JP4178933B2 - 電動機を用いた電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置、特に電動機を用いて電力変換を行う装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電力変換の一例が特開2000−12059号公報(特許文献1)に示されている。特許文献1に示す燃料電池からの電気エネルギーを利用してモータを駆動する装置においては、並列接続されたバッテリ及びインバータと、燃料電池との間にDC−DCコンバータが設けられている。そして、燃料電池をエネルギー変換効率の高い動作ポイントで動作させるとともに、バッテリの出力電圧をDC−DCコンバータにより調整している。また、複数のステータコイルを有するモータを利用して所望の直流電圧を生成する装置が特許文献2〜5に示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−12059号公報
【特許文献2】
特開2001−157496号公報
【特許文献3】
特開平8−289406号公報
【特許文献4】
特開2002−218793号公報
【特許文献5】
特開2000−324871号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に示す装置においては、燃料電池とバッテリとの間の電力変換をDC−DCコンバータを用いて行っているので、装置の大型化及びコスト高を招いてしまうという課題があった。
【0005】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型化及び低コスト化を実現できる電力変換装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第1の本発明に係る電力変換装置は、互いに電気的に絶縁され相互インダクタンスを有する複数の巻線を備え、該巻線に流れる交流電流により共通の回転子にトルクを発生可能な電動機と、各巻線に対応して設けられ、巻線への電力の送電及び巻線からの電力の受電が可能な電力送受手段と、各巻線に流れる電流を制御する電流制御手段と、を有し、各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であり、前記電流制御手段は、少なくとも1つの巻線に流れる電流に搬送波を付加し、該搬送波を用いて電力変換が行われることを特徴とする。
【0007】
本発明においては、各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であるので、装置の小型化及び低コスト化を実現できる。さらに、少なくとも1つの巻線に流れる電流に搬送波が付加され、該搬送波を用いて電力変換が行われることにより、回転子の回転速度が低い場合でも電力変換能力を向上させることができる。
【0008】
本発明の参考例に係る電力変換装置は、各巻線に流れる電流を制御する電流制御手段をさらに有し、該電流制御手段は、少なくとも1つの巻線に流れる電流を回転子を駆動するように制御し、かつ少なくとも1つの巻線に流れる電流を回転子を制動するように制御することを特徴とする。
【0009】
この構成においては、少なくとも1つの巻線に流れる電流を回転子を駆動するように制御し、かつ少なくとも1つの巻線に流れる電流を回転子を制動するように制御することにより、電動機の駆動制御または制動制御を行いながら、電力送受手段間における電力変換を行うことができる。
【0012】
第2の本発明に係る電力変換装置は、第1の本発明に記載の装置であって、回転子と負荷との間の変速比が可変である変速機構と、回転子の回転速度が所望の範囲内になるように該変速比を制御する変速制御手段と、をさらに有することを特徴とする。
【0013】
この構成においては、回転子の回転速度が所望の範囲内になるように、回転子と負荷との間の変速比を制御することにより、負荷の回転速度に関係なく電力変換を効率よく行うことができる。
【0014】
第3の本発明に係る電力変換装置は、第1または第2の本発明に記載の装置であって、前記電力送受手段の各々は、各巻線に対応して設けられた直流電源と、各巻線とそれに対応する直流電源との間における双方向の電力変換が可能なインバータと、を備えることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの構成を示す図である。本実施形態における電動機駆動制御システムは、電動機10、インバータ12,14、直流電源16,18及びコントローラ20を備えている。
【0017】
図2は、電動機10の内部構成の概略の一例を示し、永久磁石型同期電動機の場合について示す。電動機10は、2つの3相コイルY1,Y2と、永久磁石を有する回転子Rと、を備えており、3相コイルY1,Y2に流れる交流電流により共通の回転子Rにトルクを発生可能である。そして、3相コイルY1と3相コイルY2とは、電気的に絶縁されており、かつ高いコイル間結合度が得られるように近接配置されている。ただし、本実施形態においては、3相コイルY1と3相コイルY2との間に相互インダクタンスを有していればよく、コイルの近接配置は必須ではない。また、回転子Rには図示しない負荷が接続されている。
