KR102409164B1 - 사이리스터 기동 장치 - Google Patents

Abstract

사이리스터 기동 장치(100)는, 컨버터(1)의 직류 출력 전류를 단속적으로 0으로 함으로써 인버터(2)의 전류를 행하는 제1 모드와, 동기기(20)의 유기 전압에 의해 인버터(2)의 전류를 행하는 제2 모드를 순차적으로 실행함으로써, 동기기(20)를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다. 사이리스터 기동 장치(100)는, 또한, 제1 모드에서, 계자 전류를 일정하게 함으로써 동기기(20)의 회전 속도와 비례적으로 유기 전압을 상승시킴과 함께, 유기 전압이 제1 전압값에 도달한 후에는, 계자 전류를 저하시킴으로써 유기 전압의 상승을 억제하도록 구성된다.

Description

사이리스터 기동 장치

본 발명은, 사이리스터 기동 장치에 관한 것이다.

발전기 및 전동기 등의 동기기를 기동하기 위한 사이리스터 기동 장치가 개발되어 있다(예를 들어 국제 공개 제2014/033849호 명세서(특허문헌 1) 참조). 사이리스터 기동 장치는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해 인가되는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기기에 공급하는 인버터를 구비하고 있다. 동기기에 공급하는 교류 전력을 제어함으로써, 정지 상태의 동기기를 기동시켜 소정의 회전 속도로 구동시킬 수 있다.

국제 공개 제2014/033849호 명세서

상기 사이리스터 기동 장치에 있어서, 인버터는 적어도 6개의 사이리스터를 갖고 있다. 동기기의 회전에 동기하여 6개의 사이리스터를 2개씩 순서대로 점호시킴으로써, 인버터는 동기기에 삼상 교류 전력을 공급하여 동기기의 회전 속도를 상승시킬 수 있다.

그러나, 인버터의 전류(轉流) 동작 중에 6개의 사이리스터 중 어느 것의 사이리스터에 있어서 단락 고장이 발생한 경우, 다른 건전한 사이리스터를 점호시킴으로써, 이 사이리스터를 통해 사고 전류가 흐르는 경로가 형성된다. 그 때문에, 사고 전류에 의해 건전한 사이리스터 및 전기자 권선 등의 구성 부품이 대미지를 받게 된다. 사고 전류가 커질수록, 구성 부품에 대한 대미지도 커지기 때문에, 구성 부품이 손상될 가능성이 높아진다.

본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 사고 전류에 의한 손상을 억제할 수 있는 사이리스터 기동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 어떤 국면에 의하면, 사이리스터 기동 장치는, 계자 권선을 갖는 회전자와 고정자를 갖는 동기기를 기동시킨다. 사이리스터 기동 장치는, 컨버터와, 직류 리액터와, 인버터와, 여자 장치를 구비한다. 컨버터는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 직류 리액터는 직류 전력을 평활화한다. 인버터는, 컨버터로부터 직류 리액터를 통해 인가되는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 고정자에 공급하도록 구성된다. 여자 장치는, 계자 권선에 계자 전류를 공급하도록 구성된다. 사이리스터 기동 장치는, 컨버터의 직류 출력 전류를 단속적으로 0으로 함으로써 인버터의 전류를 행하는 제1 모드와, 동기기의 유기 전압에 의해 인버터의 전류를 행하는 제2 모드를 순차적으로 실행함으로써, 동기기를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다. 사이리스터 기동 장치는, 또한, 제1 모드에서, 계자 전류를 일정하게 함으로써 동기기의 회전 속도와 비례적으로 유기 전압을 상승시킴과 함께, 유기 전압이 제1 전압값에 도달한 후에는 계자 전류를 저하시킴으로써 유기 전압의 상승을 억제하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 사고 전류에 의한 손상을 억제할 수 있는 사이리스터 기동 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도이다.
도 2는 사이리스터 기동 장치의 기본 동작을 나타내는 타임차트이다.
도 3은 도 1에 도시한 인버터의 구성 및 동작을 도시하는 회로도이다.
도 4는 부하 전류(轉流) 모드 시에 있어서의 인버터의 이상적인 전류(轉流) 동작을 모식적으로 나타내는 타임차트이다.
도 5는 사고 전류의 경로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시한 사고 전류의 경로를 모식적으로 도시하는 등가 회로 도이다.
도 7은 선간 전압 및 사고 전류의 동작 파형을 도시하는 도면이다.
도 8은 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치의 동작을 나타내는 타임차트이다.
도 9는 단속 전류(轉流) 모드 시의 동기기의 회전 속도와 컨버터로부터 출력되는 직류 전류의 관계를 모식적으로 나타내는 타임차트이다.
도 10은 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 전류 명령값의 관계를 도시하는 도면이다.
도 11은 동기기의 냉각 구조의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 12는 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 컨버터로부터 출력되는 직류 전류의 관계를 모식적으로 나타내는 타임차트이다.
도 13은 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 전류 명령값의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 14는 단속 전류 모드 시의 동기기의 회전 속도와 전류 명령값의 관계의 다른 예를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명을 반복하지 않는다.

[실시 형태 1]

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치의 구성을 도시하는 회로 블록도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치(100)는, 정지한 동기기(20)를 소정의 회전 속도까지 가속시킴으로써, 동기기(20)를 기동시킨다.

동기기(20)는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW를 갖는 고정자와, 계자 권선(22)을 갖는 회전자를 포함한다. 동기기(20)는, 예를 들어 화력 발전소의 가스 터빈에 결합되어 있어, 가스 터빈에 의해 회전 구동된다. 이하의 설명에서는, 소정의 회전 속도를 「정격 회전 속도」라고도 칭한다. 예를 들어, 교류 전원(30)의 주파수가 60Hz인 경우, 정격 회전 속도는 3600rpm으로 설정된다.

