JP4540410B2

JP4540410B2 - 直流／直流変換装置

Info

Publication number: JP4540410B2
Application number: JP2004191385A
Authority: JP
Inventors: 俊正谷崎
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP2006014556A

Description

本発明は、直流電源電圧を、任意の電圧の直流電圧に変換し、かつ、力行、回生が可能な昇降圧直流／直流変換装置に関するものである。

直流電源電圧を任意の直流電圧に変換し、電源より負荷へ電力を供給、かつ、負荷より電力を電源へ回生することが可能な直流／直流変換装置の従来から公知の基本的構成を、図３に示す。（例えば、特許文献1参照）
同図の構成は、電流可逆チョッパ回路（非特許文献１参照）を2台を組み合わせて構成したものである。
図３中、８は直流直流変換装置であり、直流電源４の正極、負極に接続される電源端子８１、８２、負荷５が接続される出力端子８３、８４を有する。負極出力端子８４は電源端子８２と共用することもできる。
８６〜８９は、Ｑ１〜Ｑ４のＩＧＢＴなどのスイッチング素子と、Ｄ１〜Ｄ４還流ダイオードとが逆並列されたものである。８６〜８９は、単相ブリッジを構成しており、その交流端子間にはリアクトル９０が接続されている。
単相ブリッジと電源端子８１、８２、単相ブリッジと出力端子８３、８４との間には平滑用のコンデンサが設けられる。

本構成によれば、電源電圧を昇圧、降圧して負荷に供給することが可能であり、また、電力を負荷に供給することも、負荷からの電力を電源に回生することも可能である。
スイッチング素子Ｑ１とＱ２の導通するデュティをＤ１２、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の導通するデュティをＤ３４、電源電圧をＶｉ、出力電圧をＶｏとすると、Ｖｏ＝Ｖｉ・（Ｄ１２／Ｄ３４）となる。したがって、スイッチング素子Ｑ１とＱ２の導通するデュティＤ１２と、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の導通するデュティＤ３４とを適切に制御することにより、出力電圧の制御が可能である。

一般的なインバータ装置の構成を図４に示す。
図４中、１はインバータ装置の主回路部、１００は制御部を示す。
インバータ装置の主回路部１は、交流入力端子１１に与えられた電圧を整流器１２により直流に変換し、リアクトル３を介して直流平滑コンデンサ１６を充電する。リアクトル３を接続するために端子１３、１４が設けられる。また、該端子に対応して直流の負極性ラインにも端子１５が設けられる。平滑コンデンサ１６と並列に、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子と該素子と逆並列された還流ダイオードからなるインバータ部１７が接続される。インバータ部１７の出力は電流検出器１８を介して出力端子１９に接続される。
制御部１００では、設定器１０１からの速度設定信号あるいはトルク設定信号などＲＥＦに基づいて、演算回路１０２にて各相の電流指令Ｉｕ＊〜Ｉｗ＊を発生する。電流制御回路１０３の加算器１０４では前記各相の電流指令Ｉｕ＊〜Ｉｗ＊と、電流検出器１８からの各相の電流検出信号Ｉｕ〜Ｉｗとの誤差信号を得、該誤差信号は演算増幅器１０５を介して、ゲート発生回路１０７の比較器１０８により三角波発生回路１０６の出力と比較され、インバータ部１７のスイッチング素子Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６の各々の通流デュティが決定され、ゲート増幅器１０９を介してゲート信号として各スイッチング素子に伝えられる。該ゲート信号は、起動停止などをつかさどるシーケンス回路１１０からの信号により動作するスイッチ１１１により運転時のみ各スイッチング素子に伝えられる。
なお、制御部１００のほとんどの機能は、マイクロコンピュータに組み込まれたソフトウエアにより実現されている。
特開２００１−２６８９００号公報（図１、図２、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９）矢野昌雄他２３名、「半導体電力変換回路」、第７版、社団法人電気学会、１９９３年７月１日、ｐ．８０

