JP6792075B2 - サイリスタ起動装置 - Google Patents

Description

この発明は、サイリスタ起動装置に関する。

発電機および電動機等の同期機を起動するためのサイリスタ起動装置が開発されている（たとえば国際公開２０１４／０３３８４９号明細書（特許文献１）参照）。サイリスタ起動装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を平滑化する直流リアクトルと、コンバータから直流リアクトルを介して与えられる直流電力を可変周波数の交流電力に変換して同期機に供給するインバータとを備えている。同期機に供給する交流電力を制御することにより、停止状態の同期機を起動させて所定の回転速度で駆動させることができる。

国際公開２０１４／０３３８４９号明細書

上記サイリスタ起動装置において、インバータは少なくとも６個のサイリスタを有している。同期機の回転に同期して６個のサイリスタを２個ずつ順序良く点弧させることにより、インバータは同期機に三相交流電力を供給して同期機の回転速度を上昇させることができる。

しかしながら、インバータの転流動作中に６個のサイリスタのうちのいずれかのサイリスタにおいて短絡故障が発生した場合、別の健全なサイリスタを点弧させることで、このサイリスタを通じて事故電流が流れる経路が形成される。そのため、事故電流によって健全なサイリスタおよび電機子巻線などの構成部品がダメージを受けることとなる。

なお、事故電流が大きくなるほど、または事故電流の通電時間が長くなるほど、構成部品へのダメージが大きくなるため、構成部品が損傷する可能性が高くなる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、事故電流による損傷を抑制することができるサイリスタ起動装置を提供することである。

この発明のある局面によれば、同期機を起動させるサイリスタ起動装置は、コンバータと、直流リアクトルと、インバータとを備える。コンバータは、交流電力を直流電力に変換するように構成される。直流リアクトルは直流電力を平滑化する。インバータは、コンバータから直流リアクトルを介して与えられる直流電力を可変周波数の交流電力に変換して同期機に供給するように構成される。サイリスタ起動装置は、直流出力電流を断続的に零にすることによりインバータの転流を行なう第１のモードと、同期機の誘起電圧によりインバータの転流を行なう第２のモードとを順次実行することにより、同期機を停止状態から所定の回転速度まで加速させるように構成される。第１のインダクタンスを有する第１の同期機を起動させる第１の場合は、第１のインダクタンスよりも大きい第２のインダクタンスを有する第２の同期機を起動させる第２の場合に比べて、第１のモードから第２のモードに切り替えるための切り替え回転速度がより高い回転速度に設定される。

この発明によると、事故電流による損傷を抑制することができるサイリスタ起動装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１によるサイリスタ起動装置の構成を示す回路ブロック図である。 サイリスタ起動装置の動作を示すタイムチャートである。 図１に示したインバータの構成および動作を示す回路図である。 負荷転流モード時におけるインバータの理想的な転流動作を模式的に示すタイムチャートである。 事故電流の経路を説明するための回路図である。 図５に示した事故電流の経路を模式的に示す回路図である。 線間電圧および事故電流の動作波形を示す図である。 切り替え回転速度を定格回転速度のＸ％としたときの同期機の回転速度とコンバータから出力される直流電流との関係を模式的に示すタイムチャートである。 サイリスタ起動装置が起動させる同期機のインダクタンスと切り替え回転速度との関係の一例を模式的に示す図である。 同期機の回転速度とコンバータから出力される直流電流との関係を模式的に示すタイムチャートである。 断続転流モード時の同期機の回転速度と電流指令値との関係の一例を示す図である。 同期機の冷却構造の一例を示す断面図である。 断続転流モード時の同期機の回転速度とコンバータから出力される直流電流との関係を模式的に示すタイムチャートである。 断続転流モード時の同期機の回転速度と電流指令値との関係の一例を示す図である。 断続転流モード時の同期機の回転速度と電流指令値との関係の他の例を示す図である。 断続転流モード時の同期機の回転速度とコンバータから出力される直流電流との関係を模式的に示すタイムチャートである。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１によるサイリスタ起動装置の構成を示す回路ブロック図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１によるサイリスタ起動装置１００は、停止している同期機２０を所定の回転速度まで加速させることにより、同期機２０を起動させる。

同期機２０は、電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷを有する固定子と、界磁巻線２２を有する回転子とを含む。同期機２０は、たとえば火力発電所のガスタービンに結合されており、ガスタービンによって回転駆動される。以下の説明では、所定の回転速度を「定格回転速度」とも称する。たとえば、交流電源３０の周波数が６０Ｈｚである場合、定格回転速度は３６００ｒｐｍに設定される。

