JP5280892B2

JP5280892B2 - インバーター発電機

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Publication number: JP5280892B2
Application number: JP2009048534A
Authority: JP
Inventors: 重憲傍嶋; 義文左高; 哲實小川
Original assignee: Daiichi Co Ltd
Current assignee: Daiichi Co Ltd
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: JP2010206904A

Description

この発明は、インバーター発電機に関し、より詳細には三相および単相を使用し得る三相４線式のインバーター発電機に関するものである。

図１０は、従来の三相交流発電機１０の概略を示す結線図である。三相交流発電機１０は、三相４線式であって、Ｕ相巻線１２、Ｖ相巻線１４及びＷ相巻線１６をＹ結線して発電体１１が構成されている。ここで、Ｕ相巻線１２の巻終端はＵ端子１８に、Ｖ相巻線１４の巻終端はＶ端子２０に、Ｗ相巻線１６の巻終端はＷ端子２２に接続されている。また、発電体１１におけるＹ結線の中性点は、Ｏ端子２４に接続されている。

三相交流は、一般に負荷の大きい産業用電気機器、例えば工作機械やコンプレッサの三相誘導モータ等の電源に使用される。この場合、定格が三相２００Ｖの電気機器ならば、３本の動力線は前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各端子１８,２０,２２に結線される。また、定格が単相１００Ｖの電気機器ならば、２本の動力線は前記中性点であるＯ端子２４と、前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の何れかの端子１８,２０,２２に結線される。しかし、このように三相交流電源より単相負荷を取ろうとすると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にかかってくる負荷が均衡せず、場合によっては回路を焼損するおそれがある。そこで三相交流の出力を単相負荷に接続するには、スコットトランスや逆Ｖトランスと称する変圧器を介在させる必要がある(例えば、特許文献１参照)。この種の変圧器は、発電体１１と別に設ける必要があるため、大型化すると共にコスト高となる難点がある。

特開２００８−２３７００９号公報

最近では、安定した電圧や周波数等で供給できることから、発電体から得られた三相交流をコンバーター回路で直流に変換し、また直流をインバーター回路で交流に変換して出力するインバーターユニットを備えたインバーター発電機が広く普及している。インバーター発電機では、インバーター回路を構成するパワー素子をマイコン等の制御手段によって制御することで、出力電圧や周波数等を適宜に調節している。しかしながら前述の如く、三相交流から単相負荷だけを取り出すと、三相の平衡が崩れ易く、制御手段によるインバーター回路やその他回路の制御が難しくなり、出力電圧や周波数等の制御を適切に行なうことができず、インバーター回路のメリットを没却してしまうおそれがある。またインバーター発電機では、中性点をとること自体が難しく、現実問題として簡単な構成で三相４線式とすることができなかった。

本発明は、このような従来技術に内在している難点に鑑み、これを克服するべく提案されたものであって、簡単な構成および制御で、三相交流および単相交流を出力し得る三相４線式のインバーター発電機を提供することにある。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係るインバーター発電機は、
発電体からの三相交流を直流に変換し、該直流を単相交流に変換するようにした第１インバーターユニット、第２インバーターユニット及び第３インバーターユニットを備え、
各インバーターユニットから出力される単相交流の位相を１２０度ずつずらすよう設定し、
各インバーターユニットからの単相交流の一方の出力端を相互に共通に接続して中性点とすると共に、他方の出力端を三相交流における何れかの相端とし、
前記第１,第２および第３インバータユニットは、単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御と、単相交流の位相を互いに同調させる制御とを切り替え可能に構成されて、３基のインバータユニットから出力される単相交流の位相を同調するよう切り替えることで、単相交流が出力されることを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、インバーター発電機を簡単な構成で三相４線式とすることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相端に接続すれば三相交流を得ることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端と中性点とに接続すれば単相交流を得ることができる。また、独立したインバーターユニットで三相交流の各相を夫々生成することで、単一のインバーターユニットで三相交流を生成する場合と比べて、単一の相を制御するだけなので各インバーターユニットの制御が簡単になる。すなわち、三相交流と単相交流を切り替えてまたは同時に使用しても、各相を適切に制御し得るので、三相の平衡状態が崩れ難く、出力電圧や周波数等の出力を安定させることができ、インバーターユニットを用いるメリットを最大限に享受し得る。しかも、各インバーターユニットは、単一の相を分担しているだけなので、発電体やインバーターユニットを構成する回路の素子に要求される耐電圧性能が低くなるから、回路設計の自由度が高まると共に、各インバーターユニットにかかるコストを低減することが可能となる。
第１,第２および第３インバータユニットから出力される単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御において、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端と中性点とに接続して得られる単相交流の出力と比べて、第１,第２および第３インバータユニットから出力される単相交流の位相を互いに同調させることで、大きな出力の単相交流が得られる。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項２に係るインバーター発電機は、
発電体からの三相交流を直流に変換し、各直流を単相交流に変換するようにした主インバーターユニット及び従インバーターユニットから構成される第１インバーターユニット、第２インバーターユニット及び第３インバーターユニットを備え、
前記主インバーターユニット及び従インバーターユニットから出力される単相交流の位相を同相に設定すると共に、前記第１インバーターユニット、第２インバーターユニット及び第３インバーターユニットから出力される単相交流の位相を１２０度ずつずらすよう設定し、
前記第１インバーターユニット、第２インバーターユニット及び第３インバーターユニットからの単相交流の一方の出力端を相互に共通に接続して中性点とすると共に、他方の出力端を三相交流における何れかの相端とし、
前記第１,第２および第３インバータユニットは、単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御と、単相交流の位相を互いに同調させる制御とを切り替え可能に構成されて、３基のインバータユニットから出力される単相交流の位相を同調するよう切り替えることで、単相交流が出力されることを特徴とする。
請求項２に係る発明によれば、インバーター発電機を簡単な構成で三相４線式とすることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相端に接続すれば三相交流を得ることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端と中性点とに接続すれば単相交流を得ることができる。また、独立したインバーターユニットで三相交流の各相を夫々生成することで、単一のインバーターユニットで三相交流を生成する場合と比べて、単一の相を制御するだけなので各インバーターユニットの制御が簡単になる。すなわち、三相交流と単相交流を切り替えてまたは同時に使用しても、各相を適切に制御し得るので、三相の平衡状態が崩れ難く、出力電圧や周波数等の出力を安定させることができ、インバーターユニットを用いるメリットを最大限に享受し得る。しかも、各インバーターユニットは、主インバーターユニットおよび従インバーターユニットの２つのユニットで単一の相を分担しているので、発電体やインバーターユニットを構成する回路の素子に要求される耐電圧性能が更に低くなるから、回路設計の自由度が高まると共に、各インバーターユニットにかかるコストを低減することが可能となる。
第１,第２および第３インバータユニットから出力される単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御において、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端と中性点とに接続して得られる単相交流の出力と比べて、第１,第２および第３インバータユニットから出力される単相交流の位相を互いに同調させることで、大きな出力の単相交流が得られる。

