(57)【要約】【課題】固定子巻線の中性点に直流電源が接続されたモータを駆動するシステムにおいて、専用のインバータを設けることなく外部へ交流電力を出力可能にする。【解決手段】平滑コンデンサと交流モータと電力変換器とを有する少なくとも２台のモータ駆動装置を、平滑コンデンサ１３を直流リンク部として並列に接続したモータ駆動システムにおいて、モータ４０，５０の中性点と直流リンク部の一端との間に接続された直流電源６０と、電力変換器２０とモータ４０との間に接続されるスイッチ１２と、このスイッチ１２をオフにした状態で、電力変換器３０を動作させて交流モータ５０をリアクトルとして利用しつつ直流リンク部の電圧を所定値に制御し、かつ、電力変換器２０を動作させて直流リンク部の直流電力を交流電力に変換し、外部に出力する制御装置７０と、を備える。【選択図】図１
2012110138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑コンデンサと、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記平滑コンデンサと前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、
少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記平滑コンデンサを直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
すべての交流モータの固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された直流電源と、
第１のモータ駆動装置内の電力変換器と交流モータとの間に接続されるスイッチと、
前記スイッチをオフにした状態で、第２のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて当該電力変換器に接続された交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の電圧を所定値に制御し、かつ、第１のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて前記直流リンク部の直流電力を交流電力に変換し、外部に出力するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
平滑コンデンサと、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記平滑コンデンサと前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、
少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記平滑コンデンサを直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
第１のモータ駆動装置内の電力変換器と交流モータとの間に接続されるスイッチと、
第２のモータ駆動装置内の交流モータの固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された直流電源と、
前記スイッチをオフにした状態で、第２のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて当該電力変換器に接続された交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の電圧を所定値に制御し、かつ、第１のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて前記直流リンク部の直流電力を交流電力に変換し、外部に出力するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段は、前記直流電源の電圧または温度に応じて各電力変換器の出力を制限することを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載したモータ駆動システムにおいて、
前記制御手段により、第２のモータ駆動装置内の交流モータの固定子巻線に直流電流を流し、当該交流モータを回転させるトルクを発生させずに前記直流リンク部の電圧を制御することを特徴とするモータ駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流リンク部に並列接続された複数台の電力変換器により、各電力変換器にそれぞれ接続された交流モータを駆動するためのモータ駆動システムに関し、詳しくは、一部の電力変換器から外部に交流電力を出力可能としたモータ駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数台の交流モータを電力変換器により駆動するモータ駆動システムにおいて、各モータを直流定電圧によりそれぞれ独立に駆動しつつシステム全体の高効率化を図る方法として、例えば特許文献１に記載された方法がある。
図５は、この特許文献１に記載されたモータ駆動システムの構成図である。図５において、１０１，１０２はインバータ、１０３は直流リンク部に接続されたコンデンサ、２０１，２０２は各インバータ１０１，１０２の交流側に接続された同期電動機等の交流モータ、１０４は一方のモータ２０２の固定子巻線の中性点と負側直流母線との間に接続された直流電源としてのバッテリ、１０５は制御ユニットである。
【０００３】
