JPH1080199A - 同期発電機の自動電圧調整器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】同期発電機の出力端子電圧の変動に伴う励磁電
源電圧の変動を相殺し、発電機出力端子電圧を安定して
制御できる自動電圧調整器を提供すること。 【解決手段】同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出
器の検出信号と電圧指令信号発生器の電圧指令信号の誤
差を演算する減算器と、減算器の出力を増幅する誤差増
幅器の制御信号を検出信号で除算する除算器と、除算器
の出力信号に比例したオンデューティのスイッチング信
号を出力するパルス幅変調器と、同期発電機の出力する
交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、整流器が出力
する直流電圧をスイッチング信号に従ってチョッパ操作
することにより同期発電機の界磁巻線に励磁電圧を供給
する電圧変換器とを備え、除算器が誤差増幅器の出力す
る制御信号を検出信号で除算することにより、同期発電
機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を
相殺し、同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整して
いるので、安定に同期発電機の出力端子電圧を制御でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期発電機または
ブラシレス同期発電機の励磁電源電圧として該発電機の
出力端子電圧を利用しながら、該発電機の出力端子電圧
を所望の電圧に自動制御する同期発電機の自動電圧調整
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の発電装置の構成図である。
同図において、１は同期発電機、２は自動電圧調整器で
ある。自動電圧調整器２は同期発電機１の界磁巻線に印
加する電圧Ｖ_f を操作することによって、同期発電機１
の出力端子電圧Ｖ_g を所望の電圧に自動制御する装置で
ある。

【０００３】自動電圧調整器２は、同期発電機１の出力
端子電圧を検出して検出信号Ａを出力する電圧検出器１
０と、電圧指令信号Ｂを発生する電圧指令信号発生器１
１と、検出信号Ａと電圧指令信号Ｂの誤差を演算する減
算器１２と、減算器１２の出力する誤差信号Ｃを増幅す
る誤差増幅器１３と、誤差増幅器１３の出力する制御信
号Ｄに比例するオンデューティのスイッチング信号Ｅを
出力するパルス幅変調器１４と、同期発電機１の出力端
子電圧を降圧する変圧器２０と、変圧器２０から供給さ
れる交流電圧を直流電圧に変換する整流器２１と、前記
スイッチング信号Ｅに基づいてトランジスタをオン・オ
フし、整流器２１から供給される直流電圧をチョッパ操
作することによって同期発電機１の界磁巻線に励磁電圧
を供給する電圧変換器２２とから構成されている。この
ような発電装置は、同期発電機の励磁電圧の電源として
同期発電機の出力端子電圧を利用しており、分巻励磁方
式の発電装置と言われている。

【０００４】図５は図４の発電装置の挙動を示す制御ブ
ロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付して
おり、また図中のＡ〜Ｆ，Ｖ_f （ｐ．ｕ．），Ｖ
_g （ｐ．ｕ．）の各信号は、いずれもｐ．ｕ．値を示
す。

【０００５】同図において、電圧検出器１０は同期発電
機１の出力端子電圧の検出信号Ａを出力し、また電圧指
令信号発生器１１は電圧指令信号Ｂを出力する。減算器
１２は検出信号Ａと電圧指令信号Ｂの誤差を演算して誤
差信号Ｃを出力し、誤差増幅器１３は誤差信号Ｃを増幅
して制御信号Ｄを出力し、パルス幅変調器１４は制御信
号Ｄに比例したオンデューティＦのスイッチング信号を
出力する。

【０００６】乗算器３０は図４の電圧変換器２２の機能
を表したもので、スイッチング信号のオンデューティＦ
と同期発電機１の出力端子電圧Ｖ_g のｐ．ｕ．値Ｖ
_g （ｐ．ｕ．）を乗算し、同期発電機１の界磁電圧Ｖ_f
のｐ．ｕ．値Ｖ_f （ｐ．ｕ．）を出力する。すなわち、
同期発電機１の励磁電圧Ｖ_f （ｐ．ｕ．）は、 Ｖ_f （ｐ．ｕ．）＝Ｖ_g （ｐ．ｕ．）×Ｆ で与えられ、オンデューティＦはパルス幅変調器１４の
関数をｆ₁₄とすると、 Ｆ＝Ｄ×ｆ₁₄ で与えられる。よって、制御信号Ｄから同期発電機１の
励磁電圧Ｖ_f （ｐ．ｕ．）までの関数は、 Ｖ_f （ｐ．ｕ．）＝Ｄ×ｆ₁₄×Ｖ_g （ｐ．ｕ．） となる。

