(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガバナ機構を備えていない原動機によって発電機を駆動し、当該発電機に容量がＰ×２(ｋ−１)（ただしＰは所定の負荷容量、ｋ＝１、２、・・、Ｎ）の抵抗負荷と半導体スイッチとを備えたダミーの負荷装置を複数接続し、当該負荷装置の消費電力を制御することにより前記発電機の周波数を制御するようにした発電機の周波数制御装置であって、
前記発電機の出力電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段にて検出した周波数と所定の周波数設定値とを比較して、前記抵抗負荷にて消費させる消費電力値を決定する消費電力決定手段と、前記消費電力決定手段にて決定した消費電力値をもとに前記Ｎ個の負荷装置の中から通電する負荷装置を選択する負荷選択手段と、前記発電機出力電圧の交流サイクルのゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段から出力されるゼロクロスタイミングでもって前記選択された負荷装置内の半導体スイッチへゲート信号を与えるゲート信号発生手段とを備え、
前記複数の負荷装置のうちｋ＝１に対応する容量Ｐの負荷装置およびｋ＝２に対応する容量２Ｐの負荷装置を統合して統合負荷装置とすると共に当該統合負荷装置を三相分の負荷抵抗と三相分の半導体スイッチとで構成し、前記負荷選択手段により選択された負荷装置が前記統合負荷装置の一部または全てに該当する場合には、前記三相の統合負荷装置の通電させる相数を前記選択された負荷装置と一致させる通電相決定手段により、前記半導体スイッチにゲート信号を与え、負荷装置の消費電力を制御することを特徴とする発電機の周波数制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガバナ機構の代りに負荷装置を設け、この負荷装置にて電力を消費させることで周波数を制御する発電機の周波数制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電機の周波数制御装置としてガバナ機構の代りに負荷装置を設け、この負荷装置にて電力を消費させることで周波数を制御するようにしたものがある（特許文献１）。
【０００３】
このタイプの発電機の周波数制御装置は、図１０に示すような構成になっている。図１０において、１は内燃機関、２は排気通路、３、９は弁、４はタービン、５はクラッチ、６は発電機、７は遮断器、８は負荷、１０は整流器、１１はコンデンサ、１２はダイオード、１３はダミー抵抗負荷、１４はＩＧＢＴ、１５は周波数検出器、１６は減算器、１７は増幅器、１８はＰＷＭ回路、１９はゲート駆動回路である。
【０００４】
このような構成によって、内燃機関１から排気通路２を通じて排気ガスが送られる。発電を行う時は弁３を開き、弁９を閉じて排気ガスをタービン４へ送り、排気ガスの熱エネルギーでタービン４を駆動する。発電機６は、クラッチ５を介してタービン４の軸と接続されており、タービンの回転により発電する。さらに発電機６には遮断器７を介して負荷８が接続されており、発電機６は負荷８に電力を供給する。ここで、弁３は「開」状態か「閉」状態にしかできないため、排気ガスの流量を調整できず、タービン４の回転速度を制御することが出来ない。
【０００５】
ここで、タービン４の回転速度をω、慣性モーメントをＪ、排気ガスがタービン４を駆動するトルクをＴE、発電機６にかかる負荷トルクをＴGとすると、下記式(1)の関係が成り立つ。
ｄω／ｄｔ＝（ＴE−ＴG）／Ｊ    ・・・(1)
【０００６】
ＴEとＴGがバランスしている状態では、ｄω／ｄｔ＝０で、回転速度変動は無い。排気ガスの流量が変化すると駆動トルクＴEが変化し、負荷８が変動すると発電機６にかかる負荷トルクＴGが変化する。そうするとＴEとＴGのバランスが崩れ、ＴE＞ＴGであればタービン４の回転速度が上昇し、発電機６の出力周波数も上昇する。そのようなとき、ダミー抵抗負荷１３で消費させる電力を増やすことでＴEとＴGをバランスさせれば、所望の周波数に制御できる。
【０００７】
ダミー抵抗負荷１３による電力消費は、整流器１０とコンデンサ１１にて一旦発電機６の出力を直流に変換し、ＩＧＢＴ１４をオンさせることで行っている。ＩＧＢＴ１４のスイッチングは以下のように行う。すなわち、まず周波数検出器１５で発電機６の出力電圧の周波数を検出する。減算器１６は発電機６の出力電圧周波数から周波数基準ｆ＊を減算し、周波数偏差Δｆを出力する。増幅器１７は周波数偏差Δｆを増幅しダミー抵抗負荷１３で消費する消費電力指令を出力する。ＰＷＭ回路１８は消費電力指令に比例したパルス幅のパルスを出力し、ゲート駆動回路１９でＩＧＢＴ１４を駆動しダミー抵抗負荷１３に電流を流す。このことによりダミー抵抗負荷１３に流す電力を調整し、発電機６の周波数を所望の周波数に制御することが出来る。
