JP5318716B2 - 発電機の出力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電機の出力制御装置に関するものであり、特に、進相負荷接続時の増磁作用の影響を考慮した出力電圧の安定化手段を有する発電機の出力制御装置に関する。

励磁巻線に生じる電圧によって界磁巻線に供給される電流を制御することによって発電巻線から出力される電圧を予め設定された電圧に保持する交流発電機の自動電圧調整器（以下、「ＡＶＲ」ともいう）が知られている。

図１０は、従来のＡＶＲを有する交流発電機の要部構成図である。図１０において、発電機１００は、界磁巻線１０２と、発電巻線１０３および励磁巻線１０４とを有する。界磁巻線１０２を巻回した回転子１０５には永久磁石１０６が設けられる。ＡＶＲ１０７には整流器１０８と電圧検出回路１０９とトランジスタ１１０とが設けられる。整流器１０８の出力側はブラシ１１１を介して界磁巻線１０２に接続され、界磁巻線１０２と並列にフライホイールダイオード１１２および平滑コンデンサ１１３が接続される。励磁巻線１０４は整流器１０８の入力側に接続される。回転子１０５は図示しないエンジン等の駆動源で回転される。

図１０において、回転子１０５が駆動源で回転させられると、励磁巻線１０４と鎖交する永久磁石１０６の磁束変化によって励磁巻線１０４に電流が発生する。この電流は整流器１０８で整流されて界磁巻線１０２に直流励磁電流として供給される。電圧検出回路１０９は発電巻線１０３の出力電圧を表す電圧値と予め設定される電圧値（目標電圧）とを比較して、目標電圧に対する出力電圧の大小により、トランジスタ１１０をオンオフ制御する。トランジスタ１１０がオンのときは界磁巻線１０２に電流が流れて発電巻線１０３の出力が増大し、トランジスタ１１０がオフのときは界磁巻線１０２に電流が流れなくなって発電巻線１０３の出力が低減する。このトランジスタのオンオフ動作の繰り返し、つまりデューティ比の制御によって発電機１００の出力が一定に保持される。このような、ＡＶＲを備えた交流発電機は、例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３等に記載されている。

特開平８−１４０４００号公報 特許第２９９６５７４号公報 特許第３０４３５６６号公報

界磁巻線１０２に励磁巻線１０４から供給される直流励磁電流の増減量は、目標電圧値から出力電圧の検出値（電圧検出値）を減算した値にフィードバック係数Ｋｐを乗算した値に基づいて決定される。つまり、「電流増減量＝（目標電圧値−電圧検出値）×Ｋｐ」として決定される。

この計算式によれば、係数Ｋｐとして過小値を選択した場合、発電巻線１０３による出力電圧が目標電圧に補正されるまでに時間がかかり、一方、係数Ｋｐとして過大値を選択した場合は、出力電圧が発振して収束しないことがある。したがって、励磁巻線１０４や発電巻線１０３の応答遅れ等も考慮した適切な係数Ｋｐの選択が要求される。

また、実際の界磁電流は通電制御素子（トランジスタ）１１０の単位時間つまり所定の１周期当たりの通電時間割合（デューティ比）によって制御される。デューティ比は、矩形波のパルス周期をＴとし、その中のオン時間幅をｔとした場合、デューティ比＝ｔ／Ｔ×１００％で定義される。そして、このデューティ比と、界磁電流、平滑コンデンサ（図１０の符号１１３で示す）の電圧、および回転子の回転数（ロータ回転数）とは、次の関係にある。出力電圧∝（界磁電流×ロータ回転数）∝（デューティ比×平滑コンデンサ電圧×ロータ回転数）。したがって、ロータ回転数が一定の場合、平滑コンデンサ電圧が高いほど出力電圧保持のために必要なデューティ比は小さくなる。

