JP2008061285A - 動力回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】系統保護機能等を備えることなく、エネルギー源のエネルギーを用いて生成された電力を有効に利用できるようにする。
【解決手段】系統電源に系統連系される主電源系統と、
前記主電源系統に接続された電動機と、
前記主電源系統とは独立して構成され、エネルギー源のエネルギーを利用して生成された電力を供給してこの電力に応じた前記電動機への駆動力付与が可能な補助電源系統と、
前記電動機による逆潮が生じないように、前記補助電源系統による電力供給を制御する制御器と、を備えている
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧空気、蒸気等のエネルギー源のエネルギーを電動機の駆動力として回収する動力回収システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、蒸気などのエネルギー源を用いてタービンを駆動して発電を行うシステムが知られている。この特許文献１のシステムは、発電機にスクリュー式膨張機が連結されており、このスクリュー式膨張機に蒸気が導入されると同膨張機が駆動し、これにより発電機で発電するようになっている。

一方、下記特許文献２及び３には、発電ユニットが系統連系用インバータを介して商用系統に系統接続されたシステムが開示されている。例えば特許文献２のシステムでは、風力発電ユニット、太陽光発電ユニットといった複数の発電ユニットや電力貯蔵ユニットがＤＣバスに接続されており、出力電力の変化の激しい発電ユニットを接続するためのシステムとなっている。
特開昭６１−２９１７０６号公報 特開２００３−３３９１１８号公報 特開２００５−３９９３５号公報

ところで、前記各特許文献に開示されたシステムは、発電を行うシステムになっているので、系統連系の技術ガイドラインに沿った系統保護機能等を備える必要がある。すなわち、特許文献１のシステムでは、例えば工場内の特定の機械に電力を供給する場合に、工場内電源に干渉する可能性があるうえ、外部の電力供給線とも接続されるので系統保護機能等が必要となる。また、設置機器の規模に応じて電力会社との連系協議を行って個々に連系保護システムを備える必要がある。ここで扱う動力が事業所内全体の中で消費する分を超えなくても、「逆潮無し」の形で連系申請を行う必要がある。一方、特許文献２及び３のシステムでは、何れも系統連系する必要があるので、電力が外部に供給される可能性がある場合（逆潮流あり）、無い場合（逆潮流なし）に応じて系統保護機能を設ける必要がある。外部の系統に影響を与えなくても、分散電源側に問題があれば、設備内電力機器に影響を与える可能性があるからである。したがって、従来のシステムでは、エネルギー源のエネルギーを用いて生成される電力を利用する点で有効ではあるが、この発電された電力が他の電力機器へ影響を与える虞があり、しかも系統保護機能等が必要とされるという煩わしさがある。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、系統保護機能等を備えることなく、エネルギー源のエネルギーを用いて生成された電力を有効に利用できるようにすることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、エネルギー源のエネルギーを動力として回収する動力回収システムであって、系統電源に系統連系される主電源系統と、前記主電源系統に接続された電動機と、前記主電源系統とは独立して構成され、エネルギー源のエネルギーを利用して生成された電力を供給してこの電力に応じた前記電動機への駆動力付与が可能な補助電源系統と、前記電動機による逆潮が生じないように、前記補助電源系統による電力供給を制御する制御器と、を備えている。

本発明では、主電源系統から供給される電力によって電動機を駆動する一方、補助電源系統を通して供給される電力によってこの電動機の駆動力補助を行うため、エネルギー源のエネルギーを電動機の駆動力として回収することができる。しかも、電動機による逆潮が回避されるように補助電源系統による電力供給を制御するので、系統保護機能等を設ける必要はない。なお、逆潮が起こらない範囲で制御を行う場合には、発電領域に移行する場合があるが、この場合でも、発電量が設備全体の中の受電容量に比べて十分に小さい場合には、逆潮が起こらないため、補助電源系統による電力供給量を直ちに抑える必要はない。

