JP6584834B2

JP6584834B2 - 発電機

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Publication number: JP6584834B2
Application number: JP2015126484A
Authority: JP
Inventors: 吉田　一郎; 一郎吉田; 田中　克明; 克明田中; 高志松永; 和哉梁瀬
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: JP2017011917A

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電荷として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電荷として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。
すなわち、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、キャパシタの蓄電状態が不確定のため、エンジンを早急に稼働させる必要があるため、負荷が稼働していない時であっても、エンジンを常にアイドリング状態としていた。
エンジンを常にアイドリング状態としているため、負荷が稼働しない時間が長くなると、燃料消費が無駄になる問題があった。

本発明は、上記課題を解決して、燃料消費量の少ない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、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電荷として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、前記負荷が定常運転にあるときに、前記エンジンの駆動により発電する前記オルタネータにより、前記キャパシタをフル充電すること、前記負荷が停止状態にあるときに、前記エンジンを停止すること、前記負荷が始動するときの突入電力を前記キャパシタのみから供給すること、前記キャパシタの蓄電量が所定値以下になる前に前記エンジンを始動して、前記オルタネータにより、電力供給を開始すること、前記負荷が始動するときに前記インバータが出力電力の周波数を最小周波数から定格周波数まで上昇する際に、出力電圧と周波数との割合が一定になるように出力電圧を上げていくことで、前記出力電圧が前記負荷に対して緩やかに印加され、前記負荷の始動中に前記エンジンが立ち上がり、前記オルタネータから電力供給が行われること、を特徴とする。
（２）（１）に記載する発電機において、前記負荷の突入電力を、前記エンジンが備える始動用バッテリによりバックアップすること、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電荷として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、（ａ）負荷が定常運転にあるときに、エンジンの駆動により発電するオルタネータにより、キャパシタをフル充電すること、（ｂ）負荷が停止状態にあるときに、エンジンを停止すること、（ｃ）負荷が始動するときの突入電力をキャパシタのみから供給すること、（ｄ）キャパシタの蓄電量が所定値以下になる前にエンジンを始動して、オルタネータにより、電力供給を開始すること、（ｅ）前記負荷が始動するときに前記インバータが出力電力の周波数を最小周波数から定格周波数まで上昇する際に、出力電圧と周波数との割合が一定になるように出力電圧を上げていくことで、前記出力電圧が前記負荷に対して緩やかに印加され、前記負荷の始動中に前記エンジンが立ち上がり、前記オルタネータから電力供給が行われること、を特徴とするので、負荷が停止した時に、キャパシタがフル充電されており、負荷の再起動時には、キャパシタから電力を供給できるため、エンジンを停止することができ、燃料消費量を削減することができる。エンジンを停止状態から始動して、オルタネータにより電力が供給されるまでの時間は、５秒以下である。キャパシタとしては、５秒程度は、負荷に対して突入電力を供給することが可能な容量のものを使用している。突入電力が必要なのは、７，８秒間であり、その後は、負荷は定常運転となり、必要な電力は突入電力のピーク値の１０％程度である。そのため、オルタネータの余った供給電力によりキャパシタをフル充電するのに、３０秒程度かかるだけである。
また、負荷が始動するときにインバータが出力電力の周波数を最小周波数から定格周波数まで上昇する際に、出力電圧と周波数との割合が一定になるように出力電圧を上げていくので、負荷始動時の突入電力を抑えることができることと、負荷始動がゆっくりになり、オルタネータからの電力供給が負荷始動中に間に合うことから、キャパシタからの供給電力量を減らすことができる。これにより、キャパシタの容量を小さくすることができ、コストダウンを実現できる。

（２）（１）に記載する発電機において、負荷の突入電力を、エンジンが備える始動用バッテリによりバックアップすること、を特徴とするので、負荷起動時においてエンジンが起動してオルタネータが電力を供給するまでの時間、安定して負荷を駆動することができる。また、キャパシタの容量を小さくしてコストダウンを実現できる。

本発明の第１実施形態に係る発電機の回路構成を説明する図である。制御手段の内容を示すフローチャートである。図１に記載する発電機の運転状態の一例を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る発電機の回路構成を説明する図である。

本発明の発電機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。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、第１実施形態の発電機１の概略構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る発電機１の回路構成を説明する図である。
発電機１は、例えば排水ポンプや建設機械等のモータのように始動と停止を行う負荷９に電力を供給するものである。発電機１は、エンジン２、オルタネータ３、コンバータ４、キャパシタ５、三相インバータ６、ＥＣＵ７、及び、制御装置８を備えている。

