インバータ発電装置
【課題】高価なセンサ類を必要とせずに同期モータの電気角を推定して、コンバータ回路を制御することが可能なインバータ発電装置を提供する。
【解決手段】エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸を接続し、エンジン11の動力により同期モータ13の回転軸を回転させることにより交流電力を発生させる。更にこの交流電力をコンバータ14で直流電力に変換し、更にインバータ15により3相交流電力に変換して負荷に供給する。また、コンバータ14は、エンジン11のECU19より出力されるECUパルスに基づいて、同期モータの電気角を推定し、直流電力を生成すると共に、同期モータ13に電流を供給して同期モータ13を制御する。従って、同期モータ13に回転軸の角度位置を検出するためのセンサを設けることなく、同期モータの電気角を推定できるので、装置規模を簡素化しコストダウンを図ることができる。
【解決手段】エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸を接続し、エンジン11の動力により同期モータ13の回転軸を回転させることにより交流電力を発生させる。更にこの交流電力をコンバータ14で直流電力に変換し、更にインバータ15により3相交流電力に変換して負荷に供給する。また、コンバータ14は、エンジン11のECU19より出力されるECUパルスに基づいて、同期モータの電気角を推定し、直流電力を生成すると共に、同期モータ13に電流を供給して同期モータ13を制御する。従って、同期モータ13に回転軸の角度位置を検出するためのセンサを設けることなく、同期モータの電気角を推定できるので、装置規模を簡素化しコストダウンを図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジン等の原動機により駆動される同期モータの交流出力電力を一旦直流電力に変換した後、インバータにより所定周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
エンジン等の原動機を駆動させて電力を発生させる発電機として、インバータ発電装置が多く用いられている。インバータ発電装置は、エンジンの出力軸に同期モータの回転軸を接続して該同期モータを回転駆動させ、この同期モータで発電された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、更に、この直流電力をインバータで交流電力に変換して、所望する電圧及び周波数の電力を出力する。
【0003】
このようなインバータ発電装置のコンバータは、前記同期モータから効率的且つ安定して交流電力を引き出して直流電力に変換するために該同期モータの電気角の情報が必要となり、従来より、同期モータに位置センサを取り付けて該位置センサにより同期モータの回転子の位置データを取得し、この位置データに基づいて固定子が発電する電力の電気角を推定する構成としていた。
【0004】
また、昨今においては、例えば特開2005−295626号公報(特許文献1)、特開2007−185099号公報(特許文献2)に記載されているように、位置センサを用いること無く同期発電機の誘起電圧を測定し、この誘起電圧に基づいて電気角を求める方法が種々提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2005−295626号公報
【特許文献2】特開2007−185099号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、無負荷時における発電機の誘起電圧を測定して始動モードと通常運転モードの切り替えを行っているので、電圧検出センサが必要になり、且つ、発電の開始までに長時間を要するという欠点がある。特に、電圧検出センサは絶縁が必要になるので、コスト高になるという欠点がある。
【0007】
一方、特許文献2に開示された技術では、電圧検出センサを用いて発電機の誘起電圧を推定しながらコンバータを制御するので、高価な電圧検出センサが必要になるという欠点がある。
【0008】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高価なセンサ類を必要とせずに同期モータの電気角を推定して、コンバータ回路を制御することが可能なインバータ発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、本願請求項1に記載の発明は、原動機と、前記原動機の出力軸に回転軸が接続され、前記出力軸の回転により前記回転軸が回転して交流電力を出力する同期モータと、前記同期モータより出力された交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力された直流電力を所定の交流電力に変換するインバータとを備えたインバータ発電装置において、前記コンバータは前記同期モータの電気角を推定する電気角推定手段と、推定した電気角に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記同期モータより出力される交流電力を直流電力に変換すると共に、前記電気角により電流フィードバック信号を生成して前記同期モータを制御するコンバータ回路とを有し、前記インバータは複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記コンバータ回路より出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ回路とを有し、前記電気角推定手段は、前記原動機の出力軸の回転角度に基づきパルス信号を出力し前記原動機を制御する制御手段と接続され、該制御手段より出力される前記パルス信号に基づいて、前記同期モータの電気角を推定することを特徴とする。
【0010】
請求項2に記載の発明は、前記原動機の出力軸と前記同期モータの回転軸は、前記パルス信号の立ち上がりエッジの位相と、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように機械的に接続され、前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジを0[deg]とし、前記パルス信号の1周期の整数分の1の周期となる電気角を生成することを特徴とする。
【0011】
請求項3に記載の発明は、前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、前記立ち上がりエッジに対応する電気角を前記位相ずれに応じたプリセット値に設定して、前記電気角を推定することを特徴とする。
【0012】
請求項4に記載の発明は、前記電気角推定手段は、前記同期モータのq軸電圧、及びd軸電圧を共にゼロとしたときの、前記同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の0degとの間の位相ずれを求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
請求項1の発明では、コンバータ回路は、原動機(例えば、エンジン11)に汎用的に設けられている制御手段(例えば、ECU19)より出力されるパルス信号に基づいて、同期モータの電気角を推定することができる。従って、同期モータに位置検出用のセンサ類を設ける必要が無く、且つ同期モータの誘起電圧測定用のセンサも不要となり、このため、従来と比較して、複雑なアルゴリズムを用いること無くコンバータ回路を制御することができる。その結果、インバータ発電装置全体の装置規模を簡素化し且つコストダウンを図ることができる。
【0014】
請求項2の発明では、制御手段より出力されるパルス信号の立ち上がりエッジの位相と、同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように、原動機と同期モータが機械的に接続されるので、電気角推定手段は、パルス信号の立ち上がりのエッジと電気角の0[deg]を一致させることにより、同期モータの電気角を高精度に推定することができる。
【0015】
請求項3の発明では、制御手段より出力されるパルス信号の立ち上がりエッジの位相と、同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、この位相ずれに応じた電気角のプリセット値を設定し、パルス信号の立ち上がりエッジにこのプリセット値を対応させて電気角を推定する。従って、位相ずれが発生する場合であっても、同期モータの電気角を高精度に推定することができる。
【0016】
請求項4の発明では、同期モータのd軸電圧、及びq軸電圧を共にゼロとしたときの同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の0degとの間の位相ずれ角度θを求めるので、請求項3で用いる位相ずれ角度θを予め測定する必要がなく容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置、及びこのインバータ発電装置に接続されるエンジンの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明が適用されない従来のインバータ発電装置、及びこのインバータ発電装置に接続されるエンジンの構成を示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータと、ECUとの間の通信回路の第1の例を示す回路図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータと、ECUとの間の通信回路の第2の例を示す回路図である。
