JP5615427B2 - 交流モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源からの直流電力をインバータにより交流電力に変換し交流モータに供給する交流モータ駆動装置に係り、特に、前記直流電力を制御するための電力貯蔵装置を備える交流モータ駆動装置に関するものである。

交流モータ駆動装置では、交流モータの力行時には加速のために大きな駆動電流が流れる一方、減速時には回生電流が生じる。そのようなモータの回生電流を単に抵抗器で消費して熱として放出するのでは、エネルギー利用効率が悪く好ましくない。

このため、従来から、直流化用のコンバータと交流化用のインバータとの間に、インバータと並列に電力貯蔵装置を介在させている。この電力貯蔵装置は、大容量の電解コンデンサや電気二重層キャパシタなどの電力貯蔵要素と、この電力貯蔵要素と直流化用のコンバータの直流母線との間に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、直流母線と電力貯蔵要素との間での充放電を行わせる制御回路とを備えている。

具体的には、モータ力行時には、電力貯蔵装置に蓄積されている電力はインバータを介して交流モータへ供給する一方、モータ回生時にはその回生電力はインバータを介して電力貯蔵装置に蓄積することにより、モータ駆動電流の平準化を図るとともに、回生電力を有効利用するようにしている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

なお、電力貯蔵装置に用いるＤＣ／ＤＣコンバータとしては、昇降圧双方向チョッパ回路が用いられることがある。昇降圧双方向チョッパ回路は、簡単な構成で電力貯蔵要素への充電制御と電力貯蔵装置から直流母線への放電制御とが可能である。

特開２００１−１０３７６９号公報 特開２００１−３２０８９３号公報 特開２００８−９９５０３号公報

しかし、昇降圧双方向チョッパ回路を使用する従来の電力貯蔵装置では、電力貯蔵要素の電圧よりも直流母線の電圧が低い場合、昇降圧双方向チョッパ回路のスイッチング素子に逆並列接続されているダイオードを通して電力貯蔵要素の電力が直流母線側へ自然に回生されてしまうので、電力貯蔵要素のエネルギー損失を増加させる。

また、例えば直流電源やインバータに直流母線間を短絡させる何らかの異常が発生し、直流母線の電圧が電力貯蔵要素の電圧よりも低下する場合、電力貯蔵装置は上記自然放電の状態になってしまう。しかし、昇降圧双方向チョッパ回路のスイッチング素子に逆並列接続されているダイオードを通して流れる放電電流は止めることができないので、電力貯蔵装置から直流母線へ大電流が流れてしまい、昇降圧双方向チョッパ回路の破損などを招来する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電源回生時における電力貯蔵要素のエネルギー損失を低減してエネルギーの利用効率を向上でき、かつ、異常発生時に電力貯蔵要素が他の機器に破損を生じさせる破損影響の発生を防止してより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動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、本発明は、直流電源に接続される直流母線から供給される直流電力を交流モータの駆動に必要な交流電力へ変換するインバータと並列に前記直流母線に接続され、該直流母線の直流電力を制御する電力貯蔵装置を備える交流モータ駆動装置において、前記電力貯蔵装置は、直流電力を貯蔵できる電力貯蔵要素と、前記直流母線側から前記電力貯蔵要素への充電動作と前記電力貯蔵要素から前記直流母線側への放電動作とが可能な昇降圧双方向チョッパ回路と、前記電力貯蔵要素と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間に設けた回路切断要素と、前記昇降圧双方向チョッパ回路による充放電動作と、前記回路切断要素による前記電力貯蔵要素と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間の開放／短絡の動作とを制御する制御回路とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、電力貯蔵装置に電力貯蔵要素と昇降圧双方向チョッパ回路との間を開放／短絡できる回路切断要素を設けたので、充電の過程で自然放電の状態になるのを防止できる。また、異常発生時では電力貯蔵要素を昇降圧双方向チョッパ回路を含む他の機器から切り離すことができる。したがって、電源回生時における電力貯蔵要素のエネルギー損失を低減してエネルギーの利用効率を向上でき、かつ、異常発生時に電力貯蔵要素が他の機器に破損を生じさせる破損影響の発生を防止してより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施例１による交流モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す直流電源に関わる部分の詳細を示す回路図である。 図３は、図１に示す電力貯蔵装置の構成を示すブロック図である。 図４は、図３に示す電力貯蔵要素の構成例を示すブロック図である。 図５は、図３に示す昇降圧双方向チョッパ回路の具体的な構成例を示す回路図である。 図６は、本実施例による回路切断要素を有しない一般的な昇降圧双方向チョッパ回路により行われる充放電制御動作を説明する波形図である。 図７は、本実施例による回路切断要素を有する図５に示す昇降圧双方向チョッパ回路により行われる充放電制御動作を説明する波形図である。 図８は、図５に示す回路切断要素の開放／短絡の動作判定を行う回路の一例を示す図である。 図９は、本発明の実施例２として、異常が発生した場合の図５に示す昇降圧双方向チョッパ回路により行われる充放電制御動作を説明する波形図である。 図１０は、異常が発生した場合の図５に示す回路切断要素の開放／短絡の動作判定を行う回路の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる交流モータ駆動装置の実施例を図面に基づき詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１による交流モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図１において、本実施例１による交流モータ駆動装置は、直流電源１から直流電力が供給される正負の直流母線２ａ，２ｂに並列に複数のインバータ３，３，・・が接続されているとともに、電力貯蔵装置４が、直流電源１とインバータ３との間における直流母線２ａ，２ｂにインバータ３と並列に接続されている。複数のインバータ３，３，・・には、それぞれ交流モータ５，５，・・が接続されている。

