(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数のスイッチング素子により構成される上アーム及び下アームを有して界磁巻線型回転電機と直流電源との間に介設されるインバータ部と、
前記界磁巻線に通電する界磁電流を制御して前記直流電源の電源電圧を所定の基準電圧値に制御する界磁電流制御部と、
を備え、
前記界磁電流制御部は、前記界磁巻線と直列接続される界磁電流制御用の界磁電流制御スイッチと、前記界磁巻線と逆並列に接続されるフライホイルダイオードとを備える界磁巻線型回転電機の制御装置において、
前記界磁電流制御スイッチが遮断されているにもかかわらず前記電源電圧が前記基準電圧値より高い所定の超過電圧値を超える場合に、前記インバータ部の前記上アーム及び前記下アームのどちらかの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させることにより、前記界磁巻線型回転電機の電機子巻線を短絡する電機子巻線短絡制御部を備え、
前記電機子巻線短絡制御部は、
前記短絡動作時に、前記インバータ部の前記上アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる上アーム短絡動作と、前記インバータ部の前記下アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる下アーム短絡動作とのうちの一方を所定期間実行した後、他方を所定期間実行することを特徴とする界磁巻線型回転電機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の界磁巻線型回転電機の制御装置において、
前記インバータ部又は前記回転電機の電流が所定の基準電流値を超える場合に前記インバータ部の前記スイッチング素子を制御して前記電流を制限する過電流保護部を有し、
前記電機子巻線短絡制御部は、前記界磁電流制御スイッチが遮断されているにもかかわらず前記電源電圧が前記基準電圧値より高い所定の超過電圧値を超える場合に、前記過電流保護部に優先して前記短絡動作を実施することを特徴とする界磁巻線型回転電機の制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の界磁巻線型回転電機の制御装置において、
前記電機子巻線短絡制御部は、
前記短絡動作時に、前記インバータ部の前記上アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる上アーム短絡動作と、
前記インバータ部の前記下アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる下アーム短絡動作と、
を交互に実行することを特徴とする界磁巻線型回転電機の制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の界磁巻線型回転電機の制御装置において、
前記直流電源と並列接続された平滑コンデンサを有し、前記電機子巻線短絡制御部は、前記短絡動作時に前記平滑コンデンサの出力電圧が所定の許容範囲を超えない範囲で前記インバータ部の前記上アーム及び下アームのどちらかの前記複数のスイッチング素子を所定デューティ比で断続的に時間的に重なって導通させることを特徴とする界磁巻線型回転電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁巻線型回転電機の制御装置に関し、詳しくは界磁巻線型回転電機装置の過電圧防止を実現する好適な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
界磁巻線を有する界磁巻線型回転電機の制御装置では従来より、上記した過電圧検出時に、界磁巻線と直列接続された界磁電流制御スイッチを遮断して界電圧を抑止することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の界磁巻線型回転電機において、過電圧検出時に界磁電流を遮断乃至低減するべく界磁電流制御スイッチを遮断しても、界磁巻線に蓄積された大きな磁気エネルギーが界磁電流として界磁巻線と逆並列に接続されたフライホイルダイオードを通じて界磁巻線に流れ続けるために早急な界磁電流の遮断乃至低減が困難であるという問題があった。
【０００４】