【０００７】以上のように、分巻励磁方式の発電装置の
励磁回路は、電圧変換器２２が、同期発電機１の出力端
子電圧Ｖ_g とパルス幅変調器１４から出力されるスイッ
チング信号Ｆを乗算する機能と等価な機能を果たすた
め、図５に示すように、制御ブロック図に乗算器３０が
含まれる。

【０００８】なお、図４において、電圧検出器１０と電
圧指令信号発生器１１と減算器１２と誤差増幅器１３と
パルス幅変調器１４の各機能は、マイクロコンピュータ
とこのマイクロコンピュータで実行するソフトウェアで
実現することができる。また、同期発電機１の代わりに
ブラシレス同期発電機を自動電圧調整器２に接続しても
よい。

【０００９】図６は従来の他の発電装置の構成図であ
る。本実施例が既に説明した図４の発電装置と異なる点
は、本実施例の自動電圧調整器３の構成が、図４の自動
電圧調整器２では変圧器２０から供給される交流電圧を
チョッパ操作する整流器２１と電圧変換器２２を設ける
代わりに、変圧器２０から供給される交流電圧をトラン
ジスタまたはサイリスタでチョッパ操作する電圧変換器
２３を備えた点であり、その他の点は同一であるので、
同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。

【００１０】本実施例の自動電圧調整器３は、上記した
ように変圧器２０から供給される交流電圧を、トランジ
スタまたはサイリスタでチョッパ操作することによって
発電機励磁電圧を操作するものであり、図４の自動電圧
調整器２と全く同じように電圧変換器２３が乗算器の機
能を果たすように構成したものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の発電装
置では、同期発電機またはブラシレス同期発電機の出力
端子電圧Ｖ_g が変動し、自動電圧調整器が変動抑制のた
めの自動制御を行おうとする場合に、励磁電源電圧も同
時に変動するため、同期発電機またはブラシレス同期発
電機の出力端子電圧の変動分だけ誤差を含んだ励磁電圧
Ｖ_f となってしまう。すなわち、図５において、自動電
圧調整器２は誤差増幅器１３の出力する制御信号Ｄに比
例した同期発電機またはブラシレス同期発電機の励磁電
圧Ｖ_f （ｐ．ｕ．）を出力することができない。

【００１２】また、一般的に制御系の安定度の設計はボ
ード線上で行われることが多いが、ボード線図は線形な
制御系に対して成立するものであり、図５の制御ブロッ
ク図のように乗算器を含む非線形の制御系に対しては有
効な方法ではない。

【００１３】しかし、通常、上記したような同期発電機
またはブラシレス同期発電機の出力端子電圧の変動に伴
う励磁電源電圧の変動は無視し、常に一定の励磁電源電
圧であると近似してボード線図上で設計が行われること
が多い。このような場合において、励磁電源電圧の変動
による誤差が、実際にどの程度制御系の安定度に影響し
てくるのか、設計者に明確に把握できないため、その影
響が大きい場合に、同期発電機またはブラシレス同期発
電機の運転時に発電機電圧が不安定になる可能性があ
る。

【００１４】本発明（請求項１乃至請求項８対応）は、
上記した従来の分巻励磁方式の自動電圧調整器の欠点を
除去するために、同期発電機またはブラシレス同期発電
機の出力端子電圧の変動に伴う励磁電源電圧の変動を相
殺し、自動電圧調整器の制御信号に比例した発電機励磁
電圧を得ることにより、従来技術よりも安定に発電機出
力端子電圧を制御可能とする同期発電機の自動電圧調整
器を提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１は、同期発電機の端子電圧を検出
する電圧検出器と、電圧指令信号を発生する電圧指令信
号発生器と、前記電圧検出器の出力する検出信号と前記
電圧指令信号発生器の出力する電圧指令信号の誤差を演
算する減算器と、この減算器の出力する誤差信号を増幅
する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力する制御信号
を前記検出信号で除算する除算器と、この除算器の出力
信号に比例したオンデューティのスイッチング信号を出
力するパルス幅変調器と、前記同期発電機の出力する交
流電圧を直流電圧に変換する整流器と、この整流器が出
力する直流電圧を前記スイッチング信号に従って開閉さ
れるスイッチング素子によってチョッパ操作することに
より前記同期発電機の界磁巻線に励磁電圧を供給する電
圧変換器とから構成され、前記除算器が前記誤差増幅器
の出力する制御信号を前記検出信号で除算することによ
り、同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源
電圧の変動を相殺しながら、同期発電機の端子電圧を所
望の電圧に調整することを特徴とする。

