JP5970126B2

JP5970126B2 - 界磁制御装置、界磁制御方法およびこれらを用いた同期回転機

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Publication number: JP5970126B2
Application number: JP2015506357A
Authority: JP
Inventors: 敏宏津田; 光弘川村; 深見　正; 正深見; 和男島
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2016-08-17
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Description

本発明は、同期回転機の界磁制御装置、界磁制御方法およびこれらを用いた同期回転機に関する。

一般に、大容量の回転電機では、実負荷試験を行うには、電源設備、負荷設備などをはじめとして相当な規模の負荷試験装置が必要となる。

このような制約のため、製作工場で実負荷試験を実施することは現実的には困難である場合が多い。このような場合に実負荷試験を実施しようとすれば、回転電機を使用する現地の施設に設置した後に、実機の環境において試験を実施することになる。

特開２０１１−１７２３６９号公報

回転電機の実負荷試験が、現地に設置した後の実機環境でしか実施できないとすれば、現地での試験を実施して初めて特性を確認できることになる。

特に、たとえば特許文献１に示されたリラクタンス式の三相同期機のように、他の方式に比べて使用実績のない型式の場合には、現地に設置した後の試験で初めてその特性の把握ができるということになり、品質保証上からも望ましくない。

品質保証の観点からは、現地での試験に先立って回転電機の特性を把握しておくことが望まれる。現地での試験に先立って回転電機の特性を予測できれば、たとえばその特性を界磁制御に反映することにより、回転電機の望ましい運転状態を実現することができる。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、現地での試験に先立って同期回転機の特性を予測して、その特性を反映した界磁制御を可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、電機子巻線および界磁巻線を有する同期回転機の界磁制御装置であって、前記同期回転機の最終制御量の要求値である最終制御量要求値を含めた目標とする運転条件要求値を入力として受け入れる目標運転条件入力部と、前記目標運転条件入力部で入力された前記最終制御量要求値から前記同期回転機の最終制御量フィードバック値を減じて最終制御量偏差を出力する第１の減算部と、前記第１の減算部からの前記最終制御量偏差を入力として受け入れ、界磁電流補正要求値を出力する最終制御量制御演算部と、前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、界磁電流先行要求値を出力する先行演算部と、前記界磁電流補正要求値と前記界磁電流先行要求値を加算して界磁電流設定値を出力する加算部と、前記界磁電流設定値から前記界磁巻線を流れる界磁電流値を減じて界磁電流偏差を出力する第２の減算部と、前記界磁電流偏差に基づいて界磁電流を調整する界磁電流調整装置と、を備え、前記先行演算部は、前記同期回転機の無負荷試験の結果に基づいて推定した依存特性を格納する依存特性データ格納部と、前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、前記依存特性を用いて回路計算を行い、界磁電流先行要求値を出力する回路計算部と、を有する、ことを特徴とする。

また、本発明は、電機子巻線および界磁巻線を有する同期回転機の界磁制御方法であって、前記同期回転機の制御を行うための事前ステップと、前記事前ステップの後に運転条件要求値を受けて界磁電流要求値を界磁電流制御装置に出力する界磁制御ステップと、を有し、前記事前ステップは、前記同期回転機の無負荷試験を実施する無負荷試験ステップと、前記無負荷試験ステップの後に、前記無負荷試験の結果に基づいて前記同期回転機の依存特性を導出する依存特性導出ステップと、を有し、前記界磁制御ステップは、前記運転条件要求値を入力として受け入れるステップと、前記運転条件要求値に基づいて、前記依存特性を用いて回路計算を行い界磁電流を算出する界磁電流算出ステップと、前記界磁電流算出ステップで算出された界磁電流要求値に基づいて界磁電流を調整する界磁電流調整ステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明は、電機子巻線と、界磁巻線と、界磁制御装置と、を備える同期回転機であって、前記界磁制御装置は、前記同期回転機の最終制御量要求値を含めた目標とする運転条件要求値を入力として受け入れる目標運転条件入力部と、前記目標運転条件入力部から出力された前記最終制御量要求値から前記同期回転機の最終制御量フィードバック値を減じて最終制御量偏差を出力する第１の減算部と、前記第１の減算部からの前記最終制御量偏差を入力として受け入れ、界磁電流補正要求値を出力する最終制御量制御演算部と、前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、界磁電流先行要求値を出力する先行演算部と、前記界磁電流補正要求値と前記界磁電流先行要求値を加算して界磁電流設定値を出力する加算部と、前記界磁電流設定値から前記界磁巻線を流れる界磁電流値を減じて界磁電流偏差を出力する第２の減算部と、前記界磁電流偏差に基づいて界磁電流を調整する界磁電流調整装置と、を有し、前記先行演算部は、前記同期回転機の無負荷試験の結果に基づいて推定した依存特性を格納する依存特性データ格納部と、前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、前記依存特性を用いて回路計算を行い、界磁電流先行要求値を出力する回路計算部と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、現地での試験に先立って、同期回転機の特性を予測して、その特性を反映した界磁制御が可能となる。

