JPS6318998A - 巻線型誘導発電機の電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、巻線型誘導機の二次電流ベクトルを制御して
二次励磁制御を行なう巻線型誘導発電機の電圧制御装置
に関する。

（従来の技術） 風力発電では、風速の変化に対して風のエネルギーを最
大限に電気エネルギーに変換づるために、風速に応じた
可変速運転を（ｊなう。また、水力発電では、落差の変
化や負荷の変化に対して水虫の効率が最高になる回転速
度で運転することにより、高効率運転を行ｔ【うことが
”Ｃきる。その他、船舶の推進機の軸に発電機を直結し
て発電する場合など、可変速発電の必要性は高い。この
ような可変速発電の方式の一つに、巻線型誘導機の二次
電流を周波数変換器で制御して一次側の周波数を回転速
度の変化にかかわらず一定に制御する、いわゆる二次励
磁方式があり、変換器容量を小さくできる特長があるた
め特に大容量の発電プラントに適している。

この種の巻線型誘導機の二次励磁方式による電圧制御装
Ｖｔとして、第１２図に承り構成のらのが提案されＣい
る（西独Ｂｕｎｄｅｓｍｉｎｉｓｔｃｒｉｕｍ　ｆｕｃ
ｒＦｏｒｓｃｈｕｎｇ　ｕｎｄ　丁ｅｃｈｎｏｌｏｇｉ
ｃの研究論文集ＢＨＦＴ−ＦＢ−Ｔ８４−１５４（１）
の第９６頁、図３．２．１１参照）。図に３３いて、巻
線型誘導機（［Ｍ）１の一次巻線は系統４に接続されて
いる。二次巻線にはサイクロコンバータからなる周波数
変換器２が接続され、二次電流制御を１うなっている。

すなわち、周波数変換器２には二次電流の三相指令値’
　ｒｌｓ　’’　ｒ２ｓ　、’　ｒ３ｓが与えられ、二
次電流の検出値’　ｒｄと比較され、検出値が指令値に
常に一致するように制御が行なわれる。また、−次電流
は、−次電圧Ｕｓ１と同相の電流成分Ｉｓｑと９０°遅
れた電流成分Ｉｓｄに分解して検出され、−次電圧Ｕ。

の人きさＩＩＪＳ　ｌとの積により一次側の有効電力Ｐ
ｓｄ及び−次側の無効電力Ｑｓｄが検出される。−方、
有効電力の指令ｍｌ”）、及び無効電力の指令値ＱＳＳ
が与えられ、各々検出ｒｌｌ’ｌＰＳ、及びＱｓｄと比
較され、その偏差が零になるように各自効電力調節ＢＰ
Ｒ及び無効電力調節器ＱＲ並びに周波数変換器２を介し
て、二次電流ベクトルが制御される。

このように従来の方式は、有効電力と無効電力の指令値
に従って巻線型誘導機の二次電流ベクトルを制御する方
式となつ〔いた。したかつ−Ｃ巻線型誘導機の一次側は
見かけ上型流源となり、−次電圧は系統電圧の変化に追
従することになる。そのため、系統に事故があって系統
電圧が乱れた場合、系統電圧を一定に維持する能力に欠
けＣいた。

特に−線地絡事故等で一線が遮断されオーブンしたよう
な場合、制御系の構成上、−次電圧が大きく歪み、周波
数変換器を構成ザる勺イクｃＪ］ンバータが転流失敗を
起こしたり、過大電圧が発生したすする不具合があった
。したがって、従来の方式では、発電した電力を単に系
統に注入するだけの、系統に従属したごく小容量の発電
ブレンドに用途が限定され、系統の電圧を維持する負務
のある大￥１樋の発電プラントには適用不可能であった
。

（発明が解決しようとする問題点） したがって本発明の目的は、−次側が見かけ上電圧源と
なるように機能させるとともに、−次電圧の歪を低減さ
ｔ！′得る巻線型話導発′、ｉｆ機の電圧制御装置を提
供することにある。

