JP2005287137A

JP2005287137A - 平滑コンデンサの放電装置

Info

Publication number: JP2005287137A
Application number: JP2004095213A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kato; 武士加藤; Yoshiki Tatsutomi; 由樹達富; Mitsuaki Hirakawa; 三昭平川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
Also published as: US7388353B2; US20050231171A1

Abstract

【課題】スイッチング回路に接続された平滑コンデンサを特別の放電回路を必要とせずに完全に放電できるようにする。
【解決手段】第１、第２スイッチング回路１３，１４の直流側に接続された平滑コンデンサ１５を放電する際に、先ずＤＣ−ＤＣコンバータ２０をオンして補機用バッテリ３７を充電することで平滑コンデンサ１５を放電するので、平滑コンデンサ１５の電荷を最大限に有効利用することができる。そして電圧検出手段３５により検出した平滑コンデンサの電圧が所定値以下になってＤＣ−ＤＣコンバータ２０が作動不能になると、第１、第２スイッチング回路１３，１４の少なくとも一方を駆動することで、それらの交流側に接続されたモータ・ジェネレータ１２およびＬＣフィルタの少なくとも一方により平滑コンデンサ１５の電荷を消費させるので、特別の放電回路を必要とせずに平滑コンデンサ１５を完全に放電することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング回路に並列に接続された平滑コンデンサを放電するための放電装置に関する。

走行用駆動源としてモータ・ジェネレータを備えた電気自動車において、メインバッテリの直流電流を交流電流に変換してモータ・ジェネレータを駆動するインバータに接続された平滑コンデンサを放電する際に、インバータの直流側に設けられたＤＣ−ＤＣコンバータにより平滑コンデンサの電圧を降圧して補機用バッテリの充電に有効利用するものが、下記特許文献１により公知である。

またインバータの平滑コンデンサの電荷を、放電抵抗を備えた放電回路により消費して放電させるものも公知である。
特開平１０−２４８２６３号公報

ところで、ＤＣ−ＤＣコンバータは入力側の電圧が最低作動電圧以下になると機能しないため、平滑コンデンサの電圧が前記最低作動電圧に達するまでは放電が可能であるが、その電圧がゼロになるまで放電することができないという問題があった。

また特別の放電回路を用いて平滑コンデンサの放電を行うものは、放電回路の分だけ部品点数が増加してコストアップの要因となる問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、スイッチング回路に接続された平滑コンデンサを特別の放電回路を必要とせずに完全に放電できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、交流電流および直流電流間の変換を行う第１スイッチング回路と、第１スイッチング回路の交流側に接続された第１負荷と、交流電流および直流電流間の変換を行う第２スイッチング回路と、第２スイッチング回路の交流側に接続された第２負荷と、第１、第２スイッチング回路の直流側に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサの放電を制御する制御手段とを備えた平滑コンデンサの放電装置であって、制御手段は、第１、第２スイッチング回路の少なくとも一方を駆動して第１、第２負荷の少なくとも一方により平滑コンデンサを放電することを特徴とする平滑コンデンサの放電装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、交流電流および直流電流間の変換を行う第１スイッチング回路と、第１スイッチング回路の交流側に接続された第１負荷と、交流電流および直流電流間の変換を行う第２スイッチング回路と、第２スイッチング回路の交流側に接続された第２負荷と、第１、第２スイッチング回路の直流側に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータに接続された第３負荷と、第１、第２スイッチング回路の直流側に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、平滑コンデンサの放電を制御する制御手段とを備えた平滑コンデンサの放電装置であって、制御手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータをオンして第３負荷により平滑コンデンサを放電し、電圧検出手段により検出した平滑コンデンサの電圧が所定値以下になると、第１、第２スイッチング回路の少なくとも一方を駆動して第１、第２負荷の少なくとも一方により平滑コンデンサを放電することを特徴とする平滑コンデンサの放電装置が提案される。

尚、実施例のコンバータ１３およびインバータ１４はそれぞれ本発明の第１、第２スイッチング回路に対応し、実施例のモータ・ジェネレータ１２、ＬＣフィルタ１６および補機用バッテリ３７はそれぞれ本発明の第１、第２、第３負荷に対応する。

