JPH10225193A - 周波数可変型発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インバータと発電機を安価にし、かつ、発電
機を駆動する回転型原動機の利用率を向上する。 【構成】 回転型原動機１で駆動する同期発電機２から
の電力と、商用電源９からのインバータ１１を介しての
電力とを、回転数低下によって駆動動力を低減できる機
器を駆動する電動機６，８に供給する。電動機６，８の
合計の定格値を、インバータ１１および同期発電機２そ
れぞれの定格よりも大に、かつ、それら定格の合計値よ
りも小になるように設定する。電動機６，８の負荷に対
応してインバータ１１による出力周波数と電圧を制御
し、電動機６，８の負荷が同期発電機２の制御周波数に
対応させた定格値よりも大きいときには、不足分を商用
電源９から補充しながら同期発電機２の出力を最大にな
るように、逆に、小さいときには、同期発電機２の出力
を電動機６，８の負荷に一致させるように回転型原動機
１の回転数を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コジェネレーショ
ンシステムなどに用いるために、ガスエンジンやディー
ゼルエンジンやガスタービンあるいはスターリングエン
ジンといった回転型原動機に発電機を連動連結し、空気
調和システムを構成するファン、冷温水ポンプ、コンプ
レッサーといった、回転数低下によって駆動動力を低減
できる機器を駆動する電動機に対し、発電機からの電力
と、商用電力や特定供給電源などの他電源からの電力と
を供給できるように構成した周波数可変型発電システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】周波数可変型発電システムとしては、従
来、図４の（ａ）の概略構成図に示すものが知られてい
る。

【０００３】この従来例によれば、ガスエンジン０１に
同期発電機０２を連動連結し、その同期発電機０２から
の電力を、空気調和システムを構成する冷水ポンプ０３
を駆動するポンプ用電動機０４やファン０５を駆動する
ファン用電動機０６に供給するように構成されている。
図中Ｓ１は遮断器である。

【０００４】また、冷水ポンプ０３とサプライヘッダ０
７とを接続する供給配管０８に、冷水の流量を測定する
流量センサ０９と、冷水の温度を測定する第１の温度セ
ンサ０１０とが設けられている。一方、冷水ポンプ０３
とリターンヘッダ０１１とを接続する戻り配管０１２
に、リターンヘッダ０１１を出た冷水の温度を測定する
第２の温度センサ０１３が設けられている。図中Ｅは、
冷水を得る熱交換器を示している。

【０００５】ガスエンジン０１への燃料ガスの供給量を
制御する制御弁０１４にコントローラ０１５が接続され
るとともに、コントローラ０１５に流量センサ０９、第
１および第２の温度センサ０１０，０１３が接続されて
いる。

【０００６】コントローラ０１５では、予め、空調負荷
それぞれに対応した回転数が記憶されており、冷水の流
量および冷水の温度差に基づいて空調負荷を求め、その
空調負荷に対応する回転数を得るのに必要な量の燃料ガ
スを供給できるように制御弁０１４に制御出力を出すよ
うになっている。

【０００７】この構成により、空調負荷の変動に応じて
エンジン回転数を制御して同期発電機０２の発電周波数
を変え、ガスエンジン０１の燃料ガスの消費量を極力低
減できるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
の場合、空調負荷が最大のときに対応させるために、冷
水ポンプ０３やファン０５を駆動する電動機０４，０６
すべての定格の総合計以上となるように、相当大きな定
格のガスエンジン０１および同期発電機０２を選定しな
ければならず、大型化するとともに極めて高価になる欠
点があった。

【０００９】また、上述の電動機０４，０６では、その
周波数の変化に対してほぼ３乗に比例して動力が変化す
るものであり、通常時の空調負荷が部分負荷状態である
ときに、ガスエンジン０１の回転数の減少に対する動力
の減少がはるかに大きく、ガスエンジン０１の利用率が
低下する欠点があった。

