JPH08251947A - 電力変換装置の回生制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 整流用の順変換器２と、回生用のＰＷＭ変換
器８とを並列に備えた電力変換装置において、交流電源
１から順変換器２の交流側入力に至る接続路、又は上記
回生用の変換部８の交流側出力と上記交流電源１に至る
接続路の少なくとも一方に絶縁用の変圧器１５を設ける
と共に、回生用の変換器８の入力と直流回路の間に一方
向通電素子１４を設けたもの。 【効果】 絶縁用変圧器１５によりループ電流経路の形
成が阻止されるので、回生用変換器を常時１８０°通電
方式のＰＷＭ制御状態にでき、一方向通電素子１４によ
り、力行時、直流回路から回生用変換器８を隔離し、回
生時だけ直流回路に接続されるので、回生用変換器８の
スイッチング素子の損失を低減でき、力行時には１８０
°通電方式により回生用変換器８を動作させ、その直流
側の電圧を回生動作が可能な電圧レベルに保って待機で
きるため、負荷側から回生電力が帰還したとき、スムー
ズに回生動作に移行できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回生機能を備えた電力
変換装置に係り、特に電動機駆動用のインバータ装置に
好適な電力変換装置の回生制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回生動作が可能なインバータ装置として
は、特開昭６０−９３８４号公報、又は特開昭６２−１
０４４８１号公報に記載のように、コンバータ部(順変
換部)とインバータ部(逆変換部)を何れもトランジスタ
などの自己消弧可能な半導体スイッチング素子により構
成し、これにより、回生時には、インバータ部を順変換
動作させると共に、コンバータ部を逆変換動作させるよ
うにして回生機能を付与するようにした、いわゆる回生
機能付インバータ装置が一般的である。

【０００３】ところで、このような回生機能付インバー
タ装置では、負荷である電動機が力行時と回生時とで同
一の仕事をするとすれば、コンバータ部に流れる電流
は、力行時のほうが大きくなる。

【０００４】また、この場合、コンバータ部としては、
ＰＷＭ(パルス幅変調)方式のコンバータ回路を必要とす
るが、これを力行時も回生時も関係なく常時ＰＷＭ制御
したとすると、同一電流に対するコンバータ部でのスイ
ッチング損失は、力行時の方が回生時のときよりも大き
くなる。

【０００５】従って、このような回生機能付インバータ
装置では、何れにしても、力行時運転の方が損失の面で
回生時よりも不利になり、このため、従来技術では、回
生機能を付与するためには、力行時に必要とする能力よ
りもかなり大きな容量のスイッチング素子をコンバータ
部に必要とし、コストアップになってしまうという問題
があった。

【０００６】そこで、これを解決する方法として、力行
時にはコンバータ部をＰＷＭ制御しないで、ダイオード
として動作させる方法があるが、この場合には交流リア
クトルのインダクタンス値による問題が残る。

【０００７】すなわち、このような回生機能付インバー
タ装置では、回生時、コンバータ部のＰＷＭ制御による
電流波形を改善して正弦波に近づけるため、交流リアク
トルが使用されているが、この交流リアクトルのインダ
クタンス値は、回生時での波形改善の見地からすれば大
きい方が望ましいが、他方、力行時は、交流リアクトル
のリアクタンス降下により、出力電圧の低下がもたらさ
れてしまうので、このときには、交流リアクトルのイン
ダクタンス値は小さい方が望ましい。

【０００８】すなわち、この場合には、一方をよくすれ
ば他方が悪くなるという、いわゆるトレードオフ関係に
なってしまい、力率の悪化と出力電圧の低下の何れかが
免れないという問題があった。

【０００９】そこで、特開平４−２６１３７号公報、又
は特開昭６０−２３４４７４号公報では、インバータ装
置のコンバータ部に、順変換用の整流部と、回生用のＰ
ＷＭ変換部とをそれぞれ別個に設けた、いわゆる回生用
変換器付インバータ装置について開示しており、以下、
これらの公報に記載されている回生用変換器付インバー
タ装置を従来技術という。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、回生
時、回生用変換器のＰＷＭ制御動作を１８０°通電方式
で行なうことができない点について配慮がされておら
ず、回生時での力率改善が充分に得られないという問題
があった。

【００１１】すなわち、従来技術では、回生時、回生用
変換器のＰＷＭ制御動作を１８０°通電方式で行ったと
すると、交流電源から整流部、直流側母線、回生用変換
部を介して交流電源に戻る閉ループ回路上に、変換器の
ＰＷＭ制御に伴う高周波のループ電流が発生し、装置故
障につながってしまう。

