JPH08186986A

JPH08186986A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH08186986A
Application number: JP7000043A
Authority: JP
Inventors: Motosumi Yura; 元澄由良; Junji Furusawa; 準次古澤
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1995-01-04
Filing date: 1995-01-04
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】コンバータの入出力交流電流を検出する電流
検出抵抗又は電流検出器をなくし、かつソフトウエア制
御での実現に適したアルゴリズムを持ち、簡単な制御回
路構成で実現できる安価な電力変換装置を提供する。【構成】複数のトランジスタと複数のダイオードとで
構成され交流を直流に可逆変換するコンバータ１と、コ
ンバータ１の直流出力部に直列接続された抵抗５と、コ
ンデンサ１に入出力される交流電圧の検出、コンバータ
１の直流出力電圧を平滑する平滑コンデンサ２の両端に
発生する直流電圧の検出及び交流電圧検出値と各相電圧
の大小関係の検出を行う比較回路１３と、各相電圧の大
小関係に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御されるトランジスタを
選択するＴｒ選択回路１４と、交流電圧検出値と直流電
圧値に応じて選択されたトランジスタのＯＮ／ＯＦＦデ
ューティを決定するＰＷＭ回路４とを備え、検出した線
間電圧のみによって回生制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力変換装置に関し、
特にモータを駆動するインバータの直流電源を生成し、
電力を回生するコンバータを備えた電力変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】工作機械の駆動源に使用されるモータを
可変速運転するインバータの直流電源として、モータ減
速時にモータの運転エネルギーを交流電源に回生するた
め、複数のトランジスタ及びこの複数のトランジスタに
各々逆並列に接続された複数のダイオードによって構成
され、このトランジスタを用いて可逆変換のできるコン
バータを備えた電力変換装置が実用化されている。

【０００３】図８に示した第一の従来例では、まず、電
力を交流から直流に変換する場合（力行時）は、コンバ
ータ１を構成するダイオードｄ１〜ｄ６の働きによって
無制御で交流電圧を変換し、平滑コンデンサ２に充電し
て直流電圧Ｖdcが出力される。この時の交流電源各相に
流れる電流（ｉＲ，ｉＳ，ｉＴ）は図９の様な波形とな
る。また、交流モータ２６の減速時には、インバータ回
路２７側から回生される電力によって直流電圧Ｖdcが上
昇するが、この時ダイオードd1〜d6は逆阻止状態となっ
て電力は３相交流電源２８側には回生されない。

【０００４】そこで、３相交流電圧の波高値を波高値検
出回路９によって検出し、この波高値を直流電圧Ｖdcか
ら減算器１１によって引き算して差電圧を求め、この差
電圧が所定値以上となった場合にトランジスタＴｒ１〜
Ｔｒ６によって電力が回生される。ここで、前記の所定
値は基準電圧源１２によって作られ、上記の差電圧と比
較器１０によって比較される。回生時の３相交流電源ラ
インに流れる電流は図９の様な波形であり、３相交流電
圧の各相の電圧関係に対応するトランジスタＴｒ１〜Ｔ
ｒ６を選択して制御しなければならない。そこで、３相
交流電圧をアイソレータ３によって絶縁した後、パルス
分配回路８に入力し、導通すべきトランジスタＴｒ１〜
Ｔｒ６のＯＮ信号が生成されている。このトランジスタ
Ｔｒ１〜Ｔｒ６のＯＮ信号を図１０に示す。

【０００５】ここで、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に流
れる電流について説明する。この従来例では、トランジ
スタＴｒ１〜Ｔｒ６に流れる電流を制御していないた
め、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に過電流が流れるのを
防ぐため、コンバータ１の直流出力部に直列接続された
抵抗５によって電流を制限している。また、力行時には
抵抗５をバイパスして電流が流れるようダイオード６を
設けている。回生時の電流波形は図９に示すように、チ
ョークコイル７と抵抗５の回路定数によって決定され、
ｄｉ／ｄｔの大きい歪みの多い電流となってしまってい
た。

