WO2019159632A1

WO2019159632A1 - インバータ発電機

Info

Publication number: WO2019159632A1
Application number: PCT/JP2019/002260
Authority: WO
Inventors: 裕一尾上
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-08-22
Also published as: CN111801882A; US11121653B2; CN111801882B; US20210044232A1; JP2019146301A

Abstract

三相交流電圧に対する電流の位相を進ませることができ、三相交流電力の力率を改善させることができる。インバータ発電機（１）のエンジン（１０）で駆動される三相巻線を有する発電部（１２）と、複数のスイッチング素子（１４ａ）を備え、発電部（１２）から出力される交流を直流に変換するコンバータ（１４）と、コンバータ（１４）から出力される直流を交流に変換して負荷（２６）に出力するインバータ（１６）と、コンバータ（１４）から出力される直流の端子電圧が負荷（２６）の増減に応じて一定となるようにＰＷＭ制御のオン時間を決定して複数のスイッチング素子（１４ａ）を駆動するコンバータ制御部（２２ａ１）とを備えたインバータ発電機（１）において、コンバータ制御部（２２ａ１）は、三相巻線に生じる電圧波形のうち、周期(t-n)において一の相の電圧波形とそれに隣接する相の電圧波形が交差する交差角度を検出すると共に、検出された交差角度がＰＷＭ制御のオン時間に含まれるように、周期(t)において一の相とそれに隣接する相のうちのいずれかのスイッチング素子（１４ａ）を駆動する。

Description

インバータ発電機

　この発明は、エンジンによって駆動されるインバータ発電機に関する。

　インバータ発電機では発電部から出力される交流をコンバータにおいて整流素子とスイッチング素子を用いて三相ブリッジを構成し、降圧または昇圧しながら直流に変換し、次いでその直流をインバータで交流に再変換しているが、コンバータの変換においては力率を改善するのが望ましい。その点で下記の非特許文献１記載の技術が提案されている。　

　非特許文献１記載の技術は、整流回路を除去した、いわゆるダイレクトＡＣ－ＤＣコンバータにおいて力率改善を意図して臨界モードＢＣＭ方式と連続モードＣＣＭ方式を提案すると共に、例えば臨界モードＢＣＭ方式ではＰＷＭ信号のオン時間を一定にしてインダクタ電流のゼロ点を検出することで臨界状態を実現している。

　非特許文献１：小堀康功、小林春夫著「ダイレクトＡＣ－ＤＣスイッチングコンバータの研究」（小山高等専門学校研究紀要）、第４４号（２０１１）１０９－１１４

　非特許文献１は上記のように構成することでコンバータの力率改善を図っているが、この発明も同様にコンバータの力率を改善するようにしたインバータ発電機を提供することを目的とする。

　この発明は、エンジンで駆動される三相巻線を有する発電部と、複数のスイッチング素子を備え、前記発電部から出力される交流を直流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流を交流に変換して負荷に出力するインバータと、前記コンバータから出力される直流の端子電圧が前記負荷の増減に応じて一定となるようにＰＷＭ制御のオン時間を決定して前記複数のスイッチング素子を駆動するコンバータ制御部とを備えたインバータ発電機において、前記コンバータ制御部は、前記三相巻線に生じる電圧波形のうち、周期(t-n)において一の相の電圧波形とそれに隣接する相の電圧波形が交差する交差角度を検出すると共に、前記検出された交差角度が前記ＰＷＭ制御のオン時間に含まれるように、周期(t)において前記一の相とそれに隣接する相のうちのいずれかの前記スイッチング素子を駆動する如く構成した。

　この発明によれば、検出された交差角度がオン時間に含まれるようにスイッチング素子を駆動することで、発電部から出力される交流を直流に変換する際、コンバータのスイッチング素子をスイッチングするタイミングを早めて電流量を増加させることができ、効率良く電力を取り出すことができる。即ち、交差角度の時点よりも前の時点からスイッチング素子を駆動することが可能となり、その分だけ三相交流電圧に対する電流の位相を進ませることができるため、電流量を増加させることができ、よって効率良く電力を取り出すことができる。

この発明の実施形態に係るインバータ発電機を全体的に示す概略図である。図１の発電部の巻線を示す説明図である。図２の巻線から出力される三相交流の電圧波形を示す図である。図１のコンバータのＰＷＭ制御のオン時間と電圧波形の交差角度の関係を示す図である。実施形態の効果を示す電圧波形を示す図である。実施形態の変形例を示す、図４と同様の図である。

