(57)【要約】 【課題】エンジンを運転したままの状態で発電機の出力を一時的に停止させたり、再起動させたりする制御を容易にしたエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置を提供する。【解決手段】制御部３２は励磁巻線５の出力を整流して得られた電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻線３へ供給することにより出力電圧変動を抑制する。制御部３２は、主巻線４の出力電圧と目標電圧との差に基づいたデューティでトランジスタ３７を駆動し、ＦＥＴ３８のゲート電圧を制御して界磁電流を一定に制御する。制御部３２の電源および界磁巻線３の初期通電用電源として制御電源巻線１４を含むフライホイール発電装置を設ける。フライホイール発電装置から界磁巻線３への電流供給は、ダイオード３１を介して励磁電流と合流させて行う。【選択図】図１
2008017556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで駆動される発電機に巻装した励磁巻線の出力を整流して得られた電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻線へ供給することにより出力電圧変動を抑制するエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置において、
前記界磁巻線への電流供給量を制御する制御装置用電源および前記界磁巻線の初期通電用電源として前記発電機とは別設の発電装置を利用したことを特徴とするエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置。
【請求項２】
前記別設の発電装置が、前記エンジンのフライホイールに設けられた磁石と該磁石に対向して設けられた出力巻線とからなるフライホイール発電装置であることを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置。
【請求項３】
前記別設の発電装置から前記界磁巻線への電流が、ダイオードを介して前記励磁巻線から前記界磁巻線への電流に合流されていることを特徴とする請求項１または２記載のエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置に関し、特に、同期発電機の出力電圧を安定に維持しつつ、過負荷の際等には発電出力を一時的に停止させたり、再始動させたりする制御を容易にしたエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、発電機の出力電圧変動を抑制するための従来の出力電圧制御装置である自動電圧調整器の電気的結線図である。図４に示した自動電圧調整器には、発電機の励磁巻線１０１、界磁巻線１０３、および出力電圧を検出する検出巻線１０４が接続される。全波整流器１０５、コンデンサ１０６、並びに抵抗１０７，１０８で構成される検出回路１０９は、検出巻線１０４から出力される発電機の検出出力を全波整流し、この全波整流波形に基づいて検出される出力電圧Ｖｃを制御回路１０２へ入力する。制御回路１０２は、入力された出力電圧Ｖｃをツェナーダイオード１１０による設定電圧Ｖｚと比較して、Ｖｃ＜Ｖｚである場合に励磁巻線１０１の出力電流を界磁電流ｉｆとして界磁巻線１０３に供給する。この自動電圧調整器は、出力電圧の検出や界磁電流の制御方法が簡単であるため広く普及している。このような自動電圧調整器は、例えば、特公平３−４１０３８号公報に記載されている。
【特許文献１】特公平３−４１０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１に記載された自動電圧調整器は、制御用電源を励磁巻線から供給していることから、界磁電流を一時的に遮断して発電出力を停止させたり、界磁電流を再び供給して発電出力を再開させたりする制御を行うことはできない。発電出力を停止させるために界磁電流をオフにすると、励磁巻線の出力もオフになってしまうからである。例えば、一時的な過電流状態が発生したときに、一時的に発電出力だけを停止して異常表示や警告を行うといった制御は難しく、過電流に対しては発電機の運転を停止させた後に、改めて始動操作をせざるを得ないという問題があった。
【０００４】
