(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置と、前記過電圧を検出して過電圧保護装置を動作させる制御手段とを備える可変速システムにおいて、
前記制御手段に前記遮断器の開閉を制御する遮断器制御手段を付加し、
前記制御手段は、所定時間内に予め定められた回数の過電圧が発生したときに遮断器を開く制御を行うことを特徴とする可変速システム。
【請求項２】
可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置と、前記過電圧を検出して過電圧保護装置を動作させる過電圧保護制御手段とを備える可変速システムにおいて、前記回転子と前記電力変換装置とを結ぶ二次回路で消費される電力量を検出する電力量検出手段と、
この電力量検出手段に接続され、前記電力量が所定時間内に一定値を超える場合に前記遮断器を開く制御を行う遮断器制御手段と、を備えることを特徴とする可変速システム。
【請求項３】
可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置とを備える可変速システムの過電圧保護装置の保護方法において、
所定時間内の前記過電圧の検出回数が予め定められた回数以下の場合、前記過電圧保護装置を作動させ、前記予め定められた回数を超えて前記過電圧を検出した際には前記遮断器を開いて前記誘導機を系統から解列させることを特徴とする可変速システムの過電圧保護装置の保護方法。
【請求項４】
可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置とを備える可変速システムの過電圧保護装置の保護方法において、
所定時間内に前記回転子に供給される電力量が予め定められた値以下の場合に前記過電圧保護装置を作動させ、前記所定時間内に前記回転子に前記予め定められた値を超える前記電力量が供給されたことを検出した際には前記遮断器を開いて前記誘導機を系統から解列させることを特徴とする可変速システムの過電圧保護装置の保護方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の可変速システムの過電圧保護装置の保護方法において、遮断器を開いた後一定時間が経過したときに、誘導機が可変速運転範囲内の回転速度で回転している場合、前記遮断器を再び閉じて前記誘導機を系列に再並列することを特徴とする可変速システムの過電圧保護装置の保護方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置を過電圧から保護するために過電圧保護装置を採用している可変速システムおよびその過電圧保護装置の保護方法に係り、特に系統故障時に発生する過電圧から過電圧保護装置を保護する可変速システムおよびその過電圧保護装置の保護方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の可変速システムを示す系統図である。なお、図４は可変速システムの中でも、特に水力・揚水発電所に用いられる発電電動機の場合を示している。
【０００３】
図４に示すように、発電電動機１は、固定子１ａおよび回転子１ｂから構成され、固定子１ａは遮断器５および相切替断路器６を介して系統４と接続されている。一方、発電電動機１の回転子１ｂには、電力変換装置２から二次回路８を介して可変周波数の励磁電流が供給され、これによって発電電動機１の回転子１ｂは可変速度で回転する。すなわち、発電電動機１は回転子（２次側巻線）１ｂを可変周波数の励磁電流によって励磁することで可変速度の運転を可能とした誘導機である（以下、可変速揚水発電などに用いられる巻線型交流励磁同期機も含めて誘導機という）。
【０００４】
また、この電力変換装置２と発電電動機１の回転子１ｂを結ぶ二次回路８には、過電圧保護装置３と、過電圧保護装置３の制御を行う制御手段としての過電圧保護制御装置９とが接続されている。そして、遮断器５は、その開閉によって発電電動機１が電力の入出力を行う系統４から発電電動機１を解列し、もしくは系統４に対して並列するために設けられており、相切替断路器６は、発電電動機１の回転方向を反転させるものである。
【０００５】
これらの構成によって、系統４に故障が発生すると、発電電動機１の固定子１ａの電圧が変化し、回転子１ｂに電圧を誘起させる。この回転子１ｂに誘起された電圧は二次回路８を介して電力変換装置２に印加されるものの、回転子１ｂに誘起される電圧が大きく、過電圧である場合、電力変換装置２が故障するおそれがある。このため、過電圧が生じた場合、この過電圧を過電圧保護制御装置９にて検知し、これによって過電圧保護制御装置９は、過電圧保護装置３を作動させる制御を行い電力変換装置２に印加する過電圧を抑制する。
【０００６】
