JP4140992B2 - Electric motor drive power converter and motor controller - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回生処理が可能な電動機駆動用電力変換装置及び該装置を備えた電動機制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
負荷となる電動機が回生状態になる応用分野で、回生電力を交流電源側に回生するために、電動機の力行時には交流電源から電動機の駆動装置に駆動に必要な電力を供給し、回生時には電動機側から交流電源に回生電力を回生するように構成された電動機駆動用電力変換装置を用いることが知られている。一般的に、この種の電動機駆動用電力変換装置は、電動機を駆動するインバータ回路を構成するインバータ・ブリッジ回路と同様の構成を有するコンバータ・ブリッジ回路を備え、このコンバータ・ブリッジ回路を構成する複数の半導体スイッチング素子をPWM(パルス幅変調)制御することにより、回生電力を交流電源側に回生している。例えば、この種の電動機駆動用電力変換装置の一例は、特開平8−205560号公報の図4に示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、容量の異なる電動機ごとに電源回生処理が可能な電動機駆動用電力変換装置を個別に設計して製造していた。しかしながら電源回生処理が必要な応用分野で用いられる電動機の数は必ずしも多くなく、製造個数が少ない故に電動機駆動用電力変換装置の値段が高くなってしまう問題があった。
【0004】
またコンバータ・ブリッジ回路を構成する半導体スイチング素子の電力特性が制限となって、ある程度容量の大きな電動機に対しては、この種の電動機駆動用電力変換装置を適用することができない問題があった。
【0005】
本発明の目的は、設計が容易でしかも安価な電動機駆動用電力変換装置及び電動機制御装置を提供することある。
【0006】
本発明の他の目的は、複数台のコンバータ・ユニットを用いて所望の容量の電動機駆動用電力変換装置及び電動機制御装置を提供することある。
【0007】
本発明の他の目的は、容量の異なる複数種類のコンバータ・ユニットを用いて所望の容量の電動機駆動用電力変換装置及び電動機制御装置を提供することある。
【0008】
本発明の更に他の目的は、複数台のコンバータ・ユニットを用いて、簡単且つ確実に所望の容量を得られる電動機駆動用電力変換装置及び電動機制御装置を提供することある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電動機の力行時には交流電源から電動機の駆動装置に駆動に必要な電力を供給し、回生時には電動機側から交流電源に回生電力を回生するように構成された電動機駆動用電力変換装置を改良の対象とする。
【0010】
本発明の電動機駆動用電力変換装置では、複数の半導体スイッチング素子とこれらの半導体スイッチング素子に対して逆並列接続された複数のダイオードとがブリッジ接続されて構成されたブリッジ回路(コンバータ・ブリッジ回路)と、電動機の力行時には交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、回生時には電動機側から回生される直流電力を交流電力に変換して交流電源に回生するようにブリッジ回路の複数の半導体スイッチング素子を制御する制御回路とを具備する複数台のコンバータ・ユニットのブリッジ回路(コンバータ・ブリッジ回路)が交流電源と出力部との間に並列接続されている。通常ブリッジ回路はリアクトルを介して交流電源に接続されている。
【0011】
ここで一般的に、コンバータ・ブリッジ回路は、電動機駆動装置のインバータ回路を構成するインバータ・ブリッジ回路と同様の構成を有している。具体的には、三相であれば6個のトランジスタ素子等の半導体スイッチング素子により三相ブリッジ回路が構成され、各半導体スイッチング素子にはそれそれダイオードが逆並列接続されている。そして各コンバータ・ユニットの半導体スイッチング素子の導通をPWM(パルス幅変調)制御により制御する。
【0012】
並列接続するコンバータ・ユニットの数は、駆動する電動機の容量に応じて定められる。例えば、コンバータ・ユニットの容量が5kWであり、電動機の容量が20kWである場合には、4台のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列接続する。またコンバータ・ユニットの容量が30kWであり、電動機の容量が50kWである場合には、2台のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列接続する。
【0013】
そこで本発明では、並列接続する複数台のコンバータ・ユニットの制御回路を、複数台のコンバータ・ユニットがそれぞれの容量に応じて電流(力行時に出力部から流れ出る電流及び回生時に出力部に流れ込む電流)を分担するように構成する。例えば、容量が実質的に等しいn台(nは正の整数)のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列に接続する場合、力行時に出力部から流れ出る電流をIとし、回生時に出力部に流れ込む電流をIとすると、各コンバータ・ユニットにI/nの電流が流れるように制御回路を構成する。
【0014】
本発明のように、複数台のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列接続して所望の容量の電力変換装置を構成すると、電動機の容量に応じて並列接続するコンバータ・ユニットの数及び容量を実質的に決めるだけで、必要な容量の電動機駆動用電力変換装置を得ることができる。したがって予め複数種類の容量のコンバータ・ユニットを汎用品として用意しておくだけで、各種の容量の電動機に応じた電動機駆動用電力変換装置を簡単且つ安価に提供することができる。
【0015】
制御回路には、出力部の電圧を一定にするための電流指令を出力する電圧制御ループ系が設けられる。各コンバータ・ユニットごとに電圧制御ループ系を設けた場合、各コンバータ・ユニットごとに設けた電圧制御ループ系の特性が異なると、各コンバータ・ユニットで処理される電流指令の値が異なってしまい、系が不安定になる。そこで複数台のコンバータ・ユニットに対して出力部の電圧を一定にするための電流指令を出力する1つの電圧制御ループ系を設けるのが好ましい。この場合には、複数台のコンバータ・ユニットのそれぞれの制御回路は、1つの電圧制御ループ系からの電流指令を入力としてそれぞれの容量に応じた比率で電流を分担するように各ブリッジ回路を構成する複数の半導体スイッチング素子を制御するように構成すればよい。このようにすると、共通の電流指令が各コンバータ・ユニットで入力されることになるため、系が不安定になる等の不都合が発生することがない。
【0016】
