JP5389609B2

JP5389609B2 - 自励式発電機の進相負荷保護装置

Info

Publication number: JP5389609B2
Application number: JP2009251920A
Authority: JP
Inventors: 稔前田河; 泰弘中田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-11-02
Also published as: US20110101929A1; EP2317641A2; CA2719150C; US8643344B2; EP2317641B1; RU2010144826A; EP2317641A3; CA2719150A1; CN102055398A; RU2461111C2; JP2011097804A; CN102055398B

Description

本発明は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）により界磁巻線に供給される電流を制御して発電機出力を調整するエンジン駆動式発電機（自励式AVR式同期発電機）の制御装置に関し、特に、前記発電機における進相負荷接続時の電機子反作用で発生する逆起電力から自動電圧調整器（ＡＶＲ）を保護する自励式発電機の進相負荷保護装置に関する。

自励式AVR式同期発電機は、図４に示されるように、発電機１の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（エンジン）４によって回転される回転子５に巻回された界磁巻線６と、励磁電流を発生させるため回転子５に装着された永久磁石７と、前記界磁巻線６に供給される電流を制御する自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０とを備えた構成が特許文献１に記載されている。
界磁巻線６に対してブラシ８を介して接続される自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０は、励磁巻線３の両端が入力側に接続された整流器１１と、整流器１１と接地間に設けられ整流器１１の出力電圧を平滑化するためのコンデンサ１２と、界磁巻線６に並列に接続されたフライホイールダイオード１３と、オン・オフ制御することで界磁巻線６に界磁電流を流すトランジスタ１４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）１５とを備えている。界磁巻線６の一端は整流器１１の出力側に接続され、界磁巻線６の他端はトランジスタ１４のコレクタ側に接続される。

フライホイールダイオード１３は、界磁巻線６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。
また、発電巻線２の出力側は、ブラシ８を介して負荷９に接続されるとともに、検出された出力電圧が界磁電流駆動回路１５に入力されるように構成されている。
自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０によれば、界磁巻線６に供給される電流をトランジスタ１４のオン・オフで制御することにより発電巻線２から出力される電圧を予め設定された電圧に保持するように動作する。

自励式AVR式同期発電機において、負荷９として進相負荷である容量性負荷が接続された場合、電機子反作用による回転子５の増磁作用が起こる。そのため一定以上の進相負荷電流により、図５（ｂ）に示すように、回転子５の界磁巻線６に逆起電圧が発生する現象が生じる。その際、回転子励磁制御ユニットであるAVRに逆起電圧（過電圧）が加わるため、保護機能を有しない場合はAVR１０内部のコンデンサ１２等の整流デバイス等に過電圧による破損が生じることが考えられる。なお、図５（a）は、進相負荷が接続されない通常時における励磁巻線３及び界磁巻線６に流れる電流を示す簡略回路説明図である。また、図５においては、図４におけるスイッチング素子としてのトランジスタ１４に代えて界磁電流制御FET１４を使用している。

従来、逆起電圧を抑制するための進相負荷保護用短絡回路として、図６に示すように、２個のバイポーラトランジスタをダーリントン接続した自己バイアス回路４０が用いられていた。この回路によれば、進相負荷の電機子反作用による逆起電力により回転子（界磁巻線６）からリード抵抗４１を介してトランジスタ４２にベース電流iｂが流れ、トランジスタ４３が短絡することで短絡電流icが流れるものである。

特開平８−１４０４００号公報

進相負荷保護用短絡回路を形成するにはトランジスタやFETなどのデバイスを用いるが、上述した自己バイアス回路４０では、回転子５に生じる逆起電圧ではトランジスタ４２，４３に対して十分なゲート電圧が得られないためデバイスを飽和動作領域で使えず、発熱が大きく大型のデバイスが必要になるという課題があった。
また、トランジスタ４２のベースに電圧降下用の大型のリード抵抗４１を接続し、デバイスの発熱を抑制する必要があった。

