JP5526145B2 - 混合されたｄｃ電源および単相ａｃ電源からの三相回生駆動装置の作動 - Google Patents

Description

本発明は一般に電力制御システムに関する。本発明は特に三相回生駆動装置の作動に関する。

三相回生駆動装置は産業上、頻繁に加速や減速が必要とされる用途や、重力の支配下にある物質を移動させる際の用途に使用される。このような用途の例には、クレーンやエレベータが含まれる。これらの用途では、モータ駆動モードにおける大量のエネルギーが加速力または重力を受ける物質に貯蔵される。この貯蔵されたエネルギーは、減速中または重力方向に一致する移動中に戻される。回生駆動装置は一般に、入力または電力ユーティリティ側にコンバータと、モータ側にインバータとを備える。コンバータおよびインバータ両方が、共通ＤＣバスを共有する。インバータの電力需要は、回生駆動装置の設計において入力側のコンバータの適切な電力能力に適合する。

回生駆動装置は、昇降路内でエレベータかごを昇降させるエレベータ昇降モータを作動させるようにエレベータシステムに導入されている。エレベータを作動させる電力需要は、外部で生成された電力（電力ユーティリティからのものなど）が使用される正から、エレベータの荷重がモータを駆動してモータが発電機として電力を生成する負までの範囲で変動する。発電機として電気を生成するのにモータを使用することは一般に回生と呼ばれる。従来のシステムでは、回生エネルギーがエレベータシステムの別の構成要素に供給されることも、ユーティリティ送電線網に戻されることもない場合、回生エネルギーは、ダイナミックブレーキ抵抗器または他の負荷を介して散逸する。この構成では、最大電力条件（例えば、複数のモータが同時にまたは高需要の期間に始動するとき）であっても、全ての需要は、エレベータシステムに電力を供給するように電力ユーティリティに存在し続ける。従って、電力ユーティリティから電力を供給するエレベータシステムの構成要素は、最大電力需要に適合する大きさにする必要があるが、それは、より費用が掛かることも、またより大きな空間を必要とすることもある。また、散逸する回生エネルギーは使用されず、そのため電力システムの効率が低下する。また、エレベータ駆動システムは一般に、電源からの特定の入力電圧範囲で作動するように設計されている。駆動装置の構成要素は、電源が指定された入力電圧範囲に留まる間は駆動装置が連続的に作動できるような定格の電圧および電流を有する。

回生駆動装置は一般に、平衡三相電力入力で作動する。しかしながら、三相電力入力が利用可能でない時がある。例えば、最初のエレベータシステムの設置の際は、建設現場への三相電源が利用可能でないことがある。エレベータシステムの設置の際にはせいぜい単相電力だけが利用可能となることがある。また、単相電力が長期間に亘って利用可能な唯一のＡＣ電力である状況もあり得る。

三相電力が利用可能でないエレベータ設置の際でも三相回生駆動装置機械を利用することができる必要がある。また、三相電力が利用可能でない時でさえ三相回生駆動装置が有用になるであろう他の状況もある。ＰＣＴ特許出願第ＷＯ２００６／０２２７２５号は、単相電力を用いて三相回生駆動装置を作動させることができる必要性に対処している。

単相ＡＣ源は一般に、平衡三相ＡＣ源から利用可能な電圧レベルの１．７３分の１〜２分の１の電圧レベルを有することになり、電力は、三相の代わりに単相だけから供給される。その結果、単相ＡＣ源は、回生駆動装置の通常作動に必要な電力を供給できない可能性がある。単相ＡＣ源から引き出される電流が負荷需要を満たすために増加される場合、電圧が一般により低く、利用できるのも三相の代わりに単相だけなので、増加される電流が回生駆動装置の入力／コンバータ側の電流能力を超えることがある。従って、三相コンバータは、単相システムから作動される時は、負荷（例えば、エレベータ昇降モータ）の通常の作動条件を満足させるのに十分な電力を供給できない可能性がある。

三相回生駆動装置は、三相コンバータと、三相インバータと、コンバータおよびインバータを接続するＤＣバスと、三相コンバータおよび三相インバータを作動させる制御信号を供給した制御装置とを備える。本発明では、従来は三相源に接続される三相コンバータが、単相ＡＣ電源と、ＤＣ電源とに接続される入力端子を有する。制御装置は、単相ＡＣ電源およびＤＣ源に対するそれぞれの電流寄与を表す寄与係数に基づいてコンバータの作動を制御する。寄与係数に応じて、三相回生駆動装置は、単相ＡＣ電力だけ、ＤＣ電力だけ、または単相ＡＣ電力とＤＣ電力の組み合わせを用いて作動できる。

混合された単相ＡＣ電源およびＤＣ電源から作動可能な三相回生駆動装置を備えるエレベータ電力システムの概略図。 三相ＡＣ入力電力を用いて三相コンバータを作動させるコンバータ制御器を示すブロック図。 単相ＡＣ電源およびＤＣ電源両方からの電力を用いて三相コンバータを作動させるコンバータ制御器を示すブロック図。 ＤＣバス電圧リップルがＤＣ電源の電流によって制御される、混合された単相ＡＣ電源およびＤＣ電源のための三相コンバータ制御器のブロック図。 ＡＣ電源として使用されるバッテリまたはスーパーキャパシタのための充電平衡制御を有する、混合された単相ＡＣ電源およびＤＣ電源のための三相コンバータ制御器を示すブロック図。

