JP4863134B2 - 自動電圧調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期発電機またはブラシレス同期発電機の電圧を所望の電圧に制御する自動電圧調整装置に関する。

従来の同期発電機またはブラシレス同期発電機の自動電圧調整器、特に２重化して使用する自動電圧調整器は、例えば特許文献１あるいは特許文献２に開示されている。
従来の同期発電機またはブラシレス同期発電機の自動電圧調整器を図３を参照して説明する。

同図において、１はブラシレス同期発電機（以下、発電機と略す）、２は交流電源、３，４は開閉器、５，６は変圧器、１００，１０１は自動電圧調整器、１１２は自動追従器である。自動電圧調整器１００は、電圧検出器９と電圧設定器１１と増幅器１０４とＰＩ増幅器１１０と位相制御器１５と整流器１７を主たる構成要素としており、１０２は減算器、１０６は開閉器、１０８は加算器、１１６は開閉器を示す。同様に、自動電圧調整器１０１は、電圧検出器１０と電圧設定器１２と増幅器１０５とＰＩ増幅器１１１と位相制御器１６と整流器１８を主たる構成要素としており、１０３は減算器、１０７は開閉器、１０９は加算器、１１７は開閉器を示す。また、自動追従器１１２は減算器１１３と増幅器１１４と反転増幅器１１５から構成されている。

また、自動電圧調整器１００と自動電圧調整器１０１はどちらか一方が通常運転され、他方は待機運転される。通常運転時は、開閉器１０６，１０７，１１６，１１７は開、開閉器３，４は閉となる。

次に、自動電圧調整器１００の構成要素の作用について説明すると、電圧検出器９は変圧器５を介して発電機１の出力電圧を検出し、電圧検出信号ｂを出力する。電圧設定器１１は入力される電圧増減信号ｃに基づいて発電機の電圧を所望の電圧に制御するための電圧設定信号ｄを出力する。減算器１０２は電圧設定信号ｄから電圧検出信号ｂを減じた誤差信号を出力する。増幅器１０４は誤差信号を増幅し、開閉器１０６を介して電圧設定器１１に電圧増減信号ｃを出力する。加算器１０８は誤差信号と開閉器１１６を介して入力される自動追従器１１２からの信号を加算して出力する。ＰＩ増幅器１１０は加算器１０８の出力信号を比例・積分演算増幅し、界磁制御信号ｆを出力する。位相制御器１５は界磁制御信号ｆに基づいて整流器１７へ位相制御信号ｈを出力する。整流器１７は交流電源２の交流電圧を整流するとともに位相制御信号ｈに基づいて出力電圧を調節する。整流器１７の出力電圧は開閉器３が閉じていれば発電機１の界磁巻線に印加される。

自動追従器１１２は、減算器１１３が自動電圧調整器１０１の界磁制御信号ｆ’から自動電圧調整器１００の界磁制御信号ｆを減じて出力し、増幅器１１４は減算器１１３の出力信号を増幅し、自動電圧調整器１００の開閉器１１６を介して加算器１０８へ出力する。反転増幅器１１５は増幅器１１４の出力信号を反転増幅して自動電圧調整器１０１の開閉器１１７を介して加算器１０９へ入力する。
なお、自動電圧調整器１０１の構成要素は自動電圧調整器１００と同一であるので、自動電圧調整器１００と同様な機能を奏する。

例えば、自動電圧調整器１００が通常運転され、自動電圧調整器１０１が待機運転されている場合、開閉器４，１０６，１１６は開、開閉器３，１０７，１１７は閉となる。開閉器３が閉であるため、発電機１の界磁巻線には整流器１７から界磁電圧が印加される。整流器１７の出力電圧は自動電圧調整器１００の位相制御器１５によって調節される。位相制御器１５に入力される界磁制御信号ｆは、減算器１０２が出力する誤差信号をＰＩ増幅器１１０によって増幅したフィードバック制御信号であるため、負荷の変化等により発電機１の出力電圧が変動した場合でも発電機電圧を電圧設定器１１で設定した所望の電圧に保つことができる。

