WO2010146663A1 - 同期機起動装置 - Google Patents

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WO2010146663A1
WO2010146663A1 PCT/JP2009/060944 JP2009060944W WO2010146663A1 WO 2010146663 A1 WO2010146663 A1 WO 2010146663A1 JP 2009060944 W JP2009060944 W JP 2009060944W WO 2010146663 A1 WO2010146663 A1 WO 2010146663A1
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WO
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phase
synchronous machine
voltage
rotor
power
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Application number
PCT/JP2009/060944
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English (en)
French (fr)
Inventor
靖彦 細川
伸三 玉井
彰修 安藤
Original Assignee
東芝三菱電機産業システム株式会社
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Filing date
Publication date
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Priority to PCT/JP2009/060944 priority patent/WO2010146663A1/ja
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements

Definitions

  • the present invention relates to a synchronous machine starting device, and more particularly, to a synchronous machine starting device that detects a rotor position of a synchronous machine based on a voltage in an armature of the synchronous machine.
  • Synchronous machine starting devices for starting synchronous machines such as generators and motors have been developed.
  • the synchronous machine starting device is used, for example, for gas turbine combined cycle power generation.
  • the synchronous machine starting device includes, for example, an inverter that supplies AC power to the synchronous machine, detects the rotor position of the synchronous machine, and controls the ignition phase of the thyristor in the inverter based on the detected rotor position.
  • the synchronous generator starting device includes a separately-excited converter including a separately-excited element such as a thyristor and a separately-excited inverter including a separately-excited element such as a thyristor that converts DC power obtained by the converter into AC power. Start the synchronous generator with AC power obtained by the inverter.
  • this synchronous generator starting device includes an AC voltage detector for detecting the voltage of the armature terminal of the synchronous generator, an AC current detector for detecting an inverter output current flowing from the inverter to the armature of the synchronous generator, From the detected AC current value of the inverter from the output current detector and the estimated value of the first synchronous generator rotation speed, the induced voltage induced in the armature winding of the synchronous generator by the field current of the synchronous generator , An induced voltage calculation circuit that calculates an in-phase component and a quadrature component with respect to the first reference phase, and a second reference phase that sets the quadrature component of the first reference phase of the induced voltage from the induced voltage calculation circuit to zero.
  • a PLL circuit that outputs a second synchronous generator rotational speed estimated value.
  • this synchronous generator starting device produces
  • the second synchronous generator rotational speed estimated value is input to the first synchronous generator rotational speed estimated value of the induced voltage calculation circuit.
  • the voltage in the armature of the synchronous machine at start-up is very small, for example 1/1000 compared to the rated voltage at steady state. For this reason, in the configuration described in Patent Document 1, since the phase error of the detected value by the AC voltage detector becomes large at the time of start-up, the ignition phase of the inverter and the rotor phase of the synchronous machine may not be synchronized. is there. In such a case, normal torque cannot be applied to the synchronous machine, and the synchronous machine cannot be started stably.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a synchronous machine starting device capable of stably starting a synchronous machine.
  • a synchronous machine starting device is a synchronous machine starting device for starting a synchronous machine including an armature and a rotor, and converts power supplied into AC power.
  • a power line for supplying the AC power from the power converter to the armature of the synchronous machine, a primary winding electrically connected to the power line, and a magnetic coupling with the primary winding
  • a transformer including a secondary winding, and a phase advance of the AC voltage in the secondary winding with respect to the AC voltage in the primary winding of the transformer, electrically connected to the secondary winding of the transformer.
  • a phase correction unit for correcting for correcting, a rotor position detection unit for detecting a rotor position of the synchronous machine based on the AC voltage corrected by the phase correction unit, and a rotor position detection unit At the detected rotor position And Zui, and a power conversion control unit for controlling the power conversion unit.
  • a synchronous machine starting device is a synchronous machine starting device for starting a synchronous machine having an armature and a rotor for converting supplied power into AC power.
  • a rotor phase detector for detecting the phase of the rotor of the synchronous machine based on the AC voltage detected by the transformer, and the AC voltage detected by the transformer Based on a rotor speed detection unit for detecting the rotation speed of the rotor of the synchronous machine, a phase correction unit for correcting the phase detected by the rotor phase detection unit, and the phase correction unit
  • a power conversion control unit for controlling the power conversion unit based on the corrected phase, the phase correction unit corresponding to the plurality of rotation speeds and the plurality of rotation speeds of the rotor, respectively.
  • a relationship between a plurality of phase advance amounts and a relationship determined based on each circuit element in the transformer is stored, and the phase advance amount corresponding to the rotation speed detected by the rotor speed detection unit is output.
  • the synchronous machine can be started stably.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a rotor position detection unit 11.
  • 3 is a diagram showing a configuration of an AC voltage detector 8.
  • FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of an AC voltage detector 8.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a phase correction unit 10. It is a figure which shows the structure of the phase correction part which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a figure which shows the structure of the synchronous machine starting device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. It is a figure which shows an example of the function relationship which the phase conversion table 41 memorize
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention.
  • a synchronous machine starting device 101 includes a power conversion unit 71, an AC voltage detector 8, an AC current detector 9, a phase correction unit 10, a rotor position detection unit 11, and an inverter control.
  • the power conversion unit 71 includes a converter 1, an inverter 2, and a DC reactor 3.
  • the inverter control unit 19 includes a reference sine wave calculator 12, a gate pulse generator 13, and a ⁇ command circuit 14.
  • Rotor position detector 11 includes a rotor phase detector 61 and a rotor speed detector 62.
  • the synchronous machine 4 and the motor M are connected via an axis SH.
  • the synchronous machine 4 is a synchronous generator or a synchronous motor, for example, and has an armature as a stator and a field as a rotor.
  • the motor M rotates at a predetermined speed when the synchronous machine 4 is on standby. This rotational speed is low, for example several rpm. On the other hand, the normal rotation speed is 3000 rpm to 3600 rpm. For this reason, the voltage in the armature of the synchronous machine 4 at the time of start-up is as small as 1/1000 at the time of steady state as described above, so that the phase error of the detected voltage by the AC voltage detector 8 becomes large.
  • the converter 1 is composed of a plurality of elements such as thyristors, and converts AC power from the AC power source e1 into DC power.
  • the inverter 2 is composed of a plurality of elements such as thyristors, converts the DC power obtained by the converter 1 into three-phase AC power of U phase, V phase, and W phase and supplies it to the armature of the synchronous machine 4.
  • the synchronous machine 4 is driven.
  • the power line LN sends the three-phase AC power converted by the power converter 71 to the armature of the synchronous machine 4.
  • the converter 1 and the inverter 2 are connected via a DC reactor 3.
  • the AC side of the inverter 2 is connected to the armature of the synchronous machine 4.
  • the AC voltage detector 8 detects a three-phase AC voltage supplied to the armature of the synchronous machine 4 and outputs the voltage detection values V1, V2, and V3 to the phase correction unit 10.
  • the phase correction unit 10 corrects the phase error of the voltage detection values V1, V2, and V3 received from the AC voltage detector 8 and outputs the corrected phase error to the rotor position detection unit 11.
  • the alternating current detector 9 detects a three-phase alternating current supplied to the armature of the synchronous machine 4 and outputs detected current values I1, I2, and I3 to the rotor position detector 11.
