(57)【要約】【課題】本発明は、インバータ装置に直流電力を供給する直流電源共通母線の電圧上昇を抑制した安価な半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】交流電源から電力供給を受けるダイオードコンバータ装置と、該ダイオードコンバータ装置から直流電源共通母線を介して直流電力を受ける複数のインバータ装置と、該複数のインバータ装置のそれぞれに接続される複数の交流電動機と、該複数のインバータ装置の回生電流が流れる回生用コンバータ装置と、該複数のインバータ装置を制御する電動機停止タイミング制御装置とを備える。該電動機停止タイミング制御装置は、インバータ装置の停止指令を実行したときの該回生用コンバータ装置に流れる回生電流の値を演算し、該回生電流が該回生用コンバータ装置の最大電流容量未満となるように該インバータ装置の停止順を調整することを特徴とする。【選択図】図１
2010093903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するダイオードコンバータ装置と、
前記ダイオードコンバータ装置から直流電源共通母線を介して供給された直流電力を交流電力に変換する複数のインバータ装置と、
前記複数のインバータ装置のそれぞれに接続され交流電力の供給を受ける複数の交流電動機と、
前記複数のインバータ装置の回生電流が流れるように一端が前記直流電源共通母線と接続され、他端が前記交流電源に接続された回生用コンバータ装置と、
前記複数のインバータ装置を制御する電動機停止タイミング制御装置とを備え、
前記電動機停止タイミング制御装置は、前記複数のインバータ装置のうち２以上のインバータ装置を停止するべき停止指令を受けた場合は、前記停止指令を実行したときの前記回生用コンバータ装置に流れる回生電流の値を演算し、前記回生用コンバータ装置に流れる回生電流が前記回生用コンバータ装置の最大電流容量未満となるように前記インバータ装置の停止順を調整することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記複数のインバータ装置の電力量をそれぞれ検出する電力量検出手段と、
前記直流電源共通母線の電圧を測定する電圧測定手段とを更に備え、
前記電動機停止タイミング制御装置は、前記複数のインバータ装置のそれぞれについての最大回生電流のデータを有し、
前記電動機停止タイミング制御装置は前記停止指令を受けたときに、
前記停止指令が出されていないインバータ装置の電力量を前記電力量検出手段で検出し、その値を前記直流電源共通母線の電圧を前記電圧測定手段で測定した値で除算して得た電流値の総和である第１の総和と、
前記停止指令が出されているインバータ装置の前記最大回生電流のデータの総和である第２の総和を演算し、
前記第２の総和から前記第１の総和を減じることで前記回生用コンバータ装置に流れる回生電流の値を演算することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記複数のインバータ装置の停止順は、前記電動機停止タイミング制御装置に設定された優先順位により調整されることを特徴とする請求項１、２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記回生用コンバータ装置はＩＧＢＴコンバータ又はサイリスタコンバータのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の交流電動機を駆動する複数のインバータ装置が、共通のコンバータ装置から電力供給を受ける半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電動機はインバータ装置から電力供給を受けて稼働する。このような運転状況は力行運転と呼ばれている。一方、交流電動機がインバータ装置から電力供給を受けずに運転する運転状況を回生運転と呼ぶ。回生運転する場合、交流電動機は発電機の作用をする。すなわち交流電動機は運動エネルギーを電気エネルギーへ変換し、インバータ装置に回生電力と呼ばれる電力を生成する。また、複数の交流電動機が搭載される半導体装置では前述の複数の交流電動機のそれぞれに対応して複数のインバータ装置が接続される。よって前述の回生電力は複数のインバータ装置にそれぞれ発生することとなる。このような複数のインバータ装置は共通の配線である共通母線を介してコンバータ装置から直流電力の供給を受けることがある。
