JP2008125239A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原動機３により駆動される交流発電機１を備え、該発電機１の交流出力母線５に接続された通常負荷群６、回生負荷群７に電力を供給する電源装置において、負荷変動による電圧変動を安定化する。
【解決手段】交流発電機１の運転中に回生負荷群７で生じた回生電力を、遮断器４ｄを介して交流出力母線５に接続された交流直流変換装置８によって直流に変換して電気二重層キャパシタ９に電荷の形で貯蔵する。電気二重層キャパシタ９に蓄えた直流電気エネルギーは、回生電力が発生していないときに交流に変換して通常負荷群６、回生負荷群７に放出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原動機により駆動される発電機の負荷として、回生電力を発生する負荷を備えた電源装置に関する。

原動機により駆動される発電機、例えば交流発電機の負荷として、起重機用電動機等が存在する場合、これらの機械の巻下げ（巻戻し）動作中に発生する回生電力が発電機に流入すると、発電機が電動機として作用し、発電機が原動機を回転させるモータリング現象が発生する恐れがある。

このため、発電機容量を検討する場合には、起重機用電動機等の回生電力を生じせしめる負荷が及ぼす影響が発電機と原動機に支障を与えない範囲となる容量とするか、起重機用電動機等の回生電力を生じせしめる回生負荷を交流発電機負荷より外すか、これが出来ない場合には、起重機用電動機等の負荷の巻下げ運転時の運転方法に制限を設ける対策等を講じる他に有効な方法が無い。

尚従来、モータリング検出の誤動作を防止した発電機保護継電装置として、例えば下記特許文献１に記載のものが提案されていた。

また下記特許文献２には、発電機の出力電圧からエンジン（原動機）の過回転を検出し、エンジンを停止させて負荷を保護することが提案されている。
特開平５−１５０４９号公報 特開２００００−７８７７５号公報

原動機により駆動される、例えば交流発電機の負荷において、起重機用電動機等が存在する場合、これらの機械の巻下げ動作中に発生する回生電力の大きさにより、発電機にその電力が流入して発電機が電動機化し、発電機が原動機を回転させるモータリング現象が発生する恐れがあるが、これに対する従来の技術による対策方式には下記の問題点が存在する。
（１）起重機用電動機等の回生電力を生じせしめる負荷容量に対し、交流発電機と原動機の容量を発電機運転に支障が出ない容量にする方式。

この方式によれば、起重機用電動機等の回生電力を生じせしめる負荷の巻下げ運転時に交流発電機と原動機の運転に支障が出なくなるが、定常負荷運転時に必要な発電機容量に対して過大な発電機容量が必要となるので、経済的及び設備面積的に不利であり実現し難い方式である。
（２）起重機用電動機等の回生電力を生じせしめる負荷を交流発電機負荷より外す方式。

この方式によれば、回生電力を発生する負荷が無いので、交流発電機と原動機の容量を大きくする必要はなく、交流発電機運転への支障は皆無となるが、起重機用電動機等の負荷が重要負荷であれば、設備運用面からは意味を成さない方式である。

また前記特許文献２のように、エンジン（原動機）を停止させる方式は、発電機も停止となるため、重要負荷には適用できない。
（３）起重機用電動機等の負荷の巻下げ運転時の運転方法に制限を設ける方式。

起重機用電動機等の負荷の巻下げ運転時の運転方法に制限を設けることにより、交流発電機と原動機の容量を発電機運転に支障が出ないようにするため、操作者に通常運転時と異なる条件の付加を強いることになるので、操作ミスを引き起こす要因となる。すなわち設備の使い勝手より設備の保護を優先させた方式であり、望ましい方法ではない。

また前記発電機運転中に負荷が起動すると、該負荷変動により発電電圧が降下し不安定な状態となる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、原動機により駆動される発電機を備えた電源装置において、負荷変動による発電電圧の電圧変動を安定化することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の電源装置は、原動機により駆動される発電機を備え、該発電機の出力母線に接続された負荷に電力を供給する電源装置において、前記発電機の出力母線に接続された蓄電手段と、電力変換装置を有し、前記発電機の出力電圧が負荷の回生運転により所定電圧を超えたときに、前記蓄電手段に電力を蓄積し、該蓄積された電力を、回生電力が発生していないときに負荷側に放出する制御手段とを具備したことを特徴としている。

また請求項３に記載の電源装置は、前記発電機は交流発電機で構成され、前記蓄電手段は電気二重層キャパシタから成り、前記制御手段の電力変換装置は、前記電気二重層キャパシタと前記交流発電機の出力母線との間に接続された交流直流変換装置から成ることを特徴としている。

