KR20240099489A - 사이리스터 기동 장치 - Google Patents

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야스아키 마츠모토
히로시 오기노
아키노부 안도
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가부시키가이샤 티마이크
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Abstract

사이리스터 기동 장치의 컨버터 제어부(8)는, 전류 지령값에 대한 직류 전류의 편차의 적분 요소를 이용한 제어 연산을 행하는 것에 의해, 컨버터(1)의 출력 전압의 전압 지령값을 생성하는 전류 제어부(14)와, 전압 지령값에 보정값을 가산하는 보정부(15)와, 보정값이 가산된 전압 지령값에 근거하여, 컨버터(1)에 있어서의 사이리스터의 위상 제어각을 연산하는 제어각 연산부(16)를 포함한다. 단속 전류 모드에 있어서, 보정값은, 동기기의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 설정된다.

Description

사이리스터 기동 장치
본 개시는, 사이리스터 기동 장치에 관한 것이다.
발전기 및 전동기 등의 동기기(同期機)를 기동하기 위한 사이리스터 기동 장치가 개발되고 있다(예를 들어 국제 공개 제2014/033849호 명세서(특허문헌 1) 참조). 사이리스터 기동 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해 주어지는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기기에 공급하는 인버터를 구비하고 있다. 동기기에 공급하는 교류 전력을 제어하는 것에 의해, 정지 상태의 동기기를 기동시켜 소정의 회전 속도로 구동시킬 수 있다.
[특허문헌 1] 국제 공개 제2014/033849호 명세서
상기 사이리스터 기동 장치에 있어서는, 동기기의 기동시나 저속시에는 동기기에 발생하는 유도 전압이 낮기 때문에, 인버터의 전류(轉流; commutation)(전류(電流)가 전환하는 것)가 실패하는 경우가 있다. 그 때문에, 사이리스터 기동 장치에서는, 동기기의 기동시 및 저속시에는, 컨버터로부터 출력되는 직류 전류를 단속적(斷續的)으로 영으로 하여 인버터의 전류를 행하는 「단속 전류(斷續電流)」가 채용되고 있다.
단속 전류에서는, 일반적으로, 인버터의 전류 지령(轉流指令)과 동시에 컨버터의 위상 제어각을 좁히는 것에 의해, 직류 리액터를 흐르는 직류 전류를 일단 영으로 하여, 다음에 전류해야 할 인버터의 사이리스터에 다시 게이트 펄스를 주어, 전류시킨다. 그리고, 직류 전류가 영으로 되는 시간이 일정 시간(인버터의 사이리스터의 소호(arc extinction)에 필요한 시간에 상당) 경과하면, 컨버터에서는, 위상 제어각의 좁힘이 해제되고, 직류 전류가 전류 지령값과 일치하기 위한 점호 위상(firing phase)의 제어가 재개된다. 이것에 의해, 다시 직류 리액터에 직류 전류가 흐르기 시작한다.
직류 리액터에 흐르는 전류는, 컨버터의 출력 단자간의 직류 전압과 인버터의 입력 단자간의 직류 전압의 차이에 의존한다. 인버터의 입력 단자간의 직류 전압은, 동기기의 회전 속도가 빨라짐에 따라 증대한다. 그 때문에, 컨버터의 점호 위상의 제어에 이용하는 정수가 고정인 경우, 동기기의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 직류 전류가 전류 지령값과 일치시키는 제어의 응답성이 저하한다.
본 개시는, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, 그 목적은, 단속 전류 시에 있어서의, 직류 리액터를 흐르는 직류 전류의 제어의 응답성을 개선할 수 있는 사이리스터 기동 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 임의의 국면에 의하면, 동기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치는, 컨버터와, 직류 리액터와, 인버터와, 제어부를 구비한다. 컨버터는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 직류 리액터는, 직류 전력을 평활화한다. 인버터는, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해 주어지는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기기에 공급한다. 제어부는, 직류 리액터를 흐르는 직류 전류가 전류 지령값(電流指令値)과 일치하도록, 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어한다. 사이리스터 기동 장치는, 직류 전류를 단속적으로 영으로 하는 것에 의해 인버터의 전류(轉流)를 행하는 제1 모드와, 동기기의 유도 전압에 의해 인버터의 전류를 행하는 제2 모드를 차례차례 실행하는 것에 의해, 동기기를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다. 제어부는, 전류 제어부와, 보정부와, 제어각 연산부를 포함한다. 전류 제어부는, 전류 지령값에 대한 직류 전류의 편차의 적분 요소를 이용한 제어 연산을 행하는 것에 의해, 컨버터의 출력 전압의 전압 지령값을 생성한다. 보정부는, 전압 지령값에 보정값을 가산한다. 제어각 연산부는, 보정값이 가산된 전압 지령값에 근거하여, 컨버터에 있어서의 사이리스터의 위상 제어각을 연산한다. 제1 모드에 있어서, 보정값은, 동기기의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 설정된다.