複数のインバータ３，３，・・は、それぞれ、直流母線２ａ，２ｂの直流電力から所望の交流電力を生成し、それぞれの交流モータ５，５，・・を駆動する。なお、図１では、インバータ３と交流モータ５の組が、複数組ある場合を示しているが、１組だけの場合もある。いずれにせよ、搭載する電力貯蔵装置４は、１つであるから、インバータ３と交流モータ５の組の多寡は本実施例の適用に際して問題ではない。インバータ３の構成についてはよく知られているので、ここでは、直流電源１と電力貯蔵装置４の構成について説明する。

図２は、図１に示す直流電源に関わる部分の詳細を示す回路図である。図２において、図１に示す直流電源１は、リアクトル１３と、全波整流回路１４と、平滑コンデンサ１５とを備えている。

全波整流回路１４は、直列接続した３組の上下アームスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）（ＳＷ３，ＳＷ４）（ＳＷ５，ＳＷ６）を並列に接続した構成である。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６は、例えばＩＧＢＴであるが、それぞれ逆並列に還流ダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。

直列接続した３組の上下アームスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）（ＳＷ３，ＳＷ４）（ＳＷ５，ＳＷ６）それぞれの直列接続端が３相交流入力端である。この３相交流入力端は、リアクトル１３およびトランス１２を介して三相の交流電源１１に接続される。また、その上下アームスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２）（ＳＷ３，ＳＷ４）（ＳＷ５，ＳＷ６）の両端（並列接続端）が直流出力端（正極出力端、負極出力端）であり、正負の直流母線２ａ，２ｂが接続されている。

この全波整流回路１４は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が互いに重複しないタイミングで、三相交流電圧をスイッチングすることにより、整流化する。平滑コンデンサ１５は、正負の直流母線２ａ，２ｂ間に設けられ、全波整流回路１４が正負の直流母線２ａ，２ｂへ出力する整流化電圧を平滑し、正負の直流母線２ａ，２ｂ間に所定の直流電圧（直流電源）を形成する。

また、この全波整流回路１４は、電力貯蔵装置４から蓄電された回生電力を直流母線２ａ，２ｂへ放電する電源回生モードでは、その回生電力を交流電源１１へ回生するようにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が制御されるようになっている。