請求項１の構成によれば、第１、第２スイッチング回路の直流側に接続された平滑コンデンサを放電する際に、第１、第２スイッチング回路の少なくとも一方を駆動することで、それらの交流側に接続された第１、第２負荷の少なくとも一方により平滑コンデンサの電荷を消費させるので、特別の放電回路を必要とせずに平滑コンデンサを完全に放電することができる。

請求項２の構成によれば、第１、第２スイッチング回路の直流側に接続された平滑コンデンサを放電する際に、先ずＤＣ−ＤＣコンバータをオンして第３負荷により平滑コンデンサを放電するので、第３負荷を駆動して平滑コンデンサの電荷を最大限に有効利用することができる。そして電圧検出手段により検出した平滑コンデンサの電圧が所定値以下になってＤＣ−ＤＣコンバータが作動不能になると、第１、第２スイッチング回路の少なくとも一方を駆動することで、それらの交流側に接続された第１、第２負荷の少なくとも一方により平滑コンデンサの電荷を消費させるので、特別の放電回路を必要とせずに平滑コンデンサを完全に放電することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図４は本発明の一実施例を示すもので、図１は発電システムの回路図、図２は平滑コンデンサの充電時の作用の説明図、図３は平滑コンデンサの放電時の作用の説明図、図４は平滑コンデンサの放電時の手順を示すフローチャートである。

図１に示すように、定置型のガスタービンエンジン１１を動力源とする発電システムは、モータ・ジェネレータ１２と、コンバータ１３と、インバータ１４と、平滑コンデンサ１５とＬＣフィルタ１６と、メインコンタクタ１７と、プリチャージコンタクタ１８と、プリチャージ抵抗１９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０とを備えて構成される。

モータ・ジェネレータ１２はガスタービンエンジン１１により駆動される場合にはジェネレータとして機能して三相交流電流を発電し、また三相交流電流の供給を受けてモータとして機能する場合にはガスタービンエンジン１１を始動するためのスタータモータとして使用される。モータ・ジェネレータ１２が発電する周波数の高い交流電流は、コンバータ１３で直流電流に変換された後、インバータ１４で所定周波数の三相交流、つまり商用電源である２００Ｖの交流電源２２と同じ周波数の三相交流に変換され、所望の電気機器２１の電源として使用され、あるいは交流電源２２に対する売電に使用される。またコンバータ１３で変換された直流電流は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で所定電圧に降圧され、モータ・ジェネレータ１２の補機３６を駆動する補機用バッテリ３７の充電に供される。またモータ・ジェネレータ１２を始動するときには、インバータ１４をコンバータとして機能させて交流電源２２の三相交流を直流電流に変換した後、コンバータ１３をインバータとして機能させて三相交流に変換し、その三相交流でモータ・ジェネレータ１２をスタータモータとして駆動する。

交流電源２２とインバータ１４との間にはメインコンタクタ１７が配置されており、交流電源２２の三相交流でモータ・ジェネレータ１２をスタータモータとして機能させてガスタービンエンジン１１を始動する場合、モータ・ジェネレータ１２が発電した三相交流で電気機器２１を駆動する場合、あるいはモータ・ジェネレータ１２が発電した三相交流を交流電源２２に対して売電する場合に、そのメインコンタクタ１７がオンされる。またメインコンタクタ１７とインバータ１４との間には、インバータ１４が出力する矩形波状の三相交流を正弦波状の三相交流に変換するためのＬＣフィルタ１６が配置される。ＬＣフィルタ１６は、交流電源２２に連なるＵ相、Ｖ相およびＷ相ライン２３ｕ，２３ｖ，２３ｗの各々に配置された３個のコイル２４…と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相ライン２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ間に配置された３個のコンデンサ２５…で構成される。

