(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転界磁形同期機の界磁極に、直流電流を通電して周波数ｆの基本波電圧生成用の磁束を発生させる直流界磁巻線と、所定の機械角差を有して均等に配置されその各々に前記機械角差に対応する電気角位相差を互いに有する周波数６ｎｆ（ｎは正の整数）の交流電流を通電し前記界磁極上に周波数６ｎｆに対応する角速度の回転磁界を形成する複数の交流界磁巻線と、を備え、前記両交流電流の制御を介した前記回転磁界の振幅或いは位相の制御により、連系される交流系統の基本波電圧に重畳された周波数（６ｎ±１）ｆの高調波成分と等値且つ逆位相の電圧成分を前記回転磁界と鎖交する前記同期機の電機子に発生させ、前記の交流系統高調波成分の低減或いは消滅を図る如く機能させる回転界磁形同期機を対象とする電気制動回路であって、前記直流界磁巻線に通電する制御された直流電流を生成する直流励磁電源の出力電路に直列に設けこの直流励磁電源に前記の交流及び直流両界磁巻線間の誘導を介して流入する周波数６ｎｆの前記交流電流の流入を阻止する如く機能させる限流リアクトルと、このリアクトルに並列に接続するコンデンサとを設け、両者に依る並列共振回路を形成したことを特徴とする高調波吸収同期機の電気制動回路。
【請求項２】
請求項１に記載の高調波吸収同期機の電気制動回路において、前記限流リアクトルとその並列コンデンサとのなす並列共振回路の共振周波数を前記同期機の基本波周波数ｆに対して６ｎｆとしたことを特徴とする高調波吸収同期機の電気制動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、その連系される交流系統の基本波電圧に重畳された特定高調波の吸収機能を有する回転界磁形同期機の電気制動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の高調波吸収機能を有する回転界磁形同期機とその励磁系についての回路構成としては図３の回路図に例示するものが知られている。
なお、図３に例示する回転界磁形同期機の界磁巻線の構成は、その界磁極に、直流界磁巻線と、界磁極直軸（Ｄ軸）方向に磁束を発生させる交流界磁巻線と、この巻線に直交配置されて界磁極横軸（Ｑ軸）方向に磁束を発生させる交流界磁巻線とを設けるものであり、前記直流界磁巻線には直流電流を通電して周波数ｆの基本波電圧生成用の磁束を発生させ、前記２組の直交配置された交流界磁巻線には互いに９０度の電気角位相差を有する周波数６ｆの交流電流を夫々通電して周波数６ｆに対応する角速度の回転磁界を発生させるものである。
【０００３】
上記の如き界磁構成とその励磁とにより、前記同期機の吸収対象高調波は交流系統の基本波電圧に重畳される逆相分第５調波と正相分第７調波とになる。
即ち、上記の場合は一般表示された周波数（６ｎ±１）ｆの高調波成分と回転磁界対応周波数６ｎｆとに関し、その連系された交流系統に対する最も効果的な高調波吸収をなすｎ＝１の場合を例示するものである。
【０００４】
図３において前記同期機の固定部をなす電機子巻線に関し、Ｌa は電機子等価インダクタンス、Ｒa は電機子等価抵抗、Ｌarは電機子反作用インダクタンスである。また、前記同期機の回転部をなす界磁巻線に関し、Ｌf は界磁等価インダクタンス、Ｒf は界磁等価抵抗である。更に、前記同期機の外部設置機器である励磁電源に関し、１は前記同期機の直流界磁巻線に通電する制御された直流電流を生成する直流励磁電源、２は前記の直交配置された両交流界磁巻線に通電する９０度電気角位相差を有する周波数６ｆの制御された２組の交流電流を生成する６ｆ励磁電源である。
【０００５】
また、Ｃ2 は６ｆ励磁電源２から前記の各界磁巻線と電機子巻線とを見た場合の総合等価インダクタンスを対象とした直列共振コンデンサの静電容量であり、周波数６ｆの前記交流電流の経路インピーダンスを最小として前記６ｆ励磁電源の所要電源容量の最小化を図るものである。
また、Ｌ1aは前記の６ｆ励磁電源にて生成される周波数６ｆの交流電流が直流励磁電源１に流入することを阻止する限流リアクトルのインダクタンス、Ｒexは直流励磁電源１の内部等価抵抗である。
【０００６】