【図5】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ECUパルス数と同期モータの極対数が一致する場合の電気角、及びモータU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図6】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータによる電気角推定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図7】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ECUパルス数に対して同期モータの極対数が2倍となる場合の電気角、及びモータU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図8】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ECUパルス数と同期モータの極対数が一致し、且つECUパルスと電気角との間に位相ずれ角度θが発生する場合の電気角、及びモータU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図9】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、d軸、q軸電流と位相ずれ角度θとの関係を示すベクトル図である。
【図10】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、コンバータより出力するd軸電圧、q軸電圧を共にゼロとしたときのd軸電流、q軸電流を測定する場合の回路図である。
【図11】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、位相ずれ角度θを算出する際のサイン波形、コサイン波形を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置100の構成を示すブロック図である。図1に示すように、このインバータ発電装置100は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等のエンジン(原動機)11にカップリング12を介して結合され、エンジン11の回転によりU相、V相、W相の3相の誘起電圧を発生する同期モータ13、例えば回転子に永久磁石が埋め込まれたIPMモータと、該同期モータ13に接続され、同期モータ13より出力されるU相、V相、W相の各誘起電圧をPN直流電圧に変換するコンバータ(コンバータ回路)14と、該コンバータ14より出力されるPN直流電圧からR相、S相、T相の3相交流電圧を生成するインバータ(インバータ回路)15と、スイッチングノイズを軽減するためのLCフィルタ16と、負荷18への電圧の供給、遮断を切り替える遮断器17を備えている。
【0019】
コンバータ14は、IGBT、或いはMOSFET等のスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、U相、V相、W相の3相交流電圧をPN直流電圧に変換する。更に、コンバータ14は、負荷18に出力する電力に応じて、同期モータ13に適宜電流を流すことにより、エンジン11の回転数を頻繁に変化させることなく、所望の電力を発生させるようにしている。つまり、コンバータ14は、通常の整流器とは異なり、同期モータ13より出力される交流電圧から所望の大きさの直流電圧を生成すると共に、負荷に出力する電力に応じて同期モータ13に電流を流すことにより、負荷変動に応じた安定した電力を発生させている。また、コンバータ14は、同期モータ13の電気角を推定する処理を行う電気角推定部(電気角推定手段)14aを備えている。
【0020】
インバータ15は、上述のコンバータ14と同様に、IGBT、MOSFETのスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることによりR相、S相、T相の3相交流電圧を生成する。また、各スイッチング素子のスイッチングのパターンにより、出力電圧及び周波数を任意の値に設定することができる。
【0021】
そして、本実施形態に係るインバータ発電装置100では、コンバータ14でPN直流電圧を生成する際に、同期モータに磁極センサや位置センサ等のセンサ類を取り付けることなくエンジン11に設けられたタコセンサから発信・出力された該エンジンの出力軸の回転数に基づく回転パルス信号を取得し、この回転パルス信号に基づいて電気角を推定する。
【0022】
即ち、従来のインバータ発電装置は、図2に示すように同期モータ13に位置センサ52を設け、この位置センサ52とコンバータ14をセンサケーブル53で接続し、位置センサ52より出力される同期モータ13の回転軸の位置データを用いて、電気角を推定しこの電気角に基づいて、コンバータ14に設けられる各スイッチング素子のスイッチングを制御する構成であったが、本実施形態では、エンジンに取り付けられた図示しないタコセンサから発信・出力される回転パルス信号をECU(Engine Control Unit)19に入力し、図1に示すようにECU19と前記コンバータ14とをセンサケーブル51で接続し、ECU19で前記回転パルス信号を変換又は生成し、コンバータ14はECU19より出力される前記回転パルス信号に基づくパルス信号(ECUパルス)を用いて電気角を推定し、コンバータ14のスイッチングを制御する。このため、同期モータ13に取り付ける磁極センサ或いは位置センサを割愛でき、その分小型化、低コスト化を図ることができる。
【0023】
通常、エンジン11には、出力軸が所定角度回転する毎に1パルス発信するタコセンサが取り付けられており、前記タコセンサが発信・出力する回転パスル信号をエンジン11の回転数の表示や、エンジンへの燃料の供給量を制御するために用いられている。前記ECU19は、前記回転パルス信号に基づいてエンジン11の回転数を求め、この回転数と目標回転数とを比較して偏差が0になるよう最適な燃料の供給量(又は燃料の増減量)を算出し、エンジン11の燃料供給装置に対して燃料制御信号を出力する。このことから、前記タコセンサやECU19は前記同期モータ13の電気角を推定するために別途新たに設けるものではない。前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とはカップリング12により結合され、エンジン11の出力軸と同期モータ13とは同期回転するので、エンジン11のタコセンサが発信・出力する回転パルス信号は同期モータ13の回転子の回転角度位置データとして利用できる。従って、新たに機器を追加すること無く、コンバータ14は、ECU19より出力される前記ECUパルスを同期モータの回転子の回転角度位置データとして取得することができる。
【0024】
図3は、ECU19とコンバータ14との間の第1の接続例を示す説明図である。図3に示すように、ECU19は、パルス信号出力用のオープンコレクタ方式のトランジスタ21を備えており、該トランジスタ21のコレクタは、端子22a,23aを介してコンバータ14内に設けられた直流電源27のプラス端子に接続されている。また、トランジスタ21のエミッタは、端子22b,23bを介してコンバータ14内に設けられた抵抗24に接続され、更に抵抗25を介して直流電源27のマイナス端子に接続されている。
【0025】
更に、抵抗25に対して並列にフォトカプラ26が設けられ、該フォトカプラ26の発光ダイオード26aが抵抗25に対して並列に接続されている。更に、フォトカプラ26に設けられるフォトトランジスタ26bは、図示しない受信回路に接続される。従って、フォトトランジスタ26bは、ECU19より出力されるパルス信号を受信することができる。
【0026】
図4は、ECU19とコンバータ14との間の第2の接続例を示す説明図である。図4に示すように、ECU19には、CANモジュール31が設けられ、ケーブル35a,35bを介してコンバータ14に設けられるCANモジュール34に接続される。即ち、ECU19側のCANモジュール31のCAN_Highは、端子32a、ケーブル35a、端子33aを経由して、コンバータ14側のCANモジュール34のCAN_Highに接続され、CANモジュール31のCAN_Lowは、端子32b、ケーブル35b、端子33bを経由して、コンバータ14側のCANモジュール34のCAN_Lowに接続される。そして、ECU19側からコンバータ14側に、CAN通信を用いてパルス信号が送信される。
【0027】
次に、コンバータ14に設けられる電気角推定部14aにより、ECU19より送信されたECUパルスに基づいて、同期モータ13の電気角を推定する手順について説明する。
【0028】
[電気角の第1の演算例]
図5は、ECU19より出力されるパルス信号と、コンバータ14の電気角推定部14aで推定される電気角、及び同期モータ13のU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。この例では、図5(a)に示すように、エンジン11が一定速度で回転しているとき、エンジン11の出力軸が1回転する毎に、ECU19より同一周期で6個の矩形波パルス信号(これを、「ECUパルス」という)が出力される。また、同期モータ13の回転子の極対数は6(極数は12)とされており、従って、図5(c)に示すように、同期モータ13の回転子が1回転する毎に6周期分のU相誘起電圧が出力される。つまり、図1に示すように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とはカップリング12により結合され、エンジン11の出力軸と同期モータ13とは同期回転するので、ECUパルス6個分とU相誘起電圧6周期分、即ちECUパルス1個分とU相誘起電圧1周期分とが対応することになる。更に、図5(a)、(c)に示すように、同期モータ13のU相誘起電圧のゼロクロス点(マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点)とECUパルスの立ち上がりエッジの位相が一致している。これは、後述するように、図1に示したカップリング12で前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合するときにECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点が一致するように調整していることによるものである。
