(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに接続されて交流出力電圧を発生する発電体と、前記発電体からの交流出力電圧をＡＣ／ＤＣ変換及び定電圧化を行う全波整流回路と、該全波整流回路にて得られた直流電圧を交流出力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、高調波分を除去して必要な交流出力を得て外部負荷に給電するフィルタ回路と、バッテリと、前記バッテリの直流電圧を昇圧して前記全波整流回路と前記ＤＣ／ＡＣ変換部との間に給電するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＡＣ変換部及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対しては、過負荷を検出した時に制御信号を与えて前記バッテリの直流電圧を昇圧して給電するように制御し、
前記ＤＣ／ＡＣ変換部に対しては、外部負荷電流が定格電流値より大きくなると、出力電圧が徐々に低下するように設定された第１垂下特性と、該第１垂下特性より大きな出力電圧が得られる第２垂下特性とのマップを備え、該第１垂下特性に基づいて制御しているときに、過負荷を検出した時は第２垂下特性に移行して制御し、その後前記第１垂下特性に復帰するように制御する
ことを特徴とするインバータ式発電機。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、全波整流回路の直後の直流電圧が所定電圧以下まで低下したときに負荷が大きいときと判断して作動し、又、当該所定電圧より大きい状態では、不作動となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ式発電機。
【請求項３】
出力電流を検出することにより、誘導負荷起動時の過負荷電流を検出し、負荷が大きいときを判断して前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ式発電機。
【請求項４】
前記バッテリは前記エンジンの始動用モータのバッテリであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載のインバータ式発電機。
【請求項５】
前記バッテリは前記発電体の一部に設けられたバッテリ充電コイルに接続されていることを特徴とする請求項４に記載のインバータ式発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流発電体の交流出力を全波整流し直流出力とした後、インバータにより任意周波数に変換して交流出力を取り出すインバータ式発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からこの種のものとしては、特許第２９３４６７５号公報に記載されたようなものがある。
【０００３】
このインバータ式発電機によれば、各々独立した複数の出力巻線とそれに対応したサイリスターブリッジ整流回路、およびその各整流出力を平滑化して直列または並列接続に切り替えて重畳する重畳回路を設置し、例えば海外において交流２４０Ｖ、又は、交流１２０Ｖの電圧を必要とする場合には、前記整流出力を並列に接続しインバーターを介して交流出力１２０Ｖを得、或いは、前記整流出力を直列に接続しインバーターを介して交流出力２４０Ｖを得るものがある。
【０００４】
従って、このシステムによれば、１）整流回路の出力電圧を直列に重畳することにより高電圧を得る（２４０Ｖ）ため、回路部品の耐電圧を低く押さえることができ、コスト低減ができ、また出力の定電圧制御を簡単にできる。
２）又高電圧でのスイッチングではないため電力損失が少なく発電効率を高められる。
【０００５】
３）各整流出力を平滑して直列または並列接続に切り替えて重畳する重畳回路を設置を設置しているため、仕向地の異なる製品を同一の設計とすることができる。
【０００６】
また、他の従来技術としては、特開２０００−２７８９９８号公報に記載されたようなものがある。
【０００７】
このエンジン駆動溶接機は、エンジンで駆動される発電体に複数の発電巻線を巻き、エンジンの高速回転時には各発電巻き線を切り替え回路を介して並列に接続し、又、エンジンの低速回転時には発生電圧が低下した分を補うために、切り替え回路を介して直列に接続し、整流回路で直流溶接電源に変換し、直流出力を溶接棒に供給することを特徴とするものである。又、発電体巻き線を中間タップ取り出しとし、高電圧を整流もしくは低電圧を整流することからなるエンジン駆動溶接機を特徴とするものである。
【０００８】
これら両発明は、いずれも複数巻き線の出力を並列もしくは直列に接続して所用のＡＣ出力を得ようとするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のものにあっては、誘導負荷等の起動性を考えた時、エンジン出力と発電体とで決まる最大出力以上の起動性は得る事ができなかった。
【００１０】
