JP3136841B2 - 交流発電機用の励磁装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、交流発電機用の励磁
装置に係り、特に、交流発電機用の励磁コイルに励磁電
流を供給するスイッチング素子等のオン・オフ駆動素子
が破損して短絡状態になったことを検知する機能を備え
た交流発電機用の励磁装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機用の４００Ｈｚの交流電力を出力
する交流発電機、緊急用の商用周波数の電力を出力する
交流発電機等の励磁回路は、例えば、図４に示すように
構成されている。図４は励磁回路を主体にして記した図
であって、交流発電機（以下発電機と記す場合もある）
および励磁機の駆動機構および回路遮断器等の記載は省
略している。図４において、駆動機構（図示せず）が発
電機１と励磁機２を回転する。１Ａは発電機本体、１ａ
は発電機の励磁コイル、１ｂは整流手段、２Ａは励磁機
本体、２ａは励磁機の励磁コイルをそれぞれ示してい
る。３ｐ、３ｎは直流励磁電源であって、第１のオン・
オフ駆動素子例えば、トランジスタ４が導通すると、直
流励磁電源３ｐ、３ｎから供給される電流が励磁機２の
励磁コイル２ａに流れる。励磁コイル２ａに電流が供給
されると、励磁機２は発電して整流手段１ｂで直流に整
流された励磁電流を発電機１の励磁コイル１ａに供給す
る。発電機１はこの励磁電流を供給されて発電し、出力
回路５に発電電力を出力する。なお、発電機１による発
電電圧は、整流手段６によって直流に変換されて電圧比
較手段７に加えられる。この発電機１からの発電電圧信
号は電圧比較手段７で信号線８から入力する発電電圧基
準信号Ｖｓと比較される。電圧比較手段７から出力する
偏差信号は偏差増幅手段９で偏差信号値に対応する補正
信号に変換され、パルス幅制御回路１０で補正信号値に
対応する繰り返しパルス信号、例えば、ＰＷＭの信号に
変換される。パルス幅制御回路１０から出力するパルス
信号は第２のオン・オフ駆動素子１１の駆動端子、例え
ば、第２のオン・オフ駆動素子１１がトランジスタの場
合はベース端子に入力する。従って、第２のオン・オフ
駆動素子１１は入力するパルス信号の値に対応して導通
し、または非導通となる。第２のオン・オフ駆動素子１
１が導通すると、前述した第１のオン・オフ駆動素子４
が導通して励磁機２に励磁電流を供給する。図４におい
て、１２及び１３は夫々第２のオン・オフ駆動素子１１
と第１のオン・オフ駆動素子４を結合する固定抵抗器、
１４はフライホイールダイオードである。上述した電圧
比較手段７、偏差増幅手段９、パルス幅制御回路１０、
第２のオン・オフ駆動素子１１、第１のオン・オフ駆動
素子４等によって構成される回路は自動電圧調節機能
（ＡＶＲ）ａを構成していて、交流発電機１の出力電圧
値を信号線８から入力される発電電圧基準信号Ｖｓに等
しくなるように機能している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな発電機用の励磁装置であると、回路が正常な場合は
発電機１の出力電圧値を発電電圧基準信号Ｖｓに等しく
なるように機能しているが、第１のオン・オフ駆動素子
４がトランジスタによって構成されている場合、トラン
ジスタは過電圧、過電流に耐量が小さくて壊れやすいの
で、第１のオン・オフ駆動素子４が破損して短絡事故を
発生すると、励磁機２の励磁電流が連続して流れる。従
って、自動電圧調節機能（ＡＶＲ）ａは無制御状態にな
って、発電機１の発電電圧は過電圧状態になる。このよ
うな事故の場合、図示しない過電圧リレーや過電流リレ
ーが働いて発電機１の運転を停止させるが、故障箇所を
発見するためには、自動電圧調節機能（ＡＶＲ）ａを回
路から切り離し、さらに、第１、第２のオン・オフ駆動
素子（トランジスタ）４、１１を切り離して各端子間の
導通状態をテスター等で測定する必要がある。そのため
に故障箇所を発見して修復するのに多くの時間を要する
ことになる。本発明は上記従来の課題（問題点）を解決
し、第１のオン・オフ駆動素子が破損して導通状態にな
った場合に、出力が過電圧になる原因を早期に発見する
とともに、故障の修復を迅速に行えるようにするため
の、第１のオン・オフ駆動素子の故障検出機能を設けた
交流発電機用の励磁装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に基づく交流発電機用の励磁装置において
は、励磁機の励磁電流を制御する第１のオン・オフ駆動
素子の導通時に作動する第１の半導体リレー式検出手段
と、第１のオン・オフ駆動素子に駆動信号を供給する第
２のオン・オフ駆動素子の導通時に作動する第２の半導
体リレー式検出手段とを備え、第１の半導体リレーのａ
接点と第２の半導体リレーのｂ接点との直列回路を通し
て直流定電圧電源よりコンデンサを充電させ、コンデン
サ電圧が所定値まで上昇したとき、第１のオン・オフ駆
動素子が短絡故障であることを判定し、かつ、第１の半
導体リレーのｂ接点と第２の半導体リレーのａ接点との
並列回路を上記コンデンサに対し、並列に接続する故障
検出手段を備えて構成される。

