JP4341836B2

JP4341836B2 - 可搬型発電機

Info

Publication number: JP4341836B2
Application number: JP2004157529A
Authority: JP
Inventors: 義徳中川; 智夫井上; 和文室野井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: US20050264266A1; CN100426655C; CN1702954A; US7068524B2; JP2005341719A

Description

本発明は、可搬型発電機に関し、特に、比較的大容量の直流を出力することができ、かつ過負荷領域で適切な保護をすることができる可搬型発電機に関する。

エンジン等で駆動される可搬型発電機は、従来から屋外作業やレジャーにおける活動等で使用される電気機器の電源として広く利用されている。さらに近年、コンピュータ用の無停電電源装置、いわゆるＵＰＳのバックアップ電源等にも用途が広がりつつある。この種の可搬型発電機を直流出力用発電機として構成する場合、機体は小型でありながらも、比較的低電圧・大電流を供給可能であることが要求される傾向がある。このような大電流出力が要求される発電機においては、出力巻線の線径が太くなり、かつ巻線間の絶縁についても絶縁耐圧や絶縁材の材質等により高いレベルの配慮が必要となる。

そこで、本出願人は、出力巻線の線径を細くできたり、電力素子の容量を小さくできる可搬型発電機を提案している（実用新案登録第２５１１８４３号）。この登録実用新案に係る考案では、同一鉄心にそれぞれ独立して巻装される複数の出力巻線と、この複数の出力巻線に対応して設けられたサイリスタブリッジ整流回路とで互いに独立した複数の電源ユニットを形成し、それぞれの電源ユニットの出力を並列接続して、それぞれの出力を合体させるようにしている。
実用新案登録公報第２５１１８４３号

上記特許文献１に開示された装置では、電力発生源を共通にする複数の電源ユニットが並列接続されていることから、複数の電源ユニットのそれぞれについて過負荷に対する保護策を講じるとなると、構成の複雑化が避けられないという問題があった。

本発明の目的は、上記問題点を解消して、過負荷領域における保護を簡単・確実に行うことができる可搬型発電機を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、同一鉄心に互いに独立して巻装された複数の出力巻線と、これら複数の出力巻線に対応させて設けられた制御端子付き整流素子からなる整流回路とを有する互いに独立した複数の電源ユニットを備え、これら複数の電源ユニットが、それぞれの出力を統合するために並列接続されている可搬型発電機において、出力電圧を目標電圧に一致させるため、前記整流回路を制御する制御手段と、各整流回路の出力電流の合算値および前記目標電圧から算出した合算電力が予定の電力値になったことを検出する電力判定手段と、前記電力判定手段で前記合算電力が予定の電力値になったことが検出されたときにはそれ以上の前記出力電流の合算値の上昇に対して前記目標電圧を低下させる目標電圧低下手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記出力電流の合算値が予定の上限電流値以上になった場合に前記整流回路の出力を停止させる過電流保護手段と、前記整流回路の出力を統合させた出力線の少なくとも一対の間に、負荷の逆極性接続時に負荷側からの逆流電流を短絡するため設けられた逆流防止ダイオードと、前記ダイオードと前記統合された出力線の出力端子との間に設けられて前記上限電流値を許容するヒューズとを具備した点に第２の特徴がある。

第１の特徴によれば、独立した複数の整流回路の出力電力の合算値が予定の電力値になったときには、それ以上の出力電流合算値の上昇に対して、目標電圧が低下される。整流回路は出力電圧が目標電圧になるように制御されるので、整流回路の出力電圧は低下し、出力電力の上限を予定の値に維持することが可能になる。したがって、大きな負荷電流が要求される過負荷領域であっても、その保護を簡単・確実に行うことが可能になる。

第２の特徴によれば、万一、出力端子にバッテリ等の負荷が逆極性に接続されるようなことがあっても、逆流防止ダイオードによって短絡電流が統合された出力線間に流れてヒューズが溶断し、短絡電流が遮断される。したがって、出力線よりも許容電流が小さく設定されている整流回路側の素子や配線に負荷側からの短絡電流が流れこむことは防止される。また、整流回路側からの出力電流は、ヒューズの溶断に至る前に遮断されるので、高価なヒューズは負荷の逆極性接続時にのみ作動するように構成することができる。