【０００３】
上述した交流電動機およびインバータ装置を含む半導体装置では回生電力の処理手段が必要となる。そこで、例えば回生電力を交流電源に回生する手段、あるいは回生電力を抵抗などで消費する手段が設けられることが一般的である。特許文献１には、回生電力の処理手段としてインバータ装置に回生回路を設置する構成が記載されている。特許文献１では、複数のインバータ装置間の回生回路の制動動作開始電圧のばらつきを低減して制動動作時間のばらつきを解消するインバータ装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２９３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した複数のインバータ装置に対する直流電力供給源を共通とした例として、図３の半導体装置を示す。図３の構成では、複数の交流電動機１０１それぞれに対して交流電力を供給する複数のインバータ装置１０２が接続されている。複数のインバータ装置１０２は共通の配線である直流電源共通母線１０３を介してダイオードコンバータ装置１０４と接続され直流電力の供給を受ける。すなわち複数のインバータ装置１０２は並列化されて配置される。
【０００６】
このように、インバータ装置１０２は、複数のインバータ装置１０２にとって共通のコンバータ装置であるダイオードコンバータ装置１０４から直流電力（直流電圧）の供給を受ける。複数のインバータ装置に対して共通のコンバータ装置を用いることは、比較的小容量のインバータ装置を複数台駆動する場合に行われる。なお、図３から把握されるようにダイオードコンバータ装置１０４はダイオードコンバータ装置変圧器１０６を介して交流電源１１０から交流電力の供給を受けるものである。
【０００７】
ここで、コンバータ装置としてダイオードコンバータ装置１０４が用いられるのは、ダイオードコンバータ装置１０４が、サイリスタ素子やＩＧＢＴ素子を用いたいわゆるサイリスタコンバータやＩＧＢＴコンバータと比較して安価であるためである。しかしながらダイオードコンバータ装置１０４では、インバータ装置１０２が回生電力を生成した場合にその回生電力を交流電源１１０へ回生することができない。
【０００８】
そこで図３の構成では、回生電力を処理する方法としてダイオードコンバータ装置１０４と並列に電力回生能力を有する回生用コンバータ装置１０５が接続されている。ここで図３における回生用コンバータ装置１０５はＩＧＢＴコンバータ装置である。回生用コンバータ装置１０５は回生用コンバータ装置変圧器１０７を介して交流電源１１０と接続されている。
【０００９】
すなわち図３の構成によれば、インバータ装置１０２で生成した回生電力が回生用コンバータ装置１０５を介して交流電源１１０へ回生される。ところで、回生運転中のインバータ装置１０２で発生した回生電力は他の交流電動機１０１であって力行運転中の交流電動機１０１でも消費されうる。例えば１台のインバータ装置に繋がる交流電動機１０１が回生運転して回生電力を生成しても、他の多数の交流電動機１０１がインバータ装置１０２の電力供給を受ける力行運転中であるときは前述の回生電力は力行運転中の交流電動機１０１で消費される。このときダイオードコンバータ装置１０４は力行運転状態を維持し、回生用コンバータ装置１０５による回生運転は必要としない。
【００１０】
図３で、回生用コンバータ装置１０５の容量はダイオードコンバータ装置１０４の容量よりも小容量である。回生用コンバータ装置１０５の容量は、複数のインバータ装置１０１の運転パターンを考慮して回生電力を速やかに交流電源１１０へ伝送することができるように定められる。ところがインバータ装置１０１の回生運転が、通常の運転パターンとして想定された範囲を超えて重なる、つまり想定以上の数のインバータ装置１０１が同時に回生運転を始めると回生用コンバータ装置１０５で回生電流を処理しきれなくなることがある。
【００１１】
