JP7219134B2 - スターリングエンジン発電機の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、消費電力量に合わせて燃料流量の調整を行う事ができ、スターリングエンジン発電機のシリンダー温度を維持して高効率発電を行い、蓄電池とインバータを活用して顧客のニーズに合った品質の電力を供給できる自立型のスターリングエンジン発電機の制御システムに関するものである。

スターリングエンジンは高効率で静粛な熱機関であるが、出力制御では電気負荷の変動に対して追随できない問題がある。

自立型発電装置として燃料の流量を調整し始動、発電、停止を行い、スターリングエンジン発電機と電力負荷を連結する電気回路の電力均衡をとって発電制御する必要がある。

同時に、スターリングエンジンの特長である高効率の発電を実現するには、熱源の温度、供給熱量の変化に応じて、スターリングエンジンの高温シリンダー内の作動ガス温度は耐熱強度の範囲内で出来るだけ高い温度に維持する必要がある。

特許文献１に記載された発電制御には、商用幹線にスターリングエンジン直結の誘導発電機を回生機能付インバータを使い、熱源変化に応じて回転速度を制御してヒータチューブ温度を維持する方法を提案している。

しかし、特許文献１記載の方法では誘導発電機の速度制御には商用幹線への連結や大きな放電抵抗を必要とするので自立型発電機には使えない。

次に、特許文献２は電気負荷に応じエンジントルク制御を行い、燃焼制御によりヒータチューブ温度を一定とする発電制御を提案している。

しかし、特許文献２に記載の方法では、電気負荷トルクをエンジン軸トルクの調整で行うことから、非特許文献１の９．５に記載する作動ガス圧力制御が必要となり、作動ガス漏れを生じる故障が誘発される問題が生じる、また装置価格が高い。

次に、特許文献３に記載されたスターリングエンジン発電機はスターリングエンジンの発電量に合わせ負荷の電力消費量を調整する制御システムを提案している。

しかし、抵抗負荷から熱損失として逃がすと正味発電効率が低くなり、自立型発電装置としては問題がある。

次に、特許文献４、特許文献５ではフリーピストンのスターリングエンジン発電機を蓄電池で起動し発生電力を直流母線に帰還させインバータで電気負荷に供給する、発電量が消費量を上回ると電気抵抗器に流す方法を提案している。

しかし、フリーピストン発電機の構造上トルク変動が大きいため振動が発生し、安定した運転を損なう問題が生じる、効率も低く実用的な自立発電機としては問題がある。

なお、本発明者は、多気筒復動型のスターリングエンジンと、スターリングエンジンを起動時には駆動し、発電時には駆動される永久磁石付同期発電機と、を一体で備えているスターリングエンジン発電機についてすでに提案している（特許文献６参照）。

また、スターリングエンジン発電機の制御技術として利用可能性のある参考技術としては、非特許文献２～４に記載の技術がある。非特許文献２は電力回生型コンバータ、非特許文献３は３相ＰＷＭインバータのスイッチングモード、非特許文献４は可逆変換装置に関する記載の技術がある。

特開２０００―３１０１５８号公報 特開平５－２８４７９７号公報 特開２０１３―４０６１７号公報 特開２０１６－２０５２９５号公報 特開２０１８－４２３９５号公報 特開２０１４－２０６１２０号公報

スターリングエンジンの理論と設計 山海堂出版２３４～２３６頁、平成１１年発行 インバータドライブ技術 ４５～４７頁、日刊工業新聞社 第３版２００６年３月発行 電気機器とサーボモータ １８０～１８４ページ 産業図書株式会社 パワーエレクトロニクスの基礎 ２～５頁 電気学会 オーム社、第４版、１９９７年

自立型のスターリングエンジン発電機では、商用電源は無いので蓄電池からスターリングエンジン発電機を起動し、エンジントルクが負から正になり発電状態になるまで、発電機を電動機（モータ）として働かせ、作動ガス封入圧力を封入した状態で確実に起動させる必要がある。

また、自立型のスターリングエンジン発電機では負荷側の要求電力に合わせて作動ガス圧力を変化させ、その後でヒータチューブ温度を一定とする燃料流量制御を行うことで、高効率発電状態を維持する手段もあるが、圧力制御装置はコストも高く、ガス漏れの原因になるという問題が発生する。

また、消費電力量と発電量を均衡させる必要があるが、スターリングエンジン発電機の熱電変換の時定数は負荷変化に比較して大きいため、余剰発電を熱抵抗に逃がす方法が提案されているがエネルギー効率の面で大きな問題が生じる。

本発明は、上記の問題を解決し、安定した起動を行い、消費電力量に応じて燃料流量を調整し、幅広い負荷領域で高効率の発電を行い、顧客の要求する電源品質と制御性能を満足させ、スターリングエンジン発電機の特長を生かした自立型のスターリングエンジン発電機の制御システムを実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、多気筒復動型スターリングエンジンと永久磁石付同期発電機を有するスターリングエンジン発電機を制御する発電制御装置および温度制御装置を備えたスターリングエンジン発電機の制御システムであって、スターリングエンジン発電機は、回転速度を検出する手段と、ヒータチューブの温度測定手段と、高温シリンダーの温度測定手段とを備え、スターリングエンジン発電機を接続する電気回路には直流母線が設けられ、直流母線に、回生機能付インバータが接続されており、温度制御装置は、予め設定された設定温度に、高温シリンダーの測定温度が同じとなるように、回転速度増減指令の指示信号を生成し、
回生機能付インバータは、回転速度増減指令の指示信号に基づいて同期発電機の回転速度を制御する構成であることを特徴とするスターリングエンジン発電機の制御システムを提供する。