【特許文献１】特開平７−２１７５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の従来の発電機の周波数制御装置においては、整流器１０の入力電流は高調波を多く含むため発電機６の出力電圧波形が歪む問題がある。また、ＩＧＢＴ１４からスイッチングノイズが発生し、他の機器に悪影響を与える可能性がある。整流器１０の入力部にノイズフィルタを接続すればノイズの低減が可能であるが、高価なノイズフィルタの設置が必要となる欠点がある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高調波とスイッチングノイズを発生させることなくダミーの負荷装置に電力を消費させて発電機の出力周波数を制御することができる発電機の周波数制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に対応する発明は、ガバナ機構を備えていない原動機によって発電機を駆動し、当該発電機に容量がＰ×２(ｋ−１)（ただしＰは所定の負荷容量、ｋ＝１、２、・・、Ｎ）の抵抗負荷と半導体スイッチとを備えたダミーの負荷装置を複数接続し、当該負荷装置の消費電力を制御することにより前記発電機の周波数を制御するようにした発電機の周波数制御装置であって、前記発電機の出力電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段にて検出した周波数と所定の周波数設定値とを比較して、前記抵抗負荷にて消費させる消費電力値を決定する消費電力決定手段と、前記消費電力決定手段にて決定した消費電力値をもとに前記Ｎ個の負荷装置の中から通電する負荷装置を選択する負荷選択手段と、前記発電機出力電圧の交流サイクルのゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段から出力されるゼロクロスタイミングでもって前記選択された負荷装置内の半導体スイッチへゲート信号を与えるゲート信号発生手段とを備え、前記複数の負荷装置のうちｋ＝１に対応する容量Ｐの負荷装置およびｋ＝２に対応する容量２Ｐの負荷装置を統合して統合負荷装置とすると共に当該統合負荷装置を三相分の負荷抵抗と三相分の半導体スイッチとで構成し、前記負荷選択手段により選択された負荷装置が前記統合負荷装置の一部または全てに該当する場合には、前記三相の統合負荷装置の通電させる相数を前記選択された負荷装置と一致させる通電相決定手段により、前記半導体スイッチにゲート信号を与え、負荷装置の消費電力を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高調波とスイッチングノイズを発生させることなくダミーの負荷装置に電力を消費させて発電機の出力周波数を制御することができる発電機の周波数制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の発電機の周波数制御装置は図１に示すように、周波数検出器１５、減算器１６、増幅器１７、除算器２０、リミッタ２７、２進数変換器２１、ゼロクロス検出器２２、ＡＮＤ回路２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、ゲート駆動回路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃおよびダミーの負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを備えている。
【００１７】
周波数検出器１５を周波数検出手段とし、発電機の出力周波数と周波数基準ｆ＊との偏差Δｆを増幅器１７で増幅することで消費電力値を導出する消費電力決定手段を構成し、さらに所定の負荷容量Ｐで除算しリミッタ２７と２進数変換器２１を介することで使用するダミーの負荷装置を選択する負荷選択手段を構成し、ゼロクロス検出器２２がゼロクロス検出手段として動作し、ＡＮＤ回路２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃとゲート駆動回路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃによりゲート信号発生手段を構成することで、発電機の出力周波数が変動した際にはダミーの負荷装置で消費する電力を調整して発電機出力周波数を制御する。
【００１８】
負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの負荷容量はそれぞれ、Ｐ×２(ｋ−１)（Ｐは所定の負荷容量、ｋ＝１〜３）に基づき、Ｐ[kW]、２Ｐ[kW]、４Ｐ[kW]と設定しており、負荷装置内部は、図２に示すように抵抗負荷３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃとサイリスタ３１Ａ〜３１Ｆを組み合わせた構成になっている。サイリスタ３１Ａ、３１Ｂは抵抗負荷３２Ａに対してＵＶ線間電圧を印加して通電させる接続となっており、サイリスタ３１Ｃ、３１Ｄは抵抗負荷３２Ｂに対してＶＷ線間電圧を印加して通電させる接続になっており、サイリスタ３１Ｅ、３１Ｆは抵抗負荷３２Ｃに対してＷＵ線間電圧を印加して通電させる接続になっている。図２において、抵抗負荷３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの合計の容量が負荷装置の容量であり、負荷装置２５Ａならば、Ｐ[kW]ということになる。負荷装置２５Ｂと２５Ｃの内部も同様の構成であるが、負荷容量が２Ｐ[kW]、４Ｐ[kW]となる負荷となっている。このように、負荷装置の負荷容量の総和は、Ｐの整数倍になっている。
