(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機と、該回転機の回転子に実装され、前記回転機の回転子巻線の交流端子に接続された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記回転機の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムであって、
前記回転機の回転数を監視する回転数検出器と、該回転数検出器の検出値に基づいて前記回転機の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記回転機の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御する制御装置とを更に備え、
前記制御装置は、前記電力変換器の状態を検知して制御する変換器制御装置と、前記回転機の回転数を制御する上位制御装置とから成り、前記回転数検出器による検出値が前記変換器制御装置及び上位制御装置に入力され、前記回転機の回転子の回転数が、前記回転数範囲に調速されたことを判定して、前記変換器制御装置と上位制御装置のいずれかが前記開閉装置に閉指令を送信し、
かつ、前記上位制御装置は回転数指令値演算器を備えると共に、該回転数指令値演算器は状態セレクタ、調速機及び回転数制御信号変化率リミッターを有し、前記上位制御装置が前記変換器制御装置に起動指令を送信すると共に、初期状態では前記回転数指令値演算器の状態セレクタは、前記回転機の固定子巻線が前記電力系統に接続した場合に、前記回転機の極対数に依存して発生する該回転機の回転磁界が、前記回転機の回転子巻線に相対速度０近傍で鎖交する回転数範囲を選択し、かつ、前記回転数範囲となる回転数指令値を入力として前記調速器及び回転数制御信号変化率リミッターを介して回転数制御信号を、前記回転機の回転数を制御する回転数制御機構に送信することを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子に所定の間隙を設けて配置された第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子に所定の間隙を設けて配置された第２の回転子とから成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転子巻線に電気的に接続され、かつ、前記第１及び第２の回転子の回転時には回転するように設置された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記第２の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムであって、
前記第２の回転電機の回転数を監視する回転数検出器と、該回転数検出器の検出値に基づいて前記第２の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記第２の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御する制御装置とを更に備え、
前記制御装置は、前記電力変換器の状態を検知して制御する変換器制御装置と、前記第２の回転電機の回転数を制御する上位制御装置とから成り、前記回転数検出器による検出値が前記変換器制御装置及び上位制御装置に入力され、前記第２の回転子の回転数が、前記回転数範囲に調速されたことを判定して、前記変換器制御装置と上位制御装置のいずれかが前記開閉装置に閉指令を送信し、
かつ、前記上位制御装置は回転数指令値演算器を備えると共に、該回転数指令値演算器は状態セレクタ、調速機及び回転数制御信号変化率リミッターを有し、前記上位制御装置が前記変換器制御装置に起動指令を送信すると共に、初期状態では前記回転数指令値演算器の状態セレクタは、前記第２の固定子巻線が前記電力系統に接続した場合に、前記第２の回転電機の極対数に依存して発生する該第２の回転電機の回転磁界が、前記第２の回転子巻線に相対速度０近傍で鎖交する回転数範囲を選択し、かつ、前記回転数範囲となる回転数指令値を入力として前記調速器及び回転数制御信号変化率リミッターを介して回転数制御信号を、前記第２の回転電機の回転数を制御する回転数制御機構に送信することを特徴とする回転電機システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転電機システムにおいて、
前記開閉装置が閉動作したら前記変換器制御装置から前記上位制御装置へ閉状態に遷移したことが伝達されて前記状態セレクタが動作し、前記平滑コンデンサの電圧検出値によって回転数指令値を算出する回転数指令値演算器からの回転数指令値に従って前記調速器が動作することを特徴とする回転電機システム。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転数指令値演算器及び前記回転数制御信号変化率リミッターによって、前記相対速度０近傍の前記回転機又は第２の回転電機の回転数範囲から増速若しくは減速させることで、前記相対速度の大きさを増加させる方向に前記回転数指令値を演算することを特徴とする回転電機システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
前記平滑コンデンサは、前記開閉装置を閉動作させて前記回転機の回転子巻線又は第２の回転子巻線に初期励磁電流が通電され、前記回転子巻線又は第２の回転子巻線に前記回転数範囲に依存する誘起電圧を発生させることで充電電流が供給されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
前記電力変換器は、整流器又は交直電力変換器であることを特徴とする回転電機システム。
【請求項７】
請求項６に記載の回転電機システムにおいて、
前記交直電力変換器は、ダイオード素子に半導体スイッチング素子が逆並列接続されて構成されていることを特徴とする回転電機システ厶。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転機又は第２の回転電機と前記電力系統との連系部に、該連系部の電圧を検出する電圧センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項９】
請求項８に記載の回転電機システムにおいて、
前記電圧センサで検出された前記連系部の電圧検出値が入力され、前記連系部での電圧の振幅及び位相を演算する振幅位相演算器と、該振幅位相演算器で演算された振幅と位相の演算値が入力され、所定の充電電流指令値を得るために必要な出力電圧指令値を演算する出力電圧演算器と、前記回転数検出器で検出された回転数検出値、前記電圧センサで検出された前記連系部での電圧の振幅と位相、前記出力電圧演算器で演算された出力電圧指令値及び前記平滑コンデンサの電圧検出値を入力として、前記電力系統の電圧に同期した交流電圧を前記回転子巻線又は第２の回転子巻線の接続端に発生させるために前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動パルスを演算するパルス演算器とを備えていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１０】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子巻線又は第２の回転子巻線と前記電力系統との間にリアクトルを設け、該リアクトルと前記回転子巻線又は第２の回転子巻線との接続部の電圧を検出する電圧センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１１】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子巻線又は第２の回転子巻線に、該回転子巻線又は第２の回転子巻線の電圧を検出する電圧センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の回転電機システムにおいて、
