(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池と、
前記蓄電池の供給する直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換器と、
前記第１の電力変換器の供給する交流電力によって駆動される交流電動機と、
前記蓄電池と前記第１の電力変換器の直流部とに並列接続され、前記蓄電池の供給する直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換器と、
前記第２の電力変換器の交流出力を整形するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路に接続する変圧器と、
前記変圧器に接続する交流負荷と、
前記変圧器と前記交流負荷との間に配置された第１のスイッチと、
前記変圧器の交流負荷側に配置され、前記交流負荷と交流電圧源とを並列に接続可能な第２のスイッチと、
前記変圧器の前記交流電圧源側の中性点とアースを接続する第３のスイッチと、
前記第１のスイッチが接続され、前記第２のスイッチが開放され、前記第３のスイッチが接続された際に、前記第２の電力変換器を操作することで前記変圧器の前記交流負荷側の電圧制御を行う第１の制御手段と、
前記第１のスイッチが開放され、前記第２のスイッチが接続され、前記第３のスイッチが開放された際に、前記第２の電力変換器を操作することで前記直流部の電圧制御を行う第２の制御手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、前記平滑化コンデンサの電圧を測定する直流電圧検出手段を備え、前記第２の制御手段は前記直流電圧検出手段の出力を用いて電圧制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置において、前記第２の電力変換器の交流側出力電流を測定する交流電流検出手段を備え、前記第２の制御手段は前記交流電流検出手段の出力を用いて電圧制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
蓄電池と、
前記蓄電池の供給する直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換器と、
前記第１の電力変換器の直流側に前記蓄電池と並列接続する平滑化コンデンサと、
前記第１の電力変換器の供給する交流電力によって駆動される交流電動機と、
前記蓄電池と前記第１の電力変換器の直流側に並列接続され、前記蓄電池の供給する直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換器と、
前記第２の電力変換器の交流出力を整形するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路に接続する変圧器と、
前記変圧器に接続する低圧交流負荷と、
前記変圧器の交流負荷側電圧を測定する交流電圧検出手段と、
前記交流電圧検出手段の出力を用い、前記第２の電力変換器を操作することで前記変圧器の低圧交流負荷側の電圧制御を行う第１の制御手段と、から構成され、
前記変圧器の低圧交流負荷側に前記低圧交流負荷と並列接続する交流電圧源と、
前記第２の電力変換器を操作することで前記平滑化コンデンサの電圧制御を行う第２の制御手段と、を備えた電力変換装置が複数台設置され、
前記複数台の電力変換装置の各電力変換装置が第１のスイッチ手段を介して非常用受給電源用の第１の電力バスラインにより前記交流電圧源と接続され、前記複数台の電力変換装置の各電力変換装置が第２のスイッチ手段を介して共通の第２の電力バスラインにより各低圧交流負荷に接続されて、前記低圧交流負荷に電力供給を停止させることなく、前記蓄電池の充電を行うことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電池を用いた電力変換装置に関し、特に、補助変換器を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど内燃機関駆動による車両に対して、騒音や排気、省資源など環境問題対応のため、電動機駆動による車両が注目されている。これらのシステムでは、電動機の動力源が必要となり、エンジンによって発電機を駆動して電力を発生させ、電動機の負荷変動を吸収するための蓄電池を備えているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これらの電動機駆動システムの効率をさらに上げるためには、発電機や電動機、介在する電力変換器の動作電圧を上げることが有効である。一般的に車両駆動用の電動機以外にも車両内には空調機や照明などの低圧負荷があり、システムの簡素化の面から車両駆動用の電動機と低圧負荷の電源を共用することは合理的である。この場合、低圧負荷に電力を供給するために専用の電力変換器を備えているものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−１９１５０３号公報
