(57)【要約】 【課題】発電機の負荷として容量性負荷が接続された場合の自励作用による異常電圧の発生を防止する。【解決手段】励磁巻線５の出力を整流して得られる電流を発電機出力電圧の変動に応じて界磁巻線３へ供給する出力電圧調整回路ＡＶＲ２７は、界磁巻線３に並列に接続されたフライホイールダイオード４１とを有する。第１励磁電圧判定部４５は励磁巻線５の出力電圧が所定電圧値以上であるか否かを判断する。第１励磁電圧判定部４５での判断が肯定の場合にＭＯＳＦＥＴ３８をオフにして界磁巻線３への電流供給を遮断する。ＭＯＳＦＥＴ３８を停止させた後、所定時間後に第１励磁電圧判定部４８を付勢する。再び第１励磁電圧判定部４８の判断が肯定の場合にはエンジン停止手段４６を備える。【選択図】図４
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【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る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出力電圧調整回路と、前記界磁巻線に並列に接続されたフライホイールダイオードとを有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、
前記励磁巻線の出力電圧が所定電圧値以上であるか否かを判断する励磁電圧判断手段と、
前記励磁電圧判断手段での判断が肯定の場合に前記界磁巻線への電流供給を遮断する電流遮断手段とを具備している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】
前記励磁巻線の出力を整流することによって得られる電流が、前記発電機出力電圧の検出信号をフィードバックされるスイッチング素子のスイッチング動作によって前記界磁巻線へ供給されるとともに、
前記電流遮断手段が、前記スイッチング素子の動作を停止させて界磁巻線への電流供給を遮断するように構成されてい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】
前記スイッチング素子の動作を停止させた後、所定時間後に前記励磁電圧判断手段を付勢する再判断指示手段と、
前記再判断指示手段の指示による励磁電圧判断手段での判断が肯定の場合にエンジンを停止させるエンジン停止手段とを具備していることを特徴とする請求項２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４】
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するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに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、界磁巻線に並列に接続したフライホイールダイオードと容量性負荷との関係で発生する自励作用を抑制して発電機出力電圧の安定化を図ることができる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】
自励式発電機では、特公平３−４１０３８号公報に提案されているような出力電圧の変動を抑制するための自動電圧調整装置が用いられる。この自動電圧調整装置では、界磁巻線に供給される電流をスイッチングにより制御するが、一般的に、このスイッチングの際のサージ吸収用として界磁巻線に並列接続されるフライホイールダイオードが使用される。
【０００３】
ところで、この種の自動電圧調整装置を採用している発電機は土木工事現場や屋外作業場等で汎用電源として使用され、例えば、高力率水銀灯等、力率改善用コンデンサを有する容量性負荷が負荷として接続される場合がある。このような容量性負荷が接続された場合、発生する電機子反作用の影響で界磁巻線に発生する交流電圧が、フライホイールダイオードで整流されることに起因して界磁巻線に励磁電流として作用することになる。その結果、自動電圧調整装置の制御範囲を超える異常電圧が発生して回路構成部品に悪影響を与える場合がある。
【０００４】
この対策として、スイッチングによって界磁電流を制御するためのスイッチング素子の他に、フライホイールダイオードと並列になるように前記スイッチング素子と直列接続されて相反する位相でオン・オフする第２のスイッチング素子を設けた自動電圧調整装置が提案されている（特公平５−４２２３９号公報）。この自動電圧調整装置では、電機子反作用で界磁巻線に交流電圧が発生して交流電流が流れる場合でも、フライホイールダイオードおよび第２のスイッチング素子の動作によって交流のまま環流させることで自励作用を抑制することができる。
【特許文献１】特公平３−４１０３８号公報
【特許文献２】特公平５−４２２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２に記載された装置では、小さなバイパス経路にスイッチング素子を設けているだけであるので、力率が低く、発生する励磁電流が大きくなる場合や、発電機の特性によっては十分な効果が得られないことがある。また、バイパス経路自体の故障対策も必要になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、容量性負荷が接続された場合に発生しやすい異常電圧を的確に抑制することができ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】
