(57)【要約】【課題】ターボチャージャの回転速度が変動した際に、自励インバータとダイオードコンバータの半導体素子を保護することのできるターボチャージャ発電装置を提供する。【解決手段】タービンとターボチャージャと永久磁石発電機とを備えたターボチャージャ発電装置において、永久磁石発電機の出力する交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、この直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータとを備え、永久磁石発電機とコンバータの間に入力遮断器を設け、コンバータの直流電圧を検出する電圧検出器と、直流電圧が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く保護装置を備えており、コンバータの出力する直流電圧が上昇した時に永久磁石発電機とコンバータを切り離すので、コンバータあるいは自励インバータを構成する半導体素子の破壊を防止することができる。【選択図】図１
2007303417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサ軸端に接続された永久磁石発電機とから構成されたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータにより得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータとを備え、前記永久磁石発電機と前記ダイオードコンバータの間に入力遮断器を設け、前記ダイオードコンバータの出力する直流電圧を検出する電圧検出器と、前記直流電圧が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第１の保護装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記第１の保護装置の代わりに、前記永久磁石発電機の回転速度が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第２の保護装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記第１の保護装置の代わりに、前記永久磁石発電機の出力電圧が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第３の保護装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記第１の保護装置の代わりに、前記永久磁石発電機の出力周波数が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第４の保護装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【請求項５】
内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサ軸端に接続された永久磁石発電機とから構成されたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータにより得られた直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパにより得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記昇圧チョッパの出力する直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータとを備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【請求項６】
内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサ軸端に接続された永久磁石発電機とから構成されたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータにより得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータと、前記自励インバータの出力側に設けた出力遮断器と、前記出力遮断器を介して系統または負荷に電力を供給し、ダイオードコンバータの出力する直流電圧を検出する電圧検出器と、前記直流電圧の検出値を入力し検出値が所定値より下がったときに前記出力遮断器を開く第５の保護装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載のターボチャージャ発電装置において、前記電圧検出器と前記第５の保護装置の代わりに、前記ダイオードコンバータへの入力電流を検出する電流検出器と、前記入力電流が所定値を超えたときに前記出力遮断器を開く第６の保護装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャにより駆動されて発電するターボチャージャ発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のターボチャージャ発電装置を図７（特許文献１参照）について説明する。
図７において、内燃機関１から排出される排気は排気管１６を通って外部に排出され、ターボチャージャ２のタービン１２は排気の流れによって駆動され、排気のエネルギーがターボチャージャ２の回転エネルギーに変換される。同時にコンプレッサ１１が駆動され、吸気管１５を通して内燃機関１内に外気を送り込む。これにより内燃機関１への外気の充填効率を高めている。
【０００３】
ターボチャージャ発電装置は、ターボチャージャ２の回転エネルギーでコンプレッサ１１を駆動すると同時に固定子１３と回転子１４を備えた永久磁石発電機１０を駆動して発電する。ここで内燃機関１の出力が変動すると、排気エネルギーも変動し、ターボチャージャ２の回転速度即ち永久磁石発電機１０の回転速度が変動する。永久磁石発電機１０の回転速度が変動すると、永久磁石発電機１０により出力される交流電圧の周波数も変動する。この交流電圧はダイオードコンバータ４に入力され、ダイオードコンバータ４によって直流電圧に変換される。この直流電圧はコンデンサ６で平滑化され、さらに自励インバータ５で周波数が一定の交流電圧に変換される。そして、トランス７で系統９の電圧に変圧されて系統９に供給される。トランス７は、トランスに含まれるインダクタンスにより自励インバータの出力する高調波を低減する作用もある。
【特許文献１】特開平６−３４１３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のターボチャージャ発電装置では、内燃機関１の排気エネルギーの増加によってターボチャージャ２の回転速度が上昇した場合、永久磁石発電機１０の回転速度が上昇し、回転速度に比例して交流電圧が上昇するので、ダイオードコンバータ４の出力する直流電圧も上昇する。このような場合、自励インバータ５を構成する半導体素子あるいはダイオードコンバータ４を構成する半導体素子が過電圧により破壊される恐れがある。
【０００５】
また、内燃機関１の排気エネルギーの減少によってターボチャージャ２の回転速度が低下した場合、永久磁石発電機１０の回転速度が低下し、交流電圧も低下するので、ダイオードコンバータ４の出力する直流電圧も低下する。このような場合、自励インバータ５に入力される直流電圧が低いため、自励インバータ５が系統９に電力を供給するために必要な交流電圧を出力できなくなる。
【０００６】
