JP2814863B2 - 発電機の制御装置 - Google Patents

発電機の制御装置

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JP2814863B2
JP2814863B2 JP4326970A JP32697092A JP2814863B2 JP 2814863 B2 JP2814863 B2 JP 2814863B2 JP 4326970 A JP4326970 A JP 4326970A JP 32697092 A JP32697092 A JP 32697092A JP 2814863 B2 JP2814863 B2 JP 2814863B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、発電機の制御装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来の発電機の制御装置として、たとえ
ば図9に示すようなものがある(1991年本田技研工
業株式会社発行の「ホンダEX300取扱説明書」参
照)。
【0003】これを説明すると、発電機1は、図示しな
いレシプロカルエンジンに直結されており、発電機1の
巻線2に発生する三相入力がサイリスタ式のインバータ
3により単相50Hzの矩形波出力に変換され、この単
相出力にACコンセント4を介して電気負荷が接続され
る。
【0004】この場合に、定格よりも小さな電気負荷が
投入されるだけのような低負荷のときにも発電機の定格
回転数でレシプロカルエンジンを回転させる必要はな
く、定格回転数で回し続けることは燃料の無駄になる。
【0005】このため、手動で高負荷モードか低負荷モ
ードを選択するためのモード切換スイッチをコントロー
ラの外部に設けており、低負荷モードが選択されたとき
は、電気負荷に応じた回転数制御が行われる。無負荷の
ときはエンジンを低速のアイドル状態に保っておき、電
気負荷が投入されたときだけ負荷の大きさに応じて回転
数を高めることで、無駄な燃料の消費を抑制するのであ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、エンジン
(内燃機関)が定格回転数で常に運転される高負荷モー
ドでは、過電流が流れると、インバータ3が遮断され
る。定格出力(エンジンとインバータ双方の定格出力)
を越えた負荷電流が流れると、エンジンの回転低下のほ
か、インバータ内の素子(サイリスタなど)の温度上昇
によってインバータが焼損しかねないため、インバータ
出力(電流)を検出しており、あらかじめ定めた値以上
の電流(過電流)が流れたときは、インバータの作動を
停止するのである。
【0007】しかしながら、低負荷モードでは通常、定
格の1/3程度の負荷にしか対応できないため、これを
越えるような負荷(たとえば定格負荷)がアイドル状態
で一気に投入されたときは、図10に示したようにエン
ジンが過負荷状態となり停止してしまう。エンジンが停
止しないようにするには手動でモード切換スイッチを高
負荷側に切換えなければならない。過電流の検出は高負
荷モードと同一の設定値を基準に判断されるため、低負
荷モードではインバータが遮断されないのである。
【0008】これに対処するため、特開昭62−894
98号公報、特開昭62−89499号公報、特開平3
−190600号公報を参照して、低負荷モードで過負
荷であることを判定したときは、負荷を軽くするためい
ったんインバータを遮断し、回転数を高めた後でインバ
ータを自動復帰させることが考えられる。 この場合に、
インバータを復帰させたところが、まだ過負荷状態が継
続しており、この状態でインバータの作動を続けたので
は、インバータの素子温度の上昇を招き、インバータの
劣化を早めてしまうことになる。 そこでこの発明は、イ
ンバータの自動復帰後に再び過負荷が判定されたとき
は、インバータを遮断し、この場合はインバータを手動
復帰させることにより、インバータの自動復帰後にも過
負荷状態が継続することによるインバータ素子温度の上
昇を確実に防止することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明は、第1図で示
すように、燃料量に応じて回転数を高めるエンジン41
と、このエンジン41に直結される発電機42と、この
発電機42からの出力を交流に変換して出力するインバ
ータ43と、このインバータ出力に接続される電気負荷
44と、この負荷を検出するセンサ45と、前記エンジ
