CN102035453B - 发电机的输出控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供消除连接了容性负载时增磁作用造成的发电机输出电压不稳定的发电机的输出控制装置。发电机(100)具有发电线圈(103)、励磁线圈(104)和卷绕在转子(105)上的磁场线圈(102)。为了使发电线圈(103)的输出电压收敛于目标电压值，对与磁场线圈(102)连接的开关元件(110)的通电占空比进行增减来增减磁场电流。在占空比零判定部(2)和占空比零持续判定部(3)判定为输出的占空比持续预定时间并包括零时，占空比增加量限制部(4)在磁场电流增加时将占空比的上限值限制为预定上限值。也可以代替占空比零的判定，设置用根据平滑电容器(113)的电压确定的最大值限制占空比的占空比限制部(21a)。

Description

发电机的输出控制装置

技术领域

本发明涉及发电机的输出控制装置，尤其涉及考虑到容性负载连接时的增磁作用影响的具有输出电压稳定单元的发电机的输出控制装置。

背景技术

公知有以下的交流发电机的自动电压调节器（以下，还称作“AVR”）：通过在励磁线圈中产生的电压对提供给磁场线圈的电流进行控制，由此将从发电线圈输出的电压保持为预先设定的电压。

图10是具有现有的AVR的交流发电机的要部结构图。在图10中，发电机100具有磁场线圈102、发电线圈103以及励磁线圈104。在卷绕有磁场线圈102的转子105上设置有永久磁铁106。在AVR 107上设置有整流器108、电压检测电路109以及晶体管110。整流器108的输出侧经由电刷111与磁场线圈102连接，续流二极管112和平滑电容器113与磁场线圈102并联连接。励磁线圈104与整流器108的输入侧连接。转子105利用未图示的发动机等驱动源而旋转。

在图10中，当转子105通过驱动源而旋转时，通过与励磁线圈104交链的永久磁铁106的磁通量变化在励磁线圈104中产生电流。该电流由整流器108整流并作为直流励磁电流提供给磁场线圈102。电压检测电路109将表示发电线圈103的输出电压的电压值与预先设定的电压值（目标电压）进行比较，根据输出电压相对于目标电压的大小来对晶体管110进行导通截止控制。当晶体管110导通时，电流流过磁场线圈102，发电线圈103的输出增大，当晶体管110截止时，电流不流过磁场线圈102，发电线圈103的输出减小。通过该晶体管的导通截止动作的重复、即占空比的控制，将发电机100的输出保持为恒定。这种具有AVR的交流发电机在例如专利文献1、专利文献2及专利文献3等中作了记载。

【专利文献1】日本特开平8-140400号公报

【专利文献2】日本专利第2996574号公报

【专利文献3】日本专利第3043566号公报

从励磁线圈104提供给磁场线圈102的直流励磁电流的增减量根据对从目标电压值减去输出电压的检测值（电压检测值）的值乘以反馈系数Kp的值来确定。即，确定为“电流增减量＝（目标电压值-电压检测值）×Kp”。

根据该计算式，在选择了过小值作为系数Kp的情况下，将发电线圈103的输出电压校正到目标电压比较花费时间，另一方面，在选择了过大值作为系数Kp的情况下，输出电压有时会振荡而不收敛。由此，要求选择还考虑了励磁线圈104或发电线圈103的响应延迟等的适当的系数Kp。

此外，实际的磁场电流通过通电控制元件（晶体管）110的每单位时间即每预定的1个周期的通电时间比例（占空比）来控制。占空比在将矩形波的脉冲周期设为T、将其中的导通时间宽度设为t的情况下，用占空比＝t/T×100%来定义。此外，该占空比与磁场电流、平滑电容器（用图10的符号113示出）的电压以及转子的转数（转子转数）为如下的关系。输出电压∝（磁场电流×转子转数）∝（占空比×平滑电容器电压×转子转数）。由此，在转子转数恒定的情况下，平滑电容器电压越高，用于保持输出电压所需的占空比越小。