前記パルス演算器は、演算されたパルス幅が所定のパルス幅よりも長いことを判定基準として前記上位制御装置の前記回転数指令値演算器に回転数指令値変更信号を出力し、前記上位制御装置の回転数指令値演算器は、前記パルス演算器からの回転数指令値変更信号を受信した場合に、所定の回転数変化率以下の変化率で回転数指令値を更新することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転数指令値変更信号の出力判定基準は、前記半導体スイッチング素子の導通時間によって規定される温度を超えないようにパルス幅を規定することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１４】
請求項８に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転機又は第２の回転電機と前記電力系統を接続し前記電圧センサが設置されている電路に、該電路の電流を検出する電流センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１５】
請求項１０に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子巻線又は第２の回転子巻線と前記リアクトルとの接続部の電圧を検出する電圧センサが設置されている電路に、該電路の電流を検出する電流センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１６】
請求項１１に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子巻線又は第２の回転子巻線の電圧を検出する電圧センサが設置されている電路に、該電路の電流を検出する電流センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１７】
請求項８に記載の回転電機システムにおいて、
前記回転機の回転子巻線又は第２の回転子巻線と前記電力変換器を接続する電路に、前記回転子巻線又は第２の回転子巻線を流れる電流を検出する電流センサが設置されていることを特徴とする回転電機システム。
【請求項１８】
回転機と、該回転機の回転子に実装され、前記回転機の回転子巻線の交流端子に接続された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記回転機の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムの制御方法であって、
回転数検出器で前記回転機の回転数を監視すると共に、制御装置で前記回転数検出器の検出値に基づいて前記回転機の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記回転機の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御し、
かつ、前記制御装置は、前記回転機の回転子を所定の回転数範囲から増速若しくは減速させる際に、回転数変化率の大きさが所定の値以下となるように制御することを特徴する回転電機システムの制御方法。
【請求項１９】
第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子に所定の間隙を設けて配置された第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子に所定の間隙を設けて配置された第２の回転子とから成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転子巻線に電気的に接続され、かつ、前記第１及び第２の回転子の回転時には回転するように設置された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記第２の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムの制御方法であって、
回転数検出器で前記第２の回転電機の回転数を監視すると共に、制御装置で前記回転数検出器の検出値に基づいて前記第２の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記第２の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御し、
かつ、前記制御装置は、前記第２の回転子を所定の回転数範囲から増速若しくは減速させる際に、回転数変化率の大きさが所定の値以下となるように制御することを特徴する回転電機システムの制御方法。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記制御装置は、前記回転機の回転子又は第２の回転子が所定の回転数範囲に増速若しくは減速したことを感知して、前記開閉装置を閉動作させることを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記制御装置は、前記電力変換器の状態を検知して制御する変換器制御装置と、前記回転機又は第２の回転電機の回転数を制御する上位制御装置とから成り、前記回転数検出器による検出値が前記変換器制御装置及び上位制御装置に入力され、前記回転機の回転子又は第２の回転子の回転数が、前記回転数範囲に調速されたことを判定して、前記変換器制御装置と上位制御装置のいずれかが、前記開閉装置に閉指令を送信することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記上位制御装置は回転数指令値演算器を備えると共に、該回転数指令値演算器は状態セレクタ、調速機及び回転数制御信号変化率リミッターを有し、前記上位制御装置が前記変換器制御装置に起動指令を送信すると共に、初期状態では前記回転数指令値演算器の状態セレクタは、前記回転機の固定子巻線又は第２の固定子巻線が前記電力系統に接続した場合に、前記回転機又は第２の回転電機の極対数に依存して発生する該回転機又は第２の回転電機の回転磁界が、前記回転機の回転子巻線又は第２の回転子巻線に相対速度０近傍で鎖交する回転数範囲を選択し、かつ、前記回転数範囲となる回転数指令値を入力として前記調速器及び回転数制御信号変化率リミッターを介して回転数制御信号を、前記回転機又は第２の回転電機の回転数を制御する回転数制御機構に送信することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記開閉装置が閉動作したら前記変換器制御装置から前記上位制御装置へ閉状態に遷移したことが伝達されて前記状態セレクタが動作し、前記平滑コンデンサの電圧検出値によって回転数指令値を算出する回転数指令値演算器からの回転数指令値に従って前記調速器が動作することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記回転数指令値演算器及び前記回転数制御信号変化率リミッターによって、前記相対速度０近傍の前記回転機又は第２の回転電機の回転数範囲から増速若しくは減速させることで、前記相対速度の大きさを増加させる方向に前記回転数指令値を演算することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２５】
請求項１８乃至２４のいずれか１項に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記開閉装置を閉動作させて前記回転機の回転子巻線又は第２の回転子巻線に初期励磁電流が通電され、前記回転子巻線又は第２の回転子巻線に前記回転数範囲に依存する誘起電圧を発生させることで、前記平滑コンデンサに充電電流が供給されることを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２６】
