JP5297080B2 - サイクロコンバータ式発電機 - Google Patents

Description

この発明は、ある周波数の交流電力を別の周波数の交流電力に変換して出力するサイクロコンバータ式発電機に関する。

ある周波数の交流電力を別の周波数の交流電力に変換して出力するサイクロコンバータ式発電機は良く知られており、その例として特許文献１記載の技術を挙げることができる。特許文献１記載の技術にあっては、３相の出力巻線に相互に逆並列にブリッジ接続される正負のサイリスタ群を目標とする交流電力の周波数の半周期ごとに可変の点弧幅で点弧して目標周波数の単相の交流電力を生成している。
特許第３４４７９３４号公報

特許文献１記載の技術にあってはさらに、正負のサイリスタ群の一方のみを点弧することで直流電力の生成も可能なことも開示するが、交流電力と直流電力の切り替えについては何等開示するものではなかった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、交流電力の生成に加えて目標とする電圧の直流電力を生成すると共に、それらの電力をユーザが容易に選択できるようにしたサイクロコンバータ式発電機を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、３相の出力巻線を有する磁石発電部と、前記磁石発電部の出力の位相を示す位相信号を生成する単相の出力巻線と、前記３相の出力巻線に相互に逆並列にブリッジ接続されて単相の交流電力を出力するサイクロコンバータを構成する正負のスイッチング素子群からなるブリッジ回路と、前記位相信号に基づいて目標とする交流電力の周波数の半周期ごとに前記ブリッジ回路の正負のスイッチング素子群を可変の点弧幅で点弧して前記単相の交流電力を生成する交流電力生成手段と、前記交流電力を取り出すための交流コンセントと、前記直流電力を取り出すための直流コンセントとを備えたサイクロコンバータ式発電機において、前記位相信号に基づいて目標とする直流電圧に応じて設定される固定の点弧幅で前記正負のスイッチング素子群の一方を点弧して前記目標とする電圧の直流電力を生成する直流電力生成手段と、ユーザの操作自在に設けられ、ユーザによって操作されるとき、前記交流電力と直流電力の内の選択結果を示す出力を生じると共に、前記交流コンセントと直流コンセントの内の前記選択結果を示す出力に対応しない方を遮蔽する選択スイッチとを備え、よって前記選択スイッチの出力に応じて前記交流電力生成手段と直流電力生成手段のいずれかが動作するように構成した。

請求項１に係るサイクロコンバータ式発電機にあっては、３相の出力巻線に相互に逆並列にブリッジ接続されてサイクロコンバータを構成するブリッジ回路の正負のスイッチング素子群を磁石発電部の出力の位相信号に基づいて目標とする交流電力の周波数の半周期ごとに可変の点弧幅で点弧して単相の交流電力を生成する交流電力生成手段と、位相信号に基づいて目標とする直流電圧に応じて設定される固定の点弧幅で正負のスイッチング素子群の一方を点弧して目標とする電圧の直流電力を生成する直流電力生成手段と、交流コンセントと、直流コンセントとユーザによって操作されるとき、交流電力と直流電力の内の選択結果を示す出力を生じると共に、交流コンセントと直流コンセントの内の選択結果を示す出力に対応しない方を遮蔽する選択スイッチとを備え、よって前記選択スイッチの出力に応じて前記交流電力生成手段と直流電力生成手段のいずれかが動作するように構成したので、交流電力の生成に加え、目標とする電圧の直流電力を生成できると共に、ユーザの操作自在に設けられた選択スイッチの出力に応じて交流電力生成手段と直流電力生成手段のいずれかを動作させることで、交流電力と直流電力をユーザが容易に選択することができる。

また、ユーザは、選択した出力に相当するコンセントに負荷を誤りなく接続することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係るサイクロコンバータ式発電機を実施するための最良の形態について説明する。

図１はこの発明の実施例に係るサイクロコンバータ式発電機を全体的に示すブロック図である。

図１において符号１０はサイクロコンバータ式発電機を示し、発電機１０は内燃機関（以下「エンジン」といい、ＥＮＧと示す）１２を備え、交流１００Ｖ−２．３ｋＶＡ、直流１２Ｖ−１０Ａの定格出力を有する。エンジン１２は空冷点火式であり、そのスロットルバルブ１２ａはステップモータなどからなるアクチュエータ１２ｂで開閉されると共に、リコイルスタータ（図示せず）で始動される。

