JP2006129614A - マトリックスコンバータのスナバ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スナバ回路用コンデンサに蓄えられたエネルギーを電源側に回生することのできるマトリックスコンバータのスナバ装置を得る。
【解決手段】入力された交流電圧を任意の交流電圧に変換して交流電動機に出力するマトリックスコンバータの入力側に接続され、ダイオードブリッジ回路で構成された電源側スナバ回路と、マトリックスコンバータの出力側に接続され、ダイオードブリッジ回路で構成されたモータ側スナバ回路と、電源側スナバ回路とモータ側スナバ回路との間に設けられ、マトリックスコンバータが発生する余剰エネルギーを電源側スナバ回路またはモータ側スナバ回路を介して蓄積するスナバ回路用コンデンサとを備えたマトリックスコンバータのスナバ装置において、電源側スナバ回路は、ダイオードブリッジ回路のそれぞれのダイオードと逆並列にトランジスタを接続したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電動機を速度制御するマトリックスコンバータのスナバ装置に関する。

従来のマトリックスコンバータのスナバ装置は、一般的に、電源側の各相とモータ側の各相のそれぞれに必要とされ、ダイオードを介してスナバ回路用コンデンサでエネルギーを吸収し、そのエネルギーを抵抗で熱に換えて消費する構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１３９０７６号公報（第５頁、図５）

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。この構造ではスナバ回路用コンデンサに蓄積されたエネルギーを抵抗等により熱エネルギーとして消費することになり、スナバ回路用コンデンサにせっかく蓄えられたエネルギーを無駄に消費することとなり、システムの高効率化の妨げとなる。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、スナバ回路用コンデンサに蓄えられたエネルギーを電源側に回生することのできるマトリックスコンバータのスナバ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るマトリックスコンバータのスナバ装置は、入力された交流電圧を任意の交流電圧に変換して交流電動機に出力するマトリックスコンバータの入力側に接続され、ダイオードブリッジ回路で構成された電源側スナバ回路と、マトリックスコンバータの出力側に接続され、ダイオードブリッジ回路で構成されたモータ側スナバ回路と、電源側スナバ回路とモータ側スナバ回路との間に設けられ、マトリックスコンバータが発生する余剰エネルギーを電源側スナバ回路またはモータ側スナバ回路を介して蓄積するスナバ回路用コンデンサとを備えたマトリックスコンバータのスナバ装置において、電源側スナバ回路は、ダイオードブリッジ回路のそれぞれのダイオードと逆並列にトランジスタを接続したものである。

本発明によれば、電源側スナバ回路をトランジスタとダイオードにより構成し、スナバ回路用コンデンサの電圧に応じてトランジスタをスイッチングすることにより、スナバ回路用コンデンサに蓄えられたエネルギーを電源側に回生することのできるマトリックスコンバータのスナバ装置を得ることができる。

以下、本発明のマトリックスコンバータのスナバ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。本発明のマトリックスコンバータのスナバ装置は、電源側スナバ回路をトランジスタとダイオードとの逆並列回路で構成し、スナバ回路用コンデンサの電圧に応じて、電源側スナバ回路をダイオードブリッジからトランジスタブリッジに切り換えることにより、スナバ回路用コンデンサに蓄積されるエネルギーを電源側に回生し、高効率化を図ることを特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるマトリックスコンバータのスナバ装置を含む全体構成図である。図１におけるマトリックスコンバータのスナバ装置は、電源側スナバ回路１、停電用電源２、第１のスイッチ３、スナバ回路用コンデンサ４、モータ側スナバ回路５、電圧検出部６、切り換え制御部７、第２のスイッチ８、第３のスイッチ９で構成される。さらに、このマトリックスコンバータのスナバ装置は、マトリックスコンバータ１０および交流電動機である三相モータ１１と接続されている。

また、図２は、本発明の実施の形態１におけるマトリックスコンバータ１０の構成図である。図２のように、双方向素子を用いてマトリックスコンバータ１０を構成する場合には、６つの入出力に対して、すなわち、電源側のＲ、Ｓ、Ｔ相およびモータ側のＵ、Ｖ、Ｗ相に対して、スナバ回路を構成する必要がある。電源側のＲ、Ｓ、Ｔ相に対するスナバ回路が、図１における電源側スナバ回路１に相当し、モータ側のＵ、Ｖ、Ｗ相に対するスナバ回路が、図１におけるモータ側スナバ回路５に相当する。

