(57)【要約】【課題】サイリスタ励磁方式発電機における電圧起動の応答性を向上させること。【解決手段】サイリスタ励磁方式発電機は、発電機と、励磁変圧器と、自動電圧調整装置と、励磁装置と、を備えている。電圧設定部は発電機の出力電圧が設定値に達すると制御信号を出力し、第１比例ゲイン演算部は励磁装置の界磁電圧から第１比例ゲインを演算し、第２比例ゲイン演算部は発電機の出力電圧と励磁変圧器の二次電圧の偏差から第２比例ゲインを演算し、加算器は、第１比例ゲインおよび第２比例ゲインの和と制御信号との偏差を求め、点弧制御部は、加算器の出力から点弧信号を演算して、励磁装置に出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線に界磁電流が流れると電圧が発生する発電機と、
前記発電機に接続されていて、二次側に電圧を出力する励磁変圧器と、
電圧設定部と加算器と点弧制御部と第１比例ゲイン演算部と第２比例ゲイン演算部を有する自動電圧調整装置と、
前記自動電圧調整装置が出力する点弧信号に従ってゲートが開閉するサイリスタを有し、前記界磁巻線に界磁電流を供給する励磁装置と、を備え、
前記電圧設定部は前記発電機の出力電圧が設定値に達すると制御信号を出力し、
前記第１比例ゲイン演算部は前記励磁装置の界磁電圧から第１比例ゲインを演算し、
前記第２比例ゲイン演算部は前記発電機の出力電圧と前記励磁変圧器の二次電圧の偏差から第２比例ゲインを演算し、
前記加算器は、前記第１比例ゲインおよび前記第２比例ゲインの和と前記制御信号との偏差を求め、
前記点弧制御部は、前記加算器の出力から前記点弧信号を演算して、前記励磁装置に出力することを特徴とするサイリスタ励磁方式発電機。
【請求項２】
界磁巻線に界磁電流が流れると電圧が発生する発電機と、
前記発電機に接続されていて、二次側に電圧を出力する励磁変圧器と、
電圧設定部と加算器と点弧制御部とゲイン演算部と積分ゲイン演算部を有する自動電圧調整装置と、
前記自動電圧調整装置が出力する点弧信号に従ってゲートが開閉するサイリスタを有し、前記界磁巻線に界磁電流を供給する励磁装置と、を備え、
前記電圧設定部は前記発電機の出力電圧が設定値に達すると制御信号を出力し、
前記ゲイン演算部は前記励磁装置の界磁電圧から比例ゲインを演算し、
前記積分ゲイン演算部は前記界磁巻線の温度設計値と前記界磁巻線の温度計測値の偏差から積分ゲインを演算し、
前記加算器は、前記比例ゲインおよび前記積分ゲインの和と前記制御信号との偏差を求め、
前記点弧制御部は、前記加算器の出力から前記点弧信号を演算して、前記励磁装置に出力することを特徴とするサイリスタ励磁方式発電機。
【請求項３】
界磁巻線に界磁電流が流れると電圧が発生する発電機と、
前記発電機に接続されていて、二次側に電圧を出力する励磁変圧器と、
電圧設定部と加算器と点弧制御部と第１比例ゲイン演算部と第２比例ゲイン演算部と積分ゲイン演算部を有する自動電圧調整装置と、
前記自動電圧調整装置が出力する点弧信号に従ってゲートが開閉するサイリスタを有し、前記界磁巻線に界磁電流を供給する励磁装置と、を備え、
前記電圧設定部は前記発電機の出力電圧が設定値に達すると制御信号を出力し、
前記第１比例ゲイン演算部は前記励磁装置の界磁電圧から第１比例ゲインを演算し、
前記第２比例ゲイン演算部は前記発電機の出力電圧と前記励磁変圧器の二次電圧の偏差から第２比例ゲインを演算し、
前記積分ゲイン演算部は前記界磁巻線の温度設計値と前記界磁巻線の温度計測値の偏差から積分ゲインを演算し、
前記加算器は、前記第１比例ゲイン、前記第２比例ゲインおよび積分ゲインの和と前記制御信号との偏差を求め、
前記点弧制御部は、前記加算器の出力から前記点弧信号を演算して、前記励磁装置に出力することを特徴とするサイリスタ励磁方式発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、サイリスタ励磁方式発電機に関わり、特にサイリスタ励磁方式発電機における起動時の応答速度の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電機は電磁石を回転させて電気を発生させる。この電磁石の強さを変えることにより発電機の出力電圧が変化する。工場等で使用される電気の変動に合わせるように、発電機の出力電圧は調整されている。サイリスタ励磁方式は、電磁石の強さを変える方式の一つで、半導体素子であるサイリスタのスイッチ機能を利用するため、電磁石の励磁電流を高速に変化させることができる（例えば特許文献１〜５）。発電機の主回路には励磁変圧器が接続され、この励磁変圧器の二次側出力はサイリスタ整流器により直流に変換される。発電機の界磁巻線には界磁遮断器、スリップリングを経由して励磁電力が供給される。
