JP5245141B2 - 三相交流発電機の整流システムおよびこれを用いたバッテリー充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、１８０°通電方式により三相交流発電機の出力をスイッチ素子整流器を用いて動作させる三相交流発電機の整流システムおよびこれを用いたバッテリー充電装置に関し、少なくとも回転数を含む複数のパラメータに基づき、通電位相角マップを参照して整流器のスイッチ素子の通電パターンを順次切り替える際に、通電位相角が急激に減少しても過電流が生じない技術に関する。

エンジン式の自動二輪車には、たとえば交流三相発電機が搭載され、この交流三相発電機により整流された電力（直流電力）により、バッテリーの充電し、あるいは電装系を駆動する（特許文献１参照）。

図５にダイオードブリッジ整流器を使用した整流システム８を示す。図５では整流器８２は、三相交流発電機８１のコイル端子ａ，ｂ，ｃとバッテリー８４の（−）端子との間のダイオードＤ_x，Ｄ_y，Ｄ_zには短絡用のサイリスタ（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは各ダイオードとは逆極性に配置されている）が接続されている。なお、整流器８２の２出力端子間（バッテリー８４の正負端子間でもある）には、負荷８５が接続されている。

整流システム８では、電流負荷が要求されない場合、制御装置８３は、たとえばバッテリー８４が定格電圧以上となったときは、三相交流発電機８１のコイル端子ａ，ｂ，ｃ間を、ダイオードに並列接続されたサイリスタＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zによりショートさせて、バッテリー８４にかかる電圧を下げる。サイリスタＳ_x，Ｓ_y，Ｓ_zを電流が流れるので熱が発生し、整流システム８ではロスが大きくなる。

このような不都合を解消するために、図６に示すようなトランジスタ整流ブリッジを使用した整流システム９が採用できる。この整流システム９では、整流器９２はトランジスタＴ_u，Ｔ_v，Ｔ_w，Ｔ_x，Ｔ_y，Ｔ_zにより構成されており、制御装置９３は、以下に述べるように、三相交流発電機９１の三相の各相ｕ，ｖ，ｗを１８０°通電させるように整流器９２を制御する。制御装置９３は、通電位相角φを変更することで出力電流Ｉを調整する。

図６の整流システム９では、制御装置９３は、バッテリー９４の電圧Ｖ_Bを検出するとともに、三相交流発電機９１のロータ回転数ｎ_eを速度センサ９５により検出して制御を行なう。制御装置９３は、通電位相角マップ９３１を参照してＶ_Bとｎ_eとＩ^*とに対応する、整流器９２を構成するトランジスタＴ_u，Ｔ_v，Ｔ_w，Ｔ_x，Ｔ_y，Ｔ_zの通電位相角φ（通電角は１８０°）決定する。通電位相角マップ９３１は、（Ｖ_B，ｎ_eなど）の組をパラメータとする、通電位相角φのルックアップテーブルである。

制御装置９３は、位置センサ９６に基づき、相電圧Ｖ_u，Ｖ_v，Ｖ_wを通電位相角φ分遅らせるように、整流器９２を制御する。
特開平１１−２２５４４６号

しかし、以下に示すように、過大電流が流れることがある。
図７（Ａ）は、三相交流発電機９１のロータに取り付けられた位置センサ９６からの信号出力を示しており、一周期がｕ相，ｖ相，ｗ相の１周期（３６０°）に対応している。図７（Ｂ）は、通電位相角φに応じたトランジスタＴ_u，Ｔ_v，Ｔ_w，Ｔ_x，Ｔ_y，Ｔ_zの通電パターンを示している。図７（Ｃ）は、三相交流発電機９１の相電圧Ｖ_u，Ｖ_v，Ｖ_wの位相変化（相電圧の大きさは表されていない）を示し、図７（Ｄ）は、三相交流発電機９１の出力電流（相電流）Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wを示している。

