JP5499246B1 - 永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石型同期発電機で、発電電圧と負荷電流を検出して発電電圧が一定になるように制御スイッチのＯＮ・ＯＦＦ時間を制御し、常に発電電圧を一定電圧に制御することができる永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】永久磁石型同期発電機の制御装置は、界磁に永久磁石１４を用いる同期発電機１０に適用され、負荷電流を検出する電流センサ４０と負荷電圧を検出する電圧センサ４１を備え、電圧センサと電流センサからの各検出信号を用いて出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ〜３７ＷをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、同期発電機の制御装置および制御方法に関し、特に、界磁が永久磁石で構成される永久磁石型同期発電機の出力を定電圧化する動作に適した制御装置および制御方法に関する。

実用的な交流発電機として同期発電機は広く用いられている。近年、体積当りの起磁力が大きい高性能の永久磁石が実用化されたため、小型で高出力の永久磁石型発電機の開発が可能となった。この高性能の永久磁石を同期発電機の界磁に使用する場合、電磁石に比べて同等かそれ以上の起磁力が可能であり、界磁の発生に電力を使用しないため同期発電機として投入エネルギに対する出力の効率が良いという利点がある。

電気機器への電源供給では一般的に電圧と周波数が一定であることが求められる。同期発電機の誘導起電力と周波数は、発電機の回転数に比例するため、電磁石型同期発電機では、発電機駆動動力源の制御で発電機回転数を一定に保ち、さらに負荷変動に応じて界磁電流制御を行うことで一定化が実現される。一方、永久磁石型同期発電機では界磁電流制御ができないため、同期発電機の交流出力を整流した後、インバータによって所定の電圧と周波数を得る発電機全容量分のコンバータ（全量コンバータ）を使って一定化する方法が使われている。

全量コンバータを使うことで、発電機駆動動力源の回転数の変動による周波数変動の影響がなくなり、電圧、周波数を安定に一定化できる利点がある。一方、全量コンバータを構成する半導体スイッチ素子には、発電機誘導起電力に対応した十分な耐電圧、耐電流の性能が求められる。このため、永久磁石型同期発電機を使った発電装置において、駆動動力源の回転数が高い場合や回転数変化速度が大きい場合等で所望の性能の半導体スイッチ素子が得られないことがある。

下記の特許文献１の開示によれば、上記のような場合を対象にして、全量コンバータ以外の方法で永久磁石型同期発電機の起電力の制御を行うための、永久磁石型発電機の電圧一定化の制御装置が提案された。

この永久磁石型発電機の制御装置では、発電機の負荷を遅れ力率になるように設定することで、発電機電流が大きくなると発電機端子電圧が下がる同期発電機の外部特性を利用している。発電機の全出力電流を、負荷へ供給する電流と、電圧制御用の電流に分けて、電圧制御用に分けられた一部の電流を半導体素子で制御することで、負荷への供給電圧を制御している。発電機誘導起電力の一部の電力のコントロールで済むため、必要となる半導体スイッチ素子の最大定格が小さいもので済む利点がある。

特許第４９１３２３４号公報

特許文献１に記載された永久磁石型発電機の制御装置では、その請求項１等に記載される通り、「発電電圧を一定電圧に制御するコントローラ（１８）」は「出力巻線に発生する発電電圧を検出するセンサからの検出信号」に応答して当該制御を行うように構成されている。しかしながら、この構成によれば、発電機のシステム全体として、負荷の状態によっては、システムの非線形な要素が影響を及ぼし、発電電圧を一定電圧に制御することができない場合が生じるという問題があった。この問題は、実用性の観点から大きな問題であった。

本発明の目的は、永久磁石型同期発電機において、出力端子側の発電電圧を検出すると共に負荷に流れる電流を検出して発電電圧が一定になるように制御スイッチのＯＮ・ＯＦＦ時間を制御し、これにより常に発電電圧を一定電圧に制御することができ、実用性の高い制御を実現できる永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法を提供することにある。

