JPS6343583A - 交流励磁発電電動装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は交流励磁発ｆ１１電動装置に係り、特に可変速
揚水発電システムなど、回転部の運転エネルギーを電力
系統に出し入れして系統安定に寄与する装置で、安定か
つ損失の少ない起動を実現するのに好適な交流励磁発電
電動装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の交流励磁発電電動装置としては、特公昭５３−７
６２８号、特公昭５７−６０６４５号に記載のように交
流励磁機の２次電流を制御する事により有効電力と無効
電力を制御する方式があった。これらの方式は乱調や脱
調を防止しながら迅速に応答する電力調整装置、力率！
ｉ１！！Ｉ装置として好適である。

交流励磁発電電動機を構成する周波数変換装置としてサ
イクロコンバータを用い、ポンプ水車を交流励磁同期機
に直結した可変速揚水発電装置については昭和６０年度
電気関係学会関西支部連合大会で発表されているように
電力系統の周波数調整用として好適である。

一方、交流励磁発電電動機を起動する場合、周波数変換
装置で交流励磁する通常の運転方式では交流励磁同期機
の同期速度を中心とする一定の速度範囲でしか運転出来
ないので別の起ａＸ転方式を用いる必要がある。

交流励磁発ｆｆｉ電動装置を揚水発電装置として用いる
場合、水車運転時には水車の案内羽根開度を調節して停
止状態から交流励磁運転可能な速度まで加速する事が可
能である。揚水運転時には従来の直流励磁同期機の起動
方式と同じように起動用電動機を用いる方法がある。

以上の従来技術では、いずれも起動用に特別な機器を要
するが、起動時にも交流励磁用周波数変換装置を用いる
方法としては特開昭５９−６３９８８号がある。第６図
にこの従来技術を用いた交流励磁発電電動装置の一実施
例を示す、交流励磁同期機１の２次側各相巻線に電流を
供給する周波数変換器として非循ｍ電流方式サイクロコ
ンバータを使用した例を示す、非循環電流方式サイクロ
コンバータは交流系統から変圧器２を介して給電される
正群サイリスタ変換器３と負群サイリスタ変換器４が逆
並列接続される構成を持っている１以上の構成を持つ可
変速発電電動装置を起動する時、停止状態から同期速度
の約５０％速度までは、開閉器６を閉じ、開閉器５，８
を開放した状態で運転する。この時、交流励磁同期機は
一次側が短絡された誘導機となり１周波数変換器の出力
周波数を回転速度に応じて上昇する事によって加速する
事ができる０回転速度を同期速度の約５０％付近まで加
速した後、通常の交流励磁運転可能な最低速度付近まで
加速する際は開閉器、５，６を開放し、開閉器８を閉じ
て変圧器７を介して交流励磁同期機１の１次側に降圧さ
れた交流系統電圧を印加した状態で１周波数変換器によ
る交流励磁運転を行う、この時１次側電圧が降圧されて
いるために同期速度を中心とする通常の交流励磁運転可
能な範囲よりも広い速度範囲で運転可能となる。この状
態で交流励磁運転可能な最低速度付近まで加速した後は
、開閉器６，８を開放し、開閉器５を閉じて定常運転に
入る０以上の方式によって周波数変換器の出力周波数を
交流系統周波数の約５０％以下に保ちながら起動する事
が出来る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のうち起動用電動機を用いる方法は、起動
用電動機の２次側に設けた抵抗器の発生する損失が大き
く、また、起動用電動機は交流励磁同期機の集電環と同
じく軸端に設けられるために構造が複雑となる問題があ
った。