次に、図３は、図１に示す電力貯蔵装置の構成を示すブロック図である。電力貯蔵装置４は、図３に示すように、電力貯蔵要素２１と、昇降圧双方向チョッパ回路２２と、制御回路２３とを備えている。

電力貯蔵要素２１は、大容量の電解コンデンサや電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）などで構成される（図４参照）。昇降圧双方向チョッパ回路２２は、直流母線２ａ，２ｂ側から電力貯蔵要素２１への充電と、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂ側への放電との双方向動作が可能である。本実施例では、この昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間に「回路切断要素」を設けてある（図５参照）。制御回路２３は、マイクロコンピュータによるプログラム制御によって昇降圧双方向チョッパ回路２２の上記した双方向動作を制御する。その際に、本実施例１では、制御回路２３は、昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間に設けた「回路切断要素」の開放／短絡の制御を行うようになっている（図７、図８参照）。

図４は、図３に示す電力貯蔵要素の構成例を示すブロック図である。図４では、電力貯蔵要素２１を電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）で構成した場合を示す。図４において、電力貯蔵要素２１は、ＥＤＬＣモジュール３１，３１，…のｍ×ｎ（ｍ、ｎは１以上の整数）個を直・並列接続したＥＤＬＣユニットとして用いられる。ＥＤＬＣモジュール３１は、直列接続した複数のＥＤＬＣセル３２，３２，…と、各ＥＤＬＣセル３１，３１，…間の電圧のばらつきを低減するために、各ＥＤＬＣセル３１，３１，…に対して個別に並列接続した電圧バランス抵抗器３３，３３，…とで構成される。

このように構成される電力貯蔵要素２１は、その静電容量が例えば１Ｆ程度の大容量のものである。１つのＥＤＬＣセル３２の静電容量は、通常１００Ｆを超すが最大電圧は概ね３Ｖ以下である。また、直流母線２，２間の電圧は、通常３００Ｖや６００Ｖであるから、実用上は電力貯蔵要素２１の電圧は１５０Ｖ以上になる。なお、電力貯蔵要素２１にはヒューズやブレーカなどを含むこともあるが、図４では省略している。また、電圧バランス抵抗器３３は、省略可能であり、また他のバランス方式とすることも可能である。

図５は、図３に示す昇降圧双方向チョッパ回路の具体的な構成例を示す回路図である。昇降圧双方向チョッパ回路２２には、種々の回路形態が知られているが、本実施例では、例えば図５に示すように、最も基本的な回路形態を用いている。

図５において、昇降圧双方向チョッパ回路２２は、直列に接続された２つのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）４１ａ，４１ｂを備えている。スイッチング素子４１ａ，４１ｂには、それぞれ逆並列に還流ダイオード４２ａ，４２ｂが接続されている。

スイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列回路の一端（図示例ではスイッチング素子４１ａのコレクタ端子）は正極の直流母線２ａに接続され、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列回路の他端（図示例ではスイッチング素子４１ｂのエミッタ端子）は負極の直流母線２ｂに接続されている。平滑コンデンサ４４ａは、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列回路に並列に接続されている。つまり、平滑コンデンサ４４ａは、直流母線２ａ，２ｂ間に接続されている。

スイッチング素子４１ａ，４１ｂの直列接続端（図示例ではスイッチング素子４１ａのエミッタ端子とスイッチング素子４１ｂのコレクタ端子との共通接続端）には、チョークコイル４３の一端が接続され、チョークコイル４３の他端は、本実施例による回路切断要素５１の一端に接続される。回路切断要素５１の他端は、電力貯蔵要素２１の一方の入出力端子に接続される。電力貯蔵要素２１の他方の入出力端子は、スイッチング素子４１ｂのエミッタ端子が接続される負極の直流母線２ｂに接続されている。平滑コンデンサ４４ｂは、電力貯蔵要素２１の一方と他方の入出力端子間に接続されている。なお、平滑コンデンサ４４ａ，４４ｂは省略されることもある。

