JPWO2012086674A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図8は、シミュレーションに用いた電力変換装置の回路図である。図8において、10は直流電源、20は電源切り離しスイッチ、30はコンデンサ、40は半導体スイッチング素子をブリッジ接続してなる三相の電圧形インバータ、60は制御装置、61は電流検出手段、65はゲート信号生成手段、Mはインバータ40により駆動される三相のモータ、P,Nはインバータ40の直流入力端子、U,V,Wは交流出力端子を示す。
次に、図10は、モータMを定格電流の2倍の120[A]にて運転している時に、全ゲートを遮断した時のシミュレーション結果である。この図10によれば、全ゲート遮断により、コンデンサ30の電圧が約961[V]まで上昇することがわかる。
電流制限機能を備えた従来技術としては、特許文献1に記載された電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、交流電源の瞬時停止(以下、単に瞬停という)等の故障が発生し、その後に復電してモータを再始動する際に、過電流によってインバータが停止しないように電流制限レベルを調節する機能を備えている。
これにより、ある相の電流が電流制限レベルに達した場合でも、電力変換装置の継続的な運転が可能である。
図12から明らかなように、特許文献1では、電流制限レベルが速度指令と同じ傾向で変化している。
従って、従来技術では電流制限レベルの決定方法が適切ではなく、再始動時に必要以上に大きな出力電流を許容しているので、無駄が多いという問題があった。
また、本発明の他の目的は、ハイブリッド自動車や電気自動車の車両駆動システムに最適な電流制限レベルを決定可能な電力変換装置を提供することにある。
電流検出手段はインバータの出力電流を検出し、過電流レベル決定手段は、インバータの運転を停止するための過電流レベルを、モータの回転数相当値に応じて決定する。ここで、モータの回転数相当値は、モータの回転数検出値、回転数推定値または回転数指令値のいずれかであれば良い。
電流比較手段は、電流検出手段から出力されたインバータの出力電流検出値と過電流レベル決定手段により決定された過電流レベルとを比較する。また、電流制限レベル決定手段を有する場合には、前記出力電流検出値と電流制限レベルとの比較も行う。
電流制限レベル決定手段は、インバータの出力電流を制限するための電流制限レベルを、モータの回転数相当値に応じて決定する。
駆動信号生成手段は、電流比較手段により、出力電流検出値が過電流レベルに達したことを判定したときにインバータの全ての半導体スイッチング素子をオフさせる信号を生成すると共に、ある相の出力電流検出値が電流制限レベルに達したことを判定したときにインバータの当該相の出力電流を制限するための信号を生成する。ここで、出力電流を制限するには、当該相のスイッチングを停止させるか、あるいは、当該相の半導体スイッチング素子をオンさせるパルスの幅を短くすれば良い。
前記過電流レベル及び電流制限レベルは、モータの定出力領域において、回転数相当値が高いほど低い値であることが望ましく、また、電流制限レベルは、モータの回転数相当値の全範囲にわたって過電流レベルよりも低い値であることが望ましい。
また、過電流レベルよりも電流制限レベルを低く設定することにより、インバータを非常停止した後で再始動する時に、モータに必要以上の電流が流れるのを防止し、損失を低減させて効率を向上させる効果もある。
図1において、10はバッテリー等の直流電源であり、その両端にはコンデンサ30が接続されている。直流電源10とコンデンサ30との並列接続回路の両端には、電圧形インバータ40の直流入力端子P,Nが接続されている。インバータ40は、還流ダイオードを備えたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体スイッチング素子41〜46をブリッジ接続して構成されている。なお、半導体スイッチング素子はIGBTに限定されず、通常のバイポーラトランジスタやFET(Field Effect Transistor)等であっても良い。
インバータ40の交流出力端子U,V,Wは、変流器(Current Transformer)等の電流検出手段61を介して、三相のモータMの各相入力端子に接続されている。ここで、モータMは、例えば埋込磁石型の永久磁石同期モータである。
過電流検出信号が入力されたゲート信号生成手段65では、インバータ40の全ゲートを遮断するためのゲート信号を生成し、出力する。
図2に示す特性は、図7の回転数−トルク特性に類似し、例えば回転数が所定値(n1=1500[r/min.])までの定トルク領域では定格電流の300[%]を過電流レベルとし、回転数がn1以上の定出力領域では、回転数の増加に伴って過電流レベルを低下させる特性である。
また、図3は、回転数の範囲に応じて過電流レベルを決定する例である。例えば、回転数が0〜2000[r/min.]の範囲では過電流レベルを定格電流の300[%]とし、その後、1000[r/min.]刻みで過電流レベルを定格電流の50[%]ずつ低下させる例である。
図2や図3に示した特性(回転数に応じた過電流レベル)は、図1の制御装置60Aに設けたメモリ(図示せず)に数値データやテーブルとして予め記憶させておき、過電流レベル決定手段63は、これらの特性と回転数とから所定の過電流レベルを決定して電流比較手段64に出力する。
このため、モータMの高速回転時にインバータ40の出力電流が上記過電流レベルを超えてインバータ40が非常停止する場合の、モータMの電流を小さくすることができる。これにより、コンデンサ30への回生エネルギーが減少するので、コンデンサ30の電圧が上昇して破損するおそれもない。
この第2実施形態が図1の第1実施形態と異なる点は、制御装置60Bに電流制限レベル決定手段66を追加した点であり、回転数検出手段62の出力が過電流レベル決定手段63及び電流制限レベル決定手段66に加えられ、これらの出力が電流比較手段64に入力されている。なお、この第2実施形態でも、回転数検出手段62から出力される回転数検出値に代えて、回転数推定値や回転数指令値を過電流レベル決定手段63及び電流制限レベル決定手段66に入力しても良い。
図4における他の構成は図1と同様であるため、図1と同一の機能を有する構成要素には図1と同一の参照符号を付して説明を省略する。
制御装置60Bの主要部も、CPUやDSP及び所定のプログラムによって実現可能である。
図5,図6は、第2実施形態におけるモータMの回転数と、過電流レベル、電流制限レベルとの関係を示している。これらの図5,図6において、モータMの回転数と過電流レベルとの関係は図2,図3とそれぞれ同一である。
