JP2004180427A - 電源回生コンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】三相交流電源の電圧位相を回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングからずれた位相で検出でき、三相交流電源の電圧に不平衡や高調波歪みがあるときは回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングを補正すること。
【解決手段】位相検出部２０は、三相交流電源２の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出により検出する。回生信号生成２２は、位相検出部２０からの相電圧位相検出信号に基づき回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオン・オフ動作させる。回生信号生成２２は、交流電圧波形検出部２１の出力に基づき三相交流電源２の電圧波形を監視し、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、生成する回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正し、また、平滑コンデンサＣの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相を検出し、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相を補正する。
【選択図】 図１
【解決手段】位相検出部２０は、三相交流電源２の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出により検出する。回生信号生成２２は、位相検出部２０からの相電圧位相検出信号に基づき回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオン・オフ動作させる。回生信号生成２２は、交流電圧波形検出部２１の出力に基づき三相交流電源２の電圧波形を監視し、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、生成する回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正し、また、平滑コンデンサＣの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相を検出し、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相を補正する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電源回生コンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電源回生コンバータは、三相誘導電動機を可変速制御するインバータ装置と三相交流電源との間に配置され、三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を三相交流電源に回生する装置である。
【０００３】
この電源回生コンバータは、インバータ装置内の全波整流ダイオード群に接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに並列に設けられ、３つの上アームと３つの下アームとを構成する都合６個の回生トランジスタと、６個の回生トランジスタをオン・オフ制御する制御回路とを備える。
【０００４】
上記平滑コンデンサは、三相誘導電動機の力行時に全波整流ダイオード群にて整流された直流電圧で充電される。制御回路は、平滑コンデンサの端子電圧が三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力によって上昇し、三相交流電源の電圧よりも高くなると、６個の回生トランジスタを三相交流電源の電圧位相に同期させてオン・オフ動作させ、平滑コンデンサに蓄積された電力を三相交流電源に回生するように動作する。
【０００５】
ここで、従来では、次のようにして６個の回生トランジスタのオン・オフ動作関係を三相交流電源の電圧位相に同期させている。すなわち、制御回路では、三相交流電源の線間電圧のゼロクロス点検出によって生成される位相検出信号と三相交流電源の検出電圧とに基づき、３つの上アームと３つの下アームのうち、電圧が最大の相に接続される上アームの回生トランジスタと電圧が最小の相に接続される下アームの回生トランジスタとをオン動作させ、その他はオフ動作させる駆動信号を対応する回生トランジスタに与えるようにしている（例えば特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５３６８６号公報（００１８〜００２１、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電源回生コンバータでは、位相検出信号の変化タイミングと回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングとが一致しているので、回生トランジスタのオン・オフ動作に起因して発生するスパイク状の歪み電圧の影響を受けて電源位相の検出を誤る場合が生じ、回生トランジスタを誤ってオン動作させるなど動作が不安定になる場合があった。
【０００８】
また、三相交流電源の相電圧に不平衡が生じている場合には、駆動信号の変化タイミングと相電圧の切り替わりタイミング（線間電圧のゼロクロス点）とにずれが生ずる。この場合には、従来では、電源電圧と直流母線電圧との電圧差の大きいところでも回生トランジスタをオン動作させるので、過大な回生電流が流れる。
【０００９】
さらに、回生エネルギーが小さくなると、電源電圧位相のピーク付近で回生電流がゼロの近くになることを利用し、線間電圧が最大となる位相での回生電流をモニターし、小さい場合には回生動作を停止するようにしているが、電源電圧に高調波歪みが生じていると、従来では、回生停止判断を誤り、回生動作を停止しない場合があった。
【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、三相交流電源の電圧位相を回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングからずれた位相で検出でき、三相交流電源の電圧に不平衡や高調波歪みがあるときは回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングを補正する手段を備えた電源回生コンバータを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明にかかる電源回生コンバータは、三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、前記回生信号生成手段が生成する前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、すなわち、三相電圧に不平衡があるときは、その不平衡状態に合わせて回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正することができる。
【００１３】
つぎの発明にかかる電源回生コンバータは、三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、前記平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相を検出し、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相の回生電流を利用して回生動作の停止判断を行うので、電源電圧に高調波歪みが発生している場合でも安定して回生動作とその停止が行える。
【００１５】
つぎの発明にかかる電源回生コンバータは、上記の発明において、前記位相検出手段は、前記三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出するので、位相検出信号の変化タイミングを回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングとは異ならせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電源回生コンバータの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、この発明を適用する電源回生コンバータの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、電源回生コンバータ１は、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電圧を発生する三相交流電源２と、三相誘導電動機（以下「モータ」という）３を可変速制御するインバータ装置４との間に配置される。なお、図１では、三相交流電源２とインバータ装置４との接続ラインは図示を省略した。
【００１９】
電源回生コンバータ１は、交流電源端子１１，１２，１３を備えている。三相交流電源２の各電源端子は、リアクトル（ＬＲ、ＬＳ、ＬＴ）５を介して交流電源端子１１，１２，１３に接続されている。また、電源回生コンバータ１は、直流電源端子１４，１５を備えている。直流電源端子１４，１５は、インバータ装置４内の直流母線に接続されている。
【００２０】
電源回生コンバータ１内には、直流電源端子１４，１５に接続される直流母線１６，１７が配置され、直流母線１６，１７間には、平滑コンデンサＣが接続されている。平滑コンデンサＣの両端は、直流電圧検出部１８に接続されている。また、直流母線１６には、回生電流検出器１９が配置されている。
【００２１】
直流母線１６，１７間には、直列接続した回生トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２、回生トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４、および回生トランジスタＴｒ５，Ｔｒ６の３組が並列に接続されている。すなわち、直流母線１６間には、上アームを構成する回生トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５のコレクタ端子が接続され、直流母線１７には、下アームを構成する回生トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６のエミッタ端子が接続されている。
【００２２】
そして、回生トランジスタＴｒ１のエミッタ端子と回生トランジスタＴｒ２のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子１１に接続されている。回生トランジスタＴｒ３のエミッタ端子と回生トランジスタＴｒ４のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子１２に接続されている。回生トランジスタＴｒ５のエミッタ端子と回生トランジスタＴｒ６のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子１３に接続されている。なお、これらの回生トランジスタには、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。すなわち、ダイオードのアノード端子は回生トランジスタのエミッタ端子に接続され、ダイオードのカソード端子は回生トランジスタのコレクタ端子に接続されている。
【００２３】
また、交流電源端子１１，１２，１３には、電源位相検出部２０と交流電圧波形検出部２１とが接続され、電源位相検出部２０と交流電圧波形検出部２１の各出力端は、回生信号生成部２２に接続されている。直流電圧検出部１８の出力端と回生電流検出器１９の出力端もそれぞれ回生信号生成部２２に接続されている。回生信号生成部２２の６つの出力端は、回生トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６の対応するベース端子に接続されている。
【００２４】