本発明に係る永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

本発明に係る第１の永久磁石型同期発電機の制御装置は、負荷への出力が直流となる装置構成であり、
永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された１次側となる直列巻線を有しかつ直列巻線と２次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
単巻変圧器の分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
単巻変圧器の出力取出し部に接続された整流器と、
整流器の出力に並列に接続された平滑コンデンサと、
整流器の出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
負荷電圧を検出する電圧センサと、
電圧センサからの検出信号と電流センサからの検出信号を入力として出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする。

本発明に係る第２の永久磁石型同期発電機の制御装置は、負荷への出力が交流となる装置構成であり、
永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された１次側となる直列巻線を有しかつ直列巻線と２次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
単巻変圧器の分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
単巻変圧器の出力取出し部に接続された低域濾過フィルタと、
低域濾過フィルタの出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
負荷電圧を検出する電圧センサと、
電圧センサからの検出信号と電流センサからの検出信号を入力として出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする。

上記の構成において、好ましくは、コントローラは、出力定電圧化制御用スイッチをＯＮすることにより単巻変圧器で永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、出力定電圧化制御用スイッチをＯＦＦすることにより単巻変圧器で永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の構成において、好ましくは、コントローラは、出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする。
上記の構成において、好ましくは、コントローラは、電圧センサの検出電圧値と電流センサの検出電流値に基づき負荷の抵抗値（または負荷リアクタンス）に基づく値を算出し、算出した値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする。
上記の構成において、好ましくは、コントローラは、さらに永久磁石型同期発電機の回転数に基づく信号を加味することにより出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。

本発明に係る永久磁石型同期発電機の制御方法は、永久磁石型同期発電機と、永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された１次側となる直列巻線を有しかつ直列巻線と２次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、単巻変圧器の分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチを備え、単巻変圧器の出力取出し部から取り出した出力を負荷に供給する永久磁石型同期発電機の制御方法であり、負荷の電圧の検出電圧値と負荷に流れる電流の検出電流値を入力して出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、負荷の検出電圧値と負荷の検出電流値と永久磁石型同期発電機の回転数検出に基づく値に応答して出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、出力定電圧化制御用スイッチをＯＮすることにより単巻変圧器で永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、出力定電圧化制御用スイッチをＯＦＦすることにより単巻変圧器で永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、検出電圧値と検出電流値に基づき負荷の抵抗値（または負荷リアクタンス）に基づく値を算出し、算出した値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、さらに永久磁石型同期発電機の回転数に基づく信号を加味することにより出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。

本発明に係る永久磁石型同期発電機の制御装置によれば、永久磁石型同期発電機の制御装置において、直流出力または交流出力のいずれの場合にも、コントローラは、単巻変圧器の分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチのスイッチング動作を、負荷電圧を検出する電圧センサからの検出信号と負荷電流を検出する電流センサからの検出信号を入力としてＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御するようにしたため、常に発電電圧を一定電圧に制御することができ、実用性の高い制御システムを実現することができる。

本発明に係る永久磁石型同期発電機の制御方法によれば、永久磁石型同期発電機の制御方法であり、直流出力または交流出力のいずれの場合にも、出力に接続された負荷の電圧の検出電圧値と負荷に流れる電流の検出電流値を入力して出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御するようにしたため、常に発電電圧を一定電圧に制御することができ、実用性の高い制御を行うことができる。

本発明に係る制御装置および制御方法が適用される永久磁石型同期発電機の基本的な内部構造を示す縦断面図である。 永久磁石型同期発電機（ＳＰＭ型）の要部の端面図である。 負荷に対して直流を供給する永久磁石型同期発電機と制御装置の各電気回路の構成を示した電気回路図である。 制御方法を示すフローチャートである。 負荷ごとのＰＷＭデューティー比・出力電圧特性を示すグラフである。 永久磁石型同期発電機（ＩＰＭ型）の要部の端面図である。 負荷に対して直流を供給する永久磁石型同期発電機と制御装置の各電気回路の構成であって、回転数センサを備えた構成を示す電気回路図である。 負荷に対して直流を供給する永久磁石型同期発電機と制御装置の各電気回路の構成であって、回転数に基づく信号を取り出す手段を備えた構成を示す電気回路図である。 負荷に対して交流を供給する永久磁石型同期発電機と制御装置の各電気回路の構成を示す電気回路図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図５を参照して本発明に係る永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法の代表的な実施形態を説明する。この実施形態に係る永久磁石型同期発電機の制御装置は、負荷に対して直流の出力を供給するための装置構成を有している。

