(57)【要約】【課題】所望の直流電圧を安定して出力することができる発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１は、交流電力を発電する高速発電機１０と、高速発電機１０で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータ２０と、高速発電機１０の誘起電圧と同期した誘起電圧を発生する小型発電機３０と、小型発電機３０で発生する誘起電圧の位相を検出する位相検出回路４０と、位相検出回路４０で検出される位相を基準として、コンバータ２０における電力の変換量を制御する制御信号を生成するゲート信号生成回路５０とを備える。【選択図】図１
2012050237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を発電する第１発電機と、該第１発電機で発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置とを備える発電装置において、
前記第１発電機の誘起電圧と同期した誘起電圧を発生する第２発電機と、
前記第２発電機で発生する誘起電圧の位相を検出する位相検出器と、
前記位相検出器で検出される位相を基準として、前記電力変換装置における電力の変換量を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第１，第２発電機は、固定子と回転子とを備えており、
前記第２発電機は、固定子に対する回転子の位置関係が、前記第１発電機が備える固定子に対する回転子の位置関係に対して予め設定された所定の関係となるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記第２発電機が備える回転子は、前記第１発電機が備える回転子と同軸に取り付けられていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記第２発電機が備える回転子の回転軸は、前記第１発電機が備える回転子の回転軸とベルトにより連結されていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
前記電力変換装置は、前記制御装置によって制御されるスイッチング素子によって構成されるブリッジ整流回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車やオートバイ等の車両、小型航空機等は、エンジン等の動力発生源から伝達される機械的運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置（所謂、オルタネータ）を備えている。このオルタネータは、エンジン等によって駆動される発電機とコンバータと呼ばれる電力変換装置とを備えており、発電機で発電された交流電力を電力変換装置で直流電力に変換して出力する。オルタネータから出力された直流電力はバッテリ等に充電されて、ＥＣＵ（Engine Control Unit）等の制御系機器、前照灯、その他電装部品の電源として用いられる。
【０００３】
図３は、従来の発電装置の要部構成を示すブロック図である。図３に示す通り、従来の発電装置１００は、発電機１１０、コンバータ１２０、位相検出回路１３０、及びゲート信号生成回路１４０を備えており、出力端子Ｔ１０１，Ｔ１０２から外部に直流電力を出力する。発電機１１０は、エンジン等によって駆動されて三相交流電力を発電する。尚、発電機１１０で発電される交流電力は、商用電源の周波数（５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚ）である。
【０００４】
コンバータ１２０は、サイリスタ１２１ａ〜１２１ｆとコンデンサ１２２とを備えており、発電機１１０で発電される三相交流電力を直流電力に変換する。サイリスタ１２１ａ〜１２１ｆは三相全波整流回路を構成しており、ゲート信号生成回路１４０の制御の下で発電機１１０から供給される三相交流電力を整流する。コンデンサ１２２は、サイリスタ１２１ａ〜１２１ｆによって構成される三相全波整流回路に対して並列に接続されており、三相全波整流回路で整流された電力を平滑化する。
【０００５】
位相検出回路１３０は、発電機１１０で発電された三相交流電力の各相の位相を検出する。ゲート信号生成回路１４０は、位相検出回路１３０の検出結果に基づいて、コンバータ１２０をなすサイリスタ１２１ａ〜１２１ｆを点弧角制御するための制御信号を生成する。尚、図３中のＲ１０１〜Ｒ１０３は、発電機１１０の内部配線及び発電機１１０とコンバータ１２０とを接続する３本の接続ケーブルＣ１０１〜Ｃ１０３の抵抗をそれぞれ表している。また。図３中のＬ１０１〜Ｌ１０３は、同内部配線及び同接続ケーブルＣ１０１〜Ｃ１０３のインダクタンスをそれぞれ表している。
【０００６】
上記構成において、エンジン等により発電機１１０が駆動されると三相交流電力が発電される。発電された三相交流電力は、接続ケーブルＣ１０１〜Ｃ１０３を介してコンバータ１２０に入力される。そして、サイリスタ１２１ａ〜１２１ｆによって構成される三相全波整流回路によって整流された後にコンデンサ１２２で平滑化され、これにより端子Ｔ１０１，Ｔ１０２から直流電力が出力される。
【０００７】
