JPH02197242A - 電圧電流調節付き電圧源励磁システム - 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】 発明の背景 本発明は回転電気機械に関するものであり□、更に詳し
くは直流電源によって励磁される界磁回転子をそなえた
回転電気機械に関するものである。

大形発電機では、たとえば直流電源によって励磁される
回転子を用いて、固定の電機子内に回転磁界を発生する
。電機子に含まれている巻線は回転磁界と鎖交すること
によって交流電力を発生する。

定格負荷のもとて発電機を全出力まで駆動するのに充分
な大きさの磁界を発生するため、回転子ではかなり大き
な直流励磁電源が必要となる。。直流励磁電力を供給す
るため、従来４つの技術が用いられている。

第１の技術では、外部電源からの交流電力を変圧器を通
過させて、その電圧を後の機能に適合する値に調節する
。殆んどの場合、変圧器は交流電圧を下げる。整流器お
よび制御器アセンブリによりスリップリングを介して界
磁回転子に接続するための直流励磁電力を発生する。場
合によっては、外部交流電源として発電機自体の出力電
力が用いられる。

第２の技術では、必要な直流電力を発生するため、直流
発電機が大形の交流発電機の軸に接続される。この直流
電力はスリップリングを介して界磁回転子に接続される
。この技術は発電機全体の長さが増すという欠点がある
。その結果、発電機を収容するための建物もそれに応じ
て大きくしなければならない。このことと直流発電機が
必要なことにより、発電所のコストが大幅に増加する。

第３の技術では、回転子とともに回転する交流励磁機巻
線を固定直流電源により励磁し、回転子内の整流器アセ
ンブリにより必要な直流励磁電力を発生する。この技術
は整流器アセンブリの重量と複雑さという欠点がある。

更に回転子の高加速度という環境は信頼度を低くするも
のと考えられる。

第４の技術は、米国特許第４，４７７．７６７号に開示
されているものである。この第４の技術では、互いに１
２０度の間隔を置いて隔たる電機子内の３つのスロット
の中に励磁巻線またはＰバ（電圧バー）が配置される。

磁界が回転して正規の電機字巻線に出力電力を発生させ
るとき、この磁界はまたＰバーに交流励磁電力を発生さ
せる。

この励磁電力は変圧器を通ってその電圧が調節された後
、整流器および制御器アセンブリに接続されて直流励磁
電力を発生する。このようにして得られた直流励磁電力
はスリップリングを介して界磁回転子に接続される。

この第４の技術は、例えばゼネラル・エレクトリック社
から「ゼナーレックスＰ　Ｐ　Ｓ　（Ｇｅｎｅｒｒｅｘ
ＰＰＳ）　Ｊという商標名で販売されているが、当該分
野で広く受は入れられている。しかし、変圧器が必要な
ためコストが増加し、これはできれば避けることが望ま
しい。

上記のように、変圧器はＰバーの出力電圧を調節して、
界磁巻線の要求に適した値とする。同時に、電流は界磁
回転子の要求条件に適合し、かつ市販されている整流素
子の容量に適合する値に調節される。Ｐバーで発生され
る電圧および電流は整流前に変圧器で調節しなければな
らないとこれまで考えられてきた。

上記米国特許第４，４７７．７６７号に記載のように変
圧器の△−Ｙ結線により得られる隔離（アイソレーショ
ン）および変圧器による直列インダクタンスは回転子の
励磁電圧巻線界磁巻線などの障害による損傷を避けるた
めに必要であると従来考えられてきた。

発明の目的および要約 本発明の１つの目的は従来技術の欠点を解消した励磁電
源を提供することである。

本発明のもう１つの目的はＰバーの交流出力を、励磁装
置および界磁回転子の中の後続の素子に適合する値に設
定するだめの手段を含むＰバー励磁電源を提供すること
である。

本発明の更にもう１つの目的は励磁変圧器を省略できる
Ｐバー励磁電源を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は１相当りのＰバ対の出力
をベクトル加算してＰバーの出力電圧および電流を調節
するＰバー励磁システムを提供することである。１つの
相の２個のＰバーは電機子のまわりに間隔を置いた角度
位置に配置され、これにより出力電圧を所望の通り増大
または減少させる。