図１は、電力システム１０の概略図を示しており、電力システム１０は、単相ＡＣ電源１２、ＤＣ電源１４、入力ラインインダクタ１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、入力電流センサ１８、回生駆動装置２０（電力コンバータ２２、ＤＣバス２４、平滑コンデンサ２６、および電力インバータ２８を備える）、電流センサ３０、エレベータ３２（昇降モータ３４、エレベータかご３６、つり合いおもり３８、ロープ４０、およびモータ位置／速度センサ４２を備える）、および制御装置４４（コンバータ制御器４６、インバータ制御器４８、および監視制御器５０を備える）を備える。電力システム１０は、ＡＣ電源１２からの単相ＡＣ電力とＤＣ電源１４からのＤＣ電力の組み合わせを用いてエレベータ昇降モータ３４を作動させる。制御装置４４は、電力コンバータ２２および電力インバータ２８の作動を制御し、昇降モータ３４を駆動するのに使用されるＡＣ電源１２およびＤＣ電源１４からの電流の相対的寄与を決定する。モータ３４が電力を回生している時、制御装置４４は、ＡＣ電源１２およびＤＣ電源１４それぞれに戻されるべき電流の相対的寄与に従って回生電力をＡＣ電源１２およびＤＣ電源１４に供給し戻すようにコンバータ２２およびインバータ２４を制御する。モータ駆動および回生時の相対的寄与は、同じでも、異なっているのでもよい。例えば、ＤＣ電源１４は、その充電状態に応じてより大きな割合またはより小さな割合の回生エネルギーを受け取ることができる。

ＡＣ電源１２は例えば、電力ユーティリティ送電線網から供給される単相電力を表す。単相ＡＣ電力は一般に、対応する三相電力の１．７３分の１〜２分の１の電圧レベルである。単相ＡＣ源１２から供給可能な電力の総量は、三相ＡＣ電力が利用可能であったとすれば、作動可能な三相ＡＣ電力の３分の１になるであろう。電力システム１０は、ユーティリティ電力送電線網からの三相電力が利用可能でないが、単相ＡＣ電力およびＤＣ電力が利用可能な状況で、三相回生駆動装置２０を作動させる能力を提供する。

ＤＣ電源１４は、直列または並列に接続され、電気エネルギーを貯蔵することができる１つまたは複数の装置を備えることができる。いくつかの実施例では、ＤＣ電源１４は、少なくとも１つのスーパーキャパシタを備えており、このスーパーキャパシタは、対称または非対称スーパーキャパシタを含むことができる。別の実施例では、ＤＣ電源１４は、少なくとも１つの二次または再充電可能バッテリを備えており、この再充電可能バッテリは、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）、鉛酸、ニッケル−金属水素化物（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン（Ｌｉイオン）、リチウムイオンポリマー（Ｌｉポリ）、鉄電極、ニッケル−亜鉛、亜鉛／アルカリ／二酸化マンガン、亜鉛−臭素流、バナジウム流、およびナトリウム−硫黄バッテリのいずれかを含むことができる。別の実施例では、フライホイールなどの他の種類の電気的または機械的装置がエネルギーを貯蔵するのに使用可能であり、このエネルギーは、次いで、ＤＣ電気エネルギーとしてＤＣ電源１４から利用可能である。ＤＣ電源１４は、一種類の貯蔵装置を備えることができ、あるいは、いくつかの貯蔵装置の組み合わせを備えることができる。

単相ＡＣ電源１２は、インダクタ１６Ｒ、１６Ｓを介してコンバータ２２の入力端子Ｒ、Ｓに接続される。ＤＣ電源１４の正の端子は、インダクタ１６Ｔを介してコンバータ２２の入力端子Ｔに接続される。ＤＣ電源１４の負の端子は、コンバータ２２の負（−）の端子に接続される。

電流センサ１８は、ＡＣ電源１２と電力コンバータ２２の間の電流およびＤＣ電源１４と電力コンバータ２２の間の電流を検出する。検出された電流信号（Ｉ_rt）は、制御装置４４に供給され、そこで電流信号は、電力コンバータ２２の作動を制御する際にコンバータ制御器４６によって使用される。

電力コンバータ２２は、三相二方向電力コンバータであり、この三相二方向電力コンバータは、ＤＣバスリンク電圧Ｖ_dcを制御し、Ｒ、Ｓ、Ｔ入力端子に接続された入力ラインから回生駆動装置２０への有効電力／電流の流れを制御することでＤＣバスリンク電圧Ｖ_dcを選択されたレベルに維持する。回生中に、コンバータ２２は、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子から電源１２、１４へと戻る電力の流れを制御することでＤＣバス２４上の電圧Ｖ_dcを制御する。図１に示される実施例では、コンバータ２２は、パワートランジスタ６０Ｒ、６２Ｒで構成された第１のパワートランジスタ回路と、パワートランジスタ６０Ｓ、６２Ｓで構成された第２の回路と、パワートランジスタ６０Ｔ、６２Ｔで構成された第３の回路とを備える。各パワートランジスタ６０Ｒ〜６０Ｔ、６２Ｒ〜６２Ｔは例えば、関連するダイオードを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とすることができる。各パワートランジスタ６０Ｒ〜６０Ｔ、６２Ｒ〜６２Ｔの制御電極（すなわち、ゲートまたはベース）は、コンバータ制御器４６に接続される。

パワートランジスタ６０Ｒは、電力コンバータ２２の正（＋）の端子と電力コンバータ２２の入力端子Ｒとの間に接続される。パワートランジスタ６２Ｒは、入力端子Ｒと負（−）の端子との間に接続される。

