JP4178933B2

JP4178933B2 - 電動機を用いた電力変換装置

Info

Publication number: JP4178933B2
Application number: JP2002353860A
Authority: JP
Inventors: 弘雄夫馬; 幸雄稲熊; 英雄中井
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP2004187450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置、特に電動機を用いて電力変換を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換の一例が特開２０００−１２０５９号公報（特許文献１）に示されている。特許文献１に示す燃料電池からの電気エネルギーを利用してモータを駆動する装置においては、並列接続されたバッテリ及びインバータと、燃料電池との間にＤＣ−ＤＣコンバータが設けられている。そして、燃料電池をエネルギー変換効率の高い動作ポイントで動作させるとともに、バッテリの出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより調整している。また、複数のステータコイルを有するモータを利用して所望の直流電圧を生成する装置が特許文献２〜５に示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１２０５９号公報
【特許文献２】
特開２００１−１５７４９６号公報
【特許文献３】
特開平８−２８９４０６号公報
【特許文献４】
特開２００２−２１８７９３号公報
【特許文献５】
特開２０００−３２４８７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示す装置においては、燃料電池とバッテリとの間の電力変換をＤＣ−ＤＣコンバータを用いて行っているので、装置の大型化及びコスト高を招いてしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型化及び低コスト化を実現できる電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第１の本発明に係る電力変換装置は、互いに電気的に絶縁され相互インダクタンスを有する複数の巻線を備え、該巻線に流れる交流電流により共通の回転子にトルクを発生可能な電動機と、各巻線に対応して設けられ、巻線への電力の送電及び巻線からの電力の受電が可能な電力送受手段と、各巻線に流れる電流を制御する電流制御手段と、を有し、各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であり、前記電流制御手段は、少なくとも１つの巻線に流れる電流に搬送波を付加し、該搬送波を用いて電力変換が行われることを特徴とする。
【０００７】
本発明においては、各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であるので、装置の小型化及び低コスト化を実現できる。さらに、少なくとも１つの巻線に流れる電流に搬送波が付加され、該搬送波を用いて電力変換が行われることにより、回転子の回転速度が低い場合でも電力変換能力を向上させることができる。
【０００８】
本発明の参考例に係る電力変換装置は、各巻線に流れる電流を制御する電流制御手段をさらに有し、該電流制御手段は、少なくとも１つの巻線に流れる電流を回転子を駆動するように制御し、かつ少なくとも１つの巻線に流れる電流を回転子を制動するように制御することを特徴とする。
【０００９】
この構成においては、少なくとも１つの巻線に流れる電流を回転子を駆動するように制御し、かつ少なくとも１つの巻線に流れる電流を回転子を制動するように制御することにより、電動機の駆動制御または制動制御を行いながら、電力送受手段間における電力変換を行うことができる。
【００１２】
第２の本発明に係る電力変換装置は、第１の本発明に記載の装置であって、回転子と負荷との間の変速比が可変である変速機構と、回転子の回転速度が所望の範囲内になるように該変速比を制御する変速制御手段と、をさらに有することを特徴とする。
【００１３】
この構成においては、回転子の回転速度が所望の範囲内になるように、回転子と負荷との間の変速比を制御することにより、負荷の回転速度に関係なく電力変換を効率よく行うことができる。
【００１４】
