(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機で回転する同期発電機と、該発電機に接続して前記同期発電機の交流誘起電圧を直流電圧に変換する発電機側電力変換器と、該発電機側電力変換器に接続する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流に変換する系統側電力変換器と、を備えた同期発電機の運転制御装置であって、
前記誘起電圧を検出する絶対位相検出手段と、
前記発電機側電力変換器を動作させるための制御信号のうちの位相成分を発生する位相発生部と、
前記発電誘起電圧の位相と変換器の前記位相発生部の位相との相対的な変化量を検出する相対位相検出手段と、
前記発電機の回転量の大きさを検出する手段と、
前記回転量の大きさから同期発電機として始動するか同期電動機として始動するかを判断する制御手段と、
前記制御信号を前記発電機側変換器へ到達させるか或いは抑制させるゲートとを有し、
前記制御信号は速度指令に基づいて演算されて前記発電機側電力変換器に与えられるものであって、
第１の速度を第２の速度よりも大きいとし、前記第１の速度よりも大きいときを第１の領域とし、前記同期発電機の回転速度が前記第２の速度よりも小さいときを第２の領域とし、前記第１の速度と前記第２の速度の間を第３の領域としたとき、
前記同期発電機の回転速度が前記第１の領域では、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するのを抑制するように前記ゲートを停止状態にして、その後、前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であれば、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効状態にして同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第２の領域では、前記位相発生部から発生する位相が零位相となるような前記制御信号を前記発電機側変換器に出力して、その状態で前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にすることで前記同期発電機を停止させ、その後に、前記同期発電機に電圧と角速度比を略一定にして徐々に電圧と角速度を大きくするよう前記制御信号を印加することで前記同期発電機を電動機として機能させて第１の領域まで加速し、その後、前記第１の領域における処理を実施して同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第３の領域では、前記第１の領域で実施した位相一致の基準精度より悪い基準精度にして前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であることを確認して、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にして同期電動機として機能させ、その制御信号は、速度制御の速度応答を前記第１の領域運転の応答周波数より小さい運転で速度指令を上げて加速し、前記第１の領域まで加速し、その後、前記第１の領域の処理における処理を実施して同期発電機として機能させることを特徴とする同期発電機の運転制御装置。
【請求項２】
原動機で回転する同期発電機と、該発電機に接続して前記同期発電機の交流誘起電圧を直流電圧に変換する発電機側電力変換器と、該発電機側電力変換器に接続する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流に変換する系統側電力変換器と、を備えた同期発電機の運転を制御する方法であって、
前記誘起電圧を絶対位相検出手段で検出し、
前記発電機側電力変換器を動作させるための制御信号のうちの位相成分を位相発生部で発生し、
前記発電誘起電圧の位相と変換器の前記位相発生部の位相との相対的な変化量を相対位相検出手段で検出し、
前記発電機の回転量の大きさを検出し、
前記回転量の大きさから同期発電機として始動するか同期電動機として始動するかを制御手段で判断し、
前記制御信号を前記発電機側変換器へ到達させるか或いは抑制させるかをゲートで制御し、
前記制御信号は速度指令に基づいて演算されて前記発電機側電力変換器に与えられるものであって、
第１の速度を第２の速度よりも大きいとし、前記第１の速度よりも大きいときを第１の領域とし、前記同期発電機の回転速度が前記第２の速度よりも小さいときを第２の領域とし、前記第１の速度と前記第２の速度の間を第３の領域としたとき、
前記同期発電機の回転速度が前記第１の領域では、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するのを抑制するように前記ゲートを停止状態にして、その後、前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であれば、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効状態にして同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第２の領域では、前記位相発生部から発生する位相が零位相となるような前記制御信号を前記発電機側変換器に出力して、その状態で前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にすることで前記同期発電機を停止させ、その後に、前記同期発電機に電圧と角速度比を略一定にして徐々に電圧と角速度を大きくするよう前記制御信号を印加することで前記同期発電機を電動機として機能させて第１の領域まで加速し、その後、前記第１の領域における処理を実施して同期発電機として機能させ、
