JP2016077104A - Power conversion device and work machine employing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリなどの蓄電器を充電する。 In recent construction machines such as power shovels and cranes, a hybrid type of a hydraulic motor and an AC motor is used as a power source for the upper swing body. The hybrid-type turning power source assists the hydraulic motor with an AC motor during acceleration of the upper turning body, performs a regenerative operation with the AC motor during deceleration, and charges a storage battery such as a battery with generated energy.
交流電動機とバッテリやコンデンサなどの蓄電器の間でエネルギを相互に授受するために、双方向DC/DCコンバータ(昇降圧コンバータともいう)を用いた電力変換装置が利用される。図1は、双方向DC/DCコンバータ110の基本構成を示す回路図である。
A power converter using a bidirectional DC / DC converter (also referred to as a step-up / down converter) is used to exchange energy between an AC motor and a storage battery such as a battery or a capacitor. FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of bidirectional DC /
双方向DC/DCコンバータ110の1次側には蓄電器102が接続され、その2次側にはDCバス104が接続される。DCバス104は、インバータ18と接続される。双方向DC/DCコンバータ110に対して、インバータ18は可変の負荷電流Imを生成する可変電流源として作用する。たとえば交流電動機が力行運転するとき、負荷電流Imは正であり、回生運転するとき負荷電流Imは負となる。
The
双方向DC/DCコンバータ110のリアクトル(インダクタ)には、数十A〜数百Aの大電流が流れるところ、電流容量の大きなリアクトルは非常に高価である。そこで図1に示すように、複数のリアクトルL1、L2を並列に接続した並列構造が用いられる。双方向DC/DCコンバータ110は、リアクトルL1、L2に加えて、平滑キャパシタC1、トランジスタM1、M2を含む。双方向DC/DCコンバータ110のトポロジーは公知であるため説明を省略する。
A large current of several tens of A to several hundreds of A flows through the reactor (inductor) of the bidirectional DC /
コントローラ120は、上流のコントローラから、DCバス104の電圧(DCリンク電圧)VDCの目標値を指示する電圧指令Vrを受ける。またコントローラ120は、電流センサCTから、リアクトルL1、L2の電流の合計(コンバータ電流)を示す電流検出値を受ける。コントローラ120は、DCリンク電圧VDCが電圧指令Vrと一致するように、トランジスタM1、M2のスイッチングのデューティ比を制御し、リアクトルL1、L2に流れるコンバータ電流を調節する。
The
図2は、複数のリアクトルの構成を示す図である。第1リアクトルL1は、コア132_1と、コア132_1に巻装されたコイルW1を有する。同様に第2リアクトルL2は、コア132_2と、コア132_2に巻装されたコイルW2を有する。 FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a plurality of reactors. The first reactor L1 includes a core 132_1 and a coil W1 wound around the core 132_1. Similarly, the second reactor L2 includes a core 132_2 and a coil W2 wound around the core 132_2.
図3は、リアクトルの直流重畳特性を示す図である。リアクトルは、それに流れる直流電流がある値を超えると、磁気飽和が発生し、直流電流が増大するほどインダクタンスが低下する。これを直流重畳特性という。図1の並列構造の双方向DC/DCコンバータ110において、理想的にはリアクトルL1とL2には等しい電流が流れている。ところが電流のバランスが崩れ、一方のリアクトルL1に電流が集中すると、電流が集中した一方のリアクトルL1のインダクタンス(つまりインピーダンス)が低下し、さらに電流が集中し、さらなるインダクタンスの低下をもたらす。このように、図1の双方向DC/DCコンバータ110では、電流のアンバランスが発生したり、発振などの現象が発生する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the DC superimposition characteristics of the reactor. When the direct current flowing through the reactor exceeds a certain value, magnetic saturation occurs, and the inductance decreases as the direct current increases. This is called DC superposition characteristics. In the bidirectional DC /
この問題を回避するために、図4の構成が採用される。図4の双方向DC/DCコンバータ110は、リアクトルL1、L2ごとに設けられた電流センサCT1、CT2を備える。コントローラ120は、2個の電流センサCT1、CT2の検出値に応じて、リアクトルL1、L2の電流を個別に制御する。
In order to avoid this problem, the configuration of FIG. 4 is adopted. The bidirectional DC /
図4の双方向DC/DCコンバータ110によれば、複数のリアクトルL1、L2の電流のアンバランスや発振を抑えることができるが、電流センサCTが2個必要となり、また制御系が複雑となるため、回路コストが増大する。なおこのような問題は、双方向DC/DCコンバータ110に限らず、昇圧コンバータ、降圧コンバータなど、リアクトルを用いたさまざまな電力変換装置において生じうる。
The bidirectional DC /
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、安定的な制御が可能な電力変換装置の提供にある。 The present invention has been made in view of such a problem, and one of the exemplary purposes of an aspect thereof is to provide a power conversion device capable of stable control.