第３の本発明に係る電力変換装置は、第１または第２の本発明に記載の装置であって、前記電力送受手段の各々は、各巻線に対応して設けられた直流電源と、各巻線とそれに対応する直流電源との間における双方向の電力変換が可能なインバータと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの構成を示す図である。本実施形態における電動機駆動制御システムは、電動機１０、インバータ１２，１４、直流電源１６，１８及びコントローラ２０を備えている。
【００１７】
図２は、電動機１０の内部構成の概略の一例を示し、永久磁石型同期電動機の場合について示す。電動機１０は、２つの３相コイルＹ１，Ｙ２と、永久磁石を有する回転子Ｒと、を備えており、３相コイルＹ１，Ｙ２に流れる交流電流により共通の回転子Ｒにトルクを発生可能である。そして、３相コイルＹ１と３相コイルＹ２とは、電気的に絶縁されており、かつ高いコイル間結合度が得られるように近接配置されている。ただし、本実施形態においては、３相コイルＹ１と３相コイルＹ２との間に相互インダクタンスを有していればよく、コイルの近接配置は必須ではない。また、回転子Ｒには図示しない負荷が接続されている。
【００１８】
インバータ１２は、直列接続された１対のスイッチング素子からなるアームを３本備えており、直流電源１６からの直流電圧をスイッチング動作により１２０度ずつ位相が異なる３相交流に変換して３相コイルＹ１の各相に交流電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を供給する。さらに、インバータ１２は、３相コイルＹ１の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を直流に変換して直流電源１６に回生する方向の変換も可能である。同様に、インバータ１４も、直列接続された１対のスイッチング素子からなるアームを３本備えており、直流電源１８からの直流電圧をスイッチング動作により１２０度ずつ位相が異なる３相交流に変換して３相コイルＹ２の各相に交流電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を供給する一方、３相コイルＹ２の電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を直流に変換して直流電源１８に回生する方向の変換も可能である。このように、インバータ１２，１４は双方向の電力変換が可能であり、インバータ及び直流電源によって３相コイルへの電力の送電及び３相コイルからの電力の受電が可能な本発明の電力送受手段が実現される。
【００１９】
インバータ１２と３相コイルＹ１との間に３相コイルＹ１内の２相の電流を検出するための電流センサ１，２が設けられている。同様に、インバータ１４と３相コイルＹ２との間に３相コイルＹ２内の２相の電流を検出するための電流センサ３，４が設けられている。電流センサ１〜４による電流検出値はコントローラ２０内に読み込まれ、コントローラ２０内では３相コイルＹ１，Ｙ２の電流値が算出される。
【００２０】
電流制御手段としてのコントローラ２０は、３相コイルＹ１，Ｙ２に流れる電流を制御する。電流制御の一例としては以下のようにして行う。まずコントローラ２０は３相コイルＹ１，Ｙ２に関するｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値をそれぞれ演算する。一方、コントローラ２０は、電流センサ１〜４に基づく３相コイルＹ１，Ｙ２の電流検出値をｄ−ｑ座標系に変換することで、３相コイルＹ１，Ｙ２に関するｄ軸電流検出値及びｑ軸電流検出値をそれぞれ演算する。そして、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差及びｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差をそれぞれＰＩ補償した後に３相に変換する。それらの信号はキャリア信号と比較されることで時間変調された矩形波電圧に変換され、インバータ１２，１４を矩形波電圧によりスイッチング制御する。これによって、３相コイルＹ１，Ｙ２に流れる電流が制御される。
【００２１】
ここで、３相コイルＹ１に関するｄ軸電流及びｑ軸電流をそれぞれｉｄ₁，ｉｑ₁、３相コイルＹ２に関するｄ軸電流及びｑ軸電流をそれぞれｉｄ₂，ｉｑ₂、とすると、３相コイルＹ１に関するｄ軸電圧Ｖｄ₁及びｑ軸電圧Ｖｑ₁、３相コイルＹ２に関するｄ軸電圧Ｖｄ₂及びｑ軸電圧Ｖｑ₂は定常状態においてそれぞれ以下に示す式で表される。
【数１】

