CN100418295C - 逆变控制式发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及逆变控制式发电装置。构成了电压规格不同的多个控制电源。把由变换器(2)变换成直流的发电输出通过逆变电路(3)变换成规定频率的交流。发电输出通过第2整流电路(27、28、29)和电容器(30)被整流，并被输入到振铃用扼流圈式变换器(31)。振铃用扼流圈式变换器(31)构成自激振荡电路，在与该振荡频率对应的晶体管Q1的接通时间，能量储存在变压器内，并在断开时间，该能量被排放到二次侧。在振铃用扼流圈式变换器(31)的二次侧，根据必要电源数形成绕组。绕组NS1、NS2形成控制电源(17)的正负两电源，绕组NS3～NS5形成FET驱动器(13)用的电源。

Description

逆变控制式发电装置
技术领域
本发明涉及逆变控制式发电装置，具体涉及用于从自身发电机的输出获得控制电源的逆变控制式发电装置。
背景技术
作为室外使用的便携式电源或应急用电源，公知的是使用由发动机驱动的交流发电机的电源装置。在该电源装置中，在把从由发动机驱动的发电机输出的交流变换成直流之后，使用逆变器变换成商用频率等规定频率的交流并将其输出。在这种电源装置中，用于驱动逆变器的电源是从由发动机驱动的发电机的输出被提供的。因此，在发动机的起动初期，由于发动机旋转数较小且发电机的输出不充分，因而逆变器用驱动电源的电源电压容易不稳定。
并且，在这种电源装置中，用于稳定维持发电输出电压等的控制自身等大多进行模拟控制，另一方面，逆变器的驱动信号系统或发动机的控制等大多使用微计算机进行数字控制。因此，数字控制用和模拟控制用电源以及需要各电压规格的电源等电源系统倾向于复杂化。
例如，在特开平6-121597号公报内记载的发电机从副绕组或主绕组的变压器二次输出获得电源。在该发电机中，可尽可能从低旋转区域确保电源，同时考虑电压随着转数上升而上升的这种特性，并使用倍电压整流方式来抑制损耗。
在使用上述倍电压整流方式的发电机中，由于把来自绕组的变压器输出进行倍电压整流，成为使用正侧和负侧的两极性的电源，因而例如，在电路构成上，当把微计算机用的电源设定为负电源时，输出电压的高精度化是困难的，并成为偏差扩大的原因。
并且，当装载发动机转数控制用的电子调速器(governor)时，由于在低的发动机转数区域不能确保逆变控制用电源，因而不能使电子调速器开始动作。为了使电子调速器可以从发动机的低转数区域开始动作，可以使设置在发电机侧的电源用绕组或变压器二次绕组的匝数增多来提高电压。然而，在高旋转区域损耗增大，也有必要提高电源用IC的耐压。
作为电源，即使具有电池的发电装置方面也具有相同情况。即使发动机驱动发电装置具有电池，如上所述，由于多用作便携式电源或应急用电源，当电池增加时，也有必要使用反冲起动器等来手动起动发动机。因此，必须设想与不具有电池的发电装置相同的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种可获得规格不同的独立的多个控制电源的逆变控制式发电装置。
本发明的第1方面的逆变控制式发电装置，具有：发电机，其由发动机驱动；第1整流电路，用于把从上述发电机输出的交流进行整流；以及逆变电路，用于把从上述第1整流电路输出的直流变换成规定频率的交流并将其输出，其第1特征在于，具有：第2整流电路，用于把从上述发电机输出的交流进行整流；以及自激振荡型变换器，其具有与上述第2整流电路的输出端连接的一次侧；上述自激振荡型变换器的二次侧作为控制电源与上述逆变电路连接，上述控制电源使上述自激振荡型变换器的独立多个二次绕组输出相结合来形成正负两电源。
本发明的第2方面在于，上述控制电源的构成为包含用于把上述发动机的转数控制在目标转数的电子调速器用电源。
根据第1～第2方面，由于使用来自作为与第1整流电路不同的系统的第2整流电路的输出来形成电源，因而即使第1整流电路发生故障，也没有不能获得控制用电源的情况。并且，由于使用自激振荡型变换器，因而可获得多个相互绝缘的电压不同的独立电源，并且通过对振荡频率和占空比进行控制，可控制成即使一次侧输入电压增大，二次侧输出电压也不增大。因此，可从二次侧更多地取出输出电压不增大的稳定输出，并可加快电源上升。
