CN101635558A - 逆变器式发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种逆变器式发电机，该逆变器式发电机根据使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的PWM信号来变换为预定频率的交流电，在抑制谐波失真增加的同时减少开关损失。本发明的逆变器式发电机根据使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的PWM信号，按照由载波频率确定的各控制周期(步长)驱动开关元件，并将从逆变器输出的交流电变换为预定频率的交流电，在该逆变器式发电机中，根据基准正弦波的斜率来变更载波频率。

Description

逆变器式发电机
技术领域
本发明涉及逆变器式发电机，更详细地说涉及具有由发动机驱动的发电部、并使PWM的控制周期可变的逆变器式发电机。
背景技术
这样的一种逆变器式发电机是众所周知的，即：将从发动机所驱动的发电部输出的交流电暂时变换为直流电，并根据PWM信号(该PWM信号使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成)驱动开关元件，从而将该直流电变换为预定频率(商用频率)的交流电而输出，作为该逆变器式发电机的例子，可列举下述专利文献1记载的技术。
专利文献1：日本特开平4-355672号公报
在专利文献1记载的逆变器式发电机中，如图6所示，载波频率被固定为恒定值，因此由载波频率的周期确定的控制周期也是恒定的。
不过，当该载波频率下降时控制周期延长，因而可相应地减少开关损失，另一方面，电压脉动增大，谐波失真增加，因而不得不使用于去除谐波失真的LC滤波器大型化。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述课题，提供一种逆变器式发电机，该逆变器式发电机根据PWM信号变换为预定频率的交流电，在抑制谐波失真增加的同时减少开关损失，其中PWM信号是使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的。
为了解决上述课题，本发明第一方面涉及一种逆变器式发电机，该逆变器式发电机具有：发电部，其由发动机驱动；变流器，其将从所述发电部输出的交流电变换为直流电；逆变器，其具有开关元件，并将从所述变流器输出的直流电变换为交流电而输出；以及逆变器驱动单元，其根据使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的PWM信号，按照由所述载波的频率确定的各控制周期来驱动所述开关元件，并将从所述逆变器输出的交流电变换为预定频率的交流电，该逆变器式发电机构成为：所述逆变器驱动单元根据所述基准正弦波的斜率来变更所述载波的频率。
本发明第二方面涉及的逆变器式发电机构成为：所述逆变器驱动单元将所述载波的频率变更成随着所述基准正弦波的斜率减小而下降。
根据第一方面，逆变器式发电机根据使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的PWM信号，按照由载波的频率确定的各控制周期来驱动开关元件，并将从逆变器输出的交流电变换为预定频率的交流电，该逆变器式发电机构成为：根据基准正弦波的斜率来变更载波的频率，因而使载波频率下降而控制周期延长，从而能够相应地减少开关损失，能够提高发电效率。
另一方面，通过根据基准正弦波的斜率进行变更，可将载波频率变更成可在目标输出电压波形中尽可能忠实地再现基准正弦波，还能够抑制谐波失真的增加。
根据本发明第二方面涉及的逆变器式发电机，由于构成为将载波频率变更成随着基准正弦波的斜率减小而下降，因而在斜率小、即不陡的情况下，可使载波频率下降来使控制周期变长(疏)，另一方面，在斜率大、即陡的情况下，可使载波频率上升来使控制周期变短(密)，能更可靠地减少开关损失，并能更可靠地抑制谐波失真的增加。
附图说明
图1是整体地示出本发明的实施例涉及的逆变器式发电机的框图。
图2是说明图1所示的CPU进行的PWM控制的波形图。
图3是示出在图1所示的CPU的PWM控制中使载波频率固定时的控制周期的波形图。
图4是示出在图1所示的CPU的PWM控制中使载波频率可变时的控制周期(步长)的波形图。
图5是示出在图4所示的CPU的PWM控制中使用的表值的说明图。
图6是示出图4所示的CPU的动作的流程图。
标号说明
10：逆变器式发电机；12：发动机(内燃机)；12a：节气门；12b：节气门电机；14：发动机发电部；14a：三相输出绕组；20：变流器26：逆变器；36：电负载；40：CPU；40a：晶闸管(SCR)驱动器；40b：栅驱动器；40c：电机驱动器；40d：EEPROM；40e、40f：电压传感器；40g：电流传感器。
具体实施方式
以下，结合附图说明用于实施本发明涉及的逆变器式发电机的最佳方式。
【实施例】
图1是整体地示出本发明的实施例涉及的逆变器式发电机的框图。
