CN108696215B - 发动机发电机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机发电机，具有：发动机(1)；发电部(2)，由发动机(1)驱动而发电；逆变单元(3)，将由发电部(2)输出的交流电转换成规定频率的交流电，向负载输出；接线切换部(25)，将绕组(24)的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；负载检测部(72)，检测负载的大小；接线切换控制部(51)，控制接线切换部(25)，以使当检测出的负载大小在规定值以下时，将接线状态切换成Y接线，当检测出的负载大小超出规定值时，切换成△接线。

Description

发动机发电机
技术领域
本发明涉及一种由发动机驱动的发动机发电机。
背景技术
作为这种发动机发电机，以往已知的是根据负载电流的变动，将发动机转速在规定的允许范围内加减的发电机。例如专利文献1公开的发电机，设置有选择通常运转模式和经济运转模式的任意一种的节能开关，当选择通常运转模式时，将发动机转速控制为规定的目标转速，当选择经济运转模式时，将发动机转速控制为与负载电流对应的目标发动机转速。
但，如专利文献1所述，在可变控制发动机转速的发电机中，为了使在高速旋转时得到充分的输出功率而设定绕组的规格，则在低速旋转时负载不能得到充分的输出功率，相反，为了使在低速旋转时得到充分的输出功率而设定绕组的规格，则很可能在高速旋转时超出输出功率的峰值，负载不能得到充分的输出功率。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2007-325385号公报。
发明内容
本发明提供的一技术方案为发动机发电机，具有：通用发动机，其转速可变控制；发电部，具有三相的绕组，由发动机驱动而发电；逆变单元，将由发电部输出的交流电转换成规定频率的交流电，并向负载输出；接线切换部，将绕组的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；负载检测部，检测负载的大小；接线切换控制部，控制接线切换部，以使当由负载检测部检测出的负载大小在规定值以下时，将接线状态切换成Y接线，当由负载检测部检测出的负载大小超出规定值时，将接线状态切换成△接线。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点，通过与附图相关的以下实施方式的说明进一步阐明。
图1是表示本发明一实施方式的发动机发电机的整体结构的电路图。
图2A是表示将绕组构成Y接线时的图1的发电部的一般特性的图。
图2B是表示将绕组构成△接线时的图1的发电部的一般特性的图。
图3是表示本发明一实施方式的发动机发电机的主要部分结构的电路图。
图4是表示本发明一实施方式的发动机发电机的发动机转速和输出功率之间关系的图。
图5是表示在图3的控制单元实行处理的一个例子的流程图。
具体实施方式
以下，参照图1～图5，对本发明的实施方式进行说明。本发明一实施方式的发动机发电机为可搬运型的便携式发动机发电机，具有用户由手动操作能够携带的重量和尺寸。
图1是表示本发明一实施方式的发动机发电机100的整体结构的电路图。如图1所示，发动机发电机100具有：通用发动机1、由发动机1驱动的发电部2、以及与发电部2电连接的逆变单元3。
发动机1是例如将汽油作为燃料的点火式的风冷发动机，具有在气缸内往复运动的活塞以及与活塞同步旋转的曲轴(输出轴)。发动机1的动力经由曲轴输出到发电部2。另外，省略图示，曲轴上连接有反冲启动器。反冲启动器是用户手动启动发动机1的发动机启动装置，通过反冲启动器的操作使曲轴旋转，发动机1能开始启动。发动机1如下面所述，其转速可变控制。
发电部(发电机主体)2是由发动机1驱动而发出交流电力的多极交流发电机，具有连接于曲轴并与曲轴一起旋转的转子，以及与转子的周面相对且和转子同心状配置的定子。转子上设置有永久磁铁。定子上设置有以每120度的相位角来配置的UVW的绕组。发电部2能由来自蓄电池5的电力作为启动电机驱动，从而不用反冲启动器也能将发动机1启动。
