JP3925151B2 - Synchronous generator operation control device and control method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原動機で駆動する同期発電機の出力を発電機側変換器で直流に変換し、系統側変換器を介して系統側の周波数に一致させて電力を供給する制御装置に関し、特に可変電圧,可変周波数の同期発電機の制御装置と制御方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
同期発電機の電力を変換器で系統に供給する装置では、変換器で発生する電圧を、同期発電機の誘起電圧の位相と大きさとに一致させる必要がある。そのために同期発電機に磁極位置検出器とインクルメントエンコーダとを直結し、その信号を使用して別個に設けたタイマまたはカウンタをアップダウンさせ、タイマの値から、正弦波データテーブルを参照して正弦波を作成し、変換器の出力電圧および位相を作成する。この場合、作成した位相と電圧値とを同期発電機の誘起電圧の位相と大きさと合わせる必要がある。そのために、誘起電圧の位相の絶対値を検出する磁極位置検出器を装備し、始動時に磁極位置検出器の情報で誘起電圧の絶対値を検出し、変換器の正弦波テーブルの出力値を合わせる。
【0003】
特公平7−16313号公報に同期電動機の磁極位置検出方法の従来技術が記載されている。この従来技術は、同期発電機の誘起電圧の位相を検出するために、磁極検出器を用いず、インクリメントエンコーダ等の回転数検出手段で回転数および角速度を検出し、同期発電機の誘起電圧と変換器の発生する電圧を一致させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特公平7−16313号公報記載の従来技術では、磁極位置検出器と同期発電機の誘起電圧の位相は組み立て時に機械的,電気的に一致させておく必要がある。また、原動機が停止状態、または回転しているが同期発電機の誘起電圧が小さい状態では運転できないことがあり、原動機のエネルギーが不足している状態では始動できない。
【0005】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、原動機のエネルギーが不足している状態では同期発電機を電動機として立ち上げ、変換器が発生する三相正弦波指令の位相と、電動機の誘起電圧の位相と大きさとを精度良く一致させて始動し、発電機を電動機領域から発電領域まで安定して運転できる同期発電機の制御方法および制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の同期電動機の運転制御装置は、原動機で回転する同期発電機と、該発電機に接続して前記同期発電機の交流誘起電圧を直流電圧に変換する発電機側電力変換器と、該発電機側電力変換器に接続する平滑コンデンサと前記直流電圧を交流に変換する系統側電力変換器とを備え、前記誘起電圧を検出する絶対位相検出手段と、前記発電機の回転量に基づいて前期発電誘起電圧の位相変化量を検出する相対位相検出手段と、前記発電機の回転量の大きさを検出する手段と、前記回転量の大きさから同期発電機として始動するか同期電動機として始動するかを判断する制御手段とを備える。
【0007】
さらに詳細に述べると、制御装置は有効部と無効部に分けて制御を行う。すなわち、速度指令と発電機の回転数から速度制御を行い、有効電力指令とする。該有効電力指令と別の無効電力指令から電力制御を行い、電流指令を生成し、該電流指令から電流制御を行い電圧指令とする。電圧指令から2相/3相変換を行い、3相交流電圧指令を得る。3相交流電圧指令と搬送波を比較してPWM信号を発生させて発電側変換器を駆動する。また、系統側変換器の制御の詳細説明は省略するが、系統側の電圧の位相と大きさを一致させて運転する。
【0008】
発電機側の電圧位相を発生させる位相発生部は発電機に直結されたインクリメントエンコーダのA,B,Z相の信号からアップダウンタイマを駆動させ、タイマ値を正弦波余弦波テーブルのアドレスとし、テーブルに記憶されたデータを抽出して正弦波と余弦波とを得る。また、回転速度検出部は一定サンプル時間の間のエンコーダのパルス数を検出して回転数に変換する。電圧3相/2相変換器は同期発電機の電圧と位相発生部で発生した正弦波,余弦波値から有効電圧と無効電圧を得る。電流3相/2相変換器は同期発電機の電流と位相発生部で発生した正弦波,余弦波値から有効電流圧と無効電流を得る。電力変換部は有効電圧と無効電圧と有効電流圧と無効電流から有効電力と無効電力を得る。
【0009】
また、前記電圧3相/2相変換器の入力は同期発電機の誘起電圧と位相発生部の正弦波と余弦波である。いま、同期発電機の誘起電圧の位相と位相発生部の位相が一致していないと電圧3相/2相変換器出力は振動して直流にならない。また位相が一致すると有効電圧は誘起電圧の瞬時値の最大値となり、無効電圧はゼロになる。
【0010】
始動時に、同期発電機の誘起電圧の位相と位相発生部の位相が一致していないので、位相同期制御部は無効電圧が零に成るように制御する。
【0011】
始動時に、原動機のエネルギーが不足する場合は同期発電機に系統側変換器から発電側変換器に電力を供給し、同期電動機として運転する。
【0012】
すなわち、本装置を駆動する方法を3つのモードに分けて実行する。
(1)原動機が回転して自己始動上限速度以上で、発電機の誘起電圧の検出が容易な場合は通常始動とする。
(2)原動機が回転できない自己始動下限速度以下の場合は停止自己始動とする。
(3)原動機が回転しているが同期を正確に一致できない自己始動上限速度以下で自己始動下限速度以上の場合は電動機自己始動とする。
【0013】
原動機のエネルギーが十分ある場合の通常始動は、
(a)発電機をフリーラン状態で始動指令が発生する。
(b)ゲート処理部からPWM信号生成部にサプレス信号を送り変換器は停止状態に保つ。
【0014】
この状態で制御装置を始動すると電圧3相/2相変換器は同期発電機の誘起電圧と位相発生部の正弦波および余弦波を入力して有効,無効電圧に変換する。この場合、位相発生部の正弦波と余弦波の出力はエンコーダパルスから位相計数タイマの値をテーブルのアドレスと記憶データを抽出することで実現す。このため、始動時において、位相計数タイマの値は任意であり、同期発電機の回転子の停止位置はランダムのため、両者の位相は一致しない。
【0015】
電圧3相/2相変換器の2つの入力の位相が一致しない場合は、無効電圧出力は有限値を持つ。さらに、位相誤差が大きいと有効,無効電圧出力は振動する。
【0016】
ここで、位相同期制御部は無効電圧をゼロにするように比例積分制御を行う。この場合、比例積分制御の出力は誘起電圧と位相発生部の出力の偏差角速度となり、この偏差角速度を角速度積分器で積算すると偏差位相を得る。この偏差位相を位相計数タイマ値に補正して位相テーブルから正弦波と余弦波を出力すれば電圧3相/2相変換器の無効電圧は限りなくゼロに近くなり、有効電圧は誘起電圧の最大瞬時値になる。
【0017】
位相同期制御部の同期判定部では無効電圧の値が規定時間の間、規定値以下に小さくなったことを確認して同期発電機の誘起電圧と位相テーブルからの正弦波位相が一致したと判断する。この場合、角速度積分器の位相を固定値として記憶する。この場合、エンコーダから作られた位相と角速度積分器の位相を加算することで制御装置からの位相が誘起電圧の位相と一致する。
【0018】
位相の一致を同期判定器で確認したとき、ゲート処理部でゲートサプレスを開放して発電側変換器を稼動して運転状態とする。また、電圧変換器の出力を電圧指令として加算してあるので、制御装置は誘起電圧の大きさと位相を一致させて安定して運転状態に移行できる。原動機が停止していて、回転しない停止自己始動の場合は発電機を電動機として回転させる。
【0019】
すなわち、系統側変換器を始動し、発電側変換器を運転するとき、例えば、位相発生部をエンコーダ信号に依存させないでテーブルアドレスを任意の一定時間の間、零値に固定するとともに、有効電圧指令を停止状態で過電流にならない値にする。この場合、同期電動機の固定子に一定時間、直流電圧を加えたことになり、同期電動機の回転子は固定子の磁極に吸引され固定子の磁極と回転子の磁極を一致させることが出来る。この時点からエンコーダに依存しない電動機角速度指令を電動機角速度積分器で積分すると位相信号になり、この位相信号を位相発生部に入力する。いま、電動機角速度指令を零から任意の加速レートで上昇させるとともに、加える電圧は電圧/角速度を一定になるように上昇させる。同期電動機が充分上昇した任意の回転数でフリーランにする。そして、前記、原動機のエネルギーが十分ある場合の始動法によって、発電機を容易に同期始動できる。
【0020】
原動機が回転しているが、発電側変換器の発生する位相と大きさが同期発電機の位相と大きさに正確に同期できない電動機自己始動の場合を説明する。例えば、発電側変換器の発生する位相と同期電動機の誘起電圧の位相が30度ずれていてもcos(30度)=0.866とトルクを得ることできるので、原動機のエネルギーが十分ある場合と同じ始動方法を実行する。
【0021】