発電機１０は、エンジン１２で駆動される磁石発電部（図１で「ＡＬＴ」と示す）１４を備える。

図２は磁石発電部１４を構成するステータ１４ａの平面図である。

ステータ１４ａはエンジン１２のシリンダヘッド付近に固定されるステータコア１４ａ１を備える。図示の如く、ステータコア１４ａ１からは放射状に２７個の突起（ティース）１４ａ２が形成され、その内の２４個の突起にはコイルＵｎ，Ｖｎ，Ｗｎ（ｎ：１から８）が巻回されてＵ，Ｖ，Ｗ相からなる３相の出力巻線（メイン巻線）１６が形成される。

コイルＵ１とＷ８の間の３個の突起１４ａ２１，１４ａ２２，１４ａ２３の内、Ｗ相に対応する突起１４ａ２１はコイルを巻回されない一方、Ｖ相に対応する突起１４ａ２２とＵ相に対応する突起１４ａ２３はコイルを巻回され、単相の出力巻線２０，２２を形成する。

ステータ１４ａの周囲にはロータ１４ｂが配置されると共に、その内部には上記したコイルと対向する位置に永久磁石１４ｂ１が、図示の如く、径方向に着磁された磁極を交互させつつ、９対（１８個）が取着される。永久磁石１４ｂ１は２個（例えば１４ｂ１１と１４ｂ１２）で１対を構成し、３個の突起１４ａ２当たり１対の永久磁石１４ｂ１が配置される。ロータ１４ｂはエンジン１２のフライホイールを兼用する。

ステータ１４ａの回りをロータ１４ｂの永久磁石１４ｂ１が回転することにより、３相の出力巻線１６から３相の交流電力が出力されると共に、単相の出力巻線２０からは単相の交流電力、即ち、磁石発電部１４の出力、より具体的には出力巻線１６の出力の位相を示すＶ相パルス（位相信号）が出力される。出力巻線２２からも単相の交流電力が出力される。

図１の説明に戻ると、磁石発電機１４で発電された３相の交流電力は、サイクロコンバータのブリッジ回路２４に入力される。

図３はサイクロコンバータのブリッジ回路２４の構成を詳細に示すブロック図である。図示の如く、ブリッジ回路は、正群コンバータ２４ａと負群コンバータ２４ｂと平滑コンデンサ２４ｃからなる。

正群コンバータ２４ａはカソードが正側を向くように配置された一対を３組並列に接続させた計６個のサイリスタ（ＳＣＲ。正のスイッチング素子群）Ｐｎ（ｎ：１から６）からなると共に、負群コンバータ２４ｂはカソードが負側を向くように配置された一対を３組並列に接続させた同数個のサイリスタ（ＳＣＲ。負のスイッチング素子群）Ｎｎ（ｎ：１から６）からなる。このように、サイクロコンバータのブリッジ回路２４は３相の出力巻線１６に相互に逆並列にブリッジ接続される正負のスイッチング素子群からなるブリッジ回路として構成される。

３相の出力巻線１６の出力端子は、一対のサイリスタＰｎ，Ｎｎの中点に接続される。即ち、ブリッジ回路２４において正群コンバータ２４ａと負群コンバータ２４ｂは３相の出力巻線１６に相互に逆並列にブリッジ接続される。

図１の説明に戻ると、ブリッジ回路２４は、電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）２６に接続される。

ＥＣＵ２６は、正負コンバータ切替制御部２６ａ、電圧実効値制御部２６ｂ、物理値変換部２６ｃ、およびスロットル制御部２６ｄを備える。ＥＣＵ２６は実際にはＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏなどを備えたマイクロコンピュータからなり、上記した電圧実効値制御部２６ｂなどはそのＣＰＵの動作を機能的に示したものである。

後述する如く、ＥＣＵ２６の正負コンバータ切替制御部２６ａによってブリッジ回路２４において正群コンバータ２４ａと負群コンバータ２４ｂのうちの点弧（導通）されるべき方が選択（切替）され、電圧実効値制御部２６ｂによって点弧角が制御され、よって入力された３相の交流電力は単相の交流電力あるいは直流電力に変換され、給電路２８を介して負荷３０に供給される。

