JP4678841B2 - エンジン駆動発電機の出力電圧調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン駆動発電機の出力電圧調整装置に関し、特に、安定した交流周期を正確に検出し、実効値電圧でフィードバック制御をかけることによって、負荷の影響によって発電機の出力波形が乱れたときにも、良好な出力電圧変動抑制効果を得ることができるエンジン駆動発電機の出力電圧調整装置に関する。

発電機の出力電圧の変動を抑制するための手段として、例えば、特公平３−４１０３８号公報に開示された自動電圧調整装置が知られる。図３は従来知られている自動電圧調整装置の一例に係る回路図である。この自動電圧調整装置は、励磁巻線１１、制御回路１２、界磁巻線１３、検出巻線１４、および検出回路１９を備える。検出巻線１４は図示しない出力巻線に直列接続されている。発電機の出力電圧は検出巻線１４、全波整流器１５、コンデンサ１６、並びに抵抗１７，１８で構成される検出回路１９で脈流電圧のピーク電圧として検出される。制御回路１２はツェナーダイオード２０と、ダーリントン接続されたトランジスタＱ１およびＱ２とを有しており、前記脈流電圧を抵抗１７，１８で分圧して得られる電圧Ｖｃに従って、界磁電流ｉｆを制御する。すなわち、電圧Ｖｃとツェナーダイオード２０による設定電圧Ｖｚとの関係がＶｃ＜Ｖｚである場合、トランジスタＱ１がオフになり、トランジスタＱ２がオンになる。その結果、界磁巻線１３には、励磁巻線１１の出力電流が界磁電流ｉｆとして流れる。

図を参照して説明する。図４は、図３に示した回路の動作を示す図である。発電機に接続される負荷が軽い場合は、図４（ａ）に示すようにＶｃ＜Ｖｚの区間が狭く界磁電流ｉｆが小さい。一方、負荷が増大すると、ピーク値Ｖｃが低下してＶｃ＜Ｖｚの区間が広がるので、界磁電流ｉｆが増大する。

一方、例えば、過負荷によって出力波形が乱れた場合等は、図４（ｃ）に示すようにＶｃ＜Ｖｚの区間が出力波形の乱れに従って変化し、界磁電流ｉｆは常に変動する。

この自動電圧調整装置は、出力電圧の検出および制御方法が簡単であるため広く普及している。しかし、上述のように、脈流である検出波形のピーク値Ｖｃを設定電圧Ｖｚと比較した検出信号をフィードバックしているので、出力波形の乱れに起因して出力電圧変動も大きくなってしまうという問題がある。

この問題に対して発生する様々な事象に対して種々対策がなされているが、検出波形のピーク値を検出する前提の下では、出力波形の乱れの影響は避けられない。

これに対して、出力波形の１周期をデジタルデータとしてサンプリングして実効値データを算出し、この実効値データをフィードバックすることが考えられている。このデジタルサンプリングによれば、波形の乱れが起きても精度の高いフィードバック制御を行うことができる。
特公平３−４１０３８号公報

デジタルデータのサンプリングによる制御方法は、例えば近年のインバータ制御式発電機のように、出力周波数がインバータによって正確に設定された所定周波数に固定されていれば１周期の判定は簡単である。しかし、エンジンで駆動される単相同期発電機のように、エンジンの回転数と磁極数とで出力周波数が決定される形式の発電機においては、出力波形のゼロクロス点等で１周期を判別する必要があるので、出力波形の乱れによって１周期を誤検出することがありえる。例えば、水銀灯や電動工具のような進相、遅相負荷の場合は、１周期の間にゼロクロス点が複数回発生したりすることがある。

本発明の目的は、上記課題を解消して、エンジン駆動される同期式発電機において、正確な実効値に基づいてフィードバック制御を行える出力電圧調整装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、エンジンで駆動される発電機に巻装した励磁巻線の出力電圧を整流して得られた電流を、発電機出力電圧のフィードバック信号で制御して界磁巻線へ供給するように構成された発電機の出力電圧調整装置において、前記発電機出力電圧波形を検出する出力電圧波形検出手段と、前記エンジンの回転周期を検出する同期信号検出手段と、前記回転周期内でサンプリングした発電機の出力電波形を実効値に変換する手段と、前記実効値に基づいて前記フィードバック信号を形成する手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記同期信号検出手段が、前記エンジンの点火装置の動作信号に基づいて回転周期を検出するように構成された点に第２の特徴がある。

