(57)【要約】【課題】位相の補償値の変更を容易にするとともに、周波数や電圧の同期を的確に行なうことにより、同期電動機及び系統へショックを与えることなく、同期電動機を系統電源へ同期投入できる同期電動機の同期投入システムを得る。【解決手段】サイリスタ起動装置１によって加速パターンにしたがって起動された同期電動機２が定格速度近傍に達したときに、自動同期投入装置７により同期電動機２及び系統電源の周波数に基づき揃速制御を行い同期電動機２を系統電源に同期投入すると共に、この投入に当たって、サイリスタ起動装置１の出力電流がゼロになってから系統電源への投入が行われるまでに生じる同期電動機２の系統電源に対する位相角のずれを位相調整器８により補償するようにしたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータを用いて同期電動機を起動するように構成され、上記インバータの転流を断続的にゼロにする断続転流により加速する第一の過程と、上記インバータの転流に上記同期電動機の誘起電圧を利用する負荷転流により定格速度近傍まで加速する第二の過程と、上記定格速度近傍に達して揃速制御が行われる第三の過程とを有する加速パターンにしたがって上記同期電動機の起動を行うサイリスタ起動装置、このサイリスタ起動装置によって起動された上記同期電動機が上記定格速度近傍に達したときに、上記同期電動機及び系統電源の周波数に基づき揃速制御を行い上記同期電動機を系統電源に同期投入するように配置された自動同期投入装置、及びこの自動同期投入装置及び上記同期電動機の間に配置され、位相の角度を調整することができる位相調整器を備え、上記位相調整器は、上記自動同期投入装置による上記同期電動機の上記系統電源への投入に当たって、上記サイリスタ起動装置の出力電流がゼロになってから上記系統電源への投入が行われるまでに生じる上記同期電動機の上記系統電源に対する位相角のずれを補償するように調整されることを特徴とする同期電動機の同期投入システム。
【請求項２】
上記サイリスタ起動装置の出力電流がゼロになってから上記系統電源への投入がなされるまでに上記同期電動機により生じる電圧の上昇をタップの選択により補償するタップ付補助変圧器を備えたことを特徴とする請求項１記載の同期電動機の同期投入システム。
【請求項３】
上記自動同期投入装置は、上記揃速制御を行う揃速機能と上記同期電動機を同期投入する同期投入機能とを有し、上記揃速機能と同期投入機能とを各別のタイミングにより制御スタートさせることを特徴とする請求項１または請求項２記載の同期電動機の同期投入システム。
【請求項４】
上記自動同期投入装置は、系統電源の周波数より同期電動機の周波数が高い状態で揃速制御しているときにのみ、上記同期投入機能を制御スタートさせることを特徴とする請求項３記載の同期電動機の同期投入システム。
【請求項５】
上記同期電動機の周波数を計測する周波数計、及びこの周波数計の上記サイリスタ起動装置による高調波成分を補償する補償フィルタを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の同期電動機の同期投入システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同期電動機をサイリスタ起動し、系統に同期投入する同期電動機の同期投入システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機を可変電圧可変周波数インバータを有する始動装置で同期始動し、同期状態で系統電源に投入する同期電動機の同期投入装置において、始動装置の電圧フィルタを通して位相を遅らせ、これを系統電源の位相と比較して自動同期投入装置を動作させているので、電源切替時の零電力期間における同期電動機の減速による位相遅れを補償した適正な位相で投入動作が行われ、これによって確実な同期投入が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−８５０８４号公報（第２頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の同期投入装置は上記のようにフィルタ回路を用い、かつそのフィルタは可変抵抗とコンデンサにより構成されているので、補償値を変更する場合、回路を取り出して行わねばならず、位相遅れの補償値が変更しにくいという問題があった。
