ИНВЕРТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР
INVERTER GENERATOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к инверторному генератору, в частности к инверторному генератору, оснащенному блоком генератора с приводом от двигателя внутреннего сгорания и выполненному с возможностью надежного предотвращения превышения двигателем допустимого числа оборотов.
Уровень техники
Хорошо известные инверторные генераторы вначале осуществляют преобразование переменного тока, выдаваемого блоком генератора с приводом от двигателя, в постоянный ток, после чего преобразуют постоянный ток в переменный ток заданной частоты (частоты питающей сети) посредством управления ключевыми (переключающими) элементами с помощью ШИМ-сигнала, генерируемого с использованием опорного синусоидального (гармонического) сигнала, имеющего форму волны требуемого выходного напряжения, и несущего сигнала. Пример такого инверторного генератора можно найти в опубликованной японской заявке на изобретение № Н 4(1992)-355672.
Раскрытие изобретения
В таком инверторном генераторе, раскрытом в указанной заявке, частота вращения двигателя измеряется, как правило, схемой управления зажиганием, и когда двигатель находится в состоянии превышения допустимого числа оборотов («разнос двигателя»), зажигание выключается. Тем не менее, поскольку схема управления зажиганием обычно представлена аналоговой схемой и ее функционирование управляется простым образом путем задания постоянных величин (уставок), то когда частота вращения двигателя падает при выключении зажигания, зажигание снова возобновляется, приводя, в результате, к следующему состоянию превышения числа оборотов. Другими словами, двигатель может повторять последовательность, при которой происходит превышение допустимого числа оборотов, выключение зажигания, падение частоты вращения двигателя, возобновление зажигания, возрастание частоты вращения двигателя, происходит превышение допустимого числа оборотов, выключение зажигания и т.д., и, таким образом, остановка процесса возникновения состояния превышения числа оборотов оказывается затруднительной.
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы решить вышеуказанную проблему за счет предложения инверторного генератора, который может предохранять двигатель от того, чтобы он испытывал многократное повторение превышения числа оборотов.
Для достижения указанной цели, в соответствии с настоящим изобретением предлагается инверторный генератор, содержащий блок генератора, приводимый от двигателя внутреннего сгорания и генерирующий переменный ток; конвертер, соединенный с блоком генератора и преобразующий переменный ток в постоянный; инвертор, соединенный с конвертером и преобразующий постоянный ток в переменный, снабженный ключевыми элементами для питания электрической нагрузки, управляющее устройство инвертора, содержащее микрокомпьютер, которое управляет ключевыми элементами с помощью ШИМ-сигнала, генерируемого с использованием опорного синусоидального сигнала, имеющего форму волны требуемого выходного напряжения, а также несущего сигнала, и которое преобразует переменный ток, преобразованный в инверторе, в переменный ток заданной частоты, модуль зажигания, который осуществляет зажигание в двигателе, и устройство управления (контроллер) зажиганием, которое управляет работой модуля зажигания. Согласно изобретению, инверторный генератор содержит измеритель частоты вращения двигателя, измеряющий частоту вращения двигателя; устройство определения превышения допустимого числа оборотов, которое на основании измеренной частоты вращения двигателя определяет, находится ли двигатель в состоянии превышения числа оборотов, причем управляющее устройство инвертора посылает команду на устройство управления зажиганием для выключения зажигания с целью останова двигателя, когда двигатель находится в состоянии превышения числа оборотов.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и прочие цели и преимущества настоящего изобретения более подробно объясняются в нижеследующем описании со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг.1 изображена блок-схема, показывающая общую структуру инверторного генератора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 представлено графическое изображение сигналов для объяснения процесса ШИМ-управления, осуществляемого ЦП (CPU), изображенным на фиг.1;
на фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая процесс управления остановом при превышении допустимого числа оборотов, осуществляемый центральным процессором, изображенным на фиг.1;
на фиг.4 представлена временная диаграмма для объяснения процесса, представленного блок-схемой на фиг.3;
на фиг.5 представлена временная диаграмма для объяснения процедуры обработки в соответствии с уровнем техники.
