JP3784243B2 - エンジン駆動発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジン駆動発電装置に関し、特に、温度の影響を配慮しつつ、負荷の大きさに応じてエンジンの回転数を制御するようにしたエンジン駆動発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電源装置として使用されるエンジン駆動発電機には、出力周波数を安定化させるためにインバータ装置を使用するものが多くなってきている。この種のエンジン駆動発電機では、発電機に接続されたエンジンを駆動して交流を発生させ、これを一旦直流に変換した後、インバータ装置で商用周波数の交流に変換して出力する。インバータ装置を使用した発電機では、出力周波数がエンジン回転数に依存しないので、エンジン回転数の制御によって負荷に応じた出力制御を行うことが可能になる。
【０００３】
例えば、特開平５−１８２８５号公報に記載されたインバータ式エンジン発電機は、インバータ装置の出力電流に基づいて負荷を検出し、その検出結果に基づいてエンジンのスロットル制御を行っている。こうして、負荷の変動にかかわらず出力電圧をほぼ一定に維持することができるようにしている。
【０００４】
また、特開平５−１４６２００号公報には、インバータ装置の入力側で発電機の出力電圧を検出し、この出力電圧を予め設定された基準電圧と比較して負荷に応じたエンジン回転数を得るようにしたエンジン発電機が記載されている。
【０００５】
さらに、本出願人は、エンジン発電機の出力電流を整流する半導体整流素子よりなるコンバータを具備したエンジン駆動発電機において、コンバータの出力電圧を目標値に制御するため、最大導通角未満に設定された目標導通角に前記半導体整流素子の導通角が収斂するようエンジンの回転数を制御するようにしたものを提案している（特開平１１−３０８８９６号公報）。この発電機によれば、発電機は常に余力が残っている状態で運転されているので、余力の範囲内において迅速に負荷の増大に応答することができる。また、エンジン回転の変動が出力電圧に影響をおよぼすことを抑制することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
最大導通角未満に設定された目標導通角に半導体整流素子の導通角が収斂するよう制御される上記の発電機ではさらに改善すべき問題点がある。一般に発電機は温度の影響を受けやすい。特に回転子に永久磁石を使用した磁石発電機を使用する場合には、低温時には、マグネットの磁界は強く、巻線の抵抗も下がるので損失が小さい。これとは逆に、高温時には、マグネットの磁界が弱まり、巻線の抵抗も上がって損失が大きくなるので低温時よりも出力が低下してしまう。一例では、高温時の出力が低温時の出力から１０％程度減少することがある。したがって、前記半導体整流素子の目標導通割合（例えばサイリスタの目標導通角）が一定であると、高温時にはエンジンの制御回転数が低温時の１０％増しになる。
【０００７】
このような状況において、高温時に適合するようパラメータを設定して制御を行うと、低温時には、出力負荷を十分に取っているにもかかわらず、発電機の能力に余裕がある状態になる。そうすると、サイリスタの導通角が基準値を超えないため、エンジンの回転数を増大させるよう制御されない。その結果、目標回転数を設定してエンジン回転数の制御をしても、エンジン回転数が増大しないために、エンジン出力が不足してエンジン過負荷となる恐れがある。
【０００８】
例えば、エンジンの回転数可変範囲を３０００〜５０００ｒｐｍとした場合、常温時に、負荷出力１０００ＶＡ、エンジン回転数４０００ｒｐｍであったとすると、−１５°Ｃのときには、発電機の効率が上がってその出力電圧は常温時より上昇するので、負荷出力が常温時と同じ１０００ＶＡであれば、エンジン回転数は３０００〜３２００ｒｐｍ程度になる。この程度の低いエンジン回転数で４０００ｒｐｍ時と同じ１０００ＶＡを出力するのはエンジンにとって酷（過負荷）である。
【０００９】
また逆に、常温より高い温度では、発電機の効率が下がってその出力電圧は常温時より低下するので、不必要にエンジン回転数が上昇してしまう。この温度の影響は、始動時のように発電機が冷えている状態や、連続運転中のように発電機が熱い状態にも同様に現れ、発電機の温度によって回転数特性が左右されるという問題点がある。
