WO2020044544A1

WO2020044544A1 - インバータ式発動発電機

Info

Publication number: WO2020044544A1
Application number: PCT/JP2018/032384
Authority: WO
Inventors: 稔前田河; 智夫井上
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US20210313915A1; CN112585858A; US11316457B2

Abstract

始動機能を備えると共に、整流回路と昇降圧回路とエンジンの始動回路とを１個の三相ブリッジ回路で実現するようにしたインバータ式発動発電機を提供する。　エンジン（１０）を始動するモータとして動作可能なオルタネータ（１２）と、三相整流ブリッジ回路からなり、オルタネータ（１２）から出力される三相交流を直流に変換すると共に、電源（３０）から電力を供給されるとき、前記オルタネータ（１２）を駆動可能なモータドライバとして動作可能なコンバータ（１４）を備えたインバータ式発動発電機（１）において、コンバータ（１４）の三相整流ブリッジ回路の上下３組の素子を、上側をデューティ制御可能なスイッチング素子（１４ａ１－１４ｃ１）とそれと並列に接続されるサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）とから構成し、下側を少なくともデューティ制御可能でダイオード（１４ｄ２－１４ｆ２）を備えるスイッチング素子（１４ｄ１－１４ｆ１）から構成する。

Description

インバータ式発動発電機

　この発明はインバータ式発動発電機に関し、より具体的に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可能な発電機に関する。

　この種の発電機では、下記の特許文献１に記載されるように、オルタネータから出力される三相交流電圧を整流する際にサイリスタとダイオードの混合ブリッジ回路を用い、サイリスタの点呼角制御によって一定電圧に降圧しながら整流していた。

特開２０１０－３５２５８号公報

　しかし、オルタネータを用いてエンジンなどの回転原動機を始動（駆動）させる機能を持つ発電機では、発電時に整流に用いられる三相ブリッジ回路の素子をモータドライバとして使用するため、素子をＦＥＴまたはＩＧＢＴで構成する必要がある。その結果、発電時は三相全波整流回路となり、電圧調整ができないため、整流回路の他にＤＣ昇圧回路が必要となり、サイズ、重量、コストなどの点で課題を残していた。

　この発明の課題は上記した不都合を解消し、始動機能を備えると共に、整流回路と昇降圧回路と回転原動機始動回路を１個の三相ブリッジ回路で実現するようにしたインバータ式発動発電機を提供することにある。

　上記した課題を解決するために、この発明は、三相巻線を有し、回転原動機で駆動されて発電すると共に、前記回転原動機を始動するモータとして動作可能なオルタネータと、上下３組の素子を有する三相整流ブリッジ回路からなり、前記オルタネータから出力される三相交流を直流に変換すると共に、電源から電力を供給されるとき、前記オルタネータを駆動するモータドライバとして動作可能なコンバータと、前記コンバータから出力される直流の端子電圧が目標電圧となるように前記三相整流ブリッジ回路の素子の駆動を制御するコンバータ制御部とを備えたインバータ式発動発電機において、前記コンバータの三相整流ブリッジ回路の上下３組の素子を、上側をデューティ制御可能なスイッチング素子とそれと並列に接続されるサイリスタとから構成し、下側を少なくともデューティ制御可能でダイオードを備えるスイッチング素子から構成するようにした。

この発明の第１実施形態に係るインバータ式発動発電機を全体的に示す電気回路図である。図１の電子制御ユニット（制御部）の発電出力の昇降圧制御を示すフロー・チャートである。図２の制御を説明するタイム・チャートである。図１の電子制御ユニット（制御部）のモータドライバによる回転原動機始動制御を示すフロー・チャートである。図２の制御を全体的に示す図１のコンバータの等価回路図である。図５の発電・昇圧の原理を示すオルタネータとコンバータの等価回路図である。図６のオルタネータの一部の線間部に着目した等価回路図である。図１のオルタネータの巻線数をＡＬＴ１、ＡＬＴ２としたときの高回転時の電圧・出力特性を示す説明図である。図７の低回転時の電圧・出力特性を示す説明図である。図７で低回転時のＡＬＴ２の昇圧整流による出力アップを示す説明図である。図７で極低回転時のＡＬＴ２の昇圧整流による出力アップを示す説明図である。この発明の第２実施形態に係るインバータ式発動発電機を全体的に示す電気回路図である。