同様に、パワートランジスタ６０Ｓは、正の端子と入力端子Ｓとの間に接続される。パワートランジスタ６２Ｓは、入力端子Ｓと負の端子との間に接続される。

パワートランジスタ６０Ｒ、６０Ｓ、６２Ｒ、６２Ｓは一緒に、ＡＣ電源１２からの単相ＡＣ電力をＤＣバス２４上のＤＣ電圧に整流するＡＣ−ＤＣコンバータ回路を構成する。回生中に、トランジスタ６０Ｒ、６０Ｓ、６２Ｒ、６２Ｓで構成された回路は、ＤＣバス２４からのＤＣ電力を、端子Ｒ、Ｓを介して単相ＡＣ電源１２に供給し戻されるＡＣ電力に変換するのに使用可能である。

パワートランジスタ６０Ｔ、６２Ｔは、ＤＣ電源１４からのＤＣ電力をＤＣバス２４上のＤＣ電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成する。パワートランジスタ６０Ｔは、正の端子と入力端子Ｔとの間に接続され、パワートランジスタ６２Ｔは、入力端子Ｔと負の端子との間に接続される。回生中に、トランジスタ６０Ｔ、６２Ｔで構成された回路は、ＤＣバス２４からの回生されたＤＣ電力を、ＤＣ電源１４のためのＤＣ充電電流に変換するのに使用可能である。

一実施例では、コンバータ制御器４６は、ＡＣ源１２およびＤＣ源１４からの入力電力をＤＣバス２４上のＤＣ電力に変換するようトランジスタ６０Ｒ〜６０Ｔ、６２Ｒ〜６２Ｔを周期的にスイッチングするゲートパルスを生成するようにパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いる。回生中に、コンバータ制御器４６は、ＤＣバス２４からの電力をＡＣ電源１２、ＤＣ電源１４、またはこれら両方の組み合わせへと供給し戻すようコンバータ２２の作動を制御するようにＰＷＭゲートパルスを用いる。

電力インバータ２８は、三相電力インバータであり、この三相電力インバータは、ＤＣバス２４からのＤＣ電力を、端子Ａ、Ｂ、Ｃを介して昇降モータ３４に供給される三相ＡＣ電力に変換するように作動可能である。インバータ２８は、モータ３４からの回生電力を端子Ａ、Ｂ、Ｃで受け取って、ＤＣバス２４に供給されるＤＣ電力に変換するように、二方向作動が可能である。

図１に示される実施例では、電力インバータ２８は、パワートランジスタ６４Ａ、６６Ａで構成された第１のパワートランジスタ回路と、パワートランジスタ６４Ｂ、６６Ｂで構成された第２の回路と、パワートランジスタ６４Ｃ、６６Ｃで構成された第３の回路とを備える。各パワートランジスタ６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃは、図１に示されるように、関連するダイオードを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタとすることができる。各トランジスタ６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃの制御電極は、ＤＣバス２４上のＤＣ電力を三相ＡＣ出力電力に変換するように、または、三相ＡＣ回生電力を、ＤＣバス２４に供給されるＤＣ電力に整流するように、インバータ制御器４８によって制御される。インバータ制御器４８は、端子Ａ、Ｂ、Ｃにおける三相ＡＣ出力電力を供給するようトランジスタ６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃを周期的にスイッチングするＰＷＭゲートパルスを用いる。

電流センサ３０が、端子Ａ、Ｂ、Ｃにおいてインバータ２８からの、またはインバータ２８への電流を検出する。検出された電流信号は、制御装置４４に供給され、そこで電流信号は、インバータ２８の作動を制御する際にインバータ制御装置４８によって使用される。電流信号はまた、コンバータ制御器４６へのフィードフォワード制御信号を生成するのに使用可能である。

昇降モータ３４は、エレベータかご３６とつり合いおもり３８の間の移動の速度および方向を制御する。昇降モータ３４を駆動するのに必要とされる電力は、エレベータかご３６の加速および方向、およびエレベータかご３６内の負荷とともに変動する。例えば、エレベータかご３６が加速されていて、つり合いおもり３８の重量より大きな負荷（すなわち、重負荷）で上昇しているか、あるいはつり合いおもり３８の重量より小さな負荷（すなわち、軽負荷）で下降している場合、昇降モータ３４を駆動するのに電力が必要とされる。この場合、昇降モータ３４の電力需要は正である。エレベータかご３６が重負荷で下降しているか、あるいは軽負荷で上昇している場合、エレベータかご３６は、昇降モータ３４を駆動し、エネルギーを回生する。この負の電力需要の場合、昇降モータ３４は、インバータ制御器４８の制御下で電力インバータ２８によってＤＣ電力に変換されるＡＣ電力を生成する。上述したように、変換されたＤＣ電力は、単相ＡＣ電源１２に戻されること、ＤＣ電源１４を再充電するのに使用されること、および／または、ＤＣバス２４を横断して接続されるダイナミックブレーキ抵抗器（図示せず）で散逸されることができる。エレベータ３２が床合わせしているか、あるいは釣り合った負荷で定速で走行している場合、エレベータ３２は、より小さな量の電力を使用していることが可能となる。昇降モータ３４が駆動作動も電力回生も行っていない場合、昇降モータ３４の電力需要はほぼゼロである。