【００１０】
本発明の目的は、幅広い電気負荷に対して実際の発電能力に常に適当な余力をもたせることによって出力電圧を安定に制御することと、温度に左右されず円滑にエンジン回転数制御を行うこととができるようにしたエンジン駆動発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンで駆動される発電機の出力電流を整流する半導体整流素子よりなるコンバータと、前記コンバータから出力される直流を所定周波数の交流に変換するインバータとを有するエンジン駆動発電装置において、前記コンバータの出力電圧を目標値に制御するため前記半導体整流素子の導通を制御する半導体整流素子駆動回路と、前記半導体整流素子の導通割合を検出する導通割合検出手段と、前記導通割合検出手段で検出された導通割合が目標割合に収斂するように前記エンジンの回転数を制御するエンジン回転数制御手段と、前記発電機の温度に応じて前記目標割合を補正する補正手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【００１２】
また、本発明は、前記補正手段が、前記発電機の温度が予定の基準温度より低い時は前記目標割合を小さく、前記温度が前記基準温度より高い時は前記目標割合を大きくするよう構成された点に第２の特徴があり、前記インバータまたはコンバータを構成する電力制御素子の温度によって前記発電機の温度を代表させた点に第３の特徴がある。
【００１３】
また、本発明は、前記導通割合が前記半導体整流素子の導通角で代表され、前記目標割合が目標導通角である点に第４の特徴がある。さらに、本発明は、前記発電機が磁石発電機である点に第５の特徴がある。
【００１４】
上記特徴によれば、半導体整流素子の導通角つまり導通割合が設定された目標導通角に収斂するようエンジン回転数が制御される。特に、発電機の温度が変化した場合に補正された目標導通角に基づいて、発電機の出力変化に対応したエンジン回転数制御が行われる。
【００１５】
特に、第２の特徴によれば、発電機の温度が低い状態で出力が増大していく場合、補正前よりも導通割合が早めに目標割合を上回るのでエンジン回転数も早めに増大する。したがって、エンジン出力は不足せず、過負荷運転が防止される。また、発電機の温度が高い状態で出力が増大していく場合は、補正前よりも導通割合が目標割合を上回るのは遅くなるのでエンジン回転数の増大動作も遅くなる。したがって、エンジン回転数が必要以上に高い状態で運転されることがなくなる。
【００１６】
第３の特徴によれば、発電機の温度をより良く代表するインバータやコンバータの電力制御素子の温度に従って導通割合が補正される。また、第４の特徴によれば、発電機の温度に従って半導体整流素子の導通角が補正される。第５の特徴によれば、温度変化に伴う永久磁石による磁界の強さの変化による影響を小さくすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１はエンジン駆動発電機の構成を示すブロック図である。永久磁石により界磁束を与える磁石式多極発電機（以下、単に「発電機」という）１には（内燃）エンジン２が連結され、該発電機１はエンジン２で駆動されて多相（代表的には３相）の交流電流を発生する。発生した交流は半導体整流素子としてのサイリスタをブリッジ接続した整流回路からなるコンバータ３で全波整流されて直流に変換され、インバータ４に入力される。インバータ４は、その出力側に接続された外部負荷５に商用周波数（例えば５０Ｈｚ）の単相交流を供給する。エンジン２のスロットル弁６の開度調節のためにステッピングモータ７が設けられ、このステッピングモータ７に供給されるパルス数によってスロットル開度が制御され、エンジン２の回転数が決定される。なお、エンジン２は燃料噴射式のものでもよく、その場合はスロットル開度制御に代えて燃料噴射時間制御により回転数を決定する。
【００１８】
電圧検出部８はコンバータ３の出力電圧を検出する。サイリスタ駆動回路９は予め与えられた目標としての設定電圧（例えば、１７０Ｖ）と前記出力電圧とを比較し、計測されたコンバータ３の実出力電圧が設定電圧に等しくなるように、公知の適宜の手法で、コンバータ３を構成するサイリスタの導通を制御する。このような構成により、前記サイリスタの導通角制御範囲に相応する出力電流範囲においてコンバータ３の出力電圧は設定電圧に保持される。なお、コンバータ３はパワートランジスタのデューティ比を制御することによって出力電圧を制御するよう変形してもよい。これら、導通角およびデューティ比は、本明細書においては統合的に半導体整流素子の導通割合と呼ぶ。