【００１０】上述のような欠点を解消するものとして、
例えば、図４の（ｂ）の概略構成図に示すような改善例
が考えられる。

【００１１】すなわち、この改善例によれば、ガスエン
ジン０１に連動連結された同期発電機０２と空調負荷０
２１とを接続する電力出力線０２２に、他電源として商
用電源０２３が接続される。この電力出力線０２２と商
用電源０２３との接続箇所と空調負荷０２１との間にイ
ンバータ０２４が介装される。この商用電源０２３との
系統連係により、不足分の電力を商用電源０２３からの
電力によって賄えるために、ガスエンジン０１および同
期発電機０２を、空調負荷０２１側での定格の総合計よ
りも小さい定格のもので構成できることとなる。図中Ｓ
は、周波数と電圧位相を合わせて投入する同期投入装置
を示している。

【００１２】ところが、この改善例の場合、商用電源０
２３と系統連係するために、逆潮流を防止する保護装置
０２５を必要とし、システム全体として高価になる問題
があった。また、商用電源０２３の周波数が一定である
ために、ガスエンジン０１を回転数一定で運転しなけれ
ばならず、空調負荷０２１側の負荷が大きく減少したと
きには、ガスエンジン０１の利用率が低下する問題があ
る。更に、ガスエンジン０１および同期発電機０２の定
格を小さくできるものの、インバータ０２４として、空
調負荷０２１側での定格の総合計以上となるものを選定
しなければならず、汎用品を使用する場合には、適当な
定格のものが無くて必要以上に大きな定格のものを用い
なければならないなど、インバータ０２４が高価にな
り、また、インバータロスもそれだけ大きくなる等の問
題があり、未だ改善の余地があった。

【００１３】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、インバータおよび発電機それぞれとし
て電動機の定格値よりも小さい定格のものを用いて安価
に構成するとともに、発電機を駆動する回転型原動機の
利用率を向上できるようにすることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の周波数可変型発
電システムは、上述のような目的を達成するために、回
転型原動機（１）に連動連結した発電機（２）からの電
力と他電源（９，３２）からの電力とを、回転数低下に
よって駆動動力を低減できる機器（５，７）を駆動する
電動機（６，８）に供給可能に構成した周波数可変型発
電システムにおいて、発電機（２）からの電力出力線
（３）に電動機（６，８）を接続するとともに、他電源
（９，３２）にインバータ（１１）を介して接続した出
力線（１１ａ）を電力出力線（３）に接続し、電動機
（６，８）の定格値を、インバータ（１１）および発電
機（２）それぞれの定格よりも大きく、かつ、発電機
（２）の定格とインバータ（１１）の定格との合計値よ
りも小さい値になるように設定し、電動機（６，８）の
負荷を測定する負荷測定手段（２３）を設け、その負荷
測定手段（２３）で測定される負荷に対応してインバー
タ（１１）による出力周波数と電圧を制御するインバー
タ制御手段（２４）を設け、負荷測定手段（２３）で測
定される負荷が発電機（２）の制御周波数に対応させた
定格値よりも大きいときには、不足分を前記他電源
（９，３２）から補充しながら発電機（２）の出力を制
御周波数に対応した定格値にするように、かつ、測定負
荷が発電機（２）の制御周波数に対応させた定格値より
も小さいときには、発電機（２）の出力を測定負荷に一
致させるように回転型原動機（１）の回転数を制御する
原動機制御手段（２６）を設けて構成する。

【００１５】回転型原動機としては、ガスエンジンやデ
ィーゼルエンジンや蒸気タービンなどが用いられる。他
電源としては、一般の商用電源、工場での自家発電電源
といった特定供給電源、燃料電池などが用いられる。回
転数低下によって駆動動力を低減できる機器としては、
空気調和システムを構成するファン、冷温水ポンプ、コ
ンプレッサーとか、計装用空気のコンプレッサーなどが
適用できる。