請求項１８乃至２５のいずれか１項に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記回転機又は第２の回転電機と前記電力系統との連系部に、該連系部の電圧を検出する電圧センサが設置され、該電圧センサで検出された前記連系部の電圧検出値が振幅位相演算器に入力されて前記連系部での電圧の振幅及び位相が演算され、前記振幅位相演算器で演算された振幅と位相の演算値が出力電圧演算器に入力されて、所定の充電電流指令値を得るために必要な出力電圧指令値を演算し、前記回転数検出器で検出された回転数検出値、前記電圧センサで検出された前記連系部での電圧の振幅と位相、前記出力電圧演算器で演算された出力電圧指令値及び前記平滑コンデンサの電圧検出値をパルス演算器に入力し、該パルス演算器で前記電力系統の電圧に同期した交流電圧を前記回転子巻線又は第２の回転子巻線の接続端に発生させるために前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動パルスを演算することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記パルス演算器は、演算されたパルス幅が所定のパルス幅よりも長いことを判定基準として前記上位制御装置の前記回転数指令値演算器に回転数指令値変更信号を出力し、前記上位制御装置の回転数指令値演算器は、前記パルス演算器からの回転数指令値変更信号を受信した場合に、所定の回転数変化率以下の変化率で回転数指令値を更新することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の回転電機システムの制御方法において、
前記回転数指令値変更信号の出力判定基準は、前記半導体スイッチング素子の導通時間によって規定される温度を超えないようにパルス幅を規定することを特徴とする回転電機システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機システム及びその制御方法に係り、特に、回転電機の回転子に電力変換器を実装し、回転電機の巻線及び電力変換器の平滑コンデンサの初励磁、初充電に起因する過電流を抑制するものに好適な回転電機システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー資源問題や地球温暖化防止への関心の高まりから、風力発電システムと言った自然エネルギーを利用した発電システムが急速に普及している。そして、風力発電システムでは、励磁式回転電機システム（巻線型２次励磁方式）が広く採用されている。【０００３】
この励磁式回転電機システムを採用する場合、発電運転中は回転している回転子内の回転子巻線に励磁電力を供給する必要がある。通常は、回転子巻線に電力を供給するためにスリップリングとブラシを設け、回転するスリップリングにブラシを接触させ静止系に設置された電力変換器から励磁電力を供給する様にしている。【０００４】
しかし、発電運転を行うためのエネルギーは大きく、発電運転を行う上での励磁電力供給用にスリップリング及びブラシを設けると、ブラシの摩耗が進んでしまうため、定期的なメンテナンスが必要となる。特に、風力発電システムにおいては、励磁式回転電機システムは、風車のタワー上部にあるナセル内に設置されるため、限られた空間内でメンテナンスを行う必要があり、メンテナンスの軽減方法が求められている。【０００５】
このようなことから、スリップリングとブラシを用いない励磁電力の供給方法として、通常の励磁式回転電機と同軸に新たに巻線型回転電機（以下、回転励磁機と呼び、通常の励磁式回転電機と区別する）を設け、これら両回転電機の回転子と同一軸で回転する部位に電力変換装置を実装し、新たに設けた回転励磁機の回転子巻線と電力変換装置の電力変換器を接続し、回転励磁機の固定子巻線が発生させる回転磁界に同期する回転磁界を発生させるように、電力変換装置によって回転励磁機の回転子巻線を励磁することで非接触に電力を需給し、励磁式回転電機システムの発電運転に必要となる電力を得る方式が検討されている。【０００６】
本方式の励磁式回転電機システムでは、回転励磁機の固定子巻線が、遮断器等の電路を開閉する装置を介して電力系統に接続され、その回転子巻線は、直流電圧部に平滑コンデンサを有する電力変換装置に接続されることで構成される。この方式による励磁式回転電機システムが発電運転を開始するためには、回転励磁機が励磁されている必要があり、かつ、回転子に実装された電力変換器の直流部平滑コンデンサが、所望の電圧に充電されている必要がある。【０００７】
一般に、誘導機等の回転電機や変圧器が電力系統に接続される際に、それらを構成する巻線リアクトルを励磁するための大きな励磁電流が流れることがあり、励磁突入電流と呼ばれる。同様に、電力変換器が電力系統に接続される際に、直流部に実装された平滑コンデンサが無電荷状態であれば大きな初充電電流が流れることがある。【０００８】
これら機器の起動時の大きな電流により、電力系統との接続点に設けられた遮断器が過電流を検出し、保護を目的に電路を開くことで電機システムが電力系統から解列してしまうことがある。【０００９】
このような起動時の過電流を抑制する方法として、さまざまな限流機構が提案されている。例えば、変圧器に用いられる限流機構として例えば特許文献１及び特許文献２に記載されたものがある。【００１０】
即ち、特許文献１には、変圧器に接続される主遮断器と並列に抵抗が直列接続された遮断器を設け、先に抵抗が接続された遮断器を投入することで励磁電流の急激な流入を抑制し、十分に励磁された後に主遮断器を投入する技術が記載されている。また、特許文献２には、変圧器鉄心の残留磁束の位相を推定し遮断器の投入タイミングを各相の残留磁束の大きさがそれぞれ０近傍となるタイミングに制御することで、励磁電流の急激な流入を抑制する技術が記載されている。【００１１】
更に、電力変換器に用いられる限流機構として、例えば、特許文献３及び特許文献４に記載されたものがある。【００１２】
即ち、特許文献３には、主変圧器に比べて容量が小さく、必要に応じて２次側電圧の小さい変圧器と抵抗器及び遮断器等の電路開閉装置を直列接続した回路装置を主変圧器に対して並列に接続し、整流器を介して小さな電流で電力変換器の直流部平滑コンデンサを充電し、所定の電圧以上に充電した後に小容量の変圧器に直列接続した電路開閉装置によって小容量の変圧器を解列し、かつ、主変圧器を電気的に接続することで充電電流を限流することが記載されている。また、特許文献４には、整流部と直流部平滑コンデンサの接続部の正電位電路に、抵抗器と電路開閉装置を並列接続した回路装置を設け、その抵抗器を介して充電し所定の電圧以上に充電した後にスイッチを閉じることで充電電流を限流することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１６０１００号公報
【特許文献２】特開２００２−７５１４５号公報
【特許文献３】特開２００２−３４５２５８号公報
【特許文献４】特開２０１１−８７３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述したスリップリングとブラシを用いない励磁電力の供給方法である遮断器等の電路を開閉する装置を介して電力系統に回転励磁機の固定子巻線が電気的に接続され、その回転子巻線に整流器を介して平滑コンデンサが接続される方式においては、回転励磁機の固定子巻線が電力系統に電気的に接続されると同時に、回転励磁機の巻線リアクトルの励磁電流と電力変換器の直流部平滑コンデンサの充電電流が流れるため、上記特許文献１に記載の技術では、大きな限流抵抗器が必要となる。また、上記特許文献２に記載の技術では、巻線リアクトルの励磁電流は無効電流成分であるため、残留磁束の大きさが０近傍となるタイミングで電流は最小化されるが、平滑コンデンサの充電電流は有効電流成分であるため電流は最小化されない。更に、上記特許文献３及び特許文献４に記載の技術では、回転励磁機の回転子側に実装する部品（限流器等）点数が増加するという問題がある。【００１５】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、回転機の回転子側に実装する限流器等の部品を増加させることなく、起動時の過電流を抑制することができる回転電機システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の回転電機システムは、上記目的を達成するために、回転機と、該回転機の回転子に実装され、前記回転機の回転子巻線の交流端子に接続された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記回転機の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムであって、
