JP5405980B2 - 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、進相負荷が接続された場合における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。

従来のＡＶＲを有する交流発電機（以下、「ＡＶＲ発電機」ともいう）の動作について図を参照して説明する。図７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１０９ａとトランジスタ駆動部（制御部）１０９とトランジスタ１１０とが設けられる。励磁巻線１０４は整流器１０８の入力側に接続され、整流器１０８の出力側はブラシ１１１を介して界磁巻線１０２に接続される。また、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。

エンジン等、図示しない駆動源で回転子１０５が回転すると、回転子１０５の外周面に設けられている永久磁石１０６によって励磁巻線１０４に起電力が発生する。この起電力が、整流器１０８並び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で整流平滑される。トランジスタ１１０がオンすると、界磁巻線１０２に前記起電力によって電流が流れ、永久磁石１０６の磁力による励磁に加えて、大きい磁界で励磁が行われる。こうして、界磁に正帰還がかかり、発電巻線１０３の出力電圧が上昇する。この出力電圧は、整流器１０９ａで整流されてトランジスタ駆動部１０９に入力され、電圧目標値と比較される。出力電圧が電圧目標値に達すると、トランジスタ１１０がオフになり、その結果、発電巻線１０３の出力電圧が下がるので、再びトランジスタ１１０がオンになる。このように、トランジスタ１１０がオン・オフを繰り返し、定電圧制御が行われる。

このようなＡＶＲを有する発電機は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４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 特開平３−２５３３００号公報

上記従来のＡＶＲ発電機は構成が簡易であるので、広く普及しており、特に、高力率負荷の場合には、良好な定電圧特性を得ることができる。しかし、低力率負荷の場合は、増磁・減磁が発生し、電圧が大きく変化する。特に、発電機に進相負荷が接続された場合は、発電巻線１０３に流れる進相電流による磁束による界磁巻線１０２に起電力が発生し、この起電力がフライホイールダイオードによって整流され、界磁電流と同相の電流となって界磁磁束を増加させ（増磁）、出力電圧を上昇させる。

出力電圧が電圧目標値以上になれば、トランジスタ１１０はオフのままとなり励磁巻線１０４による界磁駆動は停止する。しかし、進相負荷の容量が大きいと、進相電流によって界磁巻線１０２に発生する電流のみで界磁巻線１０２が励磁され続ける。このように、界磁巻線１０２に発生した電流は、平滑コンデンサ１１３の両端の電圧も上昇させるので、平滑コンデンサ１１３が過電圧となるおそれがあることから、その対策が望まれる。

このような、進相負荷による出力電圧の上昇を抑制するため、特許文献４に記載された従来技術では、ＡＶＲに増磁抑制機能を持たせ、進相負荷によって界磁巻線に流れる電流と逆方向の電流を流して、界磁巻線に生じる磁束を弱めている。

しかし、界磁巻線に逆方向電流が流れるタイミングとＰＷＭ信号（トランジスタ１１０のオン時間デューティ制御のタイミング信号）によって界磁駆動電流が流れるタイミングが重なってしまうことがある。その場合、逆方向電流で界磁電流を打ち消すことができず、出力電圧の上昇を抑制する効果が小さくなってしまうので、この解決が課題となっている。

つまり、界磁巻線に発生する起電力の位相は、回転子および固定子の機械的な位相、負荷の静電容量、回転子および固定子のインダクタンス等で決定される。一般的には、代表的な進相負荷を想定し、トランジスタ１１０の駆動信号と逆方向電流を流すタイミングとが重ならないように、回転子と固定子との位相を合わせて組み立てを行っている。しかしながら、想定外の進相負荷が接続された場合は、界磁電流を増大させる進相負荷による電流を打ち消すことができないことがある。

