WO2011024247A1 - 同期機起動装置 - Google Patents

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WO2011024247A1
WO2011024247A1 PCT/JP2009/064695 JP2009064695W WO2011024247A1 WO 2011024247 A1 WO2011024247 A1 WO 2011024247A1 JP 2009064695 W JP2009064695 W JP 2009064695W WO 2011024247 A1 WO2011024247 A1 WO 2011024247A1
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synchronous machine
voltage
rotor
armature
detected
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PCT/JP2009/064695
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伸三 玉井
久徳 田口
彰修 安藤
靖彦 細川
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • H02P1/52—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor by progressive increase of frequency of supply to motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/25—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/27—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means for conversion of frequency
    • H02M5/272—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means for conversion of frequency for variable speed constant frequency systems

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 position of the rotor 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.
  • a constant field current is passed through the rotor field winding during initial rotation before acceleration by the synchronous machine starting device, and a fixed magnetic field is generated.
  • the heat generated in the field winding by the field current is air-cooled by the rotation of the rotor, but a constant field current is passed without increasing the rotational speed of the synchronous machine as described above. If the state continues, the temperature of the field winding rises and the synchronous machine may break down.
  • 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 by detecting a rotation abnormality of the synchronous machine. It is to be.
  • a synchronous machine starting device for starting a synchronous machine including an armature for generating a rotating magnetic field, and a rotor for generating a fixed magnetic field when a field current is supplied.
  • a synchronous machine starting device for converting supplied power into alternating current power and supplying it to the armature of the synchronous machine, and alternating current for detecting an alternating voltage in the armature of the synchronous machine Based on the voltage detector, the AC voltage detected by the AC voltage detector, the rotor position detector for detecting the rotor position of the synchronous machine, and the rotor position detector detected by the rotor position detector Based on the rotor position, detected by the power conversion control unit for controlling the power conversion unit and the AC voltage detection unit after the supply of the field current to the rotor of the synchronous machine is started.
  • the abnormality detection unit starts the supply of the AC power to the armature of the synchronous machine by the power conversion unit from the start of the supply of the field current to the rotor of the synchronous machine.
  • the rotation abnormality of the synchronous machine is detected based on the number of times that the level of the AC voltage in the armature of the synchronous machine reaches a predetermined value in all or a part of the period up to a certain time.
  • the rotor position detecting unit calculates an error of the estimated phase based on an estimated phase indicating the rotor position, an estimated rotational speed of the rotor, and the AC voltage detected by the AC voltage detecting unit. Then, the estimated phase and the estimated rotational speed are calculated based on the calculated phase error, and the abnormality detecting unit starts supplying the AC power to the armature of the synchronous machine by the power converting unit. Based on the estimated rotational speed calculated by the rotor position detector after a lapse of a predetermined time from the time, rotation abnormality of the synchronous machine is detected.
  • the abnormality detection unit is configured to detect the AC detected by the AC voltage detection unit after a predetermined time has elapsed from the start of the supply of the AC power to the armature of the synchronous machine by the power conversion unit. Based on the voltage amplitude, rotation abnormality of the synchronous machine is detected.
  • the synchronous machine can be stably started by detecting the rotation abnormality of the synchronous machine.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a rotor position detection unit 11. It is a figure which shows the effective value of the alternating voltage in the armature of the synchronous machine which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows the structure of the abnormality detection part in the synchronous machine system which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a synchronous machine system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing in detail the configuration of the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention.
  • a synchronous machine system 301 is, for example, a power generation system, and includes a central control device 201, an excitation device 202, a synchronous machine starting device 101, a synchronous machine 4, a turbine TB, and a motor M. Prepare.
  • the synchronous machine 4, the turbine TB and the motor M are connected via a shaft SH.
  • the synchronous machine 4 is, for example, a synchronous generator or a synchronous motor, and has armatures ATU, ATV, ATW, which are stators, and a rotor (field) RT, as shown in FIG. An armature winding and a field winding are wound around the stator and the rotor, respectively.
  • the synchronous machine starting device 101 generates a rotating magnetic field in the stator of the synchronous machine 4 by supplying AC power to the armature winding in the stator of the synchronous machine 4.
  • the exciter 202 generates a fixed magnetic field in the rotor of the synchronous machine 4 by supplying a field current to the field winding in the rotor of the synchronous machine 4. By these rotating magnetic field and fixed magnetic field, the stator of the synchronous machine 4 rotates.
  • 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.
  • the normal rotation speed is 3000 rpm to 3600 rpm.
  • the voltage in the armature of the synchronous machine 4 at the start-up is very small, for example, 1/1000 of the rated voltage at the steady state.
  • the operation of the synchronous machine system 301 will be briefly described. First, when the synchronous machine 4 is on standby, the central controller 201 is excited when the synchronous machine 4 and the turbine TB are rotating at a low speed as the motor M rotates. A start signal is given to the device 202, that is, a control signal SIT indicating a start command for the excitation device 202 is output.
  • the exciter 202 includes a field switch SWA. Upon receiving a control signal SIT indicating a start command for the exciter 202 from the central controller 201, the exciter 202 turns on the field switch SWA, and the field winding in the rotor of the synchronous machine 4 Supply field current to the wire.