コンバータ１３は例えば電界効果トランジスタよりなる６個のスイッチング素子２６…と、各々のスイッチング素子２６…のコレクタおよびエミッタ間を接続するダイオード２７…とで構成され、各々のスイッチング素子２６…のベースは制御手段２８に接続されてＰＷＭ制御される。インバータ１４はコンバータ１３と同じ構造を有するもので、例えば電界効果トランジスタよりなる６個のスイッチング素子２９…と、各々のスイッチング素子２９…のコレクタおよびエミッタ間を接続するダイオード３０…とで構成され、各々のスイッチング素子２９…のベースは制御手段２８に接続されてＰＷＭ制御される。

コンバータ１３およびインバータ１４を接続する直流ライン３１，３１には大容量の平滑コンデンサ１５が接続されており、この平滑コンデンサ１５はコンバータ１３のスイッチング素子２６…あるいはインバータ１４のスイッチング素子２９…がオン・オフする場合の直流電圧の変動を抑制する機能を発揮する。またメインコンタクタ１７に対してプリチャージコンタクタ１８が並列に配置され、このプリチャージコンタクタ１８に対してプリチャージ抵抗１９が並列に配置される。

次に、上記構成を備えた実施例の作用について説明する。

発電システムが作動していないときに平滑コンデンサ１５は放電した状態にあり、発電システムが作動を開始する前に平滑コンデンサ１５を所定電圧（実施例で２８０Ｖ）に充電（プリチャージ）する。このとき、メインコンタクタ１７をオンして交流電源２２で直接平滑コンデンサ１５を充電しようとすると、メインコンタクタ１７に許容値以上の大電流が流れる可能性がある。そこでプリチャージ抵抗１９が直列に接続されたプリチャージコンタクタ１８をオンして降圧した電流で平滑コンデンサ１５を充電することで、プリチャージコンタクタ１８に許容値以上の大電流が流れるのを防止することができる。

しかしながら、平滑コンデンサ１５を充電するとき、ＬＣフィルタ１６のコンデンサ２５…にも電流が流れるため、平滑コンデンサ１５を２８０Ｖをフル充電することができず、１６０Ｖ程度に充電するのが限界となってしまう。そこで、図５に示す従来の発電システムでは、ＬＣリレー３２でＬＣフィルタ１６のコンデンサ２５…を切り離した状態でプリチャージコンタクタ１８をオンして充電を行っていた。このようにすると、図２（Ａ）に示すように平滑コンデンサ１５を２７０Ｖ程度まで充電することができ、その後にメインコンタクタ１７をオンすれば平滑コンデンサ１５を２８０Ｖにフル充電することができる。

ただし、上述した従来の手法では、ＬＣリレー３２の分だけ部品点数が増加するだけでなく、プリチャージ回路の信頼性低下や、ＬＣリレー３２のロスによるＬＣフィルタ１６の性能低下が発生する問題がある。

本実施例では、従来設けられていたＬＣリレー３２（図５参照）を廃止したため、図２（Ｂ）に示すように、プリチャージコンタクタ１８をオンしたときにＬＣフィルタ１６のコンデンサ２５…の影響で平滑コンデンサ１５を１６０Ｖ程度にしか充電することができない。しかしながら、電圧検出手段３５で検出した平滑コンデンサ１５の電圧が所定電圧（例えば１６０Ｖ）に達すると、制御手段２８からの指令でインバータ１４のスイッチング素子２９…を駆動して昇圧機能を発揮させることで、平滑コンデンサ１５を規定電圧である２８０Ｖまで充電することができる。そして平滑コンデンサ１５が２８０Ｖに充電されると、メインコンタクタ１７をオンしてプリチャージコンタクタ１８をオフすることで、インバータ１４およびコンバータ１３は作動可能な状態になる。

以上のように、インバータ１４の昇圧機能を利用して平滑コンデンサ１５を充電するので、ＬＣリレー３２を廃止してＬＣフィルタ１６のコンデンサを接続したままプリチャージコンタクタ１８をオンしても、平滑コンデンサ１５を支障なく充電することが可能となる。

ところで、発電システムの作動を停止するときに平滑コンデンサ１５を充電したままにしておくと、メンテナンス時に感電等の原因となる可能性があるため、平滑コンデンサ１５を放電する必要がある。そこで、図５に示す従来の発電システムでは、平滑コンデンサ１５と並列に放電抵抗３３および放電リレー３４を接続し、放電リレー３４をオンして放電抵抗３３で電荷を消費させて平滑コンデンサ１５を放電するか、放電リレー３４を廃止して放電抵抗３３を常時平滑コンデンサ１５に接続して放電を行っていた。