  • the rotor position detection unit 11 detects the rotor position (phase) of the synchronous machine 4 based on the detection values received from the phase correction unit 10 and the AC current detector 9, and determines the rotor position of the synchronous machine 4.
  • the rotor position signal POS shown is output to the inverter control unit 19.
  • the rotor phase detector 61 detects the phase of the rotor of the synchronous machine 4 based on the detection values received from the phase corrector 10 and the AC current detector 9.
  • the rotor speed detection unit 62 detects the rotation speed of the rotor of the synchronous machine 4 based on the detection values received from the phase correction unit 10 and the AC current detector 9.
  • the inverter control unit 19 controls the inverter 2 based on the rotor position signal POS received from the rotor position detection unit 11.
  • the reference sine wave calculator 12 outputs a reference sine wave sin ⁇ based on the position signal POS received from the rotor position detection unit 11.
  • the ⁇ command circuit 14 calculates the control advance angle command value ⁇ and outputs it to the gate pulse generator 13.
  • Gate pulse generator 13 outputs a gate pulse to each element in inverter 2 based on reference sine wave sin ⁇ received from reference sine wave calculator 12 and control advance angle command value ⁇ received from ⁇ command circuit 14. To do.
  • the rotor position detection unit 11 includes an estimated phase indicating the rotor position of the synchronous machine 4, that is, a phase signal PH described later, corrected voltage detection values V1, V2, V3 received from the phase correction unit 10 and an alternating current detector 9.
  • the estimated phase error is calculated based on the detected current values I1, I2, and I3 received from, and the estimated phase, that is, a phase signal PH described later is calculated based on the calculated phase error.
  • the rotor position detection unit 11 outputs a position signal POS obtained from the calculated estimated phase, and calculates the estimated phase and the corrected voltage detection values V1, V2, V3 newly received from the phase correction unit 10 and Based on the current detection values I1, I2, and I3 newly received from the AC current detector 9, a feedback calculation for newly calculating an estimated phase error is performed.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the rotor position detection unit 11.
  • the configuration shown in FIG. 2 is an example of a configuration for realizing the functions of the rotor phase detection unit 61 and the rotor speed detection unit 62 shown in FIG.
  • rotor position detection unit 11 includes three-phase to two-phase conversion circuits 31 and 32, an induced voltage calculation circuit 33, a PLL circuit 34, and a position signal generator 35.
  • the three-phase to two-phase conversion circuit 31 performs three-phase to two-phase conversion on the corrected voltage detection values V1, V2, and V3 received from the phase correction unit 10 based on the reference phase ⁇ , that is, the estimated phase of the rotor of the synchronous machine 4. (Dq conversion).
  • the three-phase to two-phase conversion circuit 32 performs three-phase to two-phase conversion (dq conversion) on the current detection values I1, I2, and I3 received from the AC current detector 9 based on the reference phase ⁇ .
  • the induced voltage calculation circuit 33 is based on the voltage values Vd and Vq converted by the three-phase two-phase conversion circuit 31 and the current values Id and Iq converted by the three-phase two-phase conversion circuit 32, and the armature of the synchronous machine 4 Calculate the induced voltage induced by.
  • the three-phase two-phase conversion circuits 31 and 32 are given an initial value of the reference phase ⁇ when the synchronous machine starting device 101 is started, and coordinate conversion is performed. To do.
  • the induced voltage calculation circuit 33 is based on the voltage value and current value on the dq axis converted by the three-phase to two-phase conversion circuits 31 and 32, and the d axis (in-phase component) of the synchronous machine 4 and the q axis ( Calculate the induced voltage of the armature on the orthogonal component.
  • the rotational speed ⁇ that is, the estimated rotational speed of the rotor of the synchronous machine 4 is required.
  • the rotational speed ⁇ of the synchronous machine 4 is activated when the synchronous machine starting device 101 is started. Is given to the induced voltage calculation circuit 33.
  • the PLL circuit 34 calculates the rotational speed ⁇ that causes the q-axis component Zq of the induced voltage to become zero, that is, the estimated rotational speed of the rotor of the synchronous machine 4, and the reference phase ⁇ , that is, the estimated phase of the rotor of the synchronous machine 4. To do.
  • the reference phase ⁇ is calculated by integrating the rotational speed ⁇ .
  • the reference phase ⁇ calculated by the PLL circuit 34 is fed back to the three-phase / two-phase conversion circuits 31 and 32 and output to the position signal generator 35.
  • the position signal generator 35 outputs a signal having a pulse waveform similar to that of the mechanical distributor to the inverter control unit 19 as a rotor position signal POS indicating the rotor position of the synchronous machine 4. Thereafter, the three-phase / two-phase conversion circuits 31 and 32 perform the three-phase / two-phase conversion based on the reference phase ⁇ from the PLL circuit 34.
  • the rotation speed ⁇ calculated by the PLL circuit 34 is given to the induced voltage calculation circuit 33. Thereafter, the induced voltage calculation circuit 33 calculates the induced voltage (in-phase component) Zd and the induced voltage (orthogonal component) Zq based on the rotational speed ⁇ from the PLL circuit 34.
  • the rotor position detection unit 11 includes the estimated phase indicating the rotor position of the synchronous machine 4 and the corrected voltage received from the phase correction unit 10.
  • the estimated phase error is calculated based on the detected values V1, V2, V3 and the detected current values I1, I2, I3 received from the AC current detector 9, the present invention is not limited to this.
  • the rotor position detector 11 calculates an error in the estimated phase based on the estimated phase indicating the rotor position of the synchronous machine 4 and the corrected voltage detection values V1, V2, and V3 received from the phase corrector 10. It may be.
  • the PLL circuit 34 is configured to calculate the rotation speed ⁇ and the reference phase ⁇ based only on the q-axis component Zq of the induced voltage.
  • the PLL circuit 34 may be configured to calculate the rotation speed ⁇ and the reference phase ⁇ based on the q-axis component Zq and the d-axis component Zd. With such a configuration, more accurate calculation is possible.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the AC voltage detector 8.
  • FIG. 3 representatively shows a configuration for detecting the AC voltage between the U-phase and the V-phase among the three-phase AC voltages in the armature of the synchronous machine 4. Since the configuration for detecting the AC voltage between the V phase and the W phase and the configuration for detecting the AC voltage between the W phase and the U phase are the same as the configuration shown in FIG. 3, detailed description thereof will not be repeated here.
  • two phase AC voltages such as a U-phase-V phase AC voltage and a V-phase-W phase AC voltage are detected, the U-phase, V-phase, and W-phase AC voltages can be obtained by calculation.
  • the conversion from the phase voltage to the phase voltage is performed in the phase correction unit 10 or the rotor position detection unit 11.
  • AC voltage detector 8 is, for example, an instrument transformer, and includes a primary winding L1 and a secondary winding L2 magnetically coupled to primary winding L1.
  • the AC voltage detector 8 includes an input node 1U electrically connected to a power line LN to which a U-phase AC voltage is supplied, and an input node electrically connected to a power line LN to which a V-phase AC voltage is supplied.
  • 1V and output nodes 2U and 2V Input nodes 1U and 1V are connected to a first end and a second end of primary winding L1, respectively.
  • Output nodes 2U and 2V are connected to the first end and the second end of secondary winding L2, respectively.
  • the AC voltage E2 obtained by transforming the AC voltage between the U phase and the V phase, that is, the AC voltage E1 between the input nodes 1U and 1V, at a predetermined transformation ratio. Induced between secondary winding L2, ie output nodes 2U and 2V.
  • FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the AC voltage detector 8.
  • equivalent circuit 8E includes a resistance R, a leakage inductance LL, and an excitation inductance LM as circuit elements.
  • j is an imaginary unit.
  • the relationship between the input voltage E1 and the output voltage E2 of the AC voltage detector 8 is expressed by the following equation.
  • E2 LM ⁇ S / ⁇ R + (LM + LL) ⁇ S ⁇ ⁇ E1
  • R ⁇ (LM + LL) ⁇ S. Therefore, the output voltage E2 is approximated as follows.
  • the synchronous machine starting device solves the above-described problems with the following configuration.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the phase correction unit 10.
  • phase correction unit 10 includes a voltage sensor 21, a proportional integration circuit 22, resistors Ra ⁇ b> 1 and Ra ⁇ b> 2, and an operational amplifier 23.
  • the proportional integration circuit 22 includes an input resistor Ri, an output resistor Ro, a capacitor C, and an operational amplifier 29.
  • the input resistor Ri has a first end connected to the output terminal of the voltage sensor 21 and a second end.
  • the operational amplifier 29 includes an inverting input terminal connected to the second end of the input resistor Ri and the first end of the output resistor Ro, a non-inverting input terminal connected to a ground node to which a ground voltage is supplied, and a first capacitor C. And an output terminal connected to the first end of the resistor Ra1. The second end of the resistor Ro and the first end of the capacitor C are connected.
  • the operational amplifier 23 includes an inverting input terminal connected to the second end of the resistor Ra1 and the first end of the resistor Ra2, a non-inverting input terminal connected to a ground node to which a ground voltage is supplied, and a first terminal of the resistor Ra2. And an output terminal connected to two ends.
  • the voltage sensor 21 detects the level of the output voltage E2 of the AC voltage detector 8, and outputs a detection voltage E2DET indicating the level of the output voltage E2 to the proportional integration circuit 22.
  • the voltage sensor 21 it is desirable to use an amplifier having a large input impedance so as not to affect the output voltage E2.
  • the voltage sensor 21 is an insulation amplifier. That is, the voltage sensor 21 has an input terminal electrically connected to the secondary winding L2 of the AC voltage detector 8 and an output terminal insulated from the input terminal, and amplifies the voltage at the input terminal. The voltage is output from the output terminal to the proportional integration circuit 22.
  • the proportional integration circuit 22 corrects the phase advance of the output voltage E2 by proportionally integrating the voltage output from the voltage sensor 21.
  • the phase correction unit 10 is electrically connected to the secondary winding L2 of the AC voltage detector 8, and corrects the phase advance of the AC voltage in the secondary winding L2 with respect to the AC voltage in the primary winding L1.
  • the phase correction unit 10 corrects the phase advance of the output voltage E2 based on the winding resistance R, the leakage inductance LL, and the excitation inductance LM in the AC voltage detector 8.
  • the relationship among its circuit elements Ri, Ro, C and the resistance R, the leakage inductance LL, and the excitation inductance LM, which are circuit elements of the equivalent circuit 8E, is set with k being an arbitrary constant.
  • Ri k ⁇ LM
  • Ro k ⁇ (LM + LL)
  • C 1 / (k ⁇ R)
  • the resistance values of the input resistance Ri and the output resistance Ro and the capacitance value of the capacitor C are determined.
  • the proportional integration circuit 22 performs the proportional integration calculation so that the relationship between the output voltage E2 of the AC voltage detector 8 and the output voltage EC to the rotor position detector 11 is expressed by the following equation.
  • the operational amplifier 23 inverts the polarity of the output voltage of the proportional integration circuit 22.
  • the resistance values of the resistor Ra1 and the resistor Ra2 are arbitrarily equal.
  • the output voltage EC to the rotor position detector 11 is equal to E1 as follows.
  • the output voltage EC is applied to the rotor position detection unit 11, and the rotor position detection unit 11 detects the rotor position of the synchronization machine 4 based on the output voltage EC, so that the synchronization machine 4 is normally started. Can do.
  • the phase correction unit 10 may be configured to correct the phase advance based on the winding resistance R and the excitation inductance LM in the transformer.
  • the power converter 71 is configured to include the converter 1, the inverter 2, and the DC reactor 3, but the present invention is limited to this. It is not a thing.
  • the power conversion unit 71 may include a circuit such as a matrix converter that converts the supplied power into AC power and supplies it to the armature of the synchronous machine 4 instead of the converter 1, the inverter 2, and the DC reactor 3. That's fine.
  • the present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which a method for realizing a phase correction unit is changed as compared with the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
  • the contents other than those described below are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
  • the phase correction unit may be realized by an analog arithmetic circuit like the phase correction unit 10 according to the first embodiment of the present invention, or may be a CPU (Central Processing Unit) as in the present embodiment. It may be realized by software processing using a processing unit.
  • a CPU Central Processing Unit
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a phase correction unit according to the second embodiment of the present invention.
  • phase correction unit 51 includes a voltage sensor 21, an analog / digital (A / D) converter 24, and a proportional integration calculation unit 25.
  • Proportional integral calculation unit 25 is, for example, a CPU, and includes calculation units CAL1 to CAL4. These arithmetic units are realized by a program executed by the CPU.
  • the voltage sensor 21 detects the voltage in the secondary winding L2 of the instrument transformer in the AC voltage detector 8, that is, the level of the output voltage E2, and supplies the detection voltage E2DET indicating the level of the output voltage E2 to the analog / digital converter 24. Output.
  • the analog / digital converter 24 converts the detection voltage E2DET, which is an analog voltage received from the voltage sensor 21, into a digital value and outputs the digital value to the proportional-integral calculation unit 25.
  • the proportional-integral calculation unit 25 corrects the phase advance of the output voltage E2 by proportionally integrating the digital value converted by the analog / digital converter 24.
  • the proportional-plus-integral calculation unit 25 stores in advance values of a resistance R, a leakage inductance LL, and an excitation inductance LM that are circuit elements in the equivalent circuit 8E of the AC voltage detector 8. Then, in the proportional-plus-integral calculation unit 25, the calculation unit CAL1 calculates an integral value E2 / S based on the digital value received from the analog / digital converter 24, and outputs it to the calculation unit CAL2. Arithmetic unit CAL2 multiplies R / LM and integral value E2 / S and outputs the result to arithmetic unit CAL4.
  • Arithmetic unit CAL3 multiplies the digital value received from analog / digital converter 24 by (LM + LL) / LM and outputs the result to arithmetic unit CAL4.
  • the calculation unit CAL4 adds the calculation result of the calculation unit CAL2 and the calculation result of the calculation unit CAL3, and outputs the addition result to the rotor position detection unit 11 as the output voltage EC.
  • phase correction is performed on the detection result of the AC voltage detector 8, but the present invention is not limited to this.
  • a phase correction unit that performs the same calculation as that of the phase correction unit 51 is provided in the subsequent stage of the reference sine wave calculator 12, and the phase of the output voltage E 2 is delayed by delaying the phase of the reference sine wave sin ⁇ output from the reference sine wave calculator 12. The advance may be corrected, and the correction result may be output to the gate pulse generator 13.
  • the present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which a method for realizing a phase correction unit is changed as compared with the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
  • the contents other than those described below are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the synchronous machine starting device according to the third embodiment of the present invention.
