JP4422471B2 - 発電機用制御装置及び誘導型発電機の始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導型発電機の始動技術に関する。

本発明に関連した従来技術としては、例えば特開平１１−４１９８６号公報（特許文献１）に記載されたものがある。該公報には、誘導電動機を備えた複数のドライブをだ行状態から再起動する場合に、不必要な過電流やトルクの発生を防ぐ技術として、一方のドライブ中の誘導電動機につきモータ周波数を推定し、これに基づき該複数の各ドライブ中のインバータを制御して該誘導電動機のモータ磁束を立ち上がらせるとした技術が記載されている。上記モータ周波数の推定にあたっては、誘導電動機に供給される相電流を検出し、該検出結果に基づき演算した該相電流の大きさをゼロまたは最小にするインバータ周波数を該誘導電動機のモータ周波数（回転周波数）と推定する。

特開平１１−４１９８６号公報

例えば上記公報記載の従来技術は、誘導電動機の再起動を行うための技術であって、誘導型発電機を起動（始動）する技術ではない。また、該従来技術を誘導型発電機の始動に用いるとした場合において、相電流の大きさがゼロまたは最小となるインバータ周波数を求めるとき、インバータ周波数を、誘導電動機のだ行時の回転周波数よりも低い周波数値から増大させて上記相電流の大きさがゼロまたは最小となるインバータ周波数値を求めることも想定されるが、該場合には、該起動準備期間の相電流が高レベルとなってしまうおそれがある。また、本従来技術では、相電流を検出値に基づき演算するための演算手段が必要となる。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、誘導型発電機の始動時の制御技術として、誘導型発電機の回転子がタービン等の外力で回転しているとき、誘導型発電機の固定子に過大な電流が流れないようにすることである。
本発明の目的は、上記課題点を解決し、誘導型発電機を安全に始動することができる制御技術の提供にある。

上記課題点を解決するために、本発明では、誘導型発電機の始動時に、制御用コンピュータによりインバータを制御して、該インバータから該誘導型発電機側に出力される回転磁界発生用交流電力の出力電圧値と周波数値を制御し、該出力電圧値を定常時よりも下げた状態で該周波数値を減少させることにより該交流電力の電流が略最小（最小を含む）となる周波数を求め、該求めた周波数位置を起点にして上記誘導型発電機に発電動作を開始させる構成とする。

本発明によれば、誘導型発電機における安全な始動が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明の実施形態の説明図である。図１は、本発明の実施形態としての発電機用制御装置の構成図、図２は、図１の発電機用制御装置と誘導型発電機との間で授受される電流の特性例図、図３は、図１の発電機用制御装置の動作説明図、図４は、図１の発電機用制御装置と誘導型発電機との間で授受される電流の、図２と異なる条件下での特性例図である。

図１において、１００は、誘導型発電機を制御するための発電機用制御装置、１０１は制御用コンピュータ、１０２は制御部、１０３は誘導型発電機、１０４は、発電のために誘導型発電機１０３の回転子（誘導型回転子）を回転駆動する水車用タービン、１０５は交流電源系、１０６は、発電機用制御装置１００と誘導型発電機１０３との間で授受される電流を検出する電流検出手段としての電流検出部、１２１は、誘導型発電機１０３の固定子コイル（図示なし）に回転磁界発生用交流電力を供給するとともに、該誘導型発電機１０３の回転子（図示なし）の回転により該固定子コイルに発生した交流電力を直流電力に変換して出力する第１のインバータ、１２２は、直流電力を平滑化する平滑化手段としての平滑用コンデンサ、１２３は、平滑化された直流電力を交流電力に変換し回生電力として交流電源系１０５側に出力する第２のインバータである。発電機用制御装置１００は、誘導型発電機を励磁して発電させ回生電力を得る。制御用コンピュータ１０１は、制御部１０２を制御する。誘導型発電機１０３の始動時には、該制御用コンピュータ１０１は制御部１０２内の第１のインバータ１２１を制御し、該第１のインバータ１２１から該誘導型発電機の固定子コイルに供給される回転磁界発生用交流電力の周波数値及び電圧値を制御する。該周波数値及び電圧値は、該制御用コンピュータ１０１により設定される。

