JPH1070886A - 多重パルス幅変調方式の電力変換装置 - Google Patents

多重パルス幅変調方式の電力変換装置

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JPH1070886A
JPH1070886A JP8246499A JP24649996A JPH1070886A JP H1070886 A JPH1070886 A JP H1070886A JP 8246499 A JP8246499 A JP 8246499A JP 24649996 A JP24649996 A JP 24649996A JP H1070886 A JPH1070886 A JP H1070886A
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沢　　俊裕
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３相交流電動機を駆動し、低電圧のバッテリ
に対応する電力変換装置を提供する。 【解決手段】 ユニット１１は、バッテリ１２11、１２
12、１２13と、各バッテリ１２11、１２12、１２13の直
流電力を単相交流電力に変換し、互いに直列に接続され
た単相ＰＷＭインバータ１３11、１３12、１３13で構成
されている。ユニット１１2 、１１3 もユニット１１1
と同じ構成である。単相ＰＷＭインバータ１３13、単相
ＰＷＭインバータ１３23、単相ＰＷＭインバータ１３3
の単相交流端子ｓはスター接続され、充電用電源２とス
イッチ３を介して３相交流電動機１の中性点ａに接続さ
れている。単相ＰＷＭインバータ１３11、単相ＰＷＭイ
ンバータ１３21、単相ＰＷＭインバータ１３31の単相交
流端子ｒはそれぞれ電動機１の入力端子ｕ，ｖ，ｗに接
続されている。ユニット１１1 、１１2 、１１3 の出力
電圧は電気角で１２０°ずれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はバッテリを主電源と
する電気自動車などの電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電気自動車の電力変換装置には、
電源として高電圧のバッテリを必要としていた。図１５
は従来の電気自動車用インバータの回路図である。イン
バータ５０２はバッテリ５０３の直流電力を一般的に図
１５のように半導体スイッチ６０１〜６０６を用いて３
相交流電力へ変換し、交流電動機５０１を駆動する。こ
のインバータ５０２では半導体スイッチ６０１〜６０６
の接続から交流電動機５０１に相間電圧として出力でき
る電圧の最大値がバッテリ電圧と等しくなる。交流電動
機５０１には、比較的安価な２００Ｖの電動機が使用さ
れるのが一般的である。このためインバータ５０２の交
流出力として３相２００Ｖ交流電力を得るには、インバ
ータ５０２の入力電圧として最低でも交流２００Ｖの振
幅である２８２Ｖ（≒２００×２1/2 ）より高い直流電
圧が必要となる。したがって、２００Ｖの電動機を駆動
するには、おおよそ３００Ｖ程度の電圧をもつバッテリ
が必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、バッテリで高
電圧を作るためには、１つのセルが数Ｖのバッテリを百
数十個程度直列に接続しなければならない。また、この
ような多数個直列接続されたバッテリを充電するには、
バッテリよりも高電圧の直流電圧を充電器によって作り
出さなければならない。セルを多数直列接続したバッテ
リを充電する場合、セルの特性に個体差があるため、各
セルの電圧を完全に均等することができず、各セルの充
電状態にばらつきが生ずる。さらに、数百Ｖ程度に多数
個直列接続されたバッテリの場合には、バッテリに加え
る充電電圧も高く個々のセルの充電状態のばらつきが無
視できないほど大きくなるため、できるだけバッテリの
直列接続数を減らし充電電圧を低くする方がよい。しか
しバッテリの電圧を低くすると交流電動機に必要な直流
電圧を得ることができない。
【０００４】本発明の目的は、３相交流電動機を可変速
駆動し、低電圧のバッテリに対応する、多重パルス幅変
調方式の電力変換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の、多重パ
ルス幅変調方式の電力変換装置は、直流電源または１個
以上のバッテリセルより構成されるｎ個（ｎ≧２）のバ
ッテリと、該バッテリの各々の直流電力を単相交流電力
に変換するｎ個の電力変換器を１ユニットとして３ユニ
ット有し、各ユニット内の単相交流端子は直列に接続さ
れ、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器
の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方
が互いにスター接続され、他方は３相交流電動機の３個
の入力端子の各々に接続されており、各ユニット内のｎ
個の電力変換器の単相交流端子に出力される交流出力が
同位相になるように前記電力変換器を制御し、さらに３
個のユニット間の交流出力が電気角で１２０°ずれるよ
うに多重パルス幅変調を行う制御回路を有する。
【０００６】上記の構成の電力変換装置を用いて３相交
流電動機の可変速駆動を行うに当たり、多重パルス幅変
調の波形制御を行うので、低歪み波形の出力電圧、出力
電流が得られ、直流から交流の直接変換であるので、電
力の供給と回生も自由に行うことができる。本発明の第
２の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置は、第１の
電力変換装置の各ユニットに、自ユニット内の各バッテ
リの残存容量を検出する残存容量検出器をさらに有し、
前記各残存容量検出器で検出された残存容量により、直
列に接続されたｎ個の前記電力変換器の交流電圧の基本
波振幅の比を決定する手段を有する。バッテリの残存容
量により、直列接続された単相電力変換器の出力電圧の
基本波振幅の比を決定することで、３相交流電動機を効
率的に駆動することができ、それにつながるバッテリを
効率的に充電することができる。
【０００７】本発明の第３の、多重パルス幅変調方式の
電力変換装置は、直流電源または１個以上のバッテリセ