사이리스터 기동 장치(100)는, 변압기 TR의 2차측에 접속되어 있다. 변압기 TR의 1차측은 교류 전원(30)에 접속되어 있다. 변압기 TR은, 교류 전원(30)으로부터 공급되는 삼상 교류 전압을 소정의 전압값의 삼상 교류 전압으로 변환하여 사이리스터 기동 장치(100)에 인가한다.

사이리스터 기동 장치(100)는, 컨버터(1), 직류 리액터(3), 인버터(2), 및 여자 장치(21)를 구비한다. 컨버터(1)는, 적어도 6개의 사이리스터를 포함하는 삼상 전파 정류기이며, 변압기 TR로부터의 삼상 교류 전력을 가변 전압의 직류 전력으로 변환한다.

직류 리액터(3)는, 컨버터(1)의 정측 출력 단자(1a)와 인버터(2)의 정측 입력 단자(2a) 사이에 접속된다. 직류 리액터(3)는, 컨버터(1)의 직류 출력 전류 Id를 평활화한다. 컨버터(1)의 부측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 부측 입력 단자(2b)는 서로 접속된다. 또한, 다른 하나의 직류 리액터(3)가, 컨버터(1)의 부측 출력 단자(1b)와 인버터(2)의 부측 입력 단자(2b) 사이에 접속되어 있어도 된다.

인버터(2)의 3개의 출력 단자(2c, 2d, 2e)는, 각각, 동기기(20)의 3개의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 접속된다. 인버터(2)는, 적어도 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z를 포함하는 삼상 타려식 인버터이다. 인버터(2)는, 컨버터(1)로부터 직류 리액터(3)를 통해 인가된 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 동기기(20)에 공급한다.

여자 장치(21)는, 동기기(20)의 계자 권선(22)에 계자 전류 If를 공급한다. 계자 권선(22)에 계자 전류 If가 공급되어 있는 상태에 있어서, 인버터(2)로부터 전기자 권선 ATU, ATV, ATV에 교류 전력을 공급함으로써, 동기기(20)의 회전이 가속된다.

사이리스터 기동 장치(100)는, 변류기(4, 5), 전압 검출기(6), 위치 검출기(7), 전류 검출기(9), 인버터 제어부(10) 및 컨버터 제어부(13)를 더 구비한다.

변류기(4)는, 변압기 TR로부터 컨버터(1)에 흐르는 삼상 교류 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 전류 검출기(9)에 인가한다. 전류 검출기(9)는, 변류기(4)로부터의 신호에 기초하여, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id를 연산하고, 그 연산값을 나타내는 신호를 컨버터 제어부(13)에 인가한다. 구체적으로는, 전류 검출기(9)는, 전파 정류형 다이오드 정류기를 갖고 있어, 검출된 삼상 교류 전류를 직류 전류 Id로 변환한다.

변류기(5)는, 인버터(2)로부터 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 흐르는 전류를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 인가한다.

전압 검출기(6)는, 인버터(2)로부터 동기기(20)에 공급되는 삼상 교류 전압 Vu, Vv, Vw의 순시값을 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 위치 검출기(7)에 인가한다. 구체적으로는, 전압 검출기(6)는, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 있어서의 삼상 교류 전압의 선간 전압 중 2개의 선간 전압(도 1에서는, U상-V상간의 교류 전압 Vu-v 및 V상-W상간의 교류 전압 Vv-w로 함)을 검출한다. 이와 같이, U상-V상간의 교류 전압 Vu-v, V상-W상간의 교류 전압 Vv-w 및 W상-U상간의 교류 전압 Vw-u 중 적어도 2개의 선간 전압을 검출함으로써, U상, V상, W상의 교류 전압을 계산에 의해 구할 수 있다. 이 선간 전압으로부터 상전압으로의 변환은, 전압 검출기(6) 또는 위치 검출기(7)에 있어서 행해진다.

위치 검출기(7)는, 변류기(5) 및 전압 검출기(6)로부터의 신호에 기초하여 동기기(20)의 회전자의 위치를 검출하고, 검출값을 나타내는 신호를 인버터 제어부(10) 및 컨버터 제어부(13)에 인가한다.

인버터 제어부(10)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호에 기초하여, 인버터(2)의 점호 위상을 제어한다. 구체적으로는, 인버터 제어부(10)는, 제어각 연산부(11)와, 게이트 펄스 발생기(12)를 포함한다. 제어각 연산부(11)는, 검출된 동기기(20)의 회전자의 위치에 기초하여 위상 제어각(점호각) γ를 연산하고, 연산한 위상 제어각 γ를 게이트 펄스 발생기(12)에 부여한다. 게이트 펄스 발생 회로(40)는, 제어각 연산부(11)로부터 받은 위상 제어각 γ에 기초하여 인버터(2)의 사이리스터의 게이트에 부여할 게이트 펄스(점호 명령)를 생성한다. 인버터 제어부(10)는 「제1 제어부」의 일 실시예에 대응한다.

컨버터 제어부(13)는, 위치 검출기(7)로부터의 신호 및 전류 검출기(9)로부터의 신호에 기초하여, 컨버터(1)의 점호 위상을 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 제어부(13)는, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id가 전류 명령값 Id*에 일치하도록, 컨버터(1)의 점호 위상을 제어한다. 컨버터 제어부(13)는 「제2 제어부」의 일 실시예에 대응한다.

