JP2002204596A - インバータ制御式発電機 - Google Patents

インバータ制御式発電機

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JP2002204596A
JP2002204596A JP2001000310A JP2001000310A JP2002204596A JP 2002204596 A JP2002204596 A JP 2002204596A JP 2001000310 A JP2001000310 A JP 2001000310A JP 2001000310 A JP2001000310 A JP 2001000310A JP 2002204596 A JP2002204596 A JP 2002204596A
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voltage
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Motohisa Shimizu
元壽 清水
Masafumi Nakamura
政史 中村
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範囲の回転数領域を使用して効率よく発電
機を運転できるようにすること。 【解決手段】 磁石発電機出力を整流する半導体整流素
子よりなるコンバータから出力される直流をインバータ
で所定周波数の交流に変換する発電機である。サイリス
タ駆動部９はコンバータ３の出力電圧を目標値に制御す
るためサイリスタの導通を制御する。目標値は発電機の
回転数に関して正特性を有するよう設定される。低回転
数領域では目標値が低く、高回転数領域では目標値が高
く設定されるので、回転数に略比例して発生電圧が増大
する磁石発電機において、より低い回転数において目標
値を達成できる一方、高回転数領域では効率を低下させ
ることなく運転できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はインバータ制御式発
電機に関し、特に、発電機として磁石発電機を使用した
場合に、より広い回転数範囲で効率よく運転できるよう
にしたインバータ制御式発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】交流電源装置として使用されるエンジン
駆動発電機等には、出力周波数を安定化させるためにイ
ンバータ装置を使用するものが多くなってきている。例
えば、特開平１１−３０８８９６号公報に記載されてい
るように、この種のエンジン駆動発電機では、発電機に
接続されたエンジンを駆動して交流電流を発生させ、こ
れを一旦直流に変換した後、インバータ装置によって商
用周波数の交流に変換して出力する。インバータ装置を
使用した発電機では、出力周波数がエンジン回転数に依
存しないので、エンジン回転数を制御することによって
要求出力つまり負荷の大きさに応じた出力制御を行うこ
とが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図９は上記発電機とし
て磁石発電機を使用した場合の出力特性の一例を、回転
数をパラメータにして示した図である。同図において、
特性Ａ，Ｂ，Ｃは、発電機の発生電圧と電流との関係を
示し、それぞれ回転数Ｈ，Ｍ，Ｌ（Ｈ＞Ｍ＞Ｌ）に対応
する。また、特性Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐは、それぞれ特性
Ａ，Ｂ，Ｃに対応する発電機出力を示す。インバータ出
力が負荷に対応するように制御する場合において、イン
バータ入力側の直流電圧は目標電圧Ｖに維持するように
制御される。
【０００４】図から理解されるように、直流電圧を基準
電圧Ｖに維持した場合、回転数Ｌ，Ｍ，Ｈに対応する発
電機出力は目標電圧に対応する曲線Ａ，Ｂ，Ｃ上のそれ
ぞれの値に対応する曲線Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐ上の値ｐ’，
ｑ’，ｒ’で示される。このように、回転数Ｍではその
回転数でのほぼ最大出力が得られるものの、回転数Ｌで
の出力は最大出力に至るより前の低出力しか得られず、
回転数Ｈではその最大出力点を超えて低下した最大出力
