晶闸管起动装置的制作方法

本发明涉及一种晶闸管起动装置。

背景技术：

正在开发用于使发电机以及电动机等同步机起动的晶闸管起动装置(例如参照国际公开2014/033849号说明书(专利文献1))。晶闸管起动装置具备将交流电力转换为直流电力的转换器、使直流电力平滑化的直流电抗器、以及将从转换器经由直流电抗器提供的直流电力转换为可变频率的交流电力并向同步机供给的逆变器。通过控制向同步机供给的交流电力，能够使停止状态的同步机起动并使其以规定的旋转速度驱动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2014/033849号说明书

技术实现要素：

发明将要解决的课题

作为用于冷却上述同步机的冷却构造，有如下构造：其构成为，将空气或者氢气等作为冷却介质，使冷却介质在形成于同步机内的转子以及定子的通风路径中循环。在这种冷却装置中，通常，使用安装于同步机的转子的旋转轴的风扇使冷却介质循环。

然而，在上述的冷却装置中，在同步机的旋转速度低的情况下、即同步机的起动时或低速时，由于风扇的旋转速度也降低，因此产生冷却能力降低这一问题。其结果，存在同步机过热的可能性。

为了抑制同步机的过热，在同步机的旋转速度低的情况下，减小向同步机提供的电流较为有效。然而，若减小向同步机提供的电流，则同步机的升速率(旋转速度上升的比率)降低，因此可能会产生同步机的起动花费时间这一不良情况。

另外，若欲通过提高冷却构造的冷却能力来抑制同步机的过热，则不得不增大用于冷却冷却介质的冷却器的容量，有可能导致装置的大型化。

本发明为了解决上述那样的课题而完成，其目的在于，提供能够在抑制同步机的过热的同时使同步机在短时间内起动的晶闸管起动装置。

用于解决课题的手段

根据本发明的某一方面，使同步机起动的晶闸管起动装置具备转换器、直流电抗器、逆变器、位置检测器、第一控制部以及第二控制部。转换器构成为将交流电力转换为直流电力。直流电抗器使直流电力平滑化。逆变器构成为将从转换器经由直流电抗器提供的直流电力转换为可变频率的交流电力并向同步机供给。位置检测器构成为检测同步机的转子位置。第一控制部构成为基于位置检测器的检测信号控制逆变器中的晶闸管的点火相位。第二控制部构成为基于位置检测器的检测信号控制转换器中的晶闸管的点火相位，以使转换器的直流输出电流与电流指令值一致。晶闸管起动装置构成为通过依次执行第一模式和第二模式使同步机从停止状态加速到规定的旋转速度，该第一模式通过使直流输出电流断续地为零来进行逆变器的换流，该第二模式通过同步机的感应电压来进行逆变器的换流。在第一模式中，电流指令值被设定为随着同步机的旋转速度变高而电流值变高。

发明效果

根据本发明，能够提供可在抑制同步机的过热的同时使同步机在短时间内起动的晶闸管起动装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的晶闸管起动装置的构成的电路框图。

图2是表示同步机的冷却构造的一个例子的剖面图。

图3是表示晶闸管起动装置的动作的时序图。

图4是示意地表示断续换流模式时的逆变器的换流动作的时序图。

图5是示意地表示断续换流模式时的同步机的旋转速度与转换器的直流输出电流的关系的时序图。

图6是表示断续换流模式时的同步机的旋转速度与电流指令值的关系的图。

图7是表示断续换流模式时的同步机的旋转速度与电流指令值的关系的图。

图8是示意地表示断续换流模式时的同步机的旋转速度与转换器的直流输出电流的关系的时序图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外，对相同或者相当的部分标注相同的参照附图标记，不重复其说明。

图1是表示本发明的实施方式的晶闸管起动装置的构成的电路框图。参照图1，本发明的实施方式的晶闸管起动装置100通过使停止的同步机20加速到规定的旋转速度，从而使同步机20起动。

同步机20包含具有电枢绕组atu、atv、atw的定子和具有励磁绕组22的转子。同步机20例如与火力发电厂的燃气轮机结合，由燃气轮机旋转驱动。在以下的说明中，也将规定的旋转速度称为“额定旋转速度”。例如在交流电源30的频率为60hz的情况下，额定旋转速度被设定为3600rpm。