この場合、位相同期制御部の同期判定基準の精度を悪くすれば、電動機の誘起電圧が小さくても同期に引きこむことできる。すなわち、低速で同期したことで、誘起電圧と位相発生部の位相一致の精度が悪い可能性がある。このため、通常運転の回転速度指令とは別の電動機速度指令から一定加速レートで速度指令を上昇させる。この場合装置は速度制御,電力制御,電流制御を行い、同期電動機が充分上昇した任意の回転数でフリーランにする。そして、前記原動機のエネルギーが十分ある場合の始動法を行えば、発電機の誘起電圧の検出が容易なときの状態を作って同期始動できる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態を示す。図1で、同期発電機2の回転子は原動機1の軸に接続しており、原動機1が自然エネルギーで回転すると、同期発電機2が原動機1の回転速度に応じた周波数の交流電力を発生する。同期発電機2の出力はIGBT等の半導体変換素子を用いた発電機側変換器3で交流電力を直流電力に変換する。該変換器3の直流出力側には平滑コンデンサ4を並列に接続する。同様に、系統側変換器5の電圧は系統連係用変圧器6を介して系統側の電圧の周波数と位相と大きさを合わせて系統側電源7に接続する。また、エンコーダ8は同期発電機に直結され、同期発電機の回転数と発電機の誘起電圧位相とを検出する。また、電流変流器(CT)9−1は発電機の電流を検出し、電圧検出器9−2は発電機の電圧を検出する。
【0023】
制御指令部10の始動/停止指令部10−1は始動命令があるとゲート処理部11からゲートサプレス信号を出力し、発電機側変換器を停止させる。始動可能になったらゲートサプレス解除して運転状態にする。発電機2が原動機のエネルギーに見合った出力を得るように、原動機回転速検出器10−6は原動機の回転数を検出し、回転速度指令部10−2は原動機回転数より低い速度指令Sped−ref信号を与える。
【0024】
電動機角速度指令10−4は、原動機が停止状態から始動する際に、停止自己始動モードにするとともに、電動機角速度指令ωm−refを自己始動速度到達点まで一定加速レートで増加させて電動機を加速する。
【0025】
また、電動機速度指令10−3は原動機が回転しているが、発電側変換器の発生する位相と大きさが同期発電機の位相と大きさに正確に同期できない場合、電動機自己始動モードにするとともに、電動機速度指令Sped−refを自己始動速度到達点まで一定加速レートで増加させ電動機を加速する。
【0026】
スイッチ制御器10−5は発電機の速度の状態を検出し、通常始動か自己始動かを判断し、スイッチ17とスイッチ18との切り替え指令を出す。スイッチ制御器10−5は、前記自己始動を停止自己始動モードと電動機自己始動モードとに分別し、回転速度が自己始動上限値以上にある場合に通常始動モードを選択する。停止自己始動モードは、自己始動下限値以下の場合に選択する。この停止自己始動モードは発電機に直流励磁を加えて急停止するので、自己始動下限値は原動機が回転中に急停止しても損傷しない値に設定する。電動機自己始動モードは、回転速度が自己始動上限値以下で自己始動下限値以上である場合に選択する。
【0027】
ゲート処理部11はPWM信号発生部24が発生する信号をサプレスし、またはサプレス解除し、装置の運転停止を決める。また、瞬停検出器12は系統側の瞬時停電を検出し、ゲート処理部で瞬停時にサプレスし、瞬停復帰時にゲートサプレスを解除する。
【0028】
定常運転時、回転速度指令部10−2は原動機が回転しているエネルギーより低い速度指令Sped−ref信号を与え、スイッチ17は0側を選択する。速度検出器25の回転速度検出器25−1はエンコーダ8からA,B相のパルス数を、位相計数タイマの値で一定時間計測し、回転数Sped−fを検出する。速度制御部19の減算器19−2は、回転速度指令Sped−refと回転数Sped−fとの偏差を求め、速度制御器19−1で比例積分制御を行い、有効電力指令Pref を出力する。一方、無効電力指令16−5は無効電力指令Qref を出力する。
【0029】
また、回転速度位相変換器の出力θencはA,B相のパルスをカウントした位相計数タイマ値を、スイッチ18−1,18−3の0側を選択して、位相発生部27の正弦波,余弦波テーブルを引くアドレスとする。位相発生部は正弦波と余弦波とを出力する。電流3/2相変換器13は電流変流器(CT)9−1から発電機の電流と、位相発生部の出力から有効電流値IPfと無効電流値IQfとを得る。電圧3/2相変換器14は電圧検出器9−2から発電機の電圧と、位相発生部の出力から有効電圧値VPfと無効電圧値VQfとを得る。
【0030】
電力変換部15は、電流3/2相変換器13と電圧3/2相変換器14との出力から同期発電機2の有効電力Pfと無効電力Qfとを検出する。電力制御部16は、減算器16−3で速度制御の有効電力指令Pref と有効電力Pfとの偏差を計算し、有効電力制御16−1を行い、有効電流指令IPref を得る。減算器16−4は無効電力指令の無効電力指令Qref と無有効電力Qfとの偏差を計算し、無効電力制御16−2を行い、無効電流指令IQref を得る。
【0031】
電流制御部20において、減算器20−3は有効電流指令IPref と有効電流値IPfとの偏差を計算して、有効電流制御20−1を行い、有効電圧指令VPを得る。減算器20−4は無有効電流指令IQref と無効電流値IQfとの偏差を計算し、無有効電流制御20−2を行い、無効電圧指令VQを得る。それぞれの制御は比例積分制御である。
【0032】
また、加算器21はVPとVPfとを加算して有効電圧指令VPRとし、加算器22はVQとVQfとを加算して有効電圧指令VQRとする。スイッチ18−4と18−5とは0側を選択して2相/3相変換部23はVPRとVQRと位相発生部の正弦波と余弦波を入力とし、3相交流指令を得る。PWM信号発生部24は搬送波と3相交流指令を比較し、PWMパルスを発生させて発電側変換器を駆動する。
【0033】
通常始動時における位相の一致方法を説明する。位相発生部27で得た位相は同期発電機の位相と一致していない。始動時に、スイッチ28−5は0側に接続する。位相同期判定部28では、減算器28−3がゼロ指令28−2と電圧3相/2相変換器の無効電圧Vqfとの偏差を計算し、比例積分器28−4を実行して偏差角速度ω−defを得る。
【0034】
この偏差角速度ω−defを角速度積分器28−6で積算すると偏差位相θqを得る。ここで、回転速度位相変換器25−2の位相出力θencと角速度積分器28−6の偏差位相θqとを加算器29−5で加算する。スイッチ18−3は0側を選択して位相テーブルのアドレスθnowとすることで位相ループが成立し、誘起電圧と位相発生部の位相が一致してくるとVqfが限りなく零に近づく。同期判定器28−1はVqfが規定値以下になると同期であると判断し、スイッチ28−5を1側に接続する。この場合、角速度積分器28−6が記憶した値は誘起電圧と始動時の位相発生部の位相との誤差を記憶したことと等しい。
【0035】
始動時に、電力制御部16,電流制御部20の出力はゼロに保つ。始動指令10−1はゲート処理部11にサプレス指令を発行してPWM信号を発電機側変換器に印加しないので、電圧変換器14が同期発電機の誘起電圧を検出する。位相同期判定部28で誘起電圧と位相発生部の位相が一致すると、同期判定器28−1からゲート処理部11にゲートサプレスを解除する指令を発行し、ゲート処理部11はPWM信号形成部のゲートサプレスを解除する。この場合2相/3相変換部は電圧変換部から誘起電圧に相当した有効電圧出力を入力しているので発電機側変換器の電圧の大きさと位相は誘起電圧の大きさと位相に一致して始動する。このために過電流を発生することなく安定して同期運転になる。
【0036】
原動機が始動するときの、通常同期始動モードと、停止自己始動モードと、電動機自己始動モードとの判定のPAD図を図2に示す。図2では、指令部10のスイッチ制御器10−5が同期発電機の速度の状態を検出して判断する。S−10で自己始動指令があれば、S−20で自己始動下限速度以下かどうかを判断し、自己始動下限速度以下ならばS−30に移行して停止自己始動モードを選択して運転する。停止自己始動が完了したらS−60に移行して通常同期始動モードで再始動し、通常運転に移行する。S−20で自己始動下限速度以上ならばS−40に移行し、また自己始動上限速度以下ならばS−50に移行して電動機自己始動モードから運転する。電動機自己始動が完了したらS−60に移行し再始動して通常運転に移行する。自己始動指令がない場合は始めからS−60に移行し再始動し、通常運転に移行する。
【0037】
停止自己モードを詳細に説明する。自己始動指令があって、発電機の回転速度が自己始動下限値以下の場合は停止自己始動を選択する。この動作を図3のタイムチャートで説明する。スイッチ18−1,18−2,18−3,18−4,18−5の接点を1側に選択する。スイッチ18−1から出力される電動機角速度指令ωm−refは、始めに零指令がでる。自己始動制御部29の電動機角速度積分29−4は零なので、位相発生部のテーブルは零アドレスに固定される。一方、スイッチ18−2は1側からアイドリング電圧Vpi29−1が選択される。加算器26ではVpiと角速度電圧変換出力とが加算され、スイッチ18−4を介して、2相/3相変換部23の有効電圧入力となる。この場合、電動機角速度指令は零のため角速度電圧変換29−3の出力は零である。すなわち、アイドリング電圧Vpiが2相/3相変換部23に入る。また、2相/3相変換部23の無効電圧指令の入力はゼロ指令28−2からスイッチ18−5を介して加わる。この状態は直流励磁状態である。この状態をモータ位置決め期間として、数秒継続すると、電動機の回転子の磁極が固定子磁極に一致する。
【0038】
次に電動機角速度指令10−4は一定加速レートで加速する。角速度積分は角速度を加算して位相θnowを作成する。また、角速度電圧変換器はωm−refに電圧変換係数Kvを乗算するので2相/3相電圧の有効分電圧は、電動機角速度に比例した、電圧/周波数の比が一定の電圧になるので、同期発電機2は同期電動機として過電流にならずに安定に速度到達値まで回転が上昇する。この速度到達値に達した時点でゲート処理部11でゲートサプレスし、図2に示すS−60通常同期始動ステップを実行する。
