(57)【要約】【課題】サイリスタコンバータの構成を変えずに発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧を十分に抑制し、かつ、界磁巻線の電圧変化に対する応答性を向上することができる界磁巻線型同期回転機システムを提供する。【解決手段】サイリスタコンバータ２は、三相交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する。界磁巻線型同期発電機１６は、界磁巻線１２を有する。コア３は、孔３Ｈを有する。正極性及び負極性の出力線は、孔３Ｈに挿通され、サイリスタコンバータ２と界磁巻線１２とを電気的に接続する。【選択図】図１
2014131403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を供給する交流電源と、
前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するサイリスタコンバータと、
界磁巻線を有する界磁巻線型同期回転機と、
孔を有するコアと、
前記孔に挿通され、前記サイリスタコンバータと前記界磁巻線とを電気的に接続する正極性及び負極性の出力線と、
を備えることを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の界磁巻線型同期回転機システムであって、
前記コアに対して出力側の正極性の前記出力線に一端が接続され、他端が接地された第１のコンデンサと、
前記コアに対して出力側の負極性の前記出力線に一端が接続され、他端が接地された第２のコンデンサを有する
ことを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【請求項３】
請求項２に記載の界磁巻線型同期回転機システムであって、
前記第１のコンデンサの静電容量と前記第２のコンデンサの静電容量が同じである
ことを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【請求項４】
請求項１に記載の界磁巻線型同期回転機システムであって、
前記コアに対して入力側の正極性の前記出力線に一端が接続され、前記コアに対して出力側の正極性の前記出力線に他端が接続される第１の抵抗と、
前記コアに対して入力側の負極性の前記出力線に一端が接続され、前記コアに対して出力側の負極性の前記出力線に他端が接続される第２の抵抗を有する
ことを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【請求項５】
請求項４に記載の界磁巻線型同期回転機システムであって、
前記第１及び第２の抵抗の抵抗値は、前記出力線のサージインピーダンスと同じである
ことを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【請求項６】
請求項２に記載の界磁巻線型同期回転機システムであって、
前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの静電容量は、前記交流電源の対地間の静電容量以上である
ことを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【請求項７】
請求項１に記載の界磁巻線型同期回転機システムであって、
接地され、前記コアに対して出力側の正極性及び負極性の出力線の表面を隙間をあけて覆う金属性パイプを有する
ことを特徴とする界磁巻線型同期回転機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は界磁巻線型同期回転機システムに関するものであり、特に、サイリスタコンバータを備える界磁巻線型同期回転機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力、火力発電所などで用いられる大型発電機では、系統の過渡安定度を向上させるため、必要に応じて界磁巻線の励磁電圧を変化させている。とりわけ、近年、急激な負荷変動に対応するため、瞬時に界磁巻線の定格電圧の約１０倍もの電圧を印加することが求められる場合もある。例えば、ある発電所の発電が緊急停止したときに、別の発電所の出力を上げるため、界磁巻線の励磁電圧を瞬時に上げるような場合である。
【０００３】
ところで、界磁巻線の励磁電圧の制御は、主にサイリスタコンバータ（静止型励磁装置）で行われてきた。しかし、サイリスタコンバータでは、あるサイリスタ素子から別のサイリスタ素子に転流（スイッチング）する際に、スパイク電圧と呼ばれるサージ電圧が発生する。そのため、このスパイク電圧が重畳した励磁電圧のピーク電圧が、発電機の界磁巻線の対地絶縁体や層間絶縁体の使用限界電圧を超えない範囲で励磁電圧を高くしてきた。
【０００４】
今後も系統安定化のため励磁電圧を高くすることが求められるが、この要求に対応するためには、絶縁体の厚みを厚くするなどして使用限界電圧を高くするか、スパイク電圧を抑制して励磁電圧のピーク電圧を低くする必要がある。前者のように絶縁体の厚みを厚くする場合には、発電機のロータスロット寸法およびロータの外径が大きくなる問題がある。そこで、今回、後者のスパイク電圧の抑制技術について検討した。
【０００５】
