专利名称：循环换流器式发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及将某频率的交流电变换成其他频率的交流电并输出的循 环换流器式发电机。
背景技术：
将某频率的交流电变换成其他频率的交流电并输出的循环换流器式 发电机是被广泛公知的，作为其例子可列举专利文献1记载的技术。在 专利文献1记载的技术中，按照作为目标的交流电的频率的每半周期， 以可变的点弧范围对与三相输出绕组相互逆并联地桥接的正负晶闸管组 进行点弧来生成目标频率的单相交流电。
专利文献1日本特许第3447934号公报 然而，在这种循环换流器式发电机中，若要将生成的交流电的目标 频率保持恒定，则与负荷的要求功率的大小无关，进行驱动的内燃机不 得不以恒定转速运转。因此，具有当负荷的要求功率小时燃料消耗量和 噪声不必要地增加的不利。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述课题，提供一种循环换流器式发电 机，该发电机通过以与负荷的要求功率对应的转速来运转内燃机，从而 防止燃料消耗量和噪声的不必要的增加，并且当内燃机转速剧变时，也 能生成稳定的交流电。
为了解决上述课题，在发明1中，循环换流器式发电机具有磁铁 发电部，其具有与磁铁n对对置配置的三相输出绕组并由内燃机驱动；
单相输出绕组，其与所述三相输出绕组接近配置，每旋转一周生成n个 表示所述磁铁发电部的输出的相位的相位信号；桥电路，其由正负开关元件组构成，该正负开关元件组与所述三相输出绕组相互逆并联桥接而
构成输出单相交流电的循环换流器；以及交流电生成单元，其根据目标 频率以可变的点弧范围对所述桥电路的开关元件组进行点弧，生成所述
单相交流电提供给负荷，该循环换流器式发电机构成为具有致动器，
其自由变更所述内燃机的转速；负荷要求功率检测单元，其检测所述负 荷要求的要求功率；目标转速决定单元，其根据所述检测出的要求功率 决定所述内燃机的目标转速；以及致动器驱动单元，其驱动所述致动器 以便达到所述决定的目标转速，并且所述交流电生成单元按照使在所述 生成的交流电的频率的一周期期间所生成的所述相位信号的个数成为根 据所述决定的目标转速进行了校正的个数的方式，对所述开关元件进行 点弧来生成所述交流电。
在发明2的循环换流器式发电机中，构成为所述交流电生成单元按 照使所述生成的交流电的频率与所述相位信号的零交叉点一致的方式对 所述开关元件进行点弧。
在发明1中，循环换流器式发电机构成为具有磁铁发电部，其具 有与磁铁n对对置配置的三相输出绕组并由内燃机驱动；单相输出绕组， 其每旋转一周生成n个表示该磁铁发电部的输出的相位的相位信号；以 及交流电生成单元，其根据目标频率以可变的点弧范围对桥电路的正负 开关元件组进行点弧，生成单相交流电并提供给负荷，该桥电路的正负 开关元件组与三相输出绕组相互逆并联桥接而构成循环换流器，在该循 环换流器式发电机中，检测负荷所要求的要求功率，根据检测出的要求 功率决定内燃机的目标转速，驱动自由变更转速的致动器以便达到所决 定的目标转速，并且交流电生成单元按照使在生成的交流电的频率的一 周期期间所生成的相位信号的个数成为根据决定的目标转速进行了校正 的个数的方式，对开关元件进行点弧来生成交流电，因而通过根据检测 出的要求功率决定内燃机的目标转速，驱动致动器来达到该转速，从而 可防止当负荷的要求功率小时燃料消耗量和噪声不必要地增加。
并且，构成为按照使在生成的交流电的频率的一周期期间所生成的 相位信号的个数成为根据决定的目标转速进行了校正的个数的方式，对开关元件进行点弧来生成交流电，换句话说使生成的交流电的频率与内 燃机转速同步，因而当内燃机转速剧变时，也不会受其影响，可生成稳 定的交流电。
