JP5621539B2 - モータ駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を電源とするモータの駆動システムにおいて、特に外部回路を必要とせずにモータ駆動用の電力変換器とモータの固定子巻線とを利用して二次電池を充電する手段を備えたモータ駆動システムに関する。

複数台の交流モータを電力変換器により駆動するモータ駆動システムにおいて、各モータを低電圧の二次電池によりそれぞれ独立に駆動しつつシステム全体の高効率化を図る方法として、例えば特許文献１に記載された方法がある。
図５は、この特許文献１に記載されたモータ駆動システムの構成図である。図５において、１０１，１０２はインバータ、１０３は直流リンク部に接続されたコンデンサ、２０１，２０２は各インバータ１０１，１０２の交流側に接続された同期電動機等の交流モータ、１０４は一方のモータ２０２の固定子巻線の中性点と直流リンク部の一端（負側直流母線）との間に接続された直流電源としての二次電池、１０５は制御ユニットである。

上記構成において、一方のインバータ１０２はコンデンサ１０３の電圧が二次電池１０４の電圧よりも高くなるように昇圧動作しながら交流電圧を出力してモータ２０２を駆動すると共に、他方のインバータ１０１は、昇圧動作を行わずに交流電圧を出力してモータ２０１をモータ２０２とは独立して駆動制御している。このように構成することで、モータの入力電流を低減でき、装置全体の高効率化を図ることができる。

一方、モータの冷却方法として、モータ自身の回転により冷却効果を向上させるようにした従来技術が、例えば特許文献２に記載されている。
図６は、特許文献２に係るモータの主要部を示しており、ブラケット４０１を貫通するロータ軸４０２の端部に外扇４０３を取り付け、回転子４０４の端面に冷却用の回転子羽根４０５を取り付けることにより、モータの回転によって軸受４０７や固定子巻線４０８の冷却効果を高めている。この従来技術によれば、冷却負荷が少なくなって専用の冷却装置の小容量化が可能であり、ひいては装置全体の小型化、低コスト化を図ることができる。

ここで、特許文献３には、特許文献１のように直流リンク部を共通にした第１，第２の電力変換器により第１，第２のモータをそれぞれ駆動するシステムにおいて、２台のモータの中性点と一方の直流母線との間に二次電池を接続し、第１の電力変換器を整流器動作させて直流リンク部の平滑コンデンサに直流電力を蓄積すると共に、第２の電力変換器に零電圧ベクトルを出力させるように制御して第２のモータの固定子巻線を降圧用リアクトルとして作用させ、平滑コンデンサの直流電力によって二次電池を充電することが開示されている。
特許文献１に記載したモータ駆動システムにおいて、特許文献３に開示されているような方法で二次電池を充電すれば、モータの固定子巻線やモータ駆動用の電力変換器を利用することで専用の充電装置が不要になり、また、二次電池の充電電流（直流電流）をモータの固定子巻線に流すことによりモータを回転させるトルクを発生させずに充電を行うことができる。

特開２００２−１０６７０号公報（段落［００２２］〜［００２５］、図１等） 特開平５−３６４３号公報（段落［０００７］〜［０００９］、図１等） 特開２００９−２３２６７２号公報（段落［００１５］〜［００２２］、図１，図２等）

