特開 2023-119860 ブラシレス励磁機の保護装置、方法及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023119860

(43)【公開日】2023-08-29

(54)【発明の名称】ブラシレス励磁機の保護装置、方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/14 20060101AFI20230822BHJP

   H02P 103/20 20150101ALN20230822BHJP

   H02P 101/25 20150101ALN20230822BHJP

【ＦＩ】

H02P9/14 E

H02P103:20

H02P101:25

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022022962

(22)【出願日】2022-02-17

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】390014568

【氏名又は名称】東芝プラントシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三橋 智浩

【テーマコード（参考）】

5H590

【Ｆターム（参考）】

5H590AA13

5H590AB09

5H590BB11

5H590CC29

5H590CE01

5H590DD13

5H590DD62

5H590DD64

5H590EB15

5H590EB21

5H590GA05

5H590GA07

5H590HA02

5H590HA04

5H590HA07

5H590JA02

5H590JA08

5H590KK07

(57)【要約】

【課題】出力異常が発生したブラシレス励磁機の保護技術を提供する。
【解決手段】保護装置４０は、主発電機の固定電機子から出力される電圧波形Ｖ^*を取得する第１取得部４１と、この固定電機子２２から出力される電流波形Ｉ^*を取得する第２取得部４２と、これら電圧波形Ｖ^*の振幅Ｖ₀及び電流波形Ｉ^*の振幅Ｉ₀並びに両者の位相差δを測定する測定部４５と、これら振幅Ｖ₀及び振幅Ｉ₀並びに位相差δに基づいて無効電力Ｑを計算する計算部４６と、交流励磁機に供給される励磁電流Ｄの値を取得する第３取得部４３と、無効電力Ｑに対応して設定された閾値を励磁電流Ｄが上回るか下回るか判定する判定部４７と、上回る判定が出た場合に励磁電流Ｄの供給を抑制又は停止させるトリップ信号４９を発信する発信部４８と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主発電機の固定電機子から出力される電圧波形を取得する第１取得部と、
前記固定電機子から出力される電流波形を取得する第２取得部と、
前記電圧波形の振幅及び前記電流波形の振幅並びに両者の位相差を測定し無効電力を計算する計算部と、
前記主発電機の回転界磁に通電する交流励磁機に供給される励磁電流の値を取得する第３取得部と、
前記無効電力に対応して設定された閾値を前記励磁電流が上回るか下回るか判定する判定部と、
前記上回る判定が出た場合、前記励磁電流の供給を抑制又は停止させるトリップ信号を発信する発信部と、を備えるブラシレス励磁機の保護装置。

【請求項2】

請求項１に記載のブラシレス励磁機の保護装置において、
前記閾値は、
規定値までは前記無効電力と共に増加するように設定され、
前記規定値を超えると前記無効電力に無関係に一定値で設定される、ブラシレス励磁機の保護装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のブラシレス励磁機の保護装置において、
前記励磁電流の値は、分散制御システム又は自動電圧調整器に設けられたロジック回路で演算されたものであるブラシレス励磁機の保護装置。

【請求項4】

主発電機の固定電機子から出力される電圧波形を取得するステップと、
前記固定電機子から出力される電流波形を取得するステップと、
前記電圧波形の振幅及び前記電流波形の振幅並びに両者の位相差を測定し無効電力を計算するステップと、
前記主発電機の回転界磁に通電する交流励磁機に供給される励磁電流の値を取得するステップと、
前記無効電力に対応して設定された閾値を前記励磁電流が上回るか下回るか判定するステップと、
前記上回る判定が出た場合、前記励磁電流の供給を抑制又は停止させるトリップ信号を発信するステップと、を含むブラシレス励磁機の保護方法。

