JP4143648B2 - 界磁巻線式交流回転電機装置 - Google Patents
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Description
界磁駆動用半導体素子と界磁電流還流素子を有し、前記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁回路と、前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段で検出した直流電圧を所定の目標電圧に制御するように前記界磁回路の界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、並びに前記界磁電流が正常に制御できない場合に前記界磁回路が異常と判定する界磁回路異常判定手段とを備え、前記界磁回路異常判定手段が前記界磁回路を異常と判定した場合に、前記ブリッジ制御手段は、前記ブリッジ回路の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうち、いずれか一方を全て導通状態にするものである。
以下、図を参照して、この発明に係る実施の形態ついて説明する。なお、全ての実施の形態において、同一符号は同一又は相当部分を示し、重複する説明を省略することがある。図1はこの発明の実施の形態1である界磁巻線式交流回転電機装置を示す構成図である。電力変換装置1は、2個のN型MOSFET(パワー半導体素子)を直列接続した直列体を2個並列に接続した相ブリッジ回路を、3個並列に接続して三相のブリッジ回路6を構成し、各N型MOSFETのゲートはブリッジ制御手段7で駆動制御される。N型MOSFETを直列接続した直列体の接続点より上部は上アームを構成し、下部は下アームを構成している。なお、N型MOSFETを直列接続した直列体を2個並列に接続して相ブリッジ回路を構成したが、N型MOSFETを直列接続した直列体を1個で相ブリッジ回路を構成してもよい。また、ブリッジ回路は、交流回転電機の相数に応じて、相ブリッジ回路の並列数を設けるものであり、3相以外に、2相や6相等の多相ブリッジ回路であってもよい。
実施の形態2.
図4は実施の形態2における界磁回路異常判定手段の構成を示すブロック図である。図5は図4の電圧偏差異常判定しきい値特性を示す図である。界磁回路異常判定手段11は、目標直流電圧値(Vtg)と直流電圧検出値(Vdc)との電圧偏差(Ve)が、界磁回路異常しきい値(Vref1,Vref2)と比較され、界磁回路異常を判定する。
図6は実施の形態3における界磁巻線式交流回転電機装置の動作を説明する制御ブロック図である。電力変換装置1は目標直流電圧値(Vtg)を、図示しない外部コントローラからの指令値として受け取り、電圧制御ループの目標直流電圧値として設定する。直流電源3の電圧値を直流電圧検出手段13にて読み取り、目標直流電圧値(Vtg)との差分を電圧偏差(Ve)として求める。目標界磁電流演算手段12は電圧偏差(Ve)を受け取り、目標界磁電流値(Iftg)を生成し、界磁電流制御ループの目標界磁電流として設定する。界磁巻線5に流れる界磁電流値(If)を界磁電流検出手段10にて読み取り、目標界磁電流値(Iftg)との差分を電流偏差(Ife)として求める。
図9は実施の形態4における界磁回路異常判定手段の構成を示すブロック図である。図10は実施の形態4におけるデューティ毎最大界磁電流値の基本特性を示す図である。界磁回路異常判定手段11は、界磁電流制御用のデューティ値(PW)と直流電圧値(Vdc)とからデューティ毎最大界磁電流値(Iref5)を求め、界磁電流検出値(If)と比較して界磁回路異常を判定する。
Ifr=V12/Rfmin×Duty ・・・ (1)
ただし、Ifr:デューティ毎最大界磁電流値基準値
V12:基準電圧(固定値)
Duty:界磁巻線印加デューティ
Iref5=Vdc/V12×Ifr ・・・ (2)
ただし、Iref5:デューティ毎最大界磁電流値
Ifr:デューティ毎最大界磁電流値基準値
Vdc:直流電圧検出値
V12:基準電圧(固定値)
説明上、比較結果=0を正常判定とし、比較結果=1を異常判定とする。通常、界磁電流値(If)はデューティ毎最大界磁電流値(Iref5)より小さく帰還制御されているので、比較結果=0である。しかし何らかの異常で界磁電流値(If)がデューティ毎最大界磁電流値(Iref5)より大きくなると、比較結果=1となり、界磁回路異常判定手段11は異常結果を出力する。