図７（Ａ）では、三相交流発電機９１は、当初、通電位相角４５°で運転されている。時刻ｔ₁において、たとえば負荷９７が要求する電流が減少したとする。制御装置９３は、変化させるべき通電位相角を、通電位相角マップ９３１を参照して決定する。この例では、新たな通電位相角は１５°である。制御装置９３は、この通電位相角１５°を、時刻ｔ₂以降、整流器９２の制御に反映する。この場合には、図７（Ａ）に示すように、制御装置９３は、トランジスタを、Ｔ_u，Ｔ_z，Ｔ_v，Ｔ_x，Ｔ_w，Ｔ_y，Ｔ_u，Ｔ_z，・・・で通電（通電位相角φの変化点ｔ₂の前後を除き１８０°通電）させる。通常は、この繰り返しは、通電位相角φが変化しても、変わらない。

一方、図８に示すように、三相交流発電機９１が、当初、通電位相角９０°で運転されており、その後、制御装置９３は、通電位相角を急激に１５°に低下させたとする。このような状況は、典型的には負荷９７が急激に軽くなったときに生じる（実施形態の図３参照）。

図８では、図７と同様、（Ａ）に位置センサ９６からの信号出力を、（Ｂ）にトランジスタＴ_u，Ｔ_v，Ｔ_w，Ｔ_x，Ｔ_y，Ｔ_zの通電パターンを、（Ｃ）に出力電圧Ｖ_u，Ｖ_v，Ｖ_wの位相を、（Ｄ）に出力電流Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wを示してある。

図８（Ｂ）に示すように、通電位相角φが９０°から１５°に変化した場合には、制御装置９３は、トランジスタの通電が、Ｔ_u，Ｔ_z，Ｔ_v，Ｔ_x，Ｔ_w，Ｔ_y，Ｔ_u，Ｔ_z，・・・の順で行なわれなくなる（図８（Ｂ）β₁で示す部分参照）。具体的には、Ｔ_u，Ｔ_z／Ｔ_v，Ｔ_x，Ｔ_w，Ｔ_y，Ｔ_u，Ｔ_z，・・・で行なわれる。ここで、Ｔ_z／Ｔ_vは、通電が同時に開始されることを意味する。

このため、図８（Ｂ）のβ₂，β₃で示す部分や図９に示すように、回路に過大電流が流れ、トランジスタ（上記の例ではＴ_v，Ｔ_w）に過電流が流れ、これによりトランジスタが破壊してしまう。図８（Ｂ）ではピーク電流をＩ_Vpeak，Ｉ_Wpeakで示す。また、図９では、ピーク電圧（相電圧）をＶ_Vpeak，Ｖ_Wpeakで示す

本発明の目的は、１８０°通電方式により三相交流発電機の出力をスイッチ素子整流器を用いて動作させる場合に、少なくとも回転数を含む複数のパラメータに基づき、通電位相角マップを参照して整流器のスイッチ素子の通電パターンを順次切り替える際に、通電位相角が急激に減少しても過電流が生じない三相交流発電の整流システムおよびこれを用いたバッテリー充電装置を提供することである。

本発明の三相交流発電機は、以下を要旨とする。
（１） 永久磁石励磁の三相交流発電機と、
Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流を出力するスイッチ素子Ｔ_U，Ｔ_V，Ｔ_Wと、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流を入力するスイッチ素子Ｔ_X，Ｔ_Y，Ｔ_Zかとらなる整流器と、
前記交流三相発電機の回転数と、前記交流三相発電機のコイルの各相の出力電圧の位相と、前記整流器の端子電圧とを取得し、
前記回転数ｎ_eと前記整流器の端子電圧とから前記整流器の出力電流の目標電流値を決定し、
前記回転数と前記端子電圧と前記目標電流値とから、前記各相の出力電圧の周期と同周期のスイッチ素子駆動信号の通電位相を通電位相角マップ１５を参照して求め、
当該通電位相角φに応じて前記各スイッチ素子を通電させる、
制御装置と、
を備えた三相交流発電機の整流システムであって、
前記制御装置は、
前記各スイッチ素子が、
Ｔ_U，Ｔ_Z，Ｔ_V，Ｔ_X，Ｔ_W，Ｔ_Y，Ｔ_U，Ｔ_Z，・・・
の順で通電するか否かを判断し、
上記各スイッチ素子の通電の順が崩されるときは、前記通電の順が崩されないように、前記の通電位相角の変化に応じてスイッチ素子を通電させる前に、前記通電の順を崩す原因となるスイッチ素子を通電させる、
ことを特徴とする三相交流発電機の整流システム。

