JP2023178999A

JP2023178999A - 交流発電機の電圧変動抑制装置

Info

Publication number: JP2023178999A
Application number: JP2022091972A
Authority: JP
Inventors: 祐介南; Yusuke Minami
Original assignee: Yamabiko Corp
Current assignee: Yamabiko Corp
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2023-12-19
Also published as: US20230396194A1; US12191795B2

Abstract

【課題】交流発電機において、定格電圧に対しての電圧変動率を抑制する。
【解決手段】交流発電機に装備され、出力電圧に基づく励磁制御によって電圧変動を抑制する電圧変動抑制装置であって、各出力端子の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、負荷電流検出部の検出に基づいて使用されている出力端子を特定する使用出力端子特定部と、使用出力端子特定部によって特定された出力端子を含む端子間電圧を検出する端子間電圧検出部と、端子間電圧検出部で検出された端子間電圧から求めた出力電圧で励磁制御を行う励磁制御部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流発電機の電圧変動抑制装置に関する。

出力端子が三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）と単相（Ｕ相，Ｖ相）を備える交流発電機が知られている。また、交流発電機における出力電圧を一定に保つために、出力電圧が目標電圧値になるように励磁制御を行う自動電圧調整器（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulation）を備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。

特開２０１１－２３９４８７号公報

従来の自動電圧調整器による出力電圧調整は、特定の出力端子間電圧を計測し、計測された出力電圧が目標電圧になるように、励磁電流を制御している。しかしながら、従来の自動電圧調整器による制御を行うと、負荷の偏りによって、端子間電圧の差が大きくなってしまい、定格電圧に対して、三相の平均出力電圧の変動率（三相Σ電圧変動率）や単相の電圧変動率（単相電圧変動率）が大きくなってしまう問題が生じる。

また、交流発電機において、従来の自動電圧調整器による制御を行う際に、三相又は単相を単独使用すると、負荷が接続された出力端子と出力電圧を計測している端子との不整合で端子間出力電圧が目標電圧と乖離し、電圧変動率が悪化してしまう問題が生じる。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものである。すなわち、交流発電機において、定格電圧に対しての電圧変動率を抑制すること、三相と単相の同時使用時には、三相と単相の両方で電圧変動率を抑制することができ、三相又は単相の単独使用時には、負荷が接続された端子と出力電圧を計測している端子の不整合による電圧変動率悪化を抑制すること、などが本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
交流発電機に装備され、出力電圧に基づく励磁制御によって電圧変動を抑制する電圧変動抑制装置であって、各出力端子の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、前記負荷電流検出部の検出に基づいて使用されている出力端子を特定する使用出力端子特定部と、前記使用出力端子特定部によって特定された出力端子を含む端子間電圧を検出する端子間電圧検出部と、前記端子間電圧検出部で検出された端子間電圧から求めた出力電圧で励磁制御を行う励磁制御部を備える。

このような特徴を有する本発明によると、定格電圧に対しての電圧変動率を抑制することができ、三相出力端子と単相出力端子の同時使用時には、三相出力端子の端子間電圧と単相出力端子の端子間電圧を基にした出力電圧によって励磁制御を行うので、三相出力と単相出力の両方で電圧変動率を抑えた制御が可能になる。

また、三相出力端子又は単相出力端子の単独使用時には、使用している端子を特定した上で端子間電圧を検出し、検出された端子間電圧から求めた出力電圧で励磁制御を行うので、使用出力端子と検出端子の不整合による電圧変動率の悪化を抑止することができる。

本発明の実施形態に係る交流発電機の電圧変動抑制装置の構成例を示した説明図。本発明の実施形態に係る交流発電機の電圧変動抑制装置の他の構成例を示した説明図。出力電圧算出部における出力電圧の計算式テーブルの一例を示した説明図。本発明の実施形態に係る交流発電機の電圧変動抑制装置の他の構成例を示した説明図。他の構成例における出力電圧の計算式テーブルの一例を示した説明図。交流発電機の電機子における電機子巻線の結線例を示した説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１に示すように、交流発電機１０の電圧変動抑制装置（以下、単に電圧変動抑制装置）１は、交流発電機１０に対して装備され、電機子１１の出力端子１１Ａから取り出される出力電圧の変動を抑制するための制御装置２０を備えている。制御装置２０は、演算処理の機能として、負荷電流検出部２１、使用出力端子特定部２２、端子間電圧検出部２３、励磁制御部２４を少なくとも備えている。

