电容器补偿式发电机.pdf

本发明提供一种可使所输出的交流电力的电压或频率恒定的电容器补偿式发电机。在该电容器补偿式发电机中，检测发动机转速NE(S20)，检测从输出绕组输出的交流电力的电压(824)，按照由恒定电压运转模式和恒定频率运转模式构成的运转模式中的任一种模式驱动自由变更发动机转速(NE)的致动器(节流阀马达)(S10至S18，S22，S26)，该恒定电压运转模式将检测出的转速(NE)控制为目标转速，以使检测出的输出电压成为目标电压，该恒定频率运转模式将检测出的转速(NE)控制为规定转速(目标转速。50Hz或60Hz)，以使从输出绕组输出的交流电力的频率成为目标频率。

1.  一种电容器补偿式发电机，该电容器补偿式发电机包括：转子，其被卷绕有利用二极管来短路的磁场绕组；定子，其被卷绕有输出绕组和励磁绕组，该输出绕组与从所述转子产生的磁通交链来产生交流电力，该励磁绕组相对于所述输出绕组以规定的相位角配置，利用进相电容器来短路；以及内燃机，其使所述转子相对于所述定子旋转，该电容器补偿式发电机的特征在于，该电容器补偿式发电机具有：转速检测单元，其检测所述内燃机的转速；输出电压检测单元，其检测从所述输出绕组输出的交流电力的电压；致动器，其自由变更所述内燃机的转速；以及致动器驱动单元，其按照由恒定电压运转模式和恒定频率运转模式构成的运转模式中的任一种模式驱动所述致动器，该恒定电压运转模式将所述检测出的转速控制为目标转速，以使所述检测出的输出电压成为目标电压，该恒定频率运转模式将所述检测出的转速控制为规定转速，以使从所述输出绕组输出的交流电力的频率成为目标频率。

2.  根据权利要求1所述的电容器补偿式发电机，其特征在于，该电容器补偿式发电机具有运转模式选择开关，该运转模式选择开关通过用户的操作选择所述恒定电压运转模式和恒定频率运转模式中的任一种模式，并且所述致动器驱动单元按照由用户经由所述运转模式选择开关选择的运转模式来驱动所述致动器。

3.  根据权利要求2所述的电容器补偿式发电机，其特征在于，所述恒定电压运转模式中的所述目标电压是由用户所设定的值，并且在选择了所述恒定电压运转模式时，所述致动器驱动单元计算所述目标转速，以使所述检测出的输出电压收敛于所述目标电压。

4.  根据权利要求2或3所述的电容器补偿式发电机，其特征在于，所述恒定频率运转模式中的规定转速是根据目标频率而设定的固定值，并且在选择了所述恒定频率运转模式时，所述致动器驱动单元将所述检测出的转速控制为所述固定值。

电容器补偿式发电机
技术领域
本发明涉及电容器补偿式发电机。
背景技术
如下的电容器补偿式发电机是被广泛公知的，该电容器补偿式发电机包括：转子，其被卷绕有利用二极管来短路的磁场绕组；定子，其被卷绕有输出绕组和励磁绕组，该输出绕组通过与由所述转子产生的磁通交链来产生交流电力，该励磁绕组相对于输出绕组以规定的相位角配置，利用进相电容器来短路；以及内燃机，其使所述转子和所述定子相对旋转，作为该电容器补偿式发电机的例子，可列举专利文献1记载的技术。该发电机本来是无刷单相同步发电机，取设计者的名字也称为野中式发电机。
在该发电机中，通过进相电容器而超前了90度相位的电流流过励磁绕组，利用二极管对由于电枢反作用而在磁场绕组中产生的磁场电流进行整流，将通过内燃机而旋转的转子(磁场)直流磁化成NS极来产生旋转磁场。卷绕在定子上的输出绕组与由转子的旋转磁场产生的磁通交链来产生交流电力。
【专利文献1】日本特开昭63-227960号公报
该电容器补偿式发电机由于不需要电刷、滑环(slip ring)等，结构简单，因而价格低廉而得到广泛普及，然而存在如下的不利情况，即：输出电压伴随内燃机转速的上升而上升，并随着负荷的增减而变动，因而输出电压不稳定。并且，期望的是对于特定的负荷频率恒定，然而上述电容器补偿式发电机难以充分满足该条件。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述课题，提供一种输出的交流电力的电压或频率恒定的电容器补偿式发电机。
