JP3617166B2

JP3617166B2 - 交流電源装置

Info

Publication number: JP3617166B2
Application number: JP03381596A
Authority: JP
Inventors: 太一井上
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1996-02-21
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: JPH09233825A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電力あるいは周波数や電圧が一定でない交流電力から周波数ならびに電圧が一定の交流電力を生成する交流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屋外や緊急時等に用いられる電力源として、発動機付き発電機がある。この発動機付き発電機とは、発動機エンジンの出力シャフトの駆動力によって発電機シャフトを回転駆動し、発電するものである。
【０００３】
上述のような発動機付き発電機を含めて、一般的に発電機には交流発電機が用いられることが多い。
一方、発電機から電力を供給される電気機器に関しても、一般には商用電源（日本国内では１００Ｖや２００Ｖの電源）に合わせて、交流電源を必要とするものが多い。
【０００４】
ただし上述のような電気機器では、電源の変圧器や安定化回路その他が、商用電源の周波数（例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚ）に合わせて設計されている。したがって発動機付き発電機の出力も、このような周波数に調整されていることが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで一般には、交流発電機の出力を整流した後、インバータ回路によって一定周波数の交流電力を生成する。
図６は、従来技術によるインバータ回路を有する交流電源装置の構成を示す構成図である。
【０００６】
図６において１は三相交流発電機であり、後述する励磁回路２から励磁電流の供給を受け、図示省略した回転子シャフトの回転数に応じた周波数の三相交流電力を出力する。
【０００７】
三相交流発電機１の出力は、三相整流回路３ａと三相整流回路３ｂとに供給される。三相整流回路３ａに供給された交流電力は、整流された後、平滑コンデンサ４によって平滑されて直流電力（Ｖ_ＤＣ）となる。
【０００８】
一方、三相整流回路３ｂに供給された交流電力は、整流された後に、平滑コンデンサ４によって平滑された直流電力とともに、励磁回路２に供給される。
ここで励磁回路２は、所定の周波数（一例として１ｋＨｚ）の励磁電流を、直流電圧Ｖ_ＤＣに応じた強度で三相交流発電機１が有する界磁コイル１ａに供給する。これによって直流電圧Ｖ_ＤＣは、一定の電圧に保たれる。
【０００９】
５は正弦波発生回路であり、商用電源と同じ周波数（例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）の正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎを発生する。この正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎはインバータ制御回路６に入力され、これによってベースアンプ６は正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎに対応したＰＷＭ信号（パルス幅変調波）Ｓ_ＰＷＭを出力する。
【００１０】
即ち、正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎの瞬時値が０に近いときにはＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭのパルス幅を狭く（信号の１周期に対するパルスオンの時間の割合を示すデューティ比を小さく）し、正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎの瞬時値が大きくなるに従って、これに対応してＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭのパルス幅を広く（デューティ比を大きく）する。
なお一般に、このＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭの周波数は正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎの周波数の数倍〜数十倍の周波数が用いられる。
【００１１】
