(57)【要約】【課題】力率の調整と有効電力の調整とを容易に行うことができる発電機負荷試験装置を提供する。【解決手段】発電機１と抵抗負荷７との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置５及びチョッパ装置６を直列に配置し、前記コンバータ装置５で力率制御を行い、前記チョッパ装置６で電力制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と抵抗負荷との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置を配置し、該コンバータ装置で力率制御を行うことを特徴とする発電機負荷試験装置。
【請求項２】
発電機と抵抗負荷との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びチョッパ装置を直列に配置し、前記コンバータ装置で力率制御を行い、前記チョッパ装置で電力制御を行うことを特徴とする発電機負荷試験装置。
【請求項３】
発電機と抵抗負荷との間に、少なくとも変圧器、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びチョッパ装置を直列に配置し、前記コンバータ装置で力率制御を行い、前記チョッパ装置で有効電力制御を行うことを特徴とする発電機負荷試験装置。
【請求項４】
前記コンバータ装置及びチョッパ装置を同期して動作し負荷の投入及び遮断動作を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の発電機負荷試験装置。
【請求項５】
前記変圧器、前記コンバータ装置及び前記チョッパ装置を１組のユニットで構成し、負荷増強時に前記ユニットを複数組接続するようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の発電機負荷試験装置。
【請求項６】
発電機と系統電源との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びインバータ装置を直列に配置し、前記コンバータ装置で力率制御を行い、前記インバータ装置で系統電源に回生する電力制御を行うことを特徴とする発電機負荷試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機の負荷試験を行う発電機負荷試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の発電機負荷試験装置としては、例えば発電機の定格電圧値および定格電力と、試験電力値または試験電流値と、を入力可能とする入力手段と、入力された定格電圧値および定格電力値と、試験電力値または試験電流値とから試験負荷を生成するのに必要な試験抵抗値を算出し、複数の抵抗器から試験抵抗値を生成するのに必要な抵抗器を選択すると共に、選択結果を信号として出力する演算手段と、前記信号の入力により前記抵抗値を生成するのに必要な前記抵抗器を負荷回路に接続する制御回路とを有する負荷試験装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、発電機負荷試験装置としては、上記特許文献１に記載されているように抵抗値の異なる複数の抵抗器を用意して定格電圧値および定格電力値と試験電力値または試験電流値とから試験負荷を生成するのに必要な抵抗値を演算して、該当する抵抗器を選択する場合に代えて、図５に示すように、発電機１００に遮断器１０１を介して可変抵抗器１０２と可変リアクトル１０３との並列回路を接続し、可変抵抗器１０２の抵抗値及び可変リアクトル１０３のインダクタンスを調整する構成が知られている。
【０００４】
このような発電機１００の負荷試験では、その仕様によって、発電機の電機出力を要求された力率及び有効電力で試験を実施する必要がある。力率は可変抵抗１０２及び可変リアクトル１０３で調整し、有効電力は可変抵抗１０２により調整する。
例えば、抵抗及びリアクトルをスター結線しで並列接続した場合の力率及び有効電力は、下記（１）式及び（２）式で計算することができる。
力率＝ＣＯＳ（ｔａｎ-1Ｒ／ωＬ）      …………（１）
有効電力＝Ｖ2／Ｒ  ［Ｗ］             …………（２）
ここで、Ｒは負荷抵抗［Ω］、Ｌは負荷インダクタンス［Ｈ］、ωは角速度（＝２π×発電機周波数）、Ｖは発電機出力電圧［Ｖ］である。
【０００５】
要求された力率及び有効電力とするためには、その都度可変抵抗１０２及び可変リアクトル１０３を調整する煩雑な作業が必要である。また、負荷の投入及び遮断は発電機と負荷との間に遮断器１０１を設置して電機回路を開閉する必要がある。