前記回転機の回転数を監視する回転数検出器と、該回転数検出器の検出値に基づいて前記回転機の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記回転機の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御する制御装置とを更に備え、前記制御装置は、前記電力変換器の状態を検知して制御する変換器制御装置と、前記回転機の回転数を制御する上位制御装置とから成り、前記回転数検出器による検出値が前記変換器制御装置及び上位制御装置に入力され、前記回転機の回転子の回転数が、前記回転数範囲に調速されたことを判定して、前記変換器制御装置と上位制御装置のいずれかが前記開閉装置に閉指令を送信し、かつ、前記上位制御装置は回転数指令値演算器を備えると共に、該回転数指令値演算器は状態セレクタ、調速機及び回転数制御信号変化率リミッターを有し、前記上位制御装置が前記変換器制御装置に起動指令を送信すると共に、初期状態では前記回転数指令値演算器の状態セレクタは、前記回転機の固定子巻線が前記電力系統に接続した場合に、前記回転機の極対数に依存して発生する該回転機の回転磁界が、前記回転機の回転子巻線に相対速度０近傍で鎖交する回転数範囲を選択し、かつ、前記回転数範囲となる回転数指令値を入力として前記調速器及び回転数制御信号変化率リミッターを介して回転数制御信号を、前記回転機の回転数を制御する回転数制御機構に送信することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の回転電機システムは、上記目的を達成するために、第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子に所定の間隙を設けて配置された第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子に所定の間隙を設けて配置された第２の回転子とから成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転子巻線に電気的に接続され、かつ、前記第１及び第２の回転子の回転時には回転するように設置された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記第２の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムであって、
前記第２の回転電機の回転数を監視する回転数検出器と、該回転数検出器の検出値に基づいて前記第２の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記第２の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御する制御装置とを更に備え、前記制御装置は、前記電力変換器の状態を検知して制御する変換器制御装置と、前記第２の回転電機の回転数を制御する上位制御装置とから成り、前記回転数検出器による検出値が前記変換器制御装置及び上位制御装置に入力され、前記第２の回転子の回転数が、前記回転数範囲に調速されたことを判定して、前記変換器制御装置と上位制御装置のいずれかが前記開閉装置に閉指令を送信し、かつ、前記上位制御装置は回転数指令値演算器を備えると共に、該回転数指令値演算器は状態セレクタ、調速機及び回転数制御信号変化率リミッターを有し、前記上位制御装置が前記変換器制御装置に起動指令を送信すると共に、初期状態では前記回転数指令値演算器の状態セレクタは、前記第２の固定子巻線が前記電力系統に接続した場合に、前記第２の回転電機の極対数に依存して発生する該第２の回転電機の回転磁界が、前記第２の回転子巻線に相対速度０近傍で鎖交する回転数範囲を選択し、かつ、前記回転数範囲となる回転数指令値を入力として前記調速器及び回転数制御信号変化率リミッターを介して回転数制御信号を、前記第２の回転電機の回転数を制御する回転数制御機構に送信することを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明の回転電機システムの制御方法は、上記目的を達成するために、回転機と、該回転機の回転子に実装され、前記回転機の回転子巻線の交流端子に接続された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記回転機の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムの制御方法であって、回転数検出器で前記回転機の回転数を監視すると共に、制御装置で前記回転数検出器の検出値に基づいて前記回転機の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記回転機の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御し、かつ、前記制御装置は、前記回転機の回転子を所定の回転数範囲から増速若しくは減速させる際に、回転数変化率の大きさが所定の値以下となるように制御することを特徴する。
【００１９】
また、本発明の回転電機システムの制御方法は、上記目的を達成するために、第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子に所定の間隙を設けて配置された第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子に所定の間隙を設けて配置された第２の回転子とから成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転子巻線に電気的に接続され、かつ、前記第１及び第２の回転子の回転時には回転するように設置された電力変換器と、該電力変換器の直流端子に接続された平滑コンデンサとを備え、前記第２の固定子巻線が、電路を開閉する開閉装置を介して電力系統に電気的に接続される回転電機システムの制御方法であって、回転数検出器で前記第２の回転電機の回転数を監視すると共に、制御装置で前記回転数検出器の検出値に基づいて前記第２の回転子を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、前記開閉装置を閉動作させて前記第２の固定子巻線を前記電力系統に接続するように制御し、かつ、前記制御装置は、前記第２の回転子を所定の回転数範囲から増速若しくは減速させる際に、回転数変化率の大きさが所定の値以下となるように制御することを特徴する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、回転子側に回転電機システムの起動時の過電流を限流のために部品を実装する必要が無く、起動時の過電流を抑制し、電力系統に接続する遮断器等の過電流保護機能が動作することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の回転電機システムの実施例１であり、電力変換器として交直電力変換器を使用した例を示す構成図である。
【図２】本発明の回転電機システムの実施例１であり、電力変換器として直流―直流電力変換器等を使用した例を示す構成図である。
