JP6289825B2 - 発電機励磁装置および電力変換システム - Google Patents
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Description
まず、第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態における巻線型誘導発電機の2次励磁システムの回路構成例を示す図である。
第1の実施形態における巻線型誘導発電機の2次励磁システムでは、三相交流電源1と巻線型誘導発電機2とを有する。このシステムでは、三相交流負荷としての巻線型誘導発電機2の励磁巻線に印加する電圧の周波数を制御する事で、巻線型誘導発電機2の回転速度を制御する。
この2次励磁システムの各相の計3台の単相フルブリッジインバータは、同一の直流リンク部に接続される。
この直流リンク部への電力の供給は、通常の3相交直半導体電力変換装置(PWM(Pulse Width Modulation)整流器)により行われる。
コンバータユニットの構成について、第1のコンバータユニットCNV1を例として説明する。第2のコンバータユニットCNV2の構成も同様である。
第1のコンバータユニットCNV1は、三相の中性点クランプ(NPC)形である。そして、このコンバータユニットCNV1は、RST相の各相に応じた3つのNPCレグが並列接続されて三相ハーフブリッジ構成をなす。コンバータユニットCNV1の3つのNPCレグのそれぞれの中性点の出力端子は第1のコンバータトランスTR1の直流巻線に接続される。コンバータユニットCNV1は、直流電圧端子を有する。この直流電圧端子は、高電位側端子、中性点側端子、低電位側端子でなる。コンバータユニットCNV1の高電位側端子と中性点側端子との間には直流リンクコンデンサC1が設けられ、中性点側端子と低電位側端子との間には直流リンクコンデンサC2が設けられる。
第2のコンバータユニットCNV2の中性点側端子は第1のコンバータユニットCNV1の中性点側端子に接続される。
第2のコンバータユニットCNV2の低電位側端子は第1のコンバータユニットCNV1の低電位側端子に接続される。つまり、それぞれのコンバータユニットは、インバータユニットとコンバータユニットとの間の同一の直流リンク部に接続される。
U相のインバータユニットINVUは、コンバータユニットCNV1と同じく中性点クランプ(NPC)形である。そして、このインバータユニットINVUは、2つのNPCレグが並列接続されてフルブリッジ構成をなす。インバータユニットINVUの高電位側端子と中性点側端子の間には、直流リンクコンデンサCUPが設けられる。また、インバータユニットINVUの中性点側端子と低電位側端子との間には、直流リンクコンデンサCUNが設けられる。
V相のインバータユニットINVVやW相のインバータユニットINVWの中性点側端子は、U相のインバータユニットINVUの中性点側端子に接続される。
V相のインバータユニットINVVやW相のインバータユニットINVWの低電位側端子は、U相のインバータユニットINVUの低電位側端子に接続される。つまり、各相のインバータユニットは、インバータユニットとコンバータユニットとの間の同一の直流リンク部に接続される。
UVW相の各相のコンバータトランス、コンバータユニット、インバータユニットの電圧・電流定格は、各相の間で全て同じであるとする。
また、各相のインバータユニットから巻線型誘導発電機2への2つの出力端子は巻線型誘導発電機2の三相の各相に対応する端子にそれぞれ接続される。
図1に示したU相のインバータユニットINVUは8つのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4を有する。また、このインバータユニットINVUは、8つの還流ダイオードDUA1、DUA2、DUA3、DUA4、DUB1、DUB2、DUB3、DUB4を有する。これらの還流ダイオードは全スイッチング素子にそれぞれ1対1で逆並列接続される。さらに、インバータユニットINVUは、中性点に接続される4つのクランプダイオードDUA5、DUA6、DUB5、DUB6を有する。
これらのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4は、インバータユニットINVUの高電位側から低電位側にかけてSUA1、SUA2、SUA3、SUA4の順で直列接続される。クランプダイオードDUA5のアノードはインバータユニットINVU側の中性点に接続され、クランプダイオードDUA5カソードはスイッチング素子SUA1、SUA2の接続点に接続される。クランプダイオードDUA6のカソードはインバータユニットINVU側の中性点に接続され、クランプダイオードDUA6のアノードはスイッチング素子SUA3、SUA4の接続点に接続される。
これらのスイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4は、インバータユニットINVUの高電位側から低電位側にかけてSUB1、SUB2、SUB3、SUB4の順で直列接続される。クランプダイオードDUB5のアノードはインバータユニットINVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUB5のカソードはスイッチング素子SUB1、SUB2の接続点に接続される。クランプダイオードDUB6のカソードはインバータユニットINVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUB6のアノードはスイッチング素子SUB3、SUB4の接続点に接続される。
ここでは第1のコンバータユニットCNV1について説明するが、第2のコンバータユニットCNV2の構成も同様である。
