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JP2014189051A - Series hybrid system - Google Patents

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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
In a series hybrid system, an increase in DC voltage between inverters due to a sudden stop of a motor can be suppressed.
First and second inverters 14 and 16 are connected in series to an engine 11 via a generator 13. A capacitor 15 is connected between the inverters 14 and 16, and the motor 17 is controlled by the inverter 16. When the motor 17 is stopped, the DC terminals of the inverters 14 and 16 are provided with voltage detectors 24 and 34 for detecting a rise in voltage exceeding the voltage threshold. If an overvoltage is detected, the controllers 25 and 35 in the inverters 14 and 16 are provided. To prevent overvoltage by vector control of the field current.
[Selection] Figure 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。   The present invention relates to a series hybrid motor control system used for general-purpose machines such as agricultural machines and mowers, and more particularly to a series hybrid system that suppresses an increase in DC voltage.

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。   In recent years, the movement of regulating exhaust gas has become a social trend from the viewpoint of regulating exhaust gas including greenhouse gases. In response to this movement, development of hybrid cars and electric cars is underway. On the other hand, a conventional mower and agricultural machine uses a diesel engine as a power source, and a radiator, a muffler, etc. are arranged around the engine, and a transmission is provided to transmit the power to a necessary part.

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。   Patent Document 1 proposes an electric agricultural machine instead of using an engine as a power source. As a power source for supplying to the load of the agricultural machine, for example, one that outputs a three-phase AC voltage at 200V is known.

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。   Patent Document 2 proposes a series hybrid system in which a generator is connected to an engine and a motor is controlled via an inverter. In the series hybrid system, an engine, a generator connected to the engine, a first inverter that converts AC output of the generator into DC power, and a three-phase AC motor are controlled based on the DC output from the inverter. The second inverter is controlled in series. Here, a series hybrid system in which a battery is connected between a pair of inverters or a capacitor such as a film capacitor is connected instead of the battery is known.

特開2003−9607号公報JP 2003-9607 A 特開2008−187794号公報JP 2008-187794 A

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。   As described above, in the series hybrid system, it is necessary to mount a battery between two inverters or connect a capacitor having a relatively large capacity. This is because when the motor suddenly stops for some reason, the engine cannot be stopped rapidly, so that the electric power from the inverter is not consumed and the voltage between the inverters rapidly increases. Normally, the torque control of the inverter is performed by a managing computer via a communication circuit, so that it cannot cope with a rapid voltage increase. When a battery is connected, the battery becomes a load and can absorb a sudden rise in voltage. However, since it is necessary to use a capacitor having a high withstand voltage and a large capacity, there is a problem in that the price of the capacitor increases or the shape becomes large.

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。   The present invention has been made paying attention to the problems of such a conventional series hybrid system, and it is possible to increase the voltage rapidly without requiring a capacitor having a high withstand voltage and a large capacity between the inverters. The purpose is to suppress.

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。
In order to solve this problem, a series hybrid system of the present invention includes an engine,
A three-phase generator coupled to the engine; a first inverter that drives the generator and converts a three-phase alternating current into a direct current; and a second inverter connected to a direct current output terminal of the first inverter; A three-phase AC motor controlled by the second inverter, the first and second inverters detecting a DC voltage exceeding a threshold value, and the voltage And a controller that controls the phase of the field current of the inverter when a voltage exceeding a threshold is detected by the detector, and prevents a voltage rise between the ends of the inverter.

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。   According to the present invention having such characteristics, since vector control is performed so as to suppress a sudden increase in voltage inside the inverter of the series hybrid system, the capacitor between the inverters does not need a large capacity, and therefore, An increase in voltage can be suppressed. Therefore, since the capacitance and breakdown voltage of the capacitor can be reduced, an effect that the price can be reduced can be obtained.

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。FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a series hybrid system according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a block diagram showing the inverter 14 and its peripheral circuits according to this embodiment. 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。FIG. 3 is a block diagram showing the inverter 16 and its peripheral circuits according to the present embodiment. 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。FIG. 4A is a vector diagram showing phase control of the inverter 14. 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。FIG. 4B is a vector diagram showing phase control of the inverter 16.

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。   FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a series hybrid system according to an embodiment of the present invention. In this figure, this series hybrid system has an engine 11. The power of the engine 11 is supplied to the generator 13 via the flywheel 12, and rotates the generator 13 at a constant speed.

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。   The generator 13 is a three-phase AC generator, and provides the first inverter 14 with a three-phase AC corresponding to the rotational speed. The inverter 14 performs three-phase AC phase control, and a second inverter 16 is connected to the output terminal of the DC voltage via a capacitor 15. A three-phase AC motor 17 is connected to the inverter 16, and an unillustrated agricultural machine, general-purpose machine or the like is driven by the motor 17. A managing computer 18 is connected to the inverters 14 and 16. The managing computer 18 controls the inverters 14 and 16 in accordance with an accelerator signal from the operation unit 19 and drives the motor 17.

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。   Here, a film capacitor is used as the capacitor 15. In the conventional series hybrid system, the withstand voltage and capacity of this capacitor are large. For example, a capacitor having a withstand voltage of 800 V and a capacity of 600 μF has to be used. Since the control is performed, the withstand voltage may be as low as 450 V, for example. The capacity is also smaller than that of the conventional one, for example, 500 μF.

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。
Next, the internal configuration of the inverter 14 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, switching elements 21U and 22U, 21V and 22V, and 21W and 22W such as power MOSFETs and IGBTs are connected in parallel as shown in the figure. A diode for preventing backflow is connected to both ends of each switching element. The midpoints of the switching elements 21U and 22U, the midpoints of 21V and 22V, and the midpoints of 21W and 22W are shown in the respective phases of the generator 13. Connected and configured. Both ends of these switching transistors serve as output terminals 23a and 23b of the DC power supply.

