JP5398914B2

JP5398914B2 - チョッパ装置

Info

Publication number: JP5398914B2
Application number: JP2012526240A
Authority: JP
Inventors: 昌文市原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: US9391521B2; CN103026606A; US20130128633A1; JPWO2012014292A1; CN103026606B; WO2012014292A1; DE112010005771T5

Description

本発明は、蓄電コンデンサとの間で充放電が可能なチョッパ装置に関する。

負荷側で発生した回生エネルギーを蓄積して再利用できるようにしたり、電力系統から受電する電力を平準化できるようにするために、インバータにチョッパを接続する方法がある（特許文献１）。

特開２００９−２７７６３号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、インバータの直流母線の正極側と負極側との間にチョッパが接続されるため、チョッパ側では直流母線電圧しか検出することができなかった。そのため、直流母線電圧が低くなった場合、チョッパ側では、それが力行による電圧低下なのか、系統電圧が低下したことによる電圧低下なのか区別することが困難だった。

この結果、チョッパにて受電電力を平準化させるには、系統電圧の低下時に、放出指令と、どの程度放出すべきかを指示する放出量指令を外部からチョッパに与え、チョッパをエネルギー放出方向で動作させる必要があった。

放出指令と放出量指令を外部からチョッパに与えるには、インバータがどの程度の負荷で力行しているかを検出した上で、必要な放出量指令を決定する必要があり、そのための検出器やコントローラをチョッパとは別に用意しなければならなかった。また、それらの検出器やコントローラの増設が難しい既設設備では、チョッパにて受電電力を平準化させるのが困難だった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータがどの程度の負荷で力行しているかをチョッパ外で検出させることなく、インバータの力行状態をチョッパ側で判断することが可能なチョッパ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のチョッパ装置は、直流母線から供給される直流電圧の通電経路を断続することで充放電を行うチョッパ装置において、前記直流母線の分断箇所の一端に接続可能な第１の正側直流端子と、前記分断箇所の他端に接続可能な第２の正側直流端子が設けられ、前記直流母線の電流が前記第１の正側直流端子を介して前記チョッパ装置内に引き込まれ、前記第２の正側直流端子を介して前記直流母線に戻されることを特徴とする。

この発明によれば、インバータがどの程度の負荷で力行しているかをチョッパ外で検出させることなく、インバータの力行状態をチョッパ側で判断することが可能という効果を奏する。

図１は、本発明に係るチョッパ装置およびインバータの実施の形態の概略構成を示す回路図である。図２は、図１のチョッパ装置のチョッパ制御方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係るチョッパ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明に係るチョッパ装置およびインバータの実施の形態の概略構成を示す回路図である。図１において、インバータ２には、整流回路７、平滑コンデンサＣ１、アーム回路８および突入電流防止回路６が設けられている。

そして、整流回路７には交流電源１が接続され、アーム回路８には負荷３が接続されている。また、整流回路７の後段には、平滑コンデンサＣ１を介してアーム回路８が接続されている。なお、負荷３は、交流モータであってもよいし、交流で動作する電子機器であってもよい。

ここで、整流回路７には整流ダイオードＤ１１〜Ｄ１６が設けられ、整流ダイオードＤ１１、Ｄ１２は互いに直列接続され、整流ダイオードＤ１３、Ｄ１４は互いに直列接続され、整流ダイオードＤ１５、Ｄ１６は互いに直列接続されている。

そして、整流ダイオードＤ１１、Ｄ１２の直列回路と、整流ダイオードＤ１３、Ｄ１４の直列回路と、整流ダイオードＤ１５、Ｄ１６の直列回路とは、直流母線の正側と負側の間に接続されている。

また、整流ダイオードＤ１１、Ｄ１２の接続点と、整流ダイオードＤ１３、Ｄ１４の接続点と、整流ダイオードＤ１５、Ｄ１６の接続点とは、３相電圧入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔにそれぞれ接続されている。

