(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側巻線が三相交流電源に接続され、二次側巻線が星形結線される交流励磁同期機と、
前記交流励磁同期機の前記二次側巻線の中性点電流を検出する中性点電流検出手段と、
前記三相交流電源から入力される交流電力の周波数を変換し、各相に対応する二次側配線を介して前記二次側巻線に出力する複数の周波数変換手段と、
前記二次側巻線の中性点と前記二次側配線とを接続するそれぞれの配線に設けられ、自身に印加される電圧が所定値以上になった場合に導通する複数のアレスタと、
それぞれの前記二次側配線に設置され、それぞれの前記アレスタに流れるアレスタ電流を間接的に検出する複数のアレスタ電流検出手段と、
複数の前記アレスタ電流検出手段によって検出されるそれぞれのアレスタ電流の和と、前記中性点電流検出手段によって検出される中性点電流と、の差を算出し、当該差の絶対値が所定の閾値を超える場合、異常ありと判定する異常判定手段と、を備えること
を特徴とする可変速発電電動機システム。
【請求項２】
前記異常判定手段は、
前記差の絶対値が前記閾値を超える状態が所定時間以上継続する場合、異常ありと判定すること
を特徴とする請求項１に記載の可変速発電電動機システム。
【請求項３】
前記異常判定手段によって異常ありと判定された場合、
それぞれの前記周波数変換手段を瞬時停止させる保護手段を備えること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変速発電電動機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレスタを備える可変速発電電動機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
揚水発電所などに設けられ、電力需要の変化に対して系統の周波数を一定に保つように発電電動機を可変速運転する可変速発電電動機システムが知られている。前記した揚水発電とは、電力需要の少ない時間帯（夜間など）の余剰電力を使用して貯水池から水を汲み上げ、電力需要の大きい時間帯に前記水の位置エネルギを利用して発電を行う方式である。
【０００３】
ところで、可変速発電電動機システムにおいて異常（系統側の短絡事故など）が発生した場合、無効余剰電力などの影響によって発電電動機の励磁電流に脈動が生じる場合がある。その後、遮断器を開放して事故相を除去すると、前記した励磁電流がゼロになって過電圧が発生し、可変速発電電動機システムに不具合が生じる可能性がある。このような不具合を防止するために、過電圧を吸収するアレスタを備えた可変速発電電動機システムが提案されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１には、誘導機の二次側に電力供給するサイリスタ電力変換装置に対して正逆切替信号を発生する極性切替装置と、サイリスタ電力変換装置の出力端電圧を検出する電圧検出装置と、この電圧検出装置に接続される極性反転指令装置と、を備えた誘導発電電動装置について記載されている。
なお、前記した極性反転指令装置は、電圧検出装置による検出値が設定範囲になった場合、極性切替装置の正逆切替信号を反転させる。
【０００５】
また、特許文献２には、交流励磁同期機側の中性点電流を検出する第１中性点電流検出手段と、交流励磁信号を出力する交流励磁手段側の中性点電流を検出する第２中性点電流検出手段と、位相判定手段と、を備えた交流励磁発電電動装置について記載されている。
なお、前記した位相判定手段は、第１中性点電流検出手段によって検出される中性点電流と、第２中性点電流検出手段によって検出される中性点電流との比較結果に応じて交流励磁手段を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−７１４９６号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２に記載の技術において、サイリスタ電力変換装置（特許文献２では、周波数変換装置）で正逆切替の誤不動作が生じた場合、サイリスタ電力変換装置の出力側に設置されるアレスタの特性によっては、システム内の過電圧を適切に検出できない可能性がある。例えば、アレスタの電流−電圧特性として、電流値とともに電圧値が上昇しない場合、システム内で発生する過電圧を適切に検出できず、システムを適切に保護できない可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明は、過電圧に対する保護を適切に行う可変速発電電動機システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、一次側巻線が三相交流電源に接続され、二次側巻線が星形結線される交流励磁同期機と、前記交流励磁同期機の前記二次側巻線の中性点電流を検出する中性点電流検出手段と、前記三相交流電源から入力される交流電力の周波数を変換し、各相に対応する二次側配線を介して前記二次側巻線に出力する複数の周波数変換手段と、前記二次側巻線の中性点と前記二次側配線とを接続するそれぞれの配線に設けられ、自身に印加される電圧が所定値以上になった場合に導通する複数のアレスタと、それぞれの前記二次側配線に設置され、それぞれの前記アレスタに流れるアレスタ電流を間接的に検出する複数のアレスタ電流検出手段と、複数の前記アレスタ電流検出手段によって検出されるそれぞれのアレスタ電流の和と、前記中性点電流検出手段によって検出される中性点電流と、の差を算出し、当該差の絶対値が所定の閾値を超える場合、異常ありと判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とする。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、過電圧に対する保護を適切に行う可変速発電電動機システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る可変速発電電動機システムの構成図である。
