JP4839700B2 - 発電機制御装置、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転子に永久磁石を用いた同期発電機などの発電機を任意の回転数で制御する発電機制御装置に関し、特に膨張機を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機によって駆動される発電機の発電機制御装置に関するものである。

近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その消費電力を低減する技術の一つとして、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機から動力を回収し、圧縮機を駆動するための補助動力としてその回収した動力を利用する冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。

図３に特許文献１の冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を凝縮する凝縮機３と、冷媒を蒸発する蒸発機４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機２の膨張タービン２ａから構成されており、膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂと直結されている。交流電源１１からの交流電力は第１コンバータ３１で直流電力に変換され、この直流電力はインバータ１３によって交流電力に変換され圧縮機１が駆動される。

一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動し、発電機２ｂから得られる交流電力が第２コンバータ３２へ入力される。この第２コンバータ３２は発電機２ｂから得られた交流電力を直流電力に変換され、この直流電力は圧縮機１を駆動するための補助動力として利用される。

しかしながら、特許文献１の冷凍サイクル装置では、発電機２ｂの回転数を制御する手段だけでなく、異常の際に発電機２ｂにブレーキを掛ける手段も有していないため、膨張エネルギーが増大する場合、膨張タービン２ａ（すなわち、動力軸２ｃを介して発電機２ｂ）の回転数が増大してしまう。その結果、発電機２ｂから得られる電気エネルギーが増大し、その電気エネルギーが第２コンバータ３２、インバータ１３の素子の許容値を越えた場合には素子が破壊されてしまうだけでなく、増大された回転数が膨張タービン２ａの許容値を超えた場合には膨張タービン２ａが破壊されてしまうという課題を有していた。

そこで、異常の際に発電機２ｂにブレーキを掛ける方法として、例えば特許文献２に記載されている風力発電系統連系システムが提案されている。図４に特許文献２の風力発電系統連系システムの構成を示す。このシステムは、風力エネルギーを取り入れる風車４１と、風車４１から得られる回転エネルギーを交流電力に変換する同期発電機４２と、整流ダイオード４８ａ〜４８ｆから構成され、同期発電機４２から得られる交流電力を直流電力に変換する整流回路１２と、平滑コンデンサ１５を介して整流回路１２得られる直流電力を所望の交流電力に変換する系統連系インバータ４３と、系統連系インバータ４３から得られた交流電力を供給される電力系統４４から構成されている。

保護回路４５では、同期発電機４２の異常高回転数の検出、系統連系インバータ４３の異常検出、系統電圧異常低下の検出のいずれかが検出された場合、スイッチ作動リレー４７を介して三相短絡スイッチ４６を投入することで電磁ブレーキが掛かり、発電機４２の発電機能が停止する。

さらに別の例として、発電機ではなく電動機の緊急停止を行うためにブレーキを掛ける
手段を用いた電動機駆動装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。図５に特許文献３の電動機駆動システムの構成を示す。この電動機駆動システムは、三相電源５１と、システムを動作させる際に投入されるコンタクタ５４と、交流電力を直流電力に変換する整流回路１２と、複数のスイッチング素子１３ａ〜１３ｆと対をなす還流ダイオード１４ａ〜１４ｆから構成され、平滑コンデンサ１５を介して整流回路１２得られる直流電力を所望の交流電力に変換するインバータ１３と、同期電動機５７から構成される。

さらに、インバータ１３の入力側には、ブレーキ用スイッチ素子５３が回生抵抗器５２を介して設けられている。また、インバータ１３およびブレーキ用スイッチ素子５３を制御する制御部５５はコンバータ電圧が電源電圧として与えられており、この電源電圧を監視して、コンバータ電圧が予め設定された電圧となると、すなわち同期電動機５７が回生動作を行っていると判断すると、ブレーキ用スイッチ素子５３をオンする。その結果、回生抵抗器５２によって回生電力を消費してコンバータ電圧が予め設定された電圧を越えないようにする。一方、緊急停止信号発生部５６から緊急停止信号が制御部５５に与えられると、制御部３６はコンタクタ５４をオフするとともにブレーキ用スイッチ素子５３をオンし、併せてインバータ１３の全てのスイッチング素子１３ａ〜１３ｆはオフされる。その結果、同期電動機５７で発生する発電エネルギーは回生抵抗器５２で消費され、同期電動機５７は速やかに停止する。
特開昭６１−２９６４７号公報 特開２０００−１７９４４６号公報 特開２００１−２０４１８４号公報

