JP3110957U - 交流モータおよび発電機の組み合わせのための双方向ａｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 交流モータおよび発電機の組み合わせのための双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】 交流モータと発電機との組み合わせ（Ｍ）のための双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、主制御ユニット１１と、パワースイッチング回路ユニット１２とを備える。パワースイッチング回路ユニット１２は、複数のパワースイッチＱ１〜Ｑ６を有し、主制御ユニット１１と、交流モータおよび発電機の組み合わせ（Ｍ）と、バッテリ２０との間に接続されている。主制御ユニット１１は、パワースイッチング回路ユニット１２がバッテリ２０と前記組み合わせとの間に異なる閉回路を形成すべく、パワースイッチング回路ユニット１２を制御するのに用いられる。前記組み合わせがモータモードにあるとき、バッテリ２０は前記組み合わせ（Ｍ）に電力を供給する。前記組み合わせ（Ｍ）が発電モードにあるとき、前記組み合わせ（Ｍ）はバッテリ２０に充電電力を供給する。その結果、本考案は、制御装置と、交流モータおよび発電機の要素とを統合する。
【選択図】図１

Description

本考案は、交流モータおよび発電機の組み合わせのための双方向ＡＣ／ＤＣコンバータに関し、特に、定電流、定電圧およびパルス波形信号によってトルク、加速、始動および電力の充電の制御を可能とする、交流モータおよび発電機の組み合わせのための双方向ＡＣ／ＤＣコンバータに関する。

従来の内燃機関は、源動力システムと充電システムとからなる。原動力システムは交流モータを有し、充電システムは発電機を有する。原動力システムおよび充電システムはそれぞれに動作するので、前記内燃機関は、さらに、交流モータおよび充電システムを駆動する要素と、制御装置とを必要とする。そのため、従来の内燃機関は、構造が複雑化し、寸法が大型化し、重量が増加するという欠点があった。

さらに、交流モータは交流の入力を必要とし、発電機は直流電力の出力を必要とすることから、前記内燃機関は、交流電力および直流電力を処理するために双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを必要とする。
前記内燃機関は、交流モータおよび発電機を結合し、本考案は、この従来の内燃機関の寸法、重量および価格を削減すべく定電流、定電圧およびパルス波形信号で制御可能で加速、始動および充電が可能なＡＣ／ＤＣコンバータを提供する。

本考案の主たる目的は、交流モータおよび発電機の組み合わせのための双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。

本考案に係るＡＣ／ＤＣコンバータは、基本的に、主制御ユニットと、パワースイッチング回路ユニットとを備える。該パワースイッチング回路ユニットは、前記主制御ユニットと、交流モータおよび発電機の組み合わせと、バッテリとの間に接続され、前記主制御ユニットの制御を受ける。前記パワースイッチング回路ユニットは複数のパワースイッチからなり、前記主制御ユニットは、前記パワースイッチング回路ユニットが前記組み合わせと前記バッテリとの間に異なる閉回路を形成すべく前記パワースイッチング回路ユニットを制御するために、各パワースイッチの導通状態または非道通状態を制御する。

したがって、本考案によれば、定電流、定電圧およびパルス波形信号でトルク制御、加速、始動および充電が可能な、交流モータおよび発電機の組み合わせのためのＡＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。

本考案の他の目的、利点および新規な特徴は、添付した図面に関連した以下の詳細な説明から明らかとなろう。

［実施例］
図１を参照するに、交流モータと発電機との組み合わせ（Ｍ）のための双方向ＡＤ／ＤＣコンバータ（１０）は、主制御ユニット（１１）と、パワースイッチング回路ユニット（１２）とを含む。交流モータおよび発電機の組み合わせ、すなわち、交流モータおよび発電機の併用機能体（Ｍ）は、モータモードまたは発電モードで、動作する。

主制御ユニット（１１）は、基本的に、前記組み合わせ（Ｍ）の異なる両モードのそれぞれに応じてパワースイッチング回路ユニット（１２）を制御するための制御プラグラムを有するマイクロプロセッサ（図示せず）を備える。

パワースイッチング回路ユニット（１２）は、複数のスイッチ（Ｑ１〜Ｑ６）を備える。パワースイッチング回路ユニット（１２）は、主制御ユニット（１１）、前記組み合わせ（Ｍ）およびバッテリ（２０）の２つの端子間に接続されている。主制御ユニット（１１）は、パワースイッチング回路ユニット（１２）の各パワースイッチに接続されている。主制御ユニット（１１）は、各パワースイッチ（Ｑ１〜Ｑ６）の導通状態または非道通状態を制御し、その結果、前記組み合わせ（Ｍ）およびバッテリ（２０）間に異なる電力回路が形成される。その結果、前記主制御ユニット（１１）は、前記組み合わせ（Ｍ）のコイルを流れる電流の方向および値を制御する。