ここで、コンバータ１２０に入力される三相交流電圧の各相の位相が位相検出回路１３０によって検出され、その検出結果がゲート信号生成回路１４０に入力される。すると、この検出結果に基づいてサイリスタ１２１ａ〜１２１ｆを点弧角制御するための制御信号がゲート信号生成回路１４０で生成されてサイリスタ１２１ａ〜１２１ｆに出力され、これによりサイリスタ１２１ａ〜１２１ｆが点弧角制御される。かかる制御により、出力端子Ｔ１０１，Ｔ１０２間に現れる電圧を所望の電圧にすることができる。尚、点弧角制御を行う従来の回路の詳細については、例えば以下の特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１４４５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図３に示す発電装置において、出力端子Ｔ１０１，Ｔ１０２間に負荷が接続されていない場合には、発電機１１０の内部配線及び接続ケーブルＣ１０１〜Ｃ１０３に電流が流れず、インダクタンスＬ１０１〜Ｌ１０３による位相ずれが生じない。このため、発電機１１０で誘起される三相交流電圧とコンバータ１２０に入力される三相交流電圧とは同相である。
【００１０】
しかしながら、出力端子Ｔ１０１，Ｔ１０２間に負荷が接続されると、発電機１１０の内部配線及び接続ケーブルＣ１０１〜Ｃ１０３に電流が流れることによって、コンバータ１２０に入力される三相交流電圧は、発電機１１０で誘起される三相交流電圧に対して位相がずれてしまう。コンバータ１２０をなすサイリスタ１２１ａ〜１２１ｆの点弧角制御は、コンバータ１２０に入力される三相交流電圧の位相がゼロになる点（ゼロクロス点）を基準として行われているため、上記の位相ずれが生ずると出力端子Ｔ１０１，Ｔ１０２間に安定した直流電圧が出力されなくなるという問題がある。
【００１１】
ここで、図３に示す発電機１１０は、商用電源の周波数程度の低い周波数の三相交流を発電するものであったため上記の問題は殆ど顕在化しなかった。しかしながら、発電機が商用電源の周波数よりも高い周波数の交流電力を発電する高速発電機である場合には、以上の問題が顕在化してしまい、出力端子Ｔ１０１，Ｔ１０２間に出力される直流電圧の不安定性が大きな問題になると考えられる。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の直流電圧を安定して出力することができる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の発電装置は、交流電力を発電する第１発電機（１０）と、該第１発電機で発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置（２０）とを備える発電装置（１）において、前記第１発電機の誘起電圧と同期した誘起電圧を発生する第２発電機（３０）と、前記第２発電機で発生する誘起電圧の位相を検出する位相検出器（４０）と、前記位相検出器で検出される位相を基準として、前記電力変換装置における電力の変換量を制御する制御装置（５０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の発電装置は、前記第１，第２発電機が、固定子と回転子とを備えており、前記第２発電機は、固定子に対する回転子の位置関係が、前記第１発電機が備える固定子に対する回転子の位置関係に対して予め設定された所定の関係となるよう設定されていることを特徴としている。
また、本発明の発電装置は、前記第２発電機が備える回転子が、前記第１発電機が備える回転子と同軸に取り付けられていることを特徴としている。
また、本発明の発電装置は、前記第２発電機が備える回転子の回転軸が、前記第１発電機が備える回転子の回転軸とベルトにより連結されていることを特徴としている。
また、本発明の発電装置は、前記電力変換装置が、前記制御装置によって制御されるスイッチング素子（２１ａ〜２１ｆ）によって構成されるブリッジ整流回路を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１発電機の誘起電圧と同期した誘起電圧を発生する第２発電機を設け、第２発電機で発生する誘起電圧の位相を基準として電力変換装置における電力変換量を制御しているため、所望の直流電圧を安定して出力することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による発電装置の要部構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による発電装置の高速発電機に対する小型発電機の取り付け態様の一例を示す図である。
【図３】従来の発電装置の要部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による発電装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による発電装置の要部構成を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の発電装置１は、高速発電機１０（第１発電機）、コンバータ２０（電力変換装置）、小型発電機３０（第２発電機）、位相検出回路４０（位相検出器）、及びゲート信号生成回路５０（制御装置）を備えており、出力端子Ｔ１，Ｔ２から外部に直流電力を出力する。
【００１７】
高速発電機１０は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを有しており、エンジン等によってロータが回転駆動されることにより、商用電源の周波数よりも高い周波数を有する三相交流電力を発電する。尚、一定の回転数で高速発電機１０を駆動すれば周波数が一定である三相交流電力が高速発電機１０で発電され、回転数を可変すればその回転数に応じた周波数を有する三相交流電力が高速発電機１０で発電される。
【００１８】
コンバータ２０は、サイリスタ２１ａ〜２１ｆ（スイッチング素子）とコンデンサ２２とを備えており、高速発電機１０で発電される三相交流電力を直流電力に変換する。サイリスタ２１ａ〜２１ｆは三相全波整流回路（ブリッジ整流回路）を構成しており、ゲート信号生成回路５０の制御の下で高速発電機１０から供給される三相交流電力を整流する。コンデンサ２２は、サイリスタ２１ａ〜２１ｆによって構成される三相全波整流回路に対して並列に接続されており、三相全波整流回路で整流された電力を平滑化する。