【０００３】
サイリスタ励磁方式において、発電機の出力電圧を制御する方法には、界磁電圧のフィードバック制御を行う７０Ｅモードと、出力電圧のフィードバック制御を行う９０Ｒモードが知られている。サイリスタ励磁方式の自動電圧調整装置は発電機を起動する時には７０Ｅモードを採用し、発電機の出力電圧を界磁電圧のフィードバック制御によって調節する。このモード様式は、日本電機工業会規格JEM1090の制御機器番号に従って、基本機器番号（７０：加減抵抗器、９０：自動電圧調整器）と補助記号（Ｅ：励磁、Ｒ：調整）を使って表されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８-１２３４００号公報
【特許文献２】特開平７-２４５９９９号公報
【特許文献３】特開平４-１４５００号公報
【特許文献４】特開平７-２２７１００号公報
【特許文献５】特開昭６３-２８３５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実際の発電機では発電機のロータ温度やＤＣ電源のインピーダンスなどの環境条件が変化している。サイリスタ励磁方式の自動電圧調整装置は、応答速度が遅いことや環境条件が変化することで、初期励磁渋滞が発生する。発電機の出力電圧が目標値まで立ち上がらない場合、現地での調整試験に時間を要することになる。本発明はこのような課題を解決する為になされたもので、界磁電圧のフィードバック制御に初期フォーシングの補償をすることでサイリスタ励磁方式発電機における電圧起動の応答性の向上を図ることを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明におけるサイリスタ励磁方式発電機は、界磁巻線に界磁電流が流れると電圧が発生する発電機と、前記発電機に接続されていて、二次側に電圧を出力する励磁変圧器と、電圧設定部と加算器と点弧制御部と第１比例ゲイン演算部と第２比例ゲイン演算部を有する自動電圧調整装置と、自動電圧調整装置が出力する点弧信号に従ってゲートが開閉するサイリスタを有し、界磁巻線に界磁電流を供給する励磁装置と、を備え、電圧設定部は発電機の出力電圧が設定値に達すると制御信号を出力し、第１比例ゲイン演算部は励磁装置の界磁電圧から第１比例ゲインを演算し、第２比例ゲイン演算部は発電機の出力電圧と励磁変圧器の二次電圧の偏差から第２比例ゲインを演算し、加算器は、第１比例ゲインおよび第２比例ゲインの和と制御信号との偏差を求め、点弧制御部は、加算器の出力から点弧信号を演算して、励磁装置に出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成によれば、サイリスタ励磁方式発電機の出力電圧を界磁電圧のフィードバック制御によって起動する。サイリスタ起動方式の自動電圧調整装置において、界磁電圧一定制御のブロックに補償を行うことで、起動時における応答速度が改善され、さらに励磁電力の供給精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係わるサイリスタ励磁方式発電機のシステム構成を表す原理図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる自動電圧調整装置を示す制御ブロック図である。
【図３】自動電圧調整装置の基本ブロックにおける発電機の出力電圧の応答を示す図である。