具体的には、各コンバータ・ユニットの制御回路には、少なくとも入力される電流指令のレベルを変更する電流指令レベル変更手段を設けておけばよい。前述のように、例えば容量が実質的に等しいn台(nは正の整数)のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列接続する場合には、力行時に出力部から流れ出る電流及び回生時に出力部に流れ込む電流をIとすると、各コンバータ・ユニットのブリッジ回路にI/nの電流が流れるように各制御回路の電流指令レベル変更手段のレベルを設定する。
【0017】
なおコンバータ・ユニット1台でも電力変換装置を構成できる場合もあるため、このような場合に対処するためには、コンバータ・ユニットの制御回路に出力部の電圧を一定にするための電流指令を出力する電圧制御ループ系と、電流指令のレベルを変更する電流指令レベル変更手段とを設けておく。そしてこのコンバータ・ユニットを複数台並列接続する場合には、複数台のコンバータ・ユニットのうちの1台のコンバータ・ユニットの制御回路に含まれる1つの電圧制御ループ系のみを出力部に接続する。その上で複数台のコンバータ・ユニットのそれぞれの制御回路の電流指令レベル変更手段を、出力部に接続された1つの電圧制御ループ系から出力される電流指令を入力としてそれぞれの容量に応じた比率で電流を分担するようにレベル設定する。電流指令レベル変更手段は、例えば調整可能な分圧回路やゲイン調整回路等により簡単に構成できるため、各コンバータ・ユニットに電流指令レベル変更手段を設けておいても、1台のコンバータ・ユニットの価格がさほど高くなることはない。したがってコンバータ・ユニットの生産性と電力変換装置の組み立て性を考慮すると、各コンバータ・ユニットに電圧制御ループ系と電流指令レベル変更手段をそれぞれ設けておくのが好ましい。
【0018】
本発明が対象とする電動機制御装置は、複数の半導体スイッチング素子とこれらの半導体スイッチング素子に対して逆並列接続された複数のダイオードとがブリッジ接続されて構成されたインバータ・ブリッジ回路からなるインバータ回路を含む電動機駆動装置と、電動機駆動装置によって駆動される電動機の力行時には交流電源から電動機駆動装置に電力を供給し、回生時には電動機駆動装置側から交流電源に回生電力を回生するように構成された電動機駆動用電力変換装置と、電動機駆動用電力変換装置の出力部に並列接続されたコンデンサとを具備している。本発明の電動機制御装置においても、前述の電動機駆動用電力変換装置を用いればよい。
【0019】
電動機の容量が半導体スイッチング素子の定格電流以上の通電電流を必要とするほどに大きい場合(例えば80kW以上の場合)には、インバータ回路も単純なブリッジ回路で構成することはできない。このような場合には、インバータ回路についても、複数台のインバータ回路を並列接続した構成を採用すればよい。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図1は、本発明の電動機駆動用電力変換装置を三相誘導電動機5の制御に用いる電動機制御装置に適用した実施の形態の一例の概略回路図である。この実施の形態では、三相交流電源1と出力部(電動機駆動装置の一部を構成するインバータ・ブリッジ回路4の入力部または平滑コンデンサ6の両端)との間に2台のコンバータ・ユニットCU1及びCU2のそれぞれのコンバータ・ブリッジ回路3及び13が並列接続され、2台のコンバータ・ユニットCU1及びCU2がそれぞれの容量に応じて電流を分担している。
【0021】
図1において、1は三相交流電源であり、2は交流電源1からの各相と三相コンバータ・ブリッジ回路3の入力との間に配置されて電流調整機能を発揮するリアクトルである。ブリッジ回路3は、コレクタ−エミッタ回路にダイオード3D…が並列接続された6個のIGBTと呼ばれる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ3T…をブリッジ接続して構成されている。なお各ダイオード3Dは、回生電流は流さない極性で配置されている。IGBTに保護回路が付いたIPMと呼ばれる半導体スイッチング素子をトラジスタ3Tに代えて使用することもできる。
【0022】
コンバータ・ブリッジ回路3の出力部には、三相誘導電動機5に駆動電力を供給する電動機駆動装置として用いられる三相インバータ回路のインバータ・ブリッジ回路4と電解コンデンサからなる平滑コンデンサ6が接続されており、三相コンバータ・ブリッジ回路13の出力端子に並列接続されている。三相インバータ回路は、コレクタ−エミッタ回路にダイオード4D…が並列接続された6個の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ4Tをブッリッジ接続して構成したブッリジ回路4と各絶縁ゲートバイポーラトランジスタ4Tに制御信号を与えて所定の周波数の交流電力をブリッジ回路4から出力させるインバータ駆動装置(図示せず)とから構成される。
【0023】
平滑コンデンサ6の両端に表われるDC電圧は、加え合わせ点SM1において図示しない指令制御部から入力される出力電圧即ち平滑コンデンサ6の端子間電圧を指令するDC電圧指令と差を取られ、その差電圧が比例積分制御器即ちPI制御器7に入力される。PI制御器7は、この差電圧に基づいて出力電圧を所定の電圧にするために必要なコンバータ・ブリッジ回路3の出力部からインバータ・ブリッジ回路4に供給する電流の値を指令する電流指令を出力する。PI制御器7は、平滑コンデンサ6の端子(インバータ・ブリッジ回路4の入力端子)間の電圧と基準電圧(DC電圧指令)との差電圧から、平滑コンデンサ6の端子間電圧(出力部の電圧)が基準電圧以上になると回生状態に入ったと判定し、平滑コンデンサ6の端子間電圧(出力部の電圧)が基準電圧より小さくなると力行状態に入ったと判定する。そしてPI制御器7は、差電圧が基準電圧以上あるか否かに基づいて、充電制御か放電制御かを判別して力行制御のための電流指令と回生制御のための電流指令とを出力する。したがって力行時と回生時とでは、電流指令が逆にある。すなわち力行時にも回生時にも、平滑コンデンサ6の両端電圧を一定にするような電流指令が出力されるのであるが、力行時には平滑コンデンサ6の両端電圧を所定の電圧まで上昇させるような電流指令となり、回生時には平滑コンデンサ6の両端電圧を所定の電圧まで下げるような電流指令となる。
【0024】
なおこの例では、平滑コンデンサ6から加え合わせ点SM1までのフィードバック・ラインと、加え合わせ点SM1とPI制御器7とから出力部の電圧(平滑コンデンサ6の端子間電圧)を一定にするための電流指令を出力する1つの電圧制御ループ系が構成されている。この電流指令は、第2のコンバータ・ユニットCU2の制御回路19にも入力される。
【0025】