しかし、特許文献３に係る従来技術では二次電池の充電中にモータが回転しないため、例えば特許文献２に記載されているような冷却構造を有するモータを用いたとしても、二次電池の充電中にモータを十分に冷却することができない。このため、場合によっては、二次電池の充電中にモータの温度が耐熱限界値を超えて故障するおそれがあった。
そこで、本発明の解決課題は、特許文献３に開示されている方法で二次電池を充電する場合に、モータの温度が耐熱限界値を超えないように制御可能としたモータ駆動システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ駆動システムは、エネルギー蓄積要素と、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記エネルギー蓄積要素と前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記エネルギー蓄積要素を直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
第１の電力変換器により駆動される第１の交流モータ、及び、第２の電力変換器により駆動される第２の交流モータの、各固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された二次電池と、
第１の電力変換器と第１の交流モータとの間に接続されたスイッチと、
第１の電力変換器の交流側と前記スイッチとの間に接続される交流電源と、
前記スイッチをオフにした状態で、第１の電力変換器を整流器動作させて前記直流リンク部に直流電力を蓄積し、かつ、第２の電力変換器を動作させて、第２の交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の直流電力により前記二次電池を充電するように制御する制御手段と、
第２の交流モータの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記温度検出値が第１の温度閾値より小さいときは、前記充電電流を、前記二次電池の最大充電電流値である第１の充電電流閾値により制限し、前記温度検出値が第１の温度閾値より大きい第２の温度閾値を超えるときは、前記充電電流を、周囲温度の最大値におけるモータの耐熱限界温度以下であってモータの温度上昇が飽和する第２の充電電流閾値に制限すると共に、前記温度検出値が第１の温度閾値と第２の温度閾値との間にあるときは、前記充電電流を、第１の充電電流閾値と第２の充電電流閾値との間で直線状に変化するように制限するものである。

請求項２に係るモータ駆動システムは、エネルギー蓄積要素と、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記エネルギー蓄積要素と前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記エネルギー蓄積要素を直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
第２の電力変換器により駆動される第２の交流モータの固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された二次電池と、
第１の電力変換器と第１の交流モータとの間に接続されたスイッチと、
第１の電力変換器の交流側と前記スイッチとの間に接続される交流電源と、
前記スイッチをオフにした状態で、第１の電力変換器を整流器動作させて前記直流リンク部に直流電力を蓄積し、かつ、第２の電力変換器を動作させて、第２の交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の直流電力により前記二次電池を充電するように制御する制御手段と、
第２の交流モータの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記温度検出値が第１の温度閾値より小さいときは、前記充電電流を、前記二次電池の最大充電電流値である第１の充電電流閾値により制限し、前記温度検出値が第１の温度閾値より大きい第２の温度閾値を超えるときは、前記充電電流を、周囲温度の最大値におけるモータの耐熱限界温度以下であってモータの温度上昇が飽和する第２の充電電流閾値に制限すると共に、前記温度検出値が第１の温度閾値と第２の温度閾値との間にあるときは、前記充電電流を、第１の充電電流閾値と第２の充電電流閾値との間で直線状に変化するように制限するものである。

本発明によれば、特許文献３のように、複数台のモータを電力変換器によりそれぞれ駆動するシステムであって、電力変換器に零電圧ベクトルを出力させてモータの固定子巻線を介し平滑コンデンサの直流電力により二次電池を充電する場合に、モータの温度に応じて充電電流を制限することにより、モータの温度が耐熱限界値を超えないように制御してモータの過熱を抑え、その故障を防止することができる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 図１における他方の電力変換器の動作説明図である。 図１における他方の電力変換器の制御ブロック図である。 モータ温度と充電電流制限値との関係を示す図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 特許文献２に記載された従来技術の主要部の断面図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の各実施形態では、２台のモータ駆動装置からなるモータ駆動システムについて説明するが、本発明は、３台以上のモータ駆動装置を直流リンク部にて並列に接続したモータ駆動システムにも適用可能である。