본 개시에 의하면, 단속 전류 시에 있어서의, 직류 리액터를 흐르는 직류 전류의 제어의 응답성을 개선할 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1에 따른 사이리스터 기동 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 사이리스터 기동 장치의 동작을 나타내는 타임차트이다.
도 3은 도 1에 나타내는 컨버터 제어부의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 4는 참고 형태에 따른 사이리스터 기동 장치에 구비되는 컨버터 제어부의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 5는 컨버터의 양측 출력 단자와 음측 출력 단자 사이의 직류 전압과, 인버터의 양측 입력 단자와 음측 입력 단자 사이의 직류 전압의 차이를 나타내는 도면이다.
도 6은 적분기의 출력을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시의 형태 2에 따른 사이리스터 기동 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 8은 도 7에 나타내는 컨버터 제어부의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 9는 실시의 형태 3에 따른 사이리스터 기동 장치에 구비되는 컨버터 제어부의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
이하, 본 개시의 실시의 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하에서는, 복수의 실시의 형태에 대해 설명하지만, 각 실시의 형태에서 설명된 구성을 적당히 조합하는 것은 출원 당초부터 예정되어 있다. 또, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
［실시의 형태 1］
(사이리스터 기동 장치의 구성)
도 1은, 실시의 형태 1에 따른 사이리스터 기동 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 실시의 형태 1에 따른 사이리스터 기동 장치(100)는, 정지하고 있는 동기기(20)를 소정의 회전 속도까지 가속시키는 것에 의해, 동기기(20)를 시동시킨다. 이하의 설명에서는, 소정의 회전 속도를 「정격 회전 속도」라고도 칭한다.
동기기(20)는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW를 갖는 고정자와, 계자 권선(22)을 갖는 회전자를 포함한다. 동기기(20)는, 예를 들어 화력 발전소의 가스 터빈에 결합되어 있고, 가스 터빈에 의해 회전 구동된다.
사이리스터 기동 장치(100)는, 변압기 TR의 2차측에 접속되어 있다. 변압기 TR의 1차측은 교류 전원(30)에 접속되어 있다. 변압기 TR는, 교류 전원(30)으로부터 공급되는 삼상 교류 전압을 소정의 전압값의 삼상 교류 전압으로 변환하여 사이리스터 기동 장치(100)에 부여한다.
사이리스터 기동 장치(100)는, 컨버터(1), 직류 리액터(3), 및 인버터(2)를 구비한다. 컨버터(1)는, 적어도 6개의 사이리스터 RP, SP, TP, RN, SN, TN을 포함하는 삼상 전파 정류기이다. 사이리스터 RP, SP, TP의 캐소드는 동시에 양측 출력 단자(1a)에 접속되고, 그들의 애노드는 각각 입력 단자(1c, 1d, 1e)에 접속된다. 사이리스터 RN, SN, TN의 캐소드는 각각 입력 단자(1c, 1d, 1e)에 접속되고, 그들의 애노드는 동시에 음측 출력 단자(1b)에 접속된다. 컨버터(1)는, 변압기 TR로부터의 삼상 교류 전력을 가변 전압의 직류 전력으로 변환한다.
직류 리액터(3)는, 컨버터(1)의 양측 출력 단자(1a)와 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a) 사이에 접속된다. 직류 리액터(3)는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id를 평활화한다. 컨버터(1)의 음측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 음측 입력 단자(2b)는 서로 접속된다. 또한, 또 하나의 직류 리액터(3)가, 컨버터(1)의 음측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 음측 입력 단자(2b) 사이에 접속되어 있어도 좋다.
인버터(2)의 3개의 출력 단자(2c, 2d, 2e)는, 동기기(20)의 3개의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 각각 접속된다. 인버터(2)는, 적어도 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z를 포함하는 삼상 타려식(他勵式) 인버터이다. 사이리스터 U, V, W의 애노드는 동시에 양측 입력 단자(2a)에 접속되고, 그들의 캐소드는 각각 출력 단자(2c, 2d, 2e)에 접속된다. 사이리스터 X, Y, Z의 애노드는 각각 출력 단자(2c, 2d, 2e)에 접속되고, 그들의 캐소드는 동시에 음측 입력 단자(2b)에 접속된다.