第１の実施形態に係る同期回転機の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る同期回転機の回転機本体の模式的な４分の１部分横断面図である。第１の実施形態に係る同期回転機の界磁巻線の結線図である。第１の実施形態に係る同期回転機の電機子巻線の結線図である。第１の実施形態に係る同期回転機の界磁制御方法のステップの一部を示すフロー図である。第１の実施形態に係る同期回転機の開放試験時の等価回路である。第１の実施形態に係る同期回転機の短絡試験時の等価回路である。第１の実施形態に係る同期回転機の界磁制御装置の無負荷試験結果に基づく依存特性の例を示すグラフである。第１の実施形態に係る同期回転機の界磁制御方法の無負荷試験結果に基づく依存特性を用いた計算値と実測値の比較の例を示すグラフである。第２の実施形態に係る同期回転機の構成を示すブロック図である。第３の実施形態に係る同期回転機の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る界磁制御装置、界磁制御方法およびこれを用いた同期回転機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る同期回転機の構成を示すブロック図である。同期回転機５００は、回転機本体４５０および界磁制御装置４００を有する。同期回転機５００の構成の詳細については後に説明する。

図２は、第１の実施形態に係る同期回転機の回転機本体の模式的な４分の１部分横断面図である。図３は、第１の実施形態に係る同期回転機の界磁巻線の結線図である。また、図４は、第１の実施形態に係る同期回転機の電機子巻線の結線図である。

図２に示すように、本実施形態に係るリラクタンス式の多相同期回転機（以下、単に「回転機本体」という。）４５０は、例えば三相同期発電機である。回転機本体４５０は、ハウジング（図示しない。）の内部に、回転子１０および固定子４０を有している。

回転子１０は、界磁巻線６０が巻回されていない突極形回転子であって、主軸２０および回転子鉄心３０を有している。

主軸２０は、回転軸と同軸的に延びていて、ハウジングに設けられた軸受（図示しない。）によって、回転可能に軸支されている。

回転子鉄心３０は、複数枚（多数枚）の珪素鋼板が回転軸方向に積層されてなり、主軸２０の外周に固定されていて、回転軸と同軸的に延びている。回転子鉄心３０の外周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状（例えば、横断面が略長方形状）の４０個の突極部３２が形成されている。すなわち、隣接する突極部３２間には、凹溝３４が形成されている。

本実施形態においては、回転子鉄心３０は、回転軸方向の長さが５０ｍｍ、外側半径（回転軸中心から突極部３２の先端面までの距離）が２５５ｍｍに形成されている。

固定子４０は、固定子鉄心５０、複数極の界磁巻線６０、および、複数極の三相の電機子巻線７０を有している。

固定子鉄心５０は、多数枚の珪素鋼板が回転軸方向に積層されてなり、回転子１０の外周に回転子１０と間隔（エアギャップ）を空けて配設されている。固定子鉄心５０の内周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状（例えば、横断面が略長方形状）の４８個のティース５２が形成されている。すなわち、隣接するティース５２間には、スロット５４が形成されている。

本実施形態においては、固定子鉄心５０は、回転軸方向の長さが５０ｍｍ、外径が３１５ｍｍ、径方向の厚み（ティース５２の先端面から固定子鉄心５０の外周面までの距離）が５９．５ｍｍに形成されている。また、固定子鉄心５０は、エアギャップの距離（突極部３２の先端面からティース５２の先端面までの距離）が０．５ｍｍとなるように配設されている。

界磁巻線６０は、銅線等の導線が、絶縁物を介して、４８個のティース５２に径方向に垂直に巻回されている。隣接したティース５２に巻回された界磁巻線６０は、互いに逆向きに巻回されていて、図２および図３に示したように、互いに直列に接続されている。