具体的に説明すると、発電機１は、エンジン２の駆動軸にオルタネータ３が接続している。エンジン２には、エンジン制御装置であるＥＣＵ７が接続している。
オルタネータ３には、コンバータ４が接続している。オルタネータ３は、エンジン２の回転に応じて電気を発生し、その交流電流がコンバータ４により直流電流に変換される。コンバータ４には、直流電流を電荷として蓄電するキャパシタ５、及び、直流電流を任意の周波数の交流電流に変換し、負荷９に供給する三相インバータ６（インバータの一例）が接続している。キャパシタ５は、三相インバータ６にも接続している。キャパシタ５は、負荷９を始動した時に発生する突入電力を単独で供給するために必要な電荷を蓄電できる容量を有する。三相インバータ６には、負荷９が接続し、キャパシタ５に蓄電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換して負荷９に供給する。
負荷９、キャパシタ５、ＥＣＵ７には、制御装置８が接続している。制御装置８は、発電機１が負荷９に電力を供給する動作を制御する制御手段８ａを有している。

図２は、制御手段８ａの内容を示すフローチャートである。制御手段８ａの内容を図２に従って説明する。
負荷９が始動するときに［ステップ１（以下「Ｓ１」と略記する。）］、制御装置８がＥＣＵ７へエンジン始動指示を出力する（Ｓ２）。

負荷９は、始動直後に突入電力が発生する。一方、エンジン２は、ＥＣＵ７が始動指示を入力してから、オルタネータ３に発電させるように回転し始める（始動する）までに、時間がかかる。よって、負荷９の突入電力をオルタネータ３から供給できない。

そこで、コンバータ４と三相インバータ６に接続するキャパシタ５に蓄電された電荷を三相インバータ６で任意の周波数の交流電流に変換し、負荷９に供給する。つまり、キャパシタ５から負荷９へ電力を供給する（Ｓ３）。ここで、突入電力は、例えば負荷９が通常運転する場合に必要とする電力の約１０倍にも及ぶ大きな電力である。キャパシタ５は、突入電力を単独で供給できる電荷を蓄電する容量を有する。よって、後述するように、負荷９が停止する前にキャパシタ５がフル充電されていれば、負荷９が始動する時に発生する突入電力をキャパシタ５のみから供給できる。その後、エンジン２が始動し、オルタネータ３からコンバータ４及び三相インバータ６を介して負荷９へ電力を供給する（Ｓ４）。オルタネータ３は、キャパシタ５から負荷９に電力を供給する間にエンジン２が始動し、発電を開始する。

オルタネータ３が発電する発電電力が、負荷９が必要とする負荷電力以下である場合には（Ｓ５：ＮＯ）、オルタネータ３から負荷９へ電力を供給しつつ、不足分の電力をキャパシタ５から負荷９へ供給する。一方、オルタネータ３の発電電力が負荷９の負荷電力より大きい場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、Ｓ６において、オルタネータ３が発生した電気を、コンバータ４により交流電流から直流電流に変換した後、一部の直流電流を三相インバータ６で任意の周波数の交流電流に変換して負荷９に供給する一方、残りの直流電流を電荷としてキャパシタ５に充電する。

その後、制御装置８が、キャパシタ５から蓄電量を入力し、キャパシタ５がフル充電されたか否かを確認する。ここで、本実施形態で使用するキャパシタ５は、例えば、複数のセルを接続した状態で容器に収納してモジュール化したものである。かかる構造のキャパシタ５は、コンバータ４と三相インバータ６に接続するバスに近い位置に配置されるセルが、そのバスから離れた位置に配置されるセルよりも早く充電され、電圧が上昇する。そのため、例えば、キャパシタ５からバスに出力される出力電圧がキャパシタ５をフル充電した時の電圧に達した時点で直ぐにエンジン２を停止すると、バスに近いセルではフル充電が完了していても、バスから遠いセルではフル充電が完了していないことがある。この場合、キャパシタ５の内部では高電圧のセルから低電圧のセルへ電流が流れ、キャパシタ５全体として電圧降下が生じ、突入電力をまかなうだけの電荷がキャパシタ５に蓄電されない恐れがある。そこで、本実施形態では、制御装置８は、キャパシタ５の出力電圧がフル充電時の電圧に達してから所定時間（例えば数分程度）が経過した後に、キャパシタ５がフル充電されたことを確認するものとする。これにより、キャパシタ５は、全てのセルが完全充電された状態で、フル充電されたことを確認され、エンジン２が停止した後に電圧が殆ど降下しない。つまり、キャパシタ５は、エンジン２の停止時には、負荷９が始動した時に発生する突入電力を単独で供給できるだけの電荷が蓄電された状態になる。