このような場合には直流電源共通母線１０３の電圧が上昇し、過電圧故障を検出して装置がトリップ（遮断）することが考えられる。この場合、直流電源共通母線１０３に接続された複数のインバータ装置１０２が停止してしまう問題があった。
【００１２】
ここで、回生用コンバータ装置１０５の容量を上昇させることにより前述したトリップの問題を回避し得る。しかしながら回生用コンバータ装置１０５の容量を上昇させることは半導体装置の価格上昇につながり望ましくないという問題があった。そもそもインバータ装置１０２へ電力を供給するコンバータ装置をダイオードコンバータ装置１０４としたのは半導体装置の価格低減を目的とするものである。ゆえに半導体装置全体の低価格化のためには回生用コンバータ装置１０５も低価格化の要求を満たさなければならず回生用コンバータ装置１０５の大容量化ができない問題があった。
【００１３】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回生用コンバータ装置を安価な小容量なものとしつつ、インバータ装置からの回生電力に起因する直流電源共通母線の電圧上昇を抑制する半導体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】
【００１４】
本願の発明にかかる半導体装置は、交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するダイオードコンバータ装置と、該ダイオードコンバータ装置から直流電源共通母線を介して供給された直流電力を交流電力に変換する複数のインバータ装置と、  該複数のインバータ装置のそれぞれに接続され交流電力の供給を受ける複数の交流電動機と、該複数のインバータ装置の回生電流が流れるように一端が該直流電源共通母線と接続され、他端が該交流電源に接続された回生用コンバータ装置と、該複数のインバータ装置を制御する電動機停止タイミング制御装置とを備える。そして、該電動機停止タイミング制御装置は、該複数のインバータ装置のうち２以上のインバータ装置を停止するべき停止指令を受けた場合は、該停止指令を実行したときの該回生用コンバータ装置に流れる回生電流の値を演算し、該回生用コンバータ装置に流れる回生電流が該回生用コンバータ装置の最大電流容量未満となるように該インバータ装置の停止順を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により直流電源共通母線の電圧上昇を抑制した安価な半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態
実施形態の半導体装置の構成は図１を参照して説明する。複数配置された交流電動機１１はそれぞれにインバータ装置１２から交流電力の供給を受ける。この実施形態では、交流電動機１１は電力量検出手段１８を介してインバータ装置１２とそれぞれ接続される。電力量検出手段１８はそれぞれのインバータ装置１２の電力量を、力行運転時は正の値、回生運転時は負の値となるように検出する。電力量検出手段１８としてこの実施形態では電流検出器が用いられるが電力量を検出できる限り特に限定されない。
【００１７】
そして、インバータ装置１２、電力量検出手段１８、交流電動機１１からなるユニットはその用途、機能などに基づいて幾つかの群に分割されている。この実施形態では前述のユニットがa群、b群、c群、d群に群分割されている。図１では、例えばａ群にはｎ個の交流電動機１１が備わり、そのそれぞれに電力量検出手段１８が配置されていることが示されている。他の群についても同様である。
【００１８】
さらに、複数のインバータ装置１２は共通の配線である直流電源共通母線１３によりダイオードコンバータ装置１４と接続されて直流電力の供給を受ける。ダイオードコンバータ装置１４はダイオードコンバータ装置変圧器１６を介して交流電源２０から交流電力の供給を受けるものである。
【００１９】
