(57)【要約】【課題】  電動機が回生動作状態となったことを直流電圧が上昇する前に判断する電力変換装置を提供することにある。【解決手段】  電力変換装置は、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を、複数備えたコンバータ部と、電動機と接続するインバータ部と、三相交流電源の電圧から電源位相を検出する電源位相検出部と、検出された位相からスイッチング素子をスイッチングするためのゲートパルス信号を生成するゲートパルス信号生成部と、電動機の電力を演算する電力演算部と、電動機の電力と閾値との比較に基づいて、回生動作選択信号を出力する回生動作判定部と、回生動作選択信号に基づいて、ゲートパルス信号をコンバータ部に出力するゲートパルス信号選択部とを有する。【選択図】図１
2020156214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を、複数備えたコンバータ部と、
電動機と接続するインバータ部と、
三相交流電源の電圧から電源位相を検出する電源位相検出部と、
検出された位相から前記スイッチング素子をスイッチングするためのゲートパルス信号を生成するゲートパルス信号生成部と、
前記電動機の電力を演算する電力演算部と、
前記電動機の前記電力と閾値との比較に基づいて、回生動作選択信号を出力する回生動作判定部と、
前記回生動作選択信号に基づいて、前記ゲートパルス信号を前記コンバータ部に出力するゲートパルス信号選択部と、を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電動機に流れる三相電流を計測する電流検出部と、
前記電流検出部からの前記三相電流に基づいて、電圧指令値を出力する電流制御部とを有し、
前記電力演算部は、
前記三相電流と前記電圧指令値に基づいて、前記電力を演算することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記回生動作判定部は、
前記電動機の運転指令の有無を判定し、
前記運転指令が無い場合には、回生停止と判定し、
前記運転指令が有る場合に、前記電動機の前記電力と前記閾値との比較をすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記ゲートパルス信号選択部は、
前記回生動作選択信号が力行状態を示す場合は、前記スイッチング素子の全てをＯＦＦとする前記ゲートパルス信号を前記コンバータ部に出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電源位相検出部と前記ゲートパルス信号生成部と前記ゲートパルス信号選択部とを有するコンバータ制御部と、
前記電力演算部と前記回生動作判定部とを有するインバータ制御部と、
を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記インバータ制御部は、
前記電動機に流れる三相電流を計測する電流検出部と、
前記電流検出部からの前記三相電流に基づいて、電圧指令値を出力する電流制御部と、を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記コンバータ部と前記三相交流電源との間に挿入されるリアクトルと、
前記コンバータ部の接続したコンデンサと、
を有することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、１２０度通電型のコンバータは、高調波電流を抑制するために、負荷となっている電動機が力行している間は半導体スイッチング素子であるトランジスタはOFFさせておき、電動機が回生状態となった場合にゲート信号を出力しトランジスタの導通を行う。この分野の背景技術として、特許文献１が知られている。
【０００３】
特許文献１の０００９段落には、「基準交流電圧発生回路の出力は回生開始検出回路に入力され、回生開始検出回路とコンバータ・ユニットとの間にはゲート信号作成回路が接続される。回生開始検出回路は、コンバータ・ユニットの直流出力側の直流電圧と基準交流電圧発生回路から出力される基準電圧とを比較して、直流電圧が基準電圧よりも高くなると、電動機が回生を開始したと判断して回生開始検出信号を出力する。またゲート信号作成回路は回生開始検出信号が入力されると位相検出信号に基づいて作成した所定の導通モードに従ってコンバータ・ユニットの複数の半導体スイッチング素子を導通させるゲート信号を出力する。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６９７７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
１２０度通電型のコンバータは、前記したように、電動機が回生状態となった場合にゲート信号を出力しトランジスタの導通を行う。前記したように、特許文献１には、トランジスタの導通を開始する判定について、「直流電圧が基準電圧よりも高くなると、電動機が回生を開始したと判断して回生開始検出信号を出力」して、「半導体スイッチング素子を導通させるゲート信号を出力する。」旨の記載がなされている。
【０００６】