ルより構成されるバッテリと、前記バッテリの直流電力
を交流電力に変換するｎ個（ｎ≧２）の第１の電力変換
器と、各第１の電力変換器の出力を絶縁するｎ個のトラ
ンスと、各トランスからの電力を単相交流電力に変換す
るｎ個の第２の電力変換器を１ユニットとして３ユニッ
トを有し、各ユニット内の単相交流端子は直列に接続さ
れ、各ユニット内の単相交流端子の内、他の第２の電力
変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子
の一方が互いにスター接続され、他方は３相交流電動機
の３個の入力端子の各々に接続されており、各ユニット
内のｎ個の第２の電力変換器の単相交流端子に出力され
る交流出力が同位相になるように第２の電力変換器を制
御し、さらに３個のユニット間の交流出力が電気角で１
２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う制御回路を
有する。
【０００８】上記の構成の電力変換装置を用いて３相交
流電動機の可変速駆動を行うに当たり、バッテリの電力
を一旦交流電力に変換しトランスで絶縁した後に多重化
するので、１つのバッテリを電源とした多重化が可能と
なる。また、複数のモジュールからなる各ユニットでそ
れぞれ単相パルス幅変調の波形制御を行うので、低歪み
波形の出力電圧、出力電流が得られ、電力の供給と回生
も自由に行うことができる。また、充電時にはバッテリ
をそれぞれのユニットの回生モードで充電できるため、
電力変換装置自体に充電機能を組み込むことができる。
本発明の第４の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置
は、直流電源または１個以上のバッテリセルより構成さ
れるバッテリと、前記バッテリの直流電力を交流電力に
変換する第１の電力変換器と、前記第１の電力変換器の
出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトラン
スと、前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電
力に変換するｎ個（ｎ≧２）の第２の電力変換器を１ユ
ニットとして３ユニットを有し、各ユニット内の単相交
流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子
の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていな
い単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は
３相交流電動機の３個の入力端子の各々に接続されてお
り、各ユニット内のｎ個の第２の電力変換器の単相交流
端子に出力される交流出力が同位相になるように第２の
電力変換器を制御し、さらに３個のユニット間の交流出
力が電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調を
行う制御回路を有する。この場合、バッテリ、第１の電
力変換器、トランスを各ユニットに対して１個ずつ設け
ることもできる。
【０００９】上記の構成の電力変換装置を用いて３相交
流電動機の可変速駆動を行うに当たり、バッテリの電力
を一旦交流電力に変換しトランスで絶縁した後に多重化
するので、１つのバッテリを電源とした多重化が可能と
なる。また、複数の第２の電力変換器からなる３ユニッ
トでそれぞれ多重パルス幅変調の波形制御を行うので、
低歪み波形の出力電圧、出力電流が得られ、電力の供給
と回生も自由に行うことができる。また、充電時にはバ
ッテリをそれぞれのユニットの回生モードで充電できる
ため、電力変換装置自体に充電機能を組み込むことがで
きる。本発明の実施態様によれば、前記３ユニットの単
相交流端子のスター接続点と前記３相交流電動機の巻線
の中性点との間に充電用電源とオン／オフスイッチが直
列に接続されている。
【００１０】この場合、各電力変換器のスイッチ素子の
導通状態の切り替えによって前記スイッチをオンにした
あと、当該電力変換器内のバッテリの個別充電または一
括充電を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形
態の電力変換装置の構成図である。本実施形態の電力変
換装置は、３相交流電動機１を可変速駆動するもので、
３つのユニット１１1 、１１2 、１１3 で構成されてい
る。ユニット１１1 は、１個以上のバッテリセルより構
成される３個のバッテリ１２11、１２12、１２13と、そ
れぞれバッテリ１２11、１２12、１２13の直流電力を単
相交流電力に変換する電力変換器である単相ＰＷＭイン
バータ１３11、１３ 12、１３13で構成されている。ユニ
ット１１2 は、１個以上のバッテリセルより構成される
３個のバッテリ１２21、１２22、１２23と、それぞれバ
ッテリ１２21、１２22、１２23の直流電力を単相交流電
力に変換する電力変換器である単相ＰＷＭインバータ１
３21、１３22、１３23で構成されている。ユニット１１
3 は、１個以上のバッテリセルより構成される３個のバ
ッテリ１２31、１２32、１２33と、それぞれバッテリ１
２31、１２32、１２33の直流電力を単相交流電力に変換
する電力変換器である単相ＰＷＭインバータ１３31、１
３32、１３33で構成されている。
【００１２】単相ＰＷＭインバータ１３11の単相交流端
子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３12の単相交流端子ｒに
接続され、単相ＰＷＭインバータ１３12の単相交流端子
ｓは単相ＰＷＭインバータ１３13の単相交流端子ｒに接
続されている。単相ＰＷＭインバータ１３21の単相交流
端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３22の単相交流端子ｒ
に接続され、単相ＰＷＭインバータ１３22の単相交流端
子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３23の単相交流端子ｒに
接続されている。単相ＰＷＭインバータ１３31の単相交
流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３32の単相交流端子