さらに、複数のインバータ装置１２の回生電流が流れるように一端が直流電源共通母線１３と接続され、他端が交流電源２０と回生用コンバータ装置変圧器１７を介して接続された回生用コンバータ装置１５を備える。この実施形態では回生用コンバータ装置１０５はＩＧＢＴコンバータ装置であるが回生能力を有する限りにおいてＩＧＢＴコンバータ装置に限定されないという意味において回生用コンバータ装置の語を用いている。この実施形態で回生用コンバータ装置１５の最大電流容量はＩＰＲＭＡＸである。
【００２０】
さらに、この実施形態の半導体装置は電動機停止タイミング制御装置１９を備える。電動機停止タイミング制御装置１９は、前述のように群分割されたa群、b群、c群、d群に対する停止指令を受け、後述の演算を行い、a群、b群、c群、d群に含まれる交流電動機１１を停止させる。電動機停止タイミング制御装置１９は前述の電力量検出手段１８の検出結果を取得する手段を備える。この実施形態では電動機停止タイミング制御装置１９は電力量検出手段１８と接続されて検出結果を取得する。また、電動機停止タイミング制御装置１９は複数のインバータ装置１２のそれぞれと接続される。この接続は、それぞれのインバータ装置１２を停止させるため、および直流電源共通母線１３の電圧を測定するためのものである。
【００２１】
上述した電動機停止タイミング制御装置１９はその装置内部にa群、b群、c群、d群のそれぞれに属するインバータ装置１２を停止した場合に発生する最大回生電流の値が記憶されている。すなわち、電動機停止タイミング制御装置１９は、例えばa群に属する交流電動機１１を一斉に非常停止させた際に発生する回生電流である、最大回生電流ＩａＲＭＡＸを記憶装置などの手段によって記憶している。同様にb群、c群、d群に関する最大回生電流ＩｂＲＭＡＸ、ＩｃＲＭＡＸ、ＩｄＲＭＡＸのデータも記憶している。この実施形態の半導体装置は上述の構成を備える。
【００２２】
図２は電動機停止タイミング制御装置１９の動作を説明するフローチャートである。この実施形態は電動機停止タイミング制御装置１９によってインバータ装置１２の停止順が調整されることを特徴の一つとする。以後図２の記載に沿って動作を説明する。
【００２３】
まず電動機停止タイミング制御装置１９はステップ５０においてa群、b群、c群に対する停止指令を受ける。この停止指令は電動機停止タイミング制御装置１９の内部で生成されても良いし外部から伝送されても良い。
【００２４】
ステップ５０において停止指令を受けるとステップ５２へと処理が進められる。ステップ５２では停止指令が出されていないｄ群に属するインバータ装置１２に接続された電力量検出手段１８の検出結果を取得する。つまり、この実施形態で電力量検出手段１８は電流検出器であるから、電動機停止タイミング制御装置１９は電流検出器で検出された電流値と電圧の値からｄ群で消費又は回生している電力量Ｐｄｋを求める。なお、図１では、ｄ群に属するインバータ装置１２の電力量の総和Ｐｄｋが、Ｐｄ１からＰｄｎの総和で与えられることを示している。他の群も同様である。
【００２５】
さらにステップ５２では直流電源共通母線１３の電圧値Ｖｄｃを取得する。Ｖｄｃの取得は電動機停止タイミング制御装置１９とインバータ装置１２とを接続する配線を通じて行われる。この配線は図１において破線で示されている。ステップ５２ではこのように取得されたＰｄｋとＶｄｃからＰｄｋ／Ｖｄｃ、すなわちｄ群における電流値を求める。なお、力行運転中のＰｄｋは正の値であり、回生運転中のＰｄｋの値は負となる。
【００２６】
ステップ５２の処理を終えるとステップ５４へと処理が進められる。ステップ５４では、停止指令が出されているa群、b群、c群についての最大回生電流ＩａＲＭＡＸ、ＩｂＲＭＡＸ、ＩｃＲＭＡＸの総和から前述のＰｄｋ／Ｖｄｃの値を減じた値であるＩＰＲを演算する。ＩＰＲは、a群、b群、c群に属するインバータ装置１２を一斉に停止した場合に回生用コンバータ装置１５に流れる回生電流の値である。そして、Ｐｄｋ／Ｖｄｃの値が正のときつまりｄ群が力行運転状態であれば、a群、b群、c群の回生電力の一部又は全部がｄ群で消費される。一方、Ｐｄｋ／Ｖｄｃの値が負のときつまりｄ群が回生運転状態であればa群、b群、c群の回生電力にｄ群の回生電力も加重される。つまりＩＰＲは以下の式で求める。
【００２７】
【数１】
2010093903.tif 000003
【００２８】