【００２２】
ただし、ωは電気角速度、Φは磁束鎖交数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｌｒは寄生インダクタンスであり、ここではＬｄ、Ｌｑ、ｌｒの値は３相コイルＹ１，Ｙ２で等しいとしている。そして、３相コイルＹ１の消費電力Ｐｙ₁及び３相コイルＹ２の消費電力Ｐｙ₂（ともに回転子Ｒの駆動用に消費される方向を正とする）は、それぞれ以下に示す式で表され、この式より消費電力Ｐｙ₁，Ｐｙ₂は電気角速度ωに比例することがわかる。
【数２】

【００２３】
本実施形態においては、３相コイルＹ１と３相コイルＹ２との間に相互インダクタンスを有しているので、一方の３相コイルに流れる電流により他方の３相コイルに電圧が誘起される。また、インバータ１２，１４は双方向の電力変換を行うことができる。したがって、直流電源１６と直流電源１８との間で双方向の電力変換を行うことができる。例えば、Ｐｙ₁＞０かつＰｙ₂＜０となるようにｉｄ₁，ｉｑ₁，ｉｄ₂，ｉｑ₂のそれぞれを制御することにより、直流電源１６から直流電源１８への電力変換を行うことができ、一方、Ｐｙ₁＜０かつＰｙ₂＞０となるようにｉｄ₁，ｉｑ₁，ｉｄ₂，ｉｑ₂のそれぞれを制御することにより、直流電源１８から直流電源１６への電力変換を行うことができる。
【００２４】
Ｐｙ₁＞０かつＰｙ₂＜０かつＰｙ₁＋Ｐｙ₂＞０のときは、直流電源１６からの電力については、一部は回転子Ｒ（負荷）の駆動用に消費され、残りは直流電源１８へ回生される。一方、Ｐｙ₁＜０かつＰｙ₂＞０かつＰｙ₁＋Ｐｙ₂＞０のときは、直流電源１８からの電力については、一部は回転子Ｒ（負荷）の駆動用に消費され、残りは直流電源１６へ回生される。
【００２５】
また、Ｐｙ₁＞０かつＰｙ₂＜０かつＰｙ₁＋Ｐｙ₂＜０のときは、直流電源１８へ回生される電力については、一部は回転子Ｒ（負荷）の回転エネルギーから回生され、残りは直流電源１６からの電力が回生される。一方、Ｐｙ₁＜０かつＰｙ₂＞０かつＰｙ₁＋Ｐｙ₂＜０のときは、直流電源１６へ回生される電力については、一部は回転子Ｒ（負荷）の回転エネルギーから回生され、残りは直流電源１８からの電力が回生される。これらの場合は、単なる電動機１０の回生制動より直流電源の充電能力を向上させることができる。
【００２６】
さらに、Ｐｙ₁＞０かつＰｙ₂＜０かつＰｙ₁＋Ｐｙ₂＝０のときは、直流電源１６からの電力については、回転子Ｒ（負荷）の駆動用に消費されずに直流電源１８へ回生される。一方、Ｐｙ₁＜０かつＰｙ₂＞０かつＰｙ₁＋Ｐｙ₂＝０のときは、直流電源１８からの電力については、回転子Ｒ（負荷）の駆動用に消費されずに直流電源１６へ回生される。これらの条件のように、回転子Ｒの駆動に消費される電力と回転子Ｒの制動により発生する電力とが釣り合うときは、電動機１０を駆動や回生制動させることなく直流電源１６と直流電源１８との間における電力変換が行われる。なお、ｉｄ₁＝ｉｄ₂、ｉｑ₁＝−ｉｑ₂とすれば、Ｐｙ₂＝−Ｐｙ₁を満たす。このときのＰｙ₁は以下に示す式で表される。
【数３】

