TW546916B - Inverter controlled power generator - Google Patents

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546916 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) [發明背景] [發明領域] 本發明係關於一種反相器控制式發電機，尤指一種即 使反相器輸出電力有所變化，亦能使發電機在寬廣的轉數 範圍內K良好效率蓮轉之反相器控制式發電機。 [相關技術之說明】 當作交流電力電源裝置來使用之內燃機發電機中，使 用反相器來穩定輸出頻率者日益增多。第6圖為使用反相 器之發電裝置例之方塊圖。發電機1G0所產生之3相交流 電力K包含閘流體之整流部110轉換成直流電力後，經過 電容器平滑部1 2 0輸入反相器1 3 0。反相器1 3 0則將所輸 入之直流電力轉換成商用頻率之交流電力再予輸出。使用 內燃機式發電機之此種反相器控制式發電機已掲露於日本 特開平11-308896號公報、特開平6-121597號公報中。 反相器控制式發電機中，其輸出頻率並非依賴内燃機轉數 ，故可藉由控制內燃機轉數而施行對應所需輸出電力（亦 即，負載量）之輸出電力控制。 對應負載量而控制反相器輸出電力之反相器控制式發 電機中，為了使輸入於反相器之直流電壓不超過目標值而 對整流部施行開關控制時，會發生下述問題。若使用較小 型磁鐵式發電機作為發電裝置，則在反相器輸出電力較大 時，反相器輸出電力峰值之對應電力供應容易不足，例如 ，欲由輸出電力3KW之發電機獲21VA的輸出電力時，2KVA 之交流輸出電力之峰值電力係為4KVA。對於此時之電力供 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

546916 A7 B7 五、發明説明（2 ) 應不足，固可令電力從電容器平滑部之電容器實胨放電來 因應，但若其電容器之容量較小，則無法補足供應不足的 電力。因此，為了使輸入反相器之直流電壓不超過目標值 而施行控制時，即使發電機有餘裕，輸入反相器之直流電 壓亦不會超過目標值以上，而由於電容器平滑部之電容器 的電容量不足，輸入於反相器之直流電壓之平均值終究會 低於目標值。 因此，即使電力供應不足，也要利用電壓較低時之及 電機輸出電力。尤其是在輸出特性上，發電機採用高轉數 動作Μ獲得較大輸出電力時，即難Μ獲致充分足夠的輸出 電力，且形成蓮轉效率下降的問題。 關於此點，具體說明如下。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第7圖係Κ轉數為參數來顯示使用磁鐵式發電機作為 上逑發電裝置時之輸出特性例。該圖中，特性A、B、C表 示發電機之產生電壓與電流之關係，亦即為發電機轉數分 別為Η、M、L(H>M>L)時之特性。而且，特性Ap、Bp、Cp 分別表示對應於特性A、B、C之發電機輸出電力。按照負 載來控制反相器輸出時，反相器輸入側之直流電壓係以維 持基準電壓V的方式來控制。由圖示可以瞭解，反相器輸 入側之直流電壓維持基準電壓時，發電機轉數為L、Μ、Η 時之發電機輸出電力分別由曲線Ap、Bp、Cp上的P、q、Γ 來表示。 然而，反相器輸入之平均電壓如上所逑地降低，不會 達到目標電壓V,且停留在圖中之V’時，如圖所示，發電 -5-本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 546916 A7 __B7 五、發明說明（3 ) 機之輸出電力即停留在曲線Ap、Bp、Cp上之P’、q’、r，。 [發明之概逑] 本發明之目的在解決上逑問題而提供一種電力供應不 足時，可K利用高電壓時之發電機輸出電力，且可提高運 轉效率之反相器控制式發電機。 