  • synchronous machine starting device 103 includes power conversion unit 71, AC voltage detector 8, AC current detector 9, phase correction unit 52, rotor position detection unit 11, and inverter control.
  • the power conversion unit 71 includes a converter 1, an inverter 2, and a DC reactor 3.
  • the inverter control unit 19 includes a reference sine wave calculator 12, a gate pulse generator 13, and a ⁇ command circuit 14.
  • Rotor position detector 11 includes a rotor phase detector 61 and a rotor speed detector 62.
  • the phase correction unit 52 includes a phase conversion table (phase advance amount conversion unit) 41 and a phase calculator (calculation unit) 42.
  • the phase correction unit 52 delays the phase of the reference sine wave sin ⁇ output from the reference sine wave computing unit 12 based on the rotation speed ⁇ detected by the rotor speed detection unit 62 to thereby advance the phase advance of the output voltage E2.
  • the corrected reference sine wave sin ( ⁇ ) is output to the gate pulse generator 13.
  • the gate pulse generator 13 gates each element in the inverter 2 based on the reference sine wave sin ( ⁇ ) received from the phase correction unit 52 and the control advance angle command value ⁇ received from the ⁇ command circuit 14. Output a pulse.
  • the phase conversion table 41 stores a functional relationship between the rotational speed ⁇ and the phase advance amount ⁇ .
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a functional relationship stored in the phase conversion table 41.
  • phase conversion table 41 stores a functional relationship in which phase advance amount ⁇ increases in a quadratic function as rotation speed ⁇ , that is, the rotation frequency of the rotor of synchronous machine 4 decreases.
  • the phase conversion table 41 is a relationship between a plurality of rotation speeds of the rotor of the synchronous machine 4 and a plurality of phase advance amounts respectively corresponding to the plurality of rotation speeds. A relationship determined based on circuit elements is stored. Based on this relationship, the phase conversion table 41 outputs a phase advance amount ⁇ corresponding to the rotation speed ⁇ detected by the rotor speed detection unit 62.
  • the phase calculator 42 delays the phase ⁇ detected by the rotor phase detector 61 by the phase advance amount ⁇ output from the phase conversion table 41.
  • the phase calculator 42 generates and outputs a reference sine wave sin ( ⁇ ) obtained by delaying the phase of the reference sine wave sin ⁇ received from the reference sine wave calculator 12 by a phase advance amount ⁇ .
  • phase advance amount of the output voltage E2 is a function of only the rotation frequency of the rotor of the synchronous machine 4, that is, the rotation speed ⁇
  • a plurality of phase advance amounts ⁇ respectively corresponding to the plurality of rotation speeds ⁇ are calculated in advance. This is stored as a table. Then, the phase advance amount ⁇ corresponding to the rotational speed ⁇ obtained by the rotor speed detection unit 62 is read from this table, and the phase of the reference sine wave sin ⁇ is delayed by this phase advance amount ⁇ .
  • the present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which the phase delay target is changed compared to the synchronous machine starting device according to the third embodiment.
  • the contents other than those described below are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the synchronous machine starting device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • synchronous machine starting device 104 includes power conversion unit 71, AC voltage detector 8, AC current detector 9, phase correction unit 53, rotor position detection unit 11, and inverter control.
  • the power conversion unit 71 includes a converter 1, an inverter 2, and a DC reactor 3.
  • the inverter control unit 19 includes a reference sine wave calculator 12, a gate pulse generator 13, and a ⁇ command circuit 14.
  • Rotor position detector 11 includes a rotor phase detector 61 and a rotor speed detector 62.
  • the phase correction unit 53 includes a phase conversion table 41 and a phase calculator 42.
  • the phase correction unit 53 delays the phase ⁇ indicated by the rotor position signal POS output from the rotor position detection unit 11 on the basis of the rotation speed ⁇ detected by the rotor speed detection unit 62 to thereby reduce the output voltage E2.
  • the phase advance is corrected, and the rotor position signal POSC indicating the corrected phase ( ⁇ ) is output to the reference sine wave calculator 12.
