(57)【要約】      （修正有）【課題】外部負荷に応じた仕様に的確に対応することができ、併せてマイコンの信頼性を確保すると共にコスト低減も図り得るインバータ発電機を提供する。【解決手段】三相発電機で発電した交流を直流に交換するコンバータ１６と、コンバータ１６で変換された直流を交流に変換するインバータ２０と、インバータ２０で交換した交流の波形を整えるフィルタとを備えて、三相交流または単相交流を出力するインバータ発電機において、インバータ発電機におけるインバータ２０として、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート駆動回路を集積させたＩＰＭ(インテリジェントパワーモジュール)を使用することにより、マイコン２６によるディジタル制御を可能にすると共に、回路設計および組み立ての自由度を向上させた。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
三相発電機(10)で発電した交流を直流に交換するコンバータ(16)と、前記コンバータ(16)で変換された直流を交流に変換するインバータ(20)と、前記インバータ(20)で交換した交流の波形を整えるフィルタ(25)とを備えて、三相交流または単相交流を出力するインバータ発電機において、
前記インバータ(20)は、パワー半導体をオン／オフ制御するゲートドライバを内蔵したＩＰＭである
ことを特徴とするインバータ発電機。
【請求項２】
前記ゲートドライバを内蔵したインバータ(20)は、マイクロコンピュータ(26)によりディジタル制御がなされる請求項１記載のインバータ発電機。
【請求項３】
前記三相発電機(10)は、エンジンその他の回転駆動源に接続して回転駆動される請求項１または２に記載のインバータ発電機。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この考案は、インバータ発電機に関するものであって、更に詳細には、直流を交流に変換するインバータのパワー半導体にゲート制御素子を集積させると共に、マイコンによるディジタル制御を行うようにしたもので、インバータユニットとコンバータユニットとの回路的な分離を容易にし、かつ接続される負荷の仕様変更に容易に対応可能にしたＩＰＭ(インテリジェントパワーモジュール)を搭載したインバータ発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、可搬式のエンジン発電機が民生用に広く使用され、また半固定式や据付け式の大型エンジン発電機が建築設備、病院設備その他工業用途で有効に使用されている。これらのエンジン発電機は、例えば三相発電機に回転駆動源としてのガソリンエンジンを接続し、これにより該発電機を回転させて発電するものである。そして最近のエンジン発電機では、出力される三相交流や単相交流における周波数の乱調を防ぐためインバータの搭載方式に多くが切り換わっている。
【０００３】
前記インバータを搭載した発電機(以下インバータ発電機という)の一例を図３に示す。参照符号１０は、１２０度の位相角で配置した３つの電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを有する三相交流発電機を示している。この三相交流発電機１０は、ガソリンエンジン等の回転駆動源(図示せず)に接続し、該駆動源により回転駆動されて三相交流を発電する。前記三相交流発電機１０で発電された三相交流は、サイリスタやトライアック等の整流素子を備えたコンバータ１６に入力され、該コンバータ１６で直流に変換される。前記コンバータ１６で変換された直流は、電解コンデンサ１８で平滑された後に、その下流側に設けたインバータ２０で交流に変換される。前記インバータ２０は、例えばＩＧＢＴ(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の如きパワーＭＯＳＦＥＴの自己消弧形スイッチング素子からなり、そのゲートをゲート駆動素子(ゲートドライバ)により駆動して直流のオン／オフ切換えをすることで、該直流を交流に変換している。
【０００４】
図３に示すインバータ発電機におけるコンバータ１６およびインバータ２０は、図示しない制御ユニットに内蔵した各種回路によって電気的な制御がなされる。また図３に示す三相交流発電機１０は、マスター電機子巻線１０ａとスレーブ電機子巻線１０ｂとを有し、最終的に三相交流を出力するものである。このため前記コンバータ１６は、前記マスター巻線１０ａが発電した三相交流を直流に変換する第１コンバータ１６ａと、前記スレーブ巻線１０ｂが発電した三相交流を直流に変換する第２コンバータ１６ｂとから構成される。これら第１および第２コンバータ１６ａ、１６ｂからの各直流は、前記インバータ２０において交流に変換され、得られた交流はコイル２１およびフィルタコンデンサ２２からなる正弦波出力フィルタ２５を夫々介して、Ｕ相端、Ｖ相端およびＷ相端に出力される。
【０００５】
なお、図３に示す回路は三相４線方式のものであって、三相交流発電機１０の回路から引き出した位相０の中性線０に対し、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の端子を夫々共通に接続することで、Ｕ相−Ｗ相、Ｗ相−Ｖ相およびＵ相−Ｖ相の各相間に高い電圧を得るようになっている。例えば、前記三相４線方式では、Ｕ相−Ｗ相、Ｖ相−Ｗ相およびＵ相−Ｖ相に何れも三相のＡＣ２００Ｖが出力され、またＵ相−中性線０、Ｖ相−中性線０およびＷ相−中性線０の各端子に単相のＡＣ１１５Ｖが出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−１１２７２２号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
