JP6093145B2 - 多電圧発電機 - Google Patents

Description

本発明は農業機械や草刈機等の汎用機械に用いられる多電圧発電機に関するものである。

本発明は近年温室効果ガスを含む排気ガスを規制する観点から排気ガスを規制する動きが社会的潮流となっている。この動きに対してハイブリッドカーや電気自動車等の開発が進められている。一方、従来の草刈り機や農業機械ではディーゼルエンジンが動力源として用いられ、エンジンの周囲にラジエーターやマフラー等を配置し、変速機を備えて動力を必要な部所に伝える構成であった。しかし従来のエンジンを動力源とする農業機械等にあっては、エンジンやマフラー等多くの部品を必要とし、製造コストが高くなるという欠点があった。

この問題を解決するため特許文献１には動力を電動式とする農業機械が提案されている。又農業機械の負荷に供給するための動力源としては、例えば２００Ｖで三相交流の電圧を出力するものが知られている。

特開２００３−９６０７号公報

しかし電動式の農業機械は機械毎に要求される電圧等の仕様が一定でない。このために汎用的な電源を用いて農業機械等に用いられる種々のインプル等を動作させる場合に種々のインプルに対して必要な電圧を供給することが難しいという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、農業機械や草刈り機等の汎用機械の動力源として用いることができる多電圧の発電機を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、多電圧発電機は、エンジンと、前記エンジンの動力によって駆動される三相のモータジェネレータと、蓄電池と、前記モータジェネレータを駆動して発電された三相交流電圧を直流電圧に変換すると共に前記蓄電池の直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータであって、前記蓄電池にスイッチを介して接続される直流端子を有するインバータと、三相交流、単相交流及び直流の電源の種類及び必要な電圧値を入力する操作部と、前記エンジン及び前記インバータを制御するコントローラと、三相交流電圧を外部に出力する第１コネクタと、単相交流電圧を外部に出力する第２コネクタと、直流電圧を外部に出力する第３コネクタと、を具備し、前記コントローラは、前記蓄電池の電圧とは異なった直流電圧を出力する際には、前記スイッチをオフとし且つ前記エンジンによって前記モータジェネレータを駆動した状態で、前記エンジンの回転数を制御すると共に前記インバータを位相制御して必要な直流電圧を生成し、該直流電圧を前記第３コネクタを介して出力可能であり、前記蓄電池の電圧と同じ直流電圧を出力する際には、前記スイッチをオンとし且つ前記エンジンを停止した状態で、前記蓄電池から直流電圧を前記第３コネクタを介して出力可能であり、交流電圧を出力する際には、前記スイッチをオフとし且つ前記エンジンによって前記モータジェネレータを駆動した状態で、前記エンジンの回転数を制御すると共に前記インバータを位相制御して必要な交流電圧を生成し、該交流電圧を、三相交流電圧として第１コネクタを介して外部に出力可能であると共に単相交流電圧として第２コネクタを介して外部に出力可能であり、又は、前記スイッチをオンとし、前記蓄電池からの出力をインバータによって位相制御して必要な交流電圧を生成し、該交流電圧を、三相交流電圧として第１コネクタを介して外部に出力可能であると共に単相交流電圧として第２コネクタを介して外部に出力可能である。

このような特徴を有する本発明によれば、本発明による多電圧の発電機を直流、交流の
種類や電圧の異なる電源として用いることができ、電源についての問題を解消することができる。従って農業機械等の負荷となるインプルを電動化することも可能となる。又本発明によれば１つのインバータを用いているため、低価格化することができるという効果も得られる。

図１は本発明の実施の形態による多電圧発電機の全体構成を示すブロック図である。 図２は本発明の実施の形態によるインバータとその周辺回路を示すブロック図である。

図１は本発明の実施の形態による多電圧発電機の全体構成を示すブロック図である。本図に示すようにこの多電圧発電機はエンジン１１を有している。エンジン１１の動力はモータジェネレータ（ＭＧ）１２を回転駆動するものである。エンジン１１のクランク軸は直接モータジェネレータ１２に連結されていてもよく、ベルト等の連結手段を介して接続されていてもよい。

