JP5662782B2 - インバータ発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン等の原動機により駆動される同期モータの交流出力電力を一旦直流電力に変換した後、インバータにより所定周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置に関する。

エンジン等の原動機を駆動させて電力を発生させる発電機として、インバータ発電装置が多く用いられている。インバータ発電装置は、エンジンの出力軸に同期モータの回転軸を接続して該同期モータを回転駆動させ、この同期モータで発電された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、更に、この直流電力をインバータで交流電力に変換して、所望する電圧及び周波数の電力を出力する。

このようなインバータ発電装置のコンバータは、前記同期モータから効率的且つ安定して交流電力を引き出して直流電力に変換するために該同期モータの電気角の情報が必要となり、従来より、同期モータに位置センサを取り付けて該位置センサにより同期モータの回転子の位置データを取得し、この位置データに基づいて固定子が発電する電力の電気角を推定する構成としていた。

また、昨今においては、例えば特開２００５−２９５６２６号公報（特許文献１）、特開２００７−１８５０９９号公報（特許文献２）に記載されているように、位置センサを用いること無く同期発電機の誘起電圧を測定し、この誘起電圧に基づいて電気角を求める方法が種々提案されている。

特開２００５−２９５６２６号公報 特開２００７−１８５０９９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、無負荷時における発電機の誘起電圧を測定して始動モードと通常運転モードの切り替えを行っているので、電圧検出センサが必要になり、且つ、発電の開始までに長時間を要するという欠点がある。特に、電圧検出センサは絶縁が必要になるので、コスト高になるという欠点がある。

一方、特許文献２に開示された技術では、電圧検出センサを用いて発電機の誘起電圧を推定しながらコンバータを制御するので、高価な電圧検出センサが必要になるという欠点がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高価なセンサ類を必要とせずに同期モータの電気角を推定して、コンバータ回路を制御することが可能なインバータ発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、原動機と、前記原動機の出力軸に回転軸が接続され、前記出力軸の回転により前記回転軸が回転して交流電力を出力する同期モータと、前記同期モータより出力された交流電力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た直流電力を所定の交流電力に変換するインバータとを備えたインバータ発電装置において、前記原動機には、出力軸が所定角度回転する毎に１パルス発信するタコセンサが取り付けられており、このタコセンサから発信・出力される回転パルス信号に基づいてエンジンの回転数を求め、この回転数と目標回転数とを比較して偏差が０になるよう最適な燃料の供給量を算出し、原動機の燃料供給装置に対して燃料制御信号を出力する制御手段であるＥＣＵを備えていて、前記コンバータは、前記同期モータの電気角を推定する電気角推定手段と、推定した電気角に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記同期モータより出力される交流電力を直流電力に変換すると共に、前記電気角によりフィードバック電流を生成して前記同期モータを制御するコンバータ回路とを有し、前記インバータは、複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記コンバータ回路より出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ回路を有し、前記電気角推定手段は、前記ＥＣＵと接続され、前記タコセンサから発信・出力される回転パルス信号に基づき前記ＥＣＵから出力されるＥＣＵパルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点との位相ずれに基づいて、前記同期モータの電気角を推定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記原動機の出力軸と前記同期モータの回転軸は、前記パルス信号の立ち上がりエッジの位相と、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように機械的に接続され、前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジを０［deg］とし、前記パルス信号の１周期の整数分の１の周期となる電気角を生成することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、前記立ち上がりエッジに対応する電気角を前記位相ずれに応じたプリセット値に設定して、前記電気角を推定することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記電気角推定手段は、前記同期モータのｑ軸電圧、及びｄ軸電圧を共にゼロとしたときの、前記同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の０degとの間の位相ずれを求めることを特徴とする。

請求項１の発明では、コンバータ回路は、原動機（例えば、エンジン１１）に汎用的に設けられている制御手段（例えば、ＥＣＵ１９）より出力されるパルス信号に基づいて、同期モータの電気角を推定することができる。従って、同期モータに位置検出用のセンサ類を設ける必要が無く、且つ同期モータの誘起電圧測定用のセンサも不要となり、このため、従来と比較して、複雑なアルゴリズムを用いること無くコンバータ回路を制御することができる。その結果、インバータ発電装置全体の装置規模を簡素化し且つコストダウンを図ることができる。

