JP2008038868A - エンジン発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな負荷を投入したり、遮断したりする際の瞬時周波数変動率を小さく抑えることができ、従来よりも大きな負荷への電力供給を安定して行うことができるエンジン発電装置を提供する。
【解決手段】交流同期発電機１２と、該発電機を駆動するディーゼルエンジン１１と、該エンジンの回転数を一定に保つ調速手段である電子ガバナ１４と、前記発電機の出力を開閉する開閉器１８とを備えたエンジン発電機において、前記開閉器１８を開閉させる開閉器操作信号Ｓ２を、前記電子ガバナ１４によってエンジンを増減速させる電子ガバナ制御信号Ｓ３を出力した後に出力する開閉器制御手段１９を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン発電装置に関し、詳しくは、エンジンで交流同期発電機を駆動して一定周波数の電力を負荷に供給するエンジン発電装置であって、特に、様々な負荷への電力供給に用いられる可搬式エンジン発電装置に関する。

ディーゼルエンジン等のエンジンで交流同期発電機を駆動するエンジン発電装置では、発電機からモータ等の負荷に供給する周波数の変動率が小さいことが求められ、一定の負荷を投入、遮断したときの瞬時周波数変動率が±１０％以下に定められる場合が多い。このため、エンジンの回転数を検出し、検出回転数に基づいて燃料噴射量を調節することにより、負荷の変動にかかわらず、エンジンの回転数、即ち出力周波数を一定に保つようにした調速手段、例えば電子ガバナと呼ばれる自動調速装置が設けられている。

さらに、大きな負荷変動にも迅速に対応できるように、発電機の出力側に設けた負荷変動検出手段によって負荷の急速変動を検出し、負荷変動の大きさに応じて強制的にエンジンを制御する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２３８８４７号公報

しかし、特許文献１に記載された制御装置においても、変動が生じてからフィードバック制御を行うため、大きな負荷変動の瞬間に周波数が大きく変動することは避けられない。したがって、瞬時周波数変動率を小さくするためには、負荷を限定したり、エンジン出力に余裕のある大きなエンジンを採用したり、電子ガバナのゲインや応答性を高めたりすることが考えられる。しかしながら、負荷を限定すると発電装置の用途が限定されてしまうことになり、大きなエンジンを採用すると装置コストやランニングコストの上昇を招き、電子ガバナのゲインや応答性を高めると安定度が低下してハンチングが発生するおそれがある。

そこで本発明は、大きな負荷を投入したり、遮断したりする際の瞬時周波数変動率を小さく抑えることができ、従来よりも大きな負荷への電力供給を安定して行うことができるエンジン発電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のエンジン発電装置は、交流同期発電機と、該発電機を駆動するエンジンと、該エンジンの回転数を一定に保つ調速手段と、前記発電機の出力を開閉する開閉器とを備えたエンジン発電機において、前記開閉器の開閉信号を、前記調速手段の増減速信号を出力した後に出力する開閉器制御手段を設けたことを特徴としている。

また、前記開閉器制御手段は、前記開閉器に閉信号を出力する際には、前記調速手段に増速信号を出力してから一定時間後に閉信号を出力し、前記開閉器に開信号を出力する際には、前記調速手段に減速信号を出力してから一定時間後に開信号を出力することを特徴としている。

さらに、前記開閉器を複数備え、各開閉器にそれぞれ接続される負荷の負荷量が異なるときには、負荷量が最大の負荷に接続される開閉器に前記開閉器制御手段を設けたことを特徴としている。

本発明のエンジン発電装置によれば、開閉器を開閉する前に増減速信号を調速手段に出力してエンジンの回転数を増減速させるようにしたので、フィードバック制御に比べて瞬時周波数変動率を小さく抑えることができる。これにより、従来の発電装置では周波数変動率が１０％を超えるために使用できなかった大きな負荷にも安定して電力を供給することが可能となる。

図１は本発明のエンジン発電装置の一形態例を示す単線結線図である。このエンジン発電装置は、ディーゼルエンジン１１等で交流同期発電機１２を駆動して発電するものであって、モータや照明等の負荷に供給する電圧を一定に保つための自動電圧調整器１３と、エンジン回転数を調整して出力周波数を一定に保つための調速手段、例えば電子ガバナ１４とを備えている。