【００１９】
燃料量制御部１０は次のように構成される。図２は、燃料量制御部１０の構成を示すブロック図である。サイリスタ導通角検出部１０１は前記サイリスタ駆動回路９からコンバータ３に出力されている制御信号に基づいてサイリスタの導通角を検出する。導通角は予定周期で連続的に検出され、その平均導通角が算出される。
【００２０】
サイリスタ導通角検出部１０１で算出された平均導通角は偏差検出部１０２に入力され、目標導通角に対する偏差が検出される。すなわち、発電機１が出力に余裕のある状態で運転されているかどうかをサイリスタの平均導通角に基づいて判断する。そのために、目標導通角は例えば７５％に設定してある。この目標導通角は、一般的な制御目標値と同様、一定のヒステリシスを有するのがよい。
【００２１】
こうして、偏差検出部１０２で検出された偏差が「０」になるようにエンジン２が目標回転数に調整され、発電機１に余裕がある状態が維持される。なお、後で詳述するように、目標導通角は、発電機１の温度に応じて可変とする。
【００２２】
図３は導通角７５％で制御されたときのサイリスタの出力電圧波形である。同図において、導通角αはサイリスタが導通している時間に対応する電気角であり、既知の適宜の手段によって決定される。
【００２３】
目標回転数更新部１０３は偏差検出部１０２から入力される偏差に応じて回転数調整量を出力する。偏差を読み出しアドレスとして回転数調整量を出力するテーブルで構成できる。図４は前記偏差と回転数調整量との関係を示す図である。ここで、偏差は目標導通角に対する実導通角の偏倚量つまり「実導通角−目標導通角」である。
【００２４】
同図において、前記偏差がプラスのときは、それがマイナスのときよりも、偏差に対応する回転数調整量が大きく設定されている。偏差がプラスのときは、導通角が目標導通角（７５％）を超えている場合であって発電機１に余裕がないと判断され、負荷に相応する発電機１の出力増加応答を早くする必要があるからである。一方、偏差がマイナスのときは発電機１に余裕があると判断されるので、過度な応答によるオーバシュートによって起こり得る回転数の頻繁な上下を避けるのが好ましいから偏差に対応する回転数調整量は小さく設定される。
【００２５】
図２に戻って、目標回転数記憶部１０４は目標回転数更新部１０３から入力される目標回転数調整量を、すでに格納されている目標回転数に加算して新たな目標回転数とする。目標回転数は最高・最低回転数設定部１０５に設定されている最高回転数または最低回転数の範囲内で更新される。前記目標回転数調整量を加算した結果、目標回転数が前記範囲から外れるようなときは、目標回転数は前記最高回転数または前記最低回転数に制限される。最低回転数を規定しているのは、サイリスタ導通角がわずかな回転数変化に反応することで無負荷〜軽負荷での安定性を悪化させないためである。
【００２６】
回転数検出部１０６は発電機１の回転数を検出する。制御量演算部１０７は前記回転数検出部１０６から入力される実回転数と前記目標回転数記憶部１０４から読み込んだ目標回転数とに基づいて、目標回転数に対する実回転数の偏差をゼロにするための制御量を、既知の適宜の手法（例えば比例・積分・微分）によって演算する。スロットル制御部１０８はステッピングモータ７を含み、制御量演算部１０７での演算結果に応じてステッピングモータ７を駆動するための数のパルスを出力する。ステッピングモータ７はこれに応答して回動してスロットル開度を変化させる。
【００２７】
上述のように、本実施形態では、コンバータ３の出力を制御するサイリスタブリッジ整流回路の平均導通角が予め設定された値（例えば７５％）に維持されるようにエンジン２の回転数を制御しているので、発電機１は常に余力のある状態で負荷に電力を供給することができる。すなわち、負荷が増大した場合、コンバータ３の出力電圧の変動に応答してサイリスタの導通角を大きくして直ちに負荷の増大に追従できると共に、その導通角の増大に見合ってエンジン２の回転数が比較的緩やかに増大される。エンジン回転数の頻繁な変化が緩和されてエンジンの騒音や燃料消費量低減が図られる。
【００２８】
