CN106936281B - 交流励磁机的励磁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流励磁机的励磁装置。气体涡轮发电系统包括：气体涡轮；与气体涡轮的转子通过转轴相连接的主发电机；将三相交流电流转换成直流电流并对主发电机的励磁绕组进行通电的旋转整流器；由电枢绕组以及d轴用励磁绕组和q轴用励磁绕组构成并将电枢绕组所发出的三相交流电流通电至旋转整流器的交流励磁机；在主发电机启动时对交流励磁机进行驱动的励磁装置；以及将电流提供至励磁装置的励磁电源。励磁装置由2台单相逆变器构成，因此能快速响应励磁装置的动作，或者在启动时，在低速旋转中也能对主发电机的励磁绕组形成励磁，且在正常时，也对励磁使用相同励磁装置，从而能简化电路。

Description

交流励磁机的励磁装置

技术领域

本发明涉及用于启动由气体涡轮和发电机构成的发电装置的交流励磁机的励磁装置。

背景技术

近年来，从环境保护方面出发，要求发电设备高效化，因此，利用气体涡轮(GT)的组合循环发电有所增加。在这一趋势的背景下，气体涡轮正逐渐变得具有大容量。

气体涡轮通过旋转式压缩机将燃烧用空气压缩并送入燃烧器，将燃料吹入燃烧器并使其燃烧，利用此时产生的高温高压燃烧气体来使涡轮旋转。涡轮轴与压缩机直接连接，向压缩机传递压缩动力并连续运行。因此，在气体涡轮启动时，需要利用启动用电动机等来驱动阻力矩较大的压缩机和发电机，直到气体涡轮点燃并达到能自行运行的转速为止。

由于这种情况，如下那样启动气体涡轮的方式日益增加：其使用可缩短轴尺寸的可变速逆变器装置来对商用电源进行频率转换，并将发电机本身用作同步电动机来启动气体涡轮，该方式不需要根据发电设备的大容量化而变得尺寸较大的启动用电动机和转矩变换器，室内电源也不会因电动机的启动电流而发生电压下降。

此时，需要对启动用电动机的励磁绕组通电数百安培左右的励磁电流直到从旋转转速(数次/分钟)达到额定转速为止，但在通常的交流励磁机方式尤其在无刷励磁方式中，在数次/分钟这样的转速较低的区域存在如下问题：交流励磁机的交流产生电压较小，无法进行充分的励磁。因此，一般采用晶闸管励磁，该晶闸管励磁利用集电环，无论转速如何均能对励磁绕组进行励磁。

无刷励磁方式中使用的交流励磁机使电流流过励磁绕组来产生磁通，通过转轴直接连接至发电机的励磁绕组的交流励磁机的电枢绕组与该磁通进行交链，从而产生发电所需的励磁功率。交流励磁机为同步机的情况下，施加于该励磁绕组的电压一般使用直流，但作为交流励磁机应用三相绕组型感应机并将一次侧的励磁绕组作为三相绕组而施加交流电压，从而在二次侧产生交流电压。通过进行这种励磁，能利用可变速逆变器装置来进行启动，这在以往的无刷励磁方式中较难实现(例如专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2003-143899号公报

发明内容

发明所要解决的问题

图21是带有以往的无刷励磁机的涡轮发电机的电路结构图，其将三相感应机用作为交流励磁机，能利用可变速逆变器装置对气体涡轮发电装置进行启动。启动时，利用旋转整流器12的二极管将电枢绕组11产生的三相交流电压整流为直流。该旋转整流器12的直流端子在转子4内与主发电机2的激磁绕组21相连接，主发电机2的励磁绕组21成为具有一定方向的磁极的转子4。因此，将主发电机2的电枢绕组22与启动用可变速逆变器装置23相连接，将室内电源71作为输入来生成可变速电源，使主发电机2的电枢绕组22生成旋转磁场并从低频缓慢升速，则无需设置其它特别的加速用电动机，可将主发电机作为同步发电机来启动。

此外，启动后和正常运行时，励磁用整流器43将永磁体发电机(PMG)40的交流电压作为电源，利用晶闸管整流器将交流整流为直流，对交流励磁机9的励磁绕组18进行直流励磁从而在电枢绕组11产生三相交流电压，与启动时同样地，在旋转整流器12中成为直流，电流流过主发电机2的励磁绕组21，主发电机2的电枢绕组22产生电压，之后，同步并入至系统电源72。

然而，在现有的交流励磁机的励磁装置中，在利用可变速逆变器装置来进行启动时，需要确立主发电机的励磁绕组的励磁。因此，在启动时，对应用三相感应机的交流励磁机的励磁绕组进行交流励磁，之后，因气体涡轮自行运行从而在达到额定转速附近的时刻，需要进行直流励磁。因此，作为交流励磁机的励磁装置，需要启动用的三相电流调整器和晶闸管、以及启动后使用的励磁用整理器的装置，此外，对于交流励磁机的励磁绕组，交流励磁用的接触器和切换至直流励磁用整理器的切换用接触器是必须的，因此存在输出电路具有复杂结构的问题。

本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于获得一种交流励磁机的励磁装置，在交流励磁机的励磁中，灵活运用不需要将直流提供给转子的集电环或电刷的无刷励磁方式发电机的特长，并能利用可变速逆变器装置来启动气体涡轮，且结构简单。

