CN1639958A - 充放电控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充放电控制装置。在该充放电控制装置中，与电动机负载的动力运行动作、再生运行动作无关，隔开停顿时间，使作为升压用开关元件使用的S1和作为降压用开关元件使用的S2交互地进行接通/断开的动作。由此，可以使DC电抗线圈的电流通常连续动作，而不需要检测DC电抗线圈电流的不连续状态。

Description

充放电控制装置

技术领域

本发明涉及附随在由转换器驱动电动机的装置上，进行无停电控制以及再生运行电能的再利用的充放电控制装置。

背景技术

作为现有技术，例如有特开昭61-267675号公报，特开平11-299275号公报中所公开的技术。

这些现有技术是通过判断连接于转换器的电动机是处于动力运行还是再生运行状态而进行二次电池电压的升降。当处于动力运行时，通过提升二次电池的电压来向转换器的输入部供给电能，当处于再生运行时，使再生运行电能向二次电池充电。

在特开昭61-267675号公报中，检测转换器的输入电压值，根据与预先确定值的大小关系来判定电动机的动力运行·再生运行。而且，在特开平11-299275号公报中，是通过检测出转换器输入侧的电压和电流，并将这些值相乘，判定电动机的动力运行·再生运行。

图2所示的是没有利用本发明的情况的充放电控制装置。

图2所示的充放电控制装置，当电机处于动力运行时，将降压用开关元件S2置成断开的状态不动，通过对升压用开关元件S1进行脉冲化控制的升压斩波动作，提升二次电池8的电压而向转换器3的直流输入部供电。而且，当电动机6处于再生运行时，将升压用开关元件S1置成断开状态不动，通过对降压用开关元件S2进行脉冲化控制的降压斩波动作，降低转换器3的直流输入部的电压而向二次电池8充电。这样的充放电控制装置为了决定是对充放电控制装置进行升压斩波动作还是进行降压斩波动作，必须具备判定电动机负载是处于动力运行动作中还是处于再生运行动作中的装置。

而且，所述充放电控制装置，由于对应二次电池18的充放电进行升压斩波动作或者降压斩波动作，因此特别在流过电动机的电流很小时，存在流过DC电抗线圈7的电流不连续，控制特性恶化的问题。这种情况表示在图3中，在图3中，IL表示的是将从二次电池8流出的电流取正方向时，流过DC电抗线圈7的电流。图3(a)表示的是当电动机6处于动力运行的情况，波形40的电流连续，波形41的电流不连续的样子。此时，在开关元件S1的导通率d与平滑电容器5的端子间电压Vdc以及二次电池8的端子间电压Vbat之间，当电流连续时存在关系式(1)，当电流不连续时存在关系式(2)。

$\mathrm{Vdc}=\frac{\mathrm{Vbat}}{1-d}\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{Vdc}=\frac{V{\mathrm{bat}}^2{d}^2\mathrm{Tsw}}{2\mathrm{IoL}}+\mathrm{Vbat}\·\·\·\left(2\right)$

(这里，L：是DC电抗线圈值，Io：是转换器电流值，Tsw：是开关周期)

与此相对，图3(b)表示的是当电动机6处于再生运行的情况，波形42的电流连续，波形43的电流不连续的样子。此时，在开关元件S2的导通率d’与平滑电容器5的端子间电压Vdc以及二次电池8的端子间电压Vbat之间，当电流连续时存在关系式(3)，当电流不连续时存在关系式(4)。

$\mathrm{Vdc}=\frac{\mathrm{Vbat}}{d^{\text{'}}}\·\·\·\left(3\right)$

$\mathrm{Vdc}=\mathrm{Vbat}(1+\sqrt{1-\frac{8\mathrm{IoL}}{d^{\text{'}2}\mathrm{Vba}{t}^2\mathrm{Tsw}}})/2\·\·\·\left(4\right)$