請求項３に係る発明では、前記主インバーターユニットと従インバーターユニットとは、直列接続または並列接続に切り替え可能に構成されて、線間電圧及び相電圧を変更可能になっていることを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、主インバーターユニットと従インバーターユニットとの接続態様を切り替えるだけの簡単な構成で、線間電圧及び相電圧を変更でき、所謂デュアルボルテージに対応し得る。

請求項４に係る発明では、前記発電体は、前記インバーターユニット毎に独立して設けられることを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、各インバーターユニットに対応して発電体を設けることで、各相の平衡状態を維持し易くなる。

請求項５に係る発明では、各発電体は、回転軸が片持ち支持されたアウターロータおよび該アウターロータに対応して設けられたステータとからなり、駆動源に連結した回転シャフトと各アウターロータの回転軸とを連繋手段で連繋して、１基の駆動源により前記複数の発電体のアウターロータが同時に回転されることを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、駆動源に連結した回転シャフトと各発電体のアウターロータとの間に連繋手段を設け、この連繋手段によって１基の駆動源からの回転出力を各アウターロータに分配するよう構成したので、駆動源を発電体毎に設ける必要がなく、発電機の大型化を回避しつつ、三相４線式とし得る。しかも、各発電体は、片持ち支持されたアウターロータおよびステータから構成したので、アウターロータの軸方向にコンパクトにできる。

請求項６に係る発明では、前記発電体は、前記インバーターユニットに共通して設けた１基のステータと、該ステータに設けられ、前記インバーターユニット毎に対応して接続する電機子と、前記ステータに対応して設けられたロータとから構成され、該ロータを回転駆動することで、各電機子から対応のインバーターユニットに三相交流が夫々供給されることを要旨とする。
請求項６に係る発明によれば、発電体が、１基のステータに各インバーターユニットに対応した電機子を設ける構成であるので、１基のステータに対応する１基のロータを１基の駆動源で回転すればよく、発電機の大型化を回避しつつ、三相４線式とし得る。

本発明に係るインバーター発電機によれば、簡単な制御で、三相交流および単相交流を出力し得る。

本発明の好適な実施例１に係るインバーター発電機を示す概略結線図である。実施例１に係るインバーター発電機の要部を概略的に示す拡大縦断面図であって、図４のＩ−Ｉ線断面図である。実施例１に係る発電機構を概略的に示す拡大縦断面図である。連繋手段の連繋構造を回転シャフト側から見た状態で示す説明図である。実施例２に係るインバーター発電機を示す概略結線図であって、主インバーターユニットと従インバーターユニットとを並列に接続した場合である。実施例２に係るインバーター発電機を示す概略結線図であって、主インバーターユニットと従インバーターユニットとを直列に接続した場合である。実施例３に係るインバーター発電機を示す概略結線図である。実施例２に係るインバーター発電機を単相電源に切り替えた変更例を示す概略結線図であって、主インバーターユニットと従インバーターユニットとを並列に接続した場合である。実施例２に係るインバーター発電機を単相電源に切り替えた変更例を示す概略結線図であって、主インバーターユニットと従インバーターユニットとを直列に接続した場合である。従来の三相４線式の交流発電機の概略結線図である。

