JPH05276798A

JPH05276798A - 発電機、および発電装置

Info

Publication number: JPH05276798A
Application number: JP4065724A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Ide; 一正井出; Haruo Oharagi; 春雄小原木; Yukinori Sato; 征規佐藤; Miyoshi Takahashi; 身佳高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-22
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JP3144029B2

Abstract

(57)【要約】【目的】不平衡負荷条件、或いは高調波が含有した条件
で運転される発電装置において、回転子の温度上昇を引
き起こすことなく逆相成分などの非同期磁界を打ち消す
ことのできる発電機と励磁装置などの周辺機器によって
構成される発電装置を提供することを目的とする。【構成】電機子巻線１と界磁巻線２に加え、界磁側に補
助界磁巻線３を設けた発電機と、界磁巻線２を励磁する
ための直流電流と補助界磁巻線３を励磁するための交流
電流と直流電流を重畳した電流を供給できる励磁装置４
と、電機子巻線１における電流を検知して不平衡状態を
モニタリングする装置５と、モニタリングした電流から
逆相磁界成分を計算する演算装置６から発電装置を構成
する。これにより、種々の不平衡状態によって変化する
逆相磁界成分に応じて、逆相磁界成分を打ち消すための
交流成分を含んだ電流を補助界磁巻線３に印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発電機、および発電装置
に係わり、特に、不平衡負荷時において回転電機機内に
発生する逆相成分を補償するための巻線構成と機械構成
を具備した発電機、及びこの発電機と励磁装置などの周
辺機器からなる発電設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の交流発電機は、励磁電源から供給
される直流電流を通電して発電機を励磁する界磁巻線
と、電気的な出力を取り出す電機子巻線から成ってい
る。

【０００３】このような発電機において、負荷状態が各
相ごと異なる不平衡負荷時には、電機子電流のアンバラ
ンスにより、機内に逆相回転磁界が発生する。この逆相
回転磁界は、回転子に対しては、出力電圧の角周波数ω
の２倍の角周波数２ωの非同期磁界成分となる。また、
電機子巻線に高調波電流が含まれるとき、同様に、機内
には高調波による非同期磁界成分が発生する。

【０００４】従来の発電機構造において、このような非
同期磁界成分は、回転子に施した制動巻線によって減衰
させるようになっている。すなわち、従来の発電機は、
回転子に制動巻線を設置することによって、不平衡負荷
耐力，高調波耐力を確保している。

【０００５】また、発電機の回転子胴部において、制動
巻線の断面積は、通常、界磁巻線の断面積に比べて極め
て小さいか、或いは制動巻線が回転子の端部のみに設置
されているのみである（参考文献：例えば、高橋，川村
「大容量タービン発電機の不平衡負荷耐力」日立評論，
Vol.５８，No.３，１９７６）。

【０００６】したがって、機内に非同期磁界成分が発生
したとき、制動巻線には、非同期磁界成分を打ち消すよ
うな交流電流が流れ、制動巻線の断面積が小さく電気抵
抗が無視できないため制動巻線での銅損が誘発される。
また、通常回転子としては、塊状鉄心或いは積層鉄心な
ど導電性材料が使用されるため、回転子自身にも同様に
逆起磁力を形成する渦電流が流れる。このような渦電流
は、制動巻線或いは回転子の温度上昇を引き起こすこと
になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べた
発電機は、非同期磁界成分を制動巻線および回転子鉄心
に流れる渦電流によって減衰させていたが、このため制
動巻線および回転子鉄心には銅損が引き起こされ、発熱
が起こる。したがって、この温度上昇の限界が逆相成分
或いは高調波成分を含む電機子電流の許容値を決定する
ことになり、発電機の不平衡負荷耐力，高調波耐力が決
定されることになる。

