KR102539553B1 - 사이리스터 기동 장치 - Google Patents

Abstract

사이리스터 기동 장치(100)는, 직류 출력 전류(Id)를 단속적으로 0으로 함으로써 인버터(2)의 전류를 행하는 제1 모드와, 동기기(20)의 유기 전압에 의하여 인버터(2)의 전류를 행하는 제2 모드를 순차 실행함으로써, 동기기(20)를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시킨다. 제2 제어부(13)는 위치 검출기(7)의 검출 신호에 기초하여, 컨버터(1)의 직류 출력 전류가 전류 명령값에 일치하도록 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어한다. 제1 모드에 있어서, 전류 명령값은, 동기기(20)의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 높아지도록 설정된다.

Description

사이리스터 기동 장치

본 발명은 사이리스터 기동 장치에 관한 것이다.

발전기 및 전동기 등의 동기기를 기동시키기 위한 사이리스터 기동 장치가 개발되어 있다(예를 들어 국제 공개 제2014/033849호 명세서(특허문헌 1) 참조). 사이리스터 기동 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와, 컨버터로부터 직류 리액터를 통하여 인가되는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기기에 공급하는 인버터를 구비하고 있다. 동기기에 공급하는 교류 전력을 제어함으로써 정지 상태의 동기기를 기동시켜 소정의 회전 속도로 구동시킬 수 있다.

국제 공개 제2014/033849호 명세서

상술한 동기기를 냉각하기 위한 냉각 구조로서는, 공기 또는 수소 가스 등을 냉각 매체로 하여, 동기기 내의 회전자 및 고정자에 형성된 통풍로로 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 것이 있다. 이와 같은 냉각 장치에서는 통상, 동기기의 회전자의 회전축에 장착된 팬을 이용하여 냉각 매체를 순환시키고 있다.

그러나 상기 냉각 장치에 있어서는, 동기기의 회전 속도가 낮은 경우, 즉, 동기기의 기동 시나 저속 시에는, 팬의 회전 속도도 낮아지기 때문에 냉각 능력이 저하된다는 문제가 생긴다. 그 결과, 동기기가 과열되어 버릴 가능성이 있다.

동기기의 과열을 억제하기 위해서는, 동기기의 회전 속도가 낮은 경우에 동기기에 인가하는 전류를 저감시키는 것이 유효하다. 그러나 동기기에 인가하는 전류를 저감시키면, 동기기의 승속률(회전 속도가 상승하는 비율)이 저하되기 때문에 동기기의 기동에 시간이 걸려 버린다는 문제가 생길 수 있다.

또한 냉각 구조의 냉각 능력을 높임으로써 동기기의 과열을 억제하고자 하면, 냉각 매체를 냉각하기 위한 냉각기의 용량을 크게 해야만 하여 장치의 대형화를 초래할 가능성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 동기기의 과열을 억제하면서 동기기를 단시간에 기동시킬 수 있는 사이리스터 기동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 의하면, 동기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치는 컨버터, 직류 리액터, 인버터, 위치 검출기, 제1 제어부 및 제2 제어부를 구비한다. 컨버터는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 직류 리액터는 직류 전력을 평활화한다. 인버터는, 컨버터로부터 직류 리액터를 통하여 인가되는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기기에 공급하도록 구성된다. 위치 검출기는 동기기의 회전자 위치를 검출하도록 구성된다. 제1 제어부는, 위치 검출기의 검출 신호에 기초하여 인버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성된다. 제2 제어부는, 위치 검출기의 검출 신호에 기초하여, 컨버터의 직류 출력 전류가 전류 명령값에 일치하도록 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성된다. 사이리스터 기동 장치는, 직류 출력 전류를 단속적으로 0으로 함으로써 인버터의 전류(轉流)를 행하는 제1 모드와, 동기기의 유기 전압에 의하여 인버터의 전류를 행하는 제2 모드를 순차 실행함으로써, 동기기를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다. 제1 모드에 있어서, 전류 명령값은, 동기기의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 높아지도록 설정된다.