【特許文献２】特開平９−７４６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１記載のシステムでは、エンジンによって発電機を駆動して交流電力を発生し、順変換器によって交流電力を直流電力に変換した後で、直流電力を蓄積する蓄電池と、車両駆動用の電動機に交流電力を供給する逆変換器を並列に接続している。蓄電池は、過渡的な電力の変動を吸収する緩衝器（バッファ）としての役割を果たし、動力源となるエンジンもしくは発電機が故障した場合、蓄電池のみで長時間走行することはできない。
【０００５】
このような発電装置の故障に備えて、車両外部から蓄電池に充電できるように非常用の充電機能を備えることが望ましい。しかし、外部から電力供給を受けるためには、以下の課題が生じる。
【０００６】
（ａ）そもそも受電側の発電機の故障が要因であることを考慮すると、電源系統の地絡やノイズに対する保護の点から、給電側と受電側の両者は変圧器によって絶縁され、交流電力を伝達する構成が望ましい。
（ｂ）給電側と受電側の両者を非常用給電ケーブルで接続し、その配線長および配線インダクタンスが電力変換器のスイッチング速度に対して無視できない場合、電圧や電流の反射による跳ね上がりに注意する必要がある。
（ｃ）非常用の受電機能は発電機の故障時など非常時・緊急時しか使用しないので、できるだけ既存の設備・機能を流用し、共用化を図ることで、新たに追加する設備は必要最小限に抑えたい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、蓄電池を動力源とし、車両駆動用の電動機に電力を供給する第１の電力変換器（主変換器）に加えて、車両内の照明や空調機などの低圧負荷に電力を供給する第２の電力変換器（補助変換器）を備え、前記補助変換器は波形整形用のフィルタ回路と絶縁用の変圧器を介して低圧負荷に接続し、前記低圧負荷に供給する交流電圧を検出し、この交流電圧を制御する電力変換装置において、前記変圧器の低圧負荷側に非常用の交流電圧源もしくは交流電圧源を接続する端子と、前記補助変換器の直流電圧を制御する手段を設け、前記補助変換器を充電用の電力変換器として兼用することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、非常用の交流電圧源と充電に用いる補助変換器を、変圧器を介して接続することにより、給電側と受電側を絶縁できる。
【０００９】
また、波形整形用のフィルタ回路によって補助変換器のスイッチングによって生じる高周波成分を除去できるため、給電側と受電側を接続する非常用給電ケーブル内で発生する電圧および電流の跳ね上がりを抑制することができる。
【００１０】
さらに、充電用に用いる電力変換器（補助変換器）と波形整形用のフィルタ回路、絶縁用の変圧器は、低圧負荷に電力を供給するための設備と共用できるため、非常用の充電機能に関わる追加コストを抑制できる。
【００１１】
加えて、本発明は非常用の給電装置としても使用可能であり、給電用の交流電源装置を別途用意できない場合でも、本発明の２台のシステムを非常用の受給電端子を介して接続するだけで、互いに電力を融通し合うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明の第１の実施例の電力変換装置を図１に示す。
図１において、電力変換装置１は、蓄電池２と、蓄電池２の供給する直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換器（主変換器）４と、蓄電池２と主変換器４の直流側に並列接続される平滑化コンデンサ３と、主変換器４の供給する交流電力によって駆動される交流電動機５と、蓄電池２と主変換器４の直流側に並列接続される第２の電力変換器（補助変換器）７と、蓄電池２と補助変換器７の直流側に並列接続される平滑化コンデンサ６と、平滑化コンデンサ６の電圧を検出する直流電圧検出器２５と、補助変換器７の交流電流を検出する交流電流検出器２４と、Δ−Ｙ結線の三相交流変圧器１０と、補助変換器７の交流側と三相交流変圧器１０のΔ側を接続するフィルタリアクトル８と、三相交流変圧器１０のΔ側にフィルタリアクトル８と並列接続されるフィルタコンデンサ９と、三相交流変圧器１０のＹ側の線間電圧を測定する交流電圧検出器１１と、三相交流変圧器１０のＹ側の中性点とアース点ｇ１を接続するスイッチ２３から構成されている。
【００１４】
電力変換装置１に対して、低圧交流負荷１２と、電力変換装置１内の三相交流変圧器１０のＹ側と低圧交流負荷１２をスイッチ２２を介して接続し、アース点ｇ２に接地した三相交流電源２１と、電力変換装置１内の三相交流変圧器１０のＹ側と三相交流電源２１をスイッチ２０を介して接続する。
【００１５】