モータジェネレータ１２は三相交流式のモータ及び発電機であって、回転数に応じた三相交流をインバータ１３に与えると共にコネクタ（第１コネクタ）１４より外部に出力する。又その三相のうちの二相の出力を単相交流としてコネクタ（第２コネクタ）１５より外部に出力できるようにしている。インバータ１３は三相交流の位相制御を行うものであり、直流側の端子にスイッチ１７を介して蓄電池１８が接続されている。蓄電池１８は例えば１００〜５００Ｖ等の二次電池であり、発電機システムの二次電池として用いられる。そしてインバータ１３にはその出力を規定するためのコントローラ１９が接続されている。コントローラ１９には操作部２０が接続される。操作部２０は直流、単相交流又は三相交流の電源の種類や、必要な電圧を入力するためのものである。インバータ１３は三相交流が入力されたときに位相制御を行い、整流、平滑して所望の電圧の直流電圧とすると共に、蓄電池１８から直流電圧が与えられたときに位相制御を行い、所望の電圧の三相交流を出力するものである。

次にインバータ１３の詳細について説明する。図２に示すようにインバータ１３は直流電源の入力端子３１ａ，３１ｂの間に平滑用のコンデンサ３２が接続され、更にその両端に例えばパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子３３Ｕと３４Ｕ，３３Ｖと３４Ｖ，３３Ｗと３４Ｗが図示のように並列に接続される。そして各スイッチング素子の両端には逆流防止用のダイオードが接続されており、スイッチング素子３３Ｕと３４Ｕの中点、３３Ｖと３４Ｖの中点、及び３３Ｗと３４Ｗの中点が前述したモータジェネレータ１２の各相に図示のように接続されて構成される。

一方コントローラ１９はステータコイルの間に接続されるインバータの６つのＭＯＳＦＥＴのスイッチングのタイミングを制御して位相制御を行うと共に、モータジェネレータ１２を回転させることでエンジン１１の始動を制御するものである。

次にこの実施の形態の動作について説明する。まずこの実施の形態による多電圧発電機は３つの動作モードを有している。第１のモードは蓄電池１８の充電モードであり、第２のモードはエンジン１１から外部の機器に電力を供給するエンジンモード、第３の動作モードは蓄電池１８から外部の機器に電力を供給する蓄電池モードである。まず第１の充電モードの動作時には、コントローラ１９はまずモータジェネレータ１２を駆動し、これに連結されたエンジン１１を始動させる。これによってエンジン１１の動力がモータジェネレータ１２に伝えられる。そしてインバータ１３の位相制御を行うことにより三相交流や単相交流を得ることができる。そして回転数や位相を制御することで蓄電池１８よりわず
かに高いレベルの直流電圧を発生させ、スイッチ１７をオンとして蓄電池１８の充電を行う。そして蓄電池の電圧を認識し、所定の電圧に達すれば充電動作を停止する。

次に操作部２０に外部に出力する電力の種類、即ち三相交流、単相交流、直流電圧のいずれかと電圧、周波数が入力された場合には、第２，第３の動作モードでこの多電圧発電機１０を動作させる。このとき必要な電圧とその種類に応じて以下のように第２，第３のいずれかのモードで動作する。

（１）蓄電池電圧より高い直流電圧出力
ここで蓄電池１８より高いレベルの直流電圧が操作部２０を介して外部より要求された場合には、この電圧値はコントローラ１９に入力される。第３の蓄電池モードでは蓄電池をそのまま用いた場合に比べて高い直流電圧を出力することができないため、エンジンモードを用いる。コントローラ１９はモータジェネレータ１２を駆動してエンジン１１を始動し、その回転力をモータジェネレータ１２に伝える。ここでエンジン１１の回転数を必要な電圧に応じて変化させる。そしてインバータ１３によって整流することによって高い直流電圧を得てコネクタ（第３コネクタ）１６より外部に出力することができる。又蓄電池以上の電圧を出力する場合には、スイッチ１７をオフとしておく。但し直流出力用のコネクタ１６と蓄電池１８との間に図示しない充電器を接続する場合は、スイッチ１７をオン状態として蓄電池１８を同時に充電するようにしてもよい。

（２）蓄電池電圧以下の直流電圧出力
ここで蓄電池１８より低いレベルの直流電圧が操作部２０を介して外部より要求された場合には、この電圧値はコントローラ１９に入力される。第３の蓄電池モードでは蓄電池１８をそのまま用いた場合に比べて低い直流電圧を出力することができないため、エンジンモードを用いる。この場合もインバータ１３において位相制御を行うことによって０Ｖから任意の電圧レベルまでの低い電圧を出力することができる。蓄電池１８の電圧以下の電圧を外部に出力する場合には、スイッチ１７をオフとしておく。

