(57)【要約】【課題】回生電力の浪費を行うことなく、また装置を複雑にしたり、保守作業の増加を招いたりすることなく、回生電力を効率よく利用できる電源システムを提供する。【解決手段】電源主回路は、商用電源１の交流電力を直流電力に変換するコンバータ２と、このコンバータ２の直流側に接続された平滑コンデンサ３と、この平滑コンデンサ３の直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータ４を有し、このインバータ４の交流出力に基づき電動機５が可変速運転される。コンバータ２とインバータ４間の直流回路には、昇降圧チョッパ回路６を介して蓄電装置７が設けられる。昇降圧チョッパ回路６は、電動機５から直流回路側へ回生される回生電力等を降圧チョッパ動作によって蓄電装置７に貯蔵し、直流回路の電圧が低下した際等に昇圧チョッパ動作によって蓄電装置７の電力を直流回路側へ供給する。電動機５は同期電動機で構成されている。【選択図】  図１
2004289950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの直流側に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータの交流出力に基づき可変速運転される電動機と、前記コンバータと前記インバータ間の直流回路に接続され、電力を貯蔵する蓄電装置と、この蓄電装置と前記直流回路との間に接続され、コンバータにより変換された直流電力又は前記電動機から直流回路側へ回生される回生電力を降圧チョッパ動作によって前記蓄電装置に貯蔵し、前記電動機の力行運転又は前記直流回路の電圧が低下した際に昇圧チョッパ動作によって前記蓄電装置に貯蔵された電力を前記直流回路側へ放出する昇降圧チョッパ回路とを備え、前記電動機を同期電動機で構成してなる電源システム。
【請求項２】
前記蓄電装置を電気二重層コンデンサで構成したことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記直流回路に並列に放電抵抗とスイッチング素子からなる保護回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項４】
前記保護回路の放電抵抗を前記蓄電装置の加温手段に用いたことを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を可変速運転する電源システムに係り、特に回生運転時に電動機から発生する回生電力を効率よく利用できるように構成した電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばエレベータの巻上機や車両用電動機を駆動する電源システムは、商用電源の交流電力からコンバータを介して直流電力を得、この直流電力を平滑コンデンサにより脈動を抑制してインバータに供給し、このインバータにより可変電圧可変周波数の交流電力に変換して誘導電動機を可変速運転する電源主回路を有している。
【０００３】
このような電源システムにおいて、電動機を可変速運転している際に、その運転を減速させる場合や電動機の負荷が商用電力の供給がなくても電動機を回転する方向に働く場合、電動機の発生トルクが負になる（以下回生運転という）。例えばエレベータの釣り合い重りは、乗りかごの自重より軽く設定されているので、乗りかごの上昇時には電動機が電源主回路から電力供給を受ける力行運転状態となり、乗りかごの下降時には、このときの電動機およびその負荷が持つ運動エネルギが回生電力となってインバータを介して直流回路へ戻す回生運転状態となる。車両用電動機においては、減速する際に回生運転状態となる。回生電力がインバータを介して直流回路に送り込まれることにより、直流回路が過電圧になる。
【０００４】
この対策として、直流回路に、放電抵抗とスイッチング素子からなる保護回路を設け、直流電圧が過電圧レベルに近付いたときにスイッチング素子をＯＮさせて直流回路に放電抵抗を挿入し、放電抵抗で回生電力を熱エネルギに変換して消費することで過電圧を抑制する方式（方式１）がある。
【０００５】
他の対策として、コンバータとして双方向（交流→直流、直流→交流）に電力変換可能なものを使用し、電動機側から発生する回生電力を商用電源側に電源回生する方式（方式２）がある。
【０００６】
さらに直流回路にバッテリを接続し、このバッテリに回生電力を充電し、必要なときに電動機に補給電を行う方式（方式３）がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
方式１では、電動機から発電された回生電力を放電抵抗で熱エネルギとして消費するため、省エネルギの観点から改善が必要である。
【０００８】
方式２では、電動機から発電された回生電力を商用電源側に電源回生するため、エネルギの浪費は少なくなるが、コンバータ回路構成およびその制御が複雑になり、コスト的に不利となる。
【０００９】
方式３では、バッテリそのもののエネルギ効率が低く、また度重なる充放電回数および電流負担により性能劣化が促進され、定期的なバッテリの交換が必要となり、保守面および経済面で劣る問題がある。
