JP2008295252A - ブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出コイルを設けることなく、また予め正常時の運転データの相関関係を記憶しておくことなく、故障検出ができるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置を得る。
【解決手段】ダイオード３ａの開放や短絡など回転整流器３に故障が生じた場合、励磁機界磁電流Ｊ中の直流成分に対する交流成分の割合が増加する。回転整流器故障検出装置２０において、励磁機界磁電流Ｊを直流フィルタ２２を通して得られる直流電流値Ａと、二乗平均演算回路２３の出力にゲインＫを乗じて得られる交流実効値分Ｂとの差Ｃを求め、この差Ｃが所定値Ｄを超えた場合に、タイマ３２から異常信号Ｓ２を発する。また、ダイオード３ａが短絡したときは高調波成分が増大するので、第２の比較器４３はバンドパスフィルタ４２の出力Ｅが所定値Ｆを超えたとき、相短絡故障と判定し信号Ｓ４を発し、保護トリップ回路５０は信号Ｓ２，Ｓ４のＡＮＤ条件で発電機停止信号Ｓ６を発する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置に関する。

従来のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置において、交流励磁機に検出コイルを設け、検出コイルに誘起される電圧の周波数成分を能動フィルタ回路により判別し、整流器の故障の有無を判別するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、検出コイルを用いることなく、整流器故障検出装置に入力されたブラシレス同期発電機の界磁電流、発電機電圧、発電機電流から、発電機電力、発電機無効電力を演算し、これらの相関関係と予め記憶している正常時の相関関係とを比較して故障判定を行うものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平４−２８５４５７号公報（段落番号００１３及び図１） 特開平１１−３４６４９９号公報（段落番号００２０、００２１及び図１）

従来のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置は以上のように構成され、交流励磁機に検出コイルを設けブラシを介して信号を取り出す必要があるため、装置が複雑になり、またブラシの余分な保守を要するという問題点があった。また、このような検出コイルを用いないで複雑な装置を簡略化するために、発電機電力、無効電力、界磁電流等の計測値の相関関係の変化から回転整流器故障を判定する試みもなされてきたが、予め正常時の運転データの相関関係を判定基準として組込む必要があり、ブラシレス同期発電機毎に実機測定しなければならず実際に適用するためには手間がかかるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、検出コイルを設けることなく、また予め正常時の運転データの相関関係を記憶しておくことなく、励磁機界磁電流に基づいて回転整流器の故障を検出できるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び故障時の保護を行うことのできる保護装置を得ることを目的とする。

この発明に係るブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置においては、ブラシレス同期機の回転界磁を励磁する回転整流器に交流電力を供給する交流励磁機の励磁機界磁電流の直流分と交流分とに基づいて回転整流器の異常を検出し異常検出信号を発する回転整流器異常検出装置を備えたものである。

そして、ブラシレス同期機の回転界磁を励磁する回転整流器に交流電力を供給する交流励磁機の励磁機界磁電流をデジタルサンプリングしたデジタルサンプリング値の周波数成分から回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定する故障モード判定装置を備えたものである。

さらに、回転整流器異常検出装置と、故障モード判定装置とを備えたものである。

また、この発明に係るブラシレス同期機の保護装置においては、ブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置と、回転整流器異常検出装置から異常検出信号が発信されるとともに故障モード判定装置が回転整流器の故障モードが相短絡であると判定したときにブラシレス同期機を停止する停止指令を発信する停止指令信号発信装置とを備えたものである。

そして、この発明に係るブラシレス同期機の保護装置においては、ブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流の喪失を検出する発電機界磁喪失継電器と、発電機界磁喪失継電器が動作したときデジタルサンプリング値の周波数成分から回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定する故障モード判定装置とを備えたものである。

さらに、この発明に係るブラシレス同期機の保護装置においては、故障モード判定装置と、この故障モード判定装置が回転整流器の故障モードが相開放であると判定したときにブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流を一定値に制御する界磁電流一定制御装置とを備えたものである。