【0029】
更に、エンジン11の出力軸が1回転する場合の、ECUパルス数と同期モータ13の極対数が一致するので、図5(b)に示すように、ECUパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角が0[deg]となるように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合すれば、同期モータ13のU相誘起電圧に適合した電気角を得ることができる。
【0030】
次に、上記した電気角推定部14aにて同期モータ13の電気角を推定する手順について、図6に示すフローチャートを参照して説明する。
【0031】
始めに、電気角推定部14aは、ECUパルスの立ち上がりエッジを検出する(ステップS11)。そして、エッジが検出されない場合には(ステップS11でNO)、カウント値Tをインクリメントし(ステップS12)、更に、電気角Q[deg]の値を下記の(1)式で設定する(ステップS13)。
【0032】
Q=Q+(360/Ta) …(1)
但し、Taはパルス間のカウント値である。従って、カウント値Tがインクリメントされる毎に、電気角Qの位相が(360/Ta)ずつ進むことになる。
【0033】
更に、電気角Qが360を上回った場合にはQから360を減じた値をQとし(即ち、Q=Q−360)とし、そうでなければQのままとする(ステップS14)。
【0034】
一方、ECUパルスの立ち上がりエッジが検出された場合には(ステップS11でYES)、この時点でのカウント値Tをパルス間カウント値Taとしてメモリ等に保存する(ステップS15)。その後、カウント値Tをクリアする(ステップS16)。更に、電気角Qをプリセット値Pr(例えば、Pr=0[deg])にプリセットする(ステップS17)。
【0035】
そして、上記のステップS11〜S17を繰り返すことにより、図5(b)に示したように、ECUパルスのエッジでリセットされる鋸歯状波形の電気角を得ることができる。従って、コンバータ14はこの電気角に基づいて、相電圧を出力し、フィードバック電流を生成して同期モータ13を制御し、且つ、この電気角に基づいて電圧指令の座標変換を行って所望の直流電圧を生成する。
【0036】
このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置100における電気角の第1の演算例では、エンジン11に汎用的に設けられているECU19より出力されるECUパルスに基づいて、同期モータ13の電気角を推定することができるので、同期モータ13に位置検出用のセンサ設ける必要が無く、且つ同期モータの誘起電圧測定用のセンサも不要となる。このため、従来と比較して、複雑なアルゴリズムを用いること無く、装置規模を簡素化し且つコストダウンを図ることができる。
【0037】
[電気角の第2の演算例]
次に、電気角の第2の演算例について説明する。図7は、第2の演算例に係り、ECU19より出力されるパルス信号と、電気角推定部14aで推定される電気角、及び同期モータ13のU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。この例では、図7(a)に示すように、エンジン11の出力軸が1回転する毎に、ECU19より同一周期で3個の矩形波パルス信号(ECUパルス)が出力される。また、同期モータ13の回転子の極対数は6(極数は12)とされており、従って、図7(c)に示すように、同期モータ13の回転子が1回転する毎に6周期分のU相誘起電圧が出力される。つまり、図1に示すように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とはカップリング12により結合され、エンジン11の出力軸と同期モータ13とは同期回転するので、ECUパルス3個分とU相誘起電圧6周期分、即ちECUパルス1個分とU相誘起電圧2周期分とが対応することになる。更に、図7(a)、(c)に示すように、同期モータ13のU相誘起電圧のゼロクロス点(マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点)とECUパルスの立ち上がりエッジの位相が一致している。これは、電気角の第1の演算例と同様に、図1に示したカップリング12で前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合するときにECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点が一致するように調整していることによるものである。
【0038】
更に、図7(b)に示すように、ECUパルスの1周期の間に電気角が2周期発生するように推定し、ECUパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角が0[deg]となるように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合すれば、同期モータ13のU相誘起電圧に適合した電気角を得ることができる。
【0039】
この場合には、上述した(1)式のパルス間カウント値Taを(Ta/2)とすれば良い。つまり、図7(a)に示すように、ECUパルス1周期に対するカウント値Tがパルス間カウント値Taとして設定されており、このECUパルス1周期の間に、2周期分の電気角を発生させるので、(Ta/2)で電気角Qをリセットすることにより、図7(b)に示すように、U相誘起電圧と同位相となる鋸歯状波形の電気角を得ることができる。
【0040】
そして、第2の演算例では、同期モータ13の極対数が、エンジン11の1回転のECUパルス数の倍数(例えば、2倍)である場合であっても、位置センサや磁極センサ等を用いること無く同期モータ13の電気角を高精度に求めることができる。
【0041】
また、上述した電気角の第1の演算例及び第2の演算例では、図5、図7に示したように、ECUパルスの立ち上がりエッジと、U相誘起電圧のゼロクロス点とが一致している。この手法としては、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸との位置を機械的に徐々にずらすことにより、ECUパルスの立ち上がりエッジと、U相誘起電圧のゼロクロス点とが一致する角度を見い出して、この角度で両者を固定すれば良い。具体的には、オシロスコープを用いて同期モータ13のU相誘起電圧の立ち上がりゼロクロス点と、ECUパルスの立ち上がりエッジとが一致するように、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸を合わせれば良い。
【0042】
そして、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点を、一度機械的に合わせれば、以後この状態を維持できるので、製造工場で組立時に位置合わせを行う等により、その後位置合わせを行う必要が無い。
【0043】
[電気角の第3の演算例]
次に、電気角の第3の演算例について説明する。この例では、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点とを一致させるために、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸とを機械的に合わせるのではなく、両者の位相ずれ角度θを予め測定し、この位相ずれ角度θを考慮して電気角を生成する方式を採用する。
【0044】
以下、位相ずれが生じる場合において、電気角を推定する手順について説明する。図8は、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点との間に位相ずれが発生している場合の、ECU19より出力されるECUパルスと、電気角推定部14aで推定される電気角、及び同期モータ13のU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【0045】
この例では、前述した第1の演算例と同様にECUパルス1個分とU相誘起電圧1周期分とが対応しているが、位相ずれが発生しているので、図8(a)に示しECUパルスの立ち上がりエッジと、図8(c)に示すU相誘起電圧のゼロクロス点とが一致していない。そこで、第3の演算例では、この位相ずれ角度θを予め測定し、ECUパルスの立ち上がりエッジと電気角の0[deg]との間に角度θだけ位相差を持たせて電気角を推定する。
【0046】
即ち、予めU相誘起電圧のマイナスからプラスに向かうゼロクロス点と、ECUパルスの立ち上がりエッジとの間の位相ずれ角度θが測定されていれば、この位相ずれ角度θだけECUパルスの立ち上がりエッジに対して、電気角0[deg]の位相をずらせば良い。従って、前述した図6に示したフローチャートのステップS17の処理で、プリセット値Prをゼロではなく、ECUパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角に設定すれば良い。具体的には、オシロスコープを用いて同期モータ13のU相誘起電圧の立ち上がりゼロクロス点と、ECUパルスの立ち上がりエッジとの位相ずれ角度θを測定し、図8(b)に示す符号Prの値をプリセット値とすれば良く、このプリセット値はコンバータ14のEEPROMやバッテリでバックアップしたメモリに格納し、発電装置の起動時に呼び出す。
【0047】
こうすることにより、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸との間に位相ずれが生じた場合であっても、この位相ずれ角度θを相殺して電気角を推定することができる。
【0048】
そして、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点との位相ずれ角度を、コンバータ14にプリセット値として一度EEPROMやバッテリでバックアップしたメモリに格納させればよく、製造工場から出荷する前に位相ずれ角度をオシロスコープで測定し、プリセット値としてメモリに格納しておくことにより、その後位置合わせや、位相ずれ角度の測定を行う必要が無い。
