JP7213166B2 - 電力変換装置およびプレス装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置およびプレス装置に関し、例えば、倍電圧整流回路を含む電力変換装置、および当該電力変換装置を含むプレス装置に関する。
特許文献1には、整流回路、インダクタ、直列接続された2個のスイッチング素子、直列接続された2個のDCリンクコンデンサ、および逆流防止用のダイオードを備え、全波整流モードと倍電圧整流モードとを切り替え可能な倍電圧整流回路が示される。倍電圧整流モードでは、全波整流モードの略2倍の直流電圧が出力される。当該回路では、全波整流モードから倍電圧整流モードへ切り替える際に、DCリンクコンデンサに急激に電荷が貯まるため、スイッチング素子等に過大な突入電流が流れる恐れがある。そこで、当該回路では、インダクタに流れる電流を検出する電流検出部と、当該電流が所定の範囲内となるようにスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とが設けられる。
特開2018-174642号公報
例えば、直流電圧(直流電力)を交流電圧(交流電力)へ変換する電力変換装置は、モータの可変速制御等を目的として広く使用されている。このような電力変換装置は、一般的に、商用電源(200Vの三相交流電圧等)を直流電圧に変換する整流回路と、当該直流電圧を受けて任意の電圧や周波数をもつ三相交流電圧を出力するインバータ回路とを備える。整流回路は、商用電源からの三相交流電圧を全波整流する全波整流回路である場合が多い。この場合、整流回路から出力される直流電圧は、整流回路に入力される各線間電圧実効値の略√2倍となる。
一般的に、インバータ回路の出力電圧の上限は、入力される直流電圧によって定まる。このため、インバータ回路は、入力される直流電圧の大きさによっては、モータを高速回転させるために必要な電圧を十分に生成できない場合がある。具体的には、モータの回転速度が上昇すると、誘起電圧は高くなり、逆に駆動電流(ひいてはトルク)は低下する。このため、モータを高速回転させつつ必要なトルクを確保するためには、インバータ回路に対して、より高い直流電圧を入力する必要がある。
このような課題に対して、例えば、特許文献1に示されるように、全波整流モードと、その略2倍の直流電圧を出力する倍電圧整流モードとを切り替え可能な倍電圧整流回路を用いることが考えられる。さらに、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替えに伴う過電流を防止するため、特許文献1に示されるような電流検出部およびスイッチング制御部を設けることが考えられる。
しかし、例えば、このようなモード切り替えの際に、モータから倍電圧整流回路への回生電力が生じた場合、特許文献1の方式では、過電流を防止できない恐れがある。具体的には、回路電力に伴う回生電流は、DCリンクコンデンサに流れるが、インダクタには流れない。このため、インダクタに流れる電流を所定の範囲内に制限した場合であっても、DCリンクコンデンサに流れる電流を制限できるとは限らず、DCリンクコンデンサに過電流が生じ得る。一般的に使用される電解コンデンサでは、電流リプルによってその寿命が決まるため、過電流によって寿命が低下する恐れがある。
本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、DCリンクコンデンサに対する過電流を防止可能な電力変換装置およびプレス装置を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明の代表的な実施の形態による電力変換装置は、倍電圧整流回路を含む。倍電圧整流回路は、整流回路と、DCリンクコンデンサと、スイッチング素子と、第1および第2の電流検出回路と、制御回路とを有する。整流回路は、入力された交流電圧を整流することで直流電圧に変換する。DCリンクコンデンサは、出力ノード対の間に直列接続される第1および第2のコンデンサを含み、出力ノード対の出力電圧として、第2の整流モード時に第1の整流モード時の略2倍の直流電圧を保持する。スイッチング素子は、第2の整流モード時に、第1のコンデンサおよび第2のコンデンサが個々に充電されるように、第1のコンデンサと第2のコンデンサの共通接続ノードを所定のノードに接続する。第1の電流検出回路は、スイッチング素子に流れるスイッチ電流を検出し、第2の電流検出回路は、出力ノード対に接続される負荷の負荷電流を検出する。制御回路は、第1の整流モードから第2の整流モードへのモード切り替え期間において、スイッチ電流および負荷電流に基づいてスイッチング素子をスイッチング制御する。
本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すると、倍電圧整流回路を含む電力変換装置において、DCリンクコンデンサに対する過電流を防止することが可能になる。
本発明の実施の形態1による電力変換装置周りの構成例を示す回路図である。 図1において、倍電圧整流回路内の制御回路の主要部の構成例を示すブロック図である。 図2におけるゲート信号生成器の処理内容の一例を示すフロー図である。 図1および図2において、倍電圧整流回路の動作例を示す波形図である。 本発明の実施の形態2によるプレス装置の構成例を示す概略図である。 図5Aのプレス装置における制御動作の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態3による電力変換装置において、図1の倍電圧整流回路における制御回路の主要部の構成例を示すブロック図である。 図6におけるゲート信号生成器の処理内容の一例を示すフロー図である。 図6の制御回路が行う制御動作の一例を示すタイムチャートである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