また、本形態例に示す発電装置では、２系統の出力端子１５，１６を有しており、一方の出力端子１５には比較的負荷量が小さく、ＯＮ・ＯＦＦ時の負荷変動も小さい一般的な電気器具等の負荷が接続され、他方の出力端子１６には、この発電装置に接続される負荷の中で最も負荷量が大きく、ＯＮ・ＯＦＦ時の負荷変動が大きなモータ等の負荷（最大負荷）が接続される。

さらに、各出力端子１５，１６の配線には開閉器１７，１８がそれぞれ設けられており、一般的な負荷が接続される出力端子１５側の開閉器１７には手動開閉器が用いられ、通常は閉状態となっている。一方、最大負荷が接続される出力端子１６側の開閉器１８には、開閉器制御手段１９からの開閉器制御信号Ｓ１によって開閉する電磁開閉器が用いられている。

前記開閉器制御手段１９は、開閉スイッチ２０からのＯＮ信号、ＯＦＦ信号（開閉器操作信号）Ｓ２によって作動するもので、開閉器１８に前記開閉器制御信号Ｓ１を出力するとともに、前記電子ガバナ１４に増減速信号（電子ガバナ制御信号）Ｓ３を出力する。開閉器１８への開閉器制御信号Ｓ１と電子ガバナ１４への電子ガバナ制御信号Ｓ３とは、時限回路によって出力タイミングが設定されており、開閉スイッチ２０から開閉器操作信号Ｓ２が入力されると、電子ガバナ１４への電子ガバナ制御信号Ｓ３が出力された後、一定時間経過後に開閉器１８への開閉器制御信号Ｓ１が出力されるように設定されている。

すなわち、開閉器制御手段１９は、開閉スイッチ２０から開閉器操作信号Ｓ２としてＯＮ信号を受けたときには、電子ガバナ１４に電子ガバナ制御信号Ｓ３として増速信号を出力し、一定時間経過後に、開閉器１８に開閉器制御信号Ｓ１として閉信号を出力する。また、開閉スイッチ２０からＯＦＦ信号を受けたときには、電子ガバナ１４に減速信号を出力してから一定時間経過後に、開閉器１８に開信号を出力する。

電子ガバナ制御信号Ｓ３を出力してから開閉器制御信号Ｓ１を出力するまでの時間は、ディーゼルエンジン１１のレスポンス、ディーゼルエンジン１１及び交流同期発電機１２を含めた回転エネルギー等を考慮して設定され、電子ガバナ１４に増速信号を出力してエンジン回転数が３〜７％上昇したとき、あるいは、電子ガバナ１４に減速信号を出力してエンジン回転数が３〜７％低下したときに、閉信号又は開信号を出力するように設定することが好ましく、通常は、０．１〜０．３秒の範囲に設定することが望ましい。なお、エンジン回転数の上昇又は低下の割合が３％未満では、開閉器制御手段１９を設けた効果を十分に発揮できず、上昇又は低下の割合が７％を超えると、周波数変動幅を十分に小さくできなくなることがある。

このように形成されたエンジン発電装置は、一般に、使用地域に対応した周波数、例えば東日本地域では５０Ｈｚを、西日本地域では６０Ｈｚを定格周波数に設定し、定格電圧は、定格周波数が５０Ｈｚでは２００Ｖに、６０Ｈｚでは２２０Ｖにそれぞれ設定される。また、電子ガバナ１４は、ディーゼルエンジン１１の回転数を定格周波数に対応した回転数、例えば、定格周波数が５０Ｈｚの場合は毎分１５００回転に、６０Ｈｚの場合は毎分１８００回転にそれぞれ設定する。

負荷変動が小さい場合、例えば、出力端子１５にのみ負荷が接続されている場合は、負荷変動に対応して自動電圧調整器１３と電子ガバナ１４とが作動し、電圧及び周波数を一定に保つ。自動電圧調整器１３は、同期発電機１２から出力される電圧を電圧検出器２１で検出し、検出した電圧に応じて同期発電機１２のエキサイタ界磁コイル２２を介して図示しない主発電界磁コイル（界磁巻線）に与える界磁電流を調整することにより、出力電圧を一定に保つようにする。また、電子ガバナ１４は、電子ガバナ自体が持つ周波数検出機能で検出した周波数に応じてディーゼルエンジン１１の燃料噴射量を調整することにより、出力周波数を一定に保つようにする。