インバータ制御回路６が出力するＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭは、トランジスタ等の複数のスイッチング素子を有するインバータ回路７に供給される。またこのインバータ回路７には、上述の直流電力（Ｖ_ＤＣ）も供給され、この直流電力をＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭに基づいてスイッチング、ならびに極性反転させることにより交流電力Ｖ_ＡＣ０を出力する。
この交流電力Ｖ_ＡＣ０はＬＰＦ８に入力されてＰＷＭ信号成分が除去され、負荷９には交流電力Ｖ_ＡＣ１が供給される。
【００１２】
ところで図６に示す構成では、負荷９に供給される交流電圧Ｖ_ＡＣ１の監視が行われていないため、負荷が変化すると交流電圧Ｖ_ＡＣ１が変化してしまう。したがって、正確な電圧の交流電力が出力できない、あるいは出力する交流の電圧が安定しない等の問題があった。
【００１３】
この発明は、このような背景の下になされたもので、負荷の大小に関わらず正確且つ安定した電圧の交流電力が出力可能である交流電源装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１に記載の発明にあっては、基準発振波 ( Ｓ _Sin ）となる正弦波信号を出力する正弦波発生手段（５）と、前記基準発振波(Ｓ_Sin）によりパルス幅変調されたパルス信号（Ｓ_PWM1〜Ｓ_PWM4）を出力するＰＷＭ波発生手段（１６）と、供給された直流電力（Ｖ_DC）をスイッチングする複数のスイッチング素子から構成され当該直流電力を前記パルス信号に基づいてスイッチングして交流電力（Ｖ_AC0）を出力するインバータ回路（７）とからなる交流電源装置において、前記交流電力の電圧成分を検出する電圧検出手段（１１）と、前記電圧検出手段により検出された前記電圧成分が増加するに従って乗数が小さくなる乗数信号（Ｓ _ｍ）を出力する演算手段（１４）と、前記正弦波発生手段と前記ＰＷＭ波発生手段との間に設けられ、前記正弦波発生手段が出力する基準発振波 ( Ｓ _Sin ）に前記演算回路から出力する前記乗数を乗算した正弦波信号を前記ＰＷＭ波発生手段に対して出力する乗算手段（１５）とをさらに備え、前記電圧成分に基づいて、前記基準発振波の振幅を決定して、安定した前記交流電力を出力するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
【作用】
この発明によれば、スイッチング素子群は供給された直流電力をパルス信号に基づいてスイッチングしてパルス波電力を出力し、電圧検出手段はパルス波電力の電圧成分を検出し、演算手段は電圧成分に基づいて基準発振波の振幅を決定し、パルス幅変調手段は基準発振波の瞬時値に基づいて一定周波数のパルスにパルス幅変調を施したパルス信号を出力する。この演算手段は、電圧成分が増加するに従って基準発振波の振幅を小とし、パルス幅変調手段は、基準発振波の瞬時値または瞬時値の絶対値が増加するに従ってスイッチング素子をオンとする時間が長くなるようにパルスの幅を変調する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について説明する。図１は、本発明の一実施の形態にかかる交流電源装置の電気的構成図である。なお本実施の形態では、負荷に交流１００Ｖ（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を供給する交流電源装置を例に挙げて説明する。
また図１において、図６に示す各部と対応する部分には同一の符号を付すとともに、特段必要がない限りその説明を省略する。
【００１９】
図１において励磁回路２は、平滑コンデンサ４によって平滑された直流の電圧Ｖ_ＤＣに基づいて励磁電流を制御する信号を出力する演算回路２ａと、演算回路２ａが出力する信号に基づいて三相整流回路３ｂから界磁コイル１ａに流れる電流を制御するトランジスタ２ｂとから構成されている。
【００２０】
６ａは、インバータ７に供給するＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１、Ｓ_ＰＷＭ２、Ｓ_ＰＷＭ３およびＳ_ＰＷＭ４を生成するインバータ制御回路である。
インバータ回路７はトランジスタ等のスイッチング素子７ａ_−１、７ａ_−２、７ａ_−３および７ａ_−４から構成されており、供給された直流Ｖ_ＤＣをスイッチングして交流Ｖ_ＡＣ０を出力する。
【００２１】
交流Ｖ_ＡＣ０は、インダクタ８ａとコンデンサ８ｂとから構成されるＬＰＦ８に入力されてＰＷＭ信号成分が除去され、正弦波の交流Ｖ_ＡＣ１として負荷９に供給される。
【００２２】
図２は、上述のインバータ制御回路６ａの内部の詳細な構成を示す構成図である。図２において１１は、ダイオード１１ａとコンデンサ１１ｂとから構成される電圧検出部であり、交流Ｖ_ＡＣ１を整流ならびに平滑することによって電圧を検出する。
【００２３】
