(57)【要約】【課題】一時的な過負荷状態が発生しても出力不足に対応できる発電装置を提供すること。【解決手段】発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）２で整流される。整流回路２の出力は、ＤＣレギュレータ３−１とインバータ３−２を有する逆変換部３で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。整流回路２の出力側とバッテリ５の出力端子の間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４が接続される。整流回路２の出力によりバッテリ５を充電する。過負荷状態になって発電機１の出力では負荷に対応しきれなくなると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を通してバッテリ４からも電力が供給される。発電機１をエンジン始動用電動機として動作可能な電動機兼用発電機にしてバッテリ５でエンジンを始動させるようにできる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、該発電機の出力を整流する整流回路と、該整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータとを備える発電装置において、
前記整流回路の出力側とバッテリの出力端子の間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記整流回路と前記インバータの間にレギュレータを有し、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは前記整流回路と前記レギュレータの接続点と前記バッテリの出力端子の間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
低圧側端子と、高圧側端子と、低圧側巻線と高圧側巻線とを含むトランスと、前記低圧側端子と前記低圧側巻線との間に挿入された低圧側スイッチング素子と、前記高圧側端子と前記高圧側巻線との間に挿入された高圧側スイッチング素子と、前記低圧側スイッチング素子に並列接続された低圧側整流素子と、前記高圧側スイッチング素子に並列接続された高圧側整流素子と、前記低圧側スイッチング素子および前記高圧側スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記低圧側スイッチング素子と前記高圧側スイッチング素子の駆動を同時に行うことによって前記バッテリと前記整流回路の出力との間で電力を融通し合うことを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記バッテリの充電状態を監視し、これが過充電状態と判別された時に前記高圧側スイッチング素子の駆動を停止するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【請求項５】
前記整流回路の出力電圧を監視し、これが所定値よりも低下したと判断された時に前記低圧側スイッチング素子の駆動を開始するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置に関し、特に、エンジン駆動式発電機などの発電装置の出力が一時的に不足した場合に、この不足分をバッテリから補充できるようにした発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン駆動式発電機などの発電装置は、携帯用から非常用までさまざまな用途の電源装置として普及している。水銀灯負荷とか電動機負荷などの起動時に一時的に大電流が流れる負荷が比較的小規模な発電装置、例えばエンジン駆動式発電機に接続された場合、一時的に過負荷状態が発生し、エンジンおよび発電機の回転数低下し、ストール（エンスト）が起こることがある。すなわち、一時的な過負荷状態が発生すると、エンジンの回転数が低下し、この低下により発電装置の出力が低下し、さらなる過負荷状態に陥るという悪循環によりストールが起こる。
【０００３】
これに対応するため、エンジンが最大出力運転状態を維持できる範囲に負荷を制限し、できるだけ速やかに過負荷状態を解消することが提案されている。例えば、特許第２７４０５６７号公報には、エンジンへの燃料供給量が略最大であると判別されているにもかかわらず、エンジン回転数が所定値以上の変化率で上昇していることが判別されないときは、負荷を低減することによりエンジンを略最大出力状態に維持制御するエンジン回転数制御装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許公報に記載されているように、エンジンが最大出力運転状態を維持できる範囲に負荷を制限することにより、エンジンの最大出力を有効に利用することができるようになる。しかしながら、これは結果的に出力を一時的に制限していることになるため、負荷側からみれば一時的に電力不足が発生しており、負荷にとって好ましいことではない。
【０００５】
本発明の目的は、前記の課題を解決し、一時的な過負荷状態が発生しても出力不足に対応できる発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために、本発明は、発電機と、該発電機の出力を整流する整流回路と、該整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータとを備える発電装置において、前記整流回路の出力側とバッテリの出力端子の間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを有する点に第１の特徴がある。
【０００７】