ン41の回転数を検出するセンサ46と、高負荷モード
か低負荷モードを選択するためのモード切換スイッチ4
7と、このモード切換スイッチ47の信号を受けて低負
荷モードの選択時であるかどうかを判定する手段48
と、この低負荷モードの選択時に前記負荷検出値と回転
数検出値にもとづき、負荷検出値に応じたエンジン回転
数となるように前記燃料量のフィードバック制御を行う
手段49と、低負荷モードの選択時に過負荷であるかど
うかを判定する手段50と、低負荷モードの選択時に過
負荷であることを判定したときは、前記インバータ43
をいったん遮断して前記エンジン41を定格回転数まで
加速したのちインバータ43を復帰させる手段51と
このインバータ43の復帰後に過負荷であるかどうかを
判定する手段52と、インバータ43の復帰後に過負荷
であることを判定したときは、インバータ43を遮断
し、リセットスイッチを手動でONにしたときインバー
タ43を復帰させる手段53とを設けた。
【0010】
【作用】低負荷モードの選択時には、エンジン41が低
速のアイドル回転で運転され、この状態からユーザーに
より電気負荷が投入されると、この負荷の大きさに応じ
てエンジン回転数が高められる。
【0011】アイドル状態で一気に定格付近の電気負荷
が投入されたときは、アイドル時の設定最大電流を越え
る電流が流れる。この場合に、この過電流などから過負
荷であることが判定されると、インバータ43がいった
ん遮断され、エンジン41が定格回転数まで加速された
のちインバータ43が復帰される。
【0012】低負荷モードで過負荷を判定したタイミン
グでインバータ43が遮断されると、エンジン41が無
負荷状態となるため、エンジン41の回転落ちが避けら
れ、かつエンジン41を定格回転数まで加速したのちイ
ンバータ43を復帰させることで、一気に投入された定
格付近の負荷に対応させることができる。低負荷モード
で過負荷になったとき、手動でモード切換スイッチ47
を高負荷側に切換えなくとも済むのである。さらに、イ
ンバータを自動復帰させた場合に、まだ定格以上の電気
負荷が投入されているときは再び過負荷と判定されてイ
ンバータ43が遮断され、今度はインバータを自動復帰
させることなく、定格回転数状態で維持される。これに
対してユーザーが負荷を小さくしてリセットスイッチを
手動で入れたとき、インバータが復帰される。インバー
タを自動復帰させたところがまだ定格以上の負荷が投入
されており、この状態でインバータ作動を続けたのでは
インバータの素子温度の上昇を招き、インバータの劣化
を早めてしまうことになるのであるが、2度目の過負荷
の判定時はインバータを手動復帰させることで、インバ
ータの自動復帰後にも過負荷状態が継続することによる
インバータ素子温度の上昇を確実に防止することができ
るのである。
【0013】
【実施例】エンジンとしてのガスタービン20は、図2
に示したように、コンプレッサ11、コンプレッサ11
とタービン軸13で連結されるコンプレッサタービン1
2、燃焼器14、熱交換器15などからなり、空気はコ
ンプレッサ11で圧縮されて燃焼器14に入り、燃料噴
射弁から噴射された燃料と混合して燃焼する。膨張する
燃焼ガスはコンプレッサタービン12を回転させ、この
回転力でタービン12と同軸のコンプレッサ11が駆動
される。コンプレッサタービン12を出た排気からは熱
交換器15により熱が回収され、コンプレッサ11で圧
縮された空気に与えられる。
【0014】燃料流量を調整するため、燃料調整弁16
が設けられ、コントローラ31からの指令を受ける弁駆
動装置17により駆動される。
【0015】ガスタービン20のコンプレッサ11には
三相交流発電機21が直結される。発電機21が直結さ
れるのは、高回転型の発電機21とすることにより、小
型、軽量とするためである。
【0016】図3は電気回路図である。発電機21(主
巻線21a)からの出力は、トランジスタインバータ2
2により単相100Vの交流出力に変換され、この10
0V出力に平滑回路27を介して電気負荷28が接続さ
れる。インバータ22を設けるのは発電機21の回転数
に関係なく、一定電圧、一定周波数の出力を取り出すた
めであり、発電機21の出力に対する外形寸法は回転数
が上がると小さくなる。たとえば、回転数が数千rpm
のレシプロカルエンジンと比較すると、ガスタービンの
回転数は10万rpmと高くなるため、同じ出力をさせ
るにしても寸法で約1/4、重量で約1/10にできる
のである。
【0017】トランジスタインバータ22は図3のよう
