JP5350175B2 - 発電機の出力電圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電巻線と励磁巻線と界磁巻線とを備えた交流発電機の出力電圧制御装置に関し、特に、出力電圧波形の歪改善を図るのに好適な発電機の出力電圧制御装置に関する。

発電機の出力電圧制御装置としては、例えば特許文献１に示されるように、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、前記励磁巻線に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し、前記励磁巻線に供給す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用自動電圧調整器が知られている。

この種の出力電圧制御装置において、発電巻線から出力される出力電圧波形の歪改善する技術としては、波形改善を目的として固定子巻線の各スロットの巻線数を調整して出力波形を正弦波に近くなるよう設計したり、スキューや制動巻線を施すことが行われていた。

スキューとは、例えば特許文献２に示されるように、同期機や誘導機などにおいて、電動機としてのトルクリップルや発電機としての波形改善を目的としてスロット又はロータを捻った状態に電磁鋼板を積層した形状のことである。このスキューを施すことにより、巻線に鎖交する磁束の急峻な変化を抑制してトルクリップルの低減や、発電電圧の波形改善に効果がある。

制動巻線とは、例えば特許文献３に示されるように、回転子磁極に数個の同一形状のスロットを等間隔に設け、同一形状の銅バーあるいは黄銅バー等の導体バーを挿入し、その両端を短絡環にろう付けして形成した巻線のことである。突極形回転発電機の突極磁極鉄心には、乱調防止、逆相分電流の打消し等の目的で制動巻線が備えられているが、突極磁極鉄心の中心よりずらして制動巻線を備えることで電圧波形を改善することができる。

特開平８−１４０４００号公報 特開２００４−２４８４２２号公報 特開平４−１７２９３３号公報

しかしながら、上述した波形改善を目的とした巻線調整では、ある決まった負荷条件下での調整となるため、発電機の負荷率が違う場合には、ひずみ率が改善されない又は悪化する負荷条件も発生してしまう場合があった。
また、スキューや制動巻線を施すには製造技術力が必要であり、製造コストがかかるという問題点があった。
すなわち、発電機の出力電圧制御装置としては、任意の負荷条件で有効であり、且つ、製造コストのかからない歪率改善手法が望まれる。

本発明は、上記実情に鑑みて提案されたものであり、交流発電機の出力波形の歪を改善するに際して、汎用性を有し安価に実現できる発電機の出力電圧制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、固定子側に巻回された発電巻線（２）および励磁巻線（３）と、駆動源によって回転される回転子（４）に巻回された界磁巻線（５）と、前記励磁巻線（３）で発生した電流を整流して前記界磁巻線（５）に供給する整流器（１２）とを有する発電機（１）の出力制御装置において、
前記発電機の出力電圧波形と基準波との差δが最小となるように、界磁駆動タイミングを増加又は減少してPWM信号出力の駆動タイミングを調整することで前記界磁巻線（５）に界磁電流を流す界磁電流駆動手段（２０）を備えた点に第１の特徴がある。

請求項２の発明は、請求項１の発電機の出力電圧制御装置において、
前記界磁電流駆動手段（２０）は、
前記発電巻線（２）に生じる出力電圧を検出する電圧検出部（２２）と、
歪率が０％である正弦波を基準波として記録する基準波記録部（２１）と、
前記出力電圧と前記基準波との比較を行う比較部（２３）と、
前記比較部（２３）による結果を基に前記PWM信号出力の駆動タイミングの増減を行う駆動部（２４）とを具備して成る点に第２の特徴がある。

請求項３の発明は、請求項２の発電機の出力電圧制御装置において、
前記比較部（２３）により出力電圧と基準波との比較は、前記発電機（１）の点火タイミングに同期させて行う点に第３の特徴がある。

請求項４の発明は、請求項１の発電機の出力電圧制御装置において、
前記界磁電流駆動手段（２０）は、
前記発電機（１）の各種運転条件により予め算出した歪率のデータから歪率が最小となるPWM駆動タイミングを前記各種運転条件の内部データとして記録するマップデータ記録部（２５）を有し、
前記発電機（１）の各種運転条件により前記内部データを参照して前記界磁電流の駆動タイミングを決定する点に第４の特徴がある。

請求項５の発明は、請求項４の発電機の出力電圧制御装置において、
発電機（１）の各種運転条件により内部データを参照して行う界磁電流の駆動タイミングの決定は、前記発電機（１）の点火タイミングに同期させて行う点に第５の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、界磁巻線（５）に界磁電流を流す際に、界磁電流駆動手段（２０）によりPWM信号出力の駆動タイミングを調整するので、波形歪を補正するタイミングで界磁電流駆動のPWM開始位相を合せることができ、出力電圧の歪率を最小のポイントに調整することが可能となる。

