JP2019022400A - Power conversion device - Google Patents

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テックチャン ゴー
Teck Chiang Goh
テックチャン ゴー
修二 戸村
Shuji Tomura
修二 戸村
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Abstract

To effectively convert power between a DC power source and an AC power source or an AC load.SOLUTION: A DC power source 10 and an AC power source 40 or an AC load 30 are connected by an isolation transformer 20, and power is exchanged between the DC power source 10 and the AC power source 40 or the AC load 30. The isolation transformer 20 comprises: a primary-side coil 22 connected to the DC power source 10, the primary-side coil 22 being such that one end and the other end are alternately switched by a switch 24 and connected to one end of the DC power source 10, an intermediate tap is connected to the other end of the DC power source 10, and electric current alternately flows in the intermediate tap and in one end or the other end; and a secondary-side coil 26 disposed opposite the primary-side coil 22, the secondary-side coil 26 being connected to the AC power source 40 or the AC load 30.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、直流電源と、交流電源または交流負荷とが絶縁トランスで接続され、直流電源と、交流電源または交流負荷の間で電力を交換する、電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device in which a DC power source and an AC power source or an AC load are connected by an insulating transformer, and power is exchanged between the DC power source and the AC power source or the AC load.

非特許文献1には、電池からの直流電力をインバータで交流に変換し、モータを駆動し、充電ステーションではインバータからモータを切り離し、外部電源をからの交流を絶縁トランスを介しインバータに入力し、インバータによって直流に変換して電池を充電するシステムが開示されている。   In Non-Patent Document 1, DC power from a battery is converted into AC by an inverter, a motor is driven, the motor is disconnected from the inverter at a charging station, AC from an external power source is input to the inverter via an insulation transformer, A system for charging a battery by converting into direct current by an inverter is disclosed.

特許文献1には、電池からの直流電力をインバータで交流に変換し、モータを駆動し、外部電源からの交流を直流に変換して電池を充電するシステムが示されている。なお、外部電源からの交流は、交流→直流→交流→直流と変換した後、インバータに供給されている。   Patent Document 1 discloses a system in which direct current power from a battery is converted into alternating current by an inverter, a motor is driven, and alternating current from an external power source is converted into direct current to charge the battery. The alternating current from the external power source is supplied to the inverter after being converted from alternating current → direct current → alternating current → direct current.

米国特許公開公報US2014/0340004A1US Patent Publication US2014 / 0340004A1 特開2016−67123号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-67123

Saeid Haghbin et. al. "An integrated motor drive and battery fast charger station for plug-in Vehicles", 13th Spanish Portuguese Conference on Electrical Engineering (13CHLIE) (2013), Chalmers University of TechnologySaeid Haghbin et. Al. "An integrated motor drive and battery fast charger station for plug-in Vehicles", 13th Spanish Portuguese Conference on Electrical Engineering (13CHLIE) (2013), Chalmers University of Technology

非特許文献1のシステムでは、電池からの直流電力をインバータで交流に変換してモータを駆動するため、モータ駆動電圧が電池電圧以下になる。また、交流電源からの交流電力(例えば、50Hz)がトランスに供給されるため、トランスが大きくなる。   In the system of Non-Patent Document 1, since the DC power from the battery is converted to AC by an inverter and the motor is driven, the motor drive voltage becomes equal to or less than the battery voltage. Moreover, since AC power (for example, 50 Hz) from the AC power source is supplied to the transformer, the transformer becomes large.

また、特許文献1のシステムでも、モータ駆動電圧が電池電圧以下になってしまう。さらに、交流電源からの電力を用いる場合に、変換回数が多く部品点数も多くなる。   Further, even in the system of Patent Document 1, the motor drive voltage becomes equal to or lower than the battery voltage. Further, when power from an AC power source is used, the number of conversions is large and the number of parts is also large.

本発明は、直流電源と、交流電源または交流負荷とが絶縁トランスで接続され、直流電源と、交流電源または交流負荷の間で電力を交換する、電力変換装置であって、絶縁トランスは、直流電源に接続される1次側コイルであって、一方端と他方端がスイッチによって直流電源の一端と交互に切り換え接続されるとともに、中間タップが直流電源の他端に接続され、中間タップと一方端または他方端の間で交互に電流が流れる1次側コイルと、1次側コイルに対向配置される2次側コイルであって、交流電源または交流負荷に接続される2次側コイルと、を有する。   The present invention is a power conversion apparatus in which a DC power source and an AC power source or an AC load are connected by an insulating transformer, and power is exchanged between the DC power source and the AC power source or the AC load. A primary coil connected to a power source, one end and the other end of which are alternately switched and connected to one end of a DC power source by a switch, and an intermediate tap is connected to the other end of the DC power source. A primary side coil through which current alternately flows between one end or the other end, and a secondary side coil disposed opposite to the primary side coil, the secondary side coil connected to an AC power source or an AC load; Have

