JP2009284560A

JP2009284560A - モータ駆動システムの充電方法

Info

Publication number: JP2009284560A
Application number: JP2008130821A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iida; 貴志飯田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】コンデンサ群とバッテリ間で電力を授受してバッテリの充電及びモータ駆動を行うと共に、モータの固定子巻線をリアクトルとして利用し、回転トルクを発生させずにバッテリを充電する。
【解決手段】電力変換器２０，３０及びモータ４０，５０と、中性点４１，５１とコンデンサ群１３との間に接続可能なバッテリ６０と、中性点４１を交流電源１０またはバッテリ６０に接続するスイッチ１２と、制御装置７０と、を備え、中性点４１を交流電源１０に接続した状態で、交流電源１０からコンデンサ群１３にエネルギーを蓄積し、次に、制御装置７０により電力変換器３０から零電圧ベクトルを出力させ、モータ５０の固定子巻線を降圧リアクトルとして動作させながらコンデンサ群１３のエネルギーを電力変換器３０、モータ５０を介しバッテリ６０に供給して充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換器によりモータを駆動するモータ駆動装置を複数台備えたモータ駆動システムにおいて、特に外部回路を必要とすることなく、電力変換器の電源であるバッテリを充電可能としたモータ駆動システムの充電方法に関するものである。

モータを効率良く運転するために、モータの入力電流を低減させることを目的として、電源電圧を昇圧して電力変換器によりモータを駆動する方法が知られている。この種のモータ駆動システムは、例えば特許文献１，特許文献２に記載されており、その概要は図４に示す通りである。

図４において、１０１，１０２はインバータ、１０３は両インバータ１０１，１０２の直流側に接続されたコンデンサ、２０１，２０２は各インバータ１０１，１０２の交流側に接続された同期電動機等のモータ、１０４は一方のモータ２０２の固定子巻線の中性点と負側直流母線との間に接続された直流電源としてのバッテリ、１０５は制御ユニットである。
上記構成において、一方のインバータ１０２はコンデンサ１０３の電圧がバッテリ１０４の電圧よりも高くなるように昇圧動作しながら交流電圧を出力してモータ２０２を駆動すると共に、他方のインバータ１０１は昇圧動作を行わずに交流電圧を出力することにより、モータ２０１をモータ２０２とは独立して駆動制御している。

上記従来技術では、バッテリ１０４に蓄えられた直流電力を用いてモータ２０１，２０２を駆動するので、これらのモータの力行、回生動作に伴ってバッテリ１０４は放電、充電を繰り返す。しかし、モータ２０１，２０２の運動エネルギーを全て回生することはできず、また、種々の損失や電装部品の電力消費によってバッテリ１０４の蓄電量は徐々に減少してくる。
このため、バッテリ１０４を充電するための充電装置が必要になるが、専用の充電装置を設けるとすると、装置全体が大型化し、部品点数の増加によってコストが高くなるという問題がある。

この問題を解決するため、特許文献３には、モータの固定子巻線を昇圧用リアクトルとして用い、モータを駆動するインバータの半導体スイッチング素子をオンオフ制御することにより、モータを回転させるトルクを発生させずに交流電源からバッテリを充電するようにした車載充電装置が開示されている。

図５は、上記車載充電装置の概要を示しており、１０６，１０７はインバータ、１０８はコンデンサ、１０９はバッテリ、１１０はブレーカ、１１１は極性判定部、１１２は制御部、１１３はスイッチ、２０３，２０４はモータ、３００は単相交流電源である。
上記構成において、交流電源３００の両端をブレーカ１１０を介して２個のモータ２０３，２０４の固定子巻線の中性点に接続し、これらのモータ２０３，２０４の各相巻線に等しい電流が流れるようにインバータ１０６，１０７の半導体スイッチング素子をオンオフ制御する。
これにより、前記巻線に発生する磁界を相殺してモータ２０３，２０４を回転させることなく、交流電源３００からモータ２０３，２０４、インバータ１０６，１０７及びスイッチ１１３を介してバッテリ１０９を充電している。