また、上記のフィルタ回路では、周波数、電圧等の位相以外の同期をとることができないという問題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、位相の補償値の変更を容易にするとともに、周波数や電圧の同期を的確に行なうことにより、同期電動機及び系統へショックを与えることなく、同期電動機を系統電源へ同期投入できる同期電動機の同期投入システムを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる同期電動機の同期投入システムにおいては、インバータを用いて同期電動機を起動するように構成され、インバータの転流を断続的にゼロにする断続転流により加速する第一の過程と、インバータの転流に同期電動機の誘起電圧を利用する負荷転流により定格速度近傍まで加速する第二の過程と、定格速度近傍に達して揃速制御が行われる第三の過程を有する加速パターンにしたがって同期電動機の起動を行うサイリスタ起動装置、このサイリスタ起動装置によって起動された同期電動機が定格速度近傍に達したときに、同期電動機及び系統電源の周波数に基づき揃速制御を行い同期電動機を系統電源に同期投入するように配置された自動同期投入装置、及びこの自動同期投入装置及び同期電動機の間に配置され、位相の角度を調整することができる位相調整器を備え、位相調整器は、自動同期投入装置による同期電動機の系統電源への投入に当たって、サイリスタ起動装置の出力電流がゼロになってから系統電源への投入が行われるまでに生じる同期電動機の系統電源に対する位相角のずれを補償するように調整されるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
まず、サイリスタ起動装置を用いた同期電動機の同期投入システムについて一般的な説明を行う。
図１は、この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムのサイリスタ起動装置を示す構成図である。
図１において、コンバータ装置４１は、６相のサイリスタアームよりなる３相全波整流回路で、３相商用周波数の交流電力を可変電圧の直流電力に変換する。インバータ装置４２は、６相のサイリスタアームによりなる直流から３相交流に変換する回路であり、可変直流電力を３相可変周波数・可変電圧の交流電力に逆変換する。この可変交流電力が同期電動機２に供給されて、同期電動機２は加速される。この場合、インバータ装置４２の点弧動作は、同期電動機２の回転子と固定子との相対位置を検出する分配器４３の信号により、常に電動機周波数に同期するように制御される。速度検出器４４は、同期電動機２の速度を検出する。速度制御器４５には、速度検出器４４の出力と速度基準信号とが入力される。電流制御器４６には、速度制御器４５の出力と交流電力から変流器を介した電流が入力される。
【０００８】
同期電動機の起動時は、サイリスタ起動装置の出力側にある起動用遮断器が投入され、系統用遮断器が開放されている。この状態で同期電動機は、サイリスタ起動装置によって所定の加速パターンで同期速度まで加速され、電源系統の周波数・位相・電圧になるように揃速制御される。その後、同期条件が成立すれば、系統用遮断器を投入、起動用遮断器が開放されて同期電動機は、電源に併入され、サイリスタ起動装置は切離される。サイリスタ起動装置のＤＣリアクトルは、直流電源の平滑用リアクトルとして、サイリスタ起動装置のＡＣリアクトル及びサージアブゾーバ盤は、過電流及び過電圧からサイリスタ起動装置を保護するために設置されている。
【０００９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図２は、この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムを示す単線接続図である。
