JPS58107099A - 同期機の励磁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本命明社同期機の励磁装置に関する。

発明の技術的背景 近年、エネルギー資源の確保が非常に厳しい状況下にお
いて、安定したエネルギーの確保および供給をいかに行
うかは各国共通の重要なｗｊ１題である・また、近年の
同期発電機（以下、発電機と略す）の容量はますます大
容量化の軸向にあり、安定したエネルギー供給のために
個々の発電機の重要性も増して来ている。一方、いかに
エネルギーを確保するかという点では、水力資源の有効
利用という点から小規模の水力資源を利用する小容量水
車発電機を積極的にかつ有効に活用し、エネルギー不足
を補おうとする動きが脚光を浴びて来ている、小容量水
車発電機の運用に際しては、必要最小限の機器構成によ
る簡素で安定した連続運転が行えるシステムが要求され
ている。これは、上記小容量水車発電機の励磁装置に対
しても同様である・ 従来の小容量水車発電機に適用されている励磁装置の一
例を第１図に示す。

第１図に示す励磁装置は一般にサイリスタ励磁装置と呼
ばれているもので、発電機１の励磁電源として発電源と
して発電機ｌの端子電圧を変圧器２を介してサイリスタ
整流器（以下、サイリスタと略す）３へ印加し、サイリ
スタ３にて制御整流して界磁巻［４へ励磁全供給してい
る。

発電機１の端子電圧は電圧変成器５を介し、自動電圧調
整Ｍ（以下、ＡＶＲと略す）６に取り入れられ、ＡＶＲ
６の制御出力信号ｆ　ｚ４ルス発生器７へ与える。パル
ス発生［７はノタルス信号に変換しその出力ｔｒ−）ノ
中ルス信号としてサイリスタ３へ与え、界磁巻線４へ供
給する励磁量を制御し、発電機１の端子電圧を常に一定
に制御するよう動作する。

発電機１はしゃ断器８、主変圧器９を介し、電力系統母
Ｉｓ（以下、系統と略す）１０に接続される働系統１０
の系統容量にもよるが一般に系統容量に対する発電機１
の容量は小容量機でもあることからはに無視できる程小
さい、また、系統１０と発電機１の端子間のインピーダ
ンスは一般に発電機１の容量ペースで約１０−前後であ
り、系統１０の容量ベースで見るとほぼ零に近く無視し
てさしつかえない程小さい値となる。

上記構成で、発電機端子電圧をＶ。、系統側の電圧をＶ
、％発電機端子と系統間のりアクタンスｔ−Ｘとすると
、発電機無効電流■９は大略式（１）で表わされる。

ＪＶＧ　　ＶＬＩ Ｉｑ−・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
１）従って、系統１０にわずかの電圧変動が生じた場合
でも、ＡＶＲ６で発電機１の端子電圧を一定に制御しよ
うとすると、発電機ＩＫ非常に大きな無効電流が流入あ
るいは流出することとなり、発電機１の許容運転領域を
容易に越えてし１結果とな９、運転を継続することが不
可能となる。運転を継続して行うには、系統１０の電圧
変動に合せ、発電機端子電圧ｔ　ＡＶＲ６で調整するか
、あるーは、ｍ＠装置１２　ｔ　ＡＶＲ６に付加する方
法が考えられる。

背景技術の問題点 発電機端子電圧をＡＶＲ６で調整する場合、運転員がそ
の都度ＡＶＲ６の電圧設定器を操作し、調整を行う方法
がまず考えられる。しかし、一般的に小規模発電の場合
は、無人発電所が殆どであること、また有人発電所の場
合であっても常に発電機電圧を監視し、常時電圧設定器
全操作、＊Ｕｔ−行い許容運転領域内の運転継続するこ
−とは非常に困−であり、実際には不可能に近い。他の
方法としては、発電機端子電圧Ｖａｔ一定に制御するの
ではなく、発電機１の無効電力を電圧変成器５および電
流画成器１１を介して検出し、無効電力調整器１３を用
いて無効電カ一定制御を行うことが考えられる。無効電
カ一定、制御としては、次の２つの方式が行われている
。一つの方式は、無効電力調整器１３の出力でサイリス
タ３を制御し、発電機１の無効電カ一定制御するもので
ある。この方式によれば、発電機１は許容運転領域内の
運転は可能である。しかし、発電機１の無効電力を一定
に調整する結果と゛して端子電圧は変動し、安定度を損
い制御として社好ましくな−０また、この方式は過去に
用ψられていたものであるが、安定度を損う欠点がある
ため現在は次の方式が一般に適用されている。即ち、無
効電力調整Ｗ１３の出力ｔＩ中ルス信号で取抄出し、こ
のノ母ルス信号で電動機を駆動し、ＡＶＲ６の電圧設定
器の設定値を調整する。　ＡＶＲ６は設定値が調整され
れば、その設定値と等しくなるよう発電機１の端子電圧
を制御する。

