JP6334291B2 - Exciter for AC exciter - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンと発電機で構成される発電装置の起動に用いられる交流励磁機の励磁装置に関するものである。   The present invention relates to an exciter for an AC exciter used for starting a power generator composed of a gas turbine and a generator.

近年、環境面から発電設備の高効率化が要求されており、このためガスタービン(GT)を利用したコンバインドサイクル発電が増加している。このような動向を背景にガスタービンの大容量化が進んでいる。   In recent years, there has been a demand for higher efficiency of power generation facilities from the viewpoint of the environment, and for this reason, combined cycle power generation using a gas turbine (GT) is increasing. Against this background, the capacity of gas turbines is increasing.

ガスタービンは、回転式圧縮機により燃焼用空気を圧縮して燃焼器に送り込み、燃料を燃焼器に吹き込んで燃焼させ、その際に発生した高温高圧の燃焼ガスでタービンを回転させる。タービン軸は圧縮機と直結されており、圧縮機に圧縮動力を伝え連続的に運転する。このため、ガスタービンの起動においては、ガスタービンが着火し自立運転できる回転数に達するまで反抗トルクが大きい圧縮機と発電機を、起動用電動機等により駆動する必要があった。   In the gas turbine, combustion air is compressed by a rotary compressor and sent to a combustor, fuel is blown into the combustor and burned, and the turbine is rotated by high-temperature and high-pressure combustion gas generated at that time. The turbine shaft is directly connected to the compressor, and continuously transmits the compressor power to the compressor. For this reason, in starting the gas turbine, it is necessary to drive a compressor and a generator having a large resistance torque by a starting electric motor or the like until the rotational speed at which the gas turbine ignites and can operate independently is reached.

このような状況から、発電設備の大容量化に応じて大規模化する起動用電動機及びトルクコンバータを不要とし,電動機の起動電流による所内電源の電圧降下もなく,軸寸法の短縮が可能となる可変速インバータ装置を用いて、商用電源を周波数変換して発電機自体を同期電動機として使用し、ガスタービンを起動する方式が増加している。
この際、起動用電動機の界磁巻線に、ターニング回転数(数回/min)から定格回転数まで数百A程度の励磁電流を通電する必要があるが、通常の交流励磁機方式、特にブラシレス励磁方式では、数回/minのような回転数が低い領域おいて、交流励磁機の交流発生電圧が小さく十分な励磁ができない問題がある。このため、スリップリングを用いて回転数によらず、界磁巻線を励磁可能なサイリスタ励磁が一般に用いられる。
Under these circumstances, the starter motor and torque converter, which are scaled up according to the increase in capacity of the power generation equipment, are not required, and there is no voltage drop of the in-house power supply due to the start current of the motor, and the shaft dimensions can be shortened. A method of starting a gas turbine by using a variable speed inverter device to convert the frequency of a commercial power source and using the generator itself as a synchronous motor is increasing.
At this time, it is necessary to energize the field winding of the starting motor with an excitation current of about several hundred A from the turning speed (several times / min) to the rated speed. In the brushless excitation method, there is a problem that in the region where the rotational speed is low, such as several times / min, the AC generated voltage of the AC exciter is small and sufficient excitation cannot be performed. For this reason, thyristor excitation that can excite a field winding by using a slip ring regardless of the rotation speed is generally used.

ブラシレス励磁方式で使用する交流励磁機は、界磁巻線に電流を流すことで磁束を発生し、発電機の界磁巻線と回転軸で直結される交流励磁機の電機子巻線がこの磁束と鎖交することで発電に必要な励磁電力を生じる。交流励磁機が同期機の場合、この界磁巻線に印加する電圧は一般的には直流を使用するが、交流励磁機として三相巻線型誘導機を適用し、一次側の界磁巻線を三相巻線とし交流電圧を印加することで、二次側に交流電圧が発生する。このような励磁により、旧来のブラシレス励磁方式では困難であった可変速インバータ装置での起動が可能になる(例えば、特許文献1)。   The AC exciter used in the brushless excitation method generates a magnetic flux by passing a current through the field winding, and the armature winding of the AC exciter that is directly connected to the field winding of the generator by the rotating shaft The excitation power necessary for power generation is generated by interlinking with the magnetic flux. When the AC exciter is a synchronous machine, DC is generally used as the voltage applied to this field winding, but a three-phase winding induction machine is applied as the AC exciter, and the primary field winding By using a three-phase winding and applying an AC voltage, an AC voltage is generated on the secondary side. Such excitation makes it possible to start up the variable speed inverter device, which was difficult with the conventional brushless excitation method (for example, Patent Document 1).

特開2003−143899号公報JP 2003-143899 A

図21は、三相誘導機を交流励磁機として用いて、ガスタービン発電装置を可変速インバータ装置で起動可能とした従来のブラシレス励磁機付タービン発電機の回路構成図である。起動時には、電機子巻線11に発生する三相交流電圧は、回転整流器12のダイオードで整流され直流となる。この回転整流器12の直流端子は、主発電機2の界磁巻線21に回転子4内で接続されており、主発電機2の界磁巻線21は、一定方向の磁極を持つ回転子4になる。このため、主発電機2の電機子巻線22に、起動用の可変速インバータ23を接続し、所内電源71を入力として可変速の電源を作り、主発電機2の電機子巻線22に回転磁界を作り低周波から徐々に昇速すれば、他に特別な加速用電動機を設けることなく主発電機を同期電動機として起動させることが可能となる。   FIG. 21 is a circuit configuration diagram of a conventional turbine generator with a brushless exciter in which a three-phase induction machine is used as an AC exciter and the gas turbine generator can be started by a variable speed inverter. At start-up, the three-phase AC voltage generated in the armature winding 11 is rectified by the diode of the rotary rectifier 12 to become DC. The DC terminal of the rotary rectifier 12 is connected to the field winding 21 of the main generator 2 within the rotor 4, and the field winding 21 of the main generator 2 is a rotor having magnetic poles in a certain direction. 4 For this reason, a variable speed inverter 23 for starting is connected to the armature winding 22 of the main generator 2, a variable speed power source is created by using the in-house power supply 71 as an input, and the armature winding 22 of the main generator 2 is connected to the armature winding 22. If a rotating magnetic field is created and the speed is gradually increased from a low frequency, the main generator can be started as a synchronous motor without providing a special acceleration motor.

また、起動後及び通常運転時には、励磁用整流器43は、永久磁石発電機(PMG)40の交流電圧を電源として、サイリスタ整流器により交流を直流に整流し、交流励磁機9の界磁巻線18を直流励磁することで電機子巻線11に三相交流電圧が発生し、起動時と同様に回転整流器12で直流となり、主発電機2の界磁巻線21に電流が流れ、主発電機2の電機子巻線22に電圧が発生し、その後、系統電源72に同期併入される。   Further, after startup and during normal operation, the excitation rectifier 43 uses the AC voltage of the permanent magnet generator (PMG) 40 as a power source and rectifies the AC to DC by the thyristor rectifier, and the field winding 18 of the AC exciter 9. As a result of the DC excitation, a three-phase AC voltage is generated in the armature winding 11 and becomes DC in the rotary rectifier 12 in the same manner as at the start-up, and a current flows in the field winding 21 of the main generator 2. A voltage is generated in the second armature winding 22, and then synchronously inserted into the system power supply 72.

しかしながら、従来の交流励磁機の励磁装置は、可変速インバータ装置による起動にあたり、主発電機の界磁巻線の励磁を確立させる必要がある。したがって、起動時には、三相誘導機を適用した交流励磁機の界磁巻線を交流励磁し、その後、ガスタービンが自立運転することで定格近傍の回転数に到達した時点で直流励磁とする必要がある。このため、交流励磁機の励磁装置として、起動用の三相電流調整器とサイリスタ、及び起動後に使用する励磁用整流器の装置が必要であり、また、交流励磁機の界磁巻線に対して、交流励磁用のコンタクタと直流励磁用整流器への切替え用コンタクタが必須であり、出力回路が複雑な構成となるという課題があった。   However, the excitation device of the conventional AC exciter needs to establish the excitation of the field winding of the main generator when starting up with the variable speed inverter device. Therefore, at startup, it is necessary to excite the field winding of an AC exciter using a three-phase induction machine with AC excitation, and then to perform DC excitation when the gas turbine reaches its speed near the rating by self-sustaining operation. There is. For this reason, a three-phase current regulator for activation and a thyristor and an excitation rectifier device used after activation are required as an excitation device for an AC exciter. Therefore, a contactor for switching to an AC excitation contactor and a DC excitation rectifier are essential, and there is a problem that the output circuit has a complicated configuration.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流励磁機による励磁において、回転子に直流を供給するスリップリングやブラシが不要なブラシレス励磁方式発電機の特長を活かしつつ、可変速インバータ装置によるガスタービンの起動が可能で、かつ簡素な構成の交流励磁機の励磁装置を得ることを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems. In the excitation by the AC exciter, the advantage of the brushless excitation generator that does not require a slip ring or a brush for supplying DC to the rotor is utilized. On the other hand, an object of the present invention is to obtain an exciter for an AC exciter having a simple configuration that can start a gas turbine with a variable speed inverter.

上記課題を解決するために、本発明に係る交流励磁機の励磁装置は、2軸の界磁巻線を有する交流励磁機である同期機の前記界磁巻線のそれぞれに電流を供給するとともに複数のスイッチング素子で構成される単相インバータと、交流を直流に変換し、前記単相インバータに直流電力を供給するコンバータと、を備え、交流励磁の場合には前記単相インバータをインバータ動作させ、直流励磁の場合には前記単相インバータをチョッパ動作させて、前記同期機により発電機に励磁電力を供給することを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, an excitation device for an AC exciter according to the present invention supplies current to each of the field windings of a synchronous machine which is an AC exciter having two-axis field windings. A single-phase inverter composed of a plurality of switching elements, and a converter that converts alternating current into direct current and supplies direct-current power to the single-phase inverter. In the case of alternating current excitation, the single-phase inverter is operated as an inverter. In the case of DC excitation, the single-phase inverter is operated as a chopper, and excitation power is supplied to the generator by the synchronous machine.

本発明の交流励磁機の励磁装置によれば、励磁装置が2台の単相インバータで構成されているので、従来の電流調整器に比べ、励磁装置の動作を高速に応答させることができ、また、起動時において、低速回転中でも主発電機の界磁巻線に励磁を確立ができ、かつ、通常時においても、励磁を同じ励磁装置を使用することで回路の簡略化ができるという効果がある。   According to the excitation device of the AC exciter of the present invention, since the excitation device is composed of two single-phase inverters, the operation of the excitation device can be made to respond at a higher speed than the conventional current regulator, In addition, at the time of start-up, excitation can be established in the field winding of the main generator even during low-speed rotation, and the circuit can be simplified by using the same excitation device for excitation even during normal operation. is there.

