JP2017175747A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機の最大トルクを向上可能な電力変換装置を提供することにある。
第2インバータは、高電位側に設けられる第2上アーム素子(31〜33)、および、第2上アーム素子の低電位側に設けられる第2下アーム素子(34〜36)を相毎に有し、コイルの他端(112、122、132)に接続される。
低電位側接続線は、電圧源の負極側と、第1下アーム素子の低電位側と、第2下アーム素子の低電位側とを接続する。
制御部は、第1インバータおよび第2インバータを制御する。
制御部は、回転電機のトルクが切替閾値以下の場合、コイルに平衡電流が流れるように制御する平衡制御とし、回転電機のトルクが切替閾値より大きい場合、コイルに不平衡電流が流れるように制御する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による電力変換装置を図1〜図7に示す。
図1に示すように、回転電機駆動システム1は、回転電機としてのモータジェネレータ10、および、電力変換装置15を備える。
第1インバータ20は、コイル11〜13の通電を切り替える3相インバータであり、スイッチング素子21〜26を有する。第2インバータ30は、コイル11〜13の通電を切り替える3相インバータであり、スイッチング素子31〜36を有する。
スイッチング素子21は、トランジスタ211およびダイオード221を有する。スイッチング素子22〜26、31〜36も同様に、それぞれ、トランジスタ212〜216、311〜316、および、ダイオード222〜226、321〜326を有する。
U相のスイッチング素子31、34の接続点にはU相コイル11の他端112が接続され、V相のスイッチング素子32、35の接続点にはV相コイル12の他端122が接続され、W相のスイッチング素子33、36の接続点にはW相コイル13の他端132が接続される。
コンデンサ43は、第1インバータ20とバッテリ40との間に接続される平滑コンデンサである。
電流検出部45は、相電流Iu、Iv、Iwを検出する。本実施形態では、電流検出部45として、ホール素子等の電流検出素子が各相に設けられる。
低電位側接続線55は、バッテリ40の負極側と、第1下アーム素子24〜26の低電位側と、第2下アーム素子34〜36の低電位側とを接続する。換言すると、低電位側接続線55は、モータジェネレータ10を経由せずに、インバータ20、30の低電位側を接続する接続配線である。
制御部65は、マイコンを主体として構成され、各種演算処理を行う。制御部65における各処理は、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
制御部65は、第1インバータ20および第2インバータ30を制御する。具体的には、トルク指令値trq*や電流指令値Iu*、Iv*、Iw*等のモータジェネレータ10の駆動に係る指令値に基づき、スイッチング素子21〜26、31〜36のトランジスタ211〜216、311〜316のオンオフ作動を制御する制御信号を生成し、ドライバ回路61、62に出力する。
第3領域R3は、トルクが切替閾値trq_thより大きい領域とする。切替閾値trq_thは、コイル11〜13の電流を3相平衡電流としたときに出力可能な上限値である。ここで、3相平衡電流は、相電流Iu、Iv、Iwの3相和の絶対値が0とみなせる程度の所定値以下であるものとする。
なお、スイッチング素子21、24、31、34のオンオフ状態が、図5(a)、(b)に示すパターン以外の場合、通電方向に応じた還流電流が流れる。
以下、コイル11〜13に3相平衡の電流が流れるようにブリッジ制御することを「平衡ブリッジ制御」、3相不平衡の電流が流れるようにブリッジ制御することを「不平衡ブリッジ制御」とする。
負のU相電圧Vuを印加するとき、第1上アーム素子21をオフ、第1下アーム素子24をオンにする。また、駆動要求に応じたPWM制御により、第2インバータ30のスイッチング素子31、34を相補的にオンオフする。これにより、U相コイル11には、負の電流が流れる。
V相およびW相は、120°ずつ位相がずれた同様のスイッチングパターンとする。
これにより、図6(a)に示すように、コイル11〜13には、3相平衡の電流が流れる。
