JP7209798B1

JP7209798B1 - 発電システム

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Publication number: JP7209798B1
Application number: JP2021176492A
Authority: JP
Inventors: 興祐松尾; 悟金子; 正利吉村; 和雄西濱; 誠司石田; 聡彦渡邉; ▲徳▼磨池上
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: WO2023074446A1; EP4425786A1; JP2023066016A; CN117916997A

Abstract

【課題】２巻線誘導発電機の主巻線および補助巻線の出力電力を１台の電力変換器で安定的に制御することが可能な発電システムを提供する。【解決手段】主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機２と、前記主巻線に接続された整流器３と、前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御する電力変換器７と、前記補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に応じた制御信号を電力変換器７へ出力する制御装置１１とを備えた発電システム４０において、制御装置１１は、前記主巻線の磁束が前記補助巻線に干渉することにより生じる前記補助巻線の電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を前記主巻線の電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑと電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑとに基づいて算出し、電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を前記補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に加算する。【選択図】図３

Description

本発明は、２巻線誘導発電機を備えた発電システムに関する。

主巻線と補助巻線を有する固定子を備えた発電機を用いたドライブシステムが知られている。例えば、特許文献１では、複数組の巻線群を有する多重巻線電動機の各巻線群毎に、巻線群を駆動する電力変換器を備えた多重巻線電動機の駆動制御装置において、各巻線群のうちの第一巻線群を駆動する第一電力変換器を制御する第一制御部の信号を用いて、第一電力変換器以外の他の電力変換器を制御する他の制御部の信号を補償する補償量を求める補償量演算部を備え、他の制御部が、制御におけるむだ時間を有する制御系であって、補償量演算部により求めた補償量により他の制御部の信号を補償して他の電力変換器を制御し、第一制御部の信号は補償せずに第一電力変換器を制御するようにすることで、片方向通信の制御構成においても巻線群間の干渉を抑制でき制御系を安定化できる、単純な構成の多重巻線電動機の駆動制御装置を提供している。

また、特許文献２では、電気的仕様が互いに同等である複数の巻線群を有する多重巻線回転機と、複数の巻線群毎に設けられる複数の電力変換器と、電流検出器とを備える多重巻線回転機システムに適用される制御装置において、非干渉化部は、磁気結合による干渉電圧を補償する非干渉制御演算を行う。非干渉化部は、自系統の注目軸の制御器後指令電流に係る逆モデル項に、他系統の注目軸の制御器後指令電流に係る相互インダクタンス及び電流微分値を含む非干渉制御項を「統合」する。また、自系統の相手軸の制御器後指令電流に係る角速度及び自己インダクタンスを含む非干渉制御項と、他系統の相手軸の制御器後指令電流に係る角速度及び相互インダクタンスを含む非干渉制御項とを「統合」する。これにより、非干渉化部の制御構成を簡素化することができる。

特開２０１６－１０１０９０号公報特開２０１６－１４９９０４号公報

主巻線と補助巻線を有する固定子を備えた誘導発電機において、主巻線と補助巻線は磁気的に結合しているため、それぞれの巻線に生じる電流や電圧が相互に影響しあうため、制御系の安定性が悪化する。

前述の特許文献１では、多重巻線電動機の各巻線毎に電力変換器を設けており、第一電力変換器の指令値を用いて、第一電力変換器以外の電力変換器を制御する他の制御部の信号を補償することで、巻線間の干渉を抑制している。しかし、この方式は各巻線毎に電力変換器を設けているため、その台数分コストが増加することとなる。