本発明のバッテリー充電装置は、以下を要旨とする。
（２） （１）に記載の三相交流発電機の整流システムを用いたバッテリー充電装置であって、
前記整流器の２出力端子間に、二次電池が接続されていることを特徴とするバッテリー充電装置。

（３） 前記三相交流発電機は、内燃機関の回転力により駆動されることを特徴とする（２）に記載のバッテリー充電装置。

本発明では、通電位相角が急激に変化することで、通常の順でスイッチ素子の通電が行なわれないような状況が生じても、「通常の順」が補償されるようにスイッチ素子を通電させるようにした。
したがって、過電流は生じず、これにより素子破壊等を防止することができる。

本発明の実施形態を以下に説明する。
図１は、本発明の三相交流発電の整流システムおよびこれを用いたバッテリー充電装置を示す説明図である。
図１において整流システム１は、三相交流発電機１１と、整流器１２と、制御装置１３と、速度センサ１４と、位置センサ１５と、内燃機関１６とを備えている。
三相交流発電機１１は、永久磁石により励磁（界磁）されるもので、本実施形態では、電機子回転式発電機である。

整流器１２は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流を出力するトランジスタ（スイッチ素子）Ｔ_U，Ｔ_V，Ｔ_Wと、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流を入力するトランジスタＴ_X，Ｔ_Y，Ｔ_Zとからなる。整流器１２の２出力端子には、バッテリー（二次電池）１７と、負荷１８とが接続されている。

制御装置１３は、処理装置１３１と、ドライバ１３２と、ＲＯＭ１３３と、通電記憶レジスタ１３４と、処理装置１３１の作業領域等として使用される図示しないＲＡＭと、を備えている。ＲＯＭ１３３内には通電位相角マップ１３３１が格納されるとともに、処理装置１３１の実行プログラム（符号１３３２で示す）が格納されている。

処理装置１３１は、交流三相発電機１１の回転数ｎ_eを速度センサ１４から取得し、交流三相発電機１１のコイルの各相Ｕ，Ｖ，Ｗの位相φ_U，φ_V，φ_Wを位置センサ１５から取得し、整流器１２の出力端子電圧（すなわち、バッテリー電圧）Ｖ_BATTを取得する（電圧センサの図示はしていない）。

位置センサ１５を用いて速度が検出されるときは、速度センサ１４は省略される。
内燃機関１６は、典型的には自動二輪車のエンジンである。
制御装置１３は以下のように動作する。

処理装置１３１は、交流三相発電機１１の回転数ｎ_eと、整流器１２の出力端子電圧（バッテリー１７の端子電圧Ｖ_BATT）とから整流器１２の出力電流Ｉを決定する。出力の決定は、たとえばｎ_eやＶ_BATTを入力とするＰＩＤ（比例・積分・微分）処理から得ることができる。

処理装置１３１は、回転数ｎ_eと端子電圧Ｖ_BATTとＰＩＤ結果とから、各相の出力電圧Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_W，の周期と同周期の、駆動信号の通電位相φ_U（＝φ），φ_V（＝φ_U＋１２０°），φ_W（＝φ_U＋２４０°）をＲＯＭ１３３に格納された通電位相角マップ１３３１を参照して求める。

本実施形態では、処理装置１３１は、通電したトランジスタを通電記憶レジスタ１３４に逐一、更新記憶しており、通電位相角φが変化したとき（通電位相角マップ１３３１を参照したとき）は、通電記憶レジスタ１３４を参照して、トランジスタが、
Ｔ_U，Ｔ_Z，Ｔ_V，Ｔ_X，Ｔ_W，Ｔ_Y，Ｔ_U，Ｔ_Z，・・・
の順で通電するか否かの判断を行なう。

トランジスタの通電の順が崩されないときは、新たな通電位相角φ₀で、トランジスタの通電を行なう。トランジスタの通電の順が崩されない例は図７においてすでに説明した。
一方、通電の順が崩されたときは、トランジスタを通電位相角φの変化に応じて通電させる前に、通電の順を崩す原因となるトランジスタを通電させる。

