JP2006254544A

JP2006254544A - 発電機の電圧調整装置

Info

Publication number: JP2006254544A
Application number: JP2005064756A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Shirai; 信宏白井; Manabu Washizu; 学鷲津
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】電圧加減器によって設定電圧を定格電圧より高く設定した場合でも、周波数に応じて設定電圧を補正することにより、界磁巻線の温度上昇、焼損を確実に防止することができる発電機の電圧調整装置を提供する。
【解決手段】同期発電機１２から出力される電圧を設定電圧に保持する自動電圧調整器と、設定電圧を調整するための電圧加減器１６とを備えた発電機の電圧調整装置１１であって、周波数に応じてあらかじめ設定される許容最高電圧と、電圧加減器１６に設定された電圧とを比較し、測定した周波数に対応する許容最高電圧と電圧加減器に設定された電圧のいずれか低い方の電圧を設定電圧として選択する電圧補正手段１７を設け、発電機の発電電圧が許容最高電圧を超えないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機の電圧調整装置に関し、詳しくは、エンジンで駆動する交流同期発電機から出力される電圧を所定の電圧に自動的に調整するための発電機の電圧調整装置に関する。

図６に示すように、ディーゼルエンジン（Ｅ）５１等で発電機（Ｇ）５２を駆動する可搬式のエンジン発電機５３では、モーター等の負荷に供給する電圧の変動率が数パーセント以内であることが求められているため、負荷の変動や周波数の変動にかかわらず出力する電圧を一定に保つための自動電圧調整器５４を備えている（例えば、特許文献１参照。）。

自動電圧調整器５４は、発電機から出力される電圧（発電電圧）を電圧検出器で検出するとともに、周波数を周波数検出器で検出し、検出した電圧及び周波数に対応した信号と、電圧設定器に設定された電圧（設定電圧）信号とを比較器で比較し、比較器での比較結果に基づいて変調器で発電機の界磁巻線５５に与える電流（界磁電流）を調整することにより、発電機５２から出力される電圧が一定になるようにしている。なお、発電機５２の回転数と周波数とは比例するため、周波数に対応した信号は回転数に対応した信号と同じものとして扱うことができるので、周波数の検出と発電機の回転数の検出とは同じ意味である。

さらに、図７に示すように、交流同期発電機では、発電機の回転数（周波数）が低くなると、破線Ａで示す所定の電圧を得るためには、破線Ｂで示すように、周波数の低下に伴って界磁電流を増加させなければならない。しかし、界磁電流を増加させると界磁巻線の温度上昇が問題になるため、周波数検出器で検出した周波数があらかじめ設定された下限設定周波数ｆ_０以下になったときには、比較器から変調器に、実線Ｃに示すように界磁電流を抑制する信号が出力され、界磁巻線の温度上昇による焼損を防止して発電機を保護するようにしている。下限設定周波数ｆ_０以上では、前記自動電圧調整器の作用で発電電圧は一定に保たれ、下限設定周波数ｆ_０以下では、実線Ｄで示すように、界磁電流の抑制に伴って発電電圧は低下する。また、図７から明らかなように、発電電圧が等しければ、周波数が低いほど、例えば、６０Ｈｚに比べて５０Ｈｚでは界磁電流が大きくなり、界磁焼損の危険度が増している。

また、図８に示す発電機の無負荷飽和特性からもわかるように、発電電圧が高いほど界磁電流は大きくなるが、発電電圧が高くなるにつれて飽和し、ある発電電圧を超えると界磁電流が急激に増加する。このように、発電電圧の上昇は、界磁巻線にとって焼損のおそれが高くなるので、使用時の発電電圧は定格電圧になるように設定することが望ましい。

すなわち、発電機は、基本的には定格電圧、定格周波数で運転するのが理想であるが、工事用の電源や一時的なイベント用の電源等として多く用いられている可搬式エンジン発電機では、電圧や周波数を調整できるようにしているものが多い。例えば、図９は、電圧調整を行えるようにした自動電圧調整器の一例を示すブロック図であって、このブロック図に示すように、発電機から出力された電圧と比較するための設定電圧を設定する部分に電圧加減器５６と称するボリュームを設け、このボリュームを操作することによって最低電圧から最高電圧まで設定電圧を調整する方式が一般的に採用されている。

