JP5395394B2

JP5395394B2 - 発電機の直列接続装置

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Publication number: JP5395394B2
Application number: JP2008262466A
Authority: JP
Inventors: 義則増渕
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-10-09
Also published as: US20100090535A1; CN101719729A; JP2010093967A; CN101719729B; US8039992B2

Description

この発明は、発電機の直列接続装置および単相３線出力装置に関する。

発電機、例えば、エンジンで駆動される発電部から出力される交流を一旦直流に変換すると共に、目標とする出力電圧波形の基準正弦波とキャリアを用いて生成されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子を駆動し、その直流を所定周波数（商用周波数）の交流に変換して出力するインバータを備えたエンジン発電機は良く知られている。また、その種のエンジン発電機を２基接続して並列運転させる技術も知られており、その例として下記の特許文献１記載の技術を挙げることができる。
特開平８−２０５５４３号公報

特許文献１に記載されるようにエンジン発電機を２基並列（あるいは直列）に接続するときは、出力される交流電力の位相を同期させる位相同期運転させる必要があると共に、他方の出力を電力線で入力すると短絡の恐れなどがあることから、別に通信線で接続して入力する必要がある。

また、通信線で接続して出力される交流の出力の位相を同期させても、得られる出力は単相２線の交流出力であり、一般家庭用の電力である単相３線の交流出力を得ることはできなかった。尚、上記はエンジン発電機に限らず、燃料電池の場合なども同様である。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、位相同期運転可能な発電機を、通信線を必要とすることなく、直列接続して単相３線の交流出力を得られるようにした発電機の直列接続装置を提供することにある。

また、他の発電機と直列接続することなく、単機で単相３線の交流出力を得ることができれば、単相３線の交流出力の需要があるとき、それに応じることができて望ましい。

従って、この発明のさらなる目的は上記した課題を解決し、単機で単相３線の交流出力を得られるようにした発電機の単相３線出力装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、それぞれ交流を発電し、発電された交流を単相２線出力端子から出力すると共に、位相同期回路を有する少なくとも２基の発電機において、前記発電機のうちの一方の位相同期回路は、自己の前記単相２線出力端子から出力される交流を方形波に変換し、前記変換した方形波を前記発電機のうちの他方の位相同期回路に送信すると共に、前記他方の位相同期回路に前記他方の発電機の単相２線出力端子から出力される交流を方形波に変換させて自己に送信させ、前記送信した方形波と前記他方の位相同期回路から受信した方形波とを比較して前記単相２線出力端子から出力される交流の位相を同期させる位相同期運転可能な位相同期運転手段と、前記少なくとも２基の発電機の単相２線出力端子が１次側と２次側に磁気的に接続される磁気結合手段と、前記少なくとも２基の発電機の一方の前記単相２線出力端子の一方と他方の発電機の前記単相２線出力端子の一方を接続する接続部とを備え、前記少なくとも２基の発電機の単相２線出力端子によって前記接続部を中性線とする単相３線出力端子を形成する如く構成した。

請求項２にあっては、前記磁気結合手段が、前記１次側と２次側の巻線比を１：１とした単一の変圧器からなる如く構成した。

請求項１に係る発電機の直列接続装置にあっては、位相同期運転手段を有する少なくとも２基の発電機の単相２線出力端子が１次側と２次側に磁気的に接続される磁気結合手段と、少なくとも２基の発電機の一方の単相２線出力端子の一方と他方の発電機の単相２線出力端子の一方を接続する接続部とを備え、少なくとも２基の発電機の単相２線出力端子によって接続部を中性線とする単相３線出力端子を形成する如く構成したので、発電機を、通信線を必要とすることなく、直列接続して単相３線の交流出力を得ることが可能となる。

請求項２にあっては、磁気結合手段が１次側と２次側の巻線比を１：１とした変圧器からなる如く構成したので、上記した効果に加え、構成を簡易することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る発電機の直列接続装置などを実施するための最良の形態について説明する。

