JP2014189051A - シリーズハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】シリーズハイブリッドシステムにおいて、モータの急激な停止に伴うインバータ間の直流電圧の上昇を抑制できるようにすること。
【解決手段】エンジン１１にジェネレータ１３を介して第１，第２のインバータ１４，１６を直列に接続する。インバータ１４，１６の間にコンデンサ１５を接続しておき、インバータ１６によってモータ１７を制御する。モータ１７が停止したときにインバータ１４，１６の直流端子に電圧閾値を超える電圧の上昇を検出する電圧検知部２４，３４を設け、過電圧が検出されればインバータ１４，１６内部のコントローラ２５，３５によって界磁電流をベクトル制御して過電圧を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は農業機械や草刈機等の汎用機械に用いられるシリーズハイブリッドによるモータ制御システムに関し、特に直流電圧の上昇を抑制するシリーズハイブリッドシステムに関するものである。

本発明は近年温室効果ガスを含む排気ガスを規制する観点から排気ガスを規制する動きが社会的潮流となっている。この動きに対してハイブリッドカーや電気自動車等の開発が進められている。一方、従来の草刈り機や農業機械ではディーゼルエンジンが動力源として用いられ、エンジンの周囲にラジエーターやマフラー等を配置し、変速機を備えて動力を必要な部所に伝える構成であった。

特許文献１にはエンジンを動力源とすることに代えて、電動式とする農業機械が提案されている。又農業機械の負荷に供給するための動力源としては、例えば２００Ｖで三相交流の電圧を出力するものが知られている。

又特許文献２にはエンジンに発電機を接続し、インバータを介してモータを制御するシリーズハイブリッドシステムが提案されている。シリーズハイブリッドシステムでは、エンジンと、エンジンに連結された発電機と、発電機の交流出力を直流電力に変換する第１のインバータと、このインバータからの直流出力に基づいて三相交流モータを制御する第２のインバータとが直列に制御されている。ここで一対のインバータの間にはバッテリーが接続されている場合や、バッテリーに代えてフィルムコンデンサ等のコンデンサを接続したシリーズハイブリッドシステムが知られている。

特開２００３−９６０７号公報 特開２００８−１８７７９４号公報

前述したようにシリーズハイブリッドシステムでは、２つのインバータの間にバッテリーを搭載するか、又は比較的大きな容量のコンデンサを接続しておく必要がある。これはモータが何らかの原因で急停止したときにエンジンを急速に停止することができないため、インバータからの電力が消費されず、インバータの間の電圧が急激に上昇してしまうからである。通常、インバータのトルク制御はマネージングコンピュータにより通信回路を介して行われているため、急激な電圧上昇には対応できない。バッテリーを接続している場合にはバッテリーが負荷となって電圧の急上昇を吸収することができる。しかしコンデンサでは高耐圧で大容量のコンデンサを用いる必要があるため、コンデンサの価格が上昇したり形状が大きくなってしまうという問題点があった。

本発明はこのような従来のシリーズハイブリッドシステムの問題点に着目してなされたものであって、インバータ間のコンデンサに高耐圧、大容量のものを必要とすることなく、急激な電圧の上昇を抑制することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のシリーズハイブリッドシステムは、エンジンと、
前記エンジンに連結された三相のジェネレータと、前記ジェネレータを駆動し、三相交流を直流に変換する第１のインバータと、前記第１のインバータの直流出力端子に接続される第２のインバータと、前記第２のインバータによって制御される三相交流モータと、を具備し、前記第１，第２のインバータは、直流電圧が閾値を超えて上昇したことを検出する電圧検知部と、前記電圧検知部によって閾値を超えた電圧が検出されたときに前記インバータの界磁電流の位相を制御し、インバータの端間の電圧上昇を防止するコントローラと、を具備するものである。

このような特徴を有する本発明によれば、シリーズハイブリッドシステムのインバータの内部で電圧の急上昇を抑えるようにベクトル制御を行っているため、インバータ間のコンデンサに大容量を必要とすることなく急激な電圧の上昇を抑制することができる。従ってコンデンサの容量や耐圧を低くすることができるため、低価格化することができるという効果が得られる。

