(57)【要約】【課題】エンジンを低回転域で運転しても回転ムラが少なく、広い電気負荷範囲でエンジン回転数を制御して高いエネルギ総合効率を維持するとともに、信頼性が高くかつ簡便で経済性に優れた電源装置を提供する。【解決手段】エンジン２と発電機３とコンバータ部４とインバータ部７と、を備える電源装置１であって、前記コンバータ部４は、開閉制御可能な複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６により形成されるブリッジ回路５と、該スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を発電側交流電力の周波数よりも多頻度にかつ時間間隔可変に開閉して該ブリッジ回路５を短絡状態と出力状態とに遷移させる昇圧回生制御を行うゲート制御部６と、からなり、該短絡状態では前記発電機３の少なくとも一部の出力線（３５Ｕ及び３５Ｖ）が短絡され、該出力状態では該出力線（３５Ｕ及び３５Ｖ）が前記インバータ部７に接続される、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転数可変に制御されるエンジンと、該エンジンに駆動されて発電側交流電力を出力する発電機と、該発電側交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、該直流電力を負荷側交流電力に変換して電気負荷に供給するインバータ部と、を備える電源装置であって、
前記コンバータ部は、開閉制御可能な複数のスイッチング素子により形成されるブリッジ回路と、該スイッチング素子を前記発電側交流電力の周波数よりも多頻度にかつ時間間隔可変に開閉して該ブリッジ回路を短絡状態と出力状態とに遷移させる昇圧回生制御を行うゲート制御部と、からなり、該短絡状態では前記発電機の少なくとも一部の出力線が短絡され、該出力状態では該出力線が前記インバータ部に接続される、
ことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記エンジンは、コージェネレーション装置用の単気筒ガスエンジンである請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記ゲート制御部は、パルス幅制御方式により前記短絡状態と前記出力状態の継続時間を制御する請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記ゲート制御部は、前記エンジンの前記回転数が一時的に減少したときに前記短絡状態の継続時間を短縮し、該回転数が一時的に増加したときに該短絡状態の該継続時間を延長する請求項１〜３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記ゲート制御部は、前記発電機を回転位相に応じて励磁しモータとして駆動するように前記ブリッジ回路を制御するモータ駆動モードと、前記昇圧回生制御を行う発電機回生モードとを、選択可能にもつ請求項１〜４に記載の電源装置。
【請求項６】
前記ゲート制御部は、前記コンバータ部の出力の直流電圧が規定値を超過したときに、前記モータ駆動モードを選択する請求項５に記載の電源装置。
【請求項７】
前記発電機の前記出力線に設けられて電流を検出する電流検出手段と、検出された電流情報に基づいて該発電機の電気的故障を判定する故障判定手段と、をもつ請求項１〜６に記載の電源装置。
【請求項８】
前記ゲート制御部及び前記エンジンを総合的に制御する総合制御部を備える請求項１〜７に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン駆動の分散型電源装置に関し、特に単気筒ガスエンジンを広い出力範囲で運転する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギや二酸化炭素排出量削減を志向した分散型電源装置の開発が進められ、オフィスや集合住宅など電力消費地での導入が今後急速に進展するものと考えられる。分散型電源装置には、太陽電池や風力発電機などの自然エネルギ型電源や、ガスタービン発電機やガスエンジン発電機などの化石燃料型電源が用いられ、出力形態を変換して電気負荷に供給する電力変換部を備えるのが一般的である。また、商用電力系統と連系することにより、不足する電力を受電し、あるいは余剰の電力を逆潮流して送電することも行われている。本願出願人は、複数の分散型電源を系統に連系する小形で経済性の高い系統連系システムを特許文献１に開示している。特許文献１のシステムは、分散型電源の各々と一対一に接続されて直流電力を出力する複数の直流側変換装置と、直流電力を交流電力に変換して交流系統に連系する交流側変換装置とを備え、直流電力が重畳する接続点の直流電圧によって交流側の出力電流を決定するようにしている。
【０００３】
また、特許文献２には電力系統に連系されるガスエンジン発電設備の一例が開示されている。特許文献２の設備は、電力需要に応じてガスエンジンの燃料を制御し、交直変換器により発電機を可変速制御し、負荷急変に対してガスエンジン発電機の慣性エネルギにより追従させ、部分負荷運転状態やガス燃料成分変化に対して回転数調整を行う、とされている。なお、ガスエンジン発電機は、電気エネルギだけでなく熱エネルギも有効利用することのできるコージェネレーション装置として用いられる場合が多く、一般家庭への適用も期待されている。