このように図４の構成では系統４に故障が発生した場合でも、過電圧保護装置３が過電圧を抑制するため、発電電動機１を継続して運転させるように制御することができる。ここで、過電圧保護装置３は、経済性を考慮して過電圧抑制に必要な素子容量に若干の余裕を見込んで設計することが普通である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、系統４に数秒間といった短時間のうちに連続して故障が発生した場合、過電圧保護装置３内の素子が熱的な使用限界を超えてしまい、過電圧保護装置３が故障する可能性がある。
【０００８】
ところが、通常、このように系統４に短時間に連続して起きる故障についても過電圧から保護できるように過電圧保護装置３内の素子容量に十分な余裕を見込んで設計することは難しい。これは、系統４に短時間のうちに連続して故障が発生することは非常に稀であり、また、系統４のこういった故障を想定するとしても、想定し得るあらゆる状況で過電圧を抑制するために必要な素子の容量を決定することが非常に難しいためである。
【０００９】
なお、過電圧保護装置３の素子容量を、短時間内に数回の故障にも耐えられるだけの大きさに設計することは技術的に可能であるが、この場合、過電圧保護装置が非常に高価になってしまう上、想定した回数以上の故障が系統４において起きれば、同様にして過電圧保護装置３の素子が熱的に使用限界を超えて故障することになる。
【００１０】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、過電圧保護装置の素子容量を大きくすることなく、所定時間内に連続して発生する過電圧に対して過電圧保護装置を故障させることのない可変速システムおよびその過電圧保護装置の保護方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明に係る可変速システムでは、可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置と、前記過電圧を検出して過電圧保護装置を動作させる制御手段とを備える可変速システムにおいて、前記制御手段に前記遮断器の開閉を制御する遮断器制御手段を付加し、前記制御手段は、所定時間内に予め定められた回数の過電圧が発生したときに遮断器を開く制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項１記載の発明に係る可変速システムによれば、過電圧保護装置の制御手段に遮断器の開閉を制御する遮断器制御手段を付加し、所定時間内に予め定められた回数の過電圧が発生したときに遮断器を開く制御を行うことにより、連続して発生する可能性のある過電圧から電力変換装置および過電圧保護装置を保護することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明に係る可変速システムでは、可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置と、前記過電圧を検出して過電圧保護装置を動作させる過電圧保護制御手段とを備える可変速システムにおいて、前記回転子と前記電力変換装置とを結ぶ二次回路で消費される電力量を検出する電力量検出手段と、この電力量検出手段に接続され、前記電力量が所定時間内に一定値を超える場合に前記遮断器を開く制御を行う遮断器制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の発明に係る可変速システムによれば、誘導機の回転子に誘起された過電圧に伴って発生する電力量を検出し、この検出結果に基づいて遮断器を開操作するため、短時間内に連続して過電圧が発生する場合でも過電圧保護装置内の素子の故障を防ぐことができる。
【００２１】
請求項３記載の発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法では、可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置とを備える可変速システムの過電圧保護装置の保護方法において、所定時間内の前記過電圧の検出回数が予め定められた回数以下の場合、前記過電圧保護装置を作動させ、前記予め定められた回数を超えて前記過電圧を検出した際には前記遮断器を開いて前記誘導機を系統から解列させることを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法によれば、所定時間内の過電圧の検出回数が予め定められた回数以下の場合、過電圧保護装置を作動させ、予め定められた回数を超えて過電圧を検出した際には遮断器を開いて誘導機を系統から解列させることにより、連続して発生する可能性のある系統故障による過電圧から電力変換装置および過電圧保護装置を保護することができる。
【００２５】
