專利名稱:循環換流器式發電機的制作方法
技術領域:
本發明涉及將某頻率的交流電變換成其他頻率的交流電并輸出的循 環換流器式發電機。
背景技術:
將某頻率的交流電變換成其他頻率的交流電并輸出的循環換流器式 發電機是被廣泛公知的,作為其例子可列舉專利文獻1記載的技術。在 專利文獻1記載的技術中,按照作為目標的交流電的頻率的每半周期, 以可變的點弧范圍對與三相輸出繞組相互逆并聯地橋接的正負晶閘管組 進行點弧來生成目標頻率的單相交流電。
專利文獻1日本特許第3447934號公報 然而,在這種循環換流器式發電機中,若要將生成的交流電的目標 頻率保持恒定,則與負荷的要求功率的大小無關,進行驅動的內燃機不 得不以恒定轉速運轉。因此,具有當負荷的要求功率小時燃料消耗量和 噪聲不必要地增加的不利。
發明內容
因此,本發明的目的是解決上述課題,提供一種循環換流器式發電 機,該發電機通過以與負荷的要求功率對應的轉速來運轉內燃機,從而 防止燃料消耗量和噪聲的不必要的增加,并且當內燃機轉速劇變時,也 能生成穩定的交流電。
為了解決上述課題,在發明1中,循環換流器式發電機具有磁鐵 發電部,其具有與磁鐵n對對置配置的三相輸出繞組并由內燃機驅動;
單相輸出繞組,其與所述三相輸出繞組接近配置,每旋轉一周生成n個 表示所述磁鐵發電部的輸出的相位的相位信號;橋電路,其由正負開關元件組構成,該正負開關元件組與所述三相輸出繞組相互逆并聯橋接而
構成輸出單相交流電的循環換流器;以及交流電生成單元,其根據目標 頻率以可變的點弧范圍對所述橋電路的開關元件組進行點弧,生成所述
單相交流電提供給負荷,該循環換流器式發電機構成為具有致動器,
其自由變更所述內燃機的轉速;負荷要求功率檢測單元,其檢測所述負 荷要求的要求功率;目標轉速決定單元,其根據所述檢測出的要求功率 決定所述內燃機的目標轉速;以及致動器驅動單元,其驅動所述致動器 以便達到所述決定的目標轉速,并且所述交流電生成單元按照使在所述 生成的交流電的頻率的一周期期間所生成的所述相位信號的個數成為根 據所述決定的目標轉速進行了校正的個數的方式,對所述開關元件進行 點弧來生成所述交流電。
在發明2的循環換流器式發電機中,構成為所述交流電生成單元按 照使所述生成的交流電的頻率與所述相位信號的零交叉點一致的方式對 所述開關元件進行點弧。
在發明1中,循環換流器式發電機構成為具有磁鐵發電部,其具 有與磁鐵n對對置配置的三相輸出繞組并由內燃機驅動;單相輸出繞組, 其每旋轉一周生成n個表示該磁鐵發電部的輸出的相位的相位信號;以 及交流電生成單元,其根據目標頻率以可變的點弧范圍對橋電路的正負 開關元件組進行點弧,生成單相交流電并提供給負荷,該橋電路的正負 開關元件組與三相輸出繞組相互逆并聯橋接而構成循環換流器,在該循 環換流器式發電機中,檢測負荷所要求的要求功率,根據檢測出的要求 功率決定內燃機的目標轉速,驅動自由變更轉速的致動器以便達到所決 定的目標轉速,并且交流電生成單元按照使在生成的交流電的頻率的一 周期期間所生成的相位信號的個數成為根據決定的目標轉速進行了校正 的個數的方式,對開關元件進行點弧來生成交流電,因而通過根據檢測 出的要求功率決定內燃機的目標轉速,驅動致動器來達到該轉速,從而 可防止當負荷的要求功率小時燃料消耗量和噪聲不必要地增加。
并且,構成為按照使在生成的交流電的頻率的一周期期間所生成的 相位信號的個數成為根據決定的目標轉速進行了校正的個數的方式,對開關元件進行點弧來生成交流電,換句話說使生成的交流電的頻率與內 燃機轉速同步,因而當內燃機轉速劇變時,也不會受其影響,可生成穩 定的交流電。
