(57)【要約】【課題】損失を低減し電力変換効率を低下させないようにする。【解決手段】交流電源１の出力と交流電動機３の入力との間にマトリックスコンバータ２を接続するとともに、ダイオード5cを逆並列に接続したスイッチ5bと双方向スイッチ5aとの直列接続回路を交流電動機３の入力相数と同数設け、スイッチ5bと双方向スイッチ5aとの直列接続点を交流電動機３の入力の各相にそれぞれ接続し、スイッチ5bの双方向スイッチ5aに接続していない端子を直流電源４の一方の端子に接続し、前記双方向スイッチ5aの前記スイッチ5bを接続していない端子を直流電源４の他方の端子に接続した電力変換回路５を設け、運転時の通過スイッチ数を減らすことで損失を低減させる。【選択図】図１
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【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、
前記交流電源の出力と前記交流電動機の入力との間にマトリックスコンバータを接続するとともに、ダイオードを逆並列に接続したスイッチと双方向スイッチとの直列接続回路を前記交流電動機の入力相数と同数設け、前記スイッチと双方向スイッチとの直列接続点を交流電動機の入力の各相にそれぞれ接続し、前記スイッチの双方向スイッチと接続していない端子を前記直流電源の一方の端子に接続し、前記双方向スイッチの前記スイッチを接続していない端子を直流電源の他方の端子に接続した電力変換回路を設けたことを特徴とする交流電動機駆動回路。
【請求項２】
前記マトリックスコンバータによって前記交流電源と前記交流電動機との間の電力変換を行う第１の期間と、前記電力変換回路によって前記直流電源と前記交流電動機との間の電力変換を行う第２の期間とを時分割で切り換えて制御し、前記第１の期間では前記電力変換回路のスイッチと双方向スイッチをオフ状態とし、第２の期間では前記マトリックスコンバータを構成する双方向スイッチをオフ状態にす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または２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、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８のような回路が知られている（例えば特許文献１）。
この回路では、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。また、蓄電池12，チョッパ回路32およびコンデンサC2によって、電力の外部への供給と吸収が可能な直流電源を形成している。この直流電源と電動発電機MG2との間で電力をやりとりするために、半導体スイッチQ31~Q36とダイオードD31~D36をそれぞれ逆並列に接続したアームを６個用いた電圧形インバータ36を設けている。
【０００３】
電動発電機MG1と電動発電機MG2との間の電力変換を行う際には、マトリックスコンバータ38を動作させ、直流電源と電圧形インバータ36との間に設けたスイッチS1
は非導通状態にする。また、直流電源からの電力と電動発電機MG1で発電された電力の両方を用いて電動発電機MG2を駆動する場合には、スイッチS1のオン・オフ状態を時分割で制御する。
【０００４】
ここで、マトリックスコンバータ38を動作させて、電動発電機MG1からMG2へ電力を給電している期間に、電動発電機MG2の入力の線間電圧が直流電源の出力電圧を超えると、電圧形インバータ36内のダイオードD31~D36によって、電動発電機MG2側から直流電源側へ電流が流入してしまう。その結果、電動発電機MG1によるMG2の所望の駆動制御ができなくなるおそれが生じるので、ここではスイッチS1を予め開いて（オフ）おくことで、このような問題が生じないようにしている。また、交流から別の周波数の交流に直接変換するマトリックスコンバータは、例えば特許文献２に示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平２００５−３１８７３１号公報
【特許文献２】特開平２００５−２６９８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図８の回路では、直流電源と交流電動機MG2との間の電力変換を行う場合には、スイッチS1に常に電流を流す必要がある。このため、このスイッチS1によって損失が発生し、直流電源と交流電動機MG2との間の電力変換効率が低下するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、スイッチによる損失を低減し、電力変換効率を低下させないようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