通電の順が崩されるときは、通電位相角相φの変化が遅れが小さくなる方向に６０°を超えて変化するときである。このとき、何らの対策を行なわないときは、図８および図９で説明したように、コイルの２つの相の間で短絡が起こり、トランジスタに過電流が流れ、これによりトランジスタが破壊してしまう。

図２に、通電位相角φが９０°から１５°に変化した場合の処理装置１３１による処理を示す。
図２（Ａ）は、三相交流発電機１１のロータに取り付けられた位置センサ１５からの信号出力を示しており、一周期がＵ相，Ｖ相，Ｗ相の１周期（３６０°）に対応している。図２（Ｂ）は、通電位相角φに応じたトランジスタＴ_U，Ｔ_V，Ｔ_W，Ｔ_X，Ｔ_Y，Ｔ_Zの通電パターンを示している。図２（Ｃ）は、三相交流発電機１１の出力電圧（相電圧）Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_Wの位相変化（相電圧の大きさは表されていない）を示し、図２（Ｄ）は、三相交流発電機１１の出力電流（相電流）Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wを示している。

図２（Ａ）に示すように、三相交流発電機１１は、当初、通電位相角９０°で運転されている。時刻ｔ₁において、負荷１８が要求する電流が減少したとする。
時刻ｔ₁において制御装置９３は、変化させるべき通電位相角（新たな通電位相角φ₀）を通電位相角マップ１３３１を参照して決定する。この例では、新たな通電位相角φ₀は１５°である。処理装置１３１は、この通電位相角１５°を、時刻ｔ₂から整流器１２の制御に反映する。このまま、従来どおりの制御を行なうと、相電圧Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_Wが急増し、トランジスタＴ_U，Ｔ_V，Ｔ_W，Ｔ_X，Ｔ_Y，Ｔ_Zの２つに過大電流が流れる。

この現象は、次のようにして生じる。すなわち、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、計算上の電流値Ｉ_Calcによる制御は、実際の出力電流Ｉ_Realの変動よりも時間ΔＴだけ遅れ、図３（Ａ）に示すように実際の電圧Ｖ_Realにはピークが生じる。すなわち、図８（Ｂ）の、従来の整流システム９では、相電圧のうちの２つ（図８（Ｂ）では、Ｖ_V，Ｖ_W）にピークが現れ、回路に過大電流が流れる（図８（Ｄ）のβ₂，β₃，図９参照）。

本発明では、この不都合を、以下のように解消している。
図２（Ａ）に示すように、制御装置９３は、トランジスタを、通常の通電順となるように（Ｔ_U，Ｔ_Z，Ｔ_V，Ｔ_X，Ｔ_W，Ｔ_Y，Ｔ_U，Ｔ_Z，・・・の順で）通電させる。図２（Ｂ）のα₁に、Ｔ_Uの次にＴ_Zが通電した様子を明示する。
これにより、図２（Ｄ）の符号α₂，α₃で示すように、相電流（ここでは、Ｉ_V，Ｉ_X）にピークは現れなくなる。

以下、上記の制御装置１３により処理を、図４のフローチャートにより説明する。
制御装置１３は、バッテリー電圧Ｖ_BATTおよび回転数ｎ_eを取得し、電流目標値Ｉ^*を算出する（Ｓ１１０）。
つぎに、Ｖ_BATT，ｎ_e，Ｉ^*に基づき、新たな通電位相角φ₀を計算し（Ｓ１２０）、次に通電するトランジスタが、通常の順か否かを判断する（Ｓ１３０）。

次に通電するトランジスタが通常の順であるときは（Ｓ１３０の「Ｙｅｓ」）、新たな通電位相角φ₀による通電位相角制御を行なう（Ｓ１５０）が、通常の順でないとき（Ｓ１３０の「Ｎｏ」）、新たな通電位相角φ₀を設定する前に通常の順に従うようにトランジスタを通電させ（Ｓ１４０）、この後新たな通電位相角φ₀による通電位相角制御を行なう（Ｓ１５０）。