また、本発明は、直流電源と、交流電源または交流負荷とが絶縁トランスを介し接続され、直流電源と、交流電源または交流負荷との間で電力を交換する、電力変換装置であって、交流電源は3相交流電源であり、交流負荷は3相交流負荷であり、絶縁トランスは3つの相に対応する3個の中間タップ付単相トランスであり、3個の中間タップ付単相トランスの各相トランスが、直流電源に接続される1次側コイルであって、一方端と他方端がスイッチ回路によって直流電源の一端と交互に切り換え接続されるとともに、中間タップが直流電源の他端に接続され、中間タップと一方端または他方端の間で交互に電流が流れる1次側コイルと、1次側コイルに対向配置される2次側コイルであって、交流電源または交流負荷に接続される2次側コイルと、をそれぞれ有し、各相トランスの2次側コイルの一方側が、それぞれ対応する交流電源または交流負荷の各相に接続され、他方側が中点に接続される。   The present invention is also a power conversion apparatus in which a DC power source and an AC power source or an AC load are connected via an insulation transformer, and exchange power between the DC power source and the AC power source or the AC load. The power source is a three-phase AC power source, the AC load is a three-phase AC load, the isolation transformer is a three-phase single-phase transformer with three intermediate taps corresponding to three phases, Each phase transformer is a primary coil connected to a DC power source, and one end and the other end are alternately switched and connected to one end of the DC power source by a switch circuit, and an intermediate tap is connected to the other end of the DC power source. A primary side coil that is connected and a current flows alternately between the intermediate tap and one end or the other end, and a secondary side coil that is disposed opposite to the primary side coil, and is connected to an AC power source or an AC load. Secondary side It has a yl, respectively, one side is a phase transformer secondary coil, connected to each phase of a corresponding AC power or AC load, respectively, the other side is connected to the midpoint.

さらに、2次側コイルと交流負荷との間に両者の接続をオンオフを制御するリレーを有することが好適である。   Furthermore, it is preferable to have a relay for controlling on / off of the connection between the secondary coil and the AC load.

また、モード選択信号によって直流電源と交流電源の間で電力交換を行う第1モードと、直流電源と交流負荷の間で電力交換を行う第2モードが切り換えられ、第1モードの場合には、交流電源の電圧位相に基づき、スイッチ回路のオンオフが制御され、第2モードの場合には、交流負荷の回転位相に基づき、スイッチ回路のオンオフが制御されることが好適である。   In addition, in the case of the first mode, a first mode for exchanging power between the DC power source and the AC power source and a second mode for exchanging power between the DC power source and the AC load are switched by the mode selection signal. On / off of the switch circuit is controlled based on the voltage phase of the AC power supply. In the second mode, it is preferable to control on / off of the switch circuit based on the rotational phase of the AC load.

本発明では、比較的簡単な構成で、直流電源と、交流負荷または交流電源との間で電力を交換することができる。また、絶縁トランスを用いるので、系統電源と直流電源とを電気的に絶縁して電力を輸送することができ、絶縁トランスの巻線比を変更することで、直流電源電圧が低くても高い電圧で交流負荷を駆動することができる。   In the present invention, power can be exchanged between a DC power source and an AC load or AC power source with a relatively simple configuration. In addition, since an insulation transformer is used, power can be transported by electrically insulating the system power supply and the DC power supply. By changing the winding ratio of the insulation transformer, a high voltage can be obtained even if the DC power supply voltage is low. The AC load can be driven.

実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the power converter device which concerns on embodiment. 全体制御ブロックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a whole control block. モータ制御ブロックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a motor control block. 系統制御ブロックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a system | strain control block. 1次側の1相分の回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit for 1 phase of a primary side. 力行時、回生/充電時の電流の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the electric current at the time of power running and regeneration / charging. 各部の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of each part. 3相電圧を示す図である。It is a figure which shows a three-phase voltage. モータ駆動の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of a motor drive. 電池充電の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of battery charging.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described herein.

図1は、実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。直流電源としての電池10の一端(+端または−端)には、リアクトル12の一端が接続され、リアクトル12の他端と電池10の他端(−端または+端)の間には、コンデンサ14が接続されている。リアクトル12とコンデンサ14は高周波を除去するフィルタとして機能する。   Drawing 1 is a figure showing the composition of the power converter concerning an embodiment. One end (+ end or − end) of battery 10 as a DC power source is connected to one end of reactor 12, and a capacitor is connected between the other end of reactor 12 and the other end (− end or + end) of battery 10. 14 is connected. The reactor 12 and the capacitor 14 function as a filter that removes high frequencies.

リアクトル12の他端は、双方向スイッチ(スイッチ回路)24を介し絶縁トランス20の1次側に接続される。絶縁トランス20は、U相、V相、W相の3相の1次側コイル22(22U,22V,22W)からなっている。リアクトル12の他端は、6つの双方向スイッチ24を介して、絶縁トランス20の3相の1次側コイル22のそれぞれの両端に接続されている。すなわち、双方向スイッチ24UP,24UNを介して1次側コイル22Uの両端に接続され、双方向スイッチ24VP,24VNを介して1次側コイル22Vの両端に接続され、双方向スイッチ24WP,24WNを介して1次側コイル22Wの両端に接続されている。また、電池10の他端は、3つの1次側コイル22U,22V,22Wの中間タップに接続されている。   The other end of the reactor 12 is connected to the primary side of the isolation transformer 20 via a bidirectional switch (switch circuit) 24. The insulation transformer 20 includes a three-phase primary coil 22 (22U, 22V, 22W) of U phase, V phase, and W phase. The other end of the reactor 12 is connected to both ends of the three-phase primary coil 22 of the insulating transformer 20 via six bidirectional switches 24. That is, it is connected to both ends of the primary side coil 22U via the bidirectional switches 24UP and 24UN, is connected to both ends of the primary side coil 22V via the bidirectional switches 24VP and 24VN, and is connected via the bidirectional switches 24WP and 24WN. Are connected to both ends of the primary coil 22W. The other end of the battery 10 is connected to the intermediate taps of the three primary coils 22U, 22V, 22W.

