二重給電式電動機

二重給電電動機、二重給電誘導発電機(DFIG)、またはスリップリング発電機は、界磁巻線と電機子巻線の両方が機械外部の機器に別々に接続されている電動機または発電機です。

調整可能な周波数の交流電力を界磁巻線に供給することで、磁場を回転させ、モーターや発電機の速度を変えることができます。これは、例えば風力タービンで使用される発電機に役立ちます。^[1]さらに、DFIGベースの風力タービンは、有効電力と無効電力を制御する機能を提供します。^[2]^[3]

導入

二重給電式発電機はAC 発電機に似ていますが、自然な同期速度よりわずかに上または下の速度で動作できる追加機能があります。これは、風速が突然変化する可能性がある大型の可変速風力タービンに役立ちます。突風が風力タービンに当たると、ブレードは速度を上げようとしますが、同期発電機は電力網の速度に固定されているため、速度を上げることができません。そのため、電力網が押し返すときにハブ、ギアボックス、発電機に大きな力が発生します。これにより、メカニズムが摩耗および損傷します。突風に当たったときにタービンをすぐに加速できると、ストレスは低く、突風の電力は依然として有用な電気に変換されます。

風力タービンの速度を変えるための 1 つの方法は、発電機が生成する周波数を受け入れ、それを DC に変換し、次にインバーターを使用して目的の出力周波数で AC に変換することです。これは、小規模な住宅や農場の風力タービンでは一般的です。しかし、メガワット規模の風力タービンに必要なインバーターは大きくて高価です。

二重給電式発電機は、この問題に対するもう 1 つの解決策です。通常の直流給電式界磁巻線と、発電した電気が出力される電機子巻線の代わりに、固定巻線と回転巻線の 2 つの 3 相巻線があり、どちらも発電機外部の機器に個別に接続されています。そのため、この種の機械には二重給電式という用語が使用されます。

1つの巻線は出力に直接接続されており、所望のグリッド周波数で3相交流電力を生成します。もう1つの巻線（従来はフィールドと呼ばれていましたが、ここでは両方の巻線が出力になる場合があります）は、可変周波数の3相交流電力に接続されています。この入力電力は、タービンの速度の変化を補正するために周波数と位相が調整されます。^[4]

周波数と位相を調整するには、AC-DC-ACコンバータが必要です。これは通常、非常に大きなIGBT半導体で作られています。コンバータは双方向であり、どちらの方向にも電力を流すことができます。電力はこの巻線からも出力巻線からも流れます。^[5]

歴史

1888 年にニコラテスラが発明した、回転子と固定子にそれぞれ多相巻線セットを備えた巻線型回転子誘導電動機に由来する^[6]。二重給電式電動機の回転子巻線セットは、始動用に多相スリップリングを介して選択された抵抗器に接続されます。ただし、抵抗器ではスリップ電力が失われます。そのため、スリップ電力を回収することで可変速運転の効率を高める手段が開発されました。クレーマー (またはクレーマー) 駆動装置では、回転子は AC および DC 機械セットに接続され、スリップリングマシンのシャフトに接続された DC マシンに電力を供給します。^[7]したがって、スリップ電力は機械力として返され、駆動装置は DC マシンの励起電流によって制御できます。クレーマー駆動装置の欠点は、余分な循環電力に対処するためにマシンを過剰に大型化する必要があることです。この欠点は、スリップ電力がモータージェネレータセットによって AC グリッドにフィードバックされるシェルビウス駆動装置で修正されました。^[8]^[9]

ローターへの給電に使用された回転機械は重く、高価でした。この点で改善されたのが、静的シェルビウス駆動で、ローターは、最初は水銀アークベースのデバイスで構築され、後に半導体ダイオードとサイリスタで構築された整流器インバータセットに接続されていました。整流器を使用する方式では、整流器が制御されていないため、電力の流れはローターからのみ可能でした。さらに、モーターとして可能なのは、同期運転のみでした。

静的周波数変換器を使用する別の概念では、回転子と交流グリッドの間にサイクロコンバータが接続されていました。サイクロコンバータは双方向に電力を供給できるため、機械は同期速度以下と同期速度以上で動作できます。サイクロコンバータ制御の大型二重給電機械は、16 の電力を供給する単相発電機を動作させるために使用されています。+ヨーロッパの2 ⁄ 3 Hz鉄道系統。^[10]サイクロコンバータ駆動の機械は揚水発電所のタービンを動かすこともできる。^[11]

現在、数十メガワットまでのアプリケーションで使用される周波数変換器は、背中合わせに接続された 2 つのIGBTインバータで構成されています。

メンテナンスを必要とするスリップリングをなくすために、いくつかのブラシレスコンセプトも開発されました。

二重給電誘導発電機

二重給電誘導発電機（DFIG）は、風力タービンで広く使用されている発電原理です。多相巻線ローターと、ローター巻線にアクセスするためのブラシを備えた多相スリップリングアセンブリを備えた誘導発電機に基づいています。多相スリップリングアセンブリを回避することは可能ですが、効率、コスト、サイズの点で問題があります。より良い代替案は、ブラシレス巻線ローター二重給電電気機械です。^[12]

