JP2006238684A - フライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン発電機等の独立発電装置の交流出力周波数や電圧の安定化を図る。
【解決手段】エンジン発電機などの独立発電装置とフライホイール付き誘導電動機とが並列接続され、さらに前記フライホイール付き誘導電動機と負荷とがスイッチを介して接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムにおいて、前記フライホイールが同期速度に到達した後に前記スイッチをオンにするように制御する制御装置を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統から独立して運転される原動機付き発電機や非常用エンジン発電機等の独立発電装置にフライホイール付誘導電動機を並列接続して、独立発電装置の交流出力周波数や電圧の安定化を図った安定化電源システムに関するものである。

従来、山間部や離島等の商用電源のない僻地においては、エンジン発電機の交流出力を電源として種々の電気設備が稼働される。
また、都市の工場，オフィス等においては、コンピュータ設備等を商用電源の停電から保護するため、非常電源設備としてエンジン発電機等の交流停電電源装置（独立発電装置）を備える。そして、商用電源の停電が長時間に及ぶときは、前記僻地と同様に、エンジン発電機の出力を電源とする給電が行われる。

このような独立したエンジン発電機の交流出力電圧は、負荷状態によって発電機の界磁電流を増減して電圧調整する、いわゆるAVR(Automatic Voltage Regulator)装置により自動制御される。
また負荷に電力を送ることによるエネルギーの減少により発電機の回転数が下がるが、それは原動機側の回転数調整、いわゆるガバナー制御装置（エンジンを一定の回転数に制御する装置）により原動機の出力を自動制御している。しかし、交流発電機の場合、回転数変動はそのまま出力周波数の変動になるという問題がある。

自動制御機能による電圧の安定や回転数の安定は、定常状態の場合、決められた制御精度範囲にすることは、制御装置にとってそれほど困難ではない。ともに定格値の数％の精度内で運転されている。

しかし、定格値に近い容量の負荷が突然投入された場合、過渡的状態では、電圧と周波数が大きく低下し、過渡状態を脱するのに数秒の時間を必要とする。特に、小型エンジン発電機では、電圧が回復しない状態に陥ることがある。

結局、負荷がエンジン発電機に比較して大きすぎると、投入の瞬間に電圧が低下し、負荷に所定の電力が送れない時間が生じる。また、負荷を取ることによる回転数の低下は周波数の低下となり、周波数の低下は発電機出力電圧の低下につながり、ますます電圧が低下する現象が起こる。従って、エンジン発電機の場合、瞬時に投入できる負荷電力は、負荷の力率にもよるが、エンジン発電機の定格出力の半分程度であると言われている。

そのため、従来から、エンジン発電機に投入する負荷は、小分けして、時間間隔を置いて順次投入することでこの問題を回避せざるを得なかった。

または、負荷を急激に取らないような制御、すなわちソフトスタート制御を行なうか、起動装置を用意して、ラッシュ電流を制限するようなことを行っていた。

一方、下記特許文献１に記載の無停電電源装置の構成要素として使われるフライホイール付発電機は、一般のかご型誘導電動機を結合した構成のフライホイール発電機である。フライホイール付き誘導電動機は、電源交流周波数が誘導機の同期速度（電力系統の周波数ｆで決まる回転数をいい、120×f／P ただし、Pは極数、で表される。誘導機には、負荷トルクに応じたすべりｓ（一般には数％）があり、正確にはこれを考慮して誘導機の回転速度としなければならないが、概略ではこれを無視して無負荷での回転速度を誘導機の同期速度と言っている。）以上ではエネルギーを吸収する電動機として動作し、電源交流周波数が下がれば自動的に発電機となる。

フライホイール付き誘導電動機は、電動機から発電機に切り替わるときは瞬時に変わり、出力電圧には変動がないことが実験により確認されている。

誘導電動機でフライホイールを同期速度付近で回転させて待機しておき、いつでも発電できる状態で負荷に並列に接続し、電力系統の落雷事故などの際の瞬時（0.2秒以下）だけ電圧が低下するいわゆる瞬低対策電源に利用される無停電電源装置が提案されている（特許文献１）。
特開2003−235179号公報（特願2002−351132号明細書）