ここで、発電機１００に接続される電気負荷がキャパシタのような進相負荷である場合、界磁電流によって発生する磁束と負荷電流により発生する磁束の方向が一致するので、発電巻線１０３に鎖交する磁束が増えることとなり、発電巻線１０３の誘電起電力が大きくなる増磁作用を生ずる。この増磁作用は、発電巻線１０３だけでなく励磁巻線１０４にも生ずるので、進相負荷では、発電機１００に同じ容量の抵抗負荷を接続した場合と比べて平滑コンデンサ電圧が上昇する傾向にある。

平滑コンデンサ電圧が上昇すると、上記デューティ比との関係から分かるように、出力電圧を一定に維持するためには、デューティ比は低減することとなる。つまり、０％付近のデューティ比で出力電圧が制御されることが多くなる。デューティ比を０％にかかる範囲で変動させながら出力電圧を制御している状態では、出力電圧を下げる状況でも、デューティ比は０％以下にはならないので、出力電圧の低下作用は小さく抑制される一方、出力電圧の上昇作用はデューティ比を大きくして過大にすることもできるので、出力電圧の変動のバランスをとることができない。したがって、従来技術によるＡＶＲでは出力電圧の変動が大きくなることがあり、この解決が課題となっている。

本発明の目的は、上記課題に対して、進相負荷を接続した場合でも、出力電圧を安定化することができる発電機の出力制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、固定子側に巻回された発電巻線および励磁巻線と、駆動源によって回転される回転子に巻回された界磁巻線と、前記励磁巻線で発生した電流を整流して前記界磁巻線に供給する整流器とを有する発電機の出力制御装置において、
前記発電巻線の出力電圧を目標電圧値に収斂させるため、前記界磁巻線の通電を制御するスイッチング素子のデューティ比を増減させて界磁巻線の通電電流を増減する界磁電流制御手段と、デューティ比がゼロを含んでいるか否かを検出するデューティ比ゼロ検出手段と、前記デューティ比ゼロ検出手段でデューティ比がゼロを含んでいることが検出された場合に、前記界磁電流制御手段における界磁電流増加時のデューティ比の上限値を予定上限値に制限するデューティ比制限手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、デューティ比がゼロを含んでいる時間が予定時間以上継続されたときに、デューティ比制限手段を駆動するデューティ比ゼロ継続判定手段を備えている点に第２の特徴がある。

さらに、本発明は、固定子側に巻回された発電機巻線および励磁巻線と、駆動源によって回転される回転子に巻回された界磁巻線と、前記励磁巻線で発生した電流を整流して前記界磁巻線に供給する整流器とを有する発電機の出力制御装置において、前記界磁巻線に並列に設けられた平滑コンデンサと、前記発電巻線の出力電圧を目標電圧値に収斂させるため、前記界磁巻線の通電を制御するスイッチング素子のデューティ比を増減させて界磁巻線の通電電流を増減する界磁電流制御手段と、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、前記界磁電流制御手段による界磁電流増加時に、前記コンデンサ電圧検出手段によって検出されたコンデンサ電圧に応じて、該コンデンサ電圧が高いほどデューティ比を小さくなるように決定した最大値で通電時間割合の上限値を制限するデューティ比制限手段とを備えている点に第３の特徴がある。

進相負荷が接続されている場合に、スイッチング素子の通電時間割合つまりデューティ比がゼロを含む付近で制御されることがある。第１の特徴を有する本発明によれば、デューティ比がゼロを含むような制御状態では、デューティ比の上限値を制限して、出力電圧と目標電圧との差が大きい場合でも、極端に大きいデューティ比で界磁電流が制御されないようにした。これにより、デューティ比ゼロを含む制御状態で、デューティ比の大きい変動を回避でき、安定した出力電圧の制御が行われる。

第２の特徴を有する本発明によれば、デューティ比ゼロが、ある程度の時間継続したことにより、デューティ比ゼロを含む制御になっていることが確実に判断されたときにだけデューティ比の上限を制限できる。

