(57)【要約】【課題】自動電圧調整器と組み合わせる同期発電機またはブラシレス同期発電機の界磁巻線抵抗値が発電機によって異なっても安価で省スペースな同期発電機の自動電圧調整器を提供する。【解決手段】同期発電機の自動電圧調整器は、同期発電機の界磁巻線抵抗値と直流励磁電源の電圧値から最大界磁電流を算出し、界磁電圧をチョッパ操作するスイッチング素子に流すことのできる許容電流値をその最大界磁電流で除算して求めた比率を界磁オンデューティの制限値とすることで、界磁抵抗の小さい発電機や電圧の高い直流励磁電源と組み合わせた場合でも、負荷投入時等のフルフォーシング時に過大な電流が界磁スイッチング素子に流れることを防ぐように構成したので、高価且つ大型の許容電流値の大きいスイッチング素子を採用する必要がなくなり、安価で省スペースの同期発電機の自動電圧調整器を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機またはブラシレス同期発電機の界磁巻線に直流電源の電圧をチョッパ操作して供給するチョッパ装置と、界磁巻線に流れる電流を還流させる還流ダイオードと、発電機の出力電圧を検出する電圧検出器と、発電機の出力電圧を所望の電圧に制御するための電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、電圧指令信号と電圧検出信号の誤差信号を出力する減算器と、誤差信号に基づいて制御演算を行い、発電機の出力電圧を所望の電圧に保つために必要な前記チョッパ装置のオン期間を示す制御信号を出力する演算増幅器と、発電機の界磁抵抗値設定器と、前記直流電源の出力電圧値設定器と、所望の最大界磁電流値を設定する最大界磁電流値設定器と、界磁抵抗値および直流電源電圧値および最大界磁電流値から前記制御信号の最大値を演算する最大制御信号演算器と、制御信号を最大制御信号演算器からの信号に基づいて制限する制限器と、制限器から出力される制御信号に基づいたオン期間の一定周波数のパルス信号を前記チョッパ装置の駆動信号として出力するパルス発生器から成り、最大制御信号演算器が発電機の界磁抵抗値と直流電源の電圧値から界磁巻線に流れ得る最大電流を演算し、さらに該電流値で前記最大界磁電流値設定器の電流値を除算した信号を出力することで、界磁巻線に所望の電流値以上の電流が流れないように制限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、発電機の界磁抵抗値設定器の代わりに界磁電圧検出器と界磁電流検出器を備え、それらで検出した界磁電圧と界磁電流から界磁巻線の抵抗値を演算する界磁抵抗演算器を備え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または請求項２記載の同期発電機の自動電圧調整器において、直流電源の出力電圧値設定器の代わりに直流電源の電圧検出器を備えることを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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自動電圧調整器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の同期発電機の自動電圧調整器は例えば特許文献１あるいは特許文献２に開示されている。従来技術の一実施例を図６を参照して説明する。同図において、１はブラシレス同期発電機、２は遮断機、３は負荷、４は自動電圧調整器、５は直流電源である。自動電圧調整器４は、還流ダイオード６、チョッパ装置７、電圧検出器８、電圧指令信号発生器９、減算器１０、演算増幅器１１、パルス発生器１２より構成される。チョッパ装置７は、例えばトランジスタ等のスイッチング素子１３とドライブ回路１４より構成される。電圧指令信号発生器９と減算器１０と演算増幅器１１とパルス発生器１２は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。
【０００３】
従来の自動電圧調整器において、ブラシレス同期発電機１は自動電圧調整器４によって出力電圧を一定に制御されながら遮断機２を介して負荷３へ電力を供給する。電圧検出器８は、ブラシレス同期発電機１の出力電圧を検出し、検出信号Ｖｇを出力する。電圧指令信号発生器９は、発電機の出力電圧を所望の電圧に制御するための指令信号Ｖｇ＊を出力する。減算器１０は（Ｖｇ＊−Ｖｇ）の演算を行い、誤差信号ΔＶｇを出力する。演算増幅器１１は、誤差信号ΔＶｇを入力として例えばPID制御演算を行い、負荷３のインピーダンスが変動した場合でも発電機の出力電圧を所望の電圧に保つための界磁電圧操作信号Ｖｆ＊を出力する。パルス発生器１２は図７に示すようにＶｆ＊に比例したオン幅のパルス信号Ｖｐを一定周波数で出力する。パルス信号Ｖｐのオン幅は、Ｖｆ＊の最大値Ｖｆ＊，ｍａｘで１００％となる。ドライブ回路１４は、パルス信号Ｖｐに基づいてスイッチング素子１３をオンオフ駆動する。スイッチング素子１３は、直流電源５から交流発電機１ａの界磁巻線へ印加される直流電圧をチョッパ操作する。還流ダイオード６は、スイッチング素子１３がオフしている期間にブラシレス同期発電機１の界磁巻線に流れる界磁電流を還流させる。
