JP6563378B2 - 自動電圧調整器、自動電圧調整方法、自動電圧調整プログラム、発電機励磁システムおよび発電システム - Google Patents
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Description
この発電機界磁の励磁方式は、電気を収集するブラシおよびこのブラシを発電機界磁の回転軸に電気的に接続するスリップリングなどの摺動接触体を要するサイリスタ励磁方式と、これらの摺動接触体が不要なブラシレス励磁方式と、に大別される。
ブラシレス励磁方式の同期発電機は、摺動接触体が不要なため、ブラシの交換や頻繁な保守が必要なく、欧州などでは積極的に採用されている。
PMGによって交流励磁機界磁の包囲空間に生成された静磁場中を、交流励磁機電機子が回転することで、交流励磁機電機子に交流電流が発生する。
この交流電流が、回転軸に設けられた整流回路で直流電流に整流された後、発電機界磁回路を流通することで発電機界磁が励磁される。
通常は、発電機出力電圧を監視してPMGの出力を自動で調整する自動電圧調整器(AVR:Automatic Voltage Regulator)によって発電量は一定に維持される。
電力系統の事故発生時、例えば落雷などによって発電機出力電圧が急落した場合、AVRはPMGの出力を制御し、発電機定格界磁電圧以上の界磁電圧を印加する(以下、フォーシングと記す)ことで、発電機出力電圧を短時間で上昇させる。
特に、ブラシレス励磁装置の場合は、その伝達構造に起因して、AVRからの指令に対する発電機出力電圧の応答が遅延しやすい。
発電機界磁回路に発生する電圧がこの機器としての設計許容値を超えると、発電機界磁回路に接続された整流回路または整流回路内の保護ヒューズ等が損傷するおそれがある。
図1は、ブラシレス励磁装置を含む発電システム10の概略構成図である。
回転界磁形の発電システム10では、図1に示されるように、回転軸13に発電機界磁11、交流励磁機電機子14および永久磁石界磁19(PMG界磁19)が設けられる。
交流励磁機15、永久磁石発電機(PMG)17、PMG界磁19の回転によって、PMG電機子22に生成された交流電流は、整流器24で直流電流にされて交流励磁機界磁18において静磁場を生成する。
この静磁場中を交流励磁機電機子14が回転することで、発電機界磁回路16に交流電流が生成され、発電機界磁11が励磁される。
発電機電機子27に接続された電力出力系統28には、自動電圧調整器29(AVR29)が接続される。
以下の実施形態にかかるAVR29は、発電システム10の発電機出力電圧に加えて、発電機界磁11に関する界磁諸量を検出することで、制御性を向上させたものである。
以下、実施形態においては、界磁諸量は、発電機界磁11における発電機界磁電圧Vfであるとして説明する。
図2は、第1実施形態にかかるAVR29を備えた発電機励磁システム30の概略回路図である。
AVR29において、一般に、発電機電圧検出・比較部31(以下、単に「検出・比較部31」という)が発電システム10の発電機電機子27の出力電圧(以下、「発電機出力電圧」という)を監視する。
発電機電圧設定部33の設定値は、例えば発電機出力電圧の定格出力値である。
なお、検出・比較部31は、発電機出力電圧に代えて、交流励磁機界磁18に入力される電圧値などを監視対象にしてもよい。
すなわち、検出・比較部31は、ゲートパルス発生部34が整流器24に発信するゲートパルスを変調して、PMG17の交流励磁機界磁18を流れる直流電流を増加させる。
交流励磁機界磁18の磁場強度を強めることで、発電機界磁回路16に流れる誘導電流の流量を増加させる。
発電機界磁電圧Vfの許容上限値は、例えば、整流回路26に用いられる整流素子などの発電機界磁電圧Vfに対する機器としての設計許容値の70〜80%程度に設定される。
故障の発生によって発電機出力電圧が急落すると、検出・比較部31がゲートパルス発生部34を変調して、図3に示されるように、発電機界磁電圧Vfを上昇させる。
電機子出力電圧が回復するまでは、定格負荷よりも高い発電機界磁電圧Vfを発生させて、電機子出力電圧が回復したのを確認して発電機界磁電圧Vfを定格負荷の出力に戻す。
発電機界磁11の出力を増加させるためには、発電機界磁電圧Vfを定格負荷よりも高い設定電圧(頂上電圧)まで急速に立ち上げる必要がある。
頂上電圧の目標設定値を高く設定すると発電機界磁電圧Vfの真の目標値に到達する時間が短くなり、発電機出力電圧が早期に回復する。
事故の態様によっては、その頂上電圧に到達することなく回復することもある。
実際には、発電機界磁電圧Vfが頂上電圧に到達した後(t=t1)、発電機界磁電圧Vfは、界磁制御の伝達遅延により時間の経過とともに僅かに増加するためである。
