JP2002238294A

JP2002238294A - 誘導発電機の同期投入制御装置および方法

Info

Publication number: JP2002238294A
Application number: JP2001036193A
Authority: JP
Inventors: Naokatsu Ihara; 直勝井原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】誘導発電機の同期投入時における電源系統の
電圧降下を防止できる構成簡単で低コストの同期投入制
御装置および方法を提供する。【解決手段】誘導電動機２を原動機３により発電機領
域で回転させて電力回生を行う電力回生システムにおい
て、誘導電動機２と原動機３とを一方向クラッチ５を介
して伝動連結し、誘導電動機２の運転開始後、原動機３
を同方向に回転させ回転上昇させることにより、定格回
転数付近で一方向クラッチ５が作動し、さらに同期回転
数を越えて発電機領域に移行するよう構成する。このシ
ステムは、冷却水熱交換器２１と排ガス熱交換器２２と
温水循環ポンプ２３とからなる廃熱回収装置と組み合わ
せて電力回生・廃熱回収コージェネレーションシステム
とすることがきる。また、ポンプ負荷駆動の誘導電動機
２に適用して駆動補助・電力回生システムを構成するこ
ともできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運転中の誘導電動
機を、電源系統に接続したまま、原動機により駆動して
電動機領域から発電機領域へスムーズに移行させ、誘導
発電機としての作動開始時の電源系統の電圧降下を防止
して、誘導発電機の電源系統への同期投入を支障なく行
えるようにするための、構成簡単で低コストの同期投入
制御装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】交流用の発電機としては、同期発電機が
一般的である。同期発電機は、励磁装置と自動電圧調整
装置の組み合わせにより、発電機単独で発電出力を得る
ための負荷運転が可能であり、励磁電流を調整し、有効
電力と無効電力の調節による力率調整を行うことができ
る。また、同期発電機は、発電機単独で負荷運転をしな
がら、電圧と回転数を調整して電源系統への同期投入を
支障なく行うことができる。そのため、従来から交流発
電機として同期発電機が広く利用されてきた。

【０００３】これに対して、誘導発電機は、それ自体は
有効電力を供給するのみで、励磁電流に相当する無効電
力は電源系統から供給を受け、それで発電をするといっ
た電気的な特性があるため、電源系統から切り離して単
独運転の状態としたのでは発電することができない。そ
のため、通常の発電を目的に誘導発電機を用いることは
少ないが、交流誘導機は、ロータに電流を送り込む必要
がなく、構造簡単、堅牢、低コストで、自動化が容易で
あるため、電動機としては動力用に広く用いられてい
る。

【０００４】そして、誘導電動機は、電源に接続され回
転している状態で原動機等によってロータに外力を加
え、同期速度以上の速度で回転させると、誘導発電機に
変わり、発電をして、電源側に電力を送り出すという電
気的な特性があることから、ポンプ等の電動機負荷を駆
動するよう設置した誘導電動機に原動機を連結し、その
電動機負荷の駆動補助を目的とするとともに、原動機の
余剰出力を誘導発電機による回生電力として電源系統に
供給すること（すなわち電力回生）を目的とした駆動補
助・電力回生のコージェネレーションシステムが考えら
れている。

【０００５】さらにまた、構造簡単で低コストで自動化
が容易な誘導発電機のメリットを活かした小型発電設備
等、ポンプ負荷等のない交流誘導機を原動機により駆動
して、誘導発電機として作動させ、原動機の出力を電気
的出力に変換し、回生電力として電源系統に供給するこ
と（これも電力回生）を目的とした電力回生システムも
考えられている。

【０００６】ところで、誘導発電機は、電源系統に接続
される時に、周波数・電圧・位相が電源系統のそれと略
一致（同期）していることが必要で、その一致度合いが
悪くて、周波数・電圧・位相のずれが大きい場合には、
誘導電動機の起動電流に相当する励磁投入電流が過渡的
に流れて、電源系統に電圧降下が生じ、電源系統に接続
された他の負荷等に悪影響が及ぶなどの支障が発生す
る。

【０００７】しかしながら、誘導発電機の電源系統への
接続時における、そうした周波数・電圧・位相の一致と
いう同期投入条件の検出は、通常容易でない。そのた
め、一般的には、電源系統への同期投入条件を、誘導発
電機の回転数が同期速度（すなわち回転磁界の回転速
度）の±２％以内として、その条件で強制的に電源系
統へ接続している。

【０００８】同期投入条件を検出することも可能ではあ
り、例えば特開平１０−１３６６９６号公報に、誘導発
電機を原動機で回転駆動する誘導発電機システムにおい
て、発生電流の周波数・電圧・位相を検出し、略一致し
たことを確認した後、誘導発電機を電力系統に接続する
ようにしたものが記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、誘導発
電機の電源系統への同期投入は、誘導発電機の回転数が
同期速度の±２％以内を条件として強制的に誘導電動
機を電源系統へ接続することにより行うのが一般的であ
るが、そうした同期投入条件では、接続時の周波数・電
圧・位相のずれが必ずしも小さくなく、誘導電動機の電
源系統への接続時における電源系統の電圧降下を確実に
防止することはできない。