本発明のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、DCバスと、DCバスと接続されるスイッチング回路と、スイッチング回路と接続され、並列な電流経路を形成し、実質的に等しいインダクタンスを有する複数M個(M≧2)のリアクトルと、を備える。M個のリアクトルは、複数N個(N≧M)のコアと、M本の導線と、を備える。M本の導線はそれぞれ、N個のコアのうち複数p個(2≦p≦N)に巻装され、電気的に直列なp個のコイルを形成する。同一のコアに巻装される複数q個(2≦q)のコイルは、実質的に等しい巻数を有し、かつ同一方向の磁束を発生させる。 One embodiment of the present invention relates to a power converter. The power conversion apparatus includes a DC bus, a switching circuit connected to the DC bus, and a plurality of M (M ≧ 2) reactors that are connected to the switching circuit to form a parallel current path and have substantially the same inductance. And comprising. The M reactors include a plurality of N (N ≧ M) cores and M conductive wires. Each of the M conductors is wound around a plurality of N cores of N cores (2 ≦ p ≦ N) to form p coils electrically in series. A plurality of q (2 ≦ q) coils wound around the same core have substantially the same number of turns and generate magnetic flux in the same direction.
この態様では、いずれかのコアで磁気飽和が発生すると、そのコアに巻装される複数のコイルのインダクタンスが実質的に等しく低下する。このように互いに分担させることで複数のリアクトルに流れる電流のアンバランスや発振を抑制でき、低コストで電力変換装置の安定的な制御が可能となる。 In this aspect, when magnetic saturation occurs in any of the cores, the inductances of the plurality of coils wound around the core are substantially reduced. By sharing each other in this way, it is possible to suppress unbalance and oscillation of currents flowing through a plurality of reactors, and it is possible to stably control the power conversion device at low cost.
M×p=N×qであってもよい。
この場合、複数のコアを余すことなく有効に利用できる。
M * p = N * q may be sufficient.
In this case, a plurality of cores can be effectively used without leaving them.
M=qであってもよい。
この場合、複数M本の導線それぞれをN個のコアすべてに分割して巻装することができ、1個のコアで磁気飽和が生じた場合には、すべてのリアクトルのインダクタンスが等しく(p−1)/p倍となり、良好な電流バランスを維持できる。
M = q may be sufficient.
In this case, each of the plurality of M conductors can be divided into all N cores and wound, and when magnetic saturation occurs in one core, the inductances of all the reactors are equal (p− 1) / p times and good current balance can be maintained.
q=2であってもよい。この場合、コイルの巻数の管理などの観点から、複数のリアクトルを製造しやすくなる。 q = 2 may be sufficient. In this case, it becomes easy to manufacture a plurality of reactors from the viewpoint of managing the number of turns of the coil.
複数のコアは環状コアであってもよい。この場合、漏れ磁束を低減でき、高いインダクタンスを得ることができる。 The plurality of cores may be annular cores. In this case, leakage magnetic flux can be reduced and high inductance can be obtained.
