JP2012249494A - 電源回生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源回生コンバータが回生エネルギーを電源に回生している状態で、電源に瞬時停電が発生した場合においても、前記電源回生コンバータ装置とインバータ装置を停止させることなく運転が継続できるシステムを提供する。
【解決手段】電源回生コンバータ装置とインバータ装置を接続するシステムで、モータからの回生エネルギーを電源に回生する電源回生コンバータにおいて、電源回生コンバータに接続された電源の瞬時停電を検出する瞬時停電検出回路を備え、前記電源回生コンバータが回生エネルギーを電源に回生している状態で、前記瞬時停電検出回路が電源の瞬時停電を検出した際、前記アームの上下スイッチング素子の少なくとも一組以上のアームをオンにすることで運転を継続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ装置の負荷である交流電動機の回生制動に用いる、電源回生装置に関する。

従来の電源回生コンバータ装置と、インバータ装置との接続構成と動作について、図１により説明する。図１では、インバータ装置２００の逆変換部５３の交流出力とモータ５４を接続し、インバータ装置２００の直流側と電源回生コンバータ装置１００の逆変換部１の直流側を接続している。

電源回生コンバータ装置１００の逆変換部１の交流側には、電流の抑制と電圧協調用の交流リアクトル３００が接続されている。インバータ装置２００の直流母線の間に電解コンデンサ５２が接続され、電源回生コンバータ装置１００の直流母線Ｐ、Ｎには電解コンデンサ１０が接続されている。インバータ装置２００の順変換部５１の交流側は、商用電源に接続されている。

回生動作時には、スイッチング制御部４に、電源電圧検出回路３で検出した商用電源の検出信号と、電圧検出回路７が検出した直流電圧検出信号が入力され、スイッチング制御部４によりドライブ回路５を通して逆変換部１のスイッチング素子のゲート動作を制御して、回生電力を商用電源に供給する。

前記インバータ装置２００の順変換部５１と、電源回生コンバータ装置１００の逆変換部１は、商用電源に接続されているが、落雷等の自然現象が主な原因で、商用電源に瞬時停電が発生することは避けられない現象である。一般的には、５サイクル以下（１００ｍＳ以下）の短時間である。

瞬時停電が発生した場合、瞬時停電検出回路２で検出した信号をスイッチング制御部４に送り、回生コンバータ装置１００の逆変換部１を遮断するように構成されている。

したがって、電源回生中に瞬時停電が発生した場合、上記逆変換部１の遮断により回生電力を商用電源に供給できなくなり、モータからの減速時の運動エネルギー（回生電力）が前記電解コンデンサ５２と前記電解コンデンサ１０を充電して直流電圧が高くなり、インバータ装置２００は過電圧でトリップして出力を遮断することになる。

このように、電源回生コンバータが回生エネルギーを商用電源に回生している状態で、商用電源に瞬時停電が発生した場合、電源回生コンバータ装置とインバータ装置に接続されている設備システムが停止するという問題が発生し、生産性に大きな障害をもたらす恐れがある。

この問題点の対策として、特許文献１に示される技術がある。すなわち、図１の電源回生コンバータ１００の直流側に抵抗器Ｒとブレーキトランジスタを直列接続した抵抗放電回路９が接続され、ブレーキトランジスタ制御部８が瞬時停電検出回路２からの検出信号を受けると、ブレーキトランジスタをオンオフさせ、抵抗器Ｒに回生電流を流すことで、回生エネルギーを熱として消費するように構成されている。この構成によれば、回生電流を流すことでコンデンサを充電する直流電圧が高くならず、インバータ装置２００の過電圧でのトリップを抑制することができ、信頼性の高いシステムが達成できることが記載されている。

特開平４−３５５６８１号公報

しかし、特許文献１に示される技術では、電源回生コンバータ装置内部に瞬時停電時に動作する抵抗放電回路９およびドライブ回路（ブレーキトランジスタ制御部）８が必要となり、電源回生コンバータの装置寸法が大きくならざるを得ないという問題がある。特に、回生エネルギーを消費するために大きな回生電流が流れる抵抗器Ｒは、大きな容量（ワット数）を必要とする。したがって、装置の寸法が大型化してコストがアップし、発熱量も大きくなる。

