JP2012191800A - インバータ発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の変動に応じてエンジンの回転数を適切に制御してエンジンをストールさせることなく、且つ効率を向上させることが可能なインバータ発電装置を提供する。
【解決手段】消費電力計算部１５５及び消費電力の微分値を算出する微分演算部１５８を設け、負荷の消費電力が変動した場合には、消費電力計算部１５５で算出された消費電力に、微分演算部１５８で算出された微分値を加算して、微分後の消費電力とする。そして、この微分後の消費電力に基づいて、エンジンの回転数を決定し、エンジンの回転を制御する。従って、負荷の消費電力が急激に増大した場合であっても、即時にエンジン１１の回転数を上昇させて、出力電力の上昇に対応することができ、エンジンがストールすることを防止することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、エンジン等の原動機により駆動される同期モータで発電されたの交流電力を一旦直流電力に変換した後、インバータにより所定周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置に関する。

エンジン等の原動機を駆動させて電力を発生させる発電機として、インバータ発電装置が多く用いられている。インバータ発電装置は、エンジンの出力軸に同期モータの回転軸を接続して該同期モータを回転駆動させ、この同期モータで発電された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、更に、この直流電力をインバータで交流電力に変換して、所望する電圧及び周波数の電力を出力する。そして、インバータの後段側に設けられるモータ、ランプ等の負荷に交流電力を供給することができる。

このような従来のインバータ発電装置では、負荷変動に応じてエンジンの回転数を変化させる必要があり、急激な負荷変動が発生した場合には、エンジンへの負荷が急激に増加してエンジンがストールするという問題が発生する。

このような問題を解決するために、例えば、特開２０１０−１１００６２号公報（特許文献１）には、負荷変動前のエンジンの発電電力、及び負荷変動後のエンジンの発電電力を演算し、更に、これらの差分値を演算し、算出した差分値が予め設定した閾値よりも大きい場合に、エンジン回転数を高めることにより、良好な運転フィーリングでエンジンの回転数を変動させることが開示されている。

特開２０１０−１１００６２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、電力の演算方法が明らかにされていないので、発電機に接続される負荷が純抵抗の負荷（例えば、ランプ等）である場合と、誘導性を有する負荷（例えば、誘導電動機等）である場合とでは、発電機の回転数が変化してしまうため、発電機の効率を向上させることが難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、各種の特性を有する負荷に対して、消費電力の変動に応じて原動機の回転数を適切に制御して原動機をストールさせることなく、且つ原動機の効率を向上させることが可能なインバータ発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、原動機（例えば、エンジン１１）と、該原動機と連結した同期モータ（１３）と、該同期モータと連結したコンバータ（１４）と、該コンバータと連結したインバータ（１５）と、前記コンバータと前記インバータとの間に設けられる蓄電手段（例えば、主回路コンデンサ１９）と、を備え、前記原動機により前記同期モータを回転させて交流電力を出力し、該同期モータで発電された交流電力を前記コンバータで直流化し、この直流電力を前記インバータで所望周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置において、前記原動機の回転を制御する原動機制御手段（例えば、ＥＣＵ２０）と、前記インバータを駆動するための電圧指令値と、該インバータより出力される出力電流値と、に基づいて、負荷の消費電力を算出する消費電力計算手段（１５５）と、前記消費電力計算手段で算出された消費電力の微分値を求め、この微分値に基づいて前記消費電力を補正し、補正後の消費電力を出力する微分演算手段（１５８）と、消費電力と原動機の回転数との対応関係を示す対応テーブル（１５９ａ）を有し、前記微分演算手段より出力される補正後の消費電力に基づいて、原動機の回転数を求め、この回転数データを前記原動機制御手段にフィードバックする回転数決定手段（１５９）と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記対応テーブルは、消費電力が第１閾値以下のときに最低回転数が設定され、消費電力が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上のときに最高回転数が設定され、消費電力が前記第１閾値と第２閾値の間では、消費電力の増加に伴って原動機の回転数が単調に増加する特性とされていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１，２の発明において、前記微分演算手段は、前記消費電力計算手段で算出された消費電力と、該消費電力を微分演算して得られる微分値とを加算する加算手段（７８）を備え、該加算手段による加算結果を補正後の消費電力として出力することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３の発明において、前記微分演算手段は、前記消費電力を微分演算して得られる微分値が負の値である場合には、該微分値をゼロとするリミッタ手段（７４）を更に備えることを特徴とする。