なお、回転電機と直流電源との間に介設されるインバータ部を構成する各スイッチング素子を遮断することにより上記インバータ部から出力される過電圧を規制することも考えられるが、インバータ部はこれらスイッチング素子と逆並列にフライホイルダイオードをもつため、回転電機の電機子巻線に生じたこの過電圧は、これらフライホイルダイオードを通じて直流電源に印加され、インバータ部で阻止することができない。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、複雑な回路構成を採用することなく過電圧を良好に阻止可能な界磁巻線型回転電機の制御装置を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の界磁巻線型回転電機の制御装置は、それぞれ複数のスイッチング素子により構成される上アーム及び下アームを有して界磁巻線型回転電機と直流電源との間に介設されるインバータ部と、前記界磁巻線に通電する界磁電流を制御して前記直流電源の電源電圧を所定の基準電圧値に制御する界磁電流制御部とを備え、前記界磁電流制御部は、前記界磁巻線と直列接続される界磁電流制御用の界磁電流制御スイッチと、前記界磁巻線と逆並列に接続されるフライホイルダイオードとを備える界磁巻線型回転電機の制御装置において、前記界磁電流制御スイッチが遮断されているにもかかわらず前記電源電圧が前記基準電圧値より高い所定の超過電圧値を超える場合に、前記インバータ部の前記上アーム又は前記下アームのどちらかの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させることにより、前記界磁巻線型回転電機の電機子巻線を短絡する電機子巻線短絡制御部を備えす、前記電機子巻線短絡制御部は、前記短絡動作時に、前記インバータ部の前記上アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる上アーム短絡動作と、前記インバータ部の前記下アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる下アーム短絡動作とのうちの一方を所定期間実行した後、他方を所定期間実行することを特徴としている。
【０００７】
すなわち、本構成によれば、過電圧検出時に界磁電流制御スイッチを遮断するに加えてインバータ部の上アーム又は下アームのどちらかを短絡動作させる。これにより、上記界磁電流制御スイッチの遮断後において界磁電流が前記フライホイルダイオードを通じて界磁巻線に流れ、回転電機が過電圧を発電したとしても、この過電圧は、インバータ部が回転電機の電機子巻線を実質的に短絡するために、電機子巻線、インバータ部のスイッチング素子、及びそれらを接続する配線の電気抵抗により消費され、直流電源側に出力されない。したがって、これら電機子巻線、インバータ部のスイッチング素子、及びそれらを接続する配線の許容温度上昇範囲内において、過電圧を確実に防止することができる。
本構成によれば更に、上アームと下アームの一方のみを用いて短絡動作する場合に比較して長時間短絡持続又は大短絡電流に耐えることができる。すなわち、この短絡回路中、ほとんどの場合、熱的保護が特に重要なインバータ部の電力用半導体スイッチング素子は短絡動作により一時的に温度上昇しても、その後の短絡動作を上アーム及び下アームのうちの他方で実施する間に通電が遮断されるため放熱を行うことができ、上記効果を奏することができる。
【０００８】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の界磁巻線型回転電機の制御装置において更に、前記インバータ部又は前記回転電機の電流が所定の基準電流値を超える場合に前記インバータ部の前記スイッチング素子を制御して前記電流を制限する過電流保護部を有し、前記電機子巻線短絡制御部は、前記界磁電流制御スイッチが遮断されているにもかかわらず前記電源電圧が前記基準電圧値より高い所定の超過電圧値を超える場合に、前記過電流保護部に優先して前記短絡動作を実施することを特徴としている。
【０００９】
これにより、過電圧が生じていない範囲ではインバータ部の遮断動作を伴う過電流保護動作を実行して各回路素子を保護することができ、過電圧が生じた場合には、インバータ部の一時的短絡動作により外部への過電圧の出力を防止することができる。
【００１０】
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載の界磁巻線型回転電機の制御装置において更に、前記電機子巻線短絡制御部は、前記短絡動作時に、前記インバータ部の前記上アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる上アーム短絡動作と、前記インバータ部の前記下アームの複数の前記スイッチング素子を時間的に重なって導通させる下アーム短絡動作とを交互に実行することを特徴としている。
【００１１】
本構成によれば、上アームと下アームの一方のみを用いて短絡動作する場合に比較して長時間短絡持続又は大短絡電流に耐えることができる。すなわち、この短絡回路中、ほとんどの場合、熱的保護が特に重要なインバータ部の電力用半導体スイッチング素子は短絡動作により一時的に温度上昇しても、その後の短絡動作を上アーム及び下アームのうちの他方で実施する間に通電が遮断されるため放熱を行うことができ、上記効果を奏することができる。