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑み、コンパクトで安価な装置により、電源回生中に瞬時停電が起きても、電源回生コンバータ装置とインバータ装置が継続して動作が行える信頼性の高い電源回生装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、スイッチング素子を接続したアームをブリッジ構成した電源回生コンバータ装置にインバータ装置を接続し、前記インバータ装置に接続されたモータからの回生エネルギーを前記電源回生コンバータ装置により回生する電源回生装置において、
前記電源回生コンバータ装置に接続された電源の瞬時停電を検出する瞬時停電検出回路と、前記電源回生コンバータ装置が回生エネルギーを電源に回生している状態で、前記瞬時停電検出回路が電源の瞬時停電を検出した際、前記電源回生コンバータ装置のアームの上下スイッチング素子の少なくとも一組以上のアームをオンにする瞬停時のスイッチング制御部を設けたことを特徴とする。

また、上記に記載の電源回生装置において、前記電源回生コンバータ装置のオンにされたスイッチング素子により、少なくとも一組以上のアームを短絡モードに設定することを特徴とする。

また、上記に記載の電源回生装置において、さらに、前記電源回生コンバータ装置のオンにされたアームのスイッチング素子のゲート電圧を制御するゲート駆動電圧制御部を設けたことを特徴とする。

また、上記に記載の電源回生装置において、前記ゲート駆動電圧制御部は、前記オンにされたアームのスイッチング素子のゲート電圧を通常より低いレベルに切替えることを特徴とする。

また、上記に記載の電源回生装置において、さらに、モータからの回生電圧を検出してこの検出電圧が所定レベル以上のとき前記瞬停時のスイッチング制御部を動作させる直流母線間電圧検出部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、回生エネルギーを既存の回路で消費することで、装置をコンパクトで安価に構成することができ、電源回生中に瞬時停電が起きても、電源回生コンバータ装置とインバータ装置の運転を継続できる信頼性の高いシステムを構築できる。

インバータ装置に接続された従来コンバータ装置構成の説明図。 本発明実施例の電源回生装置の説明図。 ＩＧＢＴ出力特性の説明図とＩＧＢＴのＲＢＳＯＡの説明図。 ゲート駆動用制御信号の動作タイミングチャート。 スイッチング素子ゲート駆動電圧制御部実施例の説明図。 スイッチング素子ゲート電圧Ｖ_ＧＥの動作タイミングチャート。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図２〜図６を参照して実施例を詳細に説明する。

図２に本発明の実施例の構成を示す。図１に示す構成要素と同等部分には同一符号を付して示す。

１１は、商用電源１３での瞬時停電時に、瞬時停電検出回路２から瞬時停電の検出信号を受け、逆変換部１のゲート制御信号を出力する瞬時停電（瞬停）時のスイッチング制御部である。４は、通常運転時（瞬時停電検出回路２から瞬時停電の信号がない場合）に、逆変換部１のゲート制御信号を出力する通常時のスイッチング制御部である。１２は、瞬時停電の検出信号に基いて、上記の両スイッチング制御部４と１１とから出力されるゲート制御信号を択一的に切替えるスイッチである。スイッチ１２は、一方のゲート制御信号をドライブ回路５に供給し、ドライブ回路５は、ゲート制御信号を逆変換部１の各スイッチング素子のゲートに供給する。

逆変換部１は、スイッチング素子としてＩＧＢＴを直列接続し、これにダイオードを逆並列に接続した各相のアームをブリッジ構成している。各相のＩＧＢＴのうち、三相のＲ相の上下のアームをそれぞれＱ_ＲＵ、Ｑ_ＲＤとし、Ｓ相の上下のアームをそれぞれＱ_ＳＵ、Ｑ_ＳＤとし、Ｔ相の上下のアームをそれぞれＱ_ＴＵ、Ｑ_ＴＤとしている。

また、６はスイッチング素子ゲート電圧制御部で、瞬時停電検出回路２からの検出信号を受け、瞬時停電時に各スイッチング素子へ供給されるゲート駆動電圧レベルを制御して、通常レベルから低いレベルに切替る。

７は、直流母線Ｐ、Ｎ間の電圧を検出するＰＮ間電圧検出部（直流母線間電圧検出部）であり、ＰＮ間に現れるモータ５４からの回生電力を検出して、回生する電力を制御するように、スイッチング制御部４、１１に出力する。

