JP2001103791A

JP2001103791A - 動力発生装置

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Publication number: JP2001103791A
Application number: JP27467799A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tsuchiya; 昭一土屋; Aya Nishikawa; 綾西川
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は太陽電池の発電電力で誘導電動機を
始動する際のトルク不足を解消することを課題とする。【解決手段】動力発生装置１０は、太陽電池１２を電
源としており、太陽電池１２で発電された電力がダイオ
ード２０、インバータ２２を通して誘導電動機１４に供
給されてポンプ２６を運転する。制御回路１８は、日射
量が少ないときは、トランジスタ２１をオンにして太陽
電池１２の短絡電流を電流センサ１６で測定し、始動可
能な電流値Ｉａとなるまで待つ。そして、制御回路１８
は、太陽電池１２で発電された電流が電流値Ｉａに達し
た時点でインバータ２２をｆ＝（Ｖ／２．５）−１０と
なる低周波数制御にて運転を開始する。制御回路１８の
周波数制御により誘導電動機１４を効率的に運転するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は動力発生装置に係
り、特に太陽電池により発電された電力で誘導電動機を
動作させて駆動力を発生させるよう構成された動力発生
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池で発電された電力を誘導電動機
に供給して駆動力を発生させる動力発生装置の開発が進
められている。この種の太陽電池を電源とする動力発生
装置においては、例えば太陽電池で発電された電力を誘
導電動機に供給してポンプを駆動するポンプ駆動システ
ム等に適用されることが考えられている。

【０００３】一般に誘導電動機は、耐久性が高いので広
く使われている。しかしながら、誘導電動機の場合、始
動開始となる始動時の負荷が大きいので、始動時には通
常の運転時よりも大きい電流が必要となる。一方、太陽
電池は、太陽光を受光して発電が行えるので、外部から
の電源を供給するための電源ケーブルが不要であり、且
つメンテナンスが不要であるので、屋外に設置されるシ
ステムの電源として広く用いられている。しかしなが
ら、太陽電池は、日射量に応じて発電量が変化するた
め、晴天の日の場合、朝夕の発電量が低く、昼頃の発電
量が最大となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような太陽電池及び誘導電動機を用いた動力発生装置で
は、太陽電池から誘導電動機に供給される電力がそのと
きの日射量に応じて変化すると共に、誘導電動機の特性
上、始動時に大きな電流を必要とするため、誘導電動機
の運転時に必要な電流を供給するように設定されている
と、トルク不足で誘導電動機を始動できない場合があ
る。

【０００５】また、誘導電動機の始動時に必要な電流を
確保するため、太陽電池の枚数を増やして発電電力を増
大させることが考えられるが、誘導電動機の通常運転時
には発電電力が無駄になるといった問題がある。そこ
で、本発明は上記課題を解決した動力発生装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。上記請求項１
記載の発明は、太陽光を受光して発電を行う太陽電池
と、該太陽電池で発電された電力を直流から矩形波状の
交流に変換するインバータと、該インバータを介して供
給される交流電力により駆動される誘導電動機と、前記
太陽電池の発電電圧の変化に応じて周波数制御を行い、
前記誘導電動機の始動時に行う低周波数制御と前記誘導
電動機の運転時に行う高周波数制御とを選択的に切り替
える制御手段と、を備えてなることを特徴とするもので
ある。

【０００７】従って、請求項１記載の発明によれば、誘
導電動機の始動時に低周波数制御を行って誘導電動機に
供給される電流を大きくすることができ、誘導電動機の
始動をスムーズに行うことができると共に、誘導電動機
の運転時に高周波数制御を行って太陽電池により発電さ
れた電力を有効に利用することができる。また、請求項
２記載の発明は、前記請求項１記載の動力発生装置であ
って、複数の太陽電池を前記誘導電動機の始動時に並列
接続し、前記誘導電動機の運転時に複数の太陽電池を直
列接続に切り替える切替手段を備えてなることを特徴と
するものである。

【０００８】従って、請求項２記載の発明によれば、複
数の太陽電池を誘導電動機の始動時に並列接続し、誘導
電動機の運転時に複数の太陽電池を直列接続に切り替え
るため、始動時に誘導電動機に供給される電流を大きく
することができ、誘導電動機の始動をスムーズに行うこ
とができると共に、誘導電動機の運転時に誘導電動機に
供給される電圧を高めることができ、誘導電動機を効率
良く運転することができる。

