WO2023181954A1 - 発電システムとそれを用いた電気駆動システム - Google Patents

Abstract

本発明は、二巻線誘導発電機の主巻線から得られる直流電圧および補助巻線から得られる直流電圧の変動を１台の電力変換器で抑制することが可能な発電システムを提供することを目的とする。そのために、制御装置は、整流器または電力変換器に接続された負荷の要求電力の変動に応じて変化する状態量を算出し、前記状態量を基に、第１直流電圧の変動分を補償する第１電圧補正値、および第２直流電圧の変動分を補償する第２電圧補正値を算出し、前記第１直流電圧の指令値に前記第１電圧補正値を加算し、前記第２直流電圧の指令値に前記第２電圧補正値を加算する。

Description

発電システムとそれを用いた電気駆動システム

　本発明は、二巻線誘導発電機を備えた発電システムとそれを用いた電気駆動システムに関する。

　複数の巻線で回転機を制御するシステムが知られている。例えば、特許文献１では、複数組の巻線群を有する多重巻線電動機の各巻線群毎に、巻線群を駆動する電力変換器を備えた多重巻線電動機の駆動制御装置において、各巻線群のうちの第一巻線群を駆動する第一電力変換器を制御する第一制御部の信号を用いて、第一電力変換器以外の他の電力変換器を制御する他の制御部の信号を補償する補償量を求める補償量演算部を備え、他の制御部が、制御におけるむだ時間を有する制御系であって、補償量演算部により求めた補償量により他の制御部の信号を補償して他の電力変換器を制御し、第一制御部の信号は補償せずに第一電力変換器を制御することにより、片方向通信の制御構成においても巻線群間の干渉を抑制でき制御系を安定化できる、単純な構成の多重巻線電動機の駆動制御装置を提供している。

　また、特許文献２では、電気的仕様が互いに同等である複数の巻線群を有する多重巻線回転機と、複数の巻線群毎に設けられる複数の電力変換器と、電流検出器とを備える多重巻線回転機システムに適用される制御装置において、非干渉化部は、磁気結合による干渉電圧を補償する非干渉制御演算を行い、非干渉化部は、自系統の注目軸の制御器後指令電流に係る逆モデル項に、他系統の注目軸の制御器後指令電流に係る相互インダクタンス及び電流微分値を含む非干渉制御項を「統合」し、自系統の相手軸の制御器後指令電流に係る角速度及び自己インダクタンスを含む非干渉制御項と、他系統の相手軸の制御器後指令電流に係る角速度及び相互インダクタンスを含む非干渉制御項とを「統合」することにより、非干渉化部の制御構成を簡素化し、演算負荷を低減する多重巻線回転機の制御装置を提供している。

特開２０１６－１０１０９０号公報 特開２０１６－１４９９０４号公報

　主巻線と補助巻線を有する固定子を備えた誘導発電機（二巻線誘導発電機）では、主巻線と補助巻線とが磁気的に結合しているため、主巻線側に接続されている負荷の要求電力がオペレータ操作等に応じて変動した場合、主巻線から得られる直流電圧が変動し、それに伴って補助巻線から得られる直流電圧も変動する。

　特許文献１の多重巻線電動機の駆動制御装置では、多重巻線電動機の各巻線毎に電力変換器を設けており、第一電力変換器の指令値を用いて、第一電力変換器以外の電力変換器を制御する他の制御部の信号を補償することで、巻線間の干渉を抑制している。しかし、外乱発生時に各巻線に生じる電圧変動を抑制する手段については記載されていない。そして、各巻線毎に電力変換器を設ける構成であるため、その台数分のスペースを確保する必要がある。

　また、特許文献２の多重巻線回転機システムも、多重巻線回転機の各巻線毎に電力変換器を設ける構成であるため、特許文献１と同様、電力変換器の台数分のスペースを確保する必要がある。そして、外乱発生時に各巻線に生じる電圧変動を抑制する手段についても記載されていない。さらに、特許文献２に開示されている、非干渉化部の制御構成を簡素化する技術は、各巻線の電気的仕様が互いに同等であることを前提としているため、各巻線の電気的仕様が互いに異なる多重巻線回転機には適用できない。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二巻線誘導発電機の主巻線から得られる直流電圧および補助巻線から得られる直流電圧の変動を１台の電力変換器で抑制することが可能な発電システムとそれを用いた電気駆動システムを提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明は、主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機と、前記主巻線に接続され、前記主巻線で発電した交流電圧を第１直流電圧に変換する整流器と、前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御するとともに、前記補助巻線で発電した交流電圧を第２直流電圧に変換する電力変換器と、前記第１直流電圧の指令値および前記第２直流電圧の指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置とを備えた発電システムにおいて、前記制御装置は、前記整流器または前記電力変換器に接続された負荷の要求電力の変動に応じて変化する状態量を算出し、前記状態量を基に、前記第１直流電圧の変動分を補償する第１電圧補正値、および前記第２直流電圧の変動分を補償する第２電圧補正値を算出し、前記第１直流電圧の指令値に前記第１電圧補正値を加算し、前記第２直流電圧の指令値に前記第２電圧補正値を加算するものとする。