在此，在与发电机100连接的电负载为电容器那样的容性负载的情况下，通过磁场电流产生的磁通量和通过负载电流产生的磁通量的方向一致，因此与发电线圈103交链的磁通量增加，由此产生发电线圈103的感应电动势变大的增磁作用。该增磁作用不仅在发电线圈103中，在励磁线圈104中也产生，因此在容性负载中，与在发电机100中连接了相同电容的阻性负载的情况相比，存在平滑电容器电压上升的倾向。

平滑电容器电压上升时，从与上述占空比的关系可知，为了将输出电压维持为恒定，占空比减小。即，以0%附近的占空比控制电压的情况变多。在使占空比在包括0%的范围内进行变动的同时控制输出电压的状态下，即使在降低输出电压的状况下，占空比也不会变成0%以下，因此能够将输出电压的下降作用抑制得较小，另一方面，输出电压的上升作用还由于增大占空比而过大，因此不能得到输出电压的变动平衡。由此，在现有技术的AVR中，有时输出电压的变动会变大，这成为要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种即使在连接了容性负载的情况下，也能够使输出电压稳定的发电机的输出控制装置。

用于达到所述目的的本发明的第1特征在于，一种发电机的输出控制装置，该发电机具有：卷绕在定子侧的发电线圈和励磁线圈；卷绕在通过驱动源而旋转的转子上的磁场线圈；以及对所述励磁线圈产生的电流进行整流并提供给所述磁场线圈的整流器，其特征在于，该发电机的输出控制装置具有：磁场电流控制单元，其为了使所述发电线圈的输出电压收敛于目标电压值，对控制所述磁场线圈的通电的开关元件在通电周期内的通电时间比例进行增减来增减磁场线圈的通电电流，所述发电机的输出控制装置还具有：通电时间比例零检测单元，其对所述通电时间比例是否包括零进行检测；以及通电时间比例限制单元，其仅在由所述通电时间比例零检测单元检测到通电时间比例包括零的情况下，在所述磁场电流控制单元内的磁场电流增大到预定上限值时，限制通电时间比例的上限值。

此外，本发明的第2特征在于，具有通电时间比例零持续判定单元，所述通电时间比例零持续判定单元在所述通电时间比例包括零的时间持续预定时间以上时，驱动通电时间比例限制单元。

此外，本发明的第3特征在于，一种发电机的输出控制装置，该发电机具有：卷绕在定子侧的发电线圈和励磁线圈；卷绕在通过驱动源而旋转的转子上的磁场线圈；以及对所述励磁线圈产生的电流进行整流并提供给所述磁场线圈的整流器，其特征在于，该发电机的输出控制装置具有：平滑电容器，其与所述磁场线圈并联设置；以及磁场电流控制单元，其为了使所述发电线圈的输出电压收敛于目标电压值，对控制所述磁场线圈的通电的开关元件在通电周期内的通电时间比例进行增减来增减磁场线圈的通电电流，所述发电机的输出控制装置还具有：电容器电压检测单元，其对所述平滑电容器的端子电压进行检测；以及通电时间比例限制单元，其在所述磁场电流控制单元增加磁场电流时，用如下的最大值来限制通电时间比例的上限值，所述最大值是对应于由所述电容器电压检测单元检测到的电容器电压，按照仅在该电容器电压高的情况下减小通电时间比例的方式确定的。

在连接了容性负载的情况下，有时在开关元件的通电时间比例即占空比包括零的附近进行控制。根据具有第1特征的本发明，在占空比包括零这样的控制状态下，限制占空比的上限值，即使在输出电压和目标电压的差较大的情况下，也不会以极大的占空比控制磁场电流。由此，在占空比包括零的控制状态下，能够避免占空比的较大变动，从而进行稳定的输出电压控制。

根据具有第2特征的本发明，能够仅在根据占空比零持续一定程度的时间的情况，可靠地判断出成为包括占空比零的控制时，限制占空比的上限。

根据具有第3特征的本发明，着眼于连接容性负载时，与阻性负载相比，平滑电容器的电压容易上升这一点，能够根据平滑电容器的电压，以该电压越高则占空比越小的方式选择最大值，从而将输出的占空比限制为该最大值。由此，即使在连接容性负载时，也能够避免占空比的较大变动，从而得到稳定的输出电压。