在发明2的循环换流器式发电机中，交流电生成单元构成为按照使 生成的交流电的频率与相位信号的零交叉点一致的方式对开关元件进行 点弧，因而除了上述效果以外，还能使生成的交流电的频率与内燃机转 速可靠地同步。
图1是整体地示出本发明的实施例的循环换流器式发电机的框图。 图2是构成图1所示的磁铁发电部的定子的俯视图。 图3是详细示出图1所示的循环换流器的桥电路的结构的框图。 图4是示出由图1所示的电子控制单元(ECU)的正负换流器切换
控制部进行的向交流变换时的正、负组换流器的切换(选择)动作的时序图。
图5同样是示出由图1所示的电子控制单元的电压有效值控制部进 行的向交流变换时的正、负组换流器的点弧动作的时序图。
图6是示出在图5的正、负组换流器的点弧动作中使用的目标频率 波形的时序图。
图7是示出图1所示的电子控制单元的电压有效值控制部的动作的 流程图。
图8是示出在图7的处理中使用的、根据负荷所要求的要求功率而 设定的目标发动机转速的特性的曲线图。
图9是示出在图7的处理中计算的目标频率的一周期期间生成的相 位信号(V相脉冲)的个数的时序图。
图10同样是示出在图7的处理中计算的目标频率的一周期期间生成 的相位信号(V相脉冲)的个数的时序图。
图11同样是示出在图7的处理中计算的目标频率的一周期期间生成 的相位信号(V相脉冲)的个数的时序图。图12是示出在图7的处理中使用的正、负组换流器的点弧次数的特 性的曲线图。
图13是示出使该实施例的发电机的输出频率与发动机转速同步的 控制的时序图。
图14是示出使现有技术的发电机的恒定频率输出的控制的时序图。 图15是示出在图13所示的控制下验证当发动机转速剧变时的输出 电压和频率的稳定性的模拟结果的数据图。
图16是针对图14所示的控制的与图15同样的数据图。 图17是对图15和图16所图示的内容进行了数值化的表。 标号说明
10:循环换流器式发电机；12:内燃机(发动机)；14:磁铁发电部； 14a:定子；14al:定子铁芯；14a2:突起；14b:转子；14bh永久磁铁； 16:三相输出绕组；20、 22:单相输出绕组；24:循环换流器的桥电路； 24a:正组换流器；24b:负组换流器；24C:平滑电容器；26:电子控制 单元(ECU); 26a:正负换流器切换控制部；26b:电压有效值控制部； 26c:物理值变换部；26d:节流阀控制部；28:供电路；30:负荷；32: 电压传感器；34:电流传感器；36:频率设定开关。
具体实施例方式
以下，结合
用于实施本发明的循环换流器式发电机的最佳 方式。
实施例
图1是整体地示出本发明的实施例的循环换流器式发电机的框图。 图1中，标号10表示循环换流器式发电机，发电机IO具有内燃机 (以下称为"发动机"，表示为ENG) 12，并具有交流100V—2.3kVA、直 流12V—10A的额定输出。发动机12是空冷点火式，其节流阀12a利用 由步进马达等构成的致动器12b来开闭，并利用反冲起动器(未作图示) 来起动。
发电机10具有由发动机12驱动的磁铁发电部(图1中表示为"ALT")14。
图2是构成磁铁发电部14的定子14a的俯视图。
定子14a具有固定在发动机12的气缸盖附近的定子铁芯14al。如图 所示，从定子铁芯14al呈放射状形成有27个突起(齿)14a2,在其中 的24个突起上巻绕有线圈Un、 Vn、 Wn (n: 1至8)，形成由U、 V、 W 相构成的三相输出绕组(主绕组)16。
在线圈Ul和W8之间的3个突起14a21、 14a22、 14a23中的与W 相对应的突起14a21上未巻绕线圈，另一方面，在与V相对应的突起I4a22 和与U相对应的突起14a23上巻绕有线圈，形成单相输出绕组20、 22。