【図２】可変速発電電動機システムが備える電流異常判定器の構成図である。
【図３】（ａ）はアレスタの電圧と電流（対数表示）との関係を示す特性図であり、（ｂ）はアレスタに流入するアレスタ電流の時間的変化を示すグラフである。
【図４】（ａ）はアレスタ電流の絶対値の時間的変化を示すグラフであり、（ｂ）は比較器から出力される信号の時間的変化を示すグラフであり、（ｃ）は限時要素から出力される信号の時間的変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る可変速発電電動機システムの構成図である。
【図６】可変速発電電動機システムが備える電流異常判定器の構成図である。
【図７】（ａ）は各電流検出器によって検出される電流値の和の時間的変化を示すグラフであり、（ｂ）はアレスタ電流の絶対値の時間的変化を示すグラフであり、（ｃ）は比較器から出力される信号の時間的変化を示すグラフであり、（ｄ）は限時要素から出力される信号の時間的変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施形態に係る可変速発電電動機システムの構成図である。
【図９】可変速発電電動機システムが備える電流異常判定器の構成図である。
【図１０】（ａ）は各電流検出器によって検出される電流値の和の時間的変化を示すグラフであり、（ｂ）は各電流検出器によって検出される電流値の和と、中性点電流と、の差の時間的変化を示すグラフであり、（ｃ）は前記差の絶対値の時間的変化を示すグラフであり、（ｄ）は比較器から出力される信号の時間的変化を示すグラフであり、（ｅ）は限時要素から出力される信号の時間的変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
≪第１実施形態≫
図１は、本実施形態に係る可変速発電電動機システムの構成図である。可変速発電電動機システム１００は、交流励磁同期機１７（発電電動機）の回転速度を制御することによって、系統側の需給状況に合わせて入力電力を調整するシステムである。
可変速発電電動機システム１００は、電流指令発生器１１，１２と、電流指令演算器１３と、電流制御器１４ａ，１４ｂ,１４ｃと、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、二次電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、交流励磁同期機１７と、位相検出器１８ａ，１８ｂと、アレスタ１９ａ，１９ｂ，１９ｃと、アレスタ電流検出器２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、電流異常判定器２１と、保護ロジック回路２２と、を備えている。
【００１４】
図１に示す電流指令発生器１１，１２は、交流励磁同期機１７を制御するための電流指令値を演算するものである。
電流指令発生器１１は、交流励磁同期機１７の二次側電流のうち一次側から見た三相交流系統３１（三相交流電源）の電圧位相に等しいｑ軸成分の電流指令値Ｉq*を演算し、電流指令演算器１３に出力する。なお、前記した電流指令値Ｉq*は、交流励磁同期機１７の有効電力出力、トルク、回転速度、三相交流系統３１の周波数設定値と周波数検出値との偏差などに基づいて設定される。
【００１５】
電流指令発生器１２は、交流励磁同期機１７の２次電流のうち一次側から見た三相交流系統３１の電圧位相と電気角でπ／２だけ位相の異なるｄ軸成分の電流指令値Ｉd*を演算し、電流指令演算器１３に出力する。なお、前記した電流指令値Ｉd*は、交流励磁同期機１７の無効電力出力、三相交流系統３１の電圧設定値と電圧検出値との偏差などに基づいて設定される。
【００１６】
電流指令演算器１３は、電流指令発生器１１，１２から入力される電流指令値Ｉq*、Ｉd*と、位相検出器１８ａ、１８ｂから入力される位相検出信号cosθ、sinθと、に基づいて、交流励磁同期機１７の二次側に対応する電流指令値Ｉa*，Ｉb*，Ｉc*を演算する。なお、前記した位相検出信号cosθ、sinθは、交流励磁同期機１７の回転軸の位相に対応している。
また、電流指令演算器１３による電流指令値Ｉa*，Ｉb*，Ｉc*の演算は、以下に示す（数式１）を用いて実行される。ただし、Ｋは定数である。
【００１７】
【数１】
0005555301.tif 000002
【００１８】
電流制御器１４ａには、電流指令演算器１３から電流指令値Ｉa*が入力されるとともに、出力電流検出器１６ａから電流検出値Ｉaが入力される。電流制御器１４ａは、この電流指令値Ｉa*と電流検出値Ｉaとを比較し、両者の偏差を零とするように周波数変換器１５ａのサイリスタ点弧角を求める。そして、電流制御器１４ａは、このサイリスタ点弧角に対応するサイリスタ点弧角信号を周波数変換器１５ａに出力する。
