特開 2022-151999 ドライブシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022151999

(43)【公開日】2022-10-12

(54)【発明の名称】ドライブシステム

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20221004BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20221004BHJP

   H02P 9/30 20060101ALI20221004BHJP

   B60L 1/00 20060101ALI20221004BHJP

   B60L 7/14 20060101ALI20221004BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 C

H02M7/48 E

H02P9/30 C

B60L1/00 L

B60L7/14

B60L9/18 J

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021054594

(22)【出願日】2021-03-29

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-06-08

(71)【出願人】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】西濱 和雄

(72)【発明者】

【氏名】吉村 正利

(72)【発明者】

【氏名】松尾 興祐

(72)【発明者】

【氏名】金子 悟

(72)【発明者】

【氏名】池上 ▲徳▼磨

(72)【発明者】

【氏名】石田 誠司

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 聡彦

【テーマコード（参考）】

5H125

5H590

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H125AA01

5H125BA00

5H125BB00

5H125BB09

5H125CB02

5H125EE02

5H125EE03

5H125FF01

5H590CA23

5H590CC08

5H590CD01

5H590CD03

5H590CE04

5H590CE05

5H590DD43

5H590JA08

5H770BA02

5H770CA02

5H770CA06

5H770DA21

5H770DA30

5H770FA13

(57)【要約】

【課題】主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機を備え、補助巻線側のみの通電となる回生動作中においても、補機用インバータが要求する電力を供給可能なドライブシステムを提供する。
【解決手段】発電用コンバータ７の最大電流値は、誘導発電機２の補助巻線の最大出力Ｐ_{ＡｕｘＭａｘ}と、走行用インバータ４が回生動作をしないときの前記補助巻線の最小電圧Ｖ_{ＡｕｘＭｉｎ}とに基づいて設定されており、誘導発電機２の無負荷電流値は、走行用インバータ４が回生動作をするときの前記補助巻線の最大電流Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}が発電用コンバータ７の最大電流を超えないように設定されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機と、
走行用モータに電力を供給する走行用インバータと、
補機用モータに電力を供給する補機用インバータと、
前記主巻線に交流側端子が接続され、前記走行用インバータに直流側端子が接続された整流器と、
前記補助巻線に交流側端子が接続され、前記補機用インバータに直流側端子が接続された発電用コンバータとを備えたドライブシステムにおいて、
前記発電用コンバータの最大電流値は、前記補助巻線の最大出力と、前記走行用インバータが回生動作をしないときの前記補助巻線の最小電圧とに基づいて設定されており、
前記誘導発電機の無負荷電流値は、前記走行用インバータが回生動作をするときの前記補助巻線の最大電流が前記発電用コンバータの最大電流を超えないように設定されている
ことを特徴とするドライブシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のドライブシステムにおいて、
前記主巻線の最大電圧をＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}、
前記主巻線の最小電圧をＶ_{ＭａｉｎＭｉｎ}、
前記走行用インバータの回生動作時の前記誘導発電機の最大周波数をｆ_Ｍａｘ、
前記走行用インバータの回生動作時の前記誘導発電機の最小周波数をｆ_Ｍｉｎ、
前記主巻線の発電容量をＳ_Ｍａｉｎ、
前記補助巻線の最大出力をＰ_{ＡｕｘＭａｘ}、
前記誘導発電機の発電周波数がｆ_Ｍａｘで前記主巻線の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの前記主巻線の自己インダクタンス値に対する、前記走行用インバータの回生動作時に前記補助巻線の電流の極小値が最大となるときの前記主巻線の自己インダクタンス値の比である飽和係数をＫ_Ｓとした場合、
前記主巻線の定格電流に対する励磁電流が、

【数1】

以下である
ことを特徴とするドライブシステム。

【請求項3】

請求項２に記載のドライブシステムにおいて、
前記誘導発電機の発電周波数がｆ_Ｍａｘで前記主巻線の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}であるときの前記主巻線の自己インダクタンス値は、

【数2】

よりも小さく、かつ

【数3】

よりも大きい
ことを特徴とするドライブシステム。

【請求項4】

請求項２に記載のドライブシステムにおいて、
前記飽和係数は、前記誘導発電機の無負荷試験で得られた電圧と電流との関係に基づいて設定されている
ことを特徴とするドライブシステム。

【請求項5】

請求項１に記載のドライブシステムが搭載されている
ことを特徴とする電気駆動式ダンプトラック。

【請求項6】

請求項１に記載のドライブシステムが搭載されている
ことを特徴とする電気駆動車両。

【請求項7】

請求項６に記載の電気駆動車両において、
前記発電用コンバータの直流側端子と前記補機用インバータの直流側端子とに常時接続された始動用バッテリを備え、
前記始動用バッテリの電圧は、前記補機用インバータの直流側端子の電圧と同じである
ことを特徴とする電気駆動車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主巻線と補助巻線を有する一次巻線を備えた誘導発電機を用いたドライブシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