上述の通り、独立して電力系を構成する独立発電装置において、発電機容量不足から過渡的電圧維持能力と周波数の制御精度が落ちるため、急激に大きな負荷を投入できなかった。非常用エンジン発電機単独では、特に非常用消火ポンプの場合、発電機出力容量の半分程度の負荷しか起動できないのが現状である。そのため、負荷を小分けに順次投入することで、これを回避してきた。
エンジン発電機から急に大きな負荷を取ると電流が急増して、発電機内部リアクタンスXdの存在により電圧不安定現象が起こり、電圧回復に失敗する場合がある。
さらに周波数が低下することと相俟って電圧回復に必要な界磁励磁電流の急上昇を支えることができなくなるからである。
また、瞬低対策用電源として利用される上記フライホイール付発電機は、瞬低の時間が長く（0.2秒以上）なるとフライホイールの回転数低下が起こり、供給される発電電圧が下がるため、フライホイールの回転数を復帰させるための外部のバックアップ電源が必要となる。

本発明は上述のような問題に鑑み為されたものであり、電力系統から独立して運転される原動機付き発電機や非常用エンジン発電機等の独立発電装置にフライホイール付誘導電動機を並列接続して、独立発電装置の交流出力周波数や電圧の安定化を図った安定化電源システムを提供することにより、大きな負荷の急激な投入による電圧低下や、瞬低時間の延長によるフライホイール発電電圧の低下を防止することを目的とする。

本発明は、フライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムに関し、本発明の上記目的は、エンジン発電機などの独立発電装置とフライホイール付き誘導電動機とが並列接続され、さらに前記フライホイール付き誘導電動機と負荷とがスイッチを介して接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムであって、前記フライホイールが同期速度に到達した後に前記スイッチをオンにするように制御する制御装置を備えたことを特徴とするフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記独立発電装置とフライホイール付き誘導電動機とが第２のスイッチを介して接続され、前記独立発電装置の電圧が確立した後に前記第２のスイッチをオンにするように前記制御装置が制御することを特徴とする前記フライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムによって効果的に達成される。

さらに、本発明の上記目的は、無停電負荷が第３のスイッチを介して電力系統と接続され、該無停電負荷がさらに前記フライホイール付き誘導電動機と接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムであって、前記制御装置は、前記電力系統の瞬低時に前記第３のスイッチをオフにし、前記フライホイール付き誘導電動機の発電電力を前記無停電負荷に供給するとともに、前記瞬低の持続時間が所定の時間を超えたときに前記第２のスイッチをオンにするように制御することを特徴とする前記フライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムによって達成される。

またさらに、本発明の上記目的は、前記無停電負荷が第４のスイッチを介して前記フライホイール付き誘導電動機と接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムであって、前記制御装置は、前記電力系統への再接続時に前記第３のスイッチをオンにするとともに、前記第４のスイッチをオフにして、前記フライホイール付き誘導電動機へのラッシュ電流の流入を阻止するように制御することを特徴とする前記フライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムによって効果的に達成される。

エンジン発電機等の独立発電装置にフライホイール付き誘導電動機を並列に接続することで電圧の安定度、周波数の安定度を改善することができる。

エンジン発電機の三相交流出力に並列にフライホイール付き誘導電動機を接続して同期速度付近で待機しておく。フライホイールの空転損失は少ないが無効電力対策と電圧維持のために必要に応じて進相コンデンサを接続すると良い結果となる。

このシステムに急激な電力負荷が加わった場合、エンジン発電機の出力が立ち上がるまでの間、フライホイール付き誘導電動機の大きなフライホイール効果により、電力の急激に変化する大きな部分を受け持ち、システムの周波数変化を抑える。電圧は誘導発電機の場合、漏れインピーダンスが小さいことから、エンジン発電機に並列接続することで電圧変動も減少する。

エンジン発電機単独の慣性定数の数倍の慣性定数を持つフライホイール付き誘導電動機を並列に接続すると十分な効果があることが実験により確認されている。

エンジン発電機に電気的に結合されたフライホイール付き誘導電動機による周波数変動の補償は、フライホイール付き誘導電動機がエンジン発電機に並列接続されて電源インピーダンスが低減することによる電圧変動の補償にもなることが有利である。

同期機の並列運転は動揺振動が発生して困難であるが、誘導機は並列接続が容易であるのでフライホイール付き誘導電動機は必要に応じて複数台を電気的に接続することで大容量化が図れる。

