JP2010035262A

JP2010035262A - インバータ発電機

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Publication number: JP2010035262A
Application number: JP2008191783A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hashimoto; 省二橋本; Kazufumi Muronoi; 和文室野井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: JP5130143B2

Abstract

【課題】サイリスタの導通率に代え、力率などから負荷電力の推定値を算出し、それに基づいて目標エンジン回転数を算出することでエンジン回転数制御の応答性を改善するようにしたインバータ発電機を提供する。
【解決手段】アクチュエータで開閉されるスロットルバルブを備えたエンジンで駆動されて出力される交流を一旦直流に変換した交流に再び変換して負荷に出力するインバータを備えたインバータ発電機において、インバータから出力される交流の電圧と電流を検出し（Ｓ１０）、検出された電圧と電流に基づき、力率を算出し（Ｓ１２，Ｓ１４）、少なくとも検出された電流と算出された力率に基づいて負荷に供給される負荷電力の推定値（推定負荷電力）を算出し（Ｓ１６）、それに基づいてエンジンの目標回転数を決定すると共に（Ｓ１８）、その目標回転数となるようにアクチュエータの動作を制御する（Ｓ２０）。
【選択図】図３

Description

この発明はインバータ発電機に関し、より詳しくはエンジンで駆動される発電部を備えると共に、エンジン回転数を負荷電力に応じて制御するようにしたインバータ発電機に関する。

エンジンで駆動される発電部から出力される交流をサイリスタブリッジからなるコンバータで一旦直流に変換すると共に、目標とする出力電圧波形の基準正弦波とキャリアを用いて生成されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子を駆動することで、その直流を所定周波数（商用周波数）の交流に変換して出力するインバータ発電機は良く知られており、その例として下記の特許文献１記載の技術を挙げることができる。

特許文献１記載の技術においては、サイリスタの導通角を検出し、その導通角が目標導通角となるようにエンジンの回転数が制御される。
特開平１１−３０８８９６号公報

特許文献１記載の技術にあっては、上記の如く、コンバータのサイリスタの導通角から負荷電力の推定値を求め、それに基づいてエンジン回転数を制御しているが、オルタネータ出力電圧の過渡変動時にはエンジンの回転変動がそのまま伝わるため、特に軽負荷などで負荷電力を精度良く推定するのが困難であった。そのため、エンジン回転数制御の応答性が必ずしも十分ではなかった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、サイリスタの導通率に代え、力率などから負荷電力の推定値を算出し、それに基づいて目標エンジン回転数を算出することでエンジン回転数制御の応答性を改善するようにしたインバータ発電機を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、アクチュエータで開閉されるスロットルバルブを備えたエンジンと、前記エンジンで駆動される発電部と、前記発電部から出力される交流を直流に変換するコンバータと、スイッチング素子を備え、前記コンバータから出力される直流を交流に変換して負荷に出力するインバータと、前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御手段とを備えたインバータ発電機において、前記インバータから出力される交流の電圧と電流を検出する電圧・電流検出手段と、前記検出された電圧と電流に基づき、力率を算出する力率算出手段と、少なくとも前記検出された電流と前記算出された力率に基づいて前記負荷に供給される負荷電力の推定値を算出する負荷電力推定値算出手段と、前記算出された負荷電力の推定値に基づいて前記エンジンの目標回転数を決定する目標回転数決定手段とを備えると共に、前記アクチュエータ制御手段は、前記決定された目標回転数となるように前記アクチュエータの動作を制御する如く構成した。

請求項２に係るインバータ発電機にあっては、前記負荷電力推定値算出手段は、前記検出された電流と前記算出された力率と定格出力電圧を乗算し、その積を前記負荷電力の推定値とする如く構成した。

請求項１に係るインバータ発電機にあっては、インバータから出力される交流の電圧と電流を検出し、検出された電圧と電流に基づき、力率を算出し、少なくとも検出された電流と算出された力率に基づいて負荷に供給される負荷電力の推定値を算出し、算出された負荷電力の推定値に基づいてエンジンの目標回転数を決定すると共に、決定された目標回転数となるようにスロットルバルブを開閉するアクチュエータの動作を制御する如く構成したので、サイリスタの導通率に代えて力率などから負荷電力の推定値を算出することで、軽負荷などであっても負荷電力の推定値を精度良く算出できると共に、それに基づいて目標エンジン回転数を算出してアクチュエータを制御することで、エンジン回転数制御の応答性を改善することができる。また、負荷電力の推定値を力率も含めて算出するため、エンジン回転数を不要に上昇させることがなく、燃費性能も向上させることができる。

