(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相発電機と、この発電機の３相巻線出力に接続され、互いに逆並列接続されて、単相電流を出力するサイクロコンバータを構成する１組の可変制御ブリッジ回路とを備え、この互いに逆並列接続された可変制御ブリッジ回路を、負荷に給電される電流の半周期毎に交互に切り換え動作させて単相の交流電流を出力する電源装置において、
前記単相の交流電流波形を出力するために、前記可変制御ブリッジ回路を駆動させる駆動信号の目標波を生成する目標波生成手段と、
前記単相の交流出力電圧と目標出力電圧とを比較する比較手段と、
前記単相の交流出力電圧が安定するように、前記負荷の負荷変動に応じて前記目標波の形状を変形させる変形手段と、
前記単相の交流出力電圧が所定値以下に低下したときには、前記目標波の振幅をより小さく制限する制限手段と
を有し、
前記変形手段は、前記比較手段による比較の結果、負荷が増大するに従って、前記目標波の形状を正弦波形状から矩形波形状に変形していくことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記制限手段は、前記負荷の負荷変動が短絡状態に近くなったときには、前記目標波の振幅をさらに小さく制限することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用周波数等の単相交流電源として使用される電源装置に関し、特に、サイクロコンバータを使用し、その入力側を比較的出力電力の小さい発電機で構成する場合において、接続された負荷が過負荷状態であるときまたは短絡状態に近い状態であるときに、当該負荷に供給する電流を制限するように構成した電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一定周波数の交流電力を他の異なる周波数の交流電力に直接変換する装置として、サイクロコンバータと呼ばれるものは知られている。
【０００３】
かかる従来のサイクロコンバータは、通常は商用周波数の電源ラインや大出力の発電機の出力を入力として使用されるものであり（たとえば、特公昭６０−９４２９号公報参照）、一般的には交流電動機の駆動用に使用されている。
【０００４】
ところで、サイクロコンバータの出力を、正弦波状の単相交流として使用する場合には、サイクロコンバータはエネルギを蓄積する個所を有していないため、サイクロコンバータの入力エネルギも正弦波状に変化することになる。
【０００５】
したがって、サイクロコンバータの入力側に小型出力、たとえば数百〜数ｋＷの発電機を接続して単相の正弦波を出力する場合には、正弦波のピーク部分以外は入力エネルギが使えないことから利用効率が非常に悪く、単相交流として取り出せる出力が非常に小さくなってしまう。
【０００６】
これに対して、本出願人は、特開平１０−５２０４７号公報において、サイクロコンバータを駆動する駆動信号の目標波を負荷が増大するに従って、正弦波から最大振幅が出力電圧で制限される矩形波に変化させることによって、一時的な過負荷が生じても無理なく運転を継続させることができる電源装置を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の電源装置では、どのような過負荷状態であっても、その過負荷状態に応じた電流を出力しようとするため、負荷の状態から見て、負荷に電流を供給する必要のない場合でも、負荷への電流を供給し続けるという問題がある。ここで、負荷に電流を供給する必要のない負荷状態とは、具体的には、たとえば短絡に近い過負荷状態（短絡状態も含む）をいい、負荷がこのような状態のときには異常事態であって、これに対応する十分な電流を負荷に流し続ける必要はない。
【０００８】