　以下、添付図面を参照してこの発明の実施形態に係るインバータ式発動発電機ついて説明する。

　（第１実施形態）

　図１はこの発明の第１実施形態に係るインバータ式発動発電機を全体的に示す電気回路図である。

　インバータ式発動発電機（以下「発電機」といい、符号１で示す）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。

　発電機１は、図示の如く、汎用エンジン（回転原動機）１０で駆動されて発電するオルタネータ（ＡＬＴ。発電部）１２と、オルタネータ１２に電気的に接続されてオルタネータ１２から出力される三相交流を直流に変換（整流）するコンバータ１４と、コンバータ１４の正側端子と負側端子の間に電気的に接続されてコンバータ１４で整流された直流を平滑するコンデンサ１６と、コンデンサ１６に電気的に接続されてコンデンサ１６で平滑された直流を交流に変換するインバータ２０とからなるインバータユニット２２を備える。

　インバータユニット２２は、波形成形回路２４と出力端子２６を介して前記した農作業用などの電気負荷２８に接続される。また、インバータユニット２２において正側端子と負側端子にはコンデンサ１６と並列にバッテリ（電源）３０が接続される。

　バッテリ３０は例えば１５Ｖ程度の容量を備えると共に、残量ＳＯＣ（State of Charge）を自己診断するＢＭＳ（Battery Management System）３０ａが内蔵される。

　汎用エンジン（以下「エンジン」という）１０は、例えばガソリンを燃料とする点火式の空冷エンジンであり、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに同期して回転するクランクシャフト（出力軸）とを有する。エンジン１０の動力は、クランクシャフトを介してオルタネータ１２に出力される。

　オルタネータ１２はＵＶＷの三相巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有し、エンジン１０により回転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る。図示は省略するが、多極オルタネータはエンジン１０のクランクシャフトに連結されてそれと一体に回転する永久磁石からなるロータと、ロータの周面に配置されたステータとからなり、ステータには図示のように１２０度毎の位相角で配置されたＵＶＷの三相巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃからなる極が多数形成される。

　また、オルタネータ１２はエンジン１０を始動するモータとして動作可能であると共に、コンバータ１４はバッテリ３０から電力を供給されるときオルタネータ（モータ）１２を駆動し、よってエンジン１０を始動可能なように構成される。即ち、インバータユニット２２はリコイルスタータを用いずにエンジン１０を始動できるように構成される。

　インバータユニット２２のコンバータ１４などの構成を詳細に説明すると、コンバータ１４はオルタネータ１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に対応して接続された３対（計６個）の上下３組で計６個の素子１４ａ―１４ｆを有する三相整流ブリッジ回路からなる。　

　この実施形態においてはその三相整流ブリッジ回路の上下３組の素子１４ａ―１４ｆについて、上側の素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃをデューティ制御可能なスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ（Integrated Gate Bipolar Transistor）１４ａ１－１４ｃ１とそれと並列に接続されるサイリスタ１４ａ２－１４ｃ２）から構成し、下側の素子１４ｄ，１４ｅ，１４ｆを少なくともデューティ制御可能でダイオードを備えるスイッチング素子（例えば寄生ダイオードを内蔵するＦＥＴ（Field Effect Transistor）ないしはＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、あるいはＩＧＢＴと並列接続されたダイオード、あるいはトランジスタと並列接続されたダイオード）のいずれかから構成する。実施形態では寄生ダイオード１４ｄ２－１４ｆ２を内蔵するＭＯＳＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）から構成した。尚、ここで「デューティ制御可能なスイッチング素子」は上記したものに止まらないのはいうまでもない。

　また、インバータユニット２２のインバータ２０は、図示の如く、上下２組で計４個の素子２０ａ―２０ｄからなるブリッジ回路から構成すると共に、この実施形態においてはその４個の素子２０ａ―２０ｄを、ダイオードを内蔵するＦＥＴ（例えばＭＯＳＦＥＴ）から構成する。

