JP2010110139A - インバータ装置の回生電力処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コントローラや他のインバータ装置との間の信号伝送を不要にして構成を簡略化する。
【解決手段】平滑コンデンサ４の両端の直流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換してモータ１２に供給するインバータ回路７と、平滑コンデンサ４の両端に接続され、かつ、回生抵抗５及び回生トランジスタ６の直列回路からなる回生回路３０と、モータ１２からの回生電力を回生抵抗５により消費させるために、前記直流電圧が所定値を超えたときに回生トランジスタ６をオンするための検出回路８，演算部１１，駆動回路９からなる制御手段と、を備えたインバータ装置において、インバータ装置２，１３の前記制御手段は、当該インバータ装置の回生トランジスタ６のオン電圧レベルを、当該インバータ装置の回生動作状態に応じてそれぞれ独立して可変とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数台のインバータ装置を並列に接続して構成されるインバータシステムにおいて、モータ等の負荷から供給される回生電力を効率的に処理するための処理方法に関するものである。

複数台のインバータ装置を並列に接続して構成されるインバータシステムにおいて、負荷からの回生電力を処理するための従来技術として、特許文献１及び特許文献２に記載された方法が知られている。
特許文献１に記載された従来技術は、並列に接続された複数台のインバータ装置を制御するためのシステムコントローラを備えたモータ制御システムにおいて、各インバータ装置から回生負荷データをシステムコントローラに転送し、システムコントローラが各インバータ装置の回生負荷データを評価し、回生負荷の大きいインバータ装置の回生回路の動作レベルを上げ、回生負荷の小さいインバータ装置の回生回路の動作レベルを下げることで、各インバータ装置の回生回路の動作レベルを均等にする方法である。

また、特許文献２に記載された従来技術は、並列に接続された複数台のインバータ装置間で、回生トランジスタがオンかオフかの状態を表す回生オン信号をやりとりし、どれか１台でも回生オン信号が存在すれば、並列に接続された複数台のインバータ装置全ての回生トランジスタをオンさせることで、回生処理回路の負荷を均等にする方法である。

特開平１１−８９２８５号公報（段落［００２０］〜［００３９］、図２等） 特開２００５−２５３２１３号公報（段落［００１７］〜［００２１］、図１，図２等）

しかし、特許文献１や特許文献２に記載された従来技術は、何れも各インバータ装置の回生負荷を均等化するために、システムコントローラとインバータ装置との間、または、各インバータ装置の相互間で情報のやりとりが必要となるため、信号伝送システム等の回路構成が複雑になるという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、コントローラや他のインバータ装置との間の信号伝送を不要にして回路構成の簡略化を可能にした回生電力処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、直流中間回路の平滑コンデンサを介して並列に接続された複数台のインバータ装置において、各インバータ装置の制御手段が、当該インバータ装置の回生回路を構成するスイッチング素子のオン電圧レベルを、当該インバータ装置の回生動作状態に応じてそれぞれ独立して可変としたものである。
また、請求項２に係る発明は、請求項１における回生動作状態として、前記回生抵抗における消費電力相当値に着目したものである。

上記消費電力相当値としては、回生負荷率（請求項３）、回生抵抗における実際の消費電力（請求項４）、単位時間における回生回路内のスイッチング素子のオン回数（請求項５）、上記オン回数をローパスフィルタによりフィルタリング処理した値（請求項６）、負荷の回生状態における直流中間電圧検出値の最大値（請求項７）、または直流中間電圧検出値（請求項８）等が考えられる。

更に、請求項９に記載したように、各インバータ装置の制御手段が、当該インバータ装置の回生回路を構成するスイッチング素子のオン電圧レベルを、ランダムな周期の時間関数により変調してそれぞれ独立して可変としても良い。
また、請求項１０に記載したように、回生抵抗で消費可能な回生電力の許容値を設定することができるものとする。

