WO2018235187A1 - サイリスタ起動装置 - Google Patents

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WO2018235187A1
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thyristor
current
converter
inverter
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松本 泰明
宏之 荻野
裕敬 川口
彰修 安藤
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a thyristor starter.
  • a thyristor start device for starting a synchronous machine such as a generator and a motor has been developed (see, for example, International Publication No. 2014/033849 (Patent Document 1)).
  • the thyristor starter converts a DC power supplied from the converter via the DC reactor to a variable frequency AC power by converting the AC power to DC power, the DC reactor for smoothing the DC power, and converting the DC power to a synchronous machine.
  • an inverter for supplying.
  • the cooling structure for cooling the synchronous machine described above is configured to circulate the cooling medium through the air passage formed in the rotor and stator in the synchronous machine using air or hydrogen gas as a cooling medium.
  • a cooling medium is usually circulated using a fan attached to the rotating shaft of the rotor of the synchronous machine.
  • the capacity of the cooler for cooling the cooling medium can not but be increased, which may lead to the enlargement of the apparatus. .
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a thyristor start device capable of starting a synchronous machine in a short time while suppressing overheating of the synchronous machine. is there.
  • a thyristor starting device for starting a synchronous machine includes a converter, a DC reactor, an inverter, a position detector, a first control unit, and a second control unit.
  • the converter is configured to convert alternating current power to direct current power.
  • the DC reactor smoothes DC power.
  • the inverter is configured to convert DC power supplied from the converter via the DC reactor into AC power of variable frequency and supply the AC power to the synchronous machine.
  • the position detector is configured to detect a rotor position of the synchronous machine.
  • the first control unit is configured to control the firing phase of the thyristor in the inverter based on the detection signal of the position detector.
  • the second control unit is configured to control the firing phase of the thyristor in the converter such that the DC output current of the converter matches the current command value based on the detection signal of the position detector.
  • the thyristor starter sequentially executes a first mode in which the inverter is commutated by intermittently setting the DC output current to zero, and a second mode in which the inverter is commutated by the induced voltage of the synchronous machine.
  • the synchronous machine is configured to accelerate from a stop state to a predetermined rotational speed.
  • the current command value is set such that the current value becomes higher as the rotation speed of the synchronous machine becomes higher.
  • a thyristor start device capable of starting the synchronous machine in a short time while suppressing overheating of the synchronous machine.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing the configuration of a thyristor start-up device according to an embodiment of the present invention.
  • a thyristor starting device 100 starts synchronous machine 20 by accelerating synchronous machine 20 which has been stopped to a predetermined rotational speed.
  • the synchronous machine 20 includes a stator having armature windings ATU, ATV, ATW, and a rotor having a field winding 22.
  • the synchronous machine 20 is coupled to, for example, a gas turbine of a thermal power plant, and is rotationally driven by the gas turbine.
  • the predetermined rotational speed is also referred to as "rated rotational speed". For example, when the frequency of the AC power supply 30 is 60 Hz, the rated rotational speed is set to 3600 rpm.
  • the thyristor starter 100 is connected to the secondary side of the transformer TR.
  • the primary side of the transformer TR is connected to an AC power supply 30.
  • Transformer TR converts the three-phase AC voltage supplied from AC power supply 30 into a three-phase AC voltage of a predetermined voltage value and applies it to thyristor starter 100.
  • the thyristor starter 100 includes a converter 1, a DC reactor 3, and an inverter 2.
  • Converter 1 is a three-phase full-wave rectifier including at least six thyristors, and converts three-phase AC power from transformer TR into DC power of variable voltage.
  • DC reactor 3 is connected between positive side output terminal 1 a of converter 1 and positive side input terminal 2 a of inverter 2.
  • DC reactor 3 smoothes DC output current Id of converter 1.
  • Negative output terminal 1 b of converter 1 and negative input terminal 2 b of inverter 2 are connected to each other.
  • Another DC reactor 3 may be connected between the negative output terminal 1 b of the converter 1 and the negative input terminal 2 b of the inverter 2.
  • the three output terminals 2c, 2d, 2e of the inverter 2 are connected to the three armature windings ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 20, respectively.
  • the inverter 2 is a three-phase separately excited inverter including at least six thyristors U, V, W, X, Y, Z.
  • the anodes of the thyristors U, V, W are all connected to the positive input terminal 2a, and their cathodes are connected to the output terminals 2c, 2d, 2e, respectively.
  • the anodes of the thyristors X, Y and Z are connected to the output terminals 2c, 2d and 2e, respectively, and their cathodes are connected to the negative input terminal 2b.
  • the inverter 2 is turned on by causing one of the thyristors U, V, W to conduct and one of the thyristors X, Y, Z in synchronization with the three-phase AC voltages Vu, Vv, Vw.
  • the DC power supplied from the converter 1 through the DC reactor 3 is converted into variable-frequency, variable-voltage three-phase AC power, and is applied to the stators (armature windings ATU, ATV, ATW) of the synchronous machine 20. Thereby, the rotational speed of the synchronous machine 20 can be raised.
  • the thyristor starting device 100 further includes current transformers 4 and 5, a voltage detector 6, a position detector 7, a current detector 9, an inverter control unit 10, and a converter control unit 13.
  • Current transformer 4 detects a three-phase alternating current flowing from transformer TR to converter 1, and provides a signal indicating a detected value to current detector 9.