しかし、この特許文献１では、直流電圧が上昇した後、導通を開始するために、導通開始時の電流振幅が大きくなってしまうという課題が生じると考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、電動機が回生動作状態となったことを直流電圧が上昇する前に判断する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の好ましい一例は、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を、複数備えたコンバータ部と、電動機と接続するインバータ部と、三相交流電源の電圧から電源位相を検出する電源位相検出部と、検出された位相から前記スイッチング素子をスイッチングするためのゲートパルス信号を生成するゲートパルス信号生成部と、前記電動機の電力を演算する電力演算部と、前記電動機の前記電力と閾値との比較に基づいて、回生動作選択信号を出力する回生動作判定部と、前記回生動作選択信号に基づいて、前記ゲートパルス信号を前記コンバータ部に出力するゲートパルス信号選択部とを有する電力変換装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電動機が回生動作状態となったことを直流電圧が上昇する前に判断する電力変換装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１の電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】電源位相検出部を示す図である。
【図３】三相交流電源２の電圧波形、電源位相、コンバータ部ゲートパルスの関係を示す図である。
【図４】コンバータスイッチング動作判定部の処理フローを示す図である。
【図５】電力演算部の構成例を示すブロック図である。
【図６】実施例２の電力変換装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１の電力変換装置の構成例を示す図である。電力変換装置は、リアクトル５、コンバータ部１、コンデンサ６、インバータ部３、電力変換装置制御部７とからなる。電力変換装置は、三相交流電源２から入力した所定の周波数の交流電力を、可変周波数の三相交流電力に変換し、変換した電力を電動機４に供給する。
【００１３】
コンバータ部１は、順変換器とも呼ばれ、複数のダイオード（図では６個）と複数のスイッチング素子で構成されており、三相交流電源２の交流電力を直流電力に変換する。
【００１４】
インバータ部３は、逆変換器とも呼ばれ、複数の相に対応して配置されたスイッチング素子とダイオードとで構成される。例えば、スイッチング素子として、ＩＧＢＴのような素子から構成されている。そして電動機４へ電力を供給するために、逆変換器を構成するスイッチング素子を駆動するための駆動回路（図示せず）が設けられている。
【００１５】
電力変換装置制御部７は、電力変換装置の全体の制御を司る働きをするもので、例えばマイコンのような演算装置や記憶装置等で構成されている。
コンデンサ６は、コンバータ部１とインバータ部３の間に設けられ、コンバータ部１で整流した後の直流電圧を平滑にする役割を担う。
【００１６】
実施例１では、一つの電力変換装置制御部７がインバータ部３とコンバータ部１の両方にゲートパルス信号を送信する。主回路部としては、リアクトル５とコンバータ部１とインバータ部３とコンデンサ６を有する。コンバータ部１とインバータ部３、および、コンデンサ６は構造的には一体型でも個別のユニット型でもよい。
【００１７】
コンバータ部１は、リアクトル５を介して、三相交流電源２と接続され交流電力と直流電力との変換を行う。リアクトル５はコンバータ部１のスイッチング時の過電流を抑制し、また、電流高調波を低減する。コンデンサ６は変換された直流電力を蓄積し、直流電圧の変動を抑制する。インバータ部３は、電動機４と接続されコンデンサ６に蓄えられた直流電力を交流電力に変換し電動機４へ供給する。
【００１８】
コンバータ部１とインバータ部３は、それぞれ６つの、スイッチング素子としてのトランジスタと、そのトランジスタに並列に接続されるダイオードとから構成されている。このトランジスタは、電力変換装置制御部７から出力されるスイッチング信号によって導通／非導通が制御される。
【００１９】
インバータ部３の動作を説明する。電動機４の所望の制御を実現するためにインバータ部３から電動機４に交流電圧が出力される。交流電圧はPWM変調されたゲートパルス信号にてインバータ部３のトランジスタをスイッチングすることで得られる。電動機４の加速や減速時には電動機４の回転運動エネルギーが変化する。この回転エネルギーの単位時間あたりの変化分に相当する電力が、インバータ部３を介してコンデンサ６を含む直流部に出力、あるいは、吸収される。
【００２０】
次に、コンバータ部１の動作を説明する。並列に接続されているダイオードのカソード側の直流電圧に対してアノード側の交流電圧が高い場合は、ダイオードが導通し、三相交流電源２から直流部へ電力が供給される。一方、カソード側の直流電圧に対し交流電圧が低い場合は、ダイオードは非導通となる。このダイオードによる整流作用によりトランジスタが非導通の場合でも力行時の直流電圧は保たれる。特に、無負荷時の直流電圧の値は、三相交流電源２の線間電圧実効値の√2倍となる。
【００２１】