　インバータユニット２２においては、図示の如く、コンデンサ１６にはその正負端子間の直流電圧を検出するＤＣ電圧検出回路３２が接続されると共に、オルタネータ１２の三相巻線１２ａ－１２ｃとコンバータ１４の三相整流ブリッジ回路の中点を接続する接続回路には三相巻線の位相とゼロクロスを角度で検出する位相・ゼロクロス検出回路３４が介挿される。また、コンバータ１４の三相整流ブリッジ回路の上下のスイッチング制御可能な素子１４ａ１―１４ｆ１のゲート端子はオン（ＯＮ）信号を出力するモータドライブ回路３６に接続される。

　インバータユニット２２は、電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）４０を備える。ＥＣＵ４０は、バスを介して接続されるプロセッサ（ＣＰＵ）４０ａと、メモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭ）４０ｂと、Ｉ／Ｏ４０ｃなどを少なくとも含むマイクロコンピュータから構成される。

　ＥＣＵ４０（より詳しくはそのうちのプロセッサ４０ａとメモリ４０ｂ）が制御部として動作し、オルタネータ１２の発電出力（交流出力）を整流するとき、ＤＣ電圧検出回路３２の出力から検出される検出値（ＤＣ電圧）が目標ＤＣ電圧（目標値）となるように昇降圧を、位相・ゼロクロス検出回路３４から検出される位相とゼロクロスの角度に基づいてモータドライブ回路３６を介してコンバータ１４の素子１４ａ―１４ｆの動作を制御する。

　また、ＥＣＵ４０は、バッテリ３０から電力を供給されるとき、コンバータ１４を、オルタネータ（モータ）１２を駆動（始動）するためのモータドライバ（モータ駆動部）としても動作させる。このようにモータドライブ回路３６は整流・昇降圧回路として動作すると共に、オルタネータ（モータ）１２を駆動する駆動回路としても動作する。

　目標ＤＣ電圧は、予定される電気負荷２８から要求されると想定される交流電圧を満足するように予め決定される。また、制御部４０は電気負荷２８から実際に要求される交流電圧となるようにインバータ２０のブリッジ回路の素子２０ａ―２０ｄの動作を制御するが、この発明の特徴はコンバータ１４の構成にあるので、インバータ２０についての詳細な説明は省略する。

　このようにインバータユニット２２のコンバータ１４とコンデンサ１６と制御部４０が整流部、昇降圧部、モータ駆動部（ＣＯＶ）として動作し、インバータ２０と制御部４０がＤＣ／ＡＣ変換部（ＩＮＶ）として動作する。また、エンジン１０とオルタネータ１２が発電部・モータ部（ＡＬＴ）として動作する。

　次いで、上記した制御部４０の発電出力の昇降圧などについて図２以降を参照して説明する。

　図２は制御部４０の発電出力の昇降圧制御を示すフロー・チャート、図３はその制御を説明するタイム・チャート、図４は制御部４０のエンジン１０の始動制御を示すフロー・チャート、図５はそれらを全体的に示すコンバータ１４の等価回路図、図６は図５の発電・昇圧の原理を示すオルタネータ１２とコンバータ１４の等価回路図、図７は図６のオルタネータ１２の一部の線間部に着目した等価回路図である。

　図２を参照して説明すると、Ｓ１０においてコンバータ１４の上側の素子１４ａ－１４ｃのＩＧＢＴ（１４ａ１－１４ｃ１）とサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＦＦ（オフ）し、下側の素子１４ｄ－１４ｆのＭＯＳＦＥＴ（以下「ＦＥＴ」と略称）（１４ｄ１－１４ｆ１）をＯＦＦ（オフ）する（Ｓ：処理ステップ）。尚、図２の処理は所定時間、例えば１０ｍｓｅｃごとに実行される。

　次いでＳ１２に進み、ＩＧＢＴ（１４ａ１－１４ｃ１）をＯＦＦ（オフ）したまま、サイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＮ（オン）する。ＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）はＯＦＦ（オフ）のままとする。