従って、双方向スイッチ24UP,24UNを交互にオンすることで、U相の1次側コイル22Uに一方端から中間タップに至る電流と、他方端から中間タップに至る互いに逆方向の電流とを交互に流すことができる。双方向スイッチ24VP,24VN、24WP,24WNについても、同様にして制御することで、V相、W相の1次側コイル22V,22Wに互いの逆方向の電流を交互に流すことができる。   Therefore, by alternately turning on the bidirectional switches 24UP and 24UN, the current from the one end to the intermediate tap and the current in the opposite directions from the other end to the intermediate tap are alternately switched to the U-phase primary coil 22U. Can be shed. By controlling the bidirectional switches 24VP, 24VN, 24WP, and 24WN in the same manner, currents in opposite directions can be alternately supplied to the V-phase and W-phase primary coils 22V and 22W.

なお、リアクトル12とコンデンサ14がフィルタとして作用し、双方向スイッチ24側から電池10に交流が印加されるのを防止している。   In addition, the reactor 12 and the capacitor | condenser 14 act as a filter, and it prevents that alternating current is applied to the battery 10 from the bidirectional | two-way switch 24 side.

3相の絶縁トランス20は、3相の1次側コイル22に対向して3相の2次側コイル26(26U,26V,26W)を有する。従って、各相の1次側コイル22U,22V,22Wに流れる1次側電流に応じた2次側電流が各相の2次側コイル26U,26V,26Wに流れる。   The three-phase insulating transformer 20 has a three-phase secondary coil 26 (26U, 26V, 26W) facing the three-phase primary coil 22. Accordingly, secondary currents corresponding to the primary currents flowing through the primary coils 22U, 22V, and 22W of the respective phases flow through the secondary coils 26U, 26V, and 26W of the respective phases.

絶縁トランス20の3相の2次側コイル26には、交流負荷としてのモータ(交流モータ)30の各相がリレー32を介し、接続されている。すなわち、モータ30のU相に2次側コイル26Uの一端、V相に2次側コイル26Vの一端、W相に2次側コイル26Wの一端が接続され、2次側コイル26U,26V,26Wの他端は、モータ30の中性点Nに接続されている。従って、3相の2次側コイル26からモータ30の各相に120°ずつ位相が異なるモータ電流を供給することで、モータ30を駆動することができる。   Each phase of a motor (AC motor) 30 as an AC load is connected to the three-phase secondary coil 26 of the insulating transformer 20 via a relay 32. That is, one end of the secondary coil 26U is connected to the U phase of the motor 30, one end of the secondary coil 26V is connected to the V phase, and one end of the secondary coil 26W is connected to the W phase, and the secondary coils 26U, 26V, 26W are connected. Is connected to a neutral point N of the motor 30. Accordingly, the motor 30 can be driven by supplying motor currents having different phases by 120 ° from the three-phase secondary coil 26 to each phase of the motor 30.

絶縁トランス20の3相の2次側コイル26には、交流電源(例えば、3相、200V,50Hz)として系統電源40も接続されている。2次側コイル26U,26V,26Wの一端がリアクトル42(42U,42V,42W)、EMIフィルタ44を介し、3相の系統電源40の各相に接続されている。3つのリアクトル42を配置することにより、系統電源40がモータ30と同等の回路となっている。また、EMIフィルタ44は電磁ノイズの流出を防止する。すなわち、リアクトル42と系統電源40との間にEMIフィルタ44を配置することで、EMI(Electro Magnetic Interference:電磁妨害)対策ができている。   A system power supply 40 is also connected to the three-phase secondary coil 26 of the insulating transformer 20 as an AC power supply (for example, three-phase, 200 V, 50 Hz). One end of the secondary side coils 26U, 26V, 26W is connected to each phase of the three-phase system power supply 40 via a reactor 42 (42U, 42V, 42W) and an EMI filter 44. By arranging the three reactors 42, the system power supply 40 is a circuit equivalent to the motor 30. Further, the EMI filter 44 prevents outflow of electromagnetic noise. That is, by arranging the EMI filter 44 between the reactor 42 and the system power supply 40, an EMI (Electro Magnetic Interference) countermeasure can be taken.

このようなシステムにおいて、双方向スイッチ24のオンオフを制御することで、絶縁トランス20の1次側と2次側との電力交換を行える。また、リレー32をオンすることで、モータ30を電池10からの電力で駆動するモータ駆動モードとなり、リレーをオフすることで、交流の系統電源40からの電力、電池10を充電する充電モードとなる。ここで、モータ駆動モードでは、交流の系統電源40を絶縁トランス20から、切り離すとよい。また、図示の例では、充電モードにおいて、モータ30のV相のみ絶縁トランス20の2次側と接続されているが、V相も切り離してよい。   In such a system, by controlling on / off of the bidirectional switch 24, power exchange between the primary side and the secondary side of the isolation transformer 20 can be performed. Also, by turning on the relay 32, a motor drive mode is established in which the motor 30 is driven by the electric power from the battery 10, and by turning off the relay, the electric power from the AC system power supply 40 and the charging mode for charging the battery 10 are provided. Become. Here, in the motor drive mode, the AC system power supply 40 may be disconnected from the insulating transformer 20. In the illustrated example, only the V phase of the motor 30 is connected to the secondary side of the insulating transformer 20 in the charging mode, but the V phase may also be disconnected.

