JP4924711B2 - 電源回生コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、電源回生コンバータに関するものである。

電源回生コンバータは、三相誘導電動機を可変速制御するインバータ装置と三相交流電源との間に配置され、三相交流電源と電源回生コンバータの間にはリアクトルが配置される。電源回生コンバータは、三相誘導電動機(以下モータ)の減速時に発生する誘導起電力を三相交流電源に回生する。モータが減速すると、それによって発生した誘導起電力による電流が、電源回生コンバータ内の平滑コンデンサの両端に流れ込み、電源回生コンバータの回生トランジスタがオンすると平滑コンデンサから電源へ回生電流が流れる。

このように、電源回生コンバータの平滑コンデンサの電圧と、電源電圧の電圧差を利用し、リアクトルにより電流制限で電流を流すため、オンする回生トランジスタの位相を誤ると電圧差が大きくなり、急激に大電流が流れて装置の停止や破損を招く恐れがある。そのため、直流母線電圧値と回生開始電圧値を比較し、直流母線電圧値が回生開始電圧より高くなったとき回生動作を開始している。また、回生動作中の各回生トランジスタへの指令は、検出した三相線間電圧の位相をもとに生成した回生トランジスタのオン／オフ信号を使用し電源回生動作を行っている。（例えば特許文献１参照)

特開２０００−２５３６８６号公報（段落００１８〜００２１、図１）

しかしながら、従来の電源回生コンバータは、線間電圧のゼロクロス点監視により線間電圧位相検出を行っているために、三相交流電源に電源電圧歪が混在した場合、線間電圧位相検出が狂う場合があった。また、回生トランジスタのオン／オフ制御信号を位相検出信号から作成するため、スイッチングのオン／オフのタイミングが狂い、過大な電流が流れる場合があった。そして、電源や装置の破損によりシステム停止になる可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、三相交流電源に電源電圧歪が混在した場合でも安定した回生動作を行える電源回生コンバータを得ることを目的とする。

この発明にかかる電源回生コンバータは、三相誘導電動機で発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記三相交流電源の線間電圧を検出する線間電圧検出部と、前記線間電圧検出部の出力信号である線間電圧波形の歪成分を除去し、前記線間電圧波形から歪成分を除去した波形の振幅及び位相の少なくとも一方を、前記線間電圧波形に基づき補正して基本波形を生成する基本波形生成部と、前記基本波形生成部の出力信号に基づいて回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号を作成するベース駆動信号作成部と、前記ベース駆動信号を出力するベース駆動信号出力部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、電源電圧の基本波形から正確な電圧位相検出を実施できるため、歪成分の影響を受けることなく回生トランジスタのオン／オフ制御信号を生成できる。これにより、過電圧や過電流による装置や電源の破損を防ぎ、システム停止しない電源回生コンバータを実現できる。