【図３】図１及び図２に示した実施例１の回転電機システムにおける回転励磁機の詳細を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の回転電機システムにおける直流部平滑コンデンサを所望の電圧まで充電するための起動手順を示す状態遷移図である。
【図５】本発明の回転電機システムの実施例１に採用される上位制御装置が具備する回転数指令演算器の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の回転電機システムの実施例２における回転励磁機の詳細を示す図である。
【図７】本発明の回転電機システムの実施例２に採用される変換器制御装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の回転電機システムの実施例３における回転励磁機の詳細を示す図である。
【図９】本発明の回転電機システムの実施例３における回転励磁機の他の例の詳細を示す図である。
【図１０】本発明の回転電機システムの実施例４に採用される変換器制御装置及び上位制御装置の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明の回転電機システムの実施例５における回転励磁機の詳細を示す図である。
【図１２】本発明の回転電機システムの実施例５に採用される変換器制御装置の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の回転電機システムの実施例６に採用される変換器制御装置の概略構成を示す図である。
【図１４】本発明の回転電機システムの実施例７に採用される変換器制御装置の概略構成を示す図である。
【図１５】本発明の回転電機システムの実施例８における回転励磁機の詳細を示す図である。
【図１６】本発明の回転電機システムの実施例１１における回転励磁機の詳細を示す図である。
【図１７】本発明の回転電機システムの実施例１１における回転励磁機の他の例の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機システム及びその制御方法を説明する。なお、各実施例において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【実施例１】
【００２３】
図１及び図２は、本発明の回転電機システムの実施例１を示すものである。【００２４】
図１に示すように、本実施例の回転電機システム１は、電力系統１６に発電電力を送る第１の回転電機である主発電機２と、主発電機２と同軸に設置された第２の回転電機である補助発電機の回転励磁機３とから概略構成されている。【００２５】
主発電機２は、主発電機固定子４と、主発電機固定子４の内径側に所定の間隙をもって配置された主発電機回転子６と、主発電機固定子４に設けたスロット（図示せず）内に短節巻にして二層に巻回される三相の主発電機固定子巻線５と、主発電機回転子６に設けたスロット（図示せず）内に全節巻にして二層に巻回される三相の主発電機回転子巻線７と、主発電機回転子６に配置されて主発電機回転子巻線７と接続される交直電力変換器１０Ａとを備えている。なお、三相の主発電機固定子巻線５及び三相の主発電機回転子巻線７は、円周上に１２０度間隔で配置されている。【００２６】
また、回転励磁機３は、回転励磁機用固定子１１と、回転励磁機用固定子１１の内径側に所定の間隙をもって配置された回転励磁機用回転子１３と、回転励磁機用固定子１１に設けたスロット（図示せず）内に短節巻にして二層に巻回される三相の回転励磁機用固定子巻線１２と、回転励磁機用回転子１３に設けたスロット（図示せず）内に全節巻にして二層に巻回される三相の回転励磁機用回転子巻線１４と、回転励磁機用回転子１３に配置されて回転励磁機用回転子巻線１４と接続される交直電力変換器１０Ｂとを備えている。なお、三相の回転励磁機用固定子巻線１２及び三相の回転励磁機用回転子巻線１４は、円周上に１２０度間隔で配置されている。【００２７】
そして、本実施例に係る回転励磁機３は、回転励磁機用固定子巻線１２が、遮断器、断路器等の電路を開閉装置１５を介して電力系統１６に電気的に接続され、その回転励磁機用回転子１１には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力用半導体スイッチング素子と還流用整流素子であるダイオード素子が逆並列接続された半導体スイッチングユニットが複数ユニット直列接続及び並列接続されることで構成される交直電力変換器１０Ｂが実装されている。【００２８】
この交直電力変換器１０Ｂは、一般に２レベル変換器や３レベル変換器等であり、交直電力変換器１０Ｂの交流端子が回転励磁機用回転子巻線１４に接続され、かつ、その直流端子に直流部平滑コンデンサ１７が接続されている。【００２９】
図１は、主発電機回転子６が、前述の回転励磁機３によって需給される直流電力を、再び交流電力に変換する交直電力変換器１０Ａによって交流励磁されることで運転される回転電機システム１である。【００３０】
図２の構成は、図１と殆ど同様であるが、主発電機回転子６に配置されて主発電機回転子巻線７と接続される電力変換装置１０が直流−直流電力変換器１８であることと、主発電機用固定子巻線５と電力系統１６を結ぶ電路の途中に交流−交流電力変換器１９を配置した点が異なる。この図２は、励磁式回転電機の回転子８が前述の回転励磁機３によって需給される直流電力によって、若しくは直流-直流電力変換器１８等によって適切に制御された直流電力によって、直流励磁されることで運転される回転電機システム１である。【００３１】
また、図１及び図２において、２０は電力変換装置１０の状態を検知して制御する変換器制御装置、２１は回転励磁機３の回転数を回転数制御機構２２で制御する上位制御装置、２３は励磁式回転電機の回転子８の回転数を監視する回転数検出器であり、変換器制御装置２０と上位制御装置２１で制御装置を構成し、この制御装置は、回転数検出器２３の検出値に基づいて回転励磁機３を所定の回転数範囲に増速若しくは減速して調速し、開閉装置１５を閉動作させて回転励磁機用固定子巻線１２を電力系統１６に接続するように制御するものである。【００３２】
図１及び図２に示した実施例１の回転電機システムにおける共通する回転励磁機の詳細を図３に示す。【００３３】
励磁式回転電機の回転子８に実装された直流部平滑コンデンサ１７を充電するための共通する回路構成として、回転励磁機用固定子巻線１２が開閉装置１５を介して電力系統１６に電気的に接続され、回転励磁機用回転子１３に交直電力変換器１０Ｂの一部として構成される整流機能を有するダイオード素子によって構成される整流器２４が実装され、その交流端子が回転励磁機用回転子巻線１４に接続され、かつ、その直流端子に直流部平滑コンデンサ１７が接続される点が共通している。【００３４】
前述の共通構成を有する回転電機システム１であれば、起動時に遮断器等の開閉装置１５によって電力系統１６に電気的に接続することで、巻線リアクトル（回転励磁機用固定子巻線１２、回転励磁機用回転子巻線１４）の初励磁電流と直流部平滑コンデンサ１７の初充電電流が同時に流れることによる過電流が発生する。従って、前述の構成の回転励磁機３を有し、それにより需給する電力を回転子内で使用する回転電機システムであれば、その応用に係らず本発明の適用範囲となる。【００３５】
次に、本実施例の回転電機システム１の起動時の過電流を抑制しつつ、励磁式回転電機の回転子８に実装された直流部平滑コンデンサ１７を所望の電圧まで充電するための起動手順を、図４を用いて説明する。【００３６】
