JPS61254100A - 超電導コイル励磁電流制御装置 - 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】 （発明の利用分野》 本発明は，超電導を必要とする超電導発電機の界磁コイ
ル，あるいはプラズマ発生装置、磁気浮上装置などの励
磁装置における超電導コイル励磁電流制御装置に関する
。

（発明の背景） 超電導体は，良く知られているように、直流磁界中では
損失が生じないが，交流磁界中では損失が発生する０こ
の点に着目し、回転子の界磁巻線だけを超電導化したも
のが、超電導発電機であるＯこのような超電導発電機の
基本構造を第３図に示す（電気学会雑誌、第１０１巻第
１号、昭和５９年１月号、第１３頁参照）０ 回転子部分は、界磁コイルとしての超電導巻線を支持す
る円筒トルクチェーブ１、励磁電流を供給する励磁装置
６％電機子反作用によって生ずる交流磁束に対して、前
記超電導巻線を電磁シールドするダンパ３％ヘリウムを
給排する冷却装置７などで構成される。

一方、固定子部分は、高磁束密度を許容する空げき電機
子巻線４、及び固定子鉄心５から構成される。

超電導発電機は、回転子コイルである界磁コイルを超電
導の状態で使用するため。

（１）界磁損失が零となるのに対し、冷却機の損失は、
通常の発電機の場合とほとんど変らないため、全体とし
ての効率を従来機に比較して０．５〜１．０〜高くでき
る。

（２）界磁磁束が大きくとれるので１発電機の小形化・
軽量化が可能となる〇 などの特長を有する。

一方１発電様の界磁コイルは、その抵抗が零であるため
、従来機の数十倍の時定数となる。従って、実用上必要
な電力系統安定度に適した励磁装置とするためには％７
００〜ｔｏｏｏｖ程度の高い頂上電圧の、超速応の励磁
装置６が必要となる〇ところが、超電導状態にある界磁
コイルの界磁電流を、ある限度μ上の変化率で制御する
と１局部的な渦電流損による熱エネルギーが原因となっ
て、界磁コイルが超電導から通常伝導状態に転移するク
エンチ現象が発生する危険性がある〇このため、超電導
発電機に適用する励磁装置６は、界磁コイルの超゛鑞導
状態を保ちつつ、かつ速やかな励磁制御を実現し得るも
のでなければならないＯ 第２図は、現行の励磁制御方式の一つである、サイリス
タ式静止形励磁制御装置の概略ブロック図である。

第２図の励磁制御装置は、発電機の端子電圧を制御する
電圧制御ａＶＣ，サイリスタ制御整流装置ＴＨＹの点弧
位相を制御するゲートパルス発生器ｅｐｅ、＃記サイリ
スタ制御整流装置ＴＨＹの出力を供給される発電機界磁
コイルＦＬＤ　、発電機の電機子ＧＢＮ　、電機子ＧＩ
Ｎの出力側より界磁コイルＦＬＤへ電力を供給するため
の励磁変圧１ｉＢＸ−’Ｉ’Ｒ，電機子ＧＩ様子出力電
圧を検出するための交流変成器Ｐ’ｒと整流Ｓ几ＩＣ、
および電機子ＧＢＮの出力電圧を設定するための電圧設
定＠ＲＢＦよりなる。

動作時には、電圧設定ａｉ　ＲＩＰからの指令値Ｖ　と
電機子ＧＩＮの出力電圧の検出値ｖｖｂとのマｒ 差を、電圧制御＠ＶＣに詔いて演算することによりて、
ゲートパルス発生１６ＧＰＧの入力信号ＶＣを得る。

そして、前記信号ｖｃによって、界磁コイルＦＬＤ　に
必要な直流可変電圧を、サイリスタ制御ＩＪｉｆＩｔ装
置ＴＨＹから供給し、これによって電機子ＧＩＮ　の出
力電圧を設定値に調整する。

