JP5778445B2

JP5778445B2 - インバータ発電装置

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Publication number: JP5778445B2
Application number: JP2011054516A
Authority: JP
Inventors: 成年横川; 朋之星川; 和美村田; 金井　潤一; 潤一金井; 尚之真島
Original assignee: HOKUETSU INDUSTRIES CO., LTD.; Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: HOKUETSU INDUSTRIES CO., LTD.; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: US8786225B2; KR20120104107A; US20120229063A1; KR101333474B1; DE102012203749B4; DE102012203749A1; JP2012191801A

Description

本発明は、エンジン等の原動機により駆動される同期モータで発電されたの交流電力を一旦直流電力に変換した後、インバータにより所定周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置に関する。

エンジン等の原動機を駆動させて電力を発生させる発電機として、インバータ発電装置が多く用いられている。インバータ発電装置は、エンジンの出力軸に同期モータの回転軸を接続して該同期モータを回転駆動させ、この同期モータで発電された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、更に、この直流電力をインバータで交流電力に変換して、所望する電圧及び周波数の電力を出力する。そして、インバータの後段側に設けられるモータ、ランプ等の負荷に交流電力を供給することができる。

このようなインバータ発電装置として、例えば、特開２０１０−１１００６２号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。該特許文献１では、負荷変動前のエンジンの発電電力、及び負荷変動後のエンジンの発電電力を演算し、更に、これらの差分値を演算し、算出した差分値が予め設定した閾値よりも大きい場合に、エンジン回転数を高めることにより、良好な運転フィーリングでエンジンの回転数を変動させることが開示されている。

また、このようなインバータ発電装置では、エネルギー効率を向上させるために、エンジンの回転数をできるだけ低い回転数で回転させることが望まれる。ところが、エンジンを低い回転数で回転させると、急激な負荷変動によりコンバータが必要とする電力が増大した場合に、エンジンの回転数が上昇できずにストールするという問題が発生する。そして、特許文献１にはこの問題についての対策が採られていない。

特開２０１０−１１００６２号公報

上述したように、インバータ発電装置では、エンジンを低回転数で回転させることが望まれるが、特許文献１に開示された従来例では、エンジンを低回転数で駆動させる際のストール対策について講じられておらず、何とかストールの発生を防止したいという要望が高まっていた。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、原動機を低速で回転させているときに負荷変動が発生した場合において、ストールすることなく原動機の駆動を継続することが可能なインバータ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、本願請求項１に記載の発明は、原動機と、該原動機と連結した同期モータと、該同期モータと連結したコンバータと、該コンバータと連結したインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間に設けられる蓄電手段（例えば、主回路コンデンサ１９）と、を備え、前記原動機により前記同期モータを回転させて交流電力を出力し、該同期モータで発電された交流電力を前記コンバータで直流化し、この直流電力を前記インバータで所望周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置において、前記コンバータは、前記同期モータの回転数に応じて電流制限比率を設定し、該電流制限比率に基づいてコンバータ電流を制限する出力電流制限手段（１４ａ）を有し、前記出力電流制限手段は、前記同期モータの回転数が定格回転数よりも低い所定の回転数とされているときに、前記電流制限比率を１００％未満の数値に設定し、前記同期モータの回転数が増加するに連れて、前記電流制限比率を単調に増加させて１００％に達するように前記電流制限比率を設定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記出力電流制限手段は、前記蓄電手段に充電する電圧の指令値であるＰＮ電圧設定値と、蓄電手段に充電されているＰＮ電圧のフィードバック値との差分に基づいて、電流指令値を生成する電流指令生成手段の次段にあり、前記同期モータの回転数と電流制限比率との対応関係を示す電流制限比率テーブルを有し、前記同期モータの回転数に応じて電流制限比率を決定して、電流指令生成手段にて生成された電流指令値を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段で制限された電流指令値に基づいて出力電流を制御する電流制御処理手段と、を備え、前記電流制限比率テーブルは、前記同期モータの回転数が定格回転数よりも低い所定の回転数とされているときに、前記電流制限比率が１００％未満の数値となるように設定され、前記同期モータの回転数が増加するに連れて、前記電流制限比率が単調に増加して１００％に達するように前記電流制限比率が変化するように設定されていることを特徴とする。

本発明に係るインバータ発電装置では、同期モータの定格回転数よりも低い、例えば原動機のアイドル回転数付近の低い回転数で回転しているときに負荷の消費電力が急変した場合には、コンバータ電流を制限する出力電流制限手段により、コンバータ電流の電流指令値に１００％未満の比率が乗じられて電流指令値が低い値に設定されるので、原動機の回転数を無理なく上昇させることができる。従って、消費電力の急激な変動が発生した際に原動機がストールするというトラブルの発生を回避することができる。

