(57)【要約】  同期機起動装置は、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部（７１）と、電力変換部（７１）から同期機（４）の電機子へ交流電力を供給するための電力線（ＬＮ）と、電力線（ＬＮ）と電気的に接続された１次巻線、および１次巻線と磁気結合された２次巻線を含む変圧器（８）と、変圧器（８）の２次巻線に電気的に接続され、変圧器（８）の１次巻線における交流電圧に対する２次巻線における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部（１０）と、位相補正部（１０）によって補正された交流電圧に基づいて、同期機（４）の回転子位置を検出するための回転子位置検出部（１１）と、回転子位置検出部（１１）によって検出された回転子位置に基づいて、電力変換部（７１）を制御するための電力変換制御部（１９）とを備える。
2010146663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子および回転子を備えた同期機（４）を起動するための同期機起動装置であって、
供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部（７１）と、
前記電力変換部（７１）から前記同期機（４）の電機子へ前記交流電力を供給するための電力線（ＬＮ）と、
前記電力線（ＬＮ）と電気的に接続された１次巻線（Ｌ１）、および前記１次巻線（Ｌ１）と磁気結合された２次巻線（Ｌ２）を含む変圧器（８）と、
前記変圧器（８）の２次巻線（Ｌ２）に電気的に接続され、前記変圧器（８）の１次巻線（Ｌ１）における交流電圧に対する前記２次巻線（Ｌ２）における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部（１０，５１）と、
前記位相補正部（１０，５１）によって補正された前記交流電圧に基づいて、前記同期機（４）の回転子位置を検出するための回転子位置検出部（１１）と、
前記回転子位置検出部（１１）によって検出された前記回転子位置に基づいて、前記電力変換部（７１）を制御するための電力変換制御部（１９）とを備える同期機起動装置。
【請求項２】
前記位相補正部（１０，５１）は、前記変圧器（８）における巻線抵抗（Ｒ）および励磁インダクタンス（ＬＭ）に基づいて前記位相進みを補正する請求の範囲第１項に記載の同期機起動装置。
【請求項３】
前記位相補正部（１０）は、
前記変圧器（８）の２次巻線（Ｌ２）に電気的に接続された入力端と、前記入力端と絶縁された出力端とを有し、前記入力端における電圧を増幅した電圧を前記出力端から出力するための絶縁アンプ（２１）と、
前記絶縁アンプ（２１）から出力された前記電圧を比例積分することにより前記位相進みを補正するための比例積分回路（２２）とを含む請求の範囲第１項に記載の同期機起動装置。
【請求項４】
前記位相補正部（５１）は、
前記変圧器（８）の２次巻線（Ｌ２）における電圧をデジタル値に変換するためのアナログ／デジタルコンバータ（２４）と、
前記アナログ／デジタルコンバータ（２４）によって変換された前記デジタル値を比例積分することにより前記位相進みを補正するための演算部（２５）とを含む請求の範囲第１項に記載の同期機起動装置。
【請求項５】
電機子および回転子を備えた同期機（４）を起動するための同期機起動装置であって、
供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部（７１）と、
前記電力変換部（７１）から前記同期機（４）の電機子へ前記交流電力を供給するための電力線（ＬＮ）と、
前記電力線（ＬＮ）と電気的に接続され、前記同期機（４）の電機子における交流電圧を検出するための変圧器（８）と、
前記変圧器（８）によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機（４）の回転子の位相を検出するための回転子位相検出部（６１）と、
前記変圧器（８）によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機（４）の回転子の回転速度を検出するための回転子速度検出部（６２）と、
前記回転子位相検出部（６１）によって検出された前記位相を補正するための位相補正部（５２，５３）と、
前記位相補正部（５２，５３）によって補正された前記位相に基づいて、前記電力変換部（７１）を制御するための電力変換制御部（１９）とを備え、
前記位相補正部（５２，５３）は、
前記回転子の複数の回転速度と前記複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって前記変圧器（８）における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶し、前記回転子速度検出部（６２）によって検出された前記回転速度に対応する前記位相進み量を出力するための位相進み量変換部（４１）と、
前記回転子位相検出部（６１）によって検出された前記位相を前記位相進み量変換部（４１）から出力された前記位相進み量遅らせるための演算部（４２）とを含む同期機起動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期機起動装置に関し、特に、同期機の電機子における電圧に基づいて同期機の回転子位置を検出する同期機起動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機および電動機等の同期機を起動するための同期機起動装置が開発されている。同期機起動装置は、たとえばガスタービンコンバインドサイクル発電に用いられる。同期機起動装置は、たとえば、同期機に交流電力を供給するインバータを備え、同期機の回転子位置を検出し、検出した回転子位置に基づいて、インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御する。【０００３】