附图说明

图1是示出包括本发明的一个实施方式的输出控制装置的发电机的系统结构的框图。

图2是示出在占空比的限制中使用的电压差和占空比最大值的对应表的一例的图。

图3是示出电压检测电路和容性负载状态判别部的要部动作的流程图。

图4是示出容性负载电容和平滑电容器的电压的关系的图。

图5是示出本发明的第2实施方式的发电机的系统结构的框图。

图6是示出平滑电容器的电压和占空比最大值的对应表的一例的图。

图7是示出第2实施方式的电压检测电路和容性负载判别部的要部动作的流程图。

图8是示出由本实施方式的输出电压控制装置控制的磁场电流驱动PWM信号、和与其对应的磁场电流以及发电机输出电压的对应的图。

图9是示出通过现有技术控制的磁场电流驱动PWM信号、和与其对应的磁场电流以及发电机输出电压的对应的图。

图10是具有现有的AVR的交流发电机的要部结构图。

符号说明：

1、10：容性负载状态判别部；2：占空比零判定部；3：占空比零持续判定部；4：占空比增加量限制部；5：电容器电压检测部；6：占空比最大值设定部；20：电压差检测部；21：占空比增减部；21a：占空比限制部；100：发电机；102：磁场线圈；103：发电线圈；104：励磁线圈；107：AVR；109、109a：电压检测电路；110：晶体管（开关元件）；113：平滑电容器。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是包括本发明的一个实施方式的输出控制装置的发电机的系统结构图。在图1中，与图10相同的符号表示相同或同等部分。在图1中，发电机100的AVR 107除了图10所示的结构要素以外，还具有容性负载状态判别部1。容性负载状态判别部1包括占空比零判定部2、占空比零持续判定部3以及占空比增加量限制部4。

电压检测电路109a具有电压差检测部20，其将表示发电机线圈103的输出电压的电压（以下称作“输出电压”）与目标电压进行比较，从而检测其电压差；以及占空比增减部21，其根据电压差对晶体管110的占空比进行增减。

在占空比增减部21中通过发电线圈103的输出电压和目标电压的比较对占空比进行增减的结果是占空比变成零时，即停止了PWM输出时，占空比零判定部2产生占空比零信号，将该占空比零信号输入到占空比零持续判定部3中。占空比零持续判定部3响应于占空比零信号的输入来对占空比零的持续时间、即PWM输出的停止持续时间进行计测，在停止持续时间在预定时间以上时，将判定信号输入到占空比增加量限制部4。占空比增加量限制部4响应于判定信号来将占空比增加量限制信号输入到电压检测电路109a的占空比增减部21。

是否具有占空比零持续判定部3可以任意选择。也可以不具有占空比零持续判定部3，而在占空比零判定部2中判定为输出占空比包括零的情况下，立即将占空比增加量限制信号输入到占空比增减部21。

占空比增减部21响应于占空比增加量限制信号，将占空比的最大值限制为预定值。占空比的最大值是根据发电线圈103的输出电压和目标电压的差而预先设定的值（参照图2）。在占空比达到该最大值的时刻限制占空比的增大。

占空比增减部21以如下方式进行控制：将占空比的最大值限制为占空比增加量限制值，在该所限制的最大值和占空比零之间的范围内确定占空比，并依照该占空比导通截止晶体管110，从而输出电压收敛于目标电压。

电压检测电路109a和容性负载状态判别部1的全部或一部分能够通过微型计算机构成。

图2是示出由占空比增减部21在占空比的限制中使用的电压差和占空比最大值的对应的一例的图。占空比增减部21根据发电线圈103的输出电压和目标电压的差依照图2的规定来确定占空比的最大值。例如，在电压差在从零伏到11伏的范围内变化时，占空比的最大值根据该电压差的变化在2%到10%的范围内变化。

图3是示出电压检测电路109a和容性负载状态判别部1的要部动作的流程图。在图3中，在步骤S1中，电压差检测部20读入发电机100的输出电压Vout。在步骤S2中，利用电压差检测部20的功能，对输出电压Vout和目标电压Vref进行比较。在步骤S2中，在判定为输出电压Vout在目标电压Vref以上的情况下，进行到步骤S3，利用占空比增减部21的功能减小占空比。