【図４】自動電圧調整装置における基本ブロックの構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１における発電機の出力電圧の応答を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係わる自動電圧調整装置を示す制御ブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２における発電機の出力電圧の応答を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係わる自動電圧調整装置を示す制御ブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態３における発電機の出力電圧の応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態に係るサイリスタ励磁方式発電機および自動電圧調整装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、サイリスタ励磁方式発電機および自動電圧調整装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。
【００１０】
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１はサイリスタ励磁方式発電機１００のシステム構成を表している。発電機１には励磁変圧器５が接続されている。発電機１の界磁巻線２は、スリップリング２０（ブラシ-コレクタリング）を介して初期励磁回路３および励磁装置９に接続されている。発電機１の起動時には界磁巻線２に界磁電流が流される。界磁電流によって発電がおこなわれると、発電機１に出力電圧が発生する。励磁変圧器５の二次側には、降圧された電圧が発生する。界磁遮断器３ａは初期励磁回路３と界磁巻線２の間に設置されている。界磁遮断器４ａは励磁装置９と界磁巻線２の間に設置されている。自動電圧調整装置３０（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）には励磁変圧器の二次電圧（Ｖａｃ）と発電機の出力電圧（Ｖｇ）と励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）などが入力されている。
【００１１】
励磁装置９のサイリスタ４は自動電圧調整装置３０が出力する点弧信号に従ってゲートが開閉する。系制御装置４０は、サイリスタ励磁方式発電機１００のシステム制御に係わり、初期励磁回路３、自動電圧調整装置３０などを制御している。発電機１の起動時には界磁電流が界磁巻線２に供給される。初期励磁回路の出力電圧（Ｖ０）が励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）よりも大きければ初期励磁回路３から界磁電流が界磁巻線２に供給される。初期励磁回路の出力電圧（Ｖ０）が励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）よりも小さければ励磁装置９（サイリスタ４）から界磁電流が界磁巻線２に供給される。
【００１２】
図２に、自動電圧調整装置３０の制御ブロック図を示す。本実施の形態による自動電圧調整装置３０は、電圧設定部６、加算器７ａ、加算器７ｂ、点弧制御部８、ゲイン演算部１０、比例ゲイン演算部１３などから構成されている。電圧設定部６は発電機の出力電圧（Ｖｇ）が第１設定値に到達すると、制御信号（７０Ｅ）を加算器７ａに向けて出力する。加算器７ａには電圧設定部６（７０Ｅ：励磁加減抵抗器）とゲイン演算部１０（第１比例ゲイン演算部）と比例ゲイン演算部１３（第２比例ゲイン演算部）からの出力が入力されている。加算器７ａの出力は点弧制御部８に入力される。点弧制御部８が生成する点弧信号は励磁装置９に入力されて、サイリスタ４の開閉度合を制御する。発電機の出力電圧１１（Ｖｇ）と励磁変圧器の二次電圧１２（Ｖａｃ）は加算器７ｂに入力される。加算器７ｂの出力は比例ゲイン演算部１３に入力される。
【００１３】
