特許 7591699 電力変換装置、および車両用発電電動機の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-21

(45)【発行日】2024-11-29

(54)【発明の名称】電力変換装置、および車両用発電電動機の制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241122BHJP

   H02P 21/22 20160101ALI20241122BHJP

   H02P 27/08 20060101ALI20241122BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 F

H02P21/22

H02P27/08

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2024510948

(86)(22)【出願日】2022-03-30

(86)【国際出願番号】 JP2022016233

(87)【国際公開番号】W WO2023188178

(87)【国際公開日】2023-10-05

【審査請求日】2024-02-26

(73)【特許権者】

【識別番号】324003048

【氏名又は名称】三菱電機モビリティ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】古川 晃

(72)【発明者】

【氏名】秋田 健一

【審査官】安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０９６４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３７２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８８６７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｐ ２１／２２

Ｈ０２Ｐ ２７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源からの直流電圧を変換した交流電圧を交流回転機に含まれる第１のｍ相巻線および第２のｍ相巻線のうち前記第１のｍ相巻線に印加する第１の電力変換器と、
前記直流電圧を変換した交流電圧を前記第２のｍ相巻線に印加する第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器のそれぞれを制御する制御部と、
を備え、
ｍは、２以上の自然数であり、
前記制御部は、外部からの制御指令に基づいて前記第１のｍ相巻線の各相に対する第１の印加電圧と、前記第２のｍ相巻線の各相に対する第２の印加電圧とを算出し、
前記制御部は、第１搬送波信号と前記第１の印加電圧とを比較することにより第１のスイッチング信号を前記第１の電力変換器へ出力するとともに、第２搬送波信号と前記第２の印加電圧とを比較することにより第２のスイッチング信号を前記第２の電力変換器へ出力し、
前記第１の電力変換器は、前記第１のスイッチング信号に基づいて制御され、
前記第２の電力変換器は、前記第２のスイッチング信号に基づいて制御され、
前記制御部は、
前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記第１搬送波信号と前記第２搬送波信号とを異なるものとし、
前記交流回転機が回生運転状態であるとき、前記第１搬送波信号と前記第２搬送波信号とを同じものとするとともに、前記交流回転機から前記直流電源に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器を制御する、
電力変換装置。

【請求項2】

前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記制御部は、前記第２搬送波信号の位相を前記第１搬送波信号の位相に対して９０ｄｅｇ異ならせ、
前記直流電源の出力電圧範囲の中心値に前記第１の印加電圧の中心値が一致するように前記第１の印加電圧を算出し、
前記直流電源の出力電圧範囲の中心値に前記第２の印加電圧の中心値が一致するように前記第２の印加電圧を算出する、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記制御指令に基づいて前記第１のｍ相巻線の各相に対する第１の電圧指令を算出するとともに、前記第１の電圧指令をオフセット電圧によってオフセットすることにより前記第１の印加電圧を算出し、
前記制御部は、前記制御指令に基づいて前記第２のｍ相巻線の各相に対する第２の電圧指令を算出するとともに、前記第２の電圧指令を前記オフセット電圧によってオフセットすることにより前記第２の印加電圧を算出し、
前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記制御部は、前記第２搬送波信号の位相を前記第１搬送波信号の位相に対して１８０ｄｅｇ異ならせ、
前記第１の印加電圧の前記第１の電圧指令に対するオフセット方向と、前記第２の印加電圧の前記第２の電圧指令に対するオフセット方向とは、同じである、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記制御部は、前記第１の印加電圧の最大値を前記第１搬送波信号の最大値とし、前記第２の印加電圧の最大値を前記第２搬送波信号の最大値とする、
請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記制御部は、前記第１の印加電圧の最小値を前記第１搬送波信号の最小値とし、前記第２の印加電圧の最小値を前記第２搬送波信号の最小値とする、
請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項6】

直流電源からの直流電圧を変換した交流電圧を交流回転機に含まれる第１のｍ相巻線および第２のｍ相巻線のうち前記第１のｍ相巻線に印加する第１の電力変換器と、
前記直流電圧を変換した交流電圧を前記第２のｍ相巻線に印加する第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器のそれぞれを制御する制御部と、
を備え、
ｍは、２以上の自然数であり、
前記制御部は、外部からの制御指令に基づいて前記第１のｍ相巻線の各相に対する第１の電圧指令を算出するとともに、前記第１の電圧指令をオフセット電圧によってオフセットすることにより、前記第１のｍ相巻線の各相に対する第１の印加電圧を算出し、
前記制御部は、前記制御指令に基づいて前記第２のｍ相巻線の各相に対する第２の電圧指令を算出するとともに、前記第２の電圧指令を前記オフセット電圧によってオフセットすることにより、前記第２のｍ相巻線の各相に対する第２の印加電圧を算出し、
前記制御部は、第１搬送波信号と前記第１の印加電圧とを比較することにより第１のスイッチング信号を前記第１の電力変換器へ出力するとともに、第２搬送波信号と前記第２の印加電圧とを比較することにより第２のスイッチング信号を前記第２の電力変換器へ出力し、
前記制御部は、前記第１搬送波信号と前記第２搬送波信号とを同じものとし、
前記第１の電力変換器は、前記第１のスイッチング信号に基づいて制御され、
前記第２の電力変換器は、前記第２のスイッチング信号に基づいて制御され、
前記制御部は、
前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記第１の印加電圧の前記第１の電圧指令に対するオフセット方向と、前記第２の印加電圧の前記第２の電圧指令に対するオフセット方向と、を異なるものとし、
前記交流回転機が回生運転状態であるとき、前記交流回転機から前記直流電源に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器を制御する、
電力変換装置。

【請求項7】

前記交流回転機が力行運転状態であるとき、前記制御部は、前記第１の印加電圧の最小値を前記第１搬送波信号の最小値とし、前記第２の印加電圧の最大値を前記第２搬送波信号の最大値とする、
請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記交流回転機が回生運転状態であるとき、前記制御部は、前記第１の印加電圧の中心値と、前記第２の印加電圧の中心値とを一致させる、
請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記交流回転機が回生運転状態であるとき、前記制御部は、前記第１の印加電圧の中心値および前記第２の印加電圧の中心値を、前記直流電源の出力電圧範囲の中心値に一致させる、
請求項８に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記交流回転機の出力トルクのトルク上限値およびトルク下限値は、
前記交流回転機の回転速度に基づいて決定され、
前記出力トルクが前記トルク上限値のときに、前記第１の電力変換器、および前記第２の電力変換器のそれぞれが電圧飽和を起こさない回転速度以下の前記回転速度の領域において、前記トルク下限値の絶対値は、前記トルク上限値の絶対値より小さい
請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置を備えた車両用発電電動機の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置、および車両用発電電動機の制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、電力変換装置において第１インバータの有効電圧ベクトルの発生期間と第２インバータの有効電圧ベクトルの発生期間をずらすことにより、母線電流の変動を抑制しコンデンサのリプル電流を低減することが知られている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－０５０２５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に示された電力変換装置では、３相回転電機の２つの巻線組の相互インダクタンスを考慮すると、第１の巻線組の有効電圧ベクトル出力時に第２の巻線組の電流変化を招き、第２の巻線組の有効電圧ベクトル出力時に第１の巻線組の電流変化を招いてしまう。つまり、見かけ上、有効電圧ベクトル区間が増加した状況となるため、相電流リプルが大きくなり、損失が大きくなるといった問題があった。

