CN102045018A - 发电机的输出电压控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发电机的输出电压控制装置，其在改善交流发电机的输出波形的失真时，具有通用性且能廉价实现。该发电机具有：卷绕在定子侧的发电线圈(2)和励磁线圈(3)；卷绕在通过驱动源而旋转的转子(4)上的磁场线圈(5)；以及整流器(12)，其对由励磁线圈(3)产生的电流进行整流而提供给磁场线圈(5)，该发电机的输出电压控制装置具有磁场电流驱动电路(20)，所述磁场电流驱动电路(20)对在发电线圈(2)中产生的输出电压与失真率为0％的基准波进行比较，并根据其结果由驱动部(24)对PWM信号输出的驱动定时进行调整，使磁场电流流入磁场线圈(5)。

Description

发电机的输出电压控制装置
技术领域
本发明涉及具有发电线圈、励磁线圈和磁场线圈的交流发电机的输出电压控制装置，特别涉及适于对输出电压波形的失真进行改善的发电机的输出电压控制装置。
背景技术
作为发电机的输出电压控制装置，例如如专利文献1所示，公知了这样的交流发电机用自动电压调整器，其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；以及对在所述励磁线圈中产生的电流进行整流而提供给所述磁场线圈的整流器，该交流发电机用自动电压调整器通过控制提供给所述励磁线圈的电流，由此将从发电线圈输出的电压保持为预先设定的电压。
在这种输出电压控制装置中，作为改善从发电线圈输出的输出电压波形的失真的技术，以波形改善为目的，对定子线圈的各槽的线圈数进行调整，将输出波形设计为接近正弦波，或者应用扭斜和制动线圈。
所谓扭斜，例如如专利文献2所示，是以下形状：在同步电机和感应电机等中，以改善作为电动机的转矩脉动和作为发电机的波形为目的，在扭转了槽或转子的状态下对电磁钢板进行了层叠。通过应用该扭斜，抑制与线圈交链的磁通量的急剧变化，从而具有降低转矩脉动和改善发电电压的波形的效果。
所谓制动线圈，例如如专利文献3所示，是以下线圈：在转子磁极上等间隔地设置几个相同形状的槽，插入相同形状的铜条或黄铜条等导体条，并将其两端焊接成短路环，由此形成。在凸极形旋转发电机的凸极磁极铁心上，出于防止振荡、消除反相电流等目的配备了制动线圈，但可以通过以错开凸极磁极铁心的中心的方式配备制动线圈来改善电压波形。
【专利文献1】日本特开平8-140400号公报
【专利文献2】日本特开2004-248422号公报
【专利文献3】日本特开平4-172933号公报
但是，关于上述的以改善波形为目的的线圈调整，是在某个确定的负荷条件下的调整，因此在发电机的负荷率不同的情况下，有时会产生失真率没被改善或恶化的负荷条件。
此外，在实施扭斜和制动线圈时需要制造技术能力，存在制造成本升高的问题。
即，作为发电机的输出电压控制装置，期望在任意的负荷条件下都有效、且不提高制造成本的失真率改善方法。
发明内容
本发明正是鉴于上述实际情况而提出的，其目的在于提供一种发电机的输出电压控制装置，在改善交流发电机的输出波形的失真时，具有通用性且能廉价地实现。
用于达到上述目的的第1方面的发明是一种发电机(1)的输出电压控制装置，该发电机具有：卷绕在定子侧的发电线圈(2)和励磁线圈(3)；卷绕在通过驱动源而旋转的转子(4)上的磁场线圈(5)；以及整流器(12)，其对由所述励磁线圈(3)产生的电流进行整流而提供给所述磁场线圈(5)，其第1特征在于，该发电机的输出电压控制装置具有：
磁场电流驱动单元(20)，其通过调整PWM信号输出的驱动定时而使磁场电流流入所述磁场线圈(5)。
第2方面的发明在第1方面的发电机的输出电压控制装置中，具有以下的第2特征，
所述磁场电流驱动单元(20)具备以下部件而构成：
电压检测部(22)，其检测在所述发电线圈(2)中产生的输出电压；
基准波记录部(21)，其记录失真率为0％的正弦波作为基准波；
比较部(23)，其对所述输出电压与所述基准波进行比较；以及
驱动部(24)，其根据所述比较部(23)的结果来增减所述PWM信号输出的驱动定时。
第3方面的发明在第2方面的发电机的输出电压控制装置中，具有以下的第3特征，
