JPH0919195A - 可変位相発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流系統の安定化に効果があり、かつ経済的
な可変位相の発電装置を提供することを目的とする。 【構成】 交流系統１に接続される電機子巻線３と少な
くとも２軸の励磁巻線４と上記励磁巻線が埋設された磁
性躯体に埋設されたダンパ導体８とを備えた発電機２
と、上記少なくとも２軸の励磁巻線４を可変励磁する少
なくとも２軸の可変励磁手段７とを備え、上記少なくと
も２軸の励磁電流を加減する事により上記電機子巻線３
への鎖交磁束ベクトルの角度を可変にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は発電装置に係り、交流
系統との間の安定性を改善する可変位相発電装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は例えば特公昭５６ー２５１９号公
報に示された従来技術による可変速発電電動装置を示す
構成図であり、図において、１は交流系統、２は一次巻
線３と二次巻線４とを有する発電機としての巻線形交流
機、５はタービン，水車，エンジン・フライホイルなど
の原動機や回転体、７はサイクロコンバータ，コンバー
タ・インバータ等の二次励磁用の交流交流間可逆電力変
換器（以下、可逆電力変換器という）、９は巻線形交流
機２の軸に直結した励磁用交流発電機、１０は励磁用交
流発電機９の界磁巻線、１１は自動電圧調整器ＡＶＲ付
きの励磁用交流発電機９の界磁制御手段、７１は交流系
統の遮断器、７２は二次巻線短絡用サイリスタスイッチ
である。

【０００３】図９の構成においては、原動機５の回転速
度が同期速度からずれても、可逆電力変換器７により滑
り周波数で励磁する事により、一次巻線３の周波数を同
期周波数に保つことができる。当然、二次巻線４の励磁
位相により一次巻線３の発電位相も変えることができ、
可変速発電電動装置として利用され、可変速調相装置と
しての活用も考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の可変速発電電動
装置は以上のように構成されているので、交流系統１に
地絡事故が生じると、事故電流が一次巻線３にも流れ、
二次巻線４にも事故電流が流れる。この時、可逆電力変
換器７が二次電流の流れを抑制ないし制限すると、一次
巻線３に過渡的に流れる電流の直流分が増加し、直流分
の減衰が遅れる。このため、遮断器７１等があると、そ
の電流がゼロクロスせず、その遮断が困難になると云う
問題点があった。

【０００５】上記ゼロクロス問題を解決するために、二
次巻線４の短絡用サイリスタスイッチ手段７２を設ける
事が提案されているが、ここに流れる事故電流が定格電
流の１０倍前後になるため、このサイリスタスイッチ手
段が大容量・高価になる問題点があった。

【０００６】また、従来の可変速発電装置は交流二次励
磁のためダンパが設けられなかった。この場合、出力電
流に拘らず良い電圧波形を維持したり、負荷電流変化に
対する過渡電圧変動を軽減しようとすると、一次巻線か
ら見た過渡リャクタンスを小さくする必要がある。しか
し、過渡リャクタンス即ちリーケージリャクタンスを小
さく設計すると、電気装荷“アンペアコンダクタ／ｃ
ｍ”を下げる必要があり、逆に磁気装荷を大きくする必
要がある。また、事故時に二次巻線に誘導される過電流
も大きくなる。これらの結果、経済的設計ができず、大
形高価になる問題点があった。

【０００７】以上のほか、従来の通常の１軸励磁式発電
装置では地絡事故が発生すると、発電電力が下がり、地
絡期間中に僅かであるが速度が上昇し、発電電圧位相が
進む。この位相進みが地絡事故直後も続き、位相動揺や
脱調など系統不安定の原因になるという問題点があっ
た。

【０００８】すなわち、交流系統側の発電機（発電所）
に近いＡ点で地絡事故が起きると、発電機２の端子電圧
Ｖと発電電力が低下し、回転速度ωr が緩やかに上昇し
て行く。負荷が掛かっている受電側系統では負荷に比べ
て発電電力が不足するので、回転速度が僅かながら緩や
かに低下しようとする。この結果、回転速度差を積分し
たかたちで発電端と受電端との間の位相差δが開いて行
く。

