JP2008167628A - 保護装置を備えた可搬式発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で発電機の固定子巻線や回転子巻線の焼損を防止することができる保護装置を備えた可搬式発電機を提供する。
【解決手段】保護装置３１は、同期発電機１２の固定子巻線３０の温度を検出する固定子巻線温度検出手段３３と、回転数を検出する回転数検出手段３４と、低回転運転を検出したときに継続時間を測定する計時手段３５と、固定子巻線温度検出手段の検出温度があらかじめ設定した固定子温度上限値を超えたとき、あるいは、計時手段で計測した継続時間があらかじめ設定した許容時間を経過したときのいずれか一方が発生したときに前記エンジンを停止させるエンジン制御手段３６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護装置を備えた可搬式発電機に関し、詳しくは、エンジンで駆動される同期発電機の固定子巻線や回転子巻線の焼損を防止することができる保護回路を備えた発電機に関する。

ディーゼルエンジン等で同期発電機を駆動する可搬式のエンジン発電機には、一般的に自動電圧調整器が設けられており、検出した出力周波数及び出力電圧に応じて励磁機界磁巻線の電流（界磁電流）を制御することにより、出力電圧を一定に保持するようにしている。また、このような可搬式の発電機には、エンジンや発電機を保護するために、様々な保護装置、保護方法が採用されており、例えば、過負荷運転等による温度上昇から発電機を保護するため、発電機の回転数、発電電流及び雰囲気温度の変化に対する発電機構成部品温度の変化を示す温度特性マップをあらかじめ作成しておき、発電機の運転時に、その回転数や発電電流、雰囲気温度を測定して前記温度特性マップを参照し、温度が高い場合に発電機を停止させるなどの制御を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−５０８５９号公報

しかし、上述の方法では、個々の発電機に対応した温度特性マップをそれぞれ作成しておかなければならず、品種や用途が多岐にわたる可搬式発電機への適用は困難であり、また、夏期等の昼間の気温上昇が激しいときや、発電機の平均負荷が大きいときには、発電機の固定子巻線や回転子巻線が規定温度以上となり、焼損に至るおそれが高くなる。

そこで本発明は、簡単な構成で発電機の固定子巻線や回転子巻線の焼損を防止することができる保護装置を備えた可搬式発電機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、本発明の保護装置を備えた可搬式発電機の第１の構成は、エンジンにより駆動される同期発電機から出力された電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている励磁機界磁巻線の界磁電流を調整することにより、前記同期発電機の出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた可搬式発電機において、前記同期発電機の固定子巻線の温度を検出する固定子巻線温度検出手段と、前記同期発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段で検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満の低回転運転のときに、前記固定子巻線温度検出手段の検出温度があらかじめ設定した固定子温度上限値を超えたときに前記エンジンを停止させるエンジン制御手段とを備えていることを特徴としている。

また、本発明の保護装置を備えた可搬式発電機の第２の構成は、エンジンにより駆動される同期発電機から出力された電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている励磁機界磁巻線の界磁電流を調整することにより、前記同期発電機の出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた可搬式発電機において、前記同期発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段が検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満の低回転運転されているときの継続時間を測定する計時手段と、該計時手段で計測した継続時間があらかじめ設定した許容時間を経過したときに前記エンジンを停止させるエンジン制御手段とを備えていることを特徴とし、さらに、前記許容時間が前記同期発電機の回転数に対応してそれぞれ設定されていることを特徴としている。

加えて、上記両構成を組み合わせ、前記同期発電機の固定子巻線の温度を検出する固定子巻線温度検出手段と、前記同期発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段が検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満の低回転運転を行っているときにその継続時間を測定する計時手段と、前記固定子巻線温度検出手段の検出温度があらかじめ設定した固定子温度上限値を超えたとき、あるいは、前記計時手段で計測した継続時間があらかじめ設定した許容時間を経過したときのいずれか一方が発生したときに前記エンジンを停止させるエンジン制御手段とを備える構成にすることもできる。

本発明の保護装置を備えた可搬式発電機によれば、固定子巻線は、その温度を直接的に測定して設定温度以上になったときにエンジンを停止させて発電機を止めることにより、固定子巻線の焼損を確実に防止できる。また、回転子巻線は、大電流が要求される低回転運転の継続時間を測定し、各回転数に応じてあらかじめ設定した許容時間を経過したときに発電機を止めることにより、回転子巻線の焼損も確実に防止できる。