本発明に係るインバータ発電装置では、消費電力計算手段により負荷の消費電力を推定し、更に、微分演算手段により消費電力の微分値を求め、消費電力計算手段で算出された消費電力と消費電力の微分値を加算して、補正後の消費電力を求める。そして、この補正後の消費電力に基づき対応テーブルを参照し、原動機の回転数を決定している。従って、負荷の消費電力が急激に増大した場合であっても、これに応じて原動機の回転数を急速に増大させることができ、原動機がストールすることを防止できる。

本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、インバータの詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、ＰＷＭ信号生成部、及び電流検出変換部の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、電圧指令生成部の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、ローパスフィルタの詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、周波数指令生成部の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置で用いられる回転数対応テーブルを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、微分演算部の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、スイッチング回路の詳細な構成を示す回路図である。 微分演算を行わないときの、各信号の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、消費電力の微分演算を行った場合の各信号の変化を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置１００の構成を示すブロック図である。同図に示すように、このインバータ発電装置１００は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等のエンジン（原動機）１１と、エンジン１１の回転によりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流の誘起電圧を発生する同期モータ１３と、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸を結合するカップリング１２と、同期モータ１３に接続され該同期モータ１３より出力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各誘起電圧をＰＮ直流電圧に変換するコンバータ１４と、該コンバータ１４より出力されるＰＮ直流電圧からＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相交流電圧を生成するインバータ１５と、コンバータ１４とインバータ１５とを接続するＰＮ結線の間に介置される主回路コンデンサ１９（蓄電手段）と、前記インバータに接続されスイッチングノイズを軽減するためのＬＣフィルタ１６と、を備えている。

更に、ＬＣフィルタ１６は、遮断機１７を介して誘導電動機等の負荷１８に接続されている。なお、図１では、１つの遮断機１７及び負荷１８を記載しているが、実際には、ＬＣフィルタ１６の後段側に、複数の遮断機及び負荷が設けられる場合が多い。また、例えば負荷が誘導電動機の場合は、モータの起動・停止を操作するためのコンタクタ（１８ａ）が電源接続の初段に設置されていることが多い。また、同期モータ１３として、例えば回転子に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータを用いることができる。

また、エンジン１１には、該エンジン１１の回転を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit；原動機制御手段）２０が接続されている。

コンバータ１４は、半導体素子であるトランジスタ、ＩＧＢＴ、或いはＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子、及びダイオードを複数個備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電圧をＰＮ直流電圧に変換する。更に、コンバータ１４は、負荷１８に出力する電力に応じて、同期モータ１３に適宜電流を流すことにより、エンジン１１の回転数を頻繁に変化させることなく、所望の電力を発生させるようにしている。つまり、コンバータ１４は、通常の整流器とは異なり、同期モータ１３より出力される３相交流電圧から所望の大きさのＰＮ直流電圧を生成すると共に、負荷に出力する電力に応じて同期モータ１３に電流を流すことにより、負荷変動に応じた安定した電力を発生させている。

主回路コンデンサ１９は、ＰＮ直流電圧を平滑化し、且つ、インバータ１５が大電力を出力する際の電力を蓄積する機能を有する。

インバータ１５は、上述のコンバータ１４と同様に、半導体素子であるトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることによりＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相交流電圧を生成する。また、各スイッチング素子のスイッチングのパターンにより、インバータ１５の出力電圧及び出力周波数を任意の値に設定することができる。

図２は、インバータ１５の詳細な構成を示すブロック図である。同図に示すように、インバータ１５は、半導体素子によりＰＮ直流電圧をスイッチングして３相交流電圧を生成するスイッチング回路１５０と、主回路コンデンサ１９に生じる電圧を検出するＰＮ電圧検出部１５１と、スイッチング回路１５０にて生成する３相交流電圧の周波数指令値を出力する周波数指令生成部１５３と、スイッチング回路１５０にて生成する３相交流電圧の電圧指令値を出力する電圧指令生成部１５４と、を有している。

また、周波数指令生成部１５３より出力される周波数指令値と、電圧指令生成部１５４より出力される電圧指令値、及びＰＮ電圧検出部１５１で検出されるＰＮ電圧検出値に基づいて、ＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号をスイッチング回路１５０に出力するＰＷＭ信号生成部１５２を備えている。

更に、スイッチング回路１５０より出力されるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の線電流をそれぞれ検出する電流計１５７と、該電流計１５７にて検出される各相の線電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴを取得し、更にＰＷＭ信号生成部１５２より出力されるＰＷＭ信号に基づいて、３相の線電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴを２相（ｄ軸、ｑ軸）の軸電流信号に変換する電流検出変換部１５６と、を備えている。