上記構成において、誘導型発電機１０３の始動時には、該誘導型発電機１０３の回転子が水車用タービン１０４によって回転駆動されている状態で、制御用コンピュータ１０１が、第１のインバータ１２１を制御しその回転磁界発生用交流電力の周波数値及び電圧値を制御する。すなわち、該電圧値を定常時よりも下げた状態で該周波数値を次第に減少させ、上記回転磁界発生用交流電力の電流を含む上記第１のインバータ１２１と上記誘導型発電機１０３との間の通電電流が略最小（最小を含む）となる周波数位置を求める。この時、制御用コンピュータ１０１は、上記定常時よりも下げた電圧値と上記次第に減少させる周波数値との比を略一定に保つようにしてもよいし、または、上記定常時よりも下げた電圧値を、周波数値の変化によらずに一定に保つようにしてもよい。制御用コンピュータ１０１は、制御部１０２に対し、上記通電電流が略最小となる周波数位置を起点として発電動作を開始させる。すなわち、制御用コンピュータ１０１は、第１のインバータ１２１を制御し、該第１のインバータ１２１から出力される回転磁界発生用交流電力の周波数値はさらに下げ、電圧値は定常時の値に上げて、誘導型発電機１０３からの交流発電電力を受電させる。

上記誘導型発電機１０３の始動後は、該誘導型発電機１０３からの交流発電電力は、第１のインバータ１２１で直流電力に変換された後、平滑用コンデンサ１２２で平滑化され、第２のインバータ１２３で交流電力に変換されて回生電力として交流電源系１０５側に供給される。

図２は、上記図１の発電機用制御装置１００と誘導型発電機１０３との間で授受される電流の特性例図である。本特性は、電圧と周波数との比を略一定に保つ場合である。本図２以下、説明中で用いる図１の構成要素には該図１の場合と同じ符号を用いるとする。

図２において、Ａは、誘導型発電機１０３の固定子コイルに供給する回転磁界発生用交流電力の電圧値Ｖ_１と周波数値ｆとの比が一定（一定値ｃ_１）の場合すなわちＶ_１／ｆ＝ｃ_１の場合の電流特性、Ｂは、回転磁界発生用交流電力の電圧値Ｖ_２（＜Ｖ_１）と周波数値ｆとの比が一定（一定値ｃ_２（＜ｃ_１））の場合すなわちＶ_２／ｆ＝ｃ_２の場合の電流特性、（イ）は、誘導型発電機１０３が発電機として動作する領域（以下、発電機動作領域という）、（ロ）は、同誘導型発電機１０３が電動機として動作する領域（以下、電動機動作領域という）、ｆ_０は、誘導型発電機１０３の回転子の回転周波数である。該誘導型発電機１０３の始動時、第１のインバータ１２１から該誘導型発電機１０３に供給される回転磁界発生用交流電力の周波数ｆを、上記電動機動作領域（ロ）において、予め設定してある周波数（以下、設定周波数という）ｆ_ｍａｘから上記電流特性Ｂに従って次第に下げる。該回転磁界発生用交流電力の周波数値を次第に下げるとき電流検出部１０６で電流値を検出し、該電流値が略最小となる周波数（以下、電流最小周波数という）を求める。以降、発電機動作領域の動作に移行し、発電機動作を開始する。該電流最小周波数が、誘導型発電機１０３の回転子が水車用タービン１０４で回転駆動される回転周波数ｆ_０である。