《電力変換装置の構成》
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置周りの構成例を示す回路図である。図1には、三相交流電源11と、倍電圧整流回路12と、上位制御回路13と、インバータ回路(例えば三相インバータ回路)14と、負荷(例えば三相モータ)15とが示される。この内、倍電圧整流回路12およびインバータ回路14は、電力変換装置10を構成する。倍電圧整流回路12は、全波整流モードまたは倍電圧整流モードのいずれか一方で選択的に動作し、倍電圧整流モード時には全波整流モード時と比べて略2倍の出力電圧Voを出力する。
倍電圧整流回路12は、整流回路101と、DCリンクコンデンサ102と、ハーフブリッジ回路(スイッチング回路)103と、インダクタ104と、電圧センサ(電圧検出回路)106,109と、電流センサ(電流検出回路)107,108と、制御回路(スイッチング制御回路)110とを備える。整流回路101は、三相交流電源11から入力された交流電圧(ここでは三相交流電圧)Vu,Vv,Vwを整流することで直流電圧に変換する。具体的には、整流回路101は、ここでは、2個のダイオードブリッジ101a,101bを備える。
ダイオードブリッジ101aは、単独で動作する場合には、各相の上アームダイオードDhおよび下アームダイオードDlによって三相交流電圧(Vu,Vv,Vw)を全波整流し、DCリンクコンデンサ102を全波整流電圧に充電する。ダイオードブリッジ101bは後述のように、ダイオードブリッジ101aのいずれかの相の上アームダイオードDhもしくは下アームダイオードDlとダイオードブリッジ101bのいずれかの相の下アームダイオードDlもしくは上アームダイオードDhが導通することで、DCリンクコンデンサ102を倍電圧整流電圧(全波整流電圧の略2倍)に充電する。
DCリンクコンデンサ102は、ダイオードブリッジ101aの出力ノード対(Np1,Nn1)の間に直列接続される2個のコンデンサ102a,102bを備える。DCリンクコンデンサ102は、全波整流モード時には、出力ノード対(Np1,Nn1)の出力電圧Voとして、ダイオードブリッジ101aからの直流電圧を保持する。一方、DCリンクコンデンサ102は、倍電圧整流モード時には、出力電圧Voとして、後述するハーフブリッジ回路103を介して全波整流モード時の略2倍の直流電圧を保持する。
ハーフブリッジ回路103は、倍電圧整流モード時に、DCリンクコンデンサ102内の2個のコンデンサ102a,102bが個々に全波整流電圧まで充電されるように、2個のコンデンサ102a,102bの共通接続ノードNcを所定のノードに接続する。この例では、ハーフブリッジ回路103は、ダイオードブリッジ101bの出力ノード対(Np2,Nn2)の間に直列接続される2個のスイッチング素子SW1,SW2を有する。
スイッチング素子SW1は、2個のコンデンサ102a,102bの共通接続ノードNcをダイオードブリッジ101bの出力ノード対の一方(Np2)にインダクタ104を介して接続する。一方、スイッチング素子SW2は、当該共通接続ノードNcをダイオードブリッジ101bの出力ノード対の他方(Nn2)にインダクタ104を介して接続する。
これにより、スイッチング素子SW1がオンに制御された際には、ダイオードブリッジ101bの高電位側の出力ノードNp2と、ダイオードブリッジ101aの低電位側の出力ノードNn1との間で、インダクタ104を介したコンデンサ102bの充電経路が形成される。一方、スイッチング素子SW2がオンに制御された際には、ダイオードブリッジ101aの高電位側の出力ノードNp1と、ダイオードブリッジ101bの低電位側の出力ノードNn2との間で、インダクタ104を介したコンデンサ102aの充電経路が形成される。その結果、コンデンサ102a,102bの各々が三相交流電圧の線間電圧の振幅近傍まで充電され、出力電圧Voは、全波整流モード時の略2倍となる。
ここで、インダクタ104を設けることによる効果を述べる。例えば、DCリンクコンデンサ102の電圧が全波整流電圧となっている場合において、スイッチング素子SW2がオン(スイッチング素子SW1がオフ)した際、インダクタ104が設けられない場合、コンデンサ102aには充電電圧(全波整流電圧のおよそ1/2)のおよそ2倍の電圧が印加されるため、コンデンサ102aに突入電流が流れてしまう。ここで、インダクタ104を設けることにより、電流の変化率を小さくでき、コンデンサ102aへの突入電流を抑制できる。コンデンサ102bについても同様である。
電圧センサ106は、三相交流電源11からの三相交流電圧Vu,Vv,Vwを検出し、その検出値Vu’,Vv’,Vw’を信号線113を介して制御回路110へ出力する。電圧センサ109は、倍電圧整流回路12の出力ノード対(すなわち、DCリンクコンデンサ102が接続される出力ノード対(Np1,Nn1))の出力電圧Voを検出し、その検出値Vo’を信号線116を介して制御回路110へ出力する。
電流センサ107は、インダクタ104に流れるインダクタ電流ILを検出することで、スイッチング素子SW1,SW2に流れるスイッチ電流を検出し、その検出値IL’を信号線114を介して制御回路110へ出力する。電流センサ108は、倍電圧整流回路12の出力ノード対(Np1,Nn1)にインバータ回路14を介して接続される負荷15の負荷電流Ildを検出し、その検出値Ild’を信号線115を介して制御回路110へ出力する。
この例では、電流センサ108は、インバータ回路14の低電位側の入力ノードに設置されるが、これに限らず、負荷電流Ildを検出できる箇所に設置されればよい。すなわち、電流センサ108の設置箇所は、例えば、インバータ回路14の高電位側の入力ノードや、または、インバータ回路14の内部や、あるいは、負荷(三相モータ)15の駆動ノードNmt等であってもよい。