また、特許文献２でも、多重巻線回転機の各巻線毎に電力変換器を設けており、特許文献１と同様、電力変換器の台数分だけコストが増加する。更に、非干渉化部の制御構成を簡素化する技術を発明しているが、これは複数の巻線の電気的仕様が互いに同等である上で成立する技術であるため、電気的仕様が互いに異なる多重巻線回転機においては適用できない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、２巻線誘導発電機の主巻線および補助巻線の出力電力を１台の電力変換器で安定的に制御することが可能な発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機と、前記主巻線に接続された整流器と、前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御する電力変換器と、前記補助巻線の電圧指令値に応じた制御信号を前記電力変換器へ出力する制御装置とを備えた発電システムにおいて、前記制御装置は、前記主巻線の磁束が前記補助巻線に干渉することにより生じる前記補助巻線の電圧変化分を前記主巻線の電流と電圧とに基づいて算出し、前記電圧指令値に前記電圧変化分を加算するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、主巻線の磁束が補助巻線に干渉することにより生じる補助巻線の電圧変化分で補助巻線の電圧指令値を補償することにより、１台の電力変換器で補助巻線の出力電圧を安定的に制御することが可能となるため、補助巻線の出力電圧に概ね比例する主巻線の出力電圧も安定化に制御することが可能となる。

本発明によれば、２巻線誘導発電機を備えた発電システムにおいて、主巻線側および補助巻線の出力電力を１台の電力変換器で安定的に制御することが可能となる。

本発明の第１の実施例におけるダンプトラックの構成を示す図である。本発明の第１の実施例における発電システムを適用した電気駆動システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施例における制御装置の機能ブロック図である。本発明の第１の実施例における電流指令演算部および電圧指令演算部の処理を示すブロック図である。本発明の第１の実施例における周波数指令演算部の処理を示すブロック図である。本発明の第１の実施例における電圧指令補償部の処理を示すブロック図である。本発明の第２の実施例における電圧指令補償部の処理を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図中、同等の要素には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。また、本実施形態は、本発明に係る発電システムをダンプトラックの電気駆動システムに適用したものであるが、本発明の適用対象はこれに限定されない。

図１は、本発明の第１の実施例におけるダンプトラックの構成を示す。図１において、ダンプトラックは、車体３０と、原動機１と、車体３０の上側後方に上下方向に回転可能に取り付けられた荷台３１と、車体３０の上側前方に設けられた運転席３２とを備えている。また、車体３０の下方前側には左右一対の従動輪３３が配置されており、車体３０の下方後側には左右一対の駆動輪３４が配置されている。駆動輪３４は、走行用モータ５によって駆動される。鉱山向けダンプトラックは、積み込み場で土砂を積載し、積み込み場から放土場まで走行し、放土場で放土し、放土場から積み込み場まで走行するという一連の作業サイクルを繰り返し行う。

図２は、図１に示すダンプトラックに搭載された電気駆動システムの構成図である。図２において、電気駆動システムは、原動機１と、主巻線と補助巻線を有する固定子を備えた２巻線誘導発電機２と、整流器３と、走行用インバータ４と、走行用モータ５と、回生放電抵抗器６と、電力変換器７と、補機用インバータ８と、補機用モータ９と、始動用バッテリ１０と、制御装置１１と、第１電圧センサ１２と、第１電流センサ１３と、回転センサ１４と、第２電圧センサ１５と、第２電流センサ１６と、第３電圧センサ１７とを備えている。ここで、原動機１と、２巻線誘導発電機２、整流器３、電力変換器７、制御装置１１と、第１電圧センサ１２、第１電流センサ１３、回転センサ１４、第２電圧センサ１５、第２電流センサ１６、および第３電圧センサ１７は、本実施例における発電システム４０を構成している。

原動機１は２巻線誘導発電機２の回転子を回転させる。２巻線誘導発電機２の主巻線は、整流器３を介して走行用インバータ４に接続されている。走行用インバータ４は走行用モータ５に接続されている。回生放電抵抗器６は走行用モータ５が発電しているときには整流器３と走行用インバータ４に接続されている。２巻線誘導発電機２の補助巻線は、電力変換器７を介して補機用インバータ８に接続されている。補機用インバータ８は補機用モータ９に接続されている。始動用バッテリ１０は２巻線誘導発電機２が始動しているときに電力変換器７と補機用インバータ８に接続される。