【0005】

本開示は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、母線電流リプルを抑制しつつ、相電流リプルを低減することができる電力変換装置、および車両用発電電動機の制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る電力変換装置、および車両用発電電動機の制御装置は、直流電源からの直流電圧を変換した交流電圧を交流回転機に含まれる第１のｍ相巻線および第２のｍ相巻線のうち第１のｍ相巻線に印加する第１の電力変換器と、直流電圧を変換した交流電圧を第２のｍ相巻線に印加する第２の電力変換器と、第１の電力変換器および第２の電力変換器のそれぞれを制御する制御部と、を備え、ｍは、２以上の自然数であり、制御部は、外部からの制御指令に基づいて、第１のｍ相巻線の各相に対する第１の印加電圧と、第２のｍ相巻線の各相に対する第２の印加電圧とを算出し、制御部は、第１搬送波信号と第１の印加電圧とを比較することにより第１のスイッチング信号を第１の電力変換器へ出力するとともに、第２搬送波信号と第２の印加電圧とを比較することにより第２のスイッチング信号を第２の電力変換器へ出力し、第１の電力変換器は、第１のスイッチング信号に基づいて制御され、第２の電力変換器は、第２のスイッチング信号に基づいて制御され、制御部は、交流回転機が力行運転状態であるとき、第１搬送波信号と第２搬送波信号とを異なるものとし、交流回転機が回生運転状態であるとき、第１搬送波信号と第２搬送波信号とを同じものとするとともに、交流回転機から直流電源に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて第１の電力変換器および第２の電力変換器を制御する。

【発明の効果】

【0007】

本開示に係る電力変換装置、および車両用発電電動機の制御装置によれば、母線電流リプルを抑制しつつ、相電流リプルを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１による電力変換装置を示す概略図である。

【図2】図１の交流回転機の各相に対する電圧ベクトルの位相差を示す概略図である。

【図3】図１の第１の電力変換器における各第１のスイッチング素子の状態と出力ベクトルとの関係を示す表である。

【図4】図１の第２の電力変換器における各第２のスイッチング素子の状態と出力ベクトルとの関係を示す表である。

【図5】図１の第１の電力変換器に対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【図6】図１の交流回転機が回生運転状態であるときの出力トルクと相電流実効値との関係を示すグラフである。

【図7】図１の交流回転機が回生運転状態であるときの出力トルクと力率との関係を示すグラフである。

【図8】図１の交流回転機が回生運転状態であるときの出力トルクと発電電流との関係を示すグラフである。

【図9】図１の交流回転機において回生運転状態での力率角が１６５ｄｅｇであるときの、電流位相と第１の３相電流との関係、および電流位相と第１の電圧指令との関係を示すグラフである。

【図10】図１の交流回転機において回生運転状態での力率角が１３５ｄｅｇであるときの、電流位相と第１の３相電流との関係、および電流位相と第１の電圧指令との関係を示すグラフである。

【図11】図１の交流回転機において回生運転状態での力率角が１０５ｄｅｇであるときの、電流位相と第１の３相電流との関係、および電流位相と第１の電圧指令との関係を示すグラフである。

【図12】図１の交流回転機の結合係数と相電流リプルとの関係を示すグラフである。

【図13】図１の第２の電力変換器に対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【図14】図１の交流回転機が力行運転状態であるときの出力トルクと相電流実効値との関係を示すグラフである。

【図15】図１の交流回転機が力行運転状態であるときの出力トルクと力率との関係を示すグラフである。

【図16】図１の交流回転機が力行運転状態であるときの出力トルクと駆動電流との関係を示すグラフである。

【図17】図１のオフセット演算器において第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値とが０と一致するときの第１の電力変換器に対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【図18】図１のオフセット演算器において第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値とが０と一致し、第１搬送波信号と第２搬送波信号との位相差が９０ｄｅｇであるときの第２の電力変換器に対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【図19】図１のオフセット演算器において第１の印加電圧の最小値と第２の印加電圧の最小値とが０と一致するときの第１の電力変換器に対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【図20】図１のオフセット演算器において第１の印加電圧の最小値と第２の印加電圧の最小値とが０と一致し、第１搬送波信号と第２搬送波信号との位相差が１８０ｄｅｇであるときの第２の電力変換器に対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【図21】実施の形態３による車両用発電電動機の制御装置を示す概略図である。

【図22】実施の形態１から実施の形態３の電力変換装置の機能を実現する処理回路の第１の例を示す構成図である。

【図23】実施の形態１から実施の形態３の電力変換装置の機能を実現する処理回路の第２の例を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置１を示す概略図である。電力変換装置１は、電源としての直流電源２０に接続されている。電力変換装置１には、負荷として、交流回転機３０が接続されている。電力変換装置１は、直流電源２０からの直流電圧を交流電圧に変換して交流回転機３０に供給する。

【0010】

交流回転機３０は、第１の３相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と第２の３相巻線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２とを有する３相交流回転機である。第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１と第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２とのそれぞれは、交流回転機３０の固定子に納められている。第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１と第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２とのそれぞれは、互いに電気的に接続されることはない。

【0011】

図２は、図１の交流回転機３０の各相に対する電圧ベクトルの位相差を示す概略図である。図２に示される通り、本実施の形態１における交流回転機３０における第１の３相巻線と第２の３相巻線とには、位相差が無い。

【0012】

実施の形態１の交流回転機３０では、第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１と第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２との位相差が０ｄｅｇである。従って、電圧ベクトルＶ１（１）とＶ１（２）、Ｖ２（１）とＶ２（２）、Ｖ３（１）とＶ３（２）、Ｖ４（１）とＶ４（２）、Ｖ５（１）とＶ５（２）、Ｖ６（１）とＶ６（２）はそれぞれ一致する。

【0013】

交流回転機３０は、発電電動機である。交流回転機３０としては、例えば、永久磁石同期回転機、誘導回転機、同期リラクタンス回転機といった回転機が挙げられる。本実施の形態１の交流回転機３０においては、２つの３相巻線を有する交流回転機であれば、いずれの回転機を用いてもよい。

【0014】

図１に戻り、電力変換装置１の説明を続ける。電力変換装置１は、平滑コンデンサ３と、第１の電力変換器４ａと、第２の電力変換器４ｂと、第１の電流検出器５ａと、第２の電流検出器５ｂと、制御部１０と、を備えている。

【0015】

平滑コンデンサ３は、直流電源２０に対して並列に接続されている。第１の電力変換器４ａは、直流電源２０と交流回転機３０の第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１との間に接続されている。第２の電力変換器４ｂは、直流電源２０と交流回転機３０の第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２との間に接続されている。第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂは、逆変換回路（インバータ）である。

【0016】

第１の電力変換器４ａは、６つの第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１、Ｓｖｐ１、Ｓｗｐ１、Ｓｕｎ１、Ｓｖｎ１、Ｓｗｎ１を有している。６つの第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１のうちの３つのスイッチング素子Ｓｕｐ１、Ｓｖｐ１、及びＳｗｐ１は、高電位側スイッチング素子である。６つの第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１のうちの３つのスイッチング素子Ｓｕｎ１、Ｓｖｎ１、Ｓｗｎ１は、低電位側スイッチング素子である。

【0017】

高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ１とは、互いに直列に接続され、直流電源２０に接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ１とは、互いに直列に接続され、直流電源２０に接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ１とは、互いに直列に接続され、直流電源２０に接続されている。

【0018】

直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ１とは、直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ１とに並列に接続されている。直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ１とは、直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ１とに並列に接続されている。直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ１と、直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ１と、に並列に接続されている。

【0019】

高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ１との間には、第１の３相巻線のうちのＵ１相が接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ１との間には、第１の３相巻線のうちのＶ１相が接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ１と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ１との間には、第１の３相巻線のうちのＷ１相が接続されている。

【0020】

図３は、図１の第１の電力変換器４ａにおける各第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１の状態と出力ベクトルとの関係を示す表である。図３において、第１のスイッチング素子に対応する値が１の場合は、その第１のスイッチング素子がオンである状態を示している。図３において、第１のスイッチング素子に対応する値が０の場合は、その第１のスイッチング素子がオフである状態を示している。