サイリスタ起動装置１００は、変圧器ＴＲの二次側に接続されている。変圧器ＴＲの一次側は交流電源３０に接続されている。変圧器ＴＲは、交流電源３０から供給される三相交流電圧を所定の電圧値の三相交流電圧に変換してサイリスタ起動装置１００に与える。

サイリスタ起動装置１００は、コンバータ１、直流リアクトル３、およびインバータ２を備える。コンバータ１は、少なくとも６個のサイリスタを含む三相全波整流器であり、変圧器ＴＲからの三相交流電力を可変電圧の直流電力に変換する。

直流リアクトル３は、コンバータ１の正側出力端子１ａとインバータ２の正側入力端子２ａとの間に接続される。直流リアクトル３は、コンバータ１の直流出力電流Ｉｄを平滑化する。コンバータ１の負側出力端子１ｂとインバータ２の負側入力端子２ｂとは互いに接続される。なお、もう１つの直流リアクトル３が、コンバータ１の負側出力端子１ｂとインバータ２の負側入力端子２ｂとの間に接続されていてもよい。

インバータ２の３つの出力端子２ｃ，２ｄ，２ｅは、それぞれ、同期機２０の３つの電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに接続される。インバータ２は、少なくとも６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚを含む三相他励式インバータである。

サイリスタ起動装置１００は、変流器４，５、電圧検出器６、位置検出器７、電流検出器９、インバータ制御部１０、およびコンバータ制御部１３をさらに備える。

変流器４は、変圧器ＴＲからコンバータ１に流れる三相交流電流を検出し、検出値を示す信号を電流検出器９に与える。電流検出器９は、変流器４からの信号に基づいて、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄを演算し、その演算値を示す信号をコンバータ制御部１３に与える。具体的には、電流検出器９は、全波整流型のダイオード整流器を有しており、検出された三相交流電流を直流電流Ｉｄに変換する。

変流器５は、インバータ２から同期機２０の電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに流れる電流を検出し、検出値を示す信号を位置検出器７に与える。

電圧検出器６は、インバータ２から同期機２０に供給される三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの瞬時値を検出し、検出値を示す信号を位置検出器７に与える。具体的には、電圧検出器６は、同期機２０の電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおける三相交流電圧の線間電圧のうちの２つの線間電圧（図１では、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧Ｖｕ−ｖおよびＶ相−Ｗ相間の交流電圧Ｖｖ−ｗとする）を検出する。このように、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧Ｖｕ−ｖ、Ｖ相−Ｗ相間の交流電圧Ｖｖ−ｗおよびＷ相−Ｕ相間の交流電圧Ｖｗ−ｕのうちの少なくとも２つの線間電圧を検出することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧を計算により求めることができる。この線間電圧から相電圧への変換は、電圧検出器６または位置検出器７において行なわれる。

位置検出器７は、変流器５および電圧検出器６からの信号に基づいて同期機２０の回転子の位置を検出し、検出値を示す信号をインバータ制御部１０およびコンバータ制御部１３に与える。

インバータ制御部１０は、位置検出器７からの信号に基づいて、インバータ２の点弧位相を制御する。具体的には、インバータ制御部１０は、制御角演算部１１と、ゲートパルス発生器１２とを含む。制御角演算部１１は、検出された同期機２０の回転子の位置に基づいて位相制御角（点弧角）γを演算し、演算した位相制御角γをゲートパルス発生器１２に与える。ゲートパルス発生回路４０は、制御角演算部１１から受けた位相制御角γに基づいてインバータ２のサイリスタのゲートに与えるゲートパルス（点弧指令）を生成する。インバータ制御部１０は「第１の制御部」の一実施例に対応する。

コンバータ制御部１３は、位置検出器７からの信号および電流検出器９からの信号に基づいて、コンバータ１の点弧位相を制御する。具体的には、コンバータ制御部１３は、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄが電流指令値Ｉｄ＊に一致するように、コンバータ１の点弧位相を制御する。コンバータ制御部１３は「第２の制御部」の一実施例に対応する。

コンバータ制御部１３は、速度制御部１４と、電流制御部１５と、制御角演算部１６と、ゲートパルス発生器１７とを含む。速度制御部１４は、検出された同期機２０の回転子の位置に基づいて、同期機２０の回転速度を演算する。速度制御部１４は、演算した回転速度に基づいて、直流電流Ｉｄの目標値である電流指令値Ｉｄ＊を生成する。