絶縁トランス20の2次側の各相電流は、3つの電流センサ34によってそれぞれ検出される。なお、モータ電流の検出は2相でもよい。モータ30のロータ回転角は回転角センサ36によって検出される。さらに、交流の系統電源40の電圧が電圧センサ38によって検出される。なお、検出されたロータ回転角から回転角速度ωが検出され、系統電源の電圧から系統電源の電圧位相が検出される。   Each phase current on the secondary side of the insulating transformer 20 is detected by three current sensors 34. The motor current may be detected in two phases. The rotor rotation angle of the motor 30 is detected by a rotation angle sensor 36. Further, the voltage of the AC system power supply 40 is detected by the voltage sensor 38. A rotational angular velocity ω is detected from the detected rotor rotation angle, and the voltage phase of the system power supply is detected from the voltage of the system power supply.

そして、これらの検出値は、制御ブロック50に供給され、制御ブロック50は、供給される検出信号に応じて、双方向スイッチ24のオンオフを制御する。   These detection values are supplied to the control block 50, and the control block 50 controls on / off of the bidirectional switch 24 in accordance with the supplied detection signal.

「制御ブロックの全体構成」
図2には、制御ブロック50の構成が示されている。ユーザによって入力されるモード選択信号がモータ駆動モードの場合は、リレー32をオンし、充電モードの場合にリレー32をオフするリレー信号が出力される。
"Overall Configuration of Control Block"
FIG. 2 shows the configuration of the control block 50. When the mode selection signal input by the user is in the motor drive mode, the relay 32 is turned on, and in the charge mode, a relay signal for turning off the relay 32 is output.

また、モード選択信号がモータ駆動モードの場合には、モータ制御部52が選択されその動作が許可され、充電モードの場合に系統制御部54が選択されその動作が許可される。   When the mode selection signal is the motor drive mode, the motor control unit 52 is selected and its operation is permitted, and when it is in the charge mode, the system control unit 54 is selected and its operation is permitted.

モータ駆動モードでは、モータ制御部52が、回転角速度ω(回転角速度ωから算出された回転位相θ)と、その角速度指令ω*から電流指令iq*および位相指令θ*を算出する。また、充電モードでは、系統制御部54が、目標電力P*、検出位相θgから電流指令id*,iq*および位相指令θ*を算出する。   In the motor drive mode, the motor control unit 52 calculates the current command iq * and the phase command θ * from the rotation angular velocity ω (the rotation phase θ calculated from the rotation angular velocity ω) and the angular velocity command ω *. In the charging mode, the system control unit 54 calculates the current command id *, iq * and the phase command θ * from the target power P * and the detection phase θg.

そして、得られた電流指令id*,iq*および位相指令θ*が制御処理部56に供給され、ここで3相の電圧指令vu*,vv*,vw*が算出され、ゲート信号生成部58に供給される。ゲート信号生成部58は、6つの双方向スイッチ24のオンオフのためのゲート信号を生成して出力する。   The obtained current commands id *, iq * and phase command θ * are supplied to the control processing unit 56, where three-phase voltage commands vu *, vv *, vw * are calculated, and the gate signal generation unit 58 To be supplied. The gate signal generator 58 generates and outputs gate signals for turning on and off the six bidirectional switches 24.

「モータ制御の構成」
図3に、制御ブロック50におけるモータ制御ブロックの構成を示す。モータ制御部52は、速度検出器60を有し、モータ30の回転角センサ36で得たロータ回転角の時間変化から回転角速度ωを検出する。また、角速度ωは積分器62にロータの回転位相θとして出力される。なお、モータ制御部52は、モータ30についての要求トルク指令に基づき、d軸電流指令id*、q軸電流指令iq*を算出してもよい。
"Configuration of motor control"
FIG. 3 shows the configuration of the motor control block in the control block 50. The motor control unit 52 has a speed detector 60 and detects the rotational angular velocity ω from the temporal change of the rotor rotational angle obtained by the rotational angle sensor 36 of the motor 30. The angular velocity ω is output to the integrator 62 as the rotational phase θ of the rotor. The motor control unit 52 may calculate the d-axis current command id * and the q-axis current command iq * based on the required torque command for the motor 30.

また、角速度ωは、加算器64で角速度指令ω*から減算されて誤差信号が得られ、これが速度制御部66に入力される。速度制御部66は、誤差信号から、誤差を解消するためのdq軸におけるq軸電流指令iq*を算出し、これを出力する。   Further, the angular velocity ω is subtracted from the angular velocity command ω * by the adder 64 to obtain an error signal, which is input to the velocity control unit 66. The speed control unit 66 calculates a q-axis current command iq * on the dq axis for eliminating the error from the error signal, and outputs this.

速度制御部66からのq軸電流指令iq*、積分器62からの位相θは、制御処理部56に供給される。具体的には、積分器62からの位相θは、uvw/dq変換部68に供給される。uvw/dq変換部68には、電流センサ34によって検出した3相電流iu,iv,iwが供給されており、位相θを考慮して、uvw/dq(3軸/2軸)変換が行われる。これによって、モータ30のd軸電流id、q軸電流iqが得られる。この例において、d軸電流指令id*=0である。   The q-axis current command iq * from the speed control unit 66 and the phase θ from the integrator 62 are supplied to the control processing unit 56. Specifically, the phase θ from the integrator 62 is supplied to the uvw / dq conversion unit 68. The uvw / dq conversion unit 68 is supplied with the three-phase currents iu, iv, iw detected by the current sensor 34, and uvw / dq (3-axis / 2-axis) conversion is performed in consideration of the phase θ. . As a result, the d-axis current id and the q-axis current iq of the motor 30 are obtained. In this example, d-axis current command id * = 0.