本発明の別の態様は作業機械に関する。作業機械は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、蓄電器と、蓄電器とインバータの間で相互に電力を授受する上述のいずれかに記載の電力変換装置と、を備える。 Another aspect of the present invention relates to a work machine. The work machine includes an electric motor, an inverter that drives the electric motor, a power storage device, and the power conversion device according to any one of the above that transfers power to and from the power storage device and the inverter.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、回路コストを抑えつつ、安定的な制御が可能となる。 According to the present invention, it is possible to perform stable control while suppressing circuit cost.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図5は、実施の形態に係る双方向DC/DCコンバータ(以下、単にコンバータともいう)110の回路図である。DC/DCコンバータ110は、DCバス104と、平滑キャパシタC1と、スイッチング回路112と、複数M個の(M≧2)のリアクトルL1〜LM(リアクトルユニット130と総称する)と、電流センサCTと、を備える。スイッチング回路112は、ハイサイドトランジスタM1およびローサイドトランジスタM2を含む。たとえばスイッチング回路112はIPM(Intelligent Power Module)で構成されてもよいし、ディスクリート部品で構成されてもよい。
FIG. 5 is a circuit diagram of a bidirectional DC / DC converter (hereinafter also simply referred to as a converter) 110 according to the embodiment. The DC /
複数M個のリアクトルL1〜LMはスイッチング回路112と接続され、並列な電流経路を形成する。複数M個のリアクトルL1〜LMは、実質的に等しいインダクタンスを有する。電流センサCTは、コンバータ110に流れる電流、つまり複数のリアクトルL1〜LMに流れる電流の合計電流を検出する。コンバータコントローラ120は、DCバス104の電圧VDCが目標値Vrと一致するようにスイッチング回路112を制御する。
The plurality of M reactors L1 to LM are connected to the
図6は、実施の形態に係るリアクトルユニット130の構成を示す図である。M個のリアクトルL1〜LMは、複数N個(N≧M)のコア132_1〜132_Nと、M本の導線134_1〜134_Mと、を備える。なお、各導線134は、物理的に連続する一本の導線である必要はなく、複数の導線部分を直列に結線して電気的に連続する1本の導線134が形成されてもよい。図6には、M=2、N=2の構成が示される。また複数のコア132_1〜132_Mは、漏れ磁束を低減する観点から環状コアであることが望ましいが、後述のように棒状コアであってもよいし、その他の形状であってもよい。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the
M本の導線134_1〜134_Mはそれぞれ、N個のコア132_1〜132_Nのうち複数p個(2≦p≦N)に巻装され、電気的に直列なp個のコイルを形成する。具体的には、i番目(1≦i≦M)の導線134_iは、p個のコア132_1〜132_pに巻装され、電気的に直列なp個のコイルWi_1〜Wi_Pを含んでいる。 Each of the M conductive wires 134_1 to 134_M is wound around a plurality of p cores (2 ≦ p ≦ N) out of the N cores 132_1 to 132_N to form p coils electrically in series. Specifically, the i-th (1 ≦ i ≦ M) conductor 134_i is wound around p cores 132_1 to 132_p, and includes p coils Wi_1 to Wi_P electrically in series.
同一のコア132_j(1≦j≦N)に巻装される複数のコイルは、実質的に等しい巻数njを有し、かつ同一方向の磁束を発生させるよう巻装される。
The plurality of coils wound around the
複数のコア132_1〜132_Mにはそれぞれ等しく複数Q本(2≦Q≦N)の導線が巻装され、p=N×q/Mである。つまりコア132_1〜132_Mは同一形状、同一サイズで構成することが望ましい。図6では、q=2、p=2である。 A plurality of Q wires (2 ≦ Q ≦ N) are equally wound around each of the plurality of cores 132_1 to 132_M, and p = N × q / M. That is, it is desirable that the cores 132_1 to 132_M have the same shape and the same size. In FIG. 6, q = 2 and p = 2.
第1の導線134_1が、図5のリアクトルL1に対応し、第2の導線134_2が、図5のリアクトルL2に対応する。各導線134_iの一端(第1ポート)P1_iは、リアクトルLiの一端に、他端P2_iは、リアクトルLiの他端に対応する。使用において、複数の導線134_1〜134_Mそれぞれの第1ポートP1_1〜P1_Mは電気的に共通に接続され、複数の導線134_1〜134_Mそれぞれの第2ポートP2_1〜P2_Mも電気的に共通に接続され、複数のリアクトルL1〜LMが並列な電流経路が形成される。 The first conducting wire 134_1 corresponds to the reactor L1 in FIG. 5, and the second conducting wire 134_2 corresponds to the reactor L2 in FIG. One end (first port) P1_i of each conducting wire 134_i corresponds to one end of the reactor Li, and the other end P2_i corresponds to the other end of the reactor Li. In use, the first ports P1_1 to P1_M of the plurality of conductors 134_1 to 134_M are electrically connected in common, and the second ports P2_1 to P2_M of the plurality of conductors 134_1 to 134_M are also electrically connected in common, and A current path in which the reactors L1 to LM are parallel to each other is formed.