　以上のように構成した本発明によれば、主巻線および補助巻線の電圧を制御する電力変換器が、負荷の要求電力の変動に応じて、主巻線から得られる直流電圧（第１直流電圧）および補助巻線から得られる直流電圧（第２直流電圧）の変動分を補償する。これにより、主巻線から得られる直流電圧および補助巻線から得られる直流電圧の変動を１台の電力変換器で抑制することが可能となる。

　本発明によれば、二巻線誘導発電機を備えた発電システム、または当該発電システムを用いた電気駆動システムにおいて、主巻線から得られる直流電圧および補助巻線から得られる直流電圧の変動を１台の電力変換器で抑制することが可能となる。

本発明の第１の実施例におけるダンプトラックの構成を示す図である。 本発明の第１の実施例における電気駆動システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施例における二巻線誘導発電機の構造を示す側面図および部分断面拡大図である。 本発明の第１の実施例における制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第１の実施例における電流指令演算部および電圧指令演算部の処理を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例における周波数指令演算部の処理を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例における電圧指令補償部の処理を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例における電圧指令補償部の処理の変形例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例における直流電圧指令補正部の処理を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例における状態量と直流電圧指令補正値との関係を示す図である。 本発明の第１の実施例における発電システムの各パラメータの時系列変化を示す図である。 本発明の第１の実施例において主機側負荷に外乱が生じた場合の二巻線誘導発電機の主巻線電流及び補助巻線電流の波形を示す図である。 本発明の第２の実施例における電気駆動システムの構成を示す図である。 本発明の第２の実施例における直流電圧指令補正部の処理を示すブロック図である。 本発明の第３の実施例における直流電圧指令補正部の処理を示すブロック図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図中、同等の要素には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。また、本実施形態は、本発明に係る発電システムをダンプトラックの電気駆動システムに適用したものであるが、本発明の適用対象はこれに限定されない。

　図１は、本発明の第１の実施例におけるダンプトラックの構成を示す。図１において、ダンプトラックは、車体３０と、原動機１と、車体３０の上側後方に上下方向に回転可能に取り付けられた荷台３１と、車体３０の上側前方に設けられた運転席３２とを備えている。また、車体３０の下方前側には左右一対の従動輪３３が配置されており、車体３０の下方後側には左右一対の駆動輪３４が配置されている。駆動輪３４は、走行用モータ５によって駆動される。鉱山向けダンプトラックは、積み込み場で土砂を積載し、積み込み場から放土場まで走行し、放土場で放土し、放土場から積み込み場まで走行するという一連の作業サイクルを繰り返し行う。

　図２は、図１に示すダンプトラックに搭載された電気駆動システムの構成図である。図２において、電気駆動システムは、原動機１と、主巻線と補助巻線を有する固定子を備えた二巻線誘導発電機２と、整流器３と、走行用インバータ４と、走行用モータ５と、回生放電抵抗器６と、電力変換器７と、補機用インバータ８と、補機用モータ９と、始動用バッテリ１０と、制御装置１１と、第１電圧センサ１２と、第１電流センサ１３と、第１回転センサ１４と、第２電圧センサ１５と、第２電流センサ１６と、第３電圧センサ１７と、第２回転センサ５０と、トルクセンサ５１とを備えている。ここで、原動機１、二巻線誘導発電機２、整流器３、電力変換器７、制御装置１１、第１電圧センサ１２、第１電流センサ１３、第１回転センサ１４、第２電圧センサ１５、第２電流センサ１６、および第３電圧センサ１７は、本実施例における発電システム４０を構成している。

　原動機１は二巻線誘導発電機２の回転子を回転させる。二巻線誘導発電機２の主巻線は、整流器３を介して走行用インバータ４に接続されている。走行用インバータ４は走行用モータ５に接続されている。回生放電抵抗器６は走行用モータ５が発電しているときには整流器３と走行用インバータ４に接続されている。二巻線誘導発電機２の補助巻線は、電力変換器７を介して補機用インバータ８に接続されている。補機用インバータ８は補機用モータ９に接続されている。始動用バッテリ１０は二巻線誘導発電機２が始動しているときに電力変換器７と補機用インバータ８に接続される。

　ここで、走行用モータ５の出力は補機用モータ９の出力よりも大きく、走行用インバータ４の要求電力は補機用インバータ８の要求電力よりも大きい。そのため、整流器よりも高価な電力変換器を走行用インバータ４ではなく要求電力の小さい補機用インバータ８に接続することにより、電力変換器を小容量化され、電気駆動システムのコストが低減される。

　図３は、本実施例における二巻線誘導発電機２の構造を示す側面図および部分断面拡大図である。二巻線誘導発電機２は固定子２１０と回転子２２０を備え、固定子２１０は、固定子鉄心２１１で形成された固定子スロット２１２に一次巻線２１３が設置され、一次巻線２１３は、主巻線２１３１と補助巻線２１３２を有している。一次巻線２１３は、楔２１４によって固定子スロット２１２に保持されている。回転子２２０は、回転子鉄心２２１で形成された回転子スロット２２２に回転子バー２２３１が設置され、回転子バー２２３１はエンドリング２２３２で端部を短絡されている。二次導体２２３は、回転子バー２２３１とエンドリング２２３２を有する。ギャップ２３０は、固定子２１０と回転子２２０の間の空隙である。

