KR19980018210A - 가반형 전원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가반형 전원 장치는 3 상 출력 권선을 가지는 자석 발전기를 구비한다. 이 자석 발전기의 출력 주파수에 동기하여 동기 신호가 형성된다. 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로는 상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성한다. 브리지 구동 회로는 상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 동기 신호 형성 회로로부터의 상기 동기 신호에 기초하여 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시킨다. 출력 전압 검출 회로는 상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로의 출력 전압을 검출한다. 출력 전압 조정 회로는 상기 검출된 출력 전압을 설정 목표 전압과 비교하여 상기 출력 전압이 거의 일정치로 유지되도록 상기 브리지 구동 회로를 제어한다.

Description

가반형 전원 장치

본 발명은 상용 주파수등의 단상 교류 전원을 출력하는 가반형 전원 장치에 관한 것으로, 특히 사이클로컨버터를 이용한 가반형 전원 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 비상용이나 옥외 작업, 여가생활등에 이용되는 가반형 전원 장치로서 예컨대, 소형 엔진과 동기 발전기를 조합시킨 것이 많이 이용된다.

그러나, 이러한 종래의 엔진 발전기는 출력 주파수가 엔진 회전수에 의존한다. 따라서, 2극(bipolar) 발전기의 경우에는 50Hz(또는 60Hz)의 교류 출력을 수득하기 위해서 엔진 회전수를 3000rpm(또는 3600rpm)으로 유지하여야 하며, 엔진 회전수가 비교적 낮아서 운전 효율이 그다지 좋지 않고, 또한 발전기를 크게하지 않을 수 없기 때문에, 전체 중량도 매우 크게 되어 버리는 문제가 있었다.

이러한 문제에 대하여 최근에는, 엔진 회전수가 비교적 높게 작동하여 발전기로부터 고출력의 교류 전력을 수득하고, 이 교류 전력을 일단 직류로 변환한 후에 인버터 장치에 의해서 상용 주파수의 교류로 변환 출력하는 소위 인버터식 발전기도 보급되기 시작하고 있다.(이 관련 출원으로서, 예컨대, 본 출원인에 의한 일본국 특허 공개 공보 평7-67229호나 일본국 특허 공개 공보 평4-355672호가 있다)

그런데, 상기 인버터식 발전기에는 교류 출력을 일단 직류로 변환하기 위한 직류 변환부와 이 직류 전력을 다시 미리 설정된 주파수의 교류로 변환하기 위한 교류 변환부인 2 개의 전력 변환부가 요구되고, 또한 직류 전력을 일단 저장해야하는 회로부가 요구되고, 고가의 전력용 회로 부품을 이용하지 않을 수 없으며, 이것에 의해 발전기의 다른 소형 경량화는 곤란함과 동시에 제조 비용이 높아지는 문제가 있었다.

또한, 종래의 일정 주파수의 교류 전력을 다른 주파수의 교류 전력에 직접 변환하는 장치로서 사이클로컨버터로 불리는 것이 알려져 있으며 이는 발전소등에서 이용된다.

이러한 종래의 사이클로컨버터는 통상적으로 상용 주파수의 전원 라인이나 대출력의 발전기의 출력을 입력으로 하여 이용되는 것이고(예컨대, 일본국 특허 공개 공보 소60-9429호 참조), 일반적으로는 교류 전동기의 구동용으로 이용된다.

이하, 도 1∼16을 참조하여 사이클로컨버터의 동작 원리를 설명한다.

도 1은 종래의 사이클로컨버터의 구성에 대한 일실시예를 나타내는 전기 회로도이다.

도 1을 참조하면, 사이클로컨버터(Cycloconverter) CC는, 12 개의 사이리스터 SCRk±(k=1,…,6)로 구성되고, 그 중 6 개의 사이리스터 SCRk+에 의해 구성되는 브리지 회로(이하, 정 컨버퍼라 칭함) BC1 로부터는 정(＋)의 전류가 출력되고, 나머지 6 개의 사이리스터 SCRk-로 구성되는 브리지 회로(이하, 부 컨버터라 칭함) BC2 부터는 부(-)의 전류가 출력된다.

예컨대, 내연 엔진에 의해 구동되는 27 극(이 중 3 극은 사이리스터 SCRk±의 각 게이트를 제어하는 동기 신호를 생성하기 위해 이용된다)의 3 상 발전기의 3상 교류 출력이 사이클로컨버터 CC에 입력된 경우에, 클랭크축(1) 회전에 대해 9 사이클의 교류가 수득된다. 그리고, 엔진 회전수의 범위를 예컨대, 1200rpm∼4500rpm(즉, 20Hz∼75Hz)으로 설정한다면, 상기 3 상 교류 출력의 주파수는 엔진 회전수의 9 배인 180Hz∼675Hz가 된다.

상기 3 극의 코일(이하, 이 코일을 서브 코일이라 칭하고, 다른 코일을 메인 코일이라 칭함)에서 수득되는 3 상 전류(U 상, V 상 및 W 상의 각 전류)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 6 개의 포토커플러 PCk(k=1,…,6)의 각 1 차측 발광 다이오드(LED)와 6 개의 다이오드 Dk(k=1,…,6)로 구성되는 브리지형의 3 상 전파 정류 회로 FR에 공급된다. 이 3 상 전파 정류 회로 FR에 의해 전파 정류된 3 상 전류는 1 차측 LED에 의해 광으로 변환되고, 이 광출력은 포토커플러 PCk의 각 2 차측 광 센서(도시 생략)에 의해 전류로 변환된다. 즉, 3 상 전파 정류 회로 FR에 의해 전파 정류된 3 상 전류에 따른 전류가 2 차측 광 센서에 의해 취출된다. 그리고 이 취출된 전류는 후술하는 바와 같이, 사이리스터 SCRk±의 각 게이트의 제어각(점호)α을 제어하는 동기 신호(예컨대, 톱니파)를 생성하기 위해서 이용된다.

도 3은 도 1 또는 2의 U 상, V 상 및 W 상 사이에 인가되는 전압의 추이 및 포토커플러 PCk가 턴온하는 타이밍을 나타내는 도면이다.

각 선간 전압(U-V, U-W, V-W, V-U, W-U, W-V)이, 도 3과 같이 변화했을 때에, 3 상 전파 정류 회로 FR에 의해 전파 정류된 출력 파형은 메인 코일로부터 수득되는 각 선간 전압 파형 주기의 1/6이 된다. 예컨대, 위상각이 60°∼120°일 때 즉, U-V 간 전압이 다른 선간 전압에 비하여 가장 높을 때, 포토커플러 PC1 및 PC5는 쌍으로 온(다른 포토커플러는 오프)되기 때문에, 3 상 전파 정류 회로 FR로부터는 U-V간 전압에 따른 전압이 출력된다. 즉, 3 상 전파 정류 회로 FR로부터는 각 선간 전압의 최대치에 따른 전압이 출력되기 때문에, 이 전압의 주기는 60°가 되어 메인 코일의 전압의 주기 360°에 대하여 1/6이 된다.

또한, 도 3에는 사이리스터 SCRk±의 각 게이트의 점호(turn on) 타이밍의 제어 범위를 나타내고, 각 게이트의 점호각을 120°∼0°의 범위에서 제어하는 예가 후술하는 2 개의 점호 타이밍의 구체예(점호각 120°, 60°)와 함께 나타낸다.