主巻線と補助巻線を有する一次巻線を備えた発電機を用いたドライブシステムが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１に記載されている発電機は、三相巻線（主巻線に相当）と、これとは別に励磁専用巻線（補助巻線に相当）が設けられており、三相巻線はダイオードブリッジ（整流器に相当）を介して電池と駆動用インバータ（走行用インバータに相当）に接続されると共に、励磁専用巻線は励磁用インバータ（発電用コンバータに相当）を介して電池と駆動用インバータに接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８－７９９０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１は、三相巻線（主巻線に相当）と、これとは別に励磁専用巻線（補助巻線に相当）が設けられており、三相巻線はダイオードブリッジ（整流器に相当）を介して電池と駆動用インバータ（走行用インバータに相当）に接続されている。しかしながら、駆動用インバータから電池に電力を回生する動作に関する記載はない。

【0006】

特許文献１の駆動用インバータが電池に電力を回生する動作を想定すると、ダイオードブリッジには逆方向の電圧が生じる。そのため、三相巻線は開放された状態となり、電流は発生しない。したがって、回生動作中は、三相巻線側は通電されず、励磁専用巻線側のみが通電された状態となる。

【0007】

本発明の目的は、主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機を備え、補助巻線側のみの通電となる回生動作中においても、補機用インバータが要求する電力を供給可能なドライブ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】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明は、主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機と、走行用モータに電力を供給する走行用インバータと、補機用モータに電力を供給する補機用インバータと、前記主巻線に交流側端子が接続され、前記走行用インバータに直流側端子が接続された整流器と、前記補助巻線に交流側端子が接続され、前記補機用インバータに直流側端子が接続された発電用コンバータとを備えたドライブシステムにおいて、前記発電用コンバータの最大電流値は、前記補助巻線の最大出力と、前記走行用インバータが回生動作をしないときの前記補助巻線の最小電圧とに基づいて設定されており、前記誘導発電機の無負荷電流値は、前記走行用インバータが回生動作をするときの前記補助巻線の最大電流が前記発電用コンバータの最大電流を超えないように設定されているものとする。

【0009】

以上のように構成した本発明によれば、発電用コンバータの最大電流値と誘導発電機の無負荷電流値とを適切に設定することにより、主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機を備えたドライブシステムにおいて、補助巻線側のみが通電する走行用インバータの回生動作中においても、補機用インバータが要求する電力を発電用コンバータから供給することが可能となる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機を備えたドライブシステムにおいて、補助巻線側のみの通電となる回生動作中においても、補機用インバータが要求する電力を供給することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】電気駆動式ダンプトラックに搭載されたドライブシステムの構成図である。

【図2】電気駆動式ダンプトラックの各運転時における２巻線誘導発電機の主巻線電圧と発電周波数を示す説明図である。

【図3】リタード運転時の２巻線誘導発電機の補助巻線側のＴ形等価回路を示す説明図である。

【図4】リタード運転時の２巻線誘導発電機の補助巻線側の簡易等価回路を示す説明図である。

【図5】励磁電流と発電用コンバータに必要となる容量との関係を示す説明図である。

【図6】リタード運転時において補助巻線側の電流の実効値の極小値が最大となるときの２巻線誘導発電機の電圧と周波数を示す説明図である。

【図7】２巻線誘導発電機の主巻線側の自己インダクタンス値と電圧の関係を示す説明図である。

【図8】電気自動車に搭載されたドライブシステムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同等の要素には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

【実施例0013】

本発明の第１の実施例におけるドライブシステムとして、電気駆動式ダンプトラックに搭載されたドライブシステムを説明する。

【0014】

図１は、本実施例におけるドライブシステムの構成図である。図１において、ドライブシステムは、２巻線誘導発電機２と、２巻線誘導発電機２を始動する始動用バッテリ１０と、走行用モータ５を駆動する走行用インバータ４と、補機用モータ９を駆動する補機用インバータ８と、整流器３と、回生放電抵抗器６と、発電用コンバータ７とを備えている。２巻線誘導発電機２は、原動機１によって駆動される。２巻線誘導発電機２は、主巻線および補助巻線を含む一次巻線と二次導体とを有する。なお、補機用モータ９は、例えば、回生放電抵抗器６等を冷却する冷却ファンの駆動モータである。

【0015】

整流器３は、交流側端子が２巻線誘導発電機２の主巻線に接続され、直流側端子が走行用インバータ４および回生放電抵抗器６に接続されている。回生放電抵抗器６は、走行用モータ５の回生動作時（リタード時）に整流器３の直流側端子と走行用インバータ４の直流側端子とに接続され、走行用モータ５の回生動作によって発電される電力を放電する。発電用コンバータ７は、交流側端子が２巻線誘導発電機２の補助巻線に接続され、直流側端子が補機用インバータ８および始動用バッテリ１０に接続されている。始動用バッテリ１０は、２巻線誘導発電機２の起動時に発電用コンバータ７に接続され、発電用コンバータ７に電力を供給する。

