JP7046168B2 - 回転機電力変換装置 - Google Patents

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Description

本願は、三相交流回転機を駆動制御する回転機電力変換装置に関するものである。
従来から、三相交流回転機を駆動力源とする電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動化車両が知られており、この電動化車両では、走行時に三相交流回転機を力行運転して走行駆動トルクを発生させ、制動時に三相交流回転機を回生運転して回生制動トルクを発生させている。
ここで、電動化車両の駆動システムは、リチウムイオンバッテリ等の二次電池からなる直流電源と、コンデンサと複数の半導体スイッチ（スイッチング素子）とからなり、直流電源に接続される電力変換手段と、電力変換手段に負荷として接続された三相交流回転機とから構成される。
電力変換手段は、複数の半導体スイッチを所定のスイッチング周波数でオン、オフすることにより、直流電源の直流電力を所定の交流電力に変換して、負荷である三相交流回転機のトルク、回転数を調節する。また、三相交流回転機は、動作状況によっては発電機として動作し、発電によって生じる回生電力を直流電源に充電する。なお、電動化車両に適用される三相交流回転機として、効率が良い永久磁石三相同期電動機がよく用いられる。
三相同期電動機を用いた駆動システムにおいて、電力変換手段は、上段側のスイッチング素子と下段側のスイッチング素子とが直列に接続された三相（三組）の直列回路が、それぞれ直流電源と並列に接続されて構成され、三相の直列回路のそれぞれの中点と三相同期電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの巻線とが接続される。
また、電力変換手段の各相に設けられるスイッチング素子を順次オンおよびオフさせることにより、三相同期電動機の各相に互いに位相が１２０度ずつ異なる交流電力を供給して三相同期電動機を駆動させる。以下、特に断らない限り、三相交流回転機は三相同期電動機を指すものとする。
また、回転機電力変換装置のスイッチング素子で構成された電力変換手段の１相がオフ故障した場合でも回転機電力変換装置を継続して運転させる技術は既に公開されている（例えば、特許文献１特許文献２参照）。
特開２００８－６７４２９号公報 特開２００８－２１１９１０号公報
前述のように回転機電力変換装置のスイッチング素子で構成された電力変換手段の１相がオフ故障した場合でも回転機電力変換装置を継続して運転させる技術は既に公開されている。特許文献１ではスイッチング素子の１相がオフ故障した場合でも、スイッチング素子の追加なしに、運転継続を可能とする回転機電力変換装置が紹介されており、この回転機電力変換装置を電動ブレーキ装置に応用している。また、特許文献２では電力変換手段でオフ故障が発生した相に応じて相電流指令値を形成する電流制御法が提案されており、電動パワーステアリングに応用されている。しかし、特許文献１と特許文献２で提案された回転機電力変換装置を電動化車両に応用し、電力変換手段の１相がオフ故障し、且つ三相交流回転機の回転速度が上昇する場合、電流制御ができず、運転継続が実現できない恐れがある。
また、電力変換手段の１相がオフ故障する場合、三相交流回転機のトルクが振動するため、電動化車両の乗員が不快感を抱く恐れがある。
また、電力変換手段の１相がオフ故障し、且つ三相交流回転機の回転速度が上昇する場合、三相交流回転機が発生する電圧が電力変換手段の直流電源を超える場合に、直流電源への過剰な電力回生、回生トルク、異常トルクを発生させるという問題がある。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、回転機電力変換装置のスイッチング素子で構成された電力変換手段の１相がオフ故障した場合でも運転継続させる回転機電力変換装置を得ることを目的とする。
