JP4392351B2 - 発動発電機用インバータ - Google Patents
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Description
また、エンジン駆動の発電機の小型化にともなって搭載される発電機も小型化が要請され、大きさを変えずに出力の増大化を図るために励磁を増すようにしている。そのため出力電圧を一定に保持するに当たって、軽負荷時においては、当該励磁を従来以上に絞らなければならなくなってきた。
出力の周波数が一定になるよう制御するインバータユニットを介して交流出力を得る従来のエンジン駆動の発動発電機装置において、交流出力電圧を一定にするには、SCRとダイオードとを直列接続して全波整流するサイリスタ混合ブリッジ型整流回路が用いられ、そしてこれらの3個のSCRの各ゲートが一つのゲート制御回路で点孤される構成が用いられている(例えば、特許文献1参照)。
また、従来技術の検出電圧波形を所定レベルとクロスし易い波形に波形成形する回路構成にして、軽負荷時における出力電圧のふらつきを解決することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
〔特許文献1〕特開昭62−272873号公報
〔特許文献2〕特開平10−28400号公報
しかしながら、この従来技術の特許文献2に開示されている技術と特許文献1に開示されている技術とを組み合わせても、3個のSCRの各ゲートを一つのゲート制御回路で点孤させる構成を用いている限り、軽負荷時において、交流出力電圧がふらつき、いわゆるフリッカが生じる欠点があった。
つまり、SCRをオンさせるタイミングがまちまちであるので、発電機の電圧がピークの手前でオンした場合、リップルは大きくなってしまい、出力の交流電圧における直流電圧部分の電圧が比較的長い周期で変動し、軽負荷時フリッカとして影響が生じる(第3図(B)参照)。
この様に、エンジン駆動の小型発電機でその出力増大をねらう発動発電機装置において、上述の軽負荷時に発生する交流出力電圧のフリッカを抑制することが望まれている。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、内燃機関によって駆動される発動発電機の出力電圧をサイリスタ混合ブリッジ型整流回路で直流に変換すると共に、インバータユニットで再変換して交流化し、負荷変動に関わらず周波数と共に出力電圧も一定にする発動発電機装置において、サイリスタ混合ブリッジ型整流回路のサイリスタのゲート制御を負荷の軽重に分けて制御することにより、軽負荷時でのフリッカーを抑制することができるようにした発動発電機用インバータを提供することを目的としている。
本発明の他の目的は、発電された交流電圧を基に直流化された電圧を所定周波数の交流電圧に変換するのに適したブリッジ型インバータを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、交流発電機を小型化するに適したサブ巻線を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、電流検出部で検出される電流値によって軽負荷時と通常負荷時とに応じ、サイリスタ混合ブリッジ型整流回路のサイリスタのゲート制御を位相制御かオンオフ制御かを選定するゲート選択部を提供することである。