　次に、図４を参照し、電力変換器７を制御する制御装置１１の構成について説明する。図４において、制御装置１１は、３相／２相変換部１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、電流指令演算部１９、周波数指令演算部２０、電圧指令演算部２１、電圧指令補償部２２、巻数比換算部２３、直流電圧指令補正部２４、２相／３相変換部２５、および制御信号生成部２６から構成される。制御装置１１は、演算処理機能を有するコントローラ、外部機器との間の信号入出力を行う入出力インタフェース等で構成され、ＲＯＭ等の記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各部の機能を実現する。本実施例において、制御装置１１は、主機側直流電圧ＶｍＤＣ及び補機側直流電圧ＶａＤＣが、それぞれ補正後の主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ**及び補正後の補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ**と一致するように、電力変換器７を介して主巻線及び補助巻線の電圧制御及び電流制御を行う。

　電圧制御は、電流指令演算部１９にて、第１電圧センサ１２、第３電圧センサ１７から取得した値（主機側直流電圧ＶｍＤＣ、補機側直流電圧ＶａＤＣ）を用いて、例えば比例積分演算を行い、補助巻線電流指令値Ｉａｄ*，Ｉａｑ*を出力する。電流制御は、電圧指令演算部２１にて、第１電流センサ１３から取得した値（補助巻線の３相電流Ｉａｕ，Ｉａｖ，Ｉａｗ）を、３相／２相変換部１８ｃでｄｑ軸上に座標変換した値（ｄ軸補助巻線電流Ｉａｄ、ｑ軸補助巻線電流Ｉａｑ）を用いて、例えば比例積分演算を行い、補助巻線電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*を出力する。電圧指令演算部２１にて、回転センサ１４から取得した値ωｒと、周波数指令値ω１*は、それぞれ二巻線誘導発電機２の回転子が回転することにより生じる誘起電圧と、ｄｑ軸間の干渉成分を補償するために用いている。

　図５は、電流指令演算部１９および電圧指令演算部２１の処理を示すブロック図である。電流指令演算部１９は、補正後の主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ**と直流電圧ＶｍＤＣとの差分を比例積分し、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*として出力する。図中のＫｍｖ＿ｐは主機側電圧制御比例ゲインであり、Ｋｍｖ＿ｉは主機側電圧制御積分ゲインである。

　また、電流指令演算部１９は、補正後の補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ**と直流電圧ＶａＤＣとの差分を比例積分し、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*として出力する。なお、図中のＫａｖ＿ｐは補機側電圧制御比例ゲインであり、Ｋａｖ＿ｉは補機側電圧制御積分ゲインである。

　電圧指令演算部２１は、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*とｄ軸補助巻線電流Ｉａｄとの差分の比例積分値から、ｄｑ軸間に生じる干渉成分を減算し、ｄ軸補助巻線電圧指令値Ｖａｄ*として出力する。ここでいうｄｑ軸間に生じる干渉成分は、ｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*とｄ軸補助巻線電流Ｉａｄとの差分の積分値にω１*Ｌσｍ／Ｒσａを乗算することで得られる。なお、図中のＫｍｃ＿ｐは主機側電流制御比例ゲインであり、Ｋｍｃ＿ｉは主機側電流制御積分ゲインである。

　また、電圧指令演算部２１は、ｑ軸補助巻線電流指令値Ｉａｑ*とｑ軸補助巻線電流Ｉａｑとの差分の比例積分値に、ｄｑ軸間に生じる干渉成分と誘起電圧ωｒ*μ*φ２ｄとを加算し、ｑ軸補助巻線電圧指令値Ｖａｑ*として出力する。ここでいうｄｑ軸間に生じる干渉成分は、補機側電流制御積分ゲインＫａｃ＿ｉを用いた、ｑ軸補助巻線電流指令値Ｉａｑ*とｑ軸補助巻線電流Ｉａｑとの差分の積分値に、ω１*Ｌσｍ／Ｒσａを乗算することで得られる。なお、図中のＫａｃ＿ｐは、補機側電流制御比例ゲインであり、Ｋａｃ＿ｉは補機側電流制御積分ゲインである。

　図６は、周波数指令演算部２０の処理を示すブロック図である。周波数指令演算部２０は、回転センサ１４から取得した周波数ωｒにすべり周波数指令演算部２０ａで算出した周波数指令値ω１*を加算し、周波数指令値ω１*として出力する。

　次に、電圧指令補償部２２の役割について説明する。二巻線誘導発電機２は、主巻線と補助巻線が磁気的に結合していることにより、巻線間で干渉成分が生じる。この現象は、数１式に示す二巻線誘導発電機２の補助巻線部における微分方程式を用いて説明できる。

