JPH0258880B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は交流発電機の励磁調整装置に関す
る。

発電機は負荷の投入、しや断など負荷変動によ
り出力電圧は変動する。特に非常用発電機などイ
ンピーダンスの大きい発電機は負荷変動による出
力電圧変動が大きく、発電機から供給される他の
負荷に悪影響を与える。従つて発電機の出力電圧
を制御する制御装置は急激な負荷変動にも応答性
良く発電機出力を制御出来ることが望まれる。又
整流器などの負荷をもつ発電機では出力電圧波形
が歪む場合が多く、この場合でも制御装置は発電
機出力電圧を安定に制御出来ることが、望まれ
る。更に船用発電機の場合では、発電機出力が短
絡されても規定された時間、規定された電流を発
電機は流し続ける機能、すなわち複巻特性も必要
とされる。

第１図は上述のような複巻特性の機能を持たせ
た従来の励磁調整装置を示す。これによれば、交
流発電機１の界磁巻線２に給電するために、電流
巻線３１、電圧巻線３２および出力巻線３３を有
する巻線変圧器３が設けられている。電流巻線３
１は発電機出力線に直列に挿入され、電圧巻線３
２は発電機端子に交流リアクトル４を介して接続
されている。電圧巻線３２と交流リアクトル４と
の接続点にはコンデンサ５が接続されている。出
力巻線３３には整流器６が接続され、この整流器
６の直流出力端子間に界磁巻線２が接続されてい
る。さらに整流器６の交流側の一つの相端子と直
流側の一方の端子との間にサイリスタ７と抵抗８
との直列回路が接続され、この直列回路には過電
圧抑制回路９が並列接続されている。サイリスタ
７は制御装置１０によつて発電機端子電圧が電圧
設定器１１によつて設定された電圧設定値に一致
するように点弧位相制御される。

無負荷時定格電圧を発生させるのに必要な励磁
を与える電圧成分回路の巻線３２と負荷時負荷電
流による電圧降下を補償する励磁を供給する電流
成分回路の巻線３１とが磁気的に結合していて、
両者の合成出力が出力巻線３３に現われる。巻線
３１には発電機電流又はそれに比例した電流が流
れる。巻線３２にはリアクトル４を介して発電機
１の出力電圧が加わる。巻線３３の出力はダイオ
ード整流器６で整流され、界磁巻線２に加わり界
磁電流を流す。電圧成分は発電機出力から４→３
２→３３→６→２と加わり、電流成分は３１→３
３→６→２と加わる。

電圧調整用分流サイリスタ７は整流器６の入力
回路の１相と整流器６の出力の負極間に抵抗８を
介して接続されている。発電機の所望の出力電圧
を得るに余分な３巻線変圧器の電流はこのサイリ
スタを点弧させて交流側で分流し、界磁回路には
流れないようにする。一般に３巻線トランスの出
力電流は必要な界磁電流よりも若干大きくなるよ
うに設計されているので毎サイクルサイリスタを
点弧させて分流させる必要がある。サイリスタへ
の分流量すなわちサイリスタの点弧位相は発電機
電圧制御装置１０により発電機電圧設定回路１１
の設定値に発電機電圧がなるように制御される。
コンデンサ５はリアクトル４を共振させることに
より、発電機界磁抵抗の影響を小さくしたり、始
動時の電圧の確立を安易ならしめるために接続さ
れている。

前述のように従来方式の基本は空隙をもつた３
巻線変圧器により電圧要素と電流要素とを磁気結
合させる方式であるため次のような欠点を有して
いる。

(1) 同一容量の変圧器に対して３巻線変圧器の大
きさが大きい。

(2) 結合の度合により出力が変わるので出力の調
整（例えば交流リアクトルのギヤツプ、サイリ
スタ直列抵抗又はコンデンサの大きさの調整）
を行なう必要がある。

更に従来方式はサイリスタにより毎サイクル電
流を分流させる方式であるため、サイリスタをオ
フすると３巻線変圧器の出力電流は全て界磁回路
に流れなければならない。３巻線変圧器の出力は
定電流源とみなせ又、界磁回路のインダクタンス
は発電機回路に比較して非常に大きいので、サイ
リスタをオフすると界磁回路に高い電圧が発生す
る。このため過電圧抑制回路９を接続しているが
この回路の発生損失が大きいため（界磁回路が電
流を吸収するまで過電圧抑制回路９が電流を吸収
するため（装置の効率の低下や寸法、重量が大き
くなつていると云う欠点もある。

