JPH084368B2 - インバ−タ式発電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、交流発電機の出力を整流したうえで、イン
バータにより所定周波数の交流出力を生じさせるように
したインバータ式発電機に関する。

従来技術 一般に、例えば小形のガソリンエンジンと同期交流発
電機とを組み合せて商用周波数の交流電力を得るように
したレジャー用、屋外工事用などの電源または非常用電
源として広く用いられている可搬形もしくは携帯用のエ
ンジン発電機にあっては、その出力周波数ｆとエンジン
回転数ｎとの関係がｎ＝120f/p（ｐは発電機の磁極数）
となって、例えば２極機の場合には5Hz（または60Hz）
の交流出力を得るためにはエンジン回転数を3000rpm
（または3600rpm）に維持させるようにする必要がある
が、エンジンの回転数が比較的低くて運転効率が余りよ
くなく、また所定の出力を得るためには発電機を大形化
せざるを得ないものになっている。さらに、発電機の出
力周波数がエンジンの回転数に依存するものであるの
で、負荷変動，脈動などによって変動しやすいエンジン
回転数によって発電機の出力周波数を一定に保持させる
ことがむずかしいものになっている。

そのため最近のエンジン発電機としては、エンジン回
転数を上げることにより運転効率を高めるとともに発電
機の小形化を図り、また発電機の出力周波数の安定化を
図るべく、発電機の出力をいったん整流したのちにイン
バータを用いてエンジン回転数とはかかわりのない任意
の周波数をもった交流出力を生じさせるようにしたイン
バータ式発電機が開発されている（実開昭59−132398号
公報または特開昭60−82098号公報参照）。

このようなインバータ式発電機では、出力段のインバ
ータがパワートランジスタなどの半導体スイッチング素
子で構成されている場合にはそれを過電流から保護する
過電流保護回路を設けることが望ましく、通常、インバ
ータに流れる電流を検出してそれが所定値以上になった
ときにインバータ動作を停止させて過電流保護を行なわ
せるようにしている。

このようなインバータ式発電機にあっては、インバー
タの入力側の電圧が発電機の過回転あるいは電圧制御系
統の故障などによって異常に上昇すると、インバータに
おける各半導体スイッチング素子の耐圧負担が増大して
それが最終的に破壊されたり、負荷へ悪影響を与えたり
するおそれを生ずる場合があり得る。

また特にインバータの商用出力が商用電源に接続され
た際、あるいは他の発電機と並列運転された際、インバ
ータにおける各半導体スイッチング素子の過電流保護を
より有効に行なわせるべく、その各半導体スイッチング
素子に並列にそれぞれフライホール用のダイオードが接
続され、またインバータの出力側に限流用のリアクトル
が設けられている場合に、逆に、逆相時に各半導体スイ
ッチング素子に大電流が流れる。そのとき過電流検出が
なされて各半導体スイッチング素子がチョッパ制御され
ることになるが、そのときリアクトルに流れる電流は半
導体スイッチング素子のオン時にインバータ出力電圧と
商用電源電圧との和で加速されるために立上りが速く、
オン時間が短くなるが、オフ時にはその電圧差のみで減
衰するために各フライホイール用のダイオードを通して
出力側からインバータ側へ流れ込む逆流時間が長くな
り、インバータの出力電流よりも逆流電流が多くなって
インバータの入力側の電圧が上昇して、各半導体スイッ
チング素子に高電圧がかかってそれが破壊されてしまう
おそれを生ずる場合があり得る。

目的 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、インバ
ータの入力側の電圧が異常に上昇したときにはそれが正
常に復帰するまでインバータ動作を強制的に停止して、
インバータにおける各半導体スイッチング素子の破壊を
防ぐとともに、負荷へ悪影響を及ぼすことがないように
したインバータ式発電機を提供するものである。

構成 本発明はその目的達成のため、交流発電機の出力を整
流し、その整流出力をインバータに与えて所定周波数の
交流出力を生じさせるインバータ式発電機において、イ
ンバータの通電電流の検出値と予め設定された基準値と
を比較してインバータが過電流状態であるか否かを検出
する手段と、過電流状態検出時にインバータの駆動信号
を停止させる手段と、インバータの入力側の電圧が規定
値以上に上昇したことを検出して、そのときのインバー
タの通電電流がみかけ上過電流として検出されるように
その電流検出値のレベルを切り換える手段とを設けるよ
うにしている。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について
詳述する。

