JP5166710B2 - エンジン発電機セットを作動させるための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、総括的には発電機制御システムに関し、より具体的には発電機の周波数、電圧、保護及び出力定格を選択可能にすることに関する。

一般的にエンジン発電機セットは、異なる電力供給要件を有する用途及び場所における電動装置の主又はバックアップ電源として利用される。例えば、地域送電網の動作周波数に一致させるために、多くの地方では５０ヘルツ（Ｈｚ）の電気出力を必要とするが、他の地方では６０Ｈｚの出力を必要とする。エンジン発電機セットの使用は、異なる電力要件を有する場合がある。エンジン発電機セットによって電力供給される装置の電圧及び周波数要件は、変化する場合がある。例えば、米国では４８０Ｖ及び６０Ｈｚが電気装置の一般的要件であるが、欧州の使用では４００Ｖ及び５０Ｈｚの電力を必要とする傾向がより強い。１つの電圧及び周波数の特定の電力レベルを供給することができるエンジン発電機セットは、別の電圧及び周波数の同じ電力を供給することができないことになる。

公知のエンジン発電機セットは、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚをもつ電気系統を備えた地域での稼働に適応するように構成されている。エンジン発電機セットを１つの地域から異なる動作周波数を有する別の地域に移動させた場合には、一般的に発電機保護装置、電動補助装置及び機械的構成部品の設定に対する変更が必要である。

一般的に、エンジン発電機セットの補助装置は、エンジン発電機セットの出力により電力供給される。従って、ポンプモータなどの電気装置は、エンジン発電機セットが作動するように設計された周波数で作動する。さらに、電気モータに結合された機械的構成部品は、該機械的構成部品が結合された電気モータの出力電力レベルに適応するようなサイズにされる。

電圧調整装置は一般的に、広範囲の性能を有する様々な異なるエンジン発電機セットで作動するように設計される。従って、特定のエンジン発電機セットは、電圧調整装置で使用可能な電圧選択の全てでは作動可能でない場合がある。エンジン発電機セットはまた、該エンジン発電機セットが異なる電圧になっている可能性があるので、１つの電圧の同じ電力定格を満たすことができない場合がある。特定の用途のエンジン及び電圧定格を設定することに加えて、エンジン発電機セット制御システムに含まれたリレー及び他の保護装置は、エンジン発電機セットの作動を１つの周波数から別の周波数に変更するように設定した時、設定し直されるか又は交換されることになる。過及び不足電圧リレー並びに過及び不足周波数リレーのような保護リレーの作用は、エンジン発電機セットに対して損傷を引き起こすおそれがある状態を検出した場合に、負荷を切り離し、エンジンを停止させ、発電機の励起を防止するか、或いは何らかの他の方法でエンジン発電機セットを保護することである。例えば、電圧が許容定格を越えかつエンジン発電機セットが過電圧リレーを有する場合には、リレーは、回路遮断器を遮断させ、負荷を切り離し、従って発電機及び負荷の両方に対する損傷を防止することができる。リレーは、正しく作動するように設定しなければならない。例えば、過電圧リレーが回路遮断器を遮断させることになる電圧レベルは一般的に、手動で設定される。

エンジン発電機セットの作動を１つの動作周波数から異なる周波数に変更するためには、ユーザは、様々なスキルを必要とすることになる。ユーザは、エンジン定格を変更すること、電圧調整装置における電圧及び周波数を手動で変更すること、保護リレーを設定すること、またモータ、ポンプ、ヒータ及びその他の補助装置を交換することが必要になり、さらに全ての設定及び定格が互いにまたエンジン発電機セットに対して適合性があることを保証することが必要になる。多くの場合エンジン発電機セットが運転される遠隔地域においてこれらのスキルを有する技術者を見つけ出すのは困難である可能性がある。必要な労力及び部品のコストにより、特定の用途での実施可能性が低下し、また技術者がエンジン発電機セットを設定するのに取らなければならないステップが多くなればなるほど、エラーが発生する機会が増加することになる。
米国特許第５，１６８，２０８号公報 米国特許第６，１７２，４２８−Ｂ１号公報 米国特許第６，７１０，４６７−Ｂ２号公報