【００１２】従って、従来技術では、回生用変換器のＰ
ＷＭ制御動作を１８０°通電方式で行なうことができ
ず、このため回生時、充分に力率を高めることができな
かったのである。

【００１３】ここで、従来技術におけるループ電流の発
生について説明する。まず、図９は、従来技術における
回路の一部を示したもので、図において、１は商用の三
相交流電源、２は順変換用の整流器、７は交流リアクト
ル、８は回生用のＰＷＭ変換器、そして１３は平滑コン
デンサである。

【００１４】ここで、回生用のＰＷＭ変換器８を１８０
°通電方式で動作させたとすると、このときは、その各
スイッチング素子Ｑ₁〜Ｑ₆が相電圧の大小に関係なく電
源位相の１８０°区間全域でオン、オフを繰り返すこと
になる。そこで、いま、仮りに電源の位相状態が、図１
０の時点ａであったとすると、この時点では、電位はＲ
相が一番高く、Ｔ相が一番低くなっている。そして、１
８０°通電方式では、スイッチング素子Ｑ₁〜Ｑ₆が相電
圧の大小に関係なく電源位相の１８０°区間全域でオ
ン、オフを繰り返すのであるから、時点ａで、変換器８
のスイッチング素子Ｑ₄がオンした場合、経路Ｌ１で示
すループ電流を生じ、スイッチング素子Ｑ₂がオンした
とすると、経路Ｌ２で示すループ電流が生じる。

【００１５】これらのループ電流は、スイッチング素子
のスイッチング周波数と同期した高周波電流となるが、
ここで問題となるのは、順変換器部に使用される整流ダ
イオードＤ₁〜Ｄ₆が高周波対応となっていない為、熱破
壊の虞れがあることと、変換器８の電流に、このループ
電流が重畳され、変換器８の定格電流値をオーバーして
しまうことであり、これにより装置故障につながってし
まうのである。

【００１６】しかして、回生用変換器のＰＷＭ制御動作
を１８０°通電方式とせずに、これよりもかなり狭い通
電方式、例えば１２０°通電方式で動作させた場合の問
題について説明すると、まず、電源電流が正弦波状にな
りにくいため、低次の高周波を多く含み、電源に悪影響
を及ぼすという問題がある。

【００１７】また、この場合、回生動作への移行に際し
ての過度応答性が、１８０°通電方式の場合よりも低
く、このため効率的な電力の回生が得られなくなり、且
つ、直流側の電圧にオーバーシュートが生じ易くなるの
で、回生動作移行時、直流電圧が上昇して過電圧保護レ
ベルに達し、システムダウンを招きやすいという問題が
ある。

【００１８】本発明の目的は、回生用変換器のＰＷＭ制
御動作を１８０°通電方式で行なうことができ、充分な
力率の改善と、高い応答性が得られるようにした電力変
換装置の回生制御装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、交流電源と
直流負荷の間に、整流用の順変換部と、回生用のパルス
幅変調方式変換部とを並列に備えた電力変換装置におい
て、交流電源から上記整流用の順変換部の交流側入力に
至る接続路、又は上記回生用の変換部の交流側出力と上
記交流電源に至る接続路の少なくとも一方に絶縁用の変
圧器を設け、回生用の変換部の入力と上記直流負荷の間
には一方向通電素子を設け、この一方向通電素子の通電
方向を、回生用の変換部による回生電流の通流方向と一
致させることにより達成される。

【００２０】

【作用】絶縁用の変圧器は、コンバータ部での順整流部
と回生用の変換部の入力側を直流的に隔離し、ループ電
流経路が形成されないようにする。この結果、力行時、
回生時に関係なく、回生用変換器を常時１８０°通電方
式のＰＷＭ制御状態にしておくことができる。

【００２１】また、一方向通電素子は、力行時、直流回
路から回生用変換部を隔離し、回生時だけ直流回路に接
続されるように働く。このため、回生用変換部のスイッ
チング素子の損失を低減させることができ、且つ、力行
時にも、１８０°通電方式により回生用変換部を動作さ
せ、その直流側の電圧を回生動作が可能な電圧レベルに
保って待機させることができるため、負荷側から回生電
力が帰還したとき、スムーズに回生動作に移行できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明による電力変換装置の回生制御
装置について、図示の実施例により詳細に説明する。図
１は本発明の第１の実施例で、図において、１は三相交
流電源、２は順変換部となる整流器で、例えば三相ブリ
ッジダイオードからなるもの、３は直流電圧を平滑化す
るための平滑コンデンサ、４は平滑化された直流を任意
の電圧、周波数の交流に変換する逆変換部で、電圧型Ｐ
ＷＭインバータ回路から構成されているもの、５はイン
バータ装置で、この場合は、通常、電圧型ＰＷＭインバ
ータ装置と呼ばれる。６はインバータ装置の負荷となる
電動機(誘導電動機)である。

