JP5337242B2 - Synchronous machine starting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、同期機起動装置に関し、特に、同期機の電機子における電圧に基づいて同期機の回転子位置を検出する同期機起動装置に関する。 The present invention relates to a synchronous machine starting device, and more particularly, to a synchronous machine starting device that detects a rotor position of a synchronous machine based on a voltage in an armature of the synchronous machine.
発電機および電動機等の同期機を起動するための同期機起動装置が開発されている。同期機起動装置は、たとえばガスタービンコンバインドサイクル発電に用いられる。同期機起動装置は、たとえば、同期機に交流電力を供給するインバータを備え、同期機の回転子位置を検出し、検出した回転子位置に基づいて、インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御する。 Synchronous machine starting devices for starting synchronous machines such as generators and electric motors have been developed. The synchronous machine starting device is used, for example, for gas turbine combined cycle power generation. The synchronous machine starting device includes, for example, an inverter that supplies AC power to the synchronous machine, detects the rotor position of the synchronous machine, and controls the ignition phase of the thyristor in the inverter based on the detected rotor position.
従来、同期機起動装置では、同期機の回転子の位置を近接スイッチ等により検出する機械式分配器が用いられている。しかしながら、機械式分配器は壊れやすく、また、配線が多いためにノイズの影響を受けやすい。 Conventionally, in a synchronous machine starting device, a mechanical distributor that detects the position of the rotor of the synchronous machine with a proximity switch or the like is used. However, mechanical distributors are fragile and are susceptible to noise due to the large number of wires.
このような機械式分配器を不要とするための同期機起動装置の一例が特開2006−271038号公報(特許文献1)に開示されている。すなわち、この同期発電機起動装置は、サイリスタなどの他励素子からなる他励式コンバータと、コンバータにより得られる直流電力を交流電力に変換するサイリスタなどの他励素子からなる他励式インバータとを備え、インバータにより得られる交流電力による同期発電機を起動する。そして、この同期発電機起動装置は、同期発電機の電機子端子の電圧を検出する交流電圧検出器と、インバータから同期発電機の電機子に流し込まれるインバータ出力電流を検出する交流電流検出器と、出力電流検出器からのインバータの交流電流検出値と、第一の同期発電機回転速度推定値から、同期発電機の界磁電流により同期発電機の電機子巻線に誘起される誘起電圧の、第一の基準位相に対する同相成分と直交成分を演算する誘起電圧演算回路と、誘起電圧演算回路からの誘起電圧の第一の基準位相の直交成分をゼロとするような第二の基準位相と第二の同期発電機回転速度推定値を出力するPLL回路とを備える。そして、この同期発電機起動装置は、PLL回路の出力である第二の基準位相に基づき、所定の制御進み角のインバータのゲートパルスを生成するとともに、第二の基準位相を、誘起電圧演算回路の第一の基準位相に入力し、第二の同期発電機回転速度推定値を誘起電圧演算回路の第一の同期発電機回転速度推定値に入力する。 An example of a synchronous machine starting device for making such a mechanical distributor unnecessary is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-271038 (Patent Document 1). That is, the synchronous generator starting device includes a separately-excited converter including a separately-excited element such as a thyristor and a separately-excited inverter including a separately-excited element such as a thyristor that converts DC power obtained by the converter into AC power. Start the synchronous generator with AC power obtained by the inverter. And this synchronous generator starting device includes an AC voltage detector for detecting the voltage of the armature terminal of the synchronous generator, an AC current detector for detecting an inverter output current flowing from the inverter to the armature of the synchronous generator, From the detected AC current value of the inverter from the output current detector and the estimated value of the first synchronous generator rotation speed, the induced voltage induced in the armature winding of the synchronous generator by the field current of the synchronous generator , An induced voltage calculation circuit that calculates an in-phase component and a quadrature component with respect to the first reference phase, and a second reference phase that sets the quadrature component of the first reference phase of the induced voltage from the induced voltage calculation circuit to zero. A PLL circuit that outputs a second synchronous generator rotational speed estimated value. And this synchronous generator starting device produces | generates the gate pulse of the inverter of a predetermined | prescribed control advance angle based on the 2nd reference phase which is an output of a PLL circuit, and also uses the 2nd reference phase as an induced voltage calculation circuit And the second synchronous generator rotational speed estimated value is input to the first synchronous generator rotational speed estimated value of the induced voltage calculation circuit.
起動時の同期機の電機子における電圧は、定常時の定格電圧と比べてたとえば1/1000と非常に小さい。このため、特許文献1に記載の構成では、起動時、交流電圧検出器による検出値の位相誤差が大きくなることから、インバータの点弧位相と同期機の回転子の位相とが同期しない場合がある。このような場合、正常なトルクを同期機に与えることができず、同期機を安定して起動することができない。 The voltage in the armature of the synchronous machine at start-up is very small, for example, 1/1000 compared to the rated voltage at steady state. For this reason, in the configuration described in Patent Document 1, since the phase error of the detected value by the AC voltage detector becomes large at the time of start-up, the ignition phase of the inverter and the rotor phase of the synchronous machine may not be synchronized. is there. In such a case, normal torque cannot be applied to the synchronous machine, and the synchronous machine cannot be started stably.
