この発明は、同期電動機を所定のタイミングで電力系統に投入するための同期電動機用系統並入装置に関するものである。

図７は、従来の同期電動機用系統並入装置の構成図である。
図７において、１０は同期電動機ＳＭが投入される電力系統、１１は電力系統１０に一次側が接続されたトランス、２０はトランス１１の二次側に接続されて電動機ＳＭの界磁巻線１３に所定の界磁電流を供給する界磁変換器、ＣＢ−Ｓは電力系統１０に接続された遮断器、１２はトランス、３０はトランス１２の二次側に接続された始動装置、ＣＢ−６は始動装置３０と電動機ＳＭの電機子巻線との間に接続された遮断器、ＣＢ−４２は電動機ＳＭを電力系統１０に投入するための遮断器、ＰＴ _１ ，ＰＴ _２は計器用変圧器、４０はこれら計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２の間に接続された同期投入装置、５０は同期投入装置４０に並列に接続されたＡＶＲ（自動電圧調節）回路である。

次に、図７の動作を図８のタイミングチャートを参照しつつ説明する。 まず、初期状態において、遮断器ＣＢ−Ｓ，ＣＢ−６，ＣＢ−４２は全て開放している。
始めに、界磁変換器２０から界磁巻線１３に電流を流し、同期電動機ＳＭを励磁する。 次に、図８の時刻ｔ _１において遮断器ＣＢ−Ｓ，ＣＢ−６を投入し、始動装置３０により電動機ＳＭの電機子巻線に電流を流してトルクを発生させ、同期電動機ＳＭを始動する。

そして、電動機ＳＭの運転周波数と系統周波数との差が０．３Ｈｚ程度の微小な値になるまで電動機ＳＭを加速した後、計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２の間に接続されたＡＶＲ回路５０の出力信号により、界磁変換器２０を介して界磁電流を操作し、電動機の端子電圧（電動機電圧）及び系統電圧の振幅を一致させるように制御を行う。

このとき、電動機ＳＭの運転周波数と系統周波数との差は０．３Ｈｚ程度であって微小であることから、数秒周期間隔で電動機電圧と系統電圧との位相が一致する。
同期投入装置４０には、計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２を介して系統電圧と電動機電圧とが入力されており、各々交流電圧の振幅及び位相を監視している。 そして、同期投入装置４０は、電動機電圧と系統電圧との位相が一致するタイミングより所定時間だけ早く、図８の時刻ｔ _２において、遮断器ＣＢ−４２に投入指令を出力する。 その後、両電圧の位相が一致する時刻において、遮断器ＣＢ−４２の主接点が接触することとなる。
つまり、同期投入装置４０が遮断器ＣＢ−４２に投入指令を出力して投入コイルを励磁してから、実際に主接点が接触するまでには遅れ時間（遮断器投入時間）がある。

なお、図９は、遮断器ＣＢ−４２の動作を示すタイミングチャートである。
図９における時刻ｔ _４で同期投入装置４０から遮断器ＣＢ−４２の投入指令が出力され、時刻ｔ _４から遮断器投入時間Δｔだけ遅れた時刻ｔ _５ （系統電圧と電動機電圧との位相差が零となる時刻）に、遮断器ＣＢ−４２の主接点が実際にオンすることになる。

その後、図８の時刻ｔ _２から一定時間経過した時刻ｔ _３において、遮断器ＣＢ−４２の主接点の投入を確認した後に、遮断器ＣＢ−６へ遮断指令が出力されてこれを遮断することにより、始動装置３０を介した電機子電流の供給が停止され、以後は電力系統１０から電動機ＳＭに電力が供給されることとなる。

なお、上述したような同期電動機用系統並入装置は、例えば下記の特許文献１，２に記載されている。

特開昭６２−２４７７７６号公報（第２頁左上欄第１０行〜右下欄第１８行、第３図等）

特開昭５７−８８８８１号公報（第１頁右下欄第９行〜第１８行）

前述の如く、遮断器ＣＢ−４２には、投入コイルを励磁してから主接点が接触するまでの遅れ時間として投入時間Δｔが存在し、この投入時間Δｔは、遮断器の投入実績回数や経年により変化する。 しかし、投入時間Δｔが変化すると、系統電圧と電動機電圧との位相がずれた状態で主接点が接触してしまうおそれがあり、これによって電力系統１０に対する電源擾乱を引き起こしてしまう。
このため、遮断器の投入時間Δｔを定期的に測定し、その測定値を同期投入装置４０に設定し直す必要があり、多くの手間や労力を必要としていた。