一方、開閉器４は開であるため、自動電圧調整器１０１は発電機１の電圧を制御せず、開閉器１０７が閉であることにより電圧設定器１２の出力信号と電圧検出器１０の出力信号が一致するように働き、また開閉器１１７が閉であることにより自動電圧調整器１０１の界磁制御信号ｆ’が自動電圧調整器１００の界磁制御信号ｆに一致するように働く。従って、発電機１の出力電圧が一定に制御されていれば、自動電圧調整器１０１の誤差信号と界磁制御信号ｆ’は自動電圧調整器１００の誤差信号と界磁制御信号ｆにそれぞれ一致している。このような状態において、自動電圧調整器１００を通常運転から待機運転へ、自動電圧調整器１０１を待機運転から通常運転へ切替えるために、同時に開閉器１０６，１１６と開閉器４を閉じ、開閉器１０７，１１７と開閉器３を開いた場合、２台の自動電圧調整器の誤差信号と界磁制御信号が切替え前後において同じであるため、発電機電圧に特に大きな変動を引き起こさずに発電機電圧を制御する自動電圧調整器を切替えることができる。

図３に示す従来の自動電圧調整器では、２重化運転での待機運転時において、電圧設定信号は電圧検出信号と一致するように増幅器１０４，１０５の出力する電圧増減信号により調節される。しかし、一般に電圧設定器１１，１２は増信号または減信号に応じて積分動作をするものであり、減算器１０２，１０３の出力する誤差信号の変化に対して電圧設定器１１，１２の出力信号は遅れて変化する。従って、発電機電圧が変化している最中に待機運転から通常運転に切替える場合、電圧設定信号と電圧検出信号が一致しないまま切替えることになり、発電機電圧が一時的に変動し、負荷へ不安定な電圧を供給することになる。

同様に、自動追従器１１２と加算器１０８，１０９とＰＩ増幅器１１０，１１１によって通常運転中の自動電圧調整器の界磁制御信号に一致させられる。待機運転中の自動電圧調整器の界磁制御信号も、ＰＩ増幅器１１０，１１１を含むフィードバック制御によって調節されるため、一致するまでに時間を要する。従って、発電機電圧が変化している最中に待機運転から通常運転に切替える場合、界磁制御信号が運転中の界磁制御信号に一致しないままに切替えることになり、発電機電圧が一時的に変動し、負荷へ不安定な電圧を供給することになる。
特開平９−１２１５９９号公報 特開平９−１０３０９９号公報