【0049】
このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置100の、電気角の第3の演算例においても、前述した第1,第2の演算例と同様に、エンジン11のECU19より出力されるパルス信号(ECUパルス)に基づいて、同期モータ13の電気角を推定することができるので、同期モータ13に位置検出用のセンサ類を設ける必要がなく、装置規模を簡素化しコストダウンを図ることができる。
【0050】
[電気角の第4の演算例]
次に、電気角の第4の演算例について説明する。この演算例ではエンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸とを機械的な位置関係に関わらず、以下に示す演算手法によりECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点との間の位相ずれ角度θを算出する。そして、この位相ずれ角度θに基づいて前述した第3の演算例と同様の方法で電気角を推定する。以下、詳細に説明する。
【0051】
図9は、ECUパルスの立ち上がりエッジと、U相誘起電圧のゼロクロス点との間に位相ずれ角度θが発生している場合の、誘起電圧Vと角度θとの関係を示すベクトル図である。なお、図9において、位相ずれがない場合(θ=0の場合)には、誘起電圧Vはq軸方向に発生する電圧と一致する。
【0052】
そして、図9に示すように誘起電圧Vが発生する状態で、コンバータ14からq軸電圧、d軸電圧をそれぞれ0Vで出力した場合に、誘起電圧Vの大きさ及び位相ずれ角度θに応じたq軸電流(Iq)、及びd軸電流(Id)が流れる。そして、角度θと電流Iq、Idの関係は、下記の(2)、(3)式となる。
【0053】
Vq=V・cosθ+R・Iq−p・ω・Ld・Id …(2)
Vd=V・sinθ+R・Id−p・ω・Lq・Iq …(3)
但し、Rは抵抗値、Lqはq軸インダクタンス、Ldはd軸インダクタンス、pは極対数、ωは角速度である。
【0054】
そして、(2)式、(3)式において、コンバータ14側でVq=Vd=0を出力すると、cosθ、及びsinθは、次の(4)式、(5)式で示すことができる。
【0055】
cosθ=−(R・Iq−p・ω・Ld・Id)/V …(4)
sinθ=−(R・Id−p・ω・Lq・Iq)/V …(5)
従って、(5)式を用いれば角度θ(これを「θs」とする)は、次の(6)式で示すことができる。
【0056】
θs=sin−1{−(R・Id−p・ω・Lq・Iq)/V} …(6)
また、(4)式を用いれば角度θ(これを「θc」とする)は、次の(7)式で示すことができる。
【0057】
θc=cos−1{−(R・Iq−p・ω・Ld・Id)/V} …(7)
但し、角度θs、θcは共に±45[deg]以内とする。
【0058】
そして、sinθとcosθの関係より、図11に示す領域a〜hに区分し、各領域毎に下記のようにθsまたはθcのうちの一方を選択して角度θを算出する。
【0059】
領域aの場合: cosθ>0、sinθ>0、 |cosθ|>|sinθ| θ=θs
領域bの場合: cosθ>0、sinθ>0、 |cosθ|≦|sinθ| θ=θc
領域cの場合: cosθ<0、sinθ>0、 |cosθ|<|sinθ| θ=θc
領域dの場合: cosθ<0、sinθ>0、 |cosθ|≧|sinθ| θ=θs
領域eの場合: cosθ<0、sinθ<0、 |cosθ|>|sinθ| θ=θs
領域fの場合: cosθ<0、sinθ<0、 |cosθ|≦|sinθ| θ=θc
領域gの場合: cosθ>0、sinθ<0、 |cosθ|<|sinθ| θ=θc
領域hの場合: cosθ>0、sinθ<0、 |cosθ|≧|sinθ| θ=θs
ここで、(6)、(7)式においてR、Lq、Ld、pの値は予め測定することができ、ωの値もエンジン11の同期パルスを測定することにより算出が可能である。従って、位相ずれの角度θを演算により求めることができる。更に、誘起電圧Vは誘起電圧定数Kvを用いて「V=Kv×ω」に置き換えることができ、且つ、この誘起電圧定数Kvは予め測定して求めることができるので、誘起電圧Vの値も予め取得することができる。
【0060】
従って、上記の各領域毎にθsまたはθcを選択する条件を予め対応テーブルとして記憶しておき、領域が決定した場合に、θs或いはθcのいずれかを用いることにより、位相ずれ角度θを求めることができる。
【0061】
図10は、図1に示したコンバータ14の詳細な構成を示すブロック図であり、上述した(6)式、(7)式で用いるq軸電流(Iq)、及びd軸電流(Id)を取得する場合の説明図である。
【0062】
図10に示す2相・3相変換器に入力するq軸電圧及びd軸電圧を共に0Vとすることにより、コンバータ14側の電圧を0Vとすることが可能である。結果的に、同期モータ13の各相に流れる電流を、コンバータ14の仮想電気角を利用し、3相・2相変換器でdq軸の電流値に変換し、q軸電流(Iq)及びd軸電流(Id)を求める。
【0063】
なお、同期モータ13の誘起電圧は、モータの種類やエンジン11の回転数によって異なり、更に、モータの各定数(R、Lq、Ld、p)も異なるために、コンバータ14側で0Vを出力した場合に、同期モータ13側に過大な電流が流れ込む場合が想定される。例えば、エンジン11の回転数を低下させた状態でq軸電流、d軸電流を測定することができれば、同期モータ13に流れる電流値も小さくなるが、エンジン11は任意の低い回転数に制御することが困難であるために、アイドリング回転数が下限値となる。そのような場合は、測定時にのみ同期モータ13のU相、V相、W相に直列にそれぞれ抵抗r1、r2、r3を接続して測定を行うことにより、大電流が流れることを防止することも可能である。
【0064】
また、コンバータ14側で0Vを出力する時間が長時間になると、エンジン11に対して大きな負荷となり、回転数を維持することができなくなる場合も想定されるので、0Vを出力する時間は同期モータ13の抵抗とインダクタンスで決まる時定数の、約5倍程度とすれば良い。
【0065】
また、位相ずれを検出した場合には、エンジン11と同期モータ13の回転軸との結合を動かしたり、取り外したりしなければ、エンジン11と同期モータ13を組み付けた初回のみ測定を実施し、その後はコンバータ14にプリセット値としてEEPROMやバッテリでバックアップしたメモリに格納することによって、2度目以降は測定の必要がなくなる。
【0066】
このようにして、第4の演算例では上述した(6)式、(7)式を用いて位相ずれ角度θを算出する。従って、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点(マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点)との間の位相ずれ角度θが予め判らない場合であっても、演算により角度θを求めることができこの角度θを用いて電気角を推定することができる。
【0067】
以上、本発明のインバータ発電装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ECU19から出力されるECUパルスの利用に代えて、エンジンに取り付けられたタコセンサから発信・出力される回転パスル信号をコンバータ14の電気角推定部14aに入力するようにしてもよく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【0068】
本発明は、インバータ発電装置に設けられたコンバータをセンサレスで制御することに利用することができる。
【符号の説明】
【0069】
100 インバータ発電機
11 エンジン
12 カップリング
13 同期モータ
14 コンバータ
14a 電気角推定部
15 インバータ
16 LCフィルタ
17 遮断器
18 負荷
19 ECU
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジン等の原動機により駆動される同期モータの交流出力電力を一旦直流電力に変換した後、インバータにより所定周波数の交流電力に変換するインバータ発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
エンジン等の原動機を駆動させて電力を発生させる発電機として、インバータ発電装置が多く用いられている。インバータ発電装置は、エンジンの出力軸に同期モータの回転軸を接続して該同期モータを回転駆動させ、この同期モータで発電された交流電力をコンバータで直流電力に変換し、更に、この直流電力をインバータで交流電力に変換して、所望する電圧及び周波数の電力を出力する。
【0003】
このようなインバータ発電装置のコンバータは、前記同期モータから効率的且つ安定して交流電力を引き出して直流電力に変換するために該同期モータの電気角の情報が必要となり、従来より、同期モータに位置センサを取り付けて該位置センサにより同期モータの回転子の位置データを取得し、この位置データに基づいて固定子が発電する電力の電気角を推定する構成としていた。
【0004】
また、昨今においては、例えば特開2005−295626号公報(特許文献1)、特開2007−185099号公報(特許文献2)に記載されているように、位置センサを用いること無く同期発電機の誘起電圧を測定し、この誘起電圧に基づいて電気角を求める方法が種々提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2005−295626号公報
【特許文献2】特開2007−185099号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、無負荷時における発電機の誘起電圧を測定して始動モードと通常運転モードの切り替えを行っているので、電圧検出センサが必要になり、且つ、発電の開始までに長時間を要するという欠点がある。特に、電圧検出センサは絶縁が必要になるので、コスト高になるという欠点がある。
