(57)【要約】【課題】負荷変動によって発電機電圧の目標値が変動することを防止し、安定した発電機電圧を出力することができる同期発電機の電圧制御回路を提供する。【解決手段】同期発電機Ｇの出力電圧を三相全波整流した電圧帰還値Ｖｆと発電機電圧指令値（基準電圧）Ｖ**とを比較してパルス信号Ｐｕｌｓｅを発生し、このパルス信号Ｐｕｌｓｅに基づいて界磁電流Ｉｆを制御する。このとき、同期発電機Ｇの制御状態（パルス信号Ｐｕｌｓｅ又は界磁電流Ｉｆ）に基づいて発電機電圧指令値Ｖ*を補正して発電機電圧指令値Ｖ**を算出することで、電圧帰還値Ｖｆが含有する脈流成分によって生じる発電機電圧の変動を防止する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機の出力電圧を所望の目標電圧に一致させるべく前記同期発電機の界磁電流を制御する同期発電機の電圧制御回路であって、
前記同期発電機の出力電圧を三相全波整流し、脈流成分を含む電圧帰還値を出力する整流手段と、
前記電圧帰還値と所定の基準電圧とを比較する比較手段と、
前記比較手段の比較結果に基づいて、前記同期発電機の界磁電流回路の通流率を制御する制御手段と、
前記通流率に応じて、前記脈流成分によって生じる前記同期発電機の出力電圧の変動を除去する方向に前記基準電圧を補正する基準電圧補正手段と、を備えることを特徴とする同期発電機の電圧制御回路。
【請求項２】
同期発電機の出力電圧を所望の目標電圧に一致させるべく前記同期発電機の界磁電流を制御する同期発電機の電圧制御回路であって、
前記同期発電機の出力電圧を三相全波整流し、脈流成分を含む電圧帰還値を出力する整流手段と、
前記電圧帰還値と所定の基準電圧とを比較する比較手段と、
前記比較手段の比較結果に基づいて、前記同期発電機の界磁電流回路の通流率を制御する制御手段と、
前記同期発電機の界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、
前記界磁電流の大きさに応じて、前記脈流成分によって生じる前記同期発電機の出力電圧の変動を除去する方向に前記基準電圧を補正する基準電圧補正手段と、を備えることを特徴とする同期発電機の電圧制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期発電機の出力電圧を所望の電圧に自動制御する同期発電機の電圧制御回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、同期発電機の出力電圧を所望の電圧に制御する電圧制御回路として、発電機の飽和特性による界磁巻線のインダクタンスの変動を補正して、安定した電圧制御を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
このような電圧制御回路では、一般に、発電機電圧の目標値と発電機電圧の帰還値とに基づいて、自動電圧調節器を介してパルス信号を発生し、そのパルス信号によって同期発電機の界磁電流を制御している。
図６は、比較器を用いた自動電圧調節器の構成を示す図である。
図６に示すように、この自動電圧調節器では、発電機電圧の目標値Ｖ*と帰還値Ｖｆとを比較器ＣＭＰで比較する。そして、帰還値Ｖｆが目標値Ｖ*を超えるとオフ、目標値Ｖ*を下回るとオンとなるパルス信号Ｐｕｌｓｅを発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６１０５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の自動電圧調節器では、ＰＩ調整器などの積分要素を持たず、目標値Ｖ*と帰還値Ｖｆとを単に比較器ＣＭＰで比較する方式を用いている。このような方式を用いた場合、同期発電機の負荷が増え、それに伴って界磁電流を増加した場合、同期発電機の出力電圧が低下してしまう。