図２は、電力変換装置１の制御装置を示している。図２において、電力変換装置１の制御装置は、交流電圧検出器１１の出力（交流負荷電圧検出値）Ｖｕｖ、Ｖｖｗを交流周波数で回転座標変換して実効値を求める手段３０と、交流負荷電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊と座標変換３０の出力（交流負荷電圧実効値）Ｖｄ、Ｖｑの差を求める減算器３１と、減算器３１の出力（交流負荷電圧偏差）を用いて電圧制御を行う電圧制御器３２と、電圧制御器３２の出力を開閉可能なスイッチ４０と、回転座標変換手段３０の出力（交流負荷電圧実効値）Ｖｄ、Ｖｑとスイッチ４０の出力の和を求める加算器３３と、直流電圧指令Ｅｃｆ＊と直流電圧検出手段２５の出力（直流電圧検出値）Ｅｃｆの差を求める減算器４１と、減算器４１の出力（直流電圧偏差）を用いて電圧制御を行う電圧制御器４２と、交流電流検出器２４の出力（交流電流）ｉｕ、ｉｖを交流周波数で回転座標変換して実効値Ｉｄ、Ｉｑを求める手段４３と、電圧制御器４２の出力（交流電流指令）Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と回転座標変換手段４３の出力（交流電流実効値）Ｉｄ、Ｉｑの差を求める減算器４４と、減算器４４の出力（交流電流偏差）を用いて電流制御を行う電流制御器４５と、電流制御器４５の出力を開閉可能なスイッチ４６と、加算器３３の出力とスイッチ４６の出力の和を求める加算器４７と、加算器４７の出力を交流周波数で静止座標変換して瞬時値を求める手段３４と、静止座標変換手段３４の出力を直流電圧検出手段２５の出力（直流電圧検出値）Ｅｃｆで正規化する除算器３５と、除算器３５の出力よりＰＷＭパルス信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを求めるパルス幅変調器３６から構成される。
【００１６】
補助変換器７はパルス幅変調器３６の出力（ＰＷＭパルス信号）Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗによってスイッチングを行う。補助変換器７を交流電圧源として動作させ、低圧交流負荷１２に電力を供給する通常モードにおける各スイッチの開閉状態を以下に示す。
【００１７】
スイッチ２０  ＯＦＦ、スイッチ２２  ＯＮ、スイッチ２３  ＯＮ、スイッチ４０  ＯＮ、スイッチ４５  ＯＦＦ
補助変換器７の交流出力電圧に対して、フィルタリアクトル８の抵抗分とフィルタリアクトル８を流れる電流の大きさに応じて電圧降下が生じる。低圧交流負荷１２に供給する電圧を一定に保つためには、低圧交流負荷１２に供給する交流負荷電圧を検出し、低圧交流負荷１２の定格電圧に一致するようなフィードバック制御を構成する必要がある。このため交流電圧検出器１１と電圧制御器３２を備えている。回路保護の観点から補助変換器７と低圧交流負荷１２を三相交流変圧器１０によって絶縁する。また低圧交流負荷１２に供給する相電圧を確定するため（中性点が浮かないように）三相交流変圧器１０の低圧交流負荷側はＹ結線とし、中性点を電力変換装置１のケース（アース電位ｇ１）に設置する。
【００１８】
一方、補助変換器７を順変換器として動作させ、外部から電力供給を受けて蓄電池２に充電する非常モードにおける各スイッチの開閉状態を以下に示す。
【００１９】
スイッチ２０  ＯＮ、スイッチ２２  ＯＦＦ、スイッチ２３  ＯＦＦ、スイッチ４０  ＯＦＦ、スイッチ４５  ＯＮ
蓄電池２に充電する場合、平滑化コンデンサ６の端子電圧を蓄電池２の端子電圧よりも高くする必要がある。このため直流電圧検出器２５と電圧制御器４２を備え、平滑化コンデンサ６の端子電圧に対するフィードバック制御を構成している。フィルタリアクトル８および三相交流変圧器１０を流れる電流は、補助変換器７の交流出力電圧と三相交流電源２１の交流出力電圧の電位差に応じて流れるので、逆に、三相交流電圧２１の交流出力電圧と流すべき電流が与えられれば、補助変換器７の交流出力電圧を求めることができる。このため交流電圧検出器１１と交流電流検出器２４と電流制御器４５を備え、電圧制御器４２の出力を交流電流指令として電流のフィードバック制御を行っている。三相交流電源２１のアース電位ｇ２と、電力変換装置１のアース電位ｇ１は必ずしも同電位になるとは限らないので、スイッチ２３を開放する必要がある。
【実施例２】
【００２０】
本発明の第２の実施例を図３に示す。図３は、第１の実施例に示す電力変換装置１を複数台接続したときの構成例を示す。複数台の電力変換装置１は、第１の電力変換装置１と、第２の電力変換装置１’と、第３の電力変換装置１”とから成る。
【００２１】