第1のコンバータユニットCNV1は、12個のスイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4、SS1、SS2、SS3、SS4、ST1、ST2、ST3、ST4を有する。このコンバータユニットCNV1は、12個の還流ダイオードDR1、DR2、DR3、DR4、DS1、DS2、DS3、DS4、DT1、DT2、DT3、DT4を有する。これらの還流ダイオードは、全スイッチング素子にそれぞれ1対1で逆並列接続される。さらに、コンバータユニットCNV1は、このコンバータユニットCNV1側の中性点に接続される6つのクランプダイオードDR5、DR6、DS5、DS6、DT5、DT6を有する。
クランプダイオードDR5のアノードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDR5のカソードはスイッチング素子SR1、SR2の接続点に接続される。また、クランプダイオードDR6のカソードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDR6のアノードはスイッチング素子SR3、SR4の接続点に接続される。
クランプダイオードDS5のアノードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDS5のカソードはスイッチング素子SS1、SS2の接続点に接続される。クランプダイオードDS6のカソードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDS6のアノードはスイッチング素子SS3、SS4の接続点に接続される。
クランプダイオードDT5のアノードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDT5のカソードはスイッチング素子ST1、ST2の接続点に接続される。また、クランプダイオードDT6のカソードはコンバータユニットCNV1側の中性点に接続される。クランプダイオードDT6のアノードはスイッチング素子ST3、ST4の接続点に接続される。
接続点電位VRは、コンバータユニットCNV1のR相のレグのスイッチング素子SR2、SR3の接続点電位である。接続点電位VSは、コンバータユニットCNV1のS相のレグのスイッチング素子SS2、SS3の接続点電位である。また、接続点電位VTは、コンバータユニットCNV1のT相のレグのスイッチング素子ST2、ST3の接続点電位である。
インバータユニットINVUはフルブリッジ構成である。このため、インバータユニットINVUの直流電圧をVDCとすると、インバータユニットINVUは、−VDC、−VDC/2、0、+VDC/2、+VDCでなる5レベルの直流電圧を出力できる。
本実施形態では、図1に示すように制御装置10を有する。この制御装置10は、インバータユニットのスイッチング素子に対するON/OFFやコンバータユニットのスイッチング素子に対するON/OFFを制御する。
三角波キャリア変調を用いて、制御装置10からのインバータU相電圧指令値VU*に対応したPWM電圧VUA−VUBをインバータユニットINVUから出力させる。
つまり、三角波キャリア変調を用いて、制御装置10からのインバータV相電圧指令値VV*に対応したPWM電圧VVA−VVBをインバータユニットINVVから出力させる。また、三角波キャリア変調を用いて、制御装置10からのインバータW相電圧指令値VW*に対応したPWM電圧VWA−VWBをインバータユニットINVWから出力させる。
このように電圧指令値の位相がずれていること以外は、インバータユニットINVU、INVV、INVWの動作は共通している。
第1のコンバータユニットCNV1は三相ハーフブリッジ構成であるため、系統電圧のR相電圧を出力するレグを例として、電力系統の各相についての電圧出力方法を述べる。
コンバータユニットCNV1のR相レグは、スイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4に対するON/OFF制御によって電圧を出力する。この際、直流電圧は、−VDC/2、0、+VDC/2でなる3レベルの電圧となる。
各コンバータトランスTR1、TR2の交流巻線は直列接続されている。このため、R相電圧VRは各コンバータユニットCNV1、CNV2のR相の出力電圧に基づいて求められる。
本実施形態では、インバータユニットの交流側は各相で電気的に独立しているため、各相のインバータユニットを介して短絡ループが構成されることはない。よって、各相のインバータユニットを構成するスイッチング素子のON/OFF状態に特に制限はない。
このため、直流リンク部に電力を供給するためのコンバータユニット(PWM整流器)は、通常のPWM制御を行なえば、直流リンク電圧を一定に制御することができる。
この実施形態では、中性点クランプ式とした3レベルの半導体電力変換装置を用いている。しかしこれに限らず、出力電圧がさほど高くない場合には、中性点のない2レベルの半導体電力変換装置を用いてもよい。
次に、第2の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における構成のうち図1に示したものと同一部分の説明は省略する。
第2の実施形態では、第1の実施形態にて説明した回路方式に対して、2次側過電圧保護(OVP:Over Voltage Protection)回路を設けている。
図2に示すように、第2の実施形態における巻線型誘導発電機の2次励磁システムででは、巻線型誘導発電機2と各相のインバータユニットとの間にOVP回路11,12,13が設けられる。
OVP回路11は、巻線型誘導発電機2とU相のインバータユニットとの間における、巻線型誘導発電機2のU相における励磁巻線と並列に接続する。