界磁巻線６０には、直流電源（図示しない。）より、界磁電流が供給される。そのため、本実施形態においては、界磁巻線６０の極数ｐ_ｆは、ティース５２の数と同一の４８極となっている。なお、界磁巻線６０の巻き数は、９２１６巻きである。

三相の電機子巻線７０は、銅線等の導線が、絶縁物を介して、４８個のティース５２に径方向に垂直に巻回されている。三相の電機子巻線７０は、界磁巻線６０より径方向の内方の位置で、界磁巻線６０と絶縁されるように巻回されていて、隣接したティース５２に巻回された電機子巻線７０は、互いに同一の向きに巻回されている。

電機子巻線７０は、図２および図４に示したように、互いにＹ結線された三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の巻線により構成されていて、周方向に形成された４８個のティース５２には、Ｕ相の巻線、Ｖ相の巻線、Ｗ相の巻線が周方向に順に巻回されている。そのため、本実施形態においては、電機子巻線７０の極数ｐ_ａは、（４８÷３×２＝）３２極となっている。なお、三相の電機子巻線７０の巻き数は、各相につき５２８巻きである。

なお、界磁巻線６０および電機子巻線７０の巻き数、極数は例示であり、上記に限定されない。同期回転機の容量等に応じて、設計上、適切な巻き数および極数を選択してよい。

回転機本体４５０の動作について、発電機を例にして説明する。

まず、回転機本体４５０の動作原理について説明する。界磁巻線６０を界磁電流Ｉ_ｆにより直流励起すると、固定子４０にｐ_ｆ極（４８極）の静止磁界が形成される。ここで、回転子１０を回転機本体４５０の外部に設けられた原動機（図示せず）によって回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］で駆動すると、この静止磁界がｐ_ｒ極（（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／２＝４０極）の回転子１０によって磁気変調されて、エアギャップにｐ_ａ極（３２極）の回転磁界が発生する。その結果、三相の電機子巻線７０に式（１）に示した発電周波数ｆ［Ｈｚ］の三相交流電圧が誘導される。
ｆ＝｛（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／１２０｝×Ｎ・・・（１）
なお、電機子巻線７０に誘導される誘導電圧Ｖは、界磁巻線６０に供給する界磁電流Ｉ_ｆを調整することにより、容易に制御される。

図５は、第１の実施形態に係る同期回転機の界磁制御方法のステップの一部を示すフロー図である。

事前ステップＳ１０においては、先ず、対象とする回転機本体４５０の無負荷試験を実施して、各特性データを採取する（ステップＳ１１）。

図６は、第１の実施形態に係る同期回転機の開放試験時の等価回路である。負荷側端子を開放状態で同期回転機５００（図２参照）を運転し、回転機本体４５０の誘導起電力ベクトルＥａｆ、電機子電流ベクトルＩａ、電機子巻線７０（図２参照）を含む固定子回路のインダクタンスＬｓ、等価鉄損の抵抗Ｒｃ等の特性データを採取する。

図７は、第１の実施形態に係る同期回転機の短絡試験時の等価回路である。負荷側端子を短絡した状態で、回転機本体４５０（図２参照）を運転し、回転機本体４５０の誘導起電力ベクトルＥａｆ、電機子電流ベクトルＩａ、界磁電流Ｉｆ、同期インピーダンスの各要素である同期インダクタンスＬｓ、界磁巻線と電機子巻線間の相互インダクタンスＭａｆ、電機子巻線の抵抗Ｒａ等の特性データを採取する。

ステップＳ１１の後に、無負荷試験で得られたデータに基づいて、等価回路における特性計算に必要なパラメータの依存特性を導出する（ステップＳ１２）。

特性計算に必要なパラメータとしては、同期インダクタンスＬｓ、界磁巻線と電機子巻線間の相互インダクタンスＭａｆ、電機子巻線の抵抗Ｒａがある。なお、パラメータは、これ以外にも必要なものについては以下の説明は同様に適用できる。

これらのパラメータの依存特性の表現として、それぞれのパラメータを電機子巻線鎖交磁束数λａｆに依存する特性関数の形で導出する。

すなわち、等価回路において、次の式（２）が成立する。
Ｅａｆ−Ｚ・Ｉ＝０・・・（２）
ただし、Ｅａｆは電機子における誘導起電力ベクトル、Ｚは電機子巻線７０のインピーダンス、鉄損抵抗Ｒｃおよび電機子回路の負荷のインピーダンスの合成インピーダンスベクトル、Ｉは磁化電流ベクトルである。