　次いでＳ１６に進み、ＩＧＢＴ（１４ａ１－１４ｃ１）をＯＦＦ（オフ）したまま、サイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＮ（オン）状態に固定し、ＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。ＩＧＢＴとサイリスタとＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦ制御はモータドライブ回路３６を通じて行う。

　図２フロー・チャートの処理を図３タイム・チャートに即して説明すると、Ｓ１０の処理は図３タイム・チャートの期間αの前の準備処理であり、素子の動作を初期状態にリセットし、ＤＣ電圧（検出値）と目標ＤＣ電圧（目標値）の比較を行う処理である。

　いま期間αにあるとすると、図３Ａに示すようにＤＣ電圧が目標ＤＣ電圧を超えていることから、Ｓ１０の処理を継続することでサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）の導通値の移動平均率は徐々に減少する。サイリスタの導通率の移動平均値は一定時間でのサイリスタのＯＮ時間の割合であることから、Ｓ１０の処理を継続することによって図３Ｃに示すように経時的に減少する。

　図３においては期間αの終端でＤＣ電圧が目標ＤＣ電圧に一致し、続く期間βで目標ＤＣ電圧未満となることから、Ｓ１２の処理に進む。即ち、図３Ｂに示すようにサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）の動作はＯＦＦからＯＮに変更される結果、図３Ｃに示すようにサイリスタの導通率の移動平均値は上昇に転じる。図３Ｂの右端にサイリスタのＯＮ／ＯＦＦ制御動作（デューティ制御動作）を誇張して示す。

　続く期間γで導通率が飽和することから、Ｓ１４に進み、サイリスタをＯＮ固定したままＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）をデューティ制御することでＤＣ電圧を昇圧させる。ここで、デューティ制御は目標ＤＣ電圧（目標値）とＤＣ電圧（検出値）の偏差に応じてＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）をＯＮするデューティを可変にして検出値を目標値に近づける制御を意味する。

　この昇圧制御については後で詳細に説明する。

　その結果、図３Ａに示すように期間Δにおいて検出ＤＣ電圧が目標ＤＣ電圧を超えたことから、再びＳ１０の処理に戻り、上記を繰り返す。

　次いで図４フロー・チャートを参照してエンジン１０の始動制御（オルタネータ１２の駆動制御）について説明すると、Ｓ１００においてサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＮ（オン）したまま、ＩＧＢＴ（１４ａ１－１４ｃ１）とＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）をドライブ制御し、Ｓ１０２に進んでインバータ２２でＤＣ／ＡＣ変換して発電するのを待機する。即ち、エンジンの完爆によってオルタネータ１２から発電出力が生じるのを待機する。

　ここで、ドライブ制御は、オルタネータ１２を駆動（ドライブ）するために、ＩＧＢＴ（１４ａ１－１４ｃ１）とＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）を矩形波駆動する制御やＰＷＭ駆動する制御を意味する。

　尚、コンバータ１４において下側の素子１４ｄ－１４ｆをＦＥＴに代え、ＩＧＢＴとダイオードとした場合、Ｓ１４のＦＥＴのＰＷＭ制御とＳ１００のＦＥＴのドライブ制御はＩＧＢＴをＰＷＭ制御あるいはドライブ制御することを意味する。尚、ＦＥＴとＩＧＢＴ＋ダイオードのいずれを選定するかは使用する電流と電圧による。

　次いで図５を参照して図２と図３に示す制御を敷衍する。

　図５の左端に示す発電・降圧時の場合、Ｓ１０とＳ１２の処理に示すようにＩＧＢＴとＦＥＴがＯＦＦされることから、三相の発電出力の一つの相の発電出力（電流）は上側のサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）と下側のＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）の寄生ダイオード（１４ｄ２－１４ｆ２）を通って矢印で示すように流れる。このとき、図３Ｃに示すようにサイリスタの導通率を低下させることで、発電出力を降圧させてＤＣ電圧を目標ＤＣ電圧に近づけることができる。

