(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電信号に従って回転電機の電機子巻線及び界磁巻線に電圧を印加し、発電モードの動作として前記電機子巻線に電圧を印加することで前記回転電機を発電動作させるインバータ発電モードと、前記回転電機の回転中に、前記界磁巻線に電圧を印加して電流を流すことで前記電機子巻線に発生する誘起電圧により前記回転電機を発電動作させるオルタネータ発電モードを有する通電装置と、
前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードとを発電における効率、トルクリップル、騒音のいずれか１つに従って選択する第１の選択方式と、前記インバータ発電モード時の最大出力と前記オルタネータ発電モード時の最大出力をそれぞれ算出し、前記最大出力の差の大きさが設定値以上である場合に、前記最大出力が大きい方の前記発電モードを選択する第２の選択方式との切替に基づいて、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードとを切り替えるための発電切替信号を生成する発電切替信号生成部と、
前記回転電機の出力を定める回転電機出力指令に基づいて、前記電機子巻線に印加する電圧を定める電機子電圧指令と前記界磁巻線に印加する電圧を定める界磁電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記電機子電圧指令、前記界磁電圧指令、前記発電切替信号及び前記通電装置の直流電圧値に基づいて、前記電機子巻線と前記界磁巻線それぞれに対応する前記通電信号を生成する通電信号生成部と、
を備え、
前記発電切替信号生成部は、前記回転電機出力指令が第１の切替閾値以下となった場合に前記第１の選択方式に切り替えて前記発電切替信号を生成し、前記回転電機出力指令が前記第１の切替閾値より大きい第２の切替閾値以上となった場合に前記第２の選択方式に切り替えて前記発電切替信号を生成する、
電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の切替閾値及び前記第２の切替閾値の差が、前記回転電機出力指令の変動幅及び変動周期に応じて設定される、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第２の切替閾値は、前記インバータ発電モード時の最大出力と前記オルタネータ発電モード時の最大出力のうちの小さい方の値に対応する前記回転電機出力指令(Ｍｒｅｆ)の値以下に設定される、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記回転電機出力指令は、
前記回転電機の発電トルクを定める発電トルク指令、
前記回転電機の前記出力に対応する前記電力変換装置の発電電力を定める発電電力指令、
前記回転電機の前記出力に対応する前記電力変換装置の発電電流を定める発電電流指令
のいずれかである、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電圧指令生成部は、前記回転電機出力指令に基づいて、前記電機子巻線の電流を定める電機子電流指令を生成し、前記電機子電流指令に基づいて前記電機子電圧指令を生成する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電圧指令生成部は、前記電機子電流指令と前記電機子巻線の電機子電流に基づいて前記電機子電圧指令を生成する、請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電圧指令生成部は、前記回転電機出力指令に基づいて、前記界磁巻線の電流を定める界磁電流指令を生成し、前記界磁電流指令に基づいて前記界磁電圧指令を生成する、請求項１から６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電圧指令生成部は、前記界磁電流指令と前記界磁巻線の界磁電流に基づいて前記界磁電圧指令を生成する、請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記最大出力は、
前記回転電機の前記発電トルクの最大値、
前記電力変換装置の前記発電電力の最大値及び
前記電力変換装置の前記発電電流の最大値
の少なくとも１つを含む、請求項１から８までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記最大出力は、
前記回転電機の前記発電トルクの最大値、
前記電力変換装置の前記発電電力の最大値、
前記電力変換装置の前記発電電流の最大値
の線形和であって、
前記回転電機の前記発電トルクの最大値に対応する項の係数である発電トルク係数、
前記電力変換装置の前記発電電力の最大値に対応する項の係数である発電電力係数、
前記電力変換装置の前記発電電流の最大値に対応する項の係数である発電電流係数
はそれぞれ任意に設定される、請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記最大出力、前記第１の切替閾値及び前記第２の切替閾値の少なくとも１つが、前記通電装置の直流電圧値に基づいて算出される、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記発電切替信号生成部は、前記回転電機出力指令に基づいて、前記インバータ発電モード時の効率と前記オルタネータ発電モード時の効率をそれぞれ算出し、
前記第１の選択方式は、前記インバータ発電モード時の効率と前記オルタネータ発電モード時の効率に基づいて、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードのいずれかを選択する、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記第１の選択方式は、前記インバータ発電モード時の効率と前記オルタネータ発電モード時の効率の差の大きさが設定値以上である場合に、前記効率が高い方の前記発電モードを選択する、請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記インバータ発電モード時の効率及び前記オルタネータ発電モード時の効率の少なくとも一方を、前記通電装置の直流電圧値に基づいて算出する、請求項１２または１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記回転電機の回転速度を求める回転速度算出部を備え、前記インバータ発電モード時の効率及び前記オルタネータ発電モード時の効率の少なくとも一方を、前記回転電機の回転速度に基づいて算出する、請求項１２から１４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記最大出力、前記第１の切替閾値及び前記第２の切替閾値の少なくとも１つが、前記回転電機の回転速度に基づいて算出される、請求項１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記回転電機の回転速度を求める回転速度算出部を備え、前記最大出力、前記第１の切替閾値及び前記第２の切替閾値の少なくとも１つが、前記回転電機の回転速度に基づいて算出される、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記オルタネータ発電モードは同期整流発電制御を行う請求項１から１７までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
通電信号に従って回転電機の電機子巻線及び界磁巻線に電圧を印加し、前記回転電機を、前記電機子巻線に電圧印加するインバータ発電モードと、前記回転電機の回転中に前記界磁巻線に電圧印加するオルタネータ発電モードで発電動作させる通電装置と、
前記回転電機の出力を定める回転電機出力指令に基づく電機子電圧指令と界磁電圧指令と、発電における効率、トルクリップル、騒音のいずれか１つに従って前記発電モードを選択する第１の選択方式と、最大出力の差が設定値以上である場合に最大出力が大きい方の発電モードを選択する第２の選択方式との切替に基づいて前記発電モードを切り替えるための発電切替信号に従って、前記通電信号を生成する通電信号生成部と、