【００１９】
以下、本実施の形態の発電機の周波数制御装置の動作を説明する。  
周波数検出器１５で検出した発電機の出力周波数から周波数基準ｆ＊を減算器１６で減算した結果の周波数偏差Δｆを増幅器１７で増幅したものが、消費させたい電力値の指標となる。増幅器１７からの出力に対して除算器２０はベースとなる電力Ｐ[kW]で除算し、商を出力し、さらに負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの負荷容量の総和をＰで除した値で制限をかけるリミッタ２７で制限し、負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで実際に消費させる消費電力値に相当する係数Ｌ（消費電力値＝Ｌ×Ｐ）を決定する。係数Ｌを２進数変換器２１で２進数に変換すると、通電させる負荷装置を選択する信号が出力される。２進数変換器２１からの信号をＡＮＤ回路２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃに入力し、またゼロクロス検出器２２で検出した発電機６の線間電圧のゼロクロスタイミング信号もＡＮＤ回路２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃに入力することで、ＡＮＤ回路２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃからゲート駆動回路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに信号が送られる。この時、２進数変換器２１からの信号が１の場合に、ゲート駆動回路２４Ａが動作することになる。
【００２０】
図３は、ゲート駆動回路からのゲート駆動状態を説明する図で、図２の抵抗負荷３２Ａとサイリスタ３１Ａ、３１Ｂを例にとって説明している。通電させる負荷装置として選択された場合、ＵＶ間の線間電圧のゼロクロスタイミング信号をゼロクロス検出器２２が検出し、そのゼロクロスタイミングでもって、図３に示すようにサイリスタ３１Ａと３１Ｂへゲート信号が送られる。この様に抵抗負荷３２Ａに通電させることで、負荷電流はほぼ正弦波状となり、歪みは少なく、スイッチングノイズも少ない状態に出来る。他の抵抗負荷３２Ｂ、３２Ｃにおいても同様である。
【００２１】
負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの負荷容量はそれぞれＰ[kW]、２Ｐ[kW]、４Ｐ[kW]と設定していることから負荷容量の総和は７Ｐ[kW]となる。また、係数Ｌは０から最大値７の間の整数値を取ることになる。各負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを駆動させるまたは駆動させないを選択する組み合わせから、消費電力は０〜７Ｐ[kW]の間で、Ｐ[kW]ステップで調整できることになる。
【００２２】
以上のように、本実施の形態の発電機の周波数制御装置によれば、通常のガバナ機構の代りに負荷装置にて電力を消費させることで周波数を制御する形態の発電設備において、発電機出力電圧のゼロクロスのタイミングにてサイリスタ３１Ａ〜３１Ｆをオン、オフすることにより負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃへ通電するようにしたので、高調波を発生させず、スイッチングノイズも発生させずに電力を消費させ、発電機の出力周波数を制御することができる発電機の周波数制御装置を提供することができる。
【００２３】
なお、本実施の形態では、ダミーの負荷装置を３組としたが、Ｐ×２(ｋ−１)（Ｐは所定の負荷容量、ｋ＝１〜Ｎ）において、Ｐの値を出来るだけ小さい値として、ダミーの負荷装置を増やし、各負荷装置の容量を選定すれば、調整可能なステップを増やして周波数の微調整が可能となる。また、発電機６を駆動する動力源は図１に示した内燃機関１の排気ガスのほかに普通の水力、火力あるいはガスタービンであってもよい。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態の発電機の周波数制御装置の構成を示す図である。図１に示した第１の実施の形態の発電機の周波数制御装置と異なる点は、オン期間設定器２６を備え、負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃに代わり負荷装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを備えていることである。
【００２５】