本発明は上記状況に対処するためになされたもので、その課題は、待機運転中、発電機電圧が変化している最中でも、瞬時に電圧設定信号を電圧検出信号と一致させるとともに、界磁制御信号も通常運転中の自動電圧調整器の界磁制御信号に瞬時に一致させ、待機運転から通常運転に切替える際の発電機電圧の変動を抑制することが可能な自動電圧調整装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の発明は、交流電源の電圧を入力し位相制御信号に基づいた直流電圧を出力する整流器と、前記整流器の出力側と同期発電機またはブラシレス同期発電機の界磁巻線とを接続する回路を開閉する開閉器と、前記発電機の出力電圧を検出しその電圧に応じた電圧検出信号を出力する電圧検出器と、前記発電機の出力電圧を所望の電圧に制御するための電圧設定信号を出力する電圧設定器と、前記電圧設定信号から前記電圧検出信号を減じた誤差を演算増幅し、発電機の界磁制御信号を出力するマイクロコンピュータと、前記界磁制御信号に基づいて前記整流器へ前記位相制御信号を出力する位相制御器とからなる自動電圧調整器を２台設け、この２台の自動電圧調整器により発電機の自動電圧調整を２重化する自動電圧調整装置において、一方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータから出力される界磁制御信号の量を伝送信号に変換して他方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータへ出力する第１の信号変換器と、他方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータから出力される界磁制御信号の量を伝送信号に変換して前記一方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータへ出力する第２の信号変換器と、外部から与えられる運転切替信号によって前記一方の自動電圧調整器を通常運転に、他方の自動電圧調整器を待機運転に切り替える信号を、前記各自動電圧調整器のマイクロコンピュータへ出力するとともに通常運転側の自動電圧調整器の前記開閉器を閉とする開閉信号を出力する第３の信号変換器および待機運転側の自動電圧調整器の前記開閉器を開とする開閉信号を出力する第４の信号変換器とを設け、前記マイクロコンピュータは制御演算周期毎に繰り返しソフトウェアによって実装された制御演算アルゴリズムを実行処理し、前記ソフトウェアは、入力された値と前回の制御演算周期で自身が出力した値を加算して出力する第１の演算機能と、前記電圧設定信号の入力値から第１の演算機能の出力値を減ずる第１の減算機能と、前記第１の減算機能の出力値から電圧検出信号の入力値を減ずる第２の減算機能と、前記第２の減算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して前記第１の演算機能へ出力する第１の選択機能と、前記第２の減算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して出力する第２の選択機能と、前記第２の選択機能の出力値を入力し、微分演算した結果を出力する微分演算機能と、前記微分演算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して出力する第３の選択機能と、前記第２の選択機能の出力値を入力し、比例演算した結果を出力する比例演算機能と、前記第２の選択機能の出力値にゲインと制御演算周期時間を乗じて出力する増幅機能と、入力された値を保持すると同時に前回の制御演算周期に保持した値を出力する保持機能と、他方の自動電圧調整器の界磁制御信号の量を示す伝送信号の入力値から保持機能の出力値を減じて出力する第３の減算機能と、前記第３の減算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して出力する第４の選択機能と、前記増幅機能の出力値と第４の選択機能の出力値を加算する第１の加算機能と、前記第１の加算器の出力値と前回の制御演算周期での自身の出力値を加算して出力する第２の演算機能と、前記第３の選択機能と前記比例演算機能と前記第２の演算機能の各出力値を加算して界磁制御信号を出力するとともに前記保持器へ界磁制御信号値を出力する第２の加算機能とを備え、外部から与えられる運転切替信号の入力値で自動電圧調整器が通常運転側に切り替えられた場合は前記第１の選択機能と第４の選択機能はゼロを選択し、前記第２の選択機能は前記第２の減算機能を選択し、待機運転側に切り替えられた場合は第２の選択機能と第３の選択機能はゼロを選択し、前記第１の選択機能は前記第２の減算機能を選択して自動電圧調整器の電圧設定信号と電圧検出信号の誤差をゼロとなるように演算すると共に前記マイクロコンピュータから出力される界磁制御信号も通常運転中の界磁制御信号に一致させるよう制御演算を行うことを特徴とする。

本発明によれば、自動電圧調整器を２重化運転する際に、待機運転中の自動電圧調整器の制御演算状態を運転中の自動電圧調整器の制御演算状態に高速に一致させることができるため、発電機電圧が変動中に待機運転中の自動電圧調整器を通常運転に切替える場合においても、発電機電圧の変動を小さく抑えることができ、安定な発電機電圧制御を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例である自動電圧調整器を２台用い、一方の自動電圧調整器を通常運転、他方の自動電圧調整器を待機運転とした場合の構成図である。

図１において、１はブラシレス同期発電機、２は交流電源、５，６は変圧器、７，８は自動電圧調整器、２５は反転増幅器である。また、一方の自動電圧調整器７は、開閉器３と電圧検出器９と電圧設定器１１と位相制御器１５と整流器１７とマイクロコンピュータ１３と信号変換器１９，２１，２３とから構成されており、他方の自動電圧調整器８は、開閉器４と電圧検出器１０と電圧設定器１２と位相制御器１６と整流器１８とマイクロコンピュータ１４と信号変換器２０，２２，２４とから構成されている。