【０００７】
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る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出力電圧調整回路と、前記界磁巻線に並列に接続されたフライホイールダイオードとを有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、前記励磁巻線の整流後の直流出力電圧が所定電圧値以上であった場合に前記界磁巻線への電流供給を遮断する電流遮断手段を具備している点に第１の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記励磁巻線の出力を整流することによって得られる電流が、前記発電機出力電圧の検出信号をフィードバックされるスイッチング素子のスイッチング動作によって前記界磁巻線へ供給されるとともに、前記電流遮断手段が、前記スイッチング素子の動作を停止させて界磁巻線への電流供給を遮断するように構成されている点に第２の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、前記スイッチング素子の動作を停止させた後も前記直流出力電圧が前記所定電圧値以上であるときにエンジンを停止させるエンジン停止手段を具備している点に第３の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、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４の特徴がある。
【発明の効果】
【００１１】
第１の特徴を有する本発明によれば、励磁巻線の電圧が所定値以上に上昇したのを検出して、励磁巻線から界磁巻線への電流供給が遮断されるので、異常電圧の発生を的確に抑止することができる。また、励磁巻線から界磁巻線へ供給される電圧値を直接検出しているので、的確に電流供給を遮断することができる。
【００１２】
第２の特徴を有する本発明によれば、スイッチング素子の動作を停止させることにより、励磁巻線から界磁巻線へ供給される励磁電流を遮断して短時間で界磁巻線に流れる電流を激減させることができる。
【００１３】
第３の特徴を有する本発明によれば、負荷の容量に蓄積された電荷が大きいために励磁電圧が上昇する場合であってもエンジンを停止させるので確実に発電動作を停止させることができる。
【００１４】
第４の特徴を有する発明によれば、制御装置用電源を発電機とは別設したので、エンジン回転は維持させたままで一時的に界磁電流を遮断して発電出力を停止することが可能である。また、エンジンを一旦停止させた後の再始動に際しても、別設の制御装置用電源から界磁巻線へ初期通電されているため、速やかな立ち上げが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、発電機１の回転子軸１ａはエンジン２の出力軸２ａに直接または適宜のカップリング手段を介して連結されており、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極の発電機では３０００ｒｐｍで５０Ｈｚ、３６００ｒｐｍで６０Ｈｚの交流を出力する。
【００１６】
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が備えられている。主巻線４から引き出される出力線８は、ブレーカ９およびＣＴセンサ１０を介して図示しない電気負荷に接続される。
【００１７】
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の外周には点火用巻線１２が設けられ、フライホイール１１の内側には制御電源巻線１４が設けられる（巻線１４は作図の便宜上、フライホイールの外側に示している）。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、この磁石の磁界が制御用巻線１４を流れる電流に作用して制御用巻線１４は起電力を生じる。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が設けられる。スタータモータ１５の出力は図示しない歯車等を介してフライホイール１１に伝達される。
【００１８】
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、および燃料制御ソレノイド２５が設けられる。
【００１９】
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。
【００２０】
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へは励磁巻線５から電流が供給される。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。
【００２１】
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は、ＥＣＵ２６に非常停止信号を入力する。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。
