JP2004320936A

JP2004320936A - エンジン発電装置

Info

Publication number: JP2004320936A
Application number: JP2003113870A
Authority: JP
Inventors: Norio Suzuki; 憲雄鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】本発明は、電動機を負荷とするエンジン発電機の容量を、電動機の定常運転時の容量と近づけるまで低減する可能なエンジン発電装置を提供する。
【解決手段】エンジンと、エンジンの回転数を検出し指令された回転数になるように制御する回転数制御装置と、エンジンの回転によって発電する発電機と、発電機によって発生する電圧を検出し指令された電圧になるように制御する電圧制御装置とを備え、エンジンの始動時に、回転数制御装置に指令する回転数および前記電圧制御装置に指令する電圧を共に徐々に大きくなるように設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主に電動機駆動用のエンジン発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動機駆動用のエンジン発電装置について、図４を用いて説明する。図４において、１はエンジン、２はエンジン駆動の発電機、６は電子ガバナを用いてエンジンの回転数を検出し、回転数を制御する回転数制御装置、３は発電機２で電圧を発生させる励磁装置、４は励磁装置３を調整して電圧を調整する電圧制御装置、５は電動機１４に供給する電源を、商用電源１１と発電機２と状況に応じて切替える切換器、１２は回転数制御装置６によって指令された回転数となるように調整される燃料噴射装置である。さらに８は電動機入力電流、７は電動機入力電圧、９は発電機電流、１０は発電機端子電圧を示す。
【０００３】
ここで、エンジン発電機の容量を決定する方法について説明する。エンジン発電機の容量は、誘導電動機駆動のポンプ等を負荷とする場合においては、ポンプ等の負荷が正常動作する（回り始める）ため、また他の負荷機械のマグネットスイッチやリレー類の動作不良をおこさせないようにする必要がある。そのため、電動機始動時の瞬時電圧降下率を通常、０．３０以下すなわち３０％以下となるようにする必要がある。そしてこの電動機の始動時は、定常時の５倍以上の電流がながれるため、発電装置の容量は電動機の定常時に必要な容量の５倍以上が必要となる。
【０００４】
次に、図５を用いて、発電機で発電する電圧の変化について説明する。図５は、従来の始動から定常状態までの、発電機の発生電圧の変化を示す図である。そして、図４において、エンジン１の始動とともに、発電機２に電圧を発生させ、瞬時に目標とする電動機１４の定格電圧まで電圧を上げていた。そして、その後、安定して電動機１４の定格電圧と定格回転数を維持するように、回転数制御装置６および電圧制御装置４で発電機の回転数と発生電圧を制御する。
【０００５】
この時、図５で示すように、電動機に入力する電圧が確立してから、切換器５で電源切換を商用電源１１側から発電機２への切換を行なっていた。そしてこの時に、前述したように電動機の瞬時電圧降下率が０．３以下とならないように、エンジン発電機の容量を決めていた。なお、このエンジン発電機の容量を小さくすることは、価格を低下できるだけでなく、エネルギの節減の上でも効果的であり、そのために電動機の始動時の電流を小さくすることは重要である。そして、電動機の始動時の電流を減じるための従来の方法は、電動機にＹ―Δ方式、リアクトルおよび始動補償器などの始動補助装置を追加し、始動時に誘導電動機の端子電圧を小さくする方法であった。
【０００６】
なお、以下に、誘導電動機を負荷とした場合のエンジン発電機の容量計算式を用いて詳細に説明する。
【０００７】
まず、式１は、定常運転時の発電機容量を示す。
【０００８】
【式１】

【０００９】
また、式２は、電動機の始動時などの瞬時電圧降下を考慮した場合の発電機容量を示すものであり、この大きさによって、必要な発電機容量を決定する。
【００１０】
【式２】

【００１１】
そして、式２を用いて必要な発電機容量を計算するのであるが、発電機の過渡リアクタンスＸｄが不明で、瞬時電圧降下率ΔＶに特別な制約がない場合、式２でＸｄを０．２１、ΔＶを０．３０とした式３により発電機容量の概算値を計算する。
【００１２】
【式３】