晶闸管起动装置100连接于变压器tr的二次侧。变压器tr的一次侧连接于交流电源30。变压器tr将从交流电源30供给的三相交流电压转换为规定的电压值的三相交流电压并提供给晶闸管起动装置100。

晶闸管起动装置100具备转换器1、直流电抗器3、以及逆变器2。转换器1是至少包含六个晶闸管的三相全波整流器，将来自变压器tr的三相交流电力转换为可变电压的直流电力。

直流电抗器3连接于转换器1的正侧输出端子1a与逆变器2的正侧输入端子2a之间。直流电抗器3使转换器1的直流输出电流id平滑化。转换器1的负侧输出端子1b与逆变器2的负侧输入端子2b相互连接。另外，也可以在转换器1的负侧输出端子1b与逆变器2的负侧输入端子2b之间连接另一个直流电抗器3。

逆变器2的三个输出端子2c、2d、2e分别连接于同步机20的三个电枢绕组atu、atv、atw。逆变器2是至少包含六个晶闸管u、v、w、x、y、z的三相他励式逆变器。

晶闸管u、v、w的阳极都连接于正侧输入端子2a，它们的阴极分别连接于输出端子2c、2d、2e。晶闸管x、y、z的阳极分别连接于输出端子2c、2d、2e，它们的阴极都连接于负侧输入端子2b。

通过与三相交流电压vu、vv、vw同步地使晶闸管u、v、w中的一个晶闸管和晶闸管x、y、z中的一个晶闸管导通，从而逆变器2将从转换器1经由直流电抗器3供给的直流电力转换为可变频率、可变电压的三相交流电力并提供给同步机20的定子(电枢绕组atu、atv、atw)。由此，能够使同步机20的旋转速度上升。

晶闸管起动装置100还具备变流器4、5、电压检测器6、位置检测器7、电流检测器9、逆变器控制部10、以及转换器控制部13。

变流器4检测从变压器tr流到转换器1的三相交流电流，并将表示检测值的信号提供给电流检测器9。电流检测器9基于来自变流器4的信号，对从转换器1输出的直流电流id进行运算，并将表示其运算值的信号提供给转换器控制部13。具体而言，电流检测器9具有全波整流型的二极管整流器，将检测到的三相交流电流转换为直流电流id。

变流器5检测从逆变器2流到同步机20的电枢绕组atu、atv、atw的电流，并将表示检测值的信号提供给位置检测器7。

电压检测器6检测从逆变器2向同步机20供给的三相交流电压vu、vv、vw的瞬时值，并将表示检测值的信号提供给位置检测器7。具体而言，电压检测器6检测同步机20的电枢绕组atu、atv、atw中的三相交流电压的线间电压中的两个线间电压(在图1中是u相－v相间的交流电压vu－v以及v相－w相间的交流电压vv－w)。如此，通过检测u相－v相间的交流电压vu－v、v相－w相间的交流电压vv－w以及w相－u相间的交流电压vw－u中的至少两个线间电压，能够通过计算来求出u相、v相、w相的交流电压。从该线间电压向相电压的转换在电压检测器6或者位置检测器7中进行。

位置检测器7基于来自变流器5以及电压检测器6的信号检测同步机20的转子的位置，并将表示检测值的信号提供给逆变器控制部10以及转换器控制部13。

逆变器控制部10基于来自位置检测器7的信号，控制逆变器2的点火相位。具体而言，逆变器控制部10包含控制角运算部11和闸门脉冲产生器12。控制角运算部11基于检测出的同步机20的转子的位置运算相位控制角(点火角)γ，将运算出的相位控制角γ提供给闸门脉冲产生器12。闸门脉冲产生电路40基于从控制角运算部11接收的相位控制角γ生成向逆变器2的晶闸管的闸门提供的闸门脉冲(点火指令)。逆变器控制部10与“第一控制部”的一实施例对应。

转换器控制部13基于来自位置检测器7的信号以及来自电流检测器9的信号，控制转换器1的点火相位。具体而言，转换器控制部13控制转换器1的点火相位，以使从转换器1输出的直流电流id与电流指令值id＊一致。转换器控制部13与“第二控制部”的一实施例对应。