前記インバータ発電機に使用されるコンバータ１６およびインバータ２０の各電気素子は、従来はアナログ的に電気制御されていた。例えば、前記コンバータ１６における整流素子であるサイリスタは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相毎に個別に直流電圧制御回路によりアナログ制御される。また、前記インバータ２０を構成するＩＧＢＴ(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の各ゲートは、例えばＰＷＭ変調回路からなるゲート駆動回路によりオン／オフするアナログ制御がなされる。
【０００８】
しかし、個々の回路によるアナログ制御は電気処理が冗長化するので、最近はこれに変えて全ての回路を集積したマイクロコンピュータ(マイコン)により、前記コンバータおよびインバータを統合的にディジタル制御する機種が存在する。このマイコンを採用すると、回路の集約化により制御装置が小型でコンパクトなものになる利点がある。
【０００９】
このように、インバータ発電機の制御にマイコンを採用すると多くのメリットがあるが、全ての制御系が１つの基板に集約されることになるので、外部負荷に各種の仕様があるインバータ発電機では、１つのマイコンボードで全てに対応するのが困難である。例えば、インバータ発電機に接続される外部の電気的負荷には各種の階層(電気容量、耐久度等)があるため、その外部負荷に応じた適切な回路系(コンバータユニットやインバータユニット)を個別に用意しなければならない。すなわち、マイコンボードに集積された各種の回路系の中で、１つの回路系が特定の負荷にマッチしないだけで、他の回路系は当該負荷に適合していても、前記マイコンボードの全体を換装しなければならなくなる不都合がある。
【００１０】
図４は、前記マイコンを搭載した制御基板(ボード)２４の概略構成を示すもので、図３に示したインバータ２０、コンバータ１６、正弦波フィルタをなすコイル２１およびフィルタコンデンサ２２並びにマイコン２６等が集約的に設けられている。この制御基板２４は、１基のインバータ発電機に対応的に設けられるものであるが、先に述べたように、特定のインバータ発電機に接続する電気的負荷が該インバータ発電機におけるインバータ２０の電気容量を超えるものになる場合は、他のコンバータ１６の電気容量は適合していても、前記制御基板２４の全てを交換する必要があり不経済である。ここで、前記インバータ２０のゲートをオン／オフするゲート駆動素子(ドライバ)は、前記マイコン２６に搭載されていて、このゲートドライバが該マイコン２６中で占める割合は相当大きいのが実情である。そこで、最近は前記インバータ２０のゲートをオン／オフする機能を該インバータ２０に持たせたＩＰＭ(インテリジェントパワーモジュール)が開発されている。すなわち前記ＩＰＭは、例えば前記インバータ２０におけるパワー半導体であるＩＧＢＴに、該ＩＧＢＴのゲートを高速でオン／オフさせる制御回路(ゲートドライバ)や、該ＩＧＢＴの各種異常(温度、電圧、電流)を検知して自己保護を行う保護回路(バリスタやサーミスタの)をモジュール化させたものである。この場合、前記制御回路(ゲートドライバ)や保護回路は、これが一体に集積化されるパワー半導体(ＩＧＢＴ)の特性に最も適切なものが選択される利点と、前記マイコン２６に集積される回路数を減少させて信頼性を向上させ得る等の利点がある。
【００１１】
従って本考案の目的は、インバータ発電機におけるインバータのパワー半導体に、該パワー半導体のゲートをオン／オフするゲート制御素子(ゲートドライバ)を有するＩＰＭを集約的に内蔵させることで、外部負荷に応じた仕様に的確に対応することができ、併せてマイコンの信頼性を確保すると共にコスト低減も図り得る手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係るインバータ発電機は、
三相発電機で発電した交流を直流に交換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流を交流に変換するインバータと、前記インバータで交換した交流の波形を整えるフィルタとを備えて、三相交流または単相交流を出力するインバータ発電機において、
前記インバータは、パワー半導体をオン／オフ制御するゲートドライバを内蔵したＩＰＭであることを要旨とする。
請求項１に係る考案によれば、インバータに接続されるマイコンの過剰な集積度を下げて信頼性を高め、またインバータの制御ユニットとコンバータのパワーユニットとを分離することで回路設計や回路組立ての自由度を向上させることができる。
【００１３】
請求項２に記載の考案では、前記ゲートドライバを内蔵したインバータは、マイクロコンピュータによりディジタル制御がなされることを要旨とする。
【００１４】
請求項３に記載の考案では、前記三相発電機は、エンジンその他の回転駆動源に接続して回転駆動されることを要旨とする。
【考案の効果】
【００１５】
本考案によれば、インバータ発電機におけるインバータにゲート制御素子(ゲートドライバ)を内蔵したＩＰＭを使用したので、該インバータに接続されるマイコンの過剰な集積度を下げて信頼性を高め、また回路設計や組み立てに際して高い効率化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本考案の好適な実施例に係るインバータ発電機を制御ユニットと共に示す全体回路図である。