【０００９】次に地絡事故が回復すると、電圧と発電電
力とを上昇させて、速度を減速させて行くわけである
が、上記事故期間中に速度が上昇しており、位相差δは
速度が同期速度に低下するまで開き続ける。その後、同
期速度以下になってからおもむろに位相差δが減少を始
めるが、今度は速度が下がりすぎるので、位相差が小さ
くなり過ぎる事になる。このようにして、位相差動揺を
生じ交流系統が不安定になる。さらに、事故期間中に位
相差が開き過ぎたり、次いで、同期速度に達した点の最
大位相差が大きすぎると、事故回復した後も送電電力ひ
いては発電電力を増加させることができず、図３に点線
で示すように速度変化分△ωや負荷角変化分△θが大き
くなり過ぎ、脱調に至るという問題点があった。

【００１０】この発明は上記のような従来の問題点を解
消するためになされたもので、交流系統の安定化に効果
があり、かつ経済的な可変位相発電装置を提供する事を
第１の目的とする。

【００１１】また、経済性の向上、位相を変える応答速
度の向上、又は信頼性向上を図る事を第２の目的とす
る。

【００１２】さらに、位相動揺や脱調を防止する事を第
３の目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係る可変位相発電装置は、交流系統に接続される電機子
巻線と少なくとも２軸の励磁巻線と上記励磁巻線が埋設
された磁性躯体の空隙側に埋設されたダンパ導体とを備
えた発電機と、上記少なくとも２軸の励磁巻線を可変励
磁する少なくとも２軸の可変励磁手段とを備え、上記少
なくとも２軸の励磁電流を加減する事により上記電機子
巻線への鎖交磁束ベクトルの角度を可変にするものであ
る。

【００１４】請求項２に記載の発明に係る可変位相発電
装置は、交流系統に接続される電機子巻線と２軸の励磁
巻線と上記励磁巻線が埋設された磁性躯体の空隙側に埋
設されたダンパ導体とを備えた発電機と、上記２軸の励
磁巻線を可変励磁する２軸の可変励磁手段とを備え、上
記２軸の励磁巻線の磁軸が非直交関係になるよう夫々の
励磁巻線を配置してなり、上記２軸の励磁電流を加減す
る事により上記電機子巻線への鎖交磁束ベクトルの角度
を可変にするものである。

【００１５】請求項３に記載の発明に係る可変位相発電
装置は、上記励磁巻線はＹ字形結線とし、一端子を共通
端子にして上記可変励磁手段により励磁するものであ
る。

【００１６】請求項４に記載の発明に係る可変位相発電
装置は、上記励磁巻線をＶ字形結線とし、一端子を共通
端子にして上記可変励磁手段により励磁するものであ
る。

【００１７】請求項５に記載の発明に係る可変位相発電
装置は、上記可変励磁手段の出力電流を可逆極性にする
ものである。

【００１８】請求項６に記載の発明に係る可変位相発電
装置は、上記励磁巻線，上記ダンパ導体および上記２軸
の励磁手段である２つの整流器を回転体上に配置すると
共に、さらに、上記回転体上に配置され上記夫々の整流
器に接続される電機子巻線と固定側の夫々の界磁巻線と
から成る２組の励磁用発電機と、上記夫々の界磁巻線を
励磁する夫々の界磁制御手段とを備えるものである。

【００１９】請求項７に記載の発明に係る可変位相発電
装置は、位相回復量演算手段を備え、この位相回復量演
算手段で演算された位相回復量に基づき上記可変励磁手
段を制御するものである。

【００２０】

【作用】請求項１に記載の発明における可変位相発電装
置は、地絡事故時の電流が一次巻線（電機子巻線）に流
れる時ダンパ導体に電流が流れ、二次巻線（励磁巻線）
が開放されても一次巻線の磁束鎖交数が維持される。こ
の結果、交流系統側の線路電流がゼロクロスする。ま
た、定常的な滑りが大幅に制限されるが、二次巻線を開
放しない場合でも、交流系統事故時に二次巻線に誘導さ
れる電流が減少する。