さらに、本発明は、前記発電機の出力電圧波形が、出力端子ラインの電圧に基づいて検出される点に第３の特徴がある。

第１の特徴では、出力電圧の周波数がエンジンの回転周期と同期している点、および出力周波数を一定に維持するためにエンジン回転数が固定されている点に着目し、実効値の計算に必要な出力周期を、出力波形の周期に代えてエンジンの回転周期によって検出し、これに基づいて出力電圧の実効値を計算した。したがって、第１の特徴によれば、発電機の出力電圧波形が負荷等の影響によって大きく乱れることがあっても、安定した基本周期を正確に検出できる。その結果、ピーク電圧ではなく出力電圧の実効値でフィードバック制御を行って出力電圧変動を補償することができるので、極めて良好な出力電圧の変動抑制効果が得られる。

第２の特徴によれば、エンジン点火装置の点火信号を利用しているので、回転周期の検出が容易である。

第３の特徴によれば、電圧波形を出力端子ラインの電圧に基づいて検出するようにしたので、出力巻線と直列に接続されていた検出巻線から電圧を検出する従来の発電機の電圧調整装置と異なり、検出巻線の温度変化の影響が電圧検出結果に影響するのを避けることができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン駆動発電機の出力制御装置の要部回路図である。エンジン駆動発電機は、図示しない回転子に巻回された界磁巻線Ｌ１、並びに図示しない固定子に巻回された励磁巻線Ｌ２、制御電源巻線Ｌ３、および出力巻線Ｌ４を備える。界磁巻線Ｌ１が巻回された回転子は図示しないエンジンの出力軸に連結されてエンジンの回転に同期して回転する。本実施形態の発電機は、２極の突極型回転子を有しており、エンジン回転数は図示しないガバナによって、発電機に要求される出力周波数が５０Ｈｚのときは３０００ｒｐｍに、６０Ｈｚのときは３６００ｒｐｍにそれぞれ制御される。

エンジンの点火装置を構成する点火コイル１とトランジスタ式点火回路２が設けられる。トランジスタ式点火回路２は、点火信号を発生する信号発生器２１と、信号発生器２１からの点火信号によってオンオフする半導体制御素子（例えば、トランジスタ）２２とを有している。点火コイル１の一次側はトランジスタ２２に接続されるとともに、ダイオードＤ１およびＲ１を介してフォトカプラ３の送信側を構成する発光ダイオード３１に接続される。発光ダイオード３１と対になってフォトカプラの受信側を構成するフォトトランジスタ３２は制御部４の入力端子ＩＮ１に接続される。制御部４はマイクロコンピュータを備える。信号発生器２１は、エンジンで回転される回転部品（例えば、フライホイール）の外周に配置される検出コイルによってエンジンの１回転毎に点火信号を発生するように構成されており、フォトトランジスタ３２のオン・オフ信号はエンジン回転の１周期信号に相当する。制御部４は、フォトトランジスタ３２のオン・オフ周期を検出してエンジン回転の１周期を検出する。

励磁巻線Ｌ２の両端は全波整流器１の入力側に接続され、第１の全波整流器５の出力側には、界磁巻線Ｌ１と、第１のトランジスタＱ１および第２のトランジスタＱ２とが接続される。

制御電源巻線Ｌ３の両端は第２の全波整流器６の入力側に接続され、第２の全波整流器６の出力側は制御部４に接続されて制御電源を供給する。制御部４の出力端子ＯＵＴは第１のトランジスタＱ１のベースに接続される。

出力巻線Ｌ４はブレーカ７を介してＡＣ出力端子８に接続され、出力巻線Ｌ４に並列に接続された抵抗Ｒ４，Ｒ５の接続点は制御部４の入力端子ＩＮ２に接続される。制御部４は出力巻線Ｌ４の両端の電圧（出力電圧）を抵抗Ｒ４，Ｒ５の分圧として検出する。

制御部４は、入力端子ＩＮ１から入力されるエンジンの回転周期信号に従い、入力端子ＩＮ２から入力される出力電圧をエンジン回転１周期分デジタルサンプリングして波形面積を算出して出力電圧の実効値を求め、この実効値の変動に応じて界磁電流ｉｆを増減制御することで出力電圧変動を抑制する。図１では、前記実効値を目標電圧に近づけるように決定されたデューティで第１のトランジスタＱ１をＰＷＭ制御し、第１のトランジスタＱ１にダーリントン接続された第２のトランジスタＱ２によって、第１の全波整流器５から界磁巻線Ｌ１に流れる電流ｉｆが制御される。