【００１０】また、特開平１０−１３６６９６号公報記
載のように、同期投入条件を検出して誘導発電機を電源
系統に接続することも可能であるが、そうするために
は、複雑で高コストの制御回路が必要である。

【００１１】そうした問題があって、上述の、ポンプ等
を駆動する誘導電動機に原動機を連結して負荷駆動の補
助と共に電力回生を図る駆動補助・電力回生のコージェ
ネレーションシステムや、構造簡単で低コストで自動化
が容易な誘導発電機のメリットを活かした小型発電設備
等の電力回生システムの実現が阻まれている。

【００１２】本発明は、こうした問題点を解消するため
のもので、誘導発電機の同期投入時における電源系統の
電圧降下を防止することのできる、構成簡単で低コスト
の同期投入制御装置および方法を提供することを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の誘導発電機の同
期投入制御装置は、所定の電源交流電流により作動する
誘導電動機を原動機により駆動して発電機領域で回転さ
せることにより、誘導発電機として作動させ、その誘導
発電機としての作動により前記原動機の駆動出力を電気
的出力に変換する電力回生システムにおける、誘導発電
機の電源への同期投入を制御する同期投入制御装置であ
って、原動機の出力軸と誘導電動機の出力軸とを所定伝
動比で一方向にのみ伝動連結する伝動連結手段を備え、
誘導電動機の運転中に、原動機を始動して誘導電動機と
同方向に回転させ、原動機の回転数を上昇させて、原動
機側と誘導電動機側の回転数が誘導電動機の定格回転数
付近で同期した時に、伝動連結手段を作動させて原動機
の出力軸と誘導電動機の出力軸とを伝動連結し、原動機
の回転数を更に上昇させて、誘導電動機の回転数を誘導
発電機として作動可能な同期回転数以上の所定回転数ま
で上昇させるよう制御するよう構成したものである。

【００１４】上記誘導発電機の同期投入制御装置は、原
動機の出力軸と誘導電動機の出力軸とを所定伝動比で一
方向にのみ伝動連結する伝動連結手段を備え、誘導電動
機の運転中に、原動機を始動して誘導電動機と同方向に
回転させ、原動機の回転数を上昇させて、原動機側と誘
導電動機側の回転数が誘導電動機の定格回転数付近で同
期した時に、伝動連結手段を作動させて原動機の出力軸
と誘導電動機の出力軸とを伝動連結し、原動機の回転数
を更に上昇させて、誘導電動機の回転数を誘導発電機と
して作動可能な同期回転数以上の所定回転数まで上昇さ
せるよう制御するよう構成したことにより、運転中の誘
導電動機を、電源系統に接続したまま、原動機により同
方向に駆動して電動機領域から発電機領域へスムーズに
移行させることができる。そして、電源系統に接続した
まま誘導電動機が誘導発電機に変わるため、誘導発電機
としての投入時に電源系統との間に周波数・電圧・位相
のずれがなく、常に安定した同期投入が可能であり、同
期投入時の電源系統の電圧降下の問題が生じない。

【００１５】しかも、原動機の出力軸と誘導電動機の出
力軸とを所定伝達比で同方向にのみ伝動連結する伝動連
結手段は、構成の簡単な機械的手段とすることができ、
その制御も、原動機の回転数を調節するだけの簡単なも
ので、低コストの同期投入制御装置が得られる。

【００１６】また、発電機領域へ移行する前の誘導電動
機の回転数や、原動機の回転数が不安定でふらつき等が
ある場合でも、原動機と誘導発電機とが同方向にのみ伝
動連結されることにより、発電機領域へのスムーズな移
行が可能であり、また、誘導発電機の電源系統からの解
列も、原動機の回転数を発電機領域から電動機領域へ戻
すことによりスムーズに行うことができ、同期投入・解
列が自由自在である。

【００１７】上記伝動連結手段は、例えば一方向クラッ
チを備え、この一方向クラッチにより原動機側から誘導
電動機側へ一方向に駆動力を伝達するよう構成するのが
よく、それにより、任意の状態で運転している誘導電動
機に対し、原動機を停止状態から始動して、回転上昇さ
せ、原動機側と誘導電動機側の回転数が誘導電動機の定
格回転数付近で同期した時に、伝動連結手段の一方向ク
ラッチを作動させて原動機の出力軸と誘導電動機の出力
軸とを伝動連結し、その後、原動機の回転数を更に上昇
させることにより、誘導電動機の回転数を誘導発電機と
して作動可能な同期回転数以上の所定回転数まで上昇さ
せ、スムーズに発電機領域に移行させて、周波数・電圧
・位相が一致した状態で同期投入させるようにできる。