在图1中，标号10表示逆变器式发电机，发电机10具有发动机(内燃机)12，并具有3kW(交流100V，30A)左右的额定输出。发动机12是风冷发动机，且是火花点火式，其节气门12a利用由步进电动机构成的节气门电机(致动器)12b来开闭，并利用反冲起动器(未作图示)来起动。
在发动机12的气缸盖附近固定有圆形的定子(未作图示)，在该定子上卷绕有构成发动机发电部14的由U相、V相、W相构成的3相输出绕组(主绕组)14a以及3个单相绕组14b、14c、14d。
在定子的外侧配置有兼用作发动机12的飞轮的转子(未作图示)，在该转子的内部，以与上述的绕组14a等对置的方式安装有多对永磁铁(未作图示)，并使得这些永磁铁在直径方向上磁化的磁极相互交替。
随着转子的永磁铁绕着定子旋转，从3相输出绕组14a输出(发出)3相(U相、V相、W相)交流电力，并从单相输出绕组14b、14c、14d输出单相交流电力。
从发动机发电部14的输出绕组14a所输出(发出)的3相交流电力经由U、V、W端子14e被输入到控制基板(印制电路板)16，并被输入到搭载在该控制基板16上的变流器20。变流器20具有桥式连接的3个晶闸管(SCR)和3个二极管DI，通过控制晶闸管的导通角，将从发动机发电部14所输出的3相交流电变换为直流电。
变流器20的正极侧和负极侧的输出与RCC(Ringing ChokeConverter，振铃扼流转换器)电源(直流稳定电源)22连接，将整流后的直流电作为工作电源提供给所述的3个晶闸管。RCC电源22的后级连接有平滑电容器24，该平滑电容器24用于平滑从变流器20输出的直流电。
平滑电容器24的后级连接有逆变器26。逆变器26具有由4个FET(场效应晶体管，开关元件)桥式连接而成的电路，如后所述通过控制4个FET的导通和非导通，将从变流器20所输出的直流电变换为预定频率(具体地说50Hz或60Hz的商用频率)的交流电。
逆变器26的输出通过由谐波去除用的LC滤波器构成的扼流圈30和噪声去除用的噪声滤波器32从输出端子34输出，并通过连接器(未作图示)等被自由地提供给电负载36。
控制基板16具有CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)40。CPU 40由32位构成，并经由晶闸管(SCR)驱动器(驱动电路)40a控制变流器20的晶闸管的导通角，经由栅驱动器40b控制逆变器26的FET的导通和非导通，并经由电机驱动器40c控制节气门电机12b的动作。CPU 40具有EEPROM(非易失性存储器)40d。
单相第1输出绕组14b的输出经由副端子14b1、14b2被送到控制基板16，并被输入到控制电源生成部14b3，在控制电源生成部14b3中生成CPU 40的工作电源5V。副端子14b1的输出被送到NE(转速)检测电路14b4，在NE检测电路14b4中被变换为脉冲信号并被送到CPU 40。CPU 40对NE检测电路14b4的输出进行计数，从而检测发动机12的转速NE。
第2输出绕组14c的输出被送到全波整流电路14c1，在全波整流电路14c1中进行全波整流而生成节气门电机12b等的工作电源。第3输出绕组14d的输出被送到发动机12的点火电路12c，用作火花塞12d的点火电源。
CPU 40具有第1、第2电压传感器40e、40f，第1电压传感器40e在RCC电源22的后级产生与从变流器20输出的直流电压对应的输出，并且第2电压传感器40f在逆变器26的后级产生与从逆变器26输出的交流电压对应的输出。第1、第2电压传感器40e、40f的输出被输入到CPU40。
而且，CPU 40具有电流传感器40g，电流传感器40g产生与从逆变器26输出的电流(换句话说，与连接了电负载36时流过电负载36的电流)对应的输出。
电流传感器40g的输出被输入到CPU 40，并且还被输入到过电流限制器40h。过电流限制器40h由独立于CPU 40的逻辑电路(硬件电路)构成，当由电流传感器40g检测出的电流超过容许极限值时，过电流限制器40h停止栅驱动器40b的输出，使逆变器26的输出暂时为零。
CPU 40输入第1、第2电压传感器40e、40f和电流传感器40g的输出，根据这些输出对逆变器26的FET进行PWM控制，并控制节气门电机12b的动作，进一步限制过电流。
图2是说明CPU 40进行的PWM控制的波形图。
参照图2来说明逆变器26的FET的PWM控制，CPU 40根据目标交流输出电压波形(在下部由虚线表示)的预定频率(即商用频率50Hz或60Hz)的基准正弦波(信号波)，在比较器(未作图示)中与载波(例如20kHz的载波)进行比较，根据PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)生成PWM信号(PWM波形)、即占空比(＝接通时间t/周期T)可变的脉冲串，将其经由栅驱动器40b而输出。
图2中的下部虚线表示目标输出电压波形。另外，PWM信号(PWM波形)的周期T(步长)实际上短得多，然而为了便于理解，在图2中夸张地示出。
