(57)【要約】【課題】直巻モータのための回生制御回路を提供する。【解決手段】モータの界磁コイルと電機子コイルとの間に直列逆接続され第２整流素子が並列接続された第１スイッチング素子および第１整流素子が並列接続された第２スイッチング素子と、界磁コイルと電機子コイルとの間に直列逆接続され第４整流素子が並列接続された第３スイッチング素子および第３整流素子が並列接続された第４スイッチング素子と、界磁コイルと電機子コイル間を遮断または導通させる切替手段と、直流電源の両極性間に直列順接続され接続点が界磁コイルに接続された第５スイッチング素子および第８スイッチング素子並びに直列順接続され接続点が電機子コイルに接続された第７スイッチング素子および第６スイッチング素子とを備え、第１、第３、第５、第６の制御端と第２、第４、第７、第８の制御端とが排他的にオンオフ制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）外部のモータが備える界磁コイルの一端と電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第１の制御端を有する第１スイッチング素子および第２の制御端を有する第２スイッチング素子と、
（ｂ）前記界磁コイルの他端と前記電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第３の制御端を有する第３スイッチング素子および第４の制御端を有する第４スイッチング素子と、
（ｃ）前記界磁コイルの一端と前記電機子コイルの他端間を遮断または導通させる切替手段と、
（ｄ）外部の直流電源の一方の極性と他方の極性との間に接続されるべき直列順接続され該接続点が前記界磁コイルの他端に接続されるべき第５の制御端を有する第５スイッチング素子および第８の制御端を有する第８スイッチング素子並びに直列順接続され該接続点が前記電機子コイルの他端に接続されるべき第７の制御端を有する第７スイッチング素子および第６の制御端を有する第６スイッチング素子と、を備え、
（ｅ）前記第１、第３、第５および第６の制御端が同時にオン制御されるとき前記第２、第４、第７および第８の制御端が同時にオフ制御され、前記第１、第３、第５および第６の制御端が同時にオフ制御されるとき前記第２、第４、第７および第８の制御端が同時にオン制御されることを特徴とする電力回生制御回路。
【請求項２】
（ａ）外部のモータが備える界磁コイルの一端と電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第１の制御端を有する第１スイッチング素子および第２の制御端を有する第２スイッチング素子と、
（ｂ）外部の交流電源の一方の相と接続されるべき前記界磁コイルの他端と前記電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第３の制御端を有する第３スイッチング素子および第４の制御端を有する第４スイッチング素子と、
（ｃ）外部の交流電源の他方の相と接続されるべき前記電機子コイルの他端と前記界磁コイルの一端間を遮断または導通させる切替手段と、を備え、
（ｄ）前記第１および第３の制御端が同時にオン制御されるとき前記第２および第４の制御端が同時にオフ制御され、該第１および第３の制御端が同時にオフ制御されるとき該第２および第４の制御端が同時にオン制御されることを特徴とする電力回生制御回路。
【請求項３】
前記切替手段の遮断時には前記外部のモータはモータとして動作し、該切替手段の導通時には該外部のモータは発電機として動作することを特徴とする請求項１または２に記載の電力回生制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを発電機として作動させ回生制動などを行うための電力回生制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータを発電機として作動させて電力回生させることにより制動すなわちブレーキをかける回生制動の手法が利用されている。例えば、同じ架線から給電される複数の列車がある場合に、通常通りモータが駆動力を発揮している列車と、回生制動によりモータが電力を架線に戻している列車とが存在することにより、全体として消費電力を削減できる。あるいは、バッテリー駆動される電気自動車などでは、回生制動によりモータからバッテリーに回生する制御を行うことができる。