【0018】
インバータ12は、直列接続された1対のスイッチング素子からなるアームを3本備えており、直流電源16からの直流電圧をスイッチング動作により120度ずつ位相が異なる3相交流に変換して3相コイルY1の各相に交流電流Iu1,Iv1,Iw1を供給する。さらに、インバータ12は、3相コイルY1の電流Iu1,Iv1,Iw1を直流に変換して直流電源16に回生する方向の変換も可能である。同様に、インバータ14も、直列接続された1対のスイッチング素子からなるアームを3本備えており、直流電源18からの直流電圧をスイッチング動作により120度ずつ位相が異なる3相交流に変換して3相コイルY2の各相に交流電流Iu2,Iv2,Iw2を供給する一方、3相コイルY2の電流Iu2,Iv2,Iw2を直流に変換して直流電源18に回生する方向の変換も可能である。このように、インバータ12,14は双方向の電力変換が可能であり、インバータ及び直流電源によって3相コイルへの電力の送電及び3相コイルからの電力の受電が可能な本発明の電力送受手段が実現される。
【0019】
インバータ12と3相コイルY1との間に3相コイルY1内の2相の電流を検出するための電流センサ1,2が設けられている。同様に、インバータ14と3相コイルY2との間に3相コイルY2内の2相の電流を検出するための電流センサ3,4が設けられている。電流センサ1〜4による電流検出値はコントローラ20内に読み込まれ、コントローラ20内では3相コイルY1,Y2の電流値が算出される。
【0020】
電流制御手段としてのコントローラ20は、3相コイルY1,Y2に流れる電流を制御する。電流制御の一例としては以下のようにして行う。まずコントローラ20は3相コイルY1,Y2に関するd軸電流指令値及びq軸電流指令値をそれぞれ演算する。一方、コントローラ20は、電流センサ1〜4に基づく3相コイルY1,Y2の電流検出値をd−q座標系に変換することで、3相コイルY1,Y2に関するd軸電流検出値及びq軸電流検出値をそれぞれ演算する。そして、d軸電流指令値とd軸電流検出値との偏差及びd軸電流指令値とd軸電流検出値との偏差をそれぞれPI補償した後に3相に変換する。それらの信号はキャリア信号と比較されることで時間変調された矩形波電圧に変換され、インバータ12,14を矩形波電圧によりスイッチング制御する。これによって、3相コイルY1,Y2に流れる電流が制御される。
【0021】
ここで、3相コイルY1に関するd軸電流及びq軸電流をそれぞれid1,iq1、3相コイルY2に関するd軸電流及びq軸電流をそれぞれid2,iq2、とすると、3相コイルY1に関するd軸電圧Vd1及びq軸電圧Vq1、3相コイルY2に関するd軸電圧Vd2及びq軸電圧Vq2は定常状態においてそれぞれ以下に示す式で表される。
【数1】
【0022】
ただし、ωは電気角速度、Φは磁束鎖交数、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、lrは寄生インダクタンスであり、ここではLd、Lq、lrの値は3相コイルY1,Y2で等しいとしている。そして、3相コイルY1の消費電力Py1及び3相コイルY2の消費電力Py2(ともに回転子Rの駆動用に消費される方向を正とする)は、それぞれ以下に示す式で表され、この式より消費電力Py1,Py2は電気角速度ωに比例することがわかる。
【数2】
【0023】
本実施形態においては、3相コイルY1と3相コイルY2との間に相互インダクタンスを有しているので、一方の3相コイルに流れる電流により他方の3相コイルに電圧が誘起される。また、インバータ12,14は双方向の電力変換を行うことができる。したがって、直流電源16と直流電源18との間で双方向の電力変換を行うことができる。例えば、Py1>0かつPy2<0となるようにid1,iq1,id2,iq2のそれぞれを制御することにより、直流電源16から直流電源18への電力変換を行うことができ、一方、Py1<0かつPy2>0となるようにid1,iq1,id2,iq2のそれぞれを制御することにより、直流電源18から直流電源16への電力変換を行うことができる。
【0024】
Py1>0かつPy2<0かつPy1+Py2>0のときは、直流電源16からの電力については、一部は回転子R(負荷)の駆動用に消費され、残りは直流電源18へ回生される。一方、Py1<0かつPy2>0かつPy1+Py2>0のときは、直流電源18からの電力については、一部は回転子R(負荷)の駆動用に消費され、残りは直流電源16へ回生される。
【0025】
また、Py1>0かつPy2<0かつPy1+Py2<0のときは、直流電源18へ回生される電力については、一部は回転子R(負荷)の回転エネルギーから回生され、残りは直流電源16からの電力が回生される。一方、Py1<0かつPy2>0かつPy1+Py2<0のときは、直流電源16へ回生される電力については、一部は回転子R(負荷)の回転エネルギーから回生され、残りは直流電源18からの電力が回生される。これらの場合は、単なる電動機10の回生制動より直流電源の充電能力を向上させることができる。
【0026】
