(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された交流を直流に変換する直流電源回路と前記直流を所定周波数の交流に変換するインバータ回路とを２系統有する発電機において、
前記インバータ回路の出力周波数を決定する目標波形形成手段と、
前記目標波形形成手段で生成された波形を代表する基準波形クロック信号を他方の系統に送信する手段と、
他方の系統から送信された基準波形クロック信号を受信する手段と、
前記他方の系統から受信した基準波形クロック信号および自系統で生成された前記基準波形クロック信号の位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差検出手段で検出された位相差が予定範囲内に収まるように前記出力周波数を変化させる周波数調整手段と、
前記２系統を直列または並列に接続切換えを行う切換え手段とを具備したことを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１記載の発電機を２台並列に接続した発電機装置であって、
前記各発電機に内蔵されるそれぞれの系統が、
該系統の出力電流を検出する電流検出手段と、
該系統の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記出力電流および出力電圧の位相差を検出する第２の位相差検出手段と、
前記第２の位相差検出手段で検出された位相差が予定範囲内に収まるように前記出力周波数を変化させる第２の周波数調整手段とを具備し、
基準波形クロック信号の位相差が予定の範囲内に入ったときに前記インバータ回路を付勢して発電を開始し、この発電開始に応答して請求項１記載の周波数調整手段の機能を停止させるように構成したことを特徴とする発電機装置。
【請求項３】
前記第２の位相差検出手段で検出された位相差を同一発電機の他方の系統に送信する手段と、
他方の系統から送信された位相差を受信する手段と、
前記第２の位相差検出手段で検出された位相差および前記他方の系列から受信した位相差に基づいて、前記第２の周波数調整手段による調整量を補正する補正手段とを具備したことを特徴とする請求項２記載の発電機装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機および発電機装置に関し、特に、２系統のインバータ装置を有するデュアル・ボルテージ・インバータを備えた発電機、およびこの発電機を並列に接続した発電機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流を所望周波数の交流に変換するインバータ回路を備えた発電機が知られており、さらに、一つの発電機に２台のインバータ回路を設けて、これらを並列接続することによって２倍の電力を得るようにした発電機も知られている。例えば、特開平８−２０５５４３号公報には、２台のインバータ回路を安定的に並列運転できるようにしたインバータの運転装置が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記インバータ回路を有する発電機において、２段階の出力電圧を得たいという要請がある。インバータ回路を有する発電機において２段階の出力電圧を得たい場合、整流器の出力つまりインバータ回路に入力される直流電圧を２段階に切換えることで、例えば１２０ボルトと２４０ボルトの２種類の交流出力電圧を得ることが可能である。
【０００４】
しかし、このように直流電圧を２段階で切換える場合、インバータの耐圧や出力電流容量は、高い方の出力電圧つまり上述の例では２４０ボルトに対応させなければならないため、インバータが大型化するし、電解コンデンサやチョークコイル等のいわゆるパワー部品も大型化するという問題点がある。
【０００５】