請求項２に係るインバータ発電機にあっては、検出された電流と算出された力率と定格出力電圧を乗算し、その積を負荷電力の推定値とする如く構成したので、上記した効果に加え、負荷電力の推定値を一層精度良く算出することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係るインバータ発電機を実施するための最良の形態について説明する。

図１はこの発明の実施例に係るインバータ発電機を全体的に示すブロック図である。

図１において符号１０はインバータ発電機を示し、発電機１０はエンジン（内燃機関）１２を備え、２．６ｋＷ（交流１００Ｖで２６Ａ）程度の定格出力を有する。エンジン１２は空冷エンジンで火花点火式であり、そのスロットルバルブ１２ａはステッピングモータからなるスロットルモータ（アクチュエータ）１２ｂで開閉されると共に、リコイルスタータ（図示せず）で始動される。

エンジン１２のシリンダヘッドの付近には円形のステータ（図示せず）が固定され、そこにはエンジン発電部１４を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相からなる３相の出力巻線（メイン巻線）１４ａと、３個の単相の巻線１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとが巻回される。

ステータの外側にはエンジン１２のフライホイールを兼用するロータ（図示せず）が配置され、その内部には上記した巻線１４ａなどと対向するように永久磁石（図示せず）が径方向に着磁された磁極を交互させつつ、複数対取着される。

ステータの回りをロータの永久磁石が回転することにより、３相の出力巻線１４ａから３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の交流電力が出力（発電）されると共に、単相の出力巻線１４ｂ，１４ｃ，１４ｄからは単相の交流電力が出力される。

エンジン発電部１４の出力巻線１４ａから出力（発電）された３相の交流電力はＵ，Ｖ，Ｗ端子１４ｅを介して制御基板（プリントボード）１６に入力され、そこに搭載されるコンバータ２０に入力される。コンバータ２０はブリッジ接続された３個のサイリスタ（ＳＣＲ）と３個のダイオードＤＩを備え、サイリスタの導通角が制御されることで、エンジン発電部１４から出力された３相の交流を直流に変換する。

コンバータ２０の正極側と負極側の出力にはＲＣＣ（リンギングチョークコンバータ。Ringing Choke Converter）電源（直流安定化電源）２２が接続され、整流された直流電力を前記した３個のサイリスタに動作電源として供給する。ＲＣＣ電源２２の後段にはコンバータ２０から出力される直流を平滑するための平滑コンデンサ２４が接続される。

平滑コンデンサ２４の後段にはインバータ２６が接続される。インバータ２６は、４個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ。スイッチング素子）ブリッジ接続された回路を備え、後述するように４個のＦＥＴの導通・非導通が制御されることで、コンバータ２０から出力された直流を所定周波数（具体的には５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用周波数）の交流に変換する。

インバータ２６の出力は高調波除去用のＬＣフィルタからなるチョークコイル３０とノイズ除去用のノイズフィルタ３２を介して出力端子３４から出力され、コネクタ（図示せず）などを介して電気負荷３６に供給自在とされる。

制御基板１６はＣＰＵ（Central Processing Unit）４０を備える。ＣＰＵ４０は３２ビットからなり、サイリスタ（ＳＣＲ）ドライバ（駆動回路）４０ａを介してコンバータ２０のサイリスタの導通角を制御し、ゲートドライバ４０ｂを介してインバータ２６のＦＥＴの導通・非導通を制御すると共に、モータドライバ４０ｃを介してスロットルモータ１２ｂの動作を制御する。ＣＰＵ４０は、ＥＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）４０ｄを備える。

単相の第１の出力巻線１４ｂの出力はサブ端子１４ｂ１，１４ｂ２を介して制御基板１６に送られ、制御電源生成部１４ｂ３に入力され、そこでＣＰＵ４０の動作電源５Ｖが生成される。サブ端子１４ｂ１の出力はＮＥ検出回路１４ｂ４に送られ、そこでパルス信号に変換されてＣＰＵ４０に送られる。ＣＰＵ４０は、ＮＥ検出回路１４ｂ４の出力をカウントしてエンジン１２の回転数ＮＥを検出する。

第２の出力巻線１４ｃの出力は全波整流回路１４ｃ１に送られ、そこで全波整流されてスロットルモータ１２ｂなどの動作電源が生成される。第３の出力巻線１４ｄの出力はエンジン１２の点火回路１２ｃに送られ、点火プラグ１２ｄの点火電源として使用される。

ＣＰＵ４０は第１、第２の電圧センサ４０ｅ、４０ｆを備え、第１の電圧センサ４０ｅはＲＣＣ電源２２の後段においてコンバータ２０から出力される直流の電圧に応じた出力を生じると共に、第２の電圧センサ４０ｆはインバータ２６の後段においてインバータ２６から出力される交流の電圧に応じた出力を生じる。第１、第２の電圧センサ４０ｅ，４０ｆの出力はＣＰＵ４０に入力される。