本願に開示される回転機電力変換装置は、三相交流回転機と直流電源の間に設けられ、上段側のスイッチング素子と下段側のスイッチング素子とが直列接続された三相の直列回路が夫々直流電源と並列に接続され、直列回路の各々における上段側のスイッチング素子と下段側のスイッチング素子との間が三相交流回転機の各相の巻線の夫々に接続された電力変換手段を有し、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する回転機電力変換装置であって、三相交流回転機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、電力変換手段の１相オフ故障の異常を判定する異常判定手段と、電力変換手段への相電圧指令値を決定する電流制御手段を備え、電流制御手段は、電力変換手段が正常時に使用する正常時電流制御部と、電力変換手段が異常時に使用する異常時電流制御部と、電力変換手段を停止させる電力変換停止部と、異常判定手段の判定結果によって正常時電流制御部と異常時電流制御部を切り替える正常時/異常時電流制御部選択部と、回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転速度よりも小さい場合に使用する異常時電流制御部と回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転速度よりも大きい場合に使用する電力変換停止部を切り替える異常時電流制御部/電力変換停止部選択部と、を具備し、異常判定手段において電力変換手段に１相オフ故障が発生していないと判断された場合、正常時/異常時電流制御部選択部で切り替えられた正常時電流制御部を使用して正常時電流制御を実施し、異常判定手段において電力変換手段に１相オフ故障が発生したと判断された場合、正常時/異常時電流制御部選択部で切り替えられた異常時電流制御部を選択し、且つ、回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転数よりも小さい場合に異常時電流制御部/電力変換停止部選択部で切り替えられた異常時電流制御部を使用して異常時電流制御を実施し、異常判定手段において電力変換手段に１相オフ故障が発生したと判断された場合、回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転数よりも大きい場合に異常時電流制御部/電力変換停止部選択部で切り替えられた電力変換停止部を使用して電力変換を停止するものである。
本願に開示される回転機電力変換装置によれば、電力変換手段に１相オフ故障が発生し、異常が判定された場合、異常時電流制御部を使用するが、異常時電流制御部で電流制御できる回転速度の領域のみで、異常時電流制御部を使用することで、運転継続可能な回転速度領域で運転継続を実現できる。
実施の形態１による回転機電力変換装置と三相交流回転機を示す概略図である。 実施の形態１による回転機電力変換装置の電流制御手段の動作フローチャートを示す図である。 実施の形態２による回転電力変換装置と三相交流回転機を示す概略図である。 実施の形態２による回転機電力変換装置の電流制御手段の動作フローチャートを示す図である。 実施の形態３による回転機電力変換装置と三相交流回転機を示す概略図である。 実施の形態４に係る回転機電力変換装置の応用例を示す概略図である。 実施の形態における回転機電力変換装置のハードウエア構成の一例を示す図である。
以下、回転機電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図1は実施の形態１による回転機電力変換装置１と三相交流回転機２の概略図である。回転機電力変換装置１は、三相交流回転機２と直流電源３の間に接続され、直流電源３からの直流電力を交流電力に変換して三相交流回転機２に電力を供給するものであって、直流電源３からの直流電力を三相交流回転機２への交流電力に変換する電力変換手段５と、三相交流回転機２に流れる相電流を検出する電流検出手段４と、三相交流回転機２からの回転機角度から回転速度を演算する回転速度演算手段６と、電力変換手段５に相電圧指令または電力変換停止指令を出力する電流制御手段８と、電力変換手段５の１相オフ故障を検出、確定し、異常を判定する異常判定手段７によって構成される。なお、電力変換手段５は、上段側のスイッチング素子と下段側のスイッチング素子とが直列接続された三相の直列回路が夫々直流電源と並列に接続され、直列回路の各々における上段側のスイッチング素子と下段側のスイッチ素子との間が三相交流回転機の巻線の夫々に接続されている。