  • the current detector 9 calculates the direct current Id output from the converter 1 based on the signal from the current transformer 4 and provides a signal indicating the calculated value to the converter control unit 13.
  • the current detector 9 includes a full wave rectification type diode rectifier, and converts the detected three-phase alternating current into a direct current Id.
  • the current transformer 5 detects the current flowing from the inverter 2 to the armature windings ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 20, and gives a signal indicating the detected value to the position detector 7.
  • the voltage detector 6 detects instantaneous values of the three-phase AC voltages Vu, Vv, Vw supplied from the inverter 2 to the synchronous machine 20, and gives a signal indicating the detected value to the position detector 7.
  • voltage detector 6 is a voltage between two of the line voltages of the three-phase AC voltages in armature windings ATU, ATV, ATW of synchronous machine 20 (in FIG. 1, U-phase -V). AC voltage Vu-v between phases and AC voltage Vv-w between V phase and W phase are detected.
  • Position detector 7 detects the position of the rotor of synchronous machine 20 based on the signals from current transformer 5 and voltage detector 6, and provides a signal indicating the detected value to inverter control unit 10 and converter control unit 13. .
  • the inverter control unit 10 controls the firing phase of the inverter 2 based on the signal from the position detector 7.
  • inverter control unit 10 includes a control angle calculation unit 11 and a gate pulse generator 12.
  • the control angle calculation unit 11 calculates a phase control angle (firing angle) ⁇ based on the detected position of the rotor of the synchronous machine 20, and gives the calculated phase control angle ⁇ to the gate pulse generator 12.
  • Gate pulse generation circuit 40 generates a gate pulse (ignition command) to be applied to the gate of the thyristor of inverter 2 based on phase control angle ⁇ received from control angle calculation unit 11.
  • the inverter control unit 10 corresponds to an example of the “first control unit”.
  • Converter control unit 13 controls the firing phase of converter 1 based on the signal from position detector 7 and the signal from current detector 9. Specifically, converter control unit 13 controls the firing phase of converter 1 such that direct current Id output from converter 1 matches current command value Id *. Converter control unit 13 corresponds to an example of the “second control unit”.
  • Converter control unit 13 includes a speed control unit 14, a current control unit 15, a control angle calculation unit 16, and a gate pulse generator 17.
  • the speed control unit 14 calculates the rotation speed of the synchronous machine 20 based on the detected position of the rotor of the synchronous machine 20.
  • the speed control unit 14 generates a current command value Id * that is a target value of the direct current Id based on the calculated rotational speed.
  • Current control unit 15 calculates deviation ⁇ Id between current command value Id * and DC current Id, and generates voltage command value VDC1 * based on the calculated deviation ⁇ Id.
  • current control unit 15 includes a proportional element (P: proportional element), an integral element (I: integral element), and an adder.
  • P proportional element
  • I integral element
  • the proportional element multiplies the deviation ⁇ Id by a predetermined proportional gain and outputs the result to the adding unit, and the integrating element integrates the deviation ⁇ Id with the predetermined integral gain and outputs the result to the adding unit.
  • the adder adds the outputs from the proportional element and the integral element to generate a voltage command value VDC1 *.
  • Voltage command value VDC1 * corresponds to a control command that defines DC voltage VDC1 that converter 1 should output.
  • Converter 1 controls DC voltage VDC1 to be larger than DC voltage VDC2 on the input terminal side of inverter 2 by the voltage drop by DC reactor 3. Thereby, the direct current Id is controlled.
  • Control angle calculation unit 16 calculates phase control angle ⁇ based on voltage command value VDC1 * supplied from current control unit 15.
  • Vs the effective value of the line voltage of the three-phase AC voltage supplied to converter 1
  • VDC1 # of DC voltage VDC1 output from converter 1 can be expressed by It is given by 1).
  • VDC1 # 1.35 Vs cos ⁇ (1)
  • the control angle calculation unit 16 calculates the phase control angle ⁇ by solving the voltage control value VDC1 * by putting the voltage command value VDC1 * into VDC1 # of the equation (1), and calculates the calculated phase control angle ⁇ .
  • the gate pulse generator 17 is supplied.
  • Gate pulse generation circuit 40 generates a gate pulse (ignition command) to be applied to the thyristor gate of converter 1 based on phase control angle ⁇ received from control angle calculation unit 16.
  • the synchronous machine 20 when the armature windings ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 20 are energized by the thyristor starter 100, heat losses (Joule heat) are generated in the armature windings ATU, ATV, ATW.
  • the heat loss is proportional to the square of the current magnitude.
  • the synchronous machine 20 is provided with a cooling structure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a cooling structure of the synchronous machine 20.
  • a fan 25 is attached to the rotation shaft of rotor 24.
  • the fan 25 is rotationally driven by the rotation of the rotor 24.
  • the cooling medium is circulated in the air passage formed in the rotor 24 and the stator 26 as shown by the arrows in the figure.
  • hydrogen gas or air is used as the cooling medium.
  • a cooler 27 is installed in the stator frame facing the air passage.
  • the cooling medium circulated in the air passage is cooled by the cooler 27 and a cooler 27 installed in the stator frame facing the air passage.
  • the rotational speed of the fan 25 is also low. As a result, the cooling capacity of the cooling medium may be reduced, and as a result, the synchronous machine 20 may overheat.
  • FIG. 3 is a time chart showing the operation of the thyristor starting device 100. As shown in FIG. FIG. 3 shows the direct current Id output from the converter 1 and the rotational speed of the synchronous machine 20.
