JP2012100450A - 直流発電機を備えた発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】商用電源の停電時に動作して、建物に無停電で電気を供給する発電装置において、コンデンサタイプの蓄電部の蓄電容量を小さくする。
【解決手段】
発電装置は、直流電力を蓄えるコンデンサタイプの蓄電池で構成された蓄電部12と、この蓄電部12からの直流電力を交流電力に変換し、負荷に供給するDC/AC変換装置15と、燃料を動力源として回転軸22を回転させる駆動装置21と、回転軸22の回転によって直流電力を生成するとともに、直流電力が供給されると回転軸22を回転させる直流発電電動機23とを備えている。そして、蓄電部12は、駆動装置21の始動時に、駆動装置21と合わせて、DC/AC変換装置15と直流発電電動機23のそれぞれに直流電力を供給する。また、直流発電電動機23は、蓄電部12から供給された直流電力によって回転軸22を回転させて駆動装置21を定格運転まで起動させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、直流発電機を備えた発電装置に関する。特に、商用電源の停電時に動作して、建物に無停電で電気を供給する発電装置に関する。
商用電源の停電時に、発電機及び電池電源によって無停電で電気を供給する非常用電源装置が提案されている(例えば特許文献1を参照)。図7(a)に示すように、この非常用電源装置は、停電時に起動されるDC/AC変換装置101を有している。そして、停電時には、電池電源102及び直流発電装置103がDC/AC変換装置101に接続され、電池電源102や直流発電装置103からDC/AC変換装置101に直流電力が供給される。つまり、停電直後における直流発電装置103が起動するまでの期間は、電池電源102によって負荷に電力を供給し、直流発電装置103の起動後は、主に直流発電装置103で負荷に電力を供給する。
特開平10−56780号公報
この非常用電源装置では、停電が検出されると直流発電装置103が始動し、始動から10秒程度経つと直流発電装置103からの供給電圧が安定する。従来技術による非常用電源装置では、直流発電装置103がエンジンとそれを始動させる装置(例えばセルモータ)とを有しており、直流発電装置103が起動するまでの期間は電池電源102によって負荷に電力を供給しなければならない。図7(b)に示す例において、エンジンは始動開始から9秒後に起動状態になり、エンジン回転数が定格回転数の80%に達する。このため、電池電源102は、停電検出から10秒程度に亘って直流電力を供給し続けなければならない。
ここで、非常用の電池電源102としては、電気反応型の蓄電池(例えば鉛蓄電池)に比べて耐用年数が長いことから、コンデンサタイプの蓄電池が好適に用いられる。このコンデンサタイプの蓄電池は、電気反応型の蓄電池に比べて小型軽量であるため、設置面積を小さくでき、建物の床荷重を減らせる等のメリットも有している。
しかし、コンデンサタイプの蓄電池は、電気反応型の蓄電池に比べて内部抵抗が小さいので大電流を流すのに適しているが、電力の供給時間にほぼ比例して蓄電容量を大きくする必要がある。このため、上記の非常用電源装置にコンデンサタイプの蓄電池を用いる場合、直流発電装置103が起動するまでの期間に応じた大きな容量にする必要があり、好ましくない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、商用電源の停電時に動作して、建物に無停電で電気を供給する発電装置にコンデンサタイプの蓄電池で構成された蓄電部を用いるに際し、この蓄電部の容量を小さくすることにある。
前記目的を達成するため、本発明は、直流電力を蓄える蓄電部と、前記蓄電部からの直流電力を交流電力に変換し負荷に供給する「DC/AC変換装置」と、燃料を動力源として回転軸を回転させる「駆動装置」と、前記回転軸の回転によって直流電力を生成するとともに、直流電力が供給されると前記回転軸を回転させる「直流発電電動機」とを備えた発電装置であって、前記蓄電部は、コンデンサタイプの蓄電池によって構成され、前記駆動装置の始動時に、前記DC/AC変換装置と前記直流発電電動機のそれぞれに直流電力を供給し、前記直流発電電動機は、前記駆動装置と合わせて前記蓄電部から供給された直流電力によって前記回転軸を回転させ、前記駆動装置を定格運転まで起動させることを特徴とする。