【００２２】
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のアノ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。
【００２３】
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で分圧された電圧が制御部３２の入力端子ＩＮ２に電圧検出値Ｖａｃとして入力される。
【００２４】
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のドレインはフライホイールダイオード４０を介して界磁巻線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。また、界磁巻線３と並列に、つまりＭＯＳＦＥＴ３８のソース・ドレイン間にサージ電圧吸収用のフライホイールダイオード４１が接続される。
【００２５】
全波整流回路２９の出力は制御部３２の入力端子ＩＮ３に接続されるとともにこの入力端子ＩＮ３への入力平滑用のコンデンサ４２が全波整流回路２９の出力端子間に接続され、抵抗４３がコンデンサ４２の正側および出力端子ＯＵＴ１の間に接続される。
【００２６】
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の制御電源用巻線１４に起電力が発生し、この電力は全波整流回路３０で整流されて制御部３２の電源として供給され、また、その一部がダイオード３１を介して界磁巻線３へ供給される。
【００２７】
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。
【００２８】
制御部３２は、主巻線４の出力電圧（実効値）Ｖａｃ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巻線３に供給する電流を制御して出力電圧Ｖａｃを目標電圧Ｖｒｅｆに収斂させる。
【００２９】
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Ｖａｃ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Ｖａｃの実効値を求める。さらに、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。
【００３０】
例えば、負荷電流が増大して出力巻線４の出力電圧Ｖａｃが低下すると、検出される出力電圧Ｖａｃ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のゲート電圧を増大させ、ＭＯＳＦＥＴ３８に流れる電流を増大させる。この結果、界磁巻線３に供給される電流が増大し、出力電圧Ｖａｃ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。
【００３１】
反対に、軽負荷になって出力巻線４の出力電圧Ｖａｃが上昇すると、検出される出力電圧Ｖａｃの実効値が上がるので、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のデューティを低減させてＭＯＳＦＥＴ３８のゲート電圧を低下させ、ＭＯＳＦＥＴ３８に流れる電流を低減させる。この結果、界磁巻線３に供給される電流が低下し、出力電圧Ｖａｃが下降して軽負荷による出力電圧増大が修正される。
【００３２】
次に、図３のフローチャートを参照して前記実効値の算出手順を説明する。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。  
【００３３】
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周期分積算し、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。
【００３４】
このように、出力電圧のサンプリング周期はエンジン回転周期に同期させて可変される。したがって、負荷電流が過大になってガバナがすぐに制御しきれないようなエンジンの過負荷が生じ、ガバナの追従遅れによって多少のエンジン回転変動が発生した場合も、実効値の計算は周期的に正確に行うことができる。
【００３５】
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。
【００３６】
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）×係数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。
【００３７】
制御部３２は励磁巻線５に過電圧が発生した場合に発電出力を停止する機能を有する。図４は、制御部３２の要部機能を示すブロック図である。図４において、第１励磁電圧判定部（励磁電圧判断手段）４５は、励磁巻線５で発生して全波整流回路２９で整流された電圧ＶＥが予め設定された過電圧判定の基準電圧ＶＥ１と比較し、ＶＥ＞ＶＥ１の関係になっていたならば、判定肯定信号を界磁電流停止部４６に入力する。界磁電流停止部４６は判定肯定信号に応答して、トランジスタ３７のデューティをゼロにしてＭＯＳＦＥＴ３８を遮断し、界磁巻線３への電流供給を停止させる。
