JP5008417B2 - エンジン発電機 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンにより駆動されて発電を行うエンジン発電
機に関するものである。

エンジン発電機は、工事現場等の移動電源として広く使用されている。それらのエンジン発電機では、エンジンガバナを設けて燃料噴射量を調整することにより、エンジン回転数を一定に制御しながら、自動電圧調整器により発電機の界磁電流を調整することにより、負荷が変動しても常に一定周波数で一定電圧の交流電力が出力されるようにしている。

そのようなエンジン発電機に大型モータ等の重負荷が投入されると、エンジン回転数は、瞬間的に大きく低下する。そのとき、エンジンガバナは回転を回復させるため燃料噴射量を大幅に増加させ、結果的に、エンジンは大量の黒煙を吐き出すことになる。特に、最近の傾向として、過給器付きあるいはアフタークーラー付きのディーゼルエンジンが増えているが、そのようなディーゼルエンジンでは、給気圧力の追従遅れによりエンジン回転数の回復が遅れ、その分だけ黒煙を長い時間吐き続けることになってしまう。さらに、発電機の小型・軽量化に伴い慣性モーメントが小さくなって、重負荷投入時のエンジンの回転数降下が大きくなり黒煙発生の問題をより大きくしている。

近年、環境問題がクローズアップされている中、エンジン発電機を特に住宅地等で運転する場合には、この黒煙が大きな問題となっている。また、重負荷投入によりエンジン回転数が低下し、その状態が長く続くと発電機に接続されている負荷に悪影響を及ぼすことも問題になる。

従来、そのような、重負荷投入によるエンジン回転数低下に対処するため、例えば特許文献１に示されるように、発電機の負荷増加率が予め設定した増加率よりも大きくなった場合に負荷増加信号を出力し、その負荷増加信号により予め設定した時間だけ電圧降下信号を出力して、発電機の励磁電流を予め設定した割合だけ減少させるという技術が提案されている。

図５は、そのエンジン発電機の概略回路図である。ディーゼル発電機は、固定子側に設けた主電機子巻線１，励磁機界磁巻線５，自動電圧調整器６と、回転子側に設けた主界磁巻線２，回転整流器３，励磁機電機子巻線４とを備える。自動電圧調整器６の入力端子は、主電機子巻線１からの出力線に接続され、また出力端子は励磁機界磁巻線５に接続され、発電機の出力電圧に応じて励磁電流を制御することで出力電圧を設定電圧に保持する。

その発電機からの出力線に一対の計器用変流器１２，１３が接続されている。この変流器１２，１３の出力電流は電流変化検出回路１４に入力される。電流変化検出回路１４は、発電機出力電流の単位時間当たりの増加率が、予め設定した増加率よりも大きい場合に、一定時間だけ電圧降下信号を出力する。自動電圧調整器６はそれを受けて、励磁機界磁巻線５の電流を一定割合だけ減少させる。それにより、励磁機電機子巻線４の出力が低下し、主界磁巻線２に流れる電流が一定割合だけ減少する。その結果、その発電機の出力電圧が降下し、降下電圧の２乗に比例してエンジンの負荷が軽減される。

このようにすれば、重負荷投入等により負荷が急激に増大した場合に、瞬間的にエンジンの負荷を低減することで、エンジンの回転数低下率を低減し許容範囲内とすることができる。

また、特許文献２に示されるように、発電機に印加される負荷の程度を、出力電流の変化で判断する代わりに、エンジン回転数の変化によって判断するようにした技術も提案されている。その場合、パルスジェネレータでエンジン回転数を検出し、エンジンの負荷が大きくなってエンジン回転数が定格値から一定以上低下したとき、演算装置により構成さ
れるエンジンコントローラに信号を送って、出力接点を操作し、自動電圧調整器の出力電圧を制御して、発電機の出力電圧を降下させる。

このようにしても、重負荷投入等により負荷が急激に増大した場合に、瞬間的にエンジンの負荷を低減することで、エンジンの回転数低下率を低減し許容範囲内とすることができる。
特開平５−１１１２９８号公報 特開２００１−２８９００号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されるようなエンジン発電機には、複数の計器用変流器，電流変化検出回路等、多数の装置が必要であり、装置が複雑になって大型化し、コスト高になるという問題点があった。また、負荷電流増加率の設定，電圧降下信号を出力する時間の設定，励磁電流減少割合の設定などを手動で設定しなければならず、負荷の種類によってどのように設定するのか経験と勘が必要になって煩わしいという問題点もあった。

