JP6567908B2

JP6567908B2 - 発電機

Info

Publication number: JP6567908B2
Application number: JP2015144816A
Authority: JP
Inventors: 俊和渡辺; 和哉梁瀬
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: JP2017028853A

Description

本発明は、エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、コンバータで変換された直流電流とキャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有し、インバータが、ＰＷＭ制御における変調率を変化させることにより、負荷に供給する交流電流を制御する発電機に関するものである。

従来、特許文献１に記載されているように、エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、コンバータで変換された直流電流とキャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有する発電機が広く使用されている。
そして、負荷を始動した時に発生する突入電力を供給するためにキャパシタを利用することも特許文献２に記載されている。
また、特許文献３には、インバータの出力電力を制御するために、インバータの入力電圧を制御するための直流電圧補償信号について記載されている。

特開2013-013308号公報特開2011-256729号公報特開2014-042381号公報

しかしながら、従来の発電機には、次のような問題があった。
すなわち、負荷を始動した時に発生する突入電力は、キャパシタにより供給しているが、負荷の始動時にキャパシタから大きな電流が流れると、キャパシタの電圧が急速に下がるため、インバータの入力電圧が下がる。これにより、インバータの出力電圧が降下し負荷に対して問題となる。例えば、負荷に照明器具がある場合には、インバータの出力電圧の降下により照明の明かりが一時的に暗くなり使用者に不安感を与える問題がある。
特許文献３の技術では、インバータが入力電圧の急速な変化に追従しきれず、負荷の始動時に発生する突入電力に迅速に対応できない問題がある。

本発明は、上記課題を解決して、負荷の始動時におけるインバータの出力実効電圧値の変動を小さくできる発電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発電機は、次の構成を有している。
（１）エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、コンバータで変換された直流電流とキャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給する三相インバータを有し、三相インバータが、ＰＷＭ制御における変調率を変化させることにより、負荷に供給する交流電流を制御する発電機において、前記三相インバータへ入力する三相インバータ入力電圧を計測し、前記三相インバータ入力電圧に変調率係数を乗じることにより前記変調率を求めること、前記変調率係数は、基礎変調率／定格入力電圧で算出すること、を特徴とする。
（２）（１）に記載する発電機において、前記変調率係数の変化を、前記ＰＷＭ制御の搬送波の周期で行うこと、を特徴とする。
（３）（１）または（２）に記載する発電機において、前記変調率を、前記三相インバータの出力電圧実効値と、前記発電機の設定電圧との大小関係で判断して、補正すること、前記変調率の補正を、前記ＰＷＭ制御の基本波の周期毎に行うこと、を特徴とする。

本発明の発電機は、次のような作用、効果を奏する。
（１）エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、コンバータで変換された直流電流とキャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給するインバータとを有し、インバータが、ＰＷＭ制御における変調率を変化させることにより、負荷に供給する交流電流を制御する発電機において、前記インバータへ入力するインバータ入力電圧を計測し、前記インバータ入力電圧に変調率係数を乗じること、前記変調率係数は、基礎変調率に、インバータの定格入力電圧／入力電圧を乗じたものであること、を特徴とするので、負荷を始動した時に発生する突入電流をキャパシタが供給することにより、キャパシタから大きな電流が流れて、キャパシタの出力電圧（インバータの入力電圧）が急速に下がった場合であっても、変調率係数を上昇させ、変調率を上昇させることにより、速やかにインバータ出力電圧を上昇させることができるため、インバータの出力電圧が大きく変動することを防止できる。

ここで、インバータの出力電圧実効値をフィードバックして変調率を変化させていたのでは、遅れが生じるためインバータの出力電圧の変動を十分防止することができないのに対し、本発明では、インバータに入力する直流電圧を計測し、それが低下した時に変調率係数を用いて速やかに変調率を変化させているため、インバータへの入力電圧の降下に対して迅速に対応できる。
（１）では、変調率係数を入力電圧に基づいて算出しているが、入力電圧と変調率係数とをマップで記憶しておき、マップを用いて変調率係数を取得しても良い。

（２）（１）に記載する発電機において、前記変調率係数の変化を、前記ＰＷＭ制御の搬送波の周期で行うこと、を特徴とする。負荷を始動した時に発生する突入電流は、一般的には、４秒以内に定常電流値に戻る。その４秒間において、搬送波（数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ）の周期毎に変調率を変化させているため、迅速に対応することができ、インバータの出力電圧が大きく変動することを防止できる。

（３）（１）または（２）に記載する発電機において、前記変調率を、前記インバータの出力電圧実効値と、前記発電機の設定電圧との大小関係で判断して、補正すること、前記変調率の補正を、前記ＰＷＭ制御の基本波の周期毎に行うこと、を特徴とする。負荷の稼働が定常状態の時には、出力電流によって出力電圧が下がってしまう。本発明では、変調率を、インバータの出力電圧実効値と、発電機の設定電圧との大小関係を判断して、補正しているので、例えば、負荷電流による出力電圧の降下を補正できるため、インバータの出力電圧を維持することができる。