이 타이밍에 따라서, 사이클로컨버터 CC로부터 전류를 출력할 때에, 정 컨버터 BC1의 각 게이트를 점호하는 한편, 사이클로컨버터 CC에 전류를 흡수(공급)할 때에는 부 컨버터 BC2의 각 게이트를 점호한다.

또한, 점호는 말할 필요도 없이, 동일 도면에 나타내는 범위에 걸쳐서 계속하여 행할 필요가 없고, 예컨대, 동일 도면의 사선으로 나타내는 타이밍(점호각α=120° 또는 60°)으로 소정의 펄스를 게이트에 인가함으로써, 상기의 동작이 수득된다.

도 4a∼4d는 상기 도시된 점호각α=120°,60°의 타이밍으로 정 또는 부 컨버터 BC1, BC2의 각 사이리스터 SCRk±를 점호했을 때에 각각 사이클로컨버터CC로부터 출력되는 파형의 예를 나타내는 도면이다.

도 4a는 점호각α=120°에서 정 컨버터 BC1의 각 사이리스터 SCRk+를 점호했을 때에 사이클로컨버터 CC로부터 출력되는 파형을 나타내고, 도 4b는 점호각α=120°에서 부 컨버터 BC2의 각 사이리스터 SCRk-를 점호했을 때에 사이클로컨버터CC로부터 출력되는 파형을 나타내며, 도 4c는 점호각α=60°에서 정 컨버터 BC1의 각 사이리스터 SCRk+를 점호했을 때에 사이클로컨버터 CC로부터 출력되는 파형을 나타내고, 도 4d는 점호각α=60°에서 부 컨버터 BC2의 각 사이리스터 SCRk-를 점호했을 때에 사이클로컨버터 CC로부터 출력되는 파형을 나타낸다.

예컨대, 점호각α=120°에서 정 컨버터 BC1의 각 사이리스트 SCRk+를 점호했을 때에, 사이클로컨버터 CC로부터 출력되는 파형은, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 전파 정류 파형이 된다. 또한, 점호각α=60°에서 정 컨버터 BC1의 각 사이리스터SCRk+를 점호했을 때에, 사이클로컨버터 CC로부터 출력되는 파형은, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 다량의 고조파 성분을 함유하는 파형이 되지만, 사이클로컨버터 CC의 출력측에 저역 필터를 접속하면, 이 고조파 성분은 제거되어, 그 평균 전압이 출력된다. 전술한 바와 같이, 입력 발전기를 27 극의 3 상 발전기로 하여 엔진 회전수를 3600rpm으로 설정하면, 고조파의 기본파 주파수는 다음과 같이 된다.

60Hz(=3600rpm)×9배파×3상×2(반파(=1전파))=3.24kHz.

그리고, 정 컨버터 BC1의 점호각 α를 0°∼120°의 범위로 변화시킴으로써, 사이클로컨버터 CC는 평균 전압이 0V 내지 정 전파 정류 전압의 범위내의 임의의 정 전압을 출력할 수 있다. 또한, 부 컨버터 BC2의 도통각 α도 동일하게 변화시킴으로써, 사이클로컨버터 CC는 평균 전압이 0V 내지 부 전파 정류 전압의 범위내의 임의의 부 전압을 출력할 수 있다.

다음에, 점호각 α를 0°∼120°의 범위로 변화시키는 방법을 설명한다.

도 5는 점호각 α를 제어하기 위해서 생성된 기준 톱니파를 나타내는 도면이고, 동일 도면의 기준 톱니파는 상기 도 2의 포토커플러 PCk의 2 차측 광 센서로 검출된 전류에 기초하여 생성된다.

정 컨버터 BC1의 사이리스터 SCR1+에 대응하는 기준 톱니파는 위상각이 120°∼0°의 범위로 전압이 변화하고, 위상각=0°일 때에 0V가 되는 톱니파가 대응한다. 그리고, 60°씩 위상차를 갖는 톱니파가, 각각 사이리스터 SCR1+, 6+, 2+, 4+, 3+, 5+의 순으로 각 사이리스터 SCRk+에 대응한다.

한편, 부 컨버터 BV2의 사이리스터 CR1-에 대해서는, 상기 사이리스터 SCR1+와 상하 대칭으로 위상이 180° 벗어난 톱니파를 생성한다. 그리고, 정 컨버터 BC1과 동일하게, 60°씩 위상차를 갖는 톱니파가, 각각 사이리스터 SCR1-, 6-, 2-, 4-, 3-, 5-의 순으로 각 사이리스터 SCRk-에 대응한다.

이와 같이, 기준 파형은 정 및 부 컨버터 BC1, BC2의 각 사이리스터 SCRk±에 대응한 12 개의 톱니파에 의해 구성된다. 이들 톱니파는 목표 파형 r과 12 계통의 비교기(도시 생략)에 의해 각각 비교되고, 그 교점(예컨대, 사이리스터 SCR1+에서는 점 T0)이 각 사이리스터 SCRk±의 점호각 α가 된다.

그리고, 목표파로서 정현파를 채택하여, 점호각 α를 정현파형으로 변화시킴으로써, 도 6에 나타내는 바와 같이, 사이클로컨버터 CC로부터 정현파 출력을 수득할 수 있다. 입력 파형의 주파수가 예컨대, 540Hz이고, 이 입력 파형으로부터 50Hz의 정현파 출력을 수득할 때에는 입력 정현파의 일부를 약 65 개 결합시킨 파형이 된다.

상기 사이클로컨버터를 이용한 전원 장치의 경우는, 사이클로컨버터의 출력을 이와 같이 정현파형의 단상 교류로서 이용할 경우에 사이클로컨버터는 에너지를 축적하는 개소를 갖고 있지 않기 때문에, 사이클로컨버터의 입력 에너지도 정현파형으로 변화하게 된다.

따라서, 사이클로컨버터의 입력측에 소형 출력 예컨대, 수백∼수 kW의 발전기를 접속하여 단상의 정현파를 출력할 경우에는 정현파의 피크 부분 이외에 입력 에너지를 이용할 수 없는 것이므로 이용 효율이 매우 나쁘고, 단상 교류로서 취출되는 출력이 매우 작아져 버린다.

특히, 상기 소형 출력의 발전기로서 자석 발전기를 이용할 경우에는, 그 에너지에 한계가 있기 때문에 예컨대, 전동기 부하를 접속한 경우의 시동시의 일시적인 대전류로도 과부하 상태가 되어 운전 불능이 되는등의 문제가 발생하였다.

또한, 상기 종래의 사이클로컨버터CC에서는 그 입력측에 소형 출력, 예컨대 수백∼수kW 출력의 발전기를 접속하면, 전력 용량의 관계로부터 대부하시의 출력 전압 저하가 커지고, 특히 발전기로서 자석 발전기를 채용했을 때에는 출력 전압의 수하가 큰 문제가 발생하고 있었다.

도 7은 사이클로컨버터 CC로부터 교류(AC) 230V의 출력을 수득할 경우에, 각 사이리스터 SCRk±에 인가되는 전압을 나타내는 도면이고, 동일 도면의 발전기 G에는 자석 발전기를 채용한다.