本発明は、この点に着目してなされたものであり、負荷の状態に応じて負荷に供給する電流を柔軟に制御することが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電源装置は、３相発電機と、この発電機の３相巻線出力に接続され、互いに逆並列接続されて、単相電流を出力するサイクロコンバータを構成する１組の可変制御ブリッジ回路とを備え、この互いに逆並列接続された可変制御ブリッジ回路を、負荷に給電される電流の半周期毎に交互に切り換え動作させて単相の交流電流を出力する電源装置において、前記単相の交流電流波形を出力するために、前記可変制御ブリッジ回路を駆動させる駆動信号の目標波を生成する目標波生成手段と、前記単相の交流出力電圧と目標出力電圧とを比較する比較手段と、前記単相の交流出力電圧が安定するように、前記負荷の負荷変動に応じて前記目標波の形状を変形させる変形手段と、前記単相の交流出力電圧が所定値以下に低下したときには、前記目標波の振幅をより小さく制限する制限手段とを有し、前記変形手段は、前記比較手段による比較の結果、負荷が増大するに従って、前記目標波の形状を正弦波形状から矩形波形状に変形していくことを特徴とする。
【００１１】
また、好ましくは、前記制限手段は、前記負荷の負荷変動が短絡状態に近くなったときには、前記目標波の振幅をさらに小さく制限することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１４】
図１において、１および２はそれぞれ交流発電機の固定子に独立して巻装された出力巻線であり、１は３相主出力巻線（メインコイル）であり、２は３相副出力巻線（サブコイル）である。
【００１５】
図２は、上記交流発電機の断面図であり、同図において、３相メインコイル１は、領域Ａ１内の２１極のコイルで構成され、３相サブコイル２は、領域Ａ２内の３極のコイルで構成されている。そして、回転子Ｒには、８対の永久磁石の磁極が形成されており、内燃エンジン（図示せず）によって回転駆動されるように構成されている。
【００１６】
図１に戻り、３相メインコイル１の３つの出力端Ｕ，Ｖ，Ｗは、それぞれ正および負コンバータＢＣ１，ＢＣ２の入力端Ｕ，Ｖ，Ｗに接続され、サイクロコンバータＣＣの出力側は、その出力電流の高調波成分を除去するためのＬＣフィルタ３に接続され、ＬＣフィルタ３の出力側は、この出力である高調波成分が除去された電流に応じた電圧を検出するための出力電圧検出回路５に接続されている。そして、出力電圧検出回路５の負側入力端は、本制御系のグランドＧＮＤに接続され、出力電圧検出回路５の正側および負側の両入力端から単相出力を得るように構成されている。
【００１７】
出力電圧検出回路５の出力側は、この出力電圧の近似実効値を演算して出力する近似実効値演算回路８に接続され、近似実効値演算回路８の出力側は、比較器９の負側入力端子に接続されている。比較器９の正側入力端子には、本電源装置の基準電圧値を出力する基準電圧出力回路１０が接続され、比較器９の出力側は、この比較結果に応じた制御関数（たとえば比例関数等）を演算して出力する制御関数演算回路１１が接続されている。
【００１８】
そして、制御関数演算回路１１の出力側は、正弦波発振器１３から出力される、たとえば商用周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波の振幅を制御する振幅制御回路１２に接続され、振幅制御回路１２には正弦波発振器１３の出力側も接続されている。さらに、振幅制御回路１２には、前記近似実効値演算回路８により演算されて出力された近似実効値に応じて、振幅を制限する振幅制限回路２０の出力側が接続されている。
【００１９】
振幅制御回路１２は、制御関数演算回路１１から出力された制御関数および振幅制限回路２０から出力された振幅制限信号（リミット値）に応じて、正弦波発振器１３から出力される正弦波の振幅を制御する振幅制御信号を出力する。
【００２０】
振幅制御回路１２の出力側は、この出力信号（振幅制御信号）に応じて目標波を出力する目標波出力回路１４に接続され、目標波出力回路１４の出力側は、サイクロコンバータＣＣを構成する各サイリスタＳＣＲｋ±のゲートの導通角を制御する導通角制御部１５および比較器１６の正側入力端子に接続されている。
