CN1363990A - 逆变器控制式发电机 - Google Patents
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Abstract
一种逆变器控制式发电机,具有由对永磁发电机输出电力进行整流的半导体整流元件构成变流器,并由逆变器将从该变流器输出的直流电力变换成规定频率的交流电力。可控硅驱动部9为将变流器3的输出电压控制为目标值而控制可控硅的导通。使上述发电机的转数具有正特性那样地设定目标值。在低转数区域,将目标值设定得较低,在高转数区域,将目标值设定得较高。这样,可使用宽范围的转数区域,以良好的效率运行发电机。
Description
技术领域
本发明涉及一种逆变器控制式发电机，特别是涉及一种在将永磁发电机用作发电机的场合，可在宽转数范围以良好的效率运行发电机的的逆变器控制式发电机。
背景技术
在用作交流电力电源装置的发动机发电机中为了使输出频率稳定化而使用逆变器的场合日渐增多。例如在日本特开平11-308896号公报中所记载的那样，使用发动机发电机。在这种逆变器控制式发电机中，驱动与发电机连接的发动机产生交流电力，将其变换成直流电力后，由逆变器变换成商用频率的交流电力后输出。在逆变器控制式发电机中，由于输出频率与发动机转数不相关，所以，通过控制发动机转数，可进行所需输出电力即与负荷量相应的输出电力的控制。
图9为将转数作为参数，示出将永磁发电机用作发电机的场合的输出特性的一例的图。在该图中，特性A、B、C示出发电机的产生电压与电流的关系，为发电机的转数分别处于H、M、L(H＞M＞L)时的特性。另外，特性Ap、Bp、Cp分别示出与特性A、B、C对应的发电机输出电力。在根据负荷控制逆变器输出电力的场合，使逆变器输入侧的直流电压维持在目标电压V那样地受到控制。
由图可以看出，在逆变器输入侧的直流电压维持在基准电压V的场合，发电机的转数为L、M、H时的发电机输出电力分别由与曲线A、B、C上的目标电压V对应的曲线Ap、Bp、Cp上的值p′、q′、r′来示出。这样，转数M时的输出电力虽然为其转数时的大体最大输出电力，但转数L时的输出电力为达到最大输出电力之前的低输出电力，转数H时的输出电力为超过最大输出电力点后下降的低输出电力。即，可在最大输出电力附近以良好效率运行发电机的这一状态局限在转数M近旁的极为狭窄的转数范围内。
另外，在希望改变转数从而调整发电机的产生电压的场合，在低转数区域中只能在不会出现电压不足的范围内使用，即，在图9的例中，只能在可超过目标电压V的转数下使用。另一方面，由于在高转数区域中使用超过最大输出电力的过电流侧的特性的场合变得多，所以，存在输出电力不可避免地下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种逆变器控制式发电机，该逆变器控制式发电机可消除上述问题，可在宽的转数范围以良好的效率运行发电机。
本发明的逆变器控制式发电机，由半导体整流元件构成的变流器对永磁发电机输出电力进行整流，并由逆变器将从该变流器输出的直流电力变换成规定频率的交流电力后输出；其第1特征在于：具有半导体整流元件驱动装置、转数检测装置、及目标电压设定装置；该半导体整流元件驱动装置为了将上述变流器的输出电压控制为目标值而对上述半导体整流元件的导通进行控制；该转数检测装置用于检测上述永磁发电机的转数；该目标电压设定装置设定上述目标值，以便上述检测出的转数具有正特性。
按照该特征，在永磁发电机的低转数区域将上述目标值设定得较低，在其高转数区域将上述目标值设定得较高。因此，与转数大体成比例地增大产生电压的永磁发电机可在更低的转数下输出适合于上述目标值的电压。另外，在高转数区域，可在最大输出电力点附近的位置不降低效率地运行。这样，扩大了发电机可使用的转数范围。
另外，本发明的第2特征在于：具有对发电机驱动用发动机的转数进行控制以使上述半导体整流元件的导通比例收敛于预先设定的目标导通比例的发动机转数控制装置，通过控制对上述发动机的燃料供给量从而对上述发动机转数进行控制。
按照第2特征，当控制发动机转数时，可在更宽范围使发动机转数变化，将上述半导体整流元件的导通比例控制在所期望的值。
另外，本发明的第3特征在于：上述发动机转数控制装置包含在上述半导体整流元件的导通角相对上述目标导通角的偏差为正的场合降低发动机转数、在为负的场合增大发动机转数的装置。另外，本发明的第4特征在于：使增大时的发动机的转数的变化率比上述下降时大。
附图说明
图1为示出本发明一实施形式的逆变器控制式发动机的功能框图。
图2为示出目标电压与发动机转数的关系的图。
图3为示出可控硅驱动部的要部的功能框图。
图4为示出本发明实施形式的永磁发电机的输出特性与目标电压的关系的图。