用于解决问题的技术方案

为了解决上述问题，本发明所涉及的交流励磁机的励磁装置的特征在于，包括单相逆变器，该单相逆变器对具有2轴励磁绕组的交流励磁机即同步机的励磁绕组分别提供电流，并由开关元件构成，在交流励磁的情况下，使单相逆变器进行逆变动作，在直流励磁的情况下，使单相逆变器进行斩波动作，利用同步机向发电机提供励磁功率。

发明效果

根据本发明的交流励磁机的励磁装置，励磁装置由2台单相逆变器构成，因此，与现有的电流调整器相比具有以下效果：能快速响应励磁装置的动作，此外，在启动时，即便在低速旋转中也能对主发电机的励磁绕组形成励磁，且在正常时，对励磁使用相同的励磁装置，从而能简化电路。

附图说明

图1表示由包括实施方式1所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的气体涡轮发电系统的结构图。

图2表示实施方式1所涉及的励磁装置的单相逆变器的电路图。

图3是表示实施方式1所涉及的励磁装置的交流励磁动作中连接有励磁绕组的单相逆变器的动作的电路图。

图4是表示采用实施方式1中PWM波形产生方法(高压时)的单相逆变器的逆变动作和输出波形的图。

图5是表示采用实施方式1中PWM波形产生方法(低压时)的单相逆变器的逆变动作和输出波形的图。

图6是表示实施方式1所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作的电路图。

图7是表示实施方式1所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的输出波形的图。

图8是表示实施方式1所涉及的励磁装置的启动到额定运行为止的单相逆变器的动作逻辑电路的图。

图9是表示实施方式2所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作的电路图。

图10是表示实施方式2所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的输出波形的图。

图11是表示实施方式2所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作逻辑电路的图。

图12是表示实施方式3所涉及的励磁装置的单相逆变器的运行模式逻辑电路的图。

图13是表示实施方式4所涉及的励磁装置的单相逆变器的运行模式逻辑电路的图。

图14是实施方式5所涉及的励磁装置中的励磁电流的向量图。

图15是表示实施方式5所涉及的单相逆变器与励磁绕组之间的连接的电路图。

图16是表示由包括实施方式6所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的气体涡轮发电系统的整体的示意电路结构图。

图17是表示由包括实施方式7所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的控制系统的控制框电路图。

图18是表示实施方式8所涉及的励磁装置中的交流励磁机的转速与励磁频率之间的关系的图。

图19是表示实施方式9所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作的图。

图20是表示实施方式9所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作逻辑电路的图。

图21表示由包括现有励磁装置的交流励磁机所构成的气体涡轮发电系统的结构图。

具体实施方式

实施方式1.

实施方式1中，作为交流励磁机，将具有d轴和q轴这2个励磁绕组的同步机应用于无刷励磁方式励磁机。下面，基于图1到图8对本发明的实施方式1进行说明。

图1是表示由包括实施方式1所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的气体涡轮发电系统的整体的示意性电路结构图，图2示出了励磁装置的单相逆变器的电路图，图3表示连接有励磁绕组的单相逆变器的电路图。

首先，利用图1，对由包括实施方式1所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的气体涡轮发电系统的结构进行说明。在图1中，由包括励磁装置3的交流励磁机9所构成的气体涡轮发电系统1包括：气体涡轮27；与气体涡轮27的转子28通过转轴45相连接的主发电机2；将三相交流电流转换成直流电流并对主发电机2的励磁绕组21进行通电的旋转整流器12；由电枢绕组11以及d轴激磁绕组16和q轴激磁绕组17构成并将电枢绕组11所发出的三相交流电流通电至旋转整流器12的交流励磁机9；在主发电机2启动时对交流励磁机9进行驱动的励磁装置3；以及将电流提供至励磁装置3的励磁电源73来构成。此处，永磁体发电机(下面称作PMG)40的励磁46的转轴45与交流励磁机9的电枢绕组11机械性连接。此外，转轴45还机械性连接着旋转整流器12和主发电机2的激磁绕组21，它们一体来构成旋转的转子4。

此外，一并启动时，为了将主发电机2作为同步发电机来驱动，包括：作为向主发电机2的电枢绕组22通电的电源的室内电源71；将室内电源71的电力进行转换的可变速逆变器装置(或者晶闸管启动装置)23；以及将可变速逆变器装置23和电枢绕组22相连接的启动用接触器S1。

进一步地，包括：启动结束后利用气体涡轮27将主发电机2的电枢绕组22发电得到的电力连接至系统的系统用断路器S2；根据系统进行变压的系统连接变压器24；以及发送所发出的电力的互连目标即系统电源72。

励磁装置3包括：在主发电机2启动时与启动用接触器S5相连接并将励磁电源73的交流转换成直流的转换器41；以及进一步将直流转换成交流并分别向交流励磁机9的d轴励磁绕组16和q轴激磁绕组17进行通电的单相逆变器31和单相逆变器32来构成。由于对d轴励磁绕组16、q轴励磁绕组17的励磁绕组进行通电，交流励磁机9的转子即电枢绕组11得到旋转驱动，从而主发电机2启动。此外，如图2所示，单相逆变器31和32由作为开关元件的、4个IGBT模块51～54来构成。此外，在IGBT模块51～54的输入侧并联配置有串联连接的直流电容器34和35。

此外，交流励磁机9由作为转子的电枢绕组11、作为定子的d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17来构成，如上所述那样通过转轴45将电枢绕组11和PMG40的励磁46机械性连接。在主发电机2启动结束后以及正常运行时，启动用连接器S5切换至正常用接触器S6，由于电枢绕组11的旋转使得PMG40的励磁46也旋转，由此在PMG40的定子即电枢47中产生的三相交流对励磁装置3进行通电。

