WO2013088552A1 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

電力変換装置および電力変換装置の制御方法 Download PDF

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充規 田畑
森　真人
健治 中島
健一 秋田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device that is built in a generator for a vehicle, converts AC power generated by a rotating electrical machine into DC power, and supplies the DC power to a battery or a vehicle electrical load, and a method for controlling the power conversion device.
  • a power conversion device built in a generator for a vehicle is connected between a rotating electrical machine and a battery or a vehicle electrical load, and rectifies AC power output from the rotating electrical machine and converts it into DC power. Supply to electrical load.
  • JP 2005-328690 A JP-T-2005-506028 Japanese Patent No. 3840880
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses a load dump surge and prevents an overvoltage without incurring a cost increase by using a large MOSFET or a large-capacity smoothing capacitor.
  • An object of the present invention is to obtain a power conversion device and a method for controlling the power conversion device.
  • a power converter according to the present invention is connected to a rotating electrical machine that is built in a generator and has a field winding and a plurality of sets of armature windings, and converts AC power generated by the rotating electrical machine into DC power.
  • a field power converter for controlling a field current flowing in the field winding, and a plurality of sets of armature windings, and a switching element for the positive arm When it is detected that the voltage between the armature power converter having a bridge circuit including the switching element of the negative arm and the B terminal-E terminal which is the input / output terminal of the generator exceeds the first predetermined voltage value , Turn on all switching elements of the negative side arm or positive side arm of the bridge circuit connected to some sets of armature windings, and switch on the positive side arm or negative side arm that is paired with the arm All elements are turned off and the field current flowing in the field winding is reduced to start the load dump energy reduction operation. After that, when the predetermined condition is satisfied, all the switching elements that are turned on are turned off
  • control method of the power conversion device includes an AC power that is built in a generator and connected to a rotating electrical machine having a field winding and a plurality of sets of armature windings, and is generated by the rotating electrical machine.
  • the control unit is configured such that the voltage between the B terminal and the E terminal that are the input / output terminals of the generator exceeds the first predetermined voltage value.
  • the control unit is configured such that the voltage between the B terminal and the E terminal that are the input / output terminals of the generator exceeds the first predetermined voltage value.
  • load dump surge can be suppressed and overvoltage can be prevented without causing an increase in cost due to the use of a large MOSFET or a large capacity smoothing capacitor. Further, even after the battery is removed, power generation can be continued for the remaining vehicle electric load.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a generator 1 including a power conversion device 20 according to Embodiment 1 of the present invention and a vehicle system on which the generator 1 is mounted.
  • the vehicle system includes a generator 1, a battery 2, vehicle electric loads 3 a and 3 b, an engine 4 and a belt 5.
  • the generator 1 is connected to the engine 4 via a belt 5 or the like that is a power transmission means. Further, the generator 1 includes a B terminal that is a higher output terminal of electric power and an E terminal that is a lower output terminal. Between the B terminal and the E terminal, a battery 2 and various vehicle electric loads 3a, 3b etc. are connected.
  • the generator 1 includes a rotating electrical machine 10 and a power conversion device 20.
  • the rotating electrical machine 10 includes a rotor including a field winding (field coil) 11 for energizing a field current and generating a field magnetic flux, and a stator including two sets of armature windings 12a and 12b. It consists of. When the rotor is rotated with the field magnetic flux generated in the field winding 11, an induced voltage is generated in the armature windings 12a and 12b, and electric power is generated.
  • the power conversion device 20 controls the field power conversion unit 21, the armature power conversion unit 22, the field current sensor 23 that detects the field current, and the field power conversion unit 21 and the armature power conversion unit 22. Part 24.
  • the field power converter 21 operates in accordance with a switching element on / off command (hereinafter referred to as a “gate signal”) from the control unit 24, and supplies a field current to the field winding 11 by PWM control.
  • the field power converter 21 is generally a MOSFET half bridge circuit.
  • the armature power conversion unit 22 operates according to the gate signal from the control unit 24, rectifies the armature current from the armature windings 12a and 12b, and supplies power to the battery 2 and the vehicle electrical loads 3a and 3b.
  • the control unit 24 gates the field power conversion unit 21 and the armature power conversion unit 22 so that the voltage between the B terminal and the E terminal (hereinafter referred to as “B terminal voltage”) is maintained at a certain voltage value. Generate a signal. In addition, this voltage value is instruct
  • FIG. 2 shows the internal configuration of the armature power conversion unit 22 shown in FIG. It is a block diagram shown with it.
  • the armature power converter 22 is provided with two three-phase bridge circuits in accordance with the configuration of the armature windings 12a and 12b.
  • the armature power conversion unit 22 includes UH31, VH32 and WH33 which are MOSFETs on the positive side arm of the armature winding 12a, UL34, VL35 and WL36 which are MOSFETs on the negative side arm of the armature winding 12a, armature It has XH41, YH42 and ZH43 which are MOSFETs on the positive side arm of winding 12b, and XL44, YL45 and ZL46 which are MOSFETs on the negative side arm of armature winding 12b, and is turned on by a gate signal from control unit 24, respectively. ⁇ Turned off.
