電源装置
【課題】交流発電機からその正規の出力以上の出力を引出して、負荷に供給し得る電力の増大を図ることができるようにした電源装置を提供する。
【解決手段】交流発電機１の回転速度を検出する回転速度検出手段３Ａと、交流発電機１の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と交流発電機１の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路とを構成し得る制御整流回路２と、交流発電機１の回転速度が設定速度以下のときには第１の制御整流回路の出力を負荷に供給し、回転速度が設定速度を超えているときには第２の制御整流回路の出力を負荷に供給するように第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを制御する制御部３Ｂとを設けた。
【解決手段】交流発電機１の回転速度を検出する回転速度検出手段３Ａと、交流発電機１の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と交流発電機１の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路とを構成し得る制御整流回路２と、交流発電機１の回転速度が設定速度以下のときには第１の制御整流回路の出力を負荷に供給し、回転速度が設定速度を超えているときには第２の制御整流回路の出力を負荷に供給するように第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを制御する制御部３Ｂとを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンを駆動源とする車両や船外機等に搭載される電源装置として、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置が用いられている。車両等にバッテリが搭載される場合には、該電源装置の出力端子間にバッテリが接続されて、バッテリの両端の電圧を設定された設定値以下に保つように電源装置の出力が制御される。交流発電機としては、三相交流電圧を出力するものが多く用いられている。三相交流電圧を出力する交流発電機の出力でバッテリを充電する電源装置は、例えば特許文献１に示されているように、交流発電機の三相の非中性点側の交流出力端子から取り出した対称三相交流出力を整流してバッテリに印加する制御整流回路と、制御整流回路のサイリスタを制御する制御回路とを備えていて、出力電圧に応じて制御整流回路のサイリスタを制御することにより、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なうように構成されている。
【０００３】
また特許文献２には、直列接続された２つのダイオードの直列回路を４つ並列に接続した構成を有するダイオードブリッジ整流回路を、星形結線された三相の発電コイルを有する交流発電機と負荷との間に設けて、交流発電機の三相の交流出力端子のうちの一相の交流出力端子を整流回路の１つの入力端子に直接接続し、交流発電機の他の二相の交流出力端子をそれぞれ整流回路の他の２つの入力端子にそれぞれスイッチ素子を通して接続するとともに、交流発電機の中性点端子を整流回路の残りの一つの入力端子にスイッチ素子を通して接続した構成を有する交流発電機の出力制御装置が開示されている。
【０００４】
この出力制御装置では、エンジンの低速回転時に、中性点に接続されたスイッチ素子をオフ状態にすると共に、中性点に接続されたスイッチ素子以外の２つスイッチ素子をオン状態にすることにより、交流発電機の三相出力を整流回路を通して負荷に供給する。また、エンジンの中速回転時には、中性点に接続されたスイッチ素子をオフ状態にしたままで、低速時にオン状態にしていた２つのスイッチ素子のうちの一方をオフ状態にすることにより、交流発電機の二相の出力を整流回路を通して負荷に供給し、エンジンの高速回転時には、交流発電機の中性点に接続されたスイッチ素子をオン状態にし、他の２つのスイッチ素子をオフ状態にすることにより、交流発電機の１相の出力のみを整流回路を通して負荷に供給する。
【０００５】
特許文献２に開示された出力制御装置では、上記のようにエンジンの回転速度に応じて３つのスイッチ素子を制御することにより、エンジンの低速回転時から高速回転時まで、交流発電機から負荷に供給される電力をほぼ一定に保つようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６０８５７号公報
【特許文献２】特開平７−８７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、車両等に搭載される電装品が増加する傾向にあるため、電源装置には、エンジンの低速回転時にも、高速回転時にも、できるだけ多くの電力を出力する能力を持つことが要求されるようになっている。
【０００８】
特許文献１に示された電源装置では、交流発電機の三相の非中性点側の交流出力端子から取り出した対称三相交流出力を整流回路により整流して負荷に供給する構成をとっている。このような構成をとった場合、エンジンの低速回転時及び高速回転時にそれぞれ交流発電機から負荷に供給し得る最大電力は、交流発電機を対称交流発電機として動作させた際の出力特性により決まる。そのため、エンジンの各回転速度においてバッテリ側に供給し得る最大電力は、交流発電機の三相の非中性点側の交流出力端子から取り出し得る電力により決まってしまい、交流発電機の特性によっては、低速回転時または高速回転時にバッテリ側に供給し得る電力が不足する事態が生じることがある。
【０００９】
例えば、エンジンに搭載される交流発電機として、磁石式交流発電機のように界磁を調整することができない交流発電機を用いる場合には、低速回転時に大きな出力を得るように巻線仕様を設定すると、高速回転時に得ることができる出力が制限され、高速回転時に大きな出力を得ることができるように巻線仕様を設定すると、低速回転時に得ることができる電力が制限される。そのため、磁石式交流発電機のような交流発電機を用いる場合に特許文献１に示された構成をとった場合、エンジンの低速回転領域と高速回転領域との双方で負荷に大きな電力を供給し得る電源装置を構成することは困難である。
【００１０】
特許文献２に示された発明によれば、エンジンの低速回転時から高速回転時まで負荷に供給される電力をほぼ一定に保つことができるが、この発明によった場合には、エンジンの高速回転時に交流発電機の出力が抑制されるため、エンジンの高速回転時に負荷に供給する電力を増大させるという要求に応えることができない。
【００１１】
本発明の目的は、負荷への電力供給能力を従来よりも向上させることができるようにした電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、星形結線された三相の発電コイルのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子が導出されるとともに中性点から中性点端子が導出されて、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置に係わるものである。
【００１３】
本発明においては、必要に応じて交流発電機を非対称な状態で運転することによりその中性点の電位を上昇させて、中性点側からも負荷に電力を供給することにより、負荷に供給する電力を増大させる。
【００１４】
そのため、本発明に係わる電源装置は、交流発電機の出力から該交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、交流発電機の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路と、回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度以下のときには第１の制御整流回路の出力を負荷に供給し、検出された回転速度が設定速度を超えているときには第２の制御整流回路の出力を負荷に供給するように第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを制御する制御部とを備えている。
【００１５】
上記のように構成すると、交流発電機の回転速度が設定速度以下である低速領域では、交流発電機の三相の発電コイルから第１の制御整流回路を通して負荷に電力が供給されるため、低速回転領域で十分な出力を発生するように三相の発電コイルの巻線仕様を設定しておくことにより、低速領域で負荷に十分な電力を供給することができる。
【００１６】
また、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域では、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路から負荷に電力が供給される。この状態では、選択されていない一相の交流出力端子が負荷から切り離された状態にされる。このように、回転速度が設定速度を超える領域で、一相の発電コイルを負荷から切り離し、二相の発電コイルのみから負荷に電流を供給するようにすると、負荷電流が流れる発電コイルのトータルのターン数を減少させて電機子反作用を低減することができるため、高速回転領域で交流発電機の出力が電機子反作用により低下するのを抑制することができる。
【００１７】
また、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域では、交流発電機の負荷が非対称になるため、中性点の電位を上昇させて、中性点からも負荷に電流を流して、負荷に供給し得る電力を増大させることができる。即ち、選択された二相の発電コイルの内の一方の発電コイルの負の半波（中性点側が正極性になる半波）の誘起電圧の絶対値が他方の発電コイルの正の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングから、選択された二相の発電コイルの内の一方の発電コイルの正の半波の誘起電圧の絶対値が他方の発電コイルの負の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングまでの期間（選択されずに負荷から切り離されている相の発電コイルの誘起電圧の正の半波に相当する期間）の間、交流発電機の中性点の電位が上昇し、この期間交流発電機の中性点端子からも第２の制御整流回路を通して負荷に電流が供給される。
【００１８】
このように、本発明においては、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルを負荷から切り離して無負荷状態にすることにより交流発電機の電機子反作用を低減させて、電機子反作用による発電出力の低下を抑制するとともに、中性点の電位を上昇させて、中性点からも制御整流回路を通して負荷に電流を供給するため、高速回転領域で負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００１９】
上記のように、回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルを無負荷状態にして不平衡な運転状態にすると、他の二相の発電コイルに流れる電流が不均等になる。そのため、回転速度が設定速度を超える領域で選択する相を固定すると、特定の相の発電コイルに大きな電流が流れて、その温度が過度に上昇するおそれがある。このような問題が生じるのを防ぐため、本発明の好ましい態様では、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように制御部を構成する。
【００２０】
このように構成しておくと、回転速度が設定速度を超える領域で特定の相の発電コイルの温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
【００２１】
上記第１の制御整流回路及び第２の制御整流回路はそれぞれ独立した回路であってもよいが、構成を簡単にするためには、一つの制御整流回路を第１の制御整流回路及び第２の制御回路として使い分けるようにするのが好ましい。そのため本発明の好ましい態様では、制御整流回路が、交流発電機の三相の交流出力端子にそれぞれ接続される三相の交流入力端子と、前記交流発電機の中性点端子に接続される中性点接続端子と、負荷の一端及び他端にそれぞれ接続される正極側直流出力端子及び負極側直流出力端子と、前記三相の交流入力端子を通して入力される交流発電機の三相交流出力を全波整流して前記両直流出力端子から出力するフルブリッジ型三相全波制御整流回路のブリッジ回路の上段及び下段をそれぞれ構成する三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタと、前記中性点接続端子と前記正極側直流出力端子との間に設けられて前記中性点接続端子の電位が正極側直流出力端子の電位よりも高いときに導通する中性点上段通電素子と、前記中性点接続端子にカソードが接続され前記負極側直流出力端子にアノードが接続された中性点サイリスタとを備えた構成を有する。
【００２２】
この場合、交流発電機の出力から交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、回転速度検出手段により検出される回転速度が設定速度以下のときに、中性点サイリスタのトリガを停止した状態で、制御整流回路から負荷に電力を供給するべく三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給し、回転速度検出手段により検出される回転速度が設定速度を超えているときには、中性点サイリスタを常時トリガし、三相の内の一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態で、制御整流回路から負荷に電力を供給するべく他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給する制御部とを設ける。
【００２３】
上記のように構成すると、交流発電機の回転速度が設定速度以下のときに、制御回路が前記第１の制御整流回路として機能し、交流発電機の回転速度が設定速度を超えているときに、制御整流回路が前記第２の制御整流回路として機能するため、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【００２４】
上記のように、制御整流回路を構成する場合、特定の相の発電コイルに大きな電流が流れて、その温度が過度に上昇するのを防ぐために、回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度を超えているときに、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定時間毎に切り替えるように制御部を構成することが好ましい。
【００２５】
本発明の好ましい態様では、アノードが正極側直流出力端子側に向けられた逆流阻止用ダイオードを通して出力電圧が印加された入力側キャパシタと、入力側キャパシタの両端の電圧を一定の制御用電源電圧に変換して出力側キャパシタの両端に印加するレギュレータとを備えた制御用電源回路と、交流発電機の三相の交流出力を矩形波信号に波形整形する波形整形回路と、逆流阻止用ダイオードのカソード側で検出した制御用電源回路の入力側キャパシタの両端の電圧を分圧して得た電圧から制御整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、制御用電源回路の出力側キャパシタの両端に得られる制御用電源電圧を電源電圧として動作するように設けられて、回転速度検出手段と制御部とを構成するようにプログラムされたマイクロプロセッサとが設けられる。この場合、回転速度検出手段は、波形整形回路が電気角で１２０度の角度間隔で順次発生する矩形波信号の発生間隔から交流発電機の回転速度を演算するように構成される。また制御部は、出力電圧検出回路により検出される出力電圧を設定値以下に保つべく、制御整流回路の上段サイリスタと下段サイリスタとを制御するように構成される。
【００２６】
エンジンにより駆動される車両や船外機等の乗り物に搭載される従来の電源装置は、その内部に交流発電機の回転速度の情報を検出する手段を持たなかった。そのため、負荷に供給する電力を交流発電機の回転速度に応じて制御する場合には、交流発電機（エンジン）の回転速度情報を、エンジンの点火時期や燃料噴射量をエンジンの回転速度に応じて制御するＥＣＵ(電子式エンジン制御ユニット）から取得する必要があり、面倒であった。本発明においては、電源装置内に回転速度検出手段を設けて、電源装置内で回転速度を検出することができるようにしたため、他のユニットから回転速度情報を取得することなく、負荷に供給する電力を交流発電機の回転速度に応じて制御することができる。
【００２７】
また上記のように電源装置内にマイクロプロセッサを設けておくと、このマイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより、制御部に各種の制御機能を持たせて、電源装置のインテリジェント化を図ることができ、ＥＣＵの助けを借りずにエンジンの加速や減速等の運転状態を考慮したバッテリ充電を可能にするなど、電源装置に多様な機能を持たせることができる。
【００２８】
回転速度が高い領域で電機子反作用により出力電圧が抑制される現象は、磁石式交流発電機のように、界磁が一定な交流発電機の場合に顕著に生じる。従って、本発明は、特にエンジンにより駆動する交流発電機として磁石式交流発電機を用いる場合に有用である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、交流発電機の回転速度が設定速度以下である低速領域で、交流発電機の三相の発電コイルから得られる三相交流出力を第１の制御整流回路により全波整流して負荷に供給するため、低速回転領域で十分な出力を発生するように発電コイルの巻線仕様を設定しておくことにより、低速領域で負荷に十分な電力を供給することができる。
【００３０】
また交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域では、その三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路から負荷に電力を供給するので、負荷電流が流れる発電コイルのトータルのターン数を減少させて電機子反作用を低減することができる。そのため、高速回転領域で交流発電機の出力が電機子反作用により低下するのを抑制することができるだけでなく、交流発電機の負荷が非対称になることにより、中性点の電位を上昇させて、中性点からも制御整流回路を通して負荷に電流を供給することができ、高速回転領域で負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００３１】
本発明において、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように制御部を構成した場合には、回転速度が設定速度を超える領域で特定の相の発電コイルの温度が上昇するという問題を生じさせることなく、交流発電機の低速回転時及び高速回転時に負荷に供給する電力を増大させることができる。
【００３２】
本発明において、電源装置内にマイクロプロセッサを設けて、このマイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより回転速度検出手段や制御部を構成するようにした場合には、電源装置のインテリジェント化を図って、制御に必要な情報を外部のユニットから取得することなく、エンジンの運転状態を考慮したバッテリ充電を可能にするなど、電源装置に多様な機能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態の基本的な構成を示した回路図である。
【図２】本発明の一実施形態においてマイクロプロセッサにより構成される機能実現手段を含む電源装置の全体的な構成を示したブロック図である。
【図３】本発明の他の実施形態の構成を示した回路図である。
【図４】図１の実施形態の低速回転時の主要部の等価回路を示した回路図である。
【図５】図１の実施形態の高速回転時のあるタイミングにおける主要部の等価回路を示した回路図である。
【図６】図１の実施形態の高速回転時の他のタイミングにおける主要部の等価回路を示した回路図である。
【図７】図１の実施形態の高速回転時の更に他のタイミングにおける主要部の等価回路を示した回路図である。
【図８】本発明の実施形態において、三相整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際及び単相中性点整流モードで該負荷に電力を供給した際の交流発電機の回転速度と出力電流との関係を示したグラフである。
【図９】本発明の実施形態において、三相整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の各部の電圧または電流波形を示した波形図である。
【図１０】本発明の実施形態において、交流発電機の回転速度を２５００ｒｐｍとして単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の各部の電圧または電流波形を示した波形図である。
【図１１】本発明の実施形態において、交流発電機の回転速度を５０００ｒｐｍとして単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の各部の電圧または電流波形を示した波形図である。
【図１２】本発明の実施形態において、通電を休止する相を切り替えながら単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の、通電休止相切り替え時間と負荷電流（バッテリ充電電流）との関係を示したグラフである。
【図１３】本発明の実施形態において、通電を休止する相を切り替えながら単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の、通電休止相切り替え時間と発電コイルの温度との関係を示したグラフである。