さらに制御装置１０は発電機電圧設定器１１の
値に発電機の電圧が合うように分流用サイクルの
通流率を制御するが、従来式ではこの制御装置は
オフセツトをなくするためPI調節器で構成され
ている。このため負荷急変などによつて、発電機
電圧が急変しても制御装置がPI調節器のため制
御遅れを生じ、充分な速さの制御応答を得ること
は困難であつた。

更に分流サイリスタ７は発電機電圧に同期して
点弧させる必要がある。ところが発電機に整流器
のような負荷が接続されると整流器の転流のため
発電機の出力電圧は歪んだ波形となつてしまう。
サイリスタの点弧のための同期信号は発電機出力
電圧からとつているので同期信号はこの歪のため
変動してしまう。このため従来方式では負荷の状
態によつて制御が不安定になつたり場合によつて
は制御が出来なくなつてしまうと云う欠点もあ
る。

本発明の目的は、(1)回路機構が簡単で複巻特性
が得られ、(2)複雑な調整を必要とせず、(3)発電機
の電圧波形に歪が生じても安定に発電機電圧を制
御でき、(4)負荷急変によつて発電機電圧が急変し
ても直ちに発電機電圧を従来以上に速く元の値ま
で復帰させて電圧変動量の少ない安定した発電機
電圧が得られる発電機励磁調節装置を提供するこ
とを目的とする。

本発明の基本は、電圧要素と電流要素とを交流
側で電気的に合成（ベクトル合成）した出力を整
流器で整流し、その出力を回磁回路に加え、整流
器の直流端子間に半導体スイツチを接続し、整流
器の出力電流の一部をこの半導体スイツチに分流
させるようにした主回路構成に於いて、その制御
装置を平均値制御形の発電機電圧調節器と瞬時値
制御形の界磁電流調節器とで構成し、電圧調整機
能の速応性を図つたことにある。

以下、図面の第２図以下を参照しながら本発明
を説明する。

第２図は本発明一実施例を示す。これによれば
交流発電機１の界磁巻線２へ給電するための整流
器１０１の交流側端子は一方では発電機の出力母
線に挿入された電力用変流器１０２の２次側に接
続され、他方では交流サイリスタ１０３を介して
発電機端子に接続されている。交流リアクトル１
０３は発電機電圧に依存した成分を取り出すため
の電圧成分回路として役立ち、電力用変流器１０
２は発電機電流に依存した成分を取り出すための
電流成分回路として役立つ。両成分は整流器１０
１の交流入力側でベクトル合成される。整流器の
直流出力電流は両成分の合成電流を整流したもの
に相当する。整流器１０１の直流出力端子間には
制御可能な半導体スイツチ１００が接続され、こ
の半導体スイツチ１００は整流器の直流出力電流
の一部を分流することを可能にする。整流器１０
１は３相ダイオードブリツジとして構成すること
ができ、半導体スイツチ１００としてはトランジ
スタ、ゲートターンオフサイリスタ、あるいはサ
イリスタチヨツパを使用することができる。整流
器１から電流を供給される界磁巻線２には電流吸
収回路１０４が逆列接続されている。電流吸収回
路１０４としてはコンデンサを使用することがで
きる。この電流吸収回路１０４は半導体スイツチ
１００がオフ時に整流器１０１の直流出力電流と
界磁電流との差電流分を吸収するのに役立つ。半
導体スイツチは後述の制御装置により通流率制御
され、これにより界磁電流が調整される。整流器
１０１の直流出力電流に含まれる電圧依存成分と
電流依存成分とにより、負荷変動時に直流出力電
流の変化により応答性よくその負荷変動を補償さ
せることができる。

