JPH0476615B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は回転電機の軸ねじり振動監視の方法及
びその装置に係り、特にタービン発電機の軸ねじ
り振動の監視に好適な軸ねじり振動監視の方法及
びその装置に関する。

〔従来の技術〕

回転電機においてはその回転電機が単体で運転
されることは少なく、例えばタービン発電機のよ
うにタービンと発電機が結合され前記軸系のもと
で運転される場合が多い。

このように軸受の長い回転電機においては、信
頼性の観点から運転中における各軸部分の状況、
例えば各部の温度や振動、又軸受部の潤滑油の供
給状態などを充分に監視しておく必要がある。

その重要な監視要素の一つに軸ねじり振動の監
視がある。

この軸ねじり振動監視についての方法や装置と
しては今までにも数多くの考案がなされ、一部実
施はされている、その代表的なものとして、次の
ものがよく知られている。すなわち特穫昭58−
22923号公報にも記載されているように、軸方向
にある間隔を保つて軸ねじり検出器を設けてお
き、軸のねじりを検出するとともに、回転軸系に
作用する外力を測定し、これらの値から回転軸系
の任意の点におけるねじり振動を推定するもので
ある。

このものであつても充分軸ねじり振動を測定監
視することは可能なのであるが、前述したように
この種軸系の長いものとなると、多くの点を測定
する必要がありその検出部の数が増すこと、また
検出器の取付位置も特定部分に制限されること、
また特に既設の回転電機に設けようとする場合に
は、回転体側にも測定のための部品や装置が設け
られることから、さらに取付位置が制限されその
設置が極めて難しい場合があることなどまた多く
の問題を残している。

この問題点を解決するものとして最近次のよう
なものが考え出され実用化されつつある。すなわ
ち回転電機の電気トルク、機械トルクを求め、こ
の値をもとに回転軸系の運動方程式を逐次解き、
軸ねじり振動を計算するのである。すなわちこれ
を第２図を用いてもう少し詳しく説明すると、こ
の図は、タービン発電機の場合のスプリング・マ
ス・モデルを示したもので、１は発電機を、また
２はタービンを示している。この発電機及びター
ビンは軸を介して結合されているわけであるが、
この軸系は等価的にはねじりばね定数Ｋ（K_n,n+1）
とねじり減衰定数Ｄ（D_n,n+1）に置換えることが
できる。

したがつて一般に回転軸系における軸ねじり振
動は、次式の運動方程式にて表わされるから、こ
の方程式にこれらの M_i＋１−d²／dt²（δ_i+1）＝K_i,i+1（δ_i−δ_i+1）−K_i
+1,i+2（δ_i+1−δ_i+2） ＋D_i,i+1ｄ／dt（δ_i−δ_i+1）−D_i+1,i+2ｄ／dt（δ
_i+1−δ_i+2）−D_i,iｄ／dt（δ_i）＋T_i……(1) ここで、 δ_i：回転軸捩り角の変化分［rad］ K_ij：捩りバネ定数 D_ij、D_ii：減衰定数 M_k：慣性定数 T_i：トルクの変動分発電機：電気トルク タービン：機械トルク M_i＋１・d²／dt²（δ_i+1）：慣性力 ｉ＝１〜ｍ−１ ｊ＝２〜ｍ Ｋ＝１〜ｍ 定数に、Ｄ及び電気トルクの変動分T_i（あるい
は機械トルクの変動分）を当て軸ねじり振動を求
めるのである。

このように電気トルクの変動（あるいは機械ト
ルクの変動あるいは両者）を用い、この運動方程
式をルンゲ・クツタ・ギル法、あるいは台形法な
どの数値解析手法にて計算していくのである。尚
第２図の場合には発電機・タービンの回転軸系に
５つの質点Ｍ１〜Ｍ５が存在しているので、５図
の２階微分方程式を解くことになるが、この場合
には以下の10個の１階微分方程式系を逐次解いて
いくことになろう。

以上のように電気トルクの変動、機械トルクの
変動をとらえることにより、回転軸系の軸ねじり
振動を演算監視することが可能であり、このもの
であると前述したもの、すなわち軸ねじり検出器
を用いたもののように特に回転軸系に特殊な部品
や装置を設ける必要もなく、又検出器の取付け場
所に頭を悩ます必要もなく実用に際しては非常に
有効なものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしこのものでもこの度の綿密な実験の結果
次のような難点があることが明らかとなつたので
ある。

すなわちこのものでは正常な運転時において
は、たとえ送電系統の擾乱による電気トルクの変
動、タービンの駆動蒸気または、ガスによる機械
トルクの変動があつたとしても、それらの値は小
さいことから回転軸系に作用する捩り振動は小さ
く特に問題になることはないのであるが反面送電
系統に発生した地絡事故、それに伴う系統再閉路
等による系統擾乱の場合には、発電機の電気トル
クの変動となり、タービン発電機の回転軸系に大
きな捩り振動を励起する。