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、同期機を安定して起動することが可能な同期機起動装置を提供することである。 This invention was made in order to solve the above-mentioned subject, and the objective is to provide the synchronous machine starting device which can start a synchronous machine stably.
この発明のある局面に係わる同期機起動装置は、電機子および回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、上記電力変換部から上記同期機の電機子へ上記交流電力を供給するための電力線と、上記電力線と電気的に接続された1次巻線、および上記1次巻線と磁気結合された2次巻線を含む変圧器と、上記変圧器の2次巻線に電気的に接続され、上記変圧器の1次巻線における交流電圧に対する上記2次巻線における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部と、上記位相補正部によって補正された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子位置を検出するための回転子位置検出部と、上記回転子位置検出部によって検出された上記回転子位置に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備える。 A synchronous machine starting device according to an aspect of the present invention is a synchronous machine starting device for starting a synchronous machine including an armature and a rotor, and converts power supplied into AC power. A power line for supplying the AC power from the power converter to the armature of the synchronous machine, a primary winding electrically connected to the power line, and a magnetic coupling with the primary winding A transformer including a secondary winding, and a phase advance of the AC voltage in the secondary winding with respect to the AC voltage in the primary winding of the transformer, electrically connected to the secondary winding of the transformer. A phase correction unit for correcting, a rotor position detection unit for detecting a rotor position of the synchronous machine based on the AC voltage corrected by the phase correction unit, and a rotor position detection unit Based on the detected rotor position There are provided a power conversion control unit for controlling the power conversion unit.
またこの発明の別の局面に係わる同期機起動装置は、電機子および回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、上記電力変換部から上記同期機の電機子へ上記交流電力を供給するための電力線と、上記電力線と電気的に接続され、上記同期機の電機子における交流電圧を検出するための変圧器と、上記変圧器によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子の位相を検出するための回転子位相検出部と、上記変圧器によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子の回転速度を検出するための回転子速度検出部と、上記回転子位相検出部によって検出された上記位相を補正するための位相補正部と、上記位相補正部によって補正された上記位相に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備え、上記位相補正部は、上記回転子の複数の回転速度と上記複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって上記変圧器における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶し、上記回転子速度検出部によって検出された上記回転速度に対応する上記位相進み量を出力するための位相進み量変換部と、上記回転子位相検出部によって検出された上記位相を上記位相進み量変換部から出力された上記位相進み量遅らせるための演算部とを含む。 A synchronous machine starting device according to another aspect of the present invention is a synchronous machine starting device for starting a synchronous machine having an armature and a rotor for converting supplied power into AC power. A power conversion unit, a power line for supplying the AC power from the power conversion unit to the armature of the synchronous machine, and an AC voltage in the armature of the synchronous machine that is electrically connected to the power line and is detected. Transformer, a rotor phase detector for detecting the phase of the rotor of the synchronous machine based on the AC voltage detected by the transformer, and the AC voltage detected by the transformer Based on a rotor speed detection unit for detecting the rotation speed of the rotor of the synchronous machine, a phase correction unit for correcting the phase detected by the rotor phase detection unit, and the phase correction unit By A power conversion control unit for controlling the power conversion unit based on the corrected phase, the phase correction unit corresponding to the plurality of rotation speeds and the plurality of rotation speeds of the rotor, respectively. A relationship between a plurality of phase advance amounts and a relationship determined based on each circuit element in the transformer is stored, and the phase advance amount corresponding to the rotation speed detected by the rotor speed detection unit is output. A phase advance amount conversion unit for performing the operation, and a calculation unit for delaying the phase advance amount output from the phase advance amount conversion unit for the phase detected by the rotor phase detection unit.
本発明によれば、同期機を安定して起動することができる。 According to the present invention, the synchronous machine can be started stably.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention.
図1を参照して、同期機起動装置101は、電力変換部71と、交流電圧検出器8と、交流電流検出器9と、位相補正部10と、回転子位置検出部11と、インバータ制御部(電力変換制御部)19と、電力線LNとを備える。電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む。インバータ制御部19は、基準正弦波演算器12と、ゲートパルス発生器13と、β指令回路14とを含む。回転子位置検出部11は、回転子位相検出部61と、回転子速度検出部62とを含む。
Referring to FIG. 1, a synchronous
同期機4およびモータMは、軸SHを介して接続されている。同期機4はたとえば同期発電機または同期電動機であり、固定子である電機子と、回転子である界磁とを有する。モータMは、同期機4の待機時、所定速度で回転する。この回転速度は低速であり、たとえば数rpmである。これに対して、通常時の回転速度は3000rpm〜3600rpmである。このため、起動時の同期機4の電機子における電圧は、前述のように定常時の1/1000と非常に小さいことから、交流電圧検出器8による検出電圧の位相誤差は大きくなる。
The
コンバータ1は、サイリスタなどの複数の素子からなり、交流電源e1からの交流電力を直流電力に変換する。 Converter 1 is composed of a plurality of elements such as thyristors, and converts AC power from AC power supply e1 into DC power.