また、再始動に際して界磁巻線に供給する界磁電流を確保するために、回転子自体の残留磁気を利用できる構成にしたり、初期励磁を行うために使用する小型磁石を回転子に取り付けたりすることが行われている。しかし、いずれも初期励磁が極めて低電圧で開始されるために、界磁電力制御用のスイッチング素子として低損失で駆動電力の少ないＦＥＴ等を使用できず、損失が大きいバイポーラトランジスタを使用せざるを得ないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電出力を一時的に停止させたり再始動させたりする制御を容易に行えるエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、エンジンで駆動される発電機に巻装した励磁巻線の出力を整流して得られた電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻線へ供給することにより出力電圧変動を抑制するエンジン駆動式発電機の出力電圧制御装置において、前記界磁巻線への電流供給量を制御する制御装置用電源および前記界磁巻線の初期通電用電源として前記発電機とは別設の発電装置を利用した点に第１の特徴がある。
【０００７】
また、本発明は、前記別設の発電装置が、前記エンジンのフライホイールに設けられた磁石と該磁石に対向して設けられた出力巻線とからなるフライホイール発電装置である点に第２の特徴がある。
【０００８】
さらに、本発明は、前記別設の発電装置から前記界磁巻線への電流が、ダイオードを介して前記励磁巻線から前記界磁巻線への電流に合流されている点に第３の特徴がある。
【発明の効果】
【０００９】
第１の特徴を有する発明によれば、界磁巻線への電流供給量を制御する制御装置用の電源が、発電機とは別設の発電装置から供給されるので、過大な負荷や短絡等が発生した場合にエンジンの回転は維持したままで一時的に界磁電流を遮断して発電機出力を停止させたり、界磁電流をオン・オフ制御して過電流に対応したりすることができる。また、再始動に際しても、始動初期から再始動のために十分な界磁電流を確保できるので、速やかな立ち上げが可能になる。
【００１０】
第２の特徴を有する発明によれば、エンジンのフライホイール発電装置の出力を利用するので、エンジン運転中は、確実に界磁電流供給量の制御装置への電源供給が可能であり、また起動初期の確実な界磁電流の供給が可能になる。
【００１１】
第３の特徴を有する本発明によれば、起動初期の励磁巻線出力がないときは前記別設の発電装置からダイオードを介して界磁電流を供給することができ、通常運転時には出力変動による発電装置出力側への影響を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式発電機のシステム構成図である。図１において、同期発電機１の回転子軸１ａはエンジン２の出力軸２ａに連結されており、同期発電機１は、エンジン２によって駆動されてエンジン２の回転に同期した交流出力を発生する。例えば、２極の同期発電機では、３０００ｒｐｍで５０Ｈｚ、３６００ｒｐｍで６０Ｈｚの交流出力を発生する。
【００１３】
発電機１は、回転子巻線としての界磁巻線３と、固定子巻線としての主巻線４、励磁巻線５および直流用巻線６とを備え、回転子軸１ａには、界磁巻線３へ界磁電流を供給するためのスリップリング７が設けられている。
【００１４】
主巻線４から引き出される出力線８は、ブレーカ９を介して図示しない電気負荷に接続される。出力線８には、負荷に流れる電流を検出するＣＴセンサ１０が設けられる。
【００１５】
エンジン２の出力軸２ａに連結された有底円筒形状のフライホイール１１の外周にはフライホイール１１の回転位置を検出して点火タイミングを与える点火信号を出力する点火用巻線１２が設けられている。一方、フライホイール１１の内側は制御電源巻線１４が設けられている。巻線１４は作図の便宜上、フライホイールの外側に図示している。フライホイール１１の内周面には制御電源巻線１４に対向して図示しない磁石が装着されていて、この磁石の磁界が作用して制御用巻線１４は起電力を生じる。フライホイール１１の外周には、エンジン起動時にフライホイール１１を回動させるスタータモータ１５が係合されている。
【００１６】