キャパシタ５がフル充電されるまでは（Ｓ７：ＮＯ）、キャパシタ５に充電しながら、負荷９に給電する。一方、キャパシタ５がフル充電された場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、制御装置８はＥＣＵ７を介してエンジン２の回転数を低下させる（Ｓ８）。エンジン２の燃料消費量を抑制するためである。

その後、制御装置８は、例えば三相インバータ６から電力が出力されているか否かに基づいて、負荷９が停止したか否かを確認する（Ｓ９）。三相インバータ６から電力が出力されている場合は、負荷９が停止していないので（Ｓ９：ＮＯ）、エンジン２の回転数を低下させた状態で、オルタネータ３から負荷９への給電を続ける。一方、三相インバータ６から電力が出力されていない場合には、負荷９が停止したので（Ｓ９：ＹＥＳ）、制御装置８は、ＥＣＵ７を介してエンジン２を停止させる（Ｓ１０）。つまり、エンジン２は、キャパシタ５がフル充電された後、停止される。

次に、上記構成を有する発電機１の作用及び効果について説明する。図３に、発電機１の運転状態の一例を説明する図を示す。（ａ）の縦軸は、負荷９が必要とする負荷電力を示し、横軸は、時間を示す。（ｂ）の縦軸は、オルタネータ３が発電する発電電力を示し、横軸は、時間を示す。（ｃ）の縦軸は、キャパシタ５に充電され、又は、キャパシタ５から供給される電力を示し、横軸は時間を示す。図中ｔ０〜ｔ８は、負荷９の動作状態を示す。（ａ）〜（ｃ）の縦軸に示す電力は、突入電力の最大値を１００％とした場合の割合で示している。

ｔ０は、負荷９が停止する状態を示す。負荷９が停止する場合、オルタネータ３が発電していない。また、キャパシタ５は、充電も給電もしていない。

ｔ１は、負荷９が始動するタイミングを示す。負荷９には、始動直後から突入電力が例えば７〜８秒間流れる（図中Ａ１参照）。突入電力は、負荷９の始動直後に最大となり、その後急速に降下する。この突入電力はキャパシタ５から供給されている（図中Ｃ１参照）。この時点では、オルタネータ３から負荷９に給電されていない。

ｔ２は、オルタネータ３が発電を開始するタイミングを示す。オルタネータ３は、キャパシタ５の蓄電量が所定値以下になる前にエンジン２が始動し、発電を開始する。キャパシタ５は、突入電力を単独で供給できるだけの容量を有するので、結果的に、オルタネータ３は、突入電力が終了する前に（例えば負荷９が始動してから５秒後に）発電を開始する。このとき、エンジン２は、負荷９を定常運転させるのに必要な電力より大きい電力をオルタネータ３に発生させる回転数で運転する（この運転を「始動運転」という。）。オルタネータ３の発電電力が、負荷９の負荷電力より小さい場合には（図中Ａ２，Ｂ１参照）、不足する電力をキャパシタ５から負荷９に供給する（図中Ｃ２参照）。

ｔ３は、負荷９が定常運転を開始するタイミングを示す。負荷９が定常運転する状態で、エンジン２が始動運転すると、オルタネータ３の発電電力が負荷９の負荷電力より大きくなる（図中Ａ３，Ｂ１参照）。一方、キャパシタ５は、突入電力を供給したことにより、蓄電量が減少している。そこで、キャパシタ５には、オルタネータ３が発生する電力のうち、負荷９が消費できない余剰電力が、電荷として蓄電される（図中Ｃ３参照）。

ｔ４は、キャパシタ５の充電を終了するタイミングを示す。キャパシタ５は、負荷９の始動により発生する突入電力を単独で供給できるだけの電荷を蓄電すると、すなわち、フル充電されると、充電を終了する。すると、オルタネータ３は、エンジン２の回転数が下げられ、発電電力が減少する（図中Ｂ２参照）。このとき、エンジン２は、負荷９を定常運転させるのに必要な電力（図中Ａ４）と同程度の電力をオルタネータ３に発生させる回転数で、定格運転する。オルタネータ３による無駄な発電を抑制し、燃料消費量を減らすためである。
ｔ５は、負荷９が停止するタイミングを示す。負荷９が停止すると、エンジン２が停止され、オルタネータ３が発電しなくなる。このとき、キャパシタ５は、フル充電状態にされている。

