(57)【要約】【課題】出力から入力へのフィードバック制御を充実させ、出力側の発電機に接続された蓄電池に安定した大電流を長期的に供給できる電動・発電システムを提供する。【解決手段】交流電動機と交流発電機とをプーリおよびベルトによって接続した電動・発電システムにおいて、交流電動機に供給される入力電力を制御する入力制御手段と、交流発電機の出力を直流電圧に整流する整流手段と、整流手段の出力電圧を降圧して低電圧の大電流を生成する電圧変換手段と、電圧変換手段から出力された電力を蓄える蓄電手段と、該蓄電手段の端子電圧を監視する電圧監視手段と設ける。電圧監視手段は監視電圧に応じて所定の制御信号を生成し、かつ、入力制御手段は該制御信号に応じて交流電動機に供給される入力電力を制御する。【選択図】図１
2012100455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機と、該交流電動機とプーリおよびベルトによって回転軸が互いに接続された交流発電機とから成る電動・発電システムにおいて
前記交流電動機に供給される入力電力を制御する入力制御手段と、前記交流発電機の出力を直流電圧に整流する整流手段と、該整流手段の出力である直流電圧を降圧し低電圧の大電流を生成する電圧変換手段と、該電圧変換手段から出力された電力を蓄える蓄電手段と、該蓄電手段の端子電圧を監視する電圧監視手段とを含み、
前記電圧監視手段は該蓄電手段の端子電圧に応じて所定の制御信号を生成し、かつ、前記入力制御手段は該制御信号に応じて前記交流電動機に供給される入力電力を制御することを特徴とする電動・発電システム。
【請求項２】
前記交流発電機の回転軸に設けられたプーリの直径が、前記交流電動機の回転軸に設けられたプーリの直径よりも大であることを特徴とする請求項１に記載の電動・発電システム。
【請求項３】
前記蓄電手段に供給される電流値が、前記交流電動機に供給される電流値に比較して極めて大であることを特徴とする請求項１または２に記載の電動・発電システム。
【請求項４】
前記交流電動機および前記交流発電機は、三相交流による誘導電動機ならびに発電機であることを特徴とする請求項１ないし３の内の少なくとも何れか一項に記載の電動・発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機と発電機の回転軸をプーリおよびベルトを用いて互いに接続し、電動機により発電機を駆動して電気エネルギーを発生させる電動・発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の国内や国際社会においては、環境保護や地球温暖化防止等の観点から、従来のような原子力や火力による大規模発電システムを補完するものとして、様々な小規模の補助発電システムの普及が提唱されるようになった。その一つとして、電動機と発電機とを組み合わせた、いわゆる「電動・発電システム」が提案されており、係る技術については既に多くの先行技術文献が開示されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電動機と発電機とを所定の慣性を有するフライホイールを介して接続し、太陽光や風力による不安定な発電源を補完して安定した電力を供給可能とする電動・発電システムが示されている。また、特許文献２には、電動機と発電機とをプーリおよびベルトによる動力伝達機構で接続して発電を行い、発電機からの出力電力を蓄電池に蓄える電動・発電システムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】実用新案登録第３１３９２７５号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１５４８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術においては、出力である発電機側から入力の電動機側への安定したフィードバックループが設けられておらず、出力側の発電電力が必要十分であるにも関らず、入力側に無駄な入力電力が供給され続けるような事態が生ずるおそれがあった。また、出力側から入力側への負帰還作用が十分に動作しないため、出力側に流れる電流が過大となりシステム全体が暴走状態となるおそれもあった。
【０００６】
本発明は、このような従来からの課題を解決することを目的とするものであって、より具体的には、出力側から入力側へのフィードバック制御を充実させ、出力側の発電機に接続された蓄電池に安定した大電流を長期的に供給できる電動・発電システム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】
【０００７】
本発明の第一の観点による電動・発電システムは、上記の目的を達成するため、
交流電動機と、該交流電動機とプーリおよびベルトによって回転軸が互いに接続された交流発電機とから成る電動・発電システムにおいて
