KR20210019058A - 사이리스터 기동 장치 - Google Patents

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Abstract

사이리스터 기동 장치에 있어서, 인버터는, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해서 주어지는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기 기기에 공급한다. 제어부는, 위상 제어각에 근거하여 인버터를 제어하도록 구성된다. 전압 조정 장치는, 동기 기기에 계자 전류를 공급하는 것에 의해 동기 기기의 유기 전압을 조정하도록 구성된다. 동기 기기의 가속 중에 동기 기기의 회전 속도가 기준 회전 속도를 초과하면, 전압 조정 장치는, 동기 기기의 회전 속도의 상승에 따라 유기 전압이 증가하도록 계자 전류를 제어한다. 제어부는, 동기 기기의 회전 속도가 기준 회전 속도 미만일 때와 비교하여, 동기 기기의 회전 속도에 대한 위상 제어각의 증가율을 감소시킨다.

Description

사이리스터 기동 장치
이 발명은, 사이리스터 기동 장치에 관한 것이다.
발전기 및 전동기 등의 동기 기기를 기동하기 위한 사이리스터 기동 장치가 개발되고 있다(예를 들면 국제공개 제2014/033849호(특허문헌 1) 참조). 사이리스터 기동 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해서 주어지는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기 기기에 공급하는 인버터를 구비하고 있다. 동기 기기에 공급하는 교류 전력을 제어하는 것에 의해, 정지 상태의 동기 기기를 기동시켜 소정의 회전 속도로 구동시킬 수 있다.
국제공개 제2014/033849호
상기 사이리스터 기동 장치에 있어서, 인버터는 적어도 6개의 사이리스터를 갖고 있다. 동기 기기의 회전에 동기(同期)하여 6개의 사이리스터를 2개씩 순서 있게 점호시키는 것에 의해, 인버터는 동기 기기에 삼상 교류 전력을 공급하여 동기 기기의 회전 속도를 상승시킬 수 있다.
그러나, 실제로는, 동기 기기의 인덕턴스에 기인하여, 사이리스터의 정류(commutation)는 순간적으로는 행해지지 않고, 전류의 겹침(중첩) 기간이 존재한다. 따라서, 사이리스터의 역바이어스 기간은, 제어 리드각(control lead angle)과 정류 중첩각(commutation overlap angle)의 차가 된다. 정류를 확실히 하기 위해서는, 사이리스터의 역바이어스 기간이 사이리스터의 턴 오프 시간에 상당하는 각도보다도 긴 것이 필요하다. 제어 리드각과 정류 중첩각의 차는 정류 여유각이라고도 불리고, 정류 여유각에 대응하는 기간은 정류 여유 시간으로도 불린다.
상기 사이리스터 기동 장치에서는, 동기 기기의 회전 속도가 상승함에 따라, 정류 여유 시간이 짧아진다. 그 때문에, 동기 기기의 고회전 속도 영역에 있어서, 사이리스터의 정류가 실패하는 것이 염려된다.
이 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이고, 그 목적은, 동기 기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치에 있어서, 동기 기기의 고회전 속도 영역에서의 사이리스터의 정류를 확실히 행하는 것이다.
이 발명의 어느 국면에 의하면, 동기 기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치는, 컨버터, 직류 리액터, 인버터, 제어부 및 전압 조정 장치를 구비한다. 컨버터는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 직류 리액터는, 직류 전력을 평활화한다. 인버터는, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해서 주어지는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기 기기에 공급한다. 제어부는, 위상 제어각에 근거하여 인버터를 제어하도록 구성된다. 전압 조정 장치는, 동기 기기에 계자 전류를 공급하는 것에 의해 동기 기기의 유기 전압을 조정하도록 구성된다. 동기 기기의 가속 중에 동기 기기의 회전 속도가 기준 회전 속도를 초과하면, 전압 조정 장치는, 동기 기기의 회전 속도의 상승에 따라 유기 전압이 증가하도록 계자 전류를 제어한다. 제어부는, 동기 기기의 회전 속도가 기준 회전 속도 미만일 때와 비교하여, 동기 기기의 회전 속도에 대한 위상 제어각의 증가율을 감소시킨다.
이 발명에 의하면, 동기 기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치에 있어서, 동기 기기의 고회전 속도 영역에서의 사이리스터의 정류를 확실히 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 사이리스터 기동 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 인버터의 정류 동작을 모식적으로 나타내는 타임 차트이다.
도 3은 사이리스터 기동 장치의 기본 동작을 나타내는 타임 차트이다.
도 4는 인버터 및 동기 기기의 주회로 구성도이다.
도 5는 사이리스터 기동 장치 및 동기 기기의 벡터도이다.
도 6은 본 실시형태에 따르는 사이리스터 기동 장치의 동작을 나타내는 타임 차트이다.
도 7은 동기 기기의 회전 속도와 계자 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 동기 기기의 회전 속도와 설정 제어 리드각의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 한편, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 사이리스터 기동 장치의 개략 구성도이다.