図１は本発明の保護装置を備えた可搬式発電機の一形態例を示すブロック図、図２は発電機の出力周波数（回転数）に対する回転子巻線電流、焼損時間及び発電電圧の関係を示す図、図３は保護装置の処理手順の一例を示すフローチャート、図４は可搬式発電機の構成を示す概略ブロック図、図５は同期発電機の一例を示す断面斜視図、図６は運転状態表示パネルの一例を示す正面図である。なお、周波数と回転数は比例関係にあるため、発電出力については主に「周波数」を、発電機の状態については主に「回転数」を用いて説明する。

まず、図４に示すように、可搬式発電機は、ディーゼルエンジン（Ｅ）１１等で同期発電機（Ｇ）１２を駆動して発電するものであって、発電周波数及び発電電圧に応じて自動電圧調整器（ＡＶＲ）１３が作動し、同期発電機１２の励磁機界磁巻線１４に所定の界磁電流を発生させることにより、負荷１５に供給する電圧を一定に保つようにしている。

同期発電機１２は、図５に示すように、円筒形のフレーム２１の両端開口に取り付けられたエンドブラケット２２に回転電機子部２３のシャフト２４をそれぞれ回転可能に設けるとともに、フレーム２１の内周に固定電機子部２５を設けている。前記回転電機子部２３には、シャフト２４の中央部に回転子巻線（発電機界磁巻線）２６及び制動巻線２７が、シャフト２４の一端部には励磁機電機子巻線２８及びダイオード（図示せず）が、他端部には冷却ファン２９が、それぞれ設けられている。また、固定電機子部２５には、発電機界磁巻線２６の外周部分に固定子巻線（電機子巻線）３０が、励磁機電機子巻線２８の外周部分に前記励磁機界磁巻線１４が、それぞれ設けられている。

図１に示すように、上述のような構成を有する可搬式発電機における保護装置３１は、検出部３２として、同期発電機１２における前記固定子巻線（電機子巻線）３０の温度を検出する固定子巻線温度検出手段３３と、負荷１５に供給される出力周波数から同期発電機１２の回転数を検出する回転数検出手段３４と、この回転数検出手段３４から低回転検出信号が入力されたときに、低回転検出信号の継続時間を測定する計時手段３５とを備えるとともに、検出部３２での検出結果に基づいてエンジン等を制御したり、各種表示を行うための制御手段３６を備えている。

前記固定子巻線温度検出手段３３は、固定子巻線温度の検出を複数の温度センサー３７で直接検出するもので、検出した固定子巻線温度があらかじめ設定した固定子巻線設定温度以上になったときに、前記制御手段３６に固定子巻線過熱信号を出力する。温度センサー３７は、固定子巻線３０の１箇所のみに取り付けて温度検出することもできるが、単相使用等によって固定子巻線３０の温度バランスが不均一になることがあるため、温度センサー３７を２箇所以上に設けて複数箇所で温度検出することが好ましい。

前記回転数検出手段３４は、同期発電機１２から負荷１５に供給する三相交流のうちの任意の２線から出力周波数に対応したパルスを検出することによって回転数を検出するものが用いられている。この回転数検出手段３４は、検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満の低回転運転を行っているとき、通常は、アイドリング回転数から出力周波数が５０Ｈｚ未満の間の回転数を検出したときに、前記計時手段３５に低回転検出信号を出力する。この回転数検出手段３４には、前記自動電圧調整器１３に設けられている周波数検出回路や発電機やエンジンに設けられている過回転保護装置の回転数検出回路を利用することができる。

前記計時手段３５は、前記回転数検出手段３４から低回転検出信号を受信したときに、該低回転検出信号の継続時間を測定するものであって、あらかじめ設定された許容時間と測定した継続時間とを比較し、継続時間が許容時間を経過したときに、前記制御手段３６に回転子巻線過熱信号を出力する。

前記制御手段３６には、エンジンを制御するエンジン制御手段、エンジンや同期発電機１２の運転状態を表示する表示手段、各種信号処理や演算処理を行う演算手段、各種データや論理回路を保持する記憶手段、その他、入力手段やスイッチ等が設けられている。この制御手段３６では、保護装置３１の検出部３２から前記固定子巻線過熱信号又は前記回転子巻線過熱信号を受信すると、エンジン制御手段が作動してエンジンを停止させて同期発電機１２を止めることにより、同期発電機１２の固定子巻線３０や回転子巻線２６が温度上昇によって焼損することを防止する。また、前記信号の入力で制御手段３６のエンジン制御手段が作動してエンジンを停止させるのと同時に表示手段を作動させ、図６に示すような運転状態表示パネル４０の過負荷警告ランプ（固定子巻線過熱）４１や低回転警告ランプ（回転子巻線過熱）４２を点灯させるようにしてもよく、発電機の状態、状況によっては、先にランプ点灯やブザー鳴動等の警報出力を行ってからエンジンを停止させるようにしてもよく、さらに、警報出力のみとすることも可能である。