本発明においては、各インバータ装置の回生動作状態に応じて、回生回路内のスイッチング素子をオンさせるオン電圧レベルを各インバータ装置が独立に可変とするものである。これにより、従来技術のように、上位コントローラとインバータ装置間またはインバータ装置の相互間で信号をやりとりする必要がなく、簡単なシステム構成によって各インバータ装置の回生抵抗による消費電力を均等化することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態が適用されるインバータシステムの構成図であり、直流中間回路の平滑コンデンサ４の両端を介して互いに並列に接続された２台のインバータ装置２，１３によってモータ１２をそれぞれ駆動するシステムを示している。ここで、インバータ装置２，１３の構成は同一であるため、以下では一方のインバータ装置２の構成を説明する。

図１において、インバータ装置２の交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔには三相交流電源１が接続され、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには負荷としてのモータ１２が接続されている。
インバータ装置２の主回路は、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続されて三相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路３と、その出力である直流電圧を平滑する平滑コンデンサ４と、回生電力を放電する回生抵抗５と、平滑コンデンサ４の両端に接続された回生回路３０と、ＰＷＭ制御により直流中間回路の直流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換する電圧形のインバータ回路７と、を備えている。ここで、前記回生回路３０は、回生抵抗５と回生トランジスタ６との直列回路により構成されている。

また、インバータ装置２には、平滑コンデンサ４の両端に接続された直流中間電圧検出回路８と、回生トランジスタ６のゲート信号を作成する回生トランジスタ駆動回路９と、インバータ回路７の半導体スイッチング素子に対するゲート信号を作成するインバータ駆動回路１０と、ＣＰＵ，ＡＳＩＣ等からなる演算部１１と、が設けられている。この演算部１１は、モータ１２の回転速度や電流値などからＰＷＭ電圧指令を演算してインバータ駆動回路１０に与えると共に、前記検出回路８により検出した直流中間電圧から回生トランジスタ６のオン／オフ信号を演算する処理を行う。
なお、直流中間電圧検出回路８、演算部１１及び回生トランジスタ駆動回路９は、請求項における制御手段を構成する。

インバータ装置２の直流中間回路の両端（平滑コンデンサ４の両端）は直流端子Ｐ，Ｎに接続されており、これらの直流端子Ｐ，Ｎは他方のインバータ装置１３の直流端子Ｐ，Ｎに接続されている。
ここで、各インバータ装置２，１３への入力電圧が直流電圧である場合には、前記整流回路３は不要である。

次に、インバータ装置２を単独で運転した場合の回生電力の処理動作について説明する。
モータ１２から回生電力がインバータ装置２に供給された場合、平滑コンデンサ４が充電され、直流中間電圧が上昇する。この回生状態がそのまま継続すると、直流中間電圧が平滑コンデンサ４やスイッチング素子の耐圧を超えてこれらを破損させるおそれがある。従って、演算部１１は、直流中間電圧検出回路８による直流中間電圧検出値が予め設定された電圧レベル（オン電圧レベル）を超えると、回生トランジスタ駆動回路９に指令を与え、回生トランジスタ駆動回路９は、上記指令に基づいて回生トランジスタ６をオンするためのゲート信号を出力する。
これにより回生トランジスタ６がオンし、平滑コンデンサ４に充電された電荷が放電して回生抵抗５により消費されるため、直流中間電圧の上昇を抑えて回路部品を保護することができる。