【００２１】請求項２から請求項４のいずれかに記載の
発明における可変位相発電装置は、２軸の励磁巻線を可
変励磁することにより、励磁ベクトルの可変幅が制約さ
れるが、上記請求項１の発明と同様の作用が得られる。

【００２２】請求項５に記載の発明における可変位相発
電装置は、ダンパ導体が磁束変化を抑制するのに抗して
逆極性励磁電流を流すことにより、磁束変化ひいては電
機子電圧の位相変化が促進される。

【００２３】請求項６に記載の発明における可変位相発
電装置は、励磁巻線，上記ダンパ導体および上記２軸の
励磁手段と該励磁手段に接続された電機子巻線を回転体
上に配置したことにより、磁束変化ひいては電機子電圧
の位相変化が遅くなるが、ブラシレス化できる。

【００２４】請求項７に記載の発明における可変位相発
電装置は、位相回復量演算手段を備えたことにより、そ
の演算した位相回復量に基づき励磁磁軸が制御される。

【００２５】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明による可変位相発電装置の一
実施例を示す構成図であり、図において、１は交流系
統、２は一次巻線（電機子巻線）と二次巻線（３相励磁
巻線）４とを備えた巻線形交流機（以下、発電機と称す
る）、５は原動機や回転体、６は変換器用変圧器、７は
励磁用電力変換器、８は鉄心の溝の楔の形の導体として
埋設されたり鉄心の歯の端部の穴に導体として貫通させ
たりして空隙側に埋設されるダンパ導体（ダンパ巻
線）、９は巻線形交流機２の軸に直結した励磁用交流発
電機、１０は励磁用交流発電機９の界磁巻線、１１は自
動電圧調整器ＡＶＲ付きの励磁用交流発電機９の界磁制
御手段である。１００は位相回復量演算手段（電力検出
・演算手段などを含む）であり、この位相回復量演算手
段１００は、発電機および原動機の定数と事故期間中の
不足発電電力量や過剰エネルギとから回復時点の位相差
変化△θｍを下記式（１）（２）などで演算し、逆に事
故回復直後までに元に戻すべき位相回復量△δを下記式
（３）で演算する。

【数１】 ここで Ｐ：事故発生後の発電（送電）電力。 Ｐ₀ ：正常運転電力（給電指令値、事故直前電力、事故
回復後の給電指令値など）。 Ｊ：原動機および発電機等回転体の慣性。 Ｋ₁ ，Ｋ₂ ：比例係数。

【００２６】上記励磁用電力変換器７はサイクロコンバ
−タまたはコンバ−タ・インバ−タなどの交流交流間電
力変換器で構成される。なお、Ｖr は交流系統の背後電
圧，Ｖは巻線形交流機２の出力電圧である。

【００２７】図２は巻線形交流機２の回転子の巻線を回
路図で示したもので、二次巻線（３相励磁巻線）４と短
絡された２相または３相等の多相ダンパ巻線８とで表さ
れる。

【００２８】上記構成の本実施例では、ダンパ８を備
え、かつ、励磁電流軸ひいては励磁軸の角度を変え得
る。従って、位相回復量演算手段１００で演算した位相
回復量△δに基づき、励磁軸を回転さすべき角度（上記
位相回復量に相当）を知ることができ、これに基づき励
磁軸を回転させる事により、送受電端間の電圧位相差変
動△θが△θ＝（△θｍ−△δ）程度におさまる訳であ
る。従って、図３の実線に示すように脱調に至ることな
く、前記位相差動揺や脱調を防止する効果が得られる。

【００２９】この場合、位相差δに１０〜３０゜の余裕
を取る事により殆どの脱調が防止できる。さらに、位相
差δに３０〜６０゜の余裕を取る事により脱調問題が解
消する。さらに、これら位相差δを収束させる制御をす
る事により事故回復後の位相差動揺（電力動揺）の安定
化の応答速度（ダンピング）を大幅に改善できる。

