JP2009171759A

JP2009171759A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2009171759A
Application number: JP2008007882A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hirakata; 政樹平形
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】鉛蓄電池等の直流電源と電気二重層キャパシタ等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子を並列接続する方式ではキャパシタの電力を十分活用できず、装置が大型で、高コストになる問題がある。
【解決手段】半導体素子で構成された電力変換器１ａと前記電力変換器の出力に電動機Ｍ１を接続し、前記電動機の中性点と前記電力変換器の直流母線の負極との間に直流電源３を接続した装置と、前記装置と同一の構成で直流電源の代わりに電圧可変形エネルギー貯蔵素子４を接続した装置との、それぞれの直流母線を共通に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧駆動型半導体素子で構成された電力変換装置に関し、特に負荷に交流電動機（以下、電動機と呼ぶ）を使用し、電動機の中性点電流を制御する駆動システムに関する。

図１２に、特許文献１、２に示された従来の電力変換回路を示す。電動機Ｍ１に三相交流を印加する電力変換装置１ａの直流母線の正極と負極との間に接続された直流リンクキャパシタ２と、電力変換装置の直流母線の負極と電動機の中性点との間に接続された直流電源３とを備え、昇圧動作を行いつつ、電動機に交流を供給するものである。
また、図１３は特許文献２に示された電力変換装置を直流母線で２台並列接続したもので、特許文献３から簡略化して描いた回路図である。図１２の回路に電力変換器１ｂと電動機Ｍ２が付加された構成で、電力変換器１ａで直流電源３の電圧を昇圧して直流リンクキャパシタ２を充電し、この直流リンクキャパシタ２を電源として電力変換器１ｂで電動機Ｍ２を駆動するものである。
これら電力変換装置方式を適用した場合、電動機が回生動作を行った時に生じる回生電力を直流電源で吸収する必要がある。この直流電源に鉛蓄電池等を用いた場合、一般的に放電電流ほど充電電流を大きく流せないので、急速な回生電力が発生すると、この回生電力を吸収しきれない場合が生じる。そのため、別途抵抗を直流リンクキャパシタ２と並列に接続することにより、この回生電力を消費させる必要がある。この結果、装置のエネルギー効率を低下させるという問題が発生する。

この問題を回避するため、安定的に電源を供給する鉛蓄電池等の直流電源と、急速な充放電電流に対応する電気二重層キャパシタ等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子を組み合わせた方式が知られている。
これら２つの組み合わせ方式として、図１４に示すような直流電源３と電圧可変形エネルギー貯蔵素子４を並列に接続した最も単純な方式がある。この方式は、鉛蓄電池等の直流電源電圧はほぼ一定であるため電圧可変形エネルギー貯蔵素子の端子電圧がその影響を受け、充放電電力を活用する電圧範囲が狭く、利用効率が悪くなり、所用の電力を吸収させるためには本素子の容量を大きくする必要が生じ、体積とコストが増加する問題がある。
この問題を解決する方式として、図１５に示すようにコンバータ７を設けて、電圧可変形エネルギー貯蔵素子４の電圧を任意に設定できるようにする方式がある。この方式ではコンバータ７で電圧可変形エネルギー貯蔵素子７の電力の充放電量を制御できるため、本素子の利用効率を高めることができるが、別途コンバータ７が必要になり、やはり体積とコストが増加する問題がある。
特許第３２２３８４２号公報特許第３２１９０３９号公報特開２００２−１０６７０号公報

上述のように、鉛蓄電池等の直流電源と電気二重層キャパシタ等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子を組み合わせた方式で生じる前記各方式の有する問題点を解決し、エネルギー効率に優れた電動機駆動装置を提供することが課題である。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、半導体素子で構成された電力変換器と前記電力変換器の出力に電動機を接続し、前記電動機の中性点と前記電力変換器の直流母線の正極または負極との間に直流電源を接続した装置と、前記装置と同一の構成で直流電源の代わりに電圧可変形エネルギー貯蔵素子で構成された装置との、それぞれの直流母線を共通に接続する。
第２の発明においては、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧が所定範囲内の時は、前記直流電源の入出力電流を零として、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電流を制御する。
第３の発明においては、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧が上限値または下限値に達した時は、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の入出力電流を零として、前記直流電源の電流を制御する。
第４の発明においては、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子が電気二重層コンデンサまたは電気化学コンデンサであることを特徴とする。