請求項２の発明では、制御手段より出力されるパルス信号の立ち上がりエッジの位相と、同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように、原動機と同期モータが機械的に接続されるので、電気角推定手段は、パルス信号の立ち上がりのエッジと電気角の０［deg］を一致させることにより、同期モータの電気角を高精度に推定することができる。

請求項３の発明では、制御手段より出力されるパルス信号の立ち上がりエッジの位相と、同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、この位相ずれに応じた電気角のプリセット値を設定し、パルス信号の立ち上がりエッジにこのプリセット値を対応させて電気角を推定する。従って、位相ずれが発生する場合であっても、同期モータの電気角を高精度に推定することができる。

請求項４の発明では、同期モータのｄ軸電圧、及びｑ軸電圧を共にゼロとしたときの同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の０degとの間の位相ずれ角度θを求めるので、請求項３で用いる位相ずれ角度θを予め測定する必要がなく容易に検出することができる。

本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置、及びこのインバータ発電装置に接続されるエンジンの構成を示すブロック図である。 本発明が適用されない従来のインバータ発電装置、及びこのインバータ発電装置に接続されるエンジンの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータと、ＥＣＵとの間の通信回路の第１の例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータと、ＥＣＵとの間の通信回路の第２の例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ＥＣＵパルス数と同期モータの極対数が一致する場合の電気角、及びモータＵ相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータによる電気角推定処理の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ＥＣＵパルス数に対して同期モータの極対数が２倍となる場合の電気角、及びモータＵ相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ＥＣＵパルス数と同期モータの極対数が一致し、且つＥＣＵパルスと電気角との間に位相ずれ角度θが発生する場合の電気角、及びモータＵ相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ｄ軸、ｑ軸電流と位相ずれ角度θとの関係を示すベクトル図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、コンバータより出力するｄ軸電圧、ｑ軸電圧を共にゼロとしたときのｄ軸電流、ｑ軸電流を測定する場合の回路図である。 本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、位相ずれ角度θを算出する際のサイン波形、コサイン波形を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、このインバータ発電装置１００は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等のエンジン（原動機）１１にカップリング１２を介して結合され、エンジン１１の回転によりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の誘起電圧を発生する同期モータ１３、例えば回転子に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータと、該同期モータ１３に接続され、同期モータ１３より出力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各誘起電圧をＰＮ直流電圧に変換するコンバータ（コンバータ回路）１４と、該コンバータ１４より出力されるＰＮ直流電圧からＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相交流電圧を生成するインバータ（インバータ回路）１５と、スイッチングノイズを軽減するためのＬＣフィルタ１６と、負荷１８への電圧の供給、遮断を切り替える遮断器１７を備えている。

コンバータ１４は、ＩＧＢＴ、或いはＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流電圧をＰＮ直流電圧に変換する。更に、コンバータ１４は、負荷１８に出力する電力に応じて、同期モータ１３に適宜電流を流すことにより、エンジン１１の回転数を頻繁に変化させることなく、所望の電力を発生させるようにしている。つまり、コンバータ１４は、通常の整流器とは異なり、同期モータ１３より出力される交流電圧から所望の大きさの直流電圧を生成すると共に、負荷に出力する電力に応じて同期モータ１３に電流を流すことにより、負荷変動に応じた安定した電力を発生させている。また、コンバータ１４は、同期モータ１３の電気角を推定する処理を行う電気角推定部（電気角推定手段）１４ａを備えている。

インバータ１５は、上述のコンバータ１４と同様に、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることによりＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相交流電圧を生成する。また、各スイッチング素子のスイッチングのパターンにより、出力電圧及び周波数を任意の値に設定することができる。