另一方面，在步骤S2中，在判定为输出电压Vout不在目标电压Vref以上的情况下，进行到步骤S4，利用占空比增减部21的功能增大占空比。1次的占空比的增减量为预先设定的值。

在步骤S3中进行了占空比的减小后，在步骤S5中，利用占空比零判定部2的功能判定占空比是否为零。在判定为占空比为零的情况下，进行到步骤S6，利用占空比零持续判定部3的功能，判定占空比零的持续时间T0是否在预定的判别确定时间Tref以上。在该判定是肯定时，进行到步骤S7，将占空比限制为所述最大值（参照图2）。

在步骤S3的处理后，以及步骤S5和步骤S6的判定是否定时，分别返回流程的步骤S1。

接着，对容性负载状态判别部1的变形例进行说明。如上所述，通过根据容性负载电容产生的增磁作用，包括在图1的电路中的平滑电容器113的电压上升。因此，根据平滑电容器113的电压值检测容性负载状态，在该状态时使磁场电流增加的情况下，限制占空比的最大值。由此，能够防止在占空比零附近重复磁场电流的停止/起动从而输出电压振荡。

图4是示出容性负载电容和平滑电容器113的电压的关系的图。在该图中，一并示出了与平滑电容器113对应的占空比的最大值。示出了平滑电容器的电压根据容性负载电容的增加而变高的现象。此外，为了根据平滑电容器113的电压增大而得到恒定的输出电压，占空比降低。

图5是包括本发明的第2实施方式的输出电压控制装置的发电机的系统结构图，与图10相同的符号表示相同或同等部分。在图5中，容性负载状态判别部10具有电容器电压检测部5，其对平滑电容器113的电压Vex进行检测；以及占空比最大值设定部6，其根据由电容器电压检测部5检测到的平滑电容器113的电压Vex设定预定的占空比最大值。

电压检测电路109b具有电压差检测部20，其对发电机线圈103的输出电压与目标电压进行比较，从而检测其电压差；以及占空比增减部21，其根据电压差对晶体管110的占空比进行增减。电压检测电路109b还具有占空比限制部21a，该占空比限制部21a对从占空比增减部21输出的占空比和占空比最大值进行比较，在输出的占空比比占空比最大值大的情况下，将输出的占空比限制为占空比最大值。

电压检测电路109b和容性负载状态判别部10的全部或一部分能够通过微型计算机构成。

图6是示出由占空比增减部21a在占空比的限制中使用的平滑电容器的电压和占空比最大值的对应表的一例的图。占空比最大值设定部6根据由电容器电压检测部5检测到的电压依照图6的设定来确定占空比的最大值。例如，电容器电压Vex在150伏以下时，输出的占空比没有限制，电容器电压Vex在160伏到200伏的范围内时，占空比的最大值根据该电容器电压Vex的增大而在10%到3%的范围内减小。此外，电容器电压Vex在210伏以上时，将占空比的最大值设定为2%。

图7是示出第2实施方式的电压检测电路109b和容性负载状态判别部10的要部动作的流程图。在图7中，在步骤S11中，电压差检测部20读入发电机100的输出电压Vout。在步骤S12中，利用电压差检测部20的功能，对输出电压Vout和目标电压Vref进行比较。在步骤S12中，在判定为输出电压Vout在目标电压Vref以上的情况下，进行到步骤S13，利用占空比增减部21的功能减小占空比。在步骤S12中，在判定为输出电压Vout不在目标电压Vref以上的情况下，进行到步骤S14，利用占空比增减部21的功能增大占空比。

占空比的增减量根据输出电压Vout和目标电压Vref的差来确定。即，在输出电压Vout小于目标电压Vref的情况下，将根据两者的差增大的占空比计算为输出占空比，在输出电压Vout在目标电压Vref以上的情况下，输出根据两者的差减小的占空比。

在步骤S13中减小了占空比后，在步骤S15中，利用电容器电压检测部5的功能检测平滑电容器的电压Vex。在步骤S16中，利用占空比最大值设定部6的功能，参照图6确定与平滑电容器的电压Vex对应的占空比最大值，并在占空比增减部21中进行设定。