発電機の界磁巻線のスパイク電圧抑制方法として、サイリスタコンバータの素子数を増やし６相整流から１２相整流にすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
一方、界磁巻線の電圧保護装置として、交流遮断機の開極時のスパイク電圧を抑制する装置が知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２２０８５９号公報
【特許文献２】特開２００５−３１２１０８号公報
【特許文献３】特開２０００−３５４３９８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のスパイク電圧抑制方法では、サイリスタの素子数が増加しスイッチング損失が増加する問題やサイリスタコンバータの体格が大きくなる問題があった。そのため、サイリスタコンバータの構成を変えずにスパイク電圧を抑制することが求められている。
【０００９】
特許文献２又は特許文献３の電圧保護装置は、発電機の停止時に発生するスパイク電圧を抑制する。しかし、これらの電圧保護装置は、発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧には効果が期待できないという問題があった。
【００１０】
さらに、一般的なスパイク電圧の抑制方法として、リアクトルやＬＣフィルタをサイリスタコンバータの出力に挿入することが考えられる。しかし、サイリスタコンバータの直流電圧でリアクトルやＬＣフィルタのコアが磁気飽和するため、十分なインダクタンスを確保できないという問題があった。そのため、スパイク電圧を十分に抑制することができなかった。また、仮にコアを大型化して磁気飽和を防止した場合にも、大きなインダクタンスが界磁巻線に直列に挿入されることから、急激な負荷変動に対して界磁巻線の電圧を迅速に変化させようとしても、応答性が悪くなる問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、サイリスタコンバータの構成を変えずに発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧を十分に抑制し、かつ、界磁巻線の電圧変化に対する応答性を向上することができる界磁巻線型同期回転機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、交流電力を供給する交流電源と、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するサイリスタコンバータと、界磁巻線を有する界磁巻線型同期回転機と、孔を有するコアと、前記孔に挿通され、前記サイリスタコンバータと前記界磁巻線とを電気的に接続する正極性及び負極性の出力線と、を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、サイリスタコンバータの構成を変えずに発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧を十分に抑制し、かつ、界磁巻線の電圧変化に対する応答性を向上することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムに用いられるコアの構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムに用いられる発電機の界磁巻線に設けられる絶縁体の構成を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムに用いられるサイリスタコンバータの正極性と負極性の出力端子から出力される対地電圧波形の概略図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの等価回路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムに用いられるコアのＢ−Ｈ曲線を示す図である。
【図７】発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの出力電圧波形を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの構成図である。
【図９】本発明の第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの等価回路図である。
【図１０】図９に示す等価回路図においてサイリスタコンバータに接続された出力線の対地電圧を説明するための図である。
【図１１】第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムに用いられるコンデンサの変形例の構成図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの構成図である。
【図１３】図１２に示す抵抗と出力線との接続状態を説明するための図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの等価回路図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの出力電圧波形を説明するための図である。
