JPS6137867B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直流リアクトルを介して接続された
順変換器および逆変換器から成るサイリスタ変換
装置の出力によつて同期電動機を始動する方法に
関するものである。

最近の高電圧大容量サイリスタ変換器の進歩に
より、同期電動機を、サイリスク変換装置を用い
て停止状態から同期速度まで同期始動加速する始
動方法が実用化されつつある。この始動方法は一
般に揚水発電電動機、ガスタービン発電機、一般
産業用大容量同期機などに適用される。従来、こ
の種の始動方法は次のように行われている。

サイリスタ変換装置による同期電動機の従来の
始動方法を第１図により説明するのに先立ち、ま
ず第１図の構成そのものについて説明する。

第１図において、順変換器１および逆変換器２
は直率リアクトル３を介して接続されてサイリス
タ変換装置を構成し、しや断器４および電源変圧
器５を介して一定周波数の交流電力を受け、交流
リアクトル６およびしや断器７を介して被始動同
期電動機８に制御された周波数の交流電力を供給
する。同期電動機８には界磁巻線８Ｆが備えられ
ている。順変換器１は、速度設定器から発信され
る速度制御基準信号Ｖ_rにより速度制御回路１
１、電流制限回路１２、電流制御回路１３および
位相制御装置１４を介して制御される。電流制御
回路１３には、交流器１５を介して取出される電
源変圧器５の出力電流、すなわち順変換器１の交
流入力電流に比例する電流信号が負帰還され、順
変換器１の電流制御に関するマイナーループを構
成している。位相制御装置１４には、絶縁変圧器
１６を介して取出された電源電圧が電源側同期信
号として入力される。速度制御回路１１には速度
検出器１７によつて検出された同期電動機８の回
転速度を表わす速度信号が負帰還される。

逆変換器２は、同期電動機８の回転位置を検出
する回転位置検出器１８の検出信号を入力として
動作するパルス分配器１９によつて制御される。
しや断器９は、サイリスタ変換装置を交流電源と
同期電動機８との間で分路しうるように設けられ
た同期並入用しや断器である。

さて、第１図において同期電動機８の始動は次
のように行われる。

まず、停止状態にある同期電動機８の界磁巻線
８Ｆに界磁電流を流すとともに、しや断器４，７
を投入し、順変換器１および逆変換器２を運転し
てサイリスタ変換装置低周波出力を発生させる。
これで同期電動機８は回転しはじめる。このとき
同期電動機巻線に流れる電流は或る一定値、たと
えば変換器の最大定格電流値以上にならないよう
に、順変換器１側の電流制御マイナーループで定
電流制御される。同期電動機８の回転しはじめの
領域では、その逆起電力が小さいために逆変換器
２に十分に転流動作させることができない。した
がつて、逆変換器２の転流に際しては、直流リア
クトル３を流れる直流電流を一且零にして消弧相
をターンオフさせ、次いで新たな通電相を位置検
出器１８の検出信号に基づいて選択し、再び通電
する。このようにして或る程度、たとえば同期速
度の５〜10％程度にまで回転速度が上昇すると、
同期電動機８の逆起電力により逆変換器２が転流
可能になるので、断続給電運転から自然転流運転
に切換える。その後は、順変換器１は定電流制御
のみを行いながら同期電動機８を加速する。同期
電動機８が同期速度に近い所定速度に達すると、
速度制御と、図示していない揃速制御により順変
換器１を制御し、しや断器９の電源側の交流電源
との間で電圧、周波数、位相などを比較しながら
最適時点でしや断器９を投入し、しや断器４，７
をしや断して並入を完了する。

以上の始動時の様子を直流電源Ｉ_dと同期電動
機８の回転速度Ｎとを例にとつて第２図に示す。
第２図において、ａは直流電流Ｉ_dを、ｂは回転
速度Ｎを、それぞれ横軸に時間をとつて示したも
のである。期間T₁は断続給電運転の領域であ
り、期間T₂は自然転流運転の領域である。そし
て、従来の始動方法においては、全加速期間T₁
＋T₂を通じて、速度制御回路１１は最大電流を
流すような出力信号を出すので、電流基準は電流
制御回路１２で制限される変換装置の定格電流値
で定電流制御を行うことになる。

しかしながら、上述した従来方法には次のよう
な２つの欠点があつた。すなわち、(1) 始動時
は、同期電動機８の回転がゆるやかなために、
逆変換器２の１相の通電期間が長い（大容量機
で約２〜３秒）。これは、変換器を構成するサ
イリスタ素子にとつては直流電流を流したこと
に相当し、商用周波の三相ブリツジ運転に比較
して約2.5〜３倍の損失増大となる。したがつ
て、逆変換器２の電流容量はほぼ始動時の通電
期間により大きく決定されることになる。この
傾向は大容量機ほど顕著である。