このように、本発明によれば、出力電力を一定に維持できるし、過電流や負荷の逆接続等から整流回路を簡単・確実に保護することができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る可搬型発電機の要部構成図である。図１において、発電機本体の固定子１は、それぞれ独立した４つの出力巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と、これら出力巻線Ｌ１〜Ｌ４とは独立している補助巻線Ｌ５とを単一の固定子鉄心（図示せず）の突極に巻装して構成される。出力巻線Ｌ１〜Ｌ４は、巻き数や線径等が同一のものが使用される。つまり同一仕様である。

固定子１に対応する図示しない回転子は環状に配置された複数の磁石を有するもので、いわゆるアウタロータを構成する。この回転子は駆動源（ここでは、エンジンを想定する）に接続され、固定子１の外周に沿って回転するように駆動される。

出力巻線Ｌ１〜Ｌ４は、サイリスタとダイオードとで構成される三相整流ブリッジ回路２、３，４，５にそれぞれ接続される。サイリスタならびにダイオードを示す図中の記号はいずれも周知であり、図の煩雑を回避するためこれらには符号は付していない。三相整流ブリッジ回路２〜５の出力側には、それぞれ平滑用コンデンサ６，７，８，９が設けられる。三相整流ブリッジ回路２〜５のプラス側出力線は一本に統合されてプラス側出力端子１０に接続され、マイナス側出力線は１本に統合されてマイナス側出力端子１１に接続される。

前記各プラス側出力線の、１本に統合される前の位置には、シャント１２，１３，１４，１５が設けられる。シャント１２〜１５のそれぞれの両端の電位差は三相整流ブリッジ回路２〜５の各出力電流Ｉｄ１，Ｉｄ２，Ｉｄ３，Ｉｄ４を示す信号としてマイクロコンピュータつまりコントローラ（図２参照）１６に入力される。また、前記各コンデンサ６〜９の両端の電位差は、三相整流ブリッジ回路２〜５のそれぞれの出力電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２，Ｖｄ３，Ｖｄ４としてコントローラ１６に入力される。

前記各プラス側出力線の、１本に統合された位置にはヒューズ１７が設けられる。ヒューズ１７は、三相整流ブリッジ回路２〜５の各出力電流の合算値の最大値（後述する電流上限値ＩＬＭＴ）を許容するものを選択して設ける。また、１本に統合された前記プラス側出力線の、ヒューズ１７の上流側と前記４本のマイナス側出力線のうちの少なくとも１本（図１では２本の例を示す）の線間にはダイオード１８が設けられる。このダイオード１８によって、例えば、負荷であるバッテリ１９が誤って正負逆接続された場合、負荷側からの電流は、このダイオード１８を介して１本に統合された出力線間を流れることになる。したがって、この出力線に比べて許容電流が小さい各三相整流ブリッジ回路２〜５側へ、逆接続された負荷から電流が流入するのが防止される。

プラス側およびマイナス側の出力端子１０，１１にはバッテリ１９およびＵＰＳ２０が接続され、ＵＰＳ２０の出力側は図示しない電子機器、例えばコンピュータシステムに接続される。ＵＰＳ２０には、例えば、商用の交流電源２１が接続され、バッテリ１９は、この商用交流電源２１を使って常時充電（フロート充電）されている。本実施形態の可搬型発電機はＵＳＰ２０に接続されて、商用交流電源２１が停電時等にＵＳＰ２０およびバッテリ１９に電力を供給する。なお、バッテリ１９として、異なる定格電圧、例えば、４８ボルトと３６ボルトのものを接続することができるように構成される。

図２は、コントローラとその周辺の接続図である。補助巻線Ｌ５は定電圧回路２２に接続される。定電圧回路２２は、正負（プラス５ボルトおよびマイナス５ボルト）それぞれの三端子レギュレータ２２１，２２２を含み、補助巻線Ｌ５の電圧に基づいて安定化された正負各５ボルトの直流電源電圧を生じる。この直流電源電圧はコントローラ１６の電源として使用される。また、補助巻線Ｌ５の出力波形は、発電機本体の前記回転子の回転検出用の信号としてコントローラ１６に供給される。コントローラ１６には、コントローラ１６で使用されるデータを格納するためのＥＥＰ−ＲＯＭ２３が接続される。

