(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体整流素子の導通を制御することによって交流を直流に変換されるコンバータ回路と前記直流を所定周波数の交流に変換するインバータ回路とからなるインバータ装置を２系統有する発電機において、
前記２系統のインバータ装置を直列または並列に接続を切換える直列・並列切換手段と、
前記２系統のインバータ装置のうちの一方について出力端子間の第１の抵抗分圧およびアースラインを基準とした第２の抵抗分圧の差を検出する分圧差検出手段と、
前記抵抗分圧の差がしきい値以上であった場合に漏電検出信号を出力する判別手段とを具備したことを特徴とする発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機に関し、特に、２系統のインバータ装置を有するデュアル・ボルテージ・インバータを備えた発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流を所望周波数の交流に変換するインバータ装置を備えた発電機が知られており、さらに、一つの発電機に２台のインバータ装置を設け、これらを並列接続することによって２倍の電力を得るようにした発電機も知られている。例えば、特開平８−２０５５４３号公報には、２台のインバータ装置を安定的に並列運転できるようにしたインバータの運転装置が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記インバータ装置を有する発電機において、２段階の出力電圧を得たいという要請がある。インバータ装置を有する発電機において、整流器の出力つまりインバータ回路に入力される直流電圧を２段階に切換えることで、例えば１２０ボルトと２４０ボルトの２種類（２段階）の交流出力電圧を得ることが可能である。
【０００４】
しかし、このように直流電圧を２段階で切換える場合、インバータの耐圧や出力電流容量は、高い方の出力電圧つまり上述の例では２４０ボルトに対応させなければならないため、インバータ回路が大型化するし、電解コンデンサやチョークコイル等のいわゆるパワー部品も大型化する。
【０００５】
そこで、２台のインバータ装置を直列運転することによって２段階の交流出力電圧を得ることが考えられる。図８は２台のインバータ装置を直列接続して交流を得る場合の接続図である。図８に示すように、発電機Ｇで発電された電力に基づいて１２０Ｖの交流を出力することができるインバータ装置Ａ，Ｂを直列接続することによって、１２０Ｖと２４０Ｖの２段階の出力電圧を得ることができる。
【０００６】
ところで、このように２系統のインバータ装置を接続した場合、各系統について漏電遮断器を設けなければならない。図９は従来の漏電遮断器を組み込んだ発電機の構成を示す回路図である。同図において、発電機１００の出力側には漏電遮断器１１０が設けられ、この漏電遮断器１１０を介して電力取出用のコンセント１２０が接続されている。漏電遮断器１１０には、検出部１２１および動作部１２２が設けられている。検出部１２１は発電機１００の出力線上に設けられた変流器（ＺＣＴ）１２１ａおよび発振コイル１２１ｂ、ならびにこれらの検出信号に基づいて前記動作部１２２のリレーコイル１２２ａを付勢する制御部１２１ｃを有している。動作部１２２の接点１２２ｂは「通常閉」であり、制御部１２１ｃによってリレーコイル１２２ａが付勢されると「開」となる。
【０００７】
前記漏電遮断器１１０は一体のユニットとして製造・販売されているため大型・高価であり、これを外付けすると発電機全体の大型化を招く。