【０００６】この問題を解決するため、第二の従来例は
図１１に示す電力変換装置を用いて歪の少ない正弦波電
流を回生することが実現されている。この従来例の電力
変換装置においては、３相交流電源２８がチョークコイ
ル７を介してコンバータ１に接続される。コンバータ１
では、３相交流電圧を変換し、直流電圧Ｖｄｃが生成さ
れる。なお、直流電圧Ｖｄｃには通常コンバータ１の直
流出力電圧を平滑する平滑コンデンサ２が接続される。
前記直流電圧Ｖｄｃは、インバータ回路２７によって交
流に変換され、交流モータ２６の可変速運転が行われ
る。コンバータ１に入出力される交流電流は電流検出抵
抗２０で発生する電圧からアイソレータ３を介して絶縁
して検出され、この検出値に基づいて入出力される交流
電流が正弦波になる様にフィードバック制御されてい
る。なお、電流を検出する別の手段としては、ＣＴ等の
電流検出器が使用される。

【０００７】ここで、図中の点線内の制御回路の動作を
説明する。図１１中の基準電圧源２５は、直流電圧Ｖｄ
ｃの目標電圧を設定し、減算器２４においてこの目標電
圧と直流電圧Ｖｄｃの検出値とが引き算され、電圧偏差
信号が得られる。この電圧偏差信号は、増幅器２３によ
って増幅され、ベクトル回転器２１に入力される。ベク
トル回転器２１は３相交流電源電圧と同位相の正弦波電
流指令を発生する。つまり、ベクトル回転器２１は、ア
イソレータ３を介して検出された３相交流電圧の線間電
圧波形を変換器１５にて相電圧波形に変換した後の値
と、増幅器２３の出力とを乗算し、正弦波の電流指令を
出力する。

【０００８】この電流指令は、減算器１７において電流
検出抵抗２０で発生する電圧すなわち電流検出値をアイ
ソレータ１８を介して検出した値と引き算され、さらに
増幅器１９で増幅された後にＰＷＭ制御回路２２に入力
される。ＰＷＭ制御回路２２では入力された信号をキャ
リヤ信号によってパルス幅変調し、トランジスタＴｒ１
〜Ｔｒ６のＯＮ／ＯＦＦ制御信号が作成される。このＰ
ＷＭ制御回路２２の動作はインバータの制御回路に一般
的に用いられるものであり、詳細な説明は省略する。こ
れらの回路の働きによって、コンバータ１に流れる電流
はベクトル回転器２１の出力した正弦波の電流指令の通
りにフィードバック制御され、各相に流れる電流が図１
２の様な正弦波となる。また、コンバータ１に接続され
る３相交流電源２８には通常各相にチョークコイル７が
挿入され、このチョークコイル７にはコンバータ１へ入
出力される交流電流のコンバータ１のスイッチングによ
る電流リップルを平滑化し、正弦波に近づける役割があ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した第一の従来例
の電力変換装置においては、電流の歪みが大きく、交流
電源に有害な高調波電圧を多く発生するという問題があ
る。第二の従来例においては、コンバータ１に入出力さ
れる交流電流を検出してフィードバック制御する必要が
あるため、電流検出抵抗や電流検出器等の電流検出手段
を必要とし、結果として高価な電力変換装置になる。ま
た、入出力される交流電流を常に正弦波とするためにコ
ンバータ１のトランジスタが高速でスイッチングする必
要があり、結果としてスイッチング損失によるトランジ
スタの発熱が問題となっていた。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、コンバータの入出力交流電流を検出し
ないで、歪みの少ない電流を実現し、かつソフトウエア
制御での実現に適したアルゴリズムを持ち、簡単な制御
回路構成で実現できる安価な電力変換装置の提供を目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は工作機械の駆動
源などに使用されるモータを駆動するインバータの直流
電源を生成するコンバータを備えた電力変換装置に関す
る。すなわち、本発明は、複数のトランジスタ及びこの
複数のトランジスタに各々逆並列に接続された複数のダ
イオードによって構成され、交流を直流に可逆変換する
コンバータと、前記コンバータの直流出力電圧を平滑す
るコンデンサと、前記コンバータの直流出力部に直列接
続された抵抗と、前記コンバータに入出力される交流電
圧を検出する交流電圧検出手段と、前記コンデンサの両
端に発生する直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
前記交流電圧検出手段により検出された交流電圧検出値
と各相電圧の大小関係を検出する比較手段と、前記各相
電圧の大小関係に応じてＯＮされるトランジスタ及びＯ
Ｎ／ＯＦＦデューティがＰＷＭ制御されるトランジスタ
を選択する切り替え手段と、前記ＰＷＭ制御されるトラ
ンジスタのＯＮ／ＯＦＦデューティを時間の経過に応じ
て連続的に変化させるＰＷＭ制御手段と、を備えたこと
を特徴とする。