【0021】

各第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１のそれぞれは、外部から入力される第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１、Ｑｕｎ１、Ｑｖｐ１、Ｑｖｎ１、Ｑｗｐ１、Ｑｗｎ１に基づいて、オンとされ、またはオフとされる。第１の電力変換器４ａは、直流電源２０から入力された直流電圧Ｖｄｃを電力変換して、第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１のそれぞれの状態に応じた電圧を第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１に印加することができる。第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１のそれぞれに電圧が印加されると電流値Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１の電流が流れる。

【0022】

第１の電力変換器４ａには、第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１のそれぞれに対応した、第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１が入力される。第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１のそれぞれは、対応する第１のスイッチング素子Ｓｕｐ１～Ｓｗｎ１をオンとする、またはオフとするためのオンオフ信号である。

【0023】

第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１のそれぞれにおいて、その値が１ならば対応する第１のスイッチング素子をオンとするための信号が出力され、その値が０ならば対応するスイッチをオフとするための信号が出力されるものとする。

【0024】

図３に示される通り、第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１によって、８つの電圧ベクトルを出力できる。なお、第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１については、後に説明をする。

【0025】

図１に戻り説明を続ける。第２の電力変換器４ｂは、６つの第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２、Ｓｖｐ２、Ｓｗｐ２、Ｓｕｎ２、Ｓｖｎ２、Ｓｗｎ２を有している。６つの第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２～Ｓｗｎ２のうちの３つのスイッチング素子Ｓｕｐ２、Ｓｖｐ２、及びＳｗｐ２３は、高電位側スイッチング素子である。６つの第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２～Ｓｗｎ２のうちの３つのスイッチング素子Ｓｕｎ２、Ｓｖｎ２、及びＳｗｎ２３は、低電位側スイッチング素子である。

【0026】

高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ２とは、互いに直列に接続され、直流電源２０に接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ２とは、互いに直列に接続され、直流電源２０に接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ２とは、互いに直列に接続され、直流電源２０に接続されている。

【0027】

直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ２とは、直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ２とに並列に接続されている。直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ２とは、直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ２とに並列に接続されている。直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ２と、直列接続された高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ２と、に並列に接続されている。

【0028】

高電位側スイッチング素子Ｓｕｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｕｎ２との間には、第２の３相巻線のうちのＵ２相が接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｖｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｖｎ２との間には、第２の３相巻線のうちのＶ２相が接続されている。高電位側スイッチング素子Ｓｗｐ２と低電位側スイッチング素子Ｓｗｎ２との間には、第２の３相巻線のうちのＷ２相が接続されている。

【0029】

図４は、図１の第２の電力変換器４ｂにおける各第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２～Ｓｗｎ２の状態と出力ベクトルとの関係を示す表である。図４において、第２のスイッチング素子に対応する値が１の場合は、その第２のスイッチング素子がオンである状態を示している。図４において、第２のスイッチング素子に対応する値が０の場合は、その第２のスイッチング素子がオフである状態を示している。

【0030】

各第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２～Ｓｗｎ２のそれぞれは、外部から入力される第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２、Ｑｕｎ２、Ｑｖｐ２、Ｑｖｎ２、Ｑｗｐ２、Ｑｗｎ２に基づいて、オンとされ、またはオフとされる。第２の電力変換器４ｂは、直流電源２０から入力された直流電圧Ｖｄｃを電力変換して、第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２～Ｓｗｎ２のそれぞれの状態に応じた電圧を第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２に印加することができる。第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２のそれぞれに電圧が印加されると電流値Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２の電流が流れる。

【0031】

第２の電力変換器４ｂには、第２のスイッチング素子Ｓｕｐ２～Ｓｗｎ２のそれぞれに対応した、第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２～Ｑｗｎ２が入力される。第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２～Ｑｗｎ２のそれぞれは、対応する第２のスイッチング素子をオンとする、またはオフとするためのオンオフ信号である。

【0032】

第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２～Ｑｗｎ２のそれぞれにおいて、その値が１ならば対応する第２のスイッチング素子をオンとするための信号が出力され、その値が０ならば対応するスイッチをオフとするための信号が出力されるものとする。

【0033】

図４に示される通り、第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２～Ｑｗｎ２によって、８つの電圧ベクトルを出力できる。なお、第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２～Ｑｗｎ２については、後に説明をする。

【0034】

図１に戻り説明を続ける。第１の電流検出器５ａは、第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１のそれぞれに流れる電流を検出している。第１の電流検出器５ａは、第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１のそれぞれに流れる電流の電流値Ｉｕ１～Ｉｗ１を、電流検出値Ｉｕ１ｓ、Ｉｖ１ｓ、Ｉｗ１ｓとして検出している。第１の電流検出器５ａは、第１の電力変換器４ａの下流で第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１のそれぞれに流れる電流を検出している。

【0035】

第２の電流検出器５ｂは、交流回転機３０の第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２のそれぞれに流れる電流を検出している。第２の電流検出器５ｂは、第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２に流れる電流の電流値Ｉｕ２～Ｉｗ２のそれぞれを、電流検出値Ｉｕ２ｓ、Ｉｖ２ｓ、Ｉｗ２ｓとして検出している。第２の電流検出器５ｂは、第２の電力変換器４ｂの下流で第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２のそれぞれに流れる電流を検出している。

【0036】

制御部１０は、制御指令制限器６と、電圧指令演算器７と、オフセット演算器８と、オン／オフ信号発生器９と、を有している。

【0037】

制御指令制限器６には、外部から制御指令が入力される。制御指令制限器６は、外部から入力された制御指令に対して、回生トルクと発電電流との関係に基づいて制限をかけた制限後制御指令を電圧指令演算器７へ出力する。詳細は後述する。

【0038】

電圧指令演算器７には、制御指令制限器６から制限後制御指令が入力される。電圧指令演算器７には、第１の電流検出器５ａが出力した電流検出値Ｉｕ１ｓ～Ｉｗ１ｓが入力される。電圧指令演算器７には、第２の電流検出器５ｂが出力した電流検出値Ｉｕ２ｓ～Ｉｗ２ｓが入力される。

【0039】

第１の電流検出器５ａは、第１のスイッチング素子の状態に関わらず常に第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１のそれぞれに流れる電流を検出している。第２の電流検出器５ｂは、第２のスイッチング素子の状態に関わらず常に第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２のそれぞれに流れる電流を検出している。従って、制御部１０は、第１の３相巻線、および第２の３相巻線における電流検出可否を考慮せずに、スイッチング素子のオンまたはオフを決定することが可能となる。

【0040】

電圧指令演算器７は、制限後制御指令に基づいて電流指令を演算する。電圧指令演算器７は、演算された電流指令に基づいて、交流回転機３０を駆動するための電圧の指令値である電圧指令を算出する。電圧指令は、第１の３相巻線Ｕ１～Ｗ１に印加する電圧に関する第１の３相電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１、および第２の３相巻線Ｕ２～Ｗ２に印加する電圧に関する第２の３相電圧指令Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２である。

【0041】

電圧指令演算器７は、電流検出値Ｉｕ１ｓ～Ｉｗ２ｓとそれぞれの電流指令値との偏差を零にするために、例えば、比例積分制御によって、第１の３相電圧指令Ｖｕ１～Ｖｗ１、および第２の３相電圧指令Ｖｕ２～Ｖｗ２を算出する。上記の演算には、公知の電流フィードバック制御方法を用いる。算出された電圧指令である第１の３相電圧指令Ｖｕ１～Ｖｗ１、および第２の３相電圧指令Ｖｕ２～Ｖｗ２は、オフセット演算器８へ出力される。