ステップ５４によってＩＰＲの値が演算されるとステップ５６へと処理が進められる。ステップ５６ではＩＰＲが回生用コンバータ装置１５の最大電流容量ＩＰＲＭＡＸ未満であるかの判定が行われる。
【００２９】
ステップ５６においてＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ未満であると判定されるとステップ５８へと処理が進められる。ステップ５８では停止指令通りa群、b群、c群を速やかに停止させて処理を終了する。この際ＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ未満であるから直流電源共通母線１３の電圧上昇は起こらない。
【００３０】
一方ステップ５６においてＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ以上であると判定されると、a群、b群、c群について同時停止するのではなく、まずa群、b群について停止し、その後c群について停止させることにより前述のＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ未満を維持して停止指令を実行できるか判定する。この判定の作業はステップ６０、６２、６４を通して行われる。まず、ステップ６０では電動機停止タイミング制御装置１９がＰｄｋ、Ｖｄｃ、Ｐｃｋ、のデータを取得する。Ｐｄｋ、Ｖｄｃの取得は前述の通り取得し、Ｐｃｋの取得はｃ群の電力量検出手段１８による。そしてステップ５２で説明したのと同様にＰｄｋ／ＶｄｃおよびＰｃｋ／Ｖｄｃを演算により求める。
【００３１】
ステップ６０によりＰｄｋ、Ｖｄｃ、Ｐｃｋのデータ取得を終えるとステップ６２へと処理が進められる。ステップ６２では、a群、b群についての最大回生電流ＩａＲＭＡＸ、ＩｂＲＭＡＸ、の総和から、前述のＰｄｋ／ＶｄｃおよびＰｃｋ／Ｖｄｃの値を減じた値であるＩＰＲを演算する。この場合のＩＰＲは、a群、b群に属するインバータ装置１２を一斉に停止した場合に回生用コンバータ装置１５に流れる回生電流の値である。そして、Ｐｄｋ／ＶｄｃおよびＰｃｋ／Ｖｄｃの符号については前述の通りである。つまりステップ６２ではＩＰＲは以下の式で求める。
【００３２】
【数２】
2010093903.tif 000004
【００３３】
ステップ６２によってＩＰＲの値が演算されるとステップ６４へと処理が進められる。ステップ６４ではステップ５２で求めたＩＰＲが回生用コンバータ装置１５の最大電流容量ＩＰＲＭＡＸ未満であるかの判定が行われる。
【００３４】
ステップ６４においてＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ未満であると判定されるとステップ６６へと処理が進められる。ステップ６６ではa群、b群を速やかに停止させ、その後ｃ群の停止を行い処理を終了する。この際ＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ未満を維持するから直流電源共通母線１３の電圧上昇は起こらない。
【００３５】
一方ステップ６４においてＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ以上であると判定されると、ステップ６８へと処理が進められる。ステップ６８では、停止指令を完了するのに要する時間が長くなる弊害はあるものの、ＩＰＲが最低となるようにa群、b群、c群の順で順次停止を行い処理を終了する。ここで、この実施形態のＩＰＲＭＡＸはa群、b群、c群の順で順次停止を行ったときの各段階におけるＩＰＲ以上であるように設定されることにより直流電源共通母線１３の電圧上昇を回避する。上述してきた通り、この実施形態の電動機停止タイミング制御装置１９はＩＰＲがＩＰＲＭＡＸ以上とならないようにa群、b群、c群の停止順を調整する。
【００３６】
この実施形態によれば、ある群のインバータ装置１２が回生状態であるときの回生用コンバータ装置１５の電流値が回生用コンバータ装置１５の最大電流容量ＩＰＲＭＡＸ未満であることを確保できる。よって、回生用コンバータ装置１５が回生電流を処理しきれなくなり直流電源共通母線１０３の電圧が上昇し過電圧故障を検出して装置がトリップすることを回避できる。また、電動機停止タイミング制御装置１９が、コンバータ装置１５の電流値がＩＰＲＭＡＸを超えないように、停止指令の出されている群の停止順を定めるため、回生用コンバータ装置１０５の容量の上昇によるトリップ回避を要しない。すなわち、回生用コンバータ装置１０５の容量を低減できるから半導体装置の低価格化が可能である。