【請求項5】

コンピュータに、
主発電機の固定電機子から出力される電圧波形を取得するステップ、
前記固定電機子から出力される電流波形を取得するステップ、
前記電圧波形の振幅及び前記電流波形の振幅並びに両者の位相差を測定し無効電力を計算するステップ、
前記主発電機の回転界磁に通電する交流励磁機に供給される励磁電流の値を取得するステップ、
前記無効電力に対応して設定された閾値を前記励磁電流が上回るか下回るか判定するステップ、
前記上回る判定が出た場合、前記励磁電流の供給を抑制又は停止させるトリップ信号を発信するステップ、を実行させるブラシレス励磁機の保護プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、同期発電機におけるブラシレス励磁機の保護技術に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、ブラシレス励磁機の保護方法は、同期発電機の過励磁制限（ＯＱＬ）及び低励磁制限（ＵＥＬ）並びに界磁地絡検出器を用いて実行される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５１５９１５４号公報

【特許文献2】特開２００８－１９９８４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上述の保護方法では、ブラシレス励磁機に出力低下等の異常が発生した場合、低下する無効電力を、系統側の需要に合わせ維持しようと作用する。その結果、異常が発生したブラシレス励磁機は、励磁電流をさらに供給させようとして、致命的な損傷がさらに与えられる。

【0005】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、出力異常が発生したブラシレス励磁機の保護技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態に係るブラシレス励磁機の保護装置において、主発電機の固定電機子から出力される電圧波形を取得する第１取得部と、前記固定電機子から出力される電流波形を取得する第２取得部と、前記電圧波形の振幅及び前記電流波形の振幅並びに両者の位相差を測定し無効電力を計算する計算部と、前記主発電機の回転界磁に通電する交流励磁機に供給される励磁電流の値を取得する第３取得部と、前記無効電力に対応して設定された閾値を前記励磁電流が上回るか下回るか判定する判定部と、前記上回る判定が出た場合、前記励磁電流の供給を抑制又は停止させるトリップ信号を発信する発信部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態により出力異常が発生したブラシレス励磁機の保護技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係るブラシレス励磁機の保護装置のブロック図。

【図2】（Ａ）同期発電機が出力する電圧波形、電流波形及び位相差を示すグラフ、（Ｂ）電圧波形、電流波形及び位相差並びに皮相電力の関係式、（Ｃ）同期発電機が出力する皮相電力、有効電力及び無効電力の関係式。

【図3】交流励磁機に供給される励磁電流の安全運転領域を示すグラフ。

【図4】トリップ信号の発信を判定するロジック回路。

【図5】本発明の実施形態が適用される同期発電機のシステム構成図。

【図6】本発明の実施形態が適用される同期発電機の回路図。

【図7】実施形態に係るブラシレス励磁機の保護方法の工程及びブラシレス励磁機の保護プログラムのアルゴリズムを説明するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は実施形態に係るブラシレス励磁機３０の保護装置４０のブロック図である。図２（Ａ）は同期発電機１０（図５）が出力する電圧波形Ｖ^*、電流波形Ｉ^*及び位相差δを示すグラフである。図２（Ｂ）は電圧波形Ｖ^*、電流波形Ｉ^*及び位相差δの関係式である。図２（Ｃ）は同期発電機１０が出力する皮相電力Ｓ、有効電力Ｐ及び無効電力Ｑの関係式である。

【0010】

このように保護装置４０は、主発電機２０（図５）の固定電機子２２から出力される電圧波形Ｖ^*を取得する第１取得部４１と、この固定電機子２２から出力される電流波形Ｉ^*を取得する第２取得部４２と、これら電圧波形Ｖ^*の振幅Ｖ₀及び電流波形Ｉ^*の振幅Ｉ₀並びに両者の位相差δを測定する測定部４５と、これら振幅Ｖ₀及び振幅Ｉ₀並びに位相差δに基づいて無効電力Ｑを計算する計算部４６と、主発電機２０の回転界磁２１に通電する交流励磁機３８（図５）に供給される励磁電流Ｄの値を取得する第３取得部４３と、無効電力Ｑに対応して設定された閾値２６（図３）を励磁電流Ｄが上回るか下回るか判定する判定部４７と、上回る判定が出た場合に励磁電流Ｄの供給を抑制又は停止させるトリップ信号４９を発信する発信部４８と、を備えている。