  • overvoltage suppression means that suppresses overvoltage in some way when an overvoltage is applied.
  • avalanche breakdown is used as overvoltage suppression means, but other means may be used.
  • the overvoltage may be suppressed by inserting an overvoltage suppressing element such as a Zener diode in parallel with the MOSFET.
  • an overvoltage suppressing element such as a Zener diode
  • the “heat generation of the MOSFET” described below can be considered as it is replaced with these “heat generation of the overvoltage suppressing element”.
  • FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the power conversion apparatus 20 according to the first embodiment of the present invention.
  • the electrical load connected to the generator 1 is the vehicle electrical load 3a. It becomes only, and decreases rapidly compared with before disconnection.
  • the amount of power generation is adjusted by controlling the field current flowing in the field winding 11, but the inductance of the field winding 11 is generally large. Therefore, it is not possible to follow this sudden decrease in load, resulting in excessive power generation.
  • the control unit 24 determines the MOSFET of the negative side arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12a. (UL34, VL35 and WL36) are all turned on, and all the MOSFETs (UH31, VH32 and WH33) of the positive side arm are turned off.
  • control unit 24 simultaneously turns off all MOSFETs (XH41, YH42, ZH43, XL44, YL45, and ZL46) connected to the armature winding 12b and limits the field current of the field winding 11. And weaken the field magnetic flux.
  • MOSFETs XH41, YH42, ZH43, XL44, YL45, and ZL46
  • the armature winding 12a is short-circuited and does not output the generated current.
  • the generated current output from the armature winding 12b is also rapidly reduced by the magnetic interaction due to the short circuit of the armature winding 12a. That is, the generated current output from each armature winding 12a, 12b can be quickly reduced.
  • the B terminal voltage is limited by the avalanche breakdown of the MOSFET connected to the armature winding 12b, and is maintained at a substantially constant voltage value Vcl .
  • the heat generation of the MOSFET can be significantly reduced as compared with the case where the operation of reducing the load dump energy is not performed (the section B in the figure).
  • the control unit 24 switches the MOSFETs (UL34, VL35 and WL36) of the negative side arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12a. All are turned off, the short circuit of the armature winding 12a is released, and the normal power generation operation is started.
  • the portion to be short-circuited does not have to be the negative arm, and for example, all MOSFETs (XH41, YH42 and ZH43) of the positive arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12b may be turned on. In the first embodiment, all the MOSFETs connected to the armature winding on the side that is not short-circuited are turned off, but the normal power generation operation can be continued.
  • the control unit detects that the voltage between the B terminal and the E terminal that are the input / output terminals of the generator exceeds the first predetermined voltage value, Turn on all switching elements of the negative arm or positive arm of the bridge circuit connected to the armature winding of the set of parts, and turn off all switching elements of the positive arm or negative arm that are paired with the arm
  • the predetermined condition is satisfied (when the field current becomes lower than the predetermined current value) All the switching elements that are turned on are turned off.
  • load dump surge can be suppressed and overvoltage can be prevented without causing an increase in cost due to the use of a large MOSFET or a large capacity smoothing capacitor. Further, even after the battery is removed, power generation can be continued for the remaining vehicle electric load.
  • Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, it has been described that the short circuit of the armature winding 12a is canceled and the normal power generation operation is started when the field current decreases to a certain current value. However, the load dump energy is reduced.
  • the operation end condition is not limited to this.
  • FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the power conversion device 20 according to the second embodiment of the present invention. Note that the start condition of the load dump energy reduction operation is the same as that of the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
  • the controller 24 starts the load dump energy reduction operation and a certain time (hereinafter referred to as “duration”) has elapsed, the MOSFET on the negative arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12a All of (UL34, VL35 and WL36) are turned off, the short circuit of the armature winding 12a is released, and a normal power generation operation is started.
  • the load dump energy reduction operation ends regardless of the magnitude of the field current. Therefore, if the duration time is shortened, as shown in FIG. 4, the load dump surge is suppressed while the load dump energy reduction operation and the normal power generation operation are repeated.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained. That is, the problem caused by the heat generation of avalanche breakdown is immediately after the occurrence of the load dump, and thus overheating can be avoided.
  • Embodiment 3 FIG. In the third embodiment of the present invention, a description will be given of the above-described first and second embodiments in which an end condition for the load dump energy reduction operation is added.
  • FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the power conversion device 20 according to the third embodiment of the present invention. Since the start condition of the load dump energy reduction operation is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the consumption current I A (necessary generated current) of the vehicle electrical load 3a is during the load dump energy reduction operation (that is, a state where a pair of armature windings are short-circuited).
  • the amount of power generation is exceeded, the generated power is insufficient and the B terminal voltage decreases.
