WO2018235189A1 - サイリスタ起動装置 - Google Patents

Abstract

サイリスタ起動装置（１００）は、コンバータ（１）の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（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ように構成される。サイリスタ起動装置（１００）は、さらに、第１のモードにおいて、界磁電流を一定とすることにより同期機（２０）の回転速度と比例的に誘起電圧を上昇させるとともに、誘起電圧が第１の電圧値に達した後は、界磁電流を低下させることにより誘起電圧の上昇を抑制するように構成される。

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す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

　上記サイリスタ起動装置において、インバータは少なくとも６個のサイリスタを有している。同期機の回転に同期して６個のサイリスタを２個ずつ順序良く点弧させることにより、インバータは同期機に三相交流電力を供給して同期機の回転速度を上昇させることができる。

　しかしながら、インバータの転流動作中に６個のサイリスタのうちのいずれかのサイリスタにおいて短絡故障が発生した場合、別の健全なサイリスタを点弧させることで、このサイリスタを通じて事故電流が流れる経路が形成される。そのため、事故電流によって健全なサイリスタおよび電機子巻線などの構成部品がダメージを受けることとなる。事故電流が大きくなるほど、構成部品へのダメージも大きくなるため、構成部品が損傷する可能性が高くなる。

　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、事故電流による損傷を抑制す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、サイリスタ起動装置は、界磁巻線を有する回転子と固定子とを有する同期機を起動させる。サイリスタ起動装置は、コンバータと、直流リアクトルと、インバータと、励磁装置とを備える。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固定子に供給するように構成される。励磁装置は、界磁巻線に界磁電流を供給するように構成される。サイリスタ起動装置は、コンバータの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。サイリスタ起動装置は、さらに、第１のモードにおいて、界磁電流を一定とすることにより同期機の回転速度と比例的に誘起電圧を上昇させるとともに、誘起電圧が第１の電圧値に達した後は、界磁電流を低下させることにより誘起電圧の上昇を抑制するように構成される。

　この発明によると、事故電流による損傷を抑制す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１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。 サイリスタ起動装置の基本動作を示すタイムチャートである。 図１に示したインバータの構成および動作を示す回路図である。 負荷転流モード時におけるインバータの理想的な転流動作を模式的に示すタイムチャートである。 事故電流の経路を説明するための回路図である。 図５に示した事故電流の経路を模式的に示す等価回路図である。 線間電圧および事故電流の動作波形を示す図である。 実施の形態１によ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同期機の回転速度とコンバータから出力される直流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。 同期機の冷却構造の一例を示す断面図である。 断続転流モード時の同期機の回転速度とコンバータから出力される直流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の一例を示す図である。 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の他の例を示す図である。

　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。

　［実施の形態１］
　図１は、この発明の実施の形態１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１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、インバータ２、および励磁装置２１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。インバータ２は、コンバータ１から直流リアクトル３を介して与えられた直流電力を可変周波数の交流電力に変換して同期機２０に供給する。

　励磁装置２１は、同期機２０の界磁巻線２２に界磁電流Ｉｆを供給する。界磁巻線２２に界磁電流Ｉｆが供給されている状態において、インバータ２から電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＶに交流電力を供給することにより、同期機２０の回転が加速される。

　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。制御角演算部１６は、演算した位相制御角αを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。

　次に、図２を用いて、サイリスタ起動装置１００の基本動作について説明する。
　図２は、サイリスタ起動装置１００の基本動作を示すタイムチャートである。図２には、同期機２０の回転速度、同期機２０に発生する誘起電圧の実効値、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄ、および界磁電流Ｉｆ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に発生する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２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。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。

　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２の例では、切り替え回転速度を定格回転速度の１０％程度としている。

　励磁装置２１は、時刻ｔ＝０において停止状態の同期機２０を起動させると、界磁巻線２２に一定の界磁電流Ｉｆを供給する（Ｉｆ＝Ｉｆ０）。一定の界磁電流Ｉｆにより回転子には一定の界磁磁束が発生する。この状態で同期機２０を加速させることにより、同期機２０に発生する誘起電圧の大きさ（実効値）は同期機２０の回転速度と比例的に変化する。