エンジン２のシリンダヘッドには点火プラグ１６、吸気弁１７、排気弁１８、および温度センサ１９が設けられ、エンジン２の底部（オイルパン）にはオイルレベルを検出するオイルスイッチ２０が設けられる。エンジン２に結合された吸気管２１にはスロットルハウジング２２が設けられ、スロットルハウジング２２にはチョークを制御するチョークソレノイド２３、スロットル弁を開閉制御するスロットルモータ２４、およびエンジンを停止させる時に燃料供給を遮断する燃料遮断ソレノイド２５が設けられる。
【００１７】
上記構成を有するエンジン２は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２６で運転状態が制御され、発電機１の出力電圧は自動電圧制御装置（ＡＶＲ）２７で制御される。ＥＣＵ２６とＡＶＲ２７とで発電機制御ユニット（ＧＣＵ）２８を形成している。
【００１８】
発電機１の始動直後には、制御電源巻線１４からＡＶＲ２７の制御電源と界磁巻線３の初期励磁用電源とが供給される。発電機１の起動後は、界磁巻線３には励磁巻線５から界磁電流が供給される。ＡＶＲ２７は、出力線８の電位から出力電圧を検出し、この検出電圧に基づいて算出される出力電圧が所定電圧値（例えば１００ボルト）になるように界磁巻線３に供給する界磁電流を制御する。さらに、ＡＶＲ２７は、界磁電流の制御の他、エンジン２の回転数を制御するためスロットルモータ２４に制御信号を与えたり、出力線８を流れる電流が過大になったときに界磁電流を遮断または界磁電流を低減したりする機能を有するが、本発明に直接関係しないので詳細な説明は省略する。
【００１９】
ＡＶＲ２７は界磁電流低減後も所定時間過電流状態が継続した場合、ＥＣＵ２６に非常停止信号を出力する。ＥＣＵ２６は非常停止信号に応答して点火信号を停止するとともに、燃料遮断ソレノイド２５を駆動し、燃料供給路を遮断してエンジン２を停止させる。ソレノイド２５の電源として直流用巻線６の出力を整流して使用する。
【００２０】
図２は、ＡＶＲ２７の電気的結線図であり、図１と同符号は同一または同等部分を示す。制御電源巻線１４および励磁巻線５はそれぞれ全波整流回路２９、３０の入力側に接続される。全波整流回路２９の出力はブラシ（図示せず）とスリップリング７（図１参照）とを介して界磁巻線３に接続される。全波整流回路３０の出力はダイオード３１を介して全波整流回路２９の出力側に接続される。さらに、全波整流回路３０の出力はダイオード３１のカソード側でマイクロコンピュータを備える制御部３２の入力端子ＩＮ１に接続される。
【００２１】
主巻線４はＡＣ出力端子３３に接続される。一対の出力線８の間には、電圧検出用の抵抗３４，３５が接続され、これらの抵抗３４，３５で分圧された接続点の電位が制御部３２の入力端子ＩＮ２に電圧検出値Ｖｇとして入力される。
【００２２】
制御部３２の出力端子ＯＵＴ１は、抵抗３６を介してバイポーラトランジスタ（以下、単に「トランジスタ」という）３７のコレクタおよびＭＯＳＦＥＴ３８のゲートに接続されている。トランジスタ３７のベースには制御部３２の出力端子ＯＵＴ２が接続される。さらに、トランジスタ３７のエミッタは出力線８に接続され、ベース・エミッタ間には抵抗３９が接続される。ＭＯＳＦＥＴ３８のドレンは界磁巻線３の他端に接続され、ソースは出力線８に接続されている。
【００２３】
次に、ＡＶＲ２７の動作を説明する。発電機１の始動に際しては、まず、スタータモータ１５を駆動してエンジン２を始動させる。エンジン２が回転させられるとフライホイール発電機１１の制御電源用巻線１４に起電力が発生し、この電力の一部がダイオードを介して回転子の界磁巻線３へ供給される。
【００２４】
界磁巻線３に電力が供給されると界磁巻線３に磁界が発生し、その磁界により励磁巻線５に起電力が発生する。この起電力は正帰還により徐々に大きくなる。そして、全波整流回路２９の出力電圧ＶＥが全波整流回路３０の出力電圧ＶＰを超えると、界磁電流は励磁巻線５から供給されるようになり、発電機１は起動される。また同時に、制御部３２には制御電源巻線１４で発生した電力が全波整流器３０で整流されて電源として供給される。
【００２５】
制御部３２は、主巻線４の出力電圧（実効値）Ｖｇと目標電圧Ｖｒｅｆとの差を検出し、この差を解消するように界磁電流を制御して出力電圧Ｖｇを目標電圧Ｖｒｅｆに収斂させる。
【００２６】
まず、制御部３２は、点火用巻線１２からエンジン２の１回転毎に出力される信号に基づいてエンジン２の回転周期信号を形成する。そして、この回転周期信号に従い、抵抗３４，３５の接続点の電位つまり出力電圧Ｖｇをエンジン２の１回転分デジタルサンプリングし、その波形面積を算出して出力電圧Ｖｇの実効値を求め、この実効値の変動に応じて界磁電流を増減制御することで出力電圧変動を抑制している。