制御装置２０における負荷電流検出部２１は、電機子１１における出力端子１１Ａの負荷電流を検出する。図示の例では、電機子１１は、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）と単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）を備えており、電機子１１の電機子巻線と各出力端子１１Ａを繋ぐ配線Ｌ_Ｒ，Ｌ_Ｓ，Ｌ_Ｔ，Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｗに設けられた電流検出部Ｃ_Ｒ，Ｃ_Ｓ，Ｃ_Ｔ，Ｃ_Ｕ，Ｃ_Ｗを介して負荷電流が検出され、検出された負荷電流が負荷電流検出部２１に入力される。

なお、図示の例では、電機子１１の出力端子１１Ａとして、Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子、Ｕ相端子、Ｗ相端子を備える例を示しているが、本発明の実施形態はこれに限定されない。電機子１１は、例えば、電機子巻線のＹ結線やΔ結線などで三相出力端子を構成するものであればよく、個別の単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）を省いて、三相発電機におけるＲ相端子とＳ相端子とＴ相端子を三相出力端子として用いたり、単相出力端子として用いたりするものであってもよい。

制御装置２０における使用出力端子特定部２２は、負荷電流検出部２１の検出により、負荷電流が検出された出力端子１１Ａを特定する。具体的には、配線Ｌ_Ｒ，Ｌ_Ｓ，Ｌ_Ｔ，Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｗの全てから負荷電流が検出された場合には、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）と単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）の両方を使用出力端子と特定し、配線Ｌ_Ｒ，Ｌ_Ｓ，Ｌ_Ｔ，Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｗのいずれかのみから負荷電流が検出された場合には、負荷電流が検出された配線の出力端子を特定して、それを使用出力端子とする。

制御装置２０における端子間電圧検出部２３は、配線Ｌ_Ｒ，Ｌ_Ｓ，Ｌ_Ｔ，Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｗのそれぞれに設けた検出ポイントＰ_Ｒ，Ｐ_Ｓ，Ｐ_Ｔ，Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｗを介して端子間電圧を検出する。この際、端子間電圧検出部２３は、使用出力端子特定部２２によって特定された使用出力端子を含む端子間電圧を検出する。

すなわち、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）と単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）の両方が使用出力端子と特定された場合（三相単相同時使用の場合）には、Ｒ－Ｓ間，Ｓ－Ｔ間，Ｔ－Ｒ間，Ｕ－Ｗ間の端子間電圧Ｖ_Ｒ－Ｓ，Ｖ_Ｓ－Ｔ，Ｖ_Ｔ－Ｒ，Ｖ_Ｕ－Ｗを全て検出する。また、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）のみが使用出力端子と特定された場合（三相単独使用の場合）には、Ｒ－Ｓ間，Ｓ－Ｔ間，Ｔ－Ｒ間の端子間電圧Ｖ_Ｒ－Ｓ，Ｖ_Ｓ－Ｔ，Ｖ_Ｔ－Ｒのみを検出し、単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）のみが使用出力端子と特定された場合（単相単独使用の場合）には、Ｕ－Ｗ間の端子間電圧Ｖ_Ｕ－Ｗのみを検出する。

そして、制御装置２０における励磁制御部２４は、端子間電圧検出部２３で検出した端子間電圧の電圧値、すなわち、特定された使用出力端子を含む端子間電圧のみを用いて出力電圧を求め、この出力電圧が目標電圧になるように励磁制御を行う。これにより、実際に使用されている出力端子１１Ａ間の端子間電圧のみから出力電圧が求められ、この出力電圧に基づいて交流発電機１０の励磁コイル１２を流れる励磁電流を制御することで、出力電圧の電圧変動を抑制することができる。

励磁制御部２４の制御内容に関しては、端子間電圧検出部２３が検出した端子間電圧の瞬時値を出力電圧としてこれに基づく制御を行ってもよいし、端子間電圧検出部２３が検出した端子間電圧を演算処理することで出力電圧を求めて、これに基づく制御を行ってもよい。

瞬時値を出力電圧とする場合は、一例として、定格電圧に対しての変動率を随時求め、その変動率が閾値を超えたときに目標電圧を再設定する。この際、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）と単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）の両方が使用出力端子と特定された場合、三相又は単相の変動率が下限に達したときに目標電圧を引き上げ、三相又は単相の変動率が上限に達したときに目標電圧を引き下げる。そして、目標電圧の引き上げと引き下げを設定間隔（数秒）で設定回（数回）行い、三相の変動率が許容範囲（例えば、±２．５％）になるようにＰＩＤ制御にて出力電圧の調整を行う。この際、三相の変動率の閾値は２．５％以内、単相の変動率の閾値は±３．５％以内にすることが好ましい。

