(57)【要約】【課題】コストの低減、現地調整作業の時間短縮が可能となるとともに、さらなる高性能・高力率な制御も可能となる同期発電機起動装置の制御装置を提供すること。【解決手段】同期発電機４が起動時には界磁電流立上りで電機子に誘起される電圧から回転子位置を検出し、同期発電機４が低速領域では、同期化力によってインバータ出力周波数に自動的に同期発電機４が追従してくるような速度指令値と制御進み角指令値で運転し、同期発電機４が中・高速領域では誘起電圧を推定して回転子位置（位相）を検出して運転させ、全域で分配器なとの位置検出器一切なしでの運転を可能にするものである。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記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、前記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同期発電機起動装置において、
前記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、
前記同期発電機の起動時の界磁電流の立ち上げに伴って前記電機子端子に誘起される電圧を前記交流電圧検出器により検出し、この電圧検出値から、前記同期発電機の回転子位置を検出する回転子位置検出回路と、
速度指令値及び前記コンバータの他励素子の制御進み角指令値を演算する制御進み角演算回路と、
前記回転子位置検出回路によって検出された回転子位置と、前記制御進み角演算回路で演算された速度指令値を入力し、基準信号波を出力する基準信号波発生器と、
前記制御進み角演算回路で演算された制御進み角と前記基準信号波発生器からの基準信号波に基づき、前記速度パターンと前記制御進み角指令値を実現し、前記インバータの他励素子に与えるゲートパルスを生成すると共に、前記インバータの転流時に同期して前記コンバータが通流する直流電流をゼロにする指令を与えるゲートパルス発生器と、
を備えたことを特徴とする同期発電機起動装置の制御装置。
【請求項２】
前記回転子位置検出回路は、
前記交流電圧検出器で検出される前記同期発電機の電機子端子電圧の二乗和を求める演算回路と、
前記演算回路により求められた二乗和と、前記電機子端子電圧の各相毎の電圧値に応じて、前記同期発電機の回転子位置を導出する回路と、
を具備したことを特徴とする請求項１記載の同期発電機起動装置の制御装置。
【請求項３】
制御進み角演算回路は、
前記インバータの定格値、前記発電機の慣性モーメント、前記発電機の損失特性、前記発電機の損失の大きさに応じて、前記発電機の速度指令値、前記コンバータの他励素子への制御進み角指令値を演算することを特徴とする請求項１記載の同期発電機起動装置の制御装置。
【請求項４】
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、前記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、前記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同期発電機起動装置において、
前記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、
前記インバータから前記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、
前記出力電流検出器からの前記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、前記同期発電機の界磁電流により前記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、  
前記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、
前記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、前記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前記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ことを特徴とする同期発電機起動装置の制御装置。
【請求項５】
前記誘起電圧演算回路からの誘起電圧の同相成分と、前記ＰＬＬ回路からの第二の同期発電機回転速度推定値と、前記インバータ出力電流検出値に応じて、前記他励素子に必要な余裕角を確保するような制御進み角を算出する制御進み角指令回路をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の同期発電機起動装置の制御装置。
【請求項６】