以上の構成において、この発明の理解を容易にするため、図２〜図６を参照して電源回生コンバータの一般的な動作について説明する。なお、図２は、図１に示す電源回生コンバータでの回生動作の開始と停止を説明するタイムチャートである。図３は、図１に示す電源回生コンバータで一般的に行われている回生動作を説明するタイムチャートである。図４は、図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。図５は、図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【００２５】
図１と図２において、回生動作の開始は、次のようにして行われる。図２（１）に示すように、交流電圧波形検出部２１は、三相交流電源２の波高値Ｖｐｒ−ｓを検出し、それを電源電圧波高値Ｖｒｓｆとして回生信号生成部２２に出力している。一方、直流電圧検出部１８では、平滑コンデンサＣの端子電圧、つまり直流母線１６，１７の電圧を検出し、検出した直流母線電圧Ｖｐｎを回生信号生成部２２に出力している。さらに、位相検出部２０は、三相交流電源２の電圧位相を検出し、それを回生信号生成部２２に出力している。なお、位相検出部２０は、従来では、線間電圧のゼロクロス点検出による相間電圧位相を検出している。
【００２６】
モータ３の減速制御が行われると、発生した誘導起電力による電流が平滑コンデンサＣに流れ込み、平滑コンデンサＣの端子電圧が上昇する。その結果、平滑コンデンサＣの端子電圧が三相交流電源２の三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）のうちの一相の電圧よりも高くなり、平滑コンデンサＣの端子電圧と三相交流電源２の電圧との間に電圧差が生ずる。
【００２７】
そこで、回生信号生成部２２では、図２（１）に示すように、交流電圧波形検出部２１にて検出される電源電圧波高値Ｖｒｅｆと直流電圧検出部１８にて検出される直流母線電圧値Ｖｐｎとを比較し、直流母線電圧値Ｖｐｎが電源電圧波高値Ｖｒｅｆよりも高くなったとき、位相検出部２０からの位相検出信号に基づいて回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動信号（回生信号）を生成し、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御動作を開始する。回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御動作の内容は後述する（図３）。
【００２８】
その結果、平滑コンデンサＣから回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６，電源端子１１〜１３，リアクトル５を介して三相交流電源２に向かう三相の回生電流が生ずる（図２（３））。回生電流検出器１９は、直流母線１６を流れる母線電流を検出し、回生電流検出信号Ｉｐｎを回生信号生成部２２に出力する。電源回生が開始されると、図２（４）の左方に示すように、大振幅の回生電流が検出される。
【００２９】
次に、回生動作の停止は、次のようにして行われる。電源回生動作が開始すると、モータ減速中であっても直流母線電圧値Ｖｐｎと電源電圧波高値Ｖｒｅｆとの間では、回生トランジスタのオン電圧分の差が生じるのみで、その電圧差は極めて小さくなる。その結果、直流母線電圧値Ｖｐｎの低下のみで回生停止を判断すると、頻繁に回生の開始と停止が繰り返され、間欠的に回生動作が行われるので、動作が不安定となる。
【００３０】
そこで、回生信号生成部２２では、回生電流検出信号Ｉｐｎと直流母線電圧値Ｖｐｎとから回生動作の停止時期を判断するようにしている。具体的には、モータからの回生電流が少なくなると、つまり回生エネルギーが小さくなると、電源回生コンバータ１の回生電流（回生電流検出信号Ｉｐｎ）は、図２（４）の右方に示すように、電源電圧位相のピーク付近で電流がゼロに近くなる。これを利用して、線間電圧の電圧値が最大を示す位相、すなわち図２（４）の右方に示す＊印で示す時点において、回生電流をモニターし、回生電流検出信号Ｉｐｎが所定値以下になると、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御動作を停止する。
【００３１】
次に、図１と図３を参照して、電源回生中での動作を説明する。上記のように電源回生は、平滑コンデンサＣの端子電圧と三相交流電源２の電圧との電圧差を利用して行われ、回生電流にリアクトル５による電流制限を掛けるので、オン・オフ動作させる回生トランジスタの位相を誤ると、電圧差が大きくなり、急激に大電流が流れ、装置の停止や破損を招くおそれがある。そこで、電源位相の検出と回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御とは、次のようにして行われている。
【００３２】
位相検出部２０では、図３（２）に示すように、線間電圧のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点間で高レベル（以下、「Ｈレベル」という）と低レベル（以下、「Ｌレベル」という）とに交互に変化する位相検出信号を発生している。すなわち、Ｒ−Ｓ間電圧位相検出信号は、Ｒ相電圧−Ｓ相電圧＞０である期間は、“Ｈ”レベルを維持し、Ｒ相電圧−Ｓ相電圧＝０のときに、“Ｌ”レベルに立ち下がり、Ｒ相電圧−Ｓ相電圧＜０である期間は、“Ｌ”レベルを維持し、図示してないが、次にＲ相電圧−Ｓ相電圧＝０となるときに“Ｈ”レベルに立ち上がり、これを繰り返す信号である。Ｓ−Ｔ間電圧位相検出信号とＴ−Ｒ間電圧位相検出信号についても同様である。
【００３３】
回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御に関しては、上アームの回生トランジスタＴｒｌ，Ｔｒ３，Ｔｒ５は、三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の電圧のうち最大電圧の相においてオン動作させる必要がある。逆に下アームの回生トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６は、三相の電圧のうち最小電圧の相においてオン動作させる必要がある。そして、相電圧が入れ替わる線間電圧のゼロクロス点においてオン・オフ動作関係を切り換える必要がある。
【００３４】
そこで、回生信号生成部２２は、位相検出部２０からの３つの線間電圧位相検出信号（図３（２））と交流電圧波形検出部２１からの電源電圧波高値Ｖｒｅｆとに基づき、３つの上アームと３つの下アームのうち、電圧が最大の相に接続される上アームの回生トランジスタと、電圧が最小の相に接続される下アームの回生トランジスタとをオン動作させ、その他はオフ動作させる回生信号を対応する回生トランジスタに与えるようにしている。
【００３５】
その結果、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、図３（３）に示すような関係でオン動作とオフ動作とを行う。上アームの回生トランジスタＴｒｌ，Ｔｒ３，Ｔｒ５では、回生トランジスタＴｒｌは、Ｒ相電圧が最大である期間内、つまりＲ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ１０からＲ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ５０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ３は、Ｓ相電圧が最大である期間内、つまりＳ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ５０からＳ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ９０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ５は、Ｔ相電圧が最大である期間内、つまりＴ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ９０からＴ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１０までの期間内オン動作を行う。
【００３６】
また、下アームの回生トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６では、回生トランジスタＴｒ２は、Ｒ相電圧が最小である期間内、つまりＲ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ７０からＲ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ１１０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ４は、Ｓ相電圧が最小である期間内、つまりＳ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１１０からＳ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ３０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ６は、Ｔ相電圧が最小である期間内、つまりＴ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ３０からＴ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ７０までの期間内オン動作を行う。
【００３７】
すなわち、上アームの回生トランジスタＴｒｌがオン動作を行う時刻ｔ１０から時刻ｔ５０までの期間内では、時刻ｔ１０から時刻ｔ３０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ４がオン動作をし、時刻ｔ３０から時刻ｔ５０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ６がオン動作をしている。上アームの回生トランジスタＴｒ３がオン動作を行う時刻ｔ５０から時刻ｔ９０までの期間内では、時刻ｔ５０から時刻ｔ７０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ６がオン動作をし、時刻ｔ７０から時刻ｔ９０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ２がオン動作をしている。上アームの回生トランジスタＴｒ５がオン動作を行う時刻ｔ９０から時刻ｔ１０までの期間内では、時刻ｔ９０から時刻ｔ１１０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ２がオン動作をし、時刻ｔ１１０から時刻ｔ１０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ４がオン動作をしている。
【００３８】
これによって、図３（４）に示すようなパルス状波形の回生電流（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）が平滑コンデンサＣ→回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６→リアクトル５（ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ）→三相交流電源２と流れる。
【００３９】
ここで、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作に起因して三相交流電源２の電圧にスパイク状の歪み電圧が発生するが、図３（２）（３）から理解できるように、線間電圧位相検出信号の変化タイミングは、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作タイミングと一致している。したがって、線間電圧の位相検出を行う位相検出部２０では、電源位相の検出を誤る場合が生じ、回生信号生成部２２では、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を誤ってオン動作させる場合があった。その対策として、従来では、位相検出部２０の電源入力端をリアクトル５と三相交流電源２との間に接続する措置や、電流制限用の抵抗器を追加する措置が採られている。
【００４０】
また、図４（１）に示すように、例えばＲ相電圧が他の相電圧よりも高くなるような不平衡が生ずると、線間電圧の位相検出を行う位相検出部２０では、正常時のゼロクロス点から時間ｔずれた位置をゼロクロス点として検出することが起こる。その結果、回生信号生成部２２では、図４（２）（３）に示すように、電源電圧と直流母線電圧の電圧差の大きいところでも回生トランジスタをオン動作させることが起こり、図４（４）に示すように、回生電流が過大になる現象が現れる。