この発明に係るブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置は、ブラシレス同期機の回転界磁を励磁する回転整流器に交流電力を供給する交流励磁機の励磁機界磁電流の直流分と交流分とに基づいて回転整流器の異常を検出し異常検出信号を発する回転整流器異常検出装置を備えたものであるので、検出コイルを設けることなく、また予め正常時の運転データを記憶しておくことなく、励磁機界磁電流に基づいて回転整流器の故障を検出できる。

そして、ブラシレス同期機の回転界磁を励磁する回転整流器に交流電力を供給する交流励磁機の励磁機界磁電流をデジタルサンプリングしたデジタルサンプリング値の周波数成分から回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定する故障モード判定装置を備えたものであるので、デジタル処理により容易に故障モードを判定することができる。

さらに、回転整流器異常検出装置と、故障モード判定装置との双方を備えたものであるので、回転整流器の故障及び短絡か開放かの故障モードを検出できる。

また、この発明に係るブラシレス同期機の保護装置は、ブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置と、回転整流器異常検出装置から異常検出信号が発信されるとともに故障モード判定装置が回転整流器の故障モードが相短絡であると判定したときにブラシレス同期機を停止する停止指令を発信する停止指令信号発信装置とを備えたものであるので、回転整流器の故障を検出してブラシレス同期機を確実に保護できる。

そして、ブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流の喪失を検出する発電機界磁喪失継電器と、発電機界磁喪失継電器が動作したときデジタルサンプリング値の周波数成分から回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定する故障モード判定装置とを備えたものであるので、信頼性の高い外部の発電機界磁喪失継電器によりブラシレス同期機の保護を行うことが可能となるとともに、故障モードの判定が可能となる。

さらに、故障モード判定装置と、この故障モード判定装置が回転整流器の故障モードが相開放であると判定したときにブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流を一定値に制御する界磁電流一定制御装置とを備えたものであるので、故障モードが相開放である場合はブラシレス同期機を必ずしも停止させる必要はなく、ブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流を一定値に制御して過励磁を防止することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。図１において、同期発電機１は発電機界磁巻線１ａを有する。交流励磁機４によりダイオード３ａを有する回転整流器３を介して発電機界磁巻線１ａに直流を供給し励磁する。交流励磁機４の励磁機界磁巻線４ａは、シャント抵抗５，６を介して励磁装置７に接続されている。また、励磁装置７は、励磁用変圧器８を介して同期発電機１に接続され、励磁用電力の供給を受ける。回転整流器異常検出装置２０は、絶縁アンプ２１、直流フィルタ２２、二乗平均演算回路２３、ゲイン設定器２４、減算器２６、第１の比較器２７、第１の基準値を設定する第１の設定器２８、故障検出信号リレー３１、タイマ３２を有する。

故障モード判定装置４０は、励磁機界磁電流Ｊをデジタルサンプリングしてデジタルサンプリング値として記憶するデジタルサンプリング値記憶手段４１、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４２、第２の比較器４３、第２の基準値を設定する第２の設定器４４、相短絡検出信号リレー４５を有する。停止指令信号発信装置としての保護トリップ回路５０は、ＡＮＤ回路５１とトリップ出力信号リレー５２を有する。なお、この発明におけるブラシレス同期機の保護装置は、回転整流器異常検出装置２０、故障モード判定装置４０、保護トリップ回路５０を備えている。

次に動作について説明する。同期発電機１は発電機界磁巻線１ａにより励磁されている。発電機界磁巻線１ａに流れる界磁電流の電源は交流励磁機４から供給され回転整流器３により直流に変換される。交流励磁機４は、その励磁機界磁巻線４ａに自動電圧調整装置７から供給される励磁機界磁電流Ｊにより励磁される。この励磁機界磁電流Ｊには交流励磁機４の周波数ｆに対し第６高調波（ｆ×６）が常時発生しており、励磁機界磁巻線４ａに当該第６高調波の交流電圧が誘起される。ここで、ダイオード３ａの開放や短絡など回転整流器３に故障が生じた場合、励磁機界磁巻線４ａを流れる励磁機界磁電流Ｊに重畳する交流電流が増加する。従って、励磁機界磁電流Ｊ中の直流成分に対する交流成分の割合が増加する。