電源回生コンバータの構成を示すブロック図である。 線間電圧検出部からベース駆動信号作成部までのブロック図である。 基本波形生成部の内部構成を示すブロック図である。 線間電圧検出部の出力波形と基本波形生成部の出力波形を示す図である。 ローパスフィルタのボード線図である。 回生動作時のタイムチャートである。 ベース駆動信号出力部の内部構成を示すブロック図である。 電源回生コンバータの構成を示すブロック図である。 歪成分抽出部の内部構造を示す図である。 電源回生コンバータの構成を示すブロック図である。 ベース駆動信号出力部の内部構成を示すブロック図である。 回生動作時のタイムチャートである。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 電源回生コンバータ、３ 三相交流電源、５ 三相誘導電動機、６ 線間電圧検出部、７ ベース駆動信号作成部、８ ＰＮ母線電圧検出部、９、９Ａ ベース駆動信号出力部、１０ 基本波形生成部、１１ 歪成分抽出部、１２ 基準電圧検出部、２１ 高周波成分除去フィルタ、２２ 周波数算出部、２３ 補正部、２４ 歪成分周波数検出部、２５ 歪電圧検出部、２６ 歪率算出部、２７、２８、２９、４１ 減算器、４０ 歪成分補正部、４２ 加算器、４３ 比較器、４４ スイッチ、７０ 回生部、７１ 平滑コンデンサ、８１、８２、８３、８４、８５、８６ 回生トランジスタ。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の電源回生コンバータの構成を示すブロック図である。以下にその構成について説明する。電源回生コンバータ1は、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電源を発生する三相交流電源３と、モータ５を可変速制御するインバータ装置４との間に配置される。ここで、電源回生コンバータ１は、交流電源端子５１、５２、５３、５４、５５、５６を備えている。交流電源端子５１、５２、５３は、リアクトル２を介して三相交流電源３の各電源端子に接続され、交流電源端子５４、５５、５６は、リアクトル２を介さずに三相交流電源３の各電源端子と接続する。また、電源回生コンバータ１の直流電源端子５７、５８はインバータ装置４内の直流母線に接続される。電源回生コンバータ１内には、直流電源端子５７、５８に接続される直流母線５９、６０が配置され、直流母線５９、６０間には、平滑コンデンサ７１が接続される。平滑コンデンサ７１の両端は、平滑コンデンサ７１の両端電圧を検出するＰＮ母線電圧検出部８に接続される。
電源回生コンバータ１内の直流母線５９、６０間には、回生トランジスタ８１、８２、８３、８４、８５、８６とダイオード９１、９２、９３、９４、９５、９６を備える回生部７０が配設され、直流母線５９、６０間に、直列接続した回生トランジスタ８１、８２、回生トランジスタ８３、８４、および回生トランジスタ８５、８６の３組が並列に接続される。すなわち、直流母線５９には、上アームを構成する回生トランジスタ８１、８３、８５のコレクタ端子が接続され、直流母線６０には、下アームを構成する回生トランジスタ８２、８４、８６のエミッタ端子が接続される。そして、回生トランジスタ８１のエミッタ端子と回生トランジスタ８２のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子５１に接続される。同様に、回生トランジスタ８３のエミッタ端子と回生トランジスタ８４のコレクタ端子とは、交流電源端子５２に接続され、回生トランジスタ８５のエミッタ端子と回生トランジスタ８６のコレクタ端子とは、交流電源端子５３に接続される。なお、これらの回生トランジスタ８１、８２、８３、８４、８５、８６には、ダイオード９１、９２、９３、９４、９５、９６がそれぞれ並列に接続される。すなわち、ダイオードのアノード端子は回生トランジスタのエミッタ端子に接続され、ダイオードのカソード端子は回生トランジスタのコレクタ端子に接続される。
交流電源端子５４、５５、５６は、三相交流電源３の三相間の電源電圧波形を検出する線間電圧検出部６に接続され、線間電圧検出部６の出力端は、歪成分が混在していない三相交流電源の線間電圧波形と定義する基本波形を生成する基本波形生成部１０に接続される。基本波形生成部１０の出力端子は、三相交流電源３の電圧位相に基づき回生トランジスタのオン／オフ制御を行うベース駆動信号を作成するベース駆動信号作成部７と、基本波形生成部１０の出力に基づいて三相交流電源３の電圧値を算出する基準電圧検出部１２とに接続される。ベース駆動信号作成部７、基準電圧検出部１２、ＰＮ母線電圧検出部８の出力端は、三相交流電源３の電圧値と平滑コンデンサ７１の両端電圧値に基づき、回生トランジスタのオン／オフ制御を行うベース駆動信号を出力するベース駆動信号出力部９に接続され、ベース駆動信号出力部９の出力端はそれぞれ回生トランジスタ８１、８２、８３、８４、８５、８６の対応するベース端子に接続される。
図１では、線間電圧検出部６の入力信号は、リアクトル２を介さない三相交流電源３の各相の電圧としたが、リアクトル２を介した三相交流電源３の各相の電圧としてもよい。

次に、図１に示す電源回生コンバータの回生電流の流れについて説明する。まず、モータが減速することによって発生した誘導起電力による電流が平滑コンデンサ７１の両端に流れ込むため、平滑コンデンサ７１の電圧が上昇する。このため、電源から供給される三相電源電圧のうち最大電位を示す−相の電位が平滑コンデンサ７１の＋極よりも低くなり、三相の電源電圧のうち最小電位を示す−相の電位が平滑コンデンサ７１の−極の電位よりも高くなる。したがって、供給される三相の電源電圧と平滑コンデンサ７１との間に電位差が生ずるため、回生トランジスタをオンすることにより平滑コンデンサ７１から電源へ回生電流が流れる。

このように、電源回生コンバータの平滑コンデンサ電圧と電源電圧の電圧差を利用し、リアクトルによる電流制限で電流を流すため、オンする回生トランジスタの位相を誤ると、電圧差が大きくなり、急激に大電流が流れて装置の停止や破損を招く恐れがある。そのため、電源位相の検出、回生トランジスタのオン／オフ制御が重要となる。

以下、ベース駆動信号を用いた回生トランジスタのオン／オフ制御について説明する。
図２は、線間電圧検出部６からベース駆動信号作成部７までのブロック図である。図３は、基本波形生成部１０の内部構成を示すブロック図である。図４は、線間電圧検出部６の出力波形と基本波形生成部１０の出力波形を示す図である。図５は、１次ローパスフィルタＩ（ｓ）および４次ローパスフィルタＨ（ｓ）のボード線図を示す図である。