在定子14a的周围配置有转子14b，并在其内部的与上述的线圈对置 的位置，如图所示，以使朝径向励磁的磁极交替的方式安装9对(18个) 永久磁铁14bl。永久磁铁14bl由两个(例如14bll和14bl2)构成一对， 每3个突起14a2配置一对永久磁铁14bl 。转子14b兼用作发动机12的 飞轮。
转子14b的永久磁铁14bl绕定子14a旋转，从而从三相输出绕组16 输出三相交流电，并从单相输出绕组20输出单相交流电，即输出表示磁 铁发电部14的输出、更具体地说是输出绕组16的输出的相位的V相脉 冲(相位信号)。从输出绕组22也输出单相交流电。
回到图1的说明，由磁铁发电部14产生的三相交流电被输入到循环 换流器的桥电路24。
图3是详细示出循环换流器的桥电路24的结构的框图。如图所示， 循环换流器的桥电路24由正组换流器24a、负组换流器24b以及平滑电 容器24c构成。
正组换流器24a由共计6个晶闸管(SCR。正开关元件组)Pn (n: l至6)构成，该6个晶闸管将配置成阴极朝向正侧的一对晶闸管以三组 并联的方式连接，并且负组换流器24b由相同数量的晶闸管(SCR。负 开关元件组)Nn (n: 1至6)构成，这些晶闸管将配置成阴极朝向负侧 的一对晶闸管以三组并联的方式连接。这样，循环换流器的桥电路24构 成为由与三相输出绕组16相互逆并联桥接的正负开关元件组构成的桥电路。
三相输出绕组16的输出端子与一对晶闸管Pn、 Nn的中点连接。即， 正组换流器24a和负组换流器24b与三相输出绕组16相互逆并联桥接。
回到图1的说明，桥电路24与电子控制单元(Electronic Control Unit。 以下称为"ECU") 26连接。
ECU26具有正负换流器切换控制部26a、电压有效值控制部26b、 物理值变换部26c、以及节流阀控制部26d。 ECU26实际上由具有CPU、 ROM、 RAM、 I/O等的微型计算机构成，上述的正负换流器切换控制部 26a等是功能性地示出该CPU的动作的部件。
如后所述，通过ECU 26的正负换流器切换控制部26a在桥电路24 中选择(切换)正组换流器24a和负组换流器24b中的进行点弧(导通) 的一方，通过电压有效值控制部26b控制点弧角，把输入的三相交流电 变换成单相交流电，经由供电路28提供给负荷30。
如图所示，从输出绕组20所输出的V相脉冲(相位信号)经由ECU 26的物理值变换部26c被送到正负换流器切换控制部26a或电压有效值 控制部26b，并在物理值变换部26c中对V相脉冲进行计数来检测发动 机转速NE。输出绕组22的输出被整形，作为点火电压被提供给发动机 12的点火线圈等点火系统(未作图示)。
在物理值变换部26c中检测出的发动机转速NE被输入到节流阀控 制部26d。节流阀控制部26d使用自适应控制器(Self-TuningRegulator, 自校正调节器)调整致动器12b的动作来控制节流阀12a的开度，以使 检测出的发动机转速NE成为目标发动机转速NED。另外，由于该控制 的详情与本发明的主旨没有直接关联，因而这里省略说明。
检测出的发动机转速NE和相位信号被输入到电压有效值控制部 26b。在供电路28中配置有电压传感器32和电流传感器34，它们分别产 生与供电路28的电压和电流对应的输出。电压传感器32和电流传感器 34的输出被送到正负换流器切换控制部26a和电压有效值控制部26b。
并且，在发电机10的控制面板(未作图示)等的用户(使用者)可 自由操作的适当位置，设有让用户设定商用电力系统的60Hz或50Hz作为目标频率的频率设定SW (开关)36，其输出也被送到电压有效值控制 部26b。