【００１３】
また、式３において、始動方式による係数Ｃは、表１に示すように、電動機の各始動方法により異なり、また、電動機の出力Ｐｍと電動機の１ｋＷ当たりの始動入力βの関係は、表２に示すようになっている。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【表２】

【００１６】
このように、電動機の始動方式、出力によって必要なは発電気の容量が算出される。
【００１７】
また、従来例としては、例えば特許文献１で示すような、無停電発電装置の一方の電機子巻線の出力側には自動電圧調整装置、他方の電機子巻線の出力側にはインバータを接続したエンジン発電装置が示されているが、これは、従来のバッテリー電源とインバータを組み合わせた無停電電源装置を発電機側に組み込みことで、無停電電源装置のバッテリーと発電機駆動用のバッテリーの共用化および無停電電源装置の制御装置を発電機側に収納することで、無停電電源装置を図ったものである。
【００１８】
【特許文献１】
特開２００２−２３８１８４号公報（請求項１）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動機の始動補助装置で始動電流を減じる方法では、上記の表１に示すように、Ｙ―Δ方式、リアクトルおよび始動補償器などで２／３程度に減じることができるが、上記の表２に示すように２．２ｋＷ〜７．５ｋＷのような小容量の電動機では本体価格に対して、Ｙ―Δ方式、リアクトルおよび始動補償器などの始動補助装置の価格の占める割合が大きくなり、ほとんどが直入れ方式となっている。
【００２０】
特に、非常用発電装置の場合においては、商用電源喪失時のバックアップ電源としの役割を果たすため、常にスタンバイ状態を維持しながらも、その発電機容量は上記のように、電動機容量の数倍の容量を必要とする。
【００２１】
現在、国内で年間約５０００台、平均１００ｋＷの非常用発電装置が設置されているが、電動機負荷が直結されると予想される年間２０００台、平均５０ｋＷの発電装置がこの装置を搭載した発電装置になれば、その電動機容量、１０〜２０ｋＷ以下でとすることができ、１０００×（４０〜３０）＝３０，０００〜４０，０００ｋＷの発電装置に関わる資源が節約できることになる。
【００２２】
また、上記特許文献１においては、エンジン始動時にどのように回転数を上げていくかが記載されておらず、発電機の容量をできるだけ小さくして、発電機を安価にし、また資源節約するということは課題認識されていない。
【００２３】
すなわち本発明は、電動機側の始動補助装置によることなく、発電機の容量を誘導電動機の定常運転時の容量と等しい容量までに低減することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のエンジン発電装置は、エンジンと、前記エンジンの回転数を検出し指令された回転数になるように制御する回転数制御装置と、前記エンジンの回転によって発電する発電機と、前記発電機によって発生する電圧を検出し指令された電圧になるように制御する電圧制御装置とを備え、前記エンジンの始動時に、前記回転数制御装置に指令する回転数および前記電圧制御装置に指令する電圧を共に徐々に大きくなるように設定する。これにより、誘導電動機は定格電流以下の始動電流で始動できるため、エンジン発電機の容量を誘導電動機の定常運転時の容量と等しい容量とすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２６】
図１において、１はエンジン、２はエンジン駆動の発電機、６は電子ガバナを用いた回転数制御装置、３は発電機電圧発生のための励磁装置、４は電圧制御装置、５は切換器、１２は燃料噴射装置、１３は調整装置である。さらに１１は商用電源、８は電動機入力電流、７は電動機入力電圧、９は発電機電流、１０は発電機端子電圧である。
【００２７】
次に、このような構成を備えるエンジン発電装置における動作について説明する。まず商用電源１１から電動機１４に供給される電源が規定電圧以上あり、正常に電源供給されている場合においては、切換器５で商用電源１１から電動機１４に電源を供給するように回路形成されている。しかしながら、商用電源１１からの供給電源が規定電圧以下となった場合は、商用電源１１の喪失信号１５が発電機２側に送信され、エンジン１が自動的に起動され、エンジン駆動による発電機２が駆動される。
【００２８】
この際、まず回転数制御装置６は、エンジン１の回転数（すなわち励磁装置３の界磁回転数）を、燃料噴射装置１２によるエンジン１への燃料噴射量を調整することで調整し、電動機入力電圧８が定格周波数となるようにする。
【００２９】
また電圧制御装置４は、発電機端子電圧１０が電動機１４を起動するのに必要な電動機端子電圧８となるように、励磁装置３への励磁電流１６を調整する。このようにして電動機１４が定格回転数、定格電圧となるまで、発電機１４の回転数、電圧を制御する。
【００３０】
すなわち商用電源１１が喪失した場合は、商用電源１１の喪失信号１５により、エンジン１が自動的に起動され、エンジン駆動の発電機２が駆動される。同時に切換器５が発電機側に切り換えられる。そして調整装置１３では、発電機の始動時、電動機の定格電流になるまで調整装置１３からの出力信号で電圧制御装置４に電圧を指令し、発電機端子電圧１０を制御する。そして発電機２の始動後は発電機端子電圧１０が電動機１４の定格電圧になるように電圧制御装置４の出力を調整する。同じく、発電機２の始動時、抑制された発電機電圧における発電機の電流で、電動機が回転することが可能なように、始動後のエンジン回転数を調整装置１３からの信号で、回転数制御装置６の出力を制限し、燃料噴射装置１２の燃料噴射量を調整する。始動後は電動機の定格回転数（すなわち周波数）になるように回転数制御装置６の出力を調整する。
【００３１】
さらに、図２を用いて、回転数制御装置６で設定するエンジンへの指令回転数および発電機で発生させる発生電圧の変化について説明する。図２は、本実施の形態における電動機１４への始動から定常状態までの、発電機２の発生電圧および回転数の変化を示す図である。そして、図２で示すように、発電機で発生させる回転数または電圧は電動機１４の定格回転数および定格電圧となるまで徐々に大きくしている。このとき、電動機１４の電源入力をそれまでの商用電源１１側から発電機２側へ切り換えるのは、エンジンおよび発電機の始動時後すぐである。
【００３２】
そして、このように切換を発電機側に切り換えるのを発電機での発電開始直後から行っているので、急激な電流の変動を抑えることができる。すなわち、立ち上がりの電動機の回転を緩やかにすることで、定常電流以上の電流を必要とすることなくできるので、エンジンの容量を小さくすることができる。
【００３３】
なお、図３は、電動機とポンプ（例えば渦巻きポンプ）の特性曲線を示す図であり、横軸はポンプまたは電動機の回転数、左側縦軸はトルク、右側縦軸は電流を示す。そして、ＴＬは負荷（すなわちポンプ）側が必要とするトルク、ＴＭは入力（すなわち電動機）側が供給するトルク、Ｉ１は電動機に入力する１次側電流値を示す。そしてこの図３からわかるように、定常的な運転に必要な電流は、図の右端の方にある定格運転で示す電流であり、回転数を徐々に上げることで、電動機に供給すべき電流値は始動時電流を超えて供給する必要はない。
【００３４】
しかし、電動機の回転数を急激に定格回転数まで上げようとすると、上述したように定格電流の５倍ほどの電流値を必要とする。すなわち本実施の形態においては、商用電源側から電動機側への切換を、電動機始動直後から行ない、さらに徐々に電動機の回転、電圧を上げていくことでエンジンの容量を小さくできるようにしたものである。
【００３５】
なお参考のために示した式４は、電動機１４の１次側電流と端子電圧の関係を示す式であり、図３の電動機とポンプ（例えば渦巻きポンプ）の特性曲線を求めるのに用いた式である。
【００３６】
【式４】