如以上的公式(1)～(4)所示，在斩波动作中，流过DC电抗线圈7的电流在连续和不连续的情况下，对于导通率d或者d’的平滑电容器5的端子间电压Vdc的关系式是不同的。而且，在流过DC电抗线圈7的电流不连续的情况，在进行升压断续动作和降压断续动作的情况下，对于导通率d或者d’的平滑电容器5的端子间电压Vdc的关系式是完全不同的。因此，在所述装置中，判定流过电抗线圈7的电流是连续还是不连续，对应其结果切换控制系统的装置，以及判定电动机负载6是处于动力运行动作中还是处于再生运行动作中，对应其结果切换升压/降压斩波动作的装置都是必不可少的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种不需要所述的判定装置，并且以单一的控制系统不需要切换动作的充放电控制装置。

本发明的一个特征是：在所述充放电控制装置上，作为升压用开关元件使用的S1与作为降压用开关元件使用的S2与电动机负载的动力运行动作或再生运行动作无关，隔开停顿时间交互地进行导通/断开的动作。由此，可以使DC电抗线圈电流经常连续动作，而且由于与DC电抗线圈电流的大小方向无关，可以以单一的公式(5)记述开关元件S1的导通率d与平滑电容器5的端子间电压Vdc与二次电池8的端子间电压Vbat的关系式，因此也不需要判定动力运行/再生运行。

$\mathrm{Vdc}=\frac{\mathrm{Vbat}}{1-d}\·\·\·\left(5\right)$

附图说明

图1是表示本发明实施形态1的充放电控制装置的构成图。

图2是表示没有利用本发明的情况的充放电控制装置的构成图。

图3是表示图2所示的充放电控制装置的DC电抗线圈电流的波形图。

图4是图1和图2所示的充放电控制装置的Vdc电压控制特性的比较图。

图5是说明本发明电路动作的说明图。

图6是表示本发明实施形态1的控制电路21的动作流程图。

图7是表示本发明的停电检测装置以及电动机电流检测装置的图。

图8是表示本发明的Vdc电压的定电压控制系统的图。

图9是本发明的PWM发生装置的说明图。

图10是将本发明适用于一次电池系统的情况的实施形态2的图。

图11是将本发明适用于电梯系统的情况的实施形态3的图。

图12是将本发明适用于电梯系统的情况的实施形态3的图。

图13是表示充放电控制装置的升压开关元件和降压开关元件的动作的其他实施形态的图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的实施形态1。

图1是本发明的实施形态1的充放电控制装置的构成图。在图1中，1是交流电源；2是连接于交流电源1，将交流转换成直流电压的二极管电桥；5是平滑二极管电桥2的输出电压的平滑电容器；4是防止平滑电容器5的过电压的闸控电路；12是检测平滑电容器5端子间电压的电压检测器；3是通过平滑电容器5连接于二极管电桥2的交流侧将直流转换成交流的转换器；6是连接于转换器3的交流侧由转换器3驱动的电动机；100是双向性的升压电路；8是二次电池；7是DC电抗线圈；S1和S2是开关元件；D1和D2二极管；9是用于驱动开关元件S1的门驱动电路；10是用于驱动开关元件S2的门驱动电路；11是用于检测交流电源1的停电的电压检测器；13是用于检测电动机6的电流的电流检测器；20是用于检测DC电抗线圈7的电流的电流检测器；21是负责控制充放电控制装置全体的控制电路。

在以上的构成中，当交流电源1停电时，后述的停电检测电路根据电压检测器11的信号将停电检测信号发行到控制电路21上的微机上。接收该停电检测信号的所述微机为了控制平滑电容器5的端子间电压Vdc为定电压，开始进行在开关元件S1和S2的导通率控制。由此，即使在交流电源1停电的情况下，电动机6也可以继续正常的运转。

而且，当交流电源在正常的情况下，后述的电动机电流检测电路检测出电动机6为正常运转状态的情况下，如果二次电池8的剩余容量不是过不足，与停电一样，在平滑电容5的端子之间进行电压控制。此时，将平滑电容器5的端子间电压Vdc的电压指令值设定为比对所述交流电源进行二极管整流后的电压值更高的值，因此，将二极管电桥2置于逆偏置状态，切断从交流电源1通过二极管电桥流入转换器3的直流输入部的电流。由此，当电动机6在动力运行动作时，从二次电池8向电动机驱动供给必要的全部电能。相反，当电动机6为再生运行动作时，再生运行电能的全部向二次电池充电。通过进行以上的动作，再生运行时存储到二次电池的电能，在动力运行时被积极地利用，达到节省能源的效果。