また、電流検出変換部１５６で変換された２相の軸電流信号に基づいて、負荷１８（図１参照）にて消費される消費電力を算出する消費電力計算部１５５（消費電力計算手段）と、該消費電力計算部１５５で算出された消費電力の微分値を求め、この微分値に基づいて消費電力を補正し、補正後の消費電力を出力する微分演算部１５８（微分演算手段）と、回転数対応テーブル１５９ａ（対応テーブル）を有し補正後の消費電力に基づいてエンジンの回転数を決定する回転数決定部１５９（回転数決定手段）と、を備えている。

スイッチング回路１５０は、図９に示すように、６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６と、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対して並列に接続されるダイオードＤ１〜Ｄ６を備えている。そして、トランジスタＴｒ１とＴｒ２は直列接続され、トランジスタＴｒ１の一端（コレクタ）はプラス側電極（Ｐ極）に接続され、トランジスタＴｒ２の一端（エミッタ）はマイナス側電極（Ｎ極）に接続されている。そして、各トランジスタＴｒ１とＴｒ２の接続点はＲ相電圧Ｖｒの出力点とされている。同様に、トランジスタＴｒ３とＴｒ４は直列に接続され、その接続点はＳ相電圧Ｖｓの出力点とされ、トランジスタＴｒ５とＴｒ６は直列に接続され、その接続点はＴ相電圧Ｖｔの出力点とされている。

また、６個のアンド回路ＡＮＤ１〜ＡＮＤ６を備えており、各アンド回路ＡＮＤ１〜ＡＮＤ６の一方の入力端子には、電力供給を制御するためのゲート信号が供給され、他方の入力端子には、アンド回路ＡＮＤ１〜ＡＮＤ６に対してそれぞれＰＷＭ信号生成部１５２より出力されるＰＷＭ信号、即ち、sigＲｕ、sigＳｕ、sigＴｕ、sigＲｄ、sigＳｄ、sigＴｄが供給される。従って、ゲート信号がオン（「Ｈ」レベル）とされている場合には、各ＰＷＭ信号により各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６が駆動され、３相交流電圧が生成されて出力されることとなる。また、ゲート信号がオフ（「Ｌ」レベル）とされている場合には、ＰＷＭ信号に関わらず、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は駆動されない。なお、以下では上側のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５、及びダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を上側アーム、下側のトランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６、及びダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６を下側アームと称する。

図２に示す消費電力計算部１５５は、電圧指令生成部１５４より出力される電流指令値、及び電流検出変換部１５６より出力される２軸の電流値に基づいて、消費電力を演算する。そして、演算した消費電力を微分演算部１５８に出力する。

微分演算部１５８は、消費電力の微分値を算出し、この微分値を消費電力に加算して補正後の消費電力を算出して回転数決定部１５９に出力する。なお、微分演算部１５８の詳細については、図８を用いて後述する。

回転数決定部１５９は、消費電力とエンジン回転数との対応関係を示す回転数対応テーブル１５９ａ（図７参照）を備えており、微分演算部１５８より補正後の消費電力が入力された場合には、この補正後の消費電力に基づいて、回転数対応テーブル１５９ａを参照してエンジン１１の回転数データを求める。そして、求めた回転数データをエンジン１１のＥＣＵ２０に送信する。エンジン１１は、ＥＣＵ２０の制御により求められた回転数となるように制御されることとなる。

回転数対応テーブル１５９ａは、図７に示すようにエンジン１１の燃費曲線に基づき、消費電力に所定の余裕値を加えた電力を発生させるために最も少ない燃料消費量となる消費電力とエンジン１１の回転数指示値との関係が設定されており、該回転数対応テーブルは１５９ａは、エンジン１１のアイドル回転数、最高回転数に基づいて設定される。そして、該回転数対応テーブルは１５９ａは、消費電力がＱ１（第１閾値）以下の場合には、エンジン１１の回転数がアイドル回転数となるように設定され、その後、消費電力が増加するにつれてエンジン１１の回転数が直線的に増加し、消費電力がＱ２（第２閾値）以上の場合には、最高回転数にてクランプされるように設定される。即ち、回転数対応テーブルは、消費電力が第１閾値以下のときに最低回転数が設定され、消費電力が第１閾値よりも大きい第２閾値以上のときに最高回転数が設定され、消費電力が前記第１閾値と第２閾値の間では、消費電力の増加に伴ってエンジン１１の回転数が単調に増加する特性とされている。

次に、図２に示すＰＷＭ信号生成部１５２、及び電流検出変換部１５６の詳細について、図３に示すブロック図を参照して説明する。図３に示すように、ＰＷＭ信号生成部１５２は、インバータ１５の外部より入力される２相（ｄ軸、ｑ軸）の電圧指令値のうちｑ軸電圧を補正する電圧補正部３１と、２相・３相変換部３２と、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各電圧信号に基づいて、３相のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ波形変換部３３と、電気角生成部３４と、を備えている。