  • the central controller 201 gives a start command to the synchronous machine starter 101, that is, a control signal SIT indicating the start command of the synchronous machine starter 101 is given. Output.
  • the synchronous machine starting device 101 When the synchronous machine starting device 101 receives the control signal SIT indicating the starting command of the synchronous machine starting device 101 from the central controller 201, the synchronous machine starting device 101 accelerates the synchronous machine 4 and the turbine TB to a predetermined rotational speed. More specifically, the synchronous machine starting device 101 converts the power supplied from the outside by the transformer TR, and supplies the AC power to the armature of the synchronous machine 4 based on the converted power. The rotation of the turbine TB is accelerated.
  • the turbine TB rotates the synchronous machine 4 at a higher speed by energy such as thermal power.
  • the synchronous machine starting device 101 starts an abnormality detection operation when a start command is given from the central controller 201 to the exciter 202, and when an abnormality in rotation of the synchronous machine 4 is detected, an alarm signal ALM is sent to the central controller 201. Output to.
  • the central control device 201 When the central control device 201 receives the alarm signal ALM from the synchronous machine starting device 101, the central control device 201 performs appropriate processing such as stopping the excitation device 202, the synchronous machine starting device 101, the synchronous machine 4, the turbine TB, and the motor M.
  • synchronous machine starting device 101 includes power converter 91, AC voltage detector 8, AC current detector 9, abnormality detector 10, rotor position detector 11, and inverter control.
  • Unit (power conversion control unit) 19 Power conversion unit 91 includes a converter 1, an inverter 2, and a DC reactor 3.
  • 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, and drives the synchronous machine 4 by converting DC power obtained by the converter 1 into AC power and supplying it to the armatures ATU, ATV, ATW 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 armatures ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 4.
  • the AC voltage detector 8 detects the three-phase AC voltage supplied to the armatures ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 4 and outputs the detected voltage values V1, V2, V3 to the rotor position detector 11. For example, the AC voltage detector 8 detects the interphase voltage of the three-phase AC voltage in the armatures ATU, ATV, and ATW of the synchronous machine 4. If two phase AC voltages such as an AC voltage between the U phase and the V phase and an AC voltage between the V phase and the W phase are detected, the AC voltages of the U phase, the V phase, and the W phase can be obtained by calculation. The conversion from the interphase voltage to the phase voltage is performed by the AC voltage detector 8 or the rotor position detector 11.
  • the alternating current detector 9 detects the three-phase alternating current supplied to the armatures ATU, ATV, and ATW of the synchronous machine 4 and outputs the detected current values I1, I2, and I3 to the rotor position detection unit 11.
  • the rotor position detector 11 detects the rotor position (phase) of the synchronous machine 4 based on the detection values received from the AC voltage detector 8 and the AC current detector 9, and the rotor position of the synchronous machine 4. Is output to the inverter control unit 19.
  • the inverter controller 19 generates a rotating magnetic field in the armatures ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 4 by controlling the inverter 2 based on the position signal POS received from the rotor position detector 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 detector 11 receives an estimated phase indicating the rotor position of the synchronous machine 4, that is, a reference phase ⁇ described later, voltage detection values V 1, V 2 and V 3 received from the AC voltage detector 8, and an AC current detector 9. An estimated phase error is calculated based on the detected current values I1, I2, and I3, and an estimated phase, that is, a reference phase ⁇ 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, calculates the estimated phase, newly detected voltage values V1, V2, V3 received from the AC voltage detector 8, and newly. Based on the current detection values I1, I2, and I3 received from the AC current detector 9, a feedback calculation is performed to newly calculate an error in the estimated phase.
  • the abnormality detection unit 10 rotates the synchronous machine 4 based on the AC voltage detected by the AC voltage detector 8 after the field current supply from the excitation device 202 to the rotor RT of the synchronous machine 4 is started. Detect anomalies.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the rotor position detection unit 11.
  • the rotor position detection unit 11 includes a zero cross detection unit (level monitoring unit) 39, three-phase two-phase conversion circuits 31 and 32, an induced voltage calculation circuit 33, a PLL circuit 34, a position A signal generator 35 and a switch SWB are included.
  • the zero cross detection unit 39 performs zero cross detection of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 based on the voltage detection values V1, V2, V3 received from the AC voltage detector 8. That is, the zero cross detection unit 39 detects the timing at which the AC voltage level in the armature of the synchronous machine 4 becomes, for example, zero volts, and outputs a pulsed detection signal ZDET indicating the detected timing to the switch SWB.
  • the three-phase to two-phase conversion circuit 31 performs three-phase to two-phase conversion (dq conversion) on the voltage detection values V1, V2, and V3 received from the AC voltage detector 8 based on the reference phase ⁇ .
  • 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 generates a d-axis (in-phase component) -q-axis of the synchronous machine 4 based on the voltage value and current value on the dq-axis converted by the three-phase / two-phase conversion circuits 31 and 32. Calculate the induced voltage of the armature on the orthogonal component.