そこで、回転整流器異常検出装置２０において、シャント抵抗５により測定された励磁機界磁電流Ｊを絶縁アンプ２１にて増幅して、直流フィルタ２２により平滑化して得られる直流電流値（Ｊｄｃ）Ａと、二乗平均演算回路２３からの出力（Ｊａｃ）にゲイン設定器２４により所定のゲインＫを乗じて得られた交流実効値分Ｂとを減算器２６に入力し、両者の差Ｃ（Ｃ＝Ａ−Ｂ）を得る。第１の比較器２７は、減算器２６から出力される差Ｃが、第１の設定器２８に設定された所定値Ｄよりも小さくなった場合に、故障検出信号リレー３１から異常検出信号Ｓ１を発信させる。誤動作を防止するために、タイマ３２は異常検出信号Ｓ１を受信して、所定の時限後に異常警報信号としての回転整流器故障検出信号Ｓ２を出力する。なお、回転整流器異常検出装置２０は全てアナログ回路にて実現されている。

一方、回転整流器故障には前述の通り相短絡と相開放の２つの故障モードが存在するが、相短絡時には高調波成分が大きく増加する。そこで、シャント抵抗６にて検出された励磁機界磁電流Ｊをデジタルサンプリングして、デジタルサンプリング値記憶手段４１にてデジタルサンプリング値として記憶する。この記憶されたデジタルサンプリング値をバンドパスフィルタ４２により処理して所定の周波数成分であるその出力Ｅと、第２の設定器４４に設定された所定値である基準値Ｆと、を第２の比較器４３にて比較して、出力Ｅが設定値Ｆよりも大きくなった場合に、回転整流器３の相短絡故障と判定し、相短絡検出信号リレー４５を動作させ、相短絡検出信号Ｓ４を出力させる。

そして、ＡＮＤ回路５１にて相短絡検出信号Ｓ４と前述の回転整流器故障検出信号Ｓ２とのＡＮＤ条件を判定してＡＮＤ条件を満たせばトリップ出力信号リレー５２を励磁し、相短絡時のみ選択的に停止指令である発電機停止信号Ｓ６を出力し、図示しない停止制御装置を介して同期発電機１を停止させる。なお、回転整流器故障検出信号Ｓ２と相短絡検出信号Ｓ４とのＡＮＤ条件が満たされないときは、重故障ではないとして、発電機停止信号Ｓ６を発信しない。

これにより、検出コイルを設けることなく、また従来のように予め正常時の運転データの相関関係を記憶しておくことなく、励磁機界磁電流に基づいて簡易な構成で故障を検出できるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及びブラシレス同期機の保護を行うことのできる保護装置を得ることができる。また、励磁機界磁電流Ｊについての、デジタルサンプリング値記憶手段４１、バンドパスフィルタ４２、第２の比較器４３、第２の設定器４４による一連のデジタル処理により、容易に回転整流器の故障モードを判定することができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。上記実施の形態１では、回転整流器故障検出の誤動作を防止するため図１のタイマ３２を設けていたが、図２の通りタイマを省略した回転整流器異常検出装置１２０を設けることも可能である。この場合、故障モード判定装置４０により回転整流器の故障モードを検出し、ＡＮＤ回路５１にて相短絡検出信号Ｓ４と前述の異常検出信号Ｓ１とのＡＮＤ条件を判定して発電機停止信号Ｓ６を発信するため、信頼性を損なうことなくタイマの時限の分だけ早く同期発電機１の停止を行うことができる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。実施の形態１では図１の回転整流器異常検出装置２０はアナログ回路で構成されていたが、回転整流器故障検出を図３の通り全てデジタル処理にて行うこともできる。図３において、回転整流器異常検出及び故障モード判定装置６０は、次のように構成され、動作する。デジタルサンプリング値記憶手段４１に記憶された励磁機界磁電流Ｊのデジタルサンプリング値についてバンドパスフィルタ４２により所定の周波数成分の出力Ｅを取出し、第２の設定器４４の設定値Ｆと比較し、Ｅ＞Ｆのとき相短絡検出信号Ｓ４を発信するのは、図１の実施の形態１と同様である。