インバータ2は、サイリスタなどの複数の素子からなり、コンバータ1により得られる直流電力をU相、V相、W相の三相交流電力に変換して同期機4の電機子に供給することにより、同期機4を駆動する。電力線LNは、電力変換部71によって変換された三相交流電力を同期機4の電機子へ送る。
The
コンバータ1およびインバータ2は、直流リアクトル3を介して接続されている。インバータ2の交流側は同期機4の電機子に接続されている。
The converter 1 and the
交流電圧検出器8は、同期機4の電機子に供給される三相交流電圧を検出し、電圧検出値V1,V2,V3を位相補正部10へ出力する。
The
位相補正部10は、交流電圧検出器8から受けた電圧検出値V1,V2,V3の位相誤差を補正して回転子位置検出部11へ出力する。
The
交流電流検出器9は、同期機4の電機子に供給される三相交流電流を検出し、電流検出値I1,I2,I3を回転子位置検出部11へ出力する。
The AC
回転子位置検出部11は、位相補正部10および交流電流検出器9から受けた各検出値に基づいて、同期機4の回転子位置(位相)を検出し、同期機4の回転子位置を示す回転子位置信号POSをインバータ制御部19へ出力する。回転子位置検出部11において、回転子位相検出部61は、位相補正部10および交流電流検出器9から受けた各検出値に基づいて、同期機4の回転子の位相を検出する。回転子速度検出部62は、位相補正部10および交流電流検出器9から受けた各検出値に基づいて、同期機4の回転子の回転速度を検出する。
The rotor
インバータ制御部19は、回転子位置検出部11から受けた回転子位置信号POSに基づいてインバータ2を制御する。
The
インバータ制御部19において、基準正弦波演算器12は、回転子位置検出部11から受けた位置信号POSに基づいて、基準正弦波sinφを出力する。
In the
β指令回路14は、制御進み角指令値βを演算し、ゲートパルス発生器13へ出力する。
The
ゲートパルス発生器13は、基準正弦波演算器12から受けた基準正弦波sinφと、β指令回路14から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ2における各素子へゲートパルスを出力する。
回転子位置検出部11は、同期機4の回転子位置を示す推定位相すなわち後述する位相信号PHと位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3および交流電流検出器9から受けた電流検出値I1,I2,I3とに基づいて推定位相の誤差を算出し、算出された位相誤差に基づいて推定位相すなわち後述する位相信号PHを算出する。そして、回転子位置検出部11は、算出した推定位相から得られる位置信号POSを出力するとともに算出した推定位相と新たに位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3および新たに交流電流検出器9から受けた電流検出値I1,I2,I3とに基づいて推定位相の誤差を新たに算出するフィードバック演算を行なう。
The rotor
図2は、回転子位置検出部11の構成を示す図である。図2に示す構成は、図1に示す回転子位相検出部61および回転子速度検出部62の機能を実現するための構成の一例である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the rotor
図2を参照して、回転子位置検出部11は、三相二相変換回路31および32と、誘起電圧演算回路33と、PLL回路34と、位置信号生成器35とを含む。
Referring to FIG. 2,
三相二相変換回路31は、基準位相φすなわち同期機4の回転子の推定位相に基づいて、位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3を三相二相変換(d−q変換)する。
The three-phase to two-
三相二相変換回路32は、基準位相φに基づいて、交流電流検出器9から受けた電流検出値I1、I2、I3を三相二相変換(d−q変換)する。
The three-phase to two-
誘起電圧演算回路33は、三相二相変換回路31によって変換された電圧値VdおよびVqならびに三相二相変換回路32によって変換された電流値IdおよびIqに基づいて、同期機4の電機子に誘起される誘起電圧を演算する。
The induced
三相二相変換回路31および32によって電圧および電流の座標変換すなわち三相二相変換を行なうためには、同期機4の回転子の回転に同期した基準位相が必要になる。ところが、機械式分配器などの位置センサが無い場合、この信号が直接得られない。
In order to perform voltage and current coordinate conversion, that is, three-phase two-phase conversion, by the three-phase two-
そこで、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、三相二相変換回路31および32は、同期機起動装置101の起動時に基準位相φの初期値が与えられ、座標変換を行なう。
Therefore, in the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention, the three-phase two-
そして、誘起電圧演算回路33は、三相二相変換回路31および32によって変換されたd−q軸上の電圧値および電流値に基づいて同期機4のd軸(同相成分)一q軸(直交成分)上での電機子の誘起電圧を計算する。誘起電圧を計算するためには、回転速度ωすなわち同期機4の回転子の推定回転速度が必要になるが、位置センサがないため、同期機起動装置101の起動時に同期機4の回転速度ωの初期値が誘起電圧演算回路33に与えられる。
Then, the induced
誘起電圧演算回路33によって計算された誘起電圧のq軸成分Zqすなわち基準位相φに対する直交成分がゼロでない場合には、計算結果が基準位相φに対してずれている。この誘起電圧のq軸成分Zqが、同期機4における回転子の推定位相の誤差に相当する。そこで、誘起電圧のq軸成分Zqがゼロとなるような制御を行なうPLL回路34を設ける。PLL回路34は、誘起電圧のq軸成分Zqがゼロになるような回転速度ωすなわち同期機4の回転子の推定回転速度と、基準位相φすなわち同期機4の回転子の推定位相とを算出する。なお、基準位相φは、回転速度ωを積分することにより算出される。
When the q-axis component Zq of the induced voltage calculated by the induced