数１式における記号は以下の通りである。

　Ｒσｍ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る主巻線抵抗
　Ｒσａ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る補助巻線抵抗
　Ｌσｍ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る主巻線自己インダクタンス
　Ｌσａ：ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る補助巻線自己インダクタンス
　μ：補助巻線に係る一次換算係数
　τ２：二次時定数（＝二次インダクタンス／二次抵抗）
　ｐ：微分演算子
　Ｉｍｄ，Ｉｍｑ：ｄ軸主巻線電流、ｑ軸主巻線電流
　Ｖｍｄ，Ｖｍｑ：ｄ軸主巻線電圧、ｑ軸主巻線電圧
　Ｖａｄ，Ｖａｑ：ｄ軸補助巻線電圧、ｑ軸補助巻線電圧
　φ２ｄ，φ２ｑ：ｄ軸二次磁束、ｑ軸二次磁束
　ω１：一次周波数
数１式を整理すると、数２式が得られる。

　数２式より、補助巻線電圧について、ｄｑ軸上の主巻線電流Ｉｍｄ，Ｉｍｑ及び主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑが含まれていることが分かる。この主巻線電流及び主巻線電圧に係る項が、補助巻線に対する主巻線の干渉成分であり、二巻線誘導発電機２を制御する上で不安定化の原因となる。従って、この干渉成分を制御装置１１で補償することで、主巻線及び補助巻線間に磁気的な結合がある場合でも、二巻線誘導発電機２を安定して制御することができる。具体的には、電圧指令演算部２１で算出した補助巻線電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に対して、電圧指令補償部２２で算出した電圧補償量ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*をそれぞれ加算し、補償後の補助巻線電圧指令Ｖａｄ**，Ｖａｑ**として巻数比換算部２３への入力とする。

　巻数比換算部２３は、補償後の補助巻線電圧指令Ｖａｄ**，Ｖａｑ**に対して、ｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る主巻線自己インダクタンスＬσｍとｄｑ軸モデルにおける補助巻線に係る補助巻線自己インダクタンスＬσａとの比を、それぞれ乗じる。巻数比換算部２３で巻数比換算後の補助巻線電圧指令Ｖａｄ***、Ｖａｑ***を２相から３相に変換する２相／３相変換部２５に入力し、変換された３相の電圧指令値Ｖａｕ*，Ｖａｖ*，Ｖａｗ*を制御信号生成部２６の入力とする。ここで、３相／２相変換部１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、および２相／３相変換部２５において、座標変換に用いる位相は、例えば、周波数指令値ω１*を積分することで得られる値を用いる。制御信号生成部２６では、例えば、３相の電圧指令値Ｖａｕ*，Ｖａｖ*，Ｖａｗ*から算出されるデューティー信号と搬送波との比較に基づき、電力変換器７に送信する制御信号を生成する。

　図７は、電圧指令補償部２２の処理を示すブロック図である。第２電圧センサ１５、第２電流センサ１６から取得した値（主巻線の３相電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗ、主巻線の３相電圧Ｖｍｕ，Ｖｍｖ，Ｖｍｗ）をそれぞれ３相／２相変換部１８ａ，１８ｂで座標変換し、その座標変換した値（Ｉｍｄ，Ｉｍｑ，Ｖｍｄ，Ｖｍｑ）を電圧指令補償部２２の入力とする。ｄ軸電圧補償量ΔＶａｄ*は、ｄ軸主巻線電圧Ｖｍｄと、ｄ軸主巻線電流Ｉｍｄと補助巻線に係る主巻線抵抗Ｒσｍの乗算値との差分であり、ｑ軸電圧補償量ΔＶａｑ*は、ｑ軸主巻線電圧Ｖｍｑと、ｑ軸主巻線電流Ｉｍｑと補助巻線に係る主巻線抵抗Ｒσｍの乗算値との差分である。このように電圧センサ１５，１６から取得した値を直接使用することで、演算遅れなく補償電圧量ΔＶａｄ*，ΔＶａｑ*を算出することができる。

　図８は、図７で示した処理の変形例として考え得る、第２電圧センサ１５を使用しない場合の電圧指令補償部の処理を示すブロック図である。図８において、電圧指令補償部２２には、第２電圧センサ１５で検出した主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑに代えて、電圧指令演算部２１から出力される補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*が入力される。電圧指令補償部２２は、二巻線誘導発電機２の主巻線の電圧が補助巻線の電圧に概ね比例するという性質を利用し、補助巻線の電圧指令値Ｖａｄ*，Ｖａｑ*に補正ゲインＫ（補助巻線電圧に対する主巻線電圧の比）を乗じて主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑの推定値を算出する。このような構成でも、図７の構成と同等の効果を達成することができ、主巻線電圧Ｖｍｄ，Ｖｍｑを検出する第２電圧センサ１５が不要となるため、発電システム４０の構成を簡素化することが可能となる。