図示の如く、出力巻線２０から出力されたＶ相パルス（位相信号）はＥＣＵ２６の物理値変換部２６ｃを介して正負コンバータ切替制御部２６ａや電圧実効値制御部２６ｂに送られると共に、物理値変換部２６ｃでＶ相パルスをカウントしてエンジン回転数ＮＥが検出される。出力巻線２２の出力は整形され、エンジン１２の点火コイルなどの点火系（図示せず）に点火電圧として供給される。

物理値変換部２６ｃで検出されたエンジン回転数ＮＥは、スロットル制御部２６ｄに入力される。スロットル制御部２６ｄは、検出されたエンジン回転数ＮＥが目標エンジン回転数となるように適応制御器（Self -Tuning Regulator）を用いてアクチュエータ１２ｂの動作を調整してスロットルバルブ１２ａの開度を制御する。尚、その制御の詳細はこの発明の要旨と直接の関連を有しないので、ここでの説明は省略する。

また物理値変換部２６ｃで検出されたエンジン回転数ＮＥと位相信号は、電圧実効値制御部２６ｂに入力される。給電路２８には電圧センサ３２と電流センサ３４が配置され、それぞれ給電路２８の電圧と電流に応じた出力を生じる。電圧センサ３２と電流センサ３４の出力は正負コンバータ切替制御部２６ａと電圧実効値制御部２６ｂに送られる。

また、発電機１０のコントロールパネル（後述）などのユーザ（使用者）の操作自在な適宜位置には、商用電力系統の６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚを目標周波数としてユーザに設定させる周波数設定ＳＷ（スイッチ）３６が設けられると共に、要求する直流電力の電圧をユーザに設定（選択）させる電圧設定ＳＷ（スイッチ）３８が設けられる。それらの出力も電圧実効値制御部２６ｂに送られる。

次いで、正負コンバータ切替制御部２６ａと電圧実効値制御部２６ｂの動作を説明する。

先ず、３相の交流電力を商用電力系統の６０Ｈｚ（あるいは５０Ｈｚ）を目標周波数とする単相の交流電力に変換する場合を説明すると、正負コンバータ切替制御部２６ａは、図４に示す如く、電流センサ３４で検出された電流の傾きから正群コンバータ２４ａと負群コンバータ２４ｂのいずれかを点弧すべきか決定する。

具体的には、正負コンバータ切替制御部２６ａは、検出された電流が０レベルを正側に超えるときは正群コンバータ２４ａを、負側に超えるときは負群コンバータ２４ｂを点弧すべきと決定する。

電圧実効値制御部２６ｂは、前記した位相信号と図５に示すような正群コンバータ２４ａと負群コンバータ２４ｂの１２個のサイリスタＰｎ，Ｎｎ（同図でＳＣＲｎ＋，ｎ−などと示す）ごとに生成された基準ノコギリ波に基づき、周波数設定ＳＷ３６を介してユーザから設定された、図６に示すような目標周波数（６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚ）の波形ｗと、１２個のサイリスタＰｎ，Ｎｎのそれぞれに設けられる比較器（図示せず）との比較結果に基づき、サイリスタを同図に矢印で示すタイミングで点弧（導通）し、出力電圧の実効値を目標とする実効値に制御する。尚、図５でＵＶ，ＶＷ，ＷＵ間に印加される電圧を実線、その逆のＶＵ，ＷＶ，ＵＷ間に印加される電圧を破線で示す。

電圧実効値制御部２６ｂで目標実効値に制御されて生成された単相の交流電力は平滑コンデンサ２４ｃで平滑され、給電路２８、より具体的には給電路２８ａ，２８ｂ（図３）を介して負荷３０に供給される。このように、サイクロコンバータは、ブリッジ回路２４とＥＣＵ２６で構成される。

尚、電圧実効値制御部２６ｂは、エンジン１２が始動されてエンジン回転数ＮＥが上昇し、出力許可しきい値を超えたとき、生成した電力の出力を開始すると共に、エンジン回転数ＮＥが停止判定しきい値を下回ったとき、出力を停止する。

次いで、３相の交流電力を直流電力に変換する場合を説明する。

図７を参照して説明すると、電圧実効値制御部２６ｂは、位相信号と図７に示すような交流電力に変換する場合と同様の基準ノコギリ波に基づき、同図に矢印で示す如く、設定された電圧に応じて決定される固定の点弧角３０度で正群コンバータ２４ａと負群コンバータ２４ｂを、具体的には正群コンバータ２４ａを点弧する。

