JP6563143B2 - ブラシレス同期発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレス同期発電装置に関するもので、特に、ブラシレス同期発電装置のタービンおよび同期発電機の軸を低速で回転させるターニング運転の構成に関するものである。

ブラシレス同期発電装置は、同期発電機、交流励磁機、および回転整流器の組み合わせで構成されている。同期発電機の固定子電機子巻線には静止形周波数変換器（ＳＦＣ：Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、以下ＳＦＣと省略する）が接続され、同期発電機の電機子電流の周波数を変化させ、同期発電機を同期電動機として起動運転させるＳＦＣ起動システムが適用されている。

一方、蒸気やガスタービンなどの発電プラントに用いられるタービンおよび同期発電機の回転子軸は、運転停止中に高温状態かつ回転無の状態で放置すると、熱歪みや回転子の自重によって軸曲りが発生する。この軸曲がりを防止するため、駆動モータとギア装置などからなるターニング装置を用いて、運転停止後は一定時間、タービンおよび発電機の回転子軸を低速（約２ないし１０回転／分）で回転させるターニング運転が行われている。

タービンおよび同期発電機の回転子軸を駆動させる装置には、ターニング用電動機とＳＦＣ起動の２種類のシステムが一般的に設置されており、使い分けられている。ＳＦＣ起動システムは、ターニング回転数３ｒ／ｍｉｎからガスタービン着火回転数２０００〜２４００ｒ／ｍｉｎの昇速運転に使用され、ターニング用電動機は、回転停止０ｒ／ｍｉｎからターニング回転数３ｒ／ｍｉｎまで昇速し、３ｒ／ｍｉｎ到達後は、一定時間のターニング運転に使用される。

ＳＦＣ起動装置（１２０度通電電流型インバータ）は、ターニング回転数３ｒ／ｍｉｎなどの回転数が低い領域では、ＳＦＣ電流が断続通電となり、ＳＦＣ電流の制御精度が低くなる。このため、ＳＦＣ起動装置は、数ｒ／ｍｉｎの低速回転における制御が困難であり、一般的にＳＦＣ起動装置は、ターニング運転には適していない。また、ターニング用電動機にて回転停止からガスタービン着火回転数２０００〜２４００ｒ／ｍｉｎまで起動させた場合、ターニング用電動機の容量および全体構成が非常に大きくなり、経済的ではないため、回転子軸の駆動装置は、ターニング専用のギアおよび電動機とＳＦＣ起動の組合せが一般的である。

発電システムとしては、同期発電機の回転子界磁巻線に直流電流を通電し、回転子巻線から発生した磁束が固定子電機子巻線に鎖交することで、電機子巻線に誘導起電力が発生することによって発電が行われる。この回転子界磁巻線への直流電流を供給する手法としては、「カーボンブラシと鋼製リングを機械的に接触させるスリップリング方式」と「三相全波整流回路を搭載した回転機を用いたブラシレス方式」の２種類がある。
ブラシレス励磁機は、回転子に電機子巻線、固定子に界磁巻線が施された構造となっており、ブラシレス励磁機の回転子電機子巻線と同期発電機の回転子界磁巻線は、同一回転軸上にある。このため、ブラシレス励磁機の回転子電機子巻線にて誘起された電流電圧は三相全波整流の回転整流器にて整流され、同期発電機の回転子界磁巻線に直流電流が供給される。

ガスタービンと同期発電機が組み合わされる発電プラントの場合、ガスタービンは、原動機としてトルク不足で軸系を昇速できない回転領域があることから、同期発電機の固定子電機子巻線にＳＦＣを接続し、同期発電機の電機子電流の周波数を変化させ、同期発電機を同期電動機として起動運転される。
起動運転の際、同期発電機を電動機として運転するが、定格回転時における発電機としての運転と同様に、同期発電機界磁巻線に直流電流を供給する必要がある。
ブラシレス励磁方式にて、交流励磁機界磁巻線に直流の界磁電流を印加した場合、回転子軸が停止状態では、交流励磁機電機子巻線に誘起電圧が発生せず、同期発電機界磁巻線に界磁電流を通電することが困難である。また、数ｒ／ｍｉｎの低回転数の状態においては、同期発電機界磁巻線への直流電流の供給が不足する問題点があった。