第３の特徴を有する本発明によれば、進相負荷接続時に、平滑コンデンサの電圧が抵抗負荷に比べて上昇しがちになる点に着目し、平滑コンデンサの電圧に応じて該電圧が高いほどデューティ比が小さくなるように最大値を選択して出力されるデューティ比をこの最大値に制限することができる。したがって、進相負荷接続時でも、デューティ比の大きい変動を回避でき、安定した出力電圧が得られる。

本発明の一実施形態に係る出力制御装置を含む発電機のシステム構成を示すブロック図である。 デューティ比の制限に使用される電圧差とデューティ比最大値との対応表の一例を示す図である。 電圧検出回路および進相負荷状態判別部の要部動作を示すフローチャートである。 進相負荷容量と平滑コンデンサの電圧との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る発電機のシステム構成を示すブロック図である。 平滑コンデンサの電圧とデューティ比最大値との対応表の一例を示す図である。 、第２実施形態に係る電圧検出回路および進相負荷状態判別部の要部動作を示すフローチャートである。 本実施形態の出力電圧制御装置によって制御された界磁電流駆動ＰＷＭ信号と、これに対応する界磁電流および発電機出力電圧の対応を示す図である。 従来技術によって制御された界磁電流駆動ＰＷＭ信号と、これに対応する界磁電流および発電機出力電圧の対応を示す図である。 従来のＡＶＲを有する交流発電機の要部構成図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る出力制御装置を含む発電機のシステム構成図である。図１において、図１０と同符号は、同一または同等部分を示す。図１において、発電機１００のＡＶＲ１０７は、図１０に示した構成要素に加えて進相負荷状態判別部１をさらに有する。進相負荷状態判別部１は、デューティ比ゼロ判定部２、デューティ比ゼロ継続判定部３、およびデューティ比増加量制限部４を含んでいる。

電圧検出回路１０９ａは、発電機巻線１０３の出力電圧を表す電圧（以下、「出力電圧」と呼ぶ）を目標電圧と比較して、その電圧差を検出する電圧差検出部２０と、電圧差に応じてトランジスタ１１０のデューティ比を増減するデューティ比増減部２１とを有する。

デューティ比ゼロ判定部２は、デューティ比増減部２１で発電巻線１０３の出力電圧と目標電圧との比較によってデューティ比を増減した結果、デューティ比がゼロになったとき、つまりＰＷＭ出力が停止されたときにデューティ比ゼロ信号を発生し、このデューティ比ゼロ信号はデューティ比ゼロ継続判定部３に入力される。デューティ比ゼロ継続判定部３は、デューティ比ゼロ信号の入力に応答してデューティ比ゼロの継続時間、つまりＰＷＭ出力の停止継続時間を計測し、停止継続時間が所定時間以上となったときに、判定信号をデューティ比増加量制限部４に入力する。デューティ比増加量制限部４は判定信号に応答して電圧検出回路１０９ａのデューティ比増減部２１にデューティ比増加量制限信号を入力する。

なお、デューティ比ゼロ継続判定部３を備えるかどうかは任意選択可能であり、デューティ比ゼロ継続判定部３を備えず、デューティ比ゼロ判定部２で、出力デューティ比がゼロを含んでいると判定した場合に、直ちにデューティ比増加量制限信号をデューティ比増減部２１に入力するようにしてもよい。

デューティ比増減部２１は、デューティ比増加量制限信号に応答して、デューティ比の最大値を所定の値に制限する。デューティ比の最大値は、発電巻線１０３の出力電圧と目標電圧との差に応じて予め設定された値である（図２参照）。デューティ比がこの最大値に達した時点でデューティ比の増大は制限される。

デューティ比増減部２１は、デューティ比の最大値をデューティ比増加量制限値に制限し、この制限された最大値とデューティ比ゼロとの間の範囲でデューティ比を決定し、このデューティ比に従ってトランジスタ１１０をオンオフし、出力電圧が目標電圧に収斂するように制御をする。