制御回路２３には、昇降圧双方向チョッパ回路２２を制御する際の参照信号として、電圧センサ４５ａが検出した直流母線２ａ，２ｂの電圧と、電圧センサ４５ｂが検出した電力貯蔵要素２１の電圧と、電流センサ４６ａが検出した母線電流と、電流センサ４６ｂが検出したチョークコイル４３を流れる電流とが入力される。なお、制御回路２３に入力される検出値は、以上の４つに限定されるものではなく、一例であって、他の検出値が入力されることもある。また、図示しない上位のコントローラから入力される場合もある。

制御回路２３は、これらの検出値に基づきスイッチング素子４１ａ，４１ｂを個別にスイッチングさせるゲート信号を生成し、昇降圧双方向チョッパ回路２２に、モータ５からの回生電力により電力貯蔵要素２１を充電する降圧動作と、電力貯蔵要素２１に蓄電した回生電力を放電（電源回生）する昇圧動作とを行わせる。その際に、制御回路２３は、これらの検出値に基づき、本実施例による回路切断要素５１の開放／短絡の制御を行う。

なお、昇降圧双方向チョッパ回路２２は、電力貯蔵要素２１の電圧が直流母線２ａ，２ｂよりも高電圧となっている間も電力貯蔵要素２１からの放電電流が一定になるように制御を行うことが可能である。そこで、本実施例での制御回路２３は、電力貯蔵要素２１から直流母線２ａ，２ｂ側への放電を行う場合、定電流で電源回生が行えるように、昇降圧双方向チョッパ回路２２を制御するように構成してある。

さて、放電開始時における電力貯蔵要素２１の電圧が充電時の最大電圧よりも低いと、回生時に使用することのできるエネルギーを低下させる。いま、電力貯蔵要素２１の放電前電圧をＶａ、放電後電圧をＶｂとしたとき、その利用可能電力Ｐは、Ｐ＝（Ｖａ^２−Ｖｂ^２）／２となる。電力貯蔵要素２１に蓄電されているエネルギーを取り出すときに電力貯蔵要素２１の放電後電圧Ｖｂが一定であれば、放電による回生利用エネルギーは、電力貯蔵要素２１の放電前電圧Ｖａの二乗で効いてくる。つまり、放電開始時において電力貯蔵要素２１にできるだけ高い電圧が蓄電されていれば、電源回生時のエネルギー利用効率を高めることができる。

しかし、回路切断要素５１を設けずにチョークコイル４３の他端が直接電力貯蔵要素２１の一方の入出力端子に接続される一般的な構成の昇降圧双方向チョッパ回路では、電力貯蔵要素２１の電圧が直流母線２ａ，２ｂの電圧よりも高電圧になる場合に、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａに自然放電されることが起こるので、電力貯蔵要素２１に、放電開始時における電力貯蔵要素２１の電圧を最大充電電圧に近い高電圧に保持させるのが困難である。以下、図６を参照して説明する。

図６は、本実施例による回路切断要素を有しない一般的な昇降圧双方向チョッパ回路により行われる充放電制御動作を説明する波形図である。図６では、（１）直流母線２ａ，２ｂの電圧変化と、それに対する（２）電力貯蔵要素２１への充放電動作と、（３）直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１と電力貯蔵要素２１の電圧をＶ２との関係を示す電圧差（Ｖ３＝Ｖ２−Ｖ１）と、が示されている。また、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１に対し、電源回生の動作しきい値である放電開始電圧６０が定められている。

図６（１）において、直流母線電圧が、上昇している期間６１は減速期間に対応し、その後一定電圧である期間６２は定速期間に対応し、その後下降している期間６３は加速期間に対応している。

図６（２）において、電力貯蔵要素２１では、直流母線電圧が上昇している期間６１の初期におけるタイミング６４にて充電が開始される。充電動作は、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなるまで行われる。図６では、直流母線電圧Ｖ１が一定電圧である期間６２の終端付近のタイミング６５で、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなった場合を示してある。