その結果、発電機１の無効電力が変化する。この方式に
よる無効電カ一定制御であれは、無効電力の制御はゆっ
くり行われ、安定度を損う心配はない、しかし、系統１
０の変動による無効電力の変化に対する追従性が遅いた
め、無効電力調整器１３の設定値に制御される間に場合
によっては発電機ＩＦｉ許容運転を越えた運転となるお
それがある。従りて、無効電カ一定制御の方法だけでは
、発電機１を安定にかつ許容運転領域内で連続運転する
ことは不可能な場合が殆どである。

一方、制限装置１２　′ｆ：ＡＶＲ６に付加する場合は
、制限装置１１２は発電機１が許容運転領域を越えての
運転状態に至った場合に、ＡＶＲ６に対し制限信号を与
え、許容運転領域を越えないよう制限運転を行わせるも
のである。この方法によれば、発電機１を安定にかつ許
容運転領域内で運転することは可能であるが、制限運転
中の発電機１の端子電圧は当然ＡＶＲ６の設定値と等し
くはならない。不接蓋機の目的は前述の如く、エネルギ
ー確保即ち系統１０への有効電力の供給が第１の目的で
あり、従って、励磁装置に対しては電圧一定制御または
無効電カ一定制御による高精度、高速応変の要求より、
むしろ系統の電圧変動に対し、発電機１が許容運転領域
を越えることなく、安定した連続運転が自動的にかつ簡
素に行えることが要求される。

口 発明の目的 本発明は上記要求に鑑み、不接麺機に適した励輯器筐ｔ
ｉ提供することを目的とする。

発明の爲拳 この目的を達成するため、本発明は、不接に、の水車で
駆蛎される同期発電機などに適用されるサイリスタ励磁
装置において、発電機が電力系統と並列運転される場合
は、界磁調整器の設定値と発電機の有効電力の和で励磁
量ｔ−制御し、また単独運転される場合は、自動電圧調
整器により励磁蓋を制御し、発電機の端子電圧を一定に
制御することにより、常に安定に発電機を運転するよう
にして説明する。

第２図において、第１図と同一符号は同−又は相当部分
を示し、更に、２１は界磁調整器で、発電機ｌが無負荷
定格時に必要とする所定の界磁電圧ｔたは界磁電流を与
えるよう設定されている。

２２は有効電力検出器で電圧変成器５および電流変成器
１１を介し、発電機１の有効電力に比例した出力を発生
するものである。２５は有効電力検出器２２の出力をに
倍する倍率器である。２３は比較器である。２４は界磁
電圧または界磁電流を比較器２３へ負帰環する際の変換
器である。８ａおよび８ｂｔｉ発電機ｌが電力系統（以
下、系統と略す）１０ａおよび１０ｂと系統並列を行う
場合のし中断器であり、２７・は系統ｌＯＫ接続された
負荷を示す、切替スイッチ２６の接点２６ａ。

２６ｂは発電機１の運転状態により励磁装置の側柵条件
を選択するものである０発電機１が無負荷時（し中断器
８が開）、またはし中断器８が閉、し中断器８　ｍ　＊
　８　ｂが開状態で、発電機１が負荷２７へ単独で電力
を供給している場合（即ち、単独運転時）は、ＡＶＲ６
の出力回路側接点２６＆が閉し、変換器２４の出力回路
側接点２６ｂは開となる０発電機ｌがし中断器８を介し
系統１０へ電力を供給し、かつし中断器８　ａ　＃　８
　ｂの−ずれかまたは両方が閉の場合、即ち並列運転時
は変換器２４の出力回路側接点２６ｂは開、ＡＶＲ出力
出力回路点接点２６ｍとなる。

以下、その動作について説明する。

先ず、発電機１が並列運転の場合につ―て説明する。上
記の如く、並列運転の場合、切替スイッチ２６は変換器
２４の出力回路側接点２６ｂが閉、ＡＶＲ６の出力回路
側接点２６ｍが開となる。