電圧補正部３１は、電圧指令値に、ＰＮ設定電圧とＰＮ電圧のフィードバック値との比率（ＰＮ電圧設定値／ＰＮ電圧検出値）を乗じることにより、該ｑ軸電圧を補正し、補正後のｑ軸電圧を２相・３相変換部３２に出力する。

２相・３相変換部３２は、ｄ軸電圧及び補正後のｑ軸電圧に基づいて２相・３相変換を行い、３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）で６アームのＰＷＭ信号を生成する。該ＰＷＭ信号生成部１５２で生成されるＰＷＭ信号は、図２に示すスイッチング回路１５０に出力されて、図９に示した各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動に用いられる。

電気角生成部３４は、図２に示す周波数指令生成部１５３より出力される周波数指令値に基づいて、３相電圧（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各電圧）の電気角を求め、この電気角を２相・３相変換部３２、及び電流検出変換部１５６に出力する。電気角は、電気的な１周期が０〜３６０degとなるように設定する。例えば、周波数指令値が５０Ｈｚの場合には電気的な１周期は２０ｍsecとなるので、電気角は２０ｍsecで０〜３６０degとなるように生成する。

また、図３に示す電流検出変換部１５６は、電流計１５７（図２参照）で検出されるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ、及び電気角生成部３４より出力される電気角に基づいて、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３相電流を、ｄ軸、ｑ軸の２相電流に変換する３相・２相変換部３５を備え、変換後のｄ軸電流、及びｑ軸電流を図２に示す消費電力計算部１５５に出力する。

次に、図２に示した消費電力計算部１５５における消費電力の計算手順について説明する。インバータ１５の外部より入力される電圧指示値をＶａ、電圧指令生成部より出力される電圧指示値（インバータ１５の出力電圧）をＶｂ、３相の線電流をＩ１、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸電流をＩｄ、とすると、瞬時の消費電力Ｐ１は、次の（１）式で示すことができる。

そして、（１）式の右辺の分母は、有効電力のインピーダンスを示すから、該インピーダンスをＺとすると、（１）式は次の（２）式で示すことができる。

（２）式に示すように、負荷１８の瞬時の消費電力Ｐ１を演算する際に、外部から入力される電圧指示Ｖａ及び有効電力のインピーダンスＺを使用している。従って、負荷の駆動時等に突入電流が発生し、インバータ１５の出力電圧が急激に低下した場合であっても、消費電力計算部１５５にて求められる消費電力が急激に低下することが無い。即ち、出力電圧が急激に変動した場合であっても、エンジン１１の回転数が急激に変動することを防止し、該エンジン１１を安定的に運転できることとなる。また、消費電力Ｐ１の演算にスイッチング回路１５０の電圧出力値を用いないので、リップルの影響を受けることがない。

次に、図２に示す電圧指令生成部１５４の詳細な構成について、図４に示すブロック図を参照して説明する。図４に示すように、電圧指令生成部１５４は、外部より電圧指示値、最低出力電圧、インバータ１５より出力される線電流（即ち、（Ｉｑ^２＋Ｉｄ^２）^１／２で求められる電流）、及び電流上限閾値が入力される。そして、該電圧指令生成部１５４は、外部より与えられる電圧指示値に対して係数Ｇ１を乗じる乗算部４１と、乗算部４１の出力信号に対して係数Ｇ２を乗じる乗算部４２と、演算部４３、及びローパスフィルタ４４を備えている。

ここで、最低出力電圧は、電圧指示値よりも低い値であって負荷に付属して例えばモータの起動や停止を制御するコンタクタが遮断しない電圧に設定される。

乗算部４１は、インバータ１５の外部より入力された電圧指示値に対して、次の（３）式で示す係数Ｇ１を乗じる。

Ｇ１＝１／｛１−（ＰＷＭ周波数×デッドタイム×２）｝ …（３）
（３）式は、スイッチング回路１５０が有する各相の上側アーム、即ち、図９に示すトランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５、及び下側アーム、即ちトランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６が駆動するときのデッドタイムを補正するための係数を示している。つまり、上側アーム、及び下側アームは、双方が同時にオンとなることを防止するために、オン、オフの切り替え時に双方を同時にオフとするデッドタイムを設けており、この分の電圧を補正するために電圧指示値に係数Ｇ１を乗じている。なお、上記のデッドタイムには、上側アーム及び下側アームに使用するトランジスタのオンとオフの時間差を含めるようにしても良い。