　同期機２０に発生する誘起電圧の実効値が所定の電圧ＶＥ２に達すると、励磁装置２１は界磁巻線２２に供給する界磁電流Ｉｆを低下させる。これにより、誘起電圧の実効値は回転速度が変わっても一定の電圧ＶＥに保たれる。

　図３は、図１に示したインバータ２の構成および動作を示す回路図である。図３を参照して、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。

　たとえば、図３に示すように、サイリスタＵ，Ｚが導通している場合は、同期機２０のＵ相電圧ＶｕがインダクタンスＬｕおよびサイリスタＵを介してインバータ２の入力端子２ａに現れ、Ｗ相電圧ＶｗがインダクタンスＬｗおよびサイリスタＺを介してインバータ２の入力端子２ｂに現れる。すなわち、同期機２０のＷ相－Ｕ相間の交流電圧Ｖｗ－ｕが直流電圧ＶＤＣ２となって入力端子２ａ，２ｂ間に現れる。なお、リアクトルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗはそれぞれ、同期機２０の電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷが有するインダクタンスを表している。

　図４は、負荷転流モード時におけるインバータ２の理想的な転流動作を模式的に示すタイムチャートである。図４では、三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、インバータ２の６個のサイリスタのうちの導通しているサイリスタ、およびインバータ２の入力端子２ａ，２ｂ間に現れる直流電圧ＶＤＣ２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。負荷転流モードでは、基準点から所望の角度γだけ位相を進めた時刻でサイリスタにゲートパルスを与える。たとえば、サイリスタＵが導通している期間中にサイリスタＶにゲートパルスを与え、次にサイリスタＶが導通している期間中にサイリスタＷにゲートパルスを与える。同様に、サイリスタＺが導通している期間中にサイリスタＸにゲートパルスを与え、次にサイリスタＸが導通している期間中にサイリスタＹにゲートパルスを与える。

　導通するサイリスタの遷移に応じて、同期機２０の線間電圧Ｖｕ－ｖ，Ｖｖ－ｗ，Ｖｗ－ｕがインバータ２の入力端子２ａ，２ｂ間に直流電圧ＶＤＣ２として順次現れる。インバータ制御部１０は、同期機２０の回転に応じて、６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚを２個ずつ順序良く点弧させて同期機２０に流れる電流の経路を制御する。

　ここで、負荷転流モード中にインバータ２の６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのうちのいずれかのサイリスタにおいて、アノード－カソード間が電気的に短絡する短絡故障が発生した場合を考える。

　たとえば、サイリスタＵに短絡故障が発生している場合において、サイリスタＶにゲートパルスを与えてサイリスタＶを導通させると、図５に示すように、サイリスタＶ，Ｕを含むように事故電流Ｉａの経路が形成される。そのため、事故電流Ｉａによって健全なサイリスタＶおよび電機子巻線などの構成部品がダメージを受けることとなる。なお、事故電流Ｉａが大きくなるほど、構成部品へのダメージが大きくなるため、構成部品が損傷する可能性が高くなる。

　図５に示した事故電流Ｉａの経路は、図６のような等価回路図で表現することができる。図６の等価回路図において、リアクトルＬのインダクタンスは、電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶが有するインダクタンスの合計値に相当する。交流電源電圧は同期機２０の線間電圧Ｖｕ－ｖに相当する。電機子巻線ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＶの抵抗成分は無視できるほど小さいものとする。

　サイリスタＶを導通させると、リアクトルＬを介してサイリスタＶに事故電流Ｉａが流れる。線間電圧Ｖｕ－Ｖの実効値をＶとすると、線間電圧Ｖｕ－ｖは次式（１）で表される。

　事故電流Ｉａは線間電圧Ｖｕ－ｖよりも位相９０°遅れた電流となる。γ＝π／２の場合、事故電流Ｉａは次式（２）で与えられる。ただし、ＬはリアクトルＬのインダクタンスであり、ωは同期機２０の回転角速度である。

　図７は、π／２≦γ＜πのときの線間電圧Ｖｕ－ｖおよび事故電流Ｉａの動作波形を示す。なお、図７において破線で示す電流波形はγ＝π／２のときの事故電流Ｉａを示している。

