JP5858309B2 - 電力変換システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
図4において、10は直流電源、20は電流可逆式の昇圧コンバータ(DC/DCコンバータ)、21,22は半導体スイッチ、23はリアクトル、30はコンデンサ、40は三相電圧形インバータ、41〜46は半導体スイッチ、50は交流電動機である。なお、図4にカッコ書きしてあるように、各半導体スイッチ21,22,41〜46は、IGBT等の半導体スイッチング素子と、これに逆並列に接続された還流ダイオードとによって構成されている。
図4に示した従来技術は、例えば特許文献1に記載されている。
図5において、交流電動機50の中性点(固定子巻線の中性点)50aと負側直流母線との間には直流電源10が接続されており、その他の構成部品には図4と同一の番号を付してある。
図5に示した従来技術は、例えば特許文献2に記載されている。
図6において、70は昇降圧チョッパとして動作するDC/DCコンバータ、71〜74は半導体スイッチ、75はリアクトルであり、半導体スイッチ71,72の直列回路は直流電源10及びコンデンサ31に並列に接続され、半導体スイッチ73,74の直列回路はコンデンサ32及びインバータ40に並列に接続されている。11,62は電圧検出器、61は電流検出器、80は制御回路である。
図6とほぼ同様の回路は、非特許文献1にも記載されている。
また、図5の従来技術では、交流電動機50を駆動するインバータ40のスイッチング動作の中でインバータ40を適宜スイッチングすることにより零相コンバータとして動作させているため、交流電動機50の運転中は常に昇圧動作が行われることになり、これによってインバータ40及び交流電動機50における損失が大きくなるという問題がある。
更に、図5の従来技術において、インバータ40の上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチのオンデューティを調整すれば、交流電動機50の回転速度に応じてインバータ40の直流電圧(コンデンサ30の電圧)を制御することができ、例えば、交流電動機50の高速回転時にインバータ40の直流電圧を直流電源10の電圧よりも高い値に制御することが可能であるが、この直流電圧、ひいてはインバータ40の交流出力電圧の自由度は概して低いものであった。
ここで、請求項2に記載するように、前記インバータの正負の直流端子と前記第1の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち一方の両極同士のみを開閉スイッチにより接続し、他方の両極同士を直接接続しても良い。
あるいは、請求項3に記載するように、前記インバータの正負の直流端子と前記第1の上下アーム部の正負の端子との両極同士をそれぞれ開閉スイッチにより接続し、一方の開閉スイッチを常にオン状態にすると共に、他方の開閉スイッチをオン・オフ動作させても良い。
また、請求項5に記載するように、前記負荷としては交流電動機を接続し、この交流電動機の漏れインダクタンスを昇圧用のインダクタンスとして利用することが望ましい。
また、請求項7に記載するように、請求項2における開閉スイッチをオフし、かつ、インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第3,第4の半導体スイッチの直列回路からなる第2の上下アーム部を構成すると共に、第1,第2の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第1の上下アーム部,第2の上下アーム部及び負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、蓄電装置を充放電させることもできる。
あるいは、請求項8に記載するように、請求項3における一方の開閉スイッチを常にオンさせた状態で他方の開閉スイッチをオフし、かつ、インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第3,第4の半導体スイッチの直列回路からなる第2の上下アーム部を構成すると共に、第1,第2の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第1の上下アーム部,第2の上下アーム部及び負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、蓄電装置を充放電させることもできる。
更に、インバータの直流電圧の自由度を高めることにより、例えば負荷が交流電動機である場合、高速回転時にインバータの直流電圧を高めることが可能であるため、電動機を高電圧仕様として電流を減少させ、電動機に電力を供給するケーブルの細径化、接続端子の小型化等を図ることができる。
図1は、本発明の実施形態を示す回路図である。図1において、蓄電装置としてのコンデンサ30の両端には、半導体スイッチ41〜46からなる三相電圧形インバータ40の正負の直流端子が接続され、インバータ40の各交流端子には三相の交流電動機50が接続されている。
