JP2869839B2 - 自動電圧調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関等で駆動され
る交流発電機に使用される自動電圧調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、携帯用エンジン発電機等の交流発
電機の出力電圧を負荷変動等に拘らず略一定の値に制御
する自動電圧調整装置としては、フライホイールダイオ
ードが界磁巻線に並列に接続され、界磁巻線に直列に接
続した電圧制御用トランジスタをオン・オフ制御するこ
とにより、界磁電流を制御し、出力電圧を略一定に維持
するようにしたものが広く用いられている。

【０００３】この種の自動電圧調整装置ではサージ吸収
用のフライホイールダイオードを備えるため、逆にこの
フライホイールダイオードに起因した不具合を生ずる場
合がある。即ち、この種の自動電圧調整装置を装備する
発電機は商用周波数電源が得にくい場所、例えば土木作
業現場での電源として使用されるものであるから、例え
ば高力率形水銀灯のように力率改善用コンデンサをもつ
容量性負荷が接続されることが往々にしてある。この場
合、発電機においては、周知のように、電機子反作用に
より正相分界磁と逆相分界磁を生じ、正相分は発電機の
界磁を強める強磁作用を行い、逆相分は回転子と反対方
向への同期速度の２倍の速さで界磁巻線と鎖交して、界
磁巻線に２倍の周波数の交流電圧を誘起させる現象が生
ずる。

【０００４】このような増磁作用に基づく出力電圧の上
昇に対し、当該自動電圧調整装置は出力電圧の上昇を抑
制すべく界磁巻線に直列に接続したトランジスタをオフ
にし、界磁巻線の電流供給路を遮断する。ところが、界
磁巻線にフライホイールダイオードが並列接続してある
ために、界磁巻線に誘起された前記２倍の周波数の交流
電圧がフライホイールダイオードの整流作用を受けた脈
流電流を、界磁巻線とフライホイールダイオードの閉ル
ープ内に還流させることになり、発電機では自励作用を
生ずる。その結果、自動電圧調整装置の制御を外れて異
常電圧が発生する。

【０００５】このような問題点に対して、この異常電圧
の発生を抑制するための工夫もいろいろされるようにな
ってきている（例えば、特開昭６０−９８８９９号公
報、特開昭６０−１０２９００号公報、実開昭６０−４
８２００号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらに開示されてい
る技術は、異常電圧が発生したときにはこれを検出して
異常電圧による逆電流をバイパスすることで、自動電圧
調整装置（ＡＶＲ）の内部電圧の異常上昇や、発電機出
力の異常上昇を抑制するものであり、フライホイールダ
イオードと並列にバイパス用トランジスタを設け、異常
電圧発生時にこのバイパス用トランジスタをオンさせる
ようにしている。

【０００７】ところで、この種の発電機は、初期励磁と
しては、回転子に組み込んだ小さな永久磁石とか、回転
子の残留磁束を利用して、徐々に発電を開始（＝自励
式）していくため、上記のようなバイパス回路にわずか
でも電流をとられてしまうと、励磁巻線電圧が低下して
発電機出力電圧の立ち上りがたいへん遅れるという問題
が発生することになる。

【０００８】本発明はこのような問題を解決すべくなさ
れたものであり、発電機負荷として容量性負荷等の進相
負荷が接続された場合の電圧上昇を効果的に抑制すると
ともに、発電機の始動時における電圧の立上りを円滑に
行うことができる自動電圧調整装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、フライホイールダイオードを並列接続した界
磁巻線を備える発電機の出力電圧を検出し、この検出出
力電圧に基づいて前記界磁巻線に直列接続された第１の
トランジスタ（Ｑ２）をオン・オフ制御することによ
り、前記発電機の励磁巻線から前記界磁巻線へ供給され
る界磁電流をオン・オフ制御し、前記発電機の出力電圧
の安定化を図ると共に、前記フライホイールダイオード
に第２のトランジスタ（Ｑ３）を並列接続して、前記第
１のトランジスタ（Ｑ２）による前記界磁電流のオフ制
御時に前記第２のトランジスタ（Ｑ３）をオン可能な状
態に制御することにより、前記界磁巻線に逆起電圧が発
生したときにこの発生した逆起電圧を前記第２のトラン
ジスタ（Ｑ３）のオン動作によって短絡するように構成
した自動電圧調整装置において、前記第２のトランジス
タ（Ｑ３）の駆動制御回路内には前記励磁巻線出力が低
いときのみ前記第２のトランジスタ（Ｑ３）のオン動作
を阻止するオン阻止回路を設けるようにしたものであ
る。