【0016】

補機用インバータ８が要求する電力よりも走行用インバータ４が要求する電力のほうが大きい。そのため、整流器よりも高価なコンバータは、走行用インバータ４に接続するよりも、図１に示すように、要求する電力の小さい補機用インバータ８に接続することで、コストが低減される。

【0017】

２巻線誘導発電機２の主巻線と補助巻線の電圧は概ね比例する。そのため、発電用コンバータ７で２巻線誘導発電機２の補助巻線の電圧を変化させることで、２巻線誘導発電機２の主巻線の電圧を制御できる。２巻線誘導発電機２が同期発電機であると、電圧を制御する励磁巻線への通電にブラシが必要となるが、本実施例のように誘導発電機を用いることで、ブラシが不要となる。

【0018】

アイドリング運転時は、ダンプトラックが停止している状態であり、原動機１の機械出力は、主に２巻線誘導発電機２の補助巻線で交流電力に変換され、変換される交流電力の電圧の大きさや周波数は、発電用コンバータ７によって制御される。アイドリング運転時は、整流器３に順方向の電圧が生じており、主巻線側も通電が可能な状態となる。

【0019】

トラクション運転時は、ダンプトラックのアクセルペダルが踏まれている状態であり、原動機１の出力は、アイドリング運転時と同様に２巻線誘導発電機２の補助巻線で交流電力に変換されるものに加えて、主に２巻線誘導発電機２の主巻線で交流電力に変換され、変換される交流電力の電圧の大きさや周波数は、発電用コンバータ７によって制御される。トラクション運転時は、整流器３に順方向の電圧が生じており、２巻線誘導発電機２の主巻線側も通電されている状態となる。

【0020】

リタード運転時は、ダンプトラックのブレーキペダルが踏まれている状態であり、原動機１の機械出力は、アイドリング運転時と同様に２巻線誘導発電機２の補助巻線で交流電力に変換され、変換される交流電力の電圧の大きさや周波数は、発電用コンバータ７によって制御される。さらに、走行用モータ５で回生される交流電力は、走行用インバータ４によって直流電力に変換され、変換される直流電力の電圧の大きさは、整流器３に逆方向の電圧が生じる（Ｖ_Ｇ＜Ｖ_ＩＮＶとなる）ように、走行用インバータ４によって制御される。したがって、リタード運転時は、２巻線誘導発電機２の主巻線側は通電されず、補助巻線側のみが通電された状態になる。

【0021】

２巻線誘導発電機２は、誘導発電機の一種であるため、励磁には励磁電流を必要とする。リタード運転時において、通電が可能なのは、補助巻線側のみであるため、励磁電流の全てが補助巻線側に発生し、発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する課題が生じる。

【0022】

一方、２巻線同期発電機を用いた場合は、補助巻線とは別に施された界磁巻線で励磁されるため、発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する課題は生じない。しかし、スリップリングやブラシが必要となるため、メンテナンス性が低下する。

【0023】

また、２巻線永久磁石発電機を用いた場合は、永久磁石で励磁されるため、発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する課題は生じない。しかし、永久磁石が必要となるため、コストが増加する。

【0024】

さらに、２巻線誘導発電機であっても、特許文献１のように、補機系に電力を供給する必要がない場合は、リタード運転時において励磁電流が小さくなるように補助巻線側の電圧を低くすれば、発電用コンバータ７に必要な容量の増大を抑制できるため、発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する課題は生じない。

【0025】

しかし、本実施例のように補機系に電力を供給する構成の場合は、リタード運転時において励磁電流が小さくなるように補助巻線側の電圧を低くすると、補機系の電力の供給に必要となる電流、すなわち負荷電流は逆に大きくなってしまうため、発電用コンバータ７に必要な容量が増大する課題が生じる。

【0026】

これらのことから、リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する課題は、２巻線誘導発電機で補機系に電力を供給する必要のある場合に特有なものとなる。

【0027】

仮に、主巻線側に発電用コンバータを、補助巻線側に整流器を配置した場合は、リタード運転時に主巻線側が開放されると、誘導発電機はコントロールを失うため、リタード運転時においても主巻線側が開放される運転をすることはない。したがって、２巻線誘導発電機で補機系に電力を供給する必要がある場合でも、リタード運転時において発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する課題は生じない。

【0028】

上述したように、走行用インバータ４が回生動作をしないアイドリングとトラクション運転時は、主巻線側と補助巻線のどちらにも通電が可能な状態となる。一方、走行用モータ５が回生動作をするリタード運転時は、補助巻線側のみの通電となり、励磁電流の全てが補助巻線側に発生し、発電用コンバータ７に必要となる容量が増大する。言い換えれば、励磁電流の小さい仕様を持つ２巻線誘導発電機を用いれば、発電用コンバータ７に必要となる容量の増大が抑制される。