コントローラ１６は、三相整流ブリッジ回路２，３，４，５の各サイリスタをオン・オフ制御するためのサイリスタ制御信号（ゲートパルス）１６ａ，１６ｂ，１６ｃを出力する。このゲートパルス１６ａ〜１６ｃは前記各サイリスタのゲート端子つまり制御端子に供給される。三相整流ブリッジ回路２〜５は、出力巻線Ｌ１〜Ｌ４のＵ，Ｖ，Ｗ各相に対応する三つのサイリスタを備えており、各相に対応するサイリスタは、三相整流ブリッジ回路２〜５に共通するこれらゲートパルス１６ａ〜１６ｃによって制御される。したがって、ゲートパルス１６ａ〜１６ｃによって三相整流ブリッジ回路２〜５は互いに同期して制御される。

前記アウタロータを駆動するエンジンのスロットル弁を図示しないステッピングモータで開閉制御するため、コントローラ１６はこのステッピングモータにモータ駆動信号１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇを出力する。

出力スイッチ２４は、本実施形態における可搬発電機の発電出力を停止させるためのスイッチであり、この出力スイッチ２４を予定時間押し続けると、このスイッチ２４のオン信号１６ｈによってゲートパルス１６ａ〜１６ｃが停止されて電力の出力が停止される。但し、発電出力を停止させるだけであり、この出力スイッチ２４の操作のみではエンジンは停止しない。

電圧切り換えスイッチ２５は、接続される負荷（バッテリ１９等）に応じて出力電圧を設定するためのスイッチである。例えば、電圧切り換えスイッチ２５がオン（切換信号１６ｉがオン）のときは出力電圧として３６ボルトが設定され、電圧切り換えスイッチ２５がオフ（切換信号１６ｉがオフ）のときは、出力電圧として４８ボルトが設定される。

出力表示灯２６、過負荷表示灯２７、およびオイルアラート表示灯２８が設けられる。オイルアラート表示灯２８はオイルアラート回路２９を介してコントローラ１６に接続される。出力表示灯２６は、発電電力出力中に点灯される。過負荷表示灯２７は、過負荷時つまり過電流もしくは過電圧時に点灯される。

トランジスタ式マグネット点火装置の回路部（トラマグ回路）３０が設けられる。トランジスタ式マグネット点火装置の要部は周知のものを使用できる。トラマグ回路３０の接地線はオイルアラート回路２９のものと接続され、コントローラ１６の端子Ｇに接続される。トラマグ回路３０の他方の線は、点火装置のコイル部３１に接続される。コイル部３１の二次側には点火プラグ３２が接続される。オイルアラート回路２９の他方の端子はコントローラ１６の端子ＬＳに接続される。コントローラ１６の端子Ｇと端子ＬＳは点火停止のためにコントローラ１６の内部で短絡可能に構成される。

上記発電機本体の動作を説明する。始動は、発電機本体の駆動源であるエンジンに連結されるリコイルスタータを用いて行う。リコイルスタータを引くとエンジンのクランク軸が回転させられて、補助コイルＬ５が電圧を生じ、この電圧によって定電圧回路２１が所定の電圧を形成する。コントローラ１６は、この電圧が印加されると制御開始可能となる。

リコイルスタータでエンジンが回転されると、前記点火装置によってエンジンに点火されて発電機は始動される。発電機本体の巻線Ｌ１〜Ｌ４およびＬ５は、それぞれ発電を開始し、発生された電力は統合されて、出力端子１０，１１から発電電力として出力される。この電力はバッテリ１９およびＵＰＳ２０に供給される。

発電電力が出力されているときは、出力表示灯２６が付勢される。また、過電流や過電圧のときは過負荷表示灯２７が付勢される。さらに、周知の手法によってエンジンのオイルが基準値以下に低減していると判断されたときは、オイルアラート回路２９が作動してオイルアラート表示灯２８が付勢される。例えば、オイルアラート回路２９は、端子ＬＳからの信号によってオイルアラート表示灯２８に電流が流れるように構成されるスイッチング回路である。さらに、オイルが減少した時や、後述の発電系統異常時には、コントローラ１６は、端子ＬＳと端子Ｇとをコントローラ１６の内部で短絡して点火を停止する。

本実施形態では、このように巻線および整流回路を含む４つの発電部（電源ユニット）の出力を統合つまり重畳して最終的な出力としている。そして、過負荷領域における次のような対処を行っている。