  • the reference sine wave calculator 12 outputs a reference sine wave sin ( ⁇ ) based on the rotor position signal POSC received from the phase correction unit 53.
  • the phase calculator 42 is a phase ( ⁇ ) obtained by delaying the phase ⁇ indicated by the rotor position signal POS received from the rotor position detector 11 by the phase advance amount ⁇ received from the phase conversion table 41. Is generated and output to the reference sine wave calculator 12.
  • the phase of the reference sine wave sin ⁇ and the phase ⁇ indicated by the rotor position signal POS are delayed by the phase advance amount ⁇ , respectively.
  • the gate pulse generator 13 may be provided with a phase delay function to delay the phase of the phase advance amount ⁇ gate pulse.

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Abstract

 同期機起動装置は、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部(71)と、電力変換部(71)から同期機(4)の電機子へ交流電力を供給するための電力線(LN)と、電力線(LN)と電気的に接続された1次巻線、および1次巻線と磁気結合された2次巻線を含む変圧器(8)と、変圧器(8)の2次巻線に電気的に接続され、変圧器(8)の1次巻線における交流電圧に対する2次巻線における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部(10)と、位相補正部(10)によって補正された交流電圧に基づいて、同期機(4)の回転子位置を検出するための回転子位置検出部(11)と、回転子位置検出部(11)によって検出された回転子位置に基づいて、電力変換部(71)を制御するための電力変換制御部(19)とを備える。

Description

同期機起動装置
 本発明は、同期機起動装置に関し、特に、同期機の電機子における電圧に基づいて同期機の回転子位置を検出する同期機起動装置に関する。
 発電機および電動機等の同期機を起動するための同期機起動装置が開発されている。同期機起動装置は、たとえばガスタービンコンバインドサイクル発電に用いられる。同期機起動装置は、たとえば、同期機に交流電力を供給するインバータを備え、同期機の回転子位置を検出し、検出した回転子位置に基づいて、インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御する。
 従来、同期機起動装置では、同期機の回転子の位置を近接スイッチ等により検出する機械式分配器が用いられている。しかしながら、機械式分配器は壊れやすく、また、配線が多いためにノイズの影響を受けやすい。
 このような機械式分配器を不要とするための同期機起動装置の一例が特開2006-271038号公報(特許文献1)に開示されている。すなわち、この同期発電機起動装置は、サイリスタなどの他励素子からなる他励式コンバータと、コンバータにより得られる直流電力を交流電力に変換するサイリスタなどの他励素子からなる他励式インバータとを備え、インバータにより得られる交流電力による同期発電機を起動する。そして、この同期発電機起動装置は、同期発電機の電機子端子の電圧を検出する交流電圧検出器と、インバータから同期発電機の電機子に流し込まれるインバータ出力電流を検出する交流電流検出器と、出力電流検出器からのインバータの交流電流検出値と、第一の同期発電機回転速度推定値から、同期発電機の界磁電流により同期発電機の電機子巻線に誘起される誘起電圧の、第一の基準位相に対する同相成分と直交成分を演算する誘起電圧演算回路と、誘起電圧演算回路からの誘起電圧の第一の基準位相の直交成分をゼロとするような第二の基準位相と第二の同期発電機回転速度推定値を出力するPLL回路とを備える。そして、この同期発電機起動装置は、PLL回路の出力である第二の基準位相に基づき、所定の制御進み角のインバータのゲートパルスを生成するとともに、第二の基準位相を、誘起電圧演算回路の第一の基準位相に入力し、第二の同期発電機回転速度推定値を誘起電圧演算回路の第一の同期発電機回転速度推定値に入力する。
特開2006-271038号公報
 起動時の同期機の電機子における電圧は、定常時の定格電圧と比べてたとえば1/1000と非常に小さい。このため、特許文献1に記載の構成では、起動時、交流電圧検出器による検出値の位相誤差が大きくなることから、インバータの点弧位相と同期機の回転子の位相とが同期しない場合がある。このような場合、正常なトルクを同期機に与えることができず、同期機を安定して起動することができない。
 この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、同期機を安定して起動することが可能な同期機起動装置を提供することである。
 この発明のある局面に係わる同期機起動装置は、電機子および回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、上記電力変換部から上記同期機の電機子へ上記交流電力を供給するための電力線と、上記電力線と電気的に接続された1次巻線、および上記1次巻線と磁気結合された2次巻線を含む変圧器と、上記変圧器の2次巻線に電気的に接続され、上記変圧器の1次巻線における交流電圧に対する上記2次巻線における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部と、上記位相補正部によって補正された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子位置を検出するための回転子位置検出部と、上記回転子位置検出部によって検出された上記回転子位置に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備える。
 またこの発明の別の局面に係わる同期機起動装置は、電機子および回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、上記電力変換部から上記同期機の電機子へ上記交流電力を供給するための電力線と、上記電力線と電気的に接続され、上記同期機の電機子における交流電圧を検出するための変圧器と、上記変圧器によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子の位相を検出するための回転子位相検出部と、上記変圧器によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子の回転速度を検出するための回転子速度検出部と、上記回転子位相検出部によって検出された上記位相を補正するための位相補正部と、上記位相補正部によって補正された上記位相に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備え、上記位相補正部は、上記回転子の複数の回転速度と上記複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって上記変圧器における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶し、上記回転子速度検出部によって検出された上記回転速度に対応する上記位相進み量を出力するための位相進み量変換部と、上記回転子位相検出部によって検出された上記位相を上記位相進み量変換部から出力された上記位相進み量遅らせるための演算部とを含む。
 本発明によれば、同期機を安定して起動することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。 回転子位置検出部11の構成を示す図である。 交流電圧検出器8の構成を示す図である。 交流電圧検出器8の等価回路を示す図である。 位相補正部10の構成を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る位相補正部の構成を示す図である。 本発明の第3の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。 位相変換テーブル41の記憶する関数関係の一例を示す図である。 本発明の第4の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
 以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
 <第1の実施の形態>
 図1は、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
 図1を参照して、同期機起動装置101は、電力変換部71と、交流電圧検出器8と、交流電流検出器9と、位相補正部10と、回転子位置検出部11と、インバータ制御部(電力変換制御部)19と、電力線LNとを備える。電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む。インバータ制御部19は、基準正弦波演算器12と、ゲートパルス発生器13と、β指令回路14とを含む。回転子位置検出部11は、回転子位相検出部61と、回転子速度検出部62とを含む。