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の出力電圧の上昇を抑制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する整流器と、前記整流器の出力電流を平滑して前記界磁巻線に入力する平滑コンデンサと、前記界磁巻線に接続されて、前記発電巻線の出力電圧を目標電圧に収斂させるようにＰＷＭ制御される第１スイッチング素子と、前記界磁巻線に接続されたフライホイールダイオードとを有する発電機の出力制御装置において、前記フライホイールダイオードに並列接続されて前記ＰＷＭ制御の駆動信号と逆位相で駆動される第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の駆動信号のデューティ比が基準デューティ比以上であるか否かを判断するデューティ比監視手段と、前記デューティ比監視手段で、前記駆動信号のデューティ比が基準デューティ比以上でないと判断されたときの該駆動信号の出力周期を、前記駆動信号のデューティ比が基準デューティ比以上であると判断されたときの該駆動信号の出力周期より長くするＰＷＭ出力周期延長手段とを具備している点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記ＰＷＭ出力周期延長手段が、前記駆動信号を所定間隔で間引くことによって該駆動信号の出力周期を長くする駆動信号間引き手段によって構成されている点に第２の特徴がある。

進相負荷が接続されることにより発電機巻線には進相電流が流れ、この進相電流による磁束によって界磁巻線にはフライホイールダイオードを介して界磁駆動電流（励磁巻線からの電流）と同相の電流が流れる。

第１の特徴を有する本発明では、大きい進相負荷が接続された場合に、界磁巻線の両端に接続されている第２スイッチング素子を第１スイッチング素子の駆動信号の逆位相で駆動する。この第２スイッチング素子のオンによって界磁巻線に流れる進相電流がフライホイールダイオードを通って流れることになる。つまり、進相電流の正方向電流はフライホイールダイオードを通り、負方向電流は第２スイッチング素子を通って流れる。その結果、進相による磁界は相殺され、進相電流による増磁が抑制される。

特に、本発明によれば、大きい進相負荷が接続されたことが、駆動信号のデューティ比が基準デューティ比より小さいことによって判定され、この判定が肯定となった場合は、第１スイッチング素子の出力周期が延長される。第１スイッチング素子の出力周期が長くなると、第１スイッチング素子と逆位相で駆動される第２スイッチング素子がオンになる期間が長くなる。その結果、第１スイッチング素子のオンタイミングと、第２スイッチング素子のオン後、界磁巻線に進相電流の打ち消し電流が流れるタイミングが重なりにくくなり、進相電流は効果的に打ち消される。

これによって、第１スイッチング素子のオフ期間に界磁電流が流れて出力電流が過上昇ぎみとなったり、平滑コンデンサが過剰に充電されたりするのが回避される。

第２の特徴を有する本発明によれば、間引きによってＰＷＭ信号の出力周期を容易に延長させることができる。

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。 小さい進相負荷接続時のトランジスタの駆動信号と界磁電流との関係を示すタイミングチャートである。 大きい進相負荷接続時のトランジスタの駆動信号と界磁電流との関係を示すタイミングチャートである。 ＰＷＭ信号のデューティ制御に係るフローチャートである。 ＰＷＭ信号の周期制御に係るフローチャートである。 ＰＷＭ信号の出力制御に係るフローチャートである。 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り、図１０と同符号は、同一または同等部分を示す。

「背景技術」として上述したように、従来技術のＡＶＲ発電機では、進相負荷が接続されている場合は、非所望の出力電圧上昇を招くことがある。そこで、本実施形態では、フライホイールダイオード１１２の両端にトランジスタ（第２スイッチング素子）１０を接続して、このトランジスタ１０を、トランジスタ（第１スイッチング素子）１１０がオフの期間、つまり励磁巻線１０４からの電流を界磁巻線１０２に流していないタイミングでオンにして、界磁巻線１０２を含む閉回路を形成するようにした。

これは、進相負荷によって発電巻線１０３を介して界磁巻線１０２に発生する電流（以下、「進相電流」という）が交流であることに着目し、トランジスタ１１０がオフの期間ではトランジスタ１０をオンにして、界磁巻線１０２に流れる正方向の電流Ｉｆと逆方向つまり負方向の電流Ｉｒが界磁巻線１０２に流れるようにして進相電流による磁束を相殺、打ち消し合うようにしたものである。これによって増磁が抑制され、想定以上に出力電圧が上昇するのを防止することができるし、コンデンサ１１３の両端の電圧上昇も防止できる。