次に、本発明に係るインバーター発電機につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明の好適な実施例１に係るインバーター発電機３０を示す概略結線図である。実施例１のインバーター発電機３０では、エンジン等の駆動源の駆動により三相交流を生成する発電体３２と、この発電体３２に接続されたインバーターユニット４０とから１つ相を生成するためのユニットを構成し、出力する三相交流のＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応させて発電体３２およびインバーターユニット４０を３つ備えている。すなわち、実施例１のインバーター発電機３０は、Ｕ相を生成する第１インバーターユニット４０と、Ｖ相を生成する第２インバーターユニット４０と、Ｗ相を生成する第３インバーターユニット４０とを備え、この３基のインバーターユニット４０,４０,４０をもって、最小の構成単位となっている。またインバーター発電機３０は、各インバーターユニット４０に対応して三相交流を発電し得る電機子３４を少なくとも１つ備えており、３基のインバーターユニット４０,４０,４０には、互いに独立した電機子３４から三相交流が夫々入力されるようになっている。

実施例１のインバーター発電機３０では、各インバーターユニット４０に対応して１基の発電体３２が設けられ、各発電体３２に設けられた１基の電機子３４が対応のインバーターユニット４０と組をなしている。また各発電体３２は、他のインバーターユニット４０と組をなす発電体３２と互いに電気的に独立させて設けられている。ここで、各発電体３２は、Ｕ相巻線１２、Ｖ相巻線１４及びＷ相巻線１６をＹ結線して構成された電機子３４を備え、各相の巻線１２,１４,１６の巻終端が、対応のインバーターユニット４０に接続されている。なお、発電体３２としては、後述するアウターロータ式やインナーロータ式の磁石発電機を採用し得る。

前記インバーターユニット４０は、発電体３２の出力側に接続されて、発電体３２から入力された三相交流を直流に変換するコンバーター４２と、このコンバーター４２の出力側に接続されて、コンバーター４２から入力された直流を単相交流に変換するインバーター４４とを備えている。コンバーター４２は、サイリスタやトライアック等の整流素子を組み合わせて構成された回路が採用される。なお、各インバーターユニット４０は、コンバーター４２の出力側とインバーター４４の入力側との間に介挿された平滑用コンデンサー４６を備えている。

前記インバーター４４は、ＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やパワーＭＯＳＦＥＴ等からなる単相インバーター回路であって、制御手段としてのマイコン等のインバーター制御回路(図示せず)の制御下にコンバーター４２から入力された直流を単相交流に変換している。また、各インバーターユニット４０には、インバーター４４の出力側にノイズフィルター４８が設けられている。そして、各インバーターユニット４０では、インバーター４４の出力端の一つ(他方の出力端)が、ノイズフィルター４８を介して単相交流の一つの相端３６となっている。またインバーター４４の別の出力端(一方の出力端)は、ノイズフィルター４８を介した後、後述する他のインバーターユニット４０を構成するインバーター４４における別の出力端に共通に接続される中性端５２となっている。

前記インバーター発電機３０は、第１インバーターユニット４０からの単相交流の一方の出力端である中性端５２が、他の第２インバーターユニット４０及び第３インバーターユニット４０からの単相交流の一方の出力端である中性端５２,５２と中性線５４で共通に接続されて、該中性線５４の端部が中性点５６となっている。また、第１インバーターユニット４０、第２インバーターユニット４０及び第３インバーターユニット４０の夫々から出力される単相交流の位相は、各インバーター４４を制御手段で制御することで、相互に１２０度ずつずらすよう設定されている。これにより、第１インバーターユニット４０、第２インバーターユニット４０及び第３インバーターユニット４０における他方の出力端は、三相(Ｕ、Ｖ、Ｗ)における何れかの相端５０になっている。なお、各発電体３２の電機子３４の中性点からは、中性線の引き出しはなされていない。

実施例１のインバーター発電機３０に好適に採用し得る発電体３２およびこれを駆動する機構について説明する。図２は、実施例１に係るインバーター発電機３０の要部を概略的に示す拡大縦断面図であって、図４のＩ−Ｉ線断面図を示す。但し、説明の便宜上、図２では、後述する発電体３２,３２,３２および連繋手段９４を破断していない。

前記インバーター発電機３０は、駆動源としてのガソリンエンジン(図示せず)が収容される収容室６２と、該収容室６２に仕切壁６４を介して隣接して設けられた機構室６６とが形成された本体部６８を備えている。本体部６８の一方の面(図１の左側)には、円盤状の壁部材７０が設けられ、該壁部材７０にカバー部材７２が設けられている。このカバー部材７２は、前記本体部６８側が開放した筒状体であって、内部に発電体３２,３２,３２を収容する収容部７２ａが形成されている。

実施例１に係るインバーター発電機３０は、前述した如く各相を生成するインバーターユニット４０に対応して夫々発電体３２が設けられ、全体として３つの発電体３２,３２,３２を備えている。図３に示すように、各発電体３２は、アウターロータ３６と、このアウターロータ３６に対応して設けられたステータ３８とから基本的に構成される。アウターロータ３６は、カバー状のロータヨーク８０と回転軸８２とから構成され、該回転軸８２の一方の端部(図２では右側)が固定手段８４,８４を介してロータヨーク８０に連結されている。また、回転軸８２は、本体部６８の壁部材７０に設けたベアリング７６および仕切壁６４に設けたベアリング６４ａによって回転自在に軸支され、機構室６６を貫通した状態で配設される。すなわち、アウターロータ３６は、回転軸８２の図２における左側(一方)の端部のみが支持されて、該回転軸８２の図２における右側(他方)の端部が自由回転可能な片持ち構造をなしている。