상술한 바와 같이, 자석 발전기의 부하 특성은 전압의 수하가 크기 때문에, 사이클로컨버터 CC로부터 AC 230V 출력을 수득하기 위해서는, 무부하시의 선간 전압이 피크치로 600Vp에 달한다. 이때, 동일 도면에 나타낸 바와 같이, 사이리스터SCR1+, SCR6+가 쌍으로 온하고 있는 상태에서, 출력 전압이 AC 230V의 피크치를 나타내고 있을 때에는 사이리스터 SCR5+에 인가되는 전압 Vscr은 다음과 같이 된다.

Vscr=230×√2Vp+600Vp=925V

한편, 일반적으로 입수가능한 소형 사이리스터의 내압은 600V 정도이기 때문에 이 소형 사이리스터를 이용하고 있는 한 사이클로컨버터 CC로부터 AC 230V의 출력을 취출할 수 없다.

본 발명의 제 1 목적은 더욱 소형 경량화를 도모하는 동시에 제조 비용을 절감하고 또한, 소형 발전기이면서도 비교적 큰 출력을 취출하는 것이 가능한 가반형 전원 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 제 2 목적은 사이클로컨버터의 입력측에 소형 출력 용량의 발전기를 접속한 경우에, 일시적인 과부하 상태가 발생하여도 무리없이 운전을 계속시키는 것이 가능한 가반형 전원 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 제 3 목적은 사이클로컨버터의 입력측에 소형 출력 용량의 발전기를 접속할 경우에도, 이 사이클로컨버터를 내압성이 높지 않은 소형 사이리스터로 구성하고, 또한 가급적 큰 출력을 수득하는 것이 가능한 가반형 전원 장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 사이클로컨버터의 구성의 일실시예를 나타내는 전기 회로도이다.

도 2는 브리지형 3 상 전파 정류 회로의 구성을 나타내는 전기 회로도이다.

도 3은 도 1 또는 도 2의 U 상, V 상 및 W 상 사이에 인가되는 전압의 추이, 포토커플러가 온하는 타이밍 및 사이리스터 각각의 게이트를 점호시키는 타이밍을 나타내는 도면이다.

도 4a∼4d는 도통각 α=120°,60°로 정 또는 부 컨버터의 사이리스터 각각을 점호했을 때에 사이클로컨버터로부터 출력되는 파형을 나타내는 도면이다.

도 5는 도통각을 제어하기 위해 생성된 기준 톱니파를 나타내는 도면이다.

도 6은 도 1의 사이클로컨버터에 의해 생성된 50Hz의 정현파를 나타내는 도면이다.

도 7은 도 1의 사이클로컨버터로부터 AC 230V의 출력을 수득할 경우에, 사이리스터 각각에 인가되는 전압을 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 전원 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.

도 9a는 도 8의 교류 발전기의 횡단면도이다.

도 9b는 도 1의 교류 발전기의 종단면도이다.

도 10은 도통각을 제어하기 위해 생성된 기준 톱니파를 나타내는 도면이다.

도 11은 도통각을 120°∼-60°로 했을 때에 발생되는 문제를 설명하기 위한 도면이다.

도 12a∼도 12c는 도 8의 전원 장치에 의해 생성된 50Hz 의 출력 파형의 일예를 나타내는 도면이다.

도 13은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 전원 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.

도 14a, 14b는 도 13의 정 상단 및 하단 컨버터의 사이리스터 SCRk+ 각각의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파의 일실시예를 나타내는 도면이다.

도 15a,15b는 도 13의 부 상단 및 하단 컨버터 BC2의 각 사이리스터 SCRk-의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파의 일실시예를 나타내는 도면이다.

도 16a는 도 13의 전원 장치의 상단 및 하단 컨버터에 의해 생성된 전압 파형의 일실시예를 나타내는 도면이다.

도 16b는 동일 하단 반파 컨버터에 의해 생성된 전원 장치의 일실시예를 나타내는 도면이다.

도 16c는 상단 컨버터와 하단 컨버터의 합성 파형이다.

도 17은 도 13의 사이클로컨버터로부터 AC 230V의 출력 수득할 경우에, 사이리스터 각각에 인가되는 전압을 나타내는 도면이다.

상기한 제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 기술적 사상에 의한 가반형 전원 장치는,

3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

상기 자석 발전기의 출력 주파수에 동기하는 동기 신호를 형성하는 동기 신호 형성 회로;

상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성하는 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로;

상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를, 상기 동기 신호 형성 회로로부터의 상기 동기 신호에 기초하여 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로;

상기 1쌍의 가변 제어 브리지 회로의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 회로; 및

상기 검출된 출력 전압을 설정 목표 전압과 비교하여 상기 출력 전압이 거의 일정치로 유지되도록 상기 브리지 구동 회로를 제어하는 출력 전압 조정 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자, 해당 자극은 상기 3 상의 출력 권선이 권장된 자극과 그 외의 자극으로 구성되며, 상기 동기 신호는 상기 자극 중 상기 그 외의 자극에 권장한 신호 권선으로부터 취출하는 것이 바람직하다.

또, 상기 자석 발전기는 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 상기 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것이 보다 바람직하다.

상기한 제 2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 기술적 사상에 의한 가반형 전원 장치는,

3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성하는 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로;

상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로;

상기 제어 가변 브리지 회로의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 회로;및

상기 가변 브리지 회로의 출력 전압 파형을 상기 부하가 증대함에 따라 정현파에서 최대 진폭이 출력 전압으로 제어되는 직사각형파로 변화시키는 파형 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자를 갖는 동시에 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 제 2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 기술적 사상에 따른 가반형 전원 장치는,

3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 급전되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성하는 1쌍의 가변 제어 브리지 회로;

상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로; 및

상기 가변 브리지 회로를 동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 구동 신호의 목표 파형을 형성하는 목표 파형 형성 수단으로서, 상기 목표 파형을 상기 부하가 증대함에 따라서 정현파에서 직사작형파로 변화시키는 목표파 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 목표파 형성 수단은 상기 사이클로컨버터의 출력 전압과 설정 전압과의 비교 결과에 기초하여 상기 목표 파형의 진폭을 변화시키는 동시에, 이 진폭의 상한 또는 하한을 제어함으로써, 상기 목표 파형을 정현파에서 직사각형파로 변화시키는 것이 바람직하다.

또, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자를 갖는 동시에 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것이 보다 바람직하다.

상기한 제 3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 기술적 사상에 의한 가반형 전원 장치는,

중성점을 갖는 3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

상기 자석 발전기의 출력 주파수에 동기하는 신호를 형성하는 동기 신호 형성 회로;

상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되는 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 단상 교류 전류 출력측을 갖는 사이클로컨버터를 구성하는 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로로서, 상기 단상 교류 전류 출력측에 형성한 중성점과 상기 3 상 권선의 중성점이 접속되어 반파 컨버터를 2 단 겹친 구성을 가지며, 배전압 정류 동작하는 가변 제어 브리지; 및

상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가변 제어 브리지 회로를 구성하는 2 개의 반파 컨버터의 각 측의 출력 전압 파형과 이것에 대응하는 측의 목표 파형을 비교하여 상기 각 측의 출력 파형이 상기 각 측의 목표 파형에 가깝도록 상기 2 개의 반파 컨버터를 각각 제어하는 제어 수단을 갖는 것이 바람직하다.

또, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자를 갖는 동시에 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것이 보다 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상기한 본 발명에 따른 특징 및 잇점들을 상세히 설명한다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 전원 장치의 제어등을 포함하는 개략적인 구성을 나타내는 블록도이고, 도면 중 상기 도 1∼7에 대해서는 종래기술에서 설명한 요소에 대응하는 구성 요소에 동일 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

도 8에 있어서, 부호 1 및 2는 각각 교류 발전기의 고정자에 독립하여 권장(wound)된 출력 권선이고, 1은 3 상 주출력 권선(메인 코일)이며, 2는 3 상 부출력 권선(서브 코일)이다.

도 9a, 9b는 각각 교류 발전기의 횡·종단면도이고, 동일 도면에 있어서, 3상 메인 코일(1)은 영역(A1)내의 21 극의 코일로 구성되고, 3 상 서브 코일(2)은 영역(A2)내의 3 극 코일로서 구성된다. 그리고, 회전자 R에는 8 쌍의 영구 자석의 자극이 형성되고, 내연 엔진(도시 생략)에 의해서 회전 구동되도록 구성된다.

다시, 도 8을 참조하면, 3 상 메인 코일(1)의 3 개의 출력단 U, V, W는 각각 정 및 부 컨버터 BC1, BC2의 입력단 U, V, W에 접속되고, 사이클로컨버터 CC의 출력측은 그 출력 전류의 고조파 성분을 제거하기 위한 LC 필터(3)에 접속되며, 이 LC 필터(3)의 출력측은 이 출력인 고조파 성분이 제거된 전류에 따른 전압을 검출하기 위한 출력 전압 검출 회로(5)에 접속된다. 그리고, 출력 전압 검출 회로(5)의 부측 입력단에는 제어 계(system)의 접지단 GND에 접속되며, 축력 전압 검출 회로(5)의 정측 및 부측의 양입력단으로부터 단상 출력을 수득하도록 구성된다.

출력 전압 검출 회로(5)의 출력측은 이 출력 전압의 근사 실효치를 연산하여 출력하는 근사 실효치 연산 회로(8)에 접속되고, 근사 실효치 연산 회로(8)의 출력측은 비교기(9)의 부측 입력 단자에 접속된다. 비교기(9)의 정측 입력 단자에는 본 전원 장치의 기준 출력 전압치를 출력하는 기준 전압 출력 회로(10)가 접속되고, 비교기(9)의 출력측에는 이 비교 결과에 따른 제어 함수(예컨대, 1차 함수등)를 연산하여 출력하는 제어 함수 연산 회로(11)가 접속된다.

그리고, 제어 함수 연산 회로(11)의 출력측은 정현파 발진기(13)로부터 출력되는 예컨대, 상용 주파수 50Hz 또는 60Hz의 정현파의 진폭을 제어하는 진폭 제어 회로(12)에 접속되고, 진폭 제어 회로(12)에는 정현파 발진기(13)의 출력측도 접속된다. 진폭 제어 회로(12)는 제어 함수 연산 회로(11)로부터 출력된 제어 함수에 따라 정현파 발진기(13)로부터 출력되는 정현파의 진폭을 제어하는 진폭 제어 신호를 출력한다.

진폭 제어 회로(12)의 출력측은 이 출력 신호(진폭 제어 신호)에 따라 목표파를 출력하는 목표파 출력 회로(14)에 접속되고, 목표파 출력 회로(14)의 출력측에는 사이클로컨버터 CC를 구성하는 각 사이리스터 SCRk±의 게이트의 도통각을 제어하는 도통각 제어부(15) 및 비교기(16)의 정측 입력 단자에 접속된다.

도통각 제어부(15)는 정 컨버터 BC1의 각 사이리스터 SCRk+의 게이트(이하, 정 게이트라 칭함)의 도통각을 제어하는 정 게이트 제어부(15a)와, 부 컨버터 BC2의 각 사이리스터 SCRk-의 게이트(이하, 부 게이트라 칭함)의 도통각을 제어하는 부 게이트 제어부(15b)에 의해 구성된다.

각 게이트 제어부(15a,15b)는 각각 6개의 비교기(도시 생략)를 가지며, 각 비교기는 상기 도 5에서 설명한 바와 같이, 상기 목표파와 후술하는 동기 신호(기준 톱니파)를 비교하여, 양자가 일치한 시점에서 해당 게이트를 점호한다.

비교기(16)의 부측 입력 단자에는 상기 출력 전압 검출 회로(5)의 출력측이 접속되고, 비교기(16)의 출력측은 정 게이트 제어부(15a) 및 부 게이트 제어부(15b)에 접속된다. 비교기(16)는 출력 전압 검출 회로(5)로부터 출력되는 전압과 상기 목표파를 비교하여 이 비교 결과에 따라 고(H)레벨 신호 또는 저(L)레벨 신호를 출력한다.

비교기(16)로부터 H 레벨 신호가 출력되면, 정 게이트 제어부(15a)가 작동하는 한편, 부 게이트 제어부(15b)는 정지하고, L레벨 신호가 출력되면, 전과 달리, 정 게이트 제어부(15a)가 정지하고, 부 게이트 제어부(15b)는 작동하도록 구성된다.

상기 3 상 서브 코일(2)의 출력측은 예컨대, 상기 도 2의 3 상 전파 정류 회로 FR을 갖는 동기 신호 형성 회로(18)에 접속된다. 동기 신호 형성 회로(18)는 3 상 서브 코일(2)로부터의 3상 출력에 따라 도 10에 나타내는 톱니파를 형성하여 출력한다.

도 10은 각 사이리스터 SCRk±의 점호각의 제어 범위를 120°∼-60°로 했을 때에 이 범위내의 점호각 제어를 행할 수 있는 톱니파의 일실시예를 나타내는 도면이고, 동일 도면의 톱니파는, 상기 도 5의 톱니파에 대하여, 톱니파의 폭을 확대한 점이 다르다. 이와 같이, 각 사이리스터 SCRk±의 도통각의 제어 범위를 상기 종래의 사이클로컨버터 CC에 대하여 부측까지 확대한 것은 다음의 이유에 의한다.

즉, 상기 종래의 사이클로컨버터 CC에서는 그 출력 단자에 용량성의 부하가 접속되고, 부하측에 정의 전위가 있을 때에, 출력 전압을 내리는 제어를 행하면, 각 사이리스터 SCRk±의 도통각과 출력 전압과의 관계에 불연속점이 발생하고, 출력 전압을 안정하게 유지할 수 없는 경우가 있었다. 즉, 부하측에 정의 전위가 있을 때에 출력 전압을 내리기 위해서는 부하의 정 전하를 흡수할 필요가 있으며 이 때, 상기 종래의 사이클로컨버터 CC는 점호각 α를 120°∼0°의 범위로 한정하고 있기 때문에, 정 컨버터 BC1에서는 부하의 정 전하를 흡수할 수 없고 결국, 부 컨버터 BC2로 흡수하지 않으면 안되었다. 그리고, 부 컨버터 BC2에 의해서 이 정 전하를 흡수한 경우에는, 전과 같이, 부 컨버터 BC2로부터의 출력 전류는 -전류 정류 전압 내지 0V이기 때문에 부하의 정 전위는 0V까지 급격하게 내리가게 되어 출력 전압에 불연속점이 발생한다. 이때, 점호각을 120°∼-60°로 확대하면, 부 컨버터 BC2로 정 전압까지 부하의 전하를 흡수할 수 있기 때문에, 출력 전압에 불연속점이 발생하지 않으며 제어의 안정성을 유지할 수 있다.