また、上記特許文献２に示されるようなエンジン発電機には、エンジンコントローラ，パルスジェネレータなど、複雑で高価な部品を多数使用するため、小容量の小型発電機にこの技術を適用した場合には発電機本体価格を上回るほどのコストアップになるという問題点があった。

本発明は、そのような問題点に鑑み、極めて簡単な装置である切替スイッチを追加し、重負荷投入が予測されるときには予め切替スイッチをオフにしておくことによって、重負荷投入時に、負荷を低減してエンジン回転数が低下するのを抑制するとともに、エンジンから黒煙が発生するのを抑制することを目的とするものである。

前記課題を解決するため、本願の請求項１にかかる発明は、発電機電機子巻線を巻装した鉄心に３個の励磁巻線を巻装し、該励磁巻線を一端を開放した３角結線状に直列接続し、その３角結線の開放端から取り出した零相電流と前記各励磁巻線から得られる相電流とを合成して得た直流電流に基づいて界磁巻線を励磁するようにしたエンジン発電機において、前記３角結線の開放端から引き出した接続線の一方に切替スイッチを設け、当該エンジン発電機に重負荷が投入されるときには、前記切替スイッチをオフとしておくことで、エンジン回転数の低下を抑制するとともに黒煙を抑制することを特徴とする。

また、本願の請求項２にかかる発明は、発電機界磁巻線と、３相構成の発電機電機子巻線と、基本波を主体とする出力を生じるような巻線ピッチを有し、前記発電機電機子巻線の内の１相の巻線出力に対して電気角でほぼ９０度の位相差を持つ出力を生じるように、前記発電機電機子巻線の上記１相の巻線に設けられた第１励磁巻線と、前記基本波の第３高調波を主体とする出力を生じるような巻線ピッチを有し、前記１相の巻線出力に対して電気角でほぼ９０度の位相差を持つ出力を生じるように、前記第１励磁巻線に対応して設けられた第２励磁巻線と、前記第１励磁巻線の基本波出力と前記第２励磁巻線の第３調波出力との合成整流出力を形成し、該合成整流出力に基づいて前記発電機界磁巻線を励磁する励磁手段とを備えたエンジン発電機において、前記第２励磁巻線の出力を引き出す接続線の一方に切替スイッチを設け、当該エンジン発電機に重負荷が投入されるときには、前記切替スイッチをオフとしておくことで、エンジン回転数の低下を抑制するとともに黒煙を抑制することを特徴とする。

本発明のエンジン発電機は、次のような効果を奏する。
すなわち、請求項１にかかる発明においては、３個の励磁巻線を、一端を開放して３角結線した開放端から取り出した零相電流と各励磁巻線から得られる相電流とを合成して得た直流電流に基づいて界磁巻線を励磁するようにしたエンジン発電機において、前記３角結線の開放端から引き出した接続線中に切替スイッチを設け、当該エンジン発電機に重負荷が投入されるときには、前記切替スイッチをオフとしておくようにした。その結果、３角結線の開放端から取り出した零相電流と前記各励磁巻線から得られる相電流とを合成して得られる、大きな出力であって、負荷電流の影響をあまり受けない励磁出力により、安定した運転ができるエンジン発電機において、切替スイッチという極めて簡単な装置を１個追加し、重負荷投入時に、その切替スイッチをオフにするだけで、負荷を低減してエンジン回転数が低下するのを抑制するとともに、エンジンから黒煙が発生するのを抑制することができる。