【００２１】
導通角制御部１５は、正コンバータＢＣ１の各サイリスタＳＣＲｋ＋のゲート（以下、「正ゲート」という）の導通角を制御する正ゲート制御部１５ａと、負コンバータＢＣ２の各サイリスタＳＣＲｋ−のゲート（以下、「負ゲート」という）の導通角を制御する負ゲート制御部１５ｂとにより構成されている。
【００２２】
各ゲート制御部１５ａ，１５ｂは、それぞれ６個の比較器（図示せず）を有し、各比較器は、上記目標波と後述する同期信号（基準ノコギリ波）とを比較し、両者が一致した時点で当該ゲートを点弧する。
【００２３】
比較器１６の負側入力端子には、前記出力電圧検出回路５の出力側が接続され、比較器１６の出力側は、正ゲート制御部１５ａおよび負ゲート制御部１５ｂに接続されている。比較器１６は、出力電圧検出回路５から出力される電圧と前記目標波とを比較し、その比較結果に応じて高（Ｈ）レベル信号または低（Ｌ）レベル信号を出力する。
【００２４】
比較器１６からＨレベル信号が出力されると、正ゲート制御部１５ａが作動する一方、負ゲート制御部１５ｂは停止し、Ｌレベル信号が出力されると、これとは逆に、正ゲート制御部１５ａが停止する一方、負ゲート制御部１５ｂは作動するように構成されている。
【００２５】
前記３相サブコイル２の出力側は、たとえば図３の３相全波整流回路ＦＲを有する同期信号形成回路１８に接続されている。同期信号形成回路１８は、３相サブコイル２からの３相出力に応じて、図４に示すノコギリ波を形成して出力する。
【００２６】
図４は、各サイリスタＳＣＲｋ±の導通角の制御範囲を１２０°〜−６０°にしたときに、この範囲内の導通角制御を行うことができるノコギリ波の一例を示す図である。
【００２７】
同期信号形成回路１８の出力側は、正ゲート制御部１５ａおよび負ゲート制御部１５ｂに接続されている。ここで、同期信号形成回路１８と各ゲート制御部１５ａおよび１５ｂとを接続する各接続ラインは、それぞれ６本の信号線で構成され、その各信号線は、それぞれ前記ゲート制御部１５ａおよび１５ｂの各比較器に接続され、各比較器には、図４のノコギリ波が供給される。
【００２８】
正ゲート制御部１５ａの６個の比較器の出力側は、それぞれ正コンバータＢＣ１の各サイリスタＳＣＲｋ＋のゲートに接続され、負ゲート制御部１５ｂの６個の比較器の出力側は、それぞれ負コンバータＢＣ２の各サイリスタＳＣＲｋ−のゲートに接続されている。
【００２９】
なお、本実施の形態では、同期信号形成回路１８は、３相サブコイル２からの３相出力に応じて同期信号を形成するように構成したが、これに限らず、３相サブコイル２に代えて単相サブコイルを用い、この単相出力に応じて同期信号（基準ノコギリ波）を形成するようにしてもよい。
【００３０】
以下、以上のように構成された電源装置の動作を説明する。
【００３１】
前記回転子Ｒがエンジンにより回転駆動されると、３相メインコイル１の各相間には、前述したように電圧が印加される。そして、導通角制御部１５によりサイリスタＳＣＲｋ±の各ゲートが点弧されると、これに応じてサイクロコンバータＣＣから電流が出力され、この電流はフィルタ３によりその高調波成分が除去され、出力電圧検出回路５により電圧が検出される。このようにして検出された各電圧は、近似実効値演算回路８により、その近似実効値電圧が演算されて出力される。
【００３２】
この近似実効値電圧は、比較器９により、基準電圧出力回路１０から出力された基準電圧値と比較され、その比較結果に応じて制御関数演算回路１１により制御関数（比例関数）が演算されて出力される。具体的には、制御関数演算回路１１は、比較器９からの出力値が増大するに従って、すなわち基準電圧出力回路１０からの基準電圧出力と近似実効値演算回路８からの近似実効値との差が増大するに従って、比例係数が増大するような比例関数を演算して出力する。
【００３３】