ｒに接続され、単相ＰＷＭインバータ１３32の単相交流
端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３33の単相交流端子ｒ
に接続されている。単相ＰＷＭインバータ１３11、１３
21、１３ 31の単相交流端子ｒはそれぞれ３相交流電動機
１の入力端子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。単相ＰＷＭ
インバータ１３13、１３23、１３33の単相交流端子ｓは
スター接続されている（中性点ｂ）。
【００１３】３相交流電動機１の中性点ａと中性点ｂの
間には、充電用電源２と、バッテリ１２11〜１２33の充
電時、充電用電源２を３相交流電動機１に接続するスイ
ッチ３が直列に接続されている。図２は各ユニット１１
1 〜１１3 の詳細な回路図である。単相ＰＷＭインバー
タ１３i1（ｉ＝１〜３）は直流端子Ｐ、Ｎと単相交流端
子ｒ、ｓを有し、半導体スイッチ２１１〜２１４と、コ
ンデンサ２０１と、出力電圧指令Ｖ1 * （＝Ｖ*／３、
Ｖ* は１ユニット出力電圧指令）によりＰＷＭ波形を作
り、信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４によりそれぞ
れ半導体スイッチ２１１、２１２、２１３、２１４をオ
ン／オフさせる、制御回路であるＰＷＭ発生器１４i1で
構成されている。単相ＰＷＭインバータ１３i2（ｉ＝１
〜３）は直流端子Ｐ、Ｎと単相交流端子ｒ、ｓを有し、
半導体スイッチ２２１〜２２４と、コンデンサ２０２
と、出力電圧指令Ｖ2 *（＝Ｖ* ／３，Ｖ* は１ユニット
出力電圧指令）によりＰＷＭ波形を作り、信号Ｓ２１、
Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４によりそれぞれ半導体スイッチ
２２１、２２２、２２３、２２４をオン／オフさせる、
制御回路であるＰＷＭ発生器１４i2で構成されている。
単相ＰＷＭインバータ１３i3（ｉ＝１〜３）は直流端子
Ｐ、Ｎと単相交流端子ｒ、ｓを有し、半導体スイッチ２
３１〜２３４と、コンデンサ２０３と、出力電圧指令Ｖ
3 *（＝Ｖ* ／３、Ｖ* は１ユニット出力電圧指令）によ
りＰＷＭ波形を作り、信号Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３４によ
りそれぞれ半導体スイッチ２３１、２３２、２３３、２
３４をオン／オフさせる、制御回路であるＰＷＭ発生器
１４i3で構成されている。
【００１４】ユニット１１1 の単相ＰＷＭインバータ１
３11、１３12、１３13の単相交流端子ｒ，ｓに出力され
る交流出力の基本波電圧は同位相になるようにＰＷＭ発
生器１４11、１４12、１４13で制御される。ユニット１
１2 の単相ＰＷＭインバータ１３21、１３22、１３23の
単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出力の基本波電
圧、ユニット３の単相ＰＷＭインバータ１３31、１
３32、１３33の単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出
力の基本波電圧も同様に同位相になるようにＰＷＭ発生
器１４21〜１４23、１４31〜１４33で制御される。そし
てユニット１１1 、１１2 、１１3 間では交流出力の位
相が電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調が
行われる。ここで、３相交流電動機１の３個の入力端子
ｕ，ｖ，ｗ間にかかる相間電圧Ｖuv, Ｖvw, Ｖwuと各ユ
ニット１１1 、１１2 、１１3 の交流出力電圧Ｖu ，Ｖ
v ，Ｖw との関係を電圧ベクトル図として図３に示す。
この図３から各ユニット１１1 〜１１3 が出力するのに
必要な電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw は相間電圧Ｖuv, Ｖvw，Ｖ
wuの振幅の１／３1/2 でよいことが分かる。また、各ユ
ニット１１1 〜１１3 が３個の単相ＰＷＭインバータで
構成されているので、各単相ＰＷＭインバータ１３11〜
１３33の出力電圧の最大値は３相交流電動機１の相間電
圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３・３1/2 でよく、単
相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33のバッテリ電圧も３
相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの１／３・
３1/2 より高い電圧であればよい。したがって、バッテ
リ１２11〜１２33は従来に比べて低電圧のものを使用す
ることが可能となる。
【００１５】バッテリ１２11〜１２33の充電時には充電
用電源２が中性点ａとｂにスイッチ３によって接続され
るため、３つのユニット１１1 〜１１3 は充電用電源２
と並列に接続され、バッテリ１２11〜１２33が充電され
る。このとき、各単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33
の半導体スイッチ２１１〜２１４、２２１〜２２４、２
３１〜２３４の導通状態の切り替えによって、各バッテ
リ１２11〜１２33の個別充電や直列接続での充電が可能
となる。また、単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33の
スイッチ素子２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１
〜２３４を、充電用電源２の極性に合わせてバッテリ１
２11〜１２33が充電されるように制御することによっ
て、充電用電源２として交流電源も使用可能となる。さ
らに、３相交流電動機１の巻線に存在するリアクトル分
が大きい交流電動機の場合には、単相ＰＷＭインバータ
１３11〜１３33のスイッチ素子２１１〜２１４、２２１
〜２２４、２３１〜２３４と３相交流電動機１の巻線リ
アクトル４とで図４のようなＰＷＭコンバータを構成す
ることができ、ＰＷＭコンバータは電源電圧を昇圧でき