【００１８】図１は、本発明による上記誘導発電機の同
期投入制御装置を備えた電力回生システムの一例の基本
構成を示している。図１において、１は同期投入制御装
置であり、２は誘導電動機、３は原動機である。また、
４はドライブユニット（伝動連結手段）で、一方向クラ
ッチ５と、ベルト６（またはチェーン）および一対のプ
ーリー７Ａ、７Ｂ（またはチェーンスプロケット）の組
み合わせからなり、所定プーリー比（伝動比）で一方向
（原動機３により誘導電動機２を駆動する方向）にのみ
伝動可能で、原動機３の駆動軸８（出力軸）に一方のプ
ーリー７Ａが取り付けられ、誘導電動機２の出力軸９に
他方のプーリー７Ｂが取り付けられ、原動機３の回転に
より誘導電動機２が同期速度以上で回転するようプーリ
ー比が設定されている。一方向クラッチ５は、図１の例
では原動機３側のプーリー７Ａに取り付けられている
が、誘導電動機２側のプーリー７Ｂに取り付けられても
よい。また、図１において、１０は電動機領域における
入力電流、１１は発電機領域における出力電流、１２は
電源系統、１３は誘導電動機開閉器（ＭＣ１）である。

【００１９】図２は、誘導電動機の電動機領域および発
電機領域の一般的な回転数特性を示している。また、図
３は、誘導発電機の回転数と発電出力の特性を示してい
る。図２および図３において、ａは誘導電動機入力曲
線、ｂは誘導発電機出力曲線、ｃは誘導電動機トルク曲
線、ｄは誘導発電機トルク曲線、ｅは誘導電動機１次電
流曲線である。

【００２０】原動機３の駆動軸８と誘導電動機２の出力
軸９がドライブユニット４を介して連結され、誘導電動
機２が電源系統１２に接続された図１のシステムにおい
て、誘導電動機２の運転を開始した後、原動機３を誘導
電動機２と同方向に回転させ、原動機３の回転数を上昇
させると、原動機３の回転数と誘導電動機２の回転数と
が図３のＮ１点（誘導電動機２の定格回転数）付近で同
期した時に、ドライブユッニト４の一方向クラッチ５が
作動する。Ｎ１点の出力（Ｐ点）が誘導電動機定格出力
である。

【００２１】そして、ドライブユッニト４の一方向クラ
ッチ５が作動した状態で、原動機３の回転数をＮ１点か
らさらに上昇させると、誘導電動機２が原動機３の負荷
となって駆動され、さらに原動機３の回転数を上昇させ
ると、誘導電動機２の１次電流が励磁電流のみになっ
て、入力が“０”ワットになるＳｙ点に達する。このＳ
ｙ点が、誘導電動機２の同期速度（回転数）であり、電
源系統１２と完全に同期がとれた状態である。

【００２２】この状態からさらに原動機の回転数を上
げ、誘導電動機２の回転数をＳｙ点を越えて上昇させる
と、電動機領域から発電機領域に移行することにより、
誘導電動機２が誘導発電機に変って、電力を電源側に戻
す特性になる。そして、さらに原動機３の回転数を上昇
させると、図３のＮ２点（誘導電動機の定格回転数）に
達し、Ｇ点の誘導発電機定格出力が得られ、その出力が
電源側に供給される。

【００２３】その間、誘導電動機は電源系統１２に接続
されたままで、Ｎ１点付近でドライブユニット４が作動
した後、電動機領域から発電機領域に移行しても、電気
的な同期運転条件を満たしている。

【００２４】図３において、Ａは一方向クラッチ不作動
領域、Ｂは一方向クラッチ作動領域、Ｃは誘導電動機運
転領域、Ｄは誘導発電機運転領域である。

【００２５】上記誘導発電機の同期投入制御装置は、原
動機がエンジンである場合に、そのエンジンの廃熱を温
水として回収可能な廃熱回収装置を設け、電力回生シス
テムと廃熱回収装置とで電力回生・廃熱回収のコージェ
ネレーションシステムを構成するようにできる。

【００２６】また、上記誘導発電機の同期投入制御装置
は、誘導電動機をポンプ負荷に連結して、ポンプと電力
回生システムとで駆動補助・電力回生のコージェネレー
ションシステムを構成するようにでき、さらに、原動機
がエンジンである場合に、エンジンの廃熱を温水として
回収可能な廃熱回収装置を設け、ポンプと電力回生シス
テムと廃熱回収装置とで駆動補助・電力回生・廃熱回収
のコージェネレーションシステムを構成するようにでき
る。