为了解决上述课题，在发明1中，一种电容器补偿式发电机，该电容器补偿式发电机包括：转子，其被卷绕有利用二极管来短路的磁场绕组；定子，其被卷绕有输出绕组和励磁绕组，该输出绕组与由所述转子产生的磁通交链来产生交流电力，该励磁绕组相对于所述输出绕组以规定的相位角配置，利用进相电容器来短路；以及内燃机，其使所述转子相对于所述定子旋转，该电容器补偿式发电机构成为具有：转速检测单元，其检测所述内燃机的转速；输出电压检测单元，其检测从所述输出绕组输出的交流电力的电压；致动器，其自由变更所述内燃机的转速；以及致动器驱动单元，其按照由恒定电压运转模式和恒定频率运转模式构成的运转模式中的任一种模式驱动所述致动器，该恒定电压运转模式将所述检测出的转速控制为目标转速，以使所述检测出的输出电压成为目标电压，该恒定频率运转模式将所述检测出的转速控制为规定转速，以使从所述输出绕组输出的交流电力的频率成为目标频率。
在发明2的电容器补偿式发电机中，构成为该电容器补偿式发电机具有运转模式选择开关，该运转模式选择开关通过用户的操作选择所述恒定电压运转模式和恒定频率运转模式中的任一种模式，并且所述致动器驱动单元按照由用户经由所述运转模式选择开关所选择的运转模式来驱动所述致动器。
在发明3的电容器补偿式发电机中，构成为所述恒定电压运转模式中的所述目标电压是由用户所设定的值，并且在选择了所述恒定电压运转模式时，所述致动器驱动单元计算所述目标转速，以使所述检测出的输出电压收敛于所述目标电压。
在发明4的电容器补偿式发电机中，构成为所述恒定频率运转模式中的所述转速是根据目标频率而设定的固定值，并且在选择了所述恒定频率运转模式时，所述致动器驱动单元将所述检测出的转速控制为所述固定值。
在发明1的电容器补偿式发电机中，构成为检测内燃机的转速和输出的交流电力的电压，并且按照恒定电压运转模式和恒定频率运转模式中的任一种模式驱动自由变更内燃机的转速的致动器，该恒定电压运转模式将检测出的转速控制为目标转速，以使检测出的输出电压成为目标电压，该恒定频率运转模式将检测出的转速控制为规定转速，以使输出的交流电力的频率成为目标频率，因而可使输出的交流电力的电压或频率恒定。
结果，如果是恒定电压运转模式，则即使负荷增减，也能输出恒定电压的交流电力，并且如果是恒定频率运转模式，则能向负荷输出恒定频率的交流电力。而且，在恒定电压运转模式中，在低负荷时控制转速降低，因而可节约燃料费，并且噪声低，也可提高环保性。
在发明2的电容器补偿式发电机中，构成为具有运转模式选择开关，该运转模式选择开关通过用户的操作选择运转模式，并且按照由用户经由运转模式选择开关所选择的运转模式来驱动致动器，因而除了上述效果以外，还能良好地依据用户意图。
在发明3的电容器补偿式发电机中，构成为恒定电压运转模式中的目标电压是由用户所设定的值，并且在选择了恒定电压运转模式时，计算所述目标转速，以使检测出的输出电压收敛于目标电压，因而除了上述效果以外，即使负荷增减，也能更良好地依据用户意图，能可靠地输出用户要求的恒定电压的交流电力。
在发明4的电容器补偿式发电机中，构成为恒定频率运转模式中的规定转速是根据目标频率而设定的固定值，并且在选择了恒定频率运转模式时，将检测出的转速控制为所述固定值，因而除了上述效果以外，还能更可靠地输出恒定频率的交流电力。
附图说明
图1是整体地示出本发明的实施例的电容器补偿式发电机的框图。
图2是功能性地示出图1所示的ECU(电子控制单元)的动作的框图。
图3是与图2平行地示出图1所示的ECU的动作的流程图。
图4是示出图1所示的ECU执行的恒定电压运转模式和恒定频率运转模式的特性的说明曲线图。
图5是示出现有技术的电容器补偿式发电机在无负荷时的转速和输出电压的特性的说明曲线图。
图6是示出现有技术的电容器补偿式发电机在3000rpm时的负荷和输出电压的特性的说明曲线图。