PLL回路34によって算出された基準位相φは、三相二相変換回路31および32にフィードバックされ、また、位置信号生成器35へ出力される。そして、位置信号生成器35によって機械式分配器と同様のパルス状波形を有する信号が、同期機4の回転子位置を示す回転子位置信号POSとしてインバータ制御部19へ出力される。三相二相変換回路31および32は、以後、PLL回路34からの基準位相φに基づいて三相二相変換を行なう。
The reference phase φ calculated by the
また、PLL回路34によって算出された回転速度ωは、誘起電圧演算回路33に与えられる。誘起電圧演算回路33は、以後、PLL回路34からの回転速度ωに基づいて、誘起電圧(同相成分)Zdおよび誘起電圧(直交成分)Zqを演算する。
The rotation speed ω calculated by the
なお、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、回転子位置検出部11は、同期機4の回転子位置を示す推定位相と位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3および交流電流検出器9から受けた電流検出値I1,I2,I3とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。回転子位置検出部11は、同期機4の回転子位置を示す推定位相と位相補正部10から受けた補正後の電圧検出値V1,V2,V3とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であってもよい。
In the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention, the rotor
また、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、PLL回路34は、誘起電圧のq軸成分Zqのみに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。PLL回路34は、q軸成分Zqおよびd軸成分Zdに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であってもよい。このような構成により、さらに正確な演算が可能となる。
In the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention, the
図3は、交流電圧検出器8の構成を示す図である。図3では、同期機4の電機子における三相の交流電圧のうち、U相−V相間の交流電圧を検出する構成を代表的に示す。V相−W相間の交流電圧を検出する構成およびW相−U相間の交流電圧を検出する構成は図3に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。また、U相−V相間交流電圧およびV相−W相間交流電圧等の2つの相間交流電圧を検出すれば、U相、V相、W相の交流電圧を計算により求めることが可能である。この相間電圧から相電圧への変換は、位相補正部10または回転子位置検出部11において行なわれる。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the
また、各相間の交流電圧の位相を補正する構成は同じであるため、以下では、U相−V相間の交流電圧の位相を補正する構成について代表的に説明する。 Moreover, since the structure which correct | amends the phase of the alternating voltage between each phase is the same, below, the structure which correct | amends the phase of the alternating voltage between U phase-V phases is demonstrated typically.
図3を参照して、交流電圧検出器8は、たとえば計器用変圧器であり、1次巻線L1と、1次巻線L1と磁気結合された2次巻線L2とを含む。交流電圧検出器8は、U相の交流電圧が供給される電力線LNに電気的に接続された入力ノード1Uと、V相の交流電圧が供給される電力線LNに電気的に接続された入力ノード1Vと、出力ノード2Uおよび2Vとを有する。入力ノード1Uおよび1Vは、1次巻線L1の第1端および第2端にそれぞれ接続されている。出力ノード2Uおよび2Vは、2次巻線L2の第1端および第2端にそれぞれ接続されている。
Referring to FIG. 3,
図3では、同期機4の電機子における三相の交流電圧のうち、U相−V相間の交流電圧すなわち入力ノード1Uおよび1V間の交流電圧E1を所定の変圧比で変圧した交流電圧E2が2次巻線L2すなわち出力ノード2Uおよび2V間に誘起される。
In FIG. 3, among the three-phase AC voltages in the armature of the
このように、交流電圧検出器8として変圧器を用いる構成により、高電圧が印加されるインバータ2および電力線LN等の主回路と、位相補正部10および回転子位置検出部11等の制御回路との絶縁を確保することができるため、制御回路が過大電圧の印加によって故障することを防止することができる。
In this way, by using a transformer as the
図4は、交流電圧検出器8の等価回路を示す図である。
図4を参照して、等価回路8Eは、回路要素として、抵抗Rと、漏れインダクタンスLLと、励磁インダクタンスLMとを含む。FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the
Referring to FIG. 4,
同期機4の電機子に供給される交流電圧の周波数をfとし、S=j×2×π×fとする。ここで、jは虚数単位である。交流電圧検出器8の入力電圧E1と出力電圧E2との関係は、以下の式で表わされる。
Let f be the frequency of the AC voltage supplied to the armature of the
E2=LM×S/{R+(LM+LL)×S}×E1
一般には周波数fは十分高いので、R<<(LM+LL)×Sである。ゆえに、出力電圧E2は以下のように近似される。E2 = LM × S / {R + (LM + LL) × S} × E1
In general, since the frequency f is sufficiently high, R << (LM + LL) × S. Therefore, the output voltage E2 is approximated as follows.
