(57)【要約】  直流母線と電力貯蔵要素との間に配置する昇降圧双方向チョッパ回路を、昇降圧特性が相補的な関係にある第１のチョッパ回路と第２のチョッパ回路とに切り替える回路切替要素を設け、充電時および放電時において、第１および第２のチョッパ回路を併用する。これによって、母線電圧と無関係に、電力貯蔵要素の充放電が可能で、エネルギー利用効率を高めることができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を得る。
2012131995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続される直流母線から供給される直流電力を交流モータの駆動に必要な交流電力へ変換するインバータと並列に前記直流母線に接続され、該直流母線の直流電力を制御する電力貯蔵装置を備える交流モータ駆動装置において、
前記電力貯蔵装置は、
直流電力を貯蔵できる電力貯蔵要素と、
２つのスイッチング素子の直列回路および一端が前記２つのスイッチング素子の直列接続端に接続されるチョークコイルを主構成要素とし、前記直流母線と前記電力貯蔵要素との間に、前記直流母線から前記電力貯蔵要素への充電動作と前記電力貯蔵要素から前記直流母線への放電動作とを行わせるために配置される昇降圧双方向チョッパ回路と、
前記昇降圧双方向チョッパ回路の構成を、前記直列回路の正極端を前記直流母線の正極側に接続し前記チョークコイルの他端を前記電力貯蔵要素の正極端子に接続した第１のチョッパ回路と、前記チョークコイルの他端を前記直流母線の正極側に接続し前記直列回路の正極端を前記電力貯蔵要素の正極端子に接続した第２のチョッパ回路とに切り替えるための回路切替要素と、
前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、大小関係が入れ替わるタイミングの前後において、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路と前記第２のチョッパ回路との対応する回路を切り替えて構成させ、前記第１のチョッパ回路と前記第２のチョッパ回路とを所定の順序で動作させることで前記充電動作と前記放電動作とをそれぞれ実現する制御回路と
を備えることを特徴とする交流モータ駆動装置。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記交流モータの駆動運転時において、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、前記直流母線の電圧が前記電力貯蔵要素の電圧よりも高くなり充電指令が発生した場合に、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を降圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が上昇し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を昇圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を行わせる
ことを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させている場合に、放電指令が発生すると、前記構成させている第２のチョッパ回路に前記電力貯蔵要素の電圧を降圧しながら前記直流母線へ放電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が降下し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記電力貯蔵要素の電圧を昇圧しながら前記直流母線へ放電させる動作を行わせる
ことを特徴とする請求項２に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項４】
前記制御回路は、
装置の電源投入時において、充電指令が発生すると、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、前記直流母線の電圧が前記電力貯蔵要素の電圧よりも高い場合に、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を降圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が上昇し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を昇圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を、前記電力貯蔵要素の電圧が前記直流母線の電圧を超えて予め定めてある初期充電電圧に到達するまで行わせる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の交流モータ駆動装置。
【請求項５】
前記制御回路は、
装置の電源をオフにする動作終了時において、放電指令が発生すると、前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させて前記電力貯蔵要素の電圧を降圧しながら前記直流母線へ放電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が降下し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記電力貯蔵要素の電圧を昇圧しながら前記直流母線へ放電させる動作を、前記電力貯蔵要素の電圧が前記直流母線の電圧以下に予め定めてある放電限界電圧に到達するまで行わせる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の交流モータ駆動装置。
【請求項６】
前記回路切替要素は、
少なくとも、前記電力貯蔵要素の正極端子と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間の接続を開放する構成をさらに備えている
ことを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項７】
前記制御回路は、
前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させている場合に、装置の内部または外部から異常信号が入力されると、前記回路切替要素に前記電力貯蔵要素の正極端子と前記チョークコイルの他端との接続を開放させる
ことを特徴とする請求項６に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項８】
前記制御回路は、
前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させている場合に、装置の内部または外部から異常信号が入力されると、前記回路切替要素に電力貯蔵要素の正極端子と前記直列回路の正極端との接続を開放させる
ことを特徴とする請求項６に記載の交流モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源からの直流電力をインバータにより交流電力に変換し交流モータに供給する交流モータ駆動装置に係り、特に、前記直流電力を制御するための電力貯蔵装置を搭載する交流モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流モータ駆動装置では、交流モータの力行時には加速のために大きな駆動電流が流れる一方、減速時には回生電流が生じる。そのようなモータの回生電流を単に抵抗器で消費して熱として放出するのでは、エネルギー利用効率が悪く好ましくない。【０００３】
このため、従来から、直流化用のコンバータと交流化用のインバータとの間に、インバータと並列に電力貯蔵装置を介在させている。この電力貯蔵装置は、大容量の電解コンデンサや電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵要素と、この電力貯蔵要素と直流化用のコンバータの直流母線との間に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、直流母線と電力貯蔵要素との間での充放電を行わせる制御回路とを備えている。【０００４】
例えば特許文献１，２，３等に示されているように、電力貯蔵装置を搭載する交流モータ駆動装置では、モータ力行時には、電力貯蔵要素に蓄電されている電力がＤＣ／ＤＣコンバータにより直流母線へ放電され、それがインバータにより交流電力へ変換され交流モータへ供給される。一方、モータ回生時にはその回生電力がインバータを介して直流母線の電圧を上昇させるので、その母線電圧がＤＣ／ＤＣコンバータにより電力貯蔵要素に充電蓄電される。その後、電力貯蔵要素に蓄電されている電力がＤＣ／ＤＣコンバータにより直流母線へ放電され、電源回生が実施される。これによって、電力貯蔵装置を搭載する交流モータ駆動装置では、モータ駆動電流の平準化が図れるとともに、回生電力の有効利用が図れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１０３７６９号公報
【特許文献２】特開２００１−３２０８９３号公報
【特許文献３】特開２００８−９９５０３号公報
【特許文献４】特許第３１２１３７８号
【特許文献５】特開２００１−２６８９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電力貯蔵装置に用いるＤＣ／ＤＣコンバータとして、簡単な構成で、直流母線から電力貯蔵要素への充電制御と電力貯蔵装置から直流母線への放電制御とが可能である双方向型の昇降圧チョッパ回路を用いる場合に、昇降圧チョッパ回路のスイッチング回路側が直流母線に接続されチョークコイルが電力貯蔵要素に接続されるか、或いは、逆の接続関係にあるかによって、直流母線から電力貯蔵要素への充電では、電力貯蔵要素に余裕があっても該充電電圧を母線電圧以上の電圧にできない場合や、電力貯蔵要素から直流母線への放電では、電力貯蔵要素から放電できる場合でも母線電圧と等しい電圧までしか放電することができない場合が起こる。【０００７】