【００２７】
本実施形態においては、３相コイルＹ１と３相コイルＹ２との間に相互インダクタンスを有しており、インバータ１２，１４は双方向の電力変換を行うことができるので、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく直流電源１６と直流電源１８との間で双方向の電力変換を行うことができる。したがって、駆動制御システムの小型化及び低コスト化を実現できる。さらに、３相コイルＹ１と３相コイルＹ２とは電気的に絶縁されているので、各電力系統内の電位を任意に設定することができる。例えば、直流電源１６の負極及び直流電源１８の負極を共通グランドとすることができる。また、３相コイルの巻数比の調整により電圧変換比率を調整でき、電圧変換比率の幅を広く取ることができる。
【００２８】
そして、一方のコイルに流れる電流を回転子Ｒを駆動するように制御し、かつ他方のコイルに流れる電流を回転子Ｒを制動するように制御することにより、電動機１０の駆動制御または制動制御を行いながら、直流電源１６と直流電源１８との間における電力変換を行うことができる。さらに、Ｐｙ₁＋Ｐｙ₂＝０を満たすように制御することにより、電動機１０を駆動や回生制動させることなく直流電源１６と直流電源１８との間における電力変換を行うことができる。
【００２９】
そして、本実施形態では、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に搬送波を付加してもよい。一例を挙げると、ｉｄ₁，ｉｑ₁，ｉｄ₂，ｉｑ₂が以下の式を満たすように制御を行う。
【数４】

【００３０】
ここで、ｉｄｏはｄ軸電流の定数分、ａ，ｂは搬送波の振幅、ｔは時間である。ωｎは搬送波の角速度であり、ωｎ＞ωである。また、Ａ，Ｂは以下に示す式で表される。
【数５】