本発明によれば、停電時において、蓄電部からDC/AC変換装置に直流電力が供給され負荷に対して交流電力を速やかに供給しつつ駆動装置による起動だけでなく、大容量の直流発電電動機で駆動装置を始動及び起動させるため、駆動装置の始動から起動までに要する時間を可及的に短くすることができ、蓄電部の容量を小さくすることができる。
また、前記駆動装置の始動時において、前記蓄電部からの直流電力を前記直流発電電動機へ向けて供給する制流部を、前記蓄電部と前記直流発電電動機との間に設けた場合には、駆動装置の始動を確実に行うことができる。
ここで、前記直流電力の供給時間を前記駆動装置の始動初期に近いほど短くし、前記直流発電電動機の始動電流を制限した状態で前記駆動装置を始動させる場合には、直流発電電動機への電流を抑制でき、直流発電電動機に対する電気的及び機械的な負担を定格以下に抑えることができる。
本発明によれば、コンデンサタイプの蓄電池で構成された蓄電部についてその容量を小さくすることができる。
発電装置の全体構成を説明するブロック図である。 通常時の動作状態を説明する図である。 停電時における駆動装置の始動状態を説明する図である。 制流部に供給される制御用のパルス信号を説明する図である。 停電時において、直流電動発電機が発電した直流電力がDC/AC変換装置に供給されている状態を説明する図である。 駆動装置の回転数、蓄電部から直流電動発電機に供給されるエネルギー量、直流電動発電機が発電するエネルギー量、及び蓄電部から放出されるエネルギー量の経時変化を説明する図である。 従来技術を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、建物に設置され、商用電源の停電時において、当該建物へ交流を供給する発電装置を例に挙げて説明する。
まず、発電装置の構成について説明する。図1に示すように、この発電装置は、無停電電源部10と、発電部20と、制流部30と、第1制御部40とを有する。
無停電電源部10は、停電が生じた場合に、負荷に対して交流電力を供給する部分であり、高速スイッチ11と、蓄電部12と、充電用ダイオード13と、放電用ダイオード14と、DC/AC変換装置15と、第2制御部16とを有する。
高速スイッチ11は、交流電源の供給または遮断を短時間で行うことができるスイッチである。本実施形態の高速スイッチ11は、引込線51の途中であってDC/AC変換装置15よりも上流側の位置に設けられており、第2制御部16からのスイッチ制御信号によって動作が制御される。
図1の例では、引込線51の途中であって高速スイッチ11よりも上流側の位置に、開閉器52が設けられている。この開閉器52は、常時閉鎖されているが、回路内で短絡等が発生した時に閉路する回路保護装置である。
蓄電部12はコンデンサタイプの蓄電池で構成されたものであり、現状技術では電気二重層コンデンサが好適に用いられる。この蓄電部12は、DC/AC変換装置15等へ供給するための直流電力を蓄える。
この蓄電部12に電気二重層コンデンサを採用した場合には、一般的な鉛蓄電池等に比べて内部抵抗が小さく、極めて短い時間に蓄えた電気を大量に放出することができる。通常時(非停電時)において、蓄電部12は商用電源50から充電されているため、不測のタイミングで停電が発生しても、直流電力を確実にDC/AC変換装置15等へ供給できる。
充電用ダイオード13は、蓄電部12に対する充電を行うために設けられており、アノードが引込線51における高速スイッチ11よりも下流側(負荷側)の位置に接続され、カソードが蓄電部12の電源端子に接続されている。このため、商用電源50の電圧が蓄電部12の電圧よりも高い場合に、充電用ダイオード13を通じて電流が流れ、蓄電部12が充電される。一方、商用電源50の電圧が蓄電部12の電圧と等しいか低い場合には、充電用ダイオード13によって阻止されるため、蓄電部12から引込線51側へ放電することはない。この機能は、DC/AC変換装置15を双方向として省略することもできる。