本実施例では２台の自動電圧調整器７と８を用いており、どちらか一方の自動電圧調整器が通常運転されると、他方の自動電圧調整器は待機運転される。通常運転をするか待機運転をするかは外部の操作系より信号変換器２３，２４に運転切替信号を入力することによって選択される。

一方の自動電圧調整器７には通常運転信号を入力し、他方の自動電圧調整器８には待機運転信号を入力する。例えば、運転切替信号ａの真が通常運転、偽が待機運転を示す場合は、真の運転切替信号ａが入力される自動電圧調整器７は通常運転を行い、運転切替信号ａが反転増幅器２５で反転され偽となって入力される自動電圧調整器８は待機運転を行う。運転切替信号は信号変換器２３，２４によって信号変換され、それぞれマイクロコンピュータ１３，１４に入力されるとともに、開閉器３，４へ開閉信号として入力される。開閉器３，４は運転切替信号が通常運転を示す場合は閉となり、待機運転を示す場合は開となる。２台の自動電圧調整器は、開閉器３と４の出力同士を接続することによって並列接続された後、発電機１の界磁巻線に接続される。

次に、自動電圧調整器７の構成要素の作用について説明する。
電圧検出器９は変圧器５を介して発電機１の出力電圧を検出し、電圧検出信号ｂを出力する。電圧設定器１１は入力される電圧増減信号ｃに基づいて発電機１の電圧を所望の電圧に制御するための電圧設定信号ｄを出力する。信号変換器１９は自動電圧調整器８の信号変換器２２の出力信号ｅを入力し、内部信号レベルに変換後、マイクロコンピュータ１３へ出力する。信号変換器２１はマイクロコンピュータ１３が出力する界磁制御信号（後述）を界磁制御信号の量を示す伝送信号ｇに変換して出力する。マイクロコンピュータ１３は、電圧検出信号ｂと電圧設定信号ｄと信号変換器２３の出力信号と信号変換器１９の出力信号に基づいてソフトウェアにより発電機１の電圧の制御演算処理を実行し、発電機電圧を電圧設定器１１で設定した所望の電圧に制御するための界磁制御信号ｆを出力する。位相制御器１５は界磁制御信号ｆに基づいて整流器１７へ位相制御信号ｈを出力する。整流器１７は交流電源２の電圧を整流するとともに位相制御信号ｈに基づいて出力電圧を調節する。整流器１７の出力電圧は開閉器３が閉じていれば発電機１の界磁巻線に印加される。

また、マイクロコンピュータ１３，１４は、図２に示す制御演算アルゴリズムを制御演算周期毎に繰り返しソフトウェアによって実行する。同図において、５０，６３は演算機能、５１，５２，６０は減算機能、５３，５４，５６，６１は選択機能、５５は微分演算機能、５７は比例演算機能、５８は増幅機能、５９は保持機能、６２，６４は加算機能を示す。

演算機能５０は入力された値と前回の制御演算周期で自身が出力した値を加算した値を出力する。減算機能５１は電圧設定信号ｄの入力値から演算機能５０の出力値を減じて電圧目標値ｖを出力し、減算機能５２は電圧目標値ｖから電圧検出信号ｂの入力値を減じて出力し、選択機能５３は減算機能５２の出力値とゼロのどちらか一方を選択して演算機能５０へ出力し、選択機能５４は減算機能５２の出力値とゼロのどちらか一方を選択して出力し、微分演算機能５５は選択機能５４の出力値を微分演算して出力し、選択機能５６は微分演算機能の出力値とゼロのどちらか一方を選択して出力し、比例演算機能５７は選択機能５４の出力値を比例演算して出力し、増幅機能５８は選択機能５４の出力値にゲインと制御演算周期時間を乗じて出力し、保持機能５９は入力された値を保持すると同時に前回の制御演算周期に保持した値を出力し、減算機能６０は自動電圧調整器８の界磁制御信号の量を示す伝送信号ｅの入力値から保持機能５９の出力値を減じた値を出力し、選択機能６１は減算機能６０の出力値とゼロのどちらか一方を選択して出力し、加算器６２は増幅機能５８と選択機能６１の各出力値を加算して出力し、演算機能６３は加算器６２の出力値と前回の制御演算周期での自身の出力値とを加算して出力し、加算機能６４は選択機能５６と比例演算機能５７と演算機能６３の各出力値を加算して界磁制御信号ｆを出力するとともに前記保持機能５９へ界磁制御信号値を出力する。