ｔ６は、負荷９が再始動するタイミングを示す。負荷９が再始動する場合にも、突入電力が発生する（図中Ａ１ｘ参照）。キャパシタ５は、負荷９が停止する前にフル充電され、単独でも突入電力を供給できる状態にされている。そのため、負荷９が停止する場合に、エンジン２をアイドリング状態にしていなくても、負荷９が始動した時に発生する突入電力をキャパシタ５のみから供給し（図中Ｃ１ｘ参照）、負荷９を迅速に始動させることができる。

ｔ７は、オルタネータ３が再発電するタイミングを示す。オルタネータ３は、キャパシタ５の蓄電量が所定値以下になる前に再発電を開始し、負荷９に途切れることなく電力を供給する（図中Ｂ１ｘ、Ａ２ｘ参照）。よって、負荷９は、始動状態から定常運転状態へ安定して移行する。尚、それ以降のキャパシタ５の充電動作（図中Ａ３ｘ、Ｂ１ｘ、Ｃ３ｘ参照）等は、上記の充電動作（図中Ａ３、Ｂ１、Ｃ３参照）等と同様なので説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態の発電機１は、エンジン２により駆動され交流電流を発電するオルタネータ３と、オルタネータ３が発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータ４と、コンバータ４で変換された直流電流を電荷として蓄電するキャパシタ５と、キャパシタ５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６とを有する発電機１において、（ａ）負荷９が定常運転にあるときに、エンジン２の駆動により発電するオルタネータ３により、キャパシタ５をフル充電すること、（ｂ）負荷９が停止状態にあるときに、エンジン２を停止すること、（ｃ）負荷９が始動するときの突入電力をキャパシタ５のみから供給すること、（ｄ）キャパシタ５の蓄電量が所定値以下になる前にエンジン２を始動して、オルタネータ３により、電力供給を開始すること、を特徴とするので、負荷９が停止した時に、キャパシタ５がフル充電されており、負荷９の再起動時には、キャパシタ５から電力を供給できるため、エンジン２を停止することができ、燃料消費量を削減することができる。
エンジン２を停止状態から始動して、オルタネータ３により電力が供給されるまでの時間は、５秒以下である。キャパシタ５としては、５秒程度は、負荷９に対して突入電力を供給することが可能な容量のものを使用している。突入電力が必要なのは、７，８秒間であり、その後は、負荷９は定常運転となり、必要な電力は突入電力のピーク値の１０％程度である。そのため、オルタネータ３の余った供給電力によりキャパシタ５をフル充電するのに、３０秒程度かかるだけである。

尚、キャパシタ５は、フル充電された後に、負荷９の負荷電力に対してオルタネータ３の発電電力が不足する場合には、キャパシタ５から不足分の電力を供給する。この場合でも、キャパシタ５から供給される電力が小さいため、エンジン２の停止時には、キャパシタ５には、フル充電に近い状態で電荷が蓄電されている。また、キャパシタ５が一度フル充電された後、前述のような電力供給によりキャパシタ５の蓄電量が減った場合には、負荷９の負荷電力に対してオルタネータ３の発電電力が大きいときに、余剰電力を電荷としてキャパシタ５に蓄電する。これによれば、より確実に、エンジン２の停止前にキャパシタ５をフル充電状態若しくはそれに近い状態にすることができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る発電機について説明する。図４に、本発明の第２実施形態に係る発電機１１の回路構成を説明する図を示す。
第２実施形態の発電機１１は、始動用バッテリ１２が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介してコンバータ４及び三相インバータ６に接続されている点が第１実施形態の発電機１と相違し、その他の構成は第１実施形態の発電機１と共通している。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は適宜割愛する。

始動用バッテリ１２は、エンジン２に接続している。始動用バッテリ１２は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を通してコンバータ４と三相インバータ６に接続し、更に、キャパシタ５にも接続している。かかる発電機１１は、負荷９が始動してから、エンジン２の始動によりオルタネータ３が発電を開始するまでの間、負荷９の始動後に発生する突入電力を、キャパシタ５に加え、始動用バッテリ１２からも供給できる。そのため、キャパシタ５は、第１実施形態と比べ、容量が小さくて済み、安価でコンパクトになる。

