JP2007244102A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減した電源装置を提供すること。
【解決手段】モータを駆動するインバータに直流電力を供給する本発明の電源装置は、第１の直流電圧源の正極側端子とインバータとの間に整流素子を配置し、該直流電圧源と該整流素子との接続点と直流電圧源の負極側端子の間に、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子との直列接続して配置し、該第１のスイッチ素子と該第２のスイッチ素子の接続点と、整流素子の負荷側端子の間に第２の直流電圧源を配置し、モータ回転速度により、第１のスイッチ素子と２のスイッチ素子をオンオフさせ、第１の直流電圧源と第２の直流電圧源を直列接続あるいは並列接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ制御される交流モータ用の電源装置に関する。

インバータ制御される交流モータはモータの回転速度が基底回転数まで上昇すると、誘導起電圧が端子電圧を超え、電流が流れず、トルクが小さくなり定出力を維持できなくなる。そこで、誘導記電圧と反対方向の起電力を発生させ、誘起電圧を抑えることによってトルクを確保する。この方法は弱め界磁制御と呼ばれる。弱め界磁制御は、高速域の出力・トルクを増加させることができるが、余分な電流を流すためロスが大きくなる。また、モータが永久磁石同期モータの場合、永久磁石と反対方向の起電力を発生させるため、永久磁石の減磁耐力も考慮しなければならない。

モータのコイル巻き数を減らせば、誘起電圧が低くなるため、高速域において弱め界磁制御をする必要がなくなるが、逆に低速域でトルクが必要な場合、電流を必要としてしまい、結果ロスが大きくなる。

解決策として、低速域では電源電圧を低くし、高速域では電源電圧を高くするといったモータの回転速度に合わせて電源電圧を変化させる方法がある。このような方法が特許文献１に記載されている。現在燃料電池車や電気自動車、ハイブリッドカーなどで採用されている交流モータ用の直流電源装置には、チョッパー回路を用いて先に述べたように電源電圧を回転数に応じて追従させている。

特開２００３−２５０２９８号公報（（００６８）段落と図７の記載。）

背景技術で説明したような、交流モータの高速域における弱め界磁制御を避けるため、交流モータの電源電圧をモータの回転速度に合わせて変化させる場合に、電源電圧にチョッパー回路を用いて電圧を変化させると、チョッパー回路自体、スイッチングを必要とするために、スイッチングロスが大きくなる問題点がある。

本発明の目的は、モータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減し、かつ弱め界磁制御を避けて、エネルギーロスを低減する電源装置を提供することである。

本発明は、モータの回転速度を検知し、それに応じてコンデンサやバッテリー等の別電源を接続し、インバータへの電源電圧を変化させる。

本発明の電源装置はモータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減するほか、弱め界磁制御を避けることで、エネルギーロスを低減するという利点がある。

交流モータの弱め界磁制御を避け、回転速度に対応したインバータへの電源電圧を変化するために、スイッチングロスを可能な限り少なくすることを、最小の部品点数で、モータ定数を変更せずに実現した。以下本発明の詳細を図面を用いて説明する。

図２は本実施例の電源装置の回路図である。図２に示すように、本実施例の電源装置は、第１の直流電圧源１の正極側端子と負荷２０との間に負荷２０側から電流が流入することを阻止する方向に設けた第１のダイオード２と、第１の直流電圧源１と第１のダイオード２との接続点と第１の直流電圧源１の負極側端子の間に設けた、第１のスイッチ素子３と第２のスイッチ素子４との直列回路と、第１のスイッチ素子３と第２のスイッチ素子４との接続点と、第１のダイオード２の負荷側端子との間に配置した第２の直流電圧源５とで構成される。

第１の直流電圧源１と第２の直流電圧源５の電圧がともにＶの場合、第１のスイッチ素子３のみがオンし、第２のスイッチ素子４がオフになっていると、第１の直流電圧源１と第２の直流電圧源５とが直列接続となり、供給される電圧はＶ＋Ｖとなる。一方、第２のスイッチ素子４のみがオンになり、第１のスイッチ素子３がオフになっていると、第１の直流電圧源１と第２の直流電圧源５とは並列接続となり、負荷に供給される電圧がＶとなる。図１で、第１のダイオード２は、第１のスイッチ素子３のみがオンし、第２のスイッチ素子４がオフになっている場合に、第２の直流電圧源５が短絡することも防いでいる。なお、第１のスイッチ素子３と第２のスイッチ素子４とは、図２には示していないコントロール部の信号を受けてオン・オフする。

図１は図２の負荷２０がインバータ６とこのインバータ６に接続している交流モータ７の場合の回路図である。交流モータ７の回転速度は、インバータ６の過電流保護用に設置されているシャント抵抗８に流れる直流電流を検出してこの検出値に基づいてコントロール部９にて演算して求める。コントロール部９にて演算されたモータ回転速度から交流モータ７が、予め設定した回転速度を越えているか否かによって高速域か低速域かを判断し、コントロール部９が出力する信号で、第１のスイッチ素子３と、第２のスイッチ素子４とを動作させる。高速域の場合は、第１のスイッチ素子３のみオンし、第２のスイッチ素子４はオフにして第１の直流電圧源１と第２の直流電圧源５とを直列に接続して電源電圧を高くし、弱め界磁制御を避ける。一方、低速域では第１のスイッチ素子３と、第２のスイッチ素子４とをともにオフとして第１の直流電圧源１のみを負荷２０に接続するか、あるいは、第１のスイッチ素子３をオフにし、第２のスイッチ素子４のみオンにして、第１の直流電圧源１と第２の直流電圧源５とを並列接続し、負荷２０に電圧Ｖを印加する。