【0007】
一方、特許文献2に開示された技術では、電圧検出センサを用いて発電機の誘起電圧を推定しながらコンバータを制御するので、高価な電圧検出センサが必要になるという欠点がある。
【0008】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高価なセンサ類を必要とせずに同期モータの電気角を推定して、コンバータ回路を制御することが可能なインバータ発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、本願請求項1に記載の発明は、原動機と、前記原動機の出力軸に回転軸が接続され、前記出力軸の回転により前記回転軸が回転して交流電力を出力する同期モータと、前記同期モータより出力された交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力された直流電力を所定の交流電力に変換するインバータとを備えたインバータ発電装置において、前記コンバータは前記同期モータの電気角を推定する電気角推定手段と、推定した電気角に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記同期モータより出力される交流電力を直流電力に変換すると共に、前記電気角により電流フィードバック信号を生成して前記同期モータを制御するコンバータ回路とを有し、前記インバータは複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記コンバータ回路より出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ回路とを有し、前記電気角推定手段は、前記原動機の出力軸の回転角度に基づきパルス信号を出力し前記原動機を制御する制御手段と接続され、該制御手段より出力される前記パルス信号に基づいて、前記同期モータの電気角を推定することを特徴とする。
【0010】
請求項2に記載の発明は、前記原動機の出力軸と前記同期モータの回転軸は、前記パルス信号の立ち上がりエッジの位相と、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように機械的に接続され、前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジを0[deg]とし、前記パルス信号の1周期の整数分の1の周期となる電気角を生成することを特徴とする。
【0011】
請求項3に記載の発明は、前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、前記立ち上がりエッジに対応する電気角を前記位相ずれに応じたプリセット値に設定して、前記電気角を推定することを特徴とする。
【0012】
請求項4に記載の発明は、前記電気角推定手段は、前記同期モータのq軸電圧、及びd軸電圧を共にゼロとしたときの、前記同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の0degとの間の位相ずれを求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
請求項1の発明では、コンバータ回路は、原動機(例えば、エンジン11)に汎用的に設けられている制御手段(例えば、ECU19)より出力されるパルス信号に基づいて、同期モータの電気角を推定することができる。従って、同期モータに位置検出用のセンサ類を設ける必要が無く、且つ同期モータの誘起電圧測定用のセンサも不要となり、このため、従来と比較して、複雑なアルゴリズムを用いること無くコンバータ回路を制御することができる。その結果、インバータ発電装置全体の装置規模を簡素化し且つコストダウンを図ることができる。
【0014】
請求項2の発明では、制御手段より出力されるパルス信号の立ち上がりエッジの位相と、同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように、原動機と同期モータが機械的に接続されるので、電気角推定手段は、パルス信号の立ち上がりのエッジと電気角の0[deg]を一致させることにより、同期モータの電気角を高精度に推定することができる。
【0015】
請求項3の発明では、制御手段より出力されるパルス信号の立ち上がりエッジの位相と、同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、この位相ずれに応じた電気角のプリセット値を設定し、パルス信号の立ち上がりエッジにこのプリセット値を対応させて電気角を推定する。従って、位相ずれが発生する場合であっても、同期モータの電気角を高精度に推定することができる。
【0016】
請求項4の発明では、同期モータのd軸電圧、及びq軸電圧を共にゼロとしたときの同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の0degとの間の位相ずれ角度θを求めるので、請求項3で用いる位相ずれ角度θを予め測定する必要がなく容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置、及びこのインバータ発電装置に接続されるエンジンの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明が適用されない従来のインバータ発電装置、及びこのインバータ発電装置に接続されるエンジンの構成を示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータと、ECUとの間の通信回路の第1の例を示す回路図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータと、ECUとの間の通信回路の第2の例を示す回路図である。
【図5】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ECUパルス数と同期モータの極対数が一致する場合の電気角、及びモータU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図6】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に設けられるコンバータによる電気角推定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図7】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ECUパルス数に対して同期モータの極対数が2倍となる場合の電気角、及びモータU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図8】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、ECUパルス数と同期モータの極対数が一致し、且つECUパルスと電気角との間に位相ずれ角度θが発生する場合の電気角、及びモータU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図9】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、d軸、q軸電流と位相ずれ角度θとの関係を示すベクトル図である。
【図10】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、コンバータより出力するd軸電圧、q軸電圧を共にゼロとしたときのd軸電流、q軸電流を測定する場合の回路図である。
【図11】本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置に係り、位相ずれ角度θを算出する際のサイン波形、コサイン波形を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るインバータ発電装置100の構成を示すブロック図である。図1に示すように、このインバータ発電装置100は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等のエンジン(原動機)11にカップリング12を介して結合され、エンジン11の回転によりU相、V相、W相の3相の誘起電圧を発生する同期モータ13、例えば回転子に永久磁石が埋め込まれたIPMモータと、該同期モータ13に接続され、同期モータ13より出力されるU相、V相、W相の各誘起電圧をPN直流電圧に変換するコンバータ(コンバータ回路)14と、該コンバータ14より出力されるPN直流電圧からR相、S相、T相の3相交流電圧を生成するインバータ(インバータ回路)15と、スイッチングノイズを軽減するためのLCフィルタ16と、負荷18への電圧の供給、遮断を切り替える遮断器17を備えている。
【0019】
コンバータ14は、IGBT、或いはMOSFET等のスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることにより、U相、V相、W相の3相交流電圧をPN直流電圧に変換する。更に、コンバータ14は、負荷18に出力する電力に応じて、同期モータ13に適宜電流を流すことにより、エンジン11の回転数を頻繁に変化させることなく、所望の電力を発生させるようにしている。つまり、コンバータ14は、通常の整流器とは異なり、同期モータ13より出力される交流電圧から所望の大きさの直流電圧を生成すると共に、負荷に出力する電力に応じて同期モータ13に電流を流すことにより、負荷変動に応じた安定した電力を発生させている。また、コンバータ14は、同期モータ13の電気角を推定する処理を行う電気角推定部(電気角推定手段)14aを備えている。
【0020】
インバータ15は、上述のコンバータ14と同様に、IGBT、MOSFETのスイッチング素子、及びダイオードを複数備え、各スイッチング素子をスイッチング動作させることによりR相、S相、T相の3相交流電圧を生成する。また、各スイッチング素子のスイッチングのパターンにより、出力電圧及び周波数を任意の値に設定することができる。