本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、インバータの詳細な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、ＰＷＭ信号生成部、及び電流検出変換部の詳細な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、電圧指令生成部の詳細な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、ローパスフィルタの詳細な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、周波数指令生成部の詳細な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置で用いられる回転数対応テーブルを示す説明図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、コンバータに設けられる電流制御部の詳細な構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、エンジン回転数と電流制限比率との関係を示す電流制限比率テーブルである。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、スイッチング回路の詳細な構成を示す回路図である。電流制限を行わないときの各信号の変化を示すタイミングチャートである。本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、電流制限を行った場合の各信号の変化を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置１００の構成を示すブロック図である。同図に示すように、このインバータ発電装置１００は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等のエンジン（原動機）１１と、エンジン１１の回転によりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流の誘起電圧を発生する同期モータ１３と、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸を結合するカップリング１２と、同期モータ１３に接続され該同期モータ１３より出力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各誘起電圧をＰＮ直流電圧に変換するコンバータ１４と、該コンバータ１４より出力されるＰＮ直流電圧からＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相交流電圧を生成するインバータ１５と、コンバータ１４とインバータ１５とを接続するＰＮ結線の間に介置される主回路コンデンサ１９（蓄電手段）と、前記インバータに接続されスイッチングノイズを軽減するためのＬＣフィルタ１６と、を備えている。

更に、ＬＣフィルタ１６は、遮断機１７を介して誘導電動機等の負荷１８に接続されている。なお、図１では１つの遮断機１７及び負荷１８を記載しているが、実際には、ＬＣフィルタ１６の後段側に、複数の遮断機及び負荷が設けられる場合が多い。また、例えば負荷が誘導電動機の場合は、モータの起動・停止を操作するためのコンタクタ（１８ａ）が電源接続の初段に設置されていることが多い。また、同期モータ１３として、例えば回転子に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータを用いることができる。

また、エンジン１１には、該エンジン１１の回転を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）２０が接続されている。

コンバータ１４は、半導体素子であるトランジスタ、ＩＧＢＴ、或いはＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子、及びダイオードを複数個備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電圧をＰＮ直流電圧に変換する。更に、コンバータ１４は、負荷１８に出力する電力に応じて、同期モータ１３に適宜電流を流すことにより、エンジン１１の回転数を頻繁に変化させることなく、所望の電力を発生させるようにしている。つまり、コンバータ１４は、通常の整流器とは異なり、同期モータ１３より出力される３相交流電圧から所望の大きさのＰＮ直流電圧を生成すると共に、負荷に出力する電力に応じて同期モータ１３に電流を流すことにより、負荷変動に応じた安定した電力を発生させている。また、コンバータ１４は、同期モータ１３に流す電流を制御する電流制限部１４ａ（出力電流制限手段）を備えている（図８参照）。該電流制限部１４ａの詳細については、後述する。

主回路コンデンサ１９は、ＰＮ直流電圧を平滑化し、且つ、インバータ１５が大電力を出力する際の電力を蓄積する機能を有する。

インバータ１５は、上述のコンバータ１４と同様に、半導体素子であるトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることによりＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相交流電圧を生成する。また、各スイッチング素子のスイッチングのパターンにより、インバータ１５の出力電圧及び出力周波数を任意の値に設定することができる。

図２は、インバータ１５の詳細な構成を示すブロック図である。同図に示すように、インバータ１５は、半導体素子によりＰＮ直流電圧をスイッチングして３相交流電圧を生成するスイッチング回路１５０と、主回路コンデンサ１９に生じる電圧を検出するＰＮ電圧検出部１５１と、スイッチング回路１５０にて生成する３相交流電圧の周波数指令値を出力する周波数指令生成部１５３と、スイッチング回路１５０にて生成する３相交流電圧の電圧指令値を出力する電圧指令生成部１５４と、を有している。

また、周波数指令生成部１５３より出力される周波数指令値と、電圧指令生成部１５４より出力される電圧指令値、及びＰＮ電圧検出部１５１で検出されるＰＮ電圧検出値に基づいて、ＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号をスイッチング回路１５０に出力するＰＷＭ信号生成部１５２と、を備えている。

更に、スイッチング回路１５０より出力されるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の線電流をそれぞれ検出する電流計１５７と、該電流計１５７にて検出される各相の線電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴを取得し、更にＰＷＭ信号生成部１５２より出力されるＰＷＭ信号に基づいて、３相の線電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴを２相（ｄ軸、ｑ軸）の軸電流信号に変換する電流検出変換部１５６と、該電流検出変換部１５６で変換された２相の軸電流信号に基づいて、負荷１８（図１参照）にて消費される消費電力を算出する消費電力計算部１５５と、を備えている。

