TWI594556B

TWI594556B - 電力輔助裝置及電力輔助系統

Info

Publication number: TWI594556B
Application number: TW105105108A
Authority: TW
Inventors: 今孝公; 山口勝也
Original assignee: 三菱電機股份有限公司
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-08-01
Also published as: JPWO2016135878A1; TW201644167A; JP5996149B1; WO2016135878A1

Description

電力輔助裝置及電力輔助系統

本發明係關於一種進行驅動裝置之電力輔助(power assist)的電力輔助裝置及電力輔助系統，該驅動裝置係用以驅動馬達(motor)。

已開發一種將在馬達產生之再生電力利用於馬達之驅動電力中的電力輔助裝置。在專利文獻1已記載以下之構成：對設置於驅動裝置之母線電壓平滑電容器(capacitor)並聯設置升降壓截波電路(buck-boost chopper circuit)，且能藉由該升降壓截波電路進行充電及放電之控制。又，在專利文獻2已記載以下之構成：對母線電壓平滑電容器並聯連接有複數個作為電力輔助裝置的模組(module)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開平10-164862號公報

專利文獻2：日本特開2008-35588號公報

在專利文獻1之構成中，係以對一台驅動裝置連接一台電力輔助裝置的構成為前提。近年來，驅動裝置被要求在短時間內供給較大的電力，而必須隨著驅動裝置之規模使電力輔助裝置大型化。為此，在電力輔助裝置之開發及使用方面有可能高成本(cost)化。

又，在專利文獻2之構成中，係在複數個電力輔助裝置間有以下之情況：在升降壓截波電路之電阻值、電抗器(reactor)之電感(inductance)值及蓄電裝置(device)之電容值中含有不均一。在此情況下，有可能在複數個電力輔助裝置間供給至驅動裝置的電力中發生不均一，且難以將電力均等地供給至驅動裝置。因而，有可能不易使用複數台電力輔助裝置來達成增加供給至驅動裝置之電力的目的。

本發明係有鑑於上述課題而開發完成者，其目的在於獲得一種電力輔助裝置，可以在並聯連接複數個於驅動裝置來使用的情況下，抑制發生供給至驅動裝置之電力的不均一。

為了解決上面所述的課題，且達成目的，本發明之電力輔助裝置，係連接於驅動裝置者，該驅動裝置係具備：轉換器電路(convertor circuit)，用以將交流轉換成直流；反相器(invertor，依國家教育研究院「雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網」稱為反相器，亦有稱為反用換流器之情形)電路，其連接於正極母線與負極母線之間，該正極母線係連接於前述轉換器電路之正極，該負極母線係連接於前述轉換器電路之負極；母線電壓平滑電容器，其與前述轉換器電路並聯配置於前述正極母線與負極母線之間；以及驅動控制部，用以對前述反相器電路輸出驅動指令；其特徵在於具備：升降壓截波電路，其與前述母線電壓平滑電容器並聯連接於前述正極母線與前述負極母線之間，且具有連接於電抗器的輸出端；以及控制部，用以切換第1運轉模式(mode)、第2運轉模式及第3運轉模式並使之進行，該第1運轉模式係按照連接於前述電抗器與前述負極母線之間的蓄電裝置中的蓄電電壓及充放電電流而算出供給至前述驅動裝置的供給電力，且按照算出結果來控制前述升降壓截波電路，該第2運轉模式係進行前述第1運轉模式，並且將包含前述第1運轉模式中所算出的前述供給電力之值在內的電力資訊發送至外部，該第3運轉模式係按照前述電力資訊中所包含之前述供給電力來控制前述升降壓截波電路。