　図５の中央に示す発電・昇圧時の場合、Ｓ１２，Ｓ１４の処理に示すようにサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＮ固定させたまま、オルタネータ１２の三相巻線１２ａのインダクタンスＬを利用しつつＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）を制御して昇圧させる。三相の発電出力の一つの相に着目したとき電流は矢印で示すように流れる。

　図６を参照してその昇圧制御をさらに説明すると、同図はオルタネータ１２の三相巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃとコンバータ１４の等価回路図である。図７は三相巻線１２ａのａ－ｂ線間部のみに着目した等価回路図である。

　この制御は概説すると、サイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＮ固定してダイオードとして使用し、三相巻線１２ａとＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）の制御を組み合わせることにより、整流しながらＤＣで電圧の昇圧制御を可能にするものである。

　即ち、昇圧時はサイリスタ（１４ａ２）のゲート端子は常時ＯＮ信号を与えてダイオードとして使用する。発電出力が生じたときにＦＥＴ（１４ｄ１）をＯＮすると、電流はｉ１のように流れ、三相巻線１２ａのインダクタンスに磁気エネルギが蓄えられる。

　次いで、ＦＥＴ（１４ｅ１）をＯＦＦすると、電流はｉ２のように流れる。即ち、三相巻線１２ａに蓄えられた磁気エネルギが放出される結果、発電出力は電流ｉ２の分だけ嵩上げされて昇圧される。従って、三相整流ブリッジ回路のＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｅ１）をデューティ制御することでＤＣ電圧を発電出力に必要な電圧まで昇圧させることが可能となる。

　ＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｅ１）のゲート端子にＯＮ信号を供給するタイミングは、図１の位相・ゼロクロス検出回路の出力から波形の位相を検出し、モータドライブ回路３６を通じて最適な位相で制御する。尚、素子（１４ｄ１－１４ｆ１）としてＦＥＴに代え、ＩＧＢＴとダイオードから構成したときにはＩＧＢＴをデューティ制御することは前記したとおりである。

　図５の説明に戻ると、同図右端に示すエンジン１０の始動時の場合、Ｓ１００の処理で説明したようにサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）をＯＮ（オン）したまま、ＩＧＢＴ（１４ａ１－１４ｃ１）とＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１）をドライブ制御する。その結果電流は一つの相でいえば矢印で示すように流れ、よってエンジン１０を始動させることができる。

　第１実施形態に係る発電機はコンバータ１４の三相整流ブリッジ回路の上下３組の素子１４ａ－１４ｆを、上側１４ａ－１４ｃをデューティ制御可能なスイッチング素子（ＩＧＢＴ１４ａ１－１４ｃ１）とそれと並列に接続されるサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）とから構成し、下側の素子１４ｄ－１４ｅを少なくともデューティ制御可能でダイオードを備えるスイッチング素子（寄生ダイオード１４ｄ２－１４ｆ２を内蔵したＦＥＴ１４ｄ１－１４ｆ１）から構成するようにしたので、コンバータ１４において、始動機能を備えると共に、整流回路と昇降圧回路とエンジン１０の始動回路を１個の三相ブリッジ回路で実現することができる。

　ここで、第１実施形態の発電機１の回転数における利点について図８から図１１を参照して説明する。

　同一のコアを用いて巻線数を変えたオルタネータを、ＡＬＴ１，ＡＬＴ２（巻線数：ＡＬＴ１＜ＡＬＴ２）としたときの電圧・出力特性は、例えば高回転時が図８、低回転時が図９に示すとおりとなる。また、図１０は低回転時のＡＬＴ２の昇圧整流による出力アップを、図１１は極低回転時のＡＬＴ２の昇圧整流による出力アップを示す。

　図８の高回転時にはＡＬＴ２は出力が大きくて望ましいが、ＤＣ電圧を降圧するときは目標ＤＣ電圧以上の電圧が必要となり、図９の低回転時にはＡＬＴ１の方が必要な出力を確保できることになる。