【００１０】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、回生電力の浪費を行うことなく、また装置を複雑にしたり、保守作業の増加を招いたりすることなく、回生電力を効率よく利用できる電源システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、商用交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの直流側に接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータと、このインバータの交流出力に基づき可変速運転される電動機と、コンバータとインバータ間の直流回路に接続され、電力を貯蔵する蓄電装置と、この蓄電装置と直流回路との間に接続され、コンバータにより変換された直流電力又は電動機から直流回路側へ回生される回生電力を降圧チョッパ動作によって蓄電装置に貯蔵し、電動機の力行運転又は直流回路の電圧が低下した際に昇圧チョッパ動作によって蓄電装置に貯蔵された電力を直流回路側へ放出する昇降圧チョッパ回路とを備え、電動機を同期電動機で構成したことを特徴とする。
【００１２】
このように構成すれば、回生電力は効率の良い同期電動機で発電されて直流回路から昇降圧チョッパ回路により蓄電装置に貯蔵され、必要なときに蓄電装置から直流回路側に補給電されて有効に使用されるので、回生電力を効率良く利用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による電源システムの回路構成図である。
【００１４】
図１において、電源システムは、商用電源１からの商用交流電力を直流電力に変換するコンバータ２、このコンバータ２により変換された直流電圧の脈動を抑制する平滑コンデンサ３、コンバータ２で変換された直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータ４からなる電源主回路を備え、この電源主回路のインバータ４の交流出力側に電動機５が接続され、インバータ４の交流出力に基づき電動機５が可変速運転される。この電動機５には例えば永久磁石式の同期電動機が使用されている。
【００１５】
コンバータ２とインバータ４間の直流回路には、後述する昇降圧チョッパ回路６を介して電力を充放電する電気ニ重層コンデンサからなる蓄電装置７が設けられている。
【００１６】
昇降圧チョッパ回路６は、直流回路と蓄電装置７との間に接続され、
コンバータ２により変換された直流電力又は電動機５から直流回路側へ回生される回生電力を降圧チョッパ動作によって蓄電装置７に貯蔵し、電動機５の力行運転又は直流回路の電圧が低下した際に昇圧チョッパ動作によって蓄電装置７から直流回路側へ電力を放出するようになっている。
【００１７】
すなわち昇降圧チョッパ回路６は、それぞれダイオード８，９が逆並列接続されたスイッチング素子１０，１１の直列回路を直流回路に接続し、またスイッチング素子１０，１１の直列接続点と蓄電装置７との間にリアクトル１２を接続して構成されている。
【００１８】
スイッチング素子１０，１１のスイッチング動作は、制御回路１３により制御される。この制御回路１３には、直流回路の直流電圧を検出する電圧検出装置１４および蓄電装置７の電圧を検出する電圧検出装置１５がそれぞれ接続されている。
【００１９】
斯かる構成を有する電源システムにおいて、商用交流電源１からコンバータ２により変換された直流電力は、まず平滑コンデンサ３で充電されるが、蓄電装置１３の静電容量が不足している場合（初期状態）には、スイッチング素子１０およびリアクトル１２を介して降圧（平滑コンデンサ３が放電）して蓄電装置７に直流電力が供給される。
【００２０】
そして電動機５が運転に入り、回生運転の状態になると直流回路に回生電力が供給され直流電圧が上昇する。この直流電圧が直流回路に設けられた電圧検出装置１３により検出され、制御回路１２はその直流電圧が予め設定した値以上になった場合にスイッチング素子１０をＯＮする。
【００２１】
これにより、直流回路からスイッチング素子１０およびリアクトル１２を介して蓄電装置７に回生電力が供給される。この際、リアクトル１２には電流エネルギが蓄えられる。その後、スイッチング素子１０をＯＦＦすることにより、リアクトル１２に蓄えられた電流エネルギは、スイッチング素子１１に逆並列に接続されたダイオード９、リアクトル１２、蓄電装置７の閉ループを流れて蓄電装置７に貯蔵される。
【００２２】
図２は降圧チョッパ動作を示すタイムチャートであり、直流回路の直流電圧、スイッチング素子１０のＯＮ−ＯＦＦ動作、回路を流れる電流ｉ、蓄電装置７の電圧の関係を示している。
【００２３】
電動機５が回生運転の状態になると、回生電力は直流回路の直流電圧を上昇させ、直流電圧が設定値以上に高くなったときにスイッチング素子１０がＯＮする。そうすると直流回路からスイッチング素子１０、リアクトル１２を通して電流ｉが流れ、蓄電装置７に電力が貯蔵される。スイッチング素子１０は電流ｉがスイッチング素子１０自身の許容電流を超えようとするとき、または直流電圧がゼロになろうとするときにＯＦＦする。スイッチング素子１０がＯＦＦした後、リアクトル１２に蓄えられた電流エネルギは、ダイオード９、リアクトル１２、蓄電装置７の閉ループを流れて時定数で減衰し、蓄電装置７に貯蔵される。
【００２４】