１つの実施形態では、エンジン発電機セットを提供し、本エンジン発電機セットは、第１の電圧及び第１の周波数の定格になった第１の負荷に電気エネルギーを供給しまた第２の電圧及び第２の周波数の定格になった第２の負荷に電気エネルギーを供給するように構成された発電機と、シャフトを通して発電機に結合され、第１の周波数のときに第１の回転速度でシャフトを回転させまた第２の周波数のときに第２の回転速度でシャフトを回転させるように構成された原動機と、エンジン発電機セット制御システムとを含み、エンジン発電機セット制御システムは、発電機の出力を制御するように構成された発電機制御システムと、シャフトの回転速度を制御するように構成されたエンジン制御システムと、エンジン発電機セットの出力を第１の電圧及び第１の周波数から第２の電圧及び第２の周波数の少なくとも１つに変更するように構成された出力セレクタと含む。

別の実施形態では、エンジン発電機セットを作動させる方法を提供し、本方法は、第１の電圧及び第１の周波数から第２の電圧及び第２の周波数までのエンジン発電機セットの複数の予め定められた動作電圧及び周波数から動作電圧及び周波数を選択するステップと、エンジン発電機セットの出力に電気的に結合された配電パネルに対してその選択した動作電圧及び周波数を選択して、配電パネルに結合された電気負荷及び電気的保護装置が該選択電圧及び周波数を使用して作動するように構成されるようにするステップと、エンジン発電機セットの出力に電気的に結合された発電機スイッチ装置に対して選択動作電圧及び周波数を選択して、発電機出力に結合された発電機保護装置が該選択電圧及び周波数を使用して作動するように構成されるようにするステップとを含む。

さらに別の実施形態では、エンジン発電機セット出力転換システムを提供し、本エンジン発電機セット出力転換システムは、エンジン発電機セットの出力を第１の出力電圧及び第１の周波数から該第１の出力電圧とは異なる第２の電圧及び該第１の周波数とは異なる第２の周波数に変更するように構成された出力セレクタと、出力セレクタに通信結合され、第１の出力電圧に対応する第１の変圧器タップを選択しまた第２の出力電圧に対応する第２の変圧器タップを選択するように構成されたリレーとを含む。

本明細書で用いる場合、それ単独でありかつ前に「数詞」がない形で記載した要素又はステップは、それら要素又はステップが複数あることを明確に除外していない限り複数のそれら要素又はステップを除外するものではないものとして理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組入れた別の実施形態の存在を除外するものとして解釈されることになることを意図するものではない。

図１は、エンジン発電機セット１０の例示的な実施形態の概略ブロック図である。エンジン発電機セット１０は、回路遮断パネル１４を介して負荷１２に結合される。１つの例示的な実施形態では、エンジン発電機セット１０は、内燃エンジン１６と、発電機１８と、エンジン発電機セット制御システム２０とを含む。回路遮断パネル１４は、エンジン発電機セット１０を負荷１２に結合する。

この例示的な実施形態では、エンジン１６は、直列に結合された少なくとも１つの圧縮機２２、燃焼器２４、高圧タービン２６、低圧タービン２８、入口３０及び排出ノズル３２を含むガスタービンエンジンである。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入できるＴＭ２５００型エンジンである。圧縮機２２とタービン２６とは、第１のシャフト３４によって結合され、またタービン２８と発電機１８とは、第２のシャフト３６によって結合される。

作動中、空気は、エンジン入口３０を通して圧縮機２２内に流れ、加圧される。加圧空気は次に、燃焼器２４に供給され、燃焼器２４において加圧空気は、燃料と混合されかつ点火される。燃焼器２４からの空気流は、回転タービン２６及び２８を駆動し、排出ノズル３２を通ってガスタービンエンジン１６から流出する。

この例示的な実施形態では、発電機１８は、シャフト３６に機械的に結合されたＡＣ発電機であり、エンジン回転数（ｒｐｍ）により、発電機１８によって生成されたＡＣ電力の周波数が決まることになる。発電機１８は、導線３８によって回路遮断パネル１４に結合され、導線３８は、発電機１８によって生成された所定の電圧及び周波数のＡＣ電力を、回路遮断パネル１４を通して負荷１２に送る。別の実施形態では、導線３８は、バスバー及び切断スイッチ（図示さず）を介して負荷１２に結合される。

