(57)【要約】　　　（修正有）【課題】発電機の鉄心材料等により発電機の時定数が変動した場合でも、容易に電圧制御の安定化の可能な同期発電機の自動電圧調整器を提供する。【解決手段】同期発電機の１次進み補償器の時定数が、同期発電機の無負荷飽和特性のギャップラインの傾きに対する同期発電機電圧定格時の無負荷飽和特性の接線の傾きの比を同期発電機回路時定数に乗じた値とし、同期発電機の定格電圧運転中において同期発電機の飽和により同期発電機回路時定数が変動した場合においても同期発電機の持つ１次遅れ要素を補償することで、安定な電圧制御を行うことができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機の界磁巻線に直列に接続され、スイッチング動作により界磁電圧を調節する第１のスイッチング素子と、前記界磁巻線と前記第１のスイッチング素子からなる直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、前記界磁巻線に並列に接続され、且つ前記直流電源の正側出力端子にカソード端子が接続されたダイオードと、前記同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、前記電圧指令信号発生器の出力信号から前記電圧検出器の出力信号を減算して誤差信号を出力する減算器と、前記減算器の出力する誤差信号を増幅し且つ負荷インピーダンスの変動に伴う発電機特性の変動を補償し、前記同期発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力する制御信号を増幅し且つ発電機の持つ１次遅れ要素を補償する１次進み補償器と、前記１次進み補償器の出力信号に比例したオン期間のパルス電圧を出力し、前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるパルス幅変調器を備え、前記１次進み補償器の時定数は発電機の無負荷飽和特性のギャップラインの傾きに対する発電機電圧定格時の無負荷飽和特性の接線の傾きの比を発電機開路時定数に乗じた値とし、発電機の定格電圧運転中において発電機の飽和により発電機時定数が変動した場合においても発電機の持つ１次遅れ要素を補償することで、安定な発電機電圧制御を行うようにしたことを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。
【請求項２】
請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記１次進み補償器は前記電圧検出器の出力信号を入力し、前記減算器は該１次進み補償器の出力信号を前記電圧指令信号発生器の出力信号から減算し、前記パルス幅変調器は前記演算増幅器の出力信号を入力することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。
【請求項３】
請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同期発電機を用い、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とするブラシレス同期発電機の自動電圧調整器。
【請求項４】
請求項２記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同期発電機を用い、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とするブラシレス同期発電機の自動電圧調整器。
【請求項５】
請求項３記載のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器において、前記直流電源と前記第１のスイッチング素子と前記ダイオードの代わりに、ブラシレス同期発電機の出力端子に１次側が接続された変圧器と、前記変圧器の２次側に接続されたリアクトルと、前記ブラシレス同期発電機の出力端子に１次側が接続されるとともに２次側端子が前記リアクトルと前記変圧器２次側回路から成る直列回路に接続された変流器と、前記リアクトルと変流器２次側に接続され、リアクトル電流と前記変流器２次側電流の合成電流を間欠的に分流する第２のスイッチング素子と、交流側が前記第２のスイッチング素子の端子に接続され、直流側が前記ブラシレス同期発電機の界磁回路に接続され、第２のスイッチング素子による分流後の電流を整流してブラシレス同期発電機の界磁回路に供給する整流器からなる複巻方式の励磁回路を備えることを特徴とするブラシレス同期発電機の自動電圧調整器。
【請求項６】
請求項５記載のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器において、前記１次進み補償器は前記電圧検出器の出力信号を入力し、前記減算器は該１次進み補償器の出力信号を前記電圧指令信号発生器の出力信号から減算し、前記パルス幅変調器は前記演算増幅器の出力信号を入力することを特徴とするブラシレス同期発電機の自動電圧調整器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機またはブラシレス同期発電機の出力電圧を所望の電圧に自動制御する同期発電機またはブラシレス同期発電機の自動電圧調整器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の同期発電機の自動電圧調整器を図５を参照して説明する。
図に示すように、ダイオード４は、同期発電機１の界磁巻線に並列で且つカソード端子が直流電源３の正側出力端子の方向となるように接続され、第１のスイッチング素子２がオフしている期間に界磁電流が流れる経路を確保するフライホイール機能を持っている。