사이리스터 기동 장치(100)는, 변류기(4, 5), 전압 검출기(6), 위치 검출기(7), 컨버터 제어부(8), 및 인버터 제어부(9)를 더 구비한다.
변류기(4)는, 변압기 TR로부터 컨버터(1)에 흐르는 삼상 교류 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 컨버터 제어부(8)에 부여한다.
변류기(5)는, 인버터(2)로부터 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 흐르는 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 부여한다.
전압 검출기(6)는, 인버터(2)로부터 동기기(20)에 공급되는 삼상 교류 전압 VU, VV, VW의 순간값을 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 부여한다. 구체적으로는, 전압 검출기(6)는, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 있어서의 삼상 교류 전압의 선간 전압 중 2개의 선간 전압(도 1에서는, U상-V상 사이의 교류 전압 VU-VV 및 V상-W상 사이의 교류 전압 VV-VW로 한다)을 검출한다. 또, 전압 검출기(6)는, 3개의 선간 전압(U상-V상 사이의 교류 전압 VU-VV, V상-W상 사이의 교류 전압 VV-VW 및, W상-U상 사이의 교류 전압 VW-VU)을 검출하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같이, U상-V상 사이의 교류 전압 VU-VV, V상-W상 사이의 교류 전압 VV-VW 및 W상-U상 사이의 교류 전압 VW-VU 중 적어도 2개의 선간 전압을 검출하는 것에 의해, U상, V상, W상의 교류 전압을 계산에 의해 구할 수 있다. 이 선간 전압으로부터 상 전압으로의 변환은, 전압 검출기(6) 또는 위치 검출기(7)에 있어서 행해진다.
위치 검출기(7)는, 변류기(5) 및 전압 검출기(6)로부터의 신호에 근거하여 동기기(20)의 회전자의 위치를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 컨버터 제어부(8) 및 인버터 제어부(9)에 부여한다.
컨버터 제어부(8)는, 변류기(4)로부터의 신호 및 위치 검출기(7)로부터의 신호에 근거하여, 컨버터(1)를 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 제어부(8)는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id가 소정의 전류 지령값 Id*와 일치하도록, 컨버터(1)를 전류 제어한다. 컨버터 제어부(8)의 내부 구조에 대해서는 후술한다.
인버터 제어부(9)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호에 근거하여, 인버터(2)의 점호 위상을 제어한다. 구체적으로는, 인버터 제어부(9)는, 제어각 연산부(10)와, 게이트 펄스 발생기(11)를 포함한다. 제어각 연산부(10)는, 검출된 동기기(20)의 회전자의 위치에 근거하여 위상 제어각(점호각) γ을 연산하고, 연산한 위상 제어각 γ을 게이트 펄스 발생기(11)에 부여한다. 또, 단속 전류 모드에 있어서, 제어각 연산부(10)는, 위상 제어각 γ을 0°로 설정한다. 게이트 펄스 발생기(11)는, 제어각 연산부(10)로부터 받은 위상 제어각 γ에 근거하여 인버터(2)의 사이리스터의 게이트에 부여하는 게이트 펄스(점호 지령)를 생성한다.
(사이리스터 기동 장치의 동작)
도 2는, 사이리스터 기동 장치(100)의 동작을 나타내는 타임차트이다. 도 2에는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id 및 동기기(20)의 회전 속도가 나타나고 있다.
사이리스터 기동 장치(100)에 있어서는, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 유도되는 역기전력(유도 전압)을 이용하여 인버터(2)에 있어서의 사이리스터의 전류가 행해진다. 이러한 전류는 「부하 전류(負荷轉流)」라고 불리고 있다.
그러나, 동기기(20)의 회전 속도가 느린 경우, 즉 동기기(20)의 기동 시나 저속 시에는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 발생하는 유도 전압이 낮기 때문에, 사이리스터의 전류가 실패하는 경우가 있다. 그 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 느릴 때에는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id를 단속적으로 영으로 하여 인버터(2)의 전류를 행하는 「단속 전류」가 채용되고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 사이리스터 기동 장치(100)는, 단속 전류 모드(제1 모드)와 부하 전류 모드(제2 모드)를 순차 전환하여 실행하는 것에 의해, 동기기(20)를 정지 상태로부터 정격 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다.