そして、本実施形態に係るインバータ発電装置１００では、コンバータ１４でＰＮ直流電圧を生成する際に、同期モータに磁極センサや位置センサ等のセンサ類を取り付けることなくエンジン１１に設けられたタコセンサから発信・出力された該エンジンの出力軸の回転数に基づく回転パルス信号を取得し、この回転パルス信号に基づいて電気角を推定する。

即ち、従来のインバータ発電装置は、図２に示すように同期モータ１３に位置センサ５２を設け、この位置センサ５２とコンバータ１４をセンサケーブル５３で接続し、位置センサ５２より出力される同期モータ１３の回転軸の位置データを用いて、電気角を推定しこの電気角に基づいて、コンバータ１４に設けられる各スイッチング素子のスイッチングを制御する構成であったが、本実施形態では、エンジンに取り付けられた図示しないタコセンサから発信・出力される回転パルス信号をＥＣＵ（Engine Control Unit）１９に入力し、図１に示すようにＥＣＵ１９と前記コンバータ１４とをセンサケーブル５１で接続し、ＥＣＵ１９で前記回転パルス信号を変換又は生成し、コンバータ１４はＥＣＵ１９より出力される前記回転パルス信号に基づくパルス信号（ＥＣＵパルス）を用いて電気角を推定し、コンバータ１４のスイッチングを制御する。このため、同期モータ１３に取り付ける磁極センサ或いは位置センサを割愛でき、その分小型化、低コスト化を図ることができる。

通常、エンジン１１には、出力軸が所定角度回転する毎に１パルス発信するタコセンサが取り付けられており、前記タコセンサが発信・出力する回転パスル信号をエンジン１１の回転数の表示や、エンジンへの燃料の供給量を制御するために用いられている。前記ＥＣＵ１９は、前記回転パルス信号に基づいてエンジン１１の回転数を求め、この回転数と目標回転数とを比較して偏差が０になるよう最適な燃料の供給量（又は燃料の増減量）を算出し、エンジン１１の燃料供給装置に対して燃料制御信号を出力する。このことから、前記タコセンサやＥＣＵ１９は前記同期モータ１３の電気角を推定するために別途新たに設けるものではない。前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とはカップリング１２により結合され、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３とは同期回転するので、エンジン１１のタコセンサが発信・出力する回転パルス信号は同期モータ１３の回転子の回転角度位置データとして利用できる。従って、新たに機器を追加すること無く、コンバータ１４は、ＥＣＵ１９より出力される前記ＥＣＵパルスを同期モータの回転子の回転角度位置データとして取得することができる。

図３は、ＥＣＵ１９とコンバータ１４との間の第１の接続例を示す説明図である。図３に示すように、ＥＣＵ１９は、パルス信号出力用のオープンコレクタ方式のトランジスタ２１を備えており、該トランジスタ２１のコレクタは、端子２２ａ，２３ａを介してコンバータ１４内に設けられた直流電源２７のプラス端子に接続されている。また、トランジスタ２１のエミッタは、端子２２ｂ，２３ｂを介してコンバータ１４内に設けられた抵抗２４に接続され、更に抵抗２５を介して直流電源２７のマイナス端子に接続されている。

更に、抵抗２５に対して並列にフォトカプラ２６が設けられ、該フォトカプラ２６の発光ダイオード２６ａが抵抗２５に対して並列に接続されている。更に、フォトカプラ２６に設けられるフォトトランジスタ２６ｂは、図示しない受信回路に接続される。従って、フォトトランジスタ２６ｂは、ＥＣＵ１９より出力されるパルス信号を受信することができる。

図４は、ＥＣＵ１９とコンバータ１４との間の第２の接続例を示す説明図である。図４に示すように、ＥＣＵ１９には、ＣＡＮモジュール３１が設けられ、ケーブル３５ａ，３５ｂを介してコンバータ１４に設けられるＣＡＮモジュール３４に接続される。即ち、ＥＣＵ１９側のＣＡＮモジュール３１のＣＡＮ_Highは、端子３２ａ、ケーブル３５ａ、端子３３ａを経由して、コンバータ１４側のＣＡＮモジュール３４のＣＡＮ_Highに接続され、ＣＡＮモジュール３１のＣＡＮ_Lowは、端子３２ｂ、ケーブル３５ｂ、端子３３ｂを経由して、コンバータ１４側のＣＡＮモジュール３４のＣＡＮ_Lowに接続される。そして、ＥＣＵ１９側からコンバータ１４側に、ＣＡＮ通信を用いてパルス信号が送信される。