電流制御部１５は、電流指令値Ｉｄ＊と直流電流Ｉｄとの偏差ΔＩｄを演算し、演算した偏差ΔＩｄに基づいて電圧指令値ＶＤＣ１＊を生成する。具体的には、電流制御部１５は、比例要素（Ｐ：proportional element）、積分要素（Ｉ：integral element）および加算部を含む。比例要素が偏差ΔＩｄに所定の比例ゲインを乗じて加算部へ出力し、積分要素は偏差ΔＩｄを所定の積分ゲインで積分して加算部へ出力する。加算部は、比例要素および積分要素からの出力を加算して電圧指令値ＶＤＣ１＊を生成する。電圧指令値ＶＤＣ１＊は、コンバータ１が出力すべき直流電圧ＶＤＣ１を規定する制御指令に相当する。

なお、コンバータ１は、インバータ２の入力端子側の直流電圧ＶＤＣ２よりも直流リアクトル３による電圧降下分だけ大きくなるように直流電圧ＶＤＣ１を制御する。これにより、直流電流Ｉｄが制御される。

制御角演算部１６は、電流制御部１５から与えられる電圧指令値ＶＤＣ１＊に基づいて、位相制御角αを演算する。制御角演算部１６は、演算した位相制御角αをゲートパルス発生器１７に与える。

ゲートパルス発生回路４０は、制御角演算部１６から受けた位相制御角αに基づいてコンバータ１のサイリスタのゲートに与えるゲートパルス（点弧指令）を生成する。ゲートパルス発生器１７によって生成されたゲートパルスに従ってコンバータ１がスイッチング制御されることにより、電流指令値Ｉｄ＊に従った直流電流Ｉｄがコンバータ１から出力される。

次に、図２を用いて、サイリスタ起動装置１００の動作について説明する。
図２は、サイリスタ起動装置１００の動作を示すタイムチャートである。図２には、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄおよび同期機２０の回転速度が示されている。

サイリスタ起動装置１００においては、同期機２０の電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに誘起される逆起電力（誘起電圧）を利用してインバータ２におけるサイリスタの転流が行なわれる。このような転流は「負荷転流」と呼ばれている。

しかしながら、同期機２０の回転速度が低い場合、すなわち同期機２０の起動時や低速時には、電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに発生する誘起電圧が低いため、サイリスタの転流が失敗する場合がある。そのため、同期機２０の回転速度が低いときには、コンバータ１の直流出力電流Ｉｄを断続的に零にしてインバータ２の転流を行なう「断続転流」が採用されている。

図２に示すように、サイリスタ起動装置１００は、断続転流モード（第１のモード）と負荷転流モード（第２のモード）とを順次切り替えて実行することにより、同期機２０を停止状態から定格回転速度まで加速させるように構成される。

具体的には、時刻ｔ＝０にて停止状態の同期機２０を起動させると、サイリスタ起動装置１００は断続転流モードを実行する。断続転流モード時、直流電流Ｉｄはパルス波形を示している。各パルスの波高値は、通常、一定値される（Ｉｄ＝Ｉ０）。波高値は、たとえば、断続転流モードの期間中に同期機２０に供給される交流電力の積算値が、停止状態の同期機２０を切り替え回転速度まで加速させるための電力量を満たすように設定される。

そして、同期機２０の回転速度が定格回転速度の１０％程度に到達すると、サイリスタ起動装置１００は、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わる。以下の説明では、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わるときの回転速度を「切り替え回転速度」とも称する。図２の例では切り替え回転速度を定格回転速度の１０％程度としている。

図３は、図１に示したインバータ２の構成および動作を示す回路図である。図３を参照して、サイリスタＵ，Ｖ，Ｗのアノードはともに正側入力端子２ａに接続され、それらのカソードはそれぞれ出力端子２ｃ，２ｄ，２ｅに接続される。サイリスタＸ，Ｙ，Ｚのアノードはそれぞれ出力端子２ｃ，２ｄ，２ｅに接続され、それらのカソードはともに負側入力端子２ｂに接続される。

三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに同期して、サイリスタＵ，Ｖ，Ｗのうちの１つのサイリスタと、サイリスタＸ，Ｙ，Ｚのうちの１つのサイリスタとを導通させることにより、インバータ２は、コンバータ１から直流リアクトル３を介して供給される直流電力を可変周波数、可変電圧の三相交流電力に変換して同期機２０の固定子（電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）に与える。これにより、同期機２０の回転速度を上昇させることができる。