在發明2的循環換流器式發電機中,交流電生成單元構成為按照使 生成的交流電的頻率與相位信號的零交叉點一致的方式對開關元件進行 點弧,因而除了上述效果以外,還能使生成的交流電的頻率與內燃機轉 速可靠地同步。
圖1是整體地示出本發明的實施例的循環換流器式發電機的框圖。 圖2是構成圖1所示的磁鐵發電部的定子的俯視圖。 圖3是詳細示出圖1所示的循環換流器的橋電路的結構的框圖。 圖4是示出由圖1所示的電子控制單元(ECU)的正負換流器切換
控制部進行的向交流變換時的正、負組換流器的切換(選擇)動作的時序圖。
圖5同樣是示出由圖1所示的電子控制單元的電壓有效值控制部進 行的向交流變換時的正、負組換流器的點弧動作的時序圖。
圖6是示出在圖5的正、負組換流器的點弧動作中使用的目標頻率 波形的時序圖。
圖7是示出圖1所示的電子控制單元的電壓有效值控制部的動作的 流程圖。
圖8是示出在圖7的處理中使用的、根據負荷所要求的要求功率而 設定的目標發動機轉速的特性的曲線圖。
圖9是示出在圖7的處理中計算的目標頻率的一周期期間生成的相 位信號(V相脈沖)的個數的時序圖。
圖10同樣是示出在圖7的處理中計算的目標頻率的一周期期間生成 的相位信號(V相脈沖)的個數的時序圖。
圖11同樣是示出在圖7的處理中計算的目標頻率的一周期期間生成 的相位信號(V相脈沖)的個數的時序圖。圖12是示出在圖7的處理中使用的正、負組換流器的點弧次數的特 性的曲線圖。
圖13是示出使該實施例的發電機的輸出頻率與發動機轉速同步的 控制的時序圖。
圖14是示出使現有技術的發電機的恒定頻率輸出的控制的時序圖。 圖15是示出在圖13所示的控制下驗證當發動機轉速劇變時的輸出 電壓和頻率的穩定性的模擬結果的數據圖。
圖16是針對圖14所示的控制的與圖15同樣的數據圖。 圖17是對圖15和圖16所圖示的內容進行了數值化的表。 標號說明
10:循環換流器式發電機;12:內燃機(發動機);14:磁鐵發電部; 14a:定子;14al:定子鐵芯;14a2:突起;14b:轉子;14bh永久磁鐵; 16:三相輸出繞組;20、 22:單相輸出繞組;24:循環換流器的橋電路; 24a:正組換流器;24b:負組換流器;24C:平滑電容器;26:電子控制 單元(ECU); 26a:正負換流器切換控制部;26b:電壓有效值控制部; 26c:物理值變換部;26d:節流閥控制部;28:供電路;30:負荷;32: 電壓傳感器;34:電流傳感器;36:頻率設定開關。
具體實施例方式
以下,結合
用于實施本發明的循環換流器式發電機的最佳 方式。
實施例
圖1是整體地示出本發明的實施例的循環換流器式發電機的框圖。 圖1中,標號10表示循環換流器式發電機,發電機IO具有內燃機 (以下稱為"發動機",表示為ENG) 12,并具有交流100V—2.3kVA、直 流12V—10A的額定輸出。發動機12是空冷點火式,其節流閥12a利用 由步進馬達等構成的致動器12b來開閉,并利用反沖起動器(未作圖示) 來起動。
發電機10具有由發動機12驅動的磁鐵發電部(圖1中表示為"ALT")14。
圖2是構成磁鐵發電部14的定子14a的俯視圖。
定子14a具有固定在發動機12的氣缸蓋附近的定子鐵芯14al。如圖 所示,從定子鐵芯14al呈放射狀形成有27個突起(齒)14a2,在其中 的24個突起上巻繞有線圈Un、 Vn、 Wn (n: 1至8),形成由U、 V、 W 相構成的三相輸出繞組(主繞組)16。
在線圈Ul和W8之間的3個突起14a21、 14a22、 14a23中的與W 相對應的突起14a21上未巻繞線圈,另一方面,在與V相對應的突起I4a22 和與U相對應的突起14a23上巻繞有線圈,形成單相輸出繞組20、 22。
