(57)【要約】【課題】発電機の電圧確立時のオーバーシュートを抑制し、さらに、不足電圧継電器の誤動作も防止することができる自動電圧調整器を提供する。【解決手段】同期発電機の電圧確立開始からの時間を計測するタイマーの出力信号が０の時点から第１の時間設定値の時点までランプ状に発電機電圧の目標値まで上昇し、それ以降はその値を維持する電圧指令信号を出力することで、同期発電機の応答速度に限らず電圧確立時の電圧オーバーシュートを抑制することを可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機により駆動され遮断器を介し負荷へ電力を供給する同期発電機またはブラシレス同期発電機と、前記発電機の出力電圧を検出し電圧検出信号を出力する電圧検出器と、前記発電機の電圧確立開始からの時間を計測するタイマーと、マンマシンインターフェースを備えそれを介し設定された時間を第１の時間設定値として出力する第１の時間設定器と、前記タイマーの出力信号と前記第１の時間設定値に基づいて前記発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号を出力する第１の関数発生器と、前記電圧指令信号から前記電圧検出信号を減算し電圧誤差信号を出力する減算器と、前記電圧誤差信号に基づいて制御演算を行い発電機の電圧を所望の電圧に保つための界磁電圧操作信号を出力する演算増幅器と、前記界磁電圧操作信号に比例したオン幅のパルス信号を一定周波数で出力するパルス信号発生器と、前記パルス信号に基づいて直流電圧をチョッパ操作して前記発電機の界磁巻線に供給するチョッパ装置と、界磁巻線に流れる電流を還流させる還流ダイオードを備え、前記第１の関数発生器が、前記タイマーの出力信号が０の時点から前記第１の時間設定値の時点までランプ状に発電機電圧の目標値まで上昇し、それ以降はその値を維持する電圧指令信号を出力することを特徴とする自動電圧調整器。
【請求項２】
請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記マンマシンインターフェースを介して設定された中間目標値を出力する中間目標値設定器と、前記マンマシンインターフェースを介して設定された時間を第２の時間設定値として出力する第２の時間設定器と、前記第１の関数発生器の代わりに前記タイマーの出力信号と前記第１の時間設定値と前記第２の時間設定値と前記中間目標値に基づいて前記発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号を出力する第２の関数発生器を備え、前記第２の関数発生器が、前記タイマーの出力信号が０の時点から前記第２の時間設定値の時点までランプ状に前記中間目標値まで上昇し、前記タイマーの出力信号が前記第２の時間設定値の時点から前記第１の時間設定値の時点までランプ状に発電機電圧の目標値まで上昇し、それ以降はその値を維持する電圧指令信号を出力することを特徴とする自動電圧調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期発電機またはブラシレス同期発電機の出力電圧を所望の電圧に自動制御する自動電圧調整器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の自動電圧調整器を含む発電システムを図７を参照して説明する。  
同図において、１はブラシレス同期発電機、２は原動機、３は遮断器、４は負荷、５は自動電圧調整器、６は直流電源、１５は外部保護回路を示す。自動電圧調整器５は、電圧検出器７、タイマー８、第３の関数発生器９、減算器１０、演算増幅器１１、パルス信号発生器１２、チョッパ装置１３、還流ダイオード１４により構成される。
【０００３】
チョッパ装置１３は、例えばトランジスタ等のスイッチング素子１３２とドライブ回路１３１により構成される。タイマー８、第３の関数発生器９、減算器１０、演算増幅器１１、パルス信号発生器１２は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。外部保護回路１５は、不足電圧継電器１５１、タイマー付同期速度継電器１５２、故障トリップ信号発生器１５３により構成される。  
ブラシレス同期発電機１は、原動機２により駆動され遮断器３を介して負荷４へ電力を供給する。
【０００４】
外部保護回路１５の不足電圧継電器１５１は、ブラシレス同期発電機１の出力電圧が設定された電圧（Ｖ１５１）以下となるとOFFからONになる。またタイマー付同期速度継電器１５２は、ブラシレス同期発電機１が設定された回転数（Ｎ１５２）以上になり、設定された時間（Ｔ１５２）が経過するとOFFからONになる。さらに、故障トリップ信号発生器１５３は、不足電圧継電器１５１とタイマー付同期速度継電器１５２が共にONの時に原動機２に故障トリップ信号を出力する。故障トリップ信号により原動機２は停止する。そして、外部保護回路１５は、例えば発電機１の電圧確立の際、発電機１の回転数がタイマー付同期速度継電器１５２の設定回転数以上となり、設定時間（Ｔ１５２）が経過しても発電機電圧が不足電圧継電器１５１の設定電圧（Ｖ１５１）に達しない異常時には故障トリップ信号を出力し原動機２を停止させる。