根据第1方面，由于可使独立的二次绕组输出重叠来构成CPU等的数字用正负两电源，因而仅使用与负电源用IC相比精度较高的正电源用IC就能构成控制部。因此，可对因电源精度引起的检测电压的测定误差进行抑制。
根据第2方面，由于不是使用从逆变器的输出提供的电源，而是使用从发动机旋转后的较低旋转时起确保的电源来使电子调速器动作，因而即使在低转数区域也能使电子调速器动作。因此，例如可从起动后的低旋转区域使电子调速器动作，并可以更高精度进行旋转数控制。
附图说明
图1是示出根据本发明一实施方式的发动机发电机的主要部分的电源电路的图。
图2是示出根据本发明一实施方式的发动机发电机的构成的方框图。
图3是逆变电路的电路图。
图4是逆变电路用驱动器的电路图。
图5是示出发动机转数和RCC的输出电压的关系的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一实施方式进行详细说明。图2是示出根据本发明一实施方式的发动机发电装置的构成的方框图。发电机100具有由发动机E驱动的转子和定子(全都未作图示)。定子上绕有三相输出绕组1和单相辅助绕组1a。为了调节发动机E的节流阀TH的打开程度，设有步进电动机M。
发电机100的未作图示的转子具有多极永久磁铁，如果转子由发动机E驱动，则三相输出绕组1输出与发动机转数对应的频率的交流。三相输出绕组1的输出交流被输入到直流电源电路即变换器2并被变换成直流。从变换器2输出的直流被输入到开关装置即逆变器3，并在构成逆变器3的FET的桥接电路被变换成规定频率、例如商用频率的交流。从逆变器3输出的交流被输入到低通滤波器4，该交流中的低频成分(此处是商用频率)通过低通滤波器4，并作为规定频率的交流电力而输出。
另一方面，用于对发动机E以及由变换器2、逆变器3和低通滤波器4组成的电力部101进行控制的控制部102按以下构成。控制部102具有用于执行其整体处理的32位、32MHz的中央运算处理装置(CPU)5。CPU 5使晶体振荡器16的输出脉冲作为时钟脉冲来动作。控制部102的控制电源17根据三相输出绕组1产生的交流来形成。详情下述。
在CPU 5进行运算所必要的数据在以下各检测部被检测。发动机的转数根据辅助绕组1a的交流输出电压的频率，在转数检测部6被检测。作为电力部101的状态检测单元，设有：电压值检测部7，用于对变换器2的直流输出电压，即逆变器3的输入电压进行检测；电流值检测部8，用于对逆变器3的输出电流进行检测；电压波形检测部9，用于对逆变器3的输出电压波形进行检测；温度检测部10，用于对逆变器3的温度进行检测；以及峰值电流限制部11，用于保护逆变器3免遭过电流的冲击。
变换器2由把晶闸管(SCR)与桥接器组合而成的整流电路构成，并设有：SCR驱动器12，用于对该晶闸管的栅极信号进行控制；FET驱动器13，作为开关控制电路，用于对构成逆变器3的桥接电路的各支路的FET进行控制；电动机驱动器14，用于对步进电动机M进行控制；以及LED驱动器15，用于使进行各种显示等使用的LED通电。CPU 5根据在各检测部6、7、8、9、10等检测的数据，把指令信号输出到各驱动器12、13、14、15。
为把在电压值检测部7检测的直流电压控制成预定值而决定的晶闸管的导通角控制指令从CPU 5被提供给SCR驱动器12，SCR驱动器12响应于该指令，对设置在变换器2内的晶闸管的导通角进行控制。由于一旦负载增大，直流电压就降低，因而通过增大晶闸管的导通角，即使负载增大时，也能把直流电压维持在预定值。晶闸管的导通角代表针对负载的发电机100的余力输出，如果把发动机转数控制成把该导通角维持在合适值，则认为输出保持适当余力。因此，为使发电机100可具有适当余力地来运转，换言之，为把导通角维持在合适值，决定发动机E的目标转数。关于该电子调速器动作，在与本申请人的在先申请特开平11-308896号等内作了详细记载。
CPU 5把指令输出到电动机驱动器14，以便把在转数检测部6检测的发动机转数控制为上述目标转数。电动机驱动器14响应于从CPU 5提供的指令，驱动步进电动机M以便设定节流打开程度。这样，可控制成下述状态，即，当负载增大时，增大发动机E的转数，并把设置在变换器2内的晶闸管的导通角维持在合适值。