그러나, 이와 같이 점호각을 부측까지 확대하면, 도 11에 나타낸 바와 같이, 정 및 부 컨버터 BC1,BC2의 출력 범위가 오버랩되기 때문에, 목표파 r과 해당 톱니파와의 교점이 TO1 및 TO2의 2 점이 되고, 정 또는 부 컨버퍼 BC1, BC2의 어느 하나를 선택하여 이것에 대응하는 사이리스터 SCRk±의 게이트를 점호하면 좋은지 판단할 수 없었다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는 상술과 같이, 비교기(16)의 비교 결과에 따라 정 또는 부 컨버터 BC1, BC2 중 한쪽을 선택하고 있다.

동기 신호 형성 회로(18)의 출력측은 정 게이트 제어부(15a) 및 부 게이트 제어부(15b)에 접속된다. 여기서, 동기 신호 형성 회로(18)와 각 게이트 제어부(15a 및 15b)를 접속하는 각 접속 라인은 각각 6 개의 신호선으로 구성되고, 그 각 신호선은 각각 상기 게이트 제어부(15a 및 15b)의 각 비교기에 접속되며, 각 비교기에는 상기 도 10에서 설명한 확대한 폭의 톱니파가 도 10에 나타내는 타이밍으로 공급된다.

정 게이트 제어부(15a)의 6 개의 비교기의 출력측은 각각 정 컨버터 BC1의 각 사이리스터 SCRk+의 게이트에 접속되고, 부 게이트 제어부(15b)의 6 개의 비교기의 출력측은 각각 부 컨버터 BC2의 각 사이리스터 SCRk-의 게이트에 접속된다.

또한, 본 실시 형태에서, 동기 신호 형성 회로(18)는 3 상 서브 코일(2)로부터의 3상 출력에 따라 동기 신호를 형성하도록 구성하였지만, 이것에 한하지 않고, 3 상 서브 코일(2) 대신에 단상 서브 코일을 이용하여 이 단상 출력에 따라 동기 신호(기준 톱니파)를 형성하도록 하여도 된다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 전원 장치의 동작을 설명한다.

상기 회전자 R이 엔진에 의해 회전 구동되면, 3 상 메인 코일(1)의 각 상 사이에는 전술한 바와 같이 전압이 인가된다. 그리고, 도통각 제어부(15)에 의해 사이리스터 SCRk±의 각 게이트가 점호되면, 이것에 따라서 사이클로컨버터 CC로부터 전류가 출력되고, 이 전류는 필터(3)에 의해 그 고조파 성분이 제거되며, 출력 전압 검출 회로(5)에 의해 전압이 검출된다. 이와 같이 하여, 검출된 각 전압은 근사 실효치 연산 회로(8)에 의해 그 근사 실효치 전압이 연산되어 출력된다.

이 근사 실효치 전압은 비교기(9)에 의해 기준 전압 출력 회로(10)로부터 출력된 기준 전압치와 비교되고, 그 비교 결과에 따라 제어 함수 연산 회로(11)에 의해 제어 함수(비례 함수)가 연산되어 출력된다. 구체적으로는, 제어 함수 연산 회로(11)는 비교기(9)로부터의 출력치가 증대함에 따라서 즉, 기준 전압 출력 회로(10)로부터의 기준 전압 출력과 근사 실효치 연산 회로(8)로부터의 근사 실효치와의 차가 증대함에 따라, 비례 계수(비례 정수)가 증대하는 1 차 함수를 연산하여 출력한다.

이 연산되어 출력된 제어 함수에 따라 진폭 제어 회로(12)는 정현파 발진기(13)로부터 출력된 50Hz 또는 60Hz의 정현파의 진폭을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고, 목표파 형성 회로(14)는 이 제어 신호에 따라서 목표파를 출력한다. 여기서, 목표파 형성 회로(14)로부터의 출력치에는 상하한치가 설치되고, 목표파 형성 회로(14)는 소정 상한치보다도 큰 값 또는 소정 하한치보다도 작은 값을 출력할 수 없도록 구성된다. 즉, 비교기(9)로부터의 출력치가 증대하고, 제어 함수 연산 회로(11)로부터 출력되는 비례 함수의 비례 계수가 증대함에 따라 목표파 형성 회로(14)로부터 출력되는 목표파의 형상은 정현파로부터 직사각형파로 변형된다.

목표파 형성 회로(14)로부터 출력된 목표파는 비교기(16)에 의해, 출력 전압 검출 회로(5)로부터 출력된 검출 전압과 비교되고, 목표파의 전압이 검출 전압보다도 높을 경우에는, 비교기(16)로부터 H 레벨 신호가 출력되어, 정 게이트 제어부(15a)가 작동하도록 선택되는 한편, 목표파의 전압이 검출 전압보다도 낮을 경우에는 비교기(16)로부터 L 레벨 신호가 출력되어 부 게이트 제어부(15b)가 작동하도록 선택된다.

정 게이트 제어부(15a) 또는 부 게이트 제어부(15b) 중 선택된 게이트 제어부의 각 비교기에 있어서, 목표파 형성 회로(14)로부터의 목표파와 동기 신호 형성 회로(18)로부터의 톱니파가 비교되고, 양자가 일치한 시점에서, 상기 사이리스터SCRk±의 게이트에 대하여 소정폭을 갖는 단사 펄스가 출력되어, 점호각 제어가 이루어진다.

도 12a∼12c는 본 실시 형태의 전원 장치에 의해 생성된 50Hz의 출력 파형의 일실시예를 나타내는 도면이고, 도 12a는 무부하시의 출력 파형을 나타내고, 도 12b는 정격 부하시의 출력 파형을 나타내며, 도 12c는 과부하시의 출력 파형을 나타낸다.

동일 도면에 도시된 바와 같이, 예컨대, 일시적인 과부하가 발생하면, 그 과부하의 상태에 따라서, 즉 상기 기준 전압 출력 회로(10)로부터의 기준 전압 출력과 근사 실효치 연산 회로(8)로부터의 근사 실효치와의 차에 따라서, 출력 파형은 정현파로부터 직사각형파로 변형된다.

또, 본 실시 형태에서는, 부하의 상태에 따라서 목표파의 형상을 정현파에서 직사각형파로 변형하도록 하였지만, 이것에 한하지 않고, 출력 전압이 최대 진폭으로 제한되도록 전원 장치를 구성한 경우에는 부하의 상태에 따라 목표파의 진폭을 증대시키도록 하면 된다.

이와 같이 본 실시 형태에서는 3 상 발전기의 출력 주파수의 대소에 불구하고, 이 출력 주파수를 사이클로컨버터 CC에 의해 소정 주파수로 변환하도록 하였기 때문에 즉, 전술한 인버터식 발전기와 동일하게 엔진등의 구동원의 회전수에 출력 주파수가 의존하지 않도록 하였기 때문에, 비교적 높은 회전수로 큰 출력을 취출할 수 있으며 발전기의 소형 경량화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

또한, 높은 주파수의 발전기 출력을 단상 상용 주파수등의 소정의 낮은 교류 주파수 출력으로 직접 변환하여 출력할 수 있기 때문에, 전력용 회로 부품을 대폭으로 삭감할 수 있고, 이것에 의해 제조 비용을 대폭으로 절감시킬 수 있다.