E2≒LM/(LM+LL)×E1
したがって、E1とE2の位相は等しくなる。一方、周波数fが低い場合には、Rの値と(LM+LL)×Sの値とが同程度となり、出力電圧E2の位相が入力電圧E1の位相に対して進んでしまう。E2≈LM / (LM + LL) × E1
Therefore, the phases of E1 and E2 are equal. On the other hand, when the frequency f is low, the value of R and the value of (LM + LL) × S become approximately the same, and the phase of the output voltage E2 advances with respect to the phase of the input voltage E1.
一般的な計器用変圧器では、周波数fが1Hz以下になると上記位相進みが顕著となる。そして、一般的な発電機は、0.05Hz程度の非常に低い周波数で回転して起動するので、発電機の電機子における交流電圧の実際の位相よりも進んだ位相に基づいてインバータ2におけるサイリスタを点弧することになる。そうすると、発電機に起動トルクを与えることができず、発電機を正常に起動できない場合がある。
In a general instrument transformer, when the frequency f becomes 1 Hz or less, the phase advance becomes significant. And since a general generator rotates and starts at a very low frequency of about 0.05 Hz, the thyristor in the
そこで、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、以下のような構成により、上記のような問題点を解決する。 Therefore, the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention solves the above-described problems with the following configuration.
図5は、位相補正部10の構成を示す図である。
図5を参照して、位相補正部10は、電圧センサ21と、比例積分回路22と、抵抗Ra1,Ra2と、オペアンプ23とを含む。比例積分回路22は、入力抵抗Riと、出力抵抗Roと、コンデンサCと、オペアンプ29とを含む。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the
Referring to FIG. 5,
比例積分回路22において、入力抵抗Riは、電圧センサ21の出力端子に接続された第1端と、第2端とを有する。オペアンプ29は、入力抵抗Riの第2端および出力抵抗Roの第1端に接続された反転入力端子と、接地電圧の供給される接地ノードに接続された非反転入力端子と、コンデンサCの第2端および抵抗Ra1の第1端に接続された出力端子とを有する。抵抗Roの第2端とコンデンサCの第1端とが接続されている。
In the
また、オペアンプ23は、抵抗Ra1の第2端および抵抗Ra2の第1端に接続された反転入力端子と、接地電圧の供給される接地ノードに接続された非反転入力端子と、抵抗Ra2の第2端に接続された出力端子とを有する。
The
電圧センサ21は、交流電圧検出器8の出力電圧E2のレベルを検出し、出力電圧E2のレベルを示す検出電圧E2DETを比例積分回路22へ出力する。電圧センサ21には、出力電圧E2に影響を与えないために入力インピーダンスの大きいアンプ等を使用するのが望ましい。
The
たとえば、電圧センサ21は、絶縁アンプである。すなわち、電圧センサ21は、交流電圧検出器8の2次巻線L2に電気的に接続された入力端と、この入力端と絶縁された出力端とを有し、入力端における電圧を増幅した電圧を出力端から比例積分回路22へ出力する。
For example, the
比例積分回路22は、電圧センサ21から出力された電圧を比例積分することにより出力電圧E2の位相進みを補正する。
The
位相補正部10は、交流電圧検出器8の2次巻線L2に電気的に接続され、1次巻線L1における交流電圧に対する2次巻線L2における交流電圧の位相進みを補正する。位相補正部10は、交流電圧検出器8における巻線抵抗R、漏れインダクタンスLLおよび励磁インダクタンスLMに基づいて出力電圧E2の位相進みを補正する。
The
より詳細には、比例積分回路22では、kを任意の定数として、自らの回路要素Ri,Ro,Cと等価回路8Eの回路要素である抵抗R、漏れインダクタンスLLおよび励磁インダクタンスLMとの関係が、Ri=k×LM、Ro=k×(LM+LL)、C=1/(k×R)となるように、入力抵抗Riおよび出力抵抗Roの抵抗値とコンデンサCの容量値とが定められる。
More specifically, in the
これにより、比例積分回路22は、交流電圧検出器8の出力電圧E2と回転子位置検出部11への出力電圧ECとの関係が以下の式になるように比例積分演算を行なうことになる。
Thereby, the
EC={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×E2
ただし、S=j×2×π×fである。EC = {{R + (LM + LL) × S} / (LM × S)} × E2
However, S = j × 2 × π × f.
