JP3610550B2

JP3610550B2 - 同期発電機の自動電圧調整器

Info

Publication number: JP3610550B2
Application number: JP2000152912A
Authority: JP
Inventors: 良馬名倉; 智也市野
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: JP2001339997A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機またはブラシレス同期発電機（以下同期発電機と略す）の出力電圧を所望の電圧に自動制御する同期発電機の自動電圧調整器に関する。
【従来の技術】
従来の同期発電機の自動電圧調整器を図３を参照して説明する。
【０００２】
図に示すように、同期発電機１の回転子は原動機９により回転され、発電された電力は負荷１０に供給される。ダイオード２は、同期発電機１の界磁巻線に並列で且つカソード端子が直流電源３の正側出力端子の方向となるように接続され、スイッチング素子４がオフしている期間に界磁電流が流れる経路を確保するフライホイール機能を持っている。
【０００３】
演算増幅器７は、同期発電機１の電圧を所望の電圧に制御するための指令信号として、電圧指令信号発生器６が出力する指令信号Ｖｓと、同期発電機１の端子電圧を検出する電圧検出器５の出力信号Ｖｄとに基づいて制御演算を行い、負荷インピーダンスの変動に伴う発電機特性の変動を補償し、同期発電機の電圧が所望の電圧となるように界磁電圧を操作する制御信号のｏｎ−ｄｕｔｙ信号を出力する。パルス幅変調器８はこのｏｎ−ｄｕｔｙ信号に比例したオン幅を持つパルス信号Ｖｐを出力し、スイッチング素子４はパルス信号Ｖｐに従ってスイッチング動作する。
【０００４】
スイッチング素子４は、同期発電機１の界磁巻線に直列に接続され、これらの直列回路には、直流電源３によって直流の界磁電源電圧Ｖｆｓが印加される。また、スイッチング素子４はパルス信号Ｖｐに従ってスイッチング動作することにより、界磁電源電圧Ｖｆｓをチョッパ操作し、同期発電機１の界磁巻線に印加される平均電圧Ｖｆを調節する。
【０００５】
以上のような構成の同期発電機１の自動電圧調整器は、負荷量の変動により同期発電機１の出力電圧が変動しても自動的に界磁電圧Ｖｆの印加量を調節するので、同期発電機１の出力電圧を所望の電圧に制御することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発電機の界磁巻線の飽和特性は図４のグラフで表される。図３で示すような通常の発電機装置において、定格電圧運転時の界磁電流がｉｆ１であるとすると、その時の公称誘起電圧を発生させるために必要な界磁磁束はΦ１である。負荷変動などの外乱に対しての発電機電圧の自動制御系を考える場合、定格時の動作点Ａからの微小変動範囲についての発電機の伝達関数が判ればよい。したがって、界磁電流ｉｆ１に対する界磁磁束Φ１の増幅率はｉｆ１での界磁巻線のインダクタンスを考え、図４の飽和特性のＡ点での接線の傾きで近似してもよい。
【０００７】
今、一例として原動機の回転速度が上昇した場合を考えると、発電機の出力電圧は界磁巻線の鎖交磁束数に比例するので、界磁電流がｉｆ１に維持されると、発電機出力も上昇する。従って、自動電圧調整器は、発電機電圧を所望の電圧に維持するために界磁電流を図４のｉｆ２に減少させ、鎖交磁束数をΦ１からΦ２に下げるように動作する。このような制御の結果、界磁巻線の状態は図４のＢ点に移ることになるが、界磁巻線の飽和特性はカーブを描くため、Ａ点とＢ点では接線の傾きが異なる。従って、Ａ点とＢ点では界磁巻線のインダクタンスが異なり、界磁電流に対する界磁磁束の増幅率が変化する。通常の発電装置においては回転速度がほぼ一定に保たれるため、このような変動は無視してよいが、自動車のエンジンのように回転速度が大きく変動する原動機によって発電機が駆動される場合は、この増幅率の変動を考慮しなければ、例えＡ点において電圧が安定に制御されていてもＢ点では乱調を引き起こす可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記状況に対処するためになされたものであり、回転子の回転速度が大きく変化して定格電圧の出力に要する界磁電流量が大きく変化した場合でも飽和特性による界磁巻線のインダクタンスの変動を補正し、安定に同期発電機電圧を制御できる同期発電機の自動電圧調整器を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の同期発電機の自動電圧調整器は、同期発電機の界磁巻線に直列に接続され、スイッチング動作により界磁電圧を調節するスイッチング素子と、前記界磁巻線と前記スイッチング素子からなる直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、前記界磁巻線に並列接続され、且つ前記直流電源の正側出力端子にカソード端子が接続されたダイオードと、前記同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、前記電圧検出器と前記電圧指令信号発生器の出力信号に基づいて制御演算を行い、負荷インピーダンスの変動に伴う発電機特性の変動を補償し、前記同期発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記同期発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記回転速度検出器の信号に基づいて前記界磁巻線の飽和によるインダクタンスの変動を補正する補正信号を出力する第１の補正信号出力器と、前記第１の補正信号出力器の出力信号と前記演算増幅器の出力信号を乗算する乗算器と、前記乗算器の出力信号に比例したオン期間のパルス電圧を出力し、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるパルス幅変調器とを備え、前記同期発電機の回転速度が変化した場合でも、発電機の飽和特性による界磁巻線のインダクタンスの変動を補正し、安定な電圧制御が行えるように構成されたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２は、請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、同期発電機の代りにブラシレス同期発電機を用いるとともに、回転速度検出器の出力信号に基づいて励磁機の界磁巻線の飽和によるインダクタンスの変動を補正する補正信号を出力する第２の補正信号出力器を備え、乗算器は演算増幅器の出力信号と第１の補正信号出力器の出力信号と第２の補正信号出力器の出力信号を乗ずることで、ブラシレス同期発電機の回転速度が変化した場合でも、同期発電機と励磁機の飽和特性によるそれぞれの界磁巻線のインダクタンスの変動を補正し、安定な電圧制御が行えるように構成されたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例（請求項１対応）である同期発電機の自動電圧調整器の回路図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施例が既に説明した図３に示す従来の同期発電機の自動電圧調整器と相違する構成は、回転速度検出器２０と、第１の補正信号出力器２１と、乗算器２２を備えている点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００１３】
