(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ部分とロータ部分とを含む発電機（１０２）と、
ＤＣリンク（１０６）に接続されかつＤＣ電流をＡＣ電流に変換するように作動する第１のコンバータ（１２０）と該ＤＣリンク（１０６）に接続されかつＤＣ電流をＡＣ電流に変換するように作動する第２のコンバータ（１２２）とを含む可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置（１０４）と、
前記発電機（１０２）が始動状態で運転している間に閉鎖された時に、前記第１のコンバータ（１２０）を前記ステータ部分に対して接続するように作動し、また該発電機（１０２）が稼働状態で運転している間には開放されている第１のスイッチ（１０３）と、
前記発電機（１０２）が稼働状態で運転している間に閉鎖された時に、第１のコンバータ（１２０）を、前記ロータ部分に接続されている前記第２のコンバータ（１２２）と並列に接続するように作動し、また該発電機（１０２）が始動状態で運転している間には開放されている第２のスイッチ（１０５）と、
を含む発電システム（１００）。
【請求項２】
前記ＶＦＧ励磁装置（１０４）が、ＡＣ電源（２０７）からＡＣ電流を受け、該ＡＣ電流をＤＣ電流に変換し、かつ該ＤＣ電流を前記ＤＣリンク（１０６）に送るように作動する第３のコンバータ（１１２）をさらに含む、請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記第３のコンバータ（１１２）が、前記ＡＣ電源（２０７）からの第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変圧するようにさらに作動する、請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記ＶＦＧ励磁装置（１０４）が、電力網（１３０）故障時に該励磁装置を保護するように作動するダイナミックブレーキ（１０８）及びダイナミックブレーキ抵抗器（１１０）をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記第１のスイッチ（１０３）及び第２のスイッチ（１０５）が、前記ＶＦＧ励磁装置内に設置される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記ロータに接続された高調波フィルタ（１５０）をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記ステータ部分から出力電力を受け、該出力電力の電圧を変圧し、かつ該出力電力を電力網（１３０）に送るように作動する三次巻線（１５１）を発電機ステップアップ部分上にさらに含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項８】
前記三次巻線（１５１）が、第２の出力電力を第２の電圧出力に送るようにさらに作動する、請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記第２の電圧出力に接続された高調波フィルタ（１５０）をさらに含む、請求項８に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、総括的には発電機に関し、より具体的には、可変速度発電機を始動させかつ稼働させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
この点に関して、同期発電システムは一般に、例えば５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの電力網に一致する定常出力周波数を生成する設定速度で作動する。電力網に加わる電気的負荷が該電力網の発電容量を越えて増大した場合には、発電機の速度の低下を引き起こす可能性があり、これが電力網上の周波数を低下させるおそれがある。