本発明では、図３の構成を基本とした昇降圧直流直流変換装置を製作するに当たり、図４に示される既成のインバータ装置を使用して新規に構造的設計を必要としないで実現しようとするものである。

２台のインバータ装置、及び負荷直流電圧検出器を有し、第１のインバータ装置の直流ライン端子に直流電源を接続し、第２のインバータ装置の直流ライン端子に直流負荷を接続し、前記第１、第２のインバータ装置各々の出力端子を接続し、前記２台のインバータ装置の出力端子をリアクトルを介して接続して構成し、第１のインバータ装置の制御回路は、前記負直流電圧検出器の出力と直流電圧設定指令より負荷直流電圧が前記直流電圧設定指令に一致するように正極側の電力半導体素子と負極側の電力半導体素子との通流デュティを制御する直流電圧制御機能を有し、第２のインバータ装置の制御回路は、正極側の電力半導体素子と負極側の電力半導体素子との通流デュティが一定な動作を行い、該第２のインバータ装置は第１のインバータ装置から与えられる運転停止指令により動作させるものである。

図４に示した基本的な構成の既成のインバータ装置を２台使用する。
２台のうちの第１のインバータ装置は、図３の８６、８７のスイッチング素子と８５の平滑コンデンサとして使用する。
図４の出力端子１９の３つの端子Ｕ、Ｖ、Ｗは接続され、インバータ部１７の３相用の各スイッチング素子は３並列に接続されて、後述のように同じゲート信号を与えられて全くの並列素子として動作する。
第２のインバータ装置も、図３の８８、８９のスイッチング素子と９０の平滑コンデンサとして使用する。第１のインバータ装置と同様に３つの端子Ｕ、Ｖ、Ｗは接続され、インバータ部１７の３相用の各スイッチング素子は３並列に接続されて、後述のように同じゲート信号を与えられて全くの並列素子として動作する。
第２のインバータ装置の直流ラインの正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子とは一定の通流デュティで動作する。
一方、第１のインバータ装置の直流ラインの正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子の通流デュティは、出力電圧が設定値に一致するように制御される。

本発明によれば、既成のインバータ装置を２台使用し、なんら構造的変更を行うことなく、外部回路として直流電圧検出器を追加し、制御ソフトを変更するだけで、昇降圧直流直流変換装置を実現できる。
その結果、設計を短期間で行えるとともに、部材として標準のものが使用できるので、安価に製作できる。
また、通常は、４つのスイッチング素子の点弧、消弧する素子や、通流デュティを、電源電圧と出力電圧との大小関係や、電力の方向により変えているため（例えば、特許文献１参照）Ｑ１〜Ｑ４の４つのスイッチング素子を一体として制御しなければならないが、本発明では、Ｑ３、Ｑ４を含む第２のインバータ装置のデュティを固定することにより、制御的にはＱ１、Ｑ２を含む第１のインバータとの関わりをなくすことができ、２台の間の制御的な信号の授受をなくすことができる。その結果、２台のインバータ装置の間に必要な信号は、起動停止信号だけとなり、配線も簡略になり、ノイズによる誤動作の危険も少ないものとなる。

既成のインバータ装置を２台使用し、２台のインバータ装置の出力端子を各々接続し、両インバータ装置の出力端子間にリアクトルを接続する。直流電圧検出器で出力電圧を検出し、該検出信号により第１のインバータ装置にて直流電圧制御を行う。第２のインバータ装置は通流デュティ一定で運転する。第２のインバータ装置の運転停止は、第１のインバータ装置と連動して行う。

図１は、本発明の実施例の構成を示す。
図1中、１、２は第1のインバータ装置および第２のインバータ装置であり、２台の既成のインバータ装置である。１００、２００はそれぞれのインバータ装置の制御部を示す。１４、１５、１９は第1のインバータ装置について、また、２４、２５、２９は第２のインバータ装置について、図４の正極端子１４、負極端子１５、出力端子１９と同じ端子を示す。
直流電源４は、第1のインバータ装置の直流正極端子１４と直流負極端子１５に接続される。
第1のインバータ装置の出力端子１９の３つの端子Ｕ、Ｖ、Ｗは一括に繋がれ、該端子にリアクトル５の一端が接続され、他端は第２のインバータの出力端子２９に接続される。第２のインバータ装置の出力端子２９の３つの端子Ｕ、Ｖ、Ｗも一括して繋がれている。第２のインバータ装置の直流正極端子１４と直流負極端子１５に負荷が接続される。