図３は、図１の発電機用制御装置１００の始動時の動作説明図である。
図３において、
（１）制御用コンピュータ１０１の指示により始動準備動作を開始する（ステップＳ３０１）。このとき、誘導型発電機１０３の回転子は水車用タービン１０４による外力で回転駆動されているものとする。
（２）制御用コンピュータ１０１は、第１のインバータ１２１から誘導型発電機１０３に供給する回転磁界発生用交流電力の周波数ｆを、電動機動作領域において設定周波数ｆ_ｍａｘに設定する（ステップＳ３０２）。該設定周波数ｆ_ｍａｘは予めメモリ等に記憶したものを読み出してもよい。
（３）制御用コンピュータ１０１は、第１のインバータ１２１を制御し、誘導型発電機１０３に供給する回転磁界発生用交流電力の電圧Ｖを、定常時よりも下げた値であってかつ周波数ｆとの比が一定となるＶ_２とする（ステップＳ３０３）。
（４）上記周波数ｆを減少させながら、図２の電流特性ＢすなわちＶ_２／ｆ＝ｃ_２（一定）に従って、電圧Ｖ_２を誘導型発電機１０３の固定子コイルに印加する（ステップＳ３０４）。
（５）回転磁界発生用交流電力の電流ｉの絶対値を電流検出部１０６で検出する（ステップＳ３０５）。
（６）制御用コンピュータ１０１は、上記検出した電流ｉの絶対値を、検出動作の中で前回検出した電流の絶対値と比較し、今回の検出電流の絶対値が前回の検出電流の絶対値に対し増加しているか否かを判別する（ステップＳ３０６）。
（７）上記判別の結果、上記今回の検出電流ｉの絶対値が、前回の検出電流の絶対値に対し増加している場合は、既に周波数ｆが、誘導型発電機１０３の回転子の回転周波数ｆ_０すなわち電流最小周波数を超えて減少しているとして、制御用コンピュータ１０１は、その時の周波数ｆに超過減少周波数分△ｆを加算して電流最小周波数を求める（ステップＳ３０８）。
（８）上記求めた電流最小周波数において、制御用コンピュータ１０１は、第１のインバータ１２１を制御し、誘導型発電機１０３に供給する回転磁界発生用交流電力の電圧Ｖを上げる（ステップＳ３０９）。
（９）誘導型発電機１０３の始動準備を終了する（ステップＳ３１０）。以降、上記求めた電流最小周波数を起点に発電機動作領域での発電機動作を開始する。
（１０）上記ステップＳ３０６における判別の結果、検出電流ｉの絶対値が前回の検出電流の絶対値に対し増加していない場合は、回転磁界発生用交流電力の電流は減少途上にあり、周波数ｆはまだ電流最小周波数（誘導型発電機１０３の回転子の回転周波数ｆ_０）に達していないとして、制御用コンピュータ１０１は、第１のインバータ１２１を制御し、回転磁界発生用交流電力の周波数ｆをさらに△ｆだけ減少させ、上記ステップＳ３０３の動作に戻る（ステップＳ３０７）。

上記本発明の実施形態によれば、誘導型発電機１０３の始動時に、固定子コイルに供給される回転磁界発生用交流電力の電圧を下げ、かつその周波数ｆを該誘導型発電機１０３の回転子の回転周波数ｆ_０よりも高い周波数から徐々に減少させることにより、電流最小周波数（＝誘導型発電機１０３の回転子の回転周波数ｆ_０）を求める構成のため、誘導型発電機１０３の固定子に過大な電流が流れないようすることができ、該誘導型発電機１０３の安全な始動が可能となる。

なお、上記の説明では図２の電流と周波数の関係を用いた。これは回転磁界発生用交流電力の電圧と周波数が比例の関係にあるときのものである。しかし、必ずしも周波数と電圧とを比例の関係に保つ必要はない。例えば、図４は、電圧を周波数によらずにある一定値に保った場合の電流と周波数の関係を示している。図５は、電圧Ｖを周波数の２乗に比例させた場合の電流と周波数の関係を示している。図４及び図５はそれぞれＣ、Ｄが電流特性である。また、（イ）が発電機動作領域で、（ロ）が電動機動作領域、ｆ_０は誘導型発電機１０３の回転子の回転周波数、ｆ_ｍａｘは設定周波数である。このように電圧を十分低い値に抑えておけば、電圧と周波数は任意の関係でよい。

また、電流の最小値を与える周波数の検出方法について、例えば、図３の方法では、検出した電流の大小比較によって略最小を与える周波数の判断を行った。しかしながら、これに限定されるものではなく、他の方法を用いてもよい。例えば周波数の変化に対する電流変化の割合△ｉ／△ｆの値を利用してもよい。すなわち、（ロ）の領域では△ｉ／△ｆは正あるいはほぼ０に近い値であるが（ロ）の領域を超えて（イ）の領域に入ると負の値に変化する。すなわち、△ｉ／△ｆがある値以下になったことをもって電流が略最小値となる周波数であると判断することができる。

また、上記図３の例では、周波数を設定周波数ｆ_ｍａｘから△ｆずつ低い方向へ走査して行き、電流が略最小となる周波数を検出した。しかし、これに限定されるものではなく、他の一般的な方法であってもよい。例えば、ニュートン・ラプソン法などを用いれば、より速やかな周波数の検出が行える。例えば、図５の電流と周波数の関係においてこのニュートン・ラプソン法を用いると、ｆ_ｍａｘを初期値として与えることによってｆ_０以下の周波数を試行することなく、電流が略最小となる周波数を検出することができる。

