JP2021504623A - 発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法、開ループ制御及び閉ループ制御装置並びに燃焼機関 - Google Patents

Abstract

発電機Ｇ及び非同期機械ＡＳＭを備えた燃焼機関ＢＫ、特に、ディーゼルエンジン又はガス機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法であって、この方法は、発電機の少なくとも一つの電気パラメータを検出する工程であって、この電気パラメータが電流Ｉ、電圧Ｕ及び周波数ｆの中から選択される工程と、発電機の電気パラメータのパラメータ変化量を予め決められた時間間隔で決定する工程と、このパラメータ変化量を第一の限界値と比較する工程と、このパラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、燃焼機関の標準的な回転数制御からパイロット制御に切り替える工程とを有する。

Description

本発明は、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関のための開ループ制御及び閉ループ制御装置並びに発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関に関する。

発電機を備えた燃焼エンジンなどの燃焼機関の設計及び動作において、様々な用途のための負荷モーターとして、例えば、通風装置、ポンプ及び巻上げ装置のための駆動機械として、しばしば非同期機械が使用されている。非同期モーターは、簡単かつ安価に製造できるので、最も多く製作されている電気機械の中の一つである。構造的な制限のために、非同期機械の起動時に、公称電流の８倍にまでの大きな始動電流が発生する。そのような大きな始動電流は、短時間の電力超過を引き起こす。その場合、例えば、同期発電機を備えた燃焼エンジンの回転数が明らかに急落する。そして、燃焼エンジンの回転数制御は、その急落に反応しなければならない。駆動技術市場では、そのような大きな始動電流の問題を最小化する幾つかの部品が既に存在し、例えば、星形−三角結線式始動、ソフトスタート及び周波数変換器などが挙げられる。最も頻繁に使用される方法は、星形−三角結線である。星形結線による始動によって、電力と回転モーメントが約１／３に低減される。始動時間後に、継電器の転換によって、三角結線動作に切り替えられる。周波数変換器は、相応の構成又はプログラミングにより、非同期モーターを穏やかに負荷に適合させた形で始動させることができる。

しかし、安全性に関して厳しい用途では、より少数の部品による、より低い故障確率を達成するとともに、出来る限り高価なパワーエレクトロニクス部品を省略するためにも、依然として非同期モーターの直接的な始動が望まれている。同時に、燃焼エンジンの回転数の急落を防止すべきである。

本発明の第一の観点によると、この課題は、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関、特に、ディーゼルエンジン又はガス機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法において、
発電機の少なくとも一つの電気パラメータを検出する工程であって、この電気パラメータが電流、電圧及び周波数の中から選択される工程と、
予め決められた時間間隔における発電機の前記の電気パラメータのパラメータ変化量を決定する工程と、
このパラメータ変化量を第一の限界値と比較する工程と、
このパラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、燃焼機関の標準的な回転数制御からパイロット制御に切り替える工程と、
を有する方法によって解決される。

本発明は、非同期機械の始動時の第一のサージ電流の検出と、その後に行なわれる標準的な回転数制御からパイロット制御への切り替えとによって、先ずは燃焼機関の回転数の急落を引き起こさずに、燃焼機関が非同期機械の始動プロセスに対処することができるとの知見に関連する。このパイロット制御によって、追加のパワーエレクトロニクス部品が不要になるとともに、非同期機械の直接的な始動が可能になる。即ち、負荷の印加を予測して反応することができるとともに、対抗措置を開始する前に、初めに回転数の急落を待つ必要が無くなる。従来の負荷印加時では、電気負荷によって、回転モーメントが大きな影響を受けていた。そのような回転モーメントによって、燃焼エンジンが制動され、そのため、燃焼エンジンが、その回転数を急落させていた。しかし、今では、負荷の印加を確実に検知して、対抗措置を開始することができる。そのために、回転数の急落に応じて、燃料の量を増大させて、エンジンを再び所定の目標回転数にまで加速するように努める。

従来技術では、このような回転数制御形態は、燃焼機関と発電機のシステム全体の反応を待たなければならなかった。回転数の急落後に、漸く対抗措置を開始することができた。本発明による方法によって、そのように待つことが不要となり、パラメータ変化量に関して予め決められた時間間隔において第一のサージ電流を検出することによって、負荷の印加を精確に検知して、パイロット制御による即座の対抗措置を開始することができる。そのため、システム全体の負荷切替能力を改善することができる。それに加えて、本発明によって、大きな回転数変動を防止することができる。更に、限界値を順守しながら、より大きな負荷を加えることができる。更に、負荷の速い予測によって、最早連結機械をそのように大きく過剰なサイズにする必要がなくなる。それは、コストを削減するとともに、構造空間を低減させることとなる。また、連結機械は、負荷性能の向上によって、より良好な動作範囲内で動作することとなる。