一方、電動機４の回生時は回生電力によって直流電圧が上昇する。並列接続されているダイオードの作用のみでは本電力が電源に戻り上昇した直流電圧が降下することはない。この電力を、三相交流電源２に回生させるため、コンバータ側のトランジスタを導通させる。このときゲート信号は電源位相から決定される図３に示すスイッチングパターンとなっている。上記のトランジスタの導通により電動機４の回生電力が、コンデンサ６が配置された直流部を経由して、三相交流電源２側に回生される。
【００２２】
次に、電力変換装置制御部７の動作を説明する。電力変換装置制御部７は、電圧検出部７０、電源位相検出部７１、ゲートパルス信号生成部７２、ゲートパルス信号選択部７３、コンバータスイッチング動作判定部７４、直流電圧検出部７５、電流検出部７６、電流制御部７７、ＰＷＭ信号生成部７８、上位制御部７９、電力演算部８０とから構成される。
【００２３】
電源位相検出部７１は、三相交流電源２の三相の瞬時電圧を、電圧検出部７０から入力し、三相交流電源２の位相θを検出し、出力する。この機能は、例えばPLL（phase locked loop）と呼ばれている処理で実現できる。図２は、このPLLの機能を有した電源位相検出部７１を説明する図である。
【００２４】
ここでVd、 Vqは、ｄｑ軸直交座標系の電圧である。ｄｑ軸直交座標系は三相交流電源２の位相θで回転する座標系である。
【００２５】
図２のωは周波数を表し、PI補償器７１２の出力である。すなわち、座標変換７１１で三相の電圧信号をdq軸上へ変換し、Vdと0との偏差をPI補償器７１２に入力した上で、そのPI補償器７１２の出力を積分（1/s）したものを位相θとする。この制御ループにより位相θと周波数ωは、三相交流電源２の位相θと周波数ωに収束する。
【００２６】
ゲートパルス信号生成部７２は、三相交流電源２の位相θを入力とし、直流電力を交流電力に回生するためのゲートパルス信号を生成する。
【００２７】
図３は、三相交流電源２の電圧波形、電源位相、コンバータ部ゲートパルスの関係を示す図である。ここでは、R相の電圧が最大となる位置を位相の0点としている。横軸は時間軸で、上段から下段に向かって、三相交流電源２の電圧、三相交流電源２の電源位相、コンバータ部１におけるR相上下、S相上下、T相上下のゲートパルスを示す。時間軸上のTは一周期となる時間で、例えば50Hzの電源では20msである。
【００２８】
ゲートパルス信号は６本あり、１２０度通電型のゲートパルス信号である。ゲートパルス信号は、各ゲートパルス信号はコンバータ部１を構成する、R相上下、S相上下、T相上下に対応する６つのトランジスタの導通/非導通（ON/OFF）を指示する信号である。相電圧が他の二つの相に対して、最大となるときその相の上アームのトランジスタが導通し、最小となるときその相の下アームのトランジスタが導通する。
【００２９】
ゲートパルス信号選択部７３は、コンバータスイッチング動作判定部７４の回生動作選択信号の出力が、回生動作であればゲートパルス信号生成部で生成された信号を選択してコンバータ部１に出力する。回生動作選択信号の出力が、回生停止であれば、全ての素子がOFFとなる信号（全OFF信号）を選択し、主回路のコンバータ部１に対して、トランジスタを駆動する信号として出力する。
【００３０】
図４は、回生動作中であるかを判定する、コンバータスイッチング動作判定部７４の処理フローを示す図である。コンバータスイッチング動作判定部７４は、演算された電動機４の電力Pを入力とし、回生動作選択信号を出力する。コンバータスイッチング動作判定部７４は、電動機４の運転指令の有無を判断する。
【００３１】
コンバータスイッチング動作判定部７４の処理は、電動機４の運転指令がない場合には、そもそも運転が行われておらず、即座に回生停止を選択する。
【００３２】
電動機４の運転指令がある場合には、さらに、演算された電動機４の電力Pと設定値である電力閾値Pthとを比較する。ここで、電動機４の電力Pと電力閾値Pthは力行を正としている。
【００３３】
電動機４の電力Pが電力閾値Pth以上（P≧Pth）と判定した場合には、電動機４は力行状態と判断し、回生停止が選択される。
【００３４】
電動機４の電力Pが電力閾値Pth未満（P＜Pth）と判定した場合には、電動機４が回生状態と判断し回生動作が選択される。
【００３５】
電力閾値Pthは、簡単には０としても回生動作が可能となる。但し、電動機４の回生状態においても、実際に直流部に電動機４より入力される電力は、電動機の回生電力からインバータ部の変換ロス(Ploss>0)と直流部に備わる直流負荷(Pdcl>0)消費電力を差し引いたものとなる。
【００３６】
それ故、電動機４からの回生電力が小さい場合には、変換ロス等で消費されることで、実際には、三相交流電源２への電力回生は不要となる場合がある。電力閾値PthとしてPth=−(Ploss+Pdcl)を用いることで、この不要な場合のスイッチング動作を抑制することが可能となる。
【００３７】
図５は、電力演算部８０の構成例である。本構成例では、電流検出部７６で検出したU相、V相、W相それぞれの電流信号Ｉと、電流制御部で演算した電圧指令値Ｖ＊を入力とし、U相、V相、W相それぞれの電流と電圧をかけあわせたものを合計することで電力を算出する。
【００３８】