【００３７】
なお、本実施の形態においては、商用電源からの電源が規定値以下となる非常時に、商用電源から発電機側への切り換えをエンジン始動直後に行うようにしたが、エンジン始動前から切り換えを行なっていても本発明の効果は得られる。この場合、できるだけ速やかに切り換えを行ない、負荷側の定格運転できる状態までの時間を極力短時間に行なうようにする。
【００３８】
また、調整装置１３には、記憶手段（図示せず）を有して、始動時からの時間経過に応じた回転数制御および電圧制御の動作パターンを記憶させ、エンジン発電機に連結される電動機負荷に応じて、動作パターンを選定できるようにすることも可能である。
【００３９】
また、回転数制御装置６については、上記で示した電子ガバナで行う代わりに、エンコーダにより回転数を検出することももちろん可能である。また、機械式のガバナにおいても構成することが可能である。
【００４０】
さらに、上記は電動機負荷が直結されるエンジン発電機について述べたが、電動機以外の負荷が混在する場合においても、本発明が有効であることは言うまでもない。
【００４１】
以上のように、エンジンを用いた発電機に調整装置を設けて、始動時の発電機端子電圧と発電機回転数を調整することにより、エンジン発電機の容量を電動機容量と同等にまで近づけることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、エンジン発電装置に調整装置を設けることにより、負荷に電動機を有するエンジン発電機の必要容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における発電装置の制御系統図
【図２】本発明の実施の形態における発電機の発生電圧および回転数の変化を示す図
【図３】電動機と負荷の特性曲線を示す図
【図４】従来の電動機駆動用のエンジン発電装置の制御系統図
【図５】従来の発電機の発生電圧の変化を示す図
【符号の説明】
１：エンジン
２：発電機
４：電圧制御装置
６：回転数制御装置
１２：燃料噴射装置
１３：調整装置
１４：電動機