　事故電流Ｉａは、θ＝πを中心とした左右対称の波形となる。サイリスタＶの導通期間γ≦θ≦π＋γにおける回路方程式は次式（３）で与えられる。

　式（３）をθ＝ωｔ＝π－γにてＩａ＝０の条件を入れて解くと、次式（４）が得られる。この電流波形は、γ＝π／２の電流波形のπ－γ≦θ≦π＋γの部分を切り取ったものと同じである。

　Ｉａは、θ＝πのときに最大となり、最大値は次式（５）で求まる。

　式（５）によると、同期機２０の回転速度（回転角速度ω）および位相制御角γが一定である場合、事故電流Ｉａは線間電圧Ｖｕ－ｖが大きくなるほど大きくなることが分かる。これによると、事故電流Ｉａの大きさは、インバータ２のサイリスタに短絡故障が発生したタイミングでの同期機２０の誘起電圧の大きさに依存することとなる。すなわち、同タイミングでの誘起電圧が大きくなるほど、事故電流Ｉａが大きくなる。

　また、事故電流Ｉａの通電時間は、同期機２０の回転周期×２γ／２πで表される。したがって、通電時間は同期機２０の回転速度に反比例する。これは、同期機２０の回転速度が低いほど事故電流Ｉａの通電時間は長くなることを表している。

　このように、負荷転流モード中にインバータ２の６個のサイリスタＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのうちのいずれかのサイリスタに短絡故障が発生すると、サイリスタ起動装置１００および同期機２０の構成部品には事故電流Ｉａが流れる。事故電流Ｉａの大きさは、同期機２０の誘起電圧が大きくなるほど大きくなる。事故電流Ｉａの通電時間は、同期機２０の回転速度が低くなるほど長くなる。

　ここで、図２のタイムチャートによると、負荷転流モードにおいて同期機２０の回転速度が最も低くなるタイミングは、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わった直後のタイミングである。したがって、このタイミングで短絡故障が発生すると、事故電流Ｉａの通電時間が最も長くなるため、構成部品に大きなダメージを与えることになる。

　そこで、実施の形態１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界磁を弱めることにより、同期機２０に発生する誘起電圧の上昇を抑制する。断続転流モードにおける誘起電圧の上昇を抑制すると、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わった直後のタイミングでの線間電圧が小さくなる。したがって、同タイミングでの事故電流Ｉａを小さくすることができる。

　以下、図８を用いて、実施の形態１によるサイリスタ起動装置１００により行なわれる界磁制御について説明する。

　図８は、実施の形態１による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り、図２と対比される図である。図８では、図２に示した同期機２０の誘起電圧の実効値および界磁電流Ｉｆを一点鎖線で示している。直流電流Ｉｄおよび同期機２０の回転速度は図２と図８とで互いに等しいものとする。

　図８に示すように、断続転流モードにおいて、同期機２０の誘起電圧の実効値が所定の電圧（第１の電圧）ＶＥ０（第１の電圧値）に達すると、励磁装置２１は界磁電流Ｉｆを低下させる。界磁電流Ｉｆを低下すると、界磁磁束が弱められるため、誘起電圧の上昇が抑制される。図８の例では、同期機２０の回転速度に応じて界磁電流Ｉｆを低下させることにより、誘起電圧の実効値は回転速度が変わっても一定の電圧ＶＥ０に保たれる。

　同期機２０の回転速度が切り替え回転速度（定格回転速度の１０％）に達すると、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。負荷転流モードが開始されると、励磁装置２１は界磁巻線２２に一定の界磁電流Ｉｆを供給する（Ｉｆ＝Ｉｆ１）。一定の界磁電流Ｉｆにより回転子には一定の界磁磁束が発生する。この状態で同期機２０を加速させることにより、同期機２０に発生する誘起電圧の実効値は同期機２０の回転速度と比例的に変化する。

　同期機２０に発生する誘起電圧の実効値がＶＥ２（第２の電圧値）に達すると、励磁装置２１は界磁巻線２２に供給する界磁電流Ｉｆを低下させる。これにより、誘起電圧の実効値は回転速度が変わっても一定の電圧ＶＥに保たれる。