【００２７】また、上記電力回生システムは、３相かご
型誘導電動機等の誘導機の回転数を調節して発電機領域
で運転することにより電力回生を行うものであるため、
駆動用の原動機にはそうした発電機領域での安定したト
ルク特性が要求され、また、例えば３，６００ｒｐｍと
いった高回転領域で使用することになるため、耐久性に
優れたものであることが要求される。そうした要求を満
たす原動機として、例えば所謂バンケル型のロータリー
ピストンエンジン（通称ロータリーエンジン）、特にガ
ス燃料（ＬＮＧ）仕様のロータリエンジンが好適であ
る。ロータリーエンジンは、誘導機を発電機領域で駆動
する場合の例えば３，６００ｒｐｍといった高回転領域
で安定したトルク特性がある。ＬＮＧ仕様のロータリエ
ンジンは、例えばエンジン回転数３，６００ｒｐｍの場
合に、ローターはその１／３の１，２００ｒｐｍで回転
し、トルク脈動が少なく、耐久性に優れている。また、
ロータリエンジンには、排ガス温度が高いという特性が
あるため、廃熱回収装置を設ける場合に、使用する熱交
換器を小型にできるというメリットもある。

【００２８】また、本発明の誘導発電機の同期投入制御
方法は、所定の電源交流電流により作動する誘導電動機
を原動機により駆動して発電機領域で回転させることに
より、誘導発電機として作動させ、その誘導発電機とし
ての作動により原動機の駆動出力を電気的出力に変換す
る電力回生システムにおける、誘導発電機の電源への同
期投入を制御する同期投入制御方法であって、誘導電動
機の運転中に、原動機を始動して誘導電動機と同方向に
回転させ、原動機の回転数を上昇させて、原動機側と誘
導電動機側の回転数が誘導電動機の定格回転数付近で同
期した時に、原動機の出力軸と誘導電動機の出力軸とを
所定伝動比で一方向にのみ伝動可能に連結し、原動機の
回転数を更に上昇させて、誘導電動機の回転数を誘導発
電機として作動可能な同期回転数以上の所定回転数まで
上昇させるよう制御するものである。

【００２９】この方法で、誘導電動機の運転中に、原動
機を始動して誘導電動機と同方向に回転させ、原動機の
回転数を上昇させて、原動機側と誘導電動機側の回転数
が誘導電動機の定格回転数付近で同期した時に、原動機
の出力軸と誘導電動機の出力軸とを所定伝達比で同方向
にのみ伝動可能に連結し、原動機の回転数を更に上昇さ
せて、誘導電動機の回転数を誘導発電機として作動可能
な同期回転数以上の所定回転数まで上昇させるよう制御
することにより、運転中の誘導電動機を、電源系統に接
続したまま、原動機により同方向に駆動して電動機領域
から発電機領域へスムーズに移行させることができる。
そして、電源系統に接続したまま誘導電動機が誘導発電
機に変わるため、誘導発電機としての投入時に電源系統
との間に周波数・電圧・位相のずれがなく、常に安定し
た同期投入が可能であり、同期投入時の電源系統の電圧
降下の問題が生じない。また、発電機領域へ移行する前
の誘導電動機の回転数や原動機の回転数が不安定でふら
つき等がある場合でも、原動機と誘導発電機とが同方向
にのみ伝動連結されることにより、発電機領域へのスム
ーズな移行が可能であり、また、誘導発電機の電源系統
からの解列も、原動機の回転数を発電機領域から電動機
領域へ戻すことによりスムーズに行うことができ、同期
投入・解列が自由自在である。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００３１】（第１の実施の形態）図４は本発明の第１
の実施の形態に係る電力回生システムの構成図である。
この電力回生システムは、無負荷の状態で運転する誘導
電動機を一方向クラッチを介して原動機により駆動する
ことにより、誘導発電機の作用で原動機の駆動力を電気
的出力に変換し電力回生を図るもので、図４において、
１は同期投入装置で、２は誘導電動機（３相かご型誘導
電動機）、３は原動機（ロータリエンジン）である。ま
た、４はドライブユニット（伝動連結手段）で、一方向
クラッチ５と、ベルト６（またはチェーン）および一対
のプーリー７Ａ、７Ｂ（またはチェーンスプロケット）
の組み合わせからなり、所定プーリー比（伝動比）で一
方向（原動機３により誘導電動機２を駆動する方向）に
のみ伝動可能で、原動機３の出力軸８に一方のプーリー
７Ａが取り付けられ、誘導電動機２の出力軸９に他方の
プーリー７Ｂが取り付けられ、原動機３の回転により誘
導電動機２が同期速度以上で回転するようプーリー比が
設定されている。

【００３２】一方向クラッチ５は、原動機３側のプーリ
ー７Ａに取り付けられている。また、図４において、１
０は電動機領域における入力電流、１１は発電機領域に
おける出力電流、１２はＡＣ電源系統（３相交流電
源）、１３は誘導電動機開閉器、１４は進角コンデン
サ、１５は開閉器である。