次に、コンバータ１４に設けられる電気角推定部１４ａにより、ＥＣＵ１９より送信されたＥＣＵパルスに基づいて、同期モータ１３の電気角を推定する手順について説明する。

［電気角の第１の演算例］
図５は、ＥＣＵ１９より出力されるパルス信号と、コンバータ１４の電気角推定部１４ａで推定される電気角、及び同期モータ１３のＵ相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。この例では、図５（ａ）に示すように、エンジン１１が一定速度で回転しているとき、エンジン１１の出力軸が１回転する毎に、ＥＣＵ１９より同一周期で６個の矩形波パルス信号（これを、「ＥＣＵパルス」という）が出力される。また、同期モータ１３の回転子の極対数は６（極数は１２）とされており、従って、図５（ｃ）に示すように、同期モータ１３の回転子が１回転する毎に６周期分のＵ相誘起電圧が出力される。つまり、図１に示すように前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とはカップリング１２により結合され、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３とは同期回転するので、ＥＣＵパルス６個分とＵ相誘起電圧６周期分、即ちＥＣＵパルス１個分とＵ相誘起電圧１周期分とが対応することになる。更に、図５（ａ）、（ｃ）に示すように、同期モータ１３のＵ相誘起電圧のゼロクロス点（マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点）とＥＣＵパルスの立ち上がりエッジの位相が一致している。これは、後述するように、図１に示したカップリング１２で前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とを結合するときにＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点が一致するように調整していることによるものである。

更に、エンジン１１の出力軸が１回転する場合の、ＥＣＵパルス数と同期モータ１３の極対数が一致するので、図５（ｂ）に示すように、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角が０［deg］となるように前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とを結合すれば、同期モータ１３のＵ相誘起電圧に適合した電気角を得ることができる。

次に、上記した電気角推定部１４ａにて同期モータ１３の電気角を推定する手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

始めに、電気角推定部１４ａは、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジを検出する（ステップＳ１１）。そして、エッジが検出されない場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、カウント値Ｔをインクリメントし（ステップＳ１２）、更に、電気角Ｑ［deg］の値を下記の（１）式で設定する（ステップＳ１３）。

Ｑ＝Ｑ＋（３６０／Ｔａ） …（１）
但し、Ｔａはパルス間のカウント値である。従って、カウント値Ｔがインクリメントされる毎に、電気角Ｑの位相が（３６０／Ｔａ）ずつ進むことになる。

更に、電気角Ｑが３６０を上回った場合にはＱから３６０を減じた値をＱとし（即ち、Ｑ＝Ｑ−３６０）とし、そうでなければＱのままとする（ステップＳ１４）。

一方、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジが検出された場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、この時点でのカウント値Ｔをパルス間カウント値Ｔａとしてメモリ等に保存する（ステップＳ１５）。その後、カウント値Ｔをクリアする（ステップＳ１６）。更に、電気角Ｑをプリセット値Ｐｒ（例えば、Ｐｒ＝０［deg］）にプリセットする（ステップＳ１７）。

そして、上記のステップＳ１１〜Ｓ１７を繰り返すことにより、図５（ｂ）に示したように、ＥＣＵパルスのエッジでリセットされる鋸歯状波形の電気角を得ることができる。従って、コンバータ１４はこの電気角に基づいて、相電圧を出力し、フィードバック電流を生成して同期モータ１３を制御し、且つ、この電気角に基づいて電圧指令の座標変換を行って所望の直流電圧を生成する。

このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置１００における電気角の第１の演算例では、エンジン１１に汎用的に設けられているＥＣＵ１９より出力されるＥＣＵパルスに基づいて、同期モータ１３の電気角を推定することができるので、同期モータ１３に位置検出用のセンサ設ける必要が無く、且つ同期モータの誘起電圧測定用のセンサも不要となる。このため、従来と比較して、複雑なアルゴリズムを用いること無く、装置規模を簡素化し且つコストダウンを図ることができる。

［電気角の第２の演算例］
次に、電気角の第２の演算例について説明する。図７は、第２の演算例に係り、ＥＣＵ１９より出力されるパルス信号と、電気角推定部１４ａで推定される電気角、及び同期モータ１３のＵ相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。この例では、図７（ａ）に示すように、エンジン１１の出力軸が１回転する毎に、ＥＣＵ１９より同一周期で３個の矩形波パルス信号（ＥＣＵパルス）が出力される。また、同期モータ１３の回転子の極対数は６（極数は１２）とされており、従って、図７（ｃ）に示すように、同期モータ１３の回転子が１回転する毎に６周期分のＵ相誘起電圧が出力される。つまり、図１に示すように前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とはカップリング１２により結合され、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３とは同期回転するので、ＥＣＵパルス３個分とＵ相誘起電圧６周期分、即ちＥＣＵパルス１個分とＵ相誘起電圧２周期分とが対応することになる。更に、図７（ａ）、（ｃ）に示すように、同期モータ１３のＵ相誘起電圧のゼロクロス点（マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点）とＥＣＵパルスの立ち上がりエッジの位相が一致している。これは、電気角の第１の演算例と同様に、図１に示したカップリング１２で前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とを結合するときにＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点が一致するように調整していることによるものである。

更に、図７（ｂ）に示すように、ＥＣＵパルスの１周期の間に電気角が２周期発生するように推定し、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角が０［deg］となるように前記エンジン１１の出力軸と前記同期モータ１３の回転軸とを結合すれば、同期モータ１３のＵ相誘起電圧に適合した電気角を得ることができる。

この場合には、上述した（１）式のパルス間カウント値Ｔａを（Ｔａ／２）とすれば良い。つまり、図７（ａ）に示すように、ＥＣＵパルス１周期に対するカウント値Ｔがパルス間カウント値Ｔａとして設定されており、このＥＣＵパルス１周期の間に、２周期分の電気角を発生させるので、（Ｔａ／２）で電気角Ｑをリセットすることにより、図７（ｂ）に示すように、Ｕ相誘起電圧と同位相となる鋸歯状波形の電気角を得ることができる。

そして、第２の演算例では、同期モータ１３の極対数が、エンジン１１の１回転のＥＣＵパルス数の倍数（例えば、２倍）である場合であっても、位置センサや磁極センサ等を用いること無く同期モータ１３の電気角を高精度に求めることができる。

また、上述した電気角の第１の演算例及び第２の演算例では、図５、図７に示したように、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジと、Ｕ相誘起電圧のゼロクロス点とが一致している。この手法としては、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸との位置を機械的に徐々にずらすことにより、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジと、Ｕ相誘起電圧のゼロクロス点とが一致する角度を見い出して、この角度で両者を固定すれば良い。具体的には、オシロスコープを用いて同期モータ１３のＵ相誘起電圧の立ち上がりゼロクロス点と、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとが一致するように、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸を合わせれば良い。

そして、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点を、一度機械的に合わせれば、以後この状態を維持できるので、製造工場で組立時に位置合わせを行う等により、その後位置合わせを行う必要が無い。

［電気角の第３の演算例］
次に、電気角の第３の演算例について説明する。この例では、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点とを一致させるために、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸とを機械的に合わせるのではなく、両者の位相ずれ角度θを予め測定し、この位相ずれ角度θを考慮して電気角を生成する方式を採用する。

以下、位相ずれが生じる場合において、電気角を推定する手順について説明する。図８は、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点との間に位相ずれが発生している場合の、ＥＣＵ１９より出力されるＥＣＵパルスと、電気角推定部１４ａで推定される電気角、及び同期モータ１３のＵ相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。