【０００９】また、請求項３記載の発明は、前記請求項
１記載の動力発生装置であって、前記誘導電動機の始動
時に前記太陽電池からの発電電圧を降圧することにより
電流を大きくする降圧手段を備えてなることを特徴とす
るものである。従って、請求項３記載の発明によれば、
誘導電動機の始動時に太陽電池からの発電電圧を降圧す
ることにより、始動時に誘導電動機に供給される電流を
大きくすることができ、誘導電動機の始動をスムーズに
行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の実施の
形態について説明する。図１は本発明になる動力発生装
置の一実施例の構成を示す系統図である。図１に示され
るように、動力発生装置１０は、太陽電池１２を電源と
しており、太陽電池１２で発電された電力がダイオード
２０、インバータ２２を通して誘導電動機１４に供給さ
れてポンプ２６を運転するように構成されている。

【００１１】太陽電池１２から出力された電流は、電流
センサ１６により測定されており、電流センサ１６の検
出信号は、制御回路１８に出力される。ダイオード２０
は、アノード２０ａとカソード２０ｂとよりなり、アノ
ード２０ａが太陽電池１２と接続されており、カソード
２０ｂがインバータ２２と接続されている。トランジス
タ２１は、ＮＰＮトランジスタであり、コレクタ２１ａ
が太陽電池１２及びダイオード２０のアノード２０ａと
接続されている。また、トランジスタ２１のエミッタ２
１ｂは、接地されている。また、トランジスタ２１のベ
ース２１ｃには、制御回路１８が接続されている。そし
て、トランジスタ２１は、制御回路１８からの信号がＨ
レベルのとき、オンになり、制御回路１８からの信号が
Ｌレベルのとき、オフになる。

【００１２】制御回路１８は、太陽電池１２の発電電力
が日射量の変化に応じて変動するため、電流センサ１６
により測定された電流が所定値以下（誘導電動機１４を
駆動可能とする電流値以下）であるときＨレベルの信号
をベース２１ｃに出力してトランジスタ２１をオンにす
る。これにより、太陽電池１２で発電された電力は、ト
ランジスタ２１を通してアースされる。

【００１３】また、電流センサ１６により測定された電
流が所定値以上（誘導電動機１４を駆動可能とする電流
値以上）であるときＬレベルの信号をベース２１ｃに出
力してトランジスタ２１をオフにする。これにより、太
陽電池１２で発電された電力は、ダイオード２０を通し
てコンデンサ２４に充電される。インバータ２２は、太
陽電池１２及びコンデンサ２４から入力された直流電圧
の極性を切替えて矩形波状の交流電圧を出力する。従っ
て、インバータ２２から誘導電動機１４に供給される交
流電圧の波高値は、入力の直流電圧の波高値と等しい。

【００１４】誘導電動機１４は、インバータ２２から交
流電圧が供給されると、ポンプ２６を駆動する。図２は
太陽からの日射量の変化とトランジスタ２１のオン・オ
フの切替えを示すグラフである。図２に示されるよう
に、その日の朝と夕方の時間帯になると、日射量が減少
し、昼間の時間帯は日射量が増大する。そのため、図２
に示すの範囲では、トランジスタ２１をオンにし、
の範囲ではトランジスタ２１をオフにする。

【００１５】誘導電動機１４は、一定速度で運転する特
性を有しており、入力電力が低下すると、トルク不足と
なる。また、誘導電動機１４は、始動時に最大電流を必
要とし、日射量が低下しているときは発電の電流値が十
分でなく、始動が困難になる。そこで、制御回路１８
は、日射量が少ないときは、トランジスタ２１をオンに
して太陽電池１２の短絡電流を電流センサ１６で測定
し、始動可能な電流値Ｉａとなるまで待つ。そして、制
御回路１８は、太陽電池１２で発電された電流が電流値
Ｉａに達した時点でインバータ２２をｆ＝（Ｖ／２．
５）−１０となる低周波数制御にて運転を開始する。

【００１６】図３は周波数と電圧との関係を示すグラフ
である。図３に示されるように、周波数ｆが１０Ｈｚの
とき電圧Ｖが５０Ｖ、周波数ｆが３０Ｈｚのとき電圧Ｖ
が１００Ｖ、周波数ｆが５０Ｈｚのとき電圧Ｖが２００
Ｖになる。また、電流が電流値Ｉａに達すると、トラン
ジスタ２１をオフにして太陽電池１２で発電された電力
をインバータ２２へ供給する。インバータ２２では、入
力された直流電圧を交流に変換して誘導電動機１４に供
給する。誘導電動機１４が始動して回転が上昇するにつ
れて必要な電流は減少する。これに伴って、インバータ
２２に供給される電圧は、上昇する。そして、インバー
タ２２は、電圧の上昇に伴い周波数を上昇させる。