接着，利用附图5对本发明的动作原理进行说明。

图5(a)是仅取出充放电控制装置的主电路的图。在该图中，60是将图1的转换器和电动机作为电流源负载而表现的装置。IL表示流过DC电抗线圈7的电流，Is1表示流过开关元件S1的电流，Is2表示流过开关元件S2的电流，Id1表示流过二极管D1的电流，Id2表示流过二极管D2的电流。图5(b)是对于负载电流Io接近零的情况，将图5(a)中的电路中各部的电流波形与开关模型一起表示的图。在该图中，Tsw表示开关周期，Td表示开关元件S1接通的时间，对于导通率d，具有Td＝d×Tsw的关系。

如波形63的IL电流波形所示，在本实施形态中，负载电流即使接近零，IL也不会不连续。这是由于：通过使开关元件S1和S2交替地接通/断开，电抗线圈电流的方向不会发生以往技术那样被二极管限制的缘故。而且，由于与IL的方向无关，输出电压可以以单一的公式(5)来描述，因此无需判断动力运行/再生运行的装置。

图4是表示图1和图2所示的装置的控制特性不同的一例。在图4中，特性曲线50是在以往的技术中，导通率d＝0.5的固定值，对于升压斩波控制时的负载电流的输出电压Vdc的特性。而且，特性曲线51是在以往的技术中，导通率d＝0.5的固定值，相对降压斩波控制时的负载电流的输出电压Vdc的特性。从这些特性曲线可以看出，以往技术中，负载电流Io等于零的点，控制特性为不连续的。对此，在本发明中，导通率d＝0.5时的特性如特性曲线52所示，可以看出，与负载电流Io无关，是连续的并且是固定值。

接着，采用附图6的流程图对控制电路21的动作进行说明。

图6是根据电动机电流的有无，开始Vdc电压的控制的程序，当电动机停止时，通过停止S1以及S2的开关动作以抑制伴随开关动作的电路损失。在图6中，于步骤80启动的程序，在步骤81判断是否有停电。如果在步骤81判断为停电时，在步骤82开始Vdc定电压控制后，在步骤85结束该程序。另一方面，如果在步骤81判断为非停电时，在步骤83判断电动机电流的有无。如果在步骤83判断为电动机电流有时，在步骤82开始Vdc定电压控制后，在步骤85结束该程序。另一方面，如果在步骤83判断为无电动机电流时，在将Vdc定电压控制置成停止状态后，在步骤85结束该程序。以上的程序以一定的时间间隔(比如0.1秒)启动。

接着，参照附图7(a)对控制电路21内部的停电检测电路的构成进行说明。

在图7(a)中，150是三相二极管电桥，151是低通滤波器，152是比较器，153是设定停电检测电平用的基准电压源，其他与图1的编号相同。交流电源1的电压值在电压检测器11上被绝缘以及降压，生成三相电压信号Vsdet。在二极管电桥151对Vsdet进行全波整流或半波整流，向低通滤波器151输入。其结果，在低通滤波器151的输出上，当交流电源1在正常时输出直流电压Vs_act。而当交流电源1在停电时，输出值为零。因此，通过在比较  152上对低通滤波器151的输出值与成为Vsghut＜Vs_act的Vshut进行比较，在比较器152的输出中，当交流电源正常时，得到高电平，当交流电源停电时得到低电平。这样通过将生成的比较器152的输出信号连接于微机的输入端子，可以使微机识别出发生了停电。

接着，参照附图7(b)同样地对控制电路21内部的电动机电流检测电路的构成与动作进行说明。

在图7(b)中，160是三相二极管电桥，161是低通滤波器，162是比较器，163是设定电动机电流检测电平用的基准电压源，其他编号与图1相同。电动机的电流值在电流检测器13上被绝缘以及变换成电压信号，向低通滤波器161输入。其结果，在低通滤波器161的输出上，当电动机6停止时为零，当电动机6运行时输出零以上的值。因此，通过在比较器162上对低通滤波器161的输出值与Vact_ac＞0的Vact_ac进行比较，在比较器162的输出中，当电动机停止时，得到高电平，当电动机运行时得到低电平。这样通过将生成的比较器162的输出信号连接于微机的输入端子，可以使微机识别出电动机电流的有无(即电动机是否在运行中)。