【図１６】比較例としての界磁巻線型同期回転機システムの構成図である。
【図１７】比較例としての界磁巻線型同期回転機システムの出力電圧波形を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１の実施形態〕  
以下、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの構成及び動作を説明する。界磁巻線型同期回転機システムは、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムであり、例えば、火力発電所などで用いられる。
【００１６】
最初に、図１を用いて、界磁巻線型同期回転機システムの全体構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａの構成図である。
【００１７】
界磁巻線型同期回転機システム１００Ａは、三相交流電源１、サイリスタコンバータ２、略環状のコア３、発電機１６を備える。
【００１８】
三相交流電源１（三相交流電圧１）は、サイリスタコンバータ２に三相交流電力を供給する。
【００１９】
サイリスタコンバータ２は、三相交流電源１から供給された三相交流電力を直流電力に変換し、直流電力を出力する。
【００２０】
サイリスタコンバータ２から出力された直流電力は、出力線８を介して発電機１６の界磁巻線１２に供給される。発電機１６は、界磁巻線型同期回転機としての界磁巻線型同期発電機である。
【００２１】
出力線８は、本実施形態の特徴部である略環状のコア３に設けられた孔３Ｈに挿通される。出力線８は、導電性材料でできている。図１では、出力線８のサージインピーダンスをＺ０で表している。また、正極性Ｊの出力線８と負極性Ｋの出力線８は対をなしている。コア３の詳細については、図２を用いて後述する。
【００２２】
発電機１６は、主として、回転子１１と固定子１３から構成される。固定子１３に形成されたスロットには、固定子巻線１４が挿入され、巻回されている。
【００２３】
回転子１１の直流磁束は、回転子１１の界磁巻線１２に直流電力を供給することによって生成される。本実施形態では、スリップリング１０とブラシ９を介して直流電力が供給される。この直流電力は、三相交流電源１から供給される三相交流電力をサイリスタコンバータ２で整流して生成される。本実施形態では、サイリスタコンバータ２の出力端に正極性Ｊと負極性Ｋの出力線８を接続し、その両者にコア３を鎖交させている。
【００２４】
回転子１１に設けられたシャフトは外部から駆動される。それにより、回転子１１が駆動する。回転子１１が駆動すると、回転子１１が作り出す磁束は固定子巻線１４に鎖交するため、三相交流電力が発生する。発生した三相交流電力は出力１５に出力される。
【００２５】
次に、図２を用いて、コア３の構成を説明する。図２は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａに用いられるコア３の構成図である。
【００２６】
コア３は、分割したＵ字型のコア３１及び３２を出力線８の長手方向（ｘ軸方向）に対して垂直な２方向（ｚ軸方向（＋）及び（−））から突合せて固定することにより形成される。コア３１及び３２は、フェライト、積層した珪素鋼板などの磁性材料でできている。
【００２７】
なお、本実施形態は分割したコア３１及び３２を使用したが、一体のリングコアを用意し、これに出力線８を貫通させるようにしてもよい。
【００２８】
次に、図３を用いて、発電機１６の界磁巻線１２に設けられる絶縁体の構成を説明する。図３は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａに用いられる発電機１６の界磁巻線１２に設けられる絶縁体の構成を説明するための図である。
【００２９】
界磁巻線１２は、断面が方形の所定のターン数の導体から構成され、回転子コア１１ａに形成されたスロット１１ｂに納められている。また、界磁巻線１２と回転子コア１１ａの間は対地絶縁体７３で絶縁されている。さらに界磁巻線１２のターン間は層間絶縁体７４によって絶縁されている。対地絶縁体７３及び層間絶縁体７４は、芳香族ポリアミドなどの絶縁材料でできている。
【００３０】
サイリスタコンバータ２から出力される直流電圧は界磁巻線１２に印加される。そのため、このような絶縁体の構成に鑑み、絶縁体の設計で問題としなければならない電圧は正極性Ｊと負極性Ｋの極間電圧ではなく、正極性Ｊあるいは負極性Ｋと対地間の電圧である。したがって、以下では、正極性Ｊあるいは負極性Ｋと回転子コア１１との間の対地電圧を検討する。
【００３１】
次に、図４を用いて、サイリスタコンバータ２の正極性Ｊと負極性Ｋの出力端子から出力される対地電圧波形を説明する。図４は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａに用いられるサイリスタコンバータ２の正極性Ｊと負極性Ｋの出力端子から出力される対地電圧波形の概略図である。この対地電圧波形は、コア３、出力線８などを介して界磁巻線１２に印加される。
【００３２】
図４では、横軸は時間ｔを示し、縦軸は電圧ｖを示す。正極性Ｊ、負極性Ｋともに転流時に急峻な電圧変化をする。例えば、図４に示すように、正極性Ｊの対地電圧ｖは、転流タイミング１３３においてスパイク状に変化する。
