JP4487092B2 - ターボチャージャ発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のターボチャージャにより駆動されて発電するターボチャージャ発電装置に関する。

ターボチャージャ発電装置は、内燃機関の排出する排気ガスを利用してコンプレッサを駆動してもエネルギーに余りがあるので、その余剰エネルギーで永久磁石発電機を駆動し発電するものである。

ターボチャージャ発電装置の従来例を図３を参照して説明する。
図３に示すように、従来のターボチャージャ発電装置では、内燃機関１が排出する排気ガスはガスタービン２を通過して外部へ放出される。この排気ガスの流れによってガスタービン２は駆動される。このとき、排気ガスのエネルギーがガスタービン２の回転エネルギーに変換されると同時にコンプレッサ３が駆動され、内燃機関１内に外気が送り込まれる。この動作により内燃機関１への外気の充填効率を高めている。

ところで、ガスタービン２の回転エネルギーでコンプレッサ３が駆動されるが、同時に永久磁石発電機４も駆動され発電する。しかし、このガスタービン２の回転速度が変動すると、永久磁石発電機４の回転速度も変動するので、永久磁石発電機４の出力交流電圧の周波数も変動する。交流電圧は遮断器５を介してインバータ６で商用周波数の交流電圧に変換し、変圧器７及び遮断器８を介して電力系統９に供給される。変圧器７は、インバータ６の出力電圧を変圧すると共にインバータ６の出力する高調波を低減する目的で備えられている。また、インバータ６の出力電流は変流器１１により検出され、インバータ制御装置１０に入力されインバータ制御信号によりインバータ６を制御する（特許文献１参照）。

次に、従来のターボチャージャ発電装置の動作について説明する。例えば、コンプレッサ３の吸気圧が高くなりすぎると内燃機関１の効率が悪化するため、吸気圧が一定の値以上に高くならないように、吸気圧が一定の値を超えると遮断弁１２が開かれてガスタービン２に送り込まれる排気ガスをバイパスするように構成されている。

しかしながら、内燃機関１の出力は一定ではなく変動する場合がある。例えば船舶推進用の内燃機関であれば船舶の速度調整に伴い変動する。ガスタービン２の回転速度をω、ガスタービン２の回転軸上の慣性モーメントをＪ、内燃機関１の排気ガスから与えられるトルクをＴＥ、コンプレッサ３の負荷トルクをＴｃ、永久磁石発電機４の負荷トルクをＴＧとすると、下記（１）式が成り立つ。
ｄω／ｄｔ＝（ＴＥ−Ｔｃ−ＴＧ）／Ｊ （１）

ここで、内燃機関１の出力が変動すると、内燃機関１の排気ガスのエネルギーも変動し、ＴＥが変動する。ターボチャージャ発電装置ではＴＥが増加した場合はｄω／ｄｔ＞０となるので、ガスタービン２の回転速度ωが上昇する。一方、内燃機関１の排気エネルギーの減少によってＴＥが減少した場合、ｄω／ｄｔ＜０となるので、ガスタービン２の回転速度ωは低下する。ガスタービン２の回転速度、すなわち永久磁石発電機４の回転速度が変動すると永久磁石発電機４の出力交流電圧の周波数も変動する。交流電圧は遮断器５を介してインバータ６で商用周波数の交流電圧に変換し、変圧器７及び遮断器８を介して電力系統９に供給される。

内燃機関１の排気エネルギーが増加し、ガスタービン２の回転速度が上昇した場合、遮断弁１２を開いて排気ガスをバイパスし、ガスタービン２を通さずに大気に放出するので、放出する分のエネルギーはターボチャージャ発電装置で電力として回収できないこととなる。排気ガスのエネルギーは可能な限りターボチャージャ発電装置で電力として回収するのが望ましい。

一方、内燃機関１の排気エネルギーが減少した場合、永久磁石発電機４から電力を取り続けていると、前記（１）式において排気ガスから与えられるトルクＴＥが減少するが負荷トルクＴＧは減少しないので、ｄω／ｄｔ＜０となり、ガスタービン２の回転速度が低下する。回転速度が低下しすぎると、コンプレッサ３の空気圧縮作用を高める効果が得られなくなり、内燃機関１の出力が低下するという問題がある。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、その目的は、内燃機関の排気エネルギーの変動により排気ガスから与えられるトルクＴＥが変動しても、ターボチャージャの回転速度を適切な速度に維持し、ターボチャージャによる吸気圧を高める効果を得つつ、ターボチャージャの余剰エネルギーを可能な限り発電に利用することができるターボチャージャ発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動されるコンプレッサおよび永久磁石発電機とを備えたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を商用周波数に変換して負荷に供給するインバータと、前記永久磁石発電機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段より出力される速度検出信号から速度指令を減じた速度偏差に基づいて前記永久磁石発電機の回転速度を所定値に保つように演算を行い有効電流指令信号を出力する速度制御手段と、前記インバータの出力電流および前記有効電流指令信号を入力し、前記インバータの出力電流が前記有効電流指令信号とつり合うようにインバータ制御信号を前記インバータに出力するインバータ制御装置とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記速度検出手段の代わりに、前記永久磁石発電機の出力電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段で検出された周波数から前記永久磁石発電機の回転速度を演算して出力する回転速度演算手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の排気ガスによりターボチャージャに与えるトルクが変動しても、インバータの出力する有効電流を制御してターボチャージャの回転速度の制御を行い、ターボチャージャの回転速度の変動を抑制するように永久磁石発電機の負荷トルクを制御するので、ターボチャージャの回転速度を適切な速度に維持し、ターボチャージャによる吸気圧を高める効果を得つつ、ターボチャージャの余剰エネルギーを可能な限り発電に利用することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係るターボチャージャ発電装置の構成図である。