【図２】本考案の実施例に係るインバータ発電機を採用した場合に、単相出力モデルと三相出力モデルとの制御基板が、多くの部分で共用化し得ることを示す概略図である。
【図３】一般的な三相４線式インバータ発電機の全体構成を示す回路図である。
【図４】インバータ発電機をマイコン制御する場合の従来の制御ブロックの概略説明図である。
【考案を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本考案が好適に実施されるインバータ発電機の全体回路を示すものである。このインバータ発電機の基本構造は、図３に関して説明した通りであるので、同一または等価の部材については同じ参照符号を付して、それらの詳細な説明は省略する。
【００１８】
インバータ発電機の全体回路を示す図１において、三相交流発電機１０、コンバータ１６、インバータ２０および正弦波出力フィルタ２５の基本的な構造は、図３および図４で説明したところと略同じである。但し本考案では、インバータ２０にＩＰＭ(インテリジェントパワーモジュール)を内蔵すると共に、マイコン２６によるディジタル制御を受けるようになっている。
【００１９】
すなわち、図１に示す前記インバータ２０は、パワー半導体であるＩＧＢＴ(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を６個組み合わせてモジュール化したものであるが、各ＩＧＢＴは前記コンバータ１６で変換された直流をオン／オフして交流に変換するためのゲートを有している。そして前記ＩＰＭは、前記ＩＧＢＴのゲートをオン／オフ制御するためのゲート制御素子(ゲートドライバ)や、該ＩＧＢＴの異常を検知して安全を保つ保護素子を備えている。このように本考案のインバータ２０は、前記ＩＧＢＴに前記ＩＰＭをモジュール化させたものである。従って、後述する如く、前記インバータ２０のゲートドライバを開始および停止させる信号はマイコン２６から受けるが、前記ＩＧＢＴのゲートをオン／オフして直流を交流にするゲートドライバの機能は、前記ＩＰＭが独立して備えている。
【００２０】
図１において、符号２８は前記インバータ発電機の制御ユニットを示し、この制御ユニット２８はマイコン２６を内蔵している。前記マイコン２６には、前記コンバータ１６により変換された直流の検出電圧Ｐ２や、前記インバータ２０へ入力される直流の検出電圧Ｐ１が入力される。また、前記マイコン２６には、図示しない操作盤で操作されたリセットＳＷ、電源周波数の選択、電圧調整(レギュレータ)、基板温度の検出、その他の各種コマンド等による信号が入力される。
【００２１】
前記マイコン２６は、前述したように、インバータ２０(ＩＧＢＴ)における前記ＩＰＭに操作信号を出力することで、前記ゲート制御素子のオン／オフ動作を開始させたり、停止させたりするようになっている。また前記マイコン２６は、前記コンバータ１６におけるサイリスタのゲート駆動回路に対する開始・停止の制御信号を出力し、これによりサイリスタのゲートをオン／オフ制御するようになっている。
【００２２】
このように、本考案の実施例に係るインバータ発電機では、前記インバータ２０を構成するＩＧＢＴに前記ＩＰＭがモジュール化されているため、夫々のＩＧＢＴにおけるゲートのオン／オフは該ＩＰＭが有するゲート駆動素子により実行される。すなわち、従来はＩＧＢＴのゲートに対するゲート駆動素子(ゲートドライバ)は前記マイコン２６に集積化されていたが、本考案では該ゲート駆動素子はＩＰＭの機能に組み込まれているので、該マイコン２６の過剰な集積度を抑えて信頼性を向上させることができる。
【００２３】
また、ＩＧＢＴに対するゲート駆動素子をＩＰＭに集積し、該ＩＧＢＴにモジュール化してあるので、例えばインバータ２０の制御ユニットと、コンバータ１６のパワーユニットとを別々の基板に分離させることができる。従って、外部の電気的負荷の容量に応じた仕様変更に伴って行われる部品の交換数を少なくすることができ、また回路設計や組立ての自由度を向上させることができる。
【００２４】
図２は、本考案において前記インバータ２０におけるＩＧＢＴにＩＰＭをモジュール化してゲート駆動素子を付帯させたことで、外部負荷の仕様変更に伴い交換する部品が少なくなったことを、単相出力モデルと三相出力モデルとに分けて略示するブロック図である。すなわち図２(ａ)に示す単相出力モデルと、図２(ｂ)に示す三相出力モデルとでは、前記コンバータ１６用のＳＣＲモジュール基板３２、電源基板３４およびインバータ２０用のモジュール基板３６は２つのモデルに共用することができる。そして、単相３線式の電解コンデンサ基板３８と、同じく単相３線式の出力基板４０とを、三相４線式の電解コンデンサ基板４２と三相４線式の出力基板４４とに相互交換するだけで、単相および三相の出力モデルの何れにも簡単に対応することができる。
【００２５】
本願のインバータ発電機の回転駆動源としては、例えばガソリンや重油を使用するエンジンが想定される。しかし、他にも風力やソーラーパワーを使用した回転駆動源を代替的に使用してもよい。例えば風力によるものとしては、風により回転する風車を回転駆動源として使用できる。また、例えば流下する水力により回転する水車を回転駆動源として使用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１０  三相交流発電機(三相発電機)，１６  コンバータ，２０  インバータ，
２５  正弦波出力フィルタ(フィルタ)，２６  マイコン(マイクロコンピュータ)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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