【特許文献１】特開２００３−２５０２２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４５１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般家庭でも使用できるコージェネレーション装置にガスエンジン発電機を適用する場合、定格発電出力は１ｋＷ程度の小出力となり、エンジンは単気筒になる。ところが、単気筒ガスエンジンでは、圧縮行程時の減速作用と、燃焼工程時の加速作用が、ダイレクトに回転ムラとなって出力されるため、特に低回転域で大きな振動が発生して実用的でなかった。複数の気筒をもつエンジンであれば、各気筒の作動タイミングがずれるため、回転ムラは相殺しあって大きな問題にはならないが、経済性の面で適用し難い。特許文献２の構成を適用しても、軽負荷時に低回転域で使用するための対策としては不十分と考えられた。
【０００５】
この対策としてフライホイールを付属し、慣性エネルギにより回転ムラを機械的に吸収することが考えられるが、装置が大形重量化し、コストも上昇する。また、フライホイールなしで毎分２０００回転程度の高速域で定速回転とし、軽負荷時には余剰の電力を熱源に利用している例もあるが、熱源のエネルギ単価としては割高である。やはり、電気負荷に追従して発電出力をコントロールしつつ、発生した排熱を回収し、高いエネルギ総合効率で運転できることが好ましい。さらに、小形小出力化に適した簡便な構成で、かつ十分な信頼性も有することが必要である。
【０００６】
本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、単気筒のエンジンを低回転域で運転しても回転ムラが少なく、広い電気負荷範囲でエンジン回転数を制御して高いエネルギ総合効率を維持するとともに、信頼性が高くかつ簡便で経済性に優れた電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電源装置は、回転数可変に制御されるエンジンと、該エンジンに駆動されて発電側交流電力を出力する発電機と、該発電側交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、該直流電力を負荷側交流電力に変換して電気負荷に供給するインバータ部と、を備える電源装置であって、前記コンバータ部は、開閉制御可能な複数のスイッチング素子により形成されるブリッジ回路と、該スイッチング素子を前記発電側交流電力の周波数よりも多頻度にかつ時間間隔可変に開閉して該ブリッジ回路を短絡状態と出力状態とに遷移させる昇圧回生制御を行うゲート制御部と、からなり、該短絡状態では前記発電機の少なくとも一部の出力線が短絡され、該出力状態では該出力線が前記インバータ部に接続される、ことを特徴とする。また、前記エンジンは、コージェネレーション装置用の単気筒ガスエンジンであってもよい。さらには、前記ゲート制御部は、パルス幅制御方式により前記短絡状態と前記出力状態の継続時間を制御するようにしてもよい。
【０００８】
本発明は、単気筒ガスエンジンの低回転域における回転ムラを低減するとともに、広い電気負荷範囲で高いエネルギ総合効率を維持することにより、分散電源装置としての実用性能を向上することを目的とし、手段としては発電機出力に対して昇圧回生制御を応用することを主眼としている。本発明は、本願出願人が開示した特許文献１のインバータをベースにして、直流側変換装置（コンバータ部）を改良することで実現することができる。
【０００９】
まず、本発明の電源装置の構成及び制御方法について説明する。
【００１０】
本発明に用いるエンジンは回転数を変えて運転するものであり、コージェネレーション装置用の単気筒ガスエンジンは好例である。エンジンの出力軸は発電機のロータに結合することができ、一体に回転して発電機を駆動することができる。発電機には例えば三相機を用いることができ、極数などの制約はなく、例えばステータ巻線をスター結線して出力する構成とすることができる。発電機の出力端子は、出力線でコンバータ部に接続することができる。出力される発電側交流電力の周波数はエンジンの回転数に依存して定まり、特に限定されない。
【００１１】
コンバータ部は、交直変換用のブリッジ回路とゲート制御部とで形成することができ、発電機から出力された発電側交流電力を直流電力に変換するものである。ブリッジ回路は、例えば、発電機からの３本の出力線それぞれを、正極端子と負極端子とにスイッチング素子を介して接続することにより形成することができる。合計６個のスイッチング素子には、ゲート制御部からのゲート信号によって開閉制御される仕様のものを用いることができる。そして、正極端子と負極端子とをインバータ部に接続することにより、直流電力を出力することができる。
【００１２】
インバータ部は、例えば、直流入力側に設けられる安定用コンデンサと、スイッチング素子を用いた直交変換用のブリッジ回路と、交流出力側に設けられる平滑用フィルタと、スイッチング素子を開閉制御するゲート制御部と、で形成することができる。インバータ部から出力される負荷側交流電力は商用周波数とすることができ、例えば単相三線式として構内の電気負荷に供給するようにしてもよく、商用電力系統と連系するようにしてもよい。
【００１３】
また、電気出力だけでなく熱出力も得るコージェネレーション装置として、エンジンの排熱を回収して熱負荷に供給する排熱回収部を設けるようにしてもよい。
【００１４】
