JPH06276797A

JPH06276797A - 発電システム

Info

Publication number: JPH06276797A
Application number: JP5085704A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 洋藤本; Yuji Nakamura; 裕司中村; Koji Okuda; 浩二奥田; Kosuke Nakatani; 浩介中谷
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】一台の原動機によって、定電圧定周波数の電
力と、可変電圧可変周波数の電力の両方を取り出し、部
分負荷時の省エネルギー効果を向上する。【構成】一台の原動機１に、第１および第２の巻線形
誘導発電機３，４を連動連結するとともに、その第１お
よび第２の巻線形誘導発電機３，４それぞれに所望の周
波数および電圧の出力電力を取り出せるように励磁電流
を制御する第１および第２の励磁装置６，７を備え、第
１の励磁装置６をにより励磁電流を制御して第１の巻線
形誘導発電機３から定電圧定周波数電力を取り出し、一
方、第２の励磁装置７をにより励磁電流を制御して第２
の巻線形誘導発電機４から可変電圧可変周波数電力を取
り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コジェネレーションシ
ステムなどに用いるために、一台の原動機に、その原動
機の回転数が変化しても所望の周波数および電圧の出力
電力を取り出せるように励磁電流を制御する励磁電流制
御手段を有する複数個の巻線形誘導発電機を連動連結
し、各巻線形誘導発電機発電機から同時に電力を供給で
きるように構成した発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】冷暖房等の空調設備では、その空調熱搬
送動力に消費される電力の割合が大きく、また、空調負
荷自体が、夏場や冬場は増大するがそれ以外では減少す
るといったように季節によって変動するのみならず、一
日の間でも昼間と夜間といったように大きく変動し、し
かも、ピークに達するような時間帯は一年のうちでもわ
ずかである。

【０００３】そのため、ピークに達していない部分負荷
時に、ポンプや空調ファンなどの遠心回転型熱搬送機器
を回転数制御して駆動することにより、大幅な省エネル
ギーを図ることができる。

【０００４】従来、上述した回転数制御を、インバータ
で行う代わりに同期発電機を連結したエンジンなどの原
動機の回転数を制御して行い、低コストでインバータに
よる損失および高潮波の虞無く行うようにしたシステム
が開発されている。

【０００５】また、揚水式発電所において用いられてい
る、励磁電流を制御するサイクロコンバータを備えた巻
線形誘導発電機は、サイクロコンバータを利用して巻線
形誘導発電機の回転子上に、系統周波数（60Hzまたは50
Hz）によって決まる磁束の回転速度（同期速度）と回転
子の機械的速度との差（すべり速度）に相当する回転磁
場を形成し、所望の周波数および電圧の出力電力を取り
出せるように励磁電流を制御して任意の速度でポンプを
運転し、また、水車の運転時には、水車の速度に無関係
に、系統と連系して商用周波数60Hzで発電できるように
したものが知られている。今、系統の周波数によって決
まる回転速度（同期速度）ｎ₁、回転子の機械的な回転
速度をｎ₂とすれば、サイクロコンバータによって形成
される磁界のロータに対する相対速度（すべり速度）は
ｎ₁−ｎ₂となる。

【０００６】巻線形誘導発電機や同期発電機では、いず
れにおいても、発電電力量および電圧は、磁界の強さ、
ならびに、ロータ側磁束とステータ側磁束との磁気的な
位相の関係によって決定されるものであり、この位相と
磁界の強さ（励磁電流によって変わる）を制御すること
により、系統と連系しての運転時には、無効電力・有効
電力を制御し、それ以外の単独運転時には、電圧・周波
数を制御できる。また、系統に連系した場合において、
系統（ステータ）側磁束に対してロータ側磁束を進相に
すれば発電になり、遅相にすれば電動機になる。この場
合、同期発電機では、ロータ側磁束がロータ上に固定さ
れているので、ロータ自身を同期速度で回転せざるを得
ないが、巻線形誘導発電機の場合、ロータ上に巻かれた
三相巻線の励磁電流を制御することにより、ロータの回
転数に関係無く任意の励磁磁束回転速度を作ることがで
きる。

