(57)【要約】【課題】  回生開始時の大電流を抑制できる、コンパクトで安価な回生動作開始時の電源回生装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】    電源と負荷との間に、当該電源からの電力を前記負荷に供給するインバータ装置と共に接続され、当該負荷により発生された電力を前記電源に戻す電源回生装置の制御方法であって、回生動作において、その開始時間から一定の期間、前記電源回生装置を構成するスイッチング素子を、ＰＷＭ制御により、所定のデューティ比を用いて制御することにより、当該回生動作の開始時において瞬時的に流れる大きな電流を抑制する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷との間に、当該電源からの電力を前記負荷に供給するインバータ装置と共に接続され、当該負荷により発生された電力を前記電源に戻す電源回生装置であって、
複数のスイッチング素子を接続したアームのブリッジ構成からなる逆変換部と、
前記逆変換部の母線間電圧を検出する母線間電圧検出回路と、
前記電源の電圧を検出する電源電圧検出回路と、
前記母線間電圧検出回路で検出した検出出力と、前記電源電圧検出回路で検出した出力に基づいて、前記逆変換部の複数のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とを備え、前記負荷からの回生エネルギーを前記電源に回生する電源回生装置において、
前記スイッチング制御部は、回生動作において、その開始時間から一定の期間、前記電源回生装置を構成するスイッチング素子を、ＰＷＭ制御により、所定のデューティ比を用いて制御することにより、当該回生動作の開始時において瞬時的に流れる大きな電流を抑制することを特徴とする電源回生装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載した電源回生装置において、開始時間からの前記一定の期間は、電源の一周期程度の時間であることを特徴とする電源回生装置。
【請求項３】
前記請求項１に記載した電源回生装置において、前記所定のデューティ比は、以下の（数２）式で
【数２】
2013223268.tif 000007
表わされることを特徴とする電源回生装置。
【請求項４】
電源と負荷との間に、当該電源からの電力を前記負荷に供給するインバータ装置と共に接続され、当該負荷により発生された電力を前記電源に戻す電源回生装置の制御方法であって、回生動作において、その開始時間から一定の期間、前記電源回生装置を構成するスイッチング素子を、ＰＷＭ制御により、所定のデューティ比を用いて制御することにより、当該回生動作の開始時において瞬時的に流れる大きな電流を抑制することを特徴とする電源回生装置の制御方法。
【請求項５】
前記請求項４に記載した制御方法において、開始時間からの前記一定の期間は、電源の一周期程度の時間であることを特徴とする電源回生装置の制御方法。
【請求項６】
前記請求項１に記載した制御方法において、前記所定のデューティ比は、以下の（数２）式で
【数２】
2013223268.tif 000008
表わされることを特徴とする電源回生装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源からの電力を負荷に供給するインバータ装置に接続され、負荷から回生される電力を電源に戻す電源回生装置（コンバータ）及びそのための制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な、１２０度通電回生コンバータ装置について、インバータ装置との接続構成を、添付の図４により説明する。なお、この図４では、インバータ装置２００の逆変換部５３の交流出力は、モータ５４に接続し、インバータ装置２００の直流側は、１２０度通電回生コンバータ装置１００の逆変換部１の直流側に接続している。
【０００３】
一方、１２０度通電回生コンバータ装置１００の逆変換部１の交流側には、電流の抑制と電圧協調用の、所謂、交流リアクトル３００が接続されている。インバータ装置２００の直流母線の間には、電解コンデンサ５２が接続され、１２０度通電回生コンバータ装置１００の直流母線Ｐ、Ｎには、電解コンデンサ６が接続されている。また、インバータ装置２００の順変換部５１の交流側は、商用電源７に接続されている。
【０００４】
上述した構成においては、モータが回生状態になると、スイッチング制御部３には、電源電圧検出回路２で検出した商用電源の検出信号と、電圧検出回路５が検出した直流電圧検出信号が入力される。即ち、当該スイッチング制御部３により、ドライブ回路４を介して逆変換部１のスイッチング素子のゲート動作を制御し、もって、回生電力を商用電源に供給する。
【０００５】
通常、前述した交流リアクトル３００のパーセンテージインピーダンスは、コストやサイズなどを考慮し、２〜３％に設定される。また、ＰＮ間電圧検出装置と電源電圧検出装置の検出誤差など考慮して、回生動作開始電圧を設定する。例えば、ＰＮ間電圧は、商用電源電圧より１０％高くなると回生動作を開始するように設定される。この場合、回生動作の開始時において、大きい瞬時電流が逆変換部１に流れる。この大きい瞬時電流の抑制ができれば、逆変換1に対する熱ストレスが抑制され、システムの信頼性を高くすることができる。