また、各パラメータの依存特性は、電機子巻線鎖交磁束数λａｆの関数として次の式（３）ないし式（５）に示す特性関数で表される。
Ｍａｆ＝Ｍａｆ（λａｆ）・・・（３）
Ｌｓ＝Ｌｓ（λａｆ）・・・（４）
Ｒｃ＝Ｒｃ（λａｆ）・・・（５）
ここで、式（３）ないし式（５）の意味する関数の具体的な形としては、それぞれ解析的な式の表現の形になっていてもよい。あるいは、電機子巻線鎖交磁束数λａｆの離散的な値に対するテーブルデータとして記憶されていて、電機子巻線鎖交磁束数λａｆの値に対してたとえば内挿して求めるような形でもよい。式（３）ないし式（５）の具体的な内容は、データベースに格納される。

図８は、第１の実施形態に係る同期回転機の界磁制御装置４００（図１）の無負荷試験結果に基づく依存特性の例を示すグラフである。実験には、４ｋＶＡの試作機を使用した。横軸は電機子巻線鎖交磁束数λａｆ[Ｗｂ]、左の縦軸は、同期インダクタンスＬｓ[Ｈ]および相互インダクタンスＭａｆ[Ｈ]、右の縦軸は等価鉄損抵抗Ｒｃ[Ω]である。

これを、解析的な式で表現すると、たとえば次のような近似式（図８の破線）で表される。
Ｍａｆ＝−１１．５λａｆ^３＋２．３４λａｆ^２−０．０８８２λａｆ
＋０．０８８２・・・（６）
Ｒｃ＝−９．０７×１０^４λａｆ^３＋２．６９×１０^４λａｆ^２
−１．８４×１０^３λａｆ＋２．６２×１０^２
・・・（７）
Ｌｓ＝−４．７７λａｆ^３＋１．１６λａｆ^２−０．０７６０λａｆ
＋０．０２３４・・・（８）
以上が、対象とする回転機本体４５０についての事前ステップＳ１０である。

事前ステップＳ１０の後に、対象とする回転機本体４５０の界磁を制御する界磁制御ステップＳ２０に入る。

まず、運転条件要求値を入力として受け入れる（ステップＳ２１）。運転条件要求値は、主たる制御量を含む運転状態についての要求値であり、同期発電機である同期回転機５００の場合は、発電機電圧、発電機出力、回転数、力率などである。また、主たる制御量は発電機電圧である。

ステップＳ２１の後に、ステップＳ２１で受け入れた運転条件要求値に基づいて、界磁電流先行要求値を算出する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２においては、ステップＳ１２で導出して、データベースに格納されている依存特性を用いる。

データベースに格納された式（３）ないし式（５）の具体的な内容を使用しての、要求運転条件を満たす界磁電流Ｉｆの算出は、次のような方法により行うことができる。

前述の式（２）において、右辺がゼロであるので、左辺の実数部と虚数部もゼロになる。すなわち、
Ｒｅａｌ［Ｅａｆ（λａｆ、δ）―Ｚ（λａｆ）・Ｉ］＝０
・・・（９）
Ｉｍａｇ［Ｅａｆ（λａｆ、δ）―Ｚ（λａｆ）・Ｉ］＝０
・・・（１０）
ただし、δは、誘導起電力ベクトルＥａｆに対する電機子電圧の位相遅れ、すなわち負荷角である。

式（９）、式（１０）を解けば、要求された運転条件下の電機子巻線鎖交磁束数λａｆ、負荷角δが求められる。求められたλａｆを式（３）ないし式（５）に代入すると、相互インダクタンスＭａｆ、同期インダクタンスＬｓ、等価鉄損抵抗Ｒｃが特定できる。

このようにして得られた相互インダクタンスＭａｆ、同期インダクタンスＬｓ、等価鉄損抵抗Ｒｃを用いて等価回路の式（２）を解けば、要求された運転条件下の界磁電流Ｉｆ、併せて損失、効率ηなどの発電機特性が算出できる。

図９は、第１の実施形態に係る同期回転機の界磁制御方法の無負荷試験結果に基づく依存特性を用いた計算値と実測値の比較の例を示すグラフである。

図９に示すように、横軸の発電機出力Ｐｏに対する縦軸の界磁電流Ｉｆ[Ａ]および効率η[％]についての計算値は実測値とよく一致しており、特性計算の妥当性が確認できる。

