JP6006677B2 - サイリスタ起動装置 - Google Patents

Description

この発明は、サイリスタ起動装置に関し、特に、同期機を起動させるサイリスタ起動装置に関する。

発電機および電動機などの同期機を起動するためのサイリスタ起動装置が開発されている。サイリスタ起動装置は、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。サイリスタ起動装置は、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。

例えば、特開２００６−２７１０３８号公報（特許文献１）には、同期機の同期機の起動時の界磁電流の立ち上げに伴なって同期機の電機子に誘起される電圧を交流電圧検出器により検出し、この電圧検出値から同期機の回転子位置を検出する構成が開示される。特許文献１では、検出された同期機の回転子位置に基づいて、ゲートパルス発生器がインバータのサイリスタに与えるゲートパルスを生成する。

特開２００６−２７１０３８号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されるサイリスタ起動装置では、交流電圧検出器による電圧検出値の位相ずれが大きくなることにより、同期機の電機子に誘起される交流電圧の位相とサイリスタの点弧位相とがずれてしまうという問題がある。そのため、同期機の回転子に起動トルクを与えることができず、同期機の回転を加速することができなくなる。

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サイリスタ起動装置を提供することである。

この発明によるサイリスタ起動装置は、回転磁界を発生するための電機子、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する回転子を備えた同期機を起動する。サイリスタ起動装置は、供給された電力を三相交流電力に変換して同期機の電機子に供給する電力変換部と、同期機の電機子の三相交流電圧を検出する交流電圧検出部と、交流電圧検出部によって検出された三相交流電圧に基づいて、回転子の回転子位置を検出する回転子位置検出部と、回転子位置検出部によって検出された回転子位置に基づいて、電力変換部を制御する電力変換制御部と、同期機の回転子への界磁電流の供給が開始された後において、同期機の電機子への三相交流電力の供給を開始するための開始指令を電力変換制御部へ出力する指令部とを備える。指令部は、同期機の回転子への界磁電流の供給が開始された後において回転子位置検出部によって検出される回転子位置に基づいて、開始指令を出力するタイミングを決定する。

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。

この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置の構成を示す図である。 交流電圧検出器の構成を示す図である。 交流電圧検出器の位相ずれの影響を説明するための図である。 インバータ制御部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置における通電制御を説明するための図である。 同期機の電機子への通電中におけるインバータ制御部の構成を示す図である。

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。

［サイリスタ起動装置の構成］
図１は、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置の構成を示す図である。

図１を参照して、サイリスタ起動装置１０１は、交流電源ｅ１から三相交流電力を受けて同期機４を起動させる。サイリスタ起動装置１０１は、電力変換部９１と、交流電圧検出器８と、交流電流検出器９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とを備える。

電力変換部９１は、電力線を介して交流電源ｅ１から三相交流電力を受ける。電力変換部９１は、交流電源ｅ１からの三相交流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する。具体的には、電力変換部９１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。コンバータ１は、交流電源ｅ１からの三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１は、少なくとも６個のサイリスタを含む三相全波整流回路である。６個のサイリスタを所定のタイミングでオンさせることにより、三相交流電力を直流電力に変換することできる。

直流リアクトル３は、コンバータ１の高電圧側出力端子とインバータ２の高電圧側入力端子との間に接続され、直流電流を平滑化させる。コンバータ１の低電圧側出力端子とインバータ２の低電圧側入力端子とは直接接続される。

インバータ２は、コンバータ１から直流リアクトル３を介して与えられた直流電力を所望の周波数の三相交流電力に変換する。インバータ２は、少なくとも６個のサイリスタを含む。各サイリスタは、ゲートにインバータ制御部１９からのゲートパルスを受ける。６個のサイリスタを所定のタイミングでオンさせることにより、直流電力を所定の周波数の三相交流電力に変換することができる。

インバータ２で生成された三相交流電力は、電力線ＬＮを介して同期機４に与えられる。同期機４は、軸ＳＨを介してモータＭに接続されている。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ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷと、回転子（界磁）ＲＴとを有する。この固定子および回転子において電機子巻線および界磁巻線がそれぞれ巻回されている。