図１はこの発明の第１実施例に係る発電機の直列接続装置を全体的に示すブロック図である。尚、発電機としてエンジン発電機を例に取る。

図１において符号１０はそのエンジン発電機（以下「発電機」という）を示し、発電機１０は少なくとも２基、より具体的には第１の発電機１０ａと第２の発電機１０ｂからなる。第１の発電機１０ａをマスタ（Ｍａｓｔｅｒ）、第２の発電機１０ｂをスレーブ（Ｓｌａｖｅ）とする。

第１、第２の発電機１０ａ，１０ｂは同一機種であるので、第１の発電機１０ａを例にとり、その構成要素の符号にａを付して説明する。以下の説明は、構成要素の符号をｂに置き換えれば、第２の発電機１０ｂにも妥当する。

第１の発電機１０ａはエンジン（内燃機関）１２ａを備え、３ｋＷ（交流１００Ｖで３０Ａ）程度の定格出力を有する。エンジン１２ａは空冷エンジンで火花点火式であり、そのスロットルバルブ１２ａ１はステッピングモータからなるスロットルモータ（アクチュエータ）１２ａ２で開閉されてキャブレータ（図示せず）から供給される燃料量が調量される。エンジン１２ａはリコイルスタータ（図示せず）で始動される。

エンジン１２ａのシリンダヘッドの付近には円形のステータ（図示せず）が固定され、そこには発電部１４ａを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相からなる３相の出力巻線（メイン巻線）１４ａ１が巻回される。

ステータの外側にはエンジン１２ａのフライホイールを兼用するロータ（図示せず）が配置され、その内部には上記した巻線１４ａ１などと対向するように永久磁石（図示せず）が径方向に着磁された磁極を交互させつつ、複数対取着される。ステータの回りをロータの永久磁石が回転することにより、３相の出力巻線１４ａ１から３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の交流電力が出力（発電）される。

発電部１４ａの出力巻線１４ａ１から出力（発電）された３相の交流電力は制御基板（プリントボード）１６ａに入力され、そこに搭載されるコンバータ２０ａに入力される。コンバータ２０ａはブリッジ接続された３個のサイリスタ（ＳＣＲ）と３個のダイオードを備え、サイリスタの導通角が制御されることで、発電部１４ａから出力された３相の交流を直流に変換する。

図示は省略するが、コンバータ２０ａの正極側と負極側の出力にはＲＣＣ（リンギングチョークコンバータ。Ringing Choke Converter）などの直流安定化電源が接続され、整流された直流電力を前記した３個のサイリスタに動作電源として供給する。電源の後段にはコンバータ２０ａから出力される直流を平滑するための平滑コンデンサが接続される。コンバータ２０ａには、インバータ２２ａが接続される。

同様に図示は省略するが、インバータ２２ａは４個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ。スイッチング素子）がブリッジ接続された回路を備え、４個のＦＥＴの導通・非導通が制御されることで、コンバータ２０ａから出力された直流を所定周波数（具体的には５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用周波数）の交流に変換する。

インバータ２２ａから出力される交流は高調波除去用のＬＣフィルタからなるチョークコイルとノイズ除去用のノイズフィルタからなるフィルタ部２４ａを介して２本の電力線２６ａを流れ、その単相２線出力端子２８ａから出力される。このように第１の発電機１０ａは発電された交流を単相２線出力端子２８ａから出力する発電機、より具体的にはインバータ式発電機として構成される。

制御基板１６ａにはＣＰＵ（Central Processing Unit）３０ａが配置される。また、発電部１４ａの出力巻線１４ａ１から出力（発電）された３相の交流電力の一部は分岐して制御電源部３２ａとエンジン回転数信号生成部３４ａに送られる。

制御電源部３２ａはコンバータ２０ａと類似する構成を備え、交流電力を直流電力に変換してＣＰＵ３０ａなどに動作電源として供給する。エンジン回転数信号生成部３４ａは、入力波形を整形してパルス信号を生成してＣＰＵ３０ａに出力する。

ＣＰＵ３０ａは３２ビットからなり、サイリスタ（ＳＣＲ）ドライバ（駆動回路）３６ａを介してコンバータ２０ａのサイリスタの導通角を制御すると共に、前記した所定周波数を調整する周波数調整部４０ａとＦＥＴドライバ４２ａを介してインバータ２２ａのＦＥＴの導通・非導通を制御する。さらに、ＣＰＵ３０ａはモータドライバ４４ａを介してスロットルモータ１２ａ２の動作を制御する。