【００１０】また、前記第１のトランジスタ（Ｑ２）が
オフ状態の時に前記第１のトランジスタ（Ｑ３）をオン
させるためのバイアス電圧が前記励磁巻線から供給され
るように構成すると共に、この供給経路に前記オン阻止
回路として前記励磁巻線出力が低いときのみオフ状態を
維持して前記第２のトランジスタ（Ｑ３）のオン動作を
阻止するスイッチを設けることが望ましい。

【００１１】また、前記スイッチは前記励磁巻線の出力
電圧を分圧信号として取り出すバイアス回路と、これに
よって前記励磁巻線の出力電圧が低いと検出されている
間のみオフ状態を維持するようにしたトランジスタとで
構成することが望ましい。

【００１２】

【作用】励磁巻線出力が低いときのみ第２のトランジス
タ（Ｑ３）のオン動作が阻止される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１４】図１は、本発明の一実施例に係る発電機及
びその自動電圧調整装置の構成を示す回路図である。

【００１５】同図において、符号Ｇはエンジンで駆動さ
れる同期発電機であり、この発電機Ｇにおける回転子側
には内燃機関のクランク軸に直接又は適宜なカップリン
グを介して取付けられた回転子鉄心１が配設され、これ
に界磁巻線２が巻回されている。また固定子側には励磁
巻線３、及び出力巻線４が設けられ、この出力巻線４の
一部を検出巻線４ａとしている。

【００１６】符号Ｕは、発電機Ｇの自動電圧調整装置で
あり、第１の整流平滑回路５と、第２の整流平滑回路６
と、分圧回路７と、制御回路８と、自励防止回路９と、
フライホイールダイオードＤ６とで構成される。

【００１７】第１の整流平滑回路５は、励磁巻線３の出
力電圧を整流する全波整流器５１と、全波整流器５１の
整流出力を平滑するコンデンサＣ１とからなり、出力線
路１０に界磁電流Ｉｆを送出する界磁電流供給源を形成
している。

【００１８】第２の整流平滑回路６は、検出巻線４ａの
出力電圧を整流する全波整流器６１と、抵抗Ｒ１及びコ
ンデンサＣ２からなる平滑回路で構成されている。平滑
用コンデンサＣ２の電圧波形は脈流波形であり、これが
分圧回路７に導出される。

【００１９】第１の整流平滑回路５１と第２の整流平滑
回路６１の負極側は、線路１１により接続されており、
以下の説明ではこの線路をアースという。

【００２０】分圧回路７は、コンデンサＣ２の端子電圧
を分圧する抵抗Ｒ２，Ｒ３から成り、抵抗Ｒ２とＲ３の
直列回路がコンデンサＣ２の一端とアースとの間に接続
され、抵抗Ｒ２とＲ３の接続点が制御回路８のツェナー
ダイオードＤ１のカソードに接続されている。

【００２１】制御回路８は、当該制御回路８の動作レベ
ルを所定のレベルに設定するためのツェナーダイオード
Ｄ１と、スイッチング素子であるトランジスタＱ１，Ｑ
２ａ，Ｑ２ｂからなるスイッチング回路、保護用ダイオ
ードＤ３，Ｄ４等を備え、前記出力線路１０が界磁巻線
２を経てトランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのコレクタ端子に
接続されている。尚、以下の説明では、出力線路１０の
電源側（第１の整流平滑回路５〜界磁巻線２）を電源側
線路１０ａといい、アース側（界磁巻線２〜トランジス
タＱ２ａ）をアース側線路１０ｂという。