前記回転電機出力指令が第１の切替閾値以下となった場合に前記第１の選択方式に切り替え、前記第１の切替閾値より大きい第２の切替閾値以上となった場合に前記第２の選択方式に切り替えて前記発電切替信号を生成する発電切替信号生成部と、
を備えた、電力変換装置。
【請求項２０】
通電信号に従って回転電機の電機子巻線及び界磁巻線に電圧を印加し、前記回転電機を、前記電機子巻線に電圧印加するインバータ発電モードと、前記回転電機の回転中に前記界磁巻線に電圧印加するオルタネータ発電モードで発電動作させ、
前記回転電機の出力を定める回転電機出力指令に基づく電機子電圧指令と界磁電圧指令と、発電における効率、トルクリップル、騒音のいずれか１つに従って前記発電モードを選択する第１の選択方式と、最大出力の差が設定値以上である場合に最大出力が大きい方の発電モードを選択する第２の選択方式との切替に基づいて前記発電モードを切り替えるための発電切替信号に従って、前記通電信号を生成し、
前記回転電機出力指令が第１の切替閾値以下となった場合に前記第１の選択方式に切り替え、前記第１の切替閾値より大きい第２の切替閾値以上となった場合に前記第２の選択方式に切り替えて前記発電切替信号を生成する、
ことを備えた、電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は巻線界磁式の回転電機を制御する電力変換装置及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費規制が進んでおり、自動車機能の一部または全部を電動化した電動化車両が増加している。この電動化車両においては、回転電機の力行トルクを自動車の駆動力の一部または全部とするとともに、減速時のブレーキトルクを電気エネルギーに変換する発電動作も行う。【０００３】
電機子巻線と界磁巻線を備えた巻線界磁式の回転電機では、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの２種類の発電モードによる発電動作が可能である。
インバータ発電モードは、電力変換装置によって電機子巻線と界磁巻線の両方に通電して各々電流を流すことで発電動作させる発電モードである。
オルタネータ発電モードは、回転電機の回転中に、界磁巻線に通電して電流を流した時に、電機子巻線に発生する誘起電圧の振幅、より詳細には線間振幅が電力変換装置の直流電圧の値を超えることで電機子巻線に電流が流れて発電動作可能となる発電モードである。【０００４】
オルタネータ発電モードは回転速度が一定以上でなければ発電電力が得られないため、オルタネータ発電モードで発電電力が得られない低回転動作時に発電させる必要がある場合には、インバータ発電モードによって発電動作させることとなる。【０００５】
また、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの両方で発電が可能な回転速度であっても、インバータ発電モードの発電トルク(電気負荷に相応する)の最大値がオルタネータ発電モードの発電トルクの最大値を上回る場合、オルタネータ発電モードの発電トルクの最大値まではオルタネータ発電モード、それ以上の発電トルクはインバータ発電モードで出力するということが考えられる。また、各々の発電モードの効率を考慮し、効率が高い方の発電モードを選択するということも考えられる。【０００６】
このように、種々の条件に応じてインバータ発電モードとオルタネータ発電モードとを切り替えるための技術が下記特許文献１及び特許文献２に記載されている。【０００７】
特許文献１では、インバータ発電モードからオルタネータ発電モードへ切り替える回転速度と、オルタネータ発電モードからインバータ発電モードへ切り替える回転速度(切替回転速度)との間に差を持たせる(ヒステリシス幅を設ける)ことで、発電モードの切替頻度を抑制して動作の安定化を図っており、さらに各々の切替回転速度を電気負荷に応じて変化させることにより、上述のような、オルタネータ発電モードで発電電力が得られない低回転動作時にはインバータ発電モードによって発電動作させる、というような切替動作を可能としている。【０００８】
また、特許文献２では、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードのうち、高効率となる発電モードを選択するように発電切替を行うことにより、効率の面で最適な運転を可能としている。また、効率に応じて発電モードを選択する際にヒステリシス幅を設けることにより、発電モードの切替頻度を抑制して動作の安定化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−０１５８４７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１８５０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１では、２種類の発電モードを回転速度と電気負荷によってのみ切り替えるため、効率の面で必ずしも最適な切替が行えない。【００１１】
特許文献２では、効率の面では最適な切替が行われるものの、
効率に応じて発電モードを選択する選択方式と、
各発電モードの発電トルクの最大値に応じて発電モードを選択する選択方式と、
を切り替える際のヒステリシス幅を設けていないため、２種類の選択方式の切替が頻発することで、結果としてインバータ発電モードとオルタネータ発電モードの切替が頻発する可能性がある。【００１２】
一般的にインバータ発電モードとオルタネータ発電モードとでは、電機子巻線にかかる電圧の大きさや位相、電機子巻線に流れる電流の大きさや位相が異なり、発電モードの切替が頻発すると、その期間電流の変動が生じ、その結果として発電トルクや発電電力の変動が生じ、発電動作の安定性を損なう可能性がある。【００１３】
この発明は、上記のような課題を解決し、高安定性、高効率、高出力を同時に可能にした発電動作が可能な電力変換装置及び電力変換方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、通電信号に従って回転電機の電機子巻線及び界磁巻線に電圧を印加し、発電モードの動作として前記電機子巻線に電圧を印加することで前記回転電機を発電動作させるインバータ発電モードと、前記回転電機の回転中に、前記界磁巻線に電圧を印加して電流を流すことで前記電機子巻線に発生する誘起電圧により前記回転電機を発電動作させるオルタネータ発電モードを有する通電装置と、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードとを発電における効率、トルクリップル、騒音のいずれか１つに従って選択する第１の選択方式と、前記インバータ発電モード時の最大出力と前記オルタネータ発電モード時の最大出力をそれぞれ算出し、前記最大出力の差の大きさが設定値以上である場合に、前記最大出力が大きい方の前記発電モードを選択する第２の選択方式との切替に基づいて、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードとを切り替えるための発電切替信号を生成する発電切替信号生成部と、
前記回転電機の出力を定める回転電機出力指令に基づいて、前記電機子巻線に印加する電圧を定める電機子電圧指令と前記界磁巻線に印加する電圧を定める界磁電圧指令を生成する電圧指令生成部と、前記電機子電圧指令、前記界磁電圧指令、前記発電切替信号及び前記通電装置の直流電圧値に基づいて、前記電機子巻線と前記界磁巻線それぞれに対応する前記通電信号を生成する通電信号生成部と、を備え、前記発電切替信号生成部は、前記回転電機出力指令が第１の切替閾値以下となった場合に前記第１の選択方式に切り替えて前記発電切替信号を生成し、前記回転電機出力指令が前記第１の切替閾値より大きい第２の切替閾値以上となった場合に前記第２の選択方式に切り替えて前記発電切替信号を生成する、電力変換装置等にある。
【発明の効果】
【００１５】
この発明では、高安定性、高効率、高出力を同時に可能にした発電動作が可能な電力変換装置及び電力変換方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施の形態に係る電力変換装置の一例の概略構成を電機子巻線及び界磁巻線が含まれる回転電機とともに示す図である。