Claims

エンジンと、前記エンジンの回転数が指令された回転数になるように制御する回転数制御装置と、前記エンジンの回転によって発電する発電機と、前記発電機によって発生する電圧が指令された電圧になるように制御する電圧制御装置とを備え、前記エンジンの始動時に、前記回転数制御装置に指令する回転数および前記電圧制御装置に指令する電圧を共に徐々に大きくなるように設定するエンジン発電装置。
エンジンと、前記エンジンの回転数が指令された回転数になるように制御する回転数制御装置と、前記エンジンの回転によって発電する発電機と、前記発電機によって発生する電圧が指令された電圧になるように制御する電圧制御装置と、前記回転数制御装置に指令する回転数および前記電圧制御装置に指令する電圧を設定する調整装置とを備え、前記調整装置は、前記エンジンの始動時に、回転数および電圧を共に徐々に大きくなるように設定するエンジン発電装置。
調整装置が設定する回転数は、発電機によって駆動する電動機の定格回転数まで徐々に大きくなるようにした請求項１または２記載のエンジン発電装置。
調整装置が設定する電圧は、発電機によって駆動する電動機の定格電流に相当する電圧になるまで徐々に大きくなるようにした請求項１から３のいずれかに記載のエンジン発電装置。
発電機によって駆動する電動機の電源入力は、非常時に商用電源から前記発電機側に接続を切り替えられる請求項１から４のいずれかに記載のエンジン発電装置。
商用電源から発電機側への切り替えは、前記エンジンの始動直後に行なう請求項５記載のエンジン発電装置。
商用電源から発電機側への切り替えは、前記エンジンの始動前に行なう請求項５記載のエンジン発電装置。
回転数制御装置は電子ガバナによりエンジンの回転数を検出する請求項１から７のいずれかに記載の可変電圧・可変回転数調整装置付エンジン発電装置。
回転数制御装置はエンコーダによりエンジンの回転数を検出する請求項１から７のずれかに記載の可変電圧・可変回転数調整装置付エンジン発電装置。
回転数制御装置は、エンジンに供給する燃料の供給量を変化させる燃料供給装置を備え、燃料の供給量を変化させることによりエンジンの回転数を変化させる請求項１から９のいずれかに記載の可変電圧・可変回転数調整装置付エンジン発電装置。
調整装置は記憶手段を有し、回転数制御装置で設定する回転数と電圧制御装置で設定する電圧の少なくとも１つは時間経過とともに設定する動作パターンを前記記憶手段で記憶させた請求項１から１０のいずれかに記載の可変電圧・可変回転数調整装置付エンジン発電装置。