  • the rotational speed ⁇ is required, but since there is no position sensor, the initial value of the rotational speed ⁇ of the synchronous machine 4 is given to the induced voltage calculation circuit 33 when the synchronous machine starting device 101 is started. It is done.
  • 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 ⁇ 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. Then, the position signal generator 35 outputs a phase signal PH having a pulse waveform similar to that of the mechanical distributor to the switch SWB. 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 switch SWB outputs either the detection signal ZDET received from the zero cross detection unit 39 or the phase signal PH received from the position signal generator 35 to the inverter control unit 19 as a position signal POS indicating the rotor position of the synchronous machine 4. .
  • the rotor position detection unit 11 includes the estimated phase indicating the rotor position of the synchronous machine 4 and the voltage detection value received from the AC voltage detector 8.
  • the estimated phase error is calculated based on V1, V2, V3 and the current detection values I1, I2, I3 received from the AC current detector 9, the present invention is not limited to this.
  • the rotor position detector 11 is configured to calculate an error in the estimated phase based on the estimated phase indicating the rotor position of the synchronous machine 4 and the detected voltage values V1, V2, V3 received from the AC voltage detector 8. 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. 4 is a diagram showing an effective value of the AC voltage in the armature of the synchronous machine according to the first embodiment of the present invention.
  • the central controller 201 gives an activation command to the exciter 202.
  • the exciter 202 turns on the field switch SWA and supplies a constant field current to the field winding in the rotor of the synchronous machine 4. Then, since the rotor of the synchronous machine 4 is rotated at a low speed by the motor M, a low-amplitude AC voltage is induced in the armature of the synchronous machine 4.
  • the switch SWB outputs the detection signal ZDET received from the zero cross detection unit 39 to the inverter control unit 19 as the position signal POS.
  • the abnormality detection unit 10 performs abnormality detection based on the zero cross point. That is, the abnormality detection unit 10 starts supplying AC power to the armature of the synchronous machine 4 by the power conversion unit 91 from the start of supply of the field current to the rotor of the synchronous machine 4 (time T1). Rotation abnormality of the synchronous machine 4 is detected based on the number of times that the level of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 becomes a predetermined value, for example, zero volts, in all or a part of the period until the time (time T2) To do.
  • the central controller 201 gives a start command to the synchronous machine starter 101.
  • the synchronous machine starting device 101 accelerates the synchronous machine 4 and the turbine TB to a predetermined rotational speed.
  • the amplitude of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 increases.
  • the switch SWB outputs the phase signal PH received from the position signal generator 35 to the inverter control unit 19 as the position signal POS.
  • the abnormality detection unit 10 performs abnormality detection based on the rotational speed ⁇ . That is, the abnormality detection unit 10 is calculated by the rotor position detection unit 11 after a predetermined time has elapsed from when the power conversion unit 91 starts supplying AC power to the armature of the synchronous machine 4 (time T2). Based on the rotation speed ⁇ , the rotation abnormality of the synchronous machine 4 is detected.
  • the turbine TB rotates the synchronous machine 4 at a higher speed by energy such as thermal power.
  • the exciter 202 keeps the AC voltage level constant in the armature of the synchronous machine 4 by adjusting the field current.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an abnormality detection unit in the synchronous machine system according to the first embodiment of the present invention.
  • abnormality detection unit 10 includes a count unit 71, a comparator 72, a determination unit 73, a switching unit 74, a comparator 75, and a determination unit 76.
  • Count unit 71 counts the number of pulses of detection signal ZDET received from zero cross detection unit 39 and outputs count signal CNT indicating the number of times that the AC voltage level in the armature of synchronous machine 4 becomes zero volts to comparator 72. To do.
  • the comparator 72 compares the number of times indicated by the count signal CNT received from the counting unit 71 with the reference number ENUM, and outputs a logic level signal indicating an abnormality when the reference number ENUM is larger, for example. When the reference number ENUM is smaller, a logic level signal indicating normal is output.
  • the determination unit 73 has a timer, and from when the control signal SIT indicating the start command of the excitation device 202 is received from the central control device 201 (time T1 in FIG. 4) until the time set in this timer elapses. During the interval, regardless of the signal received from the comparator 72, a signal having a logic level indicating normality is output as a determination signal. Then, when the time set in this timer has elapsed since the determination unit 73 received the activation command for the excitation device 202 from the central control device 201, the signal received from the comparator 72 is directly used as the determination signal to the switching unit 74. Output.
  • the comparator 75 compares the rotational speed ⁇ received from the rotor position detection unit 11 with the reference speed ERF, and outputs a signal of a logic level indicating that the reference speed ERF is abnormal when the reference speed ERF is larger, for example. When the reference speed ERF is smaller, a logic level signal indicating normal is output.
  • the determination unit 76 has a timer, and the time set in this timer has elapsed since the control signal SIT indicating the start command of the synchronous machine starting device 101 is received from the central control device 201 (time T2 in FIG. 4). Until (until time T3 in FIG. 4), regardless of the signal received from the comparator 75, a logic level signal indicating normality is output as a determination signal. When the time set in this timer has elapsed since the determination unit 76 received the control signal SIT indicating the start command of the synchronous machine starting device 101 from the central control device 201, the signal received from the comparator 75 is used as it is. The determination signal is output to the switching unit 74.