前記交流電源の出力と前記交流電動機の入力との間にマトリックスコンバータを接続するとともに、ダイオードを逆並列に接続したスイッチと双方向スイッチとの直列接続回路を前記交流電動機の入力相数と同数設け、前記スイッチと双方向スイッチとの直列接続点を交流電動機の入力の各相にそれぞれ接続し、前記スイッチの双方向スイッチと接続していない端子を前記直流電源の一方の端子に接続し、前記双方向スイッチの前記スイッチを接続していない端子を直流電源の他方の端子に接続した電力変換回路を設けたことを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１の発明においては、前記マトリックスコンバータによって前記交流電源と前記交流電動機との間の電力変換を行う第１の期間と、前記電力変換回路によって前記直流電源と前記交流電動機との間の電力変換を行う第２の期間とを時分割で切り換えて制御し、前記第１の期間では前記電力変換回路のスイッチと双方向スイッチをオフ状態とし、第２の期間では前記マトリックスコンバータを構成する双方向スイッチをオフ状態にすることができる（請求項２の発明）。
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または２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３の発明）。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、マトリックスコンバータが動作している場合の逆流を防止するスイッチ（S1）が不要なため、この部分の配線を短縮でき、配線インダクタンスを低減できる。そのため、従来例の電圧形インバータ36内のスイッチQ31~Q36に比べて、電力変換回路５内の双方向スイッチ5a，スイッチ5bをスイッチングした際に、これらのスイッチに印加される跳ね上がり電圧を下げることができる。その結果、跳ね上がり電圧を抑制するためのスナバ回路の小型化が可能となる。
【００１０】
より具体的には、下記（１）〜（３）のような特徴を有する。
（１）マトリックスコンバータを動作させて、交流電源と交流電動機との間の電力変換を行なっているときは、直流電源と交流電動機との間に設けた電力変換回路内の双方向スイッチをオフ状態にする。これにより、交流電動機の入力線間電圧が直流電源の出力電圧より高い場合でも、交流電動機から直流電源へ電流が流れるのを防止できる。しかも、電力変換回路はダイオードを逆並列に接続したスイッチと、双方向スイッチをそれぞれ１つのアームとした電圧形インバータと同様の構成になっている。従って、これらのアームにより電圧形インバータと同様のスイッチングをさせることで、直流電源と交流電動機間の電力変換を行うことができる。この際、従来例で用いられたスイッチS1が不要なため、損失が低減され変換効率が向上することになる。
【００１１】
（２）上記マトリックスコンバータによって前記交流電源と前記交流電動機との間の電力変換を行う第１の期間と、前記電力変換回路によって前記直流電源と前記交流電動機との間の電力変換を行う第２の期間とを時分割で切り換えて制御する。これにより、交流電源と直流電源の両方の電力で交流電動機を駆動できる。この際、上記のように、第１の期間では、交流電動機の入力線間電圧が直流電源の出力電圧を超える場合でも、電力変換回路内のスイッチおよび双方向スイッチをオフ状態とすることで、直流電源への電流の流入を防止できる。同様に第２の期間では、前記マトリックスコンバータ内の双方向スイッチをオフ状態にすることで、交流電源への電流の流入を防止することができる。
【００１２】
（３）ハイブリッド自動車などの電気車駆動回路では、限られたスペース内に回路を搭載する必要がある。この発明では、直流電源と交流電動機間の変換効率が上がるため、その分だけ大きな出力を出す回路の搭載が可能となり、電気車の加減速性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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、マトリックスコンバータ２を接続し、その出力で交流電動機３を駆動している。マトリックスコンバータ２は、フィルタ回路2aの出力に９個の双方向スイッチ2bを接続して構成している。また、電力の外部への供給と吸収が可能な直流電源として、蓄電池４を用いている。そして、この蓄電池４と、ダイオード5cを逆並列に接続した片方向スイッチ(以下、スイッチという)5bと、双方向スイッチ5aとを直列に接続した回路を３組用いて電力変換回路５を構成している。また、スイッチ5bと双方向スイッチ5aとの各直列接続点を、交流電動機３の入力各相にそれぞれ接続している。さらに、双方向スイッチ5aのもう一方の各端子を蓄電池４の正端子に接続し、スイッチ5bのもう一方の各端子を蓄電池４の負端子に接続している。なお、蓄電池４の代わりに、コンデンサを用いることができる。
【００１４】
以上のような構成により、交流電源１からの交流出力と交流電動機３への交流入力との間の電力変換を、マトリックスコンバータ２によって行うことができる。また、電力変換回路５は、３個の双方向スイッチ5aと、ダイオード5cを逆並列に接続した３個のスイッチ5bとで構成される。この各スイッチを１つのアームと見れば、６つのアームを持つ電圧形インバータと同様の構成となっている。このため、各アームを電圧形インバータと同様にスイッチングさせることで、蓄電池４の直流出力と交流電動機３への交流入力との間の電力変換を実現することができる。
【００１５】
図１のフィルタ回路2aとしては、図示されないインダクタンスを利用することで、例えば図２のようにコンデンサ2aaをスター結線することにより、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,5aとしては、素子自体で逆阻止能力を持つスイッチング素子2baを用い、例えば図３のように構成できる。なお、電力変換回路５内の双方向スイッチ5aと、ダイオード5cを逆並列に接続したスイッチ5bとの直列接続回路は、図４のようにその接続順序を入れ替えても、その機能は同じである。