前記同期発電機の回転速度が前記第３の領域では、前記第１の領域で実施した位相一致の基準精度より悪い基準精度にして前記相対位相検出手段で位相一致の度合を判断して、該一致の度合いが基準精度以内であることを確認して、前記制御信号が前記発電機側変換器へ到達するように前記ゲートを有効にして同期電動機として機能させ、その制御信号は、速度制御の速度応答を前記第１の領域運転の応答周波数より小さい運転で速度指令を上げて加速し、前記第１の領域まで加速し、その後、前記第１の領域の処理における処理を実施して同期発電機として機能させることを特徴とする同期発電機の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原動機で駆動する同期発電機の出力を発電機側変換器で直流に変換し、系統側変換器を介して系統側の周波数に一致させて電力を供給する制御装置に関し、特に可変電圧，可変周波数の同期発電機の制御装置と制御方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期発電機の電力を変換器で系統に供給する装置では、変換器で発生する電圧を、同期発電機の誘起電圧の位相と大きさとに一致させる必要がある。そのために同期発電機に磁極位置検出器とインクルメントエンコーダとを直結し、その信号を使用して別個に設けたタイマまたはカウンタをアップダウンさせ、タイマの値から、正弦波データテーブルを参照して正弦波を作成し、変換器の出力電圧および位相を作成する。この場合、作成した位相と電圧値とを同期発電機の誘起電圧の位相と大きさと合わせる必要がある。そのために、誘起電圧の位相の絶対値を検出する磁極位置検出器を装備し、始動時に磁極位置検出器の情報で誘起電圧の絶対値を検出し、変換器の正弦波テーブルの出力値を合わせる。
【０００３】
特公平７−１６３１３号公報に同期電動機の磁極位置検出方法の従来技術が記載されている。この従来技術は、同期発電機の誘起電圧の位相を検出するために、磁極検出器を用いず、インクリメントエンコーダ等の回転数検出手段で回転数および角速度を検出し、同期発電機の誘起電圧と変換器の発生する電圧を一致させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特公平７−１６３１３号公報記載の従来技術では、磁極位置検出器と同期発電機の誘起電圧の位相は組み立て時に機械的，電気的に一致させておく必要がある。また、原動機が停止状態、または回転しているが同期発電機の誘起電圧が小さい状態では運転できないことがあり、原動機のエネルギーが不足している状態では始動できない。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、原動機のエネルギーが不足している状態では同期発電機を電動機として立ち上げ、変換器が発生する三相正弦波指令の位相と、電動機の誘起電圧の位相と大きさとを精度良く一致させて始動し、発電機を電動機領域から発電領域まで安定して運転できる同期発電機の制御方法および制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の同期電動機の運転制御装置は、原動機で回転する同期発電機と、該発電機に接続して前記同期発電機の交流誘起電圧を直流電圧に変換する発電機側電力変換器と、該発電機側電力変換器に接続する平滑コンデンサと前記直流電圧を交流に変換する系統側電力変換器とを備え、前記誘起電圧を検出する絶対位相検出手段と、前記発電機の回転量に基づいて前期発電誘起電圧の位相変化量を検出する相対位相検出手段と、前記発電機の回転量の大きさを検出する手段と、前記回転量の大きさから同期発電機として始動するか同期電動機として始動するかを判断する制御手段とを備える。
【０００７】
さらに詳細に述べると、制御装置は有効部と無効部に分けて制御を行う。すなわち、速度指令と発電機の回転数から速度制御を行い、有効電力指令とする。該有効電力指令と別の無効電力指令から電力制御を行い、電流指令を生成し、該電流指令から電流制御を行い電圧指令とする。電圧指令から２相／３相変換を行い、３相交流電圧指令を得る。３相交流電圧指令と搬送波を比較してＰＷＭ信号を発生させて発電側変換器を駆動する。また、系統側変換器の制御の詳細説明は省略するが、系統側の電圧の位相と大きさを一致させて運転する。
【０００８】
発電機側の電圧位相を発生させる位相発生部は発電機に直結されたインクリメントエンコーダのＡ，Ｂ，Ｚ相の信号からアップダウンタイマを駆動させ、タイマ値を正弦波余弦波テーブルのアドレスとし、テーブルに記憶されたデータを抽出して正弦波と余弦波とを得る。また、回転速度検出部は一定サンプル時間の間のエンコーダのパルス数を検出して回転数に変換する。電圧３相／２相変換器は同期発電機の電圧と位相発生部で発生した正弦波，余弦波値から有効電圧と無効電圧を得る。電流３相／２相変換器は同期発電機の電流と位相発生部で発生した正弦波，余弦波値から有効電流圧と無効電流を得る。電力変換部は有効電圧と無効電圧と有効電流圧と無効電流から有効電力と無効電力を得る。
【０００９】
また、前記電圧３相／２相変換器の入力は同期発電機の誘起電圧と位相発生部の正弦波と余弦波である。いま、同期発電機の誘起電圧の位相と位相発生部の位相が一致していないと電圧３相／２相変換器出力は振動して直流にならない。また位相が一致すると有効電圧は誘起電圧の瞬時値の最大値となり、無効電圧はゼロになる。
【００１０】
始動時に、同期発電機の誘起電圧の位相と位相発生部の位相が一致していないので、位相同期制御部は無効電圧が零に成るように制御する。
