JP4607053B2

JP4607053B2 - エンジン駆動式発電機

Info

Publication number: JP4607053B2
Application number: JP2006151534A
Authority: JP
Inventors: 健二上村; 竜司櫻井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007325385A; US20070278801A1; US7612460B2

Description

本発明は、エンジン駆動式発電機に関し、特に、同期発電機を使用する形式でありながらも回転数制御によって発電機負荷に対応した運転状態を適宜選択可能なエンジン駆動式発電機に関する。

エンジンで同期発電機を駆動する形式のエンジン駆動式発電機では、エンジン回転数ｎと出力周波数ｆと、磁極数Ｐとは、ｎ＝１２０ｆ／Ｐで示される関係を有する。したがって、出力周波数を所定値に維持するためにはエンジン回転数を所定値に維持する必要がある。例えば、磁極数が「２」の場合、出力周波数が５０Ｈｚではエンジン回転数は３０００ｒｐｍに、出力周波数が６０Ｈｚではエンジン回転数は３６００ｒｐｍに維持しなければならない。

一般にエンジン回転数制御には、機械的なガバナが用いられる。機械的ガバナはエンジン回転数を遠心力として検出し、リンク機構やスプリングを用いてキャブレータのスロットルを開閉動作させる。機械的ガバナは機械的であるため経年変化を生じやすいし、オフセット調節や回転数設定の調節等が難しい。

このような機械的ガバナに対して、近年は発電機の出力周波数をインバータで制御して出力周波数がエンジン回転数に依存しないようにするとともに、発電機負荷の変化に対しては電子ガバナでエンジン回転数を可変制御するインバータ式発電機が普及している（例えば、特許掲載公報第３５４０１５２号参照）。

しかし、上記特許文献１に記載されたようなインバータ式発電機は、同期発電機型に比べて製造コストが格段に高くなるため、普及が進みにくいという課題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、同期式発電機において、出力周波数を安定に維持する通常運転モードと、負荷の大きさに応じて小出力または大出力運転の選択が可能な経済運転モードを含むエンジン駆動式発電機を提供することにある。

本発明は、エンジンと、該エンジンで駆動される同期発電機とで構成されるエンジン駆動式発電機において、前記エンジンの回転数を目標値に制御する電子ガバナを備え、前記電子ガバナに、発電機負荷の変動にかかわらずエンジン回転数をほぼ一定に維持する通常運転モードと、発電機負荷の変動に応じて所定の許容範囲内でエンジン回転数を増減させる経済運転モードとを設けるとともに、前記通常運転モードおよび経済運転モードのいずれか一方を選択する切り換え手段を設けた点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記発電機の負荷電流を検出するセンサと、前記経済運転モードが選択された場合、所定の許容回転数範囲内に設定された上限値及び下限値の間で前記負荷電流に応じてエンジン回転数の目標値を決定する目標値決定手段とを具備した点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記経済運転モードでは、複数の目標回転数範囲の一つを選択可能に構成した点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、発電機負荷の変動にかかわらず出力電圧をほぼ一定に制御する自動電圧調整装置を有する点に第４の特徴がある。

第１の特徴を有する発明によれば、通常運転モードでは、エンジン回転数をほぼ一定に維持しているので、同期発電機が安定した出力周波数を出力できる。また、経済運転モードでは、発電機負荷が小さい場合には、予め設定した所定回転数の範囲でエンジン回転数を下げた省燃費および低騒音運転が可能になる。同様に、発電機負荷が大きい場合には予め設定した所定回転数の範囲でエンジン回転数を高めた大出力運転が可能になる。

第２の特徴を有する発明によれば、経済運転モードでの運転中はエンジン回転数が負荷に応じて変動するが、所定許容回転数の上限値および下限値の範囲内で決定できるので、発電機能力を出力周波数の許容変動範囲内で有効に活用することが可能になる。

第３の特徴によれば、経済運転モードでは、負荷の種類に応じた許容周波数変動の範囲等を考慮して回転数範囲を選択できるので、負荷に応じた発電機能力の活用が可能になる。

第４の特徴によれば、負荷変動にかかわらず、追従性のよい安定した出力電圧のもとで電力供給が可能になる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式発電機のシステム構成図である。図１において、同期発電機１の回転子軸１ａはエンジン２の出力軸２ａに連結されており、エンジン２の回転に同期した交流電流を発生する。発電機１の交流出力は負荷３に接続される。負荷３の種類としては、コンプレッサや洗浄機等、比較的大きい負荷や、出力周波数への依存度が大きい誘導負荷、その他の微小負荷を含む一般負荷等、汎用性のある負荷への使用が想定される。

エンジン２の回転数を制御する電子ガバナ４が設けられる。エンジン２のフライホイール内に設けられる磁石発電機の制御電源巻線の出力は図示しない整流器で整流されて電源装置６に接続され、電源装置６は、発電機１の運転中は制御電源巻線の出力で充電される。また、この整流された出力の周波数に基づいてエンジン回転数計算部７でエンジン回転数が計算される。ＣＴセンサ８は負荷３に流れる電流を検出し、電子ガバナ４に供給する。