【0039】
自己始動モードで、回転速度が自己始動上限値以下と自己始動下限値以上の領域にある場合は電動機自己始動を選択し、図2のS−50ステップを実行する。また、図4のタイムチャートで説明する。スイッチ18−1,18−2,18−3,18−4,18−5の接点を0側に選択する。スイッチ17の接点は1側を選択し、位相同期判定部28のスイッチ28−5は0側を選択する。この場合、ゲート処理部はゲートサプレスを行い、位相同期判定部28が動作して発電機の誘起電圧の位相と位相発生部の位相を一致するように動作する。この際、回転数が低いので同期判定条件を緩める。同期が完了するとゲートサプレスを解除するとともにその回転数から電動機速度指令10−3の出力Sped−mを一定加速レートで加速し、速度到達値まで上昇できる。この点でゲート処理部11でゲートサプレスして図2のS−60通常同期始動ステップから運転する。自己始動指令があっても回転速度が自己始動上限値より高速の場合は図2のS−60通常同期始動ステップから運転する。
【0040】
次に、本実行例の制御方法の詳細を説明する。図1において、電流3相/2相変換器13では同期発電機の三相電流Igu,Igv,Igwを(数1)(数2)式で有効電流IPf,無効電流IQfを求める。電圧3相/2相変換器14では同期発電機の三相電圧Vgu,Vgv,Vgwを(数3)(数4)式で有効電圧VPf,無効電圧VQfを求める。電力変換部15は(数2)(数4)式から得たIPf,IQf,VPf,VQfから(数5)式で有効電力フィードバックPf,Qfを求める。
【0041】
【数1】
【0042】
【数2】
【0043】
【数3】
【0044】
【数4】
【0045】
【数5】
【0046】
減算器16−3,16−4では(数6)式で有効電力指令Pref と有効電力フィードバックPfとから偏差ΔPを求め、無効電力指令Qref と有効電力フィードバックQfとから偏差ΔQを求める。電力制御部は(数7)式で比例積分制御を行う。ここで、電力比例項がKpp、電力積分項がKipであり、有効電流指令がIPref ,無効電流指令がIQref である。
【0047】
【数6】
ΔP=Pref −Pf
ΔQ=Qref −Qf
【0048】
【数7】
IPref =ΔP×Kpp+ΣΔP×Kip
IQref =ΔQ×Kpp+ΣΔQ×Kip
減算器20−3,20−4は(数8)式で有効電流指令IPref と有効電流フィードバックIPfとから偏差ΔIPを求め、無効電流指令IQref と有効電流フィードバックIQfとから偏差ΔIQを求める。電流制御部20は(数9)式で比例積分制御を行う。ここで、電流比例項がKpi,電流積分項がKiiである。
【0049】
【数8】
ΔIP=IPref −IPf
ΔIQ=IQref −IQf
【0050】
【数9】
VP=ΔIP×Kpi+ΣΔP×Kii
IQ=ΔIQ×Kpi+ΣΔQ×Kii
(数9)式で、有効電圧指令VP,無効電圧指令VQを得る。次に(数10)式で、加算器21は有効電圧指令VPと同期発電機が発生している有効電圧VPfとを加算して変換器有効電圧指令VPRを得る。加算器22は無効電圧指令VQと同期発電機が発生する無効電圧VQfとを加算して変換器無効電圧指令VQRを得る。
【0051】
【数10】
VPR=VP+VPf
VQR=VQ+VQf
2相/3相変換部は(数11),(数12)式で直流成分である変換器有効電圧指令VPRと変換器無効電圧指令VQRとから三相交流電圧指令VuR,VvR,VwR、に変換する。PWM信号発生部24は三角波等の搬送波と三相交流電圧指令のVuR,VvR,VwR信号を比較してPWMパルスを生成し、発電機側変換器3のゲート信号とする。
【0052】
【数11】
【0053】
【数12】
【0054】
次に正弦波発生原理を説明する。図1で、スイッチ28−5が接点0を選択し、一定の角速度ωdef が角速度積分器に入力される場合について説明する。角速度積分器28−6はサンプリング毎に一定角速度ωdef を(数13)式で積算して出力位相θqを得る。ここで説明のために回転速度位相変換器25−2の出力θencがゼロと仮定する。加算器29−5は位相θqをθnowとして位相テーブルのアドレスとして与える。位相テーブルから正弦波,余弦波の出力を得る。図5にその原理波形を示す。図5(a)は図1の位相発生部27から得られた正弦波,余弦波の結果の説明図、図5(b)は一定角速度ωdef を加算してテーブルのアドレスに割り当てる原理図であって、図中にサンプリング毎に加算する様子を丸で囲い拡大して示す。角速度積分器28−6は積算を続けテーブルの総数NTmax でゼロにクリアされる。図5(c)はテーブルのアドレスとテーブルの総数NTmax と正弦波,余弦波のデータ格納の状態を示す。例えば、正弦波のテーブルであれば、アドレス0番地に電気角0°に相当する値すなわち、16ビットデータの0値を配置し、テーブル総数の1/4に相当する数の番地に電気角の90°に相当する正弦波の最大値1を16ビットデータの7FFFの値として配置する。ここで、角速度ωdef が大きくなれば、角速度積分器28−6は早く積算されるのでクリア点に達する時間が短くなり正弦波の周波数が高くなる、逆に、角速度ωdef を小さくなれば、周波数は低くなる。
【0055】
発電機の周波数Fg(Hz)の1周期の時間幅Tg(sec)は、1/Fgで求まる。加算するサンプリング時間をTs(sec)とすると、1周期のサンプル回数Nsnp は、(数14)式で演算できる。この時は正弦波を発生させるための電気角360°を表現するテーブル総数NTmax と角速度ωdef の関係を(数15)式で演算する。
【0056】
【数13】
θ=Σωdef
【0057】
【数14】
【0058】
【数15】
【0059】
次に正転時にエンコーダ出力から正弦波,余弦波を求める方法を図1のブロックと図6のタイムチャート波形を用いて説明する。
【0060】
説明の都合で、角速度積分器の出力位相θqはゼロとする。加算器29−5は回転速度位相変換器25−2の位相θencをθnowとして位相テーブルのアドレスとして与える。その結果、位相テーブルは正弦波と余弦波を出力する。図6の(a)で、位相計数タイマは同期発電機に直結されているエンコーダのA相パルスおよびB相パルスの両エッジよりカウントアップ(ファインカウント)される。同期発電機が1回転するとエンコーダも1回転する。この場合エンコーダは1回転につきzパルスを1パルス発生する。図6(a)に示すようにzパルスが発生すると位相計数タイマをクリアする。そのため、位相計数タイマの最大値Pnmax はエンコーダのファインカウント値と一致する。なお、最大値Pnmaxはエンコーダの仕様で種々変更しても良い。さらに、発電機の極対数ppにも依存する。すなわち、回転速度位相変換器25−2は設計時にエンコーダ1回転のファインカウント,発電機の極数,位相テーブルの総数に対応できる。回転速度位相変換器25−2は運転中のエンコーダの現在値Pnと位相変換定数Kphを(数16)式で求めると位相テーブルのアドレスが選択される。(数17)式は位相変換定数Kphを求める式である。
【0061】
図6(b)は位相計数タイマと位相変換器で正弦波テーブルアドレスに変換する説明図である。この場合、任意の時点の位相計数タイマの値をPnとすれば、(数16)式でテーブルアドレスNTnが求まる。
【0062】
【数16】
NTn=Kph×Pn
【0063】
【数17】
【0064】
ここで角速度積分器28−6の出力をゼロと仮定しているので、発電機が回転すると、エンコーダからの信号で位相計数タイマが動作する。位相計数タイマの値から回転速度位相変換器25−2を介して位相テーブルの現在アドレスNTnを得る。位相テーブルでは正弦波,余弦波を出力する。角速度積分器28−6の位相補正がない場合は正弦波の位相はエンコーダからの信号に依存する。図6(b)はその様子を示したタイムチャートである。位相変換器の出力は、(数16)式で求めた値NTnで図6(d)に示した正弦波テーブルの値をサンプリング毎に求めれば、図6(c)に示すように正弦波値を得ることが出来る。
【0065】
次に始動時に位相テーブルの正弦波出力と同期発電機の誘起電圧の位相を合わせる方法の詳細を説明する。図5で説明する機能は図1のブロック図の番号や図7のブロック図の番号と同じである。始動時に、ゲート処理部でPWM信号発生部のゲート信号が発生しないようにゲートサプレスする。そのため、同期発電機2の誘起電圧を電圧検出器9−2で検出し、電圧3/2相変換器14で(数3)(数4)式で有効電圧と無効電圧とを求める。位相同期判定部28では、無効電圧がゼロに成るように比例積分器28−4の偏差角速度ωdef を出力する。位相同期判定部28のスイッチ28−5は接点0を選択し、偏差角速度ωdef を角速度積分器で積算し、偏差位相θqを得る。加算器29−5はエンコーダから作られた位相θencと偏差位相θqとを加算して位相θnowを得る。θnowは位相テーブルのアドレスとなり正弦波,余弦波を得る。
【0066】
