JPH0471356A

JPH0471356A - 定電圧・定周波数エンジン発電装置

Info

Publication number: JPH0471356A
Application number: JP2181745A
Authority: JP
Inventors: Isao Fukao; 勲深尾
Original assignee: NIPPON SEIMITSU KEISOKU KK
Current assignee: NIPPON SEIMITSU KEISOKU KK
Priority date: 1990-07-09
Filing date: 1990-07-09
Publication date: 1992-03-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、エンジン発電装置、特に定電圧・定周波数エ
ンジン発電装置に関するものである。

（従来技術とその問題点〕内燃機関の出力は、−１１Ｗ的にその回転数にほぼ比例
する。例えばある３０００ｃｃの自動車用エンジンの場
合は、第３図に示すように、回転数１０００〜６０００
ｒｐｍにおいて３０〜２００ＰＳの変化をする。合板り
にこのエンジンを発電機用に使用した場合、発電機の磁
極数が２、発生すべき三相交流電圧の周波数が６０Ｈｚ
であるとすると、この発電機の同期速度Ｎは、Ｎ　＝１２０　ｘ６０／　２　＝３６０Ｏｒｐｍであり
、３６００ｒｐｍに相当する出力（約１３０ＰＳ）　Ｌ
が活用することができない。

一方、発電機を５０Ｈｚ用として用いる場合には、Ｎ　
＝１２０　Ｘ５０／　２　＝３００Ｏｒｐｍでの運転と
なり、出力は１１５ＰＳとなり、６０Ｈｚより更に１５
ＰＳも低出力使用となり、エンジン出力の有効活用が殆
どはかれない。

また、エンジン発電装置を用いである電気負荷にその電
力を供給した場合、負荷は必ずしも時間的に安定してい
ることはなく変動する。−船釣に最小と最大の比は１：
３程度であり、場合によっては、１：１０になることも
ある。

このような場合でも、従来型のエンジン発電装置である
と、上記の例で言えば、常に３００Ｏｒｐｍまたは３６
００ｒｐｍで運転し続ける必要がある。

しかし、第３図のエンジンの回転速度対出力特性からも
わかるように、仮りに負荷が極端に減少して１０数ｋｌ
ＩＩとなれば、１１０００ｐｒ程度の低速回転でも充分
これを負担することができる。

したがって、１１０００ｒｐの低速回転でも、規定の電
圧９周波数（例えば２００Ｖ、　５０ｔｌｚ）を維持、
保証できれば、燃料費とメンテナンス費用を大きく削現
することが可能となり、また騒音も極端に低下し周辺に
対する迷惑も減じることができると考えられる。

さらに、エンジン発電装置は、エンジンの特性上、周波
数を常に一定に保証することは極めて困難である。

本発明の目的は、負荷変動に応じて、エンジンの回転速
度対出力特性の範囲内においてエンジンの回転速度を変
化させ、エンジン出力の有効利用をはかることのできる
エンジン発電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、如何なるエンジン回転数（負荷の
変動）であっても周波数と電圧を常に一定に保つことの
できる定電圧・定周波数エンジン発電装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の定電圧・定周波数エンジン発電装置は、短絡さ
れた巻線を有する回転子と、前記回転子巻線に磁気的に
結合する回転磁界発生用励磁巻線および前記回転子巻線
に磁気的に結合する三相交流出力巻線を有する固定子と
を備える発電機と、この発電機を駆動する内燃機関とを
具備し、前記発電機の負荷変動に応じて、負荷に対応す
る内燃機関出力・回転数特性に基づく回転数へ発電機を
増減速し、同時に前記回転磁界発生用励磁巻線への励磁
電源の電圧および周波数を調整し、前記三相交流出力巻
線から一定の電圧および一定の周波数の三相交流電圧を
得ることを特徴とする。

本発明によれば、前記回転磁界発生用励磁巻線への励磁
電源は、同期発電機と、この同期発電機を駆動する誘導
電動機と、この誘導電動機を周波数制御により可変速運
転するインバータとを備えている。

また本発明定の電圧・定周波数エンジン発電装置は、前記同期発電機の界磁調整を行い、前記励磁巻線の励磁
電圧を調整するＷｊＪ磁電圧調整手段と、前記インバー
タを制御して前記誘導電動機を周波数制御により可変速
し、前記励磁巻線の発生する回転磁界の回転速度を調整
する回転磁界速度調整手段とを備えている。