  • commutation of the thyristor in the inverter 2 is performed using back electromotive force (induced voltage) induced in the armature windings ATU, ATV, ATW of the synchronous machine 20.
  • Such commutation is called "load commutation”.
  • the thyristor starter 100 stops the synchronous machine 20 by sequentially switching and executing the intermittent commutation mode (first mode) and the load commutation mode (second mode). Are configured to accelerate from the speed to the rated rotational speed.
  • the thyristor starting device 100 executes the intermittent commutation mode. Then, when the rotation speed of the synchronous machine 20 reaches about 10% of the rated rotation speed, the thyristor start device 100 switches from the intermittent commutation mode to the load commutation mode.
  • the rotational speed when switching from the intermittent commutation mode to the load commutation mode is also referred to as "switching rotational speed".
  • switching rotational speed is set to about 10% of the rated rotational speed in the example of FIG. 3, the switching rotational speed can be arbitrarily set according to the relationship between the rotational speed of the synchronous machine 20 and the induced voltage.
  • the direct current Id shows a pulse waveform.
  • the peak value is set, for example, such that the integrated value of AC power supplied to the synchronous machine 20 during the intermittent commutation mode satisfies the amount of power for switching the synchronous machine 20 in the stopped state to accelerate to the rotational speed. Be done.
  • FIG. 4 is a time chart schematically showing the commutation operation of the inverter 2 in the intermittent commutation mode.
  • the three-phase AC voltages Vu, Vv, Vw, the DC current Id output from the converter 1, and the conduction among the six thyristors U, V, W, X, Y, Z of the inverter 2 are performed. Shows a thyristor.
  • the inverter control unit 10 again applies gate pulses to the two necessary thyristors to ignite the two thyristors.
  • converter control unit 13 applies a gate pulse to the gate of the thyristor of converter 1 based on current command value Id *. Thereby, the direct current Id starts to flow again.
  • the rotational speed of the synchronous machine 20 since the rotational speed of the synchronous machine 20 is low during the intermittent commutation mode, the rotational speed of the fan 25 (see FIG. 2) attached to the rotational shaft of the rotor of the synchronous machine 20 is also low. ing. Therefore, it may be difficult to circulate the cooling medium in the air passage formed in the rotor 24 and the stator 26 of the synchronous machine 20. As a result, the synchronous machine 20 may overheat during the intermittent commutation mode.
  • the capacity of the cooler can not but be increased, which may lead to the enlargement of the apparatus.
  • the magnitude of the direct current Id is changed according to the rotational speed of the synchronous machine 20 in the intermittent commutation mode. Specifically, in the intermittent commutation mode, the DC current Id is increased as the rotation speed of the synchronous machine 20 increases.
  • the direct current Id when the synchronous machine 20 is at the first rotational speed is smaller than the direct current Id when the synchronous machine 20 is at the second rotational speed higher than the first rotational speed.
  • FIG. 5 is a time chart schematically showing the relationship between the rotational speed of the synchronous machine 20 and the direct current Id output from the converter 1 in the intermittent commutation mode.
  • the maximum value of DC current Id output from converter 1 (that is, the maximum value of DC current Id output from converter 1 in the time until synchronous machine 20 reaches X% (where X ⁇ 10) of the rated rotation speed)
  • the peak value of each pulse is I1.
  • the maximum value (crest value of each pulse) of DC current Id output from converter 1 It is assumed that I2> I1).
  • X% of the rated rotational speed can be set based on the lower limit rotational speed of the fan 25 (see FIG. 2) capable of circulating the cooling medium in the air passage. According to this, in the rotational speed range (0 to X% of the rated rotational speed) which causes a decrease in the cooling capacity of the cooling medium, the current supplied to the synchronous machine 20 becomes low, so the heat loss of the synchronous machine 20 Heat is suppressed. As a result, overheating of the synchronous machine 20 can be suppressed.
  • the rotational speed of the synchronous machine 20 and the direct current Id shown in FIG. 3 are indicated by alternate long and short dash lines.
  • the relationship of I1 ⁇ I0 ⁇ I2 holds between I1, I2 and I0.
  • the adjustment of the direct current Id shown in FIG. 5 can be realized by adjusting the current command value Id * in accordance with the rotational speed of the synchronous machine 20. That is, in the intermittent commutation mode, the current command value Id * is set such that the current value increases as the rotation speed of the synchronous machine 20 increases.
  • the current command value Id * changes according to the rotational speed of the synchronous machine 20.
  • “changes according to the rotational speed of the synchronous machine 20” means that the current command value Id * changes discretely according to the rotational speed of the synchronous machine 20 or the rotational speed of the synchronous machine 20 Accordingly, it means that the current command value Id * changes continuously.
  • the current command value Id * when the synchronous machine 20 is at the first rotational speed is higher than the DC current Id when the synchronous machine 20 is at the second rotational speed higher than the first rotational speed. Also becomes smaller.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the rotational speed of the synchronous machine 20 and the current command value Id * in the intermittent commutation mode.
  • the current command value Id * is set to I1.
  • the rotation speed of the synchronous machine 20 is 10% or less higher than X% of the rated rotation speed
  • the current command value Id * is set to I2 (I2> I1).
  • Data indicating the relationship shown in FIG. 6 can be stored in a memory inside the thyristor starting device 100.
  • the converter control unit 13 can generate the current command value Id * based on the calculated rotational speed of the synchronous machine 20 by referring to the data.
  • the data format may be a table or a function.