【０００４】
以上のような構成において自動電圧調整器４は、負荷３の負荷量の変動によってブラシレス同期発電機１の出力電圧が変動した場合においても自動的に界磁電圧の印加量を調整し、ブラシレス同期発電機１の出力電圧を電圧指令信号発生器９で設定した所望の電圧に制御するよう動作する。
【特許文献１】特許第２５３６６２１
【特許文献２】特許第２６８００５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図６において、例えばブラシレス同期発電機１の無負荷運転中に遮断機２を閉じると、急激に負荷３へ電流が流れるため、発電機の出力電圧は低下する。自動電圧調整器４は発電機の出力電圧低下を検知すると直ちにスイッチング素子１３のオン期間を拡大し、発電機の界磁電流を増加させて発電機の出力電圧を所望の電圧値に早期に回復させるよう動作する。その後、発電機の出力電圧が再び所望の電圧値に戻るにつれてスイッチング素子１３のオン期間を縮小させていき、最終的には負荷量に応じた最適なオン期間に収束し、安定状態となる。
【０００６】
このような自動電圧調節動作において、発電機の界磁巻線に流れる可能性のある最大電流は、スイッチング素子１３が全オンして直流電源５の電圧が連続して界磁巻線に印加されている時の電流であり、その量は直流電源５の電圧をブラシレス同期発電機の界磁巻線の抵抗値で除算したものとなる。従って、自動電圧調整器４を製作するに当たっては、そのような最大界磁電流が流れた場合でも破損しないスイッチング素子１３を選択しなければならない。
【０００７】
しかしながら、自動電圧調整器と組み合わせる発電機が１種類ではない場合、発電機の界磁巻線の抵抗値は常に一定であるとは限らない。想定していた抵抗値よりも小さい発電機と組み合わせると、スイッチング素子１３にその許容電流よりも多い電流が一時的に流れる可能性が出てくる。従って、多種類の発電機と組み合わせなければならない自動電圧調整器は、スイッチング素子１３の許容電流を、予め最も界磁巻線抵抗の小さな発電機を想定して選択しなければならず、そのような大きな許容電流を必要としない発電機においても、高価でサイズの大きなスイッチング素子を採用した自動電圧調整器とならざるを得ない。
【０００８】
また、直流電源５の出力電圧は常に同じ電圧値であることが望ましいが、組み合わせる直流電源の出力電圧値がその仕様によりいくつかの電圧値に制限され、自動電圧調整器に必要な電圧に最も近い電圧を選択しなければならないような場合がある。もし選択した直流電源電圧が自動電圧調整器に必要な電圧よりも高い電圧となる場合は、発電機の界磁巻線に流れる最大電流がスイッチング素子１３の許容電流を超え、これによりスイッチング素子が破損する恐れがある。
【０００９】
本発明は上記状況に対処するためになされたもので、その課題は、自動電圧調整器と組み合わせる同期発電機の界磁巻線抵抗値が発電機によって異なる場合や、組み合わせる直流電源の出力電圧値が直流電源によって異なる場合においても、許容電流の小さな低価格で小型のスイッチング素子の採用を可能とし、安価で省スペースな同期発電機の自動電圧調整器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の同期発電機の自動電圧調整器は、同期発電機またはブラシレス同期発電機の界磁巻線に直流電源の電圧をチョッパ操作して供給するチョッパ装置と、界磁巻線に流れる電流を還流させる還流ダイオードと、発電機の出力電圧を検出する電圧検出器と、発電機の出力電圧を所望の電圧に制御するための電圧指令信号を出力する電圧指令信号発生器と、電圧指令信号と電圧検出信号の誤差信号を出力する減算器と、誤差信号に基づいて制御演算を行い、発電機の出力電圧を所望の電圧に保つために必要な前記チョッパ装置のオン期間を示す制御信号を出力する演算増幅器と、発電機の界磁抵抗値設定器と、前記直流電源の出力電圧値設定器と、所望の最大界磁電流値を設定する最大界磁電流値設定器と、界磁抵抗値および直流電源電圧値および最大界磁電流値から前記制御信号の最大値を演算する最大制御信号演算器と、制御信号を最大制御信号演算器からの信号に基づいて制限する制限器と、制限器から出力される制御信号に基づいたオン期間の一定周波数のパルス信号を前記チョッパ装置の駆動信号として出力するパルス発生器から成り、最大制御信号演算器が発電機の界磁抵抗値と直流電源の電圧値から界磁巻線に流れ得る最大電流を演算し、さらに該電流値で前記最大界磁電流値設定器の電流値を除算した信号を出力することで、界磁巻線に所望の電流値以上の電流が流れないように制限することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