【００１１】
始動時に、原動機のエネルギーが不足する場合は同期発電機に系統側変換器から発電側変換器に電力を供給し、同期電動機として運転する。
【００１２】
すなわち、本装置を駆動する方法を３つのモードに分けて実行する。
（１）原動機が回転して自己始動上限速度以上で、発電機の誘起電圧の検出が容易な場合は通常始動とする。
（２）原動機が回転できない自己始動下限速度以下の場合は停止自己始動とする。
（３）原動機が回転しているが同期を正確に一致できない自己始動上限速度以下で自己始動下限速度以上の場合は電動機自己始動とする。
【００１３】
原動機のエネルギーが十分ある場合の通常始動は、
（ａ）発電機をフリーラン状態で始動指令が発生する。
（ｂ）ゲート処理部からＰＷＭ信号生成部にサプレス信号を送り変換器は停止状態に保つ。
【００１４】
この状態で制御装置を始動すると電圧３相／２相変換器は同期発電機の誘起電圧と位相発生部の正弦波および余弦波を入力して有効，無効電圧に変換する。この場合、位相発生部の正弦波と余弦波の出力はエンコーダパルスから位相計数タイマの値をテーブルのアドレスと記憶データを抽出することで実現す。このため、始動時において、位相計数タイマの値は任意であり、同期発電機の回転子の停止位置はランダムのため、両者の位相は一致しない。
【００１５】
電圧３相／２相変換器の２つの入力の位相が一致しない場合は、無効電圧出力は有限値を持つ。さらに、位相誤差が大きいと有効，無効電圧出力は振動する。
【００１６】
ここで、位相同期制御部は無効電圧をゼロにするように比例積分制御を行う。この場合、比例積分制御の出力は誘起電圧と位相発生部の出力の偏差角速度となり、この偏差角速度を角速度積分器で積算すると偏差位相を得る。この偏差位相を位相計数タイマ値に補正して位相テーブルから正弦波と余弦波を出力すれば電圧３相／２相変換器の無効電圧は限りなくゼロに近くなり、有効電圧は誘起電圧の最大瞬時値になる。
【００１７】
位相同期制御部の同期判定部では無効電圧の値が規定時間の間、規定値以下に小さくなったことを確認して同期発電機の誘起電圧と位相テーブルからの正弦波位相が一致したと判断する。この場合、角速度積分器の位相を固定値として記憶する。この場合、エンコーダから作られた位相と角速度積分器の位相を加算することで制御装置からの位相が誘起電圧の位相と一致する。
【００１８】
位相の一致を同期判定器で確認したとき、ゲート処理部でゲートサプレスを開放して発電側変換器を稼動して運転状態とする。また、電圧変換器の出力を電圧指令として加算してあるので、制御装置は誘起電圧の大きさと位相を一致させて安定して運転状態に移行できる。原動機が停止していて、回転しない停止自己始動の場合は発電機を電動機として回転させる。
【００１９】
すなわち、系統側変換器を始動し、発電側変換器を運転するとき、例えば、位相発生部をエンコーダ信号に依存させないでテーブルアドレスを任意の一定時間の間、零値に固定するとともに、有効電圧指令を停止状態で過電流にならない値にする。この場合、同期電動機の固定子に一定時間、直流電圧を加えたことになり、同期電動機の回転子は固定子の磁極に吸引され固定子の磁極と回転子の磁極を一致させることが出来る。この時点からエンコーダに依存しない電動機角速度指令を電動機角速度積分器で積分すると位相信号になり、この位相信号を位相発生部に入力する。いま、電動機角速度指令を零から任意の加速レートで上昇させるとともに、加える電圧は電圧／角速度を一定になるように上昇させる。同期電動機が充分上昇した任意の回転数でフリーランにする。そして、前記、原動機のエネルギーが十分ある場合の始動法によって、発電機を容易に同期始動できる。
【００２０】
原動機が回転しているが、発電側変換器の発生する位相と大きさが同期発電機の位相と大きさに正確に同期できない電動機自己始動の場合を説明する。例えば、発電側変換器の発生する位相と同期電動機の誘起電圧の位相が３０度ずれていてもcos（３０度）＝０.８６６とトルクを得ることできるので、原動機のエネルギーが十分ある場合と同じ始動方法を実行する。
【００２１】
この場合、位相同期制御部の同期判定基準の精度を悪くすれば、電動機の誘起電圧が小さくても同期に引きこむことできる。すなわち、低速で同期したことで、誘起電圧と位相発生部の位相一致の精度が悪い可能性がある。このため、通常運転の回転速度指令とは別の電動機速度指令から一定加速レートで速度指令を上昇させる。この場合装置は速度制御，電力制御，電流制御を行い、同期電動機が充分上昇した任意の回転数でフリーランにする。そして、前記原動機のエネルギーが十分ある場合の始動法を行えば、発電機の誘起電圧の検出が容易なときの状態を作って同期始動できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す。図１で、同期発電機２の回転子は原動機１の軸に接続しており、原動機１が自然エネルギーで回転すると、同期発電機２が原動機１の回転速度に応じた周波数の交流電力を発生する。同期発電機２の出力はＩＧＢＴ等の半導体変換素子を用いた発電機側変換器３で交流電力を直流電力に変換する。該変換器３の直流出力側には平滑コンデンサ４を並列に接続する。同様に、系統側変換器５の電圧は系統連係用変圧器６を介して系統側の電圧の周波数と位相と大きさを合わせて系統側電源７に接続する。また、エンコーダ８は同期発電機に直結され、同期発電機の回転数と発電機の誘起電圧位相とを検出する。また、電流変流器（ＣＴ）９−１は発電機の電流を検出し、電圧検出器９−２は発電機の電圧を検出する。
【００２３】