トランジスタ１０は、進相電流を打ち消す、つまり相殺するためのスイッチ素子であるので、以下、「相殺トランジスタ」と呼ぶ。相殺トランジスタ１０は、トランジスタ１１０のオフに応答してオンにし、トランジスタ１１０のオンに応答してオフにする。

ここで、進相電流の正方向電流Ｉｆを打ち消す負方向電流Ｉｒを流すために、相殺トランジスタ１０をオンにするのは、トランジスタ１１０がオフのときに限られる。しかし、トランジスタ１０、１１０のオン・オフタイミングが一致していても、界磁巻線１０２に発生する起電力の位相が、回転子および固定子の機械的な位相、負荷の静電容量、回転子および固定子のインダクタンス等によって一定していないので、想定外の進相負荷が接続された場合は、進相負荷によって流れる電流を打ち消すことができないことがある。

そこで、本実施形態では、ＰＷＭ信号（パルス）を間引いて負方向電流Ｉｒが流れるタイミングとトランジスタ１０のオンタイミングとが重ならないようにした。

なお、ＰＷＭ信号の周期を常時長くすると、デューティ比による出力電圧の制御性能に影響することが考えられるが、容量性負荷が接続される場合、無効電流が支配的であり、ＰＷＭ信号のデューティ比も小さくなる。したがって、このＰＷＭ信号のデューティ比が小さい場合にのみ、ＰＷＭ信号の周期を長くするようにすれば、励磁巻線１０４から界磁巻線１０２に供給される電力はごくわずかであるので、ＰＷＭ信号の周期が長くなっても出力電圧の制御性能に与える影響は小さい。

そこで、トランジスタ１０のデューティ比が、予定値以下に低下している場合に、ＰＷＭ信号の出力周期を長くして、相殺トランジスタ１０のオン信号による界磁電流の相殺タイミングとＰＷＭ信号のオンタイミングとが重ならない処理を実行する。

この処理のために、発電機１００のＡＶＲ１０７は、トランジスタ１１０のＰＷＭ信号のオン時間デューティ比（以下、単に「デューティ比」という）を監視するデューティ監視部１を設ける。

トランジスタ駆動部つまり制御部１０９は、発電巻線１０３の出力電圧を目標電圧と比較して、これら電圧の大小を比較する電圧比較部２０と、電圧の大小に応じてトランジスタ１１０のデューティ比の増大または減少を決定し、所定量のデューティ比を増減して、駆動信号をトランジスタ１１０に供給する駆動部２１とを有する。トランジスタ１１０は、制御部１０９で決定されたデューティ比に従って駆動され、界磁電流を制御する。

ＰＷＭ第２駆動部１１は、制御部１０９からトランジスタ１１０に出力されるオン指令の出力タイミング（オン時）と、オフ指令の出力タイミング（オフ時）とを検出する機能と、オフ時には相殺トランジスタ１０にオン指令を出力し、オン時には、相殺トランジスタ１０にオフ指令を出力する機能とを有する。

デューティ監視部１は、駆動部２１から出力されるデューティ比を監視し、デューティ比が予め設定された正しいデューティ比より小さいときに検出信号を出力する。無負荷時のデューティ比は通常２０％程度に設定されているので、基準デューティ比はこれより小さい１０％程度であるのが好ましい。デューティ監視部１から出力される検出信号は、ＰＷＭ信号間引部２に入力される。ＰＷＭ信号間引部２は、所定周期で出力されているＰＷＭ信号を、例えば、１周期毎に出力禁止（間引き）する機能を有する。この間引きによって、駆動部２１から出力されるＰＷＭ信号の出力周期が２倍になる。

図２、図３は、トランジスタ１１０の駆動信号（ＰＷＭ信号）およびトランジスタ１０の駆動信号と、界磁電流との関係を示すタイミングチャートである。

図２は、進相負荷が比較的小さい場合のタイミングチャートである。図２に示した例では、トランジスタ１１０のＰＷＭ信号は間引かれておらず、相殺トランジスタ１０は、間引かれていないＰＷＭ信号と逆位相で、オン・オフされる。相殺トランジスタ１０のオン期間では流れる負方向電流Ｉｒが小さいので、トランジスタ１０のオンによる増磁の低減程度は小さい。