図11は実施の形態5における界磁回路異常判定手段の構成を示すブロック図である。図12は実施の形態5におけるオン故障時最小界磁電流値の基本特性を示す図である。界磁回路異常判定手段11は、直流電圧値(Vdc)からオン故障時最小界磁電流値(Iref6)を求め、界磁電流検出値(If)が、本来超過しない設定であるにもかかわらず、オン故障時最小界磁電流値(Iref6)を超えたときに界磁回路異常と判定する。
オン故障時最小界磁電流値特性の一例を示す。製造ばらつきなどを加味したうえで、高温時などの界磁巻線がとりうる最大抵抗値をRfmaxとすると、オン故障時最小界磁電流値の理論値は次の(3)式で求まる。
Ifmin=V12/Rfmax ・・・ (3)
ただし、Ifmin:オン故障時最小界磁電流値基準値
V12:基準電圧(固定値)
Iref6=Vdc/V12×Ifmin ・・・ (4)
ただし、Iref6:オン故障時最小界磁電流値
Ifmin:オン故障時最小界磁電流値基準値
Vdc:直流電圧検出値
V12:基準電圧(固定値)
実施の形態5によれば、完全オンできないために持てる装置性能をフルに発揮できない欠点が生じる。しかし、課題として前述したように電動発電機装置の場合であれば、エンジン始動時に大きな力行トルクを発生させる目的で最大界磁電流を大きく流せる界磁巻線設計となっている場合が多く、故に発電時は界磁電流をかなり制限して使用している。したがって、定常的に連続動作する発電動作期間に対して、エンジン始動など力行トルク発生時などの極短時間だけ界磁回路異常判定手段11の動作を停止させて、駆動デューティの上限設定を解除して完全オン可能に機能付加すれば、装置性能を低下させることがない。
実施の形態6では、力行時だけ界磁回路異常判定手段11の動作を停止させて完全オンさせているが、別な方法として、実施の形態7の方法もある。すなわち、力行時にはオン故障時最小界磁電流値にオフセット加算してしきい値を引き上げる方法もある。
Iref6’=Vdc/V12×Ifmin+Voffset ・・・ (5)
ただし、Voffset:オン故障時最小界磁電流値加算オフセット
図13は実施の形態8における界磁巻線式交流回転電機装置の動作を説明する制御ブロック図である。図14は実施の形態8における界磁回路異常判定手段を説明する図である。直流電圧の電圧制御ループ動作は、前記実施の形態3と同一であるため、説明は省略する。実施の形態3に比較して、さらに界磁巻線5の端子間電圧を検出する界磁巻線電圧検出手段14を備えている。界磁電流制御手段9の出力するオン/オフ信号と界磁巻線電圧検出手段14の出力Vfは界磁回路異常判定手段11に入力される。図14のとおり、実施の形態8における界磁回路異常判定手段11は、界磁電流制御用のデューティ値(PW)から得られるオンオフ出力設定と、界磁巻線5の端子間電圧(Vf)の高/低レベルの組み合わせ一致性を評価し、不一致の場合に界磁回路異常と判定する。
図16は実施の形態9におけるブリッジ制御手段の構成を示すブロック図である。図17は実施の形態9におけるブリッジ制御を実施したときの直流電圧特性を示す図である。
界磁回路異常判定手段11が正常と判定している場合、ブリッジ制御手段7は、前記電圧制御ループまたは前記電流制御ループによって生成される、通常時ゲート駆動パターンをブリッジ回路6へ出力する。界磁回路異常判定手段11が異常と判定している場合、ブリッジ制御手段7は、直流電源3あるいはブリッジ回路6の直流端の直流電圧が所定の上限しきい値(Vref10)を上回った時にブリッジ回路6の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうちいずれか一方を全てオン状態にして電機子巻線短絡を実施し、その直流電圧が所定の下限しきい値(Vref11)を下回るまでその状態を維持し、その直流電圧が下限しきい値(Vref11)を下回った時にブリッジ回路6の全オン状態を解除して、その直流電圧が上限のしきい値(Vref10)を上回るまでその状態を維持する。
次に、界磁駆動用半導体素子のオン抵抗温度特性や界磁巻線の抵抗温度係数を無視すると、界磁巻線抵抗値はほぼ固定値であるため、界磁電流値は次の(6)式で求まり、直流電圧で決まる値として扱うことが可能である。
If=Vdc/Rf ・・・ (6)
ただし、If:界磁電流値
Vdc:直流電圧
Rf:界磁巻線抵抗