また、走行用モータ５は、補機用モータ９よりも出力が大きく、補機用インバータ８が要求する電力よりも走行用インバータ４が要求する電力のほうが大きいため、整流器よりも高価なインバータは、走行用インバータ４に接続するよりも、本実施例のように、要求する電力の小さい補機用インバータ８に接続することで、コストが低減される。

主巻線と補助巻線は磁気的に結合しているため、２巻線誘導発電機２の主巻線と補助巻線の電圧は概ね比例する。そのため、電力変換器７で２巻線誘導発電機２の補助巻線の電圧を変化させることで、２巻線誘導発電機２の主巻線の電圧を制御できる。２巻線誘導発電機２が同期発電機であると、電圧を制御する励磁巻線への通電にブラシが必要となるが、本発明のように誘導発電機を用いることで、ブラシが不要となる。

次に、図３を参照し、電力変換器７を制御する制御装置１１の構成について説明する。制御装置１１は、３相／２相変換部１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、電流指令演算部１９、周波数指令演算部２０、電圧指令演算部２１、電圧指令補償部２２、および２相／３相変換部２３から構成される。制御装置１１は、演算処理機能を有するコントローラ、外部機器との間の信号入出力を行う入出力インタフェース等で構成され、ＲＯＭ等の記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各部の機能を実現する。本実施例において、制御装置１１は、制御装置１１に入力される主機側の直流電圧指令値ＶｍＤＣ*及び補機側の直流電圧指令値ＶａＤＣ*と一致するように、電力変換器７に対して電圧制御及び電流制御を行う。

電圧制御は、電流指令演算部１９にて、第１電圧センサ１２、第３電圧センサ１７から取得した値（主機側の直流電圧ＶｍＤＣと、補機側の直流電圧ＶａＤＣ）を用いて、例えば比例積分演算を行い、補助巻線電流指令値Ｉａｄ*，Ｉａｑ*を出力する。電流制御は、電圧指令演算部２１にて、第１電流センサ１３から取得した値（補助巻線の３相電流Ｉａｕ，Ｉａｖ，Ｉａｗ）を、３相／２相変換部１８ｃでｄｑ軸上に座標変換した値（ｄ軸補助巻線電流Ｉａｄ、ｑ軸補助巻線電流Ｉａｑ）を用いて、例えば比例積分演算を行い、補助巻線電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*を出力する。電圧指令演算部２１にて、回転センサ１４から取得した値ωｒと、周波数指令値ω１*は、それぞれ２巻線誘導発電機２の回転子が回転することにより生じる誘起電圧と、ｄｑ軸間の干渉成分を補償するために用いている。

図４は、電流指令演算部１９および電圧指令演算部２１の処理を示すブロック図である。電流指令演算部１９は、主機側の直流電圧指令値ＶｍＤＣ*と直流電圧ＶｍＤＣとの差分を比例積分し、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*として出力する。図中のＫｍｖ＿ｐは主機側電圧制御比例ゲインであり、Ｋｍｖ＿ｉは主機側電圧制御積分ゲインである。

また、電流指令演算部１９は、補機側の直流電圧指令値ＶａＤＣ*と直流電圧ＶａＤＣとの差分を比例積分し、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*として出力する。なお、図中のＫａｖ＿ｐは補機側電圧制御比例ゲインであり、Ｋａｖ＿ｉは補機側電圧制御積分ゲインである。

電圧指令演算部２１は、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*とｄ軸補助巻線電流Ｉａｄとの差分の比例積分値から、ｄｑ軸間に生じる干渉成分を減算し、ｄ軸補助巻線電圧指令値Ｖａｄ*として出力する。ここでいうｄｑ軸間に生じる干渉成分は、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*とｄ軸補助巻線電流Ｉａｄとの差分の積分値にω１*Ｌσｍ／Ｒσａを乗算することで得られる。なお、図中のＫｍｃ＿ｐは主機側電流制御比例ゲインであり、Ｋｍｃ＿ｉは主機側電流制御積分ゲインである。

