(57)【要約】【課題】自家発電の電力を使用することができて、電力料金のコスト低減及びイニシャルコストがかからず、又、ランニングコストの低減を図ることができるインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給方法を提供する。【解決手段】ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６（付属機器類）は、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に対して電力受給可能に接続されるとともに同期発電機３に対して電磁接触器３３を介して電力受給可能に接続されるようにした。そして、原動機２の始動開始時には、電磁接触器３３の開放状態を許容し、原動機２が始動を開始した後、遅延して電磁接触器３３を開放状態から閉成状態に制御する制御部３９を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
買電系統と並列運転を行うとともに内燃機関により自家発電を行うインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給方法において、
前記内燃機関の始動時に、前記買電系統から電力を前記付属機器類に対して供給し、前記内燃機関の始動後、前記自家発電による電力を供給することを特徴とするインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給方法。
【請求項２】
前記自家発電による電力の供給は、自家発電が安定した後に行うことを特徴とする請求項１に記載のインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給方法。
【請求項３】
買電系統と並列運転を行うとともに内燃機関を備えた自家発電機により自家発電を行うインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給装置において、
前記付属機器類は、買電系統に対して電力受給可能に接続されるとともに前記自家発電機に対して開閉手段を介して電力受給可能に接続され、
前記内燃機関の始動開始時には、開閉手段の開放状態を許容し、内燃機関が始動を開始した後、遅延して前記開閉手段を開放状態から閉成状態に制御する制御手段を備えたことを特徴とするインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給装置。
【請求項４】
前記自家発電機の出力電圧を推定する電圧推定手段を備え、前記制御手段による前記開閉手段の開放状態から閉成状態への制御は、前記電圧推定手段の推定結果に応じて行うものである請求項３に記載のインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給装置。
【請求項５】
前記電圧推定手段が、自家発電機の出力電圧が定格電圧の８５％に達したと推定したとき、前記制御手段は、前記開閉手段を開放状態から閉成状態に制御するものであることを特徴とする請求項４に記載のインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自家発電システムの付属機器類の電力供給方法及び自家発電システムの付属機器類の電力供給装置に関し、特に、インバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給方法及びインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力消費機器（負荷）への送電系統に、外部商用電源の商用電力系統と、自家発電システムの発電電力系統を接続し、電力消費機器（負荷）の需要電力を賄うシステムが広く使用されるようになっている。
【０００３】
自家発電機には、ガスエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関が適用されており、自家発電システムには、発電機本体の他に、付属機器類として、システムの制御装置、ラジエータや換気用のファン、エンジン冷却水のポンプなどが設けられている。
【０００４】
ところで、これらの付属機器類の電力を、自家発電の電力にて賄う技術が提案されている（特許文献１）。
すなわち、自家発電時の運転費用よりも外部商用電源は電力料金が高いため、この技術によって付属機器類に使用する電力料金が軽減されコストを低減できる利点がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２４４７４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の技術は、インバータを介して外部商用電力と系統連系させているが、このインバータには高性能のものが必要で、その取り付けが大掛かりとなり、又、インバータを設けるとそのイニシャルコストが高いため、イニシャルコストを含めた場合、コスト的に不利であった。
【０００７】
本発明の目的は、自家発電の電力を使用することができて、電力料金のコスト低減及びイニシャルコストがかからず、又、ランニングコストの低減を図ることができるインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給方法を提供することを目的とする。
【０００８】