구체적으로는, 시각 t=0에서 정지 상태의 동기기(20)를 기동시키면, 사이리스터 기동 장치(100)는 단속 전류 모드를 실행한다. 단속 전류 모드시, 직류 전류 Id는 펄스 파형을 나타내고 있다. 도 2의 예에서는, 각 펄스의 파고값은 일정값으로 되어 있다(Id=I0). 파고값은, 예를 들면, 단속 전류 모드의 시간 중에 동기기(20)에 공급되는 교류 전력의 적산값이, 정지 상태의 동기기(20)를 변환 회전 속도까지 가속시키기 위한 전력량을 충족시키도록 설정된다. 펄스간의 휴지 시간 Δt는, 인버터(2)의 사이리스터의 소호(消弧)에 필요한 시간으로 설정되어 있다.
그리고, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10% 정도에 도달하면, 사이리스터 기동 장치(100)는, 단속 전류 모드를 부하 전류 모드로 전환한다.
(컨버터 제어부의 구성)
도 3은, 컨버터 제어부(8)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 컨버터 제어부(8)는, 전류 검출기(12)와, 속도 제어부(13)와, 전류 제어부(14)와, 보정부(15)와, 제어각 연산부(16)와, 게이트 펄스 발생기(17)를 포함한다.
전류 검출기(12)는, 변류기(4)에 의해 검출된 삼상 교류 전류를, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id로 변환한다.
전류 검출기(12)는, 정류 회로(121)와, 게인 곱셈기(122)를 포함한다. 정류 회로(121)는, 전파 정류형의 다이오드 정류기를 이용하여, 변류기(4)로부터 받은 삼상 교류 전류를 정류한다. 게인 곱셈기(122)는, 정류 회로(121)로부터의 출력 신호에 게인을 곱하는 것에 의해, 직류 전류 Id를 연산한다.
속도 제어부(13)는, 검출된 동기기(20)의 회전자의 위치에 근거하여, 동기기(20)의 회전 속도를 연산한다. 속도 제어부(13)는, 연산한 회전 속도에 근거하여, 직류 전류 Id의 목표값인 전류 지령값 Id*를 생성한다.
전류 제어부(14)는, 직류 전류 Id를 전류 지령값 Id*에 추종시키기 위한 제어 연산을 실행하여, 컨버터(1)의 출력 전압의 전압 지령값 VDC1*를 생성한다. 구체적으로는, 전류 제어부(14)는, 전류 지령값 Id*에 대한 직류 전류 Id의 편차 ΔId의 적분 요소를 이용한 제어 연산을 행하는 것에 의해, 전압 지령값 VDC1*를 생성한다.
전류 제어부(14)는, 감산기(141)와, 게인 곱셈기(142)와, 적분기(143)와, 가산기(144)를 포함한다. 감산기(141)는, 전류 지령값 Id*와 직류 전류 Id의 편차 ΔId를 연산하고, 연산한 편차 ΔId를 게인 곱셈기(142)와 적분기(143)로 출력한다. 게인 곱셈기(142)는, 편차 ΔId에 소정의 비례 게인 KP를 곱셈한다. 적분기(143)는, 편차 ΔId를 소정의 적분 게인 KI로 적분한다. 가산기(144)는, 게인 곱셈기(142) 및 적분기(143)로부터의 출력을 가산하여, 전압 지령값 VDC1*를 생성한다. 전압 지령값 VDC1*는, 컨버터(1)가 출력해야 할 직류 전압 VDC1을 규정하는 제어 지령에 상당한다. 이와 같이, 전류 제어부(14)는, 비례 적분(PI：Proportional-Integral) 연산하는 것에 의해 전압 지령값 VDC1*를 생성한다. 또, 전류 제어부(14)는, 비례 적분 미분(PID：Proportional-Integral-Differential) 연산을 행하도록 구성되어 있어도 좋다.
또, 컨버터 제어부(8)는, 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a)와 음측 입력 단자(2b) 사이의 직류 전압 VDC2보다 직류 리액터(3)에 의한 전압 강하(voltage drop)분만큼 커지도록 직류 전압 VDC1을 제어한다(도 1 참조). 이것에 의해, 직류 전류 Id가 제어된다.
보정부(15)는, 전류 제어부(14)에 의해 생성된 전압 지령값 VDC1*에 보정값을 가산하는 것에 의해, 전압 지령값 VDC1*를 보정한다.