より具体的には、交流直流変換装置及び電気二重層キャパシタから成る装置で、発電電圧の常時監視を行い、発電電圧が許容電圧を超えた場合（例えば定格電圧の＋１０％超）には、交流直流変換装置により交流を直流に変換し、電気二重層キャパシタに回生電力を電荷の形で貯蔵が可能な機能を有する。

また、電気二重層キャパシタに蓄えた直流電気エネルギーを交流直流変換装置により交流に変換し、その交流電圧は、発電電圧が許容電圧を超えない範囲（例えば定格電圧の＋１０％以内）の電圧で且つ発電電圧より高い電圧の設定電圧制御を実行し、電気二重層キャパシタに蓄えた直流電気エネルギーを発電負荷に供給できる機能を有する。

上記請求項１，３に記載の電源装置において、発電機（交流発電機）の負荷、例えば起重機用電動機が、機械の巻下げ動作を行った際に回生電力が発生すると、発電機出力母線の電圧が上昇し、該電圧が所定電圧（例えば定格電圧の＋１０％）を超えた場合、その回生電力は、制御手段の電力変換装置（交流直流変換装置）によって蓄電手段（電気二重層キャパシタ）に蓄積される。

このため前記回生電力が発電機に流入することはなく、発電機及び電動機は負荷変動の影響を受けない。

これによって発電機が原動機を回転させてしまうモータリング現象は発生しない。

前記蓄電手段に蓄積された電力は、回生電力が発生していないときに、発電機電圧が所定電圧を超えない範囲（例えば定格電圧の＋１０％以内）で前記電力変換装置によって負荷側に放出される。

この動作により、蓄電手段に蓄えられた電力は負荷に有効に消費されるので、原動機を運転するための燃料消費を削減することができる。

前記蓄電手段（電気二重層キャパシタ）及び電力変換装置（交流直流変換装置）の容量は、回生負荷の全容量とする必要はなく、（回生負荷容量−発電機及び原動機の回生負荷許容量）を目安に決定することができる。

また請求項２に記載の電源装置は、前記蓄電手段の容量は、前記回生負荷の全容量と同一又はそれに近い容量を有し、前記制御手段は、前記蓄積された電力の放出時に所定量の電力を残しておき、該残留電力を負荷起動時に負荷側に放出して電圧補償を行うことを特徴としている。

より具体的には、発電機運転中の負荷起動による電圧降下に対して電圧補償を行うため、発電電圧が許容電圧以下（例えば定格電圧の−１０％）に下がる手前から電気二重層キャパシタに蓄えた直流電気エネルギーを交流直流変換装置により交流に変換し、その交流電圧は、定格電圧を目標として電圧制御を実行し、電気二重層キャパシタに蓄えていた直流電気エネルギーを発電負荷に供給できる機能を有する。

上記請求項２，３に記載の電源装置において、制御手段は、上記請求項１に記載の電源装置の動作に加えて、前記蓄積された電力の放出時に所定量の電力を残しておき、該残留電力を負荷起動時に負荷側に放出する制御を行う。

これによって、発電機運転中の負荷起動による電圧降下に対して電圧補償が行われ、発電電圧が安定化する。

また請求項４に記載の電源装置は、前記発電機は直流発電機で構成され、前記蓄電手段は電気二重層キャパシタから成り、前記制御手段の電力変換装置は、前記電気二重層キャパシタと前記直流発電機の出力母線との間に接続された直流直流変換装置から成ることを特徴としている。

上記構成によれば、原動機により駆動される直流発電機を備えた電源装置において、前記と同様の動作が行われ、直流発電機及び原動機は負荷変動の影響を受けることなく、モータリング現象は発生せず、また負荷起動による電圧降下に対して電圧補償を行うことができる。

（１）請求項１〜４に記載の発明によれば、負荷で生じた回生電力が発電機に流入することはなく、発電電圧の安定化が図られ、発電機及び電動機は負荷変動の影響を受けない。これによって発電機が原動機を回転させてしまうモータリング現象は発生せず、発電機及び原動機は安定した運転を継続することができる。

また、蓄電手段に蓄えられた電力は負荷に有効に消費されるので、原動機を運転するための燃料消費を削減することができる。

また、前記蓄電手段及び電力変換装置の容量は、回生負荷の全容量とする必要はなく、（回生負荷容量−発電機及び原動機の回生負荷許容量）を目安に決定することができるため、装置の設備費用を削減することができる。
（２）また、請求項２に記載の発明によれば、発電機運転中の負荷起動による電圧降下に対して電圧補償が行われ、発電電圧が安定化する。
（３）また、請求項３に記載の発明によれば、原動機により駆動される交流発電機を備えた電源装置において、前記（１）、（２）と同様に、交流発電機及び原動機は負荷変動の影響を受けることなく、モータリング現象は発生せず、また負荷起動による電圧降下に対して電圧補償を行うことができる。
（４）また、請求項４に記載の発明によれば、原動機により駆動される直流発電機を備えた電源装置において、前記（１）、（２）と同様に、直流発電機及び原動機は負荷変動の影響を受けることなく、モータリング現象は発生せず、また負荷起動による電圧降下に対して電圧補償を行うことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