本発明の１実施例である発電機１０の構成を示す図である。発電機１０の作用、効果を示すデータ図である。従来の発電機の作用、効果を示すデータ図である。インバータ制御手段１８１の内容を示すフローチャートである。

本発明の発電機１０の一実施の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。図１に、発電機１０の基本構成を示す。
エンジン１２の駆動軸に、交流電流を発電するオルタネータ１１が接続している。エンジン１２には、エンジン制御装置であるＥＣＵ１３が接続している。
オルタネータ１１には、交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４が接続している。コンバータ１４には、直流電流を蓄電するキャパシタ１６、及び直流電流を任意の周波数の交流電流に変換し、負荷１７に供給する三相インバータ１５が接続している。キャパシタ１６は、三相インバータ１５にも接続している。三相インバータ１５には、負荷１７が接続されている。
三相インバータ１５、ＥＣＵ１３には、制御装置１８が接続している。発電機１０は、オルタネータ１１、エンジン１２、ＥＣＵ１３、コンバータ１４、三相インバータ１５、キャパシタ１６、及び制御装置１８を備えている。

三相インバータ１５は、入力電圧を計測する電圧センサを備え、計測された入力電圧は、制御装置１８に読み込まれる。制御装置１８は、インバータ制御手段１８１を有している。
インバータ制御手段１８１の内容を、図４にフローチャートで示し、説明する。スタートした後、インバータ入力電圧の計測、具体的には、三相インバータ１５の電圧センサが計測した電圧値を読み込む（Ｓ１１）。この読み込みは、三相インバータ１５のＰＷＭ制御の三角波（数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ）の周期毎に行っている。

次に、変調率係数を算出する（Ｓ１２）。変調率係数は、計測した入力電圧をＶＩとし、三相インバータ１５の定格入力電圧をＶＴとした時に、基礎変調率／ＶＴで算出する。
ここで、基礎変調率は、三相インバータ１５への定格入力電圧ＶＴ＝４００Ｖとしたときに、出力電圧実効値２００Ｖが出力されるときの変調率であり、具体的には、７０．７％（０．７０７）としている。
次に、前回の変調率補正値計算から基本波（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波）の１周期分の時間が経過したか否か判断する（Ｓ１４）。時間が経過していなければ（Ｓ１４；ＮＯ）、Ｓ２２に進む。Ｓ２２では、変調率を、変調率＋補正値として算出する。ここで、三相インバータ１５への入力電圧が変化した時には、Ｓ２２の変調率（Ｓ１３で求めた変調率）が変化するため、数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数に対応する周期で速やかに変調率を変化させることができる。

一方、Ｓ１４において、１周期分の時間が経過していれば（Ｓ１４；ＹＥＳ）、三相インバータ１５の出力電圧実効値が設定電圧値を越えているか否か判断する（Ｓ１５）。出力電圧実効値が設定電圧を越えていれば（Ｓ１５；ＹＥＳ）、現在の補正値から所定のステップ数をマイナスして新たな補正値とする（Ｓ１６）。出力電圧実効値が設定電圧を越えていなければ（Ｓ１５；ＮＯ）、現在の補正値に所定のステップ数をプラスして新たな補正値とする（Ｓ１７）。
次に、新たな補正値が補正最大値を越えていないか判断し（Ｓ１８）、越えている場合には（Ｓ１８；ＹＥＳ）、補正値を補正最大値とする（Ｓ２０）。越えていなければ（Ｓ１８；ＮＯ）、補正値が補正最小値より小さいか否か判断する（Ｓ１９）。補正値が補正最小値より小さい場合には（Ｓ１９；ＹＥＳ）、補正値を補正最小値とする（Ｓ２１）。補正値が補正最小値より小さくない場合には（Ｓ１９；ＮＯ）、補正値は、Ｓ１６またはＳ１７で算出された値とする。
次に、現在の変調率に新たな補正値を加算したものを新たな変調率とする（Ｓ２２）。

次に、上記構成を有する発電機の作用及び効果について説明する。
始めに、従来の発電機の作用及び効果について説明する。図３に変調率を一定とした場合の従来の作用を示す。いずれのグラフも横軸は時間経過を示し、Ｔ１は負荷投入タイミングを示し、Ｔ２はキャパシタ１６への充電開始タイミングを示す。
（ａ）の縦軸は三相インバータ１５への入力電圧値または入力電流値を示し、Ａは入力電流値を示し、Ｂは入力電圧値を示す。また、（ｂ）の縦軸は変調率の変化を示し、（ｃ）の縦軸は三相インバータ１５の出力電圧実効値を示し、（ｄ）の縦軸は負荷電力を示す。