図２において、サイリスタ起動装置１によって、同期電動機２ａ、２ｂが起動される。サイリスタ起動装置１は、サイリスタ起動装置用の変圧器３及びサイリスタ起動装置入力用の遮断器５ａを介して系統電源に接続されている。同期投入回路の入力側には系統電源側用の計器用変圧器４ａ、４ｂと、同期電動機側用の計器用変圧器４ｃ、４ｄとが配置され、同期電動機の系統用の遮断器５ｂ、５ｄが設けられている。サイリスタ起動装置の出力側には、起動用の遮断器５ｃ、５ｅが配置されている。切替スイッチ６ａ、６ｂは、各同期電動機で同期投入回路が共有で使用できるように切替える。この切替スイッチ６ａ及び切替スイッチ６ｂ間には、自動同期投入装置７が接続され、この自動同期投入装置７には、位相の角度を調整できる位相調整器８と、タップで入力／出力電圧を調整できるタップ付補助変圧器９（実施の形態２で説明）が接続されている。
【００１０】
図３は、この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムの自動同期投入装置の内部回路を示す図である。
図３において、電源電圧（ＶＳ）と電動機電圧（ＶＭ）入力は、小型ＶＴで絶縁後、波形整形回路及び分周回路を経て周波数検出回路に入力される。周波数検出では交流の周波数をカウントし、データバス上に取込み、ソフト演算（１／周期）で周波数を算出している。揃速機能は、周波数差が設定値ΔＦ以内の場合、ΔＦのＬＥＤを点灯させる。電圧検出回路では交流電圧の実効値を計測し、Ａ／Ｄ変換後データバス上に取込む。電圧平衡機能は、電圧差が設定値ΔＶ以内の場合、ΔＶのＬＥＤを点灯させる。±１５°出力は、波形整形された交流信号により、電源電圧入力の電圧ゼロクロスポイントから電動機電圧入力の電圧ゼロクロスポイントまでのパルス幅から位相を計測し、位相差が同期点の±１５°の場合、接点信号（±１５°）を出力させる。同期投入機能は、計測されたパルス幅をカウントし、データバス上に取込み、ソフト演算｛（パルス幅／周期）×（１／周波数差）｝で同期点までの到達時間を算出する。周波数差ΔＦ、電圧差ΔＶが設定値以内かつ、位相差が±１５°以内の場合、同期点までの到達時間が予め設定された前進時間と一致した場合に同期投入信号を出力する。同時に同期投入信号ＬＥＤを点灯させる。
【００１１】
図４は、この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムの同期電動機の加速パターンを示す速度グラフである。
図４において、横軸は時間、縦軸は同期電動機の速度を示している。図４の加速パターン（所定の加速パターン）は、速度１０％までは、インバータの転流を断続的にゼロにする断続転流により加速し（第一の過程）、次に同期電動機の誘起電圧を利用する負荷転流にして定格速度近傍まで加速させ（第二の過程）、その後に揃速制御（第三の過程）に切替えるようにする。
【００１２】
次に、図２及び図４に基づいて、サイリスタ起動装置の動作について説明する。
同期電動機２ａを投入するときは、まずサイリスタ起動装置用の遮断器５ａを閉じ、系統用遮断器５ｂが開いた状態でサイリスタ起動装置１の出力側の起動用遮断器５ｃを閉じ、各同期電動機２ａ、２ｂで同期投入回路が共有で使用できるための切替スイッチ６ａ、６ｂを同期電動機２ａ側に選択するように切換え、サイリスタ起動装置１の出力電圧及び周波数を徐々に高めて、同期電動機２ａを起動していく。起動後１０％速度までは、インバータの転流に同期電動機２ａの誘起電圧を利用できないので、コンバータの位相制御により電流を断続的に零にする“断続転流”により加速させる。約１０％速度まで加速された後にインバータの転流を“断続転流”より同期電動機２ａの誘起電圧を利用する“負荷転流”に切換えた後、速度パターン基準信号により定格速度近傍まで加速させる。その後、揃速制御に切換え、自動同期投入装置７は、系統電源と同期電動機双方の電圧・周波数・位相を比較し、差が規定値以内に入れば、系統用遮断器の前進時間を見込んで、同期点より前に投入信号を出力する。同期投入信号を受けてからサイリスタのゲートを絞り込み、ゲート遮断する。系統用遮断器５ｂは、ゲート絞り込み後の出力電流零を確認してから投入される。図４に同期電動機の速度を縦軸に、時間を横軸にとって、その状態変化を示す。投入後は、サイリスタ起動装置用の遮断器５ａと出力側の起動用遮断器５ｃを開き、サイリスタ起動装置を切離す。