依據本發明，能達成以下之功效：可以在驅動裝置上並聯連接有複數個電力輔助裝置來使用的情況下，抑制在電力輔助裝置間發生供給至驅動裝置之電力的不均一。

10‧‧‧驅動裝置

11‧‧‧轉換器電路

12‧‧‧反相器電路

13‧‧‧母線電壓平滑電容器

14‧‧‧驅動控制部

15‧‧‧交流電源

16‧‧‧馬達

17‧‧‧正極母線

18‧‧‧負極母線

20、20D、40、40D‧‧‧電力輔助裝置

21、21A、41‧‧‧蓄電裝置

22、42‧‧‧電抗器

23、43‧‧‧升降壓截波電路

23a、43a‧‧‧降壓元件

23b、43b‧‧‧升壓元件

23c、43c‧‧‧輸出端

24、44‧‧‧控制部

25、45‧‧‧蓄電裝置檢測部

26、46‧‧‧指令生成部

27、47‧‧‧模式切換部

28、48‧‧‧通信部

30、30A、30B、30C、30D‧‧‧電力輔助系統

34‧‧‧控制裝置

60‧‧‧線路

第1圖係顯示實施形態1的電力輔助系統之方塊圖(block diagram)。

第2圖係顯示實施形態2的電力輔助系統之方塊圖。

第3圖係顯示實施形態3的電力輔助系統之方塊圖。

第4圖係顯示實施形態4的電力輔助系統之方塊圖。

第5圖係顯示實施形態5的電力輔助系統之方塊圖。

第6圖係顯示實施形態6的電力輔助系統之方塊圖。

第7圖係顯示實施形態7的電力輔助系統之方塊圖。

以下，基於圖式而詳細說明本發明之實施形態的電力輔助裝置及電力輔助系統。另外，本發明並不受該實施形態而被限定。

[實施形態1]

第1圖係顯示實施形態1的電力輔助系統30之方塊圖。如第1圖所示，電力輔助系統30係連接於用以驅動馬達16的驅動裝置10。該驅動裝置10係具備：轉換器電路11，用以將從交流電源15所供給的交流轉換成直流；反相器電路12，其連結於正極母線17與負極母線18之間，該正極母線17係連接於轉換器電路11之正極，該負極母線18係連接於轉換器電路11之負極；母線電壓平滑電容器13，其與轉換器電路11並連配置於正極母線17與負極母線18之間；以及驅動控制部14，用以對反相器電路12輸出驅動指令。

電力輔助系統30係將在馬達16產生的再生電力作為馬達16之驅動電力來利用。電力輔助系統30係具備：複數個電力輔助裝置20、40；分別設置於電力輔助裝置20、40的電抗器22、42；以及連接於電抗器22、42與負極母線18之間的蓄電裝置21、41。

電力輔助裝置20、40係並聯連接於驅動裝置10。以下，說明電力輔助裝置20之構造。電力輔助裝置20係具有：升降壓截波電路23，其與母線電壓平滑電容器13並聯連接於正極母線17與負極母線18之間；控制部24，用以控制升降壓截波電路23；以及蓄電裝置檢測部25，用以檢測蓄電裝置21中的蓄電電壓及充放電電流。

升降壓截波電路23係具有降壓元件23a及升壓元件23b。降壓元件23a及升壓元件23b，為半導體開關(switching)元件。在降壓元件23a及升壓元件23b中，亦可使用矽(silicon)製或是碳化矽(silicon carbide)製的絕緣閘雙極性電晶體(gate bipolar transistor)。降壓元件23a及升壓元件23b係成為串聯連接於正極母線17與負極母線18之間的單相橋式(single-phase bridge)構造。另外，在升降壓截波電路23中，亦可使用將已串聯連接的二個半導體開關元件之三組，並聯配置於正極母線17與負極母線18之間的三相橋式構造。在降壓元件23a及升壓元件23b係反向並聯連接有飛輪二極體(freewheel diode)。

升降壓截波電路23係在降壓元件23a與升壓元件23b之間具有輸出端23c。輸出端23c係連接於電抗器22。在升降壓截波電路23中，係以降壓元件23a與電抗器22進行降壓動作。又，在升降壓截波電路23中，係以升壓元件23ba與電抗器22進行升壓動作。

控制部24係具有指令生成部26、馬達切換部27及通信部28。指令生成部26係生成用以控制升降壓截波電路23的指令模式。在指令模式中係含有作為第1模式的單體運轉模式、作為第2模式的主控(master)運轉模式、以及作為第3模式的從屬(slave)運轉模式。