【0011】

図２（Ａ）に示すように、第１取得部４１及び第２取得部４２で取得される電圧波形Ｖ^*及び電流波形Ｉ^*は、変位する位相角θにおいて位相差δを持って振動している。そして、図２（Ｂ）に示すように、電圧波形Ｖ^*は振幅Ｖ₀として数式（１）で表され、電流波形Ｉ^*は振幅Ｉ₀として数式（２）で表される。そして、電圧波形Ｖ^*及び電流波形Ｉ^*の関係は数式（３）で表される。測定部４５は、これら数式（１）～（３）に基づいて電圧波形Ｖ^*の振幅Ｖ₀及び電流波形Ｉ^*の振幅Ｉ₀並びに両者の位相差δを測定する

【0012】

図２（Ｃ）に示す有効電力Ｐは、負荷で消費される電力であり数式（５）で表される。そして無効電力Ｑは、負荷で消費されない電力であり数式（６）で表される。無効電力Ｑは、仕事をせずに負荷と主発電機２０の間を往復しているだけの電力である。そして皮相電力Ｓは、主発電機２０から送り出される電力で、有効電力Ｐと無効電力Ｑをベクトル合成したものであり数式（４）で表される。計算部４６は、振幅Ｖ₀及び振幅Ｉ₀並びに位相差δに基づいて少なくとも無効電力Ｑを計算する。

【0013】

図１に戻って説明を続ける。第３取得部４３で取得される励磁電流Ｄは、最終的に交流励磁機３８に（図６参照）に供給されるものである。このために励磁電流Ｄは、交流励磁機３８の前段に設けられる固定整流器１７に入力される三相交流である場合の他に固定整流器１７から出力される直流である場合も含まれる。よって、この励磁電流Ｄの値は、分散制御システム（図示略）又は自動電圧調整器１５等といった静止側に設けられたロジック回路で演算されたものを利用することができる。

【0014】

図３は交流励磁機３８に供給される励磁電流Ｄの安全運転領域Ｒを示すグラフである。このように安全運転領域Ｒの上限境界は励磁電流Ｄの閾値２６で表される。この閾値２６は、無効電力Ｑが０から規定値Ｑ₀までは傾きが正となるよう増加するように設定されている。そして、この規定値Ｑ₀を超えると、無効電力Ｑに無関係に一定値Ｄ₀で設定されている。

【0015】

判定部４７（図１）は、無効電力Ｑ及び励磁電流Ｄで定まる座標位置が安全運転領域Ｒに含まれれば、すなわち、励磁電流Ｄが閾値２６を下回れば正常と判定する。そして、判定部４７は、無効電力Ｑ及び励磁電流Ｄで定まる座標位置が安全運転領域Ｒから外れれば、すなわち、励磁電流Ｄが閾値２６を上回れば異常と判定する。さらに、閾値２６よりも低いレベルに警戒２７が設定されており、異常判定がなされる前に警報が発せられる。

【0016】

励磁電流Ｄが閾値２６を上回り、判定部４７において異常判定がなされた場合、発信部４８は、トリップ信号４９を発信する。このトリップ信号４９が発信されると、交流励磁機３８に対する励磁電流Ｄの供給を、抑制又は停止させる。

【0017】

図４はトリップ信号４９の発信を判定するロジック回路である。ここで、第１比較器と第２比較器のそれぞれには、入力した無効電力Ｑに対応する閾値２６及び警戒２７が設定されている。そして、入力した励磁電流Ｄが警戒２７のレベルに達したところで第２警報が発信される。さらに入力した励磁電流Ｄが閾値２６のレベルに達したところで第１警報が発信されるとともにトリップ信号４９も発信される。