　しかしながら、この実施形態で述べたようにＤＣ昇降圧が可能となると、ＡＬＴ２の最大回転数でオルタネータ１２の出力の最大ピーク点が確保できるように巻線数を設定し、図１０に示す如く、低回転時は昇圧整流を行って必要な電圧を確保することで、その回転数のオルタネータ１２の出力ピークまで発電出力を使用することができる。

　また、図１１に示す如く、オルタネータ電圧が目標ＤＣ電圧に達しない極低回転時においても、図２から図５を参照して説明した昇圧整流を実行することで電圧を確保できるため、電気負荷２８から要求される出力が可能となる。これにより、軽負荷時のアイドル回転数をさらに下げることも可能となり、エンジン１０の回転数を低く抑えることができ、騒音・燃費などで大きなメリットを得ることができる。

　このように、この実施形態に係る発電機１は、最大回転数・最大出力ポイントにあわせたオルタネータ１２の巻線仕様として、同一サイズのオルタネータ１２で最大の出力と低回転域での出力を両立できることになり、オルタネータ１２の巻線仕様の制約を減らすことができる。

　また、昇圧整流のみの場合は低回転、高回転の全出力域でオルタネータ電圧を目標ＤＣ電圧より低くなるように設定する必要があるが、昇圧比には限界があるため、低回転の最大出力時に昇圧しきれず、ＤＣ電圧が目標ＤＣ電圧に到達できないことがある。その点からもこの実施形態における昇降圧の両方が可能な整流手法はメリットが大きい。

　（第２実施形態）

　図１２はこの発明の第２実施形態に係る発電機１を全体的に示す、図１と同様な電気回路図である。

　第１実施形態と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施形態にあっては回転原動機としてエンジン１０に代え、電動機１０ａを用いるようにすると共に、電源としてバッテリ３０に代え、発電機５０あるいは商用電源５２を用いるようにした。

　電源として発電機５０あるいは商用電源５２を用いる場合、発電機５０あるいは商用電源５２から出力される交流電力をインバータユニット２２のインバータ２０に供給し、ＤＣ電力に変換した後、コンバータ１４を介して三相ＡＣ電力に変換して電動機１０ａを始動する。残余の構成および効果は第１実施形態と異ならない。

　尚、第２実施形態では第１実施形態に対し、回転原動機と電源の両方を代えるようにしたが、回転原動機と電源のいずれか一方のみ変更しても良いことはいうまでもない。

　上記した如く、第１および第２実施形態にあっては、三相巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有し、回転原動機（エンジン１０あるいは電動機１０ａ）で駆動されて発電すると共に、図１０に示す如く、前記回転原動機を始動するモータとして動作可能なオルタネータ１２と、上下３組の素子１４ａ－１４ｆを有する三相整流ブリッジ回路からなり、前記オルタネータ１２から出力される三相交流を直流に変換すると共に、電源（バッテリ３０、発電機５０、商用電源５２）から電力を供給されるとき、前記オルタネータ１２を駆動するモータドライバとして動作可能なコンバータ１４と、前記コンバータ１４から出力される直流の端子電圧（ＤＣ電圧）が目標電圧（ＤＣ目標電圧）となるように前記三相整流ブリッジ回路の素子１４ａ－１４ｆの駆動を制御するコンバータ制御部（ＥＣＵ４０）とを備えたインバータ式発動発電機１において、前記コンバータ１４の三相整流ブリッジ回路の上下３組の素子を、上側をデューティ制御可能なスイッチング素子（ＩＧＢＴ）１４ａ１－１４ｃ１とそれと並列に接続されるサイリスタ（１４ａ２－１４ｃ２）とから構成し、下側を少なくともデューティ制御可能でダイオードを備えるスイッチング素子（ＦＥＴまたはＩＧＢＴ＋とダイオード、またはトランジスタと並列ダイオード、例えば寄生ダイオード１４ｄ２－１４ｆ２を内蔵するＭＯＳＦＥＴ（１４ｄ１－１４ｆ１））から構成したので、始動機能を備えると共に、整流回路と昇降圧回路とエンジン１０（あるいは電動機１０ａ）の始動回路を１個の三相ブリッジ回路で実現することができる。