【００２２】制御回路８において、ツェナーダイオード
Ｄ１のアノードはトランジスタＱ１のベースに接続さ
れ、トランジスタＱ１のエミッタはアースに接続されて
いる。トランジスタＱ１のベース−コレクタ間にはコン
デンサＣ３が接続され、トランジスタＱ１のベースは抵
抗Ｒ４を介してアースに接続されている。トランジスタ
Ｑ１のコレクタは、トランジスタＱ２ｂのベースに接続
され、トランジスタＱ２ｂとＱ２ａとはダーリントン接
続されている。トランジスタＱ２ｂのベース−エミッタ
間にはダイオードＤ３が接続され、トランジスタＱ２ａ
のエミッタはアースに接続されている。

【００２３】なお、トランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂは、両
方同時にオン・オフするので、以下の説明では両者をま
とめてトランジスタＱ２といい、Ｑ２ｂのベース及びＱ
２ａのエミッタをそれぞれＱ２のベース及びエミッタと
する。

【００２４】トランジスタＱ２のコレクタは、上述した
ようにアース側線路１０ｂに接続されるとともに、抵抗
Ｒ５及びＣ４を介してトランジスタＱ１のベースに接続
されている。また、トランジスタＱ２のコレクタとアー
スとの間にはダイオードＤ４が接続されている。

【００２５】自励防止回路９は、容量性負荷接続時の自
励作用に対処するために設けられたものであり、スイッ
チング素子であるトランジスタＱ３ａ，Ｑ３ｂ，Ｑ４，
Ｑ５等により構成される。トランジスタＱ３ｂのベース
−エミッタ間にはダイオードＤ５が接続され、トランジ
スタＱ３ａとＱ３ｂとはダーリントン接続されている
（以下、トランジスタＱ２と同様に「トランジスタＱ
３」という）。

【００２６】トランジスタＱ３のエミッタは、アース側
線路１０ｂに接続されて、Ｑ３のコレクタは抵抗Ｒ１２
を介して電源側線路１０ａに接続されている。トランジ
スタＱ３のベースは、トランジスタＱ５のコレクタに接
続され、Ｑ５はエミッタはアース側線路１０ｂに接続さ
れている。

【００２７】トランジスタＱ５のコレクタは、抵抗Ｒ１
１を介してトランジスタＱ４のコレクタに接続され、Ｑ
４のエミッタは電源側線路１０ａに接続されている。

【００２８】抵抗Ｒ８とＲ９の直列回路が電源側線路１
０ａとトランジスタＱ１のコレクタとの間に接続され、
抵抗Ｒ８と並列にツェナーダイオードＤ２が設けられて
いる。抵抗Ｒ８とＲ９の接続点が抵抗Ｒ１０を介してト
ランジスタＱ５のベースに接続されている。

【００２９】抵抗Ｒ６とＲ７の直列回路が電源側線路１
０ａとアースの間に接続されており、Ｒ６とＲ７の接続
点がトランジスタＱ４のベースに接続されている。

【００３０】電源側線路１０ａとアース側線路１０ｂと
の間にフライホイールダイオードＤ６が接続されてい
る。

【００３１】次に、以上のように構成される自動電圧調
整装置の動作を説明する。

【００３２】（１）通常動作時 分圧回路７の出力電圧Ｖｃは、図２（ａ）に示すような
脈流波形であり、Ｖｃ値が所定電圧Ｖｚより高いときは
トランジスタＱ１がオンし、トランジスタＱ２がオフす
るので（同図（ｂ）参照）、界磁電流Ｉｆは供給されな
い。一方、Ｖｃ値が所定電圧Ｖｚより低いときには、Ｑ
１オフ、Ｑ２オンとなり、図１に示したように界磁電流
Ｉｆが供給される。これにより、検出巻線４ａによって
検出された電圧Ｖｃが低下すると、界磁電流Ｉｆが供給
され、上昇すると遮断されるので発電機の出力電圧が略
一定値に維持される。