更に、乗算部４２は、乗算部４１の出力信号に対して、次の（４）式で示す係数Ｇ２を乗じる。

Ｇ２＝（ＰＮ電圧検出値）／（ＰＮ電圧設定値）
（但し、０≦Ｇ２≦１） …（５）
（５）式に示すＰＮ電圧検出値は、主回路コンデンサ１９に生じる電圧値（電圧検出値）であり、ＰＮ電圧設定値は、主回路コンデンサ１９に充電する電圧の設定値（充電指令値）である。そして、（５）式で算出する係数Ｇ２は、主回路コンデンサ１９に生じるＰＮ電圧の検出値が、ＰＮ電圧設定値に対して大きく減少した場合に小さい値となる。従って、ＰＮ電圧検出値が低下しているときに、負荷１８の消費電力が増加した場合であっても、係数Ｇ２を乗じることにより、電圧指示値が急激に増加することを防止できる。

即ち、主回路コンデンサ１９に生じる電圧（ＰＮ電圧）が低下しているときに、インバータ１５が負荷変動に応じた電力をそのまま出力すると、主回路コンデンサ１９に電力を供給するためにコンバータ１４の負荷が増大し、エンジン１１がストールする原因となる場合がある。そこで、本実施形態では、電圧指示値に係数Ｇ２を乗じることにより、ＰＮ電圧検出値がＰＮ電圧設定値に対して低下している場合には、乗算部４２の出力信号を低下させることにより、インバータ１５の出力電圧を低下させて、エンジン１１がストールすることを防止する。

また、図４に示す演算部４３は、入力端子ＩＮ１〜ＩＮ４、及び出力端子ＯＵＴ１を備えており、入力端子ＩＮ１には、乗算部４２の出力信号ｄ１が入力され、入力端子ＩＮ２には、インバータ１５が出力可能な最低電圧である最低出力電圧ｄ２が入力され、入力端子ＩＮ３には、負荷１８に流れる線電流ｄ３が入力され、入力端子ＩＮ４には、過電流の発生を定義する電流上限閾値ｄ４が入力される。そして、演算部４３は、これらの各データに基づいて、「ｄ３＞ｄ４」が成立した場合に出力端ＯＵＴ１より最低出力電圧ｄ２を出力し、それ以外の場合には信号ｄ１を出力する。

上記の処理では、線電流ｄ３が電流上限閾値ｄ４を上回った場合、換言すれば、負荷１８に流れる電流が増大して過電流に達する場合には、最低出力電圧ｄ２に基づく電圧指令値を出力することにより、負荷１８に供給する電圧を低下させて、過電流が流れることを防止する。

そして、演算部４３の出力信号（ｄ１またはｄ２）はゲイン（後述する係数Ｇ３，Ｇ４）を変更可能なローパスフィルタ４４に供給される。

ローパスフィルタ４４は、負荷１８に起動時等の突入電流を抑制するために設けられており、突入電流が発生した際にはインバータ１５の出力電圧を即時に低下させ、その後、低下した出力電圧を電圧指示値に上昇させる際には緩やかに電圧を上昇する電圧指令値を出力する。そして、該ローパスフィルタ４４から出力された電圧指令値は、図２に示すＰＷＭ信号生成部１５２、及び消費電力計算部１５５に出力されることとなる。以下、ローパスフィルタ４４について詳細に説明する。

図５は、ローパスフィルタ４４の詳細な構成を示すブロック図である。該ローパスフィルタ４４は、演算部４３の出力信号（ｄ１またはｄ２）、及び最低出力電圧ｄ２に基づいて、電圧指令値をフィルタ処理して出力する。

図５に示すように、ローパスフィルタ４４は、係数Ｇ３（第１の係数）を乗じる乗算部５１と、係数Ｇ４（但し、Ｇ４＞Ｇ３；Ｇ４はＧ３の１０〜３０倍程度とする）を乗じる乗算部５２と、演算部５３と、遅延部５４と、減算部５５と、加算部５６、及びスイッチＳＷ１を備えている。

減算部５５は、入力信号（図４に示す演算部４３の出力端子ＯＵＴ１の出力信号）とフィードバック信号（前回の演算部５３の出力）との差分を演算し、これを偏差信号Ｅrrとして出力する。

乗算部５１は、偏差Ｅrrに係数Ｇ３を乗じてスイッチＳＷ１の端子Ｔ１に出力する。乗算部５２は、偏差Ｅrrに係数Ｇ４を乗じて端子Ｔ２に出力する。

スイッチＳＷ１は、偏差Ｅrrが正の値（Ｅrr＞０）である場合にはスイッチＳＷ１を端子Ｔ１側に接続することにより、乗算部５１の出力信号を出力端子ＯＵＴ２より出力し、偏差Ｅrrがゼロまたは負の値（Ｅrr≦０）の場合には、スイッチＳＷ１を端子Ｔ２側に接続することにより、乗算部５２の出力信号を出力端子ＯＵＴ２より出力する。そして、出力端子ＯＵＴ２は、加算部５６に接続され、更に、該加算部５６は、演算部５３の入力端子ＩＮ５に接続されている。また、演算部５３の入力端子ＩＮ６には、図４に示す最低出力電圧ｄ２が入力される。

