（Ｔｋ）の変化によるものが支配的と考えられるのでここでは分けて考えないものとする。

以上が回転子温度推定器２２の動作であり、求められた回転子温度Θ（Ｔｋ）をデータ記憶部２３に記憶させる（ステップＳＴ７）。このとき、回転子温度Θ（Ｔｋ）が定常状態のΘｓ（Ｔｋ）である場合には、次のサンプリングにおけるステップＳＴ６で直近の定常状態の温度として使用できるようにしておく。

次に、温度補正器２４が温度補正を行い（ステップＳＴ７）、次のサンプリング推定の準備を行う（ステップＳＴ９）。ここで、温度補正には以下の２通りの方法がある。

まず、前述したようにパターンデータを得たときに、飽和状態の温度検出器６の検出温度とその熱時定数を得ておく方法である。この場合は、ステップＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５及びＳＴ６で回転子温度を求めた手法と同様の方法で温度検出器６の検出温度を推定し、その推定温度と実際の温度検出器６の検出温度との差で上記回転子温度Θ（Ｔｋ）を補正する。

第２の手法は、パターンデータを得たときの初期温度と、実際の初期温度との差で上記回転子温度Θ（Ｔｋ）を補正する手法である。運転中に同期発電機４の冷却に関わる外気温度の変化がなければこの後者の補正で十分と考えられる。

尚上記において、ステップＳＴ４とＳＴ５を省略しても温度推定は可能である。しかしながら、温度推定が常に初期温度からの過渡温度推定となるため、この場合は推定誤差が積算される恐れがある。

以上述べた推定方法を実際の運転状況の例で表示すると、図３に示すようになる。図３はＡＶＲ出力電流、回転子温度、発電機出力のトレンドグラフの一例である。下段には発電機出力、上段にはＡＶＲ出力電流、中段には回転子温度の推移が示してある。発電機出力をｔ＝Ｔ１、Ｔ２及びＴ３で段階的に増加させ、ｔ＝Ｔ４、Ｔ５及びＴ６で段階的に減少させるような運転を行うと、回転子電流は図示したように、Ｔ１からＴ３において電流増加(１)、電流増加(２)、電流増加(３)、Ｔ４からＴ６において電流減少（１）、電流減少(２)、電流現象(３)の推移となる。そして回転子温度は回転子電流の変化に対して熱時定数τに従った１次遅れの応答となり、Ｔ１からＴ３において温度上昇（１）、温度上昇(２)、温度上昇(３)、Ｔ４からＴ６において温度下降（１）、温度下降(２)、温度下降(３)の推移となる。この場合、従来のようにＡＶＲ出力電流によって温度上昇保護を行おうとすると、時刻Ｔ３において制限電流値を越えることになるが、実際の温度上昇は１次遅れとなって時刻Ｔ＝Ｔ４付近で漸く制限温度となる。従って、本発明によれば制限温度よりかなり低い温度でＡＶＲの出力を停止することがなくなり、効率の良い運転が可能となる。

また、例えば温度上昇（１）におけるＡの領域においては、図２のステップＳＴ４の定常状態が成立するので、ここで積算誤差をリセットすることが可能となる。

以上本発明の実施例を説明したが、この実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１において、比較器２５の出力によって必要に応じてＡＶＲ１０の停止指令を与えると説明したが、停止指令に代えて電圧低下指令などの出力電流を抑制する指令を与えるようにしても良い。この場合は温度制限値に余裕を持たせるようにすることが好ましい。

また、図２のステップＳＴ４では飽和状態の温度Θｓ（Ｔｋ）が所定期間の間所定の範囲内にあるかどうかで定常状態かどうか判定するようにしたが、飽和状態の温度Θｓ（Ｔｋ）に代えてステップＳＴ２で計測した関連信号Ｄ（Ｔｋ）の全部またはその一部を用いるようにしても良い。

１ 系統電源
２ 系統母線
３ 遮断器
４ ブラシレス同期発電機
５ ブラシレス交流励磁機
６ 温度検出器
７ 変成器
８ 変流器
９ 電流検出器
１０ ＡＶＲ（電圧調整器）
２０ 回転子温度検出制御装置
２１ 回転子温度検出部
２２ 回転子温度推定器
２３ データ記憶部
２４ 温度補正器
２５ 比較判定器
２６ 警報回路

Claims (7)

1. ＡＶＲの制御によって、ブラシレス励磁機を介して回転子に励磁電流を供給して出力制御を行うようにしたブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置であって、
   前記ブラシレス同期発電機の出力電圧及び出力電流と、前記ＡＶＲの出力電流と、前記ブラシレス同期発電機の固定子に取り付けた温度検出器の出力とを入力とし、データ記憶部を有する回転子温度検出部を具備し、
   前記データ記憶部は、
   前記ブラシレス同期発電機の出力電圧、出力電流及び前記ＡＶＲの出力電流をパラメータとしたときの、前記ブラシレス同期発電機の回転子温度の飽和値と熱時定数を事前測定から求めてパターンデータとして記憶し、
   前記回転子温度検出部は、
   前記ブラシレス同期発電機の出力電圧及び出力電流と、前記ＡＶＲの出力電流の測定値と前記パターンデータを参照比較することにより回転子温度の飽和値と熱時定数を求め、所定の演算処理を行うことによって補正前の回転子温度を推定し、
   前記温度検出器の出力に応じて補正した回転子温度を検出温度としたことを特徴とするブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。
2. 前記回転子温度検出部は、
   前記ブラシレス同期発電機の回転子温度が飽和状態にあるかどうかを判断する定常状態検出手段を有し、
   前記演算処理は、
   飽和状態であれば、前記パターンデータから得られる飽和値を補正前の回転子温度の推定値とし、
   飽和状態でなければ、直近の飽和状態の飽和値と直近の飽和状態からの経過時間と前記熱時定数から１次遅れ演算を行って補正前の回転子温度の推定値とすることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。
3. 前記補正は、
   前記パターンデータを得たときの初期温度から実際の初期温度を減算した値を加算する補正であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。
4. 前記定常状態検出手段は、
   前記パターンデータから得られる補正前の回転子温度の飽和値の変動が、所定期間所定値以下であるとき飽和状態と見做すようにしたことを特徴とする請求項２に記載のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。
5. 前記定常状態検出手段は、
   前記ブラシレス同期発電機の出力電圧、出力電流及び前記ＡＶＲの出力電流の全てまたは一部の変動が所定期間所定値以下であるとき飽和状態と見做すようにしたことを特徴とする請求項２に記載のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。
6. 前記回転子温度検出部は、
   前記ブラシレス同期発電機の出力電圧及び出力電流から力率を求める手段を有し、
   前記パラメータにこの力率を加え、
   前記ブラシレス同期発電機の出力電圧、出力電流、力率及び前記ＡＶＲの出力電流の測定値と前記パターンデータを参照比較することにより回転子温度の飽和値と熱時定数を求めるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。
7. 前記補正した回転子温度が所定値を超えたとき、
   前記ＡＶＲの出力電流を減少させることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のブラシレス同期発電機の回転子保護監視装置。

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