特開２００２−１０６７０号公報（段落[００２２]〜[００２９]、図１〜図３等）特開２００２−２９１２５６号公報（段落[００３６]〜[００３９]、図５等）特許３２７５５７８号公報（段落[０００８]〜[００１５]、図１，図２等）

しかしながら、図５（特許文献３）に記載された従来技術は、バッテリ１０９に電力を供給する交流電源３００がモータ２０３，２０４の中性点に接続される回路構成を対象とした充電装置であるため、図４（特許文献１，２）のように、モータの中性点と直流母線との間にバッテリが接続されている回路構成の駆動システムには適用することができない。

そこで、本発明の解決課題は、特許文献１の如くモータの固定子巻線の中性点と直流母線との間にバッテリが接続されている回路構成において、電力変換器によりバッテリとコンデンサとの間で電力を授受させてバッテリの充電及びモータの駆動を同時に行うと共に、特許文献２と同様にモータの固定子巻線をリアクトルとして利用し、しかも、バッテリの充電時にはモータの回転トルクを発生させないようにしたモータ駆動システムの充電方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流側のエネルギー蓄積要素を共通にして互いに並列に接続された第１，第２の電力変換器と、第１の電力変換器により駆動される第１のモータと、第２の電力変換器により駆動される第２のモータと、第１または第２のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素の一端との間に接続可能なバッテリと、第１のモータの固定子巻線の中性点を交流電源または前記バッテリの一端に接続するためのスイッチと、このスイッチを介して第１のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素との間に接続される交流電源と、第１，第２の電力変換器をそれぞれ構成する半導体スイッチを制御するための制御手段と、を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記スイッチにより第１のモータの固定子巻線の中性点を前記バッテリから切り離して前記交流電源に接続した状態で、前記交流電源から第１のモータ及び第１の電力変換器を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、
次に、前記制御手段により第２の電力変換器の半導体スイッチを制御することにより、第２のモータの固定子巻線を降圧リアクトルとして動作させながら前記エネルギー蓄積要素のエネルギーを第２の電力変換器及び第２のモータを介し前記バッテリに供給して前記バッテリを充電するものである。

請求項２に係る発明は、直流側のエネルギー蓄積要素を共通にして互いに並列に接続された第１，第２の電力変換器と、第１の電力変換器により駆動される第１のモータと、第２の電力変換器により駆動される第２のモータと、第２のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素の一端との間に接続されるバッテリと、第１のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素との間に接続される交流電源と、第１，第２の電力変換器をそれぞれ構成する半導体スイッチを制御するための制御手段と、を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記交流電源から第１のモータ及び第１の電力変換器を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、
次に、前記制御手段により第２の電力変換器の半導体スイッチを制御することにより、第２のモータの固定子巻線を降圧リアクトルとして動作させながら前記エネルギー蓄積要素のエネルギーを第２の電力変換器及び第２のモータを介し前記バッテリに供給して前記バッテリを充電するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した充電方法において、前記バッテリの充電時には、第２の電力変換器から零電圧ベクトルを出力させるように第２の電力変換器の半導体スイッチを制御するものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した充電方法において、第１のモータの各相固定子巻線及び第２のモータの各相固定子巻線に流れる電流をそれぞれ等しくして各モータを回転させるトルクを発生させずに前記バッテリを充電するものである。

