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発明の名称 発電機制御装置、および冷凍サイクル装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−14172(P2007−14172A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−194581(P2005−194581)
出願日 平成17年7月4日(2005.7.4)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 河地 光夫 / 土山 吉朗
要約 課題
装置が故障した場合でも、確実に発電機にブレーキを掛けられる発電機制御装置を提供する。

解決手段
コンバータ18または発電機制御部21が故障するような異常時には、発電機2bに回転数制御によるブレーキを掛けることができないため、発電機2bの回転数は増大し、その結果コンバータ16の出力電圧は上昇する。そのコンバータ16の出力電圧は電圧検出部18の抵抗器18a、18bにより分圧され、その分圧された電圧値がスイッチング素子17bのオン電圧と等しくなるとスイッチング素子17bがオンされる。その結果、発電機2bから得られた発電エネルギーは電力消費用抵抗器17aで消費され、発電機17aの回転数は低下していくため、コンバータ16の出力電圧の増加を抑制することができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
外部から得られる機械エネルギーによって駆動され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機から得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を抵抗器の分圧により検出する電圧検出手段と、前記コンバータの出力間に設けられ、電力消費用抵抗器と前記電圧検出値の出力値に応じて動作するスイッチング素子とから構成される電力消費手段とを備え、前記電圧検出手段の出力値が予め設定された電圧基準値以上となる場合にのみ前記スイッチング素子をオンさせるように前記電圧検出手段の抵抗器の分圧比を決定することを特徴とする発電機制御装置。
【請求項2】
前記スイッチング素子がオンしている期間に前記電力消費手段に流れる電流を電流検出用抵抗器の両端電圧で検出する電流検出手段と、前記スイッチング素子の入力段に設けられ、前記電流検出手段の出力値に応じて動作する第2のスイッチング素子とをさらに備え、前記スイッチング素子がオンしている期間においても前記電流検出手段の出力値が予め設定された電流基準値以上となる場合には前記第2のスイッチング素子をオンし、前記第2のスイッチング素子がオンすることで前記スイッチング素子の駆動信号の信号レベルを強制的にゼロとして前記スイッチング素子をオフさせるように前記電流検出用抵抗器の値を決定することを特徴とする請求項1に記載の発電機制御装置。
【請求項3】
前記コンバータの出力電圧が前記コンバータおよび前記電力消費手段を構成する素子の耐圧よりも小さくなるように前記電圧基準値を決定することを特徴とする請求項1または2に記載の発電機制御装置。
【請求項4】
前記発電機は回転子に永久磁石を備えた同期発電機であり、前記電力消費手段に流れる電流が前記同期発電機の減磁電流よりも小さくなるように前記電流基準値を決定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発電機制御装置。
【請求項5】
冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記膨張機によって駆動される発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、前記発電機制御手段に基いて交流電力を直流電力に変換するコンバータとを含む発電機制御装置を備えた冷凍サイクル装置において、前記発電機制御装置として請求項1〜4のいずれか1項に記載の発電機制御装置を用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項6】
前記冷媒として炭酸ガスを用いることを特徴とする請求項5に記載の冷凍サイクル装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転子に永久磁石を用いた同期発電機などの発電機を任意の回転数で制御する発電機制御装置に関し、特に膨張機を備えた冷凍サイクル装置において、膨張機によって駆動される発電機の発電機制御装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その消費電力を低減する技術の一つとして、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機から動力を回収し、圧縮機を駆動するための補助動力としてその回収した動力を利用する冷凍サイクル装置がある(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