系統用遮断器５ｂは、サイリスタのゲート絞込み後の出力電流零を確認してから投入されるため、サイリスタ出力電流零から系統用遮断器５ｂが閉までの間、同期電動機はフリーラン状態となり、減速して内部位相角（電気角と機械角）がずれてしまう。
【００１３】
実施の形態１では、その位相差ずれを補償するために、位相調整器８を電動機電圧検出用変圧器４ｃと自動同期投入装置７との間に設ける。一方、直結される負荷を含む同期電動機２ａの負荷トルクからフリーラン状態における位相ずれの時間的推移が把握できることと、系統用遮断器５ｂの投入時間が計測できることから、上記内部位相角（電気角と機械角）のずれを算出する。この予め算出された位相角のずれの値を、位相調整器８に付属のハンドルにて、位相調節器８に位相が進むように、同期電動機２ａを運転する前に設定しておく。
こうすることにより、同期電動機２ａの同期投入時に、自動同期投入装置７は、同期電動機２ａのフリーラン状態で発生する位相遅れの値と同等の進んだ位相で遮断器５ｂの投入指令を発するので、遮断器５ｂが閉した段階で位相ずれを生じることがない。即ち、同期電動機２ａ及び系統へのショックを与えない効果がある。
【００１４】
実施の形態１によれば、位相調整器８を電動機電圧検出用変圧器４ｃと自動同期投入装置７との間に設けたので、同期電動機２ａの同期投入時に、自動同期投入装置７は、同期電動機２ａのフリーラン状態で発生する位相遅れの値と同等の進んだ位相で遮断器５ｂの投入指令を発するようにし、遮断器５ｂが閉した段階で位相ずれを生じることがない。即ち、同期電動機２ａ及び系統へのショックを与えない効果がある。
【００１５】
実施の形態２．
実施の形態２は、図２を援用して説明する。
実施の形態１で述べた同期電動機のフリーラン状態では、同期電動機は、発電機としての無負荷飽和曲線に従って、電圧が上昇していく。実施の形態２は、図２に示されるタップ付補助変圧器９を、同期電動機２ａの電圧検出用変圧器４ｃと自動同期投入装置７との間に設ける。同期電動機２ａのフリーラン時の電圧上昇値は、同期電動機２ａの無負荷曲線と遮断器の動作時間から求める。同期電動機２ａを運転する前に、タップ付補助変圧器９の自動同期投入装置７側が系統電圧になった場合、タップ付補助変圧器９の電圧検出用変圧器４ｃ側の電圧値が、上記同期電動機２ａのフリーラン時の電圧上昇値と同等の電圧値だけ低くなるようにタップ付補助変圧器９のタップを選定する。
【００１６】
このようにすると、フリーラン時の電圧上昇値と同等の低い値で自動同期投入装置７は、遮断器５ｂの投入指令を発する。従って、遮断器５ｂ投入開始時の同期電動機２ａの電圧は、系統電圧より低いが、遮断器５ｂ投入完了時は、同期電動機２ａのフリーランにより同期電動機２ａの電圧は、系統電圧になるので、同期電動機２ａ及び系統へショックを与えない効果がある。また、実施の形態１と併用することで、より安定した同期ポイントで同期投入できるようになる。
【００１７】
実施の形態２によれば、タップ付補助変圧器９を設け、フリーラン時の電圧上昇値と同等の低い値で自動同期投入装置７が遮断器５ｂの投入指令を発するようにしたので、遮断器５ｂ投入完了時は、同期電動機２ａのフリーランにより同期電動機２ａの電圧が系統電圧になり、同期電動機２ａ及び系統へショックを与えない効果がある。
【００１８】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムを示す展開接続図である。
