JP4139029B2

JP4139029B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4139029B2
Application number: JP35212699A
Authority: JP
Inventors: 斉司川崎; 裕二中井; 宏之大見; 清二田中; 宏憲永松
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: JP2001178196A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関によって回転駆動される同期発電機からの電力を負荷に供給する電源装置に関し、特にその負荷に供給する電力の増減を円滑に行うことができるようにした電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的な先行技術では、内燃機関、たとえば都市ガスなどのガス燃料を用いる火花点火内燃機関によって同期発電機を回転駆動し、その同期発電機の出力を、そのまま直接に負荷に供給する。
【０００３】
このような先行技術では、電源装置から供給される電力を連続的に変化して設定することができない。また従来の電源装置では、負荷の変動に対応する円滑な電力の供給を行うことができないという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、負荷電力を円滑に安定して変化することができるようにした電源装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（ａ）同期発電機１６と、
（ｂ）同期発電機１６を回転駆動する火花点火内燃機関１７と、
（ｃ）同期発電機１６の出力を平滑してノイズを除去する入力用ローパスフィルタ１９と、
（ｄ）入力用ローパスフィルタ１９からの出力をパルス幅変調するパルス幅変調手段２１と、
（ｅ）パルス幅変調手段２１の出力を平滑して同期発電機１６の出力と同一の周波数を有し、かつ前記パルス幅変調によって振幅が変化される出力を導出する出力用ローパスフィルタ２４と、
（ｆ）出力用ローパスフィルタ２４の出力の周波数を検出する周波数検出手段２７と、
（ｇ）回転速度制御手段であって、
１日の時間経過に伴う負荷パターンをストアするメモリ３４と、
メモリ３４にストアされた負荷パターンを読出して、その読出した負荷が同期発電機１６によって出力されるようにパルス幅変調手段２１によってパルス幅変調を行う指令手段３５と、
周波数検出手段２７の出力に応答し、検出される周波数が予め定める値になるように内燃機関１７に供給される燃料流量を制御して内燃機関１７の回転速度を制御する燃料流量制御手段２８，２９，３１とを有する回転速度制御手段と、
（ｈ）出力用ローパスフィルタ２４から負荷１２，１３に供給される負荷電力を検出する負荷検出手段３２と、
（ｉ）模擬負荷１５と、
（ｊ）負荷検出手段３２の出力に応答し、出力用ローパスフィルタ２４から導出される負荷電力の時間変化率が予め定める値以上であるとき、模擬負荷１５の消費電力を、パルス幅変調手段２１のパルス幅変調によって変化し、出力用ローパスフィルタ２４から導出される負荷電力の時間変化率を、前記予め定める値未満にする電力制御手段１４とを含むことを特徴とする電源装置である。
【０００６】
本発明に従えば、同期発電機は、内燃機関によって回転駆動され、交流電力が発生される。内燃機関は、たとえば都市ガスなどのガス燃料を用いる火花点火内燃機関である。同期発電機の出力は、パルス幅変調手段によってパルス幅変調（略称ＰＷＭ：Pulse Width
Modulation）され、したがって同期発電機の出力は、各半波長毎に、その半波長の全域１８０度にわたり、複数の通電時間が設定される。このようなパルス幅変調手段からの電力は、出力用ローパスフィルタ２４によって平滑される。同期発電機からの出力が正弦波であるとき、出力用ローパスフィルタ２４から得られる出力もまた正弦波である。
【０００７】
出力用ローパスフィルタ２４からの出力の周波数は、周波数検出手段によって検出され、こうして検出された周波数が、予め定める値、たとえば６０Ｈｚまたは５０Ｈｚになるように、回転速度制御手段は、内燃機関の回転速度を制御する。この回転速度制御手段は、たとえば内燃機関に供給されるガス燃料などの燃料の供給流量を変化する構成を有する。したがって本件電源装置から供給される負荷の変化に対応した電力を、円滑に安定して供給することができるとともに、その負荷電力が段階的になることはなく、また高調波の発生が生じるおそれはない。
【０００８】
【０００９】
メモリ３４に、１日の時間経過に伴って変化する負荷パターンをストアしておき、このメモリにストアされた負荷パターンを読出して、たとえば時計手段によって設定された時刻毎に、パルス幅変調制御によって、出力電力を制御し、それに伴い、内燃機関に供給される燃焼流量を制御し、負荷パターンに対応する負荷を供給することが容易に可能になる。