また、請求項２にかかる発明においては、第１励磁巻線の基本波出力と第２励磁巻線の第３調波出力との合成整流出力を形成し、該合成整流出力に基づいて発電機界磁巻線を励磁する励磁手段とを備えたエンジン発電機において、第２励磁巻線の出力を引き出す接続線中に切替スイッチを設け、当該エンジン発電機に重負荷が投入されるときには、前記切替スイッチをオフとしておくようにした。その結果、大きな出力が得られる基本波成分と負荷電流の影響をあまり受けない第３高調波成分とを合成して励磁出力を形成することにより安定した運転ができるエンジン発電機において、切替スイッチという極めて簡単な装置を１個追加し、重負荷投入時に、その切替スイッチをオフにするだけで、負荷を低減してエンジン回転数が低下するのを抑制するとともに、エンジンから黒煙が発生するのを抑制することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係るエンジン発電機の概略回路図である。ディーゼル発電機は、固定子側に設けた主電機子巻線１，励磁機界磁巻線５，自動電圧調整器６と、回転子側に設けた主界磁巻線２，回転整流器３，励磁機電機子巻線４とを備えている。主電機子巻線１を巻装した固定子鉄心には、励磁巻線８，８，８も巻装されており、それら励磁巻線８，８，８は、３角結線の一端を開放した形で直列接続されている。

この一端開放３角結線における各励磁巻線８，８，８の開放端Ａ，Ｂ及び相互接続点Ｃ，Ｄから４つの端子を取り出して、自動電圧調整器６に、励磁機界磁巻線５に流す電流の電源として接続する。その結果、自動電圧調整器６に、各励磁巻線８，８，８からは基本波成分の電流、開放端Ａ，Ｂからは零相電流が与えられる。

自動電圧調整器６の出力監視用端子は、主電機子巻線１からの出力線に接続され、また自動電圧調整器６の出力端子は励磁機界磁巻線５に接続され、発電機の出力電圧に応じて励磁電流を制御することで出力電圧を設定電圧に保持する。

図２は、第１実施例の無負荷励磁特性を示す図である。図２に示すように、基本波成分のみによる励磁特性は、界磁電流を増加するにしたがって徐々に上昇し、やがて飽和する。それに対して零相成分のみによる励磁特性は、界磁電流を増加するにしたがって最初は増加していくが最高点を過ぎると下降に転じる。この無負荷励磁特性中、横軸のＸ−Ｙ間の範囲では、基本波成分は上昇特性、零相成分は下降特性を示す。設計に当たっては、Ｙ点は当該発電機に定格負荷を印加した際の界磁電流値とし、Ｘ点は当該発電機が無負荷
状態のときの界磁電流値とする。

図３は、第１実施例の出力特性を示す図である。基本波成分のみによる励磁時には、負荷電流が増加するに従って降下し、零相成分のみによる励磁時には、負荷電流が増加するに従って上昇する。そして、基本波成分と零相成分とを合成した電流により励磁を行うと、図３において合成特性として示すように、負荷電流の変化に対してほぼ定電圧励磁特性となる。

そのような発電機において、４つの端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを取り出す回路の内、一方の開放端Ａと自動電圧調整器６との間に切替スイッチ７を設けている。通常は切替スイッチ７をオンにしておく。その結果、上記したような定電圧励磁特性により安定した運転ができるとともに、負荷電流が定格を超えて増加したときにも、出力電圧を維持しようとする。

一方、住宅地内等で大型モータのような重負荷を使用する場合は、切替スイッチ７をオフにする。その時、励磁電源は、３相の基本波成分の内の１相分と零相分が欠けた状態になるため、通常時の２／３以下の容量になる。その結果、重負荷投入時には、励磁電源不足の状態となり、発電機の出力電圧が低下して、負荷の入力電力が低下するため、起動時間が長くなるが、エンジン回転数の落ち込みは少なくなって黒煙はあまり発生しなくなる。

図４は、本発明の第２実施例に係るエンジン発電機の概略回路図である。この実施例では、主電機子巻線１の内の１相、例えばＵ相の巻線に、Ｕ相の巻線出力に対して電気角で９０度の位相差を持つ出力を生じるように第１励磁巻線９と第２励磁巻線１０が設けられている。そして、第１励磁巻線９は、基本波成分を主体とする出力を生じるような巻線ピッチとし、第２励磁巻線１０は、基本波の第３高調波を主体とする出力を生じるような巻線ピッチとしている。