【００３３】
この結果、直流電圧として有効な電圧の範囲１３１、１３２を超えるスパイク電圧１３０が発生し、界磁巻線１２の対地絶縁体７３および層間絶縁体７４に過電圧が加わる。このスパイク電圧の発生タイミングは正極性Ｊ、負極性Ｋで一致していない。言い換えれば、スパイク電圧に関しては、正極性Ｊあるいは負極性Ｋで平衡していない。本発明は、この点に着目してなされたものであり、次の説明で述べるようにスパイク電圧を抑制している。
【００３４】
以下、図５を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ａの作用を説明する。図５は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａの等価回路図である。
【００３５】
サイリスタコンバータ２には三相平衡交流電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が接続されている。図５では、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の上に黒い丸が付されている。この黒い丸は、Ｅ１〜Ｅ３が電圧ベクトルであることを示している。
【００３６】
サイリスタコンバータ２は、サイリスタ２１〜２６がスイッチングすることで任意の大きさの直流電圧を生成する。生成された直流電圧は、出力線８を介して界磁巻線１２に印加される。
【００３７】
前述したように、サイリスタコンバータ２の出力線８は、コア３と鎖交する。これにより、等価回路の出力線８には、同じ方向に電流が流れたと仮定した場合に互いに磁束を強めあうインダクタンス３ａ及び３ｂが挿入されている。なお、図５では、インダクタンス３ａ及び３ｂの極性を黒い丸で示す。
【００３８】
インダクタンス３ａには、サイリスタコンバータ２から界磁巻線１２の方向に電流ｉ１が流れ、インダクタンス３ｂには、界磁巻線１２からサイリスタコンバータ２の方向に電流ｉ２が流れる。つまり、電流ｉ１と電流ｉ２は逆方向に流れる。これにより、インダクタンス３ａによって生成される磁束とインダクタンス３ｂによって生成される磁束が打ち消しあう。
【００３９】
このため、界磁電流に対してインダクタンス３ａ及び３ｂが存在しないことになる。これにより、急激な負荷変動に対しても界磁巻線の電圧を迅速に変化させることができる。
【００４０】
また、互いに逆方向に流れる電流ｉ１及びｉ２によってコア３の内部の磁束が打ち消しあうため、図２に示すコア３は磁気飽和しない。
【００４１】
一方、スパイク電圧は、正極性Ｊ，負極性Ｋで同時に発生しない。このような不平衡現象では、正極性Ｊの出力線８と負極性Ｋの出力線８を流れる電流が作る磁束が打ち消しあわないため、インダクタンス３ａ又は３ｂが高いインダクタンス値を示す。
【００４２】
このように、インダクタンス３ａ及び３ｂは界磁電流に対してはインダクタンスとして機能しないが、スパイク電圧に対してはインダクタンスとして機能する。
【００４３】
本実施形態では、インダクタンス３ａ及び３ｂ、界磁巻線１２の対地絶縁体７３の静電容量、層間絶縁体７４の静電容量でＬＣフィルタを形成し、サイリスタコンバータ２の出力電圧の電圧変化を緩やかにしてスパイク電圧の発生を抑制している。
【００４４】
また、本実施形態では、簡単な回路構成でスパイク電圧を抑制できる。ここで、スパイク電圧を十分に抑制できるＬＣフィルタを形成するためには、インダクタンス３ａ及び３ｂのインダクタンス値を大きくすることが必要である。
【００４５】
したがって、コアの軸長を長くすることが望ましい。ただし、コア３に比透磁率の高い材料を使用することで軸長の増加を抑えることができる。
【００４６】
次に、図６を用いて、コア３のインダクタンスと磁場の関係を説明する。図６は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａに用いられるコア３のＢ−Ｈ曲線を示す図である。図６では、横軸は磁場の強さＨを示し、縦軸は磁束密度Ｂを示す。
【００４７】
本実施形態では、前述したように、コア３は磁気飽和しない。つまり、図６のＢ−Ｈ曲線において動作点１２０を原点Ｏ付近に設定し、比透磁率の高い部分（傾きの大きい部分）でコア３を使用することができる。
【００４８】
これにより、十分なインダクタンスを確保することができ、スパイク電圧を十分に抑制することができる。スパイク電圧の発生により、動作点１２０は矢印１２０ａ及び１２０ｂの方向に振動する。
【００４９】
一方、本実施形態のコア３の代わりに、リアクトルやＬＣフィルタをサイリスタコンバータ２の出力線８に直列に挿入した場合、サイリスタコンバータ２の直流電圧でリアクトルやＬＣフィルタのコアが磁気飽和する。そのため、図６のＢ−Ｈ曲線の１２１部付近が動作点となり、比透磁率の高い部分でコア３を使用することができない。
【００５０】
これにより、十分なインダクタンスを確保できず、スパイク電圧を十分に抑制することができない。スパイク電圧の発生により、動作点１２１は矢印１２１ａ及び１２１ｂの方向に振動する。
【００５１】
