(57)【要約】【課題】小型、低価格でかつ高効率な発電装置を提供する。【解決手段】負荷へ電力を供給する磁石発電機と、可飽和リアクトルの全ての制御巻線とスイッチング素子を直列接続した直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、可飽和リアクトルの制御巻線に並列に接続したダイオードと、磁石発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号発生器の出力信号から電圧検出器の出力信号を減算した誤差信号を出力する減算器と、誤差信号を増幅しかつ遅れ無効電力の変動に伴う発電機電圧の変動を補償し、磁石発電機の電圧を所望の電圧に保つ制御信号を出力する演算増幅器と、演算増幅器の制御信号からオンデューティのパルス信号を出力するパルス発生器と、パルス発生器の出力信号を反転させたパルス信号に応じてスイッチング素子を開閉するドライブ回路を有し、スイッチング素子を開閉することにより可飽和リアクトルに流れる電流を制御して負荷の遅れ無効電力量によって変動する磁石発電機の端子電圧を一定に制御するので、小型、低価格でかつ高効率な発電装置を提供できる。【選択図】  図１
2005065351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ極性同士を直列に接続した２台の可飽和リアクトルからなるリアクトル対３組と、負荷へ電力を供給する磁石発電機と、前記可飽和リアクトルの制御巻線を直列接続した直列回路に直列に接続され、スイッチング動作により該直列回路に印加される電圧を調節するスイッチング素子と、前記直列回路とスイッチング素子からなる直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、前記直列回路に並列に接続され、かつ前記直流電源の出力端子に接続されたダイオードと、前記磁石発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、前記電圧指令信号発生器の出力信号から前記電圧検出器の出力信号を減算した誤差信号を出力する減算器と、前記減算器の出力する誤差信号を増幅し且つ負荷へ供給する遅れ無効電力の変動に伴う発電機電圧の変動を補償し、前記磁石発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力する制御信号に比例するオンデューティのパルス信号を出力するパルス発生器と、前記パルス発生器の出力信号を反転させる否定論理演算器と、前記否定論理演算器の出力するパルス信号に応じて前記スイッチング素子を開閉するドライブ回路を有し、前記スイッチング素子を開閉して可飽和リアクトルの制御巻線へ流れる電流を制御することで、負荷の遅れ無効電力量によって変動する磁石発電機の端子電圧を一定に制御することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電装置に係り、特に原動機に直結された発電機による発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発電装置の一例を図２の単線結線図を参照して説明する。
図において、１は原動機、２は調速機、４は負荷、３０はブラシレス発電機、３１は変圧器、３２は自動電圧調整器である。このような構成の発電装置は分巻励磁方式の発電装置と呼ばれている。
【０００３】
上記構成の発電装置の主要な構成機器の作用について説明する。
原動機１は、調速器２によって回転速度を調整されながらブラシレス発電機３０を駆動する。自動電圧調整器３２はブラシレス発電機３０の電機子から変圧器３１で降圧した電圧を入力とし、ブラシレス発電機３０の出力電圧が一定となるように該発電機の界磁電流を調節する。ブラシレス発電機３０は、主発電機３３と励磁機３４と整流器３５により構成されている（特許文献１参照）。
【０００４】
以上のような構成の発電装置は、発電機にブラシレス形を用いるため、保守性に優れており、ブラシ付発電機よりも広く一般に使用されている。また、一般に発電装置の定格では遅れ力率、例えば０．８が指定されることが多いが、負荷に遅れ無効電力を供給した場合においても自動電圧調整器がブラシレス発電機の出力電圧を自動的に制御するため、負荷へ一定の電圧で電力を供給することができる。
【０００５】
図３は従来の他の発電装置の単線結線図である。
図において、１は原動機、２は調速機、３は磁石発電機（ＰＭＧ）、４は負荷、３６…インバータである。原動機１は、調速器２によって回転速度を調整されながら磁石発電機３を駆動する。インバータ３６は、磁石発電機３の発電する交流電力の電圧と周波数を商用電力のそれらに変換して負荷４へ供給する（特許文献２参照）。
【０００６】
以上のような構成の発電装置は、発電機に磁石発電機を用いているため、保守性に優れていると共に、負荷に無効電力を供給した場合においてもインバータが供給電力の電圧を制御するため、負荷へ一定の電圧で電力を供給することができる。また、図２のブラシレス発電機のように励磁機を必要としないため発電装置の寸法を小さくすることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１５１９８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２１８６５７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２のように構成された発電装置は、発電機として励磁機を備えるブラシレス発電機を用いるため、ブラシ付き単体発電機や磁石発電機に比べて回転軸の軸長が長くなり、発電装置の寸法が大きくなるという欠点がある。また、励磁機による損失が避けられず、発電装置の効率を低下させる。