実施の形態1に係る励磁装置を備えた交流励磁機によるガスタービン発電システムの構成図を示す。The block diagram of the gas turbine electric power generation system by the alternating current exciter provided with the excitation apparatus which concerns on Embodiment 1 is shown. 実施の形態1に係る励磁装置の単相インバータの回路図を示す。The circuit diagram of the single phase inverter of the excitation device which concerns on Embodiment 1 is shown. 実施の形態1に係る励磁装置の交流励磁動作における界磁巻線が接続された単相インバータの動作を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an operation of a single-phase inverter to which field windings are connected in an AC excitation operation of the excitation device according to the first embodiment. 実施の形態1におけるPWM波形発生方法(高電圧時)による単相インバータのインバータ動作及び出力波形を示す図である。It is a figure which shows the inverter operation | movement and output waveform of a single phase inverter by the PWM waveform generation method (at the time of a high voltage) in Embodiment 1. FIG. 実施の形態1におけるPWM波形発生方法(低電圧時)による単相インバータのインバータ動作及び出力波形を示す図である。It is a figure which shows the inverter operation | movement and output waveform of a single phase inverter by the PWM waveform generation method (at the time of a low voltage) in Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an operation of a single-phase inverter in a direct current excitation operation of the excitation device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the single phase inverter in the direct current excitation operation | movement of the excitation apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る励磁装置の起動から定格運転までの単相インバータの動作論理回路を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement logic circuit of the single phase inverter from starting of the excitation apparatus which concerns on Embodiment 1 to rated operation. 実施の形態2に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an operation of a single-phase inverter in a direct current excitation operation of the excitation device according to the second embodiment. 実施の形態2に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the single phase inverter in the direct current excitation operation | movement of the excitation apparatus which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態2に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作論理回路を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an operation logic circuit of a single-phase inverter in a direct current excitation operation of the excitation device according to the second embodiment. 実施の形態3に係る励磁装置の単相インバータの運転モード論理回路を示す図である。It is a figure which shows the operation mode logic circuit of the single phase inverter of the excitation device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態4に係る励磁装置の単相インバータの運転モード論理回路を示す図である。It is a figure which shows the operation mode logic circuit of the single phase inverter of the excitation device which concerns on Embodiment 4. 実施の形態5に係る励磁装置における励磁電流のベクトル図である。FIG. 10 is a vector diagram of excitation current in the excitation device according to Embodiment 5. 実施の形態5に係る単相インバータと界磁巻線との接続を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing a connection between a single-phase inverter and a field winding according to a fifth embodiment. 実施の形態6に係る励磁装置を備えた交流励磁機によるガスタービン発電システムの全体を示す概略回路構成図である。FIG. 10 is a schematic circuit configuration diagram illustrating an entire gas turbine power generation system using an AC exciter including an excitation device according to Embodiment 6. 実施の形態7に係る励磁装置を備えた交流励磁機による制御システムを示す制御ブロック回路図である。FIG. 10 is a control block circuit diagram showing a control system using an AC exciter equipped with an excitation device according to Embodiment 7. 実施の形態8に係る励磁装置おける交流励磁機の回転数と励磁周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation speed of the alternating current exciter in the excitation apparatus which concerns on Embodiment 8, and an excitation frequency. 実施の形態9に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the single phase inverter in direct current excitation operation | movement of the excitation apparatus which concerns on Embodiment 9. FIG. 実施の形態9に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作論理回路を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an operation logic circuit of a single-phase inverter in a direct current excitation operation of the excitation device according to the ninth embodiment. 従来の励磁装置を備えた交流励磁機によるガスタービン発電システムの構成図を示す。The block diagram of the gas turbine power generation system by the alternating current exciter provided with the conventional excitation apparatus is shown.

実施の形態1.
実施の形態1は、交流励磁機として、d軸とq軸の2つの界磁巻線を持つ同期機をブラシレス励磁方式励磁機に適用したものである。以下、この発明の実施の形態1を図1から図8に基づき説明する。
図1は、実施の形態1に係る励磁装置を備えた交流励磁機によるガスタービン発電システムの全体を示す概略回路構成図であり、図2は、励磁装置の単相インバータの回路図を示すものであり、図3は、界磁巻線が接続された単相インバータの回路図を示す。
Embodiment 1 FIG.
In the first embodiment, as an AC exciter, a synchronous machine having two field windings of d-axis and q-axis is applied to a brushless excitation type exciter. Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic circuit configuration diagram showing an entire gas turbine power generation system using an AC exciter including the excitation device according to Embodiment 1, and FIG. 2 shows a circuit diagram of a single-phase inverter of the excitation device. FIG. 3 shows a circuit diagram of a single-phase inverter to which field windings are connected.

まず、図1を用いて、実施の形態1に係る励磁装置を備えた交流励磁機によるガスタービン発電システムの構成について説明する。図1において、励磁装置3を備えた交流励磁機9によるガスタービン発電システム1は、ガスタービン27と、ガスタービン27のロータ28と回転軸45で連結された主発電機2と、三相交流電流を直流電流に変換して主発電機2の界磁巻線21に通電する回転整流器12と、電機子巻線11とd軸界磁巻線16及びq軸界磁巻線17とからなり、電機子巻線11で発電された三相交流電流を回転整流器12に通電する交流励磁機9と、主発電機2の起動時に交流励磁機9を駆動させる励磁装置3と、励磁装置3に電流を供給する励磁電源73と、で構成されている。ここで、永久磁石発電機(以下、PMGと称する。)40の界磁46の回転軸45は、交流励磁機9の電機子巻線11と機械的に連結されている。また、回転軸45は回転整流器12と主発電機2の界磁巻線21とも機械的に連結されており、これらは一体で回転する回転子4を構成している。   First, the configuration of a gas turbine power generation system using an AC exciter including the excitation device according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a gas turbine power generation system 1 using an AC exciter 9 having an excitation device 3 includes a gas turbine 27, a main generator 2 connected to a rotor 28 of the gas turbine 27 by a rotating shaft 45, and a three-phase AC. It comprises a rotary rectifier 12 that converts a current into a direct current and energizes the field winding 21 of the main generator 2, an armature winding 11, a d-axis field winding 16, and a q-axis field winding 17. The AC exciter 9 for energizing the rotary rectifier 12 with the three-phase AC current generated by the armature winding 11, the excitation device 3 for driving the AC exciter 9 when the main generator 2 is started, and the excitation device 3 And an excitation power source 73 for supplying current. Here, the rotating shaft 45 of the field 46 of the permanent magnet generator (hereinafter referred to as PMG) 40 is mechanically coupled to the armature winding 11 of the AC exciter 9. The rotary shaft 45 is also mechanically connected to the rotary rectifier 12 and the field winding 21 of the main generator 2, and these constitute a rotor 4 that rotates integrally.

また、併せて起動時には、主発電機2を同期電動機として駆動させるために、主発電機2の電機子巻線22に通電する電源としての所内電源71と、所内電源71の電力を変換する可変速インバータ装置(または、サイリスタ起動装置)23と、可変速インバータ23と電機子巻線22とを接続する起動用コンタクタS1と、が備えられている。   In addition, at the time of start-up, in order to drive the main generator 2 as a synchronous motor, the in-house power source 71 as a power source for energizing the armature winding 22 of the main generator 2 and the power of the in-house power source 71 can be converted. A variable speed inverter device (or thyristor starting device) 23 and a starting contactor S1 for connecting the variable speed inverter 23 and the armature winding 22 are provided.

さらに、起動完了後には、ガスタービン27により主発電機2の電機子巻線22で発電された電力を系統に接続する系統用ブレーカS2と、系統に合わせて変圧する系統連系変圧器24と、発電された電力を送電する連系先である系統電源72と、が備えられている。   Further, after the start-up is completed, a system breaker S2 that connects the power generated by the armature winding 22 of the main generator 2 by the gas turbine 27 to the system, and a system interconnection transformer 24 that transforms the power in accordance with the system, And a system power source 72 which is a connection destination for transmitting the generated power.

励磁装置3は、主発電機2の起動時に、起動用コンタクタS5が接続されて励磁電源73の交流を直流に変換するコンバータ41と、さらに直流を交流に変換して交流励磁機9のd軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17のそれぞれに通電する単相インバータ31及び単相インバータ32と、で構成されている。d軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17界磁巻線に通電されることにより、交流励磁機9の回転子である電機子巻線11が回転駆動され、主発電機2が起動される。また、図2に示すように、単相インバータ31及び32は、スイッチング素子として4つのIGBTモジュール51から54で構成されている。また、IGBTモジュール51から54の入力側には、直列接続された直流コンデンサ34と35が、並列に配設されている。   The excitation device 3 includes a converter 41 that converts the alternating current of the excitation power source 73 to direct current when the contactor S5 for activation is connected when the main generator 2 is activated, and further converts the direct current into alternating current to convert the d axis of the alternating current exciter 9 A single-phase inverter 31 and a single-phase inverter 32 that energize each of the field winding 16 and the q-axis field winding 17 are configured. When the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 are energized, the armature winding 11 that is the rotor of the AC exciter 9 is rotationally driven, and the main generator 2 is driven. It is activated. As shown in FIG. 2, the single-phase inverters 31 and 32 are configured by four IGBT modules 51 to 54 as switching elements. Further, DC capacitors 34 and 35 connected in series are arranged in parallel on the input side of the IGBT modules 51 to 54.

また、交流励磁機9は、回転子である電機子巻線11と、固定子であるd軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17とからなり、電機子巻線11は、上述したようにPMG40の界磁46と回転軸45で機械的に繋がっている。主発電機2の起動完了後及び通常運転時には、起動用コンタクタS5は、通常用コンタクタS6に切替えられ、電機子巻線11が回転することによりPMG40の界磁46も回転することで、これによりPMG40の固定子である電機子47に発生した三相交流は励磁装置3に通電されるようになっている。   The AC exciter 9 includes an armature winding 11 that is a rotor, a d-axis field winding 16 and a q-axis field winding 17 that are stators. As described above, the field 46 of the PMG 40 and the rotating shaft 45 are mechanically connected. After the start-up of the main generator 2 and during normal operation, the starting contactor S5 is switched to the normal contactor S6, and the field 46 of the PMG 40 is rotated by the rotation of the armature winding 11, thereby The three-phase alternating current generated in the armature 47, which is the stator of the PMG 40, is energized in the excitation device 3.

次に、実施の形態1に係る交流励磁機の励磁装置の動作について、図1から図5を参照して説明する。   Next, the operation of the excitation device for an AC exciter according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.

1)起動時における励磁装置の単相インバータのインバータ動作(交流励磁動作)、交流励磁機及び主発電機の動作
<起動時の励磁装置の動作>
ガスタービン発電システム1の起動時における励磁装置の動作について説明する。起動時には、交流励磁機9の励磁装置3への電源の接続状態は、起動用コンタクタS5がオン(ON)、通常用コンタクタS6がオフ(OFF)となっている。
1) Inverter operation (AC excitation operation) of single phase inverter of excitation device at start-up, operation of AC exciter and main generator <Operation of excitation device at start-up>
The operation of the excitation device at the time of starting the gas turbine power generation system 1 will be described. At the time of start-up, the connection state of the power source to the exciter 3 of the AC exciter 9 is such that the start contactor S5 is on (ON) and the normal contactor S6 is off (OFF).