【０００７】なお、有効電力発電量の変化は、ロータに
かかるトルクの変化となって現れるが、原動機の制御系
によってスロットル開度の変化に変えられ、最終的に、
原動機への燃料供給量の変化、すなわち、エネルギー入
力の変化となるのはエネルギー保存則から自明である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ガスエンジンのような
オットーサイクルエンジンは、出力制御をスロットル絞
りによっているため、定速度で定電圧定周波数運転を行
う場合、部分負荷（低トルク）時の効率が悪化する。部
分負荷効率を定格効率に等しく維持するためには、部分
負荷時に回転数制御を行って定格時と等しいトルクがエ
ンジンにかかるようにする必要がある。

【０００９】しかしながら、前述した、同期発電機を連
結したエンジンなどの原動機の回転数を制御して発電す
るシステムの場合に、部分負荷状態の場合に単純に回転
数制御を行ったのでは、定トルク運転ができない。何故
ならば、ポンプ等の遠心型回転機器の駆動エネルギー
（発電機側から見れば負荷）は、回転数の略３乗に比例
して変化する（図２のＷ２）のに対し、能力曲線（すな
わち定トルク線）は回転数に略比例して変化する（図２
のＷ１）からである。すなわち、トルクは定格のＷ２／
Ｗ１倍となる。このことは、エンジンの能力を充分に利
用していないともいえる。

【００１０】また、同期発電機を可変電圧可変周波数で
運転した場合、前述した所定の商用周波数60Hz（または
50Hz）の電力を取り出すことができない欠点があり、従
って、商用電源とも連系できないために、常に切り離し
て運転しなければならず、エンジンなどの原動機による
発電能力の負荷量に対する余剰分を、例えば、照明など
のような商用周波数60Hzで使用する機器に発電電力とし
て供給できず、省エネルギーを図る上で未だ改善の余地
があった。

【００１１】一方、エンジンなどの原動機を定格速度で
運転し、商用周波数60Hzの電力を取り出そうとすると、
逆に、可変電圧可変周波数制御での電力を取り出すこと
ができず、その上、逆潮流防止、電力単価等の理由か
ら、出力を絞る場合、定格速度運転状態では、エンジン
出力＝トルク×回転数の関係より、トルクを定格（最大
使用トルク）以下に落とさざるを得ず、発電効率も大き
く低下する。したがって、前述の場合と同様に、省エネ
ルギーを図る上で未だ改善の余地がある。上述の問題
は、サイクロコンバータを備えた巻線形誘導発電機を用
いる発電システムの場合でも同様である。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、請求項１に係る発明の発電システム
は、一台の原動機によって、定電圧定周波数の電力と、
可変電圧可変周波数の電力の両方を取り出し、部分負荷
時の省エネルギー効果を向上できるようにすることを目
的とし、また、請求項２に係る発明の発電システムは、
原動機を定トルク運転して部分負荷効率を向上できるよ
うにすることを目的とし、また、請求項３に係る発明の
発電システムは、原動機からの排熱を利用して冷温水を
得る場合にあって、春や秋などの中間期の夜間などで冷
熱および温熱需要の極めて少ないときに、省エネルギー
効果をより一層向上できるようにすることを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明の発
電システムは、上述のような目的を達成するために、一
台の原動機に、その原動機の回転数が変化しても所望の
周波数および電圧の出力電力を取り出せるように励磁電
流を制御する励磁電流制御手段を有する複数個の巻線形
誘導発電機を連動連結し、各巻線形誘導発電機から同時
に電力を供給できるように構成した発電システムにおい
て、巻線形誘導発電機のうちの一部から定電圧定周波数
電力を、他部の巻線形誘導発電機から可変電圧可変周波
数電力をそれぞれ取り出すように励磁電流制御手段を制
御することを特徴としている。