  • the controller 24 reduces all the MOSFETs when the B terminal voltage falls below a certain voltage value V th-L (second predetermined voltage value, for example, 8V) during the load dump energy reduction operation. It is turned off, the short circuit of the armature winding 12a is released, and the normal power generation operation is started. Further, the control unit 24 prohibits the subsequent load dump energy reduction operation and absorbs the load dump energy only by avalanche breakdown.
  • V th-L second predetermined voltage value, for example, 8V
  • the required power generation amount after the occurrence of the load dump is the power generation amount during the operation of reducing the load dump energy (that is, a state where one armature winding is short-circuited). Even if it exceeds, power generation can be continued.
  • the amount of power generation is reduced to less than half of the original by short-circuiting on one side. Therefore, if more vehicle electrical load remains after the load dump, the voltage decreases immediately after the start of the three-phase short circuit. In this case, even if the three-phase short circuit is canceled and the load dump energy is absorbed only by avalanche breakdown, the MOSFET does not have much energy, so heat generation is not a problem.
  • start three-phase short circuit ⁇ B terminal voltage drop due to insufficient power generation ⁇ detect low voltage
  • Embodiment 4 FIG. In the fourth embodiment of the present invention, the armature winding that is short-circuited in the load dump energy reducing operation in the second embodiment described above will be described.
  • FIG. 6 is a timing chart showing the operation of the power conversion device 20 according to the fourth embodiment of the present invention. Note that the start condition of the load dump energy reduction operation is the same as that of the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
  • the load dump energy reduction operation and the normal power generation operation are repeatedly performed.
  • the armature winding that is short-circuited at this time is used. Each time, switch to another set of armature windings.
  • the armature winding 12a is short-circuited in the first load dump energy reduction operation, and therefore the armature winding 12b is short-circuited in the second load dump energy reduction operation.
  • the duration in the second embodiment is set to be short (for example, 1 ms), and three-phase short-circuiting is performed alternately until the voltage drops.
  • MOSFETs that perform avalanche breakdown are limited to MOSFETs connected to one armature winding, so heat generation is concentrated in those MOSFETs.
  • the MOSFET that performs avalanche breakdown is switched at regular intervals, the heat generation of the MOSFET can be dispersed.
  • Embodiment 5 FIG. In the fifth embodiment of the present invention, a description will be given of switching the MOSFET to be turned on at regular intervals during the load dump energy reducing operation described in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the power conversion device 20 according to the fifth embodiment of the present invention. Note that the start condition of the load dump energy reduction operation is the same as that of the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
  • the control unit 24 turns on all the MOSFETs (UL34, VL35 and WL36) of the negative side arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12a. Turn off all side arm MOSFETs (UH31, VH32 and WH33). In addition, the control unit 24 turns off all MOSFETs (XH41, YH42, ZH43, XL44, YL45, and ZL46) connected to the armature winding 12b at the same time.
  • the control unit 24 turns off all the MOSFETs (UL34, VL35 and WL36) of the negative side arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12a after a certain time (for example, 2.5 ms), and simultaneously By turning on all the MOSFETs (XL44, YL45 and ZL46) of the negative side arm of the bridge circuit connected to the armature winding 12b, the armature winding to be short-circuited is switched to the armature winding 12b. After that, the control unit 24 until it drops to a predetermined current value the If th there is field current switches the armature windings shorted at regular intervals.
  • a certain time for example, 2.5 ms
  • MOSFETs that perform avalanche breakdown are limited to MOSFETs connected to one armature winding, so heat generation is concentrated on those MOSFETs.
  • the MOSFET that performs avalanche breakdown is switched at regular intervals, the heat generation of the MOSFET can be dispersed.