接着，参照图1～图5，对实施方式1所涉及的交流励磁机的励磁装置的动作进行说明。

1)启动时励磁装置的单相逆变器的逆变动作(交流励磁动作)、交流励磁机和主发电机的动作

<启动时励磁装置的动作>

对气体涡轮发电系统1启动时的励磁装置的动作进行说明。在启动时，电源与交流励磁机9的励磁装置3的连接状态下，启动用接触器S5接通(ON)，正常用接触器S6断开(OFF)。

转换器41将励磁电源73的交流转换成直流。进一步地，单相逆变器31中，基于转换器41的直流而使IGBT模块51～54的开关元件进行逆变动作从而产生交流并使交流励磁机9的d轴激磁绕组16进行交流励磁。同样地，单相逆变器32使IGBT模块51～54的开关元件进行逆变动作从而产生交流并使交流励磁机9的q轴励磁绕组17进行交流励磁。此处，交流励磁机9的d轴激磁绕组16和q轴激磁绕组17具有90度的相位差。因此，单相逆变器31的输出电压与单相逆变器32的输出电压之间的相位差为90度，与交流励磁机9的d轴激磁绕组16与q轴激磁绕组17的相位差相同。

<单相逆变器的逆变动作(交流励磁动作)>

接着，对交流励磁机9的励磁装置3中使用的单相逆变器31、32的电路与其逆变动作(交流励磁动作)进行具体说明。如图2所示，单相逆变器31和32分别由作为开关元件的4个IGBT模块51～54构成，并具有以下结构：在这些IGBT模块组的输入侧并联配置有串联连接的直流电容器34和35以用于对电压脉动进行滤波。IGBT模块51和52的输出端子a与IGBT模块53和54的输出端子b成为输出，2台单相逆变器31、31分别连接至d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17。

IGBT模块51、52、53、54分别由IGBT元件55、56、57、58以及二极管元件59、60、61、62来构成。即，各IGBT模块的基本结构为1个IGBT元件与反并联连接的1个二极管元件的组合。在IGBT模块中，对栅极(G)施加导通(ON)信号，从而能使集电极(C)与发射极(E)间的电流进行通电动作。

图3示出表示启动时励磁装置的交流励磁动作中连接有励磁绕组的单相逆变器的动作的电路图，图4示出通过PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)波形产生方法(高压时)来使单相逆变器进行逆变动作的示例。在图4中示出单相逆变器31、32的输出电压较大的情况(高压时)的输出电流波形例。在图3中，单相逆变器31、32的输出端子a、输出端子b分别连接至交流励磁机9的d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17。

此处，在图4中示出转换器41的输出即直流电压E为±(E/2)的2个串联电源的情况下、以中点37为基准的电压波形。

如图4(a)所示，将三角波载波(调制波)信号与输出正弦波信号进行比较，在输出正弦波信号大于载波信号的情况下，使正极侧IGBT模块51导通，在输出正弦波信号小于载波信号的情况下，使负极侧IGBT模块52导通。在图4(b)中示出由此生成的PWM波形。另外，在图3中，IGBT模块51和IGBT模块54在相同栅极定时导通/截止，IGBT模块52和IGBT模块53在相同栅极定时导通/截止。此处，由于会成为直流短路，因此IGBT模块51和IGBT模块52(或IGBT模块53和IGBT模块54)不能同时导通。

此外，图4示出IGBT模块51和IGBT模块54的栅极信号波形、IGBT模块52和IGBT模块53的栅极信号波形、输出端子a的电压波形Va、输出端子b的电压波形Vb、输出端子a-b间的电压波形Vab(以输出端子b为基准来观察输出端子a而得的电压)、以及以交流励磁机9的d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17为负载时的电流波形I0的示例。

在图4中，在IGBT模块51和IGBT模块54导通的情况下，输出端子a的电压波形Va成为(+E/2)的电压，在IGBT模块52和IGBT模块53导通的情况下，输出端子a的电压波形Va成为(-E/2)的电压，在IGBT模块52和IGBT模块53导通的情况下，输出端子b的电压波形Vb成为(+E/2)的电压，在IGBT模块51和IGBT模块54导通的情况下，输出端子b的电压波形Vb成为(-E/2)的电压。此外，能利用Va-Vb来计算出输出端子a-b间的电压波形Vab。

图5示出通过PWM波形产生方法(低压时)来使单相逆变器进行逆变动作的示例。与高压时相同地，如图5(a)所示，将三角波载波(调制波)信号与输出正弦波信号进行比较，在输出正弦波信号大于载波信号的情况下，使正极侧IGBT模块51导通，在输出正弦波信号小于载波信号的情况下，使负极侧IGBT模块52导通。在图5(b)中示出由此生成的PWM波形。此处，通过使输出正弦波信号小于三角波载波信号，来得到栅极信号。

此外，图5分别示出IGBT模块51和IGBT模块54的栅极信号波形、IGBT模块52和IGBT模块53的栅极信号波形、输出端子a的电压波形Va、输出端子b的电压波形Vb、输出端子a-b间的电压波形Vab(＝Va-Vb)(以输出端子b为基准来观察输出端子a而得的电压)、以及以交流励磁机9的d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17为负载时的电流波形I0的示例。