9は第1のコンバータ・ユニットCU1の制御回路である。この制御回路9は、コンバータ・ブリッジ回路3を流れる各相の電流を制御するための3相分の電流制御系9u〜9wによって構成されている。図1には、1つの相の制御のための1つの電流制御系9uの構成だけが示されている。9Aは、電流指令レベル変更手段である。この電流指令レベル変更手段9Aは、PI制御器7から入力された電流指令のレベルをそのコンバータ・ユニットの容量に応じた比率で電流を分担するように変更するためのものである。具体的に電流指令レベル変更手段9Aは、分圧回路によって構成することができる。例えば、第1及び第2のコンバータ・ユニットCU1及びCU2の容量が等しい場合には、電流指令レベル変更手段9AはPI制御器7から入力された電流指令のレベルを1/2にした電流指令を出力する。この場合第1のコンバータ・ユニットCU1が1/2の電流を分担し、第2のコンバータ・ユニットCU2も1/2の電流を分担する。また第1及び第2のコンバータ・ユニットCU1及びCU2の容量の比が1対2の関係にある場合には、電流指令レベル変更手段9AはPI制御器7から入力された電流指令のレベルを1/3にした電流指令を出力する。この場合第1のコンバータ・ユニットCU1が1/3の電流を分担し、第2のコンバータ・ユニットCU2が2/3の電流を分担する。なお上記の例は、コンバータ・ユニットの容量に完全に比例した関係で電流を分担するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、2台のコンバータ・ユニットの容量比が1対1.2の場合に、電流の分担を1対1としてもよい。要するに、本発明において容量に応じて電流を分担するとは、各コンバータ・ユニットの容量の範囲内でその容量を越えない程度に電流を分担することを意味する。したがって容量が等しい2台のコンバータ・ユニットを並列接続する場合に、容量の許容範囲であれば、一方のコンバータ・ユニットで1/3の電流を分担し、他方のコンバータ・ユニットで2/3の電流を分担してもよいのである。しかし各コンバータ・ユニットの寿命を考慮すると、容量が等しい2台のコンバータ・ユニットを並列接続する場合に、一方のコンバータ・ユニットで1/2の電流を分担し、他方のコンバータ・ユニットでも1/2の電流を分担するのが好ましいのは勿論である。なおこの電流の分担は、電動機の力行時及び回生時のいずれにおいても同じである。
【0026】
なお三相分の電流制御系9u〜9wのそれぞれに対して電流指令レベル変更手段9Aを設けてもよいが、三相分の電流制御系9u〜9wに対して1つの電流指令レベル変更手段を設けて各相の電流制御系9u〜9wで共用するようにしてもよい。電流指令レベル変更手段9Aによりレベル変更された電流指令は、乗算器9Bに入力される。乗算器9Bでは、レベル変更された電流指令と対応する相の電源電圧位相とが乗算されて、電流指令が正弦波電流となる。電源電圧位相を乗算するために、三相交流電源1とコンバータ・ブリッジ回路3との間の電源ラインから電源電圧が各相の電流制御系9u〜9wの乗算器9Bにそれぞれ直接入力される。図1においては、図示を簡略化するために、三相分の電源電圧が1つの電流制御系9uに入力されているように図示してあるが、実際には各相の電源電圧が各相の電流制御系9u〜9wの乗算器9Bにそれぞれ入力されている。
【0027】
乗算器9Bから出力されたレベル変更された電流指令と電源電圧位相との乗算結果としての正弦波電流からは、第2の加え合わせ点SM2において、対応する相の電源電流(AC電流)が減算される。対応する相の電源電流は、三相交流電源1とコンバータ・ブリッジ回路3との間の電源ラインにそれぞれ設けた変流器等からなる電流検出器8…から入力される。図1においては、図示を簡略化するために、三相分の電源電流が1つの電流制御系9uに入力されているように図示してあるが、実際には各相の電源電流が各相の電流制御系9u〜9wの第2の加え合わせ点SM2にそれぞれ入力されている。結局、電源電流が正弦波電流に対してフィードバックされた状態になっており、正弦波電流と対応する相の電源電流の差分が電流調節器9Cに入力される。
【0028】
電流調節器9Cは、充電電流及び放電電流(回生電流)を正弦波電流となった電流指令値に近付けるようなコンバータ電圧指令を出力する。電流調節器9Cから出力されるコンバータ電圧指令は、電流検出器8で検出したAC電流と電流指令(正弦波電流)との差信号に比例した信号である。1つの電流制御系9uでは、パルス幅変調制御信号発生回路すなわちPWM9Dが、電流調節器9Cから出力されるコンバータ電圧指令に基づいて、コンバータ・ブリッジ回路3の6個の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ3T…のうちの制御対象となる2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ3T…の導通角をパルス幅変調により制御する導通制御信号を出力する。コンバータ電圧指令の値が大きい期間では、対応するトランジスタの導通角が大きくなり、コンバータ電圧指令の値が小さくなると対応するトランジスタの導通角は小さくなる。他の電流制御系9v及び9wでも、それぞれ制御対象となる2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ3T…に対して同様の制御を行う。
【0029】
第2のコンバータ・ユニットCU2も、第1のコンバータ・ユニットCU1と同様に構成されている。そのため第2のコンバータ・ユニットCU2には、第1のコンバータ・ユニットCU1を構成する部材に付した符号に10を加えた数の符号を付すことにより各部材の説明を省略する。第2のコンバータ・ユニットCU2が、第1のコンバータ・ユニットCU1と異なるのは、1つの電圧制御系ループを構成する第1の加え合わせ点SM1とPI制御器7が無く、第1のコンバータ・ユニットCU1のPI制御器7から出力される電流指令が、各電流制御系19u〜19wの電流指令レベル変更手段19Aに入力されている点である。図1には図示していないが、この例では第1及び第2のコンバータ・ユニットCU1及びCU2として同じ構造のユニットを用いているため、実際には第2のコンバータ・ユニットCU2にも電圧制御ループ系を構成するための第1の加え合わせ点とPI制御器に相当する構成が含まれている。しかしながらこの例では、これらの部材を使用しないために、図1からはこれらの部材を省略しているのである。なお各コンバータ・ユニットごとに電圧制御ループ系を設けた場合、各コンバータ・ユニットごとに設けた電圧制御ループ系の特性が異なると、各コンバータ・ユニットで処理される電流指令の値が異なってしまい系が不安定となる。そこでこの例では2台のコンバータ・ユニットに対して出力部の電圧(平滑コンデンサ6の端子間電圧)を一定にするための電流指令を出力する1つの電圧制御ループ系を1つ設けているのである。
【0030】
この例では、第1及び第2のコンバータ・ユニットCU1及びCU2として同じ構造で同じ容量のユニットを用いているため、各コンバータ・ユニットの制御回路9及び19の各電流制御系9u〜9w及び19u〜19wに設ける電流指令レベル変更手段9A及び19Aは、PI制御器7から出力される電流指令のレベルをそれぞれ1/2に減少させた電流指令を出力するようにレベル設定されている。したがって電動機5を力行制御する場合にインバータ・ブリッジ回路4に供給する駆動電流及び電動機5が回生電力を交流電源1に回生する場合に流れる回生電流は、第1及び第2のコンバータ・ユニットCU1及びCU2においてそれぞれ1/2ずつ分担される。