【００３８】
前記第１励磁電圧判定部４５からの判定肯定信号はタイマ４７にも入力される。タイマ４７は判定肯定信号が入力されると始動する。タイマ４７が設定時間後にタイムアウトすると、このタイムアウトに応答して第２励磁電圧判定部４８が付勢され、ここでも電圧ＶＥを基準電圧ＶＥ１と比較する。そして、依然としてＶＥ＞ＶＥ１の関係に変化がない場合、エンジン停止部４９に第２判定肯定信号を入力する。エンジン停止部４９は、第２判定肯定信号に応答してエンジン２を停止させる。エンジン２は点火信号の供給停止および燃料供給の停止によって停止させる。
【００３９】
この例では、第１励磁電圧判定部４５および第２励磁電圧判定部４８での判定基準電圧を同一の値ＶＥ１として、発電を停止して、所定時間経過しても励磁巻線５の発生電圧が基準値ＶＥ１から低下していない場合エンジン２を停止するようにした。しかし、これに限らず、第２励磁電圧判定部４８の判定基準電圧を第１励磁電圧判定部４５の判定基準電圧より高く設定してもよい。この場合は、発電を停止したにもかかわらず、励磁巻線５の発生電圧が上昇しているか否かを判定することができる。そして、励磁巻線５の発生電圧が基準電圧よりも上昇しているときにエンジンを停止する。
【００４０】
図５は、本発明の第２実施形態に係る電気的結線図であり、図２と同符号は同一または同等部分を示す。図５において、界磁巻線３とＭＯＳＦＥＴ３８との間に並列に第２のトランジスタ５０と第３のトランジスタ５１とが設けられている。第２のトランジスタ５０および第３のトランジスタ５１のコレクタはそれぞれ抵抗５２，５３を介して界磁巻線３および全波整流回路２９の出力側に接続されている。また、第２のトランジスタ５０および第３のトランジスタ５１のベースはそれぞれ抵抗５３，５４を介して界磁巻線３および全波整流回路２９の出力側に接続されている。第２のトランジスタ５０のベースは第３のトランジスタ５１のコレクタに接続され、第２のトランジスタ５０および第３のトランジスタ５１のエミッタはいずれもＭＯＳＦＥＴ３８のドレインに接続されている。さらに第３のトランジスタ５１のベースは抵抗５５を介して出力線８に接続されている。
【００４１】
このように接続された第２のトランジスタ５０と第３のトランジスタ５１は逆位相でオン（オン可能状態）となるように動作する。
【００４２】
図５に記載した出力電圧制御回路において、ＭＯＳＦＥＴ３８がオンになったときに第３のトランジスタ５１のエミッタ電位が低下する。そうすると、第３のトランジスタ５１はオンになり、そのことで第２のトランジスタ５０がオフになる。一方、ＭＯＳＦＥＴ３８がオフになると第３のトランジスタ５１のエミッタ電位が上がり、第３のトランジスタ５１はオフとなる。そのことで第２のトランジスタ５０がオン（オン可能状態）となる。第２のトランジスタ５０がオン可能状態のときに界磁巻線３に電圧が生じると、第２のトランジスタ５０はオンになる。
【００４３】
例えば、容量性負荷接続時に、電機子反作用による増磁作用によって出力電圧ＶＰが上昇するとトランジスタ３７の駆動デューティがゼロになってオフになり、ＭＯＳＦＥＴ３８は電流を流さなくなる。このとき、第３のトランジスタ５１がオフになるのに伴い、第２のトランジスタ５０はオン可能状態となる。第２のトランジスタ５０は、界磁巻線３に誘起される交流電圧の一方のサイクルで発生した電流を環流し、他方の半サイクルで発生した電流は、ダイオード４０を介して前記の方向とは逆向きの方向に環流する。したがって、電機子反作用による増磁作用は抑制される。
【００４４】
この第２実施形態の制御部３２によれば、ＭＯＳＦＥＴ３８に高電圧が印加されるのを防止することができ、かつ、励磁巻線５で発生する電圧ＶＥが基準電圧と比較して過大である場合は、トランジスタ３７をオフにしてＭＯＳＦＥＴ３８に流れる電流を遮断したり、エンジン２を停止したりして回路の保護作用を果たすことができる。
【００４５】
上記構成により、励磁巻線に過大な電圧が発生するのを抑制することができる。また、本実施形態では、ＡＶＲ２７の制御部３２の動作電源として発電機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ようにした。したがって、この制御電源巻線１４からの電力で緊急に界磁電流を停止させたり、エンジンを停止させたりする上述の保護動作を容易に行え、使い勝手のよいエンジン駆動式発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【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】発電機出力電圧の実効値の算出手順を示すフローチャートである。
【図４】制御部の要部機能を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるＡＶＲの電気的結線図である。
【符号の説明】
【００４７】
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、  ４２…平滑用コンデンサ、  ４５…第１励磁電圧判定部、  ４６…界磁電流停止部
【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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