この問題を解決するために、例えば特許文献４，５に示される、スイッチング回路を２回路直列接続し制御する構成を採用することが考えられる。この構成によれば、母線電圧と無関係に、直流母線から電力貯蔵要素への充電と、電力貯蔵要素から直流母線への放電とが可能である。しかし、回路構成が複雑となり、制御も複雑となる。加えて、２回路のスイッチング回路それぞれにおいて電力損失が発生することから、エネルギーの変換効率が低下する。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電力貯蔵装置に用いる双方向型の昇降圧チョッパ回路にスイッチング回路を２回路設ける等を行うことなく、母線電圧と無関係に電力貯蔵要素の充放電が可能で、エネルギー利用効率を高めることができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を得ることを目的とする。【０００９】
また、本発明は、上記の発明と並行して異常発生時に電力貯蔵要素の蓄電電力が電力貯蔵装置に用いる双方向型の昇降圧チョッパ回路を含む他の機器に損傷や破損を生じさせる破損影響の発生を防止しより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電源に接続される直流母線から供給される直流電力を交流モータの駆動に必要な交流電力へ変換するインバータと並列に前記直流母線に接続され、該直流母線の直流電力を制御する電力貯蔵装置を備える交流モータ駆動装置において、前記電力貯蔵装置は、直流電力を貯蔵できる電力貯蔵要素と、２つのスイッチング素子の直列回路および一端が前記２つのスイッチング素子の直列接続端に接続されるチョークコイルを主構成要素とし、前記直流母線と前記電力貯蔵要素との間に、前記直流母線から前記電力貯蔵要素への充電動作と前記電力貯蔵要素から前記直流母線への放電動作とを行わせるために配置される昇降圧双方向チョッパ回路と、前記昇降圧双方向チョッパ回路の構成を、前記直列回路の正極端を前記直流母線の正極側に接続し前記チョークコイルの他端を前記電力貯蔵要素の正極端子に接続した第１のチョッパ回路と、前記チョークコイルの他端を前記直流母線の正極側に接続し前記直列回路の正極端を前記電力貯蔵要素の正極端子に接続した第２のチョッパ回路とに切り替えるための回路切替要素と、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、大小関係が入れ替わるタイミングの前後において、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路と前記第２のチョッパ回路との対応する回路を切り替えて構成させ、前記第１のチョッパ回路と前記第２のチョッパ回路とを所定の順序で動作させることで前記充電動作と前記放電動作とをそれぞれ実現する制御回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１および第２のチョッパ回路は、単独使用では、充電動作と放電動作の一方が母線電圧の影響を受けるが、互いに相手の欠点を補う相補的な昇降圧特性を有している点に着目し、充電時および放電時において、第１および第２のチョッパ回路を併用する。これによって、母線電圧と無関係に、電力貯蔵要素の充放電が可能で、エネルギー利用効率を高めることができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施例１による交流モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す直流電源に関わる部分の詳細を示す回路図である。
【図３】図３は、図１に示す電力貯蔵装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、図３に示す電力貯蔵要素の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、図３に示す昇降圧双方向チョッパ回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図６】図６は、図５に示す回路切替要素が実現する第１のチョッパ回路を示す回路図である。
【図７】図７は、図５に示す回路切替要素が実現する第２のチョッパ回路を示す回路図である。
【図８】図８は、図６に示す第１のチョッパ回路による充放電特性を説明する特性図である。
【図９】図９は、図７に示す第２のチョッパ回路による充放電特性を説明する特性図である。
【図１０】図１０は、図３に示す制御回路が備える充放電制御回路の一例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、本実施例１による充電動作を説明する要部波形図である。
【図１２】図１２は、本実施例１による放電動作を説明する要部波形図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例２として、異常発生時に対応できる電力貯蔵装置の一構成例を示す回路図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例３として、異常発生時に対応できる電力貯蔵装置の他の一構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明にかかる交流モータ駆動装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１による交流モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図１において、本実施例１による交流モータ駆動装置は、直流電源１から直流電力が供給される正負の直流母線２ａ，２ｂに並列に複数のインバータ３，３，・・が接続されているとともに、電力貯蔵装置４が、直流電源１とインバータ３との間における直流母線２ａ，２ｂにインバータ３と並列に接続されている。複数のインバータ３，３，・・には、それぞれ交流モータ５，５，・・が接続されている。【００１５】
複数のインバータ３，３，・・は、それぞれ、直流母線２ａ，２ｂの直流電力から所望の交流電力を生成し、それぞれの交流モータ５，５，・・を駆動する。なお、図１では、インバータ３と交流モータ５の組が、複数組ある場合を示しているが、１組だけの場合もある。いずれにせよ、搭載する電力貯蔵装置４は、１つであるから、インバータ３と交流モータ５の組の多寡は本実施例の適用に際して問題ではない。インバータ３の構成についてはよく知られているので、ここでは、直流電源１と電力貯蔵装置４の構成について説明する。【００１６】
図２は、図１に示す直流電源に関わる部分の詳細を示す回路図である。図２において、図１に示す直流電源１は、リアクトル１３と、全波整流回路１４と、平滑コンデンサ１５とを備えている。【００１７】
全波整流回路１４は、直列接続した３組の上下アームスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）（ＳＷ３，ＳＷ４）（ＳＷ５，ＳＷ６）を並列に接続した構成である。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、例えばＩＧＢＴであるが、それぞれ逆並列に還流ダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。【００１８】
直列接続した３組の上下アームスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）（ＳＷ３，ＳＷ４）（ＳＷ５，ＳＷ６）それぞれの直列接続端が３相交流入力端である。この３相交流入力端は、リアクトル１３およびトランス１２を介して三相の交流電源１１に接続される。また、その上下アームスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）（ＳＷ３，ＳＷ４）（ＳＷ５，ＳＷ６）の両端（並列接続端）が直流出力端（正極出力端、負極出力端）であり、正負の直流母線２ａ，２ｂが接続されている。【００１９】
この全波整流回路１４は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が互いに重複しないタイミングで、三相交流電圧をスイッチングすることにより、整流化する。平滑コンデンサ１５は、正負の直流母線２ａ，２ｂ間に設けられ、全波整流回路１４が正負の直流母線２ａ，２ｂへ出力する整流化電圧を平滑し、正負の直流母線２ａ，２ｂ間に所定の直流電圧（直流電源）を形成する。【００２０】
また、この全波整流回路１４は、電力貯蔵装置４から蓄電された回生電力を直流母線２ａ，２ｂへ放電する電源回生モードでは、その回生電力を交流電源１１へ回生するようにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が制御されるようになっている。【００２１】
次に、図３は、図１に示す電力貯蔵装置の構成を示すブロック図である。電力貯蔵装置４は、図３に示すように、電力貯蔵要素２１と、昇降圧双方向チョッパ回路２２と、制御回路２３とを備えている。【００２２】
電力貯蔵要素２１は、大容量の電解コンデンサや電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）などで構成される（図４参照）。昇降圧双方向チョッパ回路２２は、直流母線２ａ，２ｂから電力貯蔵要素２１への充電と、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂへの放電との双方向動作が可能である。本実施例１では、この昇降圧双方向チョッパ回路２２に「回路切替要素５１」を設けてある（図５参照）。制御回路２３は、マイクロコンピュータによるプログラム制御によって昇降圧双方向チョッパ回路２２の上記した双方向の昇降圧動作を制御する。その際に、本実施例１では、制御回路２３は、昇降圧双方向チョッパ回路２２に設けた「回路切替要素５１」の制御を行うようになっている。【００２３】