【０００３】
なお、電磁石により界磁磁束を発生するモータでは、界磁コイルと電機子コイルとが直列接続された直巻モータと、並列接続された分巻モータとが知られているが、回生制動を行う制御は専ら分巻モータにおいて行われている（例えば、特許文献１）。分巻モータでは、界磁コイルに常に同じ方向（直流／交流のいずれも含む）に界磁電流を流しつつ、電機子コイルには駆動時には一方の方向に、回生時には逆の方向に電流を流すことができるからである。これに対し、直巻モータでは、界磁電流と回生電流が逆方向であるため、界磁磁束を発生するための界磁電流を流しつつ回生電流を得ることができなかった。
【特許文献１】特許第３６２６８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上の問題点に鑑み、本発明は、直巻モータにおいて回生制動などを行うための回生制御回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１に係る電力回生制御回路は、（ａ）外部のモータが備える界磁コイルの一端と電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第１の制御端を有する第１スイッチング素子および第２の制御端を有する第２スイッチング素子と、
（ｂ）前記界磁コイルの他端と前記電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第３の制御端を有する第３スイッチング素子および第４の制御端を有する第４スイッチング素子と、
（ｃ）前記界磁コイルの一端と前記電機子コイルの他端間を遮断または導通させる切替手段と、
（ｄ）外部の直流電源の一方の極性と他方の極性との間に接続されるべき直列順接続され該接続点が前記界磁コイルの他端に接続されるべき第５の制御端を有する第５スイッチング素子および第８の制御端を有する第８スイッチング素子並びに直列順接続され該接続点が前記電機子コイルの他端に接続されるべき第７の制御端を有する第７スイッチング素子および第６の制御端を有する第６スイッチング素子と、を備え、
（ｅ）前記第１、第３、第５および第６の制御端が同時にオン制御されるとき前記第２、第４、第７および第８の制御端が同時にオフ制御され、前記第１、第３、第５および第６の制御端が同時にオフ制御されるとき前記第２、第４、第７および第８の制御端が同時にオン制御されることを特徴とする。
【０００６】
（２）請求項２に係る電力回生制御回路は、（ａ）外部のモータが備える界磁コイルの一端と電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第１の制御端を有する第１スイッチング素子および第２の制御端を有する第２スイッチング素子と、
（ｂ）外部の交流電源の一方の相と接続されるべき前記界磁コイルの他端と前記電機子コイルの一端との間に直列逆接続されるべき第３の制御端を有する第３スイッチング素子および第４の制御端を有する第４スイッチング素子と、
（ｃ）外部の交流電源の他方の相と接続されるべき前記電機子コイルの他端と前記界磁コイルの一端間を遮断または導通させる切替手段と、を備え、
（ｄ）前記第１および第３の制御端が同時にオン制御されるとき前記第２および第４の制御端が同時にオフ制御され、該第１および第３の制御端が同時にオフ制御されるとき該第２および第４の制御端が同時にオン制御されることを特徴とする。
【０００７】