Abstract

　制御部は、発電機のＢ端子電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、１組の電機子巻線に接続されたブリッジ回路の負極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、正極側アームのスイッチング素子をすべてオフし、かつ界磁巻線に流れる界磁電流を低減する。その後、制御部は、所定条件が満たされた場合に、オンしているスイッチング素子をすべてオフする。

Description

電力変換装置および電力変換装置の制御方法
　この発明は、車両用の発電機に内蔵され、回転電機で発電された交流電力を直流電力に変換し、バッテリや車両電気負荷に供給する電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。
　車両用の発電機に内蔵される電力変換装置は、回転電機とバッテリや車両電気負荷との間に接続され、回転電機から出力される交流電力を整流して直流電力に変換し、バッテリや車両電気負荷に供給する。
　近年では、発電量要求の増大や、低騒音化、高効率化等を目的として、回転電機として複数組の電機子巻線を有する界磁巻線型回転電機を用いることや、交流－直流変換にはブリッジ回路のスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを採用し、いわゆる同期整流を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　ここで、発電中に発電機とバッテリとを接続するケーブルが外れた場合等、急激な負荷遮断があった場合、発電電力が一時的に過剰になり、結果的に発電機のＢ端子に高い電圧（ロードダンプサージ）が発生することがある。
　そこで、ＭＯＳＦＥＴのアバランシェ降伏を用いて、ロードダンプサージを抑制する交流発電機が知られている（例えば、特許文献２参照）。
　また、インバータの負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンさせて電機子巻線を短絡させることにより、ロードダンプサージを抑制する界磁巻線型回転電機の制御装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５－３２８６９０号公報 特表２００５－５０６０２８号公報 特許第３８４０８８０号公報
　しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
　特許文献２に示された方法でロードダンプサージを抑制する場合には、発生したロードダンプエネルギーを吸収するために、大きな定格のＭＯＳＦＥＴを採用しなければならず、コストが高くなるという問題がある。
　また、特許文献３に示された方法でロードダンプサージを抑制する場合には、短絡動作中に電機子から外部への電力供給が不可能である。そのため、バッテリ外れによってロードダンプサージが発生した場合には、大容量の平滑コンデンサが内蔵されていない限り、Ｂ端子電圧が瞬時に低下してしまい、接続されている車両電気負荷への電力供給が不可能になる恐れがあるという問題がある。
　なお、一般的に、車両用の発電機およびその制御装置は、エンジンの直近に設置されるので、極めて高い雰囲気温度での動作が要求される。そのため、安価で大容量なアルミ電解コンデンサを用いることが困難であり、小容量で高価なセラミックコンデンサが用いられる場合が多い。したがって、コストが高くなるとともに、実現が困難である。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、大型のＭＯＳＦＥＴや大容量の平滑コンデンサを用いることによるコストアップを招くことなく、ロードダンプサージを抑制し、過電圧を防止することができる電力変換装置および電力変換装置の制御方法を得ることを目的とする。
　この発明に係る電力変換装置は、発電機に内蔵され、界磁巻線と複数組の電機子巻線とを有する回転電機に接続されて、回転電機で発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電力変換部と、複数組の電機子巻線のそれぞれに対応して設けられ、正極側アームのスイッチング素子および負極側アームのスイッチング素子を含むブリッジ回路を有する電機子電力変換部と、発電機の入出力端子であるＢ端子－Ｅ端子間の電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、一部の組の電機子巻線に接続されたブリッジ回路の負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、当該アームと対になる正極側アームまたは負極側アームのスイッチング素子をすべてオフし、かつ界磁巻線に流れる界磁電流を低減してロードダンプエネルギーの低減動作を開始し、その後、所定条件が満たされた場合に、オンしているスイッチング素子をすべてオフする制御部と、を備えたものである。
　また、この発明に係る電力変換装置の制御方法は、発電機に内蔵され、界磁巻線と複数組の電機子巻線とを有する回転電機に接続されて、回転電機で発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、発電機の入出力端子であるＢ端子－Ｅ端子間の電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、一部の組の電機子巻線に接続されたブリッジ回路の負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、当該アームと対になる正極側アームまたは負極側アームのスイッチング素子をすべてオフするステップと、界磁巻線に流れる界磁電流を低減するステップと、その後、所定条件が満たされた場合に、オンしているスイッチング素子をすべてオフするステップと、を備えたものである。