また、電流制御手段８は正常時に使用する正常時電流制御部９と、異常時に使用する異常時電流制御部１０と、電力変換手段５を停止させる電力変換停止部１１と、異常判定手段７によって、正常時電流制御部９と異常時電流制御部１０を切り替える正常時/異常時電流制御部選択部１２と、回転速度演算手段６の演算結果があらかじめ決められた所定の回転速度よりも小さい場合に使用する異常時電流制御部１０と回転速度演算手段６の演算結果があらかじめ決められた所定の回転速度よりも大きい場合に使用する電力変換停止部１１を切り替える異常時電流制御部/電力変換停止部選択部１３によって構成される。
図２は、回転機電力変換装置１における電流制御手段８の動作フローチャートである。
電力変換手段５において１相オフ故障が発生しており（ステップＳ１）、且つ、回転速度演算手段６で演算された回転速度があらかじめ決められた所定の回転速度よりも大きい場合（ステップＳ２）、電力変換停止部１１を使用して電力変換を停止する（ステップＳ３）。また、ステップＳ２において回転速度があらかじめ決められた所定の回転速度よりも小さいと判断された場合、異常時電流制御部１０を使用して異常時電流制御を実施する（ステップＳ４）。また、ステップＳ１において、電力変換手段５に１相オフ故障が発生していないと判断された場合、正常時電流制御部９を使用して正常時電流制御を実施する（ステップＳ５）。
図１の構成と図２の動作フローチャートにより、電力変換手段５に１相オフ故障が発生し、異常判定手段７により異常が判定された場合、異常時電流制御部１０を使用するが、異常時電流制御部１０で電流制御できる回転速度の領域のみで、異常時電流制御部１０を使用することで、運転継続可能な回転速度領域で運転継続を実現できる。
また、電力変換手段５に１相オフ故障が発生しており、且つ、回転速度が所定の回転速度よりも小さい場合、異常時電流制御部１０を使用するが、異常時電流制御部１０と電力変換停止部１１を交互に使用する。異常時電流制御部１０と電力変換停止部１１を交互に使用することにより、異常時電流制御部１０を使用する場合、トルク振動が発生するが、トルク振動が発生する時間を低減することができる。
また、電力変換手段５に１相オフ故障が発生しており、且つ、回転速度が所定の回転速度よりも小さい場合、異常時電流制御部１０を使用するが、異常時電流制御部１０と電力変換停止部１１を使用する割合を状況に応じて変化させる。この状況は、三相交流回転機２のトルク、回転速度、温度のことであることは言うまでもない。異常時電流制御部１０と電力変換停止部１１を使用する割合を状況に応じて変化させることにより、三相交流回転機２のトルク、回転速度、温度に応じ、トルク振動が発生する時間の低減の度合いを変化させることができる。
実施の形態２．
図３は、実施の形態２における回転機電力変換装置１ａと三相交流回転機２の概略図であって、基本的構成は実施の形態１と同様に構成されているが、電力変換手段５には昇圧部１４を備えており、この昇圧部１４は直流電源３と電力変換手段５との間に設けられている。
図４は、昇圧機能を有した実施の形態２における回転機電力変換装置１ａにおける電流制御手段８の動作フローチャートである。
電力変換手段５に１相オフ故障が発生していると判断された場合（ステップＳ１）、昇圧部１４によって電力変換手段５の昇圧動作が実施され（ステップＳ６）、次にステップＳ２において、回転速度演算手段６で演算された回転速度があらかじめ決められた所定の回転速度よりも大きい場合（ステップＳ２）、電力変換停止部１１を使用して電力変換を停止する（ステップＳ３）。また、ステップＳ２において回転速度があらかじめ決められた所定の回転速度よりも小さいと判断された場合、異常時電流制御部１０を使用して異常時電流制御を実施する（ステップＳ４）。また、ステップＳ１において、電力変換手段５に１相オフ故障が発生していないと判断された場合、正常時電流制御部９を使用して正常時電流制御を実施する（ステップＳ５）。
図３の構成と図４の動作フローチャートにより、電力変換手段５に１相オフ故障が発生し、異常判定手段７により異常が判定された場合、正常時より高い電圧に昇圧することで、三相交流回転機２の回転速度が上昇し、三相交流回転機２が発生する電圧が直流電源３の直流電圧を超えることで発生する回生トルクによる制動力を防ぐこと、異常トルクの発生を防止することができる。
実施の形態３．
図５は実施の形態３における回転機電力変換装置１ｂと三相交流回転機１０２と三相交流回転機２０２の概略図である。実施の形態３は、複数の三相交流回転機を対象としたものであって、電力変換手段、電流制御手段の基本的構成は実施の形態２と同様に構成されているが、回転機電力変換装置１ｂが複数の三相交流回転機１０２、２０２に接続されている。実施の形態３における回転機電力変換装置１ｂの動作は、実施の形態２と基本的に同じである。
