JPH01231696A - 交流励磁回転電機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可変周波数交流励磁により可変速運転を可能
にした交流励磁同期機の制御装置に係り、特に可変速揚
水発電システムやフライホイール発電電動装置などの交
流系統安定向上を図るのに好適な交流励磁回転電機制御
装置に関する。

〔従来の技術〕

交流励磁発電電動装置の従来技術としては、特公昭５３
−７６２８号、特公昭５７−６０６４５号の各公報に記
載のように、その交流励磁電流の制御により有効電力と
無効電力を制御する方式が知られており、乱調や脱調を
抑えながら迅速な応答が要求される有効電力調整装置、
無効電力調整装置などに好適なものとして認識されてい
る。

また、可変速揚水発電装置としては、交流励磁用周波数
変換装置としてサイクロコンバータを用い、ポンプ水車
を交流励磁同期機に直結した方式のものが、電力系統の
周波数調整用として好適である旨、昭和６０年度電気関
係学会関西支部連合大会で発表されており、同じような
システムについては、昭和６１年度電気学学会間大会１
００２号、或いは電気協会雑誌昭和６１年３月号の３４
頁でも発表されている。

一方、交流励磁制御装置とポンプ水車案内羽根制御装置
の協調のとり方についての具体的方策は、特願昭６０−
２１０００４号、特願昭６０−２１０００５号、特願昭
６１−９９８４４号に開示されている。

ところで、以上の文献で紹介された交流励磁発電電動装
置はいずれも交流系統の電圧位相を基準信号として交流
励磁電流の振幅で位相を制御する方法を採用している。

しかしながら、上記制御方法を用いた場合、すべり周波
数、有効電力出力、無効電力出力で定まる運転条件によ
っては、回転速度を一定に保持出来ない場合がある。

また、特願６０−２１００４号、特願６０−２１００５
号のように、交流励磁発電電動装置で、有効電力出力制
御し、水車案内羽根制御系で、回転速度制御する方策を
とった場合にも、回転速度が指令値の周辺で振動する場
合がある。この振動に伴って水車系の鉄管水圧、無効電
力出力も振動する場合がある。

こうした回転速度の不安定現象を安定化する方法につい
て触れた例はない。

この従来技術における問題を第５図を用いて説明する。

この第５図において、５が交流励磁同期機で、その電機
子巻線５ａが、同期投入用しゃ断器４、主変圧器３、系
統しゃ断器２をそれぞれ介して交流電力系統（交流系統
と略す）１に接続されている。

一方、その交流励磁巻線５ｂは、各相銀に、サイリスタ
電力変換装置８と励磁用変圧器７からなる周波数変換装
置６を介して交流電力系統１に接続され、交流電力系統
１とは異なった周波数の交流で励磁される。

９は位相検出器で、交流励磁周波数信号を得る働きをし
、そのため、系統電圧位相θＶを検出するための電圧変
成器１０と電圧位相演算器１１、及び交流励磁同期機５
の電気角で表わした回転位相θｒを検出するレゾルバ装
置１２と、すべり位相演算器１３とを含んでいる。

１４は励磁電流制御装置で（θＶ−θｒ）で求められる
すべり位相θＳと共に回転する３相交流電流指令の振幅
と位相を、互いに直交する２軸の電流指令ＩＱ、Ｉｄに
よって調整し、交流励磁同期機５の励磁巻線電流が前記
電流指令に合致するように、所定のサイリスク点弧角信
号１５を自動パルス移相器１６に出力する働きをし、こ
の結果、自動パルス移相器１６からサイリスタ電力変換
装置８の点弧パルス信号１７が出力される。

ここで励磁電流制御装置１４で調整する電流指令信号は
、特公昭５３−７６２８、特公昭５７−６０６４５の記
載の方法で与えられる。即ち、すべり位相θＳと同一位
相の電流成分ＩＱを調整することにより有効電力出力を
制御し、すべり位相信号θＳと９０°位相差をもつ電流
成分１ｄを調整することにより電圧を制御することがで
きるのである。

ここで、交流系統１へ出力されている有効電力Ｐと電圧
■は、計器用電流変成器１８と計器用電圧変成器１０の
信号を計測器（Ｐ、　　Ｖセンサ）１９により直流信号
に変換して検出し、それを自動有効電力制御装置（ＡＰ
Ｒ）２０と自動電圧制御装置（ＡＶＲ）２１に入力して
いる。