單體運轉模式係按照蓄電裝置21中的蓄電電壓及充放電電流而算出供給至驅動裝置10之供給電力，且按照算出結果來控制升降壓截波電路23。在單體運轉模式中係不進行與外部之通信。主控運轉模式係進行單體運轉模式，並且將包含單體運轉模式中所算出的供給電力之值在內的電力資訊從通信部28發送至外部。從屬運轉模式係用通信部28接收外部所發送來的電力資訊，且按照電力資訊來控制升降壓截波電路23。

模式切換部27係切換單體運轉模式、主控運轉模式及從屬運轉模式並使其進行。通信部28係進行包含電力資訊在內的資訊之收發。通信部28亦可具有類比介面(analog interface)。在此情況下，可以謀求通信之高速化。

又，電力輔助裝置40係與電力輔助裝置20相同的構成。電力輔助裝置40係具有：升降壓截波電路43，其與母線電壓平滑電容器13並聯連接於正極母線17與負極母線18之間；控制部44，用以控制升降壓截波電路43；以及蓄電裝置檢測部45，用以檢測蓄電裝置41中的蓄電電壓及充放電電流。升降壓截波電路43係具有降壓元件43a及升壓元件43b。升降壓截波電路43之輸出端43c係連接於電抗器42。控制部44係具有指令生成部46、模式切換部47及通信部48。另外，亦可為設置有三個以上之與電力輔助裝置20、40、蓄電裝置21、41及電抗器22、42相同的構造。

在電力輔助裝置20之通信部28、與電力輔助裝置40之通信部48之間，係透過線路60來連接。在線路60中係使用串列(serial)通信線路或是平行(parallel)通信線路。在線路60中使用串列通信線路的情況時，係能夠削減電線數量。又，在線路60中使用平行通信線路的情況時，係能夠謀求通信之高速化。

其次，說明電力輔助系統30之動作。在馬達16中已產生再生電力的情況下，該再生電力係供給至反相器電路12。藉由供給有再生電力，正極母線17之電壓就會上升。此時，控制部24、44係首先使升降壓截波電路23、43之降壓元件23a、43a成為導通(on)，且使升壓元件23b、43b成為關斷(off)。藉由該動作，能使正極母線17之電壓上升部分的能量(energy)蓄積於蓄電裝置21、41。從該狀態，控制部24、44係使降壓元件23a、43a成為關斷，且使升壓元件23b、43b成為導通。藉此，能使放電電流從蓄電裝置21、41流動至電抗器22、42及升壓元件23b、43b，而使電流激磁能量蓄積於電抗器22、42。

在電流激磁能量已蓄積於電抗器22、42之後，控制部24、44係使放電電流正在流動的升壓元件23b、43b成為關斷。藉由該動作，蓄電裝置21、41之放電電流係經由反向並聯連接於降壓元件23a、43a之飛輪二極體而流動至正極母線17。該放電電流係供給至母線電壓平滑電容器13之正極端，且在母線電壓平滑電容器13蓄積有電能。藉此，能從母線電壓平滑電容器13供給電力至反相器電路12，且能利用於馬達16之動力運轉動作時的驅動電力。如此，電力輔助裝置20、40係蓄積馬達16上所產生的再生電力之能量，且供給至母線電壓平滑電容器13，藉此進行驅動裝置10之電力輔助。

在使用複數個電力輔助裝置20、40進行電力輔助的情況下，在電力輔助裝置20、40間，有可能在升降壓截波電路23、43之電阻值、電抗器22、42之電感值及蓄電裝置21、41之電容值中含有不均一。

相對於此，電力輔助裝置20、40係可以藉由切換控制部24、44之指令模式來抑制在供給至母線電壓平滑電容器13之電力中發生不均一。在實施形態1中，電力輔助裝置20之控制部24係以主控運轉模式來進行控制，電力輔助裝置40之控制部44係以從屬運轉模式來進行控制。另外，即便是在電力輔助裝置20之控制部24以從屬運轉模式來進行控制，電力輔助裝置40之控制部44以主控運轉模式來進行控制的情況仍能夠進行同樣的說明。