　ここで、図２および図８の各々において、切り替え回転速度における誘起電圧の実効値に着目すると、断続転流モード中一定の界磁電流Ｉｆ（Ｉｆ＝Ｉｆ０）を界磁巻線２２に供給したときの実効値ＶＥ１（図２）に比べて、断続転流モードにおいて界磁電流Ｉｆを低下させたときの実効値ＶＥ０（図８）は小さくなっている。よって、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わった直後のタイミングで短絡故障が発生した場合、同タイミングでの誘起電圧は、図８での電圧値が図２での電圧値よりも小さくなることが予想される。したがって、事故電流Ｉａを小さくすることができるため、事故電流Ｉａが構成部品に与えるダメージを低減することができる。なお、ＶＥ０は、インバータ２のサイリスタおよび同期機２０の構成部品の耐圧に基づいて設定することができる。

　以上説明したように、この発明の実施の形態１によるサイリスタ起動装置によれば、断続転流モードにおいて同期機２０に発生する誘起電圧の上昇を抑制することにより、断続転流モードから負荷転流モードに切り替わった直後のタイミングでの事故電流を小さくすることができる。この結果、事故電流によるサイリスタ起動装置および同期機の構成部品の損傷を抑制することができる。

　［実施の形態２］
　上述した実施の形態１で述べたように、断続転流モードにおいて同期機２０の誘起電圧の上昇を抑制した場合、インバータ２から同期機２０に供給される交流電力が低下する。そのため、同期機２０の昇速率（回転速度が上昇する比率）が低下し、断続転流モードに費やされる時間が長くなる可能性がある。その結果、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起こり得る。

　そこで、実施の形態２によるサイリスタ起動装置１００においては、断続転流モードにおいて、界磁電流Ｉｆの低下に合わせて、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄを増加させることにより、同期機２０への供給電力の低下を抑制する。

　図９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９では、界磁巻線２２に一定の界磁電流Ｉｆを供給している期間において、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、パルスの波高値）をＩ０とする。これに対して、界磁電流Ｉｆを低下させている期間において、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、パルスの波高値）をＩ１とする（Ｉ１＞Ｉ０）。

　Ｉ１をＩ０よりも大きくすることで昇速率が上がるため、直流電流ＩｄをＩ０とした場合に比較して同期機２０が切り替え回転速度（定格回転速度の１０％）まで加速される時間を短縮することができる。なお、Ｉ１の大きさを調整することで、図２と図９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。

　図９に示した直流電流Ｉｄの調整は、電流指令値Ｉｄ＊を調整することで実現することができる。図１０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＊との関係の一例を示す図である。

　図９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Ｉ０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Ｉ１に設定される。定格回転速度のＸ％は、界磁電流Ｉｆを一定としたときに同期機２０の誘起電圧の実効値がＶＥ１となる回転速度に相当する。

　図９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２によるサイリスタ起動装置によれば、実施の形態１と同様の作用効果のほかに、短時間で同期機２０を起動させることが可能となる。

　［実施の形態３］
　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ものがある。

　図１１は、同期機２０の冷却構造の一例を示す断面図である。図１１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、通風路に冷却媒体を循環させることが困難となり、結果的に冷却媒体の冷却能力が低下することとなる。したがって、上述した実施の形態２のように、断続転流モードにおける直流電流Ｉｄを高くすると、同期機２０が過熱してしまう可能性がある。

　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、実施の形態３によるサイリスタ起動装置１００においては、同期機２０の誘起電圧がＶＥ１となる回転速度範囲において、電流指令値Ｉｄ＊を、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する。

　図１２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１２に示すように、同期機２０が定格回転速度のＸ％からＹ％（ただし、Ｘ＜Ｙ＜１０）に到達するまでの期間において、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、パルスの波高値）をＩ２とする。また、同期機２０が定格回転速度のＹ％から１０％（切り替え回転速度）に到達するまでの期間において、コンバータ１から出力される直流電流Ｉｄの最大値（パルスの波高値）をＩ３（Ｉ３＞Ｉ２）とする。