ここで、２台のインバータ装置２，１３は直流端子Ｐ，Ｎによって並列に接続されているため、各インバータ装置２，１３の直流中間電圧は同じ値になる。しかし、各インバータ装置２，１３の直流中間電圧検出回路８による電圧検出値は、使用している電子部品の特性にばらつきがあるので、同じ値にならない場合がある。
従って、前述したようなインバータ装置２の単独運転時における回生電力処理動作をそのまま適用すると、直流中間電圧検出値が高く、その値がオン電圧レベルを超えているインバータ装置の方が常に回生トランジスタ６をオンすることになるため、回生電力の消費に偏りが生じる。例えば、各インバータ装置２，１３により駆動される各モータ１２が同時に回生状態となった場合に、モータ２台分の回生電力がインバータ装置２の回生抵抗５に集中するような事態が発生する。この場合、モータ２台分の回生電力が、インバータ装置２の回生抵抗５により消費可能な回生電力量であれば問題ないが、消費可能な回生電力量を超える場合、回生回路保護のためにインバータ回路７を停止させるなどの保護動作が働き、インバータ装置２が停止するといった問題が発生する。

そこで、この実施形態では、請求項１に記載するように、各インバータ装置２，１３の回生トランジスタ６のオン電圧レベル（回生トランジスタ駆動回路９に設定されているオン電圧レベル）を、各インバータ装置２，１３が自己の回生動作状態に応じてそれぞれ独立して可変としたものである。

以下、回生トランジスタ６のオン電圧レベルを可変とする具体的な方法について説明する。
すなわち、請求項２に係る発明は、回生抵抗５における消費電力相当値に基づいて、各インバータ装置２，１３の回生トランジスタ６のオン電圧レベルを可変とする方法であり、請求項３〜８に係る発明は、上記消費電力相当値の態様に関するものである。

図２は、請求項３に記載されているように、消費電力相当値としての回生負荷率から回生トランジスタ６のオン電圧レベルを可変とする方法のフローチャートである。
各インバータ装置２，１３の演算部１１は、既知である回生抵抗５の抵抗値と、回生トランジスタ６のオン電圧レベルと、回生トランジスタ６のオン時間とから、数式１を用いて回生抵抗５における実際の消費電力を計算する（ステップＳ１，Ｓ２）。

次に、演算部１１は、ステップＳ２で求めた実際の消費電力と、回生抵抗５によって消費可能な許容電力とから、数式２により回生負荷率を演算する（ステップＳ３）。
なお、数式２における回生抵抗５で消費可能な許容電力は、例えば、各種パラメータの設定を行うタッチパネル等の設定手段から入力して予め設定されるものであり、各インバータ装置２，１３にそれぞれ個別に設定することができる。

いま、図１における何れかのモータ１２から回生電力がインバータ装置２，１３に供給され、例えばインバータ装置２の直流中間電圧検出値が回生トランジスタ６のオン電圧レベルを超えると、回生トランジスタ６がオンし、数式２による回生負荷率が上昇する。これにより、インバータ装置２の演算部１１は、数式３に従って回生トランジスタ６のオン電圧レベルをより高い値に変更する（ステップＳ４）。なお、数式３におけるオン電圧レベル最小値及びオン電圧レベル可変幅は予め設定されているものとする。

以後、回生負荷率が上昇した（オン電圧レベルが上昇した）方のインバータ装置２では、直流中間電圧検出値とオン電圧レベルとの比較により、回生トランジスタ６をオンまたはオフすることになる（ステップＳ５〜Ｓ７）。

これに対し、上記インバータ装置２に並列に接続されていて直流中間電圧が等しい他方のインバータ装置１３も、インバータ装置２と同様の回生動作を行うはずであるが、前述したように、直流中間電圧検出値は電子部品の特性のばらつきによって必ずしも同じ値にならない。このため、他方のインバータ装置１３側で直流中間電圧検出値がオン電圧レベルを超えない場合には、回生トランジスタ６がオフしているので、前記ステップＳ２により演算される実際の消費電力（数式１）、及び、ステップＳ３により演算される回生負荷率（数式２）がゼロであり、数式３により演算されるオン電圧レベルは最小値のままである。