【００１２】
請求項４記載の構成によれば請求項１乃至３のいずれか記載の界磁巻線型回転電機の制御装置において更に、前記直流電源と並列接続された平滑コンデンサを有し、前記電機子巻線短絡制御部は、前記短絡動作時に前記平滑コンデンサの出力電圧が所定の許容範囲を超えない範囲で前記インバータ部の前記上アーム及び下アームのどちらかの前記複数のスイッチング素子を所定デューティ比で断続的に時間的に重なって導通させることを特徴としている。
【００１３】
すなわち、本構成では、インバータ部の短絡動作を所定のデューティ比で間欠的に行うので、インバータ部の電力用半導体スイッチング素子や電機子巻線の単位時間当たりの発熱量を低減することができ、短絡電流のピーク値がインバータ部の電力用半導体スイッチング素子や電機子巻線にとって過大である場合でも、平均短絡電流をそれらの許容範囲以下に抑止しつつ短絡動作を実施することができる。
【００１４】
なお、この場合、インバータ部が短絡動作を休止する期間に、電機子巻線はインバータ部のフライホイルダイオードを通じて直流電源側に過電圧を出力するが、電圧の立ち上がりの遅れや平滑コンデンサによるその平滑化により直流電源（特にこの場合はバッテリ）に印加される過電圧をこの直流電源の許容範囲に抑止することができ、直流電源を良好に過電圧保護することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００１６】
【実施例１】
この実施例の界磁巻線型回転電機の制御装置を図１を参照して説明する。
【００１７】
（構成）
１は第一の直流電源、１ａは第二の直流電源、２は界磁巻線型回転電機、３は平滑コンデンサ、４〜９は三相インバータ１０を構成するＭＯＳＦＥＴ、１０ａはＭＯＳＦＥＴ４〜９を制御するゲート制御回路、１１は界磁電流制御回路、２１は短絡制御回路である。
【００１８】
界磁電流制御回路１１は、界磁電流制御用のトランジスタ１２、前置トランジスタ１３、界磁巻線型回転電機２の界磁巻線１４、フライホイルダイオード１５、抵抗器１６〜１９、ツェナダイオ−ド２０を有している。
【００１９】
短絡制御回路２１は、比較器２２及びＡＮＤ回路２３、既述のゲート制御回路１０ａを有している。
【００２０】
三相インバータ１０は、上アームを構成するＭＯＳＦＥＴ４〜６と下アーム７〜９とで構成されている。各ＭＯＳＦＥＴ４〜９とそれぞれ逆並列にフライホイルダイオード（記号省略）が接続されている。この種の三相インバータ１０は周知であり、詳細な説明は省略する。
【００２１】
（動作）
この装置の動作を以下に説明する。
【００２２】
界磁電流制御回路１１は、第一の直流電源１の電圧を抵抗器１７，１８で抵抗分圧した後、ツェナダイオ−ド２０を通じて前置トランジスタ１３のベース電極に印加する。上記抵抗分圧がツェナダイオ−ド２０の降伏電圧を超えれば過剰電圧は、ツェナダイオ−ド２０と直列接続された抵抗器１９に印加され、抵抗器１９の電圧降下が所定値以上となれば、前置トランジスタ１３がオンし、、抵抗器１６から電流を吸収して界磁電流制御用のトランジスタ１２をオフする。上記抵抗分圧がツェナダイオ−ド２０の降伏電圧未満となれば、上記と逆の動作によりトランジスタ１２がオンして、界磁巻線１４に界磁電流が通電される。界磁巻線型回転電機におけるこの種の界磁電流制御回路自体はもはや周知であるので、これ以上の説明を省略する。
【００２３】
界磁巻線型回転電機２は図示しない自動車のエンジンと機械的に結合されており、エンジン始動時には三相インバータ１０を駆動して界磁巻線型回転電機２に三相交流電圧を印加し、界磁巻線型回転電機２を電動動作させる。
【００２４】
エンジン始動完了後、回転機２は発電機として作動し、三相インバータ１０のフライホイルダイオードにより三相全波整流された直流電力により第一の電源１が充電される。
【００２５】
図示しない界磁巻線型回転電機２又は三相インバータ１０が給電する大電気負荷（図示せず）が急激に遮断されると（一般的にはロードダンプという）、界磁巻線型回転電機２の電機子巻線電圧、三相インバータ１０の出力電圧、第一の電源１の充電電圧はそれぞれ急激に上昇する。この結果、トランジスタ１２はオフして、トランジスタ１２を流れる界磁電流は遮断されるが、界磁巻線１４にはフライホイルダイオード１５が逆並列に接続されているため、界磁巻線１４にはフライホイルダイオード１５を通じて界磁電流が環流し、この界磁電流に応じて電機子巻線電圧は依然として高く維持されることになる。
【００２６】