図は、本発明によるインバータ式発電機の回路構成を
示してる。図中、１はエンジン等によって駆動される交
流発電機で、三相交流を出力する出力巻線L₁および制御
用の補助巻線L₂を有しており、出力巻線L₁の三相交流出
力はサイリスタブリッジからなる三相整流回路２によっ
て全波整流されたのち、平滑用のコンデンサC₁を通して
パワートランジスタQ₁〜Q₄により構成されたブリッジ形
のインバータ３に与えられる。インバータ３における各
パワートランジスタQ₁〜Q₄には、それぞれフライホイー
ル用のダイオードD₁〜D₄が設けられている。また補助巻
線L₂の単相交流出力は、整流回路４で整流されたのちに
定電圧回路５で安定化され、インバータ３を駆動する発
振器６および駆動トランジスタQ₅,Q₆からなるドライバ
７に与えられる。上記定電圧回路５の出力側には比較器
CMPを有した定電圧制御回路８が設けられており、発電
機出力電圧の変動を検知して三相整流回路２における各
サイリスタの導通角を制御し、その整流出力を一定の電
圧レベルに保持している。具体的には、三相整流回路２
の出力電圧を比較器CMPにて予め設定された基準電圧と
比較し、その出力電圧が設定電圧と等しくなるように各
サイリスタの導通角を制御する。ここで、上記のように
制御系統を主回路系統と別個に設けており、発電機１の
出力電圧が低下しても制御系統には支障がないようにな
っている。

このようなインバータ式発電機にあって、特に過電流
からインバータ３を保護する過電流保護回路９が設けら
れている。

インバータ３は、ドライバ７における駆動トランジス
タQ₅,Q₆からの駆動信号にしたがってその各パワートラ
ンジスタQ₁〜Q₄かスイッチング制御されて転流動作が行
なわれ、それにより入力された直流を所定周波数の交流
に変換して接続負荷LDに出力する。それらの各駆動トラ
ンジスタQ₅,Q₆は、例えば商用周波数でパルス信号が交
互に出される発振器６の各出力パルス列信号にそれぞれ
したがってオン，オフされる。その際、発振器６から出
力される２つのパルス列信号が、過電流保護回路９にお
ける演算増幅器OPA1の出力に応じてゲート制御されるよ
うになっている。すなわち、駆動トランジスタQ₅,Q₆の
各ベースはそれぞれ、オアゲートOR1,OR2の出力側と抵
抗R₁,R₂を介して接続され、各オアゲートOR1,OR2の一方
の入力側は発振器６に、他方の入力側は演算増幅器OPA1
に出力側とそれぞれ接続されている。また、インバータ
３に直流電流が供給される直流母線には電流検出用の抵
抗（分流器）R₃が介装されており、この抵抗R₃の両端が
それぞれ抵抗R₄,R₅を介して演算増幅器OPA1の反転入力
側（−）および非反転入力側（＋）と接続されている。
また、抵抗R₄,R₅と直列にそれぞれ抵抗R₆,R₇が接続され
ており、更に抵抗R₅とR₇の直列回路と並列にダイオード
D₅が接続され、これらの並列回路と直列にコンデンサC₅
が接続されている。

また演算増幅過OPA2が演算増幅器OPA1とともに過電流
検出手段として設けられており、その反転入力側（−）
は抵抗R₈を介して抵抗R₃の後段側と接続され、非反転入
力側（＋）は前述した直流母線と抵抗R₉を介して接続さ
れている。さらに、これらの入力側と直流母線との間に
は、それぞれコンデンサC₂,C₃が介装されている。そし
て、上記抵抗R₈と直列に抵抗R₁₀が接続されており、こ
れらの抵抗R₈,R₁₀によって分圧された電圧が基準電圧値
として演算増幅器OPA2に入力される。

上記演算増幅器OPA2の出力側は抵抗R₁₁とコンデンサC
₄の直列回路が接続され、その接続点は演算増幅器OPA3
の非反転入力側（＋）に接続されるとともに、ダイオー
ドD₇を通して電源ラインと接続されている。この演算増
幅器OPA3の反転入力側（−）は上記直流母線と抵抗R₁₂
を介して接続され、抵抗R₁₂と直列して抵抗R₁₃が接続さ
れている。また、演算増幅器OPA3の出力側は、抵抗R₁₄
を介して演算増幅器OPA1の非反転入力側（＋）は接続さ
れており、さらに上記演算増幅器OPA2の非反転入力側
（＋）は演算増幅器OPA1の出力側と抵抗R₁₅を介して接
続される。

