(57)【要約】【課題】電動機駆動システムを構成するインバータの半導体素子のスイッチングに伴って発生するサージ電圧を抑制し、駆動される交流電動機の絶縁劣化を軽減する制御方法を提供する。【解決手段】直流電源の電圧をインバータ主回路４とインバータ制御回路４ｂとにより所望の交流電圧に変換し、この交流電圧により可変速駆動される交流電動機５が回生制動動作時に、前記直流電源からの給電を停止し、交流電源５からの回生電流により決定されるインバータ主回路４の入力直流電圧を抵抗チョッパ回路６の動作により前記交流電圧が出力可能な前記入力直流電圧とすることにより、前記サージ電圧の振幅をより小さくする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、この直流電源の出力端にそれぞれ並列接続される抵抗チョッパ回路およびインバータと、該インバータが出力する交流電圧により可変速駆動される交流電動機とからなる電動機駆動システムにおいて、
前記交流電動機が回生制動動作時には、前記直流電源からの給電を停止するとともに、この時の前記交流電圧検出値または該交流電圧を出力するための前記インバータの出力電圧指令値に基づいて導出される電圧設定値により前記抵抗チョッパ回路の電圧制御を行うことを特徴とする電動機駆動システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機駆動システムの制御方法において、
前記電圧設定値は前記交流電圧検出値または出力電圧指令値に前記インバータの制御方法に基づく係数を乗算し、この乗算値に予め定めた底上値を加算した値にしたことを特徴とする電動機駆動システムの制御方法。
【請求項３】
直流電源と、この直流電源の出力端にそれぞれ並列接続される抵抗チョッパ回路およびインバータと、該インバータが出力する交流電圧により可変速駆動される交流電動機とからなる電動機駆動システムにおいて、
前記交流電動機が回生制動動作時には、前記直流電源からの給電を停止するとともに、この時の前記交流電動機の回転速度検出値または回転速度推定値に基づいて導出される電圧設定値により前記抵抗チョッパ回路の電圧制御を行うことを特徴とする電動機駆動システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の電動機駆動システムの制御方法において、
前記電圧設定値は前記交流電動機の回転速度検出値または回転速度推定値から前記インバータの出力電圧演算値を導出し、この出力電圧演算値に前記インバータの制御方法に基づく係数を乗算し、この乗算値に予め定めた底上値を加算した値にしたことを特徴とする電動機駆動システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源と、この直流電源の出力端にそれぞれ並列接続される抵抗チョッパ回路およびインバータと、該インバータが出力する交流電圧により可変速駆動される交流電動機とからなる電動機駆動システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電動機駆動システムにおいては、前記抵抗チョッパ回路により前記電動機が回生制動動作時に前記インバータの入力直流電圧が跳ね上がるのを抑制する制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図６は上記特許文献を含む従来の電動機駆動システムの回路構成図であり、この図において、１は直流開閉器、２は図示の直流架線の直流電圧に対するフィルタ用のリアクトル、３は前記フィルタ用のコンデンサ、４は図示の如く自己消弧形素子としてのＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路をブリッジ接続してなるインバータ主回路、４ａはインバータ主回路４が所望の周波数，振幅の交流電圧を出力するためのインバータ制御回路、５は前記交流電圧により可変速駆動される誘導電動機などの交流電動機、６は制動抵抗６ａと図示の如く自己消弧形素子としてのＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路６ｂとからなる抵抗チョッパ回路、１１は電圧設定値を設定する電圧設定器、１２は抵抗チョッパ回路６の両端電圧、すなわち、インバータ主回路４の入力直流電圧を検出する電圧検出器、１３は前記電圧設定値と前記入力直流電圧との大小判定を行い、前記入力直流電圧＞電圧設定値の期間にはゲート駆動回路１４を介して逆並列回路６ｂのＩＧＢＴをオンさせる制御信号を発する電圧レギュレータである。
