JP2006101636A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】一時的な過負荷時に昇圧コンバータの保護機能により出力が遮断されるのを防止して電力源の容量範囲内で最大限の出力を確保できるようにすること。
【解決手段】バッテリ5から供給される直流を昇圧する双方向DC−DCコンバータ(昇圧コンバータ)4を設ける。昇圧された直流はインバータ3で交流に変換されて負荷側へ出力される。負荷電流Iddcは電流検出部15で検出され、出力制限量決定部16に入力される。出力制限量決定部16は、負荷電流Iddcが制限開始電流値Iaを超えたときから、制限電流値Ibまでの距離に応じてインバータの出力の制限を開始するための出力電圧値を決定する。インバータ駆動部17は、この出力電圧値に従ってインバータ3内のFETをスイッチングして出力を制限する。一時的な過負荷が解消されたならば、出力は最大値に回復する。
【選択図】 図1
【解決手段】バッテリ5から供給される直流を昇圧する双方向DC−DCコンバータ(昇圧コンバータ)4を設ける。昇圧された直流はインバータ3で交流に変換されて負荷側へ出力される。負荷電流Iddcは電流検出部15で検出され、出力制限量決定部16に入力される。出力制限量決定部16は、負荷電流Iddcが制限開始電流値Iaを超えたときから、制限電流値Ibまでの距離に応じてインバータの出力の制限を開始するための出力電圧値を決定する。インバータ駆動部17は、この出力電圧値に従ってインバータ3内のFETをスイッチングして出力を制限する。一時的な過負荷が解消されたならば、出力は最大値に回復する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、電源装置に関し、特に、保護機構が働いて出力が停止されるような過負荷を回避して、発電電力の容量の範囲内で最大限の出力を確保することができる電源装置に関するものである。
インバータ式発電装置などの電源装置においては、発電電力源としてエンジン駆動式の発電機や小型燃料電池が使用されることがある。これらの発電電力源は一般に出力容量が大きくない。このため、水銀灯や電動機など、起動時に一時的に大電流が流れる負荷が接続された場合、一時的に過負荷状態が発生し、例えば、エンジン駆動式発電機の場合は回転数が低下する。そして、この回転数の低下によってさらなる出力低下を招くという悪循環を起こし、結果的にエンジンストールに至ることもある。
このような問題に対応するために、本出願人は、バッテリのような小規模の第2の電力源を設けて、一時的な過負荷状態の時に、電力の不足分をこのバッテリから供給することを提案している(特願2003−67966号明細書参照)。
特願2003−67966号明細書
第2の電力源を設けることによって、一時的な過負荷へ簡単に対応できるが、バッテリのような小容量の電力源では供給電力自体が限られているので、この第2の電力源の過負荷防止も必要になり、結局は第2の電力源の容量を大きくしないと主たる電力源に対する十分なアシスト機能を発揮できない場合がある。また、このようなアシスト機能でなく主たる発電電力を昇圧コンバータで昇圧してインバータの入力電圧を安定化させる場合であっても、発電電力容量を超えた負荷が接続されると同様の問題が発生する。
本発明の目的は、前記の課題を解決し、例えば、エンジン駆動発電機のエンジンがストールを起こすなどの事態に至るのを防止、つまり電力源が過負荷とならないようにすることができる電源装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、本発明は、電力源からの直流をインバータで所定周波数の交流に変換して負荷側へ出力する電源装置において、前記直流を昇圧して前記インバータへ供給する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの負荷電流を検出し、この負荷電流が予定値以上となった場合に前記インバータの出力を制限する制御手段とを具備した点に第1の特徴がある。
また、本発明は、発電機で形成された直流をインバータで所定周波数の交流に変換して負荷側へ出力する電源装置において、前記発電機とは別に設けられる第2の電力源と、前記第2の電力源から供給される直流電圧を昇圧して前記インバータへ供給する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの負荷電流を検出し、この負荷電流が予定値以上となった場合に前記インバータの出力を制限する制御手段とを具備した点に第2の特徴がある。
