JP2006014570A - 電力回生方法およびそれを用いたコンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回生効率を向上できる電力回生方法およびそれを用いたコンバータ装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 回生トランジスタＱを有する単相コンバータＫの電力回生を、電源Ｅの極性を判別して導通させるトランジスタＱ，Ｑの組を選択してその導通可能指令３１を生成する一方、出力電圧Ｖｄｃを回生閾値Ｖｒにより処理して回生動作指令３２を生成し、両指令３１，３２の論理積に基づいて、選択されたトランジスタＱ，Ｑの組をオン・オフする制御信号３３を生成するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力回生方法およびそれを用いたコンバータ装置に関する。さらに詳しくは、回生効率を向上できる電力回生方法およびそれを用いたコンバータ装置に関する。

いわゆるインバータにより誘導電動機を含む電動機を駆動する場合の制動方法として、一般的に回生制動が行われている。回生制動は、インバータの出力周波数を下げ、電動機を発電機として動作させながら制動力を得る方法であり、最も効率の高い制動方法の一つである。

図３に、そのようなインバータの一部を構成するコンバータ装置の一例を示す。このコンバータ装置１００は、ダイオードＤ１１,Ｄ１２,Ｄ１３,Ｄ１４を用いた単相ブリッジ回路１０１と平滑コンデンサ１０２とを有し、電源Ｅ’からの単相交流をブリッジ回路１０１にて直流に変換し、平滑コンデンサ１０２が充放電を繰り返すことによって、電圧Ｖｄｃ’の直流を出力するものである。

また、コンバータ装置１００は、負荷が回生状態となったときに、回生電力によって電圧Ｖｄｃ’が上昇し、回路素子が破壊されてしまうのを防ぐために、回生エネルギを熱エネルギとして放出する回生電力消費部１０３が設けられている。

回生電力消費部１０３は、平滑コンデンサ１０２と並列に接続され回生電力を消費する回生用抵抗１０４と、これと直列に接続されたトランジスタ１０５と、出力電圧Ｖｄｃ’を監視し、電圧Ｖｄｃ’がある一定値を超えて上昇するとトランジスタ１０５をオンにして、回生用抵抗１０４を導通状態とし、回生エネルギを熱エネルギとして消費させるよう制御する回生制御回路１０６とから構成されている。

このような従来のコンバータ装置１００では、回生電力を回生用抵抗１０４により全て熱エネルギとして消費させているため、エネルギの有効利用ができない、といった問題がある。

また、発生した回生電力を全て熱エネルギとして消費させているために、比較的大型の抵抗を用いる必要があり、装置の小型化が困難になる、といった別の問題もある。

このため、図４に示すようないわゆるＰＷＭコンバータ１１０を用いて電力回生を行うことが考えられる。ところが、従来のＰＷＭコンバータにおいては、各整流素子Ｄ１１〜Ｄ１４と逆並列に接続される電力帰還用トランジスタＱ１１,Ｑ１２,Ｑ１３,Ｑ１４に突入電流を含む全ての回生エネルギが流入することから、前記トランジスタに大容量のものを用いたり、電流を制限するために電流センサを設けたりする必要があり、システムが複雑化し、コストアップおよび装置の大型化を招くといった問題がある。

なお、特開２０００−１５６９３７号公報には、放電回路を不要とした電力回生装置が提案されている。
特開２０００−１５６９３７号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、回生効率を向上できる電力回生方法およびそれを用いたコンバータ装置を提供することを目的としている。

本発明の電力回生方法は、回生トランジスタを有する単相コンバータの電力回生方法であって、電源の極性を判別する手順と、電源電圧の波高値を検出する手順と、出力電圧を検出する手順と、前記極性に基づいて導通させるトランジスタの組を選択する手順と、選択されたトランジスタの組の導通可能期間を設定する手順と、前記導通可能期間を補正して導通可能指令を生成する手順と、前記出力電圧を閾値処理して回生動作指令を生成する手順と、前記導通可能指令と前記回生動作指との論理積に基づいて、選択されたトランジスタの組をオン・オフする制御信号を生成する手順とを含んでいることを特徴とする。

本発明の電力回生方法においては、導通可能期間の補正が、例えば立ち上がり部にデッドタイムを付与することによりなされる。

また、本発明の電力回生方法においては、例えば、導通可能指令のオン期間と回生動作指令のオン期間とが重なっている期間に対し、当該トランジスタの組をオンする信号を生成するものとされる。