図3に特許文献1の冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機1と、冷媒を凝縮する凝縮機3と、冷媒を蒸発する蒸発機4と、凝縮器3と蒸発器4の間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機2の膨張タービン2aから構成されており、膨張タービン2aは動力軸2cを介して発電機2bと直結されている。交流電源11からの交流電力は第1コンバータ31で直流電力に変換され、この直流電力はインバータ13によって交流電力に変換され圧縮機1が駆動される。
【0004】
一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン2aは動力軸2cを介して発電機2bを駆動し、発電機2bから得られる交流電力が第2コンバータ32へ入力される。この第2コンバータ32は発電機2bから得られた交流電力を直流電力に変換され、この直流電力は圧縮機1を駆動するための補助動力として利用される。
【0005】
しかしながら、特許文献1の冷凍サイクル装置では、発電機2bの回転数を制御する手段だけでなく、異常の際に発電機2bにブレーキを掛ける手段も有していないため、膨張エネルギーが増大する場合、膨張タービン2a(すなわち、動力軸2cを介して発電機2b)の回転数が増大してしまう。その結果、発電機2bから得られる電気エネルギーが増大し、その電気エネルギーが第2コンバータ32、インバータ13の素子の許容値を越えた場合には素子が破壊されてしまうだけでなく、増大された回転数が膨張タービン2aの許容値を超えた場合には膨張タービン2aが破壊されてしまうという課題を有していた。
【0006】
そこで、異常の際に発電機2bにブレーキを掛ける方法として、例えば特許文献2に記載されている風力発電系統連系システムが提案されている。図4に特許文献2の風力発電系統連系システムの構成を示す。このシステムは、風力エネルギーを取り入れる風車41と、風車41から得られる回転エネルギーを交流電力に変換する同期発電機42と、整流ダイオード48a〜48fから構成され、同期発電機42から得られる交流電力を直流電力に変換する整流回路12と、平滑コンデンサ15を介して整流回路12得られる直流電力を所望の交流電力に変換する系統連系インバータ43と、系統連系インバータ43から得られた交流電力を供給される電力系統44から構成されている。
【0007】
保護回路45では、同期発電機42の異常高回転数の検出、系統連系インバータ43の異常検出、系統電圧異常低下の検出のいずれかが検出された場合、スイッチ作動リレー47を介して三相短絡スイッチ46を投入することで電磁ブレーキが掛かり、発電機42の発電機能が停止する。
【0008】
さらに別の例として、発電機ではなく電動機の緊急停止を行うためにブレーキを掛ける
手段を用いた電動機駆動装置も提案されている(例えば、特許文献3参照)。図5に特許文献3の電動機駆動システムの構成を示す。この電動機駆動システムは、三相電源51と、システムを動作させる際に投入されるコンタクタ54と、交流電力を直流電力に変換する整流回路12と、複数のスイッチング素子13a〜13fと対をなす還流ダイオード14a〜14fから構成され、平滑コンデンサ15を介して整流回路12得られる直流電力を所望の交流電力に変換するインバータ13と、同期電動機57から構成される。
【0009】
さらに、インバータ13の入力側には、ブレーキ用スイッチ素子53が回生抵抗器52を介して設けられている。また、インバータ13およびブレーキ用スイッチ素子53を制御する制御部55はコンバータ電圧が電源電圧として与えられており、この電源電圧を監視して、コンバータ電圧が予め設定された電圧となると、すなわち同期電動機57が回生動作を行っていると判断すると、ブレーキ用スイッチ素子53をオンする。その結果、回生抵抗器52によって回生電力を消費してコンバータ電圧が予め設定された電圧を越えないようにする。一方、緊急停止信号発生部56から緊急停止信号が制御部55に与えられると、制御部36はコンタクタ54をオフするとともにブレーキ用スイッチ素子53をオンし、併せてインバータ13の全てのスイッチング素子13a〜13fはオフされる。その結果、同期電動機57で発生する発電エネルギーは回生抵抗器52で消費され、同期電動機57は速やかに停止する。
【特許文献1】特開昭61−29647号公報
【特許文献2】特開2000−179446号公報
【特許文献3】特開2001−204184号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、特許文献2の構成では三相短絡スイッチにより発電機に電磁ブレーキを掛けるため、三相短絡スイッチが投入されたときに同期発電機から三相短絡スイッチに流れる電流の大きさが同期発電機の減磁電流を越えた場合には、同期発電機が減磁してしまうという課題を有していた。さらに、特許文献3の構成では制御部55によってブレーキ用スイッチ素子を制御しているため、制御部55が故障した場合には同期電動機にブレーキを掛けることができないという課題を有していた。
