JP3097745B2 - 交流励磁回転電機制御装置 - Google Patents

交流励磁回転電機制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、電力変換器の交流励磁により可変速回転運
転を行なうようにした交流励磁回転電機制御装置に係
り、特に運転状況が急激に変化した場合でも、運転の安
定度を高めた交流励磁回転電機制御装置に関する。
[従来の技術] 電力用半導体電力変換装置の進歩に伴い、巻線形誘導
機と類似の巻線構造の1次巻線と2次巻線を有し、周波
数変換装置を用いた交流励磁により、可変速運転を可能
にした同期機が広く実用化されてきている。
ところで、このような、いわゆる交流励磁回転電機を
用いたシステムは、その特徴である迅速な有効電力及び
無効電力の調整機能を活かし、従来から電力系統内での
負荷調整や調相に広く採用されているが、従来の装置で
は、例えば、特願昭63−55518号の出願に係る提案にみ
られる如く、交流電力系統から遮断されたときでの対応
として、その励磁周波数を設定値以下に抑えることによ
り、直流励磁の通常の同期機と同様な自励運転をもたせ
るようにしている。
このような従来例について、以下、第3図により説明
する。
この従来例は、揚水発電システムに交流励磁回転電機
を適用した場合の例で、交流系統1に系統しや断器2aを
介して主変圧器3が接続され、この主変圧器3の低圧側
には、同期投入用しや断器2bを介して可逆式ポンプ水車
4に直結された、巻線形誘導機と類似の巻線構造を有す
る交流励磁同期機5の1次巻線5aが接続されている。
一方、周波数変換装置6は、励磁用変圧器7で降圧さ
れた交流系統1からの電力を低周波交流電力に交換する
ためのサイリスタ電力変換装置8などからなり、これら
は励磁巻線5bの各相毎に設けられている。
交流励磁周波数信号を得るためのすべり位相検出器9
は、系統電圧位相θを検出するための電圧変成器10
と、電圧位相演算器11、交流励磁同期機5の電気角で表
わした回転位相θを検出するレゾルバ装置12、それに
すべり位相演算器13からなる。
電圧位相演算器11は(cosθv,sinθv)の2相信号を
出力する働きをし、レゾルバ装置12は(cosθr,sinθ
r)の2相信号を出力する。そして、すべり位相演算器
13は(cosθs,sinθs)の2相信号を出力する。
励磁電流指令演算器14は、すべり位相θsと共に回転
する3相交流電流指令の振幅と位相を互いに直交する2
軸の電流指令Iq,Idにより調整する働きをする。ここ
で、3相の電流指令値Iuref,Ivref,Iwrefは下式のよう
になる。
Iuref=Iqcosθs+Idsinθs 電流制御装置15は、交流励磁同期機5の2次巻線電流
が前記電流指令に合致するように、サイリスタの点弧角
信号を自動パルス移相器16に出力する働きをし、自動パ
ルス移相器16はサイリスタ電力変換装置8の点弧パルス
信号17を出力する働きをする。ここで2次電流指令演算
器14で調整すべき電流指令信号は、特公昭53−7628号、
特公昭57−60645号の各公報の記載の方法で与えられ
る。即ち、すべり位相θsと同一位相の電流成分Iqを調
整することにより有効電力出力を制御し、すべり位相信
号θsから90゜遅れた位相をもつ電流成分Idを調整する
ことにより電圧を制御するのである。
交流系統1への有効電力出力と電圧は、計器用電流変
成器18と計器用電圧変成器10により取り出され、その信
号を計測器19により直流信号に変換して自動有効電力制
御装置(APR)20と自動電圧制御装置(AVR)21に入力す
ることにより制御される。
自動有効電力制御装置20の出力Iqは制限器22で上下限
を予め設定された値の範囲に抑えられる。自動電圧制御
装置21の出力Idは制限器23で上下限を予め設定された値
の範囲に抑えられる。制限器22,23は、何れも電流指令
がサイリスタ電力変換装置8の耐量を越えぬようにする
ために設けてある。
[発明が解決しようとする課題] 上記従来技術では、例えば運転中に交流系統から遮断
されるような過渡的に運転状態が変化する場合にも、連
続的に発電機運転の制御が保たれるようにするため、縦
軸電流指令の下限値については、その値を正の有限値に
設定する必要があり、このため無効電流出力範囲を広く
できないという問題があった。
これを詳しく説明すると、まず第4図(b)は、交流
励磁同期機5の等価回路を同図(a)に示すものとした
場合での、縦軸交流(Id)指令が負の所定値にある状態
で運転中のベクトル図を示したもので、この状態では、
縦軸電流Idが負方向で2次電流I2は正方向になつてい
る。
今、この状態で、交流系統から遮断されたとすると、
発電機の端子電圧がV1からEにまで低下してしまうの
で、2次電流を増加させてやる必要を生じ、このため、
第5図に示すように、2次電流の値が、このときの値I2
から所定値I2′に変化するように、電流指令値を変更さ
せて行かなくてはならない。
しかして、自動電圧制御装置21は、この端子電圧を上
げて行く過程で縦軸電流指令値を負の値から正の値に変
化させるので、この過程で正帰還状態になってしまう。
こうして正帰還状態になると、電圧が喪失し、自励運
転に移行することが困難になる。
このため、上記従来技術では、縦軸電流Idの下限値と
して、負の値が設定できない。