【０００４】
図６に示した電動機駆動システムにおいて、交流電動機５が回生制動動作時には、この電動機からインバータ主回路４への回生電流がコンデンサ３の充電電流となり、この電流によりインバータ主回路４の入力直流電圧としてのコンデンサ３の両端電圧が前記電圧設定値を越えて跳ね上がると、電圧検出器１２と電圧レギュレータ１３とにより、これを検知して抵抗チョッパ回路６を動作させ、前記跳ね上がり電圧を抑え込むようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−９３７６８号公報（第３頁〜４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、図６に示したインバータ主回路４などを構成する自己消弧形素子のスイッチング速度の高速化に伴って、交流電動機５に過大なサージ電圧が繰り返し印加されることとなり、このサージ電圧に起因した交流電動機５の絶縁劣化が危惧されてきている。また、スイッチングに伴って流れる高周波の漏れ電流や放射ノイズが増加している。
【０００７】
すなわち、図６に示した電動機駆動システムの従来の制御方法によると、インバータ主回路４の入力電圧は、交流電動機５が回生制動動作時に抵抗チョッパ回路６を動作させることにより、前記直流架線の直流電圧の上限値より若干高い値以下、すなわち、電圧設定器１１で設定される電圧設定値以下に抑え込むようにしているので前記サージ電圧の値もほぼ一定値となり、従って、交流電動機５の絶縁劣化の軽減や漏れ電流などの低減を考慮した電動機駆動システムとは言えなかった。
【０００８】
この発明の目的は、前記電動機駆動システムを構成する交流電動機に印加されるサージ電圧の振幅や漏れ電流の低減を、該交流電動機の回生制動動作時により小さくできる制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は直流電源と、この直流電源の出力端にそれぞれ並列接続される抵抗チョッパ回路およびインバータと、該インバータが出力する交流電圧により可変速駆動される交流電動機とからなる電動機駆動システムにおいて、
前記交流電動機が回生制動動作時には、前記直流電源からの給電を停止するとともに、この時の前記交流電圧検出値または該交流電圧を出力するための前記インバータの出力電圧指令値に基づいて導出される電圧設定値により前記抵抗チョッパ回路の電圧制御を行うことを特徴とした制御方法を用いる。
【００１０】
第２の発明は前記第１の発明の電動機駆動システムの制御方法において、
前記電圧設定値は前記交流電圧検出値または出力電圧指令値に前記インバータの制御方法に基づく係数を乗算し、この乗算値に予め定めた底上値を加算した値にしたことを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は前記電動機駆動システムにおいて、
前記交流電動機が回生制動動作時には、前記直流電源からの給電を停止するとともに、この時の前記交流電動機の回転速度検出値または回転速度推定値に基づいて導出される電圧設定値により前記抵抗チョッパ回路の電圧制御を行うことを特徴とした制御方法を用いる。
【００１２】
第４の発明は前記第３の発明の電動機駆動システムの制御方法において、
前記電圧設定値は前記交流電動機の回転速度検出値または回転速度推定値から前記インバータの出力電圧演算値を導出し、この出力電圧演算値に前記インバータの制御方法に基づく係数を乗算し、この乗算値に予め定めた底上値を加算した値にしたことを特徴とする。
【００１３】
この発明は前記電動機駆動システムにおける交流電動機の回転速度をより低下させるとき、すなわち、該交流電動機の回生制動動作時にはインバータが出力する交流電圧の値をより小さくすることから、このときには、インバータの入力直流電圧の値もより小さくしても所望の前記交流電圧が出力できることに着目してなされたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施例を示す電動機駆動システムの回路構成図であり、この図において、図６に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１５】