従来、同期機起動装置では、同期機の回転子の位置を近接スイッチ等により検出する機械式分配器が用いられている。しかしながら、機械式分配器は壊れやすく、また、配線が多いためにノイズの影響を受けやすい。【０００４】
このような機械式分配器を不要とするための同期機起動装置の一例が特開２００６−２７１０３８号公報（特許文献１）に開示されている。すなわち、この同期発電機起動装置は、サイリスタなどの他励素子からなる他励式コンバータと、コンバータにより得られる直流電力を交流電力に変換するサイリスタなどの他励素子からなる他励式インバータとを備え、インバータにより得られる交流電力による同期発電機を起動する。そして、この同期発電機起動装置は、同期発電機の電機子端子の電圧を検出する交流電圧検出器と、インバータから同期発電機の電機子に流し込まれるインバータ出力電流を検出する交流電流検出器と、出力電流検出器からのインバータの交流電流検出値と、第一の同期発電機回転速度推定値から、同期発電機の界磁電流により同期発電機の電機子巻線に誘起される誘起電圧の、第一の基準位相に対する同相成分と直交成分を演算する誘起電圧演算回路と、誘起電圧演算回路からの誘起電圧の第一の基準位相の直交成分をゼロとするような第二の基準位相と第二の同期発電機回転速度推定値を出力するＰＬＬ回路とを備える。そして、この同期発電機起動装置は、ＰＬＬ回路の出力である第二の基準位相に基づき、所定の制御進み角のインバータのゲートパルスを生成するとともに、第二の基準位相を、誘起電圧演算回路の第一の基準位相に入力し、第二の同期発電機回転速度推定値を誘起電圧演算回路の第一の同期発電機回転速度推定値に入力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７１０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
起動時の同期機の電機子における電圧は、定常時の定格電圧と比べてたとえば１／１０００と非常に小さい。このため、特許文献１に記載の構成では、起動時、交流電圧検出器による検出値の位相誤差が大きくなることから、インバータの点弧位相と同期機の回転子の位相とが同期しない場合がある。このような場合、正常なトルクを同期機に与えることができず、同期機を安定して起動することができない。【０００７】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、同期機を安定して起動することが可能な同期機起動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のある局面に係わる同期機起動装置は、電機子および回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、上記電力変換部から上記同期機の電機子へ上記交流電力を供給するための電力線と、上記電力線と電気的に接続された１次巻線、および上記１次巻線と磁気結合された２次巻線を含む変圧器と、上記変圧器の２次巻線に電気的に接続され、上記変圧器の１次巻線における交流電圧に対する上記２次巻線における交流電圧の位相進みを補正するための位相補正部と、上記位相補正部によって補正された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子位置を検出するための回転子位置検出部と、上記回転子位置検出部によって検出された上記回転子位置に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備える。【０００９】
またこの発明の別の局面に係わる同期機起動装置は、電機子および回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換するための電力変換部と、上記電力変換部から上記同期機の電機子へ上記交流電力を供給するための電力線と、上記電力線と電気的に接続され、上記同期機の電機子における交流電圧を検出するための変圧器と、上記変圧器によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子の位相を検出するための回転子位相検出部と、上記変圧器によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子の回転速度を検出するための回転子速度検出部と、上記回転子位相検出部によって検出された上記位相を補正するための位相補正部と、上記位相補正部によって補正された上記位相に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部とを備え、上記位相補正部は、上記回転子の複数の回転速度と上記複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって上記変圧器における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶し、上記回転子速度検出部によって検出された上記回転速度に対応する上記位相進み量を出力するための位相進み量変換部と、上記回転子位相検出部によって検出された上記位相を上記位相進み量変換部から出力された上記位相進み量遅らせるための演算部とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、同期機を安定して起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