또한, 발전기로서 다극의 자석 발전기를 이용하였기 때문에, 장치 전체의 소형 경량화의 효과가 크고 또한, 동기 신호의 취출이 간단해진다.

또, 발전기의 회전자 R을 엔진의 플라이휠과 겸용할 수 있기 때문에, 전원 장치 전체가 더욱 소형 컴팩트해진다.

또한, 본 실시 형태에서는 부하가 일시적으로 커진 경우에는, 이것에 대응하여, 발전기로부터의 전입력 에너지의 상한 근접까지 출력을 높이도록 하였기 때문에 일시적인 과부하 상태가 발생한 경우에도 무리없이 운전을 계속할 수 있다.

다음에, 도 13∼17을 참조하여 본 발명의 제 2 실시 형태를 설명한다.

본 실시예는 제 1 실시예 구성에 있어서, 상기 접속점 C 즉, 단상 출력측에 형성한 중성점과 3 상 메인 코일(1)의 중성점을 접속하여 배전압 정류 동작시키고, 각 컨버터 BC1, BC2를 각각 상단 컨버터 BC1U, BC2U 및 하단 컨버터 BC1L, BC2L를 2단 겹친 구성으로 되어 있는 점이 다르다.

이것에 대응하여, 상단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A), 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5B)를 출력 전압 합성 회로(5C)와 함께 설치하여, 도통각 제어부(15)에 정 상단 게이트 제어부(15A), 부 상단 게이트 제어부(15B), 정 하단 게이트 제어부(15C), 부 하단 게이트 제어부(15D)를 설치하고 있다.

도 3은 본 발명의 실시 제 2 형태에 따른 전원 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이고, 도면 중 상기 제 8 도에서 설명한 요소에 대응하는 구성 요소에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 3상 메인 코일(1)의 3 개의 출력단 U, V, W는 각각 정 및 부 컨버터 BC1, BC2의 입력단 U, V ,W에 접속되고, 사이클로컨버터 CC의 출력측은 정 컨버터 BC1의 사이리스터 SCR1+∼SCR3+로 구성되는 반파 컨버터인 상단 컨버터(이하, 정 상단 컨버터라 칭함) BC1U 또는 부 컨버퍼 BC2의 사이리스터SCR1-∼SCR3-로 구성되는 반파 컨버터인 상단 컨버터(이하, 부 상단 컨버터라 칭 함) BC2U에 의해 생성되는 반파 전류의 고조파 성분을 제거하기 위한 LC 필터(3A) 및 정 컨버터 BC1의 사이리스터 SCR4+∼SCR6+로 구성되는 하단 컨버터(이하, 정 하단 컨버터라 칭함) BC1L 또는 부 컨버터 BC2의 사이리스터 SCR4-∼SCR6-로 구성되는 하단 컨버터(이하, 부 하단 컨버터라 칭함) BC2L에 의해 생성되는 반파 전류의 고조파 성분을 제거하기 위한 LC 필터(3B)에 접속된다. 그리고, LC 필터(3 및 4)의 접속점 C는 3 상 메인 코일(1)의 중성점에 접속되고, 이 중성점은 본 제어계의 접지단 GND로 되어 있다.

LC 필터(3A)의 출력측은 이 출력인 고조파 성분이 제거된 반파 전류에 따른 전압을 검출하기 위한 상단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A)에 접속되고, LC 필터(3B)의 출력측은 이 출력인 고조파 성분이 제거된 반파 전류에 따른 전압을 검출하기 위한 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5B)에 접속된다. 그리고, 상단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A)의 정측 입력단 및 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5B)의 부측 입력단으로부터 단상 출력을 수득하도록 구성된다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는 상기 접속점 C 즉, 단상 출력측에 형성한 중성점과 3 상 메인 코일(1)의 중성점을 접속하여 배전압 정류 동작시켰기 때문에, 각 컨버터 BC1, BC2는 각각 상단 컨버터 BC1U, BC2U 및 하단 컨버터 BC1L, BC2L을 2단 겹친 구성으로 되어 있다.

전압 검출 회로(5A,5B)의 각 출력측은 각각 검출된 전압을 합성하기 위한 출력 전압 합성 회로(5C)에 접속되고, 출력 전압 합성 회로(5C)의 출력측은 이 출력 전압의 근사 실효치를 연산하여 출력하는 근사 실효치 연산 회로(8)에 접속되며, 근사 실효치 연산 회로(8)의 출력측은 비교기(9)의 부측 입력 단자에 접속된다.

비교기(9) 내지 목표파 형성 회로(14)의 구성은 제 1 실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.

본 실시예에서는 목표파 형성 회로(14)의 출력측은 사이리스터 SCRk±의 각 게이트의 도통각을 제어하는 도통각 제어부(15) 및 비교기(16,17)의 각 정측 입력 단자에 접속된다.

도통각 제어부(15)는 정 상단 컨버터 BC1U의 사이리스터 SCR1+∼SCR3+의 각 게이트(이하, 정 상단 게이트라 칭함)의 도통각을 제어하는 정 상단 게이트 제어부(15A)와, 부 상단 컨버터 BC2U의 사이리스터 SCR1-∼SCR3-의 각 게이트(이하, 부 상단 게이트라 칭함)의 도통각을 제어하는 부 상단 게이트 제어부(15B)와, 정 하단 컨버터 BC1L의 사이리스터 SCR4+∼SCR6+의 각 게이트(이하, 정 하단 게이트라 칭함)의 도통각을 제어하는 정 하단 게이트 제어부(15C)와, 부 하단 컨버터 BC2L의 사이리스터 SCR4-∼SCR6-의 각 게이트(이하, 부 하단 게이트라 칭함)의 도통각을 제어하는 부 하단 게이트 제어부(15D)에 의해 구성된다.

각 게이트 제어부(15A∼15D)는 각각 3 개의 비교기(도시하지 않음)를 가지고, 이 각각의 비교기는 종래 기술한 도 15에 의해 설명한 바와 같이, 상기 목표파와 동기 신호(기준 톱니파)를 비교하여, 양자가 일치한 시점에서 해당 게이트를 점호한다.

비교기(16)의 부측 입력 단자에는 상기 상단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A)의 출력측이 접속되고, 비교기(17)의 부측 입력 단자에는 상기 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5B)의 출력측이 접속된다. 비교기(16)의 출력측은 정 상단 게이트 제어부(15A) 및 부 상단 게이트 제어부(15B)에 접속되고, 비교기(17)의 출력측은 정 하단 게이트 제어부(15C) 및 부 하단 게이트 제어부(15D)에 접속된다. 비교기(16)는 상단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A)에 의해 출력되는 상단 반파 전압과 상기 목표파를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 고(H)레벨 신호 또는 저(L)레벨 신호를 출력한다. 한편, 비교기(17)도 이와 동일하게 하게 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5B)에 의해 출력되는 하단 반파 전압과 상기 목표파를 비교하고, 이 비교 결과에 따라 고(H)레벨 신호 또는 저(L)레벨 신호를 출력한다.