電圧検出回路１０９ａおよび進相負荷状態判別部１のすべてもしくは一部分はマイクロコンピュータによって構成することができる。

図２は、デューティ比増減部２１でデューティ比の制限に使用される電圧差とデューティ比最大値との対応の一例を示す図である。デューティ比増減部２１は、発電巻線１０３の出力電圧と目標電圧との差に応じて図２の規定に従ってデューティ比の最大値を決定する。例えば、電圧差がゼロボルトから１１ボルトの範囲で変化すると、デューティ比の最大値はこの電圧差の変化に応じて２％から１０％の範囲で変化させる。

図３は、電圧検出回路１０９ａおよび進相負荷状態判別部１の要部動作を示すフローチャートである。図３において、ステップＳ１では、電圧差検出部２０に発電機１００の出力電圧Ｖｏｕｔを読み込む。ステップＳ２では、電圧差検出部２０の機能により、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧Ｖｒｅｆとを比較する。ステップＳ２で、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｒｅｆ以上であると判定された場合は、ステップＳ３に進み、デューティ比増減部２１の機能でデューティ比を低減する。

一方、ステップＳ２で、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｒｅｆ以上でないと判定された場合は、ステップＳ４に進み、デューティ比増減部２１の機能でデューティ比を増大する。１回でのデューティ比の増減量は予め設定された値である。

ステップＳ３でデューティ比の減少を行った後、ステップＳ５では、デューティ比ゼロ判定部２の機能により、デューティ比がゼロか否かを判定する。デューティ比がゼロと判定された場合は、ステップＳ６に進んで、デューティ比ゼロ継続判定部３の機能により、デューティ比ゼロの継続時間Ｔ０が所定の判別確定時間Ｔｒｅｆ以上になったか否かが判定される。この判定が肯定のときは、ステップＳ７に進んで、デューティ比を、前記最大値（図２参照）に制限する。

ステップＳ３の処理後、並びにステップＳ５およびステップＳ６の判定が否定のときは、それぞれフローチャートのステップＳ１に戻る。

次に、進相負荷状態判別部１の変形例を説明する。上述のとおり、進相負荷容量に応じて発生する増磁作用により、図１の回路に含まれる平滑コンデンサ１１３の電圧は上昇する。そこで、平滑コンデンサ１１３の電圧値に応じて進相負荷状態を検出し、この状態のときに界磁電流を増加させる場合は、デューティ比の最大値を制限する。これにより、デューティ比ゼロ付近において界磁電流の停止・起動を繰り返して出力電圧がハンチングすることを防止することができる。

図４は、進相負荷容量と平滑コンデンサ１１３の電圧との関係を示す図である。この図には、平滑コンデンサ１１３に対応したデューティ比の最大値を併せて示している。平滑コンデンサの電圧は進相負荷容量の増加に応じて高くなっていく現象を示している。そして、平滑コンデンサ１１３の電圧の増大に応じて一定の出力電圧を得るため、デューティ比は低減している。

図５は、本発明の第２実施形態に係る出力電圧制御装置を含む発電機のシステム構成図であり、図１０と同符号は、同一または同等部分を示す。図５において、進相負荷状態判別部１０は、平滑コンデンサ１１３の電圧Ｖｅｘを検出するコンデンサ電圧検出部５と、コンデンサ電圧検出部５で検出された平滑コンデンサ１１３の電圧Ｖｅｘに応じて予定のデューティ比最大値を設定するデューティ比最大値設定部６とを有する。

電圧検出回路１０９ｂは、発電機巻線１０３の出力電圧を目標電圧と比較して、その電圧差を検出する電圧差検出部２０と、電圧差に応じたトランジスタ１１０のデューティ比を増減するデューティ比増減部２１とを有する。電圧検出回路１０９ｂは、さらにデューティ比制限部２１ａを有しており、このデューティ比制限部２１ａは、デューティ比増減部２１から出力するデューティ比とデューティ比最大値とを比較して、出力するデューティ比がデューティ比最大値より大きい場合は、出力するデューティ比をデューティ比最大値に制限する。

