JP2019140783A - ブラシレス同期発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】主発電機の界磁に供給する電流をさらに増加できるとともに冗長性に優れる永久磁石発電機を備えたブラシレス同期発電機を提供する。
【解決手段】ブラシレス同期発電機１０は、回転界磁形の主発電機２０と、回転電機子形の交流励磁機３０と、この交流励磁機３０の電機子３２からの入力を整流して主発電機２０の界磁２１に出力する回転整流器４０と、を備え、第１永久磁石回転子６１と固定子である第１電機子巻線６２とを有する第１永久磁石発電機６０と、第２永久磁石回転子７１と固定子である第２電機子巻線とを有する第２永久磁石発電機７０と、第１電機子巻線６２及び第２電機子巻線７２からの入力を整流して交流励磁機３０の界磁３１に出力する固定整流器８０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、ブラシレス励磁方式を採用した同期発電機に関する。

同期発電機の励磁方式として、ブラシレス励磁方式とサイリスタ励磁方式とが広く採用されている。ブラシレス励磁方式とは、回転電機子形の交流励磁機の出力を、同じ回転軸に設けられた回転整流器で整流し、ブラシ／スリップリングを介さず回転界磁形の主発電機に励磁電流を供給するものである。一方においてサイリスタ励磁方式とは、発電機の出力の一部を、静止体上のサイリスタ整流器により整流し、ブラシ／スリップリングを介して回転界磁形の主発電機に励磁電流を供給するものである。
ブラシレス励磁方式では、ブラシ／スリップリングを用いないために、サイリスタ励磁方式と比較して、回転体と静止体間での機械的接触がなく保守が容易であるという特徴を有している。

実開平４−１１８８００号公報

ブラシレス励磁システムには、前記した交流励磁機の励磁源として永久磁石発電機（ＰＭＧ：Permanent Magnet Generator）が、さらに設けられている。
近年、同期発電機の発電出力の増強要請に伴い、その界磁巻線に供給する励磁電流の増加を目的とし、この永久磁石発電機（ＰＭＧ）の大容量化が検討されている。

また、落雷等によって系統に事故が発生し発電電圧が急落した場合、これを素早く上昇させて系統を安定化させるために、発電機の界磁巻線に定格値以上の界磁電圧（シーリング電圧）を印加するフォーシングが行われる。
このようなフォーシングを実行する場合も、発電電圧を回復させるのに十分に大きなシーリング電圧を得るため、永久磁石発電機（ＰＭＧ）の大容量化が望まれている。
しかし、永久磁石発電機（ＰＭＧ）を単独で大容量化することは、製造技術面における困難性が指摘されている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、主発電機の界磁に供給する電流をさらに増加できるとともに冗長性に優れる永久磁石発電機（ＰＭＧ）を備えたブラシレス同期発電機を提供することを目的とする。

実施形態に係るブラシレス同期発電機において、回転界磁形の主発電機と、回転電機子形の交流励磁機と、前記交流励磁機の電機子からの入力を整流して前記主発電機の界磁に出力する回転整流器と、を備えるブラシレス同期発電機であって、前記主発電機の界磁、前記交流励磁機の電機子及び前記回転整流器が連結する回転軸に設けられる第１永久磁石回転子と固定子である第１電機子巻線とを有する第１永久磁石発電機と、前記回転軸に設けられる第２永久磁石回転子と固定子である第２電機子巻線とを有する第２永久磁石発電機と、前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線からの入力を整流して前記交流励磁機の界磁に出力する固定整流器と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、主発電機の界磁に供給する電流をさらに増加できるとともに冗長性に優れる永久磁石発電機を備えたブラシレス同期発電機が提供される。

本発明の第１実施形態に係るブラシレス同期発電機の概要図。 第２実施形態に係るブラシレス同期発電機の回路図。 変圧器の結線図。 固定整流器の結線図。 第３実施形態に係るブラシレス同期発電機の回路図。 第４実施形態及び第５実施形態に係るブラシレス同期発電機の回路図。 第４実施形態に適用される永久磁石発電機（ＰＭＧ）の電気子巻線の配置図。 第５実施形態に適用される永久磁石発電機（ＰＭＧ）の永久磁石回転子の配置図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係るブラシレス同期発電機１０（以下、同期発電機という）は、回転界磁形の主発電機２０と、回転電機子形の交流励磁機３０と、この交流励磁機３０の電機子３２からの入力を整流して主発電機２０の界磁２１に出力する回転整流器４０と、を備えている。
さらにこの同期発電機１０は、主発電機２０の界磁２１、交流励磁機３０の電機子３２及び回転整流器４０が連結する回転軸４１に設けられる第１永久磁石回転子６１と固定子である第１電機子巻線６２とを有する第１永久磁石発電機６０と、回転軸４１に設けられる第２永久磁石回転子７１と固定子である第２電機子巻線７２とを有する第２永久磁石発電機７０と、第１電機子巻線６２及び第２電機子巻線７２からの入力を整流して交流励磁機３０の界磁３１に出力する固定整流器８０と、を備えている。