これにより、図７に示す如く、正群コンバータ２４ａによってノコギリ波状の出力が生成される。生成された出力は平滑コンデンサ２４ｃで平滑されることで同図に破線ｘで示すような、直流成分に近い出力となって給電路２８ａ（正）、２８ｂ（接地）を介して負荷３０に供給される。

図８は、図７に示す例と別の点弧角、具体的には４５度で点弧した場合で、より点弧角度を増加させた場合である。このように、サイリスタＰｎの点弧角度を増加、即ち、通電角度区間を長くするほど、出力される直流の電圧は増加する。

上記した如く、電圧実効値制御部２６ｂは、位相信号に基づき、目標とする交流電力の周波数の半周期ごとにブリッジ回路２４の正負のＳＣＲ（スイッチング素子）群Ｐｎ，Ｎｎを可変の点弧幅で点弧して目標周波数の単相の交流電力を生成すると共に、目標とする直流電圧に応じて設定される固定の点弧幅で正負のＳＣＲ（スイッチング素子）群Ｐｎ，Ｎｎの一方（Ｐｎ）を点弧して目標とする電圧の直流電力を生成する。

上記した交流電力および直流電力の生成は前記した特許文献１に詳細に記載されているので、説明は上記に止める。

図１の説明に戻ると、発電機１０のコントロールパネルには選択ＳＷ（スイッチ）４０がユーザの操作自在に設けられる。選択ＳＷ４０は、操作されるとき、ユーザによる交流電力と直流電力の内の選択結果を示す出力を生じる。

図９は、その発電機１０のコントロールパネル１０ａに設けられる選択ＳＷ４０の正面図である。

図示の如く、発電機１０のコントロールパネル１０ａには直流コンセント４２と交流コンセント４４が配置される。ユーザはコンセント４２，４４のいずれかを負荷３０のプラグ（図示せず）に差し込み、負荷３０を通電する。直流コンセント４２の付近には電気接点４０ａが設けられ、押圧されるとき、オン信号を出力する。

選択ＳＷ４０は、電気接点４０ａと、直流コンセント４２と交流コンセント４４の間をスライドして一方を遮蔽するコンセントカバー４０ｂからなり、直流コンセント４２の上にスライドさせられるとき、図１０に示すように電気接点４０ａを押圧してオン信号を出力するように構成される。図１１は、選択ＳＷ４０が直流コンセント４２の上にスライドさせられた場合を示す。

選択ＳＷ４０の電気接点４０ａの出力は、電圧実効値制御部２６ｂに入力され、電圧実効値制御部２６ｂは、その出力に応じて上記したように交流電力または直流電力を生成する。

上記の如く、この実施例においては、３相の出力巻線１６を有する磁石発電部（ＡＬＴ）１４と、前記磁石発電部１４の出力の位相を示す位相信号を生成する単相の出力巻線２０と、前記３相の出力巻線１６に相互に逆並列にブリッジ接続されて単相の交流電力を出力するサイクロコンバータを構成する正負のスイッチング素子群（サイリスタＰｎ，Ｎｎ）群（正群コンバータ２４ａ、負群コンバータ２４ｂ）からなるブリッジ回路２４と、前記位相信号に基づいて目標とする交流電力の周波数の半周期ごとに前記ブリッジ回路の正負のスイッチング素子群を可変の点弧幅で点弧して前記単相の交流電力を生成する交流電力生成手段（ＥＣＵ２６の電圧実効値制御部２６ｂ）と、前記交流電力を取り出すための交流コンセント４４と、前記直流電力を取り出すための直流コンセント４２とを備えたサイクロコンバータ式発電機１０において、前記位相信号に基づいて目標とする直流電圧に応じて設定される固定の点弧幅で前記正負のスイッチング素子群の一方（サイリスタＰｎ）を点弧して前記目標とする電圧の直流電力を生成する直流電力生成手段（ＥＣＵ２６の電圧実効値制御部２６ｂ）と、ユーザの操作自在に設けられ、ユーザによって操作されるとき、前記交流電力と直流電力の内の選択結果を示す出力を生じると共に、前記交流コンセント４４と直流コンセント４２の内の前記選択結果を示す出力に対応しない方を遮蔽する選択スイッチ（ＳＷ）４０とを備え、よって前記選択スイッチ４０の出力に応じて前記交流電力生成手段と直流電力生成手段のいずれかが動作するように構成した。