＜永久磁石型同期発電機の構造＞
図１と図２を参照して永久磁石型同期発電機（以下簡略して「同期発電機」と記す）の構造を説明する。同期発電機１０は、フロントハウジング１１Ａとリアハウジング１１Ｂから成るハウジング１１、ハウジング１１に一対の軸受１２Ａ，１２Ｂを介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト１３、ロータシャフト１３に固定された永久磁石１４と透磁性部材１９から成るロータ（回転子）１５、およびロータ１５の外周側に配置されかつハウジング１１に固定されたステータ（固定子）１６から構成されている。ステータ１６は、ステータコア１７と、ステータコア１７に巻かれた巻線（コイル）１８から構成されている。

またロータシャフト１３には、その一端部に、エンジンや風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力プーリ等の入力機構部（図示せず）が設けられている。この同期発電機は、ロータ１５を構成するロータシャフト１３の両端が軸受１２Ａ，１２Ｂによって、ハウジング１１に回転可能に支持されている。ロータ１５は、ロータシャフト１３の外周に配設された透磁性部材１９、透磁性部材１９の外周面に配置された複数の永久磁石片から成る永久磁石１４、および永久磁石１４の外周面に固定された非磁性材からなるスリーブ２０を備えている。ロータ１５を構成する永久磁石１４と透磁性部材１９との両端面には、非磁性材からなる端板２１がそれぞれ配置され、固着手段でロータシャフト１３に一体に固定されている。ロータ１５では界磁に永久磁石１４の部材を用いている。

また例えば、リアハウジング１１Ｂのロータシャフト１３の近傍には、回転センサ等の電子回路部が配置される。当該電子回路部は、図示しないカバーに覆われ、さらに当該カバーからは出力端子が引き出される。

上記の構造例では、中心側にロータ１５を配置し、その周囲外側にステータ１６を配置する構造としたが、反対に、中心側にステータ、その周囲外側にロータを配置するように構成することもできる。

＜電気回路の構成＞
図３を参照して永久磁石型同期発電機とその制御装置の電気回路の構成を説明する。同期発電機１０を電気回路的に表現すると破線ブロック３０Ａに示すようになり、制御装置の構成を電気回路的に表現すると破線ブロック３０Ｂ（以下「制御装置３０Ｂ」と記す）に示すようになる。

破線ブロック３０Ａに示すように、同期発電機１０は三相の同期発電機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを有している。この電機子巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは、前述の巻線１８を相ごとに分けて示したものである。当該「電機子巻線」を以下簡略して「巻線」と記す。巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは各相の出力巻線である。各巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの一端は共通の中性点として接続しており、他端は出力Ａとなっている。

制御装置３０Ｂは、同期発電機１０の出力巻線である３つの巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの各々に接続される単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを備える。単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗのそれぞれは、鉄心３３を介して磁気結合された直列巻線３４と分路巻線３５を有する。直列巻線３４は１次側となる巻線であり、分路巻線３５は２次側となる巻線である。直列巻線３４の一端は、対応する相の巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの出力端子（出力Ａ）に接続されている。単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗのそれぞれにおいて直列巻線３４と分路巻線３５の間に出力取出し部（出力Ｂ）が設定されている。直列巻線３４と分路巻線３５の巻数比はｎ１：ｎ２に設定されている。各単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの出力Ｂは、三相整流器３６の入力部に入力されている。さらに各単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの分路巻線３５の他端は、対応する出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗに接続されている。出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗは半導体素子で作られたスイッチ素子である。