【０００９】
また、図３のように構成された発電装置では、高価なインバータを必要とするため、発電装置の価格が上昇するという欠点がある。また、インバータによる損失が避けられず、発電装置の効率を低下させる。
本発明（請求項１及び請求項２対応）は、上記状況に鑑みてなされたもので、その課題は、小型、低価格でかつ高効率な発電装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の請求項１の発電装置は、同じ極性同士を直列に接続した２台の可飽和リアクトルからなるリアクトル対３組と、負荷へ電力を供給する磁石発電機と、前記可飽和リアクトルの制御巻線を直列接続した直列回路に直列に接続され、スイッチング動作により該直列回路に印加される電圧を調節するスイッチング素子と、前記直列回路とスイッチング素子からなる直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、前記直列回路に並列に接続され、かつ前記直流電源の出力端子に接続されたダイオードと、前記磁石発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、前記電圧指令信号発生器の出力信号から前記電圧検出器の出力信号を減算した誤差信号を出力する減算器と、前記減算器の出力する誤差信号を増幅し且つ負荷へ供給する遅れ無効電力の変動に伴う発電機電圧の変動を補償し、前記磁石発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力する制御信号の値に比例するオンデューティのパルス信号を出力するパルス発生器と、前記パルス発生器の出力信号を反転させる否定論理演算器と、前記否定論理演算器の出力するパルス信号に応じて前記スイッチング素子を開閉するドライブ回路を有し、前記スイッチング素子を開閉して可飽和リアクトルの制御巻線へ流れる電流を制御することで、負荷の遅れ無効電力量によって変動する磁石発電機の端子電圧を一定に制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項１の発電装置によると、磁石発電機の出力端子に接続された可飽和リアクトルの飽和度を自動的に調節することにより、遅れ力率運転においても磁石発電機の電圧を低下させることなく負荷へ一定電圧の電力を供給することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態の発電装置の回路構成図である。
図において、１は原動機、２は調速機、３は磁石発電機（ＰＭＧ）、４は負荷、５〜１０は可飽和リアクトル、１１はスイッチング素子、１２は直流電源、１３はダイオード、１４は電圧検出器、１５は電圧指令発生器、１６は減算器、１７は演算増幅器、１８はパルス発生器、１９は否定論理演算器、２０はスイッチング素子１１のドライブ回路である。
【００１３】
次に、本実施形態の主要な構成機器の作用について説明する。
原動機１は、調速機２によって回転速度を調整されながら磁石発電機３を駆動する。磁石発電機３は負荷４へ交流電力を供給する。可飽和リアクトル５，６は同じ極性同士を互いに向き合わせて直列に接続して一つの対のリアクトルとして用いる。可飽和リアクトル７，８および可飽和リアクトル９，１０も同様に一つの対のリアクトルとして用いる。可飽和リアクトル５，６、可飽和リアクトル７，８および可飽和リアクトル９，１０は各々磁石発電機３の出力端子のＲ−Ｓ間、Ｓ−Ｔ間、Ｔ−Ｒ間に接続され、これらには無効電力が流れる。可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線は、極性の向きを全て同じ方向にして直列に接続され、スイッチング素子１１と直流電源１２の直列回路の両端に接続される。スイッチング素子１１はドライブ回路２０によって開閉され、直流電源１２から可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線直列回路へ印加される電圧の操作を行う。
【００１４】
ダイオード１３は可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線の直列回路の両端に接続される。また、ダイオード１３のカソード側は直流電源１２の正側端子に接続される。ダイオード１３にはスイッチング素子１１が開いている期間のみ可飽和リアクトルの制御巻線に電流が流れる。電圧検出器１４は磁石発電機３の端子電圧を検出し、電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号は磁石発電機３が定格電圧時に電圧指令発生器１５の出力信号と同量となる。
【００１５】
減算器１６は電圧指令発生器１５の出力する電圧指令信号から前記電圧検出信号を減算し、誤差信号を出力する。演算増幅器１７は減算器１６の出力する誤差信号を増幅し、かつ負荷４へ供給する遅れ無効電力の変動に伴う発電機電圧の変動を補償し、磁石発電機３の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する。  パルス発生器１８は演算増幅器１７の出力する制御信号の値に比例するオンデューティを持ったパルス信号を出力する。演算増幅器１７の信号の極性は正であるとは限らず負である場合もあるが、制御信号の値の取り得る任意の範囲をオンデューティの０％〜１００％に割当て、それ以外の値では０％あるいは１００％の制限がかけられる。
【００１６】