（３）請求項３に係る電力回生制御回路は、請求項１または２において、前記切替手段の遮断時には前記外部のモータはモータとして動作し、該切替手段の導通時には該外部のモータは発電機として動作することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
（Ａ）請求項１または請求項３に係る電力回生制御回路は、外部のモータが備える界磁コイルと電機子コイルの一端同士の間に直列逆接続されるべき第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を備えている。加えて、界磁コイルの他端と電機子コイルの一端間に直列逆接続されるべき第３スイッチング素子および第４スイッチング素子を備えている。さらに、界磁コイルの一端と電機子コイルの他端間を遮断または導通させる切替手段を備えている。さらに、外部の直流電源の両極性間に接続されるべき直列順接続された第５スイッチング素子および第８スイッチング素子を備えその接続点が界磁コイルの他端に接続され、同じく外部の直流電源の両極性間に接続されるべき直列順接続された第７スイッチング素子および第６スイッチング素子を備えその接続点が電機子コイルの他端に接続されている。第１、第３、第５および第６スイッチング素子のもつ各制御端が同時にオン制御されるとき、第２、第４、第７および第８スイッチング素子のもつ各制御端が同時のオフ制御され、また、前者が同時にオフ制御されるとき、後者が同時にオン制御される。
【０００９】
本回路を外部のモータおよび直流電源に接続すると、直流電源電圧が第５〜第８スイッチング素子のオンオフ制御により交流パルス電圧に変換されて界磁コイルの他端と電機子コイルの他端間に印加されることとなる。
【００１０】
本回路における切替手段の遮断時には、正サイクル時は、界磁コイルから第１スイッチング素子(オン状態)、第２スイッチング素子の寄生ダイオード、電機子コイルへと電流が流れ、負サイクル時は電機子コイルから第２スイッチング素子(オン状態)、第１スイッチング素子の寄生ダイオード、界磁コイルへと電流が流れることにより、界磁磁束および電機子磁束が発生して電機子コイルが回転し、モータ動作を行う。モータ動作を行っているとき、正サイクル時には第４スイッチング素子がオフでありかつその寄生ダイオードも逆方向となり、負サイクル時には第３スイッチング素子がオフでありかつその寄生ダイオードも逆方向となるため、第３及び第４スイッチング素子からなる経路に電流は流れない。従って、切替手段が遮断状態のとき、外部のモータは直巻モータとして動作する。直巻モータは、分巻モータに比べて起動トルクが大きく、高速回転が可能であるという長所がある。
【００１１】
次に、モータ動作中に切替手段を導通状態とすると、界磁コイルを流れる電流が増加することにより電機子コイルと鎖交する界磁磁束が増加し、これを妨げるように電機子コイルに起電力が発生して電流が流れ、発電機として動作する。つまり、モータがモータとして動作している場合と同方向に電機子コイルが回り続ける場合に、発電機として動作することになる。この電流は、モータ動作中の電流とは逆方向であり回生電流となる。回生電流は、正サイクル時には第３スイッチング素子(オン状態)から第４スイッチング素子(寄生ダイオード)への経路を流れ、第５および第６スイッチング素子を介して直流電源へ回生され、負サイクル時は第４スイッチング素子(オン状態)から第３スイッチング素子(寄生ダイオード)への経路を流れ、第７および第８スイッチング素子を介して直流電源へ回生される。切替手段を導通状態としたとき回生電流が流れることにより、動力装置（電気自動車等）に用いられている場合には制動効果が得られる。また、切替手段を導通状態としたとき外部から電機子コイルへの回転駆動力が供給される場合には専ら発電機として機能することもできる。回生動作を行っているときは、第１および第２スイッチング素子の経路は、正および負サイクル時のいずれにおいても遮断状態となる。従って、切替手段が接続状態のとき、外部のモータは見かけ上、分巻モータの構成となっている。