DFIG の原理は、固定子巻線がグリッドに接続され、回転子巻線がスリップリングと、回転子とグリッドの両方の電流を制御するバックツーバック電圧源コンバータを介してコンバータに接続されるというものです。したがって、回転子周波数はグリッド周波数 (50 Hz または 60 Hz) と自由に異なることができます。コンバータを使用して回転子電流を制御することにより、発電機の回転速度とは無関係に、固定子からグリッドに供給される有効電力と無効電力を調整できます。使用される制御原理は、2 軸電流ベクトル制御または直接トルク制御(DTC) のいずれかです。^[13] DTC は、特に発電機から高い無効電流が必要な場合に、電流ベクトル制御よりも安定性が優れていることが判明しています。^[14]

二重給電発電機のローターは通常、ステーターの 2 ～ 3 倍の巻数で巻かれています。つまり、ローター電圧は高くなり、電流はそれぞれ低くなります。したがって、同期速度の周りの通常の ±30% の動作速度範囲では、コンバータの定格電流はそれに応じて低くなり、コンバータのコストが低くなります。欠点は、定格より高いローター電圧のため、動作速度範囲外での制御された動作が不可能なことです。さらに、グリッド障害 (特に 3 相および 2 相電圧の低下) による電圧過渡現象も拡大されます。高いローター電圧 (およびこれらの電圧から生じる高電流) がコンバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードを破壊するのを防ぐために、保護回路 (クローバーと呼ばれる) が使用されます。^[15]

クローバーは、過度の電流または電圧が検出されると、小さな抵抗を介してローター巻線を短絡します。できるだけ早く動作を継続できるようにするには、アクティブクローバー^[16]を使用する必要があります。アクティブクローバーは、制御された方法でローターの短絡を解除できるため、ローター側のコンバーターは、グリッド障害の開始から20〜60ミリ秒後に、残りの電圧が公称電圧の15％を超えている場合にのみ起動できます。したがって、電圧低下の残りの期間中にグリッドに無効電流を生成し、このようにしてグリッドが障害から回復するのを助けることができます。ゼロ電圧ライドスルーの場合、無効電流を注入する位相角を知ることができないため、電圧低下が終了するまで待つのが一般的です。^[17]

要約すると、二重給電誘導機は巻線ローター二重給電電動機であり、風力発電用途において従来の誘導機に比べていくつかの利点がある。第一に、ローター回路は電力エレクトロニクスコンバーターによって制御されるため、誘導発電機は無効電力のインポートとエクスポートの両方が可能である。これは電力システムの安定性に重要な影響を及ぼし、機械が深刻な電圧擾乱（低電圧ライドスルー; LVRT）時にグリッドをサポートできるようにする。^[15]第二に、ローター電圧と電流を制御することで、風力タービンの速度が変化しても誘導機をグリッドと同期させることができる。可変速風力タービンは、特に風が弱いときに、固定速風力タービンよりも利用可能な風力資源をより効率的に利用する。第三に、機械動力のごく一部（通常 25～30%）のみがコンバーターを介してグリッドに供給され、残りはステーターから直接グリッドに供給されるため、他の可変速ソリューションと比較してコンバーターのコストが低い。同じ理由で、DFIG の効率は非常に優れている。

参照

可変周波数変圧器

参考文献

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外部リンク

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Roberts, Paul C. (2004)。「ブラシレス二重給電式 (誘導) マシンの研究: マシンの分析、設計、制御への貢献」(PDF)。ケンブリッジ大学エマニュエルカレッジ。2013 年 3 月 19 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です

[1] 「風力タービン用発電機 1.5～3.5MWの二重給電コンセプト向け標準スリップリング発電機シリーズ」（PDF）。ABB 。2014年。2018年4月24日閲覧。

[2] MJ Harandi、SG Liasi、MT Bina、「DFIG 風力タービンの消磁電流に基づく仮想フラックスを使用した対称および非対称故障時のステータ過渡フラックスの補償」、2019 年国際電力システム会議 (PSC)、イラン、テヘラン、2019 年、pp. 181-187、doi :10.1109/PSC49016.2019.9081565。

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[12] 「ブラシレス二重給電機システムの研究開発状況の概要」。中国電気工程誌。2 (2)。中国電気工程協会。2016年12月。

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[16] アクティブバール：例えば米国特許7,164,562

[17] Seman, Slavomir; Niiranen, Jouko; Virtanen, Reijo; Matsinen, Jari-Pekka (2008)。「2 MW DFIG 風力タービンの低電圧ライドスルー解析 - グリッドコードコンプライアンス検証」。2008 IEEE 電力エネルギー学会総会 - 21 世紀の電気エネルギーの変換と供給。pp. 1–6。doi : 10.1109 / PES.2008.4596687。ISBN 978-1-4244-1905-0. S2CID 41973249。

導入

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二重給電誘導発電機

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