すなわち、加算器７ａは、ゲイン演算部１０が出力する第１比例ゲインおよび比例ゲイン演算部１３が出力する第２比例ゲインの和と制御信号（７０Ｅ）との偏差を求めている。ゲイン演算部１０は励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）から比例ゲイン（第１比例ゲイン）を演算する。比例ゲイン演算部１３は発電機の出力電圧１１（Ｖｇ）と励磁変圧器の二次電圧１２（Ｖａｃ）の偏差から比例ゲイン（第２比例ゲイン）を演算する。励磁装置９の出力は発電機１に入力されるとともに、界磁電圧をフィードバックするためにゲイン演算部１０にも入力されている。励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）がフィードバックされて、電圧設定部６の設定値との偏差を演算して励磁装置９の界磁電流を制御する。
【００１４】
次に自動電圧調整装置３０の初期励磁時における動作を説明する。先ず、自動電圧調整装置３０の基本制御ブロックにおける起動時の電圧応答を、図３を使って説明する。ここで基本制御ブロックは、図４に示されているように、電圧設定部６、加算器７ａ、点弧制御部８、ゲイン演算部１０などから構成されている。自動電圧調整装置３０は、励磁装置９の界磁電圧を点弧制御部８にフィードバックして、励磁装置９の界磁電流を点弧パルスで制御する。加算器７ａは電圧設定部６の設定値と励磁装置９の界磁電圧の偏差を算出し、点弧制御部８はこの偏差から点弧信号を演算する。起動時初期には、初期励磁回路の出力電圧（Ｖ０）が励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）よりも大きいので、初期励磁回路３から界磁電流を界磁巻線２に供給する。界磁遮断器４ａの投入により初期励磁回路３がオンし、７０Ｅ初期値（目標値）の約１５％に相当する界磁電流が初期励磁回路３から界磁巻線２に供給される。
【００１５】
同時に自動電圧調整装置３０において初期励磁渋滞タイマーがカウントを開始する。発電機の出力電圧（Ｖｇ）が目標値の約１０％（第１設定値）に到達すると、電圧設定部６が動作を開始し、発電機の出力電圧（Ｖｇ）が上昇する。系制御装置４０は、発電機の出力電圧（Ｖｇ）が０．６p.ｕ.（第２設定値）以上であることを検出すると初期励磁回路３をオフし、初期励磁渋滞タイマーをリセットする。初期励磁渋滞タイマーの既定値以内に発電機の出力電圧（Ｖｇ）が０．６p.ｕ.に到達しなければ初期励磁渋滞となる。タイマー値は通常３０秒にセットされている。基本制御ブロックによる制御では、発電機起動時は発電機の出力電圧（Ｖｇ）がほぼ０であり、励磁装置９の出力が小さい為、起動電圧の応答性が遅くなっている。
【００１６】
次に比例ゲイン演算部１３の役割について説明する。図５は本実施の形態に係わる発電機の起動時における電圧応答を示している。自動電圧調整装置３０の加算器７ｂは、発電機の出力電圧（Ｖｇ）と励磁変圧器の二次電圧（Ｖａｃ）の偏差を出力する。比例ゲイン演算部１３はこの偏差から比例ゲインを演算している。比例ゲイン演算部１３が出力する比例ゲインは加算器７ａに入力される。自動電圧調整装置３０では電圧設定部６が７０Ｅモードでの制御を行っており、既定の設定値を出力している。発電機の出力電圧（Ｖｇ）が目標値の約１０％（第１設定値）に到達すると、電圧設定部６が動作を開始し、発電機の出力電圧（Ｖｇ）が上昇する。系制御装置４０は、発電機の出力電圧（Ｖｇ）が０．６p.ｕ. （第２設定値）以上であることを検出すると初期励磁回路３をオフし、初期励磁渋滞タイマーをリセットする。励磁装置の界磁電圧（Ｖ１）を加算器７ａにフィードバックして７０Ｅの設定値との偏差を演算して励磁装置９の界磁電流を点弧パルスで制御する。
【００１７】
本実施の形態に係わるサイリスタ励磁方式発電機によれば、発電機の出力電圧（Ｖｇ）と励磁変圧器の二次電圧（Ｖａｃ）の偏差に比例する比例ゲインを追加しているので、発電機の起動時に励磁装置の出力を大きく補償することができる。すなわち、７０Ｅモードの基本制御ブロックに発電機の出力電圧（Ｖｇ）と励磁変圧器の二次電圧（Ｖａｃ）の偏差に相当する比例ゲインを追加することで、初期フォーシングを行い、発電機の起動時における電圧の応答性を改善している。その結果、起動時は発電機の出力電圧（Ｖｇ）がほぼ０であり、励磁装置の出力は小さいが、起動電圧の応答性が早くなっている。
【００１８】
実施の形態２．