ここで、図３または図４の如く、電力変換回路５の上アームあるいは下アームのいずれかの全ての素子を双方向スイッチ５ａとすることにより、マトリックスコンバータ２の動作時に、その出力線間電圧が蓄電池４の電圧を越えても、蓄電池へ電流が流れ込むのを防ぐことができる。
【００１６】
図５に、図１の変形例を示す。
これは、蓄電池４と電力変換回路５との間にチョッパ回路６とコンデンサ７を接続したものである。チョッパ回路は、蓄電池４から電力変換回路５へ電力を出力する方向と、電力変換回路５からの電力を蓄電池４へ充電する方向の双方向の電力変換を行うものである。図５のチョッパ回路６の構成では、蓄電池４から電力変換回路５の方向では昇圧動作を、電力変換回路５→蓄電池４の方向では降圧動作を行う。チョッパ回路６を構成するスイッチ素子には、ダイオード6cを逆並列に接続したスイッチ6bを用いればよい。その他は図１と同じである。このように、直流電源として蓄電池やコンデンサは勿論のこと、双方向に電力変換な電力変換回路を介して、蓄電池などを接続しても良いことが分かる。
【００１７】
図６は、この発明による制御方法の説明図である。
これは、マトリックスコンバータ２を動作させる期間と、電力変換回路５を動作させる期間とを時分割に発生させるためのもので、そのために時分割指令発生器10を用いている。ここでは、時分割指令発生器10の出力信号が“H（ハイ）”のときにはマトリックスコンバータ２を動作させ、“L（ロー）”のときには電力変換回路５を動作させるようにしている。
【００１８】
そして、PWM（パルス幅変調）信号発生回路８によって、マトリックスコンバータ２を動作させるためのPWM信号を発生し、マトリックスコンバータ２の各双方向スイッチ2bに与えるオン／オフ指令（“H”でオン、“L”でオフ）を発生する。
一方、PWM（パルス幅変調）信号発生回路９では、通常の電圧形インバータと同様にしてPWM信号を発生する。その出力と時分割指令発生器10からの出力信号とを、NOT回路11で反転した信号との論理積をAND回路12でとることにより、電力変換回路５のスイッチ5bと双方向スイッチ5aへオン／オフ指令を与えている。
【００１９】
以上により、マトリックスコンバータ２を動作させる期間と、電力変換回路５を動作させる期間とを時分割で制御する。そして、マトリックスコンバータ２を動作させている期間では、電力変換回路５のスイッチ5bと双方向スイッチ5aをオフ状態とする一方、電力変換回路５を動作させている期間では、マトリックスコンバータ２内の双方向スイッチ2bをオフ状態にしている。
【００２０】
図７に図１の応用例を示す。これは、図１に内燃機関13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３の出力軸にギア14を介して車輪15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13は、図4,5および７の回路にも適用できるのは勿論である。
このように構成することにより、交流発電機1aより出力される交流電力をマトリックスコンバータ２によって電力変換を行って交流電動機３を駆動し、電気車を駆動することができる。
【００２１】
さらに、蓄電池４より出力される直流電力を電力変換回路５によって電力変換を行って交流電動機３を駆動し、電気車を駆動することができる。
電気車の駆動に当たり電気車の運転状態に応じて、電力変換回路５の各スイッチをオフして、マトリックスコンバータ２の出力で交流電動機３を駆動するモード、マトリックスコンバータの各スイッチをオフして、電力変換回路５の出力で交流電動機を駆動するモード、マトリックスコンバータ２と電力変換回路５を時分割で制御し交流電動機３を駆動するモード、電気車の制動に伴って交流電動機３から回生される電力を蓄電池４に充電するモード、などを逐次切り換えればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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具体例を示す回路図
【図４】図１の変形例を示す回路図
【図５】この発明の別の実施の形態を示す回路図
【図６】この発明による制御方法を説明する説明図
【図７】図１の応用例を示す回路図
【図８】従来例を示す回路構成図
【符号の説明】
【００２３】
１…交流電源、1a…交流発電機、２…マトリックスコンバータ、2a…フィルタ回路、2aa…コンデンサ、2b,5a…双方向スイッチ、2ba…片方向スイッチ(逆阻止能力を持つスイッチング素子)、３…交流電動機、４…蓄電池（直流電源）、５…電力変換回路（電圧形インバータ）、5b,6b…片方向スイッチ、5c,6c…ダイオード、６…チョッパ回路、７…コンデンサ、８，９…PWM信号発生回路、10…時分割指令発生器、11…NOT回路、12…AND回路、13…内燃機関、14…ギア、15…車輪。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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