本発明では、コンバータ部において昇圧回生制御を行う。すなわち、スイッチング素子を多頻度にかつ時間間隔可変に開閉してブリッジ回路を短絡状態と出力状態とに遷移させる。例えば、発電機の三相出力をＵ相、Ｖ相、Ｗ相とするとき、Ｕ相電圧がＶ相電圧よりも高い１２０°の位相範囲で、Ｕ相出力線とＶ相出力線とを短絡状態と出力状態に遷移させることを繰り返す。短絡状態では、Ｕ相出力線とＶ相出力線とはブリッジ回路内で短絡され、Ｕ相巻線とＶ相巻線とを含む短絡回路が形成される。出力状態では、Ｕ相出力線は正極端子に接続され、Ｖ相出力線は負極端子に接続される。
【００１５】
次の１２０°の位相範囲ではＶ相とＷ相に対して同様の昇圧回生制御が行われ、さらにその次の１２０°の位相範囲ではＷ相とＵ相に対して同様の昇圧回生制御が行われ、また元に戻ってＵ相とＶ相に対する昇圧回生制御が行われる。
【００１６】
上述の昇圧回生制御は、例えばパルス幅制御方式のゲート制御部により行うことができる。すなわち、ゲート制御部に、波高値及び周波数が一定の三角波を出力する三角波出力部と、発電機の回転速度に応じてスライスレベルを調整して出力するレベル出力部と、三角波からスライスレベルを差し引く比較部と、差し引いた結果を基にして各スイッチング素子にゲート信号を出力するゲート出力部と、を設けることができる。三角波の周波数は発電側交流電力の出力の周波数よりも二桁程度以上大とすることにより、前記１２０°の位相範囲内で短絡状態と出力状態の遷移を多数回繰り返すことができる。また、ゲート出力部は、例えば差し引いた結果が正の時間帯ではブリッジ回路を短絡状態にするゲート信号を出力し、結果が負の時間帯ではブリッジ回路を出力状態にするゲート信号を出力するように、構成することができる。
【００１７】
次に、上述のように構成され制御される本発明の電源装置の、動作・作用について説明する。
【００１８】
エンジンが回転して発電機が駆動されると、発電機の出力線には回転数に応じた周波数で略正弦波の交流側出力電力が出力される。一方、コンバータ部のブリッジ回路では、昇圧回生制御により短絡状態と出力状態とが繰り返し遷移されている。ここで、短絡状態のときには交流側出力電力は行き場がなくなり、短絡回路内に短絡電流が流れて電気エネルギの形、大部分は発電機巻線のインダクタンス分Ｌに電磁エネルギＥＧの形で一時的に蓄積される。この電磁エネルギＥＧの大きさは、短絡状態継続時間Ｔで徐々に増加する短絡電流の最終値Ｉとすると、次式で求められる。
ＥＧ＝（１／２）・Ｌ・Ｉ・Ｉ
【００１９】
次に、ブリッジ回路が出力状態に遷移すると、コンバータ部の出力である正極端子と負極端子との間には、次式のように短絡電流最終値Ｉの時間微分で示される直流電圧Ｖが誘起される。
Ｖ＝（−Ｌ）・（ｄＩ／ｄｔ）
【００２０】
すなわち、短絡回路が開かれてインバータ部に接続される瞬間、短絡電流最終値Ｉが急減して大きな直流電圧Ｖが発生する。この直流電圧Ｖにより、一時的に蓄積された電磁エネルギＥＧが直流電力の形でインバータ部に出力される。
【００２１】
本発明において発電機出力端子から出力される電気エネルギは従来と同等であるが、コンバータ部で電気エネルギを間欠的にインバータ部に出力することにより、直流電圧Ｖを従来の整流電圧よりも高くすることができる。
【００２２】
次に、エンジン低回転域の回転ムラを低減することのできる態様を説明する。
【００２３】
前記ゲート制御部は、前記エンジンの前記回転数が一時的に減少したときに前記短絡状態の継続時間を短縮し、該回転数が一時的に増加したときに該短絡状態の該継続時間を延長することが好ましい。例えば、エンジンの出力軸に回転数検出センサを設けて回転数を検出し、ゲート制御部はエンジン回転数の増減に対応してレベル出力部のスライスレベルを変更するように構成することができる。なお、回転数検出センサに代えて、発電機出力電圧の時間的変化を基にして回転数を求めるようにしてもよい。
【００２４】
上述の態様では、例えば、エンジンの圧縮行程で燃料ガスの圧縮に力を要して出力軸の回転数が一時的に減少したときにスライスレベルを高く変更することができる。スライスレベルを高く変更すると、比較部において三角波からスライスレベルを差し引いたときの結果が正となる時間帯が短くなり、ブリッジ回路を短絡状態にする継続時間Ｔが短縮される。すると、短絡電流の到達する最終値Ｉ及びこれを微分して得られる直流電圧Ｖが減少し、コンバータ部からインバータ部に出力される電磁エネルギＥＧが減少する。これをエンジン側から見れば、負荷トルクが減少したことに相当して、出力軸の回転数の減少が緩和される。
【００２５】
逆に、エンジンの燃焼工程で出力軸が付勢されて回転数が一時的に増加したときに、スライスレベルを低く変更することができる。すると、逆に、短絡状態の継続時間Ｔが延長されて、出力される電磁エネルギＥＧが増大する。これをエンジン側から見れば、負荷トルクが増加したことに相当し、出力軸の回転数の増加が緩和される。
【００２６】
以上説明したように、エンジン回転数を検出しその変化に応じてブリッジ回路の短絡状態の継続時間Ｔを加減する態様によれば、エンジン回転数の一時的な変化を緩和するように、発電機出力側の電気回路が補償動作する。これは、電気式フライホイール機能とも呼べるものであり、従来の慣性エネルギにより回転ムラを吸収する機械式フライホイールと同等の機能を有している。本発明では、機械式フライホイールを不要として、装置を小形化することができる。さらに、コンバータ部のブリッジ回路は整流用に元々必要であるため、本発明はゲート制御部を高度化するだけでよく、フライホイールのコストと比較して経済性も格段に向上する。
【００２７】
次に、本発明の電源装置の過電圧に対する保護機能を備える態様について説明する。
【００２８】