に電圧型のもので、半波整流回路23、H型ブリッジ2
4、これらをつなぐ大容量のコンデンサ25から構成さ
れ、半波整流回路23は6つのダイオード23a〜23
fから、またH型ブリッジ24は4つのトランジスタ2
4a〜24dと4つのダイオード24e〜24hからな
っている。発電機21からの三相交流を整流回路23で
直流に変換したあと、4つのトランジスタ24a〜24
dのベース電流を決められた順序でON,OFFする
と、単相100Vのサイン波出力(商用電源と同じも
の)が得られる。
【0018】インバータ22を作動したり遮断するた
め、整流回路23の各ダイオード23a〜23fと並列
にトランジスタ26a〜26fが設けられ、コントロー
ラ31からの指令によりトランジスタ26a〜26fが
すべてOFF(ベース電流が流れない)にされていると
きは整流回路23が働くが、トランジスタ26a〜26
fにベース電流が流れると、ダイオード23a〜23f
が機能しなくなり、インバータ22が遮断される。
【0019】インバータ22の作動、遮断ならびにガス
タービン回転数を制御するのはマイコンからなるコント
ローラ31で、図4で示したようにガスタービン回転数
を検出するセンサ(図2参照)18、負荷電流を検出す
るセンサ(図3参照)29、手動のモード切換スイッチ
32からの信号がコントローラ31に入力され、コント
ローラ31では、高負荷モードの選択時に定格回転数
(100,000rpm)でガスタービン20を運転す
る(図5のステップ1,2)。
【0020】また、定格ほどの負荷は必要でないとユー
ザーが判断して切換スイッチ32を低負荷モードに切換
えたときは、ガスタービンの回転をアイドル状態まで落
とし、電気負荷が投入されると、その負荷の大きさに応
じてガスタービン回転数がアップするように燃料流量の
フィードバック制御を行う(図5のステップ1,3)。
たとえば、そのときの電気負荷(正確には電流センサ2
9により検出される負荷電流にインバータの出力電圧を
かけた値)からマップをルックアップして目標回転数を
求め、実際のガスタービン回転数がこの目標回転数と一
致するように燃料流量をPID制御するのである。目標
回転数のマップは、図6に示したように、0.06kW
きざみで割り付けられており、たとえば無負荷の0kW
で最低の80,000rpm、1.5kWで84,20
0rpm、1.5kWで92,500rpm、2.6k
Wで定格回転数の100,000rpmとしている。
【0021】ところで、低負荷モードにおいて定格に近
い大きな負荷がアイドル状態で一気に投入されたとき
は、ガスタービン(エンジン)が過負荷状態となり回転
が停止してしまう。回転停止を避けるため、モード切換
スイッチ32をわざわざ手動で高負荷側に切換えるのも
煩わしい。
【0022】これに対処するため、コントローラ31で
は過負荷になったかどうかを判定し、過負荷になるとイ
ンバータ22をいったん遮断し(ガスタービンを無負荷
状態にする)、ガスタービンを定格回転数(100,0
00rpm)まで高めたのちにインバータ22を復帰さ
せる(図5のステップ4〜9)。これによって、回転停
止を回避しつつ、大きな負荷に定格出力で対応させよう
というのである。
【0023】ここで、図5に示した流れ図を〈1〉過負
荷に対する処理、〈2〉手動リセット、〈3〉高負荷モ
ード選択時の3つに分けて説明する。なお、インバータ
22は、始動後にアイドル状態または定格の負荷運転に
はいったときONとされている。
【0024】〈1〉過負荷に対する処理 過負荷であると判定される条件は、次のいずれかの条件
を満たすときである(図5のステップ4)。
【0025】所定値以上の負荷電流が所定値以上の時
間流れたとき。たとえば電流センサ29で検出される4
0Aの負荷電流が80,000rpmで0.3秒以上、
90,000rpmで0.7秒以上流れるときである。
また、60Aの負荷電流のときは瞬時でも流れると過負
荷と判定される。
【0026】ガスタービン回転数が低下したとき。た
とえば、ガスタービンがアイドル回転を維持できない下
限の回転数より少し高い回転数まで低下したときであ
る。
【0027】一方、インバータ22の復帰に際しては、
インバータの出力電圧を一気に上げるのでなく徐々に上
昇させる(ソフトスタートといわれる)。この例のイン
バータ22の特徴である周波数、電圧が自由に変えられ
るところをいかし、モータ負荷等の突入電流を減らすた
め、徐々に電圧を上げるのである。
【0028】また、インバータ22の復帰には、ガスタ
ービンが定格回転数に達してから一定時間(TONIN