以上がリアクトルユニット130の構成である。続いてその原理を説明する。図7は、図6のリアクトルユニット130の等価回路図である。導線134_1は、直列接続されるコイルW1_1、W1_2を含み、導線134_2は、直列接続されるコイルW2_1、W2_2を含む。コイルWi_jのインダクタンスをLi_j、直流抵抗をRi_jと記している。
The above is the configuration of the
複数のコア132それぞれ(コア132_j)において、それに巻装されるすべてのコイルW1_j、W2_jの巻数njは等しいから、インダクタンスL1_j、L2_jは等しくLjと表され、またそのコイルW1_j、W2_jの抵抗値R1_j、R2_jも等しくRjと表される。n1=n2=…=nNとし、L1=L2=…=LN、R1=R2=…=RNとしてもよい。
A plurality of
リアクトルユニット130の両端間の電圧をV、導線134_1に流れる電流をI1と記す。このとき、図6のリアクトルユニット130の導線134_1において以下の式(1)が成り立つ。
V=Σj=1:N(Lj・dI1/dt+Rj・I1) …(1)
当然ながら、導線134_2においても同様の式(2)が成り立つ。
V=Σj=1:N(Lj・dI2/dt+Rj・I2) …(2)
The current through the voltage across the reactor units 130 V, in conductor 134_1 referred to as I 1. At this time, the following formula (1) is established in the conducting wire 134_1 of the
V = Σ j = 1: N (L j · dI 1 / dt + R j · I 1 ) (1)
Of course, the same formula (2) holds for the conductor 134_2.
V = Σ j = 1: N (L j · dI 2 / dt + R j · I 2 ) (2)
いま、一方のコア132_1において磁気飽和が発生してその透磁率μが低下し、それに巻装されるコイルW1_1、W1_2のインダクタンスL1_1=L2_1=L1が等しくゼロに低下したとする。
この場合、第1の導線134_1に関して、式(3)を得る。
V=L2・dI1/dt+(R1+R2)・I1
={L2・d/dt+R1+R2}・I1 …(3)
したがって、導線134_1の電流I1は式(4)で与えられる。
I1=V/{L2・d/dt+R1+R2} …(4)
Now, the permeability μ is decreased magnetic saturation occurs in one core 132_1, it coils W1_1 being wound, the inductance L1_1 = L2_1 = L 1 of W1_2 drops to equal zero.
In this case, Equation (3) is obtained for the first conductor 134_1.
V = L 2 · dI 1 / dt + (R 1 + R 2 ) · I 1
= {L 2 · d / dt + R 1 + R 2 } · I 1 (3)
Therefore, the current I 1 of the conducting wire 134_1 is given by equation (4).
I 1 = V / {L 2 · d / dt + R 1 + R 2 } (4)
またこの場合、第2の導線134_2に関して、式(5)を得る。
V=L2・dI2/dt+(R1+R2)・I2
={L2・d/dt+R1+R2}・I2 …(5)
したがって、導線134_2の電流I2は式(6)で与えられる。
I2=V/{L2・d/dt+R1+R2} …(6)
式(4)と(6)を対比すると、I1=I2を得る。
In this case, the expression (5) is obtained for the second conductor 134_2.
V = L 2 · dI 2 / dt + (R 1 + R 2 ) · I 2
= {L 2 · d / dt + R 1 + R 2 } · I 2 (5)
Accordingly, the current I 2 of the conductor 134_2 is given by equation (6).
I 2 = V / {L 2 · d / dt + R 1 + R 2 } (6)
Comparing equations (4) and (6), I 1 = I 2 is obtained.