【0042】

オフセット演算器８は、第１の３相電圧指令Ｖｕ１～Ｖｗ１のそれぞれからオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１を減算し、第１の３相印加電圧Ｖｕ１’、Ｖｖ１’、Ｖｗ１’を演算する。

【0043】

第２の３相電圧指令Ｖｕ２～Ｖｗ２のそれぞれからオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ２を減算し、第２の３相印加電圧Ｖｕ２’、Ｖｖ２’、Ｖｗ２’を演算する。各制御状態におけるオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１およびＶｏｆｆｓｅｔ２の設定方法の詳細は、後述する。

【0044】

オン／オフ信号発生器９は、第１の３相印加電圧Ｖｕ１’～Ｖｗ１’に基づいて第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１を出力する。また、オン／オフ信号発生器９は、第２の３相印加電圧Ｖｕ２’～Ｖｗ２’に基づいて第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２～Ｑｗｎ２を出力する。

【0045】

図５は、図１の第１の電力変換器４ａに対するオン／オフ信号発生器９の動作条件を示す概略図である。図５は、第１の３相印加電圧Ｖｕ１’～Ｖｗ１’が、Ｖｕ１’＞Ｖｖ１’＞Ｖｗ１’となっている領域でのオン／オフ信号発生器９の動作を示している。実施の形態１において、第１搬送波信号Ｃ１は、最小値－Ｖｄｃ／２、最大値Ｖｄｃ／２である周期Ｔｃの三角波である。

【0046】

第１搬送波信号Ｃ１と第１の３相印加電力のうちのＵ相の印加電力Ｖｕ１’とを比較して、Ｖｕ１’が大きければ「Ｑｕｐ１＝１かつＱｕｎ１＝０」とする第１のスイッチング信号を出力する。第１搬送波信号Ｃ１と第１の３相印加電力のうちのＵ相の印加電力Ｖｕ１’とを比較して、Ｖｕ１’が小さければ「Ｑｕｐ１＝０かつＱｕｎ１＝１」とする第１のスイッチング信号を出力する。

【0047】

第１搬送波信号Ｃ１と第１の３相印加電力のうちのＶ相の印加電力Ｖｖ１’とを比較して、Ｖｖ１’が大きければ「Ｑｖｐ１＝１かつＱｖｎ１＝０」とする第１のスイッチング信号を出力する。第１搬送波信号Ｃ１と第１の３相印加電力のうちのＶ相の印加電力Ｖｖ１’とを比較して、Ｖｖ１’が小さければ「Ｑｖｐ１＝０かつＱｖｎ１＝１」とする第１のスイッチング信号を出力する。

【0048】

第１搬送波信号Ｃ１と第１の３相印加電力のうちのＷ相の印加電力Ｖｗ１’とを比較して、Ｖｗ１’が大きければ「Ｑｗｐ１＝１かつＱｗｎ１＝０」とする第１のスイッチング信号を出力する。第１搬送波信号Ｃ１と第１の３相印加電力のうちのＷ相の印加電力Ｖｗ１’とを比較して、Ｖｗ１’小さければ「Ｑｗｐ１＝０かつＱｗｎ１＝１」とする第１のスイッチング信号を出力する。

【0049】

図５に示されている通り、出力される電圧ベクトルは、ｔ１～ｔ２およびｔ８～ｔ９の期間ではＶ７、ｔ２～ｔ３およびｔ７～ｔ８の期間ではＶ２、ｔ３～ｔ４およびｔ６～ｔ７の期間ではＶ１、ｔ４～ｔ６の期間ではＶ０である。電圧ベクトルが有効電圧ベクトルとなるＶ１およびＶ２のとき、電流値Ｉｕ１は、印加電圧に従って増加し、零電圧ベクトルとなるＶ０およびＶ７のときには０に向けて変化する。

【0050】

搬送波信号１周期において増減する期間が２回に分かれるため、相電流リプルは、低減できる。一方、電流値Ｉｕ１＞Ｉｖ１＞Ｉｗ１となる力率角が０ｄｅｇの場合において、母線電流Ｉｉｎｖ１は電流値０～Ｉｕ１の範囲で変化するため、母線電流リプルの振幅は、０～Ｉｕ１の幅となる。各制御状態における第２のスイッチング信号の設定方法の詳細は、後述する。

【0051】

図６は、図１の交流回転機３０が回生運転状態であるときの出力トルクと相電流実効値との関係を示すグラフである。図７は、図１の交流回転機３０が回生運転状態であるときの出力トルクと力率との関係を示すグラフである。図８は、図１の交流回転機３０が回生運転状態であるときの出力トルクと発電電流との関係を示すグラフである。

【0052】

横軸の出力トルクは、ある回転速度において交流回転機３０が出力可能なトルクの最大値を１００として表している。発電電流は、図１に示される母線電流Ｉｉｎｖ１と母線電流Ｉｉｎｖ２との和の－１倍に相当する。

【0053】

相電流実効値および力率は、出力トルクに対して単調減少する。しかし、発電電流は、極大値を有している。ここで、発電電流が極大値を示したときの出力トルクを極大トルクＴａとすると、出力トルク＜極大トルクＴａでは、回生トルクは増加するものの発電電流は増加しない。このため、力率が０．５未満となる領域では発電効率が著しく低下する。高回転では誘起電圧が大きくなり電圧飽和が進む。このため、回転速度が所定値を超えると、発電電流は、出力トルクに対して単調減少する特性となる。

【0054】

図９は、図１の交流回転機３０において回生運転状態での力率角が１６５ｄｅｇであるときの、電流位相と第１の３相電流との関係、および電流位相と第１の電圧指令との関係を示すグラフである。電流位相が１９５ｄｅｇ～２５５ｄｅｇの領域では、Ｖｕ１＞Ｖｖ１＞Ｖｗ１である。従って、母線電流Ｉｉｎｖ１は電流値Ｉｕ１、－Ｉｗ１および０の３通りの出力となる。このとき、電流値Ｉｕ１＜０、Ｉｗ１＞０であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は常に負または０の電流となる。

【0055】

図１０は、図１の交流回転機３０において回生運転状態での力率角が１３５ｄｅｇであるときの、電流位相と第１の３相電流との関係、および電流位相と第１の電圧指令との関係を示すグラフである。電流位相が２２５ｄｅｇ～２８５ｄｅｇの領域では、Ｖｕ１＞Ｖｖ１＞Ｖｗ１であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は、電流値Ｉｕ１、－Ｉｗ１、および０の３通りの出力となる。

【0056】

２２５ｄｅｇ～２７０ｄｅｇでは、電流値Ｉｕ１＜０、Ｉｗ１＞０であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は、負または０の電流となる。一方、２７０ｄｅｇ～２８５ｄｅｇでは電流値、Ｉｕ１＞０、Ｉｗ１＞０であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は、負から正まで変化する。つまり、電気角１周期のうち１／４の期間において母線電流リプルが大きくなる。

【0057】

図１１は、図１の交流回転機３０において回生運転状態での力率角が１０５ｄｅｇであるときの、電流位相と第１の３相電流との関係、および電流位相と第１の電圧指令との関係を示すグラフである。電流位相が２５５ｄｅｇ～３１５ｄｅｇの領域では、Ｖｕ１＞Ｖｖ１＞Ｖｗ１であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は電流値Ｉｕ１、－Ｉｗ１および０の３通りの出力となる。