【０００３】
減算器７は電圧指令信号発生器６が出力する指令信号から同期発電機１の端子電圧を検出する電圧検出器５の出力信号を減算した誤差信号を出力する。
第２の演算増幅器１６は、減算器７の出力信号を増幅し且つ負荷インピーダンスの変動による発電機特性の変動を補償し、同期発電機１の電圧を所望の電圧となるように界磁電圧を操作する制御信号を出力する。
【０００４】
パルス幅変調器１０は、第２の演算増幅器１６の出力する制御信号に比例したオンデューティのスイッチング信号を出力する。
第１のスイッチング素子２は、同期発電機１の界磁巻線に直列に接続され、これらの直列回路には直流電源３によって直流電圧が印加され、第１のスイッチング素子２はパルス幅変調器１０の出力するスイッチング信号に従ってスイッチング動作することにより、直流電源電圧をチョッパ操作し、同期発電機１の界磁巻線に印加される平均電圧を調整する。直流電源３は、例えば永久磁石同期発電機とその出力端子に接続された整流器で構成される場合や同期発電機１の端子電圧を整流器で整流する回路で構成される場合がある。
【０００５】
以上のような構成の同期発電機１の自動電圧調整器は、負荷量の変動により同期発電機１の出力電圧が変動しても自動的に界磁電圧の印加量を調整するので、同期発電機１の出力電圧を所望の電圧に制御することができる。なお、同期発電機１の代わりにブラシレス同期発電機であっても同様である。
【０００６】
また、従来の他のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器を図６を参照して説明する。このブラシレス同期発電機の自動電圧調整器が図５の同期発電機の自動電圧調整器と異なる構成は、第１のスイッチング素子２と直流電源３とダイオード４の代わりに、変圧器１１とリアクトル１２と変流器１３と第２のスイッチング素子１４と整流器１５を備え、変圧器１１は１次側が同期発電機１の出力端子に接続され、２次側がリアクトル１２に接続されており、また整流器１５は交流側がリアクトル１２及び変流器１３の２次側に接続され、直流側が同期発電機１の界磁巻線に接続されており、また第２のスイッチング素子１４は整流器１５の交流側に並列に接続され、パルス幅変調器１０の出力するスイッチング信号に従ってスイッチング動作する点であり、その他の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【０００７】
図６のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器において、第２のスイッチング素子１４はパルス幅変調器１０の出力するスイッチング信号に従ってスイッチング動作するすることにより、整流器１５の交流側を間欠的に短絡し、リアクトル１２の電流と変流器１３の電流の合成電流を一時的に分流することによって同期発電機１の界磁巻線に流れ込む電流を調整する（特許第２９１３１７５号公報参照）。
【０００８】
以上のような構成の同期発電機の自動電圧調整器は、負荷量の変動により同期発電機１の出力電圧が変動しても自動的に界磁電流の供給量を調整するので、同期発電機１の出力電圧を所望の電圧に制御することができる。なお、同期発電機１の代わりにブラシレス同期発電機であっても同様である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
同期発電機の伝達関数は一般的に１次遅れ要素で表され、その時定数としては界磁減衰法によって測定される開路時定数Ｔｄｏ’で示されることが多い。しすし、発電機を定格電圧で運転している場合、発電機の鉄心の飽和等の影響により、時定数は変動する。図７は同期発電機の無負荷飽和特性の一例である。無負荷飽和特性の接線の傾きに注目すると、端子電圧がゼロ付近での接線Ａと電圧が定格電圧付近での接線Ｂでは傾きが大きく異なる。このことから、端子電圧がゼロ付近での界磁回路から見たインダクタンスと定格電圧付近での界磁回路から見たインダクタンスは異なり、従って、発電機の時定数も異なることが分かる。同期発電機は電圧確立後は定格電圧付近で運転されるため、電圧制御装置を設計する場合は、開路時定数Ｔｄｏ’ではなく端子電圧が定格電圧付近での時定数を発電機の１次遅れ要素の時定数として採用するが、この時定数は発電機の鉄心材料による飽和の度合いにより異なる。従って、鉄心材料等により発電機時定数が変動する度に、電圧制御の安定化を図るために発電機時定数の補償を考慮した第２の演算増幅器１６を設計しなおさなければならない。
【００１０】
本発明（請求項１乃至請求項６対応）は、上記事情に対処するためになされたもので、その目的は、発電機の鉄心材料等により発電機の時定数が変動した場合でも、容易に電圧制御の安定化を図ることの可能な同期発電機またはブラシレス同期発電機の自動電圧調整器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の同期発電機の自動電圧調整器は、同期発電機の界磁巻線に直列に接続され、スイッチング動作により界磁電圧を調節する第１のスイッチング素子と、前記界磁巻線と前記第１のスイッチング素子からなる直列回路に直流電圧を供給する直流電源と、前記界磁巻線に並列に接続され、且つ前記直流電源の正側出力端子にカソード端子が接続されたダイオードと、前記同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出器と、電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、前記電圧指令信号発生器の出力信号から前記電圧検出器の出力信号を減算して誤差信号を出力する減算器と、前記減算器の出力する誤差信号を増幅し且つ負荷のインピーダンスの変動に伴う発電機特性の変動を補