図２に示す通り、線間電圧検出部６は、三相交流電源３の三相それぞれの電圧波形ＶR、ＶS、ＶTを入力し、三相それぞれの線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rを検出して、それらを出力する。基本波形生成部１０は、線間電圧検出部６から出力された線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rを入力し、線間電圧波形から基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rを生成し、ベース駆動信号作成部７へ出力する。ベース駆動信号作成部７は、基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rを用いて、回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号（この実施の形態では各回生トランジスタに対応した６つの信号）を作成する。

次に、線間電圧検出部６について説明する。
線間電圧検出部６では、三相交流電源３よりＲ−Ｓ線間、Ｓ−Ｔ線間、Ｔ−Ｒ線間の線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rを検出する。ここで、Ｓ−Ｒ線間電圧波形はＲ−Ｓ線間電圧波形の位相を１８０°進めたあるいは遅らせたものであり、Ｔ−Ｓ線間電圧波形はＳ−Ｔ線間電圧波形の位相を、Ｒ−Ｔ線間電圧波形はＴ−Ｒ線間電圧波形の位相を、それぞれ１８０°進めたあるいは遅らせたものである。よって、Ｓ−Ｒ線間、Ｔ−Ｓ線間、Ｒ−Ｔ線間の線間電圧波形は、線間電圧検出部６で検出するＲ−Ｓ線間、Ｓ−Ｔ線間、Ｔ−Ｒ線間の線間電圧波形から算出可能なので、上記３つの線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rだけ検出すればよい。

次に、基本波形生成部１０について説明する。
三相交流電源３の歪成分の影響を受けることなく回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号を作成するために、基本波形生成部１０を以下のように構成する。図３に示す通り、基本波形生成部１０は、三相交流電源３の線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rから歪成分を除去する高周波成分除去フィルタ２１と、高周波成分除去フィルタ２１の出力から三相交流電源３の線間電圧波形の基本周波数を算出する周波数算出部２２と、高周波成分除去フィルタ２１からの出力の補正を行う補正部２３とを備える。図４に示す通り、高周波成分除去フィルタ２１では、線間電圧波形に混在する歪成分を除去するが、除去後の波形は位相と振幅が変化してしまう。そこで補正部２３において、周波数算出部２２で算出された三相交流電源３の線間電圧波形の基本周波数を用いて、高周波成分除去フィルタ２１で歪成分を除去することにより変化した位相と振幅を、歪成分を含まない場合の三相交流電源３の線間電圧波形の位相、振幅と同じにする補正を行う。よって、基本波形生成部１０は、三相交流電源３の線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rを入力し、歪成分を含まない三相交流電源３の線間電圧波形となる基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rを出力する。

次に、基本波形生成部１０内の高周波数成分除去フィルタ２１とその出力波形信号および補正部２３について、詳細に説明する。
高周波成分除去フィルタ２１は、ＦＦＴアナライザ機能を有するシステムで実現する他に、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなど様々なフィルタでその機能を実現できるが、ここでは、２次ローパスフィルタを２段使用する４次ローパスフィルタの場合について説明する。このローパスフィルタにより、高周波である歪成分が除去され、その周波数は、歪成分がない三相交流電源３の周波数と同じなる。

まず、２次ローパスフィルタについて述べる。ωｎを折点周波数、ｓをラプラス演算子とすると、２次ローパスフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、（１）式のように表される。

（１）式で表される２次ローパスフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）を書き直すと（２) 式のようになる。

（２）式は、折点周波数ωｎ［ｒａｄ／ｓｅｃ］の１次ローパスフィルタが２段あるものと同等であることを示している。

次に、２次ローパスフィルタを２段使用する４次ローパスフィルタの場合について考える。その場合の４次ローパスフィルタ伝達関数Ｈ（ｓ）は、（３）式のようになる。

（３）式は、折点周波数ωｎ［ｒａｄ／ｓｅｃ］の１次ローパスフィルタが４段あるものと同等であることを示している。

ここで、前記１次ローパスフィルタの伝達関数をＩ（ｓ）とすると、Ｉ（ｓ）通過後のゲイン減衰量ｇ、位相遅れ量φは（４）式、（５）式のようになる。（ωは任意の周波数）

２次ローパスフィルタを２段使用する４次ローパスフィルタＨ（ｓ）は、１次ローパスフィルタＩ（ｓ）が４段あるものと同等なので、高周波成分除去フィルタ２１のゲイン減衰量ｇｈ、位相遅れ量φｈは（６）式、（７）式のようになる。