放電用ダイオード14は、蓄電部12から直流電力を供給するために設けられており、アノードが蓄電部12の電源端子に接続され、カソードがDC/AC変換装置15と制流部30とを接続する電源線17に接続されている。このため、蓄電部12の電圧が電源線17の電圧よりも高い場合に、放電用ダイオード14を通じて電流が電源線17に流れる。一方、電源線17の電圧が蓄電部12の電圧と等しいか低い場合には、放電用ダイオード14によって阻止されるため、蓄電部12に電流が流れ込まない。
DC/AC変換装置15は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、本実施形態では蓄電部12に蓄えられた直流電力や発電部20で発電された直流電力を交流電力に変換する。変換された交流電力は、引込線51や建物内の電気配線を通じて負荷へ供給される。
第2制御部16は、高速スイッチ11に対する制御など、無停電電源部10における制御を担当する部分である。この第2制御部16は、第1制御部40と連携して各種の制御を行う。
次に、発電部20について説明する。発電部20は、軽油又は重油といった燃料を動力源とする内燃機関を有し、直流電力を生成する部分である。この発電部20は、駆動装置21と、回転軸22と、直流発電電動機23とを有する。
駆動装置21は、燃料を消費することで回転軸22を回転させる内燃機関として構成されている。この駆動装置21としては、ディーゼルエンジンやガスタービンを用いることができる。また、回転軸22の途中にはカップリング22aが設けられている。
直流発電電動機23は回転軸22に連結されており、回転軸22の回転によって直流電力を生成する発電機として機能するとともに、外部から直流電力が供給されると回転軸22を回転させる電動機として機能する。
この直流発電電動機23は、例えばケースとロータとを有している(何れも図示せず)。ケースは、ロータを回転可能な状態に保持する筒状の部材であり、内壁に沿って界磁用磁石が配設されている。ロータは、回転軸22とともに回転される部材である。このロータには、複数の電磁石が設けられており、電磁石のコイルが整流子に接続されている。
電動機として機能するとき、電磁石のコイルには、ブラシ及び整流子を介して直流が供給される。これにより、ロータを一定方向に回転させる方向の磁界が電磁石から発生される。従って、外部から直流電力が供給されるとロータが回転し、回転軸22も回転される。一方、発電機として機能するとき、回転軸22の回転に伴ってロータが回転する。これにより、電磁石には誘導電流が励起され、励起された誘導電流は整流子及びブラシを通じて外部に取り出される。すなわち、直流電力が生成される。
次に、制流部30について説明する。制流部30は、駆動装置21の始動時において、蓄電部12からの直流電力を直流発電電動機23へ向けて供給する一方、駆動装置21の駆動状態において、直流発電電動機23が発電した直流電力をDC/AC変換装置15に供給する部分である。本実施形態の制流部30は、サイリスタ31と、リアクトル32と、ダイオード33とを有している。
サイリスタ31は、蓄電部12からの直流電力を直流発電電動機23へ向けて供給するためのスイッチとして機能するものであり、第1制御部40からのオンオフ信号がゲート端子に入力される。そして、サイリスタ31のアノード端子は蓄電部12の電源端子に接続され、カソード端子はリアクトル32を介して直流発電電動機23に接続されている。
このため、オンオフ信号がオンを示す場合、サイリスタ31がオン状態になって蓄電部12から直流発電電動機23へ向けて電流が流れる。一方、オンオフ信号がオフを示す場合、サイリスタ31がオフ状態になって上記電流は流れない。
リアクトル32は、サイリスタ31から流れてくる直流電流の突入電流を抑制する部分であり、サイリスタ31のカソード端子と直流発電電動機23との間に、直列に接続されている。本実施形態において、第1制御部40は、直流発電電動機23への電流を抑制するため、サイリスタ31を間欠的にオンさせるオンオフ信号(図4を参照)を出力する。従って、駆動装置21の始動時において、サイリスタ31からは直流電流が断続的に流れてくる。そして、リアクトル32は、断続的に流れる直流電流の突入電流を抑制して直流発電電動機23に供給する。
ダイオード33は、直流発電電動機23が発電した直流電力を、DC/AC変換装置15や蓄電部12に供給するためのものであり、アノード端子がDC/AC変換装置15や蓄電部12に接続され、カソード端子が直流発電電動機23に接続されている。従って、直流発電電動機23側の電圧が電源線17側の電圧よりも高くなると、ダイオード33を通じて直流電力がDC/AC変換装置15側に供給される。