【０００５】

【作用】本発明は、上述のように、第１のオン・オフ駆
動素子が短絡故障であることを判定する故障判定機能を
備えたので、第１のオン・オフ駆動素子の短絡故障発生
と同時に故障箇所を表示でき、また、故障発生と同時に
発電機の機能を停止させることができる。従って、速や
かに故障修復が実行できる。

【０００６】

【実施例】本発明に基づく交流発電機（以下発電機と記
す）用の励磁装置の実施例を図１乃至図３を参照して詳
細に説明する。図１は発電機用の励磁装置の概要回路構
成を示すブロック図であって、励磁装置の主要回路を、
また、図２は図１の主要回路に組み込まれる本発明に基
づく故障検出回路を示している。図１及び図２は励磁回
路と故障検出回路を主体にして記した図であって、発電
機および励磁機の駆動機構および回路遮断器、励磁電源
以外の電源回路等の記載は省略している。また、従来の
技術の説明で図４に示した要素・部品類と共通の要素・
部品類は同一の符号を使用している。図１において、図
示しない駆動機構によって発電機１および励磁機２が駆
動されるようになっている。１Ａは発電機本体、１ａは
発電機１の励磁コイル、１ｂは整流手段、２Ａは励磁機
本体、２ａは励磁機の励磁コイルをそれぞれ示してい
る。３ｐ、３ｎは直流励磁電源であって、図示しない電
池か整流回路から供給され、３ｐが同直流励磁電源のプ
ラス側（プラス電源ということもある）、３ｎは直流励
磁電源のマイナス側（マイナス電源ということもある）
をそれぞれ示している。直流励磁電源３ｐ、３ｎは励磁
機２の励磁コイル２ａを経由した第１のオン・オフ駆動
素子４と、第２のオン・オフ駆動素子１１に電流を供給
する。本実施例では、第１のオン・オフ駆動素子４およ
び第２のオン・オフ駆動素子１１をトランジスタとして
説明する。上述のように回路が構成されているので第１
のオン・オフ駆動素子４が導通すると励磁機２が発電
し、その出力を整流手段１ｂで直流にして励磁コイル１
ａに励磁電流として供給され、発電機１が発電し、その
出力回路５より負荷回路に発電電力を供給する。図示し
ない発電機電圧設定器にて設定され、信号線８から供給
される発電電圧基準信号Ｖｓは電圧比較手段７に入力し
て、整流手段６によって直流にして入力される発電機１
の発電電圧信号と比較される。電圧比較手段７によって
得られた偏差信号は、偏差増幅手段９により偏差信号値
に対応する補正信号に変換される。偏差増幅手段９の出
力信号はパルス幅制御回路１０に入力して偏差値に対応
してパルス幅が変化する繰り返しパルス信号に変換され
る。パルス幅制御回路１０のパルス出力は第２のオン・
オフ駆動素子（トランジスタ）１１のベース端子に入力
する。第２のオン・オフ駆動素子１１にＰＮＰトランジ
スタを使用して、このトランジスタのエミッタをプラス
電源３ｐに接続し、コレクタを２個の直列接続した抵抗
器１２、１３を経由してマイナス電源３ｎに接続し、抵
抗器１２、１３の接続点をＮＰＮトランジスタを使用し
た第１のオン・オフ駆動素子４のベース端子に接続して
いる。直流励磁電源のプラス電源３ｐと第１のオン・オ
フ駆動素子（トランジスタ）４のコレクタ端子との間に
は所定値の固定抵抗器１５に直列接続した第１の検出手
段１６を接続し、直流励磁電源のマイナス電源３ｎと第
２オン・オフの駆動素子（トランジスタ）１１のコレク
タ端子との間には所定値の固定抵抗器１７に直列接続し
た第２の検出手段１８を接続している。第１および第２
の検出手段１６、１８は、それぞれ、例えば、フォトモ
スリレー等のリレー機能を使用して第１のオン・オフ駆
動素子４、または第２のオン・オフ駆動素子１１の導通
非導通を検出し、後述する所定回路に接続したリレー接
点部を開閉する。励磁電源のプラス電源３ｐと第１のオ
ン・オフ駆動素子（トランジスタ）４のコレクタ端子と
の間には、また、フライホイールダイオード１４が接続
されている。