交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷの三相交流電圧を検出し、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を回転子位置検出部１１へ出力する。具体的には、交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおける三相交流電圧の相間電圧のうちの２つの相間電圧（図１では、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧およびＶ相−Ｗ相間の交流電圧とする）を検出する。このように、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧、Ｖ相−Ｗ相間の交流電圧およびＷ相−Ｕ相間の交流電圧のうちの少なくとも２つの相間交流電圧を検出することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧を計算により求めることができる。この相間電圧から相電圧への変換は、交流電圧検出器８または回転子位置検出部１１において行なわれる。

交流電流検出器９は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ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。

回転子位置検出部１１は、交流電圧検出器８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位置信号ＰＯＳをインバータ制御部１９へ出力する。なお、位置信号ＰＯＳには、後述するように、同期機４の回転子への界磁電流の供給が開始された時点からインバータ制御部１９による同期機４の電機子への交流電力の供給（以下、同期機４の電機子の通電とも称する）が開始される時点までの期間における位置信号ＰＯＳ０と、同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時点以降の期間における位置信号ＰＯＳ１とが含まれる。

インバータ制御部１９は、回転子位置検出部１１から受けた位置信号ＰＯＳ（ＰＯＳ０，ＰＯＳ１）に基づいてインバータ２を制御することにより、同期機ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおいて回転磁界を発生する。

［サイリスタ起動装置の動作］
サイリスタ起動装置１０１は、同期機４、モータＭ、励磁装置２０２、および中央制御装置（図示せず）とともに同期機システムを構成する。この同期機システムは、たとえば発電システムである。

同期機システムの動作について簡単に説明すると、まず、同期機４の待機時、同期機４がモータＭの回転に伴なって低速回転している状態において、中央制御装置は励磁装置２０２に起動指令を与える。励磁装置２０２は、中央制御装置から起動指令を受けると、同期機４の回転子における界磁巻線に一定の界磁電流を供給する。

同期機４の回転子に界磁電流が供給されている状態において、中央制御装置は、サイリスタ起動装置１０１に起動指令を与える。サイリスタ起動装置１０１は、中央制御装置から起動指令を受けると、同期機４の電機子への交流電力の供給（通電）を開始する。これにより、同期機４を所定の回転速度まで加速する。詳細には、サイリスタ起動装置１０１は、外部電源ｅ１から供給された交流電力を所望の周波数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の回転を加速する。

サイリスタ起動装置１０１によって同期機４の回転速度が所定値に達すると、図示しないタービンは火力等のエネルギーによって同期機４をさらに高速に回転させる。励磁装置２０２は、界磁電流を調整することにより、同期機４の電機子における交流電圧のレベルを一定に保つ。

［通電開始時の問題点］
上述した一連の動作において、励磁装置２０２から同期機４の回転子に一定の界磁電流が供給されると、同期機４の回転子はモータＭによって低速回転しているため、同期機４の電機子には低振幅の交流電圧が誘起される。交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに誘起される三相交流電圧を検出し、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を回転子位置検出部１１へ出力する。

回転子位置検出部１１は、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて位置信号ＰＯＳ０を生成し、生成した位置信号ＰＯＳ０をインバータ制御部１９へ出力する。

インバータ制御部１９は、中央制御装置から起動指令を受けると、同期機４の電機子への通電を開始する。具体的には、インバータ制御部１９は、ゲートパルス発生器１３を含む。ゲートパルス発生器１３は、位置信号ＰＯＳ０に基づいてインバータ２における各サイリスタへゲートパルスを出力する。

図２は、交流電圧検出器８の構成を示す図である。図２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は図２に示す構成と同じであるため、ここでは詳細な説明は繰り返さない。また、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧およびＶ相−Ｗ相間の交流電圧等の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できる。この相間電圧から相電圧への変換は、交流電圧検出器８または回転子位置検出部１１において行なわれる。

図２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に磁気的に結合された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。