【００４１】
また、回生動作の停止判断時において、図５（１）に示すように電源電圧に高調波歪を生じているような場合には、回生電流が図５（２）に示すような波形に変化する。そうすると、回生停止の判断を図中＊印の位置でサンプリングした電流値で行っていると、回生停止判断を誤り、回生動作が停止しない場合があった。
【００４２】
そこで、この発明では、位相検出部２０が電源位相を回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングを外した位相で検出できるように構成し、また、回生信号生成部２２が電源不平衡時や高調波歪みに対して補正操作できるように構成している。以下、具体的に説明する。
【００４３】
図６は、この発明の一実施の形態として図１に示す位相検出部および回生信号生成部の構成例を示すブロック図である。図７は、図６に示す位相検出部および回生信号生成部を備えたこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータでの回生動作を説明するタイムチャートである。図８は、図６に示す回生信号生成部の回生信号生成動作を説明するタイムチャートである。
【００４４】
図６において、この実施の形態による位相検出部２０では、位相検出用のホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３を備え、各相電圧のゼロクロス点検出による位相検出信号を回生信号生成部２２に出力するようになっている。
【００４５】
ホトカプラＯＩ１の発光ダイオードは、アノードが電流制限用の抵抗器Ｒ１を介してＲ相の交流電源端子１１に接続されている。また、この発光ダイオードには、ダイオードＤ１１が逆並列に接続されている。ホトカプラＯＩ２の発光ダイオードは、アノードが電流制限用の抵抗器Ｒ２を介してＳ相の交流電源端子１２に接続されている。また、発光ダイオードには、ダイオードＤ１２が逆並列に接続されている。ホトカプラＯＩ３の発光ダイオードは、アノードが電流制限用の抵抗器Ｒ３を介してＴ相の交流電源端子１３に接続されている。また、発光ダイオードには、ダイオードＤ１３が逆並列に接続されている。
【００４６】
そして、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３の発光ダイオードのカソードは、互いに接続されている。また、ホトカプラＯＩ１のホトトランジスタは、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がインバータ６１を介して回生信号生成部２２に接続されている。コレクタ端子とインバータ６１との接続ラインはプルアップ抵抗器Ｒ１１を介して電源に接続されている。
【００４７】
ホトカプラＯＩ２のホトトランジスタは、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がインバータ６２を介して回生信号生成部２２に接続されている。コレクタ端子とインバータ６２との接続ラインはプルアップ抵抗器Ｒ１２を介して電源に接続されている。ホトカプラＯＩ３のホトトランジスタは、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がインバータ６３を介して回生信号生成部２２に接続されている。コレクタ端子とインバータ６３との接続ラインはプルアップ抵抗器Ｒ１３を介して電源に接続されている。
【００４８】
この実施の形態による位相検出部２０の構成によれば、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３およびダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３の電圧降下を無視すると、本回路は三相交流電源２に抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３をスター結線した回路であるので、３相正弦波交流電流が流れることになる。したがって、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３の出力であるＲ相，Ｓ相，Ｔ相の各電圧位相検出信号は、前記３相正弦波交流電流の向きで決定される。
【００４９】
すなわち、ホトカプラＯＩ１は、三相交流電源２のＲ相電圧が“＋”のときにオン動作を行い、インバータ６１の入力レベルを“Ｌ”レベルにする。また、ホトカプラＯＩ１は、Ｒ相電圧が“−”のときにオフ動作を行い、インバータ６１の入力レベルを“Ｈ”レベルにする。したがって、インバータ６１は、Ｒ相電圧が“＋”である期間内“Ｈ”レベルとなるＲ相電圧位相検出信号を回生信号生成部２２に出力する。
【００５０】
ホトカプラＯＩ２は、三相交流電源２のＳ相電圧が“＋”のときにオン動作を行い、インバータ６２の入力レベルを“Ｌ”レベルにする。また、ホトカプラＯＩ２は、Ｓ相電圧が“−”のときにオフ動作を行い、インバータ６２の入力レベルを“Ｈ”レベルにする。したがって、インバータ６２は、Ｓ相電圧が“＋”である期間内“Ｈ”レベルとなるＳ相電圧位相検出信号を回生信号生成部２２に出力する。
【００５１】
ホトカプラＯＩ３は、三相交流電源２のＴ相電圧が“＋”のときにオン動作を行い、インバータ６３の入力レベルを“Ｌ”レベルにする。また、ホトカプラＯＩ３は、Ｔ相電圧が“−”のときにオフ動作を行い、インバータ６３の入力レベルを“Ｈ”レベルにする。したがって、インバータ６３は、Ｔ相電圧が“＋”である期間内“Ｈ”レベルとなるＴ相電圧位相検出信号を回生信号生成部２２に出力する。
【００５２】
したがって、中性点を基準としたときの三相交流電源２の各相電圧と図６に示す位相検出部２０が出力するＲ相，Ｓ相，Ｔ相の各電圧位相検出信号とは、図７（１）（２）に示す関係となる。
【００５３】
すなわち、Ｒ相電圧は、時刻ｔ００で“―”から“＋”に変化し、時刻ｔ６０で“＋”から“−”に変化する。位相検出部２０の抵抗器Ｒ１を流れる電流も同波形となるので、Ｒ相電圧位相検出信号も時刻ｔ００で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化し、時刻ｔ６０で“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化する。
【００５４】
Ｓ相電圧は、時刻ｔ４０で“―”から“＋”に変化し、時刻ｔ１００で“＋”から“−”に変化する。位相検出部２０の抵抗器Ｒ２を流れる電流も同波形となるので、Ｓ相電圧位相検出信号も時刻ｔ４０で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化し、時刻ｔ１００で“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化する。
【００５５】
同様に、Ｔ相電圧は、時刻ｔ２０で“＋”から“−”に変化し、時刻ｔ８０で“―”から“＋”に変化する。位相検出部２０の抵抗器Ｒ３を流れる電流も同波形となるので、Ｔ相電圧位相検出信号も時刻ｔ２０で“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化し、ｔ８０で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化する。
【００５６】
ここで、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、図３（３）にて説明したタイミング関係でオン・オフ動作することが必要であるので、後述するように、図６に示す回生信号生成部２２は、図７（２）に示す相電圧位相信号を受けて、図７（３）に示すように、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を図３（３）にて説明したタイミング関係と同様のタイミング関係でオン・オフ動作させる駆動信号を発生するようになっている。
【００５７】
すなわち、図７（３）において、回生トランジスタＴｒ１は、Ｒ相電圧が最大である期間内、つまりＲ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ１０からＲ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ５０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ２は、Ｒ相電圧が最小である期間内、つまりＲ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ７０からＲ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ１１０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ３は、Ｓ相電圧が最大である期間内、つまりＳ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ５０からＳ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ９０までの期間内オン動作を行う。
【００５８】
回生トランジスタＴｒ４は、Ｓ相電圧が最小である期間内、つまりＳ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１１０からＳ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ３０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ５は、Ｔ相電圧が最大である期間内、つまりＴ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ９０からＴ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ６は、Ｔ相電圧が最小である期間内、つまりＴ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ３０からＴ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ７０までの期間内オン動作を行う。
【００５９】
図７（２）（３）から理解できるように、図６に示す位相検出部２０が発生する相電圧位相検出信号の変化点は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のいずれもがスイッチング動作しないタイミングとなっている。したがって、図６に示す位相検出部２０は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作切り換えに伴って発生するスパイク状の歪電圧の影響を受けずに位相検出を行うことができる。
【００６０】
また、相電圧位相検出信号の変化点は、検出する相のトランジスタがオフ動作を行っている期間内にあるので、回生動作により位相検出できなくなることがない。例えば、図７（３）において時刻ｔ００においては、回生トランジスタＴｒ４，Ｔｒ５がオン動作を行ってるのでその影響でリアクトル５のＬＳ端子電圧とＬＴ端子電圧は、元の電源電圧に対して変化しているが、リアクトル５のＬＲ端子電圧は変化していない。したがって、Ｒ相電圧の位相検出は正常に行うことができる。斯くして、この実施の形態によれば、位相検出部２０の電源入力端をリアクトル５と三相交流電源２との間に接続する措置や、電流制限用の抵抗器を追加する措置は不要とすることができる。
【００６１】
次に、図６に示す回生信号生成部２２は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作関係を上記のように本来のタイミングで制御する過程で、電圧不平衡や波形歪みに対する補正操作が行えるように構成されている。まず、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を上記のように本来のタイミングでオン・オフ動作させる構成について説明する。
【００６２】
図６において、回生信号生成部２２では、位相検出部２０のインバータ６１，６２，６３の出力（各相電圧の位相検出信号）が、排他的論理和回路６５とマイクロ・プロセッサ・ユニット（以下「ＭＰＵ」という）とに入力されている。排他的論理和回路６５は、入力される三相の相電圧位相検出信号のいずれかが変化して時点を検出する。排他的論理和回路６５の出力は、ラッチ回路６７に制御信号として入力されている。
