无刷同步发电装置的制作方法

本发明涉及无刷同步发电装置，尤其涉及使无刷同步发电装置的涡轮及同步发电机的轴以低速旋转的盘车运行(turningoperation)的结构。

背景技术：

无刷同步发电装置由同步发电机、交流励磁机以及旋转整流器的组合来构成。应用一种sfc启动系统，连接同步发电机的定子电枢绕组与静止频率转换器(sfc：staticfrequencyconverter，以下省略为sfc)，使同步发电机的电枢电流的频率变化、并将同步发电机作为同步电动机来进行启动运行。

另一方面，若蒸汽、燃气涡轮等发电厂中所使用的涡轮与同步发电机的转子轴在运行停止状态下以高温状态且不旋转的状态放置，则会因热应变、转子的自重而导致发生轴弯曲。为了防止该轴弯曲，使用由驱动电机和齿轮装置等构成的盘车装置，在运行停止后进行使涡轮与发电机的转子轴以低速(约2至10转/分)旋转一定时间的盘车运行。

在驱动涡轮及同步发电机的转子轴的装置中一般设置有盘车用电动机和sfc启动这两种系统，并进行区分使用。sfc启动系统使用在从盘车转速3r/min起至燃气涡轮点火转速2000～2400r/min的升速运行中，盘车用电动机使用在从旋转停止0r/min升速到盘车转速3r/min、并在到达3r/min后进行一定时间的盘车运行中。

sfc启动装置(120度通电电流型逆变器)在盘车转速3r/min等转速较低的区域中，sfc电流为间歇通电，sfc电流的控制精度变低。因此，sfc启动装置中，数r/min的低速旋转下的控制较为困难，一般情况下，sfc启动装置不适用于盘车运行。此外，当利用盘车用电动机从旋转停止启动至燃气涡轮点火转速2000～2400r/min的情况下，盘车用电动机的容量及整体结构将变得非常大，不具有经济性，因此，转子轴的驱动装置一般采用盘车专用的齿轮、电动机以及sfc启动的组合。

作为发电系统，对同步发电机的转子励磁绕组接通直流电流，使由转子绕组产生的磁通与定子电枢绕组交链，从而在电枢绕组中产生感应电动势，由此来进行发电。作为向该转子励磁绕组提供直流电流的方法，存在“使碳刷与钢制环机械性接触的滑环方式”以及“使用搭载有三相全波整流电路的旋转电机的无刷方式”这两种。

无刷励磁机成为对转子实施电枢绕组、对定子实施励磁绕组后的结构，无刷励磁机的转子电枢绕组与同步发电机的转子励磁绕组位于同一转轴上。因此，利用三相全波整流的旋转整流器对由无刷励磁机的转子电枢绕组感应出的电流电压进行整流，并对同步发电机的转子励磁绕组提供直流电流。

在组合燃气涡轮与同步发电机的发电厂的情况下，燃气涡轮作为原动机，具有转矩不足、无法使轴系统升速的旋转区域，因此，将sfc连接至同步发电机的定子电枢绕组，使同步发电机的电枢电流的频率变化，从而将同步发电机作为同步电动机来进行启动运行。

在启动运行时，将同步发电机作为电动机来运行，然而，与额定旋转时作为发电机的运行同样地，需要对同步发电机励磁绕组提供直流电流。

在通过无刷励磁方式对交流励磁机励磁绕组施加了直流的励磁电流的情况下，当转子轴处于停止状态时，在交流励磁机电枢绕组中不产生感应电压，难以对同步发电机励磁绕组接通励磁电流。此外，在数r/min的低转速的状态下，存在针对同步发电机励磁绕组的直流电流的供给不足的问题。

针对该问题，专利文献1中提出了如下系统，即：将交流励磁机的定子励磁绕组设为dq轴二相交流绕组，利用逆变器以90度相位差对d轴绕组、q轴绕组进行交流励磁，由此，能由定子产生旋转磁场，在旋转停止时也能产生所需的直流输出。

此外，在由驱动电机和齿轮装置等构成的盘车装置中，因机械装置的维护等问题而希望得到一种不使用齿轮装置的可靠性较高的结构，对该结构进行了调查，发现在专利文献2中提出了如下结构，即：将无刷励磁装置设为从定子侧利用直流电源来进行励磁的第1交流励磁机、以及从定子侧利用三相交流电源来进行励磁的绕组型感应电动式第2交流励磁机，与同步发电机配置在同一轴上，将第1旋转整流器连接至第1交流励磁机的电枢绕组，将第2旋转整流器连接至第2交流励磁机的二次绕组，并将第1旋转整流器与第2旋转整流器的直流侧串联连接并向同步发电机的励磁绕组提供励磁电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2014－239594号公报