次に、ステップＳ２２で算出された界磁電流先行要求値に基づいて、界磁電流を調整する（ステップＳ２３）。界磁電流の調整は、たとえば、交流励磁方式、直流励磁方式あるいは静止型励磁方式などの方式によって行う。

図１に示すように、界磁制御装置４００は、目標運転条件入力部１１０、電圧制御部１２０、先行演算部１３０および界磁調整部１４０を有する。

目標運転条件入力部１１０は、主たる制御量を含む運転状態についての目標運転条件要求値を受け入れて、この目標運転条件要求値を先行演算部１３０に出力する。また、目標運転条件要求値の中の主たる制御量である電圧の要求値を電圧制御部１２０に出力する。

なお、目標運転条件入力部１１０は、目標運転条件要求値が変更されない限り、先行演算部１３０および電圧制御部１２０への出力を保持する。また、目標運転条件要求値が変更された場合には、その変更された値を先行演算部１３０および電圧制御部１２０に出力しその値を保持する。

この保持機能は、目標運転条件入力部１１０側ではなく、先行演算部１３０側および電圧制御部１２０側それぞれにもたせてもよい。

ここで、目標運転条件は、同期発電機である同期回転機５００の場合は、発電機電圧、発電機出力、回転数などである。

電圧制御部１２０は、同期回転機５００の誘導起電力を所定の値に制御するために、第１の減算部１２１、電圧制御演算部１２２および電圧検出部１２３を有する。

第１の減算部１２１は、目標運転条件入力部１１０で入力された電圧要求値から電圧検出部１２３からフィードバックされた発電機電圧値を減じて電圧偏差を出力する。

電圧制御演算部１２２は、第１の減算部１２１からの電圧偏差を入力として界磁電流補正要求値を出力する。電圧制御演算部１２２は、単なるゲインの場合、さらに積分要素を有する場合、さらに微分要素を有する場合があり、予想された特性に基づいて、安定性、制御性を考慮して決定される。

先行演算部１３０は、目標運転条件入力部１１０で入力された運転条件要求値に基づいて、界磁電流先行要求値を出力する。先行演算部１３０は、依存特性データ入力部１３１、依存特性データ格納部１３２および回路計算部１３３を有する。

依存特性データ入力部１３１は、無負荷試験の結果に基づいて算出された相互インダクタンスＭａｆ、同期インダクタンスＬｓ、等価鉄損抵抗Ｒｃなど各パラメータの電機子巻線鎖交磁束数λａｆへの依存特性を外部からの入力として受け入れる。

依存特性データ格納部１３２は依存特性データ入力部１３１で入力された相互インダクタンスＭａｆ、同期インダクタンスＬｓ、等価鉄損抵抗Ｒｃなど各パラメータの電機子巻線鎖交磁束数λａｆへの依存特性データを格納するデータベースである。

回路計算部１３３は、目標運転条件入力部１１０から出力された前記運転条件要求値を入力として受け入れ、依存特性データ格納部１３２に格納された各パラメータの依存特性データを用いて回路計算を行い、界磁電流先行要求値を出力する。

界磁調整部１４０は、加算部１４１、第２の減算部１４２、界磁電流調整装置１４３および界磁電流検出部１４４を有する。

加算部１４１は、電圧制御演算部１２２からの界磁電流補正要求値と、回路計算部１３３からの界磁電流先行要求値を加算して界磁電流設定値を出力する。

第２の減算部１４２は、加算部１４１からの界磁電流設定値から界磁電流検出部１４４からフィードバックされた界磁電流値を減じて界磁電流偏差を出力する。

界磁電流調整装置１４３は、第２の減算部１４２からの界磁電流偏差に基づいて界磁電流を調整する。

次に、本実施形態における作用を説明する。

同期回転機５００の運転状態においては、目標運転条件が入力されており、その値が保持されている。

目標運転条件入力部１１０は、目標運転条件にもとづき、この目標運転条件すなわち発電機電圧、発電機出力、回転数、力率などの要求値を、先行演算部１３０の回路計算部１３３に出力している。