すなわち、図１に示した電動機駆動システムにおいて、１ａは従来の直流開閉器１に対して、後述のインバータ制御回路４ｂからの回生状態信号により開路する機能が付加された直流開閉器、４ｂは交流電動機５を可変速駆動するために、例えばベクトル制御を行いつつ、インバータ制御回路４ａがインバータ主回路４を介して所望の周波数，振幅の交流電圧を出力するときの出力電圧指令値および交流電動機５が回生制動動作状態になったときの回生状態信号とを外部に出力する機能が付加されたインバータ制御回路、１４ａは前記回生状態信号によりゲート駆動回路１４の動作をさせる機能が付加されたゲート駆動回路、２０は従来の電圧設定器１１に代わる電圧設定値演算回路である。
【００１６】
図１に示した電動機駆動システムにおいて、交流電動機５が回生制動動作状態になっているときの動作を、図２に示す如く乗算演算器２１、係数設定器２２、加算演算器２３、底上値設定器２４からなる電圧設定値演算回路２０を参照しつつ、以下に説明する。
【００１７】
すなわち、交流電動機５が回生制動動作状態になり、インバータ制御回路４ｂから回生状態信号が発せられると、この回生状態信号により直流開閉器１ａが閉路状態から開路状態に切り換わって、図示の直流架線からの給電が断たれ、このときには交流電動機５からインバータ主回路４への回生電流により、インバータ主回路４の入力直流電圧としてのコンデンサ３の両端電圧が決定される。また、上述の交流電動機５の回生制動動作時には、出力電圧指令値に基づいてインバータ主回路４が出力する交流電圧の値をより低下させる制御動作をインバータ制御回路４ｂが行うことから、インバータ主回路４の入力直流電圧の値もより低下させても所望の前記交流電圧が出力できる。従って、後述の電圧設定値演算回路２０が出力する電圧設定値をより低下させるとともに、インバータ主回路４の入力直流電圧としてのコンデンサ３の両端電圧が前記電圧設定値を越えると、電圧検出器１２と電圧レギュレータ１３と前記回生状態信号に基づいて動作を開始するゲート駆動回路１４ａとにより、これを検知して抵抗チョッパ回路６を動作させるようにしている。
【００１８】
従って、図２に示した電圧設定値演算回路２０では前記出力電圧指令値を入力して、この出力電圧指令値にインバータ制御回路４ｂで行われているインバータ主回路４のＰＷＭ変調方法、すなわち、正弦波変調，台形波変調などに係わる係数（例えば正弦波変調では１．５程度、台形波変調では１．３程度）としての係数設定器２２の設定値を乗算演算器２１で乗算することにより、このときに必要な入力直流電圧を導出し、さらに、この入力直流電圧にインバータ主回路４における電圧降下分や前記ＰＷＭ変調の際の制御余裕などを底上値（インバータ主回路４の通常時の入力直流電圧（例えば、３００ボルト）の１０％程度に相当する値）としての底上値設定器２４の設定値を加算演算器２３で加算した値を前記電圧設定値とすることにより、交流電動機５が回生制動動作時に前記出力電圧指令値が徐々に低下するのに伴って、前記電圧設定値も徐々に低下していく。
【００１９】
その結果、図１に示した電動機駆動システムでは、交流電動機５に印加されるサージ電圧の振幅を、この交流電動機５の回生制動動作時にはインバータ主回路４の入力直流電圧を通常時より低くすることにより、抑制することができる。
【００２０】
なお、図１に示した電動機駆動システムでは、インバータ制御回路４ｂの内部演算値である出力電圧指令値を用いているが、この出力電圧指令値に代えてインバータ主回路４が出力する交流電圧の検出値を用いてもよい。
【００２１】
図３は、この発明の第２の実施例を示す電動機駆動システムの回路構成図であり、この図において、図１に示した実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２２】