【図２】回転子位置検出部１１の構成を示す図である。
【図３】交流電圧検出器８の構成を示す図である。
【図４】交流電圧検出器８の等価回路を示す図である。
【図５】位相補正部１０の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る位相補正部の構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
【図８】位相変換テーブル４１の記憶する関数関係の一例を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
【００１４】
図１を参照して、同期機起動装置１０１は、電力変換部７１と、交流電圧検出器８と、交流電流検出器９と、位相補正部１０と、回転子位置検出部１１と、インバータ制御部（電力変換制御部）１９と、電力線ＬＮとを備える。電力変換部７１は、コンバータ１と、インバータ２と、直流リアクトル３とを含む。インバータ制御部１９は、基準正弦波演算器１２と、ゲートパルス発生器１３と、β指令回路１４とを含む。回転子位置検出部１１は、回転子位相検出部６１と、回転子速度検出部６２とを含む。
【００１５】
同期機４およびモータＭは、軸ＳＨを介して接続されている。同期機４はたとえば同期発電機または同期電動機であり、固定子である電機子と、回転子である界磁とを有する。モータＭは、同期機４の待機時、所定速度で回転する。この回転速度は低速であり、たとえば数ｒｐｍである。これに対して、通常時の回転速度は３０００ｒｐｍ〜３６００ｒｐｍである。このため、起動時の同期機４の電機子における電圧は、前述のように定常時の１／１０００と非常に小さいことから、交流電圧検出器８による検出電圧の位相誤差は大きくなる。
【００１６】
コンバータ１は、サイリスタなどの複数の素子からなり、交流電源ｅ１からの交流電力を直流電力に変換する。
【００１７】
インバータ２は、サイリスタなどの複数の素子からなり、コンバータ１により得られる直流電力をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力に変換して同期機４の電機子に供給することにより、同期機４を駆動する。電力線ＬＮは、電力変換部７１によって変換された三相交流電力を同期機４の電機子へ送る。
【００１８】
コンバータ１およびインバータ２は、直流リアクトル３を介して接続されている。インバータ２の交流側は同期機４の電機子に接続されている。
【００１９】
交流電圧検出器８は、同期機４の電機子に供給される三相交流電圧を検出し、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を位相補正部１０へ出力する。
【００２０】
位相補正部１０は、交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の位相誤差を補正して回転子位置検出部１１へ出力する。
【００２１】
交流電流検出器９は、同期機４の電機子に供給される三相交流電流を検出し、電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を回転子位置検出部１１へ出力する。
【００２２】
回転子位置検出部１１は、位相補正部１０および交流電流検出器９から受けた各検出値に基づいて、同期機４の回転子位置（位相）を検出し、同期機４の回転子位置を示す回転子位置信号ＰＯＳをインバータ制御部１９へ出力する。回転子位置検出部１１において、回転子位相検出部６１は、位相補正部１０および交流電流検出器９から受けた各検出値に基づいて、同期機４の回転子の位相を検出する。回転子速度検出部６２は、位相補正部１０および交流電流検出器９から受けた各検出値に基づいて、同期機４の回転子の回転速度を検出する。
【００２３】
インバータ制御部１９は、回転子位置検出部１１から受けた回転子位置信号ＰＯＳに基づいてインバータ２を制御する。
【００２４】
インバータ制御部１９において、基準正弦波演算器１２は、回転子位置検出部１１から受けた位置信号ＰＯＳに基づいて、基準正弦波ｓｉｎφを出力する。
【００２５】
β指令回路１４は、制御進み角指令値βを演算し、ゲートパルス発生器１３へ出力する。
【００２６】
ゲートパルス発生器１３は、基準正弦波演算器１２から受けた基準正弦波ｓｉｎφと、β指令回路１４から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ２における各素子へゲートパルスを出力する。
【００２７】
回転子位置検出部１１は、同期機４の回転子位置を示す推定位相すなわち後述する位相信号ＰＨと位相補正部１０から受けた補正後の電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とに基づいて推定位相の誤差を算出し、算出された位相誤差に基づいて推定位相すなわち後述する位相信号ＰＨを算出する。そして、回転子位置検出部１１は、算出した推定位相から得られる位置信号ＰＯＳを出力するとともに算出した推定位相と新たに位相補正部１０から受けた補正後の電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および新たに交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とに基づいて推定位相の誤差を新たに算出するフィードバック演算を行なう。