【００６３】
タイマー６６は、回生信号生成の基準となるタイマー値を発生するフリーランカウント型のタイマーであるが、そのタイマー値は、コンパレータ６８とラッチ回路６７とＭＰＵ６９とに入力されている。
【００６４】
ラッチ回路６７は、排他的論理和回路６５が出力する、３つの相電圧位相検出信号のいずれかが変化した時点におけるタイマー６６のタイマー値をラッチし、ＭＰＵ６９に保持出力する。これによって、ＭＰＵ６９では、電源位相の変化した時刻を知ることができる。
【００６５】
ＭＰＵ６９は、三相の相電圧位相信号とその変化した時刻でのタイマー６６からのタイマー値とから、電源周期と回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を次にオン／オフさせる時刻（次回相切換時間）を演算し、その演算した時刻を回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン／オフ指令値としてコンパレータ６８に出力する。
【００６６】
コンパレータ６８は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対応した６個の比較器を有し、オン／オフ指令値とタイマー６６からのタイマー値とが一致したときに、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６への駆動信号を変化させる。
【００６７】
図８を参照して、ＭＰＵ６９での演算内容を具体的に説明する。タイマー６６の出力（図８（３））のうち、三相の相電圧位相検出信号（図８（２））のいずれかが変化した時点でのタイマー値がラッチ回路６７に保持され、ＭＰＵ６９に逐一取り込まれ、記憶される（図８（４））。
【００６８】
図８（４）では、タイマー値ｔｎ−１２，ｔｎ−１１，・・，ｔｎ−ｎ，ｔｎが三相の相電圧位相検出信号（図８（２））の変化時点毎に蓄積される様子が示されている。ＭＰＵ６９は、その記憶したタイマー値（図８（４））と位相検出部２０から入力される三相の相電圧位相検出信号（図８（２））とに基づき、次のようにして電源周期と次回相切換時間とを算出する。
【００６９】
すなわち、図６に示す位相検出部２０では、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３によって各相のゼロクロス点を検出し、正負に変化する相電圧位相検出信号を出力するが、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３の電流伝達率のばらつき等による影響で、この相電圧位相検出信号の変化タイミングと、実際の電源電圧の正負変化のタイミングとにはずれが生じている。
【００７０】
そこで、ＭＰＵ６９では、このタイミングずれの影響を受けないようにするために、電源周期は、同相の同エッジの間隔の時間によって算出するようにしている。例えば、今回のＲ相電圧の立ち上がりエッジから前回のＲ相の立ち上がりエッジまでの時間によって算出する。具体的には、式（１）を用いて各相の平均演算を行うことで検出誤差の影響を抑えている。
【００７１】
【数１】
【００７２】
また、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動信号の切換時間（次回相切換時間）の演算では、駆動信号の切り換えを行わない位相の相電圧位相検出信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間の中間点の時刻を求めることを行う。これによって、例えば、回生トランジスタＴｒ１をオン動作からオフ動作に切り換え、回生トランジスタＴｒ３をオフ動作からオン動作に切り換えるタイミングは、Ｔ相電圧位相検出信号の立ち下がりから立ち上がりまでの中間点となる。
【００７３】
つまり、次回相切換時間は、時刻ｔｎ−１と時刻ｔｎ−４との中間時刻に電源周期の半周期を加えた次式（２）
次回相切換時間＝［｛（ｔｎ−１）＋（ｔｎ−４）｝／２］＋電源周期／２…（２）
によって求めることができる。このようにして求められた電源周期と次回相切換時間とに基づき回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動信号が生成されるので（図８（５））、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、本来のタイミングでオン・オフ動作することになる。
【００７４】
次に、図６に示す回生信号生成部２２が電源電圧波形検出部２１の検出波形に基づき電圧不平衡や高調波歪みに対する補正操作を行う構成について説明する。図９は、この発明の一実施の形態として図１に示す電源電圧波形検出部２１の構成例を示すブロック図である。
【００７５】
図９において、電源電圧波形検出部２１は、ダイオードＤ３１〜Ｄ３６による３相ブリッジ整流回路を備えている。この３相ブリッジ整流回路は、三相交流電源２からリアクトルＬＲ，ＬＳ，ＬＴを介して入力される三相電圧を整流する。この３相ブリッジ整流回路の“＋”“−”出力間には、抵抗器Ｒ４，Ｒ５の直列回路による抵抗分圧回路が接続され、整流された脈流波形電圧の分圧電圧が抵抗器Ｒ５の両端に現れる。抵抗器Ｒ５の両端電圧は、アンプ９１を介してＡ／Ｄ変換器９２に入力される。Ａ／Ｄ変換器９２は、３相ブリッジ整流回路にて整流された脈流電圧波形をサンプリングし、各サンプリング値（図１に示すＶｒｅｆ）を監視信号として図６に示す回生信号生成部２２のＭＰＵ６９に出力するようになっている。
【００７６】
つまり、ＭＰＵ６９は、電源電圧波形検出部２１からの電源電圧波形を常時監視し、電源電圧の不平衡（電圧のアンバランス、位相差のずれ）や電源電圧の高調波歪みを検出し、それに基づき回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作タイミングを補正し、安定した電源回生動作が可能となるようにしている。以下、その補正操作を図１０と図１１を参照して具体的に説明する。
【００７７】
図１０は、図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【００７８】
図８にて説明したように、ＭＰＵ６９は、例えば、Ｒ相の上アーム回生トランジスタＴｒ１とＳ相の上アーム回生トランジスタＴｒ３とのオン・オフ動作切換タイミングをＴ相電圧位相相検出信号の立ち下がりと立ち上がりとの中間点に定めている。
【００７９】
この場合、電源電圧に不平衡（電圧のアンバランス、位相差のずれ）が発生すると、上記のように定めた中間点と、電圧が最大または最小となる相の入れ替わり点との間にずれが生ずることになる。例えば、図１０は、Ｒ相電圧のみが高い場合を示すが、図１０（２）に示すように、Ｔ相電圧位相相検出信号の立ち下がりと立ち上がりとの中間点と、Ｒ相電圧とＳ相電圧との相入れ替わり点との間に時間ｔ０のずれが生ずる。
【００８０】
そこで、ＭＰＵ６９は、図１０（３）に示すように、電源電圧波形検出部２１からの電源電圧波形における電圧最大値の切り替わり位相を常時監視し、上記のようなずれを検出すると、そのずれ量を記憶し、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に与える駆動信号の変化タイミングを補正し、コンパレータ６８に出力する。
【００８１】
その結果、電源電圧に不平衡が発生している場合でも、図１０（４）に示すように、電圧が最大または最小となる相の入れ替わりタイミングと回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作タイミングとを常に一致させることができ、電圧の最も高い相に回生電流を流すことができるようになる（図１０（５））。
【００８２】
次に、図１１は、図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作の停止判断を説明するタイムチャートである。
【００８３】
図１１（１）では、三相電圧に高調波歪みが生じている様子が示されている。上記のように、ＭＰＵ６９は、電源電圧波形検出部２１からの電源電圧波形に基づき線間電圧の最も高くなる位相が検出できる。
【００８４】
そこで、ＭＰＵ６９は、直流母線１６，１７の電圧が低下すると、図１１（２）に示すように、検出した最も線間電圧の高くなる位相において回生電流検出器１９が検出する回生電流を監視する。そして、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相（図１１（３）に示す＊印）を回生電流が最も小さくなる位相に補正し、回生停止判断を行う。
【００８５】
その結果、図１１（１）に示すように電源波形歪がある場合でも安定した回生動作の停止制御が行える。なお、三相電圧に不平衡がある場合にも、前記と同様に電圧の低い相では回生停止判断を行わないようにすることができるので、安定した回生制御が行える。
【００８６】
なお、三相電圧に不平衡がある場合や高調波歪みが発生している場合の補正操作は、線間電圧のゼロクロス点検出による従来の電圧位相検出方式においても同様に適用できることは言うまでもない。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、すなわち、三相電圧に不平衡があるときは、その不平衡状態に合わせて回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正することができるので、三相電圧に不平衡があるときでも正常に電源回生が行えるようになる。
【００８８】
つぎの発明によれば、平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相の回生電流を利用して回生動作の停止判断を行うので、電源電圧に高調波歪みが発生している場合でも安定して回生動作とその停止が行えるようになる。
【００８９】
つぎの発明によれば、三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出するので、位相検出信号の変化タイミングを回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングとは異ならせることができる。したがって、回生トランジスタのオン・オフ動作に起因して発生するスパイク状の歪み電圧の影響を受けずに安定して電源位相の検出が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用とする電源回生コンバータの構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電源回生コンバータでの回生動作の開始と停止を説明するタイムチャートである。
【図３】図１に示す電源回生コンバータで一般的に行われている回生動作を説明するタイムチャートである。
【図４】図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【図５】図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【図６】この発明の一実施の形態として図１に示す位相検出部および回生信号生成部の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示す位相検出部および回生信号生成部を備えたこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータでの回生動作を説明するタイムチャートである。
【図８】図６に示す回生信号生成部の回生信号生成動作を説明するタイムチャートである。