また、試験条件によっては、図６に示すように、発電機１００に遮断器１０１を介して可変抵抗器１０２及び可変リアクトル１０３を直列に接続した直列回路を接続する構成もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１６２２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例では、抵抗値の異なる複数の抵抗器を用意して定格電圧値および定格電力値と試験電力値または試験電流値とから試験負荷を生成するのに必要な抵抗値を演算して、該当する抵抗器を選択するので、抵抗器の選択を自動的に行うことができるが、可変リアクトルについては記載されておらず、力率の調整を行うことができないという未解決の課題がある。
【０００８】
また、図５及び図６に記載した従来例にあっては、可変抵抗１０２及び可変リアクトルを調整する煩雑な作業を必要とするとともに、負荷の投入及び遮断は、発電機１００と負荷との間に遮断器１０１を設置して電機回路を開閉することで試験時間が増大するという未解決の課題がある。このため、試験工数削減による試験時間短縮が求められている。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、力率の調整と有効電力の調整とを容易に行うことができる発電機負荷試験装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る発電機負荷試験装置は、  発電機と抵抗負荷との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置を配置し、該コンバータ装置で力率制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、コンバータ装置で力率制御を行ことができ、コンバータ装置を半導体電力変換装置で構成しているので、コンバータ装置を構成するスイッチング素子のゲートを力率設定値及び有効電力設定値に基づいて制御することにより、力率制御を容易に行うことができる。
【００１０】
また、本発明の一の形態に係る発電機負荷試験装置は、発電機と抵抗負荷との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びチョッパ装置を直列に配置し、前記コンバータ装置で力率制御を行い、前記チョッパ装置で有効電力制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、コンバータ装置で力率制御を行い、チョッパ装置で有効電力制御を行うことができ、これらコンバータ装置及びチョッパ装置を半導体電力変換装置で構成しているので、コンバータ装置及びチョッパ装置を構成するスイッチング素子のゲートを力率設定値及び有効電力設定値に基づいて制御することにより、力率制御及び有効電力制
御を容易に行うことができる。
【００１１】
また、本発明の一の形態に係る発電機負荷試験装置は、発電機と抵抗負荷との間に、少なくとも変圧器、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びチョッパ装置を直列に配置し、前記コンバータ装置で力率制御を行い、前記チョッパ装置で有効電力制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、発電機で発電した出力電圧を変圧器でコンバータ装置に適した電圧に変換してコンバータ装置に供給するので、コンバータ装置の電力変換容量を小さくして、コンバータ装置を小型化することができる。
【００１２】
また、本発明の他の形態に係る発電機負荷試験装置は、前記コンバータ装置及びチョッパ装置を同期して動作することで負荷の投入及び遮断動作を行うことを特徴としている。
この構成によると、コンバータ装置及びチョッパ装置を同期してスイッチング素子をオン状態に又は全てオフ状態に制御することにより、遮断器を用いることなく負荷の投入及び遮断動作を行うことができる。
【００１３】
また、本発明の他の形態に係る発電機負荷試験装置は、前記変圧器、前記コンバータ装置及び前記チョッパ装置を１組のユニットで構成し、負荷増強時に前記ユニットを複数組接続するようにしたことを特徴としている。
この構成によると、抵抗負荷を増強した場合に、変圧器、コンバータ装置及びチョッパ装置で構成されるユニットを複数接続することにより、抵抗負荷に応じた力率制御及び電圧制御を行うことができ、負荷増強時にもシステムの変更を行うことなく負荷試験を実施することが可能となる。
【００１４】
本発明の一の形態に係る発電機負荷試験装置は、発電機と電源系統との間に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びインバータ装置を直列に配置し、前記コンバータ装置で力率制御を行い、前記インバータ装置で電源に回生する電力制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、発電機と電源系統との間で負荷試験を行う場合に、コンバータ装置で力率制御を行い、インバータ装置で電源に回生する電圧制御を行うことにより、電源系統に交流電力を回生することができるので、省エネが期待できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電機と抵抗負荷との間で発電機負荷試験を行う場合に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置及びチョッパ装置を設けることにより、コンバータ装置で力率制御を行い、チョッパ装置で有効電力制御を行うことができ、可変抵抗や可変リアクトルを必要とせず、固定抵抗のみで負荷及び力率を可変することができるとともに、コンバータ装置及びチョッパ装置を同期して動作することで負荷の投入及び遮断を行うことができ、遮断器も省略することができる。