次に、図７を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ａの出力電圧波形を説明する。図７は、本発明の第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａの出力電圧波形を説明するための図である。
【００５２】
図７では、横軸は時間ｔ（μs）を示し、縦軸は電圧ｖ（p.u.=per unit）を示す。電圧ｖの単位（p.u.）は任意単位である。図７に示す出力電圧波形は、図５に示す回路を等価回路シミュレーションすることで求めたものである。図７の出力電圧波形は、図４の転流タイミング１３３におけるスパイク電圧を入力したときのシミュレーション結果である。
【００５３】
図７では、タイミングｔ１で転流（スイッチング）が発生している。正極性Ｊの電圧は転流により、Ｖ０から電圧Ｖ１に変化する。電圧ｖがＶ０からＶ１に変化する間、スパイク電圧は見られない。コア３のインダクタンス、対地絶縁体７３の静電容量、層間絶縁体７４の静電容量で形成されたＬＣフィルタにより、スパイク電圧が抑制されるからである。
【００５４】
なお、スパイク電圧は、不平衡現象であるため、負極性Ｋでは転流は発生していない。そのため、負極性Ｋの電圧は一定である。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、サイリスタコンバータの構成を変えずに発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧を十分に抑制し、かつ、界磁巻線の電圧変化に対する応答性を向上することができる。これにより、これまでスパイク電圧で制限されていた界磁電圧を高くすることができる。
【００５６】
〔第２の実施形態〕  
次に、図８〜図１０を用いて、本発明の第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの構成及び動作を説明する。なお、同一部分には同一符号を用い、説明を省略する。
【００５７】
最初に、図８を用いて、界磁巻線型同期回転機システムの全体構成を説明する。図８は、本発明の第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂの構成図である。
【００５８】
図８では、図１と比較して、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂがコンデンサ６及び７を備える点が異なる。
【００５９】
コンデンサ６の一端は、正極性Ｊの出力線８に設けられた端子Ｐ６に接続され、他端は接地される。一方、コンデンサ７の一端は、負極性Ｋの出力線８に設けられた端子Ｐ７に接続され、他端は、接地される。
【００６０】
本実施形態では、コンデンサ６及び７は、サイリスタコンバータ２からコア３に設けられた孔３Ｈを挿通した正極性Ｊ又は負極性Ｋの出力線８のうち、コア３に対して出力側の部分にそれぞれ接続されている。本実施形態では、コンデンサ６の静電容量とコンデンサ７の静電容量は同じである。
【００６１】
次に、図９を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂの作用を説明する。図９は、本発明の第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂの等価回路図である。
【００６２】
第１の実施形態と同様に、第２の実施形態でもインダクタンス３ａ及び３ｂは界磁電流に対してはインダクタンスとして機能しないが、スパイク電圧に対してはインダクタンスとして機能する。
【００６３】
本実施形態では、インダクタンス３ａ及び３ｂ、これらの出力端に設置した対地間のコンデンサ６及び７でＬＣフィルタを形成している。このようにすることでサイリスタコンバータ２の出力電圧の電圧変化を緩やかにしてスパイク電圧の発生を抑制している。
【００６４】
次に、図１０を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂの作用を説明する。図１０は、図９に示す等価回路図においてサイリスタコンバータ２に接続された出力線８の対地電圧を説明するための図である。
【００６５】
本実施形態では、前述したように、インダクタンス３ａ及び３ｂの出力端の対地間に静電容量が同じコンデンサ６及び７が接続されている。ここで、正極性Ｊの出力線８と負極性Ｋの出力線８の極間電圧をＥとすると、正極性Ｊ及び負極性Ｋの対地電圧はそれぞれ、Ｅ／２，（−Ｅ／２）となる。
【００６６】
これにより、交流電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の各相の対地間静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が一時的に不平衡であっても、定常状態において、正極性Ｊ，負極性Ｋの対地間の電位を均等にすることができる。つまり、対地電位変動を抑制することができる。このような効果を確保するため、コンデンサ６及び７の静電容量は、交流電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の各相の対地間静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のいずれよりも大きいことが好ましい。