なお、交流モータ７の回転速度の検知は、モータに回転子の位置を検知する位置センサを取り付けたり、インバータ６から交流モータ７への出力電流を電流センサで検知して、それらの検出値を用いてコントロール部で演算し求めてもよい。

本実施例の電源装置によれば、モータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減し、かつ弱め界磁制御を避けて、エネルギーロスを低減することができる。

本実施例の電源装置を図３に示す。本実施例が実施例１と異なる点は、図３に示すように図１、図２の第２の直流電圧源５をコンデンサ１０とすることである。これによって、交流モータからの回生が可能となる。交流モータ７が電力を必要とせず回生状態にある場合は、第１のスイッチ素子３をオフにし、第２のスイッチ素子４のみをオンすることで、コンデンサ１０に回生電力の充電が可能になる。なお、コンデンサ１０は、バッテリーなどの２次電池や電気２重層コンデンサなどの電力蓄積手段であれば代用することができる。

本実施例でも実施例１と同様に、モータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減し、かつ弱め界磁制御を避けて、エネルギーロスを低減することができる。

本実施例の電源装置を図４、図５、図６に示す。本実施例は、実施例１、実施例２の電源装置の第１のスイッチ素子３と第２のスイッチ素子４とに、図４から図６に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１１、１１′、あるいはＩＧＢＴ１２、１２′、あるいはリレー１３を配置した。これらのパワーＭＯＳＦＥＴ１１、１１′、あるいはＩＧＢＴ１２、１２′、あるいはリレー１３は、実施例１や実施例２と同様に、図に示していないコントロール部の信号を受けてオン・オフする。

本実施例で、負荷２０がインバータ６と交流モータ７の場合で、モータからの回生が可能な場合にパワーＭＯＳＦＥＴ１１、１１′を用いるときには、回生時にＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードにより回生した電流が第１の直流電圧源１に逆流することを防止するため、図７に示すように第１のダイオード１４を配置することが必要である。

本実施例でも、モータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減し、かつ弱め界磁制御を避けて、エネルギーロスを低減することができる。

本実施例の電源装置を図８に示す。本実施例では、実施例１から実施例３の電源装置で、第１の直流電圧源１を、単相あるいは３相の商用交流電源１５と整流器１６とした。本実施例では、商用交流電源１５を交流発電機としても同様である。

本実施例の電源装置は実施例１の第１の直流電圧源１を燃料電池１７にしたことである。図９に示すように、第２の直流電圧源５も燃料電池１７とすることができる。第２の直流電圧源５も燃料電池１７とする場合には、第２のスイッチ素子４を第２のダイオード１８に置き換えることができる。この第２のダイオード１８は第１のスイッチ素子３がオンした時、第１の直流電圧源の代わりの燃料電池１７が短絡することを阻止する。

本実施例によれば、モータの回転数に合わせて電圧を変動する時のスイッチングロスを低減し、かつ弱め界磁制御を避けて、エネルギーロスを低減することができる。

実施例１で負荷がインバータとモータの場合の回路図である。 実施例１の電源装置の回路図である。 実施例２の電源装置の回路図である。 実施例３の電源装置の回路図である。 実施例３の別の電源装置の回路図である。 実施例３のさらに別の電源装置の回路図である。 実施例３の電源装置でモータの回生が可能なものの回路図である。 実施例４の電源装置の回路図である。 実施例５の電源装置の回路図である。

符号の説明

１…第１の直流電圧源、２…第１のダイオード、３…第１のスイッチ素子、４…第２のスイッチ素子、５…第２の直流電圧源、６…インバータ、７…交流モータ、８…シャント抵抗、９…コントロール部、１０…コンデンサ、１１、１１′…パワーＭＯＳＦＥＴ、１２、１２′…ＩＧＢＴ、１３…リレー、１４…第２のダイオード、１５…商用交流電源、１６…整流器、１７…燃料電池、１８…第２のダイオード、２０…負荷。

Claims (9)

1. 負荷に直流電力を供給する電源装置において、
   該電源装置が、
   第１の直流電圧源と、
   該第１の直流電圧源の正極側端子と負荷との間に、負荷側から前記第１の直流電圧源に電流が流入することを阻止する向きに配置した整流素子と、
   前記第１の直流電圧源と該整流素子との接続点と、前記第１の直流電圧源の負極側端子との間に配置した、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子の直列回路と、
   該第１のスイッチ素子と該第２のスイッチ素子との接続点と、前記整流素子の負荷側の端子との間に配置した、第２の直流電圧源を備え、
   前記第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子のオンオフによって、前記第１の直流電圧源と第２の直流電圧源とを直列接続あるいは、並列接続に交互に切替えることができることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とが、パワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１において、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とがＩＧＢＴであることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１において、前記第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とがリレーであることを特徴とする電源装置。
5. 請求項１において、前記第１の直流電圧源が商用交流電圧源を整流器で整流した電源であることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１において、前記第１の直流電圧源が交流発電機の出力を整流器で整流した電源であることを特徴とする電源装置。
7. 請求項１において、前記第１の直流電圧源が燃料電池であることを特徴とする電源装置。
8. 請求項１において、
   前記負荷がインバータと、該インバータで駆動される交流モータであって、
   前記第２の直流電圧源が２次電池あるいはコンデンサであって、
   前記第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子のオンオフにより、前記２次電池あるいはコンデンサに前記交流モータの回生電力を蓄積できることを特徴とする電源装置。
9. 請求項１において、
   前記第１の直流電圧源と前記第２の直流電圧源とが燃料電池であって、
   前記第２のスイッチ素子が整流素子であって、該整流素子が前記第１のスイッチ素子をオンにした場合に、前記第１の直流電圧源である燃料電池の短絡を阻止するように配置されていることを特徴とする電源装置。
   

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