ここで、前記回転子巻線２６の温度上昇は、回転子巻線を流れる電流によって異なり、電流量が大きい場合は短時間で温度上昇して焼損するおそれがある。すなわち、図２に示すように、定格を５０Ｈｚ、２００Ｖに設定して運転している発電機の出力周波数（回転数）に対する回転子巻線電流Ａは、前記ＡＶＲ１３が設定電圧を維持するように作動するのに伴って設定された周波数（回転数）より低くなると上昇し、ＡＶＲ１３に設定された励磁機界磁巻線１４の界磁電流最大値になると、ＡＶＲ１３による焼損防止機能が作用して励磁機界磁巻線１４の界磁電流が抑制され、この界磁電流の低下に伴って回転子巻線電流Ａも低下する。

例えば、可搬式発電機を水中ポンプの電源として使用している場合、水中ポンプ等のモーターは回転数（周波数）に比例してポンプの吐出量が変化するため、吐出量を少なくしたいときに、発電機の回転数を下げて定格より低い周波数でポンプを駆動することがある。しかし、図２に示すように、負荷に接続した状態で発電機の回転数を下げると、定格回転数で運転しているときよりも大きな電流を流さないと発電電圧を確保することができないことから、電流量増大に伴って回転子巻線２６の温度が上昇し、許容温度を超えて焼損に至ることがある。

このとき、回転子巻線電流Ａの変化に伴って温度上昇速度も変化するため、回転子巻線２６が温度上昇して焼損に至るまでの時間（焼損時間Ｂ）は、励磁機界磁巻線１４の界磁電流が最大値になる回転数のときに最短となり、この両側では回転数が高い側でも、回転数が低い側でも焼損時間Ｂは長くなる。このとき、発電電圧Ｃは、回転数の低下に伴って励磁機界磁巻線１４の界磁電流が最大値になる回転数、例えば定格回転数より１０％程度低い回転数までは定格電圧である２００Ｖを維持し、これ以下のアイドリングまでの回転数では、界磁電流が次第に低下するのに伴って発電電圧Ｃも次第に低下していく。また、回転数の低下に伴って冷却ファン２９による冷却効果が減少するので、同じ電流量でも低回転の場合は温度が上昇しやすい状態となる。

このことから、何らかの理由で同期発電機１２の回転数を下げて運転した場合、発電電圧Ｃを２００Ｖに保ったまま低い回転数で発電機を使用すると短時間で回転子巻線２６が焼損してしまうことがわかる。一方、発電電圧Ｃを下げて運転した場合は、ＡＶＲ１３の作用で回転子巻線電流Ａも低下するので、比較的長時間の運転でも回転子巻線２６が焼損することはほとんどないことがわかる。

電流の大きさは発電電圧に基づいてＡＶＲ１３が決定しているので、ＡＶＲ１３の特性から任意の周波数のときの回転子巻線２６の電流値を求めることができ、求めた電流値から回転子巻線２６が焼損するまでの時間を推測することができる。したがって、周波数（回転数）毎、あるいは適当な回転数範囲毎に回転子巻線２６が焼損に至るまでの時間を推測し、回転数と焼損時間との関係をあらかじめプログラムしてテーブル化しておくことにより、回転数に応じた運転継続許容時間を簡単に求めることができる。このように、低回転運転時の回転数によって許容時間をそれぞれ設定することにより、発電機の能力を最大限に引き出しながら発電機を焼損から保護することができる。

次に、図３に基づいて前記保護装置３１の処理手順を説明する。まず、エンジン起動と同時にステップ５１で固定子巻線温度の状態を判定する。すなわち、前記温度センサー３７で検出した固定子巻線温度と、あらかじめ設定された固定子巻線設定温度とを比較し、固定子巻線温度が固定子巻線設定温度以上と判定したときには、固定子巻線過熱状態であると判断してステップ５２に進む。