【００２８】
図２は、回転子位置検出部１１の構成を示す図である。図２に示す構成は、図１に示す回転子位相検出部６１および回転子速度検出部６２の機能を実現するための構成の一例である。
【００２９】
図２を参照して、回転子位置検出部１１は、三相二相変換回路３１および３２と、誘起電圧演算回路３３と、ＰＬＬ回路３４と、位置信号生成器３５とを含む。
【００３０】
三相二相変換回路３１は、基準位相φすなわち同期機４の回転子の推定位相に基づいて、位相補正部１０から受けた補正後の電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を三相二相変換（ｄ−ｑ変換）する。
【００３１】
三相二相変換回路３２は、基準位相φに基づいて、交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を三相二相変換（ｄ−ｑ変換）する。
【００３２】
誘起電圧演算回路３３は、三相二相変換回路３１によって変換された電圧値ＶｄおよびＶｑならびに三相二相変換回路３２によって変換された電流値ＩｄおよびＩｑに基づいて、同期機４の電機子に誘起される誘起電圧を演算する。
【００３３】
三相二相変換回路３１および３２によって電圧および電流の座標変換すなわち三相二相変換を行なうためには、同期機４の回転子の回転に同期した基準位相が必要になる。ところが、機械式分配器などの位置センサが無い場合、この信号が直接得られない。
【００３４】
そこで、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、三相二相変換回路３１および３２は、同期機起動装置１０１の起動時に基準位相φの初期値が与えられ、座標変換を行なう。
【００３５】
そして、誘起電圧演算回路３３は、三相二相変換回路３１および３２によって変換されたｄ−ｑ軸上の電圧値および電流値に基づいて同期機４のｄ軸（同相成分）一ｑ軸（直交成分）上での電機子の誘起電圧を計算する。誘起電圧を計算するためには、回転速度ωすなわち同期機４の回転子の推定回転速度が必要になるが、位置センサがないため、同期機起動装置１０１の起動時に同期機４の回転速度ωの初期値が誘起電圧演算回路３３に与えられる。
【００３６】
誘起電圧演算回路３３によって計算された誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑすなわち基準位相φに対する直交成分がゼロでない場合には、計算結果が基準位相φに対してずれている。この誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑが、同期機４における回転子の推定位相の誤差に相当する。そこで、誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑがゼロとなるような制御を行なうＰＬＬ回路３４を設ける。ＰＬＬ回路３４は、誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑがゼロになるような回転速度ωすなわち同期機４の回転子の推定回転速度と、基準位相φすなわち同期機４の回転子の推定位相とを算出する。なお、基準位相φは、回転速度ωを積分することにより算出される。
【００３７】
ＰＬＬ回路３４によって算出された基準位相φは、三相二相変換回路３１および３２にフィードバックされ、また、位置信号生成器３５へ出力される。そして、位置信号生成器３５によって機械式分配器と同様のパルス状波形を有する信号が、同期機４の回転子位置を示す回転子位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力される。三相二相変換回路３１および３２は、以後、ＰＬＬ回路３４からの基準位相φに基づいて三相二相変換を行なう。
【００３８】
また、ＰＬＬ回路３４によって算出された回転速度ωは、誘起電圧演算回路３３に与えられる。誘起電圧演算回路３３は、以後、ＰＬＬ回路３４からの回転速度ωに基づいて、誘起電圧（同相成分）Ｚｄおよび誘起電圧（直交成分）Ｚｑを演算する。
【００３９】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、回転子位置検出部１１は、同期機４の回転子位置を示す推定位相と位相補正部１０から受けた補正後の電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。回転子位置検出部１１は、同期機４の回転子位置を示す推定位相と位相補正部１０から受けた補正後の電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であってもよい。
【００４０】
また、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、ＰＬＬ回路３４は、誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑのみに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。ＰＬＬ回路３４は、ｑ軸成分Ｚｑおよびｄ軸成分Ｚｄに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であってもよい。このような構成により、さらに正確な演算が可能となる。
