JPH03143282A - 発電電動機の制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は揚水始動時揚水ポンプを駆動する電動機として
運転される発電電動機に接続され、ＰＷＭ制御方式のイ
ンバータにより発電電動機を交流励磁して可変速制御す
る制御装置に関する。

（従来の技術） 揚水発電設備において、巻線形回転子を持つ発電電動機
を揚水ポンプを駆動する電動機として運転する場合、交
流電源系統からの交流をコンバータにより直流に変換し
、その直流出力をＰＷＭ制御方式のインバータにより可
変周波数の交流に変換し巻線形回転子を二次励磁して発
電電動機を可変速制御するようにしている。

地４図はかかる揚水発電設備における発電電動機を励磁
する主回路の構成例を示すものである。

第４図において、１は巻線形回転子を持つ発電電動機で
、この発電電動機１の固定子はしゃ断器２を介して図示
しない交流電源系統に接続されている。また、３は交流
電源系統より電源変圧器４を介して必要な大きさの交流
電圧が入力されると、これを直流に変換するコンバータ
、５はこのコンバータ３により変換された直流が平滑コ
ンデンサ６を通して人力される正弦波ＰＷＭ制御方式の
インバータで、このインバータ５は直流を可食周波数の
交流に変換して発電電動機１の回転子を二次励磁するも
のである。さらに、７は発電電動機１を揚水ポンプを駆
動する電動機として始動するとき、発電電動機１の固定
子を短絡するための断路器である。

このような構成の発電電動機の励磁システムにおいて、
揚水始動時にはしゃ断器２を開放し、断路器７を閉じて
一次側を短絡した状態でインバータからの可変周波数の
交流励磁電流を二次側に与え、発電電動機１をかご形誘
導電動機として始動する。また、通常の揚水運転時には
しゃ断器２を閉じ、断路器７を開放した状態で発電電動
機１の固定子、すなわち−次側に系統周波数の電圧が与
えられ、また回転子、すなわち二次側にはインバタ５よ
り運転速度に相当する周波数と系統周波数の差の周波数
の交流励磁電流が与えられることにより、発電電動機１
は可変速運転される。

ところで、コンバータ３より入力される直流を可変周波
数の交流に変換して発電電動機１の二次側を励磁する正
弦波ＰＷＭ制御方式のインバータ５は例えば第５図に示
すような回路の変換器を構成しており、この変換器は第
６図に示すような制御装置により制御される。但し、実
際には三相回路であるが、第５図および第６図において
は、説明の便宜上単相回路で示しである。

インバータ５は第５図に示ずようにＧＴＯ素子素子−１
〜Ｇ４イオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続して構成され
ている。

また、制御装置は第６図に示すように インバータＨ４カミ流基準（瞬目。１７値）■、。とイ
ンバータ出力本流（瞬■、ｌｉ値）Ｉｓとの偏差を電流
制御器１１に与えて目標値電圧ｅｉを得ている。そして
、この目標値電圧ｅｉと三角搬送波発生器１２から発生
する三角搬送波とを比較してその偏差をゲートパルス発
生器１３−１．１３−２に人力してゲートパルスを発生
させるようにしている。

ここで、インバータ５の制御動作について第７図に示す
タイムチャートを参照しながら述べる。

交流出力の目標値電Ｊ［ｅｉと三角搬送波Ｘ、Ｙとを比
較してＧＴＯ素子をオン、オフし、一定の直流電圧ＶＤ
から波高値ＶＤのパルスを作る。その結果、交流出力の
目標値電圧ｅｉの瞬間値の高いところではパルスの幅が
広くなり、目標値電圧ｅｉの瞬助値の低いところではパ
ルスの幅が狭くなる。このパルスの平均電圧波形Ｖ１は
目標値電圧波形とｋ（ｖしくなる。このような制御原理
により直流電圧を一定の周波数でスイッチングしてパル
ス幅を走化させることにより、正弦波パルス幅嚢調（Ｐ
ＷＭ）によりインバータ５を制御することができる。