d軸電流idは加算器70に供給され、ここでd軸電流指令id*との誤差が算出され、誤差が制御器72に供給される。制御器76は供給される誤差からd軸電圧指令vd*を算出して出力する。   The d-axis current id is supplied to the adder 70, where an error from the d-axis current command id * is calculated, and the error is supplied to the controller 72. The controller 76 calculates and outputs a d-axis voltage command vd * from the supplied error.

q軸電流iqは、加算器74に供給され、q軸電流指令iq*との誤差が算出され、算出された誤差が制御器76に供給される。制御器76は供給される誤差からd軸電圧指令vq*を算出して出力する。   The q-axis current iq is supplied to the adder 74, an error from the q-axis current command iq * is calculated, and the calculated error is supplied to the controller 76. The controller 76 calculates and outputs a d-axis voltage command vq * from the supplied error.

制御器72,76からのd軸電圧指令vd*、q軸電圧指令vq*は、dq/uvw変換部78に入力され、2軸/3軸変換により3相の電圧指令u*,v*,w*として出力される。   The d-axis voltage command vd * and the q-axis voltage command vq * from the controllers 72 and 76 are input to the dq / uvw conversion unit 78, and three-phase voltage commands u *, v *, Output as w *.

なお、このような3相の電圧指令u*,v*,w*の算出は、通常のモータのベクトル制御と異なるものではない。   The calculation of the three-phase voltage commands u *, v *, and w * is not different from normal motor vector control.

制御処理部56からの3相の電圧指令Vu*,Vv*,Vw*は、ゲート信号生成部58に入力される。ゲート信号生成部58は、3つの比較器80(80U,80V,80W)を有している。これら比較器80には、三角波のキャリアが入力されており、電圧指令Vu*,Vv*,Vw*がそれぞれキャリアと比較され、PWM制御信号が出力される。そして、比較器80U,80V,80Wからの出力と、これらの反転信号が6つの双方向スイッチ24UP,24UN,24VP,24VN,24WP,24WNのスイッチングのためのPWM信号SUP,SUN,SVP,SVN,SWP,SWNとして出力される。   Three-phase voltage commands Vu *, Vv *, Vw * from the control processing unit 56 are input to the gate signal generation unit 58. The gate signal generation unit 58 includes three comparators 80 (80U, 80V, 80W). These comparators 80 are input with triangular wave carriers, and the voltage commands Vu *, Vv *, Vw * are respectively compared with the carriers and a PWM control signal is output. The outputs from the comparators 80U, 80V, 80W and their inverted signals are converted into PWM signals SUP, SUN, SVP, SVN, Output as SWP and SWN.

「系統制御の構成」
図4に、制御ブロック50における系統制御ブロックの構成を示す。ここで、系統電源40からの電力により電池10を充電するのは、モータ30の回生電力により電池10を充電するのと基本的に同じであり、回生の場合と同様の制御を行う。なお、系統電源の周波数(例えば、50Hz)、電圧(例えば、200V)は一定であり、モータ30の電気周波数が50Hz、電圧が200Vである場合に対応する。
`` System control configuration ''
FIG. 4 shows the configuration of the system control block in the control block 50. Here, charging the battery 10 with the power from the system power supply 40 is basically the same as charging the battery 10 with the regenerative power of the motor 30, and the same control as in the case of the regeneration is performed. The frequency (for example, 50 Hz) and voltage (for example, 200 V) of the system power supply are constant, and this corresponds to the case where the electric frequency of the motor 30 is 50 Hz and the voltage is 200 V.

系統制御部54は、電力制御部90、位相検出器92を有している。ユーザの入力または予め設定された目標電力P*が電力制御部90に入力される。電力制御部90は、系統電源の200Vの3相交流(周波数50Hz)から、充電電力として目標電力P*を得るためのd軸電流指令id*、q軸電流指令iq*を算出する。   The system control unit 54 includes a power control unit 90 and a phase detector 92. A user input or a preset target power P * is input to the power control unit 90. The power control unit 90 calculates a d-axis current command id * and a q-axis current command iq * for obtaining the target power P * as charging power from the three-phase alternating current (frequency 50 Hz) of the system power supply 200V.

また、位相検出器92は、電圧センサ38で得た電圧信号から、系統電力の位相(電圧位相)θgを検出する。3相の位相は互いに120°異なるので、1相の位相検出で構わない。   The phase detector 92 detects the phase (voltage phase) θg of the system power from the voltage signal obtained by the voltage sensor 38. Since the phases of the three phases are different from each other by 120 °, one-phase detection may be performed.

系統制御部54からのd軸電流指令id*、q軸電流指令iq*、位相θは、制御処理部56に供給される。   The d-axis current command id *, the q-axis current command iq *, and the phase θ from the system control unit 54 are supplied to the control processing unit 56.

制御処理部56は、上述したモータ制御ブロックと同一であり、入力されたd軸電流指令id*、q軸電流指令iq*、位相θから3相の電圧指令vu*,vv*,vw*を算出し、ゲート信号生成部58に供給する。そして、ゲート信号生成部58がモータ制御ブロックと同様にして双方向スイッチ24のゲート信号を生成し、そのスイッチングを制御する。   The control processing unit 56 is the same as the motor control block described above, and receives the input d-axis current command id *, q-axis current command iq *, and three-phase voltage commands vu *, vv *, vw * from the phase θ. Calculate and supply to the gate signal generator 58. Then, the gate signal generator 58 generates the gate signal of the bidirectional switch 24 in the same manner as the motor control block, and controls the switching.