さらに、本発明の電力回生方法においては、閾値を負荷変動に応じて変更するのが好ましい。

さらに、本発明の電力回生方法においては、例えば、出力電圧が閾値を超えている期間を回生動作指令のオン期間とするものとされる。

一方、本発明の電力回生装置は、回生トランジスタを有する単相コンバータの電力回生装置であって、電源の極性を判別する極性判別部と、電源電圧の波高値を検出する波高値検出部と、出力電圧を検出する出力電圧検出部と、電力回生制御部とを備え、前記電力回生制御部が、前記極性判別部により判別された電源の極性、前記波高値検出部により検出された波高値、および前記出力電圧検出部により検出された出力電圧に基づいて、トランジスタのオン・オフを制御する制御信号を生成することを特徴とする。

本発明の電力回生装置においては、電力回生制御部が、例えば、極性判別部により判別された電源の極性に基づいてトランジスタの組を選択する指令を生成するトランジスタ選択指令生成部と、該トランジスタ選択指令生成部からの指令に基づいて選択されたトランジスタの組の導通可能期間を設定する導通可能期間設定部と、該導通可能期間設定部により設定された導通可能期間を補正して導通可能信号を生成する導通可能期間補正部と、前記極性判別部により判別された電源の極性、電圧検出部により検出された出力電圧および回生閾値に基づいて、回生動作指令を生成する回生動作指令生成部と、前記導通可能期間補正部からの導通可能指令と、回生動作指令生成部からの回生動作指令との論理積を演算して選択されたトランジスタの組のオン・オフを制御する制御信号を生成する制御信号生成部とを備えてなるものとされる。

また、本発明の電力回生装置においては、例えば、導通可能指令のオン期間と回生動作指令のオン期間とが重なっている期間に対し、当該トランジスタの組をオンする信号を生成するようにされてなるものとされる。

さらに、本発明の電力回生装置においては、例えば、回生閾値を負荷変動に応じて変更するようにされてなるものとされる。

さらに、本発明の電力回生装置においては、例えば、出力電圧が回生閾値を超えている期間を回生動作指令のオン期間とするものとされる。

さらに、本発明の電力回生装置においては、導通可能期間の補正が、例えば、立ち上がり部にデッドタイムを付与することによりなされる。

さらに、本発明の電力回生装置においては、単相コンバータの直流母線の一方に回生電力消費部が直列に配設されてなるのが好ましい。

本発明によれば、制御の簡素化を図りながら、電力回生における効率の向上がなされるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る電力回生方法を用いたコンバータ装置を示す。

コンバータ装置Ｋは、図示しないＡＣモータの速度制御を行うインバータ装置（狭義のインバータ、つまり逆変換装置）に直流を供給するものであって、図１に示すように、入力端子Ｉ１,Ｉ２が単相交流電源Ｅに接続され、前記ＡＣモータの力行時には電源Ｅからの入力交流を整流し、直流母線Ｐ,Ｎから出力端子Ｏ１,Ｏ２を介して出力する一方、電力回生時には回生エネルギを電源Ｅに帰還させる電力回生型コンバータとして構成されている。

コンバータ装置Ｋは、具体的には、入力交流を整流する整流部１と、出力直流を平滑化する平滑化部２と、電力回生時における回生電力を消費する回生電力消費部３と、交流電源Ｅの極性を判別する極性判別部４と、電源電圧Ｖｅの波高値Ｖｅｍを検出する波高値検出部５と、出力直流電圧（以下、単に出力電圧という）Ｖｄｃを検出する電圧検出部６と、前記極性判別部４、波高値検出部５および電圧検出部６の出力に基づいて、整流部１における電力回生を制御する電力回生制御部７とを主要構成要素として備えてなるものとされる。

ここで、電力回生制御部７は、導通させるトランジスタＱを選択するトランジスタ選択部１１と、トランジスタ選択部１１により選択されたトランジスタＱの導通可能期間を設定する導通可能期間設定部１２と、導通可能期間設定部１２により設定された導通可能期間を補正して導通可能信号を生成する導通可能期間補正部１３と、回生動作指令生成部１４と制御信号生成部１５とを含む。なお、かかる各部を有する電力回生制御部７は、例えばマイコンに後述する各機能に対応させたプログラムを格納することにより実現される。

整流部１は、単相ブリッジ回路を構成する４個の整流素子（ダイオード）Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４のそれぞれに、回生電力帰還用のトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を逆並列に接続してなるものとされる。