次に、第6図は、縦軸電流指令が正方向にある状態で
運転している場合のベクトル図で、2次電流I2は下方向
に向いており、縦軸電流Idは正の所定値になっている。
この状態で、同じく交流系統から遮断されたとする
と、このときは発電機の端子電圧がV1からEにまで上昇
するため、今度は、反対に2次電流を減少させる必要が
ある。
しかし、このとき、横軸電流(Iq)は、この交流系統
からの遮断により、第7図に示すように、所定値Iqから
Iq′に変化する。ここで、横軸電流Iqが正方向に変化す
るのは、次の理由による。
まず、この横軸電流Iqが回転速度制御系からの出力指
令による場合には、遮断されると共に回転速度が上昇し
ようとするため、発電出力が増し、この結果、減速制御
動作に入り、横軸電流が正方向に変化するのである。
次に、この横軸電流Iqが有効電力制御系からの出力指
令による場合は、遮断されると同時に検出される有効電
力出力はゼロになる。
しかし、制御系は発電機の出力を指令値に保持しよう
と動作するため、有効電力指令は急激に正方向に変化す
ることから、2次電流値が増加し電圧Eが上昇するよう
になる。
このように、上述した従来技術では、2次電流が増加
し、この結果、端子電圧が過大になって自動運転に移行
できないという問題点が存在していた。
本発明の目的は、例えば交流系統からの遮断時のよう
な運転状態が急激に変化する場合でも、運転の安定度を
高めた交流励磁回転電機制御装置を提供することにあ
る。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するために、本発明では、1次巻線と
2次巻線を有する誘導機と、前記2次巻線を交流励磁す
る電力変換器と、該電力変換器に有効電力指令を出力す
る有効電力制御手段と、前記電力変換器に無効電力指令
を出力する無効電力制御手段とを備えた交流励磁回転電
機制御装置において、前記1次巻線の電流を検出する電
流検出手段と、前記電力変換器に与えられる無効電力指
令を制限する無効電力指令制限手段と、前記電流検出手
段による電流検出結果に応じて、前記無効電流指令制限
手段による無効電力指令の制限範囲を変化させる無効電
力制限範囲変化手段とを設けたことを特徴とするもので
ある。
また、上記目的を達成するために、本発明では、1次
巻線と2次巻線を有する誘導機と、前記2次巻線を交流
励磁する電力変換器と、該電力変換器に有効電力指令を
出力する有効電力制御手段と、前記電力変換器に無効電
力指令を出力する無効電力制御手段とを備えた交流励磁
回転電機制御装置において、前記1次巻線の電流を検出
する電流検出手段と、前記電力変換器に与えられる有効
電力指令を制限する有効電力指令制限手段と、前記電流
検出手段による電流検出結果に応じて、前記有効電流指
令制限手段による有効電力指令の制限範囲を変化させる
有効電力制限範囲変化手段とを設けたことを特徴とする
ものである。
[作用] 本発明によれば、誘導機の1次巻線電流を検出して、
有効電力指令又は無効電力指令の上下限値を変更するよ
うにしたので、有効電力出力範囲又は無効電力出力範囲
を運転状況に応じて可変にすることが可能になる。
[実施例] 以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。な
お、第3図の従来例と同じ番号を付けた機器は同一部分
なので、重複を避けるため説明は省略する。
1次電流ベクトル演算器24は、電流編成器25からの1
次電流信号Iu1,Iv1,Iw1と電圧位相演算器11からの電圧
位相信号cosθv,sinθvから下式を演算して、1次電流
のd軸成分Id1とピーク値I1pを出力する。
q軸指令制限器26は、1次電流ベクトル演算器24から
のピーク値I1pが設定値I1po以上のとき、その制限値の
上下限は −Iqmax1≦Iq2≦Iqmax1 であり、1次電流ピーク値I1qが設定値I1poより小とな
ると、交流系統からしゃ断されたと判断し、その制御値
の上下限は −Iqmax2≦Iq2≦Iqmax2 に切り替える動作をする。ここでIqmax1とIqmax2は、 Iqmax2<Iqmax1 に設定する。
この結果、1次電流ピーク値が設定値I1poより小さく
なると、Iq2は0付近の値に抑えられる。
d軸指令制限器27は、1次電流ベクトル演算器24から
の信号Id1を入力して、その制限値の上下限値を下式で
可変に設定する構成となつており、従つて、 Idmin−Id1Id2Idmax−Id1 で上下限を制限する動作を行なう。
ここで、IdminとIdmaxは予め設定された定数であり、
Id1は交流励磁同期機5が強め励磁になる程負方向に大
きくなる。
この結果、励磁が強まる程、上下限値は正方向に移動
する。
従つて、この実施例によれば、通常運転時にはq軸指
令制限器又はd軸指令制限器の制限範囲は変化せず、従
来技術の通常運転に応じた制限範囲になっているので、
2次電流制御に影響を及ぼさない。
このような構成によれば、交流系統から遮断されると
電機子電流の縦軸分Idが正から0になるにつれて下限値
が負から正に変化するため、Id指令の下限は正となりAV
Rが誤動作することがなくなる。
一般に、このような1次電流ベクトル演算器24は、交
流系統周波数信号を、一旦、直流に変換しているため
に、すべり周波数を扱う励磁電流指令演算器14よりも雑
音や外乱に弱い欠点があるが、この実施例では、通常時