【００１９】
小型発電機３０は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを有しており、高速発電機１０と同様にエンジン等によってロータが回転駆動されることにより、高速発電機１０の誘起電圧と同期した誘起電圧を発生する。ここで、小型発電機３０は、ステータに対するロータの位置関係が、高速発電機１０が備えるステータに対するロータの位置関係に対して予め設定された所定の関係となるよう設定されている。例えば、高速発電機１０に設けられたロータの磁極とステータの磁極とが最近接するときに、小型発電機３０に設けられたロータの磁極及びステータの磁極も最近接するように設定されている。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態による発電装置の高速発電機に対する小型発電機の取り付け態様の一例を示す図である。図２（ａ）では、高速発電機１０のロータと小型発電機３０のロータとが同じ回転軸ＡＸに取り付けられている態様が図示されている。かかる態様では、回転軸ＡＸが回転することにより、高速発電機１０のロータと小型発電機３０のロータとが常に同じ位置関係をもって同方向に同速度で回転する。
【００２１】
これに対し、図２（ｂ）では、高速発電機１０が備えるロータの回転軸ＡＸ１と小型発煙記３０が備えるロータの回転軸ＡＸ２とがベルトＢにより連結されている態様が図示されている。かかる態様では、回転軸ＡＸ１が回転することにより、ベルトＢで連結された回転軸ＡＸ２も回転軸ＡＸ１の回転量と同じだけ回転されるため、高速発電機１０のロータと小型発電機３０のロータとが常に同じ位置関係をもって同方向に同速度で回転する。
【００２２】
位相検出回路４０は、小型発電機３０で発生する誘起電圧（三相交流電圧）の各相の位相を検出する。ゲート信号生成回路５０は、位相検出回路４０で検出される位相を基準として、コンバータ２０における電力の変換量（交流電力から直流電力への変換量）を制御する。具体的には、小型発電機３０で発生する誘起電圧の位相がゼロになる点（ゼロクロス点）を基準として、コンバータ２０をなすサイリスタ２１ａ〜２１ｆを点弧角制御するための制御信号を生成する。
【００２３】
尚、図１中のＲ１〜Ｒ３は、高速発電機１０の内部配線及び高速発電機１０とコンバータ２０とを接続する３本の接続ケーブルＣ１〜Ｃ３の抵抗をそれぞれ表している。また。図１中のＬ１〜Ｌ３は、同内部配線及び同接続ケーブルＣ１〜Ｃ３のインダクタンスをそれぞれ表している。ここで、小型発電機３０の内部配線及び小型発電機３０と位相検出回路４０とを接続する接続ケーブルにも抵抗及びインダクタンスが存在するが、これらに流れる電流が小さいため無視することができる。
【００２４】
上記構成において、エンジン等により高速発電機１０が駆動されると三相交流電力が発電される。発電された三相交流電力は、接続ケーブルＣ１〜Ｃ３を介してコンバータ２０に入力される。そして、サイリスタ２１ａ〜２１ｆによって構成される三相全波整流回路によって整流された後にコンデンサ２２で平滑化され、これにより端子Ｔ１，Ｔ２から直流電力が出力される。
【００２５】
また、高速発電機１０の駆動とともに小型発電機３０も駆動され、高速発電機１０の誘起電圧と同期した誘起電圧が小型発電機３０から発生される。この誘起電圧は位相検出回路４０に入力され、小型発電機３０で発生した誘起電圧（三相交流電圧）の各相の位相が検出され、その検出結果がゲート信号生成回路５０に入力される。すると、この検出結果で示されるゼロクロス点を基準としてサイリスタ２１ａ〜２１ｆを点弧角制御するための制御信号がゲート信号生成回路５０で生成されてサイリスタ２１ａ〜２１ｆに出力され、これによりサイリスタ２１ａ〜２１ｆが点弧角制御される。かかる制御により、コンバータ２０おける電力の変換量（交流電力から直流電力に変換される電力の変換量）が制御され、出力端子Ｔ１，Ｔ２間に現れる電圧を所望の電圧にすることができる。
【００２６】
以上の通り、本実施形態では、高速発電機１０の誘起電圧と同期した誘起電圧を発生する小型発電機３０を設け、この小型発電機３０で発生する誘起電圧の位相（ゼロクロス点）を基準としてコンバータ２０をなすサイリスタ２１ａ〜２１ｆを点弧角制御している。このため、高速発電機１０の内部配線及び接続ケーブルＣ１〜Ｃ３のインダクタンスＬ１〜Ｌ３によってコンバータ２０に入力される三相交流電圧の位相ずれが生じても、出力端子Ｔ１，Ｔ２間に所望の電圧を安定して出力することができる。
【００２７】
以上、本発明の一実施形態による発電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、サイリスタ２１ａ〜２１ｆによって構成される三相全波整流回路がコンバータ２０に設けられている例について説明した。しかしながら、サイリスタ２１ａ〜２１ｆに代えてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ゲート隔離型バイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１                発電装置
１０              高速発電機
２０              コンバータ
２１ａ〜２１ｆ    サイリスタ
３０              小型発電機
４０              位相検出回路
５０              ゲート信号生成回路
【図１】
2012050237.tif 000003
【図２】
2012050237.tif 000004
【図３】
2012050237.tif 000005