加算部５６は、スイッチＳＷ１の出力端子ＯＵＴ２より出力される信号と、遅延部５４より出力される前回の出力値とを加算し、加算した信号ｄ５を演算部５３の入力端子ＩＮ５に出力する。

演算部５３は、ｄ５＜ｄ２の場合には、出力端子ＯＵＴ３よりｄ２を出力する。他方、ｄ５≧ｄ２の場合には、出力端子ＯＵＴ３よりｄ５を出力する。つまり、出力信号を最低出力電圧ｄ２にクランプする。そして、この出力信号は、電圧指令値として図２に示すＰＷＭ信号生成部１５２、及び消費電力計算部１５５に出力される。また、この出力信号は、フィードバック信号として図５に示す遅延部５４に供給される。

遅延部５４より出力される一サンプリング遅れ信号は、減算部５５、及び加算部５６に出力される。そして、上述したようにスイッチＳＷ１は、偏差信号Ｅrrが正の値である場合（Ｅrr＞０）には、該偏差信号Ｅrrに対して係数Ｇ３を乗じ、偏差信号Ｅrrがゼロまたは負の値である（Ｅrr≦０）には、該偏差信号Ｅrrに対して係数Ｇ４（Ｇ４＞Ｇ３）を乗じるので、電圧指令値が増加傾向にある場合には、減少傾向にある場合よりも、より小さい係数を乗じて出力端子ＯＵＴ２より出力することとなる。このため、突入電流が流れた後の場合等において、電圧指令値（ＯＵＴ１）が増加する場合にはその増加速度を遅くすることができる。即ち、電圧指令値（ＯＵＴ１）が低下する傾向に変化する場合には、係数Ｇ４を乗じることにより、電圧指令値（ＯＵＴ１）を第１の追随速度で変化させ、電圧指令値（ＯＵＴ１）が増加する傾向に変化する場合には、係数Ｇ３を乗じることにより、電圧指令値を第１の追随速度よりも遅い第２の追随速度で変化させることとなる。

また、演算部５３は、加算部５６の出力信号ｄ５と最低出力電圧ｄ２を比較し、ｄ５がｄ２よりも低い場合、即ち、加算部５６の演算結果が最低出力電圧ｄ２よりも低い場合には、出力端子ＯＵＴ３より出力する電圧指令値を最低出力電圧ｄ２とする。従って、電圧指示値が最低出力電圧ｄ２にクランプされるので、例えば、負荷に付属してモータの起動や停止を制御するコンタクタの遮断を防ぐことができる。

次に、図６に示すブロック図を参照して、図２に示した周波数指令生成部１５３の詳細について説明する。図６に示すように周波数指令生成部１５３は、周波数指示値を所定の範囲内でスイープするスイープ演算部６１と、所定の係数Ｋ（０＜Ｋ≦１の範囲の数値）を乗じる乗算部６２と、減算部６３と、を備えている。

スイープ演算部６１は、インバータ１５の外部より入力される周波数指示値に基づいて、下記の（６）式に示す演算により倍率Ｂを算出し、算出した倍率Ｂを乗算部６２に出力する。

Ｂ＝１−｛（電圧指令値Ｖ２）／（電圧指示値Ｖ１）｝ …（６）
また、出力する周波数指令値（減算部６３の出力）は、以下の（７）式により求められる。

（周波数指令値）＝ｆ１＊（１−Ｋ＊Ｂ） …（７）
但し、（７）式において「ｆ１」は入力される周波数指令値、「Ｋ」は、乗算部６２に設定されている係数であり０＜Ｋ≦１である。

（６）式において、例えば、電圧指示値Ｖ１が２００ボルト、電圧指令値Ｖ２が１４０ボルトで、入力される周波数指示値がｆ１である場合にはＢ＝０．３となり、スイープ演算部６１の出力信号は、０．３＊ｆ１となる。また、乗算部６２で設定される係数Ｋが０．５である場合には、該乗算部６２の出力信号は０．１５＊ｆ１となって、減算部６３に供給される。従って、減算部６３の出力信号は、０．８５＊ｆ１となり、外部より入力される周波数指示値ｆ１よりも１５％低い周波数が周波数指令値となって出力される。

