JP2012191802A - インバータ発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の消費電力に応じてエンジンの回転数を適切に制御することにより、発電効率を向上させることのできるインバータ発電装置を提供する。
【解決手段】インバータは、電圧指令生成部１５４にて、外部より入力される電圧指示値に基づいて電圧指令値を生成し、ＰＷＭ信号生成部１５２は電圧指令値に基づいてＰＷＭ信号を生成し、スイッチング回路１５０に出力し、該スイッチング回路１５０は、このＰＷＭ信号に基づいて３相交流電圧を生成する。この際、電圧指令値は、電流値が増加した場合に低減するように変化するので、エンジンの回転数が急激に変動することを防止できる。また、インバータの出力電流が予め設定した電流上限閾値を超えた場合には、最低出力電圧に対応する電圧指令値を出力する。従って、電流値が増大した場合でも最低出力電圧が確保されるので、むやみに遮断されることを防止できる。
【選択図】図２

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、負荷として誘導電動機等のモータ（以下「負荷モータ」という）を接続した場合に、負荷モータの起動時に生じる突入電流によりインバータの制御ユニットに設けられる半導体素子に最大定格電流を超えるような過大電流が流れ、制御ユニットを損傷する可能性がある。

そこで、特開２００３−１１１４２８号公報（特許文献１）には、出力電流の大きさに応じて、出力電圧を垂下させることにより、負荷電流を抑制して制御ユニットに流れる電流を抑えることが開示されている。

特開２００３−１１１４２８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、発電機の出力電圧をむやみに低下させるので、負荷モータの起動、停止を切り替えるための負荷装置内コンタクタ（電磁開閉器等）が遮断したり、同じく負荷装置内の制御ユニットがリセットされる等のトラブルが発生して、負荷モータを円滑に起動させることができなくなるという問題が発生していた。

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、負荷の起動時に発生する突入電流を抑制して回路を保護し、コンタクタがむやみに遮断されることを防止す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（１００）において、前記インバータは、外部より入力される電圧の指示値（電圧指示値）に基づいて、電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成手段（１５４）と、外部より入力される周波数の指示値（周波数指示値）に基づいて、周波数指令値を生成して出力する周波数指令生成手段（１５３）と、前記電圧指令生成手段より出力される電圧指令値、及び前記周波数指令生成手段より出力される周波数指令値に基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段（１５２）と、複数の半導体素子を有し、前記ＰＷＭ信号生成手段より出力されるＰＷＭ信号に基づいて前記複数の半導体素子がスイッチングして交流電力を生成するスイッチング手段（１５０）と、前記スイッチング手段の出力電流（線電流）を検出する電流検出手段（１５７）と、を有し、前記電圧指令生成手段は、前記電流検出手段にて検出される出力電流が予め設定した上限閾値（電流上限閾値）以下である通常時には前記電圧の指示値に応じた電圧指令値を生成して出力すると共に、前記出力電流が前記上限閾値を超えた場合には、予め前記電圧の指示値よりも低く設定した最低出力電圧に対応する電圧指令値を出力する電圧指令変更手段（４３）を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記最低出力電圧は、電圧指示値よりも低い値であって負荷の起動や停止を制御するコンタクタが遮断しない電圧値に設定され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において、前記電圧指令生成手段は、前記蓄電手段に充電されたＰＮ電圧の検出値と、該蓄電手段に充電するＰＮ電圧の設定値との比率である（ＰＮ電圧検出値）／（ＰＮ電圧設定値）（＝Ｇ２）を求める補正手段（４２）を更に備え、前記通常時には、前記電圧の指示値に、前記補正手段で求められた比率（Ｇ２）を乗じて、前記電圧指令値を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３において、前記電圧指令生成手段は、前記電圧指令変更手段の後段に設けられるフィルタ手段（例えば、ローパスフィルタ４４）を更に備え、前記フィルタ手段は、前記電圧指令変更手段より供給される電圧指令値が低下する方向に変化した場合には、該電圧指令値を第１の追随速度で変化させて出力し、前記電圧指令変更手段より供給される電圧指令値が上昇する方向に変化した場合には、前記電圧指令変更手段より供給される電圧指令値を、前記第１の追随速度よりも遅い第２の追随速度で変化させて出力することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記フィルタ手段は、時系列的に入力される電圧指令値に対して、今回入力される電圧指令値から前回出力した電圧指令値を減じて得られる偏差（Ｅrr）を求め、この偏差が正の値である場合には、前記電圧指令変更手段より出力される電圧指令値に第１の係数（Ｇ３）を乗じ、前記偏差が負の値である場合には、前記第１の係数よりも大きい第２の係数（Ｇ４）を乗じる乗算手段（５１，５２，５５）と、前記乗算手段より出力される信号に、前回出力した電圧指令値を加算して今回の電圧指令値を生成する加算手段（５６）と、前記今回の電圧指令値と前記最低出力電圧に対応する電圧指令値とを対比し、今回の電圧指令値が前記最低出力電圧に対応する電圧指令値を超える場合には今回の電圧指令値を出力し、今回の電圧指令値が前記最低出力電圧に対応する電圧指令値以下である場合には、出力する電圧指令値を前記最低出力電圧に対応する電圧指令値にクランプして出力する演算手段（５３）と、を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５において、前記周波数指令生成手段は、外部より入力される電圧指示値Ｖ１と前記電圧指令生成手段より出力される電圧指令値Ｖ２との比率に基づき、演算式「１−（Ｖ２／Ｖ１）」を用いて倍率Ｂを求める倍率演算手段（６１）と、外部より入力される周波数指示値ｆ１に対して、ｆ１＊（１−Ｋ＊Ｂ）（但し、Ｋは係数）の演算式により、出力する周波数指令値を生成することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６において、前記電圧指令生成手段より出力される電圧指令値、及び前記電流検出手段で検出される出力電流値に基づいて、負荷の消費電力を算出する消費電力計算手段を更に備え、前記消費電力計算手段は、算出した消費電力と前記原動機の回転数との対応関係を示す対応テーブルを備え、前記消費電力が算出された際に、該消費電力に基づき前記対応テーブルを参照して前記原動機の回転数を決定し、決定した回転数のデータを、前記原動機に指示することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７において、前記消費電力計算手段は、前記電流検出手段で検出されるｑ軸電流、及びｄ軸電流、及び線間電流と、前記インバータの出力電圧に基づいて、有効電力のインピーダンスＺを算出し、更に、外部より入力される電圧指示値に基づき、下式により消費電力Ｐ１を算出す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、スイッチング手段の出力電流が上限閾値に達した場合には、最低出力電圧に対応する電圧指令値によりＰＷＭ信号を生成して、インバータを駆動するので、負荷駆動開始時等に電流値が増大した場合にこれを抑制することができ、且つ原動機がストールすることを防止することができる。