接着对在将三相交流电变换成以商用电力系统的60Hz (或50Hz) 为目标频率的单相交流电的情况下的正负换流器切换控制部26a和电压 有效值控制部26b的动作进行说明。
在该情况下，如图4所示，正负换流器切换控制部26a根据由电流 传感器34检测出的电流斜率决定应对正组换流器24a和负组换流器24b 中的哪一方进行点弧。
具体地说，正负换流器切换控制部26a在检测出的电流在正侧超过0 电平时，决定应对正组换流器24a进行点弧，在检测出的电流在负侧超 过0电平时，决定应对负组换流器24b进行点弧。
电压有效值控制部26b根据所述相位信号以及针对图5所示的正组 换流器24a和负组换流器24b的12个晶闸管Pn、Nn(该图中表示为SCRn + 、 n—等)各方所生成的基准锯齿波，并根据由用户经由频率设定开关 36所设定的图6所示的目标频率的波形与针对12个晶闸管Pn、 Nn各方 所设置的比较器(未作图示)的比较结果，按照该图的箭头所示的定时 对晶闸管进行点弧(导通)，将输出电压的有效值控制为目标有效值。另 外，图5中，在UV、 UW、 WU之间施加的电压利用实线表示，在与之 相反的VU、 WU、 UW之间施加的电压利用虚线表示。
如图3所示，利用平滑电容器24c对由电压有效值控制部26b控制 为目标有效值而生成的单相交流电进行平滑，经由供电路28，更具体地 说经由供电路28a、 28b提供给负荷30。这样，循环换流器由桥电路24 和ECU 26构成。
这里，再次说明本发明的课题，在现有的循环换流器式发电机中， 若要将生成的交流电的目标频率保持恒定，则与负荷的要求功率的大小 无关，进行驱动的发动机不得不以恒定转速运转，当负荷的要求功率小 时存在燃料消耗量和噪声不必要地增大的不利情况，因而本发明把消除 这种不利情况作为课题。
以下，对此进行说明，图7是示出发电机10的动作，具体地说是由ECU 26，更具体地说是由ECU 26的电压有效值控制部26b执行的动作 的流程图。
首先在S10中检测由负荷30所要求的要求功率。这是通过把电压传 感器32和电流传感器34的检测值相乘来计算负荷30的有效功率[VA] 而进行的。
然后进到S12,根据计算出的负荷30的要求功率(有效功率)检索 图8所示的特性来计算目标发动机转速NED。
该目标发动机转速NED是指足以满足负荷30的要求功率的最小发 动机转速，更具体地说是当发动机12反冲起动时检测出的发动机转速(当 前的发动机转速)NE，如图所示，被设定成每400rpm就阶段性地变化。 另外，图8所示的特性预先通过实验求出并作为表值存储在ECU 26的存 储器内。
然后进到S14，经由节流阀控制部26d驱动致动器12b，以达到计算 出的目标发动机转速NED。
然后进到S16，根据计算出的目标发动机转速NED，计算(校正) 生成的交流电的设定频率，即在输出电压波形的一周期期间生成的V相 脉冲(V相脉冲波形。相位信号)的个数。
然后进到S18，决定正、负组换流器24a、 24b的点弧次数并对它们 进行点弧，以使生成的交流电的频率，即在输出频率的一周期期间生成 的V相脉冲的个数成为实际计算出的个数，并生成交流电提供给负荷30。
对此进行说明，由于磁铁发电部14具有9对永久磁铁14bl，因而 转子每旋转一周生成9个V相脉冲。因此，当把所设定的目标频率设定 为60Hz、把目标发动机转速NED设定为3600rpm时，如图9所示，在 目标频率的一周期期间具有(生成)9个(9个周期)的V相脉冲。
根据永久磁铁的个数和发动机转速NE按下述所示来唯一地决定正、 负组换流器24a、 24b的目标频率的每一周期的点弧次数。
点弧次数=(发动机转速频率/目标频率)x磁铁数x输出绕组数
例如当把发动机转速NE设定为3600rpm，把目标频率设定为60Hz 时，点弧次数为如下所示。点弧次数={(3600/60) /60} xl8x3 =54