转换器控制部13包含速度控制部14、电流控制部15、控制角运算部16、以及闸门脉冲产生器17。速度控制部14基于检测出的同步机20的转子的位置，对同步机20的旋转速度进行运算。速度控制部14基于运算出的旋转速度，生成作为直流电流id的目标值的电流指令值id＊。

电流控制部15对电流指令值id＊与直流电流id的偏差δid进行运算，基于运算出的偏差δid生成电压指令值vdc1＊。具体而言，电流控制部15包含比例要素(p：proportionalelement)、积分要素(i：integralelement)以及加法部。比例要素将偏差δid乘以规定的比例增益并向加法部输出，积分要素以规定的积分增益将偏差δid积分并向加法部输出。加法部将来自比例要素以及积分要素的输出相加，生成电压指令值vdc1＊。电压指令值vdc1＊相当于对转换器1应输出的直流电压vdc1进行规定的控制指令。

另外，转换器1控制直流电压vdc1，以使其比逆变器2的输入端子侧的直流电压vdc2大出由直流电抗器3引起的电压下降量的量。由此，直流电流id得以控制。

控制角运算部16基于从电流控制部15提供的电压指令值vdc1＊，对相位控制角α进行运算。这里，若将向转换器1供给的三相交流电压的线间电压的有效值设为vs，则从转换器1输出的直流电压vdc1的平均值vdc1#在忽略重叠角的情况下由如下式(1)表示。

vdc1#＝1.35vscosα…(1)

控制角运算部16通过将电压指令值vdc1＊代入该式(1)的vdc1#来求解，运算出相位控制角α，将运算出的相位控制角α提供给闸门脉冲产生器17。闸门脉冲产生电路40基于从控制角运算部16接收到的相位控制角α生成向转换器1的晶闸管的闸门提供的闸门脉冲(点火指令)。

按照由闸门脉冲产生器17生成的闸门脉冲对转换器1进行开关控制，从而从转换器1输出遵循电流指令值id＊的直流电流id。

在如此通过晶闸管起动装置100使同步机20的电枢绕组atu、atv、atw通电的情况下，在电枢绕组atu、atv、atw中产生热损失(焦耳热)。热损失与电流的大小的平方成比例。为了防止因热损失导致同步机20过热，在同步机20设有冷却构造。

接下来，对同步机20的冷却构造进行说明。

图2是表示同步机20的冷却构造的一个例子的剖面图。参照图2，在同步机20的机内中，在转子24的旋转轴安装有风扇25。风扇25通过转子24的旋转而旋转驱动。若风扇25旋转，则如图中箭头所示，冷却介质在形成于转子24以及定子26的通风路径中循环。冷却介质例如使用氢气或者空气。在定子框内面向通风路径地设置冷却器27。在通风路径中进行了循环的冷却介质由冷却器27、即在定子框内面向通风路径地设置的冷却器27冷却。

如此，由于利用转子24的旋转力使风扇25旋转，因此在同步机20的旋转速度低时，风扇25的旋转速度也降低。因此，冷却介质的冷却能力降低，结果可能会导致同步机20过热。

接下来，使用图3对晶闸管起动装置100的动作进行说明。

图3是表示晶闸管起动装置100的动作的时序图。图3中示出了从转换器1输出的直流电流id以及同步机20的旋转速度。

在晶闸管起动装置100中，利用由同步机20的电枢绕组atu、atv、atw感应的反电动势(感应电压)进行逆变器2中的晶闸管的换流。这种换流被称作“负载换流”。

然而，在同步机20的旋转速度低的情况下、即同步机20的起动时或低速时，由于在电枢绕组atu、atv、atw产生的感应电压低，因此有晶闸管的换流失败的情况。因此，在同步机20的旋转速度低时，采用了使转换器1的直流输出电流id断续地为零来进行逆变器2的换流的“断续换流”。