　以下、添付図面に即してこの発明の実施形態に係るインバータ発電機について説明する。

　図１はこの発明の実施形態に係るインバータ発電機を全体的に示す概略図、図２は図１の発電部の巻線を示す説明図、図３は図２の巻線から出力される三相交流の電圧波形を示す図である。

　図１に示すように、インバータ発電機１は、エンジン（内燃機関）１０と、エンジン１０により駆動される発電部（発電機本体）１２と、発電部１２に電気的に接続されて発電部１２より出力される三相交流を整流するコンバータ１４とコンバータ１４から出力された直流を所定の単相交流に変換するインバータ１６とからなるインバータユニット２０と、コンバータ１４とインバータ１６の動作を制御する制御ユニット２２を備える。

　インバータ発電機１は、ユーザが持ち運び可能な重量および寸法を有し、農作業用あるいはキャンプなどの野外用などの電気負荷に好適に電力を供給する発電機からなる。

　エンジン１０は、例えばガソリンを燃料とする点火式の空冷の汎用エンジンからなり、シリンダ内を往復動するピストン（図示せず）と、ピストンに同期して回転するクランク軸（出力軸。図示せず）を有する。エンジン１０の動力は、クランク軸を介して発電部１２に出力される。

　発電部１２は、エンジン１０により駆動されて交流電力を発電する多極オルタネータからなり、クランク軸に連結されてクランク軸と一体に回転すると共に、周囲に永久磁石が配置されたロータ（図示せず）と、ロータの周面に対向してロータと同心状に配置されると共に、図２に示すように１２０度毎の位相角で配置されたＵＶＷ相の巻線１２ａが設けられるステータ（図示せず）とを有する。

　コンバータ１４は、図示のようにブリッジ回路として構成され、発電部１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線１２ａに対応して接続された３対（計６個）の半導体スイッチング素子１４ａを有する。スイッチング素子１４ａは、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタにより構成され、各スイッチング素子１４ａにはそれぞれダイオード１４ｂ（例えば寄生ダイオード）が並列に接続される。

　スイッチング素子１４ａのゲートはオフされるとき、発電部１２から出力される三相交流がダイオード１４ｂによって整流され、整流後の電流はキャパシタ１４ｃで平滑された後、インバータ１６に入力される。

　インバータ１６は、Ｈブリッジ回路として構成された２対（計４個）の半導体スイッチング素子１６ａを有する。スイッチング素子１６ａも例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタからなり、それぞれ例えば寄生ダイオードからなるダイオード１６ｂが並列に接続される。

　インバータ１６においてスイッチング素子１６ａの開閉（オン／オフ）が制御されることで、コンバータ１４から出力される直流が所望の周波数の単相交流に変換（生成）される。変換（生成）された単相交流は、リアクトルやコンデンサを有するフィルタ回路２４を介して負荷２６に出力される。

　制御ユニット２２は、プロセッサ（ＣＰＵ）２２ａとメモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭ）２２ｂなどを少なくとも含むマイクロコンピュータを有する電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなる。プロセッサ２２ａは、コンバータ１４の動作を制御するコンバータ制御部２２ａ１とインバータ１６の動作を制御するインバータ制御部２２ａ２を有する。

　発電部１２のステータの付近には磁気ピックアップなどからなる回転数検出部３０が設けられ、ロータの回転数に応じた信号、換言すれば３相交流の周期を示す信号を出力する。

　また、コンバータ１４のキャパシタ１４ｃに接続される正側端子１４ｄと負側端子１４ｅの端子間にはＤＣ電圧検出部３２が設けられ、キャパシタ１４ｃを流れる直流の端子間電圧を示す信号を出力する。

　回転数検出部３０とＤＣ電圧検出部３２の出力は制御ユニット２２に送られ、コンバータ制御部２２ａ１に入力される。制御ユニット２２においてコンバータ制御部２２ａ１は、回転数検出部３０によって検出されるタイミングにおいてＤＣ電圧検出部３２によって検出される端子間電圧が負荷２６の増減に応じて一定となるように、換言すれば、負荷２６の増減にも関わらず一定となるように、コンバータ１４のスイッチング素子１４ａのオン・オフ（開閉）を制御する。

　より具体的には、コンバータ制御部２２ａ１は、チョッパ制御においてＰＷＭ（Pulse Width Modulation。パルス幅変調）制御を用い、ＰＷＭ信号（ＰＷＭ波形）のデューティ比（＝オン時間ｔ／周期Ｔ）が負荷２６の増加するときは大きく（長く）、負荷２６の減少するときは小さく（短く）なるようにスイッチング素子１４ａのオン時間を制御する。