負荷として起重機用電動機等が存在する場合、これらの機械の巻下げ動作中に回生電力が発生するが、本実施形態例では、この回生電力を吸収する装置として、図１のように、電力変換装置、例えば交流直流変換装置及び高速充放電が可能な電気二重層キャパシタ（蓄電手段）から成る装置を設置する。

図１において、１はカップリング２を介して結合された原動機３によって駆動される交流発電機である。交流発電機１の出力側は遮断器４ａを介して交流出力母線５に接続されている。この交流出力母線５には、遮断器４ｂ，４ｃを介して通常負荷群６、回生負荷群７が各々接続されるとともに、遮断器４ｄおよび交流直流変換装置８を介して電気二重層キャパシタ９が接続されている。

交流直流変換装置８は交流−直流間で任意の電力に変換することができるものであるが、その制御装置および本電源装置に用いられる電圧検出器、電流検出器等は図示省略している。

電気二重層キャパシタ９は、充放電サイクル寿命が長く、高速・高効率な充放電が可能な蓄電素子である。

上記の構成において、回生負荷群７として例えば起重機用電動機等が存在する場合、これらの機械の巻下げ動作中に回生電力が生じると、交流発電機１及び原動機３側から見ると、図２の特性図のように、負荷容量が減少する状態である（図示Ｐ１→Ｐ２）。即ち、負荷減により発電電圧の上昇（図示Ｖ１→Ｖ２）と原動機３の回転上昇が生じる方向になる。

そこで、交流直流変換装置８及び電気二重層キャパシタ９によって、発電電圧の常時監視を行い、発電電圧が許容電圧を超えた場合（例えば定格電圧の＋１０％超）には、図３に示すように交流直流変換装置８により交流を直流に変換し、電気二重層キャパシタ９に回生電力を電荷の形で貯蔵する。

前記電気二重層キャパシタ９に蓄えた電気エネルギーをそのままにしておくと、再び回生電力が生じたときに対応出来ないので、図４に示すように、回生電力が発生していない時に交流発電機１及び原動機３の運転の外乱とならない範囲で交流発電機負荷６，７側に電力を供給する動作を行い、電気二重層キャパシタ９に蓄えた電荷を放出する動作を行う。

具体的には、電気二重層キャパシタ９に蓄えた直流電気エネルギーを交流直流変換装置８により交流に変換し、その交流電圧は、発電電圧が許容電圧を超えない範囲（例えば定格電圧の＋１０％以内）の電圧で且つ発電電圧より高い電圧の設定電圧制御を実行して、電気二重層キャパシタ９に蓄えた直流電気エネルギーが発電機負荷６，７側に流出するようにする。

前記交流直流変換装置８及び電気二重層キャパシタ９の容量は、回生負荷容量−発電装置（交流発電機１及び原動機３）の回生負荷許容量を目安に決定する。

従って、交流直流変換装置８及び電気二重層キャパシタ９から成る装置の容量は、回生負荷の全容量とする必要は無い。

すなわち、交流直流変換装置及び電気二重層キャパシタから成る装置容量≧回生負荷容量−発電装置の回生負荷許容量とする。

また、電気二重層キャパシタ９の静電容量は、起重機用電動機等の回生電力発生負荷の回生電力発生持続時間を目安に決定する。

上記構成により、交流発電機１のモータリング現象を防止することができるが、電気エネルギーを蓄える電気二重層キャパシタ９の容量に余裕を持たせれば（回生負荷の全容量と同一又はそれに近い容量とすれば）、発電機運転中の負荷起動による電圧降下に対して電圧補償を行うことも可能になる。

具体的には、図５に示すように、電気二重層キャパシタ９に電圧降下補償に供する電荷を残しておき、発電電圧が許容電圧以下（例えば定格電圧の−１０％）に下がる手前から電気二重層キャパシタ９に蓄えた直流電気エネルギーを交流直流変換装置８により交流に変換し、その交流電圧は、定格電圧を目標として電圧制御を実行して、電気二重層キャパシタ９に蓄えていた直流電気エネルギーを発電負荷６，７に供給する。

上記の実施形態例によれば次のような作用、効果が得られる。
（１）負荷として例えば起重機用電動機等が存在する場合、これらの機械の巻下げ動作中に回生電力が生じると、交流発電機１及び原動機３側から見ると、負荷容量が減少する状態になるので、負荷減により発電電圧の上昇と原動機３の回転上昇が生じる傾向になる。