また、本発明は、発電機の出力交流を整流する整流回路から出力された直流をインバータで所定周波数の交流に変換して負荷側へ出力する電源装置において、前記発電機とは別に設けられる第2の電力源と、前記第2の電力源から供給される直流電圧を昇圧して前記整流回路および前記インバータ間へ供給する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの負荷電流を検出し、この負荷電流が予定値以上となった場合に前記インバータの出力を制限する制御手段とを具備した点に第3の特徴がある。
また、本発明は、前記第2および第3の特徴に加え、前記インバータの入力側電圧を調整するレギュレータをさらに具備し、前記レギュレータの入力側に前記昇圧コンバータを接続するとともに、前記レギュレータの入力側電圧に応じて前記第2の電力源からの電力を前記昇圧コンバータに供給するように構成した点に第4の特徴がある。
また、本発明は、前記インバータの出力の制限は、このインバータの出力電圧を低下させることにより行い、出力電圧が、所定の制限電流Ibより低電流である制限開始電流Ia以下のときに電圧振幅値が100%であり、制限電流Ibのときに電圧振幅値が0%となるように、前記負荷電流Iddcに従って、電圧振幅値(%)=100−(Iddc−Ia)/(Ib−Ia)×100の算出式で計算される点に第5の特徴がある。
また、本発明は、前記発電機がエンジンで駆動される発電機であり、前記第2の電力源がバッテリであり、前記インバータの負荷電流が予定値以下のときには前記第2の電力源からのみインバータへ電圧供給するように構成するとともに、前記バッテリの供給能力が不足したときには前記昇圧コンバータの出力で前記エンジンの始動装置を駆動するよう構成した点に第6の特徴がある。
第1〜第6の特徴を有する本発明によれば、負荷電流が所定値以上になったときにインバータの出力を制限するので、昇圧コンバータの保護機能が作動してその出力を停止する負荷量に到達する前に昇圧コンバータの負荷量を軽減してインバータへ電力供給を継続できるので、インバータから外部への出力が停止するのが回避される。したがって、バッテリや発電機等の電力源の容量範囲内で最大限の出力を確保しながら運転を継続していくことができる。
特に第2,3の特徴によれば、第2の電力源の容量範囲内で、発電機を最大限補助することができる。
第4の特徴によれば、昇圧コンバータの出力変動等が、レギュレータの作用で、インバータ入力側へ影響することを抑制できる。
第5の特徴によれば、負荷電流Iddcが制限開始電流Iaに至ったときから、制限電流Ibに至るまでの間で出力電流を保持したまま、負荷電力を減らすことができるため、モータのような誘導負荷に対応することができ、かつ入力電力は軽減されるのでエンジンストールが防止できる。
第6の特徴によれば、エンジン始動時は負荷が増大するが、その負荷の増大分が出力の制限によって相殺されるので、バッテリが過負荷にならず、エンジンを支障なく始動させることができる。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図2は、本発明の一実施形態に係る電源装置の概念を示すブロック図である。ここでは、発電機を備えた発電装置として電源装置が具現化されている。同図において、第1の電力源としての発電機1は、例えば、図示しないエンジンによってロータが駆動される3相の多極磁石式エンジン発電機である。発電機1は、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機とすることができる。
整流回路2は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機1の出力を全波整流する。整流素子には、FETなどのスイッチング素子が並列接続されている。これらのスイッチング素子は、発電機用エンジンを始動する際には、発電機1を電動機として駆動するよう制御される。整流回路2のスイッチング素子のオン、オフにより、第2の電力源としてのバッテリ5から双方向DC−DCコンバータ4を介して印加される直流電圧を3相のAC電圧に変換して発電機1に供給することができる。つまり、整流回路2は、電動機の駆動用インバータとしての機能を有する。