発電制御装置は、ヒータチューブ温度が予め設定した温度に達した時、起動時には予め設定した回転速度指令を出し、起動後、高温シリンダーの温度が予め設定された設定温度になると、温度制御装置は、前記回転速度増減指令の指示信号を生成する構成であり、回生機能付インバータは、起動時には前記回転速度指令に基づき、同期発電機の回転速度制御を行い、高温シリンダーの温度が予め設定された設定温度になると、回転速度増減指令の指示信号に基づいて、同期発電機の回転速度を制御するように切り替わる構成であることが好ましい。

直流母線は、半導体バルブと誘導コイルを介して接続された第１直流母線と第２直流母線を備え、回生機能付インバータは、第１直流母線に接続されており、第２直流母線には、蓄電池とキャパシターが並列に接続され、さらに出力インバータと絶縁トランスが接続されており、絶縁トランスの２次側配線に電圧計および電流計が付設されており、出力インバータは、電圧計および電流計の測定値に基づき、フィードバック制御を行い、所定の周波数、電圧の電力を実用負荷に供給する構成であることが好ましい。

絶縁トランスの２次側配線に消費電力計が設けられ、該消費電力計は、設定する時間間隔で消費電力量の信号を出し、発電制御装置は、該消費電力量に相当する発電を行うために必要な燃料流量を演算して、該燃料流量に基づき燃料流量調整弁を制御するフィードバック制御をする構成であることが好ましい。

蓄電池の高圧側ターミナルと第１直流母線の高圧線の間に接続スイッチが設けられており、接続スイッチは、スターリングエンジン発電機の起動時および停止時における力行運転時は接続スイッチが入り、回生運転時はスイッチが切れる動作を行う構成であることが好ましい。

第２直流母線には、放電抵抗器と半導体バルブが接続されており、発電制御装置は、第２直流母線の電圧が閾値を超えると、半導体バルブを開閉して放電抵抗器に電流を放出し、該動作が一定の時間続くと燃料電磁弁を閉じ、燃料供給を停止する安全機能を持たせた構成であることが好ましい。

温度制御装置および発電制御装置は、蓄電池の電源で動作可能なマイクコンピュータを使用し、温度制御装置および発電制御装置は、蓄電池を電源として、スターリングエンジン発電機の始動、発電、停止を制御するとともに、スターリングエンジンの補機の操作、インバータ制御部、温度制御装置の電力供給、始動時と停止時の指令回転数信号を出し、自立型発電機や緊急用発電機として自動運転可能とする構成であることが好ましい。

スターリングエンジンは、燃料にプロパンガス、バイオガス、シェールガス、熱源として太陽熱、焼却炉の熱または地熱を用いて、環境に優しい構成であることが好ましい。

本発明に係るスターリングエンジン発電機の発電制御装置によれば、次のような効果が生じる。
（１）商用の基幹電力を使う事がなく、蓄電池により起動、発電、停止の運転操作が行え、シリンダー温度制御装置の出す指令回転速度信号により回生機能付インバータを用いて発電制御を行い、出力用インバータにより実用負荷に交流電力を供給し、電力消費量から燃料流量のフィードバック調整を行うことから、省燃費の自立型発電機として活用できるようになる。

（２）太陽光発電の補助発電としてスターリングエンジン発電機を使用した場合は、受給電力の差変動を、スターリングエンジン発電機の燃料調整で平準化する事が出来る自立型の発電も可能となる。効果として蓄電池の容量を小さくでき、充放電深度も浅くできるので電池寿命を延ばす利点があげられる。

本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムの実施例の全体構成を示す図である。 上記実施例のスターリングエンジン発電機の構成を示す断面図である。 上記実施例のスターリングエンジン発電機の各部を説明する図であり、（ａ）、（ｂ）は、シリンダーとヒータチューブ等を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、上記実施例の永久磁石付回転子と積層鋼板巻き線の構成を示す図である。 上記実施例の第１直流母線の３相巻線と回生機能付インバータ等の配線図を示す図である。 上記実施例の第２直流母線、出力インバータおよび出力側の回路等の配線図を示す図である。 上記実施例の始動モードの制御を説明する図である。 上記実施例の定格発電モードにおいて、シリンダー温度制御による回転速度の制御を説明する図である。 上記実施例の消費電力フィードバックによる燃料流量制御を説明する図である。 上記実施例の始動、発電調整および燃料調整の動作を説明するフローチャートである。 本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムの基礎試験の結果（燃料流量、ヒータチューブ、シリンダー温度）を示すグラフであり、横軸は時間を示す。 本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムの基礎試験の結果（回転速度、有効電力）を示すグラフであり、横軸は時間を示す。 本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムのシリンダー温度と発電トルクの関係に係る試験データである。

本発明に係るスターリングエンジン発電機の発電制御装置を実施するための形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。

本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムの実施例を、図１～１３を参照して説明する。

（スターリングエンジン発電機）
本実施例におけるスターリングエンジン発電機の制御システムの制御対象であるスターリングエンジン発電機１は、図１～図３に示すように、多気筒復動型のスターリングエンジン２と、スターリングエンジン２を起動時には駆動し、発電時には駆動される永久磁石付同期発電機３と、を一体で備えている。