また本発明の定電圧・定周波数エンジン発電装置は、前記三相交流巻線の発生する電圧および周波数を検出す
る電圧・周波数検出手段と、この電圧・周波数検出手段の検出した電圧および周波数
に基づいて、前記励磁電圧調整手段および前記回転磁界
速度調整手段に制御情報を与える制御手段とを備えてい
る。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す図であり、発電機は
その構造を明らかにするため巻線を固定子の軸方向に見
た図を付加しである。

発電機１０は、固定子に三相交流出力巻線１１と、三相
回転磁界発生用の励磁巻線１２との二巻線を有し、かつ
双方の巻線は磁気的に分離分断するように配置されてい
る。回転子１３は、固定子側の二巻線に充分対応するだ
けの軸方向の長さを有している。この回転子１３には、
固定子の励磁巻線１２による励磁用三相回転磁界の変圧
器作用により二次側（回転子側）に電圧を誘起するため
に、固定子励磁巻線１２と同じ極数と磁束分布となるよ
うな巻線１４を設け、且つ短絡する。回転子１３は、エ
ンジン２０により回転されるが数千（５０００〜６００
０ｒｐｍ）回転に耐える構造とする。

即ち、この発電Ｓ１０は固定子に双方独立した二巻線を
有する回転予巻線形誘導電動機の構造を有している。

次に、この発電機１０の動作原理について詳細に説明す
る。説明の便宜上、以下のような定義をする。

出力巻線側Ｎ３　；出力巻線ＩＩの誘起電圧による回転磁界の回転
数と方向Ｎｏ　；エンジン２０の回転数（回転子１３の機械的回
転数）・・・方向は常に一定１〉ＯＮ、七Ｎ、の関係にある。

ΦＮ、、Ｎ、４に関係なく、回転子巻線１４の電流が作
る回転磁界の回転数と方向整を行う。

励磁巻線側Ｎ、；励磁電源によって印加され、励磁巻線１２が作る
回転磁界の回転数と方向以下の説明では、固定子の励磁巻線１２と出力巻線１１
とは、２極であるものとする。

励磁電源から例えば５０Ｈｚの三相交流電圧が励磁巻線
１２に印加され、励磁巻線１２は３０００ｒｐｍの回転
磁界ＮＥを発生する。回転子１３が拘束されているとす
ると、回転子巻線１４には、周波数５０Ｈｚの電圧がそ
の巻線比に基づいて誘起される。巻線１４は短絡されて
いるので、このコイルのインピーダンスで抑制されてい
る値の電流が流れ、これによって発生した３０００ｒｐ
ｍの回転磁界ΦＮ、によって、同時に出力巻線１１にも
同様に３０００ｒｐｍの回転磁界Ｎｓが発生し、５０１
（ｚの三相交流電圧を発生する。即ち、Ｎ、＝ΦＮ、　
−Ｎ、の関係となる。これは、第２図に示すように、全
く変圧器の関係と同じである。

今、仮りに上記の条件のままエンジン（回転子）が４０
０Ｏｒｐｍで右回りに回転すれば、回転子１３がＮ。

（３０００ｒｐｍ）の回転磁界を追い越して相対的に１
００゜ｒｐｍの速度でＮ、の磁束を切ることになる。こ
のとき、回転子巻線１４の作る回転磁界ΦＮ、の回転数
は１１０００ｒｐであり、出力巻線１１は、この１１０
００ｒｐに相当する周波数（５０Ｈ２とは異なる）の電
圧を発生することになる。回転子１３の回転数を４００
０ｒｐＭに保持したまま、出力巻線１１の発生する電圧
の周波数を５０Ｈｚに保つには、ΦＮ、を５０Ｈｚ発生
時のＮ　ｓ　（３０００ｒｐｍ）に等しくしなければな
らない。このためにはΦＮ、が常にＮ　ｓ　（３０００
ｒｐｍ）と等しくなるように、Ｎｖ、の回転数を調整す
れば良い。すなわち、Ｎ、の回転数を、エンジン（回転
子）回転数＋３０００ｒｐｍ　＝７００Ｏｒｐｍとなる
ようにする。

数式で表現すると、Ｎ、−ΦＮ３を条件とし、Ｎ　ｔ　
＝　７００Ｏｒｐｍとするには、固定子励磁巻線１２に
、ｆ　＝７０００Ｘ　２　／１２０ −１１６．６１１ｚの周波数の電圧を印加しなければならない。