よって、高周波成分除去フィルタ２１が２次ローパスフィルタを２段使用する４次ローパスフィルタＨ（ｓ）の場合、（６）式、（７）式から、高周波成分除去フィルタ２１のゲイン減衰量ｇｈと位相遅れ量φｈは、１次ローパスフィルタＩ（ｓ）のゲイン減衰量ｇおよび位相遅れ量φのそれぞれ４倍となることが分かる。
また、図５に、１次ローパスフィルタＩ（ｓ）と４次ローパスフィルタＨ（ｓ）について、ゲイン対周波数の関係と位相対周波数の関係をそれぞれ直交座標上に表し一組としたボード線図を示す。これからも、４次ローパスフィルタＨ（ｓ）のゲイン減衰量ｇｈと位相遅れ量φｈは、１次ローパスフィルタＩ（ｓ）のゲイン減衰量ｇおよび位相遅れ量φのそれぞれ４倍となっていることが分かる。

ここで、図４に示す通り、高周波成分除去フィルタ２１の出力波形の周波数は、三相交流電源３の線間電圧波形の周波数と同じであるため、周波数算出部２２において三相交流電源３の線間電圧波形の基本周波数を算出後、高周波成分除去フィルタ２１の折点周波数ωｎを基本周波数に変更する。そして、歪なしの三相交流電源３の線間電圧波形信号に対する、（３）式で表されるフィルタが出力する波形信号の位相遅れ量φは、（７）式から算出され、１８０度（＝π）となる。また、線間電圧の位相検出には影響ないが、（３）式で表されるフィルタが出力する波形信号の振幅は、（６）式を用いて算出され、歪なしの三相交流電源３の線間電圧波形の振幅の１／４となる。従って、高周波除去フィルタ２１の出力は、歪なしの三相交流電源３の線間電圧波形と比較して振幅１／４、位相が１８０度遅れた波形信号となる。

以下では、具体的な線間電圧波形を用いて、基本波形生成部１０の動作を説明する。
三相交流電源３の、ある２相間の線間電圧波形をｓｉｎ波形とすると、高周波成分除去フィルタ２１へ入力前の信号である線間電圧波形ｙ１（ｔ）を（８）式で表すことができる。ここで、Ａは振幅、ｔは時間である。なお、歪成分は一切混在していないものと考える。

（８）式で表される線間電圧を入力したときの高周波成分除去フィルタ２１の出力波形信号ｙ２（ｔ）は、上述の通り、歪無しの線間電圧波形に対して振幅が１／４となり位相が１８０度（＝π）遅れるため、（９）式となる。

（９）式に示される高周波成分除去フィルタ２１の出力波形信号ｙ２（ｔ）を、（８）式で表される三相交流電源３の線間電圧波形ｙ１（ｔ）と同じとするために、補正部２３でその位相遅れ、振幅減衰分を補正する。この場合では、補正部２３を、振幅を定数倍するフィルタで構成する。高周波成分除去フィルタ２１の出力信号ｙ２（ｔ）を−４倍すれば、振幅が補正され、位相の遅れも補正される。これにより、前記２相間の線間電圧波形に対応する擬似的な基本波形を生成できる。
ここで、補正部２３は、定数倍するフィルタに限らず、位相遅れ量およびゲイン減衰量を計算する機能を有し、様々な手法でこれらの機能を実現可能である。例えば、振幅の減衰はゼロで位相のみ操作することができるオールパスフィルタによって位相遅れを補正する方法が考えられる。

以上のように、基本波形生成部１０は、三相交流電源３の線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rを入力し、高周波成分除去フィルタ２１で三相交流電源３の線間電圧波形の歪成分を除去し、補正部２３でその波形の振幅と位相を三相交流電源３の線間電圧波形の振幅と位相に等しくなるように補正して、歪成分を含まない三相交流電源３の線間電圧波形となる基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rを生成し、これを出力する。

以下に、ベース駆動信号作成部７について説明する。
図６は、電源回生コンバータの回生動作中のタイムチャートであって、基本波形の電圧変化に対応する位相検出信号、回生トランジスタ、回生電流の時間的変化を示したものである。
図１に示すベース駆動信号作成部７は、基本波形生成部１０で生成した基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rを入力する。入力した基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rの位相を１８０度進めるあるいは遅らせることで、基本波形Ｖ'S-R、Ｖ' T-S、Ｖ' R-Tを算出する。具体的には、基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rに−１を掛ければよい。そして、各基本波形のゼロクロスを検出し、例えば図６に示すように、基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-R、Ｖ'S-R、Ｖ' T-S、Ｖ' R-Tの振幅が正の位相間ではオン、負の位相間ではオフとなるように、各基本波形に対する位相検出信号を作成する。歪成分が混在しない三相交流電源の線間電圧波形は、ほぼｓｉｎ波形のため基本波形もｓｉｎ波形となり、位相検出信号のオンの位相区間の中央で基本波形の電位は最大となり、位相検出信号のオフの位相区間の中央で基本波形の電位は最小となる。よって、各位相検出信号より、基本波形の最大電位を示す相と最小電位を示す相を把握することができる。そして、回生トランジスタ８１、８３、８５のうち、三相交流電源電圧の最大電位を示す相と接続した回生トランジスタをオンし、かつ、回生トランジスタ８２、８４、８６のうち、三相交流電源電圧の最小電位を示す相と接続した回生トランジスタをオンし、その他の回生トランジスタはオフする、回生トランジスタ８１〜８６のオン／オフ制御を行うベース駆動信号を各回生トランジスタ毎に作成する。作成されたベース駆動信号はベース駆動信号出力部９へ出力される。