電子ガバナ４は、負荷電流の変動に対応して目標エンジン回転数を所定の許容範囲内で増減させる運転モード（以下、「経済運転モード」と呼ぶ）と、負荷電流の変動にかかわらず目標エンジン回転数を増減させないで一定に維持する運転モード（以下、「通常運転モード」と呼ぶ）とを備えており、負荷の種類に応じて両者のいずれかを選択可能に構成している。通常運転モードは、特に、出力周波数の変動が好ましくない負荷、つまり周波数に依存する負荷に対して使用される。経済運転モードまたは通常運転モードを選択するため、エコスイッチ９が設けられる。

電子ガバナ４は、目標回転数決定部１０を備え、ＣＴセンサ８で検出された負荷電流に基づいて目標エンジン回転数を決定する。目標回転数決定部１０は、目標エンジン回転数としての固定値を記憶する記憶部１０１と、ＣＴセンサ８で検出された負荷電流に対応する目標エンジン回転数を設定したマップ１０２とを備える。なお、マップ１０２に代えて、負荷電流に基づいて目標エンジン回転数を算出する計算式を設けてもよい。

エコスイッチ９で通常運転モードが選択された場合は、目標回転数決定部１０の記憶部１０１から目標エンジン回転数が読み出されて目標回転数記憶部１１に格納される。エコスイッチ９で経済運転モードが選択された場合は、目標回転数決定部１０のマップ１０２から負荷電流に対応する目標エンジン回転数が読み出されて目標回転数記憶部１１に格納される。

ＰＩＤ制御部１２は、目標回転数記憶部１１から読み出される目標エンジン回転数に対してエンジン回転数計算部７で計算されたエンジン回転数が収斂するようにガバナ出力を発生する。ガバナ出力はエンジン２のスロットル弁１３を駆動するガバナモータ１４に供給される。ガバナモータ１４はステッピングモータからなるのがよい。

自動電圧制御装置（以下、「ＡＶＲ」と呼ぶ）１５は、発電機１の出力電圧を検出し、この検出された電圧が所定値（例えば、１００ボルト）になるように発電機１の界磁巻線に流れる電流（界磁電流）を制御する。

図２は、ＡＶＲ１５の要部回路図である。制御電源巻線１６および固定子に巻回された励磁巻線１７はそれぞれ全波整流器１８、１９の入力側に接続される。全波整流器１９の出力側は回転子に巻回される界磁巻線２０の一端に、図示しないスリップリングを介して接続されるとともに、抵抗２１を介してトランジスタＱ１のコレクタおよびトランジスタＱ２のベースに接続される。界磁巻線２０の他端は図示しないスリップリングを介してトランジスタＱ２のコレクタに接続される。一方、全波整流器１８の出力側はマイクロコンピュータを備える制御部２２に接続されて制御電源を供給する。制御部２２の出力端子ＯＵＴはトランジスタＱ１のベースに接続される。トランジスタＱ１のベース・エミッタ間には、抵抗２３が並列接続される。

信号発生器２４は、エンジン２のフライホイール内に配置される検出コイルによって、エンジンの１回転毎に検出信号を発生し、図示しないエンジン点火装置の点火タイミングの基準点火信号として使用されるとともに、出力周波数に同期する基準信号として制御部２２の入力端子ＩＮ１に接続される。

発電機１の固定子に巻回された出力巻線２５の出力電圧は交流出力端子２６に接続され、この交流出力端子２６には、負荷３が接続される。出力巻線２５に接続された抵抗２７，２８によって分圧された出力電圧は制御部２２の入力端子ＩＮ２に接続される。

制御部２２は、入力端子ＩＮ１から入力されるエンジン２の回転周期信号に従い、入力端子ＩＮ２から入力される出力電圧をエンジン回転１周期分デジタルサンプリングして波形面積を算出して出力電圧の実効値を求め、この実効値の変動に応じて界磁電流ｉｆを増減制御することで出力電圧変動を抑制する。すなわち、トランジスタＱ１をＰＷＭ制御し、トランジスタＱ２を制御して界磁巻線２０に流れる電流ｉｆを制御する。

例えば、負荷電流が増大して出力巻線２５の出力電圧が低下すると、検出される出力電圧の実効値が低下するのでトランジスタＱ１，Ｑ２はこの実効値を目標電圧に近づけるように界磁電流ｉｆを増大させて出力巻線２５の出力電圧を上昇させる。

反対に軽負荷になって出力電圧が上昇すると、実効値が増大するので、トランジスタＱ１，Ｑ２は界磁電流ｉｆを減少させるように動作して出力電圧を目標電圧まで低下させる。このように、発電機１は、負荷変動に応じて出力電圧の実効値が目標値に収斂するように制御される。