本發明之反相器控制式發電機係Μ半導體整流元件構 成之換流器將磁鐵式發電機輸出電力施行整流而獲致直流 電力，並Κ電容器平滑裝置將該直流電力平滑化，再用反 相器將該輸出電力轉換成預定頻率之交流電力再予輸出者 ，其特徵在包括：用Κ控制上述半導體整流元件之導通狀 況，俾將上逑電容器平滑裝置之平滑輸出電壓控制在目標 值的半導體整流元件驅動裝置；用以計算上述平滑輸出電 壓之平均值的平均值計算裝置；及在上逑平均值低於上逑 目標值超過一預定值時，即將上逑目標值提升之目標值修 正裝置。此為本發明之第1特徼。再者，本發明第2特徵 係在上述平滑輸出電壓之平均值係按上逑反相器之每一輸 出週期來計算。 -------1---------------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 電， 發通述第 出正 制導上之 輸修 控之對明 滑上Κ件制發 平向 藉元控本 之值 ，流由為 出標。置整藉此 輸目壓装體並 ， 所該電制導，數 置使出控半度轉 裝可輸數逑¾機 滑，滑轉上通燃 平時平機使導內 器值制燃，標制 容標控内數目控 電目而有轉之來 由於值備之定量 ，低標具機設應 徵幅目明燃先供 特大之發內預料 該值正本用在燃 據均修，動歛之 依平經又驅收機 的朝 機度燃 壓並 電程內 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 546916 A7 B7 五、發明說明（4 ) 3特徵。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 依據該第3特徵，可以令內燃機轉數在寬廣之範圍内 變化，而將半導體整流元件之導通程度控制在所期望之值。 又，本發明之上述内燃機轉數控制裝置包括在上述半 導體整流元件之導通程度栢對於上逑目標導通程度之偏差 量為正值時，令内燃機轉數減少，上逑偏差量為負值時， 令內燃機轉數增加之裝置。此為本發明之第4特徵。此外 ，本發明之第5特徵為上述内燃機轉數增加時之變化率大 於減少時之變化率。 [較佳實施例之詳细說明] 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 K下參佐附圖詳細說明本發明之一實施形態。第1圖 為反栢器控制式發電機之功能方塊圖。磁鐵式多極發電機 (M下簡稱「發電機J )1係由內燃機2所驅動，而產生多 相（K 3相為其代表）交流電。所產生之交流電藉由電容器 3施K全波整流而轉換成直流。電容器3則由當作半導體 整流元件之閘流體（一般而言係半導體整流元件）撟接組裝 之整流電路所構成。上逑直流再用電容器平滑電路11予K 平滑化再輸入反相器4,並由該反相器4對連接於其輸出 側之外部負載5供應商用頻率（例如50Hz)之單相交流。為 了調節內燃機2之節流閥6之開度而設有步進馬達7，並 藉由從燃料量控制部1 〇供給至該步進馬達7之脈衝數，使 節流閥之節流活門開度得以控制，K決定内燃機2之轉數 。此外，内燃機2亦可為燃料噴射式，在此情況下，則依 燃料噴射時間之控制而決定轉數。 - 7- 本紙張尺度適用中國.國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 546916 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5) 電壓檢測部8係用以檢測電容器平滑部11之輸出電壓 。閘流體控制部9係用於比較目標電壓（詳细內容如後述） 與電容器平滑部11之輸出電壓，並K適當的公知技術控制 電容器3構成用閘流體之導通狀況，使電壓檢測部8所檢 知之實際輸出電壓等於目標電壓。經由此種控制，電容器 平滑部11之輸出電壓（亦即，反相器4之輸入電壓）即得以 保持在目標電壓。 在反相器4之輸入電壓平均值低於該目標電壓的數值 超過某種程度時，上逑目標電壓即予K提升修正。第2圖 係用K使目標電壓按照反相器4之輸入電壓平均值改變的 閘流體驅動部9之要點部分功能方塊圖，該圖中，電壓偏 差檢測部91係將自電壓檢測部8輸入之直流電壓（亦即， 電容器平滑部11之輸出電壓）與設定在修正目標值設定部 92之修正目標電壓VDCa相比較，而檢測出上逑直流電壓 相對於修正目標電壓VD Cm之偏差。