請求項４記載の発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法では、可変速度で回転子を回転させることが可能な誘導機と、この誘導機を系統に並列させ、もしくは前記系統から解列させる遮断器と、前記誘導機の前記回転子に可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置と、前記回転子に誘起される過電圧から前記電力変換装置を保護するための過電圧保護装置とを備える可変速システムの過電圧保護装置の保護方法において、所定時間内に前記回転子に供給される電力量が予め定められた値以下の場合に前記過電圧保護装置を作動させ、前記所定時間内に前記回転子に前記予め定められた値を超える前記電力量が供給されたことを検出した際には前記遮断器を開いて前記誘導機を系統から解列させることを特徴とする。
【００２６】
請求項４記載の発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法によれば、所定時間内に回転子に供給される電力量が予め定められた値以下の場合に過電圧保護装置を作動させ、所定時間内に回転子に予め定められた値を超える電力量が供給されたことを検出した際には、遮断器を開いて誘導機を系統から解列させることにより、電力変換装置および過電圧保護装置を保護することができる。
【００２７】
請求項５記載の発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法では、請求項３または４に記載の可変速システムの過電圧保護装置の保護方法において、遮断器を開いた後一定時間が経過したときに、誘導機が可変速運転範囲内の回転速度で回転している場合、前記遮断器を再び閉じて前記誘導機を系列に再並列することを特徴とする。
【００２８】
請求項５記載の発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法によれば、遮断器を開いた後一定時間が経過したときに、誘導機が可変速運転範囲内の回転速度で回転している場合、遮断器を再び閉じて誘導機を系列に再並列することにより、誘導機を停止させることなく、運転を継続することができる。
【００２９】
したがって、請求項３ないし５によれば、遮断器が開いて誘導機を系統から解列させたり、あるいは可変速運転範囲であれば、継続して運転することができるため、系統のニーズに合致した誘導機の運転を実現することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
［第１実施形態］
図１は本発明に係る可変速システムの第１実施形態を示す系統図である。なお、従来の構成と同一の部分には同一の符号を付して説明する。その他の実施形態も同様である。また、図３は本発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法の各実施形態における動作順序を示すフローチャートである。
【００３２】
図１において、誘導機７は、固定子７ａおよび回転子７ｂから構成され、この回転子７ｂには電力変換装置２から可変周波数の励磁電流が供給され、これによって誘導機７の回転子７ｂは可変速度で回転することが可能に構成されている。そして、電力変換装置２と誘導機７の回転子７ｂとを接続する二次回路８には、誘導機７の回転子７ｂに誘起される過電圧から電力変換装置２を保護する過電圧保護装置３と、この過電圧保護装置３を制御する制御手段として過電圧保護制御装置９とが接続されている。ここで、系統４と誘導機７との間に設けられた遮断器５は、その開閉によって誘導機７を系統４から解列し、もしくは系統４に対して並列するものであり、相切替断路器６は誘導機７の回転方向を反転させるものである。
【００３３】
そして本実施形態においては、過電圧保護制御装置９は、過電圧保護装置３を制御するとともに、遮断器５の開閉を制御する。すなわち、過電圧保護制御装置９には、過電圧保護装置３の制御手段に遮断器５の開閉を制御する遮断器制御手段が付加された構成となっている。さらに、誘導機７には回転速度検出器１０が設けられ、この回転速度検出器１０は誘導機７の回転子７ｂの回転速度を検出する。
【００３４】
次に、本実施形態の作用を図１および図３に基づいて説明する。
【００３５】
系統４において、連続的に系統４が故障し、誘導機７の固定子７ａに作用する電圧が大きく変化すると回転子７ｂに過電圧が誘起される。過電圧保護制御装置９は二次回路８を介してこの過電圧を検出するが、この過電圧の検出が１回目である場合、過電圧保護制御装置９は、過電圧保護装置３を作動させる。
【００３６】
そして、過電圧保護制御装置９が１回目の過電圧の検出から所定時間である数秒間（以下、短時間という）に２回目の過電圧を検出した場合、過電圧保護制御装置９は、遮断器５を開いて誘導機７を系統４から解列する制御を行う。このようにすると、短時間内に２回目の系統故障が発生した場合でも系統故障による過電圧を遮断し、電力変換装置２および過電圧保護装置３の故障を防ぐことができる。
