(57)【要約】【課題】大容量の直流コンデンサを不要とし、回路の小型軽量化を図る。【解決手段】交流電源１の出力に、フィルタ回路2aと第１の双方向スイッチがブリッジ接続された回路とからなる電流形整流回路２を設け、この整流回路２の出力に電圧形インバータ３を介して交流電動機４を接続するとともに、電流形整流回路２の各出力端子に第２の双方向スイッチ６の一方の端子をそれぞれ接続し、第２の各双方向スイッチ６のもう一方の端子を一括して直流電源５とリアクトル７の直列回路の一方の端子に接続し、かつ直列回路のもう一方の端子を電流形整流回路２の一方の出力端子に接続することで、従来必要であった直流リンクの大きなコンデンサを不要とする。【選択図】図１
2010110118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、電力の供給と吸収が可能な直流電源とを備え、交流電動機を駆動する交流電動機駆動回路において、
前記交流電源に、フィルタ回路とその出力に第１の双方向スイッチをブリッジ接続してなる整流回路を接続し、この整流回路の出力に電圧形インバータを介して前記交流電動機を接続し、前記整流回路のフィルタ回路の出力と前記第１の双方向スイッチとの接続点に、第2の双方向スイッチの一方の端子をそれぞれ接続し、第2の各双方向スイッチの他方の端子はリアクトルと前記直流電源との直列回路の一方の端子に接続し、この直列回路の他方の端子を前記整流回路の出力端子の一方に接続したことを特徴とする交流電動機駆動回路。
【請求項２】
前記第２の双方向スイッチに代えて、逆阻止能力を持つ片方向スイッチを用いることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機駆動回路。
【請求項３】
前記整流回路の上側アームもしくは下側アームのいずれか一方の第１の双方向スイッチに代えて、逆阻止能力を持つ片方向スイッチを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の交流電動機駆動回路。
【請求項４】
前記交流電源が内燃機関により駆動される交流発電機である、前記請求項１ないし３のいずれか１つに記載の交流電動機駆動回路を用いた電気車駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電源を入力とし、蓄電池やコンデンサを含む直流電源を用いて交流電動機を駆動する交流電動機駆動回路、及びその駆動回路を用いた電気車駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の回路として、図１２のような回路が知られている（例えば特許文献１参照）。
図１２は、第１の従来例を示す回路図で、交流発電機M2の三相出力をスイッチング素子とダイオードを逆並列接続した各アームをブリッジ接続した電圧形整流回路31によって直流に変換し、この直流をコンデンサ13によって平滑化している。また、平滑化された直流（接続点N1，N2）とバッテリB間に直流チョッパ回路12を設け、この間の電力の授受を行なっている。さらに、上記直流からスイッチング素子（Q3~Ｑ8）とダイオード（D3~D8）を逆並列接続した各アームを、ブリッジ接続した電圧形インバータ14によって交流電動機M1を駆動している。
【０００３】
一方、交流発電機の出力をマトリックスコンバータにより直接交流に変換し、交流電動機へ給電する例として、図１３のような回路も知られている（例えば特許文献２参照）。
図１３は、第２の従来例を示す回路図で、マトリックスコンバータ38を用いて、電動発電機MG1,MG2間の電力変換を実現している。さらに、バッテリ12と電力のやりとりをするために、電圧形インバータ36と直流チョッパ回路32を設けている。
【０００４】
ところで、図１２では、直流を平滑化するためのコンデンサ13に大容量のものが必要で、回路の小型化が難しい。また、直流チョッパ回路12内にリアクトルL1が必要であり、この点からも回路の大型化を招くという問題がある。
一方、図１３でも、バッテリ12と電動発電機MG2との間に大きな直流コンデンサC2が必要で、小型化が困難である。また、直流チョッパ回路32内にリアクトルL1が必要であり、この点からも回路の大型化を招くという問題がある。
【０００５】
ここで、電流形整流回路と電圧形インバータとの組み合わせることによって、整流回路の出力段にコンデンサを接続せずに、交流電源と交流電動機を接続することが、例えば非特許文献１に開示されている。この電流形整流回路と電圧形インバータとの組み合わせはインダイレクトマトリックスコンバータ(Indirect Matrix Converter)とも呼ばれている。
このインダイレクトマトリックスコンバータは、マトリックスコンバータと同様に、交流−交流の電力変換が行える。例えば、図１３のマトッリクスコンバータ３８をインダイレクトマトリックスコンバータに置き換えることが可能である。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００４−１１２８８３号公報