一方、図３は、進相負荷が大きい場合のタイミングチャートである。この場合、進相負荷が大きくなるので、トランジスタ１１０は基準デューティ比より小さいデューティ比で駆動される。その結果、前記デューティ監視部１から検出信号が出力され、ＰＷＭ信号間引部２によってＰＷＭ信号が間引かれる。つまり、図３では、点線で示したように符号「２」、「４」を付したＰＷＭ信号が間引かれているので、図２に示した周期の２倍の周期でトランジスタ１１０が駆動される。したがって、負方向電流Ｉｒによる正方向磁界の相殺効果は大きく出るようになり、図３に示すように、界磁電流はＰＷＭ信号がオフの期間Ｔoffで、大きく低減している。

図４は、トランジスタ１１０のPWM制御におけるデューティ制御に係るフローチャートである。図４において、ステップＳ１では、発電巻線１０３の出力電圧を電圧比較部２０に読み込む。ステップＳ２では、電圧比較部２０によって、出力電圧が目標電圧以上か否かが判断される。ステップＳ２が肯定の場合、ステップＳ３に進んで所定量だけデューティ比を減少させる。ステップＳ２が否定の場合は、ステップＳ４に進んで所定量だけデューティ比を増大させる。

なお、デューティ比は１度の処理で所定量だけ増減させるのに限らず、出力電圧と目標電圧との差に応じて、差の大きさが大きいときは増減量を大きくし、差の大きさが小さいときは増減量を小さくするようにしてもよい。

図５は、ＰＷＭ信号の間引き制御に係るフローチャートである。図５において、ステップＳ１０では、デューティ監視部１の機能によって制御部１０９から出力されるＰＷＭ信号のデューティ比を検出する。ステップＳ１１では、デューティ監視部１で、検出デューティ比が基準デューティ比以上か否かを判断する。ステップＳ１１が肯定ならば、ステップＳ１２に進んで、ＰＷＭ信号の間引きフラグＦ１を「１」にセットする。なお、ステップＳ１１は、デューティ監視部１が、所定の時間以上継続して検出デューティ比が基準デューティ比以上であることを検出した場合に肯定となるように構成してもよい。ステップＳ１１が否定ならば、ステップＳ１３に進んで、ＰＷＭ信号間引きフラグに「０」をセットする。

図６は、ＰＷＭ信号の出力制御のフローチャートである。ＰＷＭ信号は、回転子１０５を駆動する駆動源であるエンジンの出力軸または出力軸と連結されて回転する回転部材（フライホイール等）の外周に設けられ、回転部材の１回転毎に検出信号を出力する回転センサの出力（エンジンの点火タイミング信号）に同期して出力される。

図６において、ステップＳ２０では、間引きレジスタＣ１をゼロにセットする。間引きレジスタＣ１には「０」または「１」がセットされる。ステップＳ２１では、点火タイミング信号を検出したか否かを判断する。ステップＳ２１が肯定ならば、ステップＳ２２に進んで、間引きレジスタＣ１が「０」か「１」かを判別する。間引きレジスタＣ１が「０」ならば、ステップＳ２３に進んで、前記デューティ制御で設定されたデューティ比でトランジスタ１１０にＰＷＭ信号を出力する。

次いで、ステップＳ２４では、間引きフラグＦ１が「１」か「０」かを判別する。間引きフラグＦ１が「１」ならば、ステップＳ２５に進んで、間引きレジスタＣ１に「１」をセットする。

ステップＳ２２が否定ならば、ステップＳ２６に進んでトランジスタ１１０へのＰＷＭ信号の出力を禁止する。そして、ステップＳ２７では、間引きレジスタＣ１に「０」をセットする。