負荷の減少により発電容量の超過が生じた場合には、発電機は、加速され、電力網周波数が増大するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，４８６，６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、電力網負荷が該電力網の発電容量を超えそうな場合には、発電機の速度低下を制限するのを助ける費用効果の良いシステム及び方法を電力網上で使用することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的な実施形態は、例示的な発電システムを含み、本発電システムは、ステータ部分とロータ部分とを含む発電機と、ＤＣリンクに接続されかつＤＣ電流をＡＣ電流に変換するように作動する第１のコンバータと該ＤＣリンクに接続されかつＤＣ電流をＡＣ電流に変換するように作動する第２のコンバータとを含む可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置と、発電機が始動状態で運転している間に閉鎖された時に第１のコンバータをステータ部分に対して接続するように作動しまた該発電機が稼働状態で運転している間には開放されている第１のスイッチと、発電機が稼働状態で運転している間に閉鎖された時に第１のコンバータ及び第２のコンバータをロータ部分に対して並列に接続するように作動しまた該発電機が始動状態で運転している間には開放されている第２のスイッチとを含む。
【０００６】
本発明の別の例示的な実施形態は、可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置を含み、本ＶＦＧ励磁装置は、ＤＣリンクに接続されかつＤＣ電流をＡＣ電流に変換するように作動する第１のコンバータと該ＤＣリンクに接続されかつＤＣ電流をＡＣ電流に変換するように作動しまた発電機ロータに対して電気的に接続された第２のコンバータと、発電機が始動状態で運転している間に閉鎖された時に第１のコンバータをステータ部分に対して接続するように作動しまた該発電機が稼働状態で運転している間には開放されている第１のスイッチと、発電機が稼働状態で運転している間に閉鎖された時に第１のコンバータ及び第２のコンバータをロータ部分に対して並列に接続するように作動しまた該発電機が始動状態で運転している間には開放されている第２のスイッチとを含む。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態は、ＶＦＧシステムを始動させかつ稼働させる方法を含み、本方法は、第１のスイッチを閉鎖して、該閉鎖した第１のスイッチが第１のコンバータを発電機のステータに接続するように作動するようにするステップと、第１のコンバータを始動させて、該第１のコンバータがＤＣ電力をＡＣ電力に変換しかつステータを制御するように作動するようにするステップと、第２のコンバータを始動させて、該第２のコンバータがロータに対して電気的に接続されまたＤＣ電力をＡＣ電力に変換しかつロータを制御するように作動するようにするステップと、発電機を始動させるステップと、第１のスイッチを開放し、それによって第１のコンバータをステータから切離すステップと、第２のスイッチを閉鎖して、該第２のスイッチを閉鎖することにより第１のコンバータ及び第２のコンバータを並列に接続するようにするステップと、第１のコンバータ及び第２のコンバータを制御してロータに対して並列に電力を送るように作動するようにするステップとを含む。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、その全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時に、一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】三相ロータを有する発電機のための例示的なシステムの線図。
【図２】三相プッシュプルロータを有する発電機のための例示的なシステムの線図。
【図３】六相ロータを有する発電機のための例示的なシステムの線図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態の完全な理解を得るために、多くの具体的な詳細事項を説明する。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細事項を使用しないで実施することができること、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではではないこと、また本発明は、種々の別の実施形態として実施することができることは、当業者には解るであろう。その他の場合では、周知の方法、手順及び構成要素は、詳細には説明していない。
【００１１】