  • the DC output current of the converter is adjusted such that the current value becomes higher as the rotation speed of the synchronous machine becomes higher. Therefore, the synchronous machine can be started in a short time while suppressing overheating of the synchronous machine. Moreover, the enlargement of the cooling structure for suppressing overheating of a synchronous machine can be suppressed.
  • the current command value Id * may be continuously changed according to the rotational speed of the synchronous machine 20.
  • the current command value Id * is I3 when the rotation speed of the synchronous machine 20 is 0 rpm, and I4 (switching rotational speed) when the rotation speed of the synchronous machine 20 is 10% of the rated rotation speed. I4> I3).
  • the current command value Id * linearly changes in accordance with the rotational speed.
  • FIG. 8 is a time chart schematically showing the relationship between the rotational speed of the synchronous machine 20 and the direct current Id output from the converter 1 when the intermittent commutation mode is executed according to the relationship shown in FIG.
  • the direct current Id changes continuously.
  • the rotational speed of the synchronous machine 20 and the direct current Id shown in FIG. 3 are indicated by alternate long and short dashed lines.
  • the relationship of I3 ⁇ I0 ⁇ I4 is established between I3, I4 and I0.
  • the synchronous machine 20 is a generator which is rotationally driven by a gas turbine in a thermal power plant
  • the invention is not limited thereto, and the synchronous machine 20 is used in the general industrial field It may be a synchronous machine.
  • the synchronous machine 20 may be a synchronous machine for a cooling blower of a steel mill.

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Abstract

サイリスタ起動装置(100)は、直流出力電流(Id)を断続的に零にすることによりインバータ(2)の転流を行なう第1のモードと、同期機(20)の誘起電圧によりインバータ(2)の転流を行なう第2のモードとを順次実行することにより、同期機(20)を停止状態から所定の回転速度まで加速させる。第2の制御部(13)は、位置検出器(7)の検出信号に基づいて、コンバータ(1)の直流出力電流が電流指令値に一致するように、コンバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御する。第1のモードにおいて、電流指令値は、同期機(20)の回転速度が高くなるに従って電流値が高くなるように設定される。

Description

サイリスタ起動装置
 この発明は、サイリスタ起動装置に関する。
 発電機および電動機等の同期機を起動させるためのサイリスタ起動装置が開発されている(たとえば国際公開2014/033849号明細書(特許文献1)参照)。サイリスタ起動装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を平滑化する直流リアクトルと、コンバータから直流リアクトルを介して与えられる直流電力を可変周波数の交流電力に変換して同期機に供給するインバータとを備えている。同期機に供給する交流電力を制御することにより、停止状態の同期機を起動させて所定の回転速度で駆動させることができる。
国際公開2014/033849号明細書
 上述した同期機を冷却するための冷却構造としては、空気または水素ガスなどを冷却媒体として、同期機内の回転子および固定子に形成された通風路に冷却媒体を循環させるように構成されたものがある。このような冷却装置では、通常、同期機の回転子の回転軸に取り付けられたファンを用いて冷却媒体を循環させている。
 しかしながら、上記の冷却装置においては、同期機の回転速度が低い場合、すなわち同期機の起動時や低速時には、ファンの回転速度も低くなるため、冷却能力が低下するという問題が生じる。その結果、同期機が過熱してしまう可能性がある。
 同期機の過熱を抑制するためには、同期機の回転速度が低い場合に同期機に与える電流を低減することが有効である。しかしながら、同期機に与える電流を低減すると、同期機の昇速率(回転速度が上昇する比率)が低下するため、同期機の起動に時間がかかってしまうという不具合が生じ得る。