本発明によれば、モータの固定子巻線の中性点と一方の直流入力端子との間にバッテリが接続されるモータ駆動システムにおいて、上記固定子巻線等の既存の回路部品を利用しながら電力変換器を制御することにより、バッテリを効率良く充電することができる。このため、専用の充電装置を設ける必要がなく、回路構成の簡略化、コストの低減に寄与することができる。
また、モータの各相固定子巻線に流れる電流を等しくすることでこれらの固定子巻線に発生する磁束を相殺し、モータを回転させるトルクを発生させずにバッテリを充電可能として、この駆動システムを搭載した車両等の予期せぬ移動を防止することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す回路構成図であり、請求項１，３，４に係る発明に相当している。この実施形態に係るモータ駆動システムは、単相交流電源１０と、この交流電源１０と後述するスイッチ１２及びコンデンサ群１３内部の接続点１３ｄとの間に接続され、初期充電回路やスイッチ等からなる中継回路１１と、星形結線された固定子巻線を持つ第１，第２の交流モータ（以下、単にモータという）４０，５０と、前記中継回路１１とモータ４０，５０の中性点４１，５１との間に配置されたスイッチ１２と、トランジスタ及び環流ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチＴｒ_１〜Ｔｒ_６，Ｔｒ_７〜Ｔｒ_１２からなる第１，第２の電力変換器２０，３０と、これらの直流入力端子（直流母線）間に接続されたコンデンサ群１３と、モータ４０，５０の中性点４１，５１と前記直流入力端子のうち負側入力端子との間に接続される電源としてのバッテリ６０と、前記コンデンサ群１３（コンデンサ１３ａ）の電圧を検出する電圧検出器１４と、バッテリ６０の電圧を検出する電圧検出器１５と、バッテリ６０に流入する電流を検出する電流検出器１６と、前記各検出器１４，１５，１６による検出値Ｅ_ｄｃ，Ｖ_ｂ，Ｉ_ｂに基づいて電力変換器２０，３０の半導体スイッチを制御するための駆動信号（ＰＷＭパルス）ＰＷＭ_１，ＰＷＭ_２を生成する制御装置７０とから構成されている。

なお、前記スイッチ１２は、モータ４０の中性点４１に接続された端子Ａと、モータ５０の中性点５１及びバッテリ６０の正極に接続された端子Ｂと、中継回路１１に接続された端子Ｃとからなっており、制御装置７０からの制御信号によって端子Ａを端子ＢまたはＣ側に切り替えて接続可能である。
また、エネルギー蓄積要素としての前記コンデンサ群１３は、電力変換器２０，３０の直流入力端子間に接続されたコンデンサ１３ａと、コンデンサ１３ｂ，１３ｃの直列回路とから構成されている。１３ｄはコンデンサ１３ｂ，１３ｃ同士の接続点であり、前記中継回路１１に接続されている。

次に、この実施形態におけるコンデンサ群１３の充電動作について説明する。
まず、制御装置７０からの制御信号によりスイッチ１２の端子Ａ，Ｃを接続した状態で、交流電源１０の交流電力を、第１の電力変換器２０とコンデンサ群１３とからなる倍電圧整流回路により整流する。
図２はコンデンサ群１３の充電動作を示す説明図であり、ここでは、電力変換器２０の上アームの半導体スイッチＴｒ_１，Ｔｒ_３，Ｔｒ_５をＴｒ_ｐ１、下アームの半導体スイッチＴｒ_２，Ｔｒ_４，Ｔｒ_６をＴｒ_ｎ１として説明する。

交流電源１０から供給される交流電力は、中継回路１１、スイッチ１２及びモータ４０の固定子巻線を通して電力変換器２０に供給される。このとき、上下アームの半導体スイッチＴｒ_ｐ１，Ｔｒ_ｎ１を構成するトランジスタを何れもゲートオフしておくことにより、電力変換器２０は実質的にダイオード整流器と等価になる。
これにより、交流電源１０からの電力は、電源電圧の極性が正のとき、図２（ａ）のように半導体スイッチＴｒ_ｐ１の環流ダイオードを介してコンデンサ１３ｂに充電され、電源電圧の極性が負のとき、図２（ｂ）のように半導体スイッチＴｒ_ｎ１のダイオードを介してコンデンサ１３ｃに充電される。なお、図２（ａ），（ｂ）では、電源電流Ｉ_ａｃの経路を破線で示してある。
このため、コンデンサ１３ａの電圧Ｅ_ｄｃは、図２（ｃ）に示すように各コンデンサ１３ｂ，１３ｃの充電電圧の２倍、すなわち電源電圧Ｅ_ａｃの２倍の振幅の直流電圧となる。