逆变单元(逆变电路)3具有：整流由发电部2输出的三相交流电的电力转换电路31、将由电力转换电路31输出的直流电转换成规定的三相交流电的逆变器32以及控制电力转换电路31和逆变器32的控制单元50。控制单元50是包括具有CPU、ROM、RAM、其他周边电路等的演算处理装置的微电脑。
电力转换电路31被构成为桥电路，具有与发电部2的U相、V相、W相的各绕组对应连接的3对(计6个)半导体开关元件311。开关元件311例如包括MOSFET和IGBT等晶体管，各开关元件311上分别并联连接二极管312(例如寄生二极管)。
开关元件311的闸门由控制部50输出的控制信号驱动，由控制单元50控制开关元件311的开闭(接通/断开)。例如，发电部2作为发电机发挥功能时，开关元件311断开，据此，三相交流电经由二极管312被整流。整流后的电流在电容器34被平滑后，输入到逆变器32。电力转换电路31，在发电部2作为启动电机发挥功能时，将蓄电池5供给的直流电根据开关元件311的接通/断开转换成三相交流电并输出到发电部2。
逆变器32具有被构成为H桥电路的2对(计4个)半导体开关元件321。开关元件321是例如MOSFET和IGBT等晶体管，各开关元件321上分别并联连接二极管322(例如寄生二极管)。开关元件321的闸门由控制单元50输出的控制信号驱动，由控制单元50控制开关元件321的开闭(接通/断开)，直流电转换成单相交流电。逆变器32生成的单相交流电经由具有电抗器和电容器的滤波电路35调制成正弦波而输出到负载36。
逆变单元3上经由供电电路40电连接蓄电池5。供电电路40被设置为，经由连接器6将蓄电池5连接到电力转换电路31和电容器34之间，即电力转换电路31的正极侧和负极侧的输出端子313、314。更详细来说，蓄电池5的正极侧端子经由保险丝41、接触器42以及二极管43连接到电力转换电路31的正极侧输出端子313，而负极侧端子连接到负极侧输出端子314。
接触器42包含将蓄电池5与逆变单元3电气连接(接通)或者切断(断开)的开关，由接触器驱动电路44控制该动作(接通/断开)。保险丝41和接触器42之间连接有蓄电池开关45，通过蓄电池开关45的接通向控制单元50供电。据此，接触器驱动电路44接通接触器42。当蓄电池开关45断开时，接触器驱动电路44断开接触器44。即，接触器42联动蓄电池开关45的接通/断开而接通/断开。
由来自蓄电池的电力启动发动机1时，由用户操作接通蓄电池开关45。据此，接触器42接通，蓄电池5的电力供给至电力转换电路31。此时，控制单元50判定蓄电池开关45是否接通。当判定蓄电池开关45接通时，控制电力转换电路31的开关元件311的接通/断开，将直流电力转换成交流电力。此交流电力供给至发电部2，据此，在定子的绕组24(图3)产生旋转磁场，发电部2的转子旋转。其结果，能使曲轴11旋转，实现由曲轴转动的发动机1的启动。另外，连接器6上连接通信线，通过通信线，将蓄电池5的内部温度和充电状态等信息发送到控制单元50。
另外，发电部2的三相的定子绕组的接线状态有Y接线和△接线。图2A、图2B是分别表示将绕组24以Y接线和△接线来构成时，作为发电机发挥功能的发电部2的一般特性的图。图2A的特性f1、f2和图2B的特性f3、f4分别为对于在电力转换电路31整流后的DC电流(A)的DC电压(V)的特性。图2A的特性g1、g2和图2B的特性g3、g4分别表示对于在电力转换电路31整流后的DC电流的发电输出功率(VA)的特性。其中，特性f1、g1、f3、g3是发动机转速为规定转速N2(例如5000rpm)时的特性，特性f2、g2、f4、g4是发动机转速比N2低的规定转速N1(例如3000rpm)时的特性。另外，发电输出功率(VA)相当于DC电流(A)和DC电压(V)乘积。
如图2A、图2B所示，在Y接线和△接线的任意一种情况下均随着DC电流的增加而DC电压减少(特性f1～f4)。但是，DC电流为0时的最大DC电压和向右下降的特性f1～f4的坡度，在Y接线和△接线时不同，Y接线时，为高电压低电流的特性f1、f2，△接线时，为低电压高电流的特性f3、f4。因此，Y接线时相比于△接线时，在低电流侧发电输出功率为最大(峰值)(特性g1～g4)。