【図２】図１の通電装置の電機子巻線側通電部の一例の概略構成を電機子巻線とともに示す図である。
【図３】図１の通電装置の界磁巻線側通電部の一例の概略構成を界磁巻線とともに示す図である。
【図４】この発明の一実施の形態に係るＰＷＭ動作を説明するための図である。
【図５】図１の電圧指令生成部１２の内部構成の一例を示す図である。
【図６】この発明の一実施の形態に係る電力変換装置における発電モードを選択する際の動作の一例を示す動作フローチャートである。
【図７】この発明を適用しない場合の発電切替の動作を説明するための図である。
【図８】この発明の一実施の形態に係る発電切替を適用した場合の動作の一例を説明するための図である。
【図９】この発明に係る電力変換装置の制御部分のハードウェア構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の電力変換装置によれば、例えばインバータ発電モードとオルタネータ発電モードの両方で発電可能な動作領域では高効率となる発電モードを選択し、一方の発電モードの最大出力を上回る動作領域では他方の発電モードを選択するように、
発電モードの選択方式を切り替える場合でも、発電モードの切替の頻度を抑制できるため、高安定性、高効率、高出力を同時に可能にした発電動作が可能となる。
【００１８】
以下、この発明による電力変換装置及び電力変換方法を実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各図において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、また重複する説明は省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、この発明の一実施の形態に係る電力変換装置の一例の概略構成を回転電機とともに示す図である。
【００２０】
図１において、電力変換装置１は回転電機出力指令ＭＯＣに基づいて回転電機２を制御する。回転電機２は界磁の方式が巻線界磁式である３相の同期発電電動機であり、固定子の電機子巻線２１、回転子の界磁巻線２２を有している。電機子巻線２１の結線は３相Ｙ結線であるとする。また、電力変換装置１は、回転速度算出部１１と、電圧指令生成部１２と、発電切替信号生成部１３と、通電信号生成部１４と、通電装置１５とを有する。通電装置１５には通電素子が含まれる。
【００２１】
回転速度算出部１１は回転電機２の回転速度を算出してその値を回転速度信号ＲＳＳとして出力する。回転速度を算出する方法としては、例えば回転電機２に、図示は省略されているが、レゾルバ等の回転位置を検出する回転角度センサを取り付けておき、回転角度センサからの回転子位置信号ＲＰＳから回転速度を求める方法が挙げられる。
なお、後述する通電装置１５にも各種ファクタをそれぞれ検出する検出器を含む検出部１５Ｄが設けられている。
【００２２】
電圧指令生成部１２は、電機子巻線２１に印加する電圧を定める電機子電圧指令ＡＶＣ、界磁巻線２２に印加する電圧を定める界磁電圧指令ＦＶＣを生成して出力する。なお、電機子電圧指令ＡＶＣを使用するのはインバータ発電モードのときのみである。電圧指令生成部１２の詳細な説明については後述する。
【００２３】
発電切替信号生成部１３は、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードを切り替えるための発電切替信号ＧＥＳを生成して出力する。発電切替信号生成部１３の詳細な説明については後述する。
【００２４】
＜通電装置１５＞
通電装置１５は、通電信号ＥＮＳに基づいて電機子巻線２１と界磁巻線２２に電圧を印加して通電、あるいは電圧を印加せずに通電を停止する。図２，図３に通電装置１５の内部構成を示す。
【００２５】
図２に、通電装置１５の構成のうち電機子巻線２１に関わる電機子巻線側通電部１５ａの一例を電機子巻線２１とともに示す。図２において電機子巻線側通電部１５ａはＵ、Ｖ、Ｗ相ごとに、直列に接続された上アームと下アームを有するブリッジ回路からなる。ここで上アームとは、図２の１５２、１５４，１５６であり、それぞれＵ相上アーム１５２、Ｖ相上アーム１５４、Ｗ相上アーム１５６と呼ぶ。また下アームとは、図２の１５３，１５５、１５７であり、それぞれＵ相下アーム１５３、Ｖ相下アーム１５５、Ｗ相下アーム１５７と呼ぶ。また、各アームは通電素子と還流ダイオードが逆並列に接続された構成となっている。
【００２６】
すなわちＵ相上アーム１５２ではＵ相上アーム通電素子１５２ａとＵ相上アーム還流ダイオード１５２ｂが逆並列接続され、
Ｕ相下アーム１５３では、Ｕ相下アーム通電素子１５３ａとＵ相下アーム還流ダイオード１５３ｂが逆並列接続され、
Ｖ相上アーム１５４では、Ｖ相上アーム通電素子１５４ａとＶ相上アーム還流ダイオード１５４ｂが逆並列接続され、
Ｖ相下アーム１５５では、Ｖ相下アーム通電素子１５５ａとＶ相下アーム還流ダイオード１５５ｂが逆並列接続され、
Ｗ相上アーム１５６では、Ｗ相上アーム通電素子１５６ａとＷ相上アーム還流ダイオード１５６ｂが逆並列接続され、
Ｗ相下アーム１５７では、Ｗ相下アーム通電素子１５７ａとＷ相下アーム還流ダイオード１５７ｂが逆並列接続されている。
【００２７】
なお、以降で、あるアームの通電素子がオンになることを単に「アームがオンになる」、オフになることを単に「アームがオフになる」というように表現することもある。なお、直流電源１５１両端の電圧の値(直流電圧値)はＶｄｃである。
【００２８】
図３に、通電装置１５の構成のうち界磁巻線２２に関わる界磁巻線側通電部１５ｂの一例を界磁巻線２２とともに示す。図３において界磁巻線側通電部１５ｂは通電素子１５８ａ、１５９ａとダイオード１５８ｂ、１５９ｂを有する。なお、ここで直流電源１５１は図２に示したものと同じものを使用するとして同一符号を付しているが、電機子巻線２１と界磁巻線２２の通電は独立して行うので、異なる直流電源を使用してもよい。
図３では、界磁巻線２２と通電素子１５８ａの直列回路にダイオード１５８ｂが逆並列接続され、界磁巻線２２と通電素子１５９ａの直列回路にダイオード１５９ｂが逆並列接続されている。
【００２９】
通電素子１５８ａ、１５９ａをともにオンすることで、界磁巻線２２に電圧Ｖｄｃが印加される。通電素子１５８ａ、１５９ａのどちらか一方のみオンすることで界磁巻線２２に電圧０が印加される。通電信号ＥＮＳによって、通電素子１５８ａ、１５９ａの一方を後述するＤｕｔｙ指令に基づいてスイッチング(オン、オフの繰り返し)させ、他方を常時オンとすることで、界磁巻線２２に印加される平均電圧をＤｕｔｙ指令に基づいて制御することができる。
【００３０】
＜通電信号生成部１４＞
通電信号生成部１４は、通電装置１５の各通電素子に与える通電信号ＥＮＳを生成して出力する。なお、界磁巻線２２に対応する通電信号ＥＮＳに関しては、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの違いによる通電信号ＥＮＳの生成パターンの違いはないが、電機子巻線２１に対応する通電信号ＥＮＳに関しては、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードとで生成パターンが異なるため、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードとを切り替えるための発電切替信号ＧＥＳによって生成パターンを切り替える。
【００３１】
＜インバータ発電モード＞
まず、界磁巻線２２に対応する通電信号ＥＮＳ及び、インバータ発電モードの場合における電機子巻線２１に対応する通電信号ＥＮＳの生成手順について説明する。まず、電機子電圧指令ＡＶＣ、界磁電圧指令ＦＶＣ、通電装置１５の直流電圧値Ｖｃｄを示す直流電圧値信号Ｖｃｄから電機子巻線２１、界磁巻線２２に対応するＤｕｔｙ指令をそれぞれ生成する。
通電装置１５は、直流電源１５１の直流電圧値Ｖｄｃ、通電制御における電機子巻線２１の電機子電流及び界磁巻線２２の界磁電流等をそれぞれ検出する検出器等を含む検出部１５Ｄを備え、例えば直流電圧値信号Ｖｄｃ、電機子電流信号ＡＩＳ、界磁電流信号ＦＩＳ等を出力する。
【００３２】
界磁巻線２２に対応するＤｕｔｙ指令は、界磁電圧指令ＦＶＣを直流電圧値Ｖｄｃで除して、値の範囲を０から１に規格化したものである。
【００３３】