【００３３】進角コンデンサ１４は、力率改善対策とし
て設置されるもので、電源投入用の開閉器１３に連動さ
せることにより、ＡＣ電源系統１２の無効電力の負担を
軽減させる。

【００３４】このシステムにおいて、誘導電動機２の運
転を開始した後、原動機３を誘導電動機２と同方向に回
転させ、原動機３の回転数を上昇させると、原動機３の
回転数と誘導電動機２の回転数とが図３のＮ１点（誘導
電動機２の定格回転数）付近で同期した時に、ドライブ
ユッニト４の一方向クラッチ５が作動する。

【００３５】そして、ドライブユッニト４の一方向クラ
ッチ５が作動した状態で、原動機３の回転数をＮ１点か
らさらに上昇させると、誘導電動機２が原動機３の負荷
となって駆動され、さらに原動機３の回転数を上昇させ
ると、誘導電動機２の1次電流が励磁電流のみになっ
て、入力が“０”ワットになるＳｙ点（誘導電動機２の
同期回転数）に達し、電源系統１２と完全に同期がとれ
た状態となる。

【００３６】この状態からさらに原動機の回転数を上
げ、誘導電動機２の回転数をＳｙ点を越えて上昇させる
と、電動機領域から発電機領域に移行し、誘導電動機２
が誘導発電機に変って、電力を電源側に戻す特性にな
り、原動機３の駆動力が電気的出力に変換され回生電力
として電源側に供給される。

【００３７】すなわち、原動機３の回転数を誘導電動機
２（３相かご型誘導電動機）の同期回転数以上に調節す
ることにより、「３相かご型誘導電動機」がマイナスの
すべり領域に移行して、「かご誘導電動機」の回転子の
滑り周波数に比例した励磁電流が短絡回路に供給され、
この電流が磁束を切ることによって誘導電圧よる二次電
流が逆方向に生じ、その二次電流による逆トルクが原動
機３の負荷トルクになって、誘導発電機の作用により電
気的出力（回生電力）に変換され、電源系統１２に戻さ
れる。

【００３８】そして、さらに原動機３の回転数を上昇さ
せると、図３のＮ２点（誘導電動機の定格回転数）に達
し、Ｇ点の誘導発電機定格出力が得られ、その出力が電
源側に供給される。

【００３９】図５は上記図４の電力回生システムを応用
した電力回生・廃熱回収コージェネレーションシステム
の構成を示している。この電力回生・廃熱回収コージェ
ネレーションシステムは、上記図４の電力回収システム
と、廃熱回収装置とで構成される。電力回収システムに
は、例えば原動機３として４０ｋｗ相当のロータリーエ
ンジン（ガス燃料仕様）を用い、誘導電動機２として３
相かご型誘導電動機（４５ｋｗ）を用いる。

【００４０】また、廃熱回収装置は、既設の温水利用設
備（電気温水器やガス給湯機）等と併用するもので、図
５に示すように、冷却水熱交換器２１と排ガス熱交換器
２２とを温水利用設備（図示せず）に循環接続し、原動
機３の運転に併せて温水循環ポンプ２３により８０℃程
度の温水を循環させ、８５℃程度の中温水に回収するよ
う構成する。

【００４１】冷却水熱交換器２１は、原動機３であるロ
ータリーエンジンのジャケット冷却水をラジエーター２
４との並列配置で循環させ、温水と熱交換させるシェル
・アンド・チューブ式熱交換器であって、ロータリーエ
ンジンのジャケット冷却水（不凍液）が少なくて済むよ
う、チューブ側に冷却水を通し、温水をシェル側に通し
て、低温側の熱交換をする。

【００４２】また、排ガス熱交換器２２は、原動機３で
あるロータリーエンジンの消音器２５を経た排気ガスを
循環させ、温水と熱交換させるシェル・アンド・チュー
ブ式熱交換器であって、温水温度調節用の排ガスバイパ
ス弁２６を設け、排気抵抗損失を少なくするために排気
ガスをシェル側に通し、温水をチューブ側に通して高温
側の熱交換をする。

【００４３】図６はこの電力回生・廃熱回収コージェネ
レーションシステムの起動・停止の運転パターンを示し
ている。

【００４４】このシステムは、始動時、電源系統１２へ
の影響を最小限にするため誘導電動機２が無負荷で起動
する。

【００４５】そして、その後、原動機３（ロータリーエ
ンジン）を始動して暖機運転し、暖機完了後、原動機３
の回転数を上昇させ、誘導電動機２の同期回転数（Ｓｙ
点）を超えて誘導電動機の定格回転数（Ｎ２点）で運転
する。

【００４６】その際、原動機３の回転数が誘導電動機２
の無負荷回転数（誘導電動機２の同期回転数（Ｓｙ点）
を超える時点から、電力回生が始まり（同期投入）、誘
導発電機の定格回転数（Ｎ２点）で誘導発電機定格出力
（Ｇ点）になる。