さらに、ＣＰＵ４０は電流センサ４０ｇを備え、電流センサ４０ｇはインバータ２６から出力される電流、換言すれば電気負荷３６が接続されるとき、電気負荷３６に通電される電流に応じた出力を生じる。

電流センサ４０ｇの出力はＣＰＵ４０に入力されると共に、過電流リミッタ４０ｈにも入力される。過電流リミッタ４０ｈはＣＰＵ４０と独立した論理回路（ハードウエア回路）から構成され、電流センサ４０ｇによって検出された電流が許容限界値を超えるとき、ゲートドライバ４０ｂの出力を停止させ、インバータ２６の出力を一時的に零にする。

ＣＰＵ４０は第１、第２の電圧センサ４０ｅ、４０ｆと電流センサ４０ｇの出力を入力し、それらに基づいてインバータ２６のＦＥＴをＰＷＭ制御すると共に、スロットルモータ１２ｂの動作を制御し、さらに過電流を制限する。

図２はＣＰＵ４０が行なうＰＷＭ制御を説明する波形図である。

図２を参照してインバータ２６のＦＥＴのＰＷＭ制御を説明すると、ＣＰＵ４０は目標とする交流出力電圧波形（下部に破線で示す）の所定周波数（即ち、商用周波数５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）における基準正弦波（信号波）に基づき、コンパレータ（図示せず）でキャリア（例えば２０ｋＨｚの搬送波）と比較してＰＷＭ（Pulse Width Modulation。パルス幅変調）に従ってＰＷＭ信号（ＰＷＭ波形）、即ち、デューティ比（＝オン時間ｔ／周期Ｔ）可変のパルス列を生成し、ゲートドライバ４０ｂを介して出力する。

図２で下部の破線が、目標とする出力電圧波形を示す。尚、ＰＷＭ信号（ＰＷＭ波形）の周期Ｔ（ステップ）は実際には遥かに短いが、理解の便宜のため、図２では誇張して示す。

また、ＣＰＵ４０は、電気負荷３６によって決定される交流出力に応じて決定される目標回転数となるようにスロットルバルブ１２ａの開度を決定し、スロットルモータ１２ｂのＡ相とＢ相の出力パルスを算出してモータドライバ４０ｃを介して出力端子４０ｃ１からスロットルモータ１２ｂに供給し、その動作を制御する。

図３はＣＰＵ４０のその動作を示すフロー・チャートである。図示のプログラムは、キャリア周波数から規定される制御周期（ステップ）ごとに、より具体的には目標とする出力電圧波形の周波数を例えば５０Ｈｚとすると、５０μｓｅｃごとに実行される。

以下説明すると、Ｓ１０において第２の電圧センサ４０ｆと電流センサ４０ｇの出力に基づき、インバータ２６から出力される交流の電圧と電流（電気負荷３６が接続されるとき、電気負荷３６に通電される電流）を検出する。

次いでＳ１２に進み、検出された電圧と電流の位相差θを算出し、Ｓ１４に進み、算出された位相差から力率ｃｏｓθを算出する。

次いでＳ１６に進み、推定負荷電力（負荷電力の推定値）を算出する。推定負荷電力は、以下の式に従って算出する。
推定負荷電力＝定格出力電圧（Ｖ）×検出電流（Ａ）×力率（ｃｏｓθ）
上記で、定格出力電圧は交流１００（Ｖ）である。

次いでＳ１８に進み、算出された推定負荷電力に基づいてエンジン１２の目標回転数を決定する。より具体的には、図４にその特性を示すテーブル値を算出された推定負荷電力から検索し、目標エンジン回転数を決定する。

次いでＳ２０に進み、決定された目標エンジン回転数となるようにスロットルモータ１２ｂの動作を制御する。より具体的には、ＮＥ検出回路１４ｂ４で検出されたエンジン回転数が目標エンジン回転数となるように、スロットルモータ１２ｂの動作をフィードバック制御する。

図５は、図３の処理を説明するタイム・チャートである。

図示例は負荷が水銀灯の場合である。水銀灯は電流が安定するまで力率が例えば０．３と低いため、電圧と電流と力率の積で示されるエンジン１２の仕事も小さいことから、エンジン回転数も最初は低くて足る。次いで負荷に供給される電流が経時的に減少するのに伴い、力率は１．０に向けて徐々に上昇する。

この実施例においては力率も含めて推定負荷電力を算出し、それに基づいて目標エンジン回転数を決定し、それに制御するように構成しているので、図５に示す如く、エンジン回転数を力率に比例して増減させることができ、これによってエンジン回転数制御の応答性を改善することができる。

