(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発電機の出力に電流形整流回路を設け、この電流形整流回路の出力に電圧形インバータを介して交流電動機を接続してこの交流電動機を駆動するようにした交流電動機駆動回路において、前記電圧型インバータの入力及び前記電流形整流回路の出力に並列に、スイッチング素子とダイオードとを逆並列接続したアームを２個直列接続し、この２個直列接続したアームの中間点と前記交流電動機の巻線の中性点との間に電力の供給と吸収が可能な直流電源を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２個直列接続したアームの中間点と前記交流電動機の巻線の中性点との間に前記直流電源を接続する代わりに、前記２個直列接続したアームの中間点と前記前記交流発電機の巻線の中性点との間に前記直流電源を接続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】
前記電流形整流回路は双方向スイッチをブリッジ接続して構成し、交流入力側にはフィルタ回路を設けた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】
前記電流形整流回路は逆阻止能力を持つ片方向スイッチをブリッジ接続して構成し、交流入力側にはフィルタ回路を設けた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５】
前記直流電源と、前記２個直列接続したアームの中間点または前記交流電動機の巻線の中性点もしくは前記交流発電機の巻線の中性点のいずれか１つとの間に、インピーダンスを付加したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の交流電動機駆動回路。
【請求項６】
前記交流発電機を内燃機関により駆動する、前記請求項１ないし５のいずれか１つ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、交流発電機と、電力の供給と吸収が可能な直流電源と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１０のような回路が知られている（例えば特許文献１）。
図１０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１１のような回路も知られている（例えば特許文献２）。
図１１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１０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になり、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１１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】
そこで、特に電気車駆動用とは明記されてはいないが、図１２に示す回路も提案されている（非特許文献１図２（ａ））。図１２は、第３の従来例を示す回路図で、この回路では、直流リンク電圧よりもバッテリ電圧が低いときに用いることができる。なお、図１２の回路では直流リンクのコンデンサは省略されているが、リアクトルは接続されている。
なお、バッテリの基準電位はその負側電位となっており、電動機や発電機の中性点とは接続されない構成となっている。
【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  半導体電力変換研究会（SPC-06-155,IEA-06-50）資料，pp.51〜55「仮想AC/DC/AC方式を応用した交流及び直流電源連系用直接形電力変換器の制御方法」
【非特許文献２】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】
したがって、この発明の課題は、特に直流チョッパ回路内のリアクトルを不要とし、回路の小型化を図ることにある。
【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、交流発電機の出力に電流形整流回路を設け、この電流形整流回路の出力に電圧形インバータを介して交流電動機を接続してこの交流電動機を駆動するようにした交流電動機駆動回路において、前記電圧型インバータの入力及び前記電流形整流回路の出力に並列に、スイッチング素子とダイオードとを逆並列接続したアームを２個直列接続し、この２個直列接続したアームの中間点と前記交流電動機の巻線の中性点との間に電力の供給と吸収が可能な直流電源を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２個直列接続したアームの中間点と前記交流電動機の巻線の中性点との間に前記直流電源を接続する代わりに、前記２個直列接続したアームの中間点と前記前記交流発電機の巻線の中性点との間に前記直流電源を接続することができる。（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、前記電流形整流回路は双方向スイッチをブリッジ接続して構成し、交流入力側にはフィルタ回路を設けることができ（請求項３の発明）、または、前記電流形整流回路は逆阻止能力を持つ片方向スイッチをブリッジ接続して構成し、交流入力側にはフィルタ回路を設けることができる（請求項４の発明）。
