JPH0650960B2 - 同期発電機のディジタル制御自動電圧調整器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は同期発電機の励磁装置に
係わり、簡単な制御回路の構成で電力系統に与える電力
変動を小さくできる同期発電機のディジタル制御自動電
圧調整器に関する。

【０００３】

【従来の技術】同期発電機は、界磁回路に流す励磁電流
を調節することにより簡単に端子電圧を制御することが
できるため多数使用されている。また、負荷や回転数が
一定の場合は、励磁電流を一定にすると端子電圧も一定
となるが、負荷や回転数が変化すると端子電圧は変化す
る。従って、通常は発電機の端子電圧が所望の一定値に
なるように励磁電流を調節する自動電圧調整器（以下Ａ
ＶＲという）が用いられている。

【０００４】ところで、従来のＡＶＲはアナログ回路で
構成されていたが、マイクロコンピュータ技術の進歩に
より、最近のＡＶＲはマイクロコンピュータで制御演算
を行うディジタル制御方式のものが増加している。

【０００５】図２は一般的に用いられている発電装置の
構成図である。同図において、１は同期発電機、２は回
転整流器、３は励磁機、４はＡＶＲ、１０は給電線、１
１は遮断器である。また、ＡＶＲ４は電力増幅器５、電
圧検出器６、電圧設定器７、ディジタル制御器８および
位相制御器９より構成されている。まず、図２を参照し
て一般的な同期発電機の端子電圧制御方法を説明する。

【０００６】電圧設定器７は、同期発電機１の端子電圧
指令値を設定する設定器である。この端子電圧指令値
は、電圧検出器６により検出される同期発電機１の端子
電圧検出信号と共に、ディジタル制御器８に入力され
る。ディジタル制御器８では、両信号の誤差を増幅して
励磁電圧指令値として位相制御器９に出力する。位相制
御器９は、電力増幅器５の出力電圧が指令された値にな
るよう電力増幅器６を制御する。以上の構成により、同
期発電機１の端子電圧検出値が端子電圧指令値の値より
小さければ、界磁電圧を大きくして界磁電流を増し、同
期発電機端子電圧を増加させる。逆に、同期発電機１の
端子電圧検出信号が端子電圧指令値より大きければ、界
磁電圧を小さくして界磁電流を減らし、同期発電機１の
端子電圧を減少させる。これにより同期発電機１の端子
電圧を一定に保つ。

【０００７】図３は、このような発電装置における従来
のディジタル制御器８の構成を示した図である。同図に
示すように、ディジタル制御器８は、Ａ／Ｄ変換回路８
１とＣＰＵ８２と第１インターフェース回路８３と第２
インターフェース回路８４とから構成されている。ＣＰ
Ｕ８２は内部に記憶されているプログラムを実行して制
御演算を行うマイクロコンピュータで、各制御演算のプ
ログラムは一定のサイクルで繰り返し実行されることに
より従来のアナログ制御回路と等価な動作をする。８５
〜８９はＣＰＵ８２内で実行される制御演算をデータの
流れに沿って表した機能ブロックであり、８５は偏差演
算、８６は積分演算、８７は比例演算、８８は微分演
算、８９は加算演算を行うものである。

【０００８】次に、図３に従って従来のディジタル制御
器の動作を詳細に説明する。電圧設定器７により設定さ
れた端子電圧指令値は第１のインターフェース回路８３
によりＣＰＵ８２に取り込まれる。また電圧検出器６に
より検出される端子電圧検出信号はアナログ信号である
ので、Ａ／Ｄ変換器８１によりディジタル信号の端子電
圧検出値に変換されてＣＰＵ８２に取り込まれる。ＣＰ
Ｕ８２では入力された端子電圧指令値と端子電圧検出値
の偏差を偏差演算８５により演算する。さらに偏差は積
分演算８６により積分増幅され、また比例演算８７によ
り比例増幅され、また微分演算８８により微分増幅さ
れ、そして加算演算８９により加算されて励磁電圧指令
値となる。励磁電圧指令値は第２インターフェース回路
８４を通して位相制御器９に送られる。