【0029】

本実施例では、発電用コンバータ７は、アイドリングとトラクション運転時において、補機用インバータ８が要求する電力を供給できる容量のものとし、２巻線誘導発電機２には、補助巻線側のみの通電となるリタード運転時においても、補機用インバータ８が要求する電力を発電用コンバータ７が供給できるように、励磁電流の小さい仕様を持つ２巻線誘導発電機が用いられている。

【0030】

以下に、２巻線誘導発電機２の励磁電流の仕様を定式化していく。

【0031】

図２は、電気駆動式ダンプトラックの各運転時における２巻線誘導発電機２の主巻線電圧と発電周波数を示す説明図である。図２において、縦軸は主巻線電圧であり、横軸は発電周波数である。

【0032】

アイドリング運転時において、原動機１の機械出力は小さいため、回転速度を低くして原動機１の効率を高めている。回転速度が低いため発電周波数が低い。発電周波数が低いときは発電できる電圧が低くなる。アイドリング運転時の２巻線誘導発電機２の主巻線側の電圧の実効値をＶ_{ＭａｉｎＭｉｎ}としている。

【0033】

トラクション運転時においては、原動機１の機械出力は大きいため、原動機１の効率が良くなる回転速度は高くなる。回転速度が高いため発電周波数が高い。発電周波数が高いときは発電できる電圧が高くなる。トラクション運転時の２巻線誘導発電機２の主巻線側の最大電圧の実効値をＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}とし、トラクション運転時の２巻線誘導発電機２の発電周波数をｆ_Ｍａｘとしている。

【0034】

リタード運転時においては、アイドリング運転時と同様に原動機１の機械出力は小さいが、素早くトラクション運転に切り替えられるように、アイドリング運転時よりも原動機１の回転速度は高い。アイドリング運転時よりも回転速度が高いため発電周波数が高い。アイドリング運転時よりも発電周波数が高いため、発電できる電圧は高くなる。リタード運転時の２巻線誘導発電機２の発電周波数の最小値をｆ_Ｍｉｎとし、最大値はトラクション運転時と同じｆ_Ｍａｘとしている。

【0035】

以上の様に、走行用インバータ４が回生動作をしないアイドリング運転時とトラクション運転時は、主巻線側も通電することになるが、アイドリング運転時は、トラクション運転時よりも電圧が低いため、補機用インバータ８に電力を供給するのに必要な電流が大きく、発電用コンバータ７に必要となる容量が大きい。すなわち、発電用コンバータ７は、アイドリング運転時において、補機用インバータ８が要求する電力を供給できる容量のものとすれば、トラクション運転時においても補機用インバータ８が要求する電力を供給できる。

【0036】

また、リタード運転時は、補助巻線側のみが通電することになるが、原動機１の回転速度がアイドリング運転時よりも高いため、補助巻線側で発電できる電圧はアイドリング運転時よりも高くなり、補機用インバータ８に電力を供給するのに必要な電流、すなわち負荷電流は、アイドリング運転時よりも小さくなる。

【0037】

走行用インバータ４が回生動作をしないアイドリングと走行用インバータ４が回生動作をするリタード運転時に必要となる発電用コンバータ７の容量を定式化する前段として、コンバータ容量の一般式を表す。２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電圧の実効値をＶ_{ＡｕｘＭａｘ}、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電流の実効値をＩ_{ＡｕｘＭａｘ}とすると、発電用コンバータ７に必要な容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘ}は、次式で表される。

【0038】

【数1】

【0039】

２巻線誘導発電機２の主巻線と補助巻線の有効巻数比（主/補助）をＴＲとすると、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電圧の実効値Ｖ_{ＡｕｘＭａｘ}と、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最小電圧の実効値Ｖ_{ＡｕｘＭｉｎ}は、次式で表される。

【0040】

【数2】

【0041】

【数3】

【0042】

走行用インバータ４が回生動作をしないアイドリング運転時に必要となる発電用コンバータ７の容量を定式化する。２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大出力をＰ_{ＡｕｘＭａｘ}、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の力率をＰＦ_Ａｕｘとすると、アイドリング運転時における２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電流の実効値Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＩｄｌ}は、次式で表される。

【0043】

【数4】

【0044】

２巻線誘導発電機２の補助巻線側の力率ＰＦ_Ａｕｘは１以下であるので次式となる。

【0045】

【数5】

【0046】

２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最小電圧の実効値Ｖ_{ＡｕｘＭｉｎ}は、走行用インバータ４が回生動作をしないときの２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最小電圧である。したがって、発電用コンバータ７の最大電流値は、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大出力Ｐ_{ＡｕｘＭａｘ}と、走行用インバータ４が回生動作をしないときの補助巻線側の最小電圧Ｖ_{ＡｕｘＭｉｎ}とに基づいて設定される。

【0047】

式１のＶ_{ＡｕｘＭａｘ}に式２を、Ｉ_{ＡｕｘＭａｘ}に式５を代入すると、アイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}は、次式で表される。

