JP6430240B2 - 回転整流器及び交流発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ブラシレス励磁方式の交流発電システムの構成に適用される回転整流器及びこの回転整流器を備えた交流発電システムに関する。

ブラシレス励磁方式による交流発電システムは、主発電機の界磁巻線、回転整流器、及び交流励磁機の電機子巻線が同一回転軸上にあり、ブラシ等の摺動接触部を必要としないため、保守性に優れている。
交流励磁機から出力された三相交流電流を整流する回転整流器は、６個の整流アームから構成されている。そして、各々の整流アームは、定格容量を満たすように電流容量の低い複数の整流素子を並列接続させて構成され、過電流などによる素子破壊に対する冗長性を実現している。

特開平８−１９２３１号公報

ところで、回転整流器は、各アームにおいて多数の整流素子の並列接続により回路が構成されているため、各々の整流素子に流れる電流にアンバランスが生じる場合がある。
このようなアンバランスが生じる場合は、最大電流に合わせて、各々の整流アームの並列回路を構成する整流素子の数を増量するか、または整流素子の電流容量を単体で大きくする必要があり、コストアップの要因となる課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、各並列回路をなす整流アームに接続される整流素子間の電流バランスの平準化を図る回転整流器及びこの回転整流器を備えた交流発電システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る回転整流器は、主発電機の界磁巻線と同じ回転子に設けられた交流励磁機の電機子巻線からの三相出力に各々接続するＲ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子と、前記回転子に固定されるリングに設けられるとともに、前記Ｒ相端子、前記Ｓ相端子、前記Ｔ相端子の各々においてＰ側及びＮ側で対向接続させた合計６個の整流アームと、前記対向接続される側とは反対側の前記整流アームからの出力をＰ側及びＮ側の各々において合流させるとともに、前記主発電機の界磁巻線に接続する一対の出力端子と、を備え、前記整流アームは、前記リングに個別に交換可能な状態で配列される複数の整流素子が相互に並列接続されてなる素子群が形成されており、さらに複数の前記素子群が相互に並列接続して構成されていることを特徴とする。

本発明の実施形態により、各並列回路をなす整流アームに接続される整流素子間の電流バランスの平準化を図る回転整流器及びこの回転整流器を備えた交流発電システムが提供される。

ブラシレス励磁方式の交流発電システムの構造図。 ブラシレス励磁方式の交流発電システムの回路図。 本発明の第１実施形態に係る回転整流器の回路図。 各実施形態に係る回転整流器の構造断面図。 （Ａ）図４に示す回転整流器における第１実施形態のＡ−Ａ断面視による平面図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面視による平面図、（Ｃ）Ｃ−Ｃ断面視による平面図、（Ｄ）Ｄ−Ｄ断面視による平面図。 本発明の第２実施形態に係る回転整流器の回路図。 （Ａ）図４に示す回転整流器における第２実施形態のＡ−Ａ断面視による平面図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面視による平面図、（Ｃ）Ｃ−Ｃ断面視による平面図、（Ｄ）Ｄ−Ｄ断面視による平面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る回転整流器４０が適用されるブラシレス励磁方式の交流発電システム１０は、主発電機２０、交流励磁機３０及び回転整流器４０から構成され、原子炉やボイラーで発生させた蒸気により回転運動するタービン（図示略）の回転子１１に同軸接続されている。
そして、この交流発電システム１０は、主発電機２０において回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電した三相交流の電力を、送電網（図示略）に供給している。

主発電機２０は、回転整流器４０から直流電流の供給を受け回転子１１と同軸回転することにより回転磁束を発生させる界磁巻線２１と、この発生した回転磁束を横切らせることで交流電流を誘導させる電機子巻線２２と、から構成されている。
図２に示すように、主発電機の電機子巻線２２は、三相巻線で構成され、位相が互いに１２０°ずつずれた三相の交流電流を出力し、主変圧器１２で電圧調整したうえで、送電網（図示略）に供給する。

交流励磁機３０は、永久磁石発電機（ＰＭＧ）（図示略）等の出力を整流した直流電流の供給を受け磁界を発生させる界磁巻線３１と、回転子１１と同軸回転することによりこの磁界を横切り交流電流を誘導させる電機子巻線３２と、から構成されている。
交流励磁機の電機子巻線３２は、三相巻線で構成され、位相が互いに１２０°ずつずれた三相の交流電流を出力し、回転整流器４０に供給する。