专利文献2：日本专利特开平4－96698号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

如上述盘车装置中所见的那样，旋转电气机械一般具有发电机和电动机这2种运行状态，交流无刷励磁系统中的交流励磁机作为发电机来运行，然而，若能使该交流励磁机进行电动机运行，则将产生机械转矩，能使燃气涡轮和发电机的转子轴在盘车运行中旋转。

在使交流励磁机进行电动机运行时，为了作为感应电动机来运行，需要用交流对定子绕组进行励磁，因此，通过用逆变器装置进行交流励磁，能将交流励磁机作为电动机来运行。

在交流励磁无刷励磁机中，在额定旋转时设为直流励磁，在sfc启动时设为交流励磁，交流励磁机的电枢绕组(转子绕组)中所产生的能量经由旋转整流器被提供至同步发电机的励磁绕组，成为同步发电机的励磁绕组的铜损。另一方面，在盘车运行时，无需对同步发电机的励磁绕组进行励磁，因此，交流励磁机不通电，在功能上停止。在无需该同步发电机的场励磁的状态下，将交流励磁机设为电动机来运行，并使涡轮和发电机的转子轴以低速旋转，由此旨在省略盘车专用的齿轮和电动机。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的无刷同步发电装置包括：同步发电机；交流励磁机，该交流励磁机与所述同步发电机的转子直接连结；旋转整流器，该旋转整流器安装于所述交流励磁机的电枢；以及短路单元，该短路单元使所述交流励磁机的电枢绕组三相短路，使所述交流励磁机的电枢绕组三相短路，来使所述交流励磁机作为感应电动机来动作，从而使所述同步发电机的转子轴旋转。

发明效果

在交流励磁机不作为无刷励磁机进行运行的状态下，使其作为电动机来运行，并使涡轮和发电机的转子轴以低速旋转，由此能省略盘车专用的齿轮和电动机。由此，无需盘车专用的齿轮和电动机，其设置空间也可省去，能使发电厂的建筑物紧凑化，能降低成本。

附图说明

图1是本发明实施方式1的无刷同步发电装置的示意性结构图。

图2是本发明实施方式1的电刷相对于滑环的动作状态的示意图。

图3是本发明实施方式1的动作流程图。

图4是本发明实施方式2的无刷同步发电装置的示意性结构图。

图5是本发明实施方式2的动作流程图。

图6是本发明实施方式3的无刷同步发电装置的示意性结构图。

具体实施方式

实施方式1﹒

下面，基于附图，对本发明所涉及的无刷同步发电装置的实施方式1进行说明。此外，在图中，同一标号表示各相同部分或相当部分。

图1示出了本发明实施方式1中的无刷同步发电装置的示意性结构。该图1中，示出了燃气涡轮发电厂中的sfc启动系统及盘车运行所需的结构。

无刷同步发电装置中，燃气涡轮的转子轴1设有同步发电机2、交流励磁机3及永磁体同步发电机4。实际上，同步发电机2的转子2a与燃气涡轮的转子轴1相连接，该同步发电机2的转子2a设有同步发电机2的励磁绕组2aa、旋转整流器5、交流励磁机3的电枢绕组3a、永磁体同步发电机4的励磁永磁体4a。

此外，作为同步发电机2的定子2b一侧，设有同步发电机2的电枢绕组2bb、交流励磁机3的励磁绕组3b、永磁体同步发电机4的电枢绕组4b，在无刷励磁中，利用安装于交流励磁机3的电枢的旋转整流器5对与同步发电机2的转子2a直接连结的交流励磁机3的电枢绕组3a的三相交流输出进行整流，并对同步发电机2的励磁绕组2aa进行励磁。

特别地，在本实施方式1中，在同步发电机2的转子2a一侧，在交流励磁机3的电枢绕组3a与旋转整流器5之间设有3个滑环6a、6b、6c，且该3个滑环6a、6b、6c与交流励磁机3的电枢绕组3a的u相、v相、w相这三相分别相连接。在同步发电机2的定子2b侧，与滑环6a、6b、6c对应地设有电刷7a、7b、7c，并构成为该电刷7a、7b、7c由电刷可动装置8来进行移动，以使其与滑环6a、6b、6c接触。即，与滑环6a、6b、6c相对应地设置电刷7a、7b、7c，并使它们相接触来进行三相短路，该滑环6a、6b、6c与电刷7a、7b、7c成为短路单元。