この正弦波と余弦波の値を用いて電圧変換部は3相誘起電圧の値を有効電圧と無効電圧とに変換する。エンコーダからの位相と発電機を介して電圧変換部の正弦波,余弦波にフィードバックする一巡制御ブロックを図7に示す。すなわち、回転速度位相変換器25−2の出力θencに相当し、28−4は比例積分器、28−6は角速度積分器に相当する。(数4)式を展開する際のθにエンコーダからの位相と偏差位相が含まれる。(数18)式では発電機の位相θgとエンコーダと発電機の偏差位相Δθとを加算する。すなわち、始動時における位相の不一致は(数19)に示すように電圧3/2相変換器14の位相θに含まれている。すなわち、位相発生部27の位相θnowは発電機の位相θgと位相偏差Δθが含まれる。ここで、(数19)式を(数18)式を代入すると、(数20)式になる。図7において、VQfをゼロにするように、減算器28−3はゼロ指令28−2から無効電圧フィードバックVQfを減算し、28−4で比例積分制御を実行する。すなわち、(数20)式の第1項目が限りなくゼロに近づくように制御するので第2項目が残る。第2項の()内は(数18)式の2行目と等しいので目標値に達した場合は(数21)式に示すように有効電圧VPfとsin(△θ)の乗算値となる。この時、(数21)式のVQfは電動機の相電圧の最大値VPfになる。
【0067】
【数18】
VQf=Vgα×sinθ−Vgβcosθ
VPf=Vgα×cosθ+Vgβsinθ
【0068】
【数19】
θ=θg+Δθ
【0069】
【数20】
VQf=(Vgα×sinθg−Vgβcosθg)×cosΔθ+(Vgαcosθg+Vgβsinθg)×sinΔθ
【0070】
【数21】
また、△θ=0の場合はsin(△θ)=0であり、△θ=π/2の場合は
sin(△θ)=1となるので線形化すると(数22)式となる。(数22)式を
(数21)式に代入すると無効電圧VQfと位相差△θとの関係式が求まる。
VQfと△θの伝達関数は(数23)式で表される。また、比例積分の伝達関数は(数24)式で表し、Kpは比例定数、Kiは積分定数である。その結果、角速度位相制御の一巡伝達関数F(s)は(数25)式で表すことが出来る。
【0071】
【数22】
【0072】
【数23】
【0073】
【数24】
【0074】
【数25】
【0075】
始動時にゲートサプレスして誘起電圧を電圧変換部に入れて無効電圧をゼロになるように比例積分すると、誘起電圧の位相と正弦波テーブルの位相が一致する。この場合、偏差角速度ωdef は限りなくゼロに近づき、角速度積分器の出力位相θqは一定値となる。すなわち、位相θqはエンコーダから位相変換器を介して出力された位相θencと誘起電圧位相の偏差値Δθとなる。すなわち、θqは(数19)式のΔθを意味する。この場合、同期判定器28−1では無効電圧フィードバック値VQfがゼロに近い規定値以下に一定時間保持されたこと確認して位相テーブルの出力と発電機の誘起電圧が一致したと判断する。次に、スイッチ28−5は接点1を選択して、Δω=0を角速度積分器の入力として固定する。ゲート処理部ではゲートサプレスを解除して制御装置を発電領域で運転する。すなわち図7のブロックは(数25)の伝達関数の応答に従い、無効電圧が限りなくゼロに近づき、有効電圧は誘起電圧の瞬時値の最大値に近づく。
【0076】
また、同期発電機と位相テーブルの出力がより完全に同期することを確認するために、同期判定器28−1では無効電圧フィードバック値VQfの値がゼロに近い規定値以下に一定時間保たれたこと確認して位相テーブルの出力と発電機の誘起電圧が一致したと判断するとともにさらに、zパルスを1回以上発生したことを確認して同期と判定する。すなわち、位相計数タイマはエンコーダのZパルスで1回転に1回クリアされるので、同期判定部では
(1)無効電圧が規定値以下になったことと、
(2)少なくともZパルスが1回存在したこと
とを確認の上、スイッチ28−5を1接点に選択して角速度積分器28−6に入力が入らないようにするとともに、ゲート処理部11でPWM信号発生部24サプレスを解除して発電機側変換器を駆動する。この場合、系統側の変換器は既に、運転状態に入っていることと、系統側の瞬時停電を瞬停検出器12が検出すると、ゲート処理部11はPWM信号発生部24にサプレス指令を送り、瞬停検出器12が瞬停復帰を検出すると、
(1)発電機をフリーラン状態で始動指令が発生する。
(2)位相同期制御部を動作させる。
(3)同期検出器が同期を判断したとき、スイッチ28−5の接点を1側を選択し、角速度積分器28−6にゼロを入力する。
(4)ゲート処理部11からPWM信号発生部25にゲートサプレス解除を指令し制御装置を駆動する。
【0077】
以上説明したように、本発明によれば、始動指令が発行されると系統側の変換器を始動させ、ゲート処理部から発電機側変換器はゲートサプレス状態に保つ。制御指令部のスイッチ制御器は回転速度から判断して原動機のエネルギーが充分あり自己始動上限速度以上で、発電機の誘起電圧の検出が容易なときを通常始動とする。通常同期のとき位相同期制御部ではエンコーダから作られた位相と発電機の誘起電圧の位相を一致させることが出来る。また、位相の一致の判断は同期判定部で、無効電圧値が規定値以下になったことを確認して同期したと判断する。同期判断で位相同期制御部から検出された誘起電圧位相とエンコーダから作られた位相の編差を記憶し、以後電源が停止するまで保持する。
【0078】
同期発電機は原動機のエネルギーが不足するとき、発電機を同期電動機として自己始動して、原動機のエネルギーの状態に依存せず始動できる。すなわち、原動機の状態を3つのモードに分けて始動する。
(1)原動機が自己始動上限速度以上で回転していて、発電機の誘起電圧の検出が容易なときを通常始動とする。
(2)原動機が停止または自己始動下限速度以下のときを停止自己始動とする。(3)回転しているが同期を正確一致できない自己始動上限速度以下で自己始動下限速度以上とき電動機自己始動とする。
【0079】
停止自己始動は自己始動下限速度以下で同期電動機に直流励磁を一定時間(数秒間)加えて同期電動機の固定子と回転子の磁極を一致させたのち、一定加速,角加速度で加速する。この場合有効電圧指令を電圧/角速度一定制御することで、電動機は適切なトルクを得て、安定に加速する。電動機が速度到達値まで上昇して、発電側変換器をサプレスして電動機をフリーランにする。ここからは通常始動を実行して始動できる。
【0080】
また、自己始動下限速度を急に直流励磁停止をさせても原動機が損傷しない値に選定することで安全に始動できる。電動機自己始動は急停止すると羽根が損傷する恐れがあるので自己始動下限速度以上で自己始動上限速度以下の領域では同期判定の精度をさげて電動機の誘起電圧の位相と、位相発生部の位相の一致精度を落としても同期させて、通常の速度制御,電力制御,電流制御を実行する。同期を判定すると、その回転数から電動機速度指令を一定加速レートで速度指令を上昇させ、電動機が速度到達値まで上昇して、発電側変換器をサプレスして電動機をフリーランにする。ここからは通常始動を実行して始動できる。
【0081】
【発明の効果】
本発明によれば、原動機のエネルギーが不足している状態では同期発電機を電動機として立ち上げ、変換器が発生する三相正弦波指令の位相と、電動機の誘起電圧の位相と大きさとを精度良く一致させて始動するので、発電機を電動機領域から発電領域まで安定して運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例のブロック図。
【図2】本発明実施例の始動判定のPAD図。
【図3】本発明実施例の停止自己始動時のタイムチャート。
【図4】本発明実施例の電動機自己始動時のタイムチャート。
【図5】本発明実施例の角速度加算による正弦波発生方法の説明図。
【図6】本発明実施例のエンコーダによる正弦波発生方法の説明図。
【図7】本発明実施例の位相同期制御の原理ブロック図。
【符号の説明】
1…原動機、2…同期発電機、3…発電機側変換器、4…平滑コンデンサ、5…系統側変換器、6…系統連係用変圧器、7…系統側電源、8…エンコーダ、9−1…電流変流器、9−2…電圧検出器、10…制御指令部、10−1…始動/停止指令部、10−2…回転速度指令部、10−3…電動機速度指令、10−4…電動機角速度指令、10−5…スイッチ制御器、10−6…原動機回転速検出器、11…ゲート処理部、12…瞬停検出器、13…電流3/2相変換器、14…電圧3/2相変換器、15…電力変換部、16…電力制御部、16−1…有効電力制御部、16−2…無効電力制御部、16−3,16−4,19−2,20−3,20−4,28−3…減算器、17,18,18−1,18−2,18−3,18−4,18−5,28−5…スイッチ、19,19−1…速度制御器、20…電流制御部、20−1…有効電流制御、20−2…無効電流制御、21,22,26,29−5…加算器、23…2相/3相変換部、24…PWM信号発生部、25…速度検出器、25−1…回転速度検出器、25−2…回転速度位相変換器、27…位相発生部、28…位相同期判定部、28−1…同期判定器、28−2,29−2…ゼロ指令、28−4…比例積分器、28−6…角速度積分器、29…自己始動制御、29−1…アイドリング電圧Vpi、29−3…角速度電圧変換、29−4…電動機角速度積分。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device that converts the output of a synchronous generator driven by a prime mover into direct current by a generator-side converter, and supplies electric power in accordance with the frequency on the system side via the system-side converter, and in particular, is variable. The present invention relates to a control device and a control method for a synchronous generator of voltage and variable frequency.