制御指令部１０の始動／停止指令部１０−１は始動命令があるとゲート処理部１１からゲートサプレス信号を出力し、発電機側変換器を停止させる。始動可能になったらゲートサプレス解除して運転状態にする。発電機２が原動機のエネルギーに見合った出力を得るように、原動機回転速検出器１０−６は原動機の回転数を検出し、回転速度指令部１０−２は原動機回転数より低い速度指令Ｓｐｅｄ−ｒｅｆ信号を与える。
【００２４】
電動機角速度指令１０−４は、原動機が停止状態から始動する際に、停止自己始動モードにするとともに、電動機角速度指令ωｍ−ｒｅｆを自己始動速度到達点まで一定加速レートで増加させて電動機を加速する。
【００２５】
また、電動機速度指令１０−３は原動機が回転しているが、発電側変換器の発生する位相と大きさが同期発電機の位相と大きさに正確に同期できない場合、電動機自己始動モードにするとともに、電動機速度指令Ｓｐｅｄ−ｒｅｆを自己始動速度到達点まで一定加速レートで増加させ電動機を加速する。
【００２６】
スイッチ制御器１０−５は発電機の速度の状態を検出し、通常始動か自己始動かを判断し、スイッチ１７とスイッチ１８との切り替え指令を出す。スイッチ制御器１０−５は、前記自己始動を停止自己始動モードと電動機自己始動モードとに分別し、回転速度が自己始動上限値以上にある場合に通常始動モードを選択する。停止自己始動モードは、自己始動下限値以下の場合に選択する。この停止自己始動モードは発電機に直流励磁を加えて急停止するので、自己始動下限値は原動機が回転中に急停止しても損傷しない値に設定する。電動機自己始動モードは、回転速度が自己始動上限値以下で自己始動下限値以上である場合に選択する。
【００２７】
ゲート処理部１１はＰＷＭ信号発生部２４が発生する信号をサプレスし、またはサプレス解除し、装置の運転停止を決める。また、瞬停検出器１２は系統側の瞬時停電を検出し、ゲート処理部で瞬停時にサプレスし、瞬停復帰時にゲートサプレスを解除する。
【００２８】
定常運転時、回転速度指令部１０−２は原動機が回転しているエネルギーより低い速度指令Ｓｐｅｄ−ｒｅｆ信号を与え、スイッチ１７は０側を選択する。速度検出器２５の回転速度検出器２５−１はエンコーダ８からＡ，Ｂ相のパルス数を、位相計数タイマの値で一定時間計測し、回転数Ｓｐｅｄ−ｆを検出する。速度制御部１９の減算器１９−２は、回転速度指令Ｓｐｅｄ−ｒｅｆと回転数Sped−ｆとの偏差を求め、速度制御器１９−１で比例積分制御を行い、有効電力指令Ｐref を出力する。一方、無効電力指令１６−５は無効電力指令Ｑref を出力する。
【００２９】
また、回転速度位相変換器の出力θｅｎｃはＡ，Ｂ相のパルスをカウントした位相計数タイマ値を、スイッチ１８−１，１８−３の０側を選択して、位相発生部２７の正弦波，余弦波テーブルを引くアドレスとする。位相発生部は正弦波と余弦波とを出力する。電流３／２相変換器１３は電流変流器（ＣＴ）９−１から発電機の電流と、位相発生部の出力から有効電流値ＩＰｆと無効電流値ＩＱｆとを得る。電圧３／２相変換器１４は電圧検出器９−２から発電機の電圧と、位相発生部の出力から有効電圧値ＶＰｆと無効電圧値ＶＱｆとを得る。
【００３０】
電力変換部１５は、電流３／２相変換器１３と電圧３／２相変換器１４との出力から同期発電機２の有効電力Ｐｆと無効電力Ｑｆとを検出する。電力制御部１６は、減算器１６−３で速度制御の有効電力指令Ｐref と有効電力Ｐｆとの偏差を計算し、有効電力制御１６−１を行い、有効電流指令ＩＰref を得る。減算器１６−４は無効電力指令の無効電力指令Ｑref と無有効電力Ｑｆとの偏差を計算し、無効電力制御１６−２を行い、無効電流指令ＩＱref を得る。
【００３１】
電流制御部２０において、減算器２０−３は有効電流指令ＩＰref と有効電流値ＩＰｆとの偏差を計算して、有効電流制御２０−１を行い、有効電圧指令ＶＰを得る。減算器２０−４は無有効電流指令ＩＱref と無効電流値ＩＱｆとの偏差を計算し、無有効電流制御２０−２を行い、無効電圧指令ＶＱを得る。それぞれの制御は比例積分制御である。
【００３２】
また、加算器２１はＶＰとＶＰｆとを加算して有効電圧指令ＶＰＲとし、加算器２２はＶＱとＶＱｆとを加算して有効電圧指令ＶＱＲとする。スイッチ１８−４と１８−５とは０側を選択して２相／３相変換部２３はＶＰＲとＶＱＲと位相発生部の正弦波と余弦波を入力とし、３相交流指令を得る。ＰＷＭ信号発生部２４は搬送波と３相交流指令を比較し、ＰＷＭパルスを発生させて発電側変換器を駆動する。
【００３３】
通常始動時における位相の一致方法を説明する。位相発生部２７で得た位相は同期発電機の位相と一致していない。始動時に、スイッチ２８−５は０側に接続する。位相同期判定部２８では、減算器２８−３がゼロ指令２８−２と電圧３相／２相変換器の無効電圧Ｖｑｆとの偏差を計算し、比例積分器２８−４を実行して偏差角速度ω−ｄｅｆを得る。
【００３４】
この偏差角速度ω−ｄｅｆを角速度積分器２８−６で積算すると偏差位相θｑを得る。ここで、回転速度位相変換器２５−２の位相出力θｅｎｃと角速度積分器２８−６の偏差位相θｑとを加算器２９−５で加算する。スイッチ１８−３は０側を選択して位相テーブルのアドレスθｎｏｗとすることで位相ループが成立し、誘起電圧と位相発生部の位相が一致してくるとＶｑｆが限りなく零に近づく。同期判定器２８−１はＶｑｆが規定値以下になると同期であると判断し、スイッチ２８−５を１側に接続する。この場合、角速度積分器２８−６が記憶した値は誘起電圧と始動時の位相発生部の位相との誤差を記憶したことと等しい。
【００３５】