도 1을 참조하면, 사이리스터 기동 장치(100)는, 정지하고 있는 동기 기기(20)를 동기 속도까지 가속하여, 동기 기기 전압과 동기 기기(20)가 접속되는 계통의 전압의 동기 상태를 판정하고 동기 기기(20)를 전력 계통에 병입하는 것이다. 병입과 동시에, 사이리스터 기동 장치(100)는 동기 기기(20)로부터 분리된다. 사이리스터 기동 장치(100)는, 정지형 주파수 변환 장치(SFC: Static Frequency Converter)라고도 불린다. 가속 중의 사이리스터 기동 장치(100)는, 동기 기기(20)의 역(逆)기전력을 이용하여 사이리스터에 흐르는 전류를 정류하는 타려(他勵)식 인버터에 의한 가변속 구동 장치로서 동작한다.
동기 기기(20)는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW를 갖는 고정자와, 계자 권선(22)를 갖는다. 도 1의 예에서는, 동기 기기(20)는, 예를 들면 화력 발전소의 가스 터빈 GT에 결합되어 있고, 가스 터빈 GT에 의해 회전 구동된다.
사이리스터 기동 장치(100)는, 변압기 TR의 이차측에 접속되어 있다. 변압기 TR의 일차측은 교류 전원(30)에 접속되어 있다. 변압기 TR는, 교류 전원(30)으로부터 공급되는 삼상 교류 전압을 소정의 전압값의 삼상 교류 전압을 소정의 전압값의 삼상 교류 전압으로 변환하여 사이리스터 기동 장치(100)에 준다.
사이리스터 기동 장치(100)는, 컨버터(1), 직류 리액터(3), 인버터(2), 및 AVR(자동 전압 조정 장치)(21)을 구비한다. 컨버터(1)는, 적어도 6개의 사이리스터를 갖는 삼상 전파(全波) 정류기이며, 변압기 TR로부터의 삼상 교류 전력을 가변 전압의 직류 전력으로 변환한다.
직류 리액터(3)는, 컨버터(1)의 양측 출력 단자(1a)와 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a)의 사이에 접속된다. 직류 리액터(3)는, 컨버터(1)의 직류 출력 전류 Id를 평활화한다. 컨버터(1)의 음측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 음측 입력 단자(2b)는 서로 접속된다. 한편, 또 하나의 직류 리액터가, 컨버터(1)의 음측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 음측 입력 단자(2b)의 사이에 접속되어 있어도 된다.
인버터(2)의 3개의 출력 단자(2c, 2d, 2e)는, 동기 기기(20)의 3개의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 각각 접속된다. 인버터(2)는, 적어도 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z를 갖는 삼상 타려식 인버터이다. 인버터(2)는, 컨버터(1)로부터 직류 리액터(3)를 통해서 주어진 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기 기기(20)에 공급한다.
AVR(21)은, 동기 기기(20)의 계자 권선(22)에 계자 전류 If를 공급한다. AVR(21)은, 동기 기기(20)가 출력하는 교류 전압이 가스 터빈의 회전 속도에 관계없이 일정하게 유지되도록, 계자 권선(22)에 공급하는 계자 전류 If를 제어한다. 계자 권선(22)에 계자 전류 If가 공급되고 있는 상태에 있어서, 인버터(2)로부터 전기자 권선 ATU, ATV, ATV에 교류 전력을 공급하는 것에 의해, 동기 기기(20)의 회전이 가속된다. AVR(21)은 「전압 조정 장치」의 일 실시예에 대응한다.
사이리스터 기동 장치(100)는, 또한, 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)에 흐르는 삼상 교류 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 전류 검출기(9)에 준다. 전류 검출기(9)는, 변류기(4)로부터의 신호에 근거하여, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id를 연산하고, 그 연산값을 나타내는 신호를 컨버터 제어부(13)에 준다. 구체적으로는, 전류 검출기(9)는, 전파 정류형의 다이오드 정류기를 갖고 있고, 검출된 삼상 교류 전류를 직류 전류 Id로 변환한다.
변류기(5)는, 인버터(2)로부터 동기 기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 흐르는 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 준다.
전압 검출기(6)는, 인버터(2)로부터 동기 기기(20)에 공급되는 삼상 교류 전압 Vu, Vv, Vw의 순시값을 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 준다. 구체적으로는, 전압 검출기(6)는, 동기 기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 있어서의 삼상 교류 전압의 선간 전압 중 2개의 선간 전압(도 1에서는, U상-V상간의 교류 전압 Vu-v및 V상-W상간의 교류 전압 Vv-w로 함)을 검출한다. 이와 같이, U상-V상간의 교류 전압 Vu-v, V상-W상간의 교류 전압 Vv-w 및 W상-U상간의 교류 전압 Vw-u 중 적어도 2개의 선간 전압을 검출하는 것에 의해, U상, V상, W상의 교류 전압을 계산에 의해 구할 수 있다. 이 선간 전압으로부터 상(相) 전압으로의 변환은, 전압 검출기(6) 또는 위치 검출기(7)에 있어서 행해진다.
위치 검출기(7)는, 변류기(5) 및 전압 검출기(6)로부터의 신호에 근거하여 동기 기기(20)의 회전자의 위치를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 인버터 제어부(10) 및 컨버터 제어부(13)에 준다.
인버터 제어부(10)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호에 근거하여, 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 동기 기기(20)의 회전자의 위치에 근거하여 위상 제어각 β0을 연산하고, 연산한 위상 제어각 β0을 게이트 펄스 발생기(12)에 준다. 구체적으로는, 제어각 연산부(11)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호에 근거하여 동기 기기(20)의 회전 속도를 연산하면, 연산한 회전 속도에 근거하여 위상 제어각 β0을 설정한다. 동기 기기(20) 내부의 유기 전압에 대해서 인버터(2)의 출력 상(相) 전류의 위상이 리드(lead)하도록, 위상 제어각 β0이 설정된다.
