(57)【要約】【課題】  出力周波数に応じて界磁電流の最大値を制御することにより、界磁巻線の焼損を防止しながら発電機出力を有効に利用することができる同期発電機の制御装置を提供する。【解決手段】  界磁巻線の界磁電流値を検出し、該界磁電流値が、あらかじめ出力周波数に対応して設定された界磁巻線の瞬時最大電流制限値や連続出力電流制限値を超えないように自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御する。また、界磁電流値及び界磁電流が流れている時間を積算して界磁巻線の発熱量を算出し、該発熱量が放熱量を超えないように自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている界磁巻線の界磁電流を調整することにより、測定した出力周波数があらかじめ設定された設定周波数未満の周波数域では出力周波数に出力電圧を比例して変化させ、出力周波数が前記設定周波数以上の周波数域では出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた同期発電機の制御装置において、前記界磁巻線の界磁電流値を検出し、該界磁電流値が、あらかじめ出力周波数に対応して設定された界磁巻線の瞬時最大電流制限値を超えないように前記自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御し、界磁電流があらかじめ設定された連続出力電流制限値を一定時間連続して超えたときに、連続出力電流制限値を超えないように前記自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御する制御手段を備えていることを特徴とする同期発電機の制御装置。
【請求項２】
同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている界磁巻線の界磁電流を調整することにより、測定した出力周波数があらかじめ設定された設定周波数未満の周波数域では出力周波数に出力電圧を比例して変化させ、出力周波数が前記設定周波数以上の周波数域では出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた同期発電機の制御装置において、前記界磁巻線の界磁電流値及び界磁巻線に界磁電流が流れている時間を検出し、検出した界磁電流値及び界磁電流が流れている時間を積算して単位時間当たりの界磁巻線の発熱量を算出し、該発熱量があらかじめ出力周波数に対応して設定された界磁巻線の単位時間当たりの放熱量を超えないように前記自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御する制御手段を備えていることを特徴とする同期発電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期発電機の制御装置に関し、詳しくは、出力される電圧を所定の電圧に自動的に調整するための自動電圧調整器を備えた同期発電機であって、特に、負荷が限定されずに周波数や電圧を変化させて使用する可搬式発電機に使用されるブラシレス同期発電機に適した制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等で発電機を駆動する可搬式のエンジン発電機では、一般的に、あらかじめ設定された設定周波数未満の周波数域では出力周波数に出力電圧を比例して変化させ、出力周波数が前記設定周波数以上の周波数域では出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えており、界磁電流を制御することによって界磁巻線の焼損を防止している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、設定周波数の上下で出力周波数−出力電圧特性を切り替えることにより、設定周波数以上では設定電圧に保持し、設定周波数以下では、前記設定電圧より低い電圧で略一定の電圧に保持し、低周波数域でも安定した電圧を供給できるようにしたり（例えば、特許文献２参照。）、スイッチング回路のスイッチング制御を行うことによって発電機出力を制御したりするものも知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特公昭５２−４７２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１１７４９８号公報
