JPS603680Y2 - 交流発電機用励磁装置の保護回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は例えば発電機用励磁装置の保護回路に係り、特
に発電機出力母線より電圧成分及び電流成分を取り出し
これ等各成分の合成出力を整流回路を介して界磁巻線に
与える様にした自励複巻式交流発電機用励磁装置で、負
荷である誘導電動機の起動時に界磁に誘起する異常電圧
より、励磁装置を形成するダイオード或いはサイリスク
等の被保護素子を保護する励磁装置用保護回路に関する
。

一般に自励複巻式交流発電機の励磁制御係、特に発電機
出力母線の任意の一相或いは二相より電圧成分と電流成
分とを取り出しこれ等各成分の合成出力を界磁巻線に与
える様にした励磁装置は第１図に示す如く構成される。

即ち同図でＡＧは発電機の電機子を、Ｆは界磁巻線を夫
々示し、ＰＴＣは電流成分を取り出す検出用変流器、Ｌ
ａは電圧成分を取り出す検出用リアクトル、Ｄ１〜Ｄ４
は夫々ダイオードでこれ等ダイオードで整流回路は形成
されこの回路は上記電圧成分と電流成分との合成出力を
整流する。

Ｓｌは界磁巻線Ｆに並列に設けられる分流用サイリスタ
で、このサイリスタＳ１を次記する自動電圧調整装置の
指令に基づき適宜０Ｎ−ＯＦＦ制御しサイリスタＳ□の
通流期間を適宜制御する事により、界磁に供給される励
磁電流の分流分は調整せられ発電機出力は適宜制御され
る。

ＡＶＲは自動電圧調整装置でこの装置は、例えば発電機
出力の検出値と基準値とを比較しこの偏差量に基づき分
流用サイリスタＳ１を適宜０Ｎ−ＯＦＦ制御し且つサイ
リスタＳ１の通流期間を適宜制御して励磁電流の分流分
を調整する。

ＵＶＷ及びＯは夫々発電機の出力端子及び中性点を夫々
示す。

この様に構成される発電機の励磁制御系での動作モード
としては、例えば界磁巻線Ｆに流れる界磁電流に比し整
流回路に流入する入力量〔変流器ＰＣＴ及びリアクトル
しより夫々取り出される電流成分と電圧成分との合成入
力量を示す。

〕が大である場合の単流モードと、これは反対に界磁電
流に比し整流回路の入力量が小である場合の電流モード
とがあり、これ等単流モードと電流モードとの各モード
を反復継続し乍ら発電機は運転される。

この様な単流モード或いは電流モードの各モード期間に
於ける励磁装置の各動作に関して述べるに、単流モード
に於てはＰＣＴ及びｈより夫々取り出される電流成分と
電圧成分との合成入力量が、Ｄ２→Ｆ−＋Ｄ３或いはＤ
１→ｌ’；’、Ｄ、の各経路を介して流れ界磁巻線Ｆに
励磁電流が供給される期間であって、この期間に於ては
界磁巻線ＦにはＰＣＴ二次電流とｈのりアクタンスに応
じた値の電圧が誘起される。

一方、単流モードに於ては分流用サイリスタＳ□がＯＮ
−して界磁に与える励磁電流を分流する期間と、サイリ
スタＳ１がＯＦＦ Ｌ。

て界磁巻線Ｆに蓄積せるエネルギーが整流回路を介して
放出する期間とがあり、この単流モードでの界磁電圧は
分流用サイリスタＳ１或いは整流回路のダイオードＤ１
〜Ｄ、の順電圧降下分に相当する電圧となり略零電圧で
ある。

この様な各動作モードを順次繰り返し乍ら運転する発電
機で特に問題となるのは、例えば発電機負荷として誘導
電動機を想定した場合に発電機容量に比し大容量の誘導
電動機をＹ−Δ起動した場合に生ずる。