한편, 실제의 리드각 β은 상 전류의 증가와 함께, 위상 제어각 β0보다도 작아진다. 이하의 설명에서는, 위상 제어각 β0을 「설정 제어 리드각 β0」이라고도 칭하고, 실제의 리드각 β을 「실효 제어 리드각 β」이라고도 칭한다. 한편, 제어각 연산부(11)는, 위치 검출기(7) 대신에, 전압 검출기(6)로부터의 신호에 근거하여 동기 기기(20)의 회전 속도를 연산해도 된다.
게이트 펄스 발생기(12)는, 제어각 연산부(11)로부터 받은 설정 제어 리드각 β0에 근거하여 인버터(2)의 사이리스터의 게이트에 주는 게이트 펄스(점호 지령)를 생성한다. 인버터 제어부(10)는 「제어부」의 일 실시예에 대응한다.
컨버터 제어부(13)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호 및 전류 검출기(9)로부터의 신호에 근거하여, 컨버터(1)의 점호 위상을 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 제어부(13)는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id가 전류 지령값 Id*에 일치하도록, 컨버터(1)의 점호 위상을 제어한다.
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 동기 기기(20)의 회전자의 위치에 근거하여, 동기 기기(20)의 회전 속도를 연산한다. 속도 제어부(14)는, 연산한 회전 속도에 근거하여, 직류 전류 Id의 목표값인 전류 지령값 Id*를 생성한다.
전류 제어부(15)는, 전류 지령값 Id*와 직류 전류 Id의 편차 ΔId를 연산하고, 연산한 편차 ΔId에 근거하여 전압 지령값 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 지령값 VDC1*를 생성한다. 전압 지령값 VDC1*는, 컨버터(1)가 출력해야 할 직류 전압 VDC1을 규정하는 제어 지령에 상당한다.
한편, 컨버터(1)는, 인버터(2)의 입력 단자측의 직류 전압 VDC2보다도 직류 리액터(3)에 의한 전압 강하분만큼 커지도록 직류 전압 VDC1을 제어한다. 이에 의해, 직류 전류 Id가 제어된다.
제어각 연산부(16)는, 전류 제어부(15)로부터 주어지는 전압 지령값 VDC1*에 근거하여, 위상 제어각 α를 연산한다. 제어각 연산부(16)는, 연산한 위상 제어각 α를 게이트 펄스 발생기(17)에 준다.
게이트 펄스 발생기(17)는, 제어각 연산부(16)로부터 받은 위상 제어각 α에 근거하여 컨버터(1)의 사이리스터의 게이트에 주는 게이트 펄스(점호 지령)를 생성한다. 게이트 펄스 발생기(17)에 의해 생성된 게이트 펄스에 따라 컨버터(1)가 스위칭 제어되는 것에 의해, 전류 지령값 Id*에 따른 직류 전류 Id가 컨버터(1)로부터 출력된다.
다음에, 도 2를 이용하여, 인버터(2)의 정류 동작에 대해 설명한다.
도 2는, 인버터(2)의 정류 동작을 모식적으로 나타내는 타임 차트이다. 도 2(a)는, 인버터(2)에 실제로 흐르는 전류를 나타내는 회로도이다. 동기 기기(20)는 3상의 인덕턴스 성분 Lu, Lv, Lw를 갖고 있다. 도 2(b)는, 동기 기기(20)의 단자 전압(삼상 교류 전압) Vu, Vv, Vw, 및 인버터(2)의 입력 단자(2a, 2b)간에 나타나는 직류 전압 VDC2를 나타내고 있다. 도 2(c)는, 인버터(2)에 흐르는 전류 iw, iu를 나타내고 있다. 도 2(d)는, 인버터(2)의 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z 중 도통하고 있는 사이리스터를 나타내고 있다.
도 2(b)에 있어서, 선간 전압 Vu-v, Vv-w, Vw-u가 0V가 되는 점이 실효 제어 리드각 β의 기준점이며, 기준점에서는 β=0°이다. 기준점으로부터 원하는 각도만큼 위상을 리드시킨 시각에서 소정의 사이리스터에 점호 지령(게이트 펄스)을 준다. 예를 들면, 사이리스터 U가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 V에 게이트 펄스를 주고, 다음에, 사이리스터 V가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 W에 게이트 펄스를 준다. 마찬가지로, 사이리스터 Z가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 X에 게이트 펄스를 주고, 다음에 사이리스터 X가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 Y에 게이트 펄스를 준다.
도통하는 사이리스터의 천이에 따라, 동기 기기(20)의 선간 전압 Vu-v, Vv-w, Vw-u가 인버터(2)의 입력 단자(2a, 2b)간에 직류 전압 VDC2로서 순차적으로 나타난다. 인버터 제어부(10)는, 동기 기기(20)의 회전에 따라, 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z를 2개씩 순서 있게 점호시켜 동기 기기(20)에 흐르는 전류의 경로를 제어할 수 있다.