これは、同期発電機の交流出力電圧を三相全波整流した結果を帰還値Ｖｆとし、その帰還値Ｖｆと目標値Ｖ*との比較でパルス幅を決定していることに起因する。すなわち、３相全波整流によって生じる脈流成分と一定値の発電機電圧の目標値Ｖ*との比較でパルス幅を決定すると、整流波形の山と谷とで、発電機電圧の目標値がｓｉｎ６０°＝０．８６６からｓｉｎ９０°＝１までの間で変動することになるからである。つまり、図７に示すように、通流率０％（ｓｉｎ６０°）のときを１とすると、通流率１００％（ｓｉｎ９０°）のときは０．８６６に目標値が低下したことになる。
そこで、本発明は、負荷変動によって発電機電圧の目標値が変動することを防止し、安定した発電機電圧を出力することができる同期発電機の電圧制御回路を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明の同期発電機の電圧制御回路は、同期発電機の出力電圧を所望の目標電圧に一致させるべく前記同期発電機の界磁電流を制御する同期発電機の電圧制御回路であって、前記同期発電機の出力電圧を三相全波整流し、脈流成分を含む電圧帰還値を出力する整流手段と、前記電圧帰還値と所定の基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記同期発電機の界磁電流回路の通流率を制御する制御手段と、前記同期発電機の制御状態（前記通流率あるいは検出した界磁電流の大きさ）に応じて、前記脈流成分によって生じる前記同期発電機の出力電圧の変動を除去する方向に前記基準電圧を補正する基準電圧補正手段と、を備えることを特徴としている。
【０００６】
このように、同期発電機の制御状態に応じて電圧帰還値と比較する基準電圧を変化させるので、負荷変動によって界磁電流が変化した場合には、当該界磁電流の変化に対応させて上記基準電圧を変化させることができる。そのため、三相全波整流の脈流成分を含む電圧帰還値と一定電圧値とを比較して求めた通流率に基づいて界磁電流を制御する場合のように、負荷変動によって界磁電流を増加した場合に、発電機電圧が低下してしまうのを防止することができる。
このように、電圧帰還値が含有する三相全波整流の脈流成分によって生じる発電機電圧の変動を防止し、所望の電圧値を安定して出力することができる電圧制御回路とすることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、同期発電機の制御状態に応じて、三相全波整流の脈流成分を含有する電圧帰還値と比較する基準電圧を変動させるので、同期発電機の負荷が増加し、それに伴って界磁電流を増加する場合であっても、同期発電機の出力電圧が低下するのを防止し、安定した電圧制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る同期発電機の電圧制御回路の構成を示す図である。
【図２】自動電圧調節器ＡＶＲの具体的構成を示す図である。
【図３】本発明の効果を説明する図である。
【図４】自動電圧調節器ＡＶＲの別の例を示す図である。
【図５】第２の実施形態における自動電圧調節器ＡＶＲを示す図である。
【図６】一般的な自動電圧調節器の構成を示す図である。
【図７】従来の同期発電機の電圧制御回路の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る同期発電機の電圧制御回路の構成を示す図である。
この図１に示すように、同期発電機Ｇは、外部からＮｒｐｍの回転速度と界磁電流Ｉｆとを入力することで発電を開始する。電圧制御回路１は、同期発電機Ｇの発電機電圧を所望の一定電圧値に制御するものである。
この電圧制御回路１では、同期発電機Ｇが出力する三相交流電圧を、変圧器ＰＴと整流回路Ｒｆとを介して三相全波整流することで電圧帰還値Ｖｆを発生し、これを自動電圧調節器ＡＶＲに入力する。電圧帰還値Ｖｆは、三相全波整流による脈流成分を含む。
【００１０】
自動電圧調節器ＡＶＲでは、後述する発電機電圧指令値Ｖ*と電圧帰還値Ｖｆとに基づいて、界磁電流値を制御するためのパルス信号Ｐｕｌｓｅを発生する。
ダイオードＤは、同期発電機Ｇの界磁巻線に並列に接続されており、スイッチング素子Ｔがオフしている期間に界磁電流Ｉｆが流れる経路を確保するフライホイール機能を有する。