開示された実施例において、主発電巻線に発生した出力電圧を一定にするための検出手段から得られた検出信号を基にサイリスタ混合ブリッジ型整流回路で直流に変換すると共にその出力電圧を定電圧化するようにして、所定周波数の交流電圧に再変換するブリッジ型インバータを有する発動発電機用インバータにおいて、主発電巻線と同相の電圧を発生するサブ巻線と、ブリッジ型インバータに流れる電流を検出する電流検出部と、サイリスタ混合ブリッジ型整流回路の全サイリスタにゲート電圧を印加するゲート回路と、サブ巻線と同相の主発電巻線に発生する電圧を整流するサイリスタにゲート電圧を印加する限定ゲート回路と、サブ巻線からの電圧の位相を検出する位相検出回路と、サイリスタ混合ブリッジ型整流回路の直流出力電圧を基に基準電圧と比較して当該直流出力電圧を監視する直流電圧検出回路と、電流検出部で検出した負荷電流値が、予め定められたしきい値以下のときには位相検出回路の位相信号に基づいて負荷電流値に対応した位相制御を行う限定ゲート回路を選択し、電流検出部で検出した負荷電流値が予め定められたしきい値を超えているときには上記直流電圧検出回路で基準電圧と比較した結果に基づいてオンオフ制御を行うゲート回路を選択するゲート選択部とを備え、電流検出部で検出される電流値によってサイリスタ混合ブリッジ型整流回路のサイリスタを位相制御モードかオンオフ制御モードかで切換えて制御するように構成されている。
第2図は、本発明の発動発電機用インバータが用いられる発動発電機の構成図である。
第3図は、軽負荷時における本発明の発動発電機用インバータの1位相制御モードと3相分全部の位相制御モードとのフリッカの比較説明図である。
第4図は、3相分全部の位相制御モードにおけるサイリスタのオフ時間のずれ発生説明図である。
第5図は、負荷電流の増減に対応したサイリスタのターンオンの一実施例説明図である。
第2図は本発明の発動発電機用インバータが用いられる発動発電機の構成図を示す。図中の符号1は磁石界磁交流発電機、2は3相整流回路、3ないし5はそれぞれ整流器(ダイオード)、6ないし8はそれぞれサイリスタ、9はサイリスタ用ゲート信号発生回路、10は平滑コンデンサ、11はブリッジ型インバータ、12は第1のスイッチ(トランジスタ)、13は第2のスイッチ(トランジスタ)、14は第3のスイッチ(トランジスタ)、15は第4のスイッチ(トランジスタ)、16ないし19はそれぞれゲート信号供給部、20はゲート信号生成部、21は負荷、22はチョークコイルを表している。
磁石界磁交流発電機1は、図示しないエンジンによって回転駆動されて、エンジンの回転数に比例した周波数の交流電圧を発生する。勿論、磁石界磁交流発電機1からの出力もエンジンの回転数に比例する。
磁石界磁交流発電機1で発電された3相交流電圧は、3相整流回路2において直流電圧に変換される。そして当該直流電圧は平滑コンデンサ10によって平滑されて、ブリッジ型インバータ11に供給される。
なお、3相整流回路2は、3個のダイオード3ないし5と3個のサイリスタ6ないし8にて構成されており、図示のサイリスタ用ゲート信号発生回路9は、3相整流回路2の出力側電圧を一定値に保つようにサイリスタ6ないし8をオンオフ制御するゲート信号を発生する。当該ゲート信号は、サイリスタ6ないし8に供給される。即ち、3相整流回路2の出力側電圧は一定値に保つようにされる。
ブリッジ型インバータ11において、周知の如く、第1のスイッチ12と第3のスイッチ14とは第1の周期においてオンされ、第2のスイッチ13と第4のスイッチ15とは第2の周期においてオンされる。即ち、そのようにおのおののスイッチ12ないし15に対してゲート信号が印加される。
これによって、第1の周期において、第1のスイッチ12、チョークコイル22、負荷21、第3のスイッチ14を通って、負荷21に対して例えば図示における矢印Xの方向の左から右に電流が流れる。また、第2の周期において、第2のスイッチ13、負荷21、チョークコイル22、第4のスイッチ15を通って、負荷21に対しては、交番電流が供給される。当該交番電流は所定の変動がない周波数を保つようにされる。
第1のスイッチ12ないし第4のスイッチ15に印加されるゲート信号としては、図示のブリッジ型インバータが、いわゆる矩形波インバータを構成するように、周知の如く、矩形波ゲート信号の形に形成される。この場合第2図の下段に示す如く、第1の周期にオンされる第1のスイッチ12に対する矩形波ゲート信号と第3のスイッチ14に対する矩形波ゲート信号とは、次のように生成されている。