電源側スナバ回路１は、マトリックスコンバータ１０のスナバ回路として一般的なダイオードブリッジによる構成の代わりに、トランジスタとフリーホイーリングダイオードの逆並列回路によるブリッジ回路で構成されている。一方、モータ側スナバ回路５は、マトリックスコンバータ１０のスナバ回路として一般的なダイオードブリッジにより構成されている。

図１において、停電用電源２は、マトリックスコンバータ１０の交流入力電源が停電したときのために備えられた直流電源である。スナバ回路用コンデンサ４は、マトリックスコンバータ１０がスイッチング動作することにより発生するエネルギーを電源側スナバ回路１およびモータ側スナバ回路５を介して蓄積するためのコンデンサである。

電圧検出部６は、スナバ回路用コンデンサ４の両端の電圧を測定する検出部である。切り換え制御部７は、電圧検出部６で検出した電圧値に応じて、電源側スナバ回路１のトランジスタ、および、第１のスイッチ３、第２のスイッチ８、第３のスイッチ９からなるスイッチ群の切り換え制御を行う制御部であり、動作の詳細は後述する。

また、スイッチ群のうち、第１のスイッチ３および第２のスイッチ８は、停電時にＯＮするスイッチである。一方、第３のスイッチ９は、停電時にＯＦＦするスイッチである。第１のスイッチ３がＯＮすることにより、停電用電源２の電圧が、電源側スナバ回路１、モータ側スナバ回路５、およびスナバ回路用コンデンサ４のそれぞれの両端に印加されることとなる。

第２のスイッチ８がＯＮすることにより、電源側スナバ回路１の出力が三相モータ１１の電力源として供給されることとなる。また、第３のスイッチ９がＯＦＦすると、マトリックスコンバータ１０へ入力されるＲ、Ｓ、Ｔ相の電源が切り離されることとなる。

次に、このような構成に基づく切り換え制御部７による具体的な制御動作を説明する。切り換え制御部７は、電圧検出部６で検出されたスナバ回路用コンデンサ４に蓄えられた電圧値が、あらかじめ定められたある一定値以下の場合には、電源側スナバ回路１のトランジスタをＯＦＦにスイッチングさせる。これにより、電源側スナバ回路１は、フリーホイーリングダイオードによるダイオードブリッジとして動作し、電源側のスナバ回路として機能することとなる。

一方、切り換え制御部７は、電圧検出部６で検出されたスナバ回路用コンデンサ４に蓄えられた電圧値が、あらかじめ定められたある一定値を超える場合には、電源側スナバ回路１のトランジスタをＯＮにスイッチングさせる。これにより、電源側スナバ回路１は、トランジスタによるトランジスタブリッジとして動作し、スナバ回路用コンデンサ４に蓄積されたエネルギーを電源側に回生させることができる。

このように、切り換え制御部７は、スナバ回路用コンデンサ４の電圧値に応じて、トランジスタのスイッチングを行うことにより、スナバ回路用コンデンサ４に蓄えられたエネルギーを電源側に回生できる。これにより、これまで抵抗などで熱エネルギーとして消費されていたスナバ回路用コンデンサ４に蓄えられたエネルギーを電源側に回生させることができ、システム全体としての高効率化が期待できる。

さらに、マトリックスコンバータのスナバ装置をエレベータ駆動装置に適用する場合には、停電時に乗客がエレベータのかご内に閉じ込められないようにすることが必要となる。これを実現するために、本実施の形態１における図１の構成では、第１のスイッチ３、第２のスイッチ８および第３のスイッチ８によるスイッチ群を備えている。このスイッチ群を切り換えることにより、停電時にも三相モータ１１を動作させることができ、詳細の動作を以下に説明する。

図３は、本発明の実施の形態１におけるスイッチ群の切り換え動作を示したフローチャートである。ステップＳ３０１において、切り換え制御部７は、マトリックスコンバータに入力される交流電源が停電したか否かを示す信号を外部から入力する。そして、切り換え制御部７は、停電発生の有無に応じて、その後のスイッチ群の切り換えを行っている。