実施の形態に係るリアクトルユニット130の効果は、図2のリアクトルとの対比によってさらに明確となろう。図2の構成では、一方のコア132_1において磁気飽和が発生すると、一方のリアクトルL1のインダクタンスのみが小さくなり、他方のリアクトルL2のインダクタンスは維持される。これによりリアクトルL1への電流集中が促進され、さらなるインダクタンスの低下を引き起こす。
The effect of the
これに対して実施の形態に係るリアクトルユニット130によれば、式(4)、(6)から導かれるように、いずれかのコアにおいて磁気飽和が発生したとしても、複数の導線(コイル)134の電流I1、I2を実質的に等しく保つことができる。
On the other hand, according to the
また実施の形態に係るリアクトルユニット130によれば、磁気飽和が発生したときに、ある導線(リアクトル)への電流集中が生じにくいため、その導線のインダクタンスの更なる低下を抑制することができる。
Moreover, according to the
このリアクトルユニット130を双方向DC/DCコンバータ110に用いることにより、発振が起こりにくくなり、系の安定性を高めることができる。あるいは、系を安定化するためのフィードバックループのアルゴリズムを簡素化でき、メンテナンスを容易にできる。あるいは、いずれかのリアクトルに電流集中が発生した場合であっても、発振に至るまでの時間を従来よりも遅らせることができるため、その間に、発振を抑制するように制御を切り換えることで、系の安定性を高めることができる。
By using the
当業者によれば、リアクトルの並列数(導線本数)M、コア数N、各リアクトル(導線)あたりのコイル数(分割数)p、1個のコア当たりのコイルの数q、の組み合わせにさまざまな変形例が存在しうることが理解されよう。 According to a person skilled in the art, there are various combinations of the number of parallel reactors (number of conductors) M, the number of cores N, the number of coils per reactor (conductor) (number of divisions) p, and the number of coils q per core. It will be appreciated that various modifications may exist.
(第1変形例)
図8は、第1変形例に係るリアクトルユニット130aの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数(導線本数)M=2、コア数N=3、導線当たりのコイル数(分割数)p=3、コア当たりのコイル数q=3である。
(First modification)
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a
N個のコアを用いた場合、1個のコアにおいて磁気飽和が生じた場合に、複数のリアクトルL1、L2それぞれのインダクタンスは、(N−1)/N倍となる。したがって、Nを3個、4個…と増加することで、磁気飽和が生じたときの影響を小さくできる。 When N cores are used, when magnetic saturation occurs in one core, the inductance of each of the plurality of reactors L1 and L2 is (N-1) / N times. Therefore, by increasing N to 3, 4,..., The influence when magnetic saturation occurs can be reduced.
(第2変形例)
図9は、第2変形例に係るリアクトルユニット130bの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数(導線本数)M=3、コア数N=3、導線当たりのコイルp=3、コア当たりのコイル数q=3である。
(Second modification)
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a
この変形例では、リアクトルの並列数Mが3であり、M=2の場合に比べてさらに大電流を流すことができる。 In this modification, the number M of parallel reactors is 3, and a larger current can flow than in the case where M = 2.
(第3変形例)
図10は、第3変形例に係るリアクトルユニット130cの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数(導線本数)M=3、コア数N=3、導線当たりのコイル数p=2、コア当たりのコイル数q=2である。
(Third Modification)
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a
この変形例では、コア132_1において磁気飽和が生じ、コイルW1_1、W2_1がゼロとなった場合、リアクトルL1、L2については、インダクタンスが1/2倍となり、リアクトルL3については、インダクタンスが元のまま維持される。したがって、電流バランスの維持の観点からは、実施の形態および第1、第2変形例には劣ることとなるが、図2の従来のリアクトルに比べれば、改善された電流バランスを実現できる。 In this modification, when magnetic saturation occurs in the core 132_1 and the coils W1_1 and W2_1 become zero, the inductance of the reactors L1 and L2 is halved, and the inductance of the reactor L3 is maintained as it is. Is done. Therefore, from the viewpoint of maintaining the current balance, the current balance is inferior to that of the embodiment and the first and second modifications, but an improved current balance can be realized as compared with the conventional reactor of FIG.