また、この近似実効値電圧は、振幅制限回路２０にも供給され、振幅制限回路２０は、この近似実効値電圧に応じた前記リミット値を出力する。
【００３４】
この演算され出力された制御関数および出力されたリミット値に応じて、振幅制御回路１２は、正弦波発振器１３から出力された、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波の振幅を制御するための制御信号を生成し、目標波出力回路１４は、この制御信号に応じて目標波を出力する。ここで、目標波出力回路１４からの出力値には上下限値が設けられ、目標波出力回路１４は、所定上限値よりも大きい値または所定下限値より小さい値を出力することができないように構成されている。すなわち、比較器９からの出力値が増大し、制御関数演算回路１１から出力される比例関数の比例係数が増大するに従って、目標波出力回路１４から出力される目標波の形状は、正弦波から矩形波に変形される。
【００３５】
目標波出力回路１４から出力された目標波は、比較器１６により、出力電圧検出回路５から出力された検出電圧と比較され、目標波の電圧が検出電圧より高い場合には、比較器１６からＨレベル信号が出力されて、正ゲート制御部１５ａが作動するように選択される一方、目標波の電圧が検出電圧より低い場合には、比較器１６からＬレベル信号が出力されて、負ゲート制御部１５ｂが作動するように選択される。
【００３６】
正ゲート制御部１５ａまたは負ゲート制御部１５ｂのうち、選択されたゲート制御部の各比較器において、目標波出力回路１４からの目標波と同期信号形成回路１８からのノコギリ波とが比較され、両者が一致した時点で、当該サイリスタＳＣＲｋ±のゲートに対して、所定幅を有するワンショットパルスが出力され、導通角制御がなされる。
【００３７】
図５は、本実施の形態の電源装置により生成された５０Ｈｚの出力波形の一例を示す図であり、（ａ）は、無負荷時の出力波形を示し、（ｂ）は、定格負荷時の出力波形を示し、（ｃ）は、過負荷時の出力波形を示している。
【００３８】
同図に示すように、たとえば一時的な過負荷が生じると、その過負荷の状態に応じて、すなわち前記基準電圧出力回路１０からの基準電圧出力と近似実効値演算回路８からの近似実効値との差に応じて、出力波形は、正弦波から矩形波に変形される。
【００３９】
なお、本実施の形態では、負荷の状態に応じて目標波の形状を正弦波から矩形波に変形するようにしたが、これに限らず、出力電圧が最大振幅で制限されるように電源装置を構成した場合には、負荷の状態に応じて目標波の振幅を増加させるようにすればよい。
【００４０】
図６は、目標波の振幅を制限しない場合の目標波振幅ＭＡＸ値−出力電圧特性（（ａ））および出力電圧−出力電流特性（（ｂ））の一例を示す図であり、図７は、目標波の振幅を所定の過負荷時に制限した場合の目標波振幅ＭＡＸ値−出力電圧特性（（ａ））および出力電圧−出力電流特性（（ｂ））の一例を示す図であり、図８は、目標波の振幅を負荷が短絡状態に近づいたときにさらに制限した場合の目標波振幅ＭＡＸ値−出力電圧特性（（ａ））および出力電圧−出力電流特性（（ｂ））の一例を示す図である。なお、図６〜図８中、“ｒｍｓ”は、実効値（root mean square）を意味している。
【００４１】
すなわち、図５の出力波形は、図６のように、目標波形の振幅を制限しない場合に、負荷状態に応じて生成された出力波形を示している。
【００４２】
一方、図７（ａ）のように、過負荷状態になった時点、たとえば、出力電圧（近似実効値演算回路８によって演算された近似実効値）が８０Ｖになった時点で、目標波の振幅（ＭＡＸ値）を出力電圧に関して線形に制限し始める（具体的には、前記リミット値をこのように制限し始める）と、その出力波形の振幅は、図５（ｃ）の波形の振幅に比べてより小さく制限されたものとなる。このため、図７（ｂ）に示すように、出力電圧が８０Ｖになった時点から、出力電流の増加量が、目標波の振幅を制限しない場合に比べて減少する（図６（ｂ）参照）。
【００４３】