前記誘起電圧演算回路は、前記電機子端子電圧検出値に所定の第一のゲインを乗じ、前記インバータ出力電流検出値に所定の第二のゲインを乗じ、第一の誘起電圧推定値に所定の第三のゲインを乗じ、これらを加算したものを積分し、この積分結果に、さらにインバータ出力電流検出値に所定の第四のゲインを乗じたものを加算し、この加算結果を第二の誘起電圧推定値とし、前記第一の誘起電圧推定値に前記第二の誘起電圧推定値を入力するとともに、この第二の誘起電圧推定値を最終的な誘起電圧演算結果とすることを特徴とする請求項４記載の同期発電機起動装置の制御装置。
【請求項７】
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、前記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、前記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同期発電機起動装置において、
前記同期発電機の電機子端子電圧を検出する交流電圧検出器と、
前記インバータから前記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、
前記同期発電機の起動時の界磁電流の立ち上げに伴って前記電機子端子に誘起される電圧を前記交流電圧検出器により検出し、この電圧検出値から、前記同期発電機の回転子位置を検出する回転子位置検出回路と、
速度指令値及び前記コンバータの他励素子の制御進み角指令値を演算する制御進み角演算回路と、
前記回転子位置検出回路によって検出された回転子位置と、前記制御進み角演算回路で演算された速度指令値を入力し、基準信号波を出力する基準信号波発生器と、
前記制御進み角演算回路で演算された制御進み角指令値と前記基準信号波発生器からの基準信号波に基づき、前記速度指令値と前記制御進み角指令値を実現するインバータゲートパルスを生成すると共に、前記インバータの転流時に同期して前記コンバータが通流する直流電流をゼロにするゲートパルス発生器と、
前記交流電流検出器からのインバータ出力電流検出値と、第一の同期発電機回転速度推定値から、前記同期発電機の界磁電流により前記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、  
前記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、
前記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ゲートパルスを生成するとともに、第二の基準位相を、前記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前記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ことを特徴とする同期発電機起動装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、前記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、前記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同期発電機起動装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の同期発電機起動装置においては、サイリスタなどの他励素子へのゲートパルスを生成するために必要な回転子位置を「分配器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）」で検出している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
分配器でよく使われのは、近接スイッチを用いる方法である。近接スイッチはＬＣ発振器になっていて、鉄片が近づくと、うず電流が生じて損失が増加し発振が止まるのを利用する。従って、鉄片を回転子に直結させなければならないし、固定子側には三相のパルスを生成するために最低３個の近接スイッチを取り付けなければならない。サイリスタの余裕角なども考慮して、近接スイッチの取り付け位置の調整も必要になる。
【非特許文献１】「宮入庄太著・パワーエレクトロニクス・丸善、第９．４節」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、以上述べた公知文献は、同期発電機に、分配器（近接スイッチや鉄片）を装着設置しなければならないし、実際の回転子位置と分配器からの信号が合致させ、サイリスタの余裕角を確保できるよう調整が必要となり、コスト・作業効率の面で不利となる。また、分配器からの信号は、機械的な位置検出であり、実際の誘起電圧の大きさや位相の情報は全く含まれないので、高力率・高性能な制御を行うことにも限界があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コストの低減、現地調整作業の時間短縮が可能となるとともに、さらなる高性能・高力率な制御も可能となる同期発電機起動装置の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、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、前記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、前記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同期発電機起動装置において、