コンバータ41は、励磁電源73の交流を直流に変換する。さらに、コンバータ41の直流を基に、単相インバータ31は、IGBTモジュール51から54のスイッチング素子をインバータ動作させて交流を発生させ交流励磁機9のd軸界磁巻線16を交流励磁する。同様に、単相インバータ32は、IGBTモジュール51から54のスイッチング素子をインバータ動作させて交流を発生させ交流励磁機9のq軸界磁巻線17を交流励磁する。ここで、交流励磁機9のd軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17とは、90度の位相差がある。このため、単相インバータ31の出力電圧と単相インバータ32の出力電圧との位相差は、交流励磁機9のd軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17と同じ90度の位相差を持たせている。   The converter 41 converts alternating current of the excitation power source 73 into direct current. Further, based on the direct current of converter 41, single-phase inverter 31 causes the switching elements of IGBT modules 51 to 54 to operate as inverters to generate alternating current and excite d-axis field winding 16 of alternating current exciter 9. Similarly, the single-phase inverter 32 causes the switching elements of the IGBT modules 51 to 54 to operate as inverters to generate alternating current and excite the q-axis field winding 17 of the alternating current exciter 9. Here, the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9 have a phase difference of 90 degrees. For this reason, the phase difference between the output voltage of the single-phase inverter 31 and the output voltage of the single-phase inverter 32 is about 90 degrees as in the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9. Has a phase difference.

<単相インバータのインバータ動作(交流励磁動作)>
次に、具体的に、交流励磁機9の励磁装置3で使用される単相インバータ31,32の回路とそのインバータ動作(交流励磁動作)について説明する。図2に示すように、単相インバータ31及び32は、スイッチング素子として、それぞれ4つのIGBTモジュール51から54で構成され、これらIGBTモジュール群の入力側に、電圧脈動を平滑するために直列接続された直流コンデンサ34と35が、並列に配設された構成となっている。IGBTモジュール51と52の出力端子aとIGBTモジュール53と54の出力端子bが出力となり、2台の単相インバータ31,32が、それぞれ、d軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17に接続されている。
<Inverter operation of single-phase inverter (AC excitation operation)>
Next, the circuits of the single-phase inverters 31 and 32 used in the excitation device 3 of the AC exciter 9 and the inverter operation (AC excitation operation) will be described. As shown in FIG. 2, the single-phase inverters 31 and 32 are each composed of four IGBT modules 51 to 54 as switching elements, and are connected in series to the input side of these IGBT module groups in order to smooth the voltage pulsation. The DC capacitors 34 and 35 are arranged in parallel. The output terminal a of the IGBT modules 51 and 52 and the output terminal b of the IGBT modules 53 and 54 are outputs, and the two single-phase inverters 31 and 32 are respectively connected to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding. 17 is connected.

IGBTモジュール51,52,53,54は、それぞれIGBT素子55,56,57,58とダイオード素子59,60,61,62と、により構成されている。すなわち、各IGBTモジュールは、1個のIGBT素子と逆並列に接続した1個のダイオード素子との組み合わせを基本とする構成となっている。IGBTモジュールは、ゲート(G)にオン(ON)信号を印加することで、コレクタ(C)とエミッタ(E)間の電流を通電動作させることができる。   The IGBT modules 51, 52, 53, and 54 are configured by IGBT elements 55, 56, 57, and 58 and diode elements 59, 60, 61, and 62, respectively. That is, each IGBT module has a configuration based on a combination of one IGBT element and one diode element connected in antiparallel. The IGBT module can energize the current between the collector (C) and the emitter (E) by applying an ON signal to the gate (G).

図3に、起動時の励磁装置の交流励磁動作における界磁巻線が接続された単相インバータの動作を示す回路図を、図4に、PWM(Pulse Width Modulation)波形発生方法(高電圧時)により単相インバータをインバータ動作させる例を示す。図4では、単相インバータ31,32の出力電圧が大きい場合(高電圧時)の出力電流波形例を示す。図3において、単相インバータ31,32の出力端子aと出力端子bには、それぞれ交流励磁機9のd軸界磁巻線16またはq軸界磁巻線17が接続されている。ここでは、コンバータ41の出力である直流電圧Eを±(E/2)の2つの直列電源とした場合に、中点37を基準とした電圧波形を図4に示す。   FIG. 3 is a circuit diagram showing the operation of the single-phase inverter to which the field winding is connected in the AC excitation operation of the excitation device at start-up, and FIG. 4 is a PWM (Pulse Width Modulation) waveform generation method (at high voltage). ) Shows an example of operating a single-phase inverter as an inverter. FIG. 4 shows an example of an output current waveform when the output voltage of the single-phase inverters 31 and 32 is large (at the time of high voltage). In FIG. 3, the d-axis field winding 16 or the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9 is connected to the output terminals a and b of the single-phase inverters 31 and 32, respectively. Here, FIG. 4 shows a voltage waveform with reference to the midpoint 37 when the DC voltage E that is the output of the converter 41 is two series power supplies of ± (E / 2).

図4(a)に示すように、三角波のキャリア(変調波)信号と出力正弦波信号とを比較して、キャリア信号より出力正弦波信号が大きい場合には、正極側のIGBTモジュール51のゲートをオンさせ、出力正弦波信号が小さい場合には、負極側のIGBTモジュール52のゲートをオンさせる。これにより生成されたPWM波形を図4(b)に示す。なお、図3において、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54は、同じゲートタイミングで、オン/オフさせ、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53は、同じゲートタイミングで、オン/オフさせる。ここで、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54(または、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53)の同時オンは、直流の短絡となるため行わない。   As shown in FIG. 4A, the triangular wave carrier (modulated wave) signal and the output sine wave signal are compared, and when the output sine wave signal is larger than the carrier signal, the gate of the IGBT module 51 on the positive electrode side. When the output sine wave signal is small, the gate of the negative-side IGBT module 52 is turned on. The PWM waveform generated by this is shown in FIG. In FIG. 3, the IGBT module 51 and the IGBT module 54 are turned on / off at the same gate timing, and the IGBT module 52 and the IGBT module 53 are turned on / off at the same gate timing. Here, the IGBT module 51 and the IGBT module 54 (or the IGBT module 52 and the IGBT module 53) are not simultaneously turned on because a direct current is short-circuited.

また、図4に、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54のゲート信号波形、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53のゲート信号波形、出力端子aの電圧波形Va、出力端子bの電圧波形Vb、出力端子a−b間の電圧波形Vab(出力端子bを基準に出力端子aを見た電圧)、及び交流励磁機9のd軸界磁巻線16またはq軸界磁巻線17を負荷とした場合の電流波形I0の例を示す。   4 shows the gate signal waveforms of the IGBT module 51 and the IGBT module 54, the gate signal waveforms of the IGBT module 52 and the IGBT module 53, the voltage waveform Va of the output terminal a, the voltage waveform Vb of the output terminal b, and the output terminal a−. a voltage waveform Vab between b (voltage when the output terminal a is viewed with reference to the output terminal b), and current when the d-axis field winding 16 or the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9 is used as a load. An example of the waveform I0 is shown.

図4で、出力端子aの電圧波形Vaは、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54のゲートがオンの場合には、(+E/2)の電圧となり、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53のゲートがオンの場合には、(−E/2)の電圧となり、出力端子bの電圧波形Vbは、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53のゲートがオンの場合には、(+E/2)の電圧となり、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54のゲートがオンの場合には、(−E/2)の電圧となる。また、出力端子a−b間の電圧波形Vabは、Va−Vbより算出することができる。   In FIG. 4, the voltage waveform Va at the output terminal a is (+ E / 2) when the gates of the IGBT module 51 and the IGBT module 54 are on, and the gates of the IGBT module 52 and the IGBT module 53 are on. In such a case, the voltage waveform Vb of the output terminal b becomes (+ E / 2) when the gates of the IGBT module 52 and the IGBT module 53 are ON, and the voltage waveform Vb of the output terminal b becomes the IGBT module. When the gates of 51 and IGBT module 54 are on, the voltage is (−E / 2). The voltage waveform Vab between the output terminals a and b can be calculated from Va and Vb.

図5に、PWM波形発生方法(低電圧時)により単相インバータをインバータ動作させる例を示す。高電圧時と同様に、図5(a)に示すように、三角波のキャリア(変調波)信号と出力正弦波信号とを比較して、キャリア信号より出力正弦波信号が大きい場合には、正極側のIGBTモジュール51のゲートをオンさせ、出力正弦波信号が小さい場合には、負極側のIGBTモジュール52のゲートをオンさせる。これにより生成されたPWM波形を図5(b)に示す。ここでは、三角波のキャリア信号に対して出力正弦波信号を小さくしてゲート信号を得ている。   FIG. 5 shows an example in which a single-phase inverter is operated as an inverter by a PWM waveform generation method (at a low voltage). As in the case of high voltage, as shown in FIG. 5 (a), a triangular wave carrier (modulated wave) signal is compared with an output sine wave signal. The gate of the IGBT module 51 on the side is turned on, and when the output sine wave signal is small, the gate of the IGBT module 52 on the negative electrode side is turned on. The PWM waveform generated by this is shown in FIG. Here, the output sine wave signal is made smaller than the triangular wave carrier signal to obtain a gate signal.

また、図5に、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54のゲート信号波形、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53のゲート信号波形、出力端子aの電圧波形Va、出力端子bの電圧波形Vb、出力端子a−b間の電圧波形Vab(=Va−Vb)(出力端子bを基準に出力端子aを見た電圧)、及び交流励磁機9のd軸界磁巻線16またはq軸界磁巻線17を負荷とした場合の電流波形I0の例をそれぞれ示す。   5 shows the gate signal waveforms of the IGBT module 51 and the IGBT module 54, the gate signal waveforms of the IGBT module 52 and the IGBT module 53, the voltage waveform Va of the output terminal a, the voltage waveform Vb of the output terminal b, and the output terminal a−. The voltage waveform Vab between b (= Va−Vb) (the voltage when the output terminal a is viewed with reference to the output terminal b), and the d-axis field winding 16 or the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9 An example of a current waveform I0 when a load is used is shown.

つまり、出力正弦波信号を小さくすることで電圧Va、Vbのオン期間が短くなることで、Vab(=Va−Vb)の電圧の基本周波数成分は小さくなる。   That is, by reducing the output sine wave signal, the on-period of the voltages Va and Vb is shortened, so that the fundamental frequency component of the voltage Vab (= Va−Vb) is reduced.

なお、上記説明では、簡単にするため、直列に接続した直流コンデンサ34,35の中点37を電圧基準として説明したが、実際の回路においては、非接地であっても動作は変わらない。また、単相インバータ31,32の出力高調波低減のため、フィルタを入れてもよい。また、コンデンサには、直流コンデンサ34,35を使用したが、交流で使用可能なコンデンサであってもよい。   In the above description, for the sake of simplicity, the midpoint 37 of the DC capacitors 34 and 35 connected in series has been described as a voltage reference. However, in an actual circuit, the operation does not change even if it is not grounded. A filter may be inserted to reduce output harmonics of the single-phase inverters 31 and 32. In addition, although the DC capacitors 34 and 35 are used as capacitors, capacitors that can be used with AC may be used.