  • the switching unit 74 outputs, for example, the determination signal received from the determination unit 73 to the central control device 201 before receiving the activation command for the synchronous device activation device 101 from the central control device 201. After receiving the activation command 101, the determination signal received from the determination unit 76 is output to the central controller 201.
  • the switch SWB When the synchronous machine 4 is on standby, the voltage at the armature of the synchronous machine 4 is very small as described above. For this reason, since the estimation accuracy of the induced voltage by the induced voltage calculation circuit 33 is low, the switch SWB outputs the detection signal ZDET received from the zero cross detection unit 39 to the inverter control unit 19 as the position signal POS. That is, when the synchronous machine 4 is on standby, the rotor of the synchronous machine 4 rotates at a predetermined speed as the motor M rotates, so that the interval between the zero cross points is constant.
  • the zero cross point is detected and the frequency of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 is simply measured.
  • the rotation abnormality of the synchronous machine 4 is detected.
  • the zero cross detection unit 39 cannot detect the zero cross point, but the first embodiment of the present invention. In the synchronous machine starting device according to the above, such an abnormality can be detected by the abnormality detection unit 10.
  • the abnormality is detected based on the rotational speed ⁇ , so that the abnormality is detected more accurately and quickly than the method of detecting the abnormality based on the zero cross point. Can be detected.
  • the abnormality detection unit 10 performs alternating current in the armature of the synchronous machine 4 during all or part of the period from time T1 to time T2.
  • a predetermined value for example, zero volts
  • the abnormality detecting unit 10 determines whether the AC voltage level in the armature of the synchronous machine 4 has reached a predetermined value, for example, zero volts, in the whole or a part of the period from the time T1 to the time T3.
  • a configuration for detecting a rotation abnormality may be used.
  • the present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which an abnormality detection method 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. 6 is a diagram showing in detail the configuration of the synchronous machine starting device according to the second embodiment of the present invention.
  • synchronous machine activation device 102 includes abnormality detection unit 20 instead of abnormality detection unit 10 as compared with synchronous machine activation device according to the first embodiment of the present invention.
  • the abnormality detection unit 20 is based on the amplitude of the AC voltage detected by the AC voltage detector 8 after a predetermined time has elapsed since the start of the supply of AC power to the armature of the synchronous machine 4 by the power conversion unit 91.
  • the rotation abnormality of the synchronous machine 4 is detected. More specifically, the abnormality detection unit 20 detects a rotation abnormality of the synchronous machine 4 based on the detected voltage value VE received from the rotor position detection unit 11.
  • the abnormality detection unit 20 calculates the effective value of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 based on the detected voltage value VE, and detects the rotational abnormality of the synchronous machine 4 based on the effective value.
  • the detected voltage value VE is at least one of the detected values V1, V2, and V3 and the voltage values Vd and Vq.
  • the abnormality detection unit 20 performs abnormality detection based on the amplitude of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4. That is, the abnormality detection unit 20 is detected by the AC voltage detector 8 after a predetermined time has elapsed from when the power conversion unit 91 starts supplying AC power to the armature of the synchronous machine 4 (time T2). An abnormal rotation of the synchronous machine 4 is detected based on the amplitude of the AC voltage.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an abnormality detection unit in the synchronous machine system according to the second embodiment of the present invention.
  • abnormality detection unit 20 includes a counting unit 71, a comparator 72, a determination unit 73, a comparator 77, a determination unit 78, and a switching unit 79.
  • the comparator 77 compares the detected voltage value VE received from the rotor position detecting unit 11 with the reference voltage ERV, and, for example, outputs a logic level signal indicating an abnormality when the reference voltage ERV is larger. When the reference voltage ERV is smaller, a logic level signal indicating normality is output.
  • the determination unit 78 has a timer, and the time set in the timer elapses from the time when the control signal SIT indicating the start command of the synchronous machine starting device 102 is received from the central control device 201 (time T2 in FIG. 4). Until (until time T3 in FIG. 4), regardless of the signal received from the comparator 77, a signal having a logical level indicating normal is output as a determination signal. Then, when the time set in this timer has elapsed since the determination unit 78 has received the control signal SIT indicating the start command of the synchronous machine starting device 102 from the central control device 201, the signal received from the comparator 77 is left as it is. The determination signal is output to the switching unit 79.
  • the switching unit 79 outputs, for example, the determination signal received from the determination unit 73 to the central control device 201 before receiving the activation command for the synchronous device activation device 102 from the central control device 201. After receiving the activation command 102, the determination signal received from the determination unit 78 is output to the central controller 201.
  • the synchronous machine 4 when constant field control is performed, that is, when a constant field current is passed through the field winding of the rotor, the amplitude of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 and the rotational frequency of the rotor of the synchronous machine 4. Is a proportional relationship.
  • the synchronous machine starting device 102 uses this proportional relationship, and if the amplitude of the AC voltage in the armature of the synchronous machine 4 does not exceed a predetermined value even after a predetermined time has elapsed since the synchronous machine 4 started, the synchronous machine 4 rotation abnormality can be determined.