ところで、このようなシステムでは、一般に、図示され
ていない水車などの原動機が交流励磁同期機５に直結さ
れ、原動機側の出力調整によって回転速度を交流励磁装
置の許容範囲内に制御している。しかし、交流励磁同期
機５の出力が過大または過小になると回転速度が設定範
囲を越える場合が生じる。このために系統周波数検出用
変換器２２の出力と回転周波数検出用変換器２３の出力
の差が設定範囲を越えたときに交流励磁電流が補正され
るように、不感帯回路２４とすべり周波数補正制御回路
２５によって補正出力指令ΔＰｏを作り出し、これを出
力指令Ｐ。に重畳（減算）することにより、上記した回
転速度の逸脱が生じないようにしである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、交流励磁発電電動装置において、その
有効電力出力を制御した場合、運転条件によって発生す
る虞れのある回転速度の不安定現象について配慮がなさ
れていない。例えば、交流励磁発電電動機を水車に直結
して可変速水車発電設備として適用した場合、水車側の
案内羽根開度調整で回転速度を制御することになる。し
かしてこの場合は、一定出力運転状態でも回転速度が周
期的に変動してしまう。この現象は従来の同期機（励磁
電流は直流）を水車発電機として使用したときに発生す
るレーシング現象と同じように、案内羽根駆動用油圧サ
ーボ機構の主配圧弁に存在するラップ（不感帯）によっ
て発生するものである。

一方、これとは別に、交流励磁同期機を有効電力制御し
た場合、第６図に示すように、発電機のトルクは回転速
度の上昇と共に低下してゆくのに対して、水車側でのト
ルクは、案内羽根開度を変えない限り、回転速度が上昇
してもあまり低下せず、従って、このようなシステムで
は回転速度を不安定にする性質が特に強く現われる。

第７図は、このようなシステムにおいて、有効電力制御
系によって回転速度のレーシングが増幅されてしまう様
子を示す図である。

なお、この第７図は交流励磁同期機が同期速度隘より低
速で運転している例であり、従って、すべり周波数ｆｓ
は正となっている。

さて、この第７図において、図示のように、案内羽根制
御系の出力である開度指令Ｙｒｅｆは、回転速度Ｎの変
化を抑える方向に滑らかに変化する。

一方、実際の案内羽根開度Ｙは、駆動機構であるサーボ
系の主配圧弁のラップによって、開度指令Ｙｒｅｆの変
化率が低くなると開度Ｙの動きは小さくなってしまい、
速度Ｎの指令に対する偏差が大きくなるまでこの状態が
続く。他方、交流励磁制御系は有効電力出力Ｐを一定に
保つために、回転速度上昇と共にトルクを減らす方向に
働き、これにより有効電流指令ｒｑを減少させてしまう
。

この結果、従来技術では、以上のような定常運転状態で
の回転周波数変動と外部からの有効電力出力指令周期が
一致した場合、回転速度が共振によって大きく変動する
ようになり、従って、すべり周波数の設定範囲で回転速
度範囲が制約され、実用上の有効電力指令の振れ幅を押
えなければならないという問題点があった。また、こう
した共振状態では、同じ周期で末路系の鉄管水圧や交流
励磁用周波数変換器の出力電流実効値も振動するために
、従来技術では、鉄管が過大な水圧により破損する危険
性があること、周波数変換器が過電流状態になる危険性
があることなどの問題点があった。

本発明の目的は、交流励磁発電電動装置の有効電力出力
を指令に対して迅速に追従させながら、他方では回転速
度を充分に安定に制御することができる交流励磁回転電
機制御装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、前記交流励磁電機子電圧周波数と回転周波
数の差に等しいすべり周波数信号に位相進み補償を加え
、回転速度変動もしくは系統の周波数変動を抑える方向
で有効電力制御系に作用させることにより達成される。

〔作用〕

すべり周波数信号に位相進み補償が与えられた結果、有
効電力制御系の動作に回転速度変動を抑えるのに役立つ
ダンパー機能が付与されることになり、回転速度変動を
なくすことができる。

〔実施例〕

以下、本発明による交流励磁回転電機制御装置について
、図示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、図において、２６は補償
信号発生回路で、その他は第５図の従来例と同じであり
、従って、重複をさけるため、第５図に関して説明した
部分についての説明を省略する。