（発明の構成） （問題点を解決するための手段と作用）本発明の電圧制
御装置は、−次鎖交隅束ベクトル基準値に対応σる励磁
電流基環−ベクトルと一次電流ベクトルを、−次電圧角
周波数と回転角周波数により同一の６１標系に変換した
俊、差ベクトルを求め、この差ベクトルに基づい（一次
鎖交磁束ベクトルが一次鎖交磁朱ベクトル基準値に一致
するように二次電流ベクトルを制御り°ることにより、
巻線型誘導機の一次側が見か【）上電圧源どなるように
すると共に、巻線型誘導機の二次側に分路コンデンサを
接続することにより、−次側から流入する逆相電流や高
調波電流をコンデンサに流して、−次電圧の歪を低減す
るようにしたもの−Ｃある。

（原　理） 第２図は、巻線型誘導機の機能を説明するための説明図
で、３０は一次巻線、３１は二次５線とする。−次巻線
のＵ相、■相、Ｗ相に流れる電流によって生ずる一次電
流ベクトルを１１とし、二次巻線のり相、■相、Ｗ相に
流れる電流によっ−Ｃ生ずる二次電流ベクトルを１２と
する。また、−次巻線３０の自己インダクタンスを１１
、二次巻線の自己インダクタンスをＬ２、−次巻線３ｏ
と二次巻線３１間の相互インダクタンスをＭｌ−次側の
角周波数をω１，１次側の角周波数をω２、二次巻＄５
１１３１（ロータ）の回転角周波数をω　と「 する。ω１とω２とω、の間にはＦ式の関係がある。

ω１　＝ωｒ　トω２　　　　　　　　・・・・・・・
・・（１）第３図は、−次電流ベクトル１１と二次電流
べクトル１２と一次電圧ベクトル■１の関係を表すベク
トル図であつ１、−次巻線３０に鎖交する一次鎖交磁束
ベクトルφ１はＦ式で表される。

φ１＝　ｉ　１Ｌ　１＋　１２　Ｍ　　　　・・・・・
・・・・（２）−次電圧ベクトル■１は ｖ　　＝（ｄ／ｄｔ）φ１　　　・・・・・・・・・（
３）したがって、−次電圧ベクトル１をアり御１Ｊるに
は、−次鎮交ｍ東ベクトルφ１を制御１れば良いことが
わかる。

次に、一次鎖交磁束ベクトルφ１を制Ｍづるために、二
次電流ベクトル１２をどのように制御１れば良いかにつ
いての関係式を求める。（２）式より、 ｉ　　＝（φ　／Ｍ）−（Ｌ１／Ｍ）＋　１・・・・・
・（４） 二次電流ベクトルの指令値を；　、二次鎖交磁束ベクト
ルの指令値をφ　として、（４）式の１２ｉ　　＝（φ
　／Ｍ）−（Ｌ１／Ｍ）ｉ　１・・・・・・（５） １　が常に１２及一致するように制御するものとすれば
、 ｉ　２　”　ｉ　２　　　　　　　　　・・・・・・・
・・（６）（４）式、（５）式、（６）式より、 （φ　／Ｍ）−（Ｌ１／Ｍ）ｉ　１ ２７ＪＦ（φ１／Ｍ）　　　（Ｌｌ／Ｍ）ｌｉ　　　・
・・（７）（７）式より φ１＋φ１　　　　　　　　・・・・・・・・・（８）
したがって、一次鎖交磁束ベクトルの指令値φ１が与え
られたとき、（５）式によつ゛Ｃ二次電流べ準にして二
次電流ベクトル１２を制御づれば、一次鎖交磁束ベクト
ルφ１が指令値φ１に常に一致するように制御すること
ができる。（５）式は、第４図のベクトル図ぐ表される
。

（実施例） 以上述べた関係式に従って、−次鎮交磁束ベクトルφ１
を制御する方式を第１図により説明する。

なお、（５）式により二次電流ベクトル指令値ｉ２）求
める場合、一次鎖交磁束ベクトル指令値φ　及び−次電
流ベクトル１１を同一の座ＩＩＡ系に変換する必要があ
る。ここでは、巻線型誘導ｆｉ１の二次側の座標系に変
換する場合について説明する。また座標系としては、第
４図に示すように、磁束軸の方向をｄ軸、ｄ軸より９０
°進んだ軸をｑ軸とする直交座標系を用いるものとする
。座標系の変換を行なうためには、−次側の角周波数ω
１と二次巻線の回転角周波数ω、を求める必要がある。