【００１２】また、更に、前記交流電圧検出値のピーク
値を保持する手段と、この保持値が前記直流電圧検出手
段により検出された直流電圧検出値より小さい場合に回
生制御開始フラグをＯＮする手段と、前記回生制御開始
フラグが前記交流電圧の１周期すべてにおいてＯＮした
場合に前記トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御を開始する
手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明においては、コンバータの直流出力部に
接続されるコンデンサは直流電圧を平滑し、コンバータ
の直流出力部に直列接続された抵抗は回生電流を制限す
る。また、コンバータの直流電圧検出値と交流電圧検出
値の各相電圧の大小関係に応じて電流の一番多く流れる
トランジスタを常時ＯＮしてスイッチング損失を抑える
ことができる。更にまた、常時ＯＮするトランジスタ以
外の相を前記大小関係からＯＮ／ＯＦＦデューティを時
間の経過に応じて連続的に変化させてＰＷＭ制御するこ
とによって、トランジスタへ流れる電流量を連続的に増
加または減少させることができるため、歪の少ない回生
電流に制御できる。

【００１４】更に、交流電圧検出値のピーク電圧保持値
とコンバータの直流電圧検出値から、回生時のみトラン
ジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御を開始することができるた
め、力行時はトランジスタと逆並列に接続されたダイオ
ードを通って充電されることになり、トランジスタの損
失を抑えることができる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明に係る電力変換装置の一実施例
を図８，１１に対応させて示した図であり同一構成箇所
は同符号を付けその説明を省略する。

【００１６】まず、電力を交流から直流に変換する場合
（力行時）は、コンバータ１を構成するダイオードｄ１
〜ｄ６の働きによって無制御で交流電圧を変換し、平滑
コンデンサ２に充電して直流電圧Ｖdcを作っている。こ
の時の交流電源各相に流れる電流（ｉＲ，ｉＳ，ｉＴ）
は図２の様な波形となる。また、交流モータ２６の減速
時には、インバータ回路２７側から回生される電力によ
って直流電圧Ｖdcが上昇するが、この時ダイオードd1〜
d6は逆阻止状態となって電力は３相交流電源２８側には
回生されない。

【００１７】そこで、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を制
御して３相交流電源２８へ回生を行なう。なお、回生し
たい電流を制限するため、コンバータ１の出力に直列に
接続した抵抗５があり、力行時には抵抗５をバイパスす
るように、抵抗５に並列にダイオード６が接続される。

【００１８】図１に示した点線内の制御回路は、比較回
路１３、Ｔｒ選択回路１４及びＰＷＭ回路４から構成さ
れている。比較回路１３は、コンバータ１に入出力され
る交流電圧を検出する交流電圧検出手段、平滑コンデン
サ２の両端に発生する直流電圧を検出する直流電圧検出
手段、検出した交流電圧検出値と各相電圧の大小関係を
検出する比較手段、交流電圧検出値のピーク値を保持す
る手段及びこの保持値が前記直流電圧検出手段により検
出された直流電圧検出値より小さい場合に回生制御開始
フラグをＯＮする手段としての機能を有する。Ｔｒ選択
回路１４は、各相電圧の大小関係に応じてＯＮされるト
ランジスタ及びＯＮ／ＯＦＦデューティがＰＷＭ制御さ
れるトランジスタを選択する切り替え手段として機能す
る。ＰＷＭ回路４は、ＰＷＭ制御されるトランジスタＴ
ｒ１〜Ｔｒ６のＯＮ／ＯＦＦデューティを時間の経過に
応じて連続的に変化させるＰＷＭ制御手段及び回生制御
開始フラグが交流電圧の１周期すべてにおいてＯＮした
場合に前記トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御を開始する
手段としての機能を有する。