如图3所示，晶闸管起动装置100构成为，通过依次切换并执行断续换流模式(第一模式)与负载换流模式(第二模式)，使同步机20从停止状态加速到额定旋转速度。

具体而言，若在时刻t＝0使停止状态的同步机20起动，则晶闸管起动装置100执行断续换流模式。然后，若同步机20的旋转速度到达额定旋转速度的10％左右，则晶闸管起动装置100从断续换流模式切换为负载换流模式。在以下的说明中，也将从断续换流模式切换为负载换流模式时的旋转速度称为“切换旋转速度”。在图3的例子中，将切换旋转速度设为额定旋转速度的10％左右，但切换旋转速度能够根据同步机20的旋转速度以及感应电压的关系任意地设定。

在断续换流模式时，直流电流id示出了脉冲波形。各脉冲的峰值通常设为恒定值(id＝i0)。峰值例如被设定为使得在断续换流模式的期间中向同步机20供给的交流电力的累计值满足使停止状态的同步机20加速到切换旋转速度的电力量。

图4是示意地表示断续换流模式时的逆变器2的换流动作的时序图。图4中示出了三相交流电压vu、vv、vw、从转换器1输出的直流电流id、以及逆变器2的六个晶闸管u、v、w、x、y、z中的导通的晶闸管。

在图4中，线间电压vu－v、vv－w、vw－u为0v的点是相位控制角γ的基准点，在基准点，γ＝0°。

在三相桥接逆变器中，每隔同步机20的转子的旋转位置(电气角)60°地出现基准点。转换器控制部13(图1)与该基准点同步地控制从转换器1输出的直流电压vdc1，以使在时间δt的期间成为直流电流id＝0。在该时间δt的期间，逆变器2的全部晶闸管被关断，进行换流动作。

在经过了时间δt之后，逆变器控制部10再次向必要的两个晶闸管提供闸门脉冲，使该两个晶闸管点火。与此同时，转换器控制部13基于电流指令值id＊向转换器1的晶闸管的闸门提供闸门脉冲。由此，直流电流id再次开始流动。

如图3所示，在断续换流模式中，同步机20的旋转速度较低，因此安装于同步机20的转子的旋转轴的风扇25(参照图2)的旋转速度也降低。因此，可能难以使冷却介质在形成于同步机20的转子24以及定子26的通风路径中循环。其结果，在断续换流模式中，同步机20有可能过热。

为了抑制同步机20的过热，较为有效的是减少在断续换流模式中向同步机20提供的电流。然而，若减少向同步机20提供的电流，则同步机20的升速率降低，因此同步机20的旋转速度到达切换旋转速度所需的时间、即断续换流模式所花费的时间延长。其结果，可能会产生同步机20的起动花费时间这一不良情况。

另外，若欲通过提高冷却介质的冷却能力而抑制同步机20的过热，则不得不增大冷却器的容量，有可能导致装置的大型化。

因此，在本实施方式的晶闸管起动装置100中，在断续换流模式中，根据同步机20的旋转速度使直流电流id的大小变化。具体而言，在断续换流模式中，随着同步机20的旋转速度变高而增大直流电流id。由此，同步机20为第一旋转速度时的直流电流id小于同步机20为比第一旋转速度高的第二旋转速度时的直流电流id。

图5是示意地表示断续换流模式时的同步机20的旋转速度与从转换器1输出的直流电流id的关系的时序图。

如图5所示，在同步机20从停止状态到达额定旋转速度的x％(其中，x＜10)为止的时间内，将从转换器1输出的直流电流id的最大值(即，各脉冲的峰值)设为i1。另外，在同步机20从额定旋转速度的x％到达10％(切换旋转速度)为止的时间内，将从转换器1输出的直流电流id的最大值(各脉冲的峰值)设为i2(i2＞i1)。

额定旋转速度的x％例如能够基于可使冷却介质在通风路径中循环的风扇25(参照图2)的下限旋转速度而设定。由此，在导致冷却介质的冷却能力的降低的旋转速度范围(0～额定旋转速度的x％)内，由于向同步机20供给的电流降低，因此同步机20的热损失(焦耳热)被抑制。其结果，能够抑制同步机20的过热。

另一方面，若同步机20的旋转速度高于上述旋转速度范围，即冷却介质的冷却能力被确保，则向同步机20供给的电流增加。由此，能够提高同步机20的升速率，因此能够防止断续换流模式花费的时间延长。