なお、電流制御器１４ｂ，１４ｃについては、前記した電流制御器１４ａと同様であるから説明を省略する。
【００１９】
周波数変換器１５ａ（周波数変換手段）は、極性の異なる２組の電力変換器（図示せず）を備え、これらの電力変換器には、スイッチング素子である複数のサイリスタ（図示せず）が設けられている。また、周波数変換器１５ａは、電源入力側が受電変圧器３２ａを介して三相交流系統３１に接続されている。
周波数変換器１５ａは、電流制御器１４ａから入力されるサイリスタ点弧角信号に従ってサイリスタをスイッチング動作させ、三相交流系統３１から入力される交流電圧の周波数を変換し、二次側配線ｍａを介して交流励磁同期機１７の二次側巻線に出力する。
なお、周波数変換器１５ｂ，１５ｃについては、前記した周波数変換器１５ａと同様であるから説明を省略する。
【００２０】
二次電流検出器１６ａは、周波数変換器１５ａと交流励磁同期機１７の二次側巻線とを接続する二次側配線ｍａに設けられている。二次電流検出器１６ａは、周波数変換器１５ａから交流励磁同期機１７の二次側巻線に流入する励磁電流（二次電流）を検出し、電流制御器１４ａに出力する。
なお、二次電流検出器１６ｂ，１６ｃについては、前記した二次電流検出器１６ａと同様であるから説明を省略する。
【００２１】
交流励磁同期機１７は、一次側巻線が三相交流系統３１に接続され、二次側巻線が星型結線された発電電動機である。交流励磁同期機１７の二次側巻線には、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃから励磁電圧が入力され、これに伴って励磁電流が流れる。
なお、前記したように交流励磁同期機１７の二次側巻線は星型結線されている。したがって、正常状態（つまり、短絡事故などの異常がない状態）において配線ｍａ，ｍｂ，ｍｃから流入する２次電流は中性点ｐにおいて打ち消し合い、中性点電流はゼロとなる。
【００２２】
可変速発電電動機システム１００が揚水発電所（図示せず）に設けられる場合、交流励磁同期機１７の回転子（図示せず）は、ポンプ水車（図示せず）に連結されている。
交流励磁同期機１７の二次側巻線に交流電力が供給されると回転磁界が発生し、当該回転磁界との間に生じる吸引力によって交流励磁同期機１７の回転子が回転する。この場合、交流励磁同期機１７は電動機として機能する。これによって、回転子に連結されたポンプ水車をポンプとして機能させ、上部貯水池（図示せず）に水を汲み上げる。
また、前記した上部貯水池から落下する水の位置エネルギによってポンプ水車を回転させると、これに伴ってポンプ水車に連結された回転子が回転する。そうすると、励磁された回転子が磁界に抗して回転することで交流電力が発生する。この場合、交流励磁同期機１７は発電機として機能する。
【００２３】
位相検出器１８ａ，１８ｂは、交流励磁同期機１７の励磁磁極位置に連動する回転軸の位相（cosθ、sinθ）を検出する回転位相センサであり、位相検出信号を電流指令演算器１３に出力する。
アレスタ１９ａ（サージ防護素子）は、図１に示す二次側配線ｍａと、星型結線された二次側巻線の中性点ｐとを接続する配線ｎａに設けられている。なお、アレスタ１９ａとして、例えば、非線形の電圧−電流特性を有する半導体式アレスタを用いることができる。
【００２４】
アレスタ１９ａは高インピーダンスであるため、可変速発電電動機システム１００の通常状態では、ほとんど電流が流れない。一方、可変速発電電動機システム１００に異常が生じてアレスタ１９ａに高電圧がかかった場合、アレスタ１９ａは当該高電圧（又はその一部）を吸収する。これによって、配線ｎａに大電流が流れることを防止できる。
なお、他のアレスタ１９ｂ，１９ｃについては、前記したアレスタ１９ａと同様であるから説明を省略する。
【００２５】
アレスタ電流検出器２０ａ（アレスタ電流検出手段）は、アレスタ１９ａに流入する電流（つまり、アレスタ電流）を検出するものであり、配線ｎａに設置されている。アレスタ電流検出器２０ａは、検出した電流値Ｉ１ａを電流異常判定器２１に出力するようになっている。
なお、他のアレスタ電流検出器２０ｂ，２０ｃについては、前記したアレスタ電流検出器２０ａと同様であるから説明を省略する。
【００２６】
電流異常判定器２１（異常判定手段）は、前記したアレスタ電流検出器２０ａ，２０ｂ，２０ｃから入力される電流値に基づいて、アレスタ１９ａ，１９ｂ，１９ｃのうち少なくとも一つに過電流が流れているか否か（つまり、過電圧がかかっているか否か）を判定し、判定結果を保護ロジック回路２２に出力する。なお、電流異常判定器２１の詳細な構成については後記する。
【００２７】
保護ロジック回路２２（保護手段）は、電流異常判定器２１から入力される信号に応じて周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの駆動を継続又は停止させるものである。
例えば、電流異常判定器２１から「異常なし」に相当する信号“０”が入力された場合、保護ロジック回路２２はそれぞれの周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃに“０”を出力する。なお、保護ロジック回路２２から“０”が入力されている限り、それぞれの周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃは通常の駆動を継続するように設定されている。