次に、回生動作について説明する。
図１に示すＰＮ母線電圧検出部８では、直流母線電圧として平滑コンデンサ７１の両端電圧を検出してベース駆動信号出力部９へ出力する。基準電圧検出部１２では、移動平均フィルタなどを用いて、基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rの絶対値を取った波形を基本波形の１周期（周波数の逆数）だけ積分して電圧振幅を検出する。この検出した電圧振幅値を歪成分が混在しない場合の三相交流電源３の線間電圧値として、ベース駆動信号出力部９へ出力する。図７は、ベース駆動信号出力部９の内部構成を示すブロック図である。ベース駆動信号出力部９では、基準電圧検出部１２の出力信号およびＰＮ母線電圧検出部８の出力信号を減算器４１に入力させ、三相交流電源３の電圧値と直流母線電圧値との電圧差を算出する。そして、回生動作を開始するためのしきい値として予め設定した回生開始電圧値Ｖｏｎと、減算器４１の出力である三相交流電源３の電圧値と直流母線電圧値との電圧差と、を比較器４３に入力して比較し、三相交流電源３の電圧値と直流母線電圧値との電圧差が回生開始電圧より高くなったとき、ベース駆動信号作成部７で作成した回生トランジスタのオン／オフ制御を行うベース駆動信号を回生トランジスタ８１〜８６に出力する回生動作を行う。

図６の電源回生コンバータ１の回生動作中のタイムチャートで示す通り、基本波形Ｖ'R-Sの電位が最大の場合は、回生トランジスタ８１と８４をオンさせる。基本波形Ｖ'R-Tの電位が最大の場合は、回生トランジスタ８１と８６をオンさせる。基本波形Ｖ'S-Tの電位が最大の場合は、回生トランジスタ８３と８６をオンさせる。基本波形Ｖ'S-Rの電位が最大の場合は、回生トランジスタ８２と８３をオンさせる。基本波形Ｖ'T-Rの電位が最大の場合は、回生トランジスタ８５と８２をオンさせる。基本波形Ｖ'T-Sの電位が最大の場合は、回生トランジスタ８４と８５をオンさせる。
具体的には、時間ｔ２０〜ｔ４０で基本波形Ｖ'R-Sの電位が最大となるため、回生トランジスタ８１と８４をオンさせ、他の回生トランジスタはオフする。そうすれば、平滑コンデンサ７１と三相交流電源のＳ−Ｒ相間は、リアクトルと電源インピーダンスを介して接続した状態となり、回生電流がＲ相からＳ相に流れる。同様に、時間ｔ４０〜ｔ６０では基本波形Ｖ'R-Tの電位が最大となるため、回生トランジスタ８１と８６をオンさせ、他の回生トランジスタをオフする。そうすれば、回生電流がＲ相からＴ相に流れる。

以上のように、三相交流電源３の線間電圧の基本波形を生成すれば、三相交流電源３に歪成分が混在した場合でも、歪成分の影響を受けず、三相交流電源の線間電圧波形の基本周波数が検出でき、基本波形から正確な三相交流電源の電圧位相を検出できる。また、ベース駆動信号作成において、この歪成分を含まない三相交流電源３の線間電圧波形となる基本波形を用いれば、各線間電圧のうち最大となる線間電圧の２つの相を接続させる回生トランジスタのみオンさせて、他の回生トランジスタをオフするような回生トランジスタオン／オフ制御を行うベース駆動信号を、三相交流電源の電圧位相に対して正確に作成することができる。従って、回生動作時に電源や回生コンバータに過電圧や過電流がかかることが無くなるので、これらが原因の電源や回生コンバータの破損によるシステム停止を防ぐことができる。