 なお、冷却構造の冷却能力を高めることで同期機の過熱を抑制しようとすると、冷却媒体を冷却するための冷却器の容量を大きくせざるを得ず、装置の大型化を招く可能性がある。
 この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、同期機の過熱を抑えながら同期機を短時間で起動させることができるサイリスタ起動装置を提供することである。
 この発明のある局面によれば、同期機を起動させるサイリスタ起動装置は、コンバータ、直流リアクトル、インバータ、位置検出器、第1の制御部、および第2の制御部を備える。コンバータは交流電力を直流電力に変換するように構成される。直流リアクトルは直流電力を平滑化する。インバータは、コンバータから直流リアクトルを介して与えられる直流電力を可変周波数の交流電力に変換して同期機に供給するように構成される。位置検出器は同期機の回転子位置を検出するように構成される。第1の制御部は、位置検出器の検出信号に基づいて、インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成される。第2の制御部は、位置検出器の検出信号に基づいて、コンバータの直流出力電流が電流指令値に一致するように、コンバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成される。サイリスタ起動装置は、直流出力電流を断続的に零にすることによりインバータの転流を行なう第1のモードと、同期機の誘起電圧によりインバータの転流を行なう第2のモードとを順次実行することにより、同期機を停止状態から所定の回転速度まで加速させるように構成される。第1のモードにおいて、電流指令値は、同期機の回転速度が高くなるに従って電流値が高くなるように設定される。
 この発明によると、同期機の過熱を抑えながら同期機を短時間で起動させることができるサイリスタ起動装置を提供することができる。
この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置の構成を示す回路ブロック図である。 同期機の冷却構造の一例を示す断面図である。 サイリスタ起動装置の動作を示すタイムチャートである。 断続転流モード時のインバータの転流動作を模式的に示すタイムチャートである。 断続転流モード時の同期機の回転速度とコンバータの直流出力電流との関係を模式的に示すタイムチャートである。 断続転流モード時の同期機の回転速度と電流指令値との関係を示す図である。 断続転流モード時の同期機の回転速度と電流指令値との関係を示す図である。 断続転流モード時の同期機の回転速度とコンバータの直流出力電流との関係を模式的に示すタイムチャートである。
 以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
 図1は、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置の構成を示す回路ブロック図である。図1を参照して、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置100は、停止している同期機20を所定の回転速度まで加速させることにより、同期機20を起動させる。
 同期機20は、電機子巻線ATU,ATV,ATWを有する固定子と、界磁巻線22を有する回転子とを含む。同期機20は、たとえば火力発電所のガスタービンに結合されており、ガスタービンによって回転駆動される。以下の説明では、所定の回転速度を「定格回転速度」とも称する。たとえば、交流電源30の周波数が60Hzである場合、定格回転速度は3600rpmに設定される。
 サイリスタ起動装置100は、変圧器TRの二次側に接続されている。変圧器TRの一次側は交流電源30に接続されている。変圧器TRは、交流電源30から供給される三相交流電圧を所定の電圧値の三相交流電圧に変換してサイリスタ起動装置100に与える。
 サイリスタ起動装置100は、コンバータ1、直流リアクトル3、およびインバータ2を備える。コンバータ1は、少なくとも6個のサイリスタを含む三相全波整流器であり、変圧器TRからの三相交流電力を可変電圧の直流電力に変換する。
 直流リアクトル3は、コンバータ1の正側出力端子1aとインバータ2の正側入力端子2aとの間に接続される。直流リアクトル3は、コンバータ1の直流出力電流Idを平滑化する。コンバータ1の負側出力端子1bとインバータ2の負側入力端子2bとは互いに接続される。なお、もう1つの直流リアクトル3が、コンバータ1の負側出力端子1bとインバータ2の負側入力端子2bとの間に接続されていてもよい。
 インバータ2の3つの出力端子2c,2d,2eは、それぞれ、同期機20の3つの電機子巻線ATU,ATV,ATWに接続される。インバータ2は、少なくとも6個のサイリスタU,V,W,X,Y,Zを含む三相他励式インバータである。
 サイリスタU,V,Wのアノードはともに正側入力端子2aに接続され、それらのカソードはそれぞれ出力端子2c,2d,2eに接続される。サイリスタX,Y,Zのアノードはそれぞれ出力端子2c,2d,2eに接続され、それらのカソードはともに負側入力端子2bに接続される。
 三相交流電圧Vu,Vv,Vwに同期して、サイリスタU,V,Wのうちの1つのサイリスタと、サイリスタX,Y,Zのうちの1つのサイリスタとを導通させることにより、インバータ2は、コンバータ1から直流リアクトル3を介して供給される直流電力を可変周波数、可変電圧の三相交流電力に変換して同期機20の固定子(電機子巻線ATU,ATV,ATW)に与える。これにより、同期機20の回転速度を上昇させることができる。
 サイリスタ起動装置100は、変流器4,5、電圧検出器6、位置検出器7、電流検出器9、インバータ制御部10、およびコンバータ制御部13をさらに備える。
 変流器4は、変圧器TRからコンバータ1に流れる三相交流電流を検出し、検出値を示す信号を電流検出器9に与える。電流検出器9は、変流器4からの信号に基づいて、コンバータ1から出力される直流電流Idを演算し、その演算値を示す信号をコンバータ制御部13に与える。具体的には、電流検出器9は、全波整流型のダイオード整流器を有しており、検出された三相交流電流を直流電流Idに変換する。
 変流器5は、インバータ2から同期機20の電機子巻線ATU,ATV,ATWに流れる電流を検出し、検出値を示す信号を位置検出器7に与える。