進行主控運轉模式的控制部24係藉由蓄電裝置檢測部25來檢測蓄電裝置21之蓄電電壓及充放電電流，且基於被檢測出的蓄電電壓及充放電電流，而算出供給至母線電壓平滑電容器13之供給電力。另外，在此情況的供給電力中，亦可使用以下的值：將在使一個電力輔助裝置以單體運轉模式來動作的情況被供給至母線電壓平滑電容器13之供給電力，除以連接於驅動裝置10的電力輔助裝置之台數所得的值。並且，控制部24係基於算出結果而供給電能至母線電壓平滑電容器13。又，控制部24係使與所算出的供給電力之值相關的電力資訊從通信部28輸出。

進行從屬運轉模式的控制部44係使從通信部28所輸出的電力資訊透過線路60及通信部48來接收。控制部44係控制升降壓截波電路43，且使與所接收的電力資訊中所包含之供給電力相同的電力供給至母線電壓平滑電容器13。藉此，從複數個電力輔助裝置20、40供給至母線電壓平滑電容器13的電力會成為均一。另外，亦可在電力輔助裝置40中，將在使一個電力輔助裝置以單體運轉模式來動作的情況被供給至母線電壓平滑電容器13之供給電力，除以連接於驅動裝置10的電力輔助裝置之台數所得的值，亦可用於供給電力之初始值。

如以上，依據實施形態1，控制部24係以主控運轉模式來控制升降壓截波電路23，控制部44係以從屬運轉模式來控制升降壓截波電路43。因此，在複數個電力輔助裝置20、40並聯連接於驅動裝置10的情況下，可以抑制在電力輔助裝置20、40間供給至驅動裝置10之電力中發生不均一。藉此，可以謀求電力輔助裝置20、40及蓄電裝置21、41之長壽命化。又，因供給至驅動裝置10之電力能均一化，故而即便是在驅動裝置10輸出電力之峰值時從電力輔助裝置20、40供給電力的情況下，仍可以抑制發生供給電力之不均一。又，藉由增設電力輔助裝置，就能夠增加供給至驅動裝置之電力。藉此，能夠抑制設置有驅動裝置10及馬達16的設施之電源設備容量。

[實施形態2]

第2圖係顯示實施形態2的電力輔助系統30之方塊圖。在實施形態2中係說明在與實施形態1同一構成的電力輔助系統30中，將運轉模式切換至單體模式並進行控制的情況。

如第2圖所示，電力輔助裝置20之控制部40，亦可將運轉模式從主控運轉模式切換至單體運轉模式並進行控制。在此情況下，電力輔助裝置40之控制部44亦可將運轉模式從從屬運轉模式切換至單體運轉模式並進行控制。控制部24、44，無論是哪一個都可事先切換運轉模式，又可同時切換運轉模式。又，亦可在電力輔助裝置20、40之其中任一方以單體模式進行動作的情況下，使另一方停止。

如此，依據實施形態2，可以藉由切換複數個電力輔助裝置20、40之運轉模式來謀求動作的多樣化。

[實施形態3]

第3圖係顯示實施形態3的電力輔助系統30A之方塊圖。在實施形態3中係在與實施形態1之電力輔助系統30相同的構成要素上附記同一符號，且省略或簡化說明。

如第3圖所示，電力輔助系統30A係使電力輔助裝置20、40及電抗器22、42並聯連接於一個蓄電裝置21A。在實施形態3中係說明電力輔助裝置20之控制部24以主控制運轉模式進行控制，電力輔助裝置40之控制部44以從屬制運轉模式進行控制的情況。

在此構成中，電力輔助裝置20、與電力輔助裝置40係共有一個蓄電裝置21A。在此情況下，在電力輔助裝置20、40之間係使蓄電電壓成為共通的值。因而，在控制部24、44中沒有必要進行蓄電電壓之控制。