三相整流器３６の出力端子（出力Ｄ）には、平滑コンデンサ３８が並列に接続されている。三相整流器３６の出力端子（出力Ｄ）は制御装置３０Ｂの出力端子になっており、当該出力端子には負荷３９が接続されている。この構成によって、三相整流器３６の整流作用および平滑コンデンサ３８の平滑作用に基づいて直流が生成され、当該直流が負荷３９に供給される。そしてさらに、三相整流器３６の出力に対しては、当該負荷３９に流れる電流（負荷電流）を検出する電流センサ４０、および負荷３９にかかる電圧（負荷電圧）を検出する電圧センサ４１が接続されている。

電圧センサ４１によって検出された検出信号（検出電圧値Ｅ_０）、および電流センサ４０によって検出された検出信号（検出電流値Ｉ_０）はコントローラ４２に入力される。コントローラ４２は、基本的な構成として、電圧センサ４１からの検出信号Ｅ_０と電流センサ４０からの検出信号Ｉ_０を入力し、これらの検出信号から検出電圧値Ｅ_０と検出電流値Ｉ_０をサンプルし、これらの検出値（Ｅ_０とＩ_０）に基づいて出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗの各々に対してスイッチ制御信号Ｓ１を与えて出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗの各々をＯＮ・ＯＦＦ制御する。これにより、コントローラ４２は、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗの各スイッチ出力Ｃを介して、単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの各分路巻線３５に流れる電流を調整して負荷３９にかかる負荷電圧を一定電圧に制御する機能を有している。

コントローラ４２による負荷３９の負荷電圧の一定電圧化の制御について、コントローラ４２からのスイッチ制御信号Ｓ１によって出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗが開放（ＯＦＦ）された状態では、同期発電機１０の巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの出力電圧が、その出力Ａに接続された単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの直列巻線３４のインダクタンス（Ｌ１）によって電圧降下し、当該電圧降下で生じた電圧が出力Ｂ（ｅ_ＯＵＴ）として出力される。これを式で示すと、下記の（数１）で示した式（２）のごとくなる。

またコントローラ４２からのスイッチ制御信号Ｓ１によって出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗが短絡（ＯＮ）された状態では、同期発電機１０の巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの出力電圧が、その出力Ａに接続された単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの直列巻線３４と分路巻線３５の巻数ｎ１，ｎ２の比に基づき、ｎ２／（ｎ１＋ｎ２）で降下され、当該降下された電圧が出力Ｂとして出力される。この出力Ｂは、無負荷の場合にはｎ２／（ｎ１＋ｎ２）で分圧降下され、さらに負荷電流が流れる場合には次の式（数１）で示した式（１）で与えられる電圧値となる。

従って、上記の（数１）によれば、ｅ_０＞ｅ_ＯＵＴ の領域でｅ_ＯＵＴ を一定電圧に制御する場合、ｎ１，ｎ２をｎ１＞ｎ２とし、Ｌ１の値を適切に選択し、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷのＯＮ・ＯＦＦ制御の周期Ｔ_ＳＷをｅ_０の周期Ｔ_ｅ０より短い周期で行うことで、負荷電圧ｅ_ＯＵＴの平均値を制御することができる。

コントローラ４２に基づく上記の負荷電圧の一定電圧化の制御によれば、原理的に、スイッチ制御信号Ｓ１としてＰＷＭされたＯＮ・ＯＦＦ信号を送ることにより、上記の２つの状態の比率が変わることによって、結果として時間積分した直流出力電圧等を制御することができる。

上記のコントローラ４２は、通常的にはコンピュータを利用しその演算処理機能を利用してソフトウェア的な制御内容に基づいて構成されるが、その他にスイッチ制御回路としてハードウェア的な電気回路によって構成することもできる。