【００１０】
【００１１】
本発明に従えば、入力用ローパスフィルタ１９が備えられ、これによって同期発電機の出力が平滑されてパルス幅変調手段に与えられる。したがってパルス幅変調手段に、ノイズなどが混入するおそれはなく、出力電力を正確に得ることができる。
【００１２】
【００１３】
本発明に従えば、本件電源装置の終段の出力用ローパスフィルタ２４から導出される負荷電力の時間変化率が予め定める値以上であって、大きく変動したとき、模擬負荷に与えられる電力を、パルス幅変調によって変化し、前記出力用ローパスフィルタ２４からの電力の時間変化率を、前記予め定める値未満に抑制する。たとえば負荷電力の時間変化率が急増したとき、模擬負荷に与える電力を急減して、出力用ローパスフィルタ２４からの合計の出力電力の変動を抑えるとともに、その負荷電力が急減したとき、模擬負荷に与える電力を急増し、合計の負荷電力の変動を抑制する。こうして内燃機関および同期発電機などの稼働率を向上し、効率のよい運転を続行することができる。
また本発明は、出力用ローパスフィルタ２４から負荷１２，１３に供給される電力を、同期発電機１６の試験のために遮断するスイッチング手段をさらに含むことを特徴とする。
また本発明は、燃料流量制御手段２８，２９，３１は、
周波数の前記予め定める値を表す信号を導出する目標値設定回路２９と、
周波数検出手段２７の出力と目標値設定回路２９の出力とが与えられる減算器２８と、
減算器２８の出力に応答し、周波数検出手段２７によって検出された周波数が、目標値設定回路２９で設定されている前記予め定める値の周波数になるように、前記内燃機関１７に供給する燃料の流量を制御するガバナ３１とを含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の全体の電気的構成を示すブロック図である。電源装置１０からの交流電力は、ライン１１から各家庭１２および工場１３（以下、負荷１２，１３と記す場合がある）などに供給され、また電力制御手段１４を介して模擬負荷１５に供給される。この電源装置１０は、同期発電機１６を有する。同期発電機１６は、内燃機関１７によって回転駆動される。内燃機関１７は、前述のように、たとえばガス燃料を用いる火花点火内燃機関である。発電機１６からライン１８に導出される回転速度に対応した周波数を有する正弦波の電力は、入力用ローパスフィルタ１９に与えられて、ノイズが除去され、ライン２０からパルス幅変調手段２１に与えられる。
【００１５】
図２は、同期発電機１６からライン１８に導出される電圧の波形を示す。この出力波形は、正弦波である。
【００１６】
図３は、パルス幅変調手段２１からライン２２に導出される出力波形を示す。同期発電機１６からの出力の半周期Ｗ０毎に、予め定める複数の周期Ｗ０１毎に、電力が供給される時間ΔＷ１，ΔＷ２，ΔＷ３が制御される。パルス幅変調手段２１からの出力電力が小さいとき、図３（１）に示されるように、その電力供給時間ΔＷ１は短く、その電力が大きくなると、図３（２）に示されるように電力の供給される時間ΔＷ２が長くなり、さらに電力が大きくなると、図３（３）に示されるように時間ΔＷ３が大きく変化される（ΔＷ１＜ΔＷ２＜ΔＷ３）。このような図３に示される出力波形は、ライン２２から、出力用ローパスフィルタ２４に与えられる。
【００１７】
図４は、ローパスフィルタ２４からライン１１に導出される出力波形を示す。前述の図３（１）に示されるように、出力電力が小さく、時間ΔＷ１が短いとき、その図３（１）に示される出力が平滑されたライン１１の出力波形の振幅Ａ１は低い値である。図３（２）に示されるように、電力が供給される時間ΔＷ２が長くなると、ライン１１の出力の振幅は、図４（２）の参照符Ａ２で示されるように、高くなる。さらに前述の図３（３）に示されるように、電力が供給される時間ΔＷ３がもっと長くなると、図４（３）に示されるように、ライン１１の出力の振幅Ａ３はさらに高くなる。このようなローパスフィルタ２４からライン１１に導出される出力波形は、同期発電機１６の出力と同様に、同一周波数を有する正弦波であり、パルス幅変調されることによって、その出力の振幅が変化される。図３および図４に示される波形は、電圧であってもよいが、電流または電力などであってもよい。
【００１８】
図５は、パルス幅変調手段２１の特性を示す図である。パルス幅変調手段２１に信号ライン２６から、指令信号が与えられることによって、その指令信号のレベルに連続的に対応した時間ΔＷ１，ΔＷ２，ΔＷ３（図３参照）を有する出力が得られる。こうして指令信号のレベルを変化することによって、パルス幅変調手段２１からライン２２に導出される電力を制御し、ライン１１に供給される電力を連続的に、しかも安定して行うことができるようになる。
【００１９】