【0031】
この例で用いる電動機駆動用電力変換装置では、電動機5の力行時に、交流電源1の電源電圧に同期した交流電流を各トランジスタ3T…及び13T…並びにダイオード3D…及び13D…を通して流して整流し、平滑コンデンサ6の電圧を一定に保つように動作する。実際に電動機5の力行時には、平滑コンデンサ6の両端電圧が低下するため、三相交流電源1からコンバータ・ブリッジ回路3及び13を通して、平滑コンデンサ6に充電電流が流れ、平滑コンデンサ6が充電されて、平滑コンデンサ6の電圧が一定に保たれる。そして電動機5の回生時には、回生電力により平滑コンデンサ6が充電されて平滑コンデンサ6の端子電圧が上昇し、平滑コンデンサ6から第1及び第2のコンバータ・ユニットCU1及びCU2のコンバータ・ブリッジ回路3及び13を通して三相交流電源1へと放電が実施され、電源電流に位相が同期した交流電流が三相交流電源1へと回生される。このときにも平滑コンデンサ6の電圧を一定に保つように制御が行われる。
【0032】
上記例では2台のコンバータ・ユニットを並列接続しているが、電動機の容量及び使用するコンバータ・ユニットの容量に応じて、更に多くのコンバータ・ユニットを並列接続して、電動機駆動用電力変換装置を構成してもよい。また電動機の容量が大きくなった場合には、複数のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列接続するだけでなく、複数のインバータ・ブリッジ回路4のブリッジ回路を並列接続すればよい。このようにブリッジ回路を並列接続すると、使用する半導体スイッチング素子の容量に限界があっても、その限界以上の容量の電動機を駆動制御することができる。
【0033】
なお上記例においては、DC電圧制御系ループの一部を構成するPI制御器7に代えてヒステリシス・コンパレータを用いることができる。ヒステリシス・コンパレータは、入力がアナログで出力がデジタルになるため、ヒステリシス・コンパレータを用いる場合には、制御回路9及び19におけるデジタル処理が容易になる利点がある。
【0034】
【発明の効果】
本発明のように、複数台のコンバータ・ユニットのブリッジ回路を並列接続して所望の容量の電力変換装置を構成すると、電動機の容量に応じて並列接続するコンバータ・ユニットの数及び容量を実質的に決めるだけで、必要な容量の電動機駆動用電力変換装置を得ることができる。したがって予め、複数種類の容量のコンバータ・ユニットを汎用品として用意しておくだけで、各種の容量の電動機に応じた電動機駆動用電力変換装置を簡単且つ安価に提供することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の電動機駆動用電力変換装置を三相誘導電動機5の制御に用いる電動機制御装置に適用した実施の形態の一例の概略回路図である。
【符号の説明】
CU1及びCU2 第1及び第2のコンバータ・ユニット
1 三相交流電源
2,12 リアクトル
3,13 コンバータ・ブリッジ回路
4 インバータ・ブリッジ回路
5 三相誘導電動機
6 平滑コンデンサ
7 PI制御器
8 電流検出器
9,19 制御回路
9A,19A 電流指令レベル変更手段
9B,19B 乗算器
9C,19C 電流調節器
9D,19D パルス幅変調制御信号発生回路(PWM)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power conversion device for driving a motor capable of regeneration processing and a motor control device including the device.
[0002]
[Prior art]
In an application field where the load motor is in a regenerative state, in order to regenerate regenerative power to the AC power supply side, the power necessary for driving is supplied from the AC power supply to the motor drive device during powering of the motor, and the motor side during regeneration It is known to use a power converter for driving an electric motor configured to regenerate regenerative power from an AC power source to an AC power source. Generally, this type of electric power converter for driving an electric motor includes a converter bridge circuit having the same configuration as an inverter bridge circuit constituting an inverter circuit for driving an electric motor, and a plurality of the converter bridge circuits Regenerative power is regenerated to the AC power supply side by PWM (pulse width modulation) control of the semiconductor switching element. For example, an example of this type of motor drive power converter is shown in FIG. 4 of Japanese Patent Laid-Open No. 8-205560.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, a motor drive power conversion device capable of performing power regeneration processing for each motor having different capacities has been individually designed and manufactured. However, the number of electric motors used in application fields that require power regeneration processing is not necessarily large, and there is a problem that the price of the electric power converter for driving the motor becomes high because the number of manufactured motors is small.
