JP2005204430A

JP2005204430A - 電力変換装置

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Publication number: JP2005204430A
Application number: JP2004008890A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kobayashi; 大祐小林
Original assignee: Toshiba Elevator Co Ltd
Current assignee: Toshiba Elevator and Building Systems Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: CN1910812A; JP4519471B2; WO2005069476A1; MY148186A; TW200531427A; TWI274467B

Abstract

【課題】界磁制御ユニットを不要とした場合でも界磁コイルに加わる電圧を低く抑えてコイル破損を回避する電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】直流電圧が印加されるＰＮ母線間に、三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子及び複数の平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２がそれぞれ直列に接続され、界磁コイル４を有する直流電動機３を駆動する三相の電力変換装置であって、そのうち、二相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子で構成される電機子用チョッパ装置１３ａのチョッパ動作により直流電動機を運転し、残りの一相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子で構成される界磁用チョッパ装置１３ｂと前記平滑コンデンサの中点１４ｃとの間に界磁コイルとともに帰還用回路素子１４ｄを接続し、前記中点電圧を、界磁用チョッパ装置でチョッパ動作して界磁コイルに通電し、また界磁コイルに蓄えられたエネルギーを帰還用回路素子で中点に戻す構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を含む半導体スイッチング素子を用いた三相電力変換機能を備えた電力変換装置に関する。

従来のエレベータシステムでは、エレベータ駆動用に大型の直流電動機が用いられていたが、現在では新規に直流電動機を使用することはなく、多くは３相交流誘導電動機や永久磁石電動機が用いられている。しかし、一方では、未だ過去の直流電動機をそのまま使用しているエレベータシステムが多く存在し、中には既に２０年以上稼動しているものもあり、かなり老朽化が進んでいる。

そこで、以上のように老朽化が進んでいるエレベータシステムのリニューアル化が実施されつつあるが、予算、工事期間、撤去スペース等の観点から、直流電動機をそのまま残し、制御装置のみを交換する制御リニューアル工法がとられている。

今、現在、一般に用いられている制御装置は、交流電動機のコンバータ装置−インバータ装置によるＰＷＭ制御が主流となっているが、制御リニューアル工法では、当該インバータ装置相当部分に三相電力変換機能をもつ直流チョッパ回路を用いた電力変換装置を構成し、直流電動機の駆動に用いられている。

図７は従来の電力変換装置の構成を示す図である。
同図において、５１は３相交流電源及びコンバータ装置を含んで所要の直流電圧を発生する直流電源であって、この直流電源５１から発生される直流電圧はＰ側母線５２ｐ，Ｎ側母線５２ｎ間に印加される。５３は同じくＰ側母線５２ｐとＮ側母線５２ｎとの間に接続され、二相の電力変換機能をもつ複数のスイッチング素子５３ｐ１，５３ｎ１、５３ｐ２，５３ｎ２で構成される電機子用チョッパ装置、５４はコンバータ装置等（図示せず）及び電機子用チョッパ装置５３等のスイッチング素子の動作時に発生するサージ電圧を抑える平滑コンデンサである。

５５は直流電動機であって、電機子用チョッパ装置５３から出力される動力線５６ａ、５６ｂに接続されている。５７は直流電動機５５の界磁コイル、５８は界磁コイル５７に通電し、界磁磁束を制御する界磁制御ユニットである。５９は電機子電流用カレントセンサである。

次に、以上のような装置の動作について説明する。
コンバータ装置等の直流電源５１から所要とする直流電圧がＰ側母線５２ｐ−Ｎ側母線５２ｎ間に印加される。さらに、図示しない制御部から出力されるゲート制御信号に基づいて電機子用チョッパ装置５３を構成するスイッチング素子５３ｐ１〜５３ｎ２をゲート制御し、Ｐ側母線５２ｐ−Ｎ側母線５２ｎ間に印加される直流電圧をチョッパ動作することにより、直流電動機５５の電機子間に印加する電圧を制御し、直流電動機５５を駆動する。また、直流電動機５５は、界磁磁束が無ければ駆動しないので、別ユニットである界磁制御ユニット５８から界磁コイル５７に界磁電流を流して界磁磁束を生成し、直流電動機５５を駆動可能とする。

また、従来のもう１つの電力変換装置としては、図８に示すような構成のものが提案されている。この電力変換装置は、３相インバータ装置のうち、２相の電力変換機能をもつスイッチング素子５３ｐ１〜５３ｎ２が電機子チョッパ装置５３ａを構成し、残りの１相のスイッチング素子５３ｐ３，５３ｎ３が界磁用チョッパ装置５３ｂを構成するとともに、界磁用チョッパ装置５３ｂを構成するスイッチング素子５３ｐ３，５３ｎ３の共通接続部から導出される動力線５６ｄと電力変換装置自体のＮ側母線５２ｎ側から出力される動力線５６ｃとに直流電動機５５の界磁コイル５７が接続され、図７に示す界磁制御ユニット５８を不要にした技術である（特許文献１）。
特開平０８−２５６４９７号公報