なお、電圧センサ(電圧検出回路)106,109は、例えば、所定の電圧レンジ内で検出対象の電圧に比例するアナログ電圧を出力する分圧抵抗等を含み、加えて、当該アナログ電圧をディジタル値に変換するアナログディジタル変換器等を含んでもよい。電流センサ(電流検出回路)107,108は、例えば、検出対象の電流に比例するアナログ電圧を出力するカレントトランスまたは電流検出用抵抗等を含み、加えて、当該アナログ電圧をディジタル値に変換するアナログディジタル変換器等を含んでもよい。
制御回路(スイッチング制御回路)110は、入力された各検出値Vu’,Vv’,Vw’,Vo’,IL’,Ild’と、入力されたモード切り替え信号MDとに基づいて、信号線117を介してハーフブリッジ回路103内のスイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。モード切り替え信号MDは、全波整流モードか倍電圧整流モードかを選択する信号である。
具体的には、制御回路110は、倍電圧整流モード時に、三相交流電圧Vu,Vv,Vwにおける各相の電圧関係に基づいてハーフブリッジ回路103(スイッチング素子SW1,SW2)をスイッチング制御(ターンオン/ターンオフ)する。さらに、制御回路110は、特に全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替え期間において、インダクタ電流(スイッチ電流)ILおよび負荷電流Ild(厳密には、その各検出値IL’,Ild’)に基づいてスイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。具体的には、制御回路110は、必要に応じてスイッチング素子SW1,SW2を両方共にオフにする。なお、制御回路110は、全波整流モード時には、各スイッチング素子SW1,SW2をオフに固定する。
ここで、制御回路110は、代表的には、マイクロコントローラ(マイコン)等で構成される。この場合、例えば、電圧センサ106,109および電流センサ108内のアナログディジタル変換器等は、マイコン内に実装可能である。ただし、制御回路110は、マイコンに限らず、一部または全てが、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等で構成されてもよい。すなわち、制御回路110は、ソフトウェア、またはハードウェア、あるいは、その組み合わせで適宜構成されればよい。
スイッチング素子SW1,SW2は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)や、あるいはサイリスタ等によって構成される。各信号線113~117は、有線に限らず、無線であってもよい。また、電圧センサ106は、この例では、三相交流電圧Vu,Vv,Vwを検出したが、これに限らず、例えば、各相の線間電圧等を検出してもよい。
インバータ回路(三相インバータ回路)14は、広く知られているように、三相の出力ノード(駆動ノードNmt)と高電位側の電源入力ノード(Np1)との間にそれぞれ接続される上段スイッチング素子と、三相の出力ノードと低電位側の電源入力ノード(Nn1)との間にそれぞれ接続される下段スイッチング素子とを備える。これによって、インバータ回路14は、倍電圧整流回路12からの出力電圧Voを任意の電圧や周波数を有する交流電圧(三相交流電圧)に変換し、当該交流電圧で負荷(例えば三相サーボモータ等)15を制御する。
上位制御回路13は、負荷(例えば三相サーボモータ等)15の動作シーケンス等を制御し、当該動作シーケンス等に基づいて、倍電圧整流回路12へ信号線131を介してモード切り替え信号MDを出力する。また、上位制御回路13は、例えば、インバータ回路14のPWM(Pulse Width Modulation)制御等も行う。上位制御回路13も、代表的には、マイコン等で構成される。
《制御回路の詳細》
図2は、図1において、倍電圧整流回路内の制御回路の主要部の構成例を示すブロック図である。図3は、図2におけるゲート信号生成器の処理内容の一例を示すフロー図である。図2の制御回路110A(110)は、概略的には、インダクタ電流(スイッチ電流)IL(厳密にはその検出値IL’)と、力行方向または回生方向の負荷電流Ild(厳密にはその検出値Ild’)とに基づいてDCリンクコンデンサ102に流れるコンデンサ電流Icpを算出する。そして、制御回路110Aは、算出したコンデンサ電流Icpが所定の上限値Ilmtを超えないように、ゲート信号G1,G2を介してスイッチング素子SW1,SW2を制御する。
具体的には、制御回路110A(110)は、線間電圧演算器201と、線間電圧比較器202と、ゲート信号生成器(スイッチング信号生成器)203Aと、加算器204と、電流比較器205とを備える。これらの各部は、例えば、マイコン内のCPU(Central Processing Unit)を用いたプログラム処理等によって実装される。
線間電圧演算器201は、入力された三相交流電圧の検出値Vu’,Vv’,Vw’から、UV相の線間電圧Vuv,VW相の線間電圧Vvw、およびWU相の線間電圧Vwuの値を算出する。線間電圧比較器202は、各線間電圧Vuv,Vvw,Vwuの絶対値を比較し、線間電圧が最大となる相を選定する。そして、線間電圧比較器202は、線間電圧が最大となる相が他相へ遷移するタイミングで、相遷移信号Sswを出力する。具体的には、線間電圧が最大となる相は、通常、三相交流電圧Vu,Vv,Vwにおける60°の周期毎に遷移し、これに伴い、相遷移信号Sswは、当該60°の周期毎に出力される。