回転整流器４０は、主発電機の界磁巻線２１と同じ回転子１１に設けられた交流励磁機の電機子巻線３２からの三相出力に各々接続するＲ相端子４１_R、Ｓ相端子４１_S、Ｔ相端子４１_Tと、回転子１１に設けられるとともに、Ｒ相端子４１_R、Ｓ相端子４１_S、Ｔ相端子４１_Tの各々においてＰ側及びＮ側で対向接続させた合計６個の整流アーム４２（４２_PR，４２_PS，４２_PT，４２_NR，４２_NS，４２_NT）と、この対向接続される側とは反対側の整流アーム４２からの出力をＰ側及びＮ側の各々において合流させるとともに主発電機の界磁巻線２１に接続する一対の出力端子４３_P，４３_Nと、を備えている。

そして図３に示すように、各々の整流アーム４２は、複数の整流素子４４が相互に並列接続されてなる素子群４５が形成されており、さらに複数の素子群４５が相互に並列接続して構成されている。さらに複数の整流素子４４の各々に対応して直列にヒューズ４６が接続されている。
なお第１実施形態において、一つの整流アーム４２は二個の素子群４５から構成され、一つ素子群４５は四個の整流素子４４により構成されているが、これらの数は共に二以上であれは特に限定はない。
なお、実施形態において各々の整流アーム４２は、８個の整流素子４４から構成されているが、この整流アーム４２を構成する整流素子４４の数に、特に限定はない。

各々のＲ相端子４１_R、Ｓ相端子４１_S、Ｔ相端子４１_Tを挟んでペアを成す二つの整流アーム（４２_PRと４２_NR，４２_PSと４２_NS，４２_PTと４２_NT）の各々は、Ｒ相端子４１_R、Ｓ相端子４１_S、Ｔ相端子４１_Tのそれぞれから伝送された交流電流を整流する。
そして、整流された三つの電流は、出力端子４３_P，４３_Nにおいて重畳されて直流電流となり、主発電機の界磁巻線２１に出力される。
ヒューズ４６は、対応する整流素子４４に過電流が流れた時に溶断して、この整流素子４４を整流アームの回路から切り離すものである。

このように、複数の整流素子４４を並列接続させた素子群４５の複数がさらに並列接続して一つの整流アーム４２が構成されることにより、個々の整流素子４４における接続導体の自己インダクタンスが均一化する。
これにより、個々の整流素子４４を流れる電流バランスがより平準化し、特定の整流素子４４に過電流が流れてヒューズ４６が溶断する事態の頻度が低下する。
もしくは、そのような事態を避けるために整流素子４４を単体で大容量化する必要もなくなるので、回転整流器４０の製造コストを抑制することができる。
さらに、一つの整流アーム４２を構成する整流素子４４の数を削減することができ、製造コストの抑制にも寄与する。

図４に基づいて回転整流器４０の構造を説明する。なお、図４において図１，２に対応する構成は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図示されるように回転整流器４０は、回転子１１に固定され共に回転する回転整流器リング４７（以下、リング４７という）を備えている。
このリング４７の一方の面にはＰ側に形成されている整流アーム４２（４２_PR，４２_PS，４２_PT）が配置され、他方の面にはＮ側に形成されている整流アーム４２（４２_NR，４２_NS，４２_NT）が配置されている。
なお図４において死角にある、Ｓ相端子４１_Sに接続される整流アーム４２（４２_PS，４２_NS）は、図示されていない。

また、Ｐ側とＮ側で対向接続される整流アーム４２のペアは、リング４７の主面を表裏貫通する導線の両端に設けられた端子５１（５１_PRと５１_NR，５１_PSと５１_NS，５１_PTと５１_NT）を介して、相互に接続されている。
なお図４において死角にある、Ｓ相端子４１_Sに接続される端子５１（５１_PS，５１_NS）は、図示されていない。
このように、リング４７の両面の各々にＰ側及びＮ側の整流アーム４２が形成されることにより、整流素子４４を集積させて整流アーム４２を形成することができ、省スペースの回転整流器４０を提供することができる。

さらにリング４７の周縁部には、整流素子４４及びヒューズ４６を個別に着脱自在に装着させる装着台４８が設けられている。
この装着台４８には、整流素子４４及びヒューズ４６を直列接続するための接点５２（５２_A、５２_B、５２_C、５２_D）を両端に有する導線が、配置されている。

このように装着台４８が設けられることにより、多数存在する整流素子４４及びヒューズ４６のうちいずれかが損傷した場合、この損傷したもののみを個別に交換することが可能となる。
さらに、整流素子４４とこれに対応するヒューズ４６とが、折り返し構造をとるために、リング４７の半径を小さくすることができ、回転整流器４０に回転慣性を小さくすることができる。