その後、電圧指令値Ｖ２が上昇して電圧指示値Ｖ１と一致すると、（６）式で示すＢがゼロとなるので、周波数指示値ｆ１は減算部６３で減算されることなく、そのまま出力されることとなる。つまり、「０．８５＊ｆ１」〜「ｆ１」の範囲で周波数指令値がスイープされることとなる。このように、周波数指令値をスイープさせながら周波数指令値ｆ１まで増加させることにより、例えば誘導電動機の様な誘導負荷の場合、効率良く負荷にエネルギーを注入することができることから、起動時間を短くすることができ、コンバータやエンジンの負担の軽減に寄与することとなる。

次に、図２に示した微分演算部１５８の詳細な構成を、図８に示すブロック図を参照して説明する。図８に示すように、微分演算部１５８は、消費電力計算部１５５で算出された消費電力に係数Ｇ５を乗じる乗算部７１と、該乗算部７１の出力信号から一次遅れ信号（遅延部７３の出力信号）を減算する減算部７５と、減算部７５の出力信号に係数Ｇ６を乗じる乗算部７２と、該乗算部７２の出力信号に一次遅れ信号を加算する加算部７６と、乗算部７１の出力信号から該加算部７６の出力信号を減算する減算部７７と、加算部７６の出力信号の一次遅れ信号を生成して出力する遅延部７３と、減算部７７の出力信号（これを微分値ｇ１とする）の下限値を制限するリミッタ７４（リミッタ手段）と、入力される消費電力信号にリミッタ７４の出力信号を加算する加算部７８（加算手段）と、を備えている。

乗算部７１に設定される係数Ｇ５は微分ゲインとして設定され、乗算部７２に設定される係数Ｇ６は微分効果時定数にサンプリング時間を乗じた数値として設定される。

リミッタ７４は、微分値ｇ１が負の値（ｇ１＜０）である場合には出力信号をゼロとし、微分値ｇ１がゼロまたは正の値（ｇ１≧０）である場合には微分値ｇ１をそのまま出力する。

加算部７８は、入力された消費電力（消費電力計算部１５５で算出された消費電力）と、リミッタ７４より出力される微分値ｇ１を加算し、この加算結果を補正後の消費電力として出力する。

上記のように構成された微分演算部１５８では、消費電力計算部１５５で算出された消費電力に対して、微分値（リミッタ７４の出力信号）を加算することにより、負荷１８の消費電力が上昇した場合に、エンジン１１の回転数をいち早く上昇させて、供給する電力を上昇させる。

次に、図１０，図１１に示すタイミングチャートを参照して、本実施形態に係るインバータ発電装置１００の作用について説明する。

図１０，図１１は時間経過に伴う各信号の変化を示すタイミングチャートであり、図１０は本実施形態に係る微分演算を実施しない場合（図２に示す微分演算部１５８を設けない場合）を示し、図１１は本実施形態に係る微分演算を実施した場合を示している。また、図１０，図１１において、（ａ）は負荷１８の消費電力の変化を示し、（ｂ）はコンバータ電流の変化を示し、（ｃ）はＰＮ電圧（主回路コンデンサ１９に充電される電圧）の変化を示し、（ｄ）はエンジン１１の回転数の変化を示している。

まず、図１０を参照して微分演算を実行しない場合の作用について説明する。いま、図１０に示す時刻ｔ１で負荷１８の消費電力がランプ状に上昇すると、図２に示す消費電力計算部１５５で算出される消費電力（推定電力）は、図１０（ａ）に示すように、一定の傾きを持った直線状に上昇することとなり、この消費電力の変動に伴って、図１０（ｃ）に示すようにＰＮ電圧は急激に低下する。その結果、図１０（ｂ）に示すように、コンバータ１４は低下したＰＮ電圧を復帰させるために、出力する電流を電流制限値まで増大する。

この際、図７に示す回転数対応テーブルで設定される回転数指示値は、消費電力の増加に伴って低い値から徐々に増加するので、エンジン１１の回転数は急激に上昇することができず、図１０（ｄ）に示すように、出力トルクの増大によりエンジン１１の回転数は低下する。そして、消費電力がランプ状に上昇すると、エンジン１１の出力トルクが増大し続けるので、該エンジン１１は回転数を上昇させることができずに、ストールする方向に推移することとなる。

次に、図１１を参照して、本実施形態に係る微分演算部１５８にて微分演算を実行した場合の作用について説明する。図１１に示す時刻ｔ２で負荷１８の消費電力がランプ状に上昇すると、図２に示す微分演算部１５８で算出される消費電力（微分後の推定電力）は、図１１（ａ）に示すように、ステップ状に上昇し、その後曲線状に滑らかに上昇することとなる。この消費電力の変動に伴って、図７に示す回転数対応テーブルで設定される回転数指示値は、高い値に設定されるので、図１１（ｄ）に示すように、エンジン１１の回転数は上昇する。