スイッチング回路１５０は、図１０に示すように、６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６と、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対して並列に接続されるダイオードＤ１〜Ｄ６を備えている。そして、トランジスタＴｒ１とＴｒ２は直列接続され、トランジスタＴｒ１の一端（コレクタ）はプラス側電極（Ｐ極）に接続され、トランジスタＴｒ２の一端（エミッタ）はマイナス側電極（Ｎ極）に接続されている。そして、各トランジスタＴｒ１とＴｒ２の接続点はＲ相電圧Ｖｒの出力点とされている。同様に、トランジスタＴｒ３とＴｒ４は直列に接続され、その接続点はＳ相電圧Ｖｓの出力点とされ、トランジスタＴｒ５とＴｒ６は直列に接続され、その接続点はＴ相電圧Ｖｔの出力点とされている。

また、６個のアンド回路ＡＮＤ１〜ＡＮＤ６を備えており、各アンド回路ＡＮＤ１〜ＡＮＤ６の一方の入力端子には、電力供給を制御するためのゲート信号が供給され、他方の入力端子には、アンド回路ＡＮＤ１〜ＡＮＤ６に対してそれぞれＰＷＭ信号生成部１５２より出力されるＰＷＭ信号、即ち、sigＲｕ、sigＳｕ、sigＴｕ、sigＲｄ、sigＳｄ、sigＴｄが供給される。従って、ゲート信号がオン（「Ｈ」レベル）とされている場合には、各ＰＷＭ信号により各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６が駆動され、３相交流電圧が生成されて出力されることとなる。また、ゲート信号がオフ（「Ｌ」レベル）とされている場合には、ＰＷＭ信号に関わらず、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は駆動されない。なお、以下では上側のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５、及びダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を上側アーム、下側のトランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６、及びダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６を下側アームと称する。

図２に示す消費電力計算部１５５は、消費電力とエンジン回転数との対応関係を示す回転数対応テーブル１５５ａを備えており、該消費電力計算部１５５では消費電力を算出すると、この消費電力に基づいて、回転数対応テーブル１５５ａを参照してエンジン１１の回転数データを求める。そして、求めた回転数データをエンジン１１のＥＣＵ２０に送信する。エンジン１１は、ＥＣＵ２０の制御により、求められた回転数となるように制御されることとなる。

回転数対応テーブルは、図７に示すようにエンジン１１の燃費曲線に基づき、消費電力に所定の余裕値を加えた電力を発生させるために最も少ない燃料消費量となる消費電力とエンジン１１の回転数指示値との関係が設定されており、アイドル回転数、最高回転数に基づき、消費電力が低い又は０の場合には、エンジン１１の回転数がアイドル回転数となるように設定され、その後、本実施形態では消費電力が増加するにつれてエンジン１１の回転数が直線的に増加し、最高回転数にてクランプされるように設定される。

次に、図２に示すＰＷＭ信号生成部１５２、及び電流検出変換部１５６の詳細について、図３に示すブロック図を参照して説明する。図３に示すように、ＰＷＭ信号生成部１５２は、インバータ１５の外部より入力される２相（ｄ軸、ｑ軸）の電圧指令値のうちｑ軸電圧を補正する電圧補正部３１と、２相・３相変換部３２と、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各電圧信号に基づいて、３相のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ波形変換部３３と、電気角生成部３４と、を備えている。

電圧補正部３１は、電圧指令値に、ＰＮ設定電圧とＰＮ電圧のフィードバック値との比率（ＰＮ電圧設定値／ＰＮ電圧検出値）を乗じることにより、該ｑ軸電圧を補正し、補正後のｑ軸電圧を２相・３相変換部３２に出力する。

２相・３相変換部３２は、ｄ軸電圧及び補正後のｑ軸電圧に基づいて２相・３相変換を行い、３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）で６アームのＰＷＭ信号を生成する。該ＰＷＭ信号生成部１５２で生成されるＰＷＭ信号は、図２に示すスイッチング回路１５０に出力されて、図１０に示した各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動に用いられる。

電気角生成部３４は、図２に示す周波数指令生成部１５３より出力される周波数指令値に基づいて、３相電圧（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各電圧）の電気角を求め、この電気角を２相・３相変換部３２、及び電流検出変換部１５６に出力する。電気角は、電気的な１周期が０〜３６０degとなるように設定する。例えば、周波数指令値が５０Ｈｚの場合には電気的な１周期は２０ｍsecとなるので、電気角は２０ｍsecで０〜３６０degとなるように生成する。

また、図３に示す電流検出変換部１５６は、電流計１５７（図２参照）で検出されるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ、及び電気角生成部３４より出力される電気角に基づいて、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３相電流を、ｄ軸、ｑ軸の２相電流に変換する３相・２相変換部３５を備え、変換後のｄ軸電流、及びｑ軸電流を図２に示す消費電力計算部１５５に出力する。

次に、図２に示した消費電力計算部１５５における消費電力の計算手順について説明する。インバータ１５の外部より入力される電圧指示値をＶａ、電圧指令生成部より出力される電圧指令値（インバータ１５の出力電圧）をＶｂ、３相の線電流をＩ１、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸電流をＩｄ、とすると、瞬時の消費電力Ｐ１は、次の（１）式で示すことができる。