図８は、図７と同様に、目標波の振幅を所定の過負荷時に制限し、さらに、負荷が短絡状態に近づいたときに目標波の振幅をもう一段階制限するように構成した場合を示し、図８（ａ）のように、短絡状態に近づいた時点、たとえば、出力電圧が３０Ｖになった時点で、目標波の振幅をさらに制限すると、その出力波形の振幅はさらに小さく制限され、図８（ｂ）に示すように、出力電圧が３０Ｖになった時点から、出力電流の増加量が、出力電圧が３０〜８０Ｖ間に比べてさらに減少している（図７（ｂ）参照）。
【００４４】
なお、本実施の形態では、短絡状態に近づいた時点で、目標波の振幅をさらに制限しているものの、出力電流は依然として増加している（ただ、増加量は減少している）が、これに限らず、短絡状態に近づいた時点で、出力電流をそれ以前の電流量より減少させるように、目標波の振幅を制限してもよい。
【００４５】
このように、本実施の形態では、一時的な過負荷時には、目標波の形状を変形することで、発電機からの全入力エネルギの上限近くまで出力を高めるようにし、さらなる過負荷時には、それに加えて目標波の振幅を制限するようにしたので、負荷状態に応じて負荷に供給される電流を柔軟に制御することができる。
【００４６】
また、出力電圧のみを検出し、この出力電圧に応じて出力電流を制御するようにしたので、出力電流を検出せずに出力電流制御を行うことができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電源装置によれば、単相の交流出力電圧が安定するように、負荷の負荷変動に応じて、可変制御ブリッジ回路を駆動させる駆動信号の目標波の形状が変形され、前記単相の交流出力電圧が所定値以下に低下したときには、前記目標波の振幅がより小さく制限されるので、一時的な過負荷時には、負荷に供給される電流を速やかに増加させて対応できるとともに、さらなる過負荷時には、負荷に供給される電流を制限するというような電流制限特性を任意に設定することができる。
【００４８】
また、前記単相の交流出力電圧と目標出力電圧との比較の結果、負荷が増大するに従って、前記目標波の形状が正弦波形状から矩形波形状に変形されるので、上記効果と同様の効果を得ることができる。そして、負荷に供給される電流の制御はすべて出力電圧に応じて行われているため、出力電流を測定することなく出力電流制御を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の交流発電機の断面図である。
【図３】ブリッジ型の３相全波整流回路の構成を示す電気回路図である。
【図４】図１の各サイリスタの導通角の制御範囲を１２０°〜−６０°にしたときに、この範囲内の導通角制御を行うことができるノコギリ波の一例を示す図である。
【図５】図１の電源装置により生成された５０Ｈｚの出力波形の一例を示す図である。
【図６】目標波の振幅を制限しない場合の目標波振幅ＭＡＸ値−出力電圧特性および出力電圧−出力電流特性の一例を示す図である。
【図７】目標波の振幅を所定の過負荷時に制限した場合の目標波振幅ＭＡＸ値−出力電圧特性および出力電圧−出力電流特性の一例を示す図である。
【図８】目標波の振幅を負荷が短絡状態に近づいたときにさらに制限した場合の目標波振幅ＭＡＸ値−出力電圧特性および出力電圧−出力電流特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  ３相メインコイル（３相出力巻線）
５  出力電圧検出回路
９  比較器（比較手段）
１４  目標波出力回路（目標波生成手段、変形手段）
１５  導通角制御部
１６  比較器
２０  振幅制限回路（制限手段）
ＢＣ１  正コンバータ（可変制御ブリッジ）
ＢＣ２  負コンバータ（可変制御ブリッジ）
ＣＣ  サイクロコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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