JP2005102352A - 電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電機の出力を位相制御して負荷に直接供給できる電力制御装置を提供する。
【解決手段】 エンジン等で駆動される発電機Ｇの出力がバッテリに一旦充電されることなくコンバータ１０を介して負荷であるモータ７に直接接続される。発電機Ｇの各相の出力はコンバータ１０に入力される。タイミング制御部１２６は、コンバータ１０内のサイリスタブリッジ１０１の導通角を制御することにより出力電力量を調節する。位相制御のための同期基準は発電機Ｇの副巻線２６の出力波に基づいて形成される。電圧検出部１２４はモータ７に対する印加電圧をモータ回転数として検出し、検出された電圧が目標値に維持されるように導通角が増減される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力制御装置に係り、特に、エンジン等で駆動される発電機からモータ等の負荷に直接供給できる電力を発生させることができる電力制御装置に関する。

近年、動力源としてのエンジンと、このエンジンで駆動される発電機の出力で駆動されるモータとを混成使用するハイブリッド方式の作業機が提案されている。例えば、特開２００１−１６１１１４号公報には、走行車両に作業機を装着した乗用用農作業機において、作業機側の駆動系と走行車両側に搭載した発電機の駆動系とにエンジンの動力を伝達し、作業機によるエンジンの負荷が小さいときは、エンジンの余剰動力で発電機を駆動し、余剰エネルギをバッテリに電力として蓄積するものが開示されている。この乗用農作業機は、エンジン負荷が適正範囲に保持するとともに、バッテリをモータの駆動源に利用することができるエネルギ効率重視型のハイブリッド方式作業機である。

一方、特開２００１−１６１１０４号公報には、管理機本体の走行駆動と発電機駆動にエンジンの動力を使用し、管理機（作業機）は発電機で充電されたバッテリを電源とするモータによって駆動するハイブリッド方式の管理機が開示されている。この管理機は、複雑な作業機操作機構を簡素化できるモータの制御容易性に着目した操作性改善型のハイブリッド式の作業機である。
特開２００１−１６１１１４号公報 特開２００１−１６１１０４号公報

上記従来のハイブリッド方式の作業機や管理機は、いずれもエンジンで駆動される発電機の発電出力を一旦蓄えるためにバッテリが必須である。したがって、小型の作業機であっても、バッテリを搭載した分だけ、大型化及び重量の増大化が避けられなかった。特に、発電機の出力容量が小さい場合は、電源変動を生じやすいため、バッテリがこの電源変動を抑制する機能を果たしていた。したがって、バッテリを備えていないと、負荷変動が大きい場合に出力が不安定になりやすいという問題があった。

本発明の目的は、上記問題点を解消し、発電機の主出力を制御して直接的にモータに供給できる電力を得ることができる電力制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、発電機の交流出力をスイッチング制御することによって出力電力量を調節する出力制御回路と、前記発電機に主出力巻線とは分離して巻装された副出力巻線の出力周期の１周期毎に同期基準を決定する同期基準決定回路とを備え、前記出力制御回路の出力電圧と所定の目標電圧との差分が解消されるよう、該差分に応じた決定された導通角で前記スイッチング制御を行うように構成した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記同期基準が、前記出力制御回路の対応交流出力波に関して、該同期基準が決定された直後のサイクルにおけるスイッチング制御の基準に使用される点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記出力制御回路の出力負荷電流に応じて前記導通角を補正する点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記副出力巻線の出力で、前記出力制御回路を駆動するための制御電源を生成する駆動電源生成手段を具備した点に第４の特徴がある。

さらに、本発明は、前記発電機がエンジンで駆動され、前記出力制御回路の出力がモータへ直接供給されるバッテリレスハイブリッド形式の動力源として構成される点に第５の特徴がある。

第１の特徴によれば、発電機の各相の出力波に対して同期させた状態で直接スイッチング制御の導通角を変化させているので、安定した出力を得ることができる。この出力は発電機の負荷変動を受けることなく安定している。