컨버터 제어부(13)는, 속도 제어부(14)와, 전류 제어부(15)와, 제어각 연산부(16)와, 게이트 펄스 발생기(17)를 포함한다. 속도 제어부(14)는, 검출된 동기기(20)의 회전자의 위치에 기초하여, 동기기(20)의 회전 속도를 연산한다. 속도 제어부(14)는, 연산한 회전 속도에 기초하여, 직류 전류 Id의 목표값인 전류 명령값 Id*를 생성한다.

전류 제어부(15)는, 전류 명령값 Id*와 직류 전류 Id의 편차 ΔId를 연산하고, 연산한 편차 ΔId에 기초하여 전압 명령값 VDC1*를 생성한다. 구체적으로는, 전류 제어부(15)는, 비례 요소(P: proportional element), 적분 요소(I: integral element) 및 가산부를 포함한다. 비례 요소가 편차 ΔId에 소정의 비례 게인을 곱하여 가산부로 출력하고, 적분 요소는 편차 ΔId를 소정의 적분 게인으로 적분하여 가산부로 출력한다. 가산부는, 비례 요소 및 적분 요소로부터의 출력을 가산하여 전압 명령값 VDC1*를 생성한다. 전압 명령값 VDC1*는, 컨버터(1)가 출력해야 할 직류 전압 VDC1을 규정하는 제어 명령에 상당한다.

또한, 컨버터(1)는, 인버터(2)의 입력 단자측의 직류 전압 VDC2보다도 직류 리액터(3)에 의한 전압 강하분만큼 커지도록 직류 전압 VDC1을 제어한다. 이에 의해, 직류 전류 Id가 제어된다.

제어각 연산부(16)는, 전류 제어부(15)로부터 인가되는 전압 명령값 VDC1*에 기초하여, 위상 제어각 α를 연산한다. 제어각 연산부(16)는, 연산한 위상 제어각 α를 게이트 펄스 발생기(17)에 부여한다.

게이트 펄스 발생 회로(40)는, 제어각 연산부(16)로부터 받은 위상 제어각 α에 기초하여 컨버터(1)의 사이리스터 게이트에 부여하는 게이트 펄스(점호 명령)를 생성한다. 게이트 펄스 발생기(17)에 의해 생성된 게이트 펄스에 따라서 컨버터(1)가 스위칭 제어됨으로써, 전류 명령값 Id*에 따른 직류 전류 Id가 컨버터(1)로부터 출력된다.

다음에, 도 2를 사용하여, 사이리스터 기동 장치(100)의 기본 동작에 대하여 설명한다.

도 2는 사이리스터 기동 장치(100)의 기본 동작을 나타내는 타임차트이다. 도 2에는, 동기기(20)의 회전 속도, 동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 실효값, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id, 및 계자 전류 If가 도시되어 있다.

사이리스터 기동 장치(100)에 있어서는, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 발생하는 유기 전압을 이용하여 인버터(2)에 있어서의 사이리스터의 전류(轉流)가 행해진다. 이와 같은 전류는 「부하 전류」라 불리고 있다.

그러나, 동기기(20)의 회전 속도가 낮은 경우, 즉 동기기(20)의 기동 시나 저속 시에는, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에 발생하는 유기 전압이 낮기 때문에, 사이리스터의 전류가 실패하는 경우가 있다. 그 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 낮을 때는, 컨버터(1)의 직류 출력 전류 Id를 단속적으로 0으로 하여 인버터(2)의 전류를 행하는 「단속 전류」가 채용되고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 사이리스터 기동 장치(100)는, 단속 전류 모드(제1 모드)와 부하 전류 모드(제2 모드)를 순차적으로 전환하여 실행함으로써, 동기기(20)를 정지 상태로부터 정격 회전 속도까지 가속시키도록 구성된다.

구체적으로는, 시각 t=0에서 정지 상태의 동기기(20)를 기동시키면, 사이리스터 기동 장치(100)는 단속 전류 모드를 실행한다. 단속 전류 모드 시, 직류 전류 Id는 펄스 파형을 나타내고 있다. 각 펄스의 파고값은, 통상, 일정값으로 된다(Id=I0). 파고값은, 예를 들어 단속 전류 모드의 기간 중에 동기기(20)에 공급되는 교류 전력의 적산값이, 정지 상태의 동기기(20)를 전환 회전 속도까지 가속시키기 위한 전력량을 만족시키도록 설정된다.

그리고, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10％ 정도에 도달하면, 사이리스터 기동 장치(100)는, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된다. 이하의 설명에서는, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환될 때의 회전 속도를 「전환 회전 속도」라고도 칭한다. 도 2의 예에서는, 전환 회전 속도를 정격 회전 속도의 10％ 정도로 하고 있다.

여자 장치(21)는, 시각 t=0에 있어서 정지 상태의 동기기(20)를 기동시키면, 계자 권선(22)에 일정한 계자 전류 If를 공급한다(If=If0). 일정한 계자 전류 If에 의해 회전자에는 일정한 계자 자속이 발생한다. 이 상태에서 동기기(20)를 가속시킴으로써, 동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 크기(실효값)는 동기기(20)의 회전 속도와 비례적으로 변화된다.

동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 실효값이 소정의 전압 VE2에 도달하면, 여자 장치(21)는 계자 권선(22)에 공급하는 계자 전류 If를 저하시킨다. 이에 의해, 유기 전압의 실효값은 회전 속도가 변화되어도 일정한 전압 VE로 유지된다.