図１は本発明に係るフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムの第１の実施形態を示すブロック結線図であり、図１を参照して説明する。
エンジン発電機１に発電機接続スイッチ８を介してフライホイール２が付けられたかご型誘導電動機３が並列に接続されており、さらに負荷接続スイッチ６を介して負荷４が接続されている。ここで、負荷４は、突然投入されると、過渡的状態ではエンジン発電機１の電圧と周波数が大きく低下し、過渡状態を脱するのに数秒の時間を必要とするような大きな容量を有するものとする。
制御装置５は所定の条件の下にスイッチ６及び８のオン／オフを制御するものである。電圧検出器Ａはエンジン発電機１の出力電圧をモニターし、モニターされた電圧は制御装置５に伝えられ、エンジン発電機１の出力電圧が確立したところでスイッチ８がオンになるように制御される。なお、進相コンデンサは位相を進めて力率を改善するために必要に応じて挿入されるものであるが、必須のものではない。
また、フライホイール２は、11kWの汎用かご型誘導電動機３に回転スピード1500rpmを与えたときに、215kJの回転エネルギーを蓄積する重量350kgの円盤である。エンジン発電機１の定格出力は5kWである。

各スイッチの動作は、図１に示すように、エンジン発電機の立上時はまだ電圧が確立していないので、スイッチ８及び６は両方ともオフのままであり、エンジン発電機１の電圧が確立するとスイッチ８がオンになり、誘導電動機３が回転するとともにフライホイール２も回転して回転エネルギーが蓄えられる。フライホイール２の回転速度が同期速度に達すると負荷４の接続（スイッチ６のオン）がスタンバイ状態になり、任意のタイミングで負荷４を接続することが可能となる。
なお、フライホイール２の回転速度が同期速度に達したか否かは、誘電電動機３に流れる電流を監視すればよく、無負荷時の定常電流に近くなった時に、待機状態になったと判定できる。また、誘導電動機３の端子電圧を監視することによっても判定できる。さらには、当然ながらフライホイールの回転速度を計測することによっても判定できる。

負荷４が接続される（スイッチ６がオンになる）と、誘導電動機３は電動機から発電機に変わり、発電電力が負荷４に供給される。従って、負荷４にはエンジン発電機１からの電力と誘導電動機３からの電力との和に相当する電力が供給されることになるので、負荷４の投入によってエンジン発電機１の出力電圧と周波数が大きく低下することを防止することができる。

図２は、第１の実施形態における負荷投入時の電圧、負荷電力、エンジン発電機の出力及びフライホイール付き誘導電動機の出力波形（実測結果）を示す図である。
図中、１）は、t＝0からt＝1秒まで負荷を接続しないで、フライホイール付き誘導電動機３のみを接続した状態で待機しておいて、t＝1秒で約5kWの抵抗負荷４を投入し、その後の経過状態を示したものである。
電圧は瞬間的に少し下がるが、許容範囲である。その後、その電圧を定常的に維持できていることを示している。

図２の２）は、電源電圧の変化に応じた負荷電力の時間変化である。ほぼ一定であることがわかる。３）はエンジン発電機１の出力電力を示している。４）はフライホイール付き誘導電動機３の出力電力の波形を示しており、負荷４の接続直後から発電機として負荷４に電力を供給していることが分かる。

図２からわかるように、エンジン発電機出力とフライホイール付き誘導電動機の負荷分担が振動や不安定が発生することなく行われている。すなわち、エンジン発電機の出力電力P_EG(W)とフライホイール付き誘導機出力電力P_FW(W)との差が負荷電力Load(W)になっていることを示している。これは、位相角によらず回転数と電圧によって電力が充放電されるフライホイール付き誘導電動機の利点である。

図３は、本発明に係るフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムの第２の実施形態を示すブロック結線図である。これは瞬低対策用のフライホイール付き誘導電動機３のフライホイール効果を利用してエンジン発電機１を安定化する場合を示している。
すなわち、電力系統１２に電力系統連系スイッチ９を介して無停電負荷１１が接続され、さらに無停電負荷１１はフライホイール再接続スイッチ１０を介してフライホイール付き誘導電動機３に接続されている。スイッチ９及び１０のオン／オフは制御装置５によって制御される。
定常状態においては、スイッチ６，９及び１０がオンで、スイッチ８がオフになっている。このとき、フライホイール２は電力系統１２からの電力によって回転して回転エネルギーを蓄積している。

電源系統１２が落雷等により瞬低になると、電圧検出器Ｂが瞬低を検出し、制御装置５によってスイッチ６及び９をオフにする。そうすると、フライホイール付き誘導電動機３は発電機となって無停電負荷１１に電力を供給し続ける。従って、エンジン発電機１を起動する必要は無いが、瞬低が0.2秒を超えて持続した場合（タイマーで検出する。）は、フライホイールのみでバックアップするのには限界があるので、エンジン発電機１を起動する。無停電負荷１１へはエンジン発電機１の電圧が確立するまで、フライホイール付き誘導電動機３から給電する。給電される電圧がフライホイールの回転数低下とともに低下するが、進相コンデンサを順次投入することで電圧を維持しつつ、エンジン発電機１の電圧が確立したところで、位相を選択して発電機接続スイッチ８をオンにする。
なお、負荷４の再接続は、フライホイール２の回転速度が同期速度に達した後に行う。