그러나, 실제로는, 도통하고 있던 사이리스터가 게이트 펄스에 응답하여 순간적으로 소호하는 경우는 없다. 동기 기기(20)의 인덕턴스 성분 Lu, Lv, Lw에 기인하여, 유한의 기간, 직전까지 도통하고 있는 사이리스터와 이제부터 도통하는 사이리스터의 양쪽이 도통 상태가 되는 기간이 생긴다. 이 기간은 「정류 중첩 시간」이라고 불리고, 정류 중첩 시간에 대응하는 각도는 「정류 중첩각 u」라고 불린다.
도 2(b)에 있어서는, ωt<0에서 사이리스터 W, Y가 도통하고 있을 때, ωt=0에서 사이리스터 U에 게이트 펄스를 주어도, 동기 기기(20)의 인덕턴스 성분 Lv, Lw의 영향에 의해, 정류 중첩 기간 중에는 양쪽의 사이리스터 W, U가 계속 도통한다. 따라서, 사이리스터의 역바이어스 기간은, 다음 식(1)에 나타내는 바와 같이, 실효 제어 리드각 β와 정류 중첩각 u의 차가 된다.
[수학식 1]
Figure pct00001
정류를 확실히 하기 위해서는, 사이리스터의 역바이어스 기간이 사이리스터의 턴 오프 시간에 상당하는 각도보다도 긴 것이 필요하다. 이 γ는 「정류 여유각」이라고도 불리고, 정류 여유각에 대응하는 기간은 「정류 여유 시간」이라고도 불린다. 사이리스터의 턴 오프 시간을 toff로 하면, 정류 여유각 γ은 ωtoff 이상이 아니면 안 된다.
다음에, 도 3을 이용하여, 사이리스터 기동 장치(100)의 기본 동작에 대해 설명한다.
도 3은, 사이리스터 기동 장치(100)의 기본 동작을 나타내는 타임 차트이다. 도 3에는, 동기 기기(20)의 회전 속도, 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값, 계자 전류, 설정 제어 리드각, 및 인버터(2)에 있어서의 사이리스터의 정류 여유 시간이 나타나 있다.
시각 t1에서 사이리스터 기동 장치(100)가 기동하면, 사이리스터 기동 장치(100)는, 동기 기기(20)를 완전한 정지 상태부터 소정의 회전 속도 Na까지 가속시킨다.
시각 t1에서 정지 상태의 동기 기기(20)를 기동시키면, AVR(21)은, 계자 권선(22)에 일정한 계자 전류 If를 공급한다(If=If0). 일정한 계자 전류 If에 의해 동기 기기(20)의 회전자에는 일정한 계자 자속이 발생한다. 이 상태에서 동기 기기(20)를 가속시키는 것에 의해, 동기 기기(20) 내부에서 발생하는 유기 전압의 크기(실효값)는 동기 기기(20)의 회전 속도와 함께 증가한다.
시각 t2에서 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값이 소정의 전압 VC에 도달하면, AVR(21)은, 동기 기기(20)의 회전 속도가 일정한 동안, 계자 권선(22)에 공급하는 계자 전류 If를 일정값으로 유지한다.
한편, 설정 제어 리드각 β0은, 동기 기기(20)의 회전 속도가 0부터 소정의 회전 속도 Na까지의 사이, 회전 속도의 변화에 상관없이 일정값 βa로 유지되어 있다. 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값은 0V부터 VC까지 선형으로 증대한다. 회전 속도 Na는, 예를 들면, 가스 터빈 GT의 정격 속도의 20% 정도로 설정된다.
동기 기기(20)의 회전 속도가 Na에 도달하면, 시각 t3에서, 가스 터빈 GT에 연료가 투입되고, 가스 터빈 GT가 발화한다. 발화 후, 사이리스터 기동 장치(100)는, 가스 터빈 GT의 승속(昇速)을 어시스트한다. 따라서, 동기 기기(20)의 회전 속도는, 시각 t3 이후 가속을 개시한다.
시각 t3 이후, AVR(21)은, 계자 권선(22)에 공급하는 계자 전류 If를 저하시킨다. 이에 의해, 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값은, 회전 속도가 달라져도 일정한 전압 VC로 유지된다.
동기 기기(20)의 회전 속도가 Na부터 소정의 회전 속도 Nb까지의 사이, 설정 제어 리드각 β0은, 최소값 βa부터 최대값 βb까지, 회전 속도에 따라 일정한 증가율로 선형으로 증대한다. 본원 명세서에 있어서, 설정 제어 리드각 β0의 증가율은, 동기 기기(20)의 회전 속도 N의 증가분 ΔN에 대한 설정 제어 리드각 β0의 증가분 Δβ0의 비율(Δβ0/ΔN)을 나타낸다.
특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 회전 속도의 증가에 따라 설정 제어 리드각 β0을 일정한 증가율로 선형에 증가시킴으로써, 회전 속도의 변화에 상관없이 설정 제어 리드각 β0을 일정하게 하는 구성에 비해, 정류 중첩 기간에 있어서의 직류 전압 VDC2의 상승을 억제할 수 있다.
한편, 도시는 생략하지만, 회전 속도가 Nb를 초과하면, 설정 제어 리드각 β0은, 최대값 βb로 유지된다. 회전 속도 Nb는, 예를 들면, 가스 터빈 GT의 정격 속도의 70% 정도로 설정된다. 시각 t4에서 동기 기기(20)의 회전 속도가 Nb에 도달하면, 사이리스터 기동 장치(100)는 동기 기기(20)로부터 분리된다.