OVP回路12は、巻線型誘導発電機2とV相のインバータユニットとの間における、巻線型誘導発電機2のV相における励磁巻線と並列に接続する。
OVP回路13は、巻線型誘導発電機2とW相のインバータユニットとの間における、巻線型誘導発電機2のW相における励磁巻線と並列に接続する。
この場合、巻線型誘導発電機2の2次側(回転子側)には、電磁誘導作用により過大な電圧が発生する。この場合、励磁回路を構成するインバータユニットを停止させても、このインバータユニット内のスイッチング素子と並列に接続されたダイオードを介して電力が直流リンク部に流入し、この直流リンク部の電圧を上昇させてしまう。
よって、過電圧によるインバータユニットやコンバータユニット(PWM整流器)の素子破壊を回避することができる。
次に、第3の実施形態について説明する。
図3は、第3の実施形態における巻線型誘導発電機の2次励磁システムのOVP回路の設置例を示す図である。図3では、2レベルの半導体電力変換装置を用いた例を示す。
図3に示すように、第3の実施形態における巻線型誘導発電機の2次励磁システムでは、巻線型誘導発電機2と各相のインバータユニットとの間にOVP回路21,22が設けられる。
半導体素子21a,21b,21cはサイリスタであるとする。半導体素子21aのアノードはOVP回路21の第1の端子をなす。半導体素子21aのカソードは、半導体素子21bのアノードに接続されるとともに、OVP回路21の第2の端子をなす。
また、制御装置10がOVP回路31の半導体素子に点弧指令を与えることで、巻線型誘導発電機2の励磁巻線の相間を短絡することができる。
そして、停止制御部10bは、OVP回路31,32を構成する半導体素子に対して点孤指令を与える。
Claims (8)
- 回転子の三相の巻線を電気的に独立させた巻線型誘導発電機の前記回転子の三相の巻線に電気的に接続されて直流と交流を双方向に変換する複数の第1の電力変換装置と、
前記第1の電力変換装置の直流側と三相交流電源との間で直流と交流を双方向に変換する第2の電力変換装置とを備え、
前記複数の第1の電力変換装置の直流側を共通させて前記第2の電力変換装置の直流側に電気的に接続したことを特徴とする発電機励磁装置。 - 前記第2の電力変換装置は、
前記三相交流電源から出力される三相交流電圧を直流電圧に変換し、
前記複数の第1の電力変換装置は、
前記第2の電力変換装置により変換された直流電圧を、前記巻線型誘導発電機の三相のそれぞれの単相交流電圧に変換することを特徴とする請求項1に記載の発電機励磁装置。 - 前記第1の電力変換装置は、
直列に接続されて中性点で区分された複数のスイッチング素子でなる回路を前記巻線型誘導発電機の三相についてそれぞれ有し、
前記第2の電力変換装置は、
直列に接続されて中性点で区分された複数のスイッチング素子でなる回路を有することを特徴とする請求項1に記載の発電機励磁装置。 - 前記第1の電力変換装置の交流側に設けられ、前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに三相についてそれぞれ短絡するための過電圧保護回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の発電機励磁装置。
- 前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに前記第1の電力変換装置を停止させる停止制御部と、
前記複数の第1の電力変換装置の交流側の三相の高電位側に接続されて、前記第1の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の一端を短絡するための第1の過電圧保護回路と、
前記第1の電力変換装置の交流側の三相の低電位側に接続されて、前記第1の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の他端を短絡するための第2の過電圧保護回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の発電機励磁装置。 - 回転子の三相の巻線を電気的に独立させた巻線型誘導発電機と、
前記巻線型誘導発電機の回転子の三相の巻線に電気的に接続されて直流と交流を双方向に変換する複数の第1の電力変換装置と、
前記第1の電力変換装置の直流側と三相交流電源との間で直流と交流を双方向に変換する第2の電力変換装置とを備え、
前記複数の第1の電力変換装置の直流側を共通させて前記第2の電力変換装置の直流側に電気的に接続したことを特徴とする電力変換システム。 - 前記第1の電力変換装置の交流側に設けられ、前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに三相についてそれぞれ短絡するための過電圧保護回路をさらに備えたことを特徴とする請求項6に記載の電力変換システム。
- 前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに前記第1の電力変換装置を停止させる停止制御部と、
前記複数の第1の電力変換装置の交流側の三相の高電位側に接続されて、前記第1の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の一端を短絡するための第1の過電圧保護回路と、
前記第1の電力変換装置の交流側の三相の低電位側に接続されて、前記第1の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の他端を短絡するための第2の過電圧保護回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項6に記載の電力変換システム。
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