また、上下アーム部90の正極端子(直流電源10の正極)は、双方向性の半導体スイッチまたは機械的スイッチからなる開閉スイッチ100を介してインバータ40の一方の直流端子(正極端子)に接続され、上下アーム部90の負極端子(直流電源10の負極)はインバータ40の他方の直流端子(負極端子)に直接接続されて同電位に保たれている。
なお、開閉スイッチ100を上下アーム部90の負極端子とインバータ40の負極端子との間に接続し、上下アーム部90の正極端子とインバータ40の正極端子とを直接接続して同電位に保っても良い。
また、図示しないが、上下アーム部90の正極端子とインバータの正極端子との間、及び、上下アーム部90の負極端子とインバータの負極端子との間に、開閉スイッチをそれぞれ接続しても良い。この場合、電力変換システムの運転中は、後述する動作により一方の開閉スイッチ(この実施形態の開閉スイッチ100に相当)をオンまたはオフさせると共に他方の開閉スイッチを常にオン状態として当該開閉スイッチの両端を同電位に保ち、電力変換システムの停止時には当該開閉スイッチをオフさせればよい。
上記構成において、半導体スイッチ41〜46,91,92は、図1にカッコ書きしてあるように、IGBT等の半導体スイッチング素子と、これに逆並列に接続された還流ダイオードとによって構成されている。
図1の開閉スイッチ100をオンして上下アーム部90の半導体スイッチ91,92をオフすると、インバータ40の直流回路には直流電源10及びコンデンサ30が並列に接続されることになり、回路全体として通常の三相電圧形インバータからなる交流電動機駆動システムが構成される。このため、インバータ40は、制御回路(図示せず)から与えられる所定の電圧指令に従ってPWM制御等を行い、半導体スイッチ41〜46をオン・オフすることにより、直流電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機50に供給する。
図1に示した回路構成のもとでは、図2における半導体スイッチ47,48同士の接続点は、交流電動機50の漏れインダクタンス(零相インダクタンス)51を介して上下アーム部90の半導体スイッチ91,92同士の接続点に接続されることとなり、これらの上下アーム部40A,90及び漏れインダクタンス51によって昇降圧コンバータ70Aが構成される。
これらの公知文献から明らかなように、図1のインバータ40を構成する半導体スイッチ41〜46に対して正相分電圧指令と零相分電圧指令とを合成して与えた場合、まず正相分電圧指令に応じた通常のインバータ動作により、コンデンサ30の電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機50に印加することができる。
また、零相分電圧指令に応じてインバータ40の零相電圧を制御し、等価的に構成される零相コンバータとしての上下アーム部40Aと、他方の上下アーム部90とのスイッチング動作により、直流電源10とコンデンサ30との間で零相電力を授受させて昇降圧動作を行うことができる。例えば、零相分電圧指令により図1のインバータ40の下アームの半導体スイッチ42,44,46を同時にオン(図2の半導体スイッチ48をオン)させて上下アーム部90の半導体スイッチ91をオンさせれば、漏れインダクタンス51に直流電源10からエネルギーが蓄積される。次に、図1のインバータ40の下アームの半導体スイッチ42,44,46を同時にオフ(図2の半導体スイッチ48をオフ)させると共に半導体スイッチ91をオフさせれば、漏れインダクタンス51の蓄積エネルギーが半導体スイッチ41,43,45(図2の半導体スイッチ47)の還流ダイオード及び半導体スイッチ92の還流ダイオードを介してコンデンサ30に供給されるので、コンデンサ30を充電することができる。なお、半導体スイッチ42,44,46を同時にオフする際には、半導体スイッチ91をオン状態のまま維持してもよい。
同時に、前述した如く、昇降圧コンバータ70Aを昇降圧チョッパとして動作させるため、インバータ40の直流電圧の自由度が大きく、所望の大きさの交流電圧を出力させて交流電動機50を駆動することができる。
図3によれば、電動機の高速域ほど電流が少なくて済み、言い換えれば、予め設定された発熱量に対して中性点電流(零相電流)を流せる余地が大きいため、本実施形態では、トルクがそれほど必要とされない高速域において昇圧動作させるような場合に好適である。
交流電動機の端子電圧は、一般に回転速度の上昇に伴って上昇するため、昇圧動作を行わせることができれば、それに合わせて電動機の端子電圧を高電圧に設計することができる。その結果として電動機を流れる電流が抑制され、電動機に電力を供給するケーブルの細径化、接続端子や半導体素子の小型化,容量低減により装置全体の小型軽量化、低コスト化に寄与することができる。
30:コンデンサ
40:インバータ
40A:第2の上下アーム部
41〜48:半導体スイッチ
50:交流電動機
50a:中性点
70A:昇降圧コンバータ
90:第1の上下アーム部
91,92:半導体スイッチ
100:開閉スイッチ
Claims (10)