上記構成において、通常の回生運転時（瞬時停電がない場合）は、スイッチ１２が実線で接続されている。通常時のスイッチング制御部４から出力されるゲート制御信号が、ドライブ回路５に供給され、逆変換部１の各相スイッチング素子を順次所定タイミングで開閉する。したがって、直流母線Ｐ、Ｎに表れるモータ５４からの回生電力は、逆変換部１からＲ、Ｓ、Ｔの各相で商用電源に回生される。

回生動作時に瞬時停電が起きた場合、瞬時停電検出回路２の瞬時停電の検出信号によって、スイッチ１２が破線の接続に切り換わる。瞬時停電時のスイッチング制御部１１から出力されるゲート制御信号が、ドライブ回路５に供給され、逆変換部１のスイッチング素子の各相が順次開閉される。

この場合、スイッチング制御部１１から出力されるゲート制御信号により、例えば、１組のＲ相の上アームと下アームのスイッチング素子Ｑ_ＲＵ、Ｑ_ＲＤを同時にオンさせる短絡モードとなり、この短絡のタイミングでは他のＳ相とＴ相の上アームと下アームのスイッチング素子が同時にオンにならないように制御がなされる。これは、複数相が同時に短絡すると回生電流が流れ過ぎるのを防止するためである。

上記のＲ相の短絡モードの後に、他のＳ相の上アームと下アームのスイッチング素子Ｑ_ＳＵ、Ｑ_ＳＤを同時にオンさせる短絡モードとなり、その後、他のＴ相の上アームと下アームのスイッチング素子Ｑ_ＴＵ、Ｑ_ＴＤを同時にオンさせる短絡モードとなる。このように、時分割的に各相の上アームと下アームのスイッチング素子が順次、短絡モードになって、時分割的に回生電力を消費する。

直流母線ＰＮ間の電圧はＰＮ間電圧検出部７で常時検出されており、この検出電圧が一定レベルより低くなると、スイッチング制御部１１のスイッチング動作を停止させて回生電力の消費を停止し、検出電圧が一定レベルより高くなると、スイッチング動作を開始させて回生電力を消費する。これは、充分な回生電力がある場合、すなわち、直流母線ＰＮ間の電圧が一定レベル以上のときに回生電力を消費するためである。

このように、回生動作時に瞬時停電が起きた場合、モータ５４からの回生電力を、逆変換部１から商用電源へ回生するのを停止し、逆変換部１内部のスイッチング素子で消費するものである。

逆変換部１の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子が同時にオンになる短絡モードの場合、電流が電解コンデンサ１０の“＋”側から、順変換部１のオンしたスイッチング素子を通して、電解コンデンサの“−”側に戻る。

本実施例でのスイッチング素子はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）とＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電圧駆動型のスイッチング素子であり、ＩＧＢＴの出力特性を図３（ａ）に示す。

この出力特性から分かるように、ゲート電圧Ｖ_ＧＥが大きいほど、ＩＧＢＴのショート飽和電流（コレクタ電流）が大きくなる。コンバータ装置１００の通常運転時には、ゲート電圧が１５Ｖ前後設定される場合が多い。ゲート電圧を低く設定すると、コレクタとエミッタ間の電圧が高くなり、ＩＧＢＴの定常損失が大きくなるからである。

また図３（ｂ）は、ＩＧＢＴのＲＢＳＯＡ（Reverse Bias Safe Operating Area）を示し、ＩＧＢＴがオンオフする際のＶＣＥ―ＩＣの安全動作範囲を示している。Ｉ_０はＩＧＢＴの繰り返す最大電流で、通常ＩＧＢＴ定格電流の約２倍である。ＩＧＢＴのジャンクション温度上昇は、許容範囲内且つＩＧＢＴオンオフ時のＶＣＥ―ＩＣ軌跡がＲＢＳＯＡ領域内であることが、ＩＧＢＴが連続動作できる必要条件である。

通常ゲートとエミッタ間のゲート電圧Ｖ_ＧＥを通常運転時の１５Ｖ前後に設定して同相の上アームＩＧＢＴと下アームのＩＧＢＴを同時にオンさせると、ＩＧＢＴに流れる電流が非常に大きくなり、ＶＣＥ−ＩＣの軌跡は前述した図３（ｂ）のＲＢＳＯＡ領域外になり、連続運転が出来なくなる。