【0048】

【数6】

【0049】

式６のＶ_{ＡｕｘＭｉｎ}に式３を代入すると、アイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}は、次式で表される。

【0050】

【数7】

【0051】

走行用インバータ４が回生動作をするリタード運転時に必要となる発電用コンバータ７の容量を定式化する。

【0052】

図３は、リタード運転時の２巻線誘導発電機２の補助巻線側のＴ形等価回路を示す説明図である。リタード運転時は主巻線側が開放されているので一般の誘導機と同じになる。

【0053】

一次抵抗をｒ１、二次抵抗をｒ２’、励磁リアクタンスをｘＭ、一次漏れリアクタンスをｘ１、二次漏れリアクタンスをｘ２’、すべりをｓ、負荷抵抗をｒＬ’としている。また、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の電圧の実効値をＶ_Ａｕｘ、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の励磁電流の実効値をＩ_０Ａｕｘ、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の負荷電流の実効値をＩ_２’_Ａｕｘ、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の電流の実効値をＩ_Ａｕｘとしている。

【0054】

図４は、リタード運転時の２巻線誘導発電機２の補助巻線側の簡易等価回路を示す説明図である。図４は、図３のＴ形等価回路を発電用コンバータ７に必要となる容量の概算ができる程度に簡易化したものである。図４において、２巻線誘導発電機２の発電周波数をｆ、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の自己インダクタンス値をＬ_Ａｕｘとしている。

【0055】

図３において、励磁リアクタンスｘＭと負荷抵抗ｒＬ’は、一次抵抗ｒ１、一次漏れリアクタンスｘ１、二次漏れリアクタンスｘ２’、二次抵抗ｒ２’よりも十分に大きいため、図４において、励磁リアクタンスｘＭと負荷抵抗ｒＬ’のみに簡易化している。

【0056】

２巻線誘導発電機２の補助巻線側の自己リアクタンスＸ_Ａｕｘは次式で表される。

【0057】

【数8】

【0058】

励磁リアクタンスｘＭは、一次漏れリアクタンスｘ１よりも十分に大きいため、式８より、励磁リアクタンスｘＭは、次式で表される。

【0059】

【数9】

【0060】

図４の簡易等価回路では、一次抵抗ｒ１と二次抵抗ｒ２’が省略されて損失のない状態であるため、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の出力Ｐ_Ａｕｘは、負荷抵抗ｒＬ’から入力される電力と等しくなる。したがって、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の出力Ｐ_Ａｕｘは、次式で表される。

【0061】

【数10】

【0062】

式１０より、負荷抵抗ｒＬ’は、次式で表される。

【0063】

【数11】

【0064】

図４の簡易等価回路から、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の負荷電流の実効値Ｉ_２’_Ａｕｘは、次式で表される。

【0065】

【数12】

【0066】

式１２の負荷抵抗ｒＬ’に、式１１を代入すると、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の負荷電流の実効値Ｉ_２’_Ａｕｘは、次式で表される。

【0067】

【数13】

【0068】

図４の簡易等価回路から、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の励磁電流の実効値Ｉ_０Ａｕｘは、次式で表される。

【0069】

【数14】

【0070】

図４の簡易等価回路から、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の励磁電流の実効値Ｉ_０Ａｕｘは、インダクタンス成分のみの回路に発生し、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の負荷電流の実効値Ｉ_２’_Ａｕｘは、抵抗成分のみの回路に発生するため、両電流の位相差は９０°である。したがって、その両電流のベクトル和である２巻線誘導発電機２の補助巻線側の電流の実効値Ｉ_Ａｕｘは、次式で表される。

【0071】

【数15】

【0072】

式１４から、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の励磁電流の実効値Ｉ_０Ａｕｘは、次式で表される。

【0073】

【数16】

【0074】

【数17】

【0075】

式１３から、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の負荷電流の実効値Ｉ_２’_Ａｕｘは、次式で表される。

【0076】

【数18】

【0077】

【数19】

【0078】

式１５に式１６と式１８を代入すると、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の電流の実効値Ｉ_Ａｕｘは、次式で表される。

【0079】

【数20】

【0080】

【数21】

【0081】

【数22】

【0082】

式２０は、Ｖ_Ａｕｘが無限大の場合はＶ_Ａｕｘ/ａが無限大で、Ｖが０の場合もｂ/Ｖ_Ａｕｘが無限大になるため、Ｖ_Ａｕｘが０から無限大の間でＩ_Ａｕｘは極小値が存在する。リタード運転時は、Ｉ_Ａｕｘが小さくなるようにＶ_Ａｕｘが制御される。式２１をＶ２で微分すると次式で表される。