【0018】

ここで、ブラシレス励磁機３０に出力低下等の異常が発生した場合を想定する。このとき、異常が発生したブラシレス励磁機３０は、系統側の需要に合わせて、低下する無効電力Ｑを維持するために励磁電流Ｄさらに供給させようとする。ところで、規定値Ｑ₀よりも小さい無効電力Ｑの領域では、閾値２６がより小さく設定されている。このために、無効電力Ｑが小さい程、低い励磁電流Ｄでトリップ信号４９が発信されるため、ブラシレス励磁機３０の致命的な損傷を回避できる。

【0019】

次に図５及び図６に基づいて、本発明の実施形態が適用される同期発電機１０を説明する。ここで図５はこの同期発電機１０のシステム構成図であり、図６は同・回路図である。このように同期発電機１０は、主発電機２０とブラシレス励磁機３０とが、それぞれの回転軸２５（２５Ａ，２５Ｂ）の先端のフランジ面が突合せて締結され、同軸に構成されている。そしてブラシレス励磁機３０は、回転整流器３９と交流励磁機３８と永久磁石発電機３５と固定整流器１７とが、共通の回転軸２５Ｂにユニット構成されている。

【0020】

永久磁石発電機３５は、回転子に永久磁石回転子３１を用い、固定子に電機子巻線３２を用いた、高周波数の小型の発電機である。この永久磁石発電機３５は、回転軸２５の軸回転に同期して、高周波電圧を出力するものであるために、起動時及び定常運転時にかかわらず、同期発電機１０の回転界磁２１の励磁源としての役割を果たす。

【0021】

固定整流器１７は、永久磁石発電機３５の電機子巻線３２からの入力である三相交流を整流し、交流励磁機３８の固定界磁３６に直流を出力するものである。そして、この固定界磁３６に入力される直流は、後述する自動電圧調整器１５から入力した制御信号１６により、その大きさが制御されている。

【0022】

交流励磁機３８は、固定整流器１７から直流電流の供給を受け磁界を発生させる固定界磁３６と、回転軸２５が軸回転することでこの磁界を横切り交流電流を誘導させる回転電機子３７と、から構成されている。交流励磁機の回転電機子３７は、三相巻線で構成され、位相が互いに１２０°ずつずれた三相の交流電流を出力し、回転整流器３９に供給する。

【0023】

回転整流器３９は、その円盤形状の中心を直交するように回転軸２５が貫通し、この円盤形状の表面に沿って複数の整流素子（図示略）が、放射状に質量分布が均等になるように配列されている。そして回転整流器３９は、交流励磁機３８の回転電機子３７が出力する三相交流をこれら整流素子で整流し、主発電機２０の回転界磁２１に直流を出力する。

【0024】

主発電機２０は、回転整流器３９からこの直流の供給を受け回転軸２５の軸回転により回転磁束を発生する回転界磁２１と、この発生した回転磁束を横切らせることで交流電流を誘導させる固定電機子２２と、から構成されている。この固定電機子２２は、三相巻線で構成され、位相が互いに１２０°ずつずれた三相の交流電流を出力し、主変圧器１１で電圧調整したうえで、送電網に供給する。

【0025】

主発電機２０の回転軸２５Ａの図中左端には、原子炉やボイラーで発生させた蒸気により回転運動するタービン（図示略）が、同軸接続されている。このタービンの回転運動エネルギーが、主発電機２０において電気エネルギーに変換され、三相交流の発電電力が、主変圧器１１を介して送電網（図示略）に供給される。

【0026】

同期発電機１０の電力出力系統には、送電網への供給電圧を計測することができる変圧器１２を介して自動電圧調整器（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）１５が接続されている。この自動電圧調整器１５は、同期発電機１０の出力電圧と設定電圧との偏差が規格内に収まるように、この出力電圧を制御する制御信号１６を固定整流器１７に送信する。さらに自動電圧調整器１５は、永久磁石発電機３５から供給される電流を増幅させる働きも持つ。