在图5中，由单点划线示出了图3所示的同步机20的旋转速度以及直流电流id。在i1、i2与i0之间有i1＜i0＜i2的关系成立。由于通过使i2比i0大而提高了升速率，因此与设为id＝i0的情况相比，能够缩短同步机20从额定旋转速度的x％加速到10％所需的时间。因而，通过调整i2的大小，能够使在图3与图5之间断续换流模式所花费的时间相等。

另外，图5所示的直流电流id的调整能够通过根据同步机20的旋转速度调整电流指令值id＊来实现。即，在断续换流模式中，电流指令值id＊被设定为随着同步机20的旋转速度变高而电流值变大。

由此，电流指令值id＊根据同步机20的旋转速度而变化。在本申请说明书中，“根据同步机20的旋转速度而变化”的意思是电流指令值id＊根据同步机20的旋转速度而离散地变化，或者电流指令值id＊根据同步机20的旋转速度而连续地变化。

如此，同步机20为第一旋转速度时的电流指令值id＊小于同步机20为比第一旋转速度高的第二旋转速度时的直流电流id。

图6是表示断续换流模式时的同步机20的旋转速度与电流指令值id＊的关系的图。如图6所示，在同步机的旋转速度为0rpm以上且额定旋转速度的x％以下时，电流指令值id＊被设定为i1。另一方面，在同步机20的旋转速度高于额定旋转速度的x％且为10％以下时，电流指令值id＊被设定为i2(i2＞i1)。

表示图6所示的关系的数据能够预先存储于晶闸管起动装置100内部的存储器。转换器控制部13通过参照该数据，能够基于运算出的同步机20的旋转速度生成电流指令值id＊。另外，数据的形式既可以是表格，也可以是函数。

如以上说明那样，根据本发明的实施方式的晶闸管起动装置，在断续换流模式中，转换器的直流输出电流被调整为随着同步机的旋转速度变高而电流值变高，因此能够在抑制同步机的过热的同时使同步机在短时间内起动。另外，能够抑制用于抑制同步机的过热的冷却构造的大型化。

另外，在上述的实施方式中，示例了在断续换流模式中使电流指令值id＊以两个阶段变化的构成(参照图6)，但也可以以三个阶段以上变化。

或者，也可以如图7所示，在断续换流模式中根据同步机20的旋转速度使电流指令值id＊连续地变化。在图7的例子中，电流指令值id＊在同步机20的旋转速度为0rpm时是i3，在同步机20的旋转速度为额定旋转速度的10％(切换旋转速度)时成为i4(i4＞i3)。在图7的例子中，电流指令值id＊根据旋转速度而线性地变化。

图8是示意地表示根据图7所示的关系执行了断续换流模式的情况下的同步机20的旋转速度与从转换器1输出的直流电流id的关系的时序图。

如图8所示，在同步机20从停止状态到达额定旋转速度的10％(切换旋转速度)的时间内，直流电流id连续地变化。在图8中，由单点划线示出了图3所示的同步机20的旋转速度以及直流电流id。在i3、i4与i0之间有i3＜i0＜i4的关系成立。通过调整i4的大小，能够使在图3与图8之间断续换流模式所花费的时间相等。

另外，在上述实施方式中，说明了同步机20是在火力发电厂中通过燃气轮机旋转驱动的发电机的情况，但并不限定于此，同步机20也可以是在一般工业领域中使用的同步机。例如，同步机20也可以是钢铁厂的冷却风机用的同步机。

这次公开的实施方式是示例，并不仅限定于上述内容。本发明的范围由权利要求书表示，意图包含与权利要求书等同的意思以及范围内的全部变更。

附图标记说明

1转换器，2逆变器，3直流电抗器，4、5变流器，6电压检测器，7位置检测器，9电流检测器，10逆变器控制部，11、16控制角运算部，12、17闸门脉冲产生器，14速度控制部，15电流控制部，20同步机，22励磁绕组，24转子，25风扇，26定子，27冷却器，30交流电源，100晶闸管起动装置，atu、atv、atw电枢绕组，u、v、w、x、y、z晶闸管，tr变压器。