より小さい出力となる。すなわち、発電機の最大出力付
近を使用して効率よく運転できるのは回転数Ｍ近傍のき
わめて狭い回転数範囲に限られる。
【０００５】また、回転数を変化させることによって発
電機の発生電圧を調整しようとした場合、低回転数領域
では電圧不足にならない範囲、つまり図９の例では、目
標電圧Ｖを越えることができる回転数でしか使用できな
い。一方、高回転数領域では最大出力を超えた過電流側
の特性を使用する場合が多くなるため、出力低下が避け
られないという問題がある。
【０００６】本発明の目的は、上記課題を解消し、広い
回転数範囲で効率よく運転できるようにしたインバータ
制御式発電機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の発電機は、磁石
発電機出力を整流する半導体整流素子よりなるコンバー
タから出力される直流をインバータで所定周波数の交流
に変換して出力するインバータ制御式発電機において、
前記コンバータの出力電圧を目標値に制御するため前記
半導体整流素子の導通を制御する半導体整流素子駆動手
段と、前記磁石発電機の回転数を検出する回転数検出手
段と、前記検出された回転数に関して正特性を有するよ
う前記目標値を設定する目標電圧設定手段とを具備した
点に第１の特徴がある。
【０００８】この特徴によれば、回転数が低い領域では
前記目標値が低く、回転数が高い領域では前記目標値が
高く設定される。したがって、回転数に略比例して発生
電圧が増大する磁石発電機において、より低い回転数に
おいて前記目標値に適合した電圧が得られる一方、高回
転数領域では最大出力点側に近づけた位置で効率を低下
させることなく運転できるので、使用可能な回転数範囲
を拡大することができる。
【０００９】また、本発明は、前記半導体整流素子の導
通割合が、あらかじめ設定された目標導通割合に収斂す
るよう発電機駆動用エンジンの回転数を制御するエンジ
ン回転数制御手段とを具備し、前記エンジン回転数が、
前記エンジンへの燃料供給量を制御することにより制御
されるよう構成された点に第２の特徴がある。
【００１０】第２の特徴によれば、エンジン回転数を制
御するにあたってより広い範囲でエンジン回転数を変化
させて、導通割合を所望の値に制御することができる。
【００１１】さらに、本発明は、前記エンジン回転数制
御手段が、前記目標導通角に対する導通角の、偏差の正
負方向により、正の場合はエンジン回転数を低減し、負
の場合はエンジン回転数を増大させる手段を含み、か
つ、前記低減の程度よりも増大の程度を大きくするよう
にした点に第３の特徴がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の一
実施形態を詳細に説明する。図１はエンジン駆動発電機
の構成を示すブロック図である。磁石式多極発電機（以
下、単に「発電機」という）１は（内燃）エンジン２で
駆動され、多相（代表的には３相）の交流を発生する。
発生した交流は半導体整流素子としてのサイリスタ（一
般的には半導体整流素子）をブリッジに組んだ整流回路
からなるコンバータ３で全波整流されて直流に変換され
る。この直流はインバータ４に入力され、インバータ４
は、その出力側に接続された外部負荷５に商用周波数
（例えば５０Ｈｚ）の単相交流を供給する。エンジン２
のスロットル弁６の開度調節のためにステッピングモー
タ７が設けられ、このステッピングモータ７に供給され
るパルス数によってスロットル開度が制御され、エンジ
ン２の回転数が決定される。なお、エンジン２は燃料噴
射式のものでもよく、その場合は燃料噴射時間制御によ
り回転数を決定する。
【００１３】電圧検出部８はコンバータ３の出力電圧を
検出する。サイリスタ駆動部９は目標電圧（詳細は後
述）とコンバータ３の出力電圧とを比較し、計測された
コンバータ３の実出力電圧が目標電圧に等しくなるよ
う、適宜の公知手法で、コンバータ３を構成するサイリ
スタの導通を制御する。このような構成により、前記サ
イリスタの導通角制御範囲に相応する出力電流範囲にお
いてはコンバータ３の出力電圧は目標電圧に保持され
る。
【００１４】前記目標電圧はエンジン回転数との関数と
して次のように設定される。図２はエンジン回転数と目
標電圧との関係を示す図である。同図において、エンジ
ン回転数Ｎｅが３０００ｒｐｍ以下の領域では目標電圧
はＶ０に固定されていて、５０００ｒｐｍ以上では目標