更に、回路上扱いやすいPNPトランジスタ、Pch-FETを用いると高価となり、回路に適した大容量デバイスがない等の課題があった。
すなわち、自己バイアス回路において、トランジスタ４２，４３に必要な機能は短絡動作のみであり、それが実現できればAVR内デバイスの発熱を抑制でき、保護デバイスは大幅に小型化できる上に、逆起電圧による回路破損の可能性を大幅に下げられる。

本発明は上記実情に鑑みて提案されたものであり、電機子反作用で発生する逆起電力から自動電圧調整器（ＡＶＲ）を保護する装置に関して、安価なデバイスを使用して構成できる自励式発電機の進相負荷保護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、エンジンで駆動される発電機に巻装した励磁巻線（３）の出力を整流して得られる電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻線（６）へ供給する自動電圧調整器（１０）を備えた自励式発電機（１）に対して、
前記界磁巻線（６）に直列に接続し、前記自動電圧調整器（１０）が有する駆動回路（２３）によりオン・オフ制御を行って前記界磁巻線（６）に界磁電流を流すための界磁電流制御用ドライバ（２１）と、
前記界磁巻線（６）に並列に接続し、オン動作させることで界磁巻線（６）に短絡電流を流す進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）と、
前記界磁電流制御用ドライバ（２１）及び前記進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）について、相互に常時反転動作させる制御手段（２４）と、を有し、
前記界磁電流制御用ドライバ及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバの駆動電源としてブートストラップ回路（３０）を接続する一方、
前記ブートストラップ回路（３０）は、前記界磁電流制御用ドライバ（２１）がオン時に電荷を蓄積し、前記界磁電流制御用ドライバ（２１）がオフ時に前記短絡電流を流すために前記進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）をオン動作させる容量部（３２）を備える点に第１の特徴がある。

請求項２の発明は、請求項１の自励式発電機の進相負荷保護装置において、
前記制御手段（２４）を前記進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）から電気的に絶縁して接続するフォトカプラ（３３）を備えた点に第２の特徴がある。

請求項３の発明は、請求項１の自励式発電機の進相負荷保護装置において、
前記界磁電流制御用ドライバ（２１）及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）をNch-MOSFETで構成する点に第３の特徴がある。

請求項４の発明は、請求項１の自励式発電機の進相負荷保護装置において、
前記制御手段（２４）は、前記界磁電流制御用ドライバ（２１）及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）をそれぞれ任意のパルス幅と位相で制御することで別のタイミングで電圧駆動する点に第４の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）を設けることで、界磁巻線（６）に発生する逆起電力によるAVR破損の防止を図るとともに、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）に対して容量部（２３）を独立した電源として使用する。
すなわち、各ドライバの駆動電源としてブートストラップ回路を用いることにより、１系統の電源で界磁電流制御用ドライバ（２１）及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）の両者を飽和領域で動作するのに十分なゲート電圧を確保できる。その結果、オン時における各ドライバの発熱を抑制することができ、各ドライバとして小型のデバイスを採用することが可能となる。
また、各ドライバを相互に常時反転動作させる制御手段（２４）を備えることで、各ドライバが同時にオンすることを回避することができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、フォトカプラ（３３）を備えたことにより、制御手段（２４）の駆動信号を光信号に変換し、この光信号により進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）が駆動される。

第３の特徴を有する本発明によれば、各ドライバに安価なNch-MOSFETを使用することにより、装置全体を安価に構成することができる。

第４の特徴を有する本発明によれば、各ドライバについてそれぞれ任意のパルス幅と位相で制御することで、それぞれを別のタイミングで電圧駆動することができる。

本発明の一実施形態に係る自励式発電機の進相負荷保護装置の要部構成を示すブロック図である。界磁電流制御用ドライバ及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバを駆動する駆動パルスを説明するためのタイミングチャート図である。界磁巻線に発生する逆起電力と界磁電流制御用ドライバ及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバの駆動パルスとの関係を説明するためのタイミングチャート図である。自動電圧調整器（ＡＶＲ）を備えた一般的な自励式発電機の構成を示す構成説明図である。自励式発電機の簡易回路図を示すもので、（ａ）は通常時、（ｂ）は進相負荷接続時において流れる電流を示す簡易回路図である。従来の進相負荷保護用短絡回路の構成を示す簡易回路図である。