本実施形態のターボチャージャ発電装置が図３の従来のターボチャージャ発電装置と異なる構成は、速度検出器１３と速度制御装置１４を備えた点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して、重複説明は省略する。

図１において、本実施形態のターボチャージャ発電装置では、速度検出器１３はガスタービン２の回転数を検出し、回転速度検出信号を速度制御装置１４に出力する。速度制御装置１４は速度検出器１３の出力する速度検出信号から速度指令を減じた速度偏差に基づいて例えばＰＩＤ制御演算を行い、インバータ６の出力する有効電流指令信号をインバータ制御装置１０に出力する。インバータ制御装置１０は速度制御装置１４の出力する有効電流指令信号を入力し、変流器１１で検出したインバータ出力電流を有効電流指令信号とつり合うようにインバータ制御信号をインバータ６に出力する。

次に、本実施形態のターボチャージャ発電装置の動作について説明する。
内燃機関１の排気ガスのエネルギーが少なく、ガスタービン２の回転速度が速度制御装置１４の速度指令より低い場合は有効電流指令が減少するので、インバータ６は出力有効電力が減少する。一方、内燃機関１の排気ガスのエネルギーが大きく、ガスタービン２の回転速度が速度制御装置１４の速度指令より高い場合は有効電流指令が増加するので、インバータ６の出力有効電力が増加する。従って、インバータ６の出力電力が増加すると永久磁石発電機４の負荷トルクＴＧも増加するため、前記（１）式より回転速度は減少する。一方、インバータ６の出力電力が減少すると永久磁石発電機４の負荷トルクＴＧも減少するため、前記（１）式より回転速度は上昇する。このような作用により、ガスタービン２の回転速度は速度指令値に保たれ、適切な回転速度となる。

例えば、内燃機関１の排気ガスのエネルギーが更に増え、有効電力指令がインバータ６の出力できる電流の上限に達すると、それ以上永久磁石発電機４の発電電力を増やすことは出来なくなり、ガスタービン２の回転速度は速度指令値より上昇していくが、従来と同様に遮断弁１２の作用により排気ガスをバイパスするため、コンプレッサ３の出力する圧縮空気の吸気圧は一定の値以上には高くならない。

上記したように、本実施形態によれば、内燃機関１の排気ガスのエネルギーの変動によりトルクＴＥが変動しても、ガスタービン２の回転速度を適切な速度に維持し、コンプレッサ３による吸気圧を高める効果を得つつ、ターボチャージャの余剰エネルギーを可能な限り発電に利用することができる。

（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態に係るターボチャージャ発電装置の構成図である。
本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第１実施形態のターボチャージャ発電装置と異なる構成は、速度検出器１３の代わりに周波数検出器１５と回転速度演算器１６を設けた点であり、その他の構成は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して、重複説明は省略する。

図２において、本実施形態のターボチャージャ発電装置では、周波数検出器１５で永久磁石発電機４の出力電圧の周波数を検出し周波数検出信号として回転速度演算器１６に出力する。回転速度演算器１６は周波数検出信号を入力し、永久磁石発電機４の回転速度を演算して回転速度信号として速度制御装置１４に出力する。永久磁石発電機４の出力周波数は回転速度に比例するので、永久磁石発電機４の回転速度は出力周波数に比例して求められる。

その他の作用は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同様に内燃機関の排気ガスのエネルギーの変動によりトルクＴＥが変動しても、ガスタービン２の回転速度を適切な速度に維持し、コンプレッサ３による吸気圧を高める効果を得つつ、ターボチャージャの余剰エネルギーを可能な限り発電に利用することができる。

本発明の第１実施形態に係るターボチャージャ発電装置の構成図。 本発明の第２実施形態に係るターボチャージャ発電装置の構成図。 従来のターボチャージャ発電装置の構成図。

符号の説明

１…内燃機関、２…ガスタービン、３…コンプレッサ、４…永久磁石発発電機、５，８…遮断器、６…インバータ、７…変圧器、９…電力系統、１０…電流制御装置、１１…変流器、１２…遮断弁、１３…速度検出器、１４…速度制御装置、１５…周波数検出器、１６…回転速度演算器。

Claims (2)

1. 内燃機関が排出する排気ガスによって駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動されるコンプレッサおよび永久磁石発電機とを備えたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を商用周波数に変換して負荷に供給するインバータと、前記永久磁石発電機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段より出力される速度検出信号から速度指令を減じた速度偏差に基づいて前記永久磁石発電機の回転速度を所定値に保つように演算を行い有効電流指令信号を出力する速度制御手段と、前記インバータの出力電流および前記有効電流指令信号を入力し、前記インバータの出力電流が前記有効電流指令信号とつり合うようにインバータ制御信号を前記インバータに出力するインバータ制御装置とを備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
2. 請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記速度検出手段の代わりに、前記永久磁石発電機の出力電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段で検出された周波数から前記永久磁石発電機の回転速度を演算して出力する回転速度演算手段とを備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。

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