사이리스터 기동 장치(100)에 의한 일련의 동작에 있어서, 정류 여유 시간은, 시각 t1 이후, 정류 중첩 기간에 있어서의 상승분의 영향에 의해, 동기 기기(20)의 회전 속도에 따라 서서히 짧아진다. 특히, 시각 t3에서 동기 기기(20)의 가속을 개시하면, 동기 기기(20)의 회전 속도의 상승에 따라, 정류 여유 시간이 짧아진다.
정류 여유 시간에는, 사이리스터가 정류 불능이 되는 임계값 시간 Tth가 존재한다. 이 임계값 시간 Tth는, 사이리스터의 턴 오프 시간 toff에 의해 정해진다. 도 3의 예에서는, 시각 t4보다도 전에, 정류 여유 시간이 임계값 시간 Tth를 하회하고 있다. 그 때문에, 사이리스터가 정류 실패에 빠지는 것이 염려된다.
그래서, 본 실시형태에 따른 사이리스터 기동 장치(100)에서는, 동기 기기(20)의 회전 속도가 높아지는 경우에 있어서도, 인버터(2)의 정류 여유 시간을 확보하는 것이 가능한 사이리스터 기동 장치(100)의 제어 구성을 제공한다.
한편, 본원 명세서에서는, 본 실시형태에 따른 사이리스터 기동 장치(100)의 제어 구성을 설명하는 데 있어, 인버터(2) 및 동기 기기(20)의 전압 및 전류를 도 4와 같이 정의한다. 도 4에 나타내는 인버터(2) 및 동기 기기(20)의 주회로 구성도에 있어서, Id는 직류 리액터(3)에 흐르는 전류를 나타내고, Ed는 인버터(2)의 입력 단자(2a, 2b)간의 직류 전압(도 1의 VDC2에 상당)을 나타낸다. Iu는 인버터(2)가 출력하는 삼상 교류 전류 중 U상 전류를 나타내고, Eu는 인버터(2)가 출력하는 삼상 교류 전압 중 U상 전압을 나타낸다. Z는 동기 기기(20)의 1상분의 임피던스를 나타내고, Ea는 동기 기기(20) 내부에서 발생하는 유기 전압을 나타낸다. 한편, Z에 대해서는, 설명의 간단화를 위해, 1상분의 임피던스 중의 저항 성분은 충분히 작다고 하여 무시하고, 리액턴스 X만을 갖는 것으로 한다.
도 5(a)는, 사이리스터 기동 장치(100)의 U상 전압 Eu를 기준으로 묘사한 벡터도이다. 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 인버터(2)의 U상 전압 Eu에 대해서, 인버터(2)의 U상 전류 Iu는 위상각 θ만큼 리드되어 있다. 위상각 θ은 역률각이다.
운전 중의 동기 기기(20) 내부의 유기 전압 Ea는, U상 전압 Eu에 대해서 위상각 δ만큼 지연되어 있다. 위상각 δ은 부하각이다. Z·Iu는, 리액턴스 X와 U상 전류 Iu의 곱 X·Iu의 크기를 갖고 있고, Iu와 π/2의 위상차를 가진다.
동기 기기(20)가 설정 제어 리드각 β0에서 운전되고 있는 경우, 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea와 U상 전류 Iu의 위상은 Iu가 β0만큼 리드되고 고정되어 있다고 생각할 수 있다. 부하 운전 시의 U상 전압 Eu는 다음 식(2)와 같이 된다.
[수학식 2]
Figure pct00002
단, 실제로는, 도 2에 나타낸 바와 같이 정류 중첩각 u에 의해 전류 파형은 사다리꼴파적이 되어, 위상적으로는 Iu의 위상이 u/2만큼 지연되는 것에 상당한다.
설정 제어 리드각 β0으로부터 부하각 δ을 뺀 위상각 β0-δ이 실효 제어 리드각 β가 된다. 실효 제어 리드각 β로부터 u/2를 뺀 위상각 β-u/2가 역률각 θ가 된다.
[수학식 3]
Figure pct00003
[수학식 4]
Figure pct00004
식(1)에 나타낸 바와 같이, 실효 제어 리드각 β로부터 정류 중첩각 u를 뺀 위상각 β-u가 정류 여유각 γ가 된다(γ=β-u). 전술한 바와 같이, 동기 기기(20)의 회전 속도가 상승함에 따라, 정류 여유각 γ에 대응하는 정류 여유 시간이 짧아지기 때문에, 사이리스터가 정류 실패를 일으킬 가능성이 있다.
여기에서, 운전 중의 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea는, Ea=KΦω로 주어진다. 단, K는 상수, Φ는 합성 자속, ω은 각속도이다. AVR22에 있어서 계자 전류 If를 늘리면, 동기 기기(20)에 발생하는 계자 자속이 증가한다. 이 계자 자속의 증가에 따라 Φ를 크게 함으로써, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea를 크게 할 수 있다.
도 5(b)의 벡터도는, 도 5(a)의 벡터도와 동기 기기(20)의 회전 속도가 동일한 것으로 한다. 도 5(b)의 벡터도에서는, 도 5(a)와 대비하여, 설정 제어 리드각 β0을 동일한 크기로 하고 있다. 또한, 상 전류 Iu 및 Z·Iu에 대해서도 도 5(a) 및 도 5(b)에서 동일한 크기로 하고 있다.