- 直流電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄電装置が正負の直流端子間に接続され、複数の交流端子間にインダクタンスを有する負荷が接続されたインバータと、
第1,第2の半導体スイッチを直列に接続して構成され、前記第1,第2の半導体スイッチ同士の接続点が前記負荷の中性点に接続される第1の上下アーム部と、
前記第1の上下アーム部に並列に接続された直流電源と、
を備え、
前記インバータの正負の直流端子と前記第1の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち少なくとも一方の両極同士を開閉スイッチにより接続し、他方の同極同士を同電位としたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1に記載した電力変換システムにおいて、
前記インバータの正負の直流端子と前記第1の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち一方の両極同士のみを開閉スイッチにより接続し、他方の両極同士を直接接続したことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1に記載した電力変換システムにおいて、
前記インバータの正負の直流端子と前記第1の上下アーム部の正負の端子との両極同士をそれぞれ開閉スイッチにより接続したことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1に記載した電力変換システムにおいて、
前記インバータを構成する半導体スイッチ、及び、前記第1の上下アーム部を構成する前記第1,第2の半導体スイッチが、半導体スイッチング素子とこれに逆並列接続された還流ダイオードとによってそれぞれ構成されていることを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1に記載した電力変換システムにおいて、
前記負荷が交流電動機であり、前記負荷が有するインダクタンスが前記交流電動機の漏れインダクタンスであることを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記開閉スイッチをオンし、かつ、前記第1,第2の半導体スイッチをオフした状態で、前記インバータを構成する複数の半導体スイッチをスイッチングすることにより、前記インバータから交流電圧を出力して前記負荷を駆動することを特徴とする電力変換システムの制御方法。 - 請求項2に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記開閉スイッチをオフし、かつ、前記インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第3,第4の半導体スイッチの直列回路からなる第2の上下アーム部を構成すると共に、前記第1,第2の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第1の上下アーム部,第2の上下アーム部及び前記負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、前記蓄電装置を充放電することを特徴とする電力変換システムの制御方法。 - 請求項3に記載した電力変換システムの制御方法において、
一方の開閉スイッチを常にオンさせた状態で他方の開閉スイッチをオフし、かつ、前記インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第3,第4の半導体スイッチの直列回路からなる第2の上下アーム部を構成すると共に、前記第1,第2の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第1の上下アーム部,第2の上下アーム部及び前記負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、前記蓄電装置を充放電することを特徴とする電力変換システムの制御方法。 - 請求項6に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記第2の上下アーム部による昇降圧動作を行うための前記インバータのスイッチングパターンが、前記インバータにより交流電圧を出力して前記負荷を駆動するためのスイッチングパターンの一部を構成していることを特徴とする電力変換システムの制御方法。 - 請求項7または8に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記第2の上下アーム部による昇降圧動作を行うための前記インバータのスイッチングパターンが、前記インバータにより交流電圧を出力して前記負荷を駆動するためのスイッチングパターンの一部を構成していることを特徴とする電力変換システムの制御方法。
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