るため、充電用電源電圧がバッテリ電圧よりも低い場合
でもバッテリ１２11〜１２33の充電が可能となる。
【００１６】なお、本実施形態ではＰＷＭ発生器を各単
相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33に備えているが、１
ユニットに１つのＰＷＭ発生器を備えてユニット内の３
つの単相ＰＷＭインバータを制御するようにしてもよ
い。図５は図１の電力変換装置の１ユニットの出力電圧
Ｖおよび１ユニット内の３個のＰＷＭインバータの出力
電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 （図２）の基本波の波形図であ
る。図５からわかるように、１ユニットの出力電圧Ｖ
と、３個の単相ＰＷＭインバータの交流電圧Ｖ1 、Ｖ
2 、Ｖ3 の基本波の和は等しく、また３個のＰＷＭイン
バータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波は全て等し
い。しかし、このように出力電圧Ｖを制御すると、バッ
テリの残存容量にばらつきがある場合、残存容量の少な
いバッテリは、他のバッテリより早く出力不能になるた
め、全体では残存容量が十分あるにも関わらず出力不能
になる。また、バッテリを充電する場合、セルの特性に
個体差があるため、各セルの充電状態にばらつきが生じ
るという問題が生じる。
【００１７】図６は上記問題点を解決した本発明の第２
の実施形態の多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構
成図である。本実施形態は第１の実施形態の電力変換装
置に、ユニット１１1 の各バッテリ１２11、１２12、１
２13の残存容量を検出する残存容量検出器１５11、１５
12、１５13と、ユニット１１2 の各バッテリ１２21、１
２22、１２23の残存容量を検出する残存容量検出機器１
５21、１５22、１５23と、ユニット１１3 の各バッテリ
１２31、１２32、１２33の残存容量を検出する残存容量
検出器１５31、１５32、１５33と、残存容量検出器１５
11、１５12、１５13から検出された残存容量により単相
ＰＷＭインバータ１３11、１３12、１３13の出力電圧指
令を求め、ＰＷＭ発生器１４11、１４12、１４13に出力
する出力電圧指令演算器１６1 と、残存容量検出器１５
21、１５22、１５23から検出された残存容量により単相
ＰＷＭインバータ１３21、１３22、１３23の出力電圧指
令を求め、ＰＷＭ発生器１４21、１４22、１４23に出力
する出力電圧指令演算器１６2 と、残存容量検出器１５
31、１５32、１５23から検出された残存容量により単相
ＰＷＭインバータ１３31、１３32、１３33の出力電圧指
令を求め、ＰＷＭ発生器１４31、１４32、１４33に出力
する出力電圧指令演算器１６3 とが付加されて構成され
ている。
【００１８】図７は各ユニット１１1 〜１１3 の詳細な
回路図である。１ユニットの出力電圧指令値をＶ* 、単
相ＰＷＭインバータ１３i1、１３i2、１３i3（ｉ＝１〜
３）の出力電圧指令値をそれぞれＶ1 *、Ｖ2 *、Ｖ3 *とす
ると、出力電圧指令演算器１６i1（ｉ＝１〜３）は３相
交流電動機１の駆動時、１ユニットの出力電圧指令Ｖ *
と、残存容量検出器１５i1，１５i2，１５i3で検出され
たバッテリ１２i1、１２i2，１２i3の残存容量Ｑ1 、Ｑ
2 、Ｑ3 により、単相ＰＷＭインバータ１３i1、１
３i2、１３i3の出力電圧指令Ｖ1 *、Ｖ2 * 、Ｖ3 * をそ
れぞれ次式（１）、（２）、（３） Ｖ1 *＝｛Ｑ1 ／（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ）｝×Ｖ* ・・（１） Ｖ2 *＝｛Ｑ2 ／（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ）｝×Ｖ* ・・（２） Ｖ3 *＝｛Ｑ3 ／（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ）｝×Ｖ* ・・（３） より算出し、それぞれＰＷＭ発生器１４i1、１４i2、１
４i3に出力する。ＰＷＭ発生器１４i1、１４i2，１４i3
はこれら出力電圧指令Ｖ1 *、Ｖ2 *、Ｖ3 *によりＰＷＭ波
形を作り、半導体スイッチ２１１〜２１４、２２１〜２
２４、２３１〜２３４をオン／オフさせる。
【００１９】例えば、Ｑ1 ＝８０％、Ｑ2 ＝５０％、Ｑ
3 ＝２０％のときは、Ｖ1 *＝０．５３Ｖ* 、Ｖ2 * ＝
０．３３Ｖ* ，Ｖ3 * ＝０．１３Ｖ* となる。このとき
の１ユニットの出力電圧Ｖの基本波、各単相ＰＷＭイン
バータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波を図８に示
す。充電時、出力電圧指令演算器１６i1（ｉ＝１〜３）
は、１ユニットの出力電圧指令Ｖ*と、残存容量検出器
１５i1，１５i2，１５i3により検出されたバッテリ１２
i1、１２i2，１２i3の残存容量Ｑ1 、Ｑ2 、Ｑ3 によ
り、単相ＰＷＭインバータ１３i1、１３i2、１３i3の出
力電圧指令Ｖ1 *、Ｖ2 * 、Ｖ3 * をそれぞれ次式
（４）、（５）、（６） Ｖ1 *＝｛（１−Ｑ1 ）／（１−（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ））｝×Ｖ* ・・（４） Ｖ2 *＝｛（１−Ｑ2 ）／（１−（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ））｝×Ｖ* ・・（５） Ｖ3 *＝｛（１−Ｑ3 ）／（１−（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ））｝×Ｖ* ・・（６） より算出し、それぞれＰＷＭ発生器１４i1、１４i2、１
４i3に出力する。ＰＷＭ発生器１４i1、１４i2，１４i3
はこれら出力電圧指令Ｖ1 *、Ｖ2 *、Ｖ3 *によりＰＷＭ波
形を作り、半導体スイッチ２１１〜２１４、２２１〜２
２４、２３１〜２３４をオン／オフさせる。
【００２０】例えば、Ｑ1 ＝８０％、Ｑ2 ＝５０％、Ｑ
3 ＝２０％のときは、Ｖ1 *＝０．１３Ｖ* 、Ｖ2 * ＝