本発明の更にもう１つの目的は電機子中での直列ターン
数を調節することによりＰバーの電圧出力を調節するＰ
バー励磁システムを提供することである。

簡単に述べると、本発明はＰバーから得られる電圧およ
び電流を調節するための手段を発電機内に設けたＰバー
励磁システムを提供する。多くの設備では、直流励磁電
力を作成するためＰバーの出力を整流器および制御回路
に直接に接続することができる。これにより従来の励磁
変圧器を除去することができる。各相に対して対のＰバ
ーを使用して電圧および電流か調節され、各対のＰバー
は直列に接続され、かつ電機子の内周に沿って互いに角
度を置いて配置されて、電圧のベクトル加算により各相
に所望の電圧を生じさせる。もう１つの態様では、電機
子中でのターン数を調節して、所望のＰバー電圧および
電流を生じさせる。

本発明の一実施態様によれば、発電機励磁システムが提
供され、該システムは、電機子と該電機子内で回転し得
る界磁回転子と上記電機子中に形成されて電機子巻線を
収容する複数のスロットを含む発電機、上記スロットの
中に収容されたＰバ、上記界磁回転子を励磁するために
上記界磁回転子に上記Ｐバーの電力出力を接続する接続
手段であって、上記界磁回転子を磁化するため交流励磁
電力を直流励磁電力に変換する変換手段を含む接続手段
、ならびに上記変換手段に接続された上記交流励磁電力
の少なくとも電圧の値を調節する調節手段であって、少
なくとも一部が上記電機子中に収容されている調節手段
をそなえる。

本発明の−に記目的および他の１」的、ならびに特徴お
よび利点は図面を参照した以下の説明により明らかとな
ろう。図面中の同じ参照番号は同一の素子を表わす。

好適実施例の説明 第１図は従来技術による発電機励磁機システムを全体的
で１０で表わして示す。発電機１２は軸１４を介して外
部動力源（図示しない）からトルクを受けて、その円筒
形の電機子（図示しない）内の界磁回転子（図示しない
）が回転する。発電機１２自体は完全に従来のものであ
り、その内部の詳細は省略する。

交流バス１６から励磁変圧器１８に励磁用交流電力が供
給される。通常、電圧を低下させるための励磁変圧器１
８で電圧調節した後、交流電力は整流器および制御器ア
センブリ２０の入力に接続される。整流器および制御器
アセンブリ２０は、たとえばサイリスクのようなデバイ
スを使って交流波形の平均電力を更に調節して、その結
果を整流する。整流器および制御器アセンブリ２０の直
流出力は、軸２６と一緒に回転するように取付けられた
スリップリング２４にブラシ２２を介して与えられる。

発電機１２の電力出力は電力バスを介して外部負荷に接
続される。

第１図の装置では界磁回転子の励磁のために外部の交流
電源を用いている。このような外部電源が何らかの理由
で利用できなくなった場合は、その利用できない時間の
間、励磁が中断されることになる。また、外部電源から
励磁変圧器１８への結合を行なうため、余旧なコストが
かかる。

次に第２図は、前記米国特許第４，４７７．７６７号に
開示されているような発電機励磁機システム３０を示し
ている。上記特許の中で述べられているように、発電機
３１の固定子のスロットの中にＰバーと呼ばれる３本の
導体の組（図示しない）が配置されている。Ｐバーは電
機子の内周」二に１２０度の角度間隔を置いて配置され
る。各Ｐバーの一端は他のＰバーの一端に接続されると
共にアースに接続される。Ｐバーのアースに接続されて
いない他端からは交流バス３２を介して励磁変圧器３４
に３相励磁電力が供給される。励磁変圧器３４は上記特
許に開示されているようなやり方で電圧を調節し、直流
隔離した直列インダクタンスを構成する。第１図の従来
技術システムと同一のやり方で励磁変圧器３４からの交
流出力が整流器および制御器アセンブリ２０で制御され
整流される。前の実施例と同様に、結果として得られる
直流励磁電力はブラシ２２およびスリップリング２４を
介して発電機３１の中の界磁回転子（図示しない）に供
給される。

Ｐバー励磁システムではこれまで常に励磁変圧器３４が
使用されてきた。というのは、入手可能で信頼できる部
品を使用した保護システムが利用できたので発電機３１
の中のＰバーから得られる電圧および電流を調節するこ
とが必要であり、かつ第１図の従来技術システムで従来
与えられるものに対応する隔離と直列インダクタンスを
与えることが必要であると当業者が信じたからである。