償し、前記同期発電機の電圧を所望の電圧に保つための制御信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力する制御信号を増幅し且つ発電機の持つ１次遅れ要素を補償する１次進み補償器と、前記１次進み補償器の出力信号に比例したオン期間のパルス電圧を出力し、前記第１のスイッチング素子をスイッチング動作させるパルス幅変調器を備え、前記１次進み補償器の時定数は発電機の無負荷飽和特性のギャップラインの傾きに対する発電機電圧定格時の無負荷飽和特性の接線の傾きの比を発電機開路時定数に乗じた値とし、発電機の定格電圧運転中において発電機の飽和により発電機時定数が変動した場合においても発電機の持つ１次遅れ要素を補償することで、安定な発電機電圧制御を行うようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２は、請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記１次進み補償器は前記電圧検出器の出力信号を入力し、前記減算器は該１次進み補償器の出力信号を前記電圧指令信号発生器の出力信号から減算し、前記パルス幅変調器は前記演算増幅器の出力信号を入力することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器は、請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同期発電機を用い、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器は、請求項２記載の同期発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同期発電機を用い、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５は、請求項３記載のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器において、前記直流電源と前記第１のスイッチング素子と前記ダイオードの代わりに、ブラシレス同期発電機の出力端子に１次側が接続された変圧器と、前記変圧器の２次側に接続されたリアクトルと、前記ブラシレス同期発電機の出力端子に１次側が接続されるとともに２次側端子が前記リアクトルと前記変圧器２次側回路から成る直列回路に接続された変流器と、前記リアクトルと変流器２次側に接続され、リアクトル電流と前記変流器２次側電流の合成電流を間欠的に分流する第２のスイッチング素子と、交流側が前記第２のスイッチング素子の端子に接続され、直流側が前記ブラシレス同期発電機の界磁回路に接続され、第２のスイッチング素子による分流後の電流を整流してブラシレス同期発電機の界磁回路に供給する整流器からなる複巻方式の励磁回路を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６は、請求項５記載のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器において、前記１次進み補償器は前記電圧検出器の出力信号を入力し、前記減算器は該１次進み補償器の出力信号を前記電圧指令信号発生器の出力信号から減算し、前記パルス幅変調器は前記演算増幅器の出力信号を入力することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態（請求項１対応）である同期発電機の自動電圧調整器の回路図である。
【００１８】
図に示すように、本実施形態が既に説明した図５の従来の同期発電機の自動電圧調整器と相違する構成は、第１の演算増幅器８と１次進み補償器９を備えている点であり、その他の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００１９】
次に、本実施形態の主要な構成の作用について説明する。
ダイオード４は、同期発電機１の界磁巻線に並列で且つカソード端子が直流電源３の正側出力端子の方向となるように接続され、第１のスイッチング素子２がオフしている期間に界磁電流が流れる経路を確保するフライホイール機能を持っている。
【００２０】
減算器７は電圧指令信号発生器６が出力する指令信号から同期発電機１の端子電圧を検出する電圧検出器５の出力信号を減算した誤差信号を出力する。
第１の演算増幅器８は、減算器７の出力信号を増幅し且つ負荷インピーダンスの変動による発電機特性の変動を補償し、同期発電機１の電圧を所望の電圧となるように界磁電圧を操作する制御信号を出力する。
【００２１】
１次進み補償器９は時定数として発電機の無負荷飽和特性のギャップラインの傾きに対する発電機電圧定格時の無負荷飽和特性の接線の傾きの比を発電機開路時定数に乗じた値を持ち、第１の演算増幅器８の出力する制御信号を増幅する。パルス幅変調器１０は１次進み補償器９の出力信号に比例したオンデューティのスイッチング信号を出力する。
【００２２】
第１のスイッチング素子２は、同期発電機１の界磁巻線に直列に接続され、これらの直列回路には直流電源３によって直流電圧が印加され、第１のスイッチング素子２は、パルス幅変調器１０の出力するスイッチング信号に従ってスイッチング動作することにより、直流電源電圧をチョッパ操作し、同期発電機１の界磁巻線に印加される平均電圧を調節する。直流電源３は、例えば永久磁石同期発電機とその出力端子に接続された整流器で構成される場合や同期発電機１の端子電圧を整流器で整流する回路で構成される場合がある。
【００２３】
本実施形態は以上のような機能を有する構成機器を備えることにより、発電機の鉄心材料等の飽和の度合いによって発電機の定格電圧付近での時定数が変動した場合でも、１次進み補償器９によって発電機伝達関数の１次遅れ要素を補償し、第１の演算増幅器８を設計変更することなく発電機電圧を安定に制御することが可能である。