Tf=If2×Ron×Rth×Khs ・・・ (7)
ただし、Tf:界磁駆動用半導体素子温度
Ron:界磁駆動用半導体素子の導通抵抗
Rth:界磁駆動用半導体素子と冷却手段の熱抵抗
Khs:冷却手段の放熱係数
実施の形態10では、界磁駆動用半導体素子の温度上昇の抑制に着目したが、実施の形態11では、界磁駆動用半導体素子以外の部品の温度上昇の抑制に着目した。(7)式の各変数値決定に際して、直流電圧(Vdc)を制御して、界磁電流(If)を減少させることによって、交流回転電機の鎖交磁束量が減り、電機子巻線に流れる電流も減少するため、ブリッジ回路6の発熱も減少する。ブリッジ回路6と界磁駆動回路8は装置の主要発熱源であり、両者の発熱を低減できるので、装置の環境温度上昇を緩和できる。一方、界磁駆動用半導体素子以外の部品各々の許容温度と前記部品各々の自己発熱および放熱係数によって、装置の環境温度上昇の影響度が異なる。その中で発煙・発火の可能性の高いものに対して、(7)式の各変数値を決定すれば、実施の形態9に対して、さらに長い所定の時間、電力変換装置の発煙または発火を防止できる。
実施の形態10では、界磁駆動用半導体素子の温度上昇の抑制に着目したが、実施の形態12では、車両のエンジン制御システムを停止させない、かつ車両電気負荷投入による直流電源の電源電圧変動で車両のエンジン制御システムを停止させないように最低限の電源電圧を確保することに着目した。具体的には実施の形態9の下限しきい値(Vref11)を車両のエンジン制御システムの最低許容電圧とすることである。
実施の形態12と比較して、着眼点の相違は、エンジンが所定の回転速度未満の場合に、エアコンやヘッドライトなどの大きな電気負荷投入による電源電圧低下で車両のエンジン制御システム最低許容電圧を下回らないようにすることと、エンジンの燃料供給系統や点火系統への供給電力不足などに起因するエンジンの回転安定性低下でのエンストを回避することにある。具体的には実施の形態9における下限しきい値(Vref11)を、車両のエンジン制御システム最低許容電圧に1[V]〜2[V]加算した電圧とする。
図18は実施の形態14におけるブリッジ制御手段の構成を示すブロック図である。界磁回路異常判定手段11が正常と判定している場合、ブリッジ制御手段7は、電圧制御ループまたは電流制御ループによって生成される、通常時ゲート駆動パターンをブリッジ回路6へ出力する。界磁回路異常判定手段11が異常と判定している場合、ブリッジ制御手段7は、界磁電流が所定の上限しきい値(Iref12)を上回った時にブリッジ回路6の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうちいずれか一方を全てオン状態にして電機子巻線短絡を実施し、界磁電流が所定の下限しきい値(Iref13)を下回るまでその状態を維持し、界磁電流が下限しきい値(Iref13)を下回った時にブリッジ回路6の全オン状態を解除して界磁電流が上限しきい値(Vref12)を上回るまでその状態を維持する。
電力変換装置1は、警告灯(図示していない)の点灯・消灯のための出力手段を持ち、警報灯は車両の運転者が認識可能にメータパネルに配置されており、界磁回路異常判定手段11が異常を判定した場合に、警告灯を点灯することで、運転者に対して避難運転およびシステムの停止を促す。それと同時に、前述してきた電機子巻線短絡制御や、オンオフ断続制御を実施して直流電源の過充電や過放電を抑止し、車両の発火など車両乗車員への危険を回避する。このように、全相上アームまたは全相下アームのパワー半導体を全てオン状態にするか、または全てオンオフ状態を断続するように駆動して、フェイルセーフ動作を実行しながら、乗車員に対して故障を警告し、乗車員による車両システム停止を促す。
図19は実施の形態16における電力変換装置一体型交流回転電機を示す断面図である。全ての制御的手段は回路基板15に構成されており、ブリッジ回路6を含み交流回転電機2の電力変換装置として機能する。電力変換装置は交流回転電機と一体的に搭載され、従来のオルタネータと同様に、交流回転電機の回転子が回転することによって発生する冷却風を電力変換装置の冷却媒体として兼用する。
3 直流電源 4 電機子巻線
5 界磁巻線 6ブリッジ回路
7 ブリッジ制御手段 8 界磁駆動回路
8a 界磁駆動用半導体素子 8b 界磁電流還流素子
9 界磁電流制御手段 10 界磁電流検出手段
11 界磁回路異常判定手段 12:目標界磁電流演算手段