前記ロータヨーク８０は、内部にステータ３８を収容可能な空間が形成されると共に、その内周面に複数の永久磁石８６が配設されている(図３には、上下２つの永久磁石８６,８６が図示されている)。この永久磁石８６としては、例えば、フェライトやネオジム等の強磁性体が用いられる。ステータ３８は、ロータヨーク８０の内部に収容された状態で固定され、図３に示すように、その外周縁に設けた電機子３４が永久磁石８６と対向している。電機子３４には、Ｕ相,Ｖ相及びＷ相の巻線１２,１４,１６が巻装され、該電機子３４に対して永久磁石８６が高速回転することで、電磁誘導により交流電流を生成するようになっている。

前記ガソリンエンジンの回転シャフト９０は、収容室６２から仕切壁６４に設けたベアリング６４ａを介して機構室６６に延出している。機構室６６には、回転シャフト９０と各アウターロータ３６の回転軸８２との間に介在して、該回転シャフト９０の回転を各回転軸８２に伝達する連繋手段９４が配設される。この連繋手段９４は、大径の駆動ギヤ９６とアウターロータ３６の回転軸８２に介挿された３つの従動ギヤ９８,９８,９８とから構成され、各従動ギヤ９８は駆動ギヤ９６に噛合している。駆動ギヤ９６は、回転シャフト９０の機構室６６に臨む端部に設けられ、図４に示すように、駆動ギヤ９６は３つの従動ギヤ９８,９８,９８の中央に位置している。３つの従動ギヤ９８,９８,９８(回転軸８２,８２,８２)は、回転シャフト９０を中心とする円周上に、互いに１２０°の中心角なす位置関係で配設されている(図４の想像線参照)。

また、駆動ギヤ９６の歯数は、従動ギヤ９８の約２倍に設定され、駆動ギヤ９６および従動ギヤ９８は増速機構をなしている。すなわち、駆動ギヤ９６は、回転シャフト９０の２倍の回転数で従動ギヤ９８を回転させるようになっている。このように、インバーター発電機３０では、単一の入力軸である回転シャフト９０の回転を連繋手段９４を介して３つの出力軸(回転軸８２,８２,８２)に分配し、３つのアウターロータ３６,３６,３６を回転するよう構成される。

次に、実施例１に係るインバーター発電機３０の作用について説明する。ガソリンエンジンを作動させると、回転シャフト９０が所定の回転数(例えば、１５００ｒｐｍ)で回転される。すると、駆動ギヤ９６に噛合する３つの従動ギヤ９８,９８,９８が、回転数が約２倍(例えば、３０００ｒｐｍ)に増速されて回転し、アウターロータ３６が高速で回転する。このとき、各発電体３２(回転軸８２)は、回転シャフト９０を中心とする円周上に、互いに１２０°の中心角をなして配設されているので、重心バランスが均衡して安定的に作動する。

各発電体３２では、アウターロータ３６の永久磁石８６が電機子３４に対し高速回転することで電磁誘導が生じ、三相交流が生成される。各発電体３２で生成された三相交流は、対応のインバーターユニット４０のコンバーター４２により直流に変換される。そして、コンバーター４２で変換された直流は、インバーター４４により所定の周波数の単相交流に変換される。

前記インバーター発電機３０では、例えば第１インバーターユニット４０の中性端５２と相端５０との間に、Ｕ相２２０Ｖの相電圧が出力される。また、第２インバーターユニット４０の中性端５２と相端５０との間に、Ｖ相２２０Ｖの相電圧が、更に第３インバーターユニット４０の中性端５２と相端５０とに、Ｗ相２２０Ｖの相電圧が出力される。更に、第１インバーターユニット４０におけるＵ相の相端５０と、第２インバーターユニット４０におけるＶ相の相端５０との線間電圧(Ｕ−Ｖ)は、前記２２０Ｖの相電圧の√３倍で３８０Ｖになる。他の第２及び第３インバーターユニット４０,４０における線間電圧(Ｖ−Ｗ)、(Ｗ−Ｕ)も同様に３８０Ｖである。従って、大容量の三相誘導モータ等の負荷を、Ｕ相相端５０、Ｖ相相端５０及びＷ相相端５０に夫々接続すれば、前述の設定によれば３８０Ｖの三相交流が供給される。そして、小容量の単相電気機器は、その２本の動力線を例えば第１インバーターユニット４０におけるＵ相の相端５０と中性点５６に接続すれば、２２０Ｖの単相交流が供給される。

このように、インバーター発電機３０は、発電体３２とインバーターユニット４０とからなる独立したユニットによって三相交流の各相を生成するようだけの簡単な構成で、三相４線式とすることができる。また、インバーター発電機３０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相端に接続すれば三相交流を得ることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端５０と中性点５６とに接続すれば単相交流を得ることができる。更に、インバーター発電機３０は、独立した３基のインバーターユニット４０で三相交流の各相を夫々生成することで、単一のインバーターユニットで三相交流を生成する場合と比べて、各インバーターユニット４０において単一の相を制御手段で制御するだけなので、各インバーターユニット４０の制御が簡単になる。すなわち、インバーター発電機３０は、三相交流と単相交流を切り替えてまたは同時に使用しても、各相を適切に制御し得るので、三相の平衡状態が崩れ難く、出力電圧や周波数等の出力を安定させることができ、インバーター回路を用いるメリットを最大限に享受し得る。