【００１４】また、請求項２に係る発明の発電システム
は、上述のような目的を達成するために、請求項１の巻
線形誘導発電機から取り出される定電圧定周波数電力と
可変電圧可変周波数電力との合計電力を求めるととも
に、その合計電力を得るに必要な原動機の回転数であっ
て、かつ、原動機にかかるトルクを定格トルクに維持す
る原動機の回転数を算出する回転数演算手段を設け、そ
の回転数演算手段によって算出された回転数を維持する
ように原動機を制御する回転数制御手段を設けて構成す
る。

【００１５】また、請求項３に係る発明の発電システム
は、上述のような目的を達成するために、請求項１また
は請求項２の原動機と、複数個の巻線形誘導発電機との
間に動力の伝達を遮断する伝動クラッチを設け、その伝
動クラッチの切り状態において、ひとつの巻線形誘導発
電機と商用電源とを接続可能に構成し、その巻線形誘導
発電機を電動機とし、他の巻線形誘導発電機から可変電
圧可変周波数電力を取り出すように励磁電流制御手段を
制御するように構成する。

【００１６】上述した、所望の周波数および電圧の出力
電力を取り出せるように励磁電流を制御する励磁電流制
御手段に含まれる周波数変換手段としては、サイリスタ
や、パワートランジスタによるＰＷＭ制御（パルス幅制
御）や、サイクロコンバータなどを使用することができ
る。

【００１７】また、定電圧定周波数電力側の発電機は、
商用電源と連系しても良いし、可変電圧可変周波数電力
側の発電機の負荷として、冷温水ポンプやファンといっ
た空調熱搬送動力を用いても良い。商用電源との連系の
ためには、同期検定装置を必要とするのはもちろんであ
る。また、原動機としては、ガスエンジン、ディーゼル
エンジン、蒸気タービンなどが用いられる。

【００１８】本明細書でいうところの、「定周波数」と
は、同期発電機に原動機を連動連結した発電システムに
おいて、原動機を定格速度で運転したときに同期発電機
で発電される電力の周波数であり、通常、関西地方では
60Hz、関東地方では50Hzで設計される。また、「定電
圧」とは、発電システムの設計運転電圧であり、通常 2
00〜 22000ボルトの範囲内の特定値で設計されることが
多い。「可変電圧可変周波数電力」とは、設計された定
電圧定周波数以外の電力で、負荷の要求に応じた電力で
ある。負荷が一定の場合は可変電圧可変周波数電力の電
圧および周波数それぞれは通常一定になる。電圧と周波
数は比例関係を保たせる場合が多い。また、定格トルク
は原動機を定格速度で運転し、かつ、定格出力（すなわ
ち、使用上の最大出力）で運転したときの原動機にかか
るトルクである。また、巻線形誘導発電機というのは、
その発電機の構造を指すのであって、発電原理が誘導発
電機という意味では無い。

【００１９】

【作用】請求項１に係る発明の発電システムの構成によ
れば、一部の巻線形誘導発電機から定電圧定周波数電力
を取り出すとともに、他部の巻線形誘導発電機から可変
電圧可変周波数電力を取り出し、季節ごとや時間帯ごと
の空調負荷などの変化に応じて、熱搬送機器などを可変
速運転し、かつ、照明機器などには、商用電源と連系し
て定電圧定周波数電力を供給することができる。また、
熱搬送機器などを低速運転したときには、原動機の余裕
分を定電圧定周波数電力の取り出しに廻し、原動機の能
力を有効に利用することができる。

【００２０】また、請求項２に係る発明の発電システム
の構成によれば、熱搬送機器などでの負荷変動にかかわ
らず、原動機を常に略一定のトルクで運転することがで
き、部分負荷時の発電効率を高く維持することができ
る。