始動時に、電力制御部１６，電流制御部２０の出力はゼロに保つ。始動指令１０−１はゲート処理部１１にサプレス指令を発行してＰＷＭ信号を発電機側変換器に印加しないので、電圧変換器１４が同期発電機の誘起電圧を検出する。位相同期判定部２８で誘起電圧と位相発生部の位相が一致すると、同期判定器２８−１からゲート処理部１１にゲートサプレスを解除する指令を発行し、ゲート処理部１１はＰＷＭ信号形成部のゲートサプレスを解除する。この場合２相／３相変換部は電圧変換部から誘起電圧に相当した有効電圧出力を入力しているので発電機側変換器の電圧の大きさと位相は誘起電圧の大きさと位相に一致して始動する。このために過電流を発生することなく安定して同期運転になる。
【００３６】
原動機が始動するときの、通常同期始動モードと、停止自己始動モードと、電動機自己始動モードとの判定のＰＡＤ図を図２に示す。図２では、指令部１０のスイッチ制御器１０−５が同期発電機の速度の状態を検出して判断する。Ｓ−１０で自己始動指令があれば、Ｓ−２０で自己始動下限速度以下かどうかを判断し、自己始動下限速度以下ならばＳ−３０に移行して停止自己始動モードを選択して運転する。停止自己始動が完了したらＳ−６０に移行して通常同期始動モードで再始動し、通常運転に移行する。Ｓ−２０で自己始動下限速度以上ならばＳ−４０に移行し、また自己始動上限速度以下ならばＳ−５０に移行して電動機自己始動モードから運転する。電動機自己始動が完了したらＳ−６０に移行し再始動して通常運転に移行する。自己始動指令がない場合は始めからＳ−６０に移行し再始動し、通常運転に移行する。
【００３７】
停止自己モードを詳細に説明する。自己始動指令があって、発電機の回転速度が自己始動下限値以下の場合は停止自己始動を選択する。この動作を図３のタイムチャートで説明する。スイッチ１８−１，１８−２，１８−３，１８−４，１８−５の接点を１側に選択する。スイッチ１８−１から出力される電動機角速度指令ωｍ−ｒｅｆは、始めに零指令がでる。自己始動制御部２９の電動機角速度積分２９−４は零なので、位相発生部のテーブルは零アドレスに固定される。一方、スイッチ１８−２は１側からアイドリング電圧Ｖｐｉ２９−１が選択される。加算器２６ではＶｐｉと角速度電圧変換出力とが加算され、スイッチ１８−４を介して、２相／３相変換部２３の有効電圧入力となる。この場合、電動機角速度指令は零のため角速度電圧変換２９−３の出力は零である。すなわち、アイドリング電圧Ｖｐｉが２相／３相変換部２３に入る。また、２相／３相変換部２３の無効電圧指令の入力はゼロ指令２８−２からスイッチ１８−５を介して加わる。この状態は直流励磁状態である。この状態をモータ位置決め期間として、数秒継続すると、電動機の回転子の磁極が固定子磁極に一致する。
【００３８】
次に電動機角速度指令１０−４は一定加速レートで加速する。角速度積分は角速度を加算して位相θｎｏｗを作成する。また、角速度電圧変換器はωｍ−refに電圧変換係数Ｋｖを乗算するので２相／３相電圧の有効分電圧は、電動機角速度に比例した、電圧／周波数の比が一定の電圧になるので、同期発電機２は同期電動機として過電流にならずに安定に速度到達値まで回転が上昇する。この速度到達値に達した時点でゲート処理部１１でゲートサプレスし、図２に示すＳ−６０通常同期始動ステップを実行する。
【００３９】
自己始動モードで、回転速度が自己始動上限値以下と自己始動下限値以上の領域にある場合は電動機自己始動を選択し、図２のＳ−５０ステップを実行する。また、図４のタイムチャートで説明する。スイッチ１８−１，１８−２，１８−３，１８−４，１８−５の接点を０側に選択する。スイッチ１７の接点は１側を選択し、位相同期判定部２８のスイッチ２８−５は０側を選択する。この場合、ゲート処理部はゲートサプレスを行い、位相同期判定部２８が動作して発電機の誘起電圧の位相と位相発生部の位相を一致するように動作する。この際、回転数が低いので同期判定条件を緩める。同期が完了するとゲートサプレスを解除するとともにその回転数から電動機速度指令１０−３の出力Ｓｐｅｄ−ｍを一定加速レートで加速し、速度到達値まで上昇できる。この点でゲート処理部１１でゲートサプレスして図２のＳ−６０通常同期始動ステップから運転する。自己始動指令があっても回転速度が自己始動上限値より高速の場合は図２のＳ−６０通常同期始動ステップから運転する。
【００４０】
次に、本実行例の制御方法の詳細を説明する。図１において、電流３相／２相変換器１３では同期発電機の三相電流Ｉｇｕ，Ｉｇｖ，Ｉｇｗを(数１）(数２）式で有効電流ＩＰｆ，無効電流ＩＱｆを求める。電圧３相／２相変換器１４では同期発電機の三相電圧Ｖｇｕ，Ｖｇｖ，Ｖｇｗを（数３）（数４）式で有効電圧ＶＰｆ，無効電圧ＶＱｆを求める。電力変換部１５は（数２）（数４）式から得たＩＰｆ，ＩＱｆ，ＶＰｆ，ＶＱｆから（数５）式で有効電力フィードバックＰｆ，Ｑｆを求める。
【００４１】
【数１】
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【００４２】
【数２】
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【００４３】
【数３】
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【００４４】
【数４】
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【００４５】
【数５】
0003925151.tif 000006
【００４６】
減算器１６−３，１６−４では（数６）式で有効電力指令Ｐref と有効電力フィードバックＰｆとから偏差ΔＰを求め、無効電力指令Ｑref と有効電力フィードバックＱｆとから偏差ΔＱを求める。電力制御部は（数７）式で比例積分制御を行う。ここで、電力比例項がＫｐｐ、電力積分項がＫｉｐであり、有効電流指令がＩＰref ，無効電流指令がＩＱref である。
【００４７】
【数６】
ΔＰ＝Ｐref −Ｐｆ
