JP5499246B1 - 永久磁石型同期発電機の制御装置および制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】永久磁石型同期発電機の制御装置は、界磁に永久磁石14を用いる同期発電機10に適用され、負荷電流を検出する電流センサ40と負荷電圧を検出する電圧センサ41を備え、電圧センサと電流センサからの各検出信号を用いて出力定電圧化制御用スイッチ37U〜37WをON・OFF制御して負荷電圧を一定電圧に制御する。
【選択図】図3
Description
永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された1次側となる直列巻線を有しかつ直列巻線と2次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
単巻変圧器の分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
単巻変圧器の出力取出し部に接続された整流器と、
整流器の出力に並列に接続された平滑コンデンサと、
整流器の出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
負荷電圧を検出する電圧センサと、
電圧センサからの検出信号と電流センサからの検出信号を入力として出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする。
永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された1次側となる直列巻線を有しかつ直列巻線と2次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
単巻変圧器の分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
単巻変圧器の出力取出し部に接続された低域濾過フィルタと、
低域濾過フィルタの出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
負荷電圧を検出する電圧センサと、
電圧センサからの検出信号と電流センサからの検出信号を入力として出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラとを備えることを特徴とする。
上記の構成において、好ましくは、コントローラは、出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする。
上記の構成において、好ましくは、コントローラは、電圧センサの検出電圧値と電流センサの検出電流値に基づき負荷の抵抗値(または負荷リアクタンス)に基づく値を算出し、算出した値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする。
上記の構成において、好ましくは、コントローラは、さらに永久磁石型同期発電機の回転数に基づく信号を加味することにより出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、負荷の検出電圧値と負荷の検出電流値と永久磁石型同期発電機の回転数検出に基づく値に応答して出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、出力定電圧化制御用スイッチをONすることにより単巻変圧器で永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、出力定電圧化制御用スイッチをOFFすることにより単巻変圧器で永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、検出電圧値と検出電流値に基づき負荷の抵抗値(または負荷リアクタンス)に基づく値を算出し、算出した値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする。
上記の方法において、好ましくは、さらに永久磁石型同期発電機の回転数に基づく信号を加味することにより出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする。
図1と図2を参照して永久磁石型同期発電機(以下簡略して「同期発電機」と記す)の構造を説明する。同期発電機10は、フロントハウジング11Aとリアハウジング11Bから成るハウジング11、ハウジング11に一対の軸受12A,12Bを介して回転可能にそれぞれ支持されたロータシャフト13、ロータシャフト13に固定された永久磁石14と透磁性部材19から成るロータ(回転子)15、およびロータ15の外周側に配置されかつハウジング11に固定されたステータ(固定子)16から構成されている。ステータ16は、ステータコア17と、ステータコア17に巻かれた巻線(コイル)18から構成されている。
図3を参照して永久磁石型同期発電機とその制御装置の電気回路の構成を説明する。同期発電機10を電気回路的に表現すると破線ブロック30Aに示すようになり、制御装置の構成を電気回路的に表現すると破線ブロック30B(以下「制御装置30B」と記す)に示すようになる。
次に図4と図5を参照して、制御装置30Bに基づく同期発電機10の出力定電圧化の制御の内容について説明する。負荷電圧に関する出力定電圧化の制御は、この例によれば、コントローラ42においてソフトウェア的に実行される。図4は制御内容(制御の手順)に係るフローチャートを示し、図5は負荷ごとのデューティー比・出力電圧特性を示している。図4に示された制御処理の流れは、同期発電機の出力の一周期より十分に短い周期、例えば同期発電機の出力の周期が20ミリ秒の時には20マイクロ秒のインターバルで繰り返し行われる。
(1)変更実施形態1
この実施形態では、図7に示すように、図3に示した電気回路の構成において、同期発電機10にロータ15の回転数を検出するための回転センサ10Aが付設されている。図7において、図3で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号が付されており、その詳細な説明は前述した説明を援用する。この実施形態においても、制御装置30Bは負荷39に対して直流を供給する。
この実施形態の構成によれば、回転センサ10Aによって検出された同期発電機10のロータ15の回転数に係る検出信号(回転数検出値N0)が、コントローラ42に入力されている。この構成の場合には、上記の負荷39にかかる負荷電圧を一定電圧に制御することにおいて、より制御の精度を高めるため、検出電圧値E0および検出電流値I0に加えて、サンプルされた回転数検出値N0に基づく値が加味される。従って、図4のフローチャートで説明した検出電圧値E0を取り込むステップS12および検出電流値I0を取り込むステップS13に対して、例えばその後に、さらに回転数センサ10Aから入力された検出信号をサンプリングして回転数検出値N0を取り込むステップが追加される。コントローラ42は、検出電圧値E0および検出電流値I0に加えて、サンプルされた回転数検出値N0を考慮して、出力定電圧化制御用スイッチ37U,37V,37WをON・OFF制御し、これにより制御精度をより高める。同期発電機10は回転数に応じて出力周波数が変化する。出力電圧制御の原理式(前述した数1で示した式)に含まれるeL1は、単巻変圧器の直列巻線34の端子電圧であり、その端子電圧を決めるリアクタンス値は周波数の関数になるため、本制御をより最適化するためには、eL1に基づく成分も取り込む必要がある。本実施形態の構成は、このような最適化制御を可能にする。
