JP2009112169A - 発電機の出力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁電流をオンオフして発電機の出力電圧を調整するＡＶＲに必要であったフライホイールダイオードを除去することにより界磁電流を安定化して発電機の出力波形を改善する。
【解決手段】励磁巻線３の出力電流は整流器８によって整流され、回転子４の界磁巻線５に供給される。界磁電流が流れる回路にはインピーダンス調整回路１２が設けられる。目標電流値決定部１０は発電巻線２の出力電圧を設定電圧に制御するための目標電流（目標界磁電流）を決定する。インピーダンス調整回路１２は、電流検出器１１で検出された界磁電流が目標電流に収斂するように界磁電流回路のインピーダンスを増減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機の出力制御装置に関し、特に、界磁巻線に流れる電流を一定にして出力電圧波形のさらなる改善を図るのに好適な発電機の出力制御装置に関する。

発電巻線と励磁巻線と界磁巻線とを備え、励磁巻線に発生した電流を整流して界磁巻線に供給する交流発電機の発電制御装置において、励磁巻線に供給する電流を制御することによって発電巻線から出力される電圧を予め設定された電圧に保持する自動電圧調整器が知られている。

図６は、従来の自動電圧調整器を有する交流発電機の要部構成図である。図６において、発電機１００は、界磁巻線１０２と、発電巻線１０３および励磁巻線１０４とを有する。界磁巻線１０２を巻回した回転子１０５には永久磁石１０６が設けられている。自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０７には整流器１０８と電圧検出回路１０９とトランジスタ１１０とが設けられている。整流器１０８の出力側はブラシ１１１を介して界磁巻線１０２に接続され、界磁巻線１０２と並列にフライホイールダイオード１１２およびコンデンサ１１３が接続されている。励磁巻線１０４は整流器１０８の入力側に接続されている。回転子１０５は図示しないエンジン等の駆動源で回転される。

図６において、回転子１０５がエンジン等で回転させられると、永久磁石１０６によって励磁巻線１０４に電流が発生する。この電流は整流器１０８で整流されて界磁巻線１０２に直流励磁電流として供給される。電圧検出回路１０９は発電巻線１０３の出力電圧を代表する電圧値と設定電圧とを比較して、設定電圧に対する出力電圧の大小により、トランジスタ１１０をオンオフ制御する。トランジスタ１１０がオンのときは界磁巻線１０２に電流が流れて発電巻線１０３の出力が増大し、トランジスタ１１０がオフのときは界磁巻線１０２に電流が流れなくなって発電巻線１０３の出力が低減する。このトランジスタのオンオフ動作の繰り返しによって発電機１００の出力が一定に保持される。このような、自動電圧調整器を備えた交流発電機の例は、特開平８−１４０４００号公報に記載されている。
特開平８−１４０４００号公報

上記発電機において、界磁巻線１０２に電流が流れて発電巻線１０３に電流が誘導されると、その電流によって生じる磁界により界磁巻線１０２に逆起電力が誘起される。この逆起電力によって界磁巻線１０２に流れる電流は増減するので、発電巻線１０３の出力に変動をきたす。しかし、従来の自動電圧調整器１０７はトランジスタ１１０により一定方向の電流増加を停止させる仕組みであるため、界磁巻線１０２に並列に接続されたフライホイールダイオード１１２を通して流れる電流を減少させることができない。電圧検出回路１０９における電圧検出に基づいて界磁電流をＰＷＭ制御する場合、通電停止時に発生するサージ電圧の吸収と界磁電流の平滑化のためにフライホイールダイオード１１２は不可欠である。

したがって、フライホイールダイオード１１２を有する制御装置では、界磁巻線１０２に流れる電流を一定値に保持することが容易でない。界磁巻線１０２に流れる電流を一定にできないと、発電巻線１０３の出力電圧が正弦波に対して歪みをもつ。そこで、出力電圧波形のさらなる改善が望まれている。