即，通过使输出正弦波信号变小能缩短电压Va、Vb的导通期间，从而Vab(＝Va-Vb)的电压基波分量变小。

另外，在上述说明中，为了简化，以串联连接的直流电容器34、35的中点37为电压基准进行了说明，但实际电路中即使不是接地，动作也不会改变。此外，为了降低单相逆变器31、32的输出高次谐波，可增加滤波器。此外，对电容器使用了直流电容器34、35，但也可以是在能在交流下使用的电容器。

<主发电机启动时的动作>

接着，对主发电机2启动时的动作进行说明。此处，在图1中，将启动用接触器S5接通，正常用接触器S6断开，转换器41以励磁电源73为输入将交流电压转换成直流电压，单相逆变器31、32通过逆变动作将转换器41的直流电压转换成交流电压。通过上述单相逆变器31、32的动作，从励磁装置3对交流励磁机9的d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17进行交流励磁。其结果是，即便进行低转速的情况下，也会在交流励磁机9的电枢绕组11感应出三相交流电压，进一步地利用旋转整流器12转换成直流，能在主发电机2的励磁绕组21形成励磁。

此处，主发电机2是同步机，能起到同步电动机的作用。因此，将主发电机2的电枢绕组22与可变速逆变器装置23相连接，若驱动主发电机2，则能将主发电机2作为同步电动机来进行启动。即，启动用可变速逆变器装置23以室内电源71作为输入电源来生成可变速电源，将主发电机2的电枢绕组22的旋转磁场从低频缓慢升速。已由交流励磁机9对励磁绕组21进行了励磁，因此，主发电机2的转速与旋转磁场同步地上升。

2)启动后及正常运行时励磁装置的单相逆变器的斩波动作(直流励磁动作)、交流励磁机和主发电机的动作

<单相逆变器的斩波动作(直流励磁动作)>

接着，对单相逆变器31、32的电路及其斩波动作(直流励磁动作)进行说明。

图6示出表示正常运行时励磁装置的直流励磁动作中单相逆变器的动作的电路图，图7示出励磁装置的直流励磁动作中单相逆变器的输出波形。在图6中，IGBT模块51进行导通/截止的开关动作，IGBT模块54始终进行导通动作，IGBT模块52和53始终进行截止动作。

此处，在图中，实线圆圈表示IGBT模块的导通/截止开关动作，实线四边形示出始终导通动作，虚线四边形示出始终截止动作。在该电路动作中，利用IGBT模块51的IGBT元件55使直流电压导通/截止以进行斩波动作，能根据一定期间内的IGBT元件的导通期间比率来调整电压。另外，Vab成为正极性电压。图7示出使单相逆变器31或32进行斩波动作(正动作)、使输出端子a输出正电压(+)、使输出端子b输出负电压(-)的情况下的波形。

此外，图7分别示出IGBT模块51的栅极信号波形、IGBT模块54的栅极信号波形、IGBT模块52和IGBT模块53的栅极信号波形、输出端子a的电压波形Va、输出端子b的电压波形Vb、输出端子a-b间的电压波形Vab(＝Va-Vb)(以输出端子b为基准来观察输出端子a而得的电压)、以及以交流励磁机9的d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17为负载时的电流波形I0的示例。此处，以直流电容器的中点37为电压基准。

图7中，IGBT模块52和IGBT模块53是始终截止的。在IGBT模块51导通的情况下，输出端子a的电压波形Va成为(+E/2)的电压，在IGBT模块51截止的情况下，输出端子a的电压波形Va成为(-E/2)的电压，输出端子b的电压波形Vb始终为(-E/2)的电压。此外，能利用Va-Vb来计算出输出端子a-b间的电压波形Vab。若电压波形Vab向正侧变大则电流波形I0增加，通常为根据励磁绕组16、17的电阻R和电压V来决定的电流值。

<启动后主发电机的动作>

如上所述，在图1中，在启动时主发电机2作为同步电动机来进行动作，但若气体涡轮27点燃并自行运行且持续达到一定转速，则可变速逆变器装置23停止，启动用接触器S1断开，此外，由于励磁绕组16、17的励磁停止，因此，进行交流励磁动作的单相逆变器31、32停止，转换器41停止。之后，在额定转速附近，正常用接触器S6接通，启动用接触器S5断开，从而将励磁装置3的输入电源从励磁电源73切换为利用PMG40的电枢47产生的电力的电源。此处，对PMG40的励磁46使用永磁体，在PMG40的电枢47中产生以永磁体作为转子的三相交流电力。转换器41以该PMG40的三相交流电力为电源，将交流整流为直流，并对单相逆变器31、32提供直流电力。

如上所述，单相逆变器31、32通过斩波动作以来自转换器41的直流作为输入，进行DC/DC电压转换，对交流励磁机9的d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17进行直流励磁，从而在电枢绕组11中产生三相交流电流，与启动时同样地利用旋转整流器12转换成直流电流，对主发电机2的励磁绕组21进行通电，利用主发电机2的电枢绕组22产生交流电力，之后，经由断路器S2、系统互连变压器24同步输入至系统电源72。

在图8中示出主发电机2启动到额定转速为止的单相逆变器31、32的动作逻辑电路。动作逻辑电路由非逻辑部75、76、77以及与逻辑部78、79来构成。逆变动作指令通过启动指令、启动结束指令的非逻辑部75及直流励磁开通指令的非逻辑部77进入与逻辑部78来输出。此外，斩波动作指令通过启动指令的非逻辑部76、启动结束指令和直流励磁开通指令进入与逻辑部79来输出。