図９に示す自動電圧調整器では、比較器５７において、電圧検出器５８で検出した電圧に対応した信号と、前記電圧加減器５６に設定した設定電圧に対応した信号とを比較するとともに、周波数検出器５９で検出した周波数に対応した信号とを比較し、比較結果に基づいて、変調器６０からは、前述の図７に示したように、下限設定周波数ｆ_０以上では発電電圧を一定に保持する界磁電流が、下限設定周波数ｆ_０以下では界磁巻線の焼損を防止する界磁電流が、それぞれ界磁巻線に出力される。

一方、前述の図７や図８からもわかるように、周波数が高いときには界磁電流をそれほど多くしなくても発電電圧を高くすることができるので、測定した周波数に応じて設定電圧を自動的に異なる電圧に変化させるようにした自動電圧調整器も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１−１８５１９８号公報特開２０００−１９７３９５号公報

常用発電機や非常用発電機として定位置に据え付けられて使用される据付型のエンジン発電機では、発電電圧及び周波数を一定として使用されるが、使用場所が特定されない前述の可搬式エンジン発電機では、使用場所に応じて周波数を５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚのいずれかに設定して運転し、電圧は前記電圧加減器を運転者が操作することによって調整されている。

通常、可搬式エンジン発電機における定格電圧は、５０Ｈｚ時は２００Ｖ、６０Ｈｚ時は２２０Ｖに設定されているものが多い。一方、界磁電流は、理論的には概ね電圧に比例し、周波数に逆比例するので、５０Ｈｚ、２００Ｖで運転しているときの界磁電流は、６０Ｈｚ、２２０Ｖで運転しているときの界磁電流よりも大きくなる。界磁巻線の温度上昇は、界磁電流の多い方が大きくなり、発電機の回転数から見ると、冷却効果が下がる低い回転数の方が界磁電流が大きくなることなどから、６０Ｈｚ、２２０Ｖ運転時に比べて５０Ｈｚ、２００Ｖ運転時は、界磁巻線の温度が上昇し易い状態となっている。

また、通常の発電電圧の設定は、運転者が電圧計を見ながら前記電圧加減器のつまみを操作して可変抵抗器の抵抗値を調整することにより、発電電圧を定格電圧に合わせる操作を行っている。しかし、電圧計の精度や運転者の意図によって正しく定格電圧に設定されないこともある。さらに、常用発電機や非常用発電機として使用される据付型のエンジン発電機の取り扱いが特定の管理者等に限られているのに対し、可搬式エンジン発電機では取り扱う運転者のレベルが一定ではなく、運転者によるばらつきも生じることがある。

前述のように、発電電圧を定格より高く設定すると、界磁電流が増加して界磁巻線への温度上昇の影響が大きくなる。したがって、界磁巻線にとって焼損のおそれが高くなるので、最高電圧はできるだけ低く設定することが望ましい。特に、５０Ｈｚの方が６０Ｈｚより飽和度が高いので、発電電圧の最高電圧は、５０Ｈｚと６０Ｈｚとで同じ値にせず、５０Ｈｚの方が低くなるような差を付けることが望ましい。しかし、一般に周波数にかかわらず最高電圧は一定とされているので、最高電圧が同じに設定された場合は、界磁巻線の温度上昇の面では、５０Ｈｚは６０Ｈｚに比べて非常に不利であり、６０Ｈｚでは焼損しないが、５０Ｈｚでは焼損することもあり得る。

また、前記特許文献２に記載された自動電圧調整器は、周波数に応じて発電電圧を調整できるようにはしているものの、あくまでも定格電圧での運転を前提としたものであり、前記電圧加減器によって発電電圧の設定値が高く設定された場合の界磁巻線の温度上昇には対応できなかった。すなわち、特許文献２に記載された自動電圧調整器は、５０Ｈｚ、２００Ｖで運転していたときに周波数が多少変動しても電圧を２００Ｖに維持し、６０Ｈｚ、２２０Ｖで運転していたときに周波数が多少変動しても電圧を２２０Ｖに維持しようとするものであり、設定電圧の影響、特に前記電圧加減器による界磁巻線の温度上昇の影響についてはまったく考慮していない。