図４は、図３に示す電力貯蔵要素の構成例を示すブロック図である。図４では、電力貯蔵要素２１を電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）で構成した場合を示す。図４において、電力貯蔵要素２１は、ＥＤＬＣモジュール３１，３１，…のｍ×ｎ（ｍ、ｎは１以上の整数）個を直・並列接続したＥＤＬＣユニットとして用いられる。ＥＤＬＣモジュール３１は、直列接続した複数のＥＤＬＣセル３２，３２，…と、各ＥＤＬＣセル３１，３１，…間の電圧のばらつきを低減するために、各ＥＤＬＣセル３１，３１，…に対して個別に並列接続した電圧バランス抵抗器３３，３３，…とで構成される。【００２４】
このように構成される電力貯蔵要素２１は、その静電容量が例えば１Ｆ程度の大容量のものである。１つのＥＤＬＣセル３２の静電容量は、通常１００Ｆを超すが最大電圧は概ね３Ｖ以下である。また、直流母線２，２間の電圧は、通常３００Ｖや６００Ｖであるから、実用上は電力貯蔵要素２１の電圧は１５０Ｖ以上になる。なお、電力貯蔵要素２１にはヒューズやブレーカなどを含むこともあるが、図４では省略している。また、電圧バランス抵抗器３３は、省略可能であり、また他のバランス方式とすることも可能である。【００２５】
図５は、図３に示す昇降圧双方向チョッパ回路の具体的な構成例を示す回路図である。昇降圧双方向チョッパ回路２２には、種々の回路形態が知られているが、本実施例では、例えば図５に示すように、最もシンプルな回路形態を用いている。【００２６】
図５において、昇降圧双方向チョッパ回路２２は、直列に接続された２つのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）４１ａ，４１ｂと、２つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列接続端（図示例ではスイッチング素子４１ａのエミッタ端子とスイッチング素子４１ｂのコレクタ端子との共通接続端）に一端が接続されるチョークコイル４３と、本実施例１による回路切替回路５１とを主たる要素として構成される。なお、スイッチング素子４１ａ，４１ｂには、それぞれ逆並列に還流ダイオード４２ａ，４２ｂが接続されている。【００２７】
スイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列回路の一端である負極端（図示例ではスイッチング素子４１ｂのエミッタ端子）と、電力貯蔵要素２１の負極端子とは、共通に負極の直流母線２ｂに接続されている。平滑コンデンサ４４ａは、直流母線２ａ，２ｂ間に接続されている。また、平滑コンデンサ４４ｂは、電力貯蔵要素２１の正極端子と負極端子との間に接続されている。なお、平滑コンデンサ４４ａ，４４ｂは省略されることもある。【００２８】
ここで、本実施例１による回路切替要素５１は、枠で囲って示す駆動部が２組の切替回路（ａ，ａ１，ａ２）（ｂ，ｂ１，ｂ２）を連動して動作させる構成である。一方の切替回路（ａ，ａ１，ａ２）では、切替基端ａが電力貯蔵要素２１の正極端子に接続され、切替端ａ１がチョークコイル４３の他端に接続され、切替端ａ２がスイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列回路の他端である正極端（図示例ではスイッチング素子４１ａのコレクタ端子）に接続されている。また、他方の切替回路（ｂ，ｂ１，ｂ２）では、切替基端ｂが正極の直流母線２ａに接続され、切替端ｂ１がスイッチング素子４１ａのコレクタ端子に接続され、切替端ｂ２がチョークコイル４３の他端に接続されている。【００２９】
制御回路２３には、昇降圧双方向チョッパ回路２２の２つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂおよび回路切替回路５１を制御する際の参照信号として、電圧センサ４５ａが検出した直流母線２ａ，２ｂの電圧と、電圧センサ４５ｂが検出した電力貯蔵要素２１の電圧と、電流センサ４６ａが検出した母線電流と、電流センサ４６ｂが検出したチョークコイル４３を流れる電流とが入力される。なお、制御回路２３に入力される検出値は、以上の４つに限定されるものではなく、一例であって、他の検出値が入力されることもある。また、図示しない上位のコントローラから入力される場合もある。【００３０】
制御回路２３は、これらの検出値に基づきスイッチング素子４１ａ，４１ｂを個別にスイッチングさせるゲート信号を生成し、昇降圧双方向チョッパ回路２２に、モータ５からの回生電力により電力貯蔵要素２１を充電する動作と、電力貯蔵要素２１に蓄電した回生電力を放電（電源回生）する動作とを行わせる。その際に、制御回路２３は、これらの検出値に基づき、本実施例１による回路切替要素５１を制御して昇降圧双方向チョッパ回路２２の回路構成を、第１のチョッパ回路（図６）と第２のチョッパ回路（図７）とに変更することを行う。【００３１】
具体的には、第１のチョッパ回路（図６）は、回路切替要素５１において、一方の切替回路（ａ，ａ１，ａ２）に切替基端ａと切替端ａ１とを接続させてチョークコイル４３の他端を電力貯蔵要素２１の正極端子に接続し、他方の切替回路（ｂ，ｂ１，ｂ２）に切替基端ｂと切替端ｂ１とを接続させてスイッチング素子４１ａのコレクタ端子を正極の直流母線２ａに接続した構成である。【００３２】
また、第２のチョッパ回路（図７）は、回路切替要素５１において、一方の切替回路（ａ，ａ１，ａ２）に切替基端ａと切替端ａ２とを接続させてスイッチング素子４１ａのコレクタ端子を電力貯蔵要素２１の正極端子に接続し、他方の切替回路（ｂ，ｂ２，ｂ３）に切替基端ｂと切替端ｂ２とを接続させてチョークコイル４３の他端を正極の直流母線２ａに接続した構成である。【００３３】
図６に示す第１のチョッパ回路は、直流母線２ａ，２ｂから電力貯蔵要素２１への充電を降圧して行い、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂへの放電を昇圧して行うことができる。逆に、図７に示す第２のチョッパ回路は、直流母線２ａ，２ｂから電力貯蔵要素２１への充電を昇圧して行い、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂへの放電を降圧して行うことができる。【００３４】
第１のチョッパ回路も第２のチョッパ回路も、共に電力貯蔵装置４での双方向チョッパ回路として一般に用いられているが、その充放電動作が母線電圧の影響を受ける構成であるので、従来では電力貯蔵要素２１の蓄電能力（蓄電エネルギー）を十分に活用できなかった。この点について図８と図９を参照して簡単に説明する。なお、図８は、図６に示す第１のチョッパ回路による充放電特性を説明する特性図である。図９は、図７に示す第２のチョッパ回路による充放電特性を説明する特性図である。【００３５】
図８では、（１）直流母線２ａ，２ｂの電圧変化と、それに対する（２）電力貯蔵要素２１の充放電動作と、（３）直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１と電力貯蔵要素２１の電圧をＶ２との関係を示す電圧差（Ｖ３＝Ｖ２−Ｖ１）と、が示されている。また、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１に対し、電源回生の動作しきい値である放電開始電圧６０が定められている。【００３６】
図８（１）において、直流母線電圧Ｖ１が、上昇している期間６１は減速期間に対応し、その後一定電圧である期間６２は定速期間に対応し、その後下降している期間６３は加速期間に対応している。【００３７】
図８（２）において、電力貯蔵要素２１では、直流母線電圧が上昇している期間６１の初期におけるタイミング６４にて充電が開始される。充電動作は、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなるまで行われる。図８では、直流母線電圧Ｖ１が一定電圧である期間６２の終端付近のタイミング６５で、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなった場合を示してある。【００３８】
この場合に、直流母線電圧Ｖ１は、充電終了タイミング６５の後のタイミング６６において、一定電圧から降下するので、Ｖ２＞Ｖ１の状況になる。そうすると、電力貯蔵要素２１から還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａへの自然放電が起こるので、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２も最大充電電圧から降下することになる。このときに、制御回路２３は、チョークコイル４３に電流が流れていることは電流センサ４３ｂからの通知で認識できるが、その電流を遮断できない。その結果、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａに自然放電される電流は、電力貯蔵要素２１と直流母線２ａ，２ｂとが同電圧になるタイミング６７まで流れ続ける。【００３９】
そして、直流母線電圧Ｖ１が放電開始電圧６０を下回るタイミング６７において、電源回生が開始される。電源回生時のタイミング６７での電力貯蔵要素２１の電圧は、タイミング６６での最大充電電圧から電圧６８だけ低下した電圧であり、図示例では最大充電電圧の約６０％である。電圧６８は、エネルギー損失に相当する。つまり、第１のチョッパ回路を用いた場合は、電力貯蔵要素２１の放電開始時の電圧が最大充電電圧よりも低いため、その分、チョークコイル４３を流れる放電電流が大きくなり、これがエネルギー損失となっており、蓄電エネルギーの利用効率を低くする要因になっている。【００４０】