単一のエレベータ３２が電力システム１０に接続されて示されているとはいえ、電力システム１０が、複数のエレベータ３２および昇降モータ３４に電力供給するように修正可能であることに留意されたい。例えば、複数の電力インバータ２８が、複数の昇降モータ３４に電力を供給するようにＤＣバス２４を横断して並列に接続可能である。

センサ４２が、昇降モータ３４に関連しており、位置フィードバック信号ｐｏｓ_mまたはモータ速度フィードバック信号ｖ_m、またはこれら両方を制御装置４４に供給する。監視制御器５０が、エレベータ走行中にエレベータ３２の速度を制御することでエレベータ３２の移動を制御する。監視制御器５０は、モータ３４の最大加速度、最大定常速度、および最大減速度を定義するエレベータ運動プロフィールを生成することができる。モータ位置（ｐｏｓ_m）、モータ速度（ｖ_m）およびモータ電流（Ｉａｂｃ）のフィードバック値に基づいて、監視制御器５０は、ＤＣバス２４上の電圧を調整し、また、インバータ２８の作動を制御するように、コンバータ制御器４６およびインバータ制御器４８に信号を供給する。

上述したように、電力コンバータ２２は、端子Ｒ、Ｓ、Ｔにおける三相ＡＣ電力をＤＣバス２４におけるＤＣ電力に変換することができる三相二方向電力コンバータである。しかしながら、図１において、三相ＡＣ源は、単相源１２およびＤＣ源１４に置き換えられている。単相ＡＣ源１２およびＤＣ源１４の組み合わせからの混合作動に基づく電力システム１０の作動を述べる前に、平衡三相ＡＣ電力での、また、単相ＡＣ電力だけでの電力コンバータ２２の作動を簡単に検討することは役に立つであろう。

図２は、三相ＡＣ電力が端子Ｒ、Ｓ、Ｔにおいて利用可能な場合に、電力コンバータ２２を制御する際のコンバータ制御器４６の基本的機能を示す。コンバータ制御器４６は、選択されたレベルで電力バス２４上のバス電圧Ｖ_dcを制御するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）制御パルスを電力コンバータ２２に供給する。これは、回生駆動装置２０への有効電力／電流の流れを制御することで達成される。有効電流Ｉ_qは、位相電圧と位相が同じであり、一方、無効電流Ｉ_dは、位相電圧より９０電気角度だけ遅れる。

コンバータ制御器４６は、電流センサ１８から電流センサ信号Ｉ_rtを受け取る。電流変換ブロック７０が、センサ信号Ｉ_rtを有効電流フィードバック信号Ｉ_q ^fおよび無効電流フィードバック信号Ｉ_d ^fに変換する。電流調整は、フィードバック電流が電流変換７０によって三相静止座標系（Ｒ，Ｓ，Ｔ）から変換されている二相同期座標系における有効電流調整器７２および無効電流調整器７４によって実行される。電流調整器７２、７４の出力は、ＰＷＭゲートパルスをトランジスタ６０Ｒ〜６０Ｔ、６２Ｒ〜６２Ｔに提供するパルス幅変調パルス発生器７６に提供される。

基準電流Ｉ_q ^*（ＤＣバス電圧を維持するのに必要とされる有効電力／電流の需要）が、ＤＣ電圧調整器７８によって生成される。この場合、有効電流命令が、ＤＣバス電圧フィードバックにおける誤差の結果として生成される。電圧調整器７８は、全ての有効電流基準Ｉ_q ^*における補正項ΔＩ_q ^*だけを生成する。ＤＣバス電圧調整の作動を助けるために、電流基準のためのフィードフォワード命令（Ｉ_qff ^*）が既知の負荷電力需要から生成される。フィードフォワード命令Ｉ_qff ^*は、インバータ制御器４８によって提供可能であり、基準電流Ｉ_q ^*を生成するように加算連結部８０においてΔＩ_q ^*に加算される。

三相回生コンバータへの入力電力Ｐ_3phは、

であり、ここで、
Ｖ_llは、ライン間の電圧（通常は３８０Ｖ〜４８０Ｖ、いくつかの国ではおよそ２２０Ｖ）であり、
Ｉは、入力ライン電流であり、
ＰＦは、力率（ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ）であり、しばしばおよそ１に維持される。

三相入力電力は、３つの正弦波電圧および電流の積である。平衡非歪曲システム（ｂａｌａｎｃｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ−ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）では、電力は、定常条件下のいずれの瞬間でも一定である。平衡条件下における回生駆動装置への一定の電力の流れによって、なんらの高調波もなしにちょうどＤＣ成分でＤＣバス２４上に一定の電圧が維持される。

単相ＡＣ入力電力を用いた三相電力コンバータの作動は、参照することによって組み込まれる、アジルマン（Ａｇｉｒｍａｎ）、ブラスコ（Ｂｌａｓｋｏ）、およびチェルヴィンスキ（Ｃｚｅｒｗｉｎｓｋｉ）によるＰＣＴ出願第ＷＯ２００６／０２２７２５号に記載されている。単相の用途では、コンバータへの入力電力は、
Ｐ_1ph＝Ｖ_phＩＰＦ （２）
で計算することができ、ここで、
Ｖ_phは、ラインと接地間すなわち位相電圧（通常は２２０Ｖ）である。