の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、発電機の界磁抵抗値設定器の代わりに界磁電圧検出器と界磁電流検出器を備え、それらで検出した界磁電圧と界磁電流から界磁巻線の抵抗値を演算する界磁抵抗演算器を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の同期発電機の自動電圧調整器は、請求項１または請求項２記載の同期発電機の自動電圧調整器において、直流電源の出力電圧値設定器の代わりに直流電源の電圧検出器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、多様な界磁巻線抵抗を持つ同期発電機またはブラシレス同期発電機と組み合わせる場合や同期発電機の界磁巻線に電力を供給する直流電源の電圧値が変化する場合でも、負荷の変動による界磁電流の上昇をチョッパ装置内のスイッチング素子の許容電流以内に制限でき、高価且つ大型の許容電流値の大きいスイッチング素子を採用する必要がなくなり、安価で省スペースの同期発電機の自動電圧調整器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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の実施形態である同期発電機の自動電圧調整器の回路構成図である。
図１に示すように、本実施例がすでに説明した図６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、発電機の界磁抵抗値設定器１５と、直流電源の出力電圧値設定器１６と、所望の最大界磁電流値を設定する最大界磁電流値設定器１７と、最大制御信号演算器１８と、制限器１９を備えている点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００１５】
図１において、電圧指令信号発生器９と減算器１０と演算増幅器１１とパルス発生器１２と界磁抵抗値設定器１５と直流電源の出力電圧値設定器１６と最大界磁電流値設定器１７と最大制御信号演算器１８と制御器１９は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。
【００１６】
次に、本実施形態の主要な構成機器の作用について説明する。
ここで、ブラシレス同期発電機１、遮断機２、負荷３、直流電源５、還流ダイオード６、チョッパ装置７、電圧検出器８、電圧指令信号発生器９、減算器１０、演算増幅器１１、ドライブ回路１４、スイッチング素子１３の作用は、図６の従来の同期発電機の自動電圧調整器におけるそれらと同じ作用をするため、その説明は省略する。
【００１７】
発電機の界磁抵抗値設定器１５は、設定された発電機の界磁抵抗値に相当する信号Ｒｆを出力する。直流電源の出力電圧値設定器１６は、設定された直流電源５の出力電圧値に相当する信号Ｖｓを出力する。最大界磁電流値設定器１７は、設定された所望の最大界磁電流値に相当する信号Ｉｆ＊，ｍａｘを出力する。Ｉｆ＊，ｍａｘにはスイッチング素子１３が破損せずに流せる最大電流値を選択する。最大制御信号演算器１８は、前記信号Ｒｆ、Ｖｓ、Ｉｆ＊，ｍａｘおよび演算増幅器１１の出力信号Ｖｆ＊の最大値であるＶｆ＊，ｍａｘより式(1)の演算を行い、その演算結果Ｖｆ＊，ｌｉｍｉｔを出力する。
【００１８】
Ｖｆ＊，ｌｉｍｉｔ＝Ｉｆ＊，ｍａｘ×（Ｒｆ／Ｖｓ）×Ｖｆ＊，ｍａｘ    (1)
制限器１９は、Ｖｆ＊，ｌｉｍｉｔに基づいて図２に示すようなＶｆ＊を制限したＶｆ＊＊を出力する。パルス発生器１２は、図３に示すようにＶｆ＊＊に比例したオン幅の一定周波数のパルス信号Ｖｐをドライブ回路１４へ出力する。Ｖｐのオン幅はＶｆ＊＊がとり得る値の最大値Ｖｆ＊＊，ｍａｘの時に１００％となるが、図２に示すようなＶｆ＊，ｌｉｍｉｔで制限されたＶｆ＊＊が入力された場合は、オン幅はＶｐ，ｌｉｍｉｔに制限され、それ以上のオン幅とならない。
【００１９】
本実施形態は以上のように構成されているので、ブラシレス同期発電機１の界磁巻線に流れる最大電流が、最大界磁電流値設定器１７にて設定したＩｆ＊，ｍａｘ以上にならないように制限されるため、自動電圧調整器を、想定しているよりも界磁巻線抵抗が小さい発電機や想定しているよりも高い電圧の直流電源と組み合わせる場合でも、チョッパ装置７のスイッチング素子１３に許容電流がＩｆ＊，ｍａｘ以下のものを採用することができ、安価で小型の部品で自動電圧調整器を構成することが可能になる。
【００２０】
図４は、本発明の第２の実施形態である同期発電機の自動電圧調整器の回路構成図である。
図に示すように、本実施形態が図１の第１の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、発電機の界磁抵抗値設定器１５の代わりに発電機の界磁電圧検出器２０と発電機の界磁電流検出器２１と界磁抵抗演算器２２を備えている点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００２１】