【０００５】
次に、自動電圧調整器５の各構成機器の機能について説明する。  
電圧検出器７は、ブラシレス同期発電機１の出力電圧を検出し電圧検出信号Ｖｇを出力する。タイマー８は発電機が電圧確立開始となることを受けて時間の計測を開始し時間信号（ｔ）を出力する。第３の関数発生器９は、時間信号（ｔ）に基づいて図８に示す電圧指令信号Ｖｇ＊を出力する。図８は発電機の電圧確立時における電圧指令信号Ｖｇ＊の特性図であり、横軸は時間、縦軸は電圧指令信号Ｖｇ＊を示している。同図において、Ｖgcは発電機電圧の目標値を、Ｔは予め定められた時間設定値を示している。電圧指令信号Ｖｇ＊は、電圧確立開始時点の時間０から時間Ｔまでランプ状に発電機電圧の目標値Ｖgcまで上昇し、それ以降はＶgcを維持する特性を持つ。減算器１０は電圧指令信号Ｖｇ＊から電圧検出信号Ｖｇを減算し電圧誤差信号ΔＶｇを出力する。
【０００６】
演算増幅器１１は電圧誤差信号ΔＶｇを入力として例えばPID制御演算を行い、負荷４のインピーダンスが変化した場合でも発電機の出力電圧を所望の電圧に保つための界磁電圧操作信号Ｖｆを出力する。パルス信号発生器１２は界磁電圧操作信号Ｖｆに比例したオン幅のパルス信号Ｖｐを一定周波数で出力する。
【０００７】
ドライブ回路１３１はパルス信号Ｖｐに基づいてスイッチング素子１３２をオンオフ駆動する。直流電源６はスイッチング素子１３２と界磁巻線の直列回路に直流電圧を供給する。スイッチング素子１３２は直流電源６からブラシレス同期発電機１の界磁巻線へ印加される直流電圧をチョッパ操作する。還流ダイオード１４はスイッチング素子１３２がオフしている期間にブラシレス同期発電機１の界磁巻線に流れる界磁電流を還流させる。
【０００８】
以上のように構成された従来の自動電圧調整器５は、ブラシレス同期発電機１の出力電圧変動時に、界磁巻線に流れる界磁電圧の印加量を調整し出力電圧を制御するフィードバック制御機能に加えて、発電機の電圧確立の初期において図８に示すような電圧指令信号Ｖｇ＊をランプ状に上昇させる機能を備えている。図９はこのような自動電圧調整器による発電機の電圧確立時における電圧の挙動を示す図であり、横軸は時間、縦軸は発電機電圧を示す。図８、図９において電圧指令信号Ｖｇ＊が０の時に発電機電圧は０、発電機の電圧確立が始まり電圧指令信号Ｖｇ＊が上昇する時に発電機電圧も上昇を始め、電圧指令信号Ｖｇ＊が発電機電圧の目標値Ｖgcの時に発電機電圧は所望の電圧となる。ここで、電圧指令信号をステップ状に発電機電圧の目標値Ｖgcまで変えるのではなく、ランプ状に上昇させることにより発電機電圧のオーバーシュートを抑制しながら電圧確立を行うことを実現している（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００９】
発電機の電圧確立の初期において、図８に示すように電圧指令信号Ｖｇ＊をランプ状に上昇させることで発電機電圧のオーバーシュートを抑制することができる。しかしながら、ブラシレス同期発電機１の応答速度が遅い（時定数が大きい）場合、電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度が速ければオーバーシュートの抑制効果が小さいという問題がある。このときの電圧指令信号Ｖｇ＊の特性図と発電機電圧の時間的変化を図１０（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１０（ａ）において横軸は時間、縦軸は電圧指令信号Ｖｇ＊を、図１０（ｂ）において横軸は時間、縦軸は発電機電圧を示す。ブラシレス動機発電機１の応答が電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度より遅いためステップ指令を与えた場合と変わりがなく、発電機電圧が大きくオーバーシュートしてしまう。
【００１０】
また、電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度が遅い場合、発電機がタイマー付同期速度継電器１５２の設定回転数（Ｎ１５２）以上となり設定時間（Ｔ１５２）が経過しても発電機電圧が不足電圧継電器１５１の設定電圧（Ｖ１５１）に達せず、故障トリップ信号が出力されるという問題がある。このときの電圧指令信号Ｖｇ＊の特性図と発電機電圧の時間的変化を図１１（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１１（ａ）において横軸は時間、縦軸は電圧指令信号Ｖｇ＊を、図１１（ｂ）において横軸は時間、縦軸は発電機電圧を示す。電圧確立開始後、電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇と共に発電機電圧も上昇を始める。しかし、Ｖｇ＊の上昇速度が遅いため発電機電圧がＶ１５１に達するまでの時間が長くなり、それにより不足電圧継電器１５２が誤動作をする。  
なお、以上の説明はブラシレス同期発電機についてなされているが、同期発電機についても同様である。
【特許文献１】実開平６−４８３９９号公報