【0058】

２５５ｄｅｇ～２７０ｄｅｇでは、電流値Ｉｕ１＜０、Ｉｗ１＞０であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は負または０の電流となる。一方、２７０ｄｅｇ～３１５ｄｅｇでは、電流値Ｉｕ１＞０、Ｉｗ１＞０であるから、母線電流Ｉｉｎｖ１は負から正まで変化する。つまり、電気角１周期のうち３／４の期間において母線電流リプルが大きくなる。特に、３００ｄｅｇでは、電流値Ｉｕ１は振幅最大の状態であるため、母線電流リプルが悪化する。

【0059】

つまり、電流位相が２４０ｄｅｇ～３００ｄｅｇの領域においてＶｕ１＞Ｖｖ１＞Ｖｗ１となる力率角である１２０ｄｅｇ以上２４０ｄｅｇ以下に回生運転領域を制限することで、母線電流リプルを抑制することが可能である。

【0060】

以上のことから、回生運転状態となる制御指令を受けた場合、制御指令制限器６において、交流回転機３０から直流電源２０に流れる発電電流が出力トルクに対して単調減少するように制限後制御指令を決定する。即ち、回生運転状態となる制御指令を受けた場合、制御指令制限器６において、交流回転機３０から直流電源２０に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域に制限されるように制限後制御指令を決定する。

【0061】

例えば、制御指令をトルク指令としたとき、トルク指令をトルク下限値Ｔｌｉｍｌにてクリップする。ここで、トルク下限値Ｔｌｉｍｌは、マージンをαとして、式（１）で与える。マージンαは、各種ばらつきを考慮して決定すればよい。

【0062】

【数1】

【0063】

図１２は、図１の交流回転機３０の結合係数と相電流リプルとの関係を示すグラフである。図１２における結合係数は、相互インダクタンスと自己インダクタンスとの比である。図１２に示されるグラフは、結合係数と電圧ベクトルの組み合わせによって決定する相電流リプルとの関係を示している。発電効率を向上するためには、有効電圧ベクトルの発生期間における相電流リプルを小さくすることが求められる。

【0064】

従って、結合係数が大きい場合には、電圧ベクトルＶ１（１）を出力するときには、零電圧ベクトルであるＶ０（２）と同タイミングで出力するより、位相が一致するＶ１（２）と同タイミングで出力することで、電流変化を小さくできる。

【0065】

電圧ベクトルＶ１（１）を出力するときに、１２０ｄｅｇ位相差のＶ３（２）と同タイミングで出力すると、相電流リプルが非常に大きくなる。従って、相電流リプルを低減するために、少なくとも１２０ｄｅｇ位相差のＶ３（２）、および１８０ｄｅｇ位相差のＶ４（２）と同タイミングで電圧ベクトルＶ１（１）を出力することを回避する必要がある。

【0066】

ここでは、Ｖ１（１）と組み合わせた場合について示しているが、Ｖ２（１）～Ｖ６（１）でも同様の効果を得られる。つまり、第１の電力変換器４ａと第２の電力変換器４ｂとの有効電圧ベクトルの発生期間を重複させる。これにより相電流リプルを低減でき、発電効率を向上できる。

【0067】

図１３は、図１の第２の電力変換器４ｂに対するオン／オフ信号発生器９の動作条件を示す概略図である。図１３に示されるように、回生運転状態では、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１およびＶｏｆｆｓｅｔ２を揃えることにより、第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値を一致させている。第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値を一致させ、第２の３相印加電圧Ｖｕ２’～Ｖｗ２’と第１搬送波信号を比較して第２のスイッチング信号を決定している。

【0068】

このとき、電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ１およびＶｗ１の最大値をＶｍａｘ１、最小値をＶｍｉｎ１、電圧指令Ｖｕ２、Ｖｖ２およびＶｗ２の最大値をＶｍａｘ２、最小値をＶｍｉｎ２として、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ１およびＶｏｆｆｓｅｔ２は式（２）で与えられる。このように、第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値を一致させているので、回生運転状態において、相電流リプルを低減し発電効率を向上させることができる。式（２）においてβは定数である。

【0069】

【数2】

【0070】

更に、式（２）のβを０として、第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値を直流電源２０の出力電圧範囲の中心値である０に一致させる。これにより、有効電圧ベクトルの発生期間を挟む零電圧ベクトルの発生期間が均等に配置されるため、相電流リプルの低減を図ることができる。

【0071】

図１４は、図１の交流回転機３０が力行運転状態であるときの出力トルクと相電流実効値との関係を示すグラフである。図１５は、図１の交流回転機３０が力行運転状態であるときの出力トルクと力率との関係を示すグラフである。図１６は、図１の交流回転機３０が力行運転状態であるときの出力トルクと駆動電流との関係を示すグラフである。

【0072】

駆動電流は、図１に示される母線電流Ｉｉｎｖ１と母線電流Ｉｉｎｖ２との和に相当する。相電流実効値、および駆動電流は、出力トルクに対して単調増加している。力率は、出力トルクに対して単調減少している。力率の変化量は、力行運転状態では０．３程度変化している。なお、力率は、回生運転状態では図７で示されている通り０．７程度変化している。

【0073】

図９～図１１で説明したのと同様に、力率角が０ｄｅｇ以上６０ｄｅｇ以下または３００ｄｅｇ以上３６０ｄｅｇ以下において、電気角１周期のうち半分以上の区間において母線電流が０、または正の値を取る。このため、母線電流Ｉｉｎｖ１、および母線電流Ｉｉｎｖ２のそれぞれにおける母線電流リプルは、抑制される。

【0074】

力行運転状態では、回生運転状態に比べて大きな相電流実効値まで運転領域が広がるため、回生運転状態と同様の出力方法では母線電流リプルが大きくなる。そこで、力行運転状態では、第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間と第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間との重複を抑制して、母線電流リプルを低減する。

【0075】

図１７は、図１のオフセット演算器８において第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値とが０と一致するときの第１の電力変換器４ａに対するオン／オフ信号発生器９の動作条件を示す概略図である。図１７では、力行運転状態での動作条件が示されている。力行運転状態では、オン／オフ信号発生器９は、第１の３相印加電圧Ｖｕ１’～Ｖｗ１’のそれぞれと第１搬送波信号Ｃ１とを比較している。

【0076】

図１７に示されるように、力行運転状態において、オン／オフ信号発生器９が第１の３相印加電圧Ｖｕ１’～Ｖｗ１’と第１搬送波信号Ｃ１とを比較して、第１のスイッチング信号Ｑｕｐ１～Ｑｗｎ１を出力する。このとき、第１の電力変換器４ａにおいて、有効電圧ベクトルの発生期間はｔ２およびｔ４付近に現れ、零電圧ベクトルの発生期間はｔ１、ｔ３およびｔ５付近に現れる。

【0077】

図１８は、図１のオフセット演算器８において第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値とが０と一致し、第１搬送波信号と第２搬送波信号との位相差が９０ｄｅｇであるときの第２の電力変換器４ｂに対するオン／オフ信号発生器９の動作条件を示す概略図である。図１８では、第２の３相印加電圧Ｖｕ２’～Ｖｗ２’と第２搬送波信号Ｃ２と比較している。第２搬送波信号Ｃ２は、第１搬送波信号Ｃ１に対して位相が９０ｄｅｇ異なる搬送波信号である。

【0078】

図１８に示される通り、第２の３相印加電圧Ｖｕ２’～Ｖｗ２’と第２搬送波信号Ｃ２との比較に基づいて第２のスイッチング信号Ｑｕｐ２、Ｑｕｎ２、Ｑｖｐ２、Ｑｖｎ２、Ｑｗｐ２、Ｑｗｎ２が出力される。このとき、第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間は、ｔ１、ｔ３およびｔ５付近に現れている。零電圧ベクトルの発生期間は、ｔ２およびｔ４付近に現れている。