この場合に、直流母線電圧Ｖ１は、充電終了タイミング６５の後のタイミング６６において、一定電圧から降下するので、Ｖ２＞Ｖ１の状況になる。そうすると、電力貯蔵要素２１から還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａへの自然放電が起こるので、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２も最大充電電圧から降下することになる。このときに、制御回路２３は、チョークコイル４３に電流が流れていることは電流センサ４３ｂからの通知で認識できるが、その電流を遮断できない。つまり、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａに自然放電される電流は、電力貯蔵要素２１と直流母線２とが同電圧になるタイミング６７まで流れ続ける。そして、直流母線電圧Ｖ１が放電開始電圧６０を下回るタイミング６７において、電源回生が開始される。電源回生時のタイミング６７での電力貯蔵要素２１の電圧は、タイミング６６での最大充電電圧から電圧６８だけ低下した電圧であり、図示例では最大充電電圧の約６０％である。電圧６８は、エネルギー損失に相当する。つまり、一般的な昇降圧双方向チョッパ回路を用いた場合、電力貯蔵要素２１の蓄電エネルギーの利用効率がよくないことが解る。

そこで、本実施例では、昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間に回路切断要素５１を設け、未だ電源回生の状況でない充電動作中に、電力貯蔵要素２１の電圧が直流母線２ａ，２ｂの電圧よりも高くなる場合に、制御回路２３により回路切断要素５１を開放制御し、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａ，２ｂへ自然放電が起こるのを防止できるようにした。以下、図７を参照して説明する。

図７は、本実施例による回路切断要素を有する図５に示す昇降圧双方向チョッパ回路により行われる充放電制御動作を説明する波形図である。図７では、図６において（４）回路切断要素５１動作信号が追加されている。“Ｈ”レベルは回路切断要素５１を開放状態に制御する指示を意味し、“Ｌ”レベルは回路切断要素５１を短絡状態に制御する指示を意味している。図７において、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１と等しくなるタイミング６５までは、回路切断要素５１は短絡状態にあるが、制御回路２３は、入力される検出値に基づき、電力貯蔵要素２１の電圧上昇変化率などからＶ２＞Ｖ１となる状況にあると判断すると、タイミング６５において回路切断要素５１を開放状態にする。

その結果、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａへ自然放電される電流の経路が遮断されるので、自然放電の発生が防止される。電力貯蔵要素２１は、放電が起こらないので、電圧Ｖ２を低下させることなくタイミング６５における最大充電電圧に保持する。そして、タイミング６６までは、Ｖ１＝Ｖ２であるが、直流母線電圧Ｖ１は、タイミング６６において降下に転ずるので、図７（３）に示すように、電圧差Ｖ３は、正極性の電圧になり、電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線電圧Ｖ１よりも高電圧に維持される。つまり、タイミング６５における最大充電電圧は、直流母線電圧Ｖ１よりも高電圧である。

その後、直流母線電圧Ｖ１が放電開始電圧６０を下回るタイミング６７において、制御回路２３は、回路切断要素５１を短絡状態に変化させ、電源回生を行うように、昇降圧双方向チョッパ回路２２を制御する。図７（２）に示すように、電力貯蔵要素２１では、タイミング６５における最大充電電圧をタイミング６７まで保持し、その状態で放電が行われる。図６に示す電圧６８のようなエネルギー損失を低減できたので、電源回生時のエネルギー利用効率が向上する。

次に、図８は、図５に示す回路切断要素の開放／短絡の動作判定を行う回路の一例を示す図である。回路切断要素５１の開放／短絡の動作判定を行う回路は、例えば図８に示すように、コンパレータ７０と、論理反転回路７１と、論理積回路７２とで構成することができる。コンパレータ７０は、非反転入力端子（＋）の電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が入力され、反転入力端子（−）に直流母線電圧Ｖ１が入力される。

論理反転回路７１に入力される放電必要信号Ｓ１は、制御回路２３が上記した各種の検出値に基づき生成するもので、“Ｈ”レベルのときは「放電必要」を指し、“Ｌ”レベルのときは「放電不要」を指す。論理反転回路７１の出力は、論理積回路７２の他方の入力端に入力される。