ところで、以上のような電力変換装置では、次のような問題点が指摘されている。
先ず、前者の電力変換装置では、界磁制御ユニット５８が設けられているが、このユニット５８が別ユニットとなっているので、新たな設置スペースを必要とする点である。因みに、エレベータ等のリニューアル物件では、既に機械室の大きさが決定され、その大きさに合せて必要な設備を設けているので、あらためて設置スペースを確保できない可能性が出てくる。

また、界磁制御ユニット５８が別ユニットの場合、界磁制御ユニット５８を制御するゲート制御信号の信号線（図示せず）が長くなり、ノイズ等によって誤動作を生じさせる可能性がある。他の盤などに収納することも考えられるが、盤内の改造やノイズ対策等が必要になってくる。

さらに、電力変換装置では、通常、三相コンバータ装置又は三相インバータ装置が使用されるが、そのうち電機子用チョッパ装置５３では２相の電力変換機能だけを使用するので、完全に１相分が残ってしまう問題がある。

次に、後者の界磁制御ユニットを不要とした電力変換装置では、直流電動機５５の高速化、大容量化に従い、当該電動機５５の誘起電圧が高くなり、直流電源電圧が大きくなっている為、界磁コイル５７の定格電圧が直流電源電圧に比べて小さくなってしまい、界磁コイル５７に大きな電圧負荷がかかり、コイル５７の絶縁劣化を引き起こして破損する可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、界磁制御ユニットを不要とし、直流電動機の界磁コイルの定格電圧がＰＮ母線間電圧よりも低い場合でも、界磁コイルに加わる電圧を低く抑えてコイル破損を回避する電力変換装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、界磁コイルではなく、電力変換装置内部の出力線と回生用抵抗とを接続し、回生時にＰＮ母線間の電圧上昇を抑制する電力変換装置を提供することにある。

（１）上記課題を解決するために、本発明は、所要の直流電圧が印加されるＰＮ母線間に、三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子及びこれら複数の半導体スイッチング素子の動作時に発生するサージ電圧を抑える複数の平滑コンデンサがそれぞれ直列に接続され、界磁コイルを有する直流電動機を駆動する三相の電力変換装置において、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、二相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子の出力側に前記直流電動機の電機子が接続され、外部から供給される第１のゲート制御信号のもとにチョッパ動作を行う電機子用チョッパ装置と、前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、残りの一相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子で構成され、外部から供給される第２のゲート制御信号のもとにチョッパ動作を行う界磁用チョッパ装置と、この界磁用チョッパ装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の接続部と前記複数の平滑コンデンサの中点との間に前記界磁コイルとともに帰還用回路素子が接続され、前記平滑コンデンサの中点電圧を、当該界磁用チョッパ装置によるチョッパ動作によって前記界磁コイルに通電し、かつ前記界磁コイルに蓄えられる電力エネルギーを前記平滑コンデンサの中点に戻す界磁電圧低減回路とを設けた構成である。

この発明は以上のような構成とすることにより、外部の制御部から界磁用チョッパ装置に第２のゲート制御信号を送出し、ここでチョッパ動作を行うことにより、直流電動機の界磁コイルの定格電圧がＰＮ母線間電圧よりも低い場合でも、平滑コンデンサの中点電圧を界磁用チョッパ装置でチョッパ動作を行って界磁コイルに通電し、かつ界磁コイルに蓄えられたエネルギを帰還用回路素子を通して平滑コンデンサの中点に帰還させることにより、結果として、界磁コイルの負荷電圧を抑制でき、ひいては界磁コイルの破損を未然に回避でき、界磁制御ユニットを設けることなく直流電動機を確実に制御することができる。

なお、前記（１）の構成の電力変換装置において、複数の平滑コンデンサが３個以上直列に接続されている場合、前記界磁電圧低減回路は、前記界磁用チョッパ装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の接続部と前記３個以上の平滑コンデンサの最も前記Ｎ側母線に近い隣り合う平滑コンデンサの接続点との間に前記界磁コイルとともに帰還用回路素子を接続することにより、直流電動機の界磁コイルの定格電圧がＰＮ母線間電圧の半分より低い場合でも、最もＮ側母線に近い隣り合う平滑コンデンサの接続点に生じる電圧をチョッパ動作を行って界磁コイルに界磁コイルに通電し、かつ界磁コイルに蓄えられたエネルギを帰還用回路素子を通して平滑コンデンサの前記接続点に戻しているので、界磁コイルにかかる負荷電圧が小さくなり、絶縁劣化等による破損を無くすことができる。

