JPS5918933B2 - 非同期連繋用回転電機方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は相互接続されたしかし接続されなければ互い
に独立な発電網間の電力伝送方式に係るもので、特に連
結された無刷子（ブラツシレス）の捲線型回転子機械を
利用したこのような発電網間の非同期結合に関するもの
である。

電力は高圧送電線によつて１つの電力系から他の電力系
へ長距離に亘つて輸送される。

大きな独立した電力系間の接続によつて広域に亘る利用
可能電力の効率のよい配分か可能になつた。安定度のた
めにこのような接続は発電電力の時間的に周波数的に同
期されており、従つて「同期結合」と呼ばれている。同
期送電系への同期における電力の流れは負荷周波数制御
を含む全系統の調整によつて決定され、これによつて供
給される負荷と接続発電系との間で余剰もしくは不足電
力が融通される。

これらの制御系は電力余裕の大きい系統では満足なもの
であることは判つているが、しかし電力負荷の経続的且
つ急速な増大は電力余裕を限度まで削減するに至つた。
更に、負荷周波数制御を有する同期結合系統は個々の系
統に外部擾乱に対していつまでも個々に影響を受けるの
に寄与するために本質的に不安定である。従つて、臨界
的余裕しか有せずに動作する同期結合系統は遠隔の負荷
擾乱か生じると不安定を惹起し、大きな電力事故を生ず
るであろうという危険性は増大しつ＼ある。独立した電
力系統間を接続するのに同期結合法に代るものが数年に
亘つて考究されてきた。

高圧直流送電方式はそれか本質的に非同期結合であり、
同期と同期との安定性上の問題を避けられるので若干興
味をもたれた。この方向のいくつかの提案がなされたか
、必要な高圧直流レベルの発生の実際上の困難さ、直流
を６０Ｈｚ交流電力用に設計された機器に利用できるよ
うに変換するための余分の費用のために、この方向の進
歩は遅々たるものであつた。現在の交流送配電系に適用
可能な非同期結合かアレクサンダ氏の米国特許第２，２
１３，９４５号として開示された。

このアレクサンダ氏の教える処によれば非同期電力の移
行は同期速度の上下に亘る速度範囲で回転する一次駆動
機によつて駆動される誘導発電機によつて達成されるも
のである。周知のように一次駆動機の軸速度か変ると滑
りの大きい動作状態となり、これに対応して回転子の損
失の増大を来たし従つて変換効率が低下する。清りを考
慮することなく高能率操作を可能にするように提案され
る複雑な制御回路は結果として比較的低力率を生じる。
この様な従来技術の方式における更に大きな欠点は回転
子捲線に接続するためのスリツプ・リングと刷子とを必
要とすることであつた。このような接続法は高速度で回
転し、大電流を流す大型機には全く不適当である。上述
の如き従来技術の欠点に鑑みて現存の電力系統および送
電線に適用可能で、過渡的負荷変動の状態でも両系統間
の電力の流れを制御でき、且つ両結合系統の動作安定度
を改良するような改良された系統間結合が探索されて来
た。この発明はこれらの要求を満たすために連結した２
つのブラシレスの捲線回転子誘導機を有効に用いるよう
に与えるものである。更に背景として従来技術にブラシ
レスの捲線回転子誘導機を連結したものを含む装置の組
合せかいくつかあることを断つておく。

例えばビ一・工ツチ・スミス（Ｂ−Ｈ−Ｓｍｉｔｈ）著
［２重饋電双固定子誘導機の同期運転」ＩＥＥＥＴｒａ
ｎｓａｃｔｉＯｎＯｌ．ＰＡＳ−８６，７ｆ６１０，０
ｃｔ１９６７．Ｐ．１２３７〜２１３６には１つの誘導
機か２つの独立した固定子捲線と２つの接続された回転
子捲線とを備え、２つの系から同期励磁され可変速度動
作を可能ならしめることか述べられている。更に可変速
度電動機駆動のための低周波交流の発生にサイクロコン
バータが使用されている。例えばビ一・アール・ぺり一
（Ｂ．Ｒ．Ｐｅｌｌｖ）著「サィリスタ位相制御コンバ
ータおよびサイクロコンバータ」ＮｅｗＹＯｒｋ，Ｗｙ
ｌｅｙ−Ｎｔｅｒ−Ｓｃｉｅｎｃｅ社１９７１年発行Ｐ
．ｌ８以後、に負う処も大きい。２つの独立した発電回
路網間の非同期電力移送は清り接触もしくは整流子を有
しない誘導機系によつて可能である。