発電機１の有効電力が零の場合、有効電力検出器２２の
出力は零であや、比較器２３へ与えられる基準値として
は界磁調整器２１で設定された値のみとなる。界磁調整
器２１の設定は前述の如く、発電機１が無負荷定格時に
必要とする界磁電圧または界磁電流を与えるように設定
されてい°る。従って、発電機１の有効電力が零の場合
においては、発電機１の界磁電圧または界磁電流社界磁
調整器２１の設定と等しく制御され、その結果、発電機
１はぼに定格電圧一定で運転される。

発電機ｌが有効電力を発生するに伴い、有効電力検出器
２２に出力が発生し、これが倍率ａ＃２５でに倍され励
磁強め信号として比較器２３へ印加される。その結果、
サイリスタ３の出力は有効電力検出器２２の出力のに倍
に相当する分だけ増加され、これが界磁巻線４へ供給さ
れる。

このような制御を行った場合の発電機１の運転点の軌跡
を第３図を用いて説明する。縦軸Ｑは発電機１の無効電
力を表わし、＋Ｑ側が遅れ無効電力、−Ｑｍが進み無効
電力を表わす。横軸Ｐは発電機１の有効電力を表わす０
曲線０）は許容電機子電流によって決まる曲線、曲線（
ロ）は界磁巻線４の許容電流によりて決まる曲線、曲線
（ハ）は系統１０゜１０ｍ、１０に＋および制御系の特
性により決まる安定限界と発電機１の鉄心端部過熱から
決まる限界とを合せて示した曲線である。発電機１はそ
れぞれ曲線（イ）、←）、（ハ）で囲まれた範囲内が許
容運転領域とがる。従って、各々の負荷条件で発電機１
の運転位置が許容運転領域内であれば発電機１は連続運
転が可能である。以下、説明を簡単にするために界磁者
１３４の温度は一定と仮定する。

先ず、第２図に示す有効電力検出器２２が付加されてい
ない場合の発１１機１の運転位置について説明する。こ
の場合、比較器２３に与えられる基準値は界磁調整器２
１によるもののみとなる。

界磁調整器２１で設定された界磁電圧または界磁電流に
よる発電機ｌの端子電圧と主変圧器９を介して与えられ
る系統１０の電圧がほぼ一致した状態で発電機１を系統
並入した場合においては、発電機１の無効電力はほぼ零
とな９、運転点は第３図に示す点Ｑ・となる、尚、系統
並入時の発電機端子電圧と系統１０との電圧差がある場
合におψては無効電力（無効電流）＃′ｉ前述の式（１
）で決まるが、この場合のりアクタンスＸは発電機自身
のりアクタンスが含まれることから第３図に示す点Ｑ・
から大幅に変化することはない。

以下、説明は有効電力が零の場合、発電機１の運転点を
Ｑ・として行う０発電機１が有効電力全増加させて行く
過程の運転点の軌跡を曲線に）で示す。曲線に）と曲ｉ
ｕｉが交差する点ＡＫおける有効電力をＰｌとする。有
効電力が零からＰｌまでの間は運転点は許容運転領域内
であり、発電機１＆−ｉ系統ｌＯおよび１０ｍ、１０ｂ
のいずれか、または両方へ有効電力を供給するに何ら支
障は無い。

しかし、有効電力を点Ｐ１より更に増加した場合、運転
位置は許容運転領域を越えるため運転不可能となる。

次に１有効電力検出器２２を付加した場合について以下
説明する。説明を絢単にするために、曲Ｉａ←）と曲線
に）の交点ｔ−Ｂとし、点Ｑ・と点Ｂを結ぶ曲線を直線
と仮定する。有効電力検出器２２の出力は倍率器２５で
に倍され、比較器２３へ印加される０倍率には第３図で
示すに）の勾配に相当する設定とする。

発−機ｌの有効電力がＰｌの時の運転点について説明す
る。比較器２３へは界磁調整器２１の出力と、有効電力
検出器２２の出力のに倍された値つ１０第３図で示すＣ
相当分が印加される。その結果、Ｃ相当分の界磁電圧ま
たは界磁電流強めの制御がなされたものが界磁巻線４へ
供給され、発電機ｌの運転点は第３図に示すＰｌとなる
。