上記の通り、本回路では、直巻モータにおいて回生制御を可能とした。
【００１２】
（Ｂ）請求項２または請求項３に係る電力回生制御回路は、外部のモータが備える界磁コイルと電機子コイルの一端同士の間に直列逆接続されるべき第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を備えている。加えて、界磁コイルの他端と電機子コイルの一端間に直列逆接続されるべき第３スイッチング素子および第４スイッチング素子を備えている。さらに、界磁コイルの一端と電機子コイルの他端間を遮断または導通させる切替手段を備えている。さらに界磁コイルの他端と電機子コイルの他端は、外部の交流電源に接続される。
【００１３】
本回路を外部のモータおよび交流電源に接続すると、請求項１に係る回路と同様に、切替手段の遮断時には外部のモータが直巻モータとして動作し、切替手段の導通時には発電機として動作することができる。例えば、交流電源を系統電源とし、第１〜第４のスイッチング素子のオンオフ制御をこれに同期させることにより、外部のモータが発電機として動作するときに系統に逆潮流させる系統連系を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（１）電力回生制御回路の第１の実施形態
（１−１）回路構成
図１は、本発明による電力回生制御回路の第１の実施形態の回路図である。回路図において、直流電源ＤＣＶと、モータを構成する界磁コイルＳＴおよび電機子コイルＲＴは外部に接続される要素である。モータは、直流モータや交流モータその他種々の形態を採りうる。
【００１５】
第１スイッチング素子であるＦＥＴＱ１と第２スイッチング素子であるＦＥＴＱ２は、ｎチャネル形ＦＥＴ(field effect transistor)であり、ソース同士が接続された直列逆接続である。ＦＥＴＱ１のドレインは界磁コイルＳＴの一端ｂに接続され、ＦＥＴＱ２のドレインは電機子コイルＲＴの一端ｃに接続されている。第１整流素子であるダイオードＤ１はＦＥＴＱ２に並列接続され、寄生ダイオードと同じ向きとなるようそのアノードがソースに、カソードがドレインに接続されている。同様に、第２整流素子であるダイオードＤ２はＦＥＴＱ１と並列接続されている。ダイオードＤ１およびダイオードＤ２は必須ではないが、それぞれＦＥＴＱ２およびＦＥＴＱ１の寄生ダイオードに対する優先的電流路となるので好適であり、ショットキーバリアダイオードなどの順方向電圧の小さいものが望ましい。
【００１６】
また、第３スイッチング素子であるＦＥＴＱ３と第４スイッチング素子であるＦＥＴＱ４は、ｎチャネル形ＦＥＴであり、ソース同士が接続された直列逆接続である。ＦＥＴＱ３のドレインは電機子コイルＲＴの一端ｃに接続され、ＦＥＴＱ４のドレインは界磁コイルＳＴの他端ａに接続されている。第３整流素子であるダイオードＤ３はＦＥＴＱ４に並列接続され、寄生ダイオードと同じ向きとなるようそのアノードがソースに、カソードがドレインに接続されている。同様に、第４整流素子であるダイオードＤ４はＦＥＴＱ３と並列接続されている。ダイオードＤ３およびダイオードＤ４は必須ではないが、それぞれＦＥＴＱ４およびＦＥＴＱ３の寄生ダイオードに対する優先的電流路となるので好適であり、ショットキーバリアダイオードなどの順方向電圧の小さいものが望ましい。
【００１７】
界磁コイルＳＴの一端ｂと電機子コイルＲＴの他端ｄ間にはスイッチＳＷが設けられ、これはこの線路を遮断または導通させる切替手段である。また、スイッチＳＷと直列に可変抵抗ＶＲが挿入されている。スイッチＳＷは、接点をもつ機械的スイッチでも、無接点の半導体スイッチでもよい。
【００１８】
さらに、第５スイッチング素子であるＦＥＴＱ５と第８スイッチング素子であるＦＥＴＱ８は、ｎチャネル形ＦＥＴであり、ＦＥＴＱ５のソースとＦＥＴＱ８のドレインが接続された直列順接続である。このＦＥＴＱ５とＦＥＴＱ８の接続点は、界磁コイルＳＴの他端ａに接続される。また、ＦＥＴＱ５のドレインは直流電源ＤＣＶの正極側にＦＥＴＱ８のソースは直流電源ＤＣＶの負極側に接続される。