この例示的な実施形態では、エンジン発電機セット制御システム２０は、エンジン発電機セット制御パネル４０と、ＥＣＭ４２と、自動電圧調整装置４４と、過電圧リレー４６と、不足電圧リレー４８と、過周波数リレー５０と、不足周波数リレー５２とを含む。別の実施形態では、制御システム２０は、１つ又はそれ以上の制御モジュール内に内蔵される。さらに別の実施形態では、制御システム２０は、リレー４６、４８、５０及び５２を含まないものとすることができ、リレー４６、４８、５０及び５２は、制御システム２０の電圧調整装置４４、制御パネル４０又は別の部分の一部とすることができる。この例示的な実施形態では、制御システム２０は、物理的にエンジン１６及び発電機１８に設置される。別の実施形態では、制御システム２０又は該制御システム２０の一部は、遠く離して設置することができる。

発電機制御パネル４０は、制御システム２０にデータを入力しまたエンジン１６を制御するのを可能にするインタフェース５４を含む。インタフェース５４は、表示領域５６と、キーパッド５８とを含む。出力セレクタ６０は、エンジン発電機セット１０の動作周波数を選択するのに使用される。この例示的な実施形態では、出力セレクタ６０は、キーロックスイッチである。様々な実施形態では、出力セレクタ６０は、該出力セレクタ６０の状態を変更するために入力の組合せを必要とする、表示５６上のパスワード保護フィールド、表示５６のサブメニュー又は別個のキーパッドとして具現化することができる。

図２は、回路遮断パネル１４（図１に示す）の例示的な実施形態の概略ブロック図である。この例示的な実施形態では、回路遮断パネル１４は、電力を受けかつその受けた電力を送電分配装置、例えばサブステーション（図示せず）に選択的に送るように構成された回路遮断器２００を含む。回路遮断器２００は、回路遮断パネル１４のキュービクル２０４の内部に収納される。トリップユニット２０６は、導線３８を通る電気的パラメータを示す電気信号をセンサ２０８から受信するように構成される。この例示的な実施形態では、センサ２０８は、変圧器（ＰＴ）と変流器（ＣＴ）とを含む。トリップユニット２０６は、センサ２０８からの電気信号を使用してトリップ信号を生成して、電気的パラメータが閾値又はその他の所定の特性を越えたときに回路遮断器２００を遮断させる。

キュービクル２１２内に収納された変圧器２１０は、導線３８の電圧をエンジン発電機セット１０に関連する補助装置に電力を供給するのに使用するのに適したレベルに低下させる。変圧器２１０は、例えば４００ＶＡＣ及び４８０ＶＡＣのような複数の出力電圧を供給するように選択的にタップ接続される。変圧器２１０は、電力をキュービクル２１４内のそれぞれの回路遮断器に結合された補助的負荷に送るようになったバスシステムに結合される。この例示的な実施形態では、第１の回路遮断器２１６は電力をポンプモータ２１８に供給し、第２の回路遮断器２２０はヒータ２２１に供給し、第３の回路遮断器２２２はオイルミスト除去装置２２４に供給し、また第４の回路遮断器２２６はファンモータ２２８に供給する。様々な実施形態では、その他の補助装置が、キュービクル２１４から電力を供給される。

この例示的な実施形態では、トリップユニット２０６、変圧器２１０並びに遮断器２１６、２２０、２２２及び２２６は、ネットワーク２３０を介して出力セレクタ６０に通信結合される。作動時、出力セレクタ６０は、エンジン発電機セット１０に対する所定の動作周波数に設定される。従って、そのような設定は、トリップユニット２０６、変圧器２１０並びに遮断器２１６、２２０、２２２及び２２６に対して通信される。エンジン発電機セット制御パネル４０、ＥＣＭ４２、自動電圧調整装置４４、過電圧リレー４６、不足電圧リレー４８、過周波数リレー５０及び不足周波数リレー５２のような付加装置もまた、ネットワーク２３０に通信結合される。

図３は、エンジン発電機セット１０を作動させる例示的な方法３００のフロー図である。方法３００は、エンジン発電機セット１０に関連するスイッチ装置を第１の電圧を使用するための作動構成から第２の電圧を使用するための作動構成に転換するステップ３０２を含む。そのような転換には、変圧器の二次巻線上のタップを第１のタップから第２のタップに整列させるステップが含まれる。変圧器の二次回路における電気接点の組は、出力セレクタ６０と関連しており、接点は、第１の位置で変圧器の二次回路と整列して第１のセンシング電圧を供給し、また第２の位置に選択されたときに第２のセンシング電圧を供給する。この例示的な実施形態では、変圧器は、発電機１６の出力が１１５００ＶＡＣであるときには、１１５ＶＡＣのセンシング電圧を供給するようにタップ接続され、電機１６の出力が１１４００ＶＡＣであるときには１２０ＶＡＣのセンシング電圧を供給するようにタップ接続される。