そして、（１）式の右辺の分母は、有効電力のインピーダンスを示すから、該インピーダンスをＺとすると、（１）式は次の（２）式で示すことができる。

（２）式に示すように、負荷１８の瞬時の消費電力Ｐ１を演算する際に、外部から入力される電圧指示値Ｖａ及び有効電力のインピーダンスＺを使用している。従って、負荷の駆動時等に突入電流が発生し、インバータ１５の出力電圧が急激に低下した場合であっても、消費電力計算部１５５にて求められる消費電力が急激に低下することが無い。即ち、出力電圧が急激に変動した場合であっても、エンジン１１の回転数が急激に変動することを防止し、該エンジン１１を安定的に運転できることとなる。また、消費電力Ｐ１の演算にスイッチング回路１５０の電圧出力値を用いないので、リップルの影響を受けることがない。

次に、図２に示す電圧指令生成部１５４の詳細な構成について、図４に示すブロック図を参照して説明する。図４に示すように、電圧指令生成部１５４は、インバータ１５の外部より電圧指示値、最低出力電圧、インバータ１５より出力される線電流（即ち、（Ｉｑ^２＋Ｉｄ^２）^１／２で求められる電流）、及び電流上限閾値が入力される。そして、該電圧指令生成部１５４は、外部より与えられる電圧指示値に対して係数Ｇ１を乗じる乗算部４１と、乗算部４１の出力信号に対して係数Ｇ２を乗じる乗算部４２と、演算部４３、及びローパスフィルタ４４を備えている。

ここで、最低出力電圧は、電圧指示値よりも低い値であって負荷に付属して例えばモータの起動や停止を制御するコンタクタが遮断しないの電圧に設定される。

乗算部４１は、インバータ１５の外部より入力された電圧指示値に対して、次の（３）式で示す係数Ｇ１を乗じる。

Ｇ１＝１／｛１−（ＰＷＭ周波数×デッドタイム×２）｝ …（３）
（３）式は、スイッチング回路１５０が有する各相の上側アーム、即ち、図１０に示すトランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５、及び下側アーム、即ちトランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６が駆動するときのデッドタイムを補正するための係数を示している。つまり、上側アーム、及び下側アームは、双方が同時にオンとなることを防止するために、オン、オフの切り替え時に双方を同時にオフとするデッドタイムを設けており、この分の電圧を補正するために電圧指示値に係数Ｇ１を乗じている。なお、上記のデッドタイムには、上側アーム及び下側アームに使用するトランジスタのオンとオフの時間差を含めるようにしても良い。

更に、乗算部４２は、乗算部４１の出力信号に対して、次の（４）式で示す係数Ｇ２を乗じる。

Ｇ２＝（ＰＮ電圧検出値）／（ＰＮ電圧設定値）
（但し、０≦Ｇ２≦１） …（５）
（５）式に示すＰＮ電圧検出値は、主回路コンデンサ１９に生じる電圧値であり、ＰＮ電圧設定値は、主回路コンデンサ１９に充電する電圧の設定値である。そして、（５）式で算出する係数Ｇ２は、主回路コンデンサ１９に生じるＰＮ電圧の検出値が、ＰＮ電圧設定値に対して大きく減少した場合に小さい値となる。従って、ＰＮ電圧検出値が低下しているときに、負荷１８の消費電力が増加した場合であっても、係数Ｇ２を乗じることにより、電圧指令値が急激に増加することを防止できる。

即ち、主回路コンデンサ１９に生じる電圧（ＰＮ電圧）が低下しているときに、インバータ１５が負荷変動に応じた電力をそのまま出力すると、主回路コンデンサ１９に電力を供給するためにコンバータ１４の負荷が増大し、エンジン１１がストールする原因となる場合がある。本実施形態では、電圧指示値に係数Ｇ２を乗じることにより、ＰＮ電圧検出値がＰＮ電圧設定値に対して低下している場合には、乗算部４２の出力信号を低下させることにより、インバータ１５の出力電圧を低下させて、エンジン１１がストールすることを防止する。

また、図４に示す演算部４３は、入力端子ＩＮ１〜ＩＮ４、及び出力端子ＯＵＴ１を備えており、入力端子ＩＮ１には、乗算部４２の出力信号ｄ１が入力され、入力端子ＩＮ２には、インバータ１５が出力可能な最低電圧である最低出力電圧ｄ２が入力され、入力端子ＩＮ３には、負荷１８に流れる線電流ｄ３が入力され、入力端子ＩＮ４には、過電流の発生を定義する電流上限閾値ｄ４が入力される。そして、演算部４３は、これらの各データに基づいて、「ｄ３＞ｄ４」が成立した場合に出力端ＯＵＴ１より最低出力電圧ｄ２を出力し、それ以外の場合には信号ｄ１を出力する。