そこで、本発明の解決課題は、投入時間Δｔの再設定に煩わされることなく、メンテナンスフリーにて同期電動機を系統に投入可能とした同期電動機用系統並入装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、系統投入時の同期電動機の電圧位相制御方法に着目してなされたものである。
すなわち、請求項１に記載した発明は、同期電動機の端子電圧と系統電圧との周波数差、振幅差及び位相差がほぼ零になったタイミングで電力系統と前記電動機との間に設けられた遮断器を投入して前記電動機を電力系統に同期投入する同期電動機用系統並入装置において、
系統電圧及び電動機電圧をそれぞれ相変換し、系統電圧位相を用いて座標変換して電動機電圧の直交２軸成分を演算する第１の演算手段と、
前記直交２軸成分から系統電圧と電動機電圧との位相差を演算する第２の演算手段と、
前記位相差が零になるように前記電動機の速度指令値の補正信号を生成する位相調節手段と、
前記補正信号により補正された速度指令値と速度検出値との偏差を零にするように調節動作を行って前記電動機の電流指令値を出力する速度調節手段と、
前記電流指令値と電流検出値との偏差を零にするように調節動作を行ってＰＷＭ指令を出力する電流調節手段と、
前記ＰＷＭ指令に従って、前記電動機を始動するＰＷＭインバータのスイッチング素子に対する駆動信号を生成するＰＷＭ手段と、を備え、
前記電動機の始動時には、前記インバータにより、前記電動機を系統電圧周波数よりも僅かに低い駆動周波数にて始動し、その後、系統電圧と電動機電圧との振幅差、及び、第２の演算手段により演算した前記位相差がほぼ零になったタイミングで前記遮断器に対する投入指令を出力するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に係る同期電動機用系統並入装置において、前記位相調節手段を動作させる際に、前記電動機を常に力行動作させるものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に係る同期電動機用系統並入装置において、前記電動機を電力系統に同期投入する際に、前記インバータの制御が不安定にならないように前記電流調節手段の定数を切り替えるものである。

本発明によれば、従来のように予め設定された遮断器投入時間を考慮して同期投入指令を出力する同期投入装置を不要にすると共に、制御装置により、系統電圧と電動機電圧との位相差を簡単な方法により検出し、その位相差を零にする調節手段の出力に基づいてインバータを制御するようにしたので、所定の同期投入条件を満足したタイミングで同期電動機を電力系統に投入することができる。 従って、遮断器投入時間の再設定に煩わされることなく、メンテナンスフリーにて同期電動機を投入可能な並入装置を実現することができる。
また、位相調節手段を構成するＰＬＬ回路を所定のタイミングで活かすことにより、同期電動機を常に力行動作させることができ、回生機能のないインバータにも適用することが可能である。
更に、電流調節手段の定数を切り替えれば、同期投入の前後でインバータの制御が不安定になるのを防止することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の構成を示す制御ブロック図であり、図７と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１において、３１はトランス１２の二次側に接続された静止型起動装置としてのＰＷＭインバータである。 このＰＷＭインバータ３１から出力される交流電圧は、遮断器ＣＢ−６を介して同期電動機ＳＭの電機子巻線に供給可能であり、インバータ３１は電動機ＳＭの始動時及び加速時に使用されるものである。
また、電力系統１０と同期電動機ＳＭの電機子巻線とは遮断器ＣＢ−４２を介して接続可能であると共に、計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２を介して制御装置１００に接続されている。 この制御装置１００は、計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２の二次側電圧を入力として、界磁電流指令値と、ＰＷＭインバータ３１のスイッチング素子に対するゲート信号を出力するものである。

次に、制御装置１００の構成及び作用について述べる。
計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２の二次側電圧の偏差が加減算器１２１によって求められ、この偏差はＡＶＲ回路１０３に入力される。 ＡＶＲ回路１０３では磁束指令値の補設定信号Δφを求めると共に、この補設定信号Δφは加減算器１２２により磁束設定値に加算され、この加算結果である磁束指令値は加減算器１２３に入力されて磁束検出値との偏差が求められる。 磁束調節器１０４では、上記偏差をなくすような界磁電流指令値が演算され、この界磁電流指令値が界磁変換器２０に入力されている。