次に、第1制御部40について説明する。第1制御部40は、発電部20や制流部30に対する制御を担当する部分である。この第1制御部40は、サイリスタ31に対してオンオフ信号を出力することで、サイリスタ31を間欠的にターンオンさせる。さらに、第1制御部40は、直流発電電動機23の回転数が定格回転数となるように、駆動装置21の出力制御をするとともに界磁用電磁石の磁界を調整して、発電機としての出力を制御する。
次に、発電装置の動作について説明する。
図2に示すように、通常時(非停電時)においては、開閉器52と高速スイッチ11が共に閉じられている。このため、商用電源50から負荷に対して交流電力が直に供給され、負荷は供給された交流電力で動作する。また、この通常時には、充電用ダイオード13を通じて蓄電部12へ電流が流れ、商用電源50による蓄電部12の充電が行われる。
第2制御部16は、引込線51の電圧を常時監視している。そして、商用電源50の停電が検出されると、図3に示すように、高速スイッチ11が開放状態へ移行される。高速スイッチ11の開放により、DC/AC変換装置15から商用電源50側への電流の逆流は阻止され、DC/AC変換装置15で変換された交流電力が負荷に供給される。
また、第1制御部40は、サイリスタ31に対してオンオフ信号を出力する。このオンオフ信号は、直流電流をPWM制御するために出力される。図4に例示するオンオフ信号は、直流発電電動機23に流れる平均電流が定格の電流となるように、パルス幅を調整する。すなわち、第1制御部40は、直流電力の供給時間が駆動装置21の始動初期に近いほど短くなるようにパルス幅が定められたパルスを、繰り返し出力する。
また、サイリスタ31と直流発電電動機23の間にはリアクトル32が直列に配置されているので、直流発電電動機23に対する急激な電力供給(突入電流)を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、蓄電部12としてコンデンサタイプの蓄電池を用いているので、大電流を短時間で放出できることより、電流が不足する不具合を抑制できる。例えば、直流発電電動機23を電動機として動作させる場合において、低い回転数において強いトルクを確保できる。
直流電力の供給に伴って直流発電電動機23が動作し、駆動装置21と合わせて回転軸22を回転させる。そして、駆動装置21が起動状態(定格出力の80%程度)になると、電動機としての運転から発電機としての運転となり、図5に示すように、直流発電電動機23が発電した直流電力は、DC/AC変換装置15を介して交流電力に変換され、負荷へ電力を供給することができる。
なお、停電が復旧し、負荷に商用電源50を供給できる状態になったならば、DC/AC変換装置15の出力を商用側と同期を取った上で、第1制御部40は、高速スイッチ11に対して閉成を指示するスイッチ制御信号を出力する。また、第1制御部40は、駆動装置21に対して動作を停止させるための制御信号を出力する。これらの制御信号により、高速スイッチ11が閉じた状態になって商用電源50が負荷に供給される。また、駆動装置21が運転を停止し、直流発電電動機23による直流電力の発電が停止される。
次に、この発電装置の各部におけるエネルギーの移動について、図6の概念図を参照して説明する。
図6における横軸は、停電検出時からの経過時間を示している。経過時間に関しては、一般的な場合との比較において決められたものであり、絶対的なものではない。そして、縦軸の上段は駆動装置21の回転数を示している。ここで、回転数[0%]とは、駆動装置21が停止している状態を意味する。また、回転数[100%]とは、駆動装置21が定格回転数で運転されている状態を意味する。そして、符号Aで示す斜線範囲は、駆動装置21が供給電力で動作している期間の仕事(エネルギー)を示している。起動時の低回転時において直流発電電動機23のトルクは高いため、立上り特性はエンジンよりも良い。また、エンジンの起動力も合わせて使用している。