図３は、異常処理のためのコントローラ１６の機能を示すブロック図である。電圧設定部３３には、発電機の出力電圧（端子１０，１１間の電圧）の目標値Ｖｒｅｆが予め設定される。目標値Ｖｒｅｆは、前記電圧切り換えスイッチ２５の切り換えに従って切り換えられる。偏差算出部３４では、電圧設定部３３から入力される目標電圧Ｖｒｅｆに対する出力電圧Ｖｏｕｔの偏差ΔＶが算出される。出力電圧Ｖｏｕｔは、端子１０，１１間の電圧であり、前記電圧Ｖｄ１〜Ｖｄ４のいずれか一つを出力電圧Ｖｏｕｔとして使用することができる。算出された偏差ΔＶはゲートパルス生成部３５に入力される。ゲートパルス生成部３５は、偏差ΔＶを解消するように、この偏差ΔＶに比例するゲインを決定する比例制御機能を有する。そして、ゲートパルス生成部３５は、このゲインに従ってサイリスタの導通角を決定し、さらにこの導通角に応じたゲートパルスを生成する。このゲートパルスは三相整流ブリッジ回路２〜５に供給されて、三相整流ブリッジ回路２〜５のサイリスタが同時に制御される。

電流合算部３６は、三相整流ブリッジ回路２〜５のシャント１２〜１５で検出されたそれぞれの出力電流Ｉｄ１〜Ｉｄ４を合算する。電力算出部３７は、合算された電流Ｉと出力電圧の目標値Ｖｒｅｆとによって出力電力Ｗを算出する。電力設定部３８には、電力上限目標値Ｗｒｅｆが予め設定される。電力比較部３９は、算出された出力電力Ｗを電力上限目標値Ｗｒｅｆと比較し、出力電力Ｗが電力上限目標値Ｗｒｅｆになったときは、電流比較部４１にその時点の合算電流値を読み込み、その読み込まれた合算電流値を超える合算電流が検出されたときに、電圧設定部３３に電圧目標値Ｖｒｅｆの低下指令を出力する。この低下指令に応答して電圧設定部３３の目標値Ｖｒｅｆを低下させる。低下幅は予め設定しておく。これによって、ゲートパルスはサイリスタの導通角を小さくするように変更され、出力電力は電力上限目標値Ｗｒｅｆを超えない状態に維持される。

さらに、遮断部４０は、電流合算部３６で合算されたＩが電流上限値ＩＬＭＴ以上になった場合は、出力を停止させる。つまりゲートパルス生成部３５からの、サイリスタ制御信号（＝ゲートパルス）の出力を停止させる。

図４は、過電流に対する出力停止の処理を示すフローチャートである。同図において、ステップＳ１では、合算電流Ｉの値を読み込む。ステップＳ２では、合算電流Ｉが電流上限値ＩＬＭＴ以上か否かを判断する。上限値ＩＬＭＴは例えば８０アンペアとする。この判断が肯定ならば、ステップＳ３に進んでタイマをクリア（＝０）にする。このタイマは例えば５秒でタイムアップするように設定される。ステップＳ４では、タイマの値をインクリメントする。ステップＳ５では、タイマがタイムアップ（５秒経過）したか否かが判断される。タイマがタイムアップしたときにはステップＳ６に進み、ここでも合算電流Ｉが電流上限値ＩＬＭＴ以上か否かを判断する。このステップＳ６が肯定ならば、ステップＳ７に進んでゲートパルスの出力を停止させる。ステップＳ２もしくはステップＳ６が否定の場合はステップＳ７には進まず、ゲートパルスの供給は持続される。

ステップＳ５が否定の場合、つまり５秒間に設定されているタイマがタイムアップするまでは、ステップＳ８に進んで、ここでもステップＳ６と同様、合算電流Ｉが電流上限値ＩＬＭＴ以上か否かを判断する。つまり、タイマに設定された時間が経過するまで、継続的に合算電流Ｉの判断を行う。このステップＳ８が肯定ならば、ステップＳ４に戻ってタイマをインクリメントする。ステップＳ５では、更新されたタイマ値に基づいて予定時間が経過したか否かが判断される。