第２の特徴によれば、副出力巻線の出力に基づいて形成された同期基準を算出後の１サイクルにおいて直ちに使用できるので、精度よく位相制御を行うことができる。第３の特徴によれば、負荷変動に容易に対応することができる。

第４の特徴によれば、副出力巻線は主出力巻線と分離しているので、主出力巻線のように負荷の影響を受けることなく同期基準を決定することができる。

第５の特徴によれば、エンジンの回転数変動に影響されないバッテリレスハイブリッド形式のシステムを実現することができる。

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２は本発明の一実施形態に係る電力制御装置をハイブリッド方式の駆動装置として適用した芝刈機の全体斜視図、図３は芝刈機の要部平面図である。図２において、芝刈機のカッタハウジング１の前部には一対の前車輪Ｗｆ，Ｗｆが、また後部に一対の後車輪Ｗｒ，Ｗｒ（後右車輪は図示していない）が懸架される。カッタハウジング１の中央部には、クランク軸が上下に延在しているバーチカル型エンジンＥが搭載され、エンジンＥの上方突出部にはエンジンカバーＣが被せられる。エンジンＥは回転数を多段階、例えば、３０００，２５００，２０００ｒｐｍに切り替え可能であり、さらに機械式ガバナでこれらの回転数に維持するように制御される。カッタハウジング１の後部両側には後方に向って後上りに延びる操作ハンドルＨが設けられ、さらに、カッタハウジング１の後部には、刈り取られた芝を収容するためのグラスバッグＢが設けられる。

図３において、カッタハウジング１の中央部は下面つまり地面側が開放された中空円筒状の空間であり、ブレードカッタ４が収容されるカッタ室３が形成される。ブレードカッタ４は、エンジンＥのクランク軸５に連結され、エンジンＥで駆動されてカッタ室３内で回転する。カッタハウジング１の進行方向右側には、カッタ室３の出口から後方にのび、前記グラスバッグＢに通じる芝放出口２が形成される。ブレードカッタ４で刈り取られた芝等は、この芝放出口２を通ってグラスバッグＢに集められる。

カッタハウジング１の後部左右両側には、後輪支持部材１４，１４が配置され、該支持部材１４，１４には後車輪Ｗｒ，Ｗｒの車軸１６，１６が軸架される。左右の支持部材１４，１４は連結軸１９で互いに結合され、該連結軸１９と平行に出力軸１７，１８が設けられる。出力軸１７および１８の一端はモータ７に結合されるとともに、出力軸１７および１８の他端は、それぞれ前記支持部材１４，１４側に延びて減速歯車機構８を介して後車輪Ｗｒ，Ｗｒの車軸１６，１６に連結される。

エンジンＥの上部を覆うエンジンカバーＣ内には、図示しないリコイルスタータが収容される。エンジンカバーＣには、リコイルスタータのスタータロープ（図示しない）に結合されるスタータグリップ１５が保持されている。

図１は、上記芝刈り機の駆動装置の構成を示すブロック図である。発電機Ｇは、例えば、磁石回転子を有するアウタロータ式三相交流発電機であり、前記エンジンＥに結合されるロータ（回転子）とこのロータに対応するステータとからなる。ステータは主巻線２５と副巻線２６とからなる。主巻線２５による発電機Ｇの三相出力はパワーライン１１を通じてモータ７の出力制御回路であるＤＣコンバータ１０に接続される。ＤＣコンバータ１０は、サイリスタ１０１ａ，１０１ｂおよびサイリスタ１０１ｃ（以下、統合して「サイリスタ１０１」と呼ぶ）並びにダイオード１０２ａ，１０２ｂおよび１０２ｃからなるブリッジ回路である。ＤＣコンバータ１０は入力された交流を位相制御してモータ７に供給する。モータ７は直流ブラシモータである。

サイリスタ１０１はモータ７の回転速度が目標速度になるように位相制御され、モータ７の回転数が制御される。つまり、サイリスタ１０１の導通角を制御して発電機Ｇの出力交流の波形内の導通割合を制御する。制御用電源は、副巻線２６の三相出力によって形成される。副巻線２６の三相出力ラインは全波整流器１３に接続され、その出力が制御用電源として制御装置１２に入力される。