标号说明
10：电容器补偿式发电机；12：内燃机(发动机)；12d：节流阀；12p：发电线圈；12s：致动器(节流阀马达)；14：发电部；14a：转子；14a1：二极管；14a2：磁场绕组；14b：定子；14b1：输出绕组；14b2：进相电容器；14b3：励磁绕组；18：负荷；20：电压传感器；22：电子控制单元(ECU)；24：运转模式选择开关。
具体实施方式
以下，结合附图说明用于实施本发明的电容器补偿式发电机的优选方式。
【实施例】
图1是整体地示出本发明的实施例的电容器补偿式发电机的框图。
图1中，标号10表示该电容器补偿式发电机，发电机10具有内燃机(以下称为“发动机”，表示为ENG)12，并具有交流100V-2.1kVA的额定输出。发电机10原本是无刷单相同步发电机。
发动机12是以汽油作为燃料的空冷点火式发动机，从空气过滤器(未作图示)被吸引而流经进气管12a的进气流入化油器12b。在化油器12b内配置有阻风门12c和节流阀12d，调整进气量。
从燃料箱(未作图示)压送来的汽油燃料从文氏管(Venturi)12e被喷射而与进气混合，由此产生的混合气在进气门12f打开时流入到燃烧室12g。
燃烧室12g的混合气被火花塞12i按规定的点火正时点火而燃烧，将活塞12j朝图中下方驱动，使与活塞12j连接的曲轴12k旋转。由于燃烧而产生的排气在排气门12l打开时流经排气管12m，通过消声器12n排放到外部。
在曲轴12k的一端配置有飞轮12o。在飞轮12o的内侧配置有永久磁铁(未作图示)，并在外侧配置有发电线圈12p和励磁线圈12q。
由步进马达构成的致动器(以下称为节流阀马达)12s与节流阀12d连接。在节流阀马达12s工作时，对节流阀12d进行开闭来变更发动机转速NE。
发电部14与发动机12连接，并由发动机12驱动。如图所示，发电部14具有转子14a和定子14b。转子14a与发动机12的曲轴12k的另一端连接，伴随曲轴12k的旋转而旋转。定子14b被固定在发动机12的适当位置上。
在转子14a上卷绕有利用二极管14a1来短路的磁场绕组14a2，并在定子14b上卷绕有输出绕组14b1和励磁绕组14b3，输出绕组14b1与由转子14a产生的磁通交链来产生交流电力，励磁绕组14b3相对于所述输出绕组14b1以规定的相位角，即90度的相位角(电气角)配置，利用进相电容器14b2来短路。
在该结构中，通过进相电容器14b2而超前了90度相位的电流流过励磁绕组14b3，利用二极管14a1对由于电枢反作用而在磁场绕组14a2中产生的磁场电流进行整流，将通过发动机12的曲轴12k而旋转的转子14a直流磁化成NS极来产生旋转磁场。
卷绕在与转子14a对峙的定子14b上的输出绕组14b1与由转子14a的旋转磁场产生的磁通交链而产生图1的下部所示的单相交流电力。输出绕组14b1经由端子16与负荷18连接。在输出绕组14b1上配置有电压传感器20，电压传感器20产生表示从输出绕组14b1输出的电压的输出。
发电机10与电子控制单元(Electronic Control Unit，以下称为“ECU”)22连接。尽管省略图示，然而ECU 22由具有CPU、ROM、RAM、I/O等的微型计算机构成。电压传感器20的输出被送到ECU 22。
并且，在发电线圈12p中产生的交流输出被整流电路(未作图示)进行整流后，作为动作电源被提供给ECU 22，并且该交流输出的电压波形被整形电路(未作图示)进行整形后被送到ECU 22。ECU 22根据整形电路的输出检测发动机转速NE。这样，发电线圈12p产生与发动机转速NE同步的输出。
另外，励磁线圈12q的输出被送到点火电路12t，用于火花塞12i的点火电源。另外，在有必要使发动机12停止时，ECU 22断开SW(开关)12u来中止点火。
并且，在活塞12j的下方的油盘12v的底面附近配置有油SW(开关)12w，当油(润滑油)的油位低于开关配置位置时，输出接通(ON)信号。油开关12w的输出也被送到ECU 22。