また、起動用周波数変換装置を用いる方法は同装置のた
めに機器設置場所が大きくなる問題があった。

また、第６図の従来例では同期速度の５０％付近で運転
モードを切り替えるために開閉機器を操作する必要があ
る。このために円滑に起動出来ない問題があった１、こ
の問題は周波数変換装置として循環電流方式サイクロコ
ンバータを用いる事によって改善できる。何故ならば循
環電流方式サイクロコンバータの場合は出力電流周波数
を交流系統周波数付近まで上昇させることが出来、従っ
て第６図の従来例で同期速度の５０％付近まで加速する
時の結線を変えずに同期速度付近まで加速する事ができ
るからである。しかしながら循環電流方式サイクロコン
バータを用いると、循環電流の大きさに比例して交流系
統から絶縁するための変圧器の容量を大きくせねばなら
ない事、正群サイリスタ変換器用と負群サイリスタ変換
器用の変圧器巻線を独立させねばならぬ事により機器が
大きくなる問題がある。

本発明の目的は、交流励磁用周波数変換器を用いて円滑
に起動して交流励磁運転速度範囲まで加速する機能を交
流励磁用周波数変換器を大容量化せずに実現するのに好
適な交流励磁発ｔｍ動機を提供する事にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、起動時に必要な周波数変換装置の容量が交
流励磁用周波数変換装置容量よりも一般に小さい事に着
目し、非循環電流方式サイクロコンバータを構成してい
る共通な絶縁用変圧器巻線から給電されている正群サイ
リスタ変換器と負群サイリスタ変換器のうちの一方を変
圧器巻線から開放し、他の変圧器巻線から給電されてい
る２つの変換器については逆極性の変換器を開放し、循
環電流方式サイクロコンバータとすることによす達成さ
れる。

〔作用〕

上記目的を達成するために、起動時にのみＷ環電流方式
サイクロコンバータとする時の各部の動作を第７図で説
明する。

第７図においてサイリスタ９ａで構成される正群サイリ
スタ変換器とサイリスタ９ｂで構成される正群サイリス
タ変換器は互いに絶縁された変圧器巻線１３ａと１３ｂ
により給電される。一方、サイリスタ９ｃとサイリスタ
９ｄで植成される負群変換器と正群変換器の間に限流リ
アクトル１０ａと１０ｂが接続されている。この様に接
続されたサイクロコンバータは通常の交流励磁運転時に
は非循環電流方式サイクロコンバータとして動作する。

この時、開閉器１１ａとｌｌｂを閉路し開閉器１２ａと
１２ｂは開放する。一方、起動時には循環電流方式サイ
クロコンバータとして動作するために開閉器１１ａとｌ
ｌｂを開放し、開閉器１２ａと１２ｂを閉路する。この
結果サイリスタ９ａで構成される変換器のみが正群サイ
リスタ変換器として動作し、サイリスタ９ｄで構成され
る変換器のみが負群サイリスタ変換器として動作する。

これらの２つの変換器に給電する交流巻線１３ａと１３
ｂは互いに絶縁されているので正群負群の変換器の間に
循環電流を流す事が出来る。

循環電流は限流リアクトル１０ａと１０ｂによって抑制
される。

サイリスタ９ｂと９０を開路するためには、開閉器１１
ａとｌｌｂを設ける代わりに、サイリスタ９ｂと９０へ
の点弧信号を強制的に阻止する方法がある。

以上説明した方法によれば、循環電流方式サイクロコン
バータとする事によって出力電圧は約半分に減少するが
起動用として充分な容量を確保する事が出来、また交流
系統に近い周波数まで出力周波数を上昇させる事が出来
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第２図で交流励磁同期機１は周波数変換器１４ａ。

１４ｂ、１４ｃにより交流励磁される０通常運転時にお
いては開閉器１５を閉路し、開閉器１６を１ｊ）ｌ路し
て交流励磁同期機１の１次側は交流系統に接続する。制
御モード切替器１７ａを閉路し。

１７ｂを開路する。制御モード切替器１８ａと１８ｃを
開路し、１８ｂと１８ｄを閉路する。

以上の状態で、交流系統電圧位相検出器１９の検出信号
θ管と回転位相検出器２０の検出信号Ｏｒの差から得た
すベリ位相信号θＳを位相信号０として電流制御装置２
１に入力する。一方、電圧検出器２２の電圧信号と指令
値の偏差が零となるように電圧制御装置２３は電流指令
信号■１拳を電流制御装置２１に出力する。また、有効
電力検出器２４の検出信号と指令値の偏差が零となるよ
うに電力制御装置２５は電流指令信号Ｔｑ・を［流制御
装虹２１に出力する。また、電力制御装置２５には、回
転位相検出器ｆ！２６の検出信号が設定範囲内になった
場合、もしくは信号の変化率が設定範囲内となった場合
に有効電力指令信号を（ＩＳ正する機能を備えている。