従って、誘導負荷等の起動性を重要視した顧客については、それに見合ったエンジン出力の発電機を提供しているが、通常運転時はそれ程大きなエンジン出力が必要ないことから、発電機自体の重量が必要以上に増加してしまう、という問題があった。
【００１１】
そこで、この発明は、発電機自体の重量を高めることなく、エンジン出力と発電体とで決まる最大出力以上の起動性を得ることができるインバータ式発電機を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、エンジンに接続されて交流出力電圧を発生する発電体と、前記発電体からの交流出力電圧をＡＣ／ＤＣ変換及び定電圧化を行う全波整流回路と、該全波整流回路にて得られた直流電圧を交流出力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、高調波分を除去して必要な交流出力を得て外部負荷に給電するフィルタ回路と、バッテリと、前記バッテリの直流電圧を昇圧して前記全波整流回路と前記ＤＣ／ＡＣ変換部との間に給電するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＡＣ変換部及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対しては、過負荷を検出した時に制御信号を与えて前記バッテリの直流電圧を昇圧して給電するように制御し、前記ＤＣ／ＡＣ変換部に対しては、外部負荷電流が定格電流値より大きくなると、出力電圧が徐々に低下するように設定された第１垂下特性と、該第１垂下特性より大きな出力電圧が得られる第２垂下特性とのマップを備え、該第１垂下特性に基づいて制御しているときに、過負荷を検出した時は第２垂下特性に移行して制御し、その後前記第１垂下特性に復帰するように制御するインバータ式発電機としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、全波整流回路の直後の直流電圧が所定電圧以下まで低下したときに負荷が大きいときと判断して作動し、又、当該所定電圧より大きい状態では、不作動となるように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、出力電流を検出することにより、誘導負荷起動時の過負荷電流を検出し、負荷が大きいときを判断して前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させるように設定されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一に記載の構成に加え、前記バッテリは前記エンジンの始動用モータのバッテリであることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の構成に加え、前記バッテリは前記発電体の一部に設けられたバッテリ充電コイルに接続されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
［発明の実施の形態１］
図１乃至図７は、この発明の実施の形態１を示す図である。
【００１９】
まずこの発明のインバータ式発電機の構成を説明すると、図２中符号１１はエンジンで、このエンジン１１にキャブレター１２及びエアクリーナ１３が接続され、そのキャブレター１２にはステッピングモータ１４が設けられ、このステッピングモータ１４を駆動されることにより、スロットル開度が制御されるようになっている。
【００２０】
また、そのエンジン１１には、多極式発電体１６が接続され、この多極式発電体１６にコントロールユニット１７が接続され、このコントロールユニット１７から交流出力が負荷装置１８に供給されるようになっていると共に、このコントロールユニット１７には、エコノミーコントロールスイッチ１９が接続されている。
【００２１】
そのコントロールユニット１７には、図３に示すような、エンジン１１の回転数を検出するエンジン回転数検出部２２が設けられると共に、図３に示すように、特性が記憶された電流・回転数マップ記憶部２３が設けられ、この電流・回転数マップ記憶部２３に前記エコノミーコントロールスイッチ１９が接続されている。
【００２２】
そして、そのエンジン回転数検出部２２及び、電流・回転数マップ記憶部２３がスロットル制御演算部２４に接続され、このスロットル制御演算部２４が前記ステッピングモータ１４を制御するモータドライバ部２５に接続されている。
【００２３】
これにより、エコノミーコントロールスイッチ１９がＯＮの時には、スロットル制御演算部２４は、モータドライバ部２５に制御信号を送り、モータドライバ部２５を介してエンジン回転数（スロットル開度）及びＡＣ出力電流（負荷電流）を、図４中の実線の特性曲線に示す関係となるように出力を制御する。
【００２４】
また、エコノミーコントロールスイッチ１９がＯＦＦの時には、スロットル制御演算部２４は、モータドライバ部２５に制御信号を送り、モータドライバ部２５を介してエンジン回転数（スロットル開度）及びＡＣ出力電流（負荷電流）を、図４中の破線の特性曲線に示す関係となるように出力を制御する。
【００２５】
そして、図５には、燃費とＡＣ出力電流との関係を示し、エコノミーコントロールスイッチ１９がＯＮの時には実線に示すように、又、エコノミーコントロールスイッチ１９がＯＦＦの時には破線に示すようになる。
