(57)【要約】  【課題】交流電源及び直流電源の容量を抑制して安価で小型なインバータ・モータ装置を実現する。  【解決手段】２台のモータ２，３を対向設置して各々にインバータ装置１０，１１を接続し、モータ２，３の各回転軸４，５を動力伝達機構６を介して結合する。インバータ装置１０，１１に電力を供給するＤＣ電源装置２０は、インバータ装置１０，１１に対する定常的な電力の授受に見合った電源容量とし、ＤＣ電源装置２０に、過渡的な電力の授受を行う蓄電装置３０を並列に接続する。これにより、モータ間で高効率で電力を還流させてシステムに要する交流電源及び直流電源の容量を抑制し、試験装置を安価で小型なものとしてインバータ・モータの評価に適した装置とすることができる。【選択図】図１
2007116812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２台のモータを対向設置して互いの回転軸を動力伝達機構を介して結合し、各モータにインバータ装置をそれぞれ接続したインバータ・モータ試験装置であって、
上記各インバータ装置に対する定常的な電力の授受に見合った電源容量の直流電源装置と、
上記直流電源装置に並列に接続され、上記各インバータ装置に対する過渡的な電力の授受を行う蓄電装置とを備えたことを特徴とするインバータ・モータ試験装置。
【請求項２】
上記蓄電装置を、二次電池とコンデンサとの少なくとも一方を用いて構成したことを特徴とする請求項１記載のインバータ・モータ試験装置。
【請求項３】
上記蓄電装置は、複数のセルを直列及び並列に接続した構成を有し、試験電圧条件に応じて直列接続数及び並列接続数の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項１又は２記載のインバータ・モータ試験装置。
【請求項４】
上記２台のモータの一方が位置検出器を有しないセンサレスモータである場合、このセンサレスモータを他方のモータの位置検出器で検出した位置検出情報を用いて制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のインバータ・モータ試験装置。
【請求項５】
上記２台のモータの一方が位置検出器を有しないセンサレスモータである場合、他方のモータの位置検出情報を、他方のモータを制御するインバータ装置から上記センサレスモータを制御するインバータ装置に通信することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のインバータ・モータ試験装置。
【請求項６】
上記各インバータ装置に制御指令を出力して上記各インバータ装置を制御する上位の制御装置を備え、
上記制御装置から出力する一方のインバータ装置への電圧指令値が設定値を上回った場合、他方のインバータ装置の出力を制限する制御指令を出力することを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載のインバータ・モータ試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータやモータの特性等を試験するインバータ・モータ試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置を介して駆動される交流モータは、多様な用途に使用されており、特に、近年では、ハイブリッド自動車や電気自動車の走行動力源として多く採用されるようになっている。従って、安価で性能の良いモータやインバータ装置を開発するには、最大出力試験等の各種の特性試験を行う試験装置が必要となるが、従来の試験装置は、大型で消費電力が大きく且つ高価であり、開発コストを上昇させる一因となっていた。
【０００３】
このため、例えば、特許文献１には、第１インバータに接続される第１モータと第２インバータに接続される第２モータとを伝達機構を介して互いに結合して、一方のインバータの出力を他方のインバータで回生することにより、消費電力を抑制する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、電力変換器を２つ用い、一方の電力変換器をモータの負荷を仮想する負荷として、実際にモータを接続することなく、モータの運転を模擬的に行うことにより、インバータの試験を行う技術が開示されている。
【特許文献１】特開平２００３−１５３５４６号公報