본 발명에 의하면, 동기기의 과열을 억제하면서 동기기를 단시간에 기동시킬 수 있는 사이리스터 기동 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 사이리스터 기동 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 2는 동기기의 냉각 구조의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 3은 사이리스터 기동 장치의 동작을 나타내는 타임 차트이다.
도 4는 단속 전류(轉流) 모드 시의 인버터의 전류 동작을 모식적으로 나타내는 타임 차트이다.
도 5는 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 컨버터의 직류 출력 전류의 관계를 모식적으로 나타내는 타임 차트이다.
도 6은 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 전류 명령값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 전류 명령값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 컨버터의 직류 출력 전류의 관계를 모식적으로 나타내는 타임 차트이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 그 설명을 반복하지 않는다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 사이리스터 기동 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 의한 사이리스터 기동 장치(100)는, 정지해 있는 동기기(20)를 소정의 회전 속도까지 가속시킴으로써 동기기(20)를 기동시킨다.

동기기(20)는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW를 갖는 고정자와, 계자 권선(22)을 갖는 회전자를 포함한다. 동기기(20)는, 예를 들어 화력 발전소의 가스 터빈에 결합되어 있으며, 가스 터빈에 의하여 회전 구동된다. 이하의 설명에서는 소정의 회전 속도를 「정격 회전 속도」라고도 칭한다. 예를 들어 교류 전원(30)의 주파수가 60㎐인 경우, 정격 회전 속도는 3600rpm으로 설정된다.

사이리스터 기동 장치(100)는 변압기 TR의 2차측에 접속되어 있다. 변압기 TR의 1차측은 교류 전원(30)에 접속되어 있다. 변압기 TR은, 교류 전원(30)으로부터 공급되는 3상 교류 전압을 소정의 전압값의 3상 교류 전압으로 변환하여 사이리스터 기동 장치(100)에 인가한다.

사이리스터 기동 장치(100)는 컨버터(1), 직류 리액터(3) 및 인버터(2)를 구비한다. 컨버터(1)는, 적어도 6개의 사이리스터를 포함하는 3상 전파 정류기이며, 변압기 TR로부터의 3상 교류 전력을 가변 전압의 직류 전력으로 변환한다.

직류 리액터(3)는 컨버터(1)의 정측 출력 단자(1a)와 인버터(2)의 정측 입력 단자(2a) 사이에 접속된다. 직류 리액터(3)는 컨버터(1)의 직류 출력 전류 Id를 평활화한다. 컨버터(1)의 부측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 부측 입력 단자(2b)는 서로 접속된다. 또한, 또 하나의 직류 리액터(3)가 컨버터(1)의 부측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 부측 입력 단자(2b) 사이에 접속되어 있어도 된다.

인버터(2)의 3개의 출력 단자(2c, 2d, 2e)는 각각 동기기(20)의 3개의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 접속된다. 인버터(2)는, 적어도 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z를 포함하는 3상 타려식 인버터이다.

사이리스터 U, V, W의 애노드는 모두 정측 입력 단자(2a)에 접속되고, 그들의 캐소드는 각각 출력 단자(2c, 2d, 2e)에 접속된다. 사이리스터 X, Y, Z의 애노드는 각각 출력 단자(2c, 2d, 2e)에 접속되고, 그들의 캐소드는 모두 부측 입력 단자(2b)에 접속된다.

3상 교류 전압 Vu, Vv, Vw에 동기하여 사이리스터 U, V, W 중 하나의 사이리스터와 사이리스터 X, Y, Z 중 하나의 사이리스터를 도통시킴으로써 인버터(2)는, 컨버터(1)로부터 직류 리액터(3)를 통하여 공급되는 직류 전력을 가변 주파수, 가변 전압의 3상 교류 전력으로 변환하여 동기기(20)의 고정자(전기자 권선 ATU, ATV, ATW)에 인가한다. 이것에 의하여 동기기(20)의 회전 속도를 상승시킬 수 있다.