[0004]
In addition, the power characteristics of the semiconductor switching elements constituting the converter / bridge circuit are limited, and there is a problem in that this type of motor drive power conversion device cannot be applied to a motor having a certain capacity.
[0005]
An object of the present invention is to provide a motor-driven power conversion device and a motor control device that are easy to design and inexpensive.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a motor-converting power converter and motor controller having a desired capacity using a plurality of converter units.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a motor drive power conversion device and a motor control device having a desired capacity using a plurality of types of converter units having different capacities.
[0008]
Still another object of the present invention is to provide a motor-driven power conversion device and a motor control device that can easily and surely obtain a desired capacity by using a plurality of converter units.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a power conversion device for driving a motor configured to supply electric power necessary for driving from an AC power source to a driving device of the motor during powering of the motor, and to regenerate regenerative power from the motor side to the AC power source during regeneration. Subject to improvement.
[0010]
In the motor-driven power conversion device of the present invention, a bridge circuit (converter / bridge circuit) configured by bridge-connecting a plurality of semiconductor switching elements and a plurality of diodes connected in antiparallel to these semiconductor switching elements. When powering the motor, the AC power supplied from the AC power source is converted to DC power, and during regeneration, the DC power regenerated from the motor side is converted to AC power and regenerated to the AC power source to be regenerated to the AC power source. A bridge circuit (converter bridge circuit) of a plurality of converter units including a control circuit for controlling the semiconductor switching element is connected in parallel between the AC power supply and the output unit. Usually, the bridge circuit is connected to an AC power source via a reactor.
[0011]
Here, in general, the converter / bridge circuit has the same configuration as the inverter / bridge circuit that constitutes the inverter circuit of the motor drive device. Specifically, in the case of three phases, a three-phase bridge circuit is configured by semiconductor switching elements such as six transistor elements, and a diode is connected in antiparallel to each semiconductor switching element. And the conduction | electrical_connection of the semiconductor switching element of each converter unit is controlled by PWM (pulse width modulation) control.