【特許文献２】特開平２００５−３１８７３１号公報
【非特許文献１】電気学会論文誌D，126巻9号，pp.1161~1170「直接形交流電力変換回路の技術動向」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
交流−交流変換では，マトリックスコンバータやインダイレクトマトッリクスコンバータを用いることによって、コンデンサをなくすことは可能である。しかし、回路内に直流電源が更にあり、この直流電源の電圧がインバータ入力電圧より低い場合には，直流電源と電圧形インバータの間に，直流電源電圧を昇圧する，図１２の１２や図１３の３２のようなチョッパ回路を設ける必要がある。このようなチョッパ回路を設けると、チョッパ回路の出力（インバータの入力）に大きなコンデンサを設ける必要があり、回路の大形化を招くという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、交流電源と、電力の供給と吸収が可能な直流電源とを備え、交流電動機を駆動する交流電動機駆動回路において、
前記交流電源に、フィルタ回路とその出力に第１の双方向スイッチをブリッジ接続してなる整流回路を接続し、この整流回路の出力に電圧形インバータを介して前記交流電動機を接続し、前記整流回路のフィルタ回路の出力と前記第１の双方向スイッチとの接続点に、第2の双方向スイッチの一方の端子をそれぞれ接続し、第2の各双方向スイッチの他方の端子はリアクトルと前記直流電源との直列回路の一方の端子に接続し、この直列回路の他方の端子を前記整流回路の出力端子の一方に接続したことを特徴とする。
【０００９】
上記請求項１の発明においては、前記第２の双方向スイッチに代えて、逆阻止能力を持つ片方向スイッチを用いることができ（請求項２の発明）、これら請求項１または２の発明においては、前記整流回路の上側アームもしくは下側アームのいずれか一方の第１の双方向スイッチに代えて、逆阻止能力を持つ片方向スイッチを用いることができる（請求項３の発明）。さらに、前記交流電源が内燃機関により駆動される交流発電機である、前記請求項１ないし３のいずれか１つに記載の交流電動機駆動回路を用いて、電気車駆動回路とすることができる（請求項４の発明）。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、直流リンクに設けられる大型のコンデンサが不要となる。これにより、回路の小形化を実現できる。
また、交流電源と直流電源との間の変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
図示のように、この例では三相交流電源１の出力に、フィルタ回路2aを接続し、その出力に双方向スイッチ2bをブリッジ接続している。このフィルタ回路2aとブリッジ接続された双方向スイッチ2bによって、６アームの第１の電流形整流回路２を構成している。また、その整流回路２の出力に電圧形インバータ３を設け、その出力により交流電動機４を駆動している。
【００１２】
また、フィルタ回路2aの各出力端子と双方向スイッチ2bとの接続点に双方向スイッチ６の一方の端子をそれぞれ接続する。双方向スイッチ６の他方の端子は一括してリアクトル７に接続され、リアクトル７の他方の端子は蓄電池５の正端子に接続している。さらに、蓄電池５の負端子を整流回路２の負出力端子に接続している。なお、蓄電池５の代わりにコンデンサ、または双方向に電力変換が可能な直流チョッパ回路などのDC-DCコンバータを介して蓄電池やコンデンサを接続した直流電源を用いることができる。
【００１３】
図１のような構成により、交流電源１の交流出力と交流電動機４の交流入力との間の電力変換は、電流形整流回路２で一旦直流に変換した後、電圧形インバータ３で交流に変換することにより実現している。また、フィルタ回路2aを共用する３つの双方向スイッチ６と、電流形整流回路２の下側アームの３つの双方向スイッチ2bと、リアクトル７とによってもう一つの６アームの第２の電流形整流回路21を構成する。これにより、交流電源１と蓄電池５との間の電力変換を実現している。
【００１４】
そして、交流電源１から整流回路２を介して交流電動機４へ電力供給する動作モードと、交流電源１から蓄電池５へ電力供給する動作モードとを時分割で切り換えながら動作させることができる。この際、整流回路２を介して交流電動機４へ電力供給する動作モードでは、整流回路２の下アームの３つのスイッチ2bのうち、いずれか１つのスイッチを必ずオンさせなければならない。その動作にあわせて、整流回路21では、例えば、３つの第２の双方向スイッチ６のうち、整流回路２としてオンさせるスイッチ2bとフィルタ回路2aの出力で接続されている１つのスイッチ６を常にオンするようにする。なお、整流回路２の下アームでオンさせるスイッチ2bを切り換えた場合、それに合わせてスイッチ６のオンさせるスイッチも切り換えればよい。これにより、この期間の整流回路21の入力有効電力を０にすることができ、整流回路２と整流回路21を干渉無く時分割で制御することができる。