前記ゲート制御部は、前記発電機を回転位相に応じて励磁しモータとして駆動するように前記ブリッジ回路を制御するモータ駆動モードと、前記昇圧回生制御を行う発電機回生モードとを、選択可能にもつようにしてもよい。また、前記ゲート制御部は、前記コンバータ部の出力の直流電圧が規定値を超過したときに、前記モータ駆動モードを選択することが好ましい。
【００２９】
本発明では、コンバータ部の出力の直流電圧Ｖを、従来の整流電圧よりも高くして運転するようになっている。さらに、連系される商用電力系統や構内の電気負荷の減少や、エンジンの一過性の過出力などにより、この直流電圧Ｖが過昇するおそれが皆無とは言えない。直流電圧Ｖはすなわちコンバータ部及びインバータ部の運転電圧であり、回路内の安定用コンデンサやスイッチング素子を規定値以下の電圧で安全に用いるために保護機能を設けることが好ましい。ただし、専用の保護回路を設けることは部品点数を増加させて回路を複雑化するとともにコストの増加を招くので好ましくない。代わりに、ゲート制御部にモータ駆動モードを持たせることで対策することができる。
【００３０】
モータ駆動モードとは、端的に言えば、一時的に発電機をモータとして駆動することにより電気エネルギを機械エネルギに戻してやり、直流電圧Ｖを低下させることである。これを実現するためには、直流電圧Ｖの監視機能と、発電機のロータの回転位相を検出してコンバータ部から発電機を励磁するタイミング制御機能と、が必要になる。この２つの機能はゲート制御部で行うことができる。
【００３１】
例えば、正極端子と負極端子との間に設けられた直流電圧検知回路によって直流電圧Ｖを検知し、これをゲート制御部で規定値と比較して超過したときに、発電機回生モードをモータ駆動モードに切り替えることができる。また発電機ロータの回転位相検出は、エンジンの出力軸に設けた回転数検出センサで兼用することができ、あるいは発電機出力電圧の時間的変化から求める方式とすることもできる。いずれの場合も、ロータとステータとの位置関係を基にしてブリッジ回路を制御し、直流電圧Ｖで発電機を励磁する。すると、発電機はモータとして作動し、電気エネルギを消費して回転速度が上昇する。電気エネルギの消費分は、直流電圧Ｖの低下分となり、電気回路は保護される。
【００３２】
これにより、万一直流電圧Ｖが過昇しても、ゲート制御部は自動的にモータ駆動モードに移行し、電気エネルギを機械エネルギに戻して直流電圧Ｖを低下させる保護機能が作動する。この保護機能の実現には新たな部品の追加は不要であり、簡便な回路構成のままで経済的にコンバータ部及びインバータ部の過電圧に対する保護機能を備えることができる。
【００３３】
次に、発電機の電気的故障を検出することのできる態様について説明する。
【００３４】
前記発電機の前記出力線に設けられて電流を検出する電流検出手段と、検出された電流情報に基づいて該発電機の電気的故障を判定する故障判定手段と、をもつようにしてもよい。電流検出手段として、発電機各相の出力線に電流センサを設けることができる。電流センサは、多頻度開閉による過渡的な電流変化を十分に検出できるだけの周波数特性を有することが好ましく、例えばホール素子を応用したセンサを適用することができる。なお、電流センサは２相設置としてコストを低減し、第３相は電流ベクトル演算により求める方式としてもよい。
【００３５】
故障判定手段は、各相の電流情報に基づいて電気的故障の有無を判定する手段である。電流情報としては、電流波形自体や実効値、ピーク値などの他、適宜波形処理した情報を用いることもできる。また、判定方法としては、規定値との大小比較や、時間変化率や相間バランスチェックなどの方法がある。これにより、発電機巻線の断線故障や部分的な短絡故障、出力端子や出力線における故障を判定することができる。また、コンバータ部の故障の一部も検出することができる。
【００３６】
次に、電源装置としての総合的な制御の方式について説明する。
【００３７】
前記ゲート制御部及び前記エンジンを総合的に制御する総合制御部を備えることが好ましい。ゲート制御部はコンバータ部のブリッジ回路を制御するものであり、別に電源装置全体を総合的に制御する総合制御部を備えることが好ましい。総合制御部は、コンバータ部及びインバータ部のゲート制御部の上位に位置するとともに、エンジンの運転制御や、電気負荷との連系、コージェネレーション装置にあっては排熱回収部の制御、などを有機的に連係して行うものである。
【００３８】
具体例として、例えば上述の直流電圧Ｖの過昇時を考える。このとき、ゲート制御部はモータ駆動モードを選択するとともに、事態を総合制御部に通報するように構成することができる。すると、総合制御部は、エンジンの燃料スロットルを絞ることによりエンジン及び発電機の回転数の増加を抑止し、協調して正常運転に戻るように機能する。
【００３９】
電気負荷が軽い場合、総合制御部は電気負荷に応じエンジンの回転数を下げるように制御し、ゲート制御部は発電機出力に見合った昇圧回生制御によりコンバータ部出力の直流電圧Ｖを適正に保つことができる。したがって、エンジンを回転数一定の低い負荷率でなく、回転数を下げて高い負荷率で効率よく運転することができる。さらに、広い電気負荷範囲で高い発電効率を維持することができ、コージェネレーション装置にあっては高い総合エネルギ効率を維持することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明のコンバータ部で昇圧回生制御を行う電源装置によれば、コンバータ部の出力の直流電圧を従来の整流電圧よりも高くすることができるため、発電効率を向上することができる。また、エンジン回転数の変化に応じてコンバータ部のブリッジ回路の短絡状態の継続時間を制御する態様によれば、低回転域における単気筒エンジンの回転ムラを電気回路側で吸収することができるため、機械式フライホイールを不要として装置を小形化することができ、電気回路も簡便で経済性も格段に向上する。