同期発電機１０の回転軸４１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。

同期発電機１０の電力出力系統には、変圧器１２を介して自動電圧調整装置（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）１３が接続されている。この自動電圧調整装置（ＡＶＲ）１３は、同期発電機１０の出力電圧と設定電圧との偏差を検出して、この出力電圧が設定電圧と同等になるように制御する制御信号を固定整流器８０に送信する。この制御信号を受信した固定整流器８０は、点弧信号を変調させることで、永久磁石発電機６０，７０から入力した交流を、電圧調整された直流に変換して交流励磁機３０に供給する。このようにして永久磁石発電機６０，７０からの出力電圧が調整されることにより、同期発電機１０の出力電圧は、設定値に対して安定的に制御される。

主発電機２０は、回転整流器４０から直流電流の供給を受け回転軸４１が軸回転することにより回転磁束を発生させる界磁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電機子２２と、から構成されている。この主発電機２０は、界磁２１が回転子で、電機子２２が固定子の回転界磁形となっている。
主発電機２０の電機子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。

交流励磁機３０は、永久磁石発電機６０，７０の出力を固定整流器８０で整流した直流電流の供給を受け磁界を発生させる界磁３１と、回転軸４１が軸回転することによりこの磁界を横切り交流電流を誘導させる電機子３２と、から構成されている。この交流励磁機３０は、界磁３１が固定子で、電機子３２が回転子の回転電機子形となっている。
交流励磁機の電機子３２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４０に供給する。

回転整流器４０は、その円盤形状の中心を直交するように回転軸４１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４０は、交流励磁機３０の電機子３２からの入力を、これら整流素子で整流させた後に、主発電機２０の界磁２１に出力する。

第１永久磁石発電機６０は、回転子に第１永久磁石回転子６１を用い、固定子に第１電機子巻線６２を用いた、小型の発電機である。第２永久磁石発電機７０も同様に、回転子に第２永久磁石回転子７１を用い、固定子に第２電機子巻線７２を用いた、小型の発電機である。なお実施形態では、二つの永久磁石発電機６０，７０が配置される場合を例示しているが、その配置数は二つ以上であれば特に限定はない。また、複数の永久磁石発電機６０，７０のそれぞれの容量を一致させる必要は特にない。

これら永久磁石発電機６０，７０は、回転軸４１の軸回転に同期して、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の界磁２１の励磁源としての役割を果たす。

固定整流器８０は、第１電機子巻線６２及び第２電機子巻線７２からの入力である交流を整流し、交流励磁機３０の界磁３１に直流を出力するものである。そして、この界磁３１に入力される直流は、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）１３から入力した制御信号により、その大きさが制御される。
第１実施形態における固定整流器８０では、第１永久磁石発電機６０及び第２永久磁石発電機７０のそれぞれから出力する同位相の交流が、重畳されて入力する。また図示を省略しているが永久磁石発電機６０，７０の出力を変圧する変圧器が設けられている場合もある。

第１実施形態では、小容量の永久磁石発電機（ＰＭＧ）を複数台設けることで、大容量で単体の永久磁石発電機と同等の励磁源を得ることが可能なブラシレス同期発電機１０が提供される。さらに、複数台の永久磁石発電機（ＰＭＧ）が常時起動していることから、それらのうち一つが単体故障しても励磁源を喪失することがなく、継続運転が可能な冗長性を備えた同期発電機１０が提供される。

（第２実施形態）
次に図２の回路図を参照して本発明における第２実施形態について説明する。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図２に示すように、第２実施形態のブラシレス同期発電機１０では、第１変圧器９１ａ及び第２変圧器９２ａから構成される変圧器９０ａを備え、固定整流器８０は直列に接続された第１整流器８１及び第２整流器８２で構成されている。

図３は変圧器９０ａにおける第１変圧器９１ａ及び第２変圧器９２ａの結線図を示している。第１変圧器９１ａは、Ｙ結線とΔ結線の組み合わせで構成され、第１電機子巻線６２から入力する三相交流（ｕ₁,ｖ₁,ｗ₁）を変圧し、さらに位相を３０°遅らせて第１整流器８１に三相交流（Ｕ₁,Ｖ₁,Ｗ₁）を出力する。