発電機出力電圧が定格出力値に回復したことを知ったとき(t=t1)から発電機界磁電圧Vfが変化するまで(t=t2)の間に長い交流励磁機15の磁場強度の変更など情報伝達工程があるからである。
補助ゲートパルス調整部40は、発電機出力電圧を監視してこの電圧情報が既定値を下回った場合に発電機界磁回路16に発生した界磁電圧の検出を指示する指示信号を発信する検出指令部41と、指示信号に従って発電機界磁電圧Vfを検出する発電機界磁電圧検出部42(界磁諸量検出部42)と、発電機励磁システム30を構成する各機器(例えば、発電機界磁回路16)が有する既定の電圧の許容上限値と発電機界磁電圧Vfとの比較値を算出する比較算出部44と、を備える。
そして、電圧情報が既定値を下回った場合に発電機界磁回路16に発生した発電機界磁電圧Vfの検出を指示する指示信号を発信する。
以下、電圧情報を発電機12から出力される発電機出力電圧とする一例で説明する。
ブラシレス励磁装置は、発電機界磁回路16が回転し、この発電機界磁回路16にはブラシなどの接触摺動体がない。
そこで、発電機励磁システム30がブラシレス励磁装置を含んで構成される場合、検出指令部41が発信する指示信号を受信して駆動して検出端子46を発電機界磁回路16に接触させる駆動部45を設ける。
例えば、図2に示されるように、発電機界磁11の両端部の電位を測定する出力端子48に、2つの検出端子46が電気的に接触する。
なお、ゲートパルス調整部52に代えて、比較算出部44の判定に基づいて、作業員が手動で発電機界磁電圧Vfの目標設定値を引き下げてもよい。
このような構成によって、発電機界磁電圧Vfが過電圧にならないように監視しながら、発電機出力電圧を定格出力の出力に回復させることができる。
すなわち、発電機出力電圧が急落した場合の電圧調整方法について説明する。
また、ゲートパルス発生部34は、平常時には定常的にゲートパルスを発生させている(S12)。
発電機出力電圧が急落した場合は(S13:YES)、検出・比較部31の発信指令によってゲートパルス発生部34が整流器24に正のフォーシング信号を発信する(S14)。
正のフォーシング信号を受信した整流器24は、交流励磁機界磁18の磁場出力を増強させる。
一方、補助ゲートパルス調整部40においては、検出指令部41が発電機出力電圧の急落を感知して、検出指令部41が指令信号を発信する(S16)。
指令信号を受信した駆動部45が、発電機界磁電圧検出部42の検出端子46を発電機界磁回路16の発電機界磁回路16の出力端子48に接続する(S17)。
そして、発電機界磁電圧検出部42は、発電機界磁電圧Vfを検出する(S18)。
発電機界磁電圧Vfが許容上限値を超えている場合は、ゲートパルス調整部52によってゲートパルス発生部34のゲートパルスが変調される(S20:YES:S21)。
発電機界磁電圧Vfが定格負荷よりも高い目標設定値付近に維持されることで、発電機出力電圧の出力は、上昇する(S22)。
この発電機出力電圧の上昇は、検出・比較部31によって検出される。
発電機出力電圧が定格出力値に到達するまで、発電機界磁電圧Vfは引き上げられた目標設定値に維持される(S23:NO:S20へ)。
発電機出力電圧は、定格出力値に維持されて、動作が終了する(END)。
例えば、検出指令部41、発電機界磁電圧検出部42、比較算出部44、ゲートパルス調整部52は、記憶装置に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現することができる。
さらに、これらは、ソフトウェア処理とハードウェアによる処理を組み合わせて実現することもできる。
また、図2に示す構成のうち、閾値記憶部37は、ROMまたはRAM等の記憶装置によって実現される。
つまり、過渡時の発電機界磁回路16の状態をAVR29にフィードバックすることで、発電機界磁回路16の過電圧を回避して機器を保護することができる。
図5は、第2実施形態にかかる発電機励磁システム30の概略構成図である。
そして、発電機励磁システム30は、検出端子46の摩耗による寿命満了時期をカウントするカウンタ51と、カウンタ51による通告に従って使用する検出端子46を切り換える切換部49と、を備える。
検出端子46の寿命満了時期の度に、発電システム10を停止して検出端子46の交換または補修をするのは、発電システム10の継続性などの観点から望ましくない。
この摩耗の程度は、検出端子46の接触回数または発電システム10の稼動期間などによって、ある程度推定することができる。
そして、カウンタ51による寿命満了時期の通告を受信した切換部49が、検出端子46が並列に接続された他の検出端子46に切り換える。
このように第2実施形態によれば、検出端子46の自動的な交換をすることができる。
カウンタ51および切換部49は、AVR29に内蔵されても、AVR29とは別個に設けられてもよい。