도 3은 도 1에 도시한 인버터(2)의 구성 및 동작을 도시하는 회로도이다. 도 3을 참조하여, 사이리스터 U, V, W의 애노드는 모두 정측 입력 단자(2a)에 접속되고, 그것들의 캐소드는 각각 출력 단자(2c, 2d, 2e)에 접속된다. 사이리스터 X, Y, Z의 애노드는 각각 출력 단자(2c, 2d, 2e)에 접속되고, 그것들의 캐소드는 모두 부측 입력 단자(2b)에 접속된다.

삼상 교류 전압 Vu, Vv, Vw에 동기하여, 사이리스터 U, V, W 중 1개의 사이리스터와, 사이리스터 X, Y, Z 중 1개의 사이리스터를 도통시킴으로써, 인버터(2)는, 컨버터(1)로부터 직류 리액터(3)를 통해 공급되는 직류 전력을 가변 주파수, 가변 전압의 삼상 교류 전력으로 변환하여 동기기(20)의 고정자(전기자 권선 ATU, ATV, ATW)에 인가한다. 이에 의해, 동기기(20)의 회전 속도를 상승시킬 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 사이리스터 U, Z가 도통하고 있는 경우에는, 동기기(20)의 U상 전압 Vu가 인덕턴스 Lu 및 사이리스터 U를 통해 인버터(2)의 입력 단자(2a)에 나타나고, W상 전압 Vw가 인덕턴스 Lw 및 사이리스터 Z를 통해 인버터(2)의 입력 단자(2b)에 나타난다. 즉, 동기기(20)의 W상-U상간의 교류 전압 Vw-u가 직류 전압 VDC2가 되어 입력 단자(2a, 2b)간에 나타난다. 또한, 리액터 Lu, Lv, Lw는 각각, 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW가 갖는 인덕턴스를 나타내고 있다.

도 4는 부하 전류 모드 시에 있어서의 인버터(2)의 이상적인 전류 동작을 모식적으로 나타내는 타임차트이다. 도 4에서는, 삼상 교류 전압 Vu, Vv, Vw, 인버터(2)의 6개의 사이리스터 중 도통하고 있는 사이리스터, 및 인버터(2)의 입력 단자(2a, 2b)간에 나타나는 직류 전압 VDC2를 나타내고 있다.

도 4에 있어서, 선간 전압 Vu-v, Vv-w, Vw-u가 0V가 되는 점이 위상 제어각 γ의 기준점이며, 기준점에서는 γ=0°이다. 부하 전류 모드에서는, 기준점으로부터 원하는 각도 γ만큼 위상을 앞서게 한 시각에서 사이리스터에 게이트 펄스를 부여한다. 예를 들어, 사이리스터 U가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 V에 게이트 펄스를 부여하고, 다음에 사이리스터 V가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 W에 게이트 펄스를 부여한다. 마찬가지로, 사이리스터 Z가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 X에 게이트 펄스를 부여하고, 다음에 사이리스터 X가 도통하고 있는 기간 중에 사이리스터 Y에 게이트 펄스를 부여한다.

도통하는 사이리스터의 천이에 따라서, 동기기(20)의 선간 전압 Vu-v, Vv-w, Vw-u가 인버터(2)의 입력 단자(2a, 2b)간에 직류 전압 VDC2로서 순차적으로 나타난다. 인버터 제어부(10)는, 동기기(20)의 회전에 따라서, 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z를 2개씩 순서대로 점호시켜 동기기(20)에 흐르는 전류의 경로를 제어한다.

여기서, 부하 전류 모드 중에 인버터(2)의 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z 중 어느 것의 사이리스터에 있어서, 애노드-캐소드간이 전기적으로 단락하는 단락 고장이 발생한 경우를 생각하자.

예를 들어, 사이리스터 U에 단락 고장이 발생한 경우에 있어서, 사이리스터 V에 게이트 펄스를 부여하여 사이리스터 V를 도통시키면, 도 5에 도시한 바와 같이, 사이리스터 V, U를 포함하도록 사고 전류 Ia의 경로가 형성된다. 그 때문에, 사고 전류 Ia에 의해 건전한 사이리스터 V 및 전기자 권선 등의 구성 부품이 대미지를 받게 된다. 또한, 사고 전류 Ia가 커질수록, 구성 부품에 대한 대미지가 커지기 때문에, 구성 부품이 손상될 가능성이 높아진다.

도 5에 도시한 사고 전류 Ia의 경로는, 도 6과 같은 등가 회로도로 표현할 수 있다. 도 6의 등가 회로도에 있어서, 리액터 L의 인덕턴스는, 전기자 권선 ATU, ATV가 갖는 인덕턴스의 합계값에 상당한다. 교류 전원 전압은 동기기(20)의 선간 전압 Vu-v에 상당한다. 전기자 권선 ATU, ATV, ATV의 저항 성분은 무시할 수 있을 만큼 작은 것으로 한다.

사이리스터 V를 도통시키면, 리액터 L을 통해 사이리스터 V에 사고 전류 Ia가 흐른다. 선간 전압 Vu-V의 실효값을 V라 하면, 선간 전압 Vu-v는 다음 식 (1)로 표시된다.

사고 전류 Ia는 선간 전압 Vu-v보다도 위상 90° 뒤진 전류가 된다. γ=π/2의 경우, 사고 전류 Ia는 다음 식 (2)로 주어진다. 단, L은 리액터 L의 인덕턴스이며, ω는 동기기(20)의 회전 각속도이다.

도 7은 π/2≤γ<π일 때의 선간 전압 Vu-v 및 사고 전류 Ia의 동작 파형을 도시한다. 또한, 도 7에 있어서 파선으로 나타내는 전류 파형은 γ=π/2일 때의 사고 전류 Ia를 나타내고 있다.