【００３７】
ここで、過電圧保護制御装置９は、図示しないタイマを備え、このタイマが１回目の系統故障を検知したことをトリガーとして動作する構成とすることで、短時間内に発生する２回目の過電圧を確実に捉えることができる。
【００３８】
また、本実施形態においては、２回目の系統故障に伴う過電圧によって過電圧保護制御装置９が遮断器５を開く制御を行うようにしたが、過電圧保護装置３内の図示しない素子の容量によって、系統故障に伴う過電圧を数回検知した後に過電圧保護制御装置９が遮断器５を開く制御を行うようにしてもよい。
【００３９】
さらに、これまで述べた第１実施形態では、過電圧保護制御装置９によって過電圧保護装置３と遮断器５の制御を行う構成としたが、過電圧保護装置３の制御手段に遮断器５の開閉を制御する遮断器制御手段が付加されていればよいため、過電圧保護装置３の制御手段としての過電圧保護制御装置９と、過電圧保護制御装置９に接続され、遮断器５の開閉を制御する遮断器制御装置を別々に設ける構成としても全く同様の効果が得られる。
【００４０】
また、本実施形態の変形例として、図３に示すように系統故障が発生した場合、過電圧保護制御装置９がそれを検知して遮断器５を開き、誘導機７を系統から解列するように制御してもよい。
【００４１】
このようにすることで、連続して発生する可能性のある系統故障による過電圧から電力変換装置２および過電圧保護装置３を保護することができる。さらに、この場合に、過電圧保護制御装置９が系統故障による過電圧を検出した際に、まず過電圧保護装置３を作動させ、その後過電圧保護装置３内の図示しない素子容量に基づいて予め定められた時間を経過した時点、つまり過電圧が予め定められた時間継続したときでも過電圧保護装置３が作動中である場合、遮断器５を開操作するような制御を行うことも可能である。このようにすることによって、系統４に連続して故障が発生した場合でも、電力変換装置２および過電圧保護装置３を保護することができる。
【００４２】
このように本実施形態および変形例によれば、過電圧保護装置３が短時間内に連続して発生する過電圧によって使用限界を超える前に、遮断器５を開くように過電圧保護制御装置９で制御することにより、過電圧保護装置３に印加する過電圧を遮断することができるため、極度に発生することのない連続系統故障による過電圧から過電圧保護装置３を保護することができる。
【００４３】
これにより、所定時間内に連続して発生する過電圧に耐える容量を過電圧保護装置３に持たせることなく、また所定時間内に連続して発生する過電圧に対して過電圧保護装置３を故障させることがなくなる。
【００４４】
［第２実施形態］
図２は本発明に係る可変速システムの第２実施形態を示す系統図である。
【００４５】
本実施形態においても、第１実施形態同様、二次回路８には過電圧保護装置３および過電圧保護制御装置９が接続されているが、これら以外に二次回路８には、電力計１１が接続されている。そして、電力計１１で検出した信号が遮断器制御装置１２に入力されるように、電力計１１は遮断器制御装置１２に接続されている。そして、遮断器制御装置１２は遮断器５に接続されており、遮断器５の開閉を制御する構成となっている。
【００４６】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００４７】
図３に示すように、本実施形態においては、二次回路８で消費する電力量が短時間内に規定値を超えた場合に遮断器５を開くものである。すなわち、系統４において発生した系統故障により誘導機７の回転子７ｂに過電圧が誘起されるとともに、過電圧保護制御装置９はこれを検知して、電力変換装置２を過電圧から保護するように過電圧保護装置３を作動させる。このとき、二次回路８には過電圧の発生に伴って通常より過剰な電力が発生する。
【００４８】
そして、遮断器制御装置１２は、二次回路８に接続された電力計１１により検出された電力を時間積分するなどして、短時間内に二次回路８で消費される電力量を求め、この短時間内の電力量がある一定の値を超えた場合、これを検出して遮断器５を開き、誘導機７を系統から解列する制御を行う。
【００４９】
すなわち、電力計１１と遮断器制御装置１２は、二次回路８に短時間内にある一定の電力量が流れたことを検出する電力量検出手段としての機能と、検出した電力量があるしきい値を超えた場合、遮断器５を開く遮断器制御手段としての機能を持つ。この場合、遮断器５を開く基準となる電力量のしきい値は、過電圧保護装置３内に設けられた図示しない素子の容量に基づいて決定するとよい。
【００５０】
このように本実施形態は、二次回路８で短時間内に規定の電力量が消費されたことを検出して遮断器５を開くので、電力変換装置２および過電圧保護装置３を保護することができる。
【００５１】