本実施形態によれば、インバータの入力側で出力電圧を検出しているので、インバータの出力の有効電力、インバータの変換効率、回転数毎の発電能力、ならびに発電機および有効電力検出部の製品ばらつき等をパラメータとして算出する必要がなくなり、制御が簡単になる。なお、本実施形態では、発電機の出力電流を整流するためにサイリスタブリッジを採用したコンバータを例に説明したが、他の電圧制御方式、例えば整流後のスイッチングＤＣ電圧変換方式であってもよい。
【００２９】
次に、発電機１の温度に応じた前記目標導通角の補正について説明する。既述のように、発電機１の温度が変化した場合にも前記目標導通角を固定にしたままにして上述の制御を行うと、エンジン２が過負荷状態に陥ったり、不必要にエンジン回転数が上昇してしまったりすることがある。そこで、本実施形態では、発電機１の温度に応じてコンバータ３のサイリスタの目標導通角を補正することができるようにした。
【００３０】
発電機１の温度を直接検出するのは次に例示するような課題の解決が必要である。すなわち運転中にマグネットの温度検出すること、あるいはサーミスタ等の温度センサを巻線に埋め込むことは、いずれも、従来一般化されている発電機の形態を大きく変えることになるため、その変化による他への影響を十分に検討しなければ、直ちに採用することができない。また、仮に、巻線への温度センサの装着が可能であったとしても、制御装置までの配線経路が長くなるので問題である。
【００３１】
そこで、本実施形態では、インバータ４に使用される電力制御素子部（ＦＥＴ等）に温度センサとしてのサーミスタを埋め込み、このサーミスタによって検出された温度で発電機１の温度を代表させる。発電機１の温度と前記電子制御素子の温度は、互いに、値自体は異なるが、良好な相関関係を有しているので、一方で他方を代表するのに好都合である。
【００３２】
図５は、目標導通角補正制御装置の要部機能ブロックである。同図において、インバータ４内のＦＥＴブリッジ４ａにはサーミスタ１１が埋め込まれ、このサーミスタ１１の出力信号はＡ／Ｄ変換器１２でデジタルデータに変換された後、温度差算出部１３に入力される。温度差算出部１３はＡ／Ｄ変換器１２からの入力データＴf から常温を示す比較データＴref を減算し、補正値算出部１４に入力する。例えば、入力データＴf を「０〜１００」の間の値とし、比較データＴref を「５０」とする。補正値算出部１４は「補正値（％）＝０．５×（Ｔf −５０）」を算出して、加算部１５に供給する。加算部１５は目標導通角設定器１６から出力される常温時の目標導通角（７５％とする）に補正値（％）を加算して偏差検出部１０２に出力する。
【００３３】
この構成により、例えば、サイリスタの温度が低温（換算値で「１０」）であった場合、「補正値（％）＝０．５×（１０−５０）＝−２０」であり、目標導通角は７５％から２０％減少されて５５％になる。一方、サイリスタの温度が高温（換算値で「８０」）であった場合、「補正値（％）＝０．５×（８０−５０）＝１５」であり、目標導通角は７５％から１５％増大されて９０％になる。
【００３４】
図６は、エンジン２の回転数と発電機１の出力電圧との関係を、導通角の温度補正前および温度補正後について示した図である。同図において縦軸はエンジン回転数、横軸は有効出力電力を示し、エンジン回転数は３０００〜５０００ｒｐｍの可変範囲を有する。また、それぞれ線Ａは高温、線Ｂは常温、線Ｃは低温時の特性を示す。図示のように、補正前においては、同一出力に対するエンジン回転数が、高温時は常温時より高く、低温時は常温時より低い。これに対して、補正後においては同一出力に対するエンジン回転数が、高温時は低く、低温時は高く補正されて、いずれの場合も常温時の特性に近付けられている。
【００３５】
上述の実施形態では、発電機１の温度を、インバータ４の温度で代表させたが、発電機１の温度と良好な対応関係を示し、配線が長くなる等の不具合を生じない個所であれば、他の構成部分に温度センサを設けることができる。例えば、コンバータ３に使用される電力制御素子の温度で発電機１の温度を代表させても良い。また、一般に、インバータに使用するような電力制御素子には過熱防止用の温度センサが設けられるので、その温度センサを、上記温度補正用のセンサと兼用してもよい。
【００３６】