（３）また、本発明は、所要の直流電圧が印加されるＰＮ母線間に、三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子及びこれら複数の半導体スイッチング素子の動作時に発生するサージ電圧を抑える複数の平滑コンデンサがそれぞれ直列に接続され、かつ界磁制御ユニットから界磁電流の流入制御される界磁コイルを有する直流電動機を駆動する三相の電力変換装置において、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、二相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子の出力側に前記直流電動機の電機子が接続され、外部から供給される第１のゲート制御信号のもとにチョッパ動作を行う電機子用チョッパ装置と、前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、残りの一相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子で構成され、外部から供給されるスイッチング制御信号のもとにスイッチング動作を行う抵抗接続装置と、この抵抗接続装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の接続点と前記Ｎ側母線との間に接続され、前記直流電動機の回生モード時、前記抵抗接続装置によるスイッチング動作によって前記ＰＮ母線間に現れる電圧を低減するように回生電流を消費させる回生電流消費抵抗とを設けた構成である。

この発明は以上のような構成とすることにより、直流電動機の回生モード時、ＰＮ母線間の電圧を増大させて界磁コイル側に悪影響を与えるが、残りの一相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子をもって抵抗接続装置を構成し、かつこの複数の半導体スイッチング素子の接続点からＮ側母線に回生電流消費抵抗を接続し、抵抗接続装置を構成するスイッチング素子の動作により、前記ＰＮ母線間の増大する電圧を低減するように回生電流消費抵抗に回生電流を流して消費するので、界磁コイルの破損を未然に回避できる。

しかも、何れの電力変換装置においても、エレベータのリニューアル時に界磁コイルを有する直流電動機を生かしつつ、現在、一般に使用されている３相電力変換機能を備えたものを用いて実現できる。

（３）さらに、本発明は、前記（１）又は（２）の電力変換装置において、
直流電動機に代えて交流電動機に適用しようとする場合、前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子をもって三相インバータ装置とするとともに、このインバータ装置を構成する各相の複数の半導体スイッチング素子の接続点から前記直流電動機の電機子及び界磁コイル又は回生電流消費抵抗に接続される出力線をそのまま前記交流電動機に接続すれば、かかる電力変換装置をそのまま交流電動機にも適用できる。

本発明は、三相電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、特に二相の電力変換機能をもつ電機子用チョッパ装置以外に、残りの一相の電力変換機能を有効に利用し、界磁コイルに加わる電圧を低く抑えるように制御することにより、界磁制御ユニットを不要とする一方、界磁コイルに加わる電圧負荷を下げて破損を回避できる電力変換装置を提供できる。

また、本発明は、残りの一相の電力変換機能を有効に利用し、回生用抵抗と接続することにより、回生時のＰＮ母線間の電圧上昇を抑制できる電力変換装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を示す構成図である。
同図において１は、例えば３相交流電源２から出力される交流電力を直流電力に変換し、所要の直流電圧を直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに供給し、当該直流電動機３を駆動する本発明の要部となる電力変換装置である。４は直流電動機３の界磁コイル、５は電力変換装置１から直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに接続される動力線６ａ，６ｂに流れる電機子電流を検出する電機子電流用カレントセンサである。７は電力変換装置１を構成する三相電力変換機能等を有する半導体スイッチング素子にゲート制御信号を送出し制御する制御部である。

この電力変換装置１は、具体的には、三相交流電源２から出力される交流電力を、外部の制御部７から出力されるゲート制御信号のもとにゲート制御されるＩＧＢＴ等の複数のコンバータ用スイッチング素子１１ａ，…でチョッパ動作を行って所要電力の直流電圧に変換するコンバータ装置１１と、Ｐ側母線１２ｐ，Ｎ側母線１２ｎ間に接続され、このコンバータ装置１１で変換された直流電圧を、外部の制御部７から出力されるゲート制御信号のもとにゲート制御されるＩＧＢＴ等の複数のスイッチング素子１３ｐ１−１３ｎ１、１３ｐ２−１３ｎ２でチョッパ動作を行って動力線６ａ，６ｂを通して直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに供給する電機子用チョッパ装置１３ａと、通常,３相の電力変換機能のうち、その２相分のスイッチング素子１３ｐ１〜１３ｎ２が電機子用チョッパ装置１３ａとして使用されるが、その残りの１相分を前記界磁コイル４に印加する電圧を取得するために、Ｐ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に直列接続され、前述同様に外部の制御部７からのゲート制御信号のもとにゲート制御されるＩＧＢＴ等の界磁チョッパ用のスイッチング素子１３ｐ３、１３ｎ３よりなる界磁用チョッパ装置１３ｂと、界磁電圧低減回路としての界磁中点電圧取得回路１４と、界磁電流用カレントセンサ１５とによって構成されている。