【図１４】本発明の一実施形態においてマイクロプロセッサに実行させるプログラムのメインルーチンのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１５】本発明の一実施形態において一定時間毎に実行される過電圧判定処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１６】本発明の一実施形態において交流発電機のＵ相の出力電圧の正の半波が立ち上がった際にマイクロプロセッサに実行させるプログラムの割込みルーチンのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１７】本発明の一実施形態において一定時間毎に実行される運転状態判定処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施形態において一定時間毎に実行される出力制御処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１９】本発明の一実施形態において単相中性点整流モード時に実行される単相中性点整流モード時相切替え処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図２０】（Ａ）ないし（Ｄ）は、単相中性点整流モード時の制御整流回路のサイリスタのオンオフ動作を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の基本的な構成を示したものである。同図において１はエンジン(図示せず。）により駆動される交流発電機、２は交流発電機１の出力を整流する制御整流回路、３は制御整流回路２を制御する制御ユニット、４は制御整流回路２の出力端子間にヒューズ５を介して接続されて、交流発電機１の出力で制御整流回路２を通して充電されるバッテリ、６はバッテリ４の両端の電圧がスイッチ７を介して印加された負荷である。この例では、制御整流回路２と、制御ユニット３とにより電源装置８が構成され、バッテリ４及び負荷６が電源装置８の負荷を構成している。
【００３５】
本実施形態で用いる交流発電機１は、永久磁石により界磁が構成されてエンジンのクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、この磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心のスロットに巻装されたコイルを三相星形結線してなる固定子とを備えた周知の磁石式交流発電機からなっている。図１においてＬｕ，Ｌｖ及びＬｗはそれぞれ星形結線されたＵ，Ｖ及びＷ相の発電コイルで、三相の発電コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子１ｕ，１ｖ及び１ｗが導出され、中性点ｎから中性点端子１ｎが導出されている。
【００３６】
制御整流回路２は、交流発電機の三相の交流出力端子１ｕないし１ｗにそれぞれ接続される三相の交流入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗと、交流発電機１の中性点端子１ｎに接続される中性点接続端子２ｎと、正極側直流出力端子２ａ及び負極側直流出力端子２ｂと、カソードが正極側直流出力端子に接続されるとともに、アノードが三相の交流入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗにそれぞれ接続されてブリッジ回路の上段を構成する三相の上段サイリスタＳｕ，Ｓｖ及びＳｗと、アノードが負極側直流出力端子に共通接続されるとともに、カソードが三相の交流入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗにそれぞれ接続されてブリッジ回路の下段を構成する三相の下段サイリスタＳｘ，Ｓｙ及びＳｚと、中性点接続端子２ｎにアノードが接続され、正極側直流出力端子２ａにカソードが接続された中性点ダイオードＤｎと、中性点接続端子２ｎにカソードが接続され、負極側直流出力端子２ｂにアノードが接続された中性点サイリスタＳｎとにより構成されている。正極側直流出力端子２ａ及び負極側直流出力端子２ｂにバッテリ４の正極端子４ａ及び負極端子４ｂがそれぞれ接続されている。図示の例では、負極側直流出力端子２ｂが接地端子（ＧＮＤ）となっていて、該負極側直流出力端子が接地されている。
【００３７】
制御ユニット３は、該制御ユニットの各部に供給する電源電圧を発生する制御用電源回路３０１と、バッテリ４の両端の電圧を出力電圧として検出する出力電圧検出回路３０２と、交流発電機１の三相の出力電圧波形をそれぞれ三相の矩形波信号に変換する波形整形回路３０３と、制御用電源回路３０１から電源電圧が供給されて動作するマイクロプロセッサ３０４と、三相上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗにそれぞれトリガ信号ｇｕ〜ｇｗを供給する三相上段サイリスタトリガ回路３０５と、三相下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにそれぞれトリガ信号ｇｘ〜ｇｚを供給する三相下段サイリスタトリガ回路３０６と、中性点サイリスタＳｎにトリガ信号ｇｎを供給する中性点サイリスタトリガ回路３０７とを備えている。
【００３８】
制御用電源回路３０１は、アノードがバッテリの正極側に向けられた逆流阻止用ダイオードＤ１を通してバッテリ電圧Ｖｂが印加された入力側キャパシタＣ１と、入力側キャパシタＣ１の両端の電圧Ｖｂを一定の制御用電源電圧Ｖｃに変換して出力側キャパシタＣ２の両端に印加するレギュレータＲＥＧとを備えていて、入力側キャパシタＣ１の両端の電圧（出力電圧）Ｖｂ及び出力側キャパシタＣ２の両端の電圧Ｖｃをそれぞれ出力端子３０１ａ及び３０１ｂから出力する。図示の例では、制御ユニット３に出力電圧入力端子３ａが設けられていて、バッテリ４の両端の電圧がスイッチ７と入力端子３ａとを通して制御用電源回路３０１に入力されている。
【００３９】
本実施形態では、制御用電源回路３０１の入力部に逆流阻止用ダイオードＤ１を設けることにより、バッテリ４が誤って逆方向に接続された場合に制御ユニット３の各部が破損するのを防ぐようにしている。
【００４０】
出力電圧検出回路３０２は、制御用電源回路３０１の逆流阻止用ダイオードＤ１のカソード側で、出力電圧Ｖｂに等しい制御用電源回路の入力側キャパシタＣ１の両端の電圧を分圧して得た電圧から出力電圧Ｖｂを検出するように構成されている。
【００４１】
波形整形回路３０３は、交流発電機１の三相の交流出力電圧波形をそれぞれ波形整形して、三相の交流電圧のそれぞれの一方の極性の半波の期間高レベルを示し、他方の半波の期間零レベルを示す矩形波信号に変換する回路で、三相の交流電圧をそれぞれ波形整形して得た三相の矩形波信号を電気角で１２０度の角度間隔で発生する。この波形整形回路は例えば、三相の交流電圧の負の半波の期間オン状態になり、正の半波の期間オフ状態になるスイッチ回路を備えて、該スイッチ回路の両端に矩形波状の電圧を得る回路により構成することができる。
【００４２】
マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）３０４は、図示しないＲＯＭまたはＥＥＰＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに読み出して実行することにより、各種の演算処理や信号の入出力処理を行なう演算処理装置で、制御用電源回路３０１から電源電圧Ｖｃが与えられて動作する。マイクロプロセッサ３０４には、出力電圧検出回路３０２が出力する出力電圧検出信号と、波形整形回路３０３が出力する三相の矩形波信号とが入力されている。本実施形態では、マイクロプロセッサ３０４に所定のプログラムを実行させることにより、各種の機能実現手段を構成する。マイクロプロセッサ３０４が構成する機能実現手段を含む本実施形態の電源装置の構成を図２に示した。
【００４３】
本実施形態では、マイクロプロセッサ３０４が、回転速度検出手段３Ａと、制御部３Ｂと、過電圧判定手段３Ｃと、過電圧保護手段３Ｄと、運転状態判定手段３Ｅと、出力電圧設定値切替手段３Ｆとを構成するようにプログラムされている。
【００４４】
回転速度検出手段３Ａは、波形整形回路３０３が電気角で１２０度の角度間隔で順次発生する三相の矩形波信号のそれぞれの発生間隔から交流発電機１の回転速度を演算するように構成される。回転速度検出手段３Ａは、例えば各相の矩形波信号の立ち上がり又は立ち下がりを認識し、各相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間を回転速度演算用計時データとして計測して、この計時データから交流発電機の回転速度を演算する。
【００４５】
制御部３Ｂは、三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ、三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚ及び中性点サイリスタＳｎをそれぞれトリガするタイミングで三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′〜ｇｗ′、三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′〜ｇｚ′及び中性点サイリスタトリガ指令ｇｎ′を発生する手段である。
【００４６】
本実施形態の制御部３Ｂは、回転速度検出手段３Ａにより検出される回転速度が設定速度以下のときに、中性点サイリスタＳｎのトリガを停止した状態で、出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧を設定値以下に保つか、または調整範囲に保つべく、三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及び下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのオンオフを制御して、三相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗから制御整流回路２を通してバッテリ４に流す充電電流を制御する。中性点サイリスタＳｎをオフにした状態では、三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及び下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにより、三相の交流入力端子２ｕないし２ｗを通して入力される交流発電機１の三相交流出力を全波整流して正極側及び負極側の直流出力端子２ａ及び２ｂから出力するフルブリッジ型の三相全波制御整流回路が構成されている。本明細書ではこのように交流発電機の三相交流出力を全波整流する制御整流回路を第１の制御整流回路と呼ぶ。
【００４７】
本明細書では、このように、三相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗの出力を制御整流回路２により三相全波整流して負荷に供給する整流モードを「三相整流モード」と呼ぶ。
【００４８】
なお負荷を駆動するに当っては、負荷の両端の電圧を設定値以下に保つように制御するが、負荷の両端の電圧を設定値以下に保つ制御を行わせた場合、交流発電機の出力が設定値を超えている状態では、負荷の両端に印加される電圧が設定値に保たれる。また負荷の両端の電圧に対して設定値(上限値）の他に下限設定値を設けることもできる。負荷の両端の電圧に対して下限設定値とを設けた場合には、負荷の両端の電圧が設定値と下限設定値との間に保たれる。負荷に定格電圧が１２［Ｖ］のバッテリ４が含まれる場合、出力電圧の設定値は例えば１４［Ｖ］に設定される。
【００４９】
三相整流モードでは、次のようにして負荷への電力の供給(本実施形態ではバッテリの充電）を行なう。
出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧Ｖｂが設定値以下であるときには、中性点サイリスタＳｎのトリガを停止した状態で、Ｕ相〜Ｗ相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及びＵ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにそれぞれトリガ信号ｇｕ〜ｇｗ及びｇｘ〜ｇｚを与えて、これらのサイリスタの内、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタをオン状態にすることにより、Ｕ相ないしＷ相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗに誘起する交流電圧を全波整流してバッテリ４に充電電流を供給する。三相整流モードにおいて、出力電圧Ｖｂが設定値以下の状態にあるときには、制御整流回路２を図４に示した等価回路で表わすことができる。図４に示した等価回路においては、トリガ信号が与えられていて、アノードカソード間に順方向電圧が印加されたときにオン状態になる各サイリスタを、ダイオードを示す回路記号で表わし、トリガ信号が与えられることがなく、オフ状態に保持されるサイリスタをオフ状態にあるスイッチを示す回路記号で表わしている。後記する図５ないし図７の等価回路においても同様である。
【００５０】
三相整流モードにおいて、出力電圧Ｖｂが設定値を超えたときには、Ｕ相〜Ｗ相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及びＵ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚへのトリガ信号の供給を停止してこれらのサイリスタを順次オフ状態にすることにより、バッテリ４の充電を停止させる。これらの動作を繰り返すことにより、バッテリ４の両端の電圧を設定値以下に保つ。
【００５１】
図９を参照すると、三相整流モードでバッテリの充電を行なった際に観測された各部の電圧波形と電流波形とが示されている。図９（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ交流発電機のＵ相ないしＷ相の交流出力端子１ｕないし１ｗと制御整流回路２の負極側直流出力端子２ｂとの間に現れる交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗ（図１参照）を示し、図９（Ｄ）は交流発電機の中性点端子１ｎと負極側直流出力端子２ｂとの間に現れる中性点電圧Ｖｏを示している。また図９（Ｅ），（Ｆ）及び（Ｇ）はそれぞれＵ相，Ｖ相及びＷ相の発電コイルを通して流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを示し、図９（Ｈ）はバッテリ４に流れる充電電流Ｉｃを示している。
【００５２】
三相充電時に交流発電機のＵ相ないしＷ相の交流出力端子１ｕないし１ｗと制御整流回路２の負極側直流出力端子２ｂとの間にそれぞれ現れる電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗは、上段サイリスタ及び下段サイリスタがオン状態になると同時に出力電圧Ｖｂまで上昇する。そのため、電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗは、図９（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、波高値を出力電圧Ｖｂとした矩形波状の波形を呈する。交流発電機を三相運転しているときには、中性点電圧Ｖｏは原理的には零になる筈であるが、三相の発電コイルのターン数の微差や三相の発電コイルに鎖交する磁束の磁路の磁気抵抗の差などにより、実際には図９（Ｄ）に示すように零にはならず、電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗの立ち上がり及び立ち下がりを生じさせるサイリスタのスイッチングが行なわれる毎に微小なレベル変化を示す。
【００５３】
本発明では、交流発電機の回転速度が設定速度以下の領域でのみ三相整流モードでの充電を行なうが、交流発電機の低速回転時から高速回転時までの全回転速度領域で三相整流モードでの充電を行なったとした場合の、回転速度に対するバッテリ充電特性は、図８の曲線ａに示すようになる。図８の横軸は交流発電機の回転速度を示し、縦軸はバッテリに流れる充電電流(出力電流）を示している。図８から明らかなように、三相整流モードで負荷を駆動しているときには、交流発電機の回転速度が低い領域で制御整流回路から大きな出力を取り出すことができるが、回転速度が高い領域では、電機子反作用による発電出力の低下により、制御整流回路から取り出すことができる出力が抑制される。
【００５４】
上記のように、交流発電機の回転速度が設定速度以下である低速領域では、交流発電機の三相の発電コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗから制御整流回路２を通して負荷に電流が供給されるため、低速回転領域で十分な出力を発生するように三相の発電コイルの巻線仕様を設定しておくことにより、バッテリ４を十分に充電すると共に、バッテリに接続された負荷６に十分な電力を供給することができる。
【００５５】
制御部３Ｂはまた、回転速度検出手段により検出される交流発電機の回転速度が設定速度を超えているときに、中性点サイリスタＳｎを常時トリガし、三相の中から選択された何れか一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止して該一相の発電コイルを無負荷にした状態で、選択された他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタをオンオフ制御するように構成される。
【００５６】
例えば、図７に示された等価回路のように、中性点サイリスタＳｎを常時トリガしてオン状態に保持し、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止してこれらのサイリスタＳｗ及びＳｚをオフ状態に保持した状態で、出力電圧Ｖｂを設定値以下に保つように、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのオンオフを制御する。
【００５７】
このように、中性点サイリスタＳｎを常時トリガし、選択された一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態では、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された他の二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる単相交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる単相交流電圧とが全波整流されて負荷に供給される。
【００５８】
例えば、Ｕ相とＶ相とを選択された二相として、中性点サイリスタＳｎを常時トリガしてオン状態に保持し、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止してこれらのサイリスタＳｗ及びＳｚをオフ状態に保持した状態で、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのオンオフを制御するようにした場合には、Ｕ相の交流出力端子１ｕと中性点端子１ｎとの間に得られる単相交流電圧と、交流出力端子１ｖと中性点端子１ｎとの間に得られる単相交流電圧と、交流出力端子１ｕ，１ｖ間に得られる単相交流電圧とが、ダイオードＤｎ，サイリスタＳｕ及びＳｖと、サイリスタＳｎ，Ｓｘ及びＳｙとにより構成される制御整流回路により全波整流されて負荷に供給される。
【００５９】
本明細書では、上記のように、三相の中から選択された二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタと中性点ダイオードと中性点サイリスタとにより構成されて、選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる単相交流電圧と、選択された二相の交流出力端子間に得られる単相交流電圧とを全波整流する制御整流回路を「第２の制御整流回路」と呼ぶ。交流発電機の出力をこの第２の制御整流回路を通して整流して負荷に供給する整流モードを、本明細書では、「単相中性点整流モード」と呼ぶ。
【００６０】
単相中性点整流モードにおいて、中性点サイリスタＳｎを常時トリガしてオン状態に保持し、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚをオフ状態に保持した状態で、出力電圧Ｖｂを設定値以下に保つように、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのオンオフを制御した場合に観測された各部の電圧及び電流波形を図１０及び図１１に示した。図１０は交流発電機の回転速度を２５００ｒｐｍとした場合を示し、図１１は交流発電機の回転速度を５０００ｒｐｍとした場合を示している。図１０及び図１１において、（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ交流発電機のＵ相ないしＷ相の交流出力端子１ｕないし１ｗと制御整流回路２の負極側直流出力端子２ｂとの間にそれぞれ現れる電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗ（図１参照）を示し、（Ｄ）は交流発電機の中性点端子１ｎと負極側直流出力端子２ｂとの間に現れる中性点電圧Ｖｏを示している。また（Ｅ），（Ｆ）及び（Ｇ）はそれぞれＵ相，Ｖ相及びＷ相の発電コイルを通して流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを示し、（Ｈ）はバッテリ４に流れる充電電流Ｉｃを示している。
【００６１】
単相中性点整流モードでは、例えば次のようにしてバッテリの充電を行なう。