所述比较部(23)与所述发电机(1)的点火定时同步地进行输出电压与基准波的比较。
第4方面的发明在第1方面的发电机的输出电压控制装置中，具有以下的第4特征，
所述磁场电流驱动单元(20)具有映射数据记录部(25)，所述映射数据记录部(25)从根据所述发电机(1)的各种运转条件而预先计算出的失真率的数据中，记录失真率最小的PWM驱动定时，作为所述各种运转条件的内部数据，
所述磁场电流驱动单元(20)根据所述发电机(1)的各种运转条件，参照所述内部数据来确定所述磁场电流的驱动定时。
第5方面的发明在第4方面的发电机的输出电压控制装置中，具有以下的第5特征，
与发电机(1)的点火定时同步地确定磁场电流的驱动定时，该磁场电流的驱动定时是根据所述发电机(1)的各种运转条件参照内部数据而确定的。
根据具有第1特征的本发明，在磁场电流流入磁场线圈(5)时，由磁场电流驱动单元(20)调整PWM信号输出的驱动定时，因此可以按照校正波形失真的定时使磁场电流驱动的PWM开始相位一致，能够将输出电压的失真率调整为最小点。
根据具有第2特征的本发明，对从发电机(1)输出的输出电压与所记录的基准电压进行比较，以使得其差为最小的方式增减PWM信号输出的驱动定时并控制磁场电流，由此能够改善输出电压的失真率。
根据具有第3特征的本发明，与发电机(1)的点火定时同步地进行输出电压与基准波的比较，由此能够按照固定周期来改善输出电压的失真率。
根据具有第4特征的本发明，根据发电机(1)的运转状况，利用预先记录在映射数据记录部(25)中的失真率为最小的内部数据，确定PWM驱动定时并控制磁场电流，由此能够改善输出电压的失真率。
根据具有第5特征的本发明，与发电机(1)的点火定时同步地确定磁场电流的驱动定时，该磁场电流的驱动定时是参照内部数据来确定的，由此能够按照固定周期改善输出电压的失真率。
附图说明
图1是包含本发明的一个实施方式的输出电压控制装置的发电机的主要部分结构说明图。
图2是示出本发明的输出电压控制装置所确定的相对于发电机输出电压波形的PWM信号定时的磁场驱动定时图。
图3是用于得到本发明的输出电压控制装置的磁场驱动定时的流程图。
图4是示出交流发电机中的与各负荷相对的PWM相位与输出电压失真率之间的相关关系的曲线图。
图5是示出本发明的输出电压控制装置中的磁场电流驱动电路的另一结构例的框图。
标号说明：
1：发电机；2：发电线圈；3：励磁线圈；4：转子；5：磁场线圈；6：永久磁铁；7：飞轮；8：永久磁铁；9：发动机相位检测线圈；10：自动电压调整器(AVR)；12：整流器；14：续流二极管(flywheel diode)；20：磁场电流驱动电路(磁场电流驱动单元)；21：基准波记录部；22：电压检测部；23：比较部；24：驱动部；25：映射数据记录部；26：运转条件检测部；27：映射数据选择部。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明。图1是包含本发明的一个实施方式的输出控制装置的发电机的主要部分结构说明图。
发电机1是公知的交流发电机，具有：设置在定子侧的发电线圈2和励磁线圈3，以及卷绕在转子4上的磁场线圈5。在转子4上安装有用于产生励磁电流的永久磁铁6。
转子4将发动机(未图示)的旋转作为驱动源而同步旋转。在经由曲轴而相对于该转子4同步旋转的发动机侧的飞轮7上，安装有永久磁铁8，通过设置在飞轮7附近的发动机相位检测线圈9检测发动机相位角，由此检测发动机的点火定时。
磁场线圈5经由电刷11与自动电压调整器(AVR)10连接。自动电压调整器10具有：整流器12，其输入侧与励磁线圈3的两端连接；电容器13，其设置在整流器12与接地之间并用于使整流器12的输出电压平滑化；续流二极管14，其与磁场线圈5并联连接；晶体管15，其通过导通/截止控制而使磁场电流流入磁场线圈5；以及磁场电流驱动电路(磁场电流驱动单元)20，其对磁场电流进行PWM控制。磁场线圈5的一端与整流器12的输出侧连接，磁场线圈5的另一端与晶体管15的集电极侧连接。
续流二极管14是为了以下目的而设置的，即，吸收在对流入磁场线圈5的磁场电流进行PWM控制时的通电停止时产生的浪涌电压，并使磁场电流平滑化。