　次に、直流電圧指令補正部２４について説明する。主機側の要求電力が急激に増加した場合、主機側直流電圧ＶｍＤＣは低下し、電流指令演算部１９は、低下した主機側直流電圧ＶｍＤＣを上昇させるためにｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*を上昇させる。これにより、補助巻線電流が上昇するため、補機側直流電圧ＶａＤＣは主機側直流電圧ＶｍＤＣとは逆に上昇してしまう。この主機側直流電圧ＶｍＤＣと補機側直流電圧ＶａＤＣに同時に生じる過渡的な変動を抑制するため、直流電圧指令補正部２４で主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*及び補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*をそれぞれ補正する。

　図９は、直流電圧指令補正部２４の処理を示すブロック図である。直流電圧指令補正部２４は、状態量演算部２４ａの出力結果（状態量ＫＲ）に基づき、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を主機側直流電圧指令補正部２４ｂで算出し、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を補機側直流電圧指令補正部２４ｃで算出する。ここで、状態量ＫＲとは、整流器３または電力変換器７に接続された負荷の要求電力の変動に応じて変化する値であり、本実施例では走行用インバータ４の要求電力に応じて変化する値とする。

　状態量演算部２４ａは、例えば、単位時間Δｔ当たりの、走行用モータ５の回転数ωｍと走行用モータ５へのトルク指令値Ｔｍ*の積の変化量を状態量ＫＲとして算出し（数３式）、主機側直流電圧指令補正部２４ｂと補機側直流電圧指令補正部２４ｃへの入力とする。

　数３式による状態量ＫＲの算出方法では、例えば、走行用モータ５のトルク指令値Ｔｍ*に対して、走行用モータ５の回転数ωｍが急激に上昇することで状態量ＫＲが上昇する。この状態量ＫＲの上昇は、主機側の要求電力が急激に増加することを意味しており、主機側直流電圧ＶｍＤＣの過渡的な電圧低下を予め検知することができる。逆に、状態量ＫＲが負になる場合は要求電力が急激に減少することを意味しており、このときの主機側直流電圧ＶｍＤＣは過渡的に上昇する。ここで、状態量ＫＲの算出に走行用モータ５のトルク指令値Ｔｍ*を使用しているが、トルクセンサ５１で検出したトルク検出値Ｔｍを用いてもよい。

　主機側直流電圧指令補正部２４ｂは、状態量演算部２４ａで算出した状態量ＫＲに基づいて、図１０（ａ）のマップ特性に従って主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を算出する。図１０（ａ）は、状態量ＫＲと主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*との関係を示すマップの一例である。図１０（ａ）のマップ特性では、その傾きが大きいほど、状態量ＫＲにおける主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*が正方向に大きくなる。このマップ特性は、予め計算もしくは実験によって決定される。また、図１０（ａ）では状態量ＫＲが負の場合、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*は０になるようにしている。本実施例において状態量ＫＲが負になる場合は、走行用モータ５が回生したときを想定している。走行用モータ５が回生したときは、回生放電抵抗器６がＯＮになり、回生電力を吸収するため、主機側直流電圧ＶｍＤＣの上昇は抑制される。従って、状態量ＫＲが負の場合は主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*は０とし、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正を行わないものとする。ただし、本実施例で使用している回生放電抵抗器６を使用しない構成の場合は、図１０（ｂ）に示す、状態量ＫＲが負のときも考慮したマップで主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を算出してもよい。主機側直流電圧指令補正部２４ｂで算出した主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*に加算することで、主機側直流電圧ＶｍＤＣの変動を抑制できる。

　補機側直流電圧指令補正部２４ｃは、状態量演算部２４ａで算出した状態量ＫＲに基づいて、図１０（ｃ）のマップ特性に従って補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を算出する。図１０（ｃ）は、状態量ＫＲと補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*との関係を示すマップの一例である。図１０（ｃ）のマップ特性では、その傾きが大きいほど、状態量ＫＲにおける補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*が負方向に大きくなる。このマップ特性は、予め計算もしくは実験によって決定される。補機側直流電圧指令補正部２４ｃで算出した補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*に加算することで、補機側直流電圧ＶａＤＣの変動を抑制できる。

　以下、図１１を参照して、本実施例における発電システム４０の主な動作と作用効果について説明する。図１１は、本実施例における発電システム４０の各パラメータ（状態量ＫＲ、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*、主機側直流電圧ＶｍＤＣ、補機側直流電圧ＶａＤＣ）の時系列変化を示す図である。以下では、主機側の要求電力が変化した場合の動作の一例について説明する。また、本実施例の作用効果を明確にするため、主機側直流電圧指令補正部２４ｂで算出した主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*と補機側直流電圧指令補正部２４ｃで算出した補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*によって主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*と補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*を補正しない場合と比較して説明する。なお、本実施例における発電システム４０と比較例における発電システムとでは、主機側の要求電力の変化量は同じであるものとする。

　図１１において、本実施例の各パラメータの時系列変化は実線で示し、比較例の各パラメータの時系列変化は破線で示す。図１１（ａ）～（ｅ）の横軸は、時刻（経過時間）を示す。図１１（ａ）の縦軸は状態量ＫＲを示し、図１１（ｂ）の縦軸は主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を示し、図１１（ｃ）の縦軸は補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を示し、図１１（ｄ）の縦軸は第３電圧センサ１７で検出された主機側直流電圧ＶｍＤＣを示し、図１１（ｅ）の縦軸は第１電圧センサ１２で検出された補機側直流電圧ＶａＤＣを示す。