しかしながら、特許文献２の構成では三相短絡スイッチにより発電機に電磁ブレーキを掛けるため、三相短絡スイッチが投入されたときに同期発電機から三相短絡スイッチに流れる電流の大きさが同期発電機の減磁電流を越えた場合には、同期発電機が減磁してしまうという課題を有していた。さらに、特許文献３の構成では制御部５５によってブレーキ用スイッチ素子を制御しているため、制御部５５が故障した場合には同期電動機にブレーキを掛けることができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電機制御装置が故障した場合においても確実に発電機にブレーキを掛けることができ、かつブレーキを掛ける際に発電機から流れる電流が過電流とならないように制御できる発電機制御装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の発電機制御装置は、外部から得られる機械エネルギーによって駆動され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機から得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を抵抗器の分圧により検出する電圧検出手段と、前記コンバータの出力間に設けられ、電力消費用抵抗器と前記電圧検出値の出力値に応じて動作するスイッチング素子とから構成される電力消費手段とを備え、前記電圧検出手段の出力値が予め設定された電圧基準値以上となる場合にのみ前記スイッチング素子をオンさせるように前記電圧検出手段の抵抗器の分圧比を決定するものであって、スイッチング素子がオンしている期間に電力消費手段に流れる電流を電流検出用抵抗器の両端電圧で検出する電流検出手段と、スイッチング素子の入力段に設けられ、電流検出手段の出力値に応じて動作する第２のスイッチング素子とをさらに備え、スイッチング素子がオンしている期間においても電流検出手段の出力値が予め設定された電流基準値以上となる場合には第２のスイッチング素子をオンし、第２スイッチングがオンすることでスイッチング素子の駆動信号の信号レベルを強制的にゼロとしてスイッチング素子をオフさせるように電流検出用抵抗器の値を決定するものである。

これによって、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛け、かつスイッチング素子がオンしてブレーキが掛かっている期間に電流検出手段により過電流を検出した場合に第２のスイッチング素子をオンさせることでスイッチング素子をオフさせ、ブレーキを掛ける際に発電機から電力消費手段に流れる電流が過電流とならないように制御することが可能となる。

本発明の発電機制御装置は、発電機制御装置が故障した場合においても確実に発電機にブレーキを掛けることができ、かつブレーキを掛ける際に発電機から流れる電流が過電流とならないように制御することができる。

第１の発明は、外部から得られる機械エネルギーによって駆動され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機から得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を抵抗器の分圧により検出する電圧検出手段と、前記コンバータの出力間に設けられ、電力消費用抵抗器と前記電圧検出値の出力値に応じて動作するスイッチング素子とから構成される電力消費手段とを備え、前記電圧検出手段の出力値が予め設定された電圧基準値以上となる場合にのみ前記スイッチング素子をオンさせるように前記電圧検出手段の抵抗器の分圧比を決定するものであって、スイッ
チング素子がオンしている期間に電力消費手段に流れる電流を電流検出用抵抗器の両端電圧で検出する電流検出手段と、スイッチング素子の入力段に設けられ、電流検出手段の出力値に応じて動作する第２のスイッチング素子とをさらに備え、スイッチング素子がオンしている期間においても電流検出手段の出力値が予め設定された電流基準値以上となる場合には第２のスイッチング素子をオンし、第２スイッチングがオンすることでスイッチング素子の駆動信号の信号レベルを強制的にゼロとしてスイッチング素子をオフさせるように電流検出用抵抗器の値を決定するものであり、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛け、かつスイッチング素子がオンしてブレーキが掛かっている期間に電流検出手段により過電流を検出した場合に第２のスイッチング素子をオンさせることでスイッチング素子をオフさせ、ブレーキを掛ける際に発電機から電力消費手段に流れる電流が過電流とならないように制御することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の発電機制御装置において、コンバータの出力電圧がコンバータおよび電力消費手段を構成する素子の耐圧よりも小さくなるように電圧基準値を決定するものであり、コンバータの出力電圧の過昇によるコンバータおよび電力消費手段を構成する素子の破壊を確実に防ぐことができる。

第３の発明は、特に第１または２のいずれか１つの発明の発電機制御装置において、発電機は回転子に永久磁石を備えた同期発電機であり、電力消費手段に流れる電流が同期発電機の減磁電流よりも小さくなるように電流基準値を決定するものであり、電力消費手段に流れる電流が過電流となって同期発電機の回転子に備えられた永久磁石が減磁することを確実に防ぐことができる。

第４の発明は、特に第１〜３のいずれか１つの発明の発電機制御装置を冷凍サイクル装置に使用することにより、各々の発電機制御装置の利点を生かした信頼性の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。

第５の発明は、特に第４の発明の冷凍サイクル装置において、冷媒として炭酸ガスを用いるもので、温暖化係数が小さく地球温暖化を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における発電機制御装置のシステム構成図を示す。この発電機制御装置は、一例として図３に示すような冷凍サイクル装置における膨張機２によって駆動される発電機２ｂの制御装置を想定しており、図１の整流回路１２とコンバータ１６がそれぞれ図３の第１コンバータ３１と第２コンバータ３２に対応している。