例えば、負荷電流が増大して出力巻線Ｌ４の出力電圧が低下すると、検出される出力電圧の実効値が低下するので第１のトランジスタＱ１と第２のトランジスタＱ２は実効値を目標電圧に近づけるように界磁電流ｉｆを増大させることにより、出力巻線Ｌ４の出力電圧を上昇させる。

反対に、軽負荷になって出力巻線Ｌ４の出力電圧が上昇すると、検出される出力電圧の実効値が増大するので第１のトランジスタＱ１と第２のトランジスタＱ２は界磁電流ｉｆを減少させるように動作して、出力巻線Ｌ４の出力電圧を目標電圧まで低下させる。

このように、発電機は負荷変動に応じて出力電圧の実効値が目標値に収斂するように制御される。

次に、前記実効値の算出手順についてフローチャートを参照して説明する。図２のステップＳ１では出力電圧のサンプリング周期を決定する。サンプリング周期t_acv_smpは最新のエンジン回転２周期t360[0]+t360[1]を設定値ACV_SMP_NUM_2T（例えば「１００」）で除した値として計算する。

ステップＳ２では、実効値を計算する。実効値は出力電圧の瞬時値の二乗を１周期分積算し、その平方根を求めることによって算出する。出力電圧の瞬時値の二乗を積算することによって出力波形を代表するデータを得ることができる。

このように、出力電圧のサンプリング周期はエンジン回転周期に同期させて可変される。したがって、負荷電流が過大になってガバナがすぐに制御しきれないようなエンジンの過負荷が生じ、ガバナの追従遅れによって多少のエンジン回転変動が発生した場合も、実効値の計算は周期的に正確に行うことができる。

こうして算出された実効値を検出電圧として、次式（式１）、（式２）を使ってフィードバック量つまりＰＷＭ制御のためのデューティを計算する。

フィードバック量＝基本デューティ＋（目標電圧−検出電圧）＋積分項Ｔｉ…（式１）。積分項Ｔｉ＝Ｔｉ＋（目標電圧−検出電圧）×係数Ｋｉ…（式２）。なお、基本デューティは予め設定した固定値である。

上述のように、同期型発電機の電圧調整装置において、エンジン回転周期によって発電出力の１周期を確実に検出できるので、出力波形が乱れてもデジタルサンプリングによる電圧実効値の計算を正確に行うことができる。なお、本実施形態においては、回転子を２極構造にした発電機の例を示したが、極数の多少にかかわらず、同期発電機であれば、本実施形態と同様に本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る発電機の出力電圧調整装置の回路図である。 実効値算出手順を示すフローチャートである。 従来技術に係る出力電圧調整装置の回路図である。 図３の回路の動作説明図である。

符号の説明

１…点火コイル、 ２…トランジスタ式点火回路、 ３…フォトカプラ、 ４…制御部、 ５，６…全波整流器、 Ｌ１…界磁巻線、 Ｌ２…励磁巻線、 Ｌ３…制御電源巻線、 Ｌ４…出力巻線

Claims (3)

1. ガバナによって、発電機に要求される出力周波数に応じた所定回転数に制御されるエンジンで駆動される発電機に巻装した励磁巻線の出力電圧を整流して得られた電流を、発電機出力電圧のフィードバック信号で制御して界磁巻線へ供給するように構成された発電機の出力電圧調整装置において、
   前記発電機の出力電圧波形を検出する出力電圧波形検出手段と、
   前記エンジンの回転周期を検出する同期信号検出手段と、
   前記回転周期内でサンプリングした発電機の出力電圧波形を実効値に変換する手段と、
   前記実効値に基づいて前記フィードバック信号を形成する手段とを具備したことを特徴とするエンジン駆動発電機の出力電圧調整装置。
2. 前記同期信号検出手段が、前記エンジンの点火装置の動作信号に基づいて回転周期を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動発電機の出力電圧調整装置。
3. 前記発電機の出力電圧波形が、出力端子ラインの電圧に基づいて検出されることを特徴とする請求項１または２記載のエンジン駆動発電機の出力電圧調整装置。

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