なお、同期発電機１の代わりにブラシレス同期発電機である場合（請求項３対応）でも同様の効果が得られる。
【００２４】
図２は、本発明の第２実施形態（請求項２対応）である同期発電機の自動電圧調整器の回路図である。
図に示すように、本実施形態が既に説明した図１の第１実施形態の同期発電機の自動電圧調整器と相違する構成は、１次進み補償器９と第１の演算増幅器８とパルス幅変調器１０の接続箇所が異なる点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００２５】
図において、本実施形態では、１次進み補償器９は電圧検出器５の出力信号を入力とし、減算器７へ信号を出力する。パルス幅変調器１０は第１の演算増幅器８の出力信号を入力とする。
【００２６】
本実施形態は以上のような構成機器を備えることにより、発電機電圧制御系の開ループ伝達関数において、１次進み補償器９によって発電機伝達関数の１次遅れ要素を補償することができるため、図１の第１実施形態と同様な効果が得られる。
なお、図２の実施形態において、同期発電機１の代わりにブラシレス同期発電機である場合（請求項４対応）でも同様の効果が得られる。
【００２７】
図３は、本発明の第３実施形態（請求項５対応）であるブラシレス同期発電機の自動電圧調整器の回路図である。
図に示すように、本実施形態が既に説明した図１の第１実施形態の同期発電機の自動電圧調整器と相違する構成は、第１のスイッチング素子２と直流電源３とダイオード４の代わりに、変圧器１１とリアクトル１２と変流器１３と第２のスイッチング素子１４と整流器１５を備え、変圧器１１は１次側が同期発電機１の出力端子に接続され、リアクトル１２の一方は変圧器１１の２次側に接続されており、また変流器１３は１次側が同期発電機１の出力端子に接続され、２次側がリアクトル１２の他方に接続されており、さらに整流器１５は交流側がリアクトル１２の他方及び変流器１３の２次側に接続され、直流側が同期発電機１の界磁巻線に接続され、第２のスイッチング素子１４は整流器１５の交流側に並列に接続され、パルス幅変調器１０の出力するスイッチング信号に従ってスイッチング動作する点であり、その他の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００２８】
本実施形態は以上のような構成機器を備えることにより、発電機の鉄心材料等の飽和の度合いによって発電機の定格電圧付近での時定数が変動した場合でも、発電機伝達関数の１次遅れ要素を１次進み補償器９によって補償することで、第１の演算増幅器８を設計変更することなく発電機電圧を安定に制御することが可能である。
【００２９】
図４は、本発明の第４実施形態（請求項６対応）であるブラシレス同期発電機の自動電圧調整器の回路図である。
図に示すように、本実施形態が既に説明した図３の第３実施形態のブラシレス同期発電機の自動電圧調整器と相違する構成は、１次進み補償器９と第１の演算増幅器８とパルス幅変調器１０の接続箇所が異なる点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００３０】
図において、本実施形態では電圧検出器５の出力信号を１次進み補償器９へ入力する。減算器７では電圧指令信号発生器６から出力された電圧指令信号から１次進み補償器９の出力信号を減算して第１の演算増幅器８に入力する。第１の演算増幅器８では減算器７の出力信号を増幅し且つ負荷インピーダンスの変動による発電機特性の変動を補償し、その出力信号をパルス幅変調器１０に入力し、第２スイッチング素子１４を開閉し、その開閉信号は整流器１５に入力する。
【００３１】
本実施形態は以上のような構成機器を備えることにより、発電機電圧制御系の開ループ伝達関数において、１次進み補償器９によって発電機伝達関数の１次遅れ要素を補償することができるため、図３の第３実施形態と同様な効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明（請求項１乃至請求項６対応）によれば、発電機の鉄心材料等の飽和の度合いによって発電機の定格電圧付近での時定数が変動した場合でも、自動電圧調整器に備わる１次進み補償によって発電機伝達関数の１次遅れ要素を補償し、他の演算増幅器の設計を変更することなく発電機電圧を安定に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の回路図。
【図２】本発明の第２実施形態の回路図。
【図３】本発明の第３実施形態の回路図。
【図４】本発明の第４実施形態の回路図。
【図５】従来の同期発電機の自動電圧調整器の回路図。
【図６】従来の他の同期発電機の自動電圧調整器の回路図。
【図７】発電機端子電圧と界磁電流の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…同期発電機またはブラシレス同期発電機、２…第１のスイッチング素子、３…直流電源、４…ダイオード、５…電圧検出器、６…電圧指令信号発生器、７…減算器、８…第１の演算増幅器、９…１次進み補償器、１０…パルス幅変調器、１１…変圧器、１２…リアクトル、１３…変流器、１４…第２のスイッチング素子、１５…整流器、１６…第２の演算増幅器。
【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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【図７】
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