JP2818201B2

JP2818201B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP2818201B2
Application number: JP1163777A
Authority: JP
Inventors: 広内野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH0332398A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、内燃機関で駆動される機械装置の余剰動力
を利用して電力を得る軸発電や、風力発電など、原動機
の回転速度が大幅に変化する用途に適した発電装置の制
御方法に関する。

（従来の技術）第８図は、従来の実施例の構成図である。図に於て、
１は原動機、２は原動機１により駆動される誘導発電
機、３は誘導発電機２の交流出力を直流に変換するコン
バータ、４は誘導発電機２の出力電流を検出する電流検
出器、８はコンバータ３を構成するスイッチング素子を
制御するスイッチング制御回路、９はコンバータ３の直
流出力側に接続された初期励磁用の直流電源、10はコン
バータ３の出力電圧を検出する電圧検出器、11はコンバ
ータ３の出力電圧の指令値、13はコンバータ３から負荷
へ供給する電力をオンオフするしゃ断器、14は負荷であ
る。15〜20はダイオード、21〜26はトランジスタで、以
上のダイオード15〜20、トランジスタ21〜26はブリッジ
接続されコンバータ３を構成する。27はコンバータ３の
出力電圧を平滑するコンデンサである。初期励磁用の直
流電源９は、例えばダイオード28、バッテリー29で構成
される。137は誘導発電機２の回転速度を検出する回転
検出器、138は回転検出器137で検出される誘導発電機２
の回転速度を基準にして、誘導発電機２の出力電流の大
きさとすべり周波数を制御するすべり周波数制御回路、
139はすべり周波数制御回路138の出力として得られる電
流指令値、140は電流制御回路である。

以上の従来の構成に於て、コンバータ３の出力電圧指
定値11と、電圧検出器10で検出されるコンバータ３の出
力電圧が比較され、その偏差に応じて、誘導発電機２の
出力電流の大きさとすべり周波数を制御する。例えば、
出力電圧を増加する場合、誘導発電機２の出力電流を増
加すると共にすべり周波数を負の方向に増加して、誘導
発電機２の発電電力を増加する。即ち、すべり周波数制
御回路138に於て、回転検出器137で検出される誘導発電
機２の回転速度を基準にして、出力電圧の偏差に応じた
振幅とすべりを有する各相電流の瞬時指令値139を演算
する。次に、電流制御回路140に於て、電流検出器４で
検出される誘導発電機２の各相電流の瞬時値と、各相電
流の瞬時指令値139を比較して、スイッチング制御回路
８によりコンバータ３を制御して、誘導発電機２の出力
電流を制御する。この様にして、誘導発電機２の発電電
力を制御することにより、負荷14の消費電力の変化に係
わらず、コンバータ３の出力電圧を一定に制御すること
が出来る。

（発明が解決しようとする課題）以上述べた従来の構成では、振動が大きく、かつ温度
及び湿度が高く環境の悪い原動機１の近くに回転検出器
137を設置する必要があるから、回転検出器137が故障す
るトラブルが多かった。また、原動機１の振動や電磁的
なノイズにより、回転検出器137の出力信号が乱される
と、これを基にして制御される誘導発電機２の出力電流
が乱され安定な制御が出来なくなることがあった。ある
いは回転検出器137の精度が悪いと、誘導発電機２の出
力電流波形が歪み良好な特性が得られないため、精度の
高い高価な回転検出器が必要であった。