逆変換部3は、DCレギュレータ(スイッチング・コンバータ)3−1とインバータ3−2とを有し、整流回路2の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。このスイッチング・コンバータ3−1は、発電機1やバッテリ5の出力変動がインバータ3−2の入力電圧に影響を及ばないようにする機能を有する。インバータ3−2には、一時的に大きい電流が流れる水銀灯や電動機等を含めた種々の負荷20が接続される。
バッテリ5は、発電機1の電力による直流電源に対して必要に応じて補助電力を供給する外部直流電源である。つまり、この電源装置は発電機1とバッテリ5の電力とを利用するハイブリッド型である。バッテリ5の電圧を昇圧して逆変換部3に供給するための手段として、整流回路2の出力側つまり逆変換部3の入力側に昇圧型の双方向DC−DCコンバータ4が接続される。双方向DC−DCコンバータ4は、整流回路2の出力つまり発電機出力が十分であり、かつバッテリ5の残量が少ないときに、整流回路2の出力でバッテリ5を充電する機能を有する。以下では、双方向DC−DCコンバータ4のバッテリ5側を一次側、整流回路2側を二次側と呼ぶことがある。バッテリ5は、例えば、エンジン始動用電動機の電源として一般的に使用されている12Vのバッテリである。
上記電源装置の動作を説明する。双方向DC−DCコンバータ4は、一次側と二次側とが完全同期するように同一の駆動信号で駆動する。この駆動形態により双方向DC−DCコンバータ4は、以下に説明するように、自動的に双方向で電力変換を行うものとなる。
エンジンの始動時、双方向DC−DCコンバータ4のトランスの巻線比による一次側と二次側との相対電圧差に基づいて、バッテリ5のDC電圧が双方向DC−DCコンバータ4で昇圧され、昇圧されたDC電圧が駆動用インバータ(整流回路)2に与えられる。駆動用インバータ2は、図示しない制御部からの始動指令によってスイッチング駆動され、このDC電圧を3相のAC電圧に変換して発電機1に与え、発電機1をエンジン始動用電動機として起動する。
エンジンが始動すると、発電機1はエンジンにより駆動され、駆動用インバータ2のスイッチング動作は停止される。発電機1の出力は、整流回路(駆動用インバータ)2で整流され、逆変換部3のスイッチング・コンバータ3−1で電圧調整され、さらにインバータ3−2で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。
過負荷状態でないときには、負荷量に対して整流回路2から十分な出力が得られており、発電機1のみによって負荷へ電力が供給される。このとき、双方向DC−DCコンバータ4を通してバッテリ5から電力は供給されない。
双方向DC−DCコンバータ4は整流回路2の出力側に接続されているため、過負荷状態でなくて、バッテリ5の残量が少なければ、双方向DC−DCコンバータ4を通して整流回路2の出力によりバッテリ5は自動的に充電される。すなわち、バッテリ5の変換出力が整流回路2の出力電圧より低ければ、双方向DC−DCコンバータ4のトランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に基づいて、バッテリ5が整流回路2の出力で充電されるように電力変換が行われる。
一方、負荷量が増加して発電機1の出力では負荷20に対応しきれなくなると、整流回路2の出力が低下する。この低下に伴い双方向DC−DCコンバータ4の一次側から二次側への電力変換が行われ、バッテリ5からも電力が供給されるようになる。したがって、過負荷状態では、発電機1の変換出力にバッテリ5の変換出力が重畳され、発電機1がバッテリ5にアシストされた形で負荷へ電力が供給される。また、発電機1が停止しているときには、バッテリ5単独で双方向DC−DCコンバータ4、逆変換部3を通して負荷20に電力を供給することが可能である。
図3は、本発明に係る発電装置の一実施形態の具体的な回路図であり、図2と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。3相の発電機1は、エンジン(図示せず)に連結される。発電機1の出力側は、駆動用インバータ2に接続される。駆動用インバータ2は、例えば、FETなどの6つのスイッチング素子(以下、FETと記す。)2−1〜2−6をブリッジ接続して構成される。