此时在负荷30的要求功率低的情况下，目标发动机转速NED从 3600rpm开始下降，而当持续进行控制以使得在目标频率的一周期期间具 有9个(9个周期)V相脉冲时，随着发动机转速NED的下降，生成的 交流电的频率(输出频率)下降。
因此，在该实施例中，随着目标发动机转速NED的增减而使在一周 期期间具有的V相脉冲的个数增减，例如在目标发动机转速NED是 3200rpm时，如图10所示V相脉冲的个数减少为8个(8个周期)，在目 标发动机转速NED是2800rpm时，如图11所示V相脉冲的个数减少为 7个(7个周期)。即，根据所决定的目标转速NED来校正在一周期期间 生成的V相脉冲(相位信号)的个数。
更具体地说，如图12所示，决定正、负组换流器24a、 24b的点弧 次数以使得生成的交流电的频率，即在输出频率的一周期期间生成的V 相脉冲的个数成为进行了增减校正的个数，并根据所决定的次数对该正、 负组换流器24a、 24b进行点弧。
艮P，根据图12所示的特性，当目标发动机转速NED是3600rpm时， 点弧次数被决定为54次，当目标发动机转速NED是2800rpm时，点弧 次数被决定为42次。由此，可生成与目标频率60Hz相同频率(输出频 率)的交流电。另外，图12所示的特性也预先通过实验求出并存储在ECU 26的存储器内。
并且，如图9至图11所示，按照使生成的交流电的频率(输出电压 波形)与V相脉冲(V相脉冲波形)的零交叉点一致的方式进行点弧， 换句话说，使输出频率与发动机转速NE可靠地同步。
图13是示出该实施例的使输出频率与发动机转速NE同步的控制的 时序图，图14是示出现有技术的输出恒定频率的控制的时序图，图15 是示出在图13所示的控制下验证当发动机转速NE剧变时的输出电压与 频率的稳定性的模拟结果的数据图，图16是针对图14所示的控制的相 同的数据图，图17是对图15和图16所图示的内容进行了数值化的表。如图13和图15所示，在该实施例中，通过进行使输出频率与发动 机转速NE同步的控制，换句话说，通过控制成使在输出频率的一周期期 间生成的V相脉冲的个数成为规定值，即根据目标发动机转速NED而设 定的恒定值，从而即使发动机转速NE剧变，输出(生成)的交流电的电 压也不会发生变化而保持稳定。
因此，当负荷30是照明器具等时，如果电压发生变动，尽管照明器 具等会发生闪烁，然而可以减少这种不良情况。另一方面，如图14和图 16所示，在现有技术的控制中，电压发生变动的结果不能期待得到这种 效果。
然而，在该实施例的控制中，从图15和图16的对比可以看出，频 率的稳定性下降。然而，大多数情况下频率的变动对负荷30而言不会造 成障碍。
如上所述，在该实施例中，循环换流器式发电机IO构成为具有磁 铁发电部14，其具有与磁铁n(n: 9)对对置配置的三相输出绕组16并 由发动机(内燃机)12驱动；单相输出绕组20，其与所述三相输出绕组 16接近配置，每旋转一周生成n个表示所述磁铁发电部14的输出的相位 的相位信号(V相脉冲)；桥电路24，其由正负开关元件组(正组换流器 24a、负组换流器24b)构成，该正负开关元件组与所述三相输出绕组16 相互逆并联桥接而构成输出交流电的循环换流器；以及交流电生成单元 (电压有效值控制部26b)，其根据目标频率，以可变的点弧范围对所述 开关元件组进行点弧，生成单相交流电提供给负荷30，在该循环换流器 式发电机10中，具有致动器12b，其自由变更所述发动机(内燃机) 12的转速NE;负荷要求功率检测单元(电压有效值控制部26b， SIO)， 其检测由所述负荷30要求的要求功率；目标转速决定单元(电压有效值 