一方、電流異常判定器２１から「異常あり」に相当する信号“１”が入力された場合、保護ロジック回路２２は、異常がある相に対応する周波数変換器に停止指令として“１”を出力する。
なお、保護ロジック回路２２の詳細な構成については、説明を省略する。
【００２８】
＜電流異常判定器の構成＞
図２は、可変速発電電動機システムが備える電流異常判定器の構成図である。図２に示すように、電流異常判定器２１は、絶対値回路２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃと、比較器２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃと、限時要素２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃと、論理和演算要素２１４と、を備えている。
絶対値回路２１１ａは、電流検出器２０ａから入力される電流値Ｉ１ａ（つまり、アレスタ１９ａに流れるアレスタ電流：図１参照）の絶対値を算出し、比較器２１２ａに出力する。なお、絶対値回路２１１ｂ，２１１ｃについては、前記した絶対値回路２１１ａと同様であるから説明を省略する。
【００２９】
比較器２１２ａは、絶対値回路２１１ａから入力される値｜Ｉ１ａ｜と、所定の閾値Ｉｒｅｆとを比較し、比較結果を限時要素２１３ａに出力する。すなわち、絶対値回路２１１ａから入力される値｜Ｉ１ａ｜が閾値Ｉｒｅｆ以下である場合、比較器２１２ａは限時要素２１３ａに“０”を出力する。一方、絶対値回路２１１ａから入力される値｜Ｉ１ａ｜が閾値Ｉｒｅｆよりも大きい場合、比較器２１２ａは限時要素２１３ａに“１”を出力する。
ここで、閾値Ｉｒｅｆは、可変速発電電動機システム１００において過電圧（つまり、これに応じて流れる過電流）を適切に検出できるように予め設定された値である。
なお、比較器２１２ｂ，２１２ｃについても前記と同様である。
【００３０】
限時要素２１３ａは、比較器２１２ａから入力される値が所定時間Δｔ以上継続して１である場合、論理和演算要素２１４に“１”を出力する。一方、比較器２１２ａから入力される値が“０”であるか、又は、比較器２１２ａから“１”が入力されたものの所定時間Δｔ以上継続することなく“０”に戻った場合、限時要素２１３ａは論理和演算要素２１４に“０”を出力する。
例えば、比較器２１２ａから入力される値が瞬間的に“１”となり、すぐに“０”に戻った場合、限時要素２１３ａは論理和演算要素２１４に対し継続的に“０”を出力する。これによって、アレスタ電流が瞬間的に増減した場合に、不要な緊急停止を回避できる。なお、限時要素２１３ｂ，２１３ｃについては、前記した限時要素２１３ａと同様であるから説明を省略する。
【００３１】
論理和演算要素２１４には、限時要素２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃそれぞれから“０”又は“１”が入力される。論理和演算要素２１４は、限時要素２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃから入力される値の論理和を演算し、保護ロジック回路２２に出力する。
【００３２】
このように、電流異常判定器２１は、アレスタ電流検出器２０ａ，２０ｂ，２０ｃから入力される電流値Ｉ１ａ，Ｉ１ｂ，Ｉ１ｃのうち少なくとも１つ（の絶対値）が、所定時間Δｔ以上継続して閾値Ｉｒｅｆを超えた場合に異常ありと判定し、保護ロジック回路２２に“１”を出力するようになっている。
【００３３】
＜アレスタの特性＞
以下では、アレスタ１９ａの特性を例に説明するが、他のアレスタ１９ｂ，１９ｃについても同様である。
図３（ａ）は、アレスタの電圧と電流（対数表示）との関係を示す特性図である。図３（ａ）に示す特性図の縦軸はアレスタ１９ａの両端にかかる電圧（以下、アレスタ電圧という。）であり、横軸はアレスタ１９ａに流れる電流（以下、アレスタ電流という。）を対数換算したものである。
また、図３（ａ）に示す範囲ｂ１（０≦Ｖ＜Ｖｈ）は、可変速発電電動機システム１００が正常に稼働している状態に対応している。また、範囲ｂ２（（Ｖｈ≦Ｖ）は、可変速発電電動機システム１００の異常によって周波数変換器１５ａの二次側で過電圧が発生した状態に対応している。
【００３４】
ちなみに、可変速発電電動機システム１００における異常は、内部異常と外部異常とに大別される。内部異常として、例えば、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの一次側、内部、又は二次側で生じる内部短絡がある。また、外部異常として、例えば、系統事故時に発生する脈動電流、交流励磁同期機１７の固定子又は回転子で発生する脈動電流などがある。
【００３５】
図３（ａ）に示す範囲ｂ１では、アレスタ１９ａが高インピーダンスであるため、アレスタ電流はほとんど流れない。これに対して過電圧の範囲ｂ２ではアレスタ１９ａが導通するため、アレスタ電圧の上昇に伴ってアレスタ電流が増加する。なお、当該アレスタ電流の増加率は、アレスタ電圧が高くなるにつれて大きくなる。つまり、アレスタ１９ａの特性とし、周波数変換器１５ａの出力側で過電圧が発生すると、当該過電圧に応じたアレスタ電流が流れるようになっている。