第1のインバータ装置の制御回路１００の演算回路１１２は、出力電圧指令１０１と、出力電圧検出器７の信号と、必要な場合にはインバータ装置の出力電流検出器１８からの信号により、出力電圧を出力電圧指令１０１に一致させるように正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子の通流デュティを求め、スイッチング素子にゲート信号を与える。該ゲート信号は、起動停止などの動作を指令するシーケンス回路１１１からの信号により動作するスイッチ１１０により、運転時のみスイッチング素子に伝えられる。
第２のインバータ装置の制御回路２００の演算回路２１２は、正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子の通流デュティを一定とする信号を出力する。該信号は、シーケンス回路２１１が第１のインバータ装置のシーケンス回路１１１から受け取った運転停止指令により、スイッチ２１０を介して運転時のみスイッチング素子にゲート信号が伝えられる。

以上の構成により、第２のインバータ装置２は、正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子の通流デュティが一定で運転され、第１のインバータ装置１は、出力電圧を設定１０１で指令された電圧に制御することができる。
また、この構成では、２つのインバータ装置の主回路構成は、図４で示された既成のインバータ装置と全く同じであり、既成のインバータ装置をそのまま使用できる。
外部回路としては、出力電圧検出回路６を設けるだけであり、第１のインバータ装置の演算回路１１２へ信号を送る。しかも、第１のインバータ装置と、第２のインバータ装置との間の信号のやり取りは、第１のインバータ装置のシーケンス回路１１１から第２のインバータ装置２のスイッチ２１０に与えられる起動停止信号だけである。

さらに詳細を図２に示す。図２中、図1、図３、図４と同じ番号を付したものは同じものを示す。図２では、第1のインバータ装置の制御部１００及び第２のインバータ装置の制御部２００について説明する。
第１のインバータ装置の制御部１００の演算回路１１２内の１２１は電圧制御増幅回路であり、加算器１２２、演算増幅器１２３は出力電圧指令１０１の信号と外部に設けられた出力電圧検出器６からの信号との誤差を演算増幅し、電流指令Ｉ＊を出力する。１２４は、電流検出器１８を構成する３つの電流検出器ＣＴｕ、ＣＴｖ、ＣＴｗの検出信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流総和Ｉｔを算出する。１０３は電流制御増幅回路であり、加算器１０４、演算増幅器１０５により、前記電流指令Ｉ＊と電流総和Ｉｔとの誤差増幅し、デュティ指令Ｄ＊を出力する。
デュティ指令Ｄ＊は既成の制御部のゲート発生回路１０７に入力信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗとして送られる。以下、既成の３つのゲート発生回路１０７は同じ動作となり、インバータ部のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６は各々同じゲート信号となる。
該ゲート信号は、起動停止などをつかさどるシーケンス回路１１０からの起動停止指令により動作するスイッチ１１１により、運転時にのみスイッチング素子に伝えられる。

第２のインバータ装置の制御部２００の演算回路２１２はデュティ設定器２０２を有し、該設定器の出力Ｄｒｅｆは既成の制御部のゲート発生回路２０７に入力信号Ｄｕ、Ｄｖ、Ｄｗとして送られる。以下、既成の３つのゲート発生回路１０７は同じ動作となり、インバータ部のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６は各々同じゲート信号となる。第２のインバータ装置のシーケンス回路２１０は、第１のインバータ装置のシーケンス回路１１０からの起動停止指令を受けて、スイッチ２１１により、ゲート信号を運転時のみスイッチング素子に伝える。この動作により、第２のインバータ装置は第１のインバータ装置の運転時のみ動作する。