前記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、
前記同期発電機の起動時の界磁電流の立ち上げに伴って前記電機子端子に誘起される電圧を前記交流電圧検出器により検出し、この電圧検出値から、前記同期発電機の回転子位置を検出する回転子位置検出回路と、
速度指令値及び前記コンバータの他励素子の制御進み角指令値を演算する制御進み角演算回路と、
前記回転子位置検出回路によって検出された回転子位置と、前記制御進み角演算回路で演算された速度指令値を入力し、基準信号波を出力する基準信号波発生器と、
前記制御進み角演算回路で演算された制御進み角と前記基準信号波発生器からの基準信号波に基づき、前記速度パターンと前記制御進み角指令値を実現し、前記インバータの他励素子に与えるゲートパルスを生成すると共に、前記インバータの転流時に同期して前記コンバータが通流する直流電流をゼロにする指令を与えるゲートパルス発生器と、
を備えたことを特徴とする同期発電機起動装置の制御装置である。
【０００７】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、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、前記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、前記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同期発電機起動装置において、
前記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、
前記インバータから前記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、
前記出力電流検出器からの前記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、前記同期発電機の界磁電流により前記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、  
前記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、
前記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、前記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前記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ことを特徴とする同期発電機起動装置の制御装置である。
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、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、前記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、前記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同期発電機起動装置において、
前記同期発電機の電機子端子電圧を検出する交流電圧検出器と、
前記インバータから前記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、
前記同期発電機の起動時の界磁電流の立ち上げに伴って前記電機子端子に誘起される電圧を前記交流電圧検出器により検出し、この電圧検出値から、前記同期発電機の回転子位置を検出する回転子位置検出回路と、
速度指令値及び前記コンバータの他励素子の制御進み角指令値を演算する制御進み角演算回路と、
前記回転子位置検出回路によって検出された回転子位置と、前記制御進み角演算回路で演算された速度指令値を入力し、基準信号波を出力する基準信号波発生器と、
前記制御進み角演算回路で演算された制御進み角指令値と前記基準信号波発生器からの基準信号波に基づき、前記速度指令値と前記制御進み角指令値を実現するインバータゲートパルスを生成すると共に、前記インバータの転流時に同期して前記コンバータが通流する直流電流をゼロにするゲートパルス発生器と、