また、アーム回路８にはスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６および還流ダイオードＤ１〜Ｄ６が設けられている。還流ダイオードＤ１〜Ｄ６は、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６にそれぞれ並列に接続されている。また、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２は互いに直列接続され、スイッチング素子Ｍ３、Ｍ４は互いに直列接続され、スイッチング素子Ｍ５、Ｍ６は互いに直列接続されている。

そして、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２の直列回路と、スイッチング素子Ｍ３、Ｍ４の直列回路と、スイッチング素子Ｍ５、Ｍ６の直列回路とは、直流母線の正側と負側の間に接続されている。

また、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２の接続点と、スイッチング素子Ｍ３、Ｍ４の接続点と、スイッチング素子Ｍ５、Ｍ６の接続点とは、３相電圧出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗにそれぞれ接続されている。

また、整流回路７とアーム回路８との間には突入電流防止回路６が挿入されている。ここで、突入電流防止回路６には、スイッチＳＷと抵抗Ｒが設けられ、スイッチＳＷと抵抗Ｒは互いに並列に接続されている。

また、整流回路７と突入電流防止回路６との間において、インバータ２の正側の直流母線は分断されている。そして、インバータ２の正側の直流母線の分断箇所の一端には正側直流端子Ｐ１が設けられ、インバータ２の正側の直流母線の分断箇所の他端には正側直流端子Ｐが設けられている。インバータ２の負側の直流母線には負側直流端子Ｎが設けられている。なお、正側直流端子Ｐ１、Ｐには、直流母線上のリップルを減らすリアクトルをインバータ２に外付けすることができる。分断箇所は、突入電流防止回路６とアーム回路８との間としてもよい。

また、チョッパ４には、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２、還流ダイオードＤ２１、Ｄ２２およびインダクタＬが設けられている。還流ダイオードＤ２１、Ｄ２２は、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２にそれぞれ並列に接続されている。また、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２は互いに直列接続されている。そして、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２の直列回路は、チョッパ４の直流母線の正側と負側の間に接続されている。

なお、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６、Ｍ２１、Ｍ２２としては、電界効果トランジスタを用いるようにしてもよいし、バイポーラトランジスタを用いるようにしてもよいし、ＩＧＢＴを用いるようにしてもよい。また、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２の材料は、炭化珪素系材料、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いるようにしてもよい。

ここで、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２の材料にワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２の損失を大きく低減することが可能となるとともに、高温での動作にも耐えられるようにすることができる。このため、冷却用基体を介在させたり、ファンやフィンなどの冷却機構を外部に設けたりすることなく、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２を実装することが可能となる。

そして、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２の直列回路には平滑コンデンサＣ２が並列に接続されている。また、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２の接続点と充放電端子ＣＰとの間にはインダクタＬが接続されている。

また、チョッパ４には、正側直流端子Ｐ１´、Ｐ´および負側直流端子Ｎ´、Ｎ´´が設けられている。ここで、正側直流端子Ｐ１´、Ｐ´は、正側直流端子Ｐ１、Ｐに接続することができる。そして、正側直流端子Ｐ１´、Ｐ´はチョッパ４の正側の直流母線に接続され、インバータ２の直流母線の電流が正側直流端子Ｐ１´を介してチョッパ４内に引き込まれ、正側直流端子Ｐ´を介してインバータ２の直流母線に戻されるように構成されている。

また、負側直流端子Ｎ´、Ｎ´´は、チョッパ４の負側の直流母線に接続されている。そして、負側直流端子Ｎ´は負側直流端子Ｎに接続され、負側直流端子Ｎ´と充放電端子ＣＰとの間には蓄電コンデンサＣ３が接続されている。なお、蓄電コンデンサＣ３の代わりに２次電池などの蓄電器を用いるようにしてもよい。

また、チョッパ４には、インバータ２の直流母線の電流Ｉｄｃを検出する電流センサＫ１、インダクタＬの電流Ｉｃａｐを検出する電流センサＫ２および直流母線の電流Ｉｄｃの検出値と、直流母線の電圧Ｖｄｃの検出値と、インダクタＬの電流Ｉｃａｐの検出値とに基づいて、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを制御するスイッチング制御部５が設けられている。