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、２系統のインバータ装置のいずれで漏電が生じた場合にもそれを検出することができる小型簡易かつ低価な漏電遮断装置を有する発電機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し、目的を達成するための本発明は、インバータ装置を有する発電機において、前記インバータ装置の出力端子間の第１の抵抗分圧およびアースラインを基準とする第２の抵抗分圧の差を検出する分圧差検出手段と、前記抵抗分圧の差がしきい値以上であった場合に漏電検出信号を出力する判別手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、２系統のインバータ装置を有する発電機において、前記２系統のインバータ装置を直列または並列に接続を切換える直列・並列切換手段と、前記２系統のインバータ装置のうちの一方について出力端子間の第１の抵抗分圧およびアースラインを基準とする第２の抵抗分圧の差を検出する分圧差検出手段と、前記抵抗分圧の差がしきい値以上であった場合に漏電検出信号を出力する判別手段とを具備した点に第２の特徴がある。
【００１１】
第１の特徴によれば、漏電が発生した場合に、前記２つの抵抗分圧に違いが生じるので、この違いが予定値以上あった場合に漏電検出信号が出力される。また、第２の特徴によれば、２系統のインバータ装置を備えた場合であっても、いずれかの出力端子に関して前記抵抗分圧を検出することによって、２系統の出力段のどこで漏電が生じた場合にも、それを検出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係る正弦波インバータ発電機（以下、単に「発電機」という）の構成を示すブロック図である。同図において、発電機１は、エンジン２と、エンジン２で駆動される発電機本体３と、発電機本体３の出力を正弦波に変換する２系統のインバータ装置４，５と、インバータ装置４，５の出力を直列または並列に接続する直列・並列切換部６とを有する。すなわち、インバータ装置４，５の出力端子Ｔ４１，Ｔ４１ならびにＴ５１，Ｔ５１は直列・並列切換部６を介して外部端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に引き出される。
【００１３】
発電機本体３は固定子に巻回された３相出力巻線（図示しない）を有している。この３相出力巻線に対応して多極の永久磁石からなる回転子（図示しない）が設けられ、この回転子はエンジン２によって回転される。
【００１４】
インバータ装置４は、サイリスタ回路４００ａおよびコンデンサ４００ｂを含む直流電源回路すなわちコンバータ回路４００、ならびにインバータ回路４０１およびフィルタ回路４０２からなるパワー部と、発電機本体３の出力を正弦波変換する制御部４１とを備える。同様に、インバータ装置５は、サイリスタ回路５００ａおよびコンデンサ５００ｂを含む直流電源回路５００、ならびにインバータ回路５０１およびフィルタ回路５０２からなるパワー部と、発電機本体３の出力を正弦波変換する制御部５１とを備える。
【００１５】
また、インバータ装置４，５の出力電圧および出力電流を測定するための電圧検出回路７，８と電流検出回路９，１０とが設けられている。制御部４１，５１はマイクロコンピュータで構成され、互いに通信線１１で繋がれている。通信線１１を通じて、インバータ装置４，５を互いに同期運転するための制御信号および同期信号等が送受される。
【００１６】
サイリスタ回路４００ａ，５００ａは、半導体整流素子であるサイリスタをブリッジに組んだものであり、該サイリスタの導通を制御することによって発電機本体３から入力される高周波の３相交流を整流する。整流によって得られた直流の電圧はサイリスタ回路４００ａ，５００ａに含まれるサイリスタの導通角によって制御される。すなわち、予め設定された目標値よりもコンバータ回路の出力電圧が低い場合は、サイリスタの導通角を増大させる。コンデンサ４００ｂ，５００ｂはサイリスタ回路４００ａ，５００ａで整流された出力を平滑化する。
【００１７】
制御部４１，５１はいずれか一方がマスタとして、他方がスレーブとして動作する。マスタ／スレーブの関係は予め通信ポートを設定することによって決定されるが、ここでは、制御部４１をマスタ、制御部５１をスレーブとする。エンジン２の回転を制御する電子ガバナ機能はマスタである制御部４１に設けられる。
【００１８】
インバータ回路４０１，５０１は制御部４１，５１からの基準波形信号に従って直流電圧をＰＷＭ変調する。具体的には、フルブリッジ接続された４個のパワーＭＯＳＦＥＴを、制御部４１，５１からのパルス信号に基づいてスイッチングする。インバータ回路４０１，５０１の出力は正弦波成分を含んだ大電力信号である。