この例では、前述した第１の演算例と同様にＥＣＵパルス１個分とＵ相誘起電圧１周期分とが対応しているが、位相ずれが発生しているので、図８（ａ）に示しＥＣＵパルスの立ち上がりエッジと、図８（ｃ）に示すＵ相誘起電圧のゼロクロス点とが一致していない。そこで、第３の演算例では、この位相ずれ角度θを予め測定し、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジと電気角の０［deg］との間に角度θだけ位相差を持たせて電気角を推定する。

即ち、予めＵ相誘起電圧のマイナスからプラスに向かうゼロクロス点と、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとの間の位相ずれ角度θが測定されていれば、この位相ずれ角度θだけＥＣＵパルスの立ち上がりエッジに対して、電気角０［deg］の位相をずらせば良い。従って、前述した図６に示したフローチャートのステップＳ１７の処理で、プリセット値Ｐｒをゼロではなく、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角に設定すれば良い。具体的には、オシロスコープを用いて同期モータ１３のＵ相誘起電圧の立ち上がりゼロクロス点と、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとの位相ずれ角度θを測定し、図８（ｂ）に示す符号Ｐｒの値をプリセット値とすれば良く、このプリセット値はコンバータ１４のＥＥＰＲＯＭやバッテリでバックアップしたメモリに格納し、発電装置の起動時に呼び出す。

こうすることにより、エンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸との間に位相ずれが生じた場合であっても、この位相ずれ角度θを相殺して電気角を推定することができる。

そして、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点との位相ずれ角度を、コンバータ１４にプリセット値として一度ＥＥＰＲＯＭやバッテリでバックアップしたメモリに格納させればよく、製造工場から出荷する前に位相ずれ角度をオシロスコープで測定し、プリセット値としてメモリに格納しておくことにより、その後位置合わせや、位相ずれ角度の測定を行う必要が無い。

このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置１００の、電気角の第３の演算例においても、前述した第１，第２の演算例と同様に、エンジン１１のＥＣＵ１９より出力されるパルス信号（ＥＣＵパルス）に基づいて、同期モータ１３の電気角を推定することができるので、同期モータ１３に位置検出用のセンサ類を設ける必要がなく、装置規模を簡素化しコストダウンを図ることができる。

［電気角の第４の演算例］
次に、電気角の第４の演算例について説明する。この演算例ではエンジン１１の出力軸と同期モータ１３の回転軸とを機械的な位置関係に関わらず、以下に示す演算手法によりＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点との間の位相ずれ角度θを算出する。そして、この位相ずれ角度θに基づいて前述した第３の演算例と同様の方法で電気角を推定する。以下、詳細に説明する。

図９は、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジと、Ｕ相誘起電圧のゼロクロス点との間に位相ずれ角度θが発生している場合の、誘起電圧Ｖと角度θとの関係を示すベクトル図である。なお、図９において、位相ずれがない場合（θ＝０の場合）には、誘起電圧Ｖはｑ軸方向に発生する電圧と一致する。

そして、図９に示すように誘起電圧Ｖが発生する状態で、コンバータ１４からｑ軸電圧、ｄ軸電圧をそれぞれ０Ｖで出力した場合に、誘起電圧Ｖの大きさ及び位相ずれ角度θに応じたｑ軸電流（Ｉｑ）、及びｄ軸電流（Ｉｄ）が流れる。そして、角度θと電流Ｉｑ、Ｉｄの関係は、下記の（２）、（３）式となる。

Ｖｑ＝Ｖ・cosθ＋Ｒ・Ｉｑ−ｐ・ω・Ｌｄ・Ｉｄ …（２）
Ｖｄ＝Ｖ・sinθ＋Ｒ・Ｉｄ−ｐ・ω・Ｌｑ・Ｉｑ …（３）
但し、Ｒは抵抗値、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ｐは極対数、ωは角速度である。