たとえば、図３に示すように、サイリスタＵ，Ｚが導通している場合は、同期機２０のＵ相電圧ＶｕがインダクタンスＬｕおよびサイリスタＵを介してインバータ２の入力端子２ａに現れ、Ｗ相電圧ＶｗがインダクタンスＬｗおよびサイリスタＺを介してインバータ２の入力端子２ｂに現れる。すなわち、同期機２０のＷ相−Ｕ相間の交流電圧Ｖｗ−ｕが直流電圧ＶＤＣ２となって入力端子２ａ，２ｂ間に現れる。なお、リアクトルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗはそれぞれ、同期機２０の電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷが有するインダクタンスを表している。

図４は、負荷転流モード時におけるインバータ２の理想的な転流動作を模式的に示すタイムチャートである。図４では、三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、インバータ２の６個のサイリスタのうちの導通しているサイリスタ、およびインバータ２の入力端子２ａ，２ｂ間に現れる直流電圧ＶＤＣ２を示している。

図４において、線間電圧Ｖｕ−ｖ，Ｖｖ−ｗ，Ｖｗ−ｕが０Ｖとなる点が位相制御角γの基準点であり、基準点ではγ＝０°である。負荷転流モードでは、基準点から所望の角度γだけ位相を進めた時刻でサイリスタにゲートパルスを与える。たとえば、サイリスタＵが導通している期間中にサイリスタＶにゲートパルスを与え、次にサイリスタＶが導通している期間中にサイリスタＷにゲートパルスを与える。同様に、サイリスタＺが導通している期間中にサイリスタＸにゲートパルスを与え、次にサイリスタＸが導通している期間中にサイリスタＹにゲートパルスを与える。

導通するサイリスタの遷移に応じて、同期機２０の線間電圧Ｖｕ−ｖ，Ｖｖ−ｗ，Ｖｗ−ｕがインバータ２の入力端子２ａ，２ｂ間に直流電圧ＶＤＣ２として順次現れる。インバータ制御部１０は、同期機２０の回転に応じて、６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚを２個ずつ順序良く点弧させて同期機２０に流れる電流の経路を制御する。

ここで、負荷転流モード中にインバータ２の６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのうちのいずれかのサイリスタにおいて、アノード−カソード間が電気的に短絡する短絡故障が発生した場合を考える。

たとえば、サイリスタＵに短絡故障が発生している場合において、サイリスタＶにゲートパルスを与えてサイリスタＶを導通させると、図５に示すように、サイリスタＶ，Ｕを含むように事故電流Ｉａの経路が形成される。そのため、事故電流Ｉａによって健全なサイリスタＶおよび電機子巻線などの構成部品がダメージを受けることとなる。事故電流Ｉａが大きくなるほど、または事故電流Ｉａの通電時間が長くなるほど、構成部品へのダメージが大きくなるため、構成部品が損傷する可能性が高くなる。

図５に示した事故電流Ｉａの経路は、図６のような等価回路図で表現することができる。図６の等価回路図において、リアクトルＬのインダクタンスは、電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶが有するインダクタンスの合計値に相当する。交流電源電圧は同期機２０の線間電圧Ｖｕ−ｖに相当する。各電機子巻線の抵抗成分は無視できるほど小さいものとする。

サイリスタＶを導通させると、リアクトルＬを介してサイリスタＶに事故電流Ｉａが流れる。線間電圧Ｖｕ−Ｖの実効値をＶとすると、線間電圧Ｖｕ−ｖは次式（１）で表される。

事故電流Ｉａは線間電圧Ｖｕ−ｖよりも位相９０°遅れた電流となる。γ＝π／２の場合、事故電流Ｉａは次式（２）で与えられる。ただし、ＬはリアクトルＬのインダクタンスであり、ωは同期機２０の回転角速度である。

図７は、π／２≦γ＜πのときの線間電圧Ｖｕ−ｖおよび事故電流Ｉａの動作波形を示す。なお、図７において破線で示す電流波形はγ＝π／２のときの事故電流Ｉａを示している。

事故電流Ｉａは、θ＝πを中心とした左右対称の波形となる。サイリスタＶの導通期間γ≦θ≦π＋γにおける回路方程式は次式（３）で与えられる。

式（３）をθ＝ωｔ＝π−γにてＩａ＝０の条件を入れて解くと、次式（４）が得られる。この電流波形は、γ＝π／２の電流波形のπ−γ≦θ≦π＋γの部分を切り取ったものと同じである。

Ｉａは、θ＝πのときに最大となり、最大値は次式（５）で求まる。

式（５）によると、同期機２０の回転速度（回転角速度ω）および位相制御角γが一定である場合、事故電流ＩａはリアクトルＬのインダクタンスが小さいほど大きくなることが分かる。これは、インダクタンスが小さい同期機２０は、インダクタンスが大きい同期機２０に比べて、事故電流Ｉａが大きくなることを表している。以下の説明では、第１のインダクタンスを有する同期機２０を「第１の同期機」と称し、第１のインダクタンスよりも大きい第２のインダクタンスを有する同期機２０を「第２の同期機」とも称する。