実施例１のインバーター発電機３０では、各インバーターユニット４０が単一の相を分担する構成であり、各インバーターユニット４０の相電圧が低くなるので、交流/直流変換素子(コンバーター)及び直流/交流変換素子(インバーター)に要求される耐電圧性能を低く抑えることができる。このように、各インバーターユニット４０は、発電体３２やインバーターユニット４０を構成する回路の素子に要求される耐電圧性能が低くなるから、回路設計の自由度が高まると共に、各インバーターユニット４０にかかるコストを低減することが可能となる。

実施例１に係るインバーター発電機３０によれば、単一の入力軸である回転シャフト９０を駆動ギヤ９６および従動ギヤ９８を介して３つの回転軸８２,８２,８２に伝達し、３つの発電体３２,３２,３２で発電することができる。また、発電体３２として片持ち構造のアウターロータ３６を採用することで、インバーター発電機３０がアウターロータ３６の軸方向に嵩張ることがなく、コンパクトになり、持ち運び等が容易となる。しかも、各発電体３２を大型化する必要がないので、既存のステータ３８等をそのまま利用することができ、コストを低廉にし得る。更に、駆動ギヤ９６および従動ギヤ９８により、回転シャフト９０の回転数を増速させて回転軸８２に伝達するので、アウターロータ３６を高速で回転させることができ、更なる出力向上を図り得る。

図５および図６は、実施例２に係るインバーター発電機１００を示す概略結線図である。なお、実施例２のインバーター発電機１００において、実施例１の構成と同様の部材や回路は、実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。

実施例２のインバーター発電機１００は、３組のインバーターユニット(第１〜第３インバーターユニット)１０２,１０２,１０２を備え、各インバーターユニット１０２は、主インバーターユニット１０４及び従インバーターユニット１０６から構成されている。また、インバーター発電機１００は、主インバーターユニット１０４及び従インバーターユニット１０６に対応して発電体３２が夫々設けられている。ここで主インバーターユニット１０４及び従インバーターユニット１０６は、何れも発電体３２からの各相の交流を直流に変換するコンバーター４２と、各コンバーター４２からの直流を単相交流に変換するインバーター４４とを備えている。また主インバーターユニット１０４及び従インバーターユニット１０６は、平準用コンデンサー４６及びノイズフィルター４８を備え、実施例１で説明したインバーターユニット４０と同様の構成である。また、主インバーターユニット１０４からの単相交流の位相は、従インバーターユニット１０６からの単相交流の位相と同相になるよう設定されている。そして、実施例２のインバーター発電機１００において、第１インバーターユニット１０２、第２インバーターユニット１０２及び第３インバーターユニット１０２から出力される単相交流の位相を１２０度ずつずらすよう設定してあることは、実施例１と同じである。なお、発電体３２および発電体３２の駆動機構は、実施例１と同様の構成を採用し得る。

実施例２のインバーター発電機１００は、第１インバーターユニット１０２、第２インバーターユニット１０２及び第３インバーターユニット１０２からの単相交流の一方の出力端を中性線５４で共通に接続して中性点５６とすると共に、他方の出力端を三相(Ｕ、Ｖ、Ｗ)における何れかの相端５０としてある。この場合、夫々のインバーターユニット１０２における主インバーターユニット１０４と従インバーターユニット１０６との接続を、図５のような並列接続、または図６のような直列接続を図示しない切替手段で切り替えて選択することで、三相の線間電圧および単相の相間電圧をシングル仕様またはデュアル仕様(倍電圧)の何れかに簡単に変更することができる。

例えば、図５は、主インバーターユニット１０４と従インバーターユニット１０６を並列に接続したシングル仕様の結線状態を示している。主インバーターユニット１０４の相端と従インバーターユニット１０６の相端とを接続すると共に、主インバーターユニット１０４の中性端と従インバーターユニット１０６の中性端とを接続することで、これら主インバーターユニット１０４と従インバーターユニット１０６とは並列接続される。そして、主インバーターユニット１０４の相端と従インバーターユニット１０６の相端とを接続した端部が、各相を生成するインバーターユニット１０２の相端５０となり、各インバーターユニット１０２における主インバーターユニット１０４の中性端及び従インバーターユニット１０６の中性端が中性線５４で接続されて中性点５６となる。この際、第１インバーターユニット１０２のＵ相相端５０と、第２インバーターユニット１０２のＶ相相端５０との間には、例えば線間電圧２３０Ｖが得られる。また第１インバーターユニット１０２におけるＵ相相端５０と、中性点５６との間には、例えば相電圧１３３Ｖが得られる。

また図６は、主インバーターユニット１０４と従インバーターユニット１０６を直列に接続したデュアル仕様に結線した状態を示す。主インバーターユニット１０４の中性端と従インバーターユニット１０６の相端とを接続することで、これら主インバーターユニット１０４と従インバーターユニット１０６とは直列接続される。そして、主インバーターユニット１０４の相端が、各相を生成するインバーターユニット１０２の相端５０となり、各インバーターユニット１０２における従インバーターユニット１０６の中性端が中性線５４で接続されて中性点５６となる。この際、第１インバーターユニット１０２のＵ相相端５０と、第２インバーターユニット１０２のＶ相相端５０との間には、例えば線間電圧４６０Ｖが得られる。また第１インバーターユニット１０２におけるＵ相相端５０と、中性点５６との間には、例えば相電圧２６６Ｖが得られる。