　この発明に係る電力変換装置および電力変換装置の制御方法によれば、制御部（ステップ）は、発電機の入出力端子であるＢ端子－Ｅ端子間の電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、一部の組の電機子巻線に接続されたブリッジ回路の負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、当該アームと対になる正極側アームまたは負極側アームのスイッチング素子をすべてオフし、かつ界磁巻線に流れる界磁電流を低減してロードダンプエネルギーの低減動作を開始し、その後、所定条件が満たされた場合に、オンしているスイッチング素子をすべてオフする。
　そのため、大型のＭＯＳＦＥＴや大容量の平滑コンデンサを用いることによるコストアップを招くことなく、ロードダンプサージを抑制し、過電圧を防止することができる。
　また、バッテリが外れた後も、残存する車両電気負荷に対して発電を継続することができる。
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を含む発電機、およびこの発電機を搭載した車両システムを示す構成図である。 図１に示した電機子電力変換部の内部構成を、電機子巻線とともに示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態５に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
　以下、この発明に係る電力変換装置および電力変換装置の制御方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、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、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置２０を含む発電機１、およびこの発電機１を搭載した車両システムを示す構成図である。図１において、この車両システムは、発電機１、バッテリ２、車両電気負荷３ａ、３ｂ、エンジン４およびベルト５を備えている。
　発電機１は、動力伝達手段であるベルト５等を介してエンジン４に接続されている。また、発電機１は、電力の高位側出力端子であるＢ端子および低位側出力端子であるＥ端子を備え、Ｂ端子とＥ端子との間には、バッテリ２や各種の車両電気負荷３ａ、３ｂ等が接続されている。
　発電機１は、回転電機１０と電力変換装置２０とから構成されている。
　回転電機１０は、界磁電流を通電させ、界磁磁束を発生させる界磁巻線（界磁コイル）１１を備えた回転子と、２組の電機子巻線１２ａ、１２ｂを備えた固定子とからなる。界磁巻線１１に界磁磁束が発生した状態で回転子を回転させると、電機子巻線１２ａ、１２ｂに誘起電圧が生じ、電力が発生される。
　電力変換装置２０は、界磁電力変換部２１、電機子電力変換部２２、界磁電流を検出する界磁電流センサ２３、および界磁電力変換部２１および電機子電力変換部２２を制御する制御部２４を有している。
　界磁電力変換部２１は、制御部２４からのスイッチング素子のオン・オフ指令（以下、「ゲート信号」と称する）によって動作し、界磁巻線１１へＰＷＭ制御によって界磁電流を通電させる。界磁電力変換部２１は、一般的に、ＭＯＳＦＥＴによるハーフブリッジ回路が用いられる。
　電機子電力変換部２２は、制御部２４からのゲート信号によって動作し、電機子巻線１２ａ、１２ｂからの電機子電流を整流し、電力をバッテリ２や車両電気負荷３ａ、３ｂに供給する。
　制御部２４は、Ｂ端子－Ｅ端子間電圧（以下、「Ｂ端子電圧」と称する）をある一定の電圧値に保つように、界磁電力変換部２１および電機子電力変換部２２へのゲート信号を生成する。なお、この電圧値は、例えば図示しない外部のコントローラから、デジタル通信によって指示される。
　図２は、図１に示した電機子電力変換部２２の内部構成を、電機子巻線１２ａ、１２
とともに示す構成図である。図２において、電機子電力変換部２２には、電機子巻線１２ａ、１２ｂの構成に合わせて、３相ブリッジ回路が２回路設けられている。
　すなわち、電機子電力変換部２２は、電機子巻線１２ａの正極側アームのＭＯＳＦＥＴであるＵＨ３１、ＶＨ３２およびＷＨ３３、電機子巻線１２ａの負極側アームのＭＯＳＦＥＴであるＵＬ３４、ＶＬ３５およびＷＬ３６、電機子巻線１２ｂの正極側アームのＭＯＳＦＥＴであるＸＨ４１、ＹＨ４２およびＺＨ４３、並びに電機子巻線１２ｂの負極側アームのＭＯＳＦＥＴであるＸＬ４４、ＹＬ４５およびＺＬ４６を有し、それぞれ制御部２４からのゲート信号によってオン・オフされる。
　なお、これらのＭＯＳＦＥＴは、過電圧が印加された場合に、何らかの方法で過電圧を抑制する過電圧抑制手段を備えている。ここで、以下の例においては、過電圧抑制手段としてアバランシェ降伏を利用するが、他の手段であってもよい。
　また、ＭＯＳＦＥＴと並列に、ツェナーダイオード等の過電圧抑制素子を挿入することによって過電圧を抑制してもよい。この場合には、以下に説明する「ＭＯＳＦＥＴの発熱」は、そのままこれらの「過電圧抑制素子の発熱」と置き換えて考えることができる。
　なお、この回路構成や発電方法自体は、周知の技術なので、これ以上の詳細な説明は省略する。
　続いて、図３を参照しながら、ロードダンプ時の電力変換装置２０の動作について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置２０の動作を示すタイミングチャートである。
　まず、発電電圧指令がＶrefの状態で、発電中に図１に示した「断線」の箇所が何らかの理由によって切断された場合、発電機１に接続されている電気負荷は、車両電気負荷３ａのみとなり、断線前と比べて急激に減少する。
　ここで、界磁巻線型の回転電機１０は、界磁巻線１１に流れる界磁電流が制御されることで発電量が調整されるが、界磁巻線１１のインダクタンスは一般的に大きいので、この急激な負荷の減少に追従することができず、余剰な発電をすることとなる。