磁场电流驱动电路20具有：基准波记录部21，其预先记录作为基准的正弦波(基准波)；电压检测部22，其对发电机1的输出电压波形进行检测；比较部23，其对基准波和输出电压波形进行比较；以及驱动部24，其对晶体管15施加驱动信号。
基准波记录部21预先对失真率为0％的正弦波进行运算，并记录为基准波。
电压检测部22通过与发电线圈2连接，检测发电机1的输出电压。
比较部23运算基准波与输出电压波形之差δ。基准波与输出电压波形之差δ用δ＝∫(输出电压-基准正弦波)dt表示，相当于图2所示的输出电压波形的斜线部分面积。
在由比较部23进行的基准波与输出电压波形之差δ的运算(输出电压和基准波的比较)中，通过安装在飞轮7上的永久磁铁8检测发动机相位角(点火定时)作为基准定时To(图2中的发动机相位检测信号)，磁场驱动PWM的开始定时Tf是对以基准定时To为基准的延迟进行控制而确定的。
对于由比较部23进行的基准波与输出电压波形之差δ的运算定时，通过输入来自发动机相位检测线圈9的基准定时，每隔1次发动机的点火定时进行运算设定，由此与点火定时同步地运算基准波与输出电压波形之差δ。
在驱动部24中，以使得基准波与输出电压波形之差δ最小的方式增加或减少磁场驱动定时Tf，由此调整PWM信号输出的驱动定时，并对晶体管15的基极施加PWM信号，由此进行晶体管15的导通/截止控制，使磁场电流流入磁场线圈5。
根据图3所示的流程图对磁场驱动定时Tf进行增减。
通过使磁场驱动PWM的开始定时Tf相对于基准定时To延迟来控制磁场电流。预先设定Tf0作为相对于基准定时To的延迟量的初始值。
首先，在运算定时(第1次的点火定时)，运算基准波与输出电压波形之差δn(步骤31)。
接着，将Tf0加上设定值dt而得的值设为新的磁场驱动定时Tf(步骤32)，Tf0为相对于基准定时To的延迟量的初始值，设定值dt为预先设定的常数。
在下一个运算定时(第3次的点火定时)，运算基准波与输出电压波形之差δn+1(步骤33)。
比较δn和δn+1(步骤34)，当δn较大时用δn+1置换δn(步骤35)，将对上一次的运算定时(运算δn+1时)的Tf加上预先设定的设定值dt而得到的值设为新的磁场驱动定时Tf(步骤32)。
比较δn和δn+1(步骤34)，当δn+1较大时用δn+1置换δn(步骤36)，将对上一次的运算定时(运算δn+1时)的Tf减去预先设定的设定值dt而得到的值设为新的磁场驱动定时Tf(步骤37)。
以后，通过重复进行该作业，由此逐一(每隔1次点火定时)调整(增加或减少)用于磁场电流控制的PWM信号的驱动定时Tf，以使基准波与输出电压波形之差δ成为最小。
接着，对图1所示的磁场电流驱动电路20的动作进行说明。
当通过发动机等使转子4旋转时，由于永久磁铁6的磁场而在励磁线圈3中感应出电流。该电流被整流器8整流而作为直流励磁电流提供给磁场线圈5。
在上述发电机1中，当电流流入磁场线圈5而在发电线圈2中感应出电流时，由于该电流产生的磁场而在磁场线圈5中感应出反电动势。该反电动势使流入磁场线圈5的电流增减，因此发电线圈2的输出发生变动。
在发电线圈2中产生的电压(发电机1的输出电压)是根据流入磁场线圈5的电流而确定的。此外，公知了输出电压的失真率由于对磁场电流进行控制的PWM信号的相位(定时)而变化。
此外，在将非正弦波交流电压的直流分量设为V0、V1、V2、V3…(各有效值)时，失真率k(％)为全部谐波与基波之比，通过下式计算。
【式1】
k = v 2 2 + v 3 2 + v 4 2 . . . V 1 × 100
因此，在本实施方式中，检测发电线圈2的输出电压，在磁场电流驱动电路(磁场电流驱动单元)20中，对输出电压波形和基准波进行比较，可变地调整PWM信号的驱动定时，由此进行使输出电压波形接近基准波的控制。
即，针对磁场线圈5的磁场电流，可变地调整PWM信号的驱动定时，使在发电线圈2中产生的输出电压波形接近基准波，由此能够改善输出电压的失真率。
例如，针对与发电机1连接的不同的负荷A、负荷B、负荷C、负荷D，如图4所示，即使在针对各负荷失真率为最小的PWM信号输出的驱动定时的相位不同的情况下，由于磁场电流驱动电路20调整PWM信号输出的驱动定时，因此可以在校正波形失真的定时使磁场电流驱动的PWM开始相位一致，可以根据各负荷将输出电压的失真率调整为最小点。