電源装置１０からライン１１に導出される電力の、たとえば電圧または電流の周波数は、周波数検出手段２７によって検出され、その検出出力は、減算器２８に与えられる。減算器２８には、予め定める周波数である目標値を表す信号が目標値設定回路２９から導出される。ガバナ３１は、内燃機関１７に供給される燃料の流量を制御する。ガバナ３１は、減算器２８の出力に応答し、周波数検出手段２７によって検出された周波数が、目標値設定回路２９で設定されている目標値の周波数になるように、内燃機関１７に供給する燃料の流量を制御する。こうして発電機１６は、目標値設定回路２９で設定された目標値の周波数に保たれて、回転駆動される。
【００２０】
ローパスフィルタ２４は、パルス幅変調手段２１におけるパルス幅変調された出力を平滑するので、その時定数は比較的小さくてよく、小形のコンデンサを用いることができ、構成が小形化される。これに対して前述の従来技術では、サイリスタ方式の制御手段からの出力は、急峻な波形成分を含み、したがって平滑のために大容量のコンデンサを備えるローパスフィルタを必要とし、構成が大形化するという問題がある。本発明の実施の形態では、このような問題が解決され、ローパスフィルタ２４を小形化することができる。
【００２１】
ライン１１から供給される電力は、負荷１２，１３などに供給される。これらの負荷１２，１３に供給される負荷電力は、負荷検出手段３２によって検出される。
【００２２】
メモリ３４には、時間経過に伴う、１日の時間にわたる負荷パターンがストアされる。この負荷パターンは、負荷１２，１３において消費される電力負荷の時間経過に伴うデータである。指令手段３５は、メモリ３４にストアされた負荷パターンを読出して、その読出した負荷が出力されるように、ライン２６に指令信号を導出して、パルス幅変調手段２１に与える。これによって負荷の増減が生じ、周波数検出手段２７，減算器２８、目標値設定手段２９およびガバナ３１を用いて、内燃機関１７に供給される燃料流量が制御される。こうして希望する負荷を、時間経過に応じてライン１１に導出することができる。
【００２３】
図６は、メモリ３４に予めストアされる負荷パターンを示す図である。図６（１）に示されるように１日の時間にわたって、負荷の変動が比較的少なく、また図６（２）に示されるように、負荷の変動が安定してかつ大きく、さらに図６（３）に示されるように、負荷変動が比較的激しいパターンなどが、メモリ３４にストアされる。これらの各種のおよびそのほかの各種の負荷パターンがメモリ３４に予めストアされておくことによって、負荷１２，１３で消費される負荷電力に対応して安定して電力を供給することができる。本発明の実施の他の形態では、指令手段３５は、負荷検出手段３２によって検出された負荷電力を表す出力信号に応答し、パルス幅変調手段２１に指令信号を与え、これによって負荷１２，１３で消費される負荷電力に対応して安定して電力を供給することができるようにしてもよい。
【００２４】
電力制御手段１４は、負荷検出手段３２によって検出された負荷１２，１３の負荷電力に応答し、模擬負荷１５に供給する電力を制御する。この電力制御手段１４は、前述のパルス幅変調手段２１およびローパスフィルタ２４を含み、負荷検出手段３２の出力が、パルス幅変調手段２１に与えられる構成を含む。電力制御手段１４はさらに、負荷１２，１３に供給される負荷電力の時間変化率を検出し、その検出した時間変化率が、予め定める値以上であるとき、模擬負荷１５の消費電力を、パルス幅変調手段によって変化し、そのパルス幅変調手段の出力がローパスフィルタに与えられ、ローパスフィルタから導出される模擬負荷１５に供給される負荷電力の時間変化率を、予め定める値未満にする。本発明の実施の他の形態では、電力制御手段１４は、メモリ３４と指令手段３５とをさらに含み、メモリ３４から読出した負荷パターンどおりに負荷電力が出力されるようにライン２６に指令信号を導出してパルス幅変調手段２１に与えるように構成してもよい。この場合、ライン１１から負荷１２，１３に供給する電力を、スイッチング手段によって遮断する。模擬負荷１５によって負荷電力が消費され、実際の負荷１２，１３に電力を供給する前に、発電機１６の試験を行うことができる。
【００２５】
図７は、電力制御手段１４の動作を説明するための図である。負荷１２，１３に供給される負荷は、負荷検出手段３２によって検出され、その負荷が、図７（１）に示されるように時間経過に伴って変化する場合を想定する。この負荷１２，１３の負荷電力が、たとえば参照符３７で示されるように急減し、時間変化率が予め定める値以上になったとき、電力制御手段１４が模擬負荷１５に与える電力は、図７（２）の斜線を施して示す部分３８のように、その負荷電力の時間変化率を、前記予め定める値未満に抑制する。こうして電力制御手段１４は、パルス幅変調手段２１および比較的小さい時定数を有するローパスフィルタ２４を用い、負荷１２，１３の負荷電力の急激な変動にかかわらず、電源装置１０からライン１１に導出される負荷をできるだけ安定化し、これによって稼働率の向上を図ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、火花点火内燃機関によって回転駆動される同期発電機の出力をパルス幅変調して平滑し、その平滑後の周波数が予め定める値となるように内燃機関の回転速度を制御するので、負荷の変動にかかわらず安定した電力の供給を行うことができ、その負荷の連続的な変化に応じて、電力を継続して供給することが容易に、しかも安定して、可能になる。