　通常時であれば、回転電機１０が余剰な発電を短時間したとしても、バッテリ２がある程度の余剰発電分を吸収するのでさほど問題にならないが、バッテリ２が外れたことによるロードダンプの場合には、回路上に蓄電手段が存在しないので、瞬時にＢ端子電圧が上昇する（以上、図中の区間Ａ）。
　このとき、制御部２４は、Ｂ端子電圧がある一定の電圧値Ｖth（第１所定電圧値）を超えた場合に、電機子巻線１２ａに接続されているブリッジ回路の負極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＬ３４、ＶＬ３５およびＷＬ３６）をすべてオンし、正極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＨ３１、ＶＨ３２およびＷＨ３３）をすべてオフする。
　さらに、制御部２４は、同時に電機子巻線１２ｂに接続されているＭＯＳＦＥＴ（ＸＨ４１、ＹＨ４２、ＺＨ４３、ＸＬ４４、ＹＬ４５およびＺＬ４６）をすべてオフするとともに、界磁巻線１１の界磁電流を制限して、界磁磁束を弱める。
　これにより、電機子巻線１２ａは短絡状態となり、発電電流を出力しなくなる。また、電機子巻線１２ｂから出力される発電電流も、電機子巻線１２ａを短絡したことによって、磁気的な相互作用により急速に減少する。すなわち、それぞれの電機子巻線１２ａ、１２ｂから出力される発電電流を速やかに減少させることができる。
　この間のＢ端子電圧の制限は、電機子巻線１２ｂに接続されているＭＯＳＦＥＴのアバランシェ降伏によって行われ、ほぼ一定の電圧値Ｖclに保たれる。このとき、発電電流が大幅に減少しているので、ロードダンプエネルギーの低減動作を行わない場合と比較して、ＭＯＳＦＥＴの発熱を大幅に低減することができる（以上、図中の区間Ｂ）。
　その後、界磁電流がある一定の電流値Ｉｆthまで低下した時点で、制御部２４は、電機子巻線１２ａに接続されているブリッジ回路の負極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＬ３４、ＶＬ３５およびＷＬ３６）をすべてオフし、電機子巻線１２ａの短絡を解除して、通常の発電動作に移行する。
　この時点からは、余剰分の発電電力をすべてアバランシェ降伏で吸収させることとなるが、この段階ではすでに発電電力が十分に低下しているので、アバランシェ降伏による発熱は低く抑えられる（以上、図中の区間Ｃ）。
　最終的に、発電電流が車両電気負荷３ａの消費電流ＩAと釣り合うところまで低下し、発電電圧指令がＶrefの状態で発電が継続される（以上、図中の区間Ｄ）。
　なお、短絡させる箇所は、負極側アームである必要はなく、例えば電機子巻線１２ｂに接続されているブリッジ回路の正極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＸＨ４１、ＹＨ４２およびＺＨ４３）をすべてオンしてもよい。また、この実施の形態１では、短絡しない側の電機子巻線に接続されているＭＯＳＦＥＴは、すべてオフすることとしているが、通常の発電動作を続けることもできる。
　このように、２組の電機子巻線１２ａ、１２ｂのうち１組のみを短絡させることにより、発電能力を急激に低下させて、アバランシェ降伏で吸収させるエネルギーを低減するとともに、界磁電流がある程度下がった段階で、短絡を解除してエネルギーをアバランシェ降伏のみで吸収させる。そのため、ロードダンプ直後の瞬間的な発熱を抑制しながら、電圧を落とさずに発電を継続することができる。
　以上のように、実施の形態１によれば、制御部は、発電機の入出力端子であるＢ端子－Ｅ端子間の電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、一部の組の電機子巻線に接続されたブリッジ回路の負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、当該アームと対になる正極側アームまたは負極側アームのスイッチング素子をすべてオフし、かつ界磁巻線に流れる界磁電流を低減してロードダンプエネルギーの低減動作を開始し、その後、所定条件が満たされた場合（界磁電流が所定電流値以下になった場合）に、オンしているスイッチング素子をすべてオフする。
　そのため、大型のＭＯＳＦＥＴや大容量の平滑コンデンサを用いることによるコストアップを招くことなく、ロードダンプサージを抑制し、過電圧を防止することができる。
　また、バッテリが外れた後も、残存する車両電気負荷に対して発電を継続することができる。
　実施の形態２．
　上記実施の形態１では、界磁電流がある一定の電流値まで低下した時点で、電機子巻線１２ａの短絡を解除して、通常の発電動作に移行すると説明したが、ロードダンプエネルギーの低減動作の終了条件は、これに限定されない。
　以下、図４を参照しながら、ロードダンプ時の電力変換装置２０の動作について説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置２０の動作を示すタイミングチャートである。なお、ロードダンプエネルギーの低減動作の開始条件は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
　制御部２４は、ロードダンプエネルギーの低減動作の開始後、一定時間（以下、「継続時間」と称する）経過した時点で、電機子巻線１２ａに接続されているブリッジ回路の負極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＬ３４、ＶＬ３５およびＷＬ３６）をすべてオフし、電機子巻線１２ａの短絡を解除して、通常の発電動作に移行する。
　ここで、通常の発電動作に移行後、Ｂ端子電圧がある一定の電圧値Ｖthを超えている場合に、直ちに再度ロードダンプエネルギーの低減動作を開始する。このとき、再度ロードダンプエネルギーの低減動作を開始するまでの時間は、ごく短時間なので、ＭＯＳＦＥＴの発熱に大きな影響を与えることはない。
