JP6469539B2

JP6469539B2 - 発電機

Info

Publication number: JP6469539B2
Application number: JP2015126485A
Authority: JP
Inventors: 田中　克明; 克明田中; 高志松永
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: JP2017011918A

Description

本発明は、エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、キャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有する発電機に関するものである。

従来、特許文献１に記載されているように、エンジンにより駆動され交流電力を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、キャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電力に変換し負荷に供給するインバータとを有する発電機が広く使用されている。
そして、負荷を始動した時に発生する突入電力を供給するためにキャパシタを利用することは、特許文献２に記載されている。

特開2013-013308号公報特開2011-256729号公報

しかしながら、従来の発電機には、次のような問題があった。
（１）負荷を始動した時に発生する突入電力は、キャパシタにより供給しているが、負荷を始動するときにキャパシタがフル充電されている必要がある。そのためには、負荷始動の前にキャパシタをフル充電すれば良い。
しかし、従来キャパシタをフル充電するときには、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータで、充電電流をコントロールして、キャパシタに充電する。
（２）キャパシタは、複数のセルを備えるが、電流供給入り口付近のセルがフル充電されても、離れた位置にあるセルはフル充電されていないため、キャパシタの電圧が定格電圧になったと同時に電流を止めると、時間経過にしたがって、入口近くのセルから離れたセルに電流が流れるため、キャパシタがフル充電できない問題がある。
また、オルタネータを常に定格運転することは、燃料を無駄に消費するため、経済性の問題があった。

本発明は、上記課題を解決して、キャパシタをフル充電するときにオルタネータを破損する恐れがなく、キャパシタの全てのセルをフル充電できると共に、エンジンの燃費を向上させることのできる発電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発電機は、次の構成を有している。
（１）エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、キャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有する発電機において、負荷を始動する前に、キャパシタをフル充電すること、オルタネータ駆動後、キャパシタへ所定電流値を流し、エンジンの回転数が定格に到達するまでの第１期間は、所定電流値を流してキャパシタに充電するようにエンジンを制御すること、エンジンの回転数が定格に到達した後、キャパシタへの入力電圧実効値が、キャパシタ上限電圧に達するまでの第２期間は、オルタネータにより定電力充電するようにエンジンを制御すること、キャパシタへの入力電圧実効値がキャパシタ上限電圧に達した後は、キャパシタへの入力電圧実効値が所定電圧値となるようにエンジンを制御すること、を特徴とする。

本発明の発電機は、次のような作用、効果を奏する。
（１）エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、キャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有する発電機において、オルタネータ駆動後、負荷を始動する前に、キャパシタをフル充電すること、キャパシタへの充電開始時、キャパシタへの入力電流値が所定電流値を越える恐れのある第１期間は、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータが定電流制御で充電を行っているため、コンバータがキャパシタに必要とする充電電力をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で制御すること、キャパシタへの入力（充電）電流値が所定電流値以下になった後、キャパシタへの入力電圧が、キャパシタ上限電圧に達するまでの第２期間は、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータが低電力制御で充電が行われているため、コンバータがキャパシタに必要とする充電電流をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で制御すること、キャパシタへの入力電圧実効値がキャパシタ上限電圧に達した後、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータがキャパシタに必要とする充電電力をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で制御すること、を特徴とするので、充電開始時にキャパシタの電荷がゼロに近い場合でも、エンジン・オルタネータに対して定電流制御が行われているため、キャパシタに過大な電流が流れることがなく、オルタネータが破損する恐れがない。

本発明の１実施例である発電機１０の構成を示す図である。発電機１０の作用、効果を示すデータ図である。従来の発電機の作用、効果を示すデータ図である。キャパシタ充電制御手段１４１の内容を示すフローチャートである。

本発明の発電機１０の一実施の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。図１に、発電機１０の基本構成を示す。
エンジン１２の駆動軸に、交流電流を発電するオルタネータ１１が接続している。エンジン１２には、エンジン制御装置であるＥＣＵ１３が接続している。
オルタネータ１１には、交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４が接続している。コンバータ１４には、直流電流を蓄電するキャパシタ１６、及び直流電流を任意の周波数の交流電力に変換し、負荷１７に供給する三相インバータ１５が接続している。キャパシタ１６は、三相インバータ１５にも接続している。三相インバータ１５には、負荷１７が接続されている。
キャパシタ１６、ＥＣＵ１３には、制御装置１８が接続している。発電機１０は、オルタネータ１１、エンジン１２、ＥＣＵ１３、コンバータ１４、三相インバータ１５、キャパシタ１６、及び制御装置１８を備えている。

キャパシタ１６は、入力電流を計測する電流センサ、及び入力電圧を計測する電圧センサを備え、計測された入力電流、入力電圧は、制御装置１８に読み込まれる。コンバータ１４は、キャパシタ充電制御手段１４１を有している。制御装置１８は、必要な電力に対応してエンジン１２の回転数を制御するためのエンジン回転数制御手段１８１を有している。
キャパシタ充電制御手段１４１の内容を、図４にフローチャートで示し、説明する。
本発電機１０では、負荷１７を始動した時に発生する突入電流をキャパシタ１６により供給しているため、負荷１７が始動する前に、エンジン１２を始動してオルタネータ１１による発電を行う（Ｓ１）。