また、制御基板１６ａには位相同期回路４６ａが配置され、ＣＰＵ３０ａの指令に従って第１の発電機１０ａと第２の発電機１０ｂの単相２線出力端子２８ａ，２８ｂから出力される交流の位相を同期させるが、それについては後述する。

図において符号５０は磁気結合手段、具体的には単一の変圧器、より具体的には１個のトロイダルトランス（以下「トランス」という）を示す。

第１の発電機１０ａの電力線２６ａの単相２線出力端子２８ａはトランス５０の１次側に磁気的に接続されると共に、第２の発電機１０ｂの電力線２６ｂの単相２線出力端子２８ｂはトランス５０の２次側に磁気的に接続される。トランス５０の巻線比は１次側と２次側で１：１、即ち、同一とする。尚、第１の発電機１０ａを１次側、第２の発電機１０ｂを２次側に接続したが、逆であっても良い。

図示の如く、第１の発電機１０ａの単相２線出力端子２８ａの一方と第２の発電機１０ｂの単相２線出力端子２８ｂの一方は接続部５２によって接続され、共通化される。第１、第２の発電機１０ａ，１０ｂは、第１の発電機１０ａの単相２線出力端子２８ａと第２の発電機１０ｂの単相出力端子２８ｂによって接続部５２を中性線とする単相３線出力端子５４ａ，５４ｂ，５４ｃを形成するように構成される。

より具体的には、第２の発電機１０ｂの単相２線出力端子２８ｂの他方は延長されて単相３線出力端子５４ａを形成すると共に、第１の発電機１０ａの単相２線出力端子２８ａの他方は延長されて単相３線出力端子５４ｃを形成し、さらに接続部５２、より正確には接続部５２で接続される第１、第２の発電機１０ａ，１０ｂの単相２線出力端子２８ａ，２８ｂの一方は延長されて単相３線出力端子（中性点）５４ｂを形成するように構成される。

第１、第２の発電機１０ａ，１０ｂは本来、並列接続で１００Ｖ（６０Ａ）、直列接続で図２に示すように２００Ｖ（３０Ａ）の単相２線出力を得ることができるが、上記した構成により２００Ｖ（３０Ａ）の単相３線式の出力も得ることができる。

ここで、前記した位相同期回路４６ａ，４６ｂを説明すると、第１の発電機１０ａの位相同期回路４６ａは電力線２６ａに接続されると共に、第２の発電機１０ｂの位相同期回路４６ｂは電力線２６ｂに接続される。

図３は位相同期回路４６ａ，４６ｂの動作を示す説明図である。

図示の如く、位相同期回路４６ａ，４６ｂは、ＣＰＵ３０ａ，３０ｂの指示に従い、それぞれ自身が出力している正弦波Ｗｓを方形波Ｗｒに変換して相手に送信し、相手から受信した方形波と比較する。

自身が相手より進んでいると判断されるときはパルスを加算して出力している正弦波の周期を遅くする一方、自信が相手より遅れていると判断されるときはパルスを減算して出力している正弦波の周期を早める。このように、位相同期回路４６ａ，４６ｂは、出力周波数の半周期ごとに位相を合わせて同期を保つ。

前記した如く、電力線２６ａ，２６ｂはトランス５０に磁気的に接続されることから、電力線２６ａ，２６ｂは交流を出力する電力線として機能する他、信号を送受する信号線としても機能する。

その結果、相手の電力線、例えば第１の発電機１０ａの位相同期回路４６ａを自身とすると、位相同期回路４６ａは第２の発電機１０ｂの位相同期回路４６ｂが出力する方形波を、短絡などを生じることなく、入力できると共に、自身の方形波を位相同期回路４６ｂに出力することができる。