以下において、本方法の有利な改善構成を説明する。実施例の追加の特徴は、それらが明細書で明らかに相互代替手段として記述されていない限り、別の改善構成を構築するために互いに組み合わせることができる。

有利には、このパイロット制御は、適合された目標燃料噴射量を決定することを含む。この適合された目標燃料噴射量は、保存された目標燃料噴射量の中から選択することができる。有利には、この適合された目標燃料噴射量は、パラメータ変化量の大きさに基づき決定される。例えば、予測アルゴリズムによって、このパラメータ変化量の大きさから、非同期機械の公称電力、即ち、負荷の推定を行なうことができる。そして、これらの情報を用いて、燃焼エンジンに関する目前に迫った負荷を推定して、適合された目標燃料噴射量を決定することができる。そのため、この適合された目標燃料噴射量によって、燃焼エンジンの回転数制御を最適化することができる。パラメータ変化量は、時間に関するパラメータ曲線の勾配として決定することができる。

この場合、パラメータ変化量が大きくなるほど、この適合された目標燃料噴射量を大きくするのが有利である。更に、この適合された目標燃料噴射量は、有利には、非同期機械の測定された最大始動電流を考慮して決定される。この最大始動電流は、非同期機械の公称電力の一層改善された推定を、そのため、燃焼機関、発電機及び非同期機械から成るシステム全体の改善された始動挙動を可能にする。更に、このパイロット制御は、例えば、発電機における短時間の電圧低下などの負荷切替性能を改善するための追加の措置を規定することができる。

本方法は、更に、
パラメータ変化量を新ためて決定する工程と、
このパラメータ変化量を、第一の限界値よりも小さい第二の限界値と比較する工程と、
このパラメータ変化量が第二の限界値よりも小さい場合に、パイロット制御を標準的な回転数制御に切り戻す工程と、
を有するのが有利である。

これらの追加工程によって、一方において、パラメータ変化量が第二の限界値を下回る相応の小さい量に低下したのか否かを調べることによって、非同期機械の始動フェーズが終了したのか否かが確認され、他方において、それが肯定された場合に、標準的な回転数制御が再び作動される。更に、パラメータ変化量が第二の限界値よりも大きい場合には、パイロット制御は作動されたままである。

一つの改善構成において、この標準的な回転数制御は、燃焼機関の目標回転数と実際の回転数の間の比較に基づき標準的な目標燃料噴射量を持続的に決定することを含む。

第二の観点によると、本発明は、本発明の第一の観点による方法を実施するように構成された、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関のための開ループ制御及び閉ループ制御装置に関する。

この開ループ制御及び閉ループ制御装置が回転数コントローラと設備制御部を有し、この回転数コントローラが標準的な回転数制御を実行するように構成され、この設備制御部が、パイロット制御を実行するように構成され、この開ループ制御及び閉ループ制御装置が、パラメータ偏差又はパラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、回転数コントローラの優先形態から設備制御部の優先形態への切り替えを起動するように構成されるのが特に有利である。

第三の観点によると、本発明は、本発明の第二の観点による開ループ制御及び閉ループ制御装置を有する、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関、特に、ディーゼルエンジン又はガス機関に関する。

第二の観点による開ループ制御及び閉ループ制御装置と発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関は、本発明の第一の観点による開ループ制御及び閉ループ制御方法の利点を共有する。

ここで、以下において、図面に基づき本発明の実施例を説明する。これは、必ずしも正しい縮尺で実施例を図示しておらず、むしろ図面は、説明に役立つ場合には、模式的に及び／又は僅かに歪められた形で作成されている。図面から直に分かる教示の補遺に関しては、関連する従来技術を参照されたい。その場合、本発明の一般的な考えを逸脱すること無く、実施例に対して形状及び細部に関する多様な修正及び変更を実施できることを考慮すべできある。本発明の明細書、図面及び請求項に開示された特徴は、個々においても、任意の組合せにおいても、本発明の改善構成にとって重要であるとすることができる。更に、明細書、図面及び／又は請求項に開示された特徴の中の少なくとも二つの組合せの全ては本発明の範囲内に有る。本発明の一般的な考えは、以下で図示して説明する有利な実施例の精確な形状又は細部に限定されないか、或いは請求項に記載された対象と比較して限定された対象に制限される。ここで定格範囲が規定されている場合、そこに挙げられた限界内に有る値も限界値として開示されて、任意に採用可能及び要求可能であるものとする。以下では、単純化するために、同じ又は同様の部分、或いは同じ又は同様の機能を有する部分には同じ符号を使用している。