本発明の三相交流発電の整流システムおよびこれを用いたバッテリー充電装置を示す説明図である。 通電位相角φが９０°から１５°に変化した場合の処理装置による処理を示す図であり、（Ａ）は、三相交流発電機のロータに取り付けられた位置センサからの信号出力を示す図、（Ｂ）は通電位相角φに応じたトランジスタの通電パターンを示す図、（Ｃ）は三相交流発電機の出力電圧（相電圧）の位相変化を示す図、（Ｄ）は三相交流発電機の出力電流を示す図である。 通電位相角が急激に低下したときに生じる電圧ピークの説明図であり、（Ａ）は実際の電圧を、（Ｂ）は計算上の電流値を、，（Ｃ）は実際の出力電流を示す図である。 本発明の整流システムの制御装置による処理を示すフローチャートである。 ダイオードブリッジ整流器を使用した従来の整流システムを示す図である。 トランジスタブリッジ整流器を使用した従来の整流システムを示す図である。 通電位相角φが４５°から１５°に変化した場合の処理装置による処理を示す図であり、（Ａ）は、三相交流発電機のロータに取り付けられた位置センサからの信号出力を示す図、（Ｂ）は通電位相角φに応じたトランジスタの通電パターンを示す図、（Ｃ）は三相交流発電機の出力電圧（相電圧）の位相変化を示す図、（Ｄ）は三相交流発電機の出力電流を示す図である。 通電位相角φが９０°から１５°に変化した場合の処理装置による処理を示す図であり、（Ａ）は、三相交流発電機のロータに取り付けられた位置センサからの信号出力を示す図、（Ｂ）は通電位相角φに応じたトランジスタの通電パターンを示す図、（Ｃ）は三相交流発電機の出力電圧（相電圧）の位相変化を示す図、（Ｄ）は三相交流発電機の出力電流を示す図である。 図７に示した従来の整流システムにおいて過電流が生じたときの相電圧，相電流を示す説明図である。

符号の説明

１ 整流システム
１１ 三相交流発電機
１２ 整流器
１３ 制御装置
１４ 速度センサ
１５ 位置センサ
１６ 内燃機関
１７ バッテリー
１８ 負荷
１３１ 処理装置
１３２ ドライバ
１３３ ＲＯＭ
１３４ 通電記憶レジスタ
１３３１ 通電位相角マップ
１３３２ 処理装置の実行プログラム

Claims (3)

1. 永久磁石励磁の三相交流発電機と、
   Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流を出力するスイッチ素子Ｔ_U，Ｔ_V，Ｔ_Wと、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流を入力するスイッチ素子Ｔ_X，Ｔ_Y，Ｔ_Zとからなる整流器と、
   前記交流三相発電機の回転数と、前記交流三相発電機のコイルの各相の出力電圧の位相と、前記整流器の端子電圧とを取得し、
   前記回転数ｎ_eと前記整流器の端子電圧とから前記整流器の出力電流の目標電流値を決定し、
   前記回転数と前記端子電圧と前記目標電流値とから、前記各相の出力電圧の周期と同周期のスイッチ素子駆動信号の通電位相角を通電位相角マップを参照して求め、
   当該通電位相角に応じて前記各スイッチ素子を通電させる、
   制御装置と、
   を備えた三相交流発電機の整流システムであって、
   前記制御装置は、
   前記各スイッチ素子が、
   Ｔ_U，Ｔ_Z，Ｔ_V，Ｔ_X，Ｔ_W，Ｔ_Y，Ｔ_U，Ｔ_Z，・・・
   の順で通電するか否かを判断し、
   上記各スイッチ素子の通電の順が崩されるときは、前記通電の順が崩されないように、前記の通電位相角の変化に応じてスイッチ素子を通電させる前に、前記通電の順を崩す原因となるスイッチ素子を通電させる、
   ことを特徴とする三相交流発電機の整流システム。
2. 請求項１に記載の三相交流発電機の整流システムを用いたバッテリー充電装置であって、
   前記整流器の２出力端子間に、二次電池が接続されていることを特徴とするバッテリー充電装置。
3. 前記三相交流発電機は、内燃機関の回転力により駆動されることを特徴とする請求項２に記載のバッテリー充電装置。