図５において、７〜９は図２におけるものと同一のものである。母線側電源の周波数を検出し、表示するように周波数計２４ａが接続され、サイリスタ起動中の同期電動機の周波数を検出し、表示するように周波数計２４ｂが接続されている。自動同期投入装置７には、自動同期投入装置７の揃速機能・電圧平衡機能をスタートさせる外部接点２１、自動同期投入装置７の同期投入機能をスタートさせる外部接点２２、自動同期投入装置７に同期電動機がＦａｓｔ側でしか同期投入できないように指定できる外部接点もしくはスイッチ２３が設けられている。周波数計２４ｂの入力信号にサイリスタ起動中に同期電動機側電圧に乗っている高調波成分を補償するフィルタ２５が、設けられている。
なお、Ｆａｓｔ側とは母線側電源の周波数より同期電動機の周波数が高いときであり、Ｓｌｏｗ側とは母線側電源の周波数より同期電動機の周波数が低いときである。
【００１９】
次に、動作について説明する。
同期電動機の起動条件として、揃速制御の安定性がある。同期電動機がサイリスタ起動装置１により加速され、定格速度近傍になると揃速制御に切換えられる。揃速制御は、系統電源周波数と同期電動機の周波数との偏差信号を用い、同期電動機の周波数が系統電源周波数より０．１Ｈｚ高くなるように回転数の微調整を行なう。これは遮断器５ｂの投入時間の間に同期電動機２ａがフリーランにより０．１Ｈｚ程度、回転数が低下するので、それを補償するために行なわれている。一方、サイリスタ起動装置１の揃速制御モード時の制御ゲイン（比例・積分ゲイン）の設定によっては、制御応答が悪くなるため、速度が安定するまでに時間がかかる。ここで、揃速制御時に同期電動機が０．１Ｈｚ高い回転数で安定する前に同期投入すると、系統電源に大きなショックを与えてしまう可能性がある。
【００２０】
実施の形態３は、揃速制御を安定させるために揃速制御モードに切換っても、すぐに同期信号を出力させないように、自動同期投入装置７の制御スタートのタイミングを電圧平衡／揃速機能と同期投入機能と別々にすることによって、揃速制御が安定した後に、同期投入機能をスタートさせるようにする。また、各機能のスタートタイミングを外部設置のタイマーにて調節できるように、自動同期投入装置７に外部端子を設け、同期演算機能は、従来のものを使用する。
運用例として、まず、加速して定格速度近傍になると、すぐに電圧平衡／揃速機能の制御のみをスタートできるように、図５の外部接点２１をＯＮさせ、安定するまでの時間（制御モード時の制御ゲインによって安定時間が異なるため、外部タイマーにて設定する）が経過した後に、図５の外部接点２２をＯＮさせ、同期投入機能の制御をスタートさせる。
【００２１】
実施の形態３によれば、これらにより、遮断器５ａの投入完了時には、同期電動機の周波数と系統電源の周波数とが同等になり、同期電動機２ａ及び系統電源にショックを与えない効果がある。
【００２２】
実施の形態４．
実施の形態４は、図５を援用して説明する。
自動同期投入装置７の周波数差設定値は、±ΔＦ値以内が１秒以上継続した場合の設定しかできなかった。これは、同期電動機がＦａｓｔ側とＳｌｏｗ側の両方でも、同期信号がでることになる。同期電動機の起動特性の一つとして、系統電源周波数より０．１Ｈｚ高くなるように同期電動機の回転数を制御するため、揃速制御応答によっては、系統電源周波数より低い周波数で、周波数差が規定値以内に入り、同期投入信号が出力され、系統の周波数から遠ざかるタイミングで同期投入し、系統電源に大きなショックを与えてしまう。
【００２３】
揃速制御モードへの切換時は、同期電動機が系統電源周波数より低いＳｌｏｗ側である。そのため、０．１Ｈｚ高い周波数に上げる昇速時に、周波数差設定値内に入り、制御応答がゆっくり昇速していれば、既定の１秒を経過して安定する前に同期信号が出力される。
そこで、実施の形態４では、同期電動機がＦａｓｔ側でしか周波数差を検出できないように指定できる機能を追加する。Ｆａｓｔ側を指定できるように自動電圧投入装置７に外部端子を設け、Ｆａｓｔ側を指定するときは、端子を短絡させるようにし、指定しない場合は開放させ、Ｆａｓｔ／Ｓｌｏｗ側の両方からでも投入できるようにする。また、自動同期投入装置７の周波数差検出機能は、従来のものを使用する。
運用例として、Ｆａｓｔ側でのみ投入させたい場合は、あらかじめ図５の外部接点（もしくはスイッチ）２３をＯＮさせ、自動同期投入装置７が、Ｆａｓｔ側でしか同期投入許可を出力させないようにし、実施の形態３と併用することで、安定した速度でＦａｓｔ側から同期投入することができるようになる。