13 直流電圧検出手段 14:界磁巻線電圧検出手段
15 回路基板
Claims (16)
- 電機子巻線と界磁巻線を有し、車両用発電機として機能し得る交流回転電機と、
パワー半導体素子を直列接続して上下アームを構成した相ブリッジ回路を、必要数並列接続すると共に、一対の直流端が充放電可能な直流電源及び負荷の両端に接続され、直列接続された前記パワー半導体素子の接続点が前記交流回転電機の電機子巻線の各端に個別に接続され、交流−直流電力変換あるいは直流−交流電力変換するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路を制御するブリッジ制御手段と、
界磁駆動用半導体素子と界磁電流還流素子を有し、前記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁回路と、
前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記直流電圧検出手段で検出した直流電圧を所定の目標電圧に制御するように前記界磁回路の界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、並びに
前記界磁電流が正常に制御できない場合に前記界磁回路が異常と判定する界磁回路異常判定手段とを備え、
前記界磁回路異常判定手段が前記界磁回路を異常と判定した場合に、前記ブリッジ制御手段は、前記ブリッジ回路の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうち、いずれか一方を全て導通状態にすることを特徴とする界磁巻線式交流回転電機装置。 - 前記界磁回路異常判定手段は、前記直流電圧検出手段で検出した直流電圧と前記所定の目標電圧との偏差が、所定のしきい値を超過した場合に、界磁回路異常と判定するようにしたことを特徴とする請求項1記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 界磁電流の目標電流を生成する目標界磁電流演算手段と、
界磁電流を検出する界磁電流検出手段を備え、
前記界磁回路異常判定手段は、前記目標電流と前記界磁電流との電流偏差が、所定のしきい値を超過した場合に、界磁回路異常と判定するようにしたことを特徴とする請求項1記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、
前記界磁電流制御手段は前記界磁駆動用半導体素子をPWM制御しており、PWM制御時のデューティに応じて界磁巻線に流れうる最大電流と同じかあるいはそれ以上の電流をデューティ毎最大界磁電流として記憶する記憶手段とを備え、
前記界磁電流異常判定手段は、前記界磁電流検出手段で検出された界磁電流が、PWM制御時のデューティに応じて決まる前記デューティ毎最大界磁電流に基づく値を超過した場合に、界磁回路異常と判定するようにしたことを特徴とする請求項1記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 前記界磁駆動用半導体素子の導通率が所定の上限値で制限されていると共に、
界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、
前記界磁駆動用半導体素子がオン故障となった場合に界磁巻線に流れうる最小限の電流と同じかあるいはそれ以下の電流をオン故障時最小界磁電流として記憶する記憶手段を備え、前記界磁回路異常判定手段は、前記界磁電流検出値が検出した界磁電流が、前記記憶手段で記憶されたオン故障時最小界磁電流に基づく値を超過した場合に、界磁回路異常と判定するようにしたことを特徴とする請求項1記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 前記交流回転電機を力行動作させる場合に、
前記界磁回路異常判定手段は、オン故障時最小界磁電流を利用した界磁回路異常判定を禁止するようにしたことを特徴とする請求項5記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 界磁巻線の端子間電圧を検出する界磁巻線電圧検出手段を備え、