【特許文献２】特開平５−２８４７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、同期発電機またはブラシレス同期発電機の電圧確立時において組合せる発電機の応答速度に限らず電圧確立時のオーバーシュートを抑制し、さらに、不足電圧継電器の誤動作も防止することができる自動電圧調整器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、原動機により駆動され遮断器を介し負荷へ電力を供給する同期発電機またはブラシレス動機発電機と、前記発電機の出力電圧を検出し電圧検出信号を出力する電圧検出器と、前記発電機の電圧確立開始からの時間を計測するタイマーと、マンマシンインターフェースを備えそれを介し設定された時間を第１の時間設定値として出力する第１の時間設定器と、前記タイマーの出力信号と前記第１の時間設定値に基づいて前記発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号を出力する第１の関数発生器と、前記電圧指令信号から前記電圧検出信号を減算し電圧誤差信号を出力する減算器と、前記電圧誤差信号に基づいて制御演算を行い発電機の電圧を所望の電圧に保つための界磁電圧操作信号を出力する演算増幅器と、前記界磁電圧操作信号に比例したオン幅のパルス信号を一定周波数で出力するパルス信号発生器と、前記パルス信号に基づいて直流電圧をチョッパ操作して前記発電機の界磁巻線に供給するチョッパ装置と、界磁巻線に流れる電流を還流させる還流ダイオードを備え、前記第１の関数発生器が、前記タイマーの出力信号が０の時点から前記第１の時間設定値の時点までランプ状に発電機電圧の目標値まで上昇し、それ以降はその値を維持する電圧指令信号を出力することを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記マンマシンインターフェースを介し設定された中間目標値を出力する中間目標値設定器と、前記マンマシンインターフェースを介し設定された時間を第２の時間設定値として出力する第２の時間設定器と、前記第１の関数発生器の代わりに前記タイマーの出力信号と前期第１の時間設定値と前記第２の時間設定値と前記中間目標値に基づいて前記発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号を出力する第２の関数発生器を備え、前記第２の関数発生器が、前記タイマーの出力信号が０の時点から前記第２の時間設定値の時点までランプ状に前記中間目標値まで上昇し、前記タイマーの出力信号が前記第２の時間設定値の時点から前記第１の時間設定値の時点までランプ状に発電機電圧の目標値まで上昇し、それ以降はその値を維持する電圧指令信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、発電機（同期発電機またはブラシレス同期発電機を含む）の電圧確立の初期において自動電圧調整器の電圧指令信号をランプ状に上昇させその特性を設定器より変更できる機能を提供することで、発電機の応答速度に限らず電圧確立時の電圧オーバーシュートを抑制することを可能とする。
【００１５】
また、発電機の電圧確立の初期において自動電圧調整器の電圧指令信号をランプ状に２段階上昇させ、その特性を設定器より変更できる機能を提供することで、発電機の応答速度に限らず電圧確立時の電圧オーバーシュートを抑制し、さらに不足電圧継電器の誤動作も防止することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の最良の実施例を図を参照して説明する。  
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例の発電システム構成図であり、図７と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００１７】
図１において、図７に示した従来の自動電圧調整器を含む発電システムの構成と異なる点は、マンマシンインターフェースを備えそれを介し設定された時間を第１の時間設定値Ｔ１として出力する第１の時間設定器１６を備え、また、タイマー８の出力する時間信号ｔと第１の時間設定値Ｔ１に基づいて発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号Ｖｇ＊を出力する第１の関数発生器１９を第３の関数発生器９の代わりに備えたことである。第１の時間設定器１６は、例えば、押しボタンと表示用パネルとマイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。第１の関数発生器１９は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。
【００１８】
次に、本実施例の作用について説明する。  
第１の時間設定器１６はマンマシンインターフェースを介して設定された時間を第１の時間設定値Ｔ１として出力する。第１の関数発生器１９は時間信号ｔと第１の時間設定値Ｔ１に基づいて発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号Ｖｇ＊を出力する。