（発明か解決しようとする課題） このように揚水発電設備における発電電動機１を揚水ポ
ンプを駆動する電動機として始動し、運転する場合には
インバータ５を前述した制御器置でＰＷＭ制御して正弦
波交流を得、これを発電電動機１の二次側に与えて可変
速制御するようにしている。しかし、かかる従来の発電
電動機の制御装置において、発′ｆ４５電動機をかご形
誘導電動機として始動する場合、インバータの容量が発
電電動機の容量に比べて十分に大きい場合には同期速度
付近まで発電電動機を始動することか可能であるが、可
変速運転の速度幅が狭い場合には次のような押出により
インバータの容量が小さいものとなり、発電電動機を同
期速度付近まで始動することが不可能なことがある。

誘導電動機の最大発生トルク（始動トルク）は、概路次
の式（−次側換算式）で表わされる。

Ｔ＝　［（Ｅ２　・ａ／Ｅ＋　）／ｎｌ　２／２Ｘ・・
・（１） ここで、Ｅｌ　：発電電動機の一次電圧、Ｅ２　：発電
電動機の二次電圧、ａ：巻数比（−次側巻線／二次側巻
線）、ｎ　速度（速度／同期速度）、Ｘ：発電電動機の
インピーダンス 徒って、上記（１）式より分るようにインバー夕の出力
電圧、すなわち発電電動機の二次電圧が一’Ｍの場合、
速度が」二昇するに連れて始動トルクは減少する。もし
、加速中に反抗トルクが始動トルクに達するとそれ以上
の加速を行なうことはできない。

また、最大二次電圧は、 Ｅ２−（Ｅ＋　／ａ）　　・ｓ　　　　　　−（２）Ｓ
：通常運転峙のすべりの最大値 なので、（１）式は次のように表わすこともできる。

Ｔ−（ｓ／ｎ）　　２　／２Ｘ　　　　　　　　　　−
＝　　（３）このことは通常運転叫のすべりの最大値が
小さいほど、すなわちインバータの容量が小さいほど最
大始動トルクは小さいことを意味する。

さらに、発電電動機の二次電圧Ｅ２はインバータの出力
電圧にましいので、始動トルクはインバータの出力電圧
の２乗に比例するが、インバータの出力線間電圧（失効
値）■、は直流リンク電圧ｖｎに対して次の式で表わさ
れる。

Ｖｌ−ｉ／２ｆｌ−に−Ｖ、　　　・　（４）ここで、
ｋはＰＷＭ制御を行なうこと等による電圧低下係数てあ
り、主にインバータブリッジ内の上下アームか同時にオ
フする期間による電圧低下を示すものである。上下のア
ームが同時にオンするのを避けるため、このｋとしては
最大で０．７〜０．８程度の値となる。従って、インバ
ータの出力線間電圧（失効値）ｖｌは最大で０．４〜０
．５Ｖｎ程度の値になってしまう。

本発明は発電電動機を始動することが不可能な小容量の
ＰＷＭ制御方式のインバータでも発電電動機を同期速度
付近まで始動することができる発電電動機の制御装置を
堤供することを目的とする。

［発明の構成］ （疎通を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、揚水始動時揚水ポ
ンプを駆動する電動機として運転される発電電動機に接
続され、交流電源系統からの交流を直流に変換するコン
バータおよびその直流出力を可変周波数の交流に変換す
るＰＷＭ制御方式のインバータにより前記発電電動機を
交流励磁して可食速制御する制御装置において、前記発
電電動機を電動機として始動するとき前記インバータに
ＰＷＭ制御方式による最大出力型ｊ工よりも高い実効値
の出力電圧を発生させるパルス躯の制御伝号により前記
インバータを制御する制御手段を備えた構成とするもの
である。