本発明では、半導体素子で構成された電力変換器と前記電力変換器の出力に電動機を接続し、前記電動機の中性点と前記電力変換器の直流母線の正極または負極との間に直流電源を接続した装置と、前記装置と同一の構成で直流電源の代わりに電圧可変形エネルギー貯蔵素子で構成された装置との、それぞれの直流母線を共通に接続し、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧が所定範囲内の時は、前記直流電源の入出力電流を零として、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電流を制御する。この結果、制動時の回生電力を電圧可変形エネルギー貯蔵素子で効率よく回収し、次回駆動時に放出することで、エネルギー効率の高い電力変換システムが実現できる。

本発明の要点は、半導体素子で構成された電力変換器と前記電力変換器の出力に電動機を接続し、前記電動機の中性点と前記電力変換器の直流母線の正極または負極との間に直流電源を接続した装置と、前記装置と同一の構成で直流電源の代わりに電圧可変形エネルギー貯蔵素子で構成された装置との、それぞれの直流母線を共通に接続し、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧が所定範囲内の時は、前記直流電源の入出力電流を零として、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電流を制御することである。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。電力変換器１ａの交流出力には電動機Ｍ１が、電力変換器１ａの直流入力には直流リンクキャパシタ２が、電動機Ｍ１の中性点と電力変換器１ａの直流入力の負極との間には直流電源３が、電力変換器１ｂの交流出力には電動機Ｍ２が、電力変換器１ｂの直流入力には直流リンクキャパシタ２が、電動機Ｍ２の中性点と電力変換器１ｂの直流入力の負極との間には電圧可変形エネルギー貯蔵素子４が、各々接続された構成である。
図２は電力変換器１ａと１ｂの詳細回路を示した回路図である。電力変換器１ａはダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Ｔ１１〜Ｔ１６）で構成された３相ブリッジインバータ回路で、電力変換器１ｂはダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Ｔ２１〜Ｔ２６）で構成された３相ブリッジインバータ回路である。
ところで、特許文献１、２によれば、図７に示す回路は零相分に関して、等価的に図８で示すチョッパ回路のように動作する。ここで、６はリアクトルである。このチョッパ回路において、直流リンクキャパシタ２の電圧Ｖ１と電圧可変形エネルギー貯蔵素子４の電圧Ｖ３の関係は、式（１）となる。
(式１)
ただし、とおく。ここで、t₁、t₂はそれぞれ図８に示すスイッチング素子（ＩＧＢＴ）T1、T2のオン時間である。
このデューティー比D₁を制御するには、零相電圧指令値を制御すればよい。

図１１に電圧指令制御ブロックを示す。各相正相分電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に零相分電圧指令値Ｖ０＊を加算し、ＰＷＭ変調器でＰＷＭ変調を行い、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を制御するゲート信号を生成する。この加算される零相電圧指令値を制御することにより、デューティー比D₁の制御が可能となる。
以上の考えから、図２の構成を持つ回路の零相分に着目した等価回路は図９となる。ここで、６ａ、６ｂはリアクトル、Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔｂ１、Ｔｂ２はＩＧＢＴである。
この図９においても（式１）は成立し、V₃について整理すると、
（式２）
ただし、とおく。ここで、tb1、tb2はそれぞれ図９に示すスイッチング素子（ＩＧＢＴ）T_b1、T_b2のオン時間である。
よって、V₃はデューティー比を調整することにより、0≦V₃≦V₁の範囲を設定することができ、図９で示す回路Ａに図１５で示すコンバータ機能をもたせることができる。
また、特許文献１、２によれば正相分に関して、図２は図１０の構成となり、二つの３相インバータとして動作する。
図３に本発明の制御システム実施例を示す。本実施例は１つの直流電源から２つの電動機を駆動するシステムであり、半導体素子で構成された電力変換器と前記電力変換器の出力端に電動機を接続し、前記電動機の中性点と前記電力変換器の直流母線の負極との間に直流電源を接続した装置と、前記装置と同一な構成で直流電源の代わりに電圧可変形エネルギー貯蔵素子で構成された装置とを、それぞれの直流母線を共通に接続されている。これら電力変換器を構成する半導体素子は制御装置にて生成されるゲート信号により駆動される。