보정부(15)는, 보정값 연산기(151)와, 가산기(152)를 포함한다. 보정값 연산기(151)는, 위치 검출기(7)에 의해 검출된 동기기(20)의 회전자 위치에 근거하여, 동기기(20)의 회전 속도를 연산한다. 보정값 연산기(151)는, 미리 정해진 보정 함수 F(x)에 회전 속도를 입력하는 것에 의해 보정값을 연산한다. 가산기(152)는, 전압 지령값 VDC1*와 보정값을 가산한다.
보정 함수 F(x)는, 설명 변수(explanatory variable) x를 회전 속도로 하고, 목적 변수(objective variable)를 보정값으로 하는 함수이다. 보정 함수 F(x)는, 단속 전류 모드에 있어서, 회전 속도가 빨라질수록 보정값이 커지도록 정해져 있다. 그 때문에, 보정부는, 단속 전류 모드에 있어서, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 보정값을 설정한다.
제어각 연산부(16)는, 보정값이 가산된 전압 지령값 VDC1*에 근거하여, 컨버터(1)에 있어서의 사이리스터의 위상 제어각 α을 연산한다. 제어각 연산부(16)는, 연산한 위상 제어각 α을 게이트 펄스 발생기(17)에 부여한다. 다만, 제어각 연산부(16)는, 단속 전류 모드에 있어서, 휴지 시간 Δt의 사이, 직류 전류 Id가 영으로 되도록, 위상 제어각 α을 좁힌다.
게이트 펄스 발생기(17)는, 제어각 연산부(16)로부터 받은 위상 제어각 α에 근거하여 컨버터(1)의 사이리스터의 게이트에 부여하는 게이트 펄스(점호 지령)를 생성한다. 게이트 펄스 발생기(17)에 의해 생성된 게이트 펄스에 따라 컨버터(1)가 스위칭 제어되는 것에 의해, 전류 지령값 Id*에 따른 직류 전류 Id가 컨버터(1)로부터 출력된다.
(이점)
실시의 형태 1에 따른 사이리스터 기동 장치(100)의 이점에 대해, 참고 형태에 따른 사이리스터 기동 장치와 비교하면서 설명한다.
도 4는, 참고 형태에 따른 사이리스터 기동 장치에 구비되는 컨버터 제어부의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 참고 형태에 따른 사이리스터 기동 장치는, 도 1에 나타내는 사이리스터 기동 장치(100)와 비교하여, 컨버터 제어부(8) 대신에 도 4에 나타내는 컨버터 제어부(208)를 구비하는 점에서 상이하다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 컨버터 제어부(208)는, 도 3에 나타내는 컨버터 제어부(8)와 비교하여, 보정부(15)를 포함하지 않는 점에서 상이하다.
컨버터 제어부(8, 208)에 포함되는 전류 제어부(14)의 비례 게인 KP 및 적분 게인 KI은 고정값이다. 그 때문에, 전류 제어부(14)는, 동기기(20)의 회전 속도에 관계없이, 전류 지령값 Id*와 직류 전류 Id의 편차 ΔId가 동일하면, 동일한 전압 지령값 VDC1*를 생성한다. 그러나, 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a)와 음측 입력 단자(2b) 사이의 직류 전압 VDC2는, 동기기(20)의 회전 속도에 따라 증대한다. 직류 전류 Id는, 직류 전압 VDC1과 직류 전압 VDC2의 전위차에 따른 값으로 된다. 따라서, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라짐에 따라 직류 전압 VDC2가 커지면, 직류 전압 VDC1과 직류 전압 VDC2의 전위차가 작아지고, 직류 전류 Id는, 전류 지령값 Id*에 가까워지기 어렵게 된다.
도 5는, 컨버터(1)의 양측 출력 단자(1a)와 음측 출력 단자(1b) 사이의 직류 전압 VDC1과, 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a)와 음측 입력 단자(2b) 사이의 직류 전압 VDC2의 차(VDC1-VDC2)를 나타내는 도면이다. 도 5에는, 단속 전류 모드에 있어서의 1 펄스 기간의 차(VDC1-VDC2)의 시간 변화가 나타난다. 도 5에 있어서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 차(VDC1-VDC2)를 나타낸다. 또한, 위쪽에는, 동기기(20)의 회전 속도가 0에 가까울 때의 차(VDC1-VDC2)가 나타나고, 아래쪽에는, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10%에 가까울 때의 차(VDC1-VDC2)가 나타난다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 회전 속도가 빨라짐에 따라, 차(VDC1-VDC2)가 작아진다. 그 때문에, 직류 리액터(3)에 전류가 흐르기 어려워지고, 직류 전류 Id는, 전류 지령값 Id*에 가까워지기 어렵게 된다.