前記交流電流検出器からのインバータ出力電流検出値と、第一の同期発電機回転速度推定値から、前記同期発電機の界磁電流により前記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、  
前記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、
前記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ゲートパルスを生成するとともに、第二の基準位相を、前記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前記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ことを特徴とする同期発電機起動装置の制御装置である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、起動時必ず最初に行われる界磁電流の立ち上げによって、電機子側に誘起される電圧を検出して、停止状態にある同期発電機の回転子位置を検出し、その検出された回転子位置に応じて、同期発電機がインバータ出力周波数に同期化力によって追従できるような速度パターンと制御進み角のゲートパルスによって運転できるようにしたので、停止時や極低周波領域から分配器のような位置センサーをー切必要としない同期発電機起動装置の制御装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１１】
(実施形態１)
図１は、サイリスタなどの他励素子からなり、交流電源ｅ１からの交流電力を直流電力に変換する他励式コンバータ(以下単にコンバータと称する)１と、コンバータ１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(以下単にコンバータと称する) ２と、インバータ２により得られる交流電力による同期発電機(以下単に発電機と称する)４を起動する同期発電機起動装置である。
【００１２】
コンバータ１とインバータ２が直流リアクトル３を介して接続されている。インバータ２の交流側は発電機４の電機子端子に接続されている。発電機４の界磁側端子には界磁コンバータ５が接続され、界磁コンバータ５には交流電源ｅ２が接続されている。
【００１３】
直流リアクトル３を流れる直流電流は、直流電流検出器６によって検出され、コンバータ側直流電流制御器７によってコンバータ１を介して制御される。発電機４の電機子端電圧(三相電圧)V１、V２、V３は交流電圧検出器８によって検出され、起動時回転子位置検出回路１０に入力され、ここで回転子位置(位相)φ０を検出している。
【００１４】
速度パターン・制御進み角演算回路１１は、後述するように制御進み角指令値β０*と速度指令値ω*を演算し、該速度指令値の変化の仕方、すなわち速度パターンを求める。基準正弦波発生回路１２は回転子位置(位相)φ０と、速度指令値ω*を入力し、基準正弦波ｓｉｎ(ωｔ*＋φ０)を出力する。
【００１５】
ゲートパルス発生器１３は、基準正弦波ｓｉｎ(ωｔ*＋φ０)と、制御進み角指令値β０*を入力しインバータ２の他励素子に与えるゲートパルスを出力し、かつインバータ２の転流時に同期してコンバータ１が通流する直流電流をゼロにする指令値(断続指令値)を出力する。
【００１６】
次に、図１の動作について説明する。発電機４は起動時にまず、界磁コンバータ５によって界磁電流を通流する。この界磁電流の立上りによって、発電機４の電機子端子に電圧が誘起される。この電圧を交流電圧検出器８で検出し、起動時回転子位置検出回路１０に入力される。界磁電流の立上り時に電機子端子３相に誘起される電圧の各相の相対的な大きさや極性は、回転子の停止位置によって一意的に決まるものである。従って、界磁立上り時の電機子三相の誘起電圧の大きさと極性から回転子位置を演算検出することが可能となるのである。起動時回転子位置検出回路１０では、この検出(演算)が行われる。
【００１７】
一方、インバータ２が発電機４に流し込む交流電流の周波数に対して、発電機４に同期化力が働いて、インバータ２の出力周波数に、発電機４の回転数が自動的に追従できるようなインバータ２の制御進み角指令値β０*と周波数（回転数）の速度指令値ω*の領域が存在する。その制御進み角指令値β０*と速度指令値ω*を速度パターン・制御進み角演算回路１１にて計算する。この速度指令値ω*と起動時回転子位置検出回路１０からの回転子位置φ０によって、基準正弦波を基準正弦波発生器１２の回路で作成し、この基準信号と速度パターン・制御進み角演算回路１１からの制御進み角によって他励式インバータヘのゲートパルスを、ゲートパルス発生器１３で出力する。
【００１８】
なお、同期化力が働く制御進み角の領域は、０度付近からマイナスの値の領域になるので、そのままではインバータ２の余裕角が確保できないので、パルス出力と同期しながら、コンバータ１が流す直流電流をゼロとするような指令をコンバータ側直流電流制御器７に出力し、電流を断続させるようにする。この動作によって、インバータ２の転流が可能になる。