사이리스터 기동 장치(100)는 변류기(4, 5), 전압 검출기(6), 위치 검출기(7), 전류 검출기(9), 인버터 제어부(10) 및 컨버터 제어부(13)를 더 구비한다.

변류기(4)는, 변압기 TR로부터 컨버터(1)로 흐르는 3상 교류 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 전류 검출기(9)에 부여한다. 전류 검출기(9)는 변류기(4)로부터의 신호에 기초하여, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id를 연산하고, 그 연산값을 나타내는 신호를 컨버터 제어부(13)에 부여한다. 구체적으로는, 전류 검출기(9)는 전파(全波) 정류형 다이오드 정류기를 갖고 있으며, 검출된 3상 교류 전류를 직류 전류 Id로 변환한다.

변류기(5)는, 인버터(2)로부터 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW로 흐르는 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 부여한다.

전압 검출기(6)는, 인버터(2)로부터 동기기(20)에 공급되는 3상 교류 전압 Vu, Vv, Vw의 순시값을 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 부여한다. 구체적으로는, 전압 검출기(6)는, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 있어서의 3상 교류 전압의 선간 전압 중 2개의 선간 전압(도 1에서는 U상-V상 간의 교류 전압 Vu-v 및 V상-W상 간의 교류 전압 Vv-w로 함)을 검출한다. 이와 같이 U상-V상 간의 교류 전압 Vu-v, V상-W상 간의 교류 전압 Vv-w, 및 W상-U상 간의 교류 전압 Vw-u 중 적어도 2개의 선간 전압을 검출함으로써, U상, V상, W상의 교류 전압을 계산에 의하여 구할 수 있다. 이 선간 전압으로부터 상전압으로의 변환은 전압 검출기(6) 또는 위치 검출기(7)에 있어서 행해진다.

위치 검출기(7)는, 변류기(5) 및 전압 검출기(6)로부터의 신호에 기초하여 동기기(20)의 회전자의 위치를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 인버터 제어부(10) 및 컨버터 제어부(13)에 부여한다.

인버터 제어부(10)는 위치 검출기(7)로부터의 신호에 기초하여 인버터(2)의 점호 위상을 제어한다. 구체적으로는, 인버터 제어부(10)는 제어각 연산부(11)와 게이트 펄스 발생기(12)를 포함한다. 제어각 연산부(11)는, 검출된 동기기(20)의 회전자의 위치에 기초하여 위상 제어각(점호각) γ를 연산하고, 연산한 위상 제어각 γ를 게이트 펄스 발생기(12)에 부여한다. 게이트 펄스 발생 회로(40)는, 제어각 연산부(11)로부터 받은 위상 제어각 γ에 기초하여, 인버터(2)의 사이리스터 게이트에 부여할 게이트 펄스(점호 명령)를 생성한다. 인버터 제어부(10)는 「제1 제어부」의 일 실시예에 대응한다.

컨버터 제어부(13)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호 및 전류 검출기(9)로부터의 신호에 기초하여 컨버터(1)의 점호 위상을 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 제어부(13)는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id가 전류 명령값 Id*에 일치하도록 컨버터(1)의 점호 위상을 제어한다. 컨버터 제어부(13)는 「제2 제어부」의 일 실시예에 대응한다.

컨버터 제어부(13)는 속도 제어부(14)와 전류 제어부(15)와 제어각 연산부(16)와 게이트 펄스 발생기(17)를 포함한다. 속도 제어부(14)는, 검출된 동기기(20)의 회전자의 위치에 기초하여 동기기(20)의 회전 속도를 연산한다. 속도 제어부(14)는, 연산한 회전 속도에 기초하여 직류 전류 Id의 목표값인 전류 명령값 Id*를 생성한다.