【００１６】本発明の請求項２は、請求項１記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代
わりにブラシレス同期発電機に接続され、このブラシレ
ス同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電
圧の変動を相殺しながら、該ブラシレス同期発電機の端
子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。

【００１７】本発明の請求項３は、請求項１記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の出
力する交流電圧を整流する前記整流器を必要とせず、該
交流電圧をスイッチング素子でチョッパ操作することに
より前記同期発電機の界磁巻線に励磁電圧を供給する電
圧変換器を備え、この電圧変換器により同期発電機の端
子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧を相殺しなが
ら、同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整すること
を特徴とする。

【００１８】本発明の請求項４は、請求項３記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代
わりにブラシレス同期発電機に接続され、このブラシレ
ス同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電
圧の変動を相殺しながら、該ブラシレス同期発電機の端
子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。

【００１９】本発明の請求項５は、請求項１記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、前記電圧指令信号発
生器と前記減算器と前記誤差増幅器と前記除算器と前記
パルス幅変調器の各機能を、マイクロコンピュータと該
マイクロコンピュータで実行するソフトウェアによって
実現し、同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁
電源電圧の変動を相殺しながら、同期発電機の端子電圧
を所望の電圧に調整することを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項６は、請求項５記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代
わりにブラシレス同期発電機に接続され、このブラシレ
ス同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電
圧の変動を相殺しながら、該ブラシレス同期発電機の端
子電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。

【００２１】本発明の請求項７は、請求項５記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、同期発電機の出力す
る交流電圧を整流する前記整流器を必要とせず、該交流
電圧をスイッチング素子でチョッパ操作することにより
前記同期発電機の界磁巻線に励磁電圧を供給する電圧変
換器を備え、同期発電機の端子電圧が変動した場合に、
励磁電源電圧の変動を相殺しながら、同期発電機の端子
電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。

【００２２】本発明の請求項８は、請求項７記載の同期
発電機の自動電圧調整器において、前記同期発電機の代
わりにブラシレス同期発電機に接続され、該ブラシレス
同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧
の変動を相殺しながら、該ブラシレス同期発電機の端子
電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は本発明の一実施例（請求項
１、請求項２、請求項５及び請求項６対応）の構成図で
ある。同図に示すように、本実施例が既に説明した図４
の従来の発電装置と相違する点は、誤差増幅器１３の出
力する制御信号Ｄを電圧検出器１０の出力する検出信号
Ａで除算する除算器１５を設けた点のみであり、その他
の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付し
て重複説明は省略するものとする。

【００２４】なお、自動電圧調整器２を構成する要素の
内、電圧指令発生器１１と減算器１２と誤差増幅器１３
とパルス幅変調器１４と除算器１５の各構成要素の機能
は、マイクロコンピュータとこのマイクロコンピュータ
で実行されるソフトウェアによって実現してもよい。

【００２５】図３は図１に示す同期発電機またはブラシ
レス同期発電機の自動電圧調整器の挙動を示すブロック
図である。同図において、電圧検出器１０は同期発電機
１の出力端子電圧の検出信号Ａを出力し、また電圧指令
信号発生器１１は電圧指令信号Ｂを出力する。減算器１
２は検出信号Ａと電圧指令信号Ｂの誤差を演算して誤差
信号Ｃを出力し、誤差増幅器１３は誤差信号Ｃを増幅し
て制御信号Ｄを出力し、除算器１５は制御信号Ｄを検出
信号Ａで除算した信号Ｈを出力する。パルス幅変調器１
４は除算器１５の出力する信号Ｈに比例したオンデュー
ティＦ′のスイッチング信号を出力する。乗算器３０は
図１の電圧変換器２２の機能を表したもので、スイッチ
ング信号のオンデューティＦ′と同期発電機１の出力端
子電圧Ｖ_g のｐ．ｕ．値Ｖ_g （ｐ．ｕ．）を乗算し、同
期発電機１の界磁電圧Ｖ_f のｐ．ｕ．値Ｖ_f （ｐ．
ｕ．）を出力する。