（作用） このような構成の発電電動機の制御装置にあっては、発
電電動機を揚水ポンプを駆動する電動機として始動する
際にはインバータをＰＷＭ制御を行なわず、ＰＷＭ制御
方式による最大出力電圧よりも高い実効値の出力電圧を
発生させるパルス幅の制御信号によりインバータを制御
することにより、始動トルクがインバータの出力電圧の
２乗に比例するので、ＰＭＭ制御を行うときよりも大き
きな始動トルクが得られ、ＰＭＭ制御では始動できない
場合でも確実に発電電動機を始動することかｉ■能とな
る。

（実施例） 以ド本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明による揚水発電設備における発電電動機
の制御装置の構成例を示すブロック図であり、第６図と
同一部分には同一記号を付してその説明を省略し、ここ
では異なる点についてのみ述べる。本実施例では第１図
に示すようにＰＷＭ制御系とは別個に周波数設定器１４
から入力される周波数指令値に応じた周波数のパルス信
号を発生する可変周波発振器１５を設け、発電電動機の
始動時にこの可変周波発振器１．５から出力されるパル
ス信号を切換スイッチ１６を通してゲートパルス発生器
１３−１．１．３−２に与えるようにしたものである。

次に作用について述べるに、まずゲートパルス発生器１
３−１．１３−２が切換スイッチ１６によりＰＷＭ制御
系側に接続されている状態で発電電動機を揚水ポンプを
駆動するかご形誘導電動機として始動する。このときイ
ンバータ５は従来例で述べたようなＰＷＭ制御によりか
ご形誘導電動機の四転子が励磁される。次にかご形誘導
電動機０ が予定の速度まで上昇した時点でゲートパルス発振器１
３−１．１３−２の人力を切換スイッチ１６によりＰＷ
Ｍ制御系側から可食周波発振器１５側に切換える。する
と、内■変周波発振器］５から発生ずる周波数指令値に
よる周波数のパルス信号か切換スイッチ１６を通してゲ
ートパルス発生器１３−１．１３−２にそれぞれ与えら
れる。

このゲートパルス発生器’＋３−１．１３−２では可変
周波発振器１５から人力されるパルス信号に合わせて発
生するゲートパルスが第５図に示すインバータ５のＧＴ
Ｏ素子Ｇｌ、Ｇ２とＧ３．Ｇ４とに与えられる。この場
合、ゲートパルス発生器１３−１．１．３−２からイン
バータ５の各ＧＴＯ素子に与えられるゲートパルスはＰ
ＷＭ制御方式による最大出力電圧よりも高い失効値の出
力電圧を発生させるに必要なパルス幅に設定されている
。

これによりインバータ５の各ＧＴＯ素子は第２図に示す
ようにオン、オフ制御され、インバータ５の出力電流は
方形波になる。このときのインバータ５の出力線間電圧
（実効値）Ｖｌは直流リンク１ 電圧Ｖ。に対して次の式で表される。

ｖ＋＝２．ｖ’丁／　ｒｒ　Ｊ”ｒ　・Ｖ　Ｄ　＝　０
．７８　Ｖ　。

・・・（５） 徒って、上記（５）式から分るように方形波を出力する
ときの電圧（失効値）は、（４）式に示す正弦波ＰＷＭ
制御を行なうときよりも高く、これを発電電動機の揚水
始動に用いれば始動トルクが増加する。すなわち、揚水
始動時には第４図で説明したように発電電動機１の一次
側を短絡し、二次側にこの方形波電圧を与えることによ
って、１Ｆ弦波Ｐ　Ｗ　Ｍ　ｊｌｌｌｌ　ｉＪ’［ｌで
はトルクか不足して始動できない場合でも始動すること
ができる。

第３図（ａ）は正弦波ＰＷＭ制御で始動する場合、第３
図（ｂ）は途中から方形波電圧に切換えて始動する場合
のそれぞれの加速例を示すものである。第３図（ａ）、
（ｂ）を刻比すれば明らかなように、途中で方形波制御
に切換えた方が遥かに加速度が大きいことが分かる。