ΔＱ＝Ｑref −Ｑｆ
【００４８】
【数７】
ＩＰref ＝ΔＰ×Ｋｐｐ＋ΣΔＰ×Ｋｉｐ
ＩＱref ＝ΔＱ×Ｋｐｐ＋ΣΔＱ×Ｋｉｐ
減算器２０−３，２０−４は（数８）式で有効電流指令ＩＰref と有効電流フィードバックＩＰｆとから偏差ΔＩＰを求め、無効電流指令ＩＱref と有効電流フィードバックＩＱｆとから偏差ΔＩＱを求める。電流制御部２０は(数９)式で比例積分制御を行う。ここで、電流比例項がＫｐｉ，電流積分項がＫｉｉである。
【００４９】
【数８】
ΔＩＰ＝ＩＰref −ＩＰｆ
ΔＩＱ＝ＩＱref −ＩＱｆ
【００５０】
【数９】
ＶＰ＝ΔＩＰ×Ｋｐｉ＋ΣΔＰ×Ｋｉｉ
ＩＱ＝ΔＩＱ×Ｋｐｉ＋ΣΔＱ×Ｋｉｉ
（数９）式で、有効電圧指令ＶＰ，無効電圧指令ＶＱを得る。次に(数１０)式で、加算器２１は有効電圧指令ＶＰと同期発電機が発生している有効電圧ＶＰｆとを加算して変換器有効電圧指令ＶＰＲを得る。加算器２２は無効電圧指令ＶＱと同期発電機が発生する無効電圧ＶＱｆとを加算して変換器無効電圧指令ＶＱＲを得る。
【００５１】
【数１０】
ＶＰＲ＝ＶＰ＋ＶＰｆ
ＶＱＲ＝ＶＱ＋ＶＱｆ
２相／３相変換部は(数１１），(数１２）式で直流成分である変換器有効電圧指令ＶＰＲと変換器無効電圧指令ＶＱＲとから三相交流電圧指令ＶｕＲ，ＶｖＲ，ＶｗＲ、に変換する。ＰＷＭ信号発生部２４は三角波等の搬送波と三相交流電圧指令のＶｕＲ，ＶｖＲ，ＶｗＲ信号を比較してＰＷＭパルスを生成し、発電機側変換器３のゲート信号とする。
【００５２】
【数１１】
0003925151.tif 000007
【００５３】
【数１２】
0003925151.tif 000008
【００５４】
次に正弦波発生原理を説明する。図１で、スイッチ２８−５が接点０を選択し、一定の角速度ωdef が角速度積分器に入力される場合について説明する。角速度積分器２８−６はサンプリング毎に一定角速度ωdef を（数１３）式で積算して出力位相θｑを得る。ここで説明のために回転速度位相変換器２５−２の出力θｅｎｃがゼロと仮定する。加算器２９−５は位相θｑをθｎｏｗとして位相テーブルのアドレスとして与える。位相テーブルから正弦波，余弦波の出力を得る。図５にその原理波形を示す。図５（ａ）は図１の位相発生部２７から得られた正弦波，余弦波の結果の説明図、図５（ｂ）は一定角速度ωdef を加算してテーブルのアドレスに割り当てる原理図であって、図中にサンプリング毎に加算する様子を丸で囲い拡大して示す。角速度積分器２８−６は積算を続けテーブルの総数ＮＴmax でゼロにクリアされる。図５（ｃ）はテーブルのアドレスとテーブルの総数ＮＴmax と正弦波，余弦波のデータ格納の状態を示す。例えば、正弦波のテーブルであれば、アドレス０番地に電気角０°に相当する値すなわち、１６ビットデータの０値を配置し、テーブル総数の１／４に相当する数の番地に電気角の９０°に相当する正弦波の最大値１を１６ビットデータの７ＦＦＦの値として配置する。ここで、角速度ωdef が大きくなれば、角速度積分器２８−６は早く積算されるのでクリア点に達する時間が短くなり正弦波の周波数が高くなる、逆に、角速度ωdef を小さくなれば、周波数は低くなる。
【００５５】
発電機の周波数Ｆｇ（Ｈｚ）の１周期の時間幅Ｔｇ(sec）は、１／Ｆｇで求まる。加算するサンプリング時間をＴｓ(sec）とすると、１周期のサンプル回数Ｎsnp は、（数１４）式で演算できる。この時は正弦波を発生させるための電気角３６０°を表現するテーブル総数ＮＴmax と角速度ωdef の関係を(数１５）式で演算する。
【００５６】
【数１３】
θ＝Σωdef
【００５７】
【数１４】
0003925151.tif 000009
【００５８】
【数１５】
0003925151.tif 000010
【００５９】
次に正転時にエンコーダ出力から正弦波，余弦波を求める方法を図１のブロックと図６のタイムチャート波形を用いて説明する。
【００６０】
説明の都合で、角速度積分器の出力位相θｑはゼロとする。加算器２９−５は回転速度位相変換器２５−２の位相θｅｎｃをθｎｏｗとして位相テーブルのアドレスとして与える。その結果、位相テーブルは正弦波と余弦波を出力する。図６の（ａ）で、位相計数タイマは同期発電機に直結されているエンコーダのＡ相パルスおよびＢ相パルスの両エッジよりカウントアップ（ファインカウント）される。同期発電機が１回転するとエンコーダも１回転する。この場合エンコーダは１回転につきｚパルスを１パルス発生する。図６（ａ）に示すようにｚパルスが発生すると位相計数タイマをクリアする。そのため、位相計数タイマの最大値Ｐｎmax はエンコーダのファインカウント値と一致する。なお、最大値Ｐｎmaxはエンコーダの仕様で種々変更しても良い。さらに、発電機の極対数ｐｐにも依存する。すなわち、回転速度位相変換器２５−２は設計時にエンコーダ１回転のファインカウント，発電機の極数，位相テーブルの総数に対応できる。回転速度位相変換器２５−２は運転中のエンコーダの現在値Ｐｎと位相変換定数Ｋｐｈを（数１６）式で求めると位相テーブルのアドレスが選択される。（数１７）式は位相変換定数Ｋｐｈを求める式である。
【００６１】
図６（ｂ）は位相計数タイマと位相変換器で正弦波テーブルアドレスに変換する説明図である。この場合、任意の時点の位相計数タイマの値をＰｎとすれば、（数１６）式でテーブルアドレスＮＴｎが求まる。
【００６２】
【数１６】
ＮＴｎ＝Ｋｐｈ×Ｐｎ
【００６３】
【数１７】
0003925151.tif 000011
【００６４】