【特許文献２】特開平２００４−８８８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、インバータやモータの試験に際しては、過渡的な電力の増減が発生するため、インバータに直流電力を供給する直流電源装置は、インバータやモータで消費される定常的な損失分の供給に加えて、過渡的な電力の供給・吸収を同時に行わなければならないという問題がある。
【０００６】
従って、直流電源装置の容量をインバータ・モータの損失分よりも余裕を持つように大きくする必要があり、交流電源及びこの交流電源を変換して生成する直流電源に大容量が要求され、全体の消費電力が増加して電源装置を大型化せざるを得ず、試験装置全体のコスト低減を妨げる要因となっていた。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、交流電源及び直流電源の容量を抑制して安価で小型な装置とすることのできるインバータ・モータ試験装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明によるインバータ・モータ試験装置は、２台のモータを対向設置して互いの回転軸を動力伝達機構を介して結合し、各モータにインバータ装置をそれぞれ接続したインバータ・モータ試験装置であって、上記各インバータ装置に対する定常的な電力の授受に見合った電源容量の直流電源装置と、上記直流電源装置に並列に接続され、上記各インバータ装置に対する過渡的な電力の授受を行う蓄電装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるインバータ・モータ試験装置は、インバータ装置に対する定常的な電力の授受に見合った電源容量の直流電源装置に、過渡的な電力の授受を行う蓄電装置を並列に接続することにより、交流電源及び直流電源の容量を抑制することができ、安価で小型な装置としてインバータ・モータの評価に適した装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図８は本発明の実施の第１形態に係り、図１はインバータ・モータ試験装置の基本構成図、図２はインバータ装置の基本構成を示す回路図、図３は蓄電装置の内部接続構成を示す説明図、図４は直流電源から供給する電流を模式的に示す波形図、図５は位置検出器の第１の取付け例を示す構成図、図６は位置検出器の第２の取付け例を示す構成図、図７は位置検出器の第３の取付け例を示す構成図、図８は位置検出器の第４の取付け例を示す構成図である。
【００１１】
図１に示すインバータ・モータ試験装置１は、２台のモータ２，３を対向設置して各々にインバータ装置１０，１１を接続し、インバータやモータの評価試験を行うものであり、その他、図示しない振動計、トルクメータ、パワーメータ等の測定器及びデータ処理装置が備えられ、これらの装置を相互に接続した計測システムとして形成されている。このインバータ・モータ試験装置１には、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車の走行用モータをセットし、また、この走行用モータを制御するインバータ装置をセットする等して、その性能・特性を評価することができる。
【００１２】
モータ２，３は、それぞれの回転軸４，５が継手やギヤ機構等の動力伝達機構６を介して結合され、何れか一方のモータ及びインバータ装置が力行動作するとき、他方のモータ及びインバータ装置が回生動作を行うことにより、モータ間で電力を還流させる電力還流システムが形成される。この電力還流は、インバータ装置１０，１１に対する定常的な電力の授受に見合った電源容量の直流電源装置（ＤＣ電源装置）２０と、このＤＣ電源装置２０と並列に接続される蓄電装置３０とを介して行われる。蓄電装置３０は、後述するように、過渡的な電力の授受を行う補助電源として機能するものである。
【００１３】
インバータ装置１０，１１は、それぞれ、直流電力を３相交流電力に変換するインバータ回路１０ａ，１１ａ、インバータ回路１０ａ，１１ａを制御するコントローラ１０ｂ，１１ｂを備えている。インバータ回路１０ａ，１１ａは、基本的に同様の構成であり、図３に代表して示すように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をブリッジ接続し、ＤＣ電源装置２０に接続される直流端子Ｐ，Ｎと、モータ２或いはモータ３に接続される交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとを有する周知の回路構成である。直流端子Ｐ，Ｎ間には、コンデンサＣが接続されている。
【００１４】