制御装置１２は、駆動電源生成部１２０と、制御用定電圧生成部１２１と、位相検出部１２２と、エンジン回転数検出部１２３と、電圧検出部１２４と、電圧指令値生成部１２５と、タイミング制御部１２６とを有する。

駆動電源生成部１２０は、サイリスタ１０１の駆動電源を生成する。制御用定電圧生成部１２１は制御装置１２の各部を駆動する電源としての定電圧電源を生成する。位相検出部１２２は、副巻線２６の一つの相の波形によって発電機Ｇの出力波形の位相を検出する。検出された出力波形の位相は、後述する同期基準の算出に使用される。エンジン回転数検出部１２３は副巻線２６の一つの相の波形が発電機Ｇの１回転につき所定回数（例えば２１極の場合は７回）現れることを利用して発電機Ｇの回転周期つまり発電機Ｇを駆動するエンジンＥの回転数を検出する。

電圧検出部１２４はＤＣコンバータ１０からモータ７へ印加される電圧を検出する。モータ７への印加電圧はモータ７の回転数を代表する。電圧指令値生成部１２５は、モータの回転数（つまり芝刈り機の速度）を所望値にするための印加電圧の基準値である電圧指令値（つまり速度目標値）を決定する。電圧指令値は、例えばボリューム（可変抵抗器）を使用して芝刈り機オペレータが指示する速度指示値に対応して決定される。電圧指令値生成部１２５は速度指示値を入力されると予定の演算式で電圧指令値を演算するものでもよいし、速度指示値をアドレスとして電圧指令値を出力するメモリであってもよい。

タイミング制御部１２６は、電圧検出部１２４で検出されるモータ７の印加電圧と電圧指令値生成部１２５で決定された電圧指令値とを比較して、その比較結果によりサイリスタ１０１の導通開始位相を決定する。サイリスタ１０１はタイミング制御部１２６で決定された導通開始位相で導通開始され、所望の位相角でスイッチング制御される。すなわち、モータ７に対する印加電圧が目標電圧値である電圧指令値より高い場合は導通角を小さくし、印加電圧が電圧指令値より低い場合は導通角を大きくするようにサイリスタ１０１を動作させて電圧指令値に対する印加電圧の差を解消する。

スイッチング制御は、発電機Ｇの出力波形の位相つまり位相検出部１２２で検出された位相に基づいて同期がとられる。この同期制御のためにカウンタが設けられ、そのカウンタで副巻線２６の出力波形の周期を計数し、その計数値に基づいて設定された時間が経過した時に各相毎の同期した駆動信号を出力する。同期制御の詳細はさらに図５を参照して後述する。

さらにエンジン回転数が変動する場合であっても１回前つまり直前のサイクルの周期で算出された早期信号を基準としていて、ほとんど遅れなく追従させることが可能であることから、モータ７の回転数を所望値に安定に維持することができる。また、エンジン回転数は電圧指令値生成部１２５にフィードバックされており、回転数が低下したときにはエンジン負荷が過大であると判断してモータ７への通電量を低下させて回転数を低下させる。本実施形態の芝刈り機では、走行速度を低下させることによって、エンジン駆動されるブレードでの刈り取り量を低下させることでエンジン負荷を低下させる。また、モータ７の通電電流を検出する電流検出部１２８および負荷制御部１２９が設けられる。モータ７の通電電流の大きさによって負荷状態を検出し、負荷制御部１２９では、この負荷に対してモータ回転速度を維持できるよう、負荷の大きさつまり通電電流値に応じた補正値を決定し、電圧指令値生成部１２５に供給する。例えば、上りの傾斜地を走行する場合においては、モータ７の負荷状態が大きくなるので、モータ７の通電電流を増大させて負荷に見合うモータ出力が得られるように補正する。