【特許文献３】特許第２７５８５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された自動電圧調整器の制御方式では、界磁巻線の焼損は確実に防止できるが、周波数−電圧の条件によっては、発電機の出力に余裕がありながら使用できないという無駄が生じることがある。また、特許文献２に記載の制御方式では、設定周波数以下で安定した電圧を供給できるものの、周波数によっては発電機の出力を必要以上に抑制していることになる。さらに、特許文献３に記載された制御方式においても、発電機の能力を十分に活かしているとはいえない。
【０００５】
そこで本発明は、出力周波数に応じて界磁電流の最大値を制御することにより、界磁巻線の焼損を防止しながら発電機出力を有効に利用することができる同期発電機の制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の同期発電機の制御装置は、第１の構成として、同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている界磁巻線の界磁電流を調整することにより、測定した出力周波数があらかじめ設定された設定周波数未満の周波数域では出力周波数に出力電圧を比例して変化させ、出力周波数が前記設定周波数以上の周波数域では出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた同期発電機の制御装置において、前記界磁巻線の界磁電流値を検出し、該界磁電流値が、あらかじめ出力周波数に対応して設定された界磁巻線の瞬時最大電流制限値を超えないように前記自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御し、界磁電流があらかじめ設定された連続出力電流制限値を一定時間連続して超えたときに、連続出力界磁電流制限値を超えないように前記自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御する制御手段を備えていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の同期発電機の制御装置における第２の構成は、同期発電機から出力される電圧及び周波数を測定して前記同期発電機に設けられている界磁巻線の界磁電流を調整することにより、測定した出力周波数があらかじめ設定された設定周波数未満の周波数域では出力周波数に出力電圧を比例して変化させ、出力周波数が前記設定周波数以上の周波数域では出力電圧をあらかじめ設定された設定電圧に保持する自動電圧調整器を備えた同期発電機の制御装置において、前記界磁巻線の界磁電流値及び界磁巻線に界磁電流が流れている時間を検出し、検出した界磁電流値及び界磁電流が流れている時間を積算して単位時間当たりの界磁巻線の発熱量を算出し、該発熱量があらかじめ出力周波数に対応して設定された界磁巻線の単位時間当たりの放熱量を超えないように前記自動電圧調整器から出力される界磁電流を制御する制御手段を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の同期発電機の制御装置によれば、瞬間的な負荷の増大があっても界磁巻線の焼損を防止しながら界磁電流を出力周波数に応じて増加させることができ、発電機の能力を有効に利用することができる。また、連続運転中の界磁電流量を積算した発熱量に基づいて界磁電流を制御することにより、安定した状態で長時間の連続運転を行うことができる。特に、従来は電圧を大幅に抑制していた低周波数域においても、界磁巻線の焼損を防止しながら安定した状態で高出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の同期発電機の制御装置における制御手順の一形態例を示すフローチャート、図２は本発明の制御装置を備えた同期発電機の一例を示す概略ブロック図、図３乃至図７は、制御手段に設定した出力周波数、出力電圧及び電流制限値の関係をそれぞれ示す図である。
【００１０】
まず、図２に示すように、ディーゼルエンジン（Ｅ）１１等で同期発電機（Ｇ）１２を駆動する可搬式のエンジン発電機１３では、モーター等の負荷に供給する電圧を一定に保つため、負荷の変動や周波数の変動にかかわらず出力する電圧を一定に保つための自動電圧調整器１４を備えている。発電機１２からの出力は、変圧器１５で所定の低電圧に変換されて自動電圧調整器１４内に取り込まれ、電圧検出器に相当する整流回路（ＡＣ／ＤＣ）１６で発電電圧に応じた直流電圧からなる信号に変換されるとともに、周波数検出器に相当する周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ）１７で周波数に応じた直流電圧からなる信号に変換される。前記電圧に応じた信号と周波数に応じた信号とは、設定電圧及び設定周波数とそれぞれ比較された後、測定した電圧及び周波数に対応した最適制御をＰＩＤ回路１８にて算出し、ＰＷＭ回路１９により出力トランジスタ２０を作動させて界磁巻線２１に出力する界磁電流を発生させる。