ステップＳ２４が否定の場合、つまり間引きフラグＦ１が「０」の場合は、ステップＳ２５はスキップされてステップＳ２１に戻る。

このように、このＰＷＭ信号の出力制御では、間引きフラグＦ１が立っている場合は、交互に切り替わる間引きレジスタＣ１の値に応じて、トランジスタ１１０に対するＰＷＭ信号の出力を実行したり、出力を禁止したりする。つまり、ＰＷＭ信号が２回に１回ずつ間引かれ、ＰＷＭ信号の出力周期が２倍になる。

なお、この実施形態では、ＰＷＭ信号を間引くことによって出力周期を長くした例を示したが、本発明は、これに限定されず、現在のデューティ比を基準デューティ比と比較して、その結果に応じて予め設定された２種類の長さの出力周期のうち、いずれか一方を選択してもよい。例えば、デューティ比が基準デューティ比より大きい場合は、点火タイミング信号を２回計数したときにＰＷＭ信号を出力し、デューティ比が基準デューティ比より小さい場合は、点火タイミング信号の検出毎にＰＷＭ信号を出力すればよい。

図４〜図６のフローチャートは、本発明の実施形態に係る制御部１０９やデューティ監視部１をマイクロコンピュータで構成し、その要部処理の一例を説明するためのものであり、実際の処理プログラムは、周知の方法に従って変更可能である。したがって、制御部１０９やデューティ監視部１を、マイクロコンピュータに限らず、図１や図４〜図６の記載された構成に適合するようにアナログ回路を使用して形成することもできる。

上述のように、本実施形態では、容量性の負荷が接続されて、界磁駆動のためのＰＷＭ信号のオン時間が基準デューティ比以下になったときに、ＰＷＭ信号の周期を大きくすることができるので、トランジスタ１１０のオンになって界磁電流が流れるタイミングと、トランジスタ１１０のオフに応答して相殺トランジスタ１０がオンになって相殺電流Ｉｒが流れるタイミングとが重なりにくくなり、界磁電流が過上昇して出力電圧の過上昇するのを抑えられる。これにより、容量性負荷や、平滑コンデンサ１１３の過電圧が防止される。

１…デューティ監視部、 ２…ＰＷＭ信号間引部、 １０…相殺トランジスタ（第２スイッチング素子）、 １１…ＰＷＭ第２駆動部、 ２１…駆動部、 ２０…電圧差検出部、 １００…発電機、 １０２…界磁巻線、 １０３…発電巻線、 １０４…励磁巻線、 １０７…ＡＶＲ、 １０９…制御部、 １１０…トランジスタ（第１スイッチング素子）、 １１２…フライホイールダイオード、 １１３…平滑コンデンサ

Claims (2)

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する整流器（１０８）と、前記整流器（１０８）の出力電流を平滑して前記界磁巻線（１０２）に入力する平滑コンデンサ（１１３）と、前記界磁巻線（１０２）に接続されて、前記発電巻線（１０３）の出力電圧を目標電圧に収斂させるようにＰＷＭ制御される第１スイッチング素子（１１０）と、前記界磁巻線（１０２）に接続されるフライホイールダイオード（１１２）とを有する発電機の出力制御装置において、
   前記フライホイールダイオード（１１２）に並列接続されて前記ＰＷＭ制御の駆動信号と逆位相で駆動される第２スイッチング素子（１０）と、
   前記第１スイッチング素子（１１０）の駆動信号のデューティ比が基準デューティ比以上であるか否かを判断するデューティ監視手段（１）と、
   前記デューティ監視手段（１）で、前記第２スイッチング手段（１０）のオン信号による界磁電流の相殺タイミングとＰＷＭ制御の駆動信号のオンタイミングとが重ならないように、前記駆動信号のデューティ比が基準デューティ比以上でないと判断されたときの該駆動信号の出力周期を、前記駆動信号のデューティ比が基準デューティ比以上であると判断されたときの該駆動信号の出力周期より長くするＰＷＭ出力周期延長手段とを具備していることを特徴とする発電機の出力制御装置。
2. 前記ＰＷＭ出力周期延長手段が、前記駆動信号を所定間隔で間引くことによって該駆動信号の出力周期を長くする駆動信号間引き手段（２）によって構成され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。

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