(57)【要約】【課題】  コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすること。【解決手段】  ＰＷＭ制御によりＤＣリンクの電圧を制御するコンバータ装置において、負荷へのエネルギー供給を開始する前の時点においてＤＣリンクの電圧を上昇させ、負荷からのエネルギー回収を開始する前の時点においてＤＣリンクの電圧を下降させる。負荷にエネルギーを供給する場合には、ＤＣリンクの電圧は通常のＤＣリンク電圧よりも高く設定され、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーが蓄積し、負荷に対して一時に多くのエネルギーを供給する。負荷からエネルギーを回収する場合には、ＤＣリンクの電圧は通常のＤＣリンク電圧よりも低く設定され、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーを回収することができ、負荷から一時に多くのエネルギーを回収することができる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ制御によりＤＣリンクの電圧を制御するコンバータ装置において、
負荷へのエネルギー供給開始前におけるＤＣリンクの電圧上昇、及び／又は負荷からのエネルギー回収開始前におけるＤＣリンクの電圧下降を特徴とするコンバータ装置。
【請求項２】
ＰＷＭ制御によりＤＣリンクの電圧を制御することが可能なモータを駆動するコンバータ装置において、
前記モータ加速時の手前でＤＣリンクの電圧を上げ、及び／又はモータ減速時の手前でＤＣリンクの電圧を下げることを特徴とするコンバータ装置。
【請求項３】
前記ＤＣリンクの電圧上昇は、モータの制御プログラムのＤＣリンク電圧上昇指令に基づいて行い、当該ＤＣリンク電圧上昇指令はモータの加速指令よりも所定時間前に出力することを特徴とする請求項２に記載のコンバータ装置。
【請求項４】
前記ＤＣリンク電圧上昇時の入力電流の大きさは前記プログラムの指令により任意に設定可能であることを特徴とする請求項３に記載のコンバータ装置。
【請求項５】
前記入力電流の大きさは、プログラムにおいてＤＣリンクの上昇電圧幅及び上昇に要する時間幅を定めることにより設定することを特徴とする請求項４に記載のコンバータ装置。
【請求項６】
前記ＤＣリンクの電圧下降は、モータの制御プログラムのＤＣリンク電圧下降指令に基づいて行い、当該ＤＣリンク電圧下降指令はモータの減速指令よりも所定時間前に出力することを特徴とする請求項２に記載のコンバータ装置。
【請求項７】
前記ＤＣリンク電圧下降時の入力電流の大きさは前記プログラムの指令により任意に設定可能であることを特徴とする請求項６に記載のコンバータ装置。
【請求項８】
前記入力電流の大きさは、プログラムにおいてＤＣリンクの下降電圧幅及び下降に要する時間幅を定めることにより設定することを特徴とする請求項７に記載のコンバータ装置。
【請求項９】
前記コンバータ装置を備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一つに記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータ装置、及びコンバータ装置を備えるインバータ装置に関し、特に、ＤＣリンク電圧の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置は、印加されたＤＣリンク電圧を交流電圧に変換する装置であり、例えば、誘導電動機の駆動用として使用されている。このインバータ装置は、パルス幅制御等を行うことによって、印加されたＤＣリンク電圧を交流電圧に変換する。
【０００３】
このようなインバータ装置において、ＤＣリンク電圧は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ装置によって得たＤＣリンク電圧を用いる構成が知られている。
【０００４】
このような、コンバータ装置及びコンバータ装置を備えたインバータ装置において、ＤＣリンクにコンデンサを接続する構成が知られている。このコンデンサは、交流電圧から直流電圧に変換した電圧を平滑化する他に、負荷に対してエネルギーの供給及び吸収を助ける作用が知られている。
【０００５】
例えば、インバータ装置によりモータを駆動する場合には、モータの加減速時において、インバータ装置内のＤＣリンクに接続された電圧平滑用のコンデンサに蓄積されたエネルギーをモータに供給することにより、モータ加速に要するエネルギーを短時間に供給することを助け、また、モータの減速時において、モータから回生されるエネルギーをインバータ装置内のＤＣリンクに接続された電圧平滑用のコンデンサに吸収させることにより、モータ減速に発生するエネルギーを短時間に吸収することを助ける。