전류 제어부(15)는, 전류 명령값 Id*와 직류 전류 Id의 편차 ΔId를 연산하고, 연산한 편차 ΔId에 기초하여 전압 명령값 VDC1*를 생성한다. 구체적으로는, 전류 제어부(15)는 비례 요소(P: proportional element), 적분 요소(I: integral element) 및 가산부를 포함한다. 비례 요소가 편차 ΔId에 소정의 비례 게인을 곱하여 가산부에 출력하고, 적분 요소는 편차 ΔId를 소정의 적분 게인으로 적분하여 가산부에 출력한다. 가산부는 비례 요소 및 적분 요소로부터의 출력을 가산하여 전압 명령값 VDC1*를 생성한다. 전압 명령값 VDC1*는, 컨버터(1)가 출력해야 하는 직류 전압 VDC1을 규정하는 제어 명령에 상당한다.

또한 컨버터(1)는, 인버터(2)의 입력 단자측의 직류 전압 VDC2보다도 직류 리액터(3)에 의한 전압 강하분만큼 커지도록 직류 전압 VDC1을 제어한다. 이것에 의하여 직류 전류 Id가 제어된다.

제어각 연산부(16)는, 전류 제어부(15)로부터 부여되는 전압 명령값 VDC1*에 기초하여 위상 제어각 α를 연산한다. 여기서, 컨버터(1)에 공급되는 3상 교류 전압의 선간 전압의 실효값을 Vs라 하면, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전압 VDC1의 평균값 VDC1#은, 겹침각을 무시하면 다음 식 (1)로 주어진다.

VDC1#=1.35Vscosα … (1)

제어각 연산부(16)는, 이 식 (1)의 VDC1#에 전압 명령값 VDC1*를 넣고 풂으로써 위상 제어각 α를 연산하고, 연산한 위상 제어각 α를 한다. 게이트 펄스 발생기(17)에 부여한다. 게이트 펄스 발생 회로(40)는, 제어각 연산부(16)로부터 받은 위상 제어각 α에 기초하여, 컨버터(1)의 사이리스터 게이트에 부여할 게이트 펄스(점호 명령)를 생성한다.

게이트 펄스 발생기(17)에 의하여 생성된 게이트 펄스에 따라 컨버터(1)가 스위칭 제어됨으로써, 전류 명령값 Id*에 따른 직류 전류 Id가 컨버터(1)로부터 출력된다.

이와 같이 사이리스터 기동 장치(100)에 의하여 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW를 통전한 경우, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에는 열손실(줄열)이 발생한다. 열손실은 전류의 크기의 제곱에 비례한다. 열손실에 의하여 동기기(20)가 과열되는 것을 방지하기 위하여, 동기기(20)에는 냉각 구조가 마련되어 있다.

다음으로, 동기기(20)의 냉각 구조에 대하여 설명한다.

도 2는, 동기기(20)의 냉각 구조의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 2을 참조하여, 동기기(20)의 기내에서는, 회전자(24)의 회전축에는 팬(25)이 장착되어 있다. 팬(25)은 회전자(24)의 회전에 의하여 회전 구동된다. 팬(25)이 회전하면, 도면 중 화살표로 나타낸 바와 같이 회전자(24) 및 고정자(26)에 형성되는 통풍로로 냉각 매체가 순환된다. 냉각 매체로는, 예를 들어 수소 가스 또는 공기가 이용된다. 고정자 프레임 내에는 통풍로에 면하여 냉각기(27)가 설치되어 있다. 통풍로를 순환한 냉각 매체는, 냉각기(27), 고정자 프레임 내에 통풍로에 면하여 설치된 냉각기(27)에 의하여 냉각된다.

이와 같이 회전자(24)의 회전력을 이용하여 팬(25)을 회전시키고 있기 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 낮을 때에는 팬(25)의 회전 속도도 낮아진다. 그 때문에 냉각 매체의 냉각 능력이 저하되어, 결과적으로 동기기(20)가 과열되어 버릴 가능성이 있다.

다음으로, 도 3을 이용하여 사이리스터 기동 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다.