사고 전류 Ia는, θ=π를 중심으로 한 좌우 대칭의 파형이 된다. 사이리스터 V의 도통 기간 γ≤θ≤π+γ에 있어서의 회로 방정식은 다음 식 (3)으로 주어진다.

식 (3)을 θ=ωt=π-γ으로 Ia=0의 조건을 넣어 풀면, 다음 식 (4)가 얻어진다. 이 전류 파형은, γ=π/2의 전류 파형의 π-γ≤θ≤π+γ의 부분을 잘라낸 것과 동일하다.

Ia는, θ=π일 때 최대가 되고, 최댓값은 다음 식 (5)로 구해진다.

식 (5)에 의하면, 동기기(20)의 회전 속도(회전 각속도 ω) 및 위상 제어각 γ가 일정한 경우, 사고 전류 Ia는 선간 전압 Vu-v가 커질수록 커지는 것을 알 수 있다. 이것에 의하면, 사고 전류 Ia의 크기는, 인버터(2)의 사이리스터에 단락 고장이 발생한 타이밍에서의 동기기(20)의 유기 전압의 크기에 의존하게 된다. 즉, 동 타이밍에서의 유기 전압이 커질수록, 사고 전류 Ia가 커진다.

또한, 사고 전류 Ia의 통전 시간은, 동기기(20)의 회전 주기×2γ/2π로 표시된다. 따라서, 통전 시간은 동기기(20)의 회전 속도에 반비례한다. 이것은, 동기기(20)의 회전 속도가 낮을수록 사고 전류 Ia의 통전 시간은 길어지는 것을 나타내고 있다.

이와 같이, 부하 전류 모드 중에 인버터(2)의 6개의 사이리스터 U, V, W, X, Y, Z 중 어느 것의 사이리스터에 단락 고장이 발생하면, 사이리스터 기동 장치(100) 및 동기기(20)의 구성 부품에는 사고 전류 Ia가 흐른다. 사고 전류 Ia의 크기는, 동기기(20)의 유기 전압이 커질수록 커진다. 사고 전류 Ia의 통전 시간은, 동기기(20)의 회전 속도가 낮아질수록 길어진다.

여기서, 도 2의 타임차트에 의하면, 부하 전류 모드에서 동기기(20)의 회전 속도가 가장 낮아지는 타이밍은, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된 직후의 타이밍이다. 따라서, 이 타이밍에 단락 고장이 발생하면, 사고 전류 Ia의 통전 시간이 가장 길어지기 때문에, 구성 부품에 큰 대미지를 주게 된다.

따라서, 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치(100)에서는, 단속 전류 모드에서 계자를 약하게 함으로써, 동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 상승을 억제한다. 단속 전류 모드에서의 유기 전압의 상승을 억제하면, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된 직후의 타이밍에서의 선간 전압이 작아진다. 따라서, 동 타이밍에서의 사고 전류 Ia를 작게 할 수 있다.

이하, 도 8을 사용하여, 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치(100)에 의해 행해지는 계자 제어에 대하여 설명한다.

도 8은 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치(100)의 동작을 나타내는 타임차트이며, 도 2와 대비되는 도면이다. 도 8에서는, 도 2에 도시한 동기기(20)의 유기 전압의 실효값 및 계자 전류 If를 일점쇄선으로 나타내고 있다. 직류 전류 Id 및 동기기(20)의 회전 속도는 도 2와 도 8에서 서로 동일한 것으로 한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 단속 전류 모드에서, 동기기(20)의 유기 전압의 실효값이 소정의 전압(제1 전압) VE0(제1 전압값)에 도달하면, 여자 장치(21)는 계자 전류 If를 저하시킨다. 계자 전류 If를 저하시키면, 계자 자속이 약해지기 때문에, 유기 전압의 상승이 억제된다. 도 8의 예에서는, 동기기(20)의 회전 속도에 따라서 계자 전류 If를 저하시킴으로써, 유기 전압의 실효값은 회전 속도가 변화되어도 일정한 전압 VE0으로 유지된다.

동기기(20)의 회전 속도가 전환 회전 속도(정격 회전 속도의 10％)에 도달하면, 사이리스터 기동 장치(100)는 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된다. 부하 전류 모드가 개시되면, 여자 장치(21)는 계자 권선(22)에 일정한 계자 전류 If를 공급한다(If=If1). 일정한 계자 전류 If에 의해 회전자에는 일정한 계자 자속이 발생한다. 이 상태에서 동기기(20)를 가속시킴으로써, 동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 실효값은 동기기(20)의 회전 속도와 비례적으로 변화된다.

동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 실효값이 VE2(제2 전압값)에 도달하면, 여자 장치(21)는 계자 권선(22)에 공급하는 계자 전류 If를 저하시킨다. 이에 의해, 유기 전압의 실효값은 회전 속도가 변화되어도 일정한 전압 VE로 유지된다.

여기서, 도 2 및 도 8의 각각에 있어서, 전환 회전 속도에 있어서의 유기 전압의 실효값에 주목하면, 단속 전류 모드 중 일정한 계자 전류 If(If=If0)를 계자 권선(22)에 공급하였을 때의 실효값 VE1(도 2)에 비해, 단속 전류 모드에서 계자 전류 If를 저하시켰을 때의 실효값 VE0(도 8)은 작게 되어 있다. 따라서, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된 직후의 타이밍에 단락 고장이 발생한 경우, 동 타이밍에서의 유기 전압은, 도 8에서의 전압값이 도 2에서의 전압값보다도 작아질 것이 예상된다. 따라서, 사고 전류 Ia를 작게 할 수 있기 때문에, 사고 전류 Ia가 구성 부품에 주는 대미지를 저감할 수 있다. 또한, VE0은, 인버터(2)의 사이리스터 및 동기기(20)의 구성 부품의 내압에 기초하여 설정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 사이리스터 기동 장치에 의하면, 단속 전류 모드에서 동기기(20)에 발생하는 유기 전압의 상승을 억제함으로써, 단속 전류 모드로부터 부하 전류 모드로 전환된 직후의 타이밍에서의 사고 전류를 작게 할 수 있다. 이 결과, 사고 전류에 의한 사이리스터 기동 장치 및 동기기의 구성 부품의 손상을 억제할 수 있다.