  • the calculation by the rotor position detector 11 diverges and the rotational speed Even if ⁇ becomes an excessive value, it is determined that the rotation of the synchronous machine 4 is normal.
  • the calculation by the rotor position detecting unit 11 diverges and is normal. Even when the operation is not performed, the rotation abnormality of the synchronous machine 4 can be detected.
  • the effective value of the detected voltage value of the AC voltage detector 8 needs to be calculated.
  • the configuration for detecting an abnormality based on the rotational speed ⁇ as in the synchronous machine starting device according to the first embodiment has an advantage that it is not necessary.

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Abstract

　回転磁界を発生するための電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する回転子（ＲＴ）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して同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）に供給するための電力変換部（７１）と、交流電圧検出部（８）によって検出された同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）における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、同期機（４）の回転子（ＲＴ）への界磁電流の供給が開始された後において交流電圧検出部（８）によって検出された交流電圧に基づいて、同期機（４）の回転異常を検出する異常検出部（１０）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、同期機の回転子の位置を検出し、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
　しかしながら、特許文献１に記載の同期機起動装置では、何らかの原因により同期機の回転子（ロータ）における磁界とサイリスタの点弧位相とがずれると、同期機に正常なトルクを与えることができず、同期機の回転を加速することができなくなる。
　通常、同期機では、同期機起動装置による加速前の初期回転時、回転子の界磁巻線を通して一定の界磁電流が流されており、一定の固定磁界が発生している。ここで、界磁電流によって界磁巻線に発生する熱は、回転子の回転によって空冷されるが、上記のように同期機の回転数が上がらないまま一定の界磁電流が流されている状態が続くと、界磁巻線の温度が上昇し、同期機が故障してしまう場合がある。
　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、同期機の回転異常を検出することにより、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、回転磁界を発生するための電機子、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する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して上記同期機の電機子に供給するための電力変換部と、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交流電圧検出部と、上記交流電圧検出部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、上記同期機の回転子への上記界磁電流の供給が開始された後において上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転異常を検出する異常検出部とを備える。
　好ましくは、上記異常検出部は、上記同期機の回転子への上記界磁電流の供給が開始された時から上記電力変換部による上記同期機の電機子への上記交流電力の供給が開始される時までの期間の全部または一部の期間において、上記同期機の電機子における上記交流電圧のレベルが所定値になった回数に基づいて上記同期機の回転異常を検出する。
　好ましくは、上記回転子位置検出部は、上記回転子位置を示す推定位相、上記回転子の推定回転速度および上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧に基づいて上記推定位相の誤差を算出し、算出した上記位相誤差に基づいて上記推定位相および上記推定回転速度を算出し、上記異常検出部は、上記電力変換部による上記同期機の電機子への上記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において上記回転子位置検出部によって算出された上記推定回転速度に基づいて、上記同期機の回転異常を検出する。
　好ましくは、上記異常検出部は、上記電力変換部による上記同期機の電機子への上記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧の振幅に基づいて、上記同期機の回転異常を検出する。
　本発明によれば、同期機の回転異常を検出することにより、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システムの構成を示す図である。 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詳細に示す図である。 回転子位置検出部１１の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る同期機の電機子における交流電圧の実効値を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部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同期機起動装置の構成を詳細に示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部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システムの構成を示す図である。図２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詳細に示す図である。
　図１を参照して、同期機システム３０１は、たとえば発電システムであり、中央制御装置２０１と、励磁装置２０２と、同期機起動装置１０１と、同期機４と、タービンＴＢと、モータＭとを備える。
　同期機４、タービンＴＢ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、図２に示すように、固定子である電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷと、回転子（界磁）ＲＴとを有する。この固定子および回転子において電機子巻線および界磁巻線がそれぞれ巻回されている。
　同期機起動装置１０１は、同期機４の固定子における電機子巻線に交流電力を供給することにより、同期機４の固定子に回転磁界を発生する。励磁装置２０２は、同期機４の回転子における界磁巻線に界磁電流を供給することにより、同期機４の回転子に固定磁界を発生する。これらの回転磁界および固定磁界により、同期機４の固定子が回転する。
　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。起動時の同期機４の電機子における電圧は、定常時の定格電圧のたとえば１／１０００と非常に小さい。