スイッチング素子Ｔは、同期発電機Ｇの界磁巻線に直列に接続されており、パルス信号Ｐｕｌｓｅによってオン・オフする。
以上の構成により、電圧制御回路１は、スイッチング素子Ｔをパルス信号Ｐｕｌｓｅに従ってスイッチング動作させることで界磁電流Ｉｆを調節し、発電機電圧を所望の値に制御する。
【００１１】
図２は、自動電圧調節器ＡＶＲの具体的構成を示す図である。
この図２に示すように、自動電圧調節器ＡＶＲは、フィルタ１１と、第１乗算器１２と、加算器１３と、ＳＩＮ関数１４と、第２乗算器１５と、比較器１６とから構成されている。
フィルタ１１は、界磁電流Ｉｆを流すための通流率０〜１００％のパルス信号Ｐｕｌｓｅを入力し、このパルス信号Ｐｕｌｓｅを０〜１の直流量に変換する。
第１乗算器１２は、フィルタ１１の出力値に角度３０°を乗算することで、直流量０〜１を０°〜３０°の角度量に変換する。
加算器１３は、第１乗算器１２の出力値に角度６０°のオフセット値を加算することで、第１乗算器１２から出力される角度０°〜３０°から６０°〜９０°の角度量を得る。
【００１２】
ＳＩＮ関数１４はこの角度量を直流量に変換し、変換した直流量を第２乗算器１５に入力する。
第２乗算器１５は、ＳＩＮ関数１４で変換した直流量（０．８６６〜１．０）と、予め設定した発電機電圧指令値Ｖ*との積をとり、その結果を発電機電圧指令値（基準電圧）Ｖ**として比較器１６に入力する。なお、発電機電圧指令値Ｖ*は一定値であり、通流率１００％のときの発電機電圧指令値Ｖ**となるように設定する。
【００１３】
このように、本実施形態では、同期発電機Ｇの制御状態に相当するパルス信号Ｐｕｌｓｅから発電機電圧指令値Ｖ*の補正量（０．８６６〜１．０）を求め、当該補正量で発電機電圧指令値Ｖ*を補正することで発電機電圧指令値Ｖ**を得る。これにより、Ｐｕｌｓｅ＝０％のときは発電機電圧指令値Ｖ**＝０．８６６・Ｖ*を得、Ｐｕｌｓｅ＝１００％のときは発電機電圧指令値Ｖ**＝Ｖ*を得る。
すなわち、通流率が最大値１００％のときは発電機電圧指令値Ｖ*を発電機電圧指令値Ｖ**として設定し、通流率が小さいほど（０％に近づくほど）、発電機電圧指令値Ｖ**を発電機電圧指令値Ｖ*より小さく設定する。
【００１４】
そして、比較器１６は、発電機電圧指令値Ｖ**と電圧帰還値Ｖｆとを比較し、電圧帰還値Ｖｆが発電機電圧指令値Ｖ**を超えるとオフ、発電機電圧指令値Ｖ**を下回るとオンとなるパルス信号Ｐｕｌｓｅを発生する。
なお、図１の変圧器ＰＴ及び整流回路Ｒｆが整流手段に対応し、スイッチング素子Ｔ及びダイオードＤが制御手段に対応し、図２のフィルタ１１、第１乗算器１２、加算器１３、ＳＩＮ関数１４及び第２乗算器１５が基準電圧補正手段に対応し、比較器１６が比較手段に対応している。
【００１５】
次に、第１の実施形態の動作について説明する。
今、電圧制御回路１による電圧制御によって、同期発電機Ｇの発電機電圧Ｖｆが目標値となるように界磁電流Ｉｆが制御されているものとする。この状態から同期発電機Ｇの負荷が増加すると、界磁電流Ｉｆを増加するべくパルス信号Ｐｕｌｓｅが増加する。
このとき、図２のフィルタ１１の出力がパルス信号Ｐｕｌｓｅの増加に伴って大きくなるため、発電機電圧指令値Ｖ*の補正量であるＳＩＮ関数１４の出力もそれに応じて大きくなる。したがって、電圧帰還値Ｖｆと比較する発電機電圧指令値Ｖ**も大きくなる。
【００１６】
このように、パルス信号Ｐｕｌｓｅに応じて発電機電圧指令値Ｖ*を補正し、補正後の発電機電圧指令値Ｖ**と電圧帰還値Ｖｆとに基づいて界磁電流Ｉｆを制御する。このとき、発電機電圧指令値Ｖ**は、パルス信号Ｐｕｌｓｅが大きいほど大きい値に設定され、図３に示すように、発電機電圧指令値Ｖ**は、パルス信号Ｐｕｌｓｅに応じてα＝０．８６６・Ｖ*からβ＝Ｖ*までの間で変化する。