各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、コントローラ１０ｂ，１１ｂによってオンオフされ、ＰＷＭ制御された３相の交流出力が交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力される。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ等のスイッチング素子を用いることができる。また、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、逆電圧に対する保護用として、正電圧が印加される直流端子Ｐ側をカソードとするダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。
【００１５】
尚、インバータ装置１０，１１は、３相交流電力を直流電力に変換するコンバータとして動作させることもできる。すなわち、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗに３相の交流電圧を印加すると、各ダイオードＤ１〜Ｄ６によって整流され、直流端子Ｐ，Ｎから直流出力を得ることができる。
【００１６】
一方、ＤＣ電源装置２０は、例えば、商用電源等の交流電源４０から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路やチョッパ回路等から構成され、高圧大容量の直流電力をインバータ装置１０，１１に供給する。また、蓄電装置３０は、例えば、鉛バッテリ、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池、電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等のコンデンサ、二次電池とコンデンサとの組み合わせといったように、二次電池とコンデンサとの少なくとも一方を用いて構成され、これらのバッテリやキャパシタの各セル・モジュールを直列及び並列に接続する等して構成されている。図３は、ｍ個のセル３０ａを直列接続してモジュールとし、ｋ個のモジュールを並列接続して蓄電装置３０を構成する例を示しており、直列・並列の接続数がインバータ・モータの試験条件やＤＣ電源装置２０の容量に応じて設定される。
【００１７】
以上の構成によるインバータ・モータ試験装置１を用いて試験を行う場合には、一方のインバータ装置を駆動して、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗから３相の交流電圧を発生させる。
【００１８】
例えば、モータ２側のインバータ装置１０を駆動して３相交流電圧を発生させ、インバータ回路１０ａ及びモータ２を力行動作させるものとすると、インバータ回路１０ａで発生した３相交流電圧はモータ２に印加され、モータ２のロータが回転する。このモータ２の回転は、モータ２の回転軸４に動力伝達機構６を介して結合されたモータ３の回転軸５に伝達される。これにより、モータ３のロータも回転し、モータ３が発電機として働き、モータ３からは３相交流電圧が出力される。モータ３から出力される３相交流電圧は、インバータ装置１１の交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗに印加され、インバータ回路１１ａがコンバータとして機能して直流端子Ｐ，Ｎから直流電力が出力される。
【００１９】
インバータ装置１０からは、このような挙動をするモータ２，３及びインバータ装置１１は負荷として見えることから、インバータ装置１０についての出力試験を行うことができ、更には、インバータ装置１１のコンバータとしての動作試験を併せて行うことができる。また、インバータ装置１１を介して得られた直流電力は、ＤＣ電源装置２０及び蓄電装置３０に回生され、インバータ装置１０で再び利用することができる。
【００２０】
このとき、運転中に過渡的な電力の増減が発生しても、ＤＣ電源装置２０に並列に接続された蓄電装置３０により、過渡的な電力の供給・吸収が行われる。従来のように、ＤＣ電源装置のみからシステムを構成した場合には、ＤＣ電源装置から過渡的な電力の供給・吸収と定常的な損失分の供給とを同時に行わなければならず、図４（ａ）に模式的に示すように、ＤＣ電源装置からの電流Ｉｔが周期的に大きく変動してしまう。従って、従来では、ＤＣ電源装置の容量をインバータ・モータの損失分よりも余裕を持つように大きくする必要があった。
【００２１】