在图2A、图2B中，与发电机100的额定AC电压(例如100V)相对应的DC电压用V1表示。如图2A所示，绕组为Y接线的情况，当发动机转速为规定转速N2时，与规定电压V1对应的DC电流为A1，发电输出功率为VA1。还有，当发动机转速为规定转速N1时，与规定电压V1对应的DC电流为A2，发电输出功率为VA2。
另外，如图2B所示，绕组为△接线的情况，当发动机转速为规定转速N2时，与规定电压V1对应的DC电流为A3，发电输出功率为VA3。还有，当发动机转速为规定转速N1时，与规定电压V1对应的DC电流为A4，发电输出功率为VA4。
如此，在Y接线中，当发动机转速低时，能得到较高的发电输出功率(特性g2)，而当发动机转速变高时，发电输出功率超过峰值变低(特性g1)。于此相对，在△接线中，当发动机转速高时，能得到较高的发电输出功率(特性g3)，而当发动机转速低时，发电输出功率变低(特性g4)。这样，考虑到根据发动机转速和绕组的接线状态发电输出功率的特性变化这一点，在本实施方式中，如下构成了发动机发电机100。
图3是表示本发明一实施方式的发动机发电机100的主要部分结构的电路图。如图3所示，发电部2的绕组24包含，U相绕组24U、V相绕组24V以及W相绕组24W。各绕组24U、24V、24W一端侧的端子(第1端子～第3端子)241～243分别与图1的电力转换电路31的开关元件311和二极管312连接。各绕组24U、24V、24W的另一端侧的端子(第4端子～第6端子)244～246与开关电路25连接。
开关电路25设置在发电部2和电力转换电路31之间，安装在逆变单元3中。更具体来说，开关电路25具有：一端与端子244连接，另一端与端子242连接的开关(第1开关)251、一端与端子245连接，另一端与端子243连接的开关(第2开关)252、一端与端子246连接，另一端与端子241连接的开关(第3开关)253、以及一端分别与端子244～246连接，另一端通过中性点257相互连接的开关(第4开关～第6开关)254～256。各开关251～256例如被构成为根据线圈的励磁和消磁而开闭(接通/断开)的继电器开关。
开关251～256的开闭，即线圈的励磁和消磁，根据来自控制单元50的控制信号执行。将开关251～253作为第1开关群，而开关254～256作为第2开关群时，控制单元50输出控制信号，以使第1开关群的开关251～253同时接通且第2开关群的开关254～256同时断开，或者第1开关群的开关251～253同时断开且第2开关群的开关254～256同时接通。
当第1开关群的开关251～253断开且第2开关群的开关254～256接通时，绕组24的接线状态切换成Y接线。当第1开关群的开关251～253接通且第2开关群的开关254～256断开时，绕组24的接线状态切换成△接线。
控制单元50上连接，检测发动机转速的转速检测器71、检测连接在发电机100的负载36的大小，即负载值(耗电量)的负载检测器72以及模式切换开关73。
转速检测器71包括电磁拾音器式或者光学式的曲轴转角传感器等。负载检测器72设置在逆变单元3，包含检测流经负载的电流(负载电流)的电流传感器和检测施加电压的电压传感器等。用这些传感器的检测值在控制单元50进行规定的演算，检测出负载值。
模式切换开关73是通过用户操作可切换成通常运转模式和经济运转模式中的任意一种的开关。通常运转模式是将目标发动机转速设定为规定转速的模式，经济运转模式是在规定的发动机转速范围内，根据负载变动加减目标发动机转速的模式。
控制单元50作为功能结构具有逆变控制部51和发动机控制部52。另外，也可以将发动机控制部52设置为控制单元50以外的其他控制单元。逆变控制部51控制接触器驱动电路44的动作、电力转换电路31的开关元件的311和逆变器32的开关元件321的接通/断开、以及开关电路25的开关251～256的动作(切换)。
发动机控制部52具有设定发动机1的目标发动机转速的转速设定部53和将发动机转速控制至目标发动机转速的转速控制部54。转速控制部54，参照转速检测器71的检测值，向调整节流阀开度的电机等的促动器75输出控制信号，从而将发动机转速控制至目标转速(例如PID控制)。由逆变控制部51进行的绕组接线状态的切换，以及由转速设定部53进行的目标转速的设定，例如如下进行。