負荷装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの内部の構成は、図２に示した負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと同じである。負荷装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの働きは負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃと同様であり、発電機６の出力周波数を制御するために電力消費させる。ただし、負荷装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの負荷容量の設定は、Ｐ×２(ｋ−１)（Ｐは所定の負荷容量、ｋ＝１〜Ｎ、Ｎ＝４）であって、かつｋ＝１とｋ＝２に該当する負荷装置を統合して一つの負荷装置として構成されている。つまり、負荷装置４０Ａは、Ｐ[kW]と２Ｐ[kW]で合計３Ｐ[kW]となっている。負荷装置４０Ｂはｋ＝３で４Ｐ[kW]とし、負荷装置４０Ｃはｋ＝Ｎ＝４で８Ｐ[kW]となっている。負荷装置の総合容量は、１５Ｐ[kW]になる。ゆえに、本実施の形態におけるリミッタ２７は１５で制限することになる。
【００２６】
リミッタ２７からの出力を２進数変換器２１で２進数に変換すると、通電させる負荷装置を選択することになるが、負荷装置４０Ａは上述のようにＰ[kW]と２Ｐ[kW]の合計３Ｐ[kW]の負荷装置と設定しており、２進数変換器２１からの負荷選択の信号そのままでは負荷選択の信号に該当する負荷量で通電出来ない。そこで、負荷装置４０Ａについては、オン期間設定器２６を介して制御する。
【００２７】
オン期間設定器２６では、負荷装置４０ＡがＰ[kW]と２Ｐ[kW]を統合したものであることから、負荷装置４０Ａに対応する番号ｋ＝１と２より交流サイクル数ｍ＝１＋２＝３と考える。そして、２進数変換器２１からの負荷選択の信号に該当する負荷量に合致するように、交流３サイクルの中で、サイリスタ３１Ａ〜３１Ｆをオンさせる期間を設定する。図７に、オン期間設定器２６内部での処理結果と、４０Ａでの消費電力をまとめている。
【００２８】
このように、負荷装置４０Ａを構成するサイリスタ３１Ａ〜３１Ｆのオンする期間とオフする期間の比率を変えるオン期間設定器２６の働きにより、負荷装置４０Ａの消費電力は、交流３サイクル期間における平均値として、０〜３Ｐ[kW]でＰ[kW]ステップの４段階に調整が可能となる。なお、負荷装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃへの通電は第１の実施の形態と同様に、電圧のゼロクロスタイミングにあわせて行う。
【００２９】
本実施の形態では、Ｐ×２(ｋ−１)（Ｐは所定の負荷容量、ｋ＝１〜Ｎ）において、Ｐの値を出来るだけ小さい値とし、負荷装置を増やす(Ｎを多くする)構成とした場合に、周波数の微調整が可能となる一方で、構成機器が増えることによるシステム全体の信頼性の低下、また装置のコストの増加を招くことを防ぐことができる。つまり、Ｐを小さくしてＮを多くしても、いくつかの負荷装置を統合し、統合された負荷装置における電力消費を上述のオン期間設定器２６によってコントロールすることができることにより、負荷装置の個数を増やさずに同等の効果が得られる。
【００３０】
このように本実施の形態では、発電機の出力電圧を歪ませず、またスイッチングノイズの発生も抑えつつ、発電機の出力周波数を制御することができるとともに、システム全体の信頼性を維持しつつ、またコストの増加にも対処しつつ、周波数の微調整が可能な発電機の周波数制御装置を提供できる。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態の発電機の周波数制御装置の構成を示す図である。図４に示した第２の実施の形態の発電機の周波数制御装置と異なる点は、オン期間設定器２６の代わりに通電相選択器２８を備えていることである。負荷装置４０ＡがＰ[kW]と２Ｐ[kW]を統合したものであることから、負荷装置４０Ａに対応する番号ｋ＝１と２より交流サイクル数ｍ＝３になる。したがって交流３サイクルの中で、通電させる相を選択する。
【００３２】
図８に、通電相選択器２８内部での処理結果と、負荷装置４０Ａでの消費電力をまとめている。このように、通電相を選択することにより、負荷装置４０Ａの消費電力は、交流３サイクル期間における平均値として、０〜３Ｐ[kW]でＰ[kW]ステップの４段階に調整が可能となる。なお、負荷装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃへの通電は第１の実施の形態と同様に、電圧のゼロクロスタイミングにあわせて行う。
【００３３】
このように本実施の形態でも、発電機の出力電圧を歪ませず、またスイッチングノイズの発生を抑えつつ、発電機の出力周波数を制御することができるとともに、システム全体の信頼性を維持しつつ、またコストの増加にも対処しつつ、周波数の微調整が可能な発電機の周波数制御装置を提供できる。
【００３４】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、第２の実施の形態（図４、図７）で説明したオン期間設定器２６において、交流１サイクル単位でのオン／オフとせずに、半サイクル単位でオン／オフさせるように設定するものである。この場合のオン期間設定器２６内部での処理結果と、負荷装置４０Ａでの消費電力を図９にまとめている。図９のように行っても、オン期間設定器２６によって負荷装置４０Ａの消費電力は、交流３サイクル期間における平均値として、０〜３Ｐ[kW]でＰ[kW]ステップの４段階に調整が可能である。