又、他の目的は、自家発電の電力を使用することができて、電力料金のコスト低減及びイニシャルコストの低減を図ることができるインバータレス方式の自家発電システムの付属機器類の電力供給装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、買電系統と並列運転を行うとともに内燃機関により自家発電を行う自家発電システムの付属機器類の電力供給方法において、前記内燃機関の始動時に、前記買電系統から電力を前記付属機器類に対して供給し、前記内燃機関の始動後、前記自家発電による電力を供給することを特徴とする自家発電システムの付属機器類の電力供給方法を要旨とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、前記自家発電による電力の供給は、自家発電が安定した後に行うことを特徴とする。
請求項３の発明は、買電系統と並列運転を行うとともに内燃機関を備えた自家発電機により自家発電を行う自家発電システムの付属機器類の電力供給装置において、前記付属機器類は、買電系統に対して電力受給可能に接続されるとともに前記自家発電機に対して開閉手段を介して電力受給可能に接続され、前記内燃機関の始動開始時には、開閉手段の開放状態を許容し、内燃機関が始動を開始した後、遅延して前記開閉手段を開放状態から閉成状態に制御する制御手段を備えたことを特徴とする自家発電システムの付属機器類の電力供給装置を要旨とするものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３において、前記自家発電機の出力電圧を推定する電圧推定手段を備え、前記制御手段による前記開閉手段の開放状態から閉成状態への制御は、前記電圧推定手段の推定結果に応じて行うものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４において、前記電圧推定手段が、自家発電機の出力電圧が定格電圧の８５％に達したと推定したとき、前記制御手段は、前記開閉手段を開放状態から閉成状態に制御するものであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の自家発電システムをコージェネレーションシステムに具体化した実施の形態を、図１を参照して説明する。
【００１４】
図１は、コージェネレーションシステム（以下、システム１という）の回路図である。
システム１は、例えば、工場や病院等の敷地内の一廓に設置されており、主として原動機２、自家発電機としての同期発電機３等から構成されている。又、システム１の付属機器類としては、コントローラユニット５、ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６等がある。
【００１５】
原動機２は内燃機関であり、機械室（図示せず）に配置される。該原動機２のラジエータ７は熱交換室（図示せず）に配置される。そして、機械室および熱交換室の室内空気の冷却は、換気用ファン１５により外気を取り込んで、これらの室内へ通風することにより行われる。
【００１６】
システム１内には、冷却水路８が形成されており、原動機２の冷却水が、該原動機２から熱交換器４、次いでラジエータ７および冷却水ポンプ１６を循環するようにされている。
【００１７】
又、熱交換器４と、システム１外部に設けた貯湯タンク１３との間には、温水路９が形成されている。そして、冷却水路８の冷却水から得られたエンジンの排熱を、前記熱交換器４を介して温水路９に熱伝動させ、システム１の外部に供給するようにしている。又、ラジエータ７にはラジエータファン７ａが設けられており、該ラジエータファン７ａの駆動により、熱交換器４を通過した冷却水が冷却される。
【００１８】
原動機２にはスタータ１０が備えられており、該スタータ１０への電力供給は、後述する商用電力系統Ｕ１，Ｖ１からトランス１１を介して行われている。
同期発電機３は、原動機２の駆動シャフトにつながる回転軸１２に、電機子巻線２０を有する回転子（図示略）を備え、該電機子巻線２０に対応する固定子（図示略）から三相出力を取り出す構成としている。同期発電機３からの三相出力は、自動電圧調整装置（ＡＶＲ）１４により定電圧に調整され、後述する発電電力系統Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２へ経路３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗを介して出力されている。
【００１９】
システム１の主構成要素である原動機２、同期発電機３はコントローラユニット５によりその制御が行われている。さらに、コントローラユニット５の動作状態を表示・変更等を行う操作表示器２８及び遠隔操作表示器２９により、システム１の管理を行うように構成している。
【００２０】
敷地内へは外部商用電源４１からの三相三線２００Ｖの買電系統としての商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１が引かれており、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は三相負荷２５，２５への送電系統Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３にそれぞれ接続されている。さらに、送電系統Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３に対しては、システム１からの発電電力系統Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２が電磁接触器４０を介して接続されている。