ここで、電圧指令信号発生器９と減算器１０と演算増幅器１１とパルス発生器１２と直流電源の出力電圧値設定器１６と最大界磁電流値設定器１７と最大制御信号演算器１８と制限器１９と界磁抵抗演算器２２は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現可能である。
【００２２】
次に、本実施例の主要な構成機器の作用について説明する。  
ここで、ブラシレス同期発電機１、遮断機２、負荷３、直流電源５、還流ダイオード６、チョッパ装置７、電圧検出器８、電圧指令信号発生器９、減算器１０、演算増幅器１１、ドライブ回路１４、スイッチング素子１３、直流電源の出力電圧値設定器１６、最大界磁電流値設定器１７と最大制御信号演算器１８の作用は、図１の第１実施形態の同期発電機の自動電圧調整器におけるそれらと同じ作用をするため、その説明は省略する。
【００２３】
発電機の界磁電圧検出器２０は発電機の界磁電圧を検出し、それに相当する信号Ｖｆｄを出力する。発電機の界磁電流検出器２１は発電機の界磁電流を検出し、それに相当する信号Ｉｆｄを出力する。界磁抵抗演算器２２は、前記信号ＶｆｄとＩｆｄより（Ｖｆｄ／Ｉｆｄ）の演算を行い、その演算結果を信号Ｒｆとして最大制御信号演算器１８へ出力する。
【００２４】
本実施形態は以上のように構成されているので、ブラシレス同期発電機１の界磁抵抗を予め設定せずとも自動で界磁抵抗を検出することができ、前記図１の第１実施形態と同じ効果が得られ、かつ自動電圧調整器の設定作業を省力化することも可能となる。
【００２５】
図５は、本発明の第３の実施形態である同期発電機の自動電圧調整器の回路構成図である。
図５に示すように、本実施形態が図４の第２の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、直流電源の出力電圧値設定器１６の代わりに直流電源の電圧検出器２３を備えている点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一構成部分には同一符号を付して、その説明は省略する。
【００２６】
ここで、電圧指令信号発生器９と減算器１０と演算増幅器１１とパルス発生器１２と最大界磁電流値設定器１７と最大制御信号演算器１８と制限器１９と界磁抵抗演算器２２は、例えば、マイクロコンピュータとソフトウェアによって実現される。
【００２７】
次に、本実施形態の主要な構成機器の作用について説明する。  
ブラシレス同期発電機１、遮断機２、負荷３、直流電源５、還流ダイオード６、チョッパ装置７、電圧検出器８、電圧指令信号発生器９、減算器１０、演算増幅器１１、ドライブ回路１４、スイッチング素子１３、最大界磁電流値設定器１７、最大制御信号演算器１８、界磁電圧検出器２０、界磁電流検出器２１、界磁抵抗演算器２２の作用は、すでに説明した一実施例（請求項２対応）の自動電圧調整器におけるそれらと同じ作用をするため、重複説明は省略する。直流電源の電圧検出器２３は、直流電源５の電圧を検出し、それに相当する信号をＶｓとして最大制御信号演算器１８へ出力する。
【００２８】
本実施形態は以上のように構成されているので、直流電源５の電圧値を予め設定せずとも自動で電圧を検出ることができ、前記図４の第２の実施形態と同じ効果が得られると同時に、自動電圧調整器の設定作業を省力化することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態の回路構成図。
【図２】図１の制限器の入出力特性を示す図。
【図３】図１のパルス発生器の入出力特性を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態の回路構成図。
【図５】本発明の第３の実施形態の回路構成図。
【図６】従来の自動電圧調整器の回路構成図。
【図７】図６のパルス発生器の入出力特性を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１…ブラシレス同期発電機、２…遮断機、３…負荷、４…自動電圧調整器、５…直流電源、６…還流ダイオード、７…チョッパ装置、８…電圧検出器、９…電圧指令信号発生器、１０…減算器、１１…演算増幅器、１２…パルス発生器、１３…スイッチング素子、１４…ドライブ回路、１５…界磁抵抗値設定器、１６…直流電源の出力電圧値設定器、１７…最大界磁電流値設定器、１８…最大制御信号演算器、１９…制限器、２０…界磁電圧検出器、２１…界磁電流検出器、２２…界磁抵抗演算器、２３…直流電源の電圧検出器。
【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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