この発電機制御装置は、交流電源１１からの交流電力を直流電力に変換する整流回路１２と、電動機１９と、電動機１９の回転数を制御する電動機制御部２０と、複数のスイッチング素子１３ａ〜１３ｆと対をなす還流ダイオード１４ａ〜１４ｆから構成され、平滑コンデンサ１５を介して整流回路１２から得られる直流電力を電動機制御部２０に基づいて所望の交流電力に変換するインバータ１３と、外部の機械エネルギーによって駆動される発電機２ｂと、発電機２ｂの回転数を制御する発電機制御部２１と、複数のスイッチング素子１３ａ〜１３ｆと対をなす還流ダイオード１４ａ〜１４ｆから構成され、発電機制御部２１によって回転数を制御された発電機２ｂから得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータ１６とを備える。また、コンバータ１６の出力間には、電力消費用抵抗器１７ａとスイッチング素子１７ｂとから構成される電力消費部１７と、コンバータ１６の出力電圧を検出するための抵抗器１８ａ、１８ｂから構成される電圧検出部１８が設けられている。

発電機２ｂは外部から得られる機械エネルギーによって駆動されるため、機械エネルギーが大きくなった場合には、発電機２ｂの回転数も大きくなる。特に、図３に示すような冷凍サイクル装置における膨張タービン２ａは膨張エネルギーによって一旦駆動され始めたらたら膨張エネルギーがある限り回転数が増大していく。そのため、通常時においては、コンバータ１６は発電機制御部２１によって発電機２ｂにブレーキを掛けながら回転数を制御して、発電機２ｂ発電機２ｂから得られる交流電力を直流電力に変換している。コンバータ１６で変換された直流電力は電動機１９を駆動するための補助動力として利用している。

しかしながら、コンバータ１８または発電機制御部２１が故障するような異常時には、発電機２ｂに回転数制御によるブレーキを掛けることができないため、発電機２ｂの回転数は増大し、その結果コンバータ１６の出力電圧は上昇する。そのコンバータ１６の出力電圧は電圧検出部１８の抵抗器１８ａ、１８ｂにより分圧され、その分圧された電圧値がスイッチング素子１７ｂのオン電圧と等しくなるとスイッチング素子１７ｂがオンされる
。その結果、発電機２ｂから得られた発電エネルギーは電力消費用抵抗器１７ａで消費され、発電機１７ａの回転数は低下していくため、コンバータ１６の出力電圧の増加を抑制することができる。

ここで、コンバータ１６の出力電圧がコンバータ１６およびスイッチング素子１７ｂの耐圧よりも大きくなると素子が破壊されるため、電圧検出部１８で分圧された電圧値がスイッチング素子１７ｂのオン電圧と等しくなる場合のコンバータ１６の出力電圧が、素子の耐圧よりも小さくなるように、電圧検出部１８の抵抗器１８ａ、１８ｂの分圧比を決定している。

この構成により、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛けてコンバータの出力電圧の増加を抑制することで素子の破壊を確実に防ぐことができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。

また、冷凍サイクル装置の冷媒として炭酸ガスを用いることにより、地球温暖化を防止すると共に、熱交換効率を向上することができる。

なお、一例として図３に示すような冷凍サイクル装置における膨張機によって駆動される発電機の制御装置として説明したが、例えば特許文献２のような風力発電用のシステムにも本発明はそのまま適用できるため、本発明は特に冷凍サイクルにおける膨張機によって駆動される発電機の制御装置に限定したものではない。

（実施の形態２）
図２に本発明の実施の形態２における発電機制御装置のシステム構成図を示す。この発電機制御装置に関しても、一例として図３に示すような冷凍サイクル装置における膨張機によって駆動される発電機の制御装置を想定している。図１に示す発電機制御装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するため省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

この発電機制御装置は、スイッチング素子１７ｂがオンしている期間に電力消費部１７に流れる電流を検出するための電流検出用抵抗器２２と、スイッチング素子１７ｂの入力段に設けられた第２スイッチング素子２３をさらに設けている。スイッチング素子１７ｂがオンしている期間に電流が流れると、電流検出用抵抗器２２の両端に電圧が発生する。その電流検出用抵抗器２２の両端に発生する電圧値がスイッチング素子２３のオン電圧と等しくなると第２スイッチング素子２３がオンされる。その結果、スイッチング素子１７ｂの駆動信号の信号レベルが強制的にゼロとされることでスイッチング素子１７ｂはオフされる。

ここで、スイッチング素子１７ｂがオンしている期間に発電機２ｂから電力消費部１７に流れる電流によって電流検出用抵抗器２２の両端に発生する電圧が第２スイッチング素子２３のオン電圧と等しくなる場合の電流値が、予め設定された電流基準値よりも小さくなるように電流検出用抵抗器２２の抵抗値を決定しており、特に、発電機２ｂとして回転子に永久磁石を備えた同期発電機の場合には、同期発電機の減磁電流よりも小さい値を電流基準値として設定している。