这样，根据实施方式1所涉及的交流励磁机的励磁装置，具有以下效果：能在启动用时的交流励磁与启动结束后的直流励磁中共用励磁装置，从而无需设置在启动时与启动结束后的电路之间进行切换的接触器，能形成简单的输出电路结构，能同时改变交流励磁机的d轴励磁绕组和q轴励磁绕组两者，不仅能改善控制精度，还能高速地进行控制响应。

另外，在上述说明中，单相逆变器31和单相逆变器32连接成共用转换器41的直流输出，但可对每个单相逆变器分别设置转换器。此外，在单相逆变器31、32的电路图中，记载为将串联连接的直流电容器34、35的连接点37(中点)进行接地，但这是为了说明，也可以不接地。此外，在单相逆变器31、32的电路图中，对将直流电容器34、35配置于单相逆变器31、32的情况进行了说明，但只要连接在直流侧即可，可以设置在转换器41侧。

此外，在上述说明中，对开关动作是PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)方式的情况进行了说明，但只要能在负载端即输出端子a-b间产生电压即可，也可以是其它开关方式。

此外，在上述说明中，对使用PMG40作为励磁用发电机的情况进行了阐述，但可以是其它发电机。

实施方式2.

图9是表示实施方式2所涉及的交流励磁机的励磁装置的直流励磁动作中连接有励磁绕组的单相逆变器的动作的电路图，图10示出励磁装置的直流励磁动作中单相逆变器的输出波形。与图6示出的表示实施方式1所涉及的励磁装置的直流励磁动作中单相逆变器的动作的电路图相比，不同点在于，进行导通/截止开关动作的IGBT模块有所不同。单相逆变器的电路图与实施方式1相同，因此省略说明。

接着，对实施方式2中单相逆变器31、32的电路及其斩波动作(直流励磁动作)进行说明。

在图9中，IGBT模块53进行导通/截止的开关动作，IGBT模块52始终进行导通动作，IGBT模块51和54始终进行截止动作。此处，在图中，实线圆圈表示IGBT模块的导通/截止开关动作，实线四边形示出始终导通动作，虚线四边形示出始终截止动作。在该电路动作中，利用IGBT模块53的IGBT元件57使直流电压导通/截止以进行斩波动作，能根据一定期间内的IGBT元件的导通期间比率来调整电压。另外，与实施方式1不同，Vab成为负极性电压。图10示出使单相逆变器31或32进行斩波动作(负动作)、使输出端子a输出负电压(-)、使输出端子b输出正电压(+)的情况下的波形。

此外，图10分别示出IGBT模块53的栅极信号波形、IGBT模块52的栅极信号波形、IGBT模块51和IGBT模块54的栅极信号波形、输出端子a的电压波形Va、输出端子b的电压波形Vb、输出端子a-b间的电压波形Vab(＝Va-Vb)(以输出端子b为基准来观察输出端子a而得的电压)、以及以交流励磁机9的d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17为负载时的电流波形I0的示例。此处，以直流电容器的中点37作为电压基准。

图10中，IGBT模块51和IGBT模块54是始终截止的。输出端子a的电压波形Va始终为(-E/2)的电压，在IGBT模块53导通的情况下，输出端子b的电压波形Vb成为(+E/2)的电压，在IGBT模块53截止的情况下，输出端子b的电压波形Vb成为(-E/2)的电压。此外，能利用Va-Vb来计算出输出端子a-b间的电压波形Vab。若电压波形Vab向负侧变大则电流波形I0减小，通常为根据d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17的电阻R和电压V来决定的电流值。

通过切换各IGBT模块的动作，从而能使输出端子a-b间的电压波形Vab成为负极性电压，由此，能急速减小流过d轴励磁绕组16、q轴励磁绕组17的励磁电流，能进行退磁。

在图11中示出在单相逆变器31、32的动作逻辑电路中，在实施方式1的斩波(正)动作上附加斩波(负)动作的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作逻辑电路。成为附加了比较器83、非逻辑部80和与逻辑部81、82的结构。逻辑电路87是与图8相同的逻辑电路，将模拟励磁指令与正负判断基准(0)进行比较。在励磁指令大于正负判断基准的情况下，比较器83的输出成为“1”，相反在励磁指令小于正负判断基准的情况下，比较器83的输出成为“0”。在“1”的情况下，斩波(正)动作指令通过与逻辑部81进行输出，该与逻辑部81对与逻辑部79的斩波(正)动作指令进行与逻辑。此外，在“0”的情况下，斩波(负)动作指令通过与逻辑部82进行输出，该与逻辑部82对非逻辑部80和与逻辑部79的斩波(正)动作指令进行与逻辑。

由此，根据实施方式2所涉及的交流励磁机的励磁装置，能在斩波动作中将单相逆变器的输出电压的极性变更为负极性，从而与实施方式1的斩波动作中缩小为“0”(零)V的情况相比，能进一步急速地抑制励磁电流。因此，具有以下效果：能快速地进行励磁控制，提高在系统事故、负载变动等中主发电机的退磁特性。

另外，在上述说明中，对励磁指令为模拟的情况进行了说明，但将信号电平数字化的情况下也能得到相同效果。

实施方式3.