　この実施形態において特徴的なことは、コンバータ制御部２２ａ１は、回転数検出部３０とＤＣ電圧検出部３２の出力に基づき、三相交流Ｕ，Ｖ，Ｗにおいて、周期(t-n)(n≧1)において一の相、例えばＵ相の電圧波形とそれに隣接する相、例えばＶ相の電圧波形が交差する交差角度を検出すると共に、検出された交差角度に基づいて次の周期(t)において一の相とそれに隣接する相のうちのいずれかのスイッチング素子１４ａを駆動するように構成したことである。

　即ち、図３に示す如く、周期のそれぞれにおいて三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のうち隣接する二相の電圧波形が交差する。具体的には、発電部１２を構成するロータの回転角度が６０度のときＷ相の電圧波形とＵ相の電圧波形が交差し、同様にロータの回転角度が１８０度のときＵ相の電圧波形とＶ相の電圧波形が交差し、ロータの回転角度が３００度のときＶ相の電圧波形とＷ相の電圧波形が交差する。更に、ロータの回転角度が４２０度のときＷ相の電圧波形とＵ相の電圧波形が再び交差する。このように、三相のうち隣接する二相の電圧波形が周期的に交差する。

　この実施形態においては、三相巻線１２ａに生じる電圧波形のうち、周期(t-n)において一の相の電圧波形とそれに隣接する相の電圧波形が交差する交差角度を検出すると共に、図４に示す如く、検出された交差角度がＰＷＭ信号のオン時間に含まれるように、周期(t)において前記一の相とそれに隣接する相のうちのいずれかのスイッチング素子１４ａを駆動するように構成した。

　図４に示す例でいえば、Ｕ相とＷ相の電圧波形が交差する交差角度がＰＷＭ信号のオン時間に含まれるように、図１において複数のスイッチング素子１４ａのうちのＵ相に対応するスイッチング素子１４ａを駆動する。詳しくは、Ｕ相用の波形がプラスになっているときはＵ相の下側のスイッチング素子を駆動して昇圧させる。同様に、Ｖ相用の波形あるいはＷ相用の波形がプラスになっているときはそれらの下側のスイッチング素子をＰＷＭスイッチングして昇圧させる。

　即ち、前回以前の周期で得られた電圧波形を利用し、隣接する二相の電圧波形の交差角度を基準として、この交差角度よりも前の時点からスイッチング素子１４ａのオン／オフの切り換えを開始し、よって電圧波形の交差角度がＰＷＭ信号のオン時間に含まれるようにした。尚、ここで「前回以前」は、ｎ＝１、即ち直前の周期(t-1)、あるいはｎ＝２、即ち２つ前の周期(t-2)など時間的な先行する全ての周期のいずれかを意味する。

　図５を参照して実施形態の効果を説明する。同図で実線は電圧を、破線はそれに対応する電流の波形を、１点鎖線（符号ｃ）はこの実施形態でのスイッチング素子１４ａの駆動による電流の波形を示す。

　図示の如く、例えば交差するタイミングでスイッチングしない場合、あるいはそもそもスイッチングしない（昇圧も降圧もせずにダイオード整流のみしている）場合には電流の波形及び電圧の波形はほぼ左右対称の相似形を示しているのに対し、この実施形態の場合、電流波形は立ち上がりの時点で急激に上昇している。即ち、スイッチング素子１４ａの駆動が早められたことに応じて得られる電流値が増加している。

　このことは、隣接する二相の電圧波形の交差角度よりも前の時点からスイッチング素子１４ａをオンすることで三相交流電圧に対する電流の位相が進むため、三相交流電圧が上昇し、フェランチ効果に類似する効果を得ることができたとも言える。

　即ち、交差角度の時点よりも時間的に前の時点からスイッチング素子１４ａを駆動することが可能となり、その結果、三相交流電圧に対する電流の位相を進ませることができ、三相交流電力の力率を改善させることができる。よって効率良く電力を取り出すことができ、取り出せる電力量を増加させることができる。

　図６はこの実施形態の変形例を示す、図４と同様の波形図である。

　同図に示す如く、スイッチング素子１４ａの駆動は、交差角度がオン時間の後半分（図６のａ）に含まれるように行っても良い。それにより、より早い時間から電圧を有効に使用することが可能となり、より効率良く電力を取り出すことができる。

　さらには、交差角度がオン時間の終了時点（図６のｂ参照）に一致するようにスイッチング素子１４ａを駆動しても良く、それによってより力率が改善され、三相巻線電圧が上昇することで効率良く電力を取り出すことができる。