次に、図９では、昇降圧の関係が逆になるが、図８と同様に、（１）直流母線２ａ，２ｂの電圧変化と、それに対する（２）電力貯蔵要素２１の充放電動作と、（３）直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１と電力貯蔵要素２１の電圧をＶ２との関係を示す電圧差（Ｖ３＝Ｖ１−Ｖ２）と、が示されている。また、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１に対し、充電開始電圧７０と、電源回生の動作しきい値である放電開始電圧７１とが定められている。充電開始電圧７０＞放電開始電圧７１である。【００４１】
図９（１）において、直流母線電圧が、下降している期間７２は加速期間に対応し、その後一定電圧である期間７３は定速期間に対応し、その後上昇している期間７４は減速期間に対応している。【００４２】
図７の構成から理解できるように、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１が電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２よりも高い場合は還流ダイオード４２ａを通して電力貯蔵要素２１への充電（自然充電）が行われる。図９においてタイミング７５では、そのような自然充電が行われている。その結果、母線電圧Ｖ１は低下しタイミング７６において放電開始電圧７１を下回ると、放電が開始される。放電動作は、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなるまで行われる。図９では、直流母線電圧Ｖ１が一定電圧である期間７３の終端付近のタイミング７７で、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなった場合を示してある。【００４３】
この場合に、直流母線電圧Ｖ１は、放電終了タイミング７７の後のタイミング７８において、一定電圧から上昇するので、Ｖ１＞Ｖ２の状況になる。そうすると、直流母線２ａから還流ダイオード４２ａを通じて電力貯蔵要素２１への自然充電が起こるので、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２も上昇する。そして、直流母線電圧Ｖ１が充電開始電圧７０を超えるタイミング７９において本来の充電が開始される。タイミング７７からタイミング７９までの期間は、電圧差Ｖ３がゼロの期間である。つまり、第２のチョッパ回路を用いた場合は、電力貯蔵要素２１からの放電は母線電圧と等しくなる電圧までしか行えないので、電源回生により利用できる蓄電エネルギーの利用効率がよくない。【００４４】
ここで、電源回生時のエネルギー利用効率を高める観点から検討する。いま、電力貯蔵要素２１の放電前電圧をＶａ、放電後電圧をＶｂとしたとき、その利用可能電力Ｐは、Ｐ＝（Ｖａ２−Ｖｂ２）／２となる。電力貯蔵要素２１に蓄電されているエネルギーの利用効率を高めるには、放電前電圧Ｖａをできるだけ高くし、かつ、放電後電圧Ｖｂをできるだけ低く設定し制御することが必要となる。【００４５】
図８や図９に示すように、第１および第２のチョッパ回路は、単独使用では、充電動作と放電動作の一方が母線電圧の影響を受けるので、電力貯蔵要素２１の電圧を上記の要件を満たすように制御できないが、互いに相手の欠点を補う相補的な昇降圧特性を有している。そこで、本実施例１では、昇降圧双方向チョッパ回路２２に回路切替回路５１を設け、制御回路２３に図１０に示す充放電制御回路を設け、第１のチョッパ回路と第２のチョッパ回路とを次のように、充電時および放電時に、組み合わせて使用するようにした。【００４６】
図１０において、充放電制御回路は、コンパレータ８１と、論理反転回路８２，８３，８４と、論理積回路８５〜９０と、論理和回路９１，９２とで構成することができる。コンパレータ８１は、非反転入力端子（＋）に電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が入力され、反転入力端子（−）に直流母線電圧Ｖ１が入力され、比較演算結果である回路切替要求信号Ｓ１１を出力する。【００４７】
この構成では、コンパレータ８１の出力（回路切替要求信号Ｓ１１）は、Ｖ１＞Ｖ２の場合には低レベル（以降「“Ｌ”レベル」と記す）となり、Ｖ１＜Ｖ２の場合には高レベル（以降「“Ｈ”レベル」と記す）となる。回路切替要求信号Ｓ１１は、回路切替要素５１に入力されるとともに、論理積回路８７，８８の一方の入力となり、論理反転回路８２を通して論理積回路８９，９０の一方の入力となっている。【００４８】
なお、コンパレータ８１の比較演算では、Ｖ１＞Ｖ２からＶ１＜Ｖ２へ遷移する場合と逆向き遷移の場合とにおいて、Ｖ１＝Ｖ２のタイミングで直ちに出力レベルを切り替えるようにしてもよいが、一定の不感帯を設け、Ｖ１＝Ｖ２の状況が短時間だけ発生しただけでは回路の切り替えを行わず、一定時間遅れて切り替えるようにしてもよい。そして、一定時間遅れて切り替える場合に、Ｖ１＞Ｖ２からＶ１＜Ｖ２へ遷移する場合と逆向き遷移の場合とで、時間幅をｔ１，ｔ２と異ならせてもよい（図１１、図１２参照）。【００４９】
回路切替要素５１は、本実施例１では、回路切替要求信号Ｓ１１＝“Ｌ”レベルのときに第１のチョッパ回路（図６）を形成し、回路切替要求信号Ｓ１１＝“Ｈ”レベルのときに第２のチョッパ回路（図７）を形成するとしている。【００５０】
充電指令信号Ｓ１は、直流母線電圧Ｖ１が予め定められた充電開始電圧を超えたときに生成される。また、放電指令信号Ｓ２は、直流母線電圧Ｖ１が予め定められた放電開始電圧を下回ったときに生成される。【００５１】
論理積回路８５の一方の入力は充電指令信号Ｓ１であり、他方の入力は論理反転回路８４を通した放電指令信号Ｓ２である。論理積回路８５の出力は論理積回路８７，８９の他方の入力となっている。【００５２】
論理積回路８６の一方の入力は放電指令信号Ｓ２であり、他方の入力は論理反転回路８３を通した充電指令信号Ｓ１である。論理積回路８６の出力は論理積回路８８，９０の他方の入力となっている。【００５３】
論理和回路９１は、論理積回路８７，８８の出力を入力とし、昇圧チョッパ回路動作信号Ｓ２１を出力する。ここで言う「昇圧チョッパ回路」は、放電時における第１のチョッパ回路および充電時における第２のチョッパ回路である。また、論理和回路９２は、論理積回路８９，９０の出力を入力とし、降圧チョッパ回路動作信号Ｓ２２を出力する。ここで言う「降圧チョッパ回路」は、放電時における第２のチョッパ回路および充電時における第１のチョッパ回路である。論理和回路９１，９２の出力に基づき、２つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂが、互いに相補的にスイッチング動作を行えるようにする駆動信号が生成され、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの対応するゲート端子に印加される。【００５４】
ここで、制御回路２３は、本実施例１では、（１）装置の電源が投入されると、電力貯蔵要素２１に予め定めた初期充電電圧まで充電する制御を行い、（２）その後の交流モータ５の駆動運転時に電力貯蔵要素２１と直流母線２ａ，２ｂとの間での充放電を制御し、（３）装置電源をオフにして装置動作を終了するときに電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂへ予め定めた放電限界電圧まで放電する制御を行うようになっている。（１）の措置は電力貯蔵要素２１の能力をフルに活用する措置である。（３）の措置は装置電源をオフにして電力貯蔵要素２１を交換等する場合の安全対策である。【００５５】
図１０を参照して（１）（２）（３）の充放電制御動作について説明するが、（１）と（３）は、（２）を分離して取り上げたものであり、（２）と関連性を持たせてもよいし持たせなくともよい。ここでは、（２）と（１）（３）との動作関連性はないとして説明する。【００５６】
（１）電源投入時の充電制御
電源投入時は、充電指令信号Ｓ１は“Ｈ”レベルであり、放電指令信号Ｓ２は“Ｌ”レベルである。したがって、論理積回路８５の出力は“Ｈ”レベルであり、論理積回路８６の出力は“Ｌ”レベルである。直流母線電圧Ｖ１は電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２よりも高いから、コンパレータ８１が出力する回路切替要求信号Ｓ１１は“Ｌ”レベルである。昇降圧双方向チョッパ回路２２は第１のチョッパ回路（図６）になっている。論理積回路８９の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９２から降圧チョッパ回路動作信号Ｓ２２が出力される。第１のチョッパ回路（図６）により、直流母線電圧Ｖ１を降圧しながら電力貯蔵要素２１への充電が行われる。【００５７】
電力貯蔵要素２１への充電が進行し電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなると、コンパレータ８１は回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへ切り替える。そうすると、昇降圧双方向チョッパ回路２２は第２のチョッパ回路（図７）に切り替わる。論理積回路８７の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９１から昇圧チョッパ回路動作信号Ｓ２１が出力される。第２のチョッパ回路（図７）により、直流母線電圧Ｖ１を昇圧しながら電力貯蔵要素２１への充電が、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が初期充電電圧に等しくなるまで続けられる。第２のチョッパ回路（図７）では、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１よりも高い状態でスイッチング素子４１ａ，４１ｂが動作を停止するが、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂへの放電路は形成されないので、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２は、直流母線電圧Ｖ１よりも高い初期充電電圧に保持される。【００５８】