第２の特徴を有する本発明によれば、発電機（１）から出力される出力電圧と記録された基準電圧とを比較し、その差を最小にするようにPWM信号出力の駆動タイミングを増減して界磁電流を制御することで出力電圧の歪率を改善することができる。

第３の特徴を有する本発明によれば、出力電圧と基準波との比較を発電機（１）の点火タイミングに同期させて行うことで、一定周期毎に出力電圧の歪率を改善することができる。

第４の特徴を有する本発明によれば、発電機（１）の運転状況に応じて、予めマップデータ記録部（２５）に記録された歪率が最小となる内部データにより、PWM駆動タイミングを決定して界磁電流を制御することで出力電圧の歪率を改善することができる。

第５の特徴を有する本発明によれば、内部データを参照して行う界磁電流の駆動タイミングの決定を発電機（１）の点火タイミングに同期させて行うことで、一定周期毎に出力電圧の歪率を改善することができる。

本発明の一実施形態に係る出力電圧制御装置を含む発電機の要部構成説明図である。 本発明の出力電圧制御装置による発電機の出力電圧波形に対するPWM信号タイミングを示す界磁駆動タイミングチャート図である。 本発明の出力電圧制御装置における界磁駆動タイミングを得るためのフローチャート図である。 交流発電機における各負荷に対するPWM位相と出力電圧の歪率との相関関係を示すグラフ図である。 本発明の出力電圧制御装置における界磁電流駆動回路の他の構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。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要部構成説明図である。
発電機１は、周知の交流発電機であり、固定子側に設けられた発電巻線２および励磁巻線３と、回転子４に巻回された界磁巻線５とを備える。回転子４には励磁電流を発生させるための永久磁石６が取り付けられている。

回転子４は、エンジン（図示せず）の回転を駆動源として同期回転する。この回転子４に対して、クランクシャフトを介して同期回転するエンジン側のフライホイール７には、永久磁石８が装着され、フライホイール７の近傍に設けたエンジン位相検出コイル９により、エンジン位相角を検出することでエンジンの点火タイミングを検出するようになっている。

界磁巻線５は、ブラシ１１を介して自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０に接続されている。自動電圧調整器１０は、励磁巻線３の両端が入力側に接続された整流器１２と、整流器１２と接地間に設けられ整流器１２の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ１３と、界磁巻線５に並列に接続されたフライホイールダイオード１４と、オン・オフ制御することで界磁巻線５に界磁電流を流すトランジスタ１５と、界磁電流をPWM制御する界磁電流駆動回路（界磁電流駆動手段）２０とを備えている。界磁巻線５の一端は整流器１２の出力側に接続され、界磁巻線５の他端はトランジスタ１５のコレクタ側に接続される。
フライホイールダイオード１４は、界磁巻線５に流れる界磁電流をPWM制御する場合の通電停止時に発生するサージ電圧の吸収と界磁電流の平滑化のために設けられている。

界磁電流駆動回路２０は、基準となる正弦波（基準波）を記録しておく基準波記録部２１と、発電機１の出力電圧波形を検出する電圧検出部２２と、基準波と出力電圧波形を比較する比較部２３と、トランジスタ１５に駆動信号を与える駆動部２４とを備えている。
基準波記録部２１は、予め歪率が０％となる正弦波を演算し、基準波として記録するものである。
電圧検出部２２は、発電巻線２に接続することで、発電機１の出力電圧を検出するものである。

比較部２３は、基準波と出力電圧波形の差δを演算する。基準波と出力電圧波形の差δは、δ＝∫（出力電圧−基準正弦波）ｄｔで表され、図２で示した出力電圧波形の斜線部面積に該当する。
比較部２３による基準波と出力電圧波形の差δの演算（出力電圧と基準波との比較）は、フライホイール７に取り付けられた永久磁石８によりエンジン位相角（点火タイミング）を検出して基準タイミングToとし（図２におけるエンジン位相検出信号）、界磁駆動PWMの開始タイミングTfは基準タイミングToを基準としての遅れを制御して決定する。
比較部２３による基準波と出力電圧波形の差δの演算タイミングは、エンジン位相検出コイル９からの基準タイミングが入力され、エンジンの点火タイミング１回おきに演算設定することで、点火タイミングに同期させて基準波と出力電圧波形の差δの演算が行われる。

駆動部２４では、基準波と出力電圧波形の差δが最小となるように、界磁駆動タイミングＴｆを増加又は減少することで、PWM信号出力の駆動タイミングを調整し、トランジスタ１５のベースにPWM信号を印加することでトランジスタ１５のオン・オフ制御を行って界磁巻線５に界磁電流を流す。