実施の形態２．
以下では、三相交流電源に歪成分が混在する場合にその歪成分を把握するため、実施の形態１に三相交流電源の歪成分を抽出し、歪成分の歪周波数、歪振幅、歪率を求める機能を付加した実施の形態について説明する。
図８は、本実施の形態の電源回生コンバータの構成を示すブロック図である。図９は、歪成分抽出部の内部構造を示す図である。図８に示す本実施の形態の電源回生コンバータ１Ａは、実施の形態１の電源回生コンバータ１内の基本波形生成部１０の後に三相交流電源３の線間電圧波形に混在する歪成分を抽出する歪成分抽出部１１を設け、さらに、歪成分抽出部１１の後に、抽出した歪成分の周波数を検出する歪成分周波数検出部２４と、抽出した歪成分の電圧振幅を検出する歪電圧検出部２５と、電源電圧歪の歪率（歪成分の電圧振幅／電源電圧の振幅）を算出する歪率算出部２６を設けている。

図９に示す通り、歪成分抽出部１１は、線間電圧検出部６からの出力で三相交流電源３の歪成分を含む線間電圧波形ＶR-S、ＶS-T、ＶT-Rと、基本波形生成部１０からの出力で歪を含まず線間電圧波形と同じ周波数で振幅もほぼ等しい基本波形Ｖ'R-S、Ｖ'S-T、Ｖ'T-Rとを入力する。歪成分抽出部１１では、減算器２７で線間電圧波形ＶR-Sから基本波形Ｖ'R-Sが減算される。同様に、減算器２８で線間電圧波形ＶS-Tから基本波形Ｖ'S-Tが、また減算器２９で線間電圧波形ＶT-Rから基本波形Ｖ'T-Rがそれぞれ減算される。従って、減算器２７、２８、２９により、三相交流電源３の線間電圧波形の歪成分ＶfR-S、ＶfS-T、ＶfT-Rが抽出され、それぞれ歪成分抽出部１１から出力される。歪成分抽出部１１から出力された歪成分ＶfR-S、ＶfS-T、ＶfT-Rは、歪成分周波数検出部２４と歪電圧検出部２５に入力される。

図８に示す通り、歪成分周波数検出部２４は歪成分抽出部１１から歪成分ＶfR-S、ＶfS-T、ＶfT-Rを入力して、歪成分の周波数を検出する。また、歪電圧検出部２５は歪成分抽出部１１から歪成分ＶfR-S、ＶfS-T、ＶfT-Rを入力して、移動平均フィルタなどを用いて、歪成分ＶfR-S、ＶfS-T、ＶfT-Rの絶対値を取った波形を各歪成分の１周期（周波数の逆数）だけ積分して歪成分の電圧振幅を検出する。さらに、歪率算出部２６は基準電圧検出部１２の出力（電源電圧）と歪電圧検出部２５の出力（歪成分電圧）を入力して、それらを除算することにより歪率（歪成分の電圧振幅／電源電圧の振幅）を算出する。

このように、歪成分抽出部１１、歪成分周波数検出部２４、歪電圧検出部２５、歪率算出部２６を設けることで、特別な測定器を使用することなく、三相交流電源３の線間電圧波形の歪成分の歪周波数、歪振幅、歪率を求めることができる。そして、三相交流電源３の線間電圧波形の歪成分の歪周波数、歪振幅、歪率を表示したり、これらの値が予め定めておいた範囲を逸脱した場合にアラーム等により警告を行うことで、電源状態を監視することができる。

また、このような表示、警告等により電源状態を監視することで、回生動作を行う前に電源状態を把握することができるので、電源に歪成分が混在し、それが回生動作に与える影響が大きい場合には、ベース駆動信号を出力しないなどして、回生動作を行わないようにすることができる。よって、回生動作により過電流が電源及び回生コンバータに流れることによる、これらの破壊を防ぐことができる。

実施の形態３．
以下では、三相交流電源に歪成分が混在する場合に、その歪成分の状態に応じて回生トランジスタのオン／オフ制御を行う機能を、実施の形態１に付加した実施の形態について説明する。
図１０は、本実施の形態の電源回生コンバータの構成を示すブロック図である。図１１は、本実施の形態におけるベース駆動信号出力部９Ａの内部構成を示すブロック図である。図１２は、電源回生コンバータ１Ｂが回生動作中のタイムチャートであって、歪成分が混在した三相交流電源３の線間電圧波形および基本波形に対応する回生トランジスタおよび回生電流の時間的変化を示したものである。
図１０に示す本実施の形態の電源回生コンバータ１Ｂは、実施の形態１の電源回生コンバータの基本波形生成部１０の後に三相交流電源３の三相間の電源電圧波形に混在する歪成分を抽出する歪成分抽出部１１を設け、実施の形態１のベース駆動信号出力部９の代わりにベース駆動信号出力部９Ａを設けている。ここで、歪成分抽出部１１の出力はベース駆動信号出力部９Ａに入力される。