スイッチング素子で構成された電力変換手段５ａは第１の電力変換部１０５と第２の電力変換部２０５により構成され、複数の三相交流回転機１０２、２０２を個別に駆動できる。第１の電流制御手段１０８は第１の電力変換部１０５に相電圧指令を出力し、第２の電流制御手段２０８は第２の電力変換部２０５に相電圧指令を出力する構成となっているが、第１の電力変換停止部１１１と第２の電力変換停止部２１１はそれぞれ第１の電力変換部１０５と第２の電力変換部２０５の両方に出力する構成となっている。
図５の構成により、第１の電力変換停止部１１１または第２の電力変換停止部２１１が動作した場合、複数の三相交流回転機１０２、２０２への電力変換を停止することができ、直流電源３、昇圧部１４、複数の三相交流回転機１０２、２０２、電力変換手段５ａの間の電力不釣り合いによる過電圧、過電流を防ぐことができる。
実施の形態４．
図６は、図１に示す実施の形態１における回転機電力変換装置１を電動化車両に応用した例を示す概念図である。なお、他の実施の形態としては、図３に示す実施の形態２における回転機電力変換装置１ａ、または図５に示す実施の形態３における回転機電力変換装置１ｂを電動化車両に用いることができる。実施の形態４においても、回転機電力変換装置は、他の実施の形態と同様の動作が行われる。
図６に示すように、回転機電力変換装置１は、電動化車両である車両２０００に搭載され、直流電源３（例えば、高電圧バッテリ）の電力を用いて三相交流回転機２を駆動するものである。車両２０００には、三相交流回転機２とシャフトで接続されたファイナルギア２００５、このファイナルギア２００５とシャフトで接続され車両前部に設けられた前輪左側タイヤ２００１及び前輪右側タイヤ２００２を有している。また、車両２０００の後部には、シャフトで接続された後輪左側タイヤ２００３、後輪右側タイヤ２００４が配置されている。
実施の形態１における回転機電力変換装置を電動化車両に応用した実施の形態４においては、電動化車両の電力変換手段５に１相オフ故障が発生し、異常判定手段７により異常が判定された場合でも、異常時電流制御部１０で電流制御できる回転速度領域で力行トルクによる走行アシスト、運転継続が可能である。
また、電動化車両の電力変換手段５に１相オフ故障が発生しており、且つ、回転速度が所定の回転速度よりも小さい場合、異常時電流制御部１０を使用するが、異常時電流制御部１０と電力変換停止部１１を交互に使用する。異常時電流制御部１０と電力変換停止部１１を交互に使用することにより、異常時電流制御部１０を使用する場合、トルク振動が発生するが、トルク振動が発生する時間を低減することで、電動化車両の乗員への不快感を低減する。
また、図３に示す実施の形態２における回転機電力変換装置１ａを電動化車両に応用した実施の形態においては、電動化車両の電力変換手段５に１相オフ故障が発生し、異常判定手段７により異常が判定された場合、正常時よりも高い電圧に昇圧することで、電動化車両の三相交流回転機２の回転速度が上昇し、三相交流回転機２が発生する電圧が直流電源３の直流電圧を超えることで発生する回生トルクによる制動力を防ぐこと、異常トルクの発生を防止することができる。
また、図５に示す実施の形態３における回転機電力変換装置１ｂを電動化車両に適用した実施の形態の場合には、電動化車両の電力変換手段５ａが複数の三相交流回転機１０２、２０２を駆動できるので、電動化車両内の直流電源３、昇圧部１４、複数の三相交流回転機１０２、２０２、電力変換手段５ａの間の電力不釣り合いによる過電圧、過電流を防ぐことができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
なお、回転機電力変換装置１は、ハードウエアの一例を図７に示すように、プロセッサ１００１と記憶装置１００２から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００１は、記憶装置１００２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００１は、演算結果等のデータを記憶装置１００２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。回転機電力変換装置１ａ、１ｂについても同様である。