これにより、交流電力の生成に加え、目標とする電圧の直流電力を生成できると共に、ユーザの操作自在に設けられた選択スイッチ４０の出力に応じて交流電力生成手段と直流電力生成手段のいずれかを動作させることで、交流電力と直流電力をユーザが容易に選択することができる。

また、ユーザは、選択した出力に相当するコンセント（交流コンセント４４、直流コンセント４２）に負荷３０を誤りなく接続することができる。

尚、上記においてスイッチング素子としてサイリスタを示したが、それに限られるものではなく、ＦＥＴなどであっても良い。

また、直流電圧をユーザが設定できるように構成したが、１２Ｖなどバッテリの充電に使用される値に固定しても良い。

この発明の実施例に係るサイクロコンバータ式発電機を全体的に示すブロック図である。 図１に示す磁石発電部を構成するステータの平面図である。 図１に示すサイクロコンバータのブリッジ回路の構成を詳細に示すブロック図である。 図１に示す電子制御ユニット（ＥＣＵ）の正負コンバータ切替制御部による交流への変換時の正、負群コンバータの切替（選択）動作を示すタイム・チャートである。 同様に図１に示す電子制御ユニットの電圧実効値制御部による交流への変換時の正、負群コンバータの点弧動作を示すタイム・チャートである。 図５の正、負群コンバータの点弧動作で使用される目標波形を示すタイム・チャートである。 図１に示す電子制御ユニットの電圧実効値制御部による直流への変換時の正、負群コンバータの点弧動作を示すタイム・チャートである。 同様に図１に示す電子制御ユニットの電圧実効値制御部による直流への変換時の正、負群コンバータの点弧動作を示すタイム・チャートである。 図１に示すサイクロコンバータのコントロールパネルに設けられる選択スイッチの正面図である。 図９に示す選択スイッチの側面図である。 同様に図１に示すサイクロコンバータのコントロールパネルに設けられる選択スイッチの正面図である。

符号の説明

１０ サイクロコンバータ式発電機、１２ 内燃機関（エンジン）、１４ 磁石発電部、１４ａ ステータ、１４ａ１ ステータコア、１４ａ２ 突起、１４ｂ ロータ、１４ｂ１ 永久磁石、１６ ３相の出力巻線、２０，２２ 単相の出力巻線、２４ サイクロコンバータのブリッジ回路、２４ａ 正群コンバータ、２４ｂ 負群コンバータ、２４ｃ 平滑コンデンサ、２６ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）、２６ａ 正負コンバータ切替制御部、２６ｂ 電圧実効値制御部、２６ｃ 物理値変換部、２６ｄ スロットル制御部、２８ 給電路、３０ 負荷、３２ 電圧センサ、３４ 電流センサ、３６ 周波数設定ＳＷ、３８ 電圧設定ＳＷ、４０ 選択ＳＷ（スイッチ）、４２ 直流コンセント、４４ 交流コンセント

Claims (1)

1. ３相の出力巻線を有する磁石発電部と、前記磁石発電部の出力の位相を示す位相信号を生成する単相の出力巻線と、前記３相の出力巻線に相互に逆並列にブリッジ接続されて単相の交流電力を出力するサイクロコンバータを構成する正負のスイッチング素子群からなるブリッジ回路と、前記位相信号に基づいて目標とする交流電力の周波数の半周期ごとに前記ブリッジ回路の正負のスイッチング素子群を可変の点弧幅で点弧して前記単相の交流電力を生成する交流電力生成手段と、前記交流電力を取り出すための交流コンセントと、前記直流電力を取り出すための直流コンセントとを備えたサイクロコンバータ式発電機において、前記位相信号に基づいて目標とする直流電圧に応じて設定される固定の点弧幅で前記正負のスイッチング素子群の一方を点弧して前記目標とする電圧の直流電力を生成する直流電力生成手段と、ユーザの操作自在に設けられ、ユーザによって操作されるとき、前記交流電力と直流電力の内の選択結果を示す出力を生じると共に、前記交流コンセントと直流コンセントの内の前記選択結果を示す出力に対応しない方を遮蔽する選択スイッチとを備え、よって前記選択スイッチの出力に応じて前記交流電力生成手段と直流電力生成手段のいずれかが動作するように構成したことを特徴とするサイクロコンバータ式発電機。

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