次に、上述したように充電されたコンデンサ群１３の直流電力を、第２の電力変換器３０によりＤＣ／ＤＣ変換し、第２のモータ５０の固定子巻線を介してバッテリ６０を充電する。このとき、第２の電力変換器３０では、上アームの半導体スイッチＴｒ_７，Ｔｒ_９，Ｔｒ_１１を全てオンして下アームの半導体スイッチＴｒ_８，Ｔｒ_１０，Ｔｒ_１２を全てオフするモード、及び、これとは逆に上アームの半導体スイッチＴｒ_７，Ｔｒ_９，Ｔｒ_１１を全てオフして下アームの半導体スイッチＴｒ_８，Ｔｒ_１０，Ｔｒ_１２を全てオンするモードにより発生する二つの零電圧ベクトルを用いて、ＰＷＭ制御を行う。

図３は、バッテリ６０の充電動作を示す説明図である。
電力変換器３０の零電圧ベクトル出力時において、上アームの全ての半導体スイッチまたは下アームの全ての半導体スイッチは同時にオンオフするので、ここでは、上アームの半導体スイッチＴｒ_７，Ｔｒ_９，Ｔｒ_１１をＴｒ_ｐ２、下アームの半導体スイッチＴｒ_８，Ｔｒ_１０，Ｔｒ_１２をＴｒ_ｎ２として説明する。

図３において、上アームの半導体スイッチＴｒ_ｐ２のオン期間Ｔ_ｐｏｎでは、バッテリ６０に流れる電流Ｉ_ｂは電動機５０の固定子巻線のリアクトルを介して指数関数的に増加する（図３（ａ）の状態）。一方、下アームの半導体スイッチＴｒ_ｎ２のオン期間Ｔ_ｎｏｎでは、バッテリ６０に流れる電流Ｉ_ｂは上記リアクトルに蓄えられたエネルギーにより半導体スイッチＴｒ_ｎ２の環流ダイオードを通じて還流し、指数関数的に減衰する（図３（ｂ）の状態）。すなわち、電力変換器３０から二つの零電圧ベクトルを出力させれば、電力変換器３０を降圧チョッパとして動作させながらバッテリ６０を充電することができる。
なお、図３（ａ），（ｂ）では、上記電流Ｉ_ｂの経路を破線にて示してあり、図３（ｃ）に示すようにオン期間Ｔ_ｐｏｎ，Ｔ_ｎｏｎの繰り返しによって増加、減少を繰り返す電流によってバッテリ６０が安定して充電される。

ここで、図１における制御装置７０は、コンデンサ群１３の電圧を検出する電圧検出器１４からの信号Ｅ_ｄｃと、バッテリ６０の電圧を検出する電圧検出器１５からの信号Ｖ_ｂと、バッテリ６０に流入する電流を検出する電流検出器１６からの信号Ｉ_ｂに基づき、駆動信号ＰＷＭ_２を生成して電力変換器３０に出力し、バッテリ６０に対してほぼ一定の充電電流Ｉ_ｂが流れるように制御を行う。そして、制御装置７０は、電圧検出器１５からの信号Ｖ_ｂに基づいてバッテリ６０が満充電状態であると判断した時点で、電力変換器３０による零電圧ベクトルの出力を終了する。

ここで、図１におけるスイッチ１２を除去し、請求項２に示すように、モータ４０の中性点４１を中継回路１１を介して交流電源１０に直接接続しても良い。この場合には、第１のモータ４０の中性点４１とコンデンサ群１３の接続点１３ｄとの間に交流電源１０が接続され、第２のモータ５０の中性点５１と電力変換器２０，３０の負側入力端子との間にバッテリ６０が接続されることになる。
この場合のコンデンサ群１３及びバッテリ６０の充電動作は前記同様であるため、説明を省略する。

また、本実施形態によれば、コンデンサ群１３の充電時において、モータ４０の中性点４１からモータ４０の各相の固定子巻線に流れる電流は等しいと共に、電力変換器３０によるバッテリ６０の充電時において、モータ５０の各相の固定子巻線に流れる電流は等しい直流電流である。
以上のことから、モータ４０，５０の固定子巻線がそれぞれ対称に巻かれていれば、各相の固定子巻線に発生する磁束は互いに相殺されるため、モータ４０，５０を回転させるトルクは発生しない。従って、モータを回転させずにバッテリを充電することができ、この駆動システムを搭載した車両等が予期せずに移動するのを防止することができる。
この着想は、請求項４に記載した発明に相当する。