図５（Ａ）は、第１実施形態の回転整流器４０における図４のＰ側のＡ−Ａ断面視による平面図であり、図５（Ｂ）は、Ｐ側のＢ−Ｂ断面視による平面図であり、図５（Ｃ）は、Ｎ側のＣ−Ｃ断面視による平面図であり、図５（Ｄ）は、Ｎ側のＤ−Ｄ断面視による平面図を示している。なお、図５において図４に対応する構成は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

図５に示すように回転整流器４０は、リング４７（図４）におけるＰ側及びＮ側のそれぞれの面において、複数の整流素子４４及び複数のヒューズ４６が回転子１１を中心として放射状に配置されている。
これにより、整流素子４４及びヒューズ４６の分布の重心が回転中心と一致し、偏心による不釣り合いな遠心力が回転整流器４０に付与することが無い。

（第２実施形態）
次に図６及び図７を参照して本発明における第２実施形態について説明する。
第１実施形態では素子群４５の並列接続の段数が１であったのに対し、第２実施形態では素子群４５の並列接続の段数が２である点において、相違している。
なお、図６及び図７において図３及び５のそれぞれと共通の構成を、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

つまり第２実施形態においては、一つの素子群４５は二個の整流素子４４により構成され、さらに二個の素子群４５が相互に並列接続して群をなし、さらにこの群が二個並列接続して、整流アーム４２が形成されている。
なお、素子群４５の並列接続の段数は、三以上である場合もあり得る。
これにより、個々の整流素子４４における接続導体の自己インダクタンスを、さらに均一化することができ、個々の整流素子４４を流れる電流バランスをさらに平準化することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の回転整流器によれば、複数の整流素子が相互に並列接続されてなる素子群をさらに相互に並列接続して整流アームが構成されることにより、整流素子間の電流バランスの平準化を図りつつ、省スペースでかつ回転慣性の小さな構造を有する回転整流器を提供することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…交流発電システム、１１…回転子、１２…主変圧器、２０…主発電機、２１…主発電機の界磁巻線、２２…主発電機の電機子巻線、３０…交流励磁機、３１…交流励磁機の界磁巻線、３２…交流励磁機の電機子巻線、４０…回転整流器、４１_T…Ｔ相端子、４１_S…Ｓ相端子、４１_R…Ｒ相端子、４２（４２_PR，４２_PS，４２_PT，４２_NR，４２_NS，４２_NT）…整流アーム、４３（４３_P，４３_N）…出力端子、４４…整流素子、４５…素子群、４６…ヒューズ、４７…回転整流器リング（リング）、４８…装着台、５１（５１_PS，５１_NS）…端子、５２（５２_A、５２_B、５２_C、５２_D）…接点。

Claims (6)

1. 主発電機の界磁巻線と同じ回転子に設けられた交流励磁機の電機子巻線からの三相出力に各々接続するＲ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子と、
   前記回転子に固定されるリングに設けられるとともに、前記Ｒ相端子、前記Ｓ相端子、前記Ｔ相端子の各々においてＰ側及びＮ側で対向接続させた合計６個の整流アームと、
   前記対向接続される側とは反対側の前記整流アームからの出力をＰ側及びＮ側の各々において合流させるとともに、前記主発電機の界磁巻線に接続する一対の出力端子と、を備え、
   前記整流アームは、前記リングに個別に交換可能な状態で配列される複数の整流素子が相互に並列接続されてなる素子群が形成されており、さらに複数の前記素子群が相互に並列接続して構成されていることを特徴とする回転整流器。
2. 請求項１に記載の回転整流器において、
   前記リングは、前記Ｐ側に形成されている前記整流アームが一方の面に配置され、前記Ｎ側に形成されている前記整流アームが他方の面に配置されていることを特徴とする回転整流器。
3. 請求項２に記載の回転整流器において、
   前記複数の整流素子の各々に対応して直列に接続されるヒューズと、
   前記リングの周縁部に設けられ前記整流素子及び前記ヒューズを個別に着脱自在に装着させる装着台と、をさらに備えることを特徴とする回転整流器。
4. 請求項３に記載の回転整流器において、
   前記リングにおける前記Ｐ側及び前記Ｎ側のそれぞれの面において、複数の前記整流素子及び複数の前記ヒューズが前記回転子を中心として放射状に配置されることを特徴とする回転整流器。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転整流器において、
   前記素子群の並列接続の段数が２以上であることを特徴とする回転整流器。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転整流器を備えた交流発電システム。

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