ここで角速度積分器２８−６の出力をゼロと仮定しているので、発電機が回転すると、エンコーダからの信号で位相計数タイマが動作する。位相計数タイマの値から回転速度位相変換器２５−２を介して位相テーブルの現在アドレスＮＴｎを得る。位相テーブルでは正弦波，余弦波を出力する。角速度積分器２８−６の位相補正がない場合は正弦波の位相はエンコーダからの信号に依存する。図６（ｂ）はその様子を示したタイムチャートである。位相変換器の出力は、（数１６）式で求めた値ＮＴｎで図６（ｄ）に示した正弦波テーブルの値をサンプリング毎に求めれば、図６（ｃ）に示すように正弦波値を得ることが出来る。
【００６５】
次に始動時に位相テーブルの正弦波出力と同期発電機の誘起電圧の位相を合わせる方法の詳細を説明する。図５で説明する機能は図１のブロック図の番号や図７のブロック図の番号と同じである。始動時に、ゲート処理部でＰＷＭ信号発生部のゲート信号が発生しないようにゲートサプレスする。そのため、同期発電機２の誘起電圧を電圧検出器９−２で検出し、電圧３／２相変換器１４で（数３）（数４）式で有効電圧と無効電圧とを求める。位相同期判定部２８では、無効電圧がゼロに成るように比例積分器２８−４の偏差角速度ωdef を出力する。位相同期判定部２８のスイッチ２８−５は接点０を選択し、偏差角速度ωdef を角速度積分器で積算し、偏差位相θｑを得る。加算器２９−５はエンコーダから作られた位相θｅｎｃと偏差位相θｑとを加算して位相θｎｏｗを得る。θｎｏｗは位相テーブルのアドレスとなり正弦波，余弦波を得る。
【００６６】
この正弦波と余弦波の値を用いて電圧変換部は３相誘起電圧の値を有効電圧と無効電圧とに変換する。エンコーダからの位相と発電機を介して電圧変換部の正弦波，余弦波にフィードバックする一巡制御ブロックを図７に示す。すなわち、回転速度位相変換器２５−２の出力θｅｎｃに相当し、２８−４は比例積分器、２８−６は角速度積分器に相当する。（数４）式を展開する際のθにエンコーダからの位相と偏差位相が含まれる。（数１８）式では発電機の位相θｇとエンコーダと発電機の偏差位相Δθとを加算する。すなわち、始動時における位相の不一致は（数１９）に示すように電圧３／２相変換器１４の位相θに含まれている。すなわち、位相発生部２７の位相θｎｏｗは発電機の位相θｇと位相偏差Δθが含まれる。ここで、（数１９）式を（数１８）式を代入すると、（数２０）式になる。図７において、ＶＱｆをゼロにするように、減算器２８−３はゼロ指令２８−２から無効電圧フィードバックＶＱｆを減算し、２８−４で比例積分制御を実行する。すなわち、（数２０）式の第１項目が限りなくゼロに近づくように制御するので第２項目が残る。第２項の（）内は（数１８）式の２行目と等しいので目標値に達した場合は(数２１）式に示すように有効電圧ＶＰｆとsin(△θ)の乗算値となる。この時、(数２１)式のＶＱｆは電動機の相電圧の最大値ＶＰｆになる。
【００６７】
【数１８】
ＶＱｆ＝Ｖｇα×sinθ−Ｖｇβcosθ
ＶＰｆ＝Ｖｇα×cosθ＋Ｖｇβsinθ
【００６８】
【数１９】
θ＝θｇ＋Δθ
【００６９】
【数２０】
ＶＱｆ＝（Ｖｇα×sinθｇ−Ｖｇβcosθｇ）×cosΔθ＋（Ｖｇαcosθｇ＋Ｖｇβsinθｇ）×sinΔθ
【００７０】
【数２１】
0003925151.tif 000012
また、△θ＝０の場合はsin(△θ）＝０であり、△θ＝π／２の場合は
sin(△θ）＝１となるので線形化すると（数２２）式となる。（数２２）式を
（数２１）式に代入すると無効電圧ＶＱｆと位相差△θとの関係式が求まる。
ＶＱｆと△θの伝達関数は（数２３）式で表される。また、比例積分の伝達関数は（数２４）式で表し、Ｋｐは比例定数、Ｋｉは積分定数である。その結果、角速度位相制御の一巡伝達関数Ｆ（ｓ）は（数２５）式で表すことが出来る。
【００７１】
【数２２】
0003925151.tif 000013
【００７２】
【数２３】
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【００７３】
【数２４】
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【００７４】
【数２５】
0003925151.tif 000016
【００７５】
始動時にゲートサプレスして誘起電圧を電圧変換部に入れて無効電圧をゼロになるように比例積分すると、誘起電圧の位相と正弦波テーブルの位相が一致する。この場合、偏差角速度ωdef は限りなくゼロに近づき、角速度積分器の出力位相θｑは一定値となる。すなわち、位相θｑはエンコーダから位相変換器を介して出力された位相θｅｎｃと誘起電圧位相の偏差値Δθとなる。すなわち、θｑは（数１９）式のΔθを意味する。この場合、同期判定器２８−１では無効電圧フィードバック値ＶＱｆがゼロに近い規定値以下に一定時間保持されたこと確認して位相テーブルの出力と発電機の誘起電圧が一致したと判断する。次に、スイッチ２８−５は接点１を選択して、Δω＝０を角速度積分器の入力として固定する。ゲート処理部ではゲートサプレスを解除して制御装置を発電領域で運転する。すなわち図７のブロックは（数２５）の伝達関数の応答に従い、無効電圧が限りなくゼロに近づき、有効電圧は誘起電圧の瞬時値の最大値に近づく。
【００７６】
また、同期発電機と位相テーブルの出力がより完全に同期することを確認するために、同期判定器２８−１では無効電圧フィードバック値ＶＱｆの値がゼロに近い規定値以下に一定時間保たれたこと確認して位相テーブルの出力と発電機の誘起電圧が一致したと判断するとともにさらに、ｚパルスを１回以上発生したことを確認して同期と判定する。すなわち、位相計数タイマはエンコーダのＺパルスで１回転に１回クリアされるので、同期判定部では
（１）無効電圧が規定値以下になったことと、
（２）少なくともＺパルスが１回存在したこと