また、出力電圧を２段階に切換えたり、電力を２段階に切換えたりするだけでなく、多くの種類の出力電力を得たいという要望もあるが、現状では、小型で効率のよい方法でこれらの要望に応えることができない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、効率よく複数の出力電圧および電力を得ることができる発電機および発電機装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し、目的を達成するための本発明は、入力された交流を直流に変換する直流電源回路と前記直流を所定周波数の交流に変換するインバータ回路とを２系統有する発電機において、前記インバータ回路の出力周波数を決定する目標波形形成手段と、前記目標波形形成手段で生成された波形を代表する基準波形クロック信号を他方の系統に送信する手段と、他方の系統から送信された基準波形クロック信号を受信する手段と、前記他方の系統から受信した基準波形クロック信号および自系統で生成された前記基準波形クロック信号の位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差検出手段で検出された位相差が予定範囲内に収まるように前記出力周波数を変化させる周波数調整手段と、前記２系統を直列または並列に接続切換えを行う切換え手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００８】
この第１の特徴によれば、２系統のインバータ回路の出力を直列または並列接続することができる。また、接続された２系統のインバータ回路は、互いに基準波形クロック信号を通信し合うことによってその出力の同期をとることができる。
【０００９】
また、本発明は、前記第１の特徴を有する発電機を２台並列に接続した発電機装置であって、前記各発電機に内蔵されるそれぞれの系統が、該系統の出力電流を検出する電流検出手段と、該系統の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記出力電流および出力電圧の位相差を検出する第２の位相差検出手段と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差が予定範囲内に収まるように前記出力周波数を変化させる第２の周波数調整手段とを具備し、基準波形クロック信号の位相差が予定の範囲内に入ったときに前記インバータ回路を付勢して発電を開始し、この発電開始に応答して前記第１の特徴に含まれる周波数調整手段の機能を停止させるように構成した点に第２の特徴がある。
【００１０】
第２の特徴によれば、直列または並列に接続を切換えることができる２系統のインバータ回路を有する発電機を並列に接続したので、多種類の出力（電力）を得ることができる。また、並列接続された発電機の同期がとれていないと、各発電機に含まれる各系統の出力電流および出力電圧の位相差が予定の範囲内に収まらない。そこで、第２の特徴を有する本発明では、前記出力電流および出力電圧の位相差が予定範囲内に収まるように周波数を調整することで同期をとっている。なお、発電が開始されるまでは通信によって他方の系統の基準周波数クロック信号との同期がとられるとともに、発電開始後は出力電流および出力電圧の位相差を予定範囲内に入れるように制御することによって、他方の発電機との同期運転を可能にしている。
【００１１】
また、本発明は、第２の特徴に加え、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差を同一発電機の他方の系統に送信する手段と、他方の系統から送信された位相差を受信する手段と、前記第２の位相差検出手段で検出された位相差および前記他方の系列から受信した位相差に応じて前記第２の周波数調整手段による調整量を補正する補正手段とを具備した点に第３の特徴がある。
【００１２】
第３の特徴によれば、第２の周波数調整手段による調整量を固定することなく、他方の発電機との位相差に応じて補正することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る発電機の構成を示すブロック図である。同図に示した発電機は２系統のインバータ装置を有している。発電機本体１は固定子（図示しない）に巻回された３相出力巻線２，２を有しており、この３相出力巻線２，２に対応して多極の永久磁石からなる回転子（図示しない）が設けられる。この回転子はエンジン等の駆動源によって回転させられる。
【００１４】