なお、前述の如く前記回転界磁形同期機には直流界磁巻線と、界磁極直軸方向と同横軸方向とに磁束を発生させる如く直交配置された２組の交流界磁巻線と、同期機固定部にある電機子巻線とが設けられて相互に磁気結合しており、従って、何れかの巻線を基準とし他の巻線の特性定数を相互に等価換算することが可能である。
【０００７】
即ち、回転界磁形同期機とその励磁系についての図３の如き回路図は基準とする前記各巻線夫々について得られるものであり、従って、前記２組の直交配置された交流界磁巻線夫々についても、その回路定数の値自体は原則として異なるが、両者同一の等価回路図として図３が得られる。
なお、６ｆ励磁電源２は前記２組の交流界磁巻線夫々に対し個別に設けられるものであるが、両６ｆ励磁電源は前記同期機の吸収対象をなす交流系統側の第５及び第７高調波の振幅と位相とに対応した連動制御と独自制御の何れもが可能なものとなされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、交流系統と連系運転する同期機を含む電力用回転機には系統短絡等の系統擾乱に起因する回転動揺に対する制動機能を有することが求められており、この対策として制動巻線の設置がなされている。
しかしながら、交流系統と連系運転し系統基本波電圧に重畳された特定高調波の吸収を行う同期機では、通常の同期機では不可欠とされる制動巻線を設けることが出来ない。
【０００９】
これは、若し制動巻線を設けるならば、例えば前記整数ｎに関しｎ＝１の場合を例として、系統基本波電圧に重畳された第５及び第７高調波を吸収すべく生成された第６高調波に対応する角速度を有する回転磁界の磁束が前記の両交流界磁巻線と同一界磁極に設けられた制動巻線に鎖交吸収されて本来必要とする固定子側電機子巻線への回転磁界磁束鎖交分が減少し、換言すれば、前記の制動巻線が磁気シールドとして機能して前記回転磁界磁束の前記電機子巻線への鎖交を妨げるためにこの電機子巻線における前記の第５及び第７高調波吸収用の逆相電圧の生成が阻害され、前記同期機による系統高調波の吸収機能が失われるためであり、且つ、その回転磁界磁束の鎖交による誘導電流により前記制動巻線自体が過熱損傷する危険があるためである。
【００１０】
また、前述の如き高調波吸収同期機の界磁極に設けられた直流界磁巻線と２組の交流界磁巻線とは、系統擾乱発生時に同期機回転子の回転変動分に応じた滑り周波数の低周波誘導電流を吸収して前記制動巻線と同様の回転子制動機能を発揮するものであるが、図３に示す回路構成をなす従来の高調波吸収用同期機では、通常数Ｈz である前記滑り周波数において前記の限流リアクトル（Ｌ1a）と直列共振コンデンサ（Ｃ2 ）の各インピーダンスは過大なものとなり、前記の各界磁巻線への前記低周波誘導電流の流入は制限され、これら各界磁巻線は前記同期機の回転子制動に要する充分な誘導電流を得ることが出来ない。
【００１１】
即ち、従来のこの種の高調波吸収同期機においては、系統短絡等の擾乱による電力動揺に起因した同期機回転子の回転動揺に対して電気的な制動を行う部位が無く、前記同期機回転子の動揺が永く継続して電源系統の安定に寄与しないと言う欠点を有していた。
因みに図４は、図３に示す回路構成をなす従来の高調波吸収同期機とその励磁系との系統擾乱に対する応答を、系統電圧急変に対する同期機の有効電力，界磁電流，相差角三者の時間的変化として示す模擬応答図であり、前記同期機が制動巻線を備えず、且つ、前記限流リアクトルのインダクタンスＬ1aを界磁等価インダクタンスＬf に対してＬ1a＝１０・Ｌf の如く極めて大きな値を有するものとした場合のものである。
【００１２】
図４に示す如く、同期機回転子の速度変動に特に関連する相差角の変動等関係諸量の変動は系統電圧急変発生後約２秒経過しても減衰の兆候は無く、この傾向は図示していない１０秒経過後においても全く同様である。これは前記同期機が系統擾乱に対する制動機能を有しないことを示すものである。
また、図５は前述の如き制動巻線の磁気シールドとしての機能を、前記整数ｎに関しｎ＝１の場合を例として説明するための仮想回路図であり、実際の高調波吸収用同期機に適用されるものではないが、前記制動巻線が前記６ｆ交流電流の通電経路にあって前記各電機子巻線経路に対する短絡分路を形成している模様を示すものである。