[실시 형태 2]

상술한 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 단속 전류 모드에서 동기기(20)의 유기 전압의 상승을 억제한 경우, 인버터(2)로부터 동기기(20)에 공급되는 교류 전력이 저하된다. 그 때문에, 동기기(20)의 승속률(회전 속도가 상승하는 비율)이 저하되어, 단속 전류 모드에 소비되는 시간이 길어질 가능성이 있다. 그 결과, 동기기(20)의 기동에 시간이 걸려 버린다는 문제가 일어날 수 있다.

따라서, 실시 형태 2에 의한 사이리스터 기동 장치(100)에 있어서는, 단속 전류 모드에서, 계자 전류 If의 저하에 맞추어, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id를 증가시킴으로써, 동기기(20)에 대한 공급 전력의 저하를 억제한다.

도 9는 단속 전류 모드 시의 동기기(20)의 회전 속도와 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 관계를 모식적으로 나타내는 타임차트이다.

도 9에서는, 계자 권선(22)에 일정한 계자 전류 If를 공급하고 있는 기간에 있어서, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 최댓값(즉, 펄스의 파고값)을 I0이라 한다. 이에 반해, 계자 전류 If를 저하시키고 있는 기간에 있어서, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 최댓값(즉, 펄스의 파고값)을 I1이라 한다(I1>I0).

I1을 I0보다도 크게 함으로써 승속률이 올라가기 때문에, 직류 전류 Id를 I0으로 한 경우에 비해 동기기(20)가 전환 회전 속도(정격 회전 속도의 10％)까지 가속되는 시간을 단축할 수 있다. 또한, I1의 크기를 조정함으로써, 도 2와 도 9 사이에서 단속 전류 모드에 소비되는 시간을 동일하게 할 수 있다.

도 9에 도시한 직류 전류 Id의 조정은, 전류 명령값 Id*를 조정함으로써 실현할 수 있다. 도 10은 단속 전류 모드 시의 동기기(20)의 회전 속도와 전류 명령값 Id*의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 동기기의 회전 속도가 0rpm 이상 정격 회전 속도의 X％ 이하가 될 때는, 전류 명령값 Id*는 I0으로 설정된다. 한편, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X％보다도 높고 10％ 이하가 될 때는, 전류 명령값 Id*는 I1로 설정된다. 정격 회전 속도의 X％는, 계자 전류 If를 일정하게 하였을 때 동기기(20)의 유기 전압의 실효값이 VE1이 되는 회전 속도에 상당한다.

도 9에 도시된 관계를 나타내는 데이터는, 사이리스터 기동 장치(100) 내부의 메모리에 기억시켜 둘 수 있다. 컨버터 제어부(13)는, 당해 데이터를 참조함으로써, 연산한 동기기(20)의 회전 속도에 기초하여 전류 명령값 Id*를 생성할 수 있다. 또한, 데이터의 형식은 테이블이어도 함수여도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 사이리스터 기동 장치에 의하면, 실시 형태 1과 마찬가지의 작용 효과 외에, 단시간에 동기기(20)를 기동시키는 것이 가능해진다.

[실시 형태 3]

사이리스터 기동 장치(100)에 의해 동기기(20)의 전기자 권선 ATU, ATV, ATW를 통전한 경우, 전기자 권선 ATU, ATV, ATW에는 열 손실(줄 열)이 발생한다. 열 손실은 전류의 크기의 제곱에 비례한다. 열 손실에 의해 동기기(20)가 과열되는 것을 방지하기 위해, 동기기(20)에는 냉각 구조가 마련되어 있는 것이 있다.

도 11은 동기기(20)의 냉각 구조의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 11을 참조하여, 동기기(20)의 기내에서는, 회전자(24)의 회전축에는 팬(25)이 설치되어 있다. 팬(25)은, 회전자(24)의 회전에 의해 회전 구동된다. 팬(25)이 회전하면, 도면 중 화살표로 나타내는 바와 같이, 회전자(24) 및 고정자(26)에 형성되는 통풍로에 냉각 매체가 순환된다. 냉각 매체에는, 예를 들어 수소 가스 또는 공기가 사용된다. 고정자 프레임 내에는 통풍로에 면하여 냉각기(27)가 설치되어 있다. 통풍로를 순환한 냉각 매체는, 냉각기(27), 고정자 프레임 내에 통풍로에 면하여 설치된 냉각기(27)에 의해 냉각된다.

이와 같이, 회전자(24)의 회전력을 이용하여 팬(25)을 회전시키고 있기 때문에, 동기기(20)의 회전 속도가 낮을 때는, 팬(25)의 회전 속도도 낮아진다. 그 때문에, 통풍로에 냉각 매체를 순환시키는 것이 곤란해지고, 결과적으로 냉각 매체의 냉각 능력이 저하되게 된다. 따라서, 상술한 실시 형태 2와 같이, 단속 전류 모드에서의 직류 전류 Id를 높게 하면, 동기기(20)가 과열되어 버릴 가능성이 있다.