これに対して、本発明のインバータ・モータ試験装置１においては、蓄電装置３０をＤＣ電源装置２０と並列に接続し、過渡的な電力の供給・吸収を蓄電装置３０で行うことから、図４（ｂ）に模式的に示すように、変動のピークを平滑化して安定化した平均電流Ｉｓとすることができ、ＤＣ電源装置２０を定常的な損失分を供給するに見合った電源容量として小型化することができる。この場合、インバータ・モータの試験電圧条件は必ずしも一定ではないが、蓄電装置３０内の直列接続のセル数ｍを適宜設定することにより試験電圧条件に適合させ、また、並列接続のモジュール数ｋを適宜設定することにより安定した直流電圧を維持することができる。
【００２２】
すなわち、本発明のインバータ・モータ試験装置１では、モータ間で電力を還流させるのみならず、過渡的な電力の授受を蓄電装置３０が分担してＤＣ電源装置２０から定常的な電力を供給することにより、電力を高効率で還流させてシステム全体の電力消費を低減する省電力システムを形成している。これにより、システムに要する交流電源及び直流電源の容量を抑制してインバータ・モータ試験装置１を安価で小型なものとし、インバータ・モータの評価に適した装置とすることができる。
【００２３】
更に、通常のインバータ・モータの評価試験においては、モータに付随する位置又は速度検出器を用いて制御を行うが、近年、モータのセンサレス制御が普及しつつあり、位置又は速度検出器を備えないモータに対する評価も行う必要がある。モータのセンサレス制御では、インバータ・モータの制御性や効率等の基本性能に対し、制御アルゴリズムの影響が大きいため、制御アルゴリズムの影響を排除してインバータ・モータの基本性能を評価する必要がある。
【００２４】
尚、速度検出器は基本的に位置検出器と同等のため、以下では、位置検出器で代表して説明する。
【００２５】
従って、モータ２，３がセンサレスのモータである場合には、図５〜図８に示すように、モータ軸やモータ間の結合軸に、エンコーダ、レゾルバ、ホールセンサ等の位置検出器を取り付け、この位置検出器の情報を用いて制御を行うことにより、制御アルゴリズムの影響を排除してインバータ・モータの基本性能を評価することができる。また、センサレスとした場合の制御方式との比較を行うことにより、センサレス制御のアルゴリズムの評価することも可能である。
【００２６】
図５は、モータ２，３の双方に位置検出器を取り付けた例を示している。この例では、モータ２の回転軸４後端に取り付けた位置検出器１５をインバータ装置１０のコントローラ１０ｂに接続すると共に、モータ３の回転軸５後端に取付けた位置検出器１６をインバータ装置１１のコントローラ１１ｂに接続している。これにより、インバータ装置１０，１１がモータからの位置検出情報を直接受取るためのインターフェースを持たないセンサレス駆動用のインバータ装置であっても、モータの位置検出情報を受取ることが可能となる。
【００２７】
尚、位置検出器とインバータ装置との間に変換器を設置して位置検出情報を前処理し、インバータに取込む構成としても良い。
【００２８】
また、図６は、モータ２，３の一方に位置検出器を取り付けた例を示し、同図においては、モータ３の回転軸５後端に位置検出器１７を取付け、この位置検出器１７をモータ３を駆動するインバータ装置１１のコントローラ１１ｂに接続している。インバータ装置１１のコントローラ１１ｂは、モータ２側のインバータ装置１０のコントローラ１０ｂと通信ライン１８を介して接続され、一つの位置検出器１７の情報がインバータ装置１１からモータ２側のインバータ装置１０に送信される。このような構成においても、同様に、位置検出情報を直接受取るためのインターフェースを持たないセンサレス駆動用インバータ装置でも、位置検出情報を受取ることが可能となる。
【００２９】
尚、図７に示すように、モータ３側の位置検出器１７を、モータ３を駆動するインバータ装置１０のコントローラ１０ｂと、モータ２を駆動するインバータ装置１１のコントローラ１１ｂとの双方に接続するようにしても良い。
【００３０】
また、図８に示すように、モータ３側の位置検出器１７に対して、モータ２の回転軸４とモータ３の回転軸５とを結合した結合軸に分解能の高い位置検出器１９を取付け、この分解能の高い位置検出器１９からの信号を変換器１９ａで前処理して処理速度を向上させ、インバータ装置１０のコントローラ１０ｂに入力するようにしても良い。この場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００３１】
以上の位置検出器１５，１６，１７，１９は、モータの構造に応じて位置検出の基準点を調整することができるよう、それぞれの取付け角度が自由に調整できる構造とされる。これにより、インバータの制御ソフトウェアにおいて、モータの電気角演算の補正量を容易に設定することができる。
【００３２】