도 3은, 사이리스터 기동 장치(100)의 동작을 나타내는 타임 차트이다. 도 3에는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id 및 동기기(20)의 회전 속도가 나타나 있다.

사이리스터 기동 장치(100)에 있어서는, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 유기되는 역기전력(유기 전압)을 이용하여 인버터(2)에 있어서의 사이리스터의 전류(轉流)가 행해진다. 이와 같은 전류는 「부하 전류(轉流)」라 칭해지고 있다.

그러나 동기기(20)의 회전 속도가 낮은 경우, 즉, 동기기(20)의 기동 시나 저속 시에는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 발생하는 유기 전압이 낮기 때문에 사이리스터의 전류가 실패하는 경우가 있다. 그 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 낮을 때에는, 컨버터(1)의 직류 출력 전류 Id를 단속적으로 0으로 하여 인버터(2)의 전류를 행하는 「단속 전류」가 채용되어 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이 사이리스터 기동 장치(100)는, 단속 전류 모드(제1 모드)와 부하 전류 모드(제2 모드)를 순차 전환하여 실행함으로써 동기기(20)를 정지 상태로부터 정격 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다.

구체적으로는, 시각 t=0에 정지 상태의 동기기(20)를 기동시키면 사이리스터 기동 장치(100)는 단속 전류 모드를 실행한다. 그리고 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10% 정도에 도달하면 사이리스터 기동 장치(100)는 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된다. 이하의 설명에서는, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환될 때의 회전 속도를 「전환 회전 속도」라고도 칭한다. 도 3의 예에서는 전환 회전 속도를 정격 회전 속도의 10% 정도로 하였지만, 전환 회전 속도는 동기기(20)의 회전 속도 및 유기 전압의 관계에 따라 임의로 설정할 수 있다.

단속 전류 모드 시, 직류 전류 Id는 펄스 파형을 나타내고 있다. 각 펄스의 파고값은 통상, 일정값으로 한다(Id=I0). 파고값은, 예를 들어 단속 전류 모드의 기간 중에 동기기(20)에 공급되는 교류 전력의 적산값이, 정지 상태의 동기기(20)를 전환 회전 속도까지 가속시키기 위한 전력량을 만족시키도록 설정된다.

도 4는, 단속 전류 모드 시의 인버터(2)의 전류 동작을 모식적으로 나타내는 타임 차트이다. 도 4에는, 3상 교류 전압 Vu, Vv, Vw, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id, 및 인버터(2)의 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z 중의 도통하고 있는 사이리스터를 나타내고 있다.

도 4에 있어서, 선간 전압 Vu-v, Vv-w, Vw-u가 0V로 되는 점이 위상 제어각 γ의 기준점이며, 기준점에서는 γ=0°이다.

3상 브리지 인버터에서는, 동기기(20)의 회전자의 회전 위치(전기각) 60°마다 기준점이 나타난다. 컨버터 제어부(13)(도 1)는, 이 기준점에 동기하여 시간 Δt 동안 직류 전류 Id=0으로 되도록, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전압 VDC1을 제어한다. 이 시간 Δt 동안에 인버터(2)의 모든 사이리스터가 오프되고 전류 동작이 행해진다.

시간 Δt가 경과한 후, 인버터 제어부(10)는 다시, 필요한 2개의 사이리스터에 게이트 펄스를 부여하여, 해당 2개의 사이리스터를 점호한다. 이와 동시에 컨버터 제어부(13)는 전류 명령값 Id*에 기초하여 컨버터(1)의 사이리스터 게이트에 게이트 펄스를 부여한다. 이것에 의하여 다시 직류 전류 Id가 흐르기 시작한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 단속 전류 모드 중에는 동기기(20)의 회전 속도가 낮기 때문에, 동기기(20)의 회전자의 회전축에 장착된 팬(25)(도 2 참조)의 회전 속도도 낮게 되어 있다. 그 때문에, 동기기(20)의 회전자(24) 및 고정자(26)에 형성된 통풍로로 냉각 매체를 순환시키는 것이 곤란해질 수 있다. 그 결과, 단속 전류 모드 중에 동기기(20)가 과열되어 버릴 가능성이 있다.