また、事故電流Ｉａの通電時間は、同期機２０の回転周期×２γ／２πで表される。したがって、通電時間は同期機２０の回転速度に反比例する。これは、同期機２０の回転速度が低いほど事故電流Ｉａの通電時間は長くなることを表している。

このように、負荷転流モード中にインバータ２の６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのうちのいずれかのサイリスタに短絡故障が発生すると、サイリスタ起動装置１００および同期機２０の構成部品には事故電流Ｉａが流れる。事故電流Ｉａの大きさは、同期機２０のインダクタンスが小さいほど大きくなる。事故電流Ｉａの通電時間は、同期機２０の回転速度が低くなるほど長くなる。

ここで、図２のタイムチャートによると、負荷転流モードにおいて同期機２０の回転速度が最も低くなるタイミングは、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わるタイミングである。したがって、このタイミングで短絡故障が発生すると、事故電流Ｉａの通電時間が最も長くなるため、構成部品に大きなダメージを与えることになる。

特に、第１の同期機においては、第２の同期機に比べてインダクタンスが小さい分、事故電流Ｉａが大きくなるため、そのダメージはより大きくなることが予想される。

そこで、実施の形態１によるサイリスタ起動装置１００では、対象となる同期機２０が有するインダクタンスに応じて、切り替え回転速度を変更できるように構成する。具体的には、第１の同期機を起動させる場合（第１の場合）には、第２の同期機を起動させる場合（第２の場合）に比べて、切り替え回転速度はより高い回転速度に設定される。

図８を用いて、ある同期機において切り替え回転速度を高めた場合の作用効果について説明する。図８は、切り替え回転速度を定格回転速度のＸ％（ただし、Ｘ＞１０）としたときの同期機２０の回転速度とコンバータ１から出力される直流電流Ｉｄとの関係を模式的に示すタイムチャートであり、図２と対比される図である。図８では、図２に示した同期機２０の回転速度を一点鎖線で示している。断続転流モードおよび負荷転流モードの各々における直流電流Ｉｄは図２と図８とで互いに等しいものとする。

図８に示すように、切り替え回転速度を定格回転速度のＸ％とした場合、切り替え回転速度を定格回転速度の１０％とした場合に比べて、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わるタイミングでの同期機２０の回転速度が高くなる。したがって、このタイミングで短絡故障が発生した場合、事故電流Ｉａの通電時間がより短くなる。よって、事故電流Ｉａが構成部品に与えるダメージを低減することができる。

上述したように、第１の同期機を起動させる場合には、第２の同期機を起動させる場合に比べて事故電流Ｉａが大きくなるため、上述した切り替え回転速度を高くすることによる作用効果が顕著となる。この結果、サイリスタ起動装置１００は、対象となる同期機のインダクタンスに依らず、事故電流による構成部品の損傷を抑制することができる。

図９は、サイリスタ起動装置１００が起動させる同期機２０のインダクタンスと切り替え回転速度との関係の一例を模式的に示す図である。

図９に示すように、同期機２０のインダクタンスがＬ１以上の場合には、切り替え回転速度は定格回転速度のＸ１％に設定される。これに対して、同期機２０のインダクタンスがＬ２以上Ｌ１未満の場合には、切り替え回転速度は定格回転速度のＸ２％（Ｘ２＞Ｘ１）に設定される。さらに、同期機２０のインダクタンスがＬ２以下の場合には、切り替え回転速度は定格回転速度のＸ３％（Ｘ３＞Ｘ２）に設定される。これによると、サイリスタ起動装置１００がインダクタンスの小さい同期機２０を起動させる場合においても、インバータ２に短絡故障が発生したときに構成部品が損傷することを抑えることができる。

なお、サイリスタ起動装置１００のユーザは、図９に示した関係を参照することによって、対象となる同期機２０のインダクタンスに基づいて、切り替え回転速度を設定することができる。ユーザによって設定された切り替え回転速度は、サイリスタ起動装置１００内部のメモリに記憶させておくことができる。インバータ制御部１０およびコンバータ制御部１３は、メモリに記憶された切り替え回転速度に従ってインバータ２およびコンバータ１の点弧位相をそれぞれ制御する。これにより、同期機２０の回転速度が設定された切り替え回転速度に到達したとき、サイリスタ起動装置１００は断続転流モードから負荷転流モードに切り替わる。