２つの電力系は同一周波数、同一電圧レベルもしくはこ
れを非常に近い状態で動作するように制御されているも
のと仮定する。

こ＼に述べる非同期結合はこのような独立した発電回路
網の発電周波数における僅かの差を補償するためのもの
である。この発明によれば、２台のプラツシレスの捲線
回転子誘導機か機械的、電気的に結合される。

２つの誘導機の軸は機械的に接続されて一緒に回転し、
２つの誘導機の回転子捲線は逆相関係に電気的に接続さ
れる。

各誘導機の固定子捲線はそれぞれの発電回路網に送電線
を介して接続され、その発電回路網との間に電力の出し
入れが行なわれる。この縦続接続された２台の誘導機は
比較的小出力の可変速度駆動電動機に歯車で結合され、
この駆動電動機はそのトルクを正確に制御するために電
子的な制御系によつて励磁される。電子式制御系の出力
は誘導機内の電力の流れのレベルを調整し、２つの発電
回路網の発電周波数差には影響されない。縦続接続され
た誘導機を通る電力の流れＰは２つの固定子捲線の電圧
Ｖ１およびＶ２と２つの誘導機の綜合リアクタンスＸｍ
と系統リアクタンスＸｓと、それらの間の位相角αとか
ら決定され、である。

各固定子捲線は３相の発電回路網に接続されているので
、各誘導機の空隙には回転磁界が生成される。回転子の
回転角度を調整することによつて電気位相角αは所望の
大きさと方向の電力流を得るようにセツトされる。回転
子の回転角度と位相角αとは可変速度の駆動電動機によ
つて制御される。駆動電動機は発電の周波数差に無関係
に電力の流れを制御する固体サイクロコンバータを有す
る制御系によつて励磁される。発電周波数に差がなけれ
ば、縦続接続された回転子は所定の電力流の大きさおよ
び方向に対向する回転角度まで駆動される。発電の周波
数に差を生じた時は制御回路網によつて補償駆動信号が
作られ可変速度駆動電動機に対しこれに機械的に結合さ
れている誘導機回転子を発電周波数差に比例した角速度
で回転させる。縦続結合されている回転子の回転の角速
度および方向を制御することによつて回転子の磁界はそ
の定常静止時における状態よりも少し進めたり遅らせた
りすることができる。いま、回転子の回転角速度をωＲ
１固定子磁界の回転子に対する角速度をωｓとすると回
転子磁界の角速度ωはこれからｆ＝Ｆｓ±ＦＲとなる。

このように縦続結合された回転子は適当な方向に或る角
速度で回転し、或る周波数の第１の発電回路網からこの
周波数より高くても低くても異る周波数の第２の発電回
路網へ電力を供給することができる。