【００４１】
図３は、交流電圧検出器８の構成を示す図である。図３では、同期機４の電機子における三相の交流電圧のうち、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧を検出する構成を代表的に示す。Ｖ相−Ｗ相間の交流電圧を検出する構成およびＷ相−Ｕ相間の交流電圧を検出する構成は図３に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。また、Ｕ相−Ｖ相間交流電圧およびＶ相−Ｗ相間交流電圧等の２つの相間交流電圧を検出すれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧を計算により求めることが可能である。この相間電圧から相電圧への変換は、位相補正部１０または回転子位置検出部１１において行なわれる。
【００４２】
また、各相間の交流電圧の位相を補正する構成は同じであるため、以下では、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧の位相を補正する構成について代表的に説明する。
【００４３】
図３を参照して、交流電圧検出器８は、たとえば計器用変圧器であり、１次巻線Ｌ１と、１次巻線Ｌ１と磁気結合された２次巻線Ｌ２とを含む。交流電圧検出器８は、Ｕ相の交流電圧が供給される電力線ＬＮに電気的に接続された入力ノード１Ｕと、Ｖ相の交流電圧が供給される電力線ＬＮに電気的に接続された入力ノード１Ｖと、出力ノード２Ｕおよび２Ｖとを有する。入力ノード１Ｕおよび１Ｖは、１次巻線Ｌ１の第１端および第２端にそれぞれ接続されている。出力ノード２Ｕおよび２Ｖは、２次巻線Ｌ２の第１端および第２端にそれぞれ接続されている。
【００４４】
図３では、同期機４の電機子における三相の交流電圧のうち、Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧すなわち入力ノード１Ｕおよび１Ｖ間の交流電圧Ｅ１を所定の変圧比で変圧した交流電圧Ｅ２が２次巻線Ｌ２すなわち出力ノード２Ｕおよび２Ｖ間に誘起される。
【００４５】
このように、交流電圧検出器８として変圧器を用いる構成により、高電圧が印加されるインバータ２および電力線ＬＮ等の主回路と、位相補正部１０および回転子位置検出部１１等の制御回路との絶縁を確保することができるため、制御回路が過大電圧の印加によって故障することを防止することができる。
【００４６】
図４は、交流電圧検出器８の等価回路を示す図である。
図４を参照して、等価回路８Ｅは、回路要素として、抵抗Ｒと、漏れインダクタンスＬＬと、励磁インダクタンスＬＭとを含む。
【００４７】
同期機４の電機子に供給される交流電圧の周波数をｆとし、Ｓ＝ｊ×２×π×ｆとする。ここで、ｊは虚数単位である。交流電圧検出器８の入力電圧Ｅ１と出力電圧Ｅ２との関係は、以下の式で表わされる。
【００４８】
Ｅ２＝ＬＭ×Ｓ／｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝×Ｅ１
一般には周波数ｆは十分高いので、Ｒ＜＜（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓである。ゆえに、出力電圧Ｅ２は以下のように近似される。
【００４９】
Ｅ２≒ＬＭ／（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｅ１
したがって、Ｅ１とＥ２の位相は等しくなる。一方、周波数ｆが低い場合には、Ｒの値と（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓの値とが同程度となり、出力電圧Ｅ２の位相が入力電圧Ｅ１の位相に対して進んでしまう。
【００５０】
一般的な計器用変圧器では、周波数ｆが１Ｈｚ以下になると上記位相進みが顕著となる。そして、一般的な発電機は、０．０５Ｈｚ程度の非常に低い周波数で回転して起動するので、発電機の電機子における交流電圧の実際の位相よりも進んだ位相に基づいてインバータ２におけるサイリスタを点弧することになる。そうすると、発電機に起動トルクを与えることができず、発電機を正常に起動できない場合がある。
【００５１】
そこで、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、以下のような構成により、上記のような問題点を解決する。
【００５２】
図５は、位相補正部１０の構成を示す図である。
図５を参照して、位相補正部１０は、電圧センサ２１と、比例積分回路２２と、抵抗Ｒａ１，Ｒａ２と、オペアンプ２３とを含む。比例積分回路２２は、入力抵抗Ｒｉと、出力抵抗Ｒｏと、コンデンサＣと、オペアンプ２９とを含む。
【００５３】
比例積分回路２２において、入力抵抗Ｒｉは、電圧センサ２１の出力端子に接続された第１端と、第２端とを有する。オペアンプ２９は、入力抵抗Ｒｉの第２端および出力抵抗Ｒｏの第１端に接続された反転入力端子と、接地電圧の供給される接地ノードに接続された非反転入力端子と、コンデンサＣの第２端および抵抗Ｒａ１の第１端に接続された出力端子とを有する。抵抗Ｒｏの第２端とコンデンサＣの第１端とが接続されている。
【００５４】
また、オペアンプ２３は、抵抗Ｒａ１の第２端および抵抗Ｒａ２の第１端に接続された反転入力端子と、接地電圧の供給される接地ノードに接続された非反転入力端子と、抵抗Ｒａ２の第２端に接続された出力端子とを有する。