图7(c)是表示与电动机电流检测电路的图7(b)不同的其他实施形态的图。在图7(c)中，170是单相二极管电桥，171是低通滤波器，172是比较器，173是设定电动机电流检测电平用的基准电压源，其他编号与图1相同。转换器3的输入电流在电流检测器175被绝缘以及变换成电压信号，向低通滤波器171输入。其结果，低通滤波器171的输出当电动机6停止时为零，当电动机6运行时输出零以上的值。因此，通过在比较器172上对低通滤波器171的输出值与Vact_dc＞0的Vact_dc进行比较，比较器172的输出当电动机停止时，得到高电平，当电动机运行时得到低电平。这样通过将生成的比较器172的输出信号连接于微机的输入端子，可以使微机识别出电动机电流的有无(即电动机是否在运行中)。

接着，利用图8对Vdc定电压控制系统的动作进行说明。

在图8中，Vdc_ref是Vdc电压指令值，Gd是开关元件S1的导通信号，Gc是开关元件S2的导通信号，120、122和124是上限下限限制器，121和123是比例积分型控制器，125是PWM发生装置。在图8中，126形成Vdc电压控制系统，127形成将从电压控制系统126来的电流指令值作为输入的DC电抗线圈电流控制系统。

电压指令值Vdcref与实际的输出电压Vdc的差被输入到限制器120。在这里通过对上限下限的限制，防止控制后段的比例积分型控制器121的积分值增加过大。将限制器120的输出作为输入的比例积分控制器121为使Vdc接近Vdcref而计算出最合适的DC电抗线圈电流指令值。将比例积分控制器121的输出作为输入的限制器122负责对电流指令值给予上限下限的限制，上限限制值意味着二次电池8的放电电流限制值，下限限制值意味着二次电池8的充电电流限制值。这些充放电电流的限制值对应二次电池8的剩余容量以一定的时间间隔(比如0.1秒间隔)更新。由此，当二次电池的剩余容量少时，可以抑制放电，当二次电池的剩余容量过剩时可以抑制充电。限制器122的输出值作为新的电流指令值Ilref取实际的DC电抗线圈电流值IL的差分。这里，将得到的差分作为输入的比例积分型控制器123为使IL接近Ilref算出最合适的导通率指令值。将比例积分控制器123的输出作为输入的限制器124将后述的PWM发生装置的三角波信号Sig2的最大值设定为它的上限值。而将三角波信号Sig1的最小值设定为它的下限值。通过实施这个限制处理，防止以限制器124的输出信号comp为基础生成的开关信号的导通率成为零或者1。

接着，利用附图9对以限制器124的输出信号com为输入的PWM发生装置125的构成以及动作进行说明。在图9(b)的PWM发生装置的电路构成中，130是三角波发生器，131和132是比较器。在比较器131的负输入端子上，输入三角波发生器130的发生振幅为Vamp、周期为Tsw的三角波与Vofst叠加的信号Sig1，而在该比较器的正输入端子上，输入所述的信号comp。由此，在比较器131的输出端子Gd上，只要comp＞Sig1时，输出高电平。在另一方的比较器132的负输入端子上，输入所述的信号comp，而在该比较器的正输入端子上，输入三角波发生器130发生的三角波信号Sig2。由此，在比较器132的输出端子Gc上，只要comp＜Sig2时就输出高电平。对于以上说明的图9(b)的电路，输入满足公式(6)的关系的Vofst，进而当Gd、Gc为高电平时，为了使开关元件S1、S2导通，通过设定门驱动电路9的逻辑，可以实现隔开停顿时间Td交互地以开关频率Tsw控制开关元件S1和S2的接通/断开。

$\mathrm{Td}=\frac{\mathrm{TswVofst}}{2\mathrm{Vamp}}\·\·\·\left(6\right)$

在图9(a)中，表示前述的PWM发生装置的各部的波形与开关元件S1、S2的状态。

以上，根据图1说明的实施形态1，使用交流电源或使用二次电池作为通常情况的电源，在停电时使用二次电池。而图10所示的实施形态2是将图的交流电源1和二极管电桥2置换成一次电池140。