＜出力定電圧化の制御の内容＞
次に図４と図５を参照して、制御装置３０Ｂに基づく同期発電機１０の出力定電圧化の制御の内容について説明する。負荷電圧に関する出力定電圧化の制御は、この例によれば、コントローラ４２においてソフトウェア的に実行される。図４は制御内容（制御の手順）に係るフローチャートを示し、図５は負荷ごとのデューティー比・出力電圧特性を示している。図４に示された制御処理の流れは、同期発電機の出力の一周期より十分に短い周期、例えば同期発電機の出力の周期が２０ミリ秒の時には２０マイクロ秒のインターバルで繰り返し行われる。

図４に示した制御の処理において最初に初期設定が実行される（ステップＳ１１）。初期設定では、デューティー比（ＤＲ）の可変範囲の初期値、および基準電圧（Ｅref）を設定する。この可変範囲としては、例えば、抵抗値がＲ２Ω（図５を参照）の場合、デューティー比の下限値の最大値を７０％、デューティー比の上限値を一定値の９０％とする。その後、先ず電圧センサ４１から入力された検出信号からサンプルした電圧値Ｅ_０を取込み（ステップＳ１２）、電流センサ４０から入力された検出信号からサンプルされた電流値Ｉ_０を取込む（ステップＳ１３）。電圧値Ｅ_０、電流値Ｉ_０は内部参照としてメモリに保存される。

次のステップＳ１４ではデューティー比の可変範囲が計算される。この計算では、デューティー比の下限値（Ｒmin）が計算式「ｋ・Ｅ_０／Ｉ_０」により計算される。ｋは負荷等に応じて設定される定数である。この計算式で求められる値は、電圧センサ４１の検出電圧値と電流センサ４０の検出電流値に基づき算出される負荷３９の抵抗値に基づく値である。こうしてデューティー比の下限値が決定される。その後、電圧値Ｅ_０が基準電圧Ｅrefよりも大きいか否かがが判断される（判断ステップＳ１５）。基準電圧Ｅrefは、例えば３１０Ｖである。電圧値Ｅ_０が基準電圧Ｅrefよりも大きい場合（ＹＥＳの場合）には、デューティー比を上げる計算が行われる（ステップＳ１６）。電圧値Ｅ_０が基準電圧Ｅrefよりも大きくない場合（ＮＯの場合）には、デューティー比を下げる計算が行われる（ステップＳ１７）。ステップＳ１６，Ｓ１７の計算では、デューティー比（ＤＲ）がステップＳ１４で計算された下限値（Ｒmin）とステップＳ１１で設定された上限値（Ｒmax：９０％）との間の範囲に含まれるという条件の下で、ＰＩＤ制御に基づき、デューティー比（ＤＲ）の値を算出する。算出したデューティー比（ＤＲ）を用いて、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷをＯＮ・ＯＦＦ駆動するための信号を設定する（ステップＳ１８）。そして設定された当該デューティー比（ＤＲ）を用いて設定した信号に基づき、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷのＯＮ・ＯＦＦ動作の制御を実行する（ステップＳ１９）。以上の制御のステップを必要に応じて適宜に繰り返す。

上記の制御によれば、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷをＯＮすることにより単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを介して同期発電機１０の出力電圧（出力Ｂ）を降圧し、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷをＯＦＦすることにより単巻変圧器３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗで同期発電機１０の出力電圧（出力Ｂ）を降圧しないようにし、負荷３９の負荷電圧を一定電圧になるように制御する。

上記制御によれば、電圧センサ４１の検出電圧値Ｅ_０と電流センサ４０の検出電流値Ｉ_０に基づき負荷３９の抵抗値に基づく値を算出し、算出した当該値に基づき、デューティー比の変化範囲の設定を行っている。またその際には、併せて、当該抵抗値に基づく値に基づいて、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、および当該制御関数のパラメータの設定を行う。図５はこの内容を図解するためのグラフである。