【００５５】
電圧センサ２１は、交流電圧検出器８の出力電圧Ｅ２のレベルを検出し、出力電圧Ｅ２のレベルを示す検出電圧Ｅ２ＤＥＴを比例積分回路２２へ出力する。電圧センサ２１には、出力電圧Ｅ２に影響を与えないために入力インピーダンスの大きいアンプ等を使用するのが望ましい。
【００５６】
たとえば、電圧センサ２１は、絶縁アンプである。すなわち、電圧センサ２１は、交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２に電気的に接続された入力端と、この入力端と絶縁された出力端とを有し、入力端における電圧を増幅した電圧を出力端から比例積分回路２２へ出力する。
【００５７】
比例積分回路２２は、電圧センサ２１から出力された電圧を比例積分することにより出力電圧Ｅ２の位相進みを補正する。
【００５８】
位相補正部１０は、交流電圧検出器８の２次巻線Ｌ２に電気的に接続され、１次巻線Ｌ１における交流電圧に対する２次巻線Ｌ２における交流電圧の位相進みを補正する。位相補正部１０は、交流電圧検出器８における巻線抵抗Ｒ、漏れインダクタンスＬＬおよび励磁インダクタンスＬＭに基づいて出力電圧Ｅ２の位相進みを補正する。
【００５９】
より詳細には、比例積分回路２２では、ｋを任意の定数として、自らの回路要素Ｒｉ，Ｒｏ，Ｃと等価回路８Ｅの回路要素である抵抗Ｒ、漏れインダクタンスＬＬおよび励磁インダクタンスＬＭとの関係が、Ｒｉ＝ｋ×ＬＭ、Ｒｏ＝ｋ×（ＬＭ＋ＬＬ）、Ｃ＝１／（ｋ×Ｒ）となるように、入力抵抗Ｒｉおよび出力抵抗Ｒｏの抵抗値とコンデンサＣの容量値とが定められる。
【００６０】
これにより、比例積分回路２２は、交流電圧検出器８の出力電圧Ｅ２と回転子位置検出部１１への出力電圧ＥＣとの関係が以下の式になるように比例積分演算を行なうことになる。
【００６１】
ＥＣ＝｛｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝／（ＬＭ×Ｓ）｝×Ｅ２
ただし、Ｓ＝ｊ×２×π×ｆである。
【００６２】
オペアンプ２３は、比例積分回路２２の出力電圧の極性を反転する。抵抗Ｒａ１および抵抗Ｒａ２の抵抗値は任意の等しい値である。
【００６３】
したがって、回転子位置検出部１１への出力電圧ＥＣは、以下のようにＥ１と等しくなる。
【００６４】
ＥＣ
＝｛｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝／（ＬＭ×Ｓ）｝×Ｅ２
＝｛｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝／（ＬＭ×Ｓ）｝×｛（ＬＭ×Ｓ）／｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝｝×Ｅ１
＝Ｅ１
すなわち、周波数ｆが低い場合における交流電圧検出器８の位相誤差が位相補正部１０によって補正されるため、同期機４の電機子における交流電圧の位相を正確に検出することが可能となる。
【００６５】
そして、出力電圧ＥＣを回転子位置検出部１１に与え、回転子位置検出部１１が出力電圧ＥＣに基づいて同期機４の回転子位置を検出することにより、同期機４を正常に起動することができる。
【００６６】
また、一般に、ＬＭ＞＞ＬＬであるので、簡略化してＲｉ＝Ｒｏ＝ｋ×ＬＭとなるように、入力抵抗Ｒｉおよび出力抵抗Ｒｏの抵抗値とコンデンサＣの容量値とを決めることも可能である。すなわち、位相補正部１０は、変圧器における巻線抵抗Ｒおよび励磁インダクタンスＬＭに基づいて位相進みを補正する構成であってもよい。
【００６７】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、電力変換部７１は、コンバータ１と、インバータ２と、直流リアクトル３とを含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。電力変換部７１は、コンバータ１、インバータ２および直流リアクトル３の代わりに、マトリックスコンバータ等、供給された電力を交流電力に変換して同期機４の電機子に供給する何らかの回路を含む構成であればよい。
【００６８】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００６９】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相補正部の実現方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
【００７０】
位相補正部は、本発明の第１の実施の形態に係る位相補正部１０のようにアナログ演算回路で実現してもよいし、あるいは、本実施の形態のようにＣＰＵ（Central
Processing Unit）等を用いたソフトウェア処理によって実現してもよい。
【００７１】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る位相補正部の構成を示す図である。
図６を参照して、位相補正部５１は、電圧センサ２１と、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２４と、比例積分演算部２５とを含む。比例積分演算部２５は、たとえばＣＰＵであり、演算部ＣＡＬ１〜ＣＡＬ４を含む。これらの演算部は、ＣＰＵが実行するプログラムによって実現される。
【００７２】