また、上述の実施形態では、コンバータ３の実出力電圧が設定電圧に等しくなるように、サイリスタの導通角を制御するようにした。本発明はこれに限らず、上述のようにコンバータ３の出力電圧制御のためにパワートランジスタを使用する場合は、導通角に代え、発電機の温度に応じてパワートランジスタのデューティ比を補正するのがよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜６の発明によれば、半導体整流素子の導通角または導通割合が、設定された目標導通角または導通割合に収斂するようエンジン回転数が制御される。特に、発電機の温度が変化した場合には補正された目標導通角に基づいて、発電機の出力変化に対応したエンジン回転数制御が行われる。
【００３８】
特に、請求項２の発明によれば、発電機の温度が低い状態で出力が増大していく場合、導通割合が早めに目標割合を上回るのでエンジン回転数も早めに増大する。したがって、エンジン出力は不足せず、過負荷運転が防止される。また、発電機の温度が高い状態で出力が増大していく場合は、導通割合が目標割合を上回るのは遅くなるのでエンジン回転数の増大動作も遅くなる。したがって、エンジン回転数が必要以上に高い状態で運転されることがなくなる。
【００３９】
請求項３，４の発明によれば、発電機の温度をより良く代表するインバータやコンバータの電力制御素子の温度に従って導通割合が補正される。すなわち、電力制御素子は負荷電流の通過部分であるため、その温度は発電量の増減に伴う発電機の温度変化の傾向を的確に代表する。また、回路配線を複雑にしないで温度を検出することができる。さらに、請求項６の発明によれば、温度変化に伴う永久磁石の磁界変化による影響を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るエンジン発電機のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】 エンジン発電機の燃料量制御部の要部構成を示すブロック図である。
【図３】 サイリスタの導通角の説明図である。
【図４】 導通角偏差と目標回転数調整量との関係を示す図である。
【図５】 温度による導通角補正のための要部構成を示すブロック図である。
【図６】 エンジン回転数と発電機の出力電圧との関係を、導通角の温度補正前および温度補正後について示した図である。
【符号の説明】
１…発電機、 ２…エンジン、 ３…コンバータ、 ４…インバータ、 ７…スロットル開度制御用モータ、 ８…電圧検出部、 ９…サイリスタ駆動回路、１０…燃料量制御部、 １１…サーミスタ、 １３…温度差検出部、 １４…補正値算出部、 １６…目標導通角設定器、 １０１…導通角検出部、 １０２…偏差検出部、 １０３…目標回転数更新部

Claims (5)

1. エンジンで駆動される発電機の出力電流を整流する半導体整流素子よりなるコンバータと、前記コンバータから出力される直流を所定周波数の交流に変換するインバータとを有するエンジン駆動発電装置において、
   前記コンバータの出力を目標値に制御するため前記半導体整流素子の導通割合を制御する半導体整流素子駆動回路と、
   前記半導体整流素子の導通割合を検出する導通割合検出手段と、
   前記導通割合検出手段で検出された導通割合が前記目標値に対応する目標割合に収斂するように前記エンジンの回転数を制御するエンジン回転数制御手段と、
   前記発電機の温度が予定の基準温度より低い時は目標割合を小さく、前記温度が前記基準温度より高い時は前記目標割合を大きくする補正手段とを具備したことを特徴とするエンジン駆動発電装置。
2. 前記インバータを構成する電力制御素子の温度によって前記発電機の温度を代表させたことを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動発電装置。
3. 前記コンバータを構成する電力制御素子の温度によって前記発電機の温度を代表させたことを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動発電装置。
4. 前記導通割合が前記半導体整流素子の導通角で代表され、前記目標割合が目標導通角であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジン駆動発電装置。
5. 前記発電機が、磁石発電機であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエンジン駆動発電装置。

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