本発明は、上記要望に鑑みてなされたものであり、交流発電機の出力波形を改善することができる自動電圧調整器を備えた発電機の出力制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、固定子側に巻回された発電巻線および励磁巻線と、駆動源によって回転される回転子に巻回された界磁巻線と、前記励磁巻線で発生した電流を整流して前記界磁巻線に供給する整流器とを有する発電機の出力制御装置において、前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する電流検出手段と、前記界磁巻線に直列に配置されたインピーダンス調整手段とを具備し、前記インピーダンス調整手段によって、前記電流検出手段で検出された界磁電流が予め決定された目標電流に収斂するように界磁巻線を含む回路のインピーダンスを調整するように構成されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記目標電流が、前記発電コイルの出力電圧が設定電圧より大きいときは低減され、前記出力電圧が設定電圧より小さいときは増大される点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記インピーダンス調整手段が、前記界磁巻線を含む回路に接続されたトランジスタと、前記電流検出手段で検出された界磁電流と前記目標電流との差に応じた電圧を出力する比較器とを具備し、前記比較器の出力を前記トランジスタのベースに入力して前記トランジスタのエミッタ−コレクタ間抵抗を増減させることによってインピーダンスを調整するように構成されている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記インピーダンス調整手段が、前記界磁巻線を含む回路に設けられ、互いに抵抗値が異なる複数の線路を具備し、前記複数の線路のいずれかを前記発電コイルの出力電圧に応じて選択することによって前記界磁巻線を含む回路の抵抗を増減させてインピーダンスを調整するように構成されている点に第４の特徴がある。

第１〜４の特徴を有する本発明によれば、電流検出手段によって界磁巻線に流れる界磁電流を検出できるので、界磁巻線と発電巻線との相互作用による界磁電流の変化を直接検出することができる。そして、インピーダンス調整手段によって界磁巻線を含む回路のインピーダンスを調整することにより、検出された界磁電流を適正な目標電流値に収斂させることができる。したがって、スイッチング素子で界磁電流をオンオフする従来技術とは違い、通電停止時に発生するサージ電圧吸収のためのフライホイールダイオードが不要となる。その結果、フライホイールダイオードを通して流れる電流の影響を受けることがなくなり、界磁電流の変化を制御に正確に反映できるので、界磁電流を安定化させて、発電巻線の出力つまり発電機出力の波形を改善することができる。また、界磁電流を直接検出しているので、

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る出力制御装置を含む発電機の要部構成図である。発電機１は、周知の交流発電機であり、固定子側に設けられた発電巻線２および励磁巻線３と、回転子４に巻回された界磁巻線５とを備える。回転子４には励磁電流を発生させるための永久磁石６が取り付けられている。なお、回転子４はエンジン等、図示しない駆動源で回転させられる。

自動電圧調整器７は、整流器８および電流制御部９を備える。整流器８の入力側には励磁巻線３の両端が接続される。電流制御部９は目標電流値決定部１０、電流検出器１１、およびインピーダンス調整回路１２を備える。界磁巻線５の一端は整流器８の出力側に接続され、界磁巻線５の他端はインピーダンス調整回路１２に接続される。界磁巻線５と自動電圧調整器７との間はブラシ１３を通じて接続される。整流器８と接地間には整流器８の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ１４が設けられる。

図１に示した自動電圧調整器７の動作を説明する。回転子４がエンジン等で回転されると、永久磁石６の磁界によって励磁巻線３に電流が誘導される。この電流は整流器８で整流されて界磁巻線５に直流励磁電流として供給される。発電巻線２に発生する電圧つまり発電機１の出力電圧は界磁巻線５に流れる電流に応じて決定される。そこで、本実施形態では、発電巻線２の出力電圧を予め設定した電圧に保持するため、発電巻線２の出力電圧と設定電圧との偏差に応じて界磁巻線５に流れる電流を制御するようにした。

目標電流値決定部１０は、発電巻線２から入力される出力電圧値（出力電圧値を代表する電圧値）を設定電圧と比較して、その偏差を検出する。そして、偏差に応じて予め設定されている目標電流値を出力する。目標電流値はインピーダンス調整回路１２に入力される。