【００１７】すなわち、インバータ２２は、電圧が１０
０Ｖに達すると、周波数を３０Ｈｚに制御する。そし
て、電圧が１００Ｖ以上になると、周波数をｆ＝（Ｖ／
５）＋１０となるように高周波数制御を行う。ここで、
ポンプ２６に供給される交流電圧（周波数３０Ｈｚ、電
圧１００Ｖ）は、ポンプ２６が揚水するのに最低必要な
周波数である。すなわち、ポンプ２６の揚程により周波
数を変える必要がある。このときの電力は、始動時に必
要な電力より小さいため、誘導電動機１４を始動できれ
ば３０Ｈｚ、１００Ｖ以上で運転できる。

【００１８】このように、制御回路１８の周波数制御に
より誘導電動機１４を効率的に運転することができる。
また、誘導電動機１４は、始動時に周波数を極端に下げ
ることにより、始動電流を大幅に下げることができる。
その結果、ポンプ２６が揚水するのに最低必要な電流を
確保することができる。従って、動力発生装置１０で
は、太陽電池１２で発電された電力が比較的小さな電流
でも周波数制御を行うことにより太陽電池１２の数を増
やすことなくポンプ２６を始動することができると共
に、太陽電池１２からの入力電力に応じた運転が可能に
なり、誘導電動機１４の運転効率を高めることができ
る。

【００１９】また、ポンプ２６を運転しているときは
（図２中、）、日射量が低下すると電圧が低下する。
制御回路１８は、１００Ｖ以下になると、トランジスタ
２１をオンにしてインバータ２２を停止する。そして、
太陽電池１２の短絡電流を電流センサ１６で測定し、始
動可能な電流値Ｉａとなるまで待つ。図４は制御回路１
８が実行する制御処理のフローチャートである。

【００２０】図４に示されるように、制御回路１８は、
ステップＳ１１（以下「ステップ」を省略する）で電流
センサ１６により測定された電流ｉを読み込む。次のＳ
１２では、電流センサ１６で測定された太陽電池１２か
らの電流ｉが予め設定された閾値Ｉａより小さいとき
は、トルク不足で誘導電動機１４を始動させることがで
きないので、Ｓ１３に進み、トランジスタ２１をオンに
する。

【００２１】その後、Ｓ１１に戻り、太陽電池１２から
の短絡電流ｉがＩａになるまで、Ｓ１１〜Ｓ１３の処理
を繰り返す。やがて、日照量の上昇と共に短絡電流ｉが
増大する。そして、Ｓ１２において、太陽電池１２から
の短絡電流ｉがＩａ以上になると、Ｓ１４に進み、トラ
ンジスタ２１をオフにする。続いて、Ｓ１５に進み、イ
ンバータ２２により周波数がｆ＝（Ｖ／２．５）−１０
となるよう制御する。これにより、誘導電動機１４の始
動時は、大電流が供給されてトルク不足を解消すること
ができる。次のＳ１６では、電圧が１００Ｖに達したか
どうかをチェックする。このＳ１６において、電圧が１
００Ｖに達するまでは、上記Ｓ１５の処理を繰り返す。

【００２２】しかし、Ｓ１６において、電圧が１００Ｖ
に達すると、Ｓ１７に進み、インバータ２２により周波
数がｆ＝（Ｖ／５）＋１０となるよう制御する。そし
て、Ｓ１８では、電圧が１００Ｖ以下になったかどうか
をチェックする。このＳ１８において、電圧が１００Ｖ
以上のときは、上記Ｓ１７に戻り、周波数をｆ＝（Ｖ／
５）＋１０にする。これにより、誘導電動機１４の通常
運転時は、高電圧が供給されて太陽電池１２からの発電
電力を無駄にせず、効率良く誘導電動機１４を回転駆動
させることができる。

【００２３】しかし、Ｓ１８において、電圧が１００Ｖ
以下のときは、Ｓ１９に進み、トランジスタ２１をオン
にする。これにより、太陽電池１２からの電流供給が停
止し、再びＳ１１に戻り、短絡電流ｉがＩａになるま
で、Ｓ１１〜Ｓ１３の処理を繰り返す。図５は本発明の
変形例１の構成を示す系統図である。尚、図５におい
て、上記実施の形態を同一部分には、同一番号を付して
その説明を省略する。