【００１０】
上記請求項１ないし４のいずれかの発明においては、前記直流電源と、前記２個直列接続したアームの中間点または前記交流電動機巻線の中性点もしくは前記交流発電機巻線の中性点のいずれか１つとの間に、インピーダンスを付加することができる（請求項５の発明）。さらに、前記交流発電機を内燃機関により駆動する、前記請求項１ないし５のいずれか１つ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６の発明）。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１，２の発明によれば、直流電源の電力を直流リンクへ交流電動機の巻線または交流発電機の巻線を介して双方向に変換できるので、従来のようなチョッパ回路に必要であったリアクトルを省略または小型化できるため、駆動回路の低コスト化や小型軽量化を図ることが可能となる。
請求項３の発明によれば、交流発電機へ電力回生する場合がある用途では、簡単な回路構成で実現できる。また、電流の流れる経路の通過スイッチ数が整流回路内で２個と少ないため、変換効率も良好である。
【００１２】
請求項４の発明によれば、交流発電機へ電力回生をしない用途では、請求項３の発明よりも更に簡素な回路とすることができる。
請求項５の発明によれば、交流発電機または交流電電機を小型化でき、これらを含めたトータルの大きさを小型化できる。
請求項６の発明によれば、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が、この発明の回路では大きなリアクトルが不要なので、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。
【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発電機１の出力に、電流形整流回路２と電圧形インバータ３とを接続し、その出力で交流電動機４を駆動している。電流形整流回路２と電圧形インバータ３との組み合わせは、たとえば、非特許文献２に開示されているように、インダイレクトマトリックスコンバータ（Indirect Matrix Converter）などと呼ばれており、整流回路として電流形の整流回路を採用することにより、図１０に示したコンデンサ１３のような大型の部品が不要となる。
【００１４】
また、整流回路２の出力には、並列にスイッチング素子6aとダイオード6bとを逆並列接続したアーム６を２個直列に接続する。さらに、２個直列接続したアーム６の中間点と交流電動機４の巻線の中性点との間に蓄電池５の正端子と負端子を接続している。ここで、この例では電力の供給と吸収が可能な直流電源として蓄電池５を用いているが、この代わりに、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などを接続した直流電源を用いることができるのは言うまでもない。
【００１５】
図１のような構成により、交流発電機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、蓄電池５と整流回路２の出力の直流リンクとの間の電力変換は、電圧形インバータ３の各アームのスイッチングによって、その出力の零相分電圧を制御するとともに、２個直列接続したアーム６のスイッチングを適切に行なうことによって実現する。
【００１６】
すなわち、２個直列接続したアーム６の中間点と交流電動機４の巻線の中性点との間に蓄電池５の正端子と負端子を接続することにより、交流電動機４の３つの巻線を並列にしたインダクタンス成分と２個直列接続したアーム６とによりチョッパ回路を形成することができ、このチョッパ回路を介して整流回路２の出力の直流リンクと蓄電池５との間で双方向の直流電力の授受が可能となる。
また、図１２に示された回路では、整流回路と蓄電池との間で直流電力を授受するために大型のリアクトルを必要としていたが、上記の構成を採用することにより、交流電動機４の巻線のインダクタンス成分を用いるため、大型のリアクトルは不要となる。
【００１７】
これにより、例えば交流発電機１の出力を整流回路２で直流に変換した電力と蓄電池５から供給される電力の両方を、電圧形インバータ３を介して交流電動機４に供給することにより、交流電動機４を大電力で駆動することができる。また、交流発電機１の出力を整流した電力で、電圧形インバータ３を介して交流電動機４を駆動するとともに、その余剰電力を蓄電池５に充電することなどもできる。さらに、交流電動機４の制動時には、電力の流れを駆動時とは逆にし、交流発電機１や蓄電池５に電力を回生させることなどが可能となる。
【００１８】
なお、図１の回路では、蓄電池５の充電，放電と交流電動機４の駆動，制動に応じて、下記のような６つの動作モードを実現できる。