この発明はその実施例を示す図面について以下詳述する
ことｌこよつて一層理解できるであろう。

図はこの発明の一実施例を示す結線図で、同一もしくは
近接した周波数および電圧レベルで動作する互いに独立
の電力発電回路網１０および２０が３相捲線回転子の誘
導回転機１４，２４によつて結合され、１つの回路網か
ら他の回路網へ非同期的に電力を送ることができる。発
電回路網１０は相電圧，のレベルで角周波数ω１ラジア
７／秒で動作し、発電回路網２０は同様に相電圧２のレ
ベルで角周波数ω２ラジアン／秒で動作するようになつ
ている。誘導機１４，２４は積層固定子１５，２５及び
積層回転子１６，２６の上にそれぞれ普通の方法で相捲
線（図示せず）が施されている。誘導機１４の固定子お
よび回転子捲線Ｐ１対の極に捲かれ、一方誘導機２４は
Ｐ２対の極に捲かれている。この発明ではＰ１とＰ２と
は等しいことが望ましい。誘導機１４の固定子相捲線は
相導体１１，１２および１３に電気的に接続され、電力
は発電回路網１０から取出されもしくは発電回路網１０
へ供給される。同様に誘導機２４の固定子相捲線は相導
体２１，２２および２３に電気的に接続され発電回路網
２０との間に電力の受授をする。誘導機１４，２４の回
転子１６，２６は同時に回転するように、軸１８に機械
的に結合されている。

回転仔相捲線は図示のように閉路を形成するように逆の
相順序に接続される。２つの誘導機において、相順序は
逆であり、軸の小さな角度変化は一方に位相の進み移相
を他方に位相の遅れ移相を惹起し、１つの機械を用いた
時に生ずる電気位相角の変化の２倍の変化が得られる。

従つて、２台の誘導機は（Ｐ１＋Ｐ２）対極の有する１
台の誘導機として動作する。逆相接続のために比較的小
形の低速度の駆動電動機で系統の制御ができる。縦続接
続された誘導機１４，２４は軸３５と歯車３０とを介し
て低出力の可変速度の駆動電動機４０に結合され、連結
された回転子１６，２６の回転角度および速度は正確に
制御される。歯車変換比Ｋ：１は所定の動作速度および
トルクを得るのに必要な駆動機の物理的寸法を更に減少
するように選ばれる。２つの系統間の周波数差が過渡条
件の下においても小さいとの仮定の下では回転子位置の
制御に要する電力は小さい。

このように少くとも結合された誘導機の電気的トルクに
見合う力と系統の相対的変動に追随するように充分な速
さで軸の回転位置を変化させるためにその慣性を加速す
るに充分な力とを有するならば比較的出力の小さい可変
速度電動機を用いることかできる。同一周波数近傍で動
作させることを意図した系統では、例えば６０Ｈｚ系統
では発電周波数の差は通常２％を超えないであろう。従
つて可変速度駆動装置は２％の速度範囲に対応する容量
を持つだけでよい。このような駆動は電機子電流の電子
的制御を有する直流機で可能である。併し、好ましい形
の可変速度駆動電動機４０は、振幅及び周波数が制御可
能な、しかも駆動回転方向を反転するために零周波数近
傍で円滑に変化できるような低周波電流を供給可能なサ
イクロコンバータ５０によつて励磁される誘導機である
。サイクロコンバータ５０の出力は駆動電動機４０の固
定子４１の相捲線に電気的に接続される。

サイクロコンバータ５０は１つの周波数の交流電力をよ
り低い周波数の交流電力に変換する装置として一般に知
られている。種々の素子を用いて構成できるけれど、特
に興昧深いのは主要機能素子としてサイリスタのような
固体素子を用いたものである。サイクロコンバータは附
属電源（図示せず）から３相電力を受け交流入力の各相
を相間の１２０らを保持しつ＼変形する手段をもつてい
る。その動作は３組の電圧調整サイリスタ双コンバータ
を各相にそれぞれ１組づつ設けたのと同等である。各双
コンバータは基準として周波数検知器７０および振幅制
御器６０によつて作られる低周波電圧を受け取る。基準
周波数および電圧が徐々に変化すると、サイクロコンバ
ータの出力周波数に変化を生じ、従つて駆動電動機固定
子４１の相捲線に駆動信号か印加され、それに伴なつて
、トルク、回転子位置および速度に変化を生じ回転子磁
界の速度が変化するようになる。この発明の望ましい実
施態様ではサイクロコンバータ５０に対して振輻制御器
６０と周波数検知器７０とをそれぞれ独立に設けている
。振幅制御器６０および周波数検知器７０は周知の技術
によつて構成できる。周波数検知器７０は発電回路網の
発電周波数ω，と発電回路網２０の周波数ω２とに関係
する信号を出す。これらの周波数信号はそれぞれ相導体
１３および２３に結合された変圧器７１および７２によ
つて得られる。周波数検知器７０は発電周波数の差ω，
一ω１を検出し、その差に比例した信号を出すものであ
る。この系を通る電力流は位相角によつて制御され、位
相角の変化は誘導機の慣性によつて抑制されているので
、トルクは正確に制御して位相角修正や電力に継続的な
振動を生じたり、大きなオーバースイングを生じたり、
しないようにせねばならない。従つて、発電周波数の差
の変化の時間率は周波数検知器７０で検知され、７５を
通して制御器６０へ速度及び加速度帰還を提供し、もつ
て、各系統における急激な加速を補償する。振幅ＴＯＩ
脚器６０は多相電力検出装置で、入力信号６５，６６，
６７および７５によつて決定される所定値に電力流を制
御するように駆動トルクを調整する。