[0012]
The number of converter units connected in parallel is determined according to the capacity of the motor to be driven. For example, when the capacity of the converter unit is 5 kW and the capacity of the electric motor is 20 kW, bridge circuits of four converter units are connected in parallel. When the capacity of the converter unit is 30 kW and the capacity of the electric motor is 50 kW, the bridge circuits of the two converter units are connected in parallel.
[0013]
Therefore, in the present invention, a control circuit for a plurality of converter units connected in parallel is configured so that the plurality of converter units have a current (current flowing from the output unit during power running and current flowing into the output unit during regeneration) according to the capacity of each converter unit. It is configured to share. For example, when a bridge circuit of n converter units (n is a positive integer) having substantially the same capacity is connected in parallel, the current flowing from the output unit during power running is I, and the current flowing into the output unit during regeneration is Assuming I, the control circuit is configured so that an I / n current flows through each converter unit.
[0014]
As in the present invention, when a bridge circuit of a plurality of converter units is connected in parallel to configure a power converter having a desired capacity, the number and capacity of converter units connected in parallel according to the capacity of the motor are substantially reduced. Therefore, it is possible to obtain a power conversion device for driving a motor having a required capacity. Therefore, it is possible to simply and inexpensively provide a motor-driven power conversion device corresponding to various types of electric motors simply by preparing converter units having a plurality of types of capacities in advance as general-purpose products.
[0015]
The control circuit is provided with a voltage control loop system that outputs a current command for making the voltage of the output unit constant. When a voltage control loop system is provided for each converter unit, if the characteristics of the voltage control loop system provided for each converter unit are different, the value of the current command processed by each converter unit will be different. The system becomes unstable. Therefore, it is preferable to provide one voltage control loop system that outputs a current command for making the voltage of the output unit constant to a plurality of converter units. In this case, each of the control circuits of the plurality of converter units is configured so that each bridge circuit is configured to share a current at a ratio corresponding to each capacity with a current command from one voltage control loop system as an input. What is necessary is just to comprise so that the several semiconductor switching element to perform may be controlled. In this way, since a common current command is input to each converter unit, there is no inconvenience such as system instability.
[0016]
Specifically, the control circuit of each converter unit may be provided with current command level changing means for changing at least the level of the current command input. As described above, for example, when a bridge circuit of n converter units (n is a positive integer) having substantially the same capacity is connected in parallel, the current flowing from the output unit during power running and the output unit flows into the output unit during regeneration. If the current is I, the level of the current command level changing means of each control circuit is set so that a current of I / n flows through the bridge circuit of each converter unit.
[0017]
In some cases, a converter unit can be configured with a single converter unit. To deal with such a case, a current command for making the output voltage constant is output to the control circuit of the converter unit. A voltage control loop system for changing the current command level and a current command level changing means for changing the level of the current command. When a plurality of converter units are connected in parallel, only one voltage control loop system included in the control circuit of one converter unit among the plurality of converter units is connected to the output unit. On that basis, the current command level changing means of each control circuit of the plurality of converter units is input to the current command output from one voltage control loop system connected to the output unit, and the ratio according to each capacity. Set the level to share the current. The current command level changing means can be easily configured by, for example, an adjustable voltage dividing circuit or a gain adjusting circuit. Therefore, even if the current command level changing means is provided in each converter unit, one converter unit The price is not so high. Therefore, in consideration of the productivity of the converter unit and the assemblability of the power converter, it is preferable to provide each converter unit with a voltage control loop system and a current command level changing means.
[0018]
An electric motor control device to which the present invention is directed is an inverter circuit comprising an inverter bridge circuit in which a plurality of semiconductor switching elements and a plurality of diodes connected in antiparallel to these semiconductor switching elements are bridge-connected. The motor drive device including the motor and the motor driven by the motor drive device are configured to supply power from the AC power source to the motor drive device during power running, and to regenerate regenerative power from the motor drive device side to the AC power source during regeneration. An electric motor driving power conversion device and a capacitor connected in parallel to the output unit of the electric motor driving power conversion device are provided. Also in the motor control device of the present invention, the above-described motor drive power conversion device may be used.
[0019]
When the capacity of the motor is large enough to require an energizing current that is equal to or higher than the rated current of the semiconductor switching element (for example, 80 kW or more), the inverter circuit cannot be configured with a simple bridge circuit. In such a case, the inverter circuit may be configured by connecting a plurality of inverter circuits in parallel.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic circuit diagram of an example of an embodiment in which a motor-driven power conversion device of the present invention is applied to a motor control device used for controlling a three-
[0021]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a three-phase AC power source, and reference numeral 2 denotes a reactor that is arranged between each phase from the AC power source 1 and the input of the three-phase converter / bridge circuit 3 and exhibits a current adjusting function. The bridge circuit 3 is configured by bridge-connecting six insulated gate bipolar transistors 3T, each called a IGBT, in which diodes 3D are connected in parallel to a collector-emitter circuit. In addition, each diode 3D is arrange | positioned with the polarity which does not flow a regenerative current. A semiconductor switching element called IPM in which a protection circuit is attached to the IGBT can be used in place of the transistor 3T.