在图10所示的实施形态中，将Vdc的电压指令值Vdcref设定为比一次电池140的输出电压更高的值。其结果，在二次电池8的剩余容量在过放电水平以上又在过充电水平以下的情况下，优先使用二次电池8的电能。相反，当二次电池8的剩余容量不足时，一次电池向电动机负载6供给电能。这样，本来不具备充电功能的一次电池即作为电源，又可以充电再生运行电能，可以实现再利用，从而产生节省能源的效果。

图11是将本发明适用于电梯系统的实施形态3的图。

图12是将本发明适用于电梯系统的情况的实施形态3。在图11中，151是电机轴，150是驱动滑轮，152是滑轮，153是配重，154是搭乘箱体，155是钢缆，156是呼叫箱体的按钮，157是电梯系统的控制电路，158是箱体呼叫按钮的信号线，159是从电梯系统的控制电路157来的信号线，160是从电梯系统控制电路157向转换器3的信号线。在图11所示的电梯系统中，按下箱体呼叫按钮156后，从电梯系统的控制电路157经由信号线160对转换器3送出为了将搭乘箱体移动到呼叫的楼层的电动机6的驱动模型。而且，当在呼叫的楼层上去乘客后，从电梯系统的控制电路157经由信号线160对转换器3送出为了将搭乘箱体移动到目标的楼层的电动机6的驱动模型。

因此，在电梯系统的控制装置157上，在内部保持：箱体呼叫按钮或目标按钮是否被按下？目标楼层是否到达？这样的电梯的状态信号，通过信号线159将该状态信号输入到控制电路21，如果在控制电路21中执行后述的图12的流程图，则不用检测电动机6的电流而可以停止在电动机停止时的S1、S2的开关动作。这样，如电梯那样地，在可以容易得到电动机6的起动/停止的时序信息的用途中，可以以比图1所示的实施形态1更简单的构成而实现。

接着，说明图12的流程图。

在图12中，在步骤90启动的程序在步骤91判定是否有停电。当在步骤91判定为停电时，在步骤94开始Vdc定电压控制后，在步骤96结束程序。另一方面，当在步骤91判定为不是停电时，在步骤92判定是否按下呼叫箱体按钮或去向按钮。如果在步骤92判定没有按下呼叫箱体和去向按钮的情况下，在步骤95将Vdc定电压控制置成停止状态后，在步骤96结束程序。而当在步骤92判定呼叫箱体按钮或去向按钮被按下的情况下，在步骤93判定是否到达目的楼层。当在步骤93判定到达目的楼层时，转移到步骤95，将Vdc定电压控制置成停止状态后，在步骤96结束程序。另一方面，当在步骤93判定为没有到达目的楼层时，在步骤94开始Vdc定电压控制后，在步骤96结束程序。以上说明的图12的程序以一定的时间间隔(比如0.1秒)启动。

图13是表示图1所示的升压用开关元件S1和降压用开关元件的其它动作例的图。

在上述的实施形态中，如图9所示，使升压用开关元件S1和降压用开关元件交互地接通和断开。但是，如图13(a)(b)所示，也可以不是交互地接通、断开。只要在动力运行动作中和再生运行动作中分别具有升压用开关元件S1和降压用开关元件的两方的接通时间就可以。

通过进行这样的开关动作，可以不必进行是动力运行还是再生运行动作的判断而进行充放电的控制。

Claims (12)