この問題に対しては、交流励磁機の固定子界磁巻線をｄｑ軸二相交流巻線とし、ｄ軸巻線ｑ軸巻線を位相差９０度にてインバータにて交流励磁することで、固定子から回転磁界の発生が可能となり、回転停止時においても所要の直流出力の発生を可能となるシステムが特許文献１に提案されている。

また、駆動モータとギア装置などからなるターニング装置では、機械装置のメンテナンスなどの問題から、ギア装置を使用しないで信頼性の高い構成が望まれ、その構成について調査したところ、ブラシレス励磁装置を、固定子側から直流電源によって励磁する第１の交流励磁機と、固定子側から三相交流電源によって励磁する巻線型誘導電動式第２の交流励磁機として、同期発電機と同一軸上に配置し、第１の交流励磁機の電機子巻線に第１の回転整流器を接続し、第２の交流励磁機の二次巻線に第２の回転整流器を接続し、第１の回転整流器と第２の回転整流器の直流側と直列に接続して同期発電機の界磁巻線に励磁電流を供給するようにした構成が、特許文献２に提案されていた。

特開２０１４‐２３９５９４号公報 特開平４−９６６９８号公報

上述のターニング装置に見られるように、回転電気機械は、一般的に発電機と電動機の２つ運転状態があり、交流ブラシレス励磁システムにおける交流励磁機は、発電機としての運転であるが、この交流励磁機を電動機運転することができれば、機械トルクが発生し、ターニング運転にてガスタービンと発電機の回転子軸を回転させることが可能となる。
交流励磁機を電動機運転する際、誘導電動機として運転させるには、固定子巻線を交流で励磁する必要があることから、インバータ装置にて交流励磁することによって、交流励磁機を電動機として運転できることになる。

交流界磁ブラシレス励磁機において、定格回転時には直流励磁とし、ＳＦＣ起動時には交流励磁として、交流励磁機の電機子巻線（回転子巻線）にて発生したエネルギーは、回転整流器を介して、同期発電機の界磁巻線に供給され、同期発電機の界磁巻線の銅損となる。一方、ターニング運転時には、同期発電機の界磁巻線の励磁が必要ないため、交流励磁機は通電されず、機能上停止している。この同期発電機の界磁励磁が必要ない状態において、交流励磁機を電動機として運転し、タービンおよび発電機の回転子軸を低速で回転させることで、ターニング専用のギアおよび電動機を省略することを目的とする。

本発明のブラシレス同期発電装置は、同期発電機と、前記同期発電機の回転子に直結された交流励磁機と、前記交流励磁機の電機子に取り付けられた回転整流器と、前記交流励磁機の電機子巻線を三相短絡させる短絡手段とを備え、前記交流励磁機の電機子巻線を３相短絡させて、前記交流励磁機を誘導電動機として動作させ、前記同期発電機の回転子軸を回転させるようにしたものである。

交流励磁機がブラシレス励磁機として運転していない状態に、電動機として運転し、タービンおよび発電機の回転子軸を低速で回転させることにより、ターニング専用のギアおよび電動機が省略できる。これにより、ターニング専用のギアおよび電動機が不要となり、その設置スペースも不要となり、発電プラントの建屋をコンパクト化でき、コストが低減できる。

本発明の実施の形態１のブラシレス同期発電装置の概略的な構成図である。 本発明の実施の形態１のスリップリングに対するブラシの動作状態の概略図である。 本発明の実施の形態１の動作フロー図である。 本発明の実施の形態２のブラシレス同期発電装置の概略的な構成図である。 本発明の実施の形態２の動作フロー図である。 本発明の実施の形態３のブラシレス同期発電装置の概略的な構成図である。

実施の形態１．
以下に、本発明にかかるブラシレス同期発電装置の実施の形態１を、図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は、各々同一部分または相当部分を示している。
図１は、本発明の実施の形態１におけるブラシレス同期発電装置の概略的な構成を示している。この図１には、ガスタービン発電プラントにおけるＳＦＣ起動システムおよびターニング運転に必要な構成を示している。

ブラシレス同期発電装置は、ガスタービンの回転子軸１に、同期発電機２、交流励磁機３、および永久磁石同期発電機４が設けられている。実際には、同期発電機２の回転子２ａがガスタービンの回転子軸１に接続され、この同期発電機２の回転子２ａに、同期発電機２の界磁巻線２ａａ、回転整流器５、交流励磁機３の電機子巻線３ａ、永久磁石同期発電機４の界磁永久磁石４ａが設けられている。