実施例２のインバーター発電機１００によれば、簡単な構成で三相４線式とすることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相端５０に接続すれば三相交流を得ることができ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端５０と中性点５６とに接続すれば単相交流を得ることができる。更に、主インバーターユニット１０４と従インバーターユニット１０６との接続態様を切り替えるだけの簡単な構成で、線間電圧及び相電圧を変更でき、所謂デュアルボルテージに対応し得る。また、独立したインバーターユニット１０２で三相交流の各相を夫々生成することで、単一のインバーターユニットで三相交流を生成する場合と比べて、単一の相を制御するだけなので各インバーターユニット１０２の制御が簡単になる。すなわち、三相交流と単相交流を切り替えてまたは同時に使用しても、各相を適切に制御し得るので、三相の平衡状態が崩れ難く、出力電圧や周波数等の出力を安定させることができ、インバーターユニット１０２を用いるメリットを最大限に享受し得る。しかも、各インバーターユニット１０２は、主インバーターユニット１０４および従インバーターユニット１０６の２つのユニットで単一の相を分担しているので、発電体３２やインバーターユニットを構成する回路の素子に要求される耐電圧性能が更に低くなるから、回路設計の自由度が高まると共に、各インバーターユニット１０２にかかるコストを低減することが可能となる。

図７は、実施例３に係るインバーター発電機２００を示す概略結線図である。実施例１で説明したインバーター発電機３０は、何れかのインバーターユニット４０の相端５０と中性点５６との間で単相交流を出力可能な構成であるのに対し、実施例３のインバーター発電機２００は、実施例１の構成に切替機構(後述するインバーター制御回路３９および切替スイッチ５８)を付加することで、各インバーターユニット４０で得られた単相交流をまとめて出力し得るよう構成される。すなわち、実施例３のインバーター発電機２００は、基本的な構成が実施例１と同じであるから、実施例１の構成と同様の部材や回路は、実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。

実施例３のインバーター発電機２００には、エンジン等の駆動源の駆動により三相交流を生成する発電体３２と、この発電体３２に接続されたインバーターユニット４０とから単相交流を生成して、三相交流出力時に１つ相を出力する組が構成される。実施例３のインバーター発電機２００は、出力する三相交流のＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応させて発電体３２およびインバーターユニット４０の組を最小単位である３組備えている。なお、インバーター発電機２００において、三相交流出力時にＵ相を生成するインバーターユニットを第１インバーターユニット４０とし、Ｖ相を生成するものを第２インバーターユニット４０とし、Ｗ相を生成するものを第３インバーターユニット４０という。

実施例３のインバーター発電機２００では、各インバーターユニット４０に対応して１基の発電体３２が設けられ、各発電体３２に設けられた１基の電機子３４が対応のインバーターユニット４０と組をなしている。また、各発電体３２は、他のインバーターユニット４０と組をなす発電体３２と互いに電気的に独立させて設けられている。すなわち、インバーター発電機２００は、各インバーターユニット４０に対応して三相交流を発電し得る電機子３４を少なくとも１つ備えており、３基のインバーターユニット４０,４０,４０には、互いに独立した電機子３４から三相交流が夫々入力されるようになっている。

実施例３のインバーターユニット４０は、発電体３２の出力側に接続されて、発電体３２から入力された三相交流を直流に変換するコンバーター４２と、このコンバーター４２の出力側に接続されて、コンバーター４２から入力された直流を単相交流に変換するインバーター４４とを備えている。なお、各インバーターユニット４０は、コンバーター４２の出力側とインバーター４４の入力側との間に介挿された平滑用コンデンサー４６を備えている。各インバーターユニット４０は、インバーター４４のスイッチング素子に接続されるインバーター駆動回路４５を夫々備えている。なお、インバーター駆動回路４５としては、例えばチャージポンプ型駆動回路やブートストラップ型駆動回路等が採用される。また、各インバーターユニット４０には、インバーター４４の出力側にノイズフィルター４８が設けられている。

実施例３のインバーター発電機２００では、各インバーターユニット４０のインバーター４４がインバーター駆動回路４５を介して制御手段であるインバーター制御回路３９に夫々接続されている。そして、インバーター発電機２００では、インバーター駆動回路４５を介してインバーター制御回路３９で各ユニット４０のインバーター４４を制御して、第１インバーターユニット４０、第２インバーターユニット４０及び第３インバーターユニット４０の夫々から出力される単相交流の位相を変調可能に構成される。ここで、インバーター駆動回路４５は、３基のインバーターユニット４０から出力される単相交流の位相を相互に１２０度ずつずらす三相制御と、３基のインバーターユニット４０から出力される単相交流の位相を相互に同調させる単相制御とに切り替え可能になっている。

実施例３のインバーター発電機２００には、３基のインバーターユニット４０の出力線路を同期して切り替え可能な切替スイッチ５８が設けられている。切替スイッチ５８は、各インバーターユニット４０のノイズフィルター４８の出力側に対応のスイッチ部分を夫々設けて、これらのスイッチ部分の接点が同期して切り替わるよう構成されている。インバーター発電機２００では、インバーター制御回路３９と切替スイッチ５８とが電気的に接続されており、切替スイッチ５８の切り替え操作に合わせてインバーター制御回路３９が三相制御または単相制御を行うように切り替わる。なお、切替スイッチ５８としては、ロータリースイッチ等の公知の手段が採用される。