　同期機システム３０１の動作について簡単に説明すると、まず、同期機４の待機時、同期機４およびタービンＴＢがモータＭの回転に伴って低速回転している状態において、中央制御装置２０１は、励磁装置２０２に起動指令を与える、すなわち励磁装置２０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを出力する。
　励磁装置２０２は、界磁スイッチＳＷＡを備え、中央制御装置２０１から励磁装置２０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けると、界磁スイッチＳＷＡをオンし、同期機４の回転子における界磁巻線に界磁電流を供給する。
　同期機４の回転子に界磁電流が供給されている状態において、中央制御装置２０１は、同期機起動装置１０１に起動指令を与える、すなわち同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを出力する。
　同期機起動装置１０１は、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けると、同期機４およびタービンＴＢを所定の回転速度まで加速する。より詳細には、同期機起動装置１０１は、外部から供給された電力をトランスＴＲによって変換し、変換した電力に基づいて同期機４の電機子に交流電力を供給することにより、同期機４およびタービンＴＢの回転を加速する。
　同期機起動装置１０１によって同期機４およびタービンＴＢの回転速度が所定値に達すると、タービンＴＢは、火力等のエネルギーによって同期機４をさらに高速に回転させる。
　また、同期機起動装置１０１は、中央制御装置２０１から励磁装置２０２へ起動指令が与えられると異常検出動作を開始し、同期機４の回転異常を検出した場合、警報信号ＡＬＭを中央制御装置２０１へ出力する。
　中央制御装置２０１は、同期機起動装置１０１から警報信号ＡＬＭを受けると、励磁装置２０２、同期機起動装置１０１、同期機４、タービンＴＢおよびモータＭの停止等、適切な処理を行なう。
　図２を参照して、同期機起動装置１０１は、電力変換部９１と、交流電圧検出器８と、交流電流検出器９と、異常検出部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とを備える。電力変換部９１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。
　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交流電力に変換して同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに供給することにより、同期機４を駆動する。
　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ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ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ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに供給される三相交流電圧を検出し、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を回転子位置検出部１１へ出力する。たとえば、交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおける三相交流電圧の相間電圧を検出する。Ｕ相－Ｖ相間の交流電圧およびＶ相－Ｗ相間の交流電圧等の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、交流電圧検出器８または回転子位置検出部１１において行なわれる。
　交流電流検出器９は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ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、交流電圧検出器８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位置信号ＰＯＳをインバータ制御部１９へ出力する。
　インバータ制御部１９は、回転子位置検出部１１から受けた位置信号ＰＯＳに基づいてインバータ２を制御することにより、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおいて回転磁界を発生する。
　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基準位相φと交流電圧検出器８から受けた電圧検出値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基準位相φ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交流電圧検出器８から受けた電圧検出値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。
　異常検出部１０は、励磁装置２０２から同期機４の回転子ＲＴへの界磁電流の供給が開始された後において交流電圧検出器８によって検出された交流電圧に基づいて、同期機４の回転異常を検出する。
　図３は、回転子位置検出部１１の構成を示す図である。
　図３を参照して、回転子位置検出部１１は、ゼロクロス検出部（レベル監視部）３９と、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、スイッチＳＷＢとを含む。
　ゼロクロス検出部３９は、交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて、同期機４の電機子における交流電圧のゼロクロス検出を行なう。すなわち、ゼロクロス検出部３９は、同期機４の電機子における交流電圧のレベルがたとえばゼロボルトになるタイミングを検出し、検出したタイミングを示すパルス状の検出信号ＺＤＥＴをスイッチＳＷＢへ出力する。
　三相二相変換回路３１は、基準位相φに基づいて、交流電圧検出器８から受けた電圧検出値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）－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。
　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位相信号ＰＨがスイッチＳＷＢ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。
　スイッチＳＷＢは、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴおよび位置信号生成器３５から受けた位相信号ＰＨのいずれかを同期機４の回転子位置を示す位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。
　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交流電圧検出器８から受けた電圧検出値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交流電圧検出器８から受けた電圧検出値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４は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機の電機子における交流電圧の実効値を示す図である。
　図４を参照して、まず、時刻Ｔ０において、同期機４およびタービンＴＢがモータＭの回転に伴って低速回転している。
　次に、時刻Ｔ１において、中央制御装置２０１は、励磁装置２０２に起動指令を与える。励磁装置２０２は、中央制御装置２０１から起動指令が与えられると、界磁スイッチＳＷＡをオンし、同期機４の回転子における界磁巻線に一定の界磁電流を供給する。そうすると、同期機４の回転子はモータＭによって低速回転しているため、同期機４の電機子において低振幅の交流電圧が誘起される。