電流吸収回路１０４としてコンデンサを用いる
場合の実施例が第３図に主回路部分についてのみ
示されている。第３図によれば、電流吸収回路と
してのコンデンサ１０５以外にこのコンデンサと
半導体スイツチ１００との間に逆流防止用ダイオ
ード１０６が挿入されている。その他の構成につ
いては第２図と同じである。ダイオード１０６は
半導体スイツチ１００のオン時にコンデンサ１０
５からの放電電流がこの半導体スイツチ１００を
介して流れるのを阻止する。これにより半導体ス
イツチ１００として使用される例えばトランジス
タなどの素子の破壊の危険性をなくすことができ
る。また、必要に応じて交流リアクトル１０３と
発電機との間に変圧器１０７を挿入することがで
きる。

再び第２図に戻つて制御回路部分について説明
する。発電機端子電圧の実際値が電圧検出器２０
０によつて検出され、この検出された電圧実際値
は電圧設定器２０２からの電圧目標値と共に平均
値制御形の電圧調節器２０３に導かれ、電圧調節
器２０３は電圧制御偏差に応じて電流目標値を形
成する。この電流目標値は、電流比較器２０４に
おいて、電流検出器２０１によつて検出された界
磁電流実際値と大小比較される。電流比較器２０
４は界磁電流の目標値と実際値の大小関係にした
がつた二値動作の出力信号と発生するヒステリシ
スコンパレータとして構成されている。電流比較
器２０４の二値動作の出力信号に応じて制御装置
２０５は半導体スイツチ１００をオンオフ制御す
る。

次に、第４図ａ，ｂに示す要部の電圧電流波形
を参照しながら第２図（もしくは第３図）の実施
例の動作について説明する。

整流器１０１の出力電流i101がいかなる場合で
も界磁電流i₂の所要値よりも大きくなるように回
路限定数は選ばれている。半導体スイツチ１００
がオンのときには整流器出力電流ｉ１０１はこの
半導体スイツチ１００によつて側路され、界磁電
流i₂は減少してゆく。電流i₂が下限目標値に達す
るや否や電流比較器２０４の出力信号が反転し、
この反転により制御装置２０５は半導体スイツチ
１００をオフする。半導体スイツチ１００のオフ
によつて整流器出力電流ｉ１０１は界磁巻線回路
に流れ込む。界磁インダクタンスのために界磁電
流i₂は徐々にしか増大できないため、差電流分ｉ
１０１−i₂は電流吸収回路１０４（もしくはコン
デンサ１０５）の流入する。界磁電流i₂が上限目
標値まで達するや否や電流比較器２０４の出力信
号が反転し、これにより制御装置２０５は半導体
スイツチ１００をオンする。半導体スイツチ１０
０のオンによつて整流器電流i101はこの半導体ス
イツチを介して側路され、界磁電流i₂は減少して
ゆく。このようにして界磁電流i₂は電圧調節器２
０３によつて与えられる目標値に保たれるように
瞬時値制御される。

ある瞬時でのスイツチ１００の通流率αは、オ
ン時間をT_ON、周期をＴとする。

α＝T_ON／Ｔ と表わすことができ、界磁電流i₂の平均値I_Fは、
整流器出力ｉ１０１の平均値をI₀とすると I_F＝（１−α）I₀ なる関係にある。すなわち平均値としてみると、
整流器の出力電流I₀のうち界磁には（１−α）I₀
だけ流れスイツチ１００には残りのαI₀が分流し
ていることになる。

次に負荷急変などにより発電機電圧が急変した
場合の動作を第５図で説明する。負荷変動がない
場合（図ではt₀より前）電圧調節器２０３の出力
電圧と界磁電流検出器２０１の出力電圧とを比較
し、電流比較器２０４は図のような出力V204を
出しスイツチ１００をオンオフさせて発電機１の
電圧を設定電圧に一致させている。負荷変動が生
じた場合は次のようになる。負荷急変の動作につ
いては負荷急増（負荷投入）の場合で説明する。
時点t₀で負荷が急増すると発電機の出力電圧は降
下する。電圧検出器２００の出力V200も同様に
降下する。電圧調節器２０３は発電機１の電圧を
元の状態に戻すべく出力V203を大きくする。電
流比較器２０４は界磁電流の値を電圧調節器２０
３の出力を合せるように動作する。すなわち電圧
調節器２０３の出力に回磁電流値をほとんど瞬時
に応答させる。更に負荷電流増加分が整流器１０
１の出力i101に加わるので界磁電流の挙動は非常
に早いものとなる。以上負荷増の場合で示した
が、負荷急減の場合も同様の動作となるので説明
は略す。以上本発明によれば電流比較器により電
圧調節器の出力に界磁電流を制御遅れなし瞬時に
応答させる事が出来るので負荷急変による発電機
電圧の変動幅、整定時間を従来よりも非常に改善
出来る。