実施例３のインバーター発電機２００には、第１インバーターユニット４０からの単相交流の一方の出力端である中性端５２が、他の第２インバーターユニット４０及び第３インバーターユニット４０からの単相交流の一方の出力端である中性端５２,５２と中性線５４で共通に接続されて該中性線５４の端部を中性点５６とすると共に、第１インバーターユニット４０、第２インバーターユニット４０及び第３インバーターユニット４０における他方の出力端を、三相(Ｕ,Ｖ,Ｗ)における何れかの相端５０とする三相四線用の出力線路が設けられている。ここで、インバーター発電機２００では、切替スイッチ５８が３基のインバーターユニット４０における一方の出力端を共通的に接続した中性線５４の途中および他方の出力端から相端５０の間に介挿される。インバータ発電機２００には、切替スイッチ５８の出力側に三相四線用の出力線路と並べて単相用の出力線路が設けられ、切替スイッチ５８の切り替えよって、中性線５４に接続する線路が一方の単相出力端６０になり、インバーターユニット４０における他方の出力端に接続する線路が互いに接続されて他方の単相出力端６０となっている。

実施例３のインバーター発電機２００は、各インバーターユニット４０の出力端間に例えば２２０Ｖの相電圧が出力される設定において、切替スイッチ５８を三相四線用の出力線路に切り替えると共にインバーター制御回路３９で三相制御したもとで、負荷をＵ，Ｖ,Ｗの各相端に接続すれば３８０Ｖ、６６００ＶＡ(Ｕ,Ｖ,Ｗ相の相電流が夫々１０Ａで、力率＝１の場合)の三相交流を供給できる。また、インバーター発電機２００は、切替スイッチ５８を三相四線用の出力線路に切り替えると共にインバーター制御回路３９で三相制御したもとで、負荷を相端５０と中性点５６とに接続すれば２２０Ｖ、２２００ＶＡ(Ｕ,Ｖ,Ｗ相の相電流が夫々１０Ａで、力率＝１の場合)の単相交流を供給できる。そして、インバータ発電機２００では、切替スイッチ５８を三相から単相に切り替えることで、三相四線用の出力線路から単相用の出力線路に切り替わる。切替スイッチ５８の切り替えに連動して、３基のインバーターユニット４０から出力される単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらすように制御していたインバーター制御回路３９が、３基のインバーターユニット４０から出力される単相交流の位相が互いに合うように、各インバーター４４を制御する。これにより、インバーター発電機２００は、各インバーターユニット４０の出力端間に例えば２２０Ｖの相電圧が出力される設定において、単相用の出力線路に切り替えると共にインバーター制御回路３９で単相制御したもとで、負荷を単相出力端６０,６０に接続すれば２２０Ｖ、６６００ＶＡ(Ｕ,Ｖ,Ｗ相の相電流が夫々１０Ａで、力率＝１の場合)の単相交流を供給できる。このように、三相四線の電源の設定では、各インバーターユニット４０の位相が異なるために、一つの負荷としては２２００ＶＡが単相の最大出力となるが、単相電源の設定によれば、各インバーターユニット４０の位相が同じであるので、各相を足し合わせた６６００ＶＡを１つの負荷に対する単相の最大出力とすることができる。なお、インバーター発電機２００において、単相から三相四線への切り替えは、前述した三相四線から単相への切り替え手順と逆であり、単相電源および三相四線式の電源の両方向に簡単に切り替えることができる。

このように、実施例３のインバーター発電機２００は、第１,第２および第３インバータユニット４０から出力される単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御において、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の何れかの相端と中性点とに接続して得られる単相交流の出力と比べて、第１,第２および第３インバータユニット４０から出力される単相交流の位相を互いに同調させることで、大きな出力の単相交流が得られる。また、実施例のインバーター発電機２００によれば、単相電源または三相四線式の電源への切り替えに際して、各インバーターユニット４０および駆動源を停止することは制御的には必要がなく、切替スイッチ５８の切り替えにより瞬時に切り替え可能である。従って、従来の三相発電機や単相発電機と全く違う構造を持つ実施例３のインバーター発電機２００によれば、切替機構を設けることで三相四線式の電源から単相電源へ、逆に単相電源から三相四線式へ瞬時に切り替えが必要な用途への対応を可能になり、使い勝手がよく、接続する負荷に対しても様々なメリットがある。なお、実施例３のインバーター発電機２００であっても、実施例１で説明したメリットを享受し得る。

(変更例)
実施例の構成に限定されず、以下の如く変更も可能である。
(１)実施例では、三相交流発電機が３基並列に設けられているが、３基の倍数になるような構成であればよいので、６基であっても９基であっても、またそれ以上であってもよい。
(２)発電体は、エンジンやモータ等の駆動源に接続して個別に駆動されるのであってもよい。
(３)発電体は、物理的に独立して設けることは必ずしも要件でなく、駆動源に接続して回転駆動される１基の回転体に三相交流発電用の電機子を取り付けるようにしてもよい。発電体は、インバーターユニットに共通して設けた１基のステータと、該ステータに設けられ、インバーターユニット毎に対応して接続する電機子と、ステータに対応して設けられたアウターロータ等のロータとから構成し、該ロータを回転駆動することで、各電機子から対応のインバーターユニットに三相交流が夫々供給するようにしてもよい。
(４)実施例では、駆動ギヤおよび従動ギヤのギヤ比を約２倍としたが、ギヤ比を同じ(１：１)にしたり、２倍より大きくしてもよい。更に、実施例では、連繋手段として駆動ギヤおよび従動ギヤを採用したが、例えば、プーリ・ベルトからなる連繋手段を採用してもよい。また、駆動源としては、実施例で採用したガソリンエンジンに限定される訳ではなく、ディーゼルエンジン等も採用し得る。