【００１６】
また、発電機の出力電圧を変圧器によってコンバータ装置で必要とする電圧に変換することにより、コンバータ装置で力率制御を正確に行うことができる。
さらに、発電機と系統電源との間の負荷試験を行う場合に、半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置とインバータ装置とを設けることにより、コンバータ装置で力率制御を行い、インバータ装置で電圧制御と交流電力変換とを行って系統電源に電力を回生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による発電機負荷試験装置の第１の実施形態を示すシステム系統図である。
【図２】図１のコンバータ装置の制御回路の一例を示すシステム系統図である。
【図３】本発明による発電機負荷試験装置の第２の実施形態を示すシステム系統図である。
【図４】本発明による発電機負荷試験装置の第３の実施形態を示すシステム系統図である。
【図５】従来の発電機負荷試験装置を示すシステム系統図である。
【図６】従来の発電機負荷試験装置の他の例を示すシステム系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明による発電機負荷試験装置の第１の実施形態を示すシステム系統図である。図中、１は発電機であって、この発電機１としては例えば船舶においては、蒸気タービン発電機やディーゼル発電機等が使用され、蒸気タービン及びディーゼルエンジンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
この発電機１から出力される出力電圧は後述するコンバータ装置５に適した電圧に変換する変圧器２に供給されて電圧変換される。この変圧器２の出力は高調波電流の抑制を行うリアクトルＬとコンデンサＣ及び抵抗Ｒの直列回路で構成されるフィルタ回路３を通り、交流リアクトル（ＡＣＬ）４を介して複数のスイッチング素子を有する半導体電力変換装置で構成されるコンバータ装置５に供給される。
【００１９】
このコンバータ装置５では交流電力を、力率制御を行いながら直流電力に変換して出力する。このコンバータ装置５の直流出力は同様に複数のスイッチング素子を有する半導体電力変換装置で構成されるチョッパ回路６に供給される。
このチョッパ回路６では、コンバータ装置５から出力される直流電圧を任意のデューティで切り出すことで、出力電圧を調整して抵抗器７に出力する。この抵抗器７では、チョッパ装置６からの電圧が印加されて電力を消費させる。
【００２０】
ここで、コンバータ装置６では、電界効果トランジスタや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体素子をオン・オフ制御することで交流電力を直流電力に変換する。このとき、コンバータ装置６に流入する有効電力と無効電力を制御することで、発電機出力の力率を制御する。
コンバータ装置６の有効電力及び無効電力制御については公知の技術であり、一例として図２に示す力率制御回路１１を適用する。この制御回路１１は、有効電力設定値Ｐｓと力率設定値ｃｏｓΦとが入力され、有効電力設定値Ｐｓと力率設定値ｃｏｓΦとに基づいて無効電力設定演算回路１２で下記（３）式の演算を行うことにより、無効電力設定値Ｑｓを演算する。
Ｑｓ＝Ｐｓ×｛√（１−ｃｏｓ2Φ）｝／ｃｏｓΦ    …………（３）
【００２１】
また、交流リアクトル４及びコンバータ装置５間の電流及び電圧が例えば変流器（ＣＴ）で構成される電流検出器１３及び変圧器（ＰＴ）で構成される電圧検出器１４で検出され、これら電流検出器１３及び電圧検出器１４で検出された電流検出値及び電圧検出値がそれぞれ有効電力検出回路１５及び無効電力検出回路１６に供給されてそれぞれ有効電力検出値Ｐｄ及び無効電力検出値Ｑｄが検出される。
【００２２】
そして、有効電力設定値Ｐｓは有効電力検出値Ｐｄが供給された減算器１７に供給され、有効電力設定値Ｐｓから有効電力検出値Ｐｄが減算されて有効電力偏差ΔＰ（＝Ｐｓ−Ｐｄ）が算出される。同様に、無効電力設定値Ｑｓも無効電力検出値Ｑｄが供給された減算器１８に供給されて、無効電力設定値Ｑｓから無効電力検出値Ｑｄが減算されて無効電力偏差ΔＱ（＝Ｑｓ−Ｑｄ）が算出される。
【００２３】