界磁駆動タイミングＴｆの増減は、図３に示すようなフローチャートに沿って行われる。
界磁駆動PWMの開始タイミングTfは、基準タイミングToに対して遅らすことで界磁電流を制御する。基準タイミングToに対する遅れ量の初期値として、予めＴｆ0が設定されている。
先ず、演算タイミング（１回目の点火タイミング）において、基準波と出力電圧波形の差δnを演算する（ステップ３１）。

続いて、基準タイミングToに対する遅れ量の初期値Ｔｆ0に予め設定された定数である設定値ｄｔを加算した値を新たな界磁駆動タイミングＴｆとする（ステップ３２）。
次の演算タイミング（３回目の点火タイミング）において、基準波と出力電圧波形の差δn+1を演算する（ステップ３３）。

δnとδn+1を比較し（ステップ３４）、δnが大きい場合はδn+1をδnに置き換え（ステップ３５）、直前の演算タイミング（δn+1演算時）におけるＴｆに予め設定された設定値ｄｔを加算した値を新たな界磁駆動タイミングＴｆとする（ステップ３２）。
δnとδn+1を比較し（ステップ３４）、δn+1が大きい場合はδn+1をδnに置き換え（ステップ３６）、直前の演算タイミング（δn+1演算時）におけるＴｆに予め設定された設定値ｄｔを減算した値を新たな界磁駆動タイミングＴｆとする（ステップ３７）。
以降、この作業が繰り返し行われることで、逐一（点火タイミング１回おき）、基準波と出力電圧波形の差δが最小となるように界磁電流制御のためのPWM信号の駆動タイミングＴｆの調整（増加又は減少）が行われる。

次に、図１に示した界磁電流駆動回路２０の動作について説明する。
回転子４がエンジン等で回転されると、永久磁石６の磁界によって励磁巻線３に電流が誘導される。この電流は整流器８で整流されて界磁巻線５に直流励磁電流として供給される。
上記発電機１において、界磁巻線５に電流が流れて発電巻線２に電流が誘導されると、その電流によって生じる磁界により界磁巻線５に逆起電力が誘起される。この逆起電力によって界磁巻線５に流れる電流は増減するので、発電巻線２の出力に変動をきたす。
発電巻線２に発生する電圧（発電機１の出力電圧）は、界磁巻線５に流れる電流に応じて決定される。また、出力電圧の歪率は、界磁電流を制御するPWM信号の位相（タイミング）で変化することが知られている。
なお、非正弦波交流電圧の直流成分Ｖ₀，Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃…（各実効値）とするとき、歪率ｋ（％）は全高調波と基本波の比であり、下記の式で算出される。

そこで、本実施形態では、発電巻線２の出力電圧を検出し、界磁電流駆動回路（界磁電流駆動手段）２０において、出力電圧波形と基準波を比較して、PWM信号の駆動タイミングを可変して調整することで、出力電圧波形を基準波に近づける制御を行う。
すなわち、界磁巻線５の界磁電流について、PWM信号の駆動タイミングを可変して調整し、発電巻線２に発生する出力電圧波形を基準波に近づけることで、出力電圧の歪率を改善することができる。

例えば、発電機１に接続される異なる負荷Ａ，負荷Ｂ，負荷Ｃ，負荷Ｄについて、図４に示すように、各負荷に対して歪率が最小になるPWM信号出力の駆動タイミングの位相が異なる場合においても、界磁電流駆動回路２０によりPWM信号出力の駆動タイミングを調整するので、波形歪を補正するタイミングで界磁電流駆動のPWM開始位相を合せることができ、各負荷に応じて出力電圧の歪率を最小のポイントに調整することが可能となる。

図５は、界磁電流駆動回路（界磁電流駆動手段）２０についての他の実施形態の例を示すもので、図１の界磁電流駆動回路２０が出力電圧波形を逐一検出して基準波と比較することで界磁駆動タイミングを決定する（出力電圧波形による算出方法）のに対して、本例は予め記録された内部データ（マップデータ）を参照して界磁駆動タイミングを決定する（マップデータ参照方法）ものである。
すなわち、界磁電流駆動回路２０は、PWM信号の駆動タイミングを複数のマップデータとして記録するマップデータ記録部２５と、発電機１の各種運転条件を検出する運転条件検出部２６と、発電機の各種運転条件によりマップデータを選択して駆動タイミングを決定するマップデータ選択部２７と、選択されたマップデータの駆動タイミングでトランジスタ１５に駆動信号を与える駆動部２４とを備えている。