該図において、コンデンサ無電荷状態（１）は、本実施例の回転電機システム１の初期状態であり、回転機巻線にも通電がなされていない状態を意味する。このコンデンサ無電荷状態（１）から回転数制御機構２２によって調速し、回転励磁機用固定子巻線１２が電力系統１６と電気的に接続した場合に、回転励磁機３内に発生させる回転磁界が回転励磁機用回転子巻線１４と鎖交する相対速度が０近傍となるまで速度を調速する。前述の調速が完了することで、調速完了状態（２）に遷移する。調速完了状態（２）に遷移したことを受けて、本実施例の回転電機システム１は開閉装置１５を閉路し、回転励磁機用固定子巻線１２に電圧を印加し通電する。この動作により回転励磁機３内に回転磁界が発生する。前述の操作により回転磁界が回転励磁機用回転子巻線１４と鎖交する相対速度が０近傍であるため、回転励磁機用回転子巻線１４には小さな電圧が誘起され、この電圧により電力変換装置１０の整流回路を介して直流部平滑コンデンサ１７の充電が開始される。これにより充電中状態（３）へと遷移する。充電中状態（３）において、更に回転数制御機構２２により前述の鎖交する相対速度の大きさを０近傍から大きくすることで、回転励磁機用回転子巻線１４に誘起される電圧を大きくすることで直流部平滑コンデンサ１７の充電を継続し、回転電機システム１の運転に必要な所定の電圧に達することでコンデンサ充電完了状態（４）へと遷移し、通常の運転を実施できるようになる。これら動作を実現する装置及び手段を、以下に詳述する。【００３７】
本実施例の回転電機システム１を制御する制御系（制御装置）を、励磁式回転電機の回転子８に実装された電力変換装置１０の状態検知及び制御する変換器制御装置２０と、回転数を制御する上位制御装置２１とに区分する。本区分は説明上の区分であり、実施においては単一の機器として実装された電子回路装置若しくは単一の演算装置内に組み込まれた制御ソフトウェアであってもよく、その他、同一機能の発現する方式であれば、その実現方法を限定しない。【００３８】
ただし、回転系と非回転系との情報伝達には、無線や光等の非接触の通信方法により実現されるものとし、回転系に実装された制御系の駆動電源は、別途非接触の給電方式若しくは回転系に実装されたコンデンサや電池等の電力源から供給されるものとする。【００３９】
前述の上位制御装置２１に具備される回転数指令値演算器２６を図５に示す。【００４０】
上位制御装置２１は、変換器制御装置２０に起動指令Ｓ２を送信する（図３参照）と共に、初期状態では回転数指令演算器２６の状態セレクタ２７は、回転励磁機用固定子巻線１２が電力系統１６に接続した場合に、回転励磁機３の極対数に依存して発生する回転励磁機３の回転（交番）磁界が、前述の回転励磁機用回転子巻線１４に相対速度０近傍で鎖交するような所望の回転数範囲２８を選択しており、この回転数範囲２８となる回転数指令値Ｓ１*を入力として調速器２９及び回転数制御信号変化率リミッター３２を介して回転数制御信号Ｓ４を送信する。回転数を制御するために操作する回転数制御機構２２は、例えば、風力発電システムであれば、風向に対する翼角度（ピッチ角）、水力発電システムであれば、水流量を調整するガイドベーンやランナーベーンの開閉に相当し、回転数制御信号Ｓ４は、例えば、風力発電システムであればピッチ角度等の指令値であり、水力発電システムでは各種弁の開閉角度等の指令値である。上位制御装置２１は、回転数制御信号Ｓ４を送信することで調速を開始し、変換器制御装置２０からの状態信号Ｓ３を監視する。【００４１】
回転数検出器２３による回転数検出値Ｓ1は、変換器制御装置２０及び上位制御装置２１に入力され、前述の回転数範囲２８に調速したことを判定して、変換器制御装置２０若しくは上位制御装置２１のいずれかが、開閉装置１５へ閉指令となる開閉動作信号Ｓ５を送信する。開閉装置１５の閉動作により、回転励磁機３の初励磁電流を通電させることで、回転励磁用回転子巻線１４に前述の回転数範囲２８に依存する誘起電圧を発生させ、直流部平滑コンデンサ１７に充電電流を供給する。【００４２】
開閉装置１５の閉路動作の後、変換器制御装置２０から上位制御装置２１へ状態信号Ｓ３によって閉路状態に遷移したことが伝達され状態セレクタ２７が動作し、直流部平滑コンデンサ１７の電圧検出値Ｓ６によって回転数指令値Ｓ１*を算出する回転数指令値演算器３０からの回転数指令値Ｓ１*に従って調速器２９が動作する。【００４３】
なお、本発明の全ての図において、前述の閉路信号Ｓ５が変換器制御装置２０から送信されるように図示しているが、上位制御装置２１から送信されても良く、その場合には、状態セレクタ２７は変換器制御装置２０から上位制御装置２１へ状態信号Ｓ３を入力として必要とせず、回転数指令値演算器２６内でその判定が可能である。前述の差異によってその効果の発現に影響しないため、顕わに前述の構成となる回転数指令値演算器２６は、図示しない。【００４４】
直流部平滑コンデンサ１７の電圧検出値Ｓ６によって回転数指令値Ｓ１*を算出する回転数指令値演算器３０及び回転数指令値変化率リミッター３１によって、前述の相対速度０近傍の所定の回転子の回転数範囲から増速若しくは減速させることで、その相対速度の大きさを増加させる方向に回転数指令値Ｓ１*を演算する。【００４５】
これにより回転励磁機用回転子巻線１４に誘起される誘起電圧を上昇させ、直流部平滑コンデンサ１７の充電を継続する。この際、直流部平滑コンデサ１７の静電容量をＣとすると、その電流ｉ及び電圧増加率ｄＶ／ｄｔには、ｉ＝Ｃ＊ｄＶ／ｄｔの関係があることから、電流を所定の値未満に制限するためには、電圧増加率を制限する必要がある。回転励磁機用回転子巻線１４に誘起される誘起電圧は、鎖交する磁界の変化率に比例し、変化率は回転数と比例の関係があるため、電圧増加率は回転数の変化率と比例の関係となる。【００４６】
従って、開閉装置１５が保護を目的に開動作する電流値未満の値に電流値を抑制するため、回転数指令値変化率リミッター３１によって、回転数指令値Ｓ１*の変化率を所定の値以下に制限する。【００４７】
なお、図５では、回転数指令値変化率リミッター３１によって過電流を抑制する制御を示したが、回転数指令値演算器３０によって電圧増加率を制限する機構を内包しても、その効果には影響しない。【００４８】
また、風力発電システムのように、回転子を回転させるエネルギーが自然条件に依存するシステムの場合、前述の回転数を増速させるか減速させるかは、自然条件によって決定することで、回転電機システムの起動完了後の通常運転への移行を容易にすることができる。例えば、風力発電システムの場合に、風速が通常運転状態において相対速度０近傍で運転する風速より低風速の場合には、減速することで相対速度を増加させ、風速が通常運転状態において相対速度０近傍で運転する風速よりも高風速の場合には、増速することで相対速度を増加させる。【００４９】
これにより、風力発電システムを起動した後の速度を制御するためのピッチ角等の制御対象が通常運転状態に近い状態となるため、通常運転への移行が容易になる。【００５０】
ただし、前述の相対速度を増加させるために、回転子速度を増速するか或いは減速するかの選択基準は、本発明の制御方法を適用するシステムに応じて、適宜その利便性を考慮すれば良く、通常運転への移行の容易性に限ることはない。【００５１】
更に、変換器制御装置２０は直流部平滑コンデンサ１７の電圧を監視して、所定の電圧値まで上昇したことを感知し、上位制御装置２１へ起動完了信号Ｓ３を発信する。前述の所定の電圧値は、風力発電システムのように、風速等の自然条件と運転に必要な電圧との関係式若しくはそれら対応を示す参照テーブル等によって運転時に決定しても良いし、予め決定しておいた固定値であっても良い。【００５２】
これら一連の制御方法により回転励磁システムは起動され、上位制御装置２１は起動完了信号の受信により通常運転制御へ移行する。【００５３】
これにより、起動時の回転励磁機３の巻線リアクトル（回転励磁機用固定子巻線１２、回転励磁機用回転子巻線１４）を励磁するための初励磁電流と、励磁式回転電機の回転子８に実装された電力変換装置１０の直流部平滑コンデンサ１７の初充電電流との合成電流によって、電力系統１６との接続点に設けられた開閉装置１５が、過電流保護を目的に電路を開くことで電機システムが電力系統１６から解列してしまうことを防止できる。【００５４】
従って、本実施例の構成とすることにより、励磁式回転電機の回転子８側に限流器等を実装する必要がなくなり部品を増加させることなく、起動時の過電流を抑制することができる効果がある。【００５５】