このように、エンジン２０の回転数を変えても、出力巻
線１１から出力される三相交流の周波数を５０Ｈｚに保
つには、回転子巻線１４がｗＪ磁巻線１２により発生さ
れる回転磁界を３００Ｏｒｐｍの相対速度で切るように
、回転磁界の速度を変えてやれば良い。

以上が発電機１０の動作原理である。

さて第１図に戻り、本実施例のエンジン発電装置は、さ
らに、発電機１０の励磁巻線１２を励磁する三相交流を
発生する同期発電機（ＳＣ；）３０と、この発電機３０
を駆動する誘導電動機（ＩＭ）４０と、この電動機４０
を周波数制御により可変速運転するためのＶＶＶＦイン
バータ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　ＶｏｌｔａｇｅＶａｒｉａ
ｂｌｅ　Ｆｒａｑｕｅｎｃｙ）５０　とを備えている。

ＶＶＶＦインバータ５０の電源には、発電機１０の出力
巻線１１からの三相交流を用いるが、起動時のためのバ
ッテリー５１を用意しておく。

本実施例の定電圧・定周波数エンジン発電装置は、さら
に、発電機１０の励磁巻線１２の発生する回転磁界の回
転磁界速度を調整する調整装置６０と、回転磁界の励磁
電圧を調整する励磁電圧調整装置７０とを備えている。

励磁巻線回転磁界速度調整装置６０は、エンジンの回転
数情報に基づいて、ＶＶＶＦインバータ５０の発生周波
数を制御する。これにより、誘導電動機４０の回転速度
を変え、同期発電機３０の発生する三相交流の周波数を
変える。

また、励磁電圧調整装置７０は、後述する発電機電圧・
周波数・エンジン出力調整装置の制御に基づき、同期発
電機３０の界磁巻線３１への界磁電流を変えることによ
り、同期発電機３０の発生電圧を変える。これにより、
発電機４０の出力巻線１１の発生する三相交流の電圧を
制御する。

前述した発電機電圧・周波数・出力エンジン回転数調整
装置８０は、発電機１０の電圧・周波数検出装置９０お
よび負荷検出装置１００からの情報により、エンジン回
転制御装置１２０に指令を与える。

次に本実施例の運転方法を説明する。−例として、発電
機１０は２００Ｖ、５０１（ｚの三相交流電圧を発生す
る場合を考える。なお、発電機１０の励磁巻線１２およ
び出力巻線１１は共に２極であるものとする。

まず、エンジン２０を起動し、アイドリング速度で放置
しておく。発電機電圧・周波数・出力エンジン回転数調
整装置８０は、回転磁界速度調整装置６０に発電機１０
で発生すべき三相交流の周波数（５０Ｈ２）を指示し、
励磁電圧調整装置７０に発電機１０で発生すべき三相交
流の電圧（２２０Ｖ）を指示する。

次に、電気負荷に電力を供給する場合、発電機負荷検出
装置１００が負荷を検出し、検出結果を発電機電圧・周
波数・出力エンジン回転数調整装置８０に送る。調整装
置８０では、エンジン２０の出力・回転数特性から所要
出力のためのエンジン回転数（例えば４０００ｒｐｍ　
）を演算し、エンジン回転制御装置１２０を指令し、回
転数を４００Ｏｒｐｍに立上げる。

このときエンジンの回転数Ｎ６の情報は、タコジェネレ
ータ２１からエンジン回転制御装置１２０および励磁巻
線回転磁界速度調整装置６０に入力される。

励磁巻線回転磁界速度調整装置６０は、ＮＯの情報に基
づいて、発電機１０においてΦＮ　、　−Ｎ　、　（３
０００ｒｐｍ）となるような、ＮＥ　−ＮＭ＋Ｎｓ　（
７０００ｍ）の回転磁界速度を得るために、励磁巻線１
２に前述したように１１６．６１１ｚの周波数の電圧を
印加できるように、制御指令をＶＶＶＦインバータ５０
の制御部に入力する。これにより誘導電動機４０の回転
速度が定まり、同期発電機３０の発生する三相交流の周
波数（１１６゜６Ｈｚ）が定まる。例えば、同期発電機
３０が４極であるとすると、同期速度−１２０Ｘ１１６
．６／　４　＝３５０Ｏｒｐｍであるから、同期発電機
３０はこの回転速度で駆動すればよい。