上記構成において、一方のインバータ１０２はコンデンサ１０３の電圧がバッテリ１０４の電圧よりも高くなるように昇圧動作しながら交流電圧を出力してモータ２０２を駆動すると共に、他方のインバータ１０１は、昇圧動作を行わずに交流電圧を出力してモータ２０１をモータ２０２とは独立して駆動制御している。このように構成することで、モータの入力電流を低減でき、装置全体の高効率化を図ることができる。
【０００４】
一方、ハイブリッド自動車や電気自動車等（これらを電気自動車等という）に搭載されたモータ駆動装置を用いて、電気自動車等を交流電源として利用する従来技術が知られている。すなわち、災害時の非常用電源や周囲に商用電源設備がない場合の電源として、電気自動車等を利用しようというものである。このような利用方法は、電気自動車等の商品価値を高めるものとして注目されている。
【０００５】
バッテリを搭載したハイブリッド自動車から交流１００Ｖを出力させる方法として、例えば、特許文献２に記載された方法がある。
図６は、特許文献２に記載された交流１００Ｖ出力制御ルーチンのフローチャートである。特許文献２によれば、図６に示すように、交流１００Ｖを出力するインバータや車両制御システム、交流コンセントの状態や、モータとの間で電力をやり取りするバッテリの状態に基づき、インバータによる交流１００Ｖの出力の可否を判断する（Ｓ１００〜Ｓ１０６，Ｓ１０９）。
また、バッテリの充放電状態を判定し、その結果に応じてインバータによる交流１００Ｖの出力を制限する（Ｓ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１１０，Ｓ１１１）。
この従来技術によれば、車両の良好な駆動制御を確保することができると共に、状況に応じてハイブリッド自動車のバッテリの電力を用いて交流１００Ｖを出力させることができる。
【０００６】
前述した特許文献１では、交流電力を発生して外部に出力する手段を備えていないが、特許文献２によれば、車載のバッテリを利用して交流電力を発生させることができる。
しかしながら、特許文献２では、交流出力専用にインバータを備える必要があり、これがシステムの小型化、軽量化、低コスト化の妨げとなっている。
【０００７】
上述した特許文献２の課題を解決する方法として、例えば、特許文献３や特許文献４に記載された方法がある。
図７は、特許文献３に記載された従来技術を示している。図７において、３０１は直流電源３０２の電圧を所定値に制御するＤＣ／ＤＣコンバータ、３１１，３１２は直流リンク部を共通にしたインバータ、ＭＧ１，ＭＧ２はインバータ３１１，３１２によりそれぞれ通電制御されるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２、３２１は交流コンセント、ＥＮＧは一方のモータジェネレータＭＧ１に連結されたエンジン、４００は制御装置、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６はＤＣ／ＤＣコンバータ３０１及びインバータ３１１，３１２を構成する半導体スイッチである。
【０００８】
この従来技術では、インバータ３１１がモータジェネレータＭＧ１の中性点を所定の零相電圧に制御すると共に、インバータ３１２が、モータジェネレータＭＧ２に接続されるＵ，Ｖ，Ｗ相のアームを制御してＵ相配電線の電圧を所定値に制御し、交流コンセント３２１から商用の交流電圧を出力可能としている。
なお、特許文献４では、モータジェネレータＭＧ１と同様にモータジェネレータＭＧ２の中性点が交流コンセント３２１に接続されており、両中性点の間に発生させた交流電圧を交流コンセント３２１に出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１０６７０号公報（段落［００２２］〜［００２５］、図１等）
【特許文献２】特開２００２−３７４６０４号公報（段落［００２９］〜［００３５］、図３等）
【特許文献３】特開２００５−３１８６８２号公報（段落［００３７］〜［００６４］、図２等）
【特許文献４】特開２００６−１５８０１０号公報（段落［００２２］〜［００３９］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３，４に記載された従来技術によれば、専用のインバータを設けることなく、モータ駆動装置から外部へ交流電力を出力することができる。しかし、特許文献１のように、バッテリ等の直流電源がモータの中性点に接続されているシステムにおいて、特許文献３，４の方法では外部に交流電力を出力することができない。
そこで、本発明の解決課題は、中性点に直流電源が接続された交流モータを駆動するシステムにおいて、専用のインバータを設けることなく外部へ交流電力を出力可能にしたモータ駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ駆動システムは、平滑コンデンサと、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記平滑コンデンサと前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、
少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記平滑コンデンサを直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
すべての交流モータの固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された直流電源と、
第１のモータ駆動装置内の電力変換器と交流モータとの間に接続されるスイッチと、