【0021】
そして、本実施形態に係るインバータ発電装置100では、コンバータ14でPN直流電圧を生成する際に、同期モータに磁極センサや位置センサ等のセンサ類を取り付けることなくエンジン11に設けられたタコセンサから発信・出力された該エンジンの出力軸の回転数に基づく回転パルス信号を取得し、この回転パルス信号に基づいて電気角を推定する。
【0022】
即ち、従来のインバータ発電装置は、図2に示すように同期モータ13に位置センサ52を設け、この位置センサ52とコンバータ14をセンサケーブル53で接続し、位置センサ52より出力される同期モータ13の回転軸の位置データを用いて、電気角を推定しこの電気角に基づいて、コンバータ14に設けられる各スイッチング素子のスイッチングを制御する構成であったが、本実施形態では、エンジンに取り付けられた図示しないタコセンサから発信・出力される回転パルス信号をECU(Engine Control Unit)19に入力し、図1に示すようにECU19と前記コンバータ14とをセンサケーブル51で接続し、ECU19で前記回転パルス信号を変換又は生成し、コンバータ14はECU19より出力される前記回転パルス信号に基づくパルス信号(ECUパルス)を用いて電気角を推定し、コンバータ14のスイッチングを制御する。このため、同期モータ13に取り付ける磁極センサ或いは位置センサを割愛でき、その分小型化、低コスト化を図ることができる。
【0023】
通常、エンジン11には、出力軸が所定角度回転する毎に1パルス発信するタコセンサが取り付けられており、前記タコセンサが発信・出力する回転パスル信号をエンジン11の回転数の表示や、エンジンへの燃料の供給量を制御するために用いられている。前記ECU19は、前記回転パルス信号に基づいてエンジン11の回転数を求め、この回転数と目標回転数とを比較して偏差が0になるよう最適な燃料の供給量(又は燃料の増減量)を算出し、エンジン11の燃料供給装置に対して燃料制御信号を出力する。このことから、前記タコセンサやECU19は前記同期モータ13の電気角を推定するために別途新たに設けるものではない。前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とはカップリング12により結合され、エンジン11の出力軸と同期モータ13とは同期回転するので、エンジン11のタコセンサが発信・出力する回転パルス信号は同期モータ13の回転子の回転角度位置データとして利用できる。従って、新たに機器を追加すること無く、コンバータ14は、ECU19より出力される前記ECUパルスを同期モータの回転子の回転角度位置データとして取得することができる。
【0024】
図3は、ECU19とコンバータ14との間の第1の接続例を示す説明図である。図3に示すように、ECU19は、パルス信号出力用のオープンコレクタ方式のトランジスタ21を備えており、該トランジスタ21のコレクタは、端子22a,23aを介してコンバータ14内に設けられた直流電源27のプラス端子に接続されている。また、トランジスタ21のエミッタは、端子22b,23bを介してコンバータ14内に設けられた抵抗24に接続され、更に抵抗25を介して直流電源27のマイナス端子に接続されている。
【0025】
更に、抵抗25に対して並列にフォトカプラ26が設けられ、該フォトカプラ26の発光ダイオード26aが抵抗25に対して並列に接続されている。更に、フォトカプラ26に設けられるフォトトランジスタ26bは、図示しない受信回路に接続される。従って、フォトトランジスタ26bは、ECU19より出力されるパルス信号を受信することができる。
【0026】
図4は、ECU19とコンバータ14との間の第2の接続例を示す説明図である。図4に示すように、ECU19には、CANモジュール31が設けられ、ケーブル35a,35bを介してコンバータ14に設けられるCANモジュール34に接続される。即ち、ECU19側のCANモジュール31のCAN_Highは、端子32a、ケーブル35a、端子33aを経由して、コンバータ14側のCANモジュール34のCAN_Highに接続され、CANモジュール31のCAN_Lowは、端子32b、ケーブル35b、端子33bを経由して、コンバータ14側のCANモジュール34のCAN_Lowに接続される。そして、ECU19側からコンバータ14側に、CAN通信を用いてパルス信号が送信される。
【0027】
次に、コンバータ14に設けられる電気角推定部14aにより、ECU19より送信されたECUパルスに基づいて、同期モータ13の電気角を推定する手順について説明する。
【0028】
[電気角の第1の演算例]
図5は、ECU19より出力されるパルス信号と、コンバータ14の電気角推定部14aで推定される電気角、及び同期モータ13のU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。この例では、図5(a)に示すように、エンジン11が一定速度で回転しているとき、エンジン11の出力軸が1回転する毎に、ECU19より同一周期で6個の矩形波パルス信号(これを、「ECUパルス」という)が出力される。また、同期モータ13の回転子の極対数は6(極数は12)とされており、従って、図5(c)に示すように、同期モータ13の回転子が1回転する毎に6周期分のU相誘起電圧が出力される。つまり、図1に示すように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とはカップリング12により結合され、エンジン11の出力軸と同期モータ13とは同期回転するので、ECUパルス6個分とU相誘起電圧6周期分、即ちECUパルス1個分とU相誘起電圧1周期分とが対応することになる。更に、図5(a)、(c)に示すように、同期モータ13のU相誘起電圧のゼロクロス点(マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点)とECUパルスの立ち上がりエッジの位相が一致している。これは、後述するように、図1に示したカップリング12で前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合するときにECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点が一致するように調整していることによるものである。
【0029】
更に、エンジン11の出力軸が1回転する場合の、ECUパルス数と同期モータ13の極対数が一致するので、図5(b)に示すように、ECUパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角が0[deg]となるように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合すれば、同期モータ13のU相誘起電圧に適合した電気角を得ることができる。
【0030】
次に、上記した電気角推定部14aにて同期モータ13の電気角を推定する手順について、図6に示すフローチャートを参照して説明する。
【0031】
始めに、電気角推定部14aは、ECUパルスの立ち上がりエッジを検出する(ステップS11)。そして、エッジが検出されない場合には(ステップS11でNO)、カウント値Tをインクリメントし(ステップS12)、更に、電気角Q[deg]の値を下記の(1)式で設定する(ステップS13)。
【0032】
Q=Q+(360/Ta) …(1)
但し、Taはパルス間のカウント値である。従って、カウント値Tがインクリメントされる毎に、電気角Qの位相が(360/Ta)ずつ進むことになる。
【0033】
更に、電気角Qが360を上回った場合にはQから360を減じた値をQとし(即ち、Q=Q−360)とし、そうでなければQのままとする(ステップS14)。
【0034】
一方、ECUパルスの立ち上がりエッジが検出された場合には(ステップS11でYES)、この時点でのカウント値Tをパルス間カウント値Taとしてメモリ等に保存する(ステップS15)。その後、カウント値Tをクリアする(ステップS16)。更に、電気角Qをプリセット値Pr(例えば、Pr=0[deg])にプリセットする(ステップS17)。
【0035】
そして、上記のステップS11〜S17を繰り返すことにより、図5(b)に示したように、ECUパルスのエッジでリセットされる鋸歯状波形の電気角を得ることができる。従って、コンバータ14はこの電気角に基づいて、相電圧を出力し、フィードバック電流を生成して同期モータ13を制御し、且つ、この電気角に基づいて電圧指令の座標変換を行って所望の直流電圧を生成する。
【0036】
このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置100における電気角の第1の演算例では、エンジン11に汎用的に設けられているECU19より出力されるECUパルスに基づいて、同期モータ13の電気角を推定することができるので、同期モータ13に位置検出用のセンサ設ける必要が無く、且つ同期モータの誘起電圧測定用のセンサも不要となる。このため、従来と比較して、複雑なアルゴリズムを用いること無く、装置規模を簡素化し且つコストダウンを図ることができる。
【0037】
[電気角の第2の演算例]
次に、電気角の第2の演算例について説明する。図7は、第2の演算例に係り、ECU19より出力されるパルス信号と、電気角推定部14aで推定される電気角、及び同期モータ13のU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。この例では、図7(a)に示すように、エンジン11の出力軸が1回転する毎に、ECU19より同一周期で3個の矩形波パルス信号(ECUパルス)が出力される。また、同期モータ13の回転子の極対数は6(極数は12)とされており、従って、図7(c)に示すように、同期モータ13の回転子が1回転する毎に6周期分のU相誘起電圧が出力される。つまり、図1に示すように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とはカップリング12により結合され、エンジン11の出力軸と同期モータ13とは同期回転するので、ECUパルス3個分とU相誘起電圧6周期分、即ちECUパルス1個分とU相誘起電圧2周期分とが対応することになる。更に、図7(a)、(c)に示すように、同期モータ13のU相誘起電圧のゼロクロス点(マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点)とECUパルスの立ち上がりエッジの位相が一致している。これは、電気角の第1の演算例と同様に、図1に示したカップリング12で前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合するときにECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点が一致するように調整していることによるものである。