出力電圧を演算処理によって求める場合、図２に示すように、端子間電圧検出部２３の検出値に対して出力電圧算出部２５が設けられ、出力電圧算出部２５によって求められた出力電圧によって励磁制御が行われる。この際、出力電圧算出部２５によって求められた出力電圧は、全ての使用出力端子の端子間電圧を含むものになる。

出力電圧算出部２５の一例は、使用出力端子特定部２２によって特定され使用出力端子が三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）又は単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）の単独使用の場合には、検出された端子間電圧の平均値を出力電圧にする。また、使用出力端子特定部２２によって特定され使用出力端子が三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）と単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）の同時使用の場合には、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）の端子間電圧の平均値を第１平均値（三相Σ電圧）とし、単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）の端子間電圧と前述した第１平均値（三相Σ電圧）との平均値を第２平均値として、第２平均値を出力電圧にする。

出力電圧算出部２５における出力電圧の計算式テーブルの一例を図３に示す。この計算式テーブルにおいて、NO.１～NO.３は、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）が単独使用されていて、そのうち１つの出力端子が使用出力端子として特定された場合である。これらの場合は、三相出力端子間の端子間電圧（Ｖ_Ｒ－Ｓ，Ｖ_Ｓ－Ｔ，Ｖ_Ｔ－Ｒ）のうち、１つの使用出力端子を含む２つの端子間電圧の平均値を出力電圧としている。

また、NO.４とNO.５は、単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）が単独使用されていて、そのうち１つの出力端子が使用出力端子として特定されている場合である。NO.１５は、単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）が単独使用されていて、そのうち２つの出力端子が使用出力端子として特定されている場合である。これら場合には、単相出力端子の端子間電圧Ｖ_Ｕ－Ｒを出力電圧としている。

NO.６とNO.７は、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）が単独使用されていて、そのうち２つの出力端子が使用出力端子として特定された場合である。これらの場合は、特定された２つの使用出力端子の端子間電圧を出力端子としている。また、NO.１６は、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）が単独使用されていて、その全ての出力端子が使用出力端子として特定された場合である。この場合は、各端子間電圧（Ｖ_Ｒ－Ｓ，Ｖ_Ｓ－Ｔ，Ｖ_Ｔ－Ｒ）の平均値（（Ｖ_Ｒ－Ｓ＋Ｖ_Ｓ－Ｔ＋Ｖ_Ｔ－Ｒ）／３）を出力電圧としている。

図３に示した計算式テーブルの他のNO.は、三相と単相が同時使用されている場合であり、この場合は、使用出力端子を含む三相出力端子の端子間電圧の平均値を第１平均値として、この第１平均値と単相出力端子の端子間電圧との平均値を第２平均値とし、この第２平均値を出力電圧としている。

なお、ここでは出力電圧算出部２５の演算処理で平均値を求める例を示しているが、出力電圧算出部２５の演算処理は、これに限定されない。例えば、平均値以外に中央値を求めたり、特定の係数を乗じて修正換算したりして、各種の演算処理で出力電圧を求めるようにしてもよい。

図４は、本発明の実施形態に係る電圧変動抑制装置の他の構成例を示している。図４に示した電圧変動抑制装置１は、電機子１１が中性点を有しており、この中性点に対する端子（中性点端子）Ｏに繋がる配線Ｌ_Ｏにも端子間電圧検出部２３の検出ポイントＰ_Ｏを設けている。この例では、検出される端子間電圧は、全ての出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子、Ｕ相端子、Ｗ相端子）において中性点端子Ｏとの間の相電圧（Ｖ_Ｒ－Ｏ，Ｖ_Ｓ－Ｏ，Ｖ_Ｔ－Ｏ，Ｖ_Ｕ－Ｏ，Ｖ_Ｗ－Ｏ）が検出される。

図５は、図４に示した例の出力電圧算出部２５における出力電圧の計算式テーブルの例を示している。この例では、全て（NO.１～NO.３２）の計算式において、使用出力端子特定部２２で特定された出力端子の相電圧で出力電圧を計算している。これによると、確実に負荷に対応して出力電圧を求めることができる。図５におけるNO.１～NO.３２の三相と単相の使用状況は、図３における使用状況に対応している。