しかし、交流直流変換装置８及び電気二重層キャパシタ９によって、発電電圧の常時監視を行い、発電電圧が許容電圧を超えた場合（例えば定格電圧の＋１０％超）には、交流直流変換装置８により交流を直流に変換し、電気二重層キャパシタ９に回生電力を吸収蓄電するので、発電電圧が安定化し交流発電機１及び原動機３は負荷変動の影響を受けないことになる。

従って、モータリング現象は防止され、交流発電機及び原動機の安定した運転を継続させることができる。
（２）電気二重層キャパシタ９に蓄えた回生エネルギーは、回生電力が発生していない時に交流発電機１及び原動機３の運転の外乱とならない範囲で交流発電機負荷側に電力を供給する動作を実施する。この動作により、電気二重層キャパシタ９に蓄えた回生エネルギーは負荷に消費される形で有効に消費されるので、原動機３を運転するための燃料消費を削減することに寄与する。
（３）交流直流変換装置８及び電気二重層キャパシタ９から成る装置の容量は、回生負荷容量−発電装置（交流発電機及び原動機）の回生負荷許容容量を目安に決定するので、回生負荷容量の全容量を見込む必要が無い。従って、装置を設置する費用を削減できる効果を得る結果となる。
（４）交流直流変換装置８及び電気二重層キャパシタ９から成る装置によって交流発電機１のモータリング現象を防止することができるが、更に、電気エネルギーを蓄える電気二重層キャパシタ９の容量に余裕を持たせれば、発電機運転中の負荷起動による電圧降下に対して電圧補償を行うことが可能である。これにより、発電機運転中の発電電圧の安定化に寄与する効果を得る。

尚、前記実施形態例では交流発電回路について述べているが、交流直流変換装置を直流直流変換装置とすれば、直流発電回路にも適用が可能である。従って、前述の（１）〜（４）項の作用、効果は、図６に示すような直流発電回路においても同様の効果を得ることが出来る。

図６において、図１と同一部分は同一符号をもって示しており、図１と異なる点は、前記交流発電機１の代わりに直流発電機１１を設け、その出力母線を直流出力母線１５とし、前記交流直流変換装置８の代わりに直流直流変換装置１８を設けたことにある。

直流直流変換装置１８は直流−直流間で任意の電力に変換することができるものであるが、その制御装置および本電源装置に用いられる電圧検出器、電流検出器等は図示省略している。

図６の電源装置においても、前述した図３〜図５と同様の動作が行われる。

尚、本発明の蓄電手段は電気二重層キャパシタ９に限らず他の蓄電手段を用いても良い。

本発明の一実施形態例を示す構成図。 発電機負荷と発電機電圧の関係を示す特性図。 本発明の一実施形態例を表し、回生電力蓄積動作を示す構成図。 本発明の一実施形態例を表し、蓄積電力放出動作を示す構成図。 本発明の一実施形態例を表し、蓄積電力放出による電圧降下補償動作を示す構成図。 本発明の他の実施形態例を示す構成図。

符号の説明

１…交流発電機、３…原動機、４ａ〜４ｄ…遮断器、５…交流出力母線、６…通常負荷群、７…回生負荷群、８…交流直流変換装置、９…電気二重層キャパシタ、１１…直流発電機、１５…直流出力母線、１８…直流直流変換装置。

Claims (4)

1. 原動機により駆動される発電機を備え、該発電機の出力母線に接続された負荷に電力を供給する電源装置において、
   前記発電機の出力母線に接続された蓄電手段と、
   電力変換装置を有し、前記発電機の出力電圧が負荷の回生運転により所定電圧を超えたときに、前記蓄電手段に電力を蓄積し、該蓄積された電力を、回生電力が発生していないときに負荷側に放出する制御手段と
   を具備したことを特徴とする電源装置。
2. 前記蓄電手段の容量は、前記回生負荷の全容量と同一又はそれに近い容量を有し、
   前記制御手段は、前記蓄積された電力の放出時に所定量の電力を残しておき、該残留電力を負荷起動時に負荷側に放出して電圧補償を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記発電機は交流発電機で構成され、
   前記蓄電手段は電気二重層キャパシタから成り、
   前記制御手段の電力変換装置は、前記電気二重層キャパシタと前記交流発電機の出力母線との間に接続された交流直流変換装置から成る
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記発電機は直流発電機で構成され、
   前記蓄電手段は電気二重層キャパシタから成り、
   前記制御手段の電力変換装置は、前記電気二重層キャパシタと前記直流発電機の出力母線との間に接続された直流直流変換装置から成る
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。

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