従って、他方のインバータ装置１３では、直流中間電圧検出値とオン電圧レベル最小値との比較結果に応じて回生トランジスタ６をオンまたはオフすることになる（ステップＳ５〜Ｓ７）。
すなわち、インバータ装置１３においてはそれ以後、回生負荷率が高くなってオン電圧レベルが上昇したインバータ装置２よりも早く、直流中間電圧検出値が回生トランジスタ６のオン電圧レベル（オン電圧レベル最小値）に達するため、回生トランジスタ６がオンして平滑コンデンサ４が放電し、回生電力を回生抵抗５によって消費させることができる。
このような動作により、一方のインバータ装置２のみに回生動作が偏る心配がなくなり，２台のインバータ装置２，１３間で回生抵抗５による消費電力を均等化することができる。

なお、上述した実施形態では、消費電力相当値として回生負荷率を用いているが、数式２，数式１によれば、回生負荷率は実際の消費電力または回生トランジスタオン時間から演算しているので、回生負荷率に代わる消費電力相当値として、回生抵抗５における実際の消費電力、あるいは、単位時間当たりの回生トランジスタのオン回数、または前記オン回数をローパスフィルタに通してフィルタリング処理した値を用いても良い。

消費電力相当値として、回生負荷率の代わりに実際の消費電力を用いる方法が請求項４に係る発明に相当し、図３に示すように、実際の消費電力を計算するステップＳ２ＡがステップＳ４の前段に設けられている。ここで、ステップＳ２Ａにおける消費電力の計算は、前述した数式１を用いればよい。なお、ステップＳ４におけるオン電圧レベルの演算は、ステップＳ２Ａにより計算した消費電力の値に応じてオン電圧が高くなるような関数を用いれば良い。

また、消費電力相当値として、回生負荷率の代わりに単位時間当たりの回生トランジスタ６のオン回数を用いる方法が請求項５に係る発明に相当し、図４に示すように、回生トランジスタ６のオン回数を計測するステップＳ２ＢがステップＳ４の前段に設けられている。この場合も、ステップＳ４におけるオン電圧レベルの演算は、ステップＳ２Ｂにより計測したオン回数の値に応じてオン電圧が高くなるような関数を用いれば良い。
更に、図示されていないが、消費電力相当値として、上記オン回数をローパスフィルタに通すことによりフィルタリング処理した値を用いる方法が請求項６に係る発明に相当する。

次に、請求項７に記載した発明の実施形態を説明する。
この実施形態は、消費電力相当値としての直流中間電圧検出値の最大値に基づいて回生トランジスタ６のオン電圧レベルを可変とするものであり、図５がそのフローチャートである。

回生電力がインバータ装置に供給されると、直流中間電圧が上昇する。そして、各インバータ装置２，１３のうちの何れか、例えばインバータ装置２の直流中間電圧検出値が回生トランジスタ６のオン電圧レベルを超えた場合、そのインバータ装置２が回生トランジスタ６をオンすることによって直流中間電圧は低下する。そこまでの過程で、演算部１１が直流中間電圧の最大値を計測し（図５のステップＳ１１〜Ｓ１３）、計測した直流中間電圧検出値（最大値）が回生トランジスタ６のオン電圧レベル以上となった場合、回生トランジスタ６がオンすると共に、そのインバータ装置２の回生トランジスタ６のオン電圧レベルを高くする（ステップＳ１４Ｙｅｓ〜Ｓ１６）。
なお、計測した直流中間電圧検出値が回生トランジスタ６のオン電圧レベルより小さい場合（ステップＳ１４Ｎｏ）には、その直流中間電圧検出値とオン電圧レベル最小値との大小関係に応じてオン電圧レベルを低下させるか、オン電圧レベルを最小値に設定する（ステップＳ１７〜Ｓ１９）。