スターリングエンジン２は、回転斜板式スターリングエンジンであり、図２に示すように、４つの高温シリンダー４２、回転斜板４８、回転出力軸４９、ヒータチューブ４１、再生器４４、冷却器４５等を備えている。

４つの高温シリンダー４２は、図３（ａ）に示すように、それぞれの高温作動ガス空間４６がヒータチューブ４１で再生器４４と連通されている。高温シリンダー４２は、図３（ｂ）に示すように、断熱材５７で囲まれており、高温シリンダー４２内でピストン４０が上下方向に往復動する。

ピストン４０のピストンロッド４３は、図２に示すように、ロッドシール４７を通して下方に延び、その上下方向の往復動によって、回転斜板４８を介して回転出力軸４９を回転させ。回転出力を得る。回転出力軸４９には、図１、図２に示すように、エンコーダ４が設けられている。

スターリングエンジン２には、図１、図３（ｂ）に示すように、高温シリンダー４２にシリンダー温度測定用の熱電対２３が設けられ、熱電対２３の計測値は、シリンダー温度信号１１８として、温度制御装置２４に送られる。温度制御装置２４は、マイクロコンピュータが使用される。

ヒータチューブ４１には、ヒータチューブ温度測定用の熱電対２５が設けられており、その計測値は、温度測定器２６に送られ、さらに温度測定器２６からヒータチューブ温度信号１２１として発電制御装置３４に送られる。

温度制御装置２４は、後で詳記するが回転速度増減指令信号１２０を生成するが、その回転速度増減指令信号１２０は、図１に示すように、回生機能付インバータ演算部５に送られ、回生機能付インバータ６によるスターリングエンジン発電機１の回転速度の制御に供するように構成されている。

また、エンコーダ４で得られた永久磁石付同期発電機３の回転子５０の回転速度データおよび回転角度は、回転子の回転速度信号１０３および角度位置信号１０４として、回生機能付インバータ演算部５に送られ、スターリングエンジン発電機１の回転速度の制御に供するように構成されている。

スターリングエンジン２の頭部（ヘッド）には、燃料噴射弁３３およびイグナイタ３２が設けられている。燃料噴射弁３３には、燃料減圧弁２９、燃料電磁弁３０および燃料流量調整弁３１を通して、燃料が供給される構成となっている。

燃料電磁弁３０、燃料流量調整弁３１およびイグナイタ３２は、それぞれ燃焼制御装置２７からの燃料電磁弁の開閉信号１２３、燃料流量調整弁開度信号１２４およびイグナイタ通電信号１２５よって、その動作が制御される。空気ブロアー２８は、燃焼用空気をスターリングエンジン２内に供給するが、燃焼制御装置２７からの空気ブロアー回転信号１２６によって制御される。

（制御システム）
本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムは、その主要構成要素として、図１、図５、図６に示すように、発電制御装置３４、温度制御装置２４、温度測定器２６、燃焼制御装置２７、第１直流母線７に接続された回生機能付インバータ６、第２直流母線１５に接続された出力インバータ１４、および実用負荷２１に接続される連繁スイッチ２０等を備えている。なお、本明細書中、「実用負荷」とは、具体的には、電力を消費する機器、設備等による負荷を言う。

発電制御装置３４は、マイクロコンピュータが使用されており、温度測定器２６を介してヒータチューブ４１の温度計測データが入力される。また、発電制御装置３４には、負荷側の消費電力計（積算電力計）２２が接続されており、実用負荷２１で消費される積算電力量が入力される。このような構成によって、後で詳記するが、実用負荷２１の積算電力量に応じて、燃焼制御装置２７を制御する。

また、発電制御装置３４は、燃焼制御装置２７、出力インバータ演算部１３、回生機能付インバータ演算部５にそれぞれ接続されており、それぞれに、燃焼制御の信号（燃焼制御のスタート信号１２２等）、顧客が使用する周波数（日本では５０Ｈｚか６０Ｈｚ）の指示信号１１０、起動モードの指令回転速度信号１１３を送る。これによって、燃料電磁弁３０および燃料流量調整弁３１、イグナイタ３２、空気ブロアー２８等の動作を制御する。

回生機能付インバータ６には、回生機能付インバータ演算部５が付設され、出力インバータ１４に出力インバータ演算部１３が付設されている。

回生機能付インバータ６は、回生機能付インバータスイッチング素子として、図５に示すように、第1直流母線７に接続された６対の帰還ダイオード６５およびパワートランジスタ（バイポーラ）６６と、第１キャパシター８を備えており、回生機能付インバータ演算部５からの信号で制御される。

回生機能付インバータ６は、スターリングエンジン発電機１の起動時には、永久磁石付同期発電機３の３相巻き線５１へ、蓄電池１２からの電源供給を行い、永久磁石付同期発電機３を同期発動機（モータ）として駆動させる。

また、図１において、回生機能付インバータ６は、スターリングエンジン発電機１が発電状態（回生）になると、コンバータとして機能し、帰還ダイオード６５と第１半導体バルブ９と第1キャパシター８により第１直流母線７の母線電圧を上昇させる。

この第１直流母線の電圧信号１０１は、回生機能付インバータ演算部５に送られ、回生機能付インバータ演算部５は、第１直流母線の電圧が、予め定めた電圧の閾値を超えると、第１半導体バルブ９を作動信号１１４により第２直流母線１５に繋ぎ、接続スイッチ１１が閉じられる。