「制御動作」
図5に1相分の回路図(U相)を示す。この例では、双方向スイッチ24を2つのスイッチング素子(トランジスタとダイオードの並列接続)で構成している。すなわち、スイッチング素子は、Nチャネルトランジスタに対しそのソースからドレインに向けて電流を流すダイオードを接続して構成されている。そして、2つのスイッチング素子のドレイン同士を接続して、1つの双方向スイッチ24を形成している。
"Control action"
FIG. 5 shows a circuit diagram (U phase) for one phase. In this example, the bidirectional switch 24 is composed of two switching elements (parallel connection of a transistor and a diode). That is, the switching element is configured by connecting a diode that allows current to flow from the source to the drain of the N-channel transistor. Then, the two switching elements are connected to each other to form one bidirectional switch 24.

図示の例では、双方向スイッチ24UPがスイッチング素子SUP1,SUP2で構成され、双方向スイッチ24UNがスイッチング素子SUN1,SUN2で構成されている。なお、双方向スイッチ24については、特許文献2に記載されているように各種の構成のものを採用することができる。   In the illustrated example, the bidirectional switch 24UP is configured by switching elements SUP1 and SUP2, and the bidirectional switch 24UN is configured by switching elements SUN1 and SUN2. As the bidirectional switch 24, various configurations can be adopted as described in Patent Document 2.

図6には、1相分の電流の流れ方について示してある。モータ30に駆動電流を流す力行時は、図6(a)に示すようにスイッチング素子SUP2をオンすることで、1次側コイル22Uに図における上から下に向けて電流が流れる。また、図6(b)に示すようにスイッチング素子SUN2をオンすることで、1次側コイル22Uに図における下から上に向けて電流が流れる。従って、2次側コイル26Uには交番電流が流れるが、スイッチング素子SUP2と、スイッチング素子SUN2のオン時間の比(デューティー比)を制御することで、2次側コイル26Uに接続されるモータコイルに所望の相電流を流すことができる。   FIG. 6 shows how the current for one phase flows. When power is supplied to the motor 30, the switching element SUP2 is turned on as shown in FIG. 6 (a), whereby a current flows through the primary coil 22U from the top to the bottom in the figure. Further, as shown in FIG. 6B, by turning on the switching element SUN2, a current flows through the primary coil 22U from the bottom to the top in the drawing. Accordingly, an alternating current flows through the secondary coil 26U, but the motor coil connected to the secondary coil 26U is controlled by controlling the ratio of the ON time (duty ratio) between the switching element SUP2 and the switching element SUN2. A desired phase current can be passed.

モータ30からの回生電力または系統電源40からの電力で電池10を充電する充電時は、図6(c)に示すようにスイッチング素子SUP1をオンすることで、1次側コイル22Uに図における下から上に向けて電流が流れる。また、図6(d)に示すようにスイッチング素子SUN1をオンすることで、1次側コイル22Uに図における上から下に向けて電流が流れる。従って、スイッチング素子SUP2と、スイッチング素子SUN2のオン時間の比(デューティー比)を制御することで、2次側コイル26Uに接続されるモータコイルまたは系統電源側からの相電流に応じて電池10の充電電流を得ることができる。   During charging in which the battery 10 is charged with regenerative power from the motor 30 or power from the system power source 40, the switching element SUP1 is turned on as shown in FIG. Current flows upward from the top. Further, as shown in FIG. 6D, by turning on the switching element SUN1, a current flows through the primary coil 22U from the top to the bottom in the figure. Therefore, by controlling the ratio (duty ratio) between the ON time of the switching element SUP2 and the switching element SUN2, the battery 10 is connected to the secondary coil 26U according to the phase current from the system power supply side or the motor coil. A charging current can be obtained.

「PWM制御」
図7には、ゲート信号生成部58の各部の信号波形について示してある。U相の電圧指令Vu*とキャリアが比較され、電圧指令Vu*の方が大きい時間は、SUPが高レベルになる。また電圧指令Vu*の方が小さい時間は、SUNが高レベルになる。このような信号によって、図6(a)と図6(b)の状態が交互に生起される。これによって、2次側コイル26Uのモータ30のU相印加電圧は、+−を繰り返す電圧となり、モータ30のU相電流が所定の相電流(iu)が得られる。
"PWM control"
FIG. 7 shows signal waveforms of the respective parts of the gate signal generation unit 58. The U-phase voltage command Vu * and the carrier are compared. When the voltage command Vu * is larger, the SUP is at a high level. Further, when the voltage command Vu * is smaller, SUN is at a high level. With such a signal, the states of FIG. 6A and FIG. 6B occur alternately. Thereby, the U-phase applied voltage of the motor 30 of the secondary coil 26U becomes a voltage that repeats +-, and the U-phase current of the motor 30 obtains a predetermined phase current (iu).

なお、充電モードも同様のベクトル制御(電流指令id*,iq*)で、2次側の各相電流から充電電流を得ることができる。   In the charge mode, the charge current can be obtained from each phase current on the secondary side by the same vector control (current command id *, iq *).

図8には、U,V,W相における、比較および各相電圧を示している。このように、互いに120°異なる、3相のPWM信号が得られ、これによって3相の交流電流が得られる。   FIG. 8 shows comparisons and phase voltages in the U, V, and W phases. In this way, three-phase PWM signals that are 120 ° different from each other are obtained, thereby obtaining a three-phase alternating current.