言い換えれば、電流バランスを高めるためには、実施の形態および第1、第2の変形例で共通するように、リアクトルの並列数(導線本数)Mとコア当たりのコイル数qを等しくすればよい。この場合、すべてのリアクトルは、直列に接続されるp個(=M×q/N)のコイルで構成されることとなり、1個のコアにおいて磁気飽和が生じた場合、M個のリアクトルのインダクタンスはそれぞれ、(p−1)/p倍となり、高い電流バランスを維持できる。 In other words, in order to increase the current balance, the number of reactors in parallel (number of conductors) M and the number of coils per core q may be made equal as in the first embodiment and the first and second modifications. . In this case, all the reactors are configured by p (= M × q / N) coils connected in series, and when magnetic saturation occurs in one core, the inductances of the M reactors Is (p-1) / p times, and a high current balance can be maintained.
(第4変形例)
図11は、第4変形例に係るリアクトルユニット130dの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数(導線本数)M=4、コア数N=4、導線当たりのコイル数p=2、コア当たりのコイル数q=2である。
(Fourth modification)
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a
当業者によれば、第1〜第4変形例の他にも、M、N、p、qの異なる組み合わせが存在しうること、その他の変形例も本発明の範囲に含まれることが理解される。 It will be understood by those skilled in the art that other combinations of M, N, p, and q may exist in addition to the first to fourth modifications, and that other modifications are also included in the scope of the present invention. The
(第5変形例)
実施の形態では環状コアを用いる場合を説明したが本発明はそれに限定されない。図12(a)、(b)は、第5変形例に係るリアクトルユニット130e、130fを示す図である。図12(a)のリアクトルユニット130eは、M=2、N=2、p=2、q=2であり、棒状のコア132が利用される。図12(a)の変形例では、コア132の端部における漏れ磁束の影響でインダクタンスが小さくなるため、環状コアを用いた場合に比べて特性は劣るが、コア132の長さを長くすることでコア当たりのコイル数qを増やすことが容易となる。
(5th modification)
In the embodiment, the case where the annular core is used has been described, but the present invention is not limited thereto. FIGS. 12A and 12B are views showing
図12(b)のリアクトルユニット130fは、M=2、N=3、p=3、q=2である。この変形例では、M個の棒状コア132_1〜132_3の端部に、漏れ磁束を低減するための磁路を形成すべく、環状の磁性体136、138が結合される。環状コアを用いる場合、コア132の個数Mが増えると、コアや導線のレイアウトが複雑となる。図12(b)の変形例によれば、レイアウトを複雑にすることなく、コア132の個数Mを容易に増やすことができる。
The
続いて、実施の形態に係る双方向DC/DCコンバータ110の用途を説明する。図13は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル1の外観を示す斜視図である。ショベル1は、主として走行機構2と、走行機構2の上部に旋回機構3を介して回動自在に搭載された上部旋回体(以下、単に旋回体ともいう)4とを備えている。
Next, the application of the bidirectional DC /
旋回体4には、ブーム5と、ブーム5の先端にリンク接続されたアーム6と、アーム6の先端にリンク接続されたバケット10とが取り付けられている。バケット10は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム5、アーム6、及びバケット10は、それぞれブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によって油圧駆動される。また、旋回体4には、バケット10の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室4aや、油圧を発生するためのエンジン11といった動力源が設けられている。エンジン11は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
The revolving
図14は、実施の形態に係るショベル1の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図14では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
FIG. 14 is a block diagram of an electric system and a hydraulic system of the
ショベル1は電動発電機12および減速機13を備えており、エンジン11及び電動発電機12の回転軸は、共に減速機13の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン11の負荷が大きいときには、電動発電機12が自身の駆動力によりエンジン11の駆動力を補助(アシスト)し、電動発電機12の駆動力が減速機13の出力軸を経てメインポンプ14に伝達される。一方、エンジン11の負荷が小さいときには、エンジン11の駆動力が減速機13を経て電動発電機12に伝達されることにより、電動発電機12が発電を行う。電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnetic)モータによって構成される。電動発電機12の駆動と発電との切りかえは、ショベル1における電気系統の駆動制御を行うコントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。
The
減速機13の出力軸にはメインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されており、メインポンプ14には高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。コントロールバルブ17は、ショベル1における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ17には、図13に示した走行機構2を駆動するための油圧モータ2A及び2Bの他、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ17は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
A
パイロットポンプ15には、パイロットライン25を介して操作装置26(操作手段)が接続されている。操作装置26は、旋回用電動機21、走行機構2、ブーム5、アーム6、及びバケット10を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置26には、油圧ライン27を介してコントロールバルブ17が接続され、また、油圧ライン28を介して圧力センサ29が接続される。操作装置26は、パイロットライン25を通じて供給される油圧(1次側の油圧)を操作者の操作量に応じた油圧(2次側の油圧)に変換して出力する。操作装置26から出力される2次側の油圧は、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17に供給されるとともに、圧力センサ29によって検出される。
An operation device 26 (operation means) is connected to the
圧力センサ29は、操作装置26に対して旋回機構3を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン28内の油圧の変化として検出する。圧力センサ29は、油圧ライン28内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ30に入力され、旋回用電動機21の駆動制御に用いられる。