電流検出器１１は、界磁巻線５に流れる電流の値を検出し、インピーダンス調整回路１２に入力する。インピーダンス調整回路１２は、電流検出器１１から入力された検出電流値と目標電流値決定部１０から入力される目標電流値とを比較して、検出電流値が目標電流値に収斂するように、界磁巻線５のインピーダンスを調整する。

界磁巻線５に流れる電流はすべてインピーダンス調整回路１２を経由して流れるので、インピーダンス調整回路１２によるインピーダンスの増減により、界磁巻線５に流れる電流を自在に制御できる。したがって、界磁巻線５を流れる電流を制御して、発電巻線２の出力電圧を一定に保持することができる。

次に、インピーダンス調整回路１２の具体例を示す。図２において、インピーダンス調整回路１２は、界磁電流経路に設けられたトランジスタ１５と、トランジスタ１５のベースに比較結果としての電圧を接続する比較器１６とからなる。トランジスタ１５と接地間に設けられたシャント抵抗器１７は電流検出器１１である。比較器１６の正側入力端子には目標電流値決定部１０から入力された目標電流値Ｉｒｅｆを代表する電圧値が入力される。比較器１６の負側入力端子にはシャント抵抗器１７によって検出された界磁電流Ｉｆを代表する電圧値が入力される。比較器１６は目標電流値Ｉｒｅｆに対する界磁電流Ｉｆの偏差に応じた電圧をトランジスタ１５のベースに入力する。トランジスタ１５のコレクタ−エミッタ間を流れる電流は、トランジスタ１５のベースに印加される電圧に対応した値に制御される。つまり、シャント抵抗器１７で検出された界磁電流Ｉｆが目標電流値Ｉｒｅｆより大きいときはトランジスタ１５のベースに印加される電圧は低減される。一方、界磁電流Ｉｆが目標電流値Ｉｒｅｆより小さいときはトランジスタ１５のベースに印加される電圧は増大される。

なお、比較器１６に代えてマイクロコンピュータを使ってもよい。例えば、検出電流をマイクロコンピュータに入力し、このマイクロコンピュータ内で検出電流に応じた電圧値を予定の関数を使って計算する。そして、その計算結果をＤ／Ａ変換してトランジスタ１４のベースに入力する。

上記インピーダンス調整回路１２は連続的にインピーダンスを調整するようにしたが、段階的にインピーダンスを調整するようにしてもよい。図３は、段階的にインピーダンスを調整する電流制御部９の変形例を示す回路図である。図３において、インピーダンス調整回路１２は、界磁電流経路に設けられた８本の並列ラインと、これら８本のラインにそれぞれ設けられた８個の抵抗Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒ８と、各抵抗に直列に接続されたトランジスタ１８−１、１８−２、１８−８とからなる。抵抗Ｒ１〜Ｒ８はそれぞれ抵抗値が異なる。なお、これら抵抗とトランジスタとを備えたラインは８本に限定されない。

線路選択部１９は、トランジスタ１８−１〜１８−８のいずれか一つを選択する手段であり、発電巻線２の出力電圧を設定電圧とを比較する機能を有し、設定電圧に対する発電巻線２の出力電圧の偏差に基づく目標電流値を算出して、界磁電流を目標電流値に近付けるように８本のラインのうち前記偏差に応じて予め設定されているラインに選択信号を出力する。トランジスタ１８−１〜１８−８のうち選択信号がベースに入力されたトランジスタがオンになり、このトランジスタが接続されている抵抗を通じて界磁電流Ｉｆが流れる。抵抗器Ｒ１〜Ｒ８はそれぞれ抵抗値が異なっているので、選択信号が入力されたトランジスタによって界磁電流Ｉｆが変化させられる。