前記スイッチをオフにした状態で、第２のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて当該電力変換器に接続された交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の電圧を所定値に制御し、かつ、第１のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて前記直流リンク部の直流電力を交流電力に変換し、外部に出力するように制御する制御手段と、を備えたものである。
【００１２】
請求項２に係るモータ駆動システムは、平滑コンデンサと、固定子巻線が星形結線された交流モータと、前記平滑コンデンサと前記交流モータとの間で電力を授受するように半導体スイッチがオンオフ制御される電力変換器と、によってモータ駆動装置を構成し、
少なくとも２台の前記モータ駆動装置を、前記平滑コンデンサを直流リンク部として並列に接続してなるモータ駆動システムにおいて、
第１のモータ駆動装置内の電力変換器と交流モータとの間に接続されるスイッチと、
第２のモータ駆動装置内の交流モータの固定子巻線の中性点と前記直流リンク部の一端との間に接続された直流電源と、
前記スイッチをオフにした状態で、第２のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて当該電力変換器に接続された交流モータをリアクトルとして利用しつつ前記直流リンク部の電圧を所定値に制御し、かつ、第１のモータ駆動装置内の電力変換器を動作させて前記直流リンク部の直流電力を交流電力に変換し、外部に出力するように制御する制御手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項３に係るモータ駆動システムは、請求項１または２に記載されたモータ駆動システムにおいて、前記制御手段は、前記直流電源の電圧または温度に応じて各電力変換器の出力を制限するものである。
【００１４】
請求項４に係るモータ駆動システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載したモータ駆動システムにおいて、前記制御手段により、第２のモータ駆動装置内の交流モータの固定子巻線に直流電流を流し、当該交流モータを回転させるトルクを発生させずに前記直流リンク部の電圧を制御するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、中性点に直流電源が接続された交流モータを駆動するシステムにおいて、直流電源の電力を、直流リンク部の平滑コンデンサを介して電力変換器により交流電力に変換し、この交流電力を外部に出力することができる。
また、交流モータ駆動用の電力変換器を用いて外部に交流電力を出力させるため、交流出力専用のインバータ等が不要であり、部品点数を減少させてコストの上昇を抑制することが可能である。
更に、バッテリ等の直流電源の電圧や温度等の状態に応じて各電力変換器の出力を制限すれば、直流電源の状態を良好に維持できると共に、交流モータの固定子巻線に直流電流を流すことで、回転トルクを発生させずに直流リンク部の電圧を所定値に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】図１における一方の電力変換器の動作説明図である。
【図３】図１における他方の電力変換器の動作説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図５】特許文献１に記載された従来技術の構成図である。
【図６】特許文献２に記載された従来技術のフローチャートである。
【図７】特許文献３に記載された従来技術の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の各実施形態では、２台のモータ駆動装置からなるモータ駆動システムについて説明するが、本発明は、３台以上のモータ駆動装置を直流リンク部にて並列に接続したモータ駆動システムにも適用可能である。
【００１８】
まず、図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、請求項１に相当する。
図１に示すように、この第１実施形態は、星形結線した固定子巻線を持つ２台の交流モータ（以下、単にモータともいう）４０，５０と、トランジスタと還流ダイオードとの逆並列接続回路からなる半導体スイッチＴｒ１〜Ｔｒ６，Ｔｒ７〜Ｔｒ１２によりそれぞれ構成された電力変換器２０，３０と、モータ４０，５０の固定子巻線の中性点と電力変換器２０，３０の直流リンク部の一端との間に接続されて直流電力を供給するバッテリ等の直流電源６０と、前記直流リンク部を構成する平滑コンデンサ１３と、この平滑コンデンサ１３の電圧を検出する電圧検出器１４と、直流電源６０の電圧を検出する電圧検出器１５と、直流電源６０の出力電流を検出する電流検出器１６と、直流電源６０の温度を検出する温度検出器１７と、モータ４０と電力変換器２０との間に設けられたスイッチ１２と、電力変換器２０の出力電圧が供給されるＬＣフィルタ等の出力フィルタ１１と、この出力フィルタ１１に接続された交流コンセント１０と、前記各検出器１４，１５，１６，１７からそれぞれ出力される検出値Ｖｄｃ，Ｖｂ，Ｉｂ，Ｔｂに基づいて電力変換器２０，３０をＰＷＭ制御する制御装置７０とから構成されている。
ここで、平滑コンデンサ１３、電力変換器２０及びモータ４０は請求項における第１のモータ駆動装置を構成し、平滑コンデンサ１３、電力変換器３０及びモータ５０は請求項における第２のモータ駆動装置を構成している。
【００１９】
次に、このモータ駆動システムによって交流電力を出力する方法について説明する。
直流電源６０の直流電力は、モータ５０と電力変換器３０内の還流ダイオードとを介して平滑コンデンサ１３に供給され、平滑コンデンサ１３を充電する。このとき、モータ５０の固定子巻線をリアクトルとみなし、電力変換器３０の下アームをスイッチ、上アームをダイオードとみなすと、電力変換器３０を昇圧チョッパとして動作させることができる。