計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２の二次側電圧は位相差演算回路１０１にも入力されており、その出力である位相差は、ＰＬＬ回路１０２及び遮断器投入条件演算回路１０５に入力されている。 ここで、ＰＬＬ回路１０２は位相調節手段を構成している。 なお、前記演算回路１０５には、前記加減算器１２１の出力も入力されている。
遮断器投入条件演算回路１０５は、位相差演算回路１０１の出力と加減算器１２１の出力とから遮断器ＣＢ−４２の投入条件が成立したことを判断し、同期電動機ＳＭの系統１０側の遮断器ＣＢ−４２に対する投入指令を出力する。

前記ＰＬＬ回路１０２の出力は、電動機ＳＭの速度設定値に対する補正信号として加減算器１２４により速度設定値に加算され、その出力である速度指令値と速度検出値との偏差が加減算器１２５により演算される。 この偏差はＡＳＲ（自動速度調節）回路１０６に入力されて上記偏差をなくすような電流指令値が演算され、この電流指令値と電動機ＳＭの電流検出値との偏差が加減算器１２６によって演算される。
ＡＣＲ（自動電流調節）回路１０７は電流指令値と電流検出値との偏差をなくすように調節動作を行い、その出力がＰＷＭ指令としてＰＷＭ回路１０８に与えられる。 ＰＷＭ回路１０８では、ＰＷＭインバータ３１のスイッチング素子に対するゲート信号を生成し、このゲート信号を前記ＰＷＭインバータ３１に与えてスイッチング素子をオンオフさせる。

次に、この実施形態の動作を説明する。
まず、前記同様に、初期状態では遮断器ＣＢ−Ｓ，ＣＢ−６，ＣＢ−４２は全て開放しており、界磁変換器２０から界磁巻線１３に電流を流して同期電動機ＳＭを励磁する。 次に、遮断器ＣＢ−Ｓ，ＣＢ−６を投入してＰＷＭインバータ３１により同期電動機ＳＭを加速する。 この時、同期電動機ＳＭの速度設定値は、系統周波数より僅かに低い周波数として加減算器１２４に与えられている。

同期電動機ＳＭの実際の速度が前記速度設定値に一致した後、ＡＶＲ回路１０３により磁束指令値の補設定信号Δφが演算され、この補設定信号Δφが加減算器１２２において磁束設定値に加算される。 そして、この加算結果である磁束指令値と磁束検出値との偏差を零にするように磁束調節器１０４が界磁電流指令値を演算して出力する。 この指令値に従って界磁変換器２０が界磁電流を調整することで、電動機電圧の大きさが系統電圧の大きさに一致し、ＡＶＲ回路１０３の入力偏差は零となる。

図２は、前記位相差演算回路１０１の構成を示すブロック図である。
計器用変圧器ＰＴ _１ ，ＰＴ _２から入力された系統電圧（線間電圧）Ｖ _ｒｓ ，Ｖ _ｓｔ及び電動機電圧（線間電圧）Ｖ _ｕｖ ，Ｖ _ｖｗは、各々３相量に変換された後、３相／２相変換器１０１ａ，１０１ｂにより２相量に変換され、更に、ベクトル回転器（ＶＤ）１０１ｃ，１０１ｄにより座標変換されて、交流信号から直流信号Ｖ _ｍｓ ，Ｖ _ｔｓ ，Ｖ _ｍｍ ，Ｖ _ｔｍがそれぞれ演算される。 これらの直流信号Ｖ _ｍｓ ，Ｖ _ｔｓ ，Ｖ _ｍｍ ，Ｖ _ｔｍはＶ _δ ，Ｖ _γ演算器１０１ｅに入力され、電動機電圧Ｖ _ｍのδ軸成分Ｖ _δ及びγ軸成分Ｖ _γが演算される。
ここで、３相／２相変換器１０１ａ，１０１ｂ、ベクトル回転器１０１ｃ，１０１ｄ及びＶ _δ ，Ｖ _γ演算器１０１ｅは、第１の演算手段を構成している。

いま、図３に示すように系統電圧Ｖ _ｓと同一位相の軸をγ軸とし、γ軸に対して９０°ｅｌ（電気角）進んだ軸をδ軸と考えると、電動機電圧Ｖ _ｍのδ軸成分Ｖ _δ及びγ軸成分Ｖ _γは下記の数式１，２のような簡単な演算によって求めることができる。 なお、θ _ｓは系統電圧位相、φは系統電圧Ｖ _ｓと電動機電圧Ｖ _ｍとの位相差を示す。