　図１１において、時刻ｔ０は、状態量ＫＲが変動し始めた時刻である。時刻ｔ１は、状態量ＫＲが要求量まで達して変動が停止した時刻である。

　図１１（ａ）に示すように、本実施例の場合、時刻ｔ０からのトルクＴｍ*または回転数ωｍの増加に伴い、状態量ＫＲが正方向に増加する。

　図１１（ｂ）に示すように、本実施例の場合、時刻ｔ０から状態量ＫＲの増加に応じて主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*が正方向に増加する。これにより、状態量ＫＲが増加中は、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*を主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*によって補正した主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ**が、電流指令演算部１９の入力となる。

　図１１（ｃ）に示すように、本実施例の場合、時刻ｔ０から状態量ＫＲの増加に応じて補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*が負方向に増加する。これにより、状態量ＫＲが増加中は、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*を補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*によって補正した補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ**が、電流指令演算部１９の入力となる。

　図１１（ｄ）に示すように、比較例の場合、時刻ｔ０で状態量ＫＲが増加し始めた直後、主機側直流電圧ＶｍＤＣが減少し始めているが、電流指令演算部１９が主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*に追従させようと動作するため、復帰している。

　これに対して、本実施例の場合、時刻ｔ０から状態量ＫＲの増加に応じた主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*で主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*を補正することで、状態量ＫＲの変動直後の主機側直流電圧ＶｍＤＣの減少量を低減している。

　図１１（ｅ）に示すように、比較例の場合、時刻ｔ０で状態量ＫＲが増加し始めた直後、補機側直流電圧ＶａＤＣが増加し始める。これは、低下した主機側直流電圧ＶｍＤＣを増加させるために、電流指令演算部１９がｄ軸補助巻線電流指令値Ｉａｄ*を増加させ、それによって補助巻線電流が増加するためである。状態量ＫＲの増加直後は、補機側直流電圧ＶａＤＣが増加しているが、電流指令演算部１９が補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*に追従させようと動作するため、比例積分系の応答で復帰している。

　これに対して、本実施例の場合、時刻ｔ０から状態量ＫＲの増加に応じた補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*で補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*を補正することで、状態量ＫＲの変動直後の補機側直流電圧ＶａＤＣ増加量を低減している。このように、状態量ＫＲに基づいて算出した主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*及び補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*及び補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*にそれぞれ加算することで、主機側の急激な要求電力の増加に伴う主機側直流電圧ＶｍＤＣ及び補機側直流電圧ＶａＤＣの過渡的な変動を抑制することができる。

　次に、本実施例の構成が発電システム４０に正しく実装されているか否かを検証する方法について説明する。本実施例の構成はソフトウェア（制御装置１１のプログラム）に実装される可能性が高いため、発電システム４０の外観等に基づいて検証を行うことが困難であると予想される。そこで、発電システム４０を動作させ、その挙動に基づいて検証を行う。

　検証を行う際は、例えば二巻線誘導発電機２（図２に示す）の主巻線側あるいは補助巻線側に電流センサを接続する。さらに、二巻線誘導発電機２の主機側に負荷を変動させるための外乱発生装置を接続し、外乱発生装置による外乱が生じたときの主巻線電流あるいは補助巻線電流を電流センサで測定する。ただしこのとき、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*、補機側負荷は一定とし、主機側の外乱発生装置はステップ状に外乱を発生するものとする。

　図１２は主機側に外乱が生じたときの主巻線の３相電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗ及び補助巻線の３相電流Ｉａｕ，Ｉａｖ，Ｉａｗの波形である。図１２中の（ａ）は比較例として、本実施例を適用していないときの結果であり、（ｂ）は本実施例を適用したときの結果である。図１２中の（ｂ）より、本実施例を適用した場合は、外乱発生時において、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*と補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*による過渡的な応答を確認することができる。逆に、本実施例を適用していない場合は、外乱発生時において、過渡的な応答は確認できない。このように、二巻線誘導発電機２における主巻線電流あるいは補助巻線電流を測定することで、本実施例の構成が実装されているか否かを検証できる。

　（まとめ）
　本実施例では、主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機２と、前記主巻線に接続され、前記主巻線で発電した交流電圧を第１直流電圧ＶｍＤＣに変換する整流器３と、前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御するとともに、前記補助巻線で発電した交流電圧を第２直流電圧ＶａＤＣに変換する電力変換器７と、第１直流電圧の指令値ＶｍＤＣ*および第２直流電圧の指令値ＶａＤＣ*に応じて電力変換器７を制御する制御装置１１とを備えた発電システム４０において、制御装置１１は、整流器３または電力変換器７に接続された負荷４の要求電力の変動に応じて変化する状態量ＫＲを算出し、状態量ＫＲを基に、第１直流電圧ＶｍＤＣの変動分を補償する第１電圧補正値ΔＶｍＤＣ*、および第２直流電圧ＶａＤＣの変動分を補償する第２電圧補正値ΔＶａＤＣ*を算出し、第１直流電圧ＶｍＤＣの指令値ＶｍＤＣ*に第１電圧補正値ΔＶｍＤＣ*を加算し、第２直流電圧ＶａＤＣの指令値ＶａＤＣ*に第２電圧補正値ΔＶａＤＣ*を加算する。