ところで、第２図の界磁コイルＦＬＤを超電導材で構成
した超電導発電機の励磁装置においては。

界磁コイルＦＬＤの抵抗分がほとんど零に等しいため、
定格出力電圧を発生するのに必要な励磁電圧は数Ｖであ
り、常電導の発電機の励磁電圧Ｖ、。

に比べてきわめて小さい・ しかし一方において、励磁回路の時定数は、前記界磁コ
イルの抵抗分がほぼ零であるため、きわめて大きくなる
。そのため、界磁電流を増加しようとする場合には、励
磁回路の逆起電力に相当した電圧以上の、大きな励磁電
圧Ｖ、ｘ（Ｖ、ｘ＞　Ｖ、。）が必要である。

従って、励磁電流増加時に、前記励磁電圧ｖｆｘの値如
何によっては、励磁電流の変化率ｄ　ｒ／ｄｔが異常過
大となり、クエンチ現象によって、界磁コイルの超電導
がくずれることがある。このクエンチ現象を起させない
ためには、励１ｉｌｌｔ流の大きさ及び励磁電流の変化
率を、所定の範囲内に制御することが必要となる〇 しかし、第２図に示したように、励磁電流制御器として
、電圧制御器ＶＣのみしか有しない励磁制御方式を採用
して、超電導界磁コイルの電流を制御する場合には、前
述のクエンチ現象を防止することができない。

すなわち、界磁コイルＦＬＤの電流を増加・減少せしめ
る時の１１．ｆｉ変化率ｄＶｄ、を所定範囲内に抑制で
きないため、界磁コイルＦＬＤに熱的じょう乱を与えて
、クエンチ現象が発生し、前記界磁コイルＦＬＤが、超
電導から急速に常電導化するという欠点がある。

（発明の目的） 本発明は、前述の欠点を除去するためになされたもので
あり、その目的は、超電導線に流れる電流変化率ｄＶｄ
ｔを所定範囲内に抑制することにより、その超電導状態
が破壊されるのを防止することのできる超電導コイル励
磁電流制御装置を提供することにある。

（発明の概要） 前記の目的を連成するために１本発明は、超電導線に流
れる励磁電流を増加・減少させる際に、その変化率ｄｉ
７．．を、予め定められた範囲内番こ制限するように構
成した点に特徴がある。

（実施列） μ下に、図面を８照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック図である◎同図に
おいて、第２図と同一の符号は、同一または同等部分を
あられしている〇 第２図との対比から明らかなように、この実施例は、第
２図の電圧側ｍ器ｖｃとゲートパルス発生器ＧＰＧとの
間に、″１ｃ流変化率制御１ｉＳＣＲＣを付加したもの
に相当する。

第１図においては、ｌｌＣ圧制御器ＶＣの出力が界磁電
流変化率指令ｖｒｒとなる０また。前記界磁電流変化率
指令ｖｒｒと、界磁電流検出器ｓＨより検出した界磁電
流検出値ｖｃｂを処理して作成した微分値ｄＩ（／ｄ、
との差を演算して、ゲートパルス発生器ＧＰＧに対する
入力信号ｖｃを得る０さらに。

前記信号ｖｃにしたがって、界磁コイルＦＬＤに必要な
直流可変電流を供給し、これによって電機子ＧＩＮの出
力電圧を設定値に調整する〇前記電圧制御器Ｖ、Ｃおよ
び電流変化率制御器ＣＲＣの具体的な回路構成の一例を
第４図に示す。

第４図において、演算増巾器ＯＰＩは、入力抵抗１ｉＲ
１１と几１２により電圧指令値ｖｖｒと出力電圧検出値
ｖｖｂとの差演算を行い、またその入出力端間に接続さ
れたインピーダンス回路ＺｌｌでＰＩ演算や遅れ・進み
演算を行う〇 更に、ダイオードＤｌｌ、Ｄ１２、可変抵抗器ＶＲＩＩ
、ＶＲ１２で任意に上下限リミット演算を行う０すなわ
ち、電圧指令値ｖｖｒと出力電圧検出値η、との差が、
予め決められた設定値以上ある場合には、界磁電流変化
率指令Ｖ　の絶対値ｒ １ｖｒ、１は予定の上限値でリミットされる。

