JP3969623B2 - 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、負荷の大きさに応じてエンジンの回転数を目標回転数に制御するのに際し、エンジンが予定した出力を生じない場合にも円滑な制御を維持でき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、エンジンの目標回転数を設定して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。エンジン駆動発電装置に使用するエンジンが経年劣化等によって予定の出力を発生しないことがある。前記半導体整流素子の目標導通角はエンジンの代表特性に基づいて決定されているのでエンジンの経年劣化が著しいと次のような現象が起こり得る。
【０００７】
例えば、エンジンの回転数可変範囲が３０００〜５０００ｒｐｍであり、エンジンが劣化していない通常の状態で、１０００ＶＡの出力負荷に対してエンジン回転数が４０００ｒｐｍでスロットル開度が７５％であったとする。劣化したエンジンについて、同様に１０００ＶＡの出力負荷が発生した場合、出力要求は通常と変わらないので、エンジンの目標回転数は４０００ｒｐｍに設定される。しかし、エンジンが劣化していると、通常の状態と同じスロットル開度では目標回転数の４０００ｒｐｍで運転できず、所望の出力を得ることができない。所望の出力を得るためには、スロットル開度を大きくしなければならず、極端にはスロットル開度が１００％近くになり、過負荷状態になることが考えられる。このような、経年劣化のときと同様の現象は、エンジン出力の個体差による出力不足や、発電機の出力の個体差による出力過剰によっても起こり得る。
【０００８】
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とともに、経年劣化等によるエンジンや発電機の出力変化に左右されない円滑なエンジン回転数制御を行うことができるエンジン駆動発電装置を提供することにある。
【０００９】
【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、エンジンのスロットル開度を検出するスロットル開度検出手段と、前記スロットル開度が予定開度以上になったときに前記目標割合を小さくすることにより前記エンジンの目標回転数を上昇させる補正手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、前記補正手段で使用する予定開度が、エンジン回転数との関係で設定されており、該補正手段は、スロットル開度とエンジン回転数とを供給されて前記スロットル開度が予定開度以上か否かを判断するよう構成されている点に第２の特徴がある。
【００１１】
第１，２の特徴によれば、スロットル開度が所定値以上増大したことによりエンジンの過負荷が検出され、導通割合の目標割合が低減される。目標割合が小さくなるとエンジン回転数制御手段は、前記導通割合が、小さくなった目標割合を超えないようエンジン回転数を上昇させるよう動作する。そして、エンジン回転数が上がるとエンジン出力は増大するので、エンジンに余裕ができてスロットルは閉じる方向に変化する。
【００１２】
また、本発明は、前記補正手段が、前記スロットル開度が予定開度以上である状態が予定時間持続したときに前記目標割合を小さくするよう構成されている点に第３の特徴がある。第３の特徴によれば、瞬間的なスロットル開度の増大によって過負荷と判断されることがなくなるので、確実な制御が行われる。
【００１３】
また、本発明は、前記補正手段が、前記スロットル開度が予定開度以上になったあと予定開度未満に戻ったときは前記目標割合を初期値に戻すよう構成された点に第４の特徴がある。第４の特徴によれば、必要以上にエンジン回転数が高い状態に保持されることがない。
【００１４】
さらに、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５の特徴がある。第５の特徴によれば、過負荷時にコンバータを構成する半導体整流素子の導通角が補正される。
【００１５】
【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い。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。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に余裕のある状態が維持される。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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を駆動するための必要な数のパルスを出力し、ステッピングモータ７はこれに応答して回動し、スロットル開度を変化させる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
次に、エンジン過負荷時の補正制御について説明する。既述のように、エンジン２や発電機１が経年劣化等で予定の出力を発生しないと、エンジン２が過負荷状態に陥ることがある。そこで、本実施形態では、エンジン２のスロットル開度に基づいて過負荷かどうかを判断し、その判断結果から目標導通角を変化させることによりエンジン２の過負荷状態を是正するようにした。
【００２７】
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、スロットルセンサ１１はエンジン２のスロットルバルブに結合され、スロットル開度を示す信号を出力する。この出力信号はＡ／Ｄ変換器１２でデジタルデータに変換された後、負荷域判別部１３に入力される。
【００２８】