在发电机10的适当位置配置有运转模式选择SW(开关)24，该开关24通过用户(使用者)的操作来选择恒定电压运转模式和恒定频率运转模式中的任一种模式(后述)。另外，在开关24上还设有电位器(volume)，在选择了恒定电压运转模式的情况下，该电位器用于将要求的电压设定为目标电压。并且，还设有在选择了恒定频率运转模式的情况下，选择商用电源频率的50Hz和60Hz中的任一种频率作为目标频率的开关。运转模式选择开关24的输出也被送到ECU 22。
图2是功能性地示出图1所示的ECU 22的动作的框图。如图所示，ECU 22具有：运转模式决定部22a、固定存储部22b、输出电压检测部22c、目标转速存储部22d、PID控制部22e、以及发动机转速计算部22f。
图3是与图2平行地示出图1所示的ECU 22的动作的流程图。
以下，以图3为中心说明ECU 22的动作。
首先在S10中判断由运转模式决定部22a所决定的运转模式是否是恒定电压运转模式，即，由用户经由运转模式选择开关24选择的运转模式是否是恒定电压运转模式和恒定频率运转模式中的恒定电压运转模式。
图4是示出该两种运转模式的特性的说明曲线图。
在该实施例的发电机10中，准备有由恒定电压运转模式和恒定频率运转模式构成的两种运转模式，恒定电压运转模式将检测出的发动机转速NE控制为目标转速，以使检测出的输出电压成为目标电压，恒定频率运转模式将检测出的发动机转速NE控制为规定转速，以使从输出绕组14b1输出的交流电力的频率成为目标频率。
对此进行说明，如上所述，电容器补偿式发电机10由于不需要电刷、滑环等，结构简单，因而价格低廉而得到广泛普及，然而如图5所示，在现有技术的电容器补偿式发电机的情况下，存在如下的不利情况，即：输出电压伴随发动机转速NE的上升而上升，并且如图6所示，随着负荷的增减而变动，输出电压不稳定。另一方面，期望的是对于特定的负荷种类频率恒定，然而上述电容器补偿式发电机难以充分满足该条件。
在该实施例中，鉴于这一点而采用如下结构：通过节流阀马达12s自由变更发动机12的转速NE，并准备两种运转模式，可由用户选择。
回到图3的说明，当在S10中为否定时，意味着选择了恒定频率运转模式，因而进到S12，进一步判断是否选择了50Hz作为目标频率，在判断是肯定时进到S14，将目标转速(所述的规定转速)决定为3000rpm，另一方面，在判断是否定时进到S16，将目标转速决定为3600rpm。
然后，进到S18，设置(存储)所决定的目标转速(规定转速)，进到S20，检测当前的发动机转速NE，进到S22，对节流阀马达12s的动作进行PID控制。
即，ECU 22按照恒定频率运转模式控制节流阀马达12s的驱动，该恒定频率运转模式将检测出的转速NE控制为目标转速(规定转速。3000rpm或3600rpm)，以使从输出绕组14b1输出的交流电力的频率成为目标频率(50Hz或60Hz)。
参照图2进行说明，当按照用户的选择在运转模式决定部22a选择了恒定频率运转模式时，ECU 22选择(决定)存储在固定存储部22b内的两种目标转速(规定转速，固定值)，将其存储(设置)在目标转速存储部22d内。
然后，根据在发动机转速计算部22f中基于发电线圈12p的输出计算(检测)出的发动机转速NE与目标转速的偏差，计算由P(比例)项、I(积分)项和D(微分)构成的反馈控制项来驱动节流阀马达12s，对节流阀12d进行开闭。
如上所述，由于发电线圈12p的输出与发动机转速NE同步，因而通过对节流阀马达12s的动作进行PID控制(反馈控制)以消除从发电线圈12p的输出所检测出的发动机转速NE与目标转速的偏差，从而如图4所示，能够与负荷变动无关地将从输出绕组14b1输出的交流电力的频率控制为恒定，即50Hz或60Hz。