そして、出力端子１６に最大負荷、例えばモータを接続して起動する際、開閉スイッチ２０を操作してＯＮ信号を開閉器制御手段１９に出力すると、開閉器制御手段１９は、直ちに増速信号を電子ガバナ１４に出力し、電子ガバナ１４は、通常の変流器２３からの信号とは別にエンジンの燃料噴射量を増加させる信号を発生し、ディーゼルエンジン１１の回転数を上昇させる。また、開閉器制御手段１９は、電子ガバナ１４に増速信号を出力した後、時限回路に設定された一定時間が経過すると、例えば０．２秒経過後に開閉器１８に閉信号を出力する。

これにより、ディーゼルエンジン１１の回転数がある程度、例えば５％程度上昇したときに開閉器１８が閉状態となり、出力端子１６からモータに電力が供給される。モータの起動電流（突入電流）によって発電機１２の負荷が急激に増加すると、ディーゼルエンジン１１の回転数が瞬間的に低下するが、電子ガバナ１４が作動して所定のエンジン回転数、すなわち、定格周波数を保持するように燃料噴射量を増加させる。同時に、出力電圧も瞬間的に低下するが、自動電圧調整器１３が作動して定格電圧を保持するように界磁電流を増加させる。

また、モータを停止する際、開閉スイッチ２０からのＯＦＦ信号を受けた開閉器制御手段１９は、直ちに減速信号を電子ガバナ１４に出力し、電子ガバナ１４は、エンジンの燃料噴射量を減少させる信号をディーゼルエンジン１１に送り、エンジン回転数を低下させる。また、開閉器制御手段１９は、電子ガバナ１４に減速信号を出力した後、時限回路に設定された一定時間が経過すると、例えば０．２秒経過後に開閉器１８に開信号を出力する。

これにより、ディーゼルエンジン１１の回転数がある程度、例えば５％程度低下したときに開閉器１８が開状態となり、出力端子１６からモータへの電力供給が遮断され、発電機１２の負荷が急激に減少する。このとき、ディーゼルエンジン１１の回転数が瞬間的に上昇するが、電子ガバナ１４が作動して燃料噴射量を減少させることにより、エンジン回転数が所定回転数に保持されて定格周波数が保持される。同時に、出力電圧も瞬間的に上昇するが、自動電圧調整器１３が作動して定格電圧を保持するように界磁電流を減少させる。

図２は、本形態例のエンジン発電装置の出力端子１６に最大負荷を接続したときの出力周波数の変動状態の一例を示す説明図である。まず、開閉スイッチ２０をＯＮにすると、電子ガバナ制御信号として増速信号が出力され、燃料噴射量が増加してエンジン回転数が上昇するのに伴って周波数も高くなる（Ａ）。一定時間後に開閉器１８が閉じて負荷が投入されると、負荷量の増大によって瞬間的に周波数が低くなるが（Ｂ）、周波数の低下を検出した電子ガバナ１４から燃料噴射量を増加させる信号が継続してエンジンに出力され、エンジン回転数を上昇させる（Ｃ）。モータの起動電流が消滅するとともに周波数が定格周波数に近付くと、出力端子１５に接続された他の負荷量の増減に応じて電子ガバナ１４が作動し、周波数は定格周波数に保持された整定状態となる（Ｄ）。

また、開閉スイッチ２０をＯＦＦにすると、電子ガバナ制御信号として減速信号が出力され、燃料噴射量が減少してエンジン回転数が低下するのに伴って周波数も低くなる（Ｅ）。一定時間後に開閉器１８が開いて負荷が遮断されると、負荷量の急激な減少によって周波数が瞬間的に高くなるが（Ｆ）、電子ガバナ１４から燃料噴射量を減少させる信号が継続してエンジンに出力され、エンジン回転数を低下させて周波数が定格周波数になるように制御する（Ｇ）。

図３は、開閉器制御手段１９を持たず、それ以外は同一仕様の従来のエンジン発電装置における出力周波数の変動状態の一例を示す説明図である。従来のエンジン発電装置では、開閉器を閉じて負荷を投入すると、負荷量の増大によって瞬間的に周波数が低くなるので（Ｊ）、フィードバック制御により電子ガバナが燃料噴射量を増加させてエンジン回転数を上昇させ、所定の周波数に戻すようにする（Ｋ）。また、開閉器を開いて負荷を遮断すると、負荷量の減少によって瞬間的に周波数が高くなるので（Ｌ）、電子ガバナが燃料噴射量を減少させてエンジン回転数を低下させ、所定の周波数に戻す（Ｍ）。