　このように、この発明の実施の形態２においては、継続時間が終了すれば、界磁電流の大小にかかわらず、ロードダンプエネルギーの低減動作を終了する。そのため、継続時間を短くすれば、図４に示されるように、ロードダンプエネルギーの低減動作と通常の発電動作とを繰り返しながら、ロードダンプサージが抑制される。
　その後、車両電気負荷３ａの消費電流ＩAと通常の発電動作時の発電電流とがほぼ釣り合った時点で、Ｂ端子電圧は上昇しなくなり、ロードダンプエネルギーの低減動作に移行しなくなるので、発電電圧指令がＶrefの状態で発電が継続される。
　以上のように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、アバランシェ降伏の発熱で問題となるのは、ロードダンプの発生直後なので、過熱を回避することができる。
　実施の形態３．
　この発明の実施の形態３では、上述した実施の形態１、２について、ロードダンプエネルギーの低減動作の終了条件を追加したものについて説明する。
　以下、図５を参照しながら、ロードダンプ時の電力変換装置２０の動作について説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置２０の動作を示すタイミングチャートである。なお、ロードダンプエネルギーの低減動作の開始条件は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
　ロードダンプエネルギーの低減動作の開始後、車両電気負荷３ａの消費電流ＩA（必要発電電流）が、ロードダンプエネルギーの低減動作中（すなわち、１組の電機子巻線を短絡させた状態）の発電量を上回る場合には、発電電力が不足し、Ｂ端子電圧が低下する。
　このような場合には、速やかにロードダンプエネルギーの低減動作を終了し、発電量を増加させないと、Ｂ端子電圧がそのまま低下してやがて０となり、発電を継続することが不可能になる。
　一方、ここでロードダンプエネルギーの低減動作を終了した後に、再びＢ端子電圧が上昇して、電圧値Ｖthを超えた場合には、再度ロードダンプエネルギーの低減動作が開始されてしまい、ハンチング動作となる恐れがある。
　そこで、制御部２４は、ロードダンプエネルギーの低減動作中に、Ｂ端子電圧がある一定の電圧値Ｖth-L（第２所定電圧値、例えば８Ｖ）を下回った場合には、すべてのＭＯＳＦＥＴをオフし、電機子巻線１２ａの短絡を解除して、通常の発電動作に移行する。また、制御部２４は、その後のロードダンプエネルギーの低減動作を禁止して、アバランシェ降伏のみでロードダンプエネルギーを吸収させる。
　この場合、ロードダンプ前と後とで必要発電電力の落差が小さいので、発電機１内部で吸収すべきロードダンプエネルギーはそれほど大きくならず、アバランシェ降伏のみでロードダンプエネルギーを吸収しても、発熱は問題にならない。
　以上のように、実施の形態２によれば、ロードダンプ発生後の必要発電量が、ロードダンプエネルギーの低減動作中（すなわち、１組の電機子巻線を短絡させた状態）の発電量を上回る場合であっても、発電を継続することができる。
　具体的には、片側三相短絡をすることにより、発電量はもとの半分以下になる。そのため、ロードダンプ後もそれ以上の車両電気負荷が残っている場合には、電圧は、三相短絡開始後すぐに低下する。この場合には、三相短絡を解除してアバランシェ降伏のみでロードダンプエネルギーを吸収させても、ＭＯＳＦＥＴが負担するエネルギーが多くないので、発熱はそれほど問題にならない。
　また、その後の三相短絡を禁止しないと、三相短絡開始→発電量不足によるＢ端子電圧低下→低電圧を検出して三相短絡終了→発電量過剰によるＢ端子電圧上昇→三相短絡開始とハンチング動作が発生する。そのため、一度低電圧状態を検出すると、その後の三相短絡を禁止する。
　実施の形態４．
　この発明の実施の形態４では、上述した実施の形態２について、ロードダンプエネルギーの低減動作で短絡させる電機子巻線を変更するものについて説明する。
　以下、図６を参照しながら、ロードダンプ時の電力変換装置２０の動作について説明する。図６は、この発明の実施の形態４に係る電力変換装置２０の動作を示すタイミングチャートである。なお、ロードダンプエネルギーの低減動作の開始条件は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
　上述した実施の形態２において、ロードダンプエネルギーの低減動作と通常の発電動作とが繰り返し実行されることについて説明したが、この発明の実施の形態４では、このとき、短絡する電機子巻線を、毎回別の組の電機子巻線に切り替える。
　図６の例では、１回目のロードダンプエネルギーの低減動作では、電機子巻線１２ａを短絡しているので、２回目のロードダンプエネルギーの低減動作では、電機子巻線１２ｂを短絡している。具体的には、実施の形態２における継続時間を短く（例えば、１ｍｓ）に設定して、電圧が下がるまで交互に三相短絡を行う。
　上述した実施の形態２では、アバランシェ降伏を行うＭＯＳＦＥＴが、１つの電機子巻線に接続されるＭＯＳＦＥＴに限定されるので、発熱がそれらのＭＯＳＦＥＴに集中することになる。しかしながら、実施の形態４によれば、アバランシェ降伏を行うＭＯＳＦＥＴが一定時間毎に切り替わるので、ＭＯＳＦＥＴの発熱を分散することができる。
　実施の形態５．
　この発明の実施の形態５では、上述した実施の形態１で示したロードダンプエネルギーの低減動作中に、オンするＭＯＳＦＥＴを一定時間ごとに切り替えるものについて説明する。
　以下、図７を参照しながら、ロードダンプ時の電力変換装置２０の動作について説明する。図７は、この発明の実施の形態５に係る電力変換装置２０の動作を示すタイミングチャートである。なお、ロードダンプエネルギーの低減動作の開始条件は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