ここで、前記制御器は、前記電動機の機械角が電気角よりも大きくならないように前記補助電源系統による電力供給を制御することが可能である。

この態様では、電動機の機械角が電気角に先行しないように補助電源系統による電力供給が制御されるので、電動機が発電するのを確実に回避することができる。

また前記電動機とは別個に構成され、前記電動機の回転軸と接続される回転軸を有する補助電動機を備え、この補助電動機が前記補助電源系統に接続されていてもよい。

この態様は、電動機と補助電動機とを接続する構成なので、既存の電動機の駆動力補助に利用することができる。すなわち、補助電動機の回転軸を既存の電動機の回転軸に接続することで、エネルギー源のエネルギーを電動機の駆動力として回収することができる。

この態様において、前記制御器は、前記補助電動機の回転速度が前記電動機の回転速度に一致するように前記補助電源系統による電力供給を制御するのが好ましい。

この態様では、電動機の回転速度と補助電動機の回転速度が一致するように制御されるので、補助電動機の駆動力によって電動機が増速されることはない。この結果、電動機が発電するのを確実に回避することができる。

一方、前記電動機には、前記主電源系統に接続された巻き線が装着されるとともに、前記補助電源系統に接続された巻き線が装着されていてもよい。

この態様では、電動機に主電源系統の電力が供給されるとともに補助電源系統の電力が供給される。このため、この電動機と別個に電動機を設ける必要がなく、動力回収システム全体としてコンパクトな設計にすることができる。

この態様において、前記制御器は、両巻き線での電流位相が一致するように前記補助電源系統による電力供給を制御するのが好ましい。

この態様では、各電源系統から供給される電力を有効に加算することができるので、電動機の駆動効率を向上させることができる。

さらに、前記電動機が、回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備える場合には、前記制御器は、検出された回転角に基づいて両巻き線での電流位相が一致するように前記補助電源系統による電力供給を制御するのが好ましい。

この態様では、検出された回転角を用いることで両巻き線での電流位相を一致させるので、各巻き線の電流位相、電圧位相を検出する必要がなくなる。このため、例えば永久磁石同期電動機のように回転子角度検出センサを有する電動機では、この検出センサを利用することができるため、この場合には新たに電流検出センサ等を追加する必要がなくなる。

また、前記主電源系統の巻き線と前記補助電源系統の巻き線とが異なるスロットに配置されていてもよい。

この態様では、電動機内の空間を有効に利用することができる。

また、前記補助電源系統は、複数のエネルギー源に接続可能に構成されるとともに、各エネルギー源から得られる電力を個別に直流電力に変換するコンバータが設けられていてもよい。

この態様では、各エネルギー源に基づく電力が個別に変換されるので、一定の直流電圧を確保し易くすることができる。これにより、電源の多様性を吸収することができる。

以上説明したように、本発明によれば、系統保護機能等を備えることなく、動力源を用いて生成された電力を有効に利用することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明に係る動力回収システムの一実施形態を概略的に示している。本実施形態１の動力回収システム１０は、主電源系統１３と、この主電源系統１３に接続された電動機の一例としての主モータ１５と、補助電源系統３０と、この補助電源系統３０に接続された補助電動機の一例としての補助モータ３３と、制御器６０とを備えている。

主電源系統１３は、系統電源１７に系統連系されており、系統電源１７から三相交流の電力が供給される。また、主電源系統１３は電力変換器（コンバータインバータ）１９を有しており、この電力変換器１９は、系統電源１７から供給された三相交流の電力を所定の周波数に変換するとともに、所定の電圧に変換する。

主モータ１５は、同期電動機によって構成されている。また主モータ１５には、回転子の回転角を検出するための回転子角度検出センサ２１が設けられている。この回転子角度検出センサ２１は、例えばホール素子からなる。なお、多くの場合、永久磁石同期電動機には、同期はずれを防ぐために回転子位置センサが備えられる。主モータ１５が永久磁石同期電動機ならば、回転子位置センサを回転子角度検出センサ２１として適用すればよい。