この結果、スターリングエンジン発電機１が発電した電力の全量が、誘導コイル１０を通り、第２直流母線１５に直流電流として流され、実用負荷２１で消費されない余剰電力は蓄電池１２に一時的に充電可能とする構成になっている。

図１、図６で示すように、第2直流母線１５の出力側には、絶縁トランス１９を介して、連繋スイッチ２０に接続されている。連繋スイッチ２０には、実用負荷２１が接続されており、また、負荷側の消費電力計（積算電力計）２２を介して発電制御装置３４に接続されている。

第2直流母線１５には、蓄電池１２、負荷用ＰＷＭインバータ（多重パルス幅変調制御を用いたインバータ）を構成する出力インバータ１４、放電抵抗器１８、第２半導体バルブ１６（「バルブスイッチ」とも言う）および第2キャパシター１７がそれぞれ並列に接続されている。

発電制御装置３４は、図１、図６に示すように、直流母線１５の電圧信号１０８が閾値を超えると、信号１１５を出して第２半導体バルブ１６を開閉して放電抵抗器１８に電気を逃がし、このような半導体バルブの作動が一定時間続くと、燃焼制御装置２７を介して、燃料電磁弁３０を閉じ、燃料供給を停止する安全機能と無駄な燃料の消費を防ぐ機能を持たせた構成である。

図示はしないが、絶縁トランス１９の２次側配線に設置する交流電圧計から、負荷側の交流電圧のフィードバック信号１０９を出力インバータ演算部１３に送る。そして、発電制御装置３４は、予め設定した周波数を指示する周波数指示信号１１０を、出力インバータ演算部１３に送る。

出力インバータ演算部１３は、交流電圧のフィードバック信号１０９と周波数指示信号１１０に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）の出力信号１１１を演算し、これにより、負荷用インバータ１４がフィードバック制御をすることで、周波数、電圧を顧客の要求品質にキープした交流電力として、実用負荷２１に供給する構成となっている。

永久磁石付同期発電機３は、図４（ａ）、（ｂ）、図５に示すが、ステータ６０内の回転子５０は、コア５３の周面に永久磁石片５２が設けられ、ステータ６０は、その内周面に積層鋼板５９の複数の歯５４が設けられ、積層鋼板５９の巻線空間５５には３相巻線５１が占有する構成となっている。

本実施例の永久磁石付同期発電機３は、図４に示すように、磁極対数Pは８極対であり、磁極対幅の角度７７は４５度で、同期速度Ｎｓ（ＲＰＭ）はＮｓ＝１２０ｆ／Ｐの関係を持つ、今、電機子巻線５１に流す電流波の周波数ｆ（Ｈｚ）を１Ｈｚとすると同期速度は１５ＲＰＭになる。

永久磁石付同期発電機３は、同期電動機としても機能し、同期発電機と同期電動機の基本構造は同一であり同期周波数も同じであり、回転方向７８も同一で、力行（モータ）と回生（発電）の違いは、巻線電流の起点が図４（ｂ）に示す永久磁石のＮ極軸７９に対し遅れるか、進むかの違いである。積層鋼板の歯５４は１８個あり、６個の歯番号７１から７６に１本の巻き線を複数回巻き、１２０度ずつずらして他の２本も複数回巻き、その３本を中性点６４で繋ぐ。

永久磁石付同期発電機３は、図１、図５に示すように、３相巻き線５１のＵ相巻き線６１、Ｖ相巻き線６２およびＷ相巻き線が、それぞれ回生機能付インバータ６、第１キャパシター８の接続された第1直流母線７、第１半導体バルブ９、誘導コイル１０で動作する接続スイッチ１１等を介して、蓄電池１２に接続されている。

以上の構成から成るスターリングエンジン発電機の制御システムの構成およびその特徴を、より明確にするために、その作用、動作を、図７～９および図１０のフローチャート等を参照して、さらに詳細に説明する。

（作用）
起動モード：
起動モード（始動モード）の制御動作について、図１、図５、図６、図７、図１０等を参照して説明する。起動時には、発電制御装置３４は、燃焼制御装置２７に燃焼制御のスタート信号１２２を出し、燃焼制御装置２７からの燃料電磁弁の開閉信号１２３により燃料電磁弁３０を開き、燃料流量調整弁の開度信号１２４により燃料流量調整弁３１の開度を１００％として、定格出力時の燃料流量を燃料噴射弁３３から噴出させ、空気ブロアー２８の燃焼用空気と混合してイグナイタ３２で着火し連続燃焼を開始する（図１０参照）。

次に、発電制御装置３４の起動信号１１２により接続スイッチ１１がオンになり、蓄電池１２が第１直流母線７と繋がる。燃焼ガスの加熱により。スターリングエンジン発電機１のヒータチューブ４１に付設した熱電対２５の温度が、予め設定した設定値の６００℃に達すると、発電制御装置３４から起動モードの指令回転速度信号１１３が回生機能付インバータ演算部５に送られる。

起動時に起動モードで「エンジン回転速度（Ｎ）を停止から１５ＲＰＭ／秒で増速し１０００ＲＰＭの速度を維持する」とすると、回生機能付インバータ演算部５は、巻線電流の周波数を「１Ｈｚ／秒で増加させ６０Ｈｚで保持させる」ために、エンコーダ４からの回転子の回転速度信号１０３、角度位置信号１０４、３相巻線の電圧信号１０６および３相巻線の巻線電流信号１０７に基づいて、基調波（目標の電流波形）の位相と実効値を決めＰＷＭ信号１０５を出すことができる。