【００１９】
フィルタ回路４０２，５０２はインバータ回路４０１，５０１から出力される信号を復調する。具体的には、チョークコイルとコンデンサとで構成されるＬＣのローパスフィルタである。このフィルタ回路４０２，５０２によってＰＷＭ変調の搬送波成分が除去され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの正弦波が出力される。
【００２０】
上記制御部４１，５１の構成を具体的に説明する。図３は制御部の要部構成を示すブロック図であり、図２と同符号は同一または同等部分を示す。なお、制御部４１，５１は一部を除き互いに同一の機能を有するので、ここでは制御部４１を中心にその構成を説明する。但し、制御部４１，５１は互いに連関する機能を有するので、その部分に関しては両者を説明するのはもちろんである。
【００２１】
図３において、エンジン２の出力はスロットル２ａの開度によって制御され、このスロットル２ａの開度は電子ガバナ（図示しない）で制御されるステッピングモータ２ｂによって設定される。すなわち、電子ガバナは、サイリスタ回路４００ａの出力電圧が目標値に一致するように該サイリスタ回路４００ａのサイリスタ導通角を制御する。そして、この導通角が予め設定した値になるようにスロットル２ａを開閉してエンジン回転数を調整する。なお、電子ガバナは、本出願人が先願（特願平１０−１２４１０４号）にて提案したものを使用することができる。
【００２２】
制御部４１には、発振部１２、分周回路１３、正弦波化回路１４、電子ボリューム１５、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６、パルス幅変調回路（ＰＷＭ回路）１７、矩形波変換回路１８、位相差検出回路１９、および起動回路２０が設けられている。なお、これらの回路の具体例としては、特開平５−２４４７２６号公報に開示されているものを用いることができる。
【００２３】
発振部１２は、例えば５ＭＨｚの原発振をする水晶発振子を有し、この原発振は分周回路１３で分周され、クロック信号として正弦波化回路１４に入力される。正弦波化回路１４は前記クロック信号に基づいて階段状の正弦波信号を発生し、その正弦波信号は電子ボリューム１５およびＬＰＦ１６を介してＰＷＭ回路１７に入力され、前記正弦波信号を目標波形信号としてパルス幅変調されたパルスがＰＷＭ回路１７から出力される。
【００２４】
電子ボリューム１５は、後述するように、過負荷の場合に前記正弦波信号の減衰度を制御し、また、ＬＰＦ１６は電子ボリューム１５から出力される階段状の正弦波を滑らかにする。ＰＷＭ回路１７から出力されるパルスに従い、インバータ回路４０１のブリッジを構成するパワーＭＯＳＦＥＴのゲートが制御され、前記目標波形信号である基準周波数の正弦波信号に応じた交流が出力端子Ｔ４１，Ｔ４１から出力される。
【００２５】
矩形波変換回路１８はＬＰＦ１６の出力信号を矩形波に変換し、この変換後の信号は通信ポート２１に入力される。通信ポート２１に入力された信号つまり基準正弦波クロックは通信線１１を通じて他方のインバータ装置５の通信ポートに入力される。位相差検出回路１９には、通信ポート２１を通じてインバータ装置５から受信した基準正弦波クロックが入力されるとともに、自己の基準正弦波クロックが矩形波変換回路１８から入力される。
【００２６】
位相差検出回路１９はインバータ装置４の基準正弦波クロックの位相とインバータ装置５の基準正弦波クロックの位相とを比較して、位相の進みまたは遅れを検出し、その検出結果を進相信号または遅相信号として発振部１２に入力する。発振部１２は、進相信号または遅相信号に基づき、位相が進んでいるときは、基準正弦波クロックを一定周期（例えば１ｋＨｚ）毎に予定パルス数（例えば１パルス）間引いて周波数を微増させる一方、位相が遅れているときは基準正弦波クロックに予定パルス数（例えば１パルス）付加して周波数を微減させる。この周波数調整はインバータ装置４，５の双方で実施される。すなわち、２台のインバータ装置４，５が互いに歩み寄って出力を合わせるように制御される。
【００２７】