CPU 5具有：正弦波输出单元，用于输出规定频率(例如商用频率)的正弦波基准信号；以及脉宽调制单元，用于把正弦波基准信号进行脉宽调制并输出PWM信号。并且，CPU 5具有上述正弦波基准信号的校正信号算出单元，根据在电压波形检测部9检测的波形信号，决定使上述低通滤波器4的输出波形，使其接近于失真或偏移分量少的正弦波。
FET驱动器13具有根据PWM信号来使逆变器3的FET开关动作的开关控制电路，并且按照从CPU 5提供的PWM信号来开关驱动上述FET，并把逆变器3的直流输入作为规定频率的正弦波交流来输出。
CPU 5具有根据电流值检测部8的检测值，当预定值以上的电流持续了预定时间时停止输出的断路器功能。在温度检测部10检测的温度信息被输入到CPU 5，当该温度信息在从保护逆变器3的FET的观点而设定的基准温度以上时，CPU 5停止发电机100的输出。
图1是详细示出CPU 5和FET驱动器13的电源构成的发动机发电装置的电路图。变换器2是由SCR 20～22和二极管23～25组成的第1整流电路。变换器2的输出端与平滑用电容器26连接。三相输出绕组1的各相分别与二极管27、28、29连接。三相输出绕组1的输出经由作为第2整流电路的二极管27～29被整流，通过电容器30被平滑，并与作为自激振荡型变换器的RCC(振铃用扼流圈式变换器：Ringing ChokeConverter)31的一次侧连接。
RCC 31具有由一次侧线圈NP、NB和二次侧线圈NS1、NS2以及NS3、NS4、NS5组成的变压器32。一次侧线圈NP、NB与包含晶体管Q1、Q2的自激振荡电路连接。包含在自激振荡电路内的光耦合器PC5的受光元件PT和二次侧的并联稳压器及光耦合器PC5的发光元件(详情下述)一起构成把二次侧控制为恒压的反馈电路。
二次侧线圈NS1、NS2与具有输出端子V1、V2的控制电源17连接。控制电源17具有2组包含整流电路171、恒压电路172以及平滑电路173的恒压提供装置，二次侧线圈NS1、NS2分别与对应的恒压提供装置连接。这2组恒压控制装置构成具有共用地线的一对正负电源，输出端子V1、V2与上述控制部102连接，并用作CPU 5等的数字用电源，即：用作对逆变器3的开关控制或步进电动机M的转数进行控制的电子调速器用电源。
二次侧线圈NS3～NS5与FET驱动器13连接，并用作用于驱动构成逆变器3的FET的电源。
图3是逆变器3的电路图。逆变器3是FET 38、39、40、41的桥接电路。FET 38～41根据输入到各自栅极的控制信号进行开关，并输出规定频率的交流。
图4是示出FET驱动器和FET的连接的电路。FET驱动器13包含驱动电路131、132、133、134。用驱动电路131为代表来说明驱动电路131～134的相同部分。RCC 31的二次线圈NS3与驱动电路131的整流电路131a连接。整流电路131a的输出与构成光耦合器PC 1的受光部件的光电晶体管131b连接。光电晶体管131b的输出端，即：二个光电晶体管的发射极和集电极的连接点通过电阻R与FET 38的栅极连接。如果构成光耦合器PC 1的发光部的发光二极管131c根据来自CPU 5的指令发光，则光电晶体管131b导通，从二次线圈35提供的电流流经光电晶体管131b，并且FET 38的栅极处于接通状态。
驱动电路133中设有电路IC 1，该电路IC 1包含把二次侧电压反馈给一次侧的光耦合器PC 5的发光元件LD和并联稳压器。另外，由该发光元件LD和并联稳压器组成的电路可以设置在驱动电路131～134的任何一方内。
对RCC 31的动作进行说明。如果作为第2整流电路的二极管27～29的输出使得电容器30的端子电压(一次侧电源电压)上升，则基极电流通过电阻R1流入晶体管Q1，晶体管Q1处于接通状态。结果，电源电压被施加给一次侧线圈NP，并在一次侧线圈NB产生与绕组比对应的电压。依靠在线圈NB产生的电压，晶体管Q1被维持在接通状态。晶体管Q1的集电极电流继续增加直到不饱和区域。然后，一次侧线圈NP、NB的电压降低，晶体管Q1的基极电流减少，并且该晶体管Q1处于断开状态。