本発明の一実施形態に係る自励式発電機の進相負荷保護装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の自励式発電機の進相負荷保護装置の要部構成を示すブロック図である。図１において、図４と同じ構成をとる部分については同一符号を付している。

進相負荷保護装置が接続される自励式発電機１は、図４で示したように、エンジンで駆動され、発電機に巻装した励磁巻線３の出力を整流器１１で整流して得られる電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻６へ供給する自動電圧調整器１０を備えている。コンデンサ１２は、整流器１１の出力電圧を平滑化するためのコンデンサである。
界磁巻線６には、界磁巻線６に界磁電流を流すための界磁電流制御用ドライバ２１が直列に接続されている。この界磁電流制御用ドライバ２１は、自動電圧調整器１０が有するFET駆動回路２３によりオン・オフ制御を行うことで、界磁巻線６に界磁電流を流すようになっている。界磁電流制御用ドライバ２１は、キャリアが電子（ｎ型チャンネル）であるNch-MOSFETで構成されている。

また、界磁巻線６には、界磁巻線６に短絡電流を流す進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２が並列に接続されている。この進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２は、界磁巻線６に逆起電力が生じた場合に、オン動作させることで界磁巻線６に短絡電流を流すようになっている。進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２は、キャリアが電子（ｎ型チャンネル）であるNch-MOSFET で構成されている。

界磁電流制御用ドライバ２１のゲート部は、FET駆動回路２３を介してCPU２４に接続されている。CPU２４には、進相負荷保護装置を駆動する直流電源２６（直流１５V）から定電圧電源２５を介してCPU２４を駆動するための所定の電源電圧（直流５V）が供給されている。また、FET駆動回路２３には、駆動電源として電源線２７を介して直流電源２６が接続されている。

界磁電流制御用ドライバ２１のゲート部には、FET駆動回路２３から駆動タイミングが調整されたPWM信号出力が入力されることで界磁電流制御用ドライバ２１のオン・オフ制御がなされ、界磁巻線６に流れる界磁電流を制御する。

進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のゲート部は、ブートストラップ回路３０を介してCPU２４に接続されている。
ブートストラップ回路３０は、ダイオード３１と、容量部３２と、発光ダイオード３３a及びフォトトランジスタ３３ｂを備えたフォトカプラ３３を有して構成され、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のゲート部とソース部との間に容量部３２が接続され、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のゲート部及び容量部３２に、直流電源２６に対して順方向となるダイオード３１が電源線２７を介して接続されている。

フォトカプラ３３の出力部は、容量部３２と並列となるように、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のゲート部と、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のソース部（界磁電流制御用ドライバ２１のドレイン部）に接続されている。
フォトカプラ３３は、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２とCPU２４との電気的な絶縁を図るためのものである。すなわち、界磁電流制御用ドライバ２１がオフ時において、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の基準電位はCPU２４の基準電位と異なるため、CPU２４の駆動信号を光信号に変換し、この光信号により進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２が駆動されるようになっている。

すなわち、ブートストラップ回路３０のフォトカプラ３３及びFET駆動回路２３は、CPU２４からの駆動信号を受けて界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２をそれぞれ独立してオン・オフ制御する。
したがってブートストラップ回路３０は、CPU２４からの駆動信号により界磁電流制御用ドライバ２１がオン時（導通時）で進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２がオフ時（非導通時）に、容量部３２に直流電源２６からダイオード３１を介して電荷が蓄積され、界磁電流制御用ドライバ２１がオフ時（非導通時）において、CPU２４からの駆動信号が発光ダイオード３３aで光信号に変換され、この光信号によりフォトトランジスタ３３ｂが導通することでフォトカプラ３３の出力側が短絡し、容量部３２に蓄積された電荷による独立した電源として進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２が駆動される。