３相出力巻線２，２の出力端は直流電源回路としての整流平滑回路３，３にそれぞれ接続され、整流平滑回路３，３の出力側はインバータ回路を含むパワー部４，４の入力側にそれぞれ接続されている。また、パワー部４，４の出力側ＴＡ，ＴＡならびにＴＢ，ＴＢは、直列・並列切換部５を介して外部出力端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に接続されている。出力側ＴＡ，ＴＡならびにＴＢ，ＴＢには出力電流および出力電圧を検出するため、電流検出回路７０，７０ならびに電圧検出回路８０，８０がそれぞれ設けられている。さらに、パワー部４，４の制御部４Ｕ，４Ｕ間は通信線６で繋がれていて、互いを同期運転するための制御信号および同期信号が送受される。
【００１５】
上記発電機の構成をさらに具体的に説明する。図２は発電機の要部構成を示すブロック図である。なお、前記２つの整流平滑回路３，３や２つのインバータ装置つまりパワー部４，４はそれぞれ同一の機能を有するので、一方のみについて説明する。エンジン７の出力はスロットル７ａの開度によって制御され、このスロットル７ａの開度はステッピングモータ７ｂによって設定される。
【００１６】
整流平滑回路３はサイリスタブリッジ回路３ａおよび平滑回路３ｂからなる。平滑回路３ｂの後段には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ブリッジ８ａおよび平滑回路としてのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８ｂからなるインバータ回路８が設けられている。ローパスフィルタ８ｂの出力側は直列・並列切換部５に接続されている。
【００１７】
制御部４Ｕには、発振部９、分周回路１０、正弦波化回路１１、電子ボリューム１２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３、パルス幅変調回路（ＰＷＭ回路）１４、矩形波変換回路１５、位相差検出回路１６、および起動回路１７が設けられている。なお、これらの回路の具体例としては、特開平５−２４４７２６号公報に開示されているものを用いることができる。
【００１８】
発振部９の出力信号は分周回路１０で分周され、クロック信号として正弦波化回路１１に入力される。正弦波化回路１１は前記クロック信号に基づいて階段状の正弦波信号を発生し、その正弦波信号は電子ボリューム１２およびＬＰＦ１３を介してＰＷＭ回路１４に入力され、前記正弦波信号を目標波形信号としてパルス幅変調されたパルスがＰＷＭ回路１４から出力される。
【００１９】
電子ボリューム１２は、後述するように、過負荷の場合に前記正弦波信号の減衰度を制御し、また、ＬＰＦ１３は電子ボリューム１２から出力される階段状の正弦波を滑らかにする。ＰＷＭ回路１４から出力されるパルスに従い、インバータ回路８のＦＥＴブリッジ８ａを構成する各ＦＥＴのゲートが制御され、前記目標波形信号である基準周波数の正弦波信号に応じた交流が出力端子ＴＡ，ＴＡから出力される。
【００２０】
矩形波変換回路１５はＬＰＦ１３の出力信号を矩形波に変換し、この変換後の信号は通信ポート１８に入力される。通信ポート１８に入力された信号つまり基準正弦波クロックは通信線６を通じて他方のインバータ装置の通信ポートに入力される。位相差検出回路１６には、通信ポート１８を通じて他方のインバータ装置（以下、「自機Ｂ」という）から受信した基準正弦波クロックが入力されるとともに、自己（以下、「自機Ａ」という）の基準正弦波クロックが矩形波変換回路１５から入力される。
【００２１】
位相差検出回路１６は自機Ａおよび自機Ｂの基準正弦波クロックの位相を比較して、位相の進みまたは遅れを検出し、その検出結果を進相信号または遅相信号として発振部９に入力する。発振部９は、進相信号または遅相信号に基づき、位相が進んでいるときは、基準正弦波クロックを予定パルス数（例えば１パルス）間引いて周波数を微増させる一方、位相が遅れているときは基準正弦波クロックに予定パルス数（例えば１パルス）付加して周波数を微減させる。この周波数調整は自機Ａおよび自機Ｂの双方で実施される。すなわち、自機Ａと自機Ｂとが互いに歩み寄って出力を合わせるよう制御される。
【００２２】