上記の変更実施形態1では、同期発電機10に設けた回転数センサ10Aを用いて同期発電機10の回転数に関する情報を取り出すように構成したが、この実施形態では、図8に示すように、回転数センサ10Aの代わりに、制御装置30Bの側、すなわちコントローラ42の側に、同期発電機10の発電出力から検出された電圧または電流の波形に基づき回転数に基づく信号を検出する手段を設けるように構成することもできる。図8において、図3で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。
図8では、制御装置30B内にて、一例として、U相の巻線31Uの出力端子(出力A)と単巻変圧器32Uの直列巻線34の入力端子との間に電流センサ71を接続し、さらにU相の巻線31Uの出力端子とV相の巻線31Vの出力端子との間に電圧センサ72を接続している。そして、電流センサ71からの検出信号(電流波形)と電圧センサ72からの検出信号(電圧波形)がコントローラ42に入力されている。コントローラ42では、電流センサ71から与えられる電流の波形、電圧センサ72から与えられる電圧の波形のいずれか一方または両方に基づいて同期発電機10の回転数に基づく信号を検出する機能(手段)を備えており、当該回転数に基づく信号を回転数情報として用いる。その他の制御の処理内容は、前述した実施形態での処理内容と同じである。
この実施形態の構成においても、同期発電機10の回転数に係る情報を用いて、上記の変更実施形態1と同様にしてON・OFF制御を行うことができる。
前述した各実施形態での制御装置の構成は負荷に対して直流の出力を供給するための装置構成を有していたが、この実施形態に係る制御装置の構成は負荷に対して交流の出力を供給するための装置構成を有している。そのため、図9に示すように、前述した三相整流器36と平滑コンデンサ38の代わりに三相用の低域濾過フィルタ(LPF)81が接続され、さらに3つの相(U,V,W)に対応して3つの電流センサ82と電圧センサ83が接続される。図9に示されるその他の構成は、図3で説明した構成と同じであり、図3で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
3つの電流センサ82の各々からの検出信号と3つの電圧センサ83の各々からの検出信号はコントローラ42に入力される。コントローラ42では、制御処理の過程において、図4のフローチャートのステップS12,S13で説明したように、各電流センサ82の検出信号から検出電流値を取込み、かつ各電圧センサ83の検出信号から検出電圧値を取り込む。そしてその後、取り込んだ検出電流値と検出電圧値に基づいて、負荷39の負荷リアクタンスに基づく値を算出する。そして、算出した負荷リアクタンスに基づく値を用いて、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、当該関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行う。
上記の実施形態に係る永久磁石型同期発電機の制御装置によれば、負荷39への出力が交流である場合にも、前述した代表的な実施形態の場合と同様な作用・効果を生じさせ、電圧センサ82からの検出信号と電圧センサ83からの検出信号を用いて、出力定電圧化制御用スイッチ37U,37V,37WをON・OFF制御し、負荷電圧を一定電圧に制御することが可能となる。
10A 回転数センサ
11 ハウジング
13 ロータシャフト
14 永久磁石
15 ロータ
16 ステータ
18 巻線
30B 制御装置
31U U相電機子巻線(巻線)
31V V相電機子巻線(巻線)
31W W相電機子巻線(巻線)
32U U相単巻変圧器
32V V相単巻変圧器
32W W相単巻変圧器
34 直列巻線
35 分路巻線
36 三相整流器
37U〜37W 出力定電圧化制御用スイッチ
38 平滑コンデンサ
39 負荷
40 電流センサ
41 電圧センサ
42 コントローラ
71 電流センサ
72 電圧センサ
81 低域濾過フィルタ(LPF)
82 電流センサ
83 電圧センサ
Claims (22)
- 界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機の制御装置において、
前記永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された1次側となる直列巻線を有しかつ前記直列巻線と2次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
前記単巻変圧器の前記分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
前記単巻変圧器の前記出力取出し部に接続された整流器と、
前記整流器の出力に並列に接続された平滑コンデンサと、
前記整流器の出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
前記負荷の負荷電圧を検出する電圧センサと、
前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする永久磁石型同期発電機の制御装置。 - 前記永久磁石型同期発電機は回転数センサを備え、
前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数センサからの検出信号に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項1記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。 - 前記コントローラは、前記永久磁石型同期発電機の発電出力から検出された電圧または電流の波形によって回転数に基づく信号を検出する手段を備え、
前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項1記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。 - 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをONすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、前記出力定電圧化制御用スイッチをOFFすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項1記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記の値および前記回転数に基づく信号によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項2または3記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機の制御装置において、