【００１９】
また、第７スイッチング素子であるＦＥＴＱ７と第６スイッチング素子であるＦＥＴＱ６は、ｎチャネル形ＦＥＴであり、ＦＥＴＱ７のソースとＦＥＴＱ６のドレインが接続された直列順接続である。このＦＥＴＱ７とＦＥＴＱ６の接続点は、電機子コイルＲＴの他端ｄに接続される。また、ＦＥＴＱ７のドレインは直流電源ＤＣＶの正極側にＦＥＴＱ６のソースは直流電源ＤＣＶの負極側に接続される。
【００２０】
上記の構成において、ＦＥＴＱ１、ＦＥＴＱ３、ＦＥＴＱ５およびＦＥＴＱ６は同時にオン状態となるように各制御端すなわち各ゲートが制御され、これらがオン状態であるときにＦＥＴＱ２、ＦＥＴＱ４、ＦＥＴＱ７およびＦＥＴＱ８は同時にオフ状態となるように各ゲートが制御される。同様に、ＦＥＴＱ１、ＦＥＴＱ３、ＦＥＴＱ５およびＦＥＴＱ６が同時にオフ状態となるように各ゲートが制御され、これらがオフ状態であるときにＦＥＴＱ２、ＦＥＴＱ４、ＦＥＴＱ７およびＦＥＴＱ８は同時にオン状態となるように各制御端すなわち各ゲートが制御される。このように、パルス制御電圧により、直列接続された一組のＦＥＴ同士は排他的にオンオフ制御されることになる。
【００２１】
ＦＥＴＱ５〜Ｑ８は、後述するモータ動作時には直流電圧ＤＣＶを交流パルス電圧に変換して界磁コイルＳＴの他端ａと電機子コイルＲＴの他端ｄとの間に印加し、後述する発電時には交流パルス電流を直流に変換して直流電源へ回生する役割を果たしている。
【００２２】
ＦＥＴＱ１〜ＦＥＴＱ８としてｐチャネルＦＥＴを用いてもよく、また、これらをバイポーラトランジスタとしてもよい。
【００２３】
（１−２）回路動作
＜スイッチＳＷの遮断時の動作＞
スイッチＳＷの遮断時において、ＦＥＴＱ１（すなわちＦＥＴＱ３、Ｑ５、Ｑ６）がオン時には、直流電源ＤＣＶの正電圧がＦＥＴＱ５を介して界磁コイルＳＴの他端に印加され、負電圧がＦＥＴＱ６を介して電機子コイルＲＴの他端に印加される。これにより、界磁コイルＳＴ→ＦＥＴＱ１→ＦＥＴＱ２（寄生ダイオード）（または優先電流路としてのダイオードＤ１）→電機子コイルＲＴの経路で電流が流れる（点ｅにおける白実線矢印）。
このとき、電機子コイルＲＴの一端ｃの電位は界磁コイルＳＴの他端ａの電位よりも低く、ＦＥＴＱ４がオフでありその寄生ダイオードおよびダイオードＤ３が逆方向であるので、この経路には電流は流れない。
【００２４】
また、スイッチＳＷの遮断時において、ＦＥＴＱ１（すなわちＦＥＴＱ３、ＦＥＴＱ５およびＦＥＴＱ６）がオフ時には、ＦＥＴＱ２（すなわちＦＥＴＱ４、ＦＥＴＱ７およびＦＥＴＱ８）がオン時であり、直流電圧ＤＣＶの正電圧がＦＥＴＱ７を介して電機子コイルＲＴの他端に印加され、負電圧がＦＥＴＱ８を介して界磁コイルＳＴの他端に印加される。これにより、電機子コイルＲＴ→ＦＥＴＱ２→ＦＥＴＱ１（寄生ダイオード）（または優先電流路としてのダイオードＤ２）→界磁コイルＳＴの経路で電流が流れる（点ｅにおける黒実線矢印）。
このとき、界磁コイルＳＴの他端ａの電位は、電機子コイルＲＴの一端ｃの電位よりも低く、ＦＥＴＱ３がオフでありその寄生ダイオードおよびダイオードＤ４が逆方向であるので、この経路には電流は流れない。
【００２５】
ＦＥＴＱ１〜Ｑ８のオンオフ制御により上記の交流パルス電流が、界磁コイルＳＴと電機子コイルＲＴに流れ、界磁コイルＳＴは界磁磁束を発生し電機子コイルＲＴは電機子磁束を発生して電機子コイルが回転するモータ動作を行う。このとき、界磁コイルＳＴと電機子コイルＲＴとは直列接続となっており直巻モータである。
【００２６】
＜スイッチＳＷの導通時の動作＞
モータ動作中にスイッチＳＷを閉じて導通させると、界磁コイルＳＴの一端ｂからスイッチＳＷおよび可変抵抗ＶＲを経て電機子コイルの他端ｄへ至る経路にも電流が流れることができる（点ｆにおける黒および白の実線矢印）。これにより、界磁コイルＳＴを流れる電流が増加する。可変抵抗ＶＲは点ｆの経路を流れる電流量を調整する。