導通角設定部93則用 Μ設定換流器3構成用閘流體之導通角，Μ減少上逑直流 電壓之偏差：導通角之設定值係輸入於閘流體驅動電路94 ，閘流體驅動電路94則按照該設定值而控制換流器之閘流 體導通狀況。 另一方面，電壓檢測部8所檢測出之直流電壓亦輸入 於平均值計算部95Κ算出每一預定期間之平均值。上述預 定週期係訂定為例如反相器4之輸出週期，而按每一輸出 週期計算出直流電壓平均值。平均電壓偏差檢測部96係將 上述直流電壓平均值與儲存在目標值記憶部97之目標電壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------^------------ 546916 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（6 ) VDC相比較，Μ檢測平均電壓相對於目標電壓之偏差值。 在平均電壓低於目標電壓VDC之程度超過預定值Κ上時， 修正部98即藉由例如加入一預定值之方式來修正目標電壓 VDC，Μ減少上述偏差值。經修正之目標電壓VD Cm係設定 於上述修正目標值設定部9 2。 依此方式，由電容器平滑部11所輸出之直流電壓平均 值低於目標電壓VDC時，即將目標電壓VDC修正並當作修 正目標VDCa，從而得K在發電機輸出電力較大時K良好效 率蓮轉。 上述燃料量控制部1Q係K下逑方式構成，第3圖為燃 料量控制部10之要點部分功能方塊圖。閛流體導通檢測部 1 0 1係根據從閘流體驅動電路9 3輸出至換流器3之控制信 號而檢測出閘流體之導通角。該導通角係預定週期連續地 撿測，並計算其平均導通角。該平均導通角以預定次數（ 例如10次）之連續數據作變化式平均計算為佳。 閘流體導通角檢測部101算出的平均導通角係輸入於 偏差檢測部102 K檢測平均導通角相對於目標導通角的偏 差。依據該偏差，可Μ判斷發電機1是否K具有輸出餘裕 之狀態蓮轉。目標導通角係設定在例如80 X。和一般性的 控制目標值一樣，該目標導通角Μ具有固定的滯後情形為 佳。此外，目標導通角亦可為固定值，或亦可響應內燃機 2之過度而改變。例如，內燃機2溫度較低時，即縮小目 標導通角。依此方式，內燃機2之轉數即可調整至目標轉 數，使偏差檢测部102檢測所得之偏差成為「〇」，而發 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 546916 Α7 Β7 五、發明說明（7 ) 電機1即維持在有餘裕之狀態。 第4圖為K導通角8 0 %實施控制時之換流器3之閘流 體輸出電壓波形。該圖中，導通角α為對應於閘流體導通 時間之電氣角，其可由公知之適當裝置來決定。 目標轉數更新部103係Κ可因應自偏差檢測部102輸 入之偏差而輸出轉數調整量的方式所構成，例如使用Κ偏 差值為讀出位址而輸出轉數調整量的表（table)來構成。 第5圖為上述偏差與轉數調整量之藺係圖。在此處， 「偏差量J係指實際導通角相對於目標導通角之偏移量， 亦即為「實際導通角-目標導通角J 。該圖中，相較於該 偏差量為負之情況，上逑偏差量為正時，其對應於偏差之 轉數調整量之設定得較大。偏差量為正時，由於是屬於導 通角超過目標導通角（80¾)之情形，故可判斷為發電機1 沒有餘裕，必須將發電機1對應負載之輸出增加響應加快 。偏差量為負時，由於可K判斷發電機1仍有餘裕，故Μ 避免因過度響應造成過度調節而使轉數頻繁地上下變動為 宜。 再回到第3圖，目標轉數記憶部104會將由目標轉數 更新部103輸入之目標轉數調整量加在已儲存之目標轉數 中而構成新的目標轉數。目標轉數須加Κ更新，使之不致 超過設定在最高/最低轉數設定部105之最高轉數或最低 轉數之範圍。亦即，上述目標轉數調整量加算的结果，會 使目標轉數脫離上述範圍時，上述〜最高轉數或最低轉數即 成為新的目標轉數。規定最低轉數的理由係因為低轉速時 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^_____________— II_______________ 546916 A7 __B7__五、發明說明（8 ) ，閘流體導通角會對微少的轉數變化產生反應，故藉由防 止此種現象，而使無負載至輕負載間的穩定性維持在良好 狀態。 