（２−１）交流モータの駆動運転時の充電制御
交流モータの運転状態に応じて変化する直流母線電圧Ｖ１が充電開始電圧を超えたために、充電指令信号Ｓ１が“Ｈ”レベルとなり、放電指令信号Ｓ２が“Ｌ”レベルである場合に、コンパレータ８１が回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｌ”レベルにすると、昇降圧双方向チョッパ回路２２は第１のチョッパ回路（図６）になる。論理積回路８９の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９２から降圧チョッパ回路動作信号Ｓ２２が出力される。第１のチョッパ回路（図６）により、直流母線電圧Ｖ１を降圧しながら電力貯蔵要素２１への充電が行われる。【００５９】
電力貯蔵要素２１への充電が進行し電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなると、コンパレータ８１は回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへ切り替える。そうすると、昇降圧双方向チョッパ回路２２は第２のチョッパ回路（図７）に切り替わる。論理積回路８７の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９１から昇圧チョッパ回路動作信号Ｓ２１が出力される。第２のチョッパ回路（図７）により、直流母線電圧Ｖ１を昇圧しながら電力貯蔵要素２１への充電が続けられる。第２のチョッパ回路（図７）では、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１よりも高い状態でスイッチング素子４１ａ，４１ｂが動作を停止するが、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂへの放電路は形成されないので、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２は、直流母線電圧Ｖ１よりも高い電圧に保持される。つまり、放電開始電圧を直流母線電圧Ｖ１よりも高い最大充電電圧に維持できる。したがって、放電時にチョークコイル４３に流れる放電電流が低下するので、電力損失を低減できる。【００６０】
（２−２）交流モータの駆動運転時の放電制御
コンパレータ８１が回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｈ”レベルにし、昇降圧双方向チョッパ回路２２が第２のチョッパ回路（図７）になっている状態において、交流モータの運転状態に応じて変化する直流母線電圧Ｖ１が放電開始電圧を下回ったために、放電指令信号Ｓ２が“Ｈ”レベルとなり、充電指令信号Ｓ１が“Ｌ”レベルになった場合に、論理積回路８８の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９１から昇圧チョッパ回路動作信号Ｓ２１が出力される。第２のチョッパ回路（図７）により、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２を降圧しながら直流母線２ａ，２ｂへの放電が行われる。【００６１】
直流母線２ａ，２ｂへの放電が進行し電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなると、コンパレータ８１は回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルへ切り替える。そうすると、昇降圧双方向チョッパ回路２２は第１のチョッパ回路（図６）に切り替わる。論理積回路９０の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９２から降圧チョッパ回路動作信号Ｓ２２が出力される。第１のチョッパ回路（図６）により、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２を降圧しながら直流母線２ａ，２ｂへの放電が続けられる。つまり、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２は直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１以下になるように放電が行われるので、電力貯蔵要素２１の蓄電エネルギーの利用効率を向上させることができる。【００６２】
（３）装置動作終了時の放電制御
装置電源をオフにして装置動作を終了するときには、放電指令信号Ｓ２は“Ｈ”レベルとなり、充電指令信号Ｓ１は“Ｌ”レベルになっている。コンパレータ８１が回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｈ”レベルにし、昇降圧双方向チョッパ回路２２が第２のチョッパ回路（図７）になる状況になると、論理積回路８８の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９１から昇圧チョッパ回路動作信号Ｓ２１が出力される。第２のチョッパ回路（図７）により、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２を降圧しながら直流母線２ａ，２ｂへの放電が行われる。【００６３】
直流母線２ａ，２ｂへの放電が進行し電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなると、コンパレータ８１は回路切替要求信号Ｓ１１を“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルへ切り替える。そうすると、昇降圧双方向チョッパ回路２２は第１のチョッパ回路（図６）に切り替わる。論理積回路９０の出力が“Ｈ”レベルとなり、論理和回路９２から降圧チョッパ回路動作信号Ｓ２２が出力される。第１のチョッパ回路（図６）により、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２を、直流母線電圧Ｖ１以下の放電限界電圧まで降圧しながら直流母線２ａ，２ｂへの放電が続けられる。【００６４】
図１１は、本実施例１による充電動作を説明する要部波形図である。図１２は、本実施例１による放電動作を説明する要部波形図である。図１１と図１２は、以上説明した充電動作、放電動作をまとめて示したものである。【００６５】
図１１に示すように、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１によらず、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２を直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１を超えて上昇させることが可能になり、電力貯蔵要素２１の充電可能最大電圧（初期充電電圧）まで充電することができる。【００６６】
また、図１２に示すように、放電開始時の電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２は直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１よりも高い電圧であるので、電力貯蔵要素２１から再利用できるエネルギー量を増やすことができる。また、チョークコイル４３を流れる放電電流が低下し電力損失を減少させ得る。そして、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１によらず、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１を下回る電力貯蔵要素２１の放電可能最低電圧（放電限界電圧）まで放電させることができる。【００６７】
以上のように、本実施例１によれば、２つのスイッチング素子の直列回路および一端が２つのスイッチング素子の直列接続端に接続されるチョークコイルを主構成要素とする昇降圧双方向チョッパ回路を、２つのスイッチング素子の直列回路の正極端が直流母線に接続されチョークコイルの他端が電力貯蔵要素に正極端子に接続される第１のチョッパ回路と、２つのスイッチング素子の直列回路の正極端が電力貯蔵要素に正極端子に接続されチョークコイルの他端が直流母線に接続される第２のチョッパ回路とに切り替えて構成できる回路切替回路を設け、充電時および放電時において、第１のチョッパ回路と第２のチョッパ回路とを、直流母線電圧と電力貯蔵要素の電圧との大小関係が入れ替わるタイミング近傍で切り替えて使用するようにしたので、直流母線電圧の影響を受けずに、充電時では電力貯蔵要素に直流母線電圧を超える高い電圧（充電可能最大電圧）まで充電することができ、放電時では電力貯蔵要素から直流母線電圧を下回る低い電圧（放電可能最低電圧）まで放電させることができる。【００６８】
したがって、充電時では、電力貯蔵要素には蓄電できる最大のエネルギーを蓄電することができ、放電時では、電力貯蔵要素に蓄電したエネルギーを最大限有効利用することができるので、エネルギー利用効率の向上が図れる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置が実現できる。
【実施例２】
【００６９】