在图2a和图2b中示出电刷7a、7b、7c与滑环6a、6b、6c的状态。当在sfc启动及额定负载下向同步发电机的励磁绕组提供直流时，如图2a所示，电刷7a、7b、7c与滑环6a、6b、6c不接触，3个滑环6a、6b、6c处于释放状态，由交流励磁机产生的电流将全部直接流入旋转整流器。

另一方面，在将交流励磁机3作为电动机来利用并进行盘车运行的情况下，如图2b所示，使电刷7a、7b、7c与滑环6a、6b、6c相接触，来使交流励磁机3的电枢绕组3a三相短路，并以90度相位差对交流励磁机3的d轴二相绕组、q轴二相绕组进行交流励磁，使转矩产生，以作为盘车用电动机。这里，交流励磁机3的电枢绕组3a与一般的绕组型感应电动机的转子二次绕组在功能上变为相同，交流励磁机3产生电动机转矩。

这些动作的控制由控制装置9进行。此外，控制装置9进行对如下装置的控制:向交流励磁机3的励磁绕组3b提供电流的交流励磁逆变器装置10、向永磁体同步发电机4的电枢绕组4b提供电流的直流励磁晶闸管装置11、以及对励磁绕组3b中的励磁方式进行切换的励磁方式切换装置12，此外，还进行静止型频率转换器13和同步发电机电枢绕组端子的连接切换器14的控制。

另外，在实施方式1中，增大滑环6a、6b、6c与电刷7a、7b、7c的接触面积，减小滑环6a、6b、6c与电刷7a、7b、7c之间的电位差，并缩短滑环6a、6b、6c间的短路电缆，由此使得在发生短路的滑环6a、6b、6c间产生的电压相对于三相全波整流电路的二极管正向电压降而言足够低，从而使在三相全波整流电路中不发生整流。

接着，在图3中示出图1所示的无刷同步发电装置的实施方式1的动作流程图。

如图3所示，在进行盘车运行时，从控制装置向电刷可动装置发出指令以使电刷移动，电刷与滑环相接触，滑环间发生短路(步骤3-1)。此外，连接交流励磁逆变器与交流励磁机的d轴q轴的二相励磁绕组(步骤3-2)。接着，由交流励磁逆变器对交流励磁机d轴q轴二相励磁绕组进行通电(步骤3-3)，进行基于交流励磁机的电动机运行控制的盘车运行(步骤3-4)。之后，若转速成为规定值以上，则基于sfc启动运行的开始信号来停止向逆变器的通电，并停止交流励磁机所进行的电动机运行(步骤3-5)。然后，断开电刷与滑环的接触(步骤3-6)，利用sfc启动装置向同步发电机的电枢绕组进行通电(步骤3-7)，与此同时，利用交流励磁逆变器向同步发电机的励磁绕组进行通电(步骤3-8)。接着，进行基于交流励磁无刷励磁机的sfc启动运行(步骤3-9)。之后，若达到燃气涡轮点火转速则结束sfc启动，进入额定运行(步骤3-10)。

实施方式2

图4是本发明实施方式2的无刷同步发电装置的示意性结构图。

本实施方式2中，作为实施方式1中所示的对交流励磁机的电枢绕组3a进行三相短路的短路单元，将滑环与电刷的关系替换为对同步发电机2的转子2a轴内所内置的交流励磁机3的电枢绕组3a进行三相短路的短路用开关15以及无线信号接收/开关控制装置16。

来自控制装置9的控制信号经由无线信号发信装置17被无线信号接收/开关控制装置16所接收，并构成为在盘车运行时将短路用开关15设为导通，在无刷励磁时将短路用开关15设为断开。

图5中，根据实施方式2来表示实施方式1中所示的动作流程。这里，对于步骤3-1中所示的滑环的三相短路，设为使短路用开关导通来对电枢绕组进行三相短路(步骤5-1)。此外，利用开关来进行滑环与电刷的接触动作，利用电气性操作来进行机械性动作，能够期待可靠性进一步变高的效果。

实施方式3

图6是本发明实施方式3的无刷同步发电装置的示意性结构图。

本实施方式3中，作为实施方式1中所示的对交流励磁机3的电枢绕组3a进行三相短路的短路单元，将滑环与电刷的关系替换为对同步发电机2的转子2a轴内所内置的交流励磁机3的电枢绕组3a进行三相短路的短路用开关15、开路用开关18以及无线信号接收/开关控制装置16。

来自控制装置9的控制信号经由无线信号发信装置17被无线信号接收及开关控制装置16所接收，并设为在盘车运行时将短路用开关15设为导通，将开路用开关18设为断开。此外，在无刷励磁时将短路用开关15设为断开，将开路用开关18设为导通。

另外，本发明可以在其发明范围内对实施方式自由地进行组合，或对实施方式的任意结构要素适当进行变更或省略。