図２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。

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としたことにより、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、回転子位置検出部１１等の制御回路との電気的絶縁を確保できるため、制御回路が過大電圧の印加によって故障するのを防止することができる。

しかしながら、その一方で、交流電圧検出器８の１次巻線Ｌ１および２次巻線Ｌ２は、漏れインダクタンスおよび励磁インダクタンスを含むため、入力電圧Ｅ１の位相に対して、出力電圧Ｅ２の位相が進んでしまう。すなわち、入力電圧Ｅ１と出力電圧Ｅ２との位相差である位相ずれが発生する。なお、同期機４の電機子に供給される交流電圧の周波数が高い場合、入力電圧Ｅ１および出力電圧Ｅ２の位相は略等しくなる。これに対して、周波数が低い場合には上記の位相ずれが顕著となる。

上述のように、サイリスタ起動装置では、同期機４を低い周波数で回転させて起動するため、同期機４の電機子における実際の交流電圧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。その結果、同期機４に起動トルクを与えることができず、同期機４を正常に起動できない場合がある。

上記の問題点について、図３を用いてより詳細に説明する。
図３は、交流電圧検出器８の位相ずれの影響を説明するための図である。図３には、励磁装置２０２から同期機４の回転子に界磁電流の供給が開始された時点以降の同期機４および電力変換部９１の動作が示される。

なお、図３においては、横軸に時間が示され、縦軸には上から順に、同期機４の電機子に誘起される三相交流電圧の波形Ｕ，Ｖ，Ｗと、交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２に誘起される３つの相間電圧の波形ＵＶ，ＶＷ，ＷＵと、回転子位置検出部１１の三相の検出信号（位置信号ＰＯＳ０）の波形とが示される。縦軸にはさらに、位置信号ＰＯＳ０に基づいて生成されるインバータ２のゲートパルスの波形と、同期機４の電機子における三相交流電圧および三相交流電流の波形とが示される。

図３を参照して、励磁装置２０２が同期機４の回転子に界磁電流の供給を開始すると、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷには低振幅の三相交流電圧が誘起される。交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおける三相交流電圧の相間電圧を検出する。交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２（図２）には、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧（図中のＵＶに相当）、Ｖ相−Ｗ相間の交流電圧（図中のＶＷに相当）、およびＷ相−Ｕ相間の交流電圧（図中のＷＵに相当）が誘起される。

回転子位置検出部１１は、交流電圧検出器８から受けた３つの相間電圧ＵＶ，ＶＷ，ＷＵに基づいて、位置信号ＰＯＳ０を生成する。具体的には、回転子位置検出部１１は、３つの相間電圧ＵＶ，ＶＷ，ＷＵに基づいて、同期機４の電機子に誘起された交流電圧のゼロクロス点の検出を行なう。回転子位置検出部１１は、３つの相間電圧ＵＶ，ＶＷ，ＷＵのレベルがたとえばゼロボルトになるタイミングを検出し、検出したタイミングを示すパルス状の検出信号を生成する。図３に示すように、Ｕ相の検出信号は、Ｗ相−Ｕ相間の交流電圧ＷＵがゼロボルトになるタイミングごとにオン（出力ハイ）とオフ（出力ロー）とが切替わる信号である。また、Ｖ相の検出信号は、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧ＵＶがゼロボルトになるタイミングごとにオンとオフとが切替わる信号であり、Ｗ相の検出信号は、Ｖ相−Ｗ相間の交流電圧ＶＷがゼロボルトになるタイミングごとにオンとオフとが切替わる信号である。回転子位置検出部１１は、これら３つの検出信号を位置信号ＰＯＳ０としてインバータ制御部１９へ出力する。