図３は、マップ１０２によって決定される出力特性の一例を示す図である。同図において、横軸は負荷電流であり、縦軸は目標エンジン回転数を示す。この図では、出力周波数が５０Ｈｚの仕様において、負荷電流がゼロつまり無負荷時には、目標エンジン回転数は２３００ｒｐｍに設定され、軽負荷時の下限目標エンジン回転数は２８００ｒｐｍに設定される。高負荷時の上限目標エンジン回転数は３２００ｒｐｍに設定される。これは、負荷電流が１７．５Ａに上昇するまでは回転数を上昇させて対応することを意味する。

なお、本実施例では５０Ｈｚ（３０００ｒｐｍ）仕様についての上限値および下限値である２８００ｒｐｍおよび３２００ｒｐｍという値を、日本の電気安全法規によって定められた許容周波数変動である±７％に対応する回転数２７９０−３２１０ｒｐｍの範囲内に収まるように設定しているが、各国の安全法規（例えばＩＳＯ８５２８−８）で定められている許容周波数変動幅の下限値および上限値に対応する許容回転数に対応して、仕向国に応じて変更することができる。

図４は、出力周波数５０Ｈｚの場合の従来のメカニカルガバナ方式の負荷電流および目標エンジン回転数の関係と、本発明の通常運転モードおよび経済運転モードにおける負荷電流および目標エンジン回転数の関係とを対比して示した図である。従来方式では、メカニカルガバナの特性上、負荷電流の増大とともに目標エンジン回転数は低減するように決定されることになるが、本発明の通常運転モードでは、負荷電流にかかわらず目標エンジン回転数は３０００ｒｐｍに維持することができる。経済運転モードは、図３で説明したように、負荷接続運転中は下限が２８００ｒｐｍ、上限が３２００ｒｐｍの範囲内で運転される。

なお、経済運転モードを、目標エンジン回転数の下限値を図３のように２３００ｒｐｍまで下げた第１経済運転モードと、図３に、鎖線で示したように、下限値を２８００ｒｐｍに決定する第２経済運転モードとに分けて、いずれか一方を選択可能にすることもできる。第１経済運転モードは、コンプレッサや洗浄機等、比較的大きい負荷であって無負荷運転と高負荷運転とが交互に頻繁に切り替えられる態様に好適である。この場合、頻繁に行われる無負荷運転時に回転数を大幅に低下させて経済運転を行うことが可能になる。一方、第２経済運転モードは、第１経済運転モードのように回転数が大きく低下する領域を設けていないので、回転数の変化範囲が小さくて運転音等の変動が少なく、かつ、無負荷まで出力周波数を維持するので、微小負荷を含む一般負荷にも好適である。

図４から理解されるように、本実施形態の経済運転モードによれば、無負荷運転時や軽負荷運転時には、エンジン回転数を低くできるので、騒音と燃費の低減が図られる。また、高負荷時にはエンジン回転数を許容範囲内で上昇させることができるので、通常運転モード出力よりも大きい出力を取り出すことができる。したがって、負荷３の種類によってエコスイッチ９を切り換えるだけで、出力周波数の変動許容範囲内でエンジン回転数を変化させて負荷に応じた出力を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン駆動発電機のシステム構成を示すブロック図である。ＡＶＲの一例を示す回路図である。負荷電流と目標エンジン回転数との関係を示すマップによって決定される出力特性の一例を示す図である。経済運転モード、通常運転モード、および従来方式における負荷電流と目標エンジン回転数の関係を示す図である。

符号の説明

１…発電機、２…エンジン、６…電源、７…エンジン回転数計算部、８…ＣＴセンサ、９…エコスイッチ、１０…目標回転数決定部、１１…目標回転数記憶部、１２…ＰＩＤ制御部、１３…スロットル弁、１４…ガバナモータ、１５…ＡＶＲ、１６…制御電源巻線、１７…励磁巻線、２０、界磁巻線、２５…出力巻線

Claims

エンジンと、該エンジンで駆動される同期発電機とで構成されるエンジン駆動式発電機において、
前記エンジンの回転数を目標値に制御する電子ガバナを備え、
前記電子ガバナに、発電機負荷の変動にかかわらずエンジン回転数をほぼ一定に維持する通常運転モードと、発電機負荷の変動に応じて所定の許容範囲内でエンジン回転数を増減させる経済運転モードとを設けるとともに、
前記通常運転モードおよび経済運転モードのいずれか一方を選択する切り換え手段を設けたことを特徴とするエンジン駆動式発電機。
前記発電機の負荷電流を検出するセンサと、
前記経済運転モードが選択された場合、所定の許容回転数範囲内に設定された上限値及び下限値の間で前記負荷電流に応じてエンジン回転数の目標値を決定する目標値決定手段とを具備したことを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動式発電機。
前記経済運転モードでは、複数の目標回転数範囲の一つを選択可能に構成したことを特徴とする請求項２記載のエンジン駆動式発電機。
発電機負荷の変動にかかわらず出力電圧をほぼ一定に制御する自動電圧調整装置を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載されたエンジン駆動式発電機。