【００３１】
ここで、Φｎは磁束鎖交数、Ｔｎは電動機トルク、Ｐｒは極対数である。
【００３２】
この構成においては、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に搬送波を付加することにより、搬送波により電力変換が行われるので、回転子Ｒの回転速度が低い場合でも電力変換能力を向上させることができる。さらに、前記の式を満たすようにｉｄ₁，ｉｑ₁，ｉｄ₂，ｉｑ₂を制御することにより、搬送波成分による回転子Ｒのトルク発生を防止できる。なお、搬送波を付加する制御については回転子Ｒの回転速度が低い場合に特に有効なので、回転子Ｒの回転速度が所定値以下のときに搬送波を付加する制御を行うようにしてもよい。
【００３３】
さらに、本実施形態では、電動機１０の回転子Ｒと負荷との間に変速比が可変である変速機構を設けてもよい。図３は、変速機構の一例として遊星歯車２２を用いた場合を示している。図３に示す構成においては、電動機１０の３相コイルＹ２はインバータ１４を介して電源系２７と接続されている。電源系２７は、インバータ２６を介して電動機２４の３相コイルＹ４と接続されており、さらに駆動系２９と接続されている。電源系２７の一例としては、コンデンサやバッテリーを用いることができる。そして、電動機１０の出力軸（回転子Ｒ）、電動機２４の出力軸及び図示しない負荷は、遊星歯車２２のサンギヤ、リングギヤ及びキャリアとそれぞれ連結されている。ただし、その間の接続関係は任意に設定できる。また、インバータ１４に接続する直流電源として主バッテリー１６を用いている。図３に示す構成においては、電動機２４の出力軸回転速度を制御することにより、電動機１０の回転子Ｒと負荷との間の変速比が制御される。そして、コントローラ２０（図３では図示を省略）は、電動機１０の回転子Ｒの回転速度が所望の値または所望の範囲内になるように、電動機２４の出力軸回転速度を制御する。ここでの所望の値または所望の範囲については、電動機１０の許容回転速度以下の範囲内で高回転速度である方が好ましい。
【００３４】
図３に示す構成においては、電動機１０の回転子Ｒの回転速度が所望の値または所望の範囲内に保たれることにより、負荷の回転速度に関係なく主バッテリー１６と電源系２７との間の双方向の電力変換を効率よく行うことができる。したがって、図３の構成により、負荷を駆動または制動するとともに、電源系２７に主バッテリー１６とは異なる電圧の電力を供給することができ、電源系２７により駆動系２９に最適な電圧で電力を供給することが低コストで実現できる。なお、ここでの変速機構については、電動機１０の回転子Ｒと負荷との間の変速比が可変であればよいので、遊星歯車に限るものではなく、例えば他の歯車機構やＣＶＴ等を用いてもよい。
【００３５】
さらに、本発明の他の適用例を図４，５に示す。
【００３６】
図４は、ハイブリッド車両の駆動制御システムに本発明を適用した場合の構成の概略を示す図である。この構成においては、遊星歯車２２のキャリアにエンジン２８の出力軸が連結されている。そして、電動機２４の出力軸にはギア３０を介して図示しない車輪がさらに連結されている。他の構成については図３に示す構成と同様であるため説明を省略する。この構成においても車輪の回転速度に関係なく主バッテリー１６と電源系２７との間の双方向の電力変換を効率よく行うことができる。さらに、３相コイルＹ２の巻数を３相コイルＹ１の巻数より大きくすることにより、主バッテリー１６の電圧に対して電動機２４の駆動電圧を高く設定することができ、電動機２４の駆動電流を下げることができる。したがって、インバータ１４，２６内の各素子の容量を小さくできる。
【００３７】
図５は、燃料電池車両の駆動制御システムに本発明を適用した場合の構成の概略を示す図である。この構成においては、インバータ１２に接続する直流電源として燃料電池１６を用いている。電動機１０は、３つの３相コイルＹ１，Ｙ２，Ｙ３に流れる交流電流により共通の回転子Ｒにトルクを発生可能である。そして、３相コイルＹ１，Ｙ２，Ｙ３は、互いに電気的に絶縁されており、かつ高いコイル間結合度が得られるように近接配置されている。さらに、３相コイルＹ３はインバータ３２を介してバッテリー３４と接続されている。また、遊星歯車２２のキャリアはギア３６を介して車輪３８と連結されている。そして、ここでは電源系としてコンデンサ２７を用いている。他の構成については図３，４に示す構成と同様であるため説明を省略する。
【００３８】
図５に示す構成においても、車輪３８の回転速度に関係なく燃料電池１６、バッテリー３４及びコンデンサ２７間に関する双方向の電力変換を効率よく行うことができる。さらに、燃料電池１６と他の駆動電力系とは電気的に絶縁されているので、燃料電池１６の電位を安定に保つことができる。
【００３９】
本発明における電力送受手段の構成は、インバータ及び直流電源に限るものではなく、電力の送電及び受電が可能であるならばいかなる構成であってもよい。例えば、インバータの代わりにサイクロコンバータを用いることも可能である。さらに、電気エネルギーを保持する手段としては、バッテリーやコンデンサに限るものではなく、エネルギーの保持が可能であるならばいかなる構成であってもよい。また、電動機１０については、永久磁石型同期電動機に限るものではなく、交流電動機であるならば本発明の適用が可能である。さらに、図５の構成に示すように、本発明の適用が可能なコイルの数は２つに限るものではなく、互いに電気的に絶縁され相互インダクタンスを有する複数のコイルを電動機が備えていれば本発明の適用が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であるので、電力変換装置の小型化及び低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に用いられる電動機の内部構成の概略の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの他の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの他の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電動機駆動制御システムの他の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０電動機、１２，１４，２６，３２インバータ、１６，１８直流電源、２０コントローラ、２２遊星歯車、Ｒ回転子、Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４３相コイル。

Claims

互いに電気的に絶縁され相互インダクタンスを有する複数の巻線を備え、該巻線に流れる交流電流により共通の回転子にトルクを発生可能な電動機と、
各巻線に対応して設けられ、巻線への電力の送電及び巻線からの電力の受電が可能な電力送受手段と、
各巻線に流れる電流を制御する電流制御手段と、
を有し、
各巻線間における相互インダクタンスにより、各電力送受手段間における双方向の電力変換が可能であり、
前記電流制御手段は、少なくとも１つの巻線に流れる電流に搬送波を付加し、
該搬送波を用いて電力変換が行われることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
回転子と負荷との間の変速比が可変である変速機構と、
回転子の回転速度が所望の範囲内になるように該変速比を制御する変速制御手段と、
をさらに有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
前記電力送受手段の各々は、
各巻線に対応して設けられた直流電源と、
各巻線とそれに対応する直流電源との間における双方向の電力変換が可能なインバータと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。