FET2−1〜2−6のそれぞれには、ダイオードなどの整流素子D1〜D6が並列に接続されて整流回路2を構成する。これらの整流素子D1〜D6は、これらがMOS−FETの場合、MOS−FETの構造上生じる寄生ダイオードであってもよいし、別途接続されるダイオードであってもよい。
整流回路2の出力側は、逆変換部3のスイッチング・コンバータ3−1に接続される。図3の例では、スイッチング・コンバータ3−1は降圧型であり、例えばFET30、チョークコイル31、コンデンサ32,33、ダイオード34などを含み、インバータ3−2は、例えば4つのFET3−2−1〜3−2−4をブリッジ接続して構成される。
整流回路2と逆変換部3の接続点は、双方向DC−DCコンバータ4の二次側に接続され、DC−DCコンバータ4の一次側は、バッテリ5に接続される。
双方向DC−DCコンバータ4は、バッテリ5と整流回路2の出力との間で双方向に電力を融通するものであり、一次側の低圧側巻線4−1−1と二次側の高圧側巻線4−1−2を備えるトランス4−1含む。この双方向DC−DCコンバータ4の昇圧比は、低圧側巻線4−1−1と高圧側巻線4−1−2の巻線比により決定される。
低圧側スイッチング部4−2は、低圧側巻線4−1−1側に挿入され、高圧側スイッチング部4−3は、高圧側巻線4−1−2側に挿入される。低圧側スイッチング部4−2は、例えば、4つのFET4−2−1〜4−2−4をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部4−3も同様に4つのFET4−3−1〜4−3−4で構成される。
低圧側スイッチング部4−2および高圧側スイッチング部4−3の各FET4−2−1〜4−2−4、4−3−1〜4−3−4にはダイオードなどの整流素子D7〜D10、D11〜D14が並列接続される。これらの整流素子D7〜D10、D11〜D14もFETの寄生ダイオードであってもよいし、別途接続したダイオードでもよい。並列接続された整流素子D7〜D10、D11〜D14を合わせれば、低圧側スイッチング部4−2および高圧側スイッチング部4−3はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。
トランス4−1の高圧側巻線4−1−2側にはLC共振回路4−4が挿入される。LC共振回路4−4は、低圧側スイッチング部4−2および高圧側スイッチング部4−3の少なくとも一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるFET破壊を招かないように機能する。これは、正弦波状の電流の零クロス点付近でFETをオン、オフさせることができるからである。なお、LC共振回路4−4は、二次側ではなく一次側に設けてもよい。
低圧側スイッチング部4−2のFET4−2−1〜4−2−4および高圧側スイッチング部4−3のFET4−3−1〜4−3−4は、CPUなどからなる制御回路(図示せず)によりスイッチング制御される。なお、一次側および二次側に接続されているコンデンサ6、7は、出力平滑用コンデンサである。
次に、図3に従って動作を説明する。双方向DC−DCコンバータ4が自動的に双方向で電力変換を行うように、その低圧側スイッチング部4−2と高圧側スイッチング部4−3とを同一の信号で駆動して完全同期させる。この駆動は、周知のように、低圧側スイッチング部4−2においてはFET4−2−1と4−2−4のペア、FET4−2−2と4−2−3のペアを交互にオン、オフし、高圧側スイッチング部4−3においてはFET4−3−1と4−3−4のペア、FET4−3−2と4−3−3のペアを交互にオン、オフすることで行われる。
エンジンの始動時には、双方向DC−DCコンバータ4の一次側から二次側への電力変換が行われ、これにより昇圧されたバッテリ5のDC電圧が駆動用インバータ(整流回路)2に与えられる。駆動用インバータ2は、このDC電圧を3相のAC電圧に変換して発電機1に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。この起動は、駆動用インバータのFET2−1〜2−6を周知のようにPWM駆動することにより行われる。この際、発電機(電動機)1の動きに従って生じる逆起電圧で電流分配が変化することを利用して位相判別し、センサレス制御で同期駆動することができる。