又，因電力輔助裝置20係以主控制運轉模式進行控制，電力輔助裝置40係以從屬制運轉模式進行控制，故而在電力輔助裝置20、40之間供給至驅動裝置10的電力係成為相同。因而，電力輔助裝置20之控制部24，亦可將控制升降壓截波電路23的控制信號包含於電力資訊中並從通信部28發送。

在此情況下，電力輔助裝置40之控制部44係使用電力資訊中所包含的控制信號來控制升降壓截波電路43。藉此，能對電力輔助裝置20之升降壓截波電路23、與電力輔助裝置40之升降壓截波電路43，進行相同的控制。

如以上，依據實施形態3，可以抑制在電力輔助裝置20、40之間供給至驅動裝置10的電力中發生不均一。藉此，可以謀求電力輔助裝置20、40及蓄電裝置21A之長壽命化。

[實施形態4]

第4圖係顯示實施形態4的電力輔助系統30B之方塊圖。在實施形態4中係在與實施形態1之電力輔助系統30相同的構成要素上附記同一符號，且省略或簡化說明。

如第4圖所示，電力輔助系統30B係在電力輔助裝置20、40分別連接有蓄電裝置21、41。又，電抗器22、42係連接蓄電裝置21、41側之端部彼此。在實施形態4中係說明電力輔助裝置20之控制部24以主控運轉模式進行控制，電力輔助裝置40之控制部44以從屬運轉模式進行控制的情況。

在此構成中，蓄電裝置21中的蓄電電壓、與蓄電裝置41中的蓄電電壓係成為相等。因而，在控制部24、44中沒有必要進行蓄電電壓之控制。

又，因蓄電裝置21中的蓄電電壓、與蓄電裝置41中的蓄電電壓為相等，故而與實施形態3同樣，可以對電力輔助裝置20之升降壓截波電路23、與電力輔助裝置40之升降壓截波電路43，進行相同的控制。在此情況下，電力輔助裝置20之控制部24，係將控制升降壓截波電路23的控制信號包含於電力資訊中並從通信部28發送。又，電力輔助裝置40之控制部44係使用電力資訊中所包含的控制信號來控制升降壓截波電路43。

如以上，依據實施形態4，可以抑制在電力輔助裝置20、40之間供給至驅動裝置10的電力中發生不均一。藉此，可以謀求電力輔助裝置20、40及蓄電裝置21、41之長壽命化。

[實施形態5]

第5圖係顯示實施形態5的電力輔助系統30C之方塊圖。在實施形態5中係在與實施形態1之電力輔助系統30相同的構成要素上附記同一符號，且省略或簡化說明。

如第5圖所示，在電力輔助系統30C中，蓄電裝置21、41係並聯連接著。又，電抗器22、42係連接蓄電裝置21、41側之端部彼此。在實施形態5中係說明電力輔助裝置20之控制部24以主控運轉模式進行控制，電力輔助裝置40之控制部44以從屬運轉模式進行控制的情況。

又，因蓄電裝置21中的蓄電電壓、與蓄電裝置41中的蓄電電壓為相等，故而與實施形態3及實施形態4同樣，可以對電力輔助裝置20之升降壓截波電路23、與電力輔助裝置40之升降壓截波電路43，進行相同的控制。在此情況下，電力輔助裝置20之控制部24，係將控制升降壓截波電路23的控制信號包含於電力資訊中並從通信部28發送。又，電力輔助裝置40之控制部44係使用電力資訊中所包含的控制信號來控制升降壓截波電路43。

如以上，依據實施形態5，可以抑制在電力輔助裝置20、40之間供給至驅動裝置10的電力中發生不均一。藉此，可以謀求電力輔助裝置20、40及蓄電裝置21、41之長壽命化。又，藉由對蓄電裝置21、41並聯連接追加的蓄電裝置，就可以進行蓄電裝置之增設。

[實施形態6]

第6圖係顯示實施形態6的電力輔助系統30之方塊圖。在實施形態6中係說明在與實施形態1之電力輔助系統30中使蓄電裝置21、41之蓄電電壓的變化量成為相同的控制。在實施形態6中係說明電力輔助裝置20之控制部24以主控運轉模式進行控制，電力輔助裝置40之控制部44以從屬運轉模式進行控制的情況。

