(57)【要約】【課題】力率を向上させると共に、スイッチング素子の破壊を防止するようにした構成簡単な発電システムを提供する。【解決手段】界磁付きＮ（Ｎは３以上の自然数）相発電機１０と、発電機１０の出力交流電力を整流するダイオードブリッジ２０と、ダイオードブリッジ２０から出力される直流電力が供給される直流電圧部４０と、発電機１０の巻線の中性点１０Ｎと直流電圧部４０の正極または負極との間に直接あるいはインピーダンスを介して接続される半導体スイッチング素子６１と、を備え、このスイッチング素子６１を、発電機１０の出力周波数のＮ倍以上の周波数にてオン・オフ制御する。【選択図】図１
2008167631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁付きＮ（Ｎは３以上の自然数）相発電機と、
前記発電機の出力交流電力を整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジから出力される直流電力が供給される直流電圧部と、
前記発電機の巻線の中性点と前記直流電圧部の正極または負極との間に直接あるいはインピーダンスを介して接続される半導体スイッチング素子と、を備え、
前記スイッチング素子を、前記発電機の出力周波数のＮ倍以上の周波数にてオン・オフ制御することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載した発電システムにおいて、
前記スイッチング素子のオン・オフをほぼ固定周波数にて繰り返すことを特徴とする発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載した発電システムにおいて、
前記発電機の出力周波数のＮ倍に同期して断続的に、前記スイッチング素子のオフ状態を継続する期間を設けたことを特徴とする発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した発電システムにおいて、
前記スイッチング素子の端子のうち前記発電機の巻線の中性点側の端子と、前記直流電圧部の正極または負極のうち前記スイッチング素子が接続されていない極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でダイオードを接続したことを特徴とする発電システム。
【請求項５】
界磁付きＮ（Ｎは３以上の自然数）相発電機と、
前記発電機の出力交流電力を整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジから出力される直流電力が供給される直流電圧部と、
２個以上の半導体スイッチング素子が直列接続され、かつ、前記直流電圧部の正極と負極との間に接続されるアーム部と、
前記発電機の巻線の中性点と前記スイッチング素子同士の接続点とを接続する導体または受動素子と、
を備えたことを特徴とする発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載した発電システムにおいて、
前記発電機の出力周波数のＮ倍に同期して断続的に、前記スイッチング素子同士の接続点よりも上側のスイッチング素子のオン・オフと下側のスイッチング素子のオン・オフとを交互に繰り返すことを特徴とする発電システム。
【請求項７】
請求項６記載した発電システムにおいて、
上側のスイッチング素子のオン・オフを行う期間と下側のスイッチング素子のオン・オフを行う期間との間に、上側及び下側のスイッチング素子のオフ状態を継続する期間を設けたことを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石等の界磁を有する発電機から、効率良く電力を取り出すための発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は、第１の従来技術に係る発電システムの構成図である。
図９（ａ）はその一例であり、磁石等の界磁を有する界磁付き三相発電機１０には交流電力を整流するダイオードブリッジ２０が接続されている。ダイオードブリッジ２０の直流出力側には、半導体スイッチング素子３１及びダイオード３２を有するチョッパ（昇圧チョッパ）３０が接続されており、その後段には、発電機１０の負荷として、平滑コンデンサ４１からなる直流電圧部４０が接続されている。
なお、図９（ｂ）に示すように、ダイオードブリッジ２０とチョッパ３０との間に昇圧リアクトル５０が接続される場合もある。
【０００３】
図９（ａ）の構成によれば、チョッパ３０内のスイッチング素子３１のオン・オフを繰り返し、その比率（デューティ比）を調整することにより、システム全体としての発電量を調整することが可能である。
しかしながら、この回路構成では発電機１０の力率を調整する手段がないため、一般に発電機１０の力率が低くなるという問題がある。
【０００４】
上述した低力率の問題は、図９（ｂ）に示す如くチョッパ３０の前段に昇圧リアクトル５０を設ければ緩和することができる。しかし、この昇圧リアクトル５０がコスト上昇要因になったり、装置の大型化を招く要因となる。
【０００５】