スイッチング素子１０のＯＦＦによって直流電圧が再び上昇し設定値以上になると、スイッチング素子１０がＯＮされて電力貯蔵が再び開始され、以後同様の動作が繰り返される。
【００２５】
一方、電動機５が力行運転の状態になると、図１に示すスイッチング素子１１がＯＮされる。これにより蓄電装置７からリアクトル１２、スイッチング素子１１、蓄電装置７の閉ループで放電され、リアクトル１２に電流エネルギが蓄えられる。この時点でスイッチング素子１１をＯＦＦすると、リアクトル１２に蓄えられた電流エネルギがリアクトル１２、ダイオード８を通って直流回路に放出され直流回路に補給電を行う。
【００２６】
この放出電力が減衰してくると、再度スイッチング素子１１をＯＮさせ、リアクトル１２に電流エネルギを蓄積し、その後スイッチング素子１１のＯＦＦで電力放出を行う。以後同様の動作を繰り返す。
【００２７】
なお、スイッチング素子１０，１１のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うにあたり、電動機５の力行運転・回生運転の検出は、インバータ４の入力側である直流回路の直流電圧が十分か、不充分かを電圧検出装置１４により検出することにより制御回路１３で判定することができる他、電動機５の速度検出により行うこともできる。
【００２８】
本実施の形態によれば、電動機５からの回生電力を熱放出（廃棄）せずに蓄電装置７に蓄えておき、電動機５の力行運転時や直流回路の電圧が不足している場合にその貯蔵した電力を補給するようにしたので、商用電源からのエネルギ供給量を有効に活用することができ、省エネルギ効果を得ることができる。また回生電力を商用電源１に戻す方式に比べて装置のコストダウン、小型化を図ることができるとともにバッテリを用いた場合のように性能劣化による定期交換などの保守作業が発生することがない。
【００２９】
また本実施の形態のように、電動機５に永久磁石式同期電動機を用いたことにより、例えば誘導電動機を用いた場合と比べて、効率・力率が共に高く（数％程度）、エネルギの損失が少ない特徴を生かして回生電力を活用でき、しかも二次側磁界の制御が不要となり、また直流励磁も永久磁石の利用により安定した磁界を継続生成することができる。
【００３０】
さらに蓄電装置７として電気二重層コンデンサを用いたことにより、例えばバッテリを用いた場合に比べて急速な充放電（電流の供給）が可能となる。また電気二重層コンデンサはアルミ電解コンデンサに比べて同じ体積で大容量に構成できることから蓄電装置７の小型、軽量化が実現できる他、寿命の拡大が可能となり、さらに温度管理等の追加手段も不要となる。
【００３１】
図３は本発明における第２の実施の形態を示す回路構成図である。本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、直流回路に並列に放電抵抗１６とスイッチング素子１７の保護回路１８を設けたところにある。スイッチング素子１７は制御回路１３に接続され、蓄電装置７の両端電圧が設定値以上になったときにＯＮ操作されるようになっている。
【００３２】
本実施の形態によれば、電動機５からの回生電力を貯蔵した電力が蓄電装置７の許容蓄電容量を越えた場合に、直流回路側に放出すると共にスイッチング素子１７をＯＮして放電抵抗１６に電流を流して熱エネルギに変換して放熱することにより、直流電圧値が異常に上昇することによる機器の損傷を未然に防止することができる。
【００３３】
従って昇降圧チョッパ回路６と蓄電装置７による充放電構成と放電抵抗１６およびスイッチング素子１７からなる保護回路１８を組合せることにより、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００３４】
この場合、放電抵抗１６を蓄電装置７の近傍に配置して蓄電装置７の加温手段として用いることにより、寒冷地における蓄電装置の運転を効率良く行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電源システムによれば、効率の良い同期電動機から発電される回生電力を蓄電装置に貯蔵し、同期電動機の力行運転時又は直流回路の直流電圧が低下したときに補給電するようにしたので、回生電力を浪費することなく、またコンバータ回路構成およびその制御に要するコストを増加させることなく、さらには保守作業を伴うことなく、運転効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電源システムにおける第１の実施の形態を示す回路構成図である。
【図２】第１の実施の形態における降圧チョッパ動作を示すタイムチャートである。
【図３】本発明による電源システムにおける第２の実施の形態を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１…商用電源
２…コンバータ
３…平滑コンデンサ
４…インバータ
５…電動機
６…昇降圧チョッパ回路
７…蓄電装置
８，９…ダイオード
１０，１１，１７…スイッチング素子
１２…リアクトル
１３…制御回路
１４，１５…電圧検出装置
１６…放電抵抗
１８…保護回路
【図１】
2004289950.tif 000003
【図２】
2004289950.tif 000004
【図３】
2004289950.tif 000005