単相ＡＣ源（例えば、Ｖ_ll＝３８０Ｖの代わりにＶ_ph＝２２０Ｖ）により電力供給される三相回生駆動装置では、電力能力は、

に減少するが、これは、単相ＡＣ源で作動される場合、回生駆動装置２０は、もともと設計されていた電力の１／３だけを供給することができることを意味する。さらに、正弦波電圧および電流と力率１を仮定すると、単相ＡＣ源からの電力の瞬時値は、

となる。

式（３）から、ＤＣバス２４へ供給される電力は、第２高調波成分を重ね合わせた、式（２）に相当するＤＣ値を有すると見なすことができる。ＤＣバス２４からの出力電力は、連続（ＤＣ）なので、第２高調波電流によって平滑コンデンサ２６上に電圧リップルが生じる。その結果、昇降モータ３４上にかなり大きなトルクリップルと平滑コンデンサ２６のさらなる装荷（ｌｏａｄｉｎｇ）とが生じる。

以上から、三相回生駆動装置は、単相ＡＣ入力電力で電力供給される場合、二重の不利益すなわち、電力供給量の減少とＤＣバス平滑コンデンサ上の電圧リップルの増加とを有することが明らかである。

これらの不利益を補うために、ＤＣ源１４が、図１に示されるように、回生駆動装置２０のコンバータ２２の入力端子Ｔと負の端子とに接続される。入力端子Ｔは、単相ＡＣ源１２が入力端子Ｒ、Ｓに接続される場合に利用可能となる。この場合、ＤＣ源１４は、付加的な電力を供給し、さらにコンバータ２２を制御するのに電流基準の適切な整形が用いられると、ＤＣ源１４は、ＤＣバス２４上の電圧リップルを低減または除去する。

図３は、電力の分担とともに混合されたＡＣ源１２およびＤＣ源１４を用いるコンバータ制御器４６の機能ブロック図を示す。この実施例では、バッテリは、典型例であるＤＣ源１４として説明される。図３には、電圧調整器７８、加算器８０、基準分割器８２、ＡＣ電流制御器８４Ａ、ＤＣ電流制御器８４Ｄ、ＰＷＭ−ＡＣパルス発生器８６Ａ、およびＰＷＭ−ＤＣパルス発生器８６Ｄが示される。

電流基準Ｉ_q ^*が、図２に示される三相ＡＣ電力の場合と同じように生成され、２つの部分すなわち、（ａ）単相ＡＣコンバータ電流基準Ｉ_q ^**と、（ｂ）バッテリ制御装置電流基準Ｉ_b ^**とに分割される。係数ｋ_b∈{ｋ_b ^g，ｋ_b ^m}によって、所望の電流基準Ｉ_q ^*に対するＤＣ電源１４と単相ＡＣ源１２の相対的な寄与が決定される（上付きのｇは、回生を表し、下付きのｍはモータ駆動を表し、下付きのｂはバッテリを表す）。係数ｋ_bは、０〜１の値をとる。ｋ_b ^*＝０の場合、トランジスタ６０Ｒ、６０Ｓ、６２Ｒ、６２Ｓで構成された単相ＡＣコンバータのみがＤＣバス２４を制御することになり、ＤＣ源１４およびトランジスタ６０Ｔ、６２Ｔからの寄与はないことになる。ｋ_b ^*＝０．５の場合、電流基準は、単相ＡＣ源１２とＤＣ源１４の間で均等に分割されることになる。ｋ_b ^*＝１の場合、ＤＣ電源１４およびトランジスタ６０Ｔ、６２ＴがＤＣバス２４上の電圧Ｖ_dcを制御することになる。負荷分担係数ｋ_b ^*＝１に対するさまざまな値が、モータ駆動時および回生時に選択されることができ、さらにそれはバッテリの充電レベルに応じて変わることができる。

ＡＣ電流制御器８２は、トランジスタ６０Ｒ、６０Ｓ、６２Ｒ、６２Ｓに対するゲートパルスを生成するようにＰＷＭ−ＡＣパルス発生器８６によって使用される制御信号を生成する。制御信号は、Ｉ_q ^**、Ｉ_q ^f、Ｉ_d ^f、Ｉ_d ^*の関数である。図３に示されるように、Ｉ_q ^**＝（１−ｋ_b ^*）Ｉ_q ^*である。

ＤＣ電流制御器は、トランジスタ６０Ｔ、６２Ｔに対するゲートパルスを生成するようにＰＷＭ−ＤＣパルス発生器によって使用される制御信号を生成する。制御信号は、ｋ_b ^*Ｉ_b ^*の関数である。

ＤＣ源からの付加的な電力の平均値Ｐ_{b_dc}は、
Ｐ_{b_dc}＝Ｖ_bＩ_b （４）
である。

ＤＣ源１４（すなわち、トランジスタ６０Ｔ、６２Ｔで構成された回路）で作動するコンバータ２２の区画の負荷は、ＤＣバス電圧に対するＤＣ源電圧の比、ＩＧＢＴモジュール設計、慣性回転電流定格、ＩＧＢＴ装置定格、電流の方向、その他などの複雑な関数である。全体のコンバータ電力Ｐ_cは、ＡＣ源１２およびＤＣ源１４からの電力の合計すなわち、
Ｐ_c＝Ｐ_{b_dc}＋Ｐ_1ph＝Ｉ_bＶ_b＋ＩＶ_ph （５）
である。

ＤＣバス２４上の電圧リップルを低減するために、単相ＡＣ源１２（Ｐ_1ph）およびＤＣ源１４（Ｐ_{b_dc}）からの瞬時電力は、一定すなわち、
Ｐ_1ph＋Ｐ_{b_ac}＝Ｖ_phＩ（１−ｃｏｓ（２ωｔ））＋Ｐ_{b_ac}
＝Ｖ_phＩ （６）
となる必要がある。