（目的）本発明は、以上述べた従来の発電装置の欠点を除去す
るために、回転検出器を必要としない発電装置を提供す
ることを目的としている。特に、出力周波数が低い範囲
での誘導発電機の出力電流波形を改善する波形制御方法
を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段及び作用）本発明は、誘導発電機とコンバータで構成され、コン
バータの出力に直流を得る発電装置に於て、誘導発電機
の出力電流波形は、誘導発電機の磁束と、回転速度と、
巻線のインピーダンスと、直流出力電圧と、負荷によっ
て決まり、特に、回転速度の変化に追従して出力電流波
形が変化していくことに着目し、電流波形の変化に応じ
てコンバータを制御することにより、回転検出器を使用
しないで安定な発電制御を行えるようにしたものであ
る。特に、出力周波数が低い範囲で出力電流波形が悪く
なり、充分な出力が得られなくなるのを改善するため、
誘導発電機の出力端子を三相同時に短絡するモードをと
ることにより、出力電流の波高値の付近を、所定の振幅
値に維持するようにしたものである。

（実施例）以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一実施例構成図である。図に於
て、１〜4,8〜11,13〜29は、第８図で述べた、従来の実
施例の構成図の同一記号と同一である。５は誘導発電機
２の出力電流上限振幅指令値、６は電流検出器４で検出
される誘導発電機２の出力電流と出力電流上限振幅指令
値５及びこれに関連して与えられる出力電流下限振幅指
令値を比較して、コンバータ３のスイッチング素子を制
御する指令を発生する論理回路、７は発電運転を開始す
るときにコンバータ３のスイッチング順序を規制する論
理回路、12は出力電圧指令値11とコンバータ３の出力電
圧を比較して、その偏差に応じて出力電流上限振幅指令
値５を制御する電圧制御回路である。

第２図は、第１図に示す論理回路７の詳細な構成図
で、30〜47はアンド回路、48〜53はオア回路、54〜56は
フリップフロップ、57〜62はトランジスタ21〜26のオフ
指令、63〜68はトランジスタ21〜26のオフ信号、69はオ
フ禁止条件除外信号である。

第３図は、第１図に示す論理回路６の詳細な構成図
で、５は出力電流上限振幅指令値、57〜62はトランジス
タ21〜26のオフ指令、70,71は極性反転器、72〜89は比
較器、90〜95はオア回路、96〜101はフリップフロッ
プ、102〜107はアンド回路、108〜110はオア回路、111
〜113はノット回路、114〜125はアンド回路、126〜131
はオア回路、132はＵ相電流、133はＶ相電流、134はＷ
相電流である。また135は出力電流下限振幅指令値、136
は電流波形制御オン信号である。

第４図は、誘導発電機を励磁して電圧を立ち上げる初
期状態の、本発明の作用を現す波形図である。図に於
て、（１）は誘導発電機のＵ相電流、（２）はＶ相電
流、（３）はＷ相電流である。（４）は出力電流上限振
幅指令値の正側指令値、（５）は負側指令値である。
（６）はＵ相トランジスタ21,22のオンオフ状態を現す
信号で、“1"のときトランジスタ21がオン、トランジス
タ22がオフ、“0"のときトランジスタ21がオフ、トラン
ジスタ22がオンとする。同様に（７）はＶ相トランジス
タ23,24のオンオフ状態を現す信号、（８）はＷ相トラ
ンジスタ25,26のオンオフ状態を現す信号である。
（９）はＵ相電圧、（10）はＵ相誘起電圧、（11）は誘
導発電機２が発生する電力、（12）は誘導発電機２の反
抗トルク、（13）は出力電圧指令値11、（14）はコンバ
ータ３の出力電圧である。

第４図時刻t₁に於て、トランジスタ22及び24及び25を
オンすると、初期励磁用直流電源９から電流が供給さ
れ、Ｗ相電流（３）は正の方向に増加し、Ｕ相電流
（１）及びＶ相電流（２）は負の方向に増加する。

時刻t₂に於て、Ｗ相電流（３）が振幅指令値（４）に
達するが、もしこのとき、Ｗ相トランジスタ25をオフし
26をオンすると、コンバータ３の下側アームを構成する
トランジスタ22,24,26が同時にオンになり誘導発電機２
に供給される電圧が零になるため、以降Ｕ、Ｖ、Ｗ相電
流は零に減衰してしまう。従って、コンバータ３の下側
アームを構成するトランジスタ22,24,26が同時にオンに
なる状態と、上側アームが同時にオンになる状態を禁止
しなければならない。