【０００７】次に、図２を参照して本発明に基づく故障
検出回路例を説明する。同図において、２０ｐ、２０ｎ
は、故障検出回路に供給する直流定電圧電源回路を示し
ている。同図において、２０ｐは直流電源回路のプラス
側、２０ｎは直流電源回路のマイナス側を示している。
また、本回路では、前述した第１の検出手段である半導
体リレー１６、第２の検出手段である半導体リレー１８
にそれぞれ電圧を印加したり、しなかったりしたときの
オン・オフ動作を、説明の便宜上機械式リレーの接点に
準じて、無電流時開接点即ちａ接点、無電流時閉接点即
ちｂ接点のように記し、ゲート回路もリレー回路も論理
回路上同一なので、回路説明も機械式リレー回路のよう
に説明する。即ち、検出手段に、電圧値変化等を検知し
て無接点リレーを機能させても、有接点のリレーを使用
しても同様に本発明の技術思想を実現できる。直流定電
圧電源回路２０ｐ、２０ｎの間には、所定値の固定抵抗
器２１、第１の半導体リレー１６のａ接点１６ａ、第２
の半導体リレー１８のｂ接点１８ｂ、および所定容量の
コンデンサ２３が直列に接続されている。コンデンサ２
３の端子電圧は故障検出手段２４に入力し、第１のオン
・オフ駆動素子（トランジスタ）４が短絡故障になる
と、故障検出手段２４の出力に故障検出信号２５を発生
する。第１の半導体リレー１６のｂ接点１６ｂと第２の
半導体リレー１８のａ接点１８ａとの並列回路には所定
値の固定抵抗器２２とが直列に接続され、これらに対し
てコンデンサ２３が並列に接続されている。

【０００８】次に、図１、図２に示した励磁回路の働き
を説明する。電圧設定器にて設定された発電電圧基準信
号Ｖｓが信号線８から電圧比較手段７に入力され、電圧
比較手段７においての発電機１の出力電圧フィードバッ
ク信号と比較される。電圧比較手段７から出力される偏
差信号は偏差増幅手段９で偏差信号値に対応し、上述し
た偏差をなくすように励磁回路を駆動する補正値の信号
に変換されてパルス幅制御回路１０に入力し、この補正
信号値に対応してパルス幅が変化する繰り返しパルス信
号に変換される。パルス幅制御回路１０から出力するパ
ルス信号は第２のオン・オフ駆動素子（トランジスタ）
１１のベース端子に入力する。パルス幅制御回路１０か
ら出力するパルス信号がロウレベルになると第２のオン
・オフ駆動素子（トランジスタ）１１を導通させるよう
にしておくと、第１のオン・オフ駆動素子（トランジス
タ）４にベース電流が流れて第１のオン・オフ駆動素子
（トランジスタ）４は導通して励磁機２の励磁コイル２
ａに励磁電流を流す。また、パルス幅制御回路１０から
出力するパルス信号がハイレベルになると第２のオン・
オフ駆動素子（トランジスタ）１１を非導通にさせるよ
うにしておくと、第１のオン・オフ駆動素子（トランジ
スタ）４にはベース電流が流れないので第１のオン・オ
フ駆動素子（トランジスタ）４は非導通になり、励磁機
２の励磁コイル２ａに励磁電流を流さない。従って、励
磁機２は、パルス幅制御回路１０から出力するパルス信
号のハイ、ロウ各レベルの比率に対応する平均値に従っ
た電流を発電機１の励磁コイル１ａに流す。このため、
上記ハイレベル、ロウレベルの比率を自動調節すること
により発電機出力電圧が常に設定器で設定された基準電
圧で定まる電圧になるよう自動制御される。