そして、（２）式、（３）式において、コンバータ１４側でＶｑ＝Ｖｄ＝０を出力すると、cosθ、及びsinθは、次の（４）式、（５）式で示すことができる。

cosθ＝−（Ｒ・Ｉｑ−ｐ・ω・Ｌｄ・Ｉｄ）／Ｖ …（４）
sinθ＝−（Ｒ・Ｉｄ−ｐ・ω・Ｌｑ・Ｉｑ）／Ｖ …（５）
従って、（５）式を用いれば角度θ（これを「θs」とする）は、次の（６）式で示すことができる。

θs＝sin^−１｛−（Ｒ・Ｉｄ−ｐ・ω・Ｌｑ・Ｉｑ）／Ｖ｝ …（６）
また、（４）式を用いれば角度θ（これを「θc」とする）は、次の（７）式で示すことができる。

θc＝cos^−１｛−（Ｒ・Ｉｑ−ｐ・ω・Ｌｄ・Ｉｄ）／Ｖ｝ …（７）
但し、角度θs、θcは共に±４５［deg］以内とする。

そして、sinθとcosθの関係より、図１１に示す領域ａ〜ｈに区分し、各領域毎に下記のようにθsまたはθcのうちの一方を選択して角度θを算出する。

領域ａの場合： cosθ＞０、sinθ＞０、 |cosθ|＞|sinθ| θ＝θｓ
領域ｂの場合： cosθ＞０、sinθ＞０、 |cosθ|≦|sinθ| θ＝θｃ
領域ｃの場合： cosθ＜０、sinθ＞０、 |cosθ|＜|sinθ| θ＝θｃ
領域ｄの場合： cosθ＜０、sinθ＞０、 |cosθ|≧|sinθ| θ＝θｓ
領域ｅの場合： cosθ＜０、sinθ＜０、 |cosθ|＞|sinθ| θ＝θｓ
領域ｆの場合： cosθ＜０、sinθ＜０、 |cosθ|≦|sinθ| θ＝θｃ
領域ｇの場合： cosθ＞０、sinθ＜０、 |cosθ|＜|sinθ| θ＝θｃ
領域ｈの場合： cosθ＞０、sinθ＜０、 |cosθ|≧|sinθ| θ＝θｓ
ここで、（６）、（７）式においてＲ、Ｌｑ、Ｌｄ、ｐの値は予め測定することができ、ωの値もエンジン１１の同期パルスを測定することにより算出が可能である。従って、位相ずれの角度θを演算により求めることができる。更に、誘起電圧Ｖは誘起電圧定数Ｋｖを用いて「Ｖ＝Ｋｖ×ω」に置き換えることができ、且つ、この誘起電圧定数Ｋｖは予め測定して求めることができるので、誘起電圧Ｖの値も予め取得することができる。

従って、上記の各領域毎にθｓまたはθｃを選択する条件を予め対応テーブルとして記憶しておき、領域が決定した場合に、θｓ或いはθｃのいずれかを用いることにより、位相ずれ角度θを求めることができる。

図１０は、図１に示したコンバータ１４の詳細な構成を示すブロック図であり、上述した（６）式、（７）式で用いるｑ軸電流（Ｉｑ）、及びｄ軸電流（Ｉｄ）を取得する場合の説明図である。

図１０に示す２相・３相変換器に入力するｑ軸電圧及びｄ軸電圧を共に０Ｖとすることにより、コンバータ１４側の電圧を０Ｖとすることが可能である。結果的に、同期モータ１３の各相に流れる電流を、コンバータ１４の仮想電気角を利用し、３相・２相変換器でｄｑ軸の電流値に変換し、ｑ軸電流（Ｉｑ）及びｄ軸電流（Ｉｄ）を求める。

なお、同期モータ１３の誘起電圧は、モータの種類やエンジン１１の回転数によって異なり、更に、モータの各定数（Ｒ、Ｌｑ、Ｌｄ、ｐ）も異なるために、コンバータ１４側で０Ｖを出力した場合に、同期モータ１３側に過大な電流が流れ込む場合が想定される。例えば、エンジン１１の回転数を低下させた状態でｑ軸電流、ｄ軸電流を測定することができれば、同期モータ１３に流れる電流値も小さくなるが、エンジン１１は任意の低い回転数に制御することが困難であるために、アイドリング回転数が下限値となる。そのような場合は、測定時にのみ同期モータ１３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に直列にそれぞれ抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３を接続して測定を行うことにより、大電流が流れることを防止することも可能である。