図１は本発明の実施の形態によるシリーズハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。 図２は本実施の形態によるインバータ１４とその周辺回路を示すブロック図である。 図３は本実施の形態によるインバータ１６とその周辺回路を示すブロック図である。 図４Ａはインバータ１４の位相制御を示すベクトル図である。 図４Ｂはインバータ１６の位相制御を示すベクトル図である。

図１は本発明の実施の形態によるシリーズハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。本図においてこのシリーズハイブリッドシステムはエンジン１１を有している。エンジン１１の動力はフライホイール１２を介してジェネレータ１３に供給され、ジェネレータ１３を一定速度で回転駆動するものである。

ジェネレータ１３は三相交流式の発電機であって、回転数に応じた三相交流を第１のインバータ１４に与える。インバータ１４は三相交流の位相制御を行うものであり、その直流電圧の出力端子にはコンデンサ１５を介して第２のインバータ１６が接続されている。インバータ１６には三相交流のモータ１７が接続され、図示しない農業機械や汎用機械等がモータ１７によって駆動される。又インバータ１４，１６にはマネージングコンピュータ１８が接続される。マネージングコンピュータ１８は操作部１９からのアクセル等の信号に応じてインバータ１４及び１６をベクトル制御し、モータ１７を駆動するものである。

ここでコンデンサ１５にはフィルムコンデンサが用いられる。従来のシリーズハイブリッドシステムでは、このコンデンサの耐圧や容量が大きく、例えば８００Ｖの耐圧で６００μＦの容量のものを用いる必要があったが、この発明では後述するようにインバータ間の電圧上昇を避けるような制御を行っているため、耐圧は例えば４５０Ｖと低くて足りる。又容量についても従来のものより小さく、例えば５００μＦとすることができる。

次にインバータ１４の内部構成について図２を用いて説明する。図２に示すようにインバータ１４の内部は例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子２１Ｕと２２Ｕ，２１Ｖと２２Ｖ，２１Ｗと２２Ｗが図示のように並列に接続される。そして各スイッチング素子の両端には逆流防止用のダイオードが接続されており、スイッチング素子
２１Ｕと２２Ｕの中点、２１Ｖと２２Ｖの中点、及び２１Ｗと２２Ｗの中点がジェネレータ１３の各相に図示のように接続されて構成される。そしてこれらのスイッチングトランジスタの両端が直流電源の出力端子２３ａ，２３ｂとなっている。

そしてこの一対の出力端子２３ａ，２３ｂの間には、端子間の電圧を検出するための抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧回路と、その中点に接続された電圧検知部２４が設けられ、その出力がコントローラ２５に接続される。電圧検知部２４は端子間の電圧が所定の閾値を超えたときに検知信号をコントローラ２５に出力するものである。コントローラ２５はマネージングコンピュータ１８からの制御に応じて６つのスイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗの開閉のタイミングを制御して位相制御を行うと共に、電圧検知部２４からの信号が得られたときにエネルギーを弱めて界磁によって吸収するようにベクトル位相制御を行うものである。

図３は第２のインバータ１６の内部構成を示す図である。インバータ１６もインバータ１４と同様に、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子３１Ｕと３２Ｕ，３１Ｖと３２Ｖ，３１Ｗと３２Ｗが図示のように並列に接続される。そして各スイッチング素子の両端には逆流防止用のダイオードが接続されており、これらのスイッチングトランジスタの両端が直流電源の入力端子３３ａ，３３ｂとなっている。スイッチング素子３１Ｕと３２Ｕの中点、３１Ｖと３２Ｖの中点、及び３１Ｗと３２Ｗの中点がモータ１７の各相に図示のように接続される。インバータ１６においても直流入力端子には抵抗Ｒ３，Ｒ４による分圧回路と電圧検知部３４が接続される。電圧検知部３４は端子間の電圧が所定の閾値を超えたときに検知信号をコントローラ３５に出力するものである。コントローラ３５はマネージングコンピュータ１８からの制御に応じて６つのスイッチング素子３１Ｕ〜３３Ｗの開閉のタイミングを制御して位相制御を行うと共に、電圧検知部３４からの信号が得られたときにエネルギーを弱めて界磁によって吸収するようにベクトル位相制御を行うものである。