(５)実施例３で説明した切替機構により単相電源および三相四線式の電源に切り替える構成は、実施例２のインバーター発電機１００にも適用可能である。図８は、実施例２に係るインバーター発電機１００を単相電源として切り替えた例を示す概略結線図であって、主インバーターユニット１０２と従インバーターユニット１０４とを並列に接続した場合である。図９は、実施例２に係るインバーター発電機１００を単相電源として切り替えた例を示す概略結線図であって、主インバーターユニット１０２と従インバーターユニット１０４とを直列に接続した場合である。なお、図８および図９において切替機構は省略してある。
(６)実施例３では、切替スイッチの切り替えに連動してインバーター制御回路の制御態様が切り替わる例を挙げたが、インバーター制御回路の制御態様の切り替えに連動して切替スイッチが駆動する構成であっても、インバーター制御回路と切替スイッチとを独立させて別々切り替えてもよい。
(７)三相四線式と単相との切り替えによるインバーターユニットの位相の変調に際して、駆動源を一時停止してもよい。駆動源を停止することで、インバーターユニットへの入力が停止されるので、該インバーターユニットの制御が簡単になる。

３２発電体
３４電機子
３６アウターロータ(ロータ)
３８ステータ
４０,１０２第１インバーターユニット
４０,１０２第２インバーターユニット
４０,１０２第３インバーターユニット
５０相端
５６中性点
８２回転軸
９０回転シャフト
９４連繋手段
１０４主インバーターユニット
１０６従インバーターユニット

Claims

発電体(32)からの三相交流を直流に変換し、該直流を単相交流に変換するようにした第１インバーターユニット(40)、第２インバーターユニット(40)及び第３インバーターユニット(40)を備え、
各インバーターユニット(40,40,40)から出力される単相交流の位相を１２０度ずつずらすよう設定し、
各インバーターユニット(40,40,40)からの単相交流の一方の出力端を相互に共通に接続して中性点(56)とすると共に、他方の出力端を三相交流における何れかの相端(50)とし、
前記第１,第２および第３インバータユニット(40)は、単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御と、単相交流の位相を互いに同調させる制御とを切り替え可能に構成されて、３基のインバータユニット(40)から出力される単相交流の位相を同調するよう切り替えることで、単相交流が出力される
ことを特徴とするインバーター発電機。
発電体(32)からの三相交流を直流に変換し、各直流を単相交流に変換するようにした主インバーターユニット(104)及び従インバーターユニット(106)から構成される第１インバーターユニット(102)、第２インバーターユニット(102)及び第３インバーターユニット(102)を備え、
前記主インバーターユニット(104)及び従インバーターユニット(106)から出力される単相交流の位相を同相に設定すると共に、前記第１インバーターユニット(102)、第２インバーターユニット(102)及び第３インバーターユニット(102)から出力される単相交流の位相を１２０度ずつずらすよう設定し、
前記第１インバーターユニット(102)、第２インバーターユニット(102)及び第３インバーターユニット(102)からの単相交流の一方の出力端を相互に共通に接続して中性点(56)とすると共に、他方の出力端を三相交流における何れかの相端(50)とし、
前記第１,第２および第３インバータユニット(102)は、単相交流の位相を互いに１２０度ずつずらす制御と、単相交流の位相を互いに同調させる制御とを切り替え可能に構成されて、３基のインバータユニット(102)から出力される単相交流の位相を同調するよう切り替えることで、単相交流が出力される
ことを特徴とするインバーター発電機。
前記主インバーターユニット(104)と従インバーターユニット(106)とは、直列接続または並列接続に切り替え可能に構成されて、線間電圧及び相電圧を変更可能になっている請求項２記載のインバーター発電機。
前記発電体(32)は、前記インバーターユニット(40,104,106)毎に独立して設けられる請求項１〜３の何れか一項に記載のインバーター発電機。
前記発電体(32)は、回転軸(82)が片持ち支持されたアウターロータ(36)および該アウターロータ(36)に対応して設けられたステータ(38)とからなり、駆動源に連結した回転シャフト(90)と各アウターロータ(36)の回転軸(82)とを連繋手段(94)で連繋して、１基の駆動源により前記複数の発電体(32)のアウターロータ(36)が同時に回転される請求項１〜４の何れか一項に記載のインバーター発電機。
前記発電体(32)は、前記インバーターユニット(40)に共通して設けた１基のステータ(38)と、該ステータ(38)に設けられ、前記インバーターユニット(40)毎に対応して接続する電機子(34)と、前記ステータ(38)に対応して設けられたロータ(36)とから構成され、該ロータ(36)を回転駆動することで、各電機子(34)から対応のインバーターユニット(40)に三相交流が夫々供給される請求項１〜４の何れか一項に記載のインバーター発電機。