進行主控運轉模式的控制部24係藉由蓄電裝置檢測部25來檢測蓄電裝置21之蓄電電壓及充放電電流，且基於被檢測出的蓄電電壓及充放電電流，而算出供給至母線電壓平滑電容器13的電力之值。然後，控制部24係基於算出結果將電能供給至母線電壓平滑電容器 13。又，控制部24係針對每一單位週期(cycle)求出蓄電裝置21之蓄電電壓的變化量。控制部24係使包含該變化量之值、與供給至母線電壓平滑電容器13的電力之值在內的電力資訊，從通信部28輸出。

進行從屬運轉模式的控制部44，係使從通信部28輸出的電力資訊，透過線路60及通信部28來接收。又，控制部44係藉由蓄電裝置檢測部45來檢測每一單位週期的蓄電裝置41之蓄電電壓的變化量。並且，控制部44係基於檢測結果、與所接收到之電力資訊中所包含的蓄電電壓之變化量之值，而算出蓄電裝置21之推定蓄電電容及蓄電裝置41之推定蓄電電容。

在此，將在單位週期中從電力輔助裝置20供給至母線電壓平滑電容器13的電能作為Wm[J]，將從電力輔助裝置40供給至母線電壓平滑電容器13的電能作為Ws[J]，將蓄電裝置21之蓄電電壓的變化量作為△Vm，將蓄電裝置41之蓄電電壓的變化量作為△Vs。控制部44係藉由以下之數式算出蓄電裝置21之推定蓄電電容Cm[F]及蓄電裝置41之推定蓄電電容Cs[F]。

Cm=2‧Wm/(△Vm)²

Cs=2‧Ws/(△Vs)²

另外，有關從電力輔助裝置20、40供給至母線電壓平滑電容器13的電能Wm、Ws，亦可使用在單位週期中從電力輔助裝置20、40供給至母線電壓平滑電容器 13的電力之時間積分值。

其次，控制部44係使用電力輔助裝置20中的輔助電力Pm[W]、蓄電裝置21之推定蓄電電容Cm[F]、及蓄電裝置41之推定蓄電電容Cs[F]，並藉由以下之數式，算出電力輔助裝置40中的輔助電力Ps[W]。

Ps=(Pm‧Cs)/Cm

控制部44係基於該算出結果而將輔助電力Es供給至母線電壓平滑電容器13。藉此，蓄電裝置21之蓄電電壓的變化量△Vm、與蓄電裝置41之蓄電電壓的變化量△Vs係成為相同。

已知蓄電裝置21、41之壽命係蓄電電壓之變化量△Vm、△Vs越大則變得越短。相對於此，在實施形態6中係可以藉由使蓄電裝置21、41之蓄電電壓的變化量△Vm、△Vs成為相同，來抑制在蓄電裝置21、41之壽命的減少中發生不均一。

[實施形態7]

第7圖係顯示實施形態7的電力輔助系統30D之方塊圖。在實施形態7中係在與實施形態1之電力輔助系統30相同的構成要素上附記同一符號，且省略或簡化說明。

如第7圖所示，在電力輔助系統30D中係使控制升降壓截波電路23、43的控制裝置34設置於電力輔助裝置20D、40D之外部。在此情況下，控制裝置34係藉由來自外部之控制使升降壓截波電路23、43各個切換單體運轉模式、主控運轉模式及從屬運轉模式並使其進行。

如此，在實施形態7中係可以在控制裝置34從外部個別地切換並控制升降壓截波電路23、43之運轉模式的情況下，抑制在電力輔助裝置20D、40D之間供給至驅動裝置10的電力中發生不均一。藉此，可以謀求電力輔助裝置20D、40D及蓄電裝置21、41之長壽命化。

以上之實施形態所示的構成，係顯示本發明之內容的一例，其既能夠與其他的公知技術組合，又能夠在不脫離本發明之要旨的範圍內省略、變更構成之一部分。