また、コンバータ１４側で０Ｖを出力する時間が長時間になると、エンジン１１に対して大きな負荷となり、回転数を維持することができなくなる場合も想定されるので、０Ｖを出力する時間は同期モータ１３の抵抗とインダクタンスで決まる時定数の、約５倍程度とすれば良い。

また、位相ずれを検出した場合には、エンジン１１と同期モータ１３の回転軸との結合を動かしたり、取り外したりしなければ、エンジン１１と同期モータ１３を組み付けた初回のみ測定を実施し、その後はコンバータ１４にプリセット値としてＥＥＰＲＯＭやバッテリでバックアップしたメモリに格納することによって、２度目以降は測定の必要がなくなる。

このようにして、第４の演算例では上述した（６）式、（７）式を用いて位相ずれ角度θを算出する。従って、ＥＣＵパルスの立ち上がりエッジとＵ相誘起電圧のゼロクロス点（マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点）との間の位相ずれ角度θが予め判らない場合であっても、演算により角度θを求めることができこの角度θを用いて電気角を推定することができる。

以上、本発明のインバータ発電装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＥＣＵ１９から出力されるＥＣＵパルスの利用に代えて、エンジンに取り付けられたタコセンサから発信・出力される回転パスル信号をコンバータ１４の電気角推定部１４ａに入力するようにしてもよく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、インバータ発電装置に設けられたコンバータをセンサレスで制御することに利用することができる。

１００ インバータ発電機
１１ エンジン
１２ カップリング
１３ 同期モータ
１４ コンバータ
１４ａ 電気角推定部
１５ インバータ
１６ ＬＣフィルタ
１７ 遮断器
１８ 負荷
１９ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 原動機と、前記原動機の出力軸に回転軸が接続され、前記出力軸の回転により前記回転軸が回転して交流電力を出力する同期モータと、前記同期モータより出力された交流電力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た直流電力を所定の交流電力に変換するインバータとを備えたインバータ発電装置において、
   前記原動機には、出力軸が所定角度回転する毎に１パルス発信するタコセンサが取り付けられており、このタコセンサから発信・出力される回転パルス信号に基づいてエンジンの回転数を求め、この回転数と目標回転数とを比較して偏差が０になるよう最適な燃料の供給量を算出し、原動機の燃料供給装置に対して燃料制御信号を出力する制御手段であるＥＣＵを備えていて、
   前記コンバータは、前記同期モータの電気角を推定する電気角推定手段と、推定した電気角に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記同期モータより出力される交流電力を直流電力に変換すると共に、前記電気角によりフィードバック電流を生成して前記同期モータを制御するコンバータ回路とを有し、
   前記インバータは、複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記コンバータ回路より出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ回路を有し、
   前記電気角推定手段は、前記ＥＣＵと接続され、前記タコセンサから発信・出力される回転パルス信号に基づき前記ＥＣＵから出力されるＥＣＵパルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点との位相ずれに基づいて、前記同期モータの電気角を推定することを特徴とするインバータ発電装置。
   
   
2. 前記原動機の出力軸と前記同期モータの回転軸は、前記パルス信号の立ち上がりエッジの位相と、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように機械的に接続され、
   前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジを０［deg］とし、前記パルス信号の１周期の整数分の１の周期となる電気角を生成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装置。
3. 前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、前記立ち上がりエッジに対応する電気角を前記位相ずれに応じたプリセット値に設定して、前記電気角を推定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装置。
4. 前記電気角推定手段は、前記同期モータのｑ軸電圧、及びｄ軸電圧を共にゼロとしたときの、前記同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の０degとの間の位相ずれを求めることを特徴とする請求項３に記載のインバータ発電装置。

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