【００２３】７は交流リアクトル、８は回生用のＰＷＭ
変換器で、自励三相ブリッジ電圧制御型ＰＷＭ方式のイ
ンバータ回路から構成されているもの、９は電源の電圧
と位相を検出するための交流電圧位相検出器、１０は交
流電流を検出するための交流電流検出器、１１は直流電
圧を絶縁して検出するための直流電圧検出器、１２はＰ
ＷＭ動作を行わせるための制御回路、１３は回生用変換
器８の直流側電圧のリップルを除去するための平滑コン
デンサである。

【００２４】次に、１４は一方向通電素子となるダイオ
ード、そして１５は絶縁用変圧器である。なお、１６は
回生用のパルス幅変調方式変換部を表わし、これは通常
電圧型ＰＷＭコンバータ回路と呼ばれるものであるが、
以下、単に回生用変換部１６と呼ぶ。

【００２５】次に、この実施例の動作について説明す
る。ここで、電圧型ＰＷＭインバータ装置５の動作原理
については、公知の技術であるため、詳しい説明は割愛
し、回生用変換部１６を中心とする部分による動作原理
について、以下に説明する。

【００２６】まず、図１において、回生用変換器８につ
いて、電源側との関係だけで考えると、図５に示す回路
となり、これを相電圧で考えると、図６に示すように、
単相の等価モデルで表すことができる。

【００２７】図６において、三相交流電源１の電圧をＶ
Ｓ、電流をＩ、回生用変換器８の出力電圧をＶＣ、交流
リアクトル７の降下電圧をΔＶとすると、出力電圧ＶＣ
は、電源電圧と電源電流が同相となるように、すなわ
ち、電源の力率が１となるよう制御され、その制御状態
は、力行運転時には図７に示すようなベクトル図として
表わし、回生運転時には図８に示すようなベクトル図と
して表すことができる。

【００２８】次に、制御回路１２よる回生用変換器８の
制御について説明する。図１において、１７はＡＶＲ系
調整器で、図示してない設定手段から与えられている直
流電圧の指令値Ｅ_dc＊と、直流電圧検出器１１から供給
される直流電圧Ｖ_DCのフィードバック値Ｅ_dcf とを比較
し、それらの誤差を比例、積分調整して出力する働きを
するものであり、この出力は、掛算器１８により、交流
電圧位相検出器９の出力と乗算されて交流電流指令値Ｉ
_ac＊となる。

【００２９】これにより、ＡＶＲ系調節器１７は、直流
電圧Ｖ_DCが指令値Ｅ_dc＊通り一定になるよう作用し、こ
の出力が回生用変換器８の入力電流の極性(力行／回生)
と、実効電流の大きさを決定づける働きをする。

【００３０】次に、１９はＡＣＲ系調整器で、図示して
ない設定手段から与えられている交流電流の指令値Ｉ_ac
＊と、交流電流検出器１０から供給される交流電流のフ
ィードバック値Ｉ_acf を比較し、その誤差を比例、積分
調整して出力する働きをするもので、その出力が、ＰＷ
Ｍ出力回路２１で、搬送波発生器２０から供給されてい
る搬送波(三角波)と比較され、回生用変換器８の各スイ
ッチング素子Ｑ₁〜Ｑ₆のオン、オフ幅とタイミングを決
定するゲートパルス信号(駆動信号)を作成し、各スイッ
チング素子Ｑ₁〜Ｑ₆に分配出力する。

【００３１】ここで、ＡＣＲ系調節器１８の出力が、前
述の図６の電圧ＶＣに相当し、出力電圧の大きさと位相
を含んだ信号となり、この結果、力行、回生に関係なく
電力の授受を行うことができるだけでなく、力率１の制
御が可能となる。

【００３２】次に、絶縁用変圧器１５を設けた理由につ
いて説明する。この絶縁用変圧器１５は、図示のよう
に、回生用変換器８の交流側に挿入されていて、回生用
変換器８の交流側を整流器２の交流側から隔離するよう
になっているものである。

【００３３】いま、絶縁用変圧器１５が無く、回生用変
換器８の交流側がそのまま整流器２の交流側に接続され
ていたとすると、既に、図９で説明したように、１８０
°通電方式で回生用変換器８を制御した場合には、スイ
ッチング素子Ｑ₁〜Ｑ₆が相電圧の大小に関係なく電源位
相の１８０°区間全域でオン、オフを繰り返すのである
から、時点ａで、変換器８のスイッチング素子Ｑ₄がオ
ンした場合、経路Ｌ１で示すループ電流を生じ、スイッ
チング素子Ｑ₂がオンしたとすると、経路Ｌ２で示すル
ープ電流が生じてしまう。