图5为示出包含逆变器的输出电压控制部的逆变器控制式发电机的要部的功能框图。
图6为示出燃料量控制部的要部的功能框图。
图7为可控硅的导通角(半导体整流元件的导通比例)的说明图。
图8为示出导通角偏差与目标转数调整量的关系的图。
图9为示出使用现有技术的发动机的输出特征与目标电压的关系的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的一实施形式。图1为示出逆变器控制式发动机的功能框图。永磁式多极发电机(以下简称为“发电机”)1由(内燃)发动机2驱动，产生多相(典型情况下为3相)的交流电。产生的交流电由变流器3进行全波整流后变换成直流电，该变流器3由将作为半导体整流元件的可控硅(一般情况下为半导体整流元件)组合成电桥形式而形成的整流回路构成。该直流电力输入到逆变器4，逆变器4向连接于其输出侧的外部负荷5供给商用频率(例如50Hz)的单相交流电。为了调节发动机2的节流阀6的开度而设置有步进马达7，按照供给到该步进马达7的脉冲数控制节流阀6的节气门开度，决定发动机2的转数。发动机2也可为燃料喷射式，在该场合通过控制燃料喷射时间来决定转数。
电压检测部8用于检测变流器3的输出电压。可控硅驱动部9比较目标电压(详细内容在后面说明)与变流器3的输出电压，用适当的公知手法控制构成变流器3的可控硅的导通，以使由电压检测部8检测出的变流器3的实际输出电压与目标电压相等。通过该控制，在上述可控硅的导通角控制范围内将变流器3的输出电压保持为目标电压。
上述目标电压作为关于发动机转数的函数如以下那样设定。图2示出发动机转数与目标电压的关系。如该图所示，在发动机转数Ne为3000rpm以下的区域，目标电压固定为V0，在5000rpm以上时，目标电压固定为比上述V0高的V1。在3000-5000rpm的范围，目标电压相应于转数逐渐变化。例如，目标电压根据下式计算。目标电压VDC＝145+(Ne/256)……(式1)。按照该式1，在发动机转数Ne为3000、4300、5000rpm时，目标电压VDC分别为156.7V、161.8V、164.5V。目标电压不限于此式，也可考虑到后述的输出特性，时常可获得每一转数的最大输出电力那样地设定。
图3示出使用上述目标电压的上述可控硅驱动部9的要部的功能框图。在该图中，转数检测部106检测发动机转数Ne。检测出的发动机转数Ne输入到目标电压计算部91，目标电压计算部91使用上述式1，计算出根据发动机转数Ne的目标电压VDC。电压偏差检测部92比较从电压检测部8输入的直流电压即变流器3的输出电压与目标电压VDC，检测出直流电压相对目标电压的偏差。检测出的偏差输入到可控硅驱动回路93，如图1所示那样控制可控硅的导通。
通过相应于发动机转数改变目标电压VDC，可获得如下那样的效果。图4为示出发电机1的输出特性与目标电压VDC的关系的图，与图9相同的符号示出同一或同等部分。逆变器输入侧的直流电压维持在目标电压VDC那样地受到控制。由图可看出，在将逆变器输入侧的直流电压维持在目标电压VDC的场合，与转数L、M、H对应的发电机输出电力由曲线Ap、Bp、Cp上的p、q(＝q′)、r表示。这样，当与将目标电压固定在值V的现有技术相比较时，分别如箭头所述那样，低转数L的输出电力从r′增大到r，高转数H的输出电力从p′增大到p。另外，在中转数M大体维持最大输出电力。即，可在宽转数范围获得高输出电力。在一例中，可比过去将使用转数范围增大约200rpm。
通过使目标电压VDC变化，从而改变逆变器4的输入电压，但通过在逆变器4设置通过PMW等而获得的电压调整功能，该变化在某种程度被容许。即，通过PWM控制等，逆变器4的输入电压在最低的所需电压以上、构成逆变器4的半导体元件的容许耐压以下的范围内得到容许。
图5为示出逆变器4的电压调整功能的框图，与图1相同的符号示出同一或同等部分。在该图中，PWM控制部41检测出逆变器4的输出电压，使其成为规定值那样地进行PWM控制。
上述燃料量控制部10如以下那样构成。图6为示出燃料量控制部10的要部的功能框图。可控硅导通角检测部101用于根据从可控硅驱动回路93输出到变流器3的控制信号而检测可控硅导通角。该导通角可在预定周期内连续地检测出，计算出其平均导通角。该平均导通角最好通过移动平均计算出预定次数(例如10次)的连续数据。
由可控硅导通角检测部101计算出的平均导通角输入到偏差检测部102，并检测平均导通角相对目标导通角的偏差。根据该偏差可判断发电机1是否在输出具有余量的状态下运行。目标导通角例如设定为80％。该目标导通角与一般的控制目标值同样，最好具有一定的滞后。而且，目标导通角可为固定值，也可相应于发动机2的温度可变。例如，当发动机2的温度较低时，减小目标导通角。这样，使由偏差检测部102检测出的偏差成为“0”那样地将发动机2的转数调整为目标转数，发电机1维持在具有余量的状态。