電圧は前記Ｖ０より高いＶ１に固定される。そして、３
０００〜５０００ｒｐｍの範囲では、回転数に応じて徐
々に目標電圧は変化される。例えば、目標電圧は、次の
式に従って計算する。目標電圧ＶＤＣ＝１４５＋（Ｎｅ
／２５６）……（式１）。この式１によれば、エンジン
回転数Ｎｅが３０００、４３００、５０００ｒｐｍで
は、それぞれ目標電圧ＶＤＣは１５６．７Ｖ、１６１．
８Ｖ、１６４．５Ｖとなる。目標電圧はこの式に限ら
ず、後述の出力特性を考慮し、常に回転数毎の最大出力
が得られるように設定するとよい。
【００１５】図３は、上記目標電圧を使用する前記サイ
リスタ駆動部９の構成を示すブロック図である。同図に
おいて、回転数検出部１０６はエンジン回転数Ｎｅを検
出する。検出されたエンジン回転数Ｎｅは目標電圧算出
部９１に入力され、目標電圧算出部９１は前記式１を使
用し、エンジン回転数Ｎｅに基づく目標電圧ＶＤＣを算
出する。電圧偏差検出部９２は電圧検出部８から入力さ
れる直流電圧つまりコンバータ３の出力電圧と目標電圧
ＶＤＣとを比較し、目標電圧に対する直流電圧の偏差を
検出する。検出された偏差はサイリスタ駆動回路９３に
入力され、図１に関して述べたようにサイリスタの導通
を制御する。
【００１６】目標値電圧ＶＤＣをエンジン回転数に応じ
て可変としたことにより、次のような効果を奏する。図
４は発電機１の出力特性と目標電圧ＶＤＣとの関係を示
す図であり、図９と同符号は同一または同等部分を示
す。インバータ入力側の直流電圧は目標電圧ＶＤＣに維
持するよう制御される。図から理解されるように、直流
電圧を目標電圧ＶＤＣに維持した場合、回転数Ｌ，Ｍ，
Ｈに対応する発電機出力は、曲線Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐ上の
ｐ，ｑ（＝ｑ’），ｒで示される。このように、目標電
圧を値Ｖに固定させた従来技術と比較すると、低回転数
Ｌでの出力はｒ’からｒへと、高回転数Ｈでの出力は
ｐ’からｐへとそれぞれ矢印で示すように増大してい
る。また、中回転数Ｍではほぼ最大出力が維持される。
すなわち、広い回転数範囲で高出力を得られる。一例と
して、使用回転数範囲を従来よりも約２００ｒｐｍ拡大
することができた。
【００１７】なお、目標電圧ＶＤＣを変化させることに
より、インバータ４の入力電圧が変化することになる
が、インバータ４にＰＭＷ等による電圧調整機能を設け
ることにより、この変化はある程度許容される。すなわ
ち、ＰＷＭ制御などにより、インバータ４の入力電圧
は、最低必要な電圧以上、インバータ４を構成する半導
体素子の許容耐圧以下の範囲で許容される。
【００１８】図５は、インバータ４の電圧調整機能を示
すブロック図であり、図１と同符号は同一または同等部
分を示す。同図において、ＰＷＭ制御部４１はインバー
タ４の出力電圧を検出し、これが所定値になるようＰＷ
Ｍ制御を行う。
【００１９】前記燃料量制御部１０は次のように構成さ
れる。図６は、燃料量制御部１０の構成を示すブロック
図である。サイリスタ導通角検出部１０１はサイリスタ
駆動回路９３からコンバータ３に出力されている制御信
号に基づいてサイリスタの導通角を検出する。導通角は
予定周期で連続的に検出され、その平均導通角が算出さ
れる。平均導通角は予定回（例えば１０回分）の連続デ
ータを移動平均によって算出するのが好ましい。
【００２０】サイリスタ導通角検出部１０１で算出され
た平均導通角は偏差検出部１０２に入力され、目標導通
角に対する偏差が検出される。すなわち、発電機１が出
力に余裕のある状態で運転されているかどうかをサイリ
スタの平均導通角に基づいて判断する。そのために、目
標導通角は例えば８０％に設定してある。この目標導通
角は、一般的な制御目標値と同様、一定のヒステリシス
を有するのがよい。なお、目標導通角は固定値であって
もよいし、エンジン２の温度に応じて可変としてもよ
い。例えば、エンジン２の温度が低いときは、目標導通
角を小さくする。こうして、偏差検出部１０２で検出さ
れた偏差が「０」になるようにエンジン２が目標回転数
に調整され、発電機１に余裕がある状態が維持される。
【００２１】図７は導通角８０％で制御されたときのサ
イリスタの出力電圧波形である。同図において、導通角
αはサイリスタが導通している時間に対応する電気角で
あり、既知の適宜の手段によって決定される。
【００２２】目標回転数更新部１０３は偏差検出部１０