１ 回転機電力変換装置、４ 電流検出手段、５ 電力変換手段、６ 回転速度演算手段、７ 異常判定手段、８ 電流制御手段、９ 正常時電流制御部、１０ 異常時電流制御部、１１ 電力変換停止部、１２ 正常時／異常時電流制御部選択部、１３ 異常時電流制御部／電力変換停止部選択部

Claims (6)

  1. 三相交流回転機と直流電源の間に設けられ、上段側のスイッチング素子と下段側のスイッチング素子とが直列接続された三相の直列回路が夫々前記直流電源と並列に接続され、前記直列回路の各々における前記上段側のスイッチング素子と前記下段側のスイッチング素子との間が前記三相交流回転機の各相の巻線の夫々に接続された電力変換手段を有し、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換する回転機電力変換装置であって、
    前記三相交流回転機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、前記電力変換手段の１相オフ故障の異常を判定する異常判定手段と、前記電力変換手段への相電圧指令値を決定する電流制御手段を備え、
    前記電流制御手段は、前記電力変換手段が正常時に使用する正常時電流制御部と、前記電力変換手段が異常時に使用する異常時電流制御部と、前記電力変換手段を停止させる電力変換停止部と、前記異常判定手段の判定結果によって前記正常時電流制御部と前記異常時電流制御部を切り替える正常時/異常時電流制御部選択部と、前記回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転速度よりも小さい場合に使用する前記異常時電流制御部と前記回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転速度よりも大きい場合に使用する前記電力変換停止部を切り替える異常時電流制御部/電力変換停止部選択部と、を具備し、
    前記異常判定手段において前記電力変換手段に１相オフ故障が発生していないと判断された場合、前記正常時/異常時電流制御部選択部で切り替えられた前記正常時電流制御部を使用して正常時電流制御を実施し、
    前記異常判定手段において前記電力変換手段に１相オフ故障が発生したと判断された場合、前記正常時/異常時電流制御部選択部で切り替えられた前記異常時電流制御部を選択し、且つ、前記回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転数よりも小さい場合に前記異常時電流制御部/電力変換停止部選択部で切り替えられた前記異常時電流制御部を使用して異常時電流制御を実施し、
    前記異常判定手段において前記電力変換手段に１相オフ故障が発生したと判断された場合、前記回転速度演算手段の演算結果があらかじめ決められた所定の回転数よりも大きい場合に前記異常時電流制御部/電力変換停止部選択部で切り替えられた前記電力変換停止部を使用して電力変換を停止することを特徴とする回転機電力変換装置。
  2. 前記異常時電流制御部/電力変換停止部選択部は、前記回転速度が前記所定の回転速度よりも小さい場合、前記異常時電流制御部を使用するが、前記異常時電流制御部と前記電力変換停止部を交互に選択することを特徴とする請求項１に記載の回転機電力変換装置。
  3. 前記異常時電流制御部/電力変換停止部選択部は、前記異常時電流制御部と前記電力変換停止部を選択する割合を変化させることを特徴とする請求項２に記載の回転機電力変換装置。
  4. 前記電力変換手段の１相オフ故障の異常時は前記電力変換手段の出力を正常時よりも高い電圧に昇圧する昇圧部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の回転機電力変換装置。
  5. 複数の三相交流回転機に対して前記電力変換手段と前記電流制御手段を備え、前記電力変換手段は複数の三相交流回転機を個別に駆動できる複数の電力変換部を有し、前記電力変換停止部は前記複数の電力変換部に電力変換停止指令を出力することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか1項に記載の回転機電力変換装置。
  6. 電動化車両に設けられ、前記電動化車両の駆動用の三相交流回転機に電力を供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転機電力変換装置。
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