以上説明したように、この発明の実施の形態１によるサイリスタ起動装置によれば、第１のインダクタンスを有する同期機（第１の同期機）を起動させる場合には、第１のインダクタンスよりも大きい第２のインダクタンスを有する同期機（第２の同期機）を起動させる場合に比べて、切り替え回転速度を高くすることにより、事故電流の通電時間を短くすることができる。これにより、インダクタンスが小さい同期機を起動させる場合であっても、事故電流によるサイリスタ起動装置および同期機の構成部品の損傷を抑制することができる。

［実施の形態２］
上述した実施の形態１によるサイリスタ起動装置１００によれば、第１の同期機を起動させる場合には、第２の同期機を起動させる場合に比べて切り替え回転速度が高いため、断続転流モードに費やされる時間が長くなる。そのため、同期機２０の昇速率（回転速度が上昇する比率）が低下し、結果的に同期機２０の起動に時間がかかってしまう場合が起こり得る。

そこで、実施の形態２によるサイリスタ起動装置１００においては、第１の同期機を起動させる場合には、第２の同期機を起動させる場合に比べて、断続転流モードにおける電流指令値Ｉｄ＊をより高い電流値に設定する。

図１０は、同期機２０の回転速度とコンバータ１から出力される直流電流Ｉｄとの関係を模式的に示すタイムチャートであり、図２と対比される図である。図１０では、図２に示した同期機２０の回転速度および直流電流Ｉｄが一点鎖線で示されている。

図１０に示すように、同期機２０が停止状態から切り替え回転速度（定格回転速度のＸ％）に到達するまでの期間において、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄの最大値（すなわち、パルスの波高値）をＩ１とする。Ｉ１をＩ０よりも大きくすることで昇速率が上がるため、直流電流ＩｄをＩ０とした場合に比較して同期機２０が切り替え回転速度まで加速される時間を短縮することができる。なお、Ｉ１の大きさを調整することで、図２と図１０との間で断続転流モードに費やされる時間を等しくすることができる。

図１０に示した直流電流Ｉｄの調整は、電流指令値Ｉｄ＊を調整することで実現することができる。図１１は、断続転流モード時の同期機２０の回転速度と電流指令値Ｉｄ＊との関係の一例を示す図である。

図１１では、電流指令値Ｉｄ＊は、同期機２０のインダクタンスが小さくなるに従って電流値が高くなるように設定される。同期機２０のインダクタンスが小さくなるほど切り替え回転速度が高くなるため（図９参照）、図１１の関係に従って電流指令値Ｉｄ＊も高くすることで、断続転流モードに費やされる時間が長くなることを防ぐことができる。

図１１に示される関係を示すデータはサイリスタ起動装置１００内部のメモリに記憶させておくことができる。コンバータ制御部１３は、当該データを参照することによって、外部から与えられる同期機２０のインダクタンスに基づいて電流指令値Ｉｄ＊を生成することができる。なお、データの形式はテーブルであっても関数であってもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態２によるサイリスタ起動装置によれば、実施の形態１と同様の作用効果のほかに、短時間で同期機２０を起動させることが可能となる。

［実施の形態３］
サイリスタ起動装置１００によって同期機２０の電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷを通電した場合、電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷには熱損失（ジュール熱）が発生する。熱損失は電流の大きさの二乗に比例する。熱損失によって同期機２０が過熱されるのを防ぐため、同期機２０には冷却構造が設けられているものがある。

図１２は、同期機２０の冷却構造の一例を示す断面図である。図１２を参照して、同期機２０の機内では、回転子２４の回転軸にはファン２５が取り付けられている。ファン２５は、回転子２４の回転によって回転駆動される。ファン２５が回転すると、図中矢印に示すように、回転子２４および固定子２６に形成される通風路に冷却媒体が循環される。冷却媒体には、たとえば水素ガスまたは空気が用いられる。固定子枠内には通風路に面して冷却器２７が設置されている。通風路を循環した冷却媒体は、冷却器２７、固定子枠内に通風路に面して設置された冷却器２７によって冷却される。

このように、回転子２４の回転力を利用してファン２５を回転させているため、同期機２０の回転速度が低いときには、ファン２５の回転速度も低くなる。そのため、通風路に冷却媒体を循環させることが困難となり、結果的に冷却媒体の冷却能力が低下することとなる。したがって、上述した実施の形態２のように、断続転流モードにおける直流電流Ｉｄを高くすると、同期機２０が過熱してしまう可能性がある。