即ち、第3のスイッチ14に対する矩形波ゲート信号がオン状態からオフ状態に移行されるタイミングは、第1のスイッチ12に対する矩形波ゲート信号がオン状態からオフ状態に移行されるタイミングより早くなるようにされている。
また、同様に、第2図の下段に示す如く、第2の周期にオンされる第2のスイッチ13に対する矩形波ゲート信号と第4のスイッチ15に対する矩形波ゲート信号とは、次のように生成されている。
即ち、第4のスイッチ15に対する矩形波ゲート信号がオン状態からオフ状態に移行されるタイミングは、第2のスイッチ13に対する矩形波ゲート信号がオン状態からオフ状態に移行されるタイミングより早くなるようにされている。
第1図は本発明に係る発動発電機用インバータの一実施例構成図を示している。
同図において、図中の符号1ないし8,10,11ないし22は第2図のものにそれぞれ対応している。なお、31はサブ巻線、32はシャント抵抗(電流検出部)、33はゲート回路、34は限定ゲート回路、35は位相検出回路、36はゲート選択部、37は定電圧生成回路、38は直流電圧検出回路、39は指示回路、40はゲート選択回路、41は限定ゲート選択回路、42はオペアンプ、43は直流電圧検出器、44はオペアンプ、45,46はトランジスタ、47ないし52はダイオード、53は定電圧IC、54,55は抵抗を表している。
サブ巻線31は磁石界磁交流発電機1のU相,V相,W相の3相主発電巻線の中の1つ、例えば図示の如くW相主発電巻線Wと同相の電圧を発生するように磁石界磁交流発電機1に巻回されている。また当該サブ巻線31はブリッジ型インバータ11を制御する各回路の制御電源を兼ねている。
シャント抵抗32はブリッジ型インバータ11の電界効果トランジスタ(FET)12に流れる電流を検出することによって、負荷21に流れる電流を等価的ないしは便宜的に検出するようになっている。このシャント抵抗32は直接負荷21に流れる電流を検出するようになっていてもよい。
ゲート回路33は3相整流回路2、すなわちサイリスタ混合ブリッジ型整流回路の全サイリスタ3,4,5にゲート電圧を一斉に印加する回路であり、トランジスタ45がオフに制御されると、定電圧生成回路37内のダイオード48で整流された直流電圧が上記ゲート電圧としてダイオード49,50,51を介し対応のサイリスタ6,7,8のゲートにそれぞれ印加するようになっている。
限定ゲート回路34は磁石界磁交流発電機1のW相主発電巻線Wに発生する交流電圧を整流するサイリスタ8のみに対してゲート電圧を印加する回路であり、トランジスタ46がオフに制御されると、定電圧生成回路37内のダイオード48で整流された直流電圧が上記ゲート電圧としてダイオード52を介しサイリスタ8のみのゲートに印加するようになっている。
位相検出回路35は、サブ巻線31の発生交流電圧を基にW相主発電巻線Wと同期したゼロクロス信号及び三角波を発生させるようになっている。
ゲート選択部36は、シャント抵抗32に流れるFET12の電流値が、予め定められたしきい値以下のときには位相検出回路35からのゼロクロスタイミング及び三角波による位相角信号に基づいてシャント抵抗32に流れる電流値に対応した位相制御を行う限定ゲート選択回路41を選択し、シャント抵抗32に流れるFET12の電流値が予め定められたしきい値を超えているときには上記直流電圧検出回路38で基準電圧と比較した結果に基づいてオンオフ制御を行うゲート選択回路40を選択するようになっている。即ちゲート選択部36は、指示回路39、ゲート選択回路40、限定ゲート選択回路41、オペアンプ44を備え、オペアンプ44に入力されたシャント抵抗32に流れる電流値を指示回路39に送り、電流値が予め定められたしきい値を超えている(通常負荷)ときには、指示回路39は、直流電圧検出回路38の検出信号をゲート選択回路40に与えると共に限定ゲート選択回路41には遮断する。またオペアンプ44に入力されたシャント抵抗32に流れる電流値が予め定められたしきい値以下(軽負荷)のときには、指示回路39はゲート選択回路40を遮断すると共に、限定ゲート選択回路41に電流値を送り、限定ゲート選択回路41は、位相検出回路35からのゼロクロスタイミングから電流値に対応した位相角の信号を出力する。