【０００９】次に、図１、図２に示した本発明に基づく
故障検出機能の働きを図３をも参照して詳細に説明す
る。説明に使用する符号は図１、図２と同一である。図
３は横軸に時間の流れ、縦軸には第２のオン・オフ駆動
素子１１、第２の半導体リレーのｂ接点１８ｂ、第１の
オン・オフ駆動素子４、第１の半導体リレーのａ接点１
６ａ、それぞれの動作状態と、コンデンサ２３の充電電
圧及び故障検出信号２５を示している。なお、図３では
図示の都合上、第１及び第２のオン・オフ駆動素子の記
載を第１の駆動素子、第２の駆動素子と略記している。
図３に示す動作状態で、ＯＮは導通時、ＯＦＦは非導通
時を示している。図１に示した第２のオン・オフ駆動素
子１１が図３に示した時間ｔｎ乃至ｔｏの間のように非
導通であると、固定抵抗器１７と直列接続した第２の半
導体リレー１８には電流が流れない。従って、第２の半
導体リレー１８のｂ接点１８ｂは閉状態である。第２の
オン・オフ駆動素子１１が非導通であると、第１のオン
・オフ駆動素子４も非導通なので、固定抵抗器１５と直
列接続した第１の半導体リレー１６には電流が流れず、
第１の半導体リレー１６のａ接点１６ａは開状態であ
る。従って、コンデンサ２３は充電されず故障検出手段
２４の検出信号２５は出力しない。また、コンデンサ２
３と並列接続した第２の半導体リレー１８のａ接点１８
ａは開状態であるが、第１の半導体リレー１６のｂ接点
１６ｂは閉状態である。従ってコンデンサ２３の端子は
固定抵抗器２２の抵抗値で短絡されている。図１に示し
た第２のオン・オフ駆動素子１１が図３に示した時間ｔ
ｏ乃至ｔｐの間のように導通されると、固定抵抗器１７
と直列接続した第２の半導体リレー１８に電流が流れる
ので、第２の半導体リレー１８のｂ接点１８ｂは開状態
になる。第２のオン・オフ駆動素子１１が導通すると、
第１のオン・オフ駆動素子４も導通するので、固定抵抗
器１５と直列接続した第１の半導体リレー１６にも電流
が流れ、第１の半導体リレー１６のａ接点１６ａは閉状
態である。従って、コンデンサ２３は充電されず、故障
検出手段２４の検出信号２５は出力しない。また、並列
接続した第２の半導体リレー１８のａ接点１８ａは閉状
態であるが、第１の半導体リレー１６のｂ接点１６ｂは
開状態である。従ってコンデンサ２３の端子は固定抵抗
器２２の抵抗値で短絡されたままである。即ち、第１の
オン・オフ駆動素子４と、第２のオン・オフ駆動素子１
１が正常に機能していると、コンデンサ２３は充電され
ず、故障検出手段２４の検出信号２５は出力しない。例
えば、上述した時刻ｔｏにおいて第２の半導体リレー１
８のｂ接点１８ｂと第１の半導体リレー１６のａ接点１
６ａそれぞれの導通非導通が切り替わるタイミングに遅
れがあって、瞬間的に直流電源回路のプラス側２０ｐと
故障検出手段２４の入力端子が固定抵抗器２１を介して
短絡してコンデンサ２３に漏れ電流が流れ、これにより
コンデンサ２３に電荷が蓄積しても、コンデンサ２３に
並列接続した第２の半導体リレー１８のａ接点１８ａと
第１の半導体リレー１６のｂ接点１６ｂと抵抗器２２か
らなる回路の働きによって、前記漏れ電流によるコンデ
ンサ２３の蓄積電荷は確実に放電され、故障検出手段２
４への入力電圧は大きくならず、故障検出回路２４が誤
って機能されて故障信号が出力されることはない。