第２のインバータ装置の通流デュティ固定値Ｄｒｅｆは、電源電圧をＶｉ、出力電圧をＶｏとし、Ｖｉ＜Ｖｏとすると、Ｄｒｅｆ＜Ｖｉ／Ｖｏとしなければならないが、電源電圧の最高電圧、最低電圧と、出力電圧の最高電圧、最低電圧の制御範囲から選定される。

以上の制御部の変更は、既成のインバータ装置の制御部のベクトル制御演算や電流制御演算に関する部分でありソフトウェアでなされており、ソフトウェアの変更で実現できる。
直流電圧検出器からの信号は、既成のインバータ装置のアナログ入力端子を使用できる。または、第２のインバータ装置と第１のインバータ装置との間に通信機能がある場合には、第２のインバータ装置が検出している直流電圧データを、前記通信機能により第１のインバータ装置に送ることによっても実現できる。
第１のインバータ装置のシーケンス回路１１０と第２のインバータ装置の２１０との間の信号は、通常設けられている第１のインバータ装置の運転停止表示接点と、第２のインバータ装置の非常停止接点入力端子等の運転インターロック端子を使用することができる。また、第２のインバータ装置と第１のインバータ装置との間に通信機能がある場合には、第１のインバータ装置の運転状態を、前記通信機能により第２のインバータ装置に送ることによっても実現できる。
以上のように第１のインバータ装置と第２のインバータ装置との間に通信機能がある場合には、直流電圧検出器を外部に設けたり、運転停止指令のやり取りに特別な配線を設ける必要もない。

本発明は、直流直流変換装置にも使用できるほか、第１のインバータ装置のダイオード整流部を使用して、電源交流電圧で規定される直流電圧よりも高い直流電圧を出力することが可能な交流直流変換装置にも適用できる。

本発明による直流直流変換装置の構成図である。（実施例１）本発明による直流直流変換装置の詳細図である。（実施例２）基本的な昇降圧直流直流変換装置の構成図である。基本的なインバータ装置の構成図

符号の説明

１、２既成のインバータ装置の主回路部
３リアクトル
４直流電源
５リアクトル
６負荷
７直流電圧検出器
１１電源端子
１２整流回路
１３端子
１４、２４直流ライン正極端子
１５、２５直流ライン負極端子
１６、２６平滑コンデンサ
１７、２７インバータ部
１８、２８電流検出器
１９、２９インバータ出力端子
１００、２００インバータ制御部
１０１、２０２設定器
１０２、１１２、２１２演算部
１０３電流制御増幅器
１０４、１２２加算器
１０５、１２３演算増幅器
１０６、２０６三角波発生器
１０７、２０７ゲート発生器
１０８、２０８比較器
１０９、２０９ゲート増幅器
１１０、２１０シーケンス回路
１１１、２１１スイッチ
１２１電圧制御増幅器
１２４総和器
８１、８２直流電源端子
８３、８４直流出力端子
８５、９１平滑コンデンサ
８６〜８９スイッチング素子
９０リアクトル

Claims

２台の３相インバータ装置を有し、第１のインバータ装置の直流ライン端子に直流電源を接続し、第２のインバータ装置の直流ライン端子に直流負荷を接続し、前記第１、第２のインバータ装置各々の３相出力端子を全て接続し、前記２台のインバータ装置の出力端子をリアクトルを介して接続したことを特徴とする直流／直流変換装置。
２台の３相インバータ装置を有し、第１のインバータ装置の直流ライン端子に直流電源を接続し、第２のインバータ装置の直流ライン端子に直流負荷を接続し、前記第１、第２のインバータ装置各々の３相出力端子を全て接続し、前記２台のインバータ装置の出力端子をリアクトルを介して接続して構成し、第１のインバータ装置は直流電圧制御回路を有し、負荷の直流電圧検出信号と直流電圧設定指令が与えられ、前記直流電圧制御回路の出力により、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子との通流デュティを制御する機能を有し、第２のインバータ装置は、正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子との通流デュティが一定な動作を行い、該第２のインバータ装置は第１のインバータ装置から与えられる運転停止指令により動作することを特徴とする直流／直流変換装置。