図４は、発電機Ｇのステータを示す正面図である。同図において、ステータのコア２１は相互に積層された複数枚のコア板から構成されていて、中心部に機体への取り付け固定用の嵌合孔２２を有して円板状に形成されるコア基部２３を有する。コア基部２３の外周には、放射状に突出された２１個の突極２４ａ〜２４ｕが形成されている。突極２４ａ〜２４ｕのうち、２４ａ〜２４ｏには、主巻線２５が巻装され、突極２４ｐ〜２４ｕには制御電源用の副巻線２６が巻装される。主巻線２５はＵ相、Ｖ相、およびＷ相である３相のモータ用電力を出力するためのものであり、各相毎に５個の巻線が１組としてまとめられる。副巻線２６はＵ相、Ｖ相、およびＷ相である３相の制御電源用電力を出力するものであり、各相毎に２個の巻線が１組としてまとめられる。

図５は、ＤＣコンバータ１０のスイッチング制御のタイミングチャートである。図５（ａ）は、同期の基準を形成するための発電機出力の１相（ここではＵ相とする）の電圧波形を示す図である。この波形（以下、「基準電圧波形」という）は副巻線２６の出力に基づいて位相検出部１２２で検出される。図５（ｂ）は、基準電圧波形の１周期を計数する内部カウンタの状態と、各相の同期の基準を形成するためのカウンタ値を示す図である。図５（ｃ）はコンバータ１０の出力つまり発電電圧の波形を示す図である。なお、図５における各波形はモデル化つまり単純化して示している。

カウンタは基準電圧波形がゼロに立ち下がった時点ｔ０でゼロにリセットされる。そして、次に基準電圧波形が立ち下がった時点ｔ１で基準電圧波形の周期を計数するためのカウンタの値を記憶する（以下、カウンタの値をカウンタ値Ｃと呼ぶ）。カウンタ値Ｃが記憶されると同時にカウンタ値はゼロにリセットされる。記憶されたカウンタ値Ｃつまり副巻線２６の出力波形である基準電圧波形の周期は、主巻線２５によって出力される交流の周期に対応する。したがって、このカウンタ値Ｃに基づいて形成された同期の基準は、主巻線２５の各相の出力交流をスイッチング制御するために用いることができる。

時点ｔ１からカウンタ値Ｃが経過した時点、すなわち時点ｔ２をＵ相のサイリスタスイッチング基準とする。また、Ｖ相のサイリスタスイッチング基準は、時点ｔ１からカウンタ値Ｃの１／３に相当する時間が経過した時点を基準とする。さらに、Ｗ相のサイリスタスイッチング基準は、時点ｔ１からカウンタ値Ｃの２／３に相当する時間が経過した時点を基準とする。これらの基準は導通角が０°の位置であり、この基準から最大マイナス２４０°の範囲で導通角を変化させる。

すなわち、導通角を最大にした場合、Ｕ相では時点ｔ１からカウンタ値Ｃの１／３に相当する時間が経過した時点からカウンタ値Ｃに相当する時間が経過した時点までサイリスタを点弧（オン）させる。また、Ｖ相では時点ｔ１からカウンタ値Ｃの１／３に相当する時間が経過した時点まで、および時点ｔ１からカウンタ値Ｃの２／３に相当する時間が経過した時点からカウンタ値Ｃに相当する時間が経過した時点までサイリスタを点弧（オン）させる。さらに、Ｗ相では時点ｔ１からカウンタ値Ｃの２／３に相当する時間が経過した時点までサイリスタを点弧（オン）させる。

図５（ｃ）において、ハッチングで示した範囲で、導通角つまりサイリスタ１０１の各相のサイリスタの点弧（オン）時間の一例を示す。ここでは導通角が１２０°つまりサイリスタの最大導通角に対する導通割合が５０％の例を示す。

上記実施形態では、副巻線２６は主巻線２５と同様に三相巻線であったが、副巻線２６は単相で構成してもよい。

図６は、単相制御電源用電圧に基づくＤＣコンバータ１０のスイッチング制御のタイミングチャートである。図６（ａ）は、単相からとった基準電圧波形を示す図である。図６（ｂ）は、基準電圧波形の１周期を計数する内部カウンタの状態を示す図である。図６（ｃ）はコンバータ１０の出力つまり発電電圧の波形を示す図である。なお、図６における各波形もモデル化つまり単純化して示している。