なお、電機子電流用カレントセンサ５で検出される電機子検出電流や界磁電流用カレントセンサ１５で検出される界磁検出電流は制御部７に導入されている。

この界磁中点電圧取得回路１４は、Ｐ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に直列接続された複数の平滑コンデンサ１４ａ１及び１４ａ２と、同じくＰ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に直列接続され、かつこれら平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２に印加される電圧が均等に配分するように個別に並列接続されるバランス抵抗１４ｂ１，１４ｂ２と、界磁用チョッパ装置１３ｂを構成するスイッチング素子１３ｐ３と１３ｎ３との接続点と前記平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の中点１４ｃとの間に設けられ、スイッチング素子１３ｎ３のオン時、平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の中点電圧が界磁コイル４−動力線６ｃ−スイッチング素子１３ｎ３−Ｎ側母線１２ｎの経路で界磁電流が流れ、スイッチング素子１３ｎ３のオフ時、界磁コイル４に蓄えられる電力エネルギーを平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の中点１１ｃに戻して界磁コイル４間の電圧を降下させる帰還用半導体素子１４ｄとが設けられている。

そして、平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の中点１４ｃから導出される動力線６ｄに界磁コイル４の一端側が接続され、また界磁用チョッパ装置１３ｂを構成するスイッチング素子１３ｐ３と１３ｎ３との接続点から導出される動力線６ｃに界磁電流用カレントセンサ１５を介して界磁コイル４の他端側が接続されている。

次に、以上のような電力変換装置の動作について図２を参照して説明する。
先ず、制御部７からコンバータ装置１１にゲート制御信号を発信し、当該コンバータ装置１１を構成する複数のスイッチング素子１１ａ，…をスイッチング制御し、交流電源２から出力される三相交流電力を所要電力の直流電圧に変換する（ＳＴ１）。その後、制御部７は、カレントセンサ１５等による検出電流から界磁磁束が確立しているか否かを判断し（ＳＴ２）、確立されていない場合には界磁用チョッパ装置１３ｂのスイッチング素子１３ｎ３にゲート制御信号を送出し、平滑コンデンサ１４ａ１、１４ａ２で分圧された中点１４ｃの中点電圧を対し、スイッチング素子１３ｎ３でチョッパ動作を行い、界磁コイル４に通電する（ＳＴ３）。

このとき、界磁用スイッチング素子１３ｎ３のオン状態時、平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の接続点である中点１４ｃに現れる電圧に基づき、中点１４ｃ−界磁コイル４−界磁電流用カレントセンサ１５−スイッチング素子１３ｎ３−Ｎ側母線１２ｎの経路を通ってＮ側母線１２ｎに電流が流入するが、このときの電流，つまり界磁電流を界磁電流用カレントセンサ１５で検出し、制御部７に送出する（ＳＴ４）。一方、界磁用スイッチング素子１３ｎ３のオフ状態時、界磁コイル４に蓄えられたエネルギは、帰還用半導体素子１４ｄを通って平滑コンデンサ１４ｃ１，１４ｃ２の中点１４ｃに帰還され、界磁コイル４間の電圧を降下させる。

制御部７においては、界磁電流用カレントセンサ１５の検出電流と予め設定される設定電流とを比較し、検出電流が設定電流に達していない場合、ゲート制御信号を送出する。界磁用チョッパ装置１３ｂのスイッチング素子１３ｐ３，１３ｎ３は、ゲート制御信号に従い、チョッパ動作を行い、所要とする界磁電流を通電し、界磁磁束を確立する（ＳＴ５）。

そして、以上のような一連の処理動作の実行後、ステップＳＴ２に戻って界磁磁束が確立されたと判断された場合、制御部７は、引き続き、直流電動機３を始動するか否かを判断する（ＳＴ６）。このとき、直流電動機３の始動指令が発生している場合、制御部７は、電機子用チョッパ装置１３ａのチョッパ用スイッチング素子１３ｐ１〜１３ｎ２にゲート制御信号を送信する。電機子用チョッパ装置１３ａは、ゲート制御信号に従い、チョッパ動作を行い、所要の駆動電圧を直流電動機３の電機子３ａ，３ｂ間に印加し、直流電動機３を運転する（ＳＴ７）。この直流電動機３が運転している間、電機子電流用カレントセンサ５によって直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに流入する電流を検出し、制御部７に送信する（ＳＴ８）。この制御部７では、電機子電流用カレントセンサ５の検出電流と予め設定される設定電流とを比較しつつ、ゲート制御信号を電機子用チョッパ装置１３ａのチョッパ用スイッチング素子１３ｐ１〜１３ｎ２に送信する。この電機子用チョッパ装置１３ａは、制御部７からのゲート制御信号に従い、Ｐ・Ｎ側母線１２ｐ・１２ｎ間の電圧のチョッパ動作を行い、電機子３ａ，３ｂに電機子電流を流し、直流電動機３の運転制御を行う（ＳＴ９）。