とを確認の上、スイッチ２８−５を１接点に選択して角速度積分器２８−６に入力が入らないようにするとともに、ゲート処理部１１でＰＷＭ信号発生部２４サプレスを解除して発電機側変換器を駆動する。この場合、系統側の変換器は既に、運転状態に入っていることと、系統側の瞬時停電を瞬停検出器１２が検出すると、ゲート処理部１１はＰＷＭ信号発生部２４にサプレス指令を送り、瞬停検出器１２が瞬停復帰を検出すると、
（１）発電機をフリーラン状態で始動指令が発生する。
（２）位相同期制御部を動作させる。
（３）同期検出器が同期を判断したとき、スイッチ２８−５の接点を１側を選択し、角速度積分器２８−６にゼロを入力する。
（４）ゲート処理部１１からＰＷＭ信号発生部２５にゲートサプレス解除を指令し制御装置を駆動する。
【００７７】
以上説明したように、本発明によれば、始動指令が発行されると系統側の変換器を始動させ、ゲート処理部から発電機側変換器はゲートサプレス状態に保つ。制御指令部のスイッチ制御器は回転速度から判断して原動機のエネルギーが充分あり自己始動上限速度以上で、発電機の誘起電圧の検出が容易なときを通常始動とする。通常同期のとき位相同期制御部ではエンコーダから作られた位相と発電機の誘起電圧の位相を一致させることが出来る。また、位相の一致の判断は同期判定部で、無効電圧値が規定値以下になったことを確認して同期したと判断する。同期判断で位相同期制御部から検出された誘起電圧位相とエンコーダから作られた位相の編差を記憶し、以後電源が停止するまで保持する。
【００７８】
同期発電機は原動機のエネルギーが不足するとき、発電機を同期電動機として自己始動して、原動機のエネルギーの状態に依存せず始動できる。すなわち、原動機の状態を３つのモードに分けて始動する。
（１）原動機が自己始動上限速度以上で回転していて、発電機の誘起電圧の検出が容易なときを通常始動とする。
（２）原動機が停止または自己始動下限速度以下のときを停止自己始動とする。（３）回転しているが同期を正確一致できない自己始動上限速度以下で自己始動下限速度以上とき電動機自己始動とする。
【００７９】
停止自己始動は自己始動下限速度以下で同期電動機に直流励磁を一定時間（数秒間）加えて同期電動機の固定子と回転子の磁極を一致させたのち、一定加速，角加速度で加速する。この場合有効電圧指令を電圧／角速度一定制御することで、電動機は適切なトルクを得て、安定に加速する。電動機が速度到達値まで上昇して、発電側変換器をサプレスして電動機をフリーランにする。ここからは通常始動を実行して始動できる。
【００８０】
また、自己始動下限速度を急に直流励磁停止をさせても原動機が損傷しない値に選定することで安全に始動できる。電動機自己始動は急停止すると羽根が損傷する恐れがあるので自己始動下限速度以上で自己始動上限速度以下の領域では同期判定の精度をさげて電動機の誘起電圧の位相と、位相発生部の位相の一致精度を落としても同期させて、通常の速度制御，電力制御，電流制御を実行する。同期を判定すると、その回転数から電動機速度指令を一定加速レートで速度指令を上昇させ、電動機が速度到達値まで上昇して、発電側変換器をサプレスして電動機をフリーランにする。ここからは通常始動を実行して始動できる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、原動機のエネルギーが不足している状態では同期発電機を電動機として立ち上げ、変換器が発生する三相正弦波指令の位相と、電動機の誘起電圧の位相と大きさとを精度良く一致させて始動するので、発電機を電動機領域から発電領域まで安定して運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のブロック図。
【図２】本発明実施例の始動判定のＰＡＤ図。
【図３】本発明実施例の停止自己始動時のタイムチャート。
【図４】本発明実施例の電動機自己始動時のタイムチャート。
【図５】本発明実施例の角速度加算による正弦波発生方法の説明図。
【図６】本発明実施例のエンコーダによる正弦波発生方法の説明図。
【図７】本発明実施例の位相同期制御の原理ブロック図。
【符号の説明】
１…原動機、２…同期発電機、３…発電機側変換器、４…平滑コンデンサ、５…系統側変換器、６…系統連係用変圧器、７…系統側電源、８…エンコーダ、９−１…電流変流器、９−２…電圧検出器、１０…制御指令部、１０−１…始動／停止指令部、１０−２…回転速度指令部、１０−３…電動機速度指令、１０−４…電動機角速度指令、１０−５…スイッチ制御器、１０−６…原動機回転速検出器、１１…ゲート処理部、１２…瞬停検出器、１３…電流３／２相変換器、１４…電圧３／２相変換器、１５…電力変換部、１６…電力制御部、１６−１…有効電力制御部、１６−２…無効電力制御部、１６−３，１６−４，１９−２，２０−３，２０−４，２８−３…減算器、１７，１８，１８−１，１８−２，１８−３，１８−４，１８−５，２８−５…スイッチ、１９，１９−１…速度制御器、２０…電流制御部、２０−１…有効電流制御、２０−２…無効電流制御、２１，２２，２６，２９−５…加算器、２３…２相／３相変換部、２４…ＰＷＭ信号発生部、２５…速度検出器、２５−１…回転速度検出器、２５−２…回転速度位相変換器、２７…位相発生部、２８…位相同期判定部、２８−１…同期判定器、２８−２，２９−２…ゼロ指令、２８−４…比例積分器、２８−６…角速度積分器、２９…自己始動制御、２９−１…アイドリング電圧Ｖｐｉ、２９−３…角速度電圧変換、２９−４…電動機角速度積分。
【図１】
0003925151.tif 000017
【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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