【００１５】
整流回路21で蓄電池５に電力を供給する動作モードでも同様に、整流回路21の動作に合わせて、いずれか１つのオンさせるスイッチ６とフィルタ回路2aの出力で接続されている１つのスイッチ2bを常にオンする。これにより、この期間の整流回路２の入力有効電力を０にすることができ、干渉無く制御することができる。
これにより、交流電源１の出力電力を交流電動機４と蓄電池５の両方に供給することが可能となる。また、整流回路２を停止または上記のように入力有効電力を０で動作させるか、追加の双方向スイッチ６を一部に含む整流回路21を停止または入力有効電力を０で動作させることもできる。この場合は、交流電源１からの電力を交流電動機４か、または蓄電池５の一方にのみ供給することが可能となる。
【００１６】
さらに、ブレーキ時には、交流電動機４からの電力を交流電源１にのみ回生したり、その回生電力の一部または全部を、双方向スイッチ６を一部に含む整流回路21によって蓄電池５へ給電したりすることもできる。
【００１７】
なお、フィルタ回路2aとして交流電源に含まれる図示されないインダクタンスを利用することで、図２に例示するようなコンデンサ2aaをスター結線してLCフィルタを実現することができる。また、双方向スイッチ2b，６として、例えば逆阻止能力を持つスイッチング素子6aを、図３のような逆並列構成にして用いることができる。これに対し、素子自体が逆阻止能力を持たないスイッチング素子6ｂを用いる場合には、例えば図４のようにダイオード6cを併用することができる。さらに、図１のリアクトル７と蓄電池５は、図５のようにその順序を入れ替えることが可能である。
【００１８】
図６に、図１の変形例を示す。
図示のように、双方向スイッチ６をリアクトル７を介して蓄電池５の負端子に接続し、蓄電池５の正端子を整流回路２の出力正端子に接続した点で、図１と相違している。この回路では、フィルタ回路2aと３つの双方向スイッチ６と電流形整流回路２の３つの上アームの双方向スイッチとリアクトル７によって、交流電源１と蓄電池５間の電力変換を行う電流形整流回路21を構成している。これにより、図１と同様の回路動作を可能にしている。なお、リアクトル７と蓄電池５の接続順序は、図５と同様に入れ替えても良い。
【００１９】
このように、フィルタ回路の出力に双方向スイッチをブリッジ接続して第１の電流形整流回路を構成し、その出力に電圧形インバータを接続したインダイレクトマトリックスコンバータとしている。これにより、直流リンクに大きなコンデンサを設けることなく、交流電源と交流電動機間の電力変換を行うことができる。
また、第１の電流形整流回路のフィルタ回路出力の各端子に双方向スイッチの一方の端子を接続し、この双方向スイッチの他方の端子に蓄電池，コンデンサを含む直流電源とリアクトルの直列回路を接続する。これにより、この双方向スイッチと第１の電流形整流回路内の上または下アーム，フィルタ回路およびリアクトル等により、交流電源を入力とし蓄電池，コンデンサを含む直流電源を出力とする第２の電流形整流回路を形成することができる。その結果、交流電源と蓄電池，コンデンサを含む直流電源との間で、双方向の電力変換が可能となる。この際，第１の電流形整流回路の上または下アームの双方向スイッチは第２の電流形整流回路の上または下アームの双方向スイッチとしても使用するので，共用する分だけ使用する双方向スイッチの数を少なくすることができる。
【００２０】
これにより、第１の整流回路と電圧形インバータによる交流電源から交流電動機への電力変換と、第２の整流回路による交流電源から蓄電池等の直流電源への電力変換とを時分割で切り換えることにより、交流電動機を駆動しながら蓄電池等の直流電源への電力供給（充電）を行うことができる。また、上記第１の電流形整流回路を停止または入力有効電力を０として動作させれば、蓄電池等の直流電源へのみ電力を供給することができる。同様に、蓄電池等の直流電源とリアクトルの直列回路に接続された第２の整流回路を停止または入力有効電力を０として動作させることで、交流電動機にのみ電力を供給することができる。
【００２１】
さらに、交流電動機をブレーキ動作させることで、交流電動機で発生する電力を交流電源に回生することができる。同様に、回生電力の一部または全部を、追加された双方向スイッチを含む第２の整流回路を介して、蓄電池等の直流電源に供給（充電）することが可能である。
【００２２】
図７に、図１の別の変形例を示す。
この回路は、例えば蓄電池５から直流負荷８へ電力を供給するため、蓄電池５から交流電源１への電力回生が不要な場合の例である。そのため、図１の双方向スイッチ６を、逆阻止能力を持つスイッチ6aに置き換えている。ここでは、スイッチ6aとして、素子自体で逆阻止能力を持つものとしたが、これを逆阻止能力を持たないスイッチング素子とダイオードを直列接続して用いても良い。
【００２３】