前記交流電動機に供給される入力電力を制御する入力制御手段と、前記交流発電機の出力を直流電圧に整流する整流手段と、該整流手段の出力である直流電圧を降圧し低電圧の大電流を生成する電圧変換手段と、該電圧変換手段から出力された電力を蓄える蓄電手段と、該蓄電手段の端子電圧を監視する電圧監視手段とを含み、
前記電圧監視手段は該蓄電手段の端子電圧に応じて所定の制御信号を生成し、かつ、前記入力制御手段は該制御信号に応じて前記交流電動機に供給される入力電力を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第二の観点による電動・発電システムは、上記第一の観点において、
前記交流発電機の回転軸に設けられたプーリの直径が、前記交流電動機の回転軸に設けられたプーリの直径よりも、大であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第三の観点による電動・発電システムは、上記第一または第二の観点において、
前記蓄電手段に供給される電流値が、前記交流電動機に供給される電流値に比較して極めて大であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第四の観点による電動・発電システムは、上記第一ないし第三の観点の少なくとも何れか一において、
前記交流電動機および前記交流発電機は、三相交流による誘導電動機ならびに発電機であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による電動・発電システムによれば、簡易な構成にも関らず、出力側の発電機に接続された蓄電池に大電流を長期間にわたり安定して供給可能な電動・発電システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態である実施例について、本願の明細書に添付された各図面を参照しつつ以下に説明を行う。
【００１３】
先ず、本実施例による電動・発電システム１００の概略構成を図１のブロック図に示す。同図において、受電装置１０１は、ＡＣ２００Ｖの商用三相交流電源から電力を受電して本システムに供給するための装置であり、通常、電源スイッチやヒューズ或いはブレーカを含むものである。また、場合によっては電流計や電圧計或いは電力計などの各種計測機器類を同装置内に含めるようにしても良い。さらに同装置内に、例えば、力率の改善や起動トルクの抑制を目的としたコンデンサを備えるようにしても良い。なお、受電装置１０１は、本実施例において必須的構成要件ではないためこれを省略してシステムを構成することも可能である。
【００１４】
受電装置１０１から出力された交流電力は、入力制御装置１０２を介して電動機１０３に供給される。入力制御装置１０２は、後述する制御信号に応じて電動機１０３に供給される交流電力を調整・制御する装置である。同装置の構成としては様々な原理を用いることが可能であり、例えば、図２ａに示すような、三相交流の各相に直列および並列に挿入したリアクトルのインダクタンスを、サーボモータによる駆動機構を用いて機械的に変化させ、三相交流電力の制御を行なう誘導電圧調整器のような機器を用いても良い。
【００１５】
電動機１０３は、通常の三相交流電力によって駆動される三相誘導電動機である。本実施例においては、電動機１０３としてＡＣ２００Ｖの三相交流電源を印加した際に、無負荷運転時で相電流が約５．５Ａ流れる５馬力の電動機を使用している。但し、本発明の実施が係る事例に限定されるものでないことはいうまでも無く、異なる定格或いは駆動原理の電動機を用いることが可能である。
【００１６】
電動機１０３の回転軸にはプーリ１０４が装着されており、プーリ１０４は動力伝達ベルト１０５を介して、発電機側のプーリ１０６に接続されている。因みに、動力伝達ベルト１０５は、通常の平ベルトやＶベルトなどの各種態様の動力伝達用ベルトを用いることが可能である。
【００１７】
因みに、本実施例においては、電動機側のプーリ１０４の直径を１８ｃｍに、発電機側のプーリ１０６の直径を３０ｃｍに設定している。これによって例えば、電動機１０３の回転数を１，４５０ｒｐｍに設定すると、発電機側プーリ１０６の回転数は
１，４５０ｒｐｍ×（１８ｃｍ／３０ｃｍ）＝８７０ｒｐｍ
となる。
【００１８】
本発明では、発電機側プーリの直径を電動機側プーリの直径よりも大きくすることをその特徴の一つとしている。一般に、図１に示したようなプーリとベルトによる動力伝達系においては、被伝達側のプーリの直径を駆動側のプーリの直径よりも大きくすることによって、駆動側の電動機のトルクを軽減させることが可能となる。それ故、本実施例においても
プーリ１０４の直径（１８ｃｍ）  ＜  プーリ１０６の直径（３０ｃｍ）
と設定することによって、電動機１０３の駆動トルクを軽減させることができるのである。
【００１９】