電圧センサ２１は、交流電圧検出器８における計器用変圧器の２次巻線Ｌ２における電圧すなわち出力電圧Ｅ２のレベルを検出し、出力電圧Ｅ２のレベルを示す検出電圧Ｅ２ＤＥＴをアナログ／デジタルコンバータ２４へ出力する。
【００７３】
アナログ／デジタルコンバータ２４は、電圧センサ２１から受けたアナログ電圧である検出電圧Ｅ２ＤＥＴをデジタル値に変換し、比例積分演算部２５へ出力する。
【００７４】
比例積分演算部２５は、アナログ／デジタルコンバータ２４によって変換されたデジタル値を比例積分することにより出力電圧Ｅ２の位相進みを補正する。
【００７５】
より詳細には、比例積分演算部２５は、交流電圧検出器８の等価回路８Ｅにおける回路要素である抵抗Ｒ、漏れインダクタンスＬＬおよび励磁インダクタンスＬＭの値を予め記憶している。そして、比例積分演算部２５において、演算部ＣＡＬ１は、アナログ／デジタルコンバータ２４から受けたデジタル値に基づいて積分値Ｅ２／Ｓを算出し、演算部ＣＡＬ２へ出力する。演算部ＣＡＬ２は、Ｒ／ＬＭと積分値Ｅ２／Ｓとを乗算して演算部ＣＡＬ４へ出力する。演算部ＣＡＬ３は、アナログ／デジタルコンバータ２４から受けたデジタル値と（ＬＭ＋ＬＬ）／ＬＭとを乗算して演算部ＣＡＬ４へ出力する。演算部ＣＡＬ４は、演算部ＣＡＬ２の演算結果と演算部ＣＡＬ３の演算結果とを加算し、加算結果を出力電圧ＥＣとして回転子位置検出部１１へ出力する。
【００７６】
すなわち、比例積分演算部２５から出力される出力電圧ＥＣは、以下の式で表わされる。
【００７７】
ＥＣ＝｛（Ｒ／ＬＭ）×（１／Ｓ）＋（ＬＭ＋ＬＬ）／ＬＭ｝×Ｅ２
したがって、回転子位置検出部１１への出力電圧ＥＣは、以下のようになる。
【００７８】
ＥＣ
＝｛｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝／（ＬＭ×Ｓ）｝×Ｅ２
＝｛｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝／（ＬＭ×Ｓ）｝×（ＬＭ×Ｓ）／｛Ｒ＋（ＬＭ＋ＬＬ）×Ｓ｝×Ｅ１
＝Ｅ１
また、一般に、ＬＭ＞＞ＬＬであるので、演算部ＣＡＬ３の演算を簡略化して（ＬＭ＋ＬＬ）／ＬＭ＝１とすることも可能である。
【００７９】
その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００８０】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る同期機起動装置では、交流電圧検出器８の検出結果に対して位相補正を行なう構成であるとしたが、これに限定するものではない。位相補正部５１と同様の演算を行なう位相補正部を基準正弦波演算器１２の後段に設け、基準正弦波演算器１２から出力される基準正弦波ｓｉｎφの位相を遅らせることにより出力電圧Ｅ２の位相進みを補正し、補正結果をゲートパルス発生器１３へ出力する構成であってもよい。
【００８１】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００８２】
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相補正部の実現方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
【００８３】
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
図７を参照して、同期機起動装置１０３は、電力変換部７１と、交流電圧検出器８と、交流電流検出器９と、位相補正部５２と、回転子位置検出部１１と、インバータ制御部（電力変換制御部）１９と、電力線ＬＮとを備える。電力変換部７１は、コンバータ１と、インバータ２と、直流リアクトル３とを含む。インバータ制御部１９は、基準正弦波演算器１２と、ゲートパルス発生器１３と、β指令回路１４とを含む。回転子位置検出部１１は、回転子位相検出部６１と、回転子速度検出部６２とを含む。位相補正部５２は、位相変換テーブル（位相進み量変換部）４１と、位相演算器（演算部）４２とを含む。
【００８４】
位相補正部５２は、回転子速度検出部６２によって検出された回転速度ωに基づいて、基準正弦波演算器１２から出力される基準正弦波ｓｉｎφの位相を遅らせることにより出力電圧Ｅ２の位相進みを補正し、補正した基準正弦波ｓｉｎ（φ−Δφ）をゲートパルス発生器１３へ出力する。
【００８５】
ゲートパルス発生器１３は、位相補正部５２から受けた基準正弦波ｓｉｎ（φ−Δφ）と、β指令回路１４から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ２における各素子へゲートパルスを出力する。
【００８６】
より詳細には、位相補正部５２において、位相変換テーブル４１は、回転速度ωと位相進み量Δφとの関数関係を記憶している。
【００８７】
図８は、位相変換テーブル４１の記憶する関数関係の一例を示す図である。
図８を参照して、位相変換テーブル４１は、回転速度ωすなわち同期機４の回転子の回転周波数が低くなるに従って位相進み量Δφが２次関数的に大きくなる関数関係を記憶している。
【００８８】
より詳細には、位相変換テーブル４１は、同期機４の回転子の複数の回転速度とこれら複数の回転速度にそれぞれ対応する複数の位相進み量との関係であって交流電圧検出器８における各回路要素に基づいて定められる関係を記憶している。位相変換テーブル４１は、この関係に基づいて、回転子速度検出部６２によって検出された回転速度ωに対応する位相進み量Δφを出力する。