【００３３】このような通常動作中において、トランジ
スタＱ２がオフしているときの電流方向は、ダイオード
Ｄ６の順方向なので、トランジスタＱ３，Ｑ５はともに
逆バイアスとなってオフ状態となる。

【００３４】ここで、トランジスタＱ２がオンすると、
トランジスタＱ３，Ｑ５とともに順バイアスとなるが、
大電力トランジスタであるＱ３のストレージ時間（オン
するのに要する時間）が小信号トランジスタであるＱ５
のストレージ時間より非常に大きいため、トランジスタ
Ｑ５の方が先にオンし、この結果、Ｑ３はオフ状態を維
持する。従って、自励防止回路９を追加したことによる
弊害は発生しない。

【００３５】（２）発電機Ｇに進相負荷を接続したとき 発電機Ｇの増磁作用により、界磁巻線２への電流供給が
減少し、電機子反作用による交流成分により、図１に示
した矢印の向きと逆方向の電流が発生する。

【００３６】トランジスタＱ２のオフ時に、この逆方向
電流が発生した場合、トランジスタＱ３及びＱ５に印加
される電圧が順方向となるが（トランジスタＱ４は後述
するように、発電機の始動直後の整流回路５の出力が極
端に低いときのみオフしており、それ以後はオンしてい
る）、このときの電圧の変化速度は比較的遅いため、ト
ランジスタＱ３のストレージ時間の影響は表われない。
従って、トランジスタＱ３はオン可能である一方、トラ
ンジスタＱ５はアース側線路１０ｂと電源側線路１０ａ
間の電圧がツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧とＱ
５のベース−エミッタ間電圧を加算した電圧（所定電
圧）以上とならないとオンしない。その結果、トランジ
スタＱ３がオンし、逆方向電流がＲ１２及びＱ３によっ
てバイパスされる。

【００３７】ここで、ツェナーダイオードＤ２のツェナ
ー電圧は、逆方向電流が増加し、トランジスタＱ３のコ
レクタ−エミッタ間の飽和電圧Ｖｃｅｓａｔが上昇して
も、安全動作領域内であればＤ２が導通しないような値
に設定してあるので、トランジスタＱ３はオン状態を維
持する。従って、第１の整流平滑回路５のコンデンサＣ
１への過充電を防止するとともに、増磁作用を抑制する
ことができ、異常電圧の上昇を防止することができる。

【００３８】次に、トランジスタＱ３のオン時にトラン
ジスタＱ２がオンすると（図３参照）、両トランジスタ
Ｑ２，Ｑ３で第１の整流平滑回路５の出力を短絡するこ
とになるので、トランジスタＱ２のスイッチング速度
（オフからオンへ変化する速度）に応じてトランジスタ
Ｑ３のコレクタ電流が増加し、これに伴ってコレクタ−
エミッタ間電圧Ｖｃｅｓａｔも上昇する。そして、Ｑ３
のＶｃｅｓａｔと抵抗Ｒ１２の両端の電圧との和、即ち
線路１０ａ−１０ｂ間の電圧がツェナーダイオードＤ２
のツェナー電圧とトランジスタＱ５のベース−エミッタ
間電圧を加算した電圧を越えると、Ｑ５がオンとなり、
Ｑ３はオフに転じる。従って、トランジスタＱ２がオン
することによってトランジスタＱ３のコレクタ電流が急
増して所定値を越えた場合には、トランジスタＱ３は速
やかにオフされるので、トランジスタＱ２とＱ３が同時
にオン状態となってトラブルを発生させることを効果的
に防止することができる。