　スイッチＳＷＢは、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴを位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。また、異常検出部１０は、ゼロクロス点に基づく異常検出を行なう。すなわち、異常検出部１０は、同期機４の回転子への界磁電流の供給が開始された時（時刻Ｔ１）から電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始される時（時刻Ｔ２）までの期間の全部または一部の期間において、同期機４の電機子における交流電圧のレベルが所定値たとえばゼロボルトになった回数に基づいて同期機４の回転異常を検出する。
　次に、時刻Ｔ２において、中央制御装置２０１は、同期機起動装置１０１に起動指令を与える。同期機起動装置１０１は、中央制御装置２０１から起動指令が与えられると、同期機４およびタービンＴＢを所定の回転速度まで加速する。この同期機４の回転速度の上昇に伴って同期機４の電機子における交流電圧の振幅が大きくなっていく。
　そして、スイッチＳＷＢは、位置信号生成器３５から受けた位相信号ＰＨを位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。
　次に、時刻Ｔ３において、異常検出部１０は、回転速度ωに基づく異常検出を行なう。すなわち、異常検出部１０は、電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時（時刻Ｔ２）から所定時間経過した後において回転子位置検出部１１によって算出された回転速度ωに基づいて、同期機４の回転異常を検出する。
　次に、時刻Ｔ４において、同期機４およびタービンＴＢの回転が所定速度に達すると、タービンＴＢは、火力等のエネルギーによって同期機４をさらに高速に回転させる。励磁装置２０２は、界磁電流を調整することにより、同期機４の電機子における交流電圧のレベルを一定に保つ。
　図５は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部の構成を示す図である。
　図５を参照して、異常検出部１０は、カウント部７１と、比較器７２と、判定部７３と、切り替え部７４と、比較器７５と、判定部７６とを含む。
　カウント部７１は、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴのパルス数をカウントし、同期機４の電機子における交流電圧のレベルがゼロボルトになった回数を示すカウント信号ＣＮＴを比較器７２へ出力する。
　比較器７２は、カウント部７１から受けたカウント信号ＣＮＴの示す回数と基準回数ＥＮＵＭとを比較し、たとえば、基準回数ＥＮＵＭの方が大きい場合には異常であることを示す論理レベルの信号を出力し、基準回数ＥＮＵＭの方が小さい場合には正常であることを示す論理レベルの信号を出力する。
　判定部７３は、タイマを有し、中央制御装置２０１から励磁装置２０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時（図４では時刻Ｔ１）からこのタイマに設定された時間が経過するまでの間は、比較器７２から受けた信号に関わらず、正常であることを示す論理レベルの信号を判定信号として出力する。そして、判定部７３は、中央制御装置２０１から励磁装置２０２の起動指令を受けた時からこのタイマに設定された時間が経過すると、比較器７２から受けた信号をそのまま判定信号として切り替え部７４へ出力する。
　比較器７５は、回転子位置検出部１１から受けた回転速度ωと基準速度ＥＲＦとを比較し、たとえば、基準速度ＥＲＦの方が大きい場合には異常であることを示す論理レベルの信号を出力し、基準速度ＥＲＦの方が小さい場合には正常であることを示す論理レベルの信号を出力する。
　判定部７６は、タイマを有し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時（図４では時刻Ｔ２）からこのタイマに設定された時間が経過するまで（図４では時刻Ｔ３）の間は、比較器７５から受けた信号に関わらず、正常であることを示す論理レベルの信号を判定信号として出力する。そして、判定部７６は、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時からこのタイマに設定された時間が経過すると、比較器７５から受けた信号をそのまま判定信号として切り替え部７４へ出力する。
　切り替え部７４は、たとえば、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を受ける前は判定部７３から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を受けた後は判定部７６から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力する。
　同期機４の待機時、同期機４の電機子における電圧は前述のように非常に小さい。このため、誘起電圧演算回路３３による誘起電圧の推定精度が低いことから、スイッチＳＷＢは、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴを位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。すなわち、同期機４の待機時、同期機４の回転子はモータＭの回転に伴って所定速度で回転しているため、ゼロクロス点の間隔は一定である。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、同期機４の待機時、ゼロクロス点を検出して同期機４の電機子における交流電圧の周波数を簡易的に測定することにより、同期機４の回転異常を検出する。
　これにより、同期機４の電機子における電圧が非常に小さく、同期機４の回転子位置を推定できない場合であっても、同期機４の回転子の回転速度を推定することができ、同期機４の回転異常を検出することができる。また、同期機起動装置１０１に起動指示が与えられる前の段階で、界磁スイッチＳＷＡの故障等によって同期機４の回転子に界磁電流が供給されない等の不具合を発見することができる。
　また、交流電圧検出器８が故障して電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が出力されなくなった場合には、ゼロクロス検出部３９がゼロクロス点を検出できなくなるが、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、異常検出部１０によってこのような異常も検出することができる。
　また、インバータ２が同期機４の電機子に電力供給を開始した後、回転速度ωに基づいて異常を検出する構成により、ゼロクロス点に基づいて異常を検出する方法と比べて正確かつ迅速に異常を検出することができる。
　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、異常検出部１０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間の全部または一部の期間において、同期機４の電機子における交流電圧のレベルが所定値たとえばゼロボルトになった回数に基づいて同期機４の回転異常を検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。異常検出部１０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間の全部または一部の期間において、同期機４の電機子における交流電圧のレベルが所定値たとえばゼロボルトになった回数に基づいて同期機４の回転異常を検出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異常検出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６は、本発明の第２の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を詳細に示す図である。
　図６を参照して、同期機起動装置１０２は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて、異常検出部１０の代わりに異常検出部２０を備える。