加算器204は、入力されたインダクタ電流(スイッチ電流)の検出値IL’と負荷電流の検出値Ild’とを加算(詳細には、検出値Ild’の逆極性を加算)することで、DCリンクコンデンサ102に流れるコンデンサ電流Icpの値を算出する。この例では、負荷電流の検出値Ild’は、力行時には正極となり、回生時には負極となる。その結果、コンデンサ電流Icpの値は、力行時には低くなり、回生時には高くなる。電流比較器205は、加算器204で算出されたコンデンサ電流Icpの値と、予め設定された上限値Ilmtとを比較する。そして、電流比較器205は、コンデンサ電流Icpの値が上限値Ilmtに達した場合に、ターンオフ信号Soffを出力(アサート)する。
ゲート信号生成器(スイッチング信号生成器)203Aは、例えば、図3に示されるような処理フローを所定の制御周期毎に繰り返し実行する。所定の制御周期は、三相交流電圧における60°の周期よりも十分に短い期間(例えば、一桁以上短い期間等)に設定される。図3において、ゲート信号生成器203Aは、モード切り替え信号MDによって全波整流モードと倍電圧整流モードのいずれが選択されているかを判別する(ステップS101)。ゲート信号生成器203Aは、ステップS101で全波整流モードが選択されている場合、ゲート信号G1,G2を介してスイッチング素子SW1,SW2をオフに固定し、処理を終了する(ステップS102)。
一方、ゲート信号生成器203Aは、ステップS101で倍電圧整流モードが選択されている場合、ターンオフ信号Soffが出力されているか否か(アサートレベルか否か)を判定する(ステップS103)。ステップS103でターンオフ信号Soffが出力されている場合、ゲート信号生成器203Aは、ステップS102においてスイッチング素子SW1,SW2をオフに固定する。ステップS103でターンオフ信号Soffが出力されていない場合(ネゲートレベルの場合)、ゲート信号生成器203Aは、相遷移信号Sswを受信したか否かを判定する(ステップS104)。
ゲート信号生成器203Aは、ステップS104で相遷移信号Sswを受信した場合、ゲート信号G1,G2を介して所定のスイッチング素子SW1,SW2をターンオン/ターンオフし、処理を終了する(ステップS105)。具体的には、ゲート信号生成器203Aは、例えば、相遷移信号Sswに応じて、三相交流電圧Vu,Vv,Vwにおける60°の周期毎にスイッチング素子SW1,SW2を交互(相補的)にターンオン/ターンオフする。一方、ゲート信号生成器203Aは、ステップS104で相遷移信号Sswを受信していない場合、処理を終了する。
ここで、具体例として、ある制御周期において、相遷移信号Sswに応じて、所定のスイッチング素子(SW1またはSW2)がターンオンされた場合を想定する(ステップS104,S105)。当該スイッチング素子は、その後の制御周期において、次の相遷移信号Sswを受信した場合にはターンオフされる(ステップS104,S105)。ただし、当該スイッチング素子は、次の相遷移信号Sswを受信する前であっても、ターンオフ信号Soffが出力された場合(コンデンサ電流Icpが上限値Ilmtに達した場合)には、強制的にターンオフされる(ステップS103,S102)。
このようにして、図2の制御回路110Aは、コンデンサ電流Icpが所定の上限値Ilmtを超えないように、各スイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。これにより、倍電圧整流モード(特に、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替え期間)において、DCリンクコンデンサ102に負荷15からの回生電力に伴う回生電流(すなわち充電電流)が流れる場合であっても、DCリンクコンデンサ102に対する過電流を防止できる。
なお、図1における倍電圧整流回路12の回路方式(回路トポロジ)は、様々なものが知られており、図2に示したような、インダクタ電流(スイッチ電流)ILおよび負荷電流ILに基づく制御方式は、それらの各回路方式に対しても同様に適用可能である。例えば、図1では整流回路101として、三相交流電圧を全波整流することで直流電圧に変換するダイオードブリッジ(言い換えれば全波整流回路)101a,101bを用いた。ただし、例えば、全波整流回路の代わりに半波整流回路を用いたり、三相の代わりに単相を用いる等、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路であれば様々なものに代替え可能である。
また、図1では、2個のダイオードブリッジ101a,101bを備える整流回路101を用いる前提で、DCリンクコンデンサ102の共通接続ノードNcは、ハーフブリッジ回路103を介して2個のダイオードブリッジの一方(101b)に接続された。ただし、共通接続ノードNcの接続先は、倍電圧整流回路の回路方式に応じて適宜変更可能である。例えば、特許文献1に示されるように、1個のダイオードブリッジからなる整流回路を用いる場合、共通接続ノードNcの接続先は、ハーフブリッジ回路を介して当該ダイオードブリッジの出力ノード対であってもよい。
ただし、図1の回路方式を用いることで、例えば、特許文献1の回路方式を用いる場合と比較して、次にような効果が得られる。
特許文献1の回路方式では、1個のダイオードブリッジで全波整流モードと倍電圧整流モードの切り替えを可能にするため、当該ダイオードブリッジからDCリンクコンデンサへの電流経路内に、インダクタや逆流防止用のダイオードといった付加回路が設けられる。この付加回路には、全波整流モード時にも電流が流れるため、全波整流モードでは本来生じる必要がない損失が生じてしまう。一方、図1の回路方式では、全波整流モード時には、このような付加回路を含まない本来の全波整流回路(ダイオードブリッジ101aおよびDCリンクコンデンサ102からなる回路)が形成されるため、特許文献1の場合のような損失は生じない。
