JP5360408B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路及び昇圧チョッパ回路の両機能を備えた電力変換装置に関するものである。

図３は、電動機を駆動するためのインバータ回路と、その直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路とを備えた電力変換装置の従来技術を示しており、例えばクレーン設備等に使用されるものである。なお、この従来技術は、後述の特許文献１に記載されたハイブリッド電源装置とほぼ同一である。

図３において、１は発電機からなる三相交流電源、２は電源１の交流電圧を直流電圧に変換する整流器、１Ａは電源１及び整流器２からなる直流電圧源、３は整流器２の正側端子に接続されたリアクトル、４はリアクトル３を流れる直流電流を検出する電流検出器、５はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子からなる昇圧チョッパ、６は上記半導体スイッチング素子をオンオフ制御するための昇圧チョッパ制御回路、７は昇圧チョッパ５の出力電圧（直流中間電圧）を検出する電圧検出器、８は平滑コンデンサであり、これらによって昇圧チョッパ回路９が構成されている。
また、平滑コンデンサ８の両端には、半導体スイッチング素子からなる昇降圧コンバータ１０が接続されており、このコンバータ１０には、バッテリーやキャパシタ等の蓄電装置１１が接続されている。

更に、平滑コンデンサ８の両端には、インバータ回路１２が接続されている。このインバータ回路１２は、平滑コンデンサ８と並列に接続される平滑コンデンサ１３と、直流中間電圧を検出する電圧検出器１４と、直流中間電圧を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換するためのＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子からなるインバータブリッジ１５と、その出力電流である交流電流を検出する電流検出器１６とを備えている。なお、２０はインバータ回路１２によって駆動される負荷としての交流電動機である。

この従来技術の動作を略述すると、整流器２から出力された直流電圧はリアクトル３を介して昇圧チョッパ５に供給される。昇圧チョッパ制御回路６は、電流検出器４による直流電流検出値と電圧検出器７による直流電圧検出値とに基づいて昇圧チョッパ５の半導体スイッチング素子に対する駆動信号（ゲート信号）を生成し、昇圧チョッパ５を動作させる。これにより、整流器２の出力電圧は所定の大きさまで昇圧されて直流中間回路に供給昇圧される。
一方、昇降圧コンバータ１０も、蓄電装置１１の電圧を昇圧して上記直流中間回路に供給することが可能であり、例えば、インバータ回路１２が要求する電力が昇圧チョッパ５の出力だけでは不足する場合には、その不足分を昇降圧コンバータ１０の出力によって補うことが可能になっている。

前記平滑コンデンサ８の両端に接続されたインバータ回路１２では、直流中間電圧を平滑コンデンサ１３により平滑してなる直流電圧を、インバータブリッジ１５により所定の交流電圧に変換して電動機２０に供給する。なお、電圧検出器１４による直流電圧検出値と電流検出器１６による交流電流検出値とは、図示されていないインバータ制御回路に入力されており、インバータブリッジ１５を構成する半導体スイッチング素子の駆動信号を生成するために用いられている。
また、例えばクレーンの巻き下げ時に電動機２０からインバータブリッジ１５側へ回生電力が流入し、直流中間回路の電圧が上昇した場合には、昇降圧コンバータ１０の動作により蓄電装置１１を充電することが可能であり、これによって直流中間回路の電圧を一定に保っている。

特開２００９−１１０２１号公報（段落［００１１］〜［００４３］、図１等）

図３に示した従来技術では、インバータ回路１２及び昇圧チョッパ回路９、更には昇降圧コンバータ１０等がそれぞれ別個に構成されている。
しかし、クレーン設備等の用途においては、複数台のインバータ回路や昇圧チョッパ回路を用いることが多いため、装置全体の小型化、故障発生時の応急的処置を含む保守作業の容易化等が望まれている。また、故障発生時等の装置交換に備えてインバータ回路と昇圧チョッパ回路とをそれぞれ個別に準備しておく必要があるため、予備のインバータ回路と昇圧チョッパ回路のストック数を減少させることも望まれている。インバータ回路や昇圧チョッパ回路がそれぞれ別個独立に構成された上記従来技術では、このような要請に応えることができなかった。