なお、冷却媒体の冷却能力を高めることで同期機２０の過熱を抑制しようとすると、冷却器の容量を大きくせざるを得ず、装置の大型化を招く可能性がある。

そこで、実施の形態３によるサイリスタ起動装置１００においては、断続転流モードにおいて、同期機２０の回転速度に応じて直流電流Ｉｄの大きさを変化させる。具体的には、断続転流モードにおいて、同期機２０の回転速度が高くなるに従って直流電流Ｉｄを大きくする。

図１３は、断続転流モード時の同期機２０の回転速度とコンバータ１から出力される直流電流Ｉｄとの関係を模式的に示すタイムチャートである。

図１３に示すように、同期機２０が停止状態から定格回転速度のＹ％（ただし、Ｙ＜Ｘ）に到達するまでの期間において、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄの最大値（すなわち、パルスの波高値）をＩ１Ｌとする。また、同期機２０が定格回転速度のＹ％からＸ％（切り替え回転速度）に到達するまでの期間において、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄの最大値（パルスの波高値）をＩ１Ｈ（Ｉ１Ｈ＞Ｉ１Ｌ）とする。

定格回転速度のＹ％は、たとえば、通風路に冷却媒体を循環させることが可能なファン２５（図１２参照）の下限回転速度に基づいて設定することができる。これによると、冷却媒体の冷却能力の低下を招く回転速度範囲（０〜定格回転速度のＹ％）においては、同期機２０に供給される電流が低い電流値になるため、同期機２０の熱損失（ジュール熱）が抑えられる。その結果、同期機２０の過熱を抑制することができる。

その一方で、同期機２０の回転速度が上記回転速度範囲よりも高くなると、すなわち、冷却媒体の冷却能力が確保されると、同期機２０に供給される電流を増加させる。これにより、同期機２０の昇速率を高めることができるため、断続転流モードに費やされる時間が長引くことを防ぐことができる。

図１３では、図１０に示した同期機２０の回転速度および直流電流Ｉｄが一点鎖線で示されている。Ｉ１Ｌ，Ｉ１ＨとＩ１との間には、Ｉ１Ｌ＜Ｉ１＜Ｉ１Ｈの関係が成り立っている。Ｉ１ＨをＩ１より大きくすることで昇速率が上がるため、直流電流ＩｄをＩ１とした場合に比較して、同期機２０が定格回転速度のＹ％からＸ％まで加速される時間を短縮することができる。なお、Ｉ１Ｈの大きさを調整することで、図１０と図１３との間で断続転流モードに費やされる時間を等しくすることができる。

図１３に示した直流電流Ｉｄの調整は、同期機２０の回転速度に応じて電流指令値Ｉｄ＊を調整することで実現することができる。すなわち、断続転流モードにおいて、電流指令値Ｉｄ＊は、同期機２０の回転速度が高くなるに従って電流値が大きくなるように設定される。

これによると、電流指令値Ｉｄ＊は同期機２０の回転速度に応じて変化することになる。本願明細書において、「同期機２０の回転速度に応じて変化する」とは、同期機２０の回転速度に応じて電流指令値Ｉｄ＊が離散的に変化すること、または同期機２０の回転速度に応じて電流指令値Ｉｄ＊が連続的に変化することを意味している。

図１４は、断続転流モード時の同期機２０の回転速度と電流指令値Ｉｄ＊との関係を示す図である。図１４に示すように、同期機の回転速度が０ｒｐｍ以上定格回転速度のＹ％以下となるときには、電流指令値Ｉｄ＊はＩ１Ｌに設定される。一方、同期機２０の回転速度が定格回転速度のＹ％よりも高くＸ％以下となるときには、電流指令値Ｉｄ＊はＩ１Ｈに設定される。

図１４に示される関係を示すデータはサイリスタ起動装置１００内部のメモリに記憶させておくことができる。コンバータ制御部１３は、当該データを参照することによって、演算した同期機２０の回転速度に基づいて電流指令値Ｉｄ＊を生成することができる。なお、データの形式はテーブルであっても関数であってもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態３によるサイリスタ起動装置によれば、実施の形態１と同様の作用効果のほかに、以下の作用効果を奏する。同期機２０の回転力を利用して同期機２０を冷却する構造を採用している場合でも、同期機２０の過熱を抑えながら、短時間で同期機２０を起動させることができる。また、同期機２０の過熱を抑制するための冷却構造の大型化を抑制することができる。