前記整流回路と前記インバータの間にレギュレータを有し、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは前記整流回路と前記レギュレータの接続点と前記バッテリの出力端子の間に接続されている点に第２の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが、低圧側端子と、高圧側端子と、低圧側巻線と高圧側巻線とを含むトランスと、前記低圧側端子と前記低圧側巻線との間に挿入された低圧側スイッチング素子と、前記高圧側端子と前記高圧側巻線との間に挿入された高圧側スイッチング素子と、前記低圧側スイッチング素子に並列接続された低圧側整流素子と、前記高圧側スイッチング素子に並列接続された高圧側整流素子と、前記低圧側スイッチング素子および前記高圧側スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、前記低圧側スイッチング素子と前記高圧側スイッチング素子の駆動を同時に行うことによって前記バッテリと前記整流回路の出力との間で電力を融通し合う点に第３の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、前記バッテリの充電状態を監視し、これが過充電状態と判別された時に前記高圧側スイッチング素子の駆動を停止するように構成した点に第４の特徴がある。
【００１０】
さらに、本発明は、前記整流回路の出力電圧を監視し、これが所定値よりも低下したと判断された時に前記低圧側スイッチング素子の駆動を開始するように構成した点に第５の特徴がある。
【００１１】
本発明の第１の特徴によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを通して整流回路の出力とバッテリの出力の間で、整流回路出力側の電圧に応じて電力を融通し合うことができる。すなわち、過負荷時に整流回路の出力が低下すればその不足分をバッテリから供給することができ、また、整流回路の出力が十分であればバッテリを充電することができる。
【００１２】
また、第２の特徴によれば、整流回路とインバータの間のレギュレータにより双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力変動を吸収し、該出力変動の影響がインバータへ及ばないようにすることができるので、インバータを安定に動作させることができる
【００１３】
また、第３の特徴によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を簡素化することができる。
【００１４】
また、第４の特徴によれば、バッテリの過充電を防止してその充電状態を良好に維持し、過負荷状態に対応できるので、装置の信頼性を高めるとともにバッテリの寿命を延ばすことができる。
【００１５】
さらに、第５の特徴によれば、発電機出力で負荷に対応できなくなったときにバッテリからの電力供給を開始させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る発電装置の概念を示すブロック図である。同図において、発電機１は、例えば３相の多極磁石発電機からなる。以下の実施形態では、発電機１は、エンジンに連結され、エンジンにより駆動されるエンジン駆動式発電機であり、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機であるとして説明する。
【００１７】
整流回路２は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機１の出力を整流する。また、整流回路２の各整流素子にはＦＥＴなどのスイッチング素子が並列接続されており、これらのスイッチング素子は、そのオン、オフによりＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加する駆動用インバータを構成している。なお、整流回路３を構成する整流素子は、ＦＥＴなどのスイッチング素子の寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。
【００１８】
逆変換部３は、ＤＣレギュレータ３−１とインバータ３−２とを有し、整流回路２の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。なお、逆変換部３のＤＣレギュレータ３−１は必ずしも必要なものでないが、これを設ければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力変動をインバータ４に及ばないようにようにすることができる。
【００１９】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、バッテリ５の電圧を昇圧し、昇圧した電圧を整流回路２の出力側に出力する。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、整流回路２の出力が十分であり、バッテリ５の残量が少ないときに、整流回路２の出力をバッテリ５に供給し、それを充電する。以下では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のバッテリ５側を一次側、整流回路３側を二次側と呼ぶことがある。バッテリ５は、例えば、セルスタータとして一般的に使用されている１２Ｖのバッテリである。
【００２０】
次に、図１の動作を説明する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の一次側と二次側とを完全同期で、すなわち同一の駆動信号で駆動する。この駆動形態により双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、以下に説明するように、自動的に双方向で電力変換を行うものとなる。
【００２１】
エンジンの始動時、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のトランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に基づいて、バッテリ５のＤＣ電圧が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４で昇圧され、昇圧されたＤＣ電圧が駆動用インバータ（整流回路）２に与えられる。駆動用インバータ２は、始動指令によってスイッチング駆動され、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に与え、発電機１をエンジン始動用電動機として起動する。
【００２２】
エンジンが始動すると、発電機１はエンジンにより駆動され、駆動用インバータ２のスイッチング動作は停止される。発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）２で整流され、逆変換部３のＤＣレギュレータ３−１で調整され、さらにインバータ３−２で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。