ステップ５１で固定子巻線温度が固定子巻線設定温度以上ではないと判断したときには、ステップ５３に進んで発電機の回転数が低回転運転状態になっているか否かを判定する。すなわち、回転数検出手段３４において、検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満のときに低回転運転を行っていると判定する。このステップ５３で低回転運転を行っていると判定したときにはステップ５４に進み、ステップ５３で低回転運転状態ではないと判定したときにはステップ５５に進んで許容時間計測状態をリセットした後、前記ステップ５１に戻る。

前記ステップ５４では、継続時間計測中か否かを判定し、継続時間計測中ではない場合、すなわち、初めてステップ５４の処理を行う際には、低回転運転の継続時間の測定を開始してステップ５６に進む。このステップ５６では、前述の図２に示した回転数と許容時間との関係を表したテーブルから、そのときの回転数に応じた許容時間を選択する。次にステップ５７に進み、ステップ５６で選択した許容時間と測定した継続時間とを比較し、継続時間が許容時間を経過していないときには前記ステップ５１に戻る。ステップ５１に戻ってステップ５３で再び低回転運転と判定されたときには、ステップ５４で継続時間計測中であると判断されるので、ステップ５６を飛ばしてステップ５７に進む。また、ステップ５３で低回転運転が解消したと判定されると、ステップ５５で許容時間計測状態がリセットされる。

固定子巻線過熱あるいは回転子巻線過熱と判断されてステップ５２に進むと、発電機を保護するために警報出力又はエンジン（発電機）を停止させる動作が行われる。このとき、設定温度や許容時間を２段階に設定し、１段目で警報を出力し、２段目でエンジンを停止させるといった制御を行うことも可能である。また、低回転運転時に回転数が変化する場合を考慮し、回転数を常時監視するように設定することもできる。

なお、上述のように、固定子巻線の監視と回転子巻線の監視とを同時に行うことによってエンジン発電機の焼損をより確実に行うことができるが、固定子巻線のみ、あるいは、回転子巻線のみを監視することによってもエンジン発電機を保護することが可能である。

本発明の保護装置を備えた可搬式発電機の一形態例を示すブロック図である。 発電機の出力周波数（回転数）に対する回転子巻線電流、焼損時間及び発電電圧の関係を示す図である。 保護装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。 可搬式発電機の構成を示す概略ブロック図である。 同期発電機の一例を示す断面斜視図である。 運転状態表示パネルの一例を示す正面図である。

符号の説明

１１…ディーゼルエンジン、１２…同期発電機、１３…自動電圧調整器（ＡＶＲ）、１４…励磁機界磁巻線、１５…負荷、２１…フレーム、２２…エンドブラケット、２３…回転電機子部、２４…シャフト、２５…固定電機子部、２６…回転子巻線（発電機界磁巻線）、２７…制動巻線、２８…励磁機電機子巻線、２９…冷却ファン、３０…固定子巻線（電機子巻線）、３１…保護装置、３２…検出部、３３…固定子巻線温度検出手段、３４…回転数検出手段、３５…計時手段、３６…制御手段、３７…温度センサー、４０…運転状態表示パネル、４１…過負荷警告ランプ、４２…低回転警告ランプ

Claims (3)

1. エンジンにより駆動される同期発電機から出力された電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている励磁機界磁巻線の界磁電流を調整することにより、前記同期発電機の出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた可搬式発電機において、前記同期発電機の固定子巻線の温度を検出する固定子巻線温度検出手段と、前記同期発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段で検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満の低回転運転のときに、前記固定子巻線温度検出手段の検出温度があらかじめ設定した固定子温度上限値を超えたときに前記エンジンを停止させるエンジン制御手段とを備えていることを特徴とする保護装置を備えた可搬式発電機。
2. エンジンにより駆動される同期発電機から出力された電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている励磁機界磁巻線の界磁電流を調整することにより、前記同期発電機の出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた可搬式発電機において、前記同期発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段が検出した回転数があらかじめ設定した設定回転数未満の低回転運転されているときの継続時間を測定する計時手段と、該計時手段で計測した継続時間があらかじめ設定した許容時間を経過したときに前記エンジンを停止させるエンジン制御手段とを備えていることを特徴とする保護装置を備えた可搬式発電機。
3. 前記許容時間は、前記同期発電機の回転数に対応してそれぞれ設定されていることを特徴とする請求項２記載の保護装置を備えた可搬式発電機。

Images