图4是表示本发明一实施方式的发动机发电机100的发动机转速N和发电机100生成的输出功率(W)之间关系的特性图，该特性预先存储于控制单元50的存储器中。图中的特性h1、h2分别是Y接线和△接线时的发电机100固有的特性。另外，在图4中，将特性h1、h2简单地用直线表示。图中的N1、N2相当于上述(图2A、图2B的说明中使用)发动机转速。因此，N1例如是3000rpm，N2例如是5000rpm。
如图4所示，无论Y接线和△接线的任意一种情况，在规定发动机转速N1到规定发动机转速N3(＞N2)的范围内，随着发动机转速的增加，输出功率增加。N1、N3例如规定经济运转模式时的发动机转速的范围，在经济运转模式时，可在N1≦N2≦N3的范围内变换发动机转速N。N2例如相当于通常运转模式时的目标发动机转速。
发动机转速为N1时，从Y接线的特性h1得到的输出功率大，而特性h1、h2的斜度(输出功率的增加比率)是△接线的特性h2大，特性h1和特性h2在转速Na处相交。因此，转速Na作为界限，在比Na低旋转侧，Y接线的输出功率变大，而在比Na高旋转侧，△接线的输出功率变大。另外，通常运转模式时的目标发动机转速N2被设定为比Na大的值。根据图4，发动机转速为Na时的输出功率值为Pa。在本实施方式中，此输出功率值Pa，在经济运转模式时，被设定为切换Y接线和△接线的阈值(规定值)。
逆变控制部51，由负载检测器72检测出的负载值，即想得到的输出功率在规定值Pa以下时(例如Pb)，将绕组的接线状态切换成能发挥出比△接线时大的输出功率的Y接线。此时，转速设定部53基于特性h1设定目标发动机转速(例如Nb)。另一方面，想得到的输出功率超出规定值Pa时(例如Pc)，逆变控制部51将绕组的接线状态切换成能发挥出比Y接线时大的输出功率的△接线。此时，转速设定部53基于特性h2设定目标发动机转速(例如Nc)。
图5是表示在控制单元50实行处理的一个例子的流程图。此流程图所示的处理例为，如发动机启动后在发电部2进行发电时开始。首先，在S1(S：处理步骤)中，读取模式切换开关73的信号，判定运转模式。
在S1中，当判定为通常运转模式时，进入S2。在S2中，根据逆变控制部51的处理，向开关电路25输出控制信号将接线状态切换成△接线。然后，在S3中，根据转速设定部53的处理，将规定转速N2设定为目标发动机转速。然后，在S4中，根据转速控制部54的处理，向促动器75输出控制信号，将发动机转速控制至目标发动机转速。
另一方面，在S1中，当判定为经济运转模式时进入S5。在S5中，获取来自负载检测器72的负载信息。然后，在S6中，判定负载值(想得到的输出功率)是否在规定值Pa以下。在S6判定为肯定(S6：是)时，进入S7，根据逆变控制部51的处理，向开关电路25输出控制信号，将接线状态切换成Y接线。然后，在S8中，根据转速设定部53的处理，基于图4的特性h1设定目标发动机转速。然后，进入S4，将发动机转速控制至S8的目标发动机转速。
在S6中，当判定负载值超出规定值时，S6为否定(S6：否)，进入S9。在S9中，根据逆变控制部51的处理，向开关电路25输出控制信号，将接线状态切换成△接线。然后，在S10中，根据转速设定部53的处理，基于图4的特性h2设定目标发动机转速。然后，进入S4，将发动机转速控制至S10的目标发动机转速。
根据本实施方式能起到如下的作用和效果。
(1)本实施方式所涉及的发动机发电机100，具有：通用发动机1，其转速可变控制；发电部2，具有三相的绕组24，由发动机1驱动而发电；逆变单元3，将由发电部2输出的交流电转换成规定频率的交流电，向负载36输出；开关电路25，将绕组24的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；负载检测器72，检测负载的大小；逆变控制部51，当由负载检测器72检测的负载大小在规定值Pa以下时，将接线状态切换成Y接线，当超出规定值Pa时，将接线状态切换成△接线(图1、3)。