そして、永久磁石付き同期発電機３が、力行（電動機としての動作）から回生（発電機機としての動作）に変換する時も、巻線電流の位相と実効値を変化させ、同一周波数の回転速度指令を出すことにより、円滑な回転速度制御を行うことができる。

起動モードでは、永久磁石付同期発電機３の３相巻線５１の電流周波数を1秒間に１Ｈｚづつ増加させると、回転子５０が同期速度で回され１５ＲＰＭづつ速度をあげる。そして、回転斜板４８が同じ速度で回転して、ピストン４０が上下運動する。

ピストン４０の上下運動によって、高圧作動ガスが、ヒータチューブ４１、再生器４４、冷却器４５の中を往復動すると、受熱と放熱を繰り返し図示仕事が大きくなる。図示仕事が、機械損失を上回ると回転軸トルクが負から正になり、スターリングエンジン発電機１は、同期発電機として自立運転の状態になる。

図３（ｂ）に示すように、スターリングエンジン２の高温シリンダー４２は、断熱材５７で覆われており、作動ガス温度に近く、ヒータチューブ４１は火炎に直接さらされている。エンジンを起動するタイミングは、ヒータチューブの熱電対２５の温度で、６００℃付近が始動時間を短くし、バーストを避ける上でも最も適している。

安定的な起動が行われ約２０分が経過すると、高温シリンダー４２の温度（本明細書では「シリンダー温度」とも言う）は６００℃付近になり、エンジントルクが定格出力に近くなる。

そして、シリンダー温度を一定に保つ回転速度制御の定格発電モードに切り替わり、定格時の燃焼量を持続すると、シリンダー温度の上昇を抑える方向で、温度制御装置２４から指示回転速度の増減信号１２０を出し定格発電の状態に達する。

以上のような起動モードの制御動作について、さらに図７において相関的に分かり易く説明を、以下補足する。起動時には、発電制御装置３４は、起動モードの指令回転速度信号１１３と永久磁石付同期発電機３の回転子５０の回転速度信号１０３を、回生機能付インバータ演算部５に送り、トルク（電流値）指示信号とする。

ここで、上記「指令回転速度信号１１３」は、予め設定されている指示回転速度指令（図７中の左下の枠内のグラフ中に記載の「時間経過とともに、右上がり後水平となる線図」参照）に基づいて発電制御装置３４から出される信号である。

さらに、この起動モードに際して、図７に示すように、永久磁石付同期発電機３の回転子の角度位置信号１０４、およびフィードバックされた回生機能付インバータ６の電流値１０７も、回生機能付インバータ演算部５に入力され、トルク指示信号とともに、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）１０５の発生に使用される。

このＰＷＭ信号１０５に基づき、回生機能付インバータ６によって、永久磁石付同期発電機３の回転速度を制御し、図７中の左下の枠内にグラフの線図に沿って回転速度を増し、シリンダー温度が２００℃を超えると、モータ（力行）から発電（回生）の状態に移り、回生機能付インバータ６はコンバータとして働き、引き続き線図に沿って増速し１０００ＲＰＭに達した時点で速度を維持し、その後で定格発電モードへと移行していく。この起動モード中は、燃料流量は、初期値（定格流量）のままで変動はない。

定格発電モード：
定格発電モード（定格発電の状態）の制御動作については、図８において相関的に分かり易く説明する。定格発電モードでは、温度制御装置２４は、予め設定したシリンダー設定温度Ｔｒｅｆを維持するように、永久磁石付同期発電機３の回転速度を制御して稼働する。

そのために、温度制御装置２４は、シリンダー設定温度Ｔｒｅｆ（図７中１１９参照）と、熱電対２３で測定されたシリンダー温度信号Ｔｄ（図７中１１８参照）に基づいて、指示回転速度を新たな回転速度にする指令である回転速度増減指令の指示信号１２０を生成し、この指示信号１２０を回生機能付インバータ演算部５に送り、そこでＰＷＭ信号１０５を生成する。

このＰＷＭ信号１０５に基づき、回生機能付インバータ６によって、永久磁石付同期発電機３の回転速度を制御する。要するに、定格発電モードでは、シリンダーの温度の変化を測定し、予め設定した設定温度と比較し、その差に応じて回転速度増減することで、予め設定したシリンダーの温度を一定に維持するように、永久磁石付同期発電機３の回転制御を行うことを特徴とする。この定格発電モードでは、燃料流量は、基本的には、初期値（定格流量）のままで変動はない。

さらに、定格発電モードの制御動作について、図１、図５、図６等を参照して説明を補足する。すでに起動モードの中でモータ（力行）から発電（回生の状態）になっており、回生機能付インバータ６はコンバータとして働き、帰還ダイオード６５と第1キャパシター８により第１直流母線７の母線電圧を上昇させる。

第１直流母線７の電圧検知センサーが閾値を超えると、第１半導体バルブ９が作動し誘導コイル１０を通り、スターリングエンジン発電機１が発電した電力の全量が第２直流母線１５に直流電流として流される。

発電量の全量が第２直流母線１５に入力されるが、この第２直流母線１５には出力インバータ１４、蓄電池１２および第２キャパシター１７が設置されており、出力インバータ１４は負荷側の電力に合わせて出力する。