図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に相当する。
この第１実施形態は、星形結線した固定子巻線を持つ第１，第２の交流モータ（以下、単にモータともいう）４０，５０と、トランジスタと還流ダイオードとの逆並列接続回路からなる半導体スイッチＴｒ_１〜Ｔｒ_６，Ｔｒ_７〜Ｔｒ_１２によりそれぞれ構成された第１，第２の電力変換器２０，３０と、モータ４０，５０の固定子巻線の中性点と電力変換器２０，３０の直流リンク部の一端（負側直流母線）との間に接続されて直流電力を供給するバッテリ等の二次電池６０と、前記直流リンク部を構成するエネルギー蓄積要素としての平滑コンデンサ１４と、この平滑コンデンサ１４の電圧を検出する電圧検出器１５と、二次電池６０の電圧を検出する電圧検出器１６と、二次電池６０の出力電流を検出する電流検出器１７と、一方のモータ５０の温度を検出する温度検出器１８と、他方のモータ４０と電力変換器２０との間に設けられたスイッチ１２と、電力変換器２０と三相交流電源（商用電源）１０との間に接続された中継回路１１と、前記各検出器１５，１６，１７，１８からそれぞれ出力される検出値Ｅ_ｄｃ，Ｖ_ｂ，Ｉ_ｂ，Ｔ_Ｍに基づいて電力変換器２０，３０をＰＷＭ制御する制御装置７０とから構成されている。
ここで、平滑コンデンサ１４、第１の電力変換器２０及び第１のモータ４０によって第１のモータ駆動装置が構成され、平滑コンデンサ１４、第２の電力変換器３０及び第２のモータ５０によって第２のモータ駆動装置が構成されている。

次に、この実施形態における二次電池６０の充電方法について説明する。
まず、二次電池６０を充電する際には、スイッチ１２をオフして電力変換器２０とモータ４０との接続を切り離しておく。この状態で、三相交流電源１０から中継回路１１を介して電力変換器２０に交流電力を供給する。なお、中継回路１１は、初期充電回路及びスイッチによって構成されている。
このとき、電力変換器２０の半導体スイッチＴｒ_１〜Ｔｒ_６を、制御装置７０からのＰＷＭパルスＰＷＭ_１によって全てオフさせることにより、電力変換器２０をダイオード整流器として動作させる。これにより、三相交流電源１０の交流電力は電力変換器２０により直流電力に変換されて平滑コンデンサ１４に蓄積される。

他方の電力変換器３０は、制御装置７０からのＰＷＭパルスＰＷＭ_２により半導体スイッチＴｒ_７〜Ｔｒ_１２のオンオフを制御して二つの零電圧ベクトルを出力させる。零電圧ベクトル出力時は、上アームまたは下アームの各相の半導体スイッチが同時にオンオフするため、ここでは、電力変換器３０の上アームの半導体スイッチＴｒ_７，Ｔｒ_９，Ｔｒ_１１をＴｒ_ｐ、下アームの半導体スイッチＴｒ_８，Ｔｒ_１０，Ｔｒ_１２をＴｒ_ｎとして説明する。

図２（ａ）はＴｒ_ｐがオンのときの回路動作を、図２（ｂ）はＴｒ_ｎがオンのときの回路動作を、図２（ｃ）は図２（ａ），（ｂ）における電圧電流波形をそれぞれ示している。
Ｔｒ_ｐのオン時間Ｔ_ｐｏｎにおいて、二次電池６０を流れる電流は、モータ５０の固定子巻線からなるリアクトルを介して増加する。一方、Ｔｒ_ｎのオン時間Ｔ_ｎｏｎでは、二次電池６０を流れる電流は、上記リアクトルに蓄えられたエネルギーによりＴｒ_ｎの還流ダイオードを通じて還流し、減衰する。すなわち、Ｔｒ_ｐ，Ｔｒ_ｎをオンオフさせることで、電力変換器３０を降圧チョッパとして動作させることができ、平滑コンデンサ１４の電圧を降圧して二次電池６０を充電することができる。

次に、電力変換器３０のＰＷＭパルスＰＷＭ_２を生成する手段を説明する。
図３は、電力変換器３０の制御ブロック図を示しており、図１の制御装置７０において電力変換器３０に対するＰＷＭパルスＰＷＭ_２を生成する手段に相当する。