このように構成されたものにあっては、交流発電機１
の出力は、上述したように三相整流回路２で直流に変換
され、コンデンサC₁によって平滑された後、インバータ
３に入力される。そして、このインバータ３がドライバ
７における駆動トランジスタQ₅,Q₆を介して与えられる
駆動信号にしたがって転流動作することにより、直流入
力が所定周波数の交流に変換されて出力される。その
際、駆動トランジスタQ₅,Q₆は発振器６の出力パルス列
信号によってオン，オフを交互に繰り返し、これととも
にインバータ３の各パワートランジスタQ₁〜Q₄がスイッ
チング制御され、所望の周波数による交流出力が得られ
る。また、インバータ３に流れる電流Iaは抵抗R₃の両端
の電圧降下となってあらわれ、この電圧値が設定値を越
えた時、つまりインバータ３に流れる電流値が設定値を
越えた時には過電流状態と判別され、直ちに演算増幅器
OPA1からの信号によりインバータ３への駆動信号がコン
デンサC₅の充電タイマによる所定時間のみ停止され、イ
ンバータ３が保護される。

その際、演算増幅器OPA2は演算増幅器OPA1とともにイ
ンバータ３の過電流状態を検出するが、演算増幅器OPA1
がインバータ３の通電電流の立ち上りに即応して尖頭値
を検出するのに対して、演算増幅器OPA2はコンデンサC₂
で平均化された通電電流の平均値を検出している。そし
て、各演算増幅器OPA1,OPA2は各々の検出値（電圧値）
を基準値（抵抗R₄,R₆および抵抗R₈,R₁₀で分圧された電
圧値）と比較し、検出値が設定値を越えていれば過電流
状態と判別する。この過電流状態が検出されと、上述し
たように何れの場合でも演算増幅器OPA1からの出力によ
りインバータ３が停止する。すなわち、負荷LDへの出力
電流が増加すると抵抗R₃を流れる電流Iaも増加し、この
電流値が所定値を越えると演算増幅器OPA1の出力が反転
してハイレベル信号となり、それによりオアゲートOR1,
OR2の出力が継続してハイレベルとなってドライバ７に
おける駆動トランジスタQ₅,Q₆がともにオフとなる。こ
のときコンデンサC₅およびダイオードD₅が演算増幅器OP
A1の出力側に接続されているので、尖頭電流が過電流と
なって出力が停止した場合には、所定時間（コンデンサ
C₅の充電時間）後にはインバータ動作が再開される。こ
のため、接続負荷がモータ，白熱ランプなどの突入電流
の大きいものであっても確実に始動させることができ
る。また演算増幅器OPA2の出力側に抵抗R₁₁,コンデンサ
C₄を接続してあるので、平均電流が過電流となってもイ
ンバータ動作は直ちに停止されることはなく、上記抵抗
R₁₁とコンデンサC₄の時定数によって決定される時間の
間、インバータ動作は継続され、コンデンサC₄による充
電タイマ時間後に停止される。そしてこの停止状態はOP
A2→OPA3→OPA1→OPA2の閉ループによって継続されるた
め自動復帰することができず、あたかもノーヒューズブ
レーカ的な機能を発揮する。さらに、尖頭電流が過電流
となって演算増幅器OPA1の出力によりインバータ動作が
所定時間のみ停止される場合において、この演算増幅器
OPA1の出力信号は抵抗R₁₅を介して演算増幅器OPA2の非
反転入力端子へ入力され、コンデンサC₃に蓄積される。
したがって尖頭電流の存在を示す演算増幅器OPA1からの
出力信号によるコンデンサC₃の充電蓄積量が多くなる
と、平均電流の過電流状態のいかんにかかわらず、演算
増幅器OPA2を動作させ、平均電流が過電流状態であると
同様に、インバータ動作を自動復帰できないように停止
させる。

また、インバータ３の出力側にはリアクトルＬが設け
られており、特に水銀灯などの進相負荷投入時に瞬時流
れる立上りの急峻な過大な突入電流を限流して、過電流
保護が確実に行なわれるようにしている。

本発明では、このような過電流保護回路９において、
特に、インバータ３の入力側の電圧が規定値以上に上昇
したことを検出して、そのときのインバータ３の通電電
流がみかけ上過電流として検出されるようにその検出電
流のレベルを切り換える手段を設け、インバータ３の入
力側の電圧が異常に上昇したときに過電流保護回路９に
おいて過電流検出状態を強制的に作り出してインバータ
３の動作を停止させ、その入力側の電圧が規定値を下ま
わるように正常に復帰したときにインバータ３の動作を
再開させるようにしている。