すなわち、図３に示した電動機駆動システムにおいて、１３ａは後述の電圧設定値演算回路３０からの第１電圧設定値と電圧検出器１２で検出されたインバータ主回路４の入力直流電圧との間に入力直流電圧＞第１電圧設定値なる関係が成立したときに、前記回生状態信号に基づいて動作を開始するゲート駆動回路１４ａを介して抵抗チョッパ回路６を動作させてこの状態を保持し、この保持状態によって低下するインバータ主回路４の入力直流電圧と電圧設定値演算回路３０からの第２電圧設定値との間に、入力直流電圧＜第２電圧設定値なる関係が成立したときに、前記保持状態を解除して抵抗チョッパ回路６を不動作にする電圧レギュレータ、３０は電圧設定値演算回路２０に代わる電圧設定値演算回路である。
【００２３】
図３に示した電動機駆動システムにおいて、交流電動機５が回生制動動作状態になっているときの動作を、図４に示す如く乗算演算器３１、係数設定器３２、加算演算器３３、第１底上値設定器３４、算演算器３５、第２底上値設定器３６からなる電圧設定値演算回路３０を参照しつつ、以下に説明する。
【００２４】
すなわち、交流電動機５が回生制動動作状態になり、上述の如く、出力電圧指令値に基づいてインバータ主回路４が出力する交流電圧の値をより低下させるのに伴って、後述の電圧設定値演算回路３０が出力する第１電圧設定値および第２電圧設定値をより低下させるとともに、インバータ主回路４の入力直流電圧としてのコンデンサ３の両端電圧が前記第１電圧設定値を越えると、電圧検出器１２と電圧レギュレータ１３と前記回生状態信号に基づいて動作を開始するゲート駆動回路１４ａとにより、これを検知して抵抗チョッパ回路６を動作させてこの状態を保持し、この保持状態によって低下するインバータ主回路４の入力直流電圧と電圧設定値演算回路３０からの第２電圧設定値未満になったときに、前記保持状態を解除して抵抗チョッパ回路６を不動作にする。
【００２５】
従って、図４に示した電圧設定値演算回路３０では前記出力電圧指令値を入力して、この出力電圧指令値に前述の係数設定器２２とほぼ同値が設定される係数設定器３２の設定値を乗算演算器３１で乗算することにより、このときに必要な入力直流電圧を導出し、さらに、先述の底上値設定器２４とほぼ同値が設定される第１底上値設定器３４の設定値を加算演算器３３で加算した値を前記第１電圧設定値とし、また、前記乗算値に第２底上値設定器３６の設定値を加算演算器３５で加算した第２電圧設定値と前記第１電圧設定値との間には例えば、第２電圧設定値＝０．９×第１電圧設定値の関係を持たせている。
【００２６】
その結果、図３に示した電動機駆動システムでは、交流電動機５に印加されるサージ電圧の振幅を、この交流電動機５の回生制動動作時にはインバータ主回路４の入力直流電圧を通常時より低くすることにより、抑制することができるとともに、抵抗チョッパ回路６における動作頻度をより少なくすることができる。
【００２７】
なお、図３に示した電動機駆動システムでは、インバータ制御回路４ｂの内部演算値である出力電圧指令値を用いているが、この出力電圧指令値に代えてインバータ主回路４が出力する交流電圧の検出値を用いてもよい。
【００２８】
図５は、この発明の第３の実施例を示す電動機駆動システムの回路構成図であり、この図において、図１に示した実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
すなわち、図５に示した電動機駆動システムでは直流架線，直流開閉器１ａ，リアクトル２に代えて、交流電源７，電源開閉器８，ダイオード整流回路９を備え、また４ｃは、例えばベクトル制御により交流電動機５を可変速駆動する際の内部演算値である交流電動機５の回転速度推定値と、この電動機が回生制動動作状態になったときの回生状態信号とを外部に出力する機能が付加されたインバータ制御回路、さらに５０は電圧設定値演算回路である。
【００３０】
なお、図５に示した電動機駆動システムの回路構成から明らかなように、いわゆる、汎用インバータで可変速駆動される電動機駆動システムを形成している。
【００３１】
図５に示した電動機駆動システムにおいて、交流電動機５が回生制動動作状態になっているときの動作を、以下に説明する。
【００３２】