電機子巻線２１に対応するＤｕｔｙ指令は、後述するように電機子電圧指令ＡＶＣが０を中心として正負に変化する３相交流の値であるため、電機子電圧指令ＡＶＣを直流電圧値Ｖｄｃで除して、０．５を加算することで値の範囲を０から１に規格化する。
【００３４】
なお、以下でＤｕｔｙ指令の値を百分率で表す場合もある。次に、これらのＤｕｔｙ指令からパルス幅変調(ＰＷＭ)信号である通電信号ＥＮＳを生成する。
【００３５】
Ｄｕｔｙ指令から通電信号ＥＮＳを生成する手順について説明する。Ｄｕｔｙ指令と搬送波の比較により通電信号を生成して出力する。搬送波は値の範囲が０から１である三角波、通電信号ＥＮＳはＰＷＭ信号である。
図４はこのときのＰＷＭ動作を示す図である。図４において、Ｃａｒｒは搬送波、ＤｕｔｙＵはＵ相のＤｕｔｙ指令、ＵＨ、ＵＬはそれぞれＵ相上アーム、Ｕ相下アームの通電信号である。ＵＨ、ＵＬのオン、オフが切り替わる際には、上下アーム短絡防止のため、両方をオフにするデッドタイムを設ける。図４において搬送波周期はＴｃ、デッドタイムはＴｄで示されている。
【００３６】
図４では代表的に電機子巻線２１のＵ相の場合についてのみ示しているが、電機子巻線２１の他の相や界磁巻線２２の場合についても、Ｄｕｔｙ指令と搬送波の比較により通電信号ＥＮＳを生成する点では同様である。ただし、前述したように、界磁巻線２２への通電でスイッチングが必要なのは１つの通電素子のみであるため、通電信号ＥＮＳの生成は通電素子１つ分のみでよい。また、界磁巻線２２に通電するための通電素子の接続は、通電素子のオン、オフの切替時に直流電源１５１が短絡することのない構成になっているため、デッドタイムは不要である。また、搬送波周期Ｔｃについては電機子巻線２１に対応する通電信号ＥＮＳと界磁巻線２２に対応する通電信号ＥＮＳとで異なっていてもよい。
【００３７】
＜オルタネータ発電モード＞
次に、オルタネータ発電モードの場合における、電機子巻線２１に対応する通電信号ＥＮＳの生成手順について説明する。オルタネータ発電モードでの発電動作は、電機子巻線２１への通電を行わず、回転電機２を回転させた状態で界磁巻線２２に電流を流すことで電機子巻線２１に発生する３相交流の誘起電圧の振幅、より詳細には線間振幅が直流電圧値Ｖｄｃを超えたときに可能となる。このとき、図２の還流ダイオード１５２ｂ−１５７ｂを通って、電機子巻線２１側から直流電源１５１側へ発電電流が流れる。
【００３８】
＜ダイオード整流モードと同期整流モード＞
なお、オルタネータ発電モードには、このように図２の還流ダイオードを用いて３相全波整流動作させるダイオード整流モードと、３相全波整流動作中の電流を通電素子へ一部転流して同様の発電動作を行う同期整流モードの２種類のモードがある。同期整流モードの発電動作を同期整流発電制御と称する。
【００３９】
一般に還流ダイオード１５２ｂ−１５７ｂ等のダイオードの導通損失よりもＭＯＳＦＥＴ等からなる通電素子１５２ａ−１５７ａの導通損失の方が小さいため、通電素子に電流を一部転流する同期整流モードの方が高効率で発電動作が可能である。ダイオード整流モードで動作させる場合は、電機子巻線２１に対応する通電信号ＥＮＳは全相全アームをオフ、同期整流モードで動作させる場合は、電流が流れているダイオードに対応する通電素子をオンするように通電信号パターンを生成する。
【００４０】
＜電圧指令生成部１２＞
電圧指令生成部１２の詳細な機能について、図５を参照しながら説明する。電圧指令生成部１２は、電機子電流指令生成部１２１、界磁電流指令生成部１２２、電機子電圧指令生成部１２３、界磁電圧指令生成部１２４から構成される。なお、図１で電圧指令生成部１２へ入力している電流信号については、電機子巻線２１の電機子電流を示す電機子電流信号ＡＩＳと界磁巻線２２の界磁電流を示す界磁電流信号ＦＩＳとがあり、それぞれ電機子電圧指令ＡＶＣと界磁電圧指令ＦＶＣの生成に用いられる電流信号であるため、図５では分けて記載している。
【００４１】
電機子電流指令生成部１２１は、外部からの回転電機出力指令ＭＯＣ、回転速度演算部１１からの回転電機２の回転速度を示す回転速度信号ＲＳＳ、通電装置１５からの通電装置１５の直流電源１５１の直流電圧を示す直流電圧値信号Ｖｄｃに基づいて、電機子巻線２１に流れる電流を定める電機子電流指令ＡＩＣを生成して出力する。ここでの電機子電流指令ＡＩＣは、回転子(２２)の磁極位置の方向にｄ軸、これに直交する向きにｑ軸を定義した場合の、ｄｑ軸上の値であるとする。電機子電流指令ＡＩＣを生成する方法としては、例えば、回転電機出力指令ＭＯＣ、回転電機２の回転速度信号ＲＳＳ、通電装置１５の直流電圧値信号Ｖｄｃを引数としてｄｑ軸上の電機子電流指令ＡＩＣを出力するマップを用いて算出する方法が挙げられる。
なお、前述の通り、電機子電圧指令ＡＶＣはインバータ発電モードでのみ使用するため、電機子電圧指令ＡＶＣの生成に用いる電機子電流指令ＡＩＣもインバータ発電モードでのみ使用する。
【００４２】
界磁電流指令生成部１２２は、上述の回転電機出力指令ＭＯＣ、回転電機２の回転速度信号ＲＳＳ、通電装置１５の直流電圧値信号Ｖｄｃに基づいて、界磁巻線２２に流れる電流を定める界磁電流指令ＦＩＣを生成して出力する。その方法としては、例えば、回転電機出力指令ＭＯＣ、回転電機２の回転速度信号ＲＳＳ、通電装置１５の直流電圧値信号Ｖｄｃを引数として界磁電流指令ＦＩＣを出力するマップを用いて算出する方法が挙げられる。
なお、界磁電圧指令ＦＶＣはインバータ発電モード、オルタネータ発電モード双方で必要であるため、界磁電流指令ＦＩＣもインバータ発電モード、オルタネータ発電モード双方で必要である。従って、前述のマップを用いて算出する場合には、インバータ発電モード、オルタネータ発電モード双方のマップが必要である。
【００４３】
電機子電圧指令生成部１２３は、電機子巻線２１に印加する電圧を定める電機子電圧指令ＡＶＣとして、界磁電流指令ＦＩＣ、通電装置１５からの電機子電流を示す電機子電流信号ＡＩＳ、回転電機２からの回転子(２２)の回転子位置を示す回転子位置信号ＲＰＳに基づいて、０を中心として正負に変化する３相交流の電機子電圧指令ＡＶＣを生成して出力する。３相交流の電機子電圧指令ＡＶＣを生成する前に、ｄｑ軸上の電機子電圧指令ａｖｃを生成する。
その方法としては、例えばｄｑ軸上の電機子電流指令ａｉｃ(ｄｑ電流指令)とｄｑ軸上の電流(ｄｑ電流)の偏差に基づくＰＩ制御を用いる方法が挙げられる。なお、電機子電流は通電装置１５に電流検出用シャント抵抗等の電流センサを取り付けておくことで検出可能となるが、電流センサで検出する電機子電流は３相交流の値であり、ｄｑ軸上の値ではない。
そこで、回転子位置を示す回転子位置信号ＲＰＳと３相交流の電流を示す電機子電流信号ＡＩＳからｄｑ電流を生成する。回転子位置と３相交流の電流からｄｑ電流を生成する際には、一般的な３相−ｄｑ変換を用いる。続いて回転子位置とｄｑ電圧指令から３相交流の電圧指令を生成して電機子電圧指令ＡＶＣとして出力する。回転子位置とｄｑ電圧指令から３相交流の電圧指令を生成する際には、一般的なｄｑ−３相変換を用いる。
【００４４】
界磁電圧指令生成部１２４は、界磁電流指令生成部１２２からの界磁電流指令ＦＩＣと、通電装置１５からの界磁電流信号ＦＩＳに基づいて、界磁巻線２２に印加する電圧を定める界磁電圧指令ＦＶＣを生成して出力する。その方法としては、界磁電流指令ＦＩＣと界磁電流(ＦＩＳ)の偏差に基づくＰＩ制御を用いる方法が挙げられる。なお、界磁電流は通電装置１５に電流検出用のシャント抵抗等の電流センサを取り付けておくことで検出可能となる。
【００４５】
＜発電切替信号生成部１３＞
発電切替信号生成部１３の詳細な機能について説明する。発電切替信号生成部１３は、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードを選択する選択方式として、第１の選択方式と第２の選択方式を、第１の切替閾値、第２の切替閾値に基づいて切り替えて、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの切替を行うように発電切替信号ＧＥＳを生成して出力する。
【００４６】
第１の選択方式
第１の選択方式は、インバータ発電モード、オルタネータ発電モードともに発電可能な場合に、インバータ発電モード、オルタネータ発電モードのうち、任意の発電モードを選択する選択方式である。ここでは、インバータ発電モード時の効率とオルタネータ発電モード時の効率の差の大きさが、予め定められた設定値以上である場合に、効率が高い方の発電モードを選択する選択方式であるものとする。