【００３６】
＜電流異常判定器の動作＞
図３（ｂ）は、アレスタに流入するアレスタ電流の時間的変化を示すグラフである。なお、図３（ｂ）、図４（ａ）〜（ｃ）のグラフにおいて、時間が経過するにつれてアレスタ電圧の振幅が大きくなり、時刻ｔ１においてアレスタ電圧が範囲ｂ１から範囲ｂ２（図３（ａ）参照）に移ったものとする。そうすると、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１からアレスタ電流Ｉ１の振幅が増大する。
【００３７】
図４（ａ）は、アレスタ電流の絶対値の時間的変化を示すグラフである。前記したように、絶対値回路２１１ａ（図２参照）では、アレスタ電流Ｉ１の絶対値が演算される。したがって、図３（ｂ）で時刻ｔ１からアレスタ電流Ｉ１の振幅が徐々に大きくなると、これに伴って時刻ｔ１からアレスタ電流Ｉ１の絶対値｜Ｉ１｜も大きくなる（図４（ａ）参照）。ちなみに、図４（ａ）に示す例では、時刻ｔ２においてアレスタ電流の絶対値｜Ｉ１｜が閾値Ｉｒｅｆよりも大きくなっている。
また、アレスタ電流の絶対値は時刻ｔ２以後において継続的に閾値Ｉｒｅｆを超えているため（図４（ａ）参照）、比較器２１２aは時刻ｔ２以後において継続的に“１”を出力する（図４（ｂ）参照）。
【００３８】
図４（ｂ）は、比較器から出力される信号の時間的変化を示すグラフである。前記したうように、アレスタ電流Ｉ１の絶対値｜Ｉ１｜が所定の閾値Ｉｒｅｆ（図４（ａ）参照）を超えた場合、比較器２１２ａは“１”を出力する。したがって、図４（ｂ）に示す時刻ｔ２において、比較器２１２ａの出力値は“０”から“１”に切り替わる。
【００３９】
なお、比較器２１２ａから“１”が出力された場合（図１では、信号線の図示を省略した）、周波数変換器１５ａは、電流の脈動を打ち消すようにサイリスタ（図示せず）の正逆切替を行うことが好ましい。当該制御を行うことによって、所定時間Δｔ以内にアレスタ電流が閾値Ｉｒｅｆ以下になった場合（つまり、過電圧が解消された場合）、周波数変換器１５ａの駆動を継続できるからである。
なお、図３（ｂ）、図４（ａ）〜（ｃ）では、周波数変換器１５ａが前記した制御を行ったにもかかわらず、アレスタ電流が増加した例を示している。
【００４０】
図４（ｃ）は、限時要素から出力される信号の時間的変化を示すグラフである。前記したように、比較器２１２ａから所定時間Δｔ以上継続して“１”が入力された場合、限時要素２１３ａは論理和演算要素２１４（図２参照）に“１”を出力する。
なお、所定時間Δｔ（＝ｔ３−ｔ２）は、周波数変換器１５ａが前記制御を開始した後、アレスタ電流が継続して閾値Ｉｒｅｆを超える場合の許容時間であり、予め設定されている。
【００４１】
図４（ｃ）に示す時刻ｔ３において限時要素２１３ａから“１”が出力されると、保護ロジック回路２２（図１参照）は、周波数変換器１５ａに停止指令信号として“１”を出力し、周波数変換器１５ａの稼働を瞬時停止（緊急停止）させる。
なお、各相に対応するアレスタ電流Ｉ１ａ，Ｉ１ｂ，Ｉ１ｃうち一部（図３（ｂ）に示すアレスタ電流Ｉ１）のみが異常であり、他は正常である場合、保護ロジック回路２２は当該異常である相のみを瞬時停止させ、他の相は通常停止させることが好ましい。ここで、「瞬時停止」とは、運転状態の急変による他の機器への影響を考慮せず、異常である相の電圧をゼロにして停止させる場合に相当する。一方、「通常停止」とは、他の機器の影響を抑えるための所定の操作を順次実行した後、システムを停止させる場合に相当する。
【００４２】
周波数変換器１５ａ,１５ｂ，１５ｃのうち、電流異常判定器２１によって異常ありと判定されたものを停止する場合、アレスタ電流が閾値を超えた相（つまり、過電圧となっている相）を特定する情報が保護ロジック回路２２に入力される。このように、電流異常判定器２１によって異常ありと判定された相のみを瞬時停止させることで、瞬時停止に伴う不具合を最小限に抑えることができる。
【００４３】
＜効果＞
本実施形態に係る可変速発電電動機システム１００では、アレスタ電流検出器２０ａ，２０ｂ，２０ｃによってアレスタ電流を検出し、これに基づいて電流異常判定器２１が異常の有無を判定することとした。
例えば、図３（ａ）に示す特性を有するアレスタを使用した場合、アレスタ電圧が所定電圧Ｖｈを超えると、これに伴ってアレスタ電流も増大する。したがって、アレスタ電流の値を所定の閾値Ｉｒｅｆ（図４（ａ）参照）と比較することで、過電圧の有無を適切に判定できる。
また、前記した閾値Ｉｒｅｆや所定時間Δｔ（図４（ｃ））の値を適宜設定することでアレスタ１９ａ，１９ｂ，１９ｃに必要な容量を低減できる。
【００４４】
また、本実施形態では、例えば、比較器２１２ａによってアレスタ電流が閾値Ｉｒｅｆを超えていると判定された後、当該状態が所定時間Δｔ以上継続する場合、過電流が流れている相を瞬時停止することとした。したがって、例えば、アレスタ電流が瞬間的に変化した場合（つまり、閾値Ｉｒｅｆを超えたものの、すぐに通常の値に戻った場合）の誤判定を防止し、可変速発電電動機システム１００の稼働を継続することができる。
【００４５】
また、従来は、少なくとも一つの相で過電圧が検出されると、システム全体を瞬時停止させていた。これに対して本実施形態では、過電流が流れている相のみを瞬時停止し、その他の相については通常停止する。したがって、瞬時停止の影響を最小限に抑え、可変速発電電動機システム１００の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