CPU２４による界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の制御は、図２に示すように、常時反転動作（ON／OFF）させる駆動パルス（常時どちらかがオンとなる）で行われる。界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の駆動パルスは、両者が同時にオンすることを確実に防止するため、一方の駆動パルスの立ち下がりに対して他方の駆動パルスの立ち上がりを遅らせるデッドタイムを設けることで、両FETの同時短絡を回避しながら、界磁・進相保護を両立させている。
界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のどちらかをオンさせることで、界磁電流を進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の内部のソース・ドレイン間に存在する寄生ダイオードをフライダイオードとして用いた上で進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２をオンさせ、同期整流させて損失を低減することができる。

次に、CPU２４による界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の具体的な制御について説明する。
界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２はそれぞれ独立した電源で駆動できるため、CPU２４の制御プログラムによりそれぞれ任意のパルス幅、位相での制御が可能となる。

駆動パルスによる界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２による制御は、負荷に進相負荷が接続された場合、増磁作用で回転子の励磁がほぼ必要なくなるので、界磁電流制御用ドライバ２１のオンDUTYを限りなく0に近づかせることができる。
すなわち、図３に示すように、界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の常時反転動作（ON／OFF）において、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のオン時間を長く設定し、界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２をそれぞれ別のタイミングで電圧駆動することができる。

界磁電流制御用ドライバ２１のオン・オフ制御については、任意のパルス幅，位相での制御を行うことで、界磁電流の適切な制御が可能となる。
また、進相負荷が接続時において、逆起電力が生じる位相で「界磁電流制御用ドライバ２１がオフ、進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２がオン」する必要があるが、CPU２４の制御プログラムで容易に設定することができる。

次に、図３に示すタイミングの駆動パルスで界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２がオン・オフ制御された場合の進相負荷保護装置の動作について説明する。
ブートストラップ回路３０において、CPU２４からの駆動信号により界磁電流制御用ドライバ２１がオン時（導通時）で進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２がオフ時（非導通時）に、容量部３２に直流電源２６からダイオード３１を介して電荷が蓄積される。
また、界磁電流制御用ドライバ２１がオフ時（非導通時）で進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２がオン時（導通時）に、界磁巻線６に発生した逆起電力による短絡電流が界磁巻線６及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２で構成される閉回路中を流れることで、AVR側のコンデンサ１２へ影響を与えることを防止する。

すなわち、上述した自励式発電機の進相負荷保護装置の構成によれば、界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２のオン・オフ制御を行い、界磁電流制御用ドライバ２１がオフで進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２がオンの時に界磁巻線６に短絡電流を流すことで、界磁巻線６に発生した逆起電力によるAVRの回路（コンデンサ１２等）の破損の防止を図ることができる。

また、上述した進相負荷保護装置の構成によれば、界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２にNch-MOSFETを用い、ブートストラップ回路３０による独立電源でそれぞれが駆動される。そのため、各ドライバのMOSFETが飽和領域で動作するのに十分なゲート電圧を確保することができ、１系統の直流電源２６で界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２の両者を飽和領域で使用でき、MOSFETの発熱が抑制できる（発熱損失の低減を図る）。その結果、MOSFETとして小型のデバイスを採用することが可能となり、安価で大容量のNch-MOSFETで対応することができる。

上述した進相負荷保護装置について、図６に示した進相負荷保護用短絡回路としての自己バイアス回路４０との比較について説明する。
まず、自己バイアス回路４０により動作する進相負荷保護トランジスタ（トランジスタ４２，４３）は点弧タイミングを制御できない（受動的動作）。すなわち、自己バイアス回路４０の場合、進相負荷が接続され界磁巻線６に逆起電力が発生しない限り、トランジスタ４２，４３は動作しない。そのため、AVRのデジタル化（マイコン制御）を行う際、進相負荷接続時に直接マイコンで界磁電流制御FET１４を制御するためには、進相負荷保護トランジスタ（トランジスタ４２，４３）と界磁電流制御FET１４の同時オン（短絡）を回避する回路や制御が必要となっていた。
これに対して上述した進相負荷保護装置によれば、ブートストラップ回路３０により界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２をCPU２４で制御することにより、予め決められたプログラムでマイコン制御することが可能となり、各ドライバの同時オン（短絡）の発生をソフトウェアで回避することができる。