【0027】

この制御信号１６を受信した固定整流器１７は、点弧信号を変調させることで、永久磁石発電機３５から入力した三相交流を、電圧調整された直流に変換して交流励磁機３８に供給する。このようにして永久磁石発電機３５からの出力電圧が調整されることにより、同期発電機１０から出力される電圧波形Ｖ^*及び電流波形Ｉ^*は、設定値に対して安定的に制御される。

【0028】

図７のフローチャートに基づいて実施形態に係るブラシレス励磁機３０の保護方法の工程及びブラシレス励磁機３０の保護プログラムのアルゴリズムを説明する（適宜、図５及び図６参照）。

【0029】

まず、主発電機２０（図５）の固定電機子２２から出力される電圧波形Ｖ^*及び電流波形Ｉ^*を取得する（Ｓ１１，Ｓ１２）。そして、これら電圧波形Ｖ^*の振幅Ｖ₀及び電流波形Ｉ^*の振幅Ｉ₀並びに両者の位相差δを測定する（Ｓ１３）。さらに、これら電圧振幅Ｖ₀及び電流振幅Ｉ₀並びに位相差δに基づいて無効電力Ｑを計算する（Ｓ１４）。

【0030】

次に、交流励磁機３８に供給される励磁電流Ｄの値を取得する（Ｓ１５）。そして、無効電力Ｑに対応して設定された閾値２６で（Ｓ１６）、励磁電流Ｄが上回るか下回るかを判定する（Ｓ１７）。そして、励磁電流Ｄが閾値２６を下回る場合は（Ｓ１７ Ｙｅｓ）、正常判定となり、同期発電機１０の発電運転はそのまま継続される（Ｓ１８ Ｎｏ）。

【0031】

一方において、励磁電流Ｄが閾値２６を上回る場合は（Ｓ１７ Ｎｏ）、異常判定となり、トリップ信号４９が発信され（Ｓ１９）、励磁電流Ｄの供給を抑制又は停止させる（Ｓ２０，ＥＮＤ）。また、同期発電機１０における継続中の発電を終了するときも（Ｓ１８ Ｙｅｓ）、同様に、励磁電流Ｄの供給を停止する（Ｓ２０，ＥＮＤ）。

【0032】

以上述べた少なくともひとつの実施形態のブラシレス励磁機の保護装置によれば、無効電力に対応して設定された閾値を励磁電流が上回るか下回るか判定することにより、出力異常が発生したブラシレス励磁機の保護が可能となる。

【0033】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【0034】

以上説明したブラシレス励磁機の保護装置は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。このためブラシレス励磁機の保護装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、ブラシレス励磁機の保護プログラムにより動作させることが可能である。

【0035】

またブラシレス励磁機の保護プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

【0036】

また、本実施形態に係るブラシレス励磁機の保護プログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、ブラシレス励磁機の保護装置は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

【符号の説明】

【0037】

１０…同期発電機、１１…主変圧器、１２…変圧器、１５…自動電圧調整器、１６…制御信号、１７…固定整流器、２０…主発電機、２１…回転界磁、２２…固定電機子、２５（２５Ａ，２５Ｂ）…回転軸、２６…閾値、２７…警戒、３０…ブラシレス励磁機、３１…永久磁石回転子、３２…電機子巻線、３５…永久磁石発電機、３６…固定界磁、３７…回転電機子、３８…交流励磁機、３９…回転整流器、４０…保護装置、４１…第１取得部、４２…第２取得部、４３…第３取得部、４５…測定部、４６…計算部、４７…判定部、４８…発信部、４９…トリップ信号、Ｖ^*…電圧波形、Ｉ^*…電流波形、Ｄ…励磁電流、Ｓ…皮相電力、Ｐ…有効電力、Ｑ…無効電力、Ｒ…安全運転領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】