図１３は、本発明の実施例２として、異常発生時に対応できる電力貯蔵装置の一構成例を示す回路図である。なお、図１３では、図５（実施例１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施例２に関わる部分を中心に説明する。【００７０】
図１３において、本実施例２による電力貯蔵装置４は、図５（実施例１）に示した構成において、回路切替要素５１に代えて２つの回路切替要素５２ａ，５２ｂが設けられている。また、制御回路２３には、異常信号が装置内部または装置外部から入力される。【００７１】
装置内部から入力される異常信号は、直流電源１やインバータ３に直流母線２ａ，２ｂの電圧を低下させる故障、直流母線２ａ，２ｂ間を短絡させる故障などが発生したことを示す。装置外部から入力される異常信号は、装置を停止させる必要が生じたときに入力される。【００７２】
回路切替要素５２ａ，５２ｂは、駆動部は別個独立であるが、電力貯蔵要素２１の正極端子に接続される切替基端ａを共用する切替回路（ａ，ａ１１，ａ１２）（ａ，ａ２１，ａ２２）と、正極の直流母線２ａに接続される切替基端ｂを共用する切替回路（ｂ，ｂ１１，ｂ１２）（ｂ，ｂ２１，ｂ２２）とを備えている。【００７３】
回路切替要素５２ａの切替回路（ａ，ａ１１，ａ１２）（ｂ，ｂ１１，ｂ１２）では、切替端ａ１２はチョークコイル４３の他端と接続され、切替端ｂ１２はスイッチング素子４１ａのコレクタ端子と接続されるが、切替端ａ１１，ｂ１１がどこにも接続されていない。したがって、回路切替要素５２ａは、切替基端ａに切替端ａ１２を接続し切替基端ｂに切替端ｂ１２を接続して第１のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ１１を接続し切替基端ｂに切替端ｂ１１を接続して直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ２２との間および昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断する動作とを行うことができる。【００７４】
回路切替要素５２ｂの切替回路（ａ，ａ２１，ａ２２）（ｂ，ｂ２１，ｂ２２）では、切替端ａ２２はスイッチング素子４１ａのコレクタ端子と接続され、切替端ｂ２２はチョークコイル４３の他端と接続されるが、切替端ａ２１，ｂ２２がどこにも接続されていない。したがって、回路切替要素５２ｂは、切替基端ａに切替端ａ２２を接続し切替基端ｂに切替端ｂ２２を接続して第２のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ２１を接続し切替基端ｂに切替端ｂ２１を接続して直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ２２との間および昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断する動作とを行うことができる。【００７５】
制御回路２３は、装置が健全で正常な運転状態においては、回路切替要素５２ａ，５２ｂに対し、実施例１にて説明した回路切替要求信号Ｓ１１を充電時であるか放電時であるかに応じた所定の順序で出力する。そして、制御回路２３は、上記の正常な運転状態において、異常信号が入力されると、回路切替要素５２ａ，５２ｂのうち回路切り替えを行っていた回路切替要素に対し、回路切断要求信号Ｓ１２を出力し、直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ２２との間および昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断させる。【００７６】
これによって、異常が解除されるまで、電力貯蔵要素２１に蓄電されたエネルギーを低下させずに保持することができるので、電力貯蔵要素２１に蓄電されたエネルギーを最大限有効利用することができる。【００７７】
また、例えば、昇降圧チョッパ回路２２が第１のチョッパ回路となって動作しているときに、電源装置１やインバータ３になんらの異常が発生し直流母線２ａ，２ｂの電圧が低下した場合、環流ダイオード４２ａを通して直流母線２ａ側への放電が発生する。この放電は制御回路２３がコントロールできない自然放電である。このときの放電電流は大電流であるから、放置すると、電流経路に存する機器に損傷を与える、電源装置１やインバータ３の故障個所を拡大させるなどの悪影響を周辺回路に与えるが、それを防止できる。【００７８】
したがって、図１３では、異常発生時に開放遮断する構成として、直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ２２との間と、昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間とを開放遮断する場合を示してあるが、少なくとも、昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断できればよいことになる。【００７９】
本実施例２によれば、電力貯蔵要素２１を、昇降圧チョッパ回路２２を含む他の機器から切り離すので、電力貯蔵要素２１が他の機器に破損や損傷を生じさせる破損影響の発生を防止してより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できる。加えて、電力貯蔵要素２１に蓄電されたエネルギーを最大限有効利用することができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できる。
【実施例３】
【００８０】
図１４は、本発明の実施例３として、異常発生時に対応できる電力貯蔵装置の他の一構成例を示す回路図である。なお、図１４では、図１３（実施例２）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施例４に関わる部分を中心に説明する。【００８１】
図１４において、本実施例３による電力貯蔵装置４では、図１３（実施例２）に示した構成において、制御回路２３には、実施例２にて説明した異常信号が装置内部または装置外部から入力されるが、回路切替要素５２ａ，５２ｂに代えて回路切替要素５３が設けられている。【００８２】
回路切替要素５３は、枠で囲って示す駆動部が２組の切替回路（ａ，ａ１，ａ２，ａ３）（ｂ，ｂ１，ｂ２，ｂ３）を連動して動作させる構成である。一方の切替回路（ａ，ａ１，ａ２，ａ３）では、切替基端ａが電力貯蔵要素２１の正極端子に接続され、切替端ａ１がチョークコイル４３の他端に接続され、切替端ａ２がいずれにも接続されず、切替端ａ３がスイッチング素子４１ａのコレクタ端子に接続されている。また、他方の切替回路（ｂ，ｂ１，ｂ２，ｂ３）では、切替基端ｂが正極の直流母線２ａに接続され、切替端ｂ１がスイッチング素子４１ａのコレクタ端子に接続され、切替端ｂ２がいずれにも接続されず、切替端ｂ３がチョークコイル４３の他端に接続されている。【００８３】
したがって、回路切替要素５３は、切替基端ａに切替端ａ１を接続し切替基端ｂに切替端ｂ１を接続して第１のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ３と接続し切替基端ｂに切替端ｂ３を接続して第２のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ２を接続し切替基端ｂに切替端ｂを接続して直流母線２ａ，２ｂと電力貯蔵要素２１との間を開放遮断する動作とを行うことができる。【００８４】
制御回路２３は、装置が健全で正常な運転状態においては、回路切替要素５３に対し、実施例１にて説明した回路切替要求信号Ｓ１１を出力する。そして、制御回路２３は、上記の正常な運転状態において、異常信号が入力されると、回路切替要素５３に対し、回路切断要求信号Ｓ１２を出力し、直流母線２ａ，２ｂと電力貯蔵要素２１との間を開放遮断させる。【００８５】
実施例２と同様に、図１４では、異常発生時に開放遮断する構成として、直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ２２との間と、昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間とを開放遮断する場合を示してあるが、少なくとも、昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断できればよい。【００８６】
したがって、本実施例３においても実施例２と同様に電力貯蔵要素２１を昇降圧双方向チョッパ回路２２を含む他の機器から切り離すことができるので、電力貯蔵要素２１が接続されていた場合に他の機器に破損を生じさせる破損影響の発生を防止してより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できる。加えて、実施例２と同様に電力貯蔵要素２１に蓄電されたエネルギーを最大限有効利用することができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、本発明にかかる交流モータ駆動装置は、電力貯蔵装置に用いる双方向型の昇降圧チョッパ回路にスイッチング回路を２回路設ける等を行うことなく、母線電圧と無関係に電力貯蔵要素の充放電が可能で、エネルギー利用効率を高めることができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置として有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１  直流電源
２ａ，２ｂ  直流母線
３  インバータ
４  電力貯蔵装置
５  交流モータ
２１  電力貯蔵要素
２２  昇降圧双方向チョッパ回路
２３  制御回路
３１  ＥＤＬＣ（電気二重層キャパシタ）モジュール
３２  ＥＤＬＣセル
３３  電圧バランス抵抗器
４１ａ，４１ｂ  スイッチング素子
４２ａ，４２ｂ  環流ダイオード
４３  チョークコイル
４４ａ，４４ｂ  平滑コンデンサ