[0002]
[Prior art]
In an apparatus that supplies the power of a synchronous generator to a system using a converter, it is necessary to match the voltage generated by the converter with the phase and magnitude of the induced voltage of the synchronous generator. For this purpose, a magnetic pole position detector and an increment encoder are directly connected to the synchronous generator, and a timer or counter provided separately is used to raise and lower the signal, and the sine wave data table is referenced from the timer value. Create a sine wave and create the output voltage and phase of the transducer. In this case, it is necessary to match the created phase and voltage value with the phase and magnitude of the induced voltage of the synchronous generator. For this purpose, a magnetic pole position detector that detects the absolute value of the phase of the induced voltage is equipped, the absolute value of the induced voltage is detected from the information of the magnetic pole position detector at the time of starting, and the output value of the sine wave table of the converter is matched. .
[0003]
Japanese Patent Publication No. 7-16313 discloses a conventional technique of a magnetic pole position detection method for a synchronous motor. In this prior art, in order to detect the phase of the induced voltage of the synchronous generator, the rotational speed and the angular velocity are detected by the rotational speed detecting means such as an increment encoder without using the magnetic pole detector. The voltage generated by the converter is matched.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art described in Japanese Patent Publication No. 7-16313, the phases of the induced voltages of the magnetic pole position detector and the synchronous generator must be mechanically and electrically matched at the time of assembly. In addition, when the prime mover is stopped or rotating but the induced voltage of the synchronous generator is small, it may not be able to operate, and when the energy of the prime mover is insufficient, it cannot be started.
[0005]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, start up a synchronous generator as a motor when the energy of the prime mover is insufficient, and the phase of a three-phase sine wave command generated by the converter, It is an object of the present invention to provide a control method and control device for a synchronous generator that can be started with the phase and magnitude of the induced voltage matched with high precision and can operate the generator stably from the motor region to the power generation region.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
An operation control device for a synchronous motor according to the present invention includes a synchronous generator that is rotated by a prime mover, a generator-side power converter that is connected to the generator and converts an AC induced voltage of the synchronous generator into a DC voltage, A smoothing capacitor connected to the generator-side power converter and a system-side power converter that converts the DC voltage into AC, and based on absolute phase detection means for detecting the induced voltage, and the amount of rotation of the generator Relative phase detection means for detecting the phase change amount of the power generation induced voltage in the previous period, means for detecting the magnitude of the rotation amount of the generator, and starting as a synchronous generator or as a synchronous motor from the magnitude of the rotation amount Control means for determining whether to do.
[0007]
More specifically, the control device performs control by dividing it into an effective part and an invalid part. That is, speed control is performed based on the speed command and the number of rotations of the generator to obtain an active power command. Power control is performed from a reactive power command different from the active power command, a current command is generated, and current control is performed from the current command to obtain a voltage command. 2-phase / 3-phase conversion is performed from the voltage command to obtain a 3-phase AC voltage command. The three-phase AC voltage command and the carrier wave are compared to generate a PWM signal to drive the power generation side converter. Further, although detailed description of the control of the system side converter is omitted, the operation is performed with the phase and the magnitude of the voltage on the system side being matched.
[0008]
The phase generator that generates the voltage phase on the generator side drives the up / down timer from the A, B, Z phase signals of the increment encoder directly connected to the generator, and uses the timer value as the address of the sine wave cosine wave table, Data stored in the table is extracted to obtain a sine wave and a cosine wave. The rotation speed detection unit detects the number of pulses of the encoder during a certain sample time and converts it to the number of rotations. The voltage 3-phase / 2-phase converter obtains an effective voltage and an ineffective voltage from the voltage of the synchronous generator and the sine wave and cosine wave values generated by the phase generator. The current 3-phase / 2-phase converter obtains effective current pressure and reactive current from the current of the synchronous generator and the sine wave and cosine wave values generated by the phase generator. The power conversion unit obtains active power and reactive power from the effective voltage, reactive voltage, effective current pressure, and reactive current.
[0009]
The input of the voltage 3-phase / 2-phase converter is an induced voltage of the synchronous generator, a sine wave and a cosine wave of the phase generator. If the phase of the induced voltage of the synchronous generator does not match the phase of the phase generator, the voltage 3-phase / 2-phase converter output vibrates and does not become DC. When the phases match, the effective voltage becomes the maximum instantaneous value of the induced voltage, and the reactive voltage becomes zero.
[0010]
At the time of start-up, the phase of the induced voltage of the synchronous generator and the phase of the phase generator do not match, so the phase synchronization controller controls the reactive voltage to be zero.
[0011]
At the time of starting, when the energy of the prime mover is insufficient, electric power is supplied from the system side converter to the power generation side converter to the synchronous generator, and the motor is operated as a synchronous motor.
[0012]
That is, the method for driving the apparatus is divided into three modes and executed.
(1) If the prime mover rotates above the self-start upper limit speed and the induction voltage of the generator is easy to detect, the engine is normally started.
(2) If the prime mover is below the self-starting lower limit speed at which the prime mover cannot rotate, stop self-starting.
(3) If the prime mover is rotating but the synchronization cannot be accurately matched and is below the self-starting upper limit speed and above the self-starting lower limit speed, the motor is self-starting.
[0013]
A normal start when the prime mover has enough energy is
(A) A start command is generated while the generator is in a free-run state.
(B) A suppress signal is sent from the gate processing unit to the PWM signal generation unit to keep the converter in a stopped state.
[0014]
When the control device is started in this state, the voltage 3-phase / 2-phase converter inputs the induced voltage of the synchronous generator and the sine wave and cosine wave of the phase generator to convert them into valid and invalid voltages. In this case, the output of the sine wave and cosine wave of the phase generation unit is realized by extracting the value of the phase counting timer from the encoder pulse and the table address and stored data. For this reason, at the time of starting, the value of the phase counting timer is arbitrary, and since the stop position of the rotor of the synchronous generator is random, the phases of the two do not match.
[0015]
When the phases of the two inputs of the voltage 3-phase / 2-phase converter do not match, the reactive voltage output has a finite value. Furthermore, when the phase error is large, the effective / reactive voltage output vibrates.
[0016]
Here, the phase synchronization control unit performs proportional-integral control so that the reactive voltage is zero. In this case, the output of the proportional integral control is the deviation angular velocity of the induced voltage and the output of the phase generator, and the deviation phase velocity is obtained by integrating this deviation angular velocity with the angular velocity integrator. If this deviation phase is corrected to the phase counting timer value and a sine wave and a cosine wave are output from the phase table, the reactive voltage of the voltage 3-phase / 2-phase converter becomes almost zero, and the effective voltage is the maximum of the induced voltage. Instantaneous value.