 同期機4およびモータMは、軸SHを介して接続されている。同期機4はたとえば同期発電機または同期電動機であり、固定子である電機子と、回転子である界磁とを有する。モータMは、同期機4の待機時、所定速度で回転する。この回転速度は低速であり、たとえば数rpmである。これに対して、通常時の回転速度は3000rpm~3600rpmである。このため、起動時の同期機4の電機子における電圧は、前述のように定常時の1/1000と非常に小さいことから、交流電圧検出器8による検出電圧の位相誤差は大きくなる。
 コンバータ1は、サイリスタなどの複数の素子からなり、交流電源e1からの交流電力を直流電力に変換する。
 インバータ2は、サイリスタなどの複数の素子からなり、コンバータ1により得られる直流電力をU相、V相、W相の三相交流電力に変換して同期機4の電機子に供給することにより、同期機4を駆動する。電力線LNは、電力変換部71によって変換された三相交流電力を同期機4の電機子へ送る。
 コンバータ1およびインバータ2は、直流リアクトル3を介して接続されている。インバータ2の交流側は同期機4の電機子に接続されている。
 交流電圧検出器8は、同期機4の電機子に供給される三相交流電圧を検出し、電圧検出値V1,V2,V3を位相補正部10へ出力する。
 位相補正部10は、交流電圧検出器8から受けた電圧検出値V1,V2,V3の位相誤差を補正して回転子位置検出部11へ出力する。
 交流電流検出器9は、同期機4の電機子に供給される三相交流電流を検出し、電流検出値I1,I2,I3を回転子位置検出部11へ出力する。
 回転子位置検出部11は、位相補正部10および交流電流検出器9から受けた各検出値に基づいて、同期機4の回転子位置(位相)を検出し、同期機4の回転子位置を示す回転子位置信号POSをインバータ制御部19へ出力する。回転子位置検出部11において、回転子位相検出部61は、位相補正部10および交流電流検出器9から受けた各検出値に基づいて、同期機4の回転子の位相を検出する。回転子速度検出部62は、位相補正部10および交流電流検出器9から受けた各検出値に基づいて、同期機4の回転子の回転速度を検出する。
 インバータ制御部19は、回転子位置検出部11から受けた回転子位置信号POSに基づいてインバータ2を制御する。
 インバータ制御部19において、基準正弦波演算器12は、回転子位置検出部11から受けた位置信号POSに基づいて、基準正弦波sinφを出力する。
 β指令回路14は、制御進み角指令値βを演算し、ゲートパルス発生器13へ出力する。
 ゲートパルス発生器13は、基準正弦波演算器12から受けた基準正弦波sinφと、β指令回路14から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ2における各素子へゲートパルスを出力する。
 回転子位置検出部11は、同期機4の回転子位置を示す推定位相すなわち後述する位相信号PHと位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3および交流電流検出器9から受けた電流検出値I1,I2,I3とに基づいて推定位相の誤差を算出し、算出された位相誤差に基づいて推定位相すなわち後述する位相信号PHを算出する。そして、回転子位置検出部11は、算出した推定位相から得られる位置信号POSを出力するとともに算出した推定位相と新たに位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3および新たに交流電流検出器9から受けた電流検出値I1,I2,I3とに基づいて推定位相の誤差を新たに算出するフィードバック演算を行なう。
 図2は、回転子位置検出部11の構成を示す図である。図2に示す構成は、図1に示す回転子位相検出部61および回転子速度検出部62の機能を実現するための構成の一例である。
 図2を参照して、回転子位置検出部11は、三相二相変換回路31および32と、誘起電圧演算回路33と、PLL回路34と、位置信号生成器35とを含む。
 三相二相変換回路31は、基準位相φすなわち同期機4の回転子の推定位相に基づいて、位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3を三相二相変換(d-q変換)する。
 三相二相変換回路32は、基準位相φに基づいて、交流電流検出器9から受けた電流検出値I1、I2、I3を三相二相変換(d-q変換)する。
 誘起電圧演算回路33は、三相二相変換回路31によって変換された電圧値VdおよびVqならびに三相二相変換回路32によって変換された電流値IdおよびIqに基づいて、同期機4の電機子に誘起される誘起電圧を演算する。
 三相二相変換回路31および32によって電圧および電流の座標変換すなわち三相二相変換を行なうためには、同期機4の回転子の回転に同期した基準位相が必要になる。ところが、機械式分配器などの位置センサが無い場合、この信号が直接得られない。
 そこで、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、三相二相変換回路31および32は、同期機起動装置101の起動時に基準位相φの初期値が与えられ、座標変換を行なう。
 そして、誘起電圧演算回路33は、三相二相変換回路31および32によって変換されたd-q軸上の電圧値および電流値に基づいて同期機4のd軸(同相成分)一q軸(直交成分)上での電機子の誘起電圧を計算する。誘起電圧を計算するためには、回転速度ωすなわち同期機4の回転子の推定回転速度が必要になるが、位置センサがないため、同期機起動装置101の起動時に同期機4の回転速度ωの初期値が誘起電圧演算回路33に与えられる。
 誘起電圧演算回路33によって計算された誘起電圧のq軸成分Zqすなわち基準位相φに対する直交成分がゼロでない場合には、計算結果が基準位相φに対してずれている。この誘起電圧のq軸成分Zqが、同期機4における回転子の推定位相の誤差に相当する。そこで、誘起電圧のq軸成分Zqがゼロとなるような制御を行なうPLL回路34を設ける。PLL回路34は、誘起電圧のq軸成分Zqがゼロになるような回転速度ωすなわち同期機4の回転子の推定回転速度と、基準位相φすなわち同期機4の回転子の推定位相とを算出する。なお、基準位相φは、回転速度ωを積分することにより算出される。
 PLL回路34によって算出された基準位相φは、三相二相変換回路31および32にフィードバックされ、また、位置信号生成器35へ出力される。そして、位置信号生成器35によって機械式分配器と同様のパルス状波形を有する信号が、同期機4の回転子位置を示す回転子位置信号POSとしてインバータ制御部19へ出力される。三相二相変換回路31および32は、以後、PLL回路34からの基準位相φに基づいて三相二相変換を行なう。
 また、PLL回路34によって算出された回転速度ωは、誘起電圧演算回路33に与えられる。誘起電圧演算回路33は、以後、PLL回路34からの回転速度ωに基づいて、誘起電圧(同相成分)Zdおよび誘起電圧(直交成分)Zqを演算する。
 なお、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、回転子位置検出部11は、同期機4の回転子位置を示す推定位相と位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3および交流電流検出器9から受けた電流検出値I1,I2,I3とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。回転子位置検出部11は、同期機4の回転子位置を示す推定位相と位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であってもよい。
 また、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、PLL回路34は、誘起電圧のq軸成分Zqのみに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。PLL回路34は、q軸成分Zqおよびd軸成分Zdに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であってもよい。このような構成により、さらに正確な演算が可能となる。
 図3は、交流電圧検出器8の構成を示す図である。図3では、同期機4の電機子における三相の交流電圧のうち、U相-V相間の交流電圧を検出する構成を代表的に示す。V相-W相間の交流電圧を検出する構成およびW相-U相間の交流電圧を検出する構成は図3に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。また、U相-V相間交流電圧およびV相-W相間交流電圧等の2つの相間交流電圧を検出すれば、U相、V相、W相の交流電圧を計算により求めることが可能である。この相間電圧から相電圧への変換は、位相補正部10または回転子位置検出部11において行なわれる。
 また、各相間の交流電圧の位相を補正する構成は同じであるため、以下では、U相-V相間の交流電圧の位相を補正する構成について代表的に説明する。
 図3を参照して、交流電圧検出器8は、たとえば計器用変圧器であり、1次巻線L1と、1次巻線L1と磁気結合された2次巻線L2とを含む。交流電圧検出器8は、U相の交流電圧が供給される電力線LNに電気的に接続された入力ノード1Uと、V相の交流電圧が供給される電力線LNに電気的に接続された入力ノード1Vと、出力ノード2Uおよび2Vとを有する。入力ノード1Uおよび1Vは、1次巻線L1の第1端および第2端にそれぞれ接続されている。出力ノード2Uおよび2Vは、2次巻線L2の第1端および第2端にそれぞれ接続されている。
 図3では、同期機4の電機子における三相の交流電圧のうち、U相-V相間の交流電圧すなわち入力ノード1Uおよび1V間の交流電圧E1を所定の変圧比で変圧した交流電圧E2が2次巻線L2すなわち出力ノード2Uおよび2V間に誘起される。
 このように、交流電圧検出器8として変圧器を用いる構成により、高電圧が印加されるインバータ2および電力線LN等の主回路と、位相補正部10および回転子位置検出部11等の制御回路との絶縁を確保することができるため、制御回路が過大電圧の印加によって故障することを防止することができる。
 図4は、交流電圧検出器8の等価回路を示す図である。
 図4を参照して、等価回路8Eは、回路要素として、抵抗Rと、漏れインダクタンスLLと、励磁インダクタンスLMとを含む。
 同期機4の電機子に供給される交流電圧の周波数をfとし、S=j×2×π×fとする。ここで、jは虚数単位である。交流電圧検出器8の入力電圧E1と出力電圧E2との関係は、以下の式で表わされる。
 E2=LM×S/{R+(LM+LL)×S}×E1