【００８９】
位相演算器４２は、回転子位相検出部６１によって検出された位相φを位相変換テーブル４１から出力された位相進み量Δφ遅らせる。たとえば、位相演算器４２は、基準正弦波演算器１２から受けた基準正弦波ｓｉｎφの位相を位相進み量Δφ遅らせた基準正弦波ｓｉｎ（φ−Δφ）を生成して出力する。
【００９０】
すなわち、出力電圧Ｅ２の位相進み量は同期機４の回転子の回転周波数すなわち回転速度ωだけの関数であるので、予め複数の回転速度ωにそれぞれ対応する複数の位相進み量Δφを計算しておき、これをテーブルとして記憶しておく。そして、回転子速度検出部６２によって求めた回転速度ωに対応する位相進み量Δφをこのテーブルから読み出し、この位相進み量Δφだけ基準正弦波ｓｉｎφの位相を遅らせる。
【００９１】
その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００９２】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００９３】
＜第４の実施の形態＞
本実施の形態は、第３の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて位相遅延対象を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
【００９４】
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を示す図である。
図９を参照して、同期機起動装置１０４は、電力変換部７１と、交流電圧検出器８と、交流電流検出器９と、位相補正部５３と、回転子位置検出部１１と、インバータ制御部（電力変換制御部）１９と、電力線ＬＮとを備える。電力変換部７１は、コンバータ１と、インバータ２と、直流リアクトル３とを含む。インバータ制御部１９は、基準正弦波演算器１２と、ゲートパルス発生器１３と、β指令回路１４とを含む。回転子位置検出部１１は、回転子位相検出部６１と、回転子速度検出部６２とを含む。位相補正部５３は、位相変換テーブル４１と、位相演算器４２とを含む。
【００９５】
位相補正部５３は、回転子速度検出部６２によって検出された回転速度ωに基づいて、回転子位置検出部１１から出力される回転子位置信号ＰＯＳの示す位相φを遅らせることにより出力電圧Ｅ２の位相進みを補正し、補正した位相（φ−Δφ）を示す回転子位置信号ＰＯＳＣを基準正弦波演算器１２へ出力する。
【００９６】
基準正弦波演算器１２は、位相補正部５３から受けた回転子位置信号ＰＯＳＣに基づいて、基準正弦波ｓｉｎ（φ−Δφ）を出力する。
【００９７】
より詳細には、位相演算器４２は、回転子位置検出部１１から受けた回転子位置信号ＰＯＳの示す位相φを、位相変換テーブル４１から受けた位相進み量Δφ遅らせた位相（φ−Δφ）を示す回転子位置信号ＰＯＳＣを生成して基準正弦波演算器１２へ出力する。
【００９８】
その他の構成および動作は第３の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００９９】
なお、本発明の第３および第４の実施の形態に係る同期機起動装置では、それぞれ基準正弦波ｓｉｎφの位相および回転子位置信号ＰＯＳの示す位相φを位相進み量Δφ遅らせる構成であるとしたが、これに限定するものではない。ゲートパルス発生器１３に位相遅延機能を持たせておいて、位相進み量Δφゲートパルスの位相を遅らせる構成であってもよい。
【０１００】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０１】
１  コンバータ、２  インバータ、３  直流リアクトル、８  交流電圧検出器、８Ｅ  等価回路、９  交流電流検出器、１０，５１〜５３  位相補正部、１１  回転子位置検出部、１２  基準正弦波演算器、１３  ゲートパルス発生器、１４  β指令回路、１９  インバータ制御部（電力変換制御部）、２１  電圧センサ、２２  比例積分回路、２３，２９  オペアンプ、２４  アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、２５  比例積分演算部、３１，３２  三相二相変換回路、３３  誘起電圧演算回路、３４  ＰＬＬ回路、３５  位置信号生成器、４１  位相変換テーブル（位相進み量変換部）、４２  位相演算器（演算部）、６１  回転子位相検出部、６２  回転子速度検出部、７１  電力変換部、１０１〜１０３  同期機起動装置、Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒ  抵抗、Ｒｉ  入力抵抗、Ｒｏ  出力抵抗、Ｃ  コンデンサ、ＬＬ  漏れインダクタンス、ＬＭ  励磁インダクタンス、ＣＡＬ１〜ＣＡＬ４  演算部。
【図１】
2010146663.tif 000003
【図２】
2010146663.tif 000004
【図３】
2010146663.tif 000005
【図４】
2010146663.tif 000006
【図５】
2010146663.tif 000007
【図６】
2010146663.tif 000008
【図７】
2010146663.tif 000009
【図８】
2010146663.tif 000010
【図９】
2010146663.tif 000011
【国際調査報告】
2010146663.tif 000012
2010146663.tif 000013
2010146663.tif 000014