[0017]
The synchronization determination unit of the phase synchronization control unit determines that the reactive voltage value has decreased below the specified value for the specified time and determines that the induced voltage of the synchronous generator matches the sine wave phase from the phase table. To do. In this case, the phase of the angular velocity integrator is stored as a fixed value. In this case, the phase from the control device coincides with the phase of the induced voltage by adding the phase generated from the encoder and the phase of the angular velocity integrator.
[0018]
When the coincidence of the phases is confirmed by the synchronization determiner, the gate suppressor is opened at the gate processing unit, and the power generation side converter is operated to be in an operating state. Further, since the output of the voltage converter is added as a voltage command, the control device can stably shift to the operating state by matching the magnitude and phase of the induced voltage. In the case of a stop self-start that the motor is stopped and does not rotate, the generator is rotated as an electric motor.
[0019]
That is, when starting the system side converter and operating the power generation side converter, for example, the table generator is fixed to a zero value for an arbitrary fixed time without depending on the encoder signal and the effective voltage Set the command to a value that does not cause overcurrent in the stop state. In this case, a DC voltage is applied to the stator of the synchronous motor for a certain time, and the rotor of the synchronous motor is attracted to the magnetic poles of the stator, so that the magnetic poles of the stator and the rotor can be matched. From this point of time, the motor angular velocity command independent of the encoder is integrated by the motor angular velocity integrator to be a phase signal, and this phase signal is input to the phase generator. Now, the motor angular velocity command is increased from zero at an arbitrary acceleration rate, and the applied voltage increases the voltage / angular velocity to be constant. The synchronous motor is set to free run at an arbitrary number of revolutions sufficiently increased. Then, the generator can be easily synchronously started by the starting method when the energy of the prime mover is sufficient.
[0020]
A case will be described in which the motor is rotating, but the motor self-starting, in which the phase and magnitude generated by the generator-side converter cannot be accurately synchronized with the phase and magnitude of the synchronous generator. For example, even if the phase generated by the generator-side converter and the phase of the induced voltage of the synchronous motor are shifted by 30 degrees, the torque can be obtained as cos (30 degrees) = 0.866. Perform the same starting method.
[0021]
In this case, if the accuracy of the synchronization determination reference of the phase synchronization control unit is deteriorated, the synchronization can be drawn even if the induced voltage of the motor is small. That is, there is a possibility that the accuracy of the phase matching between the induced voltage and the phase generator is poor due to the synchronization at low speed. For this reason, the speed command is increased at a constant acceleration rate from a motor speed command different from the rotation speed command for normal operation. In this case, the apparatus performs speed control, power control, and current control so that the synchronous motor is free-runned at an arbitrary number of revolutions sufficiently increased. Then, if the starting method is performed when the energy of the prime mover is sufficient, it is possible to start synchronously by creating a state where the detection of the induced voltage of the generator is easy.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 illustrates one embodiment of the present invention. In FIG. 1, the rotor of the
[0023]
When a start command is issued, the start / stop command unit 10-1 of the
[0024]
When the prime mover starts from the stop state, the motor angular speed command 10-4 is set to the stop self-start mode and accelerates the motor by increasing the motor angular speed command ωm-ref at a constant acceleration rate to the self-start speed reaching point. .
[0025]
Further, when the motor speed command 10-3 is rotating the prime mover, but the phase and magnitude generated by the generator-side converter cannot be accurately synchronized with the phase and magnitude of the synchronous generator, the motor self-start mode is set. At the same time, the motor speed command Speed-ref is increased at a constant acceleration rate up to the self-starting speed reaching point to accelerate the motor.
[0026]
The switch controller 10-5 detects the state of the speed of the generator, determines whether it is a normal start or a self start, and issues a switching command between the
[0027]
The
[0028]
During steady operation, the rotation speed command unit 10-2 gives a speed command Speed-ref signal lower than the energy at which the prime mover rotates, and the
[0029]
The output θenc of the rotational speed phase converter selects the phase counting timer value obtained by counting the A and B phase pulses, selects the 0 side of the switches 18-1 and 18-3, and outputs the sine wave of the
[0030]
The
[0031]
In the
[0032]
The
[0033]
A phase matching method at the time of normal starting will be described. The phase obtained by the
[0034]
When the deviation angular velocity ω-def is integrated by the angular velocity integrator 28-6, a deviation phase θq is obtained. Here, the phase output θenc of the rotational speed phase converter 25-2 and the deviation phase θq of the angular speed integrator 28-6 are added by an adder 29-5. The switch 18-3 selects the 0 side and sets the phase table address θnow to establish a phase loop. When the induced voltage and the phase of the phase generator coincide, Vqf approaches zero as much as possible. The synchronization determination unit 28-1 determines that the synchronization is established when Vqf is equal to or less than the specified value, and connects the switch 28-5 to the 1 side. In this case, the value stored by the angular velocity integrator 28-6 is equivalent to storing the error between the induced voltage and the phase of the phase generator at the start.
[0035]
At the time of starting, the outputs of the
[0036]
FIG. 2 shows a PAD diagram for determining the normal synchronous start mode, stop self-start mode, and motor self-start mode when the prime mover starts. In FIG. 2, the switch controller 10-5 of the
[0037]
The stop self mode will be described in detail. If there is a self-start command and the rotational speed of the generator is below the self-start lower limit, stop self-start is selected. This operation will be described with reference to the time chart of FIG. The contacts of the switches 18-1, 18-2, 18-3, 18-4, 18-5 are selected to the 1 side. The motor angular velocity command ωm-ref output from the switch 18-1 is first given a zero command. Since the motor angular velocity integration 29-4 of the self-
[0038]
Next, the motor angular velocity command 10-4 is accelerated at a constant acceleration rate. In the angular velocity integration, the phase θnow is created by adding the angular velocities. Further, since the angular velocity voltage converter multiplies ωm-ref by the voltage conversion coefficient Kv, the effective partial voltage of the two-phase / three-phase voltage is a voltage having a constant voltage / frequency ratio proportional to the motor angular velocity. The
[0039]
In the self-starting mode, when the rotational speed is in the range of the self-starting upper limit value or less and the self-starting lower limit value or more, the motor self-starting is selected and step S-50 in FIG. 2 is executed. This will be described with reference to the time chart of FIG. The contacts of the switches 18-1, 18-2, 18-3, 18-4, and 18-5 are selected to the 0 side. The contact of the
[0040]
Next, details of the control method of this execution example will be described. In FIG. 1, the current three-phase / 2-phase converter 13 obtains the effective current IPf and the reactive current IQf from the three-phase currents Igu, Igv, Igw of the synchronous generator using the formulas (1) and (2). In the voltage 3-phase / 2-
[0041]
[Expression 1]
[0042]
[Expression 2]
[0043]
[Equation 3]
[0044]
[Expression 4]
[0045]
[Equation 5]
[0046]
In the subtractors 16-3 and 16-4, the deviation ΔP is obtained from the active power command Pref and the active power feedback Pf by the equation (6), and the deviation ΔQ is obtained from the reactive power command Qref and the active power feedback Qf. The power control unit performs proportional-integral control using Equation (7). Here, the power proportional term is Kpp, the power integral term is Kip, the active current command is IPref, and the reactive current command is IQref.
[0047]
[Formula 6]
ΔP = Pref−Pf
ΔQ = Qref−Qf
[0048]
[Expression 7]
IPref = ΔP × Kpp + ΣΔP × Kip
IQref = ΔQ × Kpp + ΣΔQ × Kip
The subtractors 20-3 and 20-4 obtain the deviation ΔIP from the active current command IPref and the active current feedback IPf by the equation (8), and obtain the deviation ΔIQ from the reactive current command IQref and the effective current feedback IQf. The
[0049]
[Equation 8]
ΔIP = IPref−IPf
ΔIQ = IQref−IQf
[0050]
[Equation 9]
VP = ΔIP × Kpi + ΣΔP × Kii
IQ = ΔIQ × Kpi + ΣΔQ × Kii
The effective voltage command VP and the reactive voltage command VQ are obtained by the equation (9). Next, in equation (10), the
[0051]
[Expression 10]
VPR = VP + VPf
VQR = VQ + VQf
The two-phase / three-phase conversion unit converts the three-phase AC voltage commands VuR, VvR, and VwR from the converter effective voltage command VPR and the converter invalid voltage command VQR that are DC components in the equations (11) and (12). Convert. The
[0052]
[Expression 11]
[0053]
[Expression 12]
[0054]
Next, the principle of sine wave generation will be described. A case where the switch 28-5 selects the
[0055]
The time width Tg (sec) of one cycle of the generator frequency Fg (Hz) is obtained by 1 / Fg. If the sampling time to be added is Ts (sec), the number of samplings Nsnp in one cycle can be calculated by the equation (14). At this time, the relationship between the total number of tables NTmax expressing the electrical angle 360 ° for generating the sine wave and the angular velocity ωdef is calculated by the equation (15).
[0056]
[Formula 13]
θ = Σωdef
[0057]
[Expression 14]
[0058]
[Expression 15]
[0059]
Next, a method for obtaining a sine wave and a cosine wave from the encoder output during forward rotation will be described using the block of FIG. 1 and the time chart waveform of FIG.