【００１９】以下、この制御回路の動作について説明す
る。この制御回路はマイクロプロセッサ等を利用して実
現され、その動作はソフトウエアによって実現される。

【００２０】まず、３相電源電圧の線間電圧（ｅrs，ｅ
st，ｅtr）をアイソレータ３を介して検出する。次に比
較回路１３内では図３〜５のフローチャートの処理によ
って現在の電源電圧がどの区間であり、回生制御を開始
すべきか判断する。なお、図３〜５の処理は一定の周期
毎に繰り返し行なわれ、図中の変数は、ｅrs：Ｒ−Ｓ相線間電圧検出値，ｅst：Ｓ−Ｔ相線間電
圧検出値ｅtr：Ｔ−Ｒ相線間電圧検出値，Ｑ：区間モードデータ｜ｅrs｜，｜ｅst｜，｜ｅtr｜：ｅrs，ｅ
st，ｅtrの絶対値Ｅ１：区間１のピーク電圧保持データ，Ｅ２：区間２の
ピーク電圧保持データＥ３：区間３のピーク電圧保持データ，Ｅ４：区間４の
ピーク電圧保持データＥ５：区間５のピーク電圧保持データ，Ｅ６：区間６の
ピーク電圧保持データＶdc：コンデンサの両端に発生する直流電圧 FSTART：回生制御開始フラグである。

【００２１】つまり、比較回路１３において行われるこ
の処理において、図３ではそれぞれ相電圧の大小関係を
判別（ステップＳ１〜Ｓ５）し、図６に示す様に電源電
圧の１周期を６つの区間に分けたときに、現在１〜６の
区間中どの区間であるを判断し、区間データをＴｒ選択
回路１４へ送る。さらに図４，５では回生の開始と停止
つまりＰＷＭ回路４の出力開始と停止の判断をする。図
４，５の処理では、図３によって判別された現在の区間
毎によって処理が分れる。まず、前回と区間が同じであ
るか判断する（ステップＳ６〜Ｓ１１）。前回と区間が
変化した場合、各区間のピーク電圧保持データと直流電
圧Ｖdcとを比較し、直流電圧Ｖdcの方が大きくなった場
合に後述するトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御を開始つ
まり回生制御開始フラグ：FSTARTをオンし（ステップＳ
１２〜Ｓ１８）、現在の区間のピーク電圧保持データを
クリアし、モードデータＱに現在の区間をセットする
（ステップＳ１９〜Ｓ３０）。また、前回と区間が同じ
であった場合、今回検出した線間電圧値がピーク電圧保
持データより大きい時、ピーク電圧保持データを書き換
え、この書き換えたピーク電圧保持データより直流電圧
Ｖdcが小さくなった場合に回生制御を停止つまり回生制
御開始フラグ：FSTARTをオフする（ステップＳ３１〜Ｓ
６６）。

【００２２】次に、前記処理によって判別された区間デ
ータから、Ｔｒ選択回路１４においてＯＮ／ＯＦＦ制御
するトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を選択し、ＰＷＭ回路
４において図６のようなトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制
御信号を出力する。なお、図中の斜線部はＰＷＭ制御
し、白ヌキ部分は常時ＯＮを示す。

【００２３】例えば、図７を用いて区間２，３，４を拡
大して説明する。

【００２４】区間２では、相電圧が３相中で最も大きく
電流の最も多く流れるトランジスタＴｒ１は、常時ＯＮ
させる。トランジスタＴｒ４は、区間２のスタート時点
では常時ＯＮ状態であるが、時間の経過とともにＯＮ／
ＯＦＦデューティを徐々に減らすように推移させる。ま
た、逆にトランジスタＴｒ６は、区間２のスタート時点
では常時ＯＦＦ状態であるが時間の経過とともにＯＮ／
ＯＦＦデューティを徐々に増やしていく。