すなわち、交流電動機５が回生制動動作状態になり、インバータ制御回路４ｃから回生状態信号が発せられると、この回生状態信号により電源開閉器８が閉路状態から開路状態に切り換わって、交流電源７からの給電が断たれ、このときには交流電動機５からインバータ主回路４への回生電流により、インバータ主回路４の入力直流電圧としてのコンデンサ３の両端電圧が決定される。また、上述の交流電動機５の回生制動動作時には、インバータ主回路４が出力する交流電圧の値をより低下させる制御動作をインバータ制御回路４ｃが行うことから、インバータ主回路４の入力直流電圧の値もより低下させても所望の前記交流電圧が出力できる。従って、後述の電圧設定値演算回路５０が出力する電圧設定値をより低下させるとともに、インバータ主回路４の入力直流電圧としてのコンデンサ３の両端電圧が前記電圧設定値を越えると、電圧検出器１２と電圧レギュレータ１３と前記回生状態信号に基づいて動作を開始するゲート駆動回路１４ａとにより、これを検知して抵抗チョッパ回路６を動作させるようにしている。
【００３３】
従って、図５に示した電圧設定値演算回路５０では前記回転速度推定値を入力して、この回転速度推定値と交流電動機５の等価回路定数とから該電動機の一次電圧値、すなわち、インバータ４の出力する交流電圧演算値を導出し、この導出した交流電圧演算値にインバータ制御回路４ｂで行われているインバータ主回路４のＰＷＭ変調方法、すなわち、正弦波変調，台形波変調などに係わる係数（例えば正弦波変調では１．５程度、台形波変調では１．３程度）を乗算することにより、このときに必要な入力直流電圧を導出し、さらに、この入力直流電圧にインバータ主回路４における電圧降下分や前記ＰＷＭ変調の際の制御余裕などを考慮した前記底上設定値を加算した値を前記電圧設定値とすることにより、交流電動機５が回生制動動作時に前記回転速度推定値が徐々に低下するのに伴って、前記電圧設定値も徐々に低下していく。
【００３４】
なお、この電圧設定値演算回路５０において、前記回転速度推定値から電圧設定値を導出するための上述の演算を関数テーブルで行うようにすれば、その回路構成がより簡単になる。
【００３５】
その結果、図５に示した電動機駆動システムでは、交流電動機５に印加されるサージ電圧の振幅を、この交流電動機５の回生制動動作時にはインバータ主回路４の入力直流電圧を通常時より低くすることにより、抑制することができる。
【００３６】
また、図５に示した電動機駆動システムでは、インバータ制御回路４ｂの内部演算値である回転速度推定値を用いているが、この回転速度推定値に代えて交流電動機５の回転速度の検出値を用いてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
この発明によれば、直流電源と、この直流電源の出力端にそれぞれ並列接続される抵抗チョッパ回路およびインバータと、該インバータが出力する交流電圧により可変速駆動される交流電動機とからなる電動機駆動システムにおいて、前記交流電動機の回転速度をより低下させるとき、すなわち、該交流電動機の回生制動動作時には、前記インバータの入力直流電圧の値もより小さくしても回生制動動作が可能であることから、前記交流電動機に印加されるサージ電圧の振幅を、該交流電動機の回生制動動作時にはより小さくなり、その結果、前記交流電動機の絶縁劣化を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す電動機駆動システムの回路構成図
【図２】図１の部分詳細回路構成図
【図３】この発明の第２の実施例を示す電動機駆動システムの回路構成図
【図４】図３の部分詳細回路構成図
【図５】この発明の第３の実施例を示す電動機駆動システムの回路構成図
【図６】従来例を示す電動機駆動システムの回路構成図
【符号の説明】
１，１ａ…直流開閉器、２…リアクトル、３…コンデンサ、４…インバータ主回路、４ａ，４ｂ，４ｃ…インバータ制御回路、５…交流電動機、６…抵抗チョッパ回路、７…交流電源、８…電源開閉器、９…ダイオード整流回路、１１…電圧設定器、１２…電圧検出器、１３，１３ａ…電圧レギュレータ、１４，１４ａ…ゲート駆動回路、２０，３０，５０…電圧設定値演算回路。
【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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