平滑化部２は、直流母線Ｐ,Ｎの一方に所定容量のコンデンサ２１の一方の端子を接続し、コンデンサ２１の他方の端子を他方の母線Ｎに接続して構成されており、出力電圧Ｖｄｃが基準電圧より高ければ充電状態となり、基準電圧より低ければ放電状態となる、というように、充放電を繰り返して出力電圧Ｖｄｃを平滑化するものとされる。

回生電力消費部３は、コンデンサ２１のプラス側の直流母線Ｐとの接続部２１ａと、整流部１の前記直流母線Ｐとの接続部１ａとの間に、力行時に導通状態となり電力回生時にオフとなるスイッチとして機能するようダイオードＤ５を配設するとともに、これと並列に電力回生時に回生電力を消費する抵抗２２を接続して構成されている。

極性判別部４は、図２（ｂ）に示すように変化する電源電圧Ｖｅの極性を判別し、その判別結果を示す信号を電力回生制御部７のトランジスタ選択部１１に出力する。

トランジスタ選択部１１は、電源電圧Ｖｅの極性に応じて、電力回生時に、電源Ｅのプラス側にコンデンサ２１に充電された正電荷が流れ、電源Ｅの負極側にコンデンサ２１に充電された負電荷が流れるように、トランジスタＱ１〜Ｑ４の各組（トランジスタＱ１,Ｑ４とトランジスタＱ２,Ｑ３の各組）から、導通させる組を選択する信号を生成し、導通可能期間設定部１２に出力する。例えば、図１に示す例では、電源電圧Ｖｅがプラスであれば、トランジスタＱ１,Ｑ４の組が選択される一方、電源電圧Ｖｅがマイナスであれば、トランジスタＱ２,Ｑ３の組が選択される。

導通可能期間設定部１２は、極性判別部４により判別された極性に応じて選択されたトランジスタの組の導通可能期間を設定する。例えば、電源電圧Ｖｅがプラスの期間がトランジスタＱ１,Ｑ４の組の導通可能期間とされる一方、電源電圧Ｖｅがマイナスの期間がトランジスタＱ２,Ｑ３の組の導通可能期間とされる。この設定された導通可能期間は、導通可能期間指令として導通可能期間補正部１３に出力される。

なお、トランジスタ選択部１１と導通可能期間設定部１２は、一体化されて単にトランジスタ選択部１１とされてもよい。

導通可能期間補正部１３は、トランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング動作遅れにより、トランジスタＱ１,Ｑ４の組とトランジスタＱ２,Ｑ３の組とが、同時にオンとなることのないように各導通可能期間を補正するものである。例えば、各同通可能期間の立ち上がり部にデッドタイムＴを付与してトランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング動作遅れにより、トランジスタＱ１,Ｑ４の組とトランジスタＱ２,Ｑ３の組とが同時にオンとなることのないようにするものである。ここで、デッドタイムＴの長さは、トランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング特性に応じて適宜選定される。

図２（ｃ）、（ｄ）に、導通可能期間補正部１３により、デッドタイムＴが付与されたトランジスタＱ１,Ｑ４の組とトランジスタＱ２,Ｑ３の組の各導通可能期間をそれぞれ示す。

しかして、導通可能期間補正部１３により補正された各導通可能期間は、導通可能指令３１として制御信号生成部１５に出力される。

波高値検出部５は、電源電圧Ｖｅをモニタして、その波高値Ｖｅｍを検出し、その検出結果を示す波高値信号を電力回生制御部７の回生動作指令生成部１４に出力する。

回生動作指令生成部１４は、電圧検出部６により検出された出力電圧Ｖｄｃと波高値Ｖｅｍとを比較し、電圧Ｖｄｃが波高値Ｖｅｍよりも一定量以上高くなったときに、図２（ｅ）に示すような回生動作指令３２を出力するものとされる。換言すれば、回生動作指令生成部１３は、回生電力を電源Ｅに帰還させるときの回生しきい値Ｖｒ（図２（ａ）参照）を、波高値Ｖｅｍを基準に設定し、出力電圧Ｖｄｃが回生しきい値Ｖｒを超えたときに回生動作指令３２を出力するものとされる。