図6における縦軸の中段は、直流発電電動機23におけるエネルギーの収支を示している。ここで、エネルギー[0%]とは、直流発電電動機23が停止している状態、または、直流発電電動機23の電力使用量と発電量とが釣りあっている状態、つまり電力の移動がない状態を意味する。また、エネルギー[100%]とは、直流発電電動機23が発電機として機能し、規定電力を発電している状態を意味する。一方、エネルギー[−100%]とは、直流発電電動機23が電動機として機能し、電動機としての出力が100%である状態を意味する。そして、符号Bで示す斜線範囲は、直流発電電動機23が電動機として消費するエネルギーを示し、符号Cで示す斜線範囲は、直流発電電動機23が発電機として外部に出力するエネルギーを示している。また、符号Dで示す斜線範囲は、蓄電部12から直流発電電動機23へ供給されるエネルギーを示している。
図6における縦軸の下段は、蓄電部12から放出されるエネルギーと負荷に供給されるエネルギーとを示している。ここで、エネルギー[0%]とは、蓄電部12からエネルギーが放出されていない状態を意味する。また、エネルギー[100%]とは、定格負荷に供給されるエネルギー量を意味する。従って、エネルギー[200%]とは、定格負荷に供給されるエネルギーの2倍の量を意味する。そして、符号Eで示す斜線範囲は、負荷に供給されるエネルギーを示している。また、符号Fで示す斜線範囲は、蓄電部12から放出されるエネルギーを示している。
図6に示す例において、停電検出直後のタイミング[0秒]では、蓄電部12から負荷に供給されるエネルギーの2倍[=200%]が放出されている。そして、放出されたエネルギーの半分がDC/AC変換装置15を介して負荷に供給され、残りの半分が電動機に供給されている。すなわち、蓄電部12から放出されたエネルギーによって、負荷と直流発電電動機23の両方を動作させている。
停電検出から1秒経過したタイミングでは、ディーセルエンジンの回転数が規定回転数の半分強まで上昇し、直流発電電動機23で消費されるエネルギーが半減[−50%]している。これに伴い、直流発電電動機23に供給されるエネルギーも半減[50%]し、バッテリーから放出されるエネルギーも150%まで減少している。すなわち、このタイミングでは、蓄電部12から供給された直流電力によって、直流発電電動機23が規定回転数よりも低い回転数で回転している。
停電検出から2秒経過したタイミングでは、ディーセルエンジンの回転数が規定回転数の8割程度まで上昇し、直流発電電動機23で消費されるエネルギーが0%になっている。これに伴い、直流発電電動機23に供給されるエネルギーも0%になり、バッテリーから放出されるエネルギーは、DC/AC変換装置15を介して負荷に供給されるエネルギーと同量[100%]になっている。すなわち、このタイミングにおいて、蓄電部12から供給された直流電力は、専ら交流電力に変換されて負荷へ供給されている。また、蓄電部12から直流発電電動機23へ供給された直流電圧と、直流発電電動機23で発電された直流電圧とが丁度釣りあった状態にあり、電流の流れは発生していない。
その後のタイミングでは、直流発電電動機23で発電される直流電力が増えるため、蓄電部12から負荷へ供給される電気エネルギーは次第に少なくなっていく。そして、停電検出から4秒経過したタイミングでは、負荷へ供給される電気エネルギーの全てを直流発電電動機23から供給される直流電力で賄っている。
以上説明したように、本実施形態の発電装置では、停電時において、蓄電部12からDC/AC変換装置15に直流電力が供給されるため、負荷に対して交流電力を速やかに供給できる。そして、直流発電電動機23に対しても蓄電部12から直流電力が供給されるため、直流発電電動機23が回転軸22を直接的に回転させる。そして、直流発電電動機23を駆動装置21の始動用に使用することで大容量の始動装置となるため、セルモータによる始動よりも駆動装置21を早期に始動させることができる。
この直流発電電動機23は、電動機として機能するときに低い回転数でも高いトルクを発生するので、セルモータによる始動よりも強いトルクで回転軸22を回転させることができる。
また、始動後においても、直流発電電動機23を駆動装置21の加速用に使用することにより、駆動装置21だけの場合よりも回転軸22の回転数を短時間で高めることができる。
図6の例では、始動開始から2秒で、駆動装置21の回転数を定格の80%にすることができる。始動開始から2秒で起動状態に移行できることから、従来技術に比べて蓄電部12の容量を半分程度に小さくすることができる。以下、このことについて説明する。