【００４１】
さらに、一時的に発電機をモータとして駆動するモータ駆動モードをもつことにより、電気回路の過電圧に対する保護機能を簡便な回路構成のままで備えることができる。電流検出手段と故障判定手段とをもつ態様では、発電機の電気的故障を検出することができる。
【００４２】
総合制御部を備える態様では、電気負荷が軽い場合にエンジンの回転数を下げて高い負荷率で効率よく運転することができ、広い電気負荷範囲で高い発電効率を維持することができ、コージェネレーション装置にあっては高い総合エネルギ効率を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図６を参考にして説明する。図１は、本発明の実施例の電源装置１を説明する図である。図１中の破線は、制御に用いられるゲート信号の経路を示している。実施例の電源装置１は、単気筒ガスエンジン２、発電機３、コンバータ部４、インバータ部７、で構成され、インバータ部７の出力端子７９Ｘ、７９Ｙが商用電力系統９に連系され、系統９内の電気負荷に電力を供給するものである。
【００４４】
単気筒エンジン２の出力軸２１は発電機３のロータ３１に同軸に結合されて、一体に回転するようになっている。発電機３は三相機であり、ロータ３１とステータ３２とで形成されている。ステータ３２にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗがスター結線されて設けられている。各相巻線３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗが発電側交流電力を出力する各相出力端子３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗは、各相出力線３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗにより、コンバータ部４の三相ブリッジ回路５の各相中間点５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗに接続されている。
【００４５】
コンバータ部４は、三相ブリッジ回路５とゲート制御部６とで形成されている。三相ブリッジ回路５は、各相中間点５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗへ供給される発電側交流電力を入力とし、正極端子５３Ｐ及び負極端子５３Ｎに直流電圧Ｖで直流電力を出力するものであり、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６により回路構成されている。すなわち、Ｕ相中間点５１Ｕと正極端子５３Ｐとがスイッチング素子Ｓ１を介して接続されている。同様に、Ｖ相中間点５１Ｖと正極端子５３Ｐとがスイッチング素子Ｓ２を介し、Ｗ相中間点５１Ｗと正極端子５３Ｐとがスイッチング素子Ｓ３を介して接続されている。さらに、Ｕ相中間点５１Ｕと負極端子５３Ｎとがスイッチング素子Ｓ４を介し、Ｖ相中間点５１Ｖと負極端子５３Ｎとがスイッチング素子Ｓ５を介し、Ｗ相中間点５１Ｗと負極端子５３Ｎとがスイッチング素子Ｓ６を介して、それぞれ接続されている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、ゲート制御部６からのゲート信号により独立して開閉制御され、導通状態と遮断状態を取り得るように構成されている。
【００４６】
インバータ部７は、安定用コンデンサ７１、単相ブリッジ回路７２、平滑用フィルタ７５、インバータゲート制御部７７、で形成されている。インバータ部７は、コンバータ部４から正極端子５３Ｐ及び負極端子５３Ｎに出力された直流電力を入力とし、単相交流の２つの出力端子７９Ｘ、７９Ｙへ単相の負荷側交流電力を出力するものである。安定用コンデンサ７１は、正極端子５３Ｐと負極端子５３Ｎとの間に設けられ、コンバータ部４の出力の直流電圧Ｖに含まれるリップル分を除去するなどして安定化させる機能を有している。
【００４７】
単相ブリッジ回路７２は、４個のスイッチング素子ＳＡ〜ＳＤにより回路構成されている。すなわち、正極端子５３Ｐと中間端子７３Ｘがスイッチング素子ＳＡを介して接続され、同様に、正極端子５３Ｐと中間端子７３Ｙがスイッチング素子ＳＢを介し、負極端子５３Ｎと中間端子７３Ｘとがスイッチング素子ＳＣを介し、負極端子５３Ｎと中間端子７３Ｙとがスイッチング素子ＳＤを介して、それぞれ接続されている。各スイッチング素子ＳＡ〜ＳＤは、インバータゲート制御部７７からのゲート信号により独立して開閉制御され、導通状態と遮断状態を取り得るように構成されている。
【００４８】
平滑用フィルタ７５は、中間端子７３Ｘ及び中間端子７３Ｙと、出力端子７９Ｘ、７９Ｙとの間に設けられている。平滑用フィルタ７５は、中間端子７３Ｘ、７３Ｙ側の矩形波状の中間交流出力を平滑し、正弦波状の負荷側交流電力を出力端子７９Ｘ、７９Ｙから出力する機能を有している。
【００４９】
次に、上述のように構成された電源装置１のゲート制御部６による昇圧回生制御の方法、及び作用について説明する。図２は昇圧回生制御の方法を説明する図であり、（Ａ）は短絡状態を示す図、（Ｂ）は短絡状態から出力状態に遷移する瞬間を示す図、（Ｃ）は出力状態を示す図である。
【００５０】