如此，根据负载的大小而将接线状态切换成Y接线、以及△接线，从而在很宽的发动机转速范围内，负载36能得到来自发电机100的充分的输出功率。例如，如图2A、图2B所示，发动机转速为N1时的发电输出功率是VA2，发动机转速为N2(＞N1)是的发电输出功率是VA3，无论在任一的转速N1、N2，负载都能得到充分的输出功率。因此，不必将发电部2大型化或提高转子的永久磁铁等级，也能低价配置发电部2。
(2)发动机发电机100，还具有：模式切换开关73，选择通常运转模式和经济运转模式的任意一种运转模式；转速设定部53，根据由模式切换开关73选择的运转模式设定目标发动机转速；转速控制部54，将发动机转速控制至由转速设定部53设定的目标发动机转速。转速设定部53，当由模式切换开关73选择通常运转模式时，无论由负载检测器72检测出的负载大小如何，设定规定的目标发动机转速N2，当选择经济运转模式时，在规定的发动机转速范围内(N1≦N2≦N3)，设定与由负载检测器72检测出的负载大小相应的目标发动机转速(S3、S8、S10)。据此，能根据负载的大小增减发动机转速，能够有效地运行发动机。
(3)这种情况下，当选择了经济运转模式，且由负载检测器72检测出的负载大小在规定值Pa以下(例如图4的Pb)时，基于表示预定的绕组24的接线状态为Y接线时的发动机转速和负载(输出功率)的关系的特性h1，设定目标发动机转速(例如图4的Nb)(S8)。还有，当选择了经济运转模式，且由负载检测器72检测出的负载大小超出规定值Pa(例如图4的Pc)时，基于表示预定的绕组24的接线状态为△接线时的发动机转速和负载(输出功率)的关系的特性h2，设定目标发动机转速(例如图4的Nc)。据此，能根据负载的大小和绕组的切换设定最合适的发动机转速。
另外，在上述实施方式中，根据负载的大小切换接线状态，但，因为发动机转速和负载的大小之间有相关关系(图4)，所以也可以根据发动机转速来切换接线状态。即，发动机发电机100，具有：通用发动机1，其转速可变控制；发电部2，具有三相的绕组24，由发动机1驱动而发电；逆变单元3，将由发电部2输出的交流电转换成规定频率的交流电，向负载36输出；开关电路25，将绕组的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；转速检测器71，检测发动机1的转速；逆变控制部51，控制开关电路25的动作，并且，逆变控制部51，当由转速检测器71检测出的发动机转速在规定转速(例如图4的Na)以下时，将接线状态切换成Y接线，当超过规定转速时，将接线状态切换成△接线。
在上述实施方式中，设置了选择通常运转模式(第1模式)和经济运转模式(第2模式)的任意一种模式的模式切换开关73，但，模式选择部的构成不仅限于此。也可以为，省略模式选择部，仅根据响应于切换开关的操作，来变更发动机转速。例如，当切换开关***作到第1位置时，将发动机转速控制为规定的第1转速，当***作到第2位置时，控制为规定的第2转速。在这种情况下，第1转速被设定为比图4的Na大的值，而第2转速被设定为比Na小的值时，可以分别设定为，在切换开关操作到第1位置时，将接线状态切换成△接线，而操作到第2位置时，切换成Y接线。
在上述实施方式中，当转速设定部53选择通常运转模式时，无论检测出的负载如何，设定规定的目标发动机转速N2(第1目标转速)，当选择经济运转模式时，设定与检测出的负载相对应的目标发动机转速Nb、Nc等(第2目标转速)。更具体来说，在选择经济运转模式状态下，当检测出的负载大小在规定值Pa以下时，基于预定的Y接线时的特性h1(第1特性)设定目标发动机转速，当检测出的负载大小超出规定值Pa时，基于预定的△接线时的特性h2(第2特性)设定目标转速，但，转速设定部的构成不仅限于此。例如，也可以代替使用图，根据规定的公式设定与负载相对应的目标发动机转速。
在上述实施方式中，基于来自电流传感器等的负载检测器72的信号，检测负载的大小，但负载检测部的构成不仅限于此。在上述实施方式中，接通/断开开关电路25的开关251～256，将绕组的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种，但，接线切换部和接线切换控制部的构成不仅限于此。即，当由负载检测部检测出的负载的大小在规定值以下时，将接线状态切换成Y接线，当超出规定值时切换成△接线的话，作为接线切换部的开关电路25的构成和在作为接线切换控制的逆变控制部51的处理，任何形式都可以。