さらに、図４を参照するに、パワースイッチング回路ユニット（１２）の好適な実施例が３つのコイル（Ｌａ〜Ｌｃ）を有する３相の前記組み合わせ(Ｍ)とバッテリ（２０）との接続に用いられている。

パワースイッチング回路ユニット（１２）は、３組のパワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）（Ｑ５，Ｑ６）、６つのフリーホイールダイオード（Ｄ１〜Ｄ６）およびキャパシタ（Ｃ）を有する。パワースイッチ（Ｑ１〜Ｑ６）は、ＢJ，Ｔ（バイポーラ接合型トランジスタ）、ＩＧＢＴ（ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のパワートランジスタで構成することができる。各パワースイッチ（Ｑ１〜Ｑ６）は制御端子と、他の２つの端子とを有する。

３組のパワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）（Ｑ５，Ｑ６）およびバッテリ（２０）の２つの端子は相互に並列に接続されている。各組のパワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）（Ｑ５，Ｑ６）は、バッテリ（２０）の２つの端子間に相互に直列に接続された２つのパワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）（Ｑ５，Ｑ６）を有する。各パワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）（Ｑ５，Ｑ６）の制御端子は、パワースイッチング回路ユニット（１２）に接続されている。３組パワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）（Ｑ５，Ｑ６）のそれぞれの直列接続点は、前記組み合わせ(Ｍ)の前記コイル（Ｌａ〜Ｌｃ）にそれぞれ接続されている。各フリーホイールダイオード（Ｄ１〜Ｄ６）は、それぞれに対応するパワースイッチ（Ｑ１〜Ｑ６）の制御端子以外の他の２つの端子間に接続されている。キャパシタ（Ｃ）は、バッテリ（２０）の前記２つの端子間に接続されている。

図５Ａを参照するに、２組のパワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）と、キャパシタ（Ｃ）と、前記組み合わせ（参照符号は付されていない。）の１つのコイル（Ｌａ）とを含むバッテリ（２０）の等価回路が示されている。前記コイル（参照符号は付されていない。）は、２組のパワースイッチ（Ｑ１，Ｑ２）（Ｑ３，Ｑ４）のそれぞれの直列接続点間に接続されており、１つのインダクタンス（Ｌａ′）と１つの抵抗（Ｒａ）とで表されている。図５Ａでは、前記組み合わせがモータモードで動作している。前記コイル（Ｌａ）が励起されると、前記組み合わせが起動され、加速される。さらに、図１を参照するに、主制御ユニット（１１）が第１の組の上方のパワースイッチ（Ｑ１）および第２の組の下方のパワースイッチ（Ｑ４）を同時に導通状態に制御する。その結果、前記コイルおよびバッテリ（２０）が閉回路を形成する。励起電流（Ｉ_Ｒ）は、抵抗（Ｒａ）およびインダクタンス（Ｌａ′）を流れ、その結果、前記コイルが励起される。さらに、図５Ｂを参照するに、前記第１の組の上方のパワースイッチ（Ｑ１）、前記第２の組の上方のパワースイッチ（Ｑ３）のフリーホイールダイオード（Ｄ３）および前記インダクタンス（Ｌａ′）が該インダクタンス（Ｌａ′）を通る励起電流を保持する他の閉回路を形成する。

図１および図５Ｃを参照するに、前記組み合わせ(Ｍ)は、発電モードで動作する。パワースイッチング回路ユニット（１２）は、前記第１の組の上方のパワースイッチ（Ｑ１）および前記第２の組の下方のパワースイッチ（Ｑ４）を非道通状態に制御する。前記コイル、２つのフリーホイールダイオード（Ｄ１，Ｄ４）およびバッテリ（２０）は、定電流および定電圧の充電回路を形成する。前記コイルはバッテリ（２０）への充電電流（Ｉｃ）を生成する。それと同時に、インダクタンス（Ｌａ′）はエネルギー（Ｅａｂ）の蓄積を開始する。図５Ｄを参照するに、パワースイッチング回路ユニット（１２）は、前記第２の組の下方のパワースイッチ（Ｑ４）を導通状態に制御し、前記インダクタンス（Ｌａ′）の前記エネルギー（Ｅａｂ）によってバッテリ（２０）を充電すべく他の閉回路を形成する。さらに、図６を参照するに、線１（Ｌ１）は前記組み合わせに付与される定電圧を示し、線２（Ｌ２）はバッテリ（２０）の充電電圧を示す。図６によれば、本考案が定電圧充電の可能性を実際に有していることが示されている。