インバータ２において、交流電源１から供給された交流が整流回路７にて整流され、平滑コンデンサＣ１にて平滑化されることで直流に変換される。そして、平滑コンデンサＣ１を介して出力された直流はスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６のスイッチング動作に従って断続されることで交流に変換され、負荷Ｍに出力される。

ここで、インバータ２の起動時にはスイッチＳＷがオフされ、抵抗Ｒを介して整流回路７から電流を流出させることにより、突入電流が防止される。そして、平滑コンデンサＣ１が所定値以上だけ充電され、突入電流が起こらない状態になると、スイッチＳＷがオンされる。

また、チョッパ４は、インバータ２側で不足するエネルギーを蓄電コンデンサＣ３からインバータ２に放電させたり、インバータ２側で余ったエネルギーを蓄電コンデンサＣ３に充電させたりする。

図２は、図１のチョッパ装置のチョッパ制御方法を示すフローチャートである。図２において、直流母線の電圧はスイッチング制御部５に入力され、直流母線の電圧Ｖｄｃを検出する（ステップＳ１）。

そして、スイッチング制御部５は、直流母線の電圧Ｖｄｃの検出値が基準値Ｖｒｅｆを超えたかどうかを判断し（ステップＳ２）、直流母線の電圧Ｖｄｃの検出値が基準値Ｖｒｅｆを超えた場合には、蓄電コンデンサＣ３に充電が行われるようにスイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを制御する。

すなわち、スイッチング制御部５は、充電ゲインをＫとすると、以下の式にてチョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈの指令値Ｉｃｈ^＊を計算し、基準値Ｖｒｅｆに対する電圧Ｖｄｃの超過分に比例する電流をチョッパ４を介して吸収する（ステップＳ３）。
Ｉｃｈ^＊＝（Ｖｒｅｆ−Ｖｄｃ）×Ｋ

これにより、回生エネルギーが増大した場合には、それに応じてチョッパ４を介して吸収されるエネルギーを増大させることができ、回生エネルギーを再利用することを可能として、省エネルギー化を図ることができる。

次に、チョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈの指令値Ｉｃｈ^＊をインダクタＬの電流Ｉｃａｐの指令値Ｉｃａｐ^＊に変換する（ステップＳ４）。そして、インダクタＬの電流Ｉｃａｐの検出値がインダクタＬの電流Ｉｃａｐの指令値Ｉｃａｐ^＊に近づくようにチョッパ電流制御を行うことで（ステップＳ５）、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを設定する（ステップＳ６）。

なお、チョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈの指令値Ｉｃｈ^＊をインダクタＬの電流Ｉｃａｐの指令値Ｉｃａｐ^＊に変換することにより、チョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈを検出する必要がなくなる。このため、チョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈの変動の影響を受けることなく、スイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを設定することができ、チョッパ電流制御を安定させることができる。

一方、直流母線の電圧Ｖｄｃの検出値が基準値Ｖｒｅｆ以下の場合、スイッチング制御部５は、直流母線の電流Ｉｄｃを検出する（ステップＳ７）。そして、ローパスフィルタを介して直流母線の電流Ｉｄｃの検出値からリプッル成分を除去した後（ステップＳ８）、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が０を超えたかどうかを判断し（ステップＳ９）、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が０以下の場合には、インダクタＬの電流Ｉｃａｐの検出値が０になるようにスイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを制御する。

すなわち、スイッチング制御部５は、直流母線の電流Ｉｃｈの指令値Ｉｃｈ^＊を０に設定し（ステップＳ１４）、ステップＳ４に進む。

一方、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が０を超えた場合、負荷平準化モードとして定率アシストモードまたは上限制限モードを選択する（ステップＳ１０）。なお、負荷平準化モードは、インバータ２の力行時に必要となるエネルギーの一部または全てをチョッパ４を介して供給し、インバータ２の入力電力の平準化を図るモードである。