一方、直流中間電圧検出値が低いインバータ装置１３では、その回生トランジスタ６のオン電圧レベルは上記ステップＳ１４Ｎｏ，Ｓ１７〜Ｓ１９の動作によって低いままであるため、インバータ装置１３ではそれ以後、直流中間電圧検出値が高いインバータ装置２よりも早く、直流中間電圧検出値が回生トランジスタ６のオン電圧レベルに達する。
これによって、直流中間電圧検出値の低いインバータ装置１３でも回生トランジスタ６がオンして回生抵抗５により回生電力を消費することになるため、一方のインバータ装置２のみに回生動作が偏る心配がなくなり，２台のインバータ装置２，１３間で回生抵抗５による消費電力を均等化することができる。

次いで、請求項８に記載した発明の実施形態を説明する。
この実施形態は、回生トランジスタ６がオンした時の直流中間電圧検出値からオン電圧レベルを可変する方法であり、図６はそのフローチャートである。
例えば、一方のインバータ装置２の直流中間電圧検出値が回生トランジスタ６のオン電圧レベルを超えて回生トランジスタ６がオンすると、直流中間電圧が低下するため、結果的に、回生トランジスタ６のオン電圧レベルが直流中間電圧最大値になる。従って、回生トランジスタ６がオンした後に直流中間電圧を計測し（図６のステップＳ２０）、その直流中間電圧検出値（最大値）を用いて図６のステップＳ１４以降の処理を行うことにより、請求項７と同様の原理によって各インバータ装置２，１３間で回生抵抗５による消費電力を均等化することができる。

最後に、請求項９に係る発明の実施形態を説明する。この実施形態は、各インバータ装置２，１３の回生トランジスタ６のオン電圧レベルを、ランダムな周期の時間関数によりそれぞれ独立して変調するものである。
図７は、オン電圧レベルを変調するための時間関数を三角波とした場合のオン電圧レベル、直流中間電圧検出値、回生トランジスタのオン信号等を示した動作説明図である。
ここでは、図７（ａ）に示すように、一方のインバータ装置２の直流中間電圧検出値１５は実際の直流中間電圧２０よりも高く、図７（ｂ）に示すように、他方のインバータ装置１３の直流中間電圧検出値１８は実際の直流中間電圧２０よりも低いものと仮定してある。
なお、時間関数は、時間的に変化する関数であれば三角波以外でも構わない。但し、各インバータ装置２，１３で時間関数の周期が等しくならないようにする。

続いて、この実施形態の動作について説明する。
回生状態になって直流中間電圧が上昇すると、まずは一方のインバータ装置２の直流中間電圧検出値１５が、ランダムな周期で変化する回生トランジスタ６のオン電圧レベル１４を超えるため、図７（ａ）に示すごとく、インバータ装置２の回生トランジスタ６がオン信号１６によりオンする。回生トランジスタ６がオンしている間、実際の直流中間電圧は下がり続けるが、インバータ装置２の直流中間電圧検出値１５がオン電圧レベル１４を下回ると回生トランジスタ６はオフするため、直流中間電圧は再び上昇を始める。

次に、他方のインバータ装置１３の直流中間電圧検出値１８が、ランダムな周期で変化する回生トランジスタ６のオン電圧レベル１７を超えると、図７（ｂ）に示すごとく、インバータ装置１３の回生トランジスタ６がオン信号１９によりオンする。
このように、各インバータ装置２，１３の回生トランジスタ６のオン電圧レベルがランダムな周期で変わるため、各インバータ装置２，１３の直流中間電圧検出値のばらつきが回生トランジスタ６のオン電圧レベルの可変幅以内であれば、回生動作が何れかのインバータ装置に偏ることがなくなり、回生抵抗５による消費電力を均等化することができる。

本発明の実施形態が適用されるインバータシステムの構成図である。 回生電力相当値として、回生負荷率を用いた場合のフローチャートである。 回生電力相当値として、回生抵抗における実際の消費電力を用いた場合のフローチャートである。 回生電力相当値として、回生トランジスタのオン回数を用いた場合のフローチャートである。 回生電力相当値として、直流中間電圧の最大値を用いた場合のフローチャートである。 回生電力相当値として、回生トランジスタがオンしたときの直流中間電圧検出値を用いた場合のフローチャートである。 回生トランジスタのオン電圧レベルをランダムな周期の時間関数により変調した時の動作説明図である。