(2) また、同期電動機２が低周波回転領域で事故
停止する場合に次のような重大な問題を発生す
る。すなわち、順変換器１は同期検出用絶縁変
圧器１６の検出信号により同期して位相制御さ
れるが、万一、主回路事故などにより主回路電
源電圧が低下した場合、あるいは絶縁変圧器１
６以降の制御回路の事故などにより順変換器１
の位相制御が不能になつた場合には、順変換器
１は瞬時にゲートブロツクしなくてはならな
い。このとき逆変換器２側は直流電流が零に減
衰するまで継続して交流側へエネルギーを回生
する方式が一般的である。しかしながら、低周
波回転の同期電動機は逆起電力が小さく、直流
電流を減衰させる効果は非常に小さい。したが
つて、このときは順変換器１のゲートブロツク
のみにより直流電流を零にし、その後でしや断
器４，７を開放しなければならない。直流電流
が零になる前にしや断器４，７を開放すると、
直流リアクトルに畜積されているエネルギーに
より過大なサージ電圧が発生し、変換装置のサ
イリスタ素子を破損するおそれがあるためであ
る。同期電動機８の回転速度がほとんど零のと
きに上述の事故が発生したとすると、逆変換器
２側の逆起電力はほとんど無視できるので、そ
のときの直流電圧と直流電流の変化を示すと第
３図のようになる。

第３図のａは順変換器１の入力交流電源（第
１図の電源変圧器５の２次側相電圧で図の上か
らＲ相、Ｓ相、Ｔ相とする）の電圧を示し、
Ｒ，Ｓ，ＴはそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相の相電
圧を示し、実線は転流の様子を示したもので転
流重なり角を無視した波形である。第３図のｂ
は順変換器１の直流電圧Edを示し、第３図の
ｃは直流電源Idを示している。時刻t₀以前は順
変換器１が正常に動作している状態を示し、時
刻t₀において順変換器１の位相制御が故障し例
えばＲ相に接続されている下側のサイリスタに
誤点弧パルスが加わつたものとすれば、直流電
圧Edは（Ｓ−Ｔ）の電圧から（Ｓ−Ｒ）の電
圧になる。更に時刻t₀で故障を検出し、時刻t₀
でゲートブロツクしたものとすれば（実際には
時刻t₀で故障検出と同時にゲートブロツクする
ことは不可能であるが、説明の都合上、時間遅
れを無視した）以後、Ｓ相に接続されている上
側のサイリスタと、Ｒ相に接続されている下側
のサイリスタが通電し続けるため直流電圧Ed
としては、（Ｓ−Ｒ）の線間電圧が現われる。

一方直流電流Idは、第３図ｃに示すように、
T₃の期間で増大し、T₄の期間では減少する。
時刻t₀以降の直流電流Idの変化は直流リアクト
ル３、及び電源変圧器５、交流リアクトル６な
どの主回路通電相の総リアクタンスを加算した
値をＬとしてId＝１／Ｌ∫（Ｓ−Ｒ）dt（ただし、 （Ｓ−Ｒ）はＳ相とＲ相との線間電圧）で表わさ
れる。リアクタンスＬの値は一般に直流リアクト
ル３のリアクタンスのみをとつても大差はない。
ここで、事故発生時に有効にゲートブロツク保護
を遂行できるためには、第３図ｃに示すように時
刻t₁以前に直流電流Id＝０になる必要がある。直
流電流Id＝０になる時刻は直流リアクトル３の時
定数Ｌ／Ｒ（ただしＲは同リアクトルの抵抗値）
及びゲートブロツクした時点t₀での直流電流の値
により影響を受ける。

しかるに、第１図の系統においては、同期電動
機８の始動中における逆変換器２の転流失敗時の
過電流を抑制するために一般的に直流リアクトル
３のリアクタンスは大きく選定されていること及
び始動時間を短くするため定格電流を流すため時
刻t₁以前にId＝０とすることは困難である。時刻
t₁以前に直流電流Id＝０にならない場合には直流
出力電圧Edは再び増大するため直流電流Idも再
び増加し始め直流電流Id＝０となるタイミングは
時刻t₁以後の直流電圧Edが負の値になつている
期間まで延びる。もし、この負の期間でも直流電
流Id＝０とならなければ次の負の期間まで更に延
びることになり、時刻t₀以降の直流電流Idはその
ピーク値が次第に低下して行く減衰交流電流とな
つて、直流電圧Edの負の期間で直流Id＝０とな
るタイミングで零となる。