前記交流モータおよび発電機の組み合わせすなわちそれらの併用機能体がモータモードにあるとき、前記各組の前記パワースイッチは各コイルの励起のために交互に駆動される。したがって、各コイルの励起電流は、図２に波線で示されているように、交流波形信号に形成される。図２によれば、それと同時（ｔ１）に正サイクルおよび負サイクルのそれぞれに２つの交流波形信号が存在し、また前記コイルに前記交流波形信号の大きさの逆起電力（ＣＥＭＦ）が生じている。

前記交流モータおよび発電機の組み合わせが発電モードにあるとき、図７に示すように、電機子電流が検出される。図７によれば、鋸歯状の波形の各減少エッジは次のコイルが励起されることを表す。それと同時に、図３を参照するに、前記逆起電力（ＣＥＭＦ）によって前記バッテリが充電を開始する。前記パワースイッチング回路ユニットはから前記キャパシタが除去されると、図８および図９に示されているように、前記充電電流はパルス波形信号に形成される。換言すれば、前記バッテリを早急に充電することができる。

前記したところから、電機子電流の方向およびその値は制御可能であるので、前記主制御ユニットにより前記組み合わせのトルクを制御することができる。したがって、本考案は、前記組み合わせがモータモードにあるとき該組み合わせの始動あるいは加速を可能とし、また前記組み合わせが発電モードにあるとき、該組み合わせの定電流充電、定電圧充電およびパルス充電の各充電モードを可能とする。

本考案の種々の特徴および利点は、本考案の構成および作用の詳細と共に前記したような図示に開示の通りである。添付した請求項の用語の一般的な広義の意味で示される十分に広い範囲を逸脱しない本考案の本質の範囲内で詳細を変更することができ、特に、構成部品の配置、形状および寸法について変更することができる。

本考案に係る交流モータと発電機との組み合わせのための双方向ＡＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 前記組み合わせがモータモードにあるときの励起電流に対する逆起電力（ＣＥＭＦ）を示す波形信号の図面である。 前記組み合わせが発電モードにあるときの充電電流に対する逆起電力（ＣＥＭＦ）を示す波形信号の図面である。 本考案に係る前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータのパワースイッチング回路ユニットの回路図である。 本考案に係る前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータのパワースイッチング回路ユニットの動作図である。 本考案に係る前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータのパワースイッチング回路ユニットの動作図である。 本考案に係る前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータのパワースイッチング回路ユニットの動作図である。 本考案に係る前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータのパワースイッチング回路ユニットの動作図である。 図５Ｃの充電電圧信号に対する定電圧電力の波形信号の図面である。 前記組み合わせがパルス波形信号の供給下で充電モードにあるときの電機子電流の波形信号の図面である。 パルス波形信号の供給下での充電モードのためのキャパシタを有しない双方向ＡＣ／ＤＣコンバータの等価回路である。 パルス波形信号の供給下での充電モードにおけるバッテリの充電電流の波形信号の図面である。

符号の説明

１０ ＡＤ／ＤＣコンバータ
１１ 主制御ユニット
１２ パワースイッチング回路ユニット
２０ バッテリ
Ｑ１〜Ｑ６ パワースイッチ
Ｄ１〜Ｄ６ フリーホイールダイオード

Claims (3)

1. 交流モータと発電機との組み合わせのための双方向ＡＤ／ＤＣコンバータであって、バッテリの両端子および前記交流モータと前記発電機との前記組み合わせのコイルに適用され、複数のパワースイッチを有するパワースイッチング回路ユニットと、該パワースイッチング回路ユニット、前記バッテリの前記両端子および前記交流モータと前記発電機との前記組み合わせの前記コイル間を接続し、前記バッテリおよびコイルのための異なる閉回路を形成すべく前記各パワースイッチを導通状態または非導通状態に制御する主制御ユニットとを含む双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ。
2. 相互に並列に接続される３組のパワースイッチであって各組のパワースイッチは相互に直列接続される２つのパワースイッチを有しかつ前記バッテリの前記両端子に接続され、前記３組のパワースイッチの各直列接続点は前記組み合わせの前記コイルにそれぞれ接続され、前記各パワースイッチの制御端子は前記主制御ユニットに接続された３組のパワースイッチと、それぞれが対応する前記パワースイッチの他の２つの端子に接続された６つのフリーホイールダイオードとを含む請求項１に記載の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記パワースイッチング回路ユニットは、前記各組の前記パワースイッチに並列に接続されたキャパシタを備える請求項２に記載の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ。

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