１２は分圧部、１３はバッファアンプ、また１４は演算部である。上述した電圧検出部１１の出力は、分圧部１２によって適当な電圧に分圧され、バッファアンプ１３を介して演算部１４に入力される。
この演算部１４は、交流Ｖ_ＡＣ１に応じて、後述する乗算回路１５による乗数を決定し、この乗数を示す乗数信号Ｓ_ｍを出力する。
【００２４】
図３は、交流電圧Ｖ_ＡＣ１と演算部１４が出力する乗数信号Ｓ_ｍとの関係の一例を示す図である。本実施の形態の交流出力電圧は、上述の通り１００Ｖであるが、この場合には交流Ｖ_ＡＣ１が８０Ｖであるときに乗数信号Ｓ_ｍは１であり、一方交流Ｖ_ＡＣ１が１３５Ｖであるときに乗数信号Ｓ_ｍは概ね０．２５である。
また、交流Ｖ_ＡＣ１が１３５Ｖを超えた場合、あるいは８０Ｖ未満である場合には、回路に異常部位が存在するものと判断して、乗数信号Ｓ_ｍを出力しない。
【００２５】
図２において、正弦波発生回路５は、一例としてＣＲ発振回路と微分回路あるいは積分回路等を組み合わせて、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの正弦波信号を出力する。
【００２６】
正弦波発生回路５が出力する正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎは乗算回路１５に入力され、乗数信号Ｓ_ｍが乗算され、正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎ’がＰＷＭ波ジェネレータ１６に入力される。
このＰＷＭ波ジェネレータ１６は、掃引回路１６ａと比較回路１６ｂとから構成されている。
【００２７】
掃引回路１６ａは、正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎの数倍〜数十倍の周波数の鋸歯状波Ｓ_ＳＡＷを出力する。比較回路１６ｂは、この鋸歯状波Ｓ_ＳＡＷと正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎ’とを比較することによって、正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎ’に対応したパルス幅を有するＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ０を出力する。
【００２８】
図４は、図２に示す各部における信号波形を示す図であり、図４（ａ）は正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎ’の半周期を示し、また図４（ｂ）は鋸歯状波Ｓ_ＳＡＷ、さらに図４（ｃ）はこのとき比較回路１６ｂから出力されるＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ０の波形を示している。
【００２９】
このようにＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ０は、上述のように正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎ’の瞬時値が０に近いときはパルス幅が狭く（デューティ比が小さく）、一方正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎ’の瞬時値が大きくなるに従って、パルス幅が広く（デューティ比が大きく）なる。
【００３０】
ＰＷＭはジェネレータ１６が出力するＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ０は、ドライバ１７によって増幅された後、各々ＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ１〜Ｓ_ＰＷＭ４として出力され、上述のインバータ回路７に供給される。
【００３１】
図５は、図１ならびに図２に示す各部の信号波形の一例を示す図であり、図５（ａ）は正弦波信号Ｓ_Ｓｉｎの波形、図５（ｂ）は交流電力Ｖ_ＡＣ０の波形ならびに電圧、また図５（ｃ）は交流電力Ｖ_ＡＣ１の波形を示している。
【００３２】
図１ならびに図２に示す構成によると、負荷９（図１参照）が小さくなって交流電力の電圧Ｖ_ＡＣ１が上昇すると乗数Ｓ_ｍの値が減少する。従ってＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ０のパルス幅（デューティ比）が狭くなる。
【００３３】
一方、負荷９が大きくなって交流電力の電圧Ｖ_ＡＣ１が低下すると乗数Ｓ_ｍの値が増加する。従ってＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ０のパルス幅（デューティ比）が広くなる。このため、負荷９に供給される交流電力の電圧Ｖ_ＡＣ１はほぼ一定の値に収束し、本実施の形態では、安定した１００Ｖの交流出力が得られる。