主モータ１５の回転軸１５ａと補助モータ３３の回転軸３３ａとは、カップリング２０を介して互いに接続されている。そして、主モータ１５の回転軸１５ａが負荷に接続されていて、主モータ１５の駆動により、負荷２３に駆動力が付与されるようになっている。

補助電源系統３０は、発電機３５を有しており、この発電機３５によって発電された電力を補助モータ３３に供給可能に構成されている。発電機３５の回転軸は、高圧空気、蒸気等のエネルギーによって駆動するエネルギー源の一例としてのスクリューエキスパンダ３７の駆動軸に結合されており、スクリューエキスパンダ３７の駆動力に応じた電力を生成する。なお、エネルギー源は、高圧ガス、蒸気等のエネルギーによって駆動するものに限られるものではなく、例えば太陽光、風力等のエネルギーで駆動するものであってもよい。

補助電源系統３０は、発電機３５で生成された三相交流を所定電圧の直流電流に変換するコンバータ３９と、このコンバータ３９で得られた直流電流を所定周波数の三相交流に変換するインバータ４１とを有する。このインバータ４１で生成された三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）交流の電力が補助モータ３３に供給されるようになっている。

補助モータ３３は、同期電動機によって構成されており、例えば回転子４３に永久磁石４３ａが設けられた永久磁石同期電動機とされる。補助モータ３３の固定子４５には、補助電源系統３０のｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれの巻き線４７が設けられており、補助モータ３３は、インバータ４１から出力された三相交流電力で駆動するようになっている。

制御器６０は、電気角導出部６１と、機械角導出部６２と、主モータ１５における位相差を導出する位相差導出部６３と、この位相差導出部６３によって導出された位相差に応じて、インバータ４１を制御する電力制御部６４とを有する。電気角導出部６１は、主モータ１５に供給される各相の交流電流から各相の位相である電気角を導出する。機械角導出部６２は回転子角度検出センサ２１から出力された信号に基づいて主モータ１５の回転子４３の位相（回転角）である機械角を導出する。位相差導出部６３は、電気角導出部６１によって導出された電気角と機械角導出部６２によって導出された機械角とを用い、電気角と機械角の位相差を導出する。

電力制御部６４は、電気角から機械角を差し引きした位相差がマイナスにならないように補助電源系統３０のインバータ４１を制御する。すなわち、主モータ１５と補助モータ３３とは互いに連結されており、補助モータ３３が主モータ１５を補助する関係となっている。そして、この補助モータ３３に供給される電力がインバータ４１で調整されるため、電力制御部６４からの信号でインバータ４１を制御することにより、主モータ１５を補助する駆動力を調整することができる。一方、主モータ１５に負荷２３がかかっているときには、機械角が電気角よりも遅れることになるが、補助モータ３３の駆動力が過大になると主モータ１５の機械角が電気角に先行するようになるため、主モータ１５が発電することとなる。このため、電力制御部６４は、主モータ１５における機械角が電気角に先行しないように補助電源系統３０のインバータ４１を制御するように構成されている。

ここで、本実施形態１に係る動力回収システム１０の制御動作について説明する。主電源系統１３をオンにして主モータ１５を駆動することにより、負荷２３に回転駆動力が付与される。このとき、補助モータ３３を駆動することにより、主モータ１５の駆動力を分担することができる。具体的に、スクリューエキスパンダ３７に蒸気等が導入されてスクリューエキスパンダ３７が駆動すると、発電機３５による発電が行われる。そして、この発電機３５で発電された交流電力は、コンバータ３９によって直流電力に変換された後、インバータ４１によって交流電力に変換される。補助モータ３３は、インバータ４１から出力された電力によって回転子４３を回転させて主モータ１５の駆動力を補助する。