前記永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された1次側となる直列巻線を有しかつ前記直列巻線と2次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、
前記単巻変圧器の前記分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチと、
前記単巻変圧器の前記出力取出し部に接続された低域濾過フィルタと、
前記低域濾過フィルタの出力に接続された負荷に流れる電流を検出する電流センサと、
前記負荷の負荷電圧を検出する電圧センサと、
前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする永久磁石型同期発電機の制御装置。 - 前記永久磁石型同期発電機は回転数センサを備え、
前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数センサからの検出信号に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項8記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。 - 前記コントローラは、前記永久磁石型同期発電機の発電出力から検出された電圧または電流の波形によって回転数に基づく信号を検出する手段を備え、
前記コントローラは、前記電圧センサからの検出信号と前記電流センサからの検出信号と前記回転数に基づく信号を入力として前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項8記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。 - 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをONすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、前記出力定電圧化制御用スイッチをOFFすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 前記コントローラは、前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンスに基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項8記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 前記コントローラは、前記電圧センサの検出電圧値と前記電流センサの検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンス値に基づく値を算出し、算出した前記の値および前記回転数に基づく値によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項9または10記載の永久磁石型同期発電機の制御装置。
- 界磁に永久磁石を用いる永久磁石型同期発電機と、前記永久磁石型同期発電機の出力端子に接続された1次側となる直列巻線を有しかつ前記直列巻線と2次側となる分路巻線の間に出力取出し部を設定した単巻変圧器と、前記単巻変圧器の前記分路巻線の他端に接続された出力定電圧化制御用スイッチを備え、前記単巻変圧器の前記出力取出し部から取り出した出力を負荷に供給する永久磁石型同期発電機の制御方法であり、
前記負荷の負荷電圧の検出電圧値と前記負荷に流れる電流の検出電流値を入力して前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする永久磁石型同期発電機の制御方法。 - 前記負荷の前記検出電圧値と前記負荷の前記検出電流値と前記永久磁石型同期発電機の回転数に基づく信号に応答して前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御して前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項15記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
- 前記出力定電圧化制御用スイッチをONすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧し、前記出力定電圧化制御用スイッチをOFFすることにより前記単巻変圧器で前記永久磁石型同期発電機の出力電圧を降圧しないようにし、前記負荷電圧を一定電圧に制御することを特徴とする請求項15または16記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
- 前記出力定電圧化制御用スイッチをON・OFF制御してそのデューティー比を変更させることを特徴とする請求項15〜17のいずれか1項に記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
- 前記負荷へ供給する出力が直流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項15記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
- 前記負荷へ供給する出力が直流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の抵抗値に基づく値を算出し、算出した前記算出値および前記回転数に基づく信号によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項16記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
- 前記負荷へ供給する出力が交流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンスに基づく値を算出し、算出した前記の値に基づき、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項15記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
- 前記負荷へ供給する出力が交流であるとき、前記検出電圧値と前記検出電流値に基づき前記負荷の負荷リアクタンスに基づく値を算出し、算出した前記の値および前記回転数に基づく信号によって、デューティー比−出力電圧制御関数の選択、前記関数のパラメータの設定、デューティー比変化範囲の設定を行うことを特徴とする請求項16記載の永久磁石型同期発電機の制御方法。
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