一方、図１０は、第２の従来技術として、特許文献１に記載された車両用交流発電機の構成を示している。
図１０において、界磁付き三相発電機１０の出力側にはダイオードブリッジ２０が接続され、その直流出力側にはバッテリー４３からなる直流電圧部４２が接続されている。また、発電機１０の中性点１０Ｎとバッテリー４３の負極との間には、スイッチング素子６１及び環流ダイオード６２からなるスイッチ部６０が接続されている。
【０００６】
特許文献１の段落［００１７］等によれば、スイッチング素子６１は、発電機１０の中性点１０Ｎの電圧が高くなって環流ダイオード６２に逆バイアス電圧が印加されるタイミングでオンとし、その後オフする動作を繰り返す旨、記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−９５１７５号公報（段落［００１７］〜［００２０］、図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１の記述を、発電機１０の各相端子の中性点電位に対する電圧が負となる期間の一部においてスイッチング素子６１をオンする、という意味に解釈し、その動作をシミュレーションで確認すると、その結果は図１１のようになる。
図１１に示すように、特許文献１では、結果として、発電機１０の出力周波数の３倍周波数にてスイッチング素子６１がオン・オフされる。このとき、図示するごとく直流電圧部４２への流入電流はピーク値が大きく通流幅が狭くなるため、総合力率は必ずしも高くはならないことが判る。
【０００９】
また、特許文献１では、負荷としてバッテリー４３を含むことが必須構成要件となっているが、負荷がバッテリーを含まない場合については特に言及されていない。
更に深刻な問題として、スイッチング素子６１をオフした際に、それまで流れていた電流が急減するため、発電機１０やケーブルのインダクタンス成分の影響によりスイッチング素子６１の両端電圧が跳ね上がることがある。この電圧は、一般に容易にスイッチング素子６１の耐圧を超えるため、スイッチング素子６１の破壊を招く危険性がある。
【００１０】
そこで、本発明の解決課題は、従来技術の欠点である力率の低さを緩和すると共に、スイッチング素子の破壊を防止するようにした構成簡単な発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、界磁付きＮ（Ｎは３以上の自然数）相発電機と、前記発電機の出力交流電力を整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジから出力される直流電力が供給される直流電圧部と、前記発電機の巻線の中性点と前記直流電圧部の正極または負極との間に直接あるいはインピーダンスを介して接続される半導体スイッチング素子と、を備え、
前記スイッチング素子を、前記発電機の出力周波数のＮ倍以上の周波数にてオン・オフ制御するものである。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した発電システムにおいて、前記スイッチング素子のオン・オフをほぼ固定周波数にて繰り返すものである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載した発電システムにおいて、前記発電機の出力周波数のＮ倍に同期して断続的に、前記スイッチング素子のオフ状態を継続する期間を設けたものである。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した発電システムにおいて、前記スイッチング素子の端子のうち前記発電機の巻線の中性点側の端子と、前記直流電圧部の正極または負極のうち前記スイッチング素子が接続されていない極との間に、前記直流電圧部の直流電圧を阻止する極性でダイオードを接続したものである。
【００１５】
請求項５に係る発明は、界磁付きＮ（Ｎは３以上の自然数）相発電機と、前記発電機の出力交流電力を整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジから出力される直流電力が供給される直流電圧部と、２個以上の半導体スイッチング素子が直列接続され、かつ、前記直流電圧部の正極と負極との間に接続されるアーム部と、前記発電機の巻線の中性点と前記スイッチング素子同士の接続点とを接続する導体または受動素子と、を備えたものである。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載した発電システムにおいて、前記発電機の出力周波数のＮ倍に同期して断続的に、前記スイッチング素子同士の接続点よりも上側のスイッチング素子のオン・オフと下側のスイッチング素子のオン・オフとを交互に繰り返すものである。
【００１７】