図５において、縦軸は負荷３９の出力電圧（ボルト）を示し、横軸は同期発電機１０の出力電圧の制御におけるスイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷのＯＮ・ＯＦＦのデューティー比（ＤＲまたはDuty：％）を示している。特性グラフ５１は抵抗値がＲ１Ωでの電圧変化特性を示し、特性グラフ５２は抵抗値がＲ２Ωでの電圧変化特性を示す。Ｒ１とＲ２はＲ１＜Ｒ２の関係にある。さらに変化範囲６１は抵抗値Ｒ１Ωでのデューティー比の範囲であり、変化範囲６２はＲ２Ωでのデューティー比の範囲である。図５のグラフにおいて、変化範囲６１，６２について、デューティー比において、９０％がデューティー比の上限値（ＤＵＴＹ＿Ｒmax）として設定され、約７０％が抵抗値Ｒ２Ωの場合のデューティー比の下限値（ＤＵＴＹ＿Ｒmin）として設定され、約２０％が抵抗値Ｒ１Ωの場合のデューティー比の下限値（ＤＵＴＹ＿Ｒmin）として設定されている。このように、算出した抵抗値（Ｒ１Ω，Ｒ２Ω）に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択（例えば特性グラフ５１または特性グラフ５２）、当該制御関数のパラメータの設定、デューティー比の変化範囲の設定（範囲６１または範囲６２）を行っている。

以上の通り、制御装置３０Ｂのコントローラ４２による制御によれば、負荷電圧と負荷電流に係る検出値に基づき、負荷抵抗値（負荷状態）を算出し、その算出結果によって、デューティー比−出力電圧制御関数を選択し、当該制御関数のパラメータを設定し、デューティー比を変化させる範囲等を適切な区間に変更・設定し、これに基づき出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷをＯＮ・ＯＦＦ動作を制御して、同期発電機１０から実用的な一定の出力電圧を得るようにしている。この制御の考え方は、同期発電機１０の発電機システム全体として負荷３９への供給電圧を一定化するためのフィードバック系において、負荷３９の状態でＰＷＭ制御のデューティー比と出力電圧（出力Ｄ）の関係が変化することに着目し、より最適化な制御を行うことができる。

上記の実施形態では、同期発電機１０を三相の同期発電機としたが、単相の同期発電機であってもよい。単相の同期発電機の場合には、単巻変圧器の部分、整流器の部分、スイッチの部分の各構成も、同期発電機の単相構成に合わせて適宜に設計・変更される。

上記の実施形態の変形例として、図６においてＩＰＭ型の永久磁石型同期発電機の要部の端面図を示す。ＩＰＭ型の同期発電機１０では、複数の永久磁石１４が透磁性部材１９の内部に配置された構造を有している点に特徴がある。その他の構成については、図２に示したＳＰＭ型の同期発電機１０と同じであるので、図６においても同一の要素には同一の符号を付している。

＜他の実施形態の説明＞
（１）変更実施形態１
この実施形態では、図７に示すように、図３に示した電気回路の構成において、同期発電機１０にロータ１５の回転数を検出するための回転センサ１０Ａが付設されている。図７において、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号が付されており、その詳細な説明は前述した説明を援用する。この実施形態においても、制御装置３０Ｂは負荷３９に対して直流を供給する。
この実施形態の構成によれば、回転センサ１０Ａによって検出された同期発電機１０のロータ１５の回転数に係る検出信号（回転数検出値Ｎ_０）が、コントローラ４２に入力されている。この構成の場合には、上記の負荷３９にかかる負荷電圧を一定電圧に制御することにおいて、より制御の精度を高めるため、検出電圧値Ｅ_０および検出電流値Ｉ_０に加えて、サンプルされた回転数検出値Ｎ_０に基づく値が加味される。従って、図４のフローチャートで説明した検出電圧値Ｅ_０を取り込むステップＳ１２および検出電流値Ｉ_０を取り込むステップＳ１３に対して、例えばその後に、さらに回転数センサ１０Ａから入力された検出信号をサンプリングして回転数検出値Ｎ_０を取り込むステップが追加される。コントローラ４２は、検出電圧値Ｅ_０および検出電流値Ｉ_０に加えて、サンプルされた回転数検出値Ｎ_０を考慮して、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷをＯＮ・ＯＦＦ制御し、これにより制御精度をより高める。同期発電機１０は回転数に応じて出力周波数が変化する。出力電圧制御の原理式（前述した数１で示した式）に含まれるｅ_Ｌ１は、単巻変圧器の直列巻線３４の端子電圧であり、その端子電圧を決めるリアクタンス値は周波数の関数になるため、本制御をより最適化するためには、ｅ_Ｌ１に基づく成分も取り込む必要がある。本実施形態の構成は、このような最適化制御を可能にする。