図４は、線路選択部１９の要部機能を示すブロック図である。この機能はマイクロコンピュータによって構成できる。発電巻線２の出力電圧Ｖｏｕｔは目標電流値決定部２０に入力され、設定電圧Ｖｒｅｆに対する出力電圧Ｖｏｕｔの偏差に応じた目標電流値Ｉｔｇｔが決定される。電流比較部２１は、目標電流値Ｉｔｇｔに対する電圧電流検出器１１で検出された界磁電流Ｉｆの偏差（電流偏差）ΔＩを算出して、算出結果を切り換え部２２に入力する。切り換え部２２は入力された電流偏差ΔＩに対応したポートＰ１〜Ｐ８を選択して切り換え信号を出力する。つまり選択されたポートを活性化する。ポートＰ１〜Ｐ８はそれぞれトランジスタ１８−１〜１８−８に接続されており、活性化されたポートに接続されているトランジスタがオンになる。

図５に、本実施形態による自動電圧制御装置による発電機１の出力電圧波形の改善結果を従来技術と比較して示す。図５（ａ）は従来技術に係る発電巻線の出力電圧波形（上段）、および界磁巻線の電流波形（下段）を示す。図５（ｂ）は本実施形態に係る発電巻線２の出力電圧波形（上段）、および界磁巻線５の電流波形（下段）を示す。

図５（ａ）に示すように、従来技術によれば、界磁電流波形は変動が大きいため、発電巻線の出力電圧波形の正弦波に歪みが含まれている。一方、本実施形態に係る発電機１では、図５（ｂ）の界磁電流波形から見られるように、自動電圧調整器によって界磁巻線５を含む界磁電流経路のインピーダンスが調整されて界磁電流は安定している。したがって、発電巻線２の出力電圧波形として歪みの少ないきれいな正弦波が得られる。

図１は本発明の一実施形態に係る出力制御装置を含む発電機の要部構成図である。 インピーダンス調整回路の具体例を示す回路図である。 インピーダンス調整回路の変形例を示す回路図である。 インピーダンス調整回路の線路選択部の要部機能を示すブロック図である。 自動電圧制御装置による発電機の出力電圧波形の改善結果を従来技術と比較して示す図である。 従来の自動電圧調整器を有する交流発電機の要部構成図である。

符号の説明

１…発電機、 ２…発電巻線、 ３…励磁巻線、 ４…回転子、 ５…界磁巻線、 ７…自動電圧調整器、 ８…整流器、 ９…電流制御部、 １０…目標電流値決定部、 １１…電流検出器、 １２…インピーダンス調整回路

Claims (4)

1. 固定子側に巻回された発電巻線および励磁巻線と、駆動源によって回転される回転子に巻回された界磁巻線と、前記励磁巻線で発生した電流を整流して前記界磁巻線に供給する整流器とを有する発電機の出力制御装置において、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する電流検出手段と、
   前記界磁巻線に直列に配置されたインピーダンス調整手段とを具備し、
   前記インピーダンス調整手段によって、前記電流検出手段で検出された界磁電流が予め決定された目標電流に収斂するように界磁巻線を含む回路のインピーダンスを調整するように構成されていることを特徴とする発電機の出力制御装置。
2. 前記目標電流が、前記発電コイルの出力電圧が設定電圧より大きいときは低減され、前記出力電圧が設定電圧より小さいときは増大されることを特徴とする請求項１記載の発電機の出力制御装置。
3. 前記インピーダンス調整手段が、
   前記界磁巻線を含む回路に接続されたトランジスタと、
   前記電流検出手段で検出された界磁電流と前記目標電流との差に応じた電圧を出力する比較器とを具備し、
   前記比較器の出力を前記トランジスタのベースに入力して前記トランジスタのエミッタ−コレクタ間抵抗を増減させることによってインピーダンスを調整するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の発電機の出力制御装置。
4. 前記インピーダンス調整手段が、
   前記界磁巻線を含む回路に設けられ、互いに抵抗値が異なる複数の線路を具備し、
   前記複数の線路のいずれかを前記発電コイルの出力電圧に応じて選択することによって前記界磁巻線を含む回路の抵抗を増減させてインピーダンスを調整するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の発電機の出力制御装置。

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