【００１３】
また、図６は前述の如き制動巻線の系統擾乱に対する制動効果を、図５に従い図４と同様の諸量の変動によって示す模擬応答図であり、図示の如く前記諸量の変動は急速に収束し、制動巻線の有効性が示されている。但し、図６は前記６ｆ交流電流による交流励磁を行わぬ場合のものである。
上記に鑑みこの発明は、その連系された交流電源系統の基本波電圧に重畳される第５及び第７調波等の特定高調波電圧の吸収機能と、系統擾乱に起因するその回転子動揺の制動機能と、を効果的に併せ持つことを簡易且つ安価に可能とする高調波吸収同期機に関する電気制動回路の提供を目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の高調波吸収同期機の電気制動回路において、
１）請求項１の発明は、回転界磁形同期機の界磁極に、直流電流を通電し周波数ｆの基本波電圧生成用の磁束を発生させる直流界磁巻線と、所定の機械角差を有して均等に配置されその各々に前記機械角差に対応する電気角位相差を互いに有する周波数６ｎｆ（ｎは正の整数）の交流電流を通電し前記界磁極上に周波数６ｎｆに対応する角速度の回転磁界を形成する複数の交流界磁巻線と、を備え、前記両交流電流の制御を介した前記回転磁界の振幅或いは位相の制御により連系される交流系統の基本波電圧に重畳された周波数（６ｎ±１）ｆの高調波成分と等値且つ逆位相の電圧成分を前記回転磁界と鎖交する前記同期機の電機子に発生させ、前記交流系統高調波成分の低減或いは消滅を図る如く機能させる回転界磁形同期機を対象とする電気制動回路であって、前記直流界磁巻線に通電する制御された直流電流を生成する直流励磁電源の出力電路に直列に設置しこの直流励磁電源に前記の交流及び直流両界磁巻線間の誘導を介して流入する周波数６ｎｆの交流電流の流入を阻止する如く機能させる限流リアクトルと、このリアクトルに並列に接続するコンデンサとを設け、両者に依る並列共振回路を形成するものとする。
【００１５】
２）請求項２の発明は、請求項１に記載の高調波吸収同期機の電気制動回路において、前記限流リアクトルとその並列コンデンサとのなす並列共振回路の共振周波数を前記同期機の基本波周波数ｆに対して６ｎｆとするものとする。
上記の如き回路構成により、並列共振回路を形成し直流励磁電源１の出力電路に直列に設けられるこの発明の電気制動回路は、その周波数を６ｎｆとする前記回転磁界生成用の交流電流に対しては高インピーダンス回路として機能してその直流励磁電源１への流入を阻止し、一方、系統擾乱に起因する前記の低周波誘導電流に対しては前記並列共振回路を形成する限流リアクトルが低インピーダンスの経路を形成してその直流励磁電源１への充分な流入を可能となす如く、前記の６ｎｆ交流電流と低周波誘導電流とに対する周波数による弁別素子として機能するものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は請求項１と請求項２とに従うこの発明の実施例を示す高調波吸収同期機とその励磁系の回路図であり、従来技術の実施例を示す図３の場合と同一機能の構成要素に対しては同一の表示符号を付している。なお、図１は図３の場合と同じく、前記の整数ｎに関してｎ＝１の場合を例示するものである。
【００１７】
ここに、図１は、従来技術の実施例を示す前記の図３において、その周波数を６ｆとする前記交流電流の直流励磁電源１への流入を阻止する限流リアクトルのインダクタンスをＬ1aよりＬ1 に変更すると共に、この限流リアクトルに対してその静電容量をＣ1 とするコンデンサを並列に接続して両者による並列共振回路を形成させ、且つ、この並列共振回路の共振周波数を前記の周波数６ｆとなしたものである。
【００１８】
また、前記の共振回路を形成する限流リアクトルのインダクタンスＬ1 と並列コンデンサの静電容量Ｃ1 とは周波数６ｆにおいて並列共振回路を形成するものであるが、同時に、前記限流リアクトルに関しては、通常数Ｈz である系統擾乱発生時の前記の如き低周波誘導電流の滑り周波数において、前記インダクタンスＬ1 と等価抵抗Ｒexとのなす合成インピーダンスが、６ｆ励磁電源２の内部インピーダンスと前記の直列共振コンデンサ（Ｃ2 ）とのなす合成インピーダンスに比して極めて小となる如く決定されることを要すると共に、前記並列共振回路のＱ値の低下を避ける如く決定されるものであり、これにより、前記並列共振回路を前記の６ｆ交流電流と低周波誘導電流とに対する周波数による弁別素子として機能させることが可能となる。