この点を念頭において図１を参照すると、システム１００は、発電機１０２を含む。この図示した例示的な実施形態では、発電機１０２は、４ｋＶ、３．６ｋＡの定格になった三相ロータ（図示せず）と１８ｋＶの定格になったステータ（図示せず）とを備えたガスタービン発電機であるが、発電機１０２は、設計に応じて必要とされるその他の負荷の定格にすることができ、或いは例えばタービン又はディーゼル発電機のような別のタイプの発電機とすることもできる。この図示した実施形態では、発電機１０２は、３つのスリップリングを含む。発電機１０２のロータ及びステータは、第１のスイッチ（Ｓ１）１０３及び第２のスイッチ（Ｓ２）１０５を介して可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置１０４に接続される。
【００１２】
ＶＦＧ励磁装置１０４は、３．３ｋＶ励磁装置であり、ＤＣリンク１０６を含む。ダイナミックブレーキ抵抗器１１０に接続されたダイナミックブレーキ１０８は、ＤＣリンク１０６に結合することができる。コンバータ（Ｇ１）１１２が、インダクタ１１６及びブレーカ１１８を介してＤＣリンク１０６及び３．３ｋＶ電源１１４に接続される。ＶＦＧ励磁装置１０４はまた、各々がＤＣリンク１０６に接続された第１のコンバータ（Ｒ１）１２０及び第２のコンバータ（Ｒ２）１２２を含む。Ｒ２はまた、発電機１０２ロータに対して接続される。Ｒ１  １２０は、Ｓ１が閉鎖された時にＲ１  １２０が発電機１０２ロータに対してＲ２  １２２と並列に接続されるように、Ｓ１  １０３及びＳ２  １０５に接続される。Ｓ２  １０５が閉鎖されかつＳ１  １０３が開放された時に、Ｒ１  １２０は、発電機１０２ステータに接続される。インダクタ１２４は、Ｒ２  １２２と発電機１０２ロータとの間に配置することができ、またインダクタ１２６は、Ｒ１  １２０とＳ１  １０３及びＳ２  １０５との間に配置することができる。
【００１３】
この図示した例示的な実施形態では、発電機１０２ステータの電力出力は、ブレーカ１１９を介して発電機ステップアップユニット（ＧＳＵ）１２８上の三次巻線に接続される。ＧＳＵは、３．３ｋＶ電源１１４及び高電圧（ＨＶ）電力網１３０に電力を出力する。ブレーカ１１８は、ＨＶ電力網１３０と補助負荷１３２との間に配置することができる。補助負荷１３２には、例えば燃料ポンプ、アクチュエータ、及び発電機１０２制御システムのための電力を含むことができる。
【００１４】
システム１００の運転モードには、稼働運転及び始動運転が含まれる。稼働運転中に、ＶＦＧ励磁装置１０４は、ブレーカ１１８を介して３．３ｋＶ電源１１４からＡＣ電力を受ける。Ｇ１  １１２は、インダクタ１１６を介してＡＣ電力を受け、かつ該ＡＣ電力をＤＣ電力に変換してＤＣリンク１０６に電力供給する。Ｇ１  １１２はまた、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するのに先立って、３．３ｋＶ電源１１４のＡＣ電圧を適当な電圧に変圧することができる。
【００１５】
Ｒ１  １２０及びＲ２  １２２は、ＤＣリンク１０６からＤＣ電力を受け、かつ該ＤＣ電力を発電機１０２ロータのためのＡＣ電力（４ｋＶ、３．６ｋＡ）に変換する。稼働運転中の間には、Ｓ１  １０３は開放されかつＳ２  １０５は閉鎖される。従って、Ｒ１  １２０及びＲ２  １２２は、インダクタ１２４及び１２６を介して発電機１０２ロータに対して並列に接続される。
【００１６】
発電機１０２は、電圧変換のために発電機ブレーカ１１９を介してＧＳＵ１２８に対してＡＣ電力を出力する。この図示した実施形態では、ＧＳＵ１２８は、三次巻線１５１を含む。ＧＳＵは、発電機１０２の出力電圧（１８ｋＶ）を３．３ｋＶ電源１１４及びＨＶ電力網１３０のための適当な電圧に変換する。この図示した実施形態では、ＧＳＵ１２８は、３．３ｋＶ、１２ＭＶＡを３．３ｋＶ電源１１４に送り、また２３０ＭＶＡをＨＶ電力網１３０に送る。ブレーカ１１８は、ＨＶ電力網１３０と補助負荷１３２との間に配置することができる。３．３ｋＶ電源１１４及び発電機１０２ロータ上には、高調波フィルタ１５０を含むことができる。
【００１７】
この図示した実施形態における三次巻線１５１の使用は、発電機１０２の出力に接続される装置を最少化する。その他の実施形態では、発電機１０２出力に接続された別個の変圧器を含むことができる。従って、ＧＳＵの構成は、システム１００の用途に応じて決めることができる。
【００１８】