#)だけ遅らせている(図5のステップ8)。これは、
回転が安定するのを待つためである。
【0029】〈2〉手動リセット 〈1〉のようにしてインバータ22を自動復帰させ、ガ
スタービンを定格回転数で運転することにより、大きな
負荷の一気投入に対処させたところが、それでも定格以
上の負荷が投入されていることが考えられる。これに対
処するため、インバータ22の自動復帰後に再び過負荷
が判定されたときは、インバータ22を遮断し、コント
ローラ31の外部に設けてあるリセットスイッチ(図4
参照)33を手動でONにしたときインバータ22を復
帰させる(図5のステップ10〜17)。
【0030】ここでも、過負荷と判定される条件(図5
のステップ10、17)、ガスタービンを定格回転数ま
で加速する点(図5のステップ12,13)、インバー
タ22の復帰のさせ方(図5のステップ16)は〈1〉
と変わりなく、ガスタービンを定格回転数(100,0
00rpm)で待機させた状態で、リセットスイッチ3
3がONとなったときインバータ22を復帰させ、さら
に過負荷であればインバータを遮断する(図5のステッ
プ15,16,17,11)。ユーザーが負荷を減らし
てリセットスイッチ33を手動で入れるまではインバー
タ22を復帰させないのである。
【0031】なお、定格回転数に達してからの待ち時間
TONIN2#(一定値)は、〈1〉の場合と異ならせ
ている(図5のステップ14)。
【0032】〈3〉高負荷モード選択時 高負荷モードで過負荷であることが判定されたときイン
バータを遮断するだけの従来例と異なり、インバータを
遮断した後に〈1〉と同様にしてインバータを自動復帰
させ、また〈2〉も併せて採用している(図5のステッ
プ1,2,4〜9、ステップ10〜17)。
【0033】ここで、この例の作用を図7を参照しなが
ら説明する。
【0034】低負荷モードの選択時は、負荷を使わない
限りガスタービンが低速のアイドル回転で運転され、省
燃費が図られる。たとえば、図7においてアイドル状態
からt1の時点より電気負荷が段階的に大きくされる
と、この負荷の増加に応じてエンジン回転数も定格回転
数まで段階的に高められている。低負荷モードでは負荷
の小さいときや不要なときは定格より回転数を落として
運転することで燃料消費を抑えているわけである。
【0035】一方、アイドル状態に戻ったt3の時点で
一気に定格付近の負荷が投入されると、アイドル時の設
定最大電流を越える電流が流れる。この場合に、所定時
間経過した時点のt4で過負荷であると判定され、イン
バータ22が遮断される(電流値は0になる)。インバ
ータの遮断によってガスタービンを無負荷状態にした後
は、ガスタービンが加速され、定格回転数(100,0
00rpm)に達した時点のt5でインバータ22が再
び復帰される。
【0036】低負荷モードで過負荷を判定したときは、
インバータ22をいったん遮断し、ガスタービンを定格
回転数まで加速したのちインバータ22を復帰させるこ
とで、アイドル状態から一気に定格付近の負荷が入れら
れたとき、モード切換スイッチをわざわざ手動で高負荷
側に切換えなくとも、ガスタービンを停止させることな
く定格負荷まで使用できるのである。
【0037】なお、定格回転数で運転している状態から
その後に負荷が減少すれば、その負荷減少のt8の時点
から再び負荷に応じた回転数制御が行われる。
【0038】また、インバータ22の復帰に際してはイ
ンバータの出力電圧が徐々に上昇するようにしているの
で(t5〜t7)、モータ負荷等による突入電流(モータ
等のコイルまたはコンデンサはスイッチON時に大電流
(理論的には無限大)が流れる。特にモータの場合は回
り出すまでが電流が大きく、スイッチONから数100
msecのあいだ突入電流として現れる。)を減らすこ
とができる。
【0039】さらに、インバータ22を自動復帰させた
場合にまだ定格以上の電気負荷が投入されているときは
再び過負荷であると判定され、今度はインバータ22を
復帰させることなく定格回転数を維持した状態で維持さ
れ、これに対してユーザーが負荷を小さくしてリセット
スイッチ33を手動で入れたとき、インバータ22が復
帰される。インバータを自動復帰させたところがまだ定
格以上の負荷が投入されており、この状態でインバータ
の作動を続けたのではインバータの素子温度の上昇を招
いてしまうのであるが、2度目の過負荷の判定時はイン
バータの復帰をユーザーに負わせることで、これが避け
られるのである。
【0040】高負荷モードで過負荷(定格を越える負