本実施例では、瞬時停電検出回路２の検出信号がスイッチング素子ゲート駆動電圧制御部６に入力されると、この電圧制御部６内でＩＧＢＴのゲート駆動用電圧を前述した通常動作時の１５Ｖ前後から、一定電圧レベルに下げるように制御する。この制御されたゲート電圧レベルによるショート飽和電流は、前述した図３（ｂ）のＲＢＳＯＡの中に入るようにしている。また、この制御されたゲートの電圧レベルは、図３（ａ）に示されるＩＧＢＴのゲートしきい値電圧Ｖ_{ＧＥ（ＴＨ）}より大きいことが必要である。

前述したＩＧＢＴの連続動作できるもうひとつの必要条件は、ＩＧＢＴのジャンクション温度が許容範囲内であることである。この温度の上昇は、ＩＧＢＴジャンクションから周囲環境までの熱抵抗θｊａとＩＧＢＴの損失に依存する。

図４は、各ＩＧＢＴのゲート駆動用制御信号の動作タイミングチャートである。各ＩＧＢＴ（Ｑ_ＲＵ〜Ｑ_ＴＤ）のゲート制御信号は、図２のドライブ回路５の入力信号（スイッチ１２の出力信号）Ａを示している。図４には、瞬時検出回路２からの出力信号と、ＰＮ間電圧検出部７の検出信号も示されている。

図４は、時刻ｔ１で瞬時停電が発生し、時刻ｔ４で瞬時停電が復帰した場合を示している。時刻ｔ１で、瞬時停電検出回路２の出力信号が有効“Ｈ”になり、瞬時停電時のスイッチング制御部１１が動作し、通常のスイッチング制御部４の出力が停止し、スイッチ１２が破線で示す制御部１１側に切替える。時刻ｔ４で、瞬時停電検出回路２からの信号が無効“Ｌ”になると、瞬時停電時のスイッチング制御部１１が停止し、通常スイッチング制御部４が動作し、スイッチ１２が実線で示す通常スイッチング制御部４側に切替える。

時刻ｔ１からｔ４の間は、瞬時停電時のスイッチング制御部１１から、Ｒ、Ｓ、Ｔ各相の各アームのゲート制御信号が、同じ周期Ｔで順番に出力される。上下のアームのゲート制御信号が同時に“Ｈ”（時間Ｔｏｎ）のとき、短絡モードとなるので、短絡モードのデューティーＤは、（時間Ｔｏｎ）／（周期Ｔ）となる。

時刻ｔ２で、直流母線ＰＮ間の電圧が停止レベルより低くなると、瞬時停電時のスイッチング制御部１１が停止する。従って、Ｑ_ＴＵ、Ｑ_ＴＤのゲート制御信号が発生せず、Ｑ_ＴＵ、Ｑ_ＴＤのＩＧＢＴが短絡モードとならない。時刻ｔ３で、直流母線ＰＮ間の電圧は復帰レベルより高くなると、瞬時停電時のスイッチング制御部１１が動作する。従って、Ｑ_ＴＵ、Ｑ_ＴＤのゲート制御信号が発生し、Ｑ_ＴＵ、Ｑ_ＴＤのＩＧＢＴが短絡モードとなる。ＩＧＢＴのオンオフ動作安定のため、復帰レベルは停止レベルより高く離して設定されている。

スイッチング素子ゲート駆動電圧制御部６の内部構成と関連部分を図５に示す。前述したゲート制御用信号（Ｑ_＊＊のゲート制御信号）をドライブ回路５の入力側に接続し、ドライブ回路５の出力側と、スイッチング素子のＩＧＢＴ（Ｑ_＊＊）のゲートとの間に、抵抗２１と抵抗２２を直列接続し、抵抗２１、２２の接続点とスイッチング素子のコモン（コレクタ）の間に、ツェナーダイオード２３とトランジスタ２４の直列回路を接続し、このトランジスタ２４のゲートを瞬時停電検出回路２の出力に接続する。

スイッチング素子ゲート電圧Ｖ_ＧＥの動作タイミングチャートを図６に示す。図６には、瞬時停電検出回路２の出力信号と、スイッチング素子ゲート制御信号も示され、時刻ｔ１で瞬時停電が発生し、時刻ｔ２で瞬時停電が復帰した場合を示している。