ブレーカ１１８は、システム１００の例示的な実施形態として設けられており、システム１００の用途により必要に応じて、別の位置に設置するか或いはシステム１００内に含まれないようにすることができる。この図示した実施形態ではまた、ＤＣリンク１０６に取付けられたダイナミックブレーキ１０８及びダイナミックブレーキ抵抗器１１０が含まれる。ダイナミックブレーキ１０８は、電力網故障時に励磁装置を保護するように最適に設けることができる。
【００１９】
始動運転中に、発電機１０２ステータは、発電機１０２を回転させる電力（トルク電流）をＶＦＧ励磁装置１０４から受ける。発電機１０２ロータもまた、ＶＦＧ励磁装置１０４から電力を受ける。発電機１０２の回転は、発電機１０２原動機（図示せず）を回転させる。原動機が適正速度で回転すると、始動モードを終了させかつシステムを上記の稼働状態に切り換えることができて、発電機１０２は、発電を開始する。
【００２０】
この点に関して、始動運転中の間には、発電機ブレーカ１１９は開放され、Ｓ１  １０３は閉鎖され、またＳ２  １０５は開放されている。従って、ＶＦＧ励磁装置１０４は、Ｒ１  １２０を介して発電機１０２ステータに対して電力を供給し、また同様にＲ２  １２２を介して発電機１０２ロータに対しても電力を供給する。発電機１０２原動機が始動すると、発電機１０２ステータへの電力は最早や必要とされず、システム１００は、稼働運転へと移行する。従って、Ｒ１  １２０は遮断され、Ｓ１  １０３は開放され、またＳ２  １０５は閉鎖されて、Ｒ１  １２０及びＲ２  １２２が並列に配置される。ＶＦＧ励磁装置１０４は、速度（スリップ範囲内の）とは関係なく発電機ブレーカ１１９の両端間の電圧をゼロにし、また該発電機ブレーカを閉鎖して、ＨＶ電力網１３０に電力を提供することができる。
【００２１】
稼働運転中に、発電機１０２がＨＶ電力網１３０から負荷を受けた時に、発電機１０２ロータは、Ｒ１  １２０及びＲ２  １２２の両方から電力を受けるが、始動運転中には、発電機１０２に加わる負荷は、より低い。従って、発電機１０２は、Ｒ１  １２０を用いて始動して、発電機１０２ロータに電力を供給しかつＲ２  １２２を利用して発電機１０２ステータに電力供給するようにすることができる。従って、システム１００は、発電機１０２の始動運転及び稼働運転に必要なコンバータの数を節減する。
【００２２】
図２には、ＶＦＧシステムの別の実施形態を示している。この点に関して、図２は、システム２００を示している。システム２００は、図１に示すシステム１００と同様であるが、このシステム２００は、＋／−４ｋＶ、１．８ｋＡの定格になった三相プッシュプルロータ（図示せず）を含む発電機２０２を備えている。発電機２０２ロータは、各々が別個のスリップリングに接続された３つの巻線を含む。
【００２３】
コンバータＲ１  １２０及びＲ２  １２２は、プッシュプル配列として構成される。Ｒ２  １２２は、発電機２０２ロータの＋４ｋＶ入力２０９に接続される。Ｒ１  １２０は、Ｓ１  １０３を介して発電機２０２ステータに接続される。Ｒ１  １２０はまた、第２のスイッチ（Ｓ２）２０５を介して発電機２０２ロータの−４ｋＶ入力２０７に接続される。Ｓ２  ２０５はまた、アース２０１に切り換え、それによってアース２０１に対して−４ｋＶ入力２０７を接続することもできる。
【００２４】
システム２００は、稼働運転及び始動運転中にシステム１００と同様に作動する。稼働運転中に、Ｒ２  １２２は、発電機２０２ロータの＋４ｋＶ入力２０９に対して＋４ｋＶを供給する。所定の位置において、Ｓ１  １０３は開放され、またＳ２  ２０５は閉鎖されて、Ｒ１  １２０が発電機２０２ロータの−４ｋＶ入力２０７に対して−４ｋＶを供給するようになる。
【００２５】
始動運転中に、Ｒ２  １２２は、発電機２０２ロータの＋４ｋＶ入力２０９に対して＋４ｋＶを供給する。Ｓ１  １０３は閉鎖されて、ＶＦＧ励磁装置１０４がＲ１  １２０を介して発電機２０２ステータ（図示せず）に対して電力を供給するようになる。所定の位置において、Ｓ２  ２０５は閉鎖されて、発電機２０２ロータの−４ｋＶ入力２０７がアース２０１に接続されるようになる。従って、発電機２０２ロータの−４ｋＶ巻線２０７は、事実上０Ｖを有するようになる。
【００２６】