否定論理演算器１９は前記パルス信号を反転した反転パルス信号を出力する。ドライブ回路２０は前記反転パルス信号に従ってスイッチング素子１１を開閉する。電圧検出器１４は例えば交流直流電圧変換器を用いる。
【００１７】
電圧指令発生器１５、減算器１６、演算増幅器１７、パルス発生器１８、否定論理演算器１９は例えばＡ／Ｄ変換器を備えたワンチップマイクロコンピュータを用いる。スイッチング素子１１は例えばトランジスタを用いる。
【００１８】
スイッチング素子１１が閉じると、可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線に直流電源１２の電圧が印加され、可飽和リアクトル制御巻線に流れる直流電流が増加する。スイッチング素子１１が開くと、直流電流は可飽和リアクトル制御巻線とダイオード１３とから成る回路を流れ、この回路の抵抗成分とインダクタンス成分で決まる時定数で減衰する。従って、スイッチング素子１１の開閉期間を操作することにより、可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線に流れる直流電流の量を調節することができる。
【００１９】
可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線に流れる直流電流を増加させると、鉄心が飽和し、可飽和リアクトルのインダクタンスが減少する。逆に直流電流を減少させると、可飽和リアクトルのインダクタンスが増加する。従って、スイッチング素子１１を開閉して可飽和リアクトル５〜１０の制御巻線に流れる直流電流を調節することで、可飽和リアクトル５〜１０のインダクタンスを調節することができる。
【００２０】
図１に示すように、可飽和リアクトル５と可飽和リアクトル６は同じ極性同士を互いに向き合わせて直列に接続されており、また、各々の制御巻線も極性を同じ方向に向けて直列接続している。従って、これらの制御巻線に直流電流が流れると可飽和リアクトル５は正方向へ、可飽和リアクトル６は負方向へ、同じ量だけ飽和する。
【００２１】
このような構成をとることにより可飽和リアクトル５，６は磁石発電機のＲ−Ｓ端子の交流電圧が印加された時、交流電圧の正側の半周期においては可飽和リアクトル５が飽和し、負側の半周期においては可飽和リアクトル６が飽和するので、正負のどちらの周期においても同量のリアクトル電流を流すことができる。
可飽和リアクトル７，８および可飽和リアクトル９，１０についても同様である。
【００２２】
電圧検出器１４は磁石発電機の電圧が定格時に電圧指令発生器１５が出力する信号と同量の信号を出力する。従って、減算器１６の出力する誤差信号は、電圧検出器１４による検出信号が電圧指令発生器１５の出力信号より大きい場合は負の誤差信号となり、小さい場合は正の誤差信号となる。誤差信号は演算増幅器１７によって増幅されて、制御信号として出力されるが、この制御信号の値が大きい程、パルス発生器１８のオンデューティは大きくなる。従って、パルス発生器１８の出力するパルス信号のオンデューティは、磁石発電機の電圧が定格よりも大きな場合は狭く、小さな場合は広くなる。
【００２３】
否定論理演算器１９は、パルス信号の論理を反転して出力するため、磁石発電機３の電圧が上がればスイッチング素子１１のオン期間は長くなり、逆の場合は短くなる。これらの結果、磁石発電機３の電圧が上がれば可飽和リアクトル５〜１０の飽和量が増加してインダクタンスが小さくなり、逆の場合は飽和量が減少してインダクタンスが大きくなる。可飽和リアクトル５〜１０のインダクタンスが小さくなると、同リアクタンスへ流れる電流が増加し、電機子反作用により磁石発電機３の電圧は下がり、その逆の場合は磁石発電機３の電圧は上がる。従って、負荷に遅れ無効電力を供給した場合に電機子反作用により端子電圧が低下してしまう磁石発電機３においても、可飽和リアクトルに流れる遅れ無効電力を調節することで、出力電圧を一定に制御することが可能となる。
【００２４】
本実施形態は以上のような構成とすることにより、一般に発電装置の定格として指定される遅れ力率（例えば０．８）での運転時においても、負荷へ一定の電圧の交流電力を供給できる磁石発電機を用いた発電装置を実現することも可能となる。そして、本発電装置は磁石発電機を用いるので、回転軸の軸長が短く従来よりも小型であり、インバータや励磁機を必要としないため、低価格で効率のよい発電装置が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁石発電機の出力端子に接続された可飽和リアクトルの飽和度を自動的に調節することにより、遅れ力率運転においても磁石発電機の電圧を低下させることなく負荷へ一定電圧の電力を供給することを可能とし、それにより小型、低価格でかつ高効率な発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の回路構成図。
【図２】従来の発電装置の単線結線図。
【図３】従来の他の発電装置の単線結線図。
【符号の説明】
１…原動機、２…調速機、３…磁石発電機、４…負荷、５〜１０…可飽和リアクトル、１１…スイッチング素子、１２…直流電源、１３…ダイオード、１４…電圧検出器、１５…電圧指令発生器、１６…減算器、１７…演算増幅器、１８…パルス発生器、１９…否定論理演算器、２０…ドライブ回路、３０…ブラシレス同期発電機、３１…変圧器、３２…自動電圧調整器、３３…主発電機、３４…励磁機、３５…整流器、３６…インバータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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