　また、サイズ、重量、部品点数をアップすることなく、始動機能を備えながら、発電時も一定のＤＣ電圧の供給が可能となる。

　また、図８から図１１を参照して説明したように、発電時は昇圧・降圧両方に対応できるため、広い回数数領域でオルタネータ１２の出力を最大限に確保することができると共に、オルタネータ１２は同一コアで最大の出力を確保できる巻線仕様にでき、さらには負荷待機時（換言すれば無負荷時）の回転数を従来の降圧型の整流手法のアイドル回転数よりも低下させることができる。

　また、前記コンバータ制御部は、前記三相ブリッジ回路から出力される直流の端子電圧が目標電圧となるように前記上下３組の素子１４ａ－１４ｆの駆動を制御すると共に、前記電源（３０，５０，５２）から電力を供給されるとき、前記オルタネータ１２を駆動するモータドライバとして動作するように前記上下３組の素子の駆動を制御する如く構成したので、上記した効果に加え、昇降圧制御や始動制御を効果的に行うことができる。

　また、前記コンバータ制御部は、前記三相ブリッジ回路から出力される直流の端子電圧の検出値（ＤＣ電圧）を目標値（目標ＤＣ電圧）と比較し、前記検出値と前記目標値の比較結果に応じて前記上下３組の素子１４ａ－１４ｆの駆動を制御する（Ｓ１０－Ｓ１４）如く構成したので、上記した効果に加え、昇降圧制御を一層効果的に行うことができる。

　また、前記コンバータ制御部は、前記出力される直流の端子電圧の前記検出値（ＤＣ電圧）が前記目標値（目標ＤＣ電圧）未満のとき、前記三相巻線に生じた磁気エネルギによる起電力分だけ前記三相ブリッジ回路の出力電圧が増加するように、前記上下３組の素子１４ａ－１４ｆのうちの上側の前記デューティ制御可能な素子１４ａ１－１４ｃをオフしつつ前記サイリスタ１４ａ２－１４ｃ２をオンすると共に、下側の前記デューティ制御可能な素子１４ｄ１－１４ｆ１をデューティ制御する如く構成したので、上記した効果に加え、発電出力を超えた磁気エネルギ相当分の電圧までＤＣ電圧を昇圧させることができる。

　前記コンバータ制御部は、前記出力される直流の端子電圧の前記検出値（ＤＣ電圧）が前記目標値（目標ＤＣ電圧）を超えるとき、前記三相ブリッジ回路の出力電圧が減少するように、前記上下３組の素子１４ａ－１４ｆのうちの下側の前記デューティ制御可能な素子１４ｄ１－１４ｆ１をオフすると共に、上側の前記デューティ制御可能な素子１４ａ１－１４ｃ１をオフしつつ前記サイリスタ１４ａ２－１４ｃ２をデューティ制御する如く構成したので、上記した効果に加え、ＤＣ電圧を所望の電圧に降圧させることができる。　

　また、前記コンバータ制御部は、前記電源３０，５０，５２から電力を供給されるとき、前記モータドライバとして動作するように、前記上下３組の素子１４ａ―１４ｆのうちの上側の前記サイリスタ１４ａ２－１４ｃ２をオンすると共に、前記上側と下側の前記デューティ制御可能な素子１４ａ１－１４ｆ１をデューティ制御する如く構成したので、上記した効果に加え、回転原動機として電動機が、電源として発電機５０あるいは商用電源５２が持ちられる場合でも、回転原動機を確実に始動させることができる。

　また、前記回転原動機が汎用エンジンまたは電動機からなる如く構成したので、上記した効果に加え、回転原動機としてエンジン１０または電動機１０ａが用いられる場合でも、回転原動機を確実に始動させることができる。

　また、電動機１０ａの始動（駆動）の他に、回生時においても昇降圧ができ、昇降圧回路のサイズ、重量、コストアップを一層抑えることができる。

　また、前記電源がバッテリと発電機と商用電源のいずれかからなる如く構成したので、上記した効果に加え、電源としてバッテリ３０、発電機５０、商用電源５２のいずれかが用いられる場合でも、回転原動機を確実に始動させることができる。