【００１９】
図２（ａ）は発電機の電圧確立時における電圧指令信号Ｖｇ＊の特性図であり、横軸は時間、縦軸は電圧指令信号Ｖｇ＊を示している。図２（ａ）の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性は下記の(1)，(2)式で表される。電圧指令信号Ｖｇ＊は、電圧確立開始時点の時間０から時間Ｔ１までランプ状に発電機電圧の目標値Ｖgcまで上昇し、それ以降はＶgcを維持する特性を持つ。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
また、図３に本実施例における第１の関数発生器１９の内部処理フロー図を示す。時間信号ｔが第１の時間設定値Ｔ１以下なら(1)式を実行し、時間信号ｔが第１の時間設定値Ｔ１を超えるなら(2)式を実行することで、電圧指令信号Ｖｇ＊を決定する。
【００２２】
電圧指令信号Ｖｇ＊が図２（ａ）の時間的特性を備える時、発電機の電圧確立時において発電機電圧は図２（ｂ）のように変化する。図２（ｂ）において横軸は時間、縦軸は発電機電圧を示している。発電機１の応答速度に対し電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度を適切に設定することで、電圧指令信号Ｖｇ＊が発電機電圧の目標値Ｖgcの時に発電機電圧は大きなオーバーシュートをすることなく速やかに所望の電圧となる。ブラシレス同期発電機１の応答速度が遅い場合、第１の時間設定値Ｔ１を長く設定し電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度を遅くすることで発電機のオーバーシュートを抑制することができる。逆にブラシレス同期発電機１の応答速度が速い場合、第１の時間設定値Ｔ１を短く設定し電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度を速くすることで速やかに電圧確立を行うことが可能となる。
【００２３】
以上述べたように、本実施例による自動電圧調整器では、発電機の電圧確立の初期において図２（ａ）に示すように電圧指令信号Ｖｇ＊をランプ状に上昇させる特性を備え、そのランプの傾きを第１の時間設定値Ｔ１を調整し変更できる機能を提供する。それにより、組合せる発電機の応答速度に限らず発電機の電圧確立時の電圧オーバーシュートを抑制することを可能とする。
【００２４】
（第２実施例）
図４は、本発明の第２実施例の発電システム構成図であり、図１の第１実施例と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２５】
図４において、図１の第１実施例のシステム構成と異なる点は、マンマシンインターフェースを介し設定された中間目標値Ｖgsを出力する中間目標値設定器１８と、マンマシンインターフェースを介し設定された時間を第２の時間設定値Ｔ２として出力する第２の時間設定器１７と、タイマー８の出力する時間信号ｔと第１の時間設定値Ｔ１と第２の時間設定値Ｔ２と中間目標値Ｖgsに基づいて発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号Ｖｇ＊を出力する第２の関数発生器２０を第１の関数発生器１９の代わりに備えたことである。中間目標値設定器１８と第２の時間設定器１７は、例えば、押しボタンと表示用パネルとマイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。第２の関数発生器２０は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。
【００２６】
次に、本実施例の作用について説明する。  
中間目標値設定器１８はマンマシンインターフェースを介し設定された中間目標値Ｖgsを出力する。第２の時間設定器１７はマンマシンインターフェースを備えそれを介し設定された時間を第２の時間設定値Ｔ２として出力する。第２の関数発生器２０は時間信号ｔと第１の時間設定値Ｔ１と第２の時間設定値Ｔ２と中間目標値Ｖgsに基づいて発電機の出力電圧を制御するための電圧指令信号Ｖｇ＊を出力する。
【００２７】
図５（ａ）は発電機の電圧確立時における電圧指令信号Ｖｇ＊の特性図であり、横軸は時間、縦軸は電圧指令信号Ｖｇ＊を示している。図５（ａ）の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性は下記の(3)，(4)，(5)，(6)式で表される。電圧指令信号Ｖｇ＊は、電圧確立開始時点の時間０から時間Ｔ２までランプ状に中間目標値Ｖgsまで上昇し、時間Ｔ２から時間Ｔ１までランプ状に発電機電圧の目標値Ｖgcまで上昇し、それ以降はＶgcを維持する特性を持つ。また、時間Ｔ２は時間Ｔ１を超えないように設定する。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
また、図６に本実施例における第２の関数発生器２０の内部処理フロー図を示す。時間信号ｔが第２の時間設定値Ｔ２以下なら(3)式を実行し、時間信号ｔが第２の時間設定値Ｔ２より大きく第１の時間設定値Ｔ１以下ならば(4)式を実行し、時間信号ｔが第１の時間設定値Ｔ１より大きいなら(5)式を実行し、電圧指令信号Ｖｇ＊を決定する。