图12是表示实施方式3所涉及的交流励磁机的励磁装置的单相逆变器的运行模式逻辑电路的图。实施方式1中，单相逆变器进行各种输出电压控制，但在实施方式3中，利用转换器对单相逆变器的输入直流电压进行控制，从而能对单相逆变器的输出电压进行控制。其它结构与实施方式1相同，因此省略说明。

如图12所示，单相逆变器的运行模式逻辑电路包括以逆变动作指令和斩波动作指令作为输入的d轴逆变运行模式逻辑部90、q轴逆变器运行模式逻辑部91、以及转换器运行模式逻辑部92来构成。

启动时，通过逆变动作指令，向d轴逆变器运行模式逻辑部90和q轴逆变器运行模式逻辑部91输出逆变器栅极固定指令，向转换器运行模式逻辑部92输出逆变器直流控制指令。在单相逆变器31、32中使进行逆变动作的IGBT模块的栅极电压成为一定从而以固定输出模式来进行切换动作，对来自转换器41的直流电压输出进行控制，从而对自单相逆变器31、32向交流励磁机9的d轴激磁绕组16、q轴激磁绕组17的交流励磁输出进行控制。

此外，在启动结束后和正常运行时，通过斩波动作指令，向d轴逆变器运行模式逻辑部90和q轴逆变器运行模式逻辑部91输出斩波器栅极固定指令，向转换器运行模式逻辑部92输出斩波器直流控制指令。由此，在单相逆变器31、32中使进行斩波动作的IGBT模块的栅极电压成为一定从而以100％直流输出的固定模式来进行斩波动作，对来自转换器41的直流电压输出进行控制，从而对自单相逆变器31、32向交流励磁机9的d轴励磁绕组16、q轴励磁绕组17的直流励磁输出进行控制。

这样，根据实施方式3所涉及的交流励磁机的励磁装置，具有以下效果：能利用转换器对单相逆变器的直流电压输入进行控制，从而简化单相逆变器的控制电路，此外，能改善交流励磁机的2轴励磁绕组的电压偏差。

实施方式4.

图13是表示实施方式4所涉及的交流励磁机的励磁装置的单相逆变器的运行模式逻辑电路的图。在实施方式3中，在启动结束后和正常运行时，使单相逆变器的斩波动作的IGBT模块的栅极成为100％直流输出的固定模式，利用转换器对单相逆变器的直流电压输入进行控制，但在实施方式4中，切换进行斩波动作的IGBT模块，从而切换单相逆变器的电压输出极性。其它结构与实施方式3相同，因此省略说明。

如图13所示，单相逆变器的运行模式逻辑电路包括以逆变动作指令和斩波器(正)动作指令和斩波器(负)动作指令作为输入的d轴逆变器运行模式逻辑部90、q轴逆变器运行模式逻辑部91、转换器运行模式逻辑部92、以及与转换器运行模式逻辑部92相连接的或逻辑部88来构成。

启动时单相逆变器的运行模式逻辑电路与实施方式3相同，因此省略说明。

在启动结束后和正常运行时，通过斩波器(正)动作指令，向d轴逆变器运行模式逻辑部90和q轴逆变器运行模式逻辑部91输出斩波器栅极固定指令，向转换器运行模式逻辑部92输出斩波器直流控制指令。由此，在单相逆变器31、32中使进行斩波动作的IGBT模块的栅极电压为一定从而以100％直流输出的固定模式来进行斩波动作，对来自转换器41的直流电压输出进行控制，从而对自单相逆变器31、32向交流励磁机9的d轴励磁绕组16、q轴励磁绕组17的直流励磁输出进行控制。

与此不同，在系统事故时、负载变动时等情况下，需要快速使主发电机2退磁，因此通过斩波器(负)动作指令向d轴逆变器运行模式逻辑部90和q轴逆变器运行模式逻辑部91输出斩波器栅极固定指令，对做斩波动作的IGBT模块进行切换，从而向转换器运行模式逻辑部92输出斩波器直流控制指令。由此，在单相逆变器31、32中对进行斩波动作的IGBT模块进行切换(参照图6和图8)，从而能将单相逆变器31、32的电压输出极性从正变更为负。由此，能对d轴励磁绕组16、q轴励磁绕组17施加负极性电压，能使主发电机2快速退磁。

由此，根据实施方式4所涉及的交流励磁机的励磁装置，具有以下效果：能在斩波动作中将单相逆变器的电压输出极性变更为负极性，从而与实施方式1的斩波动作中缩减为“0”(零)V的情况相比，能进一步急速抑制励磁电流，即便在利用转换器对输出电压进行控制的情况下，仍能由此进行快速的励磁控制，提高系统事故时、负载变动时等的主发电机退磁特性。

实施方式5.

图14是实施方式5所涉及的交流励磁机的励磁装置中d轴励磁电流、q轴励磁电流的向量图。图15是表示单相逆变器与d轴励磁绕组和q轴励磁绕组之间的连接的电路。与实施方式1～4中的、单相逆变器同d轴励磁绕组和q轴励磁绕组之间的连接相比，不同点在于，在d轴励磁绕组16与q轴励磁绕组17之间设置有用于将绕组彼此串联连接的接触器S7，在d轴励磁绕组16与单相逆变器31的输出侧之间设置有接触器S8，进一步，在q轴励磁绕组17与单相逆变器32的输出侧之间设置有接触器S9。其它结构与实施方式1相同，因此省略说明。

如图14所示，交流励磁机9的励磁电流是将流过d轴励磁绕组16的励磁电流与流过q轴励磁绕组17的励磁电流进行向量合成而得的电流。作为交流电流，d轴和q轴具有90°的相位，d轴励磁电流向量为1.0且q轴励磁电流向量为1.0的情况下，合成向量的大小为√2且具有45°的相位差。