上記仮定によれば、有効電力増加の過程におけ゛る運転
点の一軌跡は横軸Ｐの線上となり、いかなる負荷条件に
おいても発電機１は許容運転領域内で運転できる。

直線と仮定したａｍに）は実際は曲線であること、界磁
巻線４０混ｙＬは一定と仮定したが実際には変化するこ
とを含めると実際の運転点の軌跡は曲線（へ−１）の如
くなるが、倍率器２５の設定倍率Ｋを変化することで実
際の運転点の軌跡を曲線（へ−２）の如くにすることも
可能である。

事故時以外は発電機１の有効電力の急激な変化は考えら
れず、従って、有効電力検出器２２の出力も事故時以外
はおだやかな動きである。よって、界磁巻線４へ与えら
れる励磁量も有効電力検出器２２の出力に伴ったおだや
かな変動とたり、また励磁装置の帰還要素には端子電圧
、無効電力等変動の激しい要素が含まれていない、従っ
て、発電機１が並列運転中は励磁装置は安定度全損うこ
となく励磁を供給できる。

以上説明したように、並列運転時においては、発電機１
の端子電圧は主変圧器９を介し、系統１０め電圧と等し
く運転されることになる。一方、発電機１が単独運転さ
れる場合におψては、並列運転時と同様の励磁システム
で運転すると発電機端子電圧全検出し制御を行っていな
いため、発電機１の端子電圧は一定とはならない、また
、電力系統１０ｍ、１０ｂに事故等の異常事態が発生し
並列運転から単独運転に切換えられた場合は、発電機Ｉ
Ｋとっては急激な負荷変動となる。この結果、発電機に
は電力系統１０　ｍ　ｅ　１０　ｂのし中断直後に発電
機定数によって決まる過度電圧および発電機駆動用水車
の回転上昇による過電圧が発生する。このときは、上記
並列運転時の励磁システムでは発電機端子電圧全一定と
するように励磁量を調整することはできない、このよう
な電圧の変化は負荷２７に対して直接悪影Ｗを与え、場
゛合によりては負荷２７の機器を焼損させる恐れすらあ
り、単独運転時における制御としては、ＡＶＲ６を用い
て発電機端子電圧を一定制御する必要がある。

以下、単独運転時の制御について説明する。

単独運転時には切替接点２６はＡＶＲ６の出力回路側接
点２６ｍが閉され変換器２４の出力回路側接点２６ｂは
開となる。比較器２３へはＡＶＲ６の制御出力、界磁調
整器２１の出力および倍率器２５に一介した有効電力検
出器２２の出力が印加される。界磁調整器２１の出力は
ＡＶＲ６に対しバイアスとして機能する形となり、また
倍率器２５全介した有効電力検出器２２の出力は負荷２
７へ供給して−る有効電力分に比例した出力ｔ−ＡＶＲ
６に対しバイアス分として機能する形として比較器２３
へ印加されることになる。従って、ＡＶＲ６の制御出力
としてはこれら２つの／４イアス分による発電機１の端
子電圧とＡＶＲ６０設定値との偏差を比較器２３へ印加
し、常に発電機ｌの端子電圧全一定に制御することにな
る。

次に、し中断器８が開かれ発電機１が無負荷時について
述べる。

発電機１が起動時および通常停止時における無負荷時に
お≠ては、界磁調整器２１の設定が無負荷定格時の界磁
電圧また贅界磁電流に等しく設定されて≠るため、ＡＶ
Ｒ６が無くても発電機端子電圧はほぼ定格電圧での運転
は可能である。しかし、発電機ｌが並列運転時または単
独運転時におφて系統１０．１−Ｏａ、１０ｂの事故等
ノＪｌ常事態にお−て、し中断器８ｔ−開き負荷し中断
するケースでは、発電機ｌの端子電圧は発電機定数によ
って決まるし中断直後の過渡電圧および発電機駆動用水
車の回転上昇による電圧上昇を伴う、水車の回転数は定
格回転数の１３０−を１廻る場合もあり、これに伴い発
電機端子電圧も１３０−を１廻る場合があり得る。これ
らの電圧変動に対し発電機端子電圧を一定制御する機能
としてはＡＶＲ６による制御が必要となる。従って、無
負荷運転においても前述の単独運転と同様にＡＶＲ６の
出力回路を接点２６ｍで接続し、ＡＶＲ６による発電機
１の端子電圧一定の制ａｔ行う必要がある。