補償信号発生回路２６は、図示のように不完全微分回路
で構成され、すべり周波数信号ｆｓを入力とし、それに
位相進み補償を与えた補償信号ΔＰ１を出力する働きを
する。

こうして作り出された補償信号ΔＰ１は、補正出力指令
ΔＰ０と共に、出力指令Ｐ０に重畳（減算）され、ＡＰ
Ｒ２０に入力されて有効電流指令Ｉｑに反照されること
になる。なお、ここで、出力指令Ｐ。、補正出力指令Δ
Ｐａ、それに補償信号ΔＰ１は、いずれも発電出力を増
加させる方向を正としている。

次に、この実施例の動作について説明する。

補償信号発生回路２６は、図示のように不完全微分動作
を行うから、交流励磁同期機５の回転速度と交流系統ｌ
の周波数が一定の場合は、その補償信号ΔＰ、は位相進
み補償によって０または殆ど０に保たれ、有効電力制御
系は、従来例と同じく外部からの出力指令Ｐ。だけに追
従するように横軸電流指令ＩＱを発生している。

ところで、横軸電流指令ＩＱは交流励磁同期機５の発電
機トルクにほぼ比例して変化するので、出力指令Ｐ０が
一定でも、回転速度Ｎが上昇すると、トルクは減少する
方向になるので、電流指令ｒｑは減少する。

従って、このままでは従来例と同様に、交流励磁同期機
５に直結した原動機から見ると、有効電力制御系は回転
速度変化を増長するように動作し、不安定化をもたらし
てしまう。

一方、交流励磁同期機５の回転速度Ｎが変化すればすべ
り周波数ｆｓも変化し、例えば回転速度Ｎが上昇中はす
べり周波数ｆｓは下降中となる。

そして、この実施例では、このすべり周波数ｆｓが補償
信号発生回路２６に入力されているから、それに位相進
み補償が与えられた補償信号ΔＰ、が出力され、これが
ＡＰＲ２０による有効電流指令Ｉｑに影響を与え、例え
ば、上記のように、すべり周波数ｆｓが下降中は、位相
進み補償によって交流励磁同期機５の発電機出力を増大
させる方向に横軸電流指令■ｑを変化させる作用が現わ
れ、従って、この実施例によれば、有効電力制御系も回
転速度変動を抑制する機能を持つことになり、この結果
、回転速度Ｎに不安定特性が現われるのを効果的に抑え
、安定度を充分に高めることができる。

そして、この第１図の実施例によれば、すべり周波数ｆ
ｓが一定に保たれる運転条件下では補償信号Δｐ、−０
となり、このときには有効電力出力に何等の影響も与え
ないですむという効果がある。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

まず、第２図の実施例は、すべり周波数信号ｆｓを位相
進み補償信号発生回路２７に入力し、この補償信号発生
回路２７の出力を補償信号ΔＩＱとし、それを有効電力
制御装置２０の出力である横軸電流指令Ｉ（７に重畳（
減算）するように構成したものである。なお、この第２
図の実施例では、位相進み補償信号発生回路２７として
一次の位相進み遅れ回路を適用している。

この第２図の実施例によれば、不安定な回転速の間に入
るように設定することにより、回転速度の振動を有効に
抑制する効果がある。

なお、この実施例では、振動周波数ωくω２の場合でも
補償信号ΔＩ（７は０にならないが、外側ループをなす
自動有効電力制御装置２０の積分ゲインによるフィード
バックが働くため、有効電力出力は指令に対して偏差０
に制御することが出来る。

ここで、位相進み補償信号発生回路２７としては、第１
図の実施例と同じく、不完全微分回路を用いることもで
きる。

次に、第３図の実施例は、すべり周波数ｆｓをバンドパ
スフィルタ２８に入力し、運転条件で定まる回転速度変
動成分を残して位相進み補償信号発生回路２６と比例要
素２９を介して自動有効電力制御装置２０の入力に重畳
（減算）させるように構成したもので、このとき、バン
ドパスフィルタ２８の通過周波数帯は有効電力指令Ｐ０
に応じて変化させる構成としている。これは、有効電力
指令Ｐ。でほぼ回転速度の変動周期が定まることを用い
たものである。

この第３図の実施例によれば、バンドパスフィルタ２８
によって、すべり周波数ｆｓの変動分のみを取り出すこ
とが出来るので、位相進み補償信号発生回路２６や比例
要素２９のゲインを高くし、安定化機能を高める効果が
ある。