図１、図６において、第２直流母線１５の出力インバータ１４（多重パルス幅変調制御を用いたインバータであり負荷用ＰＷＭインバータとも言う）は、前記したとおり、絶縁トランス１９の２次側配線に設置する電圧計および電流計から、負荷側の電圧および電流のフィードバック信号１０９を出力インバータ演算部１３に送り、負荷用インバータ１４がフィードバック制御をすることで、実用負荷２１側の配線の電圧値、電流値をフィードバックして顧客が要求する周波数、電圧で交流電力を実用負荷に電力を供給する。

消費電力量をフィードバックして燃料流量制御：
ところで、定格発電をしている場合、燃焼制御装置２７は、実用負荷２１における消費電力量をフィードバックして燃料流量制御を行う。この消費電力フィードバックによる燃料流量の制御の動作については、図９において相関的に分かり易く説明しているが、図１、図６等も参照して、さらに説明を補足する。

即ち、発電制御装置３４は、２次側の配線に設置した消費電力計２２（電力積算計）から積算電力量のデータを入力し、燃料流量調整弁３１の開度を決めるフィードバック制御を行う。実用負荷２１による積算電力量が低下している場合の例でさらに説明する。

消費電力計２２から、１時間の積算電力量に係る消費電力計の信号１２７が発電制御装置３４に送られ、消費電力Ｐ２（ｋＷ）を算出して定格発電量Ｐ１（ｋＷ）と割合（Ｐ２／Ｐ１）を求め、この割合を受けて燃焼制御装置２７により燃料流量調整弁３１の開度、空気ブロアー２８の回転数を調整して燃料流量を削減する。

以上が、消費電力量をフィードバックして燃料流量制御の例であるが、上記のように、燃料流量を削減すると、加熱量が減り高温シリンダー４２の測定温度Ｔｄは低くなる。

そこで、温度制御装置２４は、回転速度を減じる指示回転速度信号１２０を生成し、回転機能付インバータ演算部５に送り、回転機能付インバータ６が動作して、回転速度を低くすることで高温シリンダー４２の吸熱量を減少させて高温シリンダー４２の温度を高めて一定に維持するように機能する。

即ち、図８に示すように、温度制御装置２４は、高温シリンダー４２の設定温度（Ｔｒｅｆ）と測定温度Ｔｄを比較しＴｄ―Ｔｒｅｆ＜０となるので、現時点の回転速度指令の値Ｎ１に対してＮ１－ΔＮとして新たな回転速度指令の値Ｎ２を、回生機能付インバータ演算部５に出す。

回生機能付インバータ演算部５は、エンコーダ４による回転子の回転速度信号１０３の値Ｎｄと新たな回転速度指令の値Ｎ２を比較しＮｄ－Ｎ２＞０の条件でトルク（電流値）の増加と基調波の周波数を新たな回転速度指令の値Ｎ２に合わせて、回転子の角度位置信号１０４、巻線電流値の信号（３相巻線の電圧信号１０６および３相巻線の巻線電流信号１０７）を入力し、新たな周波数、位相、振幅のＰＷＭ信号１０５を演算し、回生機能付インバータ６により巻線電流を制御して回転速度をＮ２に制定させる。

逆に、実用負荷２１による積算電力量の増大に応答し、低下燃料流量が増加されると、図８において、測定温度についてはＴｄ‐Ｔｒｅｆ＞０、回転速度についてはＮ２＋ΔＮのＮ３の値の速度指令により、基調波の周波数を増加させ、電流値の制御を行い回転速度Ｎ３に制定する。定格発電時の全負荷と１／４負荷の発電領域では、シリンダー温度一定の回転速度制御を行い、高い発電効率を維持して発電量を制御する（図１０、図１１の実験データ参照）。

以上、起動モード、定格発電モードおよび消費電力フィードバックによる燃料流量の制御について説明したが、定格発電モードにおいて、短時間の電力の均衡は蓄電池１２と第２キャパシター１７が行い、一定時間の消費電力量のバランスは、発電側と消費側が一致する様に燃料流量を変えて発電量を調整する。具体的には次のとおりである。

図９に示すように、消費電力計２２の電力消費量がエンジンの定格発電量を下回ると、前記したとおり、燃料流量を削減させ、他方、電力消費量が増加すると燃料流量を増加させる。

この時、回転速度が一定であると、燃料流量の削減または増加のように燃料流量が変化するとシリンダー温度が変動する。具体的には、燃料流量を削減するとシリンダー温度は下がり、燃料流量を増加するとシリンダー温度は上がる。

このようにシリンダー温度が変動するので、繰り返しの説明となるが、図８において説明したように、温度制御装置２４から、新たな回転速度増減指令の信号１２０を、回生機能付インバータ演算部５に送り、回生機能付インバータ６によって、回転速度を変更することで、シリンダー温度を設定温度に保持しながら、電力消費量に相当する発電量の調整を行う。

消費電力がほとんど無い夜間は、蓄電池１２から電力供給し、消費電力計２２で積算する消費電力量が定格発電量の１時間程度になったら、スターリングエンジン発電機１を稼働させ蓄電池１２を充電する。