また、目標運転条件入力部１１０は、目標運転条件にもとづき、主たる制御量である発電機電圧の要求値を、電圧制御部１２０の第１の減算部１２１に出力している。

先行演算部１３０の依存特性データ格納部１３２には、依存特性データ入力部１３１で入力された相互インダクタンスＭａｆ、同期インダクタンスＬｓ、等価鉄損抵抗Ｒｃの電機子巻線鎖交磁束数λａｆへの依存特性データ、すなわち無負荷試験の結果に基づき導出された依存特性データが収納されている。

回路計算部１３３は、依存特性データ格納部１３２に収納されているは依存特性データを用いて、目標運転条件入力部１１０からの目標運転条件を満たすような界磁電流Ｉｆを、算出して、界磁電流先行要求値として界磁調整部１４０に出力する。

界磁電流先行要求値は、界磁調整部１４０の加算部１４１において電圧制御部１２０の出力である界磁電流補正要求値と加算されて界磁電流設定値となって界磁調整部１４０に出力される。

界磁調整部１４０は、回転機本体４５０の界磁電流を界磁電流設定値になるように調整する。すなわち、第２の減算部１４２は、界磁電流設定値から界磁電流検出部１４４からフィードバックされた界磁電流値を減じて、界磁電流偏差を出力する。

界磁電流調整装置１４３は、界磁電流偏差に基づいて界磁巻線６０に流れる界磁電流値を調整する。

先行演算部１３０で算出された界磁電流先行要求値が、目標運転条件のうちの主たる制御量である発電機電圧の要求値を満たす界磁電流値と一致している場合は、電圧検出部１２３からフィードバックされる発電機電圧値は、目標運転条件入力部１１０から出力される発電機電圧の電圧要求値は一致しているので、第１の減算部１２１の出力はゼロとなり、この結果、電圧制御演算部１２２の出力である界磁電流補正要求値もゼロとなる。

一方、負荷条件について予測した依存特性に誤差があるために、たとえば、先行演算部１３０で算出された界磁電流先行要求値を設定値として界磁調整部１４０が界磁電流を調整した場合には、電圧検出部１２３からフィードバックされる発電機電圧値は、目標運転条件入力部１１０から出力される発電機電圧の電圧要求値は一致しない。

この場合でも、第１の減算部１２１は、電圧検出部１２３からフィードバックされる発電機電圧値と目標運転条件入力部１１０から出力される発電機電圧の電圧要求値の差を出力し、これにもとづいて電圧制御演算部１２２は界磁電流補正要求値を出力する。

この結果、先行演算部１３０で算出した界磁電流先行要求値に誤差等があったとしても、電圧制御ループによって補正され、目標運転条件が満足される。

以上のように、本実施形態によれば、現地での試験に先立って、回転機本体４５０の特性を予測して、その特性を反映した界磁制御が可能となる。

［第２の実施形態］
図１０は、第２の実施形態に係る同期回転機の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態の主たる制御量は発電機電圧であるが、第２の実施形態における主たる制御量は力率である。このため、本実施形態における界磁制御装置４００は、力率検出部２２３を有する。また、界磁制御装置４００は、電圧制御演算部１２２に代えて力率制御演算部２２２を有する。

目標運転条件入力部１１０は、第１の減算部２２１に力率要求値を出力する。第１の減算部２２１は、目標運転条件入力部１１０からの力率要求値から、力率検出部２２３からフィードバックされた発電機力率値を減じて力率偏差を出力する。

力率制御演算部２２２は、予め評価して設定された同期回転機５００についての位相特性曲線（Ｖ曲線）すなわち界磁電流Ｉｆに対する電機子電流Ｉａの依存特性を格納している。

力率制御演算部２２２は、力率偏差にもとづいて演算の上、界磁電流補正要求値を出力する。力率制御演算部２２２は、単なるゲインの場合、さらに積分要素を有する場合、さらに微分要素を有する場合があり、予想された特性に基づいて、安定性、制御性を考慮して決定される。

以上のように構成された本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、先行演算部１３０で演算された界磁電流先行要求値に誤差があった場合でも、第１の減算部２２１は、力率検出部２２３からフィードバックされる発電機力率値と目標運転条件入力部１１０から出力される力率要求値の差を出力し、これにもとづいて力率制御演算部２２２は界磁電流補正要求値を出力する。