【００１９】
(実施形態２)
図２において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。実施形態２は、図１の起動時回転子位置検出回路１０を詳細に示した点のみが異なる。
【００２０】
図２において、二乗演算器１４、１５、１６は電圧検出器８で検出した三相の電機子端子電圧検出値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３をそれぞれを二乗する。中間値選択器２１は、電機子端子電圧検出値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のうちの中間値に対応する相の電圧値を選択し、これを出力する。加算器１７は、二乗演算器１４、１５、１６の演算値を加算する。係数器１８は、加算器１７の加算値に係数を付加する。平方根演算器１９は、係数器１８の平方根を求める。除算器２０は、中間値選択器２１からの値を、平方根演算器１９からの演算値で除算する。余弦逆関数演算器２２は、除算器２０の除算値の余弦逆関数を演算する。平滑回路２３は余弦逆関数演算器２２からの演算結果を、界磁ON指令により 所定期間内において平滑化し、平滑化した電気的位置（位相）φ０を出力する。
【００２１】
次に、図２の動作について説明する。発電機４においては、起動時の界磁電流Ｉｆの立ち上げ時には、電機子端子各相には(１)〜(３)式のような電圧が誘起される。
【００２２】
Ｖａ＝Ｍｆ（φａ）・ｄＩｆ／ｄｔ・ｓｉｎφａ          (１)
Ｖｂ＝Ｍｆ（φｂ）・ｄＩｆ／ｄｔ・ｓｉｎφｂ          (２)
Ｖｃ＝Ｍｆ（φｃ）・ｄＩｆ／ｄｔ・ｓｉｎφｃ          (３)
ただし、φｂ＝φａ−２π／３      φｃ＝φａ−４π／３
発電機４が非突極構造の場合には、電機子と回転子の間の相互インダクタンスＭｆは、回転子の電気的位置（位相）φａには依存せず、一定値となる。この場合には、例えば(４)式でφａを求めることが可能になる。
【数１】
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【００２３】
しかしながら、通常の発電機４には若干の突極性があり、相互インダクタンスＭｆがφの関数になることや、界磁電流Ｉｆの立ち上げ時に電機子に誘起される電圧の大きさが、電機子定格電圧に比較すれば小さくなることが考えられるので、電圧検出系の誤差の影響も出てくる。突極性の影響による誤差は、誘起電圧の大きな相ほど大きくなる。
【００２４】
一方、電圧検出系の誤差は、誘起電圧の小さな相ほど大きくなるので、３相の中の中間値の相の値を上記の式の分子の値に使うのが最適である。
【００２５】
図２の回路は、上記を実現する回路であり、二乗演算器１４、１５、１６、加算器１７、係数器１８、平方根演算器１９によって、(４)式の分母が計算される。中間値選択器２１によって誤差の一番小さくなる中間値相が選ばれ、除算器２０、余弦逆関数演算器２２によって回転子位置が計算される。所定期間内平滑回路２３では、界磁電流が立ち上がる期間で、電機子に誘起される電圧の検出精度が有効な期間のみで、上記にて計算された結果の平滑化(平均化)を行って、ノイズの影響などを取り除くものである。
【００２６】
(実施形態３)
図３において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。実施形態３は、図１の速度パターン・制御進み角演算回路１１を詳細に示した点以外は図１と同一である。
【００２７】
図３において、所定値出力器２９は所定値を出力する。除算器２４は、起動装置インバータ２の定格値と、発電機４の慣性モーメントとを除算する。係数器２５は、除算器２４の除算結果に、適切な係数を乗じる。１次遅れ係数Ａの演算器(Ａ決定回路)２６は、発電機４の回転損失特性を考慮して、係数器２５の出力を最適なＡの値を演算する。１次遅れ係数Ｂの演算器(Ｂ決定回路)２７は、発電機４の損失の大きさを、発電機４の回転損失特性を考慮して、係数器２５の出力を最適なBの値を演算する。１次遅れ演算器３０は、演算機器２６、２７により演算されたＡとＢの値に応じて、１／（Ａ・Ｓ＋Ｂ）の１次遅れを演算し、速度パターンを算出する。制御進み角演算器２８は、演算器２６の入力である、係数器２５の出力及び演算器２６の出力である、Aを入力し、制御進み角β０が演算される。
【００２８】
次に、図３の動作について説明する。発電機４を起動装置によって回転・加速させる場合、速度指令値ω*と制御進み角指令値β０*をうまく選ぶと、同期化力が発生して、起動装置のインバータ２の出力する周波数に自動的に追従してくる。追従可能な速度は、インバータ２の定格と発電機４の回転系の慣性モーメントの比に大きく影響を受ける。また、回転によって発生する発電機４の損失の特性（たとえば速度の２乗に比例するなど）の影響も考慮しなければならない。最適な速度が選定されれば、その速度を実現する制御進み角が一意的に決定される。
【００２９】