【００１０】今、例えば、図３における、時刻ｔ１とｔ
２の間において、第１のオン・オフ駆動素子４が破損し
て永久短絡状態になると、時間ｔ１乃至ｔ２間において
は、正常な通電時と同様の動作状態を示すが、時刻ｔ２
以降は、第２のオン・オフ駆動素子１１が非導通になっ
ても第１のオン・オフ駆動素子４は非導通にならない。
従って、第２の半導体リレー１８のｂ接点１８ｂは閉状
態であり、第１の半導体リレー１６のａ接点１６ａも閉
状態のままである。従って、時刻ｔ１以降直流電源回路
２０ｐ、２０ｎからの電流が固定抵抗器２１を経由して
コンデンサ２３を充電し、故障検出回路２４への入力電
圧が所定の検出電圧値以上になると、故障検出回路２４
の出力回路に故障検出信号出力２５を出力する。また、
第２の半導体リレー１８のａ接点１８ａは開状態で、第
１の半導体リレー１６のｂ接点１６ｂは開状態のままで
あり、コンデンサは放電されない。このように、第１の
オン・オフ駆動素子４が短絡故障すると、前述した自動
電圧調節機能Ｓの働きに関係なく発電機出力電圧が過電
圧となるので、発電機負荷保護のため、きわめて短時間
に故障検出することが出来るようになっている。そし
て、この故障信号によって機能する保護機器を設けるこ
とによって過電圧保護がなされる。

【００１１】

【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、次
のような優れた効果を有する。機械式のリレーを使用
せず、半導体リレーを使用しているので、高速での故障
検出が可能となった。例えば４００ＨＺでスイッチング
動作する半導体リレーを使用しているので、第１のオン
・オフ駆動素子の短絡故障発生後５０ｍｓｅｃ以下で故
障検出して、発電機の過電圧から発電機負荷を速やかに
保護できる。コンデンサ２３の放電回路の働きで、第
１、第２の各オン・オフ駆動素子４、１１のスイッチン
グのＯＮ、ＯＦＦのズレに伴う接点１６ａ、１８ｂのス
イッチング速度のバラツキに基づく故障検出手段の誤動
作がない。半導体リレー接点１６ａと１８ｂが両方と
も閉となってから、一定時間経過した場合を短絡故障と
しているので検出時間を調整でき、ノイズに基づく故障
検出手段の誤動作はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく交流発電機用の励磁装置の実施
例を説明する概要構成ブロック図であって、交流発電機
用の励磁装置の全体構成例を示す。

【図２】図１の交流発電機に適用する故障検出回路の構
成例を示す。

【図３】図１及び図２に示す本発明の故障検出回路の動
作説明図である。

【図４】交流発電機用の励磁装置の従来例を説明する概
要構成ブロック図である。

【符号の説明】

１：交流発電機 ２：励磁機 ３ｐ、３ｎ：直流励磁電源 ４：第１のオン・オフ駆動素子（トランジスタ） １１：第２のオン・オフ駆動素子（トランジスタ） １６、１８：検出手段（半導体リレー） １６ａ、１８ａ：検出手段１６および１８の無電流時開
接点回路（ａ接点） １６ｂ、１８ｂ：検出手段１６および１８の無電流時閉
接点回路（ｂ接点） ２４：故障検出手段 ２５：故障検出信号出力 Ｓ：自動電圧調節機能

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流発電機用励磁機の励磁電流を制御す
   る第１のオン・オフ駆動素子と、該第１のオン・オフ駆
   動素子に駆動信号を供給する第２のオン・オフ駆動素子
   と、励磁コイルに電力を供給する励磁電源とを有する交
   流発電機用の励磁装置において、 上記第１のオン・オフ駆動素子の導通時に作動する第１
   の半導体リレー式検出手段と、 上記第２のオン・オフ駆動素子の導通時に作動する第２
   の半導体リレー式検出手段とを備え、 上記第１の半導体リレーのａ接点と第２の半導体リレー
   のｂ接点との直列回路を通して直流定電圧電源よりコン
   デンサを充電させ、コンデンサ電圧が所定値まで上昇し
   たとき、上記第１のオン・オフ駆動素子が短絡故障であ
   ると判定し、かつ、第１の半導体リレーのｂ接点と第２
   の半導体リレーのａ接点との並列回路を上記コンデンサ
   に対し並列に接続する故障検出手段を備えたことを特徴
   とする交流発電機用の励磁装置。