即ち電動機の起動時ＹよりΔに切換る場合に起動器に於
てはこの切換過程で中性点にュートラル）に一旦切換え
て、しかる後にΔ側に切換えてΔ運転を行なうものであ
るからしてこの中性点にュートラル）の時点では電動機
が主機である発電機より電気的に切り離された状態とな
り、この状態に於ては電動機が誘導発電機となってこの
誘導発電機をΔ側に切換える場合に、誘導発電機と主機
である交流発電機とは位相差があり、しかも起電力の差
もあるのでこの状態は丁度２個の電源が直列に接続され
たのと等価となり、これによって単に誘導電動機をΔ起
動する時よりも電流が大となる。

この様な負荷投入時に於て主機である交流発電機が単流
モードにある場合を想定すると、誘導発電機のΔ起動に
より出力母線に流出する電流が増大しＰＣＴの二次側よ
り取り出される電流もこれに応じて増大する。

即ち界磁巻線Ｆに誘起せる電圧は主機である交流発電機
の出力電圧の瞬時値と、リアクトルｈに流れる電流によ
たて生ずるりアクトルレの逆起電力とに規制されるもの
であるから、ＰＣＴ二次電流が過大となるためにリアク
トルＬａに流れる急激な電流上昇により界磁巻線Ｆに誘
起する電圧は異常に上昇する。

この様な界磁に誘起する異常電圧は励磁装置を構成する
分流用サイリスタＳ□或いは整流回路の各ダイオードＤ
□〜Ｄ、に対しては非常に脅威となり、この様な過電圧
に対する保護協調が充分に行なわれないと各素子の破壊
にもなりかねない。

従来この様な過電圧保護に対しては例えばＣＲサージア
ブソーバ或いはセレン整流素子を適宜組み合せて、この
直列接続せる保護回路を界磁巻線Ｆに並列接続せしめて
界磁に誘起する過電圧を吸収するようにしている。

この様な従来方法にては例えば急峻なパルス状の過電圧
はコンデンサにて一旦トラップし、しかる後にサージエ
ネルギーをセレン整流素子で吸収する様にしている。

セレン整流素子の特性は第２図の電流−電圧特性図のイ
に示す如く常時の電圧に於ける漏洩電流が大きく保護協
調がとりにくい難点がある。

この点に関して更に詳述すれば一般的に過電圧保護素子
として性能面を左右するのに制限電圧特性図がある。

この制限電圧特性図は第３図に示す如く横軸に電圧をと
って夫々対数目盛で目盛ったものであるが、セレン整流
素子の場合には第３図ａに示す様に制限電圧比が極端に
高い。

この様なセレン整流素子を第１図に示す如き励磁装置の
過電圧保護用に適用した場合、例えば単流モードでの異
常時に於ける故障電流を仮にＩＯＡと想定した場合に、
この故障電流１０Ａで動作し得る電圧は第３図の特性図
より理解される様に電圧は略１２００Ｖとなる。

即ちセレン整流素子に於てはこの素子に印加される過電
圧値が略１２００Ｖ近傍に達した時点で導通し、この導
通によって励磁装置の分流用サイリスタＳ□或いはダイ
オードＤ□〜Ｄ２等が過電圧より保護される事となる。

従って故障電流をＩＯＡと想定した場合セレン整流素子
の制限電圧値が１２００Ｖであるので、これより被保護
素子であるサイリスタＳ１或いはダイオードＤ１〜Ｄ、
及び保護素子であるセレン整流素子等の耐圧値は全てｌ
２００Ｖに充分に耐え得る値、例えば市販されてるオ
ーダーで述べると１６００Ｖ耐圧のものを使用しなけれ
ばならない。

この様な高耐圧のものは周知の如く極めて高価であり装
置自体のコストアップの一大要因ともなり絶対に回避せ
ねばならない。

更に従来装置で重要な事はＣＲ素子或いはセレン整流素
子が保護し得る過電圧値或いはサージエネルギーが増大
すればする程素子自体の単位面積の増大、或いは素子の
枚数増加を図らねばならず結果的には装置自体の大型化
えと波及する。

この様に従来手法に於ては保護素子自体の要因に基づき
被保護素子の高耐圧化を図らねばならず、更に故障電流
が大となるとサイリスク或いはダイオード等の被保護素
子の入手が困難になる事である（耐圧の問題で）。