スターリングエンジン発電機１を停止させる時は、燃料を遮断し燃料入力をゼロにするが、高温シリンダー断熱材５７および燃焼炉壁の断熱層５８の高温の熱容量が残っている。

スターリングエンジン発電機１は、シリンダー温度が２００℃に下がるまでは、温度制御装置２４からの回転速度増減指令の指示信号１２０を、回生機能付インバータ演算部５に出し、回生機能付インバータ６により減速しながら発電を続ける（図１１、図１２、図１３の実験データ参照）。

そして、回転速度が約４００ＲＰＭになった時点で、電源である蓄電池１２からの接続スイッチ１１をオフして回生機能付インバータ６を切り、エンジン発電機を停止させる、この操作により断熱材の熱容量分は蓄電池の充電用に電力回収して燃料消費を抑える。

本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムは以上の構成であり、このような構成による動作の特徴的なポイントを整理すると次のとおりである。

まず、定格発電時の燃料供給一定状態から、ヒータチューブ温度が６００℃になると回生機能付きインバータ６が起動して、前記した起動モードで発電状態まで持っていき（図７参照）、次に、シリンダー温度が６００℃になると、温度制御装置２４を稼働させ、シリンダー温度による回転速度を制御する定格運転モードとする。

さらに、ユーザの消費電力量と比較し燃焼量を調整し（図９）、燃料を減らすと温度が下がるので、温度制御装置２４が働き回転速度を下げて発電量を消費電力量に一致させる。

このような動作を、スターリングエンジン発電機１において、シリンダーおよびヒータチューブのそれぞれの温度を検出することにより、圧力制御をすることなく、回生機能付インバータ６を備えた回路により実現できる。

そのため、本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムは、蓄電池１２の電源を利用し、スターリングエンジン発電機１の起動、発電、停止の自動化を可能とし、自立型発電機としてスターリングエンジン２の高効率の特徴を生かすことができる。

また、本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムは、図示しない冷却水ポンプ、ラジエターファン、オイルポンプ等の補機の操作を制御するとともに、回生機能付インバータ６を有する回路への電力供給を制御し、さらに、起動時と停止時の指令回転数信号を出し、スターリングエンジン発電機を、自立型発電機や緊急用発電機として自動運転を可能とする。

また、本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムは、太陽熱や焼却炉を熱源とするスターリングエンジン発電機にも適用でき、その場合は、熱源の態様に対応して、例えば、燃焼装置部を外したりする構成の変更だけで、スターリングエンジン発電機のほとんどの構成の変更や、回転数制御等の手段を変えることなく、蓄電池を利用した自立型発電機や緊急用発電機として活用できる。

なお、本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムについて、燃料流量とヒータチューブおよびシリンダー温度の関係について基礎試験を行った。その結果、図１１に示すように、ヒータチューブ温度は燃焼熱で急上昇し、スターリングエンジンを始動させると吸熱作用により急上昇が抑えられ、一方、断熱材で覆われているシリンダー温度は、始動すると作動ガス温度が上昇し、モータ（力行）から発電（回生）状態に移行した後も、温度上昇は続くが、６００度に達すると温度制御装置が働き一定温度に保持されることが判る。

また、起動から定格発電をして停止するまでの、回転速度と発電出力（有効電力）の変化について基礎試験を行った。その結果、図１２に示すように、起動モードでは燃料流量は定格出力に合わせており、約２０秒後には発電電力が負（力行）から正（回生）に転換し、回転速度を１０００ＲＰＭで維持すると、シリンダー温度が６００℃に達し、シリンダー温度一定制御により回転速度が上がり１４００ＲＰＭで定格発電に達し、そこで、燃料調整が行われると、シリンダー温度一定制御により回転速度が追従して有効電力を調整することを確認した。

さらに、シリンダー温度と発電トルクの関係に係る基礎試験を行った。その結果、図１３に示すように、起動時のシリンダー温度が低い時は負の発電トルクで、２００℃付近で負から正になり、その後はシリンダー温度の上昇に追従して発電トルクも増加し、６００℃付近で定格トルクが出ていることを確認した。

以上、本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムを実施するための形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係るスターリングエンジン発電機の制御システムは上記のような構成であるから、熱源として、燃料だけでなく、太陽光、燃焼炉、地熱等、いろいろなエネルギーを利用したスターリングエンジン発電機に適用可能である。