出力電圧検出回路３０２により、出力電圧Ｖｂが設定値以下であることが検出されているときには、例えばＷ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止した状態で（サイリスタＳｗ及びＳｚをオフ状態に保持した状態で）、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘにそれぞれトリガ信号ｇｕ及びｇｘを与えると共に、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙにそれぞれトリガ信号ｇｖ及びｇｙを与えて、サイリスタＳｕ，Ｓｘ及びＳｖ，Ｓｙの内、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタをオン状態にすることにより、Ｕ相及びＶ相の発電コイルＬｕ及びＬｖに誘起する交流電圧を整流してバッテリ４に充電電流を供給する。単相中性点整流モードにおいて、出力電圧が設定値以下であるときの制御整流回路の状態は、図７に示す等価回路で表すことができる。
【００６２】
出力電圧Ｖｂが設定値以下であるときには、Ｕ相の発電コイルＬｕ−サイリスタＳｕ−バッテリ４及び負荷６−中性点サイリスタＳｎ−発電コイルＬｕの通電経路と、Ｖ相の発電コイルＬｖ−サイリスタＳｖ−バッテリ４及び負荷６−中性点サイリスタＳｎ−発電コイルＬｖの通電経路と、発電コイルＬｕ−サイリスタＳｕ−バッテリ４及び負荷６−サイリスタＳｙ−発電コイルＬｖ−発電コイルＬｕの通電経路と、発電コイルＬｖ−サイリスタＳｖ−バッテリ４及び負荷６−サイリスタＳｘ−発電コイルＬｕ−発電コイルＬｖの通電経路とが形成されて、発電コイルＬｕ及びＬｖから制御整流回路２を通してバッテリ４及び負荷６に電流が供給される。
【００６３】
また、図７に示されているように、サイリスタＳｗ及びＳｚがオフ状態にされて、発電コイルＬｗがバッテリ４及び負荷６から切り離されているときには、Ｕ相の発電コイルＬｕの負の半波（中性点側が正極性になる半波）の誘起電圧の絶対値がＶ相の発電コイルＬｖの正の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングから、Ｕ相の発電コイルＬｕの正の半波の誘起電圧の絶対値がＶ相の発電コイルＬｖの負の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングまでの期間（バッテリから切り離したＷ相の発電コイルＬｗの誘起電圧の正の半波に相当する期間）、中性点ダイオードＤｎが順方向にバイアスされて、図１０及び図１１の（Ｄ）に示したように、交流発電機の中性点電圧Ｖｏが出力電圧Ｖｂまで上昇する。中性点電圧Ｖｏが上昇している期間、交流発電機の中性点端子１ｎから中性点ダイオードＤｎと、バッテリ４及び負荷６と、Ｕ相の下段サイリスタＳｘまたはＶ相の下段サイリスタＳｙとを通して電流が流れる。
【００６４】
上記のように、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルＬｗをバッテリ４から切り離して無負荷状態にすると、発電コイルのトータルのターン数を減少させて電機子反作用を低減することができるため、高速回転領域で交流発電機の出力が電機子反作用により低下するのを抑制することができる。
【００６５】
また、バッテリから切り離した相の発電コイルの誘起電圧の正の半波に相当する期間、中性点電圧Ｖｏを出力電圧Ｖｂまで上昇させて、中性点端子１ｎから制御整流回路２を通してバッテリ４と負荷６とに電流を供給することができるため、電機子反作用による発電出力の低下を抑制できることと相俟って、高速回転領域でバッテリ４及び負荷６に供給し得る電力を増大させることができる。
【００６６】
エンジンの回転速度の全領域に亘って単相中性点整流モードで負荷に電力を供給したとすると、回転速度に対する電源装置の出力特性は図８の曲線ｂのようになり、回転速度が低い領域では、三相整流モードで負荷に電力を供給した場合よりも出力が小さくなるが、回転速度が高い領域では、三相整流モードで負荷に電力を供給した場合よりも出力が大きくなる。従って、図８の曲線ａと曲線ｂとの交点における回転速度Ｎｓを設定速度として、交流発電機の回転速度が設定速度Ｎｓ以下のときに三相整流モードで負荷に電力を供給し、交流発電機の回転速度が設定速度Ｎｓを超える領域で単相中性点整流モードで負荷に電力を供給するようにすれば、交流発電機の回転速度領域の全域で負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００６７】
上記のように、回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルを無負荷状態にすると、負荷電流を流す他の二相の発電コイルの一方の温度が過度に上昇することがある。これは、無負荷状態にした一相の発電コイルから生じる磁束が無くなることにより、電機子鉄心を流れる磁束にアンバランスが生じて、負荷電流を流す二相の発電コイルに鎖交する磁束が不均等になり、特定の相の発電コイルに大きな電流が流れることによると思われる。
【００６８】
このような問題が生じるのを防ぐため、本実施形態では、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように制御部３Ｂを構成する。即ち、回転速度検出手段３Ａにより検出された交流発電機の回転速度が設定速度を超えている状態で出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なう際に、上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及び下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのトリガを停止する相を一定時間(休止相切替時間)毎に切り替えるように、制御整流回路を制御する制御部３Ｂを構成する。
【００６９】
例えば、回転速度検出手段により検出された交流発電機の回転速度が設定速度を超えていることが検出されている状態で出力電圧が設定値以下であるときに、先ず図５に示すように、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘのトリガを停止して、出力電圧を設定値以下に保つように、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙと、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのオンオフを制御する。即ち、出力電圧が設定値以下になったことが検出されたときに、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙにそれぞれトリガ信号ｇｖ及びｇｙを与えると共に、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚにそれぞれトリガ信号ｇｗ及びｇｚを与えて、サイリスタＳｖ，Ｓｙ，Ｓｗ及びＳｚの内、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタをオン状態にすることにより、Ｖ相及びＷ相の発電コイルＬｖ及びＬｗから制御整流回路２を通してバッテリ４に充電電流を供給する。また検出されている出力電圧が設定値を超えたときには、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙへのトリガ信号ｇｖ及びｇｙの供給と、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚへのトリガ信号ｇｗ及びｇｚの供給とを停止することにより、サイリスタＳｖ，Ｓｙ，Ｓｗ及びＳｚをオフ状態にして、バッテリ４への充電電流の供給を停止する。
【００７０】
図５に示したようにＵ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘのトリガを停止している時間（休止相切替時間）が設定時間に達したときに、図６に示すように、トリガを停止する相をＶ相に切り替えて、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのトリガを停止した状態にし、この状態で、上記と同様にして、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚとをオンオフ制御して、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なわせる。
【００７１】
またＶ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのトリガを停止している時間が設定時間に達したときに、図７に示すように、トリガを停止する相をＷ相に切り替えて、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止した状態で、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙとをオンオフ制御することにより、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なわせる。
【００７２】
上記のようにして、上段サイリスタ及び下段サイリスタをオフ状態にする相を一定の休止相切替時間毎に切り替えながら他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタをオンオフ制御して、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なわせる。このような制御を行う場合には、第２の制御整流回路を構成する上段サイリスタ及び下段サイリスタが一定時間毎に切り替わることになる。
【００７３】
上記のように、回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度を超えているときに、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定の休止相切替時間毎に切り替える(トリガ信号を供給する選択された二相を一定時間毎に切り替える）ように制御部を構成しておけば、回転速度が設定速度を超える領域で特定の相の発電コイルの温度が上昇するという問題を生じさせることなく、交流発電機の低速回転時及び高速回転時に負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００７４】
上記休止相切替時間が短すぎると、バッテリ４及び負荷６に供給し得る電流が不足するおそれが生じるが、休止相切替時間をある程度以上長く設定しておけば、バッテリ４及び負荷６に供給し得る電流が不足する事態が生じるのを防ぐことができる。図１２は、休止相切替時間とバッテリ充電電流との関係を示したものである。同図より、休止相切替時間を０．１０［sec］以上とすれば、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を切り替えながら単相中性点整流モードでバッテリの充電を行なわせても、充電電流が不足する事態が生じるおそれがないことが分かる。
【００７５】
休止相切替時間を長くすれば、バッテリ及び負荷に供給し得る出力が低下するおそれをなくすことができるが、休止期間切替時間を長くし過ぎると、特定の相の発電コイルの温度(巻線温度）が過度に上昇するおそれが生じる。図１３は、休止相切替時間を種々変化させて巻線温度を測定する実験を繰り返し行なった結果を示したもので、曲線ａ及びｂはそれぞれ交流発電機の回転速度を３０００ｒｐｍとして、休止相切替時間を種々変化させながら特定の相の巻線温度を計測する実験を繰り返し行なった際に計測された巻線温度の最小値及び最大値であり、曲線ｃおよびｄはそれぞれ、交流発電機の回転速度を５０００ｒｐｍとして、休止相切替時間を種々変化させながら特定の相の巻線温度を計測する実験を繰り返し行なった際に計測された巻線温度の最小値及び最大値である。図１３から、休止相切替時間を約２．０［ｓｅｃ］以下とすれば、特定の相の発電コイルの温度が過度に上昇するおそれがないことが分かる。図１２及び図１３から、休止相切替時間を０．１〜２．０［ｓｅｃ］の範囲に設定しておけば、特定の相の巻線温度を上昇させることなく、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域での充電出力を増大させることができることが分かる。
【００７６】
マイクロプロセッサ３０４は、基本的には、上記のように回転速度検出手段３Ａと制御部３Ｂとを構成するようにプログラムされるが、本実施形態では、マイクロプロセッサ３０４が更に、過電圧判定手段３Ｃと、過電圧保護手段３Ｄと、運転状態判定手段３Ｅと、出力電圧設定値切替手段３Ｆとを構成するようにプログラムされている。
【００７７】
バッテリ４が劣化していて、その内部インピーダンスが高くなっていると、バッテリ４に充電電流を供給したときにバッテリ４の両端の電圧が過度に上昇して制御ユニットを破損するおそれがある。本実施形態では、バッテリ４の両端の電圧が過度に上昇するのを防ぐため、過電圧判定手段３Ｃと、過電圧保護手段３Ｄとを設けている。
【００７８】
過電圧判定手段３Ｃは、出力電圧Ｖｂが許容上限値以下であるか該許容上限値を超えているかを判定する手段で、出力電圧検出回路３０２により検出された出力電圧を、設定された許容上限値と比較することにより、出力電圧Ｖｂが許容上限値以下であるか該許容上限値を超えているかを判定する。出力電圧の許容上限値は例えば１８［Ｖ］に設定する。
【００７９】
過電圧保護手段３Ｄは、過電圧判定手段３Ｃにより出力電圧Ｖｂが許容上限値以下であると判定されているときに三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのトリガを許容してバッテリ４の充電を許容し、過電圧判定手段３Ｃにより出力電圧Ｖｂが許容上限値を超えていると判定されたときに三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのトリガを停止してバッテリ４の充電を禁止するように構成されている。
【００８０】
また運転状態判定手段３Ｅは、回転速度検出手段３Ａにより検出される交流発電機１の回転速度(エンジンの回転速度）の変化からエンジンの運転状態を判定する手段であり、出力電圧設定値切替手段３Ｆは、運転状態判定手段３Ｅにより判定されたエンジンの運転状態に応じて出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を切り替える手段である。
【００８１】
なお出力電圧Ｖｂを、上限値と下限値とにより規定される調整範囲内に保つように制御する場合には、出力電圧設定値切替手段３Ｆを、運転状態判定手段３Ｅにより判定されたエンジンの運転状態に応じて出力電圧Ｖｂの調整範囲の上限値を切り替えるように構成される。
【００８２】
運転状態判定手段３Ｅは、例えば、回転速度検出手段３Ａにより検出される交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で低下していくときにエンジンの運転状態が減速状態にあると判定するように構成される。運転状態判定手段３Ｅがこのように構成される場合、出力電圧設定値切替手段３Ｆは、運転状態判定手段３Ｅによりエンジンの運転状態が減速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、エンジンの運転状態が減速状態以外の状態にあるときの値よりも大きい値に切り替えるように構成される。このように出力電圧の設定値を切り換えると、エンジンが減速されているときに交流発電機からバッテリに充電電流が供給される期間を長くしてエンジンの負荷を重くすることができるため、エンジンの減速を助けることができる。
【００８３】
運転状態判定手段３Ｅはまた、回転速度検出手段３Ａにより検出される交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で上昇していくときに、エンジンの運転状態が加速状態にあると判定するように構成することもできる。この場合、出力電圧設定値切替手段３Ｆは、運転状態判定手段によりエンジンの運転状態が加速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、運転状態が加速状態以外の状態にあるときの値よりも小さい値に切り替えるように構成される。このように出力電圧の設定値を切り換えると、エンジンが加速されているときに交流発電機からバッテリに充電電流が供給される期間を短くしてエンジンの負荷を軽くすることができるため、エンジンの加速を助けることができる。
【００８４】
エンジンの運転状態が減速状態であると判定されたとき及び加速状態であると判定されたときの出力電圧の設定値は適宜に設定することができるが、本実施形態においては、エンジンの運転状態が減速状態でも加速状態でもない通常状態にあるときに出力電圧（定格値１２［Ｖ］）の設定値を１４［Ｖ］とし、エンジンの運転状態が減速状態であると判定されたときに出力電圧の設定値を１４［Ｖ］から１８［Ｖ］に切り換える。またエンジンの運転状態が加速状態であると判定されたときに、出力電圧の設定値を１４［Ｖ］から１０［Ｖ］に切り換える。
【００８５】
またエンジンの運転状態が減速状態にある状態と、加速状態にある状態との双方を判定するように、運転状態判定手段３Ｅを構成して、運転状態判定手段３Ｅによりエンジンの運転状態が減速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、エンジンの運転状態が減速状態以外の状態にあるときの値よりも大きい値に切り替え、運転状態判定手段３Ｅによりエンジンの運転状態が加速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、運転状態が加速状態以外の状態にあるときの値よりも小さい値に切り替えるように、出力電圧設定値切替手段を構成してもよい。
【００８６】
上記制御部３Ｂは、三相の上段サイリスタＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗをそれぞれトリガするタイミングで三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′，ｇｖ′及びｇｗ′を発生し、三相の下段サイリスタＳｘ，Ｓｙ，Ｓｚをそれぞれトリガするタイミングで三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′，ｇｙ′及びｇｚ′を発生し、中性点サイリスタＳｎをトリガするタイミングで中性点サイリスタトリガ指令ｇｎ′を発生するように構成される。
【００８７】
この場合、三相上段サイリスタトリガ回路３０５は、制御部３Ｂが三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′，ｇｖ′及びｇｗ′を発生したときに三相の上段サイリスタＳｕ，Ｓｖ及びＳｗにそれぞれトリガ信号ｇｕ，ｇｖ及びｇｗを供給するように構成され、三相下段サイリスタトリガ回路３０６は、制御部３Ｂが三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′，ｇｙ′及びｇｚ′を発生したときに三相の下段サイリスタＳｘ、Ｓｙ及びＳｚにそれぞれトリガ信号ｇｘ，ｇｙ及びｇｚを供給するように構成される。また中性点サイリスタトリガ回路３０７は、制御部３Ｂが中性点サイリスタトリガ指令ｇｎ′を発生したときに中性点サイリスタＳｎにトリガ信号ｇｎを供給するように構成される。
【００８８】
本実施形態で用いる三相上段サイリスタトリガ回路３０５は、制御部３Ｂが三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′，ｇｖ′及びｇｗ′を発生したときに交流発電機の三相の交流出力端子１ｕ〜１ｗ側から三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗにそれぞれトリガ信号ｇｕ〜ｇｗを供給するように構成される。
【００８９】
また三相下段サイリスタトリガ回路３０６は、制御部３Ｂが三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′，ｇｙ′及びｇｚ′を発生したときにバッテリ４を電源として三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにそれぞれトリガ信号を供給するように構成され、中性点サイリスタトリガ回路３０７は、制御部３Ｂが中性点サイリスタトリガ指令を発生したときにバッテリ４を電源として中性点サイリスタＳｎにトリガ信号を供給するように構成される。
【００９０】
図２に示した回転速度検出手段３Ａ、制御部３Ｂ、過電圧判定手段３Ｃ、過電圧保護手段３Ｄ、運転状態判定手段３Ｅ及び出力電圧設定値切替手段３Ｆを構成するためにマイクロプロセッサ３０４に実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示すフローチャートを図１４ないし図１８に示した。
【００９１】
図１４はマイクロプロセッサ３０４が実行するプログラムのメインルーチンを示したものである。マイクロプロセッサ３０４の電源が投入されたときに先ず図１４のステップＳ１０１で各部の初期化を行なう。次いでステップＳ１０２でインターバルタイマをセットして割込みを許可した後、ステップＳ１０３に進んでインターバルタイマによる割込みタイミングが到来するのを待つ。ステップＳ１０３でインターバルタイマによる割込みタイミングであると判定されたときにステップＳ１０４に進んで、出力電圧検出回路３０２が検出している出力電圧を読み込み、ステップＳ１０５で図１５に示す過電圧判定処理を行なう。過電圧判定処理を行なった後、ステップＳ１０６で図１６に示した回転速度演算用データ計測処理を行なって、計測されたデータから交流発電機の回転速度を演算する。回転速度を演算した後、ステップＳ１０７で図１７に示した運転状態判定処理を行なって、エンジンの運転状態が通常状態であるか、減速状態であるか、加速状態であるかを判定する。次いでステップＳ１０８で図１８に示す出力制御処理を行なった後、ステップＳ１０３に戻る。
【００９２】