【図９】この発明の一実施の形態として図１に示す電源電圧波形検出部の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【図１１】図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作の停止判断を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 電源回生コンバータ、２ 三相交流電源、３ 三相誘導電動機（モータ）、４ インバータ装置、５ リアクトル（ＬＲ、ＬＳ、ＬＴ）、１１〜１３ 交流電源端子、１４，１５ 直流電源端子、１６，１７ 直流母線、１８ 直流電圧検出部、１９ 回生電流検出器、２０ 位相検出部、２１ 交流電圧波形検出部、２２ 回生信号生成部、Ｃ 平滑コンデンサ、Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６ 回生トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、ＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３ ホトカプラ、６６ タイマー、６７ ラッチ回路、６８ コンパレータ、６９ マイクロ・プロセッサ・ユニット（ＭＰＵ）、Ｄ３１〜Ｄ３６３相ブリッジ整流回路を構成するダイオード、Ｒ４，Ｒ５ 抵抗分圧回路を構成する抵抗器、９２ Ａ／Ｄ変換器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電源回生コンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電源回生コンバータは、三相誘導電動機を可変速制御するインバータ装置と三相交流電源との間に配置され、三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を三相交流電源に回生する装置である。
【０００３】
この電源回生コンバータは、インバータ装置内の全波整流ダイオード群に接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサに並列に設けられ、３つの上アームと３つの下アームとを構成する都合６個の回生トランジスタと、６個の回生トランジスタをオン・オフ制御する制御回路とを備える。
【０００４】
上記平滑コンデンサは、三相誘導電動機の力行時に全波整流ダイオード群にて整流された直流電圧で充電される。制御回路は、平滑コンデンサの端子電圧が三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力によって上昇し、三相交流電源の電圧よりも高くなると、６個の回生トランジスタを三相交流電源の電圧位相に同期させてオン・オフ動作させ、平滑コンデンサに蓄積された電力を三相交流電源に回生するように動作する。
【０００５】
ここで、従来では、次のようにして６個の回生トランジスタのオン・オフ動作関係を三相交流電源の電圧位相に同期させている。すなわち、制御回路では、三相交流電源の線間電圧のゼロクロス点検出によって生成される位相検出信号と三相交流電源の検出電圧とに基づき、３つの上アームと３つの下アームのうち、電圧が最大の相に接続される上アームの回生トランジスタと電圧が最小の相に接続される下アームの回生トランジスタとをオン動作させ、その他はオフ動作させる駆動信号を対応する回生トランジスタに与えるようにしている（例えば特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５３６８６号公報（００１８〜００２１、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電源回生コンバータでは、位相検出信号の変化タイミングと回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングとが一致しているので、回生トランジスタのオン・オフ動作に起因して発生するスパイク状の歪み電圧の影響を受けて電源位相の検出を誤る場合が生じ、回生トランジスタを誤ってオン動作させるなど動作が不安定になる場合があった。
【０００８】
また、三相交流電源の相電圧に不平衡が生じている場合には、駆動信号の変化タイミングと相電圧の切り替わりタイミング（線間電圧のゼロクロス点）とにずれが生ずる。この場合には、従来では、電源電圧と直流母線電圧との電圧差の大きいところでも回生トランジスタをオン動作させるので、過大な回生電流が流れる。
【０００９】
さらに、回生エネルギーが小さくなると、電源電圧位相のピーク付近で回生電流がゼロの近くになることを利用し、線間電圧が最大となる位相での回生電流をモニターし、小さい場合には回生動作を停止するようにしているが、電源電圧に高調波歪みが生じていると、従来では、回生停止判断を誤り、回生動作を停止しない場合があった。
【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、三相交流電源の電圧位相を回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングからずれた位相で検出でき、三相交流電源の電圧に不平衡や高調波歪みがあるときは回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングを補正する手段を備えた電源回生コンバータを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明にかかる電源回生コンバータは、三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、前記回生信号生成手段が生成する前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、すなわち、三相電圧に不平衡があるときは、その不平衡状態に合わせて回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正することができる。
【００１３】
つぎの発明にかかる電源回生コンバータは、三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、前記平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相を検出し、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相の回生電流を利用して回生動作の停止判断を行うので、電源電圧に高調波歪みが発生している場合でも安定して回生動作とその停止が行える。
【００１５】
つぎの発明にかかる電源回生コンバータは、上記の発明において、前記位相検出手段は、前記三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出するので、位相検出信号の変化タイミングを回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングとは異ならせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電源回生コンバータの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、この発明を適用する電源回生コンバータの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、電源回生コンバータ１は、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電圧を発生する三相交流電源２と、三相誘導電動機（以下「モータ」という）３を可変速制御するインバータ装置４との間に配置される。なお、図１では、三相交流電源２とインバータ装置４との接続ラインは図示を省略した。
【００１９】
電源回生コンバータ１は、交流電源端子１１，１２，１３を備えている。三相交流電源２の各電源端子は、リアクトル（ＬＲ、ＬＳ、ＬＴ）５を介して交流電源端子１１，１２，１３に接続されている。また、電源回生コンバータ１は、直流電源端子１４，１５を備えている。直流電源端子１４，１５は、インバータ装置４内の直流母線に接続されている。
【００２０】
電源回生コンバータ１内には、直流電源端子１４，１５に接続される直流母線１６，１７が配置され、直流母線１６，１７間には、平滑コンデンサＣが接続されている。平滑コンデンサＣの両端は、直流電圧検出部１８に接続されている。また、直流母線１６には、回生電流検出器１９が配置されている。
【００２１】
直流母線１６，１７間には、直列接続した回生トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２、回生トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４、および回生トランジスタＴｒ５，Ｔｒ６の３組が並列に接続されている。すなわち、直流母線１６間には、上アームを構成する回生トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ５のコレクタ端子が接続され、直流母線１７には、下アームを構成する回生トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６のエミッタ端子が接続されている。
【００２２】
そして、回生トランジスタＴｒ１のエミッタ端子と回生トランジスタＴｒ２のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子１１に接続されている。回生トランジスタＴｒ３のエミッタ端子と回生トランジスタＴｒ４のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子１２に接続されている。回生トランジスタＴｒ５のエミッタ端子と回生トランジスタＴｒ６のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子１３に接続されている。なお、これらの回生トランジスタには、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。すなわち、ダイオードのアノード端子は回生トランジスタのエミッタ端子に接続され、ダイオードのカソード端子は回生トランジスタのコレクタ端子に接続されている。
【００２３】
また、交流電源端子１１，１２，１３には、電源位相検出部２０と交流電圧波形検出部２１とが接続され、電源位相検出部２０と交流電圧波形検出部２１の各出力端は、回生信号生成部２２に接続されている。直流電圧検出部１８の出力端と回生電流検出器１９の出力端もそれぞれ回生信号生成部２２に接続されている。回生信号生成部２２の６つの出力端は、回生トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６の対応するベース端子に接続されている。
【００２４】
以上の構成において、この発明の理解を容易にするため、図２〜図６を参照して電源回生コンバータの一般的な動作について説明する。なお、図２は、図１に示す電源回生コンバータでの回生動作の開始と停止を説明するタイムチャートである。図３は、図１に示す電源回生コンバータで一般的に行われている回生動作を説明するタイムチャートである。図４は、図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。図５は、図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【００２５】
図１と図２において、回生動作の開始は、次のようにして行われる。図２（１）に示すように、交流電圧波形検出部２１は、三相交流電源２の波高値Ｖｐｒ−ｓを検出し、それを電源電圧波高値Ｖｒｓｆとして回生信号生成部２２に出力している。一方、直流電圧検出部１８では、平滑コンデンサＣの端子電圧、つまり直流母線１６，１７の電圧を検出し、検出した直流母線電圧Ｖｐｎを回生信号生成部２２に出力している。さらに、位相検出部２０は、三相交流電源２の電圧位相を検出し、それを回生信号生成部２２に出力している。なお、位相検出部２０は、従来では、線間電圧のゼロクロス点検出による相間電圧位相を検出している。
【００２６】
モータ３の減速制御が行われると、発生した誘導起電力による電流が平滑コンデンサＣに流れ込み、平滑コンデンサＣの端子電圧が上昇する。その結果、平滑コンデンサＣの端子電圧が三相交流電源２の三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）のうちの一相の電圧よりも高くなり、平滑コンデンサＣの端子電圧と三相交流電源２の電圧との間に電圧差が生ずる。
【００２７】
そこで、回生信号生成部２２では、図２（１）に示すように、交流電圧波形検出部２１にて検出される電源電圧波高値Ｖｒｅｆと直流電圧検出部１８にて検出される直流母線電圧値Ｖｐｎとを比較し、直流母線電圧値Ｖｐｎが電源電圧波高値Ｖｒｅｆよりも高くなったとき、位相検出部２０からの位相検出信号に基づいて回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動信号（回生信号）を生成し、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御動作を開始する。回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御動作の内容は後述する（図３）。