さらに、直流電動機３の運転中に所定周期ごとに電動機停止指令が入力されたか否かを判断し（ＳＴ１０）、停止指令が入力されていない場合にはステップＳＴ７に戻り、同様の処理を繰り返し実行する。

以上のような実施の形態によれば、コンバータ装置等で変換された所要の直流電圧が印加されるＮ・Ｐ母線１２ｐ・１２ｎ間に平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２を直列接続し、同じく複数の界磁チョッパ用スイッチング素子１３ｐ３，１３ｎ３を有する界磁チョッパ装置１３ｂを接続し、これら界磁チョッパ用スイッチング素子１３ｐ３，１３ｎ３の共通接続点と平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の中点との間に帰還用半導体素子１４ｄを接続し、コンデンサの中点電圧をチョッパ動作しながら直流電動機３の界磁コイル４に印加する構成としたので、直流電動機３の界磁コイル４の定格電圧がＮ・Ｐ母線１２ｐ・１２ｎ間の印加電圧よりも低い場合でも、界磁チョッパ装置１３ｂで前記中点電圧をチョッパ動作させながら界磁コイル４に印加する一方、当該スイッチング素子１３ｎ３のオフ状態時に界磁コイル４に蓄えられたエネルギを帰還用半導体素子１４ｄを通して平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２の中点１４ｃに帰還させることにより、結果として、界磁コイル４にかかる負荷電圧を低減化でき、ひいては界磁コイル4の絶縁劣化がなくなって破損を未然に回避でき、界磁制御ユニットを設けることなく直流電動機３を制御することができる。

（第２の実施の形態）
図３は本発明に係る電力変換装置の他の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において図１と同一又は等価な部分には同一符号を付して詳しくは図１の説明に譲り、以下、図１と比較して異なる部分について説明する。

この電力変換装置は、界磁磁束を生成するための回路，つまり界磁チョッパ装置１３ｂ及び界磁電圧低減回路を除き、他の構成は図１と同様な構成である。

前記界磁チョッパ装置１３ｂは、図１と同様にＰ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に正側スイッチング素子１３ｐ３及び負側スイッチング素子１３ｎ３の直列回路が接続されている。

前記界磁電圧低減回路としては、Ｐ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に３個以上の平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２，…，１４ａｎが直列に接続され、これら各平滑コンデンサに均等な電圧が印加されるように個別にバランス抵抗１４ｂ１，１４ｂ２，…，１４ｂｎが接続されている。さらに、正側スイッチング素子１３ｐ３及び負側スイッチング素子１３ｎ３の共通接続点と、前記複数の平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２，…，１４ａｎのうち最もＮ側母線１２ｎ側に近い平滑コンデンサ１４ａ（ｎ−１）（図示せず）及び１４ａｎの共通接続点１４ｅとの間に帰還用半導体素子１４ｄが接続されている。

そして、この共通接続点１４ｅから導出される動力線６ｄに界磁コイル４の一端側が接続され、また正側スイッチング素子１３ｐ３及び負側スイッチング素子１３ｎ３の共通接続点から導出される動力線６ｃに界磁電流用カレントセンサ１５を介して界磁コイル４の他端側が接続されている。

この実施の形態においては、Ｐ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に３個以上の平滑コンデンサ１４ａ１，１４ａ２，…，１４ａｎを接続した場合の例であって、その動作は図１と同様であるので、ここでは省略する。

この実施の形態によれば、直流電動機３の界磁コイル４の定格電圧がＰ側母線１２ｐ−Ｎ側母線１２ｎ間電圧の半分より低い場合でも、Ｐ・Ｎ側母線１２ｐ・１２ｎ間に直列に接続された最もＮ側母線１２ｎに近い平滑コンデンサ１４ａｎで分圧された電圧を界磁チョッパ装置１３ｂでチョッパ動作することにより、当該スイッチング素子１３ｎ３のオフ状態時に界磁コイル４に蓄えられたエネルギを帰還用半導体素子１４ｄを通してＮ側母線１１ｂ側に近い平滑コンデンサ１４ａ（ｎ−１）（図示せず）及び１４ａｎの共通接続点１１ｅに帰還させることにより、界磁コイル４にかかる負荷電圧を小さくでき、ひいては界磁コイル4の破損を未然に回避でき、界磁制御ユニットを設けることなく直流電動機３を制御することができる。

（第３の実施の形態）
図４は本発明に係る電力変換装置の他の実施の形態を示す構成図である。
同図において１は、例えば３相交流電源２から出力される交流電力を直流電力に変換し、所要の直流電圧を直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに供給し、当該直流電動機３を駆動する本発明の要部となる電力変換装置である。４は直流電動機３の界磁コイル、５は電力変換装置１から直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに接続される動力線６ａ，６ｂに流れる電機子電流を検出する電機子電流用カレントセンサ、８は界磁コイル４に流入する電流を制御することにより界磁磁束を制御する界磁制御ユニットである。