すなわち、回生動作は交流電源Ｅの周波数の２倍の周波数で行われ、回生しきい値Ｖｒが高いほど回生制動力は強くなって電圧Ｖｄｃの上昇も抑えられるが、その反面抵抗２２は大きな抵抗値のものが必要となる。しかしながら、この場合でも図３に示す回路における抵抗１０４に比して小さなものとすることができる。ここで、回生しきい値Ｖｒを低くすれば抵抗２２はより小さなものとすることができるが、その反面回生制動力は弱くなるとともに、回生動作のオフ期間に電圧Ｖｄｃは上昇する。そのため、回生しきい値Ｖｒは負荷に必要な回生制動力および電力回生時の負荷の電圧上昇に適合させて設定するものとされる。また、回生しきい値Ｖｒは負荷変動に合わせて動的に設定することも可能である。

回生動作指令生成部１４にて生成された回生動作指令３２は、導通可能期間補正部１３からの導通可能指令３１とともに制御信号生成部１５に入力される。

制御信号生成部１４は、導通可能指令３１と回生動作指令３２との論理積をとり、つまり両指令のオン信号が重なっている個所を抽出し、図２（ｆ）、（ｇ）に示すように、各補正通電可能期間においてトランジスタのＱ１,Ｑ４の組とトランジスタＱ２,Ｑ３の組を実際にオンにする制御信号３３を生成する。

これらの制御信号３３はトランジスタＱ１,Ｑ４の組とトランジスタＱ２,Ｑ３の組とに供給されて、トランジスタＱ１,Ｑ４の組とトランジスタＱ２,Ｑ３の組とを所定期間オンとし、これにより電力回生がなされる。

この電力回生により回生電流がトランジスタＱ１,Ｑ２,Ｑ３,Ｑ４に流れ込むが、この回生電流は回生電力消費部３の抵抗２２を介して電源側に帰還するので、トランジスタＱ１,Ｑ２,Ｑ３,Ｑ４における回生電流の一部が消費される。そのため、トランジスタＱ１,Ｑ２,Ｑ３,Ｑ４の容量を小さくできてトランジスタＱ１,Ｑ２,Ｑ３,Ｑ４の小型化が図られる。また、この抵抗２２により直流回路電圧の急峻な変化も抑制される。

ただし、回生電流は抵抗２２に介して電源側に帰還するので、その際回生エネルギの一部は前述したように熱エネルギとして消費されることになる。しかしながら、抵抗２２間の電位差は端子間電圧、つまり出力電圧Ｖｄｃに比して非常に小さいので、抵抗２２を低抵抗のものとできて同抵抗２２で消費される回生エネルギは、図５に示す抵抗１０４で消費される回生エネルギよりはるかに少なくてすむことになる。つまり、抵抗２２の小型化が図られ、かつ回生エネルギの損失が非常に低減されることになる。

次に、かかる構成とされているコンバータ装置Ｋによる電力回生について説明する。

手順１：電源Ｅの極性を判別する。

手順２：電源電圧Ｖｅの波高値Ｖｅｍを検出する。

手順３：出力電圧Ｖｄｃを検出する。

手順４：判別された電源Ｅの極性に応じて導通させるトランジスタＱ，Ｑの組を選択する。

手順５：選択されたトランジスタＱ，Ｑの組(つまり、Ｑ１，Ｑ４の組とＱ２，Ｑ３の組)の導通可能期間を設定する。

手順６：設定された導通可能期間の立ち上がり部にデッドタイムＴを付与して補正し、導通可能指令３１を生成する。(図２（ｃ），（ｄ）参照)
手順７：検出された直流電圧Ｖｄｃと波高値Ｖｅｍの差が回生しきい値Ｖｒを超えているか否か判定し、超えていれば手順８に移行する一方、超えていなければ本手順を繰り返す。

手順８：回生動作指令３２を生成する。(図２（ｅ）参照)
手順９：導通可能指令３１と回生動作指令３２との論理積を演算する。つまり、導通可能指令３１のオン期間と回生動作指令３２のオン期間とが重なっている期間を検出する。

手順１０：前記演算結果に基づいて、制御信号３３を生成する。つまり、導通可能指令３１と回生動作指令３２のオン期間とが重なっている期間に対し、当該トランジスタＱ，Ｑの組をオンする信号３３を生成する。(図２（ｆ），（ｇｄ）参照)
手順１１：前記制御信号３３により該当するトランジスタＱ，Ｑの組をオンして電力回生を所定期間実行する。