直流電流Id＝０になる時刻は前述のように時刻
t₀における直流電流Idの大きさ及び直流リアクト
ル３の時定数Ｌ／Ｒによつて左右されるが、直流
リアクトル３のリアクタンスを小さくすれば逆変
換器２の転流失敗時の過電流が大きくなるため、
変換装置の過電流耐量を増加させなければならな
くなる。

したがつて本発明の目的は、上述の従来方法に
おける欠点を同時に解決し、変換装置の製造コス
トを大幅に低下させることのできるような、サイ
リスタ変換装置による同期電動機の始動方法を提
供することである。

この目的を達成するために本発明は、同期電動
機が所定の回転速度に達するまでの少なくとも断
続給電期間では順変換器のゲート信号をブロツク
した場合に１サイクル以内で電流遮断が可能とな
るように定格電流よりも低い定電流で始動運転
し、前記回転速度以上ではほぼ定格電流での定電
流制御に切換えて始動運転を完了させるようにし
たものである。

以下、図面を参照しながら本発明をより詳細に
説明する。

第４図は本発明の方法によつて始動する場合の
説明図であり、ａは直流電流Ｉ_dを、ｂは同期電
動機の回転速度を、それぞれ時間の関数として示
すものである。この図から明らかなように、本発
明によれば、回転速度Ｎが低く、同期電動機の逆
起電力の小さな断続給電期間T₁₁、およびそれに
続く自然転流の一定期間T₁₂は直流電流Ｉ_dを100
％より小さい値Ｉ_d1とし、一定の回転速度N₁に達
したところで直流電流Ｉ_dを100％に切換えて始動
を完了させる。

尚、断続給電期間T₁₁が終了した時点で十分自
然転流が可能な回転速度に達している場合は、断
続給電期間T₁₁終了時点から直流電流を100％に
切換えてもよい。

第５図は本発明の方法を実施するための装置構
成の一実施例を示すもので、同一ないし相当部分
は第１図と同一の符号で示されている。第５図と
第１図との相違は、前者の電流制限回路１２には
速度レベル検出器２０を介して検出される速度レ
ベルN₁が入力され、これによつて電流制限回路
１２によつて設定される電流制限値が第４図ａに
示すように切換えられるようにしていることにあ
る。他の部分の構成は第１図のものと同一であ
る。

したがつて本発明によれば、同期電動機８の低
周波（低速）領域における逆変換器２の損失が減
少する。しかみ直流電流Ｉ_dを始動運転時の損失
と商用周波運転（定格周波数）時の損失とがほぼ
等しくなる値にまで減少させれば、きわめて協調
のとれた素子選択ができる。たとえば、定格周波
数と約10％速度相当以上の周波数とで素子の損失
は実用上変わらないと考えてよく、したがつて実
用上は約10％の速度で直流電流Ｉ_d＝100％に切換
えてよい。

低周波領域での直流電流Ｉ_dを小さくすること
により、第３図のｂから分かるように、ゲートブ
ロツクにより直流電流Ｉ_dを１サイクル以内で零
にすることができる。したがつて、電流しや断に
よる過大サージの発生が防止され、変換装置の安
全な保護停止が達成できる。

なお、本発明によれば、始動当初の一定期間、
直流電流Ｉ_dを小さくすることにより同期電動機
の始動時間が多少長くなる。しかしながらその延
長時間は高々10％程度であり、実用上、充分許容
できる範囲である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法を説明するための同期電動機
始動回路の接続図、第２図ａおよびｂは従来方法
における特性説明図、第３図は第１図の回路にお
ける直流電圧の波形図、第４図ａおよびｂは本発
明方法における特性説明図、第５図は本発明方法
を実施する回路の一例を示す接続図である。 １……順変換器、２……逆変換器、３……直流
リアクトル、４，７……しや断器、８……同期電
動機、１１……速度制御回路、１２……電流制限
回路、１３……電流制御回路、１４……位相制御
装置、１５……変流器、１６……電源側同期信号
検出用絶縁変圧器、１７……速度検出器、１８…
…回転位置検出器、１９……パルス分配器、２０
……速度レベル検出器、Ｖ_r……速度制御基準信
号、Ｎ……速度信号、Ｉ_d……直流電流。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流リアクトルを介して接続された順変換器
   及び逆変換器から成るサイリスタ変換装置の出力
   によつて同期電動機を始動する方法において、前
   記同期電動機が所定の回転速度に達するまでの少
   なくとも断続給電期間では、前記順変換器のゲー
   ト信号をブロツクした際に１サイクル以内で電流
   遮断が可能な定格電流よりも低い定電流で始動運
   転し、しかる後定格電流での定電流制御に切換え
   て始動運転を完了させ且つ始動運転期間に前記サ
   イリスタ変換装置に故障が発生した際には前記順
   変換器をゲートブロツクすることを特徴とするサ
   イリスタ変換装置による同期電動機の始動方法。