起動回路１７は、スタート可否判断回路２１からの検出信号が入力されたときにＰＷＭ回路１４を付勢し、インバータ回路８を駆動して発電を行う。すなわち、起動回路１７は、自機Ａおよび自機Ｂの発電準備が完了したときに、前記基準正弦波クロックの立上がりに応答してＰＷＭ回路１４に起動信号を出力する。さらに、起動回路１７は、自機Ｂから入力された基準正弦波クロックに基づいて該クロックの立上がりを検出して正弦波化回路１１に起動信号を出力する。
【００２３】
スタート可否判断回路２１はエンジン７の回転数および／または自機Ａおよび自機Ｂのそれぞれの電源電圧が所定値に達し、さらに基準正弦波クロックの同期がとれたときに発電準備完了の検出信号を出力する。自機Ｂの発電準備完了は、通信ポート１８から入力される信号（後述）により判断する。また、スタート可否判断回路２１は電圧検出回路８０で検出された出力電圧および図示しないエンジン回転数検出回路で検出されたエンジン回転数がいずれも所定値に達したときに通信ポート１８に発電機準備完了の検出信号を出力する。
【００２４】
比較回路１９は電流検出回路７０で検出された電流がしきい値より大きいときに検出信号を出力し、その検出信号は電子ボリューム１２および保護回路２０に入力される。保護回路２０は比較回路１９から前記検出信号が予定時間経過したときに、過負荷検出信号を起動回路１７に出力する。電子ボリューム１２は、過負荷の場合に前記正弦波信号の減衰度を制御する。
【００２５】
図３は、自機Ａおよび自機Ｂの通信ポート１８の対応関係を示す図である。同図において、各通信ポート１８，１８は基準正弦波クロック送信ポート、基準正弦波クロック受信ポート、緑発光ダイオード（ＬＥＤ）光送信ポート、緑ＬＥＤ光受信ポート、赤ＬＥＤ光送信ポート、赤ＬＥＤ光受信ポート、マスタ／スレーブ設定ポート、コモン（ＣＯＭ）ポート、グランド（ＧＮＤ）ポートを有している。なお、ここでは自機Ａがマスタに、自機Ｂがスレーブに設定されている。これらのポートは通信線６で接続されているのは上述のとおりである。
【００２６】
上記緑と赤のＬＥＤポートは、緑ＬＥＤおよび赤ＬＥＤの発光状態で自機Ａおよび自機Ｂの動作状態をそれぞれ他方に通信するためのものである。自機Ａおよび自機Ｂが発電準備未完了では緑ＬＥＤおよび赤ＬＥＤともにロー（消灯）であり、発電準備完了時または発電時にハイ（点灯）となる。また、過負荷が検出されると、赤ＬＥＤが点灯する。
【００２７】
自機Ａおよび自機Ｂの双方が発電準備を完了した場合、スタート可否判断回路２１は起動回路１７に発電準備完了を通知するとともに緑ＬＥＤの点灯を維持させる。すなわち、緑ＬＥＤ出力のアンド（ＡＮＤ）条件が成立したときに発電準備完了である。また、発電中に自機Ａおよび自機Ｂのいずれかで過負荷が検出されたときは、起動回路１７からＰＷＭ回路１４に対して停止指令が出力される。すなわち、赤ＬＥＤ出力のオア（ＯＲ）条件が成立したときに発電は停止される。
【００２８】
次に、上記発電機の発電開始処理を図４のフローチャートを参照して説明する。同図において、ステップＳ１では、自己のエンジン回転数および／または電源電圧が予定値を超えている否かによって自己（自機Ａ）の発電準備が完了しているか否かを判断する。この判断が肯定であればステップＳ２に進んで自機Ｂからの基準正弦波クロックを検出したか否かを判断する。この判断が肯定ならば、ステップＳ３に進み、自機Ｂの基準正弦波クロックのゼロクロス点（起点）に同期させて自己（自機Ａ）の基準正弦波クロックを出力開始した後、ステップＳ６に進む。また、自機Ｂからの基準正弦波クロックが検出されないときは、ステップＳ４に進んで基準正弦波クロックを出力開始する。ステップＳ５では自機Ｂからの基準正弦波クロックを検出したか否かを判断する。この判断が肯定ならば、ステップＳ６に進む。
【００２９】
ステップＳ６では、自機Ａと自機Ｂとで基準正弦波クロックの位相差が予定値以下であるか否かを判断する。この判断が否定ならばステップＳ７に進み、基準正弦波クロックの周波数を微調整して起点補正を行う。起点補正がなされて、前記位相差が予定値以下になったならば、ステップＳ８に進み、発電準備完了を表示するため緑ＬＥＤを点灯する。ステップＳ９では、自機Ｂからの緑ＬＥＤ光の状態を判別し、自機Ｂも発電準備完了であるか否かを判断する。ステップＳ９が肯定ならばステップＳ１０に進み、基準正弦波クロックのゼロクロス点（起点）に同期させてＰＷＭ回路１４に起動指令を出力する。