 一般には周波数fは十分高いので、R<<(LM+LL)×Sである。ゆえに、出力電圧E2は以下のように近似される。
 E2≒LM/(LM+LL)×E1
 したがって、E1とE2の位相は等しくなる。一方、周波数fが低い場合には、Rの値と(LM+LL)×Sの値とが同程度となり、出力電圧E2の位相が入力電圧E1の位相に対して進んでしまう。
 一般的な計器用変圧器では、周波数fが1Hz以下になると上記位相進みが顕著となる。そして、一般的な発電機は、0.05Hz程度の非常に低い周波数で回転して起動するので、発電機の電機子における交流電圧の実際の位相よりも進んだ位相に基づいてインバータ2におけるサイリスタを点弧することになる。そうすると、発電機に起動トルクを与えることができず、発電機を正常に起動できない場合がある。
 そこで、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、以下のような構成により、上記のような問題点を解決する。
 図5は、位相補正部10の構成を示す図である。
 図5を参照して、位相補正部10は、電圧センサ21と、比例積分回路22と、抵抗Ra1,Ra2と、オペアンプ23とを含む。比例積分回路22は、入力抵抗Riと、出力抵抗Roと、コンデンサCと、オペアンプ29とを含む。
 比例積分回路22において、入力抵抗Riは、電圧センサ21の出力端子に接続された第1端と、第2端とを有する。オペアンプ29は、入力抵抗Riの第2端および出力抵抗Roの第1端に接続された反転入力端子と、接地電圧の供給される接地ノードに接続された非反転入力端子と、コンデンサCの第2端および抵抗Ra1の第1端に接続された出力端子とを有する。抵抗Roの第2端とコンデンサCの第1端とが接続されている。
 また、オペアンプ23は、抵抗Ra1の第2端および抵抗Ra2の第1端に接続された反転入力端子と、接地電圧の供給される接地ノードに接続された非反転入力端子と、抵抗Ra2の第2端に接続された出力端子とを有する。
 電圧センサ21は、交流電圧検出器8の出力電圧E2のレベルを検出し、出力電圧E2のレベルを示す検出電圧E2DETを比例積分回路22へ出力する。電圧センサ21には、出力電圧E2に影響を与えないために入力インピーダンスの大きいアンプ等を使用するのが望ましい。
 たとえば、電圧センサ21は、絶縁アンプである。すなわち、電圧センサ21は、交流電圧検出器8の2次巻線L2に電気的に接続された入力端と、この入力端と絶縁された出力端とを有し、入力端における電圧を増幅した電圧を出力端から比例積分回路22へ出力する。
 比例積分回路22は、電圧センサ21から出力された電圧を比例積分することにより出力電圧E2の位相進みを補正する。
 位相補正部10は、交流電圧検出器8の2次巻線L2に電気的に接続され、1次巻線L1における交流電圧に対する2次巻線L2における交流電圧の位相進みを補正する。位相補正部10は、交流電圧検出器8における巻線抵抗R、漏れインダクタンスLLおよび励磁インダクタンスLMに基づいて出力電圧E2の位相進みを補正する。
 より詳細には、比例積分回路22では、kを任意の定数として、自らの回路要素Ri,Ro,Cと等価回路8Eの回路要素である抵抗R、漏れインダクタンスLLおよび励磁インダクタンスLMとの関係が、Ri=k×LM、Ro=k×(LM+LL)、C=1/(k×R)となるように、入力抵抗Riおよび出力抵抗Roの抵抗値とコンデンサCの容量値とが定められる。
 これにより、比例積分回路22は、交流電圧検出器8の出力電圧E2と回転子位置検出部11への出力電圧ECとの関係が以下の式になるように比例積分演算を行なうことになる。
 EC={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×E2
 ただし、S=j×2×π×fである。
 オペアンプ23は、比例積分回路22の出力電圧の極性を反転する。抵抗Ra1および抵抗Ra2の抵抗値は任意の等しい値である。
 したがって、回転子位置検出部11への出力電圧ECは、以下のようにE1と等しくなる。
 EC
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×E2
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×{(LM×S)/{R+(LM+LL)×S}}×E1
=E1
 すなわち、周波数fが低い場合における交流電圧検出器8の位相誤差が位相補正部10によって補正されるため、同期機4の電機子における交流電圧の位相を正確に検出することが可能となる。
 そして、出力電圧ECを回転子位置検出部11に与え、回転子位置検出部11が出力電圧ECに基づいて同期機4の回転子位置を検出することにより、同期機4を正常に起動することができる。
 また、一般に、LM>>LLであるので、簡略化してRi=Ro=k×LMとなるように、入力抵抗Riおよび出力抵抗Roの抵抗値とコンデンサCの容量値とを決めることも可能である。すなわち、位相補正部10は、変圧器における巻線抵抗Rおよび励磁インダクタンスLMに基づいて位相進みを補正する構成であってもよい。
 なお、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。電力変換部71は、コンバータ1、インバータ2および直流リアクトル3の代わりに、マトリックスコンバータ等、供給された電力を交流電力に変換して同期機4の電機子に供給する何らかの回路を含む構成であればよい。
 次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
 <第2の実施の形態>
 本実施の形態は、第1の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相補正部の実現方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
 位相補正部は、本発明の第1の実施の形態に係る位相補正部10のようにアナログ演算回路で実現してもよいし、あるいは、本実施の形態のようにCPU(Central
Processing Unit)等を用いたソフトウェア処理によって実現してもよい。
 図6は、本発明の第2の実施の形態に係る位相補正部の構成を示す図である。
 図6を参照して、位相補正部51は、電圧センサ21と、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ24と、比例積分演算部25とを含む。比例積分演算部25は、たとえばCPUであり、演算部CAL1~CAL4を含む。これらの演算部は、CPUが実行するプログラムによって実現される。
 電圧センサ21は、交流電圧検出器8における計器用変圧器の2次巻線L2における電圧すなわち出力電圧E2のレベルを検出し、出力電圧E2のレベルを示す検出電圧E2DETをアナログ/デジタルコンバータ24へ出力する。
 アナログ/デジタルコンバータ24は、電圧センサ21から受けたアナログ電圧である検出電圧E2DETをデジタル値に変換し、比例積分演算部25へ出力する。
 比例積分演算部25は、アナログ/デジタルコンバータ24によって変換されたデジタル値を比例積分することにより出力電圧E2の位相進みを補正する。
 より詳細には、比例積分演算部25は、交流電圧検出器8の等価回路8Eにおける回路要素である抵抗R、漏れインダクタンスLLおよび励磁インダクタンスLMの値を予め記憶している。そして、比例積分演算部25において、演算部CAL1は、アナログ/デジタルコンバータ24から受けたデジタル値に基づいて積分値E2/Sを算出し、演算部CAL2へ出力する。演算部CAL2は、R/LMと積分値E2/Sとを乗算して演算部CAL4へ出力する。演算部CAL3は、アナログ/デジタルコンバータ24から受けたデジタル値と(LM+LL)/LMとを乗算して演算部CAL4へ出力する。演算部CAL4は、演算部CAL2の演算結果と演算部CAL3の演算結果とを加算し、加算結果を出力電圧ECとして回転子位置検出部11へ出力する。
 すなわち、比例積分演算部25から出力される出力電圧ECは、以下の式で表わされる。
 EC={(R/LM)×(1/S)+(LM+LL)/LM}×E2
 したがって、回転子位置検出部11への出力電圧ECは、以下のようになる。
 EC
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×E2
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×(LM×S)/{R+(LM+LL)×S}×E1
=E1
 また、一般に、LM>>LLであるので、演算部CAL3の演算を簡略化して(LM+LL)/LM=1とすることも可能である。
 その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
 なお、本発明の第2の実施の形態に係る同期機起動装置では、交流電圧検出器8の検出結果に対して位相補正を行なう構成であるとしたが、これに限定するものではない。位相補正部51と同様の演算を行なう位相補正部を基準正弦波演算器12の後段に設け、基準正弦波演算器12から出力される基準正弦波sinφの位相を遅らせることにより出力電圧E2の位相進みを補正し、補正結果をゲートパルス発生器13へ出力する構成であってもよい。
 次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
 <第3の実施の形態>
 本実施の形態は、第1の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相補正部の実現方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
 図7は、本発明の第3の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
 図7を参照して、同期機起動装置103は、電力変換部71と、交流電圧検出器8と、交流電流検出器9と、位相補正部52と、回転子位置検出部11と、インバータ制御部(電力変換制御部)19と、電力線LNとを備える。電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む。インバータ制御部19は、基準正弦波演算器12と、ゲートパルス発生器13と、β指令回路14とを含む。回転子位置検出部11は、回転子位相検出部61と、回転子速度検出部62とを含む。位相補正部52は、位相変換テーブル(位相進み量変換部)41と、位相演算器(演算部)42とを含む。