【００４７】そして、停止時は、原動機３の回転数を下
げることにより、誘導電動機２の回転数が下り、無負荷
運転になる。

【００４８】原動機３は、回転数を下げた後、アイドル
回転数で冷却運転をし、冷却運転完了後、停止させる。

【００４９】廃熱回収装置は、原動機３の暖機運転完了
まで、暖機時間を短縮するため、戻り弁２７を閉じて、
冷却水熱交換器２１を停止させるとともに、ラジエータ
ー冷却ファン２８を停止させ、温水循環ポンプ２３を停
止させる。そして、原動機３の暖機運転が完了した後、
自動運転で冷却水熱交換器２１の戻り弁２１を開き、排
ガス熱交換器２２の排気ガスバイパス弁２６を閉じ、温
水循環ポンプ２３を運転する。そして、冷却水熱交換器
２１の戻り弁２７を開いた状態で、排ガス熱交換器２２
の排気ガスバイパス弁２６の開度コントロールによって
温水設備系の温度制御を行う。また、温水設備系の使用
量低下等で、温水温度ｔ１（排ガス熱交換器出口温度）
が設定温度（ＳＶ）を超えた場合は、排気ガスバイパス
弁２６を全開とし、戻り弁２７を閉じてラジエーター冷
却ファン２８を運転する。また、冷却水温度ｔ2（冷却
水熱交換器リターン温度）が上昇した場合は、戻り弁２
７を開いてラジエーター冷却ファンを運転する。そし
て、原動機３がアイドル運転になったら運転を停止す
る。

【００５０】図５のシステムのこうした運転は自動運転
で行うことができ、また、スケジュール運転、デマンド
抑制運転が可能である。スケジュール運転は、自動運転
の運転・停止指令をタイマー（月間・週間・デイリィ
ー）と組合わせ、タイマー設定によって運転時間を選択
するものである。また、デマンド抑制運転は、スケジュ
ール運転の応用で、例えば夏季における電力デマンド発
生予測時間帯にタイマー設定をすることより運転時間を
選択するものである。また、電力デマンド監視装置と電
力回生システムの組み合わせによる効率的な電力デマン
ド抑制運転も可能である。

【００５１】（第２の実施の形態）図７は本発明の第２
の実施の形態に係る電力回生システムの構成を示してい
る。この実施の形態は、誘導電動機２と原動機３を直結
運転するものであり、原動機３の出力軸８と誘導電動機
２の出力軸９とを連結する軸継ぎ手１６に一方向クラッ
チ５を取り付けている。この場合、ドライブユニット
（伝動連結手段）４は、一方向クラッチ５と、軸継ぎ手
１６とで構成され、伝動比は１で、一方向（原動機３に
より誘導電動機２を駆動する方向）にのみ伝動可能であ
る。システムの他の構成は図４に示す第１の実施の形態
と同様で、制御方法その他も同様である。

【００５２】（第３の実施の形態）図８は本発明の第３
の実施の形態に係る駆動補助・電力回生システムの構成
図である。

【００５３】この実施の形態は、ポンプ負荷を駆動する
誘導電動機に原動機を連結し、その電動機負荷の駆動補
助とともに、原動機の余剰出力の電力回生を図るもの
で、同期投入制御装置１、誘導電動機２（３相かご型誘
導電動機）、原動機３（ロータリエンジン）は図４に示
す第１の実施の形態と同様で、一方向クラッチ５と、ベ
ルト６（またはチェーン）および一対のプーリー７Ａ、
７Ｂ（またはチェーンスプロケット）の組み合わせから
からなるドライブユニット４（伝動連結手段）も同様で
ある。また、入力電流１０、出力電流１１、ＡＣ電源系
統（３相交流電源）１２、誘導電動機開閉器１３、進角
コンデンサ１４、開閉器１５についても同様である。そ
して、誘導電動機２には、ポンプ負荷１７が連結されて
いる。ポンプ負荷１７は、誘導電動機２によって駆動さ
れる。

【００５４】このシステムは、誘導電動機２がポンプ負
荷１７を駆動している状態で、原動機３を誘導電動機２
と同方向に回転させ、原動機３の回転数を上昇させる
と、原動機３の回転数と誘導電動機２の回転数とが図３
のＮ１点（誘導電動機２の定格回転数）付近で同期した
時に、ドライブユッニト４の一方向クラッチ５が作動す
る。そして、その状態で、原動機３の回転数をＮ１点か
らさらに上昇させると、ポンプ負荷１６を駆動する誘導
電動機２の原動機３による駆動補助が開始され、さらに
原動機３の回転数を上昇させると、誘導電動機２の入力
が“０”ワットになるＳｙ点に達し、電源系統１２と完
全に同期がとれた状態となる。そして、この状態からさ
らに原動機の回転数を上げ、誘導電動機２の回転数をＳ
ｙ点を越えて上昇させると、電動機領域から発電機領域
に移行することにより、誘導電動機２が誘導発電機に変
って、原動機３の余剰出力が電気的出力に変換され回生
電力として電源側に供給される。