【００３０】
続いて、前記２つのインバータ回路の直列・並列接続切換えについて説明する。図５は、インバータ回路８の直列・並列切換部５の詳細を示す回路図である。同図において、直列・並列切換部５はトグルスイッチで構成することができ、該スイッチが接点ａ側に切換えられているときは、出力端子Ｔ１およびＴ２間には、自機Ａの出力電圧（例えば１２０Ｖ）が出力され、出力端子Ｔ２およびＴ３間には自機Ｂの出力電圧（例えば１２０Ｖ）が出力され、結果的に出力端子Ｔ１およびＴ３間では自機Ａおよび自機Ｂの出力電圧の２倍の出力電圧（２４０Ｖ）が得られる。すなわち、自機Ａおよび自機Ｂは直列に接続されたことになる。
【００３１】
また、前記スイッチが接点ｂ側に切換えられているときは、出力端子Ｔ１およびＴ２間には電圧が出力されず、出力端子Ｔ２およびＴ３間にのみ、自機Ａおよび自機Ｂによる出力電圧（例えば１２０Ｖ）が出力される。結果的に出力端子Ｔ２およびＴ３間には自機Ａおよび自機Ｂのそれぞれの出力電圧（１２０Ｖ）が変化されずに出力され、出力（例えば２ｋＷ）が２倍（４ｋＷ）になって現れる。すなわち、自機Ａおよび自機Ｂは並列に接続されたことになる。
【００３２】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に構成された２つのインバータ装置（デュアル・ボルテージ・インバータ装置）を含む発電機を、並列に接続して発電機装置を構成した。デュアルインバータ装置を含む発電機を並列に接続した場合、各インバータ装置間で出力電圧の同期がとれていないと、各インバータ装置における出力電流および出力電圧の位相が予定の関係（力率に応じて予め設定しておく）からずれる。そこで、このずれを各インバータ装置で検出して、位相を制御する。
【００３３】
具体的には、各発電機（一方を「自機」とよび、他方を「相手機」とよぶ）の各インバータ装置（自機Ａ，自機Ｂならびに相手機Ａ，相手機Ｂ）の出力線に現れる電流および電圧の位相に基づき、自機および相手機が互いに他方に対して位相が遅れているか、進んでいるかを判断する。そして、この遅相および進相状態を、それぞれの発電機内で互いにインバータ装置同士で通信線を使用して通信し合い、周波数の微調整による位相調整を行う。
【００３４】
図６は、第２実施形態における発電機の概略構成を示すブロック図である。同図において、発電機Ｇ１，Ｇ２は２系統のインバータ装置を有しており、それぞれは第１実施形態の発電機と同様に構成されている。発電機Ｇ１，Ｇ２は直列・並列切換部５の出力端子Ｔ１〜Ｔ３を通じて互いに接続されており、発電機Ｇ１，Ｇ２が並列接続されている。また、各発電機Ｇ１．Ｇ２内においてパワー部４は通信線６で接続されている。各発電機のインバータ装置は、次に要部機能を説明する部分を除き、第１実施形態のものと同様に構成することができる。
【００３５】
図７は、第２実施形態における発電機に含まれる各インバータ装置の要部機能を示すブロック図であり、発電機Ｇ１の自機Ａに関するものである。なお、自機Ｂ、ならびに発電機Ｇ２（相手機Ａ，Ｂ）も同様に構成される。同図において、電流検出部７０および電圧検出部８０はインバータ回路８の出力電流および出力電圧を測定し、矩形波変換部３０，３１にそれぞれ入力する。矩形波変換部３０，３１で矩形波に変換された電流および電圧波形は位相差検出部３２に入力され、互いの位相差が検出される。
【００３６】
前記電流波形および電圧波形は、自機（発電機Ｇ１）と相手機（発電機Ｇ２）との間で同期がとれていないときに、互いに位相差を生じる。位相差検出部３２はこの位相差を検出し、位相差が進み側に生じているか、遅れ側に生じているかに応じて進み信号および遅れ信号をそれぞれ出力する。進み信号および遅れ信号は通信ポート１８を通じて自機Ｂに送信されるとともに、補正値決定部３３にも入力される。自機Ｂにおいても、自機Ａと同様、位相差に基づく進み信号および遅れ信号が出力され、通信ポート１８を通じて自機Ａの補正値決定部３３に入力される。
【００３７】