[0060]
For convenience of explanation, the output phase θq of the angular velocity integrator is assumed to be zero. The adder 29-5 gives the phase θenc of the rotational speed phase converter 25-2 as θnow as an address of the phase table. As a result, the phase table outputs a sine wave and a cosine wave. In FIG. 6A, the phase counting timer is counted up (fine counting) from both edges of the A-phase pulse and B-phase pulse of the encoder directly connected to the synchronous generator. When the synchronous generator makes one revolution, the encoder also makes one revolution. In this case, the encoder generates one z pulse per revolution. As shown in FIG. 6A, when the z pulse is generated, the phase counting timer is cleared. Therefore, the maximum value Pnmax of the phase counting timer coincides with the fine count value of the encoder. The maximum value Pnmax may be variously changed according to the encoder specifications. Furthermore, it depends on the number of pole pairs pp of the generator. That is, the rotational speed phase converter 25-2 can cope with the fine count of one rotation of the encoder, the number of poles of the generator, and the total number of phase tables at the time of design. When the rotational speed phase converter 25-2 obtains the current value Pn of the encoder in operation and the phase conversion constant Kph by the equation (16), the address of the phase table is selected. Expression (17) is an expression for obtaining the phase conversion constant Kph.
[0061]
FIG. 6B is an explanatory diagram of conversion into a sine wave table address by a phase counting timer and a phase converter. In this case, if the value of the phase counting timer at an arbitrary time is Pn, the table address NTn is obtained by the equation (16).
[0062]
[Expression 16]
NTn = Kph × Pn
[0063]
[Expression 17]
[0064]
Here, since the output of the angular velocity integrator 28-6 is assumed to be zero, when the generator rotates, the phase counting timer operates with the signal from the encoder. The current address NTn of the phase table is obtained from the value of the phase counting timer via the rotational speed phase converter 25-2. The phase table outputs sine and cosine waves. When there is no phase correction of the angular velocity integrator 28-6, the phase of the sine wave depends on the signal from the encoder. FIG. 6B is a time chart showing the state. If the value of the sine wave table shown in FIG. 6 (d) is obtained for each sampling with the value NTn obtained by the equation (16), the output of the phase converter is a sine wave value as shown in FIG. 6 (c). Can be obtained.
[0065]
Next, details of a method of matching the phase of the sine wave output of the phase table and the induced voltage of the synchronous generator at the start will be described. The functions described in FIG. 5 are the same as the block diagram numbers in FIG. 1 and the block diagram numbers in FIG. At startup, the gate processing unit suppresses the gate so that the gate signal of the PWM signal generation unit is not generated. Therefore, the induced voltage of the
[0066]
Using the values of the sine wave and cosine wave, the voltage conversion unit converts the value of the three-phase induced voltage into an effective voltage and an ineffective voltage. FIG. 7 shows a one-round control block that feeds back the phase from the encoder and the sine wave and cosine wave of the voltage converter via the generator. That is, it corresponds to the output θenc of the rotational speed phase converter 25-2, 28-4 corresponds to a proportional integrator, and 28-6 corresponds to an angular speed integrator. The phase and deviation phase from the encoder are included in θ when the expression (4) is developed. In the equation (18), the phase θg of the generator and the deviation phase Δθ between the encoder and the generator are added. That is, the phase mismatch at the start is included in the phase θ of the voltage 3/2
[0067]
[Formula 18]
VQf = Vgα × sinθ−Vgβcosθ
VPf = Vgα × cosθ + Vgβsinθ
[0068]
[Equation 19]
θ = θg + Δθ
[0069]
[Expression 20]
VQf = (Vgα × sinθg−Vgβcosθg) × cosΔθ + (Vgαcosθg + Vgβsinθg) × sinΔθ
[0070]
[Expression 21]
Also, sin (Δθ) = 0 when Δθ = 0, and when Δθ = π / 2.
Since sin (Δθ) = 1, linearization yields Equation (22). (Expression 22)
Substituting into the equation (21), a relational expression between the reactive voltage VQf and the phase difference Δθ is obtained.
The transfer function of VQf and Δθ is expressed by equation (23). Further, the transfer function of proportional integration is expressed by the equation (24), where Kp is a proportionality constant and Ki is an integration constant. As a result, the round transfer function F (s) of the angular velocity phase control can be expressed by the equation (25).
[0071]
[Expression 22]
[0072]
[Expression 23]
[0073]
[Expression 24]
[0074]
[Expression 25]
[0075]
When the gate suppression is performed at the start and the induced voltage is put into the voltage converter and proportional integration is performed so that the reactive voltage becomes zero, the phase of the induced voltage coincides with the phase of the sine wave table. In this case, the deviation angular velocity ωdef approaches zero as much as possible, and the output phase θq of the angular velocity integrator becomes a constant value. That is, the phase θq is the deviation value Δθ between the phase θenc output from the encoder via the phase converter and the induced voltage phase. That is, θq means Δθ in the equation (19). In this case, the synchronization determiner 28-1 confirms that the reactive voltage feedback value VQf has been held for a certain period of time below a specified value close to zero, and determines that the output of the phase table matches the induced voltage of the generator. Next, the switch 28-5 selects the
[0076]
In addition, in order to confirm that the output of the synchronous generator and the phase table are more completely synchronized, in the synchronization determination unit 28-1, the value of the reactive voltage feedback value VQf was kept for a certain period of time below a specified value close to zero. After confirming that it is determined that the output of the phase table and the induced voltage of the generator coincide with each other, it is further determined that the z pulse has been generated one or more times and it is determined that the output is synchronized. In other words, the phase counting timer is cleared once per rotation with the Z pulse of the encoder.
(1) The reactive voltage is below the specified value,
(2) There was at least one Z pulse.
After confirming the above, the switch 28-5 is selected as one contact so that no input is made to the angular velocity integrator 28-6, and the
(1) A start command is generated in a free-run state of the generator.
(2) Operate the phase synchronization control unit.
(3) When the synchronization detector determines synchronization, the switch 28-5
(4) The
[0077]
As described above, according to the present invention, when a start command is issued, the system-side converter is started, and the generator-side converter is kept in the gate-suppressed state from the gate processing unit. The switch controller of the control command unit is normally started when the energy of the prime mover is sufficient as judged from the rotational speed, the self-starting upper limit speed is exceeded, and the induced voltage of the generator is easily detected. During normal synchronization, the phase synchronization control unit can match the phase created from the encoder with the phase of the induced voltage of the generator. Further, the determination of the coincidence of the phases is performed by the synchronization determination unit, and it is determined that the synchronization has been achieved by confirming that the invalid voltage value has become equal to or less than the specified value. The difference between the induced voltage phase detected from the phase synchronization control unit in the synchronization determination and the phase created from the encoder is stored, and held thereafter until the power supply stops.
[0078]
When the energy of the prime mover runs short, the synchronous generator self-starts the generator as a synchronous motor and can start without depending on the energy state of the prime mover. That is, the state of the prime mover is started in three modes.
(1) A normal start is when the prime mover is rotating at a speed higher than the self-start upper limit speed and the induction voltage of the generator is easily detected.
(2) When the prime mover stops or is below the self-starting lower limit speed, the self-starting is stopped. (3) The motor self-starts when it is rotating but is not more than the self-starting upper limit speed that cannot synchronize accurately and is higher than the self-starting lower limit speed.
[0079]
In stop self-start, DC excitation is applied to the synchronous motor for a certain period of time (several seconds) below the self-starting lower limit speed, and the stator and rotor magnetic poles are made to coincide with each other, and then accelerated at a constant acceleration and angular acceleration. In this case, by controlling the effective voltage command at a constant voltage / angular velocity, the motor obtains an appropriate torque and accelerates stably. The electric motor rises to the speed attainment value, suppresses the power generation side converter, and makes the electric motor free run. From here, the engine can be started by performing a normal start.
[0080]
Moreover, even if the self-starting lower limit speed is suddenly stopped by direct current excitation, it can be started safely by selecting a value that does not damage the prime mover. If the motor self-starting suddenly stops, the blades may be damaged.Therefore, in the region that is higher than the self-starting lower limit speed and lower than the self-starting upper limit speed, the phase of the induced voltage of the motor Even if the matching accuracy is lowered, normal speed control, power control, and current control are executed in synchronization. When the synchronization is determined, the motor speed command is increased at a constant acceleration rate based on the number of rotations, the motor is increased to the speed attainment value, the power generation side converter is suppressed, and the motor is set to free run. From here, the engine can be started by performing a normal start.