【００３０】また、交流系統側のＡ点で地絡事故が起き
た事故時において、事故電流が一次巻線３に流れるが、
この一次巻線３による起磁力を打ち消す電流が空隙側に
埋設されたダンパに流れ、二次巻線４への誘導電流を抑
制できる。端的には、二次巻線４を開放しても良く、励
磁用電力変換器７で励磁電流を遮断できる。この場合
も、ダンパ８に電流が流れて空隙磁束が維持されるの
で、交流系統側の電流の直流分が増加しすぎてゼロクロ
スしないと云うトラブルも生じない。

【００３１】但し、定常的に大きな滑りがあれば、ダン
パ損失が過大になるので、定常的な滑りは大幅に制限さ
れる。即ち、原動機速度の意図的な変速に対応して可変
速定周波発電する前記特許公報に記載された可変速発電
には使用できず、使用しない。

【００３２】実施例２．図４はこの発明による可変位相
発電装置の他の一実施例を示す構成図であり、前記図１
と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図４において、７a ，７b ，７c ，７d は励磁用電力変
換器７を構成する励磁用制御整流器，６１は変換器用変
圧器６の一次巻線，６２ａ，６２ｂは変換器用変圧器６
の二次巻線、Ｒは回転子である。

【００３３】本実施例において、励磁巻線４はＶ字形結
線された２つの励磁巻線４a ，４bからなり、それらの
磁軸偏角ψは３０〜７５゜にするのが望ましい。６０゜
であれば３相巻線の内の２相分でよい。重ね巻きや同心
巻きにし、全節・短節コイルを用いれば任意な磁軸偏角
にできる。

【００３４】図５は励磁巻線４a ，４b の導体分布を表
すフェーズベルトの一例を２極表示で示したものであ
る。このような、導体分布は通常の１軸励磁発電機と同
様に、導線の利用率が高いと云う特長がある。

【００３５】通常運転中は、両励磁巻線４a ，４b に均
等に励磁電流を流して合成起磁力により励磁する。事故
時および事故回復後のしばらくの期間はいずれか一方の
巻線のみを励磁する方向へ合成励磁軸を回転させ主とし
て約±ψ／２の範囲で磁軸の角度を変える。必要に応じ
て勿論、±ψ／２より広く変えてもよい。この時、しば
らく一方の励磁電流を増加させ他方の電流を減少させ
る。さらにこの時、電流が増加する巻線の温度上昇が問
題となるが、一時的事故時の対応なので、過渡的な巻線
の温度上昇は許される（絶縁寿命にあまり影響しない程
度内）。さらにまた、逆極性への励磁を利用すると、さ
らに広い角度変化も実現できる。これらの結果、一次巻
線３の内部起電力の位相を可変にできる訳である。しか
し、前記の通り磁軸の角度を余り広く変える必要はな
く、ダンパ８の過熱防止のために必要最小限度に角度変
化を抑えた方が良い。

【００３６】励磁電流を可逆にする理由は磁軸角度の変
化速度、即ち安定化のための応答速度を向上させる為で
ある。前記の通り、従来技術の説明における事故電流関
連問題の解決に対して、ダンパ８を設けた。この時、励
磁電流をゼロにしてもその軸の磁束が直ぐゼロにはなら
ない。即ち、ダンパ８に磁束を維持しようとする電流が
流れ、磁束は速やかに変化しない。

【００３７】そこで、この変化速度を高めるため逆極性
の電流を流し、磁束の減少速度を向上させる。ダンパ８
があるので、磁束変化が抑制されるが、この場合、磁束
の変化速度ｄΦ／ｄｔは略々ダンパ巻線電圧Ｖ_k に比例
し、かつダンパ巻線電圧Ｖ_kはダンパ電流ｉ_k とダンパ
抵抗Ｒ_k との積に略々等しい（Ｖ_k ≒ｉ_k Ｒ_k ｄΦ／
ｄｔ）。従って、負のｄΦ／ｄｔを得るにはＶ_k ≒ｉ_k
Ｒ_k を負にする必要がある。逆極性の電流を出力する励
磁用制御整流器７b ，７d はこの変化速度を高めるため
に用いる。必ずしも当該励磁軸による磁束の極性を逆転
させる為ではない。この点、交流励磁の従来例と大きく
異なる。