電力系統１２が復帰した場合にスイッチ８をオフにするとともに、スイッチ９をオンにするが、このときスイッチ１０もオフにしてフライホイール付き誘導電動機３にラッシュ電流が流入しないようにするのが好ましい。

エンジン発電機１はガソリンエンジンの場合、約２秒で起動できるので、フライホイール２の蓄積エネルギーで無停電負荷１１を維持することが可態である。この場合、フライホイール付き誘導電動機３はエンジン発電機１を接続したときも切り離さないでエンジン発電機１の電圧と周波数の安定化に用いることが本願発明の第２実施形態の特徴である。

エンジン発電機に代表される系統に結合されない独立分散電源において、急激に大容量負荷を投入するとき、過渡的に電圧と周波数の変動が大きく生じて、他の負荷への影響が問題になる場合、誘導電動機にフライホイールを結合したフライホイール付き誘導電動機を結合して回転待機するだけで急激な負荷投入に耐える電力システムになる。

エンジン発電機の電圧変動が過渡的に安定になること、定格いっぱいの負荷の投入が可能になること、又は、起動時にラッシュ電流が流れる負荷の投入が可能になることはエンジン発電機の性能を常に定格最大まで発揮できることであり、従来、負荷より大きめの定格の発電機で安定度を確保してきた用途には経済的な発電システムを提供できる。

運転方法にもよるが、常時フライホイール付き誘導電動機をエンジン発電機に並列接続して運転する場合、運転電力が本システムの損失になってくる。
しかし、定格回転数1500rpm付近における運転時の電力は10kW−30秒の容量のフライホイールで実測した結果、300W程度以下であるので、10kWエンジン発電機の効率から考えて、新たに加わるフライホイールの運転損は問題にはならないと言える。

エンジンの代わりに他の原動機により駆動される発電機システムでも効果は同じである。発電機の代わりにインバータなど過負荷耐量に制限がある電源の場合においても、十分なフライホイール効果のあるフライホイール付き誘導電動機を接続した本発明のシステムは効果を発揮する。

本発明に係るフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムの第１の実施形態を示すブロック結線図である。 第１の実施形態における負荷投入時の電圧、負荷電力、エンジン発電機の出力電力、フライホイール付き誘導電動機の出力電力波形を示す図である。 本発明に係るフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムの第２の実施形態を示すブロック結線図である。

符号の説明

１ エンジン発電機(独立発電装置)
２ フライホイール
３ かご型誘導電動機
４ 負荷（大容量負荷）
５ 制御装置（コンデンサ）
６ 負荷接続スイッチ
７ 三相線路
８ 発電機接続スイッチ
９ 電力系統連系スイッチ
１０ フライホイール再接続スイッチ
１１ 無停電負荷
１２ 電力系統

Claims (4)

1. エンジン発電機などの独立発電装置とフライホイール付き誘導電動機とが並列接続され、さらに前記フライホイール付き誘導電動機と負荷とがスイッチを介して接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムであって、
   前記フライホイールが同期速度に到達した後に前記スイッチをオンにするように制御する制御装置を備えたことを特徴とするフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システム。
   
2. 前記独立発電装置とフライホイール付き誘導電動機とが第２のスイッチを介して接続され、前記独立発電装置の電圧が確立した後に前記第２のスイッチをオンにするように前記制御装置が制御することを特徴とする請求項１に記載のフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システム。
   
3. 無停電負荷が第３のスイッチを介して電力系統と接続され、該無停電負荷がさらに前記フライホイール付き誘導電動機と接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムであって、
   前記制御装置は、前記電力系統の瞬低時に前記第３のスイッチをオフにし、前記フライホイール付き誘導電動機の発電電力を前記無停電負荷に供給するとともに、前記瞬低の持続時間が所定の時間を超えたときに前記第２のスイッチをオンにするように制御することを特徴とする請求項２に記載のフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システム。
   
4. 前記無停電負荷が第４のスイッチを介して前記フライホイール付き誘導電動機と接続されたフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システムであって、
   前記制御装置は、前記電力系統への再接続時に前記第３のスイッチをオンにするとともに、前記第４のスイッチをオフにして、前記フライホイール付き誘導電動機へのラッシュ電流の流入を阻止するように制御することを特徴とする請求項３に記載のフライホイール付き誘導電動機を並列接続した安定化電源システム。

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