【００１６】

【作用】本発明の周波数可変型発電システムの構成によ
れば、電動機に対して、電動機の定格より小さい定格の
発電機からの電力と、電動機の定格より小さい定格のイ
ンバータを介しての他電源からの電力とを、電動機の負
荷に応じて周波数と電圧とを制御した状態で供給するこ
とができる。そして、電動機の負荷が発電機の制御周波
数に対応させた定格値よりも小さいときには、発電機の
出力を測定負荷に一致させるように回転型原動機の回転
数を制御し、発電機からの電力だけを電動機に供給す
る。一方、電動機の負荷が発電機の制御周波数に対応さ
せた定格値よりも大きいときには、発電機の出力を制御
周波数に対応した定格値にして、その制御周波数の状態
で最大の発電電力の全量を電動機に供給し、不足分の電
力を他電源から補充して電動機に供給する。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明に係る周波数可変型発電シ
ステムの第１実施例を示す概略構成図であり、回転型原
動機（ガスエンジン）１に、発電機としての同期発電機
２が連動連結されている。

【００１９】同期発電機２からの電力出力線３に同期投
入装置４が介装され、周波数と電圧位相を合わせて発電
電力を投入するように構成されている。電力出力線３に
は、空気調和システムを構成する冷水ポンプ５を駆動す
るポンプ用電動機６やファン７を駆動するファン用電動
機８が接続されている。図中Ｅは、冷水を得る熱交換器
を示している。

【００２０】商用電源９の商用電源電力線９ａが、トラ
ンス１０とインバータ１１とを介装した出力線１１ａを
介して電力出力線３に接続されている。インバータ１１
は、充電用コンバータ１２に電力線１３を介して放電用
インバータ１４を接続するとともに、電力線１３に平滑
コンデンサ１５を接続して構成されている。

【００２１】図２のグラフに示すように、ポンプ用電動
機６とすべてのファン用電動機８の定格を合計した定格
値Ｗ（例えば、50kw）は、同期発電機２およびインバー
タ１１それぞれの定格ＷＧ（例えば、30kw），ＷＩ（例
えば、25kw）よりも大きく、かつ、同期発電機２の定格
ＷＧとインバータ１１の定格ＷＩとの合計値よりも小さ
い値になるように設定されている。

【００２２】空気調和システムにおいて、冷水ポンプ５
とサプライヘッダ１６とを接続する供給配管１７に、冷
水の流量を測定する流量センサ１８と、冷水の温度を測
定する第１の温度センサ１９とが設けられている。一
方、冷水ポンプ５とリターンヘッダ２０とを接続する戻
り配管２１に、リターンヘッダ２０を出た冷水の温度を
測定する第２の温度センサ２２が設けられている。

【００２３】流量センサ１８と、第１および第２の温度
センサ１９，２２とが負荷測定手段２３に接続され、冷
水流量と熱交換に伴う温度差とに基づいて空調負荷を求
めるように構成されている。

【００２４】放電用インバータ１４に、インバータ１１
による出力周波数と電圧を制御するインバータ制御手段
２４が接続され、このインバータ制御手段２４に負荷測
定手段２３が接続されている。インバータ制御手段２４
では、予め、空調負荷に対応した出力周波数と電圧とが
記憶されていて、負荷測定手段２３で測定される負荷に
基づいて制御出力を出し、放電用インバータ１４のトラ
ンジスタのベースに電圧を印加する間隔（ＯＮ−ＯＮ間
隔）と印加時間（ＯＮ時間）とを制御し、空調負荷に対
応した出力周波数と電圧とが得られるように構成されて
いる。

【００２５】回転型原動機１への燃料ガスの供給量を制
御する制御弁（スロットル）２５に原動機制御手段２６
が接続されるとともに、この原動機制御手段２６に負荷
測定手段２３が接続されている。また、電力出力線３に
は、出力線１２との接続箇所を挟んで第１および第２の
ワットメータ２７，２８が設けられ、これらの第１およ
び第２のワットメータ２７，２８も原動機制御手段２６
に接続されている。