上記の処理では、線電流ｄ３が電流上限閾値ｄ４を上回った場合、換言すれば、負荷１８に流れる電流が増大して過電流に達する場合には、最低出力電圧ｄ２に基づく電圧指令値を出力することにより、負荷１８に供給する電圧を低下させて、過電流が流れることを防止する。

そして、演算部４３の出力信号（ｄ１またはｄ２）はゲイン（後述する係数Ｇ３，Ｇ４）を変更可能なローパスフィルタ４４に供給される。

ローパスフィルタ４４は、負荷１８に起動時等の突入電流を抑制するために設けられており、突入電流が発生した際にはインバータ１５の出力電圧を即時に低下させ、その後、低下した出力電圧を電圧指示値に上昇させる際には緩やかに電圧を上昇する電圧指令値を出力する。そして、該ローパスフィルタ４４から出力された電圧指令値は、図２に示すＰＷＭ信号生成部１５２、及び消費電力計算部１５５に出力されることとなる。以下、ローパスフィルタ４４について詳細に説明する。

図５は、ローパスフィルタ４４の詳細な構成を示すブロック図である。該ローパスフィルタ４４は、演算部４３の出力信号（ｄ１またはｄ２）、及び最低出力電圧ｄ２に基づいて、電圧指令値をフィルタ処理して出力する。

図５に示すように、ローパスフィルタ４４は、係数Ｇ３を乗じる乗算部５１と、係数Ｇ４（但し、Ｇ４＞Ｇ３）を乗じる乗算部５２と、演算部５３と、遅延部５４と、減算部５５と、加算部５６、及びスイッチＳＷ１を備えている。

減算部５５は、入力信号（図４に示す演算部４３の出力端子ＯＵＴ１の出力信号）とフィードバック信号（前回の演算部５３の出力）との差分を演算し、これを偏差Ｅrrとして出力する。

乗算部５１は、偏差Ｅrrに係数Ｇ３を乗じてスイッチＳＷ１の端子Ｔ１に出力する。乗算部５２は、偏差Ｅrrに係数Ｇ４を乗じて端子Ｔ２に出力する。

スイッチＳＷ１は、偏差Ｅrrが正の値（Ｅrr＞０）である場合にはスイッチＳＷ１を端子Ｔ１側に接続することにより、乗算部５１の出力信号を出力端子ＯＵＴ２より出力し、偏差Ｅrrがゼロまたは負の値（Ｅrr≦０）の場合には、スイッチＳＷ１を端子Ｔ２側に接続することにより、乗算部５２の出力信号を出力端子ＯＵＴ２より出力する。そして、出力端子ＯＵＴ２は、加算部５６に接続され、更に、該加算部５６は、演算部５３の入力端子ＩＮ５に接続されている。また、演算部５３の入力端子ＩＮ６には、図４に示す最低出力電圧ｄ２が入力される。

加算部５６は、スイッチＳＷ１の出力端子ＯＵＴ２より出力される信号と、遅延部５４より出力される前回の出力値とを加算し、加算した信号ｄ５を演算部５３の入力端子ＩＮ５に出力する。

演算部５３は、ｄ５＜ｄ２の場合には、出力端子ＯＵＴ３よりｄ２を出力する。他方、ｄ５≧ｄ２の場合には、出力端子ＯＵＴ３よりｄ５を出力する。つまり、出力信号を最低出力電圧ｄ２にクランプする。そして、この出力信号は、電圧指令値として図２に示すＰＷＭ信号生成部１５２、及び消費電力計算部１５５に出力される。また、この出力信号は、フィードバック信号として図５に示す遅延部５４に供給される。

遅延部５４より出力される一サンプリング遅れ信号は、減算部５５、及び加算部５６に出力される。そして、上述したようにスイッチＳＷ１は、偏差Ｅrrが正の値である場合（Ｅrr＞０）には、該偏差Ｅrrに対して係数Ｇ３を乗じ、偏差Ｅrrがゼロまたは負の値である（Ｅrr≦０）には、該偏差Ｅrrに対して係数Ｇ４（Ｇ４＞Ｇ３）を乗じるので、電圧指令値が増加傾向にある場合には、減少傾向にある場合よりも、より小さい係数を乗じて出力端子ＯＵＴ２より出力することとなる。このため、突入電流が流れた後の場合等において、電圧指令値（ＯＵＴ１）が増加する場合にはその増加速度を遅くすることができる。

また、演算部５３は、加算部５６の出力信号ｄ５と最低出力電圧ｄ２を比較し、ｄ５がｄ２よりも低い場合、即ち、加算部５６の演算結果が最低出力電圧ｄ２よりも低い場合には、出力端子ＯＵＴ３より出力する電圧指令値を最低出力電圧ｄ２とする。従って、電圧指示値が最低出力電圧ｄ２にクランプされるので、例えば、負荷に付属してモータの起動や停止を制御するコンタクタの遮断を防ぐことができる。