そして、有効電力偏差ΔＰは、有効電力調節器（ＡＰＲ）１９に供給され、無効電力偏差ΔＱは無効電力調節器（ＡＱＲ）２０に供給される。これら有効電力調節器１５及び無効電力調節器１６では、それぞれの検出値Ｐｄ及びＱｄがそれぞれの設定値Ｐｓ及びＱｓに追従するようにｑ軸電流指令値Ｉｑ*及びｄ軸電流指令値Ｉｄ*を出力する。
一方、電流検出器１３で検出された電流検出値が電流検出回路１８に入力される。この電流検出回路１８では、電流検出器１３から入力される電流検出値に基づいてｄｑ座標系のｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔ及びｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔを算出する。
【００２４】
そして、有効電力調節器１９から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ*がｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔが供給された減算器２２に供給され、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*からｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔが減算されてｑ軸電流偏差ΔＩｑが算出される。同様に、無効電力調節器２０から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ*がｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔが入力された減算器２３に供給されて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*からｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔが減算されてｄ軸電流偏差ΔＩｄが算出される。
【００２５】
そして、算出されたｑ軸電流偏差ΔＩｑ及びｄ軸電流偏差ΔＩｄがそれぞれ電流調節器（ＡＣＲ）２４及び２５に供給されて、それぞれ電流検出値Ｉｑｉｓｔ及びＩｄｉｓｔを電流指令値Ｉｑ*及びＩｄ*に追従させるｑ軸電流指令Ｉｑ及びｄ軸電流指令Ｉｄを出力する。これら電流調節器２４及び２５から出力されるｑ軸電流指令Ｉｑ及びｄ軸電流指令Ｉｄはゲートパルス生成回路２６に入力される。このゲートパルス生成回路２６では、ｑ軸電流指令Ｉｑ及びｄ軸電流指令Ｉｄに基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うことによりパルス成形されたゲートパルス信号Ｇｐを生成し、このゲートパルス信号Ｇｐをコンバータ装置５に出力する。これにより、コンバータ装置５を構成するパワー半導体素子が力率を制御しながら交流電力を直流電力に変換するようにスイッチングされる。
【００２６】
また、チョッパ回路６については有効電力設定値Ｐｓが入力された電力制御回路３０が接続され、この電力制御回路３０で有効電力設定値Ｐｓに応じたデューティのゲートパルス信号Ｇｃをチョッパ回路６に出力する。これによりチョッパ回路６を構成するパワー半導体素子が電力制御し、電力制御された直流電力を抵抗器７に出力する。
そして、抵抗器７でチョッパ回路６から印加された電力を消費する。
【００２７】
このように、上記第１の実施形態によると、力率制御回路１１の無効電力設定値演算回路１２で、有効電力設定値Ｐｓと力率設定値ｃｏｓθとに基づいて無効電力設定値Ｑｓを演算し、有効電力設定値Ｐｓと無効電力設定値Ｑｓと、有効電力検出値Ｐｄと無効電力検出値Ｑｄとの偏差ΔＰ及びΔＱを有効電力調節器１９及び無効電力調節器２０に供給してｑ軸電流指令値Ｉｑ*及びｄ軸電流指令値Ｉｄ*を算出する。算出したｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔとｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔとの偏差ΔＩｑ及びΔＩｄを電流調節器２４及び２５に供給してｑ軸及びｄ軸電流指令Ｉｑ及びＩｄを算出し、これらをゲートパルス生成回路２６に供給してコンバータ装置５に対するゲートパルスを出力することにより、コンバータ装置５で力率制御を行いながら交流電力を直流電力に変換することができる。そして、コンバータ装置５で変換された直流電圧をチョッパ装置６でデューティを適宜調整することにより、有効電力を制御することができる。
【００２８】
ここで、力率制御回路１１に入力される有効電力設定値Ｐｓ及び力率設定値ｃｏｓΦは外部からの例えばプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）等で伝送することで、任意のタイミング変更が可能であり、負荷の遮断及び投入信号も同様にプログラマブルコントローラ等で伝送し、コンバータ装置５及びチョッパ装置６を構成するスイッチング素子のスイッチング動作を同期して停止させるか否かによって制御することができ、図５及び図６に示す従来例のように遮断器を設ける必要が無い。