并且，CPU 40用于确定节气门12a的开度，以达到根据由电负载36确定的交流输出而确定的目标转速，计算节气门电机12b的A相和B相的输出脉冲，将其经由电机驱动器40c从输出端子40c1提供给节气门电机12b，控制其动作。
这里，再次说明上述的CPU 40的PWM控制。
当把该载波频率固定为例如20kHz、并把目标输出电压波形的频率设定为50Hz时，如图3所示，由载波频率的周期确定的控制周期(步长)也被固定为50微秒。
当使该载波频率下降时控制周期延长，因而可相应地减少FET的开关损失，另一方面，电压脉动(ripple)也增大，谐波失真增加，因而不得不使去除谐波失真的扼流圈30大型化。
因此，在本实施例中构成为：如图4所示，根据基准正弦波的斜率来变更载波频率，更具体地说将载波频率变更成使其随着基准正弦波的斜率减小而下降。
即，如图4所示，在基准正弦波中例如与由Δ1表示的斜率相比由Δ2表示的斜率小，换句话说不陡，因而基准正弦波的由Δ1表示的范围采用载波频率20kHz，另一方面，由Δ2表示的范围采用载波频率16kHz。
由此，如图4所示，可使步长数(具体地说是控制周期数，更具体地说是驱动FET的开关控制次数)从400减少到384。因此，能够相应地减少开关损失，并能够提高发电效率。并且，通过减少开关控制次数，还能抑制FET中的发热。
另一方面，由于构成为根据基准正弦波的斜率进行变更，更具体地说将载波频率变更成使其随着基准正弦波的斜率减小而下降，因而在斜率小、即不陡的情况下，可使载波频率下降来使控制周期变长(疏)，另一方面，在斜率大、即陡的情况下，可使载波频率上升来使控制周期变短(密)，因而可在输出电压波形中尽可能忠实地再现基准正弦波，还能抑制谐波失真的增加，因此无需使扼流圈30大型化。
更具体地说，如图5所示，预先根据基准正弦波的斜率来求出载波频率，并与控制周期一起作为可根据步长数自由检索的表值来存储。
图6是示出CPU 40的上述动作的流程图。
以下进行说明，在S10中使对步长进行计数的计数器STEP的值增加1，进到S12，检索与计数器STEP的值对应的载波频率的控制周期T。然后进到S14，将基准频率与载波进行比较来计算控制周期T的接通时间t，进到S16，将计算值输出到栅驱动器40b后结束。
如上所述，在本实施例中涉及一种逆变器式发电机10，该逆变器式发电机10具有：发电部14，其由发动机12驱动；变流器20，其将从所述发电部14输出的交流电变换为直流电；逆变器26，其具有开关元件(FET)，并将从所述变流器20输出的直流电变换为交流电而输出；以及逆变器驱动单元(CPU 40)，其根据使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的PWM信号，按照由所述载波的频率确定的各控制周期(步长)来驱动所述开关元件，并将从所述逆变器输出的交流电变换为预定频率的交流电，该逆变器式发电机10构成为：所述逆变器驱动单元根据所述基准正弦波的斜率来变更所述载波的频率(CPU 40，S10至S16)，因而使载波频率下降而控制周期延长，从而能够相应地减少开关损失，能够提高发电效率。
另一方面，通过根据基准正弦波的斜率进行变更，可将载波频率变更成可在目标输出电压波形中尽可能忠实地再现基准正弦波，从而可抑制谐波失真的增加。
并且，由于构成为：所述逆变器驱动单元将所述载波频率变更成使其随着所述基准正弦波的斜率减小而下降，因而在斜率小，即不陡的情况下，可使载波频率下降来使控制周期变长，另一方面，在斜率大，即陡的情况下，可使载波频率上升来使控制周期变短，能更可靠地减少开关损失，并能更可靠地抑制谐波失真的增加。
另外，在上述中，构成为根据基准正弦波的斜率来变更所述载波频率，从而减少控制周期数，然而可以不减少控制周期数。在该情况下，尽管不能减少开关损失，然而例如通过将载波频率变更成使其随着基准正弦波的斜率减小而下降，能够有效地减少谐波失真。
并且，作为逆变器的开关元件使用了FET，然而不限于此，可以是IGBT(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)等。

Claims (2)

1.一种逆变器式发电机，该逆变器式发电机具有：发电部，其由发动机驱动；变流器，其将从所述发电部输出的交流电变换为直流电；逆变器，其具有开关元件，并将从所述变流器输出的直流电变换为交流电而输出；以及逆变器驱动单元，其根据使用目标输出电压波形的基准正弦波和载波而生成的PWM信号，按照由所述载波的频率确定的各控制周期来驱动所述开关元件，并将从所述逆变器输出的交流电变换为预定频率的交流电，所述逆变器式发电机的特征在于，
所述逆变器驱动单元根据所述基准正弦波的斜率来变更所述载波的频率。
2.根据权利要求1所述的逆变器式发电机，其特征在于，
所述逆变器驱动单元将所述载波的频率变更成随着所述基准正弦波的斜率减小而下降。
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