このときインバータ４１は、制御器６０からの信号に応じて出力電力の電圧及び周波数を調整する。すなわち、制御器６０において主モータ１５の電気角及び機械角が導出され、機械角が電気角よりも大きくなるようなときには、インバータ４１から出力される電力を抑制するようにして主モータ１５の機械角が電気角を越えないように制御する。これにより、主モータ１５において発電が行われるのを回避しながら、補助モータ３３によって主モータ１５の駆動力補助を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態１によれば、主電源系統１３から供給される電力によって主モータ１５を駆動する一方、補助電源系統３０を通して供給される電力によってこの主モータ１５の駆動力補助を行うため、エネルギー源の動力を主モータ１５の駆動力として回収することができる。したがって、主電源系統１３による供給電力を節約することができる。しかも、主モータ１５による逆潮が回避されるように補助電源系統３０による電力供給を制御するので、本実施形態１に係る動力回収システム１０では系統保護機能等を設ける必要はない。したがって、系統保護機能等を備えることなく、エネルギー源のエネルギーを用いて生成された電力を有効に利用することができる。

しかも本実施形態１では、主モータ１５の機械角が電気角よりも大きくならないように補助電源系統３０による電力供給を制御しているので、主モータ１５が発電するのを確実に回避することができる。

また本実施形態１では、主モータ１５とは別個に補助モータ３３を設け、主モータ１５の回転軸１５ａに補助モータ３３の回転軸３３ａを連結するようにしているので、既存の電動機の駆動力補助に利用することができる。言い換えると、既存の主モータ１５の回転軸１５ａに補助モータ３３の回転軸３３ａを接続することで、エネルギー源のエネルギーを回収できるようになる。

また、主モータ１５を補助モータ３３でアシストする構成にすることで、主モータ１５の起動時における動力負担を軽減することができる。例えば従来では、起動時に大きなトルクが必要になる負荷の場合には、起動電流が定格の数倍にもなって起動できないことがあったり、起動できても起動時の大きな突入電流のために工場設備の電源の電圧低下を生じ、各種の電気設備に障害が生じる虞があった。しかしながら、本実施形態１では、予め補助電源系統３０からの電力供給によって補助モータ３３を駆動しておくことにより主モータ１５の起動時動力を軽減することができる。したがって、大きなトルクが必要となる負荷２３が接続されている場合においても、主モータ１５の起動をスムーズに行うことが可能となる。しかも減電圧始動装置を設ける必要がなくなる。

なお、本実施形態１では、電気角と機械角をそれぞれ検出してその位相差がマイナスにならないようにインバータ４１を制御したが、これに限られるものではない。例えば、補助モータ３３の同期回転速度が主モータ１５の同期回転速度に一致するようにインバータ４１を制御するようにしてもよい。このようにすれば、主モータ１５の回転速度と補助モータ３３の回転速度が一致するように制御されるので、主モータ１５が発電するのを確実に回避することができる。この場合には、制御器６０が、主モータ電気角導出部、補助モータ電気角導出部及び電力制御部を備え、電力制御部は、主モータ１５に供給される電流、電圧の各相の位相と、補助モータ３３に供給される電流、電圧の各相の位相が一致するようにインバータ４１を制御する構成となる。また、逆潮が生じない範囲で、補助モータ３３の回転速度が主モータ１５の回転速度よりも大きくなるように設定することも可能である。

また本実施形態１では、主モータ１５及び補助モータ３３を同期電動機によって構成したが、これに代え、主モータ１５及び補助モータ３３を誘導電動機によって構成してもよい。この場合、主モータ１５による逆潮が生じないようにするためには、主モータ１５と補助モータ３３の回転速度が一致するように制御すればよい。すなわち、主モータ１５に供給される交流電流の周波数から導出される回転速度を補助モータ３３の回転速度として指示するようにすればよい。