また。同期発電機２の固定子２ｂ側として、同期発電機２の電機子巻線２ｂｂ、交流励磁機３の界磁巻線３ｂ、永久磁石同期発電機４の電機子巻線４ｂが設けられ、ブラシレス励磁では、同期発電機２の回転子２ａに直結された交流励磁機３の電機子巻線３ａの三相交流出力を交流励磁機３の電機子に取り付けられた回転整流器５で整流し、同期発電機２の界磁巻線２ａａを励磁している。

特に、この実施の形態1では、同期発電機２の回転子２ａ側に、交流励磁機３の電機子巻線３ａと回転整流器５の間に、３つのスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃが設けられていて、交流励磁機３の電機子巻線３ａのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のそれぞれに接続されている。同期発電機２の固定子２ｂ側には、スリップリング６ａ、６ｂ、６ｃに対応してブラシ７ａ、７ｂ、７ｃが設けられ、このブラシ７ａ、７ｂ、７ｃはブラシ可動装置８によってスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃに接触するように動かされるように構成されている。すなわち、スリップリング６ａ、６ｂ、６ｃに対応してブラシ７ａ、７ｂ、７ｃを設けて、それらを接触させることによって三相短絡を行っており、このスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃとブラシ７ａ、７ｂ、７ｃは、短絡手段となっている。

図２Ａおよび図２Ｂにブラシ７ａ、７ｂ、７ｃとスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃの状態を示す。ＳＦＣ起動および定格負荷において同期発電機の界磁巻線に直流を供給する際には、図２Ａに示すように、ブラシ７ａ、７ｂ、７ｃとスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃは接触せず、３つのスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃは解放状態とし、交流励磁機で発生した電流はすべてそのままの状態で回転整流器に流れ込む。
一方、交流励磁機３を電動機として利用してターニング運転をさせる場合には、図２Ｂに示すように、ブラシ７ａ、７ｂ、７ｃをスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃに接触させ、交流励磁機３の電機子巻線３ａを三相短絡させ、交流励磁機３のｄ軸二相巻線、ｑ軸二相巻線を位相差９０度にて交流励磁し、ターニング用電動機としてトルクを発生させる。ここで、交流励磁機３の電機子巻線３ａは、一般的な巻線型誘導電動機の回転子２次巻線と機能的に同一となって、交流励磁機３は電動機トルクを発生させる。

これらの動作の制御は、制御装置９によって行われる。また、制御装置９は、交流励磁機３の界磁巻線３ｂへの電流を供給する交流励磁インバータ装置１０、永久磁石同期発電機４の電機子巻線４ｂへの電流を供給する直流励磁サイリスタ装置１１、および界磁巻線３ｂにおける励磁方式を切り替える励磁方式切換装置１２、さらに、静止型周波数変換器１３および同期発電機電機子巻線端子の接続切換器１４の制御を行っている。

なお、実施の形態１において、スリップリング６ａ、６ｂ、６ｃとブラシ７ａ、７ｂ、７ｃの接触面積を大きく、スリップリング６ａ、６ｂ、６ｃとブラシ７ａ、７ｂ、７ｃの間の電位差を小さく、スリップリング６ａ、６ｂ、６ｃ間の短絡ケーブルを短くすることによって、短絡しているスリップリング６ａ、６ｂ、６ｃ間に発生する電圧が三相全パ整流回路のダイオード順電圧降下に対して十分低くし、三相全パ整流回路にて整流が発生しないようにしている。

次に、図１に示したブラシレス同期発電装置の実施の形態１の動作フロー図を図３に示す。
図３に示すように、ターニング運転を行う場合には、制御装置からブラシ可動装置に、ブラシを移動させるように指令が出され、ブラシがスリップリングに接触し、スリップリング間が短絡する（ステップ３−１）。また、交流励磁インバータと交流励磁機のｄ軸ｑ軸の二相界磁巻線が接続される（ステップ３−２）。次に、交流励磁インバータによる交流励磁機ｄ軸ｑ軸二相界磁巻線に通電が行われ（ステップ３−３）、交流励磁機の電動機運転制御によるターニング運転が行われる（ステップ３−４）。その後、回転数が所定値以上となると、ＳＦＣ起動運転の開始信号に基づいて、インバータへの通電を停止し、交流励磁機による電動機運転を停止する（ステップ３−５）。そして、ブラシとスリップリングとの接触を開放し（ステップ３−６）、ＳＦＣ起動装置による同期発電機の電機子巻線への通電を行う（ステップ３−７）と同時に、交流励磁インバータによる同期発電機の界磁巻線への通電を行う（ステップ３−８）。そして、交流界磁ブラシレス励磁機によるＳＦＣ起動運転を行う（ステップ３−９）。その後、ガスタービン着火回転数に到達するとＳＦＣ起動を完了し、定格運転に入る（ステップ３−１０）。