なお、図３及び図５の計算式テーブルにおいて、NO.３２は、全ての出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子、Ｕ相端子、Ｗ相端子）において電流が検出されなかった場合を示している。この場合は、電流検出における不具合等を想定して、全ての出力端子に電流が流れている（全ての出力端子が使用出力端子）として、出力電圧を計算する。

前述したように、電機子１１における電機子巻線の結線例は、特に限定されないが、一例として、図６に示すような結線例を採用することができる。この例は、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）を有する電機子巻線の三相結線に対して、単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）を有する電機子巻線が接続されている。より具体的には、三相出力端子（Ｒ相端子、Ｓ相端子、Ｔ相端子）が中性点Ｏに一端がＹ結線された３つの電機子巻線の他端で構成され、単相出力端子（Ｕ相端子、Ｗ相端子）が、前述した３つの電機子巻線のうち２つの電機子巻線の中間に一端が接続された２つの電機子巻線の他端で構成されている。なお、図６に示す例は一例であり、電機子１１は、三相と単相を単独又は同時に使用できるものであれば、どのような構成であってもよい。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る電圧変動抑制装置１によると、各出力端子に対して負荷電流を検出することで、実際に使用されている出力端子を特定し、使用されている出力端子の端子間電圧のみから出力電圧を求め、この出力電圧が目標電圧によるように励磁制御を行う。これによって、三相単独使用、単相単独使用、三相単相同時使用の何れの場合であっても、特段検出のための接続切り替え等を行うことなく、各出力端子に接続された負荷に対して最適な出力電圧になる制御が可能となる。

これによると、交流発電機における定格電圧に対しての電圧変動率を抑制することができ、三相出力端子と単相出力端子の同時使用時には、三相出力端子の端子間電圧と単相出力端子の端子間電圧を基にした出力電圧によって励磁制御を行うので、三相出力と単相出力の両方で電圧変動率を抑えた制御が可能になる。

そして、本発明の実施形態に係る電圧変動抑制装置１によると、三相単相同時使用可能な発電機における電圧変動率抑制を行うだけでなく、三相出力端子のみの三相発電機を単相使用時する場合においても、負荷電流に応じた出力端子の特定により電圧変動率を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：電圧変動抑制装置，１０：交流発電機，
１１：電機子，１１Ａ：出力端子，
Ｌ_Ｒ，Ｌ_Ｓ，Ｌ_Ｔ，Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｗ，Ｌ_Ｏ：配線，
Ｃ_Ｒ，Ｃ_Ｓ，Ｃ_Ｔ，Ｃ_Ｗ，Ｃ_Ｕ：電流検出部，
Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｓ，Ｐ_Ｔ，Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｗ，Ｐ_Ｏ：検出ポイント，
２０：制御装置，２１：負荷電流検出部，２２：使用出力端子特定部，
２３：端子間電圧検出部，２４：励磁制御部，２５：出力電圧算出部

Claims

交流発電機に装備され、出力電圧に基づく励磁制御によって電圧変動を抑制する電圧変動抑制装置であって、
各出力端子の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、
前記負荷電流検出部の検出に基づいて使用されている出力端子を特定する使用出力端子特定部と、
前記使用出力端子特定部によって特定された出力端子を含む端子間電圧を検出する端子間電圧検出部と、
前記端子間電圧検出部で検出された端子間電圧から求めた出力電圧で励磁制御を行う励磁制御部を備えることを特徴とする交流発電機の電圧変動抑制装置。
前記端子間電圧検出部で検出された端子間電圧を演算処理することで出力電圧を求める出力電圧算出部を備え、
前記出力電圧算出部によって求められた出力電圧によって励磁制御を行うことを特徴とする請求項１に記載された交流発電機の電圧変動抑制装置。
前記出力電圧算出部は、前記使用出力端子特定部によって特定され使用出力端子が三相出力端子又は単相出力端子の単独使用の場合には、検出された端子間電圧の平均値を出力電圧にすることを特徴とする請求項２に記載された交流発電機の電圧変動抑制装置。
前記出力電圧算出部は、前記使用出力端子特定部によって特定され使用出力端子が三相出力端子と単相出力端子の同時使用の場合には、三相出力端子の端子間電圧の平均値を第１平均値とし、前記単相出力端子の端子間電圧と前記第１平均値との平均値を第２平均値として、前記第２平均値を出力電圧にすることを特徴とする請求項２に記載された交流発電機の電圧変動抑制装置。
前記交流発電機は、三相出力端子を有する電機子巻線の三相結線に対して、単相出力端子を有する電機子巻線が接続されていることを特徴とする請求項１に記載された交流発電機の電圧変動抑制装置。