これにより、電源からのエネルギーの供給量を低減させ、また、電源によるエネルギーの回収を低減させることができ、電源の設備容量を大きくすることなく、電源からのエネルギーの急激な供給や電源へのエネルギーの急激な回収に対応することができる。また、電源ラインでのエネルギーロスを低減することができる。
このようなインバータ装置内に設けた電圧平滑用コンデンサによる作用はよく知られている技術事項である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した構成のコンバータ装置やインバータ装置において、負荷へのエネルギーの円滑な供給、及び、負荷から回生されるエネルギーの円滑な吸収の作用をより効果的なものとするには、例えば、電圧平滑用コンデンサの容量を増やすことが考えられる。
しかしながら、電圧平滑用コンデンサの容量を増やした場合には、コンバータ装置やインバータ装置の装置規模が大型になるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記した従来の課題を解決して、コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ＤＣリンクの電圧をダイナミックに制御することによって、コンデンサに蓄積されるエネルギーによるエネルギー供給や、コンデンサへの余剰エネルギー回収の作用をより効果的なものとし、電源からのエネルギー供給や電源へのエネルギー回収をより効果的に低減させるものである。ＤＣリンク電圧のダイナミックな制御は、モータの制御プログラム指令により行うことができる。
【０００９】
本発明は、コンバータ装置の態様、及びコンバータ装置を備えるインバータ装置の態様とすることができる。
コンバータ装置は、ＰＷＭ制御によりＤＣリンクの電圧を制御するコンバータ装置において、負荷へのエネルギー供給を開始する前の時点においてＤＣリンクの電圧を上昇させる、及び／又は、負荷からのエネルギー回収を開始する前の時点においてＤＣリンクの電圧を下降させる。
【００１０】
これにより、負荷にエネルギーを供給する場合には、ＤＣリンクの電圧は通常のＤＣリンク電圧よりも高く設定されることになり、コンデンサには通常よりも多くのエネルギーが蓄積され、負荷に対して一時に多くのエネルギーを供給することができる。これにより、電源からの供給電力を低減させ、また、小さい電源容量のままで、多くの電力を負荷に供給することができる。
【００１１】
また、負荷からエネルギーを回収する場合には、ＤＣリンクの電圧は通常のＤＣリンク電圧よりも低く設定されることになり、コンデンサは通常よりも多くのエネルギーを回収することができる状態となり、負荷から一時に多くのエネルギーを回収することができる。これにより、電源からの回生電流を低減させて電源ラインでのエネルギーロスを低減させることができる。また、電源からの回生電流を抵抗回生する場合には、抵抗で消費するエネルギーを低減させることができる。  
また、インバータ装置の態様は、交流電源との間に上記コンバータ装置を備えた構成とする。
【００１２】
本発明のコンバータ装置及びインバータ装置はモータ負荷に適用することができる。モータ負荷に適用した態様は以下の構成とすることができる。  
ＰＷＭ制御によりＤＣリンクの電圧を制御することが可能なモータを駆動するコンバータ装置において、モータ加速時の手前でＤＣリンクの電圧を上げる、及び／又はモータ減速時の手前でＤＣリンクの電圧を下げる。
【００１３】
コンバータ装置の態様では、ＰＷＭ制御によりＤＣリンクの電圧を制御することが可能なモータを駆動するコンバータ装置において、モータ加速時の手前でＤＣリンクの電圧を上げ、モータ減速時の手前でＤＣリンクの電圧を下げる構成とする。
ＤＣリンクの電圧を上昇させる場合には、ＤＣリンクの電圧上昇はモータの制御プログラムのＤＣリンク電圧上昇指令に基づいて行う。このＤＣリンク電圧上昇指令はモータの加速指令よりも所定時間前に出力する。
【００１４】
ＤＣリンク電圧上昇時の入力電流の大きさは、プログラムの指令により任意に設定可能とすることができ、例えば、電源やコンバータ装置において許容される電流値に基づいて、ＤＣリンクの上昇電圧幅や上昇に要する時間幅を定め、これら電圧幅や時間幅をプログラムに設定する。
【００１５】
ＤＣリンクの電圧を下降させる場合には、ＤＣリンクの電圧下降はモータの制御プログラムのＤＣリンク電圧下降指令に基づいて行う。このＤＣリンク電圧下降指令はモータの減速指令よりも所定時間前に出力する。
【００１６】