さらに第４図の実施例は、レゾルバ装置１２の出力を周
波数変換器２３に入力して得られる回転周波数信号ｆｒ
だけをそのまま位相進み補償信号発生回路２６に入力す
る構成としている。なお、これに応じて、補正出力指令
式Ｐａ　も、この信号ｆｒから得るようになっている。

この実施例は交流系統周波数が一定のとき、第１図の実
施例と同じ動作となる。

この第４図の実施例によれば、系統周波数の検出が不要
となり構成が簡素化される効果がある。

特に系統容量に比して比較的小さな容量の発電電動装置
に好適である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、交流励磁同期機の有効電力制御に伴っ
て現われる虞れのある回転速度変動を抑えることができ
るから、揚水発電システムなどで運転条件によって発生
する回転速度の不安定現象を安定化する効果がある。ま
た、原動機側の速度制御装置との干渉で発生する回転速
度振動を抑制する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による交流励磁回転電機制御装置の一実
施例を示すブロック図、第２図、第３図及び第４図はそ
れぞれ本発明の他の一実施例を示すブロック図、第５図
は従来例のブロック図、第６図は有効電力制御時での発
電機トルクと水車トルクの関係を示す特性図、第７図は
回転速度変動を説明するための特性図である。 １・・・・・・交流電力系統、２・・・・・・系統しゃ
断器、３・・・・・・主変圧器、４・・・・・・同期投
入しゃ断器、５・・・・・・交流励磁同期機、６・・・
・・・周波数変換装置、７・・・・・・励磁用変圧器、
８・・・・・・サイリスタ電力変換装置、９・・・・・
・位相検出器、１０・・・・・・電圧変成器、１１・・
・・・・電圧位相演算器、１２・・・・・・レゾルバ装
置、１３・・・・・・すべり位相演算器、１４・・・・
・・励磁電流制御装置、１６・・・・・・自動パルス移
相器、１８・・・・・・電流変成器、１９・・・・・・
計測器（Ｐ、Ｖセンサ）、２０・・・・・・自動有効電
流制御装置（ＡＰＲ）、２１・・・・・・自動電圧制御
装置（ＡＶＲ）、２２・・・・・・系統周波数検出用変
換器、２３・・・・・・回転周波数検出用変換器、２４
・・・・・・不感帯回路、２５・・・・・・すべり周波
数補正制御回路、２６・・・・・・補償信号光主回路、
２７・・・・・・位相進み補正信号発生回路、２８・・
・・・・バンドパスフィルタ、２９・・・・・・比例要
素。 代理人　　弁理士　　武　顕次部（外１名）第６図 第７図 時間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電力系統に接続した電機子巻線と、該交流電力
   系統から周波数変換装置を介して交流励磁電力が供給さ
   れるようにした励磁巻線とを有する交流励磁同期機を備
   え、上記交流電力系統の周波数と上記交流励磁同期機の
   回転周波数との差で表わされるすべり周波数に応じて上
   記交流励磁同期機の有効電力出力を制御する方式の交流
   励磁回転電機制御装置において、上記すべり周波数を表
   わす信号に進み位相補償を与えて補償信号を発生する補
   償信号発生回路を設け、上記すべり周波数に応じて行な
   われる有効電力の出力制御に上記補償信号による制御が
   重畳されるように構成したことを特徴とする交流励磁回
   転電機制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記補償信号発生
   回路が上記すべり信号を入力とする不完全微分回路であ
   り、この出力である補償信号が有効電力出力指令から減
   算されるように構成されていることを特徴とする交流励
   磁回転電機制御装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記補償信号発生
   回路が上記すべり信号を入力とする一次の位相変位回路
   であり、この出力である補償信号が有効電力出力を制御
   するための横軸電流指令から減算されるように構成され
   ていることを特徴とす交流励磁回転電機制御装置。 ４、特許請求の範囲第２項において、上記不完全微分回
   路に対する上記すべり信号の入力が、バンドパス・フィ
   ルタを介して行なわれるように構成されていることを特
   徴とする交流励磁回転電機制御装置。 ５、特許請求の範囲第２項において、上記すべり信号が
   、上記交流電力系統の周波数を一定のものとみなして算
   出されるように構成したことを特徴とする交流励磁回転
   電機制御装置。