在步骤S17中，在占空比增减部21中判定输出占空比是否在占空比最大值以下。在输出占空比在占空比最大值以下的情况下，进行到步骤S18，输出根据输出电压Vout和目标电压值Vref的比较而确定的输出占空比。

另一方面，在判定为输出占空比不在占空比最大值以下的情况下，进行到步骤S19，将占空比最大值作为输出占空比输出。

在第2实施方式中，占空比的增减量根据输出电压Vout和目标电压Vref的差来确定，但是也可以如第1实施方式那样，将每1次的占空比的增减量设为预先设定的量，阶段性增减占空比。此时，在步骤S16中，判定对占空比增减了预定值后，当前的占空比是否在占空比最大值以下。

反之，在第1实施方式中，阶段性增减占空比，但是也可以如第2实施方式那样，变形为占空比的增减量根据输出电压Vout和目标电压Vref的差来确定。

图8是示出由本实施方式的输出电压控制装置控制的磁场电流驱动PWM信号、和与其对应的磁场电流以及发电机输出电压的对应的示意图。在图9中，为了与本实施方式进行对比，示出通过现有技术控制的磁场电流驱动PWM信号、和与其对应的磁场电流以及发电机输出电压的对应。

在图9所示的现有技术中，通过零%占空比附近的PWM控制，成为存在较长的占空比零的期间的间歇动作，结果，从包络线可知，磁场电流不稳定，输出电压的振幅变动也伴随其而较大。与此相对，根据本实施方式，如图8所示，可知PWM信号的零%占空比的期间较短且均匀，从而消除了间歇性动作。即，通过这种PWM信号连续控制磁场电流，发电机的输出电压的振幅变得稳定。

Claims (3)

1.一种发电机（100）的输出控制装置（107），该发电机（100）具有：卷绕在定子侧的发电线圈（103）和励磁线圈（104）；卷绕在通过驱动源而旋转的转子（105）上的磁场线圈（102）；以及对所述励磁线圈（104）产生的电流进行整流并提供给所述磁场线圈（102）的整流器（108），其特征在于，该发电机（100）的输出控制装置（107）具有：

磁场电流控制单元（109a），其为了使所述发电线圈（103）的输出电压收敛于目标电压值，对控制所述磁场线圈（102）的通电的开关元件（110）在通电周期内的通电时间比例进行增减来增减磁场线圈（102）的通电电流，

所述发电机（100）的输出控制装置（107）还具有：

通电时间比例零检测单元（2），其对所述通电时间比例是否包括零进行检测；以及

通电时间比例限制单元（4），其仅在由所述通电时间比例零检测单元（2）检测到通电时间比例包括零的情况下，在所述磁场电流控制单元（109a）内的磁场电流增大到预定上限值时，限制通电时间比例的上限值。

2.根据权利要求1所述的发电机的输出控制装置，其特征在于，所述发电机的输出控制装置具有通电时间比例零持续判定单元（3），所述通电时间比例零持续判定单元（3）在所述通电时间比例包括零的时间持续预定时间以上时，驱动通电时间比例限制单元（4）。

3.一种发电机（100）的输出控制装置（107），该发电机（100）具有：卷绕在定子侧的发电线圈（103）和励磁线圈（104）；卷绕在通过驱动源而旋转的转子（105）上的磁场线圈（102）；以及对所述励磁线圈（104）产生的电流进行整流并提供给所述磁场线圈（102）的整流器（108），其特征在于，该发电机（100）的输出控制装置（107）具有：

平滑电容器（113），其与所述磁场线圈（102）并联设置；以及

磁场电流控制单元（109b），其为了使所述发电线圈（103）的输出电压收敛于目标电压值，对控制所述磁场线圈（102）的通电的开关元件（110）在通电周期内的通电时间比例进行增减来增减磁场线圈（102）的通电电流，

所述发电机（100）的输出控制装置（107）还具有：

电容器电压检测单元（5），其对所述平滑电容器（113）的端子电压进行检测；以及

通电时间比例限制单元（21a），其在所述磁场电流控制单元（109a）增加磁场电流时，用如下的最大值来限制通电时间比例的上限值，所述最大值是对应于由所述电容器电压检测单元（5）检测到的电容器电压，按照仅在该电容器电压高的情况下减小通电时间比例的方式确定的。

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