ＤＣリンク電圧下降時の入力電流の大きさは、プログラムの指令により任意に設定可能とすることができ、例えば、電源やコンバータ装置において許容される電流値に基づいて、ＤＣリンクの下降電圧幅や下降に要する時間幅を定め、これら電圧幅や時間幅をプログラムに設定する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のコンバータ装置及びコンバータ装置を備えたインバータ装置によれば、コンデンサの容量を増やすことなく電圧平滑用コンデンサによる負荷へのエネルギー供給や負荷からのエネルギー回収の作用をより効果的なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のインバータ装置について、図を用いて説明する。
図１は本発明のインバータ装置の概要を説明するための概略図である。図１に示すインバータ装置１は、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路２と、電圧平滑用のコンデンサ３と、直流電圧を所定の周波数に変換して負荷（モータＭ）に供給するインバータ回路４を備える。
【００１９】
本発明のインバータ装置１では、ＤＣリンク電圧の制御をコンバータ回路２において行う。図２は、コンバータ回路の構成例である。コンバータ回路２の制御は、制御回路５によってＩＧＢＴ等トランジスタをスイッチング制御するＰＷＭ制御により行うことができる。なお、制御回路５はプログラム制御により制御することができる。
【００２０】
次に、本発明のコンバータ回路の制御について、モータ負荷を例として説明する。  
コンバータ回路のＤＣリンクには電圧平滑用のコンデンサ３が設置されている。このコンデンサはエネルギーの蓄積及び放出を行う効果がある。そのコンデンサが蓄積あるいは放出するエネルギーはＤＣリンクの電圧の変化に依存し、以下の式で表すことができる。
【００２１】
コンデンサのエネルギー＝（Ｖ２２−Ｖ１２）／２Ｃ    …（１）
なお、ここで、
Ｖ１：ＤＣリンクの初期電圧
Ｖ２：ＤＣリンクの制御後電圧
である。
【００２２】
上記式（１）から、コンデンサにおいて、エネルギーをより多く貯えるもしくは放出するためは、ＤＣリンクの制御後の電圧Ｖ２と初期電圧Ｖ１との電圧差の絶対値｜Ｖ２−Ｖ１｜を大きくすると良い。
【００２３】
本発明は、このコンデンサに蓄積あるいは放出されるエネルギーは、ＤＣリンクの制御後の電圧Ｖ２と初期電圧Ｖ１との電圧差の絶対値の依存することを利用するものであり、ＤＣリンクの制御後の電圧Ｖ２をダイナミックに制御することによって、コンデンサに蓄積するエネルギーあるいはコンデンサから放出されるエネルギーを、電圧制御を行わない場合と比較して大きくし、電源から負荷へのエネルギー供給において、電源からのエネルギー供給に加えてコンデンサからの蓄積エネルギーの供給を付加し、また、負荷からのエネルギー回収において、電源によるエネルギー回収に加えてコンデンサによるエネルギー回収の作用を付加する。これにより、エネルギー供給及びエネルギー回収の作用をより効果的なものとし、電源からのエネルギー供給や電源へのエネルギー回収をより効果的に低減させる。
【００２４】
ＤＣリンク電圧のダイナミックな制御は、モータの制御プログラム指令により行うことができる。
以下、モータの加速時及び減速時について説明する。モータの加速時や減速時には、ＤＣリンクのコンデンサを介し電源とモータ間でエネルギーのやり取りが行われる。
ここで、前記式（１）で示したように、ＤＣリンクの制御後の電圧Ｖ２と初期電圧Ｖ１との電圧差の絶対値｜Ｖ２−Ｖ１｜が大きい程、電源がやり取りするエネルギーの量を低減することができる。
【００２５】
はじめに、モータ加速時におけるＤＣリンク電圧の制御について図３を用いて説明する。  
モータ加速時には、モータ加速前に、できるだけ多くのエネルギーをＤＣリンクのコンデンサに多く貯えることによって、電源からの供給電力を低減させ、電源容量を小さくすることができる。
【００２６】
図３において、ＤＣリンクの初期電圧（符号ａで示す）からＤＣリンクの電圧を上昇させて（符号ｂ）、ＤＣリンクの制御後の電圧Ｖ２（符号ｃで示す）とする。ＤＣリンクの電圧を上昇させた状態からモータへのエネルギー供給を開始してモータの加速を開始する（図中の符号Ａで示すモータ加速開始時点）。モータを加速することにより、ＤＣリンクの電圧は降下し（符号ｃで示す）、ＤＣ電圧は符号ｅの電圧となる。
【００２７】
このＤＣ電圧をモータ加速開始前に上昇させることにより、コンデンサには符号ｃと符号ｅの電位差ΔＶによるエネルギーをモータに供給することができる。この電位差ΔＶは、ＤＣ電圧を上昇させない場合よりも大きくなり、その分だけコンデンサに蓄積するエネルギーを多くしてモータに多くのエネルギーを供給することができる。
【００２８】
次に、モータ減速時におけるＤＣリンク電圧の制御について図４を用いて説明する。