【０００９】しかして、ＡＶＲの特性を評価する一つの
大きなポイントとして応答の問題がある。応答を速くす
るためにディジタル制御器８には、同期発電機１、励磁
機３がもつ遅れを補償する伝達関数が与えられている。
ＣＰＵ８２の制御演算の周期をＴｓ、ある時点での端子
電圧指令値をＶｇｏｎ、端子電圧検出値をＶｇｎ、偏差
をΔＶｇｎ、積分増幅の積分値をＳｎ、励磁電圧指令値
をＶａｎとすると、８５〜８９の制御演算は（１），
（２），（３）式となる。

【００１０】

【数１】

【００１１】ここでＴｓを１０ｍＳ程度に小さくすると
ディジタル制御による演算時間遅れは無視でき、アナロ
グ制御回路と同等の応答を得ることができる。

【００１２】また、上記した応答の問題の他にもう一つ
の大きなポイントとして定常制御精度の問題がある。図
３の制御方式では端子電圧設定値をＣＰＵ８２内のディ
ジタル値として設定することが可能であり、端子電圧設
定値はノイズやドリフトなどの外乱の影響は受けない。
端子電圧検出値のデータや制御演算時の各データもＣＰ
Ｕ内では外乱の影響を受けないので、定常制御精度を決
める要因は電圧検出器６とＡ／Ｄ変換器８１の特性であ
る。これらは定常制御精度の仕様値を満足するような特
性のものを使用している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の同期発電機のＡＶＲでは、制御応答はアナログ制御と
同等のものが得られるが、発電機の端子電圧のリップル
がアナログ制御に比べて大きくなるという問題があっ
た。その原因は量子化誤差が微分演算に大きな影響を及
ぼすことである。図３のＡ／Ｄ変換器８１は有限の分解
能であり、通常は端子電圧検出器１００％が１０００カ
ウント程度のものが用いられる。このとき１カウントは
０．１％であり、通常要求される端子電圧制御精度は１
％程度なので、端子電圧平均値の制御には充分な分解能
である。しかし、（３）式より分かるように、Ｔｓが１
０ｍＳでは微分演算に１／Ｔｓの１００倍のゲインがか
かる。比例演算にはＴｓは影響せず、積分演算にはＴｓ
の０．０１倍のゲインがかかるので端子電圧検出値の分
解能の影響は少ない。主として微分演算により、端子電
圧検出値の±１カウントの変化が励磁電圧指令を大きく
振らしてしまう。例えば（１）式のＫｄが小さい１の時
でも端子電圧検出値の０．１％の変化は、励磁電圧指令
値を約１０％も変化させる。この現象はアナログ制御回
路とは異なるものである。例えばゆっくりと１０秒で端
子電圧が０．１％変化した場合、アナログ制御回路では
分解能が無限小であり、瞬時瞬時に理論どおりの微分増
幅が行われる。しかしディジタル制御では１０秒の内の
ある１０ｍＳ間に０．１％の端子電圧変化が起こりその
他の時間では端子電圧は一定であったように動作する。
したがって、その１０ｍＳでは励磁電圧指令値を必要以
上に大きく動かし、それが外乱となって端子電圧のリッ
プルとなる。端子電圧リップルに対し発電電力のリップ
ルは通常１０倍程度となる。端子電圧の０．１％のリッ
プルは１％の電力リップルとなり、電力系統に悪影響を
及ぼす。この対策としてＡ／Ｄ変換器の分解能を上げ
て、１カウントの重みを小さくすることが考えられる。
分解能を１０倍に上げると端子電圧の変化は０．０１％
毎に検出でき、電力変化は０．１％程度に抑えることが
できる。しかしその為には非常に高価な高分解能のＡ／
Ｄ変換器が必要となり、また回路も複雑になるなどの問
題があり、実現は難しかった。本発明は、上記事情に鑑
みてなされたもので、その目的は簡単な構成で励磁電圧
指令値のリップルを下げることができ、これにより発電
機端子電圧および電力のリップルを小さくすることので
きる同期発電機のディジタル制御自動電圧調整器を提供
することにある。