【0083】

【数23】

【0084】

式２３が０になるときにＩ_Ａｕｘが極小値となり、Ｉ_Ａｕｘが極小値となるときのＶ２は、次式で表される。

【0085】

【数24】

【0086】

式２４のＶ２に式２２を、ａに式１７を、ｂに式１９を代入すると、Ｉ_Ａｕｘが極小値となるときのＶ_Ａｕｘ２とＶ_Ａｕｘは、次式で表される。

【0087】

【数25】

【0088】

【数26】

【0089】

式２１に式２４を代入すると、Ｉ_Ａｕｘが極小値となるときのＩ２は、次式で表される。

【0090】

【数27】

【0091】

式２７のａに式１７を、ｂに式１９を代入すると、Ｉ_Ａｕｘが極小値となるときのＩ２は、次式で表される。

【0092】

【数28】

【0093】

式２０のＩ２に、式２８を代入すると、Ｉ_Ａｕｘの極小値は、次式で表される。

【0094】

【数29】

【0095】

リタード運転時において、式２９より、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の出力Ｐ_Ａｕｘが最大で、２巻線誘導発電機２の発電周波数ｆが最小のとき、Ｉ_Ａｕｘの極小値は最大となる。このとき（以下、「リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるとき」とする）の２巻線誘導発電機２の補助巻線側の自己インダクタンス値をＬ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}とし、２巻線誘導発電機２の補助巻線側に要求される最大出力をＰ_{ＡｕｘＭａｘ}とすると、リタード運転時における２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電流の実効値Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0096】

【数30】

【0097】

同様に、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの２巻線誘導発電機２の補助巻線側の電圧の実効値Ｖ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0098】

【数31】

【0099】

式１のＶ_{ＡｕｘＭａｘ}に式２を、Ｉ_{ＡｕｘＭａｘ}に式３０を代入すると、リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0100】

【数32】

【0101】

リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_{ＭａｉｎＭａｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0102】

【数33】

【0103】

式３３より、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの２巻線誘導発電機２の補助巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0104】

【数34】

【0105】

式３２のＬ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}に式３４を代入すると、リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0106】

【数35】

【0107】

式３５で表されるリタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}を、式７で表されるアイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}以下にできる２巻線誘導発電機２の主巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_{ＭａｉｎＭａｘＲｅｔ}を定式化する。

【0108】

Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}をＳ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}以下にするという関係は、次式で表される。

【0109】

【数36】

【0110】

式３６のＳ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}に式７を、Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}に式３５を代入すると、リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}をアイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}以下にできる２巻線誘導発電機２の主巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_{ＭａｉｎＭａｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0111】

【数37】

【0112】

したがって、式３７で表される主巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_{ＭａｉｎＭａｘＲｅｔ}となる仕様を持つ２巻線誘導発電機を用いることで、補助巻線側のみの通電となるリタード運転時においても、補機用インバータ８が要求する電力を供給できる。

【0113】

式３５で表されるリタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}を、式７で表されるアイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}以下にできる２巻線誘導発電機２の励磁電流の仕様を定式化する。

【0114】

式１４のＶ_ＡｕｘにＶ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}を、ｆにｆ_Ｍｉｎを、Ｌ_ＡｕｘにＬ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}を代入すると、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの２巻線誘導発電機２の補助巻線側の励磁電流の実効値Ｉ_{０ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}は、次式で表される。

【0115】

【数38】

【0116】

式３８の励磁電流は、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの特性である。

【0117】

２巻線誘導発電機２の主巻線側の励磁電流は、２巻線誘導発電機２の補助巻線側を開放したときの主巻線側の無負荷電流から得ることができる。補助巻線側を開放しているため、主巻線側のみの一般的な誘導機として、主巻線側の無負荷電流を計算・実験・実測でき、２巻線特有の特殊な手法を用いることなく、２巻線誘導発電機２の主巻線側の励磁電流を得ることができる。一般に、無負荷試験は定格周波数で実施されるため、発電周波数ｆが定格周波数、すなわちトラクション運転時の発電周波数ｆ_Ｍａｘでの励磁電流を定式化する。電圧はトラクション運転時に最大となるＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}とする。

【0118】

発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の自己インダクタンス値をＬ_{ＭａｉｎＭａｘ}とすると、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの主巻線側の励磁電流の実効値Ｉ_{０ＭａｉｎＭａｘ}は、次式で表される。

【0119】

【数39】

【0120】

２巻線誘導発電機２の主巻線側の発電容量をＳ_Ｍａｉｎとすると、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流の実効値Ｉ_{ＭａｉｎＭａｘ}は、次式で表される。

【0121】

【数40】

【0122】

発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流に対する励磁電流は、式３９を式４０で割ることで、次式で表される。

【0123】

【数41】

【0124】

発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときと、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときとでは、磁気飽和の程度が異なる。この両運転状態での磁気飽和の程度の違いを主巻線側の自己インダクタンス値の比で表した飽和係数Ｋ_Ｓは、次式で表される。

【0125】

【数42】

【0126】

式４２よりＬ_{ＭａｉｎＭａｘ}は次式で表される。

【0127】

【数43】

【0128】

式４１のＬ_{ＭａｉｎＭａｘ}に式４３を代入すると、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流に対する励磁電流は、次式で表される。