尚、蓄電池とほぼ同一の直流電圧を供給する際にはエンジン１１を停止し、スイッチ１７をオンとして蓄電池１８より直流電圧をそのまま供給する。

（３）蓄電池の電圧より高い交流電圧出力
この場合は第２，第３のいずれのモードも使用することができる。第２のモードは蓄電池１８の容量が低下している場合に用いられる。この場合はエンジン１１を始動し、エンジン１１からの出力に基づいてモータジェネレータ１２を駆動し、その回転数を制御する。そして位相制御を行うことによって三相交流又は単相交流の必要な電圧をコネクタ１４又は１５より外部に出力することができる。

第３のモードは蓄電池１８の容量が十分ある場合や静粛性を要求される環境下で使用するのに好適である。第３のモードではスイッチ１７をオンとし、蓄電池１８からの出力をインバータ１３によって昇圧して三相交流や単相交流を出力する。そしてインバータ１３の位相制御を行うことによって種々の電圧を外部に出力することができる。

（４）蓄電池電圧より低い交流電圧出力
この場合は第２，第３のいずれのモードも使用することができる。第２のエンジンモードを用いる場合には、スイッチ１７をオフし、蓄電池１８を切り離すと共にエンジン１１を回転し、モータジェネレータ１２を駆動する。そしてインバータ１３で位相制御を行って必要な電圧とすることで、低い三相交流又は単相交流電圧をコネクタ１４又は１５より外部に出力することができる。

又第３のモードは蓄電池１８の容量が十分ある場合や静粛性を要求される環境下で使用するのに好適である。第３モードでは蓄電池から出力される電圧をＶ_ｄｃとすると、√３／２・Ｖ_ｄｃまでの線間電圧となる三相交流を出力することができる。

本発明によれば１つのインバータとエンジン及び蓄電池を用いることによって種々の電圧を外部に出力することができる。従って本発明は例えば農業機械や芝刈機などの種々の産業機械に好適に用いることができる。

１１ エンジン
１２ モータジェネレータ
１３ インバータ
１４，１５，１６ コネクタ
１７ スイッチ
１８ 蓄電池
１９ コントローラ
２０ 操作部

Claims (1)

1. エンジンと、
   前記エンジンの動力によって駆動される三相のモータジェネレータと、
   蓄電池と、
   前記モータジェネレータを駆動して発電された三相交流電圧を直流電圧に変換すると共に前記蓄電池の直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータであって、前記蓄電池にスイッチを介して接続される直流端子を有するインバータと、
   三相交流、単相交流及び直流の電源の種類及び必要な電圧値を入力する操作部と、
   前記エンジン及び前記インバータを制御するコントローラと、
   三相交流電圧を外部に出力する第１コネクタと、
   単相交流電圧を外部に出力する第２コネクタと、
   直流電圧を外部に出力する第３コネクタと、
   を具備し、
   前記コントローラは、
   前記蓄電池の電圧とは異なった直流電圧を出力する際には、前記スイッチをオフとし且つ前記エンジンによって前記モータジェネレータを駆動した状態で、前記エンジンの回転数を制御すると共に前記インバータを位相制御して必要な直流電圧を生成し、該直流電圧を前記第３コネクタを介して出力可能であり、
   前記蓄電池の電圧と同じ直流電圧を出力する際には、前記スイッチをオンとし且つ前記エンジンを停止した状態で、前記蓄電池から直流電圧を前記第３コネクタを介して出力可能であり、
   交流電圧を出力する際には、前記スイッチをオフとし且つ前記エンジンによって前記モータジェネレータを駆動した状態で、前記エンジンの回転数を制御すると共に前記インバータを位相制御して必要な交流電圧を生成し、該交流電圧を、三相交流電圧として第１コネクタを介して外部に出力可能であると共に単相交流電圧として第２コネクタを介して外部に出力可能であり、又は、前記スイッチをオンとし、前記蓄電池からの出力をインバータによって位相制御して必要な交流電圧を生成し、該交流電圧を、三相交流電圧として第１コネクタを介して外部に出力可能であると共に単相交流電圧として第２コネクタを介して外部に出力可能である多電圧発電機。

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