さらに、Py1>0かつPy2<0かつPy1+Py2=0のときは、直流電源16からの電力については、回転子R(負荷)の駆動用に消費されずに直流電源18へ回生される。一方、Py1<0かつPy2>0かつPy1+Py2=0のときは、直流電源18からの電力については、回転子R(負荷)の駆動用に消費されずに直流電源16へ回生される。これらの条件のように、回転子Rの駆動に消費される電力と回転子Rの制動により発生する電力とが釣り合うときは、電動機10を駆動や回生制動させることなく直流電源16と直流電源18との間における電力変換が行われる。なお、id1=id2、iq1=−iq2とすれば、Py2=−Py1を満たす。このときのPy1は以下に示す式で表される。
【数3】
【0027】
本実施形態においては、3相コイルY1と3相コイルY2との間に相互インダクタンスを有しており、インバータ12,14は双方向の電力変換を行うことができるので、DC−DCコンバータを用いることなく直流電源16と直流電源18との間で双方向の電力変換を行うことができる。したがって、駆動制御システムの小型化及び低コスト化を実現できる。さらに、3相コイルY1と3相コイルY2とは電気的に絶縁されているので、各電力系統内の電位を任意に設定することができる。例えば、直流電源16の負極及び直流電源18の負極を共通グランドとすることができる。また、3相コイルの巻数比の調整により電圧変換比率を調整でき、電圧変換比率の幅を広く取ることができる。
【0028】
そして、一方のコイルに流れる電流を回転子Rを駆動するように制御し、かつ他方のコイルに流れる電流を回転子Rを制動するように制御することにより、電動機10の駆動制御または制動制御を行いながら、直流電源16と直流電源18との間における電力変換を行うことができる。さらに、Py1+Py2=0を満たすように制御することにより、電動機10を駆動や回生制動させることなく直流電源16と直流電源18との間における電力変換を行うことができる。
【0029】
そして、本実施形態では、d軸電流指令値及びq軸電流指令値に搬送波を付加してもよい。一例を挙げると、id1,iq1,id2,iq2が以下の式を満たすように制御を行う。
【数4】
【0030】
ここで、idoはd軸電流の定数分、a,bは搬送波の振幅、tは時間である。ωnは搬送波の角速度であり、ωn>ωである。また、A,Bは以下に示す式で表される。
【数5】
【0031】
ここで、Φnは磁束鎖交数、Tnは電動機トルク、Prは極対数である。
【0032】
この構成においては、d軸電流指令値及びq軸電流指令値に搬送波を付加することにより、搬送波により電力変換が行われるので、回転子Rの回転速度が低い場合でも電力変換能力を向上させることができる。さらに、前記の式を満たすようにid1,iq1,id2,iq2を制御することにより、搬送波成分による回転子Rのトルク発生を防止できる。なお、搬送波を付加する制御については回転子Rの回転速度が低い場合に特に有効なので、回転子Rの回転速度が所定値以下のときに搬送波を付加する制御を行うようにしてもよい。
【0033】
さらに、本実施形態では、電動機10の回転子Rと負荷との間に変速比が可変である変速機構を設けてもよい。図3は、変速機構の一例として遊星歯車22を用いた場合を示している。図3に示す構成においては、電動機10の3相コイルY2はインバータ14を介して電源系27と接続されている。電源系27は、インバータ26を介して電動機24の3相コイルY4と接続されており、さらに駆動系29と接続されている。電源系27の一例としては、コンデンサやバッテリーを用いることができる。そして、電動機10の出力軸(回転子R)、電動機24の出力軸及び図示しない負荷は、遊星歯車22のサンギヤ、リングギヤ及びキャリアとそれぞれ連結されている。ただし、その間の接続関係は任意に設定できる。また、インバータ14に接続する直流電源として主バッテリー16を用いている。図3に示す構成においては、電動機24の出力軸回転速度を制御することにより、電動機10の回転子Rと負荷との間の変速比が制御される。そして、コントローラ20(図3では図示を省略)は、電動機10の回転子Rの回転速度が所望の値または所望の範囲内になるように、電動機24の出力軸回転速度を制御する。ここでの所望の値または所望の範囲については、電動機10の許容回転速度以下の範囲内で高回転速度である方が好ましい。
【0034】
図3に示す構成においては、電動機10の回転子Rの回転速度が所望の値または所望の範囲内に保たれることにより、負荷の回転速度に関係なく主バッテリー16と電源系27との間の双方向の電力変換を効率よく行うことができる。したがって、図3の構成により、負荷を駆動または制動するとともに、電源系27に主バッテリー16とは異なる電圧の電力を供給することができ、電源系27により駆動系29に最適な電圧で電力を供給することが低コストで実現できる。なお、ここでの変速機構については、電動機10の回転子Rと負荷との間の変速比が可変であればよいので、遊星歯車に限るものではなく、例えば他の歯車機構やCVT等を用いてもよい。
【0035】
さらに、本発明の他の適用例を図4,5に示す。
【0036】