外部の操作系によって与えられる運転切替信号が通常運転を示す場合、選択機能５３，６１はゼロを選択し、選択機能５４は減算機能５２の出力値を選択し、選択機能５６は微分演算機能５５の出力値を選択してそれぞれ出力する。これらの作用より、自動電圧調整器は電圧検出値と電圧目標値の誤差をＰＩＤ制御演算し、界磁制御信号ｆを出力する。

一方、外部の操作系によって与えられる運転切替信号が待機運転を示す場合、選択機能５４，５６はゼロを選択し、選択機能５３は減算機能５２の出力値を選択し、選択機能６１は演算機能６０の出力値を選択してそれぞれ出力する。待機運転中である場合、電圧目標値ｖと電圧検出値ｂの誤差は、選択機能５３と演算機能５０を介して次回の制御演算周期において電圧設定信号ｄの入力値から減算器５１で減じられる。この作用により、電圧検出信号ｂや電圧設定信号ｄが変化した場合でもマイクロコンピュータの次の制御演算周期には減算機能５１の出力する電圧目標値ｖは電圧検出値と一致させられる。また、待機運転中は選択機能５４と選択機能５６の出力値はゼロとなり、増幅機能５８の出力値もゼロとなるため、界磁制御信号ｆは演算機能６３の出力値と等しくなる。これにより、自動電圧調整器８の界磁制御信号の量ｅと保持機能５９が保持する前回の制御演算周期で演算された自動電圧調整器７の界磁制御信号の量の誤差は選択機能６１および加算機能６２を介して演算機能６３に出力される。演算機能６３は前回の制御演算周期で演算された界磁制御信号値と前記誤差を加算して出力するため、自動電圧調整器８の界磁制御信号が変化した場合でも自動電圧調整器７のマイクロコンピュータ１３の次の制御演算周期には演算機能６３の出力値は自動電圧調整器８の界磁制御信号の量と一致させることができる。

本実施例の自動電圧調整装置は上記したような構成であるので、待機運転中の自動電圧調整器の電圧目標値と電圧検出信号の入力値の誤差は高速にゼロとなるよう演算され、且つ、待機運転中の自動電圧調整器の界磁制御信号も通常運転中の自動電圧調整器の界磁制御信号と高速に一致させることが可能となる。

本発明の一実施例である自動電圧調整器を２台用い、一方の自動電圧調整器を通常運転、他方の自動電圧調整器を待機運転とした場合の構成図。 図１のマイクロコンピュータ１３，１４の実行する制御演算アルゴリズムを説明するための図。 従来の自動電圧調整器を２台用い、一方の自動電圧調整器を通常運転、他方の自動電圧調整器を待機運転とした場合の構成図。

符号の説明

１…ブラシレス同期発電機、２…交流電源、３，４…開閉器、５，６…変圧器、７，８…本発明の自動電圧調整器、９，１０…電圧検出器、１１，１２…電圧設定器、１３，１４…マイクロコンピュータ、１５，１６…位相制御器、１７，１８…整流器、１９，２０，２１，２２，２３，２４…信号変換器、２５…反転増幅器、５０，６３…演算機能、５１，５２，６０…減算機能、５３，５４，５６，６１…選択機能、５５…微分演算機能、５７…比例演算機能、５８…増幅機能、５９…保持機能、６２，６４…加算機能、１００，１０１…従来の自動電圧調整器、１０２，１０３…減算器、１０４，１０５…増幅器、１０６，１０７，１１６，１１７…開閉器、１０８，１０９…加算器、１１０，１１１…ＰＩ増幅器、１１２…自動追従器、１１３…減算器、１１４…増幅器、１１５…反転増幅器。