비교기(16)로부터 H 레벨 신호가 출력되었을 때에는 정 상단 게이트 제어부(15A)가 작동하는 한편, 부 상단 게이트 제어부(15B)는 정지하고, L 레벨 신호가 출력된 경우에는 전과 달리, 정 상단 게이트 제어부(15A)가 정지하는 한편, 부 상단 게이트 제어부(15B)는 작동하도록 구성된다. 동일하게 하여, 비교기(17)로부터 H 레벨 신호가 출력된 경우에는 정 하단 게이트 제어부(15C)가 작동하는 한편, 부 하단 게이트 제어부(15D)는 정지하고, L 레벨 신호가 출력된 경우에는 정 하단 게이트 제어부(15C)가 정지하는 한편, 부 하단 게이트 제어부(15D)는 작동하도록 구성된다.

상기 3 상 서브 코일(2)의 출력측은 예컨대, 상기 도 2의 3 상 전파 정류 회로 FR을 갖는 동기 신호 형성 회로(18)에 접속된다. 동기 신호 형성 회로(18)는 3 상 서브 코일(2)로부터의 3 상 출력에 따라 도 14a∼15b에 나타내는 톱니파를 형성하여 출력한다.

도 14a,14b는 정 컨버터 BC1의 각 사이리스터 SCRk+의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파의 일실시예를 나타내고, 도 14a는 정 상단 컨버터 BC1U의 각 사이리스터 SCRk1+∼3+의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파를 나타내며, 도 14b는 정 하단 컨버터 BC1L의 각 사이리스터 SCRk4+∼6+의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파를 나타내고 있다.

한편, 도 15a,15b는 부 컨버터 BC2의 각 사이리스터 SCRk-의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파의 일실시예를 나타내고, 도 15a는 부 상단 컨버터 BC2U의 각 사이리스터 SCRk1-∼3-의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파를 나타내며, 도 15b는 부 하단 컨버터 BC2L의 각 사이리스터 SCRk4-∼6-의 도통각 제어를 행하기 위한 톱니파를 나타내고 있다.

도 14a∼15b에 나타내는 톱니파는 상기 도 5의 톱니파에 대하여, 톱니파의 폭을 확대한 점 즉, 각 사이리스터 SCRk±의 도통각의 제어 범위를 120°∼-60°로 확대한 점이 다르다. 이와 같이, 각 사이리스터 SCRk±의 도통각의 제어 범위는 상기 종래의 사이클로컨버터 CC에 대하여 부측까지 확대한 것은 전술과 동일한 이유에 따른다.

이와 같이 도통각을 부측까지 확대하면, 전술과 같이 문제가 있기 때문에, 본 실시 형태에서는 상술과 같이 비교기(16,17)의 비교 결과에 따라서 정 또는 부 컨버터 BC1,BC2 중 한쪽을 선택하고 있다.

동기 신호 형성 회로(18)의 출력측은 정 상단 게이트 제어부(15A), 부 상단 게이트 제어부(15B), 정 하단 게이트 제어부(15C) 및 부 하단 게이트 제어부(15D)에 접속된다. 여기서, 동기 신호 형성 회로(18)와 각 게이트 제어부(15A∼15D)를 접속하는 각 접속 라인은 각각 3 개의 신호선으로 구성되고, 그 각 신호선은 각각 상기 게이트 제어부(15A∼15D)의 각 비교기에 접속되며, 각 비교기에는 상기 도 14a∼15b에서 설명한 확대한 폭을 갖는 톱니파가 공급된다. 즉, 도 14a 및 14b 각 3 종류의 확대한 폭의 톱니파는 각각 정 상단 게이트 제어부(15A) 및 정 하단 게이트 제어부(15C)의 대응하는 비교기에 도 14a, 14b에 나타내는 타이밍으로 공급되며, 도 15a 및 15b의 각 3 종류의 확대한 폭의 톱니파는 각각 부 상단 게이트 제어부(15B) 및 부 하단 게이트 제어부(15D)의 대응하는 비교기에 도 15a, 15b에 나타낸 타이밍으로 공급된다.

정 상단 게이트 제어부(15A)의 3 개의 비교기의 출력측은 각각 정 상단 컨버터 BC1U의 사이리스터 SCR1+∼3+의 각 게이트에 접속되고, 부 상단 게이트 제어부(15B)의 3 개의 비교기의 출력측은 각각 부 상단 컨버터 BC2U의 사이리스터 SCR1-∼3-의 각 게이트에 접속되며, 정 하단 게이트 제어부(15C)의 3 개의 비교기의 출력측은 각각 정 하단 컨버터 BC1L의 사이리스터 SCR4+∼6+의 각 게이트에 접속되고, 부 하단 게이트 제어부(15D)의 3 개의 비교기의 출력측은, 각각 부 하단 컨버터 BC2L의 사이리스터 SCR4-∼6-의 각 게이트에 접속된다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 전원 장치의 동작을 설명한다.

상기 회전자 R이 엔진에 의해 회전 구동되면, 3 상 메인 코일(1)의 각 상 사이에는, 전술한 바와 같은 전압이 인가된다. 그리고, 도통각 제어부(15)에 의해 사이리스터 SCRk±의 각 게이트가 점호되면, 이것에 따라 사이클로컨버터 CC로부터는 2 개의 반파 전류가 출력되고, 3 상 중성점을 접지단 GND로 함으로써 2 개의 반파 전류는 각각 필터(3A 및 3B)에 의해 그 고조파 성분이 제거되며, 상단 및 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A,5B)에 의해 각 전압이 검출된다. 이와 같이 하여 검출된 각 전압은 출력 합성 회로(5C)에 의해 가산되며, 근사 실효치 연산 회로(8)에 의해 그 근사 실효치 전압이 연산되어 출력된다.

이 근사 실효치 전압은 비교기(9)에 의해, 기준 전압 출력 회로(10)로부터 출력된 기준 전압치와 비교되고, 그 비교 결과에 따라 제어 함수 연산 회로(11)에 의해 제어 함수(비례 함수)가 연산되며, 진폭 제어 회로(12)에 의해 이 연산된 제어 함수에 따라 정현파 발진기(13)로부터 출력된 50Hz 또는 60Hz의 정현파의 진폭이 제어되고, 목표파 형성 회로(14)에 의해 목표파(정현파)가 출력된다. 즉, 이 목표파의 진폭은 동기 신호 형성 회로(18)로부터 출력된 톱니파의 진폭과 크게 다르지 않은 진폭으로 조정된다.

목표파 형성 회로(14)로부터 출력된 목표파는 비교기(16)에 의해, 상단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5A)로부터 출력된 검출 전압과 비교되고, 목표파의 전압이 검출 전압보다 높은 경우에는 비교기(16)로부터 H 레벨 신호가 출력되고, 정 상단 게이트 제어부(15A)가 작동하도록 선택되는 한편, 목표파의 전압이 검출 전압보다 낮은 경우에는 비교기(16)로부터 L레벨 신호가 출력되며, 부 상단 게이트 제어부(15B)가 작동하도록 선택된다. 이와 동일하게, 이 목표파는 비교기(17)에 의해 하단 반파 컨버터 전압 검출 회로(5B)로부터 출력된 검출 전압과 비교되어, 목표파의 전압이 검출 전압보다 높은 경우에는 비교기(17)로부터 H 레벨 신호가 출력되고, 정 하단 게이트 제어부(15C)가 작동하도록 선택되는 한편, 목표파의 전압이 검출 전압보다 낮은 경우에는 비교기(17)로부터 L 레벨 신호가 출력되어 부 하단 게이트 제어부(15D)가 작동하도록 선택된다.