尚、電流指令信号工町拳と■、・は位相信号θと共に回
転する座標系上の回転中心を原点とする直交座標で表わ
した電流指令値である。２次側各相の電流指令は基準巻
線からの位相差に対応する方向を持つ静止座標系上の直
線への正射影で与えられる。

起動時には開閉器１５を開路し、開閉器１６を閉路して
短絡器２７により交流励磁同期機１の１次側を短絡する
。第２図の実施例では抵抗器２７ａを介して起動トルク
を出しやすいようにした例を示す、制御モード切替器１
７ａを開路し、１７ｂを閉路する。制御モード切替器１
８ａと１８ｃを閉路し、１８ｂと１８ｄを開路する。

以上の状態で２回転位相検出器２０の検出信号θ、と起
動用速度制御装置２８からのスリップ位相指令信号θｔ
の和を位相信号θとして電流制御装置２１に入力する。

ここでスリップ位相信号θｔの周波数はトルク指令に応
じて調整される。

また、電流指令信号Ｉｑ”とニーは起動用速度制御袋！
＋！２８からの信号を電流制御装置ｉ！２１に入力する
構成としている。

第１図は周波数変換器１４ａ、１４ｂ、１４ｃの１相分
の↑ｌ￥ｉ成を示す、交流系統と絶縁するための変圧器
巻線２９，３０１，３０２により所定の電圧に調整され
た３相交流電圧を入力として２つの逆並列サイリスタ変
換器群によって交流電流を交流励磁同期機１の２次巻線
に供給する構成としている。第１図の構成で通常の交流
励磁運転を行う場合、開閉器３１１，３１２は閉路する
が２つの運転モードに分かれる。第１の運転モードは２
つの逆並列変換器群を並列運転する場合で、開閉器３２
１と３２２を閉路し、藺閉器３３を開路して運転する。

正群サイリスタ変換器３４１と負群サイリスタ変換器３
５１は第１群の非循環電流方式サイクロコンバータとし
て動作する。同じくサイリスタ変換器３４２と３５２は
第２群の非循環電流方式サイクロコンバータとして動作
する。２つのサイクロコンバータは同じ仕様のサイリス
タ変換器からなり、出力電流を等しく分担するように制
御される。２群のサイクロコンバータ間の循環電流は限
流リアクトル３６１と３６２により抑制される。限流リ
アクトル３６１と３６２は出力電流として２次巻線に供
給される成分に対しては低インピーダンスとなり、循環
電流成分に対しては高インピーダンスとなるように磁気
的に結合されている。サイリスタ変換器３４１，３４２
゜３５１．３５２は電流検出器３７１．３７２で検出し
゛た各群の電流信号Ｉｔ　＋　Ｉｓを電流制御装置２１
に入力し、電流制御装置２１から出力される制御電圧指
令信号とゲート阻止信号を位相制御袋［３８１，３８２
に入力する構成としている。第１群用の位相制御装置３
８１と第２群用の位相制御装置３８２は全く同一の構成
であるので第１群用のものについて機能を説明する。制
御電圧指令信号ＥＰｚ、ＥＮｔは各々正群サイリスタ変
換器３４１と負群サイリスタ変換器３５１のサイリスタ
点弧位相を決めるための基準信号となる。ゲート阻止信
号Ｇ　Ｐ　１がレベル１の時は正群サイリスタ変換器３
４１のサイリスタへの点弧パルスは全て阻止され、ＧＰ
ｌがレベル零の時は制御電圧指令信号ＥＰ１で決まるタ
イミングで点弧パルスが発生する。ゲート阻止信号Ｇ　
Ｎ　１は負群サイリスタ変換器３５１への点弧パルスを
レベル１の時には全て阻止するように構成される。