図３（Ａ）に示す従来例の如く、平滑コンデンサ１５に放電抵抗３３を常時接続しておくことで発電システムの停止時に放電抵抗３３により放電を行うと、ガスタービンエンジン１１が所定回転数で回転していてモータ・ジェネレータ１２が通常の発電を行っているときには、直流ライン３１，３１の電圧（つまり平滑コンデンサ１５の電圧）は規定電圧の２８０Ｖに維持されるが、ガスタービンエンジン１１の回転数が低下し始めると、平滑コンデンサ１５の電荷が放電抵抗３３によって消費され、ガスタービンエンジン１１の停止後に平滑コンデンサ１５の電圧はゼロまで減少する。

しかしながら、平滑コンデンサ１５に放電抵抗３３を常時接続して放電を行わせると、放電抵抗３３の分だけ部品点数が増加するだけでなく、発電システムの作動時にも放電抵抗３３に電流が流れるために電力が無駄に消費される問題がある。

また図３（Ｂ）に示す従来例の如く、平滑コンデンサ１５に放電リレー３４を介して放電抵抗３３を接続し、発電システムの停止時に放電リレー３４をオンして放電抵抗３３により放電を行うと、ガスタービンエンジン１１が所定回転数で回転していてモータ・ジェネレータ１２が通常の発電を行っているときには、直流ライン３１，３１の電圧（つまり平滑コンデンサ１５の電圧）は規定電圧の２８０Ｖに維持されるが、ガスタービンエンジン１１の回転数がゼロまで低下してメインコンタクタ１７がオフしたときに放電リレー３４をオンすると、平滑コンデンサ１５の電荷が放電抵抗３３によって消費されて電圧はゼロまで減少する。

しかしながら、平滑コンデンサ１５に放電リレー３４を介して放電抵抗３３を接続し、発電システムの停止時に放電リレー３４をオンして放電抵抗３３により放電を行うと、放電抵抗３３および放電リレー３４の分だけ部品点数が増加する問題がある。

そこで本実施例では、メインコンタクタ１７をオフして交流電源２２との接続を絶った後に、制御手段２８の指令で平滑コンデンサ１５からの直流電流をインバータ１４で交流電流に変換してＬＣフィルタ１６で消費させることで、放電抵抗３３および放電リレー３４を必要とせずに平滑コンデンサ１５を放電している。あるいは制御手段２８の指令で平滑コンデンサ１５からの直流電流をインバータとして機能するコンバータ１３で交流電流に変換してモータ・ジェネレータ１２で消費させることで、放電抵抗３３および放電リレー３４を必要とせずに平滑コンデンサ１５を放電している。後者の場合には、コンバータ１３のスイッチング素子４６…を作動させるデューティを、モータ・ジェネレータ１２が極低速で回転するか、回転しない程度に小さく設定することが望ましい。

その結果、図３（Ｃ）に示すように、ガスタービンエンジン１１の回転数がゼロまで低下してメインコンタクタ１７がオフすると同時に、平滑コンデンサ１５の電荷がＬＣフィルタ１６やモータ・ジェネレータ１２で消費されて電圧はゼロまで減少する。このように、本実施例によれば、放電抵抗３３や放電リレー３４のような特別の放電回路を必要とせずに、平滑コンデンサ１５を完全に放電させることができる。