エンジンが始動すると、発電機1はエンジンにより駆動されて出力を発生する。発電機1の出力は、整流回路(駆動用インバータ)2で整流される。このとき、駆動用インバータを構成するFET2−1〜2−6は駆動されず、発電機1の出力は、整流回路2の整流素子D1〜D6で全波整流される。整流回路2の出力は、逆変換部3のスイッチング・コンバータ3−1で平滑・調整され、さらにインバータ3−2で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。スイッチング・コンバータ3−1のDCレギュレートは、FET30をPWM変調することにより行われる。
バッテリ5の残量が少なければ、図2に関して説明したように双方向DC−DCコンバータ4で降圧された整流回路2の出力でバッテリ5が充電される。また、過負量が増加して発電機1の出力では負荷に対応しきれなくなると、双方向DC−DCコンバータ4を通してバッテリ5からも負荷に電力が供給される。
このように双方向DC−DCコンバータ4は、トランス4−1の巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に従い一次側と二次側とで自動的に電力のやり取りを行い、相互に電力を融通する。
本実施形態では、水銀灯や電動機がインバータ3−2に接続されていて、一時的に大電流が流れる過負荷状態が発生した場合に、保護機能が働いて双方向DC−DCコンバータ4が出力を停止する前に、インバータ3−2の出力を制限して双方向DC−DCコンバータが出力を停止するのを回避する。
図1は、インバータ3−2の出力制限用制御装置のブロック図であり、図3と同符号は同一または同等部分を示す。図1において、電流検出部15は、双方向DC−DCコンバータ4の電流値(負荷電流値)Iddcを検出する。出力制限量決定部16は、電流検出部15で検出された電流Iddcが制限開始電流Ia以上になった場合に、電流Iddcと制限開始電流Iaおよび制限電流Ibとに基づいてインバータ3−2の、制限された出力電圧値を算出する。出力電圧値はインバータ駆動部17に入力され、インバータ駆動部17はこの出力電圧値に基づいて、逆変換部3を構成するインバータ3−2のFET3−2−1〜3−2−4を駆動する。これによって、制限開始電流Ia以上でインバータ3−2の出力電圧が低下され、電流Iddcは制限電流Ibに至らず、保護機能は作動しない。
なお、通常のエンジン駆動式発電機には自動回転調速機構(ガバナ機構)を設けるのが一般的であるが、このようなガバナ機構を有している場合には、保護機能が作動しないようにインバータ3−2の出力電圧が制限されている間に、ガバナ機構によりエンジン回転数が増大して発電出力自体を増加させることによって出力の低減分が補償される。
出力制限量は次のように決定される。図4は、DC−DCコンバータ4の出力特性を示す図である。同図において、左縦軸は出力電圧(V)であり、18倍に昇圧された値を示す。右縦軸は出力(W)、横軸は双方向DC−DCコンバータ4の昇圧前の入力電流(Iddc)であり、出力電流の18倍のレンジで表現されている。線Aは出力電圧特性、線Bは出力電力特性を示す。なお、入力電圧はバッテリ5の電圧12ボルトである。出力が1キロワット(kW)になったときに過負荷と判断して双方向DC−DCコンバータ4は出力を停止するものとする。この例では、バッテリ5による入力電圧が12ボルトであるので、入力電流の制限電流Ibは約83アンペア(1KW÷12V≒83A)である。双方向DC−DCコンバータ4がその保護機能によって出力停止するのを回避するために、入力電流Iddcが制限電流Ibより低い制限開始電流Iaになったときに、出力電圧Vの制限を開始する。入力電流Iddcが制限開始電流Iaのときのインバータ3−2の出力電圧(電圧振幅値)を100%として、入力電流Iddcが制限電流Ibのときのインバータ3−2の出力電圧(電圧振幅値)を0%とすると、制限開始電流Iaおよび制限電流Ib間での電流Iddcに応じて電圧振幅値は次の式を使って計算できる。電圧振幅値(%)=100−(Iddc−Ia)/(Ib−Ia)×100…(式1)。