【0038】
更に、図7(b)に示すように、ECUパルスの1周期の間に電気角が2周期発生するように推定し、ECUパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角が0[deg]となるように前記エンジン11の出力軸と前記同期モータ13の回転軸とを結合すれば、同期モータ13のU相誘起電圧に適合した電気角を得ることができる。
【0039】
この場合には、上述した(1)式のパルス間カウント値Taを(Ta/2)とすれば良い。つまり、図7(a)に示すように、ECUパルス1周期に対するカウント値Tがパルス間カウント値Taとして設定されており、このECUパルス1周期の間に、2周期分の電気角を発生させるので、(Ta/2)で電気角Qをリセットすることにより、図7(b)に示すように、U相誘起電圧と同位相となる鋸歯状波形の電気角を得ることができる。
【0040】
そして、第2の演算例では、同期モータ13の極対数が、エンジン11の1回転のECUパルス数の倍数(例えば、2倍)である場合であっても、位置センサや磁極センサ等を用いること無く同期モータ13の電気角を高精度に求めることができる。
【0041】
また、上述した電気角の第1の演算例及び第2の演算例では、図5、図7に示したように、ECUパルスの立ち上がりエッジと、U相誘起電圧のゼロクロス点とが一致している。この手法としては、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸との位置を機械的に徐々にずらすことにより、ECUパルスの立ち上がりエッジと、U相誘起電圧のゼロクロス点とが一致する角度を見い出して、この角度で両者を固定すれば良い。具体的には、オシロスコープを用いて同期モータ13のU相誘起電圧の立ち上がりゼロクロス点と、ECUパルスの立ち上がりエッジとが一致するように、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸を合わせれば良い。
【0042】
そして、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点を、一度機械的に合わせれば、以後この状態を維持できるので、製造工場で組立時に位置合わせを行う等により、その後位置合わせを行う必要が無い。
【0043】
[電気角の第3の演算例]
次に、電気角の第3の演算例について説明する。この例では、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点とを一致させるために、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸とを機械的に合わせるのではなく、両者の位相ずれ角度θを予め測定し、この位相ずれ角度θを考慮して電気角を生成する方式を採用する。
【0044】
以下、位相ずれが生じる場合において、電気角を推定する手順について説明する。図8は、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点との間に位相ずれが発生している場合の、ECU19より出力されるECUパルスと、電気角推定部14aで推定される電気角、及び同期モータ13のU相誘起電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【0045】
この例では、前述した第1の演算例と同様にECUパルス1個分とU相誘起電圧1周期分とが対応しているが、位相ずれが発生しているので、図8(a)に示しECUパルスの立ち上がりエッジと、図8(c)に示すU相誘起電圧のゼロクロス点とが一致していない。そこで、第3の演算例では、この位相ずれ角度θを予め測定し、ECUパルスの立ち上がりエッジと電気角の0[deg]との間に角度θだけ位相差を持たせて電気角を推定する。
【0046】
即ち、予めU相誘起電圧のマイナスからプラスに向かうゼロクロス点と、ECUパルスの立ち上がりエッジとの間の位相ずれ角度θが測定されていれば、この位相ずれ角度θだけECUパルスの立ち上がりエッジに対して、電気角0[deg]の位相をずらせば良い。従って、前述した図6に示したフローチャートのステップS17の処理で、プリセット値Prをゼロではなく、ECUパルスの立ち上がりエッジに対応する電気角に設定すれば良い。具体的には、オシロスコープを用いて同期モータ13のU相誘起電圧の立ち上がりゼロクロス点と、ECUパルスの立ち上がりエッジとの位相ずれ角度θを測定し、図8(b)に示す符号Prの値をプリセット値とすれば良く、このプリセット値はコンバータ14のEEPROMやバッテリでバックアップしたメモリに格納し、発電装置の起動時に呼び出す。
【0047】
こうすることにより、エンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸との間に位相ずれが生じた場合であっても、この位相ずれ角度θを相殺して電気角を推定することができる。
【0048】
そして、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点との位相ずれ角度を、コンバータ14にプリセット値として一度EEPROMやバッテリでバックアップしたメモリに格納させればよく、製造工場から出荷する前に位相ずれ角度をオシロスコープで測定し、プリセット値としてメモリに格納しておくことにより、その後位置合わせや、位相ずれ角度の測定を行う必要が無い。
【0049】
このようにして、本実施形態に係るインバータ発電装置100の、電気角の第3の演算例においても、前述した第1,第2の演算例と同様に、エンジン11のECU19より出力されるパルス信号(ECUパルス)に基づいて、同期モータ13の電気角を推定することができるので、同期モータ13に位置検出用のセンサ類を設ける必要がなく、装置規模を簡素化しコストダウンを図ることができる。
【0050】
[電気角の第4の演算例]
次に、電気角の第4の演算例について説明する。この演算例ではエンジン11の出力軸と同期モータ13の回転軸とを機械的な位置関係に関わらず、以下に示す演算手法によりECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点との間の位相ずれ角度θを算出する。そして、この位相ずれ角度θに基づいて前述した第3の演算例と同様の方法で電気角を推定する。以下、詳細に説明する。
【0051】
図9は、ECUパルスの立ち上がりエッジと、U相誘起電圧のゼロクロス点との間に位相ずれ角度θが発生している場合の、誘起電圧Vと角度θとの関係を示すベクトル図である。なお、図9において、位相ずれがない場合(θ=0の場合)には、誘起電圧Vはq軸方向に発生する電圧と一致する。
【0052】
そして、図9に示すように誘起電圧Vが発生する状態で、コンバータ14からq軸電圧、d軸電圧をそれぞれ0Vで出力した場合に、誘起電圧Vの大きさ及び位相ずれ角度θに応じたq軸電流(Iq)、及びd軸電流(Id)が流れる。そして、角度θと電流Iq、Idの関係は、下記の(2)、(3)式となる。
【0053】
Vq=V・cosθ+R・Iq−p・ω・Ld・Id …(2)
Vd=V・sinθ+R・Id−p・ω・Lq・Iq …(3)
但し、Rは抵抗値、Lqはq軸インダクタンス、Ldはd軸インダクタンス、pは極対数、ωは角速度である。
【0054】
そして、(2)式、(3)式において、コンバータ14側でVq=Vd=0を出力すると、cosθ、及びsinθは、次の(4)式、(5)式で示すことができる。
【0055】
cosθ=−(R・Iq−p・ω・Ld・Id)/V …(4)
sinθ=−(R・Id−p・ω・Lq・Iq)/V …(5)
従って、(5)式を用いれば角度θ(これを「θs」とする)は、次の(6)式で示すことができる。
【0056】
θs=sin−1{−(R・Id−p・ω・Lq・Iq)/V} …(6)
また、(4)式を用いれば角度θ(これを「θc」とする)は、次の(7)式で示すことができる。
【0057】
θc=cos−1{−(R・Iq−p・ω・Ld・Id)/V} …(7)
但し、角度θs、θcは共に±45[deg]以内とする。
【0058】
そして、sinθとcosθの関係より、図11に示す領域a〜hに区分し、各領域毎に下記のようにθsまたはθcのうちの一方を選択して角度θを算出する。
【0059】
領域aの場合: cosθ>0、sinθ>0、 |cosθ|>|sinθ| θ=θs
領域bの場合: cosθ>0、sinθ>0、 |cosθ|≦|sinθ| θ=θc
領域cの場合: cosθ<0、sinθ>0、 |cosθ|<|sinθ| θ=θc
領域dの場合: cosθ<0、sinθ>0、 |cosθ|≧|sinθ| θ=θs
領域eの場合: cosθ<0、sinθ<0、 |cosθ|>|sinθ| θ=θs
領域fの場合: cosθ<0、sinθ<0、 |cosθ|≦|sinθ| θ=θc
領域gの場合: cosθ>0、sinθ<0、 |cosθ|<|sinθ| θ=θc
領域hの場合: cosθ>0、sinθ<0、 |cosθ|≧|sinθ| θ=θs