【０００６】
従来、かかる問題への対策として、以下の特許文献１や特許文献２に示される技術がある。即ち、特許文献１では、回生コンバータの直流側に、抵抗器とブレーキトランジスタを直列接続し、更に、抵抗放電回路９を接続し、そして、インバータ装置２００からコンバータ装置に回生電力が返された場合、まず、抵抗放電回路９を動作させ、その結果、ＰＮ間電圧と入力電圧とがほぼ同じ電圧になった後に、逆変換部１を動作させる。
【０００７】
また、特許文献２では、回生コンバータの交流側に、電流検出回路１０と過電流検出装置１１を設け、過電流が検出された場合、逆変換部１を停止させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００７／１２２７０１号公報
【特許文献２】特開平７−１０７７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に示される技術では、更に、抵抗放電回路９とブレーキトランジスタ制御部８が必要となり、また、特許文献２に示される技術では、電流検出回路１０と過電流検出装置１１が必要となり、そのため、１２０度通電回生コンバータの装置寸法が大きく、そして、コストが高くならざるを得ないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、具体的には、コンパクトで安価であり、かつ、回生動作開始時の大電流を抑制できる電源回生装置及びその制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上述の目的を達成するため、まず、電源と負荷との間に、当該電源からの電力を前記負荷に供給するインバータ装置と共に接続され、当該負荷により発生された電力を前記電源に戻す電源回生装置であって、複数のスイッチング素子を接続したアームのブリッジ構成からなる逆変換部と、前記逆変換部の母線間電圧を検出する母線間電圧検出回路と、前記電源の電圧を検出する電源電圧検出回路と、前記母線間電圧検出回路で検出した検出出力と、前記電源電圧検出回路で検出した出力に基づいて、前記逆変換部の複数のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とを備え、前記負荷からの回生エネルギーを前記電源に回生する電源回生装置において、前記スイッチング制御部は、回生動作において、その開始時間から一定の期間、前記電源回生装置を構成するスイッチング素子を、ＰＷＭ制御により、所定のデューティ比を用いて制御することにより、当該回生動作の開始時において瞬時的に流れる大きな電流を抑制する電源回生装置が提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、やはり上述の目的を達成するため、電源と負荷との間に、当該電源からの電力を前記負荷に供給するインバータ装置と共に接続され、当該負荷により発生された電力を前記電源に戻す電源回生装置の制御方法であって、回生動作において、その開始時間から一定の期間、前記電源回生装置を構成するスイッチング素子を、ＰＷＭ制御により、所定のデューティ比を用いて制御することにより、当該回生動作の開始時において瞬時的に流れる大きな電流を抑制する電源回生装置の制御方法が提供される。
【００１３】
なお、本発明によれば、上述した電源回生装置、又は、その制御方法において、開始時間からの前記一定の期間は、電源の一周期程度の時間であることが好ましく、又は、前記所定のデューティ比は、以下の（数２）式で
【００１４】
【数２】
2013223268.tif 000003
表わされることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上述した本発明によれば、回生開始時における瞬時的に大きくなる電流を抑制することで、インダクタンスLの小さな交流リアクトルを選定できかつ高精度な電圧検出回路及び電流検出回路を必要としないため、安価でコンパクトな電源回生装置を構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態になる電源回生装置の構成を、それが適用されるインバータ装置と共に示すブロック図である。
【図２】上記本発明の電源回生装置の回生動作時の動作を示すための各部の波形図である。
【図３】上記本発明の電源回生装置の回生動作時の動作を示すためのフローチャート図である。
【図４】一般の電源回生装置における回生動作時の動作を示すための各部の波形図である。
【図５】インバータ装置に接続された一般的な電源回生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する前に、まず、上述した一般的な電源回生装置における問題点についての発明者等による検討内容について、図３を参照しながら述べる。なお、この図３においては、回生動作開始電圧を「Ｖ１」で、回生動作開始時間を「ｔ０」で表わしている。
【００１８】
まず、回生電流について考える、ｔ１時刻の直流側に流れる回生電流Iは、以下の（数１）で表わす式となる。
【００１９】
【数１】