図６に関する動作は、図５に関して説明したのと同様であるが、単相の基準電圧波形に基づいて三相の主巻線２５の出力制御を行うという点で異なる。したがって、カウンタ値Ｃに基づく同期の基準は、単相および三相における各相の位相の違いに従って、時点ｔ２，ｔ３，ｔ４からそれぞれ各相６０°ずつ中心を偏倚した位置に設定される。

例えば、時点ｔ１からカウンタ値Ｃが経過した時点、すなわち時点ｔ２からマイナス方向へ６０°（カウンタ値Ｃの１／６に相当する時間）ずれた時点をＵ相のサイリスタスイッチング基準とする。Ｖ相のサイリスタスイッチング基準は、時点ｔ１からカウンタ値Ｃの１／６に相当する時間が経過した時点を基準とする。さらに、Ｗ相のサイリスタスイッチング基準は、時点ｔ１からカウンタ値Ｃの１／２に相当する時間が経過した時点を基準とする。これらの基準は導通角が０°の位置であり、この基準から最大マイナス２４０°の範囲で導通角を変化させるのは、三相の場合と同様である。

なお、上述の実施形態では、モータ７の通電電流の大きさによってモータ７の負荷状態を検出し、その負荷状態に応じて補正された出力が得られるようにした。しかし、本発明は、この実施形態に限定されず、負荷状態に応じた補正を省略することもできる。

本実施形態では、エンジン駆動発電機の出力を位相制御してモータ駆動用のシステムを例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。発電機はエンジンで駆動されるものに限らないし、ＤＣコンバータに接続される負荷もモータには限定されない。

本発明の一実施形態に係る作業機の駆動装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る芝刈り機の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る芝刈り機の要部平面図である。 発電機のステータの構造を示す正面図である。 ３相制御電源用電圧に基づくスイッチング制御のタイミングチャートである。 単相制御電源用電圧に基づくスイッチング制御のタイミングチャートである。モータの電流と電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１…カッタハウジング、 ２…芝放出口、 ３…カッタ室、 ４…ブレードカッタ、 ５…クランク軸、 ７…モータ、 ８…減速歯車機構、 １０…ＤＣコンバータ、 １１…パワーライン、 １２…制御装置、 ２６…主巻線、 ２６…副巻線、 １２０…駆動電源生成部、 １２１…制御用定電圧生成部、 １２２…位相検出部、 １２３…エンジン回転数検出部、 １２４…電圧検出部、 １２５…電圧指令値生成部、１２６…タイミング制御部、 Ｅ…エンジン、 Ｇ…発電機

Claims (5)

1. 発電機から出力される交流電力を制御する電力制御装置において、
   前記発電機の交流出力をスイッチング制御することによって出力電力量を調節する出力制御回路と、
   前記発電機に主出力巻線とは分離して巻装された副出力巻線の出力周期の１周期毎に同期基準を決定する同期基準決定回路とを備え、
   前記出力制御回路の出力電圧と所定の目標電圧との差分が解消されるよう、該差分に応じた決定された導通角で前記スイッチング制御を行うように構成したことを特徴とする電力制御装置。
2. 前記同期基準が、前記出力制御回路の対応交流出力波に関して、該同期基準が決定された直後のサイクルにおけるスイッチング制御の基準に使用されることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
3. 前記出力制御回路の出力負荷電流を検出する電流検出手段と、
   前記負荷電流の大きさに応じて前記導通角を補正する負荷制御手段とを具備したことを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
4. 前記副出力巻線の出力で、前記出力制御回路を駆動するための制御電源を生成する駆動電源生成手段を具備したことを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
5. 前記発電機がエンジンで駆動され、前記出力制御回路の出力がモータへ直接供給されるバッテリレスハイブリッド形式の動力源として構成される請求項１記載の電力制御装置。

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