オペアンプ23は、比例積分回路22の出力電圧の極性を反転する。抵抗Ra1および抵抗Ra2の抵抗値は任意の等しい値である。
The
したがって、回転子位置検出部11への出力電圧ECは、以下のようにE1と等しくなる。
Therefore, the output voltage EC to the
EC
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×E2
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×{(LM×S)/{R+(LM+LL)×S}}×E1
=E1
すなわち、周波数fが低い場合における交流電圧検出器8の位相誤差が位相補正部10によって補正されるため、同期機4の電機子における交流電圧の位相を正確に検出することが可能となる。EC
= {{R + (LM + LL) × S} / (LM × S)} × E2
= {{R + (LM + LL) * S} / (LM * S)} * {(LM * S) / {R + (LM + LL) * S}} * E1
= E1
That is, since the phase error of the
そして、出力電圧ECを回転子位置検出部11に与え、回転子位置検出部11が出力電圧ECに基づいて同期機4の回転子位置を検出することにより、同期機4を正常に起動することができる。
Then, the output voltage EC is applied to the rotor
また、一般に、LM>>LLであるので、簡略化してRi=Ro=k×LMとなるように、入力抵抗Riおよび出力抵抗Roの抵抗値とコンデンサCの容量値とを決めることも可能である。すなわち、位相補正部10は、変圧器における巻線抵抗Rおよび励磁インダクタンスLMに基づいて位相進みを補正する構成であってもよい。
In general, since LM >> LL, it is possible to determine the resistance values of the input resistance Ri and the output resistance Ro and the capacitance value of the capacitor C so that Ri = Ro = k × LM. is there. That is, the
なお、本発明の第1の実施の形態に係る同期機起動装置では、電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。電力変換部71は、コンバータ1、インバータ2および直流リアクトル3の代わりに、マトリックスコンバータ等、供給された電力を交流電力に変換して同期機4の電機子に供給する何らかの回路を含む構成であればよい。
In the synchronous machine starting device according to the first embodiment of the present invention, the
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第2の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相補正部の実現方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。<Second Embodiment>
The present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which a method for realizing a phase correction unit is changed as compared with the synchronous machine starting device according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
位相補正部は、本発明の第1の実施の形態に係る位相補正部10のようにアナログ演算回路で実現してもよいし、あるいは、本実施の形態のようにCPU(Central
Processing Unit)等を用いたソフトウェア処理によって実現してもよい。The phase correction unit may be realized by an analog arithmetic circuit like the
It may be realized by software processing using a processing unit.
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る位相補正部の構成を示す図である。
図6を参照して、位相補正部51は、電圧センサ21と、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ24と、比例積分演算部25とを含む。比例積分演算部25は、たとえばCPUであり、演算部CAL1〜CAL4を含む。これらの演算部は、CPUが実行するプログラムによって実現される。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a phase correction unit according to the second embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 6,
電圧センサ21は、交流電圧検出器8における計器用変圧器の2次巻線L2における電圧すなわち出力電圧E2のレベルを検出し、出力電圧E2のレベルを示す検出電圧E2DETをアナログ/デジタルコンバータ24へ出力する。
The
アナログ/デジタルコンバータ24は、電圧センサ21から受けたアナログ電圧である検出電圧E2DETをデジタル値に変換し、比例積分演算部25へ出力する。
The analog /
比例積分演算部25は、アナログ/デジタルコンバータ24によって変換されたデジタル値を比例積分することにより出力電圧E2の位相進みを補正する。
The proportional
より詳細には、比例積分演算部25は、交流電圧検出器8の等価回路8Eにおける回路要素である抵抗R、漏れインダクタンスLLおよび励磁インダクタンスLMの値を予め記憶している。そして、比例積分演算部25において、演算部CAL1は、アナログ/デジタルコンバータ24から受けたデジタル値に基づいて積分値E2/Sを算出し、演算部CAL2へ出力する。演算部CAL2は、R/LMと積分値E2/Sとを乗算して演算部CAL4へ出力する。演算部CAL3は、アナログ/デジタルコンバータ24から受けたデジタル値と(LM+LL)/LMとを乗算して演算部CAL4へ出力する。演算部CAL4は、演算部CAL2の演算結果と演算部CAL3の演算結果とを加算し、加算結果を出力電圧ECとして回転子位置検出部11へ出力する。
More specifically, the proportional-
すなわち、比例積分演算部25から出力される出力電圧ECは、以下の式で表わされる。
That is, the output voltage EC output from the proportional-
EC={(R/LM)×(1/S)+(LM+LL)/LM}×E2
したがって、回転子位置検出部11への出力電圧ECは、以下のようになる。EC = {(R / LM) × (1 / S) + (LM + LL) / LM} × E2
Therefore, the output voltage EC to the
EC
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×E2
={{R+(LM+LL)×S}/(LM×S)}×(LM×S)/{R+(LM+LL)×S}×E1
=E1
また、一般に、LM>>LLであるので、演算部CAL3の演算を簡略化して(LM+LL)/LM=1とすることも可能である。EC
= {{R + (LM + LL) × S} / (LM × S)} × E2
= {{R + (LM + LL) * S} / (LM * S)} * (LM * S) / {R + (LM + LL) * S} * E1
= E1
In general, since LM >> LL, the calculation of the calculation unit CAL3 can be simplified to (LM + LL) / LM = 1.