今、発電機のＵ相出力端子３４ＵにＶ相出力端子３４Ｖよりも高い電圧Ｖ１が誘起されている状態を代表として考える。このとき、ゲート制御部６は、Ｕ相とＶ相とを短絡状態と出力状態に遷移させることを繰り返すように制御する。すなわち、図２（Ａ）に示されるように、短絡状態では２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が導通状態となって、三相ブリッジ回路５は短絡状態となり、Ｕ相出力線３５ＵとＶ相出力線３５ＶとＶ相巻線３３ＶとＵ相巻線３３Ｕとで短絡回路が形成される。すると、短絡回路内の電圧Ｖ１に対して、Ｖ相巻線３３ＶとＵ相巻線３３Ｕのもつインダクタンス分Ｌ１が通電を制動し、継続時間とともに増加する短絡電流が流れ最終値Ｉ１となる。結局、短絡状態の継続時間内に発電機から出力された電気エネルギは、下式に示される電磁エネルギＥＧ１として短絡回路内に蓄積される。
ＥＧ１＝（１／２）・Ｌ１・Ｉ１・Ｉ１
【００５１】
次に、図２（Ｂ）に示されるように、短絡状態から出力状態に遷移する瞬間となる。この瞬間、ゲート制御部６のゲート信号により、スイッチング素子Ｓ２が導通状態から遮断状態となり、短絡回路が開路されて短絡電流最終値Ｉ１が強制的に遮断され、Ｕ相中間点５１とＶ相中間点５１Ｖとの間には、下式で示される大きな電圧Ｖ２が誘起される。
Ｖ２＝（−Ｌ）・（ｄＩ１／ｄｔ）
【００５２】
すぐ次の瞬間には、図２（Ｃ）に示されるように、ゲート制御部６のゲート信号により、スイッチング素子Ｓ５が導通状態となって、ブリッジ回路５は出力状態となる。すなわち、Ｕ相中間点５１Ｕから正極端子５３Ｐを経由してインバータ部７に入り、負極端子５３ＮからＶ相中間点５１Ｖに戻る出力回路が形成される。そして、電圧Ｖ２が正極端子５３Ｐと負極端子５３Ｎとの間に移動して、蓄積された電磁エネルギＥＧ１に見合う直流電流Ｉ２が出力される。
【００５３】
次に、スイッチング素子Ｓ１を遮断状態とし、スイッチングＳ４を導通状態とすると、２つのスイッチング素子Ｓ４、Ｓ５により短絡回路が形成されて電磁エネルギＥＧが再度蓄積される。その次には、スイッチング素子Ｓ４を遮断状態とし、スイッチングＳ１を導通状態とすると、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ５により出力回路が形成されて、電磁エネルギＥＧに見合う直流電流Ｉ２が再度出力される。これを、Ｕ相出力端子３９ＵにＶ相出力端子３９Ｖよりも高い電圧Ｖ１が誘起されている１２０°の位相範囲で繰り返して行う。そして、次の１２０°の位相範囲ではＶ相及びＷ相を対象とし、さらに次の１２０°の位相範囲ではＷ相及びＵ相を対象として、同様の制御を行い、以下繰り返す。
【００５４】
ここで、ゲート制御部５はゲート信号のタイミングをずらすことにより、短絡状態の継続時間を制御して加減することができる。すなわち、短絡状態を延長することにより、短絡電流最終値Ｉ１、電磁エネルギＥＧ１、電圧Ｖ２を大きくすることができる。これは、エンジン２側からみると、負荷トルクが瞬間的に増加したことになる。逆に、短絡状態を短縮することにより、負荷トルクを瞬間的に減少させることと同等の作用が生じる。したがって、エンジン２の回転数変化を検知し、変化を補償するように短絡状態の継続時間を制御することにより、回転ムラを低減することができる。
【００５５】
次に、実施例の電源装置１の詳細なブロック構成及び作用を、図３を参考にして説明する。図３中の破線は、ゲート信号あるいは制御に用いる信号の流れを示している。図３では、図１の構成に加えて、Ｕ相出力線３５ＵとＷ相出力線に、それぞれ電流センサ３７Ｕ、３７Ｗが設けられている。また、コンバータ部４内には各相中間点５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗの電圧を入力とする分圧回路５５が設けられている。正極端子５３Ｐと負極端子５３Ｎの間には、抵抗値の等しい２つの抵抗素子Ｒ１が直列に挿入され、同様に容量の等しい２つの容量素子Ｃ１が直列に挿入され、これらの中間点が結合されて、分圧回路の基準電位Ｅとされている。分圧回路５５は、各相中間点５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗを経由して発電機３の各相出力端子３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗの電圧を検出するようになっている。
【００５６】
また、インバータ部７内にはコンバータ部４の出力となる正極端子５３Ｐと負極端子５３Ｎの間の直流電圧Ｖを検知する直流電圧検知回路５３Ｄが設けられている。また中間端子７３Ｙとフィルタ７５との間には計器用変圧器７３Ｐが設けられている。さらにインバータ部７の平滑用フィルタ７５と出力端子７９Ｘ、７９Ｙとの間には、負荷側交流電力の電圧情報を検出する計器用変圧器７８Ｐと、インバータ部７を商用電力系統９から遮断するためのリレー７８Ｒとが設けられている。
【００５７】
コンバータ部４のゲート制御部６と、インバータ部７のインバータゲート制御部７７とは、共通の電子回路基板６１上に構成され、共通のＣＰＵ６８により作動するようになっている。ＣＰＵ６８は、図略の総合制御部と情報を交換しあい、協調して制御を行うようになっている。ＣＰＵ６８は、また、直流電圧検知回路５３Ｄの情報を取り込むとともに、リレー７８Ｒを制御するようになっている。
【００５８】
次に、コンバータ部４のゲート制御部６内の機能ブロックについて詳述する。ゲート制御部６内の電流確認部６０１は、２つの電流センサ３７Ｕ、３７Ｗの検出信号を取り込み、総合制御部からＣＰＵ６８に伝送されている所定の指示電流値と一致しているかを確認している。このとき、直接的には検出していないＶ相の電流も、電流ベクトル演算により求めている。