インバータ制御部１９は、位置信号ＰＯＳ０である上記の３つの検出信号に基づいて、インバータ２の各サイリスタに与えるゲートパルスを生成する。具体的には、ゲートパルス発生器１３は、３つの検出信号の立上りおよび立下りに基づいて、インバータ２に含まれる６個のサイリスタ（Ｕｉ素子、Ｖｉ素子、Ｗｉ素子、Ｘｉ素子、Ｙｉ素子、Ｚｉ素子）にそれぞれ与える６個のゲートパルスを生成する。詳細には、Ｕｉ素子のゲートパルスは、Ｕ相の検出信号の立上りに応じてオフ（出力ロー)からオン（出力ハイ）に活性化され、Ｖ相またはＷ相の検出信号の立上りに応じてオンからオフに非活性化される。一方、Ｕｉ素子と直列に接続されるＸｉ素子のゲートパルスは、Ｕ相の検出信号の立下りに応じてオフからオンに活性化され、Ｖ相またはＷ相の検出信号の立下りに応じてオンからオフに非活性化される。

Ｖｉ素子のゲートパルスは、Ｖ相の検出信号の立上りに応じてオフからオンに活性化され、Ｗ相またはＵ相の検出信号の立上りに応じてオンからオフに非活性化される。一方、Ｖｉ素子と直列に接続されるＹｉ素子のゲートパルスは、Ｖ相の検出信号の立下りに応じてオフからオンに活性化され、Ｗ相またはＵ相の検出信号の立下りに応じてオンからオフに非活性化される。

Ｗｉ素子のゲートパルスは、Ｗ相の検出信号の立上りに応じてオフからオンに活性化され、Ｕ相またはＶ相の検出信号の立上りに応じてオンからオフに非活性化される。一方、Ｗｉ素子と直列に接続されるＺｉ素子のゲートパルスは、Ｗ相の検出信号の立下りに応じてオフからオンに活性化され、Ｕ相またはＶ相の検出信号の立下りに応じてオンからオフに非活性化される。

６個のサイリスタの各々がゲートパルスに従って点弧されることにより、インバータ２から同期機４の電機子へ交流電力が供給される。同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに交流電流が流れることにより、同期機４の回転子には交流電圧および交流電流の積に応じたトルクが生じる。以下では、同期機４の回転子の回転方向のトルクを正のトルクといい、回転子の逆回転方向のトルクを負のトルクともいう。すなわち、正のトルクは同期機４の回転子の回転をアシストするトルクであるのに対して、負のトルクは同期機４の回転子の負荷となるトルクである。

ここで、交流電圧検出器８による電圧検出値に位相ずれがあると、同期機４の電機子に誘起される交流電圧の実際の位相とサイリスタの点弧位相とがずれてしまう。そして、この位相ずれが大きくなると、同期機４の１回転周期（１サイクル）内に同期機４の回転子に負のトルクが発生する期間が存在することになる。図３においては、一例として、交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２に誘起される３つの相間電圧のうち、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧ＵＶにおける位相ずれ量が最も大きい場合を想定している。この場合、回転子位置検出部１１で生成される３つの検出信号のうち、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧ＵＶのゼロクロス点に基づいて生成されるＶ相の検出信号における位相ずれ量が最も大きくなる。このため、同期機４の電機子に誘起されるＶ相の交流電圧と電機子に流れるＶ相の交流電流との位相ずれが、残りの２相における位相ずれと比較して顕著となる。これにより、図中の白丸ｋ１およびｋ２で示すように、Ｖｉ素子またはＹｉ素子が点弧される期間において負のトルクが発生してしまう。なお、このように負のトルクが発生する期間は、回転子位置検出部１１で生成される検出信号における位相ずれが６０°以上となるときに現れる。

サイリスタ起動装置においては、従来より、励磁装置２０２から同期機４の回転子に界磁電流の供給が開始された時点から同期機４の電機子への交流電力の供給（通電）を開始する時点までの時間は、予め一定時間に定められている。一例として、この一定時間は、同期機４の１サイクルに相当する時間に定められている。そのため、図３に示すように、同期機４の電機子への通電を開始する時点が、同期機４の回転子に負のトルクが発生する時点（図中のｋ２）に一致してしまう場合が起こり得る。

上記のように、負のトルクが発生する時点において同期機４の電機子への通電を開始すると、同期機４の回転子に負荷がかかってしまうため、同期機４の回転を加速することができない。その結果、同期機４の回転速度が上昇せず、同期機４を安定に起動させることが困難となる。