図１５に示した過電圧判定処理では、先ずステップＳ２０１で出力電圧を許容上限値と比較し、出力電圧が許容上限値以下であるときにステップＳ２０２で出力電圧が通常状態にあると判定する。また出力電圧が許容上限値を超えているときに、ステップＳ２０３で、出力電圧が過電圧状態であると判定する。図１５の過電圧判定処理により過電圧判定手段３Ｃが構成される。
【００９３】
図１６の回転速度演算用データ計測処理は、波形整形回路３０３が出力するＵ相の矩形波信号ないしＷ相の矩形波信号のそれぞれの立ち上がりが認識される毎に実行される。図１６の回転速度演算用データ計測処理では、ステップＳ３０１で、波形整形回路３０３が出力するＵ相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間を算定する。交流発電機の各相の誘起電圧の正の半波の期間高レベルを示し、負の半波の期間零レベルを示す矩形波信号を発生するように波形整形回路３０３が構成されている場合、この時間の算定は例えば、各矩形波信号の立ち上がりを認識したときにフリーランニングタイマの計測値を読み取って記憶しておくようにしておいて、今回Ｕ相の矩形波信号の立ち上がりを認識した時に読み取ったタイマの計測値から、前回Ｕ相の矩形波信号の立ち上がりを認識した時に読み取ったタイマの計測値を減算することにより行なう。次いでステップＳ３０２で算定した時間をエンジンのクランク軸の１回転に相当する時間（クランク軸が１回転するのに要した時間）に変換して、この１回転に相当する時間を、Ｕ相の回転速度演算用データとしてメモリに記憶させる。
【００９４】
同様にして、波形整形回路３０３が出力するＶ相の矩形波信号の立ち上がりが認識される毎に、Ｖ相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間をエンジンのクランク軸の１回転に相当する時間に変換して、この１回転に相当する時間を、Ｖ相の回転速度演算用データとしてメモリに記憶させる回転速度演算用データ計測処理を実行し、Ｗ相の矩形波信号の立ち上がりが認識される毎に、Ｗ相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間をエンジンのクランク軸の１回転に相当する時間に変換して、この１回転に相当する時間を、Ｗ相の回転速度演算用データとしてメモリに記憶させる回転速度演算用データ計測処理を実行する。
【００９５】
図１４に示したメインルーチンのステップＳ１０６では、図１６の回転速度演算用データ計測処理で求められたＵ相ないしＷ相の回転速度演算用データのそれぞれから交流発電機（エンジン）の回転速度の瞬時値を演算する。図１６の回転速度演算用データ計測処理と、図１４に示したメインルーチンのステップＳ１０６で行なわれる回転速度の演算過程とにより、回転速度検出手段３Ａが構成される。
【００９６】
図１７に示された処理は、エンジンの運転状態を判定して、その判定結果に基づいて出力電圧の設定値を切替える運転状態判定処理で、図１４のステップＳ１０６の回転速度検出処理が終了する毎に実行される。この処理では、Ｕ，Ｖ，Ｗ三相のうちの何れか一相の回転速度演算用データに基づいて演算された交流発電機の回転速度、または、三相の回転速度演算用データに基づいて演算された交流発電機の平均回転速度を判定用速度データとして用いて、交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で低下していくときにエンジンの運転状態が減速状態であると判定し、エンジンの運転状態が減速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値を、通常時の値よりも大きい値に切り替える。また交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で上昇していくときにエンジンの運転状態が加速状態であると判定し、エンジンの運転状態が加速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値を、通常時の値よりも小さい値に切り替える。
【００９７】
図１７の処理では、先ずステップＳ４０１で、前回算出された回転速度と今回算出された回転速度との差を回転速度変化率（図１７の処理の前回の実行タイミングから今回の実行タイミングまでの時間当たりの回転速度の変化量）ΔＲＰＭとして演算し、ステップＳ４０２で回転速度変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以上であるか否かの判定（加速判定）を行なう。その結果、変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以上でないと判定されたときには、ステップＳ４０３に進んで変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以下であるか否かの判定（減速判定）を行なう。ステップＳ４０３で変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以下でないと判定されたときには、ステップＳ４０４に進んでエンジンの運転状態が通常運転状態であると判定し、出力電圧の設定値を通常時設定値としてこの処理を終了する。
【００９８】
ステップＳ４０３で変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以下であると判定されたときには、ステップＳ４０５に進んでエンジンの運転状態を減速状態とし、出力電圧の設定値を通常時設定値よりも大きい減速時設定値としてこの処理を終了する。
【００９９】
ステップＳ４０２で変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以上であると判定されたときには、ステップＳ４０６に進んでエンジンの運転状態を加速状態とし、出力電圧の設定値を通常時設定値よりも小さい加速時設定値としてこの処理を終了する。
【０１００】
図１７のステップＳ４０１ないしＳ４０３により、運転状態判定手段３Ｅが構成され、ステップＳ４０４ないしＳ４０６により、出力電圧設定値切替手段３Ｆが構成される。
【０１０１】
図１８の出力制御処理は、図１４のメインルーチンの運転状態判定処理が行なわれた後に行なわれる。図１８の出力制御処理では、先ずステップＳ５０１で現在設定されている整流モードが三相整流モードであるか否かを判定する。その結果、三相整流モードでないと判定された場合には、ステップＳ５０２に進んで交流発電機の回転速度を設定速度と比較して、回転速度が設定速度以下のときに整流モードを三相整流モードとする整流モード判定過程を行なう。その結果、回転速度が設定速度以下であると判定されたときにステップ５０３で整流モードを三相整流モードに設定する。ステップＳ５０２で回転速度が設定速度を超えていると判定されたときには、後記するステップＳ５０６に移行する。
【０１０２】
ステップＳ５０１でセットされている整流モードが三相整流モードであると判定されたときには、ステップＳ５０４に進んで、回転速度を設定速度と比較して、回転速度が設定速度を超えているときに整流モードを単相中性点整流モードとする整流モード判定過程を行なう。この判定の結果、回転速度が設定速度を超えていると判定されたときにステップＳ５０５で整流モードを単相中性点整流モードに設定してステップＳ５０６に移行する。
【０１０３】
ステップＳ５０６では、図１５の判定処理で、出力電圧が過電圧状態（本実施形態では１８［Ｖ］を超える状態）であると判定されたか否かを判定し、出力電圧が過電圧状態であるとの判定がなされていないときにステップＳ５０７に進んで出力電圧が設定値を超えているか否かを判定する。その結果、出力電圧が設定値以下であると判定されたときには、ステップＳ５０８に進んで、整流モードが三相整流モードに設定されているか否かを判定する。
【０１０４】
ステップＳ５０８で整流モードが三相整流モードに設定されていると判定されたときには、ステップＳ５０９に進んで、中性点サイリスタＳｎのトリガを停止する処理と、ＵＶＷ三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタに同時にトリガ信号を与える処理とを行なって、三相整流モードでの充電を行なわせる。
【０１０５】
ステップＳ５０８で整流モードが三相整流モードには設定されていないと判定されたときには、ステップＳ５１０に進む。ステップＳ５１０では、中性点サイリスタＳｎにトリガ信号を与えて該サイリスタＳｎをオン状態にする処理と、三相の上下段サイリスタの内の一相の上下段サイリスタをオフ状態にして該一相の発電コイルを通しての通電を休止する処理と、他の二相の上下段サイリスタに同時にトリガ信号を与えてこれらのサイリスタをオン状態にする処理とを行なって、二相の発電コイルから制御整流回路を通してバッテリに充電電流を供給するとともに、交流発電機の中性点から制御整流回路を通してバッテリに充電電流を供給する、単相中性点整流モードでの充電を行なう。この場合、図１９に示した単相中性点整流モード時相切替え処理により、通電を休止する相を一定時間毎に切り替える。
【０１０６】
ステップＳ５０６で出力電圧が過電圧状態にあると判定されたとき、及びステップＳ５０７で出力電圧が設定値を超えていると判定されたときには、ステップＳ５１１に進んで、中性点サイリスタのトリガを停止して中性点サイリスタをオフ状態にする処理と、ＵＶＷ三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止して全相の上下段サイリスタをオフ状態にすることにより全相の出力を停止する処理とを行なって、交流発電機からバッテリへの充電電流の供給を停止する。
【０１０７】
図１８の出力制御処理のステップＳ５０６とステップＳ５１１とにより過電圧保護手段３Ｄが構成され、図１８の処理のステップＳ５０６を除く部分により制御部３Ｂが構成される。
【０１０８】
図１９に示した単相中性点整流モード時相切替え処理では、ステップＳ６０１で相切替え用タイマをインクリメントし、ステップＳ６０２で相切替え用タイマが計測している時間が設定時間以上であるか否かを判定する。その結果、相切替え用タイマが計測している時間が設定時間以上でないと判定された場合には、以後何もしないでこの処理を終了する。ステップＳ６０２で相切替え用タイマが計測している時間が設定時間以上であると判定されたときには、ステップＳ６０３で相切替え用タイマをクリアした後、ステップＳ６０４に進んで通電を休止する相を切り替える処理を行う。ステップＳ６０４の処理では、通電を休止している相（図ではＯＦＦ相と表現している。）がＵ相である場合に通電を休止する相をＶ相に切り替え、通電を休止している相がＶ相である場合には、通電を休止する相をＷ相に切り替える。また通電を休止している相がＷ相である場合には、通電を休止する相をＵ相に切り替える。単相中性点整流モード時の、Ｕ相の上下段サイリスタ、Ｖ相の上下段サイリスタ、Ｗ相の上下段サイリスタ及び中性点サイリスタのオンオフ動作を示すタイムチャートを図２０（Ａ）ないし（Ｄ）に示した。
【０１０９】
上記の実施形態では、一つの制御整流回路を、交流発電機の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路として使い分けるようにしたが、図３に示したように、第１の制御整流回路及び第２の制御整流回路をそれぞれ独立した回路とすることも可能である。
【０１１０】
図３に示した例では、Ｕ相ないしＷ相の上段ダイオードＤｕ′ないしＤｗ′と、Ｕ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘ′ないしＳｚ′とにより第１の制御整流回路２Ａが構成され、中性点ダイオードＤｎと、Ｕ相ないしＷ相の上段サイリスタＳｕないしＳｗと、中性点サイリスタＳｎと、Ｕ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘないしＳｗとにより第２の制御整流回路２Ｂが構成されている。また回転速度検出手段３Ａにより検出された交流発電機の回転速度が設定速度以下のときに第１の制御整流回路２Ａの出力を選択して負荷６′に与え、検出された回転速度が設定速度を超えているときに第２の制御整流回路２Ｂの出力を選択して負荷６′に与える出力選択スイッチＳＷが設けられている。出力選択スイッチＳＷは、オンオフ制御が可能な半導体スイッチ素子を用いて構成する。前記の実施形態と同様に交流発電機１の三相の交流出力電圧が波形整形回路３０３により矩形波信号に変換され、回転速度検出手段３Ａが波形整形回路３０３から得られる矩形波信号から交流発電機の回転速度を検出する。負荷６′には、バッテリと該バッテリの両端に接続される負荷とが含まれる。
【０１１１】
図３に示した例では、第１の制御整流回路２Ａと、第２の制御整流回路２Ｂと、選択スイッチＳＷとを制御するために、制御部３Ｂ′が設けられている。制御部３Ｂ′は、回転速度検出手段３Ａにより検出される回転速度が設定速度以下のときに、第１の制御整流回路２Ａの出力を選択して負荷６′に供給するように出力選択スイッチＳＷを制御すると共に、出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧を設定値以下に保つように、第１の制御整流回路２Ａの三相の下段サイリスタＳｕないしＳｗにトリガ信号を供給して、第１の制御整流回路２Ａから負荷６′に電力を供給する。
【０１１２】
制御部３Ｂ′はまた、回転速度検出手段３Ａにより検出される回転速度が設定速度を超えているときに、第２の制御整流回路２Ｂの出力を選択して負荷６′に供給するように出力選択スイッチＳＷを制御すると共に、中性点サイリスタＳｎを常時トリガし、三相の上段サイリスタＳｕないしＳｗ及び三相の下段サイリスタＳｘないしＳｚの内の一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態で、出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧を設定値以下に保つように、他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給して、第２の制御整流回路２Ｂから負荷６′に電力を供給する。この場合も、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定時間毎に切り替えるようにするのが好ましい。
【０１１３】
図３に示した実施形態においても、回転速度検出手段３Ａ及び制御部３Ｂ′は、マイクロプロセッサにより構成される。図３には図示してないが、本実施形態においても、図１に示した制御用電源回路３０１と同様の制御用電源回路が設けられて、この制御用電源回路から回転速度検出手段３Ａ及び制御部３Ｂ′を構成するマイクロプロセッサに電源電圧が供給される。図３に示した例では、図示しない制御用電源回路と、出力電圧検出回路３０２と、波形整形回路３０３と、回転速度検出手段３Ａ及び制御部３Ｂ′を構成するマイクロプロセッサとにより、第１及び第２の制御整流回路２Ａ及び２Ｂと、出力選択スイッチＳＷとを制御する制御ユニット３′が構成されている。
【０１１４】
上記の実施形態のように、回転速度が設定速度以下のときに負荷に電力を供給する第１の制御整流回路と、回転速度が設定速度を超えているときに負荷に電力を供給する第２の制御整流回路とを別々に設けると、制御整流回路を構成する半導体素子にかかる負担を軽減することができるため、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。
【０１１５】
図３に示した例において、出力選択スイッチＳＷを省略して、第１の制御整流回路２Ａの正極側直流出力端子と第２の制御整流回路の正極側直流出力端子とを直結するとともに、第１の制御整流回路のダイオードＤｕ′ないしＤｗ′を三相の上段サイリスタで置き換えた構成とすることもできる。この場合は、交流発電機の回転速度が設定速度以下のときに第１の制御整流回路の三相の上段サイリスタと下段サイリスタとをトリガして負荷に電力を供給し、交流発電機の回転速度が設定速度を超えているときには、第１の制御整流回路の三相の上段サイリスタ及び三相の下段サイリスタをすべてオフ状態に保った状態で、第２の制御整流回路２Ｂを前述のように制御して第２の制御整流回路２Ｂから負荷に電力を供給するようにする。
【０１１６】
第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを別々に設ける場合に、第２の制御整流回路２Ｂにおいて、発電コイルを負荷から切り離す相を固定する場合には、発電コイルを負荷から切り離す相の上段サイリスタ及び下段サイリスタを省略することができる。例えば図３において、回転速度が設定速度を超える領域で常にＷ相の発電コイルを負荷の駆動に用いないようにする場合には、サイリスタＳｗ及びＳｚを省略することができる。この場合、負荷の駆動に用いないＷ相の発電コイルの非中性点側の端子は第２の制御整流回路２Ｂに接続されない。
【０１１７】
上記の各実施形態においては、交流発電機の中性点端子１ｎを正極側直流出力端子２ａに接続する素子としてダイオードＤｎを用いたが、交流発電機の中性点端子１ｎを正極側直流出力端子２ａに接続する素子は、中性点接続端子１ａと正極側直流出力端子２ａとの間に設けられて中性点接続端子１ａの電位が正極側直流出力端子２ａの電位よりも高いときに導通する通電素子であればよい。例えば、上記の各実施形態において、ダイオードＤｎを、交流発電機１の中性点ｎ側から負荷に電力を供給する際にオン状態にされるサイリスタ等のスイッチ素子で置き換えて、このスイッチ素子を中性点端子と正極側直流出力端子との間に設ける通電素子としてもよい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンを駆動源とする車両や船外機等に搭載される電源装置として、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置が用いられている。車両等にバッテリが搭載される場合には、該電源装置の出力端子間にバッテリが接続されて、バッテリの両端の電圧を設定された設定値以下に保つように電源装置の出力が制御される。交流発電機としては、三相交流電圧を出力するものが多く用いられている。三相交流電圧を出力する交流発電機の出力でバッテリを充電する電源装置は、例えば特許文献１に示されているように、交流発電機の三相の非中性点側の交流出力端子から取り出した対称三相交流出力を整流してバッテリに印加する制御整流回路と、制御整流回路のサイリスタを制御する制御回路とを備えていて、出力電圧に応じて制御整流回路のサイリスタを制御することにより、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なうように構成されている。
【０００３】
また特許文献２には、直列接続された２つのダイオードの直列回路を４つ並列に接続した構成を有するダイオードブリッジ整流回路を、星形結線された三相の発電コイルを有する交流発電機と負荷との間に設けて、交流発電機の三相の交流出力端子のうちの一相の交流出力端子を整流回路の１つの入力端子に直接接続し、交流発電機の他の二相の交流出力端子をそれぞれ整流回路の他の２つの入力端子にそれぞれスイッチ素子を通して接続するとともに、交流発電機の中性点端子を整流回路の残りの一つの入力端子にスイッチ素子を通して接続した構成を有する交流発電機の出力制御装置が開示されている。
【０００４】
この出力制御装置では、エンジンの低速回転時に、中性点に接続されたスイッチ素子をオフ状態にすると共に、中性点に接続されたスイッチ素子以外の２つスイッチ素子をオン状態にすることにより、交流発電機の三相出力を整流回路を通して負荷に供給する。また、エンジンの中速回転時には、中性点に接続されたスイッチ素子をオフ状態にしたままで、低速時にオン状態にしていた２つのスイッチ素子のうちの一方をオフ状態にすることにより、交流発電機の二相の出力を整流回路を通して負荷に供給し、エンジンの高速回転時には、交流発電機の中性点に接続されたスイッチ素子をオン状態にし、他の２つのスイッチ素子をオフ状態にすることにより、交流発電機の１相の出力のみを整流回路を通して負荷に供給する。
【０００５】
特許文献２に開示された出力制御装置では、上記のようにエンジンの回転速度に応じて３つのスイッチ素子を制御することにより、エンジンの低速回転時から高速回転時まで、交流発電機から負荷に供給される電力をほぼ一定に保つようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６０８５７号公報
【特許文献２】特開平７−８７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、車両等に搭載される電装品が増加する傾向にあるため、電源装置には、エンジンの低速回転時にも、高速回転時にも、できるだけ多くの電力を出力する能力を持つことが要求されるようになっている。
【０００８】
特許文献１に示された電源装置では、交流発電機の三相の非中性点側の交流出力端子から取り出した対称三相交流出力を整流回路により整流して負荷に供給する構成をとっている。このような構成をとった場合、エンジンの低速回転時及び高速回転時にそれぞれ交流発電機から負荷に供給し得る最大電力は、交流発電機を対称交流発電機として動作させた際の出力特性により決まる。そのため、エンジンの各回転速度においてバッテリ側に供給し得る最大電力は、交流発電機の三相の非中性点側の交流出力端子から取り出し得る電力により決まってしまい、交流発電機の特性によっては、低速回転時または高速回転時にバッテリ側に供給し得る電力が不足する事態が生じることがある。
【０００９】
例えば、エンジンに搭載される交流発電機として、磁石式交流発電機のように界磁を調整することができない交流発電機を用いる場合には、低速回転時に大きな出力を得るように巻線仕様を設定すると、高速回転時に得ることができる出力が制限され、高速回転時に大きな出力を得ることができるように巻線仕様を設定すると、低速回転時に得ることができる電力が制限される。そのため、磁石式交流発電機のような交流発電機を用いる場合に特許文献１に示された構成をとった場合、エンジンの低速回転領域と高速回転領域との双方で負荷に大きな電力を供給し得る電源装置を構成することは困難である。
【００１０】