在定子14a的周圍配置有轉子14b,并在其內部的與上述的線圈對置 的位置,如圖所示,以使朝徑向勵磁的磁極交替的方式安裝9對(18個) 永久磁鐵14bl。永久磁鐵14bl由兩個(例如14bll和14bl2)構成一對, 每3個突起14a2配置一對永久磁鐵14bl 。轉子14b兼用作發動機12的 飛輪。
轉子14b的永久磁鐵14bl繞定子14a旋轉,從而從三相輸出繞組16 輸出三相交流電,并從單相輸出繞組20輸出單相交流電,即輸出表示磁 鐵發電部14的輸出、更具體地說是輸出繞組16的輸出的相位的V相脈 沖(相位信號)。從輸出繞組22也輸出單相交流電。
回到圖1的說明,由磁鐵發電部14產生的三相交流電被輸入到循環 換流器的橋電路24。
圖3是詳細示出循環換流器的橋電路24的結構的框圖。如圖所示, 循環換流器的橋電路24由正組換流器24a、負組換流器24b以及平滑電 容器24c構成。
正組換流器24a由共計6個晶閘管(SCR。正開關元件組)Pn (n: l至6)構成,該6個晶閘管將配置成陰極朝向正側的一對晶閘管以三組 并聯的方式連接,并且負組換流器24b由相同數量的晶閘管(SCR。負 開關元件組)Nn (n: 1至6)構成,這些晶閘管將配置成陰極朝向負側 的一對晶閘管以三組并聯的方式連接。這樣,循環換流器的橋電路24構 成為由與三相輸出繞組16相互逆并聯橋接的正負開關元件組構成的橋電路。
三相輸出繞組16的輸出端子與一對晶閘管Pn、 Nn的中點連接。即, 正組換流器24a和負組換流器24b與三相輸出繞組16相互逆并聯橋接。
回到圖1的說明,橋電路24與電子控制單元(Electronic Control Unit。 以下稱為"ECU") 26連接。
ECU26具有正負換流器切換控制部26a、電壓有效值控制部26b、 物理值變換部26c、以及節流閥控制部26d。 ECU26實際上由具有CPU、 ROM、 RAM、 I/O等的微型計算機構成,上述的正負換流器切換控制部 26a等是功能性地示出該CPU的動作的部件。
如后所述,通過ECU 26的正負換流器切換控制部26a在橋電路24 中選擇(切換)正組換流器24a和負組換流器24b中的進行點弧(導通) 的一方,通過電壓有效值控制部26b控制點弧角,把輸入的三相交流電 變換成單相交流電,經由供電路28提供給負荷30。
如圖所示,從輸出繞組20所輸出的V相脈沖(相位信號)經由ECU 26的物理值變換部26c被送到正負換流器切換控制部26a或電壓有效值 控制部26b,并在物理值變換部26c中對V相脈沖進行計數來檢測發動 機轉速NE。輸出繞組22的輸出被整形,作為點火電壓被提供給發動機 12的點火線圈等點火系統(未作圖示)。
在物理值變換部26c中檢測出的發動機轉速NE被輸入到節流閥控 制部26d。節流閥控制部26d使用自適應控制器(Self-TuningRegulator, 自校正調節器)調整致動器12b的動作來控制節流閥12a的開度,以使 檢測出的發動機轉速NE成為目標發動機轉速NED。另外,由于該控制 的詳情與本發明的主旨沒有直接關聯,因而這里省略說明。
檢測出的發動機轉速NE和相位信號被輸入到電壓有效值控制部 26b。在供電路28中配置有電壓傳感器32和電流傳感器34,它們分別產 生與供電路28的電壓和電流對應的輸出。電壓傳感器32和電流傳感器 34的輸出被送到正負換流器切換控制部26a和電壓有效值控制部26b。
并且,在發電機10的控制面板(未作圖示)等的用戶(使用者)可 自由操作的適當位置,設有讓用戶設定商用電力系統的60Hz或50Hz作為目標頻率的頻率設定SW (開關)36,其輸出也被送到電壓有效值控制 部26b。
接著對在將三相交流電變換成以商用電力系統的60Hz (或50Hz) 為目標頻率的單相交流電的情況下的正負換流器切換控制部26a和電壓 有效值控制部26b的動作進行說明。