実施の形態２
図４は、本発明の実施の形態２のブラシレス同期発電装置の概略的な構成図である。
この実施の形態２では、実施の形態１において示した交流励磁機の電機子巻線３ａを三相短絡させる短絡手段として、スリップリングおよびブラシの関係を、同期発電機２の回転子２ａ軸内に内蔵された交流励磁機３の電機子巻線３ａを３相短絡する短絡用スイッチ１５と無線信号受信・スイッチ制御装置１６に置き換えたものである。
制御装置９からの制御信号は無線信号発信装置１７を介し、無線信号受信・スイッチ制御装置１６に受信され、ターニング運転時は短絡用スイッチ１５をオンとして、ブラシレス励磁時は短絡用スイッチ１５をオフとするように構成している。

図５は、実施の形態１において示した動作フローを、実施の形態２に合わせて表したものである。ここでは、ステップ３−１において示したスリップリングにおける三相短絡を、短絡用スイッチをオンとすることによって電機子巻線を三相短絡としたものである（ステップ５−１）。また、スリップリングとブラシによる接触動作を、スイッチによって行わせるようにしたもので、機械的な動作を電気的な操作によって行わせるようにしてものでより信頼性が高くなるという効果が期待できる。

実施の形態３
図６は、本発明の実施の形態３のブラシレス同期発電装置の概略的な構成図である。
この実施の形態３では、実施の形態１において示した交流励磁機３の電機子巻線３ａを３相短絡させる短絡手段として、スリップリングおよびブラシの関係を、同期発電機２の回転子２ａ軸内に内蔵された交流励磁機３の電機子巻線３ａを３相短絡する短絡用スイッチ１５と開放用スイッチ１８と無線信号受信・スイッチ制御装置１６に置き換えたものである。
制御装置９からの制御信号は無線信号発信装置１７を介し、無線信号受信およびスイッチ制御装置１６に受信され、ターニング運転時は短絡用スイッチ１５をオンとし、開放用スイッチ１８をオフとする。また、ブラシレス励磁時は短絡用スイッチ１５をオフとし、開放用スイッチ１８をオンとする。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略したりすることが可能である。

Claims (4)

1. 同期発電機と、前記同期発電機の回転子に直結された交流励磁機と、前記交流励磁機の電機子に取り付けられた回転整流器と、前記交流励磁機の電機子巻線を三相短絡させる短絡手段とを備え、前記交流励磁機の電機子巻線を３相短絡させて、前記交流励磁機を誘導電動機として動作させ、前記同期発電機の回転子軸を回転させるようにしたことを特徴とするブラシレス同期発電装置。
2. 前記短絡手段が、前記交流励磁機の電機子巻線と前記回転整流器の間の三相にそれぞれ設けられたスリップリングと、前記スリップリングに対して可動なブラシとで構成され、前記スリップリングと前記ブラシとが接触することによって三相短絡が行われるようにした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装置。
3. 前記短絡手段が、前記交流励磁機の電機子巻線と前記回転整流器の間の前記同期発電機の回転子の軸内に設けられた短絡用スイッチおよび無線信号受信・スイッチ制御装置であって、ターニング運転の制御信号を受信し、前記短絡用スイッチを接続することによって三相短絡が行われるようにした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装置。
4. 前記短絡手段が、前記交流励磁機の電機子巻線と前記回転整流器の間の前記同期発電機の回転子の軸内に設けられた短絡用スイッチと、開放用スイッチと、無線信号受信・スイッチ制御装置であって、ターニング運転の制御信号を受信し、前記短絡用スイッチを接続し、前記開放用スイッチを接続解除することによって三相短絡が行われ、前記交流励磁機の電機子巻線の電流が前記回転整流器に流れ込まないようにした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装置。

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