【００２５】この様に、ＰＷＭ回路４は、ＯＮ／ＯＦＦ
デューティを時間の経過に応じて徐々に変化させること
によって大きなｄｉ／ｄｔを発生することなく、なめら
かに電流が変化するため、結果として図２のような歪み
の少ない回生電流を実現できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
線間電圧の検出値のみによって制御するので、簡単な制
御回路となり、また、電流検出抵抗や電流検出器等の電
流検出手段の必要がなく、従来問題となっていた回生時
の歪んだ電流波形を小さくすることが可能となり、安価
で歪みの少ない電流を回生できる電力変換装置が実現で
きる。また、力行時はダイオードによって電流が充電さ
れ、回生時には電流が一番多く流れるトランジスタをＯ
Ｎ状態に固定するので、素子の損失を最小限に抑えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電力回生が行なえるモータ制御用
電力変換装置の一実施例を示すシステム構成図である。

【図２】図１に示す電力変換装置の電源電圧と電流との
関係を示した図である。

【図３】図１に示す電力変換装置の制御アルゴリズムを
示すフローチャートである。

【図４】図１に示す電力変換装置の制御アルゴリズムを
示すフローチャートである。

【図５】図１に示す電力変換装置の制御アルゴリズムを
示すフローチャートである。

【図６】図１に示す電力変換装置の電源電圧とトランジ
スタの制御信号を示す図である。

【図７】図６の拡大図である。

【図８】第一の従来例の電力変換装置のシステム構成図
である。

【図９】図８に示す電力変換装置の電源電圧と電流との
関係を示した図である。

【図１０】図８に示す電力変換装置の電源電圧とトラン
ジスタの制御信号を示す図である。

【図１１】第二の従来例の電力変換装置のシステム構成
図である。

【図１２】図１１に示す電力変換装置の電源電圧と電流
との関係を示した図である。

【符号の説明】

１コンバータ、２平滑コンデンサ、３，１８アイ
ソレータ、４ＰＷＭ回路、５抵抗、６ダイオー
ド、７チョークコイル、８パルス分配回路、９波
高値検出回路、１０比較器、１１，２４減算器、１
２，２５基準電圧源、１３比較回路、１４Ｔｒ選
択回路、１５変換器、１９，２３増幅器、２０電
流検出抵抗、２１ベクトル回転器、２２ＰＷＭ制
御回路、２６交流モータ、２７インバータ回路、２
８３相交流電源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のトランジスタ及びこの複数のトラ
ンジスタに各々逆並列に接続された複数のダイオードに
よって構成され、交流を直流に可逆変換するコンバータ
と、前記コンバータの直流出力電圧を平滑するコンデンサ
と、前記コンバータの直流出力部に直列接続された抵抗と、前記コンバータに入出力される交流電圧を検出する交流
電圧検出手段と、前記コンデンサの両端に発生する直流電圧を検出する直
流電圧検出手段と、前記交流電圧検出手段により検出された交流電圧検出値
と各相電圧の大小関係を検出する比較手段と、前記各相電圧の大小関係に応じてＯＮされるトランジス
タ及びＯＮ／ＯＦＦデューティがＰＷＭ制御されるトラ
ンジスタを選択する切り替え手段と、前記ＰＷＭ制御されるトランジスタのＯＮ／ＯＦＦデュ
ーティを時間の経過に応じて連続的に変化させるＰＷＭ
制御手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】請求項１記載の電力変換装置において、前記交流電圧検出値のピーク値を保持する手段と、この保持値が前記直流電圧検出手段により検出された直
流電圧検出値より小さい場合に回生制御開始フラグをＯ
Ｎする手段と、前記回生制御開始フラグが前記交流電圧の１周期すべて
においてＯＮした場合に前記トランジスタのＯＮ／ＯＦ
Ｆ制御を開始する手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。