【００２７】
メモリにストアされた１日の負荷パターンを読出して、パルス幅変調を行うことによって、希望する電力負荷で、電力を安定して供給することができるようになる。
【００２８】
同期発電機の出力を、入力用ローパスフィルタで平滑し、パルス幅変調手段に与えるので、パルス幅変調手段にノイズなどが混入することはなく、希望する正確な電力を得ることができるようなる。
【００２９】
負荷電力が急変したときにおいても、模擬負荷の消費電力を、パルス幅変調によって変化し、ローパスフィルタから導出される電力の時間変化率を抑制し、稼働率の良好な電源装置の運転を継続して行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の全体の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】同期発電機１６からライン１８に導出される電圧の波形を示す。
【図３】パルス幅変調手段２１からライン２２に導出される出力波形を示す。
【図４】ローパスフィルタ２４からライン１１に導出される出力波形を示す。
【図５】パルス幅変調手段２１の特性を示す図である。
【図６】メモリ３４に予めストアされる負荷パターンを示す図である。
【図７】電力制御手段１４の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１０電源装置
１１，１８，２０，２２ライン
１２各家庭
１３工場
１４電力制御手段
１５模擬負荷
１６同期発電機
１７内燃機関
１９入力用ローパスフィルタ
２１パルス幅変調手段
２４出力用ローパスフィルタ
２６信号ライン
２７周波数検出手段
２８減算器
２９目標値設定回路
３１ガバナ
３２負荷検出手段
３４メモリ
３５指令手段

Claims

（ａ）同期発電機１６と、
（ｂ）同期発電機１６を回転駆動する火花点火内燃機関１７と、
（ｃ）同期発電機１６の出力を平滑してノイズを除去する入力用ローパスフィルタ１９と、
（ｄ）入力用ローパスフィルタ１９からの出力をパルス幅変調するパルス幅変調手段２１と、
（ｅ）パルス幅変調手段２１の出力を平滑して同期発電機１６の出力と同一の周波数を有し、かつ前記パルス幅変調によって振幅が変化される出力を導出する出力用ローパスフィルタ２４と、
（ｆ）出力用ローパスフィルタ２４の出力の周波数を検出する周波数検出手段２７と、
（ｇ）回転速度制御手段であって、
１日の時間経過に伴う負荷パターンをストアするメモリ３４と、
メモリ３４にストアされた負荷パターンを読出して、その読出した負荷が同期発電機１６によって出力されるようにパルス幅変調手段２１によってパルス幅変調を行う指令手段３５と、
周波数検出手段２７の出力に応答し、検出される周波数が予め定める値になるように内燃機関１７に供給される燃料流量を制御して内燃機関１７の回転速度を制御する燃料流量制御手段２８，２９，３１とを有する回転速度制御手段と、
（ｈ）出力用ローパスフィルタ２４から負荷１２，１３に供給される負荷電力を検出する負荷検出手段３２と、
（ｉ）模擬負荷１５と、
（ｊ）負荷検出手段３２の出力に応答し、出力用ローパスフィルタ２４から導出される負荷電力の時間変化率が予め定める値以上であるとき、模擬負荷１５の消費電力を、パルス幅変調手段２１のパルス幅変調によって変化し、出力用ローパスフィルタ２４から導出される負荷電力の時間変化率を、前記予め定める値未満にする電力制御手段１４とを含むことを特徴とする電源装置。
出力用ローパスフィルタ２４から負荷１２，１３に供給される電力を、同期発電機１６の試験のために遮断するスイッチング手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
燃料流量制御手段２８，２９，３１は、
周波数の前記予め定める値を表す信号を導出する目標値設定回路２９と、
周波数検出手段２７の出力と目標値設定回路２９の出力とが与えられる減算器２８と、
減算器２８の出力に応答し、周波数検出手段２７によって検出された周波数が、目標値設定回路２９で設定されている前記予め定める値の周波数になるように、前記内燃機関１７に供給する燃料の流量を制御するガバナ３１とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。