この電力変換装置１は、３相交流電源２から出力される交流電力を所要とする直流電圧に整流するダイオード整流装置２１と、スイッチング素子の動作時に発生するサージ電圧を抑える平滑コンデンサ２２と、前記ダイオード整流装置２１で変換される直流電源の印加されるＰ側母線１２ｐ−Ｎ側母線１２ｎ間に接続され、母線１２ｐ−１２ｎ間に印加された直流電圧を、外部の制御部７からのゲート制御信号のもとにゲート制御されるＩＧＢＴ等の複数の電機子チョッパ用スイッチング素子１３ｐ１〜１３ｎ２でチョッピングし、直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに供給する電機子用チョッパ装置１３ａと、通常,３相の電力変換機能のうち、その２相分が電機子用チョッパ装置１３ａとして使用されるが、その残りの１相分を回生電流消費用のために、Ｐ側母線１２ｐとＮ側母線１２ｎとの間に直列接続され、前述同様に外部の制御部７からのゲート制御信号のもとにゲート制御される回生用スイッチング素子１３ｐ４及び１３ｎ４よりなる回生電流消費装置１３ｃと、この回生電流消費装置１３ｃの回生用スイッチング素子１３ｐ４及び１３ｎ４の共通接続点とＮ側母線１２ｎとの間に接続され、回生電流を消費する回生電流消費抵抗２３と、母線１２ｐ−１２ｎ間に印加された直流電圧を検出する電圧検出器２４とで構成されている。

次に、以上のような電力変換装置の動作について図５を参照して説明する。

三相交流電源２から出力される三相交流電力をダイオード整流装置２１で整流し、所要電力の直流電圧を取り出し、Ｐ側母線１２ｐ−Ｎ側母線１２ｎ間に印加する（ＳＴ２１）。このとき、制御部７は、界磁コイル４による界磁磁束の確立の有無を判断し（ＳＴ２２）、界磁磁束が確立されていない場合には界磁制御ユニット８から界磁コイル４に界磁電流を流し（ＳＴ２３）、界磁磁束を確立する（ＳＴ２２）。

ステップＳＴ２２において、界磁磁束が確立されていると判断された場合、制御部７は、直流電動機３を始動するか否かを判断する（ＳＴ２４）。このとき、直流電動機３の始動指令が発生している場合、電機子用チョッパ装置１３ａのチョッパ用スイッチング素子１３ａ１にゲート制御信号を送信する。電機子用チョッパ装置１３ａは、ゲート制御信号に従い、チョッパ動作を行い、得られる駆動電圧を電機子３ａ，３ｂ間に印加し、直流電動機３を運転する（ＳＴ２５）。

制御部７は、直流電動機３の運転時、電機子電流用カレントセンサ５から直流電動機３の電機子３ａ，３ｂに流入する電機子電流を取り込み（ＳＴ２６）、また電圧検出器２４から母線１２ｐ−１２ｎ間に印加される直流電圧を取り込み（ＳＴ３０）、以下のような処理を実行する。

すなわち、制御部７は、電機子電流用カレントセンサ５で検出される電機子電流を取り込み、この電機子電流と予め設定される設定電流とを比較しつつ、ゲート制御信号を電機子用チョッパ装置１３ａのチョッパ用スイッチング素子１３ｐ１〜１３ｎ２に送信する。電機子用チョッパ装置１３ａは、制御部７からのゲート制御信号に従い、Ｐ・Ｎ側母線１２ｐ・１２ｎ間の電圧に対するチョッパ動作を行い、電機子３ａ，３ｂに電機子電流を流し、直流電動機３の運転制御を行う（ＳＴ２７）。さらに、直流電動機３の運転中に所定周期ごとに電動機停止指令が入力されたか否かを判断し（ＳＴ２８）、停止指令が入力されていない場合にはステップＳＴ２６に戻り、同様の処理を繰り返し実行する。

また、制御部７は、電圧検出器２４で検出される母線１２ｐ−１２ｎ間電圧を取り込んだ後（ＳＴ３０）、この母線間電圧と予め設定される設定電圧とを比較し、直流電動機３が回生モードにあるか否かを判断する（ＳＴ３１）。通常、直流電動機３が回生モードにある場合、母線１２ｐ−１２ｎ間の電圧が上昇するので、電圧検出器２４からの母線間電圧が設定電圧を越えたとき、回生モードと判断する。ここで、回生モードと判断された場合、回生電流消費装置１３ｃの回生用スイッチング素子１３ｐ４，１３ｎ４にゲート制御信号を送信し（ＳＴ３２）、回生用スイッチング素子１３ｐ４をオン動作させることにより、母線１２ｐ−１２ｎ間に回生電流消費抵抗２３を接続する（ＳＴ３３）。つまり、回生用スイッチング素子１３ｐ４をオン動作させることにより、Ｐ側母線１２ｐと回生電流消費抵抗２３とを接続し、当該回生電流消費抵抗２３に電流を流すことにより、母線１２ｐ−１２ｎ間の電圧を降下させる。