比較器２２は、第一の電源１の電圧が、所定の第一しきい値電圧Ｖｔｈ１（ここでは、トランジスタ１２のオフ電圧とする）よりも所定値だけ高い第二のしきい値電圧Ｖｔｈ２以上となる場合にハイレベル電位を出力する。この時、トランジスタ１２も既にオフしているので、トランジスタ１２のコレクタ電位と比較器２２の出力との論理積出力を発生するＡＮＤ回路２２はハイレベル電位（短絡指令信号）をゲート制御回路１０ａに出力する。これを受けて、制御回路１０ａは、上アームのＭＯＳＦＥＴ４〜６をオフ、下アームのＭＯＳＦＥＴ７〜９をオンし、これにより回転機２の三相の電機子巻線が短絡されて過電圧が抑制される。
【００２７】
なお、上記実施例では、上アームをオフ、下アームをオンすることで、回転機２の出力を抑制したが、上アームをオン、下アームをオフしても、同様の効果が得られる。
【００２８】
【実施例２】
他の実施例を図１を参照して以下に説明する。
【００２９】
上記実施例では、比較器２２による過電圧の判定により、上記短絡動作を実施したが、この種の過電圧が高速走行時の大電気負荷の遮断に起因して生じることから、エンジン回転数と大電気負荷遮断を示す２つの信号に基づいて上記短絡動作を一定期間実施してもよい。これら２つの信号は過電圧が上記第二のしきい値電圧Ｖｔｈ２以上となった状態に相当するものとみなす。
【００３０】
【実施例３】
他の実施例を図１を参照して以下に説明する。
【００３１】
上記実施例では、比較器２２による過電圧判定時に、下アームを構成するＭＯＳＦＥＴ７〜９を短絡したが、
ＭＯＳＦＥＴ７〜９を所定期間短絡（この時、上アームを構成するＭＯＳＦＥＴ４〜６はオフ）した後、次に、
ＭＯＳＦＥＴ４〜６を所定期間短絡（この時、上アームを構成するＭＯＳＦＥＴ７〜９はオフ）してもよく、更にこの上下アームの交互短絡動作を所定時間ごとに繰り返してもよい。このようにすれば、ＭＯＳＦＥＴ４〜９の発熱を分散することができ、ＭＯＳＦＥＴ４〜９の熱的安全性が向上する。
【００３２】
【実施例４】
他の実施例を図１を参照して以下に説明する。
【００３３】
上記実施例では、比較器２２による過電圧判定時に、下アームを構成するＭＯＳＦＥＴ７〜９を短絡したが、
ＭＯＳＦＥＴ７〜９又は４〜６のどちらかを所定のデューティ比で間欠的に短絡動作させてもよい。このようにすれば、ＭＯＳＦＥＴ７〜９又は４〜６のどちらかが短絡動作を停止した瞬間から各部電圧が再上昇するが、上昇した電圧が許容できない過電圧に達するには時間がかかり、特に平滑コンデンサ３がそれを抑止するために、次の短絡動作の開始までに、各部電圧が過電圧に達するのを防止することができる。
【００３４】
すなわち、本実施例による間欠的な短絡動作により、
短絡電流を抑止しつつ過電圧を許容範囲内に維持することができ、熱的安全性を向上することができる。
【００３５】
【実施例５】
他の実施例を図２を参照して以下に説明する。
【００３６】
この実施例では、実施例１で説明した比較器２２による過電圧判定に基づく三相インバータ１０の短絡動作に加えて、過電流時の三相インバータ１０の遮断動作も行う。ただし、短絡動作は上記遮断動作に優先して行われる。
【００３７】
３１は過電流保護部であり、電流センサ３２、整流回路３３、比較器３４、ノア回路３５からなる。電流センサ３２が検出した電機子電流は整流回路３３で整流された後、比較器３４で所定のしきい値電圧Ｖｔｈ３と比較され、整流電圧がしきい値電圧Ｖｔｈ３より大きい場合には、比較器３４がローレベル電位を出力し、これにより、ノア回路３５は、過電流が発生し、かつ、過電圧が発生していない（アンド回路２３の出力がハイレベル電位でない）場合にのみ過電流保護指令信号Ｓ２をゲート制御回路１０ａに出力する。ゲート制御回路１０ａは、過電流保護指令Ｓ２が入力されると、三相インバータ１０のすべてのＭＯＳＦＥＴ４〜９をオフする。これにより過電流が抑止される。しかし、アンド回路２３が短絡指令信号Ｓ１を出力する場合には、ノア回路２４は必ずローレベル電位となり、過電流保護指令Ｓ２と短絡指令信号Ｓ１とが同時にゲート制御回路１０ａに出力されることがなく、短絡動作指令Ｓ１が優先される。これにより、直流電源１の性能低下を抑止し、各部の絶縁劣化やそれに起因する性能劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜４の界磁巻線型回転電機及びその制御装置を示すブロック回路図である。
【図２】実施例５の界磁巻線型回転電機及びその制御装置を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１  直流電源
４〜９  ＭＯＳＦＥＴ（電力用半導体素子）
１０  三相インバータ（インバータ部）
１０ａ  ゲート制御回路（電機子巻線短絡制御部）
１１  界磁電流制御部
１２  界磁電流制御スイッチ
１５  フライホイルダイオード
２１  短絡制御回路（電機子巻線短絡制御部）
３１  過電流保護部
【図１】
0003840880.tif 000002
【図２】
0003840880.tif 000003