［数式１］
Ｖ _δ ＝Ｖ _ｍ ×sinφ＝Ｖ _ｍ ×sin（φ＋θ _ｓ −θ _ｓ ）
＝Ｖ _ｍ ×｛sin（φ＋θ _ｓ ）cos（−θ _ｓ ）＋sin（−θ _ｓ ）cos（φ＋θ _ｓ ）｝
＝Ｖ _ｍ ×｛sin（φ＋θ _ｓ ）×Ｖ _ｍｓ ／Ｖ _ｓ −Ｖ _ｔｓ ／Ｖ _ｓ ×cos（φ＋θ _ｓ ）｝
＝Ｖ _ｔｍ ×Ｖ _ｍｓ ／Ｖ _ｓ −Ｖ _ｍｍ ×Ｖ _ｔｓ ／Ｖ _ｓ
＝１／Ｖ _ｓ ×（Ｖ _ｔｍ ×Ｖ _ｍｓ −Ｖ _ｍｍ ×Ｖ _ｔｓ ）

［数式２］
Ｖ _γ ＝Ｖ _ｍ ×cosφ＝Ｖ _ｍ ×cos（φ＋θ _ｓ −θ _ｓ ）
＝Ｖ _ｍ ×｛cos（φ＋θ _ｓ ）cos（−θ _ｓ ）＋sin（−θ _ｓ ）sin（φ＋θ _ｓ ）｝
＝Ｖ _ｍ ×｛cos（φ＋θ _ｓ ）×Ｖ _ｍｓ ／Ｖ _ｓ ＋Ｖ _ｔｓ ／Ｖ _ｓ ×sin（φ＋θ _ｓ ）｝
＝Ｖ _ｍｍ ×Ｖ _ｍｓ ／Ｖ _ｓ ＋Ｖ _ｔｍ ×Ｖ _ｔｓ ／Ｖ _ｓ
＝１／Ｖ _ｓ ×（Ｖ _ｍｍ ×Ｖ _ｍｓ ＋Ｖ _ｔｍ ×Ｖ _ｔｓ ）

上記の数式１，２において、系統電圧Ｖ _ｓの大きさは数式３により演算することができる。
［数式３］
Ｖ _ｓ ＝√（Ｖ _ｍｓ ^２ ＋Ｖ _ｔｓ ^２ ）

図２のＶ _δ ，Ｖ _γ演算器１０１ｅは上記数式１〜数式３によりＶ _δ ，Ｖ _γを演算し、第２の演算手段としての位相差演算器１０１ｆは、これらのＶ _δ ，Ｖ _γを使用して、系統電圧Ｖ _ｓと電動機電圧Ｖ _ｍとの位相差φをφ＝tan ^−１ （Ｖ _δ ／Ｖ _γ ）により演算する。

再び図１において、遮断器投入条件演算回路１０５は、系統電圧Ｖ _ｓと電動機電圧Ｖ _ｍとの偏差が零になり、かつ、位相差演算回路１０１（位相差演算器１０１ｆ）により位相差φが零になった時点で投入条件が成立したと判断して遮断器ＣＢ−４２に投入指令を送り、遮断器ＣＢ−４２を投入する。 そして、その後、従来と同様に遮断器ＣＢ−４２の主接点の投入を確認した後に、遮断器ＣＢ−６へ遮断指令が出力されてこれを遮断することにより、ＰＷＭインバータ３１からの電機子電流の供給が停止され、以後は電力系統１０から電動機ＳＭに電力が供給されることとなる。

ここで、ＰＬＬ回路１０２は、上記位相差φが零になるように速度設定値を補正する補正信号を出力し、電動機電圧の位相を系統電圧の位相に一致させるように動作する。
なお、ＰＬＬ回路１０２を活かす（動作させる）前は、前述したようにＰＷＭインバータ３１による電動機ＳＭの駆動周波数は系統周波数より僅かに低く設定されている。 このため、駆動周波数と系統周波数との差をΔｆとすると、１／Δｆの周期で電動機電圧と系統電圧との位相が一致し、その後、系統電圧は電動機電圧に対して位相が進み方向でずれていくことを繰り返す。

この場合、任意のタイミングでＰＬＬ回路１０２を活かすと、その動作により速度設定値が補正されて系統周波数よりも低い値となり、その結果、ＡＳＲ回路１０６の動作によって電流指令値が負になる場合がある。 つまり、電動機ＳＭが回生動作となってしまい、ＰＷＭインバータ３１が回生機能を持たない場合には問題を生じる。
これを防止するため、言い換えれば、ＰＬＬ回路１０２を活かした時に電動機ＳＭを必ず力行動作させるために、以下のような方法でＰＬＬ回路１０２を活かすタイミングを決定することが望ましい。