その後、制御部７は、電圧検出器２４で検出される母線間検出電圧と予め定める設定電圧とを比較し、母線間検出電圧が設定電圧まで下がった場合（ＳＴ３４）、回生電流消費装置１３ｃに送信しているゲート制御信号を停止する（ＳＴ３５）。

従って、以上のような実施の形態によれば、コンバータ等の電力回生機能をもたず、また三相電力変換機能をもつスイッチング素子の三相電力変換装置を直流電動機３に適用する場合でも、残りの一相のスイッチング素子を回生電流消費装置１３ｃとして構成し、かつ、回生電流消費装置１３を構成する回生用スイッチング素子１３ｐ４，１３ｎ４の接続点とＮ側母線１２ｎとの間に回生電流消費抵抗２３を接続することにより、回生モード時にスイッチング素子１３ｐ４，１３ｎ４をオン・オフ制御し、母線１２ｐ−１２ｎ間の増加していく電圧を回生電流消費抵抗２３で消費させるので、確実に母線間電圧の上昇を食い止めることができ、ひいては界磁コイル４への電圧負荷の低減化に寄与し、界磁コイル４の破損を未然に回避することができる。

（第４の実施の形態）
図６は本発明に係る電力変換装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、エレベータのリニューアル時、既設のエレベータ設備状態やユーザの要求に鑑み、直流電動機３から三相誘導電動機や三相永久磁石同期電動機等の三相交流電動機に変更しようとする例である。

同図において、２１は３相交流電源２から出力される交流電力を所要電力の直流電圧に整流するダイオード整流装置、１３ｄはダイオード整流装置２１で整流された直流電圧が印加されるＰ側母線１２ｐ−Ｎ側母線１２ｎ間に接続され、制御部７（図示せず）からのゲート制御信号のもとにゲート制御される３相コンバータ機能を有するＩＧＢＴ等の複数のチョッパ用スイッチング素子１３ｐ１−１３ｎ１、１３ｐ２−１３ｎ２、１３ｐ５−１３ｎ５からなるチョッパ装置、２２は、スイッチング素子１３ｐ１−１３ｎ１、１３ｐ２−１３ｎ２、１３ｐ５−１３ｎ５の動作時に発生するサージ電圧を抑える平滑コンデンサ２２である。チョッパ装置１３ｄからは直流電動機３及び界磁コイル４または回生電流消費抵抗２３と接続する動力線６ａ〜６ｃが導出されている。

今、電動機の設備形態としては、例えば３種類の電動機設備３１、３２、３３が存在すると仮定すると、ユーザが直流電動機３を生かそうとする場合、電動機設備３１又は３２を採用することになる。この電動機設備３１、３２については、前述する実施の形態で説明した通りである。

しかし、ユーザ等の要求により、既に設置されている直流電動機３をも三相交流電動機に変更しようとする場合がある。このような要求時、３相電力変換機能をもつ半導体スイッチング素子を３相コンバータ機能を有するチョッパ装置１３ｄとして使用することにより、電動機設備３３に適用することができる。この電動機設備３３は、三相誘導電動機や三相永久磁石同期電動機のような三相交流電動機３４を備えた構成である。

エレベータのリニューアル時、電動機設備３１を採用する場合、外部動力線６ａ及び６ｂに直流電動機３の電機子３ａ，３ｂ側を接続し、また外部動力線６ｃに界磁コイル４の一端部を接続するとともに、当該界磁コイル４の他端側を平滑コンデンサ２２に導き、例えば複数の平滑コンデンサの中点１４ｂ（図１参照）に接続する構成である。

エレベータのリニューアル時、電動機設備３２を採用する場合、同様に外部動力線６ａ及び６ｂに直流電動機３の電機子３ａ，３ｂ側を接続し、また外部動力線６ｃに回生電流消費抵抗２３を接続するとともに、当該回生電流消費抵抗２３を電力変換装置のＮ側母線１１ｂ側に接続する構成となる。

さらに、エレベータのリニューアル時、直流電動機３でなく、三相交流電動機３４をもつ電動機設備３３を採用しようとする場合、外部動力線６ａ〜６ｃに三相交流電動機３４の図示しない各相の動力端子台と接続し、チョッパ装置１３ｄを図示しない制御部によりインバータ装置として動作させることにより、三相交流電動機３４を運転制御することが可能となる。