まず、従来技術はセルモータを用いた始動のため、始動に3秒程度の時間がかかっていた。これに対して本実施形態は、直流発電電動機23を電動機として使用しているので始動時に定格出力が得られ、始動時間をほぼ0秒にできる。次に、エンジンや駆動装置21を起動するまでの加速時間に関し、従来技術はエンジンのみのため4秒程度を要していた。エンジンの出力が回転数に比例した出力になることから、4秒間の慣性エネルギー(エンジン起動に必要なエネルギー)は、100%×4s×1/2で求められ、200%・sになる。これに対して本実施形態は、200%・sを直流発電電動機23と駆動装置21とで分担することから、慣性エネルギーがそれぞれ100%・sになり、加速時間を従来技術のほぼ半分(2秒間)にすることができる。
ここで、従来技術は電池電源102の出力エネルギーを100%から0%にするための切換時間として2秒間必要と仮定し、本実施形態も蓄電部12の出力エネルギーを100%から0%にするための切換時間として2秒間必要と仮定する。この場合、必要な蓄電容量に関し、従来技術は、図7(b)に符号F´のハッチング領域に相当するエネルギー量(800%・s)を蓄電可能な容量に定める必要がある。一方、本実施形態は、図6下段に符号Fのハッチング領域に相当するエネルギー量(400%・s)を蓄電可能な容量に定めれば足りる。以上より、本実施形態は、従来技術に比べて蓄電部12の容量を半分程度に小さくすることができるといえる。
ところで、以上の実施形態に関する説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨、目的を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、次のように構成してもよい。
例えば、駆動装置21をディーゼルエンジンによって構成した場合には、他の種類の駆動装置(例えばガスタービン)を使用した場合よりも短時間で起動できる。
また、蓄電部12と直流発電電動機23との間に設けられる制流部30も、前述の構成に限られない。例えば、蓄電部12から直流発電電動機23へ直流電力を供給する際に閉じられる第1スイッチと、直流発電電動機23から蓄電部12やDC/AC変換装置15へ直流電力を供給する際に閉じられる第2スイッチとによって、制流部30を構成してもよい。
10 無停電電源部
11 高速スイッチ
12 蓄電部
13 充電用ダイオード
14 放電用ダイオード
15 DC/AC変換装置
16 第2制御部
17 電源線
20 発電部
21 駆動装置
22 回転軸
22a カップリング
23 直流発電電動機
30 制流部
31 サイリスタ
32 リアクトル
33 ダイオード
40 第1制御部
50 商用電源
51 引込線
52 開閉器

Claims (3)

  1. 直流電力を蓄える蓄電部と、
    前記蓄電部からの直流電力を交流電力に変換し負荷に供給するDC/AC変換装置と、
    燃料を動力源として回転軸を回転させる駆動装置と、
    前記回転軸の回転によって直流電力を生成するとともに、直流電力が供給されると前記回転軸を回転させる直流発電電動機とを備えた発電装置であって、
    前記蓄電部は、
    コンデンサタイプの蓄電池によって構成され、
    前記駆動装置の始動時に、前記DC/AC変換装置と前記直流発電電動機のそれぞれに直流電力を供給し、
    前記直流発電電動機は、前記駆動装置と合わせて、
    前記蓄電部から供給された直流電力によって前記回転軸を回転させ、前記駆動装置を定格運転まで起動させることを特徴とする発電装置。
  2. 前記駆動装置の始動時において、前記蓄電部からの直流電力を前記直流発電電動機へ向けて供給する制流部を、前記蓄電部と前記直流発電電動機との間に設けたことを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
  3. 前記制流部は、
    前記直流電力の供給時間を前記駆動装置の始動初期に近いほど短くし、前記直流発電電動機の始動電流を制限した状態で前記駆動装置を始動させることを特徴とする請求項2に記載の発電装置。
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