０．３３Ｖ* 、Ｖ3 * ＝０．５３Ｖ* となる。このとき
の１ユニットの出力電圧Ｖの基本波、各単相ＰＷＭイン
バータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波を図９に示
す。本実施形態によれば、それぞれのバッテリの残存容
量が異なる場合でも、３相交流電動機１を効率的に駆動
することができ、またバッテリを効率良く充電すること
ができる。図１０は本発明の第３の実施形態の、多重パ
ルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。本実施
形態の電力変換装置は、１個以上のバッテリセル構成さ
れるバッテリ２２と、３つのユニット２１1 、２１2 、
２１3 で構成されている。
【００２１】ユニット２１1 は３つのインバータモジュ
ール２３11、２３12、２３13、ユニット２１2 は３つの
インバータモジュール２３21、２３22、２３23、ユニッ
ト２１3 は３つのインバータモジュール２３31、２
３32、２３33で構成されている。インバータモジュール
２３11、２３12、・・・、２３33はいずれも同じ構成
で、直流端子Ｐ，ＮとＤＣ←→ＡＣインバータ２４と絶
縁トランス２５とＡＣ←→ＡＣインバータ２６と単相交
流端子ｒ，ｓで構成されている。インバータモジュール
２３11、２３12、・・・、２３33にはそれぞれＰＷＭ発
生器２７11、２７12、・・・、２７33が付属している。
図１１はＤＣ←→ＡＣインバータ２４とＡＣ←→ＡＣイ
ンバータ２６の回路図である。
【００２２】ＤＣ←→ＡＣインバータ２４はコンデンサ
３０１と半導体スイッチ３１１〜３１４で構成され、Ａ
Ｃ←→ＡＣインバータ２６はコンデンサ３０２と半導体
スイッチ３１５〜３２２で構成され、いずれも回生可能
である。インバータモジュール２３11の単相交流端子ｓ
はインバータモジュール２３12の単相交流端子ｒに接続
され、インバータモジュール２３12の単相交流端子ｓは
インバータモジュール２３13の単相交流端子ｒに接続さ
れている。インバータモジュール２３21の単相交流端子
ｓはインバータモジュール２３22の単相交流端子ｒに接
続され、インバータモジュール２３22の単相交流端子ｓ
はインバータモジュール２３23の単相交流端子ｒに接続
されている。インバータモジュール２３31の単相交流端
子ｓはインバータモジュール２３32の単相交流端子ｒに
接続され、インバータモジュール２３32の単相交流端子
ｓはインバータモジュール２３33の単相交流端子ｒに接
続されている。インバータモジュール２３11、２３21、
２３ 31の単相交流端子ｒはそれぞれ３相交流電動機１の
入力端子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。インバータモジ
ュール２３13、２３23、２３33の単相交流端子ｓはスタ
ー接続されている（中性点ｂ）。
【００２３】３相交流電動機１の中性点ａと中性点ｂの
間には、充電用電源２と、バッテリ２２の充電時、充電
用電源２を３相交流電動機１に接続するスイッチ３が設
けられている。各ユニット２１1 、２１2 、２１3 の３
個のインバータモジュールは単相交流端子ｒ，ｓに出力
される交流出力の基本波電圧が同位相になるようにＰＷ
Ｍ発生器により制御され、３個のユニット２１1 、２１
2 、２１3 間は基本波電圧の電気角が互いに１２０°位
相の異なる交流出力を発生するようにＰＷＭ発生器によ
り多重パルス幅変調で制御され、３相交流電動機１が駆
動される。ここで、３相交流電動機１の３個の入力端子
ｕ，ｖ，ｗ間にかかる相間電圧Ｖuv, Ｖvw，Ｖwuと各ユ
ニット２１1 、２１2 、２１3 の交流出力電圧Ｖu ，Ｖ
v ，Ｖw との関係を電圧ベクトル図として図３に示す。
この図３から各ユニット２１1 〜２１33が出力するのに
必要な電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw は相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖ
wuの振幅の１／３1/3 でよいことが分かる。また、各ユ
ニット２１1 〜２１3 が３個のインバータモジュールで
構成されているので、各インバータモジュール２３11〜
２３33の出力電圧の最大値は３相交流電動機１の相間電
圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３・３1/2 でよく、イ
ンバータモジュール２３11〜２３33のバッテリ電圧も３
相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの１／３・
３1/3 より高い電圧であればよい。したがって、インバ
ータモジュール２３11〜２３33の半導体スイッチ３１１
〜３２２は従来に比べて低電圧のものを使用することが
可能となる。
【００２４】インバータモジュール２３11〜２３33の出
力端子ｒ、ｓは入力端子Ｐ、Ｎと絶縁されているため、
各インバータモジュール２３11〜２３33の入力を一つの
バッテリ２２から取ることが可能である。また、内部に
トランス２５を持つためトランス２５の巻数比を変える
ことで入力電圧、出力電圧の値を設計時に自由に決定す
ることができる。また、ＤＣ←→ＡＣインバータ２４と
トランス２５で昇降圧コンバータの制御構成にすれば、
ＡＣ←→ＡＣインバータ２６の入力電圧を自由に可変す
ることもできる。さらに、トランス２５を通る交流電力
の周波数を高周波化することによって、トランス２５と
して小型のトランスを使うことができる。インバータモ
ジュール２３11〜２３33の容量は全体出力をインバータ
モジュールの数（この場合９）で割った容量を受け持つ
だけでよいので、各インバータモジュール２３11〜２３
33は小形なものとすることができる。
【００２５】充電時には交流または直流の充電用電源２
を中性点ａとｂにスイッチ３を通して接続すると、３つ
のユニット２１1 、２１2 、２１3 は充電用電源２と並
列に接続される。このとき、一つまたは複数のインバー
タモジュールの電力が交流端子ｒ，ｓから直流端子Ｐ、
Ｎへ流れるように回生制御すれば、バッテリ２２の充電
ができる。図１２は本発明の第４の実施形態の多重パル
ス幅変調方式を用いた電力変換装置の構成図である。本