Осуществление изобретения
Инверторный генератор в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения далее описывается более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 представлена блок-схема, показывающая общую структуру инверторного генератора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Инверторный генератор обозначен поз.10 на фиг.1. Генератор 10 оснащен двигателем (двигателем внутреннего сгорания) 12 и имеет номинальную выходную мощность около 3 кВт (100 В, 30 А переменного тока). Двигатель 12 представляет собой двигатель с воздушным охлаждением и искровым зажиганием. Его дроссель 12а открывается и закрывается приводом (актюатором) 12b дросселя, представляющим собой шаговый двигатель. Двигатель 12 запускается ручным стартером (не показан).
Круговой статор (не показан) закреплен вблизи головки блока цилиндров двигателя 12. Статор снабжен обмотками, образующими блок 14 электромашинного генератора, а именно трехфазными (U, V и W) выходными обмотками (главными обмотками) 14а и тремя однофазными обмотками 14b, 14с и 14d.
Ротор (не показан), выполненный в виде маховика двигателя 12, установлен снаружи статора. В роторе напротив вышеупомянутых обмоток 14а и т.д. установлены постоянные магниты (не показаны) с чередованием радиальной полярности их полюсов.
При вращении постоянных магнитов ротора, окружающего статор, на выходе трехфазных выходных обмоток 14а создается (генерируется) трехфазный (U, V и W фазы) переменный ток, а на выходе однофазных выходных обмоток 14b, 14с и 14d возникает однофазный переменный ток.
Трехфазный переменный ток, создаваемый (генерируемый) выходными обмотками 14а блока 14 генератора, поступает через клеммы 14е (U, V и W) на плату 16 управления (печатную плату) и подается в установленный на ней конвертер 20. Конвертер 20 содержит соединенные по мостовой схеме три тиристора SCR (silicon-controlled rectifier, однооперационный триодный тиристор) и три диода DI. Трехфазный переменный ток, создаваемый на выходе блока 14 генератора, преобразуется в постоянный ток посредством управления углами проводимости (включения) тиристоров.
Источник питания 22 с дроссельным преобразователем RCC (ringing choke converter, преобразователь с переходными процессами в дросселе) (стабилизированный источник питания постоянного тока) соединен с боковыми положительным и отрицательным электрическими выводами конвертера 20 и подает выпрямленное напряжение постоянного тока в качестве рабочего напряжения питания на три тиристора. После RCC-источника питания 22 в цепь включен сглаживающий конденсатор 24 для сглаживания постоянного тока на выходе конвертера 20.
Инвертор 26 включен в цепь после сглаживающего конденсатора 24. Инвертор 26 имеет мостовую схему с четырьмя полевыми транзисторами (ключевыми элементами). Как объяснено ниже, постоянный ток на выходе конвертера 20 преобразуется в переменный ток заданной частоты (50 Гц или 60 Гц частоты питающей сети) посредством управления состоянием проводимости (ОТКРЫТ-ЗАКРЫТ) четырех полевых транзисторов.
Выходной сигнал инвертора 26 проходит через дроссель 30, состоящий из LC-фильтра для подавления гармоник, и через фильтр шумов 32 для подавления помех и подается на выходные клеммы 34, с которых он может быть подан на электрическую нагрузку 36 через соединительный проводник (не показан) или аналогичный элемент.
Плата 16 управления оснащена центральным процессором (ЦП) 40 с 32-битной архитектурой. ЦП 40 управляет углом проводимости тиристоров конвертера 20 с помощью тиристорного (SCR) управляющего устройства (схемы управления) 40а, состоянием проводимости полевых транзисторов инвертора 26 с помощью устройства управления 40b затворами, а также работой привода 12b дросселя с помощью устройства управления 40 с приводом. ЦП 40 оснащен устройством памяти EEPROM (ЭСППЗУ, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство) (энергонезависимым ЗУ) 40а.
Выходной сигнал первой однофазной выходной обмотки 14b подается на плату управления 16 через клеммы 14b1 и 14b2, а с нее - на генератор 14b3 управляющего напряжения, который генерирует рабочее напряжение питания 5 В для ЦП 40. Выходной сигнал с клеммы 14b1 подается на схему 14b4 измерения оборотов, где он преобразуется в импульсный сигнал и подается на ЦП 40. ЦП 40 подсчитывает импульсы выходного сигнала схемы 14b4 измерения оборотов и вычисляет (измеряет) скорость вращения двигателя 12.
Выходной сигнал второй выходной обмотки 14с подается на схему двухполупериодного выпрямителя 14с1, где осуществляется его двухполупериодное выпрямление для формирования рабочего напряжения питания для привода 12b дросселя и других устройств.