本発明の更なる利点、特徴及び詳細は、以下における有利な実施例の記述及び図面から明らかになる。

時間に関する非同期機械の始動電流の推移の例の模式的なグラフ 本発明の第二の観点による開ループ制御及び閉ループ制御装置の実施例の模式図 本発明の第三の観点による発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関の実施例の模式図 発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法の模式図

図１には、時間に関する非同期機械の始動電流の推移の例が図示されている。この場合、始動電流Ｉは、先ずは最大始動電流Ｉ_ｍａｘにまで大きく上昇した後、非同期機械が始動フェーズ後に動作する動作レベルＩ_Ｂにまで低下する。始動フェーズの最初における電流曲線の大きな上昇は、勾配ｄｉ／ｄｔ、即ち、所定の時間間隔におけるパラメータ変化量で表される。本発明では、この上昇は、電気的なパラメータ変化量として検出されて、このパラメータ変化量が第一の限界値を上回った場合に、非同期機械と接続された燃焼機関の標準的な回転数制御からパイロット制御への切替が実行される。この場合、パイロット制御の範囲内では、燃焼機関に関する目標燃料噴射量が決定される。それは、予め決められた値の中から、或いはパラメータ変化量の大きさに基づき行なわれる。電流の外に、電圧及び周波数も、電気パラメータとして考慮される対象である。

図２は、回転数コントローラｎＲと設備制御部ＡＳを有する、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関ＢＫのための開ループ制御及び閉ループ制御装置ＳＲの実施例を模式図で図示している。この場合、回転数コントローラｎＲは、燃焼機関ＢＫの目標回転数ｎＳＬと実際の回転数ｎＩＳＴの間の比較に基づき標準的な目標燃料噴射量Ｑ１を持続的に決定することを含む標準的な回転数制御を実行するように構成されている。図示された実施例では、更に、検出された回転数ｎから実際の回転数ｎＩＳＴを決定するためのフィルターＦが用いられている。この開ループ制御及び閉ループ制御装置ＳＲは、発電機の少なくとも一つの電気パラメータを検出するように構成されており、この電気パラメータは、電流Ｉ、電圧Ｕ及び周波数ｆの中から選択されて、発電機の電気パラメータのパラメータ変化量ｄＩ／ｄｔ，ｄＵ／ｄｔ，ｄｆ／ｄｔは、予め決められた時間間隔において決定される。更に、この開ループ制御及び閉ループ制御装置は、パラメータ変化量ｄＩ／ｄｔ，ｄＵ／ｄｔ，ｄｆ／ｄｔを第一の限界値と比較して、パラメータ偏差又はパラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、回転数コントローラｎＲの優先形態から設備制御部ＡＳの優先形態への切替を作動するように構成されている。この設備制御部ＡＳは、パイロット制御を実行するように構成されている。図示された実施例では、このパイロット制御は、パラメータ変化量の大きさに基づき適合された目標燃料噴射量Ｑ２を決定することを含み、この適合された目標燃料噴射量は、パラメータ変化量が大きくなるほど大きくなる。更に、この開ループ制御及び閉ループ制御装置ＳＲは、パラメータ変化量の新たな決定後に、そのパラメータ変化量を、第一の限界値よりも小さい第二の限界値と比較して、パラメータ変化量が第二の限界値よりも小さい場合に、パイロット制御から標準的な回転数制御への切り戻しを作動するように構成されている。図示された実施例では、パイロット制御から標準的な回転数制御への切替及びその逆への切替は、スイッチの切替位置を２から１に、或いは１から２に変更することによって表されている。そのため、燃焼機関ＢＫにおいて出力される目標燃料噴射量Ｑは、優先形態に応じて、適合された目標燃料噴射量Ｑ２又は標準的な目標燃料噴射量Ｑ１となる。