图5示出针对磁场电流驱动电路(磁场电流驱动单元)20的另一实施方式的例子，图1的磁场电流驱动电路20逐一检测输出电压波形而与基准波进行比较，由此确定磁场驱动定时(基于输出电压波形的计算方法)，与此相对，本例参照预先记录的内部数据(映射数据)来确定磁场驱动定时(映射数据参照方法)。
即，磁场电流驱动电路20具有：映射数据记录部25，其将PWM信号的驱动定时记录为多个映射数据；运转条件检测部26，其对发电机1的各种运转条件进行检测；映射数据选择部27，其根据发电机的各种运转条件来选择映射数据并确定驱动定时；以及驱动部24，其按照所选择的映射数据的驱动定时对晶体管15施加驱动信号。
映射数据记录部25预先将各种负荷电流/负荷功率因数/发动机转速等作为条件，取得发电机1的输出电压波形相对于正弦波的失真率数据，将针对各输出电压波形失真率为最小的磁场电流的PWM驱动定时保持为与各种运转条件对应的多个映射数据。
运转条件检测部26通过与发电线圈2连接来检测发电机1的输出电压。此外，运转条件检测部26利用设置在发电机1侧的各传感器(未图示)，检测负荷电流、负荷功率因数和发动机转速等发电机1的各种运转条件。
映射数据选择部27根据由运转条件检测部26检测到的发电机1的各种运转条件，选择针对对应的运转条件失真率为最小的映射数据并确定驱动定时。
关于映射数据的选择，向映射数据选择部27输入来自发动机相位检测线圈9的基准定时，并每隔1次发动机的点火定时进行选择，由此与点火定时同步地选择适于此时的运转状况的映射数据。
在驱动部24中，按照通过映射数据选择部27所选择的映射数据确定的PWM信号输出的驱动定时，对晶体管15的基极施加PWM信号，由此进行晶体管15的导通/截止控制而使磁场电流流入磁场线圈5。
根据上述磁场电流驱动电路(磁场电流驱动单元)20的各实施方式，在磁场电流流入磁场线圈5时，由磁场电流驱动电路20调整PWM信号输出的驱动定时，因此可以按照校正波形失真的定时使磁场电流驱动的PWM开始相位一致，可以通过使输出电压接近正弦波形来改善发电机1的输出电压的失真率。
由此，在改善交流发电机的输出波形的失真时，可以通过磁场电流驱动电路20调整PWM信号输出的驱动定时，来改善输出电压的失真率，因此能够不追加硬件构件而仅通过改变程序来进行对应，针对失真率的改善具有通用性并且能够廉价实现。

Claims (5)

1.一种发电机(1)的输出电压控制装置，该发电机具有：卷绕在定子侧的发电线圈(2)和励磁线圈(3)；卷绕在通过驱动源而旋转的转子(4)上的磁场线圈(5)；以及整流器(12)，其对由所述励磁线圈(3)产生的电流进行整流而提供给所述磁场线圈(5)，其特征在于，该发电机的输出电压控制装置具有：
磁场电流驱动单元(20)，其通过调整PWM信号输出的驱动定时而使磁场电流流入所述磁场线圈(5)。
2.根据权利要求1所述的发电机的输出电压控制装置，其中，
所述磁场电流驱动单元(20)具备以下部件而构成：
电压检测部(22)，其检测在所述发电线圈(2)中产生的输出电压；
基准波记录部(21)，其记录失真率为0％的正弦波作为基准波；
比较部(23)，其对所述输出电压与所述基准波进行比较；以及
驱动部(24)，其根据所述比较部(23)的结果来增减所述PWM信号输出的驱动定时。
3.根据权利要求2所述的发电机的输出电压控制装置，其中，所述比较部(23)与所述发电机(1)的点火定时同步地进行输出电压与基准波的比较。
4.根据权利要求1所述的发电机的输出电压控制装置，其中，
所述磁场电流驱动单元(20)具有映射数据记录部(25)，所述映射数据记录部(25)从根据所述发电机(1)的各种运转条件而预先计算出的失真率数据中，记录失真率最小的PWM驱动定时，作为所述各种运转条件的内部数据，
所述磁场电流驱动单元(20)根据所述发电机(1)的各种运转条件，参照所述内部数据来确定所述磁场电流的驱动定时。
5.根据权利要求4所述的发电机的输出电压控制装置，其中，与发电机(1)的点火定时同步地确定磁场电流的驱动定时，该磁场电流的驱动定时是根据所述发电机(1)的各种运转条件参照内部数据而确定的。
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