Выходной сигнал третьей выходной обмотки 14d подается на вторую плату 42 управления (печатную плату), оснащенную схемой 44 управления зажиганием (представляющей собой аналоговую схему). Выходной сигнал третьей выходной обмотки 14d подается на вторую плату 42 управления через клемму 14d1 (обозначена «ЕХ») для его использования в качестве рабочего напряжения питания для схемы 44 управления зажиганием.
Схема 44 управления зажиганием работает как контроллер зажигания. Более конкретно, двигатель 12 имеет модуль 12е зажигания, который осуществляет зажигание в двигателе 12 и содержит катушку 12 с зажигания и свечу 12d зажигания, а также генерирующую импульсы катушку 12f, намотанную вокруг статора блока 14 генератора двигателя и расположенную рядом с третьей выходной обмоткой 14d и т.д., и выдает сигнал за один оборот маховика при заданном угле поворота коленчатого вала при вращении относительно постоянных магнитов, закрепленных в роторе.
Выходной сигнал третьей выходной обмотки 14d подключен к первичной обмотке катушки 12с зажигания для его использования также в качестве напряжения зажигания. Вторичная обмотка катушки 12с зажигания подключена к свече 12d зажигания. Выходной сигнал с генерирующей импульсы катушки 12f подается на вторую плату 42 управления через клемму 12f1 (обозначена «PC»), где он подается на схему 44 управления зажиганием.
Схема 44 управления зажиганием прерывает подачу тока на первичную обмотку катушки 12с зажигания при угле поворота коленчатого вала, измеренном на выходе генерирующей импульсы катушки 12f, таким образом, что на вторичной обмотке создается высокое напряжение для выработки искры между электродами свечи 12d зажигания и поджига, таким образом, топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя 12.
В токопроводящей цепи, соединяющей между собой третью выходную обмотку 14d и модуль 12е зажигания, помещен выключатель 12g аварийного останова (обозначен «kill SW»), с возможностью управления им со стороны пользователя. Выключатель 12g отключает подачу тока на модуль 12е зажигания, когда он установлен в положение «ВКЛ». Выходной сигнал с выключателя 12g подается на вторую плату 42 управления через клемму 12g1 (обозначена как «IGN»), где он подается на вход схемы 44 управления зажиганием.
Схема 44 управления зажиганием через клеммы 44а и 40п подключена к центральному процессору 40 через сигнальную линию 46. Как объясняется далее, при принятии центральным процессором 40 решения о том, находится ли двигатель 12 в состоянии превышения числа оборотов, и в случае утвердительного результата он посылает сигнал Н-уровня. Схема 44 управления зажиганием отключает зажигание для останова двигателя 12.
ЦП 40 соединен с первым и вторым датчиками напряжения 40е и 40f. Первый датчик напряжения 40е, включенный после RCC-источника питания 22, генерирует выходной сигнал, пропорциональный выходному напряжению постоянного тока конвертера 20. Второй датчик напряжения 40f, включенный после инвертора 26, генерирует выходной сигнал, пропорциональный выходному напряжению переменного тока инвертора 26. Выходные сигналы первого и второго датчиков напряжения 40е и 40f подаются на ЦП 40.
ЦП 40 также соединен с датчиком тока 40g. Датчик тока 40g генерирует выходной сигнал, пропорциональный значению тока на выходе инвертора 26, т.е. тока, проходящего через электрическую нагрузку 36, когда нагрузка 36 подключена.
Выходной сигнал датчика тока 40g подается в ЦП 40, а также в ограничитель сверхтока 40h, выполненный в виде логической схемы (аппаратной схемы), независимой от ЦП 40. Когда ток, измеренный датчиком тока 40g, превышает предельно допустимое значение, ограничитель сверхтока 40h временно отключает выходной сигнал устройства 40b управления затворами для временного обнуления выходного сигнала инвертора 26.
ЦП 40 на основе подаваемых на его вход выходных сигналов первого и второго датчиков напряжения 40е, 40f и датчика тока 40g осуществляет ШИМ-управление полевыми транзисторами инвертора 26, управляет работой привода 12b дросселя, а также управляет остановом двигателя при превышении допустимого числа оборотов.
На фиг.2 представлено графическое изображение сигналов для объяснения процесса ШИМ-управления, осуществляемого ЦП (CPU) 40.