そこで、本発明の解決課題は、インバータ回路及び昇圧チョッパ回路の構成部品を一部共用しながら両回路を切り替えて動作させることにより、装置全体の小型化、保守作業の容易化等を可能にした電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電圧源に接続された平滑コンデンサを有する直流中間回路の直流電圧を、還流ダイオードが逆並列接続された半導体スイッチング素子の動作により交流電圧に変換し、切替スイッチを介して負荷に供給するインバータ回路であって、前記半導体スイッチング素子がブリッジ接続されたインバータブリッジを有するインバータ回路と、
前記インバータブリッジの交流出力端子に前記切替スイッチを介して一端が接続され、かつ、他端が別の切替スイッチを介して前記直流電圧源の正側端子に接続されるリアクトルを有し、前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子の動作により前記直流電圧源の電圧を昇圧して前記平滑コンデンサを充電する昇圧チョッパ回路と、
前記インバータ回路を動作させるためのインバータ制御回路と、
前記昇圧チョッパ回路を動作させるための昇圧チョッパ制御回路と、を備え、
制御切替信号により、前記インバータ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記インバータ回路により前記負荷を駆動する機能と、前記昇圧チョッパ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記昇圧チョッパ回路により前記平滑コンデンサを充電する機能と、を切り替えるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記直流電圧源が、交流電源と、その電源電圧を整流する整流器と、からなるものである。

本発明によれば、従来技術のようにインバータ回路と昇圧チョッパ回路とを別個独立に備えるのではなく、インバータ回路内のインバータブリッジが昇圧チョッパとしての機能も果たすため、従来技術に比べて半導体スイッチング素子や還流ダイオードの数を減少させ、装置全体の小型化や保守点検作業の容易化、保用品の減少等が可能である。特に、本発明は、複数台のインバータ回路及び昇圧チョッパ回路を必要とするクレーン設備等の用途に最適である。
また、直流電圧検出値及び電流検出値を、インバータ制御回路及び昇圧チョッパ制御回路の両方に利用できるので、電圧検出器及び電流検出器も少なくて済む等の利点がある。

本発明の実施形態を示す回路図である。 本発明の実施形態における昇圧チョッパ回路の動作を示す等価回路図である。 従来技術を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態の構成を示す回路図であり、図３と同一の機能を有するものには同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１において、整流器２の正側端子と平滑コンデンサ１３の一端との間には、制御切替信号によって動作する切替スイッチ２１が接続されている。なお、制御切替信号の機能については後述する。
インバータブリッジ１５の交流出力側の三相各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）は、同じく制御切替信号により動作する切替スイッチ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを介して交流電動機２０に接続されている。また、直流中間回路には従来技術と同様に電圧検出器１４が設けられていると共に、インバータブリッジ１５と切替スイッチ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗとの間には電流検出器１６が設けられている。
ここで、インバータブリッジ１５は、還流ダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチング素子の上下アームを、三相分、ブリッジ接続して構成されている。

切替スイッチ２１の切替端子には、相ごとにリアクトル３の一端が接続されており、これらのリアクトル３の他端は、切替スイッチ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの切替端子に接続されている。切替スイッチ２１，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗはすべて同時に動作するもので、図示の状態では切替スイッチ２１がインバータブリッジ１５側に接続され、インバータブリッジ１５の交流出力端子は切替スイッチ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを介して電動機２０に接続されている。
そして、制御切替信号が加えられると、切替スイッチ２１がリアクトル３の一端側に切り替わり、切替スイッチ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗがリアクトル３の他端側に切り替わることにより、整流器２からリアクトル３、インバータブリッジ１５に至る回路が形成されるようになっている。

更に、電圧検出器１４による直流電圧検出値と電流検出器１６による電流検出値とは、インバータ制御回路３１及び昇圧チョッパ制御回路３２に入力されている。これらの制御回路３１，３２は、直流電圧検出値及び電流検出値を用いて、インバータブリッジ１５の半導体スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号（ゲート信号）を生成し、切替スイッチ３３の切替端子にそれぞれ出力する。
この切替スイッチ３３も制御切替信号によって切り替わるもので、その共通端子から出力される三相上下アーム（計６個）の駆動信号が、インバータブリッジ１５の半導体スイッチング素子に与えられる。

上述した構成において、直流電圧源１Ａ（三相交流電源１及び整流器２）、平滑コンデンサ１３及びインバータブリッジ１５等によりインバータ回路が構成され、また、インバータブリッジ１５、切替スイッチ２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ及びリアクトル３等により昇圧チョッパ回路が構成される。

次に、この実施形態の動作を説明する。
インバータ回路により電動機２０を駆動する場合には、制御切替信号によって切替スイッチ２１，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ，３３が図１に示す状態にあり、インバータ制御回路３１から出力される駆動信号によってインバータブリッジ１５の半導体スイッチング素子をオンオフすることで、電動機２０に所望の交流電圧が印加される。