동기기(20)의 과열을 억제하기 위해서는, 단속 전류 모드 중에 동기기(20)에 인가하는 전류를 저감시키는 것이 유효하다. 그러나 동기기(20)에 인가하는 전류를 저감시키면 동기기(20)의 승속률이 저하되기 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 전환 회전 속도에 도달하기까지의 시간, 즉, 단속 전류 모드에 소비되는 시간이 길어져 버린다. 이 결과, 동기기(20)의 기동에 시간이 걸려버린다는 문제가 생길 수 있다.

또한 냉각 매체의 냉각 능력을 높임으로써 동기기(20)의 과열을 억제하고자 하면, 냉각기의 용량을 크게 해야만 하여 장치의 대형화를 초래할 가능성이 있다.

그래서 본 실시 형태에 의한 사이리스터 기동 장치(100)에서는, 단속 전류 모드에 있어서, 동기기(20)의 회전 속도에 따라 직류 전류 Id의 크기를 변화시킨다. 구체적으로는, 단속 전류 모드에 있어서, 동기기(20)의 회전 속도가 높아짐에 따라 직류 전류 Id를 크게 한다. 이것에 의하여, 동기기(20)가 제1 회전 속도일 때의 직류 전류 Id는, 동기기(20)가 제1 회전 속도보다도 높은 제2 회전 속도일 때의 직류 전류 Id보다도 작아진다.

도 5는, 단속 전류 모드 시의 동기기(20)의 회전 속도와 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 관계를 모식적으로 나타내는 타임 차트이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 동기기(20)가 정지 상태로부터 정격 회전 속도의 X%(단, X<10)에 도달하기까지의 시간에 있어서, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 최댓값(즉, 각 펄스의 파고값)을 I1이라 한다. 또한 동기기(20)가 정격 회전 속도의 X%로부터 10%(전환 회전 속도)에 도달하기까지의 시간에 있어서, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 최댓값(각 펄스의 파고값)을 I2(I2>I1)라 한다.

정격 회전 속도의 X%는, 예를 들어 통풍로로 냉각 매체를 순환시키는 것이 가능한 팬(25)(도 2 참조)의 하한 회전 속도에 기초하여 설정할 수 있다. 이것에 의하면, 냉각 매체의 냉각 능력의 저하를 초래하는 회전 속도 범위(0 내지 정격 회전 속도의 X%)에 있어서는, 동기기(20)에 공급되는 전류가 낮아지기 때문에 동기기(20)의 열손실(줄열)이 억제된다. 그 결과, 동기기(20)의 과열을 억제할 수 있다.

한편, 동기기(20)의 회전 속도가 상기 회전 속도 범위보다도 높아지면, 즉, 냉각 매체의 냉각 능력이 확보되면, 동기기(20)에 공급되는 전류가 증가한다. 이것에 의하여 동기기(20)의 승속률을 높일 수 있기 때문에, 단속 전류 모드에 소비되는 시간이 길어져 버리는 것을 방지할 수 있다.

도 5에서는, 도 3에 나타낸 동기기(20)의 회전 속도 및 직류 전류 Id가 일점 쇄선으로 나타나 있다. I1, I2와 I0 사이에는 I1<I0<I2의 관계가 성립되어 있다. I2를 I0보다 크게 함으로써 승속률이 높아지기 때문에, Id=I0으로 한 경우와 비교하여 동기기(20)가 정격 회전 속도의 X%로부터 10%까지 가속되는 시간을 단축할 수 있다. 따라서 I2의 크기를 조정함으로써, 도 3과 도 5 사이에서 단속 전류 모드에 소비되는 시간을 동등하게 할 수 있다.