一方、直流平滑フィルタ６１にて励磁機界磁電流Ｊのデジタルサンプリング値の移動平均値として直流成分Ｇを求め、交流実効値演算手段６２にて交流実効値Ｈを求める。比率演算手段６３にて、両者の比率Ｒ＝Ｈ／Ｇを求め、第３の比較手段６４は比率Ｒが第３の設定器６５に記憶された所定値である第３の基準値Ｍよりも大きいとき（Ｒ＞Ｍ）、回転整流器故障であるとして、比率信号リレー６６を介して比率検出信号Ｓ５を出力する。ＡＮＤ回路５１にて相短絡検出信号Ｓ４と比率検出信号Ｓ５とのＡＮＤ条件を判定して、相短絡発生信号発信手段５２から発電機停止信号Ｓ６が発信される。なお、相短絡検出信号Ｓ４と比率検出信号Ｓ５とのＡＮＤ条件が満たされないときは、重故障ではないとして、発電機停止信号Ｓ６を発信しない。

このように、デジタル演算による判定処理を実施することが可能となるため、アナログ回路では構成することが困難だった本来の検出方式である比率演算手段６３による故障判定が可能となる。これによりアナログ回路省略によるハードウェアの簡略化と故障判定の信頼性向上を図ることができる。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。回転整流器故障時には界磁電流が不足した状態となる。このとき、図４に示すように発電機界磁喪失継電器１６を設置している場合、これによるトリップ保護が可能なため、実施の形態３の図３におけるＡＮＤ回路５１及びトリップ出力信号リレー５２による同期発電機停止を省略することが可能である。ただし、このままでは故障モードの判定が困難となるため、回転整流器異常検出及び故障モード判定装置７０において、故障解析開始手段７１を設けて、発電機界磁喪失継電器１６が動作したときに故障解析開始指令Ｓ１０を出力し、デジタルサンプリング値記憶手段４１に取込んだ励磁機界磁電流Ｊのデジタルサンプリング値を解析する処理を行うようにしている。

バンドパスフィルタ４２、直流平滑フィルタ６１、交流実効値演算手段６２、比率演算手段６３、第３の比較手段６４、比率信号リレー６６による一連の故障解析処理は図３に示した実施の形態３と同様であり、相短絡検出信号リレー４５及び比率信号リレー６６からそれぞれ相短絡検出信号Ｓ４、比率検出信号Ｓ５が出力されると、信号出力回路８０の相短絡発生信号発信手段８１から相短絡信号Ｓ９が発信される。これにより、回転整流器の故障モードは相短絡故障であることを知ることができる。

このように、発電機界磁喪失継電器１６が動作したときに故障解析処理を行うようにすることにより、回転整流器の故障が相短絡故障であることを事後に判定することが可能となる。従って、信頼性の高い外部の発電機界磁喪失継電器１６によりブラシレス同期機の保護を行うことが可能となるとともに、故障モードの判定が可能となる。

実施の形態５．
図５は、この発明の実施の形態５であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。図５において、回転整流器異常検出及び故障モード判定装置９０は、実施の形態４の図４における故障解析開始手段７１を、図５のように周期的故障解析指令手段９１に置換え、所定の周期Ｔで回転整流器故障判定を繰り返すことで運転継続可能な相開放モードの回転整流器故障についても故障判定を行うことが可能としたものである。そして、相短絡時のみ選択的に信号出力回路８０の相短絡発生信号発信手段８１から相短絡信号Ｓ９が発信されるので、当該相短絡信号Ｓ９を認識した運転員が手動にて同期発電機１を停止させることができる。

実施の形態６．
図６は、この発明の実施の形態６であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。図６において、相短絡発生信号発信手段８１から相短絡信号Ｓ９が発信されると、界磁電流一定制御装置としての界磁一定モード移行手段８６が動作して界磁一定モードに移行する。その他の構成については、図５に示した実施の形態５と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
励磁装置７を電圧一定モードで運転中に、相短絡信号Ｓ９が発信されたときに運転員がブラシレス同期機を停止する等の適切な処理を取れなかった場合、故障により低下するブラシレス同期機の界磁電流を補うための励磁装置の界磁電流増加により過励磁となる可能性があるが、この実施の形態のように相短絡信号Ｓ９が発信されると、界磁一定モードに移行させることで、過励磁を防止することが可能となる。