【００２６】
一方、図１に示すように、前記多極式発電体１６は、全波整流回路２８に接続され、この全波整流回路２８に対して、電解コンデンサ２９とＤＣ／ＡＣ変換部（インバータ回路）３０が並列に接続され、このＤＣ／ＡＣ変換部３０にフィルタ回路３１が接続され、このフィルタ回路３１から出力されるＡＣ電流が図２に示す負荷装置１８に給電されるようになっている。
【００２７】
また、図１中符号３４はバッテリで、このバッテリ３４は始動用リレー３５を介して始動用モータ３６に接続されると共に、このバッテリ３４が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７に接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ３７が、電流逆流防止用ダイオード３８を介して、前記全波整流回路２８と電解コンデンサ２９との間に接続されている。さらに、このバッテリ３４には、多極式発電体１６の一部に設けられたバッテリ充電コイル４２が接続されている。
【００２８】
さらにまた、そのＤＣ／ＤＣコンバータ３７とＤＣ／ＡＣ変換部３０とに制御部４０が接続され、この制御部４０には、電流センサ４１からの出力電流検出値及び、フィルタ回路３１から出力電圧検出値が入力されるようになっている。これらの値に基づいて、制御部４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７及びＤＣ／ＡＣ変換部３０を制御する。
【００２９】
制御部４０は、定格電流に対して十分大きな負荷電流が短時間に増加した場合に（図６参照）、電流センサ４１からの出力電流検出値に基づいて増加比率を検出し、若しくは、その絶対量を検出することにより当該増加を検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７に制御信号を与える。
【００３０】
すなわち、制御部４０は、図１に示す全波整流回路２８の直後の直流電圧（Ｖｄｃ）が所定電圧まで低下したとき、この実施の形態では図６に示すように１７０Ｖ以下まで低下したときを負荷が大きいときと判断してＤＣ／ＤＣコンバータ３７を作動する制御信号を該ＤＣ／ＤＣコンバータ３７に与え、又、１７０Ｖより大きい状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７に制御信号を与えずＤＣ／ＤＣコンバータ３７を不作動とする。なお、直流電圧（Ｖｄｃ）を検出して制御部４０に入力することは図示しない。
【００３１】
制御部４０は、図７に示すようなマップを有し、該マップに従ってＤＣ／ＡＣ変換部３０を制御している。
【００３２】
図７に示すマップは、外部負荷電流が定格電流値より大きくなると、出力電圧が徐々に低下するように設定された第１垂下特性Ａと、この第１垂下特性Ａより大きな出力電圧が得られる第２垂下特性Ｂとを備えている。そして、制御部４０は、その第１垂下特性Ａに基づいて制御中に、過電流を検出した時には第２垂下特性Ｂに移行し、この第２垂下特性Ｂに基づいて５秒間制御した後、第１垂下特性Ａに復帰して制御するように構成されている。
【００３３】
第１垂下特性Ａは、実負荷特性に合わせて、当該エンジン１１の能力の限界で、巻き込みがないよう滑らかに３．０ｋＷの出力点を結んだ特性とされている。すなわち、図８に示すように、例えば、エンジン出力が３．０ｋＷとなるように、負荷電流の定格電流値が２５Ａでは出力電圧値が１２２Ｖ、負荷電流が３０Ａでは出力電圧値が１００Ｖ、負荷電流が４０Ａでは出力電圧値が７０Ｖとなるように設定されている。
【００３４】
また、第２垂下特性Ｂは、例えば、エンジン出力（３．０ｋＷ）とバッテリ出力（０．３ｋＷ）とを加算した出力（３．３ｋＷ）となるように、負荷電流が３０Ａでは出力電圧値が１１６Ｖ、負荷電流が４０Ａでは出力電圧値が８７Ｖとなるように設定されている。
【００３５】
上記構成において、第１垂下特性Ａに基づく制御のみでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７がいかに効率よく補助しても、エンジン出力である３．０ｋＷを越えることがなく、起動性が今一つ良好でなかった。しかし、この発明の制御部４０によれば、第１垂下特性Ａに基づく制御中に過電流を検出した時には、第２垂下特性Ｂに移行するようにすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７からの補助分を効率よく、第１垂下特性Ａに上乗せすることができ、より起動性を向上させることができる。
【００３６】
制御部４０は、第１垂下特性Ａから第２垂下特性Ｂに移行し、第２垂下特性Ｂにて制御する時間を数秒、ここでは５秒に設定され、５秒後に第１垂下特性Ａに復帰して制御を行うように構成されている。これは、エアコン等を起動させるのは５秒もあれば十分であると共に、出力の大きな状態が長時間続くのを防止し、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の素子に大きな負荷が掛からないようにしている。
【００３７】