一方、励磁電圧調整装置７０は、出力巻線１１が２００
Ｖの三相交流を発生するように、同期発電機３０の界磁
調整を行い、励磁巻線１２での励磁電圧を定める。

以上の制御により、発電機１０は５０１１ｚ、　２００
Ｖの三相交流を発生するが、その原理についてはすでに
詳細に説明しであるので、再度の説明は省略する。

以上のようにこのエンジン発電装置が負荷に５０１１ｚ
、２００Ｖの三相交流電力を供給しているときに、出力
巻線１１に接続されている負荷が増減すると、発電機負
荷検出装置１００よりの情報が発電機電圧・周波数・出
力エンジン回転数調整装置８０へ自動入力され、エンジ
ン回転制御装置１２０によりその負荷に対応するエンジ
ン特性に基づく回転数へ自動増減速し、その負荷を担う
。

このとき同時に同次元でリアルタイムにタコジェネレー
タ２１からの増減速情報が励磁巻線回転磁界速度調整装
置６０に自動入力され、上記したと同様に制御され出力
巻線１１の周波数を一定になるように常に自動調整する
。

電圧変動時も同様に、電圧・周波数検出装置９０の検出
する電圧の変動を調整装置８０が検知すると、励磁電圧
調整装置７０を指令して、出力三相交流電圧が２００ｖ
に保たれるように制御する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の定電圧・定周波数エンジン
発電装置によれば、発電機の負荷変動に応じて、この負
荷を担うように内燃機関の回転数、したがって出力を調
整できるので、内燃機関の出力の有効活用がはかれる。

また本発明によれば如何なる負荷変動に対しても、周波
数と電圧を一定に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の構成を示す図、第２図は
、発電機の原理の説明に供する図、第３図は、エンジン
の出力回転数特性の一例を示す図である。１０・・・・・発電機１１・・・・・三相交流出力巻線１２・・・・・励磁巻線１３・・・・・回転子１４・・・・・回転子巻線２０・・・・・エンジン３０・・・・・同期発電機４０・　・７０・　・８０・　・１００　・・・誘導電動機・・ＶＶＶＦインバータ・・励磁巻線回転磁界速度調整装置励磁電圧調整装置・・発電機電圧・周波数・出力エンジン回転数調整装置電圧・周波数検出装置発電機負荷検出装置エンジン回転制御装置１２０　・　・　・　・

Claims

【特許請求の範囲】

（１）短絡された巻線を有する回転子と、前記回転子巻
線に磁気的に結合する回転磁界発生用励磁巻線および前
記回転子巻線に磁気的に結合する三相交流出力巻線を有
する固定子とを備える発電機と、この発電機を駆動する内燃機関とを具備し、前記発電機
の負荷変動に応じて、負荷に対応する内燃機関出力・回
転数特性に基づく回転数へ発電機を増減速し、同時に前
記回転磁界発生用励磁巻線への励磁電源の電圧および周
波数を調整し、前記三相交流出力巻線から一定の電圧お
よび一定の周波数の三相交流電圧を得ることを特徴とす
る定電圧・定周波数エンジン発電装置。
（２）請求項１記載の定電圧・定周波数エンジン発電装
置において、前記回転磁界発生用励磁巻線への励磁電源は、同期発電
機と、この同期発電機を駆動する誘導電動機と、この誘
導電動機を周波数制御により可変速運転するインバータ
とを備えることを特徴とする定電圧・定周波数エンジン
発電装置。
（３）請求項２記載の定電圧・定周波数エンジン発電装
置において、前記同期発電機の界磁調整を行い、前記励磁巻線の励磁
電圧を調整する励磁電圧調整手段と、前記インバータを
制御して前記誘導電動機を周波数制御により可変速し、
前記励磁巻線の発生する回転磁界の回転速度を調整する
回転磁界速度調整手段とを備えることを特徴とする定電
圧・定周波数エンジン発電装置。
（４）請求項３記載の定電圧・定周波数エンジン発電装
置において、前記三相交流巻線の発生する電圧および周波数を検出す
る電圧・周波数検出手段と、この電圧・周波数検出手段の検出した電圧および周波数
に基づいて、前記励磁電圧調整手段および前記回転磁界
速度調整手段に制御情報を与える制御手段とを備えるこ
とを特徴とする定電圧・定周波数エンジン発電装置。
（５）請求項４記載の定電圧・定周波数エンジン発電装
置において、前記発電機の電気負荷を検出する負荷検出手段と、前記エンジンの回転を制御するエンジン回転制御手段と
を備え、負荷変動に応じて、前記制御手段は、前記エンジン回転
制御手段に制御情報を与え、負荷を担う回転数でエンジ
ンを回転させることを特徴とする定電圧・定周波数エン
ジン発電装置。