　定格回転速度のＹ％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１１参照）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Ｙ％）においては、同期機２０に供給される電流が低い電流値になるため、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に供給される電流を増加させる。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ぐことができる。

　図１２では、図９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。Ｉ２，Ｉ３とＩ１との間には、Ｉ２＜Ｉ１＜Ｉ３の関係が成り立っている。Ｉ３をＩ１より大きくすることで昇速率が上がるため、直流電流ＩｄをＩ１とした場合に比較して、同期機２０が定格回転速度のＹ％からＸ％まで加速される時間を短縮することができる。なお、Ｉ３の大きさを調整することで、図９と図１３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。

　図１２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、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、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、同期機２０の回転速度が上記範囲にあるときには、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。

　図１３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１３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Ｉ０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Ｙ％以下となるときには、電流指令値Ｉｄ＊はＩ２に設定される。さらに、同期機２０の回転速度が定格回転速度のＹ％よりも高くＸ％以下となるときには、電流指令値Ｉｄ＊はＩ３に設定される。

　図１３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３によるサイリスタ起動装置によれば、実施の形態１と同様の作用効果のほかに、以下の作用効果を奏する。同期機２０が回転子の回転力を利用して同期機２０を冷却する構造を採用している場合でも、同期機２０の過熱を抑えながら、短時間で同期機２０を起動させることができる。また、同期機２０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３では、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＊を２段階で変化させる構成（図１３参照）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１４に示すように、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、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１４の例では、電流指令値Ｉｄ＊は同期機２０の回転速度が０ｒｐｍ以上定格回転速度のＸ％以下のときにＩ０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＞Ｉ０）となっている。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、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。

　なお、上述した実施の形態１～３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、２１　励磁装置、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 (8)

1. 　界磁巻線を有する回転子と固定子とを有する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直流電力を可変周波数の交流電力に変換して前記固定子に供給するように構成されたインバータと、
   　前記界磁巻線に界磁電流を供給するように構成された励磁装置とを備え、
   　前記サイリスタ起動装置は、前記コンバータの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、
   　前記サイリスタ起動装置は、さらに、前記第１のモードにおいて、前記界磁電流を一定とすることにより前記同期機の回転速度と比例的に前記誘起電圧を上昇させるとともに、前記誘起電圧が第１の電圧値に達した後は、前記界磁電流を低下させることにより前記誘起電圧の上昇を抑制するように構成される、サイリスタ起動装置。
2. 　前記サイリスタ起動装置は、前記誘起電圧が前記第１の電圧値に達した後は、前記同期機の回転速度に応じて前記界磁電流を低下させることにより前記誘起電圧を前記第１の電圧値に保つように構成される、請求項１に記載のサイリスタ起動装置。
3. 　前記第２のモードにおいて、前記励磁装置は、前記界磁電流を一定とすることにより前記誘起電圧を前記第１の電圧値からさらに増加させ、かつ、前記誘起電圧が前記第１の電圧値よりも高い第２の電圧値に達した後は、前記同期機の回転速度に応じて前記界磁電流を低下させることにより前記誘起電圧を一定に保つように構成される、請求項１または２に記載のサイリスタ起動装置。
4. 　前記同期機の前記回転子の位置を検出する位置検出器と、
   　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の制御部とをさらに備え、
   　前記第１のモードにおいて、前記誘起電圧が前記第１の電圧値となる回転速度における前記電流指令値は、前記誘起電圧が前記第１の電圧値よりも低くなる回転速度における前記電流指令値よりも大きい電流値に設定される、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. 　前記誘起電圧が前記第１の電圧値となる回転速度範囲において、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、請求項４に記載のサイリスタ起動装置。
6. 　前記同期機の回転速度が前記回転速度範囲にあるときには、前記電流指令値は、前記同期機の回転速度に応じて離散的に変化する、請求項５に記載のサイリスタ起動装置。
7. 　前記同期機の回転速度が前記回転速度範囲にあるときには、前記電流指令値は、前記同期機の回転速度に応じて連続的に変化する、請求項５に記載のサイリスタ起動装置。
8. 　前記同期機は、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をさらに含む、請求項５～７のいずれか１項に記載のサイリスタ起動装置。

Images