定電圧生成回路37は、上記限定ゲート回路34などで説明した様に、サブ巻線31で発生した交流電圧を整流して直流電圧に変換し、定電圧IC53を含めゲート回路33、限定ゲート回路34にこの変換直流電圧を供給するダイオード48、ブリッジ型インバータ11の各制御回路に制御用電源を供給する定電圧IC53を備えている。
直流電圧検出回路38は、3相整流回路2、すなわちサイリスタ混合ブリッジ型整流回路と平滑コンデンサ10とで変換された直流電圧を、抵抗54と55とで分圧したその電圧を基に、負荷21への交流出力電圧を一定にするための検出信号を得る直流電圧監視の回路である。直流電圧検出回路38に設けられた直流電圧検出器43から検出される検出信号が、ゲート選択部36のゲート選択回路40と限定ゲート選択回路41との両者に入力している。当該直流電圧検出器43が出力する検出信号は、上記説明の指示回路39によって選択されたゲート選択回路40又は限定ゲート選択回路41の各回路内で処理され、上記ゲート回路33のトランジスタ45が当該検出信号に対応してオン又はオフに制御され、又は限定ゲート回路34のトランジスタ46が、前記の如くW相に対応した位相の下で当該検出信号に対応して所定の位相でオフに制御される。即ち、負荷が軽負荷のときにはサイリスタ8だけが位相制御モードで点弧される(即ち、3相整流回路2の点Aの直流出力電圧値が不足の時にはFET12の電流値(負荷電流)に応じてサイリスタ8をオンにする位相のタイミングを決定し、当該3相整流回路2の点Aの直流出力電圧値を一定に保つようにされる)。又負荷が定格負荷時等通常の負荷のときには点Aの直流出力電圧値が設定値以上か以下により全サイリスタ6,7,8のゲートに一斉にオン又はオフの信号を印加する。このようにして負荷21への交流出力電圧を一定に維持させる。
なお、一定周波数の交流矩形波を出力するように動作するブリッジ型インバータ11内の各回路部の動作などは第2図のものと同じであるので、その説明は省略する。
この様に構成された本発明の発動発電機用インバータでは、負荷21が軽負荷のとき、シャント抵抗32に流れるFET12の電流が予め定められたしきい値以下であるので、オペアンプ44により変換された電流値を指示回路39は限定ゲート選択回路41に送る。そして磁石界磁交流発電機1のW相主発電巻線Wと同期したゼロクロス信号と三角波信号がオペアンプ42から限定ゲート選択回路41に送られ、当該限定ゲート選択回路41は直流電圧検出器43が出力する検出信号によって、直流電圧が不足の時には指示回路39からの電流値に対応して、限定ゲート回路34のトランジスタ46を位相角でオン又はオフに制御するので(このときゲート選択回路40はゲート回路33のトランジスタ45をオンにする信号を出力している)、ダイオード52を介してサイリスタ8だけにゲート電圧を印加する。つまり、磁石界磁交流発電機1の1相分の出力のみがサイリスタ8を介して供給されかつサイリスタ8は位相制御モードとなって、負荷21への交流出力電圧を一定に保持する制御動作を行う。この場合、磁石界磁交流発電機1の3相全体を位相制御モードにしてもよいが軽負荷であるので、磁石界磁交流発電機1の1相分の位相制御で充分に交流出力電圧を一定に保持することができる。
また、負荷21が予め定められた負荷付近等の定常時では、シャント抵抗32に流れるFET12の電流値が予め定められたしきい値を超えているので、指示回路39はゲート選択回路40を選択させる。当該ゲート選択回路40は直流電圧検出器43が出力する検出信号に対応し、ゲート回路33のトランジスタ45をオン又はオフに制御するので(このとき限定ゲート選択回路41は限定ゲート回路34のトランジスタ46をオンにする信号を出力している)、ダイオード49,50,51を介して全サイリスタ6,7,8に一斉にゲート電圧を印加する。つまり、磁石界磁交流発電機1の3相分を3相整流するかしないかのオンオフ制御モードとなり、負荷21への交流出力電圧を一定に保持する制御動作を行う。