【0129】

【数44】

【0130】

式４４のＬ_{ＭａｉｎＭａｘＲｅｔ}に式３７を代入すると、リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}を、アイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}以下にできる２巻線誘導発電機２を用いたときにおいて、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流に対する励磁電流は、次式で表される。

【0131】

【数45】

【0132】

上述したように、本実施例では、２巻線誘導発電機２には、補助巻線側のみの通電となるリタード運転時においても、補機用インバータ８が要求する電力を発電用コンバータ７が供給できるように、励磁電流の小さい仕様を持つ２巻線誘導発電機が用いられている。式４５で表される励磁電流となる仕様を持つ２巻線誘導発電機を用いることで、補助巻線側のみの通電となるリタード運転時においても、補機用インバータ８が要求する電力を発電用コンバータ７が供給できる。

【0133】

アイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}は、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電圧の実効値Ｖ_{ＡｕｘＭａｘ}と、アイドリング運転時における２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電流の実効値Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＩｄｌ}の積から決定される。

【0134】

リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}は、２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電圧の実効値Ｖ_{ＡｕｘＭａｘ}と、リタード運転時における２巻線誘導発電機２の補助巻線側の最大電流の実効値Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}の積から決定される。

【0135】

このように、Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}とＳ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}を決める最大電圧は、どちらもＶ_{ＡｕｘＭａｘ}となる。すなわち、走行用インバータ４が回生動作をするときの補助巻線の最大電流Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}が発電用コンバータ７の最大電流Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＩｄｌ}を超えないように、２巻線誘導発電機２の主巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_{ＭａｉｎＭａｘＲｅｔ}や、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流に対する励磁電流が、式３７や式４５によって決定されているとも言える。

【0136】

図５は、励磁電流と発電用コンバータ７に必要となる容量との関係を示す説明図である。図５において、横軸は定格電流Ｉ_{ＭａｉｎＭａｘ}に対する励磁電流Ｉ_{０ＭａｉｎＭａｘ}であり、縦軸は２巻線誘導発電機２の主巻線側の発電容量Ｓ_Ｍａｉｎに対する発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘ}である。

【0137】

式７のアイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}において、その最小値Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌＭｉｎ}を、２巻線誘導発電機２の主巻線側の発電容量Ｓ_Ｍａｉｎで割ると、次式で表される。

【0138】

【数46】

【0139】

２巻線誘導発電機２の主巻線側の発電容量Ｓ_Ｍａｉｎに対するリタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}が、式４６のＳ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌＭｉｎ}/Ｓ_Ｍａｉｎ以下になるように、励磁電流の小さい仕様を持つ２巻線誘導発電機を用いれば、発電用コンバータ７に必要となる容量の増大が抑制される。

【0140】

式４５より、リタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}を、アイドリング運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌ}以下にできる２巻線誘導発電機２を用いたときにおいて、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流に対する励磁電流の最大値Ｉ_{０ＭａｉｎＭａｘＭａｘ}/Ｉ_{ＭａｉｎＭａｘ}は、次式で表される。

【0141】

【数47】

【0142】

図５のように、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの２巻線誘導発電機２の主巻線側の定格電流に対する励磁電流がＩ_{０ＭａｉｎＭａｘＭａｘ}/Ｉ_{ＭａｉｎＭａｘ}以下である２巻線誘導発電機２を用いることで、２巻線誘導発電機２の主巻線側の発電容量Ｓ_Ｍａｉｎに対するリタード運転時に発電用コンバータ７に必要となる容量Ｓ_{ＣｏｎｖＡｕｘＲｅｔ}が、式４６のＳ_{ＣｏｎｖＡｕｘＩｄｌＭｉｎ}/Ｓ_Ｍａｉｎ以下になる。

【0143】

（まとめ）
本実施例では、主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機２と、走行用モータ５に電力を供給する走行用インバータ４と、補機用モータ９に電力を供給する補機用インバータ８と、前記主巻線に交流側端子が接続され、走行用インバータ４に直流側端子が接続された整流器３と、前記補助巻線に交流側端子が接続され、補機用インバータ８に直流側端子が接続された発電用コンバータ７とを備えたドライブシステムにおいて、発電用コンバータ７の最大電流値Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＩｄｌ}は、前記補助巻線の最大出力Ｐ_{ＡｕｘＭａｘ}と、走行用インバータが回生動作をしないときの前記補助巻線の最小電圧Ｖ_{ＡｕｘＭｉｎ}とに基づいて設定されており、誘導発電機２の無負荷電流値は、走行用インバータ４が回生動作をするときの前記補助巻線の最大電流Ｉ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}が発電用コンバータ７の最大電流値を超えないように設定されている。

【0144】

以上のように構成した本実施例によれば、発電用コンバータ７の最大電流値と誘導発電機２の無負荷電流値とを適切に設定することにより、主巻線と補助巻線とを含む一次巻線を有する誘導発電機２を備えたドライブシステムにおいて、補助巻線側のみが通電する走行用インバータ４の回生動作中においても、補機用インバータ８が要求する電力を発電用コンバータ７から供給することが可能となる。