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。   Between the pair of output terminals 23a and 23b, a voltage dividing circuit using resistors R1 and R2 for detecting a voltage between the terminals and a voltage detection unit 24 connected to the midpoint thereof are provided. Is connected to the controller 25. The voltage detection unit 24 outputs a detection signal to the controller 25 when the voltage between the terminals exceeds a predetermined threshold value. The controller 25 performs phase control by controlling the opening and closing timings of the six switching elements 21U to 22W according to the control from the managing computer 18, and weakens the energy when the signal from the voltage detection unit 24 is obtained. Thus, vector phase control is performed so as to be absorbed by the field.

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。   FIG. 3 is a diagram showing an internal configuration of the second inverter 16. Similarly to the inverter 14, the inverter 16 has switching elements 31U and 32U, 31V and 32V, 31W and 32W such as power MOSFETs and IGBTs connected in parallel as shown in the figure. A diode for preventing a backflow is connected to both ends of each switching element, and both ends of these switching transistors are input terminals 33a and 33b of a DC power source. The midpoints of the switching elements 31U and 32U, the midpoints of 31V and 32V, and the midpoints of 31W and 32W are connected to each phase of the motor 17 as illustrated. Also in the inverter 16, a voltage dividing circuit by resistors R3 and R4 and a voltage detector 34 are connected to the DC input terminal. The voltage detection unit 34 outputs a detection signal to the controller 35 when the voltage between the terminals exceeds a predetermined threshold value. The controller 35 controls the opening and closing timings of the six switching elements 31U to 33W according to the control from the managing computer 18 to perform phase control, and weakens the energy when a signal from the voltage detection unit 34 is obtained. Thus, vector phase control is performed so as to be absorbed by the field.

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。   Next, the operation of this embodiment will be described. In the series hybrid system in this embodiment, the signal from the accelerator is applied to the managing computer 18 via the operation unit 19, whereby phase control is performed by the controllers of the inverters 14 and 16. During normal operation, the engine 11 rotates the generator motor 13 at a constant speed via the flywheel 12. As a result, the inverter 14 generates a substantially constant DC voltage. Here, in order to control the phase of the voltage, the switching timing of each phase of the generator motor is controlled, vector control is performed, and a necessary DC voltage is obtained. This DC voltage is smoothed by the capacitor 15 and further applied to the inverter 16, and based on this, the phase of the motor 17 is controlled according to the load. In a normal constant speed, constant load driving state, the inverter 14 is controlled for the rotational phase of -Iq as indicated by a solid line vector V1 in FIG. 4A. In the inverter 16, the phase control of + Iq is performed as indicated by the solid line vector V4 in FIG. 4B.

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。
Assume that the motor 17 is suddenly stopped due to some load. Even in such a case, the engine 11 normally rotates at a constant speed, and thus cannot be stopped rapidly. For this reason, the level of the DC voltage on the output side of the inverter 14 and the input side of the inverter 16 becomes an overvoltage. In the inverter 14, if an overvoltage occurs, the overvoltage is detected by the voltage detection unit 24 and a signal is added to the controller 25. As a result, field control is performed so that Id is negative and Iq is reduced as in vector V2 in FIG. 4A. In this way, energy is absorbed, and the increase in voltage can be reduced. Here, the vector V3 indicates a limit vector that weakens the control current. At the same time, when an overvoltage is detected by the voltage detector 34 in the inverter 16, field control is performed so that Id is negative and Iq is reduced as shown by a vector V5 in FIG. 4B. This will absorb the energy. The vector V6 indicates the limit value of the vector that weakens the field. Such vector control can prevent a sudden overvoltage and suppress an increase in voltage in the DC section. As described above, since the vector control is performed by the controllers 25 and 35 inside the inverter, the voltage increase can be suppressed in an extremely short time, for example, about 50 μs as compared with the case where the control is performed using the managing computer 18.

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。   Therefore, it is not necessary to connect an expensive battery between the inverters 14 and 16, and the capacitor 15 has a low withstand voltage and may have a relatively small capacity, so that the configuration can be simplified.

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。   In this embodiment, each of the two inverters is provided with a resistance dividing circuit and a voltage detection unit. However, if a voltage exceeding a threshold value is detected, it is sufficient to provide a signal to the controller. The two threshold values may be the same value. Alternatively, the inverters 14 and 16 and the capacitor 15 may be housed in a single casing and integrated. In this case, the resistance voltage dividing circuit and the voltage detector can be shared.

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。   According to the present invention, a capacitor can be reduced between inverters in a series hybrid system. Therefore, the present invention can be suitably used for various industrial machines such as agricultural machines and lawn mowers.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Engine 12 Flywheel 13 Generator 14,16 Inverter 15 Capacitor 17 Motor 18 Managing computer 19 Operation part 24,34 Voltage detection part 25,35 Controller

Claims (2)

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。
An engine,
A three-phase generator coupled to the engine;
A first inverter that drives the generator and converts three-phase alternating current to direct current;
A second inverter connected to a DC output terminal of the first inverter;
A three-phase AC motor controlled by the second inverter,
The first and second inverters are
A voltage detector for detecting that the DC voltage has risen above the threshold;
A series hybrid system comprising: a controller that controls a phase of a field current of the inverter when a voltage exceeding a threshold is detected by the voltage detection unit, and prevents a voltage increase between terminals of the inverter.
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。   The series hybrid system according to claim 1, wherein the voltage detection unit and the controller are included in both the first and second inverters.
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