図4は、ハイブリッド車両の駆動制御システムに本発明を適用した場合の構成の概略を示す図である。この構成においては、遊星歯車22のキャリアにエンジン28の出力軸が連結されている。そして、電動機24の出力軸にはギア30を介して図示しない車輪がさらに連結されている。他の構成については図3に示す構成と同様であるため説明を省略する。この構成においても車輪の回転速度に関係なく主バッテリー16と電源系27との間の双方向の電力変換を効率よく行うことができる。さらに、3相コイルY2の巻数を3相コイルY1の巻数より大きくすることにより、主バッテリー16の電圧に対して電動機24の駆動電圧を高く設定することができ、電動機24の駆動電流を下げることができる。したがって、インバータ14,26内の各素子の容量を小さくできる。
【0037】
図5は、燃料電池車両の駆動制御システムに本発明を適用した場合の構成の概略を示す図である。この構成においては、インバータ12に接続する直流電源として燃料電池16を用いている。電動機10は、3つの3相コイルY1,Y2,Y3に流れる交流電流により共通の回転子Rにトルクを発生可能である。そして、3相コイルY1,Y2,Y3は、互いに電気的に絶縁されており、かつ高いコイル間結合度が得られるように近接配置されている。さらに、3相コイルY3はインバータ32を介してバッテリー34と接続されている。また、遊星歯車22のキャリアはギア36を介して車輪38と連結されている。そして、ここでは電源系としてコンデンサ27を用いている。他の構成については図3,4に示す構成と同様であるため説明を省略する。
【0038】
図5に示す構成においても、車輪38の回転速度に関係なく燃料電池16、バッテリー34及びコンデンサ27間に関する双方向の電力変換を効率よく行うことができる。さらに、燃料電池16と他の駆動電力系とは電気的に絶縁されているので、燃料電池16の電位を安定に保つことができる。
【0039】
本発明における電力送受手段の構成は、インバータ及び直流電源に限るものではなく、電力の送電及び受電が可能であるならばいかなる構成であってもよい。例えば、インバータの代わりにサイクロコンバータを用いることも可能である。さらに、電気エネルギーを保持する手段としては、バッテリーやコンデンサに限るものではなく、エネルギーの保持が可能であるならばいかなる構成であってもよい。また、電動機10については、永久磁石型同期電動機に限るものではなく、交流電動機であるならば本発明の適用が可能である。さらに、図5の構成に示すように、本発明の適用が可能なコイルの数は2つに限るものではなく、互いに電気的に絶縁され相互インダクタンスを有する複数のコイルを電動機が備えていれば本発明の適用が可能である。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であるので、電力変換装置の小型化及び低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの構成を示す図である。
【図2】 本発明の実施形態に用いられる電動機の内部構成の概略の一例を示す図である。
【図3】 本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの他の構成を示す図である。
【図4】 本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの他の構成を示す図である。
【図5】 本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの他の構成を示す図である。
【符号の説明】
10 電動機、12,14,26,32 インバータ、16,18 直流電源、20 コントローラ、22 遊星歯車、R 回転子、Y1,Y2,Y3,Y43相コイル。
Claims (3)
- 互いに電気的に絶縁され相互インダクタンスを有する複数の巻線を備え、該巻線に流れる交流電流により共通の回転子にトルクを発生可能な電動機と、
各巻線に対応して設けられ、巻線への電力の送電及び巻線からの電力の受電が可能な電力送受手段と、
各巻線に流れる電流を制御する電流制御手段と、
を有し、
各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であり、
前記電流制御手段は、少なくとも1つの巻線に流れる電流に搬送波を付加し、
該搬送波を用いて電力変換が行われることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
回転子と負荷との間の変速比が可変である変速機構と、
回転子の回転速度が所望の範囲内になるように該変速比を制御する変速制御手段と、
をさらに有することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載の電力変換装置であって、
前記電力送受手段の各々は、
各巻線に対応して設けられた直流電源と、
各巻線とそれに対応する直流電源との間における双方向の電力変換が可能なインバータと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
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