또한, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 전류 지령값 Id*와 직류 전류 Id의 편차 ΔId가 작아진다. 그 때문에, 적분기(143)의 출력도, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라짐에 따라 작아진다. 그 결과, 직류 전류 Id는, 전류 지령값 Id*에 가까워지기 어렵게 된다.
도 6은, 적분기(143)의 출력을 나타내는 도면이다. 도 6에는, 단속 전류 모드에 있어서의 1 펄스 기간의 적분기(143)의 출력의 시간 변화가 나타난다. 도 6에 있어서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 적분기(143)의 출력을 나타낸다. 또한, 위쪽에는, 동기기(20)의 회전 속도가 0에 가까울 때의 적분기(143)의 출력이 나타나고, 아래쪽에는, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10%에 가까울 때의 적분기(143)의 출력이 나타난다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 적분기(143)의 출력이 작아진다.
이와 같이, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 차(VDC1-VDC2)가 작아지고, 적분기(143)의 출력이 작아진다. 그 결과, 직류 전류 Id는, 전류 지령값 Id*에 가까워지기 어렵게 된다.
도 4에 나타나는 컨버터 제어부(208)에서는, 전류 제어부(14)로부터의 전압 지령값 VDC1*를 그대로 이용하여 위상 제어각 α가 연산된다. 그 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 직류 전류 Id를 전류 지령값 Id*에 가깝게 하는 전류 제어의 응답성이 저하한다.
또한, 전류 제어부(14)로부터 출력되는 전압 지령값 VDC1*에 일정한 보정값을 가산하는 참고 형태도 고려된다. 이러한 참고 형태라도, 동기기(20)의 회전 속도의 증대에 수반하는 전류 제어의 응답성의 저하를 충분히 억제할 수 없다.
이것에 대해, 도 3에 나타나는 컨버터 제어부(8)에서는, 전류 제어부(14)로부터의 전압 지령값 VDC1*에 대해서 보정값을 가산하는 것에 의해, 전압 지령값 VDC1*를 보정하고, 보정 후의 전압 지령값 VDC1*를 이용하여 위상 제어각 α가 연산된다. 단속 전류 모드에 있어서, 보정값은, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 설정된다. 구체적으로는, 보정부(15)는, 위치 검출기(7)의 검출 신호로부터 산출되는 동기기(20)의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 보정값을 설정한다. 그 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라졌다고 해도, 전류 제어의 응답성의 저하를 억제할 수 있다.
(보정 함수)
동기기(20)에 입력되는 교류 전압의 실효값을 Eac로 할 때, 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a)와 음측 입력 단자(2b) 사이의 직류 전압 VDC2는, 이하의 관계식(1)을 만족시킨다.
VDC2=C×Eac×cosγ ··· (1)
관계식(1)에 있어서, C는 정수(定數; constant)이며, γ는 인버터(2)의 위상 제어각이다. 상술한 바와 같이, 단속 전류 모드에서는, 위상 제어각 γ은 0°로 설정된다. 그 때문에, 직류 전압 VDC2는, 교류 전압의 실효값 Eac에 비례한다.
동기기(20)의 회전 속도는, 동기기(20)에 입력되는 교류 전압의 주파수에 비례한다. 인버터 제어부(9)는, 동기기(20)의 소실을 방지하기 위해서, Vf 특성에 따라, 교류 전압의 주파수에 비례하도록 교류 전압의 실효값 Eac를 설정한다. 그 때문에, 직류 전압 VDC2는, 동기기(20)의 회전 속도에 비례한다.
보정값은, 동기기(20)의 회전 속도의 증대에 따른 직류 전압 VDC2의 증대를 보상하기 위해서 설정된다. 그 때문에, 보정 함수 F(x)는, 일차 함수로 표현되는 것이 바람직하다. 즉, 보정 함수 F(x)는, F(x)=A×x＋B로 표현된다. 정수 A, B는, 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 결정된다. 또, 정수 B는 0으로 설정되어도 좋다.
［실시의 형태 2］
도 7은, 실시의 형태 2에 따른 사이리스터 기동 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 본 실시의 형태 2에 따른 사이리스터 기동 장치(100A)는, 도 1에 나타내는 사이리스터 기동 장치(100)와 비교하여, 컨버터 제어부(8) 대신에 컨버터 제어부(8A)를 구비하고, 전압 검출기(18)를 더 구비하는 점에서 상이하다.