コイル11〜13に流れる電流を3相平衡の正弦波電流に替えて不平衡電流とすることで、出力可能なトルクを高めることができるので、平衡電流では出力できない第3領域R3のトルクを出力可能である。
コイル11に正方向の電流を流すとき、スイッチング素子21、34を駆動要求に応じたデューティでスイッチングし、スイッチング素子24、31をオフにする。
U相電流Iuを正から負に切り替えるタイミングXu1において、スイッチング素子24、31をオン、スイッチング素子21、34をオフに切り替える。タイミングXu1は、電気角が180°となるタイミングとする。還流等を防ぐため、U相電流Iuが所望の値となるまでの間は、スイッチング素子24、31をオン、スイッチング素子21、34のスイッチング状態を継続する。このスイッチング状態の継続期間は、モータジェネレータ10のインダクタンスL等によって決まる。U相電流Iuが所望の値となった後は、スイッチング素子24、31を駆動要求に応じたデューティでスイッチングする。
V相およびW相は、120°ずつ位相がずれた同様のスイッチングパターンとする。
第2インバータ30は、高電位側に設けられる第2上アーム素子31〜33、および、第2上アーム素子31〜33の低電位側に設けられる第2下アーム素子34〜36を相毎に有し、コイル11、12、13の他端112、122、132に接続される。
低電位側接続線55は、バッテリ40の負極側と、第1下アーム素子24〜26の低電位側と、第2下アーム素子34〜36の低電位側とを接続する。
制御部65は、モータジェネレータ10のトルクが切替閾値trq_th以下の場合、コイル11〜13に平衡電流が流れるように制御する平衡制御とする。制御部65は、モータジェネレータ10のトルクが切替閾値trq_thより大きい場合、コイル11〜13に不平衡電流が流れるように制御する不平衡制御とする。
本実施形態では、高電位側接続線51に開閉器52を設け、低電位側接続線55の開閉器を省略することで、高電位側接続線51および低電位側接続線55の両方に開閉器を設ける場合と比較し、部品点数を低減可能である。
モータジェネレータ10の駆動要求が第1領域R1である場合、開閉器52を開とし、第2インバータ30を中性点化し、駆動要求に応じて第1インバータ20を制御するY結線制御とする。
モータジェネレータ10の駆動要求が第2領域R2または第3領域R3である場合、開閉器52を閉とし、コイル11〜13に印加する電圧を相毎に制御するブリッジ制御とする。
制御によって、高効率領域が異なる。そのため、駆動領域に応じて制御を切り替えることで、モータジェネレータ10の駆動効率を高めることができる。
本発明の第2実施形態を図8に示す。
図8に示すように、本実施形態の回転電機駆動システム2は、モータジェネレータ10、および、電力変換装置16を備える。
電力変換装置16では、低電位側接続線55に開閉器56が設けられており、高電位側接続線51の開閉器52が省略されている点が第1実施形態の電力変換装置15と異なる。
駆動要求が第2領域R2または第3領域R3であって、ブリッジ制御を行う場合、開閉器56を閉とする。
その他の構造や制御の詳細は、第1実施形態と同様である。
このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第3実施形態を図9に示す。
図9に示すように、本実施形態の回転電機駆動システム3は、モータジェネレータ10、および、電力変換装置17を備える。
電力変換装置17では、高電位側接続線51に開閉器52が設けられ、低電位側接続線55に開閉器56が設けられる。
開閉器52、56を共に開にする場合、第2上アーム素子31〜33の全相、または、第2下アーム素子34〜36の全相のいずれをオンにしても、第2インバータ30を中性点化することができる。
駆動要求が第2領域R2または第3領域R3であって、ブリッジ制御を行う場合、開閉器52、56を共に閉とする。
その他の構造や制御の詳細は、第1実施形態と同様である。
このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第4実施形態を図10に示す。
図10に示すように、本実施形態の回転電機駆動システム4は、モータジェネレータ10、および、電力変換装置18を備える。