≪第２実施形態≫
第２実施形態は、第１実施形態と比較して、次のような点で異なっている。すなわち、第１実施形態では、アレスタ電流の検出する専用の電流検出器２０ａ，２０ｂ，２０ｃを設置する構成であったが、第２実施形態では電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃがアレスタ電流の検出機能を兼ねる（アレスタ電流を間接的に検出する）点が異なっている。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【００４７】
図５は、本実施形態に係る可変速発電電動機システムの構成図である。図５に示すように、周波数変換器１５ａの二次側配線ｍａに設置された二次電流検出器１６ａから、電流制御器１４ａ及び電流異常判定器２１Ａに検出信号が入力されるようになっている。
なお、他の二次電流検出器１６ｂ，１６ｃについても同様である。また、アレスタ１９ａ，１９ｂ，１９ｃが設置された配線ｎａ，ｎｂ，ｎｃには、アレスタ電流検出器が設置されていない。
【００４８】
周波数変換器１５ａの二次電流が二次側配線ｍａと、配線ｎａとに分流する際の分流比は、アレスタ１９ａの抵抗値と交流励磁同期機１７の二次側の抵抗値との比によって決まる。したがって、二次側電流検出器１６ａを用いて周波数変換器１５ａの二次電流を検出することで、アレスタ１９ａに流入するアレスタ電流を間接的に検出できる。
なお、他の二次側電流検出器１６ｂ，１６ｃについても同様である。
【００４９】
図６は、可変速発電電動機システムが備える電流異常判定器の構成図である。図６に示す加算器２１５は、二次側電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃによって検出される電流値Ｉ２ａ，Ｉ２ｂ，Ｉ２ｃの和を演算し、絶対値回路２１６に出力する。
絶対値回路２１６は、加算器２１５から入力される値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）の絶対値を演算し、比較器２１７に出力する。
【００５０】
比較器２１７は、絶対値回路２１６から入力される値｜Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ｜を所定の閾値Ｉｒｅｆと比較し、その比較結果を限時要素２１８に出力する。
限時要素２１８は、比較器２１７から入力される値が所定時間Δｔ以上継続して“１”である場合、保護ロジック回路２２に“１”を出力し、それ以外の場合には“０”を出力する。
【００５１】
すなわち、電流異常判定器２１Ａは、電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃから入力される電流検出値の和（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）の絶対値が、所定時間Δｔ以上継続して閾値Ｉｒｅｆを超えた場合、保護ロジック回路２２に“１”を出力するようになっている。
【００５２】
図７（ａ）は、各電流検出器によって検出される電流値の和の時間的変化を示すグラフである。なお、図７（ａ）〜（ｄ）では、周波数変換器１５ａ，１５ｂ、１５ｃのうち少なくとも一つの二次側電圧を上昇させた場合を示している。また、図７（ａ）では、（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）が常に正の値となっているが、実際には負の値となる場合もある。
図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１において電流値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）が増加し始め、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ２において絶対値｜Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ｜が閾値Ｉｒｅｆを超えている。そうすると、時刻ｔ２において比較器２１７からの出力が“０”から“１”に切り替わり（図７（ｃ）参照）、さらに所定時間Δｔが経過した時刻ｔ３において限時要素２１８の出力が“０”から“１”に切り替わる（図７（ｄ）参照）。これによって、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、保護ロジック回路２２からの指令に従って瞬時停止する。
【００５３】
＜効果＞
本実施形態によれば、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃの二次電流を検出する電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃが、当該電流値を電流制御器１４ａ，１４ｂ，１４ｃに出力するとともに、間接的にアレスタ電流を検出する機能も果たしている。
したがって、アレスタ電流を検出する専用の電流検出器を設置することなく、過電圧（つまり、これに伴う過電流）の有無を適切に判定できる。すなわち、本実施形態によれば、アレスタ電流検出器に要するコストを低減しつつ、可変速発電電動機システム１００Ａの信頼性を向上させることができる。