電圧検出回路１０９および進相負荷状態判別部１０のすべてもしくは一部分はマイクロコンピュータによって構成することができる。

図６は、デューティ比増減部２１ａでデューティ比の制限に使用される平滑コンデンサの電圧とデューティ比最大値との対応表の一例を示す図である。デューティ比最大値設定部６は、コンデンサ電圧検出部５で検出された電圧に応じて図６の設定に従ってデューティ比の最大値を決定する。例えば、コンデンサ電圧Ｖｅｘが１５０ボルト以下では、出力するデューティ比の制限は無く、コンデンサ電圧Ｖｅｘが１６０ボルトから２００ボルトの範囲では、デューティ比の最大値はこのコンデンサ電圧Ｖｅｘの増大に応じて１０％から３％の範囲で低減させている。さらに、コンデンサ電圧Ｖｅｘが２１０ボルト以上では、デューティ比の最大値は２％に設定している。

図７は、第２実施形態に係る電圧検出回路１０９および進相負荷状態判別部１０の要部動作を示すフローチャートである。図７において、ステップＳ１１では、電圧差検出部２０に発電機１００の出力電圧Ｖｏｕｔを読み込む。ステップＳ１２では、電圧差検出部２０の機能により、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧Ｖｒｅｆとを比較する。ステップＳ１２で、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｒｅｆ以上であると判定された場合は、ステップＳ１３に進み、デューティ比増減部２１の機能でデューティ比を低減する。ステップＳ１２で、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｒｅｆ以上でないと判定された場合は、ステップＳ１４に進み、デューティ比増減部２１の機能でデューティ比を増大する。

デューティ比の増減量は、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧Ｖｒｅｆとの差に応じて決定される。つまり、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｒｅｆ未満の場合は、両者の差に応じて増大されたデューティ比を出力デューティ比として計算し、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｒｅｆ以上の場合は、両者の差に応じて低減されたデューティ比を出力する。

ステップＳ１３で、デューティ比を低減させた後、ステップＳ１５では、コンデンサ電圧検出部５の機能により、平滑コンデンサの電圧Ｖｅｘを検出する。ステップＳ１６では、デューティ比最大値設定部６の機能により、図６を参照して平滑コンデンサの電圧Ｖｅｘに対応したデューティ比最大値を決定し、デューティ比増減部２１に設定する。

ステップＳ１７では、デューティ比増減部２１において、出力デューティ比がデューティ比最大値以下か否かを判定する。出力デューティ比がデューティ比最大値以下の場合は、ステップＳ１８に進んで、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧値Ｖｒｅｆとの比較に基づいて決定された出力デューティ比を出力する。

一方、出力デューティ比がデューティ比最大値以下でないと判定された場合は、ステップＳ１９に進んで、デューティ比最大値を出力デューティ比として出力する。

なお、第２実施形態では、デューティ比の増減量は、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧Ｖｒｅｆとの差に応じて決定したが、第１実施形態のように、１回ごとのデューティ比の増減量を予め設定した量として、デューティ比を段階的に増減してもよい。この場合、ステップＳ１６では、予定値だけデューティ比を増減した結果、現在のデューティ比がデューティ比最大値以下か否かの判定以上になったか否かを判定することになる。

逆に、第１実施形態では、デューティ比を段階的に増減するようにしたが、これを、第２実施形態のように、デューティ比の増減量は、出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧Ｖｒｅｆとの差に応じて決定するように変形してもよい。

図８は、本実施形態の出力電圧制御装置によって制御された界磁電流駆動ＰＷＭ信号と、これに対応する界磁電流および発電機出力電圧の対応を示す模式図である。図９には、本実施形態との対比のため、従来技術によって制御された界磁電流駆動ＰＷＭ信号と、これに対応する界磁電流および発電機出力電圧の対応を示す。