この発明を実施するための実施の形態１であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。 実施の形態２であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。 実施の形態３であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。 実施の形態４であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。 実施の形態５であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。 実施の形態６であるブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１ 同期発電機、１ａ 発電機界磁巻線、３ 回転整流器、４ 交流励磁機、
５，６ シャント抵抗、２０，１２０ 回転整流器異常検出装置、２２ 直流フィルタ、
２３ 二乗平均演算回路、２６ 減算器、２７ 第１の比較器、２８ 第１の設定器、
３１ 故障検出信号リレー、３２ タイマ、４０ 故障モード判定装置、
４１ デジタルサンプリング値記憶手段、４２ バンドパスフィルタ、
４３ 第２の比較器、４４ 第２の設定器、４５ 相短絡検出信号リレー、
５０ 保護トリップ回路、５１ ＡＮＤ回路、５２ トリップ信号出力リレー、
６０ 回転整流器異常検出及び故障モード判定装置、６１ 直流平滑フィルタ、
６２ 交流実効値演算手段、６３ 比率演算手段、６４ 第３の比較手段、
６６ 比率信号リレー、７０ 回転整流器異常検出及び故障モード判定装置、
８０ 故障モード信号出力回路、９０ 回転整流器異常検出及び故障モード判定装置。

Claims (12)

1. ブラシレス同期機の回転界磁を励磁する回転整流器に交流電力を供給する交流励磁機の励磁機界磁電流の直流分と交流分とに基づいて上記回転整流器の異常を検出し異常検出信号を発する回転整流器異常検出装置を備えたブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
2. 上記回転整流器異常検出装置は、上記励磁機界磁電流の直流分と交流分との差が所定値よりも小さくなったときに上記異常検出信号を発するものであることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
3. 上記回転整流器異常検出装置は、上記励磁機界磁電流をデジタルサンプリングしたデジタルサンプリング値の直流分に対する交流分の割合が所定値よりも大きくなったときに上記異常検出信号を発するものであることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
4. 上記回転整流器異常検出装置は、上記異常検出信号が所定時間継続したときに異常警報信号を発するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
5. ブラシレス同期機の回転界磁を励磁する回転整流器に交流電力を供給する交流励磁機の励磁機界磁電流をデジタルサンプリングしたデジタルサンプリング値の周波数成分から上記回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定する故障モード判定装置を備えたブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
6. 上記故障モード判定装置は、上記デジタルサンプリング値の所定の周波数成分が所定値よりも大きいとき上記回転整流器の故障モードが相短絡であると判定するものであることを特徴とする請求項５に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
7. 上記故障モード判定装置は、動作開始指令を受けて上記デジタルサンプリング値の周波数成分から上記回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定するものであることを特徴とする請求項５に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
8. 上記故障モード判定装置は、所定周期にて上記デジタルサンプリング値の周波数成分から上記回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定するものであることを特徴とする請求項５に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
9. 上記請求項１ないし４のいずか１項に記載の回転整流器異常検出装置と、上記請求項５ないし８のいずか１項に記載の故障モード判定装置とを備えたブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置。
10. 上記請求項９に記載のブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置と、上記回転整流器異常検出装置から上記異常検出信号が発信されるとともに上記故障モード判定装置が上記回転整流器の故障モードが相短絡であると判定したときに上記ブラシレス同期機を停止する停止指令を発信する停止指令信号発信装置とを備えたブラシレス同期機の保護装置。
11. 上記ブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流の喪失を検出する発電機界磁喪失継電器と、上記発電機界磁喪失継電器が動作したとき上記デジタルサンプリング値の周波数成分から上記回転整流器の故障モードが相短絡か相開放かを判定する上記請求項７に記載の故障モード判定装置とを備えたブラシレス同期機の保護装置。
12. 上記請求項５ないし８のいずか１項に記載の故障モード判定装置と、この故障モード判定装置が上記回転整流器の故障モードが相開放であると判定したときに上記ブラシレス同期機の回転界磁の励磁電流を一定値に制御する界磁電流一定制御装置とを備えたブラシレス同期機の保護装置。

Images