オルタネータ１１により発電されたキャパシタ１６への入力電流の電流実効値が所定電流値を越えるか否か判断する（Ｓ２）。
入力電流の電流実効値は、電力の目標値を現在のキャパシタ電圧で除したものであり、所定電流値は、コンバータの出力電流制限値である。
ここで、キャパシタ１６に流れる定格電流値は、オルタネータ１１の定格電力値（本実施例では、３.０ｋＷ）を、コンバータ１４の効率と力率（本実施例では、９０％）を換算したコンバータ１４の定格電力値（本実施例では、２．７ｋＷ）からコンバータ１４の選定した素子により所定電流値を決定できる（本実施例では、２０Ａ）。
入力電流の電流実効値が所定電流値を越えていない場合には（Ｓ２；ＮＯ）、コンバータ１４は、定電流制御で充電が行われている（Ｓ４）。コンバータ１４がキャパシタ１６が必要とする充電電力をその電力が供給できる回転数になるように、エンジン回転数制御手段１８１が制御する。

入力電流の電流実効値が所定電流値を越えている場合には（Ｓ２；ＹＥＳ）、キャパシタ１６への入力電圧の実効値が、キャパシタ上限電圧値に達しているか否か判断する（Ｓ３）。入力電圧の実効値が、キャパシタ上限電圧値に達していない場合には（Ｓ３；ＮＯ）、コンバータ１４は、定電力制御が行われる（Ｓ６）。コンバータ１４がキャパシタが必要とする充電電力をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で、エンジン回転数制御手段１８１が制御する。
入力電圧の実効値（現在のキャパシタ電圧）が、キャパシタ上限電圧値に達している場合には（Ｓ３；ＹＥＳ）、キャパシタ１６への入力電圧の電圧実効値が所定電圧値（キャパシタの定格電圧値）となるように、コンバータ１４は定電圧制御で充電が行われている（Ｓ５）。コンバータ１４がキャパシタ１６に必要とする充電電力をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数に、エンジン回転数制御手段１８１が制御する。
これにより、充電が終了し（Ｓ７）、負荷１７が始動される（Ｓ８）。

次に、従来の発電機の作用及び効果について図３を用いて説明する。（ａ）〜（ｅ）においては、横軸は時間軸であり、単位は秒である。
（ａ）の縦軸は、オルタネータ１１の回転数、すなわちエンジン１２の回転数を示す。１００％は、オルタネータ１１の定格回転数を示し、定格回転数を１００％とした時の回転数の割合（実際の回転数を定格回転数で除した％）を示している。
（ｂ）の縦軸はオルタネータ１１の発電する電力を示す。１００％は、オルタネータ１１の定格電力を示す。オルタネータ１１の定格電力は、３．０ｋＷである。
（ｃ）の縦軸は、キャパシタ１６に蓄電された電力を示す。１００％は、キャパシタ１６がフル充電されている状態を示す。
（ｄ）の縦軸は、キャパシタ１６の電圧を示す。１００％は、キャパシタ１６の定格電圧である３５０Ｖである。
（ｅ）の縦軸は、キャパシタ１６の定格電流を示す。１００％は、２０Ａである。
ここで、キャパシタ１６に流れる定格電流値は、オルタネータ１１の定格電力値（本実施例では、３.０ｋＷ）を、コンバータ１４の効率と力率（本実施例では、９０％）を換算したコンバータ１４の定格電力値（本実施例では、２．７ｋＷ）からコンバータ１４の選定した素子により所定電流値を決定できる（本実施例では、２０Ａ）。

次に、本発明の発電機１０の作用及び効果について図２を用いて説明する。（ａ）〜（ｅ）においては、横軸は時間軸であり、単位は秒である。
（ａ）の縦軸は、オルタネータ１１の回転数、すなわちエンジン１２の回転数を示す。１００％は、オルタネータ１１の定格回転数を示し、定格回転数を１００％とした時の回転数の割合（実際の回転数を定格回転数で除した％）を示している。
（ｂ）の縦軸はオルタネータ１１の発電する電力を示す。１００％は、オルタネータ１１の定格電力を示す。本実施例では、オルタネータ１１の定格電力は、３．０ｋＷである。
（ｃ）の縦軸は、キャパシタ１６に蓄電された電力を示す。１００％は、キャパシタ１６がフル充電されている状態を示す。
（ｄ）の縦軸は、キャパシタ１６の電圧を示す。本実施例では、１００％は、キャパシタ１６の定格電圧である３５０Ｖである。
（ｅ）の縦軸は、キャパシタ１６の定格電流を示す。本実施例では、１００％は、２０Ａである。
ここで、キャパシタ１６に流れる定格電流値は、オルタネータ１１の定格電力値（本実施例では、３.０ｋＷ）を、コンバータ１４の効率と力率（本実施例では、９０％）を換算したコンバータ１４の定格電力値（本実施例では、２．７ｋＷ）からコンバータ１４の選定した素子により所定電流値を決定できる（本実施例では、２０Ａ）。