そこで、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置１０１では、回転子位置検出部１１から出力される位置信号ＰＯＳ０（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の検出信号）に基づいて、同期機４の電機子への通電を開始するタイミングを決定する。これにより、同期機４の電機子への通電開始によって同期機４の回転子に正のトルクを発生させて同期機４を安定に起動させる。

［本実施の形態によるサイリスタ起動装置］
以下、本実施の形態によるサイリスタ起動装置１０１における同期機４の通電制御について説明する。

再び、図１を参照して、インバータ制御部１９は、ゲートパルス発生器１３と、通電指令部１５とを含む。なお、図１に示すインバータ制御部１９の制御構造は、同期機４の電機子への通電を開始するタイミングを制御するためのものである。

ゲートパルス発生器１３は、回転子位置検出部１１から位置信号ＰＯＳ０を受ける。この位置信号ＰＯＳ０は、図３で説明したように、交流電圧検出器８の電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のゼロクロス点を検出して生成されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の検出信号からなる。ゲートパルス発生器１３は、位置信号ＰＯＳ０に基づいて、上述した方法によってインバータ２のサイリスタに与えるゲートパルスを生成する。

通電指令部１５は、図示しない中央制御装置から起動指令を受ける。通電指令部１５はさらに、回転子位置検出部１１から位置信号ＰＯＳ０を受ける。通電指令部１５は、起動指令および位置信号ＰＯＳ０に基づいて、同期機４の電機子への通電を実行するための通電開始指令を生成してゲートパルス発生器１３へ出力する。

ゲートパルス発生器１３は、通電指令部１５からの通電開始指令に応答して、生成したゲートパルスをインバータ２のサイリスタへ出力する。これにより、同期機４の電機子への通電が開始される。

図４には、インバータ制御部１９のさらに詳細な構成が示される。
図４を参照して、インバータ制御部１９には、回転子位置検出部１１から位置信号ＰＯＳ０として、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の検出信号が与えられる。これら３つの検出信号はゲートパルス発生器１３に入力される。

さらに、これら３つの検出信号のうち、位相ずれ量が最も大きくなる検出信号を除いた２つの検出信号が通電指令部１５に入力される。図３で示したように、３つの検出信号のうち、Ｖ相の検出信号における位相ずれ量が最も大きくなる場合には、Ｕ相の検出信号およびＷ相の検出信号が通電指令部１５に入力される。なお、３つの検出信号のうちのどの検出信号を通電指令部１５に入力するかについては、交流電圧検出器８による電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の位相ずれ量を予め取得しておくことで定めることができる。

通電指令部１５は、位相ずれ量が小さい２つの検出信号および起動指令に基づいて、通電開始指令を生成する。具体的には、通電指令部１５は、ＡＮＤ（論理積）回路２１，２４と、ＮＯＲ（否定論理和）回路２２と、ＯＲ（論理和）回路２３とを含む。ＡＮＤ回路２１は、２つの検出信号の論理積を出力する。ＮＯＲ回路２２は、２つの検出信号を反転させた信号の論理積を出力する。ＯＲ回路２３は、ＡＮＤ回路２１の出力とＮＯＲ回路２２の出力との論理和を出力する。このような構成とすることにより、２つの検出信号がともにオンに活性化されているとき、または、２つの検出信号がともにオフに非活性化されているとき、ＯＲ回路２３からＨレベルに活性化された信号が出力される。

ＡＮＤ回路２４は、起動指令およびＯＲ回路２３の出力の論理積を出力する。ＡＮＤ回路２４の出力は、通電開始指令としてゲートパルス発生器１３へ与えられる。すなわち、起動指令が活性状態（Ｈレベル）のとき、通電開始指令は、ＯＲ回路２３の出力が活性状態（Ｈレベル）の場合にＨレベルに活性化され、ＯＲ回路２３の出力が非活性状態（Ｌレベル）の場合にＬレベルに非活性化される。これにより、起動指令が活性状態のときには、２つの検出信号がともにオンに活性化されている場合、または、２つの検出信号がともにオフに非活性化されている場合に、Ｈレベルに活性化された通電開始指令が出力される。