또한 도 5에 나타낸 직류 전류 Id의 조정은, 동기기(20)의 회전 속도에 따라 전류 명령값 Id*를 조정함으로써 실현할 수 있다. 즉, 단속 전류 모드에 있어서, 전류 명령값 Id*는, 동기기(20)의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 커지도록 설정된다.

이것에 의하면, 전류 명령값 Id*는 동기기(20)의 회전 속도에 따라 변화되게 된다. 본원 명세서에 있어서 「동기기(20)의 회전 속도에 따라 변화한다」는 것은, 동기기(20)의 회전 속도에 따라 전류 명령값 Id*이 이산적으로 변화되는 것, 또는 동기기(20)의 회전 속도에 따라 전류 명령값 Id*이 연속적으로 변화되는 것을 의미하고 있다.

이와 같이 하면, 동기기(20)가 제1 회전 속도일 때의 전류 명령값 Id*는, 동기기(20)가 제1 회전 속도보다도 높은 제2 회전 속도일 때의 직류 전류 Id보다도 작아진다.

도 6은, 단속 전류 모드 시의 동기기(20)의 회전 속도와 전류 명령값 Id*의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 동기기의 회전 속도가 0rpm 이상 정격 회전 속도의 X% 이하로 될 때에는, 전류 명령값 Id*는 I1로 설정된다. 한편, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X%보다도 높고 10% 이하로 될 때에는, 전류 명령값 Id*는 I2(I2>I1)로 설정된다.

도 6에 나타나는 관계를 나타내는 데이터는 사이리스터 기동 장치(100) 내부의 메모리에 기억시켜 둘 수 있다. 컨버터 제어부(13)는 당해 데이터를 참조함으로써, 연산한 동기기(20)의 회전 속도에 기초하여 전류 명령값 Id*를 생성할 수 있다. 또한 데이터의 형식은 테이블이어도, 함수여도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의한 사이리스터 기동 장치에 의하면, 단속 전류 모드 중, 컨버터의 직류 출력 전류는, 동기기의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 높아지도록 조정되기 때문에, 동기기의 과열을 억제하면서 동기기를 단시간에 기동시킬 수 있다. 또한 동기기의 과열을 억제하기 위한 냉각 구조의 대형화를 억제할 수 있다.

또한 상술한 실시 형태에서는, 단속 전류 모드에 있어서 전류 명령값 Id*를 2단계로 변화시키는 구성(도 6 참조)에 대하여 예시하였지만, 3단계 이상으로 변화시켜도 된다.

혹은 도 7에 나타낸 바와 같이, 단속 전류 모드 중, 동기기(20)의 회전 속도에 따라 전류 명령값 Id*를 연속적으로 변화시켜도 된다. 도 7의 예에서는, 전류 명령값 Id*는, 동기기(20)의 회전 속도가 0rpm일 때에 I3이고, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10%(전환 회전 속도)일 때에 I4(I4>I3)로 되어 있다. 도 7의 예에서는, 전류 명령값 Id*는 회전 속도에 따라 선형적으로 변화되고 있다.

도 8은, 도 7에 나타낸 관계에 따라 단속 전류 모드를 실행한 경우의 동기기(20)의 회전 속도와 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 관계를 모식적으로 나타내는 타임 차트이다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 동기기(20)가 정지 상태로부터 정격 회전 속도의 10%(전환 회전 속도)에 도달하기까지의 시간에 있어서, 직류 전류 Id는 연속적으로 변화되고 있다. 도 8에서는, 도 3에 나타낸 동기기(20)의 회전 속도 및 직류 전류 Id가 일점 쇄선으로 나타나 있다. I3, I4와 I0 사이에는 I3<I0<I4의 관계가 성립되어 있다. I4의 크기를 조정함으로써, 도 3과 도 8 사이에서 단속 전류 모드에 소비되는 시간을 동등하게 할 수 있다.