前記界磁回路異常判定手段は、前記界磁電流制御手段の出力するオン又はオフ信号と、前記界磁巻線電圧検出手段によって検出された端子間電圧の高又は低レベルの論理が不一致である場合に、界磁回路異常と判定するようにしたことを特徴とする請求項1記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧における所定の上限しきい値と所定の下限しきい値を記憶する記憶手段を備え、
前記界磁回路異常判定手段によって異常と判定された場合、前記ブリッジ制御手段は、前記直流電圧検出手段で検出する直流電圧が前記上限しきい値を上回った時に前記ブリッジ回路の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうちいずれか一方を全てオン状態にしてその直流電圧が前記下限しきい値を下回るまでその状態を維持し、その直流電圧が前記下限しきい値を下回った時に前記ブリッジ回路の全オン状態を解除してその直流電圧が前記上限しきい値を上回るまでその状態を維持するようにしたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧における所定の上限しきい値と所定の下限しきい値の平均値は、前記界磁駆動用半導体素子の温度が、所定の時間、所定温度以内に収まるように設定することを特徴とする請求項8記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧における所定の上限しきい値と所定の下限しきい値の平均値は、ブリッジ回路を含む電力変換装置の内部部品であって前記界磁駆動用半導体素子以外の部品温度が、所定の時間、所定温度以内に収まるように設定することを特徴とする請求項8記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧における所定の前記下限しきい値は、車両のエンジン制御システムが動作可能な最低電圧と同じか、あるいは前記最低電圧よりも高い電圧に設定するようにしたことを特徴とする請求項8記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 前記直流電源あるいは前記ブリッジ回路の直流端の直流電圧における所定の前記下限しきい値は、エンジンが所定の回転速度未満の場合には、前記下限しきい値よりもさらに高い電圧に変更設定可能とすることを特徴とする請求項11記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、
界磁電流の所定の上限しきい値と所定の下限しきい値を記憶する記憶手段とを備え、
前記界磁回路異常判定手段によって異常と判定された場合、前記ブリッジ制御手段は、前記界磁電流検出手段で検出された界磁電流が前記上限しきい値を上回った時に前記ブリッジ回路の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうちいずれか一方を全てオン状態にしてその界磁電流が前記下限しきい値を下回るまでその状態を維持し、その界磁電流が前記下限しきい値を下回った時に前記ブリッジ回路の全オン状態を解除してその界磁電流が前記上限しきい値を上回るまでその状態を維持するようにしたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の界磁巻線式交流回転電機装置。 - 界磁電流の所定の前記上限しきい値は、前記交流回転電機を電動機として動作させる場合に設定する最大界磁電流相当あるいはそれ以下に設定するようにしたことを特徴とする請求項13記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 界磁電流の所定の前記上限しきい値は、前記交流回転電機を発電機として動作させる場合に設定する最大界磁電流相当あるいはそれ以下に設定するようにしたことを特徴とする請求項13記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
- 前記界磁回路異常判定手段が前記界磁回路を異常と判定した場合に、車両の乗務員に対して警報信号を出し、前記ブリッジ回路の全相の上アーム素子または全相の下アーム素子のうちいずれか一方に対して、全てオン状態にするか、または全てオンオフ状態を断続するようにしたことを特徴とする請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載の界磁巻線式交流回転電機装置。
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