図３は、発電機Ｇ及び非同期機械ＡＳＭを備えた燃焼機関ＢＫの実施例を模式図で図示している。この燃焼機関ＢＫは、更に、回転数コントローラと設備制御部ＡＳを備えた開ループ制御及び閉ループ制御装置を有する。ここでは、回転数コントローラは、エンジン制御機器ＥＣＵの一部として構成されている。電流Ｉ、電圧Ｕ及び周波数ｆの中から選択された、発電機Ｇの少なくとも一つの電気パラメータは、設備制御部ＡＳにより検出されて、それに対応するパラメータ変化量は、予め決められた時間間隔において決定される。このパラメータ変化量は、開ループ制御及び閉ループ制御装置によって、第一の限界値と比較されて、パラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、開ループ制御及び閉ループ制御装置によって、回転数コントローラによる燃焼機関の標準的な回転数制御から設備制御部によるパイロット制御への切替が行なわれる。図示された実施例では、設備制御部ＡＳは、更に、スイッチＳによって非同期機械を作動させるように構成されている。

図４は、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法を模式図で図示している。工程Ｓ１において、電流、電圧及び周波数の中から選択された、発電機の少なくとも一つの電気パラメータが検出されて、工程Ｓ２において、それに対応するパラメータ変化量Δが予め決められた時間間隔において決定される。工程Ｓ３において、パラメータ変化量Δが第二の限界値と比較されて、このパラメータ変化量Δが第一の限界値ＧＷ１よりも大きい場合に、工程Ｓ４において、燃焼機関の標準的な回転数制御からパイロット制御への切替が行なわれる。図示された実施例では、このパイロット制御は、パラメータ変化量の大きさに基づき適合された目標燃料噴射量を決定することを含み、この適合された目標燃料噴射量は、パラメータ変化量が大きくなるほど大きくなる。

Ｉ 始動電流
Ｉ_ｍａｘ 最大始動電流
Ｉ_Ｂ 動作レベル
ＳＲ 開ループ制御及び閉ループ制御装置
ＢＫ 燃焼機関
Ｇ 発電機
ＡＳＭ 非同期機械
ｎＲ 回転数コントローラ
ＡＳ 設備制御部
Ｑ１ 標準的な目標燃料噴射量
ｎＳＬ 目標回転数
ｎＩＳＴ 実際の回転数
ｎ 検出された回転数
Ｑ２ 適合された目標燃料噴射量
Ｑ 目標燃料噴射量
Ｆ フィルター
Ｓ スイッチ
ＧＷ１ 第一の限界値
Δ パラメータ変化量

Claims (9)

1. 発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関、特に、ディーゼルエンジン又はガス機関の開ループ制御及び閉ループ制御方法であって、
   発電機の少なくとも一つの電気パラメータを検出する工程であって、この電気パラメータが電流、電圧及び周波数の中から選択される工程と、
   予め決められた時間間隔における発電機の前記の電気パラメータのパラメータ変化量を決定する工程と、
   このパラメータ変化量を第一の限界値と比較する工程と、
   このパラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、燃焼機関の標準的な回転数制御からパイロット制御に切り替える工程と、を有する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記のパイロット制御が、パラメータ変化量の大きさに基づき、適合された目標燃料噴射量を決定することを含む方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記の適合された目標燃料噴射量は、パラメータ変化量が大きくなるほど大きくなる方法。
4. 請求項２又は３に記載の方法において、
   前記の適合された目標燃料噴射量が、非同期機械の測定された最大始動電流を考慮して決定される方法。
5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法において、
   前記のパラメータ変化量を新たに決定する工程と、
   このパラメータ変化量を、第一の限界値よりも小さい第二の限界値と比較する工程と、
   このパラメータ変化量が第二の限界値よりも小さい場合に、前記のパイロット制御から標準的な回転数制御に切り戻す工程と、を更に有する方法。
6. 請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法において、
   前記の標準的な回転数制御が、燃焼機関の目標回転数と実際の回転数の比較に基づき標準的な目標燃料噴射量を持続的に決定することを含む方法。
7. 発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関のための開ループ制御及び閉ループ制御装置において、
   この開ループ制御及び閉ループ制御装置が、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする開ループ制御及び閉ループ制御装置。
8. 請求項７に記載の開ループ制御及び閉ループ制御装置において、
   本装置が回転数コントローラと設備制御部を有し、この回転数コントローラが、標準的な回転数制御を実行するように構成され、この設備制御部が、パイロット制御を実行するように構成され、この開ループ制御及び閉ループ制御装置が、パラメータ偏差又はパラメータ変化量が第一の限界値よりも大きい場合に、回転数コントローラの優先形態から設備制御部の優先形態への切替を作動するように構成されている開ループ制御及び閉ループ制御装置。
9. 請求項７又は８に記載の開ループ制御及び閉ループ制御装置を有する、発電機及び非同期機械を備えた燃焼機関、特に、ディーゼルエンジン又はガス機関。

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