システム２００は、始動運転時にロータ巻線の半分を使用し、従って原動機（図示せず）を始動させるために使用可能なトルクは、事実上、システム１００内で使用可能なトルクの半分となる。しかしながら、システム２００の１つの利点は、プッシュプル配列により２つのコンバータ（Ｒ１  １２０及びＲ２  １２２）の１つを不作動にした状態で、全負荷における発電機の運転を可能にし、それによってシステム２００の信頼性を増大させるということである。
【００２７】
図３は、ＶＦＧシステムのさらに別の例示的な実施形態を示している。この点に関して、システム３００は、その他の図示した実施形態と同様であるが、六相ロータ（図示せず）を有する発電機３０２を含む。この図示した構成では、発電機３０２ロータは、２つの三相巻線（図示せず）の組を有する。第１の三相巻線の組は、発電機３０２ロータの入力３０９に接続され、他方、第２の三相巻線の組は、発電機３０２ロータの入力３０７に接続される。
【００２８】
システム３００は、稼働運転及び始動運転中にシステム１００と同様に作動する。稼働運転中に、Ｒ２  １２２は、発電機３０２ロータの入力３０９に対して第１の４ｋＶの三相を供給する。所定の位置において、Ｓ１  １０３は開放され、またＳ２  ２０５は閉鎖されて、Ｒ１  １２０が発電機３０２ロータの入力３０７に対して第２の４ｋＶの三相を供給するようになる。
【００２９】
始動運転中に、Ｒ２  １２２は、発電機３０２ロータの入力３０９に対して第１の４ｋＶの三相を供給する。Ｓ１  １０３は閉鎖されて、ＶＦＧ励磁装置１０４がＲ１  １２０を介して発電機３０２ステータに対して第２の４ｋＶの三相を供給するようになる。Ｒ２  １２２は開放されて、発電機３０２ロータの入力３０７がＲ１  １２０から事実上０Ｖを受けるようになる。
【００３０】
システム３００のその他の別の実施形態は、ロータ上に六相よりも多い相を備えた発電機３０２を含むことができる。そのような構成では、設計事項を満たすために、付加的なコンバータ及びスイッチを必要とする場合がある。
【００３１】
上述のこの図示した実施形態のその他の別の実施形態は、異なる定格の発電機を使用することができる。これらの発電機は、ＶＦＧ励磁装置内に異なる数のコンバータを必要とする場合がある。例えば、Ｒ１  １２０及びＲ２  １２２は、並列構成で複数のコンバータを含むことができる。ＶＦＧ励磁装置１０４の構成に依存する定格に拘わりなく、始動運転と稼働運転との間で移行するＳ１  １０３及びＳ２  ３０５は、同様な方式で構成することができる。
【００３２】
さらに、様々な作動は、本発明の実施形態を理解するのに役立つ方法で実行した多数の個別的ステップとして記述することができる。しかしながら、記述の順序は、それら作動が提示された順序で実行される必要があることを、或いはそれらが順序依存性であることすらも意味していると解釈すべきではない。さらに、「実施形態では」という語句の反復使用は、同一の実施形態を意味している場合もあるが、必ずしも同一の実施形態を意味するものではない。最後に、本出願中に使用している「含む」、「備える」、「有する」などの用語は、特にそうでないことを示さない限り、同義であることを意図している。
【００３３】
本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、またさらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００３４】
１００  システム
１０２  発電機
１０４  可変周波数発電機（ＶＦＧ）励磁装置
１０３  第１のスイッチ（Ｓ１）
１０５  第２のスイッチ（Ｓ２）
１０６  ＤＣリンク
１０８  ダイナミックブレーキ
１１０  ダイナミックブレーキ抵抗器
１１２  コンバータ（Ｇ１）
１１４  ３．３ｋＶ電源
１１６  インダクタ
１１８  ブレーカ
１１９  ブレーカ
１２０  第１のコンバータ（Ｒ１）
１２２  第２のコンバータ（Ｒ２）
１２４  インダクタ
１２６  インダクタ
１２８  発電機ステップアップユニット（ＧＳＵ）
１３０  高電圧（ＨＶ）電力網
１３２  補助負荷
１５０  高調波フィルタ
１５１  三次巻線
２００  システム
２０１  アース
２０２  発電機
２０５  第２のスイッチ（Ｓ２）
２０７  ４ｋＶ入力
２０９  ＋４ｋＶ入力
３００  システム
３０２  発電機
３０５  第２のスイッチ（Ｓ２）
３０７  入力
３０９  入力
【図１】
0005555442.tif 000002
【図２】
0005555442.tif 000003
【図３】
0005555442.tif 000004