When an operation for turning the
コントローラ30は、CPU(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをCPUが実行することにより実現される。コントローラ30は、各種センサ及び操作装置26等からの操作入力を受けて、インバータ18A、18B、18C及び蓄電手段101等の駆動制御を行う。
The
油圧モータ310は、ブーム5が下げられるときにブームシリンダ7から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム5が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ310は、コントロールバルブ17とブームシリンダ7の間の油圧管7Aに設けられている。ブーム回生用発電機300で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ18Bを経て蓄電手段101に供給される。
The
旋回用電動機21は、図13の旋回機構3に設けられ、上部旋回体4を回動させる。旋回用電動機21は交流電動機であり、旋回体4を旋回させる旋回機構3の動力源である。旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回減速機24が接続される。旋回用インバータ18Cは、蓄電手段101からの電力を受け、旋回用電動機21を駆動する。また旋回用電動機21の回生運転時には、旋回用電動機21からの電力を蓄電手段101に回収する。
The turning
旋回用電動機21が力行運転を行う際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が旋回減速機24にて増幅され、旋回体4が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体4の慣性回転により、旋回減速機24にて回転数が増加されて旋回用電動機21に伝達され、回生電力を発生させる。
When the turning
レゾルバ22は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機21と機械的に連結することで回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ22が回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構3の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ23は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ30からの指令によって、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。旋回減速機24は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度を減速して旋回機構3に機械的に伝達する減速機である。
The
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ30、電力変換装置100、インバータ18A〜18Cを備える。
Next, the electric system will be described in detail. The electric system mainly includes a
(アシスト)
アシスト用のインバータ18Aの2次側(出力)端には、電動発電機12が接続される。インバータ18Aは、コントローラ30の一部であるアシスト用インバータコントローラ30Aからの指令にもとづき、電動発電機12の運転制御を行う。
(assist)
The
(ブーム回生)
インバータ18Bの2次側(出力)端には、ブーム回生用発電機300が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機300は、ブーム5が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ18Bは、コントローラ30のブーム回生用のインバータコントローラ30Bによって制御され、ブーム回生用発電機300が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電力変換装置100に回収する。
(Boom regeneration)
A
(旋回)
旋回用電動機21、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、旋回減速機24、旋回用インバータ18Cおよびコントローラ30の一部である旋回用のインバータコントローラ30Cは、電動旋回装置500を構成する。
旋回用電動機21は、PWM(Pulse Width Modulation)制御指令により旋回用インバータ18Cによって交流駆動される。旋回用電動機21としては、例えば、磁石埋込型のIPMモータが好適である。
(Turning)
The turning
The turning
旋回用インバータコントローラ30Cは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ22により検出される旋回用電動機21の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ18Cを制御する。
The turning inverter controller 30C receives a rotation speed command corresponding to the operation input, and controls the turning
(電源)
蓄電手段101とコントローラ30の一部であるコンバータコントローラ30Dは、電力変換装置100を構成する。蓄電手段101は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ(双方向DC/DCコンバータ)と、正極及び負極の直流配線からなるDCバスとを備えている(図示せず)。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な2次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。DCバスには、インバータ18A〜インバータ18Cそれぞれの1次側(直流入力)が接続されている。コントローラ30Dは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向DC/DCコンバータを制御する。電力変換装置100は、電動発電機12等が力行運転する際には、双方向DC/DCコンバータを昇圧動作させ、電動発電機12等が回生運転する際には、双方向DC/DCコンバータを降圧動作させ、電動発電機12が発生した電力を蓄電器に回収する。
(Power supply)
The
すなわち、インバータ18Aが電動発電機12を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからDCバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機12を回生運転させる際には、電動発電機12により発電された電力をDCバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ30Dによって行われる。これにより、DCバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
That is, when the
以上がショベル1の全体構成である。続いて、実施の形態に係る双方向DC/DCコンバータ110は、蓄電手段101に好適に利用可能である。図15は、双方向DC/DCコンバータ110のレイアウトを示す斜視図である。双方向DC/DCコンバータ110には、図6のリアクトルユニット130が使用される。スイッチング回路112であるIPM114とリアクトルユニット130は、筐体200のベースプレート上に並べて配置される。IPM114のP極端子116はDCバス104に相当するブスバー122と電気的、機械的に接続される。またIPM114のスイッチング端子(交流端子)118とリアクトルL1、L2それぞれの第2ポートP2_1、P2_2は、ブスバー124を介して電気的、機械的に接続される。IPM114のN極端子117は、N極ブスバー126と接続される。
The above is the overall configuration of the
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, and various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place. Hereinafter, such modifications will be described.