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、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、インバータより出力される電流の変化を示すタイミングチャートであり、電圧指令の変更を実施した場合と実施しない場合の特性を示す。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置の、インバータより出力される電流の変化を示すタイミングチャートであり、周波数倍率を変化させた場合の特性を示す。 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。

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）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（スイッチング手段）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（周波数指令生成手段）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（電圧指令生成手段）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（ＰＷＭ信号生成手段）と、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（電流検出手段）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、該電流検出変換部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、を備えている。

スイッチング回路１５０は、図１１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、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１５５ａを備えており、該消費電力計算部１５５では消費電力を算出すると、この消費電力に基づいて、回転数対応テーブル１５５ａ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、アイドル回転数、最高回転数に基づき、消費電力が低い又は０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、本実施形態では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、最高回転数にてクランプされるように設定される。

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１１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令値（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値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、インバータ１５の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（補正手段）と、演算部４３（電圧指令変更手段）、及びローパスフィルタ４４（フィルタ手段）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１１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（電圧設定値）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（乗算手段）と、係数Ｇ４（第２の係数；但し、Ｇ４＞Ｇ３；Ｇ４はＧ３の１０〜３０倍程度とする）を乗じる乗算部５２（乗算手段）と、演算部５３（演算手段）と、遅延部５４と、減算部５５と、加算部５６（加算手段）、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Ｅrrが正の値である場合（Ｅrr＞０）には、該偏差Ｅrrに対して係数Ｇ３を乗じ、偏差Ｅrrがゼロまたは負の値である（Ｅrr≦０）には、該偏差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（倍率演算手段）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、上述のように構成された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８は、時間経過に伴う各波形の変化を示すタイミングチャートであり、図８（ａ）は負荷１８に接続される電線に流れる線電流を示し、（ｂ）はＰＮ電圧（主回路コンデンサ１９の端子間電圧）の変化を示し、（ｃ）はインバータ１５の出力電圧を示し、（ｄ）はインバータ１５より出力される電圧の周波数を示し、（ｅ）は消費電力推定値を示す。なお、以下では、負荷１８として、誘導電動機を用いた場合について説明する。

図８において、時刻ｔ１にて誘導電動機の起動スイッチ（図示省略）をオンとすると、図８（ａ）に示すように、ｑ軸電流Ｉｑ、及びｄ軸電流Ｉｄが流れる。また、線電流はｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄをベクトル的に加算した電流となり、起動スイッチのオンの直後に電流上限閾値を超える。つまり、図４に示したｄ３＞ｄ４が成立するので、演算部４３の出力端子ＯＵＴ１は、出力信号として最低出力電圧を出力することになる。その結果、図８（ｂ）に示すように、ＰＮ電圧はＰＮ電圧設定値に対して若干低下し、更に、図８（ｃ）に示すように、インバータ１５の出力電圧は、最低出力電圧まで低下する。