論理積回路７２は、コンパレータ７０の出力および論理反転回路７１の出力が共に“Ｈ”レベルであるときに、出力（回路切断要求信号Ｓ２）を“Ｈ”レベルにし、回路切断要素５１を開放状態に制御させる。

要するに、放電必要信号Ｓ１＝“Ｌ”となっていて電源回生を行う状況ではない場合において、Ｖ２＞Ｖ１の状況となりコンパレータ７０の出力が“Ｈ”レベルであると、論理積回路７２から回路切断要素５１を開放状態に制御させる回路切断要求信号Ｓ２が出力される。そして、電源回生を行う時に、放電必要信号Ｓ１＝“Ｈ”となるので、論理積回路７２から回路切断要素５１を短絡状態に制御させる回路切断要求信号Ｓ２が出力される。

このように、本実施例１によれば、自然放電が発生する状況になると、回路切断要素を開放させるので、電力貯蔵要素２１は、蓄電された直流母線電圧よりも高い電圧を本来の放電開始時まで保持できる。したがって、電力貯蔵要素２１のエネルギー損失の低減が図れるので、電源回生時にエネルギー利用効率を高めることができる。

本実施例２では、内部において直流母線電圧を電力貯蔵要素の電圧よりも低下させてしまう異常が発生した場合、或いは、外部から異常信号が入力された場合に、電力貯蔵要素２１と昇降圧双方向チョッパ回路２２を含むその他の機器との電気的接続を物理的に分離遮断する制御を行う例を示す。以下、図１〜図５を適宜に参照しつつ説明する。

図６にて説明したように、回路切断要素５１を有しない一般的な昇降圧双方向チョッパ回路においては、電力貯蔵要素２１の電圧が直流母線２ａ，２ｂの電圧よりも高いと、電力貯蔵要素２１から還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａへの自然放電が起こる。この自然放電は、例えば直流電源１やインバータ３に直流母線２ａ，２ｂ間を短絡させるような何らかの異常が発生し、直流母線２ａ，２ｂの電圧が電力貯蔵要素２１の電圧以下に低下する場合でも起こる。

この放電電流は止めることができないので、電力貯蔵装置４から直流母線２ａ，２ｂへ大電流が流れ続けることになる。そうすると、昇降圧双方向チョッパ回路２２の破損だけでなく、例えば、電力貯蔵要素２１から故障機器の短絡部位までの配線の焼損、或いは、短絡部位の加熱による近辺回路等の加熱破壊などの破損影響を招来する。

これに対し、図５に示すように、昇降圧双方向チョッパ回路２２と電力貯蔵要素２１との間に、回路切断要素５１を設けてあるので、上記した直流母線２ａ，２ｂ間を短絡させる異常が発生しても、回路切断要素５１を開放させることで、簡単かつ確実に電力貯蔵要素２１と昇降圧双方向チョッパ回路２２を含むその他の機器との電気的接続を物理的に分離遮断することができるので、上記した破損影響を制限できる。

以下、図９と図１０を参照して具体的な制御内容を説明する。図９は、本発明の実施例２として、異常が発生した場合の図５に示す昇降圧双方向チョッパ回路により行われる充放電制御動作を説明する波形図である。図１０は、異常が発生した場合の図５に示す回路切断要素の開放／短絡の動作判定を行う回路の一例を示す図である。

図９では、（１）直流母線２ａ，２ｂの電圧変化と、それに対する（２）電力貯蔵要素２１への充放電動作と、（３）直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１と電力貯蔵要素２１の電圧をＶ２との関係を示す電圧差（Ｖ３＝Ｖ２−Ｗ１）と、（４）異常信号と、（５）回路切断要素５１動作信号と、が示されている。