この実施の形態によれば、エレベータのリニューアル時や故障時、何れの電動機設備にも対応できるだけでなく、例えば負荷である既設の直流電動機を三相交流電動機に交換した場合、電力変換装置自体を交換することなく、わずかな改造のみで交流電動機を運転制御することができる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。例えば図６の構成では、交流電源２から出力される交流電力を所要電力の直流電圧に変換するに際し、ダイオード整流装置２１を用いたが、図１に示すコンバータ装置１１を用いて構成してもよい。

また、各実施の形態は可能な限り組み合わせて実施することが可能であり、その場合には組み合わせによる効果が得られる。さらに、上記各実施の形態には種々の上位，下位段階の発明が含まれており、開示された複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得るものである。例えば問題点を解決するための手段に記載される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されうることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を示す構成図。図１に示す電力変換装置の動作を説明する動作フロー図。図１に示す電力変換装置の一部を改良した構成図。本発明に係る電力変換装置の他の実施の形態を示す構成図。図４に示す電力変換装置の動作を説明する動作フロー図。本発明に係る電力変換装置のさらに他の実施の形態を示す構成図。従来の電力変換装置を示す構成図。従来のさらに別の電力変換装置を示す構成図。

符号の説明

１…電力変換装置、２…３相交流電源、３…直流電動機、３ａ，３ｂ…電機子、４…界磁コイル、５…電機子電流用カレントセンサ、６ａ〜６ｃ…動力線、７…制御部、８…界磁制御ユニット、１１…コンバータ装置、１２ｐ…Ｐ側母線、１２ｎ…Ｎ側母線、１３ａ…電機子用チョッパ装置、１３ｂ…界磁用チョッパ装置、１３ｃ…回生電流消費装置、１４…界磁中点電圧取得回路、１４ａ１，１４ａ２，…，１４ａｎ…平滑コンデンサ、１４ｂ１，１４ｂ２，…，１４ｂｎ…バランス抵抗、１４ｄ…帰還用半導体素子、１５…界磁電流用カレントセンサ、２１…ダイオード整流装置、２２…平滑コンデンサ、２３…回生電流消費抵抗、２４…電圧検出器、３４…三相交流電動機。

Claims

所要の直流電圧が印加されるＰＮ母線間に、三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子及びこれら複数の半導体スイッチング素子の動作時に発生するサージ電圧を抑える複数の平滑コンデンサがそれぞれ直列に接続され、界磁コイルを有する直流電動機を駆動する三相の電力変換装置において、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、二相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子の出力側に前記直流電動機の電機子が接続され、外部から供給される第１のゲート制御信号のもとにチョッパ動作を行う電機子用チョッパ装置と、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、残りの一相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子で構成され、外部から供給される第２のゲート制御信号のもとにチョッパ動作を行う界磁用チョッパ装置と、
この界磁用チョッパ装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の接続部と前記複数の平滑コンデンサの中点との間に前記界磁コイルとともに帰還用回路素子が接続され、前記平滑コンデンサの中点電圧を、当該界磁用チョッパ装置によるチョッパ動作によって前記界磁コイルに通電し、かつ前記界磁コイルに蓄えられる電力エネルギーを前記平滑コンデンサの中点に戻す界磁電圧低減回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記複数の平滑コンデンサが３個以上直列に接続されている場合、
前記界磁電圧低減回路は、前記界磁用チョッパ装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の接続部と前記３個以上の平滑コンデンサの最も前記Ｎ側母線に近い隣り合う平滑コンデンサの接続点との間に前記界磁コイルとともに帰還用回路素子を接続することを特徴とする電力変換装置。
所要の直流電圧が印加されるＰＮ母線間に、三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子及びこれら複数の半導体スイッチング素子の動作時に発生するサージ電圧を抑える複数の平滑コンデンサがそれぞれ直列に接続され、かつ界磁制御ユニットから界磁電流の流入制御される界磁コイルを有する直流電動機を駆動する三相の電力変換装置において、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、二相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子の出力側に前記直流電動機の電機子が接続され、外部から供給される第１のゲート制御信号のもとにチョッパ動作を行う電機子用チョッパ装置と、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子のうち、残りの一相分の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子で構成され、外部から供給されるスイッチング制御信号のもとにスイッチング動作を行う回生電流消費装置と、
この回生電流消費装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の接続点と前記Ｎ側母線との間に接続され、前記直流電動機の回生モード時、前記回生電流消費装置によるスイッチング動作によって前記ＰＮ母線間に現れる電圧を低減するように回生電流を消費させる回生電流消費抵抗とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の電力変換装置において、
負荷としての前記直流電動機に代えて交流電動機に適用しようとする場合、
前記三相の電力変換機能をもつ複数の半導体スイッチング素子をもって三相インバータ装置とするとともに、このインバータ装置を構成する各相の複数の半導体スイッチング素子の接続点から前記直流電動機の電機子及び界磁コイル又は回生電流消費抵抗に接続される出力線をそのまま前記交流電動機に接続する構成としたことを特徴とする電力変換装置。