また、昇圧チョッパ回路を動作させる場合には、制御切替信号によって切替スイッチ２１，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ，３３を切り替えることにより、昇圧チョッパ制御回路３２から出力された駆動信号がインバータブリッジ１５の半導体スイッチング素子に加えられると共に、整流器２の正側端子がリアクトル３の一端に接続され、インバータブリッジ１５の交流出力端子は電動機２０から切り離されてリアクトル３の他端に接続される。

ここで、図２は昇圧チョッパ回路を動作させる時の主要部の等価回路図であり、インバータブリッジ１５については一相分の上下アームを示している。なお、Ｑ_１，Ｑ_２はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、Ｄ_１，Ｄ_２は還流ダイオードである。
制御切替信号により、切替スイッチ２１，２２ｕは図示するような接続状態になるので、整流器２の正側端子は、切替スイッチ２１、リアクトル３及び切替スイッチ２２ｕを介して半導体スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２同士の接続点（交流出力端子）に接続されることになる。

この状態でインバータブリッジ１５の下アームの半導体スイッチング素子Ｑ_２をオンすると、上記の経路で整流器２から直流電流が流れ、リアクトル３にエネルギーが蓄積される。その後、半導体スイッチング素子Ｑ_２をオフすると、リアクトル３に蓄積されたエネルギーが上アームの還流ダイオードＤ_１を介して平滑コンデンサ１３に供給されるため、上記の動作によって平滑コンデンサ１３を整流器２の出力電圧よりも高い電圧に充電することができる。
この間、上アームの半導体スイッチング素子Ｑ_１をオフ状態で維持する動作及び下アームの半導体スイッチング素子Ｑ_２をオンオフさせる動作は、図１における昇圧チョッパ制御回路３２によって制御されるものである。

上記のように、この実施形態において、インバータブリッジ１５は、インバータ回路が電動機２０を駆動する際のスイッチング動作と、整流器２の出力電圧により平滑コンデンサ１３を充電する昇圧チョッパ回路のスイッチング動作とを行うことになり、単一のインバータブリッジ１５が二つの機能を果たすことになる。
このため、インバータブリッジ１５を有効利用することができ、図３の従来技術のようにインバータ回路１２、昇圧チョッパ回路９及び昇降圧コンバータ１０等をそれぞれ別個に備える場合に比べて、半導体スイッチング素子や還流ダイオードの数を減少させ、装置全体の小型化や保守点検作業の容易化が可能である。
また、直流電圧検出値及び電流検出値を、インバータ制御回路３１及び昇圧チョッパ制御回路３２の両方に利用できるので、電圧検出器及び電流検出器も少なくて済む等の利点がある。

上記実施形態では、インバータ回路及び交流電動機２０を三相構成として説明したが、これらは単相構成であっても良い。また、インバータ回路の直流電圧源１Ａとしては、実施形態に示したような交流電源１と整流器２との組み合わせだけでなく、バッテリー等の直流電源装置を用いても良い。

１：三相交流電源
１Ａ：直流電圧源
２：整流器
３：リアクトル
１３：平滑コンデンサ
１４：電圧検出器
１５：インバータブリッジ
１６：電流検出器
２０：交流電動機
２１，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ，３３：切替スイッチ
３１：インバータ制御回路
３２：昇圧チョッパ制御回路
Ｑ_１，Ｑ_２：半導体スイッチング素子
Ｄ_１，Ｄ_２：還流ダイオード

Claims (2)

1. 直流電圧源に接続された平滑コンデンサを有する直流中間回路の直流電圧を、還流ダイオードが逆並列接続された半導体スイッチング素子の動作により交流電圧に変換し、切替スイッチを介して負荷に供給するインバータ回路であって、前記半導体スイッチング素子がブリッジ接続されたインバータブリッジを有するインバータ回路と、
   前記インバータブリッジの交流出力端子に前記切替スイッチを介して一端が接続され、かつ、他端が別の切替スイッチを介して前記直流電圧源の正側端子に接続されるリアクトルを有し、前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子の動作により前記直流電圧源の電圧を昇圧して前記平滑コンデンサを充電する昇圧チョッパ回路と、
   前記インバータ回路を動作させるためのインバータ制御回路と、
   前記昇圧チョッパ回路を動作させるための昇圧チョッパ制御回路と、を備え、
   制御切替信号により、前記インバータ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記インバータ回路により前記負荷を駆動する機能と、前記昇圧チョッパ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記昇圧チョッパ回路により前記平滑コンデンサを充電する機能と、を切り替えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記直流電圧源が、交流電源と、その電源電圧を整流する整流器と、からなることを特徴とする電力変換装置。
   

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