なお、上記実施形態では、第１，第２のモータ４０，５０を第１，第２の電力変換器２０，３０により個別に駆動するモータ駆動システム（２台のモータ駆動装置からなるシステム）について説明した。
しかし、本発明は、電力変換器３０により駆動されるモータ５０のように、固定子巻線の中性点５１と電力変換器３０の一方の直流入力端子との間にバッテリ６０が接続され、エネルギー蓄積要素としてのコンデンサ群１３を単相交流電源１０から充電する他の電力変換器２０を備えていれば良く、これらの他の電力変換器２０及びその負荷としてのモータ４０の台数（言い換えれば他のモータ駆動装置の台数）は何ら限定されない。すなわち、本発明は複数台のモータ駆動装置からなるシステムに適用可能である。

本発明の実施形態を示す回路構成図である。図１におけるコンデンサ群の充電動作を示す説明図である。図１におけるバッテリの充電動作を示す説明図である。従来技術を示す回路構成図である。従来技術を示す回路構成図である。

符号の説明

１０：単相交流電源
１１：中継回路
１２：スイッチ
１３：コンデンサ群
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ：コンデンサ
１３ｄ：接続点
１４，１５：電圧検出器
１６：電流検出器
２０，３０：電力変換器
４０，５０：モータ
４１，５１：中性点
６０：バッテリ
７０：制御装置
Ｔｒ_１〜Ｔｒ_６，Ｔｒ_７〜Ｔｒ_１２，Ｔｒ_ｐ１，Ｔｒ_ｐ２，Ｔｒ_ｎ１，Ｔｒ_ｎ２：半導体スイッチ

Claims

直流側のエネルギー蓄積要素を共通にして互いに並列に接続された第１，第２の電力変換器と、第１の電力変換器により駆動される第１のモータと、第２の電力変換器により駆動される第２のモータと、第１または第２のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素の一端との間に接続可能なバッテリと、第１のモータの固定子巻線の中性点を交流電源または前記バッテリの一端に接続するためのスイッチと、このスイッチを介して第１のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素との間に接続される交流電源と、第１，第２の電力変換器をそれぞれ構成する半導体スイッチを制御するための制御手段と、を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記スイッチにより第１のモータの固定子巻線の中性点を前記バッテリから切り離して前記交流電源に接続した状態で、前記交流電源から第１のモータ及び第１の電力変換器を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、
次に、前記制御手段により第２の電力変換器の半導体スイッチを制御することにより、第２のモータの固定子巻線を降圧リアクトルとして動作させながら前記エネルギー蓄積要素のエネルギーを第２の電力変換器及び第２のモータを介し前記バッテリに供給して前記バッテリを充電することを特徴とするモータ駆動システムの充電方法。
直流側のエネルギー蓄積要素を共通にして互いに並列に接続された第１，第２の電力変換器と、第１の電力変換器により駆動される第１のモータと、第２の電力変換器により駆動される第２のモータと、第２のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素の一端との間に接続されるバッテリと、第１のモータの固定子巻線の中性点と前記エネルギー蓄積要素との間に接続される交流電源と、第１，第２の電力変換器をそれぞれ構成する半導体スイッチを制御するための制御手段と、を備えたモータ駆動システムにおいて、
前記交流電源から第１のモータ及び第１の電力変換器を介して前記エネルギー蓄積要素にエネルギーを蓄積し、
次に、前記制御手段により第２の電力変換器の半導体スイッチを制御することにより、第２のモータの固定子巻線を降圧リアクトルとして動作させながら前記エネルギー蓄積要素のエネルギーを第２の電力変換器及び第２のモータを介し前記バッテリに供給して前記バッテリを充電することを特徴とするモータ駆動システムの充電方法。
請求項１または２に記載した充電方法において、
前記バッテリの充電時には、第２の電力変換器から零電圧ベクトルを出力させるように第２の電力変換器の半導体スイッチを制御することを特徴とするモータ駆動システムの充電方法。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電方法において、
第１のモータの各相固定子巻線及び第２のモータの各相固定子巻線に流れる電流をそれぞれ等しくして各モータを回転させるトルクを発生させずに前記バッテリを充電することを特徴とするモータ駆動システムの充電方法。