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル1を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
In the embodiment, the
また双方向DC/DCコンバータ110は、2次電池の充放電装置、家庭用蓄電システムなどにも好適に利用できる。
The bidirectional DC /
電力変換装置は、双方向DC/DCコンバータに限定されず、降圧コンバータ、昇圧コンバータであってもよく、この場合、大電流を供給する一般的、汎用的な電源としての利用も可能である。 The power conversion device is not limited to the bidirectional DC / DC converter, and may be a step-down converter or a step-up converter. In this case, the power conversion device can also be used as a general and general-purpose power source that supplies a large current.
1…ショベル、2…走行機構、2A…油圧モータ、3…旋回機構、4…旋回体、4a…運転室、5…ブーム、6…アーム、7…ブームシリンダ、7A…油圧管、8…アームシリンダ、9…バケットシリンダ、10…バケット、11…エンジン、12…電動発電機、13…減速機、14…メインポンプ、15…パイロットポンプ、16…高圧油圧ライン、17…コントロールバルブ、18,18A,18B…インバータ、18C…旋回用インバータ、21…旋回用電動機、21A…回転軸、22…レゾルバ、23…メカニカルブレーキ、24…旋回減速機、25…パイロットライン、26…操作装置、27,28…油圧ライン、29…圧力センサ、30…コントローラ、30A,30B,30C…インバータコントローラ、30D…コンバータコントローラ、100…電源装置、101…蓄電手段、102…蓄電器、104…DCバス、110…双方向DC/DCコンバータ、112…スイッチング回路、C1…平滑キャパシタ、120…コントローラ、130…リアクトルユニット、132…コア、134…導線、300…ブーム回生用発電機、310…油圧モータ、500…電動旋回装置。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記DCバスと接続されるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と接続され、並列な電流経路を形成し、実質的に等しいインダクタンスを有する複数M個(M≧2)のリアクトルと、
を備え、
前記M個のリアクトルは、
複数N個(N≧M)のコアと、
M本の導線と、
を備え、
前記M本の導線はそれぞれ、前記N個のコアのうち複数p個(2≦p≦N)に巻装され、電気的に直列接続されるp個のコイルを形成しており、
同一のコアに巻装される複数q個(2≦q)のコイルは、実質的に等しい巻数を有し、かつ同一方向の磁束を発生させることを特徴とする電力変換装置。 DC bus,
A switching circuit connected to the DC bus;
A plurality of M (M ≧ 2) reactors connected to the switching circuit to form parallel current paths and having substantially equal inductances;
With
The M reactors are
A plurality of N (N ≧ M) cores;
M wires,
With
Each of the M conductive wires is wound around a plurality of p cores (2 ≦ p ≦ N) of the N cores to form p coils electrically connected in series,
A plurality of q (2 ≦ q) coils wound around the same core have substantially the same number of turns and generate magnetic flux in the same direction.
前記電動機を駆動するインバータと、
蓄電器と、
前記蓄電器と前記インバータの間で相互に電力を授受する請求項1から5のいずれかに記載の電力変換装置と、
を備えることを特徴とする作業機械。 An electric motor,
An inverter for driving the electric motor;
A capacitor,
The power conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein power is exchanged between the capacitor and the inverter.
A work machine comprising:
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