ところで、電圧帰還値Ｖｆは、三相交流電圧を全波整流して得られる値である。そのため、本実施形態のように発電機電圧指令値Ｖ*の補正を行わず、単に一定値の発電機電圧指令値Ｖ*と電圧帰還値Ｖｆとの比較でパルス信号Ｐｕｌｓｅを発生する方式では、図７に示すように、三相全波整流の脈流成分によって、発電機電圧の目標値がｓｉｎ６０°＝０．８６６からｓｉｎ９０°＝１までの間で変動してしまう。
【００１７】
すなわち、パルス信号Ｐｕｌｓｅ＝０％のときの目標値を１とすると、パルス信号Ｐｕｌｓｅ＝１００％のときの目標値は０．８６６に低下することになってしまう。そのため、同期発電機の負荷が増加し、それによって界磁電流Ｉｆを増やした場合、同期発電機の出力電圧が低下してしまい所望の電圧値を得られないことになる。
これに対して、本実施形態では、パルス信号Ｐｕｌｓｅが大きいほど、電圧帰還値Ｖｆと比較する発電機電圧指令値Ｖ**を大きく設定する。具体的には、脈流成分の大きさを考慮して、パルス信号Ｐｕｌｓｅ＝０％のときの発電機電圧指令値Ｖ**を０．８６６とし、パルス信号Ｐｕｌｓｅ＝１００％のときの発電機電圧指令値Ｖ**を１とする。
【００１８】
その結果、同期発電機の負荷が増加し、それによって界磁電流Ｉｆを増やした場合であっても、図３に示すように、同期発電機Ｇの出力電圧の低下を防止することができ、安定した電圧制御を行うことができる。
このように、上記第１の実施形態では、同期発電機の制御状態に応じて電圧帰還値と比較する基準電圧を変化させる。このとき、電圧帰還値が含有する脈流成分によって生じる発電機電圧の目標値の低下分を考慮して当該基準電圧を設定する。そのため、負荷変動によって界磁電流を増加した場合であっても、発電機電圧の目標値が低下するのを防止することができる。その結果、所望の電圧値を安定して出力することができる。
【００１９】
また、同期発電機の制御状態として界磁電流を流すためのパルス信号を適用し、通流率が大きいほど上記基準電圧を大きく設定するので、比較的簡易な構成で適切に上記発電機電圧の目標値の低下分を補正することができる。
なお、上記第１の実施形態においては、自動電圧調節器ＡＶＲを図４に示す構成とすることもできる。この図４に示す自動電圧調節器ＡＶＲは、図２に示す自動電圧調節器ＡＶＲに対し、ＳＩＮ関数１４を用いずに発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を算出するようにしたものである。
【００２０】
すなわち、この自動電圧調節器ＡＶＲは、第１乗算器１２、加算器１３及びＳＩＮ関数１４に代えて、比例演算器２１及び加算器２２を備える。
比例演算器２１にはフィルタ１１から出力した０〜１の直流量が入力され、比例演算器２１は、このフィルタ１１の出力値に比例係数Ｋ（Ｋ＝ｓｉｎ９０°−ｓｉｎ６０°＝０．１３４）を乗算する。
加算器２２は、比例演算器２１の出力値にオフセット値ｓｉｎ６０°＝０．８６６を加算し、その結果を第２乗算器１５に入力する。
【００２１】
この場合にも、発電機電圧指令値Ｖ*の補正量は、図２に示す自動電圧調節器ＡＶＲと同様に、Ｐｕｌｓｅ＝０％からＰｕｌｓｅ＝１００％までの間で、０．８６６から１．０までの値を取る。すなわち、Ｐｕｌｓｅ＝０％のときは発電機電圧指令値Ｖ**＝０．８６６・Ｖ*を得、Ｐｕｌｓｅ＝１００％のときは発電機電圧指令値Ｖ**＝Ｖ*を得る。
したがって、図２に示すＳＩＮ関数１４等を用いずに発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を得ることでも、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。加えて、この場合には、図２に示す自動電圧調節器ＡＶＲと比較して、構成を簡易化することができるため、回路規模やコストの増大を抑制することができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態において、パルス信号Ｐｕｌｓｅに応じて発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を算出しているのに対し、界磁電流Ｉｆに応じて発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を算出するようにしたものである。