【００１９】
因みに図２は、図１に示す回路構成をなす高調波吸収同期機とその励磁系との系統擾乱に対する応答を、系統電圧急変に対する同期機の有効電力，界磁電流，相差角三者の時間的変化として示す模擬応答図であり、前記同期機が制動巻線を備えず、且つ、前記限流リアクトルのインダクタンスＬ1 を界磁等価インダクタンスＬf に対しＬ1 ＝0.1 ・Ｌf の如く図４の場合に比して極めて小なるものとすると共に、Ｌ1 ・Ｃ1 ＝（１２πｆ）-2の如く前記並列コンデンサの静電容量Ｃ1 を選定した場合のものである。
【００２０】
図２に示す如く、系統電圧急変による系統擾乱に対して前記同期機相差角等の諸量の変動は急速に収束し、前記の限流リアクトルを経由する低周波誘導電流の直流界磁巻線を含む直流励磁電源系への充分な流入が図られ、良好な制動がなされている。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、周波数ｆの基本波電圧の生成用の直流界磁巻線と、周波数６ｎｆに対応する角速度の回転磁界を生成する複数の交流界磁巻線とをその界磁極に備え、連系される交流系統の基本波電圧に重畳された周波数（６ｎ±１）ｆの交流系統高調波電圧の低減或いは消滅を図る如く機能させる回転界磁形同期機を対象とする電気制動回路に関し、請求項１による如く、限流リアクトルとこれに並列に接続したコンデンサとによる並列共振回路を前記直流界磁巻線に通電する制御された直流電流を生成する直流励磁電源の出力電路に直列に設置して前記の電気制動回路を構成し、また、請求項２による如く、前記並列共振回路の共振周波数を同期機基本波周波数ｆに対して６ｎｆとすることにより、前記電気制動回路は、その並列共振回路が周波数６ｎｆの回転磁界生成用の前記交流電流に対しては高インピーダンス回路として機能してこの交流電流の前記直流励磁電源への流入を阻止し、一方、系統擾乱による前記同期機の回転子動揺をその原因とする低周波誘導電流に対しては前記の並列共振回路を形成する限流リアクトルが低インピーダンス経路を形成して前記低周波誘導電流の前記直流励磁電源への容易な流入を可能とする如く、前記の周波数６ｎｆ交流電流と低周波誘導電流とに対する周波数による弁別素子として機能するものとなり、この簡易且つ安価な電気制動回路を備えることにより、前記の回転界磁形同期機は高調波電圧吸収機能の付加に伴いその設置が不可となる制動巻線に代わる有効な制動手段を得ることが出来、連系する系統の安定性を阻害することなく有効な高調波電圧吸収機能を有する回転界磁形同期機の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す高調波吸収同期機とその励磁系の回路図
【図２】図１に対応し、系統擾乱に対する同期機諸量の変動を示す模擬応答図
【図３】従来技術の実施例を示す高調波吸収同期機とその励磁系の回路図
【図４】図３に対応し、系統擾乱に対する同期機諸量の変動を示す模擬応答図
【図５】図１に制動巻線を付加した高調波吸収同期機とその励磁系の仮想回路図
【図６】図５に対応し、系統擾乱に対する同期機諸量の変動を示す模擬応答図
【符号の説明】
１    直流励磁電源
２    ６ｆ励磁電源
Ｃ1   並列共振コンデンサの静電容量
Ｃ2   直列共振コンデンサの静電容量
Ｌ1   限流リアクトルのインダクタンス
Ｌ1a  限流リアクトルのインダクタンス
Ｌa   電機子等価インダクタンス
Ｌar  電機子反作用インダクタンス
Ｌd   制動巻線の等価インダクタンス
Ｌf   界磁等価インダクタンス
Ｒa   電機子等価抵抗
Ｒd   制動巻線の等価抵抗
Ｒex  直流励磁電源１の内部等価抵抗
Ｒf   界磁等価抵抗
【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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