【００４７】
インバータ発電モード時、オルタネータ発電モード時それぞれの効率は、回転電機出力指令ＭＯＣ、回転電機２の回転速度を示す回転速度信号ＲＳＳ、通電装置１５の直流電圧値信号Ｖｄｃに基づいて算出する。効率には、回転電機２の効率、電力変換装置１の効率の他、回転電機２の機械パワーから電力変換装置１の発電電力に変換されるまでのエネルギー変換効率である総合効率があるが、ここでは総合効率とする。効率を算出する方法としては、例えば回転電機出力指令ＭＯＣ、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)、通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)を引数として、インバータ発電モード、オルタネータ発電モードそれぞれの効率を出力するマップを用いて算出する方法が挙げられる。
【００４８】
第２の選択方式
第２の選択方式は、インバータ発電モード時の最大出力とオルタネータ発電モード時の最大出力の差の大きさが、予め定められた設定値以上である場合に、最大出力が大きい方の発電モードを選択する選択方式である。
【００４９】
インバータ発電モード時、オルタネータ発電モード時それぞれの最大出力(Ｍｍａｘｉｎｖ，Ｍｍａｘａｌｔ)は、回転速度(ＲＳＳ)、直流電圧値(Ｖｄｃ)に基づいて算出する。最大出力を算出する方法としては、例えば回転速度(ＲＳＳ)と直流電圧値(Ｖｄｃ)を引数として、インバータ発電モード時、オルタネータ発電モード時それぞれの最大出力を出力するマップを用いて算出する方法が挙げられる。
【００５０】
＜発電切替信号生成部１３での発電モードの選択動作＞
図６に発電切替信号生成部１３において発電モードを選択する際の一例の動作フローチャートを示す。電力変換装置１の発電動作中、このフローチャートのＳＴＡＲＴからＥＮＤまでの処理を繰り返し行うものとする。なお、図６のＳＴＡＲＴ時点である初期状態における発電モードの選択方式と発電モードを定めておく必要があるが、ここでは初期状態で選択方式が第１の選択方式、発電モードがインバータ発電モードに定められているとする。
【００５１】
ステップＳ１では、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が第１の切替閾値Ｊｓｗ１よりも大きく、かつ、第２の切替閾値Ｊｓｗ２(Ｊｓｗ１＜Ｊｓｗ２)よりも小さいかどうかを判定する。ＹＥＳであればステップＳ２に進み、ＮＯであればステップＳ５に進む。ステップＳ５の説明については後述する。
【００５２】
ステップＳ２では、現在の選択方式が第１の選択方式であるかどうかを判定する。ＹＥＳであればステップＳ３に進み、ＮＯであればステップＳ７に進む。ステップＳ７の説明については後述する。
【００５３】
ステップＳ３では、前のステップＳ２で現在の選択方式が第１の選択方式(効率が高い方の発電モードを選択する選択方式)と判定されているため、インバータ発電モード時の効率とオルタネータ発電モード時の効率の差の大きさηｄｉｆｆが設定値ε１以上であるかどうかを判定する。ＹＥＳであればステップＳ４に進み、ＮＯであればそのまま手順を終了する。
【００５４】
ステップＳ４では、前のステップＳ３でインバータ発電モード時の効率とオルタネータ発電モード時の効率の差の大きさηｄｉｆｆが設定値ε１以上と判定されたため、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードのうち、効率が高い方の発電モードを選択する。
【００５５】
ステップＳ２でＮＯと判定された場合、つまり現在の選択方式が第２の選択方式(最大出力が大きい方の発電モードを選択する選択方式)となっている場合に実行されるステップＳ７では、インバータ発電モード時の最大出力とオルタネータ発電モード時の最大出力の差の大きさＭｍａｘｄｉｆｆが設定値ε２以上であるかどうかを判定する。ＹＥＳであればステップＳ８に進み、ＮＯであればそのまま手順を終了する。
【００５６】
ステップＳ８では、前のステップＳ７でインバータ発電モード時の最大出力とオルタネータ発電モード時の最大出力の差の大きさＭｍａｘｄｉｆｆが設定値ε２以上であると判定されたため、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードのうち、最大出力が大きい方の発電モードを選択する。
【００５７】
ステップＳ１でＮＯと判定された場合に実行されるステップＳ５では、回転電機出力指令Ｍｒｅｆが第１の切替閾値Ｊｓｗ１以下であるかどうかを判定する。ＹＥＳであればステップＳ６に進み、ＮＯであればステップＳ９に進む。
【００５８】
ステップＳ６では、前のステップＳ５で回転電機出力指令Ｍｒｅｆが第１の切替閾値Ｊｓｗ１以下であると判定されたため、発電モードの選択方式を第１の選択方式に切り替えてステップＳ２に進む。
【００５９】
ステップＳ９は、ステップＳ１、ステップＳ５の判定条件で全てＮＯとなった場合、すなわち回転電機出力指令Ｍｒｅｆが第２の切替閾値Ｊｓｗ２以上の場合に実行されるため、発電モードの選択方式を第２の選択方式に切り替えてステップＳ２に進む。
【００６０】
続いて、Ａ．この発明を適用しない場合、Ｂ．この発明を適用した場合、とで、回転電機出力指令Ｍｒｅｆの変化に対して、選択方式や発電モードがどのように切り替わるのかについて説明する。
【００６１】
ここでは、Ａ、Ｂいずれの場合も第１の選択方式が使用される動作点において、オルタネータ発電モード時の効率とインバータ発電モード時の効率の差ηｄｉｆｆが設定値ε１以上であり、効率が高い発電モードが選択されるものとする。さらに、ここではオルタネータ発電モード時の効率がインバータ発電モード時の効率よりも高く、第１の選択方式においてはオルタネータ発電モードが選択されるものとする。
【００６２】
また、ここではインバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖがオルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔを上回っている状態、かつ、各々の最大出力の差Ｍｍａｘｄｉｆｆが設定値ε２以上であるとし、従って第２の選択方式においてはインバータ発電モードが選択されるものとする。なお、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)は、
回転電機２の発電トルクＧＴ２を定める発電トルク指令ＧＴＣ、
回転電機２の出力に対応する電力変換装置１の発電電力ＧＷ１を定める発電電力指令ＧＷＣ、
回転電機２の出力に対応する電力変換装置１の発電電流ＧＩ１を定める発電電流指令ＧＩＣ、
のいずれかで定義されるが、ここでは発電トルク指令ＧＴＣで定義されることとし、インバータ発電モード、オルタネータ発電モード各々の最大出力は発電トルクで定義されるものとする。
【００６３】
(Ａ．この発明を適用しない場合)
図７に、第１の選択方式(効率が高い方の発電モードを選択する選択方式)と第２の選択方式(最大出力が大きい方の発電モードを選択する選択方式)の切替にこの発明を適用しない場合の発電モード切替の動作の例について示す。横軸は時間であり、(ａ)の縦軸は発電トルク、(ｂ)の縦軸は選択方式、(ｃ)の縦軸は発電モードを示している。図７では第１の選択方式と第２の選択方式とを切り替える切替閾値Ｊｓｗは発電トルクで定義され、オルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔと等しく設定されているものとする。
【００６４】
以上に述べた条件下で、時間に応じて変化する回転電機出力指令(ここでは発電トルク指令)Ｍｒｅｆに対して、選択方式や発電モードがどのように切り替わるかを説明する。
【００６５】
(時刻ｔ０からｔ１)  (ａ)に示すように回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ)未満となっている間は、(ｂ)に示すように第１の選択方式が選択され、(ｃ)に示すように発電モードはオルタネータ発電モードが選択されている。時刻ｔ１で回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ)に達するまでこの状態を継続する。