第１図において、電力回路部は巻線型誘導機１と、周波
数変換器２と、送゛七線３と、系統１１１線４と、巻線
型誘導機１の二次端子及び周波数変換器２の出力端子間
に直列に接Ｈされたリアクトル５と、巻線型誘導機１の
二次端子に分路に接続されたコンデンサ６とからなって
゛いる。巻線型誘導機１の一次巻ＶＩＡ端子は送電線３
を介しく系統母線４に接続され、また周波数変換器２（
たとえば（ナイクロコンバータからなる）を介し又巻線
型誘導機１の二次巻線端子に接続されている。

巻線型誘導機１の一次電流を検出Ｊるために一次電流検
出器７が設けられ、二次電流を検出するために二次電流
検出３８が設けられ、−次電圧の角周波数基準値ω１を
発生さけるために角周波数基準値発生器９が設りられ、
さらにロータの回転角周波数ω、を検出するために回転
角周波数検出器１１が設けられている。

一次角周波数Ｕ準値発生器９は、例えば第５図に／Ｋ　
Ｊようなフェーズロックドループにより構成することが
できる。第５図の装置は、巻線型誘導機１の一次側電圧
の位相を検出づる位相検出器３２、減ｎ器３３、増幅各
及びフィルタ３４、二相正弦波発生器３５、及び二相正
弦波発生器３５の出力電圧の位相を検出する位相検出器
３６からなっている。この装置に４３いて（４、位相検
出：褐３２で検出される一次側電圧の位相と、位相検出
器３６で検出される二相正弦波の位相とが常に一致する
ように両位相検出器３２．３６の出力信号を減算器３３
に導入し、その差づ２ｚわら位相偏差が零となるように
二相正弦波発生器３５の出力周波数が制御される。

以上の構成により、−次色周波数基へＬ値発生器９の出
力としてＦ式の二相信号が得られる。

ｑω　−ｃｏｓ　　（ω１　ｔ）　　　　　・・・・・
・・・・（９）ｄω　−５ｉｎ　　（ω１　ｔ）　　　
　　・・・・・・・・・（１０）次に、二次巻線の回転
角周波数ω１は回転角周波数検出器１１により検出され
、Ｆ式の二相信号を得る。

ｑω　−ＣＯＳ　　（ω　ｔ）　　　　・・・・・・・
・・（１１）ｒ ｄω　−５ｉｎ　　（ω　ｔ）　　　　・・・・・・・
・・（１２）ｒ ベクトル割算器１３が一次角周波数基準値発生器９の出
力及び回転角周波数検出器１１の出力により下式の演算
を行なう。

ｑω２＝ｑω１×ｑωｒ＋ｄω１×ｄωｒ−ｃｏｓ（ω
１ｔ）　ｃｏｓ（錫ｔ　）　＋　５ｊｎ（ω１ｉ　）　
５ｌｎ（％　ｊ　）＝ｃｏｓ（ω１ｔ−ω、　ｔ）　＝
ｃｏｓ（ω２ｔ）　　　　　・・・・・・・・・（１３
）ｄω２−ｄωＩＸｑω、−ｑω１×ｄωｒ−ｓｉｎ（
ω１ｔ　）　ｃｏｓ（（１）、　ｔ　）−ｃｏｓ（ω１
ｔ）Ｓｉｎ（ωｒ１）＝ｓｉｎ（ω１ｔ−ωｒｔ）　＝
Ｓ！ｎ（（ｌＪ２　ｔ）　　　　　・−−−−−−−−
（１４）第６図は（１３）式及び（１４）式の演象１を
行ｔ【うベクトル割樟器１３の具体的な構成例を示づも
のである。図においで、３７〜４０はｌｉ）算器、４１
．４２は加算器であり、（１３）式及び（１４）式に従
って配置される。