第２図は、オフ禁止条件を含む論理回路である。時刻
t₂に於て、Ｗ相電流（３）が振幅指令値（４）に達する
と、トランジスタ25オフ指令61が“1"になるが、このと
きアンド回路42の他方の入力は、トランジスタ22がオン
になっているため“0"になっている。またアンド回路43
の他方の入力は、トランジスタ24がオンになっているた
め“0"になっている。またアンド回路44の他方の入力
は、オフ禁止除外信号が与えられておらず“0"になって
いるものとすれば、トランジスタ25オフ指令61は、次段
のオア回路52へ伝達されない。

時刻t₃に於て、Ｕ相電流（１）が振幅指令値（５）に
達すると、トランジスタ22オフ指令58が“1"になる。こ
のときアンド回路33の他方の入力は、トランジスタ23が
オフになっているため“1"になっている。従って、アン
ド回路33の出力が“1"になり、この信号はオア回路49を
通過してフリップフロップ54をリセットする。そのた
め、フリップフロップ54の反転出力であるトランジスタ
22オフ信号64が“1"になり、トランジスタ22をオフす
る。同時に、フリップフロップ54の非反転出力であるト
ランジスタ21オフ信号63が“0"になり、トランジスタ21
をオンする。

以上の動作により、トランジスタ22オフ信号64が“1"
になると、このときトランジスタ25オフ指令61が“1"に
なっているから、アンド回路42の出力が“1"になり、こ
の信号は、オア回路52を通過してフリップフロップ56を
セットする。そのため、フリップフロップ56の非反出力
であるトランジスタ25オフ信号67が“1"になり、トラン
ジスタ25をオフする。同時に、フリップフロップ56の反
転出力であるトランジスタ26オフ信号68が“0"になり、
トランジスタ26をオンする。

続いて、Ｖ相電流（２）が振幅指令値（５）に達する
と、トランジスタ24オフ指令60が“1"になる。このとき
アンド回路39の他方の入力は、トランジスタ25がオフに
なっているため“1"になっている。従って、アンド回路
39の出力が“1"になり、この信号はオア回路51を通過し
てフリップフロップ55をリセットする。そのため、フリ
ップフロップ55の反転出力であるトランジスタ24オフ信
号66が“1"になり、トランジスタ24をオフする。同時
に、フリップフロップ55の非反転出力であるトランジス
タ23オフ信号65が“0"になり、トランジスタ23をオンす
る。

以上の一連の動作により、トランジスタ21,23,26がオ
ン、22,24,25がオフの状態になり、Ｕ相電流（１）とＶ
相電流（２）は正の方向に変化しＷ相電流（３）は負の
方向に変化する。以下時刻t₁₀まで同様の動作を繰り返
す。

次に時刻t₁₁に於て、Ｗ相電流（３）が振幅指令値
（５）に達すると、トランジスタ26オフ指令62が“1"に
なる、このときは時刻t₁₀に於て、トランジスタ21が既
にオフになっているため、トランジスタ21オフ信号63が
“1"になっている。従って、アンド回路45の出力が“1"
になり、この信号はオア回路53を通過してフリップフロ
ップ56をリセットする。そのため、フリップフロップ56
の反転出力であるトランジスタ26オフ信号68が“1"にな
り、トランジスタ28をオフする。同時に、フリップフロ
ップ56の非反転出力であるトランジスタ25オフ信号67が
“0"になり、トランジスタ25をオンする。以降の動作に
於ては、オフ禁止を行う必要が無くなり、オフ禁止除外
信号69を“1"にして良い。オフ禁止除外信号69を“1"に
した以降は、トランジスタ21〜26オフ指令57〜62は、ア
ンド回路32,35,38,41,44,47により、無条件に次段へ伝
達される。