発電機１０７は三相交流用の発電機であり、本実施例においては、その容量が３ｋｗで４８極の極数を有する発電機を使用している。なお、本発明においてプーリの直径や発電機の極数などの各条件は、係る事例に限定されるものでないことはいうまでも無い。発電機１０７からはＡＣ２００Ｖの三相交流電力が出力され、係る出力交流電力は整流装置１０８に供給される。
【００２０】
整流装置１０８は、例えば、図２ｂに示されるような三相ブリッジ形の全波整流回路であり、発電機１０７から供給される三相交流電力を直流に変換するものである。本実施例においては、上記に述べた各種の条件で運用を行った場合、整流装置１０８の出力として約ＤＣ２００Ｖの直流電圧を得ることができる。
【００２１】
整流装置１０８から出力された直流電力は、続いて後段に設けられた電圧コンバータ装置１０９に供給される。電圧コンバータ装置１０９は、通常のＤＣ−ＤＣコンバータであり、入力された直流電圧値を任意の直流電圧値に変換する装置である。ここで、電圧コンバータ装置１０９の概要を図３のブロック図に示す。
【００２２】
同図に示すように電圧コンバータ装置１０９においては、フルブリッジ方式に接続された４つの電力用ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）Ｓ１〜Ｓ４を所定のシーケンス（Ｓ１，Ｓ４の組とＳ２，Ｓ３の組を交互にＯＮ／ＯＦＦさせる）に基づいてスイッチングさせ、同装置に入力されたＤＣ２００Ｖの直流を数百ｋＨｚの高周波矩形波電圧に変換している。
【００２３】
係る処理によって得られた矩形波電圧は、高周波変成器Ｔ１によって低電圧に降圧され、さらにダイオードＤ１，Ｄ２によって整流された後に、リアクトルＬ１及びキャパシタＣ１から構成された平滑回路を経由して電圧コンバータ装置１０９から出力される。これによって、同装置に供給されたＤＣ２００Ｖの直流電圧は、より低圧で大電流を流す事が可能な直流電圧値に変換されるのである。
【００２４】
因みに、本実施例においては、電圧コンバータ装置１０９の出力電圧値を直流のＤＣ４８Ｖに設定しているが、本発明の実施は係る電圧値に限定されるものではなく、使用するバッテリーの電圧に合わせて、例えば、ＤＣ１２ＶやＤＣ２４Ｖなどの任意の値に設定することが可能である。
【００２５】
バッテリー装置１１０は、複数のバッテリーを直列或いは並列に接続したバッテリー群を含むものであって、トリクル充電や急速充電を行なうための充電制御回路（図示せず）を含む構造とすることが好ましい。
【００２６】
なお、本実施例において使用されるバッテリーについて特に制限はなく、一般的な鉛バッテリーであっても、或いはニッケルカドミウム・バッテリーやリチウムイオン・バッテリーであっても問題はない。また、充電制御回路に所定の改造を加えることによって、電気二重層を利用したスーパー・キャパシタをバッテリーとして充電することも可能である。
【００２７】
前述のように、本実施例による電動・発電システム１では、ＤＣ２００Ｖを電圧コンバータ装置１０９でＤＣ４８Ｖに降圧し、ＤＣ４８Ｖ×３０Ａ（約１，４４０Ｗ）の電力でバッテリーの充電を開始している。言うまでもないが、鉛バッテリーの場合は、その電極として用いられる二酸化鉛を充電電圧によって電気分解し、これによって二酸化鉛の電極に電荷（電子）を付着させることにより充電が行なわれる仕組みとなっている。本実施例では、バッテリー装置１１０として、電動フォークリフト等の小型移動運搬車両で一般に使用されている蓄電池ブロックを採用した。因みに、一つの蓄電池ブロックは、複数の小型鉛バッテリーを並列および直列に多数組み合わせたものから構成されており、これを第１ブロックから第７ブロックまで準備し、各ブロックへの充電電力の接続を順次切り換えつつ充電を行なうものとした。
【００２８】
電圧監視装置１１１は、バッテリー装置１１０の端子電圧を監視し、その端子電圧の値に応じて所定の制御信号を生成し、これを前述した入力制御装置１０２に送出する機器である。同装置の概略構成を示せば図４のブロック図のとおりである。同図に示すように、電圧監視装置１１１は、主に、電圧検出部１１１ａ、比較演算部１１１ｂ、基準電圧生成部１１１ｃ、制御信号送出部１１１ｄから構成されている。
【００２９】
電圧検出部１１１ａは、バッテリー装置の端子電圧への影響を極力抑えるため、例えば、ボルテージ・フォロワー等の極めて高い入力抵抗を有した電圧検出回路から構成することが好ましい。電圧検出部１１１ａのからの検出電圧は、比較演算部１１１ｂの＋側端子に供給される。同時に、基準電圧生成部１１１ｃからの基準電圧が同じく比較演算部１１１ｂの−側端子に加えられる。
【００３０】
基準電圧生成部１１１ｃは、ツェナーダイオードなどの定電圧ダイオードを利用して所定の基準電圧を生成する回路であり、本実施例の場合であれば（ＤＣ４８＋α）Ｖの基準電圧が生成されるものとする。因みに、αはいわゆる閾値電圧であり、例えば、この値をα＝０．５Ｖと設定すれば、比較演算部１１１ｂの＋側端子に入力されたバッテリー装置の端子電圧がＤＣ４８．５Ｖを超えた場合に、比較演算部１１１ｂによって所定の制御信号が生成される。なお、閾値電圧αの値は電圧監視装置１１１内に設けられた設定スイッチ等（図示せず）により、本システムの運用に応じて任意に設定することが可能となっている。