なお、上述の実施の形態３では、断続転流モードにおいて電流指令値Ｉｄ＊を２段階で変化させる構成（図１４参照）について例示したが、３段階以上で変化させてもよい。

あるいは、図１５に示すように、断続転流モード中、同期機２０の回転速度に応じて電流指令値Ｉｄ＊を連続的に変化させてもよい。図１５の例では、電流指令値Ｉｄ＊は同期機２０の回転速度が０ｒｐｍのときにＩ２Ｌであり、同期機２０の回転速度が定格回転速度の１０％（すなわち、切り替え回転速度）のときにＩ２Ｈ（Ｉ２Ｈ＞Ｉ２Ｌ）となっている。電流指令値Ｉｄ＊は回転速度に応じて線形的に変化している。

図１６は、図１５に示した関係に従って断続転流モードを実行した場合の同期機２０の回転速度とコンバータ１から出力される直流電流Ｉｄとの関係を模式的に示すタイムチャートである。

図１６に示すように、同期機２０が停止状態から切り替え回転速度に到達するまでの時間において、直流電流Ｉｄが連続的に変化している。図１６では、図１０に示した同期機２０の回転速度および直流電流Ｉｄが一点鎖線で示されている。Ｉ２Ｌ，Ｉ２ＨとＩ１との間には、Ｉ２Ｌ＜Ｉ１＜Ｉ２Ｈの関係が成り立っている。Ｉ２Ｈの大きさを調整することで、図１０と図１６との間で断続転流モードに費やされる時間を等しくすることができる。

なお、上述した実施の形態１〜３では、同期機２０が火力発電所においてガスタービンによって回転駆動される発電機である場合について説明したが、これに限るものではなく、同期機２０は一般産業分野で使用される同期機であってもよい。たとえば、同期機２０は、製鉄所の冷却ブロワ用の同期機であってもよい。

今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに限定されるものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１ コンバータ、２ インバータ、３ 直流リアクトル、４，５ 変流器、６ 電圧検出器、７ 位置検出器、９ 電流検出器、１０ インバータ制御部、１１，１６ 制御角演算部、１２，１７ ゲートパルス発生器、１４ 速度制御部、１５ 電流制御部、２０ 同期機、２２ 界磁巻線、２４ 回転子、２５ ファン、２６ 固定子、２７ 冷却器、３０ 交流電源、１００ サイリスタ起動装置、ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ 電機子巻線、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ サイリスタ、ＴＲ 変圧器。

Claims (6)

1. 同期機を起動させるサイリスタ起動装置であって、
   交流電力を直流電力に変換するように構成されたコンバータと、
   前記直流電力を平滑化する直流リアクトルと、
   前記コンバータから前記直流リアクトルを介して与えられる直流電力を可変周波数の交流電力に変換して前記同期機に供給するように構成されたインバータとを備え、
   前記サイリスタ起動装置は、前記コンバータの直流出力電流を断続的に零にすることにより前記インバータの転流を行なう第１のモードと、前記同期機の誘起電圧により前記インバータの転流を行なう第２のモードとを順次実行することにより、前記同期機を停止状態から所定の回転速度まで加速させるように構成され、
   第１のインダクタンスを有する第１の同期機を起動させる第１の場合は、前記第１のインダクタンスよりも大きい第２のインダクタンスを有する第２の同期機を起動させる第２の場合に比べて、前記第１のモードから前記第２のモードに切り替えるための切り替え回転速度がより高い回転速度に設定される、サイリスタ起動装置。
2. 前記同期機の回転子位置を検出するように構成された位置検出器と、
   前記位置検出器の検出信号に基づいて、前記インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成された第１の制御部と、
   前記位置検出器の検出信号に基づいて、前記直流出力電流が電流指令値に一致するように、前記コンバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成された第２の制御部とをさらに備え、
   前記第１の場合は、前記第２の場合に比べて、前記第１のモードにおける前記電流指令値がより高い電流値に設定される、請求項１に記載のサイリスタ起動装置。
3. 前記第１のモードにおいて、前記電流指令値は、前記同期機の回転速度が高くなるに従って電流値が大きくなるように設定される、請求項２に記載のサイリスタ起動装置。
4. 前記第１のモードにおいて、前記電流指令値は、前記同期機の回転速度に応じて離散的に変化する、請求項３に記載のサイリスタ起動装置。
5. 前記第１のモードにおいて、前記電流指令値は、前記同期機の回転速度に応じて連続的に変化する、請求項３に記載のサイリスタ起動装置。
6. 前記同期機は、
   前記インバータから交流電力の供給を受ける固定子と、
   回転子と、
   前記回転子の回転軸に取り付けられ、前記固定子および前記回転子に形成された通風路に冷却媒体を循環させるように構成されたファンとを含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載のサイリスタ起動装置。

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