【０００８】本発明は、以上の点に鑑みなされたもので
あり、回転子での大きな温度上昇を引き起こすことなく
非同期磁界成分を打ち消すことのできる構成の発電機お
よび励磁装置を含むその周辺機器からなる発電装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】従来の固定子側の電機子
巻線、回転子側で直流磁界を生成する界磁巻線に加え、
本発明では回転子側に直流磁界、回転磁界何れの磁界も
生成できるような補助界磁巻線を設け発電機を構成して
いる。

【００１０】更に、界磁巻線に直流と、前記補助界磁巻
線に直流成分と交流成分を重畳した電流をそれぞれ供給
することができるような励磁装置を接続する。

【００１１】本発明では、このような補助界磁巻線を回
転子に付加した発電機と直流成分と交流成分を重畳した
電流を供給できる励磁装置などの周辺機器によって発電
装置を構成することによって、所期の目的を達成するよ
うにしたものである。

【００１２】

【作用】前記補助界磁巻線には、機内に発生した非同期
磁界成分を打ち消すような回転磁界を形成するような交
流電流と直流電流を重畳した電流を通電する。このと
き、交流電流によって、発電機の機内には非同期磁界成
分を殆ど含まない回転磁界が形成されるため、回転子に
誘発される渦電流が極めて小さくなり、ひいては回転子
の温度上昇も極めて小さくすることができ、不平衡負荷
耐力，高調波耐力が向上できる。更に、前記補助界磁巻
線は、直流電流によって発電機を励磁する作用を併せ持
つ。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細
に説明する。

【００１４】図１に本発明の一実施例を表す発電装置の
概要を示す。

【００１５】該図に示すように、本実施例の発電機は、
電機子巻線１と界磁巻線２に加え、界磁側に補助界磁巻
線３を設けて構成されている。そして、界磁巻線２には
直流電流、補助界磁巻線３には電機子電流がアンバラン
スな不平衡負荷時において発生する逆相成分を打ち消す
ような交流電流と直流電流を重畳させた電流を通電する
ことにより、発電機を励磁するとともに発電機機内の回
転磁界の逆相成分を減衰させるための回転磁界が形成さ
れる。

【００１６】更に、補助界磁巻線３を励磁するための励
磁装置４と、電機子巻線１における電流を検知して不平
衡状態をモニタリングする装置５と、モニタリングした
電流によって逆相磁界成分を計算する演算装置６から発
電設備を構成する。ここで、図中にはモニタリングする
装置５を三相分として示したが、二相分から他の一相分
を推定しても良い。これにより、種々の不平衡状態によ
って変化する逆相磁界成分に応じ、逆相磁界成分を打ち
消すための電流値を演算し、適正な電流を補助界磁巻線
３に印加できることになる。また、図示のように補助界
磁巻線３を二相巻線とすれば、界磁巻線軸と補助界磁巻
線軸の空間的位相差７を電気角でπ／４とすることによ
り、前記のような発電機の励磁と逆相成分の減衰を同時
に実現できる。

【００１７】次いで、以下においては、上記のように補
助界磁巻線３を設け、補助界磁巻線３に適正な励磁を加
えること、補助界磁巻線３を二相巻線としたときの界磁
巻線軸と補助界磁巻線軸の空間的位相差７を電気角でπ
／４とすることにより、発電機を励磁しながら、発電機
機内の逆相成分磁界を打ち消すことができることを説明
する。

【００１８】図２は本発明の一実施例における発電機断
面構成の概要を示し、図３は本発明の一実施例を説明す
る発電機界磁側の起磁力ベクトルを示す。

【００１９】発電機は、従来の固定子８に施される電機
子巻線１と回転子９に施される界磁巻線２に加え、一相
目の補助界磁巻線３ａと二相目の補助界磁巻線３ｂによ
って構成される補助界磁巻線３からなり、界磁巻線軸と
補助界磁巻線軸の空間的位相差７を電気角でπ／４とす
る。このとき、界磁巻線２と一相目の補助界磁巻線３ａ
と二相目の補助界磁巻線３ｂ全てに直流電流を通電した
とする。界磁巻線２の生成する起磁力ベクトル１０の方
向は発電機の直軸方向１４に一致し、一相目の補助界磁
巻線３ａと二相目の補助界磁巻線３ｂの生成する起磁力
ベクトル１１と界磁巻線２の生成する起磁力ベクトル１
０の空間的位相差１２は電気角でπ／４となる。