２から入力される偏差に応じて回転数調整量を出力する
よう、例えば、偏差を読み出しアドレスとして回転数調
整量を出力するテーブルで構成できる。
【００２３】図８は前記偏差と回転数調整量との関係を
示す図である。ここで、偏差は目標導通角に対する実導
通角の偏倚量つまり「実導通角−目標導通角」である。
同図において、前記偏差がプラスのときは、それがマイ
ナスのときよりも、偏差に対応する回転数調整量が大き
く設定されている。偏差がプラスのときは、導通角が目
標導通角（８０％）を超えている場合であるから発電機
１に余裕がないと判断され、負荷に相応する発電機１の
出力増加応答を早くする必要があるからであり、偏差が
マイナスのときは発電機１に余裕があると判断されるの
で、過度な応答によるオーバシュートによって起こり得
る回転数の頻繁な上下を避けるのが好ましいからであ
る。
【００２４】図６に戻って、目標回転数記憶部１０４は
目標回転数更新部１０３から入力される目標回転数調整
量を、すでに格納されている目標回転数に加算して新た
な目標回転数とする。目標回転数は最高・最低回転数設
定部１０５に設定されている最高回転数または最低回転
数の範囲内で更新される。前記目標回転数調整量を加算
した結果、目標回転数が前記範囲から外れるようなとき
は、目標回転数は前記最高回転数または前記最低回転数
に制限される。最低回転数を規定しているのは、サイリ
スタ導通角がわずかな回転数変化に反応することで無負
荷〜軽負荷での安定性を悪化させないためである。
【００２５】回転数検出部１０６は発電機１の回転数を
検出する。制御量演算部１０７は前記回転数検出部１０
６から入力される実回転数と前記目標回転数記憶部１０
４から読み込んだ目標回転数とに基づいて、目標回転数
に対する実回転数の偏差をゼロにするための制御量を、
既知の適宜の手法（例えば比例・積分・微分）によって
演算する。スロットル制御部１０８はステッフピングモ
ータ７を含み、制御量演算部１０７での演算結果に応じ
てステッピングモータ７を駆動するためのパルス数を出
力し、ステッピングモータ７はこれに応答して回動し、
スロットル開度を変化させる。
【００２６】上述のように、コンバータ３の出力を制御
するサイリスタブリッジ整流回路の平均導通角が予め設
定された値（例えば８０％）に維持されるようにエンジ
ン２の回転数を制御しているので、発電機１は常に余力
のある状態で負荷に電力を供給することができる。すな
わち、負荷が増大した場合、コンバータ３の出力電圧の
変動に応答してサイリスタの導通角を大きくして直ちに
負荷の増大に追従できると共に、その導通角の増大に見
合ってエンジン２の回転数が比較的緩やかに増大され
る。エンジン回転数の頻繁な変化を緩和してエンジンの
騒音や燃料消費量低減に有利に作用する。
【００２７】また、インバータの入力側でコンバータの
出力電圧を検出しているので、インバータの出力の有効
電力、インバータの変換効率、回転数毎の発電能力、な
らびに発電機および有効電力検出部の製品ばらつき等を
パラメータとして算出する必要がなくなり、制御が簡単
になる。なお、本実施形態では、発電機の出力電流を整
流するためにサイリスタブリッジを採用したコンバータ
を例に説明したが、他の電圧制御方式、例えば整流後の
スイッチングＤＣ電圧変換方式であってもよい。
【００２８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１の発明によれば、低回転数領域では、目標値を下げて
電圧を制御する分、より低い回転数領域での使用が可能
である。一方、高回転数領域では、目標値を上げて制御
する分、高回転数領域で効率を低下させることなく運転
できる。
【００２９】また、請求項２の発明では、エンジン回転
数を制御するにあたってより広い範囲でエンジン回転数
を変化させて、導通割合を所望の値に制御することがで
きる。さらに、請求項３の発明によれば、負荷の変動に
対応した適度な応答速度で、出力を増減することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るエンジン発電機の
システム構成を示すブロック図である。
【図２】 目標電圧と回転数との関係を示す図である。
【図３】 サイリスタ駆動部の要部機能ブロック図であ
る。
【図４】 本発明の実施形態に係る発電機の出力特性と
目標電圧との関係を示す図である。