【００３９】なお、トランジスタＱ３の最大ベースバイ
アスは、抵抗Ｒ１１及びツェナーダイオードＤ２によっ
て決定される（Ｑ３のベースに印加される電圧の最大値
はツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧で決まり、そ
のときのＱ３のベースバイアス電流はＲ１１で決まる）
ので、第１の整流平滑回路５の出力電圧（エキサイタ電
圧）の変動の影響を受けず、したがって、例えば抵抗分
圧式のバイアスのように整流平滑回路５の出力電圧が高
くなるに応じてトランジスタＱ３のオフするタイミング
がだんだん遅れる等のようにオンのタイミングが相対的
変動要素の影響を受けにくいため、トランジスタＱ３の
最大電力ストレスを安全動作領域内に設定することがで
きる。

【００４０】（３）発電立上り時 第１の整流平滑回路５の初期電圧は、ツェナーダイオー
ドＤ２のツェナー電圧より低いため、Ｄ２は導通せず、
したがってＤ２のみを介してトランジスタＱ５のベース
への接続がされていた場合には、トランジスタＱ５がオ
ンできずにトランジスタＱ３がオンし続けることにな
り、界磁巻線２に電流が供給できなくなって発電機の立
ち上げができないし、またトランジスタＱ３には低電圧
ではあるが短絡電流が流れ続けるため、異常発熱するこ
とになる。これに対し本発明では、ダイオードＤ２と並
列に抵抗Ｒ８を設けているため、立ち上げ初期において
は、抵抗Ｒ８，Ｒ９及びトランジスタＱ２のベース−エ
ミッタ間電圧によりトランジスタＱ５のベースバイアス
電圧が決定され、第１の整流平滑回路５の出力電圧が低
いときでもトランジスタＱ５はオン動作し、トランジス
タＱ３はオフ状態を維持する。従って、発電立上りが可
能となる。

【００４１】また、発電立上り時はトランジスタＱ２は
オン状態にあるので、トランジスタＱ３をオフ状態に維
持することにより、両トランジスタの同時オン状態を回
避し、素子の異常発熱を防止することができる。

【００４２】次に、トランジスタＱ４の動作について説
明する。

【００４３】発電立上り時は、発電機Ｇの回転子１に組
み込まれた小さな永久磁石による励磁巻線３の起電圧で
初期励磁を行うため、トランジスタＱ３がわずかでも導
通すると、第１の整流平滑回路５の出力電圧が低下し
（界磁電流Ｉｆが減少し）、発電機Ｇの立上り特性が悪
化する。

【００４４】そこで、本実施例では、トランジスタＱ３
のバイアス抵抗Ｒ１１に直列にトランジスタＱ４を挿入
し、第１の整流平滑回路５の出力電圧（励磁巻線３の出
力電圧）が低いときは、Ｑ４がオフとなるように抵抗Ｒ
６，Ｒ７の値を設定している。

【００４５】これにより、発電立上り時のように第１の
整流平滑回路５の出力電圧が極端に低いときは、トラン
ジスタＱ４をオフさせてトランジスタＱ３をオフ状態に
維持するとともに、抵抗Ｒ１１による電力消費を無く
し、進相負荷対策としてトランジスタＱ３を設けたこと
による悪影響を防止することができる。

【００４６】なお、第１の整流平滑回路５の出力電圧が
低く、トランジスタＱ３がオフしているときに、進相負
荷が発電機Ｇの出力に接続された場合には、界磁巻線２
からコンデンサＣ１への逆充電及び励磁巻線３の出力電
圧の上昇により、第１の整流平滑回路５の出力電圧が上
昇して、トランジスタＱ４がオンし、上述した進相負荷
接続時の動作が行われる。従って、トランジスタＱ４を
設けたことによって弊害が発生することはない。

【００４７】以上のように本実施例では、小信号トラン
ジスタであるＱ５のスレージ時間が大電力トランジスタ
であるＱ３より短かい点に着目し、上述したような回路
構成としたので、通常の負荷を接続したとき（進相負荷
でない場合）における自励防止回路９の影響を簡単な構
成で排除することができる。また、トランジスタＱ５
は、発電立上り時は、抵抗Ｒ８とＲ９の分圧回路によっ
てバイアスされるので、発電立上り時にも確実にオン作
動が可能であり、しかも立上り後はツェナーダイオード
Ｄ２のツェナー電圧によってオン動作電圧が決定され、
電源側線路１０ａの電圧が所定以上上昇したとき確実に
オン作動する。従って、進相負荷接続時においても、ト
ランジスタＱ３とＱ２の同時オン作動を効果的に防止
し、装置の信頼性向上を図ることができる。