Процесс ШИМ-управления полевыми транзисторами инвертора 26 будет описан со ссылкой на фиг.2. На основании опорного синусоидального сигнала (сигнальной волны, верхняя сплошная линия) с учетом заданной частоты (50 Гц или 60 Гц частоты питающей сети), имеющего форму волны требуемого выходного напряжения переменного тока, ЦП 40 использует компаратор (не показан) для сравнения опорного сигнала с несущим сигналом (например, с несущей волной частотой 20 кГц), генерирует ШИМ-сигнал (сигнал ШИМ-формы), а именно последовательность импульсов с переменным коэффициентом заполнения (отношения длительности t импульса к периоду Т его следования) в соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и выдает выходной сигнал через устройство 40b управления затворами.
Период Т (шаг) ШИМ-сигнала (сигнала ШИМ-формы) в действительности является значительно более коротким, чем это показано на фиг.2, где он увеличен с целью облегчения понимания.
ЦП 40 управляет открытием дроссельного клапана 12а для установки требуемой скорости вращения двигателя, рассчитанной на основании значения выходного переменного тока, определяемого электрической нагрузкой 36, рассчитывает выходные импульсы фазы А и фазы В для шагового привода 12b дросселя и подает их через устройство управления 40с приводом на привод 12b с выходных клемм 40с1, управляя тем самым работой привода 12b.
На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая процесс управления указанным выше остановом при превышении допустимого числа оборотов, осуществляемый центральным процессором 40. Представленная программа выполняется в каждый заданный момент времени, например через каждые 10 мс.
Программа начинается с шага S10, на котором на основании выходного сигнала схемы 14b4 измерения частоты вращения двигателя определяется частота NE вращения двигателя 12. Программа переходит к шагу S12, на котором проверяется, является ли измеренное значение частоты вращения двигателя равным заданному значению (например, 4400 об/мин) или превышает его, и если результат сравнения утвердительный, то происходит переход к шагу S14, на котором флагу превышения допустимого числа оборотов присваивается значение «установлен» ("ON").
С другой стороны, если результат на шаге S12 отрицательный, программа переходит к шагу S16, на котором производится проверка, меньше ли измеренная частота NE вращения двигателя порогового значения (например, 4300 об/мин), и если результат утвердительный, то происходит переход к шагу 818, на котором флагу превышения допустимого числа оборотов присваивается значение «сброшен» ("OFF"). Когда результат на шаге S16 отрицательный, шаг S18 пропускается.
Затем программа переходит к шагу S20, на котором определяется, было ли в предыдущем цикле (т.е. при предшествующем выполнении программы в соответствии с блок-схемой на фиг.3) значение флага превышения числа оборотов равным «OFF», а в текущем цикле (т.е. при текущем выполнении программы в соответствии с блок-схемой на фиг.3) оно имеет значение «ON».
Когда результат на шаге S20 утвердительный, программа переходит к шагу S22, на котором значение счетчика увеличивается на единицу, и далее переходит к шагу S24, на котором проверяется, равно ли значение счетчика заданному значению (например, пяти) или превышает его. Если результат на шаге S24 утвердительный, программа переходит к шагу S26, на котором на схему 44 управления зажиганием по сигнальной линии 46 посылается командный уровень сигнала «Н» на выключение зажигания для останова двигателя 12.
Далее программа переходит к шагу S28, на котором информация о значении флага превышения числа оборотов, т.е. состояние его бита, в текущем цикле управления сохраняется в памяти. Та же самая процедура выполняется, когда на шагах S20 или S24 получен отрицательный результат.
На фиг.4 представлена временная диаграмма для объяснения процесса, представленного блок-схемой на фиг.3, а на фиг.5 представлена временная диаграмма для объяснения процесса, характеризующего текущий уровень техники.
Как показано на фиг.5, поскольку в соответствии с текущим уровнем техники работа двигателя 12 управляется с помощью схемы управления зажиганием (представляющей собой аналоговую схему), то зажигание выключается, когда частота вращения двигателя превысит 4400 об/мин, и возобновляется при частоте вращения двигателя 4200 об/мин. В результате двигатель 12 повторяет последовательность, при которой происходит превышение допустимого числа оборотов, выключение зажигания, падение частоты вращения двигателя, возобновление зажигания, возрастание частоты вращения двигателя, превышение допустимого числа оборотов, выключение зажигания и т.д., и, таким образом, выход из состояния превышения числа оборотов является в этом случае затруднительным. Поскольку в данном варианте осуществления схема 44 управления зажиганием также содержит аналоговую схему, то та же самая проблема будет возникать до тех пор, пока управление остановом двигателя при превышении им числа оборотов будет осуществлять схема 44 управления зажиганием.