[0022]
The output part of the converter / bridge circuit 3 is connected to an inverter /
[0023]
The DC voltage appearing at both ends of the smoothing capacitor 6 is differentiated from the output voltage input from the command control unit (not shown) at the addition point SM1, that is, the DC voltage command for commanding the voltage across the terminals of the smoothing capacitor 6. The voltage is input to a proportional-integral controller or PI controller 7. The PI controller 7 outputs a current command for instructing the value of the current supplied from the output part of the converter / bridge circuit 3 to the inverter /
[0024]
In this example, the feedback line from the smoothing capacitor 6 to the adding point SM1 and the voltage at the output section (voltage between the terminals of the smoothing capacitor 6) from the adding point SM1 and the PI controller 7 are made constant. One voltage control loop system that outputs a current command is configured. This current command is also input to the
[0025]
[0026]
The current command level changing means 9A may be provided for each of the current control systems 9u to 9w for three phases, but one current command level changing means is provided for the current control systems 9u to 9w for three phases. It may be provided and shared by the current control systems 9u to 9w of the respective phases. The current command whose level has been changed by the current command level changing unit 9A is input to the
[0027]
The power supply current (AC current) of the corresponding phase is subtracted from the sine wave current as a result of multiplication of the level-changed current command output from the
[0028]
The current regulator 9C outputs a converter voltage command that brings the charging current and discharging current (regenerative current) close to the current command value that is a sine wave current. The converter voltage command output from the current regulator 9C is a signal proportional to the difference signal between the AC current detected by the current detector 8 and the current command (sine wave current). In one current control system 9u, a pulse width modulation control signal generation circuit, that is,
[0029]
The second converter unit CU2 is configured in the same manner as the first converter unit CU1. Therefore, description of each member is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the code | symbol of the number which added 10 to the code | symbol attached | subjected to the member which comprises 1st converter unit CU1 to 2nd converter unit CU2. The second converter unit CU2 is different from the first converter unit CU1 in that there is no first addition point SM1 and PI controller 7 constituting one voltage control system loop, and the first converter unit CU2 The current command output from the PI controller 7 of the unit CU1 is input to the current command level changing means 19A of each current control system 19u to 19w. Although not shown in FIG. 1, in this example, since the units having the same structure are used as the first and second converter units CU1 and CU2, voltage control is actually applied to the second converter unit CU2. A configuration corresponding to the first addition point for configuring the loop system and the PI controller is included. However, in this example, since these members are not used, these members are omitted from FIG. When a voltage control loop system is provided for each converter unit, the current command value processed by each converter unit differs if the characteristics of the voltage control loop system provided for each converter unit are different. The system becomes unstable. In this example, therefore, one voltage control loop system that outputs a current command for making the voltage of the output section (the voltage across the terminals of the smoothing capacitor 6) constant for the two converter units is provided. is there.
[0030]
In this example, since the units having the same structure and the same capacity are used as the first and second converter units CU1 and CU2, the current control systems 9u to 9w and 19u of the
[0031]
In the motor-driven power conversion device used in this example, when the
[0032]
In the above example, two converter units are connected in parallel. However, according to the capacity of the motor and the capacity of the converter unit to be used, more converter units are connected in parallel to provide a power converter for driving the motor. May be configured. When the capacity of the motor increases, not only the bridge circuits of a plurality of converter units are connected in parallel, but also the bridge circuits of a plurality of inverter /
[0033]
In the above example, a hysteresis comparator can be used in place of the PI controller 7 constituting a part of the DC voltage control loop. The hysteresis comparator has an advantage that the digital processing in the
[0034]
【The invention's effect】
As in the present invention, when a bridge circuit of a plurality of converter units is connected in parallel to configure a power converter having a desired capacity, the number and capacity of converter units connected in parallel according to the capacity of the motor are substantially reduced. Therefore, it is possible to obtain a power conversion device for driving a motor having a required capacity. Therefore, there is an advantage that it is possible to easily and inexpensively provide a power conversion device for driving a motor corresponding to a motor having various capacities only by preparing a converter unit having a plurality of capacities as a general-purpose product in advance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic circuit diagram of an example of an embodiment in which a power conversion device for driving a motor according to the present invention is applied to a motor control device used for controlling a three-
[Explanation of symbols]
CU1 and CU2 First and second converter units 1 Three-phase
Claims (3)
複数の半導体スイッチング素子とこれらの半導体スイッチング素子に対して逆並列接続された複数のダイオードとがブリッジ接続されて構成されてリアクトルを介して前記交流電源に接続されるブリッジ回路と、前記電動機の力行時には前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、回生時には前記電動機側から回生される直流電力を交流電力に変換して前記交流電源に回生するように前記ブリッジ回路の前記複数の半導体スイッチング素子の導通をPWM制御する制御回路とを具備する複数台のコンバータ・ユニットのブリッジ回路が前記交流電源と出力部との間に並列接続され、
前記複数台のコンバータ・ユニットの前記制御回路は、出力部の電圧を一定にするための電流指令を出力する電圧制御ループ系と、前記電流指令のレベルを変更する電流指令レベル変更手段とを含んでおり、
前記複数台のコンバータ・ユニットのうちの1台のコンバータ・ユニットの前記制御回路に含まれる1つの前記電圧制御ループ系のみが前記出力部に接続され、
前記複数台のコンバータ・ユニットのそれぞれの前記制御回路の前記電流指令レベル変更手段は、前記出力部に接続された1つの前記電圧制御ループ系から出力される前記電流指令を入力としてそれぞれの容量に応じた比率で電流を分担するようにレベルが設定されていることを特徴とする電動機駆動用電力変換装置。An electric power conversion device for driving an electric motor configured to supply electric power necessary for driving from an AC power source to the electric motor during powering of the electric motor and to regenerate electric power from the electric motor side to the AC power source during regeneration. ,
A plurality of semiconductor switching elements and a plurality of diodes connected in reverse parallel to the semiconductor switching elements, and a bridge circuit configured to be connected to the AC power supply via a reactor; and a power running of the electric motor Sometimes the AC power supplied from the AC power source is converted to DC power, and at the time of regeneration, the DC power regenerated from the motor side is converted to AC power and regenerated to the AC power source to be regenerated to the AC power source. A bridge circuit of a plurality of converter units comprising a control circuit that performs PWM control of conduction of the semiconductor switching element is connected in parallel between the AC power supply and the output unit,
The control circuit of the plurality of converter units includes a voltage control loop system that outputs a current command for making the voltage of the output unit constant, and a current command level changing unit that changes the level of the current command. And
Only one voltage control loop system included in the control circuit of one converter unit of the plurality of converter units is connected to the output unit,
The current command level changing means of the control circuit of each of the plurality of converter units has the current command output from one voltage control loop system connected to the output unit as an input to each capacity. A power conversion device for driving an electric motor, characterized in that a level is set so as to share a current at a corresponding ratio.