<主発電機の起動時の動作>
続いて、主発電機2の起動時の動作について説明する。ここでは、図1において、起動用コンタクタS5をオンに、通常用コンタクタS6をオフにし、コンバータ41は、励磁電源73を入力として、交流電圧を直流電圧に変換し、単相インバータ31,32は、インバータ動作にてコンバータ41の直流電圧を交流電圧に変換する。上記単相インバータ31,32の動作により、励磁装置3から交流励磁機9のd軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17に対して交流励磁を行う。その結果、低速回転数の場合においても、交流励磁機9の電機子巻線11には、三相交流電圧が誘起され、さらに、回転整流器12にて直流に変換され、主発電機2の界磁巻線21に励磁を確立することができる。
<Operation at the time of starting the main generator>
Next, the operation at the time of starting the main generator 2 will be described. Here, in FIG. 1, the start-up contactor S5 is turned on, the normal contactor S6 is turned off, the converter 41 receives the excitation power supply 73 and converts an alternating voltage into a direct voltage, and the single-phase inverters 31 and 32 are The inverter 41 converts the DC voltage of the converter 41 into an AC voltage. By the operation of the single-phase inverters 31 and 32, AC excitation is performed from the excitation device 3 to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9. As a result, even in the case of a low rotational speed, a three-phase AC voltage is induced in the armature winding 11 of the AC exciter 9 and is further converted to DC by the rotary rectifier 12. Excitation can be established in the magnetic winding 21.

ここで、主発電機2は、同期機であり、同期電動機としても機能させることができる。このため、主発電機2の電機子巻線22に可変速インバータ23を接続して、駆動させれば、主発電機2を同期電動機として起動させることが可能となる。つまり、起動用の可変速インバータ23は、所内電源71を入力電源として可変速の電源を作り、主発電機2の電機子巻線22の回転磁界を低周波から徐々に昇速させる。界磁巻線21は、交流励磁機9により、既に励磁されているため、回転磁界に同期して主発電機2の回転数は上昇する。   Here, the main generator 2 is a synchronous machine and can also function as a synchronous motor. For this reason, if the variable speed inverter 23 is connected to the armature winding 22 of the main generator 2 and driven, the main generator 2 can be started as a synchronous motor. That is, the starting variable speed inverter 23 creates a variable speed power supply using the in-house power supply 71 as an input power supply, and gradually increases the rotating magnetic field of the armature winding 22 of the main generator 2 from a low frequency. Since the field winding 21 has already been excited by the AC exciter 9, the rotational speed of the main generator 2 increases in synchronization with the rotating magnetic field.

2)起動後及び通常運転時における励磁装置の単相インバータのチョッパ動作(直流励磁動作)、交流励磁機及び主発電機の動作
<単相インバータのチョッパ動作(直流励磁動作)>
次に、単相インバータ31,32の回路とそのチョッパ動作(直流励磁動作)について説明する。
2) Chopper operation (DC excitation operation) of single-phase inverter of exciter after startup and normal operation, operation of AC exciter and main generator <Chopper operation of single-phase inverter (DC excitation operation)>
Next, the circuits of the single-phase inverters 31 and 32 and their chopper operations (DC excitation operations) will be described.

図6に、通常運転時の励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作を示す回路図を、図7に、励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの出力波形を示す。図6において、IGBTモジュール51は、オン/オフのスイッチング動作、IGBTモジュール54は、常時オン動作、IGBTモジュール52と53は、常時オフ動作とする。ここで、図において、実線の丸はIGBTモジュールのオン/オフのスイッチング動作を、実線の四角は常時オン動作を、破線の四角は常時オフ動作をそれぞれ示す。この回路動作では、直流電圧をIGBTモジュール51のIGBT素子55でオン/オフするチョッパ動作となっており、一定期間内におけるIGBT素子のオン期間の比率により電圧を調整することが可能である。なお、Vabは、正極性の電圧となる。図7は、単相インバータ31または32をチョッパ動作(プラス動作)させ、出力端子aに正電圧(+)を、出力端子bに負電圧(−)を出力させた場合の波形である。   FIG. 6 is a circuit diagram showing the operation of the single-phase inverter in the DC excitation operation of the excitation device during normal operation, and FIG. 7 shows the output waveform of the single-phase inverter in the DC excitation operation of the excitation device. In FIG. 6, the IGBT module 51 is turned on / off, the IGBT module 54 is always on, and the IGBT modules 52 and 53 are always off. Here, in the figure, the solid line circles indicate the on / off switching operation of the IGBT module, the solid line squares indicate the always on operation, and the broken line squares indicate the always off operation. In this circuit operation, a DC voltage is turned on / off by the IGBT element 55 of the IGBT module 51, and the voltage can be adjusted by the ratio of the ON period of the IGBT element within a certain period. Vab is a positive voltage. FIG. 7 shows waveforms when the single-phase inverter 31 or 32 is chopper-operated (plus operation) and a positive voltage (+) is output to the output terminal a and a negative voltage (−) is output to the output terminal b.

また、図7に、IGBTモジュール51のゲート信号波形、IGBTモジュール54のゲート信号波形、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53のゲート信号波形、出力端子aの電圧波形Va、出力端子bの電圧波形Vb、出力端子a−b間の電圧波形Vab(=Va−Vb)(出力端子bを基準に出力端子aを見た電圧)、及び交流励磁機9のd軸界磁巻線16またはq軸界磁巻線17を負荷とした場合の電流波形I0の例をそれぞれ示す。ここで、直流コンデンサの中点37を電圧基準とした。   7 shows the gate signal waveform of the IGBT module 51, the gate signal waveform of the IGBT module 54, the gate signal waveform of the IGBT module 52 and the IGBT module 53, the voltage waveform Va of the output terminal a, the voltage waveform Vb of the output terminal b, The voltage waveform Vab (= Va−Vb) between the output terminals a and b (the voltage when the output terminal a is viewed with reference to the output terminal b), and the d-axis field winding 16 or the q-axis field of the AC exciter 9 Examples of the current waveform I0 when the winding 17 is a load are shown. Here, the middle point 37 of the DC capacitor was used as a voltage reference.

図7で、IGBTモジュール52とIGBTモジュール53のゲートは、常時オフとする。出力端子aの電圧波形Vaは、IGBTモジュール51のゲートがオンの場合は、(+E/2)の電圧となり、オフの場合は、(−E/2)の電圧となり、出力端子bの電圧波形Vbは、常時(−E/2)の電圧となる。また、出力端子a−b間の電圧波形Vabは、Va−Vbより算出できる。電流波形I0は、電圧波形Vabが正側に大きくなると増加し、定常的には、界磁巻線16,17の抵抗Rと電圧Vから決定される電流値となる。   In FIG. 7, the gates of the IGBT module 52 and the IGBT module 53 are always off. The voltage waveform Va at the output terminal a is (+ E / 2) when the gate of the IGBT module 51 is on, and is (−E / 2) when it is off, and the voltage waveform at the output terminal b. Vb is a constant voltage (−E / 2). The voltage waveform Vab between the output terminals a and b can be calculated from Va and Vb. The current waveform I0 increases as the voltage waveform Vab increases to the positive side, and is constantly at a current value determined from the resistance R and the voltage V of the field windings 16 and 17.

<起動後の主発電機の動作>
以上のように、図1において、主発電機2は、起動時、同期電動機として動作するが、ガスタービン27が着火して自立運転し、継続して一定回転数に到達すると可変速インバータ装置23は停止され、起動用コンタクタS1はオフにされ、また、界磁巻線16,17の励磁が停止されるため、交流励磁動作している単相インバータ31、32は停止され、コンバータ41は停止となる。その後、定格回転数付近で、通常用コンタクタS6をオンにし、起動用コンタクタS5をオフにすることで、励磁装置3の入力電源を励磁電源73からPMG40の電機子47で発生した電力による電源に切替える。ここで、PMG40の界磁46には、永久磁石が用いられており、PMG40の電機子47には、永久磁石を回転子とする三相交流電力が発生している。コンバータ41は、このPMG40の三相交流電力を電源として、交流を直流に整流し、単相インバータ31、32に直流電力を供給する。
<Operation of main generator after startup>
As described above, in FIG. 1, the main generator 2 operates as a synchronous motor at the time of start-up, but when the gas turbine 27 is ignited and operates autonomously and continuously reaches a certain rotational speed, the variable speed inverter device 23. Is stopped, the starting contactor S1 is turned off, and the excitation of the field windings 16 and 17 is stopped, so that the single-phase inverters 31 and 32 performing the AC excitation operation are stopped and the converter 41 is stopped. It becomes. Thereafter, the normal contactor S6 is turned on and the starting contactor S5 is turned off near the rated speed, whereby the input power source of the exciter 3 is changed from the excitation power source 73 to the power source generated by the armature 47 of the PMG 40. Switch. Here, a permanent magnet is used for the field 46 of the PMG 40, and three-phase AC power using the permanent magnet as a rotor is generated in the armature 47 of the PMG 40. The converter 41 uses the three-phase AC power of the PMG 40 as a power source, rectifies AC to DC, and supplies DC power to the single-phase inverters 31 and 32.

単相インバータ31、32は、上述したように、チョッパ動作によりコンバータ41からの直流を入力として、DC/DC電圧変換を行って、交流励磁機9のd軸界磁巻線16及びq軸界磁巻線17を直流励磁することで、電機子巻線11に三相交流電流を発生させ、起動時と同様に、回転整流器12で直流電流に変換され、主発電機2の界磁巻線21に通電され、主発電機2の電機子巻線22にて交流電力が発生し、その後、系統電源72にブレーカS2、系統連系変圧器24を経由して同期併入される。   As described above, the single-phase inverters 31 and 32 receive the direct current from the converter 41 by the chopper operation, perform DC / DC voltage conversion, and perform the d-axis field winding 16 and the q-axis field of the AC exciter 9. By exciting the magnetic winding 17 with a direct current, a three-phase alternating current is generated in the armature winding 11 and converted into a direct current by the rotary rectifier 12 in the same manner as at the start-up. 21 is energized, AC power is generated in the armature winding 22 of the main generator 2, and then synchronously inserted into the system power supply 72 via the circuit breaker S <b> 2 and the system interconnection transformer 24.

図8に、主発電機2の起動から定格運転までの単相インバータ31,32の動作論理回路を示す。動作論理回路は、NOT論理75,76,77とAND論理78,79と、で構成されている。インバータ動作指令は、起動指令、起動完了指令のNOT論理75及び直流励磁オン指令のNOT論理77とのAND論理78で出力される。また、チョッパ動作指令は、起動指令のNOT論理76、起動完了指令及び直流励磁オン指令とのAND論理79で出力される。   FIG. 8 shows an operation logic circuit of the single-phase inverters 31 and 32 from the start of the main generator 2 to the rated operation. The operation logic circuit includes NOT logic 75, 76, 77 and AND logic 78, 79. The inverter operation command is output as an AND logic 78 including a NOT logic 75 for a start command, a start completion command, and a NOT logic 77 for a DC excitation on command. The chopper operation command is output as AND logic 79 of the start command NOT logic 76, the start completion command, and the DC excitation on command.

このように、実施の形態1に係る交流励磁機の励磁装置によれば、励磁装置を起動用時の交流励磁と起動完了後の直流励磁とを共用できるようにすることで、起動時と起動完了後の回路を切替えるコンタクタを設ける必要がなく、簡単な出力回路構成とすることができ、交流励磁機のd軸界磁励磁とq軸界磁励磁を両方同時に変化させることができ制御精度を改善できるとともに制御応答を高速にできる効果がある。   As described above, according to the excitation device of the AC exciter according to the first embodiment, the excitation device can be shared between the AC excitation at the time of activation and the DC excitation after the activation is completed. There is no need to provide a contactor for switching the circuit after completion, a simple output circuit configuration can be achieved, and both the d-axis field excitation and the q-axis field excitation of the AC exciter can be changed at the same time, thereby improving the control accuracy. This can improve the speed and speed of control response.