【００２１】
こうして、三相負荷２５，２５へは、電磁接触器４０を閉成することにより、買電系統である商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１からの三相出力と、自家発電システムであるシステム１からの三相出力が供給されるいわゆる系統連系が可能である。
【００２２】
なお、電磁接触器４０は、コントローラユニット５の制御部３９に制御指令に基づいて、図示しない駆動回路の駆動により、開閉作動可能である。
次に、前記システム１の付属機器類の電力の供給の構成について説明する。
【００２３】
なお、本実施形態では、前記付属機器類のうち、ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６等は、電動モータを備えている。前記電動モータは、入力される電力の周波数によって出力回転数が相違するため、商用電源を駆動源とすると、東日本の５０Ｈｚ地域と西日本の６０Ｈｚ地域とで、出力が変化することになる。
【００２４】
本実施形態では、ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６は、同期発電機３の冷却装置として機能するが、同期発電機３の出力（発電電力）を、以下で説明するような構成により、電動モータを備えた付属機器類へ供給するようにされている。
【００２５】
コントローラユニット５は、同期発電機３を制御して、同期発電機３から出力する電力の周波数を固定することで、前記付属機器類の出力回転数が変化しないようにしている。本実施形態のシステム１は、外部商用電源４１の出力周波数が６０Ｈｚとされているため、同期発電機３から出力される周波数は６０Ｈｚ前後で略固定となるようにしている。又、前記付属機器類も、６０Ｈｚの電力が供給された場合に、要求される性能を発揮するように構成している。
【００２６】
なお、外部商用電源４１の出力周波数が５０Ｈｚの場合には、本実施形態の構成の代わりに、同期発電機３からの出力周波数を５０Ｈｚ前後とし、それに対応した付属機器類を備える構成としても良い。
【００２７】
同期発電機３に接続された経路３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗには、分岐路としての給電路３１が形成されている。給電路３１は、前記付属機器類のラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６に接続されており、該付属機器類へ同期発電機３の三相出力が直接供給されるようにしている。又、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１にも分岐路３２が形成され、同分岐路３２は給電路３１に対して接続されている。同分岐路３２を介して商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１からの給電が、前記付属機器類のラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６に対して可能とされている。
【００２８】
又、給電路３１において、分岐路３２との接続点と経路３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗとの間には、開閉手段としての電磁接触器３３が設けられている。同電磁接触器３３は、コントローラユニット５からの制御指令により、開閉可能である。
【００２９】
経路３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗにおいて、電磁接触器３３との接続点よりも発電電力系統Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２側には、例えば、Ｕ相（経路３０Ｕに流れる電流）とＷ相（経路３０Ｗに流れる電流）の発電電流Ｉｕ 、Ｉｗ を検出するための変流器３４が設けられている。変流器３４は、電流検出手段に相当する。
【００３０】
経路３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗにおいて、電磁接触器３３との接続点よりも電機子巻線２０側には、２つの相例えばＵ相とＷ相との間には操作用変圧器３５の一次巻線が接続されている。この操作用変圧器３５の二次巻線は、Ｕ相とＷ相との線間電圧つまり発電電圧Ｅuw（＝Ｅu −Ｅw ）を検出するもので、コントローラユニット５に接続されている。なお、ＥuはＵ相電圧、ＥwはＷ相電圧である。
【００３１】
操作用変圧器３５は電圧検出手段に相当する。
又、変流器３４よりも発電電力系統Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２側には、遮断器３６が設けられている。遮断器３６は過大な電流が流れると図示しないリレーが検出作動して開路し、発電電力系統Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２から、経路３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗを切り離すようにされている。