次に、本実施例の主要な構成機器の作用について説明する。
演算増幅器７は、同期発電機１の電圧を所望の電圧に制御するための指令信号として電圧指令信号発生器６が出力する指令信号Ｖｓと、同期発電機１の端子電圧を検出する電圧検出器５の出力信号Ｖｄとに基づいて制御演算を行い、負荷インピーダンスの変動に伴う発電機特性の変動を補償し、同期発電機の電圧が所望の電圧となるように界磁電圧を操作する制御信号のｏｎ−ｄｕｔｙ信号を出力する。
【００１４】
回転速度検出器２０は、同期発電機１の回転速度または出力電圧の周波数を検出し、それらに比例した信号Ｖｒｐｍを出力する。第１の補正信号出力器２１は信号Ｖｒｐｍを入力とし、発電機界磁巻線の飽和特性に基づく補正信号Ｖａを出力する。補正信号Ｖａは図４に示す飽和特性において、例えばｉｆ１が基準回転速度における定格界磁電流、ｉｆ２が任意の回転速度における定格界磁電流とすると、Ｂ点での接線の傾き（すなわち、ｉｆ２におけるインダクタンス）Ｌｂに対するＡ点での接線の傾き（すなわち、ｉｆ１におけるインダクタンス）Ｌａの比Ｌａ／Ｌｂで求められる補正信号である。
【００１５】
乗算器２２は、第１の補正信号出力器２１の出力信号Ｖａと演算増幅器７の出力信号のｏｎ−ｄｕｔｙ信号を乗算して制御信号のｏｎ−ｄｕｔｙ２信号を出力する。また、パルス幅変調器８は、ｏｎ−ｄｕｔｙ２信号に比例したオン幅を持つパルス信号Ｖｐを出力し、スイッチング素子４はパルス信号Ｖｐに従ってスイッチング動作する。
【００１６】
ここで、演算増幅器７の出力信号のｏｎ−ｄｕｔｙ信号に補正信号Ｖａを乗ずることは、回転速度が基準回転速度から変動した場合に、発電機界磁巻線の飽和特性による界磁巻線のインダクタンスの変動を制御装置内部で補正し、発電機電圧制御系全体ではその変動分が相殺されて無視することができることを意味するものである。
【００１７】
また、スイッチング素子４は、同期発電機１の界磁巻線に直列に接続され、これらの直列回路には、直流電源３によって界磁電源電圧Ｖｆｓが印加される。スイッチング素子４はパルス信号Ｖｐに従ってスイッチング動作することにより、界磁電源電圧Ｖｆｓをチョッパ操作し、同期発電機１の界磁巻線に印加される平均電圧Ｖｆを調節する。ダイオード２は同期発電機１の界磁巻線に並列に接続され、直流電源３の正側端子の方向にカソード端子が接続される。
【００１８】
本実施例は以上のような機能を有する構成機器を備えることにより、回転速度変動に伴う同期発電機の界磁電流量の増減によって変化する界磁巻線のインダクタンスを第１の補正信号出力器２１の出力信号Ｖａによって補正することができ、回転速度が頻繁に変動する原動機に接続される発電装置においても従来と同じ制御手法で安定な発電機出力電圧を得ることが可能となる。
【００１９】
図２は、本発明の他の実施例（請求項２対応）である同期発電機の自動電圧調整器の回路図である。
図２に示すように、本実施例が既に説明した図１の実施例と相違する構成は、同期発電機の代りにブラシレス同期発電機が接続され、第２の補正信号出力器２３が追加されている点のみであり、その他の構成機器は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００２０】
次に、本実施例の構成機器の作用について説明する。
第２の補正信号出力器２３は、周波数検出器の出力信号Ｖｒｐｍを入力とし、励磁機界磁巻線の飽和特性に基づく補正信号Ｖｂを出力する。補正信号Ｖｂは図４に示す飽和特性において、例えばｉｅｆ１が基準回転速度における励磁機定格界磁電流、ｉｅｆ２が任意の回転速度における励磁機定格界磁電流とすると、Ｆ点での接線の傾き（すなわち、ｉｅｆ２におけるインダクタンス）Ｌｆに対するＥ点での接線の傾き（すなわち、ｉｅｆ１におけるインダクタンス）Ｌｅの比Ｌｅ／Ｌｆで求められる補正信号である。
【００２１】
乗算器２２は、第１の補正信号出力器２１の出力信号Ｖａと第２の補正信号出力器２３の出力信号Ｖｂと演算増幅器７の出力信号のｏｎ−ｄｕｔｙ信号を乗算して制御信号ｏｎ−ｄｕｔｙ３を出力する。
【００２２】
ここで、演算増幅器７の出力信号のｏｎ−ｄｕｔｙ信号に補正信号Ｖａ，Ｖｂを乗ずることは、回転速度が基準回転速度から変動した場合に、発電機と励磁機の飽和特性による各界磁巻線のインダクタンスの変動を制御装置内部で補正し、発電機電圧制御系全体ではその変動分が相殺されて無視することができることを意味する。
【００２３】
本実施例は以上のような機能を有する構成機器を備えることにより、回転速度変動に伴う発電機と励磁機の各界磁電流量の増減によって変動する各界磁巻線のインダクタンスを、第１の補正信号出力器２１の出力信号Ｖａと、第２の補正信号出力器２３の出力信号Ｖｂとによって補正することができ、回転速度が頻繁に変動する原動機に接続される発電装置においても従来と同じ制御手法で安定な発電機出力電圧を得ることが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明（請求項１及び請求項２対応）によれば、回転子の回転速度と定格電流量に必要な界磁電流量に依存した界磁巻線のインダクタンスの変動による発電機特性の変動を自動電圧調整器の内部の演算によって補正することで従来と同じ制御手法により安定な電圧制御系を構成することができ、任意の回転速度において負荷に安定な電圧を供給できる同期発電機の自動電圧調整器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の回路図。
【図２】本発明の他の実施例の回路図。
【図３】従来の同期発電機の自動電圧調整器の回路図。
【図４】発電機および励磁機の界磁巻線の飽和特性図。
【符号の説明】
１…同期発電機またはブラシレス同期発電機、２…ダイオード、３…直流電源、４…スイッチング素子、５…電圧検出器、６…電圧指令信号発生器、７…演算増幅器、８…パルス幅変調器、９…原動機、１０…負荷、２０…回転速度検出器、２１…第１の補正信号出力器、２２…乗算器、２３…第２の補正信号出力器。