停電が発生していない場合には、ステップＳ３０２において、切り換え制御部７は、スイッチ群を、第１のスイッチ３：ＯＦＦ、第２のスイッチ８：ＯＦＦ、第３のスイッチ９：ＯＮとなるように切り換える。スイッチ群がこのように切り換えられた後は、ステップ３０３において、上述した通常の運転を行うこととなる。すなわち、スナバ回路用コンデンサ４の電圧値に応じて、電源側スナバ回路１が回生運転を行うことにより、スナバ回路用コンデンサ４に蓄えられたエネルギーを電源側に回生できる。

一方、停電が発生している場合には、ステップＳ３０４において、切り換え制御部７は、スイッチ群を、第１のスイッチ３：ＯＮ、第２のスイッチ８：ＯＮ、第３のスイッチ９：ＯＦＦとなるように切り換える。スイッチ群がこのように切り換えられた後は、ステップ３０３において、電源側スナバ回路１は、インバータとして機能することとなる。

すなわち、停電発生時において第１のスイッチ３がＯＮすることにより、スナバ回路用コンデンサ４は、停電用電源２によって充電される。さらに、切り換え制御部７は、停電用電源２から供給される直流電源に基づいて、電源側スナバ回路１のトランジスタをインバータとしてスイッチング制御させることにより、交流電力を出力できる。そして、第２のスイッチ８がＯＮしていることにより、電源側スナバ回路１から出力される交流電力を三相モータ１１へ供給することができ、停電発生時にも三相モータ１１を駆動することが可能となる。

さらに、このような停電発生時には、上述のようなスイッチングを行って第３のスイッチ９をＯＦＦとすることにより、マトリックスコンバータ１０をＲ、Ｓ、Ｔ相による供給電源から完全に切り離し、スナバ装置のみで、三相モータ１１を駆動することができる。

これにより、マトリックスコンバータ１０による動作制御システムと、従来のコンバータ−インバータによる動作制御システムとのすみわけが可能となる。すみわけが可能となることにより、ソフトウェアが構成しやすくなる、あるいは短絡防止時間等をハードウェアで構成できるなどの利点につながる。

実施の形態１によれば、電源側スナバ回路をトランジスタとフリーホイーリングダイオードとを備えた構成とし、スナバ回路用コンデンサの電圧値に応じて、トランジスタのスイッチングを行うことにより、スナバ回路用コンデンサに蓄えられたエネルギーを電源側に回生することができる。

さらに、停電発生の有無によって切り替わるスイッチ群を備えることにより、停電発生時に、スナバ回路用コンデンサ両端にバッテリーを接続し、電源側スナバ回路内のトランジスタブリッジをインバータとして用いることができる。これにより、停電時にも３相モータを動作させることができ、特に、エレベータ駆動装置に本回路を適用した場合には、停電時に乗客がエレベータのかご内に閉じ込められることを防止することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、停電発生時にも三相モータ１１を動作させるための回路としてスイッチ群をスナバに組み込んだ場合を説明した。実施の形態２では、停電発生時の３相モータの動作は別の方法で実現することとしてスイッチ群を削除し、スナバ回路により回生動作のみを行わせる場合について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるマトリックスコンバータのスナバ装置を含む全体構成図である。

実施の形態２における図４の構成は、実施の形態１の構成である図２と比較すると、停電用電源２、および第１のスイッチ３、第２のスイッチ８、第３のスイッチ９からなるスイッチ群を備えておらず、さらに、電源側スナバ回路１の代わりに電源側スナバ回路１ａが用いられており、その構成が異なっている。図４において、スナバ装置は、電源側スナバ回路１ａ、スナバ回路用コンデンサ４、モータ側スナバ回路５、電圧検出部６、切り換え制御部７で構成されることとなる。

図４の構成において、電源側スナバ回路１ａのトランジスタは、インバータ動作は行わず、回生動作のみとなる。この場合、電源側スナバ回路１ａ内のトランジスタは、スナバ回路用コンデンサ４に蓄えられたエネルギー分を回生できればよいため、比較的小さなトランジスタにすることができる。さらに、電源側スナバ回路１ａのトランジスタの動作を回生動作のみに限定することにより、停電発生の有無によって切り替わるスイッチ群および停電用電源２を不要にできる。