2013223268.tif 000004
【００２０】
ここで、ＰＮ間電圧は「Ｖｐ」で、３相交流電源全波整流後の電圧は「Ｖｒ」で、交流リアクトルのインダクタンスは「Ｌ」で示している。エネルギー流れの視点から見ると、回生動作開始時直流側の電解コンデンサ６と電解コンデンサ５２のピークエネルギーＥｃは、以下の（数２）で示す式として定義する。
【００２１】
【数２】
2013223268.tif 000005
【００２２】
ここで、「Ｖ２」は、図２に示すように、前述した電解コンデンサのピークエネルギーを回生した後のＰＮ間電圧Ｖｐの平均値とする。「Ｃ」は、電解コンデンサ６と電解コンデンサ５２の静電容量の合計とする。前記電解コンデンサのピークエネルギーと、インバータ側からの回生エネルギーの合計を、逆流変換部１を経由して、交流電源に回生する。通常、コストやサイズなどを考慮し、前述した交流リアクトル３００のパーセンテージインピーダンスは、２〜３％に設定される。ＰＮ間電圧検出装置と電源電圧検出装置の検出誤差など考慮し、回生動作開始時、ＶｐとＶｒの差分は、例えば、１０％程度に設定され、前述した（数２）式の電解コンデンサのエネルギーが、非常に短い時間内で、電源側に回生され、大きな電流が発生する。
【００２３】
そこで、本発明では、スイッチング素子を接続したアームをブリッジ構成とした１２０度通電回生コンバータ装置に、インバータ装置を接続し、かつ、前記インバータ装置に接続されたモータからの回生エネルギーを前記１２０度通電回生コンバータ装置により回生する構成の電源回生装置において、前記１２０度通電回生コンバータ装置に接続されたＰＮ間電圧検出回路と交流電源電圧を検出回路で検出し、そして、コンバータ回生動作を開始させる際、一定時間ｔｄ内だけＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御でスイッチング素子を制御し、ｔｄを超えた時点から１２０度通電制御を行う。
【００２４】
上記に概略を説明した本発明の一実施の形態になる電源回生装置の詳細について、更に、添付の図１及び２を参照しながら説明する。
【００２５】
図１において、本発明になる電源回生装置では、上記図４と同様に、インバータ装置２００を構成する逆変換部５３からの交流出力は、負荷であるモータ５４に接続されている。
【００２６】
なお、図からも明らかなように、インバータ装置２００は、上記の逆変換部５３に加え、商用電源からの交流電力を直流に変換する順変換部５１と、当該順変換部５１からの直流電流を蓄える電解コンデンサ５２を含んでいる。より詳細には、インバータ装置２００を構成する逆変換部５３は、本実施例では、例えば、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を直列接続し、各ＩＧＢＴにダイオードを逆並列に接続してなる、三相のアームにより、ブリッジ回路として構成されており、また、順変換部５１は、ダイオードを直列接続してなる三相のアームによりブリッジ構成されている。また、インバータ装置２００の順変換部５１の交流側は、商用電源７に接続されており、そして、インバータ装置２００の直流母線の間には、電解コンデンサ５２が接続されている。
【００２７】
そして、当該インバータ装置２００の直流側は、１２０度通電回生コンバータ装置１００の逆変換部１の直流側に接続されている。一方、１２０度通電回生コンバータ装置１００の逆変換部１の交流側には、電流の抑制と電圧協調用の、所謂、交流リアクトル３００がそれぞれ接続されている。
【００２８】
１２０度通電回生コンバータ装置１００を構成する逆変換部１は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を直列接続し、各ＩＧＢＴにダイオードを逆並列に接続してなる三相のアームにより、ブリッジ構成している。各相のＩＧＢＴのうち、三相のＲ相の上下のアームをＱＲＵ、ＱＲＤとし、Ｓ相の上下のアームをＱＳＵ、ＱＳＤとし、Ｔ相の上下のアームをＱＴＵ、ＱＴＤとしている。また、当該１２０度通電回生コンバータ装置１００の直流母線Ｐ、Ｎの間には、電解コンデンサ６が接続されている。
【００２９】
そして、図からも明らかなように、１２０度通電回生コンバータ装置１００には、更に、直流母線Ｐ、Ｎ間の電圧を検出するためのＰＮ間電圧検出部（直流母線間電圧検出部）５が設けられている。この圧検出部５は、ＰＮ間に現れるモータ５４からの回生電力を検出し、もって、回生する電力を制御するよう、スイッチング制御部３に出力する。即ち、このスイッチング制御部３は、ドライブ回路４を介して逆変換部１のスイッチング素子のゲート動作を制御し、もって、回生電力を商用電源に供給する。
【００３０】
加えて、１２０度通電回生コンバータ装置１００には、上記商用電源７の三相電圧を検出するための電源電圧検出回路２が設けられており、当該電源電圧検出回路２で検出された三相電圧も、上記スイッチング制御部３へ出力される。
【００３１】
続いて、上述した構成の電源回生装置において、モータが回生状態になった場合の動作について、以下に説明する。
【００３２】