第１励磁巻線９と第２励磁巻線１０の出力は、自動電圧調整器６に入力され、励磁電源として両者が合成されて励磁機界磁巻線５に出力される。第１励磁巻線９に生じる基本波成分は高調波成分に比べて大きな出力が得られるが負荷電流の影響を受ける。それに対して第２励磁巻線１０に生じる第３高調波成分は、負荷電流の影響をあまり受けない。したがって、第１励磁巻線９の出力と第２励磁巻線１０の出力を合成すると、大きな出力であって、負荷電流の影響をあまり受けない励磁出力を形成することができる。

そのような発電機において、第２励磁巻線１０と自動電圧調整器６との間に切替スイッチ７を設けている。通常は切替スイッチ７をオンにしておく。その結果、上記したように、大きな出力で、負荷電流の影響をあまり受けない励磁出力により安定した運転ができるとともに、負荷電流が定格を超えて増加したときにも、出力電圧を維持しようとする。

一方、住宅地内等で大型モータのような重負荷を使用する場合は、切替スイッチ７をオフにする。その時、励磁電源は、第１励磁巻線９と第２励磁巻線１０の出力の内、第２励磁巻線１０の出力が欠けた状態になるため、通常時の１／２に近い容量になる。その結果、重負荷投入時には、励磁電源不足の状態となり、発電機の出力電圧が低下して、負荷の入力電力が低下するため、起動時間が長くなるが、エンジン回転数の落ち込みは少なくなって黒煙はあまり発生しなくなる。

なお、上記各実施例は、回転子側に設けた励磁機電機子巻線４の出力を回転整流器３で整流して、同じく回転子側に設けた主界磁巻線２へ直接供給するブラシレス励磁方式の発電機の場合で説明したが、本発明はそれに限定されず、回転子側に設けた主界磁巻線２へ
固定子側からスリップリングを介して給電する方式の発電機にも適用できる。

本発明の第１実施例に係るエンジン発電機の概略回路図である。 第１実施例の無負荷励磁特性を示す図である。 第１実施例の出力特性を示す図である。 本発明の第２実施例に係るエンジン発電機の概略回路図である。 従来のエンジン発電機の概略回路図である。

１…主電機子巻線
２…主界磁巻線
３…回転整流器
４…励磁機電機子巻線
５…励磁機界磁巻線
６…自動電圧調整器
７…切替スイッチ
８…励磁巻線
９…第１励磁巻線
１０…第２励磁巻線
１２，１３…計器用変流器

Claims (2)

1. 発電機電機子巻線を巻装した鉄心に３個の励磁巻線を巻装し、該励磁巻線を一端を開放した３角結線状に直列接続し、その３角結線の開放端から取り出した零相電流と前記各励磁巻線から得られる相電流とを合成して得た直流電流に基づいて界磁巻線を励磁するようにしたエンジン発電機において、
   前記３角結線の開放端から引き出した接続線の一方に切替スイッチを設け、当該エンジン発電機に重負荷が投入されるときには、前記切替スイッチをオフとしておくことで、エンジン回転数の低下を抑制するとともに黒煙を抑制することを特徴とするエンジン発電機。
2. 発電機界磁巻線と、３相構成の発電機電機子巻線と、基本波を主体とする出力を生じるような巻線ピッチを有し、前記発電機電機子巻線の内の１相の巻線出力に対して電気角でほぼ９０度の位相差を持つ出力を生じるように、前記発電機電機子巻線の上記１相の巻線に設けられた第１励磁巻線と、前記基本波の第３高調波を主体とする出力を生じるような巻線ピッチを有し、 前記１相の巻線出力に対して電気角でほぼ９０度の位相差を持つ出力を生じるように、前記第１励磁巻線に対応して設けられた第２励磁巻線と、前記第１励磁巻線の基本波出力と前記第２励磁巻線の第３調波出力との合成整流出力を形成し、該合成整流出力に基づいて前記発電機界磁巻線を励磁する励磁手段とを備えたエンジン発電機において、
   
   前記第２励磁巻線の出力を引き出す接続線の一方に切替スイッチを設け、当該エンジン発電機に重負荷が投入されるときには、前記切替スイッチをオフとしておくことで、エンジン回転数の低下を抑制するとともに黒煙を抑制することを特徴とするエンジン発電機。