在启动结束后和正常运行时，在实施方式1～4中，利用2台单相逆变器31、32对d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17进行直流励磁，但在该情况下，将接触器S7设定为断开，将接触器S8设定为接通，将接触器S9设定为接通。

在启动结束后的正常运行时，作为励磁电流，在d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17中通常流过相同值的直流电流，但在单相逆变器31或32的任一个发生故障的情况下，使该单相逆变器31或32的IGBT元件截止，使相应的接触器S8或接触器S9切断，该单相逆变器31或32从d轴励磁绕组16或q轴励磁绕组17切断，并且将接触器S7接通，从而切断发生故障的单相逆变器，并与其它励磁绕组进行串联连接。由此，即使1个单相逆变器发生故障的情况下，也能向d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17供电，能继续运行。

进一步地，通过将正常的单相逆变器的电流增加至√2倍，能将主发电机2的电压设为原来的电压值，能继续进行正常运行。

这样，根据实施方式5所涉及的交流励磁机的励磁装置，具有以下效果：形成2个励磁绕组间进行串联连接的电路结构，即便在励磁装置的1个单相逆变器发生故障的情况下，也能由另一单相逆变器向励磁绕组供电，提高励磁装置可靠性。

实施方式6.

图16是表示由包括实施方式6所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的气体涡轮发电系统的整体的示意电路结构图。与图1所示实施方式1中的励磁装置的不同之处在于，如图2所示那样，在单相逆变器31、32中在开关元件与转换器41之间并联连接有串联连接的直流电容器34、35，与此不同，在实施方式6的励磁装置30中，在单相逆变器31、32与转换器41之间设有能存储大电容电荷的双电层电容器67。其它结构与实施方式1相同，因此省略说明。

对于励磁电源73的电力系统事故等引起的电压下降或电源消失，在现有电路中在3m秒～10m秒内励磁消失，但通过设置大电容的电容器67，能得到在100m秒～数秒期间能保持电压不变地进行励磁的励磁装置30。此外，由此，无需将PMG40连接至主发电机2，能缩短转轴45的轴长，减小启动时的转轴45的惯性(GD2)。

由此，根据实施方式6所涉及的交流励磁机的励磁装置，具有以下效果：通过在单相逆变器的输入侧设置大电容的电容器，从而即便在励磁电源消失的情况下，也能在更长期间内保持电压不变地对励磁绕组进行励磁。此外，具有以下效果：不需要PMG，能缩短转轴的轴长，从而使装置小型化。

另外，在上述实施方式中，对使用双电层电容器作为大电容电容器的情况进行了阐述，但也可使用其它种类的电容器。

实施方式7.

图17是表示由包括实施方式7所涉及的励磁装置的交流励磁机所构成的控制系统的控制框电路图。在实施方式1～6中，对单相逆变器的电路动作进行了说明，但实施方式7中示出由交流励磁机9所构成的整个控制系统。

在图17所示控制框电路图中，设置有：检测出d轴励磁绕组16和q轴励磁绕组17的电流的电流传感器111、112；检测出电枢绕组22的电压的电压检测器VT113；电压转换器114；电压/频率(V/F)比转换器115；用于检测出励磁绕组21的电压的集电环117；电压转换器116；以及加减运算器105、106、108、110、124。

此外，控制PI放大器103、104、107、109、121对具有比例(P)+积分(I)函数的控制环路的稳定性、响应性等特性进行调整。

控制环路由如下环路构建：由控制PI放大器103、104与栅极信号生成电路101、102构成的电流控制环路；由控制PI放大器107构成的励磁电压控制环路；由电枢电压的控制PI放大器109和控制开关122构成的同步机电枢电压控制路径或由电压/频率(V/F)比的控制PI放大器121和控制开关123构成的电压/频率(V/F)比控制环路。通常，在启动初期，利用励磁电压控制环路进行励磁电压固定控制或利用电压/频率(V/F)比控制环路进行V/F比固定控制，在达到一定速度后，利用同步机(发电机)电枢电压控制环路进行发电机电压固定控制。

这样，根据实施方式7所涉及的交流励磁机的励磁装置，在启动时，使连接至交流励磁机的励磁绕组的单相逆变器的输出频率一定，对单相逆变器的输出电压即交流励磁机的各绕组的电压或电流进行控制，从而进行交流励磁机的励磁电压、电枢的电压/频率或电枢电压的控制，因此，能高精度地控制励磁。因此，具有能不依赖于各绕组的温度或不可变动而稳定运行的效果。

实施方式8.

图18是表示包括实施方式8所涉及的励磁装置的交流励磁机中交流励磁机的转速与励磁频率之间的关系的图。

在启动时，设同步机即交流励磁机9的转速为ωr’(将额定转速设为1pu时的pu值)、单相逆变器31、32的励磁频率为ωexc’(将额定转速设为1pu时的pu值)，将励磁方向设为与旋转方向相反，在这种情况下，在交流励磁机9的电枢绕组11中感应出(ωexc’+ωr’)倍的电压。此处，励磁频率越大则交流励磁机9的损耗越是增加，因此，如图18所示那样随着交流励磁机9的转速ωr’上升而使单相逆变器31、32的励磁频率ωexc’减小，从而能降低损耗。

另外，若使ωexc’＝ω0’(额定转速)-ωr’(转速)，则励磁频率自动成为直流。因而，具有在进行从启动到正常的控制切换时抑制变动的效果。

这样，根据实施方式8所涉及的交流励磁机的励磁装置，具有如下效果：随着交流励磁机的转速上升而减小与交流励磁机的各励磁绕组相连接的单相逆变器的输出频率，为了使交流励磁机的励磁电压、电枢电压/频率或电枢电压维持一定，对单相逆变器的输出电压即交流励磁机的各绕组的电压或电流进行控制，从而降低损失且提高控制精度。

实施方式9.