【００２７】
界磁コイルを流れる電流が増加すると界磁磁束が強くなり、電機子コイルＲＴを鎖交する界磁磁束が増加する。この結果、電機子コイルＲＴにはこの界磁磁束変化を妨げるように界磁磁極に発生している極性と同極性の磁界を発生すべく電流が流れる方向の起電力が発生する。この起電力は、モータ動作時の電流と逆方向の電流すなわち回生電流を流すように発生する。このときモータは、モータとして動作しているときと同方向に回転が継続されたならば、その間は発電機として動作する。これによりモータは回生制動すなわち電力の回生と共にブレーキ動作をすることとなる。さらに、可変抵抗ＶＲにより回生制動の強弱を調整することができる。例えば、スイッチＳＷおよび可変抵抗ＶＲは、電車や電気自動車のブレーキ操作手段であるペダルやレバーと連動させればよい。
【００２８】
スイッチＳＷの導通時において、ＦＥＴＱ１（すなわちＦＥＴＱ３、ＦＥＴＱ５およびＦＥＴＱ６）のオン時に電機子コイルＲＴの一端ｃの電位が直流電源ＤＣＶの正極側より高くなると、電機子コイルＲＴ→ＦＥＴＱ３→ＦＥＴＱ４（寄生ダイオード）（または優先電流路としてのダイオードＤ３）の経路で回生電流が流れ（点ｇにおける白破線矢印）、ＦＥＴＱ５およびＦＥＴＱ６を介して直流電源へ回生される。
このとき、界磁コイルＳＴの一端ｂの電位は電機子コイルＲＴの一端ｃの電位よりも低く、ＦＥＴＱ２がオフでありその寄生ダイオードおよびダイオードＤ１が逆方向であるのでこの経路には電流は流れない。
【００２９】
また、スイッチＳＷの導通時において、ＦＥＴＱ１（すなわちＦＥＴＱ３、ＦＥＴＱ５およびＦＥＴＱ６）がオフ時には、ＦＥＴＱ２（すなわちＦＥＴＱ４、ＦＥＴＱ７およびＦＥＴＱ８）がオン時であり、電機子コイルＲＴの一端ｃの電位が直流電源ＤＣＶの負極側より低くなると、ＦＥＴＱ４→ＦＥＴＱ３（寄生ダイオード）（または優先電流路としてのダイオードＤ４）→電機子コイルＲＴの経路で回生電流が流れ（点ｇにおける黒破線矢印）、ＦＥＴＱ７およびＦＥＴＱ８を介して直流電源へ回生される。
このとき、電機子コイルＲＴの一端ｃの電位は界磁コイルＳＴの一端ｂの電位よりも低く、ＦＥＴＱ１がオフでありその寄生ダイオードおよびダイオードＤ２が逆方向であるのでこの経路には電流は流れない。
【００３０】
なお、再びスイッチＳＷを遮断すれば、前述のモータ動作に復帰する。
【００３１】
（２）電力回生制御回路の第２の実施形態
図２は、本発明による電力回生制御回路の第２の実施形態の回路図である。図１の回路図との相違点は、外部の直流電源ＤＣＶおよびＦＥＴＱ５〜Ｑ８に替えて、外部の交流電源ＡＣＶを界磁コイルＳＴの他端ａと電機子コイルＲＴの他端ｄに印加するべく接続した点である。その他の構成および動作については、図１に示した回路と共通する。すなわち、スイッチＳＷの遮断時にはモータとして動作し、スイッチＳＷの導通時には発電機として動作する。
【００３２】
交流電源ＡＣＶの電圧波形はパルスでも正弦波でもよい。好適には、交流電源ＡＣＶを系統電源とし、ＦＥＴＱ１〜Ｑ４を系統電源と同期してオンオフ制御する。モータが発電機として動作するときは、系統連系した分散型電源と同じものとなり、系統電源へ電力回生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による電力回生制御回路の第１の実施形態の回路図である。
【図２】本発明による電力回生制御回路の第２の実施形態の回路図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｑ１〜Ｑ８  スイッチング素子(ＦＥＴ)
Ｄ１〜Ｄ４  整流素子
ＳＴ  界磁コイル
ＲＴ  電機子コイル
ＳＷ  スイッチ
ＶＲ  可変抵抗
【図１】
2008029185.tif 000003
【図２】
2008029185.tif 000004