【0145】

また、本実施例では、誘導発電機２の主巻線の最大電圧をＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}、前記主巻線の最小電圧をＶ_{ＭａｉｎＭｉｎ}、走行用インバータ４が回生動作をするときの誘導発電機２の最大周波数をｆ_Ｍａｘ、走行用インバータ４が回生動作をするときの誘導発電機２の最小周波数をｆ_Ｍｉｎ、前記主巻線の発電容量をＳ_Ｍａｉｎ、前記補助巻線の最大出力をＰ_{ＡｕｘＭａｘ}、誘導発電機２の発電周波数がｆ_Ｍａｘで前記主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの前記主巻線の自己インダクタンス値に対する、走行用インバータ４の回生動作時に前記補助巻線の電流Ｉ_ＡＵＸの極小値が最大となるときの前記主巻線の自己インダクタンス値の比である飽和係数をＫ_Ｓとした場合、
前記主巻線の定格電流に対する励磁電流が、

【0146】

【数48】

【0147】

以下である。これにより、誘導発電機２の励磁電流の上限が設定されるため、発電用コンバータ７に必要な容量の増大を抑制することが可能となる。

【実施例0148】

本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

【0149】

発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときと、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときとでは、磁気飽和の程度が異なる。式４２において、この両運転状態での磁気飽和の程度の違いを主巻線側の自己インダクタンス値の比である飽和係数Ｋ_Ｓで表した。

【0150】

誘導機の自己インダクタンス値Ｌは、図３や図４の等価回路をもとにして考えると、すべりｓを０とした無負荷運転での電圧Ｖと電流Ｉの比から算定され、次式で表される。

【0151】

【数49】

【0152】

リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときのＬ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}を式４８で算定するには、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの電圧Ｖ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}を式３１によって算定する必要がある。すなわち、飽和係数Ｋ_Ｓの値を得るためには、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの電圧Ｖ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}の算定が必要となる課題が生じる。

【0153】

図６は、リタード運転時において補助巻線側の電流の実効値Ｉ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの２巻線誘導発電機２の電圧と周波数を示す説明図である。図６において、横軸はｆ_Ｍａｘに対する発電周波数ｆであり、縦軸はＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}に対する２巻線誘導発電機２の主巻線側の電圧の実効値Ｖ_Ｍａｉｎである。

【0154】

磁気飽和の程度を決める磁束密度の高さは、電圧/周波数に比例する。発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの電圧/周波数は１であるのに対して、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの電圧/周波数がＶ/ｆであるとき、後者の磁束密度は図６のように前者のＶ/ｆ倍であり低い。

【0155】

図７は、２巻線誘導発電機２の主巻線側の自己インダクタンス値と電圧の関係を示す説明図である。図７において、横軸は主巻線側の最大電圧の実効値Ｖ_{ＭａｉｎＭａｘ}に対する主巻線側の電圧の実効値Ｖ_Ｍａｉｎであり、縦軸は主巻線側の自己インダクタンス値Ｌ_Ｍａｉｎに対する未飽和時の自己インダクタンス値Ｌ_{Ｍａｉｎ－Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ}の比である。発電周波数がｆ_Ｍａｘの場合である。

【0156】

式４８によるＬの実験において、実験可能な範囲でＶを小さくしたときのＬの最小値が、未飽和時の自己インダクタンス値Ｌ_{Ｍａｉｎ－Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ}である。

【0157】

図７より、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの自己インダクタンス値Ｌ_Ｍａｉｎは、未飽和時の自己インダクタンス値Ｌ_{Ｍａｉｎ－Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ}とほぼ等しい。したがって、リタード運転時においてＩ_Ａｕｘの極小値が最大となるときの電圧Ｖ_{ＡｕｘＭａｘＲｅｔ}が不明であっても、未飽和時の自己インダクタンス値Ｌ_{Ｍａｉｎ－Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ}を実験によって算定し、式４２の飽和係数Ｋ_Ｓは、次式で表される。

【0158】

【数50】

【0159】

したがって、式４９で表される、発電周波数がｆ_Ｍａｘで主巻線側の電圧がＶ_{ＭａｉｎＭａｘ}のときの飽和係数Ｋ_Ｓは、誘導機の無負荷試験と呼ばれる一般的な試験で得られる電圧と電流との関係から式４８のＬを算定することで得られる。

【0160】

（まとめ）
本実施例における飽和係数Ｋ_Ｓは、誘導発電機２の無負荷試験で得られた電圧と電流との関係に基づいて設定されている。

【0161】

以上のように構成した本実施例によれば、誘導発電機２の無負荷試験で得られた電圧と電流との関係に基づいて飽和係数Ｋ_Ｓを設定することにより、２巻線特有の特殊な手法を用いることなく、２巻線誘導発電機２の主巻線側の励磁電流を得ることが可能となる。