【００２１】また、請求項３に係る発明の発電システム
の構成によれば、伝動クラッチにより動力伝達を遮断
し、原動機を用いずに一部の巻線形誘導発電機を商用電
源で駆動し、その巻線形誘導発電機を電動機として他部
の巻線形誘導発電機で発電し、励磁電流制御手段により
励磁電流を制御して、商用電源を用いながらインバータ
なしで可変電圧可変周波数の電力を取り出し、その電力
により空調熱搬送機器などに対する動力を得ることがで
きる。これは、排熱需要が極端に小さく、原動機を停止
して商用電源を使った方が経済的であるケースであり、
このときの冷熱および温熱需要に対しては、例えば、ガ
ス焚のボイラや冷凍機で必要量の熱を得れば良い。

【００２２】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００２３】図１は、本発明に係る発電システムの実施
例を示すブロック図であり、一台の原動機（ガスエンジ
ン）１に、電磁操作式の伝動クラッチ２を介して第１の
巻線形誘導発電機３が連動連結されるとともに、その第
１の巻線形誘導発電機３と第２の巻線形誘導発電機４と
が伝動軸５を介して連動連結されている。

【００２４】第１および第２の巻線形誘導発電機３，４
それぞれには、所望の周波数および電圧の出力電力を取
り出せるように励磁電流を制御する第１および第２の励
磁装置６，７が備えられている。

【００２５】第１の巻線形誘導発電機３からの電力を取
り出す第１の出力線８に第１の遮断器９を介して第１の
電力取り出し線１０が接続されるとともに、その第１の
電力取り出し線１０に第２の遮断器１１を介して商用電
源１２が接続されている。第２の巻線形誘導発電機４か
らの電力を取り出す第２の出力線１３に第３の遮断器１
４を介して第２の電力取り出し線１５が接続されるとと
もに、その第２の電力取り出し線１５にファンコイルユ
ニットなどの空調負荷１６が接続されている。

【００２６】第１および第２の出力線８，１３それぞれ
に、第１および第２の電圧・電流変換器１７，１８が付
設され、回転数制御手段を構成するマイクロコンピュー
タ１９に第１および第２の電圧・電流変換器１７，１８
が接続されるとともに、マイクロコンピュータ１９と第
１および第２の励磁装置６，７とが接続され、更に、空
調負荷１６とマイクロコンピュータ１９が接続されると
ともに、マイクロコンピュータ１９に、原動機１に付設
された燃料供給量調整用のスロットル２０が接続され、
更に原動機１の回転数ピックアップ２１が接続され、伝
動クラッチ２の入り切り状態に合わせて、マイクロコン
ピュータ１９により所定の動作を行うように構成されて
おり、次に説明する。

【００２７】先ず、伝動クラッチ２の入り状態では、第
１の励磁装置６により励磁電流を制御して第１の巻線形
誘導発電機３から定電圧定周波数電力を取り出すととも
に商用電源１２と系統連系させ、かつ、第２の励磁装置
７により励磁電流を制御して第２の巻線形誘導発電機４
から可変電圧可変周波数電力を取り出して空調負荷１６
の熱搬送機器に供給する。すなわち、第１および第２の
巻線形誘導発電機３，４から同時に電力を供給する。な
お、電圧・電流変換器１７，１８は設定の有効電力、無
効電力、電圧、周波数を得るための励磁制御におけるフ
ィードバックとして用いる。

【００２８】このとき、空調負荷１６側で要求されるフ
ァンコイルユニット等の冷水制御弁の開度や設定温度な
どから推定される空調負荷がマイクロコンピュータ１９
に入力され、その負荷に合うように周波数および電圧を
設定し、第２の励磁装置７を制御して第２の巻線形誘導
発電機４からその設定した可変電圧可変周波数電力を取
り出し、空調負荷１６の熱搬送機器を駆動した時の、周
波数と必要電力量との関係を、予め、熱搬送機器の特性
から求めて、マイクロコンピュータ１９に記憶しておく
ものとする。ここで、設定電圧は、設定周波数に比例す
るよう与えるのが一般的である。また、空調負荷と設定
周波数の関係は、例えば、図３に示すグラフのようなも
のであって、空調負荷とともに設定周波数を低下させ
る。