【００２０】
図２は、上記電力変換器３０の動作を示しており、この電力変換器３０は零電圧ベクトルを用いてＰＷＭ制御される。電力変換器３０の零電圧ベクトル出力時は、上アーム及び下アームは同時にオンオフするので、ここでは、上アームの半導体スイッチＴｒ７，Ｔｒ９，Ｔｒ１１を一括してＴｒｐと表示し、下アームの半導体スイッチＴｒ８，Ｔｒ１０，Ｔｒ１２を一括してＴｒｎと表示して説明する。
【００２１】
図２（ａ）はＴｒｎがオンの時の動作を、図２（ｂ）はＴｒｐがオンの時の動作を、図２（ｃ）は本回路における電圧電流波形をそれぞれ示している。
Ｔｒｎのオン時間Ｔｎｏｎにおいて、モータ５０のリアクトルは直流電源６０からのエネルギーを蓄える（図２（ａ））。また、Ｔｒｐのオン時間Ｔｐｏｎにおいて、直流電源６０とモータ５０のリアクトルに蓄えられたエネルギーを、平滑コンデンサ１３に放出する（図２（ｂ））。すなわち、図２（ｃ）に示すように、電力変換器３０に零電圧ベクトルを出力させてＴｒｎ，Ｔｒｐをオンオフさせることにより、直流電源６０の電圧ＶｂをＶｄｃに昇圧させる昇圧チョッパとして動作させることができる。
【００２２】
図１に戻って、制御装置７０は、平滑コンデンサ１３の電圧を検出する電圧検出器１４からの信号Ｖｄｃと、直流電源６０の電圧を検出する電圧検出器１５からの信号Ｖｂと、直流電源６０の出力電流を検出する電流検出器１６からの信号Ｉｂとに基づいてＰＷＭパルスＰＷＭ２を演算し、このＰＷＭパルスＰＷＭ２を電力変換器３０に出力して直流リンク部（平滑コンデンサ１３）の電圧を制御する。なお、温度検出器１７は、後述するように過負荷等による直流電源６０の過熱を検出して電力変換器２０，３０の制御に反映させるためのものである。
【００２３】
電力変換器３０の上記動作によって直流リンク部の直流電力が制御される一方、他方の電力変換器２０は、制御装置７０からのＰＷＭパルスＰＷＭ１により半導体スイッチＴｒ１〜Ｔｒ６をオンオフさせて上記直流電力を交流電力に変換する。この交流電力は、高調波を除去するための出力フィルタ１１を介して交流コンセント１０に出力される。
【００２４】
ここで、電力変換器２０の動作について説明する。
まず、電力変換器２０から出力される交流電力がモータ４０に入力されないように、予めスイッチ１２をオフにして電力変換器２０とモータ４０とを切り離す。
次に、図３（ａ）のように、電力変換器２０の２相分のアーム（Ｔｒ１〜Ｔｒ４）を用いて単相インバータを構成し、直流リンク部の直流電力を交流電力に変換する。図３（ｂ）は、ＰＷＭ制御の概念図であり、同図の上段に示す如く正弦波の電圧指令を三角波キャリアと比較することで、ＰＷＭパルスを容易に発生させることができる。このＰＷＭパルスを用いて制御した単相インバータの出力線間電圧Ｖｕｖ（図３（ｂ）の下段参照）はスイッチングによる高調波を含んでいるが、図２及び図３（ａ）に示すように出力フィルタ１１（ここではＬＣフィルタ）を用いれば、高調波成分を除去することができる。
以上のように電力変換器２０を制御することで、正弦波の交流電圧を生成することができ、オフ状態にあるスイッチ１２の前段から外部に出力することができる。
【００２５】
次に、図４は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、請求項２に相当する。この第２実施形態では、第１実施形態と異なってモータ４０の中性点が直流電源６０に接続されていない。その他の構成は第１実施形態と同一である。
前述したように、電力変換器２０により交流電力を出力させる場合は、スイッチ１２をオフしてモータ４０の固定子巻線を開放するため、その中性点が直流電源６０に接続されているか否かは電力変換器２０の動作に影響しない。
従って、図４のような構成でも、第１実施形態と同様の動作が可能である。ただし、図１に示したようにモータ４０の固定子巻線の中性点も直流電源６０に接続すれば、スイッチ１２をオンした状態で電力変換器２０に零電圧ベクトルを出力させることにより、電力変換器３０と同様に、電力変換器２０を昇圧チョッパ動作させて平滑コンデンサ１３を充電することが可能である。
【００２６】
なお、請求項３に記載するように、直流電源６０の電圧の低下や温度の上昇を電圧検出器１５、温度検出器１７によりそれぞれ検出し、各検出値が予め設定した出力制限値に達したら、電力変換器２０，３０の動作を制御してこれらの出力を制限することが望ましい。更に、各検出値が予め設定した出力停止値に達した場合には、電力変換器２０，３０の運転を停止させても良い。
これにより、過負荷運転等により直流電源６０の劣化や破損が進行するのを防止することができる。
【００２７】
また、上述した各実施形態において、電力変換器３０（または電力変換器２０）が零電圧ベクトルを出力する場合、請求項４に記載するように、モータ５０の各相の固定子巻線には直流電流が流れて回転磁界が発生しないため、回転トルクは発生しない。従って、モータ５０を回転させずに直流リンク部の電圧を所定値に制御することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０：交流コンセント
１１：出力フィルタ
１２：スイッチ
１３：平滑コンデンサ
１４，１５：電圧検出器
１６：電流検出器
１７：温度検出器
２０，３０：電力変換器
４０，５０：交流モータ
６０：直流電源
７０：制御装置
Ｔｒ１〜Ｔｒ１２：半導体スイッチ
【図１】
2012110138.tif 000003
【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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