一方、発電機４の回転損失が回転数の上昇に伴って、大きく増加してくる場合には、回転数が低いときには速度を大きくとり、回転数が高くなってきたら速度を小さくしていくといった速度パターンとすると、同期化運転の安定性を確保しながら、加速性能を高くとれるというメリットが出る。理論的には、発電機４の回転損失が速度の２乗に比例するなら、速度パターンを１次遅れ特性にするのが最適になる。１次遅れ演算は速度の増加とともに速度を下げていくという速度パターンとしては最も簡単な演算形態でもあるので、実際的には、１次遅れ演算が実用的である。
【００３０】
図３の回路は、上記を実現する回路である。起動装置インバータ２の定格値と、発電機４の慣性モーメントを、除算器２４で除算しその比率を計算し、適切な係数を係数器２５で乗じて、１次遅れ係数Ａの演算器２６に送る。１次遅れ係数Ａの演算器２６は、この値と、同期発電機回転損失の特性も考慮して、最適なＡの値を演算する。このＡの値の逆数が、時刻ｔ＝０での初期速度に等しい。このＡが決定されれば、これを実現する制御進み角β０が制御進み角演算器２８で演算される。
【００３１】
一方、発電機４の回転損失の影響が大きい場合には、１次遅れ係数Ｂの演算器２７が、適切なＢを演算する。１次遅れ演算器３０は、指令されたＡとＢの値に応じて、１次遅れ演算を行い、速度パターンを算出する。
【００３２】
(実施形態４)
図４において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
発電機４の電機子端子電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は交流電圧検出器８で検出され、インバータ２から流されるインバータ交流電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は交流電流検出器９で検出される。これらの電圧検出値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、電流検出値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を三相二相変換（ｄ−ｑ変換）するのが三相二相変換回路３１と三相二相変換回路３２である。この三相二相変換された電圧値Ｖｄ、Ｖｑ、電流値Ｉｄ、Ｉｑにもとづき、発電機４の電機子に誘起される誘起電圧を演算する誘起電圧演算回路３３、ＰＬＬ回路(phase-locked loop)３４、基準正弦波演算器３５、制御進み角指令器(β指令回路)３６である。
【００３４】
次に、図４の動作について説明する。三相二相変換回路３１、３２によって電圧、電流の座標変換を行うためには、発電機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、前述した公知例の分配器などの位置センサーが無い場合、この信号が直接得られない。
【００３５】
そこで、適当に初期値として第一の基準位相φを与えて座標変換する。それで変換されたｄ−ｑ軸上の電圧・電流値によって発電機４のｄ（同相成分）一ｑ（直交成分）軸上での電機子誘起電圧を計算する。誘起電圧の計算のためには、回転速度が必要になるが、これも速度センサーが無いので、適当に初期値、すなわち、第一の同期発電機回転速度推定値ωを与えておく。
【００３６】
この誘起電圧のｑ軸成分（基準位相との直交成分）Ｚｑの計算値がゼロでなければ、基準位相φとずれた結果になっていることを意味しているので、誘起電圧のｑ軸成分ＺｑがゼロとなるようなＰＬＬ回路３４を設ける。この結果、ＰＬＬ回路３４によって、誘起電圧ｑ軸成分がゼロになるような回転速度(第二の同期発電機回転速度推定値ω)及び基準位相(第二の基準位相)φが生成される。    
このＰＬＬ回路３４からの基準位相φを、上記の三相二相変換回路３１、３２にフィードバックし、三相二相変換回路３１、３２は、以後、このＰＬＬ回路３４からの基準位相φを使って変換するようにする。また、ＰＬＬ回路３４からの回転速度ωを誘起電圧演算回路３３に与え、以後、ＰＬＬ回路３４からの回転速度ωによって、誘起電圧(同相成分)Ｚｄ及び誘起電圧(直交成分)Ｚｑを演算するようにする。
【００３７】
上記の回路全体は、内部の演算をうまく行うことによって、安定に収束させることが可能なのである。そして、収束値を真値に近づけることも可能なのである。
【００３８】
図４の回路は、上記を実現する回路である。三相二相変換回路３１と３２、誘起電圧演算回路３３、ＰＬＬ回路３４によって、上述の基準位相φと回転速度ωの収束演算か実施される。
【００３９】
ここで、得られた基準位相φにもとづき、基準正弦波演算器３５を作り、別途制御進み角指令回路３６からの制御進み角指令βによってゲートパルス発生器１３か所望のゲートパルスをインバータ２の他励素子に出力する。
【００４０】