【００２７】
図２において、制御部３２は出力電圧Ｖｇの実効値を目標電圧Ｖｒｅｆに近づけるようにトランジスタ３７のオン時間比（デューティ）を決定し、このデューティでトランジスタ３７をＰＷＭ制御する。トランジスタ３７の動作に応答してＭＯＳＦＥＴ３８のゲート電圧が制御され、励磁巻線５から界磁巻線３に供給される電流が制御される。
【００２８】
例えば、負荷電流が増大して出力巻線４の出力電圧Ｖｇが低下すると、検出される出力電圧Ｖｇの実効値が低下する。そこで、この実効値を目標電圧Ｖｒｅｆに近づけるようにトランジスタ３７のデューティを増大させてＭＯＳＦＥＴ３８に流れる電流を増大させる。この結果、界磁電流が増大し、出力電圧Ｖｇが上昇して負荷電流増大による出力電圧低下が修正される。
【００２９】
反対に、軽負荷になって出力巻線４の出力電圧Ｖｇが上昇すると、検出される出力電圧Ｖｇの実効値が増大するので、この実効値を目標電圧に近づけるようにトランジスタ３７のデューティを減少させてＭＯＳＦＥＴ３８に流れる電流を低減させる。この結果、界磁電流が低下し、出力電圧Ｖｇが下降して軽負荷による出力電圧増大が修正される。
【００３０】
次に、前記実効値の算出手順を図３のフローチャートを参照して説明する。図３において、ステップＳ１では、出力電圧のサンプリング周期を決定する。サンプリング周期t_acv_smpは最新のエンジン回転２周期t360[0]+t360[1]を設定値ACV_SMP_NUM_2T（例えば「１００」）で除した値として計算する。
【００３１】
ステップＳ２では、実効値を計算する。実効値は出力電圧の瞬時値の二乗を１周期分積分し、その平方根を求めることによって算出する。出力電圧の瞬時値の二乗を積算することによって出力波形を代表するデータを得ることができる。
【００３２】
こうして算出された実効値を検出電圧として、次式（式１）、（式２）を使ってフィードバック量つまりＰＷＭ制御のためのデューティを計算する。
【００３３】
フィードバック量＝基本デューティ＋（目標電圧−検出電圧）＋積分項Ｔｉ…（式１）。積分項Ｔｉ＝Ｔｉ＋（目標電圧−検出電圧）×計数Ｋｉ…（式２）。なお、基本デューティは予め設定した固定値である。
【００３４】
発電機１の運転中に負荷電流が一時的に過大となった場合、界磁電流をほぼゼロにして出力を一旦停止状態（すなわち励磁巻線出力もほぼゼロ）にして発電機の保護動作を行うことが望ましい。本実施形態においては、このように発電機出力を一旦停止したとしても、上述のように、ＡＶＲ２７の制御部３２には、発電機１とは別にエンジン１に設けられたフライホイール発電装置の出力巻線である制御電源巻線１４から電力が供給される。したがって、この制御電源巻線からの電力で緊急に界磁電流を停止させたり復帰させたりする運転動作を容易に行えるようになり、安全で使い勝手のよいエンジン駆動式発電機を提供できる。
【００３５】
また、始動初期から十分な界磁電流を確保することができるため立ち上がりも早く、出力も安定する。したがって、制御電源巻線の出力電圧がゲートしきい値電圧より十分に大きくなったときにＭＯＳＦＥＴ３８がオンになるように設定することにより低損失のＭＯＳＦＥＴを使用することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式発電機のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】ＡＶＲの一例を示す電気的結線図である。
【図３】出力電圧の実効値算出のためのフローチャートである。
【図４】従来技術に係るＡＶＲの一例を示す電気的結線図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…発電機、  ２…エンジン、  ３…界磁巻線、  ４…主巻線、  ５…励磁巻線、  ８…出力線、  １１…フライホイール、  １４…制御電源巻線、  ２７…ＡＶＲ、  ３１…ダイオード、  ３２…制御部、  ３７…バイポーラトランジスタ、  ３８…ＭＯＳＦＥＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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