次に、図６に示すブロック図を参照して、図２に示した周波数指令生成部１５３の詳細について説明する。図６に示すように周波数指令生成部１５３は、周波数指示値を所定の範囲内でスイープするスイープ演算部６１（倍率演算手段）と、所定の係数Ｋ（０＜Ｋ≦１の範囲の数値）を乗じる乗算部６２と、減算部６３と、を備えている。

スイープ演算部６１は、インバータ１５の外部より入力される周波数指示値に基づいて、下記の（６）式に示す演算により倍率Ｂを算出し、算出した倍率Ｂを乗算部６２に出力する。

Ｂ＝１−｛（電圧指令値Ｖ２）／（電圧指示値Ｖ１）｝ …（６）
また、出力する周波数指令値（減算部６３の出力）は、以下の（７）式により求められる。

（周波数指令値）＝ｆ１＊（１−Ｋ＊Ｂ） …（７）
但し、（７）式において「ｆ１」は入力される周波数指令値、「Ｋ」は、乗算部６２に設定されている係数であり０＜Ｋ≦１である。

（６）式において、例えば、電圧指示値Ｖ１が２００ボルト、電圧指令値Ｖ２が１４０ボルトで、入力される周波数指示値がｆ１である場合にはＢ＝０．３となり、スイープ演算部６１の出力信号は、０．３＊ｆ１となる。また、乗算部６２で設定される係数Ｋが０．５である場合には、該乗算部６２の出力信号は０．１５＊ｆ１となって、減算部６３に供給される。従って、減算部６３の出力信号は、０．８５＊ｆ１となり、外部より入力される周波数指示値ｆ１よりも１５％低い周波数が周波数指令値となって出力される。

その後、電圧指令値Ｖ２が上昇して電圧指示値Ｖ１と一致すると、（６）式で示すＢがゼロとなるので、周波数指示値ｆ１は減算部６３で減算されることなく、そのまま出力されることとなる。つまり、「０．８５＊ｆ１」〜「ｆ１」の範囲で周波数指令値がスイープされることとなる。このように、周波数指令値をスイープさせながら周波数指令値ｆ１まで増加させることにより、例えば、誘導電動機の様な誘導負荷の場合、効率良く負荷にエネルギーを注入することができることから、起動時間を短くすることができ、コンバータやエンジンの負担の軽減に寄与することとなる。

図８は、図１に示したコンバータ１４に設けられる電流制限部１４ａ（出力電流制限手段）が含まれるコンバータＰＮ電圧制御の詳細な構成を示すブロック図であり、以下、図８を参照して電流制限部１４ａについて説明する。図８に示すように、ＰＮ電圧制御部は、ＰＩ補償部８１（電流指令生成手段）と、電流制限部１４ａ（電流制限手段）と、電流制御処理部８３（電流制御処理手段）にて構成される。以下は制御対象をブロック図に示したものである。トルク定数と、回転数と、から電流と電力が決定することから、コンデンサに充電する電圧が決まる。このＰＮ電圧を検出し、ＰＮ電圧設定値から減算することとなる（減算部８９）。

減算部８９は、所定のサンプリング周期で時系列的に入力される今回のＰＮ電圧設定値と、前回積分部８８より出力されたＰＮ電圧フィードバック値との差分（偏差電圧）を演算する。ＰＩ補償部８１は、減算部８９で演算された偏差電圧にＰＩ補償値を乗じて電流指令値とし、この電流指令値を電流制限部８２に出力する。

電流制限部１４ａは、図９に示す電流制限比率テーブルを備えている。該電流制限比率テーブルは、エンジン１１の回転数（本実施形態では同期モータ１３の回転数と一致する）に対する電流制限比率を規定している。そして、電流制限部１４ａは、エンジン１１の回転数に基づいて、電流制限比率テーブルを参照して電流制限比率を求め、ＰＩ補償部８１より出力される電流指令値に、電流制限比率を乗じる。例えば、エンジンの定格回転数（同期モータの定格回転数）よりも低い所定の回転数をエンジンのアイドル回転数である１２００ｒｐｍの場合、エンジンの回転数がアイドル回転数のときには、電流制限比率は７０％（１００％未満の数値）であるので、電流指令が７０％を上回る場合は７０％にてクランプし、下回る場合はそのままの電流指令を補正後電流指令値として、電流制御処理部８３に出力する。また、エンジンの回転数が定格回転数である２０００ｒｐｍのときには、電流制限比率は１００％であるので、電流指令値をそのまま補正後電流指令値として、電流制御処理部８３に出力する。

ここで、図９に示す電流制限比率テーブルは、エンジン１１の回転数がアイドル回転数（例えば、１２００ｒｐｍ）から定格回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）に達するまで、電流制限比率が徐々に増加して、１００％に達するように設定されている。