補正値決定部３３は、自機Ａおよび自機Ｂの進み信号および遅れ信号に基づいて自機Ａの出力周波数を調整するときの微増または微減の程度を決定する。すなわち、自機Ａのみが相手機と同期していない場合は、基準正弦波クロックを、例えば１パルスだけ変化させる。また、自機Ａおよび自機Ｂがいずれも相手機と同期していない場合は、迅速に同期を合わせることが好ましいため、基準正弦波クロックを、前記自機Ａのみが相手機と同期していない場合よりは多いパルス数、例えば３パルス変化させる。但し、自機Ａが相手機からずれている方向と、自機Ｂが相手機からずれている方向とが互いに異なる場合は、基準正弦波クロックは変化させない。つまり補正値は「０」とする。具体的に、この補正値は信号のパルス幅で表される。
【００３８】
補正値決定部３３で基準正弦波クロックの補正値が決定されたならば、その補正値は発振部９に入力され、発振部９は、入力された補正値に応じて、出力する発振周波数を増減する。
【００３９】
なお、位相差検出回路１６は、自機Ａと自機Ｂとを起動させるときの起点補正のためにのみ使用される。この第２実施形態では、発電開始された後は、自機Ａおよび自機Ｂ間で通信される進み信号および遅れ信号によって位相差補正が行われるからである。したがって、起動回路１７は起動指令をＰＷＭ回路１４に出力したあと、位相差検出部１６からの出力が発振部９へ入力されるのを禁止するための信号を切断部３４に入力する。
【００４０】
以上のように、第２実施形態では、２系統のインバータ装置を有する発電機（デュアル・ボルテージ・インバータ装置）を２台並列に接続して大出力を得られるようにした。また、各発電機ではインバータ装置を直列または並列に任意に接続形態を変更することができるので２種類の出力が得られる。
【００４１】
なお、２台のインバータ装置を並列に接続した場合において自己の出力電圧および出力電流の位相差に基づいて他のインバータ装置に対する出力電圧の位相差を検出し、出力周波数を変化させて前記位相差を解消ないしは予定範囲内に収めるようにした発電機は、本出願人による先の特許出願（特開平５−２４４７２６号公報参照）に、より詳細に開示している。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１の発明によれば、２系統のインバータ回路の出力を直列または並列に任意に切換えることができるので出力電圧や出力電力を２段階で選択できる。したがって、切換え手段を切換えるだけで用途や仕向け地に応じた出力を選択することができ、汎用性が向上する。
【００４３】
請求項２の発明によれば、直列または並列のいずれかを選択できる発電機を２台並列に接続したので、出力の種類を増やすことができる。例えば、１つのインバータ回路の出力が２ｋＷであれば、総合した出力は２ｋＷ〜８ｋＷの間で段階的に選択することができる。
【００４４】
請求項３の発明によれば、例えば、互いの発電機同士の各インバータ回路間での位相差の大小や進み遅れの方向により各インバータ回路の出力周波数の調整速度を変化させることができる。したがって、適度な速度で同期合わせを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る発電機の全体構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る発電機の１つの出力系統の構成を示すブロック図である。
【図３】通信ポートの構成例を示す図である。
【図４】インバータ回路の起動制御を示すフローチャートである。
【図５】直列・並列切換部の接続例を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図７】第２の実施形態に係る発電機の１つの出力系統の要部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…発電機本体、  ２…３相出力巻線、３…整流平滑回路、  ４…パワー部、  ５…直列・並列切換部、  ６…通信線、  １６…位相差検出回路、  １８…通信ポート、  ７０…電流検出回路、  ８０…電圧検出回路
【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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