 位相補正部52は、回転子速度検出部62によって検出された回転速度ωに基づいて、基準正弦波演算器12から出力される基準正弦波sinφの位相を遅らせることにより出力電圧E2の位相進みを補正し、補正した基準正弦波sin(φ-Δφ)をゲートパルス発生器13へ出力する。
 ゲートパルス発生器13は、位相補正部52から受けた基準正弦波sin(φ-Δφ)と、β指令回路14から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ2における各素子へゲートパルスを出力する。
 より詳細には、位相補正部52において、位相変換テーブル41は、回転速度ωと位相進み量Δφとの関数関係を記憶している。
 図8は、位相変換テーブル41の記憶する関数関係の一例を示す図である。
 図8を参照して、位相変換テーブル41は、回転速度ωすなわち同期機4の回転子の回転周波数が低くなるに従って位相進み量Δφが2次関数的に大きくなる関数関係を記憶している。
 より詳細には、位相変換テーブル41は、同期機4の回転子の複数の回転速度とこれら複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって交流電圧検出器8における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶している。位相変換テーブル41は、この関係に基づいて、回転子速度検出部62によって検出された回転速度ωに対応する位相進み量Δφを出力する。
 位相演算器42は、回転子位相検出部61によって検出された位相φを位相変換テーブル41から出力された位相進み量Δφ遅らせる。たとえば、位相演算器42は、基準正弦波演算器12から受けた基準正弦波sinφの位相を位相進み量Δφ遅らせた基準正弦波sin(φ-Δφ)を生成して出力する。
 すなわち、出力電圧E2の位相進み量は同期機4の回転子の回転周波数すなわち回転速度ωだけの関数であるので、予め複数の回転速度ωにそれぞれ対応する複数の位相進み量Δφを計算しておき、これをテーブルとして記憶しておく。そして、回転子速度検出部62によって求めた回転速度ωに対応する位相進み量Δφをこのテーブルから読み出し、この位相進み量Δφだけ基準正弦波sinφの位相を遅らせる。
 その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
 次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
 <第4の実施の形態>
 本実施の形態は、第3の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相遅延対象を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
 図9は、本発明の第4の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
 図9を参照して、同期機起動装置104は、電力変換部71と、交流電圧検出器8と、交流電流検出器9と、位相補正部53と、回転子位置検出部11と、インバータ制御部(電力変換制御部)19と、電力線LNとを備える。電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む。インバータ制御部19は、基準正弦波演算器12と、ゲートパルス発生器13と、β指令回路14とを含む。回転子位置検出部11は、回転子位相検出部61と、回転子速度検出部62とを含む。位相補正部53は、位相変換テーブル41と、位相演算器42とを含む。
 位相補正部53は、回転子速度検出部62によって検出された回転速度ωに基づいて、回転子位置検出部11から出力される回転子位置信号POSの示す位相φを遅らせることにより出力電圧E2の位相進みを補正し、補正した位相(φ-Δφ)を示す回転子位置信号POSCを基準正弦波演算器12へ出力する。
 基準正弦波演算器12は、位相補正部53から受けた回転子位置信号POSCに基づいて、基準正弦波sin(φ-Δφ)を出力する。
 より詳細には、位相演算器42は、回転子位置検出部11から受けた回転子位置信号POSの示す位相φを、位相変換テーブル41から受けた位相進み量Δφ遅らせた位相(φ-Δφ)を示す回転子位置信号POSCを生成して基準正弦波演算器12へ出力する。
 その他の構成および動作は第3の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
 なお、本発明の第3および第4の実施の形態に係る同期機起動装置では、それぞれ基準正弦波sinφの位相および回転子位置信号POSの示す位相φを位相進み量Δφ遅らせる構成であるとしたが、これに限定するものではない。ゲートパルス発生器13に位相遅延機能を持たせておいて、位相進み量Δφゲートパルスの位相を遅らせる構成であってもよい。
 今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
 1 コンバータ、2 インバータ、3 直流リアクトル、8 交流電圧検出器、8E 等価回路、9 交流電流検出器、10,51~53 位相補正部、11 回転子位置検出部、12 基準正弦波演算器、13 ゲートパルス発生器、14 β指令回路、19 インバータ制御部(電力変換制御部)、21 電圧センサ、22 比例積分回路、23,29 オペアンプ、24 アナログ/デジタル(A/D)コンバータ、25 比例積分演算部、31,32 三相二相変換回路、33 誘起電圧演算回路、34 PLL回路、35 位置信号生成器、41 位相変換テーブル(位相進み量変換部)、42 位相演算器(演算部)、61 回転子位相検出部、62 回転子速度検出部、71 電力変換部、101~103 同期機起動装置、Ra1,Ra2,R 抵抗、Ri 入力抵抗、Ro 出力抵抗、C コンデンサ、LL 漏れインダクタンス、LM 励磁インダクタンス、CAL1~CAL4 演算部。

Claims (5)

  1.  電機子および回転子を備えた同期機(4)を起動するための同期機起動装置であって、
     供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部(71)と、
     前記電力変換部(71)から前記同期機(4)の電機子へ前記交流電力を供給するための電力線(LN)と、
     前記電力線(LN)と電気的に接続された1次巻線(L1)、および前記1次巻線(L1)と磁気結合された2次巻線(L2)を含む変圧器(8)と、
     前記変圧器(8)の2次巻線(L2)に電気的に接続され、前記変圧器(8)の1次巻線(L1)における交流電圧に対する前記2次巻線(L2)における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部(10,51)と、
     前記位相補正部(10,51)によって補正された前記交流電圧に基づいて、前記同期機(4)の回転子位置を検出するための回転子位置検出部(11)と、
     前記回転子位置検出部(11)によって検出された前記回転子位置に基づいて、前記電力変換部(71)を制御するための電力変換制御部(19)とを備える同期機起動装置。
  2.  前記位相補正部(10,51)は、前記変圧器(8)における巻線抵抗(R)および励磁インダクタンス(LM)に基づいて前記位相進みを補正する請求の範囲第1項に記載の同期機起動装置。
  3.  前記位相補正部(10)は、
     前記変圧器(8)の2次巻線(L2)に電気的に接続された入力端と、前記入力端と絶縁された出力端とを有し、前記入力端における電圧を増幅した電圧を前記出力端から出力するための絶縁アンプ(21)と、
     前記絶縁アンプ(21)から出力された前記電圧を比例積分することにより前記位相進みを補正するための比例積分回路(22)とを含む請求の範囲第1項に記載の同期機起動装置。
  4.  前記位相補正部(51)は、
     前記変圧器(8)の2次巻線(L2)における電圧をデジタル値に変換するためのアナログ/デジタルコンバータ(24)と、
     前記アナログ/デジタルコンバータ(24)によって変換された前記デジタル値を比例積分することにより前記位相進みを補正するための演算部(25)とを含む請求の範囲第1項に記載の同期機起動装置。
  5.  電機子および回転子を備えた同期機(4)を起動するための同期機起動装置であって、
     供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部(71)と、
     前記電力変換部(71)から前記同期機(4)の電機子へ前記交流電力を供給するための電力線(LN)と、
     前記電力線(LN)と電気的に接続され、前記同期機(4)の電機子における交流電圧を検出するための変圧器(8)と、
     前記変圧器(8)によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機(4)の回転子の位相を検出するための回転子位相検出部(61)と、
     前記変圧器(8)によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機(4)の回転子の回転速度を検出するための回転子速度検出部(62)と、
     前記回転子位相検出部(61)によって検出された前記位相を補正するための位相補正部(52,53)と、
     前記位相補正部(52,53)によって補正された前記位相に基づいて、前記電力変換部(71)を制御するための電力変換制御部(19)とを備え、
     前記位相補正部(52,53)は、
     前記回転子の複数の回転速度と前記複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって前記変圧器(8)における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶し、前記回転子速度検出部(62)によって検出された前記回転速度に対応する前記位相進み量を出力するための位相進み量変換部(41)と、
     前記回転子位相検出部(61)によって検出された前記位相を前記位相進み量変換部(41)から出力された前記位相進み量遅らせるための演算部(42)とを含む同期機起動装置。
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