以上の構成により、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛けてコンバータの出力電圧の増加を抑制することで素子の破壊を確実に防ぎながら、スイッチング素子がオンしてブレーキが掛かっている期間に電流検出手段により過電流を検出
した場合に第２スイッチング素子をオンさせることでスイッチング素子をオフさせ、ブレーキを掛ける際に発電機から電力消費手段に流れる電流が過電流とならないように制御することができる。特に、発電機として回転子に永久磁石を備えた同期発電機の場合には、本発明によって永久磁石が減磁することを確実に防ぐことができる。

なお、一例として図３に示すような冷凍サイクル装置における膨張機によって駆動される発電機の制御装置として説明したが、例えば特許文献２のような風力発電用のシステムにも本発明はそのまま適用できるため、本発明は特に冷凍サイクルにおける膨張機によって駆動される発電機の制御装置に限定したものではない。

以上のように、本発明にかかる発電機制御装置は、装置が故障した場合においても確実にブレーキを掛けることができるため、電動機の緊急停止を行うためにブレーキを掛ける手段を用いた電動機駆動装置にも適用でき、その電動機駆動装置を用いる炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器等の製品にも応用することができる。

本発明の実施の形態１における発電機制御装置のシステム構成図 本発明の実施の形態２における発電機制御装置のシステム構成図 従来の冷凍サイクル装置のシステム構成図 従来の風力発電系統連系システムの構成図 従来の電動機駆動装置のシステム構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 膨張機
２ａ 膨張タービン
２ｂ 発電機
２ｃ 動力軸
３ 凝縮器
４ 蒸発器
１１ 交流電源
１２ 整流回路
１３ インバータ
１３ａ〜１３ｆ スイッチング素子
１４ａ〜１４ｆ 還流ダイオード
１５ 平滑コンデンサ
１６ コンバータ
１７ 電力消費部
１７ａ 電力消費用抵抗器
１７ｂ スイッチング素子
１８ 電圧検出部
１８ａ、１８ｂ 抵抗器
１９ 電動機
２０ 電動機制御部
２１ 発電機制御部
２２ 電流検出用抵抗器
２３ 解除用スイッチング素子
３１ 第１コンバータ
３２ 第２コンバータ
４１ 風車
４２ 同期発電機
４３ 系統連系インバータ
４４ 電力系統
４５ 保護回路
４６ 三相短絡スイッチ
４７ スイッチ作動リレー
４８ａ〜４８ｆ 整流ダイオード
５１ 三相電源
５２ 回生抵抗器
５３ ブレーキ用スイッチング素子
５４ コンタクタ
５５ 制御部
５６ 緊急停止信号発生部
５７ 同期電動機

Claims (5)

1. 外部から得られる機械エネルギーによって駆動され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機から得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を抵抗器の分圧により検出する電圧検出手段と、前記コンバータの出力間に設けられ、電力消費用抵抗器と前記電圧検出値の出力値に応じて動作するスイッチング素子とから構成される電力消費手段とを備え、前記電圧検出手段の出力値が予め設定された電圧基準値以上となる場合にのみ前記スイッチング素子をオンさせるように前記電圧検出手段の抵抗器の分圧比を決定するものであって、前記スイッチング素子がオンしている期間に前記電力消費手段に流れる電流を電流検出用抵抗器の両端電圧で検出する電流検出手段と、前記スイッチング素子の入力段に設けられ、前記電流検出手段の出力値に応じて動作する第２のスイッチング素子とをさらに備え、前記スイッチング素子がオンしている期間においても前記電流検出手段の出力値が予め設定された電流基準値以上となる場合には前記第２のスイッチング素子をオンし、前記第２のスイッチング素子がオンすることで前記スイッチング素子の駆動信号の信号レベルを強制的にゼロとして前記スイッチング素子をオフさせるように前記電流検出用抵抗器の値を決定することを特徴とする発電機制御装置。
2. 前記コンバータの出力電圧が前記コンバータおよび前記電力消費手段を構成する素子の耐圧よりも小さくなるように前記電圧基準値を決定することを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
3. 前記発電機は回転子に永久磁石を備えた同期発電機であり、前記電力消費手段に流れる電流が前記同期発電機の減磁電流よりも小さくなるように前記電流基準値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の発電機制御装置。
4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記膨張機によって駆動される発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、前記発電機制御手段に基いて交流電力を直流電力に変換するコンバータとを含む発電機制御装置を備えた冷凍サイクル装置において、前記発電機制御装置と
   して請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機制御装置を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 前記冷媒として炭酸ガスを用いることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。

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