【００２９】
そして、前述した従来例のように、複数の抵抗器を設けたり、可変抵抗及び可変リアクトルを設けたりすることなく、コンバータ装置５で力率制御を行い、チョッパ装置６で有効電圧制御を行うことができ、可変抵抗や可変リアクトルを調整する煩雑な作業を行う必要がなく、しかも負荷の投入及び遮断を、遮断器を設けることなく行うことができるので、発電機の負荷試験工数を削減して、試験時間を短縮することができる。
さらに、変圧器２で発電機１の発電電圧をコンバータ装置５で適用可能な電圧に変換するので、コンバータ装置５の電力変換容量を小さくして、小型化することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態を図３について説明する。
この第２の実施形態は、前述した第１の実施形態の構成を簡略化したものである。
すなわち、第２の実施形態では、前述したチョッパ装置６を省略し、これに代えて半導体スイッチ８をコンバータ装置５と抵抗器７との間に設けるようにしている。この半導体スイッチ８は、サイリスタや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の半導体素子で構成され、発電機１の負荷試験実施タイミングでオン状態に制御する。
【００３１】
ここで、抵抗器７で消費される電力Ｐは、抵抗をＲ〔Ω〕とし、抵抗器７に印加される電圧をＶ〔Ｖ〕とすると、Ｐ＝Ｖ2／Ｒ〔Ｗ〕となり、抵抗Ｒを固定した場合、コンバータ装置５の出力電圧値で抵抗消費電力が決定される。コンバータ装置５の出力電圧制御範囲は、コンバータ電力変換動作による特定の電圧範囲となるので、抵抗器７の消費電力範囲もコンバータ出力電圧制御範囲により制限される。
【００３２】
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、変圧器２、フィルタ回路３、交流リアクトル４及びコンバータ装置５とチョッパ装置６又は半導体スイッチ８とで力率制御及び電圧制御を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、抵抗負荷を増強して発電機負荷試験を行う場合には、少なくとも変圧器２及びコンバータ装置５を含んで１組となる力率制御及び電圧制御が可能なユニットを構成し、抵抗負荷に応じて複数のユニットを接続して発電機負荷試験を行うようにしてもよい。
【００３３】
また、上記第１及び第２の実施形態においては、発電機の電力を抵抗器７に消費させる形式で発電機負荷抵抗試験を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、発電機１で発電した電力を抵抗器７で消費せず、発電機１で発電した電力を系統電源に回生するようにしてもよい。すわわち、図４に示すように、前述した図１及び図３の構成において、チョッパ装置６又は半導体スイッチ８と抵抗器７とを省略し、これらに代えて、コンバータ装置５の出力側に直流電力を交流電力に変換する半導体電力変換装置で構成されるインバータ装置３１を直列に接続し、このインバータ装置３１の出力側に高調波成分を抑制する交流リアクトル３２とフィルタ回路３３と、フィルタ回路３３から出力される交流電圧を系統電源の交流電圧に変換する変圧器３４とを設け、変圧器３４の出力側を系統電源に接続する構成を有する。
【００３４】
この構成によると、前述した第１及び第２の実施形態と同様に、コンバータ装置５で力率制御を行いながら交流電力を直流電力に変換し、このコンバータ装置５から出力される直流電力をインバータ装置３１で電圧制御を行いながら直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を変圧器で系統電源の電圧に変換して系統電源に回生する。
ここで、インバータ装置３１でもコンバータ装置５と同様に力率制御が可能であり、任意の力率で系統電源に回生することが可能であるが、有効電力の効率的な消費から考えると、力率＝１でインバータ装置３１を運転することが望ましい。
【符号の説明】
【００３５】
１…発電機、２…変圧器、３…フィルタ回路、４…交流リアクトル、５…コンバータ装置、６…チョッパ装置、７…抵抗器、８…半導体スイッチ、１１…力率制御回路、１２…無効電力設定演算回路、１３…電流検出器、１４…電圧検出器、１５…有効電力検出回路、１６…無効電力検出回路、１７，１８…減算器、１９…有効電力調節器、２０…無効電力調節器、２１…電流検出回路、２２，２３…減算器、２４，２５…電流調節器、２６…ゲートパルス生成回路、３０…電圧制御回路、３１…インバータ装置、３２…交流リアクトル、３３…フィルタ回路、３４…変圧器
【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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