そこで本発明は、電圧加減器によって設定電圧を定格電圧より高く設定した場合でも、周波数に応じて設定電圧を補正することにより、界磁巻線の温度上昇、焼損を確実に防止することができる発電機の電圧調整装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の発電機の電圧調整装置における第１の構成は、同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機の界磁電流を調整することにより発電電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持するための自動電圧調整器と、該自動電圧調整器における前記設定電圧を調整するための電圧加減器とを備えた発電機の電圧調整装置において、周波数に応じてあらかじめ設定される許容最高電圧と、前記電圧加減器に設定された電圧とを比較し、測定した周波数に対応する許容最高電圧と電圧加減器に設定された電圧のいずれか低い方の電圧を前記設定電圧として選択する電圧補正手段を設けたことを特徴としている。

また、本発明の発電機の電圧調整装置における第２の構成は、同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機の界磁電流を調整することにより発電電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持するための自動電圧調整器と、該自動電圧調整器における前記設定電圧を調整するための電圧加減器とを備えた発電機の電圧調整装置において、外部スイッチの状態によって設定される許容最高電圧と、前記電圧加減器に設定された電圧とを比較し、前記外部スイッチによって設定された許容最高電圧と電圧加減器に設定された電圧のいずれか低い方の電圧を前記設定電圧として選択する電圧補正手段を設けたことを特徴としている。

前記第１の構成によれば、周波数に応じて自動電圧調整器の設定電圧を自動的に許容最高電圧以下に補正することができる。また、第２の構成によれば、例えば、可搬式エンジン発電機の使用場所に応じて特定の管理者が５０Ｈｚ、６０Ｈｚに応じた許容最高電圧をあらかじめ設定しておくことにより、運転者が電圧加減器によって使用時の設定電圧を高く設定してしまったときでも、自動電圧調整器における設定電圧を許容最高電圧以下に補正することができる。

したがって、本発明によれば、使用場所が特定されない可搬式エンジン発電機において、電圧加減器によって運転時の設定電圧が高く設定されても、自動電圧調整器における設定電圧を許容最高電圧以下に設定することができるので、界磁電流の増大による界磁巻線の温度上昇、焼損を確実に防止できる。

図１乃至図３は、本発明の発電機の電圧調整装置の第１形態例を示すもので、図１は電圧調整装置のブロック図、図２は設定電圧の補正例を示す図、図３は同じく設定電圧の他の補正例を示す図である。

電圧調整装置１１において、発電機（Ｇ）１２からの出力は、変圧器１３で所定の低電圧に変換されて自動電圧調整器１１内に取り込まれ、電圧検出器に相当する整流回路１４で発電電圧に応じた直流電圧からなる信号Ｓ２１に変換されるとともに、周波数検出器に相当する周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ）１５で周波数に応じた直流電圧からなる信号Ｓ２２に変換される。また、電圧加減器１６からは、運転者が設定した電圧に対応する信号Ｓ２３が出力され、設定電圧を補正する手段である設定電圧補正回路１７に入力されている。

この設定電圧補正回路１７には、周波数に応じた許容最高電圧があらかじめ設定されており、例えば、定格が５０Ｈｚ、２００Ｖ及び６０Ｈｚ、２２０Ｖの発電機では、５０Ｈｚで定格電圧（２００Ｖ）＋１０％の２２０Ｖ，６０Ｈｚでは同様にして＋１０％の２４２Ｖというように、定格電圧＋１０％の電圧、あるいは、定格電圧＋２０％などのように発電機の能力等の条件に応じて許容最高電圧があらかじめ設定されている。