ここで、Ｖ_phおよびＩは、位相電圧および電流のＲＭＳ値である。式（６）から結果として、ＤＣ源からのＡＣ電力成分は、
Ｐ_bacＶ_phＩｃｏｓ（２ωｔ））＝Ｖ_bＩ_{b_ac} （７）
となる必要がある。

あるいは、ＤＣ源からの電流のＡＣ成分は、
Ｉ_{b_ac}＝（Ｖ_ph／Ｖ_b）Ｉｃｏｓ（２ωｔ） （８）
となる必要がある。

このＡＣ成分は、ＤＣ源１４の適切な制御によって得ることができる。

ＤＣ電源１４を追加し、併せて単相ＡＣ電源１２とＤＣ電源１４との間で電力分担をすることで、ＤＣバス２４上の電圧リップルが低減される。図４は、図３に類似している機能ブロック図を示すが、フィードフォワード成分ブロック９０リップル調整器９２が追加されている。さらに図４には、ＤＣ電流調整器９４、加算器（または加算装置）９６、９８（ＤＣ源電流制御器８４を構成する）、加算器（または加算装置）１００（電圧調整器７８およびリップル調整器９２への入力となる誤差信号ε_dc＝Ｖ_dc ^*−Ｖ_dcを生成する）、および加算器１０２が示される。

図４では、ＤＣバス電圧リップルは、ＤＣ源電流によって制御される。リップルは、フィードフォワード信号Ｉ_bff ^*によって制御／除去され、フィードフォワード信号Ｉ_bff ^*は、修正された電流基準Ｉ_b ^**をＤＣ電流制御器８４Ｄの入力端において生成するように加算器１０２においてＤＣ源電流基準ｋ_b ^*Ｉ_q ^*に加算される。修正された電流基準Ｉ_b ^**は、構成要素すなわち加算器９６によってフィードバック信号Ｉ_bfと比較される。差Ｉ_b ^**−Ｉ_bfが入力として電流調整器９４に供給される。

電流調整器９４の帯域幅は十分に高くまた処理遅れは無視できるほど小さいので、フィードフォワード電流値Ｉ_bff ^*は、ＡＣ電力の「深部（ｄｅｅｐｓ）」を補うはずであり、ＤＣバス２４からリップルを除去するはずである。フィードフォワード項Ｉ_bff ^*（Ｉ_{b_ac}に比例する）は、加算連結部１０２においてＤＣ源電流基準ｋ_b ^*Ｉ_q ^*に加算される。フィードフォワード項Ｉ_bff ^*は、Ｉ_{b_ac}からＤＣ源電流制御のため閉ループ伝達関数の近似の逆数Ｇ_Ib ^-1を通過させて生成される。

ＤＣバス電圧リップルはまた、図４のＤＣバス電圧リップル調整器９２によって制御される。リップル調整器９２の出力は、ＰＷＭ−ＤＣパルス発生器８６Ｄへ入力される制御信号を生成するように加算装置／加算器９８によって電流調整器９４の出力に加算される。

リップル調整器９２は、ＤＣバス電圧誤差信号ε_dcのＡＣ成分を制御することによりＤＣバス電圧からＡＣ成分を除去するのに役立つ。誤差信号は、下記の種類のリップル調整器９２、

に供給され、ここで、Ｋ_p、Ｋ_iは調整器のゲインであり、ω₀＝２π（２ｆ_util）は、ＤＣバス電圧のリップル成分の角周波数（ユーティリティ周波数の２倍に等しい）である。ＤＣバス電圧リップル調整器９２の出力は、式（１０）に示されており、図４に示されるように、加算装置／加算器９８によって電流調整器９４の出力から差し引かれる。

ＤＣ源１４がバッテリまたはスーパーキャパシタの場合、回生駆動装置２０の作動は、バッテリまたはスーパーキャパシタの充電レベルを所望の充電状態設定点または目標に維持するように制御装置４４内に制御論理を備えることもできる。

図５は、図３に示される図に概略類似しているコンバータ制御器４６の機能ブロック図を示すが、電力比較器１１０、乗算器１１２、インバータ１１４、乗算器１１６、充電状態モニタ１１８、および充電平衡制御器１２０（電流積分器１２２、加算器／加算装置１２４、および比例調整器として作動する時定数分割器１２６を備える）が追加されている。これらの付加的な構成要素によって充電レベルが充電状態目標に維持される。

電力比較器１１０は、負荷によって必要とされる電力の絶対値が予め設定された最小値より大きい場合、その出力端に論理「１」を提供し、そうでない場合、その出力端に「０」を提供する。この場合、ＤＣバス電圧を維持するための（高い）電力需要は、単相ＡＣ源１２とＤＣ源１４との間で分担されることになる。必要とされる電力が予め設定された最小値より小さい場合、比較器の出力ｋ_b ^*＝０であり、その結果、ｋ_b ^*Ｉ_b ^*＝０となり、ＤＣバス電圧は、単相ＡＣ源１２のみからのエネルギーによって制御されることになる。負荷需要が小さい時のこの作動モードは、バッテリの充電／放電に使用されることになる。電力の代わりに他の指標（例えば速度）も比較器１１０で使用可能である。