【００２６】次に、本実施例の作用について説明する。
通常、定常状態において、同期発電機１またはブラシレ
ス同期発電機の出力端子電圧Ｖ_g （ｐ．ｕ．）は、電圧
指令信号発生器１１の出力する電圧指令信号Ｂとなるよ
うに制御されており、誤差信号Ｃは零である。ある時間
においてＶ_g （ｐ．ｕ．）が変動した場合、電圧指令信
号Ｂと検出信号Ａの間に誤差が生じ、減算器１２より誤
差信号Ｃが出力される。誤差増幅器１３は誤差信号Ｃを
増幅して制御信号Ｄを出力する。除算器１５は制御信号
Ｄを検出信号Ａで除算し、位相信号Ｈを出力する。パル
ス幅変調器１４は位相信号Ｈに比例したオンデューティ
Ｆ′の方形波のスイッチング信号を出力する。乗算器３
０は図１の電圧変換器２２の機能を示し、発電機出力端
子電圧Ｖ_g （ｐ．ｕ．）にパルス幅変調器１４の出力す
るスイッチング信号のオンデューティＦ′を乗算するこ
とにより、同期発電機１の界磁巻線に励磁電圧Ｖ
_f （ｐ．ｕ．）を供給する。

【００２７】上述した作用により、発電機出力端子電圧
が変動した場合においても、同期発電機の励磁電源電圧
の変動が相殺される。すなわち、図３において、同期発
電機１またはブラシレス同期発電機の励磁電圧Ｖ
_f （ｐ．ｕ．）は、下記式で与えられる。

【００２８】 Ｖ_f （ｐ．ｕ．）＝Ｖ_g （ｐ．ｕ．）×Ｆ′ また、オンデューティＦ′はパルス幅変調器１４の関数
をｆ₁₄とすると、

【数１】 で与えられる。ここで、Ａ＝Ｖ_g （ｐ．ｕ．）であるた
め、制御信号Ｄから同期発電機１の励磁電圧Ｖ_f （ｐ．
ｕ．）までの関数は、 Ｖ_f （ｐ．ｕ．）＝Ｄ×ｆ₁₄ となり、Ｖ_g （ｐ．ｕ．）が相殺され、制御信号Ｄに比
例した同期発電機の励磁電圧Ｖ_f （ｐ．ｕ．）が得られ
る。

【００２９】図２は本発明の他の実施例（請求項３、請
求項４、請求項７及び請求項８に対応）の構成図であ
る。本実施例が上記図１の発電装置と異なる点は、本実
施例の自動電圧調整器３の構成が、図１の自動電圧調整
器２では変圧器２０から供給される交流電圧をチョッパ
操作する整流器２１と電圧変換器２２を設ける代わり
に、変圧器２０から供給される交流電圧をトランジスタ
またはサイリスタでチョッパ操作する電圧変換器２３を
備えた点であり、その他の点は同一であるので、同一部
分には同一符号を付して重複説明は省略する。

【００３０】上記したように、本実施例の同期発電機ま
たはブラシレス同期発電機の自動電圧調整器３では、図
１におけるように変圧器２０から供給される交流電圧を
チョッパ操作する整流器２１と電圧変換器２２を設ける
代わりに、トランジスタまたはサイリスタでチョッパ操
作する電圧変換器２３を設けた点のみが図１の実施例と
異なるので、その挙動は図３の制御ブロックと同様な挙
動を示すので、その説明は省略するものとする。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明（請求項１
乃至請求項８対応）によれば、分巻励磁方式の同期発電
機の出力端子電圧を自動電圧調整器によって制御する場
合、同期発電機の出力端子電圧の変動に伴う励磁電源電
圧の変動を相殺し、自動電圧調整器の制御信号に比例し
た同期発電機界磁電圧を得ることができるため、従来技
術よりも安定に同期発電機出力端子電圧を制御すること
ができる。