図２と図３とを比較すると、周波数の最高値と最低値との差である周波数変動幅が、図３に示す従来のエンジン発電装置に比べて図２に示す本発明のエンジン発電装置では約半分程度になっていることがわかる。例えば、定格周波数が６０Ｈｚで、負荷の投入、遮断の際の瞬時周波数変動率が±１０％、即ち±６Ｈｚとすると、図３では、負荷の投入によって出力周波数が６０Ｈｚから５４Ｈｚに低下し、負荷の遮断によって出力周波数が６０Ｈｚから６６Ｈｚに上昇することになり、周波数変動幅は１２Ｈｚとなる。

一方、図２の場合、負荷投入前にエンジン回転数を上昇させ、例えば出力周波数が６３Ｈｚになったときに負荷を投入すると、同じ６Ｈｚの低下であっても、出力周波数は５７Ｈｚまでしか低下しないことになる。同様に、負荷遮断前にエンジン回転数を低下させ、例えば出力周波数が５７Ｈｚになったときに負荷を遮断すると、同じ６Ｈｚの上昇であっても、出力周波数は６３Ｈｚまでしか上昇しないことになり、周波数変動幅は６Ｈｚとなる。

したがって、別の出力端子１５に接続された負荷への出力周波数の変動を小さく抑えることができ、周波数変動による誤作動等を防止できる。また、瞬時周波数変動率が±１０％に定められている場合、上述のように、従来のエンジン発電装置では、瞬時周波数変動率が±６Ｈｚまでの負荷しか使用できないが、本発明のエンジン発電装置では、負荷投入時及び負荷遮断時の出力周波数（エンジン回転数）を適切に設定することにより、瞬時周波数変動率が±１２Ｈｚに達する負荷も使用可能となる。すなわち、負荷投入前に出力周波数を６６Ｈｚに上昇させてから負荷を投入すると、出力周波数が１２Ｈｚ減少して５４Ｈｚになるが定格周波数の６０Ｈｚに対して−１０％の範囲であり、負荷遮断時も出力周波数を５４Ｈｚまで落としてから負荷を遮断すれば、出力周波数が１２Ｈｚ増加しても６６Ｈｚであるから、定格周波数の６０Ｈｚに対して＋１０％の範囲となる。

なお、ディーゼルエンジン１１を制御する自動調速装置は、一般的な機械式ガバナを使用することも可能であり、また、開閉スイッチ２０は、外部からの信号、例えばモータに付属する運転スイッチからの信号で作動するように形成することもできる。さらに、本発明のエンジン発電装置は、負荷が特定されない可搬式のエンジン発電装置に最適であるが、特定の負荷に対応した常用発電機や非常用発電機にも適用できる。また、開閉器制御手段１９は、周知の時限回路を使用して簡単に形成することが可能である。

本発明のエンジン発電装置の一形態例を示す単線結線図である。 本形態例のエンジン発電装置における出力周波数の変動状態の一例を示す説明図である。 従来のエンジン発電装置における出力周波数の変動状態の一例を示す説明図である。

符号の説明

１１…ディーゼルエンジン、１２…交流同期発電機、１３…自動電圧調整器、１４…電子ガバナ、１５，１６…出力端子、１７，１８…開閉器、１９…開閉器制御手段、２０…開閉スイッチ、２１…電圧検出器、２２…エキサイタ界磁コイル、２３…変流器、Ｓ１…開閉器制御信号、Ｓ２…開閉器操作信号、Ｓ３…電子ガバナ制御信号

Claims (3)

1. 交流同期発電機と、該発電機を駆動するエンジンと、該エンジンの回転数を一定に保つ調速手段と、前記発電機の出力を開閉する開閉器とを備えたエンジン発電機において、前記開閉器の開閉信号を、前記調速手段の増減速信号を出力した後に出力する開閉器制御手段を設けたことを特徴とするエンジン発電装置。
2. 前記開閉器制御手段は、前記開閉器に閉信号を出力する際には、前記調速手段に増速信号を出力してから一定時間後に閉信号を出力し、前記開閉器に開信号を出力する際には、前記調速手段に減速信号を出力してから一定時間後に開信号を出力することを特徴とする請求項１記載のエンジン発電装置。
3. 前記開閉器を複数備え、各開閉器にそれぞれ接続される負荷の負荷量が異なるときには、負荷量が最大の負荷に接続される開閉器に前記開閉器制御手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン発電装置。

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