さらにＤＣ源電流のための新たな基準が、ＤＣ源１４の充電レベルをモニタしてそれを基準レベルΔＱ^*の付近に維持するために生成される。この目的のために、ＤＣ源電流Ｉ_bがΔＱを生成するように積分器１２２において積分され、ΔＱは、（−）記号が付されて加算器１２４により基準ΔＱ^*に加算される。モニタ１１８は、検出されたバッテリ電圧Ｖ_b、バッテリ温度θ、および所望の充電状態に基づいて基準ΔＱ^*を生成する。

回生駆動装置のアイドル期間（すなわち、負荷への電力需要が小さいか、あるいは、電力比較器１１０の出力が０に等しい場合）では、充電平衡制御回路１２６が、ＤＣ源の電流に対する基準を設定し、充電／放電に向かって作動し、ＤＣ源１４の充電を均等にする。アイドル期間は、用途に依存し、例えばエレベータでは、階床間で乗客を乗せている時または交通が鈍く、移動に対する要求がない時に生じる。時定数Ｔ_eqおよび充電不均衡レベルが充電／放電電流基準ΔＩ_b ^*を設定することになり、充電／放電電流基準ΔＩ_b ^*は、電流制御器８４Ｄのための電流基準Ｉ_b ^**を生成するように加算器１０２によってｋ_b ^*Ｉ_b ^*に加算される。それは、充電／放電電流が増加され、ＤＣ源１４がさらに充電／放電されることを意味する。充電平衡化速度は、時定数Ｔ_eqに依存する。時定数が大きいほど、充電が平衡に達するのにより長い時間がかかることになるが、充電電流はより小さいものになる。

別の実施例では、ＤＣバス電圧リップルを低減する図４の構成要素は、ＤＣ源１４を充電状態目標に維持する図５の構成要素と組み合わされる。その結果、コンバータ制御器４６は、ＡＣ源１２とＤＣ源１４との電力分担によって電力能力を増加させ、ＤＣバス電圧リップルを低減し、また、ＤＣ源１４の充電状態を維持するように、コンバータ２２を制御する。

単相ＡＣ源とＤＣ源の組み合わせから三相回生駆動装置に電力供給することによって、単相ＡＣ源のみで電力供給される回生駆動装置に比較して駆動装置の能力が拡張される。駆動装置の電力定格は、ＡＣ源およびＤＣ源両方を用いることで向上し、エネルギー源の１つが喪失するかまたは利用可能でない場合の冗長性を提供する。例えば、単相ＡＣ電力が喪失してもなお回生駆動装置は、負荷の電力需要に応じて最大または低減した性能レベルで作動可能である。三相ＡＣ電力の喪失または使用不能あるいは単相電力のみの利用可能性に対処する他の方法は、より費用のかかるシステムを必要とする。例えば、ユーティリティ電力送電線網からの三相ＡＣ電力不足の可能な解決策の１つは、ユーティリティ電力送電線網に対する代替の三相電源として設定されたディーゼルモータ／発電機など現場での三相電力発電機の追加を伴う。他の方法は、回生駆動装置のための電力の全てを供給するように高電圧ＤＣ源を回生駆動装置に直接接続するか、または低電圧ＤＣ源を別のＤＣ／ＤＣコンバータと接続することを伴う。これらの解決策もまた追加の費用を必要とする。別の方法では、回生駆動措置の入力電力コンバータは、回生駆動装置を作動させるのに十分大きな電力を供給するように単相源から必要とされるかなり大きな電流を処理することができるように再設計可能であろう。これはまた、回生駆動装置の電力需要を満足させるのに十分大きな電力を単相供給装置に供給する必要がある。これはまたしても、電力システム１０に使用される混合された単相ＡＣ電源およびＤＣ電源より費用のかかる方法を意味する。

図３〜図５に示されるように、コンバータ制御器４６は、ＤＣバス電圧調整器からの電流基準を２つの部分に分割する。一方の部分は、単相ＡＣ源１２からまたは単相ＡＣ源１２への電流を制御するために使用される。もう一方の部分は、ＤＣ源１４からまたはＤＣ源１４への電流を制御するために使用される。寄与係数または分担係数ｋ_bを用いることによって、全体の電力需要に対するＤＣ源１４からの電力の割合が画定される。係数ｋ_bは、ＡＣ源１２またはＤＣ源１４および関連する電力電子装置の能力、作動モード（例えば、発電、アイドル、またはモータ駆動）、ＤＣ電源の充電レベルまたは状態、交通プロファイル、季節または時間によるユーティリティ定格、その他などの関数として選択可能である。係数Ｋ_bの選択は例えば、監視制御器５０によって行われ、コンバータ制御器４６に提供可能である。

単相ＡＣ源１２からの電力と共にＤＣ源１４からの電力を使用することで、ＤＣバス２４上の電圧リップルを低減する機会が得られる。リップルの低減は、いくつかの異なる態様で達成される。第１に、ＤＣ源１４から付加的な電力を供給することは、電圧リップルの低減に役立つ。第２に、ＤＣ源１４からの電流を制御する電流基準は、単相ＡＣ源１２からの電力の流れの減少を補うように整形可能である。第３に、ＤＣバス電圧リップルを含む信号を用い、それをリップル調整器に供給することで、ＤＣバス電圧からのリップルを低減または除去するようにＤＣ源電流のＡＣ成分を調節可能である。第４に、ＤＣ源１４へまたはＤＣ源１４からの電流を制御することで、ＤＣ源１４に対する充電状態目標を考慮可能である。