第２変圧器９２ａは、Δ結線とΔ結線の組み合わせで構成され、第２電機子巻線７２から入力する三相交流（ｕ₂,ｖ₂,ｗ₂）を変圧し位相を変化させずに第２整流器８２に三相交流（Ｕ₂,Ｖ₂,Ｗ₂）を出力する。
これにより、第１変圧器９１ａが出力する三相交流（Ｕ₁,Ｖ₁,Ｗ₁）の電圧及び第２変圧器９２ａが出力する三相交流（Ｕ₂,Ｖ₂,Ｗ₂）の電圧は、互いに位相が３０°シフトしている。なお、この実施形態の方法は、一例であって、Ｙ結線とΔ結線の種々の組み合わせによって、３０°位相シフトを達成することができる。また変圧器９０ａに入力する三相交流（ｕ₁,ｖ₁,ｗ₁）及び三相交流（ｕ₂,ｖ₂,ｗ₂）は、互いに同位相であることを前提としている。

図４は固定整流器８０の結線図を示している。
固定整流器８０は、互いに３０°位相シフトしている三相交流（Ｕ₁,Ｖ₁,Ｗ₁），（Ｕ₂,Ｖ₂,Ｗ₂）をそれぞれ入力する第１整流器８１及び第２整流器８２が、交流励磁機の界磁３１に対し直列に接続している。

第１整流器８１及び第２整流器８２の各々は、二個の整流素子が直列接続された組を、（Ｕ,Ｖ,Ｗ）の各相に対応させて三組並列接続させて構成されている。なお整流素子は、サイリスタやダイオードで構成されるが、特に限定はない。
（Ｕ,Ｖ,Ｗ）の各相の電圧は、互いに位相が１２０°シフトしており、三相分が全波整流されることにより、見かけ上の相数は二倍の六相になる。

さらに第１整流器８１及び第２整流器８２の各々から出力される重畳電圧は、互いに位相が３０°シフトしているために、各々の重畳電圧をさらに重畳させることで見かけ上の相数はさらに二倍の十二相となる。
これにより、第２実施形態では、第１実施形態で得られる効果に加え、交流励磁機の界磁３１に印加させる電圧の脈動（リップル）を低減することができ、損失を低減することができる。

（第３実施形態）
次に図５の回路図を参照して本発明における第３実施形態について説明する。なお、図５において図１及び図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図５に示すように、第３実施形態のブラシレス同期発電機１０は、第２実施形態と同様に、第１変圧器９１ｂ及び第２変圧器９２ｂから構成される変圧器９０ｂを備え、固定整流器８０は直列に接続された第１整流器８１及び第２整流器８２で構成されている。

第１変圧器９１ｂは、第１電機子巻線６２及び第２電機子巻線７２の互いに重畳された入力を変圧し第１整流器８１に出力する。
第２変圧器９２ｂは、第１変圧器９１ｂと並列に設けられ、前記重畳された入力を変圧し第２整流器８２に出力する。
そして、第１変圧器９１ｂ及び第２変圧器９２ｂの出力は、各々におけるＹ結線とΔ結線の組み合わせによって、互いに位相が３０°シフトしている。

永久磁石発電機６０，７０の各々において、単体１相分の出力交流電流は、整流回路の影響で方形波となるため、高調波成分による損失が発生する。そこで、第３実施形態では第１永久磁石発電機６０及び第２永久磁石発電機７０の出力回路を並列に接続し、出力電流を重畳させてから、第１変圧器９１ｂ及び第２変圧器９２ｂの各々に入力する。
これにより、第３実施形態では、第１実施形態で得られる効果に加え、変圧器９０ｂの入力を正弦波形に近づけることができ、含まれる高調波成分が抑制され、損失を低減することができる。

（第４実施形態）
次に図６及び図７を参照して本発明における第４実施形態について説明する。なお、図６において図１、図２及び図５と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第４実施形態では、第２実施形態及び第３実施形態とは異なり、変圧器９０ｃでは３０°位相シフトを実施しない構成となっている。

図７に示すように、第４実施形態では、第１永久磁石回転子６１及び第２永久磁石回転子７１の極性が、回転軸の回転方向において一致して配置されている。そして、第１電機子巻線６２及び第２電機子巻線７２の相配列が回転軸の回転方向において互いに３０°ずれて配置されている。
これにより、第１永久磁石発電機６０ａ及び第２永久磁石発電機７０ａの各々の出力段階において３０°位相シフトが達成されることになる。
これにより、第４実施形態では、第１実施形態で得られる効果に加え、交流励磁機の界磁３１に印加させる電圧の脈動（リップル）を低減することができ、損失を低減することができる。