なお、上記説明では、単相インバータ31と単相インバータ32は、コンバータ41の直流出力を共通にするように接続されているが、単相インバータ毎にコンバータを設けてもよい。また、単相インバータ31,32の回路図において、直列に接続された直流コンデンサ34,35の接続点37(中点)を接地することが記載されているが、説明のためのものであり、非接地であってもよい。また、単相インバータ31,32の回路図において、直流コンデンサ34,35は、単相インバータ31,32に配設する場合について説明したが、直流側に接続されておればよく、コンバータ41側に設置してもよい。   In the above description, the single-phase inverter 31 and the single-phase inverter 32 are connected so as to share the DC output of the converter 41, but a converter may be provided for each single-phase inverter. In addition, in the circuit diagram of the single-phase inverters 31 and 32, it is described that the connection point 37 (middle point) of the DC capacitors 34 and 35 connected in series is grounded. It may be ungrounded. Further, in the circuit diagram of the single-phase inverters 31 and 32, the DC capacitors 34 and 35 have been described as being disposed in the single-phase inverters 31 and 32. May be installed.

また、上記説明では、スイッチング動作は、PWM(Pulse Width Modulation)方式によるもので説明したが、負荷端である出力端子a−b間に電圧を発生させることができればよく、他のスイッチング方式によるものであってもよい。   In the above description, the switching operation has been described by the PWM (Pulse Width Modulation) method. However, it is only necessary to be able to generate a voltage between the output terminals a and b which are load terminals, and other switching methods. It may be.

また、上記説明では、励磁用の発電機として、PGM40が使用される場合について述べたが、他の発電機であってもよい。   In the above description, the case where the PGM 40 is used as the generator for excitation has been described, but another generator may be used.

実施の形態2.
図9は、実施の形態2に係る交流励磁機の励磁装置の直流励磁動作における界磁巻線が接続された単相インバータの動作を示す回路図であり、図10は、励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの出力波形を示す。図6に示す実施の形態1に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作を示す回路図との違いは、オン/オフのスイッチング動作をさせるIGBTモジュールが異なる点である。単相インバータの回路図については、実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram showing the operation of the single-phase inverter to which the field winding is connected in the DC excitation operation of the excitation device of the AC exciter according to Embodiment 2, and FIG. 10 is the DC excitation of the excitation device. The output waveform of the single phase inverter in operation is shown. The difference from the circuit diagram showing the operation of the single-phase inverter in the direct current excitation operation of the excitation device according to Embodiment 1 shown in FIG. 6 is that the IGBT module that performs the on / off switching operation is different. Since the circuit diagram of the single-phase inverter is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

次に、実施の形態2における単相インバータ31,32の回路とそのチョッパ動作(直流励磁動作)について説明する。
図9において、IGBTモジュール53は、オン/オフのスイッチング動作、IGBTモジュール52は常時オン動作、IGBTモジュール51と54は、常時オフ動作とする。ここで、図において、実線の丸はIGBTモジュールのオン/オフのスイッチング動作を、実線の四角は常時オン動作を、破線の四角は常時オフ動作をそれぞれ示す。この回路動作では、直流電圧をIGBTモジュール53のIGBT素子57でオン/オフするチョッパ動作となっており、一定期間内におけるIGBT素子のオン期間の比率により電圧を調整することが可能である。なお、実施の形態1と異なり、Vabは、負極性の電圧となる。図10は、単相インバータ31または32をチョッパ動作(マイナス動作)させ、出力端子aに負電圧(−)を、出力端子bに正電圧(+)を出力させた場合の波形である。
Next, the circuit of single phase inverters 31 and 32 and the chopper operation (DC excitation operation) in the second embodiment will be described.
In FIG. 9, the IGBT module 53 is turned on / off, the IGBT module 52 is always turned on, and the IGBT modules 51 and 54 are always turned off. Here, in the figure, the solid line circles indicate the on / off switching operation of the IGBT module, the solid line squares indicate the always on operation, and the broken line squares indicate the always off operation. In this circuit operation, a DC voltage is turned on / off by the IGBT element 57 of the IGBT module 53, and the voltage can be adjusted by the ratio of the ON period of the IGBT element within a certain period. Note that unlike the first embodiment, Vab is a negative voltage. FIG. 10 shows waveforms when the single-phase inverter 31 or 32 is chopper-operated (minus operation) to output a negative voltage (−) to the output terminal a and a positive voltage (+) to the output terminal b.

また、図10に、IGBTモジュール53のゲート信号波形、IGBTモジュール52のゲート信号波形、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54のゲート信号波形、出力端子aの電圧波形Va、出力端子bの電圧波形Vb、出力端子a−b間の電圧波形Vab(=Va−Vb)(出力端子bを基準に出力端子aを見た電圧)、及び交流励磁機9のd軸界磁巻線16またはq軸界磁巻線17を負荷とした場合の電流波形I0の例をそれぞれ示す。ここで、直流コンデンサの中点37を電圧基準とした。   FIG. 10 shows a gate signal waveform of the IGBT module 53, a gate signal waveform of the IGBT module 52, a gate signal waveform of the IGBT module 51 and the IGBT module 54, a voltage waveform Va of the output terminal a, a voltage waveform Vb of the output terminal b, The voltage waveform Vab (= Va−Vb) between the output terminals a and b (the voltage when the output terminal a is viewed with reference to the output terminal b), and the d-axis field winding 16 or the q-axis field of the AC exciter 9 Examples of the current waveform I0 when the winding 17 is a load are shown. Here, the middle point 37 of the DC capacitor was used as a voltage reference.

図10で、IGBTモジュール51とIGBTモジュール54のゲートは、常時オフとする。出力端子aの電圧波形Vaは、常時(−E/2)の電圧となり、出力端子bの電圧波形Vbは、IGBTモジュール53のゲートがオンの場合は、(+E/2)の電圧となり、オフの場合は、(−E/2)の電圧となる。また、出力端子a−b間の電圧波形Vabは、Va−Vbより算出できる。電流波形I0は、電圧波形Vabが負側に大きくなると減少し、定常的には、d軸界磁巻線16またはq軸界磁巻線17の抵抗Rと電圧Vから決定される電流値となる。   In FIG. 10, the gates of the IGBT module 51 and the IGBT module 54 are always off. The voltage waveform Va at the output terminal a is always (−E / 2), and the voltage waveform Vb at the output terminal b is (+ E / 2) when the gate of the IGBT module 53 is on, and is off. In this case, the voltage is (−E / 2). The voltage waveform Vab between the output terminals a and b can be calculated from Va and Vb. The current waveform I0 decreases as the voltage waveform Vab increases to the negative side, and steadily, the current value determined from the resistance R of the d-axis field winding 16 or the q-axis field winding 17 and the voltage V Become.

各IGBTモジュールの動作を切替えることにより、出力端子a−b間の電圧波形Vabを負極性の電圧とすることが可能となり、これにより、d軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17に流れる励磁電流を急速に減らすことができ、減磁することができる。   By switching the operation of each IGBT module, the voltage waveform Vab between the output terminals a and b can be set to a negative voltage, whereby the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 are changed. The exciting current flowing through the coil can be rapidly reduced and demagnetized.

図11に、単相インバータ31,32の動作論理回路において、実施の形態1のチョッパ(プラス)動作に、チョッパ(マイナス)動作を付加した励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作論理回路を示す。コンパレータ(比較器)83と、NOT論理80及びAND論理81,82とが付加された構成となっている。論理回路87は、図8と同様の論理回路でありアナログの励磁指令を正負判断基準(0)と比較する。コンパレータ83の出力は、正負判断基準より励磁指令が大きい場合には、“1”に、逆に小さい場合には、“0”になる。チョッパ(プラス)動作指令は、“1”の場合で、AND論理79のチョッパ(プラス)動作指令とのAND論理81で出力される。また、チョッパ(マイナス)動作指令は、“0”の場合で、NOT論理80とAND論理79のチョッパ(プラス)動作指令とのAND論理82で出力される。   FIG. 11 shows an operation logic circuit of the single-phase inverters 31 and 32 in the DC excitation operation of the excitation device in which the chopper (plus) operation is added to the chopper (plus) operation of the first embodiment. Indicates. A comparator (comparator) 83, a NOT logic 80, and AND logics 81 and 82 are added. The logic circuit 87 is the same logic circuit as in FIG. 8, and compares the analog excitation command with the positive / negative judgment criterion (0). The output of the comparator 83 is “1” when the excitation command is larger than the positive / negative judgment criterion, and “0” when the excitation command is smaller. The chopper (plus) operation command is “1”, and is output by AND logic 81 with the chopper (plus) operation command of AND logic 79. The chopper (minus) operation command is “0”, and is output by AND logic 82 of the NOT logic 80 and the AND logic 79 chopper (plus) operation command.

このように、実施の形態2に係る交流励磁機の励磁装置によれば、チョッパ動作において単相インバータの出力電圧の極性を負極性に変更できるようにすることで、実施形態1のチョッパ動作で、“0”(ゼロ)Vに絞る場合よりも励磁電流を急速に抑えることができる。これにより、励磁制御を高速に行うことができ、系統事故、負荷変動等における主発電機の減磁特性を向上させる効果がある。   Thus, according to the excitation device of the AC exciter according to the second embodiment, the polarity of the output voltage of the single-phase inverter can be changed to the negative polarity in the chopper operation, so that the chopper operation of the first embodiment can be performed. , The exciting current can be suppressed more rapidly than when the voltage is reduced to “0” (zero) V. Thereby, excitation control can be performed at high speed, and there is an effect of improving the demagnetization characteristics of the main generator in the event of a system fault, load fluctuation, and the like.

なお、上記説明では、励磁指令をアナログの場合として説明したが、信号レベルをデジタル化した場合であっても同じ効果が得られる。   In the above description, the excitation command is described as analog, but the same effect can be obtained even when the signal level is digitized.