以上のスイッチング制御に於て、出力電流上限振幅指
令値５の正側指令値（４）と、負側指令値（５）を徐々
に増加させると、Ｕ相電流（１）、Ｖ相電流（２）、Ｗ
相電流（３）が正側指命値（４）または負側指令値
（５）に達するタイミングが徐々に遅くなり、従って
Ｕ、Ｖ、Ｗ相電流の周波数が徐々に低くなる。これによ
り誘導発電機２に与えられる発電方向のすべりが増加し
起電力が発生し増大する。これに伴って、コンバータ３
の出力電圧（14）が増加していく。この電圧がバッテリ
ー29の電圧より高くなるとダイオード28が逆バイアスさ
れ、初期励磁用の直流電源９はオフされる。

以下、出力電流上限振幅指令値５の正側指令値（４）
と負側指令値（５）を増加させることにより、Ｕ相電流
（１）、Ｖ相電流（２）、Ｗ相電流（３）が増加する。
これにより、コンバータ３の出力電圧（14）は、（13）
で示す出力電圧指定値11に近づいていく。

第５図は、誘導発電機の電圧が指令値まで立ち上がっ
た後負荷を投入し電圧制御を行う過程の、本発明の作用
を現す波形図である。図の時刻t₁₂に於て、しゃ断器13
をオンすると負荷14に電力（15）が供給される。このと
きコンバータ３の出力電圧（14）は、（13）で示す出力
電圧指定値11より低下するが、電圧制御回路12をオンす
ることにより、その偏差に応じた電圧制御信号（16）が
発生する。これにより出力電流上限振幅指令値５の正側
指令値（４）と、負側指令値（５）を制御すれば、Ｕ相
電流（１）、Ｖ相電流（２）、Ｗ相電流（３）を制御す
ることができる。この様にしてコンバータ３の出力電圧
（14）を制御することができる。

第６図は、出力周波数が低い範囲での、本発明の矩形
波制御時の運転波形である。図に於て、（１），（４）
〜（12）は、第５図の同一記号と同一である。時刻t₂₁
に於て、Ｕ相電流（１）が出力電流上限振幅指令値５の
正側指令値（４）に達するとトランジスタ21がオフ、ト
ランジスタ22がオンとなるが、このあとＵ相電流は減少
する。従って充分な出力が得られない。