巻線型誘導別１の一次電流ベクトル１１は検出器１０で
検出され、その出力として１τ式の一相信号を得る。

Ｉ　　（ω　）＝Ｉ　　ｃｏｓ（ω　ｔ＋０１　）ｑ１
１１ ・・・・・・・・・（１５） １　　　（ω）−１５ｉｎ（ωｔｌ−０１）１ｄｌ　　
　　１　　１ ・・・・・・・・・（１６） ここで、Ｉ　は−次゛電流ベクトル１１の振幅、０１は
ｑ軸に対する一次電流ベクトルの位相角である。

次に検出器１０の出力と検出器１１の出力をベクトル割
算器１５に入力し、Ｆ式の演算を行なう。

１１、（ω２）−１１ｑ（ω１）×ｑωｒ＋１１ｄ（ω
１）×ｄω。

＝１１ＣＯ３（ヤ１　ｔ＋θ１）ＣＯ５（ω１　し）＋
　１１３！ｎ（ω１　ｊ＋θ１）　５ｉｎ（ω、　ｔ　
）＝　１１ｃｏｓ（ω１ｔ−ωｒ１＋θ１）−１１ｃｏ
ｓ（ω２ｔ＋θ１）・・・・・・・・・（１７） １１ｄ（ω２）−１１ｄ（ω１）×ｑω、−１１ｑ（ω
１）×ｄω。

−［１５ｉｎ（ω１ｔ＋０１　）　ｃｏｓ（ω、　ｔ　
）１１　Ｃ０３（ω１　　ｉ　トθ１）　５ｉｎ（ω、
　　ｔ　）”＝　Ｉ　Ｉ　５ｊｎ（ω１　ｉ：　（ｔＪ
ｒ　ｔ＋θ１　）　＝　Ｉ　Ｉ　５ｔｎ（ω２ｔ→θ１
）・・・・・・・・・（１８） （１７）式とく１８）式は（１３）式と（１４）式に類
似しており、その演算は第６図に示す構成のベクトル割
算器で行なうことができる。

一次鎖交磁束ベクトルの基準値φ１は下式で表される両
１軸成分からなる。

φ　−−φ１ｓｉｎθ０　　　　　・・・・・・・・・
（１９）ｑ ここで、θ。はｄ軸に対する一次鎖交磁束ベクトルの位
相角である。この基準値は係数器１２で１／Ｍ倍される
。ここでＭは一次巻線と二次巻線間の相互インダクタン
スであるから、係数器１２の出力は下式で表される。

ここで、Ｉｏは励磁電流基準ベクトルの振幅、θ。は励
磁電流基準ベクトルのｄ軸に対する位相角である。ベク
トル掛算器１４に、係数器１２からの（２１）式、（２
２）式の信号と、ベクトル割算器１３の出力すなわら（
１３）式と（１４）式の信号を入力して、下式の演算を
行なう。

＝−１ｏＳｉｎ（ω２ｔ＋θｏ）　　　　　　・・・・
・・・・−（２３）−ＩｏＣＯ３（ω２を十θｏ）　　
　　　　　・・・・・・・・・（２４）（２３）式及び
（２４）式の演算は第７図に示すベクトルＨ！ｔｅ器１
４により行なうことができる。

図において、４３〜４６は掛算器、４７．４８は加算器
である。

以上のようにして、ベクトル割算器１５の出力側に二次
側の座標系に変換した一次電流ベクトル１１が得られ、
ベクトル掛算器１４の出力側に二次側の座標系に変換し
た励磁電流基準ベクトルｉ０が得られる。これらの信号
を係数器１６及びベクトル減算器１７に導き、第８図に
示す構成により演算を行なう。図において、４９．５０
は係数１１／Ｍを乗する係数器であり、第１図の係数器
１６に相当する。また５１．５２は加算器であり、第１
図のベクトル減算器１７に相当する。