（２）変更実施形態２
上記の変更実施形態１では、同期発電機１０に設けた回転数センサ１０Ａを用いて同期発電機１０の回転数に関する情報を取り出すように構成したが、この実施形態では、図８に示すように、回転数センサ１０Ａの代わりに、制御装置３０Ｂの側、すなわちコントローラ４２の側に、同期発電機１０の発電出力から検出された電圧または電流の波形に基づき回転数に基づく信号を検出する手段を設けるように構成することもできる。図８において、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。
図８では、制御装置３０Ｂ内にて、一例として、Ｕ相の巻線３１Ｕの出力端子（出力Ａ）と単巻変圧器３２Ｕの直列巻線３４の入力端子との間に電流センサ７１を接続し、さらにＵ相の巻線３１Ｕの出力端子とＶ相の巻線３１Ｖの出力端子との間に電圧センサ７２を接続している。そして、電流センサ７１からの検出信号（電流波形）と電圧センサ７２からの検出信号（電圧波形）がコントローラ４２に入力されている。コントローラ４２では、電流センサ７１から与えられる電流の波形、電圧センサ７２から与えられる電圧の波形のいずれか一方または両方に基づいて同期発電機１０の回転数に基づく信号を検出する機能（手段）を備えており、当該回転数に基づく信号を回転数情報として用いる。その他の制御の処理内容は、前述した実施形態での処理内容と同じである。
この実施形態の構成においても、同期発電機１０の回転数に係る情報を用いて、上記の変更実施形態１と同様にしてＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことができる。

（３）変更実施形態３
前述した各実施形態での制御装置の構成は負荷に対して直流の出力を供給するための装置構成を有していたが、この実施形態に係る制御装置の構成は負荷に対して交流の出力を供給するための装置構成を有している。そのため、図９に示すように、前述した三相整流器３６と平滑コンデンサ３８の代わりに三相用の低域濾過フィルタ（ＬＰＦ）８１が接続され、さらに３つの相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応して３つの電流センサ８２と電圧センサ８３が接続される。図９に示されるその他の構成は、図３で説明した構成と同じであり、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
３つの電流センサ８２の各々からの検出信号と３つの電圧センサ８３の各々からの検出信号はコントローラ４２に入力される。コントローラ４２では、制御処理の過程において、図４のフローチャートのステップＳ１２，Ｓ１３で説明したように、各電流センサ８２の検出信号から検出電流値を取込み、かつ各電圧センサ８３の検出信号から検出電圧値を取り込む。そしてその後、取り込んだ検出電流値と検出電圧値に基づいて、負荷３９の負荷リアクタンスに基づく値を算出する。そして、算出した負荷リアクタンスに基づく値を用いて、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、当該関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行う。
上記の実施形態に係る永久磁石型同期発電機の制御装置によれば、負荷３９への出力が交流である場合にも、前述した代表的な実施形態の場合と同様な作用・効果を生じさせ、電圧センサ８２からの検出信号と電圧センサ８３からの検出信号を用いて、出力定電圧化制御用スイッチ３７Ｕ，３７Ｖ，３７ＷをＯＮ・ＯＦＦ制御し、負荷電圧を一定電圧に制御することが可能となる。

また、上記の変更実施形態３で説明した負荷への出力が交流である装置構成においても、前述した単相に関する構成、変更実施形態１，２で説明した特徴的な構成等と任意に組み合わせて構成することも可能であり、これによって、負荷への出力が直流である装置構成において説明した同様な作用・効果を生じさせることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法は、界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機の発電において、負荷電圧を検出する電圧センサからの検出信号と負荷電流を検出する電流センサからの検出信号を入力として出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して負荷電圧を一定電圧に制御することに利用される。