次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図９は本発明の実施の第２形態に係り、インバータ・モータ試験装置の基本構成図である。
【００３３】
第２形態は、モータ２，３を駆動するインバータ装置１０，１１に対して、これらのインバータ装置１０，１１を制御する上位の制御装置としての上位コントローラを設けたものである。
【００３４】
すなわち、図９に示すように、第２形態のインバータ・モータ試験装置１Ａでは、第１形態のインバータ・モータ試験装置１に対して、インバータ装置１０のコントローラ１０ｂとインバータ装置１１のコントローラ１１ｂとが接続される上位コントローラ５０を設けている。上位コントローラ５０からは、下位となる各コントローラ１０ｂ，１１ｂに制御指令を与え、双方のインバータ装置１０，１１及びモータ２，３の状態を一つの上位コントローラ５０で制御する。
【００３５】
例えば、一方のインバータ装置１０のコントローラ１０ｂにモータ２をトルク運転する指令を与えると共に、他方のインバータ装置１１のコントローラ１１ｂにモータ３を回転数運転する指令を与え、モータ３側のコントローラ１１ｂへの回転数指令を徐々に上げていくような試験を行う場合、モータ２側のインバータ装置１０が一般的なベクトル制御行っている場合、ｄ軸（磁束軸）での電圧指令値Ｖｄ、ｑ軸（トルク軸）での電圧指令値Ｖｑ、線間交流電圧Ｖａｃは、以下の式で示される関係にある。  
Ｖａｃ＝（Ｖｄ2＋Ｖｑ2）1/2
【００３６】
ここで、インバータ装置１０側のコントローラ１０ｂへのｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑは、上述のような試験の場合、モータ回転数の上昇と共に大きくなる。しかしながら、インバータ制御における制御パラメータが適切にチューニングできていないと、インバータ制御が発振して不安定となる場合があり、最悪の場合、インバータやモータの破損につながる虞がある。
【００３７】
インバータ制御が発振する兆候としては、線間交流電圧Ｖａｃが振動的となることから、上位コントローラ５０では、線間交流電圧Ｖａｃの上限値を設定しておき、線間交流電圧Ｖａｃが上限値に達した場合、インバータ装置１１のコントローラ１１ｂへの回転数指令を下げてモータ回転数を低下させ、インバータ制御の発振を回避する。これにより、仮に一方のインバータ装置やモータに不具合が発生した場合、もう一方のインバータ装置やモータに制限を加えることができ、安全性を向上することができる。
【００３８】
尚、モータのセンサレス制御を行う場合には、第１形態と同様、位置検出の基準点を調整可能なように位置検出器をモータ軸やモータ間の結合軸に取り付け、この位置検出器の情報を用いて制御を行うことにより、制御アルゴリズムの影響を排除してインバータ・モータの基本性能を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の第１形態に係り、インバータ・モータ試験装置の基本構成図
【図２】同上、インバータ装置の基本構成を示す回路図
【図３】同上、蓄電装置の内部接続構成を示す説明図
【図４】同上、直流電源から供給する電流を模式的に示す波形図
【図５】同上、位置検出器の第１の取付け例を示す構成図
【図６】同上、位置検出器の第２の取付け例を示す構成図
【図７】同上、位置検出器の第３の取付け例を示す構成図
【図８】同上、位置検出器の第４の取付け例を示す構成図
【図９】本発明の実施の第２形態に係り、インバータ・モータ試験装置の基本構成図
【符号の説明】
【００４０】
１，１Ａ  インバータ・モータ試験装置
２，３  モータ
４，５  回転軸
６           動力伝達機構
１０，１１  インバータ装置
１５，１６，１７，１９  位置検出器
１８  通信ライン
２０  直流電源装置
３０  蓄電装置
４０  交流電源
５０  上位コントローラ（上位の制御装置）
【図１】
2007116812.tif 000003
【図２】
2007116812.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007116812.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2007116812.tif 000009
【図８】
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【図９】
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