信号６５は独立した制御器（図示せず）からのバイアス
信号で定常電力流のレベルと方向を示す。定常電力流は
このバイアス信号６５を調整して、駆動電動機４０のト
ルク出力を変化させることによつて制御される。駆動ト
ルクの変化は軸１８の回転角度に変化を生じ、それに伴
つて電気角α、従つて電力流を変化させる。誘導機１４
の固定子１５に関する電圧と電流とに比例する基準信号
６６および６７も振幅制御器６０の入カへ供給される。
これらの基準信号は例えば、誘導機１４を発電回路網１
０と結ぶ導体に結合された変圧器６１，７１によつて得
られる。（尚基準信号６６と６７を設ける意味は自動制
御にはフイードバツクが必要である。この制御系に比べ
て電力系統力吠きく、この機械の作用でω１−ω２の変
動は殆どないと考えられ固定子１５への入出力は焼損す
るまで制御することになる。これを防止するには信号６
６により制限するようにする。又信号６７は電圧Ｖ１の
信号を伝えるものである。）以上論じたように、信号７
５は発電周波数の差の変化の時間率に比例し、負荷もし
くは接続された発電量の急変に対応する割合で結合誘導
機系を加速するのに用いられる。振幅制御器６０の出力
信号６９は直接サイクロコンバータ５０に接続され、そ
の定常状態、過渡および基準の各入力信号の所定関数で
ある制御信号を与える。両発電回路網１０および２０か
同一周波数、例えば６０Ｈｚで動作している場合は軸１
８は停止しており、電力流は第１の誘導機における固定
子から回転子へ変圧器作用即ち磁気誘導によつて流れ、
その第１の誘導機の回転子から第２の誘導機の回転子へ
電気伝導により、次に第２の誘導機の回転子からその固
定子へ磁気誘導によつて流れる。

電力流の方向と大きさは２つの系統間の位相角に依存し
、軸１８の回転角度をかえ電気角αをかえることによつ
て制御される。固定子１５の相捲線の例えば所定周波数
の多相電力による励磁は、周波数と極対数との比である
速度で回転する回転磁界を生ずる。

従つて、６０Ｈｚで励磁される４極対の捲線においては
、固定子磁界は毎秒１５回の割合で回転する。回転子１
６が静止状態に保たれている場合には、固定子回転磁界
は静止している回転子１６の相捲線に同一周波数即ち６
０Ｈｚの対応電流を誘起する。併し、回転子１６が静止
状態になく、回転させられている場合は、固定子回転磁
界の回転子１６に対する相対速度は軸１８の回転の速度
と方向とによつて変化する。例えば回転子１６が固定子
回転磁界の回転方向と反対方向に回転するならば誘起電
流の周波数は固定子励磁周波数（６０Ｈｚ）に回転速度
に極対数を乗じた量に等しい量だけ増加したものになる
。逆に回転子１６が固定子回転磁界と同一方向に回転し
ている場合は誘起電流の周波数は上記の場合と同量だけ
減少したものになる。この解析は誘導機２４の電力流に
ついても同様に適用される。電力需要及び動作周波数に
動揺を生じる結合発電量の変化もしくは負荷擾乱の間、
これらの動揺を補償する電力を供給する必要を生じる。