【００３２】また、分巻励磁方式の同期発電機が原理的
に含む乗算器の機能を除去するため、制御系が線形系と
なり、ボード線図上での制御設計が有効となり、より設
計のしやすい発電装置とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図。

【図２】本発明の他の実施例の構成図。

【図３】図１の実施例の挙動を示す制御ブロック図。

【図４】従来の発電装置の構成図。

【図５】図４の従来の発電装置の挙動を示す制御ブロッ
ク図。

【図６】他の従来の発電装置の構成図。

【符号の説明】

１…同期発電機、２…自動電圧調整器、１０…電圧検出
器、１１…電圧指令発生器、１２…減算器、１３…誤差
増幅器、１４…パルス幅変調器、１５…除算器、２０…
変圧器、２１…整流器、２２，２３…電圧変換器。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期発電機の端子電圧を検出する電圧検
   出器と、電圧指令信号を発生する電圧指令信号発生器
   と、前記電圧検出器の出力する検出信号と前記電圧指令
   信号発生器の出力する電圧指令信号の誤差を演算する減
   算器と、この減算器の出力する誤差信号を増幅する誤差
   増幅器と、この誤差増幅器の出力する制御信号を前記検
   出信号で除算する除算器と、この除算器の出力信号に比
   例したオンデューティのスイッチング信号を出力するパ
   ルス幅変調器と、前記同期発電機の出力する交流電圧を
   直流電圧に変換する整流器と、この整流器が出力する直
   流電圧を前記スイッチング信号に従って開閉されるスイ
   ッチング素子によってチョッパ操作することにより前記
   同期発電機の界磁巻線に励磁電圧を供給する電圧変換器
   とから構成され、前記除算器が前記誤差増幅器の出力す
   る制御信号を前記検出信号で除算することにより、同期
   発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変
   動を相殺しながら、同期発電機の端子電圧を所望の電圧
   に調整することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整
   器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の同期発電機の自動電圧調
   整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同
   期発電機に接続され、このブラシレス同期発電機の端子
   電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を相殺しな
   がら、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧
   に調整することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整
   器。
3. 【請求項３】 請求項１記載の同期発電機の自動電圧調
   整器において、前記同期発電機の出力する交流電圧を整
   流する前記整流器を必要とせず、該交流電圧をスイッチ
   ング素子でチョッパ操作することにより前記同期発電機
   の界磁巻線に励磁電圧を供給する電圧変換器を備え、こ
   の電圧変換器により同期発電機の端子電圧が変動した場
   合に、励磁電源電圧を相殺しながら、同期発電機の端子
   電圧を所望の電圧に調整することを特徴とする同期発電
   機の自動電圧調整器。
4. 【請求項４】 請求項３記載の同期発電機の自動電圧調
   整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同
   期発電機に接続され、このブラシレス同期発電機の端子
   電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を相殺しな
   がら、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧
   に調整することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整
   器。
5. 【請求項５】 請求項１記載の同期発電機の自動電圧調
   整器において、前記電圧指令信号発生器と前記減算器と
   前記誤差増幅器と前記除算器と前記パルス幅変調器の各
   機能を、マイクロコンピュータと該マイクロコンピュー
   タで実行するソフトウェアによって実現し、同期発電機
   の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を相
   殺しながら、同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整
   することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整器。
6. 【請求項６】 請求項５記載の同期発電器の自動電圧調
   整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同
   期発電機に接続され、このブラシレス同期発電機の端子
   電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を相殺しな
   がら、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧
   に調整することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整
   器。
7. 【請求項７】 請求項５記載の同期発電機の自動電圧調
   整器において、同期発電機の出力する交流電圧を整流す
   る前記整流器を必要とせず、該交流電圧をスイッチング
   素子でチョッパ操作することにより前記同期発電機の界
   磁巻線に励磁電圧を供給する電圧変換器を備え、同期発
   電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動
   を相殺しながら、同期発電機の端子電圧を所望の電圧に
   調整することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整
   器。
8. 【請求項８】 請求項７記載の同期発電機の自動電圧調
   整器において、前記同期発電機の代わりにブラシレス同
   期発電機に接続され、該ブラシレス同期発電機の端子電
   圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を相殺しなが
   ら、該ブラシレス同期発電機の端子電圧を所望の電圧に
   調整することを特徴とする同期発電機の自動電圧調整
   器。