【0079】

つまり、低変調率においては、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂのいずれか一方において有効電圧ベクトルの発生期間であるとき、もう一方の電力変換器において零電圧ベクトルの発生期間となっている。このため、瞬間的な母線電流の増加を抑制し母線電流リプルを低減できる。

【0080】

高変調率においては、第１の電力変換器４ａおよび第２の電力変換器４ｂのいずれか一方において零電圧ベクトルの発生期間であるとき、もう一方の電力変換器において有効電圧ベクトルの発生期間となっている。このため、瞬間的に母線電流が０になるのを回避し母線電流リプルを低減できる。

【0081】

さらに、第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間の中央をｔ２およびｔ４に、第２の電力変換器４ｂの零電圧ベクトルの発生期間の中央をｔ２およびｔ４にすることで、母線電流リプルの低減効果を最大化することができる。具体的には、第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値を直流電源２０の出力電圧範囲の中心値である０に一致させる。

【0082】

その結果、母線電流リプルを抑制でき、トルク上限値Ｔｌｉｍｈを１００として、出力トルクが０～１００の全領域で運転可能となる。以上のことから、出力トルクが１００のとき、第１の電力変換器４ａと第２の電力変換器４ｂとが電圧飽和しない回転速度以下となる領域において、トルク下限値Ｔｌｉｍｌの絶対値をトルク上限値Ｔｌｉｍｈの絶対値より小さくする。このことで、発電効率の向上と平滑コンデンサ３のリプル電流の低減の両立が可能となる。

【0083】

図１８に示される通り、オン／オフ信号発生器９の第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２との位相差は、９０ｄｅｇである。しかし、例えば、第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２との位相差を１８０ｄｅｇとしてもよい。

【0084】

図１９は、図１のオフセット演算器８において第１の印加電圧の最小値と第２の印加電圧の最小値とが０と一致するときの第１の電力変換器４ａに対するオン／オフ信号発生器９の動作条件を示す概略図である。図２０は、図１のオフセット演算器８において第１の印加電圧の最小値と第２の印加電圧の最小値とが０と一致し、第１搬送波信号と第２搬送波信号との位相差が１８０ｄｅｇであるときの第２の電力変換器４ｂに対するオン／オフ信号発生器の動作条件を示す概略図である。

【0085】

第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２との位相差は、１８０ｄｅｇである。このとき、第１の印加電圧の第１の電圧指令に対するオフセット方向と、第２の印加電圧の第２の電圧指令に対するオフセット方向とを同じにする。

【0086】

例えば、式（３）のように、第１の印加電圧の最小値が０、第２の印加電圧の最小値が０となるオフセット電圧を与える。

【0087】

【数3】

【0088】

図１９には、第１の印加電圧および第１のスイッチング信号が、図２０には、第２の印加電圧および第２のスイッチング信号が示されている。第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間はｔ２の直後とｔ４の直前となる。第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間はｔ２の直前とｔ４の直後となる。これにより、第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間と第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間とを重複無く連続させることができる。

【0089】

式（４）のように、第１の印加電圧の最大値が０、第２の印加電圧の最大値が０となるようにオフセット電圧を与えてもよい。

【0090】

【数4】

【0091】

式（３）では、Ｖｍａｘ１とＶｍｉｎ１との差、またはＶｍａｘ２とＶｍｉｎ２との差がＶｄｃ／２を超えた場合、直流電源２０は、出力可能な最大電圧値Ｖｄｃ／２を超える印加電圧を出力できないため、印加電圧は、直流電源２０の出力可能な最大電圧値Ｖｄｃ／２に制限されてしまう。式（４）では、Ｖｍａｘ１とＶｍｉｎ１との差、またはＶｍａｘ２とＶｍｉｎ２との差がＶｄｃ／２を超えた場合、直流電源２０は、出力可能な最小電圧値－Ｖｄｃ／２を超える印加電圧を出力できないため、印加電圧は、直流電源２０の出力可能な最小電圧値－Ｖｄｃ／２に制限されてしまう。このため、式（５）のように、第１の印加電圧の最小値が－Ｖｄｃ／２、第２の印加電圧の最小値が－Ｖｄｃ／２となるようにオフセット電圧を与えるとよい。

【0092】

従って、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂのいずれにおいても、それぞれ１相のスイッチングが停止するため、スイッチング損失を低減することが可能となる。

【0093】

【数5】

【0094】

第式（６）のように、第１の印加電圧の最大値がＶｄｃ／２、第２の印加電圧の最大値がＶｄｃ／２となるようにオフセット電圧を与えてもよい。

【0095】

【数6】

なお、発熱の偏りを低減するために、式（５）と式（６）を定期的に切り替えて使用してもよい。

【0096】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、制御部１０は、交流回転機３０が力行運転状態であるとき、第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２とを異なるものとする。また、交流回転機３０が回生運転状態であるとき、第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２とを同じものとする。また、交流回転機３０から直流電源２０に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて第１の電力変換器および第２の電力変換器を制御する。これにより、回生運転状態では、発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域で電力変換装置１の運転が限定される。従って、母線電流リプルを抑制することができる。つまり、平滑コンデンサ３を用いた場合には、平滑コンデンサ３のリプル電流の無用な増加を抑制することができる。さらに、有効電圧ベクトルの発生期間の重複を促進することができる。よって、相電流リプルを低減させることにより、第１のｍ相巻線、および第２のｍ相巻線を流れる高周波電流によって生じる鉄損を抑制し、発電効率を向上させることができる。更に、これにより、力行運転状態では、有効電圧ベクトルの発生期間をずらすことによって母線電流リプルを抑制することができ、平滑コンデンサ３を用いた場合には、平滑コンデンサ３のリプル電流を低減できる。その結果、平滑コンデンサ３における損失を低減することで、平滑コンデンサ３の発熱を抑制することができる。即ち、回生運転状態における平滑コンデンサ３のリプル電流を抑制しつつ、鉄損を低減するとともに、力行運転状態における平滑コンデンサ３のリプル電流を低減することができる。

【0097】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が力行運転状態であるとき、制御部１０は、第２搬送波信号Ｃ２の位相を第１搬送波信号Ｃ１の位相に対して９０ｄｅｇ異ならせている。また、直流電源２０の出力電圧範囲の中心値に第１の印加電圧の中心値が一致するように第１の印加電圧を算出し、直流電源２０の出力電圧範囲の中心値に第２の印加電圧の中心値が一致するように第２の印加電圧を算出する。これにより、低変調率においては、瞬間的な母線電流の増加を抑制し母線電流リプルを抑制できる。また、高変調率においては、瞬間的に母線電流が０になるのを回避し母線電流リプルを抑制できる。有効電圧ベクトル区間の重複を避けることで母線電流リプルを抑制することにより、平滑コンデンサ３を用いた場合には、平滑コンデンサ３のリプル電流を抑制することができる。その結果、平滑コンデンサ３における損失を低減することで、平滑コンデンサ３の発熱を抑制することができる。

【0098】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、制御部１０は、制御指令に基づいて第１のｍ相巻線の各相に対する第１の電圧指令を算出するとともに、第１の電圧指令をオフセット電圧によってオフセットすることにより第１の印加電圧を算出する。また、制御部１０は、制御指令に基づいて第２のｍ相巻線の各相に対する第２の電圧指令を算出するとともに、第２の電圧指令をオフセット電圧によってオフセットすることにより第２の印加電圧を算出する。また、交流回転機３０が力行運転状態であるとき、制御部１０は、第２搬送波信号Ｃ２の位相を第１搬送波信号Ｃ１の位相に対して１８０ｄｅｇ異ならせる。また、第１の印加電圧の第１の電圧指令に対するオフセット方向と、第２の印加電圧の第２の電圧指令に対するオフセット方向とは、同じである。これにより、第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間と第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間を重複無く連続させることができる。従って、母線電流リプルを抑制することができ、平滑コンデンサ３を用いた場合には、平滑コンデンサ３のリプル電流を抑制することができる。その結果、平滑コンデンサ３における損失を低減することで、平滑コンデンサ３の発熱を抑制することができる。