（ｄ）に示すように、負荷１７、例えば建築現場において、送風機用のモータがＴ１のタイミングで始動された場合、始動後突入電力が５秒程度の期間、最大電力値７０００Ｗ流れる。
この負荷に対して、（ａ）のＡに示すように、突入電流が３秒程度の期間、最大電流値１５Ａ流れる。この電流は主として、キャパシタ１６から供給される。キャパシタ１６は数秒間突入電流を流すのには適しているが、Ｂに示すように、電流値が増加すると共に、定格電圧４００Ｖから２７０Ｖ程度まで急速に降下する。
これにより、（ｃ）に示すように、三相インバータ１５の出力電圧実効値が定格電圧実効値である２００Ｖｒｍｓから１３０Ｖｒｍｓまで急速に降下する。負荷が排水ポンプの場合には、あまり問題とはならないが、照明で使用している場合には、瞬間的に暗くなるため、使用上問題となる。

Ｔ３は、キャパシタ１６の充電が完了したタイミングを示す。Ｔ２のタイミングから、負荷１７が定常状態となり、コンバータ１４の電力に余裕が生じるため、キャパシタ１６の充電が開始される。（ｃ）に示すように、キャパシタ１６の電圧は充電されていくに連れて上昇する。Ｔ３以降は、負荷電流による電圧降下分だけ低い電圧が三相インバータ１５から出力され、定格電圧である２００Ｖを維持できない場合がある。

次に、本発明の発電機１０の作用及び効果について図２を用いて説明する。図２においては、いずれのグラフも横軸は時間経過を示し、Ｔ１は負荷投入タイミングを示し、Ｔ２はキャパシタ１６への充電開始タイミングを示す。
（ａ）の縦軸は三相インバータ１５への入力電圧値または入力電流値を示し、Ａは入力電流値を示し、Ｂは入力電圧値を示す。また、（ｂ）の縦軸は変調率の変化を示し、（ｃ）の縦軸は三相インバータ１５の出力電圧実効値を示し、（ｄ）の縦軸は負荷電力を示す。

（ｄ）に示すように、負荷、例えば、建築現場における送風機用のモータがＴ１のタイミングで始動された場合、始動後突入電力が５秒程度の期間、最大電力値７０００Ｗ流れる。
この負荷に対して、（ａ）のＡに示すように、突入電流が３秒程度の期間、最大電流値１５Ａ流れる。この電流は主として、キャパシタ１６から供給される。キャパシタ１６は数秒間突入電流を流すのには適しているが、Ｂに示すように、電流値が増加すると共に、定格電圧４００Ｖから２７０Ｖ程度まで急速に降下する。
三相インバータ１５への入力電圧が４００Ｖから２７０Ｖ程度まで急速に降下するが、図４のフローチャートに示すように、三相インバータ１５への入力電圧が降下すると、インバータ入力電圧を計測し（Ｓ１１）、変調率係数を算出し（Ｓ１２）、変調率＝入力電圧×変調率係数として処理し（Ｓ１３）、その変調率で三相インバータ１５を制御する。

ここで、変調率係数は、計測した入力電圧をＶＩとし、三相インバータ１５の定格入力電圧をＶＴとした時に、基礎変調率／ＶＴで算出する。
ここで、基礎変調率は、三相インバータ１５への定格入力電圧ＶＴ＝４００Ｖとしたときに、出力電圧実効値２００Ｖが出力されるときの変調率であり、具体的には、７０．７％（０．７０７）としている。
（ｂ）に示すように、変調率は、１００％を越える場合もある。これは過変調制御と呼ばれ、歪が出る問題があるが、本実施例のように、短い時間では歪は問題とならない。
入力電圧が急速に降下した場合に、変調率を（ｂ）に示すように、迅速に上昇できるため、（ｃ）に示すように、三相インバータ１５の出力電圧実効値が定格電圧実効値である２００Ｖｒｍｓから１８０Ｖｒｍｓまでの降下で抑えることができる。
これにより、負荷の始動時に突入電力が流れても、三相インバータ１５の出力実効電圧値がわずかしか降下しないため、照明が瞬間的にでも暗くなることがない。

Ｔ３は、キャパシタ１６の充電が完了したタイミングを示す。Ｔ２のタイミングから、負荷１７が定常状態となり、コンバータ１４の電力に余裕が生じるため、キャパシタ１６の充電が開始される。（ｃ）に示すように、キャパシタ１６の電圧は充電されていくに連れて上昇する。
Ｔ２以降の期間では、図４のフローチャートのＳ１４からＳ２１のステップが実行されており、変調率を、インバータの出力電圧実効値と、発電機の設定電圧との大小関係で判断して、補正しているので、例えば、負荷電流による出力電圧の降下分を、補正できるため、インバータの出力電圧を一定に維持することができる。