ここで、通常負荷における3相分全部の3相整流をするかしないかのオンオフ制御モードでの交流出力電圧のフリッカについて言及すると次のようである。
通常負荷時における3相分全部の3相整流をするかしないかのオンオフ制御モードでは、磁石界磁交流発電機1の3相主発電巻線が図4図示の如く発生し(直流電圧は省略して描かれている)、タイミングT1で平滑コンデンサ10と並列に接続されている3相整流回路2、すなわちサイリスタ混合ブリッジ型整流回路2の点Aでの直流出力電圧値が直流電圧検出器43の基準値を下回ると、ダイオード49ないし51に一斉に電圧が印加されて第4図に示す太線のように、サイリスタ6,7,8が逐次オンできる状態になる。又当該基準値を超えるとタイミングT2以降の時点で総てのサイリスタ6,7,8がオフされるように制御される。 今、仮に負荷量に拘らず、3相整流をするかしないかの制御の下で動作している場合を考える。
この場合、タイミングT2(T1<T2<T3)でサイリスタ混合ブリッジ型整流回路2の点Aの直流出力電圧値が直流電圧検出器43の基準値を上回り、当該サイリスタ6,7,8をオフにするゲート信号が出されたとする(当該ゲート信号を零に落とす)。しかし、サイリスタの性質から上記タイミングT3になるまでU相のサイリスタ6はオンし続ける。
軽負荷のときには全サイリスタ6ないし8がオンできる状態となった結果で(第4図の状態となって)一旦上昇した直流出力電圧が基準値以下にまで降下するスピードが遅い。それ故再び、第3図(B)の様にサイリスタ6ないし8が第4図の太線のようにオンされるようになる全ての周期Tが、格段に長くなる。通常負荷のときには頻繁にオンとオフとが繰返されて、説明の第3図(A)に示されるように当該周期Tが短い。
従って、当該軽負荷の場合におけるこの周期の長いリップルが電球などの照明器具において、光の輝度・照度変化として見た目に認識され、交流出力電圧のフリッカが無視されなくなるという欠点を有する。
これに対し、本発明はこの点を軽負荷時の位相制御モードへの切換えを採用することによって解決している。本発明の発動発電機用インバータの軽負荷時における位相制御モードでは、サイリスタ8だけを位相制御する。そしてこの位相制御モードの下で、サイリスタ混合ブリッジ型整流回路2の点Aの直流電圧値が基準値以下の時には、負荷電流としてのFET12の電流値が増加した場合にはW相の位相に於ける当該時点での点弧角(90+θ)°(但し−90°≦θ≦90°)からθが減少する方向に位相角がずれていって例えば(90+(θ−Δ))°(但しΔは0≦Δ<90°で与えられる正の整数)で点弧するようになる。
第5図(A)と第5図(B)とはサイリスタ8が位相制御されている状況を示す。
したがって点Aの直流電圧値の変動は、サイリスタ8がW相の交流電圧の各半波の期間において導通されるので電圧変動を小さくすることのできる制御となる。従って軽負荷時でも直流電圧値が細密に制御される。即ち、軽負荷の下での前記周期の長いリップルがなくなる。
Claims (8)
- 主発電巻線に発生した出力電圧を一定にするための検出手段から得られた検出信号を基にサイリスタ混合ブリッジ型整流回路で直流に変換すると共にその出力電圧を定電圧化するようにして、所定周波数の交流電圧に再変換するブリッジ型インバータを有する発動発電機用インバータにおいて、
主発電巻線と同相の電圧を発生するサブ巻線と、
ブリッジ型インバータに流れる電流を検出する電流検出部と、
サイリスタ混合ブリッジ型整流回路の全サイリスタにゲート電圧を印加するゲート回路と、