ここで、定率アシストモードが選択された場合、蓄電コンデンサＣ３から直流母線の電流Ｉｄｃの一部が供給されるようにスイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを制御する。

すなわち、スイッチング制御部５は、アシスト係数をαとすると、以下の式にてチョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈの指令値Ｉｃｈ^＊を計算し、直流母線の電流Ｉｄｃに比例する電流をチョッパ４を介して放電する（ステップＳ１１）。
Ｉｃｈ^＊＝Ｉｄｃ×α

一方、上限制限モードが選択された場合、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が上限値Ｉｍａｘを超えたかどうかを判断し（ステップＳ１２）、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が上限値Ｉｍａｘ以下の場合には、ステップＳ１４に進み、インダクタＬの電流Ｉｃａｐの検出値が０になるようにスイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを制御する。

一方、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が上限値Ｉｍａｘを超えた場合、直流母線の電流Ｉｄｃの検出値が上限値Ｉｍａｘを超えないように蓄電コンデンサＣ３から直流母線の電流Ｉｄｃの不足分が供給されるようにスイッチング素子Ｍ２１、Ｍ２２のデューティを制御する。

すなわち、スイッチング制御部５は、以下の式にてチョッパ４の直流母線の電流Ｉｃｈの指令値Ｉｃｈ^＊を計算し、上限値Ｉｍａｘに対する電流Ｉｄｃの超過分に対応する電流をチョッパ４を介して放電する（ステップＳ１３）。
Ｉｃｈ^＊＝Ｉｄｃ−Ｉｍａｘ

なお、蓄電コンデンサＣ３に充電を行う場合、スイッチング素子Ｍ２１をスイッチング動作させる。そして、スイッチング素子Ｍ２１のオン期間には、直流母線からスイッチング素子Ｍ２１を介してインダクタＬに電流Ｉｃａｐを正方向に流すことで、蓄電コンデンサＣ３に充電することができる。また、スイッチング素子Ｍ２１のオフ期間には、インダクタＬから蓄電コンデンサＣ３および還流ダイオードＤ２１を順次介して電流Ｉｃａｐを正方向に流しインダクタＬに戻すことで、電流Ｉｃａｐを循環させることができる。

また、蓄電コンデンサＣ３から放電を行う場合、スイッチング素子Ｍ２２をスイッチング動作させる。そして、スイッチング素子Ｍ２２のオン期間には、蓄電コンデンサＣ３からインダクタＬおよびスイッチング素子Ｍ２２を順次介して電流Ｉｃａｐを負方向に流すことで、インダクタＬに電磁エネルギーを蓄積することができる。また、スイッチング素子Ｍ２２のオフ期間には、蓄電コンデンサＣ３からインダクタＬおよび還流ダイオードＤ２１を順次介して直流母線に電流Ｉｃａｐを負方向に流すことで、蓄電コンデンサＣ３から放電させることができる。

ここで、直流母線の電流Ｉｄｃをインバータ２からチョッパ４に引き込むことにより、インバータ２がどの程度の負荷３で力行しているかをチョッパ４外で検出させることなく、インバータ２の力行状態をチョッパ４側で判断することが可能となる。このため、放出指令と放出量指令を外部からチョッパ４に与えることなく、負荷平準化モードでチョッパ４を動作させることができ、放出指令と放出量指令を与える検出器やコントローラをチョッパとは別に用意する必要がなくなることから、システム構成を簡略化することが可能となるとともに、それらの検出器やコントローラの増設が難しい既設設備においても適用することができる。

また、直流母線の電流Ｉｄｃをインバータ２からチョッパ４に引き込むために、正側直流端子Ｐ１、Ｐに接続可能な正側直流端子Ｐ１´、Ｐ´をチョッパ４に設けることにより、インバータ２の構成を変更する必要がなくなり、既存のインバータ２に容易に適用することができる。