【００５９】
一方、センサレス位置検知部６１１は、分圧回路５５の検出信号を取り込んでいる。この検出信号は、発電機３の三相出力電圧に相当するので、その変化率からロータ３１の回転数及び位相を間接的に検知することができる。また、ゲート制御部６内には発振回路６１２が設けられ、ＣＰＵ６８により発振周波数が制御されている。すなわち、発振回路６１２の発振周波数は、総合制御部がエンジン２に指令する回転数と一致するように制御されている。位相比較部６１３は、センサレス位置検知部６１１と発振回路６１２との信号を比較して、目的とする回転数で実際にロータ３１が回転しているかを確認している。Ｆ／Ｖ部６１４では、センサレス位置検知部６１１の回転数の信号を電圧量に変換し、ｄＦ／ｄｔ部６１５では、電圧量の微分回路により、回転数の変化率相当量ＤＦを求めている。
【００６０】
回生／駆動量指示部６２１は、発電機回生モードとモータ駆動モードとを切り替えるとともに、各種信号を参照してパルス幅制御方式のスライスレベルＳＬを出力する部位である。回生／駆動量指示部６２１には、直流電圧検知回路５３の出力信号が取り込まれ、コンバータ部４の出力の直流電圧Ｖの大きさが規定値を超過したときにモータ駆動モードに切り替わるようになっており、また総合制御部からの出力指令によって、出力をオン／オフ制御されるようになっている。
【００６１】
回生／駆動量指示部６２１は、ｄＦ／ｄｔ部６１５から回転数の変化率相当量ＤＦを取り込み、スライスレベルＳＬを変更制御している。具体的には、変化率相当量ＤＦが負の値をとるとき、すなわちエンジン２の回転数が減少しつつあるときに、スライスレベルＳＬを増加させる。そして、変化率相当量ＤＦが正の値をとるときにはスライスレベルＳＬを減少させ、変化率相当量ＤＦが０のときにはスライスレベルＳＬを現状で維持する。
【００６２】
三角波発生回路６２２は、エンジン２回転数よりも２桁程度以上高い周波数の三角波ＴＷを自動生成し出力している。比較器６２３は、三角波発生回路６２２が出力する三角波ＴＷから回生／駆動量指示部６２１が出力するスライスレベルＳＬを差し引いて、正負を判別出力している。タイミング作成部６２４は、比較器６２３の正負の判別結果を基にして、ブリッジ回路５の短絡状態と出力状態とを遷移させるタイミングを作成している。ゲート出力部６２５は、タイミング作成部６２４から指示されるタイミングで、ブリッジ回路５を形成する各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６にゲート信号を送出している。
【００６３】
ここで、回生／駆動量指示部６２１からゲート出力部６２５に至るパルス幅制御方式について、図４を参考にして説明する。図４は、コンバータ部４のパルス幅制御方式を模式的に説明する図であり、横軸は共通の時間軸ｔ、縦軸は各部出力を示している。図４に示されるように、比較器６２３の出力波形は、三角波ＴＷからスライスレベルＳＬを差し引いてできる間欠的な波形である。タイミング作成部６２４は、この間欠的な波形中の正の時間帯を短絡状態の継続時間Ｔ１に設定している。そして、ゲート出力部６２５は、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に対し、導通状態及び遮断状態を制御するゲート信号を送出する。図４においてはハッチングを施した時間帯が導通状態となる。
【００６４】
このパルス幅制御により、図２で説明したようにブリッジ回路５が作動する。すなわち、エンジン２の回転数が一時的に低下したときには、回生／駆動量指示部６２１によってスライスレベルＳＬがＳＬ２に増加され、短絡状態の継続時間Ｔ１は図４に示されるようにＴ２に短縮される。これに対応して、ゲート出力部のゲート信号が変化し、蓄積エネルギＥＧが減少する。スライスレベルＳＬが減少する場合は、逆の制御が行われて蓄積エネルギＥＧが増加する。
【００６５】
なお、モータ駆動モードでは、センサレス位置検知部６１１が検知したロータ３１の位相に基づき、直流電圧Ｖで各相巻線３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗを励磁する。これにより電気エネルギで、ロータ３１を付勢することができ、エンジン２出力軸２１の回転数が増加する。
【００６６】
次に、インバータゲート制御部７７についても簡単に説明しておく。計器用変圧器７８Ｐの出力信号は、インバータゲート制御部７７内の同期制御部７７１からＰＬＬ部（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ−Ｌｏｏｐ部）７７２を経て正弦波発生回路７７３に取り込まれる。これにより、正弦波発生回路７７３は商用電力系統９と同周波数、同位相の正弦波ＳＩＮを出力する。正弦波ＳＩＮは、増幅器７７４及び波形補正部７７５で振幅ＳＷが調整されて、比較器７７６に入力される。一方、インバータゲート制御部７７内の三角波発生回路７７７は、商用周波数よりも高い周波数の三角波ＴＷ２を自動生成し、比較器７７６に出力している。
【００６７】
比較器７７６では、正弦波ＳＩＮから三角波ＴＷ２を差し引いて正となる時間帯を求めて出力時間帯とし、インバータゲート制御部７７８に送出している。インバータゲート制御部７７８は、出力時間帯に限り単相ブリッジ回路７２が作動するように、４個のスイッチング素子ＳＡ〜ＳＤにゲート信号を送出している。インバータ部７の制御方法は、コンバータ部４とは異なるがパルス幅制御の一種であり、図５を参考にして説明する。