また、ダイオードコンバータ４を構成するダイオードコンバータオード（図示しない）が故障して短絡すると、ダイオードコンバータ４の出力電圧が急激に低下する。すると自励インバータ５を通して系統９側から大電流が流れ、インバータ５を構成する半導体素子も故障する恐れがある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は、内燃機関の排気エネルギーの変動によってターボチャージャの回転速度が変動した際に、自励インバータとダイオードコンバータの半導体素子を保護するターボチャージャ発電装置を提供することである。
【０００８】
本発明の他の課題は、ダイオードコンバータが故障して短絡した際に、自励インバータが故障することを防止するターボチャージャ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】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサ軸端に接続された永久磁石発電機とから構成されたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータにより得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータとを備え、前記永久磁石発電機と前記ダイオードコンバータの間に入力遮断器を設け、前記ダイオードコンバータの出力する直流電圧を検出する電圧検出器と、前記直流電圧が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第１の保護装置を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記第１の保護装置の代わりに、前記永久磁石発電機の回転速度が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第２の保護装置を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記第１の保護装置の代わりに、前記永久磁石発電機の出力電圧が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第３の保護装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のターボチャージャ発電装置において、前記第１の保護装置の代わりに、前記永久磁石発電機の出力周波数が所定値を超えたときに前記入力遮断器を開く第４の保護装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサ軸端に接続された永久磁石発電機とから構成されたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータにより得られた直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、前記昇圧チョッパにより得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記昇圧チョッパの出力する直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンと、前記タービンと軸で接続されたコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサ軸端に接続された永久磁石発電機とから構成されたターボチャージャ発電装置において、前記永久磁石発電機の出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオードコンバータと、前記ダイオードコンバータにより得られた直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を定格周波数の交流電圧に変換して系統または負荷に供給する自励インバータと、前記自励インバータの出力側に設けた出力遮断器と、前記出力遮断器を介して系統または負荷に電力を供給し、ダイオードコンバータの出力する直流電圧を検出する電圧検出器と、前記直流電圧の検出値を入力し検出値が所定値より下がったときに前記出力遮断器を開く第５の保護装置を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のターボチャージャ発電装置において、前記電圧検出器と前記第５の保護装置の代わりに、前記ダイオードコンバータへの入力電流を検出する電流検出器と、前記入力電流が所定値を超えたときに前記出力遮断器を開く第６の保護装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ダイオードコンバータの出力する直流電圧が上昇した時に永久磁石発電機とダイオードコンバータを切り離すようにしたので、ダイオードコンバータを構成する半導体素子あるいは自励インバータを構成する半導体素子が破壊されることを防止したターボチャージャ発電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】
【００１７】
以下、本発明の最良の実施形態を図を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図であり、本実施形態のターボチャージャ発電装置が既に説明した図７の従来のターボチャージャ発電装置と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成部分についてのみ説明する。
【００１８】
本実施形態のターボチャージャ発電装置が図７の従来のターボチャージャ発電装置との構成の違いは、永久磁石発電機１０とダイオードコンバータ４の間に入力遮断器３を配置し、ダイオードコンバータ４の出力する直流電圧を検出する直流電圧検出器４０を設け、その検出値を保護装置５０に入力して入力遮断器３を開くように構成した点である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態では内燃機関１からの排気ガスが排気管１６を通ってタービン１２を回し、タービン１２が回されることによりコンプレッサ１１を駆動する。同時に永久磁石発電機１０を駆動して発電する。永久磁石発電機１０により出力された交流電圧は、ダイオードコンバータ４によって直流電圧に変換され、コンデンサ６で直流電圧を平滑化し、自励インバータ５で交流電圧に変換され、トランス７で系統９の電圧に変圧して系統９に供給される。
【００２０】
本実施形態では、ダイオードコンバータ４が出力する直流電圧を直流電圧検出器４０により検出する。保護装置５０は直流電圧の検出値が所定値より高くなった場合は入力遮断器３を開き、ダイオードコンバータ４への電力供給を止める。
【００２１】
したがって、直流電圧上昇時に自励インバータ５を構成する半導体素子あるいはダイオードコンバータ４を構成する半導体素子が過電圧により破壊されることを防止することができる。なお、本実施形態のターボチャージャ発電装置の発電装置としての作用は従来と同様である。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図であり、本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第1の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成部分についてのみ説明する。
【００２３】