モータ５４が回生状態になると、１２０度通電回生コンバータ装置１００のスイッチング制御部３には、電源電圧検出回路２で検出した商用電源の検出信号と、そして、電圧検出回路５が検出した直流電圧検出信号が入力される。即ち、当該スイッチング制御部３により、ドライブ回路４を介して逆変換部１のスイッチング素子のゲート動作を制御し、もって、回生電力を商用電源に供給する。
【００３３】
なお、通常、前述した交流リアクトル３００のパーセンテージインピーダンスは、コストやサイズなどを考慮し、２〜３％に設定される。また、母線（ＰＮ）間電圧検出装置と電源電圧検出装置の検出誤差など考慮して、回生動作開始電圧を設定する。例えば、ＰＮ間電圧は、商用電源電圧より１０％高くなると回生動作を開始するように設定される。
【００３４】
ここで、従来の１２０度通電電源回生コンバータの回生動作について、上記の図３を参照して説明すると、図３（ｃ）に示すように、ＰＮ間電圧が回生開始電圧Ｖ１に達すると、母線（ＰＮ）間電圧検出部５がスイッチング制御部４に信号を出力し、図３（ａ）で示す相電圧が一番高い相の上アームと一番相電圧が低い相の下アームが「ＯＮ」し、図３（ｂ）に示すように、各相の上下アームが１２０度ずつ「ＯＮ」していく。そして、前記上下アームのＯＮ時間に対応した時間の間、分、図２（ｄ）のように、各相に、回生電流が流れる。なお、この時、ｔ０とｔ１の時刻では、線間電圧とＰＮ間電圧の差電圧が大きく、前記（数２）式からも分かるように、電流値が大きくなる。
【００３５】
そこで、本発明では、図２（ｃ）のように、ＰＮ間電圧がＶ１になり回生動作を開始した時刻ｔ０からｔｄ（この回生開始時のピーク電流を抑制するため時間（期間）ｔｄは、電源の一周期程度の時間で設定）で与えられる一定時間（期間）のみ、図２（ａ）に示す相電圧が一番高い相、相電圧が一番低い相の上下アームに対して、図２（ｂ）に示すように、ＰＷＭ制御を用いて動作させる。このときのデューティＤ（ゲート「ＯＮ」の割合）は、以下の（数３）式とする。
【００３６】
【数３】
2013223268.tif 000006
【００３７】
ここで上記（数３）式のＰｃは、電解コンデンサのエネルギーを示す上記（数２）式を電源周期で割った値であり、Ｐｒはモータ５４からの回生エネルギーを、Ｐは電源回生コンバータが最大で短時間回生できる電力の許容値を、それぞれ、示している。また、時間ｔｄを超えた時点からは、従来の１２０度通電制御となる。
【００３８】
このように、本発明になる電源回生装置では、特に、その回生動作において、一定時間中、ＰＷＭ制御することによって、短時間に電解コンデンサのエネルギーが電源に供給されるのを抑制することが可能となる。
【００３９】
より具体的には、例えば、上記スイッチング制御部３は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）や記憶装置（メモリ）から構成されており、予め記憶装置（メモリ）内に格納されたソフトウェアに基づいて、図３に示す動作を行う。
【００４０】
即ち、図３において、ＰＮ間電圧検出部（直流母線間電圧検出部）５からの出力により母線（ＰＮ）間電圧を監視し（ステップＳ３１）、当該母線（ＰＮ）間電圧が上述したＶ１を超えたか否かを判定する（ステップＳ３２）。その結果、母線（ＰＮ）間電圧がＶ１を超えた（図の「Ｙｅｓ」）場合には、回生動作が開始されたものと判断し、その開始時刻ｔ０から一定の時間ｔｄだけ、ＰＷＭ制御を用いて、上記のデューティＤで制御する。なお、この時、上述したように、ＰＷＭ制御を用いたデューティ制御を行うのは、相電圧が一番高い相と相電圧が一番低い相のスイッチング素子であり、かつ、そのデューティＤは、上述した（数３）式で表わさせる。他方、母線（ＰＮ）間電圧がＶ１を超えない（図の「Ｎｏ」）場合には、処理を終了する。なお、かかる処理は、スイッチング制御部３により、所定の間隔で繰り返し行われる。
【００４１】
即ち、以上のスイッチング制御部３の動作によれば、図２（ｃ）に示すように、電圧Ｖｐが緩やかに低下し、もって、図２（ｄ）から明らかなように、ピーク電流値を抑制することが可能となる。また、そのための構成としても、上記図１と図４との比較からも明らかなように、従来の電流検出回路１０や過電流検出装置１１、更には、抵抗放電回路９、ブレーキトランジスタ制御部８なども不要となることから、コンパクトで安価であり、かつ、回生動作開始時の大電流を抑制できる電源回生装置を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１…コンバータ装置の逆変換部、２…電源電圧検出回路、３…スイッチング制御部、４…ドライブ回路、５…直流母線ＰＮ間電圧検出部（直流母線間電圧検出部）、６…電解コンデンサ、７…商用電源、５１…順変換部、５２…電解コンデンサ、５３…逆変換部、５４…インダクションモータ、１００…回生コンバータ装置、２００…インバータ装置、３００…交流リアクトル。
【図１】
2013223268.tif 000009
【図２】
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【図３】
2013223268.tif 000011
【図４】
2013223268.tif 000012
【図５】
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