　図７において、ロードダンプエネルギーの低減動作の開始時、制御部２４は、電機子巻線１２ａに接続されているブリッジ回路の負極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＬ３４、ＶＬ３５およびＷＬ３６）をすべてオンし、正極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＨ３１、ＶＨ３２およびＷＨ３３）をすべてオフする。また、制御部２４は、同時に電機子巻線１２ｂに接続されているＭＯＳＦＥＴ（ＸＨ４１、ＹＨ４２、ＺＨ４３、ＸＬ４４、ＹＬ４５およびＺＬ４６）をすべてオフする。
　そして、制御部２４は、一定時間（例えば、２．５ｍｓ）経過後に、電機子巻線１２ａに接続されているブリッジ回路の負極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＵＬ３４、ＶＬ３５およびＷＬ３６）をすべてオフし、同時に電機子巻線１２ｂに接続されているブリッジ回路の負極側アームのＭＯＳＦＥＴ（ＸＬ４４、ＹＬ４５およびＺＬ４６）をすべてオンすることにより、短絡する電機子巻線を電機子巻線１２ｂに切り替える。その後も、制御部２４は、界磁電流がある一定の電流値Ｉｆthに低下するまで、一定時間ごとに短絡する電機子巻線を切り替える。
　上述した実施の形態１では、アバランシェ降伏を行うＭＯＳＦＥＴが、１つの電機子巻線に接続されるＭＯＳＦＥＴに限定されるので、発熱がそれらのＭＯＳＦＥＴに集中することになる。しかしながら、実施の形態５によれば、アバランシェ降伏を行うＭＯＳＦＥＴが一定時間毎に切り替わるので、ＭＯＳＦＥＴの発熱を分散することができる。
　１　発電機、２　バッテリ、３ａ、３ｂ　車両電気負荷、４　エンジン、５　ベルト、１０　回転電機、１１　界磁巻線、１２ａ、１２ｂ　電機子巻線、２０　電力変換装置、２１　界磁電力変換部、２２　電機子電力変換部、２３　界磁電流センサ、２４　制御部。

Claims (7)

  1. 　発電機に内蔵され、界磁巻線と複数組の電機子巻線とを有する回転電機に接続されて、前記回転電機で発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
    　前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電力変換部と、
    　前記複数組の電機子巻線のそれぞれに対応して設けられ、正極側アームのスイッチング素子および負極側アームのスイッチング素子を含むブリッジ回路を有する電機子電力変換部と、
    　前記発電機の入出力端子であるＢ端子－Ｅ端子間の電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、一部の組の電機子巻線に接続された前記ブリッジ回路の負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、当該アームと対になる正極側アームまたは負極側アームのスイッチング素子をすべてオフし、かつ前記界磁巻線に流れる前記界磁電流を低減してロードダンプエネルギーの低減動作を開始し、その後、所定条件が満たされた場合に、オンしているスイッチング素子をすべてオフする制御部と、
    　を備えた電力変換装置。
  2. 　前記制御部は、前記ロードダンプエネルギーの低減動作の開始後、前記界磁電流が所定電流値以下になった場合に、前記所定条件が満たされたと判断する
    　請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記制御部は、前記ロードダンプエネルギーの低減動作の開始後、所定時間が経過した場合に、前記所定条件が満たされたと判断する
    　請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 　前記制御部は、前記ロードダンプエネルギーの低減動作の開始後、前記Ｂ端子－Ｅ端子間の電圧が第２所定電圧値を下回ったことを検出した場合に、前記ロードダンプエネルギーの低減動作を終了し、以降の前記ロードダンプエネルギーの低減動作を禁止する
    　請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記制御部は、前記ロードダンプエネルギーの低減動作の開始時、直前の前記ロードダンプエネルギーの低減動作において短絡した電機子巻線の組とは異なる組の電機子巻線を短絡する
    　請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の電力変換装置。
  6. 　前記制御部は、前記ロードダンプエネルギーの低減動作の開始後、一定時間毎に、短絡する電機子巻線の組を別の組に切り替える
    　請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の電力変換装置。
  7. 　発電機に内蔵され、界磁巻線と複数組の電機子巻線とを有する回転電機に接続されて、前記回転電機で発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、
    　前記発電機の入出力端子であるＢ端子－Ｅ端子間の電圧が第１所定電圧値を超えたことを検出した場合に、一部の組の電機子巻線に接続されたブリッジ回路の負極側アームまたは正極側アームのスイッチング素子をすべてオンするとともに、当該アームと対になる正極側アームまたは負極側アームのスイッチング素子をすべてオフするステップと、
    　前記界磁巻線に流れる界磁電流を低減するステップと、
    　その後、所定条件が満たされた場合に、オンしているスイッチング素子をすべてオフするステップと、
    　を備えた電力変換装置の制御方法。
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