実施形態の電力変換装置は、１個以上のバッテリセルよ
り構成されるバッテリ３２と、バッテリ３２の直流電力
を交流電力に変換するＤＣ←→ＡＣインバータ３３と、
ＤＣ←→ＡＣインバータ３３の出力を１次側入力とし、
２次側に絶縁出力をもつトランス３４と、トランス３４
からの絶縁された電力を単相交流電力に変換する３個の
ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11、３５12、３５13、３個
のＡＣ←→ＡＣインバータ３５21、３５22、３５23、３
個のＡＣ←→ＡＣインバータ３５31、３５32、３５33で
それぞれ構成されるユニット３１1 、３１2 、３１3 で
構成されている。ＡＣインバータ３５11、３５12、・・
・、３５33にはそれぞれＰＷＭ発生器３６11、３６12、
・・・、３６33が付属している。
【００２６】図１３はＤＣ←→ＡＣインバータ３３とＡ
Ｃ←→ＡＣインバータ３５11〜３５ 33の回路図である。
ＤＣ←→ＡＣインバータ３３はコンデンサ４０１と半導
体スイッチ４１１〜４１４で構成され、ＡＣ←→ＡＣイ
ンバータ３５11〜３５33はコンデンサ４０２と半導体ス
イッチ４１５〜４２２で構成されている。ＡＣ←→ＡＣ
インバータ３５11の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣイン
バータ３５12の単相交流端子ｒに接続され、ＡＣ←→Ａ
Ｃインバータ３５12の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣイ
ンバータ３５13の単相交流端子ｒに接続されている。Ａ
Ｃ←→ＡＣインバータ３５21の単相交流端子ｓはＡＣ←
→ＡＣインバータ３５22の単相交流端子ｒに接続され、
ＡＣ←→ＡＣインバータ３５22の単相交流端子ｓはＡＣ
←→ＡＣインバータ３５23の単相交流端子ｒに接続され
ている。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５31の単相交流端子
ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５32の単相交流端子ｒに
接続され、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５32の単相交流端
子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５33の単相交流端子ｒ
に接続されている。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11、３
５21、３５31の単相交流端子ｒはそれぞれ３相交流電動
機１の入力端子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。ＡＣ←→
ＡＣインバータ３５13、３５23、３５33の単相交流端子
ｓはスター接続されている（中性点ｂ）。
【００２７】３相交流電動機１の中性点ａと中性点ｂの
間には、充電用電源２と、バッテリ３２の充電時、充電
用電源２を３相交流電動機１に接続するスイッチ３が設
けられている。各ユニット３１1 、３１2 、３１3 の３
個のＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５13、３５21〜
３５23、３５31〜３５33は、単相交流端子ｒ，ｓに出力
される交流出力の基本波電圧が同位相になるようにＰＷ
Ｍ発生器により制御され、３個のユニット３１1 、３１
2 、３１3 間の基本波電圧の電気角が互いに１２０°異
なる交流出力を発生するようにＰＭＷ発生器により多重
パルス幅変調で制御され、３相交流電動機１が駆動され
る。ここで、３相交流電動機１の３個の入力端子ｕ，
ｖ，ｗ間にかかる相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuと各ユニッ
ト３１1 、３１2 、３１3 の交流出力電圧Ｖu ，Ｖv ，
Ｖw との関係を電圧ベクトル図として図３に示す。この
図３から各ユニット３１1 〜３１3 が出力するのに必要
な電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw は相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの
振幅の１／３1/2 でよいことが分かる。また、各ユニッ
ト３１1 〜３１3 が３個のＡＣ←→ＡＣインバータで構
成されているので、各ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜
３５33の出力電圧の最大値は３相交流電動機１の相間電
圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３・３1/2 でよく、Ａ
Ｃ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33のバッテリ電圧も
３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの１／３
・３1/2 より高い電圧であればよい。したがって、ＡＣ
←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の半導体スイッチ４
１１〜４２２は従来に比べて低電圧のものを使用するこ
とが可能となる。さらに、特開昭６３−２８２７６「３
相インバータの制御装置」のようにＡＣ←→ＡＣＰＷＭ
インバータの正弦波電圧指令に３倍調波を加えれば、出
力電圧をもう少しあげることもできる。
【００２８】バッテリ３２とＡＣ←→ＡＣインバータ３
５11〜３５33は絶縁されているので電源は一つのバッテ
リ３２から取ることが可能となる。また、トランス３４
の巻数比を変えることでバッテリ電圧、トランス３４の
２次側電圧の値を設計時に自由に決定することができ
る。また、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３とトランス３４
で昇降圧コンバータの制御構成にすれば、ＡＣ←→ＡＣ
インバータ３５11〜３５ 33の入力電圧を自由に可変する
こともできる。さらに、トランス３４を通る交流電力の