また、電圧指示値に対して電圧出力値は小さくなるので、図６に示したスイープ演算部６１の出力信号は、例えば、「０．３＊ｆ１」程度の信号を出力することになり、減算部６３の出力信号は「０．８５＊ｆ１」程度となるので、図８（ｄ）に示すように、インバータ１５の出力周波数は、周波数指示値ｆ１よりも若干低い数値（例えば、１５％低い数値）となる。

その結果、図８（ｅ）に示すように、消費電力計算部１５５で演算される消費電力（消費電力推定値）は、消費電力の実測値よりも大きくなる。そして、この消費電力推定値に基づき、回転数対応テーブル１５５ａ（図７参照）を参照してエンジン１１の回転数を決定する。つまり、実際の負荷１８の消費電力よりも大きい値となる消費電力推定値を用いて、エンジン１１の回転数を制御するので、負荷１８が起動を開始した直後は、実際の消費電力に対応する回転数よりも高い回転数でエンジン１１が回転駆動することとなり、エンジン１１のストールを防止することができる。

その後、誘導電動機に流れる電流（線電流）が低下し、例えば時刻ｔ２において電流上限閾値を下回る。すると、インバータ１５の出力電圧が電圧指示値となる方向に変化する。

しかし、このとき、急峻に電圧を復帰させると、誘導電動機での消費電力が急激に増加して、線電流が再度電流上限閾値を上回る可能性がある。また、ＰＮ電圧も負荷１８の起動終盤では、未だＰＮ電圧設定値に達しておらず、低い電圧にとどまっている（図８（ｂ）参照）。そこで、本実施形態では、インバータ１５の出力電圧を徐々に復帰させるために、図４に示した乗算部４２（係数Ｇ２）を用いている。即ち、乗算部４１の出力信号に係数Ｇ２（上述した（５）式参照）を乗じることにより、ＰＮ電圧の上昇に応じて、出力電圧を電圧指示値に復帰させるので、線電流が急激に上昇することを防止し、誘導電動機に接続されているコンタクタが遮断されることを防止することができる。

図９は、時間経過に対する線電流の変化を示すタイミングチャート（図８（ａ）に対応）であり、曲線Ｓ１は駆動開始時に出力電圧を低下させた場合であり、曲線Ｓ２は出力電圧を低下させなかった場合を示している。曲線Ｓ１，Ｓ２を対比すると、曲線Ｓ１はＳ２よりも最大値が小さく抑えられていることが理解される。即ち、負荷１８の起動時にインバータ１５の出力電圧を低下させることにより、負荷１８に流れる電流値（線電流）の増加を抑制することができる。従って、インバータの制御ユニットに設けられる半導体素子の小型化に寄与することとなる。

図１０は、インバータ１５の出力周波数をスイープさせたときの突入電流の変化を示すタイミングチャートを示している。図１０に示す曲線Ｓ１１は、図６に示す周波数指示値ｆ１に電圧指令値Ｖ２と電圧指令値Ｖ１の比で決定されるＢを乗じたものに、乗算部６２で設定される係数Ｋを１．０とした場合を示し、曲線Ｓ１２は、係数Ｋを０．５とした場合を示し、曲線Ｓ１３は係数Ｋを０．３とした場合の特性を示している。

そして、各曲線Ｓ１１〜Ｓ１３から理解されるように、係数Ｋが大きい場合には、負荷１８の起動時間は早くなるが、その反面、突入電流は大きくなる。一方、係数Ｋが小さい場合には、突入電流は小さいが、起動時間は遅くなる。本実施形態では、係数Ｋを適宜設定することにより、負荷１８の起動時における突入電流を抑制することができる。

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、負荷モータを駆動する際に、ＰＷＭ信号生成部１５２に出力する電圧指令値を小さい値に設定し、インバータ１５より出力する交流電圧を低下させる。この際、負荷１８に付属するコンタクタが遮断しないように設定した最低出力電圧（図４参照）を維持する。

また、負荷１８に流れる電流の急激な上昇を防止することができ、過電流の発生を防止できる。その結果、半導体素子等の構成部品の耐電流特性を低く設定することができるので、スイッチング回路１５０に用いるトランジスタ等の半導体素子を小型化することができる。

更に、負荷１８の起動開始時において周波数指令値をスイープさせるので、負荷１８として誘導電動機等が設置されている場合には該誘導電動機の起動時間を短縮することができる。起動時間が短くなるということは、効率的に負荷にエネルギーが伝播していることになり、エネルギーを供給するコンバータやエンジンへの負荷の低減につながる。