《倍電圧整流回路の動作》
図4は、図1および図2において、倍電圧整流回路の動作例を示す波形図である。図4には、負荷電流Ildと、ゲート信号G1,G2と、コンデンサ電流Icpと、スイッチング素子SW2のスイッチ電流Isw2(インダクタ電流IL)と、出力電圧Voの各波形とが示される。負荷電流Ildに関しては、説明の簡素化のため、例えばインバータ回路14のPWM制御に伴う高周波成分を無視した模式的な波形が示される。また、この例では、コンデンサ電流Icpは、スイッチング素子SW2に対応するコンデンサ102aに流れる電流を表す。
期間T1では、倍電圧整流回路12は、全波整流モードで動作しており、インバータ回路14は、負荷15に電力を供給する力行動作を行っている。このため、負荷電流Ildは正(図1に示すIldの矢印方向)に流れている。また、全波整流モードであるため、ハーフブリッジ回路103のスイッチング動作は、停止状態である。したがって、ゲート信号G1,G2は、オフレベル(ここでは‘L’レベル)であり、スイッチ電流Isw2は、ゼロである。コンデンサ電流Icpは、ダイオードブリッジ101aで全波整流された電流であり、出力電圧Voとして全波整流電圧を維持するのに必要な電流である。
次いで、時刻t12において、倍電圧整流回路12は、モード切り替え信号MDに応じて、全波整流モードから倍電圧整流モードへ切り替わる。この例では、この切り替え直後の期間T2において、負荷15からの回生電力が生じている。すなわち、期間T2では、負荷15からインバータ回路14を介してDCリンクコンデンサ102へ回生電流が流れており、これに伴い、負荷電流Ildは負極となる。
また、期間T2では、倍電圧整流モードへの切り替えに伴い、ハーフブリッジ回路103のスイッチング制御が行われる。具体的には、スイッチング素子SW1,SW2のゲート信号G1,G2が交互に出力される。これに伴い、スイッチ電流Isw2が流れ、コンデンサ電流Icpは、スイッチ電流Isw2と負荷電流(回生電流)Ildの合成電流となる。この際、スイッチ電流Isw2と負荷電流Ildは、共に、コンデンサ102aを充電する方向に流れるため、コンデンサ電流Icpは、スイッチ電流Isw2よりも大きくなる。
ここで、図2に示したように、コンデンサ電流Icpには、上限値Ilmtが設定されている。図2の制御回路110Aは、図4に示されるように、コンデンサ電流Icpが上限値Ilmtに達した場合、スイッチ電流Isw2が上限値Ilmt未満であっても、ゲート信号G2を強制的にオフレベル(‘L’レベル)に制御することでスイッチング素子SW2をターンオフする。これによって、コンデンサ102a(コンデンサ102bも同様)に対する過電流を防止することが可能になる。その上で、期間T2では、上限値Ilmt内のコンデンサ電流IcpでDCリンクコンデンサ102が充電されるため、出力電圧Voは、期間T1における全波整流電圧から徐々に上昇する。
続いて、時刻t23において、負荷15からの回生電力が生じなくなり、回生の期間である期間T2から力行の期間である期間T3へ移行する。期間T3では、負荷電流Ildは、力行に伴い再び正極となる。期間T3において、スイッチング素子SW1,SW2は、DCリンクコンデンサ102に対し、倍電圧化(昇圧)に伴う電流に加えて、力行に伴う電流を供給する必要がある。このため、図4に示されるように、スイッチ電流Isw2は、期間T1の場合と比べて“ΔI”上昇する。その結果、期間T3においてもDCリンクコンデンサ102に対する過電流が生じ得る。
そこで、図2の制御回路110Aは、期間T3においても、期間T2の場合と同様に、コンデンサ電流Icpが上限値Ilmtを超えないように、各スイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。これによって、コンデンサ102a,102bに対する過電流を防止することが可能になる。また、期間T3では、期間T2の場合と異なり負荷15に負荷電流Ildを供給する必要があるため、出力電圧Voの上昇速度は、期間T2の場合よりも低下する。
次いで、時刻t34において、出力電圧Voは倍電圧(全波整流電圧の略2倍の電圧)に到達し、定常期間である期間T4へ移行する。この場合、期間T2,T3は、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替え期間(言い換えれば、全波整流電圧から倍電圧への昇圧期間)となる。期間T4では、昇圧が完了しているため、DCリンクコンデンサ102には、負荷電流Ildに応じた電流が流れる。このため、期間T4では、コンデンサ電流Icpは、期間T3の場合と比較して低下し、通常であれば、上限値Ilmtに達することはない。その結果、ゲート信号G1,G2は、図4に示されるように、強制的にターンオフされることなく、図2の相遷移信号Sswに応じて定期的に切り替わる。
このように、図2の制御回路110Aは、上限値Ilmtを用いたスイッチング制御を、少なくともモード切り替え期間(期間T2,T3)で有効化すればよい。ただし、実装上は、制御回路110Aは、上限値Ilmtを用いたスイッチング制御を、期間T4を含めた倍電圧整流モードの選択期間(期間T2~T4)で有効化してもよい。
《実施の形態1の主要な効果》
以上、実施の形態1の電力変換装置を用いることで、代表的には、DCリンクコンデンサ102に対する過電流を防止することが可能になる。また、DCリンクコンデンサ102に対する過電流を防止しつつ出力電圧Voを昇圧することが可能になる。そして、過電流を防止できる結果、電力変換装置10、ひいてはそれを含んだシステムの信頼性を向上できる。ここで、例えば、特許文献1の方式を用いた場合、図4の期間T3のような力行の期間では過電流を防止できるが、期間T2のような回生の期間では過電流を防止できない恐れがある。実施の形態1の方式を用いると、力行の期間に加えて回生の期間でも、過電流を防止できる。