荷)が投入されたときも、図8に示したように、インバ
ータ22が遮断されるだけでなくその後に自動復帰され
ることから、高負荷モードで過負荷になったときインバ
ータ22を遮断するだけの従来例より使い勝手がよくな
る。
【0041】実施例においては、ガスタービンエンジン
で説明したが、従来と同様のレシプロカルエンジンを用
いてもかわまない。
【0042】
【発明の効果】この発明では、低負荷モードで過負荷で
あることを判定したときは、インバータをいったん遮断
してエンジンを定格回転数まで加速したのちインバータ
を復帰させ、さらにインバータの復帰後に過負荷である
ことを判定したときは、インバータを遮断し、リセット
スイッチを手動でONにしたときインバータを復帰させ
るように構成したため、アイドル状態から一気に定格付
近の負荷が入れられたとき、モード切換スイッチをわざ
わざ手動で高負荷側に切換えなくとも、エンジンを停止
させることなく低負荷まで使用できるほか、インバータ
の自動復帰後にも過負荷状態が継続することによるイン
バータ素子温度の上昇を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のクレーム対応図である。
【図2】一実施例の発電機に直結されるガスタービンの
構成図である。
【図3】前記実施例の電気回路図である。
【図4】コントローラへの入出力を示す図である。
【図5】負荷運転制御を説明するためのフローチャート
である。
【図6】負荷に対する目標回転数のマップを示す図であ
る。
【図7】低負荷モードでの作用を説明するための波形図
である。
【図8】高負荷モードでの作用を説明するための波形図
である。
【図9】従来例の配線図である。
【図10】従来例の低負荷モードでの作用を説明するた
めの波形図である。
【符号の説明】
16 燃料調整弁 18 回転数センサ 20 ガスタービン(エンジン) 21 発電機 22 インバータ 28 電気負荷 29 電流センサ(負荷センサ) 31 コントローラ33 リセットスイッチ 41 エンジン 42 発電機 43 インバータ 44 電気負荷 45 負荷センサ 46 回転数センサ 47 負荷切換スイッチ 48 低負荷モード判定手段 49 回転数制御手段 50 過負荷判定手段 51 インバータ自動復帰手段 52 過負荷判定手段 53 インバータ手動復帰手段
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−38199(JP,A) 特開 昭62−89498(JP,A) 特開 昭62−89499(JP,A) 特開 平3−190600(JP,A) 特開 昭61−280798(JP,A) 特開 平1−278238(JP,A) 特開 平1−308135(JP,A) 特開 平3−118800(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02P 9/00 - 9/48

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料量に応じて回転数を高めるエンジン
    と、このエンジンに直結される発電機と、この発電機か
    らの出力を交流に変換して出力するインバータと、この
    インバータ出力に接続される電気負荷と、この負荷を検
    出するセンサと、前記エンジンの回転数を検出するセン
    サと、高負荷モードか低負荷モードを選択するためのモ
    ード切換スイッチと、このモード切換スイッチの信号を
    受けて低負荷モードの選択時であるかどうかを判定する
    手段と、この低負荷モードの選択時に前記負荷検出値と
    回転数検出値にもとづき、負荷検出値に応じたエンジン
    回転数となるように前記燃料量のフィードバック制御を
    行う手段と、低負荷モードの選択時に過負荷であるかど
    うかを判定する手段と、低負荷モードの選択時に過負荷
    であることを判定したときは、前記インバータをいった
    ん遮断して前記エンジンを定格回転数まで加速したのち
    インバータを復帰させる手段と、このインバータの復帰
    後に過負荷であるかどうかを判定する手段と、インバー
    タの復帰後に過負荷であることを判定したときは、イン
    バータを遮断し、リセットスイッチを手動でONにした
    ときインバータを復帰させる手段とを設けたことを特徴
    とする発電機の制御装置。
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