第７図は、第６図と同一の運転条件に於て、本発明に
よる波形制御を行った場合の運転波形である。図に於
て、（１），（４）〜（12）は、第６図の同一記号と同
一である。また、（３）はＷ相電流、（21）は出力電流
下限振幅指令値135の正側指令値、（22）は負側指令値
である。時刻t₂₁に於て、Ｕ相電流（１）が上限振幅指
令値（４）に達すると、第３図比較器72の出力に“1"の
パルスが発生して、フリップフロップ96にセット信号を
与える。そのためフリップフロップ96のＡ出力が“1"に
なり、この信号はアンド回路114及びオア回路126を通過
し、トランジスタ21オフ指令57を“1"にして、トランジ
スタ21をオフする。同時にフリップフロップ96のＢ出力
が“0"になり、この信号はアンド回路115及びオア回路1
27を通過し、トランジスタ22オフ指令58を“0"にして、
トランジスタ22をオンする。これによりＵ相電流が減少
し時刻t₂₂に於て、Ｕ相電流（１）が下限振幅指令値（2
1）に達すると、比較器74の出力に“1"のパルスが発生
し、この信号はオア回路90を通過して、フリップフロッ
プ97にセット信号を与える。そのためフリップフロップ
97のＡ出力が“1"になり、この信号はアンド回路116に
与えられる。このときアンド回路102の入力には、フリ
ップフロップ96のＡ出力“1"と、フリップフロップ98の
Ｂ出力“1"と、フリップフロップ100のＡ出力“1"が与
えられており、このとき電流波形制御オン信号136が
“1"であれば、アンド回路102の出力“1"になっている
から、オア回路108の出力は“1"であり、ノット回路112
の出力は“0"である。従って、アンド回路116とアンド
回路117の他方の入力は“1"であるから、フリップフロ
ップ97の信号は、アンド回路116とアンド回路117を通過
できる状態となっている。一方、アンド回路118とアン
ド回路119の他方の入力にはノット回路112により“0"が
与えられているから、フリップフロップ98の出力の通過
は禁止されている。従って、時刻t₂₂に於て、フリップ
フロップ97がセットされＡ出力が“1"になると、この信
号はアンド回路116、オア回路128を通過し、トランジス
タ23オフ指令59を“1"にして、トランジスタ23をオフす
る。同時にフリップフロップ97のＢ出力が“0"になり、
この信号はアンド回路117及びオア回路129を通過し、ト
ランジスタ24オフ指令60を“0"にして、トランジスタ24
をオンする。このときトランジスタ22とトランジスタ26
はオンしているから、コンバータ３の下側アームが同時
におンすることになり誘導発電機２の出力端子がＵ相同
時に短絡されることになる。そのため三相電流は再び増
加する。Ｕ相電流が増加し時刻t₂₃に於て、Ｕ相電流
（１）が上限振幅指令値（４）に達すると、比較器76の
出力に“1"のパルスが発生し、この信号はオア回路91を
通過して、フリップフロップ97にリセット信号を与え
る。フリップフロップ97がリセットされＢ出力が“1"に
なると、この信号はアンド回路117、オア回路129を通過
し、トランジスタ24オフ指令60を“1"にして、トランジ
スタ24をオフする。同時にフリップフロップ97のＡ出力
が“0"になり、この信号はアンド回路116及びオア回路1
28を通過し、トランジスタ23オフ指令59を“0"にして、
トランジスタ23をオンする。従って、誘導発電機２の出
力端子が三相同時に短絡された状態は解除される。その
ためＵ相電流は再び減少する。以下時刻t₂₄からt₂₇まで
同様にトランジスタ23とトランジスタ24がオンオフ制御
され、Ｕ相電流（１）が出力電流上限振幅指令値（４）
と出力電流下限振幅指令値（21）の幅内に制御される。

次に時刻t₂₈に於て、Ｗ相電流（３）が上限振幅指令
値の負側指令値（５）に達すると同様にしてトランジス
タ25がオン、トランジスタ26がオフされる、Ｗ相電流
（３）が減少して下限振幅指令値の負側指令値（22）に
達すると、トランジスタ21とトランジスタ22が同様にオ
ンオフ制御され、Ｗ相電流（３）が出力電流上限振幅指
令値の負側指令値（５）と出力電流下限振幅指令値の負
側指令値（22）の幅内に制御される。以下同様である。

この様に、本発明による電流波形制御は出力電流上限
振幅指令値と、出力電流下限振幅指令値を与え、出力電
流をこの幅内に制御するのが特徴である。従って、電流
指令値に遭波数要素を含まないため、回転検出器を持つ
必要がない。

以上の説明では、コンバータを構成するスイッチング
素子としてトランジスタを使用した場合について説明し
たが、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）や他のスイ
ッチング素子あるいは、強制転流回路を有するサイリス
タ回路など、他のスイッチング手段を用いてコンバータ
を構成しても良い。

〔発明の効果〕

以上述べた様に本発明によれば、振動、温度、湿度な
どの点で条件の悪い原動機の近くに設置する回転検出器
が不要になる。従って、回転検出器の故障に起因するト
ラブルが無くなる。

また従来、原動機の振動や電磁的なノイズにより、回
転検出器の出力信号が乱され、これを基にして制御され
る誘導発電機の出力電流が乱されて安定な発電制御が出
来なくなることがあったが、本発明によれば安定な発電
制御が可能になる。