サブ巻線と同相の主発電巻線に発生する電圧を整流するサイリスタにゲート電圧を印加する限定ゲート回路と、
サブ巻線からの電圧の位相を検出する位相検出回路と、
サイリスタ混合ブリッジ型整流回路の直流出力電圧を基に基準電圧と比較して当該直流出力電圧を監視する直流電圧検出回路と、
電流検出部で検出した負荷電流値が、予め定められたしきい値以下のときには前記位相検出回路の位相信号に基づいて前記負荷電流値に対応した位相制御を行う限定ゲート回路を選択し、電流検出部で検出した負荷電流値が予め定められたしきい値を超えているときには上記直流電圧検出回路で基準電圧と比較した結果に基づいてオンオフ制御を行うゲート回路を選択するゲート選択部と
を備え、前記電流検出部で検出される電流値によってサイリスタ混合ブリッジ型整流回路のサイリスタを位相制御モードかオンオフ制御モードかで切換えて制御するようにしたことを特徴とする発動発電機用インバータ。 - 上記ブリッジ型インバータは、第1の電界効果トランジスタと第3の電界効果トランジスタとが第1の周期においてオンされ、第2の電界効果トランジスタと第4の電界効果トランジスタとが第2の周期においてオンされる4つの電界効果トランジスタで構成され、第3の電界効果トランジスタに対する矩形波ゲート信号がオン状態からオフ状態に移行されるタイミングは、第1の電界効果トランジスタに対する矩形波ゲート信号がオン状態からオフ状態に移行されるタイミングより早くなるようにされると共に、第4の電界効果トランジスタに対するオン状態からオフ状態に移行されるタイミングは、第2の電界効果トランジスタに対するオン状態からオフ状態に移行されるタイミングより早くなされることを特徴とする請求の範囲1項記載の発動発電機用インバータ。
- 主発電巻線と同相の電圧を発生するサブ巻線とを有する発電機は、磁石界磁3相交流発電機であることを特徴とする請求の範囲第1項記載の発動発電機用インバータ。
- 上記サブ巻線は、ブリッジ型インバータを制御する各回路の制御電源を兼ねていることを特徴とする請求の範囲第1項又は請求の範囲第3項記載の発動発電機用インバータ。
- 上記電流検出部は、負荷に流れる電流を検出するシャント抵抗又は負荷に流れる電流を等価的ないし便宜的に検出する抵抗のいずれかであることを特徴とする請求の範囲第1項記載の発動発電機用インバータ。
- 上記ゲート回路は、サイリスタとダイオードとの直列接続回路を3個並列に接続された3相全波整流型構成のサイリスタ混合ブリッジ型整流回路において、その全サイリスタにゲート電圧を一斉に印加するよう構成されていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の発動発電機用インバータ。
- 上記位相検出回路は、サブ巻線の発生交流電圧を基に同相主発電巻線と同期したゼロクロス信号及び三角波を発生させるようになっていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の発動発電機用インバータ。
- 上記ゲート選択部は、指示回路、ゲート選択回路、限定ゲート選択回路、オペアンプを備え、オペアンプに入力された電流検出部に流れる電流値を指示回路に送り、電流値が予め定められたしきい値を超えている(通常負荷)ときには、指示回路は、直流電圧検出回路の検出信号をゲート選択回路に与えると共に限定ゲート選択回路は遮断し、またオペアンプに入力された電流検出部に流れる電流値が予め定められたしきい値以下(軽負荷)のときには、指示回路はゲート選択回路を遮断すると共に、限定ゲート選択回路に電流値を送り、限定ゲート選択回路は、位相検出回路からのゼロクロスタイミングから電流値に対応した位相角の信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求の範囲第1項記載の発動発電機用インバータ。
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