また本実施例の別案が図４のフローチャートおよび図３（Ｄ）のタイムチャートに示される。

先ず、ステップＳ１でガスタービンエンジン１１の回転数が低下し始めたときにＤＣ−ＤＣコンバータ２０を作動させ、平滑コンデンサ１５の電圧を降圧して補機用バッテリ３７の充電あるいは補機３６の駆動に使用することで、平滑コンデンサ１５を放電する。但し、平滑コンデンサ１５の電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ２０の最低作動電圧まで低下すると、平滑コンデンサ１５をそれ以上放電することができないため、ステップＳ２でガスタービンエンジン１１の回転数が所定値（実施例では０ｒｐｍ）まで低下すると、ステップＳ３でメインコンタクタ１７をオフし、かつステップＳ４で電圧検出手段３５により検出した平滑コンデンサ１５の電圧が所定電圧（実施例では０Ｖ）を超えている間、ステップＳ５でインバータ１４を作動させてＬＣフィルタ１６で平滑コンデンサ１５の残りの電荷を消費する。そしてステップＳ４で平滑コンデンサ１５の電圧が所定電圧である０Ｖになると、平滑コンデンサ１５の放電が完了したと判断してインバータ１４を作動を停止させる。

尚、ステップＳ５でインバータ１４を作動させてＬＣフィルタ１６で平滑コンデンサ１５の残りの電荷を消費する代わりに、コンバータ１３を作動させてモータ・ジェネレータで平滑コンデンサ１５の残りの電荷を消費しても良い。

このように、本実施例によれば、放電抵抗３３および放電リレー３４を不要にして部品点数を削減することができるだけでなく、放電抵抗３３を平滑コンデンサ１５に常時接続した場合に無駄に消費される電力を節減することができる。しかも平滑コンデンサ１５の電荷をＤＣ−ＤＣコンバータ２０で降圧して補機用バッテリ３７の充電に最大限に利用しながら、平滑コンデンサ１５の電圧が低下してＤＣ−ＤＣコンバータ２０が作動不能になっても、最終的に平滑コンデンサ１５を完全に放電させることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

発電システムの回路図平滑コンデンサの充電時の作用の説明図平滑コンデンサの放電時の作用の説明図平滑コンデンサの放電時の手順を示すフローチャート従来の発電システムの回路図

符号の説明

１２モータ・ジェネレータ（第１負荷）
１３コンバータ（第１スイッチング回路）
１４インバータ（第２スイッチング回路）
１５平滑コンデンサ
１６ＬＣフィルタ（第２負荷）
２０ＤＣ−ＤＣコンバータ
２８制御手段
３５電圧検出手段
３７補機用バッテリ（第３負荷）

Claims

交流電流および直流電流間の変換を行う第１スイッチング回路（１３）と、
第１スイッチング回路（１３）の交流側に接続された第１負荷（１２）と、
交流電流および直流電流間の変換を行う第２スイッチング回路（１４）と、
第２スイッチング回路（１４）の交流側に接続された第２負荷（１６）と、
第１、第２スイッチング回路（１３，１４）の直流側に接続された平滑コンデンサ（１５）と、
平滑コンデンサ（１５）の放電を制御する制御手段（２８）と、
を備えた平滑コンデンサの放電装置であって、
制御手段（２８）は、第１、第２スイッチング回路（１３，１４）の少なくとも一方を駆動して第１、第２負荷（１２，１６）の少なくとも一方により平滑コンデンサ（１５）を放電することを特徴とする平滑コンデンサの放電装置。
交流電流および直流電流間の変換を行う第１スイッチング回路（１３）と、
第１スイッチング回路（１３）の交流側に接続された第１負荷（１２）と、
交流電流および直流電流間の変換を行う第２スイッチング回路（１４）と、
第２スイッチング回路（１４）の交流側に接続された第２負荷（１６）と、
第１、第２スイッチング回路（１３，１４）の直流側に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）と、
ＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）に接続された第３負荷（３７）と、
第１、第２スイッチング回路（１３，１４）の直流側に接続された平滑コンデンサ（１５）と、
平滑コンデンサ（１５）の電圧を検出する電圧検出手段（３５）と、
平滑コンデンサ（１５）の放電を制御する制御手段（２８）と、
を備えた平滑コンデンサの放電装置であって、
制御手段（２８）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）をオンして第３負荷（３７）により平滑コンデンサ（１５）を放電し、電圧検出手段（３５）により検出した平滑コンデンサ（１５）の電圧が所定値以下になると、第１、第２スイッチング回路（１３，１４）の少なくとも一方を駆動して第１、第２負荷（１２，１６）の少なくとも一方により平滑コンデンサ（１５）を放電することを特徴とする平滑コンデンサの放電装置。