起動回路２０は、スタート可否判断回路２２からの検出信号が入力されたときにＰＷＭ回路１７を付勢し、インバータ回路４０１を駆動して発電を行う。すなわち、起動回路２０は、インバータ装置４，５の発電準備が完了したときに、前記基準正弦波クロックの立上がりに応答してＰＷＭ回路１７に起動信号を出力する。さらに、起動回路２０は、インバータ装置５から入力された基準正弦波クロックに基づいて該クロックの立上がりを検出し、正弦波化回路１４に起動信号を出力する。
【００２８】
スタート可否判断回路２２はエンジン２の回転数および／またはインバータ装置４，５の電源電圧が所定値に達し、さらに基準正弦波クロックの同期がとれたときに発電準備完了の検出信号を出力する。インバータ装置５の発電準備完了は、通信ポート２１から入力される信号（後述）により判断する。また、スタート可否判断回路２２は電圧検出回路７で検出された出力電圧およびエンジン回転数がいずれも所定値に達したときに通信ポート２１に発電機準備完了の検出信号を出力する。
【００２９】
比較回路２３は電流検出回路９で検出された電流がしきい値より大きいときに検出信号を出力し、その検出信号は電子ボリューム１５および保護回路２４に入力される。保護回路２４は比較回路２３からの前記検出信号に応答して起動するタイマを有していて、このタイマのタイムアウト後、起動回路２０に過負荷検出信号を出力する。電子ボリューム１５は、過負荷検出信号に応答して前記正弦波信号の減衰度を制御する。
【００３０】
図４は、インバータ装置４，５の通信ポートの対応関係を示す図である。同図において、インバータ装置４の通信ポート２１およびインバータ装置５の通信ポート２１ａは基準正弦波クロック送信および受信、緑発光ダイオード（ＬＥＤ）光送信および受信、赤ＬＥＤ光送信および受信、ならびに電子ガバナ用の振幅制限送信および受信、導通角送信および受信の各ポート、ならびにマスタ／スレーブ設定ポート、コモン（ＣＯＭ）ポート、およびグランド（ＧＮＤ）ポートを有している。図示のように、ここではインバータ装置４がマスタに、インバータ装置５がスレーブに設定されている。これらのポートは通信線１１で接続されているのは上述のとおりである。
【００３１】
上記緑と赤のＬＥＤ光送受信ポートは、緑ＬＥＤおよび赤ＬＥＤの発光状態でインバータ装置４および５の動作状態をそれぞれ他方に通信するためのものである。インバータ装置５が発電準備未完了では緑ＬＥＤおよび赤ＬＥＤともにロー（消灯）であり、発電準備完了時または発電時にハイ（点灯）となる。また、過負荷が検出されると、赤ＬＥＤが点灯する。
【００３２】
インバータ装置４およびインバータ装置５の双方が発電準備を完了した場合、スタート可否判断回路２２は起動回路２０に発電準備完了を通知するとともに緑ＬＥＤの点灯を維持させる。すなわち、緑ＬＥＤ出力のアンド（ＡＮＤ）条件が成立したときに発電準備完了である。また、発電中にインバータ装置４およびインバータ装置５のいずれかで過負荷が検出されたときは、起動回路２０からＰＷＭ回路１７に対して停止指令が出力される。すなわち、赤ＬＥＤ出力のオア（ＯＲ）条件が成立したときに発電は停止される。
【００３３】
次に、インバータ装置４，５の直列・並列接続切換えについて説明する。図５は、インバータ装置４，５の直列・並列切換部６の詳細を示す回路図である。同図において、直列・並列切換部６はトグルスイッチで構成することができ、該スイッチが接点ａ側に切換えられているときは、出力端子Ｔ１およびＴ２間には、インバータ装置４の出力電圧（例えば１２０Ｖ）が出力され、出力端子Ｔ２およびＴ３間にはインバータ装置５の出力電圧（例えば１２０Ｖ）が出力され、結果的に出力端子Ｔ１およびＴ３間ではインバータ装置４，５の出力電圧の２倍の出力電圧（２４０Ｖ）が得られる。すなわち、インバータ装置４，５は直列に接続されたことになる。
【００３４】
また、前記スイッチが接点ｂ側に切換えられているときは、出力端子Ｔ１およびＴ２間には電圧が出力されず、出力端子Ｔ２およびＴ３間にのみ、インバータ装置４，５による出力電圧（例えば１２０Ｖ）が出力される。結果的に出力端子Ｔ２およびＴ３間にはインバータ装置４，５のそれぞれの出力電圧（１２０Ｖ）がそのまま出力され、出力（例えば２ｋＷ）が２倍（４ｋＷ）になって現れる。すなわち、インバータ装置４，５は並列に接続されたことになる。