【００２８】
その結果、平滑コンデンサＣから回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６，電源端子１１〜１３，リアクトル５を介して三相交流電源２に向かう三相の回生電流が生ずる（図２（３））。回生電流検出器１９は、直流母線１６を流れる母線電流を検出し、回生電流検出信号Ｉｐｎを回生信号生成部２２に出力する。電源回生が開始されると、図２（４）の左方に示すように、大振幅の回生電流が検出される。
【００２９】
次に、回生動作の停止は、次のようにして行われる。電源回生動作が開始すると、モータ減速中であっても直流母線電圧値Ｖｐｎと電源電圧波高値Ｖｒｅｆとの間では、回生トランジスタのオン電圧分の差が生じるのみで、その電圧差は極めて小さくなる。その結果、直流母線電圧値Ｖｐｎの低下のみで回生停止を判断すると、頻繁に回生の開始と停止が繰り返され、間欠的に回生動作が行われるので、動作が不安定となる。
【００３０】
そこで、回生信号生成部２２では、回生電流検出信号Ｉｐｎと直流母線電圧値Ｖｐｎとから回生動作の停止時期を判断するようにしている。具体的には、モータからの回生電流が少なくなると、つまり回生エネルギーが小さくなると、電源回生コンバータ１の回生電流（回生電流検出信号Ｉｐｎ）は、図２（４）の右方に示すように、電源電圧位相のピーク付近で電流がゼロに近くなる。これを利用して、線間電圧の電圧値が最大を示す位相、すなわち図２（４）の右方に示す＊印で示す時点において、回生電流をモニターし、回生電流検出信号Ｉｐｎが所定値以下になると、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御動作を停止する。
【００３１】
次に、図１と図３を参照して、電源回生中での動作を説明する。上記のように電源回生は、平滑コンデンサＣの端子電圧と三相交流電源２の電圧との電圧差を利用して行われ、回生電流にリアクトル５による電流制限を掛けるので、オン・オフ動作させる回生トランジスタの位相を誤ると、電圧差が大きくなり、急激に大電流が流れ、装置の停止や破損を招くおそれがある。そこで、電源位相の検出と回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御とは、次のようにして行われている。
【００３２】
位相検出部２０では、図３（２）に示すように、線間電圧のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点間で高レベル（以下、「Ｈレベル」という）と低レベル（以下、「Ｌレベル」という）とに交互に変化する位相検出信号を発生している。すなわち、Ｒ−Ｓ間電圧位相検出信号は、Ｒ相電圧−Ｓ相電圧＞０である期間は、“Ｈ”レベルを維持し、Ｒ相電圧−Ｓ相電圧＝０のときに、“Ｌ”レベルに立ち下がり、Ｒ相電圧−Ｓ相電圧＜０である期間は、“Ｌ”レベルを維持し、図示してないが、次にＲ相電圧−Ｓ相電圧＝０となるときに“Ｈ”レベルに立ち上がり、これを繰り返す信号である。Ｓ−Ｔ間電圧位相検出信号とＴ−Ｒ間電圧位相検出信号についても同様である。
【００３３】
回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ制御に関しては、上アームの回生トランジスタＴｒｌ，Ｔｒ３，Ｔｒ５は、三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の電圧のうち最大電圧の相においてオン動作させる必要がある。逆に下アームの回生トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６は、三相の電圧のうち最小電圧の相においてオン動作させる必要がある。そして、相電圧が入れ替わる線間電圧のゼロクロス点においてオン・オフ動作関係を切り換える必要がある。
【００３４】
そこで、回生信号生成部２２は、位相検出部２０からの３つの線間電圧位相検出信号（図３（２））と交流電圧波形検出部２１からの電源電圧波高値Ｖｒｅｆとに基づき、３つの上アームと３つの下アームのうち、電圧が最大の相に接続される上アームの回生トランジスタと、電圧が最小の相に接続される下アームの回生トランジスタとをオン動作させ、その他はオフ動作させる回生信号を対応する回生トランジスタに与えるようにしている。
【００３５】
その結果、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、図３（３）に示すような関係でオン動作とオフ動作とを行う。上アームの回生トランジスタＴｒｌ，Ｔｒ３，Ｔｒ５では、回生トランジスタＴｒｌは、Ｒ相電圧が最大である期間内、つまりＲ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ１０からＲ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ５０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ３は、Ｓ相電圧が最大である期間内、つまりＳ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ５０からＳ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ９０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ５は、Ｔ相電圧が最大である期間内、つまりＴ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ９０からＴ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１０までの期間内オン動作を行う。
【００３６】
また、下アームの回生トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４，Ｔｒ６では、回生トランジスタＴｒ２は、Ｒ相電圧が最小である期間内、つまりＲ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ７０からＲ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ１１０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ４は、Ｓ相電圧が最小である期間内、つまりＳ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１１０からＳ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ３０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ６は、Ｔ相電圧が最小である期間内、つまりＴ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ３０からＴ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ７０までの期間内オン動作を行う。
【００３７】
すなわち、上アームの回生トランジスタＴｒｌがオン動作を行う時刻ｔ１０から時刻ｔ５０までの期間内では、時刻ｔ１０から時刻ｔ３０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ４がオン動作をし、時刻ｔ３０から時刻ｔ５０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ６がオン動作をしている。上アームの回生トランジスタＴｒ３がオン動作を行う時刻ｔ５０から時刻ｔ９０までの期間内では、時刻ｔ５０から時刻ｔ７０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ６がオン動作をし、時刻ｔ７０から時刻ｔ９０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ２がオン動作をしている。上アームの回生トランジスタＴｒ５がオン動作を行う時刻ｔ９０から時刻ｔ１０までの期間内では、時刻ｔ９０から時刻ｔ１１０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ２がオン動作をし、時刻ｔ１１０から時刻ｔ１０までの期間内は下アームの回生トランジスタＴｒ４がオン動作をしている。
【００３８】
これによって、図３（４）に示すようなパルス状波形の回生電流（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）が平滑コンデンサＣ→回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６→リアクトル５（ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ）→三相交流電源２と流れる。
【００３９】
ここで、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作に起因して三相交流電源２の電圧にスパイク状の歪み電圧が発生するが、図３（２）（３）から理解できるように、線間電圧位相検出信号の変化タイミングは、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作タイミングと一致している。したがって、線間電圧の位相検出を行う位相検出部２０では、電源位相の検出を誤る場合が生じ、回生信号生成部２２では、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を誤ってオン動作させる場合があった。その対策として、従来では、位相検出部２０の電源入力端をリアクトル５と三相交流電源２との間に接続する措置や、電流制限用の抵抗器を追加する措置が採られている。
【００４０】
また、図４（１）に示すように、例えばＲ相電圧が他の相電圧よりも高くなるような不平衡が生ずると、線間電圧の位相検出を行う位相検出部２０では、正常時のゼロクロス点から時間ｔずれた位置をゼロクロス点として検出することが起こる。その結果、回生信号生成部２２では、図４（２）（３）に示すように、電源電圧と直流母線電圧の電圧差の大きいところでも回生トランジスタをオン動作させることが起こり、図４（４）に示すように、回生電流が過大になる現象が現れる。
【００４１】
また、回生動作の停止判断時において、図５（１）に示すように電源電圧に高調波歪を生じているような場合には、回生電流が図５（２）に示すような波形に変化する。そうすると、回生停止の判断を図中＊印の位置でサンプリングした電流値で行っていると、回生停止判断を誤り、回生動作が停止しない場合があった。
【００４２】
そこで、この発明では、位相検出部２０が電源位相を回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングを外した位相で検出できるように構成し、また、回生信号生成部２２が電源不平衡時や高調波歪みに対して補正操作できるように構成している。以下、具体的に説明する。
【００４３】
図６は、この発明の一実施の形態として図１に示す位相検出部および回生信号生成部の構成例を示すブロック図である。図７は、図６に示す位相検出部および回生信号生成部を備えたこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータでの回生動作を説明するタイムチャートである。図８は、図６に示す回生信号生成部の回生信号生成動作を説明するタイムチャートである。
【００４４】
図６において、この実施の形態による位相検出部２０では、位相検出用のホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３を備え、各相電圧のゼロクロス点検出による位相検出信号を回生信号生成部２２に出力するようになっている。
【００４５】
ホトカプラＯＩ１の発光ダイオードは、アノードが電流制限用の抵抗器Ｒ１を介してＲ相の交流電源端子１１に接続されている。また、この発光ダイオードには、ダイオードＤ１１が逆並列に接続されている。ホトカプラＯＩ２の発光ダイオードは、アノードが電流制限用の抵抗器Ｒ２を介してＳ相の交流電源端子１２に接続されている。また、発光ダイオードには、ダイオードＤ１２が逆並列に接続されている。ホトカプラＯＩ３の発光ダイオードは、アノードが電流制限用の抵抗器Ｒ３を介してＴ相の交流電源端子１３に接続されている。また、発光ダイオードには、ダイオードＤ１３が逆並列に接続されている。