第８図の演算回路により下式の演算をｆｆなう。

＝　　Ｉｏｓ＋ｎ（ω２ｔ＋θ０） −（Ｌ１／Ｍ）　Ｉ、　ｃｏｓ（ω２ｔ＋０１）　　・
・・・・・・・・（２５）（Ｌｌ　／Ｍ）　１１５ｌｎ
（ω２　を十θ１）・・・・・・・・・（２６）（２５
）式及び（２６）式は、角周波数ω２で回転する座標系
において、第９図のベクトル図で表される。図において
、（Ｌ／Ｍ）＋１と１２のベクトル和がＩＯに等しい。

したがって、任意の一次電ＲＩ　１の値に対して、（２
５）式及び（２６）式により二次電流Ｉ２の１ｊ準値［
２を演算し、■　が１２に常に一致するように制御した
とすれば、励磁電流Ｉ　は基準値Ｉ。に等しく制御され
ることになる。

以上のようにしてベクトル減算器１７の出力として二次
電流ベクトルの基準値１２が二相信号として得られるの
で、これを二相／三相変換器１８　・により三相の基準
値に変換し、これを電流検出器８によって検出される巻
線型誘導機１の二次側Ｕ相、■相、Ｗ相の電流と各々減
算器１９．２０゜２１で突き合け、それらの偏差が零ど
なるように電流制御回路２２．２３．２４及び周波数変
換器２を介して二次電流制御を（Ｊなえばよい。

このようにして励１＋ｔｉ電流ベクトルを基準値に従っ
て制御覆ることにより、一次鎖交磁束ベクトルを基準値
に従つで制御づ゛ることができる。そのため負荷の変化
等に対し巻線型誘導機１の一次電圧が常に一定になるよ
うに二次電流が制御され、誘導機１は見かけ上電圧源と
なるように制御されることになる。

ところで、負荷が不平衡になったり、−線がオーブンさ
れたりした場合、−次側に逆相川流が流入することにな
り、二次電流制御系に速い応答が要求される。第１０図
及び第１１図は巻線型誘導機１の一次電流及び二次電流
の波形を示すものである。第１０図は、負イＪ■が平衡
しでいるときのり。

■、Ｗ各相の一次電流ｉ　　、’　　、ｉ　　とそれに
１ｕ　　　１ｖ　　　１ｗ 対応する二次電流ｉ　　、’　　、ｉ　　の波形を、＋
２ｕ　　　２ｖ　　　２ｗ ８％のすべりで運転している場合について示Ｊ０−次電
流の周波数が５０　）Ｉ　Ｚであるとづれば、二次°電
流の周波数は４Ｈ２である。第１１図は、負荷が不平衡
になった場合のＵ、Ｖ、Ｗ各相−次電流と、それに対応
する二次電流の波形を示１もので、Ｕ相−次電流’１ｕ
及び■相−次電流１１評対してＷ相−次電流１１−娠幅
が１／２になったとき励磁電流を一定に保ち、かつ−大
電圧の歪を生じないようにするために二次側に流づべき
電流りなわち二次電流ｉ　　、’　　、ｉ　　の波形を
示した２ｕ　　　２ｖ　　　２ｗ ものである。すなわら、この場合の二次電流というのは
、−次側から流入づる逆相電流による起磁力を二次側か
ら打消すための二次電流である。−次側の周波数を５０
Ｈ２，すべりをＦ−８％とすれば、二次側の逆相成分の
周波数は１０４Ｈ２どなる。巻線形層′４様１が人容邑
別であれば、周波数変換器２も人容聞となり、必然的に
他励式のりイクロコンバータを使用Ｕざるを得なくなる
。他励式のリイクロコンバータの出力周波数は、周知の
ように一般に電源周波数の１／２〜１／３であり、１０
４Ｈ２の電流制御は木質的に不用能である。

したがって−次側から流入する逆相１８流による起磁力
を充分に打消すことができないの−（゛、−次電圧が大
幅に歪むことになり、そのため号イク［Ｊコンバータが
転流失敗してシステムがダウンづるなどの不具合を生ず
ることになる。そこで、この発明では、巻線形誘導機１
の二次端子に」ンｆンリ６を接続する。コンデンサ６の
静電容量は、巻線形誘導機１の二次側に現れる逆相周波
数に対し充分低いインピーダンスを示すように選定する
。これにより、第１１図に承り二次゛電流中の逆相成分
（１０４Ｈｚの成分）がほとんどコンデンサ６に流れる
ため、周波数変換器２の電流制御の応答がそれほど速く
なくても、逆相電流による一次電圧の歪みが充分抑制さ
れることになり、衣定に運転を継続することができる。