調製された６０Ｈｚ系では発電周波数の動揺は通常１０
分の数サイクル以下である。上に述べたように、この発
明においては、軸１８を２つの発電回路網１０および２
０の発電周波数の差に比例する速度で回転させることに
よつて補償が行なわれる。軸１８へのトルクはそれぞれ
所望の方向に電力流を生じるに適等な方向に供給される
。発電回路網１０を固定子１５の相捲線に接続し、他の
電力系に対して周波数及び位相角を変換させるに適した
ように回転させることによつて２つの発牢回路網を非同
期電力変換によつて結合できる。

しかる後に発電回路網２０は固定子２５の相捲線に接続
されるが位相角の差もなく電力の流れも生じない。多少
の電圧差はリアクテイブに巡環するが縦続結合された誘
導機か非常に大きなリアクタンスを有しているのでその
効果は無視できる。電力の流れは駆動電動機のトルクを
変えることによつて、軸１８の回転角度を変え電気角α
を変えることによつて制御される。図面には簡単化のた
めに、実際には用いられるべき多くの部品を省略した。

例えば発電回路網と誘導機の固定子との相接続点間の接
続における回路遮断器の如きは省略されている。誘導機
系はこ＼では別個の機械を機械的に結合した形で示した
けれど１個の外函に収容され共通の軸に両回転子が取付
けられた２つの機械で構成することができることも自明
である。

両固定子捲線、両回転子捲線もしくはその双方をそれぞ
れ共通の固定子磁心、回転子磁心に設けても捲線間の干
渉は避けて構成することができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す系統図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の発電回路網に電気的に接続され上記第１の発
   電回路網と電力の受授が行なわれ得る捲線を有する環状
   の固定子の内側に回転可能に支承された軸上に配設され
   た回転子捲線が設けられ上記回転子および固定子の捲線
   は所定の極数になるように捲回され且つ上記回転子捲線
   は上記固定子捲線と相互インダクタンスによつて磁気的
   に結合される第１の回転電機、第２の発電回路網に電気
   的に接続され上記第２の発電回路網と電力の受授が行な
   われ得る捲線を有する環状の固定子の内側に回転可能に
   支承された軸上に配設された回転子捲線が設けられ上記
   回転子および固定子の捲線は所定の極数になるように捲
   回され且つ上記回転子捲線は上記固定子捲線と相互イン
   ダクタンスによつて磁気的に結合される第２の回転電機
   を備え、上記第１の回転電機の軸は上記第２の回転電機
   の軸と同一回転をするように機械的に結合され、上記第
   １の回転電機の回転子捲線は上記第２の回転電機の回転
   子捲線と閉電路を構成するように電気的に結合され又第
   １の回転電機の回転子捲線は第２の回転電機の回転子捲
   線と逆相順序に電気的に接続されるとともに電子的な制
   御系によつて励磁されその出力で電力の流れのレベルを
   調整するように上記機械的結合軸の回転の速度を制御す
   る手段を備え上記第１の発電回路網から上記第２の発電
   回路網へ電力を送るようにした非同期連繋用回転電機方
   式。 ２ 機械的結合軸の回転角度および速度を制御する手段
   は電動機環状固定子の内側に回転可能に支承され上記結
   合された回転電機軸と同一回転をするように機械的に結
   合された軸と上記電動機環状固定子に設けられ電気的制
   御励磁を受けるように構成されたモータ固定子捲線とを
   有する可変速度駆動電動機並びに上記電動機固定子捲線
   に制御励磁を供給する手段よりなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の非同期連繋用回転電機方式。