図２の（ｅ）においては、オルタネータ１１駆動後、キャパシタ１６への入力電流実効値が所定電流値を越える恐れのある第１期間（図中Ｔ１〜Ｔ２の期間）においては、所定電流値２０Ａを流してキャパシタ１６に充電するようにエンジン１２を制御する定電流制御を行っている。
キャパシタ１６への入力電流実効値が所定電流値以下になった後、キャパシタ１６への入力電圧が、キャパシタ上限電圧に達するまでの第２期間（図中Ｔ２〜Ｔ３の期間）は、オルタネータ１１によりフル充電するようにエンジン１２を制御する定電力制御を行っている。
キャパシタ１６への入力電圧実効値がキャパシタ上限電圧に達した後の第３期間（Ｔ３から数秒間）は、キャパシタ１６への入力電圧実効値が所定電圧値となるようにエンジン１２を制御する定電圧制御を行っている。

図３の（ｅ）では、キャパシタ１６の充電前の状態が、電荷がある程度蓄積された状態なので、キャパシタ１６に過大な電流が流れることがない。
しかし、キャパシタ１６の充電前の状態が、電荷がゼロに近い場合には、過大な電流が流れ、オルタネータ１１が破損する恐れがあった。
図２では、キャパシタ１６の充電前の状態が、電荷がゼロに近い場合であっても、所定電流値である２０Ａになるように、エンジン１２、オルタネータ１１の回転数が常に制御されている。そのため、充電開始時にキャパシタ１６の電荷がゼロに近い場合でも、キャパシタ１６に過大な電流が流れることがなく、オルタネータ１１が破損する恐れがない。
また、キャパシタ１６は、複数のセルを備えるが、電流供給入り口付近のセルがフル充電されても、離れた位置にあるセルはフル充電されていないが、第３期間の間追加して充電しているため、全てのセルがフル充電されており、入口近くのセルから離れたセルに電流が流れることがなく、キャパシタ１６をフル充電できる。
また、オルタネータ１１を無駄なく運転できるため、燃料を無駄に消費することがない。

以上詳細に説明したように、本実施例の発電機１０によれば、（１）エンジン１２により駆動され交流電流を発電するオルタネータ１１と、オルタネータ１１が発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４と、コンバータ１４で変換された直流電流を蓄電するキャパシタ１６と、キャパシタ１６に充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給する三相インバータ１５とを有する発電機１０において、オルタネータ１１駆動後、負荷１７を始動する前に、キャパシタ１６をフル充電すること、キャパシタ１６への充電開始時、キャパシタ１６への入力電流値が所定電流値を越える恐れのある第１期間は、オルタネータ１１が発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４が定電流制御で充電を行っているため、コンバータ１４がキャパシタ１６に必要とする充電電力をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で制御すること、キャパシタ１６への入力（充電）電流値が所定電流値以下になった後、キャパシタ１６への入力電圧が、キャパシタ上限電圧に達するまでの第２期間は、オルタネータ１１が発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４が低電力制御で充電が行われているため、コンバータ１４がキャパシタ１６に必要とする充電電流をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で制御すること、キャパシタ１６への入力電圧実効値がキャパシタ上限電圧に達した後、オルタネータ１１が発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４がキャパシタ１６に必要とする充電電力をエンジン・オルタネータがその電力を供給できる回転数で制御すること、を特徴とするので、充電開始時にキャパシタの電荷がゼロに近い場合でも、エンジン・オルタネータに対して定電流制御が行われているため、キャパシタに過大な電流が流れることがなく、オルタネータが破損する恐れがない。

本発明の発電機については、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。

１０発電機
１１オルタネータ
１２エンジン
１４コンバータ
１５三相インバータ
１６キャパシタ
１７負荷
１８制御装置
１４１キャパシタ充電制御手段
１８１エンジン回転数制御手段

Claims

エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、前記オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、前記キャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有する発電機において、
前記負荷を始動する前に、前記キャパシタをフル充電すること、
前記オルタネータ駆動後、前記キャパシタへ所定電流値を流し、前記エンジンの回転数が定格に到達するまでの第１期間は、前記所定電流値を流して前記キャパシタに充電するように前記エンジンを制御すること、
前記エンジンの回転数が定格に到達した後、前記キャパシタへの入力電圧実効値が、キャパシタ上限電圧に達するまでの第２期間は、前記オルタネータにより定電力充電するように前記エンジンを制御すること、
前記キャパシタへの入力電圧実効値が前記キャパシタ上限電圧に達した後は、前記キャパシタへの入力電圧実効値が所定電圧値となるように前記エンジンを制御すること、
を特徴とする発電機。