JPH0332400A - 永久磁石式同期発電機の制御方式 - 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、例えば中小容量の発電システムを電力系統に
連系する分散型発電システムに用いる永久磁石式同期発
電機の制御方式に関し、特に、該発電機が高速である場
合に周波数変換装置を設けて電力系統と連系し、負荷が
変動しても発電機出力端子電圧を一定に維持することが
できる制御方式に関する。

（従来の技術） 例えば、高速同期発電機を交流電力系統に接続して連系
をとる場合、一般に第２図に示す発電システムが用いら
れている。この場合、発電システムの出力周波数を電力
系統の周波数に一致させるために、電力用半導体を用い
た周波数変換装置を設置することが必要となる。

この第２図において、高速の同期発電機１から出力され
る高周波の電圧・電流はサイリスタ、ダイオードなどに
より構成される順変換器２により一旦直流量に変換され
る。さらに、この直流量は逆変換器３により電力系統の
商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）と同一の交流量に
変換される。これらの順変換器２及び逆変換器３の制御
ば制御装置４により行われる。そして、逆変換器３の交
流出力は遮断器５を介し電源系統６に供給され、発電シ
ステムと電源系統６との連系が行われる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、一般に同期発電機では負荷が増加すると出力
端子電圧が低下する傾向を示す。このため、回転子に巻
線形のものを使用する巻線形同期発電機では、負荷が太
きいときには界磁電流を調節して出力端子電圧の低下を
防止することが行われる。ところが、特に電力系統に接
続する高速同期発電機においては、機械強度−Ｌの制限
や発電システムの小型化の要請等の郡山から、巻線形の
ものよりは永久磁石形の回転子を用いる方が好ましい場
合がある。

しかし、このような永久磁石式同期発電機には次の問題
がある。すなわち、該発電機の場合には界磁磁束は永久
磁石により生じるので界磁磁束の調整を行うことができ
ない。これは、換言すれば永久磁石式同期発電機では巻
線形同期発電機の界磁電流１ｆｌｃ相当する仮想の等価
界磁電流ｉｆ′が一定であることによるものである。こ
のため、永久磁石式同期発電機では、負荷電流が増大し
た場合に発電機の出力端子電圧の低下を余儀なくされる
ので、その電力を効率よく活用できないという問題があ
る。

本発明は、−）−記問題点を解決するためになされたも
ので、負荷が増加しても出力端子電圧が低−トすること
のない永久磁石式同期発電機の制御方式を提伏すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段） 発明者らは、永久磁石式同期発電機の出力電圧が負（１
ｉの増加に伴い低ｌＺする原因は、遅れ電流が大きくな
り有効磁束鎖交数が減少するためであるという事実に若
［１した。そして、順変換器の制御を進み電流が通流す
るように行い、有効磁束鎖交数を一定しこずれば、同期
発電機の出力端子電圧の低下を防止することができると
の知見を得た。

すなわち本発明は、永久磁石式同期発電機の出力側に進
み電流から遅れ電流まで調節可能な順変換器を設け、前
記順変換器の制御により電力調整を行う永久磁石式同期
発電機の制御方式において、前記同期発電機の電機子電
流を座標変換により有効電力に寄与するトルク電流成分
と端子電圧に寄与する磁束電流成分とに分離し、前記同
期発電機の出力電圧が一定となるようにトルク電流設定
値及び磁束電流設定値をそれぞれ演算し、これらの演算
値に基づき前記順変換器を制御することにより、発電機
の出力端子電圧の低下を防止し、かつ有効電力を効率よ
く制御するものである。

（作用） まず、永久磁石式同期発電機の定常状態の基本方程式を
以下レコ示す。電機子電流の座標変換軸は有効磁束’Ｐ
ｎを１に準とする方向をＭＩｌｉｌｌＩとし、Ｍ軸に直
交する方向をＴ軸としである。また、有効磁束Ｖ。は電
機子電流により生ずる磁束と永久磁石による磁束とのベ
クトル和である。

いま、直軸電機子反作用リアクタンスを工ａｄ、横軸電
機子反作用リアクタンスをｘｎｑ、電機子漏れリアクタ
ンスを工。とすると、直軸同期リアクタンスエｄ及び横
軸同期リアクタンスｘｑは以下のように表される。

工ｄ＝工ａｄ＋ｘ１１ 工ｑ＝工ａｑ　＋　）１．　ａ ここで、同期機の突極性を無視すると 工ａｄマ工、１９．即ちｘｄ’５工ｑが一般に成立する
。

有効磁束車○のＭ、］゛成づ）をＶ口、市Ｔ０とすると
となる。ここで、δは磁極と有効磁束マ。（ｖＭ、）と
のなす角、ｊＭは磁束電流、ｊ−Ｔは１−ルク電流、１
ｆは等価界磁電流である。