図３において、二次電池６０の電圧指令値Ｖ_ｂ ^＊と電圧検出値Ｖ_ｂとの偏差を減算手段３０６により求め、この偏差を電圧調節手段３００に入力して充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊を生成する。ここで、充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊が充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍより大きい場合は電流制限手段３０１により充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊を充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍに変更し、小さい場合は充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊をそのまま出力する。ここで、充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍは次のようにして生成する。

まず、温度検出器１８によるモータ５０の温度検出値Ｔ_Ｍを温度調節手段３０２に入力し、充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍを得る。
図４は、モータ５０の温度検出値Ｔ_Ｍと充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍとの関係を示している。図示するように、モータ５０の温度検出値Ｔ_Ｍに関して第１，第２の温度閾値Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２を設定する。第２の温度閾値Ｔ_Ｍ２はモータ５０の耐熱温度より低く設定し、第１の温度閾値Ｔ_Ｍ１は第２の温度閾値Ｔ_Ｍ２に対してＴ_Ｍ１＜Ｔ_Ｍ２の関係になるように設定する。
これら第１，第２の温度閾値Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２を用いて、充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍを図４のように制御する。具体的には、以下のとおりである。

・Ｔ_Ｍ＜Ｔ_Ｍ１の場合
温度調節手段３０２は、充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍとして第１の充電電流閾値Ｉ_ｌｉｍ１を設定する。なお、この充電電流閾値Ｉ_ｌｉｍ１は、二次電池６０の最大充電電流値とする。
・Ｔ_Ｍ＞Ｔ_Ｍ２の場合
温度調節手段３０２は、充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍとして第２の充電電流閾値Ｉ_ｌｉｍ２を設定する。ここで、Ｉ_ｌｉｍ１＞Ｉ_ｌｉｍ２である。なお、第２の充電電流閾値Ｉ_ｌｉｍ２は、モータの周囲温度の最大値において、耐熱限界温度以下であって温度上昇が飽和する充電電流値を予め実験等により取得して設定する。
・Ｔ_Ｍ１≦Ｔ_Ｍ≦Ｔ_Ｍ２の場合
温度調節手段３０２は、モータ５０の温度検出値Ｔ_Ｍに対し、第１の充電電流閾値Ｉ_ｌｉｍ１から第２の充電電流閾値Ｉ_ｌｉｍ２に直線的に変化（減少）するように充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍを設定する。こうすることで、充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍが変更されたときの充電電流の急変を防止する。
以上のように、温度調節手段３０２により温度検出値Ｔ_Ｍに応じて充電電流制限値Ｉ_ｌｉｍを設定し、二次電池６０の充電電流を制限する。

図３に戻って、電流制限手段３０１から出力された充電電流指令値Ｉ_ｂ ^＊と二次電池６０の電流検出値Ｉ_ｂとの偏差を減算手段３０７により求め、この偏差を電流調節手段３０３に入力して充電電圧指令値Ｖ_ＣＨＧ ^＊を生成する。この充電電圧指令値Ｖ_ＣＨＧ ^＊を、加算手段３０８において電力変換器３０の各相の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊（但し、二次電池６０の充電時にはモータ５０を回転させないので、Ｖ_ｕ ^＊＝Ｖ_ｖ ^＊＝Ｖ_ｗ ^＊＝０）にそれぞれ重畳し、加算手段３０８の出力を、キャリア発生手段３０４から出力される三角波キャリアと一緒にＰＷＭ演算手段３０５に入力してＰＷＭパルスＰＷＭ_２を演算する。
そして、図１の制御装置７０では、電圧検出器１６により検出した二次電池６０の電圧Ｖ_ｂに基づいて充電の完了を判断し、電力変換器３０の半導体スイッチＴｒ_７〜Ｔｒ_１２の制御を終了させればよい。