Ｐバーによって作成される電圧および電流を調節するこ
とができるということを本発明者は見出した。以下に述
べるやり方で増大または減少する向きに電圧を調節する
ことができる。したがって、変圧器の設計を簡略化する
ことができる。

更に本発明者の見出したところによれば用途によっては
Ｐバーで発生する電圧の調節によって、交流励磁電力の
整流器および制御器アセンブリへの直接接続を可能にす
る値を持つ交流電圧および電流を得ることさえもでき、
これにより変圧器を全くなくしてしまうことができる。

このような用途では、従来では励磁変圧器によって与え
られた隔離および直列インダクタンスは不必要になるか
、またはより簡単でより低コストの方法で得ることがで
きる。この変形されたシステムの直列インダクタンスは
従来技術のように１個のバーを使用するのではなくて２
個のバーを直列に使用することによって増大される。更
に、現在設計されている障害検出回路および保護回路に
よって、障害が生じた際の危険を著しく増大させること
なく変圧器による直流隔離を省略することが可能となる
と期待される。直列インダクタンスが必要な用途では、
変圧器を設けた場合に比べてずっと低いコストで、鉄心
リアクトルまたは空心リアクトルで得られるような小さ
なインダクタンスを交流バス３２の３本の線と直列に用
いることができることを本発明者は見い出した。

本発明に対する別の背景として第３図を参照して説明す
る。第３図には発電機１２の電機子３６が不必要な細部
を除いて示しである。電機子３６は扇形鋼板のスタック
（別々には示していない）で形成された中空の円筒形構
造３８を含む。中空の円筒形構造３８の内側表面４０に
は多数の縦方向の電機子スロット（混乱を避けるため図
では省略しである）が設けられている。電機子スロット
に収容されている導体バーは端部ターン（ｅｎｄ　ｔｕ
ｒｎ）によって−緒に接続され、必要な発電機巻線を形
成する。前記特許に開示されているように、選択された
３個の電機子スロット４８．５０および５２に３個のＰ
バー４２．４４および４６がそれぞれ配置される。電機
子スロットの中に既に設置されている電機子導体バー（
図示しない）の上にＰバーを設置することが実際的であ
ることがわかった。図示の間隔を置いた位置にＰバーを
取付けるための技術は周知であり、このような技術は文
献および先行特許に充分に開示されており、その詳細な
説明は必要でない。当業者にはわかるように、図示した
３個の電機子スロットは内側表面４０のまわりに密な間
隔で配置されたずっと多数の電機子スロットのうちから
選択された一組のスロットに過ぎない。残りの電機子ス
ロットは本発明にとって重要でないので、わかりやすく
するため図では省略しである。

次に第４図には本発明の一実施例による発電機励磁シス
テムが全体的に５４として示されている。

発電機５６の中には励磁電力を発生するためのＰバー（
図示しない）が含まれている。発電機５６にはＰバーの
他に後で詳しく説明する励磁電圧および電流を調節する
ための手段５８が含まれている。発電機５６からの励磁
用交流電力は前と同様に励磁変圧器３４を介して整流器
および制御器アセンブリ２０に与えられる。

本発明によれば、Ｐバーから直接に電圧および電流を励
磁変圧器に供給するのではなくて、励磁変圧器３４に供
給する電圧および電流を調節することにより、励磁変圧
器３４に大幅な節減を実現することができる。殆んどの
場合には、励磁電圧電流調節手段５８によって電圧を下
げることにより、−層小形の励磁変圧器３４で充分であ
るようにする。場合によっては、励磁電圧電流調節手段
５８を用いずに発電機５６から得られる電圧よりも高い
電圧まで、励磁変圧器３４に加えられる電圧を増大させ
ることが望ましいことがある。

第５図に示すように、発電機５６は選択された電機子ス
ロット４８’、５０’および５２′に１２０度の角度間
隔を置いてそれぞれ配置された３個のＰバー４２’、４
４’および４６′をそなえた電機子６０を含む。更に、
別の電機子スロット６８．７０および７２に１２０度の
角度間隔を置いて一組の３個の補助Ｐバー６２．６４お
よび６６がそれぞれ配置される。３個の電機子スロット
６８．７０および７２の組が３個のＰスロット４２’　
　　５０’　および５２′の組から角度的にずれτいる
ことがわかる。したがって、２組の対応するバーに誘導
される電圧および電流は振幅は同じであるが、それらの
間の角度間隔に応じて位相が異なる。