発電機ロータ（および界磁巻線２）の抵抗は周囲温度の変化により変化する為、環境温度が変化すると励磁装置９において界磁電流の大きさも変化する。この結果、発電機の出力電圧（Ｖｇ）と目標値（７０Ｅ初期値）に偏差が発生する。実施の形態２に係わる自動電圧調整装置は、基本制御ブロックに界磁巻線の設計温度と界磁巻線の計測温度の偏差に比例する積分ゲインを追加することで発電機の起動時における電圧の偏差を補償する。図６は本実施の形態に係わる自動電圧調整装置３０の制御ブロック図を示している。界磁巻線の計測温度１５と界磁巻線の設計温度１６が加算器７ｃに入力され、両者の偏差から積分ゲイン演算部１４は積分ゲインを出力している。積分ゲインは加算器７ａに入力される。すなわち、加算器７ａは、ゲイン演算部１０が出力する比例ゲインおよび積分ゲイン演算部１４が出力する積分ゲインの和と制御信号（７０Ｅ）との偏差を求めている。
【００１９】
次に本実施の形態の動作について説明する。図７は本実施の形態に係わる発電機の起動時における電圧応答を示している。周囲温度の変化により界磁巻線２の抵抗が変化すると、励磁装置９において界磁電流が変化するため、発電機の出力電圧（Ｖｇ）と目標値（７０Ｅ初期値）に偏差が発生する。この発明によれば、界磁巻線の設計温度と界磁巻線の計測温度の偏差に対応する積分ゲインを補償することで発電機の出力電圧（Ｖｇ）の偏差を０にする制御を行う。この結果、電圧設定部の設定値を変更してその都度、再起動する必要がなくなる。また、現地での調整時間も不要になり、発電機の出力電圧（Ｖｇ）の応答は偏差が改善されている。
【００２０】
実施の形態３．
図８は実施の形態３に係わる自動電圧調整装置の制御ブロック図を示している。本実施の形態に係わる自動電圧調整装置３０は、実施の形態１の制御ブロックと実施の形態２の制御ブロックを組み合わせたものである。発電機の出力電圧１１と励磁変圧器の二次電圧１２が加算器７ｂに入力され、両者の偏差から比例ゲイン演算部１３は比例ゲイン（第２比例ゲイン）を演算している。界磁巻線の計測温度１５と界磁巻線の設計温度１６が加算器７ｃに入力され、両者の偏差から積分ゲイン演算部１４は積分ゲインを演算している。比例ゲイン演算部１３が出力した比例ゲインと積分ゲイン演算部１４が出力した積分ゲインは加算器７ｄに入力される。加算器７ｄの出力は加算器７ａに入力される。すなわち、加算器７ａと加算器７ｄは、ゲイン演算部１０が出力する比例ゲイン（第１比例ゲイン）、比例ゲイン演算部１３が出力する比例ゲイン（第２比例ゲイン）および積分ゲイン演算部１４が出力する積分ゲインの和と制御信号（７０Ｅ）との偏差を求めている。
【００２１】
次に本実施の形態の動作について説明する。図９は本実施の形態に係わる発電機の起動時における電圧応答を示している。本実施の形態によれば、基本制御ブロックに発電機の出力電圧（Ｖｇ）と励磁変圧器の二次電圧（Ｖａｃ）の偏差に比例する比例ゲインを追加することで、発電機の起動時における電圧の応答性を改善できる。さらに界磁巻線の設計温度と界磁巻線の計測温度の偏差に比例する積分ゲインを追加することで発電機の出力電圧の偏差を０に補償することが可能である。
【００２２】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１  発電機、２  界磁巻線、３  初期励磁回路、３ａ  界磁遮断器、４  サイリスタ、４ａ  界磁遮断器、５  励磁変圧器、６  電圧設定部、７ａ  加算器、７ｂ  加算器、７ｃ  加算器、７ｄ  加算器、８  点弧制御部、９  励磁装置、１０  ゲイン演算部、１１  発電機の出力電圧、１２  励磁変圧器の二次電圧、１３  比例ゲイン演算部、１４  積分ゲイン演算部、１５  界磁巻線の計測温度、１６  界磁巻線の設計温度、２０  スリップリング、３０  自動電圧調整装置、４０  系制御装置、１００  サイリスタ励磁方式発電機
【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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【図８】
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【図９】
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