なお、過負荷の状態は、過電流の状態、直流電圧の低下、エンジン回転数の低下等を検出することにより、認識することができる。
【００３８】
次に、作用について説明する。
【００３９】
エンジン１１の駆動により、多極式発電体１６が駆動されて交流出力電圧が発生し、この発電体１６からの交流出力電圧は、全波整流回路（サイリスターブリッジ整流回路）２８で整流された後、電解コンデンサ２９にて平滑にされる。これにより実使用回転領域において必要な直流電圧が得られる。
【００４０】
そして、この直流電圧は、ＤＣ／ＡＣ変換部３０により交流出力とされた後、フィルタ回路３１によって高調波分を除去して必要な交流出力が得られる。また、フィルタ回路３１の出力電圧を検出し、制御部４０に帰還させることで出力電圧の安定化をはかることができる。
【００４１】
同時に、起動性を必要とする負荷装置１８が接続され、図６に示すように１７０Ｖ以下まで低下したとき、定格電流に対して十分大きな負荷電流が短時間に増加した場合に、制御部４０は、負荷が大きいときと判断してＤＣ／ＤＣコンバータ３７を作動する制御信号を該ＤＣ／ＤＣコンバータ３７に与え、又、１７０Ｖより大きい状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７を不作動とする。
【００４２】
なお、同一の機能を達成するために、出力電流検出により、誘導負荷起動時の過負荷電流を検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７を駆動させることも可能である。
【００４３】
そして、制御部４０の制御信号によりＤＣ／ＤＣコンバータ３７が作動されると、バッテリ３４の直流電圧をそのＤＣ／ＤＣコンバータ３７にて昇圧し、電解コンデンサ２９に蓄電することにより、ＤＣ／ＡＣ変換部３０により変換されるエネルギーが増大される。
【００４４】
従って、これにより従来エンジン出力と発電体とで決まってしまっていた最大出力以上の起動性を得ることができる。
【００４５】
特に、セルスタータ付エンジン携帯発電機に搭載している始動用モータ３６は通常、直流直巻型モータであり、１２Ｖのバッテリ３４を使用し、エンジン１１を起動している。従って、この既存のバッテリ３４の電力を起動頻度の少ない誘導性負荷（トラベルトレーラのエアコン等）の起動に使うことにより、別途バッテリを用意することなく、既存のバッテリ３４の有効利用を図ることができる。
【００４６】
一方、エコノミーコントロールスイッチ１９をＯＮにした場合には、ＡＣ出力電流が少ない（軽負荷）場合に、エンジン回転数を下げて、低騒音・低燃費とすることができる。また、エコノミーコントロールスイッチ１９をＯＦＦにした場合には、ＡＣ出力電流が０アンペアから定格電流まで、エンジン回転数を一定に制御することができる。発電機の使用負荷の特性によっては、この方が使い勝手が良い場合がある。例えば、負荷電流が頻繁に変わる電動グラインダ使用時等である。
【００４７】
さらに、通常エンジン発電機運転時には、多極式発電体１６の一部に形成されたバッテリー充電コイル４２によって常時バッテリ３４を充電する。
【００４８】
そして、エンジン始動時及び上記起動電力の大きな誘導性負荷を起動するときには、このバッテリ３４を電源として電力を供給する。
【００４９】
このようにすれば、小型の出力のエンジン１１と小型の多極式発電体１６を使い、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７を付加することにより、誘導性負荷の起動性能を向上させることができる。
【００５０】
従って、起動電力の大きな誘導性負荷の起動を特に必要とする顧客に対して、軽量のエンジン発電機を提供できる。すなわち、従来、誘導負荷等の起動性を重要視した顧客については、それに見合ったエンジン出力の発電機を提供していたが、この発明によればエンジン出力が１ランク小さいものでも起動が可能となり、発電機の軽量化が可能となる。
【００５１】
しかも、所定電圧より低下したときにＤＣ／ＤＣコンバータ３７を作動させるように設定すると、通常運転領域では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７が動作しない領域を設けることが可能となるため、バッテリ３４の放電を防止できると共に、過負荷領域においてＤＣ／ＤＣコンバータ３７による電力のアシストを行うことができる。
【００５２】
なお、手動式スタータのみでエンジン１１を始動させるものにおいても、エンジン１１のバッテリ充電コイル４２によって少しずつ充電される、あるいは商用電源を利用する充電器により充電されるバッテリ３４を搭載させ、このバッテリ３４の出力を、起動電力の大きな誘導負荷を起動する場合に、エンジン１１による多極式発電体１６による出力に加えることにより、誘導負荷の起動性能を高めることができる。一方、上記のように始動モータ３６を搭載するインバータ式発電機においては、バッテリ３４にエンジン１１始動用及び誘導負荷の起動性能向上用の両方の機能を持たせることができる。
【００５３】
［発明の実施の形態２］
図８には、発明の実施の形態２を示す。
【００５４】