次に第２の運転モードは、２群の非＠環方式サイクロコ
ンバータを直列運転する場合で、開閉器３２１．３２２
を開略し、開閉器３３を閉路する。

この結果、Ｗｉ流信号■１とＩｔは共に出力電流の８１
１１定信号として電流制御装置ｆ！２１に入力される。

機能上は電流信号工１とＩｚの片方のみでもよい。

位相制御装置３８１と３８２の機能は並列運転の゛・時
と同じである。

゛　第３図は電流制御装置２１の実施例を示す図で、起
動信号ＳＷは通常運転モードではレベル零に保たれる。

信号ＳＷがレベル零の時、電流指令発生器３９が動作す
る。ｆｆＥ流指令発生器３９は電流指令１ｑ”とＩｔ”
、位相信号θから交流励磁同期機１の２次側各相出力電
流指令信号Ｉ　１６．　Ｉｂ１ｌ、　Ｉｃ”を出力する
。この出力電流指令信号はゲート阻止信号発生装置ｉ！
２４０と制御電圧指令信号発生装置４１に入力される。

信号ＳＷがレベル零の時、開閉操作器４２によって開ｒ
７ｆｆ器４３ａが閉路され、開閉路４３ｂが開路される
構成としている。これにより、出力電流指令信号と電流
検出信号＆１゜Ｉａｚ＋　　Ｉｂｔ＋　　Ｉｂｚ＊　　
Ｉｃｔ＋　　Ｉｃｚの偏差が零となるように制御電圧指
令信号を発生する。２群の非循環電流方式サイクロコン
バータが並列運転モードの場合は図示されていないモー
ド切替信号によつで出力電流指令値を一倍してから電流
検出信号との偏差をとる構成としている。

以上第１図と第３図で通常運転時の周波数変換器１４と
電流制御装置２１の実施例を示した。以下、起動時に循
環電流方式サイクロコンバータとして動作させる時の実
施例を示す。

第１図で開閉器３１１．：３１２を開路し、サイリスタ
変換器３５１と３４２を休止させる。開閉器３２１，３
２２を閉路し、開閉器３３を開路して正群サイリスタ変
換器３４１と負群サイリスタ変換器３５２で循環電流方
式サイクロコンバータとして動作させる。

ｆ５３図で起動時には起動信号ＳＷがレベル１となり、
開閉操作器４２により開閉器４３ａが開路され、開閉器
４３ｂが閉路されるも１成としている。

信号ＳＷがレベル１の時、起動電流指令発生器４４が動
作し、循環電流方式サイクロコンバータとして動作させ
るための電流指令信号Ｉａ！”。

Ｉｃｚ串、Ｉｂｉ・、Ｉｂｉ拳、　　Ｉｃｔ”　、ＩＣ
２串を発生する。制御電圧指令発生器４１の動作は通常
運転時と同じで起動を実現できる。信号ＳＷがレベル１
の時、ゲート阻止信号発生器は常にＧ　Ｐａｓ、Ｇ　Ｐ
ｉ、ｔ＋Ｇ　Ｐｃｚ、　Ｇ　Ｎａｉ、　Ｇ　Ｎｂ２＋　
Ｇ　Ｎｃｘをレベル零に、Ｇ　Ｐａｌ、Ｇ　ＰＩ−１，
Ｇ　ＰＣ２，Ｇ　Ｎａｔ、Ｇ　Ｎｂｘ、Ｇ　Ｎｅｔをレ
ベル１に保持する。