도 5(b)에서는, Z·Iu의 크기를 바꾸지 않고 유기 전압 Ea를 크게 함으로써, U상 전압 Eu도 커져 있다. 한편, 부하각 δ은 도 5(a)에 비해 작아져 있다. 설정 제어 리드각 β0은 서로 동등하기 때문에, 결과적으로 도 5(b)에서는 도 5(a)에 비해 실효 제어 리드각 β(=β0-δ)이 커진다.
인버터(2)에 있어서, 정류 중첩각 u는 다음 식(5)으로 주어진다.
[수학식 5]
Figure pct00005
식(5)에 의하면, 인버터(2)가 출력하는 U상 전압 Eu가 커짐에 따라 정류 중첩각 u가 작아진다. 그 때문에, 도 5(b)에서는 도 5(a)에 비해, 정류 중첩각 u가 작아져 있다.
이와 같이 설정 제어 리드각 β0을 고정한 상태에서 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea를 크게 하면, 실효 제어 리드각 β가 커짐과 더불어, 정류 중첩각 u가 작아진다. 이에 의하면, 정류 여유각 γ을 크게 할 수 있기 때문에, 동기 기기(20)의 고회전 속도 영역에 있어서도 정류 여유 시간을 확보할 수 있다.
그러나, 그 한편으로, 도 5(b)에서는, 실효 제어 리드각 β의 증가와 함께 역률각 θ가 커져 있다. 역률각 θ의 증가는 사이리스터 기동 장치(100)의 출력 전력의 저하를 초래해 버린다. 구체적으로는, 직류 전압 Ed는 다음 식(6)으로 주어진다.
[수학식 6]
Figure pct00006
한편, 식(6)은 식(4)을 이용하여 다음 식(7)과 같이 바꾸어 쓸 수 있다.
[수학식 7]
Figure pct00007
인버터(2)의 출력 전력은, 에너지 보존의 법칙에 의해, 인버터(2)의 입력 전력과 동등하기 때문에, 직류 전압 Ed 및 직류 전류 Id의 곱 Ed×Id로 나타낼 수 있다. 식(7)에 의하면, 역률각 θ가 커짐에 따라 직류 전압 Ed가 작아지기 때문에, 인버터(2)의 출력 전력이 저하되는 것이 염려된다.
그래서, 본 실시형태에서는, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea의 증가와 함께, 정류 여유각 γ을 확보할 수 있는 범위에서 설정 제어각 β0을 감소시키는 구성으로 한다. 이에 의해, 역률각 θ의 증가에 의한 직류 전압 Ed의 저하를 억제한다.
도 5(c)의 벡터도는, 도 5(a) 및 (b)의 벡터도와 동기 기기(20)의 회전 속도가 동일한 것으로 한다. 도 5(c)의 벡터도에서는, 도 5(b)에 대해서, 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea를 동일한 크기로 하고 있다. 또, 인버터(2)의 U상 전류 Iu 및 Z·Iu도 도 5(b)와 동일한 크기로 하고 있다. 이 상태에서, 설정 제어 리드각 β0을 도 5(b)보다도 작게 한다. 설정 제어 리드각 β0을 작게 함으로써 실효 제어 리드각 β을 작게 할 수 있고, 결과적으로 역률각 θ도 작게 할 수 있다.
그 반면, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 설정 제어 리드각 β0을 작게 하면, 정류 여유각 γ도 작아지고, 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea를 크게 한 것의 의의가 없어지는 것이 염려된다. 따라서, 정류 여유각 γ가 ωtoff 이상(toff는 사이리스터의 턴 오프 시간)이 되는 범위에서 설정 제어 리드각 β0을 조정할 필요가 있다.
한편, 식(6)에 의하면, 이상적으로는, U상 전압 Eu와 cosβ(실효 제어 리드각 β의 여현 함수)의 곱을 일정값으로 유지할 수 있으면, 직류 전압 Ed를 일정값으로 유지할 수 있다. 따라서, γ≥ωtoff이고, Eu×cosβ가 일정해지도록, 동기 기기(20)의 회전 속도에 따라 설정 제어각 β0을 조정하는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 정류 여유 시간을 확보하면서, 직류 전압 Ed의 저하(즉, 사이리스터 기동 장치(100)의 출력 전력의 저하)를 억제하는 것이 가능하게 된다.
도 6은, 본 실시형태에 따르는 사이리스터 기동 장치(100)의 동작을 나타내는 타임 차트이다. 도 6에는, 동기 기기(20)의 회전 속도, 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값, 계자 전류, 설정 제어 리드각, 및 정류 여유 시간이 나타나 있다.
도 6에 나타내는 동기 기기(20)의 회전 속도의 파형은, 도 3의 기본 동작으로 나타낸 것과 동일하다. 도 6에서는, 도 3에서 나타낸 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값, 계자 전류, 설정 제어 리드각 및 정류 여유 시간의 파형이 파선으로 나타나 있다.
도 6의 타임 차트는, 도 3의 타임 차트와 비교하여, 시각 t3 이후에 있어서의 단자 전압의 실효값, 계자 전류, 설정 제어 리드각 및 정류 여유 시간의 파형이 상이하다. 구체적으로는, 시각 t3에서 가스 터빈 GT가 발화되면, 동기 기기(20)의 가속이 개시된다. 시각 t5에서 동기 기기(20)의 회전 속도가 미리 설정된 기준 회전 속도 Nc에 도달하면, AVR(21)은, 동기 기기(20)의 계자 권선(22)에 공급하는 계자 전류 If를 제어하는 것에 의해, 동기 기기(20)의 유기 전압 Ea의 실효값을 증가시킨다. 단, Na<Nc<Nb이다.