この実施の形態２は、バッテリ３４に直列にバッテリ４３が接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７への入力電圧が２４Ｖとなり、実施の形態１の入力電圧より高くなる。
【００５５】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７の電流容量を低く押さえることができるため、１次側における熱損失を低減し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７の小型化が可能となり、軽量化とコスト低減が可能となる。
【００５６】
他の構成及び作用は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００５７】
なお、上記実施の形態では、全波整流回路２８の直後の直流電圧や出力電流を検出することにより、負荷が大きいか否かを判断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７を制御するようにしているが、これに限らず、例えば負荷装置がポンプ等の場合に、スイッチを入れた直後は、負荷が大きいと判断して、電流や電圧を検知することなく、スイッチを入れたことをトリガとして、ＤＣ／ＤＣコンバータを所定時間作動させることもできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載の発明によれば、エンジン出力と発電体とで決まってしまっていた最大出力以上の起動性を得ることができる。従って、従来、誘導負荷等の起動性を重要視した顧客については、それに見合ったエンジン出力の発電機を提供していたが、当システムによればエンジン出力が１ランク小さいものでも起動が可能となり、発電機の軽量化が可能となり、また、負荷が大きいときにＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、バッテリからの直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにて昇圧して供給するようにしているため、バッテリの放電を防止でき、さらに、全波整流回路の直後の直流電圧や発電機の出力電流を検出することにより、負荷の大きさを判断しているため、負荷の大きさをより適切に判断することができ、さらにまた、過負荷の時に、第１垂下特性に基づく制御から、第２垂下特性による制御に移行するようにすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータからの補助分を効率よく、第１垂下特性に上乗せすることができ、より起動性を向上させることができる。
【００５９】
請求項２、３に記載の発明によれば、上記効果に加え、全波整流回路の直後の直流電圧や発電機の出力電流を検出することにより、負荷の大きさを判断しているため、負荷の大きさをより適切に判断することができる。
【００６０】
請求項４に記載の発明によれば、上記効果に加え、バッテリをエンジンの始動用モータのバッテリとすることにより、別途バッテリを用意することなく、既存のバッテリを有効に利用できる。
【００６１】
請求項４に記載の発明によれば、上記効果に加え、バッテリは発電体の一部に設けられたバッテリ充電コイルに接続されているため、エンジン駆動中に当該バッテリを充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１にかかるインバータ式発電機の回路図である。
【図２】  同実施の形態１にかかるインバータ式発電機の概略図である。
【図３】  同実施の形態１にかかるインバータ式発電機のコントロールユニット内の制御ブロック図である。
【図４】  同実施の形態１にかかるグラフ図で、エコノミースイッチがＯＮ又はＯＦＦの場合における、スロットル開度及びエンジン回転数と、ＡＣ出力電流との関係を示すグラフ図である。
【図５】  同実施の形態１にかかるグラフ図で、エコノミースイッチがＯＮ又はＯＦＦの場合における、燃費と、ＡＣ出力電流との関係を示すグラフ図である。
【図６】  同実施の形態１にかかる全波整流後の直流電圧とＡＣ出力電流との関係を示すグラフ図である。
【図７】  この発明の実施の形態１にかかる制御用の垂下特性を示すグラフ図である。
【図８】  この発明の実施の形態２にかかる図１に相当するインバータ式発電機の回路図である。
【符号の説明】
11  エンジン
16  多極式発電体（発電体）
17  コントロールユニット
28  全波整流回路
29  電解コンデンサ
30  ＤＣ／ＡＣ変換部
31  フィルタ回路
34,34  バッテリ
36  始動用モータ
37  ＤＣ／ＤＣコンバータ
38  電流逆流防止用ダイオード
40  制御部
42  バッテリ充電コイル
Ａ  第１垂下特性
Ｂ  第２垂下特性
【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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【図８】
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