전압 검출기(18)는, 인버터(2)의 양측 입력 단자(2a)와 음측 입력 단자(2b) 사이의 직류 전압 VDC2를 검출한다. 전압 검출기(18)는, 검출 신호를 컨버터 제어부(8A)에 출력한다.
도 8은, 도 7에 나타내는 컨버터 제어부(8A)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 컨버터 제어부(8A)는, 도 3에 나타내는 컨버터 제어부(8)와 비교하여, 보정부(15) 대신에 보정부(15A)를 포함하는 점에서 상이하다.
보정부(15A)는, 보정값 연산기(151A)와, 가산기(152)를 포함한다. 보정값 연산기(151A)는, 전압 검출기(18)에 의해 검출된 직류 전압 VDC2를 미리 정해진 보정 함수 F1(x)에 입력하는 것에 의해 보정값을 연산한다. 가산기(152)는, 전압 지령값 VDC1*와 보정값을 가산한다.
보정 함수 F1(x)는, 설명 변수 x를 직류 전압 VDC2로 하고, 목적 변수를 보정값으로 하는 함수이다. 보정 함수 F1(x)는, 단속 전류 모드에 있어서, 직류 전압 VDC2가 커질수록 보정값이 커지도록 정해져 있다. 그 때문에, 보정부(15A)는, 단속 전류 모드에 있어서, 직류 전압 VDC2가 커질수록 커지도록 보정값을 설정한다.
상술한 바와 같이, 직류 전압 VDC2는, 동기기(20)의 회전 속도에 비례한다. 그 때문에, 보정값은, 단속 전류 모드에 있어서, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 설정된다. 따라서, 실시의 형태 2에 따른 사이리스터 기동 장치(100A)는, 실시의 형태 1에 따른 사이리스터 기동 장치(100)와 마찬가지의 이점을 갖는다.
또, 보정값은, 직류 전압 VDC2의 증대를 보상하기 위해서 설정된다. 그 때문에, 보정 함수 F1(x)는, 일차 함수로 표현되는 것이 바람직하다. 즉, 보정 함수 F1(x)는, F1(x)=A1×x＋B1로 표현된다. 정수 A1, B1은, 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 결정된다. 또, 정수 B1은 0으로 설정되어도 좋다.
［실시의 형태 3］
도 9는, 실시의 형태 3에 따른 사이리스터 기동 장치에 구비되는 컨버터 제어부의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 실시의 형태 3에 따른 사이리스터 기동 장치는, 도 1에 나타내는 사이리스터 기동 장치(100)와 비교하여, 컨버터 제어부(8) 대신에 도 9에 나타내는 컨버터 제어부(8B)를 구비하는 점에서 상이하다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 컨버터 제어부(8B)는, 도 3에 나타내는 컨버터 제어부(8)와 비교하여, 보정부(15) 대신에 보정부(15B)를 포함하는 점에서 상이하다.
보정부(15B)는, 보정값 연산기(151B)와, 가산기(152)를 포함한다. 보정값 연산기(151B)는, 전압 검출기(6)에 의해 검출된 검출값을 위치 검출기(7)로부터 받는다. 또, 보정값 연산기(151B)는, 검출값을 전압 검출기(6)로부터 직접 받아도 좋다. 보정값 연산기(151B)는, 받은 검출값에 근거하여, 동기기(20)에 입력되는 교류 전압의 실효값 Eac를 연산한다. 보정값 연산기(151B)는, 교류 전압의 실효값 Eac를 미리 정해진 보정 함수 F2(x)에 입력하는 것에 의해 보정값을 연산한다. 가산기(152)는, 전압 지령값 VDC1*와 보정값을 가산한다.
보정 함수 F2(x)는, 설명 변수 x를 동기기(20)에 입력되는 교류 전압의 실효값 Eac로 하고, 목적 변수를 보정값으로 하는 함수이다. 보정 함수 F2(x)는, 단속 전류 모드에 있어서, 교류 전압의 실효값 Eac가 커질수록 보정값이 커지도록 정해져 있다. 그 때문에, 보정부(15B)는, 단속 전류 모드에 있어서, 교류 전압의 실효값 Eac가 커질수록 커지도록 보정값을 설정한다.
상술한 바와 같이, 교류 전압의 실효값 Eac는, 동기기(20)의 회전 속도에 비례한다. 그 때문에, 보정값은, 단속 전류 모드에 있어서, 동기기(20)의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 설정된다. 따라서, 실시의 형태 3에 따른 사이리스터 기동 장치는, 실시의 형태 1에 따른 사이리스터 기동 장치(100)와 마찬가지의 이점을 갖는다.