また、CPU２４において、プログラムによるマイコン制御を用いない場合でも、ロジック回路により界磁電流制御用ドライバ２１及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ２２を逆論理で駆動することで、同様の効果（発熱抑制・小型化）を発揮させることができる。

また、進相負荷保護用短絡回路が自己バイアス回路４０で形成された場合、上述したように、進相負荷が接続されて界磁巻線６に逆起電力が発生しない限り、トランジスタ４２，４３は動作しない。FETやトランジスタは故障モードが短絡であり、自己バイアス回路４０における界磁電流制御用FET（トランジスタ）１４が故障・短絡した場合、自励式発電機１の出力電圧は過電圧のまま発電を続けてしまうという可能性があった。
これに対して本例の進相負荷保護装置によれば、界磁電流制御用ドライバ（FET）２１か進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（FET）２２のどちらか一方が短絡故障した時点で、両方のFETに短絡状態が生じるため両者が破損し、AVRのユニットは破損するものの、界磁電流が流れず発電機出力が上昇することがなくなるので、発電機が過電圧のまま発電を続けるという事態を回避できる。

１…自励式発電機、２…発電巻線、３…励磁巻線、４…エンジン、５…回転子、６…界磁巻線、７…永久磁石、８…ブラシ、９…負荷、１０…自動電圧調整器（ＡＶＲ）、１１…整流器、１３…フライホイールダイオード、１４…トランジスタ（界磁電流制御FET）、１５…界磁電流駆動回路、２１…界磁電流制御用ドライバ、２２…進相負荷保護用回転子短絡ドライバ、２３…FET駆動回路、２４…CPU（制御手段）、２５…定電圧電源、３０…ブートストラップ回路、３２…容量部、３３…フォトカプラ、４０…自己バイアス回路。

Claims

エンジンで駆動される発電機に巻装した励磁巻線（３）の出力を整流して得られる電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻線（６）へ供給する自動電圧調整器（１０）を備えた自励式発電機（１）に対して、
前記界磁巻線（６）に直列に接続し、前記自動電圧調整器（１０）が有する駆動回路（２３）によりオン・オフ制御を行って前記界磁巻線（６）に界磁電流を流すための界磁電流制御用ドライバ（２１）と、
前記界磁巻線（６）に並列に接続し、オン動作させることで界磁巻線（６）に短絡電流を流す進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）と、
前記界磁電流制御用ドライバ（２１）及び前記進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）について、相互に常時反転動作させる制御手段（２４）と、を有し、
前記界磁電流制御用ドライバ及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバの駆動電源としてブートストラップ回路（３０）を接続する一方、
前記ブートストラップ回路（３０）は、前記界磁電流制御用ドライバ（２１）がオン時に電荷を蓄積し、前記界磁電流制御用ドライバ（２１）がオフ時に前記短絡電流を流すために前記進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）をオン動作させる容量部（３２）を備える
ことを特徴とする自励式発電機の進相負荷保護装置。
前記制御手段（２４）を前記進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）から電気的に絶縁して接続するフォトカプラ（３３）を備えた請求項１に記載の自励式発電機の進相負荷保護装置。
前記界磁電流制御用ドライバ（２１）及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）をNch-MOSFETで構成する請求項１に記載の自励式発電機の進相負荷保護装置。
前記制御手段（２４）は、前記界磁電流制御用ドライバ（２１）及び進相負荷保護用回転子短絡ドライバ（２２）をそれぞれ任意のパルス幅と位相で制御することで別のタイミングで電圧駆動する請求項１に記載の自励式発電機の進相負荷保護装置。