また従来、回転検出器の精度が悪いと、誘導発電機の
出力電流波形が歪み良好な特性が得られないため、精度
の高い高価な回転検出器が必要であったが、本発明によ
れば、回転検出器が不要になるから、回転検出器のコス
ト、配線のコスト、保守のコストが削除される。

また、本発明による電流波形制御を行うことにより、
周波数の低い領域での相電流の波形が改善され、出力を
増加することが出来る。例えば、第７図の運転では、第
６図の運転に対して相電流の最大値を等しくする条件
で、66％増の出力を得ることが出来た。

以上述べたように本発明によれば、信頼性が高く、高
性能で、しかも低コストの発電装置を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図、第２図は、
本発明を構成する論理回路の詳細な構成図、第３図は、
本発明を構成する論理回路の電流波形制御部の詳細な構
成図、第４図は、誘導発電機を励磁して電圧を立ち上げ
る過程の、本発明の作用を現す波形図、第５図は、誘導
発電機の電圧が指令値まで立ち上がった後負荷を投入し
電圧制御を行う過程の、本発明の作用を現す波形図、第
６図は、本発明の矩形波制御時の運転波形図、第７図
は、本発明の電流波形制御時の運転波形図、第８図は、
従来の実施例の構成図である。１……原動機、２……誘導発電機、３……コンバータ、４……電流検出器、５……出力電流上限振幅指令値、６……論理回路、７……論理回路、８……スイッチング制御回路、９……直流電源、10……電圧検出器、 11……出力電圧指令値、12……電圧制御回路、 13……しゃ断器、14……負荷、 15〜20……ダイオード、21〜26……トランジスタ、 27……コンデンサ、28……ダイオード、 29……バッテリー、30〜47……アンド回路、 48〜53……オア回路、 54〜56……フリップフロップ、 57……トランジスタ21オフ指令、 58……トランジスタ22オフ指令、 59……トランジスタ23オフ指令、 60……トランジスタ24オフ指令、 61……トランジスタ25オフ指令、 62……トランジスタ26オフ指令、 63……トランジスタ21オフ信号、 64……トランジスタ22オフ信号、 65……トランジスタ23オフ信号、 66……トランジスタ24オフ信号、 67……トランジスタ25オフ信号、 68……トランジスタ26オフ信号、 69……オフ禁止条件除外信号、 70,71……極性反転器、72〜89……比較器、 90〜95……オア回路、 96〜101……フリップフロップ、 102〜107……アンド回路、108〜110……オア回路、 111〜113……ノット回路、114〜125……アンド回路、 126〜131……オア回路、132……Ｕ相電流、 133……Ｖ相電流、134……Ｗ相電流、 135……出力電流下限振幅指令値、 136……電流波形制御オン信号、 137……回転検出器、 138……すべり周波数制御回路、 139……電流指令値。140……電流制御回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原動機により駆動される誘導発電機と、そ
の誘導発電機の交流出力を直流に変換するスイッチング
素子から構成されるコンバータと、前記コンバータの入
力側で前記誘導発電機の各相の出力電流を検出する電流
検出器と、前記誘導発電機の出力電流上限振幅指令値
と、その出力電流上限振幅指令値に関連して与えられる
出力電流下限振幅指令値と、前記出力電流上限振幅指令
値及び出力電流下限振幅指令値と前記電流検出器の出力
を比較して、前記スイッチング素子を制御する指令を発
生する論理回路と、その論理回路の出力信号により前記
スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路から
構成され、前記誘導発電機の出力電流が、前記出力電流
上限振幅指令値に達する毎に、前記スイッチング素子を
制御する発電システムに於て、前記誘導発電機の出力電
流が、前記出力電流下限振幅指令値まで低下したとき、
前記スイッチング素子を制御して、前記誘導発電機の出
力端子を、三相同時に短絡すること、及び、前記誘導発
電機の出力電流が、前記出力電流上限振幅指令値まで増
加したとき、前記スイッチング素子を制御して、前記誘
導発電機出力端子の、三相短絡を解除することを特徴と
する発電システム。