コンバータスイッチング動作判定部７４の出力である回生動作選択信号を用いれば、直流電圧上昇する前に、電動機４の力行／回生の判断ができるため、コンバータ部１の回生動作を、早く開始することができる。故に、直流電圧の上昇に起因する過渡的な電流の増大は発生しない。
【００３９】
直流電圧検出部７５は、主回路の直流部の電圧Ｖｄｃを検出する。直流部の電圧Ｖｄｃは、コンデンサを含むインバータ部やコンバータ部の構造的な違いには依存せずコンデンサの両端の電圧値から取得する。通常は絶縁回路等を用いて、直流電圧に比例する数V程度の信号をA/D変換器に入力することで得る。
【００４０】
電流検出部７６は、インバータ部３と電動機４との間のU相、V相、W相における配線に流れる各相の電流を計測する。電流検出部７６が検出した電流信号Ｉは、直流電流検出器（DCCT）の出力をA/D変換器に入力することで得られる。電流検出部７６では、各相を流れる瞬時的な電流値が検出される。ここでは、三相の電流値を検出しているが、０相が流れない場合は二相のみの検出を行い、残る一相は本二相の和を反転することで求めてもよい。
【００４１】
上位制御部７９は、所望の電動機４の動作を実現するため電流指令値Ｉ＊を出力する。電流指令値を決定する方法は、本実施例によって特に限定はされない。また、電流を制御せず、直接電圧指令値を出力する制御方法でもよい。
【００４２】
電流制御部７７は、電動機４に流れる電流が電流指令値Ｉ＊となるようにインバータ部３の出力電圧の電圧指令値Ｖ＊を決定し、PWM信号生成部７８と電力演算部８０に出力する。
【００４３】
PWM信号生成部７８は、電圧指令値Ｖ＊と、直流電圧検出部７５が検出した直流部の電圧Ｖｄｃから、PWM変調を行い、インバータ部３のトランジスタのゲートパルス信号を出力する。
【００４４】
上位制御部７９は、現在の電動機４の回転状況や用途の目的に応じ、電流検出部７６が検出した電流信号Ｉに基づいて、電流指令値Ｉ＊を決定し、電流制御部７７に出力する。
【００４５】
実施例１によれば、直流電圧が上昇する前に運転を開始することが可能となり、コンバータ部１の運転開始時の電流振幅の跳躍を抑制することができる。その結果、スイッチング素子にかかる負荷を低減することができる電力変換装置を実現できる。また、電流を抑制するためのリアクトルのインダクタンスや、コンバータ部１のトランジスタの過電流耐量を低減することが可能となりコストの低減に寄与する。
【実施例２】
【００４６】
図６は、実施例１の電力変換装置の構成例を示す図である。実施例２は、実施例１の電力変換装置制御部７を、コンバータ制御部７ｃとインバータ制御部７ｉに別けた実施例である。
【００４７】
インバータ主回路部３１は、インバータ部３に加えてダイオードブリッジを有する。このダイオードブリッジは力行時における電力変換のみが行われる。
【００４８】
コンバータ主回路部１１は、インバータ主回路部３１とダイオードを介して接続され、コンバータ主回路部１１では回生電力のみの変換が行われる。
【００４９】
コンバータ制御部７ｃは、電圧検出部７０、電源位相検出部７１、ゲートパルス信号生成部７２、ゲートパルス信号選択部７３とから構成される。
【００５０】
インバータ制御部７ｉとは、コンバータスイッチング動作判定部７４、直流電圧検出部７５、電流検出部７６、電流制御部７７、ＰＷＭ信号生成部７８、上位制御部７９、電力演算部８０とから構成される。実施例１と共通する説明は、省略する。
【００５１】
実施例２のような構造とすることで、汎用のコンバータ制御部７ｃとコンバータ主回路部１１、および、インバータ制御部７ｉとインバータ主回路部３１のそれぞれに、通常の汎用インバータが有する制御回路と主回路を応用することができる。よって、実施例２では、廉価なシステムを構築することが可能となる。
【００５２】
本実施例では、コンバータ制御部７ｃとインバータ制御部７ｉが構造的に分離されているが、回生動作選択信号を電気的に送受信すればよい。このためには、例えば、接点信号などを用いることで容易に信号を送信することができる。これにより、実施例１と同一の動作と効果が実現可能となる。
【００５３】
本実施例におけるその他の制御部の動作はコンバータ制御部７ｃとインバータ制御部７ｉともに実施例１と同一か類似したものでよい。
【００５４】
なお、実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００５５】
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００５６】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【００５７】
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【００５８】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１  コンバータ部
２  三相交流電源
３  インバータ部
４  電動機
７  電力変換装置制御部
【図１】
2020156214.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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