정 상단 게이트 제어부(15A) 및 부 상단 게이트 제어부(15B) 또는 정 하단 게이트 제어부(15C) 및 부 하단 게이트 제어부(15D) 중, 선택된 게이트 제어부의 각 비교기에 있어서, 목표파 형성 회로(14)로부터의 목표파와 동기 신호 형성 회로(18)로부터의 톱니파가 비교되며, 양자가 일치한 시점에서 상기 사이리스터SCRk±의 게이트에 대하여 소정폭을 갖는 단사 펄스가 출력되어 도통각 제어가 이루어진다.

도 16a∼16c는 본 실시 형태의 전원 장치에 의해 생성된 전압 파형의 일실시예를 나타내는 도면이고, 도 16a는 상단(반파) 컨버터 BC1U, BC2U에 의해 생성된 전압 파형을 나타내며, 도 16b는 하단(반파) 컨버터 BC1L, BC2L에 의해 생성된 전압 파형을 나타내고, 도 16c는 도 16a 및 16b의 파형을 합성한 파형, 즉 본 실시 형태의 전원 장치에 의해 성성된 전압 파형을 나타내고 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는 상단(반파) 컨버터 BC1U, BC2U에 의해 도 16c의 단상 출력 파형의 진폭의 1/2의 진폭의 파형이 생성되는 동시에, 하단(반파) 컨버터 BC1L, BC2L에 의해 도 16c의 단상 출력 파형의 진폭의 1/2의 진폭의 파형이 생성되어 양자가 합성되고 즉, 중합되어 단상 출력으로서 상기 부하에 공급된다. 여기서, 도 16a 및 16b의 전압 파형의 생성 방법은 상기 도 1∼16에서 설명한 방법과 동일하기 때문에, 그 설명을 생략한다.

도 17은 사이클로컨버터 CC로부터 AC 230V의 출력을 수득할 경우에, 각 사이리스터 SCRk±에 인가되는 전압을 나타내는 도면이다. 상기 도 17과 동일하게, 사이리스터 SCR1+ 및 SCR6+가 온하고 있는 상태에서, 출력 전압이 AC 230V의 피크치를 나타내고 있는 경우에는 사이리스터 SCR5+로 인가되는 전압 Vscr은 다음과 같이 된다.

Vscr=115×√2Vp+300Vp=463V

전술한 바와 같이, 일반적으로 입수가능한 소형 사이리스터의 내압은 600V 정도이기 때문에, 이 소형 사이리스터를 이용하여 사이클로컨버터 CC를 구성한 경우에도 사이클로컨버터 CC에서 AC 230V의 출력을 취출할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 단상 출력측에 형성한 중성점과 3 상 메인 코일의 중성점이 접속되어 배전압 정류 동작되고, 각 컨버터 BC1,BC2는 각각 상단 컨버터 BC1U, BC2U 및 하단 컨버터 BC1L, BC2L을 2 단 겹친 구성으로 하였기 때문에 사이클로컨버터 CC의 입력측에 수백∼수kW 정도의 소형 출력 용량의 발전기를 접속한 경우에도 무부하시의 전압 상승에 기인하는 각 사이리스터 SCRk±로의 인가 전압을 낮은 값으로 억제할 수 있으며, 이것에 의해 내압이 높지 않은 소형 사이리스터를 이용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 특히 자석 발전기에서는 무부하시의 전압 상승이 크기 때문에 상기 효과를 더욱 높일 수 있다.

Claims (11)

1. 3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

   상기 자석 발전기의 출력 주파수에 동기하는 동기 신호를 형성하는 동기 신호 형성 회로;

   상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성하는 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로;

   상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 동기 신호 형성 회로로부터의 상기 동기 신호에 기초하여 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로;

   상기 1쌍의 가변 제어 브리지 회로의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 회로; 및

   상기 검출된 출력 전압을 설정 목표 전압과 비교하여 상기 출력 전압이 거의 일정치로 유지되도록 상기 브리지 구동 회로를 제어하는 출력 전압 조정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자, 이 해당 자극은 상기 3 상의 출력 권선이 권장된 자극과 그 외의 자극으로 구성되며, 상기 동기 신호는 상기 자극 중 상기 그 외의 자극에 권장한 신호 권선으로부터 취출하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 자석 발전기는 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 상기 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
4. 3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

   상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성하는 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로;

   상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로;

   상기 제어 가변 브리지 회로의 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 회로;및

   상기 가변 브리지 회로의 출력 전압 파형을 상기 부하가 증대함에 따라 정현파에서 최대 진폭이 출력 전압으로 제어되는 직사각형파로 변화시키는 파형 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자를 갖는 동시에 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
6. 3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

   상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 급전되어야 할 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 사이클로컨버터를 구성하는 1쌍의 가변 제어 브리지 회로;

   상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로; 및

   상기 가변 브리지 회로를 동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 구동 신호의 목표 파형을 형성하는 목표 파형 형성 수단으로서, 상기 목표 파형을 상기 부하가 증대함에 따라 정현파에서 직사작형파로 변화시키는 목표파 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 목표파 형성 수단은 상기 사이클로컨버터의 출력 전압과 설정 전압과의 비교 결과에 기초하여 상기 목표 파형의 진폭을 변화시키는 동시에, 이 진폭의 상한 또는 하한을 제어함으로써, 상기 목표 파형을 정현파에서 직사각형파로 변화시키는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자를 갖는 동시에 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
9. 중성점을 갖는 3 상의 출력 권선을 구비한 자석 발전기;

   상기 자석 발전기의 출력 주파수에 동기하는 신호를 형성하는 동기 신호 형성 회로;

   상기 3 상의 출력 권선에 접속되고, 서로 역병렬 접속되며, 부하에 공급되는 목표 주파수의 단상 교류 전류를 출력하는 단상 교류 전류 출력측을 갖는 사이클로컨버터를 구성하는 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로로서, 상기 단상 교류 전류 출력측에 형성한 중성점과 상기 3 상 권선의 중성점이 접속되어 반파 컨버터를 2 단 겹친 구성을 가지며, 배전압 정류 동작하는 가변 제어 브리지; 및

   상기 1 쌍의 가변 제어 브리지 회로를 상기 단상 교류 전류의 반주기마다 교호로 전환동작시켜서 상기 단상 교류 전류를 출력시키는 브리지 구동 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 가변 제어 브리지 회로를 구성하는 2 개의 반파 컨버터의 각 측의 출력 전압 파형과 이것에 대응하는 측의 목표 파형을 비교하여 상기 각 측의 출력 파형이 상기 각 측의 목표 파형에 가깝도록 상기 2 개의 반파 컨버터를 각각 제어하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 자석 발전기는 자석 회전자와 다수의 자극을 구비한 고정자를 갖는 동시에 내연 엔진으로 구동되고, 상기 자석 발전기의 자석 회전자는 상기 엔진의 플라이휠을 겸용하는 것을 특징으로 하는 가반형 전원 장치.