なお、低速のうちに方形波制御を行なうとトルクリップ
ルによって加速が乱調になるが、速度か２ ある程度」二昇してから方形波制御を行うことにより、
回転子の慣性によりトルクリップルの影響はほとんどな
い。逆に低速のうちは正弦波ＰＷＭ制御でも大きな加速
トルクが得られ、発電電動機、揚水ポンプの反抗トルク
が小さいので方形波制御を行なう必要がない。

また、もし通常の運転で方形波制御を行なうとすれば、
交流電源系統への高調波の影響が問題になるが、第３図
で述べたように始動中はしゃ断器を開いているので、交
流電源系統へ高調波が流出することはない。

上記実施例では回転子巻線を持つ発電電動機をＰＷＭ制
御方式のインバータにより交流二次励磁する場合につい
て述べたが、従来の同期発電電動機において揚水始動時
に固定子にＰＷＭ制御方式のインバータを接続して制御
する場合にも前述同様に適用実施できるものである。

また、上記実施例では可変周波パルス発ノ１三器１５か
らｈ゛形波パルスを発生させてゲートパルス発生器１３
−１．１３−２に与えるようにしたが、３ インバータ出力ｍＭＥ目標値（瞬時値）■、７を始動時
にある一定値として与えるようにしてもよい。

このようにすれば、始動加速中にトルクが低下し失熱の
インバータ出力電流が下がって目標値ＩＳ′との偏差が
増大すると、第７図に示す交流出力の目標値電圧ｅｉの
振幅が三角搬送波Ｘ、　Ｙの振幅より大きくなり、連続
通電の幅がだんだん大きくなって、ついには方形波を出
力するので、この方形波をゲートパルス発生器１３−１
゜１３−２に与えることにより、前述同様の作用効果を
冑ることかできる。

し発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、従来では発電電動機
を始動することが不可能であった小容量のＰＷＭ制御方
式のインバータでも発電電動機を同期速度付近まで始動
することができ、また加速に対するトルクリップルの影
響も少なく、しかも交流電源系統へ高調波の影響を与え
ることもない発電電動機の制御装置を提供することがで
きる。

　４ ４、図面の１Ｔｔｉ弔Ｉよ説明 第１図は本発明による発電電動機の制御装置の一実施例
を示すブロック図、第２図は同実地例の作用を説明する
ためのタイムチャート、第３図は正弦波ＰＷＭ制御と方
形波制御を実施した場合の発電電動機の加速状態を比較
して示す特性図、第４図は揚水始動時に発電電動機を励
磁する主回路を示す構成図、第５図は第４図のインバー
タを示す回路図、第６図は正弦波ＰＷＭ制御インバータ
の制御装置を示すブロック図、第７図は同制御装置の動
作原理を説明するためのタイムチャートである。

１・・発電電動機、２・・・しゃ断器、３・・・コンバ
ータ、４・・・電源変圧器、５・・インバータ、６・・
・１ろ滑コンデンサ、７・・・断路器、１１・・・電流
制御器、１２・・・三角搬送波発生器、１Ｂ−１，１３
−２・・・ゲートパルス発生器、１４・・・周波数設定
器、１５・・可変周波パルス発生器、１６・・・切換ス
イッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 揚水始動時揚水ポンプを駆動する電動機として運転され
   る発電電動機に接続され、交流電源系統からの交流を直
   流に変換するコンバータおよびその直流出力を可変周波
   数の交流に変換するＰＷＭ制御方式のインバータにより
   前記発電電動機を交流励磁して可変速制御する制御装置
   において、 前記発電電動機を電動機として始動するとき前記インバ
   ータにＰＷＭ制御方式による最大出力電圧よりも高い実
   効値の出力電圧を発生させるパルス幅の制御信号により
   前記インバータを制御する制御手段を備えたことを特徴
   とする発電電動機の制御装置。