【００２３】
過負荷状態でないときには、整流回路２から十分な出力が得られており、発電機１のみによって負荷へ電力が供給される。このとき、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を通してバッテリ４から電力は供給されない。
【００２４】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は整流回路２の出力側に接続されているため、このときバッテリ５の残量が少なければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を通して整流回路２の出力によりバッテリ５が自動的に充電される。すなわち、バッテリ５の変換出力が整流回路２の出力電圧より低ければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４のトランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に基づいて、バッテリ５が整流回路２の出力で充電されるように電力変換が行われる。
【００２５】
過負荷状態になって発電機１の出力では負荷に対応しきれなくなると、整流回路２の出力が低下する。この低下に伴い双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の一次側から二次側への電力変換が自動的に行われ、バッテリ４からも電力が供給されるようになる。したがって、過負荷状態では、発電機１の変換出力にバッテリ５の変換出力が重畳され、発電機１がバッテリ５にアシストされた形で負荷へ電力が供給される。また、発電機１が何らかの都合で停止しているときには、バッテリ５単独で双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４、逆変換部３を通して負荷に自動的に電力が供給される。
【００２６】
図２は、本発明に係る発電装置の一実施形態の具体的回路を示す回路図であり、図１と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。３相の発電機１は、エンジン（図示せず）に連結される。発電機１の出力側は、駆動用インバータに接続される。この駆動用インバータは、例えば、ＦＥＴなどの６つのスイッチング素子（以下、ＦＥＴと記す。）２−１〜２−６をブリッジ接続して構成される。
【００２７】
ＦＥＴ２−１〜２−６のそれぞれには、ダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子は、ＦＥＴの寄生ダイオード、あるいは別途接続した接合ダイオードでもよく、これらの整流素子により整流回路２が構成される。
【００２８】
整流回路２の出力側は、ＤＣレギュレータ３−１とインバータ３−２とを有する逆変換部３に接続される。ＤＣレギュレータ３−１は、例えばＦＥＴ、チョークコイル、コンデンサ、ダイオードなどを含み、インバータ３−２は、例えば４つのＦＥＴ３−２−１〜３−２−４をブリッジ接続して構成される。
【００２９】
整流回路２と逆変換部３の接続点は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の二次側に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の一次側は、例えばバッテリ（１２Ｖ）からなるバッテリ５に接続される。
【００３０】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、バッテリ５と整流回路２の出力との間で双方向に電力を融通するものであり、一次側の低圧側巻線４−１−１と二次側の高圧側巻線４−１−２を備えるトランス４−１含む。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の昇圧比は、低圧側巻線４−１−１と高圧側巻線４−１−２の巻線比により決定される。
【００３１】
低圧側スイッチング部４−２は、低圧側巻線４−１−１側に挿入され、高圧側スイッチング部４−３は、高圧側巻線４−１−２側に挿入される。低圧側スイッチング部４−２は、例えば、４つのＦＥＴ４−２−１〜４−２−４をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部４−３も同様に４つのＦＥＴ４−３−１〜４−３−４で構成される。
【００３２】
低圧側スイッチング部４−２および高圧側スイッチング部４−３の各ＦＥＴ４−２−１〜４−２−４、４−３−１〜４−３−４にはダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子もＦＥＴの寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。並列接続された整流素子を合わせれば、低圧側スイッチング部４−２および高圧側スイッチング部４−３はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。
【００３３】
トランス４−１の高圧側巻線４−１−２側にはＬＣ共振回路４−４が挿入される。ＬＣ共振回路４−４は、低圧側スイッチング部４−２および高圧側スイッチング部４−３の少なくとの一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるＦＥＴ破壊を招かないように機能する。これは、正弦波状の電流の零クロス点付近でＦＥＴをオン、オフさせることができるからである。なお、ＬＣ共振回路４−４は、二次側ではなく一次側に設けてもよい。
【００３４】
低圧側スイッチング部４−２のＦＥＴ４−２−１〜４−２−４および高圧側スイッチング部４−３のＦＥＴ４−３−１〜４−３−４は、ＣＰＵなどからなる制御回路（図示せず）によりスイッチング制御される。なお、一次側および二次側に接続されているコンデンサ６、７は、出力平滑用コンデンサである。
【００３５】
次に、図２の動作を説明する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４が自動的に双方向で電力変換を行うように、その低圧側スイッチング部４−２と高圧側スイッチング部４−３とを完全同期で、すなわち同一の駆動信号で駆動する。この駆動は、周知のように、低圧側スイッチング部４−２においてはＦＥＴ４−２−１と４−２−４のペア、ＦＥＴ４−２−２と４−２−３のペアを交互にオン、オフし、高圧側スイッチング部４−３においてはＦＥＴ４−３−１と４−３−４のペア、ＦＥＴ４−３−２と４−３−３のペアを交互にオン、オフすることで行われる。