このように、第１実施例にあっては、それぞれ交流を発電し、発電された交流を単相２線出力端子２８ａ，２８ｂから出力すると共に、エンジン（内燃機関）１２ａ，１２ｂで駆動される発電部１４ａ，１４ｂから出力される交流を直流に変換するコンバータ２０ａ，２０ｂと、前記コンバータ２０ａ，２０ｂから出力される直流を単相の交流に変換して出力するインバータ２２ａ，２２ｂと、前記インバータ２２ａ，２２ｂで変換される交流を出力する単相２線出力端子２８ａ，２８ｂと、位相同期回路４６ａ，４６ｂとを有する少なくとも２基の発電機１０ａ，１０ｂにおいて、をそれぞれ有すると共に、前記発電機のうちの一方（発電機１０ａ）の位相同期回路４６ａは、自己の前記単相２線出力端子２８ａから出力される交流を方形波に変換し、前記変換した方形波を前記発電機のうちの他方（発電機１０ｂ）の位相同期回路４６ｂに送信すると共に、前記他方の位相同期回路４６ｂに前記他方の発電機１０ｂの単相２線出力端子２８ｂから出力される交流を方形波に変換させて自己（位相同期回路４６ａ）に送信させ、前記送信した方形波と前記他方の位相同期回路４６ｂから受信した方形波とを比較して前記単相２線出力端子２８ａ，２８ｂから出力される交流の位相を同期させる位相同期運転可能な位相同期運転手段と、前記少なくとも２基の発電機１０ａ，１０ｂの単相２線出力端子２８ａ，２８ｂが１次側と２次側に磁気的に接続される磁気結合手段（トランス（トロイダルトランス。変圧器））５０と、前記少なくとも２基の発電機の一方１０ａ（あるいは１０ｂ）の前記単相２線出力端子の一方２８ａ（あるいは２８ｂ）と他方の発電機１０ｂ（あるいは１０ａ）の前記単相２線出力端子の一方２８ａ（あるいは２８ｂ）を接続する接続部５２とを備え、前記少なくとも２基の発電機１０ａ，１０ｂの単相２線出力端子２８ａ，２８ｂによって前記接続部５２を中性線とする単相３線出力端子５４ａ，５４ｂ，５４ｃを形成する如く構成したので、位相同期運転可能な発電機１０ａ，１０ｂを、通信線を必要とすることなく、直列接続して家庭用の単相３線の交流出力を得ることが可能となる。

また、第１、第２の発電機１０ａ，１０ｂは、並列接続あるいは直列接続による単相２線出力に加え、単相３線式の出力も可能なことから、単相２線式と単相３線式のいずれの要求に応じることができる。また、発電機としては２基からなることで、可搬性にも優れる。

さらに、第１の発電機１０ａのみ所持しているユーザが同種の発電機を買い足して単相３線式の出力を得ることも可能となり、あるいは、第１、第２の発電機１０ａ，１０ｂに統一して複数基用意することで、上記した要求に一層柔軟に対応することができる。

また、前記磁気結合手段５０が、前記１次側と２次側の巻線比を１：１とした単一のトランス（トロイダルトランス。変圧器）からなる如く構成したので、構成が簡易となる。即ち、トランス５０は磁気結合によって出力周波数の同期化が可能であれば足ることから、比較的負荷容量に左右されることがなく、トロイダルトランスを使用することで小型化して重量を低減させることができる。

尚、当然トランス５０を介して電力も供給されるため、発電機としての用途に応じて容量を選択することになるが、単相３線平衡負荷の場合、位相同期運転を行うのに出力の１／１０程度の容量で済むので、小型化が可能である。

図４はこの発明の第２実施例に係る発電機の単相３線出力装置を全体的に示す、図１と同様のブロック図である。

第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例においては発電機として第１の発電機１０ａのみを備えると共に、模擬２線出力端子６０を備え、トランス（磁気結合手段）５０には第１の発電機１０ａの単相２線出力端子２８ａが１次側に、模擬２線出力端子６０が２次側にそれぞれ磁気的に接続されるように構成した。

即ち、第２実施例にあっては、第１の発電機１０ａの単相２線出力端子２８ａの一方と模擬２線出力端子６０の一方を接続する接続部５２ａとを備え、単相２線出力端子２８ａと模擬２線出力端子６０によって接続部５２ａを中性線とする単相３線出力端子５４ａ，５４ｂ，５４ｃを形成する如く構成した。