モータ減速時には、モータからの回生エネルギーをできるだけ多くコンデンサに回収させることによって、電源への供給電力を低減させ、電源容量を小さくすることができる。
図４において、ＤＣリンクの初期電圧（符号ｆで示す）からＤＣリンクの電圧を下降させて（符号ｇ）、ＤＣリンクの制御後の電圧Ｖ２（符号ｈで示す）とする。ＤＣリンクの電圧を下降させた状態からモータの減速を開始し、モータからの回生エネルギーの回収を開始する（図中の符号Ｂで示すモータ減速開始時点）。モータを減速することにより、回収されるエネルギーによってＤＣリンクの電圧は上昇し（符号ｉで示す）、ＤＣ電圧は符号ｊの電圧となる。
【００２９】
このＤＣ電圧をモータ減速開始前に下降させることにより、コンデンサには符号ｈと符号ｊの電位差ΔＶによるエネルギーをコンデンサに回収することができる。この電位差ΔＶは、ＤＣ電圧を下降させない場合よりも大きくなり、その分だけコンデンサが回収するエネルギーを多くしてモータから多くのエネルギーを回収し、電源への回生分あるいは抵抗により回生分を減らすことができる。電源回生は、回生電流により電源ラインのエネルギーロスとなり、また、抵抗回生される回生分も熱エネルギーとして消費されるが、本発明によれば、電源回生あるいは抵抗回生を低減させることによりエネルギーロスを減らすことができる。
【００３０】
図５は、ＤＣリンク電圧とモータ速度との関係を示している。プログラム中には、モータの加速指令に先だってＤＣリンク電圧を上昇させる指令が設定される。なお、ＤＣリンク電圧を上昇させる指令は、モータが所定速度に上昇した段階で解除される。
また、プログラム中には、モータの減速指令に先だってＤＣリンク電圧を下降させる指令が設定される。なお、ＤＣリンク電圧を下降させる指令は、モータが所定速度（例えば、速度零）に下降した段階で解除される。
【００３１】
本発明によりＤＣリンク電圧制御によれば、ＤＣリンクの充放電時に、電源電圧とＤＣリンク電圧の電位差が大きくなることにより過大な入力電流が流れる場合がある。
本発明は、この入力電流を機器の定格電流等の所定電流内に納めるように、上昇電圧幅あるいは下降電圧幅等の電圧変動幅、及び電圧の上昇あるいは下降に要する時間幅をパラメータとして設定する。
【００３２】
図６は、電圧変動幅と時間幅との関係を説明するための図である。
電圧の上昇あるいは下降に要する時間幅Ｔは、コンデンサの容量ＣとコンバータのＰＷＭ制御により制御された電流と、電圧変動幅ｄＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）とを変数として有する。
【００３３】
したがって、コンバータ装置や電源の定格で定まる許容電流値を定めたとき、電圧変動幅ｄＶは許容電流値とコンバータのＰＷＭ制御により制御された電流とにより制限を受け、時間幅Ｔは電圧変動幅ｄＶとコンバータのＰＷＭ制御により制御された電流とによって制限を受ける。
また、電圧変動幅ｄＶを定めたとき、大きな電流を流せる場合には時間幅Ｔを短くすることができるが（図中のＴ1）（図６（ａ），（ｂ）の実線）、大きな電流を流せない場合には時間幅Ｔは長くなる（図中のＴ2）（図６（ａ），（ｂ）の破線）。
また、電流を定めたときには、電圧変動幅と時間幅は互いに逆方向に作用し、電圧変動幅を大きく採れば時間幅を短くすることができ、電圧変動幅を小さく採れば時間幅を長くする必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のコンバータ装置及びコンバータ装置を備えるインバータ装置は、電力の供給、回収を行うモータに適用することができる。また、エネルギーの回生を行わずエネルギーの消費のみを行うモータについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のインバータ装置の概要を説明するための概略図である。
【図２】本発明のコンバータ回路の構成例を示す図である。
【図３】本発明のモータ加速時におけるＤＣリンク電圧の制御を説明するための図である。
【図４】本発明のモータ減速時におけるＤＣリンク電圧の制御を説明するための図である。
【図５】本発明のＤＣリンク電圧とモータ速度との関係を示す図である。
【図６】本発明の電圧変動幅と時間幅との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  インバータ装置
２  コンバータ回路
３  コンデンサ
４  インバータ回路
５  制御回路
【図１】
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【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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