は2次電流制御に使用されないので、脈動の小さな有効
電力出力と無効電力出力を得る効果がある。
第2図は本発明の無効電力制御手段の他の一実施例を
示したもので、この実施例は、電流電圧変換器28によ
り、電流変成器18で検出した系統出力電流信号を電圧に
変換し、ダイオードブリツジ回路29で整流して系統出力
電流のピーク値Ilpをq軸制限器30に入力するように構
成したものである。
q軸電流制限器30は、第1図の実施例におけるq軸指
令制限器26と同じように、設定値Ilpoより小となると交
流系統からしゃ断されたと判断して上下限値を切り替え
る動作をする。
この実施例によれば、遮断現象後に確実に0となる1
次巻線から系統への電流値を検出するので、第1図の実
施例のように、自己励磁分の電流が残る1次巻線電流で
判定するよりも確実に交流系統からの遮断が検出でき、
従って、さらに確実な動作が得られる。
[発明の効果] 本発明によれば、交流励磁回転電機の1次電流を検出
して2次電流指令値の上下限値を変更するようにしたの
で、無効電力出力範囲を充分に広くすることができ、交
流電力系統から遮断されたときでも、自励運転への移行
が安定に、しかも確実に得られるという効果が得られ
る。
また、本発明によれば、交流回転電機の1次巻線電流
を検出して有効電力指令値の上下限値を変更するように
したので、例えば、負荷遮断が発生して1次巻線電流が
0に近づくと、Iqの上下限値を0の周囲で狭めるように
動作するので、有効電力指令制御が誤動作することがな
くなるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による交流励磁回転電機制御装置の一実
施例を示すブロツク図、第2図は本発明の他の一実施例
を示すブロツク図、第3図は交流励磁回転電機制御装置
の従来例を示すブロツク図、第4図、第5図、第6図、
それに第7図はそれぞれ動作説明用の等価回路とベクト
ル図である。 1……交流系統、3……主変圧器、5……交流励磁同期
機、6……周波数変換装置、9……すべり位相検出器、
20……自動有効電力制御装置、21……自動電圧制御装
置、24……1次電流ベクトル演算器、26……q軸指令制
限器、27……d軸指令制限器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩崎 淳一 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 福田 弘忠 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 大野 泰照 大阪府大阪市北区中之島3丁目3番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 葛坂 聡 大阪府大阪市北区中之島3丁目3番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 中川 博人 大阪府大阪市北区中之島3丁目3番22号 関西電力株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02P 9/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1次巻線と2次巻線を有する誘導機と、前
    記2次巻線を交流励磁する電力変換器と、該電力変換器
    に有効電力指令を出力する有効電力制御手段と、前記電
    力変換器に無効電力指令を出力する無効電力制御手段と
    を備えた交流励磁回転電機制御装置において、 前記1次巻線の電流を検出する電流検出手段と、 前記電力変換器に与えられる無効電力指令を制限する無
    効電力指令制限手段と、 前記電流検出手段による電流検出結果に応じて、前記無
    効電流指令制限手段による無効電力指令の制限範囲を変
    化させる無効電力制限範囲変化手段とを設けたことを特
    徴とする交流励磁回転電機制御装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の発明において、 前記1次巻線は電力系統に接続され、 該電力系統の電流を検出する系統電流検出手段と、 該系統電流検出手段が検出した電力系統電流が設定値以
    下の場合に、前記有効電力制御手段による有効電力指令
    の制限範囲幅を狭める有効電力制限範囲変化手段を設け
    たことを特徴とする交流励磁回転電機制御装置。
  3. 【請求項3】1次巻線と2次巻線を有する誘導機と、前
    記2次巻線を交流励磁する電力変換器と、該電力変換器
    に有効電力指令を出力する有効電力制御手段と、前記電
    力変換器に無効電力指令を出力する無効電力制御手段と
    を備えた交流励磁回転電機制御装置において、 前記1次巻線の電流を検出する電流検出手段と、 前記電力変換器に与えられる有効電力指令を制限する有
    効電力指令制限手段と、 前記電流検出手段が検出した1次巻線電流値が設定値以
    下の場合に、前記有効電流指令制限手段による有効電力
    指令の制限範囲幅を狭める有効電力制限範囲変化手段と
    を設けたことを特徴とする交流励磁回転電機制御装置。
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