【0011】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電機制御装置が故障した場合においても確実に発電機にブレーキを掛けることができ、かつブレーキを掛ける際に発電機から流れる電流が過電流とならないように制御できる発電機制御装置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】
【0012】
前記従来の課題を解決するために、本発明の発電機制御装置は、外部から得られる機械エネルギーによって駆動され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機から得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータの出力電圧を抵抗器の分圧により検出する電圧検出手段と、コンバータの出力間に設けられ、電力消費用抵抗器と電圧検出値の出力値に応じて動作するスイッチング素子とから構成される電力消費手段とを備え、電圧検出手段の出力値が予め設定された電圧基準値以上となる場合にのみスイッチング素子をオンさせるように電圧検出手段の抵抗器の分圧比を決定するものである。
【0013】
これによって、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛けることが可能となる。
【0014】
また、本発明の発電機制御装置は、スイッチング素子がオンしている期間に電力消費手段に流れる電流を電流検出用抵抗器の両端電圧で検出する電流検出手段と、スイッチング素子の入力段に設けられ、電流検出手段の出力値に応じて動作する第2のスイッチング素子とをさらに備え、スイッチング素子がオンしている期間においても電流検出手段の出力値が予め設定された電流基準値以上となる場合には第2のスイッチング素子をオンし、第2スイッチングがオンすることでスイッチング素子の駆動信号の信号レベルを強制的にゼロとしてスイッチング素子をオフさせるように電流検出用抵抗器の値を決定するものである。
【0015】
これによって、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛け、かつスイッチング素子がオンしてブレーキが掛かっている期間に電流検出手段により過電流を検出した場合に第2のスイッチング素子をオンさせることでスイッチング素子をオフさせ、ブレーキを掛ける際に発電機から電力消費手段に流れる電流が過電流とならないように制御することが可能となる。
【発明の効果】
【0016】
本発明の発電機制御装置は、発電機制御装置が故障した場合においても確実に発電機にブレーキを掛けることができ、かつブレーキを掛ける際に発電機から流れる電流が過電流とならないように制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
第1の発明は、外部から得られる機械エネルギーによって駆動され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機から得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータの出力電圧を抵抗器の分圧により検出する電圧検出手段と、コンバータの出力間に設けられ、電力消費用抵抗器と電圧検出値の出力値に応じて動作するスイッチング素子とから構成される電力消費手段とを備え、電圧検出手段の出力値が予め設定された電圧基準値以上となる場合にのみスイッチング素子をオンさせるように電圧検出手段の抵抗器の分圧比を決定するものであり、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛けることができる。
【0018】
第2の発明は、特に第1の発明の発電機制御装置において、スイッチング素子がオンしている期間に電力消費手段に流れる電流を電流検出用抵抗器の両端電圧で検出する電流検出手段と、スイッチング素子の入力段に設けられ、電流検出手段の出力値に応じて動作する第2のスイッチング素子とをさらに備え、スイッチング素子がオンしている期間においても電流検出手段の出力値が予め設定された電流基準値以上となる場合には第2のスイッチング素子をオンし、第2スイッチングがオンすることでスイッチング素子の駆動信号の信号レベルを強制的にゼロとしてスイッチング素子をオフさせるように電流検出用抵抗器の値を決定するものであり、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛け、かつスイッチング素子がオンしてブレーキが掛かっている期間に電流検出手段により過電流を検出した場合に第2のスイッチング素子をオンさせることでスイッチング素子をオフさせ、ブレーキを掛ける際に発電機から電力消費手段に流れる電流が過電流とならないように制御することができる。
【0019】