【００３１】
制御信号送出部１１１ｄは、比較演算部１１１ｂから供給された制御信号を、例えば、ＲＳ２３２ＣやＲＳ４２２等の所定の信号形式に変換し、これを入力制御装置１０２に送出する回路である。なお、本実施例のように電動機や発電機等の強電関連の機器を多く含むシステムにおいては、機器の動作ノイズが極めて大きいため、制御信号をノイズに強い電流ループ信号等に変換して送出することが好ましい。
【００３２】
電圧監視装置１１１からの制御信号を受信した入力制御装置１０２では、係る信号に応じて、同装置を構成する三相誘導電圧調整器のリアクトルの可動鉄心を、例えば所定のサーボ機構（図示せず）によって微摺動させ、電動機１０３に印加される三相交流電力の入力値を制御するのである。
【００３３】
例えば、電圧監視装置１１１からの制御信号がバッテリーの端子電圧が所定の閾値を超えていないという情報を示すものであれば、三相誘導電圧調整器のインダクタンスを低減させて電動機１０３への入力電力を増加させる。一方、電圧監視装置１１１からの制御信号がバッテリーの端子電圧が所定の閾値を超えているという情報を示すものであれば、三相誘導電圧調整器のインダクタンスを増加させ電動機１０３への入力電力を減少させる。
【００３４】
なお、急速充電などの特殊な充電方法を行なわない限り、一般に、バッテリーの充電が進行するとバッテリーへの充電電流が自動的に減少する仕組みとなっている。これによって発電機１０７の負荷が減少し、当然これを駆動する電動機１０３の負荷も軽減されて、電動機１０３の消費電力が低減され省エネルギー効果を生み出すことになる。
【００３５】
また、本実施例においては充電形態としてトリクル充電方式を採用している。言うまでもなく、トリクル充電方式の場合は、バッテリーを使い切ってから充電するのではなく、バッテリー容量を２０％程度残した状態で充電を行なうものである。これによって、バッテリーの充電開始時における流入電流の大きさを抑制することが可能となり、充電時における省エネルギー効果が期待できる。
【００３６】
さらに、トリクル充電方式を採用することにより、充電開始時の大電流による二酸化鉛電極の損傷を防止することができる。これによって、バッテリー自体の寿命も長期化し産業廃棄物として廃棄される二酸化鉛の量を軽減することが可能となり、環境保全の面からも良好な結果が期待される。
【００３７】
以上に説明したように、本実施例によれば、電動・発電システムの出力側において低電圧で大電流の直流出力電力を得ることができるので、多数のバッテリーを効率良く充電することが可能となる。また、バッテリーの端子電圧を常に監視し、それに応じた制御信号によって電動機の入力電力を最適に調整するため入力電力の無駄な消費を抑えることができる。
【００３８】
なお、本発明の実施形態は、以上に説明した実施例に限定されるものではなく、例えば、各々の実施例を構成する各部位の形状や配置、或いはその素材などは、本発明の趣旨を逸脱することなく、現実の実施態様に即して適宜変更ができるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上に説明した本発明の構成ならびに方法は、電動機によって発電機を駆動し電気エネルギーを発生させ、かつ、発生した電力で多数のバッテリーを充電する電動・発電システムにおいてその利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例による電動・発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１のシステムにおける入力制御装置および整流装置の概要を示す図である。
【図３】図１のシステムにおける電圧コンバータ装置の概要を示す図である。
【図４】図１のシステムにおける電圧監視装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００      …  電動・発電システム
１０１      …  受電装置
１０２      …  入力制御装置
１０３      …  電動機
１０４      …  電動機側プーリ
１０５      …  動力伝達ベルト
１０６      …  発電機側プーリ
１０７      …  発電機
１０８      …  整流装置
１０９      …  電圧コンバータ装置
１１０      …  バッテリー装置
１１１      …  電圧監視装置
１１１ａ    …  電圧検出部
１１１ｂ    …  比較演算部
１１１ｃ    …  基準電圧生成部
１１１ｄ    …  制御信号送出部
【図１】
2012100455.tif 000003
【図２】
2012100455.tif 000004
【図３】
2012100455.tif 000005
【図４】
2012100455.tif 000006