ここで、図９では、説明の便宜から、（１）直流母線２ａ，２ｂの電圧変化と、（２）電力貯蔵要素２１への充放電動作と、（３）電圧差（Ｖ３＝Ｖ２−Ｗ１）とにおける特性図は、図７と同様であるとしている。つまり、本実施例２では、（４）異常信号と、（５）回路切断要素５１動作信号とについて説明する。

異常信号は、“Ｈ”レベルのときは異常有りを示し、“Ｌ”レベルのときは異常無しを示す。異常信号は、当該交流モータ駆動装置内の監視系が発生する場合と、外部の上位装置から入力される場合とがある。電力貯蔵装置４においても、制御回路２３が電圧センサ４５ａ，４５ｂや電流センサ４６ａ，４６ｂの検出値から、直流母線電圧を電力貯蔵要素の電圧よりも低下させてしまう異常の発生を検出することができる。

図９では、異常信号が“Ｌ”レベルであるときに、図７にて説明したように、タイミング６５において電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２が直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１よりも高くなるが、未だ電源回生の開始タイミングではない。そこで、制御回路２３は、回路切断要素５１動作信号を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに立ち上げて回路切断要素５１を開放状態に制御し、還流ダイオード４２ａを通じて直流母線２ａ，２ｂへ自然放電される電流の発生を防止する。それを電源回生の開始タイミング６７まで継続している過程で、異常信号が“Ｈ”レベルに立ち上がり、それを保持しているので、制御回路２３は、電源回生の開始タイミング６７になっても、回路切断要素５１動作信号を“Ｈ”レベルに保持し続ける。

このように、回路切断要素５１の開放状態は、異常が解除されるまで継続するので、電力貯蔵要素２１では、蓄電されたエネルギーを異常が解除されるまで低下させずに保持できることになる。

次に、図１０では、図８において、論理和回路７５が追加されている。論理和回路７５の一方の入力は、論理積回路７２の出力（回路切断要求信号Ｓ２）であり、他方の入力は異常信号Ｓ６である。論理和回路７５から回路切断信号Ｓ２１が出力される。この構成によれば、異常信号が“Ｌ”レベルである場合は、図７に示した充放電制御が行われ、異常信号が“Ｈ”レベルになると、例えば図９に示した制御が行われる。異常信号が外部から入力される場合は、図７にて説明した自然放電の発生有無とは無関係に、回路切断要素５１は強制的に開放状態に制御される。

以上のように、本実施例２によれば、内部において異常が発生した場合、或いは、外部から異常信号が入力された場合、制御回路２３が回路切断要素５１を開放状態に制御し、電力貯蔵要素２１を昇降圧双方向チョッパ回路から切り離す制御を行うので、電力貯蔵要素２１が接続されていた場合に異常機器へ与える影響を無くすことができ、安全性の高い電力貯蔵装置を搭載する交流モータ駆動装置が得られる。

また、電力貯蔵要素２１は、蓄電されたエネルギーを低下させずに保持することができるため、実施例１と同様に、電力貯蔵要素２１に蓄電したエネルギーを最大限有効利用することができ、交流モータ駆動装置のエネルギー効率の向上が図れる。

なお、実施例１，２では、回路切断要素５１を開放させるか否かの基準を、直流母線２ａ，２ｂの電圧Ｖ１≦電力貯蔵要素２１の電圧Ｖ２として説明してあるが、これに限定されるものではなく、Ｖ１≦Ｖ２の状況が短時間発生しただけでは、回路切断要素５１を開放させないで、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との比較演算結果に一定の不感帯を設け、放電電力が所定値以上のときに回路切断要素５１を開放させるようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかる交流モータ駆動装置は、電源回生時における電力貯蔵要素のエネルギー損失を低減してエネルギーの利用効率を向上でき、かつ、異常発生時に電力貯蔵要素が他の機器に破損を生じさせる破損影響の発生を防止してより安全性の高い電力貯蔵装置を搭載した交流モータ駆動装置として有用である。