本発明は、好ましい実施例に関連して説明したが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、形態および詳細について変更が可能であることを理解するであろう。

Claims (20)

1. 単相ＡＣ源およびＤＣ源に接続するための入力端を有する三相コンバータと、
   モータに接続するための三相インバータと、
   三相コンバータと三相インバータの間に接続されたＤＣバスと、
   単相ＡＣ源およびＤＣ源による電流需要に対するそれぞれの寄与を制御するように三相コンバータに制御信号を供給する制御装置と、
   を備えることを特徴とする三相回生駆動装置。
2. 三相コンバータは、
   単相ＡＣ源とＤＣバスの間の電流を制御する第１の組のパワートランジスタを有する第１の回路と、
   ＤＣ源とＤＣバスの間の電流を制御する第２の組のパワートランジスタを有する第２の回路と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の三相回生駆動装置。
3. 制御信号は、第１の組のパワートランジスタを制御する第１の組のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号と、第２の組のパワートランジスタを制御する第２の組のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号とを含むことを特徴とする請求項２記載の三相回生駆動装置。
4. 制御装置は、
   ＤＣバス電圧と基準電圧の関数として電流基準を生成する電圧調整器と、
   電流基準を単相ＡＣ源に関連する第１の基準とＤＣ源に関連する第２の基準とに分割する基準分割器と、
   第１の基準に基づいてＡＣ電流制御信号を生成するＡＣ電流制御器と、
   ＡＣ電流制御信号の関数として第１の組のＰＷＭ信号を生成する第１のＰＷＭ発生器と、
   第２の基準に基づいてＤＣ電流制御信号を生成するＤＣ電流制御器と、
   ＤＣ電流制御信号の関数として第２の組のＰＷＭ信号を生成する第２のＰＷＭ発生器と、
   を備えることを特徴とする請求項３記載の三相回生駆動装置。
5. 三相回生駆動装置は、ＤＣ源とＤＣバスの間の検出された電流の関数としてフィードバック信号を生成する電流センサをさらに備えており、
   ＤＣ電流制御器は、第２の基準と、フィードバック信号とに基づいてＤＣ電流制御信号を生成することを特徴とする請求項４記載の三相回生駆動装置。
6. 制御装置は、ＤＣバス電圧リップルの関数としてリップル補正信号を生成するリップル調整器をさらに備えており、
   ＤＣ電流制御器は、第２の基準と、フィードバック信号と、リップル補正信号とに基づいてＤＣ電流制御信号を生成することを特徴とする請求項５記載の三相回生駆動装置。
7. ＤＣ源からの電流のＡＣ成分の関数としてフィードフォワード信号を生成する回路と、
   フィードフォワード信号に基づいて第２の基準を修正する信号結合器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の三相回生駆動装置。
8. ＤＣ源の充電状態と、ＤＣ源とＤＣバスの間の電流とに基づいて充電制御信号を供給する充電状態制御器と、
   充電制御信号に基づいて第２の基準を修正する信号結合器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の三相回生駆動装置。
9. 基準分割器は、寄与係数に基づいて電流基準を分割することを特徴とする請求項４記載の三相回生駆動装置。
10. 寄与係数は、三相回生駆動装置の作動モードの関数として選択可能であることを特徴とする請求項９記載の三相回生駆動装置。
11. 寄与係数は、単相ＡＣ源の能力、ＤＣ源の能力、三相コンバータおよび三相インバータの構成要素の能力、ＤＣ源の充電状態、エレベータ交通プロファイル、およびユーティリティ定格のうちの少なくとも１つの関数として選択可能であることを特徴とする請求項９記載の三相回生駆動装置。
12. 三相コンバータと、三相インバータと、三相コンバータと三相インバータの間に接続されたＤＣバスとを備える回生駆動装置を作動させる方法であって、
    単相ＡＣ源およびＤＣ源を三相コンバータの入力端に接続し、
    ＤＣバス電圧の関数として電流基準を生成し、
    電流基準を第１の基準と第２の基準とに分割し、
    第１の基準の関数として単相ＡＣ源とＤＣバスの間の三相コンバータの電流を制御し、
    第２の基準の関数としてＤＣ源とＤＣバスの間の三相コンバータの電流を制御する、
    ことを含むことを特徴とする、回生駆動装置を作動させる方法。
13. 電流基準を分割することは、寄与係数に基づくことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 寄与係数は、回生駆動装置がモータ駆動モード、アイドルモード、または回生モードのいずれにあるかの関数であることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 寄与係数は、単相ＡＣ源の能力、ＤＣ源の能力、三相コンバータおよび三相インバータの構成要素の能力、ＤＣ源の充電状態、およびユーティリティ定格のうちの少なくとも１つに基づいて選択可能であることを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. ＤＣバス電圧リップルの関数としてリップル補正信号を生成し、
    リップル補正信号に基づいてＤＣ源とＤＣバスの間の電流を修正する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. ＤＣ源からの電流のＡＣ成分の関数としてフィードフォワード信号を生成し、
    フィードフォワード信号に基づいて第２の基準を修正する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
18. ＤＣ源の充電状態の関数として充電制御信号を生成し、
    充電制御信号に基づいて第２の基準を修正する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
19. 回生駆動装置の電力需要を決定し、
    電力需要が閾値より小さい場合に第１の基準が電流基準に等しくなりかつ第２の基準がゼロになるように電流基準を分割する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
20. 三相インバータは、エレベータ昇降モータに接続されることを特徴とする請求項１２記載の方法。

Images