【0099】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が力行運転状態であるとき、制御部１０は、第１の印加電圧の最大値を第１搬送波信号Ｃ１の最大値とする。また、制御部１０は、第２の印加電圧の最大値を第２搬送波信号Ｃ２の最大値とする。これにより、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂのいずれにおいても、それぞれ１相のスイッチングが停止する。従って、スイッチング損失を低減することが可能となる。よって、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂの発熱を抑制することができる。

【0100】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が力行運転状態であるとき、制御部１０は、第１の印加電圧のうち最小値を第１搬送波信号Ｃ１の最小値とする。また、制御部１０は、第２の印加電圧のうち最小値を第２搬送波信号Ｃ２の最小値とする。これにより、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂのいずれにおいても、それぞれ１相のスイッチングが停止する。よって、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂの発熱を抑制することができる。

【0101】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が回生運転状態にあるとき、制御部１０は、第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値とを一致させる。これにより、第１の印加電圧と第２の印加電圧との中性点がそろい、有効電圧ベクトルの発生期間の重複を促すことができる。従って、相電流リプルを低減することができる。よって、第１のｍ相巻線、および第２のｍ相巻線を流れる高周波電流によって生じる鉄損を抑制し、発電効率を向上させることができる。

【0102】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が回生運転状態にあるとき、制御部１０は、第１の印加電圧の中心値および第２の印加電圧の中心値を、直流電源２０の出力電圧範囲の中心値に一致させる。これにより、第１の印加電圧と第２の印加電圧との中性点を入力電圧の中心値にすることで、零電圧ベクトルの発生期間を均等配置することができる。従って、相電流リプルを低減することができる。よって、第１のｍ相巻線、および第２のｍ相巻線を流れる高周波電流によって生じる鉄損を抑制し、発電効率を向上させることができる。

【0103】

実施の形態１による電力変換装置１によれば、交流回転機３０の出力トルクのトルク上限値Ｔｌｉｍｈおよびトルク下限値Ｔｌｉｍｌは、交流回転機３０の回転速度に基づいて決定さる。また、出力トルクがトルク上限値Ｔｌｉｍｈのときに、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂのそれぞれが電圧飽和を起こさない回転速度以下の回転速度の領域において、トルク下限値Ｔｌｉｍｌの絶対値は、トルク上限値Ｔｌｉｍｈの絶対値より小さい。

【0104】

これにより、低回転ではトルク下限値Ｔｌｉｍｌの絶対値を小さく設定することで、発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて動作させることが可能となる。これにより、無効電力による損失を低減することができる。

【0105】

実施の形態２．
実施の形態２による電力変換装置１は、力行運転状態でオン／オフ信号発生器９が第１の印加電圧の第１の電圧指令に対するオフセット方向と、第２の印加電圧の第２の電圧指令に対するオフセット方向と、を異なるものとした。この点で、実施の形態２による電力変換装置１は、実施の形態１の電力変換装置１と異なる。その他の点については、実施の形態１と等しいため、説明を省略する。

【0106】

例えば、式（７）のように、第１の印加電圧の最小値が０、第２の印加電圧の最大値が０となるオフセット電圧を与える。

【0107】

【数7】

【0108】

このとき、第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間はｔ２の直後とｔ４の直前となる。第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間はｔ２の直前とｔ４の直後となる。第１の電力変換器４ａの有効電圧ベクトルの発生期間と第２の電力変換器４ｂの有効電圧ベクトルの発生期間を重複無く連続させることができる。

【0109】

式（７）では、Ｖｍａｘ１とＶｍｉｎ１との差がＶｄｃ／２を超えた場合、直流電源２０は、出力可能な最大電圧値Ｖｄｃ／２を超える印加電圧を出力できないため、印加電圧は、直流電源２０が出力可能な最大電圧値Ｖｄｃ／２に制限されてしまう。また、Ｖｍａｘ２とＶｍｉｎ２との差がＶｄｃ／２を超えた場合、直流電源２０は、出力可能な最小電圧値－Ｖｄｃ／２を超える印加電圧を出力できないため、印加電圧は、直流電源２０が出力可能な最小電圧値－Ｖｄｃ／２に制限されてしまう。このため、式（８）のように、第１の印加電圧の最小値が－Ｖｄｃ／２、第２の印加電圧の最大値がＶｄｃ／２となるようにオフセット電圧を与える。

【0110】

第１の電力変換器４ａおよび第２の電力変換器４ｂのいずれにおいても、それぞれ１相のスイッチングが停止するため、スイッチング損失を低減することができる。

【0111】

【数8】

【0112】

なお、発熱の偏りを低減するために、式（８）と式（９）を定期的に切り替えて使用してもよい。

【0113】

【数9】

【0114】

実施の形態２による電力変換装置１によれば、制御部１０は、第１搬送波信号Ｃ１と第２搬送波信号Ｃ２とを同じものとし、第１の電力変換器４ａは、第１のスイッチング信号に基づいて制御され、第２の電力変換器４ｂは、第２のスイッチング信号に基づいて制御されている。また、制御部１０は、交流回転機３０が力行運転状態であるとき、第１の印加電圧の第１の電圧指令に対するオフセット方向と、第２の印加電圧の第２の電圧指令に対するオフセット方向とを異なるものとしている。また、交流回転機３０が回生運転状態であるとき、交流回転機３０から直流電源２０に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて第１の電力変換器４ａおよび第２の電力変換器４ｂを制御している。これにより、力行運転状態では、第１の印加電圧の第１の電圧指令に対するオフセット方向と、第２の印加電圧の第２の電圧指令に対するオフセット方向と、を異なるものとしている。従って、有効電圧ベクトルの発生期間をずらすことによって母線電流リプルを抑制することができる。このことで、平滑コンデンサ３を用いた場合には、平滑コンデンサ３のリプル電流を低減できる。平滑コンデンサ３における損失を低減することで、平滑コンデンサ３の発熱を抑制することができる。また、回生運転状態では、交流回転機３０から直流電源２０に流れる発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて動作させることで、母線電流リプル、つまり平滑コンデンサ３のリプル電流の無用な増加を抑制できる。これとともに有効電圧ベクトルの発生期間の重複を推進することができる。よって、相電流リプルを低減させることにより、第１のｍ相巻線、および第２のｍ相巻線を流れる高周波電流によって生じる鉄損を抑制することで、平滑コンデンサ３の発熱を抑制することができる。

【0115】

実施の形態２による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が力行運転状態にあるとき、制御部１０は、第１の印加電圧のうち最小相の印加電圧を第１搬送波信号Ｃ１の最小値とし、第２の印加電圧のうち最大相の印加電圧を第２搬送波信号Ｃ２の最大値とする。これにより、第１の電力変換器４ａおよび第２の電力変換器４ｂのいずれにおいても、それぞれ１相のスイッチングが停止する。従って、スイッチング損失を低減することができる。よって、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂの発熱を抑制することができる。

【0116】

実施の形態２による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が回生運転状態にあるとき、制御部１０は、第１の印加電圧の中心値と第２の印加電圧の中心値とを一致させる。これにより、第１の印加電圧と第２の印加電圧との中性点がそろい、有効電圧ベクトル区間の重複を促すことができる。従って、相電流リプルを低減することができる。よって、第１のｍ相巻線、および第２のｍ相巻線を流れる高周波電流によって生じる鉄損を抑制し、発電効率を向上させることができる。