従って従来では主機である交流発電機の容量に比し負荷
である誘導電動機の容量は被保護素子の耐圧上の観点よ
り自づと制限されるというきらいがある。

本考案はこの点に鑑みて考案されたものであって、例え
ば負荷である誘導電動機の起動時に界磁に誘起する異常
電圧は、負荷電流の急上昇により検出用リアクトルに誘
起する逆起電力と主機である発電機出力電圧の瞬時値と
に規制されるものであるから、検出用リアクトルに誘起
する逆起電力を何らかの手段にて制限すれば界磁に発生
する異常電圧は低減できるという理論に基づいて、例え
ば検出用リアクトルに並列に酸化亜鉛を主成分にした電
圧依存性非直線抵抗素子或いはこの非直線性抵抗素子の
特性に近似したアバランシェダイオードを挿入する事に
より、界磁に発生する過電圧より励磁装置の被保護素子
を保護する様にしたものであって、装置自体の小型化、
低価格化が可能となり、しかも発電機容量に比し運転可
能な負荷容量の適合範囲が拡大できる発電機用励磁装置
の保護回路を提供する事にある。

先づ本考案による実施例に関して説明するに際して、本
考案に適用した例えば酸化亜鉛を主成分とした電圧依存
性非直線抵抗素子に関して説明する。

この電圧依存性非直線抵抗素子は根子電器が開発したも
のであって同社では商品名”ＺＮＲヨ素子として製造発
売している。

このＺＮＲ素子の特性に関して述べるに電圧−電流特性
に於ては第２図の（ロ）に示す如く常時に於ては漏洩電
流が極めて少なく、この点より過電圧保護用の素子とし
て保護協調が極めてとり易い。

更に制限電圧−電流特性に於ては第３図のｂに示す如く
制限電圧比が小さく、この点より事故電流が大きい場合
、保護素子が動作し得る制限電圧値が従来の保護素子に
比し小さな値にとれ、励磁装置のダイオード或いはサイ
リスク等の被保護素子は耐圧値の低いものが適用可能と
なる。

この様に各特性面で優れたＺＮＲ素子を適用した本考案
による一実施例を示したものが第４図であって、同図で
第１図と同一のものは同一符号を附してありこの説明は
省略する。

本考案に於てはＺＮＲ素子の回路えの適用に当り以下に
示す事項に基づき威されたものである。

先ず第１に界磁巻線Ｆに発生する過電圧は主機である発
電機出力電圧の瞬時値と、検出用リアクトルＬａに流れ
る負荷電流の急上昇に伴ないリアクトルｈに誘起する逆
起電力とに規制されるものであるから、この逆起電力を
何らかの手段で制限すれば界磁に誘起せる過電圧はある
所定値に抑制せられるいう実験理論に基づき、検出用リ
アクトルＬａに並列にＺＮＲ素子を挿入する様にしたも
のである。

第２に界磁巻線Ｆ側にＺＮＲ素子を挿入した場合、界磁
には高圧が誘起するのでそれだけ制限電圧値の高いＺＮ
Ｒ素子を適用せねばならず回路構成上不利でり、これに
対してリアクトルｈ側に挿入した場合Ｌａにかかる電圧
は、界磁電圧から、相電圧を差し引いた値であるので、
界磁電圧よりも低い値となる。

この様な理由に基づき威されたものが第４図に示すＺＮ
Ｒ素子（ＮＲ）で、この保護素子（ＮＲ）には定常運転
時第５図Ｂに示す如く発電機出力電圧（Ｖ相電圧）のピ
ーク値に相当する電圧が印加され、この■相電圧のピー
ク値では保護素子（ＮＲ）が導通しない様に保護素子（
ＮＲ）の制限電圧が決定されてる事は申す迄もない。

第５図は定常運転時に於ける界磁電圧及び検出用リアク
トルｈの端子電圧波形を示したものであって、単流モー
ド期間に於ては界磁電圧は第５図Ａの実線部分で波高値
の大きい期間を示す如く、発電機出力に相応した電圧値
となるがこれに対して単流モード期間に於ては、分流制
御用サイリスタＳ１或いはダイオード或工〜Ｄ４の順電
圧降下分に相当する電圧値（略零■）に維持される。