　以上のように構成した本実施例によれば、主巻線および補助巻線の電圧を制御する電力変換器７が、負荷４の要求電力の変動に応じて、主巻線から得られる直流電圧（第１直流電圧ＶｍＤＣ）および補助巻線から得られる直流電圧（第２直流電圧ＶａＤＣ）の変動分ΔＶｍＤＣ，ΔＶａＤＣを補償する。これにより、主巻線から得られる直流電圧ＶｍＤＣおよび補助巻線から得られる直流電圧ＶａＤＣの変動を１台の電力変換器７で抑制することが可能となる。

　また、本実施例における電気駆動システムは、発電システム４０と、走行用モータ５と、整流器３に接続された負荷であり、第１直流電圧ＶｍＤＣを交流電圧に変換して走行用モータ５に供給する走行用インバータ４とを備える。これにより、電気駆動システムにおいて、主巻線から得られる直流電圧ＶｍＤＣおよび補助巻線から得られる直流電圧ＶａＤＣの変動を１台の電力変換器７で抑制することが可能となる。

　また、本実施例における制御装置１１は、走行用モータ５のトルクＴｍ*と回転数ωｍとに基づいて状態量ＫＲを算出する。これにより、走行用インバータ４の要求電力の変動に応じて、主巻線から得られる直流電圧（第１直流電圧ＶｍＤＣ）および補助巻線から得られる直流電圧（第２直流電圧ＶａＤＣ）の変動分ΔＶｍＤＣ，ΔＶａＤＣを補償することが可能となる。

　本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

　図１３は、本実施例における電気駆動システムの構成図である。図１３において、電気駆動システムは、原動機１と、主巻線と補助巻線を有する固定子を備えた二巻線誘導発電機２と、整流器３と、走行用インバータ４と、走行用モータ５と、回生放電抵抗器６と、電力変換器７と、補機用インバータ８と、補機用モータ９と、始動用バッテリ１０と、制御装置１１と、第１電圧センサ１２と、第１電流センサ１３と、第１回転センサ１４と、第２電圧センサ１５と、第２電流センサ１６と、第３電圧センサ１７と、第２回転センサ５０と、トルクセンサ５１とを備えている。制御装置１１には、走行用モータ５の操作装置としてのアクセル５３の操作量Ｒａｃｃが入力される。

　図１４は、本実施例における直流電圧指令補正部２４の処理を示すブロック図である。図１４において、状態量演算部２４ａは、アクセル５３の操作量Ｒａｃｃに基づいて状態量ＫＲを算出する。主機側直流電圧ＶｍＤＣは負荷の要求電力に応じて変動するが、負荷の要求電力が変動する要因として、オペレータによるアクセル５３の操作が挙げられる。そこで本実施例では、単位時間Δｔ当たりのアクセル操作量の変化量ΔＲａｃｃを、負荷の要求電力の変動に応じて変化する状態量ＫＲとして算出する（数４式）。

　数４式による状態量ＫＲの算出方法では、単位時間Δｔ当たりのアクセル操作量の変化量ΔＲａｃｃが正方向に増加すれば状態量ＫＲは増加し、単位時間Δｔ当たりのアクセル操作量の変化量ΔＲａｃｃが負方向に増加すれば状態量ＫＲは減少する。この状態量ＫＲが大きいほど、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の変動が大きいことを意味しており、状態量ＫＲから主機側直流電圧ＶｍＤＣの過渡的な変動を予め検知することができる。状態量ＫＲを算出した後は、第１の実施例と同様に、図１０（ａ）または図１０（ｂ）のマップ特性に従って主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を算出し、図１０（ｃ）のマップ特性に従って補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を算出する。続いて、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*に補正値ΔＶｍＤＣ*を加算し、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*に補正値ΔＶａＤＣ*加算する。これにより、主機側直流電圧ＶｍＤＣと補機側直流電圧ＶａＤＣの変動が抑制される。

　（まとめ）
　本実施例における電気駆動システムは、走行用モータ５の要求トルクを指示する操作装置５３を備え、制御装置１１は、操作装置５３の操作量Ｒａｃｃに基づいて状態量ＫＲを算出する。

　以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様に、二巻線誘導発電機２の主巻線側直流電圧ＶｍＤＣおよび補助巻線側直流電圧ＶａＤＣの変動を１台の電力変換器７で抑制することが可能となる。

　本発明の第３の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

　図１５は、本発実施例における直流電圧指令補正部２４の処理を示すブロック図である。図１５において、状態量演算部２４ａは、単位時間Δｔ当たりの主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*に対する主機側直流電圧ＶｍＤＣの変動量を状態量ＫＲとして算出する（数５式）。