以上述べたように、本発明は、巻線形誘引［の二次端子
に、逆相周波数に対して充分低いインピーダンスを示す
コンデン１すを接続し、さらに、一次鎖交磁束ベクトル
の基準値と一次電流ベクトルの差ベクトルにより二次電
流ベクトルを制御するようにしたことが特徴である。な
お、上記の実施例ではベクトル演算を二次側の座標系に
おいて行う場合について説明したが、他の座標系にＪ３
いて演算しても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、負荷が変化し又も一次電Ｊモが一定に
なるように二次電流を制御し、誘導発電機を見か【ノ上
電圧源として機能さけると共に、二次側に接続したコン
アン１ノの作用により一次電圧の歪みを低減させること
の可能な電圧制御装置を提供り゛ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示づブロック図、第２図は
巻線型誘導機の機能を説明するための説明図、第３図は
巻線型誘導機の基本ベクトル図、第４図は巻線型誘導機
の一次鎖交磁束ベクトルを制御１する原理を説明づ゛る
ためのベクトル図、第５図は一次角周波数基ｆｆ１ｌ！
値発生器の一構成例を示リブロック図、第６図はベクト
ル掛算器の一構成例を示すブロック図、第７図はベクト
ル掛算器の一構成例を示すブロック図、第８図は係数♂
及びベクトル減算器の一構成例を示すブロック図、第９
図は第１図の装置の動作を説明するためのベクトル図、
第１０図、第１１図は巻線型誘導機の平衡時及び不平衡
時の一次電流及び二次電流の波形図、第１２図は従来の
電圧制御装置のブロック図である。 １・・・巻線型誘導機、２・・・周波数変換器、３・・
・送電線、４・・・系統Ｄｉ線、５・・・リアクトル、
６・・・」ンデンサ、７，８・・・電流検出器、９・・
・−次色周波数基準値発生器、１０・・・−次電流ベク
トル検出器、１１・・・回転角周波数検出器、１２．１
６・・・係数器、１３．１５・・・ベクトル割算器、１
４・・・ベクトル掛算器、１７・・・ベクトル減算器、
１８・・・二相／三相変換器、１９〜２１・・・減ｑ器
、２２〜２４・・・電流制御回路。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 躬帽 ■ 冶２図 躬４図 ｄ 躬　５　図 ｒ！２１ ！１寸 ’２ｑｆω２１　１”ｉｄ（ω２） 躬８　図 第９図 ’２Ｖ も１０　図 消１１　　ロ 手続補正書 昭和６２年　６月／タ日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 巻線型誘導機の二次電流を制御する周波数変換器と、こ
   の周波数変換器の出力端子と前記巻線型誘導機の二次端
   子との間に直列に接続されたリアクトルと、前記巻線型
   誘導機の二次端子に分路に接続され、逆相周波数に対し
   て充分低いインピーダンスを示すコンデンサと、前記巻
   線型誘導機の一次鎖交磁束ベクトル基準値を与える一次
   鎖交磁束ベクトル設定手段と、前記一次鎖交磁束ベクト
   ル基準値を励磁電流基準ベクトルに変換する手段と、前
   記巻線型誘導機の一次電流ベクトル及び前記励磁電流基
   準ベクトルを同一の座標系に変換する座標変換手段と、
   この座標変換手段により同一座標系に変換された一次電
   流ベクトル及び励磁電流基準ベクトルの差を求めて二次
   電流基準ベクトルを作る手段と、前記巻線型誘導機の二
   次電流ベクトルが前記二次電流基準ベクトルに一致する
   ように前記周波数変換器を制御する電流制御手段とを具
   備したことを特徴とする巻線型誘導発電機の電圧制御装
   置。