【００３２】
コントローラユニット５は、操作用変圧器３５の二次巻線から入力した発電電圧ＥｕｗをＡ／Ｄ変換して出力する電圧検出回路３７、変流器３４が検出した発電電流Ｉｕ 、Ｉｗ をＡ／Ｄ変換して出力する電流検出回路３８、マイクロコンピュータを主体として構成される制御部３９等から構成されている。制御部３９は、制御手段、及び電圧推定手段に相当する。
【００３３】
制御部３９は、検出した発電電圧Ｅｕｗと発電電流Ｉｕ 、Ｉｗ とに基づいて、同期発電機３の出力電圧を演算（推定）するようにプログラムされている。又、同期発電機３の始動時に、同期発電機３の出力電圧が定格電圧に対して、同期発電機３の出力が所定の割合に達したときには、電磁接触器３３を開放状態から閉成作動するようにプログラムされている。
【００３４】
本実施形態では、前記所定の割合とは、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％とされている。なお、定格電圧の８５％としたのは、この割合を超えると、同期発電機３が安定した状態となるためである。すなわち、８５％未満では、同期発電機３の出力電圧が安定せず、仮に８５％未満の出力電圧が安定していない状態で発電電力が付属機器類に供給されると、例えば、三相負荷側の電力消費の急変時に対応できなくなるため好ましくない。
【００３５】
本実施形態では、原動機２、同期発電機３、電磁接触器３３、制御部３９等を備えるコントローラユニット５により、電力供給装置が構成されている。
（作用）
さて、上記のように構成されたシステム１の作用を説明する。
【００３６】
操作表示器２８又は、遠隔操作表示器２９にて、図示しない始動スイッチをオン操作すると、コントローラユニット５の制御部３９は、始動スイッチから入力した始動信号に基づいて、原動機２を始動する。スタータ１０は商用電力系統Ｕ１，Ｖ１からの電力を受けて原動機２を始動する。なお、この始動時には、電磁接触器３３は開放状態である。従って、同期発電機３が発電を開始して、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％に達する迄は、ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６は、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１から電力の供給を受けて、作動する。
【００３７】
又、制御部３９は、操作用変圧器３５や、変流器３４で検出した発電電圧Ｅｕｗと発電電流Ｉｕ 、Ｉｗ とに基づいて、同期発電機３の電力を演算する。又、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％に達しているか否かを、所定の制御周期で判定する。そして、同期発電機３の出力電圧が、定格電圧の８５％に達したと制御部３９が判定すると、電磁接触器３３を開放状態から閉成作動する。
【００３８】
この結果、電磁接触器３３が閉成状態となるため、同期発電機３の発電電力が給電路３１を介して、付属機器類（ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６）に給電される。
【００３９】
又、同期発電機３の出力電圧が、前記定格電圧の８５％に達したとき、コントローラユニット５の制御部３９は制御指令を出力して図示しない駆動回路を駆動させて、電磁接触器４０を閉成作動して、三相負荷２５に対して商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１のみならず発電電力系統Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２からの給電も行う。
【００４０】
従って、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）  本実施形態では、原動機２（内燃機関）の始動時に、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１（買電系統）から電力をラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６（付属機器類）に対して供給するようにした。そして、原動機２の始動後、自家発電による電力を付属機器類に供給するようにした。
【００４１】
この結果、内燃機関の始動時には、外部商用電源を使用し、始動後は、自家発電の電力を使用することができ、電力料金のコスト低減ができ、ランニングコストの低減ができる。
【００４２】
又、本実施形態では、インバータを使用しないインバータレス方式の自家発電システムであるため、インバータを使用した方式の自家発電システムに比して、イニシャルコストを低減できる効果がある。
【００４３】
（２）  本実施形態では、自家発電による付属機器類への電力の供給は、自家発電が安定した後に行うようにした。
この結果、同期発電機３が安定した状態で、付属機器類に電力供給ができ、例えば、三相負荷側の電力消費の急変時に対応できる。
【００４４】