４５ａ，４５ｂ  電圧センサ
４６ａ，４６ｂ  電流センサ
５１，５２ａ，５２ｂ，５３  回路切替要素
８１  コンパレータ
８２〜８４  論理反転回路
８５〜９０  論理積回路
９１，９２  論理和回路
【図１】
2012131995.tif 000003
【図２】
2012131995.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012131995.tif 000007
【図６】
2012131995.tif 000008
【図７】
2012131995.tif 000009
【図８】
2012131995.tif 000010
【図９】
2012131995.tif 000011
【図１０】
2012131995.tif 000012
【図１１】
2012131995.tif 000013
【図１２】
2012131995.tif 000014
【図１３】
2012131995.tif 000015
【図１４】
2012131995.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月6日(2012.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続される直流母線から供給される直流電力を交流モータの駆動に必要な交流電力へ変換するインバータと並列に前記直流母線に接続され、該直流母線の直流電力を制御する電力貯蔵装置を備える交流モータ駆動装置であって、
前記電力貯蔵装置は、
直流電力を貯蔵できる電力貯蔵要素と、
２つのスイッチング素子の直列回路および一端が前記２つのスイッチング素子の直列接続端に接続されるチョークコイルを主構成要素とし、前記直流母線と前記電力貯蔵要素との間に、前記直流母線から前記電力貯蔵要素への充電動作と前記電力貯蔵要素から前記直流母線への放電動作とを行わせるために配置される昇降圧双方向チョッパ回路と、
前記昇降圧双方向チョッパ回路の動作を、前記直列回路の正極端を前記直流母線の正極側に接続し前記チョークコイルの他端を前記電力貯蔵要素の正極端子に接続した第１のチョッパ回路としての第１の動作と、前記チョークコイルの他端を前記直流母線の正極側に接続し前記直列回路の正極端を前記電力貯蔵要素の正極端子に接続した第２のチョッパ回路としての第２の動作とに切り替えるように制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、大小関係が入れ替わるタイミングの前後において、前記昇降圧双方向チョッパ回路の動作を、前記第１の動作と前記第２の動作とに所定の順序で切り替えて実行させることで前記充電動作と前記放電動作とをそれぞれ実現する
を備えることを特徴とする交流モータ駆動装置。
【請求項２】
前記電力貯蔵装置は、
前記昇降圧双方向チョッパ回路の構成を、前記第１のチョッパ回路と、前記第２のチョッパ回路とに切り替えるための回路切替要素をさらに備え、
前記制御回路は、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、大小関係が入れ替わるタイミングの前後において、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路と前記第２のチョッパ回路との対応する回路を切り替えて構成させ、前記第１のチョッパ回路と前記第２のチョッパ回路とを所定の順序で動作させることで前記充電動作と前記放電動作とをそれぞれ実現する
を備えることを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記交流モータの駆動運転時において、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、前記直流母線の電圧が前記電力貯蔵要素の電圧よりも高くなり充電指令が発生した場合に、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を降圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が上昇し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を昇圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を行わせる
ことを特徴とする請求項２に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項４】
前記制御回路は、
前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させている場合に、放電指令が発生すると、前記構成させている第２のチョッパ回路に前記電力貯蔵要素の電圧を降圧しながら前記直流母線へ放電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が降下し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記電力貯蔵要素の電圧を昇圧しながら前記直流母線へ放電させる動作を行わせる
ことを特徴とする請求項３に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項５】
前記制御回路は、
装置の電源投入時において、充電指令が発生すると、前記直流母線の電圧と前記電力貯蔵要素の電圧とを比較し、前記直流母線の電圧が前記電力貯蔵要素の電圧よりも高い場合に、前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を降圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が上昇し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記直流母線の電圧を昇圧しながら前記電力貯蔵要素に充電する動作を、前記電力貯蔵要素の電圧が前記直流母線の電圧を超えて予め定めてある初期充電電圧に到達するまで行わせる
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の交流モータ駆動装置。
【請求項６】
前記制御回路は、
装置の電源をオフにする動作終了時において、放電指令が発生すると、前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させて前記電力貯蔵要素の電圧を降圧しながら前記直流母線へ放電する動作を行わせ、前記電力貯蔵要素の電圧が降下し前記直流母線の電圧と大小関係が入れ替わるタイミングの近傍において前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させて前記電力貯蔵要素の電圧を昇圧しながら前記直流母線へ放電させる動作を、前記電力貯蔵要素の電圧が前記直流母線の電圧以下に予め定めてある放電限界電圧に到達するまで行わせる
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の交流モータ駆動装置。
【請求項７】
前記回路切替要素は、
少なくとも、前記電力貯蔵要素の正極端子と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間の接続を開放する構成をさらに備えている
ことを特徴とする請求項２に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項８】
前記制御回路は、
前記回路切替要素に前記第１のチョッパ回路を構成させている場合に、装置の内部または外部から異常信号が入力されると、前記回路切替要素に前記電力貯蔵要素の正極端子と前記チョークコイルの他端との接続を開放させる
ことを特徴とする請求項７に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項９】
前記制御回路は、
前記回路切替要素に前記第２のチョッパ回路を構成させている場合に、装置の内部または外部から異常信号が入力されると、前記回路切替要素に電力貯蔵要素の正極端子と前記直列回路の正極端との接続を開放させる
ことを特徴とする請求項７に記載の交流モータ駆動装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
このように構成される電力貯蔵要素２１は、その静電容量が例えば１Ｆ程度の大容量のものである。１つのＥＤＬＣセル３２の静電容量は、通常１００Ｆを超すが最大電圧は概ね３Ｖ以下である。また、直流母線２ａ，２ｂ間の電圧は、通常３００Ｖや６００Ｖであるから、実用上は電力貯蔵要素２１の電圧は１５０Ｖ以上になる。なお、電力貯蔵要素２１にはヒューズやブレーカなどを含むこともあるが、図４では省略している。また、電圧バランス抵抗器３３は、省略可能であり、また他のバランス方式とすることも可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図５において、昇降圧双方向チョッパ回路２２は、直列に接続された２つのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）４１ａ，４１ｂと、２つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列接続端（図示例ではスイッチング素子４１ａのエミッタ端子とスイッチング素子４１ｂのコレクタ端子との共通接続端）に一端が接続されるチョークコイル４３と、本実施例１による回路切替要素５１とを主たる要素として構成される。なお、スイッチング素子４１ａ，４１ｂには、それぞれ逆並列に還流ダイオード４２ａ，４２ｂが接続されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