图19是表示实施方式9所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作的图，图20是表示实施方式9所涉及的励磁装置的直流励磁动作中的单相逆变器的动作逻辑电路的图。

图20示出单相逆变器的正极侧开关元件的斩波动作和负极侧开关元件的斩波动作的逻辑电路。该逻辑电路由非逻辑部84、以及与逻辑部85、86来构成。对正极侧开关元件所发出的斩波动作指令(斩波器(正)动作指令)通过对斩波动作指令和正极侧选择指令进行与逻辑而从与逻辑部85输出，对负极侧开关元件所发出的斩波动作指令(斩波器(负)动作指令)通过对斩波动作指令和正极侧选择指令的非逻辑部84进行与逻辑而从与逻辑部86来输出。

在实施方式1和2中，如图6所示，在单相逆变器31、32进行斩波动作运行时，对为了进行斩波器运行而使直流电容器的正极侧IGBT模块51的开关元件55进行开关动作的情况进行了阐述，但在实施方式9中，在单相逆变器31、32进行斩波动作运行时，如图19所示，在每次对主发电机2进行励磁输入和断开时，交替切换进行斩波动作的正极侧IGBT模块51的开关元件55和负极侧IGBT模块54的开关元件58。在图19中示出了切换2个IGBT模块的情况，但也可对4个IGBT模块依次进行切换，通过平均化4个开关元件的通电时间，从而缓和集中使用特定开关元件的情况，由此，具有如下效果：在将开关元件安装于散热器的情况下，能防止为了提高热传导率而使用的硅脂发生干燥，延长维护周期。

这样，根据实施方式9所涉及的交流励磁机的励磁装置，在单相逆变器进行斩波动作运行时，定期切换进行斩波动作的正极侧和负极侧的IGBT模块，从而具有如下效果：能平均化进行动作的开关元件的通电时间，能防止开关元件的温度上升，延长维护周期。

另外，在上述实施方式中，作为在单相逆变器中使用的开关元件，举出了IGBT元件，但也可以是由可自消弧的晶体管、GTO、GCT等元件来构成的模块。

另外，本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

另外，在图中，同一标号表示相同或相当的部分。

标号说明

1 气体涡轮发电系统

2 主发电机

3、30 励磁装置

4 转子

9 交流励磁机

11 电枢绕组

12 旋转整流器

16 d轴励磁绕组

17 q轴励磁绕组

21 励磁绕组

22 电枢绕组

23 可变速逆变器装置

24 系统互连变压器

27 气体涡轮

28 转子

31、32 单相逆变器

34、35 直流电容器

41 转换器

45 转轴

67 电容器

71 室内电源

72 系统电源

73 励磁电源

S1 启动用接触器

S2 断路器

S5 启动用接触器

S6 正常用接触器

51～54 IGBT模块

S7～S9 接触器

Claims (9)

1.一种交流励磁机的励磁装置，该交流励磁机的励磁装置在由气体涡轮和发电机所构成的发电装置的启动中使用，其特征在于，

包括2个单相逆变器，该2个单相逆变器对具有d轴和q轴这2个励磁绕组的交流励磁机即同步机的所述励磁绕组分别提供电流，并且由开关元件构成，

在交流励磁的情况下，使所述单相逆变器进行逆变动作，在直流励磁的情况下，使所述单相逆变器进行斩波动作，利用所述同步机向发电机提供励磁功率。

2.如权利要求1所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

所述单相逆变器具有多个进行斩波动作的开关元件，在所述直流励磁中，对所述开关元件进行切换，从而变更所述单相逆变器的输出电压的极性。

3.如权利要求1所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

具有从交流转换成直流的转换器，在所述交流励磁和所述直流励磁中，使所述单相逆变器的电压控制开关动作保持一定，利用所述转换器对所述单相逆变器进行控制，从而对所述单相逆变器的输出电压进行控制。

4.如权利要求3所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

所述单相逆变器具有多个进行斩波动作的开关元件，在所述直流励磁中，对所述单相逆变器的做斩波动作的所述开关元件进行切换，从而变更所述单相逆变器的输出电压的极性。

5.如权利要求1所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

在所述直流励磁中，在2台所述单相逆变器中的某一台发生故障的情况下，切断发生故障的所述单相逆变器。

6.如权利要求1所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

包括蓄电池或电容器，能向所述单相逆变器进行供电。

7.如权利要求1至6的任一项所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

在所述交流励磁中，使所述单相逆变器的输出频率保持一定，并对输出电压或电流进行控制，从而使所述同步机的励磁电压、所述同步机的电枢的电压或电压/频率比维持一定。

8.如权利要求1至6的任一项所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

在所述交流励磁中，使所述单相逆变器的输出频率随着所述同步机的转速上升而减小，并对输出电压或电流进行控制，从而使所述同步机的励磁电压、所述同步机的电枢的电压或电压/频率比维持一定。

9.如权利要求2或4所述的交流励磁机的励磁装置，其特征在于，

在所述直流励磁中，对于进行斩波动作的所述开关元件，在直流电压的正极侧的所述开关元件与负极侧的所述开关元件之间进行交替切换，使该开关元件的使用频度平均化。