【００５４】
≪第３実施形態≫
第３実施形態は、前記した第２実施形態と比較して、交流励磁同期機１７の二次側の中性点電流を検出する中性点電流検出器２３を追加し、中性点電流検出器２３による検出結果を異常有無の判定に用いる点が異なる。したがって、当該異なる部分について説明し、第２実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【００５５】
図８は、本実施形態に係る可変速発電電動機システムの構成図である。図８に示すように、星型結線された交流励磁同期機１７の二次側の中性点ｐから流出する電流（以下、中性点電流という。）を検出する中性点電流検出器２３が配線ｑに設けられ、その検出値を電流異常判定器２１に出力するようになっている。また、第２実施形態と同様に、出力電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃを用いてアレスタ電流を間接的に検出し、電流異常判定器２１に入力する構成とした。
【００５６】
図９は、可変速発電電動機システムが備える電流異常判定器の構成図である。加減算器２１９は、加算器２１５から入力される電流値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）から中性点電流Ｉ３を減算し、絶対値回路２１６に出力する。なお、絶対値回路２１６、比較器２１７、及び限時要素２１８については、第２実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００５７】
ちなみに、可変速発電電動機システム１００Ｂが正常である場合、中性点電流はほとんど流れないため、Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ＝Ｉ３≒０となる。一方、系統事故など異常発生時の初期では、アレスタ１９ａ，１９ｂ，１９ｃによってサージ電圧が吸収されるため、Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ＝Ｉ３の関係が保たれる。ただし、このときアレスタ電圧のアンバランスによってＩ３≠０となる。その後、過電圧によって少なくとも一つのアレスタが導通すると、当該過電圧に応じたアレスタ電流に流れる。つまり、Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ≠Ｉ３（つまり、Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ−Ｉ３≠０）となる。
本実施形態では、電流異常判定器２１Ｂが、電流値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ−Ｉ３）の絶対値と、所定の閾値Ｉｒｅｆとを比較することで、異常の有無を判定することとした。
【００５８】
図１０（ａ）に示すように、時刻ｔ１において電流値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）が増加し始め、過電圧によるアレスタの導通（アレスタ１９ａ，１９ｂ，１９ｃのうち少なくとも一つ）によって中性点電流が流れた場合（つまり、Ｉ３≠０）を考える。なお、図１０（ａ）では、電流値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）が常に正となっているが、実際には負となる場合もある。
図１０（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において電流（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ−Ｉ３（＝Ｉ２−Ｉ３））の値が増加し始める。
【００５９】
また、図１０（ｃ）に示すように、時刻ｔ２において絶対値｜Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ−Ｉ３｜（＝｜Ｉ２−Ｉ３｜）が閾値Ｉｒｅｆを超える。
そうすると、時刻ｔ２において比較器２１７の出力が“０”から“１”に切り替わり（図１０（ｄ）参照）、さらに所定時間Δｔ後である時刻ｔ３において限時要素２１８の出力が“０”から“１”に切り替わる（図１０（ｅ）参照）。そうすると、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、保護ロジック回路２２からの指令に従って瞬時停止する。
【００６０】
＜効果＞
本実施形態では、出力電流検出器１６ａ，１６ｂ，１６ｃの検出値と、中性点電流検出器２３の検出値と、に基づいて絶対値｜Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ−Ｉ３｜を算出し、この値が所定時間Δｔ以上継続して閾値Ｉｒｅｆを超える場合、異常ありと判定することとした。
前記したように、過電圧によって少なくとも一つのアレスタが導通すると、この過電圧に応じた電流がアレスタに流れてＩ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ≠Ｉ３となる。したがって、電流値（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）と中性点電流Ｉ３との差に基づいて異常の有無を判定することで、異常の有無の判定精度を高めることができる。