由于晶体管Q1处于断开状态，因而依靠在晶体管Q1处于接通状态期间储存的电力，在二次侧的各线圈NS1～NS5产生与各自绕组比对应的电压。如果在变压器32内储存的能量从二次侧线圈被排放，则电压在一次侧线圈NB被感应。这样，依靠该电压，晶体管Q1再次处于接通状态。结果，再次向一次侧线圈NP施加电源电压，以后通过这种重复，继续向二次侧施加电压。
尽管此时的一次侧电源电压依赖于发动机转数，然而即使一次侧电压发生变化，二次侧电压也根据下述理由而维持恒定。如果一次侧电压上升，并且上述驱动电路134的电压E上升，则电路IC 1的并联稳压器的阴极电极的电压减少，并且光耦合器PC 5的发光元件LD的电流增加。这样，光耦合器PC 5的受光元件PT的电流增加，并且晶体管Q2的基极电流增加。结果，晶体管Q1的基极电流减少，并在短时间内切换到断开状态。这样，储存在变压器32内的能量减少，并且二次侧的电压降低。也就是说，通过变更晶体管Q1的导通宽度(占空比)，对电流增加进行抑制，结果，对二次侧电压的上升进行抑制。电阻R2是并联电阻，当流过规定以上的电流时，晶体管Q1处于断开状态，并防止过电流。这样，即使发动机转数增大，也能把RCC 31的二次侧电压维持在恒压(参照图5)。因此，即使设定成使二次侧电压以低转数上升，也能对上升后的损耗进行抑制，并能保障低旋转区域的电子调速器动作。
列举图2所示的发动机发电装置的动作关联的数值数据的一例。发电输出被设定为单相100V，发动机E的额定转数3300rpm，以及最大转数3600rpm，该转数由电子调速器控制在与负载对应的最佳转数。然后，当发动机转数上升到约800rpm时，RCC 31开始动作。此时，RCC 31的一次侧电压约70V。
图5是示出发动机转数和RCC的二次侧电压的关系的图。图5A是根据本实施方式进行恒压控制的图，图5B是不进行恒压控制的图。从该图可以理解，在图5A的情况下，即使发动机转数增大，二次侧电压(直流电压)也大致维持在期望电压，例如，包含在控制部102内的IC的动作所必要的电压。这种情况的损耗被抑制在微小值。另一方面，在图5B的情况下，随着发动机转数的增大，直流电压增大，例如，为了尽可能在低转数中获得上述IC的必要电压，设计成在最高转数时，使直流电压增大到接近于IC耐压的值。因此，在该情况下，如图所示，大的损耗不可避免。
尽管使RCC的二次输出电压反馈来对振荡频率和占空比进行控制，然而振荡频率的控制手段不限于此。例如，可以对一次侧输入电压进行检测，据此可以使振荡频率或占空比变化。
在本实施方式中，设想了汽油发动机的节流控制。然而，本发明即使针对燃气发动机的混合器的燃气燃料提供装置、柴油发动机的燃料提供用控制台等、与节流阀相当的调整机构也能同样实施，并可同样取得效果，因而包含在本发明的范围内。
从以上说明可知，根据本发明的第1～第2方面，即使发动机转数上升，也能在损耗不变大的状态下，一次获得电压规格不同的多个独立电源。由于使用与向逆变电路提供电力的第1整流电路不同的系统来构成电源，因而尽管在第1整流电路以后发生故障，也不会使电源受到影响。
根据本发明的第1方面，由于使用独立的二次绕组输出来形成正负各电源，因而可使用与负电源用IC相比一般精度较高的正电源用IC。因此，可对使用微计算机的控制系统的偏差进行抑制。
根据本发明的第2方面，可从逆变电路的控制电源得到确保前的发动机低旋转时起，使用电子调速器进行发动机旋转控制。

Claims (2)

1. 一种逆变控制式发电装置，具有：发电机，其由发动机驱动；第1整流电路，用于把从上述发电机输出的交流进行整流；以及逆变电路，用于把从上述第1整流电路输出的直流变换成规定频率的交流并将其输出，其特征在于，具有：
第2整流电路，用于把从上述发电机输出的交流进行整流；以及
自激振荡型变换器，其一次侧与上述第2整流电路的输出端连接；
上述自激振荡型变换器的二次侧作为控制电源与上述逆变电路连接；
上述控制电源使上述自激振荡型变换器的独立多个二次绕组输出相结合来形成正负两电源。
2. 根据权利要求1所述的逆变控制式发电装置，上述控制电源的构成为包含用于把上述发动机的转数控制在目标转数的电子调速器用电源。
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