控制部26b， S12)，其根据所述检测出的要求功率决定所述发动机(内燃 机)12的目标转速NED;以及致动器驱动单元(电压有效值控制部26b， 节流阀控制部26d， S14),其驱动所述致动器以便达到所述所决定的目标 转速NED，并且所述交流电生成单元按照使在所述生成的交流电的频率 的一周期期间所生成(更准确地说是应生成)的所述相位信号的个数成为根据所述决定的目标转速NED进行了校正的个数的方式，对所述开关 元件进行点弧，生成所述交流电(电压有效值控制部26b， S16， S18)， 因而通过根据检测出的要求功率决定发动机12的目标转速NED，驱动致 动器12b来达到该转速，从而可防止在负荷30的要求功率小时燃料消耗 量和噪声不必要地增加。
并且，构成为按照使在生成的交流电的频率的一周期期间生成的相 位信号的个数成为根据所决定的目标转速NED进行了校正的个数的方 式，对开关元件进行点弧来生成交流电，换句话说使生成的交流电的频 率与发动机转速NE同步，因而即使发动机转速NE剧变时，也不会受其 影响，可生成稳定的交流电。
并且，构成为所述交流电生成单元按照使所述生成的交流电的频率 与所述相位信号的零交叉点一致的方式对所述开关元件进行点弧，因而 除了上述效果以外，还能使生成的交流电的频率与内燃机转速可靠地同 步。
另外，上述中作为开关元件示出了晶闸管，然而不限于此，也可以 是FET等。
并且，从与配置有永久磁铁的转子对置配置的输出绕组20的输出中 检测了相位信号(V相脉冲)，然而也可以设置霍尔IC或拾波线圈来进 行检测。
权利要求
1.一种循环换流器式发电机，该循环换流器式发电机具有磁铁发电部，其具有与磁铁n对对置配置的三相输出绕组并由内燃机驱动；单相输出绕组，其与所述三相输出绕组接近配置，每旋转一周生成n个表示所述磁铁发电部的输出的相位的相位信号；桥电路，其由正负开关元件组构成，该正负开关元件组与所述三相输出绕组相互逆并联桥接而构成输出单相交流电的循环换流器；以及交流电生成单元，其根据目标频率以可变的点弧范围对所述桥电路的开关元件组进行点弧，生成所述单相交流电并提供给负荷，该循环换流器式发电机的特征在于，具有致动器，其自由变更所述内燃机的转速；负荷要求功率检测单元，其检测所述负荷要求的要求功率；目标转速决定单元，其根据所述检测出的要求功率决定所述内燃机的目标转速；以及致动器驱动单元，其驱动所述致动器以便达到所述决定的目标转速，并且所述交流电生成单元按照使在所述生成的交流电的频率的一周期期间所生成的所述相位信号的个数成为根据所述决定的目标转速进行了校正的个数的方式，对所述开关元件进行点弧来生成所述交流电。
2. 根据权利要求1所述的循环换流器式发电机，其特征在于，所述 交流电生成单元按照使所述生成的交流电的频率与所述相位信号的零交 叉点一致的方式对所述开关元件进行点弧。
全文摘要
本发明提供一种循环换流器式发电机，该发电机通过以与负荷的要求功率对应的转速来运转内燃机，从而防止燃料消耗量和噪声的不必要增加，并且当内燃机转速剧变时，也能生成稳定的交流电。检测由负荷要求的要求功率(S10)，根据检测出的要求功率决定发动机的目标转速NED(S12)，驱动致动器以便达到所决定的目标转速NED(S14)，按照使在生成的交流电的频率的一周期期间所生成的相位信号的个数成为根据决定的目标转速NED进行了校正的个数的方式，对开关元件进行点弧来生成交流电(S16，S18)。
文档编号H02M5/32GK101577498SQ20091013920
公开日2009年11月11日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年5月9日
发明者中山晋作, 增渕义则, 稻川敏规 申请人:本田技研工业株式会社