또한 상술한 실시 형태에서는, 동기기(20)가, 화력 발전소에 있어서 가스 터빈에 의하여 회전 구동되는 발전기인 경우에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 동기기(20)는, 일반 산업 분야에서 사용되는 동기기여도 된다. 예를 들어 동기기(20)는 제철소의 냉각 블로어용 동기기여도 된다.

금회 개시된 실시 형태는 예시이며, 상기 내용에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의하여 나타나며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 컨버터
2: 인버터
3: 직류 리액터
4, 5: 변류기
6: 전압 검출기
7: 위치 검출기
9: 전류 검출기
10: 인버터 제어부
11, 16: 제어각 연산부
12, 17: 게이트 펄스 발생기
14: 속도 제어부
15: 전류 제어부
20: 동기기
22: 계자 권선
24: 회전자
25: 팬
26: 고정자
27: 냉각기
30: 교류 전원
100: 사이리스터 기동 장치
ATU, ATV, ATW: 전기자 권선
U, V, W, X, Y, Z: 사이리스터
TR: 변압기

Claims (5)

1. 동기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치이며,
   교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
   상기 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와,
   상기 컨버터로부터 상기 직류 리액터를 통하여 인가되는 상기 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 상기 동기기에 공급하도록 구성된 인버터와,
   상기 동기기의 회전자 위치를 검출하도록 구성된 위치 검출기와,
   상기 위치 검출기의 검출 신호에 기초하여 상기 인버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성된 제1 제어부와,
   상기 위치 검출기의 검출 신호에 기초하여, 상기 컨버터의 직류 출력 전류가 전류 명령값에 일치하도록 상기 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성된 제2 제어부를 구비하고,
   상기 사이리스터 기동 장치는, 상기 회전자 위치가 소정의 위치로 될 때마다 일정 시간 상기 직류 출력 전류를 0으로 함으로써 상기 인버터의 전류를 행하는 제1 모드와, 상기 동기기의 유기 전압에 의하여 상기 직류 출력 전류가 0이 되는 일 없이 상기 인버터의 전류를 행하는 제2 모드를 순차 실행함으로써, 상기 동기기를 정지 상태로부터 정격 회전 속도까지 가속시키고,
   상기 제1 모드에 있어서, 상기 동기기의 회전 속도가 0부터 상기 정격 회전 속도의 제1 비율일 때의 속도 범위에서는 전류 명령을 제1 전류 명령값으로 설정하고, 상기 동기기의 회전 속도가, 상기 정격 회전 속도의 제1 비율일 때부터 상기 제1 비율보다 큰 제2 비율일 때까지의 속도 범위에서는 전류 명령을 상기 제1 전류 명령값보다 큰 제2 전류 명령값으로 설정하고, 상기 제1 전류 명령값에서 상기 제2 전류 명령값으로 이산적으로 변화시키고
   상기 동기기의 회전 속도가 상기 정격 회전 속도의 제2 비율일 때 상기 제2 모드로 전환시키도록 구성되고,
   상기 동기기는,
   상기 인버터로부터 교류 전력의 공급을 받는 고정자와,
   회전자와,
   상기 회전자의 회전축에 장착되어, 상기 고정자 및 상기 회전자에 형성된 통풍로로 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 팬을 포함하고,
   상기 제1 비율은, 상기 통풍로로 상기 냉각 매체를 순환시키는 것이 가능한 상기 팬의 하한 회전 속도에 기초하여 설정되고,
   상기 제2 비율은, 상기 동기기의 회전 속도 및 유기 전압에 따라 정해지는, 사이리스터 기동 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 모드에 있어서,
   상기 제1 제어부는, 상기 직류 출력 전류가 0으로 되는 시간이 경과한 타이밍에 상기 인버터에 있어서의 사이리스터를 점호시키도록 구성되고,
   상기 제2 제어부는, 상기 직류 출력 전류가 0으로 되는 시간이 경과한 타이밍에 상기 전류 명령값에 따라 상기 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성되는, 사이리스터 기동 장치.
5. 삭제

Images