また、電圧指令演算部２１は、ｑ軸補助巻線電流指令値Ｉａｑ*とｑ軸補助巻線電流Ｉａｑとの差分の比例積分値に、ｄｑ軸間に生じる干渉成分と誘起電圧ωｒ*μ*φ２ｄとを加算し、ｑ軸補助巻線電圧指令値Ｖａｑ*として出力する。ここでいうｄｑ軸間に生じる干渉成分は、補機側電流制御積分ゲインＫａｃ＿ｉを用いた、ｑ軸補助巻線電流指令値Ｉａｑ*とｑ軸補助巻線電流Ｉａｑとの差分の積分値に、ω１*Ｌσｍ／Ｒσａを乗算することで得られる。なお、図中のＫａｃ＿ｐは、補機側電流制御比例ゲインであり、Ｋａｃ＿ｉは補機側電流制御積分ゲインである。

図５は、周波数指令演算部２０の処理を示すブロック図である。周波数指令演算部２０は、回転センサ１４から取得した周波数ωｒにすべり周波数指令演算部２０ａで算出された周波数指令値ω１*を加算し、周波数指令値ω１*として出力する。

次に、電圧指令補償部２２の役割について説明する。図２において、２巻線誘導発電機２は、主巻線と補助巻線が磁気的に結合していることにより、巻線間で干渉成分が生じる。この現象は、数１式に示す２巻線誘導機２の補助巻線部における状態方程式を用いて説明できる。

数式１における記号は以下の通りである。

Ｒσｍ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る主巻線抵抗
Ｒσａ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る補助巻線抵抗
Ｌσｍ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る主巻線自己インダクタンス
Ｌσａ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る補助巻線自己インダクタンス
μ：補助巻線に係る一次換算係数
τ２：二次時定数（＝二次インダクタンス／二次抵抗）
ｐ：微分演算子
Ｉｍｄ，Ｉｍｑ：ｄ軸主巻線電流、ｑ軸主巻線電流
Ｖｍｄ，Ｖｍｑ：ｄ軸主巻線電圧、ｑ軸主巻線電圧
Ｖａｄ，Ｖａｑ：ｄ軸補助巻線電圧、ｑ軸補助巻線電圧
φ２ｄ，φ２ｑ：ｄ軸二次磁束、ｑ軸二次磁束
ω１：一次周波数

数１式を整理すると、数２式が得られる。

数２式より、補助巻線電圧について、ｄｑ軸上の主巻線電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑ及び主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑが含まれていることが分かる。この主巻線電流及び主巻線電圧に係る項が、補助巻線に対する主巻線の干渉成分であり、２巻線誘導発電機２を制御する上で不安定化の原因となる。従って、この干渉成分を制御装置１１で補償することで、主巻線及び補助巻線間に磁気的な結合がある場合でも、２巻線誘導発電機２を安定して制御することができる。具体的には、電圧指令演算部２１で算出した補助巻線電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に対して、電圧指令補償部２２で算出した電圧補償量ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*をそれぞれ加算する。

図６は、電圧指令補償部２２の処理を示すブロック図である。第２電圧センサ１５、第２電流センサ１６から取得した値（主巻線の３相電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗ、主巻線の３相電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗ）をそれぞれ３相／２相変換部１８ａ，１８ｂで座標変換し、その座標変換した値（Ｉｍｄ，Ｉｍｑ，Ｖｍｄ，Ｖｍｑ）を電圧指令補償部２２の入力とする。ｄ軸電圧補償量ΔＶａｄ*は、ｄ軸主巻線電圧Ｖｍｄと、ｄ軸主巻線電流Ｉｍｄと補助巻線に係る主巻線抵抗Ｒσｍの乗算値との差分であり、ｑ軸電圧補償量ΔＶａｑ*は、ｑ軸主巻線電圧Ｖｍｑと、ｑ軸主巻線電流Ｉｍｑと補助巻線に係る主巻線抵抗Ｒσｍの乗算値との差分である。このように電圧センサ１５および電流センサ１６から取得した値を直接使用することで、演算遅れなく補償電圧量ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を算出することができる。