 電圧検出器6は、インバータ2から同期機20に供給される三相交流電圧Vu,Vv,Vwの瞬時値を検出し、検出値を示す信号を位置検出器7に与える。具体的には、電圧検出器6は、同期機20の電機子巻線ATU,ATV,ATWにおける三相交流電圧の線間電圧のうちの2つの線間電圧(図1では、U相-V相間の交流電圧Vu-vおよびV相-W相間の交流電圧Vv-wとする)を検出する。このように、U相-V相間の交流電圧Vu-v、V相-W相間の交流電圧Vv-wおよびW相-U相間の交流電圧Vw-uのうちの少なくとも2つの線間電圧を検出することにより、U相、V相、W相の交流電圧を計算により求めることができる。この線間電圧から相電圧への変換は、電圧検出器6または位置検出器7において行なわれる。
 位置検出器7は、変流器5および電圧検出器6からの信号に基づいて同期機20の回転子の位置を検出し、検出値を示す信号をインバータ制御部10およびコンバータ制御部13に与える。
 インバータ制御部10は、位置検出器7からの信号に基づいて、インバータ2の点弧位相を制御する。具体的には、インバータ制御部10は、制御角演算部11と、ゲートパルス発生器12とを含む。制御角演算部11は、検出された同期機20の回転子の位置に基づいて位相制御角(点弧角)γを演算し、演算した位相制御角γをゲートパルス発生器12に与える。ゲートパルス発生回路40は、制御角演算部11から受けた位相制御角γに基づいてインバータ2のサイリスタのゲートに与えるゲートパルス(点弧指令)を生成する。インバータ制御部10は「第1の制御部」の一実施例に対応する。
 コンバータ制御部13は、位置検出器7からの信号および電流検出器9からの信号に基づいて、コンバータ1の点弧位相を制御する。具体的には、コンバータ制御部13は、コンバータ1から出力される直流電流Idが電流指令値Id*に一致するように、コンバータ1の点弧位相を制御する。コンバータ制御部13は「第2の制御部」の一実施例に対応する。
 コンバータ制御部13は、速度制御部14と、電流制御部15と、制御角演算部16と、ゲートパルス発生器17とを含む。速度制御部14は、検出された同期機20の回転子の位置に基づいて、同期機20の回転速度を演算する。速度制御部14は、演算した回転速度に基づいて、直流電流Idの目標値である電流指令値Id*を生成する。
 電流制御部15は、電流指令値Id*と直流電流Idとの偏差ΔIdを演算し、演算した偏差ΔIdに基づいて電圧指令値VDC1*を生成する。具体的には、電流制御部15は、比例要素(P:proportional element)、積分要素(I:integral element)および加算部を含む。比例要素が偏差ΔIdに所定の比例ゲインを乗じて加算部へ出力し、積分要素は偏差ΔIdを所定の積分ゲインで積分して加算部へ出力する。加算部は、比例要素および積分要素からの出力を加算して電圧指令値VDC1*を生成する。電圧指令値VDC1*は、コンバータ1が出力すべき直流電圧VDC1を規定する制御指令に相当する。
 なお、コンバータ1は、インバータ2の入力端子側の直流電圧VDC2よりも直流リアクトル3による電圧降下分だけ大きくなるように直流電圧VDC1を制御する。これにより、直流電流Idが制御される。
 制御角演算部16は、電流制御部15から与えられる電圧指令値VDC1*に基づいて、位相制御角αを演算する。ここで、コンバータ1に供給される三相交流電圧の線間電圧の実効値をVsとすると、コンバータ1から出力される直流電圧VDC1の平均値VDC1♯は、重なり角を無視すれば次式(1)で与えられる。
       VDC1♯=1.35Vscosα   …(1)
 制御角演算部16は、この式(1)のVDC1♯に電圧指令値VDC1*を入れて解くことにより位相制御角αを演算し、演算した位相制御角αをする。ゲートパルス発生器17に与える。ゲートパルス発生回路40は、制御角演算部16から受けた位相制御角αに基づいてコンバータ1のサイリスタのゲートに与えるゲートパルス(点弧指令)を生成する。
 ゲートパルス発生器17によって生成されたゲートパルスに従ってコンバータ1がスイッチング制御されることにより、電流指令値Id*に従った直流電流Idがコンバータ1から出力される。
 このようにサイリスタ起動装置100によって同期機20の電機子巻線ATU,ATV,ATWを通電した場合、電機子巻線ATU,ATV,ATWには熱損失(ジュール熱)が発生する。熱損失は電流の大きさの二乗に比例する。熱損失によって同期機20が過熱されるのを防ぐため、同期機20には冷却構造が設けられている。
 次に、同期機20の冷却構造について説明する。
 図2は、同期機20の冷却構造の一例を示す断面図である。図2を参照して、同期機20の機内では、回転子24の回転軸にはファン25が取り付けられている。ファン25は、回転子24の回転によって回転駆動される。ファン25が回転すると、図中矢印に示すように、回転子24および固定子26に形成される通風路に冷却媒体が循環される。冷却媒体には、たとえば水素ガスまたは空気が用いられる。固定子枠内には通風路に面して冷却器27が設置されている。通風路を循環した冷却媒体は、冷却器27、固定子枠内に通風路に面して設置された冷却器27によって冷却される。
 このように、回転子24の回転力を利用してファン25を回転させているため、同期機20の回転速度が低いときには、ファン25の回転速度も低くなる。そのため、冷却媒体の冷却能力が低下し、結果的に同期機20が過熱してしまう可能性がある。
 次に、図3を用いて、サイリスタ起動装置100の動作について説明する。
 図3は、サイリスタ起動装置100の動作を示すタイムチャートである。図3には、コンバータ1から出力される直流電流Idおよび同期機20の回転速度が示されている。
 サイリスタ起動装置100においては、同期機20の電機子巻線ATU,ATV,ATWに誘起される逆起電力(誘起電圧)を利用してインバータ2におけるサイリスタの転流が行なわれる。このような転流は「負荷転流」と呼ばれている。
 しかしながら、同期機20の回転速度が低い場合、すなわち同期機20の起動時や低速時には、電機子巻線ATU,ATV,ATWに発生する誘起電圧が低いため、サイリスタの転流が失敗する場合がある。そのため、同期機20の回転速度が低いときには、コンバータ1の直流出力電流Idを断続的に零にしてインバータ2の転流を行なう「断続転流」が採用されている。