ところがこの電気トルクを用いるものは、この
最も激しいねじり振動を生じたときに監視が一時
的に検出精度が低下してしまうのである。

すなわちこのものは電気トルクTeの検出が、
発電機の端子電圧・電流をPT・CTを使用して検
出し、発電機出力を求め、そしてこの発電機出力
Ｐを定格回転角速度ω₀で割ることによりなされ
ている。すなわち Te＝Ｐ／ω₀＝ （eaia＋ebib＋ecic）／ω₀ ……(3) で求められる。したがつてたとえば、短絡事故が
生じた場合、発電機の端子電圧は瞬時に大きく変
化低下することから、算出される検出トルクTe
も小さな値となり、事故時の最も激しい軸ねじり
振動が生じているときにその軸ねじり振動の検出
精度が著しく悪くなり、監視の意味をなさなくな
つてしまうのである。

本発明はこれにかんがみなされたもので、通常
運転中は勿論のこと、たとえ最悪の系統短絡が生
じたとしても、充分軸ねじり振動の監視が精度良
くできるこの種回転電機の軸ねじり振動監視装置
を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち、本発明はトルク検出に際し、電圧の
過渡的な変動に関係のない電機子電流を取り入れ
て電機子磁束をもとめ、この値をもとにトルク演
算器により電磁トルクを求めるとともに、この電
磁トルク値より軸ねじり振動を演算して、軸ねじ
り振動を監視するようにしたのである。

〔作用〕

このようにすると、軸ねじり振動の算出に必要
なトルク値は、電機子磁束により算出されること
から、たとえ回転電機の端子電圧に過渡的変化が
あつたとしても充分電磁トルクは算出され、いか
なる条件下においても精度よく軸ねじり振動の監
視が可能となるのである。

〔実施例〕

以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に
説明する。第１図にはタービン発電機に適用され
た場合の軸ねじり振動監視装置がブロツク線図で
示されている。

発電機１は原動機であるタービン２を結合され
その電気的出力は出力ライン３を介して系統に接
続されている。

軸ねじり振動監視装置はトルク検出装置４と軸
ねじり振動評価装置５とを備えている。

トルク検出装置４は、発電機の端子電圧ｅ、電
流ｉ及び回転角速度ωを取入れて巻線の所定の相
に対する回転角度γを検出する検出器６と、この
回転角度γの関係から電圧、電流を直軸成分、横
軸成分、すなわちｄ軸とｑ軸に変換するdq変換
器７と、電機子巻線が生ずる磁束を計算する磁束
演算器８と、この磁束演算器の計算磁束量よりト
ルクを求めるトルク演算器９とより形成され、ま
た軸ねじり振動評価装置５は、トルク演算器９の
計算トルク値を記憶しておくトルク記憶装置１０
と、このトルク値をもとに軸ねじり振動を計算す
る軸ねじり振動演算装置１１と、軸ねじり振動に
よる疲労寿命を計算する軸ねじり疲労寿命演算装
置１２とより形成されている。

このように形成された軸ねじり振動監視装置の
動作は、まず発電機１の端子電圧ｅ、電流ｉ及び
回転角速度ωが測定され、回転子位置検出器１１
に取り入れられる。ここで電圧波形より回転子の
ｄ軸の電機子巻線の所定の相よりの角度γが検出
され、次いでdq変換器７にて前記角度γを用い、
電圧ｅ、電流ｉはdq変換すなわち直軸成分と横
軸成分に変換される。すなわちこの各軸おける電
圧、電流値ed、eq、id、iqが求められる。この場
合このdq変換は、一般に知られている次式にて
行なわれる。

次にこの各軸における電圧、電流値を用い磁束
演算器８にて電機子巻線の磁束φ_d、φ_gが計算さ
れる。この計算は次のようにして行なわれる。す
なわち ra：電機子抵抗 上記中、電機子抵抗r_a、各軸における電圧、電
流値ed、eq、id、iq及び回転角速度ωはすべて既
知の値であるので、事前の磁束を初期値として上
記式をたとえばルンゲ・クツタ法にて逐次数値計
算することにより電機子巻線磁束φd、φqを求め
ることができる。

この電機子巻線磁束φd、φqが求められると、
トルク演算器９にて電磁トルクＴが求められる。
すなわち同期機の二反作用理論に従い、電機巻線
磁束を直軸磁束φd、横軸磁束φq、電機子電流を
直軸成分id、横軸成分iqに分解すると電磁トルク
Ｔは Ｔ＝iq・φd−id・φq ……(6) にて求められる。

換言すれば、電機子電流と電機子巻線磁束とを
乗じた内部誘起電圧の関係からトルク値が求めら
れるのである。

次いでこの電磁トルクＴはトルク記憶装置１０
に一時記憶され、従来同様、軸ねじり振動演算装
置１１、軸ねじり疲労寿命演算１２により軸ねじ
り振動による寿命評価が行なわれる。