従って、時刻ｔ２において、図１１（ｃ）に示すようにＰＮ電圧は一旦低下し、図１１（ｂ）に示すようにコンバータ１４の出力電流は一旦増大するが、エンジン１１の回転数が増加することにより、即時にコンバータ１４に電流を供給することができ、ＰＮ電圧、及びコンバータ１４の出力電流を即時に元の数値に復帰させることができる。その結果、急激な負荷変動が発生した場合でも、エンジン１１がストールすることなく、安定的に運転することができる。

このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置１００では、インバータ１５の消費電力を消費電力計算部１５５で算出し、更に、算出した消費電力の微分値を微分演算部１５８で算出し、これらを加算して微分後の消費電力を求め、この微分後の消費電力に基づいて、エンジン１１の回転数を設定している。従って、負荷１８の消費電力が急激に増大した場合であっても、この変動に対応してエンジン１１の回転数を適切に上昇させることができ、エンジンのストールを防止することができる。

また、微分演算部１５８はリミッタ７４（図８参照）を有し、微分値ｇ１が負の値の場合には、これを加算部７８にて加算しないので、微分後の消費電力（図８に示す加算部７８の出力）が不必要に変動することを防止することができ、エンジン１１の回転数を安定化することができる。

以上、本発明のインバータ発電装置１００を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、図１に示したように各相毎に電流計１５７を設ける構成としたが、２つの相にのみ電流計を設ける構成とすることも可能である。

本発明は、急激な負荷変動が発生した場合でもエンジンストールの発生を防止するインバータ発電機を提供する上で有用である。

１１ エンジン
１２ カップリング
１３ 同期モータ
１４ コンバータ
１５ インバータ
１６ ＬＣフィルタ
１７ 遮断機
１８ 負荷
１９ 主回路コンデンサ
２０ ＥＣＵ
３１ 電圧補正部
３２ ２相・３相変換部
３３ ＰＷＭ波形変換部
３４ 電気角生成部
３５ ３相・２相変換部
４１ 乗算部
４２ 乗算部
４３ 演算部
４４ ローパスフィルタ
５１ 乗算部
５２ 乗算部
５３ 演算部
５４ 遅延部
５５ 減算部
５６ 加算部
６１ スイープ演算部
６２ 乗算部
６３ 減算部
７１ 乗算部
７２ 乗算部
７３ 遅延部
７４ リミッタ
７５ 減算部
７６ 加算部
７７ 減算部
７８ 加算部
１００ インバータ発電装置
１５０ スイッチング回路
１５１ ＰＮ電圧検出部
１５２ ＰＷＭ信号生成部
１５３ 周波数指令生成部
１５４ 電圧指令生成部
１５５ 消費電力計算部
１５６ 電流検出変換部
１５７ 電流計
１５８ 微分演算部
１５９ 回転数決定部
１５９ａ 回転数対応テーブル
ＳＷ１ スイッチ

Claims (4)

1. 原動機と、該原動機と連結した同期モータと、該同期モータと連結したコンバータと、該コンバータと連結したインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間に設けられる蓄電手段と、を備え、前記原動機により前記同期モータを回転させて交流電力を出力し、該同期モータで発電された交流電力を前記コンバータで直流化し、この直流電力を前記インバータで所望周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置において、
   前記原動機の回転を制御する原動機制御手段と、
   前記インバータを駆動するための電圧指令値と、該インバータより出力される出力電流値と、に基づいて、負荷の消費電力を算出する消費電力計算手段と、
   前記消費電力計算手段で算出された消費電力の微分値を求め、この微分値に基づいて前記消費電力を補正し、補正後の消費電力を出力する微分演算手段と、
   消費電力と原動機の回転数との対応関係を示す対応テーブルを有し、前記微分演算手段より出力される補正後の消費電力に基づいて、原動機の回転数を求め、この回転数データを前記原動機制御手段にフィードバックする回転数決定手段と、
   を備えたことを特徴とするインバータ発電装置。
2. 前記対応テーブルは、消費電力が第１閾値以下のときに最低回転数が設定され、消費電力が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上のときに最高回転数が設定され、消費電力が前記第１閾値と第２閾値の間では、消費電力の増加に伴って原動機の回転数が単調に増加する特性とされていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ発電装置。
3. 前記微分演算手段は、前記消費電力計算手段で算出された消費電力と、該消費電力を微分演算して得られる微分値とを加算する加算手段を備え、該加算手段による加算結果を補正後の消費電力として出力することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のインバータ発電装置。
4. 前記微分演算手段は、前記消費電力を微分演算して得られる微分値が負の値である場合には、該微分値をゼロとするリミッタ手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載のインバータ発電装置。

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