【００２０】したがって、界磁巻線２と、一相目の補助
界磁巻線３ａと二相目の補助界磁巻線３ｂによって構成
される補助界磁巻線３の生成する合成起磁力ベクトル１
３は発電機の直軸方向１４の成分のみとなり、発電機の
横軸方向１５の成分は発生しないため、前記のように補
助界磁巻線３に直流電流を通電すれば、発電機を励磁で
きることになる。

【００２１】更に、このような補助界磁巻線３は逆相成
分を打ち消すための回転磁界も生成できることを以下の
計算によって説明する。

【００２２】いま、一相目の補助界磁巻線３ａと二相目
の補助界磁巻線３ｂの交流分電流を、それぞれｉ₁(t)，
ｉ₂(t)とし、次のように考えてみる。

【００２３】

【数１】

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、Ωは角周波数、Θは位相角を示
す。このとき、回転子座標系の周方向座標をξとすれ
ば、一相目の補助界磁巻線３ａと二相目の補助界磁巻線
３ｂの電流分布のうち基本波成分ｊ₁(ξ，ｔ)，ｊ
₂(ξ，ｔ)は、それぞれ次のようになる。（参考文献：
例えば、井出ほか，電気学会論文誌Ｄ，１１１巻８号，
６６３頁，平成３年からの類推によって得られる。）

【００２６】

【数３】

【００２７】

【数４】

【００２８】ここで、Ｃは定数である。一相目の補助界
磁巻線３ａと二相目の補助界磁巻線３ｂの電流分布ｊ
₁(ξ，ｔ），ｊ₂(ξ，ｔ）の合成電流分布をｊ_t(ξ，
ｔ）とし、基本波成分のみ着目すれば、次式を得る。

【００２９】

【数５】

【００３０】ここで、Ｃ_nは定数であり、電流分布の振
幅を表す。(５)式は回転磁界と同形式であり（参考文
献：例えば、野中著，電気機器(II),８頁〜１５頁,森北
出版）、一相目の補助界磁巻線３ａと二相目の補助界磁
巻線３ｂから構成される補助界磁巻線３によれば、回転
磁界も形成できることがわかる。

【００３１】また、このとき回転子が角速度ωで固定子
座標系の周方向座標をｘの正方向に回転しているとすれ
ば、次式が成立する。

【００３２】

【数６】

【００３３】これを(５)式に代入して次式を得る。

【００３４】

【数７】

【００３５】したがって、一相目の補助界磁巻線３ａと
二相目の補助界磁巻線３ｂから構成される補助界磁巻線
３によれば、固定子座標系の周方向座標ｘに対して負の
方向に角速度(Ω−ω)にて回転する電流分布が形成でき
る。

【００３６】一方、発電機の電機子巻線１がＵ相，Ｖ
相，Ｗ相の三相からなる三相交流巻線であり、負荷が不
平衡状態を想定して各相の電流ｉ_u(t)，ｉ_v(t)，ｉ_w(t)
を次のように考える。

【００３７】

【数８】

【００３８】

【数９】

【００３９】

【数１０】

【００４０】ここで、ωは角周波数を表す。また、ｋ_v
＝ｋ_w＝０，β＝γ＝０のとき、平衡三相状態となる
が、この条件を満足しない場合、不平衡状態となる。

【００４１】このとき、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相帯の電流分布ｊ
_u（ｘ，ｔ），ｊ_v（ｘ，ｔ），ｊ_w（ｘ，ｔ）のうち基
本波成分は、それぞれ次のようになる(参考文献：例え
ば、井出ほか，電気学会論文誌Ｄ，１１１巻８号，６６
３頁，平成３年）。