周波数を高周波化することによって、小形のトランスを
使うことができる。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３
５33の容量は全体出力をインバータモジュールの数（こ
の場合９）で割った容量を受け持つだけでよいので、各
ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33は小形のものと
することができる。
【００２９】充電時には交流または直流の充電用電源２
を中性点ａとｂにスイッチ３を通して接続すると、３つ
のユニット３１1 、３１2 、３１3 は充電用電源２と並
列に接続される。このとき、ＤＣ←→ＡＣインバータ３
３と一つまたは複数のユニットの電力の流れを回生する
ように制御すれば、バッテリ３２の充電ができる。図１
４は本発明の第５の実施形態の多重パルス幅変調方式の
電力変換装置の構成図である。本実施形態の電力変換装
置は、図１２の第４の実施形態の電力変換装置のバッテ
リ３２、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３、トランス３４を
ユニット３１1 、３１ 2 、３１3 毎に分け、それぞれバ
ッテリ３２1 、３２2 、３２3 、ＤＣ←→ＡＣインバー
タ３３1 、３３2 、３３3 、ＤＣ←→ＡＣインバータ３
４1 、３４2 、３４3 としたものである。その他の構成
は第４の実施形態の電力変換装置と同じである。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は下記のよ
うな効果がある。 （１）請求項１の発明は、低電圧バッテリによる交流電
動機の駆動が容易に可能で、かつバッテリの充電機能も
電力変換装置に付加することができる。このように、低
電圧バッテリ電圧の利用が可能になるため、安全性の向
上、充電効率の向上、多重方式の採用によって単相ＰＷ
Ｍインバータのスイッチング周波数を低く押さえること
ができるため、ラジオノイズの低減が可能である。 （２）請求項２の発明は、それぞれのバッテリの残存容
量が異なる場合でも、交流電動機を効率よく駆動するこ
とが可能になり、また、効率良くバッテリの充電をする
ことが可能になる。 （３）請求項３の発明は、電源電圧と出力電圧の設定が
自由にでき、かつバッテリの充電機能も電力変換装置に
付加することができる。また、各インバータモジュール
の入出力電圧は低電圧でよく、入出力が絶縁されている
ため安全性が向上する。さらに、低電圧のバッテリの利
用も可能になるため、バッテリ単体としての安全性も向
上する。 （４）請求項４の発明は、バッテリ電圧と出力電圧の設
定が自由にでき、かつバッテリの充電機能も電力変換装
置に付加することができる。また、各ＰＷＭインバータ
の入出力電圧は低電圧でよく、バッテリと電動機間が絶
縁されているため安全性が向上する。さらに、低電圧の
バッテリの利用も可能になるため、バッテリ単体として
の安全性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の、多重パルス幅変調
方式の電力変換装置の構成図である。
【図２】図１の各ユニット１１1 、１１2 、１１3 の詳
細回路図である。
【図３】図１中の単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33
の出力電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw と３相交流電動機１の相間
電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの関係等を示すベクトル図であ
る。
【図４】単相ＰＷＭインバータのスイッチ２の接続によ
って構成されるＰＷＭコンバータの回路図である。
【図５】図１の電力変換装置の１ユニットの出力電圧Ｖ
と単相ＰＷＭインバータの交流電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の
基本波形を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の、多重パルス変調方
式の電力変換装置の構成図である。
【図７】図６の電力変換装置の１ユニットの詳細回路図
である。
【図８】図６の電力変換装置の交流電動機駆動時の１ユ
ニットの出力電圧Ｖと単相ＰＷＭインバータの交流出力
電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波形を示す図である。
【図９】図６の電力変換装置の充電時の１ユニットの出
力電圧Ｖと単相ＰＷＭインバータの交流電圧Ｖ1 、Ｖ
2 、Ｖ3 の基本波形を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の、多重パルス幅変
調方式の電力変換装置の構成図である。
【図１１】図１０の電力変換装置のＤＣ←→ＤＣインバ
ータ２４とＡＣ←→ＡＣインバータ２６の回路図であ
る。
【図１２】本発明の第４の実施形態の、多重パルス幅変
調方式の電力変換装置の構成図である。
【図１３】図１２の電力変換装置のＤＣ←→ＤＣインバ
ータ３３とＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の回
路図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の、多重パルス幅変
調方式の電力変換装置の構成図である。
【図１５】インバータを用いた従来の駆動回路の回路図
である。
【符号の説明】
１ ３相交流電動機 ２ 充電用電源 ３ スイッチ ４ 巻線リアクトル １１1 、１１2 、１１3 ユニット １２11、１２12、・・・、１２33 バッテリ １３11、１３12、・・・、１３33 単相ＰＷＭインバ
ータ １４11、１４12、・・・、１４33 ＰＷＭ発生器 ２０１〜２０３ コンデンサ ２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４
半導体スイッチ １５11、１５12、・・・、１５33 残存容量検出器 １６1 、１６2 、１６3 出力電圧指令演算器 ２１1 、２１2 、２１3 ユニット ２２ バッテリ ２３11、２３12、・・・、２３33 インバータモジュ