時刻ｔ１前で瞬時停電検出回路２からの信号が無効“Ｌ”（通常動作）の場合、トランジスタ２４をオフさせ、ＩＧＢＴ（Ｑ_＊＊）のゲート電圧Ｖ_ＧＥの“Ｈ”レベル電圧が１５Ｖになる。

時刻ｔ１で瞬時停電検出回路２からの信号が有効“Ｈ”（瞬時停電が発生）の場合、トランジスタ２４をオンさせ、ＩＧＢＴのゲート電圧Ｖ_ＧＥは、“Ｈ”レベル電圧（１５Ｖ）からツェナーダイオードの降伏電圧Ｖ_ＺＤの低下した電圧となる。本実施例では、降伏電圧Ｖ_ＺＤをゲート電圧Ｖ_ＧＥとした場合のＩＧＢＴのショート飽和電流をＩｓとすると、この飽和電流Ｉｓは、図３のＲＢＳＯＡの領域内で電流Ｉ_０より小さく設定されているものとする。

瞬時停電が起きた場合で、且つ回生コンバータ１００装置の逆変換部１が連続運転する場合、スイッチング素子のＩＧＢＴで消費する回生エネルギーＰは、大よそ
３＊Ｉｓ＊Ｖ＊Ｄとなる。
Ｉｓ：ショート飽和電流
Ｖ：直流母線ＰＮ間の電圧の平均値
Ｄ：短絡モードのデューティー
以上説明したように本実施例では、電源回生コンバータ装置とインバータ装置を接続するシステムにおいて、前記電源回生コンバータが回生エネルギーを電源に回生している状態で、前記電源に瞬時停電が発生した場合においても、前記電源回生コンバータ装置とインバータ装置を停止させることなく運転が継続できるシステムに利用可能である。

１…コンバータ装置の逆変換部、２…瞬時停電検出回路、３…電源電圧検出回路、４…通常時のスイッチング制御部、５…ドライブ回路、６…スイッチング素子ゲート電圧制御部、７…直流母線ＰＮ間電圧検出部（直流母線間電圧検出部）、１０…コンバータ装置直流側の電解コンデンサ、１１…瞬時停電時のスイッチング制御部、１２…スイッチ、１３…商用電源、２１…抵抗、２２…抵抗、２３…ツェナーダイオード、２４…トランジスタ、５１…インバータ装置の順変換部、５２…インバータ装置直流側の電解コンデンサ、５３…インバータ装置の逆変換部、５４…インダクションモータ、１００…回生コンバータ装置、２００…インバータ装置、３００…交流リアクトル、＊…乗算因子。

Claims (5)

1. スイッチング素子を接続したアームをブリッジ構成した電源回生コンバータ装置にインバータ装置を接続し、前記インバータ装置に接続されたモータからの回生エネルギーを前記電源回生コンバータ装置により回生する電源回生装置において、
   前記電源回生コンバータ装置に接続された電源の瞬時停電を検出する瞬時停電検出回路と、前記電源回生コンバータ装置が回生エネルギーを電源に回生している状態で、前記瞬時停電検出回路が電源の瞬時停電を検出した際、前記電源回生コンバータ装置のアームの上下スイッチング素子の少なくとも一組以上のアームをオンにする瞬停時のスイッチング制御部を設けたことを特徴とする電源回生装置。
2. 請求項１に記載の電源回生装置において、
   前記電源回生コンバータ装置のオンにされたスイッチング素子により、少なくとも一組以上のアームを短絡モードに設定することを特徴とする電源回生装置。
3. 請求項１または２に記載の電源回生装置において、
   さらに、前記電源回生コンバータ装置のオンにされたアームのスイッチング素子のゲート電圧を制御するゲート駆動電圧制御部を設けたことを特徴とする電源回生装置。
4. 請求項３に記載の電源回生装置において、
   前記ゲート駆動電圧制御部は、前記オンにされたアームのスイッチング素子のゲート電圧を通常より低いレベルに切替えることを特徴とする電源回生装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電源回生装置において、
   さらに、モータからの回生電圧を検出してこの検出電圧が所定レベル以上のとき前記瞬停時のスイッチング制御部を動作させる直流母線間電圧検出部を設けたことを特徴とする電源回生装置。

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