ここで、(6)、(7)式においてR、Lq、Ld、pの値は予め測定することができ、ωの値もエンジン11の同期パルスを測定することにより算出が可能である。従って、位相ずれの角度θを演算により求めることができる。更に、誘起電圧Vは誘起電圧定数Kvを用いて「V=Kv×ω」に置き換えることができ、且つ、この誘起電圧定数Kvは予め測定して求めることができるので、誘起電圧Vの値も予め取得することができる。
【0060】
従って、上記の各領域毎にθsまたはθcを選択する条件を予め対応テーブルとして記憶しておき、領域が決定した場合に、θs或いはθcのいずれかを用いることにより、位相ずれ角度θを求めることができる。
【0061】
図10は、図1に示したコンバータ14の詳細な構成を示すブロック図であり、上述した(6)式、(7)式で用いるq軸電流(Iq)、及びd軸電流(Id)を取得する場合の説明図である。
【0062】
図10に示す2相・3相変換器に入力するq軸電圧及びd軸電圧を共に0Vとすることにより、コンバータ14側の電圧を0Vとすることが可能である。結果的に、同期モータ13の各相に流れる電流を、コンバータ14の仮想電気角を利用し、3相・2相変換器でdq軸の電流値に変換し、q軸電流(Iq)及びd軸電流(Id)を求める。
【0063】
なお、同期モータ13の誘起電圧は、モータの種類やエンジン11の回転数によって異なり、更に、モータの各定数(R、Lq、Ld、p)も異なるために、コンバータ14側で0Vを出力した場合に、同期モータ13側に過大な電流が流れ込む場合が想定される。例えば、エンジン11の回転数を低下させた状態でq軸電流、d軸電流を測定することができれば、同期モータ13に流れる電流値も小さくなるが、エンジン11は任意の低い回転数に制御することが困難であるために、アイドリング回転数が下限値となる。そのような場合は、測定時にのみ同期モータ13のU相、V相、W相に直列にそれぞれ抵抗r1、r2、r3を接続して測定を行うことにより、大電流が流れることを防止することも可能である。
【0064】
また、コンバータ14側で0Vを出力する時間が長時間になると、エンジン11に対して大きな負荷となり、回転数を維持することができなくなる場合も想定されるので、0Vを出力する時間は同期モータ13の抵抗とインダクタンスで決まる時定数の、約5倍程度とすれば良い。
【0065】
また、位相ずれを検出した場合には、エンジン11と同期モータ13の回転軸との結合を動かしたり、取り外したりしなければ、エンジン11と同期モータ13を組み付けた初回のみ測定を実施し、その後はコンバータ14にプリセット値としてEEPROMやバッテリでバックアップしたメモリに格納することによって、2度目以降は測定の必要がなくなる。
【0066】
このようにして、第4の演算例では上述した(6)式、(7)式を用いて位相ずれ角度θを算出する。従って、ECUパルスの立ち上がりエッジとU相誘起電圧のゼロクロス点(マイナスからプラスに転じる際のゼロクロス点)との間の位相ずれ角度θが予め判らない場合であっても、演算により角度θを求めることができこの角度θを用いて電気角を推定することができる。
【0067】
以上、本発明のインバータ発電装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ECU19から出力されるECUパルスの利用に代えて、エンジンに取り付けられたタコセンサから発信・出力される回転パスル信号をコンバータ14の電気角推定部14aに入力するようにしてもよく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【0068】
本発明は、インバータ発電装置に設けられたコンバータをセンサレスで制御することに利用することができる。
【符号の説明】
【0069】
100 インバータ発電機
11 エンジン
12 カップリング
13 同期モータ
14 コンバータ
14a 電気角推定部
15 インバータ
16 LCフィルタ
17 遮断器
18 負荷
19 ECU
【特許請求の範囲】
【請求項1】
原動機と、前記原動機の出力軸に回転軸が接続され、前記出力軸の回転により前記回転軸が回転して交流電力を出力する同期モータと、前記同期モータより出力された交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力された直流電力を所定の交流電力に変換するインバータとを備えたインバータ発電装置において、
前記コンバータは前記同期モータの電気角を推定する電気角推定手段と、推定した電気角に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記同期モータより出力される交流電力を直流電力に変換すると共に、前記電気角により電流フィードバック信号を生成して前記同期モータを制御するコンバータ回路とを有し、
前記インバータは複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記コンバータ回路より出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ回路とを有し、
前記電気角推定手段は、前記原動機の出力軸の回転角度に基づきパルス信号を出力し前記原動機を制御する制御手段と接続され、該制御手段より出力される前記パルス信号に基づいて、前記同期モータの電気角を推定することを特徴とするインバータ発電装置。
【請求項2】
前記原動機の出力軸と前記同期モータの回転軸は、前記パルス信号の立ち上がりエッジの位相と、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように機械的に接続され、
前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジを0[deg]とし、前記パルス信号の1周期の整数分の1の周期となる電気角を生成することを特徴とする請求項1に記載のインバータ発電装置。
【請求項3】
前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、前記立ち上がりエッジに対応する電気角を前記位相ずれに応じたプリセット値に設定して、前記電気角を推定することを特徴とする請求項1に記載のインバータ発電装置。
【請求項4】
前記電気角推定手段は、前記同期モータのq軸電圧、及びd軸電圧を共にゼロとしたときの、前記同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の0degとの間の位相ずれを求めることを特徴とする請求項3に記載のインバータ発電装置。
【請求項1】
原動機と、前記原動機の出力軸に回転軸が接続され、前記出力軸の回転により前記回転軸が回転して交流電力を出力する同期モータと、前記同期モータより出力された交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータから出力された直流電力を所定の交流電力に変換するインバータとを備えたインバータ発電装置において、
前記コンバータは前記同期モータの電気角を推定する電気角推定手段と、推定した電気角に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記同期モータより出力される交流電力を直流電力に変換すると共に、前記電気角により電流フィードバック信号を生成して前記同期モータを制御するコンバータ回路とを有し、
前記インバータは複数のスイッチング素子をそれぞれ作動させて前記コンバータ回路より出力される直流電力を所定の交流電力に変換するインバータ回路とを有し、
前記電気角推定手段は、前記原動機の出力軸の回転角度に基づきパルス信号を出力し前記原動機を制御する制御手段と接続され、該制御手段より出力される前記パルス信号に基づいて、前記同期モータの電気角を推定することを特徴とするインバータ発電装置。
【請求項2】
前記原動機の出力軸と前記同期モータの回転軸は、前記パルス信号の立ち上がりエッジの位相と、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相が一致するように機械的に接続され、
前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジを0[deg]とし、前記パルス信号の1周期の整数分の1の周期となる電気角を生成することを特徴とする請求項1に記載のインバータ発電装置。
【請求項3】
前記電気角推定手段は、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記同期モータの任意の相の誘起電圧のゼロクロス点の位相との間に位相ずれが存在する場合には、前記立ち上がりエッジに対応する電気角を前記位相ずれに応じたプリセット値に設定して、前記電気角を推定することを特徴とする請求項1に記載のインバータ発電装置。
【請求項4】
前記電気角推定手段は、前記同期モータのq軸電圧、及びd軸電圧を共にゼロとしたときの、前記同期モータに流れる電流に基づいて、前記パルス信号の立ち上がりエッジと、前記電気角の0degとの間の位相ずれを求めることを特徴とする請求項3に記載のインバータ発電装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2012−125031(P2012−125031A)
【公開日】平成24年6月28日(2012.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−272908(P2010−272908)
【出願日】平成22年12月7日(2010.12.7)
【出願人】(000003458)東芝機械株式会社 (843)
【出願人】(000241795)北越工業株式会社 (86)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年6月28日(2012.6.28)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年12月7日(2010.12.7)
【出願人】(000003458)東芝機械株式会社 (843)
【出願人】(000241795)北越工業株式会社 (86)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]