【００４６】
そして、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３の発光ダイオードのカソードは、互いに接続されている。また、ホトカプラＯＩ１のホトトランジスタは、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がインバータ６１を介して回生信号生成部２２に接続されている。コレクタ端子とインバータ６１との接続ラインはプルアップ抵抗器Ｒ１１を介して電源に接続されている。
【００４７】
ホトカプラＯＩ２のホトトランジスタは、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がインバータ６２を介して回生信号生成部２２に接続されている。コレクタ端子とインバータ６２との接続ラインはプルアップ抵抗器Ｒ１２を介して電源に接続されている。ホトカプラＯＩ３のホトトランジスタは、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がインバータ６３を介して回生信号生成部２２に接続されている。コレクタ端子とインバータ６３との接続ラインはプルアップ抵抗器Ｒ１３を介して電源に接続されている。
【００４８】
この実施の形態による位相検出部２０の構成によれば、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３およびダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３の電圧降下を無視すると、本回路は三相交流電源２に抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３をスター結線した回路であるので、３相正弦波交流電流が流れることになる。したがって、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３の出力であるＲ相，Ｓ相，Ｔ相の各電圧位相検出信号は、前記３相正弦波交流電流の向きで決定される。
【００４９】
すなわち、ホトカプラＯＩ１は、三相交流電源２のＲ相電圧が“＋”のときにオン動作を行い、インバータ６１の入力レベルを“Ｌ”レベルにする。また、ホトカプラＯＩ１は、Ｒ相電圧が“−”のときにオフ動作を行い、インバータ６１の入力レベルを“Ｈ”レベルにする。したがって、インバータ６１は、Ｒ相電圧が“＋”である期間内“Ｈ”レベルとなるＲ相電圧位相検出信号を回生信号生成部２２に出力する。
【００５０】
ホトカプラＯＩ２は、三相交流電源２のＳ相電圧が“＋”のときにオン動作を行い、インバータ６２の入力レベルを“Ｌ”レベルにする。また、ホトカプラＯＩ２は、Ｓ相電圧が“−”のときにオフ動作を行い、インバータ６２の入力レベルを“Ｈ”レベルにする。したがって、インバータ６２は、Ｓ相電圧が“＋”である期間内“Ｈ”レベルとなるＳ相電圧位相検出信号を回生信号生成部２２に出力する。
【００５１】
ホトカプラＯＩ３は、三相交流電源２のＴ相電圧が“＋”のときにオン動作を行い、インバータ６３の入力レベルを“Ｌ”レベルにする。また、ホトカプラＯＩ３は、Ｔ相電圧が“−”のときにオフ動作を行い、インバータ６３の入力レベルを“Ｈ”レベルにする。したがって、インバータ６３は、Ｔ相電圧が“＋”である期間内“Ｈ”レベルとなるＴ相電圧位相検出信号を回生信号生成部２２に出力する。
【００５２】
したがって、中性点を基準としたときの三相交流電源２の各相電圧と図６に示す位相検出部２０が出力するＲ相，Ｓ相，Ｔ相の各電圧位相検出信号とは、図７（１）（２）に示す関係となる。
【００５３】
すなわち、Ｒ相電圧は、時刻ｔ００で“―”から“＋”に変化し、時刻ｔ６０で“＋”から“−”に変化する。位相検出部２０の抵抗器Ｒ１を流れる電流も同波形となるので、Ｒ相電圧位相検出信号も時刻ｔ００で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化し、時刻ｔ６０で“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化する。
【００５４】
Ｓ相電圧は、時刻ｔ４０で“―”から“＋”に変化し、時刻ｔ１００で“＋”から“−”に変化する。位相検出部２０の抵抗器Ｒ２を流れる電流も同波形となるので、Ｓ相電圧位相検出信号も時刻ｔ４０で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化し、時刻ｔ１００で“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化する。
【００５５】
同様に、Ｔ相電圧は、時刻ｔ２０で“＋”から“−”に変化し、時刻ｔ８０で“―”から“＋”に変化する。位相検出部２０の抵抗器Ｒ３を流れる電流も同波形となるので、Ｔ相電圧位相検出信号も時刻ｔ２０で“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化し、ｔ８０で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化する。
【００５６】
ここで、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、図３（３）にて説明したタイミング関係でオン・オフ動作することが必要であるので、後述するように、図６に示す回生信号生成部２２は、図７（２）に示す相電圧位相信号を受けて、図７（３）に示すように、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を図３（３）にて説明したタイミング関係と同様のタイミング関係でオン・オフ動作させる駆動信号を発生するようになっている。
【００５７】
すなわち、図７（３）において、回生トランジスタＴｒ１は、Ｒ相電圧が最大である期間内、つまりＲ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ１０からＲ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ５０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ２は、Ｒ相電圧が最小である期間内、つまりＲ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ７０からＲ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ１１０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ３は、Ｓ相電圧が最大である期間内、つまりＳ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ５０からＳ相電圧＜Ｔ相電圧となる時刻ｔ９０までの期間内オン動作を行う。
【００５８】
回生トランジスタＴｒ４は、Ｓ相電圧が最小である期間内、つまりＳ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１１０からＳ相電圧＞Ｔ相電圧となる時刻ｔ３０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ５は、Ｔ相電圧が最大である期間内、つまりＴ相電圧＞Ｓ相電圧となる時刻ｔ９０からＴ相電圧＜Ｒ相電圧となる時刻ｔ１０までの期間内オン動作を行う。回生トランジスタＴｒ６は、Ｔ相電圧が最小である期間内、つまりＴ相電圧＜Ｓ相電圧となる時刻ｔ３０からＴ相電圧＞Ｒ相電圧となる時刻ｔ７０までの期間内オン動作を行う。
【００５９】
図７（２）（３）から理解できるように、図６に示す位相検出部２０が発生する相電圧位相検出信号の変化点は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のいずれもがスイッチング動作しないタイミングとなっている。したがって、図６に示す位相検出部２０は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作切り換えに伴って発生するスパイク状の歪電圧の影響を受けずに位相検出を行うことができる。
【００６０】
また、相電圧位相検出信号の変化点は、検出する相のトランジスタがオフ動作を行っている期間内にあるので、回生動作により位相検出できなくなることがない。例えば、図７（３）において時刻ｔ００においては、回生トランジスタＴｒ４，Ｔｒ５がオン動作を行ってるのでその影響でリアクトル５のＬＳ端子電圧とＬＴ端子電圧は、元の電源電圧に対して変化しているが、リアクトル５のＬＲ端子電圧は変化していない。したがって、Ｒ相電圧の位相検出は正常に行うことができる。斯くして、この実施の形態によれば、位相検出部２０の電源入力端をリアクトル５と三相交流電源２との間に接続する措置や、電流制限用の抵抗器を追加する措置は不要とすることができる。
【００６１】
次に、図６に示す回生信号生成部２２は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作関係を上記のように本来のタイミングで制御する過程で、電圧不平衡や波形歪みに対する補正操作が行えるように構成されている。まず、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を上記のように本来のタイミングでオン・オフ動作させる構成について説明する。
【００６２】
図６において、回生信号生成部２２では、位相検出部２０のインバータ６１，６２，６３の出力（各相電圧の位相検出信号）が、排他的論理和回路６５とマイクロ・プロセッサ・ユニット（以下「ＭＰＵ」という）とに入力されている。排他的論理和回路６５は、入力される三相の相電圧位相検出信号のいずれかが変化して時点を検出する。排他的論理和回路６５の出力は、ラッチ回路６７に制御信号として入力されている。
【００６３】
タイマー６６は、回生信号生成の基準となるタイマー値を発生するフリーランカウント型のタイマーであるが、そのタイマー値は、コンパレータ６８とラッチ回路６７とＭＰＵ６９とに入力されている。
【００６４】
ラッチ回路６７は、排他的論理和回路６５が出力する、３つの相電圧位相検出信号のいずれかが変化した時点におけるタイマー６６のタイマー値をラッチし、ＭＰＵ６９に保持出力する。これによって、ＭＰＵ６９では、電源位相の変化した時刻を知ることができる。
【００６５】
ＭＰＵ６９は、三相の相電圧位相信号とその変化した時刻でのタイマー６６からのタイマー値とから、電源周期と回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を次にオン／オフさせる時刻（次回相切換時間）を演算し、その演算した時刻を回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン／オフ指令値としてコンパレータ６８に出力する。
【００６６】
コンパレータ６８は、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対応した６個の比較器を有し、オン／オフ指令値とタイマー６６からのタイマー値とが一致したときに、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６への駆動信号を変化させる。
【００６７】
図８を参照して、ＭＰＵ６９での演算内容を具体的に説明する。タイマー６６の出力（図８（３））のうち、三相の相電圧位相検出信号（図８（２））のいずれかが変化した時点でのタイマー値がラッチ回路６７に保持され、ＭＰＵ６９に逐一取り込まれ、記憶される（図８（４））。
【００６８】
図８（４）では、タイマー値ｔｎ−１２，ｔｎ−１１，・・，ｔｎ−ｎ，ｔｎが三相の相電圧位相検出信号（図８（２））の変化時点毎に蓄積される様子が示されている。ＭＰＵ６９は、その記憶したタイマー値（図８（４））と位相検出部２０から入力される三相の相電圧位相検出信号（図８（２））とに基づき、次のようにして電源周期と次回相切換時間とを算出する。
【００６９】