図３の装置は、第１の電力変換装置１と、第２の電力変換装置１’と、第３の電力変換装置１”と、非常用受給電用の電力バスライン５０と、低圧交流負荷共通の電力バスライン５１と、第１の電力変換装置１内の三相交流変圧器のＹ側と電力バスライン５０を接続するスイッチ２２と、第１の電力変換装置１内の三相交流変圧器のＹ側と電力バスライン５１を接続するスイッチ２０と、第１の電力変換装置１’内の三相交流変圧器のＹ側と電力バスライン５０を接続するスイッチ２２’と、第１の電力変換装置１’内の三相交流変圧器のＹ側と電力バスライン５１を接続するスイッチ２０’と、第１の電力変換装置１”内の三相交流変圧器のＹ側と電力バスライン５０を接続するスイッチ２２”と、第１の電力変換装置１”内の三相交流変圧器のＹ側と電力バスライン５１を接続するスイッチ２０”と、電力バスライン５１に接続される第１の低圧交流負荷１２と、電力バスライン５１に接続される第２の低圧交流負荷１２’と、電力バスライン５１に接続される第３の低圧交流負荷１２”と、から構成される。
【００２２】
電力変換装置１、１’、１”を交流電圧源として動作させ、低圧交流負荷１２、１２’、１２”に電力を供給する通常モードにおける各スイッチの開閉状態を以下に示す。
【００２３】
スイッチ２０  ＯＦＦ、スイッチ２２  ＯＮ、スイッチ２０’  ＯＦＦ、スイッチ２２’  ＯＮ、スイッチ２０”  ＯＦＦ、スイッチ２２”  ＯＮ
【００２４】
低圧交流負荷１２、１２’、１２”を共通の電力バスライン５１に接続することで、３台の電力変換装置のいずれかが故障した場合でも、全ての負荷に電力を供給でき、フェイルセーフ性を高めている。なお電力変換装置１が故障した場合にはスイッチ２２をＯＦＦとし、同様に電力変換装置１’もしくは１”が故障した場合には、それぞれスイッチ２２’もしくは２２”をＯＦＦとする。
【００２５】
電力変換装置１を交流電圧源として電力変換装置１’の蓄電池を充電し、電力変換装置１”が低圧交流負荷１２、１２’、１２”に電力を供給する非常モードにおける各スイッチの開閉状態を以下に示す。
【００２６】
スイッチ２０  ＯＮ、スイッチ２２  ＯＦＦ、スイッチ２０’  ＯＮ、スイッチ２２’  ＯＦＦ、スイッチ２０”  ＯＦＦ、スイッチ２２”  ＯＮ
【００２７】
本実施例では、本発明の電力変換装置を複数台接続し、電力バスラインを低圧交流負荷に電力を供給する電力バスライン５１と、非常用受給電用の電力バスライン５０の２系統設けることによって、低圧交流負荷に電力供給を停止させることなく、蓄電池の充電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例の電力変換装置を示す構成図である。
【図２】図２は、図１の電力変換装置の制御装置を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施例の電力変換装置を複数台接続したときの構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    電力変換装置
２    蓄電池
３    第１の平滑化コンデンサ
４    第１の電力変換器（主変換器）
５    交流電動機
６    第２の平滑化コンデンサ
７    第２の電力変換器（補助変換器）
８    フィルタリアクトル
９    フィルタコンデンサ
１０    三相交流変圧器（Δ−Ｙ結線）
１１    交流電圧検出器
１２    低圧交流負荷
２０    三相スイッチ
２１    三相交流電源
２２    三相スイッチ
２３    スイッチ
２４    交流電流検出器
２５    直流電圧検出器
３０    回転座標変換手段
３１    減算器
３２    電圧制御器（ＡＣＲ：Automatic Voltage Regulatorの略）
３３    加算器
３４    静止座標変換手段
３５    除算器
３６    パルス幅変調器（ＰＷＭ：Pulse Width Modurationの略）
４０    スイッチ
４１    減算器
４２    電圧制御器（ＡＶＲ）
４３    回転座標変換手段
４４    減算器
４５    電流制御器（ＡＣＲ：Automatic Current Regulatorの略）
４６    スイッチ
４７    加算器
Ｅｃｆ＊    第２の平滑化コンデンサの端子電圧指令値
Ｅｃｆ    第２の平滑化コンデンサの端子電圧検出値
ｉｕ、ｉｖ    第２の電力変換器７のｕ、ｖ相出力電流検出値
Ｖｕｖ、Ｖｖｗ    三相交流変圧器１０のＹ側ｕ−ｖ間ｖ−ｗ間電圧検出値
ｇ１    電力変換装置１のケース設置によるアース電位
ｇ２    三相交流電源２１のアース電位
ｓｕ、ｓｖ、ｓｗ    第２の電力変換器７のｕ、ｖ、ｗ相スイッチング信号
Ｖｄ＊、Ｖｑ＊    三相交流変圧器１０のＹ側ｄ、ｑ軸電圧指令値
Ｖｄ、  Ｖｑ    三相交流変圧器１０のＹ側ｄ、ｑ軸電圧実効値
Ｉｄ＊、Ｉｑ＊    第２の電力変換器７のｄ、ｑ軸出力電流指令値
Ｉｄ、  Ｉｑ    第２の電力変換器）７のｄ、ｑ軸出力電流実効値
【図１】
0004934561.tif 000002
【図２】
0004934561.tif 000003
【図３】
0004934561.tif 000004