この結果、先行演算部１３０で算出した界磁電流先行要求値に誤差等があったとしても、力率制御ループによって補正され、目標運転条件が満足される。

以上のように、本実施形態によれば、現地での試験に先立って、同期回転機５００の特性を予測して、その特性を反映した界磁制御が可能となる。

［第３の実施形態］
図１１は、第３の実施形態に係る同期回転機の構成を示すブロック図である。

本実施形態は第１の実施形態の変形である。本実施形態における同期回転機５００は、同期電動機である。

同期電動機の場合の目標運転条件は、たとえばトルクである。主たる制御量も同様にトルクである。

本実施形態においては、界磁制御装置４００は、同期回転機５００の出力を検出する出力検出部３２４、回転数を検出する回転数検出部３２５、出力と回転数からトルクを算出するトルク算出部３２３およびトルク制御演算部３２２を有する。

なお、同期回転機５００であることから回転数は基本的には電源周波数に対応する回転数であり、回転数検出部３２５は必ずしも設けなくともよい。

目標運転条件入力部２１０は、第１の減算部３２１にトルク要求値を出力する。第１の減算部３２１は、目標運転条件入力部２１０からのトルク要求値から、トルク算出部３２３で算出されたトルク値を減じてトルク偏差を出力する。

トルク制御演算部３２２は、トルク偏差にもとづいて演算の上、界磁電流補正要求値を出力する。トルク制御演算部３２２は、単なるゲインの場合、さらに積分要素を有する場合、さらに微分要素を有する場合があり、予想された特性に基づいて、安定性、制御性を考慮して決定される。

また、本実施形態における等価回路においても、第１の実施形態における式（３）に対応する次の式（１１）が成立する。

Ｅａｆ−Ｚ・Ｉ＝０・・・（１１）
ただし、Ｅａｆは電機子における誘導起電力ベクトル、Ｚは電機子巻線７０のインピーダンスと電源側のインピーダンスの合成インピーダンスベクトル、Ｉは磁化電流ベクトルである。

また、各パラメータの依存特性は、電機子巻線鎖交磁束数λａｆの関数として次の式（３）ないし式（５）に示す特性関数で表される。

Ｍａｆ＝Ｍａｆ（λａｆ）・・・（３）
Ｌｓ＝Ｌｓ（λａｆ）・・・（４）
Ｒｃ＝Ｒｃ（λａｆ）・・・（５）
この依存特性を使用して、目標運転条件入力部２１０で入力された目標運転条件に基づいて式（１１）の回路計算を行い、界磁電流先行要求値を算出する手順は第１の実施形態と同様である。

以上のように構成された本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、先行演算部１３０で演算された界磁電流先行要求値に誤差があった場合でも、第１の減算部３２１は、トルク算出部３２３からフィードバックされるトルク値と目標運転条件入力部２１０から出力されるトルク要求値の差を出力し、これにもとづいてトルク制御演算部３２２は界磁電流補正要求値を出力する。

この結果、先行演算部１３０で算出した界磁電流先行要求値に誤差等があったとしても、トルク制御ループによって補正され、目標運転条件が満足される。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、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。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…回転子、２０…主軸、３０…回転子鉄心、３２…突極部、３４…凹溝、４０…固定子、５０…固定子鉄心、５２…ティース、５４…スロット、６０…界磁巻線、７０…電機子巻線、１１０…目標運転条件入力部、１２０…電圧制御部、１２１…第１の減算部、１２２…電圧制御演算部（最終制御量制御演算部）、１２３…電圧検出部、１３０…先行演算部、１３１…依存特性データ入力部、１３２…依存特性データ格納部、１３３…回路計算部、１４０…界磁調整部、１４１…加算部、１４２…第２の減算部、１４３…界磁電流調整装置、１４４…界磁電流検出部、２１０…目標運転条件入力部、２２１…第１の減算部、２２２…力率制御演算部（最終制御量制御演算部）、２２３…力率検出部、３２１…第１の減算部、３２２…トルク制御演算部（最終制御量制御演算部）、３２３…トルク算出部、３２４…出力検出部、３２５…回転数検出部、４００…界磁制御装置、４５０…回転機本体、５００…同期回転機