特許文献２に示された発明によれば、エンジンの低速回転時から高速回転時まで負荷に供給される電力をほぼ一定に保つことができるが、この発明によった場合には、エンジンの高速回転時に交流発電機の出力が抑制されるため、エンジンの高速回転時に負荷に供給する電力を増大させるという要求に応えることができない。
【００１１】
本発明の目的は、負荷への電力供給能力を従来よりも向上させることができるようにした電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、星形結線された三相の発電コイルのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子が導出されるとともに中性点から中性点端子が導出されて、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置に係わるものである。
【００１３】
本発明においては、必要に応じて交流発電機を非対称な状態で運転することによりその中性点の電位を上昇させて、中性点側からも負荷に電力を供給することにより、負荷に供給する電力を増大させる。
【００１４】
そのため、本発明に係わる電源装置は、交流発電機の出力から該交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、交流発電機の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路と、回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度以下のときには第１の制御整流回路の出力を負荷に供給し、検出された回転速度が設定速度を超えているときには第２の制御整流回路の出力を負荷に供給するように第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを制御する制御部とを備えている。
【００１５】
上記のように構成すると、交流発電機の回転速度が設定速度以下である低速領域では、交流発電機の三相の発電コイルから第１の制御整流回路を通して負荷に電力が供給されるため、低速回転領域で十分な出力を発生するように三相の発電コイルの巻線仕様を設定しておくことにより、低速領域で負荷に十分な電力を供給することができる。
【００１６】
また、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域では、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路から負荷に電力が供給される。この状態では、選択されていない一相の交流出力端子が負荷から切り離された状態にされる。このように、回転速度が設定速度を超える領域で、一相の発電コイルを負荷から切り離し、二相の発電コイルのみから負荷に電流を供給するようにすると、負荷電流が流れる発電コイルのトータルのターン数を減少させて電機子反作用を低減することができるため、高速回転領域で交流発電機の出力が電機子反作用により低下するのを抑制することができる。
【００１７】
また、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域では、交流発電機の負荷が非対称になるため、中性点の電位を上昇させて、中性点からも負荷に電流を流して、負荷に供給し得る電力を増大させることができる。即ち、選択された二相の発電コイルの内の一方の発電コイルの負の半波（中性点側が正極性になる半波）の誘起電圧の絶対値が他方の発電コイルの正の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングから、選択された二相の発電コイルの内の一方の発電コイルの正の半波の誘起電圧の絶対値が他方の発電コイルの負の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングまでの期間（選択されずに負荷から切り離されている相の発電コイルの誘起電圧の正の半波に相当する期間）の間、交流発電機の中性点の電位が上昇し、この期間交流発電機の中性点端子からも第２の制御整流回路を通して負荷に電流が供給される。
【００１８】
このように、本発明においては、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルを負荷から切り離して無負荷状態にすることにより交流発電機の電機子反作用を低減させて、電機子反作用による発電出力の低下を抑制するとともに、中性点の電位を上昇させて、中性点からも制御整流回路を通して負荷に電流を供給するため、高速回転領域で負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００１９】
上記のように、回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルを無負荷状態にして不平衡な運転状態にすると、他の二相の発電コイルに流れる電流が不均等になる。そのため、回転速度が設定速度を超える領域で選択する相を固定すると、特定の相の発電コイルに大きな電流が流れて、その温度が過度に上昇するおそれがある。このような問題が生じるのを防ぐため、本発明の好ましい態様では、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように制御部を構成する。
【００２０】
このように構成しておくと、回転速度が設定速度を超える領域で特定の相の発電コイルの温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
【００２１】
上記第１の制御整流回路及び第２の制御整流回路はそれぞれ独立した回路であってもよいが、構成を簡単にするためには、一つの制御整流回路を第１の制御整流回路及び第２の制御回路として使い分けるようにするのが好ましい。そのため本発明の好ましい態様では、制御整流回路が、交流発電機の三相の交流出力端子にそれぞれ接続される三相の交流入力端子と、前記交流発電機の中性点端子に接続される中性点接続端子と、負荷の一端及び他端にそれぞれ接続される正極側直流出力端子及び負極側直流出力端子と、前記三相の交流入力端子を通して入力される交流発電機の三相交流出力を全波整流して前記両直流出力端子から出力するフルブリッジ型三相全波制御整流回路のブリッジ回路の上段及び下段をそれぞれ構成する三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタと、前記中性点接続端子と前記正極側直流出力端子との間に設けられて前記中性点接続端子の電位が正極側直流出力端子の電位よりも高いときに導通する中性点上段通電素子と、前記中性点接続端子にカソードが接続され前記負極側直流出力端子にアノードが接続された中性点サイリスタとを備えた構成を有する。
【００２２】
この場合、交流発電機の出力から交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、回転速度検出手段により検出される回転速度が設定速度以下のときに、中性点サイリスタのトリガを停止した状態で、制御整流回路から負荷に電力を供給するべく三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給し、回転速度検出手段により検出される回転速度が設定速度を超えているときには、中性点サイリスタを常時トリガし、三相の内の一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態で、制御整流回路から負荷に電力を供給するべく他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給する制御部とを設ける。
【００２３】
上記のように構成すると、交流発電機の回転速度が設定速度以下のときに、制御回路が前記第１の制御整流回路として機能し、交流発電機の回転速度が設定速度を超えているときに、制御整流回路が前記第２の制御整流回路として機能するため、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【００２４】
上記のように、制御整流回路を構成する場合、特定の相の発電コイルに大きな電流が流れて、その温度が過度に上昇するのを防ぐために、回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度を超えているときに、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定時間毎に切り替えるように制御部を構成することが好ましい。
【００２５】
本発明の好ましい態様では、アノードが正極側直流出力端子側に向けられた逆流阻止用ダイオードを通して出力電圧が印加された入力側キャパシタと、入力側キャパシタの両端の電圧を一定の制御用電源電圧に変換して出力側キャパシタの両端に印加するレギュレータとを備えた制御用電源回路と、交流発電機の三相の交流出力を矩形波信号に波形整形する波形整形回路と、逆流阻止用ダイオードのカソード側で検出した制御用電源回路の入力側キャパシタの両端の電圧を分圧して得た電圧から制御整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、制御用電源回路の出力側キャパシタの両端に得られる制御用電源電圧を電源電圧として動作するように設けられて、回転速度検出手段と制御部とを構成するようにプログラムされたマイクロプロセッサとが設けられる。この場合、回転速度検出手段は、波形整形回路が電気角で１２０度の角度間隔で順次発生する矩形波信号の発生間隔から交流発電機の回転速度を演算するように構成される。また制御部は、出力電圧検出回路により検出される出力電圧を設定値以下に保つべく、制御整流回路の上段サイリスタと下段サイリスタとを制御するように構成される。
【００２６】
エンジンにより駆動される車両や船外機等の乗り物に搭載される従来の電源装置は、その内部に交流発電機の回転速度の情報を検出する手段を持たなかった。そのため、負荷に供給する電力を交流発電機の回転速度に応じて制御する場合には、交流発電機（エンジン）の回転速度情報を、エンジンの点火時期や燃料噴射量をエンジンの回転速度に応じて制御するＥＣＵ(電子式エンジン制御ユニット）から取得する必要があり、面倒であった。本発明においては、電源装置内に回転速度検出手段を設けて、電源装置内で回転速度を検出することができるようにしたため、他のユニットから回転速度情報を取得することなく、負荷に供給する電力を交流発電機の回転速度に応じて制御することができる。
【００２７】
また上記のように電源装置内にマイクロプロセッサを設けておくと、このマイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより、制御部に各種の制御機能を持たせて、電源装置のインテリジェント化を図ることができ、ＥＣＵの助けを借りずにエンジンの加速や減速等の運転状態を考慮したバッテリ充電を可能にするなど、電源装置に多様な機能を持たせることができる。
【００２８】
回転速度が高い領域で電機子反作用により出力電圧が抑制される現象は、磁石式交流発電機のように、界磁が一定な交流発電機の場合に顕著に生じる。従って、本発明は、特にエンジンにより駆動する交流発電機として磁石式交流発電機を用いる場合に有用である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、交流発電機の回転速度が設定速度以下である低速領域で、交流発電機の三相の発電コイルから得られる三相交流出力を第１の制御整流回路により全波整流して負荷に供給するため、低速回転領域で十分な出力を発生するように発電コイルの巻線仕様を設定しておくことにより、低速領域で負荷に十分な電力を供給することができる。
【００３０】
また交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域では、その三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路から負荷に電力を供給するので、負荷電流が流れる発電コイルのトータルのターン数を減少させて電機子反作用を低減することができる。そのため、高速回転領域で交流発電機の出力が電機子反作用により低下するのを抑制することができるだけでなく、交流発電機の負荷が非対称になることにより、中性点の電位を上昇させて、中性点からも制御整流回路を通して負荷に電流を供給することができ、高速回転領域で負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００３１】
本発明において、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように制御部を構成した場合には、回転速度が設定速度を超える領域で特定の相の発電コイルの温度が上昇するという問題を生じさせることなく、交流発電機の低速回転時及び高速回転時に負荷に供給する電力を増大させることができる。
【００３２】
本発明において、電源装置内にマイクロプロセッサを設けて、このマイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより回転速度検出手段や制御部を構成するようにした場合には、電源装置のインテリジェント化を図って、制御に必要な情報を外部のユニットから取得することなく、エンジンの運転状態を考慮したバッテリ充電を可能にするなど、電源装置に多様な機能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態の基本的な構成を示した回路図である。
【図２】本発明の一実施形態においてマイクロプロセッサにより構成される機能実現手段を含む電源装置の全体的な構成を示したブロック図である。
【図３】本発明の他の実施形態の構成を示した回路図である。
【図４】図１の実施形態の低速回転時の主要部の等価回路を示した回路図である。
【図５】図１の実施形態の高速回転時のあるタイミングにおける主要部の等価回路を示した回路図である。
【図６】図１の実施形態の高速回転時の他のタイミングにおける主要部の等価回路を示した回路図である。
【図７】図１の実施形態の高速回転時の更に他のタイミングにおける主要部の等価回路を示した回路図である。
【図８】本発明の実施形態において、三相整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際及び単相中性点整流モードで該負荷に電力を供給した際の交流発電機の回転速度と出力電流との関係を示したグラフである。
【図９】本発明の実施形態において、三相整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の各部の電圧または電流波形を示した波形図である。
【図１０】本発明の実施形態において、交流発電機の回転速度を２５００ｒｐｍとして単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の各部の電圧または電流波形を示した波形図である。
【図１１】本発明の実施形態において、交流発電機の回転速度を５０００ｒｐｍとして単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の各部の電圧または電流波形を示した波形図である。
【図１２】本発明の実施形態において、通電を休止する相を切り替えながら単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の、通電休止相切り替え時間と負荷電流（バッテリ充電電流）との関係を示したグラフである。
【図１３】本発明の実施形態において、通電を休止する相を切り替えながら単相中性点整流モードでバッテリを含む負荷に電力を供給した際の、通電休止相切り替え時間と発電コイルの温度との関係を示したグラフである。
【図１４】本発明の一実施形態においてマイクロプロセッサに実行させるプログラムのメインルーチンのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１５】本発明の一実施形態において一定時間毎に実行される過電圧判定処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１６】本発明の一実施形態において交流発電機のＵ相の出力電圧の正の半波が立ち上がった際にマイクロプロセッサに実行させるプログラムの割込みルーチンのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１７】本発明の一実施形態において一定時間毎に実行される運転状態判定処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施形態において一定時間毎に実行される出力制御処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１９】本発明の一実施形態において単相中性点整流モード時に実行される単相中性点整流モード時相切替え処理のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図２０】（Ａ）ないし（Ｄ）は、単相中性点整流モード時の制御整流回路のサイリスタのオンオフ動作を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の基本的な構成を示したものである。同図において１はエンジン(図示せず。）により駆動される交流発電機、２は交流発電機１の出力を整流する制御整流回路、３は制御整流回路２を制御する制御ユニット、４は制御整流回路２の出力端子間にヒューズ５を介して接続されて、交流発電機１の出力で制御整流回路２を通して充電されるバッテリ、６はバッテリ４の両端の電圧がスイッチ７を介して印加された負荷である。この例では、制御整流回路２と、制御ユニット３とにより電源装置８が構成され、バッテリ４及び負荷６が電源装置８の負荷を構成している。
【００３５】
本実施形態で用いる交流発電機１は、永久磁石により界磁が構成されてエンジンのクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、この磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心のスロットに巻装されたコイルを三相星形結線してなる固定子とを備えた周知の磁石式交流発電機からなっている。図１においてＬｕ，Ｌｖ及びＬｗはそれぞれ星形結線されたＵ，Ｖ及びＷ相の発電コイルで、三相の発電コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子１ｕ，１ｖ及び１ｗが導出され、中性点ｎから中性点端子１ｎが導出されている。
【００３６】
制御整流回路２は、交流発電機の三相の交流出力端子１ｕないし１ｗにそれぞれ接続される三相の交流入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗと、交流発電機１の中性点端子１ｎに接続される中性点接続端子２ｎと、正極側直流出力端子２ａ及び負極側直流出力端子２ｂと、カソードが正極側直流出力端子に接続されるとともに、アノードが三相の交流入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗにそれぞれ接続されてブリッジ回路の上段を構成する三相の上段サイリスタＳｕ，Ｓｖ及びＳｗと、アノードが負極側直流出力端子に共通接続されるとともに、カソードが三相の交流入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗにそれぞれ接続されてブリッジ回路の下段を構成する三相の下段サイリスタＳｘ，Ｓｙ及びＳｚと、中性点接続端子２ｎにアノードが接続され、正極側直流出力端子２ａにカソードが接続された中性点ダイオードＤｎと、中性点接続端子２ｎにカソードが接続され、負極側直流出力端子２ｂにアノードが接続された中性点サイリスタＳｎとにより構成されている。正極側直流出力端子２ａ及び負極側直流出力端子２ｂにバッテリ４の正極端子４ａ及び負極端子４ｂがそれぞれ接続されている。図示の例では、負極側直流出力端子２ｂが接地端子（ＧＮＤ）となっていて、該負極側直流出力端子が接地されている。
【００３７】
制御ユニット３は、該制御ユニットの各部に供給する電源電圧を発生する制御用電源回路３０１と、バッテリ４の両端の電圧を出力電圧として検出する出力電圧検出回路３０２と、交流発電機１の三相の出力電圧波形をそれぞれ三相の矩形波信号に変換する波形整形回路３０３と、制御用電源回路３０１から電源電圧が供給されて動作するマイクロプロセッサ３０４と、三相上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗにそれぞれトリガ信号ｇｕ〜ｇｗを供給する三相上段サイリスタトリガ回路３０５と、三相下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにそれぞれトリガ信号ｇｘ〜ｇｚを供給する三相下段サイリスタトリガ回路３０６と、中性点サイリスタＳｎにトリガ信号ｇｎを供給する中性点サイリスタトリガ回路３０７とを備えている。
【００３８】
制御用電源回路３０１は、アノードがバッテリの正極側に向けられた逆流阻止用ダイオードＤ１を通してバッテリ電圧Ｖｂが印加された入力側キャパシタＣ１と、入力側キャパシタＣ１の両端の電圧Ｖｂを一定の制御用電源電圧Ｖｃに変換して出力側キャパシタＣ２の両端に印加するレギュレータＲＥＧとを備えていて、入力側キャパシタＣ１の両端の電圧（出力電圧）Ｖｂ及び出力側キャパシタＣ２の両端の電圧Ｖｃをそれぞれ出力端子３０１ａ及び３０１ｂから出力する。図示の例では、制御ユニット３に出力電圧入力端子３ａが設けられていて、バッテリ４の両端の電圧がスイッチ７と入力端子３ａとを通して制御用電源回路３０１に入力されている。
【００３９】
本実施形態では、制御用電源回路３０１の入力部に逆流阻止用ダイオードＤ１を設けることにより、バッテリ４が誤って逆方向に接続された場合に制御ユニット３の各部が破損するのを防ぐようにしている。
【００４０】
出力電圧検出回路３０２は、制御用電源回路３０１の逆流阻止用ダイオードＤ１のカソード側で、出力電圧Ｖｂに等しい制御用電源回路の入力側キャパシタＣ１の両端の電圧を分圧して得た電圧から出力電圧Ｖｂを検出するように構成されている。
【００４１】