【００１１】
同期発電機１２では、発電機１２で一定電圧を発生させるためには、回転子の回転数が低いとき、すなわち、周波数が低いときには界磁電流を増加させる必要があり、また、界磁巻線２１の冷却を回転子に設けたファンによって外気を取り込むことで行っているので、これらの点から、回転子の回転速度が低い低周波数域では界磁巻線２１が温度上昇しやすい状態となっている。
【００１２】
このようなことから、自動電圧調整器１４では、測定した出力周波数があらかじめ設定された設定周波数未満の低周波数域では、出力電圧を抑制して界磁電流が増加しないように、出力周波数に出力電圧が比例するように変化させ、出力周波数が前記設定周波数以上の高周波数域では、界磁電流を調整して出力電圧を一定の設定電圧に保持するようしている。
【００１３】
自動電圧調整器１４に組み込まれた制御手段２２は、出力周波数と界磁電流量とに基づいて界磁電流を制御するものであって、界磁巻線の冷却効果に影響を与える出力周波数に対応した界磁巻線の瞬時最大電流制限値（許容最高電流値）と、連続的に界磁巻線に出力可能な連続出力電流制限値と、界磁巻線の単位時間当たりの発熱量及び放熱量の関係とがあらかじめ設定されている。界磁巻線の発熱量は、界磁巻線に投入した単位時間当たりの電流量を積算することによって算出することができ、単位時間当たり放熱量は、ファンの回転数、即ち周波数に対応して設定しておくことができる。界磁巻線の発熱量の抑制は、界磁巻線に連続的に出力する電流量を減少させることによって行うことができるので、連続的に界磁巻線に出力する電流量があらかじめ設定した連続出力電流制限値を超えないように制御することによって界磁巻線の焼損を防止できることになる。
【００１４】
図３は制御手段２２に設定した瞬時最大電流制限値の第１設定例を示すものである。なお、図３乃至図７において、出力電圧は、自動電圧調整器１４の作用により、設定周波数Ｆ１より低い周波数域では出力周波数に比例する状態となっており、設定周波数Ｆ１より高い周波数域では設定電圧に一定に保持された状態となっている。
【００１５】
図３に示す界磁電流の瞬時最大電流制限値Ｉｆｍａｘは、あらかじめ設定した周波数Ｆ２より低い周波数域では周波数に比例させ、周波数Ｆ２より高い周波数域では一定としている。このように、瞬時最大電流制限値Ｉｆｍａｘを設定周波数Ｆ１より高い周波数Ｆ２以下で抑制するように設定することにより、一定電圧で負荷に給電しているときの過励磁を防止することができる。
【００１６】
図４は制御手段２２に設定した瞬時最大電流制限値の第２設定例を示すもので、本例では、設定周波数Ｆ１より高い周波数域、すなわち、出力電圧を一定に保持する領域においても、設定周波数Ｆ１以下に比べて小さな傾き（比例定数）で瞬時最大電流制限値Ｉｆｍａｘを周波数に比例するように設定している。このように、界磁巻線の冷却風量が多くて高い冷却効果が得られる高周波数域で瞬時最大電流制限値Ｉｆｍａｘを大きく設定することにより、冷却効果に見合った大きな出力を得ることができ、同期発電機１２をより効率よく使用することができる。
【００１７】
図５は制御手段２２に設定した瞬時最大電流制限値の第３設定例を示すもので、本例では、全周波数領域において瞬時最大電流制限値Ｉｆｍａｘを周波数に比例するように設定している。このように一定の割合で許容最高電流値Ｉｆｍａｘを変化させることにより、周波数を測定して特定の周波数で瞬時最大電流制限値Ｉｆｍａｘの変化率を変更する必要がなくなるで、制御手段２２における回路構成をシンプルなものにすることができる。
【００１８】
図６は制御手段２２に設定した連続出力電流制限値の第１設定例を示すもので、本例では、全周波数領域で連続出力電流制限値Ｉｆｃｏｎｔを周波数に比例するように設定している。このように連続出力電流制限値を周波数に比例させて変化させることにより、冷却風量に見合った界磁電流を連続的に発生させて界磁巻線の温度上昇を防止しながら高出力を得ることができる。
【００１９】
図７は制御手段２２に設定した連続出力電流制限値の第２設定例を示すもので、本例では、回転速度が遅くなる設定周波数Ｆ１以下で、連続出力電流制限値Ｉｆｃｏｎｔを指数関数的に変化させている。このように、低周波数域で連続出力電流制限値Ｉｆｃｏｎｔを大きく変化させることにより、回転数低下に伴う冷却風量の減少と冷却効果の低下とに見合った界磁電流を出力でき、界磁巻線の焼損をより確実に防止できる。
【００２０】
すなわち、連続出力電流制限値は、界磁電流値及び界磁巻線に界磁電流が流れている時間に応じて決定される界磁巻線の発熱量と、各周波数における冷却効果に応じて決定される放熱量とを基準にして設定されており、各周波数において、連続出力状態で界磁巻線の発熱量が放熱量を上回ることのない界磁電流の最大値に基づいて決定されている。