1.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

连接交流电源，将交流转换成直流的二极管电桥；

通过平滑电容器，连接于所述二极管电桥的直流侧，将直流转换成交流的转换器；

连接在该转换器的交流侧的电动机；

通过具有第一开关元件和第二开关元件的双向性的升降压电路，与所述平滑电容器并联连接的二次电池；

在所述电动机的动力运行与再生运行的各自的动作中，使所述第一开关元件以及所述第二开关元件至少接通一次的控制装置。

2.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

连接交流电源，将交流转换成直流的二极管电桥；

通过平滑电容器，连接于所述二极管电桥的直流侧，将直流转换成交流的转换器；

连接在该转换器的交流侧的电动机；

通过具有第一开关元件和第二开关元件的双向性的升降压电路，与所述平滑电容并联连接的二次电池；

使所述第一开关元件以及所述第二开关元件交互地接通·断开的控制装置。

3.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

连接交流电源，将交流转换成直流的二极管电桥；

通过平滑电容器，连接于所述二极管电桥的直流侧，将直流转换成交流的转换器；

连接在该转换器的交流侧的电动机；

通过降压用开关元件，与所述平滑电容器并联连接的升压用开关元件；

通过电抗线圈与所述升压用开关元件并联连接的二次电池；

在所述电动机的动力运行与再生运行的各自的动作中，使所述降压用开关元件以及所述升压用开关元件至少接通一次的控制装置。

4.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

连接交流电源，将交流转换成直流的二极管电桥；

通过平滑电容器，连接于所述二极管电桥的直流侧，将直流转换成交流的转换器；

连接在该转换器的交流侧的电动机；

通过降压用开关元件，与所述平滑电容并联连接的升压用开关元件；

通过电抗线圈与所述升压用开关元件并联连接的二次电池；

使所述降压用开关元件以及所述升压用开关元件交互地接通·断开的控制装置。

5.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

将交流电源转换成直流输出电压的二极管电桥；

连接于所述二极管电桥的直流输出侧的平滑电容；

将所述平滑电容的直流电压转换成可变频率、可变电压的转换器；

由所述转换器驱动的电动机；

与所述平滑电容器通过双向性的升降压电路连接的二次电池；

隔开停顿时间使所述升降压电路的第一开关元件以及所述第二开关元件交互地接通·断开的控制装置。

6.如权利要求5所述的充放电控制装置，其特征在于：具备将所述平滑电容器的电压控制在比在所述二极管电桥上整流的电压值更高的固定值的装置。

7.如权利要求6所述的充放电控制装置，其特征在于：具备：检测所述交流电源的停电的检测装置；响应该检测装置，开始所述升降压电路的门开关动作的装置。

8.如权利要求6所述的充放电控制装置，其特征在于：具备：检测所述电动机的驱动电流的检测装置；响应该检测装置，开始所述升降压电路的门开关动作的装置。

9.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

连接交流电源，将交流转换成直流的二极管电桥；

平滑电容器；

通过该平滑电容器，连接于所述二极管电桥的直流侧，将直流转换成交流的转换器；

连接在该转换器的交流侧的电动机；

通过具有第一开关元件和第二开关元件的双向性的升降压电路，与所述平滑电容并联连接的二次电池；

由所述电动机驱动升降的电梯箱体；

呼叫电梯箱体的按钮；

在所述电动机的动力运行与再生运行的各自的动作中，使所述第一开关元件以及所述第二开关元件至少接通一次的控制装置，

当发生由所述箱体呼叫按钮的箱体呼叫时，开始进行由所述控制装置控制的所述第一开关元件以及第二开关元件的接通·断开的动作。

10.一种充放电控制装置，其特征在于：具备：

连接交流电源，将交流转换成直流的二极管电桥；

平滑电容器；

通过该平滑电容器，连接于所述二极管电桥的直流侧，将直流转换成交流的转换器；

连接在该转换器的交流侧的电动机；

通过具有第一开关元件和第二开关元件的双向性的升降压电路，与所述平滑电容并联连接的二次电池；

由所述电动机驱动升降的电梯箱体；

在所述电动机的动力运行与再生运行的各自的动作中，使所述第一开关元件以及所述第二开关元件至少接通一次的控制装置，

当到达所述箱体的目的楼层时，结束进行由所述控制装置控制的所述第一开关元件以及第二开关元件的接通·断开的动作。

11.如权利要求3或4所述的充放电控制装置，其特征在于：具备：检测所述二次电池的剩余容量的装置；

对应该检测值，使关于所述电抗线圈的电流控制系统的电流指令值的限制值变化的装置。

12.如权利要求1～11中任意一项所述的充放电控制装置，其特征在于：由将所述二极管电桥置换成为一次电池的结构构成。

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