制御回路２３には、昇降圧双方向チョッパ回路２２の２つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂおよび回路切替要素５１を制御する際の参照信号として、電圧センサ４５ａが検出した直流母線２ａ，２ｂの電圧と、電圧センサ４５ｂが検出した電力貯蔵要素２１の電圧と、電流センサ４６ａが検出した母線電流と、電流センサ４６ｂが検出したチョークコイル４３を流れる電流とが入力される。なお、制御回路２３に入力される検出値は、以上の４つに限定されるものではなく、一例であって、他の検出値が入力されることもある。また、図示しない上位のコントローラから入力される場合もある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また、第２のチョッパ回路（図７）は、回路切替要素５１において、一方の切替回路（ａ，ａ１，ａ２）に切替基端ａと切替端ａ２とを接続させてスイッチング素子４１ａのコレクタ端子を電力貯蔵要素２１の正極端子に接続し、他方の切替回路（ｂ，ｂ１，ｂ２）に切替基端ｂと切替端ｂ２とを接続させてチョークコイル４３の他端を正極の直流母線２ａに接続した構成である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
この場合に、直流母線電圧Ｖ１は、充電終了タイミング６５の後のタイミング６６において、一定電圧から降下するので、Ｖ２＞Ｖ１の状況になる。そうすると、電力貯蔵要素２１から還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａへの自然放電が起こるので、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２も最大充電電圧から降下することになる。このときに、制御回路２３は、チョークコイル４３に電流が流れていることは電流センサ４６ｂからの通知で認識できるが、その電流を遮断できない。その結果、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａに自然放電される電流は、電力貯蔵要素２１と直流母線２ａ，２ｂとが同電圧になるタイミング６７まで流れ続ける。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
図８や図９に示すように、第１および第２のチョッパ回路は、単独使用では、充電動作と放電動作の一方が母線電圧の影響を受けるので、電力貯蔵要素２１の電圧を上記の要件を満たすように制御できないが、互いに相手の欠点を補う相補的な昇降圧特性を有している。そこで、本実施例１では、昇降圧双方向チョッパ回路２２に回路切替要素５１を設け、制御回路２３に図１０に示す充放電制御回路を設け、第１のチョッパ回路と第２のチョッパ回路とを次のように、充電時および放電時に、組み合わせて使用するようにした。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
以上のように、本実施例１によれば、２つのスイッチング素子の直列回路および一端が２つのスイッチング素子の直列接続端に接続されるチョークコイルを主構成要素とする昇降圧双方向チョッパ回路を、２つのスイッチング素子の直列回路の正極端が直流母線に接続されチョークコイルの他端が電力貯蔵要素に正極端子に接続される第１のチョッパ回路と、２つのスイッチング素子の直列回路の正極端が電力貯蔵要素に正極端子に接続されチョークコイルの他端が直流母線に接続される第２のチョッパ回路とに切り替えて構成できる回路切替要素を設け、充電時および放電時において、第１のチョッパ回路と第２のチョッパ回路とを、直流母線電圧と電力貯蔵要素の電圧との大小関係が入れ替わるタイミング近傍で切り替えて使用するようにしたので、直流母線電圧の影響を受けずに、充電時では電力貯蔵要素に直流母線電圧を超える高い電圧（充電可能最大電圧）まで充電することができ、放電時では電力貯蔵要素から直流母線電圧を下回る低い電圧（放電可能最低電圧）まで放電させることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
回路切替要素５２ａの切替回路（ａ，ａ１１，ａ１２）（ｂ，ｂ１１，ｂ１２）では、切替端ａ１２はチョークコイル４３の他端と接続され、切替端ｂ１２はスイッチング素子４１ａのコレクタ端子と接続されるが、切替端ａ１１，ｂ１１がどこにも接続されていない。したがって、回路切替要素５２ａは、切替基端ａに切替端ａ１２を接続し切替基端ｂに切替端ｂ１２を接続して第１のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ１１を接続し切替基端ｂに切替端ｂ１１を接続して直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ回路２２との間および昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断する動作とを行うことができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
回路切替要素５２ｂの切替回路（ａ，ａ２１，ａ２２）（ｂ，ｂ２１，ｂ２２）では、切替端ａ２２はスイッチング素子４１ａのコレクタ端子と接続され、切替端ｂ２２はチョークコイル４３の他端と接続されるが、切替端ａ２１，ｂ２２がどこにも接続されていない。したがって、回路切替要素５２ｂは、切替基端ａに切替端ａ２２を接続し切替基端ｂに切替端ｂ２２を接続して第２のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ２１を接続し切替基端ｂに切替端ｂ２１を接続して直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ回路２２との間および昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断する動作とを行うことができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
制御回路２３は、装置が健全で正常な運転状態においては、回路切替要素５２ａ，５２ｂに対し、実施例１にて説明した回路切替要求信号Ｓ１１を充電時であるか放電時であるかに応じた所定の順序で出力する。そして、制御回路２３は、上記の正常な運転状態において、異常信号が入力されると、回路切替要素５２ａ，５２ｂのうち回路切り替えを行っていた回路切替要素に対し、回路切断要求信号Ｓ１２を出力し、直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ回路２２との間および昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断させる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
したがって、図１３では、異常発生時に開放遮断する構成として、直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ回路２２との間と、昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間とを開放遮断する場合を示してあるが、少なくとも、昇降圧双方向チョッパ２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断できればよいことになる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
本実施例２によれば、電力貯蔵要素２１を、昇降圧双方向チョッパ回路２２を含む他の機器から切り離すので、電力貯蔵要素２１が他の機器に破損や損傷を生じさせる破損影響の発生を防止してより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できる。加えて、電力貯蔵要素２１に蓄電されたエネルギーを最大限有効利用することができる電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
図１４は、本発明の実施例３として、異常発生時に対応できる電力貯蔵装置の他の一構成例を示す回路図である。なお、図１４では、図１３（実施例２）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施例３に関わる部分を中心に説明する。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
したがって、回路切替要素５３は、切替基端ａに切替端ａ１を接続し切替基端ｂに切替端ｂ１を接続して第１のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ３と接続し切替基端ｂに切替端ｂ３を接続して第２のチョッパ回路を形成する動作と、切替基端ａに切替端ａ２を接続し切替基端ｂに切替端ｂ２を接続して直流母線２ａ，２ｂと電力貯蔵要素２１との間を開放遮断する動作とを行うことができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
実施例２と同様に、図１４では、異常発生時に開放遮断する構成として、直流母線２ａ，２ｂと昇降圧双方向チョッパ回路２２との間と、昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間とを開放遮断する場合を示してあるが、少なくとも、昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間を開放遮断できればよい。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2012131995.tif 000017
【国際調査報告】
2012131995.tif 000018
2012131995.tif 000019
2012131995.tif 000020