出力セレクタ６０はまた、エンジン発電機セット１０の作動を支援する補助装置に電力を供給するモータ制御センタ（ＭＣＣ）の転換を制御する３０４。例えば、照明分配パネルの一次巻線は、４００Ｖを供給することから４８０Ｖを供給することに切り替えられ３０６、モータ過負荷設定は、例えば５０Ｈｚ作動から６０Ｈｚ作動に変更される３０８。

この例示的な実施形態では、その他の補助装置及び制御装置は、出力セレクタ６０によって選択された周波数及び電圧で作動するように構成される。燃料制御シーケンサシステムは、選択周波数及び電圧で作動するように切り替えられる３１０。出力セレクタ６０によって選択された周波数及び電圧で作動するように、ＭＷレンジＷＸ装置制御システムの設定が変更され３１２、またその他の保護装置の設定もまた変更される３１４。そのような保護装置には、総合発電機保護システム（ＩＧＰＳ）、デジタル多機能メータ（ＤＭＭＦ）、デジタル同期モジュール（ＤＳＭ）及び自動電圧調整（ＡＶＲ）装置が含まれる。システム１０の作動を支援するために使用する少なくとも幾つかの補助装置は、複数の使用可能な構成から１つの構成を選択することにより、異なる選択可能な電圧及び周波数で補助装置を作動させることが可能になるような多電源機能を含む。補助装置はまた、システム１０の出力に結合された一定出力電源から供給され、例えば、照明、コンピュータフィーダ、コンセント、非常用照明及びコントロールハウスバッテリ換気ファンの全て並びに発電機潤滑オイルミスト除去装置は、２３０Ｖかつ全てＡＣモータで作動され３１６、また点火回路は、照明分配パネルからの特殊専用１３０ＶＡＣ回路により作動される。さらに、換気用のヒータ、空調装置及び流体システムのようなその他の補助装置は、複数の電源に適応するようにオーバサイズになっており、ヒータは、５０Ｈｚで作動しているときにより低い出力電力に適応するように６０Ｈｚのオーバサイズにされ、補助ポンプ／モータセットは、５０Ｈｚでの流量要件を満たすように６０Ｈｚのオーバサイズにされ、また寒冷対策用のエンクロージャ送風ヒータは、３ｋＷにおいて５０／６０Ｈｚ、４００／４８０Ｖに二重定格される３１８。出力セレクタ６０は、作動開始から約２０ミリ秒よりも少ない間に、第１の電圧及び周波数での作動のためのエンジン発電機セット１０の構成を変更し、保護システムの構成及び配電システムの動作電圧を変更し、また支援システムを第２の電圧及び周波数での作動のための構成に変更する。

上記のエンジン発電機セットの実施形態は、エンジン発電機及び補助装置の最小限の再構成で複数の電気システムに電力を供給するのを可能にする。以上、エンジン発電機セットの方法及び装置の例示的な実施形態を詳細に説明している。説明したエンジン発電機セットの構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各エンジン発電機セットの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。例えば、上記のエンジン発電機セットの構成要素はまた、異なるエンジン発電機セットと組合せて使用することもできる。本明細書に記載した本システム及び方法の様々な実施形態の技術的効果は、本セットを再構成する際のオペレータエラーの可能性を実質的に減少させた状態で多様な電気システムに対して発電するのを可能にすることである。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には明らかであろう。

エンジン発電機セットの例示的な実施形態の概略ブロック図。 図１に示す回路遮断パネルの例示的な実施形態の概略ブロック図。 図１に示すエンジン発電機セットの例示的な方法のフロー図。