波形整形回路３０３は、交流発電機１の三相の交流出力電圧波形をそれぞれ波形整形して、三相の交流電圧のそれぞれの一方の極性の半波の期間高レベルを示し、他方の半波の期間零レベルを示す矩形波信号に変換する回路で、三相の交流電圧をそれぞれ波形整形して得た三相の矩形波信号を電気角で１２０度の角度間隔で発生する。この波形整形回路は例えば、三相の交流電圧の負の半波の期間オン状態になり、正の半波の期間オフ状態になるスイッチ回路を備えて、該スイッチ回路の両端に矩形波状の電圧を得る回路により構成することができる。
【００４２】
マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）３０４は、図示しないＲＯＭまたはＥＥＰＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに読み出して実行することにより、各種の演算処理や信号の入出力処理を行なう演算処理装置で、制御用電源回路３０１から電源電圧Ｖｃが与えられて動作する。マイクロプロセッサ３０４には、出力電圧検出回路３０２が出力する出力電圧検出信号と、波形整形回路３０３が出力する三相の矩形波信号とが入力されている。本実施形態では、マイクロプロセッサ３０４に所定のプログラムを実行させることにより、各種の機能実現手段を構成する。マイクロプロセッサ３０４が構成する機能実現手段を含む本実施形態の電源装置の構成を図２に示した。
【００４３】
本実施形態では、マイクロプロセッサ３０４が、回転速度検出手段３Ａと、制御部３Ｂと、過電圧判定手段３Ｃと、過電圧保護手段３Ｄと、運転状態判定手段３Ｅと、出力電圧設定値切替手段３Ｆとを構成するようにプログラムされている。
【００４４】
回転速度検出手段３Ａは、波形整形回路３０３が電気角で１２０度の角度間隔で順次発生する三相の矩形波信号のそれぞれの発生間隔から交流発電機１の回転速度を演算するように構成される。回転速度検出手段３Ａは、例えば各相の矩形波信号の立ち上がり又は立ち下がりを認識し、各相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間を回転速度演算用計時データとして計測して、この計時データから交流発電機の回転速度を演算する。
【００４５】
制御部３Ｂは、三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ、三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚ及び中性点サイリスタＳｎをそれぞれトリガするタイミングで三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′〜ｇｗ′、三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′〜ｇｚ′及び中性点サイリスタトリガ指令ｇｎ′を発生する手段である。
【００４６】
本実施形態の制御部３Ｂは、回転速度検出手段３Ａにより検出される回転速度が設定速度以下のときに、中性点サイリスタＳｎのトリガを停止した状態で、出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧を設定値以下に保つか、または調整範囲に保つべく、三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及び下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのオンオフを制御して、三相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗから制御整流回路２を通してバッテリ４に流す充電電流を制御する。中性点サイリスタＳｎをオフにした状態では、三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及び下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにより、三相の交流入力端子２ｕないし２ｗを通して入力される交流発電機１の三相交流出力を全波整流して正極側及び負極側の直流出力端子２ａ及び２ｂから出力するフルブリッジ型の三相全波制御整流回路が構成されている。本明細書ではこのように交流発電機の三相交流出力を全波整流する制御整流回路を第１の制御整流回路と呼ぶ。
【００４７】
本明細書では、このように、三相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗの出力を制御整流回路２により三相全波整流して負荷に供給する整流モードを「三相整流モード」と呼ぶ。
【００４８】
なお負荷を駆動するに当っては、負荷の両端の電圧を設定値以下に保つように制御するが、負荷の両端の電圧を設定値以下に保つ制御を行わせた場合、交流発電機の出力が設定値を超えている状態では、負荷の両端に印加される電圧が設定値に保たれる。また負荷の両端の電圧に対して設定値(上限値）の他に下限設定値を設けることもできる。負荷の両端の電圧に対して下限設定値とを設けた場合には、負荷の両端の電圧が設定値と下限設定値との間に保たれる。負荷に定格電圧が１２［Ｖ］のバッテリ４が含まれる場合、出力電圧の設定値は例えば１４［Ｖ］に設定される。
【００４９】
三相整流モードでは、次のようにして負荷への電力の供給(本実施形態ではバッテリの充電）を行なう。
出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧Ｖｂが設定値以下であるときには、中性点サイリスタＳｎのトリガを停止した状態で、Ｕ相〜Ｗ相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及びＵ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにそれぞれトリガ信号ｇｕ〜ｇｗ及びｇｘ〜ｇｚを与えて、これらのサイリスタの内、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタをオン状態にすることにより、Ｕ相ないしＷ相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗに誘起する交流電圧を全波整流してバッテリ４に充電電流を供給する。三相整流モードにおいて、出力電圧Ｖｂが設定値以下の状態にあるときには、制御整流回路２を図４に示した等価回路で表わすことができる。図４に示した等価回路においては、トリガ信号が与えられていて、アノードカソード間に順方向電圧が印加されたときにオン状態になる各サイリスタを、ダイオードを示す回路記号で表わし、トリガ信号が与えられることがなく、オフ状態に保持されるサイリスタをオフ状態にあるスイッチを示す回路記号で表わしている。後記する図５ないし図７の等価回路においても同様である。
【００５０】
三相整流モードにおいて、出力電圧Ｖｂが設定値を超えたときには、Ｕ相〜Ｗ相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及びＵ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚへのトリガ信号の供給を停止してこれらのサイリスタを順次オフ状態にすることにより、バッテリ４の充電を停止させる。これらの動作を繰り返すことにより、バッテリ４の両端の電圧を設定値以下に保つ。
【００５１】
図９を参照すると、三相整流モードでバッテリの充電を行なった際に観測された各部の電圧波形と電流波形とが示されている。図９（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ交流発電機のＵ相ないしＷ相の交流出力端子１ｕないし１ｗと制御整流回路２の負極側直流出力端子２ｂとの間に現れる交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗ（図１参照）を示し、図９（Ｄ）は交流発電機の中性点端子１ｎと負極側直流出力端子２ｂとの間に現れる中性点電圧Ｖｏを示している。また図９（Ｅ），（Ｆ）及び（Ｇ）はそれぞれＵ相，Ｖ相及びＷ相の発電コイルを通して流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを示し、図９（Ｈ）はバッテリ４に流れる充電電流Ｉｃを示している。
【００５２】
三相充電時に交流発電機のＵ相ないしＷ相の交流出力端子１ｕないし１ｗと制御整流回路２の負極側直流出力端子２ｂとの間にそれぞれ現れる電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗは、上段サイリスタ及び下段サイリスタがオン状態になると同時に出力電圧Ｖｂまで上昇する。そのため、電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗは、図９（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、波高値を出力電圧Ｖｂとした矩形波状の波形を呈する。交流発電機を三相運転しているときには、中性点電圧Ｖｏは原理的には零になる筈であるが、三相の発電コイルのターン数の微差や三相の発電コイルに鎖交する磁束の磁路の磁気抵抗の差などにより、実際には図９（Ｄ）に示すように零にはならず、電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗの立ち上がり及び立ち下がりを生じさせるサイリスタのスイッチングが行なわれる毎に微小なレベル変化を示す。
【００５３】
本発明では、交流発電機の回転速度が設定速度以下の領域でのみ三相整流モードでの充電を行なうが、交流発電機の低速回転時から高速回転時までの全回転速度領域で三相整流モードでの充電を行なったとした場合の、回転速度に対するバッテリ充電特性は、図８の曲線ａに示すようになる。図８の横軸は交流発電機の回転速度を示し、縦軸はバッテリに流れる充電電流(出力電流）を示している。図８から明らかなように、三相整流モードで負荷を駆動しているときには、交流発電機の回転速度が低い領域で制御整流回路から大きな出力を取り出すことができるが、回転速度が高い領域では、電機子反作用による発電出力の低下により、制御整流回路から取り出すことができる出力が抑制される。
【００５４】
上記のように、交流発電機の回転速度が設定速度以下である低速領域では、交流発電機の三相の発電コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗから制御整流回路２を通して負荷に電流が供給されるため、低速回転領域で十分な出力を発生するように三相の発電コイルの巻線仕様を設定しておくことにより、バッテリ４を十分に充電すると共に、バッテリに接続された負荷６に十分な電力を供給することができる。
【００５５】
制御部３Ｂはまた、回転速度検出手段により検出される交流発電機の回転速度が設定速度を超えているときに、中性点サイリスタＳｎを常時トリガし、三相の中から選択された何れか一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止して該一相の発電コイルを無負荷にした状態で、選択された他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタをオンオフ制御するように構成される。
【００５６】
例えば、図７に示された等価回路のように、中性点サイリスタＳｎを常時トリガしてオン状態に保持し、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止してこれらのサイリスタＳｗ及びＳｚをオフ状態に保持した状態で、出力電圧Ｖｂを設定値以下に保つように、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのオンオフを制御する。
【００５７】
このように、中性点サイリスタＳｎを常時トリガし、選択された一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態では、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された他の二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる単相交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる単相交流電圧とが全波整流されて負荷に供給される。
【００５８】
例えば、Ｕ相とＶ相とを選択された二相として、中性点サイリスタＳｎを常時トリガしてオン状態に保持し、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止してこれらのサイリスタＳｗ及びＳｚをオフ状態に保持した状態で、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのオンオフを制御するようにした場合には、Ｕ相の交流出力端子１ｕと中性点端子１ｎとの間に得られる単相交流電圧と、交流出力端子１ｖと中性点端子１ｎとの間に得られる単相交流電圧と、交流出力端子１ｕ，１ｖ間に得られる単相交流電圧とが、ダイオードＤｎ，サイリスタＳｕ及びＳｖと、サイリスタＳｎ，Ｓｘ及びＳｙとにより構成される制御整流回路により全波整流されて負荷に供給される。
【００５９】
本明細書では、上記のように、三相の中から選択された二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタと中性点ダイオードと中性点サイリスタとにより構成されて、選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる単相交流電圧と、選択された二相の交流出力端子間に得られる単相交流電圧とを全波整流する制御整流回路を「第２の制御整流回路」と呼ぶ。交流発電機の出力をこの第２の制御整流回路を通して整流して負荷に供給する整流モードを、本明細書では、「単相中性点整流モード」と呼ぶ。
【００６０】
単相中性点整流モードにおいて、中性点サイリスタＳｎを常時トリガしてオン状態に保持し、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚをオフ状態に保持した状態で、出力電圧Ｖｂを設定値以下に保つように、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのオンオフを制御した場合に観測された各部の電圧及び電流波形を図１０及び図１１に示した。図１０は交流発電機の回転速度を２５００ｒｐｍとした場合を示し、図１１は交流発電機の回転速度を５０００ｒｐｍとした場合を示している。図１０及び図１１において、（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ交流発電機のＵ相ないしＷ相の交流出力端子１ｕないし１ｗと制御整流回路２の負極側直流出力端子２ｂとの間にそれぞれ現れる電圧Ｖｕ，Ｖｖ及びＶｗ（図１参照）を示し、（Ｄ）は交流発電機の中性点端子１ｎと負極側直流出力端子２ｂとの間に現れる中性点電圧Ｖｏを示している。また（Ｅ），（Ｆ）及び（Ｇ）はそれぞれＵ相，Ｖ相及びＷ相の発電コイルを通して流れる負荷電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを示し、（Ｈ）はバッテリ４に流れる充電電流Ｉｃを示している。
【００６１】
単相中性点整流モードでは、例えば次のようにしてバッテリの充電を行なう。
出力電圧検出回路３０２により、出力電圧Ｖｂが設定値以下であることが検出されているときには、例えばＷ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止した状態で（サイリスタＳｗ及びＳｚをオフ状態に保持した状態で）、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘにそれぞれトリガ信号ｇｕ及びｇｘを与えると共に、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙにそれぞれトリガ信号ｇｖ及びｇｙを与えて、サイリスタＳｕ，Ｓｘ及びＳｖ，Ｓｙの内、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタをオン状態にすることにより、Ｕ相及びＶ相の発電コイルＬｕ及びＬｖに誘起する交流電圧を整流してバッテリ４に充電電流を供給する。単相中性点整流モードにおいて、出力電圧が設定値以下であるときの制御整流回路の状態は、図７に示す等価回路で表すことができる。
【００６２】
出力電圧Ｖｂが設定値以下であるときには、Ｕ相の発電コイルＬｕ−サイリスタＳｕ−バッテリ４及び負荷６−中性点サイリスタＳｎ−発電コイルＬｕの通電経路と、Ｖ相の発電コイルＬｖ−サイリスタＳｖ−バッテリ４及び負荷６−中性点サイリスタＳｎ−発電コイルＬｖの通電経路と、発電コイルＬｕ−サイリスタＳｕ−バッテリ４及び負荷６−サイリスタＳｙ−発電コイルＬｖ−発電コイルＬｕの通電経路と、発電コイルＬｖ−サイリスタＳｖ−バッテリ４及び負荷６−サイリスタＳｘ−発電コイルＬｕ−発電コイルＬｖの通電経路とが形成されて、発電コイルＬｕ及びＬｖから制御整流回路２を通してバッテリ４及び負荷６に電流が供給される。
【００６３】
また、図７に示されているように、サイリスタＳｗ及びＳｚがオフ状態にされて、発電コイルＬｗがバッテリ４及び負荷６から切り離されているときには、Ｕ相の発電コイルＬｕの負の半波（中性点側が正極性になる半波）の誘起電圧の絶対値がＶ相の発電コイルＬｖの正の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングから、Ｕ相の発電コイルＬｕの正の半波の誘起電圧の絶対値がＶ相の発電コイルＬｖの負の半波の誘起電圧の絶対値を超えるタイミングまでの期間（バッテリから切り離したＷ相の発電コイルＬｗの誘起電圧の正の半波に相当する期間）、中性点ダイオードＤｎが順方向にバイアスされて、図１０及び図１１の（Ｄ）に示したように、交流発電機の中性点電圧Ｖｏが出力電圧Ｖｂまで上昇する。中性点電圧Ｖｏが上昇している期間、交流発電機の中性点端子１ｎから中性点ダイオードＤｎと、バッテリ４及び負荷６と、Ｕ相の下段サイリスタＳｘまたはＶ相の下段サイリスタＳｙとを通して電流が流れる。
【００６４】
上記のように、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルＬｗをバッテリ４から切り離して無負荷状態にすると、発電コイルのトータルのターン数を減少させて電機子反作用を低減することができるため、高速回転領域で交流発電機の出力が電機子反作用により低下するのを抑制することができる。
【００６５】
また、バッテリから切り離した相の発電コイルの誘起電圧の正の半波に相当する期間、中性点電圧Ｖｏを出力電圧Ｖｂまで上昇させて、中性点端子１ｎから制御整流回路２を通してバッテリ４と負荷６とに電流を供給することができるため、電機子反作用による発電出力の低下を抑制できることと相俟って、高速回転領域でバッテリ４及び負荷６に供給し得る電力を増大させることができる。
【００６６】
エンジンの回転速度の全領域に亘って単相中性点整流モードで負荷に電力を供給したとすると、回転速度に対する電源装置の出力特性は図８の曲線ｂのようになり、回転速度が低い領域では、三相整流モードで負荷に電力を供給した場合よりも出力が小さくなるが、回転速度が高い領域では、三相整流モードで負荷に電力を供給した場合よりも出力が大きくなる。従って、図８の曲線ａと曲線ｂとの交点における回転速度Ｎｓを設定速度として、交流発電機の回転速度が設定速度Ｎｓ以下のときに三相整流モードで負荷に電力を供給し、交流発電機の回転速度が設定速度Ｎｓを超える領域で単相中性点整流モードで負荷に電力を供給するようにすれば、交流発電機の回転速度領域の全域で負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００６７】
上記のように、回転速度が設定速度を超える領域で一相の発電コイルを無負荷状態にすると、負荷電流を流す他の二相の発電コイルの一方の温度が過度に上昇することがある。これは、無負荷状態にした一相の発電コイルから生じる磁束が無くなることにより、電機子鉄心を流れる磁束にアンバランスが生じて、負荷電流を流す二相の発電コイルに鎖交する磁束が不均等になり、特定の相の発電コイルに大きな電流が流れることによると思われる。
【００６８】
このような問題が生じるのを防ぐため、本実施形態では、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように制御部３Ｂを構成する。即ち、回転速度検出手段３Ａにより検出された交流発電機の回転速度が設定速度を超えている状態で出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なう際に、上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗ及び下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのトリガを停止する相を一定時間(休止相切替時間)毎に切り替えるように、制御整流回路を制御する制御部３Ｂを構成する。
【００６９】