(実施の形態2)
《プレス装置の概略》
図5Aは、本発明の実施の形態2によるプレス装置の構成例を示す概略図である。図5Bは、図5Aのプレス装置における制御動作の一例を示すタイムチャートである。図5Aのプレス装置500は、スライド505と、ボルスタ507と、モータ(サーボモータ)15と、電力変換装置10とを備える。ボルスタ507には、下型508が取り付けられ、下型508を介して加工対象物509が設置される。スライド505は、加工対象物509を挟んでボルスタ507と対向するように配置される。スライド505には、上型506が取り付けられる。
モータ(サーボモータ)15は、スライド505を待機位置P1とプレス位置P0との間で動かす(上下運動させる)ことで、ボルスタ507とスライド505との間隔を制御する。電力変換装置10は、図1に示したように、倍電圧整流回路12およびインバータ回路14を含み、モータ15の回転を制御する。加工対象物509は、スライド505の位置がモータ15を介してプレス位置P0に制御された際に、上型506および下型508の形状に基づいて所定の形状に加工される。
図5Bには、メカ位置(すなわち、スライド505の位置)501と、モータ回転速度502と、インバータ電力503と、出力電圧(Vo)504の時系列な変化が示される。図5Bにおける期間T1~T4は、図4に示した期間T1~T4に対応する。期間T1は、加工対象物509を加圧している期間であり、メカ位置501はプレス位置P0である。このため、モータ回転速度502は、略ゼロである。また、電力変換装置10は、加圧のため力行動作を行っており、インバータ電力503は、正極(力行)である。倍電圧整流回路12は、全波整流モードで動作し、出力電圧(Vo)504は、全波整流電圧となる。
次いで、時刻t12において、加圧が完了し、期間T2へ移行する。期間T2以降は、メカ位置501を待機位置P1へ戻す期間である。この際には、スループット向上のため、モータ回転速度502を上昇させ、メカ位置を迅速に待機位置P1へ戻すことが望まれる。ただし、モータ回転速度502を上昇させると誘起電圧が大きくなる。このため、モータ回転速度502の上限が出力電圧(Vo)504(インバータ回路14の入力電圧)の大きさで制約され、目標速度まで加速できない場合がある。そこで、時刻t12では、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替えが行われる。これに応じて、倍電圧整流回路12は、出力電圧(Vo)504の昇圧を開始する。
一方、期間T2では、インバータ電力503は負極になっており、モータ15からインバータ回路14への回生電力が生じている。この現象は、スプリングバックと呼ばれ、時刻t12で加圧を停止した際に、加工対象物509からスライド505に向けた弾性力が働くことに起因する。この倍電圧整流モードへのモード切り替え期間(昇圧期間)で回生電力が生じると、図4で述べたように、図1のDCリンクコンデンサ102に対して過電流が生じ得る。前述した実施の形態1の方式を用いることで、当該過電流を防止できる。
続いて、時刻t23において、回生電力はゼロになり、期間T3へ移行する。期間T3では、メカ位置501を待機位置P1に向けて上昇させるため、インバータ電力503は正極(力行)となる。この際には、期間T1の場合と異なり、加工対象物509を加圧する必要がなく、メカ位置501を上昇させるだけでよいため、インバータ電力503は小さくなる。ただし、期間T3においても、図4で述べたように、図1のDCリンクコンデンサ102に対して過電流が生じ得る。前述した実施の形態1の方式を用いることで、当該過電流を防止できる。
次いで、時刻t34において、出力電圧(Vo)504は倍電圧に到達し(すなわち昇圧が完了し)、期間T4へ移行する。期間T4では、出力電圧(Vo)504は倍電圧となっているため、モータ15を速い回転速度で回転させることができ、メカ位置501を待機位置P1に向けて迅速に上昇させることが可能となる。その後、時刻t5において、メカ位置501は待機位置P1に到達し、これに応じて、モータ15の回転駆動を停止することで一連の動作が終了する。
なお、期間T4では、時刻t5に達する直前にも、モータ15の減速に伴い回生電力が生じ得る。ただし、この際には、期間T2の場合と異なり、出力電圧(Vo)504の倍電圧化は既に完了しているため、図1のDCリンクコンデンサ102に対して倍電圧化(昇圧)のための充電電流を供給する必要はない。このため、通常であれば、DCリンクコンデンサ102に対する過電流は生じない。
《実施の形態2の主要な効果》
以上、実施の形態2のプレス装置を用いることで、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。さらに、電力変換装置10内のDCリンクコンデンサ102に対する過電流を防止しつつ、プレス装置500を効率的(高スループット)で動作させることが可能になる。また、過電流を防止できることで、電力変換装置10を含めたプレス装置500の信頼性を向上できる。
ここで、図1の倍電圧整流回路12を用いた場合、例えば、特許文献1の回路方式と比較して、ダイオードブリッジ101bを追加することに伴う回路面積の増大が懸念される。ただし、例えば、前述したプレス装置500のような用途では、図5Bの期間T4に示されるように、倍電圧整流モード時に必要とされるインバータ電力503は小さくてよい。このため、ダイオードブリッジ101bは、ダイオードブリッジ101aと比較して、小さいサイズで構成することも可能である。その結果、回路面積の増大を抑制できる。