さらに１次段のＫｆＬ変化率制御器ＣＲＣ内の演算増幅
−〇Ｐ３は、その入出力インピーダンスと共同してほぼ
積分動作をするので、その出力、すなわちゲートパルス
発生器ＧＰＧへの入力信号ｖｃは、はぼ一定値を超えな
い割合で変化する〇それ故に、界ａｔ流Ｉ、（第１図）
は、励磁電源の大きさや、電圧指令値Ｖ　に対する出力
電圧検ｒ 出値’ｖｂの偏差信号の大きさとは無関係に、前記一定
値以内の変化率で制御される。

さらに、第１図の実施例を伝達関数表示すると、第５図
囚のように表わされる０ただし、同図において、Ｒ，、
Ｌ、は界磁コイルＰＬＤの抵抗およびインダクタンスで
あり、Ｔｆはその時定数すなわ１−ｔ７．、　　Ｔ、は
界磁電流検出値ｖｃｂの微分時定数（Ｒ１６・Ｃ１１）
である。

そして、電圧制御ＳＶＣの出力が一定値以内にリミット
されており、かつ電流変化率制御１ｓｃＲｃのフィード
バックループゲインが十分大きく設定されている場合に
は、第５図囚は同図（６）のように簡略化される。

すなわち、界磁型ｆｔＩｆは、電圧制御器ＶＣの出力ｖ
ｒｒのリミット値１ｖＬ１と、第４図の微分時定数Ｔｒ
によって決まる値（リミット値ＩＶＬｌを’１１’、な
る時定数で積分した値）に応じて制御されるＯ 第６図は本発明の他の実施例のブロック図である０この
実施例は、明らかなように、第１図の実施例において、
電圧制御器ＶＣと電流変化率制御器Ｃ几Ｃとの間に、電
流制御ＷＣＣを付加したものに相当する〇 また、第７図は、前記電圧制御器ＶＣ１電流制御ｔｌｃ
ｃ＃よび電流変化率制御器ＣＲＣの具体的な回路構成の
一例を示すブロック図である０第７図の電圧制御器ＶＣ
では％第４図の場合と同様に、電圧指令値ｖｖｒと出力
電圧検出値ｖｖｂとの差演算を、演算増巾＠ＯＰ１の入
力抵抗Ｒ１１とＲ１２で、ＰＩ演算や連れ・進みなどの
演算をインピーダンス回路Ｚｌｌで、またダイオードＤ
ｌｌ、Ｄ１２と可変抵抗＠ＶＢａ１１　、　ＶＲｔ　２
とで出力（界磁電流指令）ｖｃｒのリミット演算を。

それぞれ行う◎ 次に、電流制御器ＣＣでは、前記出力、すなわち界磁電
流指令ｖｅｒと界磁電流検出値ｖｃｂとの差演算を、演
算増巾器ＯＦ２の入力抵抗Ｒ１３とＲ１４とで、ＰやＰ
Ｉなどの演算をそのインピーダンス回路Ｚ１２で、また
ダイオードＤ１３゜＝Ｄ１４と可変抵抗器Ｖｌ’Ｌ１３
　、　ＶＲＩ　４とでその出力、すなわち界磁′ＩＩＥ
流変化事変化率指令リミッｒ ト演算を、それぞれ行う０ すなわち、′−圧指令値ｖｖｒと出力電圧検出値’ｖｂ
との差が一定値以上ある場合には、界磁電流指令もの絶
対値１ｖ、、ｌは前記一定値にリミットされるため、界
磁電流工、の最大値は予定値に制限される。

また、前記第１実施例に関する説明と同じようにして、
リミットされた界磁電流変化率指令ｖｒｒと電流変化率
制御ループにより、界磁゛Ｉｔｆｔ変化率の最大値（絶
対値の最大値）がリミットされる０なお、第７図を第５
図のように伝達関数表示をすると、第８図のように表わ
される◎ また。電ｆｔ変化率制御は、第５図（４）よりわかる通
り、電流変化率制御器ＣＲＣを積分補償する場合には、
第９図の如く構成することも可能であるＯすなわち、Ｃ
ＲＣのフィードバック信号Ｖｃｂを微分することなく、
直接ＣＲＣの出力に帰還すればよい。