【００３８】以上の如くして、可変位相が実現されるの
で、位相回復角△δに基づき制御すれば、脱調防止，位
相動揺抑制など系統安定化に寄与するところ大なるもの
がある。

【００３９】実施例３．図６はこの発明による可変位相
発電装置の他の一実施例を示す構成図であり、前記図４
と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図６において、磁軸が約６０゜ずれた励磁巻線４a ，４
b が直列接続され、通常は励磁用制御整流器７c により
両励磁巻線４a ，４b に通電して励磁する。事故時に回
転速度が上昇して発電位相が進み過ぎると、これを元に
戻すべく遅らせる時、励磁巻線４a の励磁を弱め（場合
により電流の極性は逆転）、励磁巻線４b の励磁を励磁
用制御整流器７a により強める。以下同様に前記実施例
と同様の作用効果が得られる。

【００４０】この実施例３は、可変位相角が狭いが、１
０〜１５゜程度の位相角オ−バ−で脱調するケ−スの対
策として利用でき、通常運転中は通常の固定角励磁の発
電機と同様に対処できる特長がある。又、この場合の励
磁巻線のフエーズベルト配置も図５に示すようになり、
導線の利用率が高い特長がある。

【００４１】実施例４．図７はこの発明による可変位相
発電装置の他の一実施例を示す構成図であり、前記図
４、図６と同一部分には同一符号を付して重複説明を省
略する。図７において、励磁巻線４をＹ字形結線（実
線）または△字形結線（点線）した一例を示すもので、
この実施例４は、前記図４の実施例２と同様の作用効果
を奏し、可変位相角を広くできる効果がある。

【００４２】実施励５．図８はこの発明による可変位相
発電装置のさらに他の一実施励を示す構成図であり、図
８において、７a ，７b は回転子上に組み込まれた２軸
の励磁手段としての整流器、９a ，９b は同じく回転子
軸上に組み付けられ、整流器７a ，７bに接続された励
磁用発電機の電機子巻線、１０a ，１０b は励磁用発電
機の界磁巻線、１１a ，１１b は界磁巻線１０a ，１０
b を励磁する界磁制御手段である。

【００４３】本実施例５においては、励磁巻線４a ，４
b をＶ字形結線（実線）またはＹ字形結線（点線）と
し、励磁用発電機の電機子巻線９a ，９b に接続された
整流器７a ，７b により励磁する。従って、界磁巻線１
０a を強く励磁すれば励磁巻線４a が強く励磁され、界
磁巻線１０b を強く励磁すれば励磁巻線４b が強く励磁
され、可変位相が実現される。これらの構成により、ブ
ラシレス化による信頼性の向上を図ることができる。

【００４４】通常は、両者バランスさせて励磁し、事故
時や安定化のために位相を変える時、一方を強く励磁し
たり、差動的に励磁を変化させる。勿論、詳細には位相
回復演算手段１００または界磁制御手段１１a ，１１b
でベクトル演算すれば最適に制御できる。

【００４５】以上の各実施例では発電装置として説明し
たが、同期調相機，交流系統安定化装置，商用周波数で
駆動する同期機の乱調防止などにも活用できる。

【００４６】また、電力需要地域の発電機で別の遠地発
電所からの送電が停止するような事故およびその回復の
場合、健全側が負荷を担って位相が遅れるので、前記図
３とは逆に、発電位相を進める側へ変化させる事により
安定化に寄与する。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、ダンパを備え、かつ２軸の励磁電流を加減し、
電機子巻線への鎖交磁束ベクトルの角度を可変にするよ
うに構成したので、交流系統の安定化に効果があり、経
済的な可変位相の発電装置を提供でき、事故電流に対す
る耐性が高いという効果がある。