【００２４】
実施の形態４によれば、自動同期投入装置７が、Ｆａｓｔ側でしか同期投入許可を出力させないようにし、実施の形態３と併用することで、安定した速度でＦａｓｔ側から同期投入することができる。
【００２５】
実施の形態５．
実施の形態５は、図５を援用して説明する。
図５において、起動中の周波数、特に揃速運転時を測定するために、周波数計２４ｂを設けた場合、サイリスタの高調波電流の影響を受けて汎用の周波数計では、実際の周波数に加え、高調波成分が乗り周波数計が振り切れてしまい、正確な測定をすることができない。この高調波成分を補償するために、実施の形態５では、高調波成分を滑らせるようなＬＣ共振回路を形成した補償フィルタ２５を追加し、高調波成分を抑制し、実際の周波数に近い数値を測定することが可能となるようにした。
【００２６】
実施の形態５によれば、起動中の周波数、特に揃速運転時を測定する周波数計２４ｂに補償フィルタを設けたので、実際の周波数に近い数値を測定することが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
インバータを用いて同期電動機を起動するように構成され、インバータの転流を断続的にゼロにする断続転流により加速する第一の過程と、インバータの転流に同期電動機の誘起電圧を利用する負荷転流により定格速度近傍まで加速する第二の過程と、定格速度近傍に達して揃速制御が行われる第三の過程を有する加速パターンにしたがって同期電動機の起動を行うサイリスタ起動装置、このサイリスタ起動装置によって起動された同期電動機が定格速度近傍に達したときに、同期電動機及び系統電源の周波数に基づき揃速制御を行い同期電動機を系統電源に同期投入するように配置された自動同期投入装置、及びこの自動同期投入装置及び同期電動機の間に配置され、位相の角度を調整することができる位相調整器を備え、位相調整器は、自動同期投入装置による同期電動機の系統電源への投入に当たって、サイリスタ起動装置の出力電流がゼロになってから系統電源への投入が行われるまでに生じる同期電動機の系統電源に対する位相角のずれを補償するように調整されるので、加速パターンにしたがって加速及び揃速制御を行うことができ、サイリスタ起動装置の出力電流がゼロになってから系統電源への投入が行われるまでに生じる同期電動機の系統電源に対する位相角のずれを補正し、同期電動機及び系統電源にショックを与えないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムのサイリスタ起動装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１、２による同期電動機の同期投入システムを示す単線接続図である。
【図３】この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムの自動同期投入装置の内部回路を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による同期電動機の同期投入システムの同期電動機の加速パターンを示す速度グラフである。
【図５】この発明の実施の形態３〜５による同期電動機の同期投入システムを示す展開接続図である。
【符号の説明】
１  サイリスタ起動装置、２  同期電動機、
３  サイリスタ起動装置用の変圧器、４  計器用変圧器、５  遮断器、
６  切替スイッチ、７  自動同期投入装置、８  位相調整器、
９  タップ付補助変圧器、２１，２２  外部接点、
２３  外部接点またはスイッチ、２４  周波数計、２５  フィルタ、
４１  コンバータ装置、４２  インバータ装置、４３  分配器、
４４  速度検出器、４５  速度制御器、４６  電流制御器。
【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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