実施の形態3.
図12は、実施の形態3に係る交流励磁機の励磁装置の単相インバータの運転モード論理回路を示す図である。実施の形態1では、単相インバータは、各々出力電圧の制御を行っているが、実施の形態3では、単相インバータの入力直流電圧をコンバータにより制御することにより、単相インバータの出力電圧を制御するものである。その他の構成については、実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 12 is a diagram illustrating an operation mode logic circuit of the single-phase inverter of the excitation device of the AC exciter according to the third embodiment. In the first embodiment, each single-phase inverter controls the output voltage. However, in the third embodiment, the input DC voltage of the single-phase inverter is controlled by a converter, whereby the output voltage of the single-phase inverter is controlled. It is something to control. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図12に示すように、単相インバータの運転モード論理回路は、インバータ動作指令及びチョッパ動作指令を入力とするd軸インバータ運転モード論理90とq軸インバータ運転モード論理91及びコンバータ運転モード論理92とで構成されている。   As shown in FIG. 12, the operation mode logic circuit of the single-phase inverter includes a d-axis inverter operation mode logic 90, a q-axis inverter operation mode logic 91, and a converter operation mode logic 92 that receive an inverter operation command and a chopper operation command. It consists of

起動時には、インバータ動作指令により、d軸インバータ運転モード論理90及びq軸インバータ運転モード論理91に、インバータゲート固定指令を出し、コンバータ運転モード論理92にインバータ直流制御指令を出す。単相インバータ31,32でインバータ動作させるIGBTモジュールのゲート電圧を一定にして固定出力パターンでスイッチング動作させ、コンバータ41からの直流電圧出力を制御することによって、単相インバータ31,32からの交流励磁機9のd軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17への交流励磁出力を制御する。   At startup, an inverter gate fixing command is issued to the d-axis inverter operation mode logic 90 and the q-axis inverter operation mode logic 91 and an inverter DC control command is issued to the converter operation mode logic 92 in accordance with the inverter operation command. The IGBT module operated by the single-phase inverters 31 and 32 is made constant and the switching operation is performed with a fixed output pattern, and the DC voltage output from the converter 41 is controlled, whereby the AC excitation from the single-phase inverters 31 and 32 is performed. The AC excitation output to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 of the machine 9 is controlled.

また、起動完了後及び通常運転時には、チョッパ動作指令により、d軸インバータ運転モード論理90及びq軸インバータ運転モード論理91にチョッパゲート固定指令を出し、コンバータ運転モード論理92にチョッパ直流制御指令を出す。これにより、単相インバータ31,32でチョッパ動作させるIGBTモジュールのゲート電圧を一定にして100%直流出力の固定のパターンでチョッパ動作させ、コンバータ41からの直流電圧出力を制御することによって、単相インバータ31,32からの交流励磁機9のd軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17への直流励磁出力を制御する。   In addition, after the start-up is completed and during normal operation, a chopper gate fixing command is issued to the d-axis inverter operation mode logic 90 and the q-axis inverter operation mode logic 91 and a chopper DC control command is issued to the converter operation mode logic 92 according to the chopper operation command. . Thereby, the gate voltage of the IGBT module operated by the single-phase inverters 31 and 32 is kept constant, the chopper operation is performed with a fixed pattern of 100% DC output, and the DC voltage output from the converter 41 is controlled. The DC excitation output from the inverters 31 and 32 to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9 is controlled.

このように、実施の形態3に係る交流励磁機の励磁装置によれば、単相インバータの直流電圧入力をコンバータにより制御することにより、単相インバータの制御回路を簡略化することができ、また、交流励磁機の2軸の界磁巻線の電圧ばらつきを改善する効果がある。   Thus, according to the excitation device for an AC exciter according to Embodiment 3, the control circuit for the single-phase inverter can be simplified by controlling the DC voltage input of the single-phase inverter with the converter. There is an effect of improving the voltage variation of the two-axis field winding of the AC exciter.

実施の形態4.
図13は、実施の形態4に係る交流励磁機の励磁装置の単相インバータの運転モード論理回路を示す図である。実施の形態3では、起動完了後及び通常運転時において、単相インバータのチョッパ動作のIGBTモジュールのゲートを100%直流出力の固定のパターンとし、単相インバータの直流電圧入力をコンバータで制御したが、実施の形態4では、チョッパ動作させるIGBTモジュールを切替えることで、単相インバータの電圧出力の極性を切替えるものである。その他の構成については、実施の形態3と同じであるので説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 13 is a diagram illustrating an operation mode logic circuit of the single-phase inverter of the excitation device of the AC exciter according to the fourth embodiment. In the third embodiment, after the start-up is completed and during normal operation, the gate of the IGBT module for chopper operation of the single-phase inverter is set to a fixed pattern of 100% DC output, and the DC voltage input of the single-phase inverter is controlled by the converter. In the fourth embodiment, the polarity of the voltage output of the single-phase inverter is switched by switching the IGBT module that performs the chopper operation. Since other configurations are the same as those in the third embodiment, description thereof is omitted.

図13に示すように、単相インバータの運転モード論理回路は、インバータ動作指令、チョッパ(プラス)動作指令及びチョッパ(マイナス)動作指令を入力とするd軸インバータ運転モード論理90、q軸インバータ運転モード論理91、コンバータ運転モード論理92及びコンバータ運転モード論理92に接続されるOR論理88とで構成されている。   As shown in FIG. 13, the operation mode logic circuit of the single-phase inverter includes an d-axis inverter operation mode logic 90 that receives an inverter operation command, a chopper (plus) operation command, and a chopper (minus) operation command, and a q-axis inverter operation. The mode logic 91, the converter operation mode logic 92, and the OR logic 88 connected to the converter operation mode logic 92 are configured.

起動時の単相インバータの運転モード論理回路は、実施の形態3と同様であるので、説明を省略する。
起動完了後及び通常運転時には、チョッパ(プラス)動作指令により、d軸インバータ運転モード論理90及びq軸インバータ運転モード論理91にチョッパゲート固定指令を出し、コンバータ運転モード論理92にチョッパ直流制御指令を出す。これにより、単相インバータ31,32でチョッパ動作させるIGBTモジュールのゲート電圧を一定にして100%直流出力の固定のパターンでチョッパ動作させ、コンバータ41からの直流電圧出力を制御することによって、単相インバータ31,32からの交流励磁機9のd軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17への直流励磁出力を制御する。
Since the operation mode logic circuit of the single-phase inverter at the time of start-up is the same as that of the third embodiment, description thereof is omitted.
After startup is complete and during normal operation, a chopper (plus) operation command issues a chopper gate fixing command to the d-axis inverter operation mode logic 90 and the q-axis inverter operation mode logic 91, and a chopper DC control command to the converter operation mode logic 92. put out. Thereby, the gate voltage of the IGBT module to be chopper-operated by the single-phase inverters 31 and 32 is kept constant, the chopper operation is performed with a fixed pattern of 100% DC output, and the DC voltage output from the converter 41 is controlled. The DC excitation output from the inverters 31 and 32 to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 of the AC exciter 9 is controlled.

これに対して、系統事故時、負荷変動時等において、主発電機2の急速な減磁が必要となるため、チョッパ(マイナス)動作指令により、d軸インバータ運転モード論理90及びq軸インバータ運転モード論理91にチョッパゲート固定指令を出し、チョッパ動作させるIGBTモジュールを切替え、コンバータ運転モード論理92にチョッパ直流制御指令を出す。これにより、単相インバータ31,32でチョッパ動作させるIGBTモジュールを切替えることにより(図6と図8参照。)、単相インバータ31,32の電圧出力の極性を正から負に変更することができる。これにより、d軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17に負極性の電圧を印加することができ、主発電機2の急速な減磁をすることが可能となる。   On the other hand, since a rapid demagnetization of the main generator 2 is required at the time of a system failure, load change, etc., the d-axis inverter operation mode logic 90 and the q-axis inverter operation are performed by a chopper (minus) operation command. A chopper gate fixing command is issued to the mode logic 91, the IGBT module to be operated by the chopper is switched, and a chopper DC control command is issued to the converter operation mode logic 92. As a result, the polarity of the voltage output of the single-phase inverters 31 and 32 can be changed from positive to negative by switching the IGBT modules that are operated by the single-phase inverters 31 and 32 (see FIGS. 6 and 8). . Thereby, a negative voltage can be applied to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17, and the main generator 2 can be rapidly demagnetized.

このように、実施の形態4に係る交流励磁機の励磁装置によれば、チョッパ動作において単相インバータの電圧出力の極性を負極性に変更できるようにすることで、実施形態1のチョッパ動作で、“0”(ゼロ)Vに絞る場合よりも励磁電流を急速に抑えることができ、コンバータで出力電圧を制御する場合であっても、これにより励磁制御を高速に行うことができ、系統事故時、負荷変動時等における主発電機の減磁特性を向上させる効果がある。   As described above, according to the excitation device for an AC exciter according to the fourth embodiment, the polarity of the voltage output of the single-phase inverter can be changed to the negative polarity in the chopper operation. , The excitation current can be suppressed more rapidly than when it is reduced to “0” (zero) V, and even when the output voltage is controlled by a converter, this enables the excitation control to be performed at a high speed, resulting in a system failure. This has the effect of improving the demagnetization characteristics of the main generator at the time of load fluctuation.

実施の形態5.
図14は、実施の形態5に係る交流励磁機の励磁装置におけるd軸励磁電流、q軸励磁電流のベクトル図である。図15は、単相インバータとd軸界磁巻線及びq軸界磁巻線との接続を示す回路である。実施の形態1から4における単相インバータとd軸界磁巻線及びq軸界磁巻線との接続と異なる点は、d軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17との間に巻線相互を直列接続するためのコンタクタS7が、d軸界磁巻線16と単相インバータ31の出力側との間にコンタクタS8が、さらに、q軸界磁巻線17と単相インバータ32の出力側との間にコンタクタS9が設けられている点である。その他の構成については、実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
Embodiment 5. FIG.
FIG. 14 is a vector diagram of the d-axis excitation current and the q-axis excitation current in the excitation device of the AC exciter according to Embodiment 5. FIG. 15 is a circuit showing a connection between a single-phase inverter and a d-axis field winding and a q-axis field winding. The difference between the single-phase inverter and the d-axis field winding and the q-axis field winding in the first to fourth embodiments is between the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17. A contactor S7 for connecting the windings in series, a contactor S8 between the d-axis field winding 16 and the output side of the single-phase inverter 31, and a q-axis field winding 17 and a single-phase inverter. The contactor S9 is provided between the 32 output sides. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図14に示すように、交流励磁機9の励磁電流は、d軸界磁巻線16に流れる励磁電流とq軸界磁巻線17に流れる励磁電流とをベクトル合成したものである。交流の電圧としてd軸とq軸は90°の位相を持っており、d軸励磁電流ベクトルが1.0でq軸励磁電流ベクトルが1.0の場合には、合成ベクトルは、√2の大きさで45°の位相差を持つことになる。   As shown in FIG. 14, the excitation current of the AC exciter 9 is a vector composition of the excitation current flowing through the d-axis field winding 16 and the excitation current flowing through the q-axis field winding 17. As an AC voltage, the d-axis and q-axis have a phase of 90 °, and when the d-axis excitation current vector is 1.0 and the q-axis excitation current vector is 1.0, the combined vector is √2. It will have a phase difference of 45 ° in size.

起動完了後及び通常運転時において、実施の形態1から4では、d軸界磁巻線16、q軸界磁巻線17の直流励磁を2台の単相インバータ31,32で行うが、この場合は、コンタクタS7がオフに、コンタクタS8がオンに、コンタクタS9がオンに設定されている。   In the first to fourth embodiments after the start-up is completed and during normal operation, DC excitation of the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 is performed by the two single-phase inverters 31 and 32. In this case, the contactor S7 is turned off, the contactor S8 is turned on, and the contactor S9 is turned on.