Claims (1)

1. 交流電源の電圧を入力し位相制御信号に基づいた直流電圧を出力する整流器と、
   前記整流器の出力側と同期発電機またはブラシレス同期発電機の界磁巻線とを接続する回路を開閉する開閉器と、
   前記発電機の出力電圧を検出しその電圧に応じた電圧検出信号を出力する電圧検出器と、
   前記発電機の出力電圧を所望の電圧に制御するための電圧設定信号を出力する電圧設定器と、
   前記電圧設定信号から前記電圧検出信号を減じた誤差を演算増幅し、発電機の界磁制御信号を出力するマイクロコンピュータと、
   前記界磁制御信号に基づいて前記整流器へ前記位相制御信号を出力する位相制御器とからなる自動電圧調整器を２台設け、この２台の自動電圧調整器により発電機の自動電圧調整を２重化する自動電圧調整装置において、
   一方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータから出力される界磁制御信号の量を伝送信号に変換して他方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータへ出力する第１の信号変換器と、
   他方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータから出力される界磁制御信号の量を伝送信号に変換して前記一方の自動電圧調整器のマイクロコンピュータへ出力する第２の信号変換器と、
   外部から与えられる運転切替信号によって前記一方の自動電圧調整器を通常運転に、他方の自動電圧調整器を待機運転に切り替える信号を、前記各自動電圧調整器のマイクロコンピュータへ出力するとともに通常運転側の自動電圧調整器の前記開閉器を閉とする開閉信号を出力する第３の信号変換器および待機運転側の自動電圧調整器の前記開閉器を開とする開閉信号を出力する第４の信号変換器とを設け、
   前記マイクロコンピュータは制御演算周期毎に繰り返しソフトウェアによって実装された制御演算アルゴリズムを実行処理し、
   前記ソフトウェアは、入力された値と前回の制御演算周期で自身が出力した値を加算して出力する第１の演算機能と、前記電圧設定信号の入力値から第１の演算機能の出力値を減ずる第１の減算機能と、前記第１の減算機能の出力値から電圧検出信号の入力値を減ずる第２の減算機能と、前記第２の減算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して前記第１の演算機能へ出力する第１の選択機能と、前記第２の減算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して出力する第２の選択機能と、前記第２の選択機能の出力値を入力し、微分演算した結果を出力する微分演算機能と、前記微分演算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して出力する第３の選択機能と、前記第２の選択機能の出力値を入力し、比例演算した結果を出力する比例演算機能と、前記第２の選択機能の出力値にゲインと制御演算周期時間を乗じて出力する増幅機能と、入力された値を保持すると同時に前回の制御演算周期に保持した値を出力する保持機能と、他方の自動電圧調整器の界磁制御信号の量を示す伝送信号の入力値から保持機能の出力値を減じて出力する第３の減算機能と、前記第３の減算機能の出力値あるいはゼロのどちらか一方を選択して出力する第４の選択機能と、前記増幅機能の出力値と第４の選択機能の出力値を加算する第１の加算機能と、前記第１の加算器の出力値と前回の制御演算周期での自身の出力値を加算して出力する第２の演算機能と、前記第３の選択機能と前記比例演算機能と前記第２の演算機能の各出力値を加算して界磁制御信号を出力するとともに前記保持器へ界磁制御信号値を出力する第２の加算機能とを備え、
   外部から与えられる運転切替信号の入力値で自動電圧調整器が通常運転側に切り替えられた場合は前記第１の選択機能と第４の選択機能はゼロを選択し、前記第２の選択機能は前記第２の減算機能を選択し、待機運転側に切り替えられた場合は第２の選択機能と第３の選択機能はゼロを選択し、前記第１の選択機能は前記第２の減算機能を選択して自動電圧調整器の電圧設定信号と電圧検出信号の誤差をゼロとなるように演算すると共に前記マイクロコンピュータから出力される界磁制御信号も通常運転中の界磁制御信号に一致させるよう制御演算を行うことを特徴とする自動電圧調整装置。

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