図１１を用いてベース駆動信号出力部９Ａ内の動作について説明する。
ベース駆動信号出力部９Ａは、歪成分抽出部１１の出力信号、ベース駆動信号作成部７の出力信号、基準電圧検出部１２の出力信号、ＰＮ母線電圧検出部８の出力信号をそれぞれ入力し、６つの回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号を出力する。ベース駆動信号出力部９Ａでは、三相交流電源３の電圧値と直流母線電圧値の差分値が、あるしきい値以上になったら、ベース駆動信号を出力し回生動作を開始するように構成する。

基準電圧検出部１２から出力される、歪成分が混在しない場合の三相交流電源３の線間電圧値と、ＰＮ母線電圧検出部８から出力される直流母線電圧値をベース駆動信号出力部９Ａ内の減算器４１に入力させ、歪成分が混在しない場合の三相交流電源３の線間電圧値と直流母線電圧値との電圧差を算出する。一方、三相交流電源３の線間電圧値が直流母線電圧より大きいときに回生動作を起こすことを防ぐため、歪成分が混在しない場合の回生開始電圧Ｖｏｎと歪成分抽出部１１を用いて、歪成分による電源電圧の低下上昇に対応した回生動作を開始するための電圧しきい値を生成する。まず、歪成分抽出部１１の出力信号を歪成分補正部４０に入力して補正を行い出力する。歪成分補正部４０での補正は、歪成分の周期は維持し、周期以外（例えば振幅）の補正を行う。よって、歪成分補正部４０は、歪成分抽出部１１の出力信号に対して、例えば定数を掛けるものでも良い。そして、歪成分補正部４０の出力信号と、回生開始電圧Ｖｏｎとを加算器４２に入力する。回生開始電圧Ｖｏｎは回生動作を開始するためのしきい値として予め定めた定数なので、加算器４２の出力信号は、歪成分により生じる電源の電圧低下、電圧上昇の周期に同期する。従って、加算器４２の出力信号を、歪成分による電源電圧の低下上昇に対応した、回生動作を開始するための電圧しきい値とすることができる。

加算器４２の出力と減算器４１の出力を比較器４３に入力し、減算器４１の出力信号と加算器４２の出力信号を比較する。また、スイッチ４４のコレクタ部にベース駆動信号作成部７の出力信号を入力し、比較器４３の出力信号はスイッチ４４のゲート部に接続する。スイッチ４４のエミッタ部はそれぞれの回生トランジスタ８１〜８６のゲート部に接続する。ここで、減算器４１の出力信号が加算器４２の出力信号よりも大きい場合にスイッチ４４をオンさせる。スイッチ４４がオンすると、ベース駆動信号作成部７で作成されたベース駆動信号がベース駆動信号出力部９Ａから出力される。出力されたベース駆動信号はそれぞれの回生トランジスタに入力され、回生トランジスタのオン／オフ制御を行う。

以上のことから、三相交流電源３の歪成分を抽出して、その歪成分に対応して回生開始の電圧しきい値を変化させることで、回生トランジスタのオン／オフ制御を正確なタイミングで行うことができる。従って、従来では、その歪成分が回生動作に与える影響が大きい場合でも、安定した回生動作が実施できる。これにより、電源や回生コンバータに回生動作による過電圧、過電流がかかることがなくなるため、回生動作による電源や回生コンバータの破損を防ぐことができ、結果としてシステム停止を防ぐことができる。

この発明に係る電源回生コンバータは、電源電圧歪が混在する三相交流電源において安定した回生動作を得る場合に適している。

Claims (10)