すなわち、通常、過電圧保護装置３は誘導機７の回転子７ｂに誘起された過電圧を、図示しない素子の消費電力として熱に変換して過電圧分を打ち消すよう構成されているため、短時間内に連続して過電圧が発生すると、素子の発熱量が大きくなり故障することとなるが、本実施形態では、誘導機７の回転子７ｂに誘起された過電圧に伴って二次回路８に発生する電力量を検出し、この電力量がしきい値を超えた場合に遮断器５を開操作するため、短時間内に連続して過電圧が発生する場合でも過電圧保護装置３内の図示しない素子の故障を防ぐことができる。
【００５２】
ここで、本実施形態では二次回路８に電力計１１を設け、この検出量を基に遮断器制御装置１２にて短時間内の電力量を求めるような構成としたが、電力計１１の代わりに、電力量検出手段としてのタイマ付き電力量計を二次回路８に設置してもよく、この場合、遮断器制御装置１２はタイマ付き電力量計で検出された短時間内の電力量の値によって遮断器５の開閉を制御する構成とすればよい。
【００５３】
また、本実施形態では、過電圧保護制御装置９は過電圧保護装置３の動作制御のみに用いられ、遮断器制御装置１２が遮断器５の開閉制御を行うように構成されているが、遮断器制御装置１２の機能を過電圧保護制御装置９内に設けて過電圧保護制御装置９から遮断器５の開閉を制御する構成としてもよい。この場合、二次回路８に接続された電力計１１、もしくはタイマ付き電力量計の検出値が過電圧保護制御装置９に入力される構成となる。
【００５４】
また、後述する実施形態のように遮断器５を開いた後、主機である誘導機７を停止させたり、過電圧保護装置３が再度使用可能状態になるのを待って遮断器５を閉じ、再並列し運転継続させる制御を行うことができる。
【００５５】
［第３実施形態］
第３実施形態は、図３に示すように前記第１および第２実施形態において、過電圧保護装置３を保護するために遮断器５を開いた後、誘導機７を停止させるようにしている。
【００５６】
［第４実施形態］
第４実施形態は、図３に示すように前記第１および第２実施形態において、過電圧保護装置３を保護するために遮断器５を開いた後、過電圧保護装置３が使用可能状態になるのを待つ。そして、再使用可能状態になった時、回転速度検出器１０で検出した誘導機７の回転速度が可変速運転範囲内であれば、遮断器５を閉じ系統４と再並列することで、運転を継続することが可能となる。
【００５７】
また、再使用可能状態になった時、誘導機７の回転速度が可変速運転範囲外であれば、前記第３実施形態と同様に誘導機７を停止させる。
【００５８】
したがって、第３および第４実施形態では、連続系統故障から過電圧保護装置３を保護するために遮断器５を開いた場合、主機である誘導機７を停止することができ、また過電圧保護装置３が再度使用可能状態になるのを待った後、誘導機７が可変速運転範囲内の回転速度であれば、遮断器５を閉じ再並列することによって、主機を停止させることなく継続運転することもできる。
【００５９】
このように第３および第４実施形態によれば、遮断器５が開いた後、主機である誘導機７を停止させたり、あるいは可変速運転範囲であれば、継続して運転することができるため、前記第１および第２実施形態の制御方法と組み合わせて制御することにより、系統のニーズにあった誘導機７の運転を実現することができる。
【００６０】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、上記各実施形態では主機として誘導機を用いたが、その他の発電電動機またはフライホィール発電機を用いてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、系統の故障が所定時間の内に２回以上連続して発生するという極度に発生しないケースに備えてそれに耐えるだけの容量を過電圧保護装置に持たせることなく、所定時間内に連続して発生する過電圧から過電圧保護装置を保護する制御が可能となる。
【００６２】
また、所定時間内に連続して発生する過電圧から過電圧保護装置を保護した後、系統ニーズによって誘導機を停止させたり、誘導機が可変速運転範囲であれば継続して運転させたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変速システムの第１実施形態を示す系統図。
【図２】本発明に係る可変速システムの第２実施形態を示す系統図。
【図３】本発明に係る可変速システムの過電圧保護装置の保護方法の各実施形態おける動作順序を示すフローチャート。
【図４】従来の可変速システムを示す系統図。
【符号の説明】
１  発電電動機
２  電力変換装置
３  過電圧保護装置
４  系統
５  遮断器
６  相切替断路器
７  誘導機
８  二次回路
９  過電圧保護制御装置
１０  回転速度検出器
１１  電力計
１２  遮断器制御装置
【図１】
0004143269.tif 000002
【図２】
0004143269.tif 000003
【図３】
0004143269.tif 000004
【図４】
0004143269.tif 000005