「動作例」
図9には、モータ駆動の動作例を示してある。回転数0rpmの状態で、出力トルクを上昇することで、回転数が上昇する。トルクを0にすることで回転数は一定になる。トルクを負にすることで、回転数が減少し、トルクを0にすることで回転数が一定になる。
"Operation example"
FIG. 9 shows an example of motor drive operation. The rotational speed is increased by increasing the output torque in the state where the rotational speed is 0 rpm. By setting the torque to 0, the rotational speed becomes constant. By making the torque negative, the rotational speed decreases, and by making the torque zero, the rotational speed becomes constant.

このような場合に、電力は、回転数が上昇しながらトルクを一定とすることで徐々に上昇する。トルクを0とすることで電力も0になる。トルクを負とすることで、電力も負となり回生電力が得られる。回生電力は、回転数が小さくなるに従って小さくなる。そして、トルクを0にすることで電力も0になる。   In such a case, the electric power gradually increases by keeping the torque constant while the rotational speed increases. By setting the torque to 0, the power is also reduced to 0. By making the torque negative, the power becomes negative and regenerative power is obtained. The regenerative power decreases as the rotational speed decreases. When the torque is reduced to 0, the power is also reduced to 0.

モータ電圧は、交流電圧として、回転数と同様の傾向になる。モータ電流は、トルクと同様の傾向になる。   The motor voltage has the same tendency as the rotation speed as an AC voltage. The motor current tends to be similar to the torque.

このように、モータ30の出力要求、充電要求に応じて、トルク指令を決定し、対応した電流指令id*,iq*を設定することで、要求に応じたモータ出力、回生を行うことができる。   Thus, by determining the torque command according to the output request and the charge request of the motor 30 and setting the corresponding current commands id * and iq *, the motor output and regeneration according to the request can be performed. .

図10に、系統電源40からの電力による電池10の充電動作について示す。系統電圧は、系統電源40の状態であり、一定電圧で、互いに120°位相の異なる3相電圧が定常的に出力されており、これは変化しない。   FIG. 10 shows the charging operation of the battery 10 by the electric power from the system power supply 40. The system voltage is a state of the system power supply 40, and a three-phase voltage with a constant 120 ° phase difference is constantly output and does not change.

双方向スイッチ24のスイッチングにより、所望の系統電流が流れ、これによって系統電力が出力され、対応する電池電力が発生する。そして、対応する充電電流が流れる。目標電力P*を得たい充電電流に応じた電池電力に設定することで、所望の充電が行える。   Switching of the bidirectional switch 24 causes a desired system current to flow, whereby system power is output and corresponding battery power is generated. A corresponding charging current flows. Desired charging can be performed by setting the battery power according to the charging current to obtain the target power P *.

「実施形態の効果」
このように、双方向スイッチ24の制御によって、絶縁トランスを利用して双方向のエネルギー移動(電力変換)を制御することができる。特に、本実施形態では、絶縁トランスは、充電時において、電池側と系統側を電気的に絶縁する機能を有する。
"Effect of the embodiment"
In this way, by controlling the bidirectional switch 24, bidirectional energy transfer (power conversion) can be controlled using an insulating transformer. In particular, in this embodiment, the insulation transformer has a function of electrically insulating the battery side and the system side during charging.

また、モータ駆動時にトランスの巻線電圧比(電力変換比)を利用することで、モータ電圧により低い電池電圧を利用することが可能となる。すなわち、絶縁トランスの巻線比が1の場合、モータ印加電圧Vuと電池電圧Vbatの関係は、Vu=0.5・Vbat・msinωtであるが、絶縁トランスの巻線比をNとすれば、Vu=0.5・Vbat・N・msinωtとなり、モータ印加電圧をN倍にできる。トランスの電圧比=1:2にすると、200Vのモータ印加電圧を得るためには、200=200x2/2になるので、電池電圧Vbat=200Vになる。   In addition, by using the winding voltage ratio (power conversion ratio) of the transformer when the motor is driven, it becomes possible to use a lower battery voltage than the motor voltage. That is, when the winding ratio of the insulating transformer is 1, the relationship between the motor applied voltage Vu and the battery voltage Vbat is Vu = 0.5 · Vbat · msinωt, but if the winding ratio of the insulating transformer is N, Vu = 0.5 · Vbat · N · msinωt, and the motor applied voltage can be increased N times. When the voltage ratio of the transformer is 1: 2, 200 = 200 × 2/2 is obtained in order to obtain a motor applied voltage of 200 V, so that the battery voltage Vbat = 200 V.

このように、絶縁トランスには充電時は絶縁機能を果たし、モータ駆動時には電池電圧の昇圧機能を果たす。本実施形態の電力変換器は、比較的簡単な構成であり、少ない部品点数で電力変換が行える。さらに、EMIによるノイズ対策も可能である。   As described above, the insulating transformer performs an insulating function when charging, and functions to increase the battery voltage when the motor is driven. The power converter of this embodiment has a relatively simple configuration and can perform power conversion with a small number of parts. Furthermore, noise countermeasures by EMI are possible.

本実施形態では、DC/ACの双方向の電力変換をそれぞれ1回の電力変換で行うことができ、電力変換効率を向上することができる。   In the present embodiment, DC / AC bidirectional power conversion can be performed by a single power conversion, and power conversion efficiency can be improved.