(実施の形態3)
《制御回路の詳細》
図6は、本発明の実施の形態3による電力変換装置において、図1の倍電圧整流回路における制御回路の主要部の構成例を示すブロック図である。図7は、図6におけるゲート信号生成器の処理内容の一例を示すフロー図である。図6に示す制御回路110Bは、図2の構成例に対して、さらに回生検出回路601を備える。また、これに伴い、制御回路110Bは、図2の場合とは若干動作が異なるゲート信号生成器(スイッチング信号生成器)203Bを備える。
回生検出回路601は、負荷電流Ildが回生方向(すなわち回生電流)であり、かつ、その回生電流が予め定めた所定の基準値Ithよりも大きいか否かを判定する。回生検出回路601は、回生電流が基準値Ithよりも大きい場合には、回生検出信号RDETを出力し(アサートし)、基準値Ithよりも小さい場合には、回生検出信号RDETを出力しない(ネゲートする)。
モード切り替え信号MDに基づく倍電圧整流モードの選択期間(特に、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替え期間)において、ゲート信号生成器203Bは、回生検出信号RDETの出力時(アサートレベル時)には、スイッチング制御を無効化することでスイッチング素子SW1,SW2をオフにする。一方、ゲート信号生成器203Bは、回生検出信号RDETの非出力時(ネゲートレベル時)には、スイッチング制御を有効化する。具体的には、ゲート信号生成器203Bは、図7に示されるような処理を行う。図7に示すフローは、図3に示したフローと比較して、ステップS101とステップS103の間にステップS201が挿入されている。
ステップS201において、ゲート信号生成器203Bは、ステップS101で倍電圧整流モードが選択されている場合、回生検出状態か否かを判別する。すなわち、ゲート信号生成器203Bは、回生検出信号RDETが出力されているか否か(アサートレベルかネゲートレベルか)を判別する。ゲート信号生成器203Bは、回生検出信号RDETがアサートレベルの場合、スイッチング制御を無効化し、ステップS102において、ゲート信号G1,G2を介して各スイッチング素子SW1,SW2をオフに固定する。一方、ゲート信号生成器203Bは、回生検出信号RDETがネゲートレベルの場合、スイッチング制御を有効化し、ステップS103の処理へ移行する。
図8は、図6の制御回路が行う制御動作の一例を示すタイムチャートである。図8のタイムチャートは、例えば、図4および図5Bの期間T2,T3に対応するタイムチャートである。図8の例では、時刻t1で倍電圧整流モードが選択され、回生電流(負極性の負荷電流Ild)801は、時刻t1~t2の期間で基準値Ithよりも大きくなっている。この期間では、回生検出回路601は回生検出信号(RDET)802をアサートし、これに伴い、ゲート信号生成器203Bは、スイッチング制御を無効化する。
一方、時刻t2以降の期間では、回生電流801は、基準値Ithよりも小さくなっている。この期間では、回生検出回路601は回生検出信号(RDET)802をネゲートし、これに伴い、ゲート信号生成器203Bは、スイッチング制御を有効化する。ゲート信号生成器203Bは、スイッチング制御を有効化した場合、実施の形態1の場合と同様に、コンデンサ電流Icpが上限値Ilmtを超えないようにスイッチング制御を行う。
《実施の形態3の主要な効果》
以上、実施の形態3の電力変換装置を用いることで、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態1の場合と比較して、回生電流を出力電圧Voの昇圧に有効利用でき、回生電流のみで昇圧を行っている期間(図8の時刻t1~t2の期間)において、スイッチング制御に伴うスイッチング電流をゼロにできる。その結果、電力変換装置の効率を高めることが可能になる。なお、例えば、図4の期間T2において、コンデンサ電流Icpは、実施の形態1の方式では上限値Ilmtに制御されるのに対して、実施の形態3の方式では、通常、上限値llmt未満となる。このため、昇圧期間(図4の期間T2,T3)を短くする観点では、実施の形態1の方式が有益となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前述した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
例えば、ここでは、電力変換装置のプレス装置への適用例を示したが、勿論、これに限らず、全波整流モードと倍電圧整流モードとを適宜切り替えて動作し、かつ、負荷からの回生電力が生じ得る各種装置(システム)に対して同様に適用可能である。この際に、特に、負荷がモータである場合には、回生電力が生じ易い。
10…電力変換装置、12…倍電圧整流回路、14…インバータ回路、15…負荷、101…整流回路、101a,101b…ダイオードブリッジ、102…DCリンクコンデンサ、102a,102b…コンデンサ、103…ハーフブリッジ回路、104…インダクタ、106,109…電圧センサ(電圧検出回路)、107,108…電流センサ(電流検出回路)、110,110A,110B…制御回路、500…プレス装置、505…スライド、507…ボルスタ、SW1,SW2…スイッチング素子、MD…モード切り替え信号、Nc…共通接続ノード、Np1,Np2,Nn1,Nn2…出力ノード

Claims (8)

  1. 倍電圧整流回路を含む電力変換装置であって、
    前記倍電圧整流回路は、
    入力された交流電圧を整流することで直流電圧に変換する整流回路と、
    出力ノード対の間に直列接続される第1のコンデンサおよび第2のコンデンサを含み、前記出力ノード対の出力電圧として、第2の整流モード時に第1の整流モード時の略2倍の前記直流電圧を保持するDCリンクコンデンサと、