図6に示されるように、発電機界磁回路16に検出端子46を接触させた際に発電機界磁電圧検出部42が検出した電圧値に基づいて検出端子46の不良を検知する故障検知部53を備える。
そこで、故障検知部53を用いて、発電機界磁電圧Vfが既知であるときなどに、検出端子46を発電機界磁回路16に接触させて、正常な検出ができるか確認をする。
故障検知部53は、発電機界磁電圧検出部42が検出した実際の発電機界磁電圧Vfが既知の発電機界磁電圧Vfになっていなかった場合に、切換部49に割り込み信号を発信する。
このような構成によって、検出端子46が寿命満了時期に達していなくても、適宜不良な検出端子46を正常なものに切り換えることができる。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
また、検出端子46が寿命満了時期に達していなくても、適宜不良な検出端子46を正常なものに切り換えることができる。
これら実施形態は、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、組み合わせ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。
Claims (12)
- 発電機出力電圧を監視して前記発電機出力電圧が既定範囲から外れた場合に発電機励磁システムの発電機界磁回路に発生した界磁諸量の検出を指示する指示信号を発信する検出指令部と、
前記指示信号に従って前記界磁諸量を検出する界磁諸量検出部と、
前記発電機励磁システムを構成する各機器が有する既定の電圧の許容上限値と前記界磁諸量との比較値を算出する比較算出部と、を備えることを特徴とする自動電圧調整器。 - 前記比較値に基づいて前記発電機界磁回路に出力している前記界磁電圧の許容値を超えないように調整をするゲートパルス調整部を備える請求項1に記載の自動電圧調整器。
- 前記発電機出力電圧を監視して前記既定範囲から外れた場合に前記検出指令部に通知する発電機電圧検出・比較部を備える請求項1又は請求項2に記載の自動電圧調整器。
- 前記発電機励磁システムの励磁装置は、ブラシレス励磁装置であり、
前記発電機界磁回路に設けられて発電機界磁を励磁させる発電機界磁回路と、
前記発電機界磁回路に接続されて前記界磁諸量を出力する出力端子と、
前記指示信号の受信により駆動して前記界磁諸量検出部の検出端子を前記出力端子に接触させる駆動部と、を備える請求項1または請求項2に記載の自動電圧調整器。 - 前記発電機励磁システムの励磁装置は、サイリスタ励磁装置である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動電圧調整器。
- 前記検出端子は2以上並列に接続される請求項4または請求項5に記載の自動電圧調整器。
- 前記検出端子の摩耗による寿命満了時期をカウントするカウンタと、
前記カウンタによる通告に従って使用する前記検出端子を切り換える切換部と、を備える請求項6に記載の自動電圧調整器。 - 前記発電機界磁回路に前記検出端子を接触させた際に前記界磁諸量検出部が検出した電圧値に基づいて前記検出端子の不良を検知する故障検知部を備える請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の自動電圧調整器。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の自動電圧調整器を備える発電機励磁システム。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の自動電圧調整器を備える発電システム。
- 発電機出力電圧を監視して前記発電機出力電圧が既定範囲から外れた場合に発電機励磁システムの発電機界磁回路に発生した界磁諸量の検出を指示する指示信号を発信するステップと、
前記界磁諸量の許容上限値を設定するステップと、
前記指示信号に従って前記界磁諸量を検出するステップと、
前記発電機励磁システムを構成する各機器が有する既定の電圧の許容上限値と前記界磁諸量との比較値を算出するステップと、を含むことを特徴とする自動電圧調整方法。 - コンピュータに、
発電機出力電圧を監視して前記発電機出力電圧が既定範囲から外れた場合に発電機励磁システムの発電機界磁回路に発生した界磁諸量の検出を指示する指示信号を発信するステップと、
前記界磁諸量の許容上限値を設定するステップと、
前記指示信号に従って前記界磁諸量を検出するステップと、
前記発電機励磁システムを構成する各機器が有する既定の電圧の許容上限値と前記界磁諸量との比較値を算出するステップと、を実行させることを特徴とする自動電圧調整プログラム。
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