【００４２】

【数１１】

【００４３】

【数１２】

【００４４】

【数１３】

【００４５】ここで、Ｋは定数である。

【００４６】Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の合成電流分布をｊ（ｘ，
ｔ）とすれば、次式を得る。

【００４７】

【数１４】

【００４８】ここで、Ｊは電流値であり、定数である。
また、上式において、第一項は正相成分、第二項は逆相
成分を示す。この第一項，第二項はそれぞれ回転磁界の
式と同一の形式である。したがって、第二項の電流分布
を打ち消すような電流を補助界磁巻線３で形成すること
により、逆相成分を消滅させることができる。ただし、
(14)式中、ｋ_p，ｋ_nは定数、θ_p，θ_nは位相角を示し、
以下のようになる。

【００４９】

【数１５】

【００５０】

【数１６】

【００５１】

【数１７】

【００５２】

【数１８】

【００５３】

【数１９】

【００５４】

【数２０】

【００５５】

【数２１】

【００５６】

【数２２】

【００５７】以上示したように、(14)式における第二項
を打ち消す電流分布を強制的に印加すれば、発電機機内
における逆相成分は零となることになる。したがって、
補助界磁巻線３において、(14)式の第二項と振幅が異符
号で絶対値が等しく、かつ位相角が等しいような電流分
布を形成することによって、逆相成分を打ち消すことが
できることになる。

【００５８】逆相磁界成分を打ち消すことのできる条件
を(７)式と(14)式の第二項から求めれば、次のようにな
る。

【００５９】

【数２３】

【００６０】

【数２４】

【００６１】

【数２５】

【００６２】このようにして、界磁側に補助界磁巻線３
を施し、発電機を励磁しながら発電機機内の逆相成分を
打ち消すことができる。

【００６３】なお、ここでは、回転子での角周波数２ω
となる逆相成分による非同期磁場を打ち消すことを想定
して説明したが、Ωの設定次第で他の高調波による非同
期磁場を打ち消すこともできる。

【００６４】図４は本発明の他の実施例を示す発電機回
転子断面の構成を示す。

【００６５】本実施例では、回転子９に界磁巻線２と前
述の一相目の補助界磁巻線３ａと二相目の補助界磁巻線
３ｂから構成される補助界磁巻線３を施し、それらの巻
線の外径側に導電性材料で作成された制動巻線１７を挿
入する。更に界磁巻線２と一相目の補助界磁巻線３ａと
二相目の補助界磁巻線３ｂと制動巻線１７を回転子スロ
ット楔１６にて保持する。このような断面構成とするこ
とにより、定常の非同期磁場は前述のように一相目の補
助界磁巻線３ａと二相目の補助界磁巻線３ｂによって構
成される補助界磁巻線３で打ち消すことができるととも
に、系統事故時などの過渡的な機内磁場の変動を制動巻
線１７で吸収でき、定常時，非定常時ともに回転子の耐
量を確保できる。

【００６６】図５は本発明の更に他の実施例を示す発電
設備の概要を示す。同図では、図１の概要に加え、補助
界磁巻線３と励磁装置４の間に補助界磁巻線３を励磁装
置４から切離し、更に短絡できるスイッチ１８を設けた
ものである。

【００６７】これによれば、励磁装置４の故障などによ
り、補助界磁巻線３による非同期磁場の打ち消しが困難
となった場合、補助界磁巻線３を短絡して制動巻線とし
て利用することができ、本発電設備に不具合が起こった
場合でも回転子の耐量を確保でき、信頼性の高い発電設
備を得ることができる。

【００６８】以上の説明から明らかなように、補助界磁
巻線３は、発電機を励磁するための直流電流と逆相成分
を打ち消す交流電流が重畳して流れるため、例えば、逆
相成分が余り大きくないときは、直流成分のみ通電し、
界磁巻線２と同様に界磁巻線として利用できるため、巻
線の利用率が極めて高くすることができる。