第3の発明は、特に第1または第2の発明の発電機制御装置において、コンバータの出力電圧がコンバータおよび電力消費手段を構成する素子の耐圧よりも小さくなるように電圧基準値を決定するものであり、コンバータの出力電圧の過昇によるコンバータおよび電力消費手段を構成する素子の破壊を確実に防ぐことができる。
【0020】
第4の発明は、特に第1〜3のいずれか1つの発明の発電機制御装置において、発電機は回転子に永久磁石を備えた同期発電機であり、電力消費手段に流れる電流が同期発電機の減磁電流よりも小さくなるように電流基準値を決定するものであり、電力消費手段に流れる電流が過電流となって同期発電機の回転子に備えられた永久磁石が減磁することを確実に防ぐことができる。
【0021】
第5の発明は、特に第1〜4のいずれか1つの発明の発電機制御装置を冷凍サイクル装置に使用することにより、各々の発電機制御装置の利点を生かした信頼性の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。
【0022】
第6の発明は、特に第5の発明の冷凍サイクル装置装置において、冷媒として炭酸ガスを用いるもので、温暖化係数が小さく地球温暖化を防止することができる。
【0023】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【0024】
(実施の形態1)
図1に本発明の実施の形態1における発電機制御装置のシステム構成図を示す。この発電機制御装置は、一例として図3に示すような冷凍サイクル装置における膨張機2によって駆動される発電機2bの制御装置を想定しており、図1の整流回路12とコンバータ16がそれぞれ図3の第1コンバータ31と第2コンバータ32に対応している。
【0025】
この発電機制御装置は、交流電源11からの交流電力を直流電力に変換する整流回路12と、電動機19と、電動機19の回転数を制御する電動機制御部20と、複数のスイッチング素子13a〜13fと対をなす還流ダイオード14a〜14fから構成され、平滑コンデンサ15を介して整流回路12から得られる直流電力を電動機制御部20に基づいて所望の交流電力に変換するインバータ13と、外部の機械エネルギーによって駆動される発電機2bと、発電機2bの回転数を制御する発電機制御部21と、複数のスイッチング素子13a〜13fと対をなす還流ダイオード14a〜14fから構成され、発電機制御部21によって回転数を制御された発電機2bから得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータ16とを備える。また、コンバータ16の出力間には、電力消費用抵抗器17aとスイッチング素子17bとから構成される電力消費部17と、コンバータ16の出力電圧を検出するための抵抗器18a、18bから構成される電圧検出部18が設けられている。
【0026】
発電機2bは外部から得られる機械エネルギーによって駆動されるため、機械エネルギーが大きくなった場合には、発電機2bの回転数も大きくなる。特に、図3に示すような冷凍サイクル装置における膨張タービン2aは膨張エネルギーによって一旦駆動され始めたらたら膨張エネルギーがある限り回転数が増大していく。そのため、通常時においては、コンバータ16は発電機制御部21によって発電機2bにブレーキを掛けながら回転数を制御して、発電機2b発電機2bから得られる交流電力を直流電力に変換している。コンバータ16で変換された直流電力は電動機19を駆動するための補助動力として利用している。
【0027】
しかしながら、コンバータ18または発電機制御部21が故障するような異常時には、発電機2bに回転数制御によるブレーキを掛けることができないため、発電機2bの回転数は増大し、その結果コンバータ16の出力電圧は上昇する。そのコンバータ16の出力電圧は電圧検出部18の抵抗器18a、18bにより分圧され、その分圧された電圧値がスイッチング素子17bのオン電圧と等しくなるとスイッチング素子17bがオンされる
。その結果、発電機2bから得られた発電エネルギーは電力消費用抵抗器17aで消費され、発電機17aの回転数は低下していくため、コンバータ16の出力電圧の増加を抑制することができる。
【0028】
ここで、コンバータ16の出力電圧がコンバータ16およびスイッチング素子17bの耐圧よりも大きくなると素子が破壊されるため、電圧検出部18で分圧された電圧値がスイッチング素子17bのオン電圧と等しくなる場合のコンバータ16の出力電圧が、素子の耐圧よりも小さくなるように、電圧検出部18の抵抗器18a、18bの分圧比を決定している。
【0029】
この構成により、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛けてコンバータの出力電圧の増加を抑制することで素子の破壊を確実に防ぐことができ、信頼性の高い冷凍サイクル装置を実現することができる。
【0030】
また、冷凍サイクル装置の冷媒として炭酸ガスを用いることにより、地球温暖化を防止すると共に、熱交換効率を向上することができる。
【0031】