【００２９】一方、第１の巻線形誘導発電機３からは、
第１の励磁装置６により制御されて定電圧定周波数電力
が取り出される。この取り出しに必要な定電圧定周波数
電力の量は、予め、システム運用段階で経済性等を考慮
して設定されるとともに、その設定された定電圧定周波
数電力がマイクロコンピュータ１９に入力される。

【００３０】マイクロコンピュータ１９には回転数演算
手段が備えられ、設定した定電圧定周波数電力と、設定
電圧、設定周波数で運転したときの可変電圧可変周波数
電力との合計電力を求めるとともに、その合計電力を定
格トルクを維持しつつ得るに必要な原動機１の回転数を
算出するようになっている。これは、図２のＷ１を用い
て行う。Ｗ１は発電能力曲線であって、トルク一定曲
線、すなわち、定格トルク曲線と同一と解釈できる。

【００３１】そして、マイクロコンピュータ１９では、
上述した回転数演算手段によって算出された回転数を維
持するように回転数ピックアップ２１でフィードバック
をかけつつスロットル２０を自動的に調整制御し、原動
機１を常に略一定のトルクで運転できるように回転数制
御手段が構成されている。

【００３２】そして、伝動クラッチ２により動力伝達を
遮断した状態においては、第１の巻線形誘導発電機３と
商用電源１２とを接続し、その第１の巻線形誘導発電機
３を電動機とし、かつ、第２の励磁装置７により励磁電
流を制御して第２の巻線形誘導発電機４から可変電圧可
変周波数電力を取り出す。このとき、マイクロコンピュ
ータ１９に入力される空調負荷１６からの負荷に応じ、
第２の電圧・電流変換器１８で測定される可変電圧可変
周波数電力が負荷に応じた値になるように制御するよう
になっている。

【００３３】上記実施例において、第１および第２の巻
線形誘導発電機３，４の制御は、実際には、磁束方向成
分とトルク成分を分離して行う、いわゆるベクトル制御
の考え方およびシステム構成が必要であるが、確立され
た技術であるので本システム構成では省略している。ま
た、商用電源に系統連系した場合においては、発電制御
は、周波数・電圧制御から無効電力・有効電力制御に切
り替わるが、常識的な事柄であり省略している。このよ
うな技術については、特願昭５１−７１１８１号、特願
昭６２−１９５６７４号、特願平２−４２６７５号等に
詳しく紹介されている。

【００３４】また、本発明としては、３個以上の巻線形
誘導発電機を設けて構成するものでも良い。また、原動
機としては、上述実施例のようなガスエンジンに限ら
ず、ディーゼルエンジンや蒸気タービンなども使用でき
る。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明の発電システムによれば、複数個の巻線形
誘導発電機を一台の原動機に連動連結し、励磁電流制御
手段により励磁電流を制御することによって、一部の巻
線形誘導発電機から定電圧定周波数電力を出力しなが
ら、他部の巻線形誘導発電機から可変電圧可変周波数電
力を出力するから、定電圧定周波数電力および可変電圧
可変周波数電力のいずれをも供給できながら、夏場や冬
場などで、電力需要や排熱需要が大きい場合に、原動機
を能力一杯に作動して最大能力の発電を行うことができ
る。しかも、可変電圧可変周波数電力を必要とする負荷
として、例えば、空調熱搬送用遠心回転機を選んだ場合
に、その空調負荷が小さいときには、その空調負荷に応
じて回転数を落とすことにより、その駆動動力を回転数
のほぼ３乗に比例して低下させることができるから、一
定の回転数で使用した場合に比べて大幅な省エネルギー
効果を達成できる。また、熱搬送機器などを低速運転し
たときには、原動機の余裕分を定電圧定周波数電力の取
り出しに廻すことができ、上述の省エネルギー効果を達
成する結果において節約できた動力を定電圧定周波数発
電に利用することによって、その出力電力を実質的に増
加できる利点がある。さらに、定電圧定周波数電力を出
力するから、商用電源と連系できる。