なお、上述した実施例では、主発電機固定子４の内径側に所定の間隙をもって主発電機回転子６を配置した例について説明したが、主発電機回転子が主発電機固定子の外径側に所定の間隙をもって配置されるアウターロータタイプに、本発明を適用しても同様な効果が得られる。
【実施例２】
【００５６】
図６に、本発明の回転電機システムの実施例２における回転励磁機３の詳細を示す。【００５７】
該図に示す本実施例の構成は、図３に示した構成に代えて、整流素子であるダイオード素子３４にＩＧＢＴ等の電力用半導体スイッチング素子３５が逆並列接続されて構成される交直電力変換器１０Ｂとしたこと、並びに回転励磁機用固定子巻線１２と電力系統１６との連系点２５での電圧を監視する電圧センサ３６を追加した構成としたものである。【００５８】
図７は、電圧センサ３６で検出した電力系統１６との連系点２５での電圧検出値Ｓ８を用いた変換器制御装置２０を示す。本実施例での制御方法については、上述した開閉装置１５の閉動作までは実施例１と同一であり、ここでは、それ以降の異なる動作部分のみについて説明する。【００５９】
図６及び図７において、電圧センサ３６による電力系統１６との連系点２５での電圧検出値Ｓ８は、振幅位相演算器３７に入力され、電力系統１６との連系点２５での電圧の振幅及び位相が演算される。振幅位相演算器３７で演算された振幅及び位相の演算値は、出力電圧演算器３８に入力され、出力電圧演算器３８では、所定の充電電流指令値Ｓ９＊を得るために必要な出力電圧指令値Ｓ１０＊が演算される。パルス演算器３９は、回転数検出値Ｓ１と電力系統１６との連系点２５での電圧の振幅及び位相と出力電圧演算器３８で演算された出力電圧指令値Ｓ１０＊、及び直流部平滑コンデンサ１７の電圧検出値Ｓ６を入力として、電力系統１６の電圧に同期した交流電圧を回転励磁機用回転子巻線１４の接続端に発生させるために、電力用半導体スイッチング素子３５を駆動する駆動パルスＳ７を演算し、電力用半導体スイッチング素子３５が前述のパルスに従って駆動されることで、所望の充電電流を得る。【００６０】
ただし、直流部平滑コンデンサ１７の電圧検出値Ｓ６が、パルス駆動するために十分な大きさでない場合は、パルス演算器３９は、電力用半導体スイッチング素子３５の駆動を停止しても良い。【００６１】
また、上位制御装置２１は、前述した相対速度０近傍の所定の励磁式回転電機の回転子８の回転数範囲から増速若しくは減速させることで、その相対速度の大きさを増加させる方向に励磁式回転電機の回転子８の回転数を制御する。【００６２】
これにより、回転励磁機用回転子巻線１４に誘起される誘起電圧を上昇させ、直流部平滑コンデンサ１７の充電が継続される。この動作は、交直電力変換器１０Ｂがスイッチング動作する以外は、実施例１と同一であり、以降の動作も同一である。【００６３】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、実施例１に示すダイオード素子で構成される整流器２４のみの回路によって直流部平滑コンデンサ１７を充電する場合に比べて、電力系統１６の電圧に同期した交流電圧を回転励磁機用回転子巻線１４の接続端に発生させることで、回転励磁機用固定子巻線１２及び回転励磁機用回転子巻線１４を流れる充電電流の商用周波数に対する高調波成分を低減することができる。
【実施例３】
【００６４】
図８に、本発明の回転電機システムの実施例３における回転励磁機３の詳細を示す。【００６５】
図６に示す実施例２では、電力系統１６との連系点２５での電圧を監視する電圧センサ３６を設けているが、本実施例では、回転励磁機用回転子巻線１４と交直変換器１０Ｂの間にリアクトル４１を設け、このリアクトル４１と回転励磁機用回転子巻線１４との接続部の電圧を監視する電圧センサ３６を設けたものである。前述のリアクトル４１は、電力変換装置１０が出力する電圧と、回転励磁機用回転子巻線１４の誘起電圧を分圧するために必要なリアクトルである。【００６６】
本実施例の制御方法は、電圧センサ３６によって検出した回転励磁機用回転子巻線１４の電圧検出値Ｓ８から電力系統１６との連系点２５における電圧を推定する以外は、実施例２と同一である。【００６７】
また、前述の電圧センサ３６を回転励磁機用回転子巻線１４の途中に接続し、回転励磁機用回転子巻線１４の一部で前述のリアクトル４１の代わりとしても良く、図９に示すように、回転励磁機用回転子巻線１４から引き出した電路に電圧センサ３６を設けても良い。【００６８】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例２と同様な効果が得られる。
【実施例４】
【００６９】
図１０に、本発明の回転電機システムの実施例４に採用される変換器制御装置及び上位制御装置の概略構成を示す。【００７０】
該図に示すように、本実施例は、変換器制御装置２０が上位制御装置２１に対して相対速度を変更するための回転数指令値変更信号Ｓ１１を送付することを特徴とするものである。【００７１】
例えば、交直電力変換器１０Ｂが昇圧動作で直流部平滑コンデンサ１７に充電電流を供給している場合に、パルス演算器３９で演算されたパルス幅が長く、電力用半導体スイッチング素子３５の導通時間が長いことは、直流部平滑コンデンサ１７の電圧が大きく、回転励磁機用回転子巻線１４に誘起される誘起電圧では、十分に充電電流が供給できないことを意味しており、パルス演算器３９で演算されたパルス幅が所定のパルス幅よりも長いことを判定基準として、回転数指令値変更信号Ｓ１１を出力しても良い。また、上位制御装置２１は、変換器制御装置２０からの回転数指令値変更信号Ｓ１１を受信した場合においてのみ、所定の回転数変化率以下の変化率で回転数指令値を更新する。【００７２】
前述の回転数指令値変更信号Ｓ１１の出力判定基準は、電力用半導体スイッチング素子３５によって規定される温度を考慮して、その導通時間によって規定される温度を超えないようにパルス幅を規定しても良く、その他、交直電力変換器１０Ｂの動作に起因する制約事項によって規定しても良い。【００７３】
このような本実施例の構成とすることにより、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、充電状態や電力用半導体スイッチング素子等の交直電力変換器１０Ｂの動作環境を反映した回転数制御が可能となり、励磁式回転電機の回転子８に実装された電力変換装置１０に過剰な電圧が印加され、過電流になることを防ぐことができる。
【実施例５】
【００７４】
図１１に、本発明の回転電機システムの実施例５における回転励磁機の詳細を示す。【００７５】
該図に示す本実施例では、回転励磁機用固定子巻線１２と電力系統１６を接続する電路の途中で、開閉装置１５の電力系統１６側に、電力系統１６に流れる電流を監視する電流センサ４２を設けたものである。他の構成は、図６に示した実施例２と同様である。【００７６】
なお、図８及び図９に示した実施例３に係る構成に、前述した電流センサ４２を追加した構成は顕わに図示しないが、以下に述べる効果が同様に発現するため、図１１をもって説明を代用する。【００７７】
図１２に、本発明の回転電機システムの実施例５に採用される変換器制御装置の概略構成を示す。即ち、図１１に示した電流センサ４２で検出された電流検出値Ｓ９は、ｄｐ成分演算器４３によって、電力系統１６との連系点２５での電圧と同位相の成分（有効電流成分）と９０度位相が異なる成分（無効電流成分）に分解される。巻線リアクトル（回転励磁機用固定子巻線１２、回転励磁機用回転子巻線１４）の抵抗等の損失を無視すれば、有効電流成分が直流部平滑コンデンサ１７の充電電流Ｓ９ｄであり、無効電流成分が巻線リアクトル（回転励磁機用固定子巻線１２、回転励磁機用回転子巻線１４）の励磁電流Ｓ９ｑである。所定の電流値以下の電流指令値Ｓ９＊と前述の演算値の差分が、ｄｑ成分制御器４４に入力されフィードバック制御される。【００７８】