　この発明に係るインバータ式発電機は、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使用することができる。

１　インバータ式発動発電機（発電機）、１０　エンジン（回転原動機）、１０ａ　電動機（回転原動機）、１２　オルタネータ、１４　コンバータ、１４ａ-１４ｆ　素子、１４ａ１－１４ｃ１　ＩＧＢＴ、１４ａ２－１４ｃ２　サイリスタ、１４ｄ１－１４ｆ１　ＭＯＳＦＥＴ（ＦＥＴ）、１４ｄ２－１４ｆ２　ダイオード、１６　コンデンサ、２０　インバータ、２２　インバータユニット、２８　電気負荷、３０　バッテリ（電源）、３２　ＤＣ電圧検出回路、３４　位相・ゼロクロス検出回路、３６　モータドライブ回路、４０　電子制御ユニット（ＥＣＵ。制御部）、４０ａ　ＣＰＵ、４０ｂ　メモリ、５０　発電機（電源）、５２　商用電源（電源）

Claims

　三相巻線を有し、回転原動機で駆動されて発電すると共に、図１０に示す如く、前記回転原動機を始動するモータとして動作可能なオルタネータと、
　上下３組の素子を有する三相整流ブリッジ回路からなり、前記オルタネータから出力される三相交流を直流に変換すると共に、電源から電力を供給されるとき、前記オルタネータを駆動するモータドライバとして動作可能なコンバータと、
　前記コンバータから出力される直流の端子電圧が目標電圧となるように前記三相整流ブリッジ回路の素子の駆動を制御するコンバータ制御部と、
を備えたインバータ式発動発電機において、
　前記コンバータの三相整流ブリッジ回路の上下３組の素子を、上側をデューティ制御可能なスイッチング素子とそれと並列に接続されるサイリスタとから構成し、下側を少なくともデューティ制御可能でダイオードを備えるスイッチング素子から構成したことを特徴とするインバータ式発動発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記三相ブリッジ回路から出力される直流の端子電圧が目標電圧となるように前記上下３組の素子の駆動を制御すると共に、前記電源から電力を供給されるとき前記オルタネータを駆動するモータドライバとして動作するように前記上下３組の素子の駆動を制御することを特徴とする請求項１記載のインバータ式発動発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記三相ブリッジ回路から出力される直流の端子電圧の検出値を目標値と比較し、前記検出値と前記目標値の比較結果に応じて前記上下３組の素子の駆動を制御することを特徴とする請求項２記載のインバータ式発動発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記出力される直流の端子電圧の前記検出値が前記目標値未満のとき、前記三相巻線に生じた磁気エネルギによる起電力分だけ前記三相ブリッジ回路の出力電圧が増加するように、前記上下３組の素子のうちの上側の前記デューティ制御可能な素子をオフしつつ前記サイリスタをオンすると共に、下側の前記デューティ制御可能な素子をデューティ制御することを特徴する請求項２または３記載のインバータ式発動発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記出力される直流の端子電圧の前記検出値が前記目標値を超えるとき、前記三相ブリッジ回路の出力電圧が減少するように、前記上下３組の素子のうちの下側の前記デューティ制御可能な素子をオフすると共に、上側の前記デューティ制御可能な素子をオフしつつ前記サイリスタをデューティ制御することを特徴する請求項３または４記載のインバータ式発動発電機。
　前記コンバータ制御部は、前記電源から電力を供給されるとき、前記モータドライバとして動作するように、前記上下３組の素子のうちの上側の前記サイリスタをオンすると共に、前記上側と下側の前記デューティ制御可能な素子をデューティ制御することを特徴する請求項３から５のいずれか１項に記載のインバータ式発動発電機。
　前記回転原動機が汎用エンジンまたは電動機からなることを特徴する請求項１から６のいずれか１項に記載のインバータ式発動発電機。
　前記電源がバッテリと発電機と商用電源のいずれかからなることを特徴する請求項１から７のいずれか１項に記載のインバータ式発動発電機。