さらに第６図に示す実施例の如く不感帯付きの
微分回路２０６を追加して、発電機端子電圧を検
出してこの回路２０６を通して得た信号を電圧調
節器の入力に重畳すると、制御応答を一層高める
ことができる。不感帯付き微分回路２０６の特性
は第７図において、ａに示す時間経過例およびｂ
に示す不感帯特性から分るように発電機電圧V₁
が不感帯幅△Vg₀を上回る大きさだけ急変した場
合にのみその変化量に応じた不完全微分波形の出
力信号V206を発生するようになつている。この
出力信号は電圧調節器２０３に対して発電機の電
圧を補正する極性にて入力される。

以上説明したように、本発明による構成は、次
の如き効果を奏する。

(1) 電流要素と電圧要素とを整流器入力側でベク
トル合成する方式なので発電機は複巻特性とな
り発電機電圧制御性能を非常に向上させること
が出来る。

(2) 主回路構成要素が、電力用CT、リアクトル、
整流器、半導体スイツチ、コンデンサであるた
め回路構成が非常に簡単であり、従来形に比べ
小形軽量、低価格化が図れる。

(3) 主回路構成要素の調整を必要としないので更
に安価に出来る。

(4) 発電機電圧波形歪による影響を受けないので
安定した電圧制御出来る。いいかえばどのよう
な負荷にも適用出来る。

(5) 半導体スイツチの制御装置として電圧調節器
の出力に瞬時応答の電流比較器を接続している
ので制御装置の応答速度が速く、電圧変動量を
従来に比して非常に小さく出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の実施例を示すブロツク図、第２
図は本発明実施例を示すブロツク図、第３図は本
発明実施例における主回路部の構成例を示す接続
図、第４図および第５図は本発明動作を説明する
ための波形図、第６図は本発明の他の実施例を示
すブロツク図、第７図は第６図の実施例を説明す
るための動作波形・入出力特性図である。 １……発電機、２……界磁巻線、１００……半
導体スイツチ、１０１……整流器、１０２……電
力用変流器、１０３……交流リアクトル、１０４
……電流吸収回路、２００……電圧検出器、２０
２……電圧設定器、２０３……電圧調節器、２０
４……電流比較器、２０５……制御装置、２０６
……不感帯付き微分回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流発電機１の端子電圧に依存した成分を取
   り出すための交流リアクトル１０３と、 交流発電機１の出力電流に依存した成分を取り
   出す電力用変流器１０２と、 両成分をベクトル合成した電流を整流して界磁
   巻線２に供給する整流器１０１と、 該整流器１０１の直流出力側端子間に接続され
   たオンおよびオフの制御が可能な半導体スイツチ
   １００と、 交流発電機の界磁巻線２に並列接続された電流
   吸収用コンデンサ１０５と、 前記半導体スイツチ１００と前記電流吸収用コ
   ンデンサ１０５との間に挿入された逆電流防止用
   ダイオード１０６と、 交流発電機１の端子電圧の実際値を検出する電
   圧検出回路２０２と、 該電圧検出回路２０２の出力信号をフイードバ
   ツク信号として受け取り交流発電機２の端子電圧
   を所望値に調整すべく界磁電流目標値を形成する
   電圧調節器２０３と、 該電圧調節器２０３からの界磁電流目標値と前
   記電圧検出回路２０２によつて検出された界磁電
   流実際値とを比較して二値動作出力信号を発生す
   る電流比較器２０４と、 該電流比較器２０４の二値動作出力信号にした
   がつて前記半導体スイツチ１００のオンオフ制御
   を行う制御回路２０５と、 を備えていることを特徴とする交流発電機の励磁
   調整装置。