【００２６】原動機制御手段２６では、負荷測定手段２
３で測定される空調負荷に基づいて、測定負荷が同期発
電機２の制御周波数に対応させた定格値よりも大きいと
きには、不足分を商用電源９から補充しながら同期発電
機２の出力を制御周波数に対応した定格値にするよう
に、かつ、測定負荷が同期発電機２の制御周波数に対応
させた定格値よりも小さいときには、同期発電機２の出
力を測定負荷に一致させるように回転型原動機１への燃
料ガスの供給量を制御し、その回転数を制御するように
なっている。

【００２７】すなわち、図２のグラフに示すように、イ
ンバータ制御手段２４により空調負荷に対応した出力周
波数になるように制御され、その制御周波数に対応させ
た同期発電機２の定格値（一点鎖線Ｇで示す）よりも空
調負荷（実線Ａで示す）が大きいときＨＵには、同期発
電機２の出力を制御周波数に対応した定格値にするよう
に回転型原動機１の回転数を制御する。不足分はインバ
ータ１１を通じて自動的に商用電源９から補充される。

【００２８】一方、制御周波数に対応させた同期発電機
２の定格値よりも空調負荷が小さいときＨＤには、同期
発電機２の出力を空調負荷に一致させるように回転型原
動機１の回転数を制御する。

【００２９】以上の構成により、回転型原動機１、同期
発電機２およびインバータ１１それぞれを極力小さな定
格のもので構成しながら、空調負荷の変動に応じて回転
型原動機１の回転数を制御して同期発電機２の発電周波
数を変え、回転型原動機１の燃料ガスの消費量を極力減
少できるとともに利用率を向上できるようになってい
る。

【００３０】図３は、本発明に係る周波数可変型発電シ
ステムの第２実施例を示す要部の構成図であり、第１実
施例と異なるところは次の通りである。すなわち、電力
出力線３に、逆流阻止用のダイオード２９とインバータ
３０とを介装した出力線３１を介して燃料電池３２が接
続されている。また、ダイオード２９とインバータ３０
との間において、燃料電池電力線３１に平滑コンデンサ
３３が接続されている。

【００３１】インバータ３０に、第１実施例と同様のイ
ンバータ制御手段２４が接続されている。他の構成は第
１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省
略する。

【００３２】この第２実施例によれば、制御周波数に対
応させた同期発電機２の定格値よりも空調負荷が大きい
ときに、不足分をインバータ３０を通じて燃料電池３２
から補充することができる。

【００３３】上述した、回転数低下によって駆動動力を
低減できる冷水ポンプ５やファン７などをして機器と総
称する。

【００３４】上記実施例では、発電機として同期発電機
２を示したが、誘導発電機を用いても良い。その場合、
同期投入装置４は省略できる。

【００３５】また、上記実施例では、インバータ制御手
段２４において、予め、空調負荷に対応した出力周波数
と電圧とを記憶させることにより、空調負荷に対応した
出力周波数と電圧とが得られるように制御しているが、
例えば、空調負荷と出力周波数および電圧との関係式を
求めておき、その関係式に基づいて、空調負荷に対応し
た出力周波数と電圧とが得られるように制御しても良
い。

【００３６】本発明としては、回転型原動機１として、
上述実施例のようなガスエンジンに限らず、ディーゼル
エンジンや蒸気タービンやガスタービンやスターリング
エンジンなどが適用できる。