符号の説明

１ 三相交流電源
２，１３ インバータ装置
３ 整流回路
４ 平滑コンデンサ
５ 回生抵抗
６ 回生トランジスタ
７ インバータ回路
８ 直流中間電圧検出回路
９ 回生トランジスタ駆動回路
１０ インバータ駆動回路
１１ 演算部（ＣＰＵ，ＡＳＩＣ）
１２ モータ
１４，１７ 回生トランジスタのオン電圧レベル
１５，１８ 直流中間電圧検出値
１６，１９ 回生トランジスタのオン信号
２０ 実際の直流中間電圧
３０ 回生回路
Ｒ，Ｓ，Ｔ 交流入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ 交流出力端子
Ｐ，Ｎ 直流端子

Claims (10)

1. 直流中間回路に接続された平滑コンデンサの両端の直流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ回路と、
   前記平滑コンデンサの両端に接続され、かつ、回生抵抗及びスイッチング素子の直列回路からなる回生回路と、
   前記負荷からの回生電力を前記回生抵抗により消費させるために、前記直流電圧が所定値を超えたときに前記スイッチング素子をオンする制御手段と、を備えたインバータ装置において、
   複数台のインバータ装置の前記平滑コンデンサ同士を並列に接続して使用する際に、各インバータ装置の前記制御手段は、当該インバータ装置の前記回生回路を構成するスイッチング素子のオン電圧レベルを、当該インバータ装置の回生動作状態に応じてそれぞれ独立して可変としたことを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
2. 請求項１に記載した回生電力処理方法において、
   前記回生抵抗における消費電力相当値に応じて、前記オン電圧レベルを設定することを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
3. 請求項２に記載した回生電力処理方法において、
   前記消費電力相当値が、前記回生抵抗により消費可能な許容電力と、前記回生抵抗における実際の消費電力と、から求めた回生負荷率であることを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
4. 請求項２に記載した回生電力処理方法において、
   前記消費電力相当値が、前記回生抵抗における実際の消費電力であることを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
5. 請求項２に記載した回生電力処理方法において、
   前記消費電力相当値が、単位時間内の前記スイッチング素子のオン回数であることを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
6. 請求項２に記載した回生電力処理方法において、
   前記消費電力相当値が、単位時間内の前記スイッチング素子のオン回数をローパスフィルタに通してフィルタリング処理した値であることを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
7. 請求項２に記載した回生電力処理方法において、
   前記消費電力相当値が、前記負荷の回生状態における直流中間電圧検出値の最大値であることを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
8. 請求項２に記載した回生電力処理方法において、
   前記消費電力相当値が、前記スイッチング素子がオンしたときの直流中間電圧検出値であることを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
9. 直流中間回路に接続された平滑コンデンサの両端の直流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ回路と、
   前記平滑コンデンサの両端に接続され、かつ、回生抵抗及びスイッチング素子の直列回路からなる回生回路と、
   前記負荷からの回生電力を前記回生抵抗により消費させるために、前記直流電圧が所定値を超えたときに前記スイッチング素子をオンする制御手段と、を備えたインバータ装置において、
   複数台のインバータ装置の前記平滑コンデンサ同士を並列に接続して使用する際に、
   各インバータ装置の前記制御手段は、当該インバータ装置の前記回生回路を構成するスイッチング素子のオン電圧レベルを、ランダムな周期の時間関数により変調してそれぞれ独立して可変としたことを特徴とするインバータ装置の回生電力処理方法。
10. 回生抵抗により消費することができる回生電力の許容値を設定することができる請求項１〜９の何れか１項に記載のインバータ装置の回生電力処理方法。
    

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