また、前記判定結果に応じて可変速発電電動機システム１００Ｂを停止させるため、その信頼性を向上させることができる。
【００６１】
また、本実施形態は、第２実施形態と同様に、アレスタ電流を検出する専用の電流検出器を追加することなく、過電流の有無を適切に判定できる。つまり、電流検出器に要するコストを低減しつつ、可変速発電電動機システム１００Ｂの信頼性を向上させることができる。
【００６２】
≪変形例≫
以上、本発明に係る故障検出装置について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記各実施形態に係る可変速発電電動機システム１００，１００Ａ，１００Ｂでは、アレスタ電圧が高くなるにつれてアレスタ電流の増加率が大きくなる特性のアレスタ１９ａ、１９ｂ，１９ｃを用いる場合について説明したが（図３（ａ）参照）、他の特性を有するアレスタを用いる場合にも適用できる。
【００６３】
また、第１実施形態では、電流異常判定器２１（図２参照）が限時要素２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃを備える場合について説明したが、これに限らない。すなわち、電流異常判定器２１から限時要素２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃを省略し、比較器２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃからの信号を論理和演算要素２１４に直接的に入力してもよい。この場合において、比較処理で用いる閾値Ｉｒｅｆの値を適宜設定（高めに設定）することで、システム停止までのタイミングを遅らせることが好ましい。これによって、アレスタ電流が瞬間的に増減しても、周波数変換器１５ａ，１５ｂ，１５ｃを継続して駆動できる。
同様に、第２、第３実施形態で説明した限時要素２１８（図６、図９参照）を省略してもよい。
【００６４】
また、第３実施形態では、間接的に検出されるアレスタ電流の和（Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＋Ｉ２ｃ）と、中性点電流Ｉ３との差の絶対値と閾値Ｉｒｅｆとを比較することによって異常の有無を判定する場合について説明したが、これに限らない。
例えば、直接又は間接に検出されるアレスタ電流の和と、中性点電流との比をとり、当該比と所定閾値とを比較することによって異常の有無を判定してもよい。
【００６５】
また、前記各実施形態を適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態と第３実施形態とを組み合わせ、アレスタ電流検出器２０ａ，２０ｂ，２０ｃによってアレスタ電流を直接的に検出するとともに（図１参照）、中性点電流検出器２３（図８参照）によって二次側巻線の中性点電流を検出してもよい。この場合において、電流異常判定器２１は、それぞれのアレスタ電流の和と、中性点電流と、の差の絶対値を所定の閾値Ｉｒｅｆと比較することによって異常の有無を判定する。
また、保護ロジック回路２２を省略し、電流異常判定器２１による検出結果を見た管理者が手動でシステム停止処理を行ってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１００，１００Ａ，１００Ｂ  可変速発電電動機システム
１１，１２  電流指令発生器
１３  電流指令演算器
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  電流制御器
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ  周波数変換器（周波数変換手段）
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  二次側電流検出器（アレスタ電流検出手段）
１７  交流励磁同期機
１８ａ，１８ｂ  位相検出器
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ  アレスタ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  アレスタ電流検出器（アレスタ電流検出手段）
２１，２１Ａ，２１Ｂ  電流異常判定器（異常判定手段）
２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１６  絶対値回路
２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃ，２１７  比較器
２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ，２１８  限時要素
２１４  論理和演算要素
２１５  加算器
２１９  加減算器
２２  保護ロジック回路（保護手段）
２３  中性点電流検出器（中性点電流検出手段）
３１  三相交流系統（三相交流電源）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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