−力検出用リアクドルｈの端子電圧は単流モード期間に
於ては第５図Ｂに示す如く、発電機出力（■相電圧）に
相当した値となり単流モード期間に於ては界磁巻線Ｆに
誘起する電圧に相応した電圧分だけ■相電圧より低下す
る。

なお第５図Ａ。Ｂに於ける電圧波形は定常運転時のみを
示し誘導電動機の△起動時に於ける異常電圧は省略しで
ある。

上述せる如く本考案に於ては、界磁巻線に誘起する異常
電圧（過電圧）は急激な電流上昇により検出用リアクト
ルに誘起する逆起電力が要因を威すという解析理論に基
づき、検出用リアクトルに並列に例えば酸化亜鉛を主成
分とする電圧依存性非直線抵抗素子或いはアバランシェ
ダイオードを挿入して上記逆起電力を制限し、これによ
り界磁に生ずる過電圧を抑制する様にしたものであるが
、従来方法にはみられない新規な手段を採用する事によ
り以下に示す如き利点を生ずるものである。

■ 電圧−電流特性等の各特性面で優れている保護素子
を適用する事により、過電圧保護協調がとり易く、装置
自体の信頼性が向上する。

■ 制限電圧値の低い保護素子を適用する事により、励
磁装置自体のサイリスタ或いはダイオード等の被保護素
子が耐圧の低いものが使用可能となり装置自体の小型化
、低価格化等が実現できる。

■ 耐圧値の低い被保護素子が適用可能となる事により
、従来では被保護素子の耐圧上の問題より主機である発
電機容量に比し大容量の負荷運転には自づと制限があっ
たが、これが−挙に解決されある程度の大容量の負荷運
転も支障なく行ない得、適用可能な負荷容量の拡大化が
実現できる。

■ 従来装置に比し装置自体の小型化が実現可能となる
。

なお上述せる各実施例に於ては保護素子として” ＺＮ
Ｒ素子″のみに言及したが何もこれのみに限定される事
なく、例えば゛”ＺＮＲ素子“に略近似した特性を持つ
アバランシェダイオードの適用も可能であって、このア
バランシェダイオードの挿入法は゛’ＺＮＲ素子″と同
様に単に検出用リアクトルに並列に挿入するのみで所期
の目的は遠戚される。

更に本案に於ては単相用の励磁装置（−相又は二相より
電流成分と電圧成分とを取り出すもの）に適用した例を
述べたが、これは三相の励磁装置（三相より電流成分と
電圧成分とを取り出すもの）に適用できる事は申す迄も
なく、この三相用励磁装置として例えば分流制御用のサ
イリスタを省略して励磁制御を行わず、単に界磁のみを
行う小容量発電機の励磁装置に対しても適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は単相用の励磁制御系を示す代表的な回路図、第
２図はセレン整流素子と酸化亜鉛を主成分とした電圧依
存性非直線抵抗素子との対比を示す電圧−電流特性図、
第３図はセレン整流素子と電圧依存性非直線抵抗素子と
の対比を示す制限電圧−電流特性図、第４図は本考案に
よる一実施例を示す回路図、第５図は定常運転時に於け
る界磁電圧及び検出用リアクトルの端子電圧波形を示す
オツシログラム図。 ＡＧは電機子、Ｆは界磁巻線、ＰＣＴは検出用変流器、
Ｌａは検出用リアクトル、ＡＶＲは自動電圧調整装置、
Ｓｌは分流制御用サイリスク、Ｄ工〜Ｄ４はダイオード
、ＮＲは電圧依存性非直線抵抗素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 発電機出力母線より電流成分と電圧成分とを取り出し、
   これ等各成分の合成出力を整流回路を介して界磁巻線に
   与える様にした交流発電機用励磁装置で、該装置の一形
   成を威すサイリスク或いはダイオード等の被保護素子を
   上記界磁巻線に誘起する過電圧より保護する様にした交
   流発電機用励磁装置の保護回路に於て、酸化亜鉛を主成
   分にした電圧依存性非直線抵抗素子或いはアバランシェ
   ダイオードの保護素子を、上記電圧成分を取り出す検出
   用リアクトルに並列に挿入した事を特徴とする交流発電
   機用励磁装置の保護回路。