【００６７】
なお、本実施形態の界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂの出力電圧波形は、図７に示す界磁巻線型同期回転機システム１００Ａの出力電圧波形と同様である。ただし、コンデンサ６及び７を備えるため、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂの方がスパイク電圧を抑制する効果が高い。
【００６８】
〔変形例〕  
図１１に界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂに用いられるコンデンサの変形例を説明する。図１１は、第２の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｂに用いられるコンデンサの変形例の構成図である。
【００６９】
第２の実施形態では、コア３の出力側にコンデンサ６及び７を接続した。しかし、一般に信頼性が要求される大型発電機などでは信頼性の観点で部品点数を減らすことが望まれる。
【００７０】
本変形例では、サイリスタコンバータ２に接続された出力線８の表面が金属性パイプ１１１で覆われている。金属性パイプ１１１の内周面と出力線８の表面の間には隙間がある。金属性パイプ１１１には、接地電極が設けられている。金属性パイプ１１１は、対地間静電容量（浮遊容量）を形成することでコンデンサ６及び７として機能する。
【００７１】
〔第３の実施形態〕  
次に、図１２〜図１５を用いて、本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システムの構成及び動作を説明する。なお、同一部分には同一符号を用い、説明を省略する。
【００７２】
最初に、図１２を用いて、界磁巻線型同期回転機システムの全体構成を説明する。図１２は、本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃの構成図である。
【００７３】
図１２では、図８と比較して、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃが抵抗４及び５を備える点が異なる。
【００７４】
抵抗４は、正極性Ｊの出力線８におけるコア３によるインダクタンスに対して並列に接続される。一方、抵抗５は、負極性Ｋの出力線８におけるコア３によるインダクタンスに対して並列に接続される。抵抗４及び５の抵抗値は、出力線８のサージインピーダンスＺ０と同じである。
【００７５】
次に、図１３を用いて、抵抗４及び５の接続状態を説明する。図１３は、図１２に示す抵抗４及び５と出力線８との接続状態を説明するための図である。
【００７６】
抵抗４の一端は、コア３の孔３Ｈを挿通した正極性Ｊの出力線８のうち、孔３Ｈの一方から導かれた部分（コア３に対して入力側）に設けられた端子Ｐ1に接続される。また、抵抗４の他端は、コア３の孔３Ｈを挿通した正極性Ｊの出力線８のうち、孔３Ｈの他方から導かれた部分（コア３に対して出力側）に設けられた端子Ｐ２に接続される。
【００７７】
同様にして、抵抗５の一端と他端は、負極性Ｋの出力線８に設けられた端子Ｐ３、Ｐ４にそれぞれに接続される。
【００７８】
次に、図１４を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃの作用を説明する。図１４は、本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃの等価回路図である。
【００７９】
第１の実施形態と同様に、第３の実施形態でもインダクタンス３ａ及び３ｂは界磁電流に対してはインダクタンスとして機能しないが、スパイク電圧に対してはインダクタンスとして機能する。
【００８０】
例えば、サイリスタコンバータ２から正極性Ｊの出力線８にスパイク電圧が出力されたと仮定する。スパイク電圧のような高周波の電圧に対してインダクタンス３ａは等価的に開放となる。そのため、スパイク電圧による電流ｉｓは抵抗４に流れる。
【００８１】
これにより、抵抗４は、正極性Ｊのスパイク電圧のエネルギーを吸収する。つまり、抵抗４は、正極性のスパイク電圧の電気エネルギーを熱エネルギーとして放出する。
【００８２】
一方、サイリスタコンバータ２から負極性Ｋの出力線８にスパイク電圧が出力された場合、抵抗５は、負極性Ｋのスパイク電圧のエネルギーを吸収する。
【００８３】
本実施形態では、抵抗４及び５の抵抗値は、出力線８のサージインピーダンスＺ０と同じである。このようにマッチングすることにより、出力線８で消費される電力値が最大となり、スパイク電圧（ケーブルサージ）を十分に抑制することができる。
【００８４】
次に、図１５を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃの出力電圧波形を説明する。図１５は、本発明の第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃの出力電圧波形を説明するための図である。
【００８５】
図１５では、横軸は時間ｔ（μs）を示し、縦軸は電圧ｖ（p.u.）を示す。図１５に示す出力電圧波形は、図１４に示す回路を等価回路シミュレーションすることで求めたものである。図１５の出力電圧波形は、図４の転流タイミング１３３におけるスパイク電圧を入力したときのシミュレーション結果である。