또, 보정값은, 동기기(20)의 회전 속도의 증대에 수반하는 직류 전압 VDC2의 증대를 보상하기 위해서 설정된다. 관계식(1)에서 나타나는 바와 같이, 직류 전압 VDC2는 교류 전압의 실효값 Eac에 비례한다. 그 때문에, 보정 함수 F2(x)는, 일차 함수로 표현되는 것이 바람직하다. 즉, 보정 함수 F2(x)는, F2(x)=A2×x＋B2로 표현된다. 정수 A2, B2는, 미리 실험 또는 시뮬레이션에 의해 결정된다. 또, 정수 B2는 0으로 설정되어도 좋다.
또, 상술한 실시의 형태 1~3에서는, 동기기(20)가 화력 발전소에 있어 가스 터빈에 의해 회전 구동되는 발전기인 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 동기기(20)는 일반 산업 분야에서 사용되는 동기기여도 좋다. 예를 들어, 동기기(20)는, 제철소의 냉각 송풍기용 동기기여도 좋다.
금회 개시된 실시의 형태가 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 컨버터 1a : 양측 출력 단자
1b : 음측 출력 단자 1c~1e : 입력 단자
2 : 인버터 2a : 양측 입력 단자
2b : 음측 입력 단자 2c~2e : 출력 단자
3 : 직류 리액터 4, 5 : 변류기
6, 18 : 전압 검출기 7 : 위치 검출기
8, 8A, 8B, 208 : 컨버터 제어부 9 : 인버터 제어부
10, 16 : 제어각 연산부 11, 17 : 게이트 펄스 발생기
12 : 전류 검출기 13 : 속도 제어부
14 : 전류 제어부 15, 15A, 15B : 보정부
20 : 동기기 22 : 계자 권선
30 : 교류 전원 100, 100A : 사이리스터 기동 장치
121 : 정류 회로 122, 142 : 게인 곱셈기
141 : 감산기 143 : 적분기
144, 152 : 가산기 151, 151A, 151B : 보정값 연산기
ATU, ATV, ATW : 전기자 권선
RN, RP, SN, SP, TN, TP, U, V, W, X, Y, Z : 사이리스터
TR : 변압기

Claims (5)

  1. 동기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치로서,
    교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와,
    상기 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와,
    상기 컨버터로부터 상기 직류 리액터를 통해 주어지는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 상기 동기기에 공급하는 인버터와,
    상기 직류 리액터를 흐르는 직류 전류가 전류 지령값과 일치하도록, 상기 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 사이리스터 기동 장치는, 상기 직류 전류를 단속적으로 영으로 하는 것에 의해 상기 인버터의 전류(commutation)를 행하는 제1 모드와, 상기 동기기의 유도 전압에 의해 상기 인버터의 전류를 행하는 제2 모드를 순차 실행하는 것에 의해, 상기 동기기를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시키도록 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 전류 지령값에 대한 상기 직류 전류의 편차의 적분 요소를 이용한 제어 연산을 행하는 것에 의해, 상기 컨버터의 출력 전압의 전압 지령값을 생성하는 전류 제어부와,
    상기 전압 지령값에 보정값을 가산하는 보정부와,
    상기 보정값이 가산된 상기 전압 지령값에 근거하여, 상기 컨버터에 있어서의 사이리스터의 위상 제어각을 연산하는 제어각 연산부를 포함하고,
    상기 제1 모드에 있어서, 상기 보정값은, 상기 동기기의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 설정되는
    사이리스터 기동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동기기의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출기를 더 구비하고,
    상기 보정부는, 상기 위치 검출기의 검출 신호로부터 산출되는 상기 동기기의 회전 속도가 빨라질수록 커지도록 상기 보정값을 설정하는
    사이리스터 기동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터에 입력되는 직류 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
    상기 보정부는, 상기 직류 전압이 커질수록 커지도록 상기 보정값을 설정하는
    사이리스터 기동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동기기에 입력되는 교류 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
    상기 보정부는, 상기 교류 전압의 실효값이 커질수록 커지도록 상기 보정값을 설정하는
    사이리스터 기동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보정부는, 상기 동기기의 회전 속도 또는 회전 속도에 따라 변동하는 파라미터의 값을 설명 변수로 하고, 상기 보정값을 목적 변수로 하는 일차 함수를 이용하여 상기 보정값을 설정하는 사이리스터 기동 장치.
KR1020247019713A 2021-11-15 사이리스터 기동 장치 KR20240099489A (ko)

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