本実施例は、直流電源として鉛蓄電池BATを、電圧可変形エネルギー貯蔵素子として電気二重層キャパシタCAPをそれぞれ採用した例である。変換器１は、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ（Ｔ１１〜Ｔ１６）で構成された電力変換器１、電動機Ｍ１、鉛蓄電池BAT、電力変換器出力電流検出器CTu1、CTw1、鉛蓄電池電流検出器CTbatで、変換器２は、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ（Ｔ２１〜Ｔ２６）で構成された電力変換器２、電動機Ｍ２、電気二重層キャパシタCAP、電力変換器出力電流検出器CTu2、CTw2、電気二重層キャパシタ電流検出器CTcap、電気二重層キャパシタ電圧検出器Vcapで、各々構成され、各変換器の直流入力は直流リンクキャパシタC#linkに接続される。また、直流リンクキャパシタC#linkには電圧検出器Vdcが接続される。制御装置には、各部の電流検出値iu1#det、iw1#det、iu2#det、iw2#det、ibat#det、icap#det、各部の電圧検出値vcap#det、Edc#det、周波数指令f1*、f2*、が入力され、各電力変換器用のゲートＧ１１〜Ｇ１６、Ｇ２１〜Ｇ２６用の信号を出力する。
次に、図４に示す制御ブロック図に基づいて制御装置を説明する。この制御装置は、各電動機Ｍ１、Ｍ２の回転速度を決定する周波数指令f1*、f2*を入力とし、各部の電圧、電流の検出値からゲート信号指令をマイコンで演算し、生成する機能をもつ。

外部からの周波数指令でV/f一定制御を行う電動機制御部（正相分）と、鉛蓄電池BAT、電気二重層キャパシタCAP、直流リンクキャパシタC#linkの電力授受を制御する零相分制御部とから成り、それぞれ演算された電圧指令を加算し、ＰＷＭ変調器を用いてゲート信号を作り、出力する。
電動機駆動方式であるV/f一定制御方式に関しては、一般に広く適用されているため説明を省略する。
零相分制御部は直流リンク電圧を指令値Edc*とする電圧調節器AVRと、その電圧調節器の出力である零相電流指令値INを分配する機能を持った電流指令分配器と、その出力を電流指令値OUT1、OUT2とする２つの電流調節器ACR1、ACR2とから成る。
この２つの電流調節器ACR1、ACR2にて、変換器１と変換器２のそれぞれの零相電流を制御する。ここで、変換器１の零相電流は鉛蓄電池電流ibat、変換器２の零相電流は電気二重層キャパシタ電流icapに相当する。
次に、電流指令分配器を説明する。
電流指令分配器は、電動機とのエネルギー授受を電気二重層キャパシタCAPに優先させ、過不足分を鉛蓄電池BATが補うように動作する。