【００１４】［発明の構成］

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出
器と、前記同期発電機の端子電圧指令値を与える電圧設
定器と、前記端子電圧検出信号をディジタル値に変換し
前記端子電圧指令値との偏差をディジタル値で演算して
第１の端子電圧偏差を得，それを偏差増幅演算して励磁
電圧指令値を得るディジタル制御器と、前記同期発電機
に励磁電流を供給する電力増幅器と、前記励磁電圧指令
値に応じ前記電力増幅器の出力電圧を制御する位相制御
器とからなり、前記同期発電機の端子電圧を端子電圧指
令値に制御する同期発電機のディジタル制御自動電圧調
整器において、前記ディジタル制御器内に前記端子電圧
指令値をアナログ信号に変換するディジタル／アナログ
変換器と前記ディジタル／アナログ変換器からの信号と
前記端子電圧検出信号との偏差をアナログ値で求め所定
の増幅率にて増幅する偏差増幅器を設け、前記偏差増幅
器の出力信号をディジタル値に変換し第２の端子電圧偏
差を得るとともに前記偏差増幅演算の内，積分増幅演算
は前記第１の端子電圧偏差を用いて行い、微分増幅演算
は前記第２の端子電圧偏差を用いて行うことを特徴とす
る。

【００１６】

【作用】本発明によれば、端子電圧制御系の微分演算の
端子電圧検出分解能を上げることができるので、励磁電
圧指令値のリップルを下げることができ、これにより発
電機端子電圧および電力のリップルを小さくできる。ま
た、本発明の自動電圧調整器の構成も簡単でかつ装置全
体の価格を低く抑えることができる。

【００１７】次に、本発明の基本的な考え方について説
明する。ＡＶＲの特性を評価する大きなポイントとして
応答と定常制御精度の特性があるのはすでに述べた。本
発明は従来の装置で特性が得られているこの点はそのま
ま維持し、従来の装置で問題となっている端子電圧リッ
プルについて改善を行うものであるから、その回路構成
も簡単なもので大幅なコスト増加にはならない。端子電
圧制御の応答を高速にするためには従来と同じ（１），
（２），（３）式の制御演算を行えばよい。また、定常
制御精度に影響するのは制御演算の内、積分演算である
ので、積分演算の精度が従来制御回路と同レベルに確保
されておればよい。このため積分演算に用いるデータの
流れと、積分演算方法は従来の装置と同様とする。端子
電圧リップルに最も影響を与えるのは微分演算である。
端子電圧リップルを抑えるには微分演算に用いる端子電
圧検出値の分解能を上げればよい。積分演算、比例演算
に用いる端子電圧検出値の分解能をも上げることは、高
分解能、高精度のＡ／Ｄ変換器を用いることとなり、大
きなコストアップとなる。微分演算は前回のサンプリン
グの端子電圧偏差と今回のサンプリングの端子電圧偏差
の相対的変化であり、端子電圧検出値の絶対的精度は必
要ではない。微分演算の精度は端子電圧制御に関係する
が、数％の誤差まではほとんど応答に関係ない。これに
より低コストの装置を用いることができる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の一実施例である同期発電機の
自動電圧調整器のディジタル制御器の構成図である。図
１において、図２、図３と同一の番号のものは同一の構
成要素を示す。また、９０はＤ／Ａ変換器、９１は偏差
増幅器、９２はバイアス回路である。

【００１９】以下、図１に従って本発明の自動電圧調整
器について説明する。電圧設定器７により設定された端
子電圧指令値は、第１インターフェース回路８３により
ＣＰＵ８２に取り込まれる。電圧検出器６により検出さ
れる端子電圧検出信号は、Ａ／Ｄ変換器８１によりディ
ジタル信号の端子電圧検出値に変換されてＣＰＵ８２に
取り込まれる。ＣＰＵ８２は端子電圧指令値と端子電圧
検出値の差である第１の端子電圧偏差を計算し、積分演
算と比例演算に使用する。