図５は、第２の実施形態における自動電圧調節器ＡＶＲの具体的構成を示す図である。
すなわち、この自動電圧調節器ＡＶＲは、図４に示す自動電圧調節器ＡＶＲに対し、フィルタ１１をフィルタ３１に置換したことを除いては、図４の自動電圧調節器ＡＶＲと同様の構成を有する。
フィルタ３１には、不図示の界磁電流センサ（界磁電流検出手段）で検出した界磁電流Ｉｆを入力する。そして、フィルタ３１は、界磁電流Ｉｆ＝０〜最大値（Ｐｕｌｓｅ＝１００％のときの界磁電流Ｉｆ）を０〜１の値に変換し、これを上述した比例演算器２１に入力する。
【００２３】
次に、第２の実施形態の動作について説明する。
今、電圧制御回路１による電圧制御によって、同期発電機Ｇの発電機電圧Ｖｆが目標値となるように界磁電流Ｉｆが制御されているものとする。この状態から同期発電機Ｇの負荷が増加すると、界磁電流Ｉｆが増加する。
このとき、図２のフィルタ３１の出力が界磁電流Ｉｆの増加に伴って大きくなるため、発電機電圧指令値Ｖ*の補正量である加算器２２の出力もそれに応じて大きくなる。したがって、電圧帰還値Ｖｆと比較する発電機電圧指令値Ｖ**も大きくなる。
【００２４】
このように、界磁電流Ｉｆに応じて発電機電圧指令値Ｖ*を補正し、補正後の発電機電圧指令値Ｖ**と電圧帰還値Ｖｆとに基づいて界磁電流Ｉｆを制御する。このとき、発電機電圧指令値Ｖ**は、界磁電流Ｉｆが大きいほど大きい値に設定され、図３に示すように、発電機電圧指令値Ｖ**は、パルス信号Ｐｕｌｓｅに応じてα＝０．８６６・Ｖ*からβ＝Ｖ*までの間で変化する。
【００２５】
このように、上記第２の実施形態では、同期発電機の制御状態として界磁電流を適用し、界磁電流が大きいほど上記基準電圧を大きく設定するので、第１の実施形態と同様に、比較的簡易な構成で、三相全波整流の脈流成分による発電機電圧の目標値の低下分を適切に補正することができる。
なお、上記第２の実施形態においては、フィルタ３１の出力値０〜１から、図２の第１乗算器、加算器１３及びＳＩＮ関数１４を介して発電機電圧指令値Ｖ*の補正量０．８６６〜１．０を演算するようにしてもよい。この場合にも、図５の自動電圧調節器ＡＶＲを用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、上記各実施形態においては、発電機電圧指令値Ｖ*をＰｕｌｓｅ＝１００％のときの発電機電圧指令値Ｖ**とし、Ｐｕｌｓｅ＝１００％のときの発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を“１”とすると共に、パルス信号Ｐｕｌｓｅ（又は界磁電流Ｉｆ）が小さいほど発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を１より小さくする場合について説明したが、発電機電圧指令値Ｖ*をＰｕｌｓｅ＝０％のときの発電機電圧指令値Ｖ**とすることもできる。この場合、Ｐｕｌｓｅ＝０％のときの発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を“１”とすると共に、パルス信号Ｐｕｌｓｅ（又は界磁電流Ｉｆ）が大きいほど発電機電圧指令値Ｖ*の補正量を１より大きくすればよい。この場合にも、上述した各実施形態と同様に、安定した電圧制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００２７】
１…電圧制御回路、１１…フィルタ、１２…第１乗算器、１３…加算器、１４…ＳＩＮ関数、１５…第２乗算器、１６…比較器、２１…比例演算器、２２…加算器、３１…フィルタ、ＡＶＲ…自動電圧調節器
【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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