【００６６】
(時刻ｔ１)  (ａ)に示すように回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ)に達したところで、(ｂ)に示すように第２の選択方式が選択され、(ｃ)に示すように発電モードはインバータ発電モードに切り替わる。
【００６７】
(時刻ｔ２)  (ａ)に示すように回転電機出力指令Ｍｒｅｆが減少し、Ｍｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ)未満となったところで、(ｂ)に示すように第１の選択方式が選択され、(ｃ)に示すように発電モードは再びオルタネータ発電モードに切り替わる。
【００６８】
(時刻ｔ２からｔ３)  (ａ)に示すように回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ)をまたいで繰り返し変動することで、(ｂ)に示すように選択方式の切替が頻発し、その結果として(ｃ)に示すように発電モードの切替も頻発する。
【００６９】
このように、この発明を適用せず、第１の選択方式と第２の選択方式との切替にヒステリシス幅を設けていない場合、結果的に発電モードの切替が頻発する場合がある。
【００７０】
(Ｂ．この発明を適用した場合)
図８に、第１の選択方式(効率が高い方の発電モードを選択する選択方式)と第２の選択方式(最大出力が大きい方の発電モードを選択する選択方式)の切替にこの発明を適用した場合の発電モード切替の動作の例について示す。図７と同様、横軸は時間であり、(ａ)の縦軸は発電トルク、(ｂ)の縦軸は選択方式、(ｃ)の縦軸は発電モードを示している。
【００７１】
第１の切替閾値Ｊｓｗ１は、第２の選択方式から第１の選択方式に切り替える点、
第２の切替閾値Ｊｓｗ２は、第１の選択方式から第２の選択方式に切り替える点
である。
第１の切替閾値Ｊｓｗ１、第２の切替閾値Ｊｓｗ２のいずれも回転電機出力指令Ｍｒｅｆと比較される値であり、ここでは発電トルクで定義されるものとする。
【００７２】
第２の切替閾値Ｊｓｗ２は、インバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖとオルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔのうちの小さい方の値に対応する回転電機出力指令Ｍｒｅｆの値以下に設定する。
前述の通り、
回転電機出力指令Ｍｒｅｆは発電トルク指令で定義され、
第１の切替閾値Ｊｓｗ１、第２の切替閾値Ｊｓｗ２、最大出力(Ｍｍａｘｉｎｖ，Ｍｍａｘａｌｔ)は全て発電トルクで定義されており、
またオルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔがインバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖの方よりも小さいため、第２の切替閾値Ｊｓｗ２をオルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔ以下に設定する。
ここでは図８のように、第１の選択方式から第２の選択方式に切り替える点である第２の切替閾値Ｊｓｗ２が、オルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔと等しく設定されているものとする。
【００７３】
なお、図８の通り第１の切替閾値Ｊｓｗ１は前述で定めた第２の切替閾値Ｊｓｗ２よりも小さな値に設定する。
【００７４】
以上に述べた条件下で、時間に応じて変化する回転電機出力指令Ｍｒｅｆに対して、選択方式や発電モードがどのように切り替わるかを説明する。
【００７５】
(時刻ｔ０〜ｔ１)  (ａ)に示すように回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ２)未満となっている間は、(ｂ)に示すように第１の選択方式が選択され、(ｃ)に示すように発電モードとしてはオルタネータ発電モードが選択されている。時刻ｔ１で回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ２)に達するまでこの状態を継続する。
【００７６】
(時刻ｔ１)  (ａ)に示すように回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ２)に達したところで、(ｂ)に示すように第２の選択方式が選択され、(ｃ)に示すように発電モードはインバータ発電モードに切り替わる。
【００７７】
(時刻ｔ２)  (ａ)に示すように回転電機出力指令Ｍｒｅｆが減少し、Ｍｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ２)未満となっても、回転電機出力指令Ｍｒｅｆが第２の選択方式から第１の選択方式に切り替える点である第１の切替閾値Ｊｓｗ１以上であるため、(ｂ)に示すように選択方式の切替は発生せず、(ｃ)に示すように発電モードの切替も発生しない。
【００７８】
(時刻ｔ２〜ｔ３)  (ａ)に示すように回転電機出力指令ＭｒｅｆがＭｍａｘａｌｔ(＝Ｊｓｗ２)をまたいで繰り返し変動しても、(ｂ)に示すように選択方式の切替が頻発することはなく、(ｃ)に示すように発電モードの切替も頻発することはない。
【００７９】
(時刻ｔ３)  (ａ)に示すように回転電機出力指令Ｍｒｅｆが第１の切替閾値Ｊｓｗ１未満になった時点で、(ｂ)に示すように選択方式が第１の選択方式に切り替わり、その結果として(ｃ)に示すように発電モードがオルタネータ発電モードに切り替わる。
【００８０】
このように、この発明を適用した場合には、回転電機出力指令Ｍｒｅｆが変動しても、選択方式の切替が頻発することはなく、その結果として発電モードの切替が頻発することもない。
【００８１】
ただし、第１の切替閾値Ｊｓｗ１と第２の切替閾値Ｊｓｗ２の間の差の大きさが、回転電機出力指令Ｍｒｅｆの変動幅よりも小さいと、選択方式の切替が頻発する可能性があるため、回転電機出力指令Ｍｒｅｆの変動幅と変動周期を把握し、許容できる予め設定された切替頻度となるように、第１の切替閾値Ｊｓｗ１と第２の切替閾値Ｊｓｗ２の間の差を設定する。
【００８２】
回転電機出力指令Ｍｒｅｆの変動幅と変動周期を把握する方法としては、例えば事前に実用の条件での測定を実施しておく方法が挙げられる。
【００８３】
これまでの説明では、インバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖ、オルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔが一定であるとして説明したが、これらの値は回転電機２や電力変換装置１の特性上、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)や通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)によって変化することが一般的である。そのような場合には、第２の選択方式における処理に用いるインバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖ、オルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔを、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)、通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)に応じて変化させることで、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)、通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)が変化しても、図８で説明したような発電切替の動作が可能となる。
【００８４】
また、第２の切替閾値Ｊｓｗ２は、オルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔ以下に設定し、第１の切替閾値Ｊｓｗ１は、第２の切替閾値Ｊｓｗ２よりも小さな値に設定する。
オルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔが回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)、通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)に応じて変化する場合、第１の切替閾値Ｊｓｗ１や第２の切替閾値Ｊｓｗ２も回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)、通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)に応じて変化させることで、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)、通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)が変化しても図８で説明したような発電切替の動作が可能となる。
【００８５】
なお、これまで最大出力を回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)として説明したが、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)の定義に合わせて、電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)、電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)としてもよい。例えば、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が発電電力指令(ＧＷＣ)であれば、最大出力の定義を発電電力(ＧＷ)、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が発電電流指令(ＧＩＣ)であれば、最大出力の定義を発電電流(ＧＩ)とすることができる。
【００８６】
また、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)の定義によらず、最大出力の定義を、回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)、電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)、電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)とすることもできる。
【００８７】
電力変換装置１や回転電機２の特性によっては、オルタネータ発電モード時よりもインバータ発電モード時の方が回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)の最大値は大きいが、電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)や発電電流(ＧＩ１)の最大値は、オルタネータ発電モード時の方がインバータ発電モード時よりも大きい場合がある。
【００８８】
このような場合には、最大出力の定義を発電トルク(ＧＴ)、発電電力(ＧＷ)、発電電流(ＧＩ)のいずれにするかによって、インバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖとオルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔの関係が異なる。発電電力(ＧＷ)や発電電流(ＧＩ)の最大値に応じて発電切替を行う必要がある場合は、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)の定義によらず、最大出力の定義を電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)や電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)に変更することで、その必要を満たすことができる。
【００８９】
さらに制御目的上、
回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)、
電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)、
電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)
のいずれの最大値も考慮して発電切替を行う必要がある場合、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)の定義によらず、
最大出力の定義を回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)の最大値、
電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)の最大値、
電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)の最大値
の線形和とすることで、
回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)の最大値、
電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)の最大値、
電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)の最大値
を全て考慮して、第２の選択方式による発電モードの切替を行うこともできる。
回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)の最大値、電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)の最大値、電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)の最大値のそれぞれに対する考慮の重みは、
回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)の最大値の項に対応する係数である発電トルク係数(ＧＴＣＯ)、
回転電機２の発電電力(ＧＷ２)の最大値の項に対応する係数である電力係数(ＧＷＣＯ)、回転電機２の発電電流(ＧＩ２)の最大値の項に対応する係数である発電電流係数(ＧＩＣＯ)をそれぞれ設定することで定めることができる。
【００９０】
また、制御目的上、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)や通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)によって、回転電機２の発電トルク(ＧＴ２)、電力変換装置１の発電電力(ＧＷ１)、電力変換装置１の発電電流(ＧＩ１)のそれぞれに対する考慮の重みを変化させる必要がある場合には、発電トルク係数(ＧＴＣＯ)、発電電力係数(ＧＷＣＯ)、発電電流係数(ＧＩＣＯ)それぞれを、回転電機２の回転速度(ＲＳＳ)や通電装置１５の直流電圧値(Ｖｄｃ)に応じて変化させることで、その必要を満たすことができる。
【００９１】
前述の通り、第１の切替閾値(Ｊｓｗ１)、第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)については回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)の定義に合わせて定義し、第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)はインバータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘｉｎｖとオルタネータ発電モード時の最大出力Ｍｍａｘａｌｔのうちの小さい方の値に対応する回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)の値以下に設定する。
【００９２】
回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)と最大出力の物理量定義が同じである