【００３６】
エンジンの始動時には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の一次側から二次側への電力変換が行われ、これにより昇圧されたバッテリ５のＤＣ電圧が駆動用インバータ（整流回路）２に与えられる。駆動用インバータ２は、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。この起動は、駆動用インバータのＦＥＴ２−１〜２−６を周知のようにＰＷＭ駆動することにより行われる。この際、発電機（電動機）１の動きに従って逆起電圧で電流分配が変化することを利用して位相判別し、センサレスで同期駆動することができる。
【００３７】
エンジンが始動すると、発電機１はエンジンにより駆動されて出力を発生する。発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）２で整流される。このとき、駆動用インバータを構成するＦＥＴ２−１〜２−６は駆動されず、発電機１の出力は、整流回路１の整流素子で全波整流される。整流回路２の出力は、逆変換部３のＤＣレギュレータ３−１で平滑・調整され、さらにインバータ３−２で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。ＤＣレギュレートは、例えばＦＥＴをＰＷＭ変調することにより行われる。
【００３８】
このときバッテリ５の残量が少なければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は二次側より一次側への電力変換を行い、降圧された整流回路３の出力でバッテリ５が充電される。また、過負荷状態になって発電機１の出力では負荷に対応しきれなくなると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を通してバッテリ４からも電力が供給されるように電力変換が行われる。
【００３９】
このように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、トランス４−１の巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に従い一次側と二次側とで自動的に電力のやり取りを行い、相互に電力を融通する。
【００４０】
以上、実施形態について説明したが、本発明は、種々に変形可能である。例えば、エンジン始動時には双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４をその一次側から二次側のみへの電力変換が行われるように駆動すれば十分である。
【００４１】
また、バッテリ５の電圧、電流などに基づいてその充電状態を監視し、過充電状態であると判別されたときに高圧側スイッチング部４−３の駆動を停止させるように構成することができ、過放電であると判定されたときに低圧側スイッチング部４−２の駆動を停止させるように構成することもできる。これによりバッテリ５の充電状態を良好に維持することができる。なお、バッテリ５の残量は、バッテリ５の温度と電流から推定される内部抵抗値に基づいて、あるいは電流変動と電圧変化から起電圧を推定することにより判定することができる。
【００４２】
また、低圧側スイッチング部４−２と高圧側スイッチング部４−３とを完全同期で駆動することなく、それらを選択的に駆動して一次側から二次側、あるいは二次側から一次側への電力変換を適宜行わせるように構成することもできる。
【００４３】
例えば、整流回路２の出力電圧を監視し、所定値よりも低下したと判断された時に低圧側スイッチング部４−２の駆動を開始するように構成することもでき、これによれば過負荷状態になって発電機１の出力では負荷に対応しきれなくなったときにバッテリ５から給電してアシストすることができる。
【００４４】
また、本発明は、エンジン駆動式発電機に限らず、一般的な発電機の出力をバッテリでアシストして過負荷状態に対応するものをも含む。この場合には、整流回路２の各整流素子にスイッチング素子を並列接続する必要はなく、整流回路２は、単に発電機１の出力を整流するものであればよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上に詳細に説明したように、本発明によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを通して整流回路の出力とバッテリの出力の間で、整流回路出力側の電圧に応じて電力を融通し合うことができる。すなわち、過負荷時に整流回路の出力が低下すればその不足分をバッテリから自動的に供給することができ、また、整流回路の出力が十分であれば自動的にバッテリを充電することができる。
【００４６】
また、整流回路出力やバッテリ出力を監視し、その監視結果に応じて双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動制御する構成にすることにより、過負荷に対応できる状態にすることができるとともに、バッテリの過充電や過放電を防止してその充電状態を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電装置の概念を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る発電装置の一実施形態の具体的回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１・・・発電機、２・・・整流回路（駆動用インバータ）、２−１〜２−６，３−２〜３−４，４−２−１〜４−２−４，４−３−１〜４−３−４・・・ＦＥＴ、３・・・逆変換部、３−１・・・ＤＣレギュレータ、３−２・・・インバータ、４・・・双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、４−１・・・トランス、４−１−１・・・低圧側巻線、４−１−２・・・高圧側巻線、４−２・・・低圧側スイッチング部、４−３・・・高圧側スイッチング部、４−４・・・ＬＣ共振回路、５・・・バッテリ、６，７・・・平滑用コンデンサ
【図１】
2004282827.tif 000003
【図２】
2004282827.tif 000004