図示した構成を用いて、励磁変圧器３４に供給される電
圧を増大または減少させることができる。

Ｐバー４２′と補助Ｐバー６２を直列に接続すれば、そ
れらの中に発生する電圧はベクトル加算される。このよ
うなベクトル加算によって、ピーク値がそれぞれの単独
の電圧ピーク値より低い正弦波電圧が作成される。ベク
トル加算によって出力電圧が小さくなるｍはＰバー４２
′および補助Ｐバー６２との間の角度によって左右され
る。この角度を適当に選択することによってベクトル和
を所望のステップ調節の限界内の任意の値に調節するこ
とができる。同様にして、Ｐバー４４′を補助Ｐバー６
４と対にし、Ｐバー４６′を補助Ｐバ６６と対にするこ
とができる。

同様に、希望する場合には励磁電圧を増大させてもよい
。Ｐバー４２′を補助Ｐバー６４と直列に接続した場合
には、電圧のベクトル和はいずれのバーの個別の電圧よ
りも大きくなる。角度の選択によっては電圧が個別の電
圧の２倍まで大きくなる。この場合、同様にして、Ｐバ
ー４４′を補助Ｐバー６６と対にし、Ｐバー４６′を補
助Ｐバー６２と対にする。

再び第３図を参照すると、Ｐバー４２．４４および４６
から得られる電圧を調整するためにもう１つの技術を用
いてもよい。与えられた磁束に対して、Ｐバーの発生す
る電圧は中空の円筒形の構造３８の中の（Ｐバーに加え
て）電機子巻線の直列のターン数の逆数に比例する。限
界内において、電機子巻線のターン数を増大または減少
することにより、Ｐバーから得られる電圧を対応して増
大または減少させることができる。

以上、発電機内のＰバーから得られる励磁電圧を調節す
るための２つの異なる技術を開示した。

次に第６図には本発明のもう１つの実施例による発電機
励磁システムを全体的に７４として示しである。用途に
よっては、上記の技術を使って可能となる電圧および電
流の調節が発電機５６で要求する範囲と同じ範囲にある
ことを見出した。励磁電圧電流調節手段５８のない大形
発電機のＰバから直接得られる電圧は線間て約１２００
ボルト乃至１８００ボルトである。これは従来のブリッ
ジ整流器の８２０ボルトの能力を大幅に上回る。

しかし、励磁電圧電流調節手段５８を用いることにより
、８２０ボルト近傍の励磁電圧を発生すれば、これは整
流器の能力の範囲内にある。もちろん電圧を下げると、
必要な励磁電力を供給するために電流を増加することに
なる。整流器および制御器アセンブリ２０の整流器のコ
ストは部分的には整流器の通す電流の大きさによって左
右される。

このようなコストは階段状の関数となる。というのは−
旦整流器の電流導通能力を増大しなければならなくなる
と、一般にかなりの大きさの一定値たけ増大されるから
である。したがって、励磁電流を従来の整流器の能力内
に維持するようなやり方で励磁電圧の調節を行なうこと
ができれば、付加的な整流器のコストを負担する必要は
ない。

発電機励磁システムによっては、約２５００アンペアを
導通することができる整流用電力変換モジュールを使用
している。この電流値を超えた場合には、電流容量は２
５００アンペアの増分で増加させられる。各段階の増大
に伴ない、整流器、キャビネットおよび関連コストの費
用を大幅に増大することが必要となる。電力範囲が約３
００ＭＶＡ乃至約４５０ＭＶＡの発電機では励磁変圧器
なしにＰバーの出力を直接使うことができると思われる
。この電力範囲では、約８２０ボルトより低い励磁電圧
および約２５００アンペアより小さい励磁電流を直接に
使用することが可能であり、その際に整流器容量を更に
増加させる必要はない。

より大形のシステムでは、容量増加により整流器容量を
付加的に増加させる必要があるかも知れない。しかし、
これは励磁変圧器の除去ならびに以下に述べる動作」二
の利点を考慮すれば経済的に魅力的であると思われる。