前記電動機動装置によって駆動される電動機の力行時には交流電源から前記電動機駆動装置に電力を供給し、回生時には前記電動機駆動装置側から前記交流電源に回生電力を回生するように構成された電動機駆動用電力変換装置と、
前記電動機駆動用電力変換装置の出力部に並列接続されたコンデンサとを具備する電動機制御装置であって、
前記電動機駆動用電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子とこれらの半導体スイッチング素子に対して逆並列接続された複数のダイオードとがブリッジ接続されて前記インバータ回路を構成する前記インバータ・ブリッジ回路と同様に構成されたコンバータ・ブリッジ回路と、前記電動機の力行時には前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、回生時には前記電動機側から回生される直流電力を交流電力に変換して前記交流電源に回生するように前記コンバータ・ブリッジ回路の前記複数の半導体スイッチング素子をPWM制御する制御回路とを具備する複数台のコンバータ・ユニットの前記コンバータ・ブリッジ回路が前記交流電源と前記出力部との間に並列接続された構成を有し、
前記複数台のコンバータ・ユニットが、それぞれの容量に応じて電流を分担するように前記複数台のコンバータ・ユニットのそれぞれの前記制御回路が構成され、
前記複数台のコンバータ・ユニットの前記制御回路は、出力部の電圧を一定にするための電流指令を出力する電圧制御ループ系と、前記電流指令のレベルを変更する電流指令レベル変更手段とを含んでおり、
前記複数台のコンバータ・ユニットのうちの1台のコンバータ・ユニットの前記制御回路に含まれる1つの前記電圧制御ループ系のみが前記出力部に接続され、
前記複数台のコンバータ・ユニットのそれぞれの前記制御回路の前記電流指令レベル変更手段は、前記出力部に接続された1つの前記電圧制御ループ系から出力される前記電流指令を入力としてそれぞれの容量に応じた比率で電流を分担するようにレベルが設定されていることを特徴とする電動機制御装置。An electric motor drive device including an inverter circuit composed of an inverter bridge circuit configured by bridge-connecting a plurality of semiconductor switching elements and a plurality of diodes connected in reverse parallel to the semiconductor switching elements;
For driving an electric motor configured to supply electric power from an AC power source to the electric motor driving device during powering of the electric motor driven by the electric motor driving device and to regenerate electric power from the electric motor driving device side to the AC power source during regeneration. A power converter,
An electric motor control device comprising a capacitor connected in parallel to the output unit of the electric motor driving power conversion device,
The electric power drive device for driving an electric motor is similar to the inverter bridge circuit in which a plurality of semiconductor switching elements and a plurality of diodes connected in reverse parallel to the semiconductor switching elements are bridge-connected to constitute the inverter circuit. The converter bridge circuit configured as described above and the AC power supplied from the AC power source when the motor is powered are converted to DC power, and the DC power regenerated from the motor side is converted to AC power during regeneration The converter bridge circuit of a plurality of converter units comprising a control circuit that PWM-controls the plurality of semiconductor switching elements of the converter bridge circuit so as to regenerate to an AC power source, the AC power source, the output unit, Having a configuration connected in parallel between
The control circuits of each of the plurality of converter units are configured such that the plurality of converter units share current according to their respective capacities ,
The control circuit of the plurality of converter units includes a voltage control loop system that outputs a current command for making the voltage of the output unit constant, and a current command level changing unit that changes the level of the current command. And
Only one voltage control loop system included in the control circuit of one converter unit of the plurality of converter units is connected to the output unit,
The current command level changing means of the control circuit of each of the plurality of converter units has the current command output from one voltage control loop system connected to the output unit as an input to each capacity. An electric motor control device , characterized in that a level is set so as to share current at a ratio corresponding to the electric current .
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