上記実施形態では、発電機1は、エンジン駆動式発電機のエンジンの始動用電動機を兼用したものであり、バッテリ5を発電機1の出力を補助する第2電力源としたシステムに本発明を適用した。しかし、本発明は、このようなハイブリッド型の電源装置に限定されない。エンジン駆動式の発電機およびバッテリのいずれか一方のみを電力源し、このような電力源から供給される直流電圧を昇圧してインバータへ供給するように構成される電源装置として適用することができる。
例えば、バッテリ5を主電源として、発電機1を補助電源とする形態が考えられる。つまり、バッテリ5のみで出力を負荷に供給している場合に、発電機1を始動する場合も想定される。この場合、バッテリ5は、負荷に対して出力を供給しながら、発電機1を始動させるために電流が供給される。つまり、バッテリ5には、発電機1の始動時に負荷20に加えて発電機1の始動エネルギが負荷として加わる。このような一時的な負荷の増大にも、本発明では、バッテリ5の負荷電流を検出して、インバータ3−2の出力を制限することができる。
1…発電機、 2…整流回路(駆動用インバータ)、 3…逆変換部、 3−1…DCレギュレータ、 3−2…インバータ、 4…双方向DC−DCコンバータ、 4−1…トランス、 5…バッテリ、 6,7…平滑用コンデンサ、 15…電流検出部、 16…出力制限量決定部、 17…インバータ駆動部、 30…FET、 31…チョークコイル
Claims (6)
- 電力源からの直流をインバータで所定周波数の交流に変換して負荷側へ出力する電源装置において、
前記直流を昇圧して前記インバータへ供給する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの負荷電流を検出し、この負荷電流が予定値以上となった場合に前記インバータの出力を制限する制御手段とを具備したことを特徴とする電源装置。 - 発電機で形成された直流をインバータで所定周波数の交流に変換して負荷側へ出力する電源装置において、
前記発電機とは別に設けられる第2の電力源と、
前記第2の電力源から供給される直流電圧を昇圧して前記インバータへ供給する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの負荷電流を検出し、この負荷電流が予定値以上となった場合に前記インバータの出力を制限する制御手段とを具備したことを特徴とする電源装置。 - 発電機と、この発電機の出力交流を整流する整流回路と、この整流回路から出力された直流を所定周波数の交流に変換して負荷側へ出力するインバータとを有する電源装置において、
前記発電機とは別に設けられる第2の電力源と、
前記第2の電力源から供給される直流電圧を昇圧して前記整流回路および前記インバータ間へ供給する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの負荷電流を検出し、この負荷電流が予定値以上となった場合に前記インバータの出力を制限する制御手段とを具備したことを特徴とする電源装置。 - 前記インバータの入力側電圧を調整するレギュレータをさらに具備し、
前記レギュレータの入力側に前記昇圧コンバータを接続するとともに、
前記レギュレータの入力側電圧に応じて前記第2の電力源からの電力を前記昇圧コンバータに供給するように構成したことを特徴とする請求項2または3記載の電源装置。 - 前記インバータの出力の制限は、このインバータの出力電圧を低下させることにより行い、
出力電圧が、所定の制限電流Ibより低電流である制限開始電流Ia以下のときに電圧振幅値が100%であり、制限電流Ibのときに電圧振幅値が0%となるように、前記負荷電流Iddcに従って、次式で算出されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電源装置。
電圧振幅値(%)=100−(Iddc−Ia)/(Ib−Ia)×100…(式1)。 - 前記発電機がエンジンで駆動される発電機であり、前記第2の電力源がバッテリであり、
前記インバータの負荷電流が予定値以下のときには前記第2の電力源からのみインバータへ電圧供給するように構成するとともに、
前記バッテリの供給能力が不足したときには前記昇圧コンバータの出力で前記エンジンの始動装置を駆動することを特徴とする請求項3記載の電源装置。
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