本実施例によれば、特に可変速揚水発電装置用として、
機器容量を最小とし、信頼性の高い交流励磁発電電動装
置を実現できる。何故ならば、本実施例によれば特麗昭
６０−、９０１７６号に述べられているように、水車運
転時には２群のサイクロコンバータを並列接続とし、揚
水運転時には２群のサイクロコンバータを直列接続する
事により、ポンプ水車ランナ径、交流励磁同期機容量、
サイクロコンバータ容量を最小に押えながら高効率水車
運転と大きな揚水ＡＦＣ′ｓ量を得る事ができる。また
１本実施例によれば、循環電流方式サイクロコンバータ
として運転する時には休止するサイリスタ変換器へのゲ
ート信号を阻止すると同時に入力回路を開放しているの
で、誤動作による正群および負群サイリスタ変換器間の
短絡から２重に保護する事で高い信頼性が得られる。理
論的にはゲート信号阻止と入力回路開放のどちらか一方
を省略できる。一般的には入力回路開放機能を省略し、
開閉器３１１と３１２を省略する方が経済的に有利であ
る。

以下、本発明の特許結末範囲第２項の実施例を図面によ
り説明する。交流励磁発電電動装置全体の構成は請求範
囲第１項の実施例で説明した第２図と同じであり説明は
省略する。

第４図は周波数変換器１４ａ、１４ｂ＋　１４ｃの１相
分の構成を示す、交流系統と絶縁するための変圧器巻線
２９，３０１，３０２により３相交流電圧を逆並列した
サイリスタ変換器に給電する構成としている。第４図の
構成で通常の交流励磁運転を行う場合、出力短絡器５０
１，５０２を開放し正群のサイリスタ変換器４５１と４
５２を直列接続し、負群のサイリスタ変換器４６１と４
６２を直列接続し、正負群間を限流リアクトル４７１゜
４７２で接続している。電流合成器４８１　、４８２は
正群サイリスタ変換器４５１，４５２の入力電流を合成
して変換器出力電流を合成する。負群については電流合
成器４９１，４９２を用いている。

これらの出力電流合成値１１．Ｉｚを電流制御装置２１
に入力し、電流制御装［２１からの出力される制御電圧
指令信号とゲート阻止信号を位相制御装置４８１と４８
２に入力する構成としている。

正側サイリスタ変換器用の位相制御表！ｆｆ４８１と負
側サイリスタ変換器用の位相制御装置４８２は全く同一
の構成であるので正群用のものについて機能を説明する
。制御電圧指令信号ＥＰは各々正群サイリスタ変換器４
５１と正群サイリスタ変換器４５２のサイリスタ点弧位
相を決めるための基準信号となる。ゲート阻止信号ＧＰ
ｚがレベル１の時は正群サイリスタ変換器４５１のサイ
リスタへの点弧パルスは全て阻止され、ＧＰｌがレベル
Ｏの時は制御電圧指令信号ＥＰで決まるタイミングで点
弧パルスが発生する。ゲート阻止信号ＧＰｚは正群サイ
リスタ変換器４５２への点弧パルスをレベル１の時には
全て阻止するように構成される。

第５図は電流制御装置２１の他の実施例を示す図で、第
３図と異なる部分のみ説明する０通常運転時には信号Ｓ
Ｗはレベル０に保たれ、制御電圧指令信号発生袋ｖ１５
１は各相の正群及び負群のサイリスタ変換器への信号を
出力する。第３図の場合と異なり、２群の非循環電流方
式サイクロコンバータを並列運転するモードがないので
１例えば第４図のサイリスタ変換Ｄ４５１と４５２用と
して別の制御電圧指令信号を発生する必要はない。

また電流指令値を一倍して電流検出信号と偏差をとる必
要はない。

以上第４図と第５図で通常運転時の周波数変換器１４と
電流制御装置２１の実施例を示した。以下、起動時に循
環電流方式サイクロコンバータとして動 第４図で出力短絡器５０１，５０２を開放し。

サイリスタ変換器４５１と４６２を休止させる。

正群サイリスタ変換器４５２と負群サイリスタ変換器４
６１で循環電流方式サイクロコンバータとして動作させ
る。

第５図で起動時には起動信号ＳＷがレベル１となり、開
閉操作器４２により開閉器４３ａが開路され、開閉器４
３ｂが閉路される構成としている。

信号ＳＷがレベル１の時、起動電流指令発生器４４が動
作し、循環電流方式サイクロコンバータとして動作させ
るための電流指令信号１１１１”ＩＩａｚ拳　、Ｉｂｉ
・　、Ｉｂｉ拳　、ＩＣＩ拳　、Ｎａｚ拳　を発生する
。制御電圧指令発生器５１の動作は通常運転時と同じで
起動を実現できる。信号ＳＷがレベル１の時、ゲート阻
止信号発生器は常にＧ　Ｐａｇｅ　ＧＰｂｚ。