また、負荷電力の推定値を力率も含めて算出しているため、力率が０．３と低いときはエンジン回転数も低い値に制御される。換言すれば、エンジン回転数を不要に上昇させることがないため、燃費性能も向上させることができる。

上記の如く、この実施例にあっては、アクチュエータ（スロットルモータ）１２ｂで開閉されるスロットルバルブ１２ａを備えたエンジン１２と、前記エンジン１２で駆動される発電部１４と、前記発電部から出力される交流を直流に変換するコンバータ２０と、スイッチング素子（ＦＥＴ）を備え、前記コンバータ２０から出力される直流を交流に変換して負荷に出力するインバータ２６と、前記アクチュエータ１２ｂの動作を制御するアクチュエータ制御手段（ＣＰＵ４０）とを備えたインバータ発電機１０において、前記インバータから出力される交流の電圧と電流を検出する電圧・電流検出手段（電圧センサ４０ｆ、電流センサ４０ｇ，ＣＰＵ４０，Ｓ１０）と、前記検出された電圧と電流に基づき、力率ｃｏｓθを算出する力率算出手段（ＣＰＵ４０，Ｓ１２，Ｓ１４）と、少なくとも前記検出された電流と前記算出された力率ｃｏｓθに基づいて前記負荷に供給される負荷電力の推定値（推定負荷電力）を算出する負荷電力推定値算出手段（ＣＰＵ４０，Ｓ１６）と、前記算出された負荷電力の推定値に基づいて前記エンジン１２の目標回転数を決定する目標回転数決定手段（ＣＰＵ４０，Ｓ１８）とを備えると共に、前記アクチュエータ制御手段は、前記決定された目標回転数となるように前記アクチュエータの動作を制御する（ＣＰＵ４０，Ｓ２０）如く構成したので、換言すれば、コンバータ２０のサイリスタの導通率に代えて力率などから負荷電力の推定値を算出することで、軽負荷などであっても負荷電力の推定値を精度良く算出できると共に、それに基づいて目標エンジン回転数を算出してアクチュエータ１２ｂを制御することで、エンジン回転数制御の応答性を改善することができる。また、負荷電力の推定値を力率も含めて算出するため、エンジン回転数を不要に上昇させることがなく、燃費性能も向上させることができる。

また、前記負荷電力推定値算出手段は、前記検出された電流と前記算出された力率と定格出力電圧を乗算し、その積を前記負荷電力の推定値とする如く構成したので、上記した効果に加え、負荷電力の推定値を一層精度良く算出することができる。

尚、上記において、インバータのスイッチング素子としてＦＥＴを用いたが、それに限られるものではなく、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）などであっても良い。

この発明の実施例に係るインバータ発電機を全体的に示すブロック図である。図１に示すＣＰＵが行なうＰＷＭ制御を説明する波形図である。図１に示すＣＰＵが行なう出力電圧制限制御の処理を示すフロー・チャートである。図３フロー・チャートの処理で使用される目標エンジン回転数のテーブル特性を示す説明図である。図３の処理を説明するタイム・チャートである。

符号の説明

１０インバータ発電機、１２エンジン（内燃機関）、１２ａスロットルバルブ、１２ｂスロットルモータ（アクチュエータ）、１４エンジン発電部、１４ａ三相出力巻線、２０コンバータ、２６インバータ、３６電気負荷、４０ＣＰＵ、４０ａサイリスタ（ＳＣＲ）ドライバ、４０ｂゲートドライバ、４０ｃモータドライバ、４０ｄＥＥＰＲＯＭ、４０ｅ，４０ｆ電圧センサ、４０ｇ電流センサ

Claims

アクチュエータで開閉されるスロットルバルブを備えたエンジンと、前記エンジンで駆動される発電部と、前記発電部から出力される交流を直流に変換するコンバータと、スイッチング素子を備え、前記コンバータから出力される直流を交流に変換して負荷に出力するインバータと、前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御手段とを備えたインバータ発電機において、前記インバータから出力される交流の電圧と電流を検出する電圧・電流検出手段と、前記検出された電圧と電流に基づき、力率を算出する力率算出手段と、少なくとも前記検出された電流と前記算出された力率に基づいて前記負荷に供給される負荷電力の推定値を算出する負荷電力推定値算出手段と、前記算出された負荷電力の推定値に基づいて前記エンジンの目標回転数を決定する目標回転数決定手段とを備えると共に、前記アクチュエータ制御手段は、前記決定された目標回転数となるように前記アクチュエータの動作を制御することを特徴とするインバータ発電機。
前記負荷電力推定値算出手段は、前記検出された電流と前記算出された力率と定格出力電圧を乗算し、その積を前記負荷電力の推定値とすることを特徴とする請求項１記載のインバータ発電機。