なお、一例として図3に示すような冷凍サイクル装置における膨張機によって駆動される発電機の制御装置として説明したが、例えば特許文献2のような風力発電用のシステムにも本発明はそのまま適用できるため、本発明は特に冷凍サイクルにおける膨張機によって駆動される発電機の制御装置に限定したものではない。
【0032】
(実施の形態2)
図2に本発明の実施の形態2における発電機制御装置のシステム構成図を示す。この発電機制御装置に関しても、一例として図3に示すような冷凍サイクル装置における膨張機によって駆動される発電機の制御装置を想定している。図1に示す発電機制御装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するため省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0033】
この発電機制御装置は、スイッチング素子17bがオンしている期間に電力消費部17に流れる電流を検出するための電流検出用抵抗器22と、スイッチング素子17bの入力段に設けられた第2スイッチング素子23をさらに設けている。スイッチング素子17bがオンしている期間に電流が流れると、電流検出用抵抗器22の両端に電圧が発生する。その電流検出用抵抗器22の両端に発生する電圧値がスイッチング素子23のオン電圧と等しくなると第2スイッチング素子23がオンされる。その結果、スイッチング素子17bの駆動信号の信号レベルが強制的にゼロとされることでスイッチング素子17bはオフされる。
【0034】
ここで、スイッチング素子17bがオンしている期間に発電機2bから電力消費部17に流れる電流によって電流検出用抵抗器22の両端に発生する電圧が第2スイッチング素子23のオン電圧と等しくなる場合の電流値が、予め設定された電流基準値よりも小さくなるように電流検出用抵抗器22の抵抗値を決定しており、特に、発電機2bとして回転子に永久磁石を備えた同期発電機の場合には、同期発電機の減磁電流よりも小さい値を電流基準値として設定している。
【0035】
以上の構成により、発電機制御装置が故障した場合においても、発電機の異常高回転を電圧検出手段により検出してスイッチング素子をオンさせ、確実に発電機にブレーキを掛けてコンバータの出力電圧の増加を抑制することで素子の破壊を確実に防ぎながら、スイッチング素子がオンしてブレーキが掛かっている期間に電流検出手段により過電流を検出
した場合に第2スイッチング素子をオンさせることでスイッチング素子をオフさせ、ブレーキを掛ける際に発電機から電力消費手段に流れる電流が過電流とならないように制御することができる。特に、発電機として回転子に永久磁石を備えた同期発電機の場合には、本発明によって永久磁石が減磁することを確実に防ぐことができる。
【0036】
なお、一例として図3に示すような冷凍サイクル装置における膨張機によって駆動される発電機の制御装置として説明したが、例えば特許文献2のような風力発電用のシステムにも本発明はそのまま適用できるため、本発明は特に冷凍サイクルにおける膨張機によって駆動される発電機の制御装置に限定したものではない。
【産業上の利用可能性】
【0037】
以上のように、本発明にかかる発電機制御装置は、装置が故障した場合においても確実にブレーキを掛けることができるため、電動機の緊急停止を行うためにブレーキを掛ける手段を用いた電動機駆動装置にも適用でき、その電動機駆動装置を用いる炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器等の製品にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の実施の形態1における発電機制御装置のシステム構成図
【図2】本発明の実施の形態2における発電機制御装置のシステム構成図
【図3】従来の冷凍サイクル装置のシステム構成図
【図4】従来の風力発電系統連系システムの構成図
【図5】従来の電動機駆動装置のシステム構成図
【符号の説明】
【0039】
1 圧縮機
2 膨張機
2a 膨張タービン
2b 発電機
2c 動力軸
3 凝縮器
4 蒸発器
11 交流電源
12 整流回路
13 インバータ
13a〜13f スイッチング素子
14a〜14f 還流ダイオード
15 平滑コンデンサ
16 コンバータ
17 電力消費部
17a 電力消費用抵抗器
17b スイッチング素子
18 電圧検出部
18a、18b 抵抗器
19 電動機
20 電動機制御部
21 発電機制御部
22 電流検出用抵抗器
23 解除用スイッチング素子
31 第1コンバータ
32 第2コンバータ
41 風車
42 同期発電機
43 系統連系インバータ
44 電力系統
45 保護回路
46 三相短絡スイッチ
47 スイッチ作動リレー
48a〜48f 整流ダイオード
51 三相電源
52 回生抵抗器
53 ブレーキ用スイッチング素子
54 コンタクタ
55 制御部
56 緊急停止信号発生部
57 同期電動機




 

 


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