【００２４】図５に示されるように、変形例１の動力発
生装置３０は、３枚の太陽電池１２ ₁〜１２₃がリレー
３２，３４を介して接続されている。太陽電池１２₁の
発電電力は、ダイオード３６〜４０及び前述したダイオ
ード２０を通してインバータ２２へ供給される。リレー
３２は、Ａ接点が太陽電池１２₁に接続され、Ｂ接点が
接地されている。そして、リレー３２の可動切片３２ａ
がＡ接点に接触しているときは、太陽電池１２₁と１２
₂とが直列接続される。また、リレー３２の可動切片３
２ａがＢ接点に接触しているときは、太陽電池１２₁と
１２₂とが並列接続される。

【００２５】また、リレー３４は、Ａ接点がダイオード
３８を介して太陽電池１２₂に接続され、Ｂ接点が接地
されている。そして、リレー３４の可動切片３４ａがＡ
接点に接触しているときは、太陽電池１２₂と１２₃と
が直列接続される。また、リレー３４の可動切片３４ａ
がＢ接点に接触しているときは、太陽電池１２₂と１２
₃とが並列接続される。

【００２６】リレー３２，３４は、制御回路１８からの
制御信号により、始動時は可動切片３２ａ，３４ａがＢ
接点に接触し、通常運転時は可動切片３２ａ，３４ａが
Ａ接点に接触するように切り替えられる。図６は動力発
生装置３０の制御回路１８が実行する制御処理のフロー
チャートである。

【００２７】図６に示されるように、制御回路１８は、
Ｓ２１で電流センサ１６により測定された電流ｉを読み
込む。次のＳ２２では、電流センサ１６で測定された太
陽電池１２₁〜１２₃からの電流ｉが予め設定された閾
値Ｉａより小さいときは、トルク不足で誘導電動機１４
を始動させることができないので、Ｓ２３に進み、トラ
ンジスタ２１をオンにする。

【００２８】その後、Ｓ２１に戻り、太陽電池１２₁〜
１２₃からの短絡電流ｉがＩａになるまで、Ｓ２１〜Ｓ
２３の処理を繰り返す。やがて、日照量の上昇と共に短
絡電流ｉが増大する。そして、Ｓ２２において、太陽電
池１２₁〜１２₃からの短絡電流ｉがＩａ以上になる
と、Ｓ２４に進み、トランジスタ２１をオフにする。続
いて、Ｓ２５に進み、リレー３２，３４の可動切片３２
ａ，３４ａをＢ接点に接触させる。これにより、誘導電
動機１４の始動時は、太陽電池１２₁〜１２ ₃が並列接
続となり、大電流が供給されてトルク不足を解消するこ
とができる。次のＳ２６では、電圧が１００Ｖに達した
かどうかをチェックする。このＳ２６において、電圧が
１００Ｖに達するまでは、上記Ｓ２５の処理を繰り返
す。

【００２９】しかし、Ｓ２６において、電圧が１００Ｖ
に達すると、Ｓ２７に進み、リレー３２，３４の可動切
片３２ａ，３４ａをＡ接点に接触させる。そして、Ｓ２
８では、電圧が１００Ｖ以下になったかどうかをチェッ
クする。このＳ２８において、電圧が１００Ｖ以上のと
きは、上記Ｓ２７に戻り、リレー３２，３４の可動切片
３２ａ，３４ａをＡ接点に接触させる。これにより、誘
導電動機１４の通常運転時は、直列接続された太陽電池
１２₁〜１２₃からの高電圧が供給されて太陽電池１２
₁〜１２₃からの発電電力を無駄にせず、効率良く誘導
電動機１４を回転駆動させることができる。

【００３０】しかし、Ｓ２８において、電圧が１００Ｖ
以下のときは、Ｓ２９に進み、トランジスタ２１をオン
にする。これにより、太陽電池１２₁〜１２₃からの電
流供給が停止し、再びＳ２１に戻り、短絡電流ｉがＩａ
になるまで、Ｓ２１〜Ｓ２３の処理を繰り返す。図７は
本発明の変形例２の構成を示す系統図である。尚、図７
において、上記実施の形態を同一部分には、同一番号を
付してその説明を省略する。