また、図6に示す特性は、回転数が0〜2000[r/min.]の範囲では電流制限レベルを定格電流の250[%]とし、その後、1000[r/min.]刻みで電流制限レベルを定格電流の50[%]ずつ低下させる例である。
更に、電流検出手段61から入力されたある相の電流検出値が過電流レベルに達すると、ゲート信号生成手段65に過電流検出信号を送り、ゲート信号生成手段65によりインバータ40の半導体スイッチング素子41〜46を全てオフさせてインバータ40を非常停止させる。
従って、ハイブリッド自動車や電気自動車の車両駆動システムのように、再始動時にモータMが高速回転していてもそれほど大きなトルクを必要とせず、電流値が小さくて良い駆動システムに最適な電力変換装置を提供することができる。
30:コンデンサ
40:インバータ
60A,60B:制御装置
61:電流検出手段
62:回転数検出手段
63:過電流レベル決定手段
64:電流比較手段
65:ゲート信号生成手段
66:電流制限レベル決定手段
M:モータ
Claims (13)
- 直流電源とコンデンサとの並列接続回路が直流側に接続されたインバータにより、交流モータを駆動する電力変換装置において、
前記インバータの半導体スイッチング素子を制御するための制御装置が、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータの運転を停止するための過電流レベルを、前記モータの回転数相当値に応じて決定する過電流レベル決定手段と、
前記電流検出手段から出力された前記インバータの出力電流検出値と前記過電流レベル決定手段により決定された前記過電流レベルとを比較する電流比較手段と、
前記電流比較手段により、前記出力電流検出値が前記過電流レベルに達したことを判定したときに前記インバータの全ての半導体スイッチング素子をオフさせる信号を生成する駆動信号生成手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電源とコンデンサとの並列接続回路が直流側に接続されたインバータにより、交流モータを駆動する電力変換装置において、
前記インバータの半導体スイッチング素子を制御するための制御装置が、
前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータの運転を停止するための過電流レベルを、前記モータの回転数相当値に応じて決定する過電流レベル決定手段と、
前記インバータの出力電流を制限するための電流制限レベルを、前記モータの回転数相当値に応じて決定する電流制限レベル決定手段と、
前記電流検出手段から出力された前記インバータの出力電流検出値と前記過電流レベル決定手段により決定された前記過電流レベルとを比較し、かつ、前記出力電流検出値と前記電流制限レベル決定手段により決定された前記電流制限レベルとを比較する電流比較手段と、
前記電流比較手段により、前記出力電流検出値が前記過電流レベルに達したことを判定したときに前記インバータの全ての半導体スイッチング素子をオフさせる信号を生成し、かつ、ある相の前記出力電流検出値が前記電流制限レベルに達したことを判定したときに前記インバータの当該相の出力電流を制限するための信号を生成する駆動信号生成手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記過電流レベル決定手段により決定される過電流レベルが、前記モータの定出力領域において、前記回転数相当値が高いほど低い値であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載した電力変換装置において、
前記過電流レベル決定手段により決定される過電流レベル、及び、前記電流制限レベル決定手段により決定される電流制限レベルが、前記モータの定出力領域において、前記回転数相当値が高いほど低い値であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載した電力変換装置において、
前記電流制限レベルが、前記モータの回転数相当値の全範囲にわたって前記過電流レベルよりも低い値であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載した電力変換装置において、
前記駆動信号生成手段は、ある相の前記出力電流検出値が前記電流制限レベルに達したときに前記インバータの当該相のスイッチングを停止させるための信号を生成することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載した電力変換装置において、
前記駆動信号生成手段は、ある相の前記出力電流検出値が前記電流制限レベルに達したときに前記インバータの当該相の半導体スイッチング素子をオンさせるパルスの幅を短くするための信号を生成することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1,2,4,5,6,7のいずれか1項に記載した電力変換装置において、
前記モータの回転数相当値が、回転数検出値、回転数推定値または回転数指令値のいずれかであることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載した電力変換装置において、
前記モータの回転数相当値が、回転数検出値、回転数推定値または回転数指令値のいずれかであることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1,2,4,5,6,7のいずれか1項に記載した電力変換装置において、
前記インバータ及びモータが、ハイブリッド自動車または電気自動車の車両駆動システムを構成していることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載した電力変換装置において、
前記インバータ及びモータが、ハイブリッド自動車または電気自動車の車両駆動システムを構成していることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1,2,4,5,6,7のいずれか1項に記載した電力変換装置において、
前記モータが、永久磁石同期モータであることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載した電力変換装置において、
前記モータが、永久磁石同期モータであることを特徴とする電力変換装置。
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