次にこの実施の形態の動作について説明する。この実施の形態におけるシリーズハイブリッドシステムにおいては、アクセルからの信号が操作部１９を介してマネージングコンピュータ１８に加わり、これによってインバータ１４，１６のコントローラで位相制御が行われる。正常な動作時にはエンジン１１はフライホイール１２を介してジェネレータモータ１３を一定速度で回転させる。これによってインバータ１４はほぼ一定の直流電圧を発生する。ここで電圧を位相制御するためにジェネレータモータの各相のスイッチングのタイミングを制御し、ベクトル制御を行い、必要な直流電圧を得る。この直流電圧はコンデンサ１５によって平滑され、更にインバータ１６に与えられ、これに基づいてモータ１７が負荷に応じて位相制御される。通常の定速、定負荷の駆動状態では、インバータ１４は図４Ａに実線のベクトルＶ１で示すように、−Ｉｑの回転位相の制御が行われている。又インバータ１６では図４Ｂに実線のベクトルＶ４で示すように、＋Ｉｑの位相制御が行われている。

そしてモータ１７に何らかの負荷が加わって急停止したとする。このような場合であっても、エンジン１１は通常一定の速度で回転しているため、急速に停止することができない。このためインバータ１４の出力側とインバータ１６の入力側の直流電圧のレベルが過電圧となる。インバータ１４では過電圧となれば電圧検知部２４によって過電圧が検知され、コントローラ２５に信号が加わる。これによって図４ＡのベクトルＶ２のようにＩｄを負とし、Ｉｑを小さくするように界磁制御を行う。こうすればエネルギーが吸収されることとなり、電圧の上昇を低下させることができる。ここでベクトルＶ３は制御電流を弱める限界のベクトルを示している。同時にインバータ１６内の電圧検知部３４によって過電圧が検知されると、図４ＢのベクトルＶ５のようにＩｄを負とし、Ｉｑを小さくするように界磁制御を行う。こうすればエネルギーが吸収される。尚ベクトルＶ６は界磁を弱め
るベクトルの限界値を示している。このようなベクトル制御に急激な過電圧を防止し、直流区間の電圧の上昇を抑制することができる。このようにインバータ内部のコントローラ２５，３５によってベクトル制御しているため、マネージングコンピュータ１８を用いて制御する場合に比べて極めて短時間、例えば５０μｓ程度で電圧の上昇を抑制できる。

従ってインバータ１４，１６の間に高価なバッテリーを接続しておく必要がなく、又コンデンサ１５も耐圧が小さく、比較的小容量のものでよいため、構成を簡略化することができる。

尚この実施の形態では、２つのインバータに夫々抵抗分割回路と電圧検知部とを設けているが、閾値を超える電圧が検知されればコントローラに信号を与えるものであれば足りる。この２つの閾値は同一値であってもよい。又インバータ１４，１６とコンデンサ１５とを１つの筐体内に収めて一体化するようにしてもよい。この場合には、これらの抵抗分圧回路と電圧検知部を共通にすることも可能である。

本発明によればシリーズハイブリッドシステムにおいてインバータ間にコンデンサを小さくすることができる。従って本発明は例えば農業機械や芝刈機などの種々の産業機械に好適に用いることができる。

１１ エンジン
１２ フライホイール
１３ ジェネレータ
１４，１６ インバータ
１５ コンデンサ
１７ モータ
１８ マネージングコンピュータ
１９ 操作部
２４，３４ 電圧検知部
２５，３５ コントローラ

Claims (2)

1. エンジンと、
   前記エンジンに連結された三相のジェネレータと、
   前記ジェネレータを駆動し、三相交流を直流に変換する第１のインバータと、
   前記第１のインバータの直流出力端子に接続される第２のインバータと、
   前記第２のインバータによって制御される三相交流モータと、を具備し、
   前記第１，第２のインバータは、
   直流電圧が閾値を超えて上昇したことを検出する電圧検知部と、
   前記電圧検知部によって閾値を超えた電圧が検出されたときに前記インバータの界磁電流の位相を制御し、インバータの端間の電圧上昇を防止するコントローラと、を具備するシリーズハイブリッドシステム。
2. 前記電圧検知部及びコントローラは、前記第１，第２のインバータのいずれにも有する請求項１記載のシリーズハイブリッドシステム。

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