以上詳細に説明したように、本実施例の発電機によれば、
（１）エンジン１２により駆動され交流電流を発電するオルタネータ１１と、オルタネータ１１が発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータ１４と、コンバータ１４で変換された直流電流を蓄電するキャパシタ１６と、コンバータ１４で変換された直流電流とキャパシタ１６に充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給する三相インバータ１５とを有し、三相インバータ１５が、ＰＷＭ制御における変調率を変化させることにより、負荷に供給する交流電流を制御する発電機１０において、三相インバータ１５へ入力するインバータ入力電圧を計測し、インバータ入力電圧に変調率係数を乗じること、変調率係数は、基礎変調率に、インバータの定格入力電圧／入力電圧を乗じたものであること、を特徴とするので、負荷１７を始動した時に発生する突入電流をキャパシタ１６が供給することにより、キャパシタ１６から大きな電流が流れて、キャパシタ１６の出力電圧（インバータの入力電圧）が急速に下がった場合であっても、変調率係数を上昇させ、変調率を上昇させることにより、速やかにインバータ出力電圧を上昇させることができるため、三相インバータ１５の出力電圧が大きく変動することを防止できる。

ここで、三相インバータ１５の出力電圧実効値をフィードバックして変調率を変化させていたのでは、遅れが生じるためインバータの出力電圧の変動を十分防止することができないのに対し、本実施例では、三相インバータ１５に入力する直流電圧を計測し、それが低下した時に変調率係数を用いて速やかに変調率を変化させているため、三相インバータ１５への入力電圧の降下に対して迅速に対応できる。
本実施例では、変調率係数を入力電圧に基づいて算出しているが、入力電圧と変調率係数とをマップで記憶しておき、マップを用いて変調率係数を取得しても良い。

（２）（１）に記載する発電機１０において、変調率係数の変化を、ＰＷＭ制御の搬送波の周期（数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ）で行うこと、を特徴とする。負荷１７を始動した時に発生する突入電流は、一般的には、４秒以内に定常電流値に戻る。その４秒間において、搬送波（数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ）の周期毎に変調率を変化させているため、迅速に対応することができ、インバータの出力電圧が大きく変動することを防止できる。

（３）（１）または（２）に記載する発電機において、変調率を、三相インバータ１５の出力電圧実効値と、発電機１０の設定電圧との大小関係で判断して、補正すること、変調率の補正を、ＰＷＭ制御の基本波（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の周期毎に行うこと、を特徴とする。負荷１７の稼働が定常状態の時には、負荷電流により出力電圧が降下する。本実施例では、変調率を、三相インバータ１５の出力電圧実効値と、発電機１０の設定電圧（本実施例では、２００Ｖｒｍｓ）との大小関係で判断して、補正しているので、例えば、負荷電流よる出力電圧の降下分を、補正できるため、三相インバータ１５の出力電圧を一定に維持することができる。

本発明の発電機１０については、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
例えば本実施例では、搬送波の周期を用いて三相インバータ１５の入力電圧計測、変調率の変更を行っているが、搬送波の周波数より高周波の周波数であれば、他の周波数を用いて制御を行っても良い。
また、三相インバータ１５の出力電圧実効値と設定電圧との大小関係の判断を基本波の周期で行っているが、同程度の周期であれば、他の周波数の周期を用いても良い。

１０発電機
１１オルタネータ
１２エンジン
１４コンバータ
１５三相インバータ
１６キャパシタ
１７負荷
１８制御装置
１８１インバータ制御手段

Claims

エンジンにより駆動され交流電流を発電するオルタネータと、前記オルタネータが発電した交流電流を直流電流に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電流を蓄電するキャパシタと、前記コンバータで変換された直流電流と前記キャパシタに充電された電荷を任意の周波数の交流電流に変換し負荷に供給する三相インバータとを有し、
前記三相インバータが、ＰＷＭ制御における変調率を変化させることにより、前記負荷に供給する前記交流電流を制御する発電機において、
前記三相インバータへ入力する三相インバータ入力電圧を計測し、前記三相インバータ入力電圧に変調率係数を乗じることにより前記変調率を求めること、
前記変調率係数は、基礎変調率／定格入力電圧で算出すること、
を特徴とする発電機。
請求項１に記載する発電機において、
前記変調率係数の変化を、前記ＰＷＭ制御の搬送波の周期で行うこと、
を特徴とする発電機。
請求項１または請求項２に記載する発電機において、
前記変調率を、前記三相インバータの出力電圧実効値と、前記発電機の設定電圧との大小関係で判断して、補正すること、
前記変調率の補正を、前記ＰＷＭ制御の基本波の周期毎に行うこと、
を特徴とする発電機。