구체적으로는, AVR(21)은, 동기 기기(20)의 회전 속도의 상승에 따라 유기 전압의 실효값이 증가하도록, 계자 전류 If를 제어한다. 도 6의 예에서는, 시각 t5 이후, 계자 전류 If를 일정값 If1로 유지하고 있다. 이에 의해, 시각 t5 이후, 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값은 VC로부터 서서히 증가한다.
한편, 기준 회전 속도 Nc는, 동기 기기(20)의 단자 전압의 실효값을 일정값 VC로 유지하면서, 회전 속도에 따라 설정 제어 리드각 β0을 βa로부터 증가시킨 경우에 있어서, 정류 여유 시간이 임계값 시간 Tth보다도 커질 때의 회전 속도로 설정된다.
사이리스터 기동 장치(100)에 있어서, 정류 여유 시간은, 시각 t3 이후, 동기 기기(20)의 회전 속도의 상승에 따라 짧아져 있다. 단, 시각 t5 이후는, 동기 기기(20)의 회전 속도의 상승에 따라 동기 기기(20)의 유기 전압을 증가시킴으로써, 실효 제어 리드각 β가 커져, 정류 여유 시간의 감소가 억제되고 있다. 한편, 도 5(b)에서 나타낸 바와 같이, 설정 제어 리드각 β0이 일정하에서는, 실효 제어 리드각 β와 함께 역률각 θ도 커지기 때문에, 사이리스터 기동 장치(100)의 출력 전력이 저하되어 버리는 것이 염려된다.
그래서, 사이리스터 기동 장치(100)는, 시각 t5 이후, 정류 여유 시간이 임계값 시간 Tth보다도 길어지는 것을 조건으로 하여, 설정 제어 리드각 β0의 증가율 Δβ0/ΔN을 감소시킨다. 구체적으로는, 인버터 제어부(10)에 있어서, 제어각 연산부(11)는, 동기 기기(20)의 회전 속도가 Na부터 Nc까지의 사이에 있어서의 설정 제어 리드각 β0의 증가율 Δβ0/ΔN에 비해, 회전 속도가 Nc부터 Nb까지의 사이에 있어서의 설정 제어 리드각 β0의 증가율 Δβ0/ΔN을 작게 한다. 이에 의하면, 시각 t5 이후의 설정 제어 리드각 β0의 파형에 주목하면, 도 6(실선)에서는, 도 3(파선)과 비교하여, 동일한 회전 속도에 대한 설정 제어 리드각 β0이 작아져 있다.
도 6의 예에서는, 회전 속도가 Nc부터 Nb까지의 사이, 설정 제어 리드각 β0은, 회전 속도에 따라 일정한 증가율 Δβ0/ΔN로 선형으로 증대하고 있다. 도 6의 예 대신에, 회전 속도가 Nc부터 Nb까지의 사이, 회전 속도에 따라, 설정 제어 리드각 β0의 증가율 Δβ0/ΔN을 복수회 변화시키는 구성으로 해도 된다. 예를 들면, 회전 속도가 Nc부터 Nb까지의 사이, 회전 속도에 따라, 설정 제어 리드각 β0의 증가율 Δβ0/ΔN을 단계적으로 작게 하는 구성으로 해도 된다.
단, 도 5(c)에서 설명한 바와 같이, 동기 기기(20)의 단자 전압(상 전압 Eu) 및 cosβ의 곱이 일정값이 되도록, 단자 전압에 근거하여 설정 제어각 β0을 설정함으로써, 동기 기기(20)의 회전 속도에 상관없이, 인버터(2)의 입력 단자(2a, 2b)간에 나타나는 직류 전압(도 1의 VDC2에 상당)을 일정값으로 유지할 수 있다. 이 결과, 사이리스터 기동 장치(100)의 출력 전력의 저하를 억제할 수 있다.
한편, 전술한 동기 기기(20)의 유기 전압의 제어는, 동기 기기(20)의 회전 속도와 최적인 유기 전압의 실효값(계자 전류 If)의 관계를 미리 구함과 더불어, 그 대응 관계를 미리 맵 또는 관계식으로서 AVR(21)에 기억하는 것이 가능하다. 도 7은, 동기 기기(20)의 회전 속도와 계자 전류 If의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7의 세로축은 계자 전류 If를 나타내고, 가로축은 동기 기기(20)의 회전 속도를 나타낸다. 도 7의 예에서는, 회전 속도가 Na로부터 기준 회전 속도 Nc의 사이, 계자 전류 If는, 회전 속도에 따라 감소한다. 회전 속도가 기준 회전 속도 Nc를 초과하면, 계자 전류 If는 일정값 If1로 유지된다.
마찬가지로, 설정 제어 리드각 β0의 제어는, 동기 기기(20)의 회전 속도와 최적인 설정 제어 리드각 β0의 관계를 미리 구함과 더불어, 그 대응 관계를 미리 맵 또는 관계식으로서 인버터 제어부(10)에 기억하는 것이 가능하다. 도 8은, 동기 기기(20)의 회전 속도와 설정 제어 리드각 β0의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 한편, 도면 중의 파선은, 비교를 위해서, 도 3에서 나타낸 동기 기기(20)의 회전 속도와 설정 제어 리드각 β0의 관계를 나타낸 것이다.