比較器２３へ＃１ＡＶＲ６の制御出力、界磁調整器２１
の出力および倍率器２５を介した有効電力検出＃ｓ２２
の出力が印加される。倍率器２５′ｔｌ−介した有効電
力検出器２２の出力は発電機１が無負荷であるので、そ
の出力は零であり回路上では比較器２３へ接続されてい
ないのに等しい、界磁調整器２１の出力はＡＶＲ６に対
しバイアスとして機能する形となり、このバイアス分に
よる発電機１の端子電圧とＡＶＲ６の設定値との偏差を
比較器２３へ印加し常に発電機１の端子電圧を一定に制
御することになる。

尚、第２図の実施例においては、界磁電圧または界磁電
流を比較器２３へ印加したが、サイリスタ３の交流電源
の電流を直流に変換し比較器２３へ印加してもよいこと
は明らかである。また、単独運転および無負荷時におい
ては、界磁調整器２１および倍率器２５ｔ−介した有効
電力検出器２２の出力をそれぞれ比較器２３へ印加する
ことで説明を行ったが、いずれかまたはその両方の出力
を変換器２４の出力回路側における接点２６ｂの開閉と
連動して開閉する接点を介し、比較器２３へ印加しても
ＡＶＲ６による発電機端子電圧−状態により並列運転時
の場合と、単独運転または無負荷運転時の場合とで制御
の方法を変え、前者の場合においては、発電機の無負荷
時所要励磁社を界磁調整器で常時一定に与え、有効電力
の大きさに比例した必要励磁量の増加分を有効電力検出
器で検出し、倍率器を介してそれぞれ比較器へ与え、変
換器を介した発電機の界磁電圧または界磁電流を比較器
への帰還量とすることにより、いかなる負荷条件におφ
ても発電機の運転点を発電機の許容運転領域内とするこ
とが可能となり、かつ励磁制御の手段として励磁量で直
接変化する発電機端子電圧や無効電力を帰還信号として
使用していなψため、発電機の特性や系統の特性によっ
て左右される閉ルー！制御の安定性の問題が除去され、
安定した連続運転が可能となる。また、後者の場合にお
いては、　ＡＶＲ６により、発電機端子電圧を一定に制
御することにより、発電機および単独運転時の場合には
負荷へ与える電圧の変動が制御されるので、いかなる発
電機の運転状態においても安定した運転が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の励磁装置の構成図、第２図は本発明、の
一実施例による励磁装置の構成図、第３図社・、そ・の
励磁装置の動作説明図である。 ｌ・・・同期発電機、２・・・変圧器、３・・・サイリ
スタ整流器、４・・・界磁巻線、５−・・電圧変成器、
６・・・自動電圧調整器、７・・・／ぐルス発生器、８
　＊　８ａｙ８に＋・・・し中断器、９・・・主変圧器
、１０ｅｌＯａｅｌＯｂ・・・電力系統母線、１１・・
・電流変成器、１２川制限装置、１３−・・無効電力調
整器、２１・・・界磁調整器、２２・・・有効電力検出
器、２３・・・比較器、２４・・・変換器、２５・・・
倍率器、２６・・・切替スイッチ、２６１・２６ｂ・・
・切換スイッチの接点、２７・・・負荷。 （７３１７）代理人弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名
） 第１図 第２図 ０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流電気量を゛直流電気量に変換するサイリスタ整流器
   と、サイリスタ整流器に制御４１号を与えるＩ譬ルス発
   生器とサイリスタ整流器に電源を供給する変圧器と、同
   期機が無負荷時の所要励磁量を設定する界磁調整器と、
   同期機の有効電力の大きさに応じ信号を発生する有効電
   力検出器およびその有効電力検出器の出力をに倍する倍
   率器と、同期機の端子電圧を一定に制御する自動電圧調
   整器と、同期機の励磁量を制御レベルに変換する変換器
   と、前記界磁調整器の設定値、前記倍率器出力、自動電
   圧調整器制御出力および変換器を介した励磁量とを印加
   して比較検出し、その偏差を・ぐルス発生器へ与える比
   較器と、同期機が電力系統母線と並列運転であるか否か
   の条件を与える接点とで構成され、同期機が電力系統母
   線との並列運転条件においては、前記変換器を介した同
   期機の励磁量を前記界磁調整器の設定と前記倍率器を介
   した有効電力検出器出力信号との和になるよう制御し、
   同期機が電力系統母線から切り離された条件においては
   、自動電圧調整器による同期機の端子電圧一定制御を行
   うことを特徴とする同期機の励磁装置。