　異常検出部２０は、電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において交流電圧検出器８によって検出された交流電圧の振幅に基づいて、同期機４の回転異常を検出する。より詳細には、異常検出部２０は、回転子位置検出部１１から受けた検出電圧値ＶＥに基づいて、同期機４の回転異常を検出する。たとえば、異常検出部２０は、検出電圧値ＶＥに基づいて同期機４の電機子における交流電圧の実効値を算出し、この実効値に基づいて同期機４の回転異常を検出する。ここで、検出電圧値ＶＥは、検出値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ならびに電圧値ＶｄおよびＶｑの少なくともいずれか１つである。
　図４に示す時刻Ｔ３において、異常検出部２０は、同期機４の電機子における交流電圧の振幅に基づく異常検出を行なう。すなわち、異常検出部２０は、電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時（時刻Ｔ２）から所定時間経過した後において交流電圧検出器８によって検出された交流電圧の振幅に基づいて、同期機４の回転異常を検出する。
　図７は、本発明の第２の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部の構成を示す図である。
　図７を参照して、異常検出部２０は、カウント部７１と、比較器７２と、判定部７３と、比較器７７と、判定部７８と、切り替え部７９とを含む。
　比較器７７は、回転子位置検出部１１から受けた検出電圧値ＶＥと基準電圧ＥＲＶとを比較し、たとえば、基準電圧ＥＲＶの方が大きい場合には異常であることを示す論理レベルの信号を出力し、基準電圧ＥＲＶの方が小さい場合には正常であることを示す論理レベルの信号を出力する。
　判定部７８は、タイマを有し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時（図４では時刻Ｔ２）からこのタイマに設定された時間が経過するまで（図４では時刻Ｔ３）の間は、比較器７７から受けた信号に関わらず、正常であることを示す論理レベルの信号を判定信号として出力する。そして、判定部７８は、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時からこのタイマに設定された時間が経過すると、比較器７７から受けた信号をそのまま判定信号として切り替え部７９へ出力する。
　切り替え部７９は、たとえば、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を受ける前は判定部７３から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を受けた後は判定部７８から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力する。
　同期機４では、定界磁制御すなわち回転子の界磁巻線を通して一定の界磁電流を流している場合には、同期機４の電機子における交流電圧の振幅と同期機４の回転子の回転周波数とが比例関係となる。同期機起動装置１０２では、この比例関係を利用して、同期機４が起動してから所定時間経過しても同期機４の電機子における交流電圧の振幅が所定値以上にならない場合、同期機４の回転異常であると判断することができる。
　また、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置のように、回転速度ωに基づいて異常を検出する構成では、たとえば、回転子位置検出部１１による演算が発散して回転速度ωが過大な値になってしまっても、同期機４の回転は正常であると判断してしまう。これに対して、同期機４の電機子における交流電圧の振幅たとえば交流電圧の実効値に基づいて同期機４の回転異常を検出する構成では、回転子位置検出部１１による演算が発散して正常に行なわれなくなった場合でも、同期機４の回転異常を検出することができる。
　ただし、同期機４の電機子における振幅に基づいて同期機４の回転異常を検出する構成では、たとえば交流電圧検出器８の検出電圧値の実効値を計算する必要があるが、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置のように回転速度ωに基づいて異常を検出する構成ではその必要がないというメリットがある。
　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。
　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、４　同期機、８　交流電圧検出器、９　交流電流検出器、１０，２０　異常検出部、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）、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、３９　ゼロクロス検出部（レベル監視部）、７１　カウント部、７２　比較器、７３　判定部、７４，７９　切り替え部、７５，７７　比較器、７６，７８　判定部、９１　電力変換部、１０１　同期機起動装置、２０１　中央制御装置、２０２　励磁装置、３０１　同期機システム、Ｍ　モータ、ＴＢ　タービン、ＳＨ　軸、ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ　電機子、ＲＴ　回転子、ＳＷＢ　スイッチ。

Claims (4)

  1. 　回転磁界を発生するための電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する回転子（ＲＴ）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して前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）に供給するための電力変換部（７１）と、
    　前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）における交流電圧を検出するための交流電圧検出部（８）と、
    　前記交流電圧検出部（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、
    　前記同期機（４）の回転子（ＲＴ）への前記界磁電流の供給が開始された後において前記交流電圧検出部（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）の回転異常を検出する異常検出部（１０，２０）とを備える同期機起動装置。
  2. 　前記異常検出部（１０，２０）は、前記同期機（４）の回転子（ＲＴ）への前記界磁電流の供給が開始された時から前記電力変換部（７１）による前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）への前記交流電力の供給が開始される時までの期間の全部または一部の期間において、前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）における前記交流電圧のレベルが所定値になった回数に基づいて前記同期機（４）の回転異常を検出する請求の範囲第１項に記載の同期機起動装置。
  3. 　前記回転子位置検出部（１１）は、前記回転子位置を示す推定位相、前記回転子（ＲＴ）の推定回転速度および前記交流電圧検出部（８）によって検出された前記交流電圧に基づいて前記推定位相の誤差を算出し、算出した前記位相誤差に基づいて前記推定位相および前記推定回転速度を算出し、
    　前記異常検出部（１０）は、前記電力変換部（７１）による前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）への前記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において前記回転子位置検出部（１１）によって算出された前記推定回転速度に基づいて、前記同期機（４）の回転異常を検出する請求の範囲第１項に記載の同期機起動装置。
  4. 　前記異常検出部（２０）は、前記電力変換部（７１）による前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）への前記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において前記交流電圧検出部（８）によって検出された前記交流電圧の振幅に基づいて、前記同期機（４）の回転異常を検出する請求の範囲第１項に記載の同期機起動装置。
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