即ち、電流制限比率テーブルは、同期モータ１３の回転数がエンジン１１（原動機）のアイドル回転数とされているときに、電流制限比率が１００％未満の数値となるように設定され、同期モータ１３の回転数が増加するに連れて、電流制限比率が単調に増加して１００％に達するように前記電流制限比率が変化するように設定されている。なお、図９に示す電流制限比率テーブルでは、アイドル回転数から定格回転数まで、電流制限比率が直線的に増加するように設定しているが、曲線状に変化するように設定することも可能である。

図８に示す電流制御処理部８３は、電流制限部８２より出力される補正後電流指令値に基づいて、同期モータ１３が出力する電流を制御する。この際、エンジン１１の回転数が定格回転数から低くなるほど、電流制限比率が低い値になるので、エンジン１１にかかる負担が軽減され、エンジン１１がストールすることを防止できる。

そして、インバータ１５は、主回路コンデンサ１９に充電された電力を使用して、負荷１８に電力を供給するので、主回路コンデンサ１９の充電電圧は減少するため、コンバータ１４は常にこの主回路コンデンサ１９に充電されているＰＮ電圧をＰＮ設定電圧値とするべく制御するように、同期モータ１３を通して、エンジン１１からエネルギーを引き出すこととなる。

次に、上述のように構成された本実施形態に係るインバータ発電装置１００の作用について説明する。

図１１は、電流制限部１４ａによる電流制限を行わない場合の（即ち、従来の場合の）、各波形の変化を示すタイミングチャート、図１２は、本実施形態に係る電流制限部１４ａによる電流制限を行った場合の、各波形の変化を示すタイミングチャートであり、図１１，図１２それぞれの（ａ）はコンバータ電流、（ｂ）はエンジン１１の回転数、（ｃ）はＰＮ電圧、（ｄ）は推定消費電力の変化を示している。

初めに、図１１を参照して本実施形態に係る電流制限を行わない場合について説明する。図１１（ａ），（ｂ）に示すように、エンジン１１がアイドル回転数（例えば、１２００ｒｐｍ）で回転している際に、時刻ｔ２１でステップ状に重負荷が投入された場合には、インバータ１５は大電力を負荷１８に供給することとなり、これに伴って、図１１（ｃ）に示すように、主回路コンデンサ１９の電圧（ＰＮ電圧）が低下する。すると、コンバータ１４はエンジン１１よりエネルギーを吸収して低下したＰＮ電圧を復帰させるために、電流を１００％まで流して、主回路コンデンサ１９に電力を供給する。

また、図１１（ｄ）に示すように、インバータ１５で算出される推定消費電力が上昇するので、エンジン１１は回転数を上昇しようとする。しかし、エンジン１１が出力可能なトルクは限られており、特に該エンジン１１がアイドル回転数（例えば、１２００ｒｐｍ）付近で回転している場合には、エンジン１１がストールするまでのマージンが少ないので、エンジン１１は回転数を上昇することができなくなり、また、コンバータ１４が電流制限状態を維持するために、図１１（ｂ）に示すように、徐々に回転数が低下していく。

そして、エンジン１１の回転数が上昇できなくなると、図１１（ｃ）に示すようにＰＮ電圧を復帰させることができなくなり、更に、コンバータが電流制限値を下回ることがないので、エンジン１１はストールする方向に推移することとなる。つまり、本実施形態に係る電流制限を行わない場合には、エンジン１１をアイドル回転数付近で動作させているときに、急激な負荷変動が発生した場合には、エンジン１１がストールすることが多々発生することとなる。

次に、図１２を参照して本実施形態に係る電流制限を行う場合について説明する。図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、エンジン１１がアイドル回転数（例えば、１２００ｒｐｍ）で回転している際に、時刻ｔ３１でステップ状に重負荷が投入された場合には、インバータ１５は大電力を負荷１８に供給することとなり、これに伴って、図１２（ｃ）に示すように、主回路コンデンサ１９の電圧（ＰＮ電圧）が低下する。そして、低下したＰＮ電圧を復帰させるために、コンバータ１４は、エンジン１１よりエネルギーを吸収して電流を流し、主回路コンデンサ１９に電力を供給する。この際、電流制限比率は、図９に示したように、７０％に設定されているので、電流指令値を７０％で制限した補正後電流指令値が生成されてコンバータ１４に流れる電流が制御される。

また、図１２（ｄ）に示すように、インバータ１５で算出される推定消費電力が上昇するので、エンジン１１は回転数を上昇しようとする。この際、電流指令値が７０％とされていることにより、エンジン１１に要求されるトルクは電流指令値が１００％の場合と比較して小さくなるので、エンジン１１は図１２（ｂ）に示すように、無理なく回転数を上昇させることができる。即ち、エンジン１１がストールすることを防止できる。