設定電圧補正回路１７では、Ｆ／Ｖ１５からの信号Ｓ２２に対応した前記許容最高電圧値と、電圧加減器１６からの信号２３に対応した電圧値とを比較し、いずれか低い方の電圧値を設定電圧として選択する。例えば、５０Ｈｚでの許容最高電圧が２２０Ｖに設定されていたとき、測定した周波数が５０Ｈｚの場合は、電圧加減器１６で２２０Ｖを超える電圧を設定しても、設定電圧補正回路１７からは、低い方の電圧値である２２０Ｖが設定電圧として選択され、電圧加減器１６での設定電圧が補正される。一方、電圧加減器１６で２２０Ｖ以下の電圧、例えば２１０Ｖが設定された場合は、低い方の電圧である２１０Ｖがそのまま設定電圧として選択される。

設定電圧補正回路１７から出力される各周波数に対する設定電圧の最高値は、図２に示すように、５０Ｈｚ、２２０Ｖの点と、６０Ｈｚ、２４２Ｖの点とを結ぶ直線Ｌ１を基準とし、周波数に比例して変化させるようにしてもよく、図３に示すように、ある周波数範囲で一定となるように、特定の周波数、例えば、中間の周波数の５５Ｈｚを境にして、それ未満では５０Ｈｚに対応した２２０Ｖを、それ以上では６０Ｈｚに対応した２４２Ｖを設定電圧最高値とするように階段状に変化させるようにしてもよい。なお、周波数が低いときの設定電圧最高値は、下限設定周波数ｆ_０以下で調整される電圧値、すなわち、図７の実線Ｄに対応する直線Ｌ２を延長し、図２では前記直線Ｌ１と交わる点Ｐ１、図３では５０Ｈｚに対応した２２０Ｖの点Ｐ２を境とし、点Ｐ１，Ｐ２以下の周波数では、界磁電流の制御を優先して行うようにしておくことにより、設定電圧補正回路１７で選択した設定電圧に関係なく界磁電流を調整して界磁巻線の温度上昇を防止することができる。

このようにして設定電圧補正回路１７で選択した設定電圧に対応する直流電圧からなる信号Ｓ２４と、整流回路１４からの信号Ｓ２１と電圧比較回路１８が比較され、電圧比較回路１８での比較結果が周波数比較回路１９に入力される。この周波数比較回路１９には、前記Ｆ／Ｖ１５からの信号Ｓ２２を周波数補正回路２０で所定の直流電圧に補正した周波数の信号Ｓ２５が入力されており、あらかじめ設定されている前述の下限設定周波数（ｆ_０）に対応した信号との比較が行われることにより、検出した電圧と周波数とに応じた信号Ｓ２６がＰＩＤ回路２１に送られる。ＰＩＤ回路２１では、そのときの電圧及び周波数に対応した最適制御を算出し、ＰＷＭ回路２２により出力トランジスタ２３を作動させて界磁巻線に供給する界磁電流を発生させる。

これにより、発電機１２から出力される電圧が、設定電圧補正回路１７で選択した設定電圧に自動的に調整されるので、電圧計の精度や運転者の意図によって電圧加減器１６で高い電圧が設定されてしまった場合でも、界磁巻線の界磁電流が過度に増加することがなく、界磁巻線の温度上昇や焼損を確実に防止できる。特に、低周波数側の５０Ｈｚにおける許容最高電圧を６０Ｈｚよりも低く設定しておくことにより、可搬式エンジン発電機のように使用場所の周波数が特定されない発電機の場合でも、界磁巻線の温度上昇、焼損をより確実に防止できる。

図４及び図５は、本発明の発電機の電圧調整装置の第２形態例を示すもので、図４は電圧調整装置のブロック図、図５は設定電圧の補正例を示す図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した電圧調整装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例は、前記設定電圧補正回路１７にあらかじめ設定する許容最高電圧を、外部スイッチ３１により切り替えるように形成している。例えば、外部スイッチ３１がＯＮになると所定の信号Ｓ３１が設定電圧補正回路１７に入り、設定電圧補正回路１７では、この信号を受信したときには許容最高電圧を、例えば５０Ｈｚの定格電圧＋１０％に対応した２２０Ｖとし、外部スイッチ３１がＯＦＦで信号Ｓ３１の入力がないときには許容最高電圧を、例えば６０Ｈｚの定格電圧＋１０％に対応した２４２Ｖとするように形成している。