在該情況下,如圖4所示,正負換流器切換控制部26a根據由電流 傳感器34檢測出的電流斜率決定應對正組換流器24a和負組換流器24b 中的哪一方進行點弧。
具體地說,正負換流器切換控制部26a在檢測出的電流在正側超過0 電平時,決定應對正組換流器24a進行點弧,在檢測出的電流在負側超 過0電平時,決定應對負組換流器24b進行點弧。
電壓有效值控制部26b根據所述相位信號以及針對圖5所示的正組 換流器24a和負組換流器24b的12個晶閘管Pn、Nn(該圖中表示為SCRn + 、 n—等)各方所生成的基準鋸齒波,并根據由用戶經由頻率設定開關 36所設定的圖6所示的目標頻率的波形與針對12個晶閘管Pn、 Nn各方 所設置的比較器(未作圖示)的比較結果,按照該圖的箭頭所示的定時 對晶閘管進行點弧(導通),將輸出電壓的有效值控制為目標有效值。另 外,圖5中,在UV、 UW、 WU之間施加的電壓利用實線表示,在與之 相反的VU、 WU、 UW之間施加的電壓利用虛線表示。
如圖3所示,利用平滑電容器24c對由電壓有效值控制部26b控制 為目標有效值而生成的單相交流電進行平滑,經由供電路28,更具體地 說經由供電路28a、 28b提供給負荷30。這樣,循環換流器由橋電路24 和ECU 26構成。
這里,再次說明本發明的課題,在現有的循環換流器式發電機中, 若要將生成的交流電的目標頻率保持恒定,則與負荷的要求功率的大小 無關,進行驅動的發動機不得不以恒定轉速運轉,當負荷的要求功率小 時存在燃料消耗量和噪聲不必要地增大的不利情況,因而本發明把消除 這種不利情況作為課題。
以下,對此進行說明,圖7是示出發電機10的動作,具體地說是由ECU 26,更具體地說是由ECU 26的電壓有效值控制部26b執行的動作 的流程圖。
首先在S10中檢測由負荷30所要求的要求功率。這是通過把電壓傳 感器32和電流傳感器34的檢測值相乘來計算負荷30的有效功率[VA] 而進行的。
然后進到S12,根據計算出的負荷30的要求功率(有效功率)檢索 圖8所示的特性來計算目標發動機轉速NED。
該目標發動機轉速NED是指足以滿足負荷30的要求功率的最小發 動機轉速,更具體地說是當發動機12反沖起動時檢測出的發動機轉速(當 前的發動機轉速)NE,如圖所示,被設定成每400rpm就階段性地變化。 另外,圖8所示的特性預先通過實驗求出并作為表值存儲在ECU 26的存 儲器內。
然后進到S14,經由節流閥控制部26d驅動致動器12b,以達到計算 出的目標發動機轉速NED。
然后進到S16,根據計算出的目標發動機轉速NED,計算(校正) 生成的交流電的設定頻率,即在輸出電壓波形的一周期期間生成的V相 脈沖(V相脈沖波形。相位信號)的個數。
然后進到S18,決定正、負組換流器24a、 24b的點弧次數并對它們 進行點弧,以使生成的交流電的頻率,即在輸出頻率的一周期期間生成 的V相脈沖的個數成為實際計算出的個數,并生成交流電提供給負荷30。
對此進行說明,由于磁鐵發電部14具有9對永久磁鐵14bl,因而 轉子每旋轉一周生成9個V相脈沖。因此,當把所設定的目標頻率設定 為60Hz、把目標發動機轉速NED設定為3600rpm時,如圖9所示,在 目標頻率的一周期期間具有(生成)9個(9個周期)的V相脈沖。
根據永久磁鐵的個數和發動機轉速NE按下述所示來唯一地決定正、 負組換流器24a、 24b的目標頻率的每一周期的點弧次數。
點弧次數=(發動機轉速頻率/目標頻率)x磁鐵數x輸出繞組數
例如當把發動機轉速NE設定為3600rpm,把目標頻率設定為60Hz 時,點弧次數為如下所示。點弧次數={(3600/60) /60} xl8x3 =54