１ スターリングエンジン発電機
２ 多気筒復動型スターリングエンジン
３ 永久磁石付同期発電機
４ エンコーダ
５ 回生機能付インバータ演算部
６ 回生機能付インバータ
７ 第1直流母線
８ 第1キャパシター
９ 第１半導体バルブ
１０ 誘導コイル
１１ 接続スイッチ
１２ 蓄電池
１３ 出力インバータ演算部
１４ 出力インバータ
１５ 第2直流母線
１６ 第２半導体バルブ
１７ 第2キャパシター
１８ 放電抵抗器
１９ 絶縁トランス
２０ 連繋スイッチ
２１ 実用負荷
２２ 負荷側の消費電力計
２３ シリンダー温度測定用の熱電対
２４ 温度制御装置
２５ ヒータチューブ温度測定用の熱電対
２６ 温度測定器
２７ 燃焼制御装置
２８ 空気ブロアー
２９ 燃料減圧弁
３０ 燃料電磁弁
３１ 燃料流量調整弁
３２ イグナイタ
３３ 燃料噴射弁
３４ 発電制御装置
４０ ピストン
４１ ヒータチューブ
４２ 高温シリンダー
４３ ピストンロッド
４４ 再生器
４５ 冷却器
４６ 高温作動ガス空間
４７ ロッドシール
４８ 回転斜板
４９ 回転出力軸
５０ 回転子
５１ 発電機の３相巻き線
５２ 永久磁石片
５３ 回転子コア
５４ 積層鋼板の歯
５５ 積層鋼板の巻き線空間
５６ 燃焼室の断熱材
５７ 高温シリンダーの断熱材
５９ 積層鋼板
５８ 燃焼炉壁の断熱層
６０ ステータ
６１ Ｕ相巻き線
６２ Ｖ相巻き線
６３ Ｗ相巻き線
６４ 中性点
６５ 帰還ダイオード
６６ パワートランジスタ（バイポーラ）
７１～７６ Ｕ相巻線歯番号
７７ 磁極対幅の角度
７８ 回転方向
７９ 永久磁石のＮ極軸（ｄ軸）
１０１ 第1直流母線の電圧信号
１０２ 第１直流母線の電流信号
１０３ 回転子の回転速度信号
１０４ 回転子の角度位置信号
１０５ パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）
１０６ ３相巻線の交流電圧の信号
１０７ ３相巻線の交流電流の信号
１０８ 第２直流母線の電圧信号
１０９ 負荷側の電圧電流のフィードバック信号
１１０ 周波数の指示信号
１１１ パルス幅変調（ＰＷＭ）の出力信号
１１２ 起動信号（蓄電池への接続スイッチのオンオフ信号）
１１３ 起動モードの指令回転速度信号
１１４ 第１半導体バルブの作動信号
１１５ 第２半導体バルブの作動信号
１１８ シリンダー温度信号
１１９ シリンダー温度の設定値
１２０ 回転速度増減指令の指示信号
１２１ ヒータチューブ温度信号
１２２ 燃焼制御のスタート信号
１２３ 燃料電磁弁の開閉信号
１２４ 燃料流量制御弁開度の信号
１２５ イグナイタ通電信号
１２６ 空気ブロアー回転速度の信号
１２７ 消費電力計の信号

Claims (7)

1. 多気筒復動型スターリングエンジンと永久磁石付同期発電機を有するスターリングエンジン発電機を制御する発電制御装置および温度制御装置を備えたスターリングエンジン発電機の制御システムであって、
   スターリングエンジン発電機は、回転速度を検出する手段と、ヒータチューブの温度測定手段と、高温シリンダーの温度測定手段と、を備え、
   スターリングエンジン発電機と実用負荷を接続する電気回路には直流母線が設けられ、直流母線に、回生機能付インバータが接続されており、
   温度制御装置は、予め設定された設定温度に、高温シリンダーの温度測定手段による測定温度が同じとなるように、回転速度増減指令の指示信号を生成し、
   回生機能付インバータは、回転速度増減指令の指示信号に基づいて同期発電機の回転速度を制御する構成であることを特徴とするスターリングエンジン発電機の制御システム。
2. 発電制御装置は、ヒータチューブが設定温度に達した時、予め設定した回転速度指令を回生機能付インバータに出し、起動後、高温シリンダーの温度が予め設定された設定温度になると、温度制御装置は、前記回転速度増減指令の指示信号を生成する構成であり、
   回生機能付インバータは、起動時には前記回転速度指令に基づき、同期発電機の回転速度制御を行い、高温シリンダーの温度が予め設定された設定温度になると、回転速度増減指令の指示信号に基づいて、同期発電機の回転速度を制御するように切り替わる構成であることを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン発電機の制御システム。
3. 直流母線は、半導体バルブと誘導コイルを介して接続された第１直流母線と第２直流母線を備え、
   回生機能付インバータは、第１直流母線に接続されており、
   第２直流母線には、蓄電池とキャパシターが並列に接続され、さらに出力インバータと絶縁トランスが接続されており、
   絶縁トランスの２次側配線に電圧計および電流計が付設されており、
   出力インバータは、電圧計および電流計の測定値に基づき、フィードバック制御を行い、所定の周波数、電圧の電力を実用負荷に供給する構成であることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリングエンジン発電機の制御システム。
4. 絶縁トランスの２次側配線に消費電力計が設けられ、該消費電力計は、設定する時間間隔で消費電力量の信号を出し、
   発電制御装置は、該消費電力量に相当する発電を行うために必要な燃料流量を演算して、該燃料流量に基づき燃料流量調整弁を制御するフィードバック制御をする構成であることを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン発電機の制御システム。
5. 蓄電池の高圧側ターミナルと第１直流母線の高圧線の間に接続スイッチが設けられており、
   接続スイッチは、スターリングエンジン発電機の起動時および停止時における力行運転時は接続スイッチが入り、回生運転時はスイッチが切れる動作を行う構成であることを特徴とする請求項３または４に記載のスターリングエンジン発電機の制御システム。
6. 第２直流母線には、放電抵抗器と半導体バルブが接続されており、
   発電制御装置は、第２直流母線の検出電圧が閾値をこえると、半導体バルブを開閉して放電抵抗器に電流を放出し、該動作が一定の時間続くと燃料電磁弁を閉じ、安全機能と燃料消費を抑える機能を持たせた構成であることを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載のスターリングエンジン発電機の制御システム。
7. スターリングエンジンは、燃料にプロパンガス、バイオガス、シェールガスを用い、熱源として太陽熱、焼却炉の熱または地熱を用いる構成であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載のスターリングエンジン発電機の制御システム。

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