また、同期発電機の端ｆ電圧のＭ　、　Ｔ成分ｅＭ。

０丁（ま、 となる。ここで、ｒａは電機子巻線抵抗、ωは角周波数
である。なお、有効磁束Ｔ口は永久磁石の直軸方向の有
効磁束をｖｄ　ｏ、横軸方向の有効磁束を市９゜とする
と軍ｏ　＝　Ｖ”Ｐ　ａ−い凸Ｊとなっている。

したがって、負葡電流の増加に伴う同期発電機の端子電
圧降下を防ぎ、この端子電圧を一定にするためには、電
機子巻線の有効磁束マＩを一定に維持することが必要と
なる。

以下に有効磁束軍。を−・定に維持するためのコ阿。

１丁の条件を算出する。

まず、（１）式より。

ｖＭｌｌ＝工ａｄ’ｉＭ＋工ａｄ’　ｉ　ｆ’ｃＯ８δ
−ｔＦ、　−（３）’ＰＴｏ−工ａｄ−ｊ丁＋　＄ａｄ
’　１　ｆ’Ｓｉｎδ＝Ｏ−（４）である。従って、（
３）式、（４）式より、− ］ｓ＝：　　　　（’Ｐ。　　ｊＣａｄ　’　］、　ｆ
　’　ＣＯ９δ）　　　−（３）’ｘ［１ｄ ｓｊｎδ　＝−□ 　ｆ ・・・（４）′ となる。

従って、 （３）′式、 （４）′式及び三角関数の ７ 基本公式ＣＯ３δ＝ｒ「ｔ「問１より、ｉＮ＝　　　　
（市。−工。ｄＪ］］７−］二♂）　　　・・・（５）
工ｌｌｄ が導出される。

つまり、ｉｒの変化に従って、（５）式を満足するよう
にｊＴ４を調整すれば、有効磁束軍。すなわち端子電圧
を一定に制御することが可能となる。

また、このときのイ１″動電力Ｐ及び無効電力Ｑは、（
２）式より。

となる。

ところが、ｒａ二〇なので、 Ｐ雲ωＷａｉｔ となり、 （７） ω　軍口 が導出される。

従って、所望の有効電力を出力し、かつ電機子巻線端子
電圧を一定に維持するためには、−■−記の条件式、 ｉＭ＝　　　　（ｖｎ　　ｊＣｌｌｄｖ”Ｔ〒」二ｉ　
Ｔ’）　　　　・（５）工　Ｉ％ｄ 」Ｔ−□　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（７）ωｖ０ を満足するように制御すれば、永久磁石式同期発電機の
負荷が増大してもその出力電圧が低下することがない。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

なお、本実施例は、永久磁石式同期発電機を交流系統と
連系する場合の実施例であり、連系システムの基本構成
は第２図に示すものと同一である。

また、第１図は第２図に示す制御装置４に相当する制御
装置を具体的に例示するブロック図である。なお、第１
図の制御装置においては逆変換器制御部は周知であるの
で、図示を省略しである。

第１図において、まず、外部から与えられた有効電力指
令値ＰＩは除算器１１により発電機出力周波数ωで除算
され、さらに、この演算値は除算器１２により有効磁束
甲○で除算されてＰ″′′バωｖｏ演算される。この演
算値は、前記（７）式から明らかなようにトルク電流指
令値〕Ｔ″となる。１−ルク電流指令値１Ｔ″は更に加
算器１３に入力されてトルク電流実際値１Ｔと比較され
、これらの値の偏差ｉ丁”−ｊＴがＰＩ（比例・積分）
調節器ｊ４に入力される。そして、Ｐ丁調節器１４は、
前記偏差がゼロとなるようにベクトル変換器（二相・三
相変換器）を含んだ点弧角調整器１５に調節信号を出力
する。

一方、前記トルク電流指令値１Ｔ１′は乗算器１６によ
り二乗されて１Ｔ１２′となった後、加算器１７に入力
される。加算器１７には、等価界磁電流ｉｆが乗算器１
８により二乗されて］ｆ２として入力されており、この
ｊＴ２から前記ｉＴ＊２を減算する。この減算値ｉ　ｆ
２−　〕、　ｊＴは平方根演算器１９により、ｆ丁７；
］耳”とされた後、加算器２０に入力される。この加算
器２０には、前記有効磁束マ。と電機子反作用リアクタ
ンスエ８ｄとの除算値ｖａ　／工ａｄが倍数器２１から
入力されており、前記軍。／Ｚａｄから平方根ｆ］コ７
；＝「７１を減算する。