このような本実施例の構成とすることにより、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、本実施例では充電電流のみを制御でき、また、実施例２及び実施例３がフィードフォーワード制御によって出力電圧指令値を演算することに対して、本実施例では、フィードバック制御によって出力電圧指令値を演算するため、制御性の向上を図ることができる。
【実施例６】
【００７９】
図１３に、本発明の回転電機システムの実施例６に採用される変換器制御装置の概略構成を示す。【００８０】
該図に示す本実施例は、励磁電流成分Ｓ９qを入力として指令値演算器４５によって、充電電流Ｓ９ｄと励磁電流Ｓ９ｑの合成電流の絶対値が所定値以下になるように充電電流指令値Ｓ９＊ｄを決定することを除いて、実施例５と同一であり、詳細の説明は省略する。【００８１】
このような本実施例の構成とすることにより、上述した実施例５と同様な効果を得ることができる。
【実施例７】
【００８２】
図１４に、本発明の回転電機システムの実施例７に採用される変換器制御装置の概略構成を示す。【００８３】
該図に示す本実施例は、励磁電流収束判定器４６によって励磁電流成分Ｓ９qが定常状態に達しているかを判定し、達している場合に直流部平滑コンデンサ１７が充電を開始するように、指令値演算器４５によって充電電流Ｓ９ｄと励磁電流Ｓ９ｑの合成電流の絶対値が所定値以下となる充電電流指令値Ｓ９＊ｄを決定することを除いて、実施例６と同一であり、詳細の説明は省略する。【００８４】
このような本実施例の構成とすることにより、上述した実施例６と同様な効果を得ることができる。
【実施例８】
【００８５】
図１５に、本発明の回転電機システムの実施例８における回転励磁機の詳細を示す。【００８６】
該図に示す本実施例では、図１１に示す実施例５の電力系統１６に流れる電流を監視する電流センサに代えて、回転励磁機用固定子巻線１２と交直電力系統１６を接続する電路の途中に、回転励磁機用固定子巻線１２に流れる電流を監視する電流センサ４２を設けたものである。他の構成は、図１１に示した実施例５と同様である。【００８７】
本実施例では、前述の箇所に設けられた電流センサ４２の電流検出値Ｓ９を用いて、電力系統１６に流れる電流値を推定することを除いて、実施例５〜７と同一であり、詳細の説明は省略する。【００８８】
このような本実施例の構成とすることにより、上述した実施例５と同様な効果を得ることができる。
【実施例９】
【００８９】
実施例９は、特に図示しないが、実施例５〜８の制御方式に加えて、実施例４に記載の変換器制御装置２０が上位制御装置２１に対して相対速度を変更するための回転数指令値変更信号Ｓ１１を送付することを特徴とする制御方式であり、回転数指令値変更信号Ｓ１１は、パルス演算器３９による判定に加えて、励磁電流の収束判定を活用しても良い。その詳細は、実施例４〜８と同一であり省略する。
【実施例１０】
【００９０】
上述した実施例１〜９は、回転励磁機３の起動時に、回転励磁機３の巻線リアクトル（回転励磁機用固定子巻線１２、回転励磁機用回転子巻線１４）の励磁電流と、励磁式回転電機の回転子８に実装された直流部平滑コンデンサ１７の充電電流の合成電流が大きな値となり、電力系統１６との連系点２５に設置された開閉装置１５が、過電流保護を目的に開動作することを防止する方法及び構成について説明した。【００９１】
本発明は、同期速度近傍まで調速した後に、電力系統１６と接続する開閉装置１６を閉動作させ、閉動作の後に同期速度近傍から増速若しくは減速することで直流部平滑コンデンサ１７を、所定の電圧まで充電する制御方法について述べるものであり、本発明で述べた回転励磁機３と電力需給部の構成が同一と看做し得る電機機器で、かつ、前述の制御方法に沿って起動し、受給した電力を、更に励磁式回転電機の回転子８に実装された機器によって使用される応用例は本発明の範囲と看做し得る。【００９２】
また、本発明の制御方法の説明に用いた図１２〜１４において、励磁電流に対する指令値Ｓ９＊ｑは零と図示した。これは電力系統１６との連系点２５での力率を１に制御することに相当するが、系統運用者等の指示により任意の力率に制御するため、電流指令値Ｓ９＊ｑを非零としても良い。
【実施例１１】
【００９３】
図１６及び図１７に、本発明の回転電機システムの実施例１１における回転励磁機の詳細を示す。【００９４】
図１６に示す実施例は、図３に示した実施例１の構成において、回転励磁機用固定子巻線１２の代わりに永久磁石型固定子４８を、図１７に示す実施例は、図６に示した実施例２の構成において、回転励磁機用固定子巻線１２の代わりに永久磁石型固定子４８を、それぞれ用いたものである。【００９５】
図１６及び図１７に示す実施例１１では、永久磁石型固定子４８によって交番磁界が回転励磁機用回転子巻線１４に提供されるが、このような回転電機システムにおいても、上述した励磁式回転電機の回転子８の回転数制御を、回転数０速度から実施することで、回転励磁機用回転子巻線１４に誘起される電圧を最小化でき、上述した各実施例と同様に回転数速度を増加させることで、直流部平滑コンデンサ１７の充電電流を抑制しながら直流部平滑コンデンサ１７の電圧を高めることができる。
【００９６】
更に、図１７の構成では、回転子側から交流電圧を発生させることができ、上述した実施例２以降と同様に動作させることで、直流部平滑コンデンサ１７の充電電流を抑制しながら直流部平滑コンデンサ１７の電圧を高めることができる。【００９７】
なお、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易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、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、また、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。また、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。
【符号の説明】
【００９８】
１…回転電機システム、２…主発電機、３…回転励磁機、４…主発電機固定子、５…主発電機固定子巻線、６…主発電機回転子、７…主発電機回転子巻線、８…励磁式回転電機の回転子、１０…電力変換装置、１０Ａ、１０Ｂ…交直電力変換器、１１…回転励磁機用固定子、１２…回転励磁機用固定子巻線、１３…回転励磁機用回転子、１４…回転励磁機用回転子巻線、１５…開閉装置、１６…電力系統、１７…直流部平滑コンデンサ、１８…直流−直流電力変換器、１９…交流−交流電力変換器、２０…変換器制御装置、２１…上位制御装置、２２…回転数制御機構、２３…回転数検出器、２４…整流器、２５…連系点、２６…回転数指令値演算器、２７…回転数指令値演算器の状態セレクタ、２８…回転数範囲、２９…調速器、３０…回転数指令値演算器、３１…回転数指令値変化率リミッター、３２…回転数制御信号変化率リミッター、３３…運転時の回転数指令値演算器、３４…ダイオード素子、３５…半導体スイッチング素子、３６…電圧センサ、３７…振幅位相演算器、３８…出力電圧演算器、３９…パルス演算器、４０…充電完了判定器、４１…リアクトル、４２…電流センサ、４３…ｄｐ成分演算器、４４…ｄｑ成分制御器、４５…指令値演算器、４６…励磁電流収束判定器、４７…２次側換算器、４８…永久磁石型固定子、Ｓ１…回転数検出値、Ｓ１＊…回転数指令値、Ｓ２…上位制御装置から変換器制御装置への起動指令、Ｓ３…変換器制御装置から状態信号、Ｓ４…回転数制御信号、Ｓ５…開閉動作信号、Ｓ６…直流部平滑コンデンサの電圧検出値、Ｓ７…変換器制御装置から電力変換器への制御信号、Ｓ８…電圧検出値、Ｓ９…電流検出値（添字ｄ：有効電流成分，  添字ｑ：無効電流成分）、Ｓ９＊…電流指令値（添字ｄ：有効電流成分，  添字ｑ：無効電流成分）、Ｓ１０…出力電圧信号、Ｓ１０＊…出力電圧指令値、Ｓ１１…回転数指令値変更信号。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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