또한, 냉각 매체의 냉각 능력을 높임으로써 동기기(20)의 과열을 억제하고자 하면, 냉각기의 용량을 크게 해야만 하여, 장치의 대형화를 초래할 가능성이 있다.

따라서, 실시 형태 3에 의한 사이리스터 기동 장치(100)에 있어서는, 동기기(20)의 유기 전압이 VE1이 되는 회전 속도 범위에 있어서, 전류 명령값 Id*를, 동기기(20)의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 커지도록 설정한다.

도 12는 단속 전류 모드 시의 동기기(20)의 회전 속도와 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 관계를 모식적으로 나타내는 타임차트이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 동기기(20)가 정격 회전 속도의 X％로부터 Y％(단, X<Y<10)에 도달할 때까지의 기간에 있어서, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 최댓값(즉, 펄스의 파고값)을 I2라 한다. 또한, 동기기(20)가 정격 회전 속도의 Y％로부터 10％(전환 회전 속도)에 도달할 때까지의 기간에 있어서, 컨버터(1)로부터 출력되는 직류 전류 Id의 최댓값(펄스의 파고값)을 I3(I3>I2)이라 한다.

정격 회전 속도의 Y％는, 예를 들어 통풍로에 냉각 매체를 순환시키는 것이 가능한 팬(25)(도 11 참조)의 하한 회전 속도에 기초하여 설정할 수 있다. 이것에 의하면, 냉각 매체의 냉각 능력의 저하를 초래하는 회전 속도 범위(0 내지 정격 회전 속도의 Y％)에 있어서는, 동기기(20)에 공급되는 전류가 낮은 전류값이 되기 때문에, 동기기(20)의 열 손실(줄 열)이 억제된다. 그 결과, 동기기(20)의 과열을 억제할 수 있다.

한편, 동기기(20)의 회전 속도가 상기 회전 속도 범위보다도 높아지면, 즉, 냉각 매체의 냉각 능력이 확보되면, 동기기(20)에 공급되는 전류를 증가시킨다. 이에 의해, 동기기(20)의 승속률을 높일 수 있기 때문에, 단속 전류 모드에 소비되는 시간이 길어지는 것을 방지할 수 있다.

도 12에서는, 도 9에 도시한 동기기(20)의 회전 속도 및 직류 전류 Id가 일점쇄선으로 나타내어져 있다. I2, I3과 I1 사이에는, I2<I1<I3의 관계가 성립되어 있다. I3을 I1보다 크게 함으로써 승속률이 올라가기 때문에, 직류 전류 Id를 I1로 한 경우에 비해, 동기기(20)가 정격 회전 속도의 Y％로부터 X％까지 가속되는 시간을 단축할 수 있다. 또한, I3의 크기를 조정함으로써, 도 9와 도 13 사이에서 단속 전류 모드에 소비되는 시간을 동일하게 할 수 있다.

도 12에 도시한 직류 전류 Id의 조정은, 동기기(20)의 회전 속도에 따라서 전류 명령값 Id*를 조정함으로써 실현할 수 있다. 즉, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X％보다도 높고 10％ 이하가 될 때는, 전류 명령값 Id*는, 동기기(20)의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 커지도록 설정된다.

이것에 의하면, 동기기(20)의 회전 속도가 상기 범위에 있을 때는, 전류 명령값 Id*는 동기기(20)의 회전 속도에 따라서 변화되게 된다. 본원 명세서에 있어서, 「동기기(20)의 회전 속도에 따라서 변화된다」란, 동기기(20)의 회전 속도에 따라서 전류 명령값 Id*가 이산적으로 변화되는 것, 또는 동기기(20)의 회전 속도에 따라서 전류 명령값 Id*가 연속적으로 변화되는 것을 의미하고 있다.

도 13은 단속 전류 모드 시의 동기기(20)의 회전 속도와 전류 명령값 Id*의 관계를 도시하는 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 동기기의 회전 속도가 0rpm 이상 정격 회전 속도의 X％ 이하가 될 때는, 전류 명령값 Id*는 I0으로 설정된다. 한편, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X％보다도 높고 Y％ 이하가 될 때는, 전류 명령값 Id*는 I2로 설정된다. 또한, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 Y％보다도 높고 X％ 이하가 될 때는, 전류 명령값 Id*는 I3으로 설정된다.

도 13에 도시된 관계를 나타내는 데이터는 사이리스터 기동 장치(100) 내부의 메모리에 기억시켜 둘 수 있다. 컨버터 제어부(13)는, 당해 데이터를 참조함으로써, 연산한 동기기(20)의 회전 속도에 기초하여 전류 명령값 Id*를 생성할 수 있다. 또한, 데이터의 형식은, 테이블이어도 함수여도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태 3에 의한 사이리스터 기동 장치에 의하면, 실시 형태 1과 마찬가지의 작용 효과 외에, 이하의 작용 효과를 발휘한다. 동기기(20)가 회전자의 회전력을 이용하여 동기기(20)를 냉각하는 구조를 채용하고 있는 경우라도, 동기기(20)의 과열을 억제하면서, 단시간에 동기기(20)를 기동시킬 수 있다. 또한, 동기기(20)의 과열을 억제하기 위한 냉각 구조의 대형화를 억제할 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태 3에서는, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X％보다도 높고 10％ 이하가 될 때는 전류 명령값 Id*를 2단계로 변화시키는 구성(도 13 참조)에 대하여 예시하였지만, 3단계 이상으로 변화시켜도 된다.