この減算結果は、（５）式の右辺に相当するものである
ので、加算器２０の出力は磁束電流指令値ｉ−となる。

この磁束電流指令値ｉ−は更に加算器２２に入力されて
磁束電流実際値ｊＭと比較され、各個の偏差ｊｌｌ”−
ｊｘがＰＩ調節器２３に入力される。ＰＩ調節器２３は
、その入力がゼロとなるように調節信号を前記点弧角調
整器１５に出力する。

そして点弧角調整器１．５はＰＩ調節器１４．２３から
の二相信号を二相信号に変換した後、点弧角信号を第２
図の順変換器２に出力する。これにより、永久磁石式同
期発電機の出力端子電圧を一定に保ちながら有効電力を
指令値通りに調整することが可能となる。

なお、第３例及び第４図は本実施例が適用される発電シ
ステムの一例を示すものであり、第３図は電圧形電力変
換装置を、第４図は電流形電力変換装置を示している。

各図の電力変換装置においては、進み負荷電流を吸収す
る順変換器２ａ、２１１− すとして自己消弧形電力用半導体素子（各図においては
ＧＴＯサイリスタ）を適用したものを使用している。

このように順変換器２　ａ、２　ｂに自己消弧形の電力
用半導体素子を適用することにより、永久磁石式同期発
電機］−の出力電流を遅れ位相から進み位相まで制御す
ることが可能となる。また、第３図及び第４図では、自
己消弧形素子としてＧＴ○サイリスタを使用した例につ
いて示たが、パワートランジスタ、Ｉ（ＥＢＴ、ＳＩサ
イリスタなどの素子を用いることも可能である。なお、
第３図及び第４図において、３　ａ、３　ｂは逆変換器
、７は定電圧用コンデンサ、８は連系用リアクトル、９
は電流平滑用リアクトルをそれぞれ示す。

以上のように、上記実施例では高速同期発電機を交流送
電系統に接続する場合について説明したが１本発明は直
流系統に接続する場合についても適用できる。この場合
には、例えば、第３図の電力変換装置から逆変換器３ａ
を取り除いた変換装置が用いられる。

１２− （発明の効果） 以上のように本発明によれば、永久磁石式同期発電機に
接続する順変換器としてＧＴＯサイリスタ等からなる変
換器を用いて進み電流から遅れ電流までを自由に調整可
能とし、該発電機の出力する電流を極座標変換理論を用
いて有効電力に比例するトルク電流成分と、端子電圧に
比例する磁束電流成分に分離して制御することにしたの
で、発電機の出力端子電圧を一定に制御することが可能
となる。従って、永久磁石式同期発電機の負荷が増加し
た場合に端子電圧の低下を防止することができ、巻線形
同期発電機と同様に発電機の有効利用を図ることができ
る。また、本発明を使用すれば有効電力や端子電圧の高
速調整が可能となる。

更に、永久磁石式同期発電機は巻線形同期発電機と比較
しての界磁巻線やスリップリングが不要であり、界磁回
路のトラブルも少ない■より高速の運転が可能■小型で
ある等の利点を有するので例えば交流系統との連系を行
う発電システムレこおいて本発明を採用した永久磁石式
同期発電機を積極的に導入することにより、発電システ
ム全体の管理・維持が容易となり、かつシステムの小型
化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に使用される制御装置の順変換器
制御部を示すブロック図、第２図は本発明の実施例及び
従来技術を説明するための発電システムの構成図、第３
図及び第４図は本発明が適用される電力変換装置の構成
図である。 ２・・・順変換器 ４・・・制御装置 ６・・・電源系統 １３．１７，２０．２２・・・加算器 】５・・・点弧角調整器 １９・・平方根演算器 １・・・永久磁石式同期発電機 ３・・逆変換器 ５・・・遮断器 １、　］、　、　１２・・・除算器 １４　、２３・・ＰＩ調節器 ］、６　、’　１．８・・・乗算器 ２１・・・倍数器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　永久磁石式同期発電機の出力側に進み電流から遅れ電
   流まで調節可能な順変換器を設け、前記順変換器の制御
   により該発電機の電力調整を行う永久磁石式同期発電機
   の制御方式において、 前記同期発電機の電機子電流を座標変換により有効電力
   に寄与するトルク電流成分と端子電圧に寄与する磁束電
   流成分とに分離し、前記同期発電機の出力電圧が一定と
   なるようなトルク電流設定値及び磁束電流設定値をそれ
   ぞれ演算し、これらの演算値に基づき前記順変換器を制
   御することを特徴とする永久磁石式同期発電機の制御方
   式。