実施の形態２によれば、電源側スナバ回路のトランジスタを回生動作のみに限定して、停電発生の有無によって切り替わるスイッチ群および停電用電源を不要とすることにより、電源側スナバ回路および装置全体の構成を低価格化、省スペース化することが可能になる。

本発明の実施の形態１におけるマトリックスコンバータのスナバ装置を含む全体構成図である。 本発明の実施の形態１におけるマトリックスコンバータの構成図である。 本発明の実施の形態１におけるスイッチ群の切り換え動作を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態２におけるマトリックスコンバータのスナバ装置を含む全体構成図である。

符号の説明

１、１ａ 電源側スナバ回路、２ 停電用電源、３ 第１のスイッチ、４ スナバ回路用コンデンサ、５ モータ側スナバ回路、６ 電圧検出部、７ 切り換え制御部、８ 第２のスイッチ、９ 第３のスイッチ、１０ マトリックスコンバータ、１１ 三相モータ。

Claims (5)

1. 入力された交流電圧を任意の交流電圧に変換して交流電動機に出力するマトリックスコンバータの入力側に接続され、ダイオードブリッジ回路で構成された電源側スナバ回路と、
   前記マトリックスコンバータの出力側に接続され、ダイオードブリッジ回路で構成されたモータ側スナバ回路と、
   前記電源側スナバ回路と前記モータ側スナバ回路との間に設けられ、前記マトリックスコンバータが発生する余剰エネルギーを前記電源側スナバ回路または前記モータ側スナバ回路を介して蓄積するスナバ回路用コンデンサと
   を備えたマトリックスコンバータのスナバ装置において、
   前記電源側スナバ回路は、前記ダイオードブリッジ回路のそれぞれのダイオードと逆並列にトランジスタを接続したことを特徴とするマトリックスコンバータのスナバ装置。
2. 請求項１に記載のマトリックスコンバータのスナバ装置において、
   前記スナバ回路用コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部で検出された電圧値が所定値以下の場合には、前記電源側スナバ回路の前記トランジスタをＯＦＦに切り換えることにより前記ブリッジ回路をダイオードブリッジ回路によるスナバ回路として動作させ、前記電圧検出部で検出された電圧値が所定値を超える場合には、前記電源側スナバ回路の前記トランジスタをＯＮに切り換えることにより前記ブリッジ回路を前記スナバ回路用コンデンサに蓄えられたエネルギーを電源に回生する回生回路として動作させる切り換え制御部と
   をさらに備えたことを特徴とするマトリックスコンバータのスナバ装置。
3. 請求項１または２に記載のマトリックスコンバータのスナバ装置において、
   停電発生時に前記電源側スナバ回路に直流電源を供給する停電用電源をさらに備え、
   前記電源側スナバ回路は、停電発生時に前記停電用電源から供給される直流電源を前記トランジスタのスイッチング動作により交流電力に変換して前記交流電動機に出力する
   ことを特徴とするマトリックスコンバータのスナバ装置。
4. 請求項３に記載のマトリックスコンバータのスナバ装置において、
   前記停電用電源と直列に接続され、閉路することで前記電源側スナバ回路に前記直流電源を供給する第１のスイッチと、
   閉路することで前記電源側スナバ回路の出力を前記マトリックスコンバータの出力に代わって交流電動機に供給する第２のスイッチと
   をさらに備え、
   前記切り換え制御部は、前記マトリックスコンバータに入力される交流電源が停電したことを検知することにより、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを閉路させるとともに、前記電源側スナバ回路内の前記トランジスタをスイッチング制御することにより、前記停電用電源から供給される直流電源に基づいて前記交流電動機に交流電力を供給する
   ことを特徴とするマトリックスコンバータのスナバ装置。
5. 請求項４に記載のマトリックスコンバータのスナバ装置において、
   開路することで前記マトリックスコンバータに入力される交流電源を切り離す第３のスイッチをさらに備え、
   前記切り換え制御部は、前記マトリックスコンバータに入力される交流電源が停電したことを検知することにより、前記第３のスイッチを開路させる
   ことを特徴とするマトリックスコンバータのスナバ装置。

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