また本実施形態１では、補助電源系統３０に１つのエネルギー源が設けられる構成としたが、これに限られるものではない。すなわち、補助電源系統３０に複数の発電機３５が設けられるとともに、各発電機３５にスクリューエキスパンダ等のエネルギー源がそれぞれ接続される構成としてもよい。

（実施形態２）
図２は本発明の第２実施形態に係る動力回収システム１０の全体構成を概略的に示している。前記第１実施形態では、２つのモータを連結する構成としたが、本第２実施形態では、１つの電動機に主電源系統１３と補助電源系統３０が接続された構成となっている。以下具体的に説明するが、ここでは実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本第２実施形態に係る動力回収システム１０は、電動機７１を備え、この電動機７１に２系統の巻き線が設けられている。すなわち、電動機７１の固定子７３には、主電源系統１３に接続された巻き線（主巻き線）７４が設けられるとともに、補助電源系統３０に接続された巻き線（補巻き線）７６が設けられている。主巻き線７４と補巻き線７６とは、電動機７１のケーシング内においてそれぞれ別個のスロット内に収納されている。

主電源系統１３は、系統電源１７に系統連系されており、系統電源１７から三相交流の電力が供給される。一方、補助電源系統３０は、複数の発電機３５が設けられており、各発電機３５にはそれぞれエネルギー源が接続されていて、発電機３５はこのエネルギー源のエネルギーを利用して発電を行う。各エネルギー源は、それぞれ同じタイプの駆動機であってもよいし、異なるタイプの駆動機であってもよい。第１のエネルギー源はスクリューエキスパンダ３７によって構成されているが、これに限られるものではない。その他のエネルギー源は、図示省略しているが、スクリューエキスパンダ、風力発電機に用いられる駆動機等であってもよい。

各発電機３５にそれぞれコンバータ３９が接続されていて、各コンバータ３９はそれぞれ発電機３５からの交流電力を所定電圧の直流電力に変換する。これら各コンバータ３９は前段インバータ７８に並列に接続されている。このため前段インバータ７８には、各発電機３５における発電状況によらず一定電圧の電力が供給され易くなっている。そして、前段インバータ７８によって三相交流に変換された電力は、インバータ８２を通じて補巻き線７６へ供給され、電動機７１で利用されるようになっている。

電動機７１は、同期電動機によって構成されており、例えば回転子７９に永久磁石（図示省略）が設けられた永久磁石同期電動機とされる。電動機７１には、回転子７９の回転角を検出するための回転子角度検出センサ８４が設けられている。この回転子角度検出センサ８４は、例えばホール素子からなる。

制御器６０の電力制御部６４は、回転子角度検出センサ８４から出力された信号に基づいて、主電源系統１３に設けられたインバータ（主電源側インバータ）８０と、補助電源系統３０に設けられたインバータ（補助電源側インバータ）８２とを制御する。そして、主電源側インバータ８０及び補助電源側インバータ８２は、電力制御部６４からの信号に基づき、互いに位相が一致する電流を出力する。主巻き線７４と補巻き線７６に供給される電流の位相が一致するため、各電源系統１３，３０から供給される電力を有効に加算することができ、これにより駆動効率を向上させることができる。なお、主巻き線７４及び補巻き線７６の各インピーダンスを適宜設定することにより、主電源系統による駆動力と、補助電源系統による駆動力との分担割合を調整することができる。したがって、エネルギー源の容量に応じて分担割合を調整することで、システム効率の最適化を図ることができる。

本実施形態２では、電動機７１に主電源系統１３の電力が供給されるとともに補助電源系統３０の電力が供給されるため、この電動機７１と別個に電動機を設ける必要がなく、動力回収システム１０全体としてコンパクトな設計にすることができる。