マップデータ記録部２５は、予め種々の負荷電流・負荷力率・エンジン回転数等を条件として、発電機１の出力電圧波形の正弦波に対する歪率のデータを取得しておき、各出力電圧波形に対して歪率が最小となる界磁電流のPWM駆動タイミングを各種運転条件に対応する複数のマップデータとして保持する。

運転条件検出部２６は、発電巻線２に接続されることで発電機１の出力電圧を検出する。また、運転条件検出部２６は、発電機１側に設置した各センサ（図示せず）等により、負荷電流、負荷力率やエンジン回転数等の発電機１の各種運転条件を検出するようになっている。

マップデータ選択部２７は、運転条件検出部２６で検出した発電機１の各種運転条件により、該当する運転条件に対して歪率が最小となるマップデータを選択して駆動タイミングを決定する。
マップデータの選択は、マップデータ選択部２７にエンジン位相検出コイル９からの基準タイミングが入力され、エンジンの点火タイミング１回おきに選択するよう設定することで、点火タイミングに同期させてその時の運転状況に適したマップデータの選択が行われる。

駆動部２４では、マップデータ選択部２７で選択されたマップデータによるPWM信号出力の駆動タイミングで、トランジスタ１５のベースにPWM信号を印加することでトランジスタ１５のオン・オフ制御を行って界磁巻線５に界磁電流を流す。

上述した界磁電流駆動回路（界磁電流駆動手段）２０の各実施形態によれば、界磁巻線５に界磁電流を流す際に、界磁電流駆動回路２０によりPWM信号出力の駆動タイミングを調整するので、波形歪を補正するタイミングで界磁電流駆動のPWM開始位相を合せることができ、出力電圧を正弦波形に近づかせることで発電機１の出力電圧の歪率を改善することができる。
したがって、交流発電機の出力波形の歪を改善するに際して、界磁電流駆動回路２０によりPWM信号出力の駆動タイミングを調整することで出力電圧の歪率の改善が可能となるので、ハード資質を追加することなくプログラムの変更だけで対応することができ、歪率の改善に対して汎用性を有するとともに安価に実現することができる。

１…発電機、 ２…発電巻線、 ３…励磁巻線、 ４…回転子、 ５…界磁巻線、 ６…永久磁石、 ７…フライホイール、 ８…永久磁石、 ９…エンジン位相検出コイル、 １０…自動電圧調整器（ＡＶＲ）、 １２…整流器、 １４…フライホイールダイオード、 ２０…界磁電流駆動回路（界磁電流駆動手段）、 ２１…基準波記録部、 ２２…電圧検出部、 ２３…比較部、 ２４…駆動部、 ２５…マップデータ記録部、 ２６…運転条件検出部、 ２７…マップデータ選択部。

Claims (5)

1. 固定子側に巻回された発電巻線（２）および励磁巻線（３）と、駆動源によって回転される回転子（４）に巻回された界磁巻線（５）と、前記励磁巻線（３）で発生した電流を整流して前記界磁巻線（５）に供給する整流器（１２）とを有する発電機（１）の出力制御装置において、
   前記発電機の出力電圧波形と基準波との差δが最小となるように、界磁駆動タイミングを増加又は減少してPWM信号出力の駆動タイミングを調整することで前記界磁巻線（５）に界磁電流を流す界磁電流駆動手段（２０）を備えた
   ことを特徴とする発電機の出力電圧制御装置。
2. 前記界磁電流駆動手段（２０）は、
   前記発電巻線（２）に生じる出力電圧を検出する電圧検出部（２２）と、
   歪率が０％である正弦波を基準波として記録する基準波記録部（２１）と、
   前記出力電圧と前記基準波との比較を行う比較部（２３）と、
   前記比較部（２３）による結果を基に前記PWM信号出力の駆動タイミングの増減を行う駆動部（２４）と
   を具備して成る請求項１に記載の発電機の出力電圧制御装置。
3. 前記比較部（２３）により出力電圧と基準波との比較は、前記発電機（１）の点火タイミングに同期させて行う請求項２に記載の発電機の出力電圧制御装置。
4. 前記界磁電流駆動手段（２０）は、
   前記発電機の各種運転条件により予め算出した歪率のデータから歪率が最小となるPWM駆動タイミングを前記各種運転条件の内部データとして記録するマップデータ記録部（２５）を有し、
   前記発電機（１）の各種運転条件により前記内部データを参照して前記界磁電流の駆動タイミングを決定する
   請求項１に記載の発電機の出力電圧制御装置。
5. 発電機（１）の各種運転条件により内部データを参照して行う界磁電流の駆動タイミングの決定は、前記発電機（１）の点火タイミングに同期させて行う請求項４に記載の発電機の出力電圧制御装置。

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