　図１の説明に戻ると、制御ユニット２２においてインバータ制御部２２ａ２は、負荷２６から要求される所望の周波数となるように、インバータ１６のスイッチング素子１６ａのオン／オフを制御する。ただし、この発明の特徴はコンバータ制御部２２ａ１の動作にあるので、インバータ制御部２２ａ２の説明は以上に止める。

　上記した如く、この実施形態にあっては、エンジン１０で駆動される三相巻線１２ａを有する発電部１２と、複数のスイッチング素子１４ａを備え、前記発電部から出力される交流を直流に変換するコンバータ１４と、前記コンバータから出力される直流を交流に変換して負荷２６に出力するインバータ１６と、前記コンバータから出力される直流の端子電圧が前記負荷の増減に応じて一定となるようにＰＷＭ制御のオン時間を決定して前記複数のスイッチング素子１４ａを駆動するコンバータ制御部１１ａ１とを備えたインバータ発電機１において、前記コンバータ制御部２２ａ１は、前記三相巻線１２ａに生じる電圧波形のうち、周期(t-n)において一の相の電圧波形とそれに隣接する相の電圧波形が交差する交差角度を検出すると共に、前記検出された交差角度が前記ＰＷＭ制御のオン時間に含まれるように、周期(t)において前記一の相とそれに隣接する相のうちのいずれかの前記スイッチング素子１４ａを駆動するように構成した。

　即ち、前回以前の周期の電圧波形の交差角度よりも前の時点からスイッチング素子１４ａの駆動を開始するように構成したので、その結果、三相交流電圧に対する電流の位相を進ませることができ、三相交流電力の力率を改善させることができる。よって効率良く電力を取り出すことができ、取り出せる電力量を増加させることができる。

　また、前記コンバータ制御部２２ａ１は、前記交差角度が前記オン時間の後半分に含まれるように前記コンバータ１４の複数のスイッチング素子１４ａを駆動するように構成したので、単に電圧波形の交差角度がＰＷＭ信号のオン時間に含まれる場合よりも効率良く電力を取り出すことができる。

　また、前記コンバータ制御部２２ａ１は、前記交差角度が前記オン時間の終了時点に一致するように前記コンバータ１４の複数のスイッチング素子１４ａを駆動するように構成したので、単に電圧波形の交差角度がＰＷＭ信号のオン時間に含まれる範囲内で一層効率良く電力を取り出すことができる。

　また、前記エンジン１０が汎用エンジンからなる如く構成したので、汎用エンジン１０において効率良く電力を取り出すことができ、取り出せる電力量を増加させることができる。

　以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

　この発明に係るインバータ発電機は、エンジンなどの回転原動機で駆動される発電機に好適に利用することができる。

１　インバータ発電機、１０　エンジン、１２　発電部、１２ａ　三相巻線、１４　コンバータ、１４ａ　スイッチング素子、１４ｂ　ダイオード、１４ｃ　キャパシタ、１４ｄ　正側端子、１４ｅ　負側端子、１６　インバータ、２０　インバータユニット、２２　制御ユニット、２２ａ　プロセッサ、２２ｂ　メモリ、２２ａ１　コンバータ制御部、２２ａ２　インバータ制御部、２４　フィルタ回路、２６　負荷

Claims

　エンジンで駆動される三相巻線を有する発電部と、複数のスイッチング素子を備え、前記発電部から出力される交流を直流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力される直流を交流に変換して負荷に出力するインバータと、前記コンバータから出力される直流の端子電圧が前記負荷の増減に応じて一定となるようにＰＷＭ制御のオン時間を決定して前記複数のスイッチング素子を駆動するコンバータ制御部とを備えたインバータ発電機において、前記コンバータ制御部は、前記三相巻線に生じる電圧波形のうち、周期(t-n)において一の相の電圧波形とそれに隣接する相の電圧波形が交差する交差角度を検出すると共に、前記検出された交差角度が前記ＰＷＭ制御のオン時間に含まれるように、周期(t)において前記一の相とそれに隣接する相のうちのいずれかの前記スイッチング素子を駆動することを特徴とするインバータ発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記交差角度が前記オン時間の後半分に含まれるように前記コンバータの複数のスイッチング素子を駆動することを特徴とする請求項１に記載のインバータ発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記交差角度が前記オン時間の終了時点に一致するように前記コンバータの複数のスイッチング素子を駆動することを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ発電機。
　前記エンジンが汎用エンジンからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ発電機。