【００６９】なお、以上の説明は発電機を対象としたも
のであるが、歪波電流で駆動される電動機に対しても説
明した発電機構造は有効であり、そのまま適用できる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、不平衡負
荷時に発生する逆相成分などの非同期磁界を極めて小さ
くできるため、回転子に大きな渦電流が誘発されず、回
転子の温度上昇も小さく抑制することが可能となる。

【００７１】また、これによりピーク負荷時などでのト
リップ事故の発生が少ない発電設備を提供でき、信頼性
の高い電力供給システムが得られる効果がある。

【００７２】併せて、本発明による補助界磁巻線は、発
電機を励磁する機能も有するため、巻線利用率が極めて
高く、励磁効率も良好な電力供給システムが得られる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す発電装置の概略構成図
である。

【図２】本発明の一実施例を示す発電機の断面図であ
る。

【図３】本発明の一実施例を説明するための発電機界磁
側の起磁力ベクトル図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す発電機回転子断面構
成図である。

【図５】本発明の更に他の実施例を示す発電装置の概略
構成図である。

【符号の説明】

１…電機子巻線、２…界磁巻線、３…補助界磁巻線、４
…励磁装置、５…モニタリング装置、６…演算装置、７
…界磁巻線軸と補助界磁巻線軸の空間的位相差、８…固
定子、９…回転子、１０…界磁巻線の生成する起磁力ベ
クトル、１１…補助界磁巻線の生成する起磁力ベクト
ル、１２…界磁巻線の生成する起磁力ベクトルと補助界
磁巻線の生成する起磁力ベクトルの空間的位相差、１３
…界磁巻線の生成する起磁力ベクトルと補助界磁巻線の
生成する起磁力ベクトルの合成起磁力ベクトル、１４…
発電機の直軸方向、１５…発電機の横軸方向、１６…回
転子スロット楔、１７…制動巻線、１８…スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋身佳茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子巻線と界磁巻線に加え、界磁側に補
助界磁巻線を設けるとともに、この補助界磁巻線に交流
電流と直流電流を重畳した電流を励磁装置から強制的に
通電することを特徴とする発電機。
【請求項２】前記界磁巻線に、前記補助界磁巻線と同一
の励磁装置から直流電流が通電できるようにしたことを
特徴とする請求項１記載の発電機。
【請求項３】前記界磁巻線と前記補助界磁巻線の外径側
に導電性材料で作成された制動巻線を設置したことを特
徴とする請求項１記載の発電機。
【請求項４】前記補助界磁巻線を二対とし、それぞれ二
対の巻線軸と前記界磁巻線の巻線軸との空間的な位相角
が電気角でπ／４となるように設置したことを特徴とす
る請求項１記載の発電機。
【請求項５】電機子巻線と界磁巻線に加えて、不平衡負
荷時に発電機機内に発生する逆相成分磁界を打ち消す交
流電流と発電機を励磁するための直流電流を重畳した電
流を通電できる補助界磁巻線を有する発電機と、負荷の
不平衡状態をモニタリングする手段と、発電機の前記補
助界磁巻線に、発電機機内に発生する逆相成分磁界を打
ち消す交流電流と発電機を励磁するための直流電流を重
畳した電流を供給する励磁装置とからなることを特徴と
する発電装置。
【請求項６】前記負荷の不平衡状態をモニタリングする
手段は、前記電機子巻線に流れる少なくとも二相の電流
を検出し、該電流検出値の位相と瞬時値から、演算にて
不平衡状態量を検出するようにしたものであることを特
徴とする請求項５記載の発電装置。
【請求項７】前記励磁装置は、前記モニタリング手段か
らの出力信号に応じて、前記補助界磁巻線に通電する電
流量を調整するものであることを特徴とする請求項５記
載の発電設備。
【請求項８】前記補助界磁巻線と前記励磁装置の間に、
必要に応じて前記補助界磁巻線を、前記励磁装置から切
離し短絡できるスイッチング手段を設置したことを特徴
とする請求項５記載の発電設備。