直接励磁にはいくつかの魅力的な利点がある。

第１に、励磁変圧器をなくしたことによりコストが大幅
に削減される。更に、励磁変圧器のがなり大きなインダ
クタンスが励磁システムのユニット当りのマシーン（ｐ
ｅｒ−ｕｎｉｔ　ｍａｒｇｉｎ　）を減らすことがわか
った。これにより、励磁システムがその界磁回転子の増
大した要求に応答するのに必要な時間が長くなる。励磁
変圧器の除去によってユニット当りのマージンが３倍以
上に増加するので、発電機および電力系統の過渡応答が
改善される。

系統に短絡が生じた場合にＰバーを通る障害電流を制限
することが望ましいことがある。このため、個別のＰバ
ー電流と直列に安価な空心インダクタを配置してもよい
。

本明細書では地絡検出器、遮断器等の多数の従来の回路
機能を省略した。このような機能は従来からあるもので
あるので、省略しても当業者には本発明を使用すること
が妨げられないと考えられる。

図面を参照して本発明の詳細な説明したが、本発明はそ
れらの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範
囲で規定された本発明の範囲または趣旨から逸脱するこ
となく当業者には種々の変更および変形を行なうことが
できることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による発電機励磁システムのブロック
図である。第２図は別の従来技術による発電機励磁シス
テムのブロック図である。第３図は第２図の発電機の電
機子の横断面図である。第４図は本発明の一実施例によ
る発電機励磁システムのブロック図である。第５図は第
４図の発電機の電機子の横断面図であり、Ｐバーの電圧
および電流を調節するためぬ１つの技術を示す図である
。 第６図は本発明のもう１つの実施例による発電機励磁シ
ステムのブロック図である。 ［主な符号の説明］ ４２’　　４４’　　４６’・・・Ｐバ４８’　、５０
’　、５２’　・・・電機子スロット、５６・・・発電
機、 ５８・・励磁機の電圧および電流を調整するための手段
、 ６２．６４．６６・・・補助Ｐバ ６８．７０．７２・・・電機子スロット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発電機励磁のシステムに於いて、 電機子と、上記電機子の中で回転し得る界磁回転子と、
   上記電機子に設けられて電機子巻線を収容する複数のス
   ロットを含む発電機、 上記複数のスロットのうちの少なくとも３個のスロット
   にそれぞれ収容されたＰバー、 上記界磁回転子を励磁するために上記界磁回転子に上記
   Ｐバーの電力出力を接続する接続手段であって、上記界
   磁回転子を磁化するために交流励磁電力を直流励磁電力
   に変換する変換手段を含む接続手段、ならびに 上記変換手段に接続された上記交流励磁電力の少なくと
   も電圧の値を調節する調節手段であって、少なくとも一
   部が上記電機子の中に収容されている調節手段、 をそなえることを特徴とする発電機励磁システム。 ２、上記調節手段が上記電機子に完全に収容されている
   請求項１記載の発電機励磁システム。 ３、上記調節手段が、上記電機子内部にある部分、およ
   び上記電機子と上記変換手段との間にある変圧器を含む
   請求項１記載の発電機励磁システム。 ４、上記Ｐバーが３相交流励磁電源を形成し、上記３相
   交流励磁電源の各相が１本のＰバーおよび１本の補助Ｐ
   バーを含み、各相の上記Ｐバーおよび上記補助Ｐバーが
   それらの中で発生する電力成分のベクトル加算のために
   接続され、各相の少なくとも上記電圧を調節するために
   各相の上記Ｐバーおよび上記補助Ｐバーが角度間隔を置
   いて配置されている請求項１記載の発電機励磁システム
   。 ５、各相の上記Ｐバーと上記補助Ｐバーとの間の角度間
   隔が該各相の電圧を減少させる角度に配置されている請
   求項４記載の発電機励磁システム。 ６、各相の上記Ｐバーと上記補助Ｐバーとの間の角度間
   隔が該各相の電圧を増大させる角度に配置されている請
   求項４記載の発電機励磁システム。 ７、上記調節手段が、少なくとも上記Ｐバーにより発生
   される電圧を調節する役目を果す上記電機子巻線内の多
   数の電機子ターンを含む請求項１記載の発電機励磁シス
   テム。