 図3に示すように、サイリスタ起動装置100は、断続転流モード(第1のモード)と負荷転流モード(第2のモード)とを順次切り替えて実行することにより、同期機20を停止状態から定格回転速度まで加速させるように構成される。
 具体的には、時刻t=0にて停止状態の同期機20を起動させると、サイリスタ起動装置100は断続転流モードを実行する。そして、同期機20の回転速度が定格回転速度の10%程度に到達すると、サイリスタ起動装置100は、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わる。以下の説明では、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わるときの回転速度を「切り替え回転速度」とも称する。図3の例では、切り替え回転速度を定格回転速度の10%程度としたが、切り替え回転速度は、同期機20の回転速度および誘起電圧の関係に応じて任意に設定することができる。
 断続転流モード時、直流電流Idはパルス波形を示している。各パルスの波高値は、通常、一定値とされる(Id=I0)。波高値は、たとえば、断続転流モードの期間中に同期機20に供給される交流電力の積算値が、停止状態の同期機20を切り替え回転速度まで加速させるための電力量を満たすように設定される。
 図4は、断続転流モード時のインバータ2の転流動作を模式的に示すタイムチャートである。図4には、三相交流電圧Vu,Vv,Vw、コンバータ1から出力される直流電流Id、およびインバータ2の6個のサイリスタU,V,W,X,Y,Zのうちの導通しているサイリスタを示している。
 図4において、線間電圧Vu-v,Vv-w,Vw-uが0Vとなる点が位相制御角γの基準点であり、基準点ではγ=0°である。
 三相ブリッジインバータでは同期機20の回転子の回転位置(電気角)60°ごとに基準点が現われる。コンバータ制御部13(図1)は、この基準点に同期して、時間Δtの間、直流電流Id=0となるようにコンバータ1から出力される直流電圧VDC1を制御する。この時間Δtの間に、インバータ2のすべてのサイリスタがオフされて転流動作が行なわれる。
 時間Δtが経過した後、インバータ制御部10は再び必要な2つのサイリスタにゲートパルスを与えて、該2つのサイリスタを点弧する。これと同時に、コンバータ制御部13は、電流指令値Id*に基づいてコンバータ1のサイリスタのゲートにゲートパルスを与える。これにより、再び直流電流Idが流れ始める。
 図3に示したように、断続転流モード中は同期機20の回転速度が低いため、同期機20の回転子の回転軸に取り付けられたファン25(図2参照)の回転速度も低くなっている。そのため、同期機20の回転子24および固定子26に形成された通風路に冷却媒体を循環させることが困難となり得る。その結果、断続転流モード中に同期機20が過熱してしまう可能性がある。
 同期機20の過熱を抑制するためには、断続転流モード中に同期機20に与える電流を低減することが有効である。しかしながら、同期機20に与える電流を低減すると、同期機20の昇速率が低下するため、同期機20の回転速度が切り替え回転速度に到達するまでの時間、すなわち断続転流モードに費やされる時間が長引いてしまう。この結果、同期機20の起動に時間がかかってしまうという不具合が生じ得る。
 なお、冷却媒体の冷却能力を高めることで同期機20の過熱を抑制しようとすると、冷却器の容量を大きくせざるを得ず、装置の大型化を招く可能性がある。
 そこで、本実施の形態によるサイリスタ起動装置100では、断続転流モードにおいて、同期機20の回転速度に応じて直流電流Idの大きさを変化させる。具体的には、断続転流モードにおいて、同期機20の回転速度が高くなるに従って直流電流Idを大きくする。これにより、同期機20が第1の回転速度であるときの直流電流Idは、同期機20が第1の回転速度よりも高い第2の回転速度であるときの直流電流Idよりも小さくなる。
 図5は、断続転流モード時の同期機20の回転速度とコンバータ1から出力される直流電流Idとの関係を模式的に示すタイムチャートである。
 図5に示すように、同期機20が停止状態から定格回転速度のX%(ただし、X<10)に到達するまでの時間において、コンバータ1から出力される直流電流Idの最大値(すなわち、各パルスの波高値)をI1とする。また、同期機20が定格回転速度のX%から10%(切り替え回転速度)に到達するまでの時間において、コンバータ1から出力される直流電流Idの最大値(各パルスの波高値)をI2(I2>I1)とする。
 定格回転速度のX%は、たとえば、通風路に冷却媒体を循環させることが可能なファン25(図2参照)の下限回転速度に基づいて設定することができる。これによると、冷却媒体の冷却能力の低下を招く回転速度範囲(0~定格回転速度のX%)においては、同期機20に供給される電流が低くなるため、同期機20の熱損失(ジュール熱)が抑えられる。その結果、同期機20の過熱を抑制することができる。
 その一方で、同期機20の回転速度が上記回転速度範囲よりも高くなると、すなわち、冷却媒体の冷却能力が確保されると、同期機20に供給される電流が増加する。これにより、同期機20の昇速率を高めることができるため、断続転流モードに費やされる時間が長引くことを防止することができる。
 図5では、図3に示した同期機20の回転速度および直流電流Idが一点鎖線で示されている。I1,I2とI0との間には、I1<I0<I2の関係が成り立っている。I2をI0より大きくすることで昇速率が上がるため、Id=I0とした場合に比較して、同期機20が定格回転速度のX%から10%まで加速される時間を短縮することができる。したがって、I2の大きさを調整することで、図3と図5との間で断続転流モードに費やされる時間を等しくすることができる。
 なお、図5に示した直流電流Idの調整は、同期機20の回転速度に応じて電流指令値Id*を調整することで実現することができる。すなわち、断続転流モードにおいて、電流指令値Id*は、同期機20の回転速度が高くなるに従って電流値が大きくなるように設定される。
 これによると、電流指令値Id*は同期機20の回転速度に応じて変化することになる。本願明細書において「同期機20の回転速度に応じて変化する」とは、同期機20の回転速度に応じて電流指令値Id*が離散的に変化すること、または同期機20の回転速度に応じて電流指令値Id*が連続的に変化することを意味している。
 このようにすると、同期機20が第1の回転速度であるときの電流指令値Id*は、同期機20が第1の回転速度よりも高い第2の回転速度であるときの直流電流Idよりも小さくなる。