ール ２４ ＤＣ←→ＡＣインバータ ２５ トランス ２６ ＡＣ←→ＡＣインバータ ２７11、２７12、・・・、２７33 ＰＷＭ発生器 ３０１、３０２ コンデンサ ３１１〜３２２ 半導体スイッチ ３１1 、３１2 、３１3 ユニット ３２、３２1 、３２2 、３２3 バッテリ ３３、３３1 、３３2 、３３3 ＤＣ←→ＡＣインバ
ータ ３４、３４1 、３４2 、３４3 トランス ３５11、３５12、・・・、３５33 ＡＣ←→ＡＣイン
バータ ３６11、３６12、・・・、３６33 ＰＷＭ発生器 ４０１、４０２ コンデンサ ４１１〜４２２ 半導体スイッチ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３相交流電動機を可変速駆動する多重パ
    ルス幅変調方式の電力変換装置であって、 直流電源または１個以上のバッテリセルより構成される
    ｎ個（ｎ≧２）のバッテリと、該バッテリの各々の直流
    電力を単相交流電力に変換するｎ個の電力変換器を１ユ
    ニットとして３ユニット有し、 各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニ
    ット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流
    端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにス
    ター接続され、他方は前記３相交流電動機の３個の入力
    端子の各々に接続されており、 各ユニット内のｎ個の電力変換器の単相交流端子に出力
    される交流出力が同位相になるように前記電力変換器を
    制御し、さらに３個のユニット間の交流出力が電気角で
    １２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う制御回路
    を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
  2. 【請求項２】 前記各ユニットは、自ユニット内の各バ
    ッテリの残存容量を検出する残存容量検出器をさらに有
    し、 前記各残存容量検出器で検出された残存容量により、直
    列に接続されたｎ個の前記電力変換器の交流電圧の基本
    波振幅の比を決定する手段を有する請求項１記載多重パ
    ルス幅変調方式の電力変換装置。
  3. 【請求項３】 ３相交流電動機を可変速駆動する多重パ
    ルス幅変調方式の電力変換装置であって、 直流電源または１個以上のバッテリセルより構成される
    バッテリと、 前記バッテリの直流電力を交流電力に変換するｎ個（ｎ
    ≧２）の第１の電力変換器と、各第１の電力変換器の出
    力を絶縁するｎ個のトランスと、各トランスからの電力
    を単相交流電力に変換するｎ個の第２の電力変換器を１
    ユニットとして３ユニットを有し、 各ユニット内のｎ個の単相交流端子は直列に接続され、
    各ユニット内の単相交流端子の内、他の第２の電力変換
    器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一
    方が互いにスター接続され、他方は前記３相交流電動機
    の３個の入力端子の各々に接続されており、 各ユニット内のｎ個の第２の電力変換器の単相交流端子
    に出力される交流出力が同位相になるように第２の電力
    変換器を制御し、さらに３個のユニット間の交流出力が
    電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う
    制御回路を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装
    置。
  4. 【請求項４】 ３相交流電動機を可変速駆動する多重パ
    ルス幅変調方式の電力変換装置であって、 直流電源または１個以上のバッテリセルより構成される
    バッテリと、 前記バッテリの直流電力を交流電力に変換する第１の電
    力変換器と、 前記第１の電力変換器の出力を１次側入力とし、２次側
    に絶縁出力をもつトランスと、 前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電力に変
    換するｎ個（ｎ≧２）の第２の電力変換器を１ユニット
    として３ユニットを有し、 各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニ
    ット内の単相交流端子の内、他の第２の電力変換器の単
    相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互
    いにスター接続され、他方は前記３相交流電動機の３個
    の入力端子の各々に接続されており、 各ユニットのｎ個の第２の電力変換器の単相交流端子に
    出力される交流出力が同位相になるように第２の電力変
    換器を制御し、さらに３個のユニット間の交流出力が電
    気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う制
    御回路を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装
    置。
  5. 【請求項５】 前記３ユニットの単相交流端子のスター
    接続点と前記３相交流電動機の巻線の中性点との間に充
    電用電源とオン／オフスイッチが直列に接続されてい
    る、請求項１から４のいずれか１項記載の電力変換装
    置。
  6. 【請求項６】 前記スイッチをオンにした後、各電力変
    換器のスイッチ素子の導通状態の切り替えによって当該
    電力変換器のバッテリの個別充電または一括充電を行
    う、請求項５記載の電力変換装置。
  7. 【請求項７】 前記バッテリ、前記第１の電力変換器、
    前記トランスが各ユニットに対して１個ずつ設けられて
    いる、請求項４記載の電力変換装置。
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