その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
なお、本発明の第2の実施の形態に係る同期機起動装置では、交流電圧検出器8の検出結果に対して位相補正を行なう構成であるとしたが、これに限定するものではない。位相補正部51と同様の演算を行なう位相補正部を基準正弦波演算器12の後段に設け、基準正弦波演算器12から出力される基準正弦波sinφの位相を遅らせることにより出力電圧E2の位相進みを補正し、補正結果をゲートパルス発生器13へ出力する構成であってもよい。
In the synchronous machine starting device according to the second embodiment of the present invention, the phase correction is performed on the detection result of the
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第3の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相補正部の実現方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。<Third Embodiment>
The present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which a method for realizing a phase correction unit is changed as compared with the synchronous machine starting device according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
図7は、本発明の第3の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
図7を参照して、同期機起動装置103は、電力変換部71と、交流電圧検出器8と、交流電流検出器9と、位相補正部52と、回転子位置検出部11と、インバータ制御部(電力変換制御部)19と、電力線LNとを備える。電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む。インバータ制御部19は、基準正弦波演算器12と、ゲートパルス発生器13と、β指令回路14とを含む。回転子位置検出部11は、回転子位相検出部61と、回転子速度検出部62とを含む。位相補正部52は、位相変換テーブル(位相進み量変換部)41と、位相演算器(演算部)42とを含む。FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the synchronous machine starting device according to the third embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 7, synchronous
位相補正部52は、回転子速度検出部62によって検出された回転速度ωに基づいて、基準正弦波演算器12から出力される基準正弦波sinφの位相を遅らせることにより出力電圧E2の位相進みを補正し、補正した基準正弦波sin(φ−Δφ)をゲートパルス発生器13へ出力する。
The
ゲートパルス発生器13は、位相補正部52から受けた基準正弦波sin(φ−Δφ)と、β指令回路14から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ2における各素子へゲートパルスを出力する。
The
より詳細には、位相補正部52において、位相変換テーブル41は、回転速度ωと位相進み量Δφとの関数関係を記憶している。
More specifically, in the
図8は、位相変換テーブル41の記憶する関数関係の一例を示す図である。
図8を参照して、位相変換テーブル41は、回転速度ωすなわち同期機4の回転子の回転周波数が低くなるに従って位相進み量Δφが2次関数的に大きくなる関数関係を記憶している。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a functional relationship stored in the phase conversion table 41.
Referring to FIG. 8, phase conversion table 41 stores a functional relationship in which phase advance amount Δφ increases in a quadratic function as rotation speed ω, that is, the rotation frequency of the rotor of
より詳細には、位相変換テーブル41は、同期機4の回転子の複数の回転速度とこれら複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって交流電圧検出器8における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶している。位相変換テーブル41は、この関係に基づいて、回転子速度検出部62によって検出された回転速度ωに対応する位相進み量Δφを出力する。
More specifically, the phase conversion table 41 is a relationship between a plurality of rotation speeds of the rotor of the
位相演算器42は、回転子位相検出部61によって検出された位相φを位相変換テーブル41から出力された位相進み量Δφ遅らせる。たとえば、位相演算器42は、基準正弦波演算器12から受けた基準正弦波sinφの位相を位相進み量Δφ遅らせた基準正弦波sin(φ−Δφ)を生成して出力する。
The
すなわち、出力電圧E2の位相進み量は同期機4の回転子の回転周波数すなわち回転速度ωだけの関数であるので、予め複数の回転速度ωにそれぞれ対応する複数の位相進み量Δφを計算しておき、これをテーブルとして記憶しておく。そして、回転子速度検出部62によって求めた回転速度ωに対応する位相進み量Δφをこのテーブルから読み出し、この位相進み量Δφだけ基準正弦波sinφの位相を遅らせる。
That is, since the phase advance amount of the output voltage E2 is a function of only the rotation frequency of the rotor of the
その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第4の実施の形態>
本実施の形態は、第3の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相遅延対象を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。<Fourth embodiment>
The present embodiment relates to a synchronous machine starting device in which the phase delay target is changed compared to the synchronous machine starting device according to the third embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the synchronous machine starting device according to the first embodiment.