图7为按导通角80％控制时的变流器3的可控硅的输出电压波形。在该图中，导通角α为与可控硅导通的时间对应的电气角，由已知的适当装置决定。
目标转数更新部103例如由将偏差作为读出地址而输出转数调整量的表构成，以便相应于从偏差检测部102输入的偏差而输出转数调整量。
图8示出上述偏差与转数调整量的关系。在这里，偏差为实际导通角相对目标导通角的偏移量即“实际导通角-目标导通角”。在该图中，当上述偏差为正时，将与偏差对应的转数调整量设定得比当上述偏差为负值时大。这是因为，当偏差为正时，由于导通角超过目标导通角(80％)，所以，判断发电机1没有余量，需要使与负荷相应的发电机1的输出增加响应提前；在偏差为负时，判断发电机1具有余量，所以，最好避免由过度响应形成的过调节可能导致的转数的频繁上下波动。
返回到图6可看出，目标转数存储部104将从目标转数更新部103输入的目标转数调整量加到已存储的目标转数并作为新的目标转数。目标转数不超过设于最高·高低转数设定部105的最高转数或最低转数的范围地被更新。即，加上上述目标转数调整量后，在目标转数偏离上述范围时，将上述最高转数或上述最低转数作为新的目标转数。规定最低转数的原因在于，当转数低时，可控硅导通角对很小的转数变化也产生反应，所以，通过防止这一点以维持良好的、在无负荷-轻负荷下的稳定性。
转数检测部106用于检测发电机1的转数。控制量计算部107根据从上述转数检测部106输入的实际转数和从上述目标转数存储部104读入的目标转数，由已知的适当手法(例如比例·积分·微分)运算出用于使实际转数相对目标转数的偏差为0的控制量。节气门控制部108包含步进马达7，相应于控制量计算部107的运算结果输出用于驱动步进马达7的脉冲数，步进马达7相应于其进行转动，使节流阀6的节气门开度变化。
如上述那样，在本实施形式中，控制发动机2的转数，以将控制变流器3的输出的可控硅电桥整流回路的平均导通角维持在预先设定的值(例如80％)，所以，发电机1可在时常具有余力的状态下向负荷供给电力。即，在负荷增大的场合，可相应于变流器3的输出电压的下降变动而增大可挂控硅的导通角，可立即追随负荷的增大，同时，可相应于其导通角的增大，使发动机2的转数较平稳地增大。由于发动机转数的频繁变化得到缓和，所以，降低了发动机的噪声和燃料消耗量。
另外，在本实施形式中，由于在逆变器的输入侧检测变流器的输出电压，所以，不需要将逆变器的输出的有效电力、逆变器的变换效率、每一转数的发电能力、及发电机和有效电力检测部的产品偏差等作为参数，计算出发电机或发动机的最佳转数，控制变得简单。在本实施形式中，为了对发电机的输出电流进行整流而采用可控硅电桥的变流器为例进行了说明，但也可为其它的电压控制方式，例如DC-DC电压变换方式。
由以说明可知，按照方案1，在低转数区域，降低目标值，对电压进行控制，所以，可在更低转数的区域使用。另一方面，在高转数区域，提高目标值进行控制，所以，在高转数区域不用降低效率即可运行。
另外，在方案2的发明中，当控制发动机转数时，可在更宽范围使发动机转数变化，将导通比例控制在所期望的值。另外，按照方案3和4的发明，可在与负荷变化对应的适度的响应速度下对输出电力进行增减。
Claims (4)
1.一种逆变器控制式发电机，具有变流器和逆变器，该变流器由对永磁发电机输出电力进行整流的半导体整流元件构成，该逆变器将从该变流器输出的直流电力变换成规定频率的交流电力；其特征在于：具有半导体整流元件驱动装置、转数检测装置、及目标电压设定装置；该半导体整流元件驱动装置为了将上述变流器的输出电压控制为目标值而对上述半导体整流元件的导通进行控制；该转数检测装置用于检测上述永磁发电机的转数；该目标电压设定装置设定上述目标值，以便上述检测出的转数具有正特性。
2.如权利要求1所述的逆变器控制式发电机，其特征在于：具有导通比例检测装置和发动机转数控制装置；该导通比例检测装置用于检测上述半导体整流元件的导通比例；该发动机转数控制装置对驱动上述发电机的发动机的转数进行控制以使上述导通比例收敛于预先设定的目标导通比例；通过控制对上述发动机的燃料供给量从而对上述发动机转数进行控制。
3.如权利要求2所述的逆变器控制式发电机，其特征在于：上述发动机转数控制装置包含在上述导通比例相对上述目标导通比例的偏差为正的场合降低发动机转数、在为负的场合增大发动机转数的装置。
4.如权利要求3所述的逆变器控制式发电机，其特征在于：使增大时的发动机的转数的变化率比上述下降时大。
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