【００３７】
さらに、この実施形態によれば、停止指令が出されているa群、b群、c群の停止順を調整するのはコンバータ装置１５の電流値がＩＰＲＭＡＸを超えると判定された場合だけである。そして停止順の調整が必要ないときはステップ５８で示したようにa群、b群、c群を一斉停止する。よって、複数の群に対して停止指令が出された場合に、必ず停止順を定めて複数群の逐次停止を行うと停止時間が長期化する虞があるのに対し、この実施形態では停止時間を短縮化できる。よって上述のようにトリップの回避を行いながら同時に望ましい制御が実現できる。
【００３８】
この実施形態では電動機停止タイミング制御装置１９との語を用いたが、これは電動機減速タイミング制御装置としても良い。つまり本発明は停止指令の出されているインバータ装置の停止を行う場合に限らず、インバータ装置の減速を行う場合にも同様に適用できるから停止に限定されない。従ってこの実施形態で説明したインバータ装置１２の「停止」の語は、減速を含む広義に解釈すべきである。
【００３９】
この実施形態では、インバータ装置１２、電力量検出手段１８、交流電動機１１からなるユニットがa群、b群、c群、d群に群分割されているが実施形態はこれに限定されない。すなわち群分割は前述の個々のユニットに対し個別に制御を行う場合と比較して制御を単純化するために設定されるものであるため、ユニットを群分割せずに、それぞれに対して個別に上述した制御を行っても良い。
【００４０】
この実施形態では電動機停止タイミング制御装置１９がa群、b群、c群に対する停止指令を受けた場合のフローチャートを示したが実施形態はこれに限定されない。すなわち、他の複数の群に対する停止指令であっても同様の処理を行い本発明の効果を得ることができる。
【００４１】
この実施形態では図２のステップ５２においてＰｄｋとＶｄｃは取得済みのため、ステップ６０において再度取得しないこととしても良い。つまりステップ６０ではＰｃｋのみ取得し処理を簡素化しても良い。
【００４２】
この実施形態ではa群、b群、c群を同時停止できないと判断した時はｃ群の停止を遅らせることとしたが、このような停止順はあらかじめ電動機停止タイミング制御装置１９に記憶された優先順位に基づいて定められる。これにより、停止指令に対して早急に停止すべき群を優先的に速やかに停止できるように優先順位を設定でき、半導体装置の制御上好ましい。
【００４３】
この実施形態では回生用コンバータ装置１５としてＩＧＴＢコンバータを用いたが、例えばサイリスタコンバータなどの回生能力を有するコンバータであれば特に限定されない。
【００４４】
このように、本発明の半導体装置はインバータ装置の停止指令を実行する前に、回生用コンバータ装置１５で回生するべき回生電流を演算し、回生用コンバータ装置１５で回生するべき回生電流が回生用コンバータ装置１５の最大電流容量未満となるように、インバータ装置の停止順を調整する。従ってこの発明の範囲を超えない限りにおいて様々な変形が適宜行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態の半導体装置の構成を説明する図である。
【図２】実施形態の電動機停止タイミング制御装置の処理フローを説明するフローチャートである。
【図３】本発明の課題を説明する図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  交流電動機、  １２  インバータ装置、  １３  直流電源共通母線、  １４  ダイオードコンバータ装置、  １５  回生用コンバータ装置、  １８  電力量検出手段、  １９  電動機停止タイミング制御装置、  ２０  交流電源
【図１】
2010093903.tif 000005
【図２】
2010093903.tif 000006
【図３】
2010093903.tif 000007