【００３５】
なお、２台のインバータ装置を並列に接続した場合において自己の出力電圧および出力電流の位相差に基づいて他のインバータ装置に対する出力電圧の位相差を検出し、出力周波数を変化させて前記位相差を解消ないしは予定範囲内に収めるようにした発電機は、本出願人による先の特許出願（特開平５−２４４７２６号公報参照）に、より詳細に開示している。
【００３６】
次に、上記発電機に設けられた漏電遮断装置について説明する。図１は漏電遮断装置の検出部の回路図であり、図２と同符号は同一または同等部分を示す。同図において、インバータ装置４の出力端子Ｔ４１，Ｔ４１間に抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を接続し、ブリッジを構成している。抵抗Ｒ１，Ｒ２の中点、ならびに抵抗Ｒ３，Ｒ４の中点Ｍ１，Ｍ２は差動増幅器２５のプラス入力端子およびマイナス入力端子にそれぞれ接続されている。さらに、抵抗Ｒ３，Ｒ４の中点Ｍ２はアースターミナルＥに接続されている。
【００３７】
すなわち、差動増幅器２５のプラス入力端子にはインバータ装置の出力端子間の中点の抵抗分圧が第１の抵抗分圧として入力され、同マイナス端子にはインバータ装置の出力端子間におけるアースライン基準の抵抗分圧が第２の抵抗分圧として入力される。抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値はほぼ同一であるのがよい。差動増幅器２５の出力はＡ／Ｄ変換器（図示しない）によりデジタル化され、前記制御部４１に設けられる信号判別部（後述する）に供給される。なお、差動増幅器２５の周囲に設けられた抵抗、コンデンサ、ダイオード等は差動増幅器２５の増幅率や感度等の特性を調整するための素子であるが、個々の機能は本発明の要部ではないので説明を省略する。
【００３８】
インバータ回路４０１はパワーＭＯＳＦＥＴ２６，２７，２８，２９によって構成されたブリッジ回路であり、フィルタ回路４０２はチョークコイル３０，３１とコンデンサ３２によってフィルタ機能を実現している。インバータ装置５のインバータ回路（図２参照）およびフィルタ回路５０２も同様に構成される。
【００３９】
上記構成の漏電遮断装置における動作を、図１ならびに出力端子間の電圧および抵抗分圧波形を示す図１０を参照しつつ説明する。差動増幅器２５は中点Ｍ１，Ｍ２の電圧つまり抵抗分圧の差に応じた信号を出力する。漏電がない場合の出力端子Ｔ４１の電圧Ｖ41は図１０（ａ）のように変化する一方、中点Ｍ１での電圧Ｖm1は発電機のアース電位Ｖe に維持される。ここで、中点Ｍ２はアースされているので、該中点Ｍ２での電圧Ｖm2もアース電位Ｖe に維持される。したがって、これらの電圧つまり抵抗分圧Ｖm1，Ｖm2には差がないため、差動増幅器２５は出力を生じない。
【００４０】
これに対して、漏電があると、漏電部分と中点Ｍ２とをつなぐ回路がアースターミナルＥを通じて形成され、発電機のアース位置が変化し、出力端子Ｔ４１の電圧Ｖ41は漏電位置に応じて正または負側に偏倚する（図１０（ｂ）参照）。したがって、中点Ｍ１の電圧Ｖm1も正または負側に偏倚する。図１０は正方向へ偏倚した漏電の場合を示す。一方、中点Ｍ２はもともとアースされているので、電圧Ｖm2は発電機のアース電位Ｖe に維持されたままである。その結果、漏電した中点Ｍ１，Ｍ２でのそれぞれの抵抗分圧に差Ｖｄが生じ、差動増幅器２５は漏れ電流に応じたレベルの信号を出力する。
【００４１】
図６は、前記漏電遮断装置の検出部の検出結果に基づいて制御される駆動部の機能ブロック図である。同図において、出力端子Ｔ１，Ｔ３には接点３６が設けられていて、この接点は漏電がない場合、つまり差動増幅器２５が所定値以上の出力を生じていない場合は閉じている。前記差動増幅器２５からの信号ＳＬはＡ／Ｄ変換器３３でＡ／Ｄ変換され、そのデジタル信号ＳＬｄは信号判別部３４に入力される。信号判別部３４ではしきい値ＴＨに対する大小が判別され、信号ＳＬｄがしきい値ＴＨより大きい場合はドライバ３５に検出信号を出力する。ドライバ３５に検出信号が入力されるとリレーコイル３７が付勢され、その結果、接点３６が開き、出力が遮断される。
【００４２】