【００３７】また、本発明としては、上述のような空気
調和システムに限らず、例えば、計装用空気をエアシリ
ンダなどに供給するブロワーやコンプレッサーを駆動す
るための電動機などにも適用できる。また、複数の電動
機を使用する場合に限らず、１台の電動機を使用する場
合にも適用でき、その場合は、上述実施例のように、電
動機すべての負荷を空調負荷として測定するように構成
せず、１台の電動機自体の負荷を測定するように構成す
れば良い。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の周波数可変型発電システムによれば、発電機およびイ
ンバータそれぞれとして電動機の定格より小さい定格の
ものを用いることができるから、発電機およびそれを駆
動する回転型原動機を小型化できるとともにインバータ
を小型化でき、安価に構成できる。殊に、インバータで
は、その汎用品において、定格の大きなものでは、一段
上の定格との間の開きが大きくなるために、必要以上に
大きな定格のインバータを使用せざるを得ない場合が多
くなってより高価になるが、本発明では、インバータの
定格が小さくて済むために、所望の定格のものあるいは
それに近いものを汎用品から容易に選択でき、極めて経
済的である。しかも、他電源にインバータを介して接続
した出力線を発電機からの電力出力線に接続するから、
発電機側からの逆潮流を防止する系統連係保護装置が不
要になり、この点でも安価にシステムを構成できる。更
に、電動機の負荷が発電機の制御周波数に対応させた定
格値よりも小さいときに、電動機の負荷に応じて回転型
原動機の回転数を制御するが、発電機の定格が電動機の
定格よりも小さいから、回転数の低減に伴う負荷の減少
が大きいとはいえ、発電機の定格を電動機の定格以上に
設定する場合に比べて極めて小さく、また、電動機の負
荷が発電機の制御周波数に対応させた定格値よりも大き
いときには、発電機の出力を制御周波数に対応した定格
値にして、その制御周波数の状態で最大の発電電力の全
量を電動機に供給するから、回転型原動機の利用率を大
幅に向上できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る周波数可変型発電システムの第１
実施例を示す概略構成図である。

【図２】空調負荷と周波数との関係を示すグラフであ
る。

【図３】本発明に係る周波数可変型発電システムの第２
実施例の要部を示す概略構成図である。

【図４】（ａ）は従来例を示す概略構成図、（ｂ）は従
来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…回転型原動機（ガスエンジン） ２…発電機としての同期発電機 ３…電力出力線 ５…機器としての冷水ポンプ ６…ポンプ用電動機 ７…機器としてのファン ８…ファン用電動機 ９…他電源としての商用電源 １１…インバータ １１ａ…出力線 ２３…負荷測定手段 ２４…インバータ制御手段 ２６…原動機制御手段 ３１…出力線 ３２…他電源としての燃料電池

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転型原動機（１）に連動連結した発電
   機（２）からの電力と他電源（９，３２）からの電力と
   を、回転数低下によって駆動動力を低減できる機器
   （５，７）を駆動する電動機（６，８）に供給可能に構
   成した周波数可変型発電システムにおいて、 前記発電機（２）からの電力出力線（３）に前記電動機
   （６，８）を接続するとともに、前記他電源（９，３
   ２）にインバータ（１１）を介して接続した出力線（１
   １ａ）を前記電力出力線（３）に接続し、前記電動機
   （６，８）の定格値を、前記インバータ（１１）および
   発電機（２）それぞれの定格よりも大きく、かつ、前記
   発電機（２）の定格と前記インバータ（１１）の定格と
   の合計値よりも小さい値になるように設定し、前記電動
   機（６，８）の負荷を測定する負荷測定手段（２３）を
   設け、前記負荷測定手段（２３）で測定される負荷に対
   応して前記インバータ（１１）による出力周波数と電圧
   を制御するインバータ制御手段（２４）を設け、前記負
   荷測定手段（２３）で測定される負荷が前記発電機
   （２）の制御周波数に対応させた定格値よりも大きいと
   きには、不足分を前記他電源（９，３２）から補充しな
   がら前記発電機（２）の出力を制御周波数に対応した定
   格値にするように、かつ、測定負荷が前記発電機（２）
   の制御周波数に対応させた定格値よりも小さいときに
   は、前記発電機（２）の出力を測定負荷に一致させるよ
   うに前記回転型原動機（１）の回転数を制御する原動機
   制御手段（２６）を設けたことを特徴とする周波数可変
   型発電システム。