[0081]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the energy of the prime mover is insufficient, the synchronous generator is started up as a motor, and the phase of the three-phase sine wave command generated by the converter and the phase and magnitude of the induced voltage of the motor are accurately determined. Since the engine is started with a good match, the generator can be stably operated from the motor region to the power generation region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a PAD diagram of start determination according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a time chart during stop self-start of the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a time chart when the motor self-starts according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for generating a sine wave by adding angular velocities according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for generating a sine wave by an encoder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing the principle of phase synchronization control according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記誘起電圧を検出する絶対位相検出手段と、
前記発電機側電力変換器を動作させるための制御信号のうちの位相成分を発生する位相発生部と、
前記発電誘起電圧の位相と変換器の前記位相発生部の位相との相対的な変化量を検出する相対位相検出手段と、
前記発電機の回転量の大きさを検出する手段と、
前記回転量の大きさから同期発電機として始動するか同期電動機として始動するかを判断する制御手段と、
前記制御信号を前記発電機側変換器へ到達させるか或いは抑制させるゲートとを有し、
前記制御信号は速度指令に基づいて演算されて前記発電機側電力変換器に与えられるものであって、
第1の速度を第2の速度よりも大きいとし、前記第1の速度よりも大きいときを第1の領域とし、前記同期発電機の回転速度が前記第2の速度よりも小さいときを第2の領域とし、前記第1の速度と前記第2の速度の間を第3の領域としたとき、
前記同期発電機の回転速度が前記第1の領域では、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するのを抑制するように前記ゲートを停止状態にして、その後、前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であれば、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効状態にして同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第2の領域では、前記位相発生部から発生する位相が零位相となるような前記制御信号を前記発電機側変換器に出力して、その状態で前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にすることで前記同期発電機を停止させ、その後に、前記同期発電機に電圧と角速度比を略一定にして徐々に電圧と角速度を大きくするよう前記制御信号を印加することで前記同期発電機を電動機として機能させて第1の領域まで加速し、その後、前記第1の領域における処理を実施して同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第3の領域では、前記第1の領域で実施した位相一致の基準精度より悪い基準精度にして前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であることを確認して、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にして同期電動機として機能させ、その制御信号は、速度制御の速度応答を前記第1の領域運転の応答周波数より小さい運転で速度指令を上げて加速し、前記第1の領域まで加速し、その後、前記第1の領域の処理における処理を実施して同期発電機として機能させることを特徴とする同期発電機の運転制御装置。A synchronous generator rotating by a prime mover, a generator-side power converter that is connected to the generator and converts an AC induced voltage of the synchronous generator into a DC voltage, and a smoothing capacitor that is connected to the generator-side power converter When, an operation control system for a synchronous power generator and a grid-side power converter for converting the DC voltage into an AC,
Absolute phase detection means for detecting the induced voltage;
A phase generator for generating a phase component of a control signal for operating the generator-side power converter ;
A relative phase detection means for detecting a relative change amount between the phase of the power generation induced voltage and the phase of the phase generation unit of the converter;
Means for detecting the amount of rotation of the generator;
Control means for determining whether to start as a synchronous generator or a synchronous motor from the magnitude of the amount of rotation;
A gate that allows the control signal to reach or suppress the generator-side converter;
The control signal is calculated based on a speed command and is given to the generator-side power converter,
The first speed is greater than the second speed, the first region is when the speed is greater than the first speed, and the second time is when the rotational speed of the synchronous generator is smaller than the second speed. And when the third region is between the first speed and the second speed,
When the rotational speed of the synchronous generator is in the first region, the gate is stopped so as to prevent the control signal from reaching the generator-side converter, and then the relative phase detection means Determine the degree of phase matching, and if the degree of matching is within reference accuracy, enable the gate to function as a synchronous generator so that the control signal reaches the generator-side converter,
When the rotational speed of the synchronous generator is in the second region, the control signal is output to the generator-side converter so that the phase generated from the phase generator is zero, and the control is performed in that state. The synchronous generator is stopped by enabling the gate so that a signal reaches the generator-side converter, and then the voltage and the angular velocity ratio are set to be substantially constant and the voltage is gradually increased. By applying the control signal so as to increase the angular velocity, the synchronous generator is caused to function as a motor and accelerated to the first region, and then the processing in the first region is performed to function as the synchronous generator. ,
When the rotational speed of the synchronous generator is in the third region, the relative phase detection means determines the degree of phase matching with a reference accuracy worse than the reference accuracy of phase matching performed in the first region, After confirming that the degree of coincidence is within the reference accuracy, the gate is enabled to function as a synchronous motor so that the control signal reaches the generator-side converter, and the control signal is used for speed control. The speed response is accelerated by increasing the speed command with an operation smaller than the response frequency of the first region operation, and is accelerated to the first region. Thereafter, the processing in the processing of the first region is performed to perform synchronous power generation. An operation control device for a synchronous generator, characterized by functioning as a machine.
前記誘起電圧を絶対位相検出手段で検出し、
前記発電機側電力変換器を動作させるための制御信号のうちの位相成分を位相発生部で発生し、
前記発電誘起電圧の位相と変換器の前記位相発生部の位相との相対的な変化量を相対位相検出手段で検出し、
前記発電機の回転量の大きさを検出し、
前記回転量の大きさから同期発電機として始動するか同期電動機として始動するかを制御手段で判断し、
前記制御信号を前記発電機側変換器へ到達させるか或いは抑制させるかをゲートで制御し、
前記制御信号は速度指令に基づいて演算されて前記発電機側電力変換器に与えられるものであって、
第1の速度を第2の速度よりも大きいとし、前記第1の速度よりも大きいときを第1の領域とし、前記同期発電機の回転速度が前記第2の速度よりも小さいときを第2の領域とし、前記第1の速度と前記第2の速度の間を第3の領域としたとき、
前記同期発電機の回転速度が前記第1の領域では、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するのを抑制するように前記ゲートを停止状態にして、その後、前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であれば、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効状態にして同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第2の領域では、前記位相発生部から発生する位相が零位相となるような前記制御信号を前記発電機側変換器に出力して、その状態で前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にすることで前記同期発電機を停止させ、その後に、前記同期発電機に電圧と角速度比を略一定にして徐々に電圧と角速度を大きくするよう前記制御信号を印加することで前記同期発電機を電動機として機能させて第1の領域まで加速し、その後、前記第1の領域における処理を実施して同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第3の領域では、前記第1の領域で実施した位相一致の基準精度より悪い基準精度にして前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であることを確認して、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にして同期電動機として機能させ、その制御信号は、速度制御の速度応答を前記第1の領域運転の応答周波数より小さい運転で速度指令を上げて加速し、前記第1の領域まで加速し、その後、前記第1の領域の処理における処理を実施して同期発電機として機能させることを特徴とする同期発電機の運転制御方法。 A synchronous generator rotating by a prime mover, a generator-side power converter that is connected to the generator and converts an AC induced voltage of the synchronous generator into a DC voltage, and a smoothing capacitor that is connected to the generator-side power converter And a system-side power converter that converts the DC voltage into AC, and a method for controlling the operation of the synchronous generator,
The induced voltage is detected by an absolute phase detection means,
The phase component of the control signal for operating the generator-side power converter is generated in the phase generator ,
A relative phase detecting means detects a relative change amount between the phase of the power generation induced voltage and the phase of the phase generation unit of the converter,
Detecting the amount of rotation of the generator,
The control means determines whether to start as a synchronous generator or a synchronous motor from the magnitude of the rotation amount,
Control whether the control signal reaches or suppresses the generator-side converter with a gate,
The control signal is calculated based on a speed command and is given to the generator-side power converter,
The first speed is greater than the second speed, the first region is when the speed is greater than the first speed, and the second time is when the rotational speed of the synchronous generator is smaller than the second speed. And when the third region is between the first speed and the second speed,
When the rotational speed of the synchronous generator is in the first region, the gate is stopped so as to prevent the control signal from reaching the generator-side converter, and then the relative phase detection means Determine the degree of phase matching, and if the degree of matching is within reference accuracy, enable the gate to function as a synchronous generator so that the control signal reaches the generator-side converter,
When the rotational speed of the synchronous generator is in the second region, the control signal is output to the generator-side converter so that the phase generated from the phase generator is zero, and the control is performed in that state. The synchronous generator is stopped by enabling the gate so that a signal reaches the generator-side converter, and then the voltage and the angular velocity ratio are set to be substantially constant and the voltage is gradually increased. By applying the control signal so as to increase the angular velocity, the synchronous generator is caused to function as a motor and accelerated to the first region, and then the processing in the first region is performed to function as the synchronous generator. ,
When the rotational speed of the synchronous generator is in the third region, the relative phase detection means determines the degree of phase matching with a reference accuracy worse than the reference accuracy of phase matching performed in the first region, After confirming that the degree of coincidence is within the reference accuracy, the gate is enabled to function as a synchronous motor so that the control signal reaches the generator-side converter, and the control signal is used for speed control. The speed response is accelerated by increasing the speed command with an operation smaller than the response frequency of the first region operation, and is accelerated to the first region. Thereafter, the processing in the processing of the first region is performed to perform synchronous power generation. A method of controlling the operation of a synchronous generator, characterized in that it functions as a machine .
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