【００３１】図７に示されるように、変形例２の動力発
生装置５０は、降圧型コンバータ５２を有し、降圧型コ
ンバータ５２により降圧された電圧がインバータ２２へ
供給される。降圧型コンバータ５２は、太陽電池１２か
ら入力される電圧を所定電圧に降圧するものであり、ト
ランジスタ５４、ダイオード５６、抵抗５８、コンデン
サ６０とからなる。トランジスタ５４は、ＰＮＰトラン
ジスタよりなり、制御回路１８からの信号によるスイッ
チング動作して電流、電圧を所定値に調整する。トラン
ジスタ５４は、予め設定されたデューティ比によりオン
・オフの周期が決まる。そして、トランジスタ５４から
出力されたパルス波は、抵抗５８とコンデンサ６０によ
り平準化されて一定電圧になる。

【００３２】従って、制御回路１８は、太陽電池１２の
発電電力の電圧を降圧して電流値を大きくすることによ
り誘導電動機１４の始動時のトルク不足を解消すると共
に、通常運転時は太陽電池１２の発電電力の降圧を小さ
くして太陽電池１２の発電電力を無駄にせず、効率良く
誘導電動機１４を回転駆動させることができる。尚、上
記実施の形態では、ポンプ２６を駆動するシステムを一
例として挙げたが、これに限らず、本発明がポンプ２６
以外の機器を駆動するシステムにも適用できるのは勿論
である。

【００３３】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、誘導電動機の始動時に低周波数制御を行って誘導電
動機に供給される電流を大きくすることができ、誘導電
動機の始動をスムーズに行うことができると共に、誘導
電動機の運転時に高周波数制御を行って太陽電池により
発電された電力を有効に利用することができる。

【００３４】また、請求項２記載の発明によれば、複数
の太陽電池を誘導電動機の始動時に並列接続し、誘導電
動機の運転時に複数の太陽電池を直列接続に切り替える
ため、始動時に誘導電動機に供給される電流を大きくす
ることができ、誘導電動機の始動をスムーズに行うこと
ができると共に、誘導電動機の運転時に誘導電動機に供
給される電圧を高めることができ、誘導電動機を効率良
く運転することができる。

【００３５】また、請求項３記載の発明によれば、誘導
電動機の始動時に太陽電池からの発電電圧を降圧するこ
とにより、始動時に誘導電動機に供給される電流を大き
くすることができ、誘導電動機の始動をスムーズに行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる動力発生装置の一実施例の構成を
示す系統図である。

【図２】太陽からの日射量の変化とトランジスタ２１の
オン・オフの切替えを示すグラフである。

【図３】周波数と電圧との関係を示すグラフである。

【図４】制御回路１８が実行する制御処理のフローチャ
ートである。

【図５】本発明の変形例１の構成を示す系統図である。

【図６】動力発生装置３０の制御回路１８が実行する制
御処理のフローチャートである。

【図７】本発明の変形例２の構成を示す系統図である。

【符号の説明】

１０，３０，５０動力発生装置１２，１２₁〜１２₃ 太陽電池１４誘導電動機１６電流センサ１８制御回路２０，３６〜４０，５６ダイオード２１，５４トランジスタ２２インバータ２４，６０コンデンサ２６ポンプ３２，３４リレー５２降圧型コンバータ

フロントページの続きＦターム(参考） 5F051 BA11 KA03 5H001 AA03 AB01 AC04 AD02 AE02 5H576 AA05 BB02 BB07 BB10 CC03 DD04 EE04 EE11 FF01 HA02 HB02 JJ26 LL22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽光を受光して発電を行う太陽電池
と、該太陽電池で発電された電力を直流から矩形波状の交流
に変換するインバータと、該インバータを介して供給される交流電力により駆動さ
れる誘導電動機と、前記太陽電池の発電電圧の変化に応じて周波数制御を行
い、前記誘導電動機の始動時に行う低周波数制御と前記
誘導電動機の運転時に行う高周波数制御とを選択的に切
り替える制御手段と、を備えてなることを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】前記請求項１記載の動力発生装置であっ
て、複数の太陽電池を前記誘導電動機の始動時に並列接続
し、前記誘導電動機の運転時に複数の太陽電池を直列接
続に切り替える切替手段を備えてなることを特徴とする
動力発生装置。
【請求項３】前記請求項１記載の動力発生装置であっ
て、前記誘導電動機の始動時に前記太陽電池からの発電電圧
を降圧することにより電流を大きくする降圧手段を備え
てなることを特徴とする動力発生装置。