JP2016158352A - 電動機制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、インバータの動作原理については、広く一般的であるので、ここでは説明を省略する。
このようなシステムでは、電動機を回生運転中に開閉手段が開放され直流電源と切り離されることがある。また、開閉手段を有さないシステムであっても、直流電源とインバータ間の電力線が断線することにより、直流電源と切り離されることがある。このような場合、電動機からインバータに流入する回生電力をバッテリに充電することができず、インバータのコンデンサに充電することとなり、コンデンサに過電圧がかかりコンデンサが破損する場合がある。
させてインバータのスイッチング周波数を可変制御して、回生電力をインバータのスイッチング素子によるスイッチング損失で消費させることを特徴とするインバータの回生電力処理方法が開示されている。
具体的には、電気自動車用インバータでよく使用されるスイッチング周波数範囲では、図3に示すようにスイッチング周波数を上げるとインバータ効率は低下し、電動機効率は上昇するのが一般的であり、トータルの総合効率はスイッチング周波数を上げても必ずしも低下しない。すなわち、スイッチング周波数を上げると総合損失が減少する場合がある。このような場合では、スイッチング損失が増加するようにスイッチング周波数を上げると、インバータおよび電動機で消費する回生電力が減少することとなり、その結果、直流電源側に流入される回生電力がより大きくなるため、この方法ではインバータの小型化を実現できないという課題があった。
以下、この発明の実施の形態1に係る電動機制御装置を図1から図3に基づいて詳細に説明する。
図1は実施の形態1における電動機制御装置のシステム構成図である。説明の都合上、インバータ回路に直流電力を供給するとともに回生電力で充電されるバッテリ等の直流電源及び制御対象の3相交流電動機を含んで図示している。
なお、電動機10は、負荷を回転駆動するとともに、負荷の回転エネルギーを電気エネルギーとして回生可能な電動機であり、永久磁石3相交流同期モータや3相ブラシレスモータが使用される。
インバータ回路20の放電スイッチ22は、電力開閉器70が開放状態の時に直流母線電圧が所定の電圧以上となった場合にコンデンサ21に蓄電された電力や電動機10による回生電力を放電する経路を形成することが主要な目的である。
電動機電流検出手段26は、交流母線2aを流れる電動機電流値を検出するものであり、電流値を電圧に変換してスイッチング制御部60に出力する。図1では、シャント抵抗により電流値を検出する構成を示している。電動機電流検出手段26は、ホール素子等を用いた電流センサとしても良い。
電力変換回路25は、6つのスイッチング素子をフルブリッジ接続したインバータである。
図1に示す電力変換回路25のスイッチング素子は、電界効果トランジスタの一種であるMOSFETであるが、その他のトランジスタ、IGBT等を用いてもよい。これらのスイッチング素子はスイッチング制御部60のスイッチング制御信号生成部61による制御信号により駆動されることでオンオフ動作し、直流電力を交流電力に変換し電動機10に供給するとともに電動機10が回生状態において発生する回生電力を直流電源90に充電する。
まず、電源側異常判定手段62が電圧検出手段24から入力された直流母線電圧値に基づいて、回生電力を直流電源90に回生することが不可かどうかを判定する。具体的には、直流母線電圧が予め定められた所定値以上である場合に、回生電力を直流電源90に回生不可である電源側異常状態と判定し、それ以外の場合は電源側正常状態と判定する。これにより、電力開閉器70が開放状態中に電動機10が回生動作することで回生電力がコンデンサ21に蓄電され、コンデンサ21の両端電圧すなわち直流母線電圧が過電圧となっている場合や、電力開閉器70が導通状態であっても直流電源90が過充電状態である場合など、回生電力を直流電源90に回生できない場合に電源側異常状態と判定できる。
スイッチング周波数可変手段63は、総合損失が最も悪くなる最大損失スイッチング周波数を電動機10の回転速度に対応して予めメモリに記憶している。例えば、電動機10の回転速度に対応する最大損失スイッチング周波数を2次元マップとしてメモリに記憶している。そして、回転角センサ30から入力される電動機10の回転角から電動機10の回転速度を演算し、この電動機10の回転速度に対応する最大損失スイッチング周波数を上述の2次元マップを参照して設定する。
次に、この発明の実施の形態2に係る電動機制御装置を図4に基づいて詳細に説明する。図4は実施の形態2における電動機制御装置のシステム構成図である。説明の都合上、インバータ回路に直流電力を供給するとともに回生電力で充電されるバッテリ等の直流電源及び制御対象の3相交流電動機を含んで図示している。
回生モード判定手段64は、直流母線電流検出手段27から入力される直流母線電流情報をもとに電動機10が回生状態であるかどうかを判定するものである。
まず、電源側異常判定手段62が電圧検出手段24から入力された直流母線電圧値に基づいて、回生電力を直流電源90に回生することが不可かどうかを判定する。具体的には、直流母線電圧が予め定められた所定値以上である場合に、回生電力を直流電源90に回生不可である電源側異常状態と判定し、それ以外の場合は電源側正常状態と判定する。これにより、電力開閉器70が開放状態中に電動機10が回生動作することで回生電力がコンデンサ21に蓄電され、コンデンサ21の両端電圧すなわち直流母線電圧が過電圧となっている場合や、電力開閉器70が導通状態であっても直流電源90が過充電状態である場合など、回生電力を直流電源90に回生できない場合に電源側異常状態と判定できる。