１ 直流電源
２ａ，２ｂ 直流母線
３ インバータ
４ 電力貯蔵装置
５ 交流モータ
２１ 電力貯蔵要素
２２ 昇降圧双方向チョッパ回路
２３ 制御回路
３１ ＥＤＬＣ（電気二重層キャパシタ）モジュール
３２ ＥＤＬＣセル
３３ 電圧バランス抵抗器
４１ａ，４１ｂ スイッチング素子
４２ａ，４２ｂ 環流ダイオード
４３ チョークコイル
４４ａ，４４ｂ 平滑コンデンサ
４５ａ，４５ｂ 電圧センサ
４６ａ，４６ｂ 電流センサ
５１ 回路切断要素
７０ コンパレータ
７１ 論理反転回路
７２ 論理積回路
７５ 論理和回路

Claims (3)

1. 直流母線から供給される直流電力を交流モータの駆動に必要な交流電力へ変換するインバータと並列に前記直流母線に接続される電力貯蔵装置を備えた交流モータ駆動装置において、
   前記電力貯蔵装置は、
   直流電力を貯蔵できる電力貯蔵要素と、
   前記直流母線側から前記電力貯蔵要素への充電動作と前記電力貯蔵要素から前記直流母線側への放電動作とが可能な昇降圧双方向チョッパ回路と、
   前記電力貯蔵要素と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間に設けた回路切断要素と、
   前記昇降圧双方向チョッパ回路による充放電動作と、前記回路切断要素による前記電力貯蔵要素と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間の開放・短絡の動作とを制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、
   予め定めた電源回生の動作しきい値と、前記電力貯蔵要素の電圧と、前記直流母線の電圧とを比較し、電源回生不要の場合は前記回路切断要素に短絡動作を行わせて前記電力貯蔵要素への充電を制御し、その過程で、前記電力貯蔵要素の電圧が前記直流母線の電圧を超えるときに、前記回路切断要素に開放動作を行わせ、その状態を前記直流母線の電圧が前記電源回生の動作しきい値に到達するまで保持し、前記直流母線の電圧が前記電源回生の動作しきい値に到達すると前記回路切断要素に短絡動作を行わせて前記電力貯蔵要素からの放電を制御する
   ことを特徴とする交流モータ駆動装置。
2. 直流母線から供給される直流電力を交流モータの駆動に必要な交流電力へ変換するインバータと並列に前記直流母線に接続される電力貯蔵装置を備えた交流モータ駆動装置において、
   前記電力貯蔵装置は、
   直流電力を貯蔵できる電力貯蔵要素と、
   前記直流母線側から前記電力貯蔵要素への充電動作と前記電力貯蔵要素から前記直流母線側への放電動作とが可能な昇降圧双方向チョッパ回路と、
   前記電力貯蔵要素と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間に設けた回路切断要素と、
   前記昇降圧双方向チョッパ回路による充放電動作と、前記回路切断要素による前記電力貯蔵要素と前記昇降圧双方向チョッパ回路との間の開放・短絡の動作とを制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、
   予め定めた電源回生の動作しきい値と、前記電力貯蔵要素の電圧と、前記直流母線の電圧とを比較し、電源回生不要の場合は前記回路切断要素に短絡動作を行わせて前記電力貯蔵要素への充電を制御し、その過程で、前記電力貯蔵要素の電圧が前記直流母線の電圧を超える場合で前記電力貯蔵要素からの放電電力が所定値以上のときに、前記回路切断要素に開放動作を行わせ、その状態を前記直流母線の電圧が前記電源回生の動作しきい値に到達するまで保持し、前記直流母線の電圧が前記電源回生の動作しきい値に到達すると前記回路切断要素に短絡動作を行わせて前記電力貯蔵要素からの放電を制御する
   ことを特徴とする交流モータ駆動装置。
3. 前記制御回路は、
   当該駆動装置内部の監視系が異常判断をした場合、または、装置外部から異常信号が入力された場合、前記回路切断要素に開放動作を行わせ、その状態を当該異常が解除されるまで保持する制御を行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の交流モータ駆動装置。

Images