此時在負荷30的要求功率低的情況下,目標發動機轉速NED從 3600rpm開始下降,而當持續進行控制以使得在目標頻率的一周期期間具 有9個(9個周期)V相脈沖時,隨著發動機轉速NED的下降,生成的 交流電的頻率(輸出頻率)下降。
因此,在該實施例中,隨著目標發動機轉速NED的增減而使在一周 期期間具有的V相脈沖的個數增減,例如在目標發動機轉速NED是 3200rpm時,如圖10所示V相脈沖的個數減少為8個(8個周期),在目 標發動機轉速NED是2800rpm時,如圖11所示V相脈沖的個數減少為 7個(7個周期)。即,根據所決定的目標轉速NED來校正在一周期期間 生成的V相脈沖(相位信號)的個數。
更具體地說,如圖12所示,決定正、負組換流器24a、 24b的點弧 次數以使得生成的交流電的頻率,即在輸出頻率的一周期期間生成的V 相脈沖的個數成為進行了增減校正的個數,并根據所決定的次數對該正、 負組換流器24a、 24b進行點弧。
艮P,根據圖12所示的特性,當目標發動機轉速NED是3600rpm時, 點弧次數被決定為54次,當目標發動機轉速NED是2800rpm時,點弧 次數被決定為42次。由此,可生成與目標頻率60Hz相同頻率(輸出頻 率)的交流電。另外,圖12所示的特性也預先通過實驗求出并存儲在ECU 26的存儲器內。
并且,如圖9至圖11所示,按照使生成的交流電的頻率(輸出電壓 波形)與V相脈沖(V相脈沖波形)的零交叉點一致的方式進行點弧, 換句話說,使輸出頻率與發動機轉速NE可靠地同步。
圖13是示出該實施例的使輸出頻率與發動機轉速NE同步的控制的 時序圖,圖14是示出現有技術的輸出恒定頻率的控制的時序圖,圖15 是示出在圖13所示的控制下驗證當發動機轉速NE劇變時的輸出電壓與 頻率的穩定性的模擬結果的數據圖,圖16是針對圖14所示的控制的相 同的數據圖,圖17是對圖15和圖16所圖示的內容進行了數值化的表。如圖13和圖15所示,在該實施例中,通過進行使輸出頻率與發動 機轉速NE同步的控制,換句話說,通過控制成使在輸出頻率的一周期期 間生成的V相脈沖的個數成為規定值,即根據目標發動機轉速NED而設 定的恒定值,從而即使發動機轉速NE劇變,輸出(生成)的交流電的電 壓也不會發生變化而保持穩定。
因此,當負荷30是照明器具等時,如果電壓發生變動,盡管照明器 具等會發生閃爍,然而可以減少這種不良情況。另一方面,如圖14和圖 16所示,在現有技術的控制中,電壓發生變動的結果不能期待得到這種 效果。
然而,在該實施例的控制中,從圖15和圖16的對比可以看出,頻 率的穩定性下降。然而,大多數情況下頻率的變動對負荷30而言不會造 成障礙。
如上所述,在該實施例中,循環換流器式發電機IO構成為具有磁 鐵發電部14,其具有與磁鐵n(n: 9)對對置配置的三相輸出繞組16并 由發動機(內燃機)12驅動;單相輸出繞組20,其與所述三相輸出繞組 16接近配置,每旋轉一周生成n個表示所述磁鐵發電部14的輸出的相位 的相位信號(V相脈沖);橋電路24,其由正負開關元件組(正組換流器 24a、負組換流器24b)構成,該正負開關元件組與所述三相輸出繞組16 相互逆并聯橋接而構成輸出交流電的循環換流器;以及交流電生成單元 (電壓有效值控制部26b),其根據目標頻率,以可變的點弧范圍對所述 開關元件組進行點弧,生成單相交流電提供給負荷30,在該循環換流器 式發電機10中,具有致動器12b,其自由變更所述發動機(內燃機) 12的轉速NE;負荷要求功率檢測單元(電壓有效值控制部26b, SIO), 其檢測由所述負荷30要求的要求功率;目標轉速決定單元(電壓有效值 