【0117】

実施の形態２による電力変換装置１によれば、交流回転機３０が回生運転状態にあるとき、制御部１０は、第１の印加電圧の中心値および第２の印加電圧の中心値を、直流電源２０の出力電圧範囲の中心値に一致させる。これにより、第１の印加電圧と第２の印加電圧との中性点を入力電圧の中心値にすることで、零電圧ベクトルの発生期間を均等配置することができる。従って、相電流リプルを低減することができる。よって、第１のｍ相巻線、および第２のｍ相巻線を流れる高周波電流によって生じる鉄損を抑制し、発電効率を向上させることができる。

【0118】

実施の形態２による電力変換装置１によれば、交流回転機３０の出力トルクのトルク上限値Ｔｌｉｍｈおよびトルク下限値Ｔｌｉｍｌは、交流回転機３０の回転速度に基づいて決定さる。また、出力トルクがトルク上限値Ｔｌｉｍｈのときに、第１の電力変換器４ａ、および第２の電力変換器４ｂのそれぞれが電圧飽和を起こさない回転速度以下の回転速度の領域において、トルク下限値Ｔｌｉｍｌの絶対値は、トルク上限値Ｔｌｉｍｈの絶対値より小さい。これにより、低回転ではトルク下限値Ｔｌｉｍｌの絶対値を小さく設定することで、発電電流が回生トルクに対して単調増加する領域にて動作させることが可能となる。これにより、無効電力による損失を低減することができる。

【0119】

実施の形態３．
図２１は、実施の形態３による車両用発電電動機の制御装置を示す概略図である。車両用発電電動機の制御装置は、実施の形態１による電力変換装置１と、図示しない指令部と、を備えている。交流回転機３０は、ベルト１０１を介して内燃機関１００に接続されている。交流回転機３０、および内燃機関１００は、図示しない車両に搭載されている。本実施の形態では、交流回転機３０が車両用発電電動機である。

【0120】

本実施の形態では電力変換装置１、直流電源２０、及び交流回転機３０の構成は、実施の形態１と等しいため、説明を省略する。

【0121】

交流回転機３０は、図示しない制御装置により制御されている。指令部は、電力変換装置１に対して、制御指令を出力する。交流回転機３０は、内燃機関１００の補機である。

【0122】

内燃機関１００のアイドルストップと言われる停止時から稼働状態に復帰する復帰時において、交流回転機３０は、内燃機関１００を回転させるためにトルクを出力する。交流回転機３０では、トルク出力と共に内燃機関１００の回転を利用した発電が行われている。

【0123】

内燃機関１００のアイドル時の回転数付近における発電頻度は大きいが、復帰時の内燃機関１００の動作領域では回転数が比較的低い。このため、交流回転機３０において鉄損が発電効率に影響しやすい。本実施の形態１の電力変換装置１を車両用発電電動機に用いることで、高頻度で実施される発電動作時の相電流リプルを低減し、鉄損を低減しつつ効率よく発電することができる。

【0124】

また、アイドルストップから復帰させるときには、力行運転により大電流による大トルクを出力するが、母線電流リプルを抑制することで平滑コンデンサ３のリプル電流を低減するといった効果を得ることができる。

【0125】

実施の形態３による車両用発電電動機の制御装置によれば、本開示の電力変換装置１を備えている。これにより、発電時、すなわち回生運転時には、母線電流リプルの無用な増加を抑制できる制御領域で運転しつつ、鉄損の抑制により発電効率を向上させることができる。また、力行運転時には、平滑コンデンサ３を用いた場合には、平滑コンデンサ３のリプル電流の低減により、平滑コンデンサ３の発熱を抑制することができる。また、本開示の電力変換装置による損失抑制により、車両用発電電動機の小型化、および継続運転時間の長期化を図ることができる。

【0126】

なお、実施の形態３による制御装置には、実施の形態１による電力変換装置１を備えている。しかし、これに限られたものではない。実施の形態２による電力変換装置１を備えていてもよい。

【0127】

また、実施の形態１から実施の形態３による電力変換装置１には、第１の３相巻線と第２の３相巻線とに位相差が無い交流回転機３０が接続されている。しかし、これに限られたものではない。第１の３相巻線と第２の３相巻線とに位相差がある交流回転機３０を電力変換装置１に接続してもよい。

【0128】

また、実施の形態１から実施の形態３による電力変換装置１には、２組の３相巻線を有する交流回転機３０が接続されている。しかし、これに限られたものではない。２組以上のｍ相巻線を有した交流回転機３０を電力変換装置１に接続してもよい。ただし、ｍは、２以上の自然数である。

【0129】

また、本実施の形態１から本実施の形態３による電力変換装置１では、搬送波信号として三角波を用いている。しかし、これに限られたものではない。搬送波信号の形状は、のこぎり波といった三角波以外の他の形状であってもよい。

【0130】

また、本実施の形態１から本実施の形態３による電力変換装置１は、平滑コンデンサ３を備えている。しかし、これに限られたものではない。平滑コンデンサ３は、備えなくてもよい。平滑コンデンサ３が備えていない場合であったとしても、電力変換装置１は、母線電流リプルを抑制することができ、代用される機能部品での損失を低減することができる。

【0131】

また、実施の形態１から実施の形態３による電力変換装置１の機能は、処理回路によって実現される。図２２は、実施の形態１から実施の形態３の電力変換装置の機能を実現する処理回路の第１の例を示す構成図である。第１の例の処理回路２００は、専用のハードウエアである。

【0132】

また、処理回路２００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。

【0133】

また、図２３は、実施の形態１から実施の形態３の電力変換装置１の機能を実現する処理回路の第２の例を示す構成図である。第２の例の処理回路２１０は、プロセッサ２１１およびメモリ２１２を備えている。

【0134】

処理回路２１０では、電力変換装置１の機能は、ソフトウエア、ファームウエア、またはソフトウエアとファームウエアとの組み合わせにより実現される。ソフトウエアおよびファームウエアは、プログラムとして記述され、メモリ２１２に格納される。プロセッサ２１１は、メモリ２１２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、機能を実現する。

【0135】

メモリ２１２に格納されたプログラムは、上述した各部の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。ここで、メモリ２１２とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリ２１２に該当する。

【0136】

なお、上述した電力変換装置１の機能について、一部の専用のハードウエアで実現し、一部をソフトウエアまたはファームウエアで実現するようにしてもよい。

【0137】

このように、処理回路は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、またはこれらの組み合わせによって、上述した電力変換装置１の機能を実現することができる。

【0138】

実施の形態１から実施の形態３の制御部１０は、例えば、演算処理を実行する処理回路２１０と、メモリ２１２であるＲＯＭと、ＲＡＭとを有している。ＲＯＭには、プログラムデータ、固定値データ等のデータが記憶されている。ＲＡＭには、演算結果などの各種データが記憶されている。

【0139】

ＲＡＭに格納されている各種データは、更新されて順次書き換えられる。制御部１０は、マイクロコンピュータが、ＲＯＭに記憶されたプログラムデータを読み出して実行する。これにより、制御部１０の制御指令制限器６、電圧指令演算器７、オフセット演算器８、および、オン／オフ信号発生器９の各部の機能が実現される。

【符号の説明】

【0140】

１ 電力変換装置、３ 平滑コンデンサ、４ａ 第１の電力変換器、４ｂ 第２の電力変換器、５ａ 第１の電流検出器、５ｂ 第２の電流検出器、６ 制御指令制限器、７ 電圧指令演算器、８ オフセット演算器、９ オン／オフ信号発生器、１０ 制御部、２０ 直流電源、３０ 交流回転機、１００ 内燃機関、１０１ ベルト、２００ 処理回路、２１０ 処理回路、２１１ プロセッサ、２１２ メモリ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】