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、インバータ発電装置の効率を向上させることに利用することができる。

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
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
１５５ａ 回転数対応テーブル
１５６ 電流検出変換部
１５７ 電流計
ＳＷ１ スイッチ

Claims (8)

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、
   前記インバータは、
   外部より入力される電圧の指示値に基づいて、電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成手段と、
   外部より入力される周波数の指示値に基づいて、周波数指令値を生成して出力する周波数指令生成手段と、
   前記電圧指令生成手段より出力される電圧指令値、及び前記周波数指令生成手段より出力される周波数指令値に基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
   複数の半導体素子を有し、前記ＰＷＭ信号生成手段より出力されるＰＷＭ信号に基づいて前記複数の半導体素子がスイッチングして交流電力を生成するスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段の出力電流を検出する電流検出手段と、
   を有し、
   前記電圧指令生成手段は、前記電流検出手段にて検出される出力電流が予め設定した上限閾値以下である通常時には前記電圧の指示値に応じた電圧指令値を生成して出力すると共に、前記出力電流が前記上限閾値を超えた場合には、予め前記電圧の指示値よりも低く設定した最低出力電圧に対応する電圧指令値を出力する電圧指令変更手段を備えることを特徴とするインバータ発電装置。
2. 前記最低出力電圧は、電圧指示値よりも低い値であって負荷の起動や停止を制御するコンタクタが遮断しない電圧値に設定され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. 前記電圧指令生成手段は、前記蓄電手段に充電されたＰＮ電圧の検出値と、該蓄電手段に充電するＰＮ電圧の設定値との比率である（ＰＮ電圧検出値）／（ＰＮ電圧設定値）を求める補正手段を更に備え、前記通常時には、前記電圧の指示値に、前記補正手段で求められた比率を乗じて、前記電圧指令値を算出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. 前記電圧指令生成手段は、前記電圧指令変更手段の後段に設けられるフィルタ手段を更に備え、
   前記フィルタ手段は、前記電圧指令変更手段より供給される電圧指令値が低下する方向に変化した場合には、該電圧指令値を第１の追随速度で変化させて出力し、
   前記電圧指令変更手段より供給される電圧指令値が上昇する方向に変化した場合には、前記電圧指令変更手段より供給される電圧指令値を、前記第１の追随速度よりも遅い第２の追随速度で変化させて出力することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のインバータ発電装置。
5. 前記フィルタ手段は、
   時系列的に入力される電圧指令値に対して、今回入力される電圧指令値から前回出力した電圧指令値を減じて得られる偏差を求め、この偏差が正の値である場合には、前記電圧指令変更手段より出力される電圧指令値に第１の係数を乗じ、前記偏差が負の値である場合には、前記第１の係数よりも大きい第２の係数を乗じる乗算手段と、
   前記乗算手段より出力される信号に、前回出力した電圧指令値を加算して今回の電圧指令値を生成する加算手段と、
   前記今回の電圧指令値と前記最低出力電圧に対応する電圧指令値とを対比し、今回の電圧指令値が前記最低出力電圧に対応する電圧指令値を超える場合には今回の電圧指令値を出力し、今回の電圧指令値が前記最低出力電圧に対応する電圧指令値以下である場合には、出力する電圧指令値を前記最低出力電圧に対応する電圧指令値にクランプして出力する演算手段と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載のインバータ発電装置。
6. 前記周波数指令生成手段は、
   外部より入力される電圧指示値Ｖ１と前記電圧指令生成手段より出力される電圧指令値Ｖ２との比率に基づき、演算式「１−（Ｖ２／Ｖ１）」を用いて倍率Ｂを求める倍率演算手段と、
   外部より入力される周波数指示値ｆ１に対して、ｆ１＊（１−Ｋ＊Ｂ）（但し、Ｋは係数）の演算式により、出力する周波数指令値を生成することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のインバータ発電装置。
7. 前記電圧指令生成手段より出力される電圧指令値、及び前記電流検出手段で検出される出力電流値に基づいて、負荷の消費電力を算出する消費電力計算手段を更に備え、
   前記消費電力計算手段は、算出した消費電力と前記原動機の回転数との対応関係を示す対応テーブルを備え、
   前記消費電力が算出された際に、該消費電力に基づき前記対応テーブルを参照して前記原動機の回転数を決定し、
   決定した回転数のデータを、前記原動機に指示することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のインバータ発電装置。
8. 前記消費電力計算手段は、前記電流検出手段で検出されるｑ軸電流、及びｄ軸電流、及び線間電流と、前記インバータの出力電圧に基づいて、有効電力のインピーダンスＺを算出し、更に、外部より入力される電圧指示値に基づき、下式により消費電力Ｐ１を算出することを特徴とする請求項７に記載のインバータ発電装置。
   

   

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