請求項７に係る発明は、請求項６記載した発電システムにおいて、上側のスイッチング素子のオン・オフを行う期間と下側のスイッチング素子のオン・オフを行う期間との間に、上側及び下側のスイッチング素子のオフ状態を継続する期間を設けたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発電機の巻線の中性点とダイオードブリッジの出力側との間に接続された半導体スイッチング素子を高速でオン・オフさせることにより、発電機からダイオードブリッジを介して直流電圧部に連続的に電流を供給することができ、これによって発電システム全体の力率を高めることができる。
また、必要に応じて、直流電圧部の直流電圧を阻止する極性で前記スイッチング素子に直列にダイオードを接続すれば、スイッチング素子のオフ時に発生する過電圧からスイッチング素子の破壊を防止することができる。
更に、従来のように力率を改善するために昇圧リアクトルを用いる必要もないため、装置の大型化を防止することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は請求項１，２に対応する本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図９，図１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。以下では、主として図１０に示した従来技術と異なる部分を中心に説明する。
なお、以下に述べる各実施形態では界磁付き三相発電機１０を備えた発電システムについて説明するが、本発明は、一般に界磁付きＮ（Ｎは３以上の自然数）相発電機を備えた発電システムに適用可能である。
【００２０】
図１において、界磁付き三相発電機１０の負荷としての直流電圧部４０は、図９と同様に平滑コンデンサ４１を備えている。
また、この実施形態では、スイッチング素子６１が発電機１０の出力周波数のＮ倍すなわち相数倍以上の周波数でオン・オフ制御されるようになっている。
【００２１】
図２は、本実施形態において、スイッチング素子６１のオン・オフを固定周波数にて連続的に繰り返した場合の動作波形を示している。
前述した図１において、スイッチング素子６１がオン状態になると、発電機１０の中性点１０Ｎに対する電圧が負となっている発電機端子から中性点１０Ｎを介してスイッチング素子６１へ電流が流れ込み、ダイオードブリッジ２０の下アームのダイオードを介して還流する。この状態でスイッチング素子６１をオフすると、発電機１０のインダクタンス成分に蓄えられた磁気エネルギーの作用により、電流がダイオードブリッジ２０の上アームのダイオードを介して直流電圧部４０に流入するため、発電動作が実行される。
【００２２】
従って、スイッチング素子６１を高速かつ連続的にオン・オフすれば、図２と図１１との比較から明らかなように、電流のピーク値を抑えつつ、直流電圧部４０に連続的に電流を送り込むことができるため、従来技術に対して総合力率や発電機１０の利用率を高めることができる。具体的には、同じ発電量を得るために、より小形の発電機を用いることができるので、経済性の向上が可能になる。
なお、図１では前記中性点１０Ｎと直流電圧部４０の負極との間にスイッチング素子６１を直接接続してあるが、抵抗等のインピーダンスを介して接続しても良い。
【００２３】
次に、図３は請求項３に対応する本発明の第２実施形態を説明するためのものであり、発電機１０の出力周波数のＮ倍（相数倍）に同期して、スイッチング素子６１のオフ状態を継続する期間を設けた場合の動作波形を示している。
【００２４】
先の図２を詳しく見ると、ある相の発電機１０の電圧（無負荷誘起電圧）が正のピーク値となっている時点の周辺では、直流電圧部４０への電力供給量が小さいことが分かる。
よって、図３に示すように、このような期間にスイッチング素子６１のオフ状態を継続するようにすれば、非効率的な電流通流期間を減らして総合力率を一層高めることができると共に、スイッチング損失の低減も可能になる。
なお、この場合、デューティ比、オフ期間の長さ、及び、オフ期間を設ける位相の３要素を適切に調整することによって、発電量を所望の値に制御することが可能となる。
【００２５】
図４は、請求項４に対応する本発明の第３実施形態を示している。この実施形態では、直流電圧部４０の正極と発電機１０の中性点１０Ｎとの間に、図示の極性でダイオード（スナバダイオード）７０が接続されている。その他の構成は図１と同様である。
【００２６】
図１の構成では、発電機１０のリアクタンス成分とスイッチング素子６１とが直列接続されているため、電流が流れている状態でスイッチング素子６１をオフすると、急峻な電流変化によってスイッチング素子６１に過大な電圧が印加される。この電圧はスイッチング素子６１の耐圧を超え得るため、スイッチング素子６１の破壊が懸念される。
【００２７】
そこで、第３実施形態では、直流電圧部４０の直流電圧によりスイッチング素子６１側に電流が流れるのを阻止する極性で、図４に示す位置にダイオード７０を挿入する。
これにより、発電機１０の中性点１０Ｎとスイッチング素子６１との接続点の電圧が直流電圧部４０の電圧を超えるとダイオード７０が順バイアスされるため、上記接続点の電圧は直流電圧部４０の電圧にクランプされる。よって、スイッチング素子６１の両端電圧は直流電圧部４０の電圧に制限されることになり、スイッチング素子６１の耐圧超過による破壊を防止することが可能となる。