【００２１】
次に、図１に基づいて制御手順の一例を説明する。まず、ステップ５１において、発電機から出力されている電圧及び周波数を計測するとともに界磁巻線に出力されている界磁電流を測定する。次のステップ５２では、測定した周波数と前述の設定周波数Ｆ１とを比較し、測定した周波数が電圧を抑制すべき周波数か否かを判定し、設定周波数Ｆ１以上（ＹＥＳ）ならば、ステップ５３に進んで発電機から出力する目標電圧を設定電圧と等しくし、設定周波数Ｆ１未満（ＮＯ）ならばステップ５４に進んで目標電圧を測定した周波数に応じて抑制する。
【００２２】
次に、ステップ５５にて単位時間当たりの界磁巻線発熱量の計算を行う。界磁巻線発熱量は、界磁電流値及び界磁巻線に界磁電流が流れている時間を積算することによって算出することができる。なお、単位時間は、任意に設定でき、秒単位であってもよく、分単位であってもよく、時間単位であってもよい。さらに、運転開始から連続運転中の全時間にわたって積算することも可能である。
【００２３】
続いて、自動電圧調整器の機能により、ステップ５６では、目標電圧と測定した実電圧との差ΔＶが計算され、ステップ５７では、算出した電圧差ΔＶ及びその変化量に応じて出力トランジスタのゲートＯＮ時間が計算される。
【００２４】
そして、ステップ５８において、ステップ５５で算出した発熱量と、周波数に応じて設定されている放熱量とが比較され、発熱量が放熱量を上回る場合（ＹＥＳ）は、ステップ５９に進んで出力トランジスタのゲートＯＮ時間が所定量だけ減らされる。
【００２５】
続いて、ステップ６０では、測定した界磁電流と測定周波数における瞬時最大電流制限値とが比較され、界磁電流が制限値を超えている場合（ＹＥＳ）は、ステップ６１に進んで出力トランジスタのゲートＯＮ時間が所定量だけ減らされる。
【００２６】
さらに、ステップ６２では、測定した界磁電流と測定周波数における連続出力電流制限値とが比較され、界磁電流が制限値を超えている場合（ＹＥＳ）は、ステップ６３に進んで、その連続時間が一定時間を超えたかを判定し、一定時間を超えて連続した場合（ＹＥＳ）には、ステップ６４に進んで出力トランジスタのゲートＯＮ時間が所定量だけ減らされる。
【００２７】
最終的に、ステップ５７で算出したゲートＯＮ時間を、測定した周波数と界磁電流値等の結果に基づいてステップ５９、ステップ６１及びステップ６４で必要に応じて減少させたゲートＯＮ時間が決定し、ステップ６５にて出力トランジスタのゲート制御が行われ、所定値に制御された界磁電流が界磁巻線に出力される。
【００２８】
なお、前記ステップ６２で界磁電流が制限値以下の場合（ＮＯ）は、連続時間の積算がリセットされる。また、ステップ５９，６１，６４のゲートＯＮ時間減は共通化することができる。さらに、ステップ５８，６０，６２の順番も任意である。
【００２９】
このように、測定した界磁電流と界磁巻線の瞬時最大電流制限値と連続出力電流制限値とを比較して界磁電流を制御することにより、特に、冷却効果が低下する設定周波数以下の低周波数域での瞬時負荷による界磁巻線の焼損を確実に防止しながら、発電機出力を有効に利用することができる。また、界磁電流を、界磁巻線の発熱量が放熱量を超えない範囲で連続して出力できることにより、比較的軽負荷の長時間運転においても界磁巻線の焼損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の同期発電機の制御装置における制御手順の一形態例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の制御装置を備えた同期発電機の一例を示す概略ブロック図である。
【図３】制御手段に設定した瞬時最大電流制限値の第１設定例を示す図である。
【図４】制御手段に設定した瞬時最大電流制限値の第２設定例を示す図である。
【図５】制御手段に設定した瞬時最大電流制限値の第３設定例を示す図である。
【図６】制御手段に設定した連続出力電流制限値の第１設定例を示す図である。
【図７】制御手段に設定した連続出力電流制限値の第２設定例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１…ディーゼルエンジン、１２…同期発電機、１３…エンジン発電機、１４…自動電圧調整器、１５…変圧器、１６…整流回路、１７…周波数／電圧変換器、１８…ＰＩＤ回路、１９…ＰＷＭ回路、２０…出力トランジスタ、２１…界磁巻線、２２…制御手段
【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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