以上のように本発明に係るチョッパ装置は、インバータがどの程度の負荷で力行しているかをチョッパ外で検出させることなく、インバータの力行状態をチョッパ側で判断することができ、チョッパにてインバータをアシストさせる方法に適している。

１交流電源
２インバータ
３負荷
４チョッパ
５スイッチング制御部
６突入電流防止回路
７整流回路
８アーム回路
Ｄ１〜Ｄ６、Ｄ２１、Ｄ２２還流ダイオード
Ｄ１１〜Ｄ１６整流ダイオード
Ｍ１〜Ｍ６、Ｍ２１、Ｍ２２スイッチング素子
Ｐ、Ｐ１、Ｐ´、Ｐ１´ 正側直流端子
Ｎ、Ｎ´、Ｎ´´ 負側直流端子
ＣＰ充放電端子
ＳＷスイッチ
Ｒ抵抗
Ｃ１、Ｃ２平滑コンデンサ
Ｌインダクタ
Ｃ３蓄電コンデンサ
Ｋ１、Ｋ２電流センサ

Claims

直流母線から供給される直流電圧の通電経路を断続することで充放電を行うチョッパ装置において、
前記直流母線の分断箇所の一端に接続可能な第１の正側直流端子と、前記分断箇所の他端に接続可能な第２の正側直流端子が設けられ、前記直流母線の電流が前記第１の正側直流端子を介して前記チョッパ装置内に引き込まれ、前記第２の正側直流端子を介して前記直流母線に戻されることを特徴とするチョッパ装置。
前記直流母線の分断箇所は前記チョッパ装置が接続されるインバータに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のチョッパ装置。
前記直流母線の分断箇所は、前記直流母線上のリップルを減らすリアクトルが接続可能であることを特徴とする請求項２に記載のチョッパ装置。
前記第１の正側端子を介して前記直流母線の電流を前記チョッパ装置内に引き込む引き込み線には、前記直流母線の電流を検出する電流センサが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のチョッパ装置。
前記直流母線の前記第１の正側直流端子と負側直流端子との間に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、
第１および第２のスイッチング素子の接続点と充放電端子との間に接続されたインダクタと、
前記直流母線の電流検出値と、前記直流母線の電圧検出値と、前記インダクタの電流検出値とに基づいて、前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御するスイッチング制御部とを備えることを特徴とする請求項４に記載のチョッパ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流母線の電圧検出値が基準値を超えた場合、前記充放電端子に接続された蓄電器に充電が行われるように前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御することを特徴とする請求項５に記載のチョッパ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流母線の電圧検出値が基準値以下かつ前記直流母線の電流検出値が０以下の場合、前記インダクタの電流検出値が０になるように前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御することを特徴とする請求項５または６に記載のチョッパ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流母線の電圧検出値が基準値以下かつ前記直流母線の電流検出値が０を超えている場合、前記充放電端子に接続された蓄電器から前記直流母線の電流の一部が供給されるように前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のチョッパ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流母線の電圧検出値が基準値以下かつ前記直流母線の電流検出値が０を超えている場合、前記直流母線の電流検出値が上限値を超えないように前記充放電端子に接続された蓄電器から前記直流母線の電流の不足分が供給されるように前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御することを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のチョッパ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流母線の電圧検出値が基準値以下かつ前記直流母線の電流検出値が前記上限値を超えている場合、前記インダクタの電流検出値が０になるように前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御することを特徴とする請求項９に記載のチョッパ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流母線側の電流指令値を前記インダクタ側の電流指令値に変換し、前記インダクタの電流検出値が前記インダクタ側の電流指令値に近づくように前記第１および第２のスイッチング素子のデューティを制御することを特徴とする請求項９に記載のチョッパ装置。
前記第１および第２のスイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体で構成されていることを特徴とする請求項５から１１のいずれか１項に記載のチョッパ装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体は炭化珪素系材料、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１２に記載のチョッパ装置。