外部スイッチ３１のＯＮ／ＯＦＦは、使用時に運転者が行うのではなく、例えば、発電機の使用場所が５０Ｈｚ地区の場合は外部スイッチ３１をＯＮ、６０Ｈｚ地区の場合は外部スイッチ３１をＯＦＦとする操作を可搬式エンジン発電機の管理者の責任で行うことにより、許容最高電圧の設定ミスを無くすことができる。さらに、外部スイッチ３１を、通常の使用時に運転者が操作しにくい位置に設けたり、特定の鍵でのみＯＮ／ＯＦＦ操作できるようにしておくこともできる。

このように形成した電圧調整装置では、図５に示すように、設定電圧補正回路１７で選択される設定電圧最高値は、電圧加減器１６で高い電圧が設定された場合でも、前記第１形態例と同様にして設定電圧補正回路１７にて電圧値の比較及び補正が行われ、外部スイッチ３１がＯＮでは５０Ｈｚに対応した２２０Ｖの直線Ｌ３以下、外部スイッチ３１がＯＦＦでは６０Ｈｚに対応した２４２Ｖの直線Ｌ４以下にそれぞれ設定されるので、界磁電流が過度に増加して界磁巻線が温度上昇したり、焼損したりすることを確実に防止できる。この場合も、低い周波数範囲では、図７の実線Ｄに対応する直線Ｌ５と前記直線Ｌ３，Ｌ４との交点Ｐ３，Ｐ４以下では、外部スイッチ３１のＯＮ／ＯＦＦに関係なく周波数に応じた界磁電流の制御を行うことにより、界磁巻線の温度上昇や焼損を防止できる。

なお、設定電圧補正回路１７を電圧加減器１６に組み込み、外部スイッチ３１のＯＮ／ＯＦＦによって電圧加減器１６の抵抗値を切り替えるように回路を構成し、電圧加減器１６を最大に調整しても設定電圧最高値を超える信号が電圧比較回路１８に出力されないように、すなわち、電圧加減器１６からの信号自体を補正するように形成することも可能である。

本発明の発電機の電圧調整装置の第１形態例を示すブロック図である。設定電圧の補正例を示す図である。設定電圧の他の補正例を示す図である。本発明の発電機の電圧調整装置の第２形態例を示すブロック図である。設定電圧の補正例を示す図である。一般的なエンジン発電機の概略ブロック図である。周波数と発電電圧及び界磁電流との関係を示す図である。発電電圧と界磁電流との関係を示す図である。自動電圧調整器の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１１…電圧調整装置、１２…発電機、１３…変圧器、１４…整流回路、１５…周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ）、１６…電圧加減器、１７…設定電圧補正回路、１８…電圧比較回路、１９…周波数比較回路、２０…周波数補正回路、２１…ＰＩＤ回路、２２…ＰＷＭ回路、２３…出力トランジスタ、３１…外部スイッチ

Claims

同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機の界磁電流を調整することにより発電電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持するための自動電圧調整器と、該自動電圧調整器における前記設定電圧を調整するための電圧加減器とを備えた発電機の電圧調整装置において、周波数に応じてあらかじめ設定される許容最高電圧と、前記電圧加減器に設定された電圧とを比較し、測定した周波数に対応する許容最高電圧と電圧加減器に設定された電圧のいずれか低い方の電圧を前記設定電圧として選択する電圧補正手段を設けたことを特徴とする発電機の電圧調整装置。
同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機の界磁電流を調整することにより発電電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持するための自動電圧調整器と、該自動電圧調整器における前記設定電圧を調整するための電圧加減器とを備えた発電機の電圧調整装置において、外部スイッチの状態によって設定される許容最高電圧と、前記電圧加減器に設定された電圧とを比較し、前記外部スイッチによって設定された許容最高電圧と電圧加減器に設定された電圧のいずれか低い方の電圧を前記設定電圧として選択する電圧補正手段を設けたことを特徴とする発電機の電圧調整装置。