【００４８】請求項２から請求項４に記載の発明によれ
ば、２軸の励磁巻線の磁軸が非直交関係になるように配
置し、この励磁巻線をＹ字形結線またはＶ字形結線とす
る構成としたので、経済性の向上を図ることができると
いう効果がある。

【００４９】請求項５に記載の発明によれば、励磁手段
の出力電流を可逆極性にする構成としたので、位相を変
える時の応答速度を向上できるという効果がある。

【００５０】請求項６に記載の発明によれば、励磁巻
線，上記ダンパ導体および上記２軸の励磁手段と該励磁
手段に接続された電機子巻線を回転体上に配置して構成
したので、ブラシレス化でき、信頼性の向上を図ること
ができるという効果がある。

【００５１】請求項７に記載の発明によれば、演算で求
めた位相回復量に基づき励磁手段を制御するように構成
したので、位相動揺や脱調を防止する効果が更に向上す
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例による可変位相発電装置
を示す構成図である。

【図２】 回転子の巻線を示す回路図である。

【図３】 この発明の関連動作を説明する波形図であ
る。

【図４】 この発明の他の実施例による可変位相発電装
置を示す構成図である。

【図５】 励磁巻線の導体分布図である。

【図６】 この発明の他の実施例による可変位相発電装
置を示す構成図である。

【図７】 この発明の他の実施例による可変位相発電装
置を示す構成図である。

【図８】 この発明の他の実施例による可変位相発電装
置を示す構成図である。

【図９】 従来の可変速発電電動装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 交流系統、２ 巻線形交流機（発電機）、３ 一次
巻線（電機子巻線）、４ 二次巻線（励磁巻線）、７
励磁用電力変換器（励磁手段）、８ ダンパ（ダンパ導
体）、１００ 位相回復量演算手段。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流系統に接続される電機子巻線と少な
   くとも２軸の励磁巻線と上記励磁巻線が埋設された磁性
   躯体に埋設されたダンパ導体とを有する発電機と、上記
   少なくとも２軸の励磁巻線を可変励磁する少なくとも２
   軸の可変励磁手段とを備え、上記少なくとも２軸の励磁
   電流を加減する事により、上記電機子巻線への鎖交磁束
   ベクトルの角度を可変にする事を特徴とする可変位相発
   電装置。
2. 【請求項２】 交流系統に接続される電機子巻線と２軸
   の励磁巻線と上記励磁巻線が埋設された磁性躯体に埋設
   されたダンパ導体とを有する発電機と、上記２軸の励磁
   巻線を可変励磁する２軸の可変励磁手段とを備え、上記
   ２軸の励磁巻線の磁軸が非直交関係になるよう夫々の励
   磁巻線を配置してなり、上記２軸の励磁電流を加減する
   事により、上記電機子巻線への鎖交磁束ベクトルの角度
   を可変にする事を特徴とする可変位相発電装置。
3. 【請求項３】 上記励磁巻線はＹ字形結線とし、一端子
   を共通端子にして上記励磁手段により励磁する事を特徴
   とする請求項２に記載の可変位相発電装置。
4. 【請求項４】 上記励磁巻線はＶ字形結線とし、一端子
   を共通端子にして上記励磁手段により励磁する事を特徴
   とする請求項２に記載の可変位相発電装置。
5. 【請求項５】 上記励磁手段の出力電流を可逆極性にす
   る事を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項
   に記載の可変位相発電装置。
6. 【請求項６】 上記励磁巻線、上記ダンパ導体および上
   記２軸の励磁手段である２つの整流器を回転体上に配置
   すると共に、上記回転体上に配置され上記夫々の整流器
   に接続される電機子巻線と固定側の夫々の界磁巻線とか
   ら成る２組の励磁用発電機と、上記夫々の界磁巻線を励
   磁する夫々の界磁制御手段とを備えた事を特徴とする請
   求項１から請求項４のいずれか１項に記載の可変位相発
   電装置。
7. 【請求項７】 位相回復量演算手段を備え、この位相回
   復量演算手段で演算された位相回復量に基づき上記励磁
   手段を制御する事を特徴とする請求項１から請求項６の
   いずれか１項に記載の可変位相発電装置。