図５に電流指令分配器の内部回路とその動作パターンを、図６に鉛蓄電池電流ibat#detと電気二重層キャパシタ電流icap#detの波形をそれぞれ示す。
駆動時は、電流調節器ACR1の電流指令値を"0"とすることで、鉛蓄電池入出力電流を"0"にし、鉛蓄電池からの供給電力を止め、電圧調節器AVRの出力を電流調節器ACR2の電流指令値とすることで、電気二重層キャパシタCAPから電力を供給する。ただし、電気二重層キャパシタCAPの電圧が下降し、設定した閾値VthLに達した場合は、設定を切り替え、電気二重層キャパシタCAPの入出力電流を"0"とし、鉛蓄電池BATより電力を供給する。
制動時も駆動時と同様に、電流調節器ACR1の電流指令値を"0"とすることで、鉛蓄電池入出力電流ibatを"0"にし、鉛蓄電池BATへの供給電力を止め、電圧調節器AVRの出力を電流調節器ACR2の電流指令値とすることで、電気二重層キャパシタCAPへ電力を回生する。ただし、電気二重層キャパシタCAPの電圧が上昇し、設定した閾値VthHに達した場合は、設定を切り替え、電気二重層キャパシタCAPの入出力電流を"0"とし、鉛蓄電池BATへ電力を回生する。これらの動作をまとめたのが動作パターン表である。
駆動、制動の判別は電圧調節器AVR出力の極性で判断する。
駆動時は、電力が直流リンクキャパシタCAPから電動機へ流れるので、直流リンク電圧が下降し、電圧調節器AVRの出力はプラスとなる。また、制動時は、電力が電動機から直流リンクキャパシタC#linkへ流れるので直流リンク電圧Edcが上昇し、電圧調節器AVRの出力はマイナスとなる。このように、電圧調節器AVRの出力極性で、駆動、制動が判別できる。

本実施例では、直流電源および、電気二重層キャパシタを電動機の中性点と直流母線負極側（N）との間に設置した例であるが、それぞれ電動機の中性点と直流母線正極側（P）との間に設置してもよい。

本発明は、鉛蓄電池などを使用し、急激な加減速を繰り返す電動機駆動装置の他、突入電流の大きな負荷や回生電力の大きな負荷などへの電力供給を行う無停電電源装置などへの適用が可能である。

本発明の実施例を示す回路例である。図1の詳細回路図である。図1の制御システムを説明するための回路図である。図３の制御装置の回路ブロック図である。電流指令分配器の詳細と動作パターンを示す。各部の電流、電圧波形を示す。電動機中性点を用いた電動機駆動装置である。図７の回路の零相分等価回路を示す。図２の回路の零相分等価回路を示す。図２の回路の正相分等価回路を示す。電圧指令制御ブロック図を示す。従来の電力変換回路例１を示す。従来の電力変換回路例２を示す。従来の電力変換回路例３を示す。従来の電力変換回路例４を示す。

符号の説明

１・・・インバータ１ａ、１ｂ、１ｃ・・・電力変換器
２、C#link・・・直流リンクキャパシタ３・・・直流電源
ＢＡＴ・・・鉛蓄電池４・・・電圧可変形エネルギー貯蔵素子
ＣＡＰ・・・電気二重層キャパシタＭ、Ｍ１、Ｍ２・・・電動機
６、６ａ、６ｂ・・・リアクトル７・・・コンバータ
８・・・負荷
Ｔ１、Ｔ２、Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔｂ１、Ｔｂ２・・・ＩＧＢＴ
Ｔ１１〜Ｔ１６、Ｔ２１〜Ｔ２６・・・ＩＧＢＴ
ＣＴｕ１、ＣＴｗ１、ＣＴｕ２、ＣＴｗ２、ＣＴｂａｔ、ＣＴｃａｐ・・・電流検出器
Ｖｄｃ、Ｖｃａｐ・・・電圧検出器
５ｕ、５ｖ、５ｗ、５ｕ１、５ｖ１、５ｗ１、５ｕ２、５ｖ２、５ｗ２・・・加算器

Claims

半導体素子で構成された電力変換器と前記電力変換器の出力に電動機を接続し、前記電動機の中性点と前記電力変換器の直流母線の正極または負極との間に直流電源を接続した装置と，前記装置と同一の構成で直流電源の代わりに電圧可変形エネルギー貯蔵素子で構成された装置との、それぞれの直流母線を共通に接続したことを特徴とする電力変換装置。
前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧が所定範囲内の時は、前記直流電源の入出力電流を零として、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧が上限値または下限値に達した時は、前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の入出力電流を零として、前記直流電源の電流を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子が電気二重層コンデンサまたは電気化学コンデンサであることを特徴とする請求項１〜３に記載の電力変換装置。