控制部26b, S12),其根據所述檢測出的要求功率決定所述發動機(內燃 機)12的目標轉速NED;以及致動器驅動單元(電壓有效值控制部26b, 節流閥控制部26d, S14),其驅動所述致動器以便達到所述所決定的目標 轉速NED,并且所述交流電生成單元按照使在所述生成的交流電的頻率 的一周期期間所生成(更準確地說是應生成)的所述相位信號的個數成為根據所述決定的目標轉速NED進行了校正的個數的方式,對所述開關 元件進行點弧,生成所述交流電(電壓有效值控制部26b, S16, S18), 因而通過根據檢測出的要求功率決定發動機12的目標轉速NED,驅動致 動器12b來達到該轉速,從而可防止在負荷30的要求功率小時燃料消耗 量和噪聲不必要地增加。
并且,構成為按照使在生成的交流電的頻率的一周期期間生成的相 位信號的個數成為根據所決定的目標轉速NED進行了校正的個數的方 式,對開關元件進行點弧來生成交流電,換句話說使生成的交流電的頻 率與發動機轉速NE同步,因而即使發動機轉速NE劇變時,也不會受其 影響,可生成穩定的交流電。
并且,構成為所述交流電生成單元按照使所述生成的交流電的頻率 與所述相位信號的零交叉點一致的方式對所述開關元件進行點弧,因而 除了上述效果以外,還能使生成的交流電的頻率與內燃機轉速可靠地同 步。
另外,上述中作為開關元件示出了晶閘管,然而不限于此,也可以 是FET等。
并且,從與配置有永久磁鐵的轉子對置配置的輸出繞組20的輸出中 檢測了相位信號(V相脈沖),然而也可以設置霍爾IC或拾波線圈來進 行檢測。
權利要求
1.一種循環換流器式發電機,該循環換流器式發電機具有磁鐵發電部,其具有與磁鐵n對對置配置的三相輸出繞組并由內燃機驅動;單相輸出繞組,其與所述三相輸出繞組接近配置,每旋轉一周生成n個表示所述磁鐵發電部的輸出的相位的相位信號;橋電路,其由正負開關元件組構成,該正負開關元件組與所述三相輸出繞組相互逆并聯橋接而構成輸出單相交流電的循環換流器;以及交流電生成單元,其根據目標頻率以可變的點弧范圍對所述橋電路的開關元件組進行點弧,生成所述單相交流電并提供給負荷,該循環換流器式發電機的特征在于,具有致動器,其自由變更所述內燃機的轉速;負荷要求功率檢測單元,其檢測所述負荷要求的要求功率;目標轉速決定單元,其根據所述檢測出的要求功率決定所述內燃機的目標轉速;以及致動器驅動單元,其驅動所述致動器以便達到所述決定的目標轉速,并且所述交流電生成單元按照使在所述生成的交流電的頻率的一周期期間所生成的所述相位信號的個數成為根據所述決定的目標轉速進行了校正的個數的方式,對所述開關元件進行點弧來生成所述交流電。
2. 根據權利要求1所述的循環換流器式發電機,其特征在于,所述 交流電生成單元按照使所述生成的交流電的頻率與所述相位信號的零交 叉點一致的方式對所述開關元件進行點弧。
全文摘要
本發明提供一種循環換流器式發電機,該發電機通過以與負荷的要求功率對應的轉速來運轉內燃機,從而防止燃料消耗量和噪聲的不必要增加,并且當內燃機轉速劇變時,也能生成穩定的交流電。檢測由負荷要求的要求功率(S10),根據檢測出的要求功率決定發動機的目標轉速NED(S12),驅動致動器以便達到所決定的目標轉速NED(S14),按照使在生成的交流電的頻率的一周期期間所生成的相位信號的個數成為根據決定的目標轉速NED進行了校正的個數的方式,對開關元件進行點弧來生成交流電(S16,S18)。
文檔編號H02M5/32GK101577498SQ20091013920
公開日2009年11月11日 申請日期2009年4月24日 優先權日2008年5月9日
發明者中山晉作, 增渕義則, 稻川敏規 申請人:本田技研工業株式會社