【００３０】
中間目標値Ｖgs、第２の時間設定値Ｔ２をそれぞれ下記の(7)，(8)式で示す値をとるように設定する。(7)式において、Ｖ１５１は不足電圧継電器１５１の設定電圧を、Ｖ０１５１は発電機定格運転中における不足電圧継電器１５１の検出電圧を示す。また、(8)式においてＴ１５２はタイマー付き同期速度継電器１５２の設定時間を示す。
【００３１】
【数３】
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【００３２】
上記の(7)，(8)式のようにＶgs，Ｔ２を設定することで発電機がタイマー付き同期速度継電器１５２の設定回転数（Ｎ１５２）以上となり設定時間（Ｔ１５２）が経過するまでに、電圧指令信号Ｖｇ＊を不足電圧継電器１５１の設定電圧Ｖ１５１相当の値以上にすることができる。電圧指令信号Ｖｇ＊が不足電圧継電器１５１の設定電圧Ｖ１５１相当の値になった後は、ブラシレス同期発電機１の応答速度に合うように予め設定しておいた第１の時間設定値Ｔ１に従い電圧指令信号Ｖｇ＊を上昇させることで発電機電圧のオーバーシュートを抑制する。図５（ｂ）はこの時の発電機電圧の時間的変化であり、横軸は時間、縦軸は発電機電圧を示している。１段階目の電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇において、発電機電圧はＶ１５１まで速やかに上昇し、２段階目の電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇において、発電機電圧は大きなオーバーシュートをすることなく所望の電圧となる。
【００３３】
以上述べたように、本実施例による自動電圧調整器では、発電機の電圧確立の初期において、図５（ａ）に示すように電圧指令信号Ｖｇ＊をランプ状に２段階上昇させる特性を備え、そのランプの傾きを中間目標値Ｖgs、第１の時間設定値Ｔ１、第２の時間設定値Ｔ２を調整し、変更することができる。それにより、１段階目の電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度を速めることで不足電圧継電器の誤動作を防止することを可能とし、２段階目の電圧指令信号Ｖｇ＊の上昇速度を調整することで発電機の応答速度に限らず電圧確立時のオーバーシュートを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施例の発電システムの構成図。
【図２】図１の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性と発電機電圧の時間的変化を表す図。
【図３】図１の第１の関数発生器１９の内部処理フロー図。
【図４】本発明の第２実施例の発電システムの構成図。
【図５】図４の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性と発電機電圧の時間的変化を表す図。
【図６】図４の第２の関数発生器２０の内部処理フロー図。
【図７】従来の自動電圧調整器を含む発電システムの構成図。
【図８】図７の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性を表す図（通常動作時）。
【図９】図７の発電機電圧の時間的変化を表す図（通常動作時）。
【図１０】図７の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性と発電機電圧の時間的変化を表す図（発電機の時定数が大きい時）。
【図１１】図７の電圧指令信号Ｖｇ＊の特性と発電機電圧の時間的変化を表す図（外部保護回路誤動作時）。
【符号の説明】
【００３５】
１…同期発電機またはブラシレス同期発電機、２…原動機、３…遮断器、４…負荷、５…自動電圧調整器、６…直流電源、７…電圧検出器、８…タイマー、９…第３の関数発生器、１０…減算器、１１…演算増幅器、１２…パルス信号発生器、１３…チョッパ装置、１３１…ドライブ回路、１３２…スイッチング素子、１４…還流ダイオード、１５…外部保護回路、１５１…不足電圧継電器、１５２…タイマー付き同期速度継電器、１５３…故障トリップ信号発生器、１６…第１の時間設定器、１７…第２の時間設定器、１８…中間目標値設定器、１９…第１の関数発生器、２０…第２の関数発生器、Ｖｇ…電圧検出信号、ｔ…時間信号、Ｖgc…発電機電圧の目標値、Ｔ…予め定められた時間設定値、Ｖｇ＊…電圧指令信号、Ｖgs…中間目標値、Ｔ１…第１の時間設定値、Ｔ２…第２の時間設定値、ΔＶｇ…電圧誤差信号、Ｖｆ…界磁電圧操作信号、Ｖｐ…パルス信号、Ｖ１５１…不足電圧継電器１５１の設定電圧、Ｎ１５２…タイマー付き同期速度継電器１５２の設定回転数、Ｔ１５２…タイマー付き同期速度継電器１５２の設定時間。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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