【００３４】
なお、上述の実施の形態では電圧１００Ｖ、周波数５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電力を出力する交流電源装置を例に挙げて説明したが、これらの値は一例であり、本発明はこれらの電圧、周波数等に限定されない。
【００３５】
また、正弦波発生回路５の構成例としてＣＲ発振回路を挙げたが、この他、例えばクロック発振器と正弦波テーブルが書き込まれたメモリ、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器等から構成されるものであってもよい。
【００３６】
さらにインバータ制御回路６ａを、交流電圧Ｖ_ＡＣ１を検出してデジタル化するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器とＣＰＵ（中央処理装置）、および各ＰＷＭ波信号Ｓ_ＰＷＭ１〜Ｓ_ＰＷＭ４を出力するＩ／Ｏ（入出力インターフェイス）等によって構成してもよい。
【００３７】
また、本実施の形態のような三相交流発電機１を有さず、単に蓄電池等から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータにも、本発明は適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、基準発振波 ( Ｓ _Sin ）となる正弦波信号を出力する正弦波発生手段（５）と、前記基準発振波 ( Ｓ _Sin ）によりパルス幅変調されたパルス信号（Ｓ _PWM1 〜Ｓ _PWM4 ）を出力するＰＷＭ波発生手段（１６）と、供給された直流電力（Ｖ _DC ）をスイッチングする複数のスイッチング素子から構成され当該直流電力を前記パルス信号に基づいてスイッチングして交流電力（Ｖ _AC0 ）を出力するインバータ回路（７）とからなる交流電源装置において、前記交流電力の電圧成分を検出する電圧検出手段（１１）と、前記電圧検出手段により検出された前記電圧成分が増加するに従って乗数が小さくなる乗数信号（Ｓ _ｍ）を出力する演算手段（１４）と、前記正弦波発生手段と前記ＰＷＭ波発生手段との間に設けられ、前記正弦波発生手段が出力する基準発振波 ( Ｓ _Sin ）に前記演算回路から出力する前記乗数を乗算した正弦波信号を前記ＰＷＭ波発生手段に対して出力する乗算手段（１５）とをさらに備え、前記電圧成分に基づいて、前記基準発振波の振幅を決定して、安定した前記交流電力を出力するようにしたため、負荷の大小に関わらず正確且つ安定した電圧の交流電力が出力可能である交流電源装置が実現可能であるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる交流電源装置の電気的構成図である。
【図２】同実施の形態におけるインバータ制御回路６ａの内部の詳細な構成を示す構成図である。
【図３】同実施の形態における交流電圧Ｖ_ＡＣ１と演算部１４が出力する乗数信号Ｓ_ｍとの関係の一例を示す図である。
【図４】同実施の形態（図２）の各部における信号波形を示す図である。
【図５】同実施の形態の各部における信号波形を示す図である。
【図６】従来技術によるインバータ回路を有する交流電源装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
７インバータ回路（スイッチング素子群）
８ＬＰＦ（フィルタ）
１１電圧検出部（電圧検出手段）
１４演算回路（演算手段）
１６ＰＷＭ波ジェネレータ（パルス幅変調手段）
Ｓ_Ｓｉｎ正弦波信号（基準発振波）
Ｓ_ＰＷＭ１〜Ｓ_ＰＷＭ４ＰＷＭ信号（パルス信号）
Ｖ_ＤＣ直流電力
Ｖ_ＡＣ０交流電力（パルス波電力）
Ｖ_ＡＣ１交流電力

Claims

基準発振波 ( Ｓ _Sin ）となる正弦波信号を出力する正弦波発生手段（５）と、
前記基準発振波(Ｓ_Sin）によりパルス幅変調されたパルス信号（Ｓ_PWM1〜Ｓ_PWM4）を出力するＰＷＭ波発生手段（１６）と、
供給された直流電力（Ｖ_DC）をスイッチングする複数のスイッチング素子から構成され当該直流電力を前記パルス信号に基づいてスイッチングして交流電力（Ｖ_AC0）を出力するインバータ回路（７）とからなる交流電源装置において、
前記交流電力の電圧成分を検出する電圧検出手段（１１）と、
前記電圧検出手段により検出された前記電圧成分が増加するに従って乗数が小さくなる乗数信号（Ｓ _ｍ）を出力する演算手段（１４）と、
前記正弦波発生手段と前記ＰＷＭ波発生手段との間に設けられ、前記正弦波発生手段が出力する基準発振波 ( Ｓ _Sin ）に前記演算回路から出力する前記乗数を乗算した正弦波信号を前記ＰＷＭ波発生手段に対して出力する乗算手段（１５）と
をさらに備え、
前記電圧成分に基づいて、前記基準発振波の振幅を決定して、安定した前記交流電力を出力するようにしたことを特徴とする交流電源装置。