尚電磁トルクがトルク記憶装置１０に一時記憶
されるのは、計算速度の関係からであり、したが
つてこの電磁トルクを記憶する代りに他の要素を
記憶するようにしてもよい。

すなわち第４図はその記憶装置関係の他の実施
例を示すもので、この図の場合はトルク検出装置
の中に記憶装置１３を設け、各軸における電圧・
電流id、iq、ed、eqの変換値を記憶するようにし
たものであり、これであつても前述のものと全く
同様の効果を奏するであろう。又さらには検出電
圧ｅや電流ｉを記憶するようにしてもよいことは
勿論である。又演算器の速度が高速化すれば、記
憶装置は省略することに可能であろう。又以上の
説明では各要素の演算に対して夫々演算装置を有
するようにした場合について説明してきたが、こ
の演算装置は兼用するようにすることも可能であ
ろう。第５図はその一つの例を示したものであ
り、磁束演算器を軸ねじり振動演算器とを兼用し
た場合のものである。すなわち前述した磁束演算
と軸ねじり振動の演算は同一形の一階の微分方程
式であり、両者の演算器を兼ねるようにしてもよ
いであろう。

尚以上の説明では電磁トルクからの軸ねじり振
動の演算について説明してきたが、これと同様に
機械トルクも合わせて演算するようにしてもよ
く、この場合勿論この演算器は兼用させるように
してもよいであろう。

次に第３図より、従来の軸ねじり振動監視装置
と本発明の軸ねじり振動監視装置とをその効果よ
り比較してみる。

この図は正常負荷運転時から地絡事故にかけて
の電気トルクを時間との関係で表わしたもので、
供試回転電機としては３万KVA相当の模擬回転
電機で軸系金長が10ｍ、回転数が3600rpmのもの
である。

図中実線よりなる曲線は、Ｘは電気トルク、す
なわち両軸端に電磁ピツクアツプなどの検出器を
配置し測定した結果を、電気トルクに換算したト
ルクを表わし、時間t₀までが正常負荷運転の状態
である。当然のことながらこの正常負荷運転中に
おける電気トルクは一定の値であるが、t₀時点の
地絡事故より電気トルクが振動していることがわ
かる。この軸ねじり振動を電気トルクあるいは機
械トルクより検出監視しようとするのが最近の傾
向で、図中点線よりなる曲線Ｙが前述した従来の
電気トルクより軸ねじり振動を検出監視しようと
したもので、これはこの曲線からも明らかなよう
に正常負荷運転時は特に問題なく精度よく軸ねじ
り振動は検出されているが、地絡事故時からは前
述もしたように回転電機の端子電圧が零となるこ
とから検出値も零となり事実上電気トルクが振動
状態にあるのに何等検出監視していないことがわ
かる。

これに対して本発明の軸ねじり振動監視装置で
あると、曲線Ｚで示されているように正常負荷状
態は勿論のこと、地絡事故時においても電気トル
クの振動とほぼ等しい振動状態を検出しており、
本発明の監視装置がいかに優れているかわかる。

〔発明の効果〕

以上種々述べてきたように、本発明の軸ねじり
振動監視装置によれば、トルクの検出に、電機子
電流値と電機子巻線磁束値とを取り入れ、かつこ
の両者より電磁トルクを算出し、この電磁トルク
により軸ねじり振動を演算するようになしたか
ら、通常負荷運転中は勿論のこと、たとえ電気系
統に短絡事故が生じたとしても精度よく、軸ねじ
り振動の監視が可能なこの種回転電機の軸ねじり
振動監視装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の軸ねじり振動監視装置の一実
施例を示すブロツク線図、第２図はタービン発電
機におけるスプリング・マス・モデルを示す線
図、第３図及び第４図は本発明の軸ねじり振動監
視装置の他の実施例を示すブロツク線図、第５図
は電気系統の事故時における電気トルクの振動を
表わした曲線図である。 １……発電機（回転電機）、２……タービン、
４……トルク検出装置、５……軸ねじり振動評価
装置、８……磁束演算器、９……トルク演算器、
１１……軸ねじり振動演算装置、１２……軸ねじ
り疲労寿命演算装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転電機の回転軸に作用するトルクを検出す
   るトルク検出装置により回転電機の軸ねじり振動
   を監視する装置において、 前記トルク検出装置に回転電機の端子電圧を検
   出する電圧検出手段と、回転電機の電機子を流れ
   る電流を検出する電流検出手段と、回転電機の回
   転角度を検出する回転角速度検出装置と、該回転
   角速度検出装置の検出値及び前記電圧検出手段の
   電圧値及び電流検出手段の検出値より電磁トルク
   を演算するトルク演算器と、該トルク演算器のト
   ルク値より回転軸の軸ねじり振動を計算する軸ね
   じり振動演算装置と、該軸ねじり振動演算装置の
   軸ねじり振動計算結果をもとに回転軸のねじり疲
   労を評価する軸ねじり振動疲労寿命演算装置とを
   備えたことを特徴とする回転電機の軸ねじり振動
   監視装置。