本発明の実施形態としての発電機用制御装置の構成図である。 図１の発電機用制御装置と誘導型発電機との間の電流の特性例図である。 図１の発電機用制御装置の動作説明図である。 図１の発電機用制御装置と誘導型発電機との間の電流の、他の特性例図である。 図１の発電機用制御装置と誘導型発電機との間の電流の、他の特性例図である。

符号の説明

１００…発電機用制御装置、
１０１…制御用コンピュータ、
１０２…制御部、
１０３…誘導型発電機、
１０４…水車用タービン、
１０５…交流電源系、
１０６…電流検出部、
１２１…第１のインバータ、
１２２…平滑用コンデンサ、
１２３…第２のインバータ。

Claims (5)

1. 誘導型発電機を励磁して発電させ回生電力として交流電源系側に供給する発電機用制御装置であって、
   外力により上記誘導型発電機の回転子が回転駆動されている状態で該誘導型発電機の固定子コイルに回転磁界発生用交流電力を供給するとともに、該回転子の回転により該固定子コイルに発生した交流電力を該誘導型発電機から受電して直流電力に変換し再び交流電力に変換し該交流電力を回生電力として上記交流電源系側に出力するインバータと、
   上記インバータを制御し、該インバータから上記誘導型発電機側に出力される上記回転磁界発生用交流電力の周波数値及び電圧値を制御する制御用コンピュータと、
   を備え、
   上記誘導型発電機の始動時に、上記制御用コンピュータが、上記インバータから出力される上記回転磁界発生用交流電力の出力電圧値及び周波数値を制御し、該出力電圧値を定常時よりも下げた状態で該周波数値を減少させ、上記インバータから上記誘導型発電機に通電される電流が略最小となる周波数を求める構成としたことを特徴とする発電機用制御装置。
2. 誘導型発電機を励磁して発電させ回生電力として交流電源系側に供給する発電機用制御装置であって、
   外力により上記誘導型発電機の回転子が回転駆動されている状態で該誘導型発電機の固定子コイルに回転磁界発生用交流電力を供給するとともに、該回転子の回転により該固定子コイルに発生した交流電力を直流電力に変換し出力する第１のインバータと、
   上記直流電力を平滑化する平滑化手段と、
   上記平滑化された直流電力を交流電力に変換し該交流電力を回生電力として上記交流電源系側に出力する第２のインバータと、
   上記第１のインバータと上記誘導型発電機との間の通電電流を検出する電流検出手段と、
   予め設定されたプログラムに基づき上記第１のインバータを制御し、該第１のインバータから上記誘導型発電機側に出力される上記回転磁界発生用交流電力の周波数値及び電圧値を制御する制御用コンピュータと、
   を備え、
   上記誘導型発電機の始動時に、上記制御用コンピュータが、上記第１のインバータから出力される上記回転磁界発生用交流電力の出力電圧値及び周波数値を制御し、該出力電圧値を定常時よりも下げた状態で該周波数値を減少させ上記電流検出手段で検出される上記通電電流の電流レベルが略最小となる周波数値を求め、該求めた周波数値において上記出力電圧値を上げる構成としたことを特徴とする発電機用制御装置。
3. 上記制御用コンピュータは、上記回転磁界発生用交流電力の周波数を減少させるとき、該回転磁界発生用交流電力の出力電圧値と周波数値の比が略一定となるように上記第１のインバータを制御する請求項２に記載の発電機用制御装置。
4. 制御用コンピュータによりインバータを制御し、該インバータから誘導型発電機に供給される回転磁界発生用交流電力を制御する誘導型発電機の始動方法であって、
   上記制御用コンピュータが、上記インバータから出力される回転磁界発生用交流電力の出力電圧値を定常時よりも下げた状態で該回転磁界発生用交流電力の周波数値を減少させる第１のステップと、
   上記制御用コンピュータが、上記回転磁界発生用交流電力の電流のレベルが略最小となる周波数値を求める第２のステップと、
   上記制御用コンピュータが、上記回転磁界発生用交流電力の出力電圧値を上げるとともに周波数値をさらに減少させる第３のステップと、
   を備えたことを特徴とする誘導型発電機の始動方法。
5. 上記第１のステップでは、上記回転磁界発生用交流電力における出力電圧値と周波数値の比が略一定とされる請求項４に記載の誘導型発電機の始動方法。

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