【００２８】
次いで、図５は請求項５に対応する本発明の第４実施形態を示している。
図１，図４の実施形態では、発電機１０の中性点１０Ｎに一つのスイッチング素子６１（スイッチ部６０）を接続する構成を示したが、図５に示すように、通常のインバータの一相分の上下アームのごとく、環流ダイオード６２Ａ，６２がそれぞれ逆並列接続された上下のスイッチング素子６１Ａ，６１の直列回路６５を直流電圧部４０に並列に接続し（以下、この部位を「アーム部」と呼ぶ。）、これらのスイッチング素子６１Ａ，６１同士の接続点を前記中性点１０Ｎに接続しても良い。
【００２９】
この実施形態によれば、環流ダイオード６２Ａが図４におけるダイオード７０の機能を果すため、図４と同様にスイッチング素子６１の耐圧超過による破壊を防止することが可能となる。同様に、環流ダイオード６２はスイッチング素子６１Ａの耐圧超過による破壊防止に寄与する。
また、このような構成とすれば、前記アーム部のスイッチング動作によって発電機１０の中性点１０Ｎに印加する電圧の自由度を高めることができるので、より効率的に発電動作を行うことが可能となる。その詳細を、以下に説明する。
【００３０】
図６は請求項６に対応する本発明の第５実施形態を説明するためのものであり、図５に示した発電システムにおける上下のスイッチング素子６１Ａ，６１の制御方法の例と、そのときの主要な動作波形を示している。
図５のアーム部を構成する上下のスイッチング素子６１Ａ，６１は、発電機１０の出力周波数のＮ倍に同期してスイッチングされる。具体的には、図６に示すように、上側のスイッチング素子６１Ａのオンとオフ、下側のスイッチング素子６１のオンとオフが交互に繰り返され、その繰り返し周波数が発電機出力周波数のＮ倍となっている。この動作は、ちょうど図３に示した下側のスイッチング素子６１の連続オフ期間に、上側のスイッチング素子６１Ａのオン・オフを行う期間を設けたものと見なすことができる。
【００３１】
この実施形態によれば、図３においては発電休止期間となるスイッチング素子６１の連続オフ期間においても、上側のスイッチング素子６１Ａのオン・オフ動作により発電可能であるため、同じ発電機からより多くの発電電力を得ることが可能となる。
【００３２】
また、図６の動作と類似するが、アーム部の上下スイッチング素子６１Ａ，６１のそれぞれの操作期間の間に、両スイッチング素子６１Ａ，６１を連続的にオフとする期間を設けることも可能である。
これにより、スイッチング動作を行っても発電電力の増大に余り寄与しない期間におけるスイッチングを止め、スイッチング素子６１Ａ，６１及び発電機１０における発生損失を低減することが可能となる。
以上が請求項７に係る発明の実施形態に相当する。
【００３３】
なお、第１〜第３実施形態において、図１や図４ではスイッチング素子６１を直流電圧部４０の負極に接続する構成を示したが、双対の関係に基づいて、直流電圧部４０の正極に、スイッチング素子の極性を反転させて接続する構成としても良い。
図７は、図１の第１実施形態とは逆にスイッチ部６０Ａ内のスイッチング素子６１Ａを直流電圧部４０の正極に接続した例である。
また、図８は、図７において、図４の構成のごとくダイオード７０を追加した例であり、この場合にも、図４と同様にスイッチング素子６１Ａの耐圧超過による破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】第１実施形態において、スイッチング素子のオン・オフを連続的に繰り返した場合の動作波形図である。
【図３】本発明の第２実施形態における動作波形図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図６】本発明の第５実施形態を説明するための動作説明図である。
【図７】第１実施形態の変形例を示す構成図である。
【図８】第３実施形態の変形例を示す構成図である。
【図９】第１の従来技術を示す構成図である。
【図１０】第２の従来技術を示す構成図である。
【図１１】第２の従来技術の動作を確認するためのシミュレーション結果を示す波形図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：界磁付き三相発電機
１０Ｎ：中性点
２０：ダイオードブリッジ
４０：直流電圧部
４１：平滑コンデンサ
６０：スイッチ部
６１，６１Ａ：半導体スイッチング素子
６２，６２Ａ：環流ダイオード
６５：直列回路
７０：ダイオード
【図１】
2008167631.tif 000003
【図２】
2008167631.tif 000004
【図３】
2008167631.tif 000005
【図４】
2008167631.tif 000006
【図５】
2008167631.tif 000007
【図６】
2008167631.tif 000008
【図７】
2008167631.tif 000009
【図８】
2008167631.tif 000010
【図９】
2008167631.tif 000011
【図１０】
2008167631.tif 000012
【図１１】
2008167631.tif 000013