（第５実施形態）
次に図６及び図８を参照して本発明における第５実施形態について説明する。なお、図６において図１、図２及び図５と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第５実施形態では、第４実施形態と同様に、変圧器９０ｃでは３０°位相シフトを実施しない構成となっている。

図８に示すように、第５実施形態では、第１電機子巻線６２及び第２電機子巻線７２の相配列が回転軸の回転方向において一致して配置されている。そして、第１永久磁石回転子６１及び第２永久磁石回転子７１の極性が回転軸の回転方向において互いに３０°ずれて配置されている。
これにより、第１永久磁石発電機６０ｂ及び第２永久磁石発電機７０ｂの各々の出力段階において３０°位相シフトが達成されることになる。
これにより、第５実施形態では、第１実施形態で得られる効果に加え、交流励磁機の界磁３１に印加させる電圧の脈動（リップル）を低減することができ、損失を低減することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のブラシレス同期発電機によれば、励磁源である永久磁石発電機を複数備えることにより、主発電機の界磁に供給する電流をさらに増加できるとともに永久磁石発電機の冗長性を向上させることが可能となる。

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。

１０…ブラシレス同期発電機、１１…主変圧器、１２…変圧器、１３…自動電圧調整装置、２０…主発電機、２１…主発電機の界磁、２２…主発電機の電機子、３０…交流励磁機、３１…交流励磁機の界磁、３２…交流励磁機の電機子、４０…回転整流器、４１…回転軸、６０…永久磁石発電機、６１…永久磁石回転子、６２…電機子巻線、７０…永久磁石発電機、７１…永久磁石回転子、７２…電機子巻線、８０…固定整流器、８１…第１整流器、８２…第２整流器、９０ａ，９０ｂ，９０ｃ…変圧器、９１ａ，９１ｂ，９１ｃ…第１変圧器、９２ａ，９２ｂ，９２ｃ…第２変圧器。

Claims (6)

1. 回転界磁形の主発電機と、回転電機子形の交流励磁機と、前記交流励磁機の電機子からの入力を整流して前記主発電機の界磁に出力する回転整流器と、を備えるブラシレス同期発電機であって、
   前記主発電機の界磁、前記交流励磁機の電機子及び前記回転整流器が連結する回転軸に設けられる第１永久磁石回転子と固定子である第１電機子巻線とを有する第１永久磁石発電機と、
   前記回転軸に設けられる第２永久磁石回転子と固定子である第２電機子巻線とを有する第２永久磁石発電機と、
   前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線からの入力を整流して前記交流励磁機の界磁に出力する固定整流器と、を備えることを特徴とするブラシレス同期発電機。
2. 請求項１に記載のブラシレス同期発電機において、
   前記固定整流器は、互いに３０°位相シフトしている三相交流をそれぞれ入力する第１整流器及び第２整流器が直列に接続して成ることを特徴とするブラシレス同期発電機。
3. 請求項２に記載のブラシレス同期発電機において、
   前記第１電機子巻線からの入力を変圧し前記第１整流器に出力する第１変圧器と、
   前記第２電機子巻線からの入力を変圧し前記第２整流器に出力する第２変圧器と、を備え、
   前記第１変圧器及び前記第２変圧器におけるＹ結線とΔ結線の組み合わせによって前記３０°位相シフトが達成されることを特徴とするブラシレス同期発電機。
4. 請求項２に記載のブラシレス同期発電機において、
   前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の互いに重畳された入力を変圧し前記第１整流器に出力する第１変圧器と、
   前記第１変圧器と並列に設けられ、前記重畳された入力を変圧し前記第２整流器に出力する第２変圧器と、を備え、
   前記第１変圧器及び前記第２変圧器におけるＹ結線とΔ結線の組み合わせによって前記３０°位相シフトが達成されることを特徴とするブラシレス同期発電機。
5. 請求項２に記載のブラシレス同期発電機において、
   前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の相配列が前記回転軸の回転方向において互いに３０°ずれて配置されることで、前記３０°位相シフトが達成されることを特徴とするブラシレス同期発電機。
6. 請求項２に記載のブラシレス同期発電機において、
   前記第１永久磁石回転子及び前記第２永久磁石回転子の極性が前記回転軸の回転方向において互いに３０°ずれて配置されることで、前記３０°位相シフトが達成されることを特徴とするブラシレス同期発電機。

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