Ｇ　Ｐｃｔ、　Ｇ　Ｎａｚ、　Ｇ　Ｎｂｘ＊　Ｇ　Ｎｃ
ｔをレベル１に。

Ｇ　Ｐａｔ、　Ｇ　Ｐｂｚ、　Ｇ　Ｐｃｚｅ　Ｇ　Ｎａ
ｔ、　Ｇ　Ｎｂｔ＋　ＧＮｃｔをレベルＯに保持する。

本発明によれば、サイクロコンバータの直並列切替を行
わない場合も、出力短絡器を追加するだけで円滑な起動
が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、通常運転時には非循環電流方式サイク
ロコンバータで交流励磁し、起動時のみ別の電力変換装
置を用いずに循環電流方式サイクロコンバータにより誘
導機運転で通常運転速度領域まで加速することができる
ので、損失が少なく構造を複雑にせずに済むので信頼性
が保持され、設置場所も小さくて済み１円滑な起動を実
現する効果がある。また非循環電流方式サイクロコンバ
ータとしての容量で周波数変換器用サイリスタ容量が定
まるので周波数変換器の小型化を実現する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の請求範囲第１項の一実施例周波数変換
器の構成を示す図、第２図は実施例の全体構成を示す図
、第３図は電流制御系の実施例を示す図、第４図は本発
明の請求範囲第２項の一実施例の周波数変換器の構成を
示す図、第５図は同じく電流制御系の実施例を示す図、
第６図は従来例の構成を示す図、第７図は本発明の詳細
な説明する図である。 １・・・交流励磁同期機、２，７・・・変圧器、３，３
４１゜４５１・・・正群サイリスタ変換器、４，３４２
゜４５２・・・負群サイリスタ変換器、３６１，３６２
゜４７１．４７２・・・限流リアクトル、５０１，５０
２・・・出力短絡器、３９・・・電流指令発生器、４４
・・・起動電流指令発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流系統に開閉機器を介して接続された交流励磁同
   期機と、前記交流系統電圧から変圧器により互いに絶縁
   された複数組の３相交流巻線から給電され各々の３相交
   流巻線には反対方向の電流を出力する２組のサイリスタ
   変換器が接続された構成を持つ非循環電流方式サイクロ
   コンバータを前記交流励磁同期機の２次側各相に接続し
   て電流を供給する周波数変換器と、前記周波数変換器を
   構成する非循環電流方式サイクロコンバータの出力電流
   指令値を発生する２次電流指令発生器と、前記交流励磁
   同期機の２次電流を検出する電流検出器と、周波数変換
   器を構成するサイリスタ変換器の点弧位相を前記２次電
   流指令値と前記２次電流検出値の偏差が零になるように
   制御する位相制御装置とからなる交流励磁発電電動装置
   において、前記交流励磁同期機１次側端子と前記しや断
   器の間に設けた前記交流励磁同期機１次側の短絡器と、
   前記非循環電流方式サイクロコンバータを構成する正群
   サイリスタ変換器と負群サイリスタ変換器の間に設けた
   限流リアクトルと、前記非循環電流方式サイクロコンバ
   ータを構成する複数のサイリスタ変換器の一部の変換器
   を休止させて、前記周波数変換器を循環電流方式サイク
   ロコンバータとして運転するための電流指令信号を発生
   する起動用電流指令発生器を設けた事を特徴とする交流
   励磁発電電動装置。 ２、特許請求の範囲第１項において前記周波数変換器を
   構成するが起動運転中には休止させる変換器の出力端に
   出力短絡器を設け、起動中に循環電流方式サイクロコン
   バータとして動作させる時にはこの出力短絡器を短絡す
   る構成とした事を特徴とする交流励磁発電電動装置。