図４は、系統電圧と電動機電圧との位相差、Ｖ _δ ，Ｖ _γの波形、及びＰＬＬ回路１０２を活かすタイミングを示した図である。
ＰＬＬ回路１０２を活かしたときに電動機ＳＭを必ず力行動作させるには、電動機ＳＭの駆動周波数よりも系統周波数の方が高いので、系統電圧と電動機電圧との位相が一致した点でＰＬＬ回路１０２を活かすようにすれば、ＰＷＭインバータ３１から供給される電動機電圧が系統電圧を追いかける動作となり、必ず力行動作となる。
このため、図４におけるＶ _δ ，Ｖ _γの波形に基づいて系統電圧と電動機電圧との位相差が零になるタイミングｔ _０を検出し、このタイミングｔ _０にてＰＬＬ回路１０２を活かすようにすればよい。

図５は、上述したＰＬＬ回路１０２を活かすタイミングｔ _０を生成するための回路構成であり、９１，９２，９４は入力信号の正負を判定するコンパレータ、９３，９５はアンドゲートを示している。
図５において、図４に示した如く変化するＶ _δの今回演算値及び前回演算値がコンパレータ９１，９２にそれぞれ入力されるため、Ｖ _δのゼロクロス点でアンドゲート９３の出力信号が「High」レベルとなる。
同時に、Ｖ _γ ≧０の時にコンパレータ９４の出力信号が「High」レベルとなり、この信号と上記アンドゲート９３の出力信号とが入力されるアンドゲート９５の出力信号が「High」レベルとなってＰＬＬ回路１０２を活かすタイミングｔ _０が生成される。
ここで、Ｖ _γ ≧０の条件が必要な理由は、図４から明らかなようにＶ _δのゼロクロス点は２箇所存在するので、位相差零のタイミングを確実に検出するためである。

なお、図６は、ＰＷＭインバータ３１の制御が不安定にならないように、ＡＣＲ回路１０７の定数を切り替えるためのＡＣＲ定数選択手段の構成を示している。
系統遮断器ＣＢ−４２が投入された場合、電動機ＳＭが系統に並列に接続され、ＰＷＭインバータ３１の出力インピーダンスが低下するので、ＡＣＲ回路１０７（電流制御系）の定数（比例ゲインや積分ゲイン）を適当な値に自動的に切り替える必要がある。

このため、図６に示すように加速時のＡＣＲ定数と同期投入時のＡＣＲ定数とを予め保持しておき、加速完了を確認したタイミングで切替手段９６の動作により加速時のＡＣＲ定数から同期投入時のＡＣＲ定数に切り替える。 但し、ＡＣＲ回路１０７の動作をショックレスで行わせるため、同期投入時のＡＣＲ定数側には、ランプ関数ＨＬＲを介在させてＡＣＲ定数を徐々に変化させることが望ましい。

本発明の実施形態を示す制御ブロック図である。

図１における位相差演算回路の構成図である。

実施形態における系統電圧、電動機電圧等のベクトル図である。

系統電圧と電動機電圧との位相差、Ｖ

_δ ，Ｖ

_γの波形、及びＰＬＬ回路を活かすタイミングを示した図である。

ＰＬＬ回路を活かすタイミングを生成するための回路構成図である。

ＡＣＲ定数選択手段の構成図である。

従来の同期電動機用系統並入装置の構成図である。

図７における遮断器の動作を示すタイミングチャートである。

図７における遮断器ＣＢ−４２の投入時間を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１０：電力系統 １１，１２：トランス １３：界磁巻線 ２０：界磁変換器 ３１：ＰＷＭインバータ ９１，９２，９４：コンパレータ ９３，９５：アンドゲート ９６：切替手段 １００：制御装置 １０１：位相差演算回路 １０１ａ，１０１ｂ：３相／２相変換器 １０１ｃ，１０１ｄ：ベクトル回転器 １０１ｅ：Ｖ _δ ，Ｖ _γ演算器 １０１ｆ：位相差演算器 １０２：ＰＬＬ回路 １０３：ＡＶＲ回路 １０４：磁束調節器 １０５：遮断器投入条件演算回路 １０６：ＡＳＲ回路 １０７：ＡＣＲ回路 １０８：ＰＷＭ回路 ＳＭ：同期電動機 ＣＢ−Ｓ，ＣＢ−６，ＣＢ−４２：遮断器 ＰＴ _１ ，ＰＴ _２ ：計器用変圧器 ＨＬＲ：ランプ関数