轉數檢測部1 0 6係用以檢測發電機1之轉數。控制量 演算部1 〇 7則依據由上述轉數檢測部1 Q 6輸入之實際轉數 與上述目標轉數記憶部104讀取之目標轉數，K適當的已 知技術（例如比例/積分/微分）演算出使實際轉數相對於目 標轉數之偏差量為零時所需之控制量。節流活門控制部 1 0 8包括步進馬達，其係依據控制量演算部1 〇 7之演算结 果而輸出驅動步進馬達所需之脈衝數，步進馬達7則響應 此脈衝數而轉動，K改變節流閥6之節流開度。 如上所逑，在本實疵形態中，由於內然機2轉數之控 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 平^ , 通合繁。測反電機係 的#>時導配頻低檢、效燃； 路彳大之會之降側力有内中 電11增體數數 K 入電與·或態 接 載流轉轉得輸效機機形 橋罾負閛之機量器有電電施 fftei，大 2 燃耗相之發發實 流 即增機内消反出及出本 閘),亦而燃於料在輸力算 ， 之0%。 化内由燃是器能以外 出W8力變，。或於相電，此 輸 ® 電降時升音由反發數 。 3α 應下同上矂 ，κ 之參化 器值供之 ，地之中需數為簡 流設載壓加緩機態不轉作Κ 換預負電增和燃形故一等得 制在對出之較內施，每差制 控持態輸載而故實壓、偏控 Κ 維狀 3 負加，本電率品 ， 用 Κ 的器應增和於出效製數 使得裕流順的緩，輸化之轉 ，角餘換即角 Κ 者之變部當 式通有應立通得再器之測適 方導常響，導化 流器檢最 制均經即角該變 換相力之 * 一 δ, 雪 mm§ n ϋ n n ϋ ϋ ί n ϋ ϋ >ϋ n 1_1 n Βϋ ϋ 11 I ϋ Βϋ ϋ - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 546916 A7 —- _ B7五、發明說明（9 ) Μ使用閘流體橋接之換流器而將發電機之輸出電流之情形 為例來說明，但亦可採用例如DC-DC電壓變換方式等其他 電壓控制方式。 此外，本實施形態中，係因應提升後之目標電壓而增 加換流器之閘流體導通角，由該導通角與目標導通角 較，K控制內燃機轉數，故內燃機可Μ響應負載而Μ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之 項 4 第 ~ 1Χ 第 圍 範 利 專 請 申 照 依 知 可 明 說 〇 上 轉Μ Wnu $ 數 轉 某蝥 過體 超導 形半 情之 之器 值流 標換 目制 於控 低M 值 ， 均值 平標 壓目 電升 入提 輸即 之 ， 器時 相上 反 K ， 度 明程 發種 落輸 低致 值導 均而 平落 壓低 電壓 入電 輸該 之因 器止 相防 反 Μ 逑可 上 ， 故此 ， 因 況 。 狀正 通修 導 Μ 之得 件況 元情 流之 轉蓮 蓮力 率電 效出 好輸 良的 Μ大 可較 時Μ 大機 較電 力發 電式 出鐵 輸磁 機令 電Μ 發可 式即 鐵 ， 磁式 ，方 低此 降依 出。 電 滑 平 由 藉 能 不 有 使 即 形 情 。 的 化動 3Μ 型變 小載 Κ負 得於 機對 電 ， 發者 故再 轉 情在 足 ，〇 不且轉 應而蓮 供。地 力決率 電解效 之可高 值即常 峰化經 力型可 電大亦 出量 ， 輸容上 器電制 相之控 反器之 應容變 對電改 Κ 使數 得必轉 足不機 補亦電 器，發 容形使 能 功 之 態 形 施 實 機 電 發 式 $ 控 器 相 反 明 發 明本 說為 單圖 簡 1 之第 式 圖 圖第 塊 方 流 閘 正 修 以 用 為 圖 β 咅 點 要 的 壓 電 標 巨 之 部 f 驅 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -

I I I I I I I ^ « — — — — — — I— I 10 2 /V 格 規 4 A S) N (C 準 標 家 國 國 中 用 適 度 尺 張 紙 本 釐 公 97 546916 A7 _ ____B7 五、發明說明（IQ ) 分功能方塊圖； 第3圖為燃料量控制部要點部分之功能方塊圖； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第4圖為閘流體導通角之說明圖； 第5圖為閘流體導通角偏差與目標轉數調整量之關係 圖； 第6圖為習知反相器控制式發電裝置例之方塊圖； 第7圖為磁鐵式發電機輸出特性之例示圖。 符號說明 1、100··.發電機 2····內燃機 3——換流器 4——反相器 5——外部負載 6——節流閥 7——步進馬達 8——電壓撿測部 9——閛流體驅動部 1 〇 ·…燃料量控制部 11·.·電容器平滑電路 91·..電壓偏差檢測部 9 2. · ·修正目標值設定部 93. .·導通角設定部 9 4 ...閘流體驅動電路 9 5 ...平均值計算部 9 6 ...平均電壓偏差檢測部 9 7 ...目標值記憶部 98.…修正部 101··導通角檢測部 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 〇 2 ·.偏差檢測部 1 〇 3 ··目標轉數更新部 104.. 目標轉數記憶部 105.. 最高/最低轉數設定部 1 〇 6 .·轉數撿測部 1 0 7 ··控制量演算部 1 〇 8 ··節流活門控制部 11 0 ··整流部 120·.電容器平滑部 130··反相器裝置 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 546916 A8 B8 C8 ____ D8 六、申請專利範圍 1· 一種反相器控制式發電機，具有：由用以將磁鐵 式發電機施行整流之半導體整流元件所構成的換流器；用 K將由該換流器所輸出之直流電力施行平滑化的電容器平 滑裝置；及將該電容器平滑裝置之輸出電力轉換成預定頻 率之交流電力的反相器； 其特徵在該發電機具備： 用K控制上述半導體整流元件之導通狀況，俾將上述 電容器平滑裝置之平滑輸出電壓控制在目標值的半導體整 流元件驅動裝置； 用K計算上述平滑輸出電壓之平均值的平均值計算裝 置；及 在上逑平均值低於上逑目標值之程度超過預定值K上 時，即將上逑目標值提升的目標值修正裝置。 機每 電之 發器 式相 制反 控逑 器上 相按 反係 之值 項均 1 平 第之 圍壓 範電 利出 專輸。 請滑者 申平算 D fcE rT ¾¾ ΪΕ 上期 2·，週 中出 其輸 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 , 度 機 程 電 通 發 導 式 的 制 度 控 程 器 通 相 導 反 之 之 件 項 元 1 流 第 整 圍 體 範 導 利 半 專 述 請：上 申備測 如具檢 復Μ 3 ，用 中 其 上數 使轉 ，機 數燃 轉内 機的 燃度 内程 甩通 勖導 昏標 機目 電之 發定 式設 鐵先 磁預 述在 上歛 及制收 •，控度 置 K 程 裝用通 測 導 檢 述 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 5469T6 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 供 料 燃 之 機 燃 内 述 上 對 Ηϋ $ 控 由 藉 係 數 轉 。 機者 燃制 內控 ，述行 置上施 裝而而 制量 控應 ，流時 機整正 電體為 發導量 式半差 制逑偏 控上之 器在度 相括程 反包通 之係導 項置標 3 裝目 第制逑 圍控上 範數於 利轉對 專機相 請燃度 申內程 如述通 上導 4 ，之 中件 其元 的 數 轉 機 燃 內 加 增 時 負 為. 量 差 偏 少 減 數 轉 機 燃 内。 令置 ，装 ，少 機減 電數 發轉 式於 制大 控係 器率 相化 反變 之數 項之 4 時 第加 圍增 範數 利 轉 專機 請燃 申內 如述 上 5 5 0 中者 其時 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 張 CN 標 國 國 中 I用 適 釐 9 2