図５は、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置１０１における通電制御を説明するための図である。図５には、励磁装置２０２から同期機４の回転子に界磁電流の供給が開始された時点以降の同期機４および電力変換部９１の動作が示される。

なお、図５においては、図３と同様に、横軸に時間が示され、縦軸には上から順に、同期機４の電機子に誘起される三相交流電圧の波形Ｕ，Ｖ，Ｗと、交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２に誘起される３つの相間電圧の波形ＵＶ，ＶＷ，ＷＵと、回転子位置検出部１１の三相の検出信号（位置信号ＰＯＳ０）の波形とが示される。縦軸にはさらに、位置信号ＰＯＳ０に基づいて生成されるインバータ２のゲートパルスの波形と、同期機４の電機子における三相交流電圧および三相交流電流の波形とが示される。

図５を参照して、励磁装置２０２が同期機４の回転子に界磁電流の供給を開始すると、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷには低振幅の三相交流電圧が誘起される。交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおける三相交流電圧の相間電圧を検出する。交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２（図２）には、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧（図中のＵＶに相当）、Ｖ相−Ｗ相間の交流電圧（図中のＶＷに相当）、およびＷ相−Ｕ相間の交流電圧（図中のＷＵに相当）が誘起される。

回転子位置検出部１１は、交流電圧検出器８から受けた３つの相間電圧ＵＶ，ＶＷ，ＷＵに基づいて、位置信号ＰＯＳ０を生成する。具体的には、回転子位置検出部１１は、３つの相間電圧ＵＶ，ＶＷ，ＷＵに基づいて、同期機４の電機子に誘起された交流電圧のゼロクロス点の検出を行なう。回転子位置検出部１１は、３つの相間電圧ＵＶ，ＶＷ，ＷＵのレベルがたとえばゼロボルトになるタイミングを検出し、検出したタイミングを示すパルス状の検出信号を生成する。回転子位置検出部１１は、生成したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の検出信号を位置信号ＰＯＳ０としてインバータ制御部１１へ出力する。

インバータ制御部１９は、位置信号ＰＯＳ０である上記の３つの検出信号に基づいて、インバータ２の各素子に与えるゲートパルスを生成する。具体的には、ゲートパルス発生器１３は、３つの検出信号の立上りおよび立下りに基づいて、インバータ２に含まれる６個のサイリスタ（Ｕｉ素子、Ｖｉ素子、Ｗｉ素子、Ｘｉ素子、Ｙｉ素子、Ｚｉ素子）にそれぞれ与える６個のゲートパルスを生成する。

ゲートパルス発生器１３は、通電指令部１５からＨレベルに活性化された通電開始指令を受けると、生成したゲートパルスをインバータ２のサイリスタへ出力する。通電開始指令は、上述したように、３つの検出信号のうちの位相ずれ量が小さい２つの検出信号に基づいて生成される。図５においては、一例として、交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２に誘起される３つの相間電圧のうち、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧ＵＶにおける位相ずれ量が最も大きい場合を想定している。この場合、回転子位置検出部１１で生成される３つの検出信号のうち、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧ＵＶのゼロクロス点に基づいて生成されるＶ相の検出信号における位相ずれ量が最も大きくなる。したがって、通電指令部１５は、位相ずれ量が小さいＵ相の検出信号およびＷ相の検出信号に基づいて通電開始指令を生成する。具体的には、Ｕ相の検出信号およびＶ相の検出信号がともにオンに活性化されている場合、または、Ｕ相の検出信号およびＶ相の検出信号がともにオフに非活性化されている場合に、通電開始指令をＨレベルに活性化させる。