１）発電機：力行，蓄電池：充電，電動機：駆動
２）発電機：力行，蓄電池：充電，電動機：制動
３）発電機：力行，蓄電池：放電，電動機：駆動
４）発電機：回生，蓄電池：充電，電動機：制動
５）発電機：回生，蓄電池：放電，電動機：駆動
６）発電機：回生，蓄電池：放電，電動機：制動
【００１９】
図２に、図１の第１の変形例を示す。
図示のように、２個直列接続アーム６の中間点と交流電動機４の巻線の中性点との間に蓄電池５の正端子と負端子を接続するのではなく、２個直列接続アーム６の中間点と交流発電機１の巻線の中性点との間に蓄電池５の正端子と負端子を接続した点が、図１と相違している。この回路では、２個直列接続したアーム６と整流回路２のスイッチングを適切に行なうことにより、蓄電池５と整流回路２の出力の直流リンクとの間の双方向の電力変換が可能になり、図１と同様に交流電動機４の駆動動作や制動動作が可能になる。
【００２０】
図３に、図１の第２の変形例を示す。
この回路は、電流形整流回路２の交流入力にフィルタ回路2aを設けるとともに、双方向スイッチ2bをブリッジ接続した点が特徴である。また、電圧形インバータ３もスイッチング素子3aと、ダイオード3bで各アームを具体化している。なお、フィルタ回路2aとしては、交流発電機１の巻線のインダクタンスを利用して、例えば図４のようにコンデンサ２aaをスター結線して構成することができる。また、双方向スイッチ2b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、図５のように接続する。あるいは、素子自体は逆阻止能力を持たないスイッチング素子2bbを用いる場合は、ダイオード2bcとともに図６のように接続して用いることが可能となる。
【００２１】
図７に図１の第３変形例を示す。これは、図３の双方向スイッチ2b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。こうする代わりに、逆阻止能力を持たないスイッチング素子と、ダイオードとの直列接続回路から構成することもできる。
【００２２】
図８に図１の第４変形例を示す。これは、図１の回路に、インピーダンスとしてリアクトル７を追加して構成したものである。なお、リアクトル７は蓄電池５とアーム６の中間点との間に追加しても良い。また、リアクトル７は、図２の回路に示す蓄電池５と発電機１との間、または蓄電池５とアーム６の中間点との間に追加することも可能である。
ここで、リアクトル７は交流電動機４の巻線のインダクタンスに比べて小さなインダクタンスを有する小型のものでよい。
【００２３】
すなわち、上述したように、交流電動機４の巻線のインダクタンス成分と２個直列接続アーム６とによるチョッパ回路を形成するのであるが、選定した電動機の容量によっては、交流電動機の巻線のインダクタンス成分が小さく（あるいは大きく）、チョッパ動作に支障をきたす場合がある。このような場合、交流電動機の巻線と蓄電池との間の経路にインピーダンスを追加して、チョッパ動作に適切なインダクタンスの大きさとなるように調整する。
上記の例では、交流電動機の巻線のインダクタンス成分のみでは、チョッパ動作するのにインダクタンスが不足しているため、これを補うべく、小型のリアクトルを直列に接続したものである。
【００２４】
図９に図１の応用例を示す。これは、図１に内燃機関８を追加し、これを交流発電機１に機械的に結合し、交流電動機４の出力軸にギア９を介して車輪１０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８は、図２の回路にも適用できるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図
【図２】図１の第１変形例を示す回路図
【図３】図１の第２変形例を示す回路図
【図４】図３で用いられるフィルタ回路の第１の具体例を示す回路図
【図５】図３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６】図３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７】図１の第３変形例を示す回路図
【図８】図１の第４変形例を示す回路図
【図９】図１の応用例を示す回路図
【図１０】第１の従来例を示す回路図
【図１１】第２の従来例を示す回路図
【図１２】第３の従来例を示す回路
【符号の説明】
【００２６】
１…交流発電機、２…電流形整流回路、２ａ…フィルタ回路、２ｂ…双方向スイッチ、２ｃ…片方向スイッチ、２ａａ…コンデンサ、２ｂａ，２ｂｂ，３ａ，６ａ…スイッチング素子、２ｂｃ，３ｂ，６ｂ…ダイオード、３…電圧形インバータ、４…交流電動機、５…蓄電池、６…アーム、７…リアクトル、８…内燃機関、９…ギア、１０…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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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