【００５５】図８の駆動補助・電力回生システムもま
た、図５に示す態様で電力回生システムに廃熱回収装置
と組み合わせたものとすることができ、駆動補助・電力
回生システムと廃熱回収装置とからなる駆動補助・電力
回生・廃熱回収コージェネレーションシステムを構成す
ることができる。その場合、電力回収システムの原動機
３には、やはり例えば４０ｋｗ相当のロータリーエンジ
ン（ガス燃料仕様）を用い、誘導電動機２として３相か
ご型誘導電動機（４５ｋｗ）を用いる。また、廃熱回収
装置は、やはり既設の温水利用設備（電気温水器やガス
給湯機）等と併用するもので、冷却水熱交換器２１、排
ガス熱交換器２２、温水循環ポンプ２３等、図５に示す
第１の実施の形態の構成と同様とする。

【００５６】図９は、図８の駆動補助・電力回生システ
ムのポンプ運転のパターンを示す回転数特性図である。
このシステムにおいて原動機３の余剰出力を回生するた
めには、ポンプ負荷１７を駆動して、図３に示す定格回
転数Ｎ１で運転している誘導電動機を、Ｎ２まで上昇さ
せることが、誘導発電機の領域での運転の必要条件にな
る。そして、その必要条件に関連して、例えば、ポンプ
負荷１７が遠心ポンプである場合に、ポンプ性能と回転
数とは次の関係がある。

【００５７】すなわち、遠心ポンプを一定速度で運転し
た時の流量がＱ（ｍ³／ｍｉｎ）、揚程がＨ（ｍ）、回
転数がＮ（ｍｉｎ^-1）とすると、比速度Ｎｓ（ｍｉ
ｎ^-1）は、次の式で定義される。

【００５８】Ｎｓ＝Ｎ・Ｎ√Ｑ／Ｈ^2/3 ・・・・・そして、この比速度はポンプの羽根車の形状と外径によ
って決まり、運転している遠心ポンプの回転速度を変え
る場合には、比速度Ｎｓは変わらないから、流量Ｑ（ｍ
³／ｍｉｎ）、揚程Ｈ（ｍ）および軸動力Ｐ（ｋｗ）に
は、基本的な関係として、次の式、およびが成立
する。

【００５９】Ｑ∝ｎ・・・・・Ｈ∝ｎ² ・・・・・Ｐ∝ｎ³ ・・・・・そこで、図９の運転パターンにおいて、ポンプの回転数
をＮ１からＮ２に変化させると、式から、流量Ｑは、
Ｑ１からＱ２に上昇する。そして、式から、揚程はＨ
１からＨ２に上昇し、ポンプ運転点はＨ１曲線のＡ０点
からＨ２曲線のＡ１点に移動する。

【００６０】この場合、Ｑ２に上昇した流量はＱ１に戻
す必要がある。そのために、図８のポンプ出口弁１８を
絞って吐出量を減少させ、その反作用による吐出圧上昇
を調整弁１９の開度調整により抑制することになる。

【００６１】そうした二つの弁１８、１９の調整によ
り、管路抵抗はＨＬ１からＨＬ２に変わり、ポンプの運
転点はＨ２曲線上をＡ１点からＡ２点に移動する。

【００６２】また、ポンプの軸動力Ｐは、式により、
Ｐ１曲線からＰ２曲線に移行する。そして、その運転点
はＰ１曲線上のＡ０点からＰ２曲線上のＡ１点に移動
し、さらに、上記二つの弁１８、１９の調整に伴い、Ｐ
２曲線上のＡ１点からＡ２点に移動する。

【００６３】この実施の形態における図８の駆動補助・
電力回生システム、およびその駆動補助・電力回生シス
テムを応用した駆動補助・電力回生・廃熱回収コージェ
ネレーションシステムもまた、第１の実施の形態と同様
に自動運転およびスケジュール運転を行うことができ
る。

【００６４】なお、上記第１〜３の実施の形態は、原動
機がロータリーエンジンで、誘導電動機が、かご型誘導
電動機の場合であるが、本発明による電力回生システム
は、ロータリーエンジン以外に、例えばレシプロエンジ
ン、ガスタービン、蒸気タービン、水車、風車等を原動
機とするものであってもよく、また、かご型誘導電動機
以外に、巻線型誘導電動機、磁石内蔵かご型誘導電動機
等の３相その他の誘導電動機を使用するものであっても
よい。それら原動機の選択あるいは誘導電動機の選定に
よって、誘導電動機の同期回転数が適合しない場合は、
ドライブユニットに減速機または増速機を適宜挿入す
る。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、構成簡単で低コストの同期投入制御装置およ
び方法により、誘導発電機の同期投入時における電源系
統の電圧降下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による誘導発電機の同期投入制御装置を
備えた電力回生システムの一例の基本構成概略図であ
る。