図9は、本発明の第4の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
図9を参照して、同期機起動装置104は、電力変換部71と、交流電圧検出器8と、交流電流検出器9と、位相補正部53と、回転子位置検出部11と、インバータ制御部(電力変換制御部)19と、電力線LNとを備える。電力変換部71は、コンバータ1と、インバータ2と、直流リアクトル3とを含む。インバータ制御部19は、基準正弦波演算器12と、ゲートパルス発生器13と、β指令回路14とを含む。回転子位置検出部11は、回転子位相検出部61と、回転子速度検出部62とを含む。位相補正部53は、位相変換テーブル41と、位相演算器42とを含む。FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the synchronous machine starting device according to the fourth embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 9, synchronous
位相補正部53は、回転子速度検出部62によって検出された回転速度ωに基づいて、回転子位置検出部11から出力される回転子位置信号POSの示す位相φを遅らせることにより出力電圧E2の位相進みを補正し、補正した位相(φ−Δφ)を示す回転子位置信号POSCを基準正弦波演算器12へ出力する。
The
基準正弦波演算器12は、位相補正部53から受けた回転子位置信号POSCに基づいて、基準正弦波sin(φ−Δφ)を出力する。
The reference
より詳細には、位相演算器42は、回転子位置検出部11から受けた回転子位置信号POSの示す位相φを、位相変換テーブル41から受けた位相進み量Δφ遅らせた位相(φ−Δφ)を示す回転子位置信号POSCを生成して基準正弦波演算器12へ出力する。
More specifically, the
その他の構成および動作は第3の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the synchronous machine starting device according to the third embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
なお、本発明の第3および第4の実施の形態に係る同期機起動装置では、それぞれ基準正弦波sinφの位相および回転子位置信号POSの示す位相φを位相進み量Δφ遅らせる構成であるとしたが、これに限定するものではない。ゲートパルス発生器13に位相遅延機能を持たせておいて、位相進み量Δφゲートパルスの位相を遅らせる構成であってもよい。
In the synchronous machine starting devices according to the third and fourth embodiments of the present invention, the phase of the reference sine wave sinφ and the phase φ indicated by the rotor position signal POS are each delayed by a phase advance amount Δφ. However, the present invention is not limited to this. The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 コンバータ、2 インバータ、3 直流リアクトル、8 交流電圧検出器、8E 等価回路、9 交流電流検出器、10,51〜53 位相補正部、11 回転子位置検出部、12 基準正弦波演算器、13 ゲートパルス発生器、14 β指令回路、19 インバータ制御部(電力変換制御部)、21 電圧センサ、22 比例積分回路、23,29 オペアンプ、24 アナログ/デジタル(A/D)コンバータ、25 比例積分演算部、31,32 三相二相変換回路、33 誘起電圧演算回路、34 PLL回路、35 位置信号生成器、41 位相変換テーブル(位相進み量変換部)、42 位相演算器(演算部)、61 回転子位相検出部、62 回転子速度検出部、71 電力変換部、101〜103 同期機起動装置、Ra1,Ra2,R 抵抗、Ri 入力抵抗、Ro 出力抵抗、C コンデンサ、LL 漏れインダクタンス、LM 励磁インダクタンス、CAL1〜CAL4 演算部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Converter, 2 Inverter, 3 DC reactor, 8 AC voltage detector, 8E Equivalent circuit, 9 AC current detector, 10, 51-53 Phase correction part, 11 Rotor position detection part, 12 Reference sine wave calculator, 13 Gate pulse generator, 14 β command circuit, 19 Inverter control unit (power conversion control unit), 21 Voltage sensor, 22 Proportional integration circuit, 23, 29 Operational amplifier, 24 Analog / digital (A / D) converter, 25 Proportional integration calculation , 31, 32 Three-phase to two-phase conversion circuit, 33 Induced voltage calculation circuit, 34 PLL circuit, 35 Position signal generator, 41 Phase conversion table (phase advance amount conversion unit), 42 Phase calculator (calculation unit), 61 Rotor phase detector, 62 Rotor speed detector, 71 Power converter, 101-103 Synchronous machine starting device, Ra1, Ra2, R Resistance, Ri input resistance, Ro output resistance, C capacitor, LL leakage inductance, LM excitation inductance, CAL1 to CAL4 calculation unit.
Claims (1)
供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、
前記電力変換部から前記同期機の電機子へ前記交流電力を供給するための電力線と、
前記電力線と電気的に接続され、前記同期機の電機子における交流電圧を検出するための変圧器と、
前記変圧器によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機の回転子の位相を検出するための回転子位相検出部と、
前記変圧器によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機の回転子の回転速度を検出するための回転子速度検出部と、
前記回転子位相検出部によって検出された前記位相を補正するための位相補正部と、
前記位相補正部によって補正された前記位相に基づいて、前記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備え、
前記位相補正部は、
前記回転子の複数の回転速度と前記複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって前記変圧器における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶し、前記回転子速度検出部によって検出された前記回転速度に対応する前記位相進み量を出力するための位相進み量変換部と、
前記回転子位相検出部によって検出された前記位相を前記位相進み量変換部から出力された前記位相進み量遅らせるための演算部とを含む同期機起動装置。 A synchronous machine starting device for starting a synchronous machine having an armature and a rotor,
A power converter for converting supplied power into AC power;
A power line for supplying the AC power from the power converter to the armature of the synchronous machine;
A transformer electrically connected to the power line for detecting an alternating voltage in the armature of the synchronous machine;
A rotor phase detector for detecting the phase of the rotor of the synchronous machine based on the AC voltage detected by the transformer;
Based on the AC voltage detected by the transformer, a rotor speed detection unit for detecting the rotation speed of the rotor of the synchronous machine;
A phase correction unit for correcting the phase detected by the rotor phase detection unit;
A power conversion control unit for controlling the power conversion unit based on the phase corrected by the phase correction unit;
The phase correction unit is
Storing a relationship between a plurality of rotation speeds of the rotor and a plurality of phase advance amounts corresponding to the plurality of rotation speeds, each of which is determined based on each circuit element in the transformer; A phase advance amount conversion unit for outputting the phase advance amount corresponding to the rotation speed detected by the detection unit;
A synchronous machine starting device comprising: an arithmetic unit for delaying the phase advance amount output from the phase advance amount conversion unit with respect to the phase detected by the rotor phase detection unit.
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