本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第１の実施形態と相違する構成は、直流電圧検出器４０の代わりに速度検出器４１を用い、保護装置５０の代わりに保護装置５１を用いた点である。
【００２４】
図２に示すように、本実施形態では、速度検出器４１により永久磁石発電機１０の回転速度を検出しているので、永久磁石発電機１０の回転速度が上昇すると、それに比例して交流電圧とダイオードコンバータ４の出力する直流電圧が上昇する。保護装置５１は、永久磁石発電機１０の回転速度の検出値が所定値より上昇した場合には入力遮断器３を開き、ダイオードコンバータ４への電力供給を停止させる。
【００２５】
したがって、永久磁石発電機１０の回転速度上昇時に交流電圧が上昇してダイオードコンバータ４を構成する半導体素子あるいは自励インバータ５を構成する半導体素子が過電圧により破壊されることを防止することができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図であり、本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第1の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成部分についてのみ説明する。
【００２７】
本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第１の実施形態と相違する構成は、直流電圧検出器４０の代わりに交流電圧検出器４５を用い、保護装置５０の代わりに保護装置５２を用いた点である。
【００２８】
図３に示すように、本実施形態では、ダイオードコンバータ４に入力する交流電圧を検出し、交流電圧が所定値より高くなった場合に保護装置５２が入力遮断器３を開くように構成している。ダイオードコンバータ４へ入力する交流電圧とダイオードコンバータ４から出力される直流電圧は比例するので、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
また、永久磁石発電機１０の出力する交流電圧と周波数は比例するので、周波数とダイオードコンバータ４の出力する直流電圧も比例する。従って、永久磁石発電機１０の出力する周波数を検出し、周波数が所定値より高くなった場合に入力遮断器３を開くように構成しても、第１の実施形態であるターボチャージャ発電装置と同様の効果が得られる。
【００３０】
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図であり、本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第1の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成部分についてのみ説明する。
【００３１】
本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第１の実施形態と相違する構成は、ダイオードコンバータ４とコンデンサ６の間に昇圧チョッパ３０を用い、コンデンサ６の両端の直流電圧を検出する直流電圧検出器４０を用いた点である。
【００３２】
図４に示すように、本実施形態において、昇圧チョッパ３０はリアクトル３１と、ダイオード３２と、半導体スイッチ３３と、チョッパ制御回路３４とから構成されている。
【００３３】
チョッパ制御回路３４は半導体スイッチ３３にオンオフ信号を出力する。また、半導体スイッチ３３のオン期間中、リアクトル３１にエネルギーが蓄積される。半導体スイッチ３３がオフになるとリアクトル３１に蓄えられたエネルギーが放出され、コンデンサ６に蓄積される。このことにより、コンデンサ６の電圧は昇圧チョッパの入力電圧より高くすることができる。
【００３４】
本実施形態では、直流電圧検出器４０が直流電圧を検出し、チョッパ制御回路３４は直流電圧が所定の値になるように半導体スイッチ３３を制御し、昇圧動作を行う。このように、ダイオードコンバータ４の出力する直流電圧を昇圧チョッパ３０で昇圧して自励インバータに供給するので、ターボチャージャの回転速度が低下してダイオードコンバータ４の出力電圧が低下しても、直流電圧は所定値を維持することができ、運転を継続することができる。
【００３５】
（第５の実施形態）
図５は本発明の第５の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図であり、本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第1の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成部分についてのみ説明する。
【００３６】
本実施形態のターボチャージャ発電装置が図１の第１の実施形態と相違する構成は、入力遮断器３の代わりに自励インバータ５の出力側に出力遮断器８を用い、保護装置５０の代わりに保護装置５３を用いた点である。
【００３７】
図５に示すように、本実施の形態では、ダイオードコンバータ４の出力する直流電圧を直流電圧検出器４０にて検出し、直流電圧が所定値より下がった時に出力遮断器８を開く。ダイオードコンバータが故障して短絡した場合には直流電圧が低下するので、ダイオードコンバータ４が故障した場合に自励インバータ５に過電流が流れて故障することを防ぐことができる。
【００３８】
（第６の実施形態）
図６は本発明の第６の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図であり、本実施形態のターボチャージャ発電装置が図５の第５の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成部分についてのみ説明する。
【００３９】
本実施の形態のターボチャージャ発電装置が図５の第５の実施形態と相違する構成は、直流電圧検出器４０の代わりに電流検出器４６を用い、保護装置５３の代わりに保護装置５４を用いた点である。
【００４０】
図６に示すように、本実施の形態では、ダイオードコンバータ４への入力電流を電流検出器４６にて検出して保護装置５４に入力し、保護装置５４は入力電流が所定値を超えた時に出力遮断器８を開く。ダイオードコンバータ４が故障して短絡した場合には入力電流が増加するので、ダイオードコンバータ４が故障した場合に自励インバータ５に過電流が流れて故障することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態であるターボチャージャ発電装置の構成図。
【図７】従来のターボチャージャ発電装置の構成図。
【符号の説明】
【００４２】
１…内燃機関、２…ターボチャージャ、３…入力遮断器、４…ダイオードコンバータ、５…自励インバータ、６…コンデンサ、７…トランス、８…出力遮断器、９…系統、１０…永久磁石発電機、１１…コンプレッサ、１２…タービン、１３…固定子、１４…回転子、１５…吸気管、１６…排気管、３０…昇圧チョッパ、３１…リアクトル、３２…ダイオード、３３…半導体スイッチ、３４…チョッパ制御回路、４０…直流電圧検出器、４１…速度検出器、４５…交流電圧検出器、４６…電流検出器、５０，５１，５２，５３，５４…保護装置。
【図１】
2007303417.tif 000003
【図２】
2007303417.tif 000004
【図３】
2007303417.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007303417.tif 000007
【図６】
2007303417.tif 000008
【図７】
2007303417.tif 000009