よって、本実施形態の発電機１１は、負荷９の突入電力を、エンジン２が備える始動用バッテリ１２によりバックアップするので、負荷起動時においてエンジン２が起動してオルタネータ３が電力を供給するまでの時間、安定して負荷９を駆動することができる。また、キャパシタ５の容量を小さくしてコストダウンを実現できる。

（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態に係る発電機ついて説明する。第３実施形態の発電機は、第１又は第２実施形態の発電機１，１１に対して、負荷９が始動するときにおける三相インバータ６の出力を制御する機能を追加したものである。そのため、第３実施形態の発電機は、基本的に、第１又は第２実施形態と構成が共通している。そこで、ここでは、第１及び第２実施形態と共通する点は説明を割愛し、第１及び第２実施形態と相違する点について、第１及び第２実施形態で使用した符号を用いながら説明する。

第３実施形態の発電機は、三相インバータ６に制御装置８が接続している。制御装置８の制御手段８ａは、負荷９が始動するときに三相インバータ６が出力電力の周波数を最小周波数から定格周波数まで上昇する際に、出力電圧と周波数との割合が一定になるように出力電圧を上げていく。そのため、第３実施形態の発電機は、負荷９が始動するときにおける三相インバータ６の出力電圧を周波数の割合を一定に保ちながら、出力電圧を最小電圧から定格電圧まで数秒かけて上昇させる機能を有する。具体的には、制御手段８ａは負荷９を始動するときに、最小電圧になるような変調率を計算する。この計算した変調率をもとに周波数を決定し、それに基づいて三相インバータ６の出力を制御する。負荷９が始動した直後は、キャパシタ５のみから電力が供給されるが、負荷始動が緩やかであるため、負荷始動中にエンジン２が立ち上がり、オルタネータ３から電力供給が行われる。

このような第３実施形態の発電機は、負荷９が始動するときに、三相インバータ６がキャパシタ５から入力する電圧を、負荷９に対して緩やかに印加するので、負荷９がゆっくり立ち上がる。そのため、負荷９が始動するときの突入電力が抑えられ、かつ負荷９の始動にエンジン２の始動が間に合い、負荷９の始動中にオルタネータ３からの電力供給が行われるため、キャパシタ５から供給する電力が小さくなる。よって、第３実施形態の発電機は、キャパシタ５の容量を小さくしてコストダウンができる。また、キャパシタ５の蓄電量が減るため、キャパシタ５に蓄電するためにエンジン２の回転数を定格運転時より上げて運転する時間が少なくなり、燃料消費量を抑制できる。

本発明の発電機は、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。
例えば、キャパシタ５がフル充電されるまでは、負荷９の負荷電力にキャパシタ５の充電に必要な電力を加算した分の電力をオルタネータ３に発電させるようにエンジン２を運転し、キャパシタ５がフル充電された後は、エンジン２を負荷９に追従して運転するようにしても良い。
例えば、上記第１実施形態のキャパシタ５は、突入電力を単独で供給可能な電荷を蓄電できる容量としたが、キャパシタ５の容量は必ずしもこれに限定されない。例えば、キャパシタ５は、突入電力の大部分（例えば８０以上１００％未満）を供給可能な電荷を蓄電できる容量としても良い。この場合、キャパシタの蓄電量が所定値以下になる前にエンジン２が始動するので、負荷９を始動状態から定常運転状態に安定して移行させることができる。

１，１１発電機
２エンジン
３オルタネータ
４コンバータ
５キャパシタ
６三相インバータ（インバータの一例）
９負荷
１２始動用バッテリ

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電荷として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、
前記負荷が定常運転にあるときに、前記エンジンの駆動により発電する前記オルタネータにより、前記キャパシタをフル充電すること、
前記負荷が停止状態にあるときに、前記エンジンを停止すること、
前記負荷が始動するときの突入電力を前記キャパシタのみから供給すること、
前記キャパシタの蓄電量が所定値以下になる前に前記エンジンを始動して、前記オルタネータにより、電力供給を開始すること、
前記負荷が始動するときに前記インバータが出力電力の周波数を最小周波数から定格周波数まで上昇する際に、出力電圧と周波数との割合が一定になるように出力電圧を上げていくことで、前記出力電圧が前記負荷に対して緩やかに印加され、前記負荷の始動中に前記エンジンが立ち上がり、前記オルタネータから電力供給が行われること、
を特徴とする発電機。
請求項１に記載する発電機において、
前記負荷の突入電力を、前記エンジンが備える始動用バッテリによりバックアップすること、
を特徴とする発電機。