電池を搭載するPHV車(商用電源から充電可能のハイブリッド車)/EV車(電気自動車)に本実施形態の電源変換回路に用いることで、直流電源から交流負荷(例:電気モータ)を駆動する。また、双方向制御で交流電源(例えば、3相系統電源)から電池を充電することができる。   By using the power conversion circuit of this embodiment for a PHV car (hybrid car that can be charged from a commercial power source) / EV car (electric car) equipped with a battery, an AC load (eg, an electric motor) is driven from the DC power source. . In addition, the battery can be charged from an AC power supply (for example, a three-phase system power supply) by bidirectional control.

10 電池、12 リアクトル、14 コンデンサ、20 絶縁トランス、22 1次側コイル、24 双方向スイッチ、26 2次側コイル、30 モータ、32 リレー、34 電流センサ、36 回転角センサ、38 電圧センサ、40 系統電源、42 リアクトル、44 EMIフィルタ、50 制御ブロック、52 モータ制御部、54 系統制御部、56 制御処理部、58 ゲート信号生成部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Battery, 12 Reactor, 14 Capacitor, 20 Isolation transformer, 22 Primary side coil, 24 Bidirectional switch, 26 Secondary side coil, 30 Motor, 32 Relay, 34 Current sensor, 36 Rotation angle sensor, 38 Voltage sensor, 40 System power supply, 42 reactor, 44 EMI filter, 50 control block, 52 motor control unit, 54 system control unit, 56 control processing unit, 58 gate signal generation unit.

Claims (4)

直流電源と、交流電源または交流負荷とが絶縁トランスで接続され、直流電源と、交流電源または交流負荷の間で電力を交換する、電力変換装置であって、
絶縁トランスは、
直流電源に接続される1次側コイルであって、一方端と他方端がスイッチによって直流電源の一端と交互に切り換え接続されるとともに、中間タップが直流電源の他端に接続され、中間タップと一方端または他方端の間で交互に電流が流れる1次側コイルと、
1次側コイルに対向配置される2次側コイルであって、交流電源または交流負荷に接続される2次側コイルと、
を有する、
電力変換装置。
A power conversion device in which a DC power supply and an AC power supply or an AC load are connected by an insulating transformer, and the power is exchanged between the DC power supply and the AC power supply or the AC load,
The insulation transformer
A primary coil connected to a DC power source, one end and the other end of which are alternately switched and connected to one end of the DC power source by a switch, and an intermediate tap is connected to the other end of the DC power source, A primary coil in which current flows alternately between one end or the other end;
A secondary coil disposed opposite to the primary coil, the secondary coil connected to an AC power supply or an AC load;
Having
Power conversion device.
直流電源と、交流電源または交流負荷とが絶縁トランスを介し接続され、直流電源と、交流電源または交流負荷との間で電力を交換する、電力変換装置であって、
交流電源は3相交流電源であり、交流負荷は3相交流負荷であり、絶縁トランスは3つの相に対応する3個の中間タップ付単相トランスであり、
3個の中間タップ付単相トランスの各相トランスが、
直流電源に接続される1次側コイルであって、一方端と他方端がスイッチ回路によって直流電源の一端と交互に切り換え接続されるとともに、中間タップが直流電源の他端に接続され、中間タップと一方端または他方端の間で交互に電流が流れる1次側コイルと、
1次側コイルに対向配置される2次側コイルであって、交流電源または交流負荷に接続される2次側コイルと、
をそれぞれ有し、
各相トランスの2次側コイルの一方側が、それぞれ対応する交流電源または交流負荷の各相に接続され、他方側が中点に接続される、
電力変換装置。
A power conversion device in which a DC power source and an AC power source or an AC load are connected via an insulation transformer, and exchange power between the DC power source and the AC power source or the AC load,
The AC power supply is a three-phase AC power supply, the AC load is a three-phase AC load, the insulation transformer is a single-phase transformer with three intermediate taps corresponding to three phases,
Each phase transformer of three single-phase transformers with intermediate taps
A primary coil connected to a DC power source, one end and the other end of which are alternately switched and connected to one end of the DC power source by a switch circuit, and an intermediate tap is connected to the other end of the DC power source, And a primary side coil in which current alternately flows between one end or the other end,
A secondary coil disposed opposite to the primary coil, the secondary coil connected to an AC power supply or an AC load;
Each with
One side of the secondary coil of each phase transformer is connected to each phase of the corresponding AC power supply or AC load, and the other side is connected to the midpoint.
Power conversion device.
請求項1または2に記載の電力変換装置であって、
さらに、
2次側コイルと交流負荷との間に両者の接続をオンオフを制御するリレーを有する、電力変換装置。
The power converter according to claim 1 or 2,
further,
The power converter device which has a relay which controls ON / OFF of both connection between a secondary side coil and alternating current load.
請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置であって、
モード選択信号によって直流電源と交流電源の間で電力交換を行う第1モードと、直流電源と交流負荷の間で電力交換を行う第2モードが切り換えられ、
第1モードの場合には、交流電源の電圧位相に基づき、スイッチ回路のオンオフが制御され、第2モードの場合には、交流負荷の回転位相に基づき、スイッチ回路のオンオフが制御される、
電力変換装置。
It is a power converter device as described in any one of Claims 1-3,
A first mode for exchanging power between the DC power supply and the AC power supply by a mode selection signal and a second mode for exchanging power between the DC power supply and the AC load are switched,
In the first mode, on / off of the switch circuit is controlled based on the voltage phase of the AC power supply, and in the second mode, on / off of the switch circuit is controlled based on the rotational phase of the AC load.
Power conversion device.
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