負荷域判別部１３はＡ／Ｄ変換器１２から入力されるスロットル開度θTHおよび前記回転数検出部１０６から入力されるエンジン回転数Ｎe に基づいてエンジン状態が正常域および過負荷域のいずれにあるかを判別する。過負荷域と判断したときは出力される過負荷判別信号ＯＬをハイ（Ｈ）にする。一方、正常域と判断されれば、過負荷判別信号ＯＬをロー（Ｌ）にする。負荷域判別部１３はスロットル開度θTHおよびエンジン回転数Ｎe に基づいて判別信号ＯＬを出力するテーブルにより構成できる。
【００２９】
図６は負荷域判別部１３を構成するテーブルの一例を示す図である。図６において、テーブルは所定のスロットル開度以上を過負荷域とし、該スロットル開度未満を正常域とするよう設定されている。この例では、エンジン回転数が３０００ｒｐｍのときはスロットル開度θTHが７０％までの領域を正常域とし、エンジン回転数が上昇するのに伴い、正常域の範囲が大スロットル開度状態まで拡大されている。
【００３０】
図５に戻る。過負荷を示す判別信号ＯＬは過負荷継続判定部１４に入力され、過負荷継続判定部１４は過負荷検出信号ＯＬのハイ（Ｈ）が予定時間継続したときに補正指示信号ｓ１を出力する。予定時間継続したか否かは、所定の割込サイクル毎の過負荷判断が予定回数連続したかどうかによって判断することができる。
【００３１】
補正指示ｓ１は目標導通角更新部１５に入力され、目標導通角更新部１５は補正指示ｓ１が入力される毎（例えば１００ｍ秒毎）に、目標導通角低減指示ｓ２を出力する。目標導通角低減指示ｓ２は目標導通角設定器１６に入力され、目標導通角設定器１６は目標導通角低減指示ｓ２に応答して目標導通角を例えば０．５％低下させる。目標導通角が低下すると、図２の制御によりエンジンの目標回転数が上昇し、エンジン回転数は増大するように制御される。エンジン回転数が増大すると、出力に余裕が出るので、スロットル開度θTHは閉じる方向に変化する。
【００３２】
図７はスロットル開度をパラメータとするエンジン特性（出力ＰＳと回転数Ｎe との関係）を示す図である。同図に示すように、エンジン回転数Ｎe が３０００ｒｐｍの状態においては、スロットル開度θTHが７５％では負荷Ｌに見合う出力が得られない。負荷Ｌを得るためにはスロットル開度θTHを９０％近くまで開かなければならない。しかし、このエンジンの場合、エンジン回転数Ｎe を４０００ｒｐｍに上げることによって、スロットル開度θTHが７５％であっても負荷Ｌに見合う出力を得ることができる。すなわち、エンジン２に余裕が生じて過負荷運転状態が解消される。
【００３３】
上記図５の構成において、スロットル開度θTHが予定開度以下の場合は正常域であるので、目標導通角は変化しないままである。また、一旦、過負荷領域に入った後、正常域に戻り、この正常域状態が予定時間継続された場合は、目標導通角を上記とは逆に徐々に大きくしていく。そして、目標導通角が初期値に戻ったならば導通角の補正制御は解除とする。
【００３４】
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、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、スロットル開度が過大なときに、目標導通角に代えてパワートランジスタの目標デューティ比を補正するのがよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜５の発明によれば、スロットル開度の増大によりエンジンの過負荷が検出されると、エンジン回転数が上昇させられてエンジン出力の増大が図られるので、過負荷状態は解消される。したがって、エンジンの経年劣化や個体差による出力不足や発電機の負荷変動が生じたとき、この変動等に円滑に追従できる。
【００３６】
特に、請求項３の発明によれば、瞬間的なスロットル開度の増大によって過負荷と判断されることがなくなるので、確実な制御が行われる。また、請求項４の発明によれば、必要以上にエンジン回転数が高い状態に保持されるのが防止される。
【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】 スロットル開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】 エンジン回転数およびスロットル開度をパラメータとする負荷の判別テーブルを示す図である。
【図７】 スロットル開度毎のエンジン出力およびエンジン回転数の関係を示す図である。
【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…ストットルセンサ、 １３…負荷域判別部、 １４…過負荷継続判定部、 １５…目標導通角更新部、 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、
   エンジンのスロットル開度を検出するスロットル開度検出手段と、
   前記スロットル開度が過負荷域として予め設定した開度以上になったときに前記目標割合を小さくすることにより前記エンジンの目標回転数を上昇させ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. 前記補正手段で使用する予定開度が、エンジン回転数との関係で設定されており、
   該補正手段は、スロットル開度とエンジン回転数とを供給されて前記スロットル開度が予定開度以上か否かを判断するよう構成されている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. 前記補正手段が、前記スロットル開度が予定開度以上である状態が予定時間継続したときに前記目標割合を小さくするよう構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のエンジン駆動発電装置。
4. 前記補正手段が、前記スロットル開度が予定開度以上になったあと予定開度未満に戻ったときは前記目標割合を初期値に戻すよう構成された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１〜４のいずれかに記載のエンジン駆動発電装置。

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