ステップＳ８が否定、つまり合算電流Ｉが電流上限値ＩＬＭＴ未満になっていれば、ステップＳ９に進んで、タイマをデクリメントしてステップＳ１０に進む。ステップＳ１０ではタイマが「０」に戻ったか否かが判断される。

タイマが「０」になっていない場合は、ステップＳ１０からステップＳ１１に進んで、合算電流Ｉが電流上限値ＩＬＭＴ以上か否かを判断する。ステップＳ１１が肯定ならば、ステップＳ４に戻ってタイマをインクリメントする。そして、ステップＳ５で、更新されたタイマ値に基づいて予定時間が経過したか否かが判断される。

ステップＳ１１が否定ならばステップＳ９に進む。ステップＳ９でタイマをデクリメントした結果、ステップＳ１０が肯定となった場合、つまり合算電流Ｉが電流上限値ＩＬＭＴ未満のままタイマ値が「０」に戻った場合、このフローチャートの処理を終えて、図示しないメインルーチンに戻る。

ステップＳ７によって、三相整流ブリッジ回路２〜５に対するゲートパルスの供給を停止したときは、前記過負荷表示灯２７は点滅動作して異常を表示する。なお、一旦、出力を停止した場合は、発電機駆動用のエンジンを一旦停止して再始動する操作を行うことによってのみ発電機の出力が可能になるように構成されている。

図５は、上述のように制御される本実施形態に係る可搬型発電機の出力特性を示す図である。この実施形態では、負荷に応じて２段階の出力電圧（５２．５ボルトと３９．５ボルト）が得られるように定格運転し、かつ最大出力が３キロワットを超えないように出力電圧および出力電流を制御している。すなわち、出力電流Ｉが６０アンペア未満では、負荷に応じて出力電圧Ｖｏｕｔを５２．５ボルトもしくは３９．５ボルトに維持する。出力電流Ｉが６０アンペア以上に上昇する領域（出力電圧設定が３９．５ボルトのときは７０アンペア以上に上昇する領域）では、出力電流の上昇に応じて出力電圧Ｖｏｕｔを低下させて出力が３キロワットを超えないようにする。そして、出力電流Ｉが８０アンペアになったときに出力は停止される。つまり出力電圧Ｖｏｕｔはゼロに落ちる。

本発明の一実施形態に係る可搬型発電機の要部に係る接続図（その１）である。本発明の一実施形態に係る可搬型発電機の要部に係る接続図（その２）である。本発明の一実施形態に係る可搬型発電機のコントロール部の要部機能を示すブロック図である。過電流に対する処置のフローチャートである。本発明の一実施形態に係る発電機の出力特性を示す図である。

符号の説明

１…発電機本体、２〜５…三相整流ブリッジ回路、１２〜１５…シャント、３３…電圧設定部、３４…偏差算出部、３５…ゲートパルス生成部、３６…電流合算部、３７…電力算出部、３８…電力設定部、３９…電力比較部、４０…遮断部

Claims

同一鉄心に互いに独立して巻装された複数の出力巻線と、これら複数の出力巻線に対応させて設けられた制御端子付き整流素子からなる整流回路とを有する互いに独立した複数の電源ユニットを備え、これら複数の電源ユニットが、それぞれの出力を統合するために並列接続されている可搬型発電機において、
前記整流回路のそれぞれの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記整流回路のそれぞれの出力電流を検出する電流検出手段と、
出力電圧を目標電圧に一致させるため、前記整流回路を制御する制御手段と、
前記電流検出手段で検出された各整流回路の出力電流の合算値および前記目標電圧から算出した合算電力が予定の電力値になったことを検出する電力判定手段と、
前記電力判定手段で前記合算電力が予定の電力値になったことが検出されたときにはそれ以上の前記出力電流の合算値の上昇に対して前記目標電圧を低下させる目標電圧低下手段とを具備したことを特徴とする可搬型発電機。
前記出力電流の合算値が予定の上限電流値以上になった場合に前記整流回路の出力を停止させる過電流保護手段と、
前記整流回路の出力を統合させた出力線の少なくとも一対の間に、負荷の逆極性接続時に負荷側からの逆流電流を短絡するため設けられた逆流防止ダイオードと、
前記ダイオードと前記統合された出力線の出力端子との間に設けられて前記上限電流値を許容するヒューズとを具備したことを特徴とする請求項１記載の可搬型発電機。