Claims

電機子巻線および界磁巻線を有する同期回転機の界磁制御装置であって、
前記同期回転機の最終制御量の要求値である最終制御量要求値を含めた目標とする運転条件要求値を入力として受け入れる目標運転条件入力部と、
前記目標運転条件入力部で入力された前記最終制御量要求値から前記同期回転機の最終制御量フィードバック値を減じて最終制御量偏差を出力する第１の減算部と、
前記第１の減算部からの前記最終制御量偏差を入力として受け入れ、界磁電流補正要求値を出力する最終制御量制御演算部と、
前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、界磁電流先行要求値を出力する先行演算部と、
前記界磁電流補正要求値と前記界磁電流先行要求値を加算して界磁電流設定値を出力する加算部と、
前記界磁電流設定値から前記界磁巻線を流れる界磁電流値を減じて界磁電流偏差を出力する第２の減算部と、
前記界磁電流偏差に基づいて界磁電流を調整する界磁電流調整装置と、
を備え、
前記先行演算部は、
前記同期回転機の無負荷試験の結果に基づいて推定した依存特性を格納する依存特性データ格納部と、
前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、前記依存特性を用いて回路計算を行い、界磁電流先行要求値を出力する回路計算部と、
を有する、
ことを特徴とする界磁制御装置。
前記同期回転機は発電機であって、前記最終制御量は前記発電機の端子電圧であることを特徴とする請求項１に記載の界磁制御装置。
前記同期回転機は電動機であって、前記最終制御量は前記電動機の軸トルクを算出するための要素である前記電動機の有効出力と回転角速度であることを特徴とする請求項１に記載の界磁制御装置。
前記同期回転機の等価回路において、前記依存特性は、
前記界磁巻線と前記電機子巻線間の相互インダクタンスの前記電機子巻線の鎖交磁束数への依存を表す第１の特性関数と、
鉄損抵抗の前記電機子巻線の鎖交磁束数への依存を表す第２の特性関数と、
同期インダクタンスの前記電機子巻線の鎖交磁束数への依存を表す第３の特性関数と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の界磁制御装置。
電機子巻線および界磁巻線を有する同期回転機の界磁制御方法であって、
前記同期回転機の制御を行うための事前ステップと、
前記事前ステップの後に運転条件要求値を受けて界磁電流要求値を界磁電流制御装置に出力する界磁制御ステップと、
を有し、
前記事前ステップは、
前記同期回転機の無負荷試験を実施する無負荷試験ステップと、
前記無負荷試験ステップの後に、前記無負荷試験の結果に基づいて前記同期回転機の依存特性を導出する依存特性導出ステップと、を有し、
前記界磁制御ステップは、
前記運転条件要求値を入力として受け入れるステップと、
前記運転条件要求値に基づいて、前記依存特性を用いて回路計算を行い界磁電流を算出する界磁電流算出ステップと、
前記界磁電流算出ステップで算出された界磁電流要求値に基づいて界磁電流を調整する界磁電流調整ステップと、
を有することを特徴とする同期回転機の界磁制御方法。
電機子巻線と、
界磁巻線と、
界磁制御装置と、
を備える同期回転機であって、
前記界磁制御装置は、
前記同期回転機の最終制御量要求値を含めた目標とする運転条件要求値を入力として受け入れる目標運転条件入力部と、
前記目標運転条件入力部から出力された前記最終制御量要求値から前記同期回転機の最終制御量フィードバック値を減じて最終制御量偏差を出力する第１の減算部と、
前記第１の減算部からの前記最終制御量偏差を入力として受け入れ、界磁電流補正要求値を出力する最終制御量制御演算部と、
前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、界磁電流先行要求値を出力する先行演算部と、
前記界磁電流補正要求値と前記界磁電流先行要求値を加算して界磁電流設定値を出力する加算部と、
前記界磁電流設定値から前記界磁巻線を流れる界磁電流値を減じて界磁電流偏差を出力する第２の減算部と、
前記界磁電流偏差に基づいて界磁電流を調整する界磁電流調整装置と、
を有し、
前記先行演算部は、
前記同期回転機の無負荷試験の結果に基づいて推定した依存特性を格納する依存特性データ格納部と、
前記目標運転条件入力部で入力された前記運転条件要求値に基づいて、前記依存特性を用いて回路計算を行い、界磁電流先行要求値を出力する回路計算部と、
を具備することを特徴とする同期回転機。
前記同期回転機はリラクタンス式同期回転機であって、
回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
前記回転子の外周に前記回転子と半径方向の間隔をあけて配設されて、内周に互いに周方向に等間隔に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
を備え、
前記界磁巻線は、複数のティースに巻回された複数極を有し、
前記電機子巻線は、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の同期回転機。
円筒型の回転子を備えることを特徴とする請求項６に記載の同期回転機。