1. 三相誘導電動機で発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記三相交流電源の線間電圧を検出する線間電圧検出部と、前記線間電圧検出部の出力信号である線間電圧波形の歪成分を除去し、前記線間電圧波形から歪成分を除去した波形の振幅及び位相の少なくとも一方を、前記線間電圧波形に基づき補正して基本波形を生成する基本波形生成部と、前記基本波形生成部の出力信号に基づいて回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号を作成するベース駆動信号作成部と、前記ベース駆動信号を出力するベース駆動信号出力部と、を備えたことを特徴とする電源回生コンバータ。
2. 前記基本波形生成部の出力信号から前記三相交流電源の電源電圧を検出する基準電圧検出部と、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出するＰＮ母線電圧検出部と、を備え、
   前記ベース駆動信号出力部は、前記ベース駆動信号作成部の出力信号と前記基準電圧検出部からの出力信号と前記ＰＮ母線電圧検出部からの出力信号とを入力し、前記基準電圧検出部からの出力信号と前記ＰＮ母線電圧検出部からの出力信号との差分値に基づき、前記ベース駆動信号出力のオン／オフを行うことを特徴とする請求項１に記載の電源回生コンバータ。
3. 前記基本波形生成部は、前記線間電圧検出部の出力信号から歪成分を除去する高周波成分除去フィルタ部と、前記高周波成分除去フィルタ部の出力信号の周波数を算出する周波数算出部と、前記高周波成分除去フィルタ部の出力信号の振幅及び位相のうち少なくとも一方を補正する補正部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電源回生コンバータ。
4. 三相誘導電動機で発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記三相交流電源の線間電圧を検出する線間電圧検出部と、前記線間電圧検出部の出力信号から、電源電圧歪成分が混在していない前記三相交流電源の線間電圧波形と定義する基本波形を生成する基本波形生成部と、前記基本波形生成部の出力信号に基づいて回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号を作成するベース駆動信号作成部と、前記ベース駆動信号を出力するベース駆動信号出力部と、前記線間電圧検出部の出力信号と前記基本波形生成部の出力信号に基づき、前記三相交流電源に混在する電源電圧歪成分を抽出する歪成分抽出部と、を備え、
   前記歪成分抽出部の出力信号から電源電圧歪成分の電圧振幅を算出する歪電圧算出部と、前記歪成分抽出部の出力信号から電源電圧歪成分の周波数成分を算出する歪成分周波数算出部と、前記歪電圧算出部の出力信号と前記基準電圧検出部の出力信号とから電源電圧歪の歪率を算出する歪率算出部のうち、少なくとも１つをさらに備えたことを特徴とする電源回生コンバータ。
5. 前記基本波形生成部は、前記線間電圧検出部の出力信号から歪成分を除去する高周波成分除去フィルタ部と、前記高周波成分除去フィルタ部の出力信号の周波数を算出する周波数算出部と、前記高周波成分除去フィルタ部の出力信号の振幅及び位相のうち少なくとも一方を補正する補正部と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電源回生コンバータ。
6. 前記歪成分抽出部は前記線間電圧検出部の出力信号と前記基本波形生成部の出力信号の差分をとる減算部を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の電源回生コンバータ。
7. 三相誘導電動機で発生する誘導起電力を蓄積する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして三相交流電源に電力回生動作を行う回生トランジスタと、前記三相交流電源の線間電圧を検出する線間電圧検出部と、前記線間電圧検出部の出力信号から、電源電圧歪成分が混在していない前記三相交流電源の線間電圧波形と定義する基本波形を生成する基本波形生成部と、前記基本波形生成部の出力信号に基づいて回生トランジスタのオン／オフ制御に用いるベース駆動信号を作成するベース駆動信号作成部と、前記ベース駆動信号を出力するベース駆動信号出力部と、前記線間電圧検出部の出力信号と前記基本波形生成部の出力信号に基づき、前記三相交流電源に混在する電源電圧歪成分を抽出する歪成分抽出部と、前記基本波形生成部の出力信号から前記三相交流電源の電源電圧を検出する基準電圧検出部と、前記平滑コンデンサの端子電圧を検出するＰＮ母線電圧検出部と、を備え、
   前記ベース駆動信号出力部は、前記歪成分抽出部の出力信号について補正を行う歪成分補正部と、電源電圧歪が混在しない場合の回生動作を開始するためのしきい値となる回生開始電圧と前記歪成分補正部の出力信号とを加算する加算器と、前記ＰＮ母線電圧検出部の出力信号と前記基準電圧検出部の出力信号とを入力し減算を行う減算器と、前記加算器の出力信号と前記減算器の出力信号を入力し比較を行う比較器と、前記比較器の出力信号に基づき、前記ベース駆動信号作成部の出力信号を回生トランジスタへ出力するスイッチ部を備えたことを特徴とする電源回生コンバータ。
8. 前記歪成分補正部は、前記歪成分抽出部の出力信号について、その周期は維持し周期以外の補正を行うことを特徴とする請求項７に記載の電源回生コンバータ。
9. 前記基本波形生成部は、前記線間電圧検出部の出力信号から歪成分を除去する高周波成分除去フィルタ部と、前記高周波成分除去フィルタ部の出力信号の周波数を算出する周波数算出部と、前記高周波成分除去フィルタ部の出力信号の振幅及び位相のうち少なくとも一方を補正する補正部と、を備えたことを特徴とする請求項７または８に記載の電源回生コンバータ。
10. 前記歪成分抽出部は前記線間電圧検出部の出力信号と前記基本波形生成部の出力信号の差分をとる減算部を備えたことを特徴とする請求項７または８に記載の電源回生コンバータ。

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