例えば、回転速度検出手段により検出された交流発電機の回転速度が設定速度を超えていることが検出されている状態で出力電圧が設定値以下であるときに、先ず図５に示すように、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘのトリガを停止して、出力電圧を設定値以下に保つように、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙと、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのオンオフを制御する。即ち、出力電圧が設定値以下になったことが検出されたときに、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙにそれぞれトリガ信号ｇｖ及びｇｙを与えると共に、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚにそれぞれトリガ信号ｇｗ及びｇｚを与えて、サイリスタＳｖ，Ｓｙ，Ｓｗ及びＳｚの内、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタをオン状態にすることにより、Ｖ相及びＷ相の発電コイルＬｖ及びＬｗから制御整流回路２を通してバッテリ４に充電電流を供給する。また検出されている出力電圧が設定値を超えたときには、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙへのトリガ信号ｇｖ及びｇｙの供給と、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚへのトリガ信号ｇｗ及びｇｚの供給とを停止することにより、サイリスタＳｖ，Ｓｙ，Ｓｗ及びＳｚをオフ状態にして、バッテリ４への充電電流の供給を停止する。
【００７０】
図５に示したようにＵ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘのトリガを停止している時間（休止相切替時間）が設定時間に達したときに、図６に示すように、トリガを停止する相をＶ相に切り替えて、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのトリガを停止した状態にし、この状態で、上記と同様にして、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚとをオンオフ制御して、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なわせる。
【００７１】
またＶ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙのトリガを停止している時間が設定時間に達したときに、図７に示すように、トリガを停止する相をＷ相に切り替えて、Ｗ相の上段サイリスタＳｗ及び下段サイリスタＳｚのトリガを停止した状態で、Ｕ相の上段サイリスタＳｕ及び下段サイリスタＳｘと、Ｖ相の上段サイリスタＳｖ及び下段サイリスタＳｙとをオンオフ制御することにより、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なわせる。
【００７２】
上記のようにして、上段サイリスタ及び下段サイリスタをオフ状態にする相を一定の休止相切替時間毎に切り替えながら他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタをオンオフ制御して、出力電圧を設定値以下に保つ制御を行なわせる。このような制御を行う場合には、第２の制御整流回路を構成する上段サイリスタ及び下段サイリスタが一定時間毎に切り替わることになる。
【００７３】
上記のように、回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度を超えているときに、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定の休止相切替時間毎に切り替える(トリガ信号を供給する選択された二相を一定時間毎に切り替える）ように制御部を構成しておけば、回転速度が設定速度を超える領域で特定の相の発電コイルの温度が上昇するという問題を生じさせることなく、交流発電機の低速回転時及び高速回転時に負荷に供給し得る電力を増大させることができる。
【００７４】
上記休止相切替時間が短すぎると、バッテリ４及び負荷６に供給し得る電流が不足するおそれが生じるが、休止相切替時間をある程度以上長く設定しておけば、バッテリ４及び負荷６に供給し得る電流が不足する事態が生じるのを防ぐことができる。図１２は、休止相切替時間とバッテリ充電電流との関係を示したものである。同図より、休止相切替時間を０．１０［sec］以上とすれば、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を切り替えながら単相中性点整流モードでバッテリの充電を行なわせても、充電電流が不足する事態が生じるおそれがないことが分かる。
【００７５】
休止相切替時間を長くすれば、バッテリ及び負荷に供給し得る出力が低下するおそれをなくすことができるが、休止期間切替時間を長くし過ぎると、特定の相の発電コイルの温度(巻線温度）が過度に上昇するおそれが生じる。図１３は、休止相切替時間を種々変化させて巻線温度を測定する実験を繰り返し行なった結果を示したもので、曲線ａ及びｂはそれぞれ交流発電機の回転速度を３０００ｒｐｍとして、休止相切替時間を種々変化させながら特定の相の巻線温度を計測する実験を繰り返し行なった際に計測された巻線温度の最小値及び最大値であり、曲線ｃおよびｄはそれぞれ、交流発電機の回転速度を５０００ｒｐｍとして、休止相切替時間を種々変化させながら特定の相の巻線温度を計測する実験を繰り返し行なった際に計測された巻線温度の最小値及び最大値である。図１３から、休止相切替時間を約２．０［ｓｅｃ］以下とすれば、特定の相の発電コイルの温度が過度に上昇するおそれがないことが分かる。図１２及び図１３から、休止相切替時間を０．１〜２．０［ｓｅｃ］の範囲に設定しておけば、特定の相の巻線温度を上昇させることなく、交流発電機の回転速度が設定速度を超える領域での充電出力を増大させることができることが分かる。
【００７６】
マイクロプロセッサ３０４は、基本的には、上記のように回転速度検出手段３Ａと制御部３Ｂとを構成するようにプログラムされるが、本実施形態では、マイクロプロセッサ３０４が更に、過電圧判定手段３Ｃと、過電圧保護手段３Ｄと、運転状態判定手段３Ｅと、出力電圧設定値切替手段３Ｆとを構成するようにプログラムされている。
【００７７】
バッテリ４が劣化していて、その内部インピーダンスが高くなっていると、バッテリ４に充電電流を供給したときにバッテリ４の両端の電圧が過度に上昇して制御ユニットを破損するおそれがある。本実施形態では、バッテリ４の両端の電圧が過度に上昇するのを防ぐため、過電圧判定手段３Ｃと、過電圧保護手段３Ｄとを設けている。
【００７８】
過電圧判定手段３Ｃは、出力電圧Ｖｂが許容上限値以下であるか該許容上限値を超えているかを判定する手段で、出力電圧検出回路３０２により検出された出力電圧を、設定された許容上限値と比較することにより、出力電圧Ｖｂが許容上限値以下であるか該許容上限値を超えているかを判定する。出力電圧の許容上限値は例えば１８［Ｖ］に設定する。
【００７９】
過電圧保護手段３Ｄは、過電圧判定手段３Ｃにより出力電圧Ｖｂが許容上限値以下であると判定されているときに三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのトリガを許容してバッテリ４の充電を許容し、過電圧判定手段３Ｃにより出力電圧Ｖｂが許容上限値を超えていると判定されたときに三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚのトリガを停止してバッテリ４の充電を禁止するように構成されている。
【００８０】
また運転状態判定手段３Ｅは、回転速度検出手段３Ａにより検出される交流発電機１の回転速度(エンジンの回転速度）の変化からエンジンの運転状態を判定する手段であり、出力電圧設定値切替手段３Ｆは、運転状態判定手段３Ｅにより判定されたエンジンの運転状態に応じて出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を切り替える手段である。
【００８１】
なお出力電圧Ｖｂを、上限値と下限値とにより規定される調整範囲内に保つように制御する場合には、出力電圧設定値切替手段３Ｆを、運転状態判定手段３Ｅにより判定されたエンジンの運転状態に応じて出力電圧Ｖｂの調整範囲の上限値を切り替えるように構成される。
【００８２】
運転状態判定手段３Ｅは、例えば、回転速度検出手段３Ａにより検出される交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で低下していくときにエンジンの運転状態が減速状態にあると判定するように構成される。運転状態判定手段３Ｅがこのように構成される場合、出力電圧設定値切替手段３Ｆは、運転状態判定手段３Ｅによりエンジンの運転状態が減速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、エンジンの運転状態が減速状態以外の状態にあるときの値よりも大きい値に切り替えるように構成される。このように出力電圧の設定値を切り換えると、エンジンが減速されているときに交流発電機からバッテリに充電電流が供給される期間を長くしてエンジンの負荷を重くすることができるため、エンジンの減速を助けることができる。
【００８３】
運転状態判定手段３Ｅはまた、回転速度検出手段３Ａにより検出される交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で上昇していくときに、エンジンの運転状態が加速状態にあると判定するように構成することもできる。この場合、出力電圧設定値切替手段３Ｆは、運転状態判定手段によりエンジンの運転状態が加速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、運転状態が加速状態以外の状態にあるときの値よりも小さい値に切り替えるように構成される。このように出力電圧の設定値を切り換えると、エンジンが加速されているときに交流発電機からバッテリに充電電流が供給される期間を短くしてエンジンの負荷を軽くすることができるため、エンジンの加速を助けることができる。
【００８４】
エンジンの運転状態が減速状態であると判定されたとき及び加速状態であると判定されたときの出力電圧の設定値は適宜に設定することができるが、本実施形態においては、エンジンの運転状態が減速状態でも加速状態でもない通常状態にあるときに出力電圧（定格値１２［Ｖ］）の設定値を１４［Ｖ］とし、エンジンの運転状態が減速状態であると判定されたときに出力電圧の設定値を１４［Ｖ］から１８［Ｖ］に切り換える。またエンジンの運転状態が加速状態であると判定されたときに、出力電圧の設定値を１４［Ｖ］から１０［Ｖ］に切り換える。
【００８５】
またエンジンの運転状態が減速状態にある状態と、加速状態にある状態との双方を判定するように、運転状態判定手段３Ｅを構成して、運転状態判定手段３Ｅによりエンジンの運転状態が減速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、エンジンの運転状態が減速状態以外の状態にあるときの値よりも大きい値に切り替え、運転状態判定手段３Ｅによりエンジンの運転状態が加速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値（又は出力電圧の調整範囲の上限値）を、運転状態が加速状態以外の状態にあるときの値よりも小さい値に切り替えるように、出力電圧設定値切替手段を構成してもよい。
【００８６】
上記制御部３Ｂは、三相の上段サイリスタＳｕ，Ｓｖ，Ｓｗをそれぞれトリガするタイミングで三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′，ｇｖ′及びｇｗ′を発生し、三相の下段サイリスタＳｘ，Ｓｙ，Ｓｚをそれぞれトリガするタイミングで三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′，ｇｙ′及びｇｚ′を発生し、中性点サイリスタＳｎをトリガするタイミングで中性点サイリスタトリガ指令ｇｎ′を発生するように構成される。
【００８７】
この場合、三相上段サイリスタトリガ回路３０５は、制御部３Ｂが三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′，ｇｖ′及びｇｗ′を発生したときに三相の上段サイリスタＳｕ，Ｓｖ及びＳｗにそれぞれトリガ信号ｇｕ，ｇｖ及びｇｗを供給するように構成され、三相下段サイリスタトリガ回路３０６は、制御部３Ｂが三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′，ｇｙ′及びｇｚ′を発生したときに三相の下段サイリスタＳｘ、Ｓｙ及びＳｚにそれぞれトリガ信号ｇｘ，ｇｙ及びｇｚを供給するように構成される。また中性点サイリスタトリガ回路３０７は、制御部３Ｂが中性点サイリスタトリガ指令ｇｎ′を発生したときに中性点サイリスタＳｎにトリガ信号ｇｎを供給するように構成される。
【００８８】
本実施形態で用いる三相上段サイリスタトリガ回路３０５は、制御部３Ｂが三相の上段サイリスタトリガ指令ｇｕ′，ｇｖ′及びｇｗ′を発生したときに交流発電機の三相の交流出力端子１ｕ〜１ｗ側から三相の上段サイリスタＳｕ〜Ｓｗにそれぞれトリガ信号ｇｕ〜ｇｗを供給するように構成される。
【００８９】
また三相下段サイリスタトリガ回路３０６は、制御部３Ｂが三相の下段サイリスタトリガ指令ｇｘ′，ｇｙ′及びｇｚ′を発生したときにバッテリ４を電源として三相の下段サイリスタＳｘ〜Ｓｚにそれぞれトリガ信号を供給するように構成され、中性点サイリスタトリガ回路３０７は、制御部３Ｂが中性点サイリスタトリガ指令を発生したときにバッテリ４を電源として中性点サイリスタＳｎにトリガ信号を供給するように構成される。
【００９０】
図２に示した回転速度検出手段３Ａ、制御部３Ｂ、過電圧判定手段３Ｃ、過電圧保護手段３Ｄ、運転状態判定手段３Ｅ及び出力電圧設定値切替手段３Ｆを構成するためにマイクロプロセッサ３０４に実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示すフローチャートを図１４ないし図１８に示した。
【００９１】
図１４はマイクロプロセッサ３０４が実行するプログラムのメインルーチンを示したものである。マイクロプロセッサ３０４の電源が投入されたときに先ず図１４のステップＳ１０１で各部の初期化を行なう。次いでステップＳ１０２でインターバルタイマをセットして割込みを許可した後、ステップＳ１０３に進んでインターバルタイマによる割込みタイミングが到来するのを待つ。ステップＳ１０３でインターバルタイマによる割込みタイミングであると判定されたときにステップＳ１０４に進んで、出力電圧検出回路３０２が検出している出力電圧を読み込み、ステップＳ１０５で図１５に示す過電圧判定処理を行なう。過電圧判定処理を行なった後、ステップＳ１０６で図１６に示した回転速度演算用データ計測処理を行なって、計測されたデータから交流発電機の回転速度を演算する。回転速度を演算した後、ステップＳ１０７で図１７に示した運転状態判定処理を行なって、エンジンの運転状態が通常状態であるか、減速状態であるか、加速状態であるかを判定する。次いでステップＳ１０８で図１８に示す出力制御処理を行なった後、ステップＳ１０３に戻る。
【００９２】
図１５に示した過電圧判定処理では、先ずステップＳ２０１で出力電圧を許容上限値と比較し、出力電圧が許容上限値以下であるときにステップＳ２０２で出力電圧が通常状態にあると判定する。また出力電圧が許容上限値を超えているときに、ステップＳ２０３で、出力電圧が過電圧状態であると判定する。図１５の過電圧判定処理により過電圧判定手段３Ｃが構成される。
【００９３】
図１６の回転速度演算用データ計測処理は、波形整形回路３０３が出力するＵ相の矩形波信号ないしＷ相の矩形波信号のそれぞれの立ち上がりが認識される毎に実行される。図１６の回転速度演算用データ計測処理では、ステップＳ３０１で、波形整形回路３０３が出力するＵ相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間を算定する。交流発電機の各相の誘起電圧の正の半波の期間高レベルを示し、負の半波の期間零レベルを示す矩形波信号を発生するように波形整形回路３０３が構成されている場合、この時間の算定は例えば、各矩形波信号の立ち上がりを認識したときにフリーランニングタイマの計測値を読み取って記憶しておくようにしておいて、今回Ｕ相の矩形波信号の立ち上がりを認識した時に読み取ったタイマの計測値から、前回Ｕ相の矩形波信号の立ち上がりを認識した時に読み取ったタイマの計測値を減算することにより行なう。次いでステップＳ３０２で算定した時間をエンジンのクランク軸の１回転に相当する時間（クランク軸が１回転するのに要した時間）に変換して、この１回転に相当する時間を、Ｕ相の回転速度演算用データとしてメモリに記憶させる。
【００９４】
同様にして、波形整形回路３０３が出力するＶ相の矩形波信号の立ち上がりが認識される毎に、Ｖ相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間をエンジンのクランク軸の１回転に相当する時間に変換して、この１回転に相当する時間を、Ｖ相の回転速度演算用データとしてメモリに記憶させる回転速度演算用データ計測処理を実行し、Ｗ相の矩形波信号の立ち上がりが認識される毎に、Ｗ相の矩形波信号が前回入力されてから今回入力されるまでの時間をエンジンのクランク軸の１回転に相当する時間に変換して、この１回転に相当する時間を、Ｗ相の回転速度演算用データとしてメモリに記憶させる回転速度演算用データ計測処理を実行する。
【００９５】
図１４に示したメインルーチンのステップＳ１０６では、図１６の回転速度演算用データ計測処理で求められたＵ相ないしＷ相の回転速度演算用データのそれぞれから交流発電機（エンジン）の回転速度の瞬時値を演算する。図１６の回転速度演算用データ計測処理と、図１４に示したメインルーチンのステップＳ１０６で行なわれる回転速度の演算過程とにより、回転速度検出手段３Ａが構成される。
【００９６】
図１７に示された処理は、エンジンの運転状態を判定して、その判定結果に基づいて出力電圧の設定値を切替える運転状態判定処理で、図１４のステップＳ１０６の回転速度検出処理が終了する毎に実行される。この処理では、Ｕ，Ｖ，Ｗ三相のうちの何れか一相の回転速度演算用データに基づいて演算された交流発電機の回転速度、または、三相の回転速度演算用データに基づいて演算された交流発電機の平均回転速度を判定用速度データとして用いて、交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で低下していくときにエンジンの運転状態が減速状態であると判定し、エンジンの運転状態が減速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値を、通常時の値よりも大きい値に切り替える。また交流発電機の回転速度が設定された変化率以上の割合で上昇していくときにエンジンの運転状態が加速状態であると判定し、エンジンの運転状態が加速状態にあると判定されたときに、出力電圧の設定値を、通常時の値よりも小さい値に切り替える。
【００９７】
図１７の処理では、先ずステップＳ４０１で、前回算出された回転速度と今回算出された回転速度との差を回転速度変化率（図１７の処理の前回の実行タイミングから今回の実行タイミングまでの時間当たりの回転速度の変化量）ΔＲＰＭとして演算し、ステップＳ４０２で回転速度変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以上であるか否かの判定（加速判定）を行なう。その結果、変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以上でないと判定されたときには、ステップＳ４０３に進んで変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以下であるか否かの判定（減速判定）を行なう。ステップＳ４０３で変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以下でないと判定されたときには、ステップＳ４０４に進んでエンジンの運転状態が通常運転状態であると判定し、出力電圧の設定値を通常時設定値としてこの処理を終了する。
【００９８】
ステップＳ４０３で変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以下であると判定されたときには、ステップＳ４０５に進んでエンジンの運転状態を減速状態とし、出力電圧の設定値を通常時設定値よりも大きい減速時設定値としてこの処理を終了する。
【００９９】
ステップＳ４０２で変化率ΔＲＰＭが設定された変化率以上であると判定されたときには、ステップＳ４０６に進んでエンジンの運転状態を加速状態とし、出力電圧の設定値を通常時設定値よりも小さい加速時設定値としてこの処理を終了する。
【０１００】
図１７のステップＳ４０１ないしＳ４０３により、運転状態判定手段３Ｅが構成され、ステップＳ４０４ないしＳ４０６により、出力電圧設定値切替手段３Ｆが構成される。
【０１０１】
図１８の出力制御処理は、図１４のメインルーチンの運転状態判定処理が行なわれた後に行なわれる。図１８の出力制御処理では、先ずステップＳ５０１で現在設定されている整流モードが三相整流モードであるか否かを判定する。その結果、三相整流モードでないと判定された場合には、ステップＳ５０２に進んで交流発電機の回転速度を設定速度と比較して、回転速度が設定速度以下のときに整流モードを三相整流モードとする整流モード判定過程を行なう。その結果、回転速度が設定速度以下であると判定されたときにステップ５０３で整流モードを三相整流モードに設定する。ステップＳ５０２で回転速度が設定速度を超えていると判定されたときには、後記するステップＳ５０６に移行する。
【０１０２】
ステップＳ５０１でセットされている整流モードが三相整流モードであると判定されたときには、ステップＳ５０４に進んで、回転速度を設定速度と比較して、回転速度が設定速度を超えているときに整流モードを単相中性点整流モードとする整流モード判定過程を行なう。この判定の結果、回転速度が設定速度を超えていると判定されたときにステップＳ５０５で整流モードを単相中性点整流モードに設定してステップＳ５０６に移行する。
【０１０３】
ステップＳ５０６では、図１５の判定処理で、出力電圧が過電圧状態（本実施形態では１８［Ｖ］を超える状態）であると判定されたか否かを判定し、出力電圧が過電圧状態であるとの判定がなされていないときにステップＳ５０７に進んで出力電圧が設定値を超えているか否かを判定する。その結果、出力電圧が設定値以下であると判定されたときには、ステップＳ５０８に進んで、整流モードが三相整流モードに設定されているか否かを判定する。