図９に示した従来技術で、ゼロ％デューティ比付近でのＰＷＭ制御によって、長いデューティ比ゼロの期間がある間欠動作になっており、その結果、エンベロープからあきらかなように、界磁電流は安定しておらず、それに伴って出力電圧も振幅変動が大きいものとなっている。これに対して、本実施形態によれば、図８に示したように、ＰＷＭ信号は、ゼロ％デューティ比の期間が短く均一であって、間欠的な動作が解消しているのが分かる。つまり、このようなＰＷＭ信号によって、界磁電流は連続的に制御され、発電機の出力電圧も振幅が安定したものになっている。

１、１０…進相負荷状態判別部、 ２…デューティ比ゼロ判定部、 ３…デューティ比ゼロ継続判定部、 ４…デューティ比増加量制限部、 ５…コンデンサ電圧検出部、 ６…デューティ比最大値設定部、 ２０…電圧差検出部、 ２１…デューティ比増減部、 ２１ａ…デューティ比制限部、 １００…発電機、 １０２…界磁巻線、 １０３…発電巻線、 １０４…励磁巻線、 １０７…ＡＶＲ、 １０９、１０９ａ…電圧検出回路、 １１０…トランジスタ（スイッチング素子）、 １１３…平滑コンデンサ

Claims (3)

1. 固定子側に巻回された発電巻線（１０３）および励磁巻線（１０４）と、駆動源によって回転される回転子（１０５）に巻回された界磁巻線（１０２）と、前記励磁巻線（１０４）で発生した電流を整流して前記界磁巻線（１０２）に供給する整流器（１０８）とを有する発電機の出力制御装置において、
   前記発電巻線（１０３）の出力電圧を目標電圧値に収斂させるため、前記界磁巻線（１０２）の通電を制御するスイッチング素子（１１０）の通電周期内での通電時間割合を増減させて界磁巻線（１０２）の通電電流を増減する界磁電流制御手段（２１）と、
   前記通電時間割合がゼロになったか否かを検出する通電時間割合ゼロ検出手段（２）と、
   前記通電時間割合ゼロ検出手段（２）で通電時間割合がゼロになったことが検出された場合に、前記界磁電流制御手段（２１）における界磁電流増加時の通電時間割合の上限値を予定上限値に制限する通電時間割合制限手段（４）とを備えていることを特徴とする発電機の出力制御装置。
2. 前記通電時間割合がゼロになった時間が予定時間以上継続されたときに、通電時間割合制限手段（４）を駆動する通電時間割合ゼロ継続判定手段（３）を備えていることを特徴とする請求項１記載の発電機の出力制御装置。
3. 固定子側に巻回された発電巻線（１０３）および励磁巻線（１０４）と、駆動源によって回転される回転子（１０５）に巻回された界磁巻線（１０２）と、前記励磁巻線（１０４）で発生した電流を整流して前記界磁巻線（１０２）に供給する整流器（１０８）とを有する発電機の出力制御装置において、
   前記界磁巻線（１０２）に並列に設けられた平滑コンデンサ（１１３）と、
   前記発電巻線（１０３）の出力電圧を予定電圧値に収斂させるため、前記界磁巻線（１０２）の通電を制御するスイッチング素子（１１０）の通電周期内での通電時間割合を増減させて界磁巻線（１０２）の通電電流を増減する界磁電流制御手段（２１）と、
   前記平滑コンデンサ（１１３）の端子電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段（５）と、
   前記界磁電流制御手段（２１）による界磁電流増加時に、前記コンデンサ電圧検出手段（５）によって検出されたコンデンサ電圧に応じて、該コンデンサ電圧が高いほど前記通電時間割合を小さくなるように決定した最大値で通電時間割合の上限値を制限する通電時間割合制限手段（４）とを備えていることを特徴とする発電機の出力制御装置。

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