１０ 同期発電機
１０Ａ 回転数センサ
１１ ハウジング
１３ ロータシャフト
１４ 永久磁石
１５ ロータ
１６ ステータ
１８ 巻線
３０Ｂ 制御装置
３１Ｕ Ｕ相電機子巻線（巻線）
３１Ｖ Ｖ相電機子巻線（巻線）
３１Ｗ Ｗ相電機子巻線（巻線）
３２Ｕ Ｕ相単巻変圧器
３２Ｖ Ｖ相単巻変圧器
３２Ｗ Ｗ相単巻変圧器
３４ 直列巻線
３５ 分路巻線
３６ 三相整流器
３７Ｕ〜３７Ｗ 出力定電圧化制御用スイッチ
３８ 平滑コンデンサ
３９ 負荷
４０ 電流センサ
４１ 電圧センサ
４２ コントローラ
７１ 電流センサ
７２ 電圧センサ
８１ 低域濾過フィルタ（ＬＰＦ）
８２ 電流センサ
８３ 電圧センサ

Claims (22)

1. 界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機の制御装置において、
   前記永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された１次側となる直列巻線を有しかつ前記直列巻線と２次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
   前記単巻変圧器の前記分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
   前記単巻変圧器の前記出力取出し部に接続された整流器と、
   前記整流器の出力に並列に接続された平滑コンデンサと、
   前記整流器の出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記負荷の負荷電圧を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする永久磁石型同期発電機の制御装置。
2. 前記永久磁石型同期発電機は回転数センサを備え、
   前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数センサからの検出信号に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
3. 前記コントローラは、前記永久磁石型同期発電機の発電出力から検出された電圧または電流の波形によって回転数に基づく信号を検出する手段を備え、
   前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
4. 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＦＦすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
5. 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
6. 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項１記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
7. 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記の値および前記回転数に基づく信号によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項２または３記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
8. 界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機の制御装置において、
   前記永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された１次側となる直列巻線を有しかつ前記直列巻線と２次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
   前記単巻変圧器の前記分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
   前記単巻変圧器の前記出力取出し部に接続された低域濾過フィルタと、
   前記低域濾過フィルタの出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記負荷の負荷電圧を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする永久磁石型同期発電機の制御装置。
9. 前記永久磁石型同期発電機は回転数センサを備え、
   前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数センサからの検出信号に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項８記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
10. 前記コントローラは、前記永久磁石型同期発電機の発電出力から検出された電圧または電流の波形によって回転数に基づく信号を検出する手段を備え、
    前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項８記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
11. 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＦＦすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
12. 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
13. 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンスに基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項８記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
14. 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンス値に基づく値を算出し、算出した前記の値および前記回転数に基づく値によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項９または１０記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
15. 界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機と、前記永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された１次側となる直列巻線を有しかつ前記直列巻線と２次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、前記単巻変圧器の前記分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチを備え、前記単巻変圧器の前記出力取出し部から取り出した出力を負荷に供給する永久磁石型同期発電機の制御方法であり、
    前記負荷の負荷電圧の検出電圧値と前記負荷に流れる電流の検出電流値を入力して前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする永久磁石型同期発電機の制御方法。
16. 前記負荷の前記検出電圧値と前記負荷の前記検出電流値と前記永久磁石型同期発電機の回転数に基づく信号に応答して前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項１５記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
17. 前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＦＦすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項１５または１６記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
18. 前記出力定電圧化制御用スイッチをＯＮ・ＯＦＦ制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
19. 前記負荷へ供給する出力が直流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項１５記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
20. 前記負荷へ供給する出力が直流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記算出値および前記回転数に基づく信号によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項１６記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
21. 前記負荷へ供給する出力が交流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンスに基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項１５記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
22. 前記負荷へ供給する出力が交流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンスに基づく値を算出し、算出した前記の値および前記回転数に基づく信号によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項１６記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。

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