【００６８】
図５は、インバータ部７のパルス幅制御方式を模式的に説明する図であり、横軸は共通の時間軸ｔ、縦軸は各部出力を示している。図５に示されるように、正弦波ＳＩＮが三角波ＴＷ２よりも高い時間帯に限り、ゲート信号が出力されるようになっている。図５の例では、最初の半サイクルでスイッチング素子ＳＡ及びＳＤを３回に分けて導通状態とし、次の半サイクルでスイッチング素子ＳＢ及びＳＣを３回に分けて導通状態としている。かつ、元の正弦波のピーク値付近において、導通状態の継続時間が長くなっている。これにより、図５に示されるように、中間端子７３Ｘ、７３Ｙの間に誘起される単相ブリッジ回路７２出力の中間電圧ＶＸは、正負各３個の矩形波が交互に発生する波形となる。図５は模式的な説明であり、実際は三角波ＴＷ２の周波数がさらに高いので、３個より多くの矩形波が出力されている。
【００６９】
なお、中間電圧ＶＸが不足する場合には、計器用変圧器７３Ｐでこれを検出し、波形補正部７７５で正弦波ＳＩＮの振幅ＳＷを増大させるように制御する。これにより、三角波ＴＷ２を差し引いて正となる出力時間帯が増加し、ゲート信号の数及び継続時間を増加させることができる。
【００７０】
インバータ部７のパルス幅制御方式では、単相ブリッジ回路７２から１サイクル当たり複数の矩形波を出力することができる。したがって、サイクル毎に正負の矩形波を１つ出力する単純な方式と比較して、フィルタ７５の設計、製作が容易になり、また商用電力系統９と連系する際に高潮波成分を低減することができる。
【００７１】
次に、発電機３の電気的故障を検出する回路構成について、図６を参考にして説明する。図６は、図３に示される２個の電流センサ３７Ｕ、３７ＷとＣＰＵ６８とを用いて、発電機３の電気的故障を検出する回路を説明する図であり、（Ａ）は回路構成を、（Ｂ）は検出される電流波形の例を示している。図６（Ａ）に示されるように、回路は、Ｖ相電流演算部８１、選択切替部８２、フィルタ部８３の順に接続されて構成されている。
【００７２】
発電機３の出力線３５Ｕ、３５Ｗに設けられた電流センサ３７Ｕ、３７Ｗの出力は、まずＶ相電流演算部８１に入力されている。そして、そのままＵ相電流ＩＵ、Ｗ相電流ＩＷとして出力されるとともに、演算増幅器８１１により加算及び符号反転が行われてＶ相電流ＩＶが生成され出力されている。次に、各相電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷは、選択切替部８２に設けられた切替制御部８２１によって、順番に切り替えられ、時分割出力される。時分割された出力はフィルタ部８３により平滑されて、ＣＰＵ６８のＡ／Ｄ入力部６８１に入力される。ＣＰＵ６８内では、入力をＡ／Ｄ変換するとともに、各相平滑電流ＩＵｅ、ＩＶｅ、ＩＷｅを再現している。
【００７３】
図６（Ｂ）は、フィルタ部８３通過前のＵ相電流波形ＩＵと、通過後のＵ相平滑電流波形ＩＵｅの例を示したものである。図に示されるように、平滑電流波形のほうが電気的故障、例えば１相断線をＣＰＵ６８は確実に判定することができ、これはフィルタ部８３の効果である。なお、故障判定には各種方式を応用することができ、また当然ながらＶ相に電流センサを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施例の電源装置を説明する図である。
【図２】図１の実施例において昇圧回生制御の方法を説明する図であり、（Ａ）は短絡状態を示す図、（Ｂ）は短絡状態から出力状態に遷移する瞬間を示す図、（Ｃ）は出力状態を示す図である。
【図３】図１の実施例における詳細なブロック構成を説明する図である。
【図４】図１の実施例において、コンバータ部のパルス幅制御方式を模式的に説明する図である。
【図５】図１の実施例において、インバータ部のパルス幅制御方式を模式的に説明する図である。
【図６】図３に示される２個の電流センサとＣＰＵとを用いて、発電機の電気的故障を検出する回路を説明する図であり、（Ａ）は回路構成を、（Ｂ）は検出される電流波形の例を示している。
【符号の説明】
【００７５】
１：電源装置
２：単気筒ガスエンジン            ２１：出力軸
３：発電機      ３１：ロータ      ３２：ステータ
３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相巻線
３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相出力線
３７Ｕ、３７Ｗ：Ｕ相、Ｗ相電流センサ（電流検出手段）
４：コンバータ部
５：三相ブリッジ回路      
５３Ｐ、５３Ｎ：正極端子、負極端子（コンバータ部出力兼インバータ部入力）
６：ゲート制御部        ６８：ＣＰＵ（故障判定手段を兼ねる）
６９：電子回路基板
６２５：ゲート出力部
７：インバータ部        ７１：安定用コンデンサ
７２：単相ブリッジ回路
７５：平滑用フィルタ
７７：インバータゲート制御部
８１：Ｖ相電流演算部    ８２：選択切替部      ８３：フィルタ部
９：商用電力系統
Ｓ１〜Ｓ６：スイッチング素子
ＳＡ〜ＳＤ：スイッチング素子
Ｖ：直流電圧            ＶＸ：インバータ部の中間電圧
ＳＬ：スライスレベル    ＴＷ、ＴＷ２：三角波      ＳＩＮ：正弦波
【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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