【図５】 インバータの出力電圧制御部を含む発電機の
要部ブロック図である。
【図６】 エンジン発電機の燃料量制御部の要部構成を
示すブロック図である。
【図７】 サイリスタの導通角（半導体整流素子の導通
割合）の説明図である。
【図８】 導通角偏差と目標回転数調整量との関係を示
す図である。
【図９】 従来技術に係る発電機の出力特性と目標電圧
との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…発電機、 ２…エンジン、 ３…コンバータ、 ４
…インバータ、 ７…スロットル開度制御用モータ、
８…電圧検出部、 ９…サイリスタ駆動部、１０…燃料
量制御部、 ９１…目標電圧算出部、 ９２…電圧偏差
検出部、 ９２…サイリスタ駆動回路、 １０１…導通
角検出部、 １０２…偏差検出部、１０３…目標回転数
更新部、 １０６…回転数検出部、 １０８…スロット
ル制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H590 AA02 AA06 AA24 CA07 CC02 CC18 CC23 CC24 CD01 CD03 CE04 EB12 EB21 FA01 FA08 FB01 FB02 FB05 FC15 GA02 GA10 GB05 HA02 HA18 HA27 JA02

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁石発電機出力を整流する半導体整流素
    子よりなるコンバータと、該コンバータから出力される
    直流を所定周波数の交流に変換するインバータとを有す
    るインバータ制御式発電機において、 前記コンバータの出力電圧を目標値に制御するため前記
    半導体整流素子の導通を制御する半導体整流素子駆動手
    段と、 前記磁石発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、 前記検出された回転数に関して正特性を有するよう前記
    目標値を設定する目標電圧設定手段とを具備したことを
    特徴とするインバータ制御式発電機。
  2. 【請求項２】 前記半導体整流素子の導通割合を検出す
    る導通割合検出手段と、 前記導通割合が、あらかじめ設定された目標導通割合に
    収斂するよう前記発電機を駆動するエンジンの回転数を
    制御するエンジン回転数制御手段とを具備し、 前記エンジン回転数が、前記エンジンへの燃料供給量を
    制御することにより制御されることを特徴とする請求項
    １記載のインバータ制御式発電機。
  3. 【請求項３】 前記エンジン回転数制御手段が、 前記目標導通割合に対する導通割合の偏差の正負方向に
    より、正の場合はエンジン回転数を低減し、負の場合は
    エンジン回転数を増大させる手段を含み、 かつ前記低減の程度よりも増大の程度を大きくするよう
    にしたことを特徴とする請求項２記載のインバータ制御
    式発電機。
JP2001000310A 2001-01-05 2001-01-05 インバータ制御式発電機 Pending JP2002204596A (ja)

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US09/998,169 US6713887B2 (en) 2001-01-05 2001-12-03 Inverter controlled generator set
TW090130467A TW546915B (en) 2001-01-05 2001-12-10 Inverter controlled power generator
EP02000113A EP1221768B1 (en) 2001-01-05 2002-01-03 A generator set having an inverter
DE60200350T DE60200350T2 (de) 2001-01-05 2002-01-03 Generatorsatz mit einem Wechselrichter
KR1020020000383A KR100695979B1 (ko) 2001-01-05 2002-01-04 인버터제어식 발전기
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