По этой причине данный вариант осуществления предполагает определение нахождения двигателя в состоянии превышения числа оборотов, выключение зажигания с целью останова двигателя, когда приведенная выше последовательность событий повторится пять раз. Благодаря указанному исполнению, превышение числа оборотов двигателя 12 может быть надежным образом предотвращено. Другими словами, поскольку управление осуществляется не схемой 44 управления зажиганием, а центральным процессором 40, может быть осуществлено более сложное управление по сравнению со случаем, когда оно осуществляется схемой 44 управления зажиганием, в результате чего надежно предотвращается превышение числа оборотов двигателя 12.
Кроме того, поскольку для останова двигателя 12 используется центральный процессор (40), становится возможным останавливать двигатель 12 после «замораживания» отклоняющихся от нормы данных, сохранения данных об ошибках и т.п. таким образом, что функции диагностики неисправностей и обслуживания системы могут быть также усовершенствованы.
Как было изложено выше, вариант осуществления изобретения предусматривает инверторный генератор 10, содержащий блок 14 генератора, приводимый от двигателя 12 внутреннего сгорания и генерирующий переменный ток; конвертер 20, соединенный с блоком генератора и преобразующий переменный ток в постоянный; инвертор 26, соединенный с конвертером и преобразующий постоянный ток в переменный, снабженный ключевыми элементами для питания электрической нагрузки 36, управляющее устройство инвертора (центральный процессор 40), содержащее микрокомпьютер, которое управляет ключевыми элементами с помощью ШИМ-сигнала, генерируемого с использованием опорного синусоидального сигнала, имеющего форму волны требуемого выходного напряжения, а также несущего сигнала, и которое преобразует переменный ток, преобразованный в инверторе, в переменный ток заданной частоты, модуль 12е зажигания, который осуществляет зажигание в двигателе, и устройство управления зажиганием (схема 44 управления зажиганием), которое управляет работой модуля 12е зажигания. Согласно изобретению, инверторный генератор содержит измеритель (цепь 14b4 определения частоты вращения двигателя, центральный процессор 40, шаг S10) частоты вращения двигателя, измеряющий частоту вращения двигателя 12; устройство (центральный процессор 40, шаги S12-S24) определения превышения допустимого числа оборотов, которое на основании измеренной частоты вращения двигателя определяет, находится ли двигатель 12 в состоянии превышения числа оборотов, причем управляющее устройство (центральный процессор 40) инвертора посылает команду на устройство 44 управления зажиганием для выключения зажигания с целью останова двигателя 12, когда двигатель 12 находится в состоянии превышения числа оборотов (шаг S26).
Благодаря этому становится возможным уберечь двигатель 12 от бесконечного повторения последовательности, при которой происходит превышение допустимого числа оборотов, выключение зажигания, падение частоты вращения двигателя, возобновление зажигания, возрастание частоты вращения двигателя, превышение допустимого числа оборотов, выключение зажигания и т.д., и таким образом надежно предотвращается превышение двигателем 12 допустимого числа оборотов.
В инверторном генераторе устройство определения превышения допустимого числа оборотов подсчитывает число раз, для которых частота вращения двигателя равна первому пороговому значению или превышает его, и принимает решение о том, что двигатель 12 находится в состоянии превышения числа оборотов, когда счетчик становится равным заданному значению или превышает его (шаги S12-S26). Более конкретно, управляющее устройство (центральный процессор 40) инвертора срабатывает в каждом цикле управления, причем устройство определения превышения допустимого числа оборотов подсчитывает число раз, когда частота вращения двигателя равна первому пороговому значению или превышает его, и принимает решение о том, что двигатель находится в состоянии превышения числа оборотов, когда в течение одного из циклов управления счетчик равен заданному значению или превышает его (шаги S12-S26). В результате этого в дополнение к вышеуказанному эффекту становится возможным точно определять состояние превышения числа оборотов двигателя 12.
Несмотря на то что в приведенном выше описании в качестве ключевых элементов инвертора использованы полевые транзисторы, это не является ограничением, и вместо них возможно использование биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) и т.п.