【０１０４】
ステップＳ５０８で整流モードが三相整流モードに設定されていると判定されたときには、ステップＳ５０９に進んで、中性点サイリスタＳｎのトリガを停止する処理と、ＵＶＷ三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタに同時にトリガ信号を与える処理とを行なって、三相整流モードでの充電を行なわせる。
【０１０５】
ステップＳ５０８で整流モードが三相整流モードには設定されていないと判定されたときには、ステップＳ５１０に進む。ステップＳ５１０では、中性点サイリスタＳｎにトリガ信号を与えて該サイリスタＳｎをオン状態にする処理と、三相の上下段サイリスタの内の一相の上下段サイリスタをオフ状態にして該一相の発電コイルを通しての通電を休止する処理と、他の二相の上下段サイリスタに同時にトリガ信号を与えてこれらのサイリスタをオン状態にする処理とを行なって、二相の発電コイルから制御整流回路を通してバッテリに充電電流を供給するとともに、交流発電機の中性点から制御整流回路を通してバッテリに充電電流を供給する、単相中性点整流モードでの充電を行なう。この場合、図１９に示した単相中性点整流モード時相切替え処理により、通電を休止する相を一定時間毎に切り替える。
【０１０６】
ステップＳ５０６で出力電圧が過電圧状態にあると判定されたとき、及びステップＳ５０７で出力電圧が設定値を超えていると判定されたときには、ステップＳ５１１に進んで、中性点サイリスタのトリガを停止して中性点サイリスタをオフ状態にする処理と、ＵＶＷ三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止して全相の上下段サイリスタをオフ状態にすることにより全相の出力を停止する処理とを行なって、交流発電機からバッテリへの充電電流の供給を停止する。
【０１０７】
図１８の出力制御処理のステップＳ５０６とステップＳ５１１とにより過電圧保護手段３Ｄが構成され、図１８の処理のステップＳ５０６を除く部分により制御部３Ｂが構成される。
【０１０８】
図１９に示した単相中性点整流モード時相切替え処理では、ステップＳ６０１で相切替え用タイマをインクリメントし、ステップＳ６０２で相切替え用タイマが計測している時間が設定時間以上であるか否かを判定する。その結果、相切替え用タイマが計測している時間が設定時間以上でないと判定された場合には、以後何もしないでこの処理を終了する。ステップＳ６０２で相切替え用タイマが計測している時間が設定時間以上であると判定されたときには、ステップＳ６０３で相切替え用タイマをクリアした後、ステップＳ６０４に進んで通電を休止する相を切り替える処理を行う。ステップＳ６０４の処理では、通電を休止している相（図ではＯＦＦ相と表現している。）がＵ相である場合に通電を休止する相をＶ相に切り替え、通電を休止している相がＶ相である場合には、通電を休止する相をＷ相に切り替える。また通電を休止している相がＷ相である場合には、通電を休止する相をＵ相に切り替える。単相中性点整流モード時の、Ｕ相の上下段サイリスタ、Ｖ相の上下段サイリスタ、Ｗ相の上下段サイリスタ及び中性点サイリスタのオンオフ動作を示すタイムチャートを図２０（Ａ）ないし（Ｄ）に示した。
【０１０９】
上記の実施形態では、一つの制御整流回路を、交流発電機の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と、交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと中性点端子との間に得られる交流電圧と選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路として使い分けるようにしたが、図３に示したように、第１の制御整流回路及び第２の制御整流回路をそれぞれ独立した回路とすることも可能である。
【０１１０】
図３に示した例では、Ｕ相ないしＷ相の上段ダイオードＤｕ′ないしＤｗ′と、Ｕ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘ′ないしＳｚ′とにより第１の制御整流回路２Ａが構成され、中性点ダイオードＤｎと、Ｕ相ないしＷ相の上段サイリスタＳｕないしＳｗと、中性点サイリスタＳｎと、Ｕ相ないしＷ相の下段サイリスタＳｘないしＳｗとにより第２の制御整流回路２Ｂが構成されている。また回転速度検出手段３Ａにより検出された交流発電機の回転速度が設定速度以下のときに第１の制御整流回路２Ａの出力を選択して負荷６′に与え、検出された回転速度が設定速度を超えているときに第２の制御整流回路２Ｂの出力を選択して負荷６′に与える出力選択スイッチＳＷが設けられている。出力選択スイッチＳＷは、オンオフ制御が可能な半導体スイッチ素子を用いて構成する。前記の実施形態と同様に交流発電機１の三相の交流出力電圧が波形整形回路３０３により矩形波信号に変換され、回転速度検出手段３Ａが波形整形回路３０３から得られる矩形波信号から交流発電機の回転速度を検出する。負荷６′には、バッテリと該バッテリの両端に接続される負荷とが含まれる。
【０１１１】
図３に示した例では、第１の制御整流回路２Ａと、第２の制御整流回路２Ｂと、選択スイッチＳＷとを制御するために、制御部３Ｂ′が設けられている。制御部３Ｂ′は、回転速度検出手段３Ａにより検出される回転速度が設定速度以下のときに、第１の制御整流回路２Ａの出力を選択して負荷６′に供給するように出力選択スイッチＳＷを制御すると共に、出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧を設定値以下に保つように、第１の制御整流回路２Ａの三相の下段サイリスタＳｕないしＳｗにトリガ信号を供給して、第１の制御整流回路２Ａから負荷６′に電力を供給する。
【０１１２】
制御部３Ｂ′はまた、回転速度検出手段３Ａにより検出される回転速度が設定速度を超えているときに、第２の制御整流回路２Ｂの出力を選択して負荷６′に供給するように出力選択スイッチＳＷを制御すると共に、中性点サイリスタＳｎを常時トリガし、三相の上段サイリスタＳｕないしＳｗ及び三相の下段サイリスタＳｘないしＳｚの内の一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態で、出力電圧検出回路３０２により検出される出力電圧を設定値以下に保つように、他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給して、第２の制御整流回路２Ｂから負荷６′に電力を供給する。この場合も、上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定時間毎に切り替えるようにするのが好ましい。
【０１１３】
図３に示した実施形態においても、回転速度検出手段３Ａ及び制御部３Ｂ′は、マイクロプロセッサにより構成される。図３には図示してないが、本実施形態においても、図１に示した制御用電源回路３０１と同様の制御用電源回路が設けられて、この制御用電源回路から回転速度検出手段３Ａ及び制御部３Ｂ′を構成するマイクロプロセッサに電源電圧が供給される。図３に示した例では、図示しない制御用電源回路と、出力電圧検出回路３０２と、波形整形回路３０３と、回転速度検出手段３Ａ及び制御部３Ｂ′を構成するマイクロプロセッサとにより、第１及び第２の制御整流回路２Ａ及び２Ｂと、出力選択スイッチＳＷとを制御する制御ユニット３′が構成されている。
【０１１４】
上記の実施形態のように、回転速度が設定速度以下のときに負荷に電力を供給する第１の制御整流回路と、回転速度が設定速度を超えているときに負荷に電力を供給する第２の制御整流回路とを別々に設けると、制御整流回路を構成する半導体素子にかかる負担を軽減することができるため、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。
【０１１５】
図３に示した例において、出力選択スイッチＳＷを省略して、第１の制御整流回路２Ａの正極側直流出力端子と第２の制御整流回路の正極側直流出力端子とを直結するとともに、第１の制御整流回路のダイオードＤｕ′ないしＤｗ′を三相の上段サイリスタで置き換えた構成とすることもできる。この場合は、交流発電機の回転速度が設定速度以下のときに第１の制御整流回路の三相の上段サイリスタと下段サイリスタとをトリガして負荷に電力を供給し、交流発電機の回転速度が設定速度を超えているときには、第１の制御整流回路の三相の上段サイリスタ及び三相の下段サイリスタをすべてオフ状態に保った状態で、第２の制御整流回路２Ｂを前述のように制御して第２の制御整流回路２Ｂから負荷に電力を供給するようにする。
【０１１６】
第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを別々に設ける場合に、第２の制御整流回路２Ｂにおいて、発電コイルを負荷から切り離す相を固定する場合には、発電コイルを負荷から切り離す相の上段サイリスタ及び下段サイリスタを省略することができる。例えば図３において、回転速度が設定速度を超える領域で常にＷ相の発電コイルを負荷の駆動に用いないようにする場合には、サイリスタＳｗ及びＳｚを省略することができる。この場合、負荷の駆動に用いないＷ相の発電コイルの非中性点側の端子は第２の制御整流回路２Ｂに接続されない。
【０１１７】
上記の各実施形態においては、交流発電機の中性点端子１ｎを正極側直流出力端子２ａに接続する素子としてダイオードＤｎを用いたが、交流発電機の中性点端子１ｎを正極側直流出力端子２ａに接続する素子は、中性点接続端子１ａと正極側直流出力端子２ａとの間に設けられて中性点接続端子１ａの電位が正極側直流出力端子２ａの電位よりも高いときに導通する通電素子であればよい。例えば、上記の各実施形態において、ダイオードＤｎを、交流発電機１の中性点ｎ側から負荷に電力を供給する際にオン状態にされるサイリスタ等のスイッチ素子で置き換えて、このスイッチ素子を中性点端子と正極側直流出力端子との間に設ける通電素子としてもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
星形結線された三相の発電コイルのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子が導出されるとともに中性点から中性点端子が導出されて、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記交流発電機の出力から前記交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記交流発電機の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と、
前記交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと前記中性点端子との間に得られる交流電圧と前記選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路と、
前記回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度以下のときには前記第１の制御整流回路の出力を前記負荷に供給し、検出された回転速度が設定速度を超えているときには前記第２の制御整流回路の出力を前記負荷に供給するように前記第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを制御する制御部と、
を備えた電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
星形結線された三相の発電コイルのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子が導出されるとともに中性点から中性点端子が導出されて、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記交流発電機の三相の交流出力端子にそれぞれ接続される三相の交流入力端子と、前記交流発電機の中性点端子に接続される中性点接続端子と、負荷の一端及び他端にそれぞれ接続される正極側直流出力端子及び負極側直流出力端子と、前記三相の交流入力端子を通して入力される交流発電機の三相交流出力を全波整流して前記両直流出力端子から出力するフルブリッジ型三相全波制御整流回路のブリッジ回路の上段及び下段をそれぞれ構成する三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタと、前記中性点接続端子と前記正極側直流出力端子との間に設けられて前記中性点接続端子の電位が正極側直流出力端子の電位よりも高いときに導通する通電素子と、前記中性点接続端子にカソードが接続され前記負極側直流出力端子にアノードが接続された中性点サイリスタとを備えた制御整流回路と、
前記交流発電機の出力から前記交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段により検出される回転速度が設定速度以下のときに、前記中性点サイリスタのトリガを停止した状態で、前記制御整流回路から負荷に電力を供給するべく前記三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給し、前記回転速度検出手段により検出される回転速度が前記設定速度を超えているときには、前記中性点サイリスタを常時トリガし、前記三相の内の一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態で、前記制御整流回路から負荷に電力を供給するべく他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給する制御部と、
を具備したことを特徴とする電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記回転速度検出手段により検出された回転速度が前記設定速度を超えているときに、前記上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定時間毎に切り替えるように構成されている請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
アノードが前記正極側直流出力端子側に向けられた逆流阻止用ダイオードを通して前記出力電圧が印加された入力側キャパシタと、前記入力側キャパシタの両端の電圧を一定の制御用電源電圧に変換して出力側キャパシタの両端に印加するレギュレータとを備えた制御用電源回路と、
前記交流発電機の三相の交流出力を矩形波信号に波形整形する波形整形回路と、
前記逆流阻止用ダイオードのカソード側で検出した前記制御用電源回路の入力側キャパシタの両端の電圧を分圧して得た電圧から前記制御整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記制御用電源回路の出力側キャパシタの両端に得られる制御用電源電圧を電源電圧として動作するように設けられて、前記回転速度検出手段と制御部とを構成するようにプログラムされたマイクロプロセッサと、
を更に備え、
前記回転速度検出手段は、前記波形整形回路が電気角で１２０度の角度間隔で順次発生する矩形波信号の発生間隔から前記交流発電機の回転速度を演算するように構成され、
前記制御部は、前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧を設定値以下に保つべく、前記制御整流回路の上段サイリスタと下段サイリスタとを制御するように構成されていること、
を特徴とする請求項３又は４に記載の電源装置。
【請求項６】
前記交流発電機は回転子の界磁が永久磁石により構成された磁石式交流発電機からなっている請求項１ないし５の何れかに記載の電源装置。
【請求項１】
星形結線された三相の発電コイルのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子が導出されるとともに中性点から中性点端子が導出されて、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記交流発電機の出力から前記交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記交流発電機の三相の交流出力端子から得られる三相交流電圧を全波整流する第１の制御整流回路と、
前記交流発電機の三相の交流出力端子の中から選択された二相の交流出力端子のそれぞれと前記中性点端子との間に得られる交流電圧と前記選択された二相の交流出力端子間に得られる交流電圧とを全波整流する第２の制御整流回路と、
前記回転速度検出手段により検出された回転速度が設定速度以下のときには前記第１の制御整流回路の出力を前記負荷に供給し、検出された回転速度が設定速度を超えているときには前記第２の制御整流回路の出力を前記負荷に供給するように前記第１の制御整流回路と第２の制御整流回路とを制御する制御部と、
を備えた電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、検出された回転速度が設定速度を超えているときに選択する二相の交流出力端子を一定時間毎に切り換えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
星形結線された三相の発電コイルのそれぞれの非中性点側の端子から三相の交流出力端子が導出されるとともに中性点から中性点端子が導出されて、エンジンにより駆動される交流発電機を電源として負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記交流発電機の三相の交流出力端子にそれぞれ接続される三相の交流入力端子と、前記交流発電機の中性点端子に接続される中性点接続端子と、負荷の一端及び他端にそれぞれ接続される正極側直流出力端子及び負極側直流出力端子と、前記三相の交流入力端子を通して入力される交流発電機の三相交流出力を全波整流して前記両直流出力端子から出力するフルブリッジ型三相全波制御整流回路のブリッジ回路の上段及び下段をそれぞれ構成する三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタと、前記中性点接続端子と前記正極側直流出力端子との間に設けられて前記中性点接続端子の電位が正極側直流出力端子の電位よりも高いときに導通する通電素子と、前記中性点接続端子にカソードが接続され前記負極側直流出力端子にアノードが接続された中性点サイリスタとを備えた制御整流回路と、
前記交流発電機の出力から前記交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段により検出される回転速度が設定速度以下のときに、前記中性点サイリスタのトリガを停止した状態で、前記制御整流回路から負荷に電力を供給するべく前記三相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給し、前記回転速度検出手段により検出される回転速度が前記設定速度を超えているときには、前記中性点サイリスタを常時トリガし、前記三相の内の一相の上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止した状態で、前記制御整流回路から負荷に電力を供給するべく他の二相の上段サイリスタ及び下段サイリスタにトリガ信号を供給する制御部と、
を具備したことを特徴とする電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記回転速度検出手段により検出された回転速度が前記設定速度を超えているときに、前記上段サイリスタ及び下段サイリスタのトリガを停止する相を一定時間毎に切り替えるように構成されている請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
アノードが前記正極側直流出力端子側に向けられた逆流阻止用ダイオードを通して前記出力電圧が印加された入力側キャパシタと、前記入力側キャパシタの両端の電圧を一定の制御用電源電圧に変換して出力側キャパシタの両端に印加するレギュレータとを備えた制御用電源回路と、
前記交流発電機の三相の交流出力を矩形波信号に波形整形する波形整形回路と、
前記逆流阻止用ダイオードのカソード側で検出した前記制御用電源回路の入力側キャパシタの両端の電圧を分圧して得た電圧から前記制御整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記制御用電源回路の出力側キャパシタの両端に得られる制御用電源電圧を電源電圧として動作するように設けられて、前記回転速度検出手段と制御部とを構成するようにプログラムされたマイクロプロセッサと、
を更に備え、
前記回転速度検出手段は、前記波形整形回路が電気角で１２０度の角度間隔で順次発生する矩形波信号の発生間隔から前記交流発電機の回転速度を演算するように構成され、
前記制御部は、前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧を設定値以下に保つべく、前記制御整流回路の上段サイリスタと下段サイリスタとを制御するように構成されていること、
を特徴とする請求項３又は４に記載の電源装置。
【請求項６】
前記交流発電機は回転子の界磁が永久磁石により構成された磁石式交流発電機からなっている請求項１ないし５の何れかに記載の電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−５１８４９（Ｐ２０１３−５１８４９Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８９２９０（Ｐ２０１１−１８９２９０）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００１３４０）国産電機株式会社 (191)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００１３４０）国産電機株式会社 (191)
【Ｆターム（参考）】
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