尚、第２実施例において発電機は第１の発電機１０ａのみであることから、位相同期回路４６ａは除去される。残余の構成は第１の実施例と同様である。

このように第２実施例にあっては、交流を発電し、発電された交流を単相２線出力端子２８ａから出力する発電機、より具体的にはエンジン（内燃機関）１２ａで駆動される発電部１４ａから出力される交流を直流に変換するコンバータ２０ａと、前記コンバータ２０ａから出力される直流を単相の交流に変換して出力するインバータ２２ａと、前記インバータ２２ａで変換される交流を出力する単相２線出力端子２８ａとを有するエンジン発電機１０ａにおいて、前記単相２線出力端子２８ａが１次側に磁気的に接続される一方、模擬２線出力端子６０が２次側に磁気的に接続される磁気結合手段（トランス（トロイダルトランス。変圧器））５０と、前記単相２線出力端子２８ａの一方と前記模擬２線出力端子６０の一方を接続する接続部５２ａとを備え、前記単相２線出力端子２８ａと模擬２線出力端子６０によって前記接続部５２ａを中性線とする単相３線出力端子５４ａ，５４ｂ，５４ｃを形成する如く構成したので、単機の発電機で単相３線の交流出力を得ることができる。

尚、上記で少なくとも２基の発電機の例として第１の発電機１０ａと第２の発電機１０ｂを示したが、第３あるいはそれ以上の発電機を備えても良い。

さらに、発電機の例としてエンジン発電機を示したが、それに限定されるものではなく、発電機は燃料電池などであっても良い。

また、磁気結合手段としてトランス、特にトロイダルトランスを例示したが、それに限られるものではなく、磁気結合が可能であれば、どのような種類であっても良い。例えば、電子式のトランス、即ち、電子制御されたＡＣ−ＡＣコンバータなどであっても良い。

この発明の第１実施例に係る発電機の直列接続装置を全体的に示すブロック図である。図１に示す第１、第２の発電機を直列に接続したときの出力を示す波形図である。図１に示す位相同期回路の動作を説明する説明図である。この発明の第２実施例に係る発電機の単相３線出力装置を全体的に示す、図１と同様なブロック図である。

符号の説明

１０発電機（エンジン発電機）（１０ａ第１の発電機、１０ｂ第２の発電機、１２ａ，１２ｂエンジン（内燃機関）、１４ａ，１４ｂ発電部、２０ａ，２０ｂコンバータ、２２ａ，２２ｂインバータ、２６ａ，２６ｂ電力線、２８ａ，２８ｂ単相２線出力端子、３０ａ，３０ｂＣＰＵ，４６ａ，４６ｂ位相同期回路、５０磁気結合手段（変圧器（トロイダルトランス。トランス））、５２，５２ａ接続部、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ単相３線出力端子、６０模擬２線出力端子

Claims

それぞれ交流を発電し、発電された交流を単相２線出力端子から出力すると共に、位相同期回路を有する少なくとも２基の発電機において、前記発電機のうちの一方の位相同期回路は、自己の前記単相２線出力端子から出力される交流を方形波に変換し、前記変換した方形波を前記発電機のうちの他方の位相同期回路に送信すると共に、前記他方の位相同期回路に前記他方の発電機の単相２線出力端子から出力される交流を方形波に変換させて自己に送信させ、前記送信した方形波と前記他方の位相同期回路から受信した方形波とを比較して前記単相２線出力端子から出力される交流の位相を同期させる位相同期運転可能な位相同期運転手段と、前記少なくとも２基の発電機の単相２線出力端子が１次側と２次側に磁気的に接続される磁気結合手段と、前記少なくとも２基の発電機の一方の前記単相２線出力端子の一方と他方の発電機の前記単相２線出力端子の一方を接続する接続部とを備え、前記少なくとも２基の発電機の単相２線出力端子によって前記接続部を中性線とする単相３線出力端子を形成することを特徴とする発電機の直列接続装置。
前記磁気結合手段が、前記１次側と２次側の巻線比を１：１とした単一の変圧器からなることを特徴とする請求項１記載の発電機の直列接続装置。