同様のことは、第６図の実施例のように、電圧制御器Ｖ
ＣとＣＢＣとの間に電流制御器ＣＣを有する場合番こも
適用可能である。

第１Ｏ図は本発明のさらに他の実施内を示すブロック図
である０同図において、第６図と同一の符号は、同一ま
たは同等部分をあられしている。

界磁電流指令ｖｃｒがＩＥｆＬ指令設定−ＣＩＯにより
て与えられる点を除けば、その構造および動作は第６図
の実施例と同じである０ したがって、この実施例によれば、超電導コイルＳＬに
流れる界磁電流Ｉ、の変化率は予定値以下に制限される
０なお、前記電流指令設定！　ＣＩＯを、その設定が、
界磁電流！、の許容最大値を超えないように構成するこ
とは容易である。

なお、以上では説明を簡便にするため、アナログ制御に
よって本発明を実施する場合についてのみ説明したが、
この制御方式をマイクロプロセラサヤマイクロコンビエ
ータを用いてディジタル化することは容易であり、この
ようなディジタル制御装置も本発明の範囲内に含まれる
と解されるべきである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなよう番こ１本発明によれば、つ
ぎのような効果が達成される。

（１）すなわち、超電導コ、イルに流れる励磁電流を、
その変化率が予定値を超えないように変化させることが
できるので、前記超電導コイルの超電導状態を破壊する
ことなしζこ、励磁電流を許容最大限の変化率で制御で
きるようになる。

（２）特に１本発明を超電導発電機に適用した場合には
、負荷の急激な変動や、送電線事故などに起因する電圧
変動を十分小さい値に抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施的を示すブロック図である。第
２図は従来の超電導発電機における超電導コイル励磁電
流制御装置の一例を示すブロック図である。第３図は従
来の超電導発電機の概略構成を示・す一部断薗図である
・第４図は第１図の要部を示す詳細ブロック図である０
第５図は第１°図の構成を伝達関数表示によりて示すブ
ロック図である０第６図は本発明の他の実ｍ例を示すブ
ロック図である。第７図は第６図の要部を示す詳細ブロ
ック図である０第８図は第７図の構成を伝達関数表示に
よって示すブロック図である。第９図は本発明の電流変
化率制御器の他の構成向を伝達関数表示によりて示すブ
ロック図である。第１０図は本発明のさらに他の実施例
を示すブロック図である。 ＶＣ・・・電圧制御器、ＣＲＣ・・・電流変化率制御器
。 ＧＰＧ　・・・ゲートパルス発生器、ＴＨＹ　・・・サ
イリスタ制御整流装置、ＰＬＤ　・・・界磁コイル、　
ＧＩＮ・・・電機子、８Ｈ・・・界磁電流検出＠、　Ｒ
１！ｔＦ　・・・電圧設定器、■　・・・電圧指令値％
　ｖｖｂ・・・出力電圧ｒ 検出器、■　・・・界磁電流変化率指令％ｖｃｂ・・・
界ｒ 磁電流検出値、ｖｃ　・・・ゲートパルス発生器入力。 Ｉｆ　　・・・界ｌｉａ電流、ｖ０．・・・界磁電流指
令弁埋入　弁理士　　平　　木　　道　　人第１図 第２図 第３図 第　　４１！１ 第　　５１！ｌ （Ａ） 第８図 第９図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流入力を直流出力に変換するサイリスタ制御整
   流装置と、前記サイリスタ制御整流装置の直流出力を供
   給される超電導コイルと、前記サイリスタ制御整流装置
   に、その点弧用ゲートパルスを供給するゲートパルス発
   生器と、前記超電導コイルに流れる励磁電流を検出する
   手段と、前記超電導コイルに流れる励磁電流の目標値を
   設定する手段と、前記励磁電流検出値の、その目標値に
   対する偏差に基づいて、励磁電流変化率指令を発生する
   手段と、前記励磁電流変化率指令を、予定値以内に制限
   して前記ゲートパルス発生器に供給する電流変化率制御
   器とを具備したことを特徴とする超電導コイル励磁電流
   制御装置。
2. （２）超電導コイルが、超電導発電機の界磁コイル、プ
   ラズマ発生装置の励磁コイル、および磁気浮上装置の励
   磁コイルのうちのいずれかであることを特徴とする前記
   特許請求の範囲第１項記載の超電導コイル励磁電流制御
   装置。