(すなわち、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が発電トルク指令(ＧＴＣ)で最大出力が発電トルク(ＧＴ)、
回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が発電電力指令(ＧＷＣ)で最大出力が発電電力(ＧＷ)、
回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が発電電流指令(ＧＩＣ)で最大出力が発電電流(ＧＩ)、
のいずれかである)
場合は、第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)≦最大出力として第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)を設定すればよいが、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)と最大出力の物理量定義が異なる場合、最大出力に対応する回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)を算出し、第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)≦最大出力に対応する回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)として第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)を設定する必要がある。例えば、回転電機出力指令Ｍｒｅｆ(ＭＯＣ)が発電トルク指令(ＧＴＣ)で最大出力が発電電力(ＧＷ)で定義されている場合、発電電力(ＧＷ)に対応する発電トルク(ＧＴ)を算出し、第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)≦最大出力(発電電力)に対応する発電トルク(ＧＴ)として第２の切替閾値(Ｊｓｗ２)を設定する必要がある。
【００９３】
なお、これまで第１の選択方式は効率が高い方の発電モードの選択を行う選択方式として説明したが、第１の選択方式において発電モードを選択する方法はこれに限定されず、例えばトルクリップルや騒音の小さい方の発電モードを選択する等の別の方法が挙げられる。
【００９４】
以上のように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、効率等に応じて発電モードを選択する選択方式(第１の選択方式)と、最大出力に応じて発電モードを選択する選択方式(第２の選択方式)との切替の頻度を抑えることができるので、安定的に発電モードを切り替えつつ高出力動作を行うことが可能となる。
【００９５】
なお、本実施の形態では、回転子(２２)の界磁の方式を巻線界磁方式としていたが、巻線界磁と永久磁石界磁を併用する方式であってもよい。永久磁石界磁を併用していても、界磁巻線に流す電流に応じて回転電機２の出力を変化させることができる。
【００９６】
また、本実施の形態では、回転電機２の電機子巻線２１の結線を３相Ｙ結線としていたが、相数、結線方式はこれに限定されない。
【００９７】
また、本実施の形態では、回転電機２の回転子位置を参照していたが、回転子位置を参照せず、交流位相を内部で生成して通電する方式であってもよい。
【００９８】
また、本実施の形態では、電機子電圧指令ＡＶＣや界磁電圧指令ＦＶＣをＰＩ制御に基づいて生成していたが、電機子電圧指令ＡＶＣや界磁電圧指令ＦＶＣの生成方法はこれに限定されない。Ｐ制御、Ｉ制御に基づいて生成してもよい。また、電流をフィードバックせずに、電流指令(ＩＣ)からマップ等によって電圧指令(ＶＣ)を生成してもよい。
【００９９】
また、本実施の形態では、３相−ｄｑ変換、ｄｑ−３相変換を用いて制御していたが、交流を直接制御してもよい。
【０１００】
また、本実施の形態では、インバータ発電モード時にＰＷＭに基づいて通電信号ＥＮＳを生成していたが、インバータ発電モード時における通電信号ＥＮＳの生成方法はこれに限定されない。例えば電流指令(ＩＣ)に対する実電流の誤差が一定の幅内に収まるように通電素子をスイッチングするヒステリシス制御等に基づいて通電信号を生成してもよい。
【０１０１】
なお、図１の電力変換装置１の通電装置１５以外の部分からなる制御部分は、別々の制御回路で構成してもよく、また１つの制御回路でまとめて構成してもよい。
この点に関し、これらの機能を実現する処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう)であっても構成可能である。
【０１０２】
図９の(ａ)はこれらの機能をハードウェアで構成した場合、(ｂ)はソフトウェアで構成した場合の、ハードウェア構成を概略的に示す。
上記各部の機能を図９の(ａ)に示すハードウェアで構成した場合、処理回路１０００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。上記各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
【０１０３】
上記各部の機能を図９の(ｂ)に示すＣＰＵで構成した場合、上記各部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ２１００に格納される。処理回路であるプロセッサ２０００は、メモリ２１００に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。これらのプログラムは、上記各部の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ２１００とは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。
【０１０４】
なお、上記各部の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
【０１０５】
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
また処理に必要な各種マップ等を含む各種情報は、ハードウェア構成の場合は回路に予め設定され、またソフトウェア構成の場合にはメモリに予め記憶させておく。
【０１０６】
以上、この発明を一実施の形態に関して説明したが、この発明はこの実施の形態のみに限られるものではなく、この発明の範囲内においては他に種々の実施の形態が可能であることは当業者にとって明らかである。
【産業上の利用の可能性】
【０１０７】
この発明は、多くの分野の電力変換装置及び電力変換方法に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１  電力変換装置、２  回転電機、１１  回転速度算出部、１２  電圧指令生成部、１３  発電切替信号生成部、１４  通電信号生成部、１５  通電装置、１５ａ  電機子巻線側通電部、１５ｂ  界磁巻線側通電部、１５Ｄ  検出部、２１  電機子巻線、２２  界磁巻線、１２１  電機子電流指令生成部、１２２  界磁電流指令生成部、１２３  電機子電圧指令生成部、１２４  界磁電圧指令生成部、１５１  直流電源、１５２  Ｕ相上アーム、１５２ａ  Ｕ相上アーム通電素子、１５２ｂ  Ｕ相上アーム還流ダイオード、１５３  Ｕ相下アーム、１５３ａ  Ｕ相下アーム通電素子、１５３ｂ  Ｕ相下アーム還流ダイオード、１５４  相上アーム、１５４ａ  相上アーム通電素子、１５４ｂ  相上アーム還流ダイオード、１５５  相下アーム、１５５ａ  相下アーム通電素子、１５５ｂ  相下アーム還流ダイオード、１５６  相上アーム、１５６ａ  相上アーム通電素子、１５６ｂ  相上アーム還流ダイオード、１５７  相下アーム、１５７ａ  相下アーム通電素子、１５７ｂ  相下アーム還流ダイオード、１５８ａ  通電素子、１５８ｂ  ダイオード、１５９ａ  通電素子、１５９ｂ  ダイオード、１０００  処理回路、２０００  プロセッサ、２１００  メモリ。
【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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