この漏電遮断装置によれば２系統のインバータ装置のいずれか一方に、漏電検出のためのブリッジ抵抗を設けることによって、２系統のインバータ装置のいずれで発生した漏電をも検出することができる。なお、この漏電装置は２系統のインバータ装置が直列に接続された場合、および並列に接続された場合のいずれにおいても同様に漏電を検出することができる。
【００４３】
次に、上記発電機の発電開始処理を図７のフローチャートを参照して説明する。同図において、ステップＳ１では、自己のエンジン回転数および／または電源電圧が予定値を超えている否かによって自己（インバータ装置４）の発電準備が完了しているか否かを判断する。この判断が肯定であればステップＳ２に進んでインバータ装置５からの基準正弦波クロックを検出したか否かを判断する。この判断が肯定ならば、ステップＳ３に進み、インバータ装置５の基準正弦波クロックのゼロクロス点（起点）に同期させて自己（インバータ装置４）の基準正弦波クロックを出力開始した後、ステップＳ６に進む。また、インバータ装置５からの基準正弦波クロックが検出されないときは、ステップＳ４に進んで基準正弦波クロックを出力開始する。ステップＳ５ではインバータ装置５からの基準正弦波クロックを検出したか否かを判断する。この判断が肯定ならば、ステップＳ６に進む。
【００４４】
ステップＳ６では、インバータ装置４，５で基準正弦波クロックの位相差が予定値以下であるか否かを判断する。この判断が否定ならばステップＳ７に進み、基準正弦波クロックの周波数を微調整して起点補正を行う。起点補正がなされて、前記位相差が予定値以下になったならば、ステップＳ８に進み、発電準備完了を表示するため緑ＬＥＤを点灯する。ステップＳ９では、インバータ装置５からの緑ＬＥＤ光の状態を判別し、インバータ装置５も発電準備完了であるか否かを判断する。ステップＳ９が肯定ならばステップＳ１０に進み、基準正弦波クロックのゼロクロス点（起点）に同期させてＰＷＭ回路１７に起動指令を出力する。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１，２の発明によれば、漏電遮断装置を従来のものと比較して小型化かつ安価にできる。特に、請求項２の発明によれば、２系統のインバータ装置のいずれか一方に分圧差検出手段を設けることで、双方のインバータ装置に関する漏電を検出することができるので、より一層小さいスペースに漏電検出装置を組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る発電機に含まれる漏電遮断装置の検出部を示すブロック図である。
【図２】  本発明の一実施形態に係る発電機の全体構成を示すブロック図である。
【図３】  本発明の一実施形態に係る発電機の制御装置の要部機能を示すブロック図である。
【図４】  通信ポートの構成例を示す図である。
【図５】  直列・並列切換部の接続例を示す図である。
【図６】  漏電遮断装置の駆動部を示すブロック図である。
【図７】  インバータ回路の起動制御を示すフローチャートである。
【図８】  直列接続された２系統のインバータ装置の概略図である。
【図９】  従来の漏電遮断器を含む発電機の回路図である。
【図１０】  漏電時の電圧波形の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…発電機、  ２…エンジン、  ３…発電機本体、  ４，５…インバータ装置、６…直列・並列切換部、  ７，８…電圧検出回路、  ９，１０…電流検出回路、  １１…通信線、  ２１…通信ポート、  ２５…差動増幅器、  ２６〜２９…ＦＥＴ、  ３０，３１…チョークコイル、  Ｒ１〜Ｒ４…漏電検出用抵抗
【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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【図９】
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【図１０】
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