혹은, 도 14에 도시한 바와 같이, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X％보다도 높고 10％ 이하가 될 때는, 동기기(20)의 회전 속도에 따라서 전류 명령값 Id*를 연속적으로 변화시켜도 된다. 도 14의 예에서는, 전류 명령값 Id*는 동기기(20)의 회전 속도가 0rpm 이상 정격 회전 속도의 X％ 이하일 때 I0이며, 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 10％(전환 회전 속도)일 때 I4(I4>I0)로 되어 있다. 동기기(20)의 회전 속도가 정격 회전 속도의 X％보다도 높고 10％ 이하가 될 때, 전류 명령값 Id*는 회전 속도에 따라서 선형적으로 변화되고 있다.

또한, 상술한 실시 형태 1 내지 3에서는, 동기기(20)가 화력 발전소에 있어서 가스 터빈에 의해 회전 구동되는 발전기인 경우에 대하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 동기기(20)는 일반 산업 분야에서 사용되는 동기기여도 된다. 예를 들어, 동기기(20)는, 제철소의 냉각 블로워용 동기기여도 된다.

금회 개시된 실시 형태는 예시이며, 상기 내용에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 컨버터
2: 인버터
3: 직류 리액터
4, 5: 변류기
6: 전압 검출기
7: 위치 검출기
9: 전류 검출기
10: 인버터 제어부
11, 16: 제어각 연산부
12, 17: 게이트 펄스 발생기
14: 속도 제어부
15: 전류 제어부
20: 동기기
21: 여자 장치
22: 계자 권선
24: 회전자
25: 팬
26: 고정자
27: 냉각기
30: 교류 전원
100: 사이리스터 기동 장치
ATU, ATV, ATW: 전기자 권선
U, V, W, X, Y, Z: 사이리스터
TR: 변압기

Claims (8)

1. 계자 권선을 갖는 회전자와 고정자를 갖는 동기기를 기동시키는 사이리스터 기동 장치이며,
   교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성된 컨버터와,
   상기 직류 전력을 평활화하는 직류 리액터와,
   상기 컨버터로부터 상기 직류 리액터를 통해 인가되는 직류 전력을 가변 주파수의 교류 전력으로 변환하여 상기 고정자에 공급하도록 구성된 인버터와,
   상기 계자 권선에 계자 전류를 공급하도록 구성된 여자 장치를 구비하고,
   상기 사이리스터 기동 장치는, 상기 컨버터의 직류 출력 전류를 단속적으로 0으로 함으로써 상기 인버터의 전류를 행하는 제1 모드와, 상기 동기기의 유기 전압에 의해 상기 인버터의 전류를 행하는 제2 모드를 순차적으로 실행함으로써, 상기 동기기를 정지 상태로부터 소정의 회전 속도까지 가속시키도록 구성되고,
   상기 사이리스터 기동 장치는, 또한, 상기 제1 모드에서, 상기 유기 전압이 제1 전압값에 도달하기 전에는, 상기 계자 전류를 일정하게 함으로써 상기 동기기의 회전 속도와 비례적으로 상기 유기 전압을 상승시킴과 함께, 상기 유기 전압이 제1 전압값에 도달한 후에는, 상기 계자 전류를 저하시킴으로써 상기 유기 전압의 상승을 억제하도록 구성되는 사이리스터 기동 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 사이리스터 기동 장치는, 상기 유기 전압이 상기 제1 전압값에 도달한 후에는, 상기 동기기의 회전 속도에 따라서 상기 계자 전류를 저하시킴으로써 상기 유기 전압을 상기 제1 전압값으로 유지하도록 구성되는 사이리스터 기동 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 모드에서, 상기 여자 장치는, 상기 계자 전류를 일정하게 함으로써 상기 유기 전압을 상기 제1 전압값으로부터 더욱 증가시키고, 또한, 상기 유기 전압이 상기 제1 전압값보다도 높은 제2 전압값에 도달한 후에는, 상기 동기기의 회전 속도에 따라서 상기 계자 전류를 저하시킴으로써 상기 유기 전압을 일정하게 유지하도록 구성되는 사이리스터 기동 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 동기기의 상기 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출기와,
   상기 위치 검출기의 검출 신호에 기초하여, 상기 인버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성된 제1 제어부와,
   상기 위치 검출기의 검출 신호에 기초하여, 상기 컨버터의 직류 출력 전류가 전류 명령값에 일치하도록, 상기 컨버터에 있어서의 사이리스터의 점호 위상을 제어하도록 구성된 제2 제어부를 더 구비하고,
   상기 제1 모드에서, 상기 유기 전압이 상기 제1 전압값이 되는 회전 속도에 있어서의 상기 전류 명령값은, 상기 유기 전압이 상기 제1 전압값보다도 낮아지는 회전 속도에 있어서의 상기 전류 명령값보다도 큰 전류값으로 설정되는 사이리스터 기동 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 유기 전압이 상기 제1 전압값이 되는 회전 속도 범위에 있어서, 상기 전류 명령값은, 상기 동기기의 회전 속도가 높아짐에 따라 전류값이 커지도록 설정되는 사이리스터 기동 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 동기기의 회전 속도가 상기 회전 속도 범위에 있을 때는, 상기 전류 명령값은, 상기 동기기의 회전 속도에 따라서 이산적으로 변화되는 사이리스터 기동 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 동기기의 회전 속도가 상기 회전 속도 범위에 있을 때는, 상기 전류 명령값은, 상기 동기기의 회전 속도에 따라서 연속적으로 변화되는 사이리스터 기동 장치.
8. 제5항에 있어서,
   상기 동기기는, 상기 회전자의 회전축에 설치되며, 상기 고정자 및 상기 회전자에 형성된 통풍로에 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 팬을 더 포함하는 사이리스터 기동 장치.

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