なお、前述した実施形態では、ＰＬＬ回路３４の入力として誘起電圧演算回路３３からの誘起電圧(直交成分)Ｚｑのみを取り込んだが、これとは別に誘起電圧演算回路３３からの誘起電圧(同相成分)Ｚｄ及び誘起電圧(直交成分)Ｚｑを取り込むようにしてもよく、この場合により前述の例に比べて正確になる。
【００４１】
(実施形態５)
図５において、図４と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。実施形態５は、実施形態４における制御進み角指令器(β指令回路)３６の詳細に示した以外は図４と同じである。すなわち、二乗演算器３７は三相二相変換器３２からのｄ軸電流を二乗演算し、また二乗演算器３８は三相二相変換器３２からのｑ軸電流を二乗演算する。この二乗演算結果を、加算器３９で加算し、この加算値を平方根演算器４０により平方根を求める。乗算器４１は、平方根演算器４０により求めた平方根値及びＰＬＬ回路３４からの回転速度ωを乗算する。除算器４２は、乗算器４１からの乗算値を誘起電圧演算回路３３からのｄ軸電圧Ｚｄで除算し、この除算結果に係数器４３の係数を掛け算し、この係数結果と後述する必要な余裕角（γｒｅｆ）を減算器４４により差し引く。減算器４４により減算した結果に基づき余弦逆関数演算器４５で制御進み角βを算出する。
【００４２】
次に、図５の動作について説明する。サイリスタ適用などの他励式インバータ２においては、転流時の余裕角を確保することが重要となる。必要な余裕角（γｒｅｆ）を確保した制御進み角βは(５)式で与えられる。
【数２】
2006271038.tif 000004
【００４３】
ここで、Ｉｄはインバータ直流側電流、Ｘは転流インピーダンス、Ｖａｃは電機子誘起電圧である。
【００４４】
誘起電圧演算回路３３によって、電機子誘起電圧が演算されているので、(５)式によって所望の余裕角γｒｅｆを確保した制御進み角を導出することが可能になるのである。
【００４５】
図５の回路は上記を実現する回路である。直流電流Ｉｄは、インバータ出力電流を三相二相変換したｄ軸とｑ軸電流値の二乗和平方根から求めることができる。これを実施しているのが、二乗演算器３７及び３８、加算器３９、平方根演算器４０である。
【００４６】
この値に転流インピーダンスＸを乗じ、電機子誘起電圧で除算することになるが、転流インピーダンスＸは、電機子自己インダクタンス及び漏れインダクタンスの値に回転速度ωを乗じたものになるので、結局、回転速度も乗じることになる。これを実現しているのが、乗算器４１、除算器４２、係数器４３となる。
【００４７】
この演算結果から所望の余裕角γｒｅｆの余弦値を減算器４４で差し引き、余弦逆関数演算器４５で制御進み角βを算出する。
【００４８】
(実施形態６)
図６において、図４と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。実施形態６は、図４の誘起電圧演算回路３３を詳細に示した点以外は図４と同一である。
【００４９】
誘起電圧演算回路３３は、係数器４６、４７、４９、５１、５２、５４、５８、５９、６０、６１、６３、６４、６５、６６と、乗算器４８、５３と、加（減）算器５０、５５、６２、６７と、積分器５６、５７とを備えている。
【００５０】
次に図６の動作について説明する。実施形態４において、基準位相φと回転速度ωを安定に収束させ、しかも真値に出きり限り近づけるために、最も有効かつ容易な手段として、誘起電圧演算回路３３に誘起電圧を外乱と見なした「最小次元外乱オブザーバ」を用いることが有効である。以下に誘起電圧を外乱と見なした最小次元外乱オブザーバを整理する。
【００５１】
ｄ−ｑ軸上のインバ一タ出力端電圧、電流の方程式は(６)式のようになる。
【数３】
2006271038.tif 000005
【００５２】
【数４】
2006271038.tif 000006
【００５３】
(実施形態７)
実施形態７は、図７に示すように、図１の全てと、図４と組み合わせ、さらにω切換判定器６８と、正弦波切換器６９と、制御進み角切換器(β切換器)７０を新たに追加し、次のように組み合わせたものである。
【００５４】
ω切換判定器６８には、図４のＰＬＬ回路３４からの回転速度ωと、図１の速度パターン・制御進み角演算回路１１からの速度指令値ω*が入力されるようになっている。
【００５５】
正弦波切換器６９は、図１の基準正弦波発生器１２と、図４の基準正弦波発生器３５からの基準正弦波が入力されるようになっている。
【００５６】
制御進み角切換器７０は、図１の速度パターン・制御進み角演算回路１１からの制御進み角指令値β０*と、図４の制御進み角指令器３６からの制御進み角が入力されるようになっている。
【００５７】
次に、図７の動作について説明する。実施形態７は、実施形態１と実施形態４を回転速度に応じて切換えようとするものである。実施形態１は、起動時や低速の回転数領域で使い、実施形態４は電機子誘起電圧が十分な精度で検出できるようになる中・高速の回転数領域で使用するのが、システム的に最適になる。
【００５８】