可以将上述实施方式和变形例的1个或者多个任意组合起来，也可以将各变形例之间组合起来。
根据本发明，绕组的接线状态根据负载的大小而适当切换，所以可以在很宽的发动机转速范围内，从发动机发电机得到充分的输出功率。
以上，就本发明的较佳实施方式进行了说明，本领域技术人员清楚地知道在不脱离所述权利要求的公开范围内，能得到各种修改和变形。

Claims (4)

1.一种发动机发电机，其特征在于，具有：
通用发动机(1)，其转速可变控制；
发电部(2)，具有三相的绕组(24)，由所述发动机(1)驱动而发电；
逆变单元(3)，将由所述发电部(2)输出的交流电转换成规定频率的交流电，并向负载输出；
接线切换部(25)，将所述绕组(24)的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；
负载检测部(72)，检测所述负载的大小；
对所述接线切换部(25)进行控制的接线切换控制部(51)；
模式选择部(73)，选择第1模式和第2模式的任意一种运转模式；
转速设定部(53)，根据由所述模式选择部(73)选择的运转模式设定目标转速；以及
转速控制部(54)，将发动机转速控制至由所述转速设定部(53)设定的目标转速；
接线切换控制部(51)，控制所述接线切换部(25)，以使当选择所述第1模式时，不论由所述负载检测部(72)检测出的负载大小如何，将所述绕组(24)的接线状态切换成所述△接线，当选择所述第2模式时，由所述负载检测部(72)检测出的负载大小在规定值以下时，将接线状态切换成所述Y接线，当由所述负载检测部(72)检测出的负载大小超出所述规定值时，将接线状态切换成所述△接线；
所述转速设定部(53)，当由所述模式选择部(73)选择了所述第2模式，且由所述负载检测部(72)检测出的负载大小在所述规定值以下时，基于表示所述绕组(24)的接线状态为所述Y接线时的发动机转速和负载的关系的预定的第1特性，设定所述目标转速；当选择了所述第2模式，且由所述负载检测部(72)检测出的负载大小超出所述规定值时，基于表示所述绕组(24)的接线状态为所述△接线时的发动机转速和负载的关系的预定的第2特性，设定所述目标转速；当选择了所述第1模式时，不论由所述负载检测部(72)检测出的负载大小如何，基于所述第2特性将比对应于所述规定值的转速大的规定的转速设定为所述目标转速。
2.根据权利要求1所述的发动机发电机，其特征在于，
所述第1特性为随着发动机转速的增加，按第1增加比例负载增加的特性；
所述第2特性为随着发动机转速的增加，按大于所述第1增加比例的第2增加比例负载增加的特性；
所述第1特性和所述第2特性，在负载大小为所述规定值时相交。
3.根据权利要求1所述的发动机发电机，其特征在于，还具有：
电力转换电路(31)，整流由所述发电部(2)输出的三相交流电；
所述接线切换部，包括设置在所述发电部(2)和所述电力转换电路(31)之间的开关电路(25)。
4.根据权利要求3所述的发动机发电机，其特征在于，
所述三相的绕组(24)，具有：一端经由第1端子(241)、第2端子(242)和第3端子(243)分别与所述电力转换电路(31)连接的第1绕组(24U)、第2绕组(24V)和第3绕组(24W)，所述第1绕组(24U)、所述第2绕组(24V)和所述第3绕组(24W)的另一端经由第4端子(244)、第5端子(245)和第6端子(246)分别与所述开关电路(25)连接；
所述开关电路(25)，具有：一端与所述第4端子(244)连接，另一端与所述第2端子(242)连接的第1开关(251)、一端与所述第5端子(245)连接，另一端与所述第3端子(243)连接的第2开关(252)、一端与所述第6端子(246)连接，另一端与所述第1端子(241)连接的第3开关(253)、一端分别与所述第4端子(244)、所述第5端子(245)和所述第6端子(246)连接，另一端通过中性点(257)相互连接的第4开关(254)、第5开关(255)和第6开关(256)。
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