【００３５】
このように本実施の形態でも、発電機の出力電圧を歪ませず、またスイッチングノイズの発生を抑えつつ、発電機の出力周波数を制御することができるとともに、システム全体の信頼性を維持しつつ、またコストの増加にも対処しつつ、周波数の微調整が可能な発電機の周波数制御装置を提供できる。
【００３６】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、前記第１ないし第４の実施の形態の発電機の周波数制御装置に備えられる負荷装置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃに設けられるサイリスタ３１Ａ〜３１Ｆの故障検出に関するものである。図６は、サイリスタの故障を検出する回路（１相分）を説明する図である。この図は、１相分にて説明する上で必要な構成要素を図１および図２から抜き出し、電圧検出器５０、位相遅れ回路５１、比較回路５２を追加した図になっている。
【００３７】
サイリスタ３１Ａおよび３１Ｂの両端電圧を電圧検出器５０で検出する。サイリスタへのゲート信号を位相遅れ回路５１に入力し、サイリスタ３１Ａおよび３１Ｂが非導通時に電圧検出器５０で観測されるＵＶ線間電圧のほぼピークとなるタイミングに遅らせて出力する。比較回路５２では、電圧検出器５０で検出したサイリスタの両端電圧と位相遅れ回路５１からの信号とを比較し、次のａまたはｂの条件が成立すると異常動作と判定し故障信号を出力する。
【００３８】
条件ａ：位相遅れ回路５１からの信号がHighであり、サイリスタ両端電圧＞所定値
条件ｂ：位相遅れ回路５１からの信号がLowであり、サイリスタ両端電圧＜所定値
本実施の形態では、サイリスタの故障を検出できるので、故障信号が出力された場合、システムを停止させる（弁３を閉じて弁９を開き、タービン４と発電機６を停止させる）等の処置をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の発電機の周波数制御装置の構成を示す回路図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の発電機の周波数制御装置に備えられる負荷装置の構成を示す回路図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の発電機の周波数制御装置に備えられる負荷装置の動作を説明する波形図。
【図４】本発明の第２および第４の実施の形態の発電機の周波数制御装置の構成を示す回路図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の発電機の周波数制御装置の構成を示す回路図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の発電機の周波数制御装置の構成を示す回路図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の発電機の周波数制御装置の動作を説明する表。
【図８】本発明の第３の実施の形態の発電機の周波数制御装置の動作を説明する表。
【図９】本発明の第４の実施の形態の発電機の周波数制御装置の動作を説明する表。
【図１０】従来の周波数制御装置の構成を示す回路図。
【符号の説明】
【００４０】
１…内燃機関、２…排気通路、３、９…弁、４…タービン、５…クラッチ、６…発電機、７…遮断器、８…負荷、１０…整流器、１１…コンデンサ、１２…ダイオード、１３…ダミー抵抗負荷、１４…ＩＧＢＴ、１５…周波数検出器、１６…減算器、１７…増幅器、１８…ＰＷＭ回路、１９…ゲート駆動回路、２０…除算器、２１…２進数変換器、２２…ゼロクロス検出器、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ…ＡＮＤ回路、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…ゲート駆動回路、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ…負荷装置、２６…オン期間設定器、２７…リミッタ、２８…通電相選択器、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ…サイリスタ、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ…抵抗負荷、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ…負荷装置、５０…電圧検出器、５１…位相遅れ回路、５２…比較回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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