Claims

同期発電機の界磁巻線に直列に接続され、スイッチング動作により界磁電圧を調節するスイッチング素子と、前記界磁巻線と前記スイッチング素子からなる直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、前記界磁巻線に並列接続され、且つ前記直流電源の正側出力端子にカソード端子が接続されたダイオードと、前記同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、前記電圧検出器と前記電圧指令信号発生器の出力信号に基づいて制御演算を行い、負荷インピーダンスの変動に伴う発電機特性の変動を補償し、前記同期発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記同期発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記回転速度検出器の信号に基づいて前記界磁巻線の飽和によるインダクタンスの変動を補正する補正信号を出力する第１の補正信号出力器と、前記第１の補正信号出力器の出力信号と前記演算増幅器の出力信号を乗算する乗算器と、前記乗算器の出力信号に比例したオン期間のパルス電圧を出力し、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるパルス幅変調器とを備え、前記同期発電機の回転速度が変化した場合でも、発電機の飽和特性による界磁巻線のインダクタンスの変動を補正し、安定な電圧制御が行えるように構成されたことを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。
請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、同期発電機の代りにブラシレス同期発電機を用いるとともに、回転速度検出器の出力信号に基づいて励磁機の界磁巻線の飽和によるインダクタンスの変動を補正する補正信号を出力する第２の補正信号出力器を備え、乗算器は演算増幅器の出力信号と第１の補正信号出力器の出力信号と第２の補正信号出力器の出力信号を乗ずることで、ブラシレス同期発電機の回転速度が変化した場合でも、同期発電機と励磁機の飽和特性によるそれぞれの界磁巻線のインダクタンスの変動を補正し、安定な電圧制御が行えるように構成されたことを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。