なお、電力変換器３０及びモータ５０を介して二次電池６０を充電する場合は、スイッチ１２をオフしてモータ４０の固定子巻線を開放するため、モータ４０の中性点が二次電池６０に接続されているか否かは充電動作に影響しない。
従って、請求項２に記載するように、モータ４０の中性点が二次電池６０に接続されていないシステムにおいても、二次電池６０の充電が可能である。ただし、図１に示したようにモータ４０の固定子巻線の中性点も二次電池６０に接続すれば、スイッチ１２をオンした状態で電力変換器２０に零電圧ベクトルを出力させることにより、電力変換器２０を昇圧チョッパ動作させて二次電池６０の電圧により平滑コンデンサ１４を充電することが可能である。

１０：三相交流電源
１１：中継回路
１２：スイッチ
１４：平滑コンデンサ
１５，１６：電圧検出器
１７：電流検出器
１８：温度検出器
２０，３０：電力変換器
４０，５０：交流モータ
６０：二次電池
７０：制御装置
３００：電圧調節手段
３０１：電流制限手段
３０２：温度調節手段
３０３：電流調節手段
３０４：キャリア発生手段
３０５：ＰＷＭパルス演算手段
３０６，３０７：減算手段
３０８：加算手段
Ｔｒ_１〜Ｔｒ_１２：半導体スイッチ

Claims (2)

1. エネルギー蓄積要素と、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記エネルギー蓄積要素と前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記エネルギー蓄積要素を直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
   第１の電力変換器により駆動される第１の交流モータ、及び、第２の電力変換器により駆動される第２の交流モータの、各固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された二次電池と、
   第１の電力変換器と第１の交流モータとの間に接続されたスイッチと、
   第１の電力変換器の交流側と前記スイッチとの間に接続される交流電源と、
   前記スイッチをオフにした状態で、第１の電力変換器を整流器動作させて前記直流リンク部に直流電力を蓄積し、かつ、第２の電力変換器を動作させて、第２の交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の直流電力により前記二次電池を充電するように制御する制御手段と、
   第２の交流モータの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記温度検出値が第１の温度閾値より小さいときは、前記充電電流を、前記二次電池の最大充電電流値である第１の充電電流閾値により制限し、前記温度検出値が第１の温度閾値より大きい第２の温度閾値を超えるときは、前記充電電流を、周囲温度の最大値におけるモータの耐熱限界温度以下であってモータの温度上昇が飽和する第２の充電電流閾値に制限すると共に、前記温度検出値が第１の温度閾値と第２の温度閾値との間にあるときは、前記充電電流を、第１の充電電流閾値と第２の充電電流閾値との間で直線状に変化するように制限することを特徴とするモータ駆動システム。
2. エネルギー蓄積要素と、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記エネルギー蓄積要素と前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記エネルギー蓄積要素を直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
   第２の電力変換器により駆動される第２の交流モータの固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された二次電池と、
   第１の電力変換器と第１の交流モータとの間に接続されたスイッチと、
   第１の電力変換器の交流側と前記スイッチとの間に接続される交流電源と、
   前記スイッチをオフにした状態で、第１の電力変換器を整流器動作させて前記直流リンク部に直流電力を蓄積し、かつ、第２の電力変換器を動作させて、第２の交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の直流電力により前記二次電池を充電するように制御する制御手段と、
   第２の交流モータの温度を検出する温度検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記温度検出値が第１の温度閾値より小さいときは、前記充電電流を、前記二次電池の最大充電電流値である第１の充電電流閾値により制限し、前記温度検出値が第１の温度閾値より大きい第２の温度閾値を超えるときは、前記充電電流を、周囲温度の最大値におけるモータの耐熱限界温度以下であってモータの温度上昇が飽和する第２の充電電流閾値に制限すると共に、前記温度検出値が第１の温度閾値と第２の温度閾値との間にあるときは、前記充電電流を、第１の充電電流閾値と第２の充電電流閾値との間で直線状に変化するように制限することを特徴とするモータ駆動システム。

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