【００４８】また、発電立上り時において、励磁巻線３
の出力電圧が低く、第１の整流平滑回路５の出力電圧が
低い間は、トランジスタＱ４がオフ状態に維持されるの
で、トランジスタＱ３もオフ状態に維持され、また抵抗
Ｒ１１、トランジスタＱ５を介して電流が流れることも
阻止され、Ｑ３及びそのバイアス回路の影響を排除して
円滑な立上り動作を行わせることができる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
励磁巻線出力が低いときのみ第２のトランジスタ（Ｑ
３）のオン動作が阻止されるので、進相負荷接続時の電
圧上昇を効果的に抑制するとともに、発電立上り時のよ
うに励磁巻線出力が低いときには、第２のトランジスタ
（Ｑ３）やそのバイアス回路に電流が流れることがな
く、発電機の始動時の電圧立上りを円滑に行わせること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る発電機及びその自動電
圧調整装置の構成を示す回路図である。

【図２】図１の回路の動作を説明するための図である。

【図３】図１の回路の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 回転子鉄心 ２ 界磁巻線 ８ 制御回路 ９ 自励防止回路 Ｑ２ トランジスタ（第１のトランジスタ） Ｑ３ トランジスタ（第２のトランジスタ） Ｑ５ トランジスタ（制御用トランジスタ） Ｄ２ ツェナーダイオード Ｄ６ フライホイールダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 9/00 - 9/48

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フライホイールダイオードを並列接続し
   た界磁巻線を備える発電機の出力電圧を検出し、この検
   出出力電圧に基づいて前記界磁巻線に直列接続された第
   １のトランジスタ（Ｑ２）をオン・オフ制御することに
   より、前記発電機の励磁巻線から前記界磁巻線へ供給さ
   れる界磁電流をオン・オフ制御し、前記発電機の出力電
   圧の安定化を図ると共に、 前記フライホイールダイオードに第２のトランジスタ
   （Ｑ３）を並列接続して、前記第１のトランジスタ（Ｑ
   ２）による前記界磁電流のオフ制御時に前記第２のトラ
   ンジスタ（Ｑ３）をオン可能な状態に制御することによ
   り、前記界磁巻線に逆起電圧が発生したときにこの発生
   した逆起電圧を前記第２のトランジスタ（Ｑ３）のオン
   動作によって短絡するように構成した自動電圧調整装置
   において、前記第２のトランジスタ（Ｑ３）の駆動制御
   回路内には前記励磁巻線出力が低いときのみ前記第２の
   トランジスタ（Ｑ３）のオン動作を阻止するオン阻止回
   路を設けたことを特徴とする自動電圧調整装置。
2. 【請求項２】 前記第１のトランジスタ（Ｑ２）がオフ
   状態の時に前記第１のトランジスタ（Ｑ３）をオンさせ
   るためのバイアス電圧が前記励磁巻線から供給されるよ
   うに構成すると共に、この供給経路に前記オン阻止回路
   として前記励磁巻線出力が低いときのみオフ状態を維持
   して前記第２のトランジスタ（Ｑ３）のオン動作を阻止
   するスイッチを設けたことを特徴とする請求項１記載の
   自動電圧調整装置。
3. 【請求項３】 前記スイッチは前記励磁巻線の出力電圧
   を分圧信号として取り出すバイアス回路と、これによっ
   て前記励磁巻線の出力電圧が低いと検出されている間の
   みオフ状態を維持するようにしたトランジスタとで構成
   したことを特徴とする請求項２記載の自動電圧調整装
   置。