符号の説明

１０ エンジン発電機セット
１２ 負荷
１４ 回路遮断パネル
１６ ガスタービンエンジン
１８ 発電機
２０ 制御システム
２２ 圧縮機
２４ 燃焼器
２６ 高圧タービン
２８ 低圧タービン
３０ エンジン入口
３２ 排出ノズル
３４ 第１のシャフト
３６ 第２のシャフト
３８ 導線
４０ 制御パネル
４２ ＥＣＭ
４４ 自動電圧調整装置
４６ 過電圧リレー
４８ 不足電圧リレー
５０ 過周波数リレー
５２ 不足周波数リレー
５４ インタフェース
５６ 表示領域
５８ キーパッド
６０ 出力セレクタ
２００ 回路遮断器
２０４ キュービクル
２０６ トリップユニット
２０８ センサ
２１０ 変圧器
２１２ キュービクル
２１４ キュービクル
２１６ 第１の回路遮断器
２１８ ポンプモータ
２２０ 第２の回路遮断器
２２１ ヒータ
２２２ 第３の回路遮断器
２２４ オイルミスト除去装置
２２６ 第４の回路遮断器
２２８ ファンモータ
２３０ ネットワーク
３００ 例示的な方法
３０２ 転換する
３０４ 転換
３０６ 一次巻線が切り替えられる
３０８ 過負荷設定が変更される
３１０ シーケンサシステムが切り替えられる
３１２ システム設定が変更される
３１４ 設定が変更される
３１６ オイルミスト除去装置が作動する
３１８ 補助装置がオーバサイズにされる

Claims (7)

1. エンジン発電機セット（１０）であって、
   第１の電圧及び第１の周波数の定格を有する第１の負荷（１２）または第２の電圧及び第２の周波数の定格を有する第２の負荷に選択的に電気エネルギーを供給するように構成され、少なくとも、前記第２の電圧が前記第１の電圧とは異なるか又は前記第２の周波数が前記第１の周波数とは異なる発電機（１８）と、
   前記発電機にシャフト（３４）を介して回転可能に結合され、前記発電機が前記第１の周波数で電気エネルギーを発電しているときに第１の回転速度で前記シャフトを回転させ、前記発電機が前記第２の周波数で電気エネルギーを発電しているときに第２の回転速度で前記シャフトを回転させるように構成された原動機と、
   エンジン発電機セット制御システムと、
   を含み、
   前記エンジン発電機セット制御システムが、
   前記発電機に通信結合されて該発電機の出力を制御するように構成された発電機制御システムと、
   前記原動機に通信結合されて前記シャフトの回転速度を制御するように構成されたエンジン制御システムと、
   前記発電機制御システム及びエンジン制御システムに通信結合され、該エンジン発電機セットの出力を前記第１の電圧及び第１の周波数から少なくとも１つ前記第２の電圧または第２の周波数に変更するように構成された出力セレクタと、
   を含み、
   モータ保護回路（２００）を介して前記発電機の出力から電力が供給される電気モータをさらに含み、前記モータ保護回路（２００）が、前記出力セレクタ（６０）に通信結合された過負荷及びトリップユニット（２０４、２０６）の少なくとも１つを含み、前記過負荷（３０８）及びトリップユニットの少なくとも1つの遮断設定が前記出力セレクタの作動によって変更されるようになっている、
   エンジン発電機セット（１０）。
2. 前記エンジン発電機セットが前記第１の電圧で作動しているときには第１の電圧を供給し、前記エンジン発電機セットが前記第２の電圧で作動しているときには第２の電圧を供給するようにタップ接続される発電機（１８）出力変圧器をさらに含む、請求項１記載のエンジン発電機セット（１０）。
3. 前記発電機（１８）出力変圧器が、前記出力セレクタ（６０）に通信結合される、請求項２記載のエンジン発電機セット（１０）。
4. 前記出力セレクタ（６０）によって選択された周波数を示すインジケータをさらに含む、請求項１記載のエンジン発電機セット（１０）。
5. 前記発電機（１８）制御システムが、総合発電機保護システム、需要管理システム、自動同期装置及び自動電圧調整装置の少なくとも１つをさらに含み、前記出力セレクタが、前記総合発電機保護システム、需要管理システム、自動同期装置及び自動電圧調整装置（４４）の少なくとも１つを前記第１の電圧及び第１の周波数での作動から前記第２の電圧及び第２の周波数での作動に変更するように構成されている、請求項１記載のエンジン発電機セット（１０）。
6. 前記エンジン制御システムが、燃料制御シーケンサシステムをさらに含み、前記出力セレクタが、前記燃料制御シーケンサシステムを前記第１の電圧及び第１の周波数での作動から前記第２の電圧及び第２の周波数での作動に変更するように構成されている、請求項１記載のエンジン発電機セット（１０）。
7. 前記出力セレクタが、リレー（４６、４８、５０、５２）の作動状態を変更して動作電圧及び動作周波数を選択するように構成されている、請求項１記載のエンジン発電機セット（１０）。
   

Images