【００２０】一方、端子電圧指令値はＤ／Ａ変換器９０
によりアナログ信号に変換され偏差増幅器９１に入力さ
れる。偏差増幅器９１ではこの信号とアナログ信号の端
子電圧検出信号との偏差をとり、それにゲインＫｄｄを
掛けて増幅する。さらにバイアス回路９２によりＡ／Ｄ
変換器の入力電圧レベルに合うよう正電圧のバイアスを
加え、Ａ／Ｄ変換器８１に入力される。そしてＡ／Ｄ変
換器８１でディジタル信号に変換され第２の端子電圧偏
差信号として微分演算に用いられる。この場合第２の端
子電圧偏差信号は予想される端子電圧偏差の最大値をカ
バーしておればよく、フルスパンで−１０〜１０％程度
あれば充分である。これに対し通常の端子電圧検出信号
はオーバーシュートを見込むとフルスパンで０〜１５０
％程度は検出する必要がある。そのためＡ／Ｄ変換器を
共用する図１の構成では、微分演算に用いる端子電圧検
出値はＫｄｄ＝７．５として７．５倍に増幅することが
でき、分解能は従来に比べ７．５倍となる。またＤ／Ａ
変換器９０からの端子電圧指令信号はバイアスがかかっ
た値でもいいので、端子電圧指令値の変化幅だけに対応
して変化すればよく、フルスパンで９０〜１１０％程度
の変化に対応したものでよい。前述のように精度も必要
無いため、端子電圧設定値の分解能を０．１％ステップ
としても安価な８ビットＤ／Ａ変換器で充分である。ま
た偏差増幅器９１も一般的なＯＰアンプ回路でよく安価
な回路構成でよい。

【００２１】上記実施例では第１の端子電圧偏差により
制御演算の比例増幅の演算を行う例について述べたが、
これに限るものではなく比例増幅演算も分解能を上げた
第２の端子電圧偏差を用いてもよい。また上記実施例で
は励磁方式は他励の場合について示したが、それ以外の
励磁方式でもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば同
期発電機の自動電圧調整器において、安価な回路構成に
より制御演算の微分演算の為の端子電圧検出値を高分解
能で検出できるので、発電機端子電圧のリップルを小さ
くすることができ、かつ電力リップルも小さくすること
ができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の同期発電機の自動電圧調整
器のディジタル制御器のブロック構成図。

【図２】一般的な発電装置のブロック構成図。

【図３】従来のディジタル制御器のブロック構成図。

【符号の説明】

１…同期発電機、２…回転整流器、３…励磁機、４…Ａ
ＶＲ、５…電力増幅器、６…電圧検出器、７…電圧設定
器、８…ディジタル制御器、９…位相制御器、８１…Ａ
／Ｄ変換回路、８２…ＣＰＵ、８３…第１インターフェ
ース回路、８４…第２インターフェース回路、９０…Ｄ
／Ａ変換器、９１…偏差増幅器、９２…バイアス回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期発電機の端子電圧を検出する電圧検
   出器と、前記同期発電機の端子電圧指令値を与える電圧
   設定器と、前記端子電圧検出信号をディジタル値に変換
   し前記端子電圧指令値との偏差をディジタル値で演算し
   て第１の端子電圧偏差を得，それを偏差増幅演算して励
   磁電圧指令値を得るディジタル制御器と、前記同期発電
   機に励磁電流を供給する電力増幅器と、前記励磁電圧指
   令値に応じ前記電力増幅器の出力電圧を制御する位相制
   御器とからなり、前記同期発電機の端子電圧を端子電圧
   指令値に制御する同期発電機のディジタル制御自動電圧
   調整器において、前記ディジタル制御器内に前記端子電
   圧指令値をアナログ信号に変換するディジタル／アナロ
   グ変換器と前記ディジタル／アナログ変換器からの信号
   と前記端子電圧検出信号との偏差をアナログ値で求め所
   定の増幅率にて増幅する偏差増幅器を設け、前記偏差増
   幅器の出力信号をディジタル値に変換し第２の端子電圧
   偏差を得るとともに前記偏差増幅演算の内，積分増幅演
   算は前記第１の端子電圧偏差を用いて行い、微分増幅演
   算は前記第２の端子電圧偏差を用いて行うことを特徴と
   する同期発電機のディジタル制御自動電圧調整器。