電力変換装置18では、第1実施形態の開閉器52が省略されている。すなわち、電力変換装置18では、高電位側接続線51および低電位側接続線55のいずれにも開閉器が設けられておらず、第1インバータ20側と第2インバータ30側とを切り離すことができない。そのため、本実施形態では、Y結線制御での駆動ができないので、図2の領域R1は、Y結線制御に替えて、平衡ブリッジ制御とする。
その他の構造や制御の詳細は、第1実施形態と同様である。
本実施形態では、高電位側接続線51および低電位側接続線55の開閉器を省略しているので、部品点数を低減することができる。また、Y結線制御ができない点を除き、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(ア)電圧源
上記実施形態では、第1電圧源および第2電圧源として、リチウムイオン電池等を例示した。他の実施形態では、第1電圧源および第2電圧源は、リチウムイオン電池以外の鉛蓄電池、燃料電池等であってもよい。
(イ)回転電機
上記実施形態では、回転電機はモータジェネレータである。他の実施形態では、回転電機は、発電機の機能を持たない電動機であってもよいし、電動機の機能を持たない発電機であってもよい。また、上記実施形態の回転電機は3相である。他の実施形態では、回転電機は、4相以上としてもよい。
また、上記実施形態では、回転電機が電動車両の主機モータである。他の実施形態では、回転電機は、主機モータに限らず、例えばスタータ機能とオルタネータ機能とを併せ持つ、所謂ISG(Integrated Starter Generator)や、補機モータであってもよい。また、電力変換装置を車両以外の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
11〜13・・・コイル(巻線)
15〜18・・・電力変換装置
20・・・第1インバータ
21〜23・・・第1上アーム素子 24〜26・・・第1下アーム素子
30・・・第2インバータ
31〜33・・・第2上アーム素子 34〜36・・・第2下アーム素子
40・・・バッテリ(電圧源)
51・・・高電位側接続線 55・・・低電位側接続線
65・・・制御部
Claims (3)
- 複数相のコイル(11、12、13)を有する回転電機(10)の電力を変換する電力変換装置であって、
高電位側に設けられる第1上アーム素子(21〜23)、および、前記第1上アーム素子の低電位側に設けられる第1下アーム素子(24〜26)を相毎に有し、前記コイルの一端(111、121、131)と電圧源(40)とに接続される第1インバータ(20)と、
高電位側に設けられる第2上アーム素子(31〜33)、および、前記第2上アーム素子の低電位側に設けられる第2下アーム素子(34〜36)を相毎に有し、前記コイルの他端(112、122、132)に接続される第2インバータ(30)と、
前記電圧源の正極側と、前記第1上アーム素子の高電位側と、前記第2上アーム素子の高電位側とを接続する高電位側接続線(51)と、
前記電圧源の負極側と、前記第1下アーム素子の低電位側と、前記第2下アーム素子の低電位側とを接続する低電位側接続線(55)と、
前記第1インバータおよび前記第2インバータを制御する制御部(65)と、
を備え、
前記制御部は、前記回転電機のトルクが切替閾値以下の場合、前記コイルに平衡電流が流れるように制御する平衡制御とし、前記回転電機のトルクが前記切替閾値より大きい場合、前記コイルに不平衡電流が流れるように制御する不平衡制御とする電力変換装置。 - 前記高電位側接続線および前記低電位側接続線の少なくとも一方には、前記第1インバータ側と前記第2インバータ側とを断接可能な開閉器(52、56)が設けられる請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記平衡制御を行う駆動領域である平衡制御領域は、低回転数側の第1領域および前記第1領域より高回転数側の第2領域を含み、
前記不平衡制御を行う領域を第3領域とすると、
前記制御部は、
前記回転電機の駆動要求が前記第1領域である場合、少なくとも1つの前記開閉器を開とし、前記第2インバータを中性点化し、前記駆動要求に応じて前記第1インバータを制御するY結線制御とし、
前記駆動要求が前記第2領域または前記第3領域である場合、全ての前記開閉器を閉とし、前記コイルに印加する電圧を相毎に制御するブリッジ制御とする請求項2に記載の電力変換装置。
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