その手段として、具体的には、インバータ３の入力側
の電圧を検出する分圧抵抗R₁₆,R₁₇およびその分圧点の
電位状態にしたがってオン，オフされるトランジスタQ₇
からなる回路を設け、インバータ３の入力側の電圧が異
常に上昇したときの分圧点の電位によってトランジスタ
Q₇をオンさせ、そのオン状態にあるトランジスタQ₇を介
して演算増幅器OPA1の過電流検出入力側である反転入力
側（−）の抵抗R₄を短絡させるようにしている。

このようなものにあって、前述したように三相整流回
路２におけるサイリスタの熱暴走や電圧制御系統の故障
などによってインバータ３の入力側の電圧が異常に上昇
して、その入力側のコンデンサC₁の両端電圧Vcが規定値
（例えば正常電圧値の120％の値）を越えると、そのと
き分圧抵抗R₁₆,R₁₇の分圧点の電位にしたがってトラン
ジスタQ₇がオン状態となる。すなわち、Vcが高くなると
抵抗R₁₆と抵抗R₁₇との分圧により抵抗R₁₆の両端電圧が
高くなり、抵抗R₁₆と抵抗R₆とはプラス側を共通にして
いることからトランジスタQ₇のベース電位が低下してそ
れがオン状態になる。それにより抵抗R₄を短絡して、そ
れまで分圧抵抗R₄,R₆の分圧点の電位が加わっていた演
算増幅器OPA1の反転入力側（−）の電位を低下させる。

インバータ３の入力側の電圧がさらに上昇すると、ト
ランジスタQ₇のベース・エミッタ間およびコレクタ・ベ
ース間がダイオードの役目を果し、演算増幅器OPA1の反
転入力側（−）を０ボルトにする。したがって、過電流
保護回路９において、わずかなインバータ３の通電電流
で過電流検出によるインバータ３の動作停止の制御がな
されることになる。

またこのとき、C₅,R₇,R₅の回路によって演算増幅器OP
A1の非反転入力側（＋）に正帰還がかかり、この非反転
入力側（＋）が０ボルトに落ちるまでのあいだ演算増幅
器OPA1の出力がハイレベルとなって、ドライバ７からイ
ンバータ３に駆動信号が与えられないようにしてインバ
ータ３の動作を停止させる。そのあいだの時間は理論上
に無限大となるため、インバータ３の入力側の電圧が異
常に高い限りは事実上の出力停止状態となる。

過電流検出は、電流検出用の抵抗R₃の両端電圧を演算
増幅器OPA1によって検出することによって行なわれ、そ
の演算増幅器OPA1における非反転入力側（＋）が０ボル
トで基準となり、その反転入力側（−）が０ボルトにな
ると過電流としてインバータ３の動作が停止されるの
で、抵抗R₁₆,R₁₇およびトランジスタQ₇の回路が機能す
るときのコンデンサＣの両端電圧Vcの条件としては、次
式のようになる。

Vc＞（R₁₇/R₁₆）Vreg ＋｛（R₁₆＋R₁₇）/R₁₆｝V_BE …（１） ここで、Vregは定電圧制御回路８の出力電圧であり、
またV_BEはトランジスタＱのベース・エミッタ間の順方
向電圧である。

また過電流制御が零となり、事実上インバータ３が完
全に出力停止状態となるときのコンデンサC₁の両端電圧
Vcの条件としては、次式のようになる。

Vc＞｛（R₁₇/R₁₆）＋（R₁₇/R₆）Vreg ＋｛（R₁₆＋R₁₇）/R₁₆｝V_BE …（２） コンデンサＣの両端電圧Vcが（１）式の領域にあって
も演算増幅器OPA1の反転入力側（−）がトランジスタQ₇
のコレクタ・エミッタ間の飽和電圧となり、それがほぼ
零であるために（１）式の条件が満足された段階でイン
バータ３が出力停止状態となる。

このように本発明によるインバータ式発電機によれ
ば、インバータ３の各パワートランジスタQ₁〜Q₄を過電
流から保護する過電流保護回路９中に分圧抵抗R₁₆,R₁₇
およびトランジスタQ₇からなる簡単な回路を追加するだ
け、交流発電機１の過回転や電圧制御系統の故障などの
内部要因や、他電源との並列使用などによってコンデン
サC₁の両端電圧Vcが高くなってインバータ３の入力側の
電圧が異常に上昇した場合、その電圧上昇が規定値を越
えた時点でトランジスタQ₇がオンすることによりインバ
ータ３の過電流検出レベルを切り換えて、過電流保護回
路９において強制的に過電流検出状態を作り出してイン
バータ３を動作停止状態とし、インバータ３の動作停止
によりコンデンサC₁の両端電圧がさらに上昇してインバ
ータ３を完全に動作停止状態に保持させることができ
る。