回到图3的说明，当S10的判断为肯定时，判断为选择了恒定电压运转模式，因而进到S24，检测输出电压，进到S26，计算目标转速，进到S18及之后，按照将检测出的发动机转速NE控制为目标转速，以使检测出的输出电压成为目标电压的恒定电压运转模式，驱动节流阀马达12s。
参照图2进行说明，当按照用户的选择由运转模式决定部22a决定为恒定电压运转模式时，ECU 22通过输出电压检测部22c检测输出电压，计算目标转速，将其存储(设置)在目标转速存储部22d内。
该恒定电压运转模式中的目标电压是由用户所设定的值，在PID控制部22e等中，当选择了恒定电压运转模式并设定了目标电压时，计算目标发动机转速以使检测出的输出电压收敛于该目标电压。然后在PID控制部22e中，根据该目标转速与检测出的发动机转速NE的偏差，计算由P(比例)项、I(积分)项和D(微分)构成的反馈控制项来驱动节流阀马达12s，对节流阀12d进行开闭驱动。
这样，计算目标发动机转速以使检测出的输出电压收敛于目标电压，根据该目标转速与检测出的发动机转速NE的偏差，计算由P(比例)项、I(积分)项和D(微分)构成的反馈控制项来对节流阀马达12s的动作进行PID控制(反馈控制)，从而如图4所示，能够与负荷的变动无关地将从输出绕组14b1输出的交流电力的电压控制为恒定。
如上所述，在该实施例中，电容器补偿式发电机10包括：转子14a，其被卷绕有利用二极管14a1来短路的磁场绕组14a2；定子14b，其被卷绕有输出绕组14b1和励磁绕组14b3，该输出绕组14b1与从所述转子14a产生的磁通交链来产生交流电力，该励磁绕组14b3相对于所述输出绕组14b1以规定(90度)的相位角配置，利用进相电容器14b2来短路(转子14a和定子14b构成发电部14)；以及发动机(内燃机)12，其使所述转子14a相对于所述定子14b旋转，并且所述电容器补偿式发电机10构成为具有：转速检测单元(发电线圈12p，ECU 22，发动机转速计算部22f，S20)，其检测所述发动机(内燃机)12的转速NE；输出电压检测单元(电压传感器20，ECU 22，输出电压检测部22c，S24)，其检测从所述输出绕组14b1输出的交流电力的电压；致动器(节流阀马达)12s，其自由变更所述发动机(内燃机)12的转速NE；以及致动器驱动单元(S10至S26)，其按照由恒定电压运转模式和恒定频率运转模式构成的运转模式中的任一种模式来驱动所述致动器，该恒定电压运转模式将所述检测出的转速NE控制为目标转速，以使所述检测出的输出电压成为目标电压，该恒定频率运转模式将所述检测出的转速NE控制为规定转速(目标转速，即50Hz或60Hz)，以使从所述输出绕组14b1输出的交流电力的频率成为目标频率，因而能够使输出的交流电力的电压或频率恒定。
结果，如果是恒定电压运转模式，则即使负荷增减，也能输出用户要求的恒定电压的交流电力，如果是恒定频率运转模式，则能向负荷输出恒定频率的交流电力。而且，在恒定电压运转模式中，在低负荷时控制发动机转速NE降低，因而可节约燃料费，并且噪声低，也可提高环保性。
并且，构成为具有运转模式选择开关24，该运转模式选择开关24通过用户的操作选择所述恒定电压运转模式和恒定频率运转模式中的任一方，并且所述致动器驱动单元按照由用户经由所述运转模式选择开关选择的运转模式来驱动所述致动器(S10)，因而除了上述效果以外，还能良好地依据用户意图。
并且，构成为所述恒定电压运转模式中的所述目标电压是由用户所设定的值，并且在选择了所述恒定电压运转模式时，所述致动器驱动单元计算所述目标转速以使所述检测出的输出电压收敛于所述目标电压(S10，S24，S26)，因而除了上述效果以外，即使负荷增减，也能可靠地输出用户要求的恒定电压的交流电力，可更良好地依据用户意图。
并且，构成为所述恒定频率运转模式中的规定转速是根据目标频率而设定的固定值，并且在选择了所述恒定频率运转模式时，所述致动器驱动单元将所述检测出的转速控制为所述固定值(S10至S22)，因而除了上述效果以外，还能更可靠地输出恒定频率的交流电力。