【図２】誘導電動機の電動機領域および発電機領域の回
転数特性図である。

【図３】誘導発電機の回転数と発電出力の特性図であ
る。

【図４】第１の実施の形態に係る電力回生システムの構
成図である。

【図５】第１の実施の形態の応用例に係る電力回生・廃
熱回収コージェネレーションシステムの構成図である。

【図６】図５に係るシステムの起動・停止の運転パター
ンを示すタイムチャートである。

【図７】第２の実施の形態に係る電力回生システムの構
成図である。

【図８】第３の実施の形態に係る駆動補助・電力回生シ
ステムの構成図である。

【図９】第３の実施の形態に係るシステムのポンプ運転
のパターンを示す回転数特性図である。

【符号の説明】

１同期投入装置２誘導電動機３原動機４ドライブユニット５一方向クラッチ８出力軸（原動機）９出力軸（誘導電動機）１７ポンプ負荷２１冷却水熱交換機２２排気ガス熱交換機２３温水循環ポンプ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｐ 9/06 9/06 Ｆターム(参考） 3G093 AA11 AA16 BA19 CA05 DA01 DB27 DB28 EA03 EB05 EB08 EC01 FA03 5G066 HA01 HB02 5H590 AA02 AA05 AA15 CA01 CA08 CA09 CA11 CA14 CA26 CB03 CC08 CE01 EA10 FA01 FA03 GA10 GB07 HA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の電源交流電流により作動する誘導
電動機を原動機により駆動して発電機領域で回転させる
ことにより、誘導発電機として作動させ、その誘導発電
機としての作動により前記原動機の駆動出力を電気的出
力に変換する電力回生システムにおける、前記誘導発電
機の電源への同期投入を制御する同期投入制御装置であ
って、前記原動機の出力軸と前記誘導電動機の出力軸とを所定
伝動比で一方向にのみ伝動連結する伝動連結手段を備
え、前記誘導電動機の運転中に、前記原動機を始動して誘導
電動機と同方向に回転させ、該原動機の回転数を上昇さ
せて、原動機側と誘導電動機側の回転数が誘導電動機の
定格回転数付近で同期した時に、前記伝動連結手段を作
動させて原動機の出力軸と前記誘導電動機の出力軸とを
伝動連結し、原動機の回転数を更に上昇させて、誘導電
動機の回転数を誘導発電機として作動可能な上記同期回
転数以上の所定回転数まで上昇させるよう制御すること
を特徴とする誘導発電機の同期投入制御装置。
【請求項２】上記伝動連結手段は、一方向クラッチを
備え、該一方向クラッチにより原動機側から誘導電動機
側へ一方向に駆動力を伝達するものであることを特徴と
する請求項１記載の誘導発電機の同期投入制御装置。
【請求項３】前記原動機はエンジンで、該エンジンの
廃熱を温水として回収可能な廃熱回収装置が設けられ、
電力回生システムと廃熱回収装置とで電力回生・廃熱回
収のコージェネレーションシステムが構成されることを
特徴とする請求項１または２記載の誘導発電機の同期投
入制御装置。
【請求項４】前記誘導電動機はポンプ負荷に連結さ
れ、ポンプと電力回生システムとで駆動補助・電力回生
のコージェネレーションシステムが構成されることを特
徴とする請求項１または２記載の誘導発電機の同期投入
制御装置。
【請求項５】前記原動機はエンジンで、該エンジンの
廃熱を温水として回収可能な廃熱回収装置が設けられ、
ポンプと電力回生システムと廃熱回収装置とで駆動補助
・電力回生・廃熱回収のコージェネレーションシステム
が構成されることを特徴とする請求項４記載の誘導発電
機の同期投入制御装置。
【請求項６】前記原動機はロータリーエンジンである
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
誘導発電機の同期投入制御装置。
【請求項７】所定の電源交流電流により作動する誘導
電動機を原動機により駆動して発電機領域で回転させる
ことにより、誘導発電機として作動させ、その誘導発電
機としての作動により前記原動機の駆動出力を電気的出
力に変換する電力回生システムにおける、前記誘導発電
機の電源への同期投入を制御する同期投入制御方法であ
って、前記誘導電動機の運転中に、前記原動機を始動して誘導
電動機と同方向に回転させ、該原動機の回転数を上昇さ
せて、原動機側と誘導電動機側の回転数が誘導電動機の
定格回転数付近で同期した時に、原動機の出力軸と前記
誘導電動機の出力軸とを所定伝動比で一方向にのみ伝動
可能に連結し、原動機の回転数を更に上昇させて、誘導
電動機の回転数を誘導発電機として作動可能な上記同期
回転数以上の所定回転数まで上昇させるよう制御するこ
とを特徴とする誘導発電機の同期投入制御方法。