【００８６】
図１５では、タイミングｔ１で転流（スイッチング）が発生している。正極性Ｊの電圧は転流により、Ｖ０から電圧Ｖ１に変化する。電圧がＶ０からＶ１に変化する間、電圧ｖは振動するが、電圧Ｖ１を超えるようなスパイク電圧は見られない。一方、負極性Ｋでは転流は発生していない。そのため、負極性Ｋの電圧は一定である。
【００８７】
以上説明したように、本実施形態によれば、サイリスタコンバータの構成を変えずに発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧を十分に抑制し、かつ、界磁巻線の電圧変化に対する応答性を向上することができる。これにより、これまでスパイク電圧で制限されていた界磁電圧を高くすることができる。
【００８８】
次に、図１６〜図１７を用いて、比較例としての界磁巻線型同期回転機システムの構成及び動作を説明する。
【００８９】
図１６は、比較例としての界磁巻線型同期回転機システム１００Ｐの構成図である。なお、同一部分には同一符号を用い、説明を省略する。
【００９０】
この比較例では、サイリスタコンバータ２の出力電圧が出力線８を介して発電機１６の界磁巻線１２にそのまま印加される。
【００９１】
次に、図１７を用いて、界磁巻線型同期回転機システム１００Ｐの出力電圧波形を説明する。図１７は、比較例としての界磁巻線型同期回転機システム１００Ｐの出力電圧波形を説明するための図である。
【００９２】
図１７では、横軸は時間ｔ（μs）を示し、縦軸は電圧ｖ（p.u.）を示す。図１７に示す出力電圧波形は、図５の回路からインダクタンス３ａ及び３ｂを除いた回路を等価回路シミュレーションすることで求めたものである。
【００９３】
図１７では、タイミングｔ１で転流（スイッチング）が発生している。正極性Ｊの電圧は転流により、Ｖ０から電圧Ｖ１に変化する。電圧がＶ０からＶ１に変化する間、電圧ｖは振動し、電圧Ｖ１を超えるスパイク電圧が見られる。
【００９４】
これに対し、第１〜第３の実施形態によれば、サイリスタコンバータの構成を変えずに発電機の運転中に発生する急峻で高頻度のスパイク電圧を十分に抑制し、かつ、界磁巻線の電圧変化に対する応答性を向上することができる。これにより、これまでスパイク電圧で制限されていた界磁電圧を高くすることができる。
【００９５】
上記第１〜第実施形態では、発電機１６が用いられているが、発電機１６の代わりに電動機を用いてもよい。
【００９６】
本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００９７】
例えば、第１の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ａに、第３の実施形態である界磁巻線型同期回転機システム１００Ｃで用いられる抵抗４及び５を追加してもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１…三相交流電源（三相交流電圧）
２…サイリスタコンバータ
３…コア
３ａ，３ｂ…インダクタンス
４，５…抵抗
６，７…コンデンサ
８…出力線
Ｊ…正極性
Ｋ…負極性
Ｚ０…サージインピーダンス
９…ブラシ
１０…スリップリング
１１…回転子
１１ａ…回転子コア
１１ｂ…スロット
１２…界磁巻線
１３…固定子
１４…固定子巻線
１５…出力（三相交流電力）
１６…発電機
２１〜２６…サイリスタ
３１，３２…分割されたコア
７３…対地絶縁体
７４…層間絶縁体
９０，９１…コンデンサ
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…界磁巻線型同期回転機システム
１１１…金属性パイプ
１２０，１２１…動作点
１３０…スパイク電圧
１３１、１３２…直流電圧として有効な電圧の範囲
１３３…転流タイミング
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…三相平衡交流電源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…対地間の静電容量
【図１】
2014131403.tif 000003
【図２】
2014131403.tif 000004
【図３】
2014131403.tif 000005
【図４】
2014131403.tif 000006
【図５】
2014131403.tif 000007
【図６】
2014131403.tif 000008
【図７】
2014131403.tif 000009
【図８】
2014131403.tif 000010
【図９】
2014131403.tif 000011
【図１０】
2014131403.tif 000012
【図１１】
2014131403.tif 000013
【図１２】
2014131403.tif 000014
【図１３】
2014131403.tif 000015
【図１４】
2014131403.tif 000016
【図１５】
2014131403.tif 000017
【図１６】
2014131403.tif 000018
【図１７】
2014131403.tif 000019