このように、この実施形態によれば、検出部の構成の簡素化を図りながら、電力回生における回生効率の向上が図られる。また、トランジスタＱの小型化および抵抗２２の小型化が図られるので、装置の小型化および低コスト化が図られる。

本発明は電力回生がなされているコンバータ装置に適用してその効率の向上および小型化が図られる。

本発明の一実施形態に係る電力回生方法に用いられるコンバータ装置の構成を示す回路図である。 同装置の電力回生制御部による電力回生時の制御内容を示すタイミングチャートである。 従来のコンバータ装置の構成を示す回路図である。 従来のＰＷＭコンバータ装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

Ｋ コンバータ装置
Ｄ ダイオード
Ｑ トランジスタ
Ｅ 交流電源
１ 整流部
２ 平滑部
３ 回生電力消費部
４ 極性判別部
５ 波高値検出部
６ 電圧検出部
７ 電力回生制御部
１１ トランジスタ選択指令生成部
１２ 導通可能期間設定部
１３ 導通可能期間補正部
１４ 回生動作指令生成部
１５ 制御信号生成部

Claims (12)

1. 回生トランジスタを有する単相コンバータの電力回生方法であって、
   電源の極性を判別する手順と、
   電源電圧の波高値を検出する手順と、
   出力電圧を検出する手順と、
   前記極性に基づいて導通させるトランジスタの組を選択する手順と、
   選択されたトランジスタの組の導通可能期間を設定する手順と、
   前記導通可能期間を補正して導通可能指令を生成する手順と、
   前記出力電圧を閾値処理して回生動作指令を生成する手順と、
   前記導通可能指令と前記回生動作指との論理積に基づいて、選択されたトランジスタの組をオン・オフする制御信号を生成する手順
   とを含んでいることを特徴とする電力回生方法。
2. 導通可能期間の補正が、立ち上がり部にデッドタイムを付与することを特徴とする請求項１記載の電力回生方法。
3. 導通可能指令のオン期間と回生動作指令のオン期間とが重なっている期間に対し、当該トランジスタの組をオンする信号を生成することを特徴とする請求項１記載の電力回生方法。
4. 閾値を負荷変動に応じて変更することを特徴とする請求項１記載の電力回生方法。
5. 出力電圧が閾値を超えている期間を回生動作指令のオン期間とすることを特徴とする請求項１記載の電力回生方法。
6. 回生トランジスタを有する単相コンバータの電力回生装置であって、
   電源の極性を判別する極性判別部と、電源電圧の波高値を検出する波高値検出部と、出力電圧を検出する出力電圧検出部と、電力回生制御部とを備え、
   前記電力回生制御部が、前記極性判別部により判別された電源の極性、前記波高値検出部により検出された波高値、および前記出力電圧検出部により検出された出力電圧に基づいて、トランジスタのオン・オフを制御する制御信号を生成する
   ことを特徴とする電力回生装置。
7. 電力回生制御部が、極性判別部により判別された電源の極性に基づいてトランジスタの組を選択する指令を生成するトランジスタ選択指令生成部と、該トランジスタ選択指令生成部からの指令に基づいて選択されたトランジスタの組の導通可能期間を設定する導通可能期間設定部と、該導通可能期間設定部により設定された導通可能期間を補正して導通可能信号を生成する導通可能期間補正部と、前記極性判別部により判別された電源の極性、電圧検出部により検出された出力電圧および回生閾値に基づいて、回生動作指令を生成する回生動作指令生成部と、前記導通可能期間補正部からの導通可能指令と、回生動作指令生成部からの回生動作指令との論理積を演算して選択されたトランジスタの組のオン・オフを制御する制御信号を生成する制御信号生成部とを備えてなることを特徴とする請求項６記載の電力回生装置。
8. 導通可能指令のオン期間と回生動作指令のオン期間とが重なっている期間に対し、当該トランジスタの組をオンする信号を生成するようにされてなることを特徴とする請求項７記載の電力回生装置。
9. 回生閾値を負荷変動に応じて変更するようにされてなることを特徴とする請求項７記載の電力回生装置。
10. 出力電圧が回生閾値を超えている期間を回生動作指令のオン期間とすることを特徴とする請求項７記載の電力回生装置。
11. 導通可能期間の補正が、立ち上がり部にデッドタイムを付与することによりなされることを特徴とする請求項７記載の電力回生装置。
12. 単相コンバータの直流母線の一方に回生電力消費部が直列に配設されてなることを特徴とする請求項６記載の電力回生装置。
    

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