起動完了後の通常運転時においては、励磁電流として通常、d軸界磁巻線16とq軸界磁巻線17に同じ値の直流電流を流すが、単相インバータ31あるいは32のいずれか一方が故障した場合には、当該単相インバータ31あるいは32のIGBT素子のゲートをオフにし、該当するコンタクタS8あるいはコンタクタS9をオフにし、当該単相インバータ31あるいは32をd軸界磁巻線16あるいはq軸界磁巻線17から切離すとともに、コンタクタS7をオンにすることで、故障した単相インバータの切離しと、他方の界磁巻線との直列接続を行う。これにより、一方の単相インバータが故障した場合においても、d軸界磁巻線16及びq軸界磁巻線17に給電することができ、運転の継続が可能となる。   During normal operation after completion of startup, a DC current having the same value is normally supplied to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 as the excitation current, but either the single-phase inverter 31 or 32 is supplied. In the case of failure, the gate of the IGBT element of the single-phase inverter 31 or 32 is turned off, the corresponding contactor S8 or contactor S9 is turned off, and the single-phase inverter 31 or 32 is connected to the d-axis field winding 16 or By disconnecting from the q-axis field winding 17 and turning on the contactor S7, disconnection of the failed single-phase inverter and series connection with the other field winding are performed. As a result, even when one of the single-phase inverters fails, power can be supplied to the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 and the operation can be continued.

さらに、正常な単相インバータの電流を√2倍に増やすことで、主発電機2の電圧を元の電圧値にすることができ正常な運転の継続が可能となる。   Furthermore, by increasing the current of the normal single-phase inverter by √2 times, the voltage of the main generator 2 can be set to the original voltage value, and normal operation can be continued.

このように、実施の形態5に係る交流励磁機の励磁装置によれば、2つの界磁巻線間を直列接続する回路構成とすることで、励磁装置の一方の単相インバータが故障した場合においても、他方の単相インバータから界磁巻線に給電をすることが可能となり、励磁装置の信頼性を向上させる効果がある。   As described above, according to the excitation device for an AC exciter according to the fifth embodiment, when one of the single-phase inverters of the excitation device fails due to the circuit configuration in which the two field windings are connected in series. In this case, it is possible to supply power to the field winding from the other single-phase inverter, which has the effect of improving the reliability of the excitation device.

実施の形態6.
図16は、実施の形態6に係る励磁装置を備えた交流励磁機によるガスタービン発電システムの全体を示す概略回路構成図である。図1に示す実施の形態1における励磁装置との違いは、図2に示すように、単相インバータ31,32には、スイッチング素子とコンバータ41との間に並列に直列接続された直流コンデンサ34,35が設けられているのに対して、実施の形態6の励磁装置30では、単相インバータ31,32とコンバータ41との間に大容量の電荷を蓄積できる電気二重層のコンデンサ67が設けられている点である。その他の構成は、実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 16 is a schematic circuit configuration diagram illustrating an entire gas turbine power generation system using an AC exciter including the excitation device according to the sixth embodiment. The difference from the excitation device in the first embodiment shown in FIG. 1 is that, as shown in FIG. 2, the single-phase inverters 31 and 32 have a DC capacitor 34 connected in series between the switching element and the converter 41 in parallel. , 35 is provided, the excitation device 30 of the sixth embodiment is provided with an electric double layer capacitor 67 capable of storing a large amount of charge between the single-phase inverters 31, 32 and the converter 41. This is the point. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

大容量のコンデンサ67が備えられたことにより、励磁電源73の電力系統の事故等による電圧低下あるいは電源喪失に対して、従来の回路では、3m秒〜10m秒で励磁喪失されていたものを、100m秒〜数秒の間、そのままの電圧で励磁可能な励磁装置30を得ることができる。また、これにより、PMG40を主発電機2に接続することが不要となり、回転軸45の軸長の短縮、起動時の回転軸45の慣性(GD2)を小さくすることができる。   Due to the provision of the large-capacitance capacitor 67, with respect to the voltage drop or power loss due to an accident of the power system of the excitation power source 73, in the conventional circuit, the excitation lost in 3 ms to 10 ms, An excitation device 30 that can be excited with the same voltage for 100 milliseconds to several seconds can be obtained. This also eliminates the need to connect the PMG 40 to the main generator 2, shortening the axial length of the rotating shaft 45, and reducing the inertia (GD2) of the rotating shaft 45 during startup.

このように、実施の形態6に係る交流励磁機の励磁装置によれば、単相インバータの入力側に大容量のコンデンサを設けたことにより、励磁電源が喪失した場合においても、より長い時間、そのままの電圧で界磁巻線を励磁することができる効果がある。また、PMGが不要となり、回転軸の軸長の短縮することで装置を小型化することができる効果がある。   As described above, according to the excitation device for an AC exciter according to the sixth embodiment, a large amount of capacitor is provided on the input side of the single-phase inverter. There is an effect that the field winding can be excited with the voltage as it is. In addition, there is an effect that the PMG is not required and the apparatus can be downsized by reducing the axial length of the rotating shaft.

なお、上記実施の形態では、大容量のコンデンサとして、電気二重層コンデンサを使用する場合について述べたが、他の種類のコンデンサであってもよい。   In the above-described embodiment, the case where an electric double layer capacitor is used as a large-capacity capacitor has been described. However, other types of capacitors may be used.

実施の形態7.
図17は、実施の形態7に係る励磁装置を備えた交流励磁機による制御システムを示す制御ブロック回路図である。実施の形態1から6では、単相インバータの回路動作について説明したが、実施の形態7では、交流励磁機9による制御システムの全体を示す。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 17 is a control block circuit diagram illustrating a control system using an AC exciter including the excitation device according to the seventh embodiment. In the first to sixth embodiments, the circuit operation of the single-phase inverter has been described. In the seventh embodiment, the entire control system using the AC exciter 9 is shown.

図17に示す制御ブロック回路図において、d軸界磁巻線16およびq軸界磁巻線17の電流を検出する電流センサ111,112と、電機子巻線22の電圧を検出する電圧検出器VT113と、電圧変換器114と、電圧/周波数(V/F)比変換器115と、界磁巻線21の電圧を検出するためのスリップリング117と、電圧変換器116と、加減算器105、106、108、110、124と、が設けられている。   In the control block circuit diagram shown in FIG. 17, current sensors 111 and 112 for detecting the currents of the d-axis field winding 16 and the q-axis field winding 17 and the voltage detector for detecting the voltage of the armature winding 22 are used. VT 113, voltage converter 114, voltage / frequency (V / F) ratio converter 115, slip ring 117 for detecting the voltage of field winding 21, voltage converter 116, adder / subtractor 105, 106, 108, 110, and 124 are provided.

また、制御PIアンプ103,104,107,109,121は、比例(P)+積分(I)関数を有する制御ループの安定性、応答性等の特性を調整するものである。   The control PI amplifiers 103, 104, 107, 109, 121 adjust characteristics such as stability and responsiveness of a control loop having a proportional (P) + integral (I) function.

制御ループとして、制御PIアンプ103,104とゲート作成回路101,102で構成される電流制御ループと、制御PIアンプ107で構成される界磁電圧制御ループと、電機子電圧の制御PIアンプ109と制御スイッチ122で構成される同期機電機子電圧制御ループあるいは電圧/周波数(V/F)比の制御PIアンプ121と制御スイッチ123で構成される電圧/周波数(V/F)比制御ループと、で構築される。通常、起動初期には、界磁電圧制御ループによる界磁電圧一定制御あるいは電圧/周波数(V/F)比制御ループによるV/F比一定制御が、一定速度到達後は、同期機(発電機)電機子電圧制御ループによる発電機電圧一定制御が行われる。   As control loops, a current control loop including control PI amplifiers 103 and 104 and gate generation circuits 101 and 102, a field voltage control loop including control PI amplifier 107, an armature voltage control PI amplifier 109, A synchronous machine armature voltage control loop constituted by a control switch 122 or a voltage / frequency (V / F) ratio control loop constituted by a control PI amplifier 121 of a voltage / frequency (V / F) ratio and a control switch 123; Built in. Normally, at the initial stage of startup, the constant field voltage control by the field voltage control loop or the constant V / F ratio control by the voltage / frequency (V / F) ratio control loop is performed. ) Generator voltage constant control is performed by an armature voltage control loop.

このように、実施の形態7に係る交流励磁機の励磁装置によれば、起動時において、交流励磁機の界磁巻線に接続された単相インバータの出力周波数を一定として、単相インバータの出力電圧即ち交流励磁機の各巻線の電圧あるいは電流を制御することにより、交流励磁機の界磁電圧、電機子の電圧/周波数或いは電機子電圧の制御を行うようにしたので、精度のよい励磁制御が得ることができる。このため、各巻線の温度や不可変動に依存しない安定した運転が可能となる効果がある。   Thus, according to the excitation device for an AC exciter according to the seventh embodiment, at the time of start-up, the output frequency of the single-phase inverter connected to the field winding of the AC exciter is constant, and the single-phase inverter By controlling the output voltage, that is, the voltage or current of each winding of the AC exciter, the field voltage, armature voltage / frequency or armature voltage of the AC exciter is controlled. Control can get. For this reason, there is an effect that a stable operation that does not depend on the temperature or invariability of each winding is possible.

実施の形態8.
図18は、実施の形態8に係る励磁装置を備えた交流励磁機における交流励磁機の回転数と励磁周波数の関係を示す図である。
Embodiment 8 FIG.
FIG. 18 is a diagram illustrating the relationship between the rotational speed of the AC exciter and the excitation frequency in an AC exciter including the excitation device according to the eighth embodiment.

起動時において、同期機である交流励磁機9の回転数をωr’(定格回転数を1puとするpu値)、単相インバータ31,32による励磁周波数をωexc’(定格回転数を1puとするpu値)とすると、励磁方向を回転方向と逆にすると、交流励磁機9の電機子巻線11には、(ωexc’+ωr’)倍の電圧が誘起される。ここで、交流励磁機9の損失は、励磁周波数が大きくなると増加するため、単相インバータ31,32による励磁周波数ωexc’を図18に示すように、交流励磁機9の回転数ωr’の上昇に応じて減少させることで、損失の低減が可能となる。
なお、ωexc’=ω0’(定格回転数)−ωr’(回転数)とすると、励磁周波数が自動的に直流となる。したがって、起動から通常への制御切替に際して、変動を抑える効果がある。
At the time of start-up, the rotational speed of the AC exciter 9 which is a synchronous machine is ωr ′ (pu value where the rated rotational speed is 1 pu), and the excitation frequency by the single-phase inverters 31 and 32 is ωexc ′ (the rated rotational speed is 1 pu). (pu value), when the excitation direction is reversed to the rotation direction, a voltage of (ωexc ′ + ωr ′) times is induced in the armature winding 11 of the AC exciter 9. Here, since the loss of the AC exciter 9 increases as the excitation frequency increases, the excitation frequency ωexc ′ by the single-phase inverters 31 and 32 increases as the rotational frequency ωr ′ of the AC exciter 9 increases as shown in FIG. It is possible to reduce the loss by reducing it according to the above.
When ωexc ′ = ω0 ′ (rated rotational speed) −ωr ′ (rotational speed), the excitation frequency automatically becomes direct current. Therefore, there is an effect of suppressing the fluctuation at the time of switching the control from startup to normal.