（まとめ）
本実施例では、主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機２と、前記主巻線に接続された整流器３と、前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御する電力変換器７と、前記補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に応じた制御信号を電力変換器７へ出力する制御装置１１とを備えた発電システム４０において、制御装置１１は、前記主巻線の磁束が前記補助巻線に干渉することにより生じる前記補助巻線の電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を前記主巻線の電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑと電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑとに基づいて算出し、電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を前記補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に加算する。

以上のように構成した本実施例によれば、主巻線の磁束が補助巻線に干渉することにより生じる補助巻線の電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*で補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*を補償することにより、１台の電力変換器７で補助巻線の出力電圧を安定的に制御することが可能となるため、補助巻線の出力電圧に概ね比例する主巻線の出力電圧も安定化に制御することが可能となる。

また、本実施例における発電システム４０は、前記主巻線の電圧Ｖｍｄ、Ｖｍｑを検出する電圧センサ１５と、前記主巻線の電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑを検出する電流センサ１６とを備え、制御装置１１は、前記主巻線の電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑと前記補助巻線に係る主巻線抵抗Ｒσｍとの乗算値と前記主巻線の電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑとの差分を電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*として算出する。これにより、電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を演算遅れなく算出することが可能となる。

本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

図７は、本実施例における電圧指令補償部２２の処理を示すブロック図である。図７において、電圧指令補償部２２には、第２電圧センサ１５で検出した主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑに代えて、電圧指令演算部２１から出力される補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*が入力される。電圧指令補償部２２は、巻線誘導発電機２の主巻線の電圧が補助巻線の電圧に概ね比例するという性質を利用し、補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に補正ゲインＫ（補助巻線電圧に対する主巻線電圧の比）を乗じて主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑの推定値を算出する。

（まとめ）
本実施例における制御装置１１は、発電機２の主巻線の電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑと発電機２の補助巻線に係る主巻線抵抗Ｒσｍとの乗算値と電力変換器７の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に補正ゲインＫを乗じた主巻線電圧推定値との差分を電圧変化分ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*として算出する。

以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様の効果を達成することができる。また、主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑを検出する第２電圧センサ１５が不要となるため、発電システム４０の構成を簡素化することが可能となる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、本発明は必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

１…原動機、２…２巻線誘導発電機、３…整流器、４…走行用インバータ、５…走行用モータ、６…回生放電抵抗器、７…電力変換器、８…補機用インバータ、９…補機用モータ、１０…始動用バッテリ、１１…制御装置、１２…第１電圧センサ、１３…第１電流センサ、１４…回転センサ、１５…第２電圧センサ、１６…第２電流センサ、１７…第３電圧センサ、１９…電流指令演算部、２０…周波数指令演算部、２０ａ…すべり周波数指令演算部、２１…電圧指令演算部、２２…電圧指令補償部、３０…車体、３１…荷台、３２…運転席、３３…従動輪、３４…駆動輪、４０…発電システム。

Claims

主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機と、
前記主巻線に接続された整流器と、
前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御する電力変換器と、
前記補助巻線の電圧指令値に応じた制御信号を前記電力変換器へ出力する制御装置とを備えた発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記主巻線の磁束が前記補助巻線に干渉することにより生じる前記補助巻線の電圧変化分を前記主巻線の電流と電圧とに基づいて算出し、前記電圧変化分を前記補助巻線の電圧指令値に加算する
ことを特徴とする発電システム。
請求項１に記載の発電システムにおいて、
前記主巻線の電圧を検出する電圧センサと、
前記主巻線の電流を検出する電流センサとを備え、
前記制御装置は、前記主巻線の電流と前記補助巻線に係る主巻線抵抗との乗算値と前記主巻線の電圧との差分を前記電圧変化分として算出する
ことを特徴とする発電システム。
請求項１に記載の発電システムにおいて、
前記制御装置は、前記主巻線の電流と前記補助巻線に係る主巻線抵抗との乗算値と前記電力変換器の電圧指令値に補正ゲインを乗じた主巻線電圧推定値との差分を前記電圧変化分として算出する
ことを特徴とする発電システム。