図８に、図６の変形例を示す。これは、図６の双方向スイッチ６を逆阻止能力を持つスイッチング素子6a に置き換えたものである。例えば蓄電池５から直流負荷８へ電力を供給するため、蓄電池５から交流電源１への電力回生が不要な場合は、この回路で交流電動機４への電力変換と蓄電池５の充電が可能である。
【００２４】
このように、直流電源から交流電源への電力回生が不要な用途では、第１の整流回路のフィルタ回路出力と、リアクトルと直流電源との直列回路間に接続する第２の双方向スイッチを、逆阻止能力を持つ片方向スイッチング素子に代えても、動作可能である。これにより、図１，５，６に示す例よりも回路を簡素化できる。
ここで、図７，８における直流負荷８には、直流を電源とする負荷であれば種々接続可能である。例えば、インバータを介して交流負荷を接続することもできるし、絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換回路を用いて、蓄電池５とは絶縁された他の蓄電池への充電回路を接続してもよい。
【００２５】
図９に、図１のさらに別の変形例を示す。
この回路は、図１の整流回路２の中の６つの双方向スイッチ2bのうち、交流電源１と蓄電池５との間の、電力変換には使わない３つの上アームを逆阻止能力を持つ片方向スイッチ2cに置き換えたものである。スイッチ2cとして、ここでは素子自体で逆阻止能力を持つものとしたが、逆阻止能力を持たないスイッチング素子とダイオードを直列接続したもので構成するようにしても良い。この回路では交流電動機４から交流電源１への電力回生はできなくなるが、これが不要な用途では整流回路を簡素化できることになる。
【００２６】
図１０に、図６の別の変形例を示す。これは、図６の整流回路２の中の６つの双方向スイッチ2bのうち、交流電源１と蓄電池５との間の、電力変換には使わない３つの下アームを逆阻止能力を持つ片方向スイッチ2cに置き換えたものである。この回路の動作は、図９と同様である。
【００２７】
このように、交流電動機から交流電源への電力回生が不要な用途では、整流回路のブリッジ接続した第１の双方向スイッチの少なくとも一部を逆阻止能力を持つ片方向スイッチング素子に代えても、動作が可能である。これにより、図１，５，６に示す例よりも回路を簡素化できる。
【００２８】
図１１に図１の応用例を示す。これは、図１に内燃機関９を追加し、これを交流発電機1aに機械的に結合し、交流電動機４の出力軸にギア10を介して車輪11に機械的に接続することで、電気車駆動回路としたものである。なお、内燃機関９は、図５〜１０の回路にも適用できるのは勿論である。
図７，８の回路を適用した場合、直流負荷８として、エアコン用回路としてインバータとコンプレッサ用の交流電動機を組み合わせた回路や、蓄電池５とは絶縁された低電圧の補機バッテリ（DC12V）への充電回路などを接続することができる。
【００２９】
このように、ハイブリッド自動車などの電気車駆動回路では、限られたスペースに回路を搭載する必要がある。そこで、この発明による回路を用いることで大きなコンデンサが不要となるため、より大きな出力を出す回路が搭載可能となり、電気車の加減速性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図
【図２】図１で用いられるフィルタ回路の具体例を示す回路図
【図３】図１で用いられる双方向スイッチの第１の具体例を示す回路図
【図４】図１で用いられる双方向スイッチの第２の具体例を示す回路図
【図５】図１の変形例を示す回路図
【図６】図１の別の変形例を示す回路図
【図７】図１のさらに別の変形例を示す回路図
【図８】図６の変形例を示す回路図
【図９】図１の他の変形例を示す回路図
【図１０】図６の別の変形例を示す回路図
【図１１】図１の応用例を示す構成図
【図１２】第１の従来例を示す回路図
【図１３】第２の従来例を示す回路図
【符号の説明】
【００３１】
１…三相交流電源、２，21…電流形整流回路、2a…フィルタ回路、2aa…コンデンサ、2b,6…双方向スイッチ、2c,3a，6a，6b…片方向スイッチ、3b，6c…ダイオード、３…電圧形インバータ、４…交流電動機、５…蓄電池（直流電源）、７…リアクトル、８…直流負荷、９…内燃機関、10…ギア、11…車輪。
【図１】
2010110118.tif 000003
【図２】
2010110118.tif 000004
【図３】
2010110118.tif 000005
【図４】
2010110118.tif 000006
【図５】
2010110118.tif 000007
【図６】
2010110118.tif 000008
【図７】
2010110118.tif 000009
【図８】
2010110118.tif 000010
【図９】
2010110118.tif 000011
【図１０】
2010110118.tif 000012
【図１１】
2010110118.tif 000013
【図１２】
2010110118.tif 000014
【図１３】
2010110118.tif 000015