도 8의 예에서는, 회전 속도가 Na로부터 기준 회전 속도 Nc의 사이, 설정 제어 리드각 β0은, βa부터 βc까지 회전 속도에 따라 제 1 증가율 Δβ0/ΔN로 선형으로 증대한다. 회전 속도가 기준 회전 속도 Nc로부터 Nb의 사이, 설정 제어 리드각 β0은, βc부터 βb까지 회전 속도에 따라 제 2 증가율 Δβ0/ΔN로 선형으로 증대한다. 단, 제 2 증가율은 제 1 증가율보다도 작은 것으로 한다.
이에 의하면, AVR(21) 및 인버터 제어부(10)는, 동기 기기(20)의 회전 속도가 기준 회전 속도 Nc에 도달하면, 동기 기기(20)의 회전 속도에 근거하여, 상기 맵 또는 관계식을 참조하고, 계자 전류 If 및 설정 제어 리드각 β0을 각각 설정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 이 발명의 실시형태에 따른 사이리스터 기동 장치에 의하면, 동기 기기의 고회전 속도 영역에서는, 동기 기기의 회전 속도의 상승에 따라 동기 기기의 유기 전압을 증가시킴과 더불어, 저회전 속도 영역에 비해 인버터에 있어서의 설정 제어 리드각의 증가율을 감소시킴으로써, 사이리스터 기동 장치의 출력 전력의 저하를 억제하면서, 인버터에 있어서의 사이리스터의 정류 여유 시간을 확보할 수 있다.
또, 본 실시형태에 따른 사이리스터 기동 장치에 의하면, 전술한 유기 전압 및 설정 제어 리드각의 조정을 정류 여유 시간이 짧아지는 고회전 속도 영역에서만 행하기 때문에, 사고 전류가 크고, 사이리스터의 과전류 내량(耐量)이 염려되는 저회전 속도 영역에는 영향을 미치는 경우는 없다. 또한, 직류 전압 Ed를 일정값으로 유지할 수 있기 때문에, 컨버터(1)에 영향이 미치는 것을 회피할 수 있다.
한편, 전술한 실시형태에서는, 동기 기기(20)가 화력 발전소에 있어서의 가스 터빈에 의해 회전 구동되는 발전기인 경우에 대해 설명했지만, 이에 한정하는 것은 아니고, 동기 기기(20)는 일반 산업 분야에서 사용되는 동기 기기여도 된다.
이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 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, 13: 컨버터 제어부, 14: 속도 제어부, 15: 전류 제어부, 20: 동기 기기, 21: AVR, 22: 계자 권선, 30: 교류 전원, 100: 사이리스터 기동 장치, ATU, ATV, ATW: 전기자 권선, GT: 가스 터빈, U, V, W, X, Y, Z: 사이리스터

Claims (4)

  1. 동기 기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치로서,
    교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와,
    상기 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와,
    상기 컨버터로부터 상기 직류 리액터를 통해서 주어지는 상기 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 상기 동기 기기에 공급하는 인버터와,
    위상 제어각에 근거하여 상기 인버터를 제어하도록 구성된 제어부와,
    상기 동기 기기에 계자 전류를 공급하는 것에 의해 상기 동기 기기의 유기 전압을 조정하도록 구성된 전압 조정 장치를 구비하고,
    상기 동기 기기의 가속 중에 상기 동기 기기의 회전 속도가 기준 회전 속도를 초과하면,
    상기 전압 조정 장치는, 상기 동기 기기의 회전 속도의 상승에 따라 상기 유기 전압이 증가하도록 상기 계자 전류를 제어하고, 또한,
    상기 제어부는, 상기 동기 기기의 회전 속도가 상기 기준 회전 속도 미만일 때와 비교하여, 상기 동기 기기의 회전 속도에 대한 상기 위상 제어각의 증가율을 감소시키는, 사이리스터 기동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기 기기의 가속 중에 상기 동기 기기의 회전 속도가 상기 기준 회전 속도를 초과하면, 상기 제어부는, 상기 동기 기기의 회전 속도가 변화해도 상기 인버터의 입력 단자에 나타나는 직류 전압이 일정해지도록, 상기 동기 기기의 회전 속도에 따라 상기 위상 제어각을 설정하는, 사이리스터 기동 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동기 기기의 가속 중에 상기 동기 기기의 회전 속도가 상기 기준 회전 속도를 초과하면, 상기 제어부는, 상기 동기 기기의 단자 전압과 상기 동기 기기의 실효 위상 제어 리드각(lead angle)의 여현(餘弦) 함수(코사인)의 곱이 일정값이 되도록, 상기 동기 기기의 단자 전압에 근거하여 상기 위상 제어각을 설정하는, 사이리스터 기동 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기 기기의 가속 중에 상기 동기 기기의 회전 속도가 상기 기준 회전 속도를 초과하면,
    상기 제어부는, 상기 동기 기기의 회전 속도가 변화해도 상기 인버터에 있어서의 사이리스터의 정류 여유 시간이 상기 사이리스터의 턴 오프 시간보다도 길어지도록, 상기 동기 기기의 회전 속도에 따라 상기 위상 제어각을 설정하는, 사이리스터 기동 장치.
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