    前記第2の整流モード時に、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサが個々に充電されるように、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの共通接続ノードを所定のノードに接続するスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に流れるスイッチ電流を検出する第1の電流検出回路と、
    前記出力ノード対に接続される負荷の負荷電流を検出する第2の電流検出回路と、
    前記第1の整流モードから前記第2の整流モードへのモード切り替え期間において、前記スイッチ電流および前記負荷電流に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
    を有する、
    電力変換装置。
  2. 請求項1記載の電力変換装置において、
    前記制御回路は、前記スイッチ電流と、力行方向または回生方向の前記負荷電流とに基づいて前記DCリンクコンデンサに流れるコンデンサ電流を算出し、前記コンデンサ電流が所定の上限値を超えないように前記スイッチング素子をスイッチング制御する、
    電力変換装置。
  3. 請求項2記載の電力変換装置において、
    前記制御回路は、前記モード切り替え期間において、前記負荷電流が前記回生方向であり、かつ所定の基準値よりも大きいか否かを判定し、前記所定の基準値よりも大きい場合には前記スイッチング素子をオフにし、前記所定の基準値よりも小さい場合には前記スイッチング素子のスイッチング制御を有効化する、
    電力変換装置。
  4. 請求項1記載の電力変換装置において、
    前記倍電圧整流回路は、さらに、インダクタを有し、
    前記整流回路は、
    前記入力された交流電圧を全波整流することで第1の出力ノード対に前記直流電圧を出力する第1のダイオードブリッジと、
    前記入力された交流電圧を全波整流することで第2の出力ノード対に前記直流電圧を出力する第2のダイオードブリッジと、
    を有し、
    前記DCリンクコンデンサは、前記第1の出力ノード対の間に接続され、
    前記スイッチング素子は、
    前記共通接続ノードを前記第2の出力ノード対の一方に前記インダクタを介して接続する第1のスイッチング素子と、
    前記共通接続ノードを前記第2の出力ノード対の他方に前記インダクタを介して接続する第2のスイッチング素子と、
    を有する、
    電力変換装置。
  5. 請求項1記載の電力変換装置において、
    さらに、前記出力ノード対の前記出力電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧でモータを制御するインバータ回路を有する、
    電力変換装置。
  6. 加工対象物が設置されるボルスタと、
    前記加工対象物を挟んで前記ボルスタと対向するように配置されるスライドと、
    前記スライドを動かすことで前記ボルスタと前記スライドとの間隔を制御するサーボモータと、
    倍電圧整流回路およびインバータ回路を含み、前記サーボモータを制御する電力変換装置と、
    を有するプレス装置であって、
    前記倍電圧整流回路は、
    入力された交流電圧を整流することで直流電圧に変換する整流回路と、
    出力ノード対の間に直列接続される第1のコンデンサおよび第2のコンデンサを含み、前記出力ノード対の出力電圧として、第2の整流モード時に第1の整流モード時の略2倍の前記直流電圧を保持するDCリンクコンデンサと、
    前記第2の整流モード時に、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサが個々に充電されるように、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの共通接続ノードを所定のノードに接続するスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に流れるスイッチ電流を検出する第1の電流検出回路と、
    前記サーボモータに流れる負荷電流を検出する第2の電流検出回路と、
    前記第1の整流モードから前記第2の整流モードへのモード切り替え期間において、前記スイッチ電流および前記負荷電流に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
    を有し、
    前記インバータ回路は、前記出力ノード対の前記出力電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧で前記サーボモータを制御する、
    プレス装置。
  7. 請求項6記載のプレス装置において、
    前記制御回路は、前記スイッチ電流と、力行方向または回生方向の前記負荷電流とに基づいて前記DCリンクコンデンサに流れるコンデンサ電流を算出し、前記コンデンサ電流が所定の上限値を超えないように前記スイッチング素子をスイッチング制御する、
    プレス装置。
  8. 請求項7記載のプレス装置において、
    前記制御回路は、前記モード切り替え期間において、前記負荷電流が前記回生方向であり、かつ所定の基準値よりも大きいか否かを判定し、前記所定の基準値よりも大きい場合には前記スイッチング素子をオフにし、前記所定の基準値よりも小さい場合には前記スイッチング素子のスイッチング制御を有効化する、
    プレス装置。
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