また本実施形態２では、回転子角度検出センサ２１によって検出された回転子の回転角を用いることで、両巻き線４７での電流位相を一致させるので、各巻き線４７の電流位相、電圧位相を検出する必要がなくなる。しかも永久磁石同期電動機のように回転子角度検出センサ２１を有する電動機では、その回転子角度検出センサ２１を利用することができるため、新たに電流検出センサ等を追加する必要がなくなる。

また本実施形態２では、主巻き線７４と補巻き線７６が互いに異なるスロットに配置されるようにしたので、電動機７１内の空間を有効に利用することができる。なお、主巻き線７４と補巻き線７６を同じスロットに収納するようにしてもよい。

また本実施形態２では、補助電源系統３０が複数のエネルギー源に接続される構成にするとともに、各発電機３５の交流電力を個別に直流電力に変換するコンバータ３９を設けるようにしたので、各エネルギー源に基づく電力が個別に変換される。このため、一定の直流電圧を確保し易くすることができ、電源の多様性を吸収することができる。

なお、図３及び図４に示すように、補助電源系統３０に１つのエネルギー源が接続される構成としてもよい。この図３及び図４の構成では、主巻き線７４と補巻き線７６が同じスロット内に配置されているが、別のスロット内に配置されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る動力回収システムの全体構成を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る動力回収システムの全体構成を概略的に示す図である。 第２実施形態の変形例のシステム全体を概略的に示す図である。 図３のシステムに設けられている電動機を示す図である。

符号の説明

１３ 主電源系統
１５ 主モータ（電動機の一例）
１５ａ 回転軸
２１ 回転子角度検出センサ（回転角検出手段の一例）
３０ 補助電源系統
３３ 補助モータ（補助電動機の一例）
３３ａ 回転軸
３７ スクリューエキスパンダ（エネルギー源の一例）
３９ コンバータ
６０ 制御器
６１ 電気角導出部
６２ 機械角導出部
６３ 位相差導出部
６４ 電力制御部
７１ 電動機
７４ 主巻き線
７６ 補巻き線

Claims (9)

1. エネルギー源のエネルギーを動力として回収する動力回収システムであって、
   系統電源に系統連系される主電源系統と、
   前記主電源系統に接続された電動機と、
   前記主電源系統とは独立して構成され、エネルギー源のエネルギーを利用して生成された電力を供給してこの電力に応じた前記電動機への駆動力付与が可能な補助電源系統と、
   前記電動機による逆潮が生じないように、前記補助電源系統による電力供給を制御する制御器と、を備えている動力回収システム。
2. 前記制御器は、前記電動機の機械角が電気角よりも大きくならないように前記補助電源系統による電力供給を制御する請求項１に記載の動力回収システム。
3. 前記電動機とは別個に構成され、前記電動機の回転軸と接続される回転軸を有する補助電動機を備え、この補助電動機が前記補助電源系統に接続されている請求項１に記載の動力回収システム。
4. 前記制御器は、前記補助電動機の回転速度が前記電動機の回転速度に一致するように前記補助電源系統による電力供給を制御する請求項３に記載の動力回収システム。
5. 前記電動機には、前記主電源系統に接続された巻き線が装着されるとともに、前記補助電源系統に接続された巻き線が装着されている請求項１に記載の動力回収システム。
6. 前記制御器は、両巻き線での電流位相が一致するように前記補助電源系統による電力供給を制御する請求項５に記載の動力回収システム。
7. 前記電動機は、回転子の回転角を検出する回転角検出手段を備えており、
   前記制御器は、検出された回転角に基づいて両巻き線での電流位相が一致するように前記補助電源系統による電力供給を制御する請求項６に記載の動力回収システム。
8. 前記主電源系統の巻き線と前記補助電源系統の巻き線とが異なるスロットに配置されている請求項５に記載の動力回収システム。
9. 前記補助電源系統は、複数のエネルギー源に接続可能に構成されるとともに、各エネルギー源から得られる電力を個別に直流電力に変換するコンバータが設けられている請求項１から８の何れか１項に記載の動力回収システム。

Images