　数５式による状態量ＫＲの算出方法では、単位時間Δｔ当たりの主機側直流電圧ＶｍＤＣの変動量が正方向に増加すれば状態量ＫＲは増加し、単位時間Δｔ当たりの主機側直流電圧ＶｍＤＣの変動量が負方向に増加すれば状態量ＫＲは減少する。状態量ＫＲを算出した後は、第１の実施例と同様に、図１０（ａ）または図１０（ｂ）のマップ特性に従って主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*の補正値ΔＶｍＤＣ*を算出し、図１０（ｃ）のマップ特性に従って補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*の補正値ΔＶａＤＣ*を算出する。続いて、主機側直流電圧指令値ＶｍＤＣ*に補正値ΔＶｍＤＣ*を加算し、補機側直流電圧指令値ＶａＤＣ*に補正値ΔＶａＤＣ*加算する。これにより、主機側直流電圧ＶｍＤＣと補機側直流電圧ＶａＤＣの変動が抑制される。

　（まとめ）
　本実施例における発電システム４０は、第１直流電圧ＶｍＤＣを検出する電圧センサ１７を備え、制御装置１１は、電圧センサ１７で検出した第１直流電圧ＶｍＤＣと第１直流電圧ＶｍＤＣの指令値ＶｍＤＣ*との偏差に基づいて状態量ＫＲを算出する。

　以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様に、二巻線誘導発電機２の主巻線側直流電圧および補助巻線側直流電圧の変動を１台の電力変換器７で抑制することが可能となる。また、第２回転センサ５０とトルクセンサ５１が不要となるため、発電システム４０の構成を簡素化することが可能となる。

　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、本発明は必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

　１…原動機、２…二巻線誘導発電機、３…整流器、４…走行用インバータ（負荷）、５…走行用モータ、６…回生放電抵抗器、７…電力変換器、８…補機用インバータ、９…補機用モータ、１０…始動用バッテリ、１１…制御装置、１２…第１電圧センサ、１３…第１電流センサ、１４…第１回転センサ、１５…第２電圧センサ、１６…第２電流センサ、１７…第３電圧センサ、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…３相／２相変換部、１９…電流指令演算部、２０…周波数指令演算部、２０ａ…すべり周波数指令演算部、２１…電圧指令演算部、２２…電圧指令補償部、２３…巻数比換算部、２４…直流電圧指令補正部、２４ａ…状態量演算部、２４ｂ…主機側直流電圧指令補正部、２４ｃ…補機側直流電圧指令補正部、２５…２相／３相変換部、２６…制御信号生成部、３０…車体、３１…荷台、３２…運転席、３３…従動輪、３４…駆動輪、４０…発電システム、５０…第２回転センサ、５１…トルクセンサ、５３…アクセル（操作装置）、２１０…固定子、２１１…固定子鉄心、２１２…固定子スロット、２１３…一次巻線、２１４…楔、２２０…回転子、２２１…回転子鉄心、２２２…回転子スロット、２２３…二次導体、２１３１…主巻線、２１３２…補助巻線、２２３１…回転子バー、２２３２…エンドリング、２３０…ギャップ。

Claims (5)

1. 　主巻線と補助巻線とを含む固定子を有する発電機と、
   　前記主巻線に接続され、前記主巻線で発電した交流電圧を第１直流電圧に変換する整流器と、
   　前記補助巻線に接続され、前記主巻線および前記補助巻線の電圧を制御するとともに、前記補助巻線で発電した交流電圧を第２直流電圧に変換する電力変換器と、
   　前記第１直流電圧の指令値および前記第２直流電圧の指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置とを備えた発電システムにおいて、
   　前記制御装置は、
   　前記整流器または前記電力変換器に接続された負荷の要求電力の変動に応じて変化する状態量を算出し、
   　前記状態量を基に、前記第１直流電圧の変動分を補償する第１電圧補正値、および前記第２直流電圧の変動分を補償する第２電圧補正値を算出し、
   　前記第１直流電圧の指令値に前記第１電圧補正値を加算し、
   　前記第２直流電圧の指令値に前記第２電圧補正値を加算する
   　ことを特徴とする発電システム。
2. 　請求項１に記載の発電システムにおいて、
   　前記第１直流電圧を検出する電圧センサを備え、
   　前記制御装置は、前記電圧センサで検出した前記第１直流電圧と前記第１直流電圧の指令値との偏差に基づいて前記状態量を算出する
   　ことを特徴とする発電システム。
3. 　請求項１に記載の発電システムと、
   　走行用モータと、
   　前記整流器に接続された負荷であり、前記第１直流電圧を交流電圧に変換して前記走行用モータに供給する走行用インバータとを備える
   　ことを特徴とする電気駆動システム。
4. 　請求項３に記載の電気駆動システムにおいて、
   　前記制御装置は、前記走行用モータのトルクと回転数とに基づいて前記状態量を算出する
   　ことを特徴とする電気駆動システム。
5. 　請求項３に記載の電気駆動システムにおいて、
   　前記走行用モータの要求トルクを指示する操作装置を備え、
   　前記制御装置は、前記操作装置の操作量に基づいて前記状態量を算出する
   　ことを特徴とする電気駆動システム。

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