【００３６】また、請求項２に係る発明の発電システム
によれば、熱搬送機器などでの負荷変動にかかわらず、
原動機を常に略一定のトルクで運転することができるか
ら、原動機の部分負荷効率を向上できる。すなわち、例
えば、二台の原動機を用意し、一方を定電圧定周波数で
運転し、他方を可変電圧可変周波数で運転する場合、原
動機が２台になるためにコストアップとなる以上に運用
の融通性、および、部分負荷効率が低下する。すなわ
ち、100kwの定電圧定周波数発電機と 100kwの可変電圧
可変周波数発電機で、 150kwの定電圧定周波数負荷と、
50kwの可変電圧可変周波数負荷を満たすことはできない
のであり、また、定電圧定周波数負荷が50kw、可変電圧
可変周波数負荷が50kwのとき、半分の負荷率となって発
電効率を向上することができないのである。これに対し
て、請求項２に係る発明の発電システムによれば、励磁
電流制御手段により励磁電流を制御することによって、
それらに容易に対応できる。

【００３７】また、請求項３に係る発明の発電システム
によれば、原動機からの排熱を利用して冷温水を得る場
合にあって、春や秋などの中間期や夜間などで冷熱およ
び温熱需要の極めて少ないときに、原動機を用いずに一
部の巻線形誘導発電機を商用電源で駆動し、それを電動
機として他部の巻線形誘導発電機からインバータ無しで
取り出した可変電圧可変周波数の電力により空調熱搬送
動力を得るから、熱搬送動力の低減を図りながら、か
つ、極めて少ない冷熱および温熱需要のために原動機を
駆動するという無駄を無くし、例えば、ガス焚のボイラ
や冷凍機で必要量の熱を得ることができ、省エネルギー
効果をより一層向上できる。殊に、排熱冷凍機では、そ
の成績係数が低く、冷凍機で冷熱を得ることにより大幅
な省エネルギーを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発電システムの実施例を示すブロ
ック図である。

【図２】回転数と発電能力または負荷との相関を示すグ
ラフである。

【図３】空調負荷と設定周波数との相関を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１…原動機２…伝動クラッチ３…第１の巻線形誘導発電機４…第２の巻線形誘導発電機６…第１の励磁装置７…第２の励磁装置１２…商用電流１９…マイクロコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中谷浩介大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一台の原動機に、その原動機の回転数が
変化しても所望の周波数および電圧の出力電力を取り出
せるように励磁電流を制御する励磁電流制御手段を有す
る複数個の巻線形誘導発電機を連動連結し、各巻線形誘
導発電機から同時に電力を供給できるように構成した発
電システムであって、前記巻線形誘導発電機のうちの一部から定電圧定周波数
電力を、他部の巻線形誘導発電機から可変電圧可変周波
数電力をそれぞれ取り出すように前記励磁電流制御手段
を制御することを特徴とする発電システム。
【請求項２】請求項１の巻線形誘導発電機から取り出
される定電圧定周波数電力と可変電圧可変周波数電力と
の合計電力を求めるとともに、その合計電力を得るに必
要な原動機の回転数であって、かつ、原動機にかかるト
ルクを定格トルクに維持する原動機の回転数を算出する
回転数演算手段を設け、その回転数演算手段によって算
出された回転数を維持するように前記原動機を制御する
回転数制御手段を設けてある発電システム。
【請求項３】請求項１または請求項２の原動機と、複
数個の巻線形誘導発電機との間に動力の伝達を遮断する
伝動クラッチを設け、その伝動クラッチの切り状態にお
いて、ひとつの巻線形誘導発電機と商用電源とを接続可
能に構成し、その巻線形誘導発電機を電動機とし、他の
巻線形誘導発電機から可変電圧可変周波数電力を取り出
すように励磁電流制御手段を制御する発電システム。