図５では、期間ｔ１においてＵ相の検出信号およびＶ相の検出信号がともにオンに活性化されている。また、期間ｔ２においてＵ相の検出信号およびＶ相の検出信号がともにオフに非活性化されている。これら２つの期間ｔ１，ｔ２ではいずれも、同期機４の回転子に正のトルクが発生する。したがって、これらの期間ｔ１，ｔ２において通電開始指令を活性化して同期機４の電機子への通電を開始することにより、同期機４の回転を加速することができる。例えば、期間ｔ２において同期機４の電機子への通電を開始すると、図中の白丸ｋ４に示すように、通電を開始した時点で同期機４の回転子に正のトルクが発生する。これにより、通電を開始した直後から同期機４の回転が加速されるため、同期機４の回転速度が上昇する。なお、図中の白丸ｋ３に示すように、期間ｔ１において同期機４の電機子への通電を開始した場合においても、通電開始の時点で同期機４の回転子に正のトルクが発生するため、同様の効果を得ることができる。

このように、この発明の実施の形態によるサイリスタ起動装置１０１によれば、回転子位置検出部１１から出力される、位相ずれ量の小さい２つの検出信号に基づいて同期機４の電機子への通電開始指令を生成することにより、同期機４の電機子への通電を開始するタイミングを、同期機４の回転子に正のトルクが発生する期間内に限定することができる。その結果、通電開始直後から同期機４の回転が加速されるため、同期機４を安定に起動することができる。

なお、同期機４の電機子への通電が開始されると、交流電流検出器９は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ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。回転子位置検出部１１は、交流電圧検出器８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の回転子位置を検出し、同期機４の回転子位置を示す位置信号ＰＯＳ１をインバータ制御部１９へ出力する。インバータ制御部１９は、回転子位置検出部１９から受けた位置信号ＰＯＳ１に基づいてインバータ２を制御することにより、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおいて回転磁界を発生する。

図６は、同期機４の電機子への通電中におけるインバータ制御部１９の構成を示す図である。図６を参照して、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。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ＰＯＳ１に基づいて、基準正弦波ｓｉｎφを出力する。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。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およびβ指令回路１４から受けた制御進み角指令値βに基づいて、インバータ２における各サイリスタへゲートパルスを出力する。

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特許請求の範囲によって示され、特許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。

１ コンバータ、２ インバータ、３ 直流リアクトル、４ 同期機、８ 交流電圧検出器、９ 交流電流検出器、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、１５ 通電指令部、１９ インバータ制御部、２１，２４ ＡＮＤ回路、２２ ＮＯＲ回路、２３ ＯＲ回路、１０１ サイリスタ起動装置、２０２ 励磁装置、ｅ１ 交流電源、Ｍ モータ。

Claims (1)

1. 回転磁界を発生するための電機子、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する回転子を備えた同期機を起動するためのサイリスタ起動装置であって、
   供給された電力を三相交流電力に変換して前記同期機の電機子に供給する電力変換部と、
   前記同期機の電機子の三相交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
   前記交流電圧検出部によって検出された前記三相交流電圧に基づいて、前記回転子の回転子位置を検出する回転子位置検出部と、
   前記回転子位置検出部によって検出された前記回転子位置に基づいて、前記電力変換部を制御する電力変換制御部と、
   前記同期機の回転子への前記界磁電流の供給が開始された後において、前記同期機の電機子への前記三相交流電力の供給を開始するための開始指令を前記電力変換制御部へ出力する指令部とを備え、
   前記交流電圧検出部は、前記同期機の回転子への前記界磁電流の供給を受けて前記同期機の電機子に誘起される三相交流電圧を検出し、
   前記回転子位置検出部は、前記同期機の回転子への前記界磁電流の供給が開始された後において前記交流電圧検出部によって検出される前記三相交流電圧のゼロクロス点を検出して第１から第３の検出信号を生成し、
   前記電力変換制御部は、前記第１から第３の検出信号に基づいて、前記電力変換部の各サイリスタに与えるゲートパルスを生成し、
   前記指令部は、前記第１から第３の検出信号のうち、前記交流電圧検出部による検出値の位相ずれ量が小さい第１の相および第２の相の交流電圧に基づいて生成された前記第１および第２の検出信号がともにオン状態のとき、または、前記第１および第２の検出信号がともにオフ状態のときを、前記開始指令を出力するタイミングに決定する、サイリスタ起動装置。

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