すなわち、図６に示す位相検出部２０では、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３によって各相のゼロクロス点を検出し、正負に変化する相電圧位相検出信号を出力するが、ホトカプラＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３の電流伝達率のばらつき等による影響で、この相電圧位相検出信号の変化タイミングと、実際の電源電圧の正負変化のタイミングとにはずれが生じている。
【００７０】
そこで、ＭＰＵ６９では、このタイミングずれの影響を受けないようにするために、電源周期は、同相の同エッジの間隔の時間によって算出するようにしている。例えば、今回のＲ相電圧の立ち上がりエッジから前回のＲ相の立ち上がりエッジまでの時間によって算出する。具体的には、式（１）を用いて各相の平均演算を行うことで検出誤差の影響を抑えている。
【００７１】
【数１】
また、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動信号の切換時間（次回相切換時間）の演算では、駆動信号の切り換えを行わない位相の相電圧位相検出信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間の中間点の時刻を求めることを行う。これによって、例えば、回生トランジスタＴｒ１をオン動作からオフ動作に切り換え、回生トランジスタＴｒ３をオフ動作からオン動作に切り換えるタイミングは、Ｔ相電圧位相検出信号の立ち下がりから立ち上がりまでの中間点となる。
【００７３】
つまり、次回相切換時間は、時刻ｔｎ−１と時刻ｔｎ−４との中間時刻に電源周期の半周期を加えた次式（２）
次回相切換時間＝［｛（ｔｎ−１）＋（ｔｎ−４）｝／２］＋電源周期／２…（２）
によって求めることができる。このようにして求められた電源周期と次回相切換時間とに基づき回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の駆動信号が生成されるので（図８（５））、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、本来のタイミングでオン・オフ動作することになる。
【００７４】
次に、図６に示す回生信号生成部２２が電源電圧波形検出部２１の検出波形に基づき電圧不平衡や高調波歪みに対する補正操作を行う構成について説明する。図９は、この発明の一実施の形態として図１に示す電源電圧波形検出部２１の構成例を示すブロック図である。
【００７５】
図９において、電源電圧波形検出部２１は、ダイオードＤ３１〜Ｄ３６による３相ブリッジ整流回路を備えている。この３相ブリッジ整流回路は、三相交流電源２からリアクトルＬＲ，ＬＳ，ＬＴを介して入力される三相電圧を整流する。この３相ブリッジ整流回路の“＋”“−”出力間には、抵抗器Ｒ４，Ｒ５の直列回路による抵抗分圧回路が接続され、整流された脈流波形電圧の分圧電圧が抵抗器Ｒ５の両端に現れる。抵抗器Ｒ５の両端電圧は、アンプ９１を介してＡ／Ｄ変換器９２に入力される。Ａ／Ｄ変換器９２は、３相ブリッジ整流回路にて整流された脈流電圧波形をサンプリングし、各サンプリング値（図１に示すＶｒｅｆ）を監視信号として図６に示す回生信号生成部２２のＭＰＵ６９に出力するようになっている。
【００７６】
つまり、ＭＰＵ６９は、電源電圧波形検出部２１からの電源電圧波形を常時監視し、電源電圧の不平衡（電圧のアンバランス、位相差のずれ）や電源電圧の高調波歪みを検出し、それに基づき回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作タイミングを補正し、安定した電源回生動作が可能となるようにしている。以下、その補正操作を図１０と図１１を参照して具体的に説明する。
【００７７】
図１０は、図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【００７８】
図８にて説明したように、ＭＰＵ６９は、例えば、Ｒ相の上アーム回生トランジスタＴｒ１とＳ相の上アーム回生トランジスタＴｒ３とのオン・オフ動作切換タイミングをＴ相電圧位相相検出信号の立ち下がりと立ち上がりとの中間点に定めている。
【００７９】
この場合、電源電圧に不平衡（電圧のアンバランス、位相差のずれ）が発生すると、上記のように定めた中間点と、電圧が最大または最小となる相の入れ替わり点との間にずれが生ずることになる。例えば、図１０は、Ｒ相電圧のみが高い場合を示すが、図１０（２）に示すように、Ｔ相電圧位相相検出信号の立ち下がりと立ち上がりとの中間点と、Ｒ相電圧とＳ相電圧との相入れ替わり点との間に時間ｔ０のずれが生ずる。
【００８０】
そこで、ＭＰＵ６９は、図１０（３）に示すように、電源電圧波形検出部２１からの電源電圧波形における電圧最大値の切り替わり位相を常時監視し、上記のようなずれを検出すると、そのずれ量を記憶し、回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に与える駆動信号の変化タイミングを補正し、コンパレータ６８に出力する。
【００８１】
その結果、電源電圧に不平衡が発生している場合でも、図１０（４）に示すように、電圧が最大または最小となる相の入れ替わりタイミングと回生トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ動作タイミングとを常に一致させることができ、電圧の最も高い相に回生電流を流すことができるようになる（図１０（５））。
【００８２】
次に、図１１は、図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作の停止判断を説明するタイムチャートである。
【００８３】
図１１（１）では、三相電圧に高調波歪みが生じている様子が示されている。上記のように、ＭＰＵ６９は、電源電圧波形検出部２１からの電源電圧波形に基づき線間電圧の最も高くなる位相が検出できる。
【００８４】
そこで、ＭＰＵ６９は、直流母線１６，１７の電圧が低下すると、図１１（２）に示すように、検出した最も線間電圧の高くなる位相において回生電流検出器１９が検出する回生電流を監視する。そして、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相（図１１（３）に示す＊印）を回生電流が最も小さくなる位相に補正し、回生停止判断を行う。
【００８５】
その結果、図１１（１）に示すように電源波形歪がある場合でも安定した回生動作の停止制御が行える。なお、三相電圧に不平衡がある場合にも、前記と同様に電圧の低い相では回生停止判断を行わないようにすることができるので、安定した回生制御が行える。
【００８６】
なお、三相電圧に不平衡がある場合や高調波歪みが発生している場合の補正操作は、線間電圧のゼロクロス点検出による従来の電圧位相検出方式においても同様に適用できることは言うまでもない。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、すなわち、三相電圧に不平衡があるときは、その不平衡状態に合わせて回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正することができるので、三相電圧に不平衡があるときでも正常に電源回生が行えるようになる。
【００８８】
つぎの発明によれば、平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相の回生電流を利用して回生動作の停止判断を行うので、電源電圧に高調波歪みが発生している場合でも安定して回生動作とその停止が行えるようになる。
【００８９】
つぎの発明によれば、三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出するので、位相検出信号の変化タイミングを回生トランジスタのオン・オフ動作タイミングとは異ならせることができる。したがって、回生トランジスタのオン・オフ動作に起因して発生するスパイク状の歪み電圧の影響を受けずに安定して電源位相の検出が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用とする電源回生コンバータの構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電源回生コンバータでの回生動作の開始と停止を説明するタイムチャートである。
【図３】図１に示す電源回生コンバータで一般的に行われている回生動作を説明するタイムチャートである。
【図４】図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【図５】図３に示す一般的な回生動作が行われる電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【図６】この発明の一実施の形態として図１に示す位相検出部および回生信号生成部の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示す位相検出部および回生信号生成部を備えたこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータでの回生動作を説明するタイムチャートである。
【図８】図６に示す回生信号生成部の回生信号生成動作を説明するタイムチャートである。
【図９】この発明の一実施の形態として図１に示す電源電圧波形検出部の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に不平衡が生じた場合の回生動作を説明するタイムチャートである。
【図１１】図７に示す回生動作が行われるこの発明の一実施の形態である電源回生コンバータにおいて三相電圧に高調波歪みが生じた場合の回生動作の停止判断を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 電源回生コンバータ、２ 三相交流電源、３ 三相誘導電動機（モータ）、４ インバータ装置、５ リアクトル（ＬＲ、ＬＳ、ＬＴ）、１１〜１３ 交流電源端子、１４，１５ 直流電源端子、１６，１７ 直流母線、１８ 直流電圧検出部、１９ 回生電流検出器、２０ 位相検出部、２１ 交流電圧波形検出部、２２ 回生信号生成部、Ｃ 平滑コンデンサ、Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６ 回生トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、ＯＩ１，ＯＩ２，ＯＩ３ ホトカプラ、６６ タイマー、６７ ラッチ回路、６８ コンパレータ、６９ マイクロ・プロセッサ・ユニット（ＭＰＵ）、Ｄ３１〜Ｄ３６３相ブリッジ整流回路を構成するダイオード、Ｒ４，Ｒ５ 抵抗分圧回路を構成する抵抗器、９２ Ａ／Ｄ変換器。
Claims (5)
- 三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、相電圧の入れ替わりタイミングにずれを検出したとき、前記回生信号生成手段が生成する前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号の変化タイミングを補正する補正手段、
を備えたことを特徴とする電源回生コンバータ。 - 三相交流電源と三相誘導電動機を可変速制御する制御装置との間に配置され、前記三相交流電源の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記三相誘導電動機の減速時に発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を前記位相検出手段の検出信号に基づき生成する回生信号生成手段とを備える電源回生コンバータにおいて、前記三相交流電源の電圧波形を監視し、前記平滑コンデンサの端子電圧が低下した場合において電圧が最大となる位相を検出し、回生動作停止用の回生電流サンプリング位相を補正する補正手段、
を備えたことを特徴とする電源回生コンバータ。 - 前記位相検出手段は、
前記三相交流電源の電圧位相を相電圧のゼロクロス検出によって検出する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源回生コンバータ。 - 前記回生信号生成手段は、
前記回生トランジスタのオン・オフ駆動信号を、前記位相検出手段が出力する検出信号の変化点間の中間位置を基準として生成する、
ことを特徴とする請求項３に記載の電源回生コンバータ。 - 前記補正手段が検出するずれは、前記中間位置と相電圧が入れ替わるタイミングとのずれであることを特徴とする請求項４に記載の電源回生コンバータ。
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