 図6は、断続転流モード時の同期機20の回転速度と電流指令値Id*との関係を示す図である。図6に示すように、同期機の回転速度が0rpm以上定格回転速度のX%以下となるときには、電流指令値Id*はI1に設定される。一方、同期機20の回転速度が定格回転速度のX%よりも高く10%以下となるときには、電流指令値Id*はI2(I2>I1)に設定される。
 図6に示される関係を示すデータは、サイリスタ起動装置100内部のメモリに記憶させておくことができる。コンバータ制御部13は、当該データを参照することによって、演算した同期機20の回転速度に基づいて電流指令値Id*を生成することができる。なお、データの形式はテーブルであっても関数であってもよい。
 以上説明したように、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置によれば、断続転流モード中、コンバータの直流出力電流は、同期機の回転速度が高くなるに従って電流値が高くなるように調整されるため、同期機の過熱を抑えながら同期機を短時間で起動させることができる。また、同期機の過熱を抑制するための冷却構造の大型化を抑制することができる。
 なお、上述の実施の形態では、断続転流モードにおいて電流指令値Id*を2段階で変化させる構成(図6参照)について例示したが、3段階以上で変化させてもよい。
 あるいは、図7に示すように、断続転流モード中、同期機20の回転速度に応じて電流指令値Id*を連続的に変化させてもよい。図7の例では、電流指令値Id*は同期機20の回転速度が0rpmのときにI3であり、同期機20の回転速度が定格回転速度の10%(切り替え回転速度)のときにI4(I4>I3)となっている。図7の例では、電流指令値Id*は回転速度に応じて線形的に変化している。
 図8は、図7に示した関係に従って断続転流モードを実行した場合の同期機20の回転速度とコンバータ1から出力される直流電流Idとの関係を模式的に示すタイムチャートである。
 図8に示すように、同期機20が停止状態から定格回転速度の10%(切り替え回転速度)に到達するまでの時間において、直流電流Idは連続的に変化している。図8では、図3に示した同期機20の回転速度および直流電流Idが一点鎖線で示されている。I3,I4とI0との間には、I3<I0<I4の関係が成り立っている。I4の大きさを調整することで、図3と図8との間で断続転流モードに費やされる時間を等しくすることができる。
 なお、上述した実施の形態では、同期機20が火力発電所においてガスタービンによって回転駆動される発電機である場合について説明したが、これに限るものではなく、同期機20は一般産業分野で使用される同期機であってもよい。たとえば、同期機20は、製鉄所の冷却ブロワ用の同期機であってもよい。
 今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに限定されるものではない。本発明の範囲は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、4,5 変流器、6 電圧検出器、7 位置検出器、9 電流検出器、10 インバータ制御部、11,16 制御角演算部、12,17 ゲートパルス発生器、14 速度制御部、15 電流制御部、20 同期機、22 界磁巻線、24 回転子、25 ファン、26 固定子、27 冷却器、30 交流電源、100 サイリスタ起動装置、ATU,ATV,ATW 電機子巻線、U,V,W,X,Y,Z サイリスタ、TR 変圧器。

Claims (5)

  1.  同期機を起動させるサイリスタ起動装置であって、
     交流電力を直流電力に変換するように構成されたコンバータと、
     前記直流電力を平滑化する直流リアクトルと、
     前記コンバータから前記直流リアクトルを介して与えられる前記直流電力を可変周波数の交流電力に変換して前記同期機に供給するように構成されたインバータと、
     前記同期機の回転子位置を検出するように構成された位置検出器と、
     前記位置検出器の検出信号に基づいて、前記インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成された第1の制御部と、
     前記位置検出器の検出信号に基づいて、前記コンバータの直流出力電流が電流指令値に一致するように、前記コンバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成された第2の制御部とを備え、
     前記サイリスタ起動装置は、前記直流出力電流を断続的に零にすることにより前記インバータの転流を行なう第1のモードと、前記同期機の誘起電圧により前記インバータの転流を行なう第2のモードとを順次実行することにより、前記同期機を停止状態から所定の回転速度まで加速させるように構成され、
     前記第1のモードにおいて、前記電流指令値は、前記同期機の回転速度が高くなるに従って電流値が大きくなるように設定される、サイリスタ起動装置。
  2.  前記第1のモードにおいて、前記第2の制御部は、前記同期機の回転速度に応じて前記電流指令値を離散的に変化させる、請求項1に記載のサイリスタ起動装置。
  3.  前記第1のモードにおいて、前記第2の制御部は、前記同期機の回転速度に応じて電流指令値を連続的に変化させる、請求項1に記載のサイリスタ起動装置。
  4.  前記第1のモードにおいて、
     前記第1の制御部は、前記直流出力電流が零となる時間が経過したタイミングで前記インバータにおけるサイリスタを点弧させるように構成され、
     前記第2の制御部は、前記直流出力電流が零となる時間が経過したタイミングで前記電流指令値に従って前記コンバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御するように構成される、請求項1~3のいずれか1項に記載のサイリスタ起動装置。
  5.  前記同期機は、
     前記インバータから交流電力の供給を受ける固定子と、
     回転子と、
     前記回転子の回転軸に取り付けられ、前記固定子および前記回転子に形成された通風路に冷却媒体を循環させるように構成されたファンとを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のサイリスタ起動装置。
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