一般的に電動機効率は、図3に示すように電動機10を正常に制御可能なスイッチング周波数の下限値近傍で大きく低下する。電動機効率の大きな低下に伴い、総合効率もこのスイッチング周波数下限値近傍で低下するのが一般的である。従って、電動機10を正常に制御可能なスイッチング周波数の下限値をスイッチング周波数に設定することで、総合
損失を増加させることができる。
fmin=k×Pm×MtrSpd/60
ここで、fmin:スイッチング周波数下限値「Hz」、
k:比例定数、
Pm:電動機の極対数、
MtrSpd:電動機の回転速度「r/min」である。
また、比例定数kは10程度であることが一般的に知られている。そして、このfminをスイッチング周波数に設定する。
圧や降圧を行うDC/DCコンバータを配置する構成としても良いし、交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流器やAC/DCコンバータを介して交流電源と接続される構成としてもよい。また、上記実施の形態では、電気自動車を例として説明したが、エンジンと電動機を併用するハイブリット車両に適用しても良いし、さらには車両に限定されるものではない。
21:コンデンサ、 22:放電スイッチ、 23:放電抵抗、 24:電圧検出手段、
25:電力変換回路、 26:電動機電流検出手段、 27:直流母線電流検出手段、
30:回転角センサ、 60:スイッチング制御部、
61:スイッチング制御信号生成部、 62:電源側異常判定手段、
63:スイッチング周波数可変手段、 64:回生モード判定手段、
70:電力開閉器、 80:電動機制御装置、 90:直流電源。
Claims (10)
- 直流電源の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部とを有して電動機の駆動および回生を制御する電動機制御装置であって、
前記スイッチング制御部は、前記電動機からの回生エネルギーを前記直流電源に回生することが不可である電源側異常状態であるかを判定する電源側異常判定手段と、前記電源側異常判定手段により電源側異常状態と判定された場合に、前記インバータ回路の損失と前記電動機の損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数可変手段とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。 - 前記スイッチング制御部は、前記電動機が回生状態であるかを判定する回生モード判定手段を備え、前記スイッチング周波数可変手段は、前記電源側異常判定手段により電源側異常状態と判定され、かつ、前記回生モード判定手段により回生状態であると判定された場合に、前記インバータ回路の損失と前記電動機の損失を合わせたトータルの総合損失が増加するように前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を変更することを特徴とする請求項1に記載の電動機制御装置。
- 前記電源側異常判定手段は、前記インバータ回路の直流母線電圧が所定値以上となった場合に電源側異常状態と判定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電動機制御装置。
- 前記スイッチング周波数可変手段は、前記インバータ回路および前記電動機を正常に制御できるスイッチング周波数の範囲で、総合損失が最大となるスイッチング周波数を最大損失スイッチング周波数として予め記憶し、この最大損失スイッチング周波数に変更することで総合損失が増加するようにスイッチング周波数を変更することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動機制御装置。
- 前記最大損失スイッチング周波数は、少なくとも前記電動機の回転速度に対応して設定された値が予め記憶され、前記スイッチング周波数可変手段は、少なくとも前記電動機の回転速度に応じて最大損失スイッチング周波数を決定することを特徴とする請求項4に記載の電動機制御装置。
- 前記最大損失スイッチング周波数は、少なくとも前記電動機の電流値に対応して設定された値が予め記憶され、前記スイッチング周波数可変手段は、少なくとも電動機の電流値に応じて最大損失スイッチング周波数を決定することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の電動機制御装置。
- 前記最大損失スイッチング周波数は、少なくとも前記インバータ回路の直流母線電圧に対応して設定された値が予め記憶され、前記スイッチング周波数可変手段は、少なくとも前記インバータ回路の直流母線電圧に応じて最大損失スイッチング周波数を決定することを特徴とする請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の電動機制御装置。
- 前記スイッチング周波数可変手段は、前記電動機の回転速度に基づいて電動機の制御が可能であるスイッチング周波数の下限値を演算し、その下限値にスイッチング周波数を変更することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動機制御装置。
- 前記スイッチング周波数可変手段は、前記インバータ回路および前記電動機を正常に制御できるスイッチング周波数における上限値にスイッチング周波数を変更することを特徴
とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動機制御装置。 - 前記インバータ回路のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電動機制御装置。
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