また、図１２（ｃ）に示すように、ＰＮ電圧が一旦低下した後、ＰＮ設定電圧に復帰するまでに長時間を要するが、エンジン１１がストールすることなく回転数を上昇させることができれば、図１２（ａ）に示すように、コンバータ電流は制限値を下回り、ＰＮ電圧を回復するために必要な数値となり、ＰＮ電圧は次第にＰＮ設定電圧に復帰することとなる。こうして、エンジン１１の回転数がアイドル回転数に近い場合に、電流制限比率を１００％未満の数値として、電流指令値を制限することにより、エンジン１１をストールさせることなく、コンバータ１４に電流を流すことができるのである。

このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置１００では、コンバータ１４に設けられる電流制限部１４ａにより、電流制限比率を設定しており、該電流制限比率はエンジン１１がアイドル回転数である場合から定格回転数に達するまでに、単調増加するように設定されている。従って、エンジン１１がアイドル回転数付近で回転しており、トルク変動に余裕が無いときに、急激な負荷変動が発生した場合であっても、電流指令値が低い数値に抑えられるので、エンジン１１の回転数を無理なく上昇させることができ、エンジン１１をストールさせることなく、ＰＮ電圧をＰＮ設定電圧に復帰させることができる。

即ち、エンジン１１を省エネ運転するために、負荷１８の消費電力が小さい場合は、アイドル回転数付近で運転していることが多い。この時のエンジン１１の回転エネルギーは小さく、負荷が増加した場合でもエンジンの制御可能な回転数の余裕がないために、エンジンストールに陥りやすい。しかも、負荷１８の消費電力が増加したことによりＰＮ電圧が減少するので、１００％の電力を引き出そうとすると、より一層エンジンストールを助長する結果となる。そこで、回転数が低い場合は、電流指令値を制限することにより、エンジン１１のトルクを抑制して、エンジンをストールしないようにしている。

以上、本発明のインバータ発電装置１００を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、図１に示したように各相毎に電流計１５７を設ける構成としたが、２つの相にのみ電流計を設ける構成とすることも可能である。

本発明は、インバータ発電装置の効率を向上させることに利用することができる。

１１エンジン
１２カップリング
１３同期モータ
１４コンバータ
１４ａ電流制限部（出力電流制限手段）
１５インバータ
１６ＬＣフィルタ
１７遮断機
１８負荷
１９主回路コンデンサ
２０ＥＣＵ
３１電圧補正部
３２２相・３相変換部
３３ＰＷＭ波形変換部
３４電気角生成部
３５３相・２相変換部
４１乗算部
４２乗算部
４３演算部
４４ローパスフィルタ
５１乗算部
５２乗算部
５３演算部
５４遅延部
５５減算部
５６加算部
６１スイープ演算部
６２乗算部
６３減算部
８１ＰＩ補償部
８２電流制限部
８３電流制御処理部
８４トルク定数設定部
８５回転数設定部
８６乗算部
８７除算部
８８積分部
８９減算部
１００インバータ発電装置
１５０スイッチング回路
１５１ＰＮ電圧検出部
１５２ＰＷＭ信号生成部
１５３周波数指令生成部
１５４電圧指令生成部
１５５消費電力計算部
１５５ａ回転数対応テーブル
１５６電流検出変換部
１５７電流計
ＳＷ１スイッチ

Claims

原動機と、該原動機と連結した同期モータと、該同期モータと連結したコンバータと、該コンバータと連結したインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間に設けられる蓄電手段と、を備え、前記原動機により前記同期モータを回転させて交流電力を出力し、該同期モータで発電された交流電力を前記コンバータで直流化し、この直流電力を前記インバータで所望周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置において、
前記コンバータは、
前記同期モータの回転数に応じて電流制限比率を設定し、該電流制限比率に基づいてコンバータ電流を制限する出力電流制限手段を有し、
前記出力電流制限手段は、前記同期モータの回転数が定格回転数よりも低い所定の回転数とされているときに、前記電流制限比率を１００％未満の数値に設定し、前記同期モータの回転数が増加するに連れて、前記電流制限比率を単調に増加させて１００％に達するように前記電流制限比率を設定することを特徴とするインバータ発電装置。
前記出力電流制限手段は、
前記蓄電手段に充電する電圧の指令値であるＰＮ電圧設定値と、蓄電手段に充電されているＰＮ電圧のフィードバック値との差分に基づいて、電流指令値を生成する電流指令生成手段の次段にあり、
前記同期モータの回転数と電流制限比率との対応関係を示す電流制限比率テーブルを有し、前記同期モータの回転数に応じて電流制限比率を決定して、電流指令生成手段にて生成された電流指令値を制限する電流制限手段と、
前記電流制限手段で制限された電流指令値に基づいて出力電流を制御する電流制御処理手段と、
を備え、
前記電流制限比率テーブルは、前記同期モータの回転数が定格回転数よりも低い所定の回転数とされているときに、前記電流制限比率が１００％未満の数値となるように設定され、前記同期モータの回転数が増加するに連れて、前記電流制限比率が単調に増加して１００％に達するように前記電流制限比率が変化するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ発電装置。