したがって、本機の故障時に負荷へ悪影響を及ぼすよ
うなことが防止される。

インバータ３の入力側の電圧が異常に上昇したことを
検出する際の規定値は、レギュレータ電圧Vregと分圧抵
抗R₁₆,R₁₇の各値によってほぼ決定され、その設定を容
易になすことができる。

インバータ３の入力側の電圧が異常に上昇してインバ
ータ３が出力停止状態になっても、R₁₁,C₄の時定数で設
定された時間内であれば、その後インバータ３の入力側
の電圧が規定値以下になって正常に復帰すれば、トラン
ジスタQ₇がオフして過電流保護回路９が自動的にリセッ
ト状態になり、格別な操作を何ら必要とすることなく、
過電流保護回路９における通常動作によって過電流が検
出されない限りインバータ３が正常の動作状態に戻るこ
とになる。

ただし、停止状態が長くなった場合にはエンジン停止
等による入力電源のしゃ断によってリセットする必要が
あり、このように構成することによりノーヒューズブレ
ーカ的な機能をもたせている。

また、インバータ３の商用出力を商用電源に接続した
り、他の発電機と並列運転したりして逆相時にインバー
タの出力側から大電流が流れ込んでインバータ３の入力
側の電圧が異常に上昇した場合にも、前述と同様にして
過電流保護回路９において強制的に過電流検出状態を作
り出してインバータ３における各パワートランジスタQ₁
〜Q₄を全てオフ状態にするため、インバータ３の出力側
に設けられたリアクトルＬに流れる電流を増加させる要
因がなくなってインバータ３の入力側の電圧の異常上昇
が止まり、各パワートランジスタQ₁〜Q₄の耐圧負担を軽
減させることができるようになる。

効果 以上、本発明によるインバータ式発電機にあっては、
交流発電機の出力を整流し、その整流出力をブリッジ形
のインバータに与えて所定周波数の交流出力を生じさせ
るようにしたものにおいて、前記ブリッジ形のインバー
タの各アームを構成するスイッチング素子に並列にそれ
ぞれフライホイール用のダイオードを接続し、前記イン
バータの出力側には限流用のリアクトルを設けるととも
に、前記インバータの通電電流の検出値と予め設定され
た基準値とを比較してインバータの通電電流が過電流状
態であるか否かを検出する手段と、過電流状態検出時に
インバータの駆動信号を停止させる手段と、インバータ
の入力側の直流電圧が規定値以上に上昇したことを検出
して、そのときのインバータの通電電流がみかけ上過電
流状態として検出されるように前記過電流検出の基準レ
ベルを切り換える手段とを設けるようにしたもので、イ
ンバータの入力側の電圧が異常に上昇した場合、その電
圧上昇が規定値を越えた時点で過電流検出状態を疑似的
に作り出し直ちにインバータを動作停止状態とすること
ができ、インバータを確実に保護することができるとと
もに、負荷へ悪影響を及ぼすことがないようにすること
ができるという優れた利点を有している。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明によるインバータ式発電機の一実施例を示
す電気回路図である。 １……交流発電機、２……三相整流回路、３……インバ
ータ、４……整流回路、５……定電圧回路、６……発振
器、７……ドライバ、８……定電圧制御回路、９……過
電流保護回路

フロントページの続き (72)発明者 片瀬 繁 埼玉県飯能市南町10番13号 新電元工業株 式会社工場内 (56)参考文献 特開 昭62−16066（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−2390（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−44249（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭62−22334（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流発電機の出力を整流し、その整流出力
   をブリッジ形のインバータに与えて所定周波数の交流出
   力を生じさせるインバータ式発電機において、前記ブリ
   ッジ形のインバータの各アームを構成するスイッチング
   素子に並列にそれぞれフライホイール用のダイオードを
   接続し、前記インバータの出力側には限流用のリアクト
   ルを設けるとともに、前記インバータの通電電流の検出
   値の予め設定された基準値とを比較してインバータの通
   電電流が過電流状態であるか否かを検出する手段と、過
   電流状態検出時にインバータの駆動信号を停止させる手
   段と、インバータの入力側の直流電圧が規定値以上に上
   昇したことを検出して、そのときのインバータの通電電
   流がみかけ上過電流状態として検出されるように前記過
   電流検出の基準レベルを切り換える手段とを設けたこと
   を特徴とするインバータ式発電機。