ω切換判定器６８では、速度パターン・制御進み角演算回路１１からの速度指令値ω*とＰＬＬ回路３４からの回転速度ωを比較し、回転速度ωが十分にω*に収束したことを判定する。そして、正弦波切換器６９と制御進み角切換器７０への回転速度信号をω*からωに切換える。
【００５９】
正弦波切換器６９が、まず、このωにもとづき、所定値まで回転速度が上昇したら、基準正弦波発生器１２からの基準正弦波から、基準正弦波発生器３５からの基準正弦波に切換える。ついで、制御進み角切換器７０によって、速度パターン・制御進み角演算回路１１からの制御進み角指令値β０*を、制御進み角指令器３６からの制御進み角に切換える。
【００６０】
以上述べた実施形態によれば、同期発電機起動装置において、起動時には界磁電流立上りで電機子に誘起される電圧から回転子位置を検出し、低速領域では、同期化力によってインバータ出力周波数に自動的に同期発電機が追従してくるような速度パターンと制御進み角で運転し、中・高速領域では誘起電圧を推定して回転子位置（位相）を検出して運転させ、全域で分配器なとの位置検出器一切なしでの運転を可能にするものである。前述した非特許文献１のように分配器などの位置センサを無くす場合、起動時、低速時、中・高速時全ての領域で安定な運転が必要になるが、全領域で万能な方式は難しい。各領域での最適な方式を構築し、それらを切り替えて、全域でのセンサレス運転を実現させることが課題となる。本発明によれば、起動時の界磁電流立ち上げ時の現象の利用、同期機が本来所有する同期化力の利用、オブザーバを利用した誘起電圧、位相、速度の推定方式と様々な方式を検討して組み合わせることによって達成させる。
【００６１】
（変形例）
本発明は、前述した実施形態に限定されず、以下に述べるように種々変形して実施できる。
【００６２】
１）前述した実施形態では、同期発電機４、コンバータ１、インバータ２、界磁コンバータ５は、全て三相回路の場合を説明したが、これに限るものではなく、三相以外の相の場合にはその相に対応して回転子位置検出回路１０、三相二相変換回路３１、３２が変更されることは言うまでもない。
【００６３】
２）１）の場合であって、三相二相変換回路３１、３２は、同相成分と直交成分に分離できればどんな回路でもよい。
【００６４】
３）実施形態２を説明するための図２において、同期発電機４の回転子位置を導出する回路として、中間値選択回路２１により選択した三相のうちの中間値と、三相二乗演算器１４、１５、１６で求めた値に基づいて同期発電機４の回転子位置を導出するようにしたが、これを次のようにすることもできる。すなわち、前記中間値選択回路２１の代りに、電機子端子電圧の各相毎の電圧値に応じて求めた値例えば最大値と最小値の和を求め、かつこの和の半分の値とするなど、種々変形でき、このように求めた値と、二乗演算器で求めた値により同期発電機の回転子位置を導出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】この発明の実施形態１の概略構成を示す説明図。
【図２】この発明の実施形態２の概略構成を示す説明図。
【図３】この発明の実施形態３の概略構成を示す説明図。
【図４】この発明の実施形態４の概略構成を示す説明図。
【図５】この発明の実施形態５の概略構成を示す説明図。
【図６】この発明の実施形態６の概略構成を示す説明図。
【図７】この発明の実施形態７の概略構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００６６】
１…他励式コンバータ、２…他励式インバータ、３…直流リアクトル、４…同期発電機、５…界磁コンバータ、６…直流電流検出器、７…コンバータ側直流電流制御器、８…交流電圧検出器、９…交流電流検出器、１０…起動時回転子位置検出回路、１１…速度パターン・制御進み角演算回路、１２…基準正弦波発生回路、１３…ゲートパルス発生器、１４、１５…二乗演算器、１７…加算器、１８…係数器、１９…平方根演算器、２０…除算器、２１…中間値選択器、２２…余弦逆関数演算器、２３…平滑回路、２４…除算器、２５…係数器、２６…演算器、２６、２７…演算機器、２８…制御進み角演算器、２９…所定値出力器、３０…演算器、３１、３２…三相二相変換回路、３３…誘起電圧演算回路、３４…ＰＬＬ回路、３５…基準正弦波演算器、３５…基準正弦波発生器、３６…別途制御進み角指令回路、３７…二乗演算器、３８…二乗演算器、３９…加算器、４０…平方根演算器、４１…乗算器、４２…除算器、４３…係数器、４４…減算器、４５…余弦逆関数演算器、４６、４７…係数器、４８、５３…乗算器、５０、５５…加算器、５６、５７…積分器、６８…ω切換判定器、６９…正弦波切換器、７０…制御進み角切換器。
【図１】
2006271038.tif 000007
【図２】
2006271038.tif 000008
【図３】
2006271038.tif 000009
【図４】
2006271038.tif 000010
【図５】
2006271038.tif 000011
【図６】
2006271038.tif 000012
【図７】
2006271038.tif 000013