（３）  本実施形態では、ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６（付属機器類）は、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１（買電系統）に対して電力受給可能に接続されるとともに同期発電機３（自家発電機）に対して電磁接触器３３（開閉手段）を介して電力受給可能に接続されるようにした。そして、原動機２（内燃機関）の始動開始時には、電磁接触器３３の開放状態を許容し、原動機２が始動を開始した後、遅延して電磁接触器３３を開放状態から閉成状態に制御する制御部３９（制御手段）を備えた。
【００４５】
この結果、原動機２（内燃機関）の始動開始時には、制御部３９は電磁接触器３３の開放状態を許容するため、ラジエータファン７ａ、換気用ファン１５、冷却水ポンプ１６は、商用電力系統Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１から電力の供給を受けて、作動する。従って、これらの付属機器類は、始動時において同期発電機３が不安定動作が予想される間は、同期発電機３からの電力を使用することがないため、同期発電機３の不安定作動による悪影響を受けることがない。
【００４６】
又、原動機２が始動を開始した後、制御部３９によって、遅延して電磁接触器３３を開放状態から閉成状態に制御するため、同期発電機３の不安定動作が予想される始動状態を避けて、安定動作が予想される状態の同期発電機３からの電力を付属機器類は受電することができる。
【００４７】
又、上記（１）の作用効果を奏することができる。
（４）  本実施形態では、同期発電機３（自家発電機）の出力電圧を推定する制御部３９（電圧推定手段）を備えている。すなわち、制御部３９は、操作用変圧器３５や、変流器３４で検出した発電電圧Ｅｕｗと発電電流Ｉｕ 、Ｉｗ とに基づいて、同期発電機３の出力電圧を演算し、その演算結果（推定結果）に応じて電磁接触器３３の開放状態から閉成状態への制御を行うようにした。
【００４８】
この結果、同期発電機３の不安定状態と安定状態とを同期発電機３の出力電圧に基づいて判定することができ、同期発電機３の出力電圧のレベルに応じて、電磁接触器３３の開放状態から閉成状態への制御を行うことができる。
【００４９】
（５）  本実施形態では、制御部３９が、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％に達したと推定したとき、制御部３９は、電磁接触器３３を開放状態から閉成状態に制御するようにした。
【００５０】
すなわち、制御部３９は、操作用変圧器３５や、変流器３４で検出した発電電圧Ｅｕｗと発電電流Ｉｕ 、Ｉｗ とに基づいて、同期発電機３の出力電圧を演算する。又、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％に達しているか否かを、所定の制御周期で判定するようにした。
【００５１】
この結果、同期発電機３が出力電圧が確実に安定した状態で、同期発電機３からの電力を付属機器類は供給を受けることができる。
なお、本発明の実施形態は、前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように実施してもよい。
【００５２】
○  前記実施形態では同期発電機３の出力を三相電力としたが、単相電力を出力する発電機としてもよい。そして、該単相電力を、前記付属機器類に供給するようにしても良い。この場合は、コントローラユニット５やトランス１１等へも、商用電力側ではなく発電機側より電力を供給することができる。
【００５３】
○  前記実施形態では、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％に達しているか否かを、所定の制御周期で判定するようにし、同期発電機３の出力電圧が定格電圧の８５％に達したとき、電磁接触器３３を閉成するようにした。
【００５４】
これに代えて、原動機２を始動したときから、タイマで計時し、所定時間計時したときに、電磁接触器３３を閉成するようにしてもよい。この場合、所定時間は、例えば、同期発電機３の出力電圧が、原動機２を始動したときから定格電圧の８５％に達する迄の時間とする。
【００５５】
○  前記実施形態では、自家発電システムをコージェネレーションシステムに具体化したが、コージェネレーションシステムに限定するものではなく、他のシステムに具体化してもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１、請求項２の発明によれば、自家発電の電力を使用することができて、電力料金のコスト低減及びイニシャルコストがかからず、又、ランニングコストの低減を図ることができる。
【００５７】
請求項３乃至請求項５の発明によれば、自家発電の電力を使用することができて、電力料金のコスト低減及びイニシャルコストの低減を図ることができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した実施形態のコージェネレーションシステムの回路図。
【符号の説明】
２…原動機（内燃機関）
３…同期発電機（自家発電機）
５…コントローラユニット
７ａ…ラジエータファン（付属機器類）
１５…換気用ファン（付属機器類）
１６…冷却水ポンプ（付属機器類）
３９…制御部（制御手段、電圧推定手段）
【図１】
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