このように、実施の形態8に係る交流励磁機の励磁装置によれば、交流励磁機の各界磁巻線に接続された単相インバータの出力周波数を交流励磁機の回転数上昇に応じて減少させ、交流励磁機の界磁電圧、電機子の電圧/周波数あるいは電機子電圧を一定に維持するために、単相インバータの出力電圧即ち交流励磁機の各巻線の電圧あるいは電流を制御することにより損失低減、且つ制御精度を向上させる効果がある。   As described above, according to the excitation device for an AC exciter according to the eighth embodiment, the output frequency of the single-phase inverter connected to each field winding of the AC exciter is decreased in accordance with the increase in the rotational speed of the AC exciter. By controlling the output voltage of the single-phase inverter, that is, the voltage or current of each winding of the AC exciter in order to keep the field voltage, armature voltage / frequency or armature voltage of the AC exciter constant. There are effects of reducing loss and improving control accuracy.

実施の形態9.
図19は、実施の形態9に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作を示す図であり、図20は、実施の形態9に係る励磁装置の直流励磁動作における単相インバータの動作論理回路を示す図である。
Embodiment 9 FIG.
FIG. 19 is a diagram illustrating the operation of the single-phase inverter in the DC excitation operation of the excitation device according to the ninth embodiment, and FIG. 20 is the operation of the single-phase inverter in the DC excitation operation of the excitation device according to the ninth embodiment. It is a figure which shows a logic circuit.

図20に、単相インバータの正極側スイッチング素子のチョッパ動作と負極側スイッチング素子のチョッパ動作の論理回路を示す。この論理回路は、NOT論理84と、AND論理85,86とで構成されている。正極側スイッチング素子へのチョッパ動作指令(チョッパ(プラス)動作指令)は、チョッパ動作指令と正極側選択指令とのAND論理85によって出力され、負極側スイッチング素子へのチョッパ動作指令(チョッパ(マイナス)動作指令)は、チョッパ動作指令と正極側選択指令のNOT論理84とのAND論理86によって出力される。   FIG. 20 shows a logic circuit of the chopper operation of the positive side switching element and the chopper operation of the negative side switching element of the single phase inverter. This logic circuit is composed of NOT logic 84 and AND logics 85 and 86. The chopper operation command (chopper (plus) operation command) to the positive side switching element is output by the AND logic 85 of the chopper operation command and the positive side selection command, and the chopper operation command (chopper (minus)) to the negative side switching device. Operation command) is output by AND logic 86 of the chopper operation command and the NOT logic 84 of the positive side selection command.

実施の形態1及び2では、図6に示すように、単相インバータ31,32のチョッパ動作運転時において、直流コンデンサの正極側IGBTモジュール51のスイッチング素子55をチョッパ運転のためスイッチング動作させる場合について述べたが、実施の形態9では、単相インバータ31,32のチョッパ動作運転時において、図19に示すように、主発電機2の励磁の入切毎に、チョッパ動作させる正極側IGBTモジュール51のスイッチング素子55と負極側IGBTモジュール54のスイッチング素子58とを交互に切替えるものである。図19では、2つのIGBTモジュールを切替える場合を示したが、4つのIGBTモジュールを順に切替えてもよく、4つのスイッチング素子の通電時間を平準化することで、特定のスイッチング素子の使用集中を緩和させることで、スイッチング素子をヒートシンクに取付けた場合において、熱伝導率向上のために使用されるシリコーングリースの乾燥を防ぐことができ、メンテナンス周期を長くできる効果がある。   In the first and second embodiments, as shown in FIG. 6, when the chopper operation operation of the single-phase inverters 31 and 32 is performed, the switching element 55 of the positive-side IGBT module 51 of the DC capacitor is switched for the chopper operation. As described above, in the ninth embodiment, during the chopper operation of the single-phase inverters 31 and 32, as shown in FIG. 19, the positive-side IGBT module 51 that performs the chopper operation every time the main generator 2 is turned on or off. The switching element 55 and the switching element 58 of the negative-side IGBT module 54 are alternately switched. Although FIG. 19 shows the case where two IGBT modules are switched, the four IGBT modules may be switched in order, and the concentration of use of specific switching elements is eased by leveling the energization time of the four switching elements. Thus, when the switching element is attached to the heat sink, it is possible to prevent the silicone grease used for improving the thermal conductivity from being dried, and to increase the maintenance cycle.

このように、実施の形態9に係る交流励磁機の励磁装置によれば、単相インバータのチョッパ動作運転時において、チョッパ動作させる正極側と負極側のIGBTモジュールを定期的に切替えることで、動作させるスイッチング素子の通電時間を平準化することができ、スイッチング素子の温度上昇を防ぎ、メンテナンス周期を長くできる効果がある。   As described above, according to the exciter for an AC exciter according to the ninth embodiment, during the chopper operation operation of the single-phase inverter, the operation is performed by periodically switching the positive-side and negative-side IGBT modules to be chopper-operated. The energization time of the switching elements to be leveled can be leveled, the temperature rise of the switching elements can be prevented, and the maintenance cycle can be lengthened.

なお、上記実施の形態では、単相インバータで使用されるスイッチング素子として、IGBT素子を挙げたが、自己消弧可能なトランジスタ、GTO、GCTなどの素子で構成されるモジュールであってもよい。   In the above embodiment, an IGBT element is used as a switching element used in a single-phase inverter. However, a module including elements such as a self-extinguishing transistor, GTO, and GCT may be used.

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。   Also, within the scope of the present invention, the embodiments can be freely combined, or the embodiments can be appropriately modified or omitted.

また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。   Moreover, in the figure, the same code | symbol shows the same or an equivalent part.

1 ガスタービン発電システム、2 主発電機、3、30 励磁装置、4 回転子、9 交流励磁機、11 電機子巻線、12 回転整流器、16 d軸界磁巻線、17 q軸界磁巻線、21 界磁巻線、22 電機子巻線、23 可変速インバータ、24 系統連系変圧器、27 ガスタービン、28 ロータ、31,32 単相インバータ、34,35 直流コンデンサ、41 コンバータ、45 回転軸、67 コンデンサ、71 所内電源、72 系統電源、73 励磁電源、S1起動用コンタクタ、S2 ブレーカ、S5 起動用コンタクタ、S6 通常用コンタクタ、51〜54 IGBTモジュール、S7〜S9 コンタクタ。     DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine power generation system, 2 Main generators, 3, 30 Exciter, 4 Rotor, 9 AC exciter, 11 Armature winding, 12 Rotary rectifier, 16 d axis field winding, 17 q axis field winding Wire, 21 field winding, 22 armature winding, 23 variable speed inverter, 24 system interconnection transformer, 27 gas turbine, 28 rotor, 31, 32 single phase inverter, 34, 35 DC capacitor, 41 converter, 45 Rotating shaft, 67 condenser, 71 power supply in the center, 72 system power supply, 73 excitation power supply, S1 starter contactor, S2 breaker, S5 starter contactor, S6 normal contactor, 51-54 IGBT module, S7-S9 contactor.

Claims (8)

2軸の界磁巻線を有する交流励磁機である同期機の前記界磁巻線のそれぞれに電流を供給するとともに複数のスイッチング素子で構成される単相インバータと、
交流を直流に変換し、前記単相インバータに直流電力を供給するコンバータと、を備え、
交流励磁の場合には前記単相インバータをインバータ動作させ、直流励磁の場合には前記単相インバータをチョッパ動作させて、前記同期機により発電機に励磁電力を供給することを特徴とする交流励磁機の励磁装置。
A single-phase inverter configured to supply current to each of the field windings of the synchronous machine, which is an AC exciter having two-axis field windings, and includes a plurality of switching elements ;
A converter that converts alternating current into direct current and supplies direct-current power to the single-phase inverter ,
In the case of AC excitation, the single-phase inverter is operated as an inverter, and in the case of DC excitation, the single-phase inverter is operated as a chopper, and excitation power is supplied to the generator by the synchronous machine. Exciter for the machine.
記直流励磁において、前記単相インバータのチョッパ動作させる前記スイッチング素子を切替えることにより、前記単相インバータの出力電圧の極性を変更することを特徴とする請求項1に記載の交流励磁機の励磁装置。 Prior Symbol DC excitation, by switching the switching element to the chopper operation of the single-phase inverters, the excitation of the AC exciter according to claim 1, characterized in that to change the polarity of the output voltage of the single-phase inverter apparatus. 記交流励磁及び前記直流励磁において、前記単相インバータの電圧制御スイッチング動作を一定のままとし、前記コンバータからの直流電圧出力を制御することにより、前記単相インバータの出力電圧を制御することを特徴とする請求項1に記載の交流励磁機の励磁装置。 Prior Symbol AC excitation and the direct current excitation, the voltage control switching operation of the single-phase inverters remain constant, by controlling the DC voltage output from the previous SL converter, controlling the output voltage of the single-phase inverter The excitation device for an AC exciter according to claim 1. 記直流励磁において、前記単相インバータのチョッパ動作させる前記スイッチング素子を切替えることにより、前記単相インバータの出力電圧の極性を変更することを特徴とする請求項3に記載の交流励磁機の励磁装置。 Prior Symbol DC excitation, by switching the switching element to the chopper operation of the single-phase inverters, the excitation of the AC exciter according to claim 3, characterized in that to change the polarity of the output voltage of the single-phase inverter apparatus. 前記直流励磁において、前記単相インバータの2台の内どちらかに不具合が発生した場合に、不具合のある前記単相インバータを切り離すことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の交流励磁機の励磁装置。   5. The single-phase inverter according to claim 1, wherein, in the DC excitation, when a malfunction occurs in one of the two single-phase inverters, the defective single-phase inverter is disconnected. Exciter for AC exciter. 前記交流励磁において、前記単相インバータの出力周波数を一定として、出力電圧あるいは電流を制御することにより、前記同期機の界磁電圧、前記同期機の電機子の電圧あるいは電圧/周波数比を一定に維持することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の交流励磁機の励磁装置。 In the AC excitation, the output voltage or current is controlled while the output frequency of the single-phase inverter is constant, so that the field voltage of the synchronous machine, the voltage of the armature of the synchronous machine, or the voltage / frequency ratio is constant. The excitation device for an AC exciter according to any one of claims 1 to 5 , wherein the excitation device is maintained. 前記交流励磁において、前記単相インバータの出力周波数を前記同期機の回転数上昇に応じて減少させるとともに、出力電圧あるいは電流を制御することにより、前記同期機の界磁電圧、前記同期機の電機子の電圧あるいは電圧/周波数比を一定に維持することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の交流励磁機の励磁装置。 In the AC excitation, the output frequency of the single-phase inverter is decreased in accordance with the increase in the rotational speed of the synchronous machine, and the output voltage or current is controlled, whereby the field voltage of the synchronous machine and the electric machine of the synchronous machine are controlled. exciter AC exciter according to any one of claims 1 5, characterized in that to maintain the voltage or the voltage / frequency ratio of the child constant. 前記直流励磁において、チョッパ動作させる前記スイッチング素子を、直流電圧の正極側の前記スイッチング素子と負極側の前記スイッチング素子との間で交互に切替え、当該スイッチング素子の使用頻度を平準化することを特徴とする請求項2または請求項4に記載の交流励磁機の励磁装置。   In the DC excitation, the switching element to be chopper-operated is alternately switched between the switching element on the positive side of the DC voltage and the switching element on the negative side, and the use frequency of the switching element is leveled. The excitation device for an AC exciter according to claim 2 or 4.
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