【００３４】そして、この結果、順変換器部に使用され
る整流ダイオードＤ₁〜Ｄ₆に高周波電流が重畳されて熱
破壊の虞れが生じたり、回生用変換器８の電流に、この
ループ電流が重畳され、この回生用変換器８の定格電流
値をオーバーしてしまう虞れが生じ、これらにより装置
故障につながってしまう。

【００３５】しかるに、この図１の実施例では、回生用
変換器８の交流側に絶縁用変圧器１５が設けてあり、こ
れにより回生用変換器８の交流側は整流器２の交流側か
ら隔離されてしまうので、図９で説明したループ電流の
経路が形成される余地が無くなり、この結果、装置故障
の虞れ無く、回生用変換器８を１８０°通電方式により
制御することができ、常に力率１の状態で回生動作を行
なうことができるのである。

【００３６】ここで、一般に、商用電源を対象として作
られた変圧器は、通常のインバータ回路のスイッチング
動作により発生されてしまう高周波成分に対しては、ほ
とんど伝達機能を持たない。従って、絶縁用変圧器１５
によりループ電流経路の形成が阻止できるのである。

【００３７】次に、一方向通電素子１４を設けた理由に
ついて説明する。この一方向通電素子１４は、図示のよ
うに、回生用変換器８の直流の負側とインバータ装置５
の直流回路の負側の間に接続してあり、その導通方向
は、これも図示のように、回生用変換器８による回生電
流の通流方向と一致するように、つまり、回生用変換器
８の直流側からインバータ装置５の直流回路に向かって
は電流が流れず、インバータ装置５の直流回路から回生
用変換器８の直流側に向かってだけ電流が流れるように
設定されている。

【００３８】いま、負荷の電動機６が力行運転中、ここ
で、仮りに一方向通電素子１４が設けられていない状態
で回生用変換器８が動作したとすると、上記したＡＶＲ
機能により、その出力直流電圧Ｖ_DCが整流器２の出力電
圧よりも高く維持されてしまうため、整流器２から供給
されていた負荷電力が、回生用変換器８から供給される
ようになってしまう。従って、この場合には、回生用変
換器８の動作を停止させておく必要がある。

【００３９】しかるに、この実施例のように、一方向通
電素子１４が設けられていた場合には、回生用変換器８
の出力直流電圧Ｖ_DCが指令値に維持され、整流器２の出
力電圧よりも高くなったとしても、回生用変換器８から
の電流は一方向通電素子１４により阻止され、流れるこ
とができないから、このときでも、回生用変換器８の出
力直流電圧Ｖ_DCが昇圧されるだけとなり、力行時に回生
用変換器８から電動機６に電力が供給されてしまうこと
は無くなる。

【００４０】しかして、電動機６の回転速度が、そのと
きのインバータ装置５５の出力周波数(インバータ周波
数)で定まる同期回転速度よりも早くなったときには、
電動機６は発電動作状態になり、電力がインバータ装置
５の直流回路に回生されるようになって、直流回路の電
圧を押し上げるようになる。

【００４１】こうして、インバータ装置５の直流電圧
が、回生用変換器８の直流電圧Ｖ_DCよりも高くなろうと
すると、一方向通電素子１４は導通状態になり、これが
上記したＡＶＲ系での回生指令となり、さらにＡＣＲ系
により回生用変換器８が制御され、電力の向きが電源側
に、つまり回生される向きとなって、回生動作が得られ
ることになる。

【００４２】従って、この実施例によれば、力行時、回
生時を問わず、常時回生用変換器８を動作させておくこ
とができるので、力行動作と回生動作の間での移行が極
く自然に得られることになり、回生動作への移行に際し
ての過度応答性が極めて良好になり、このため効率的な
電力の回生が得られる上、直流側の電圧にオーバーシュ
ートが生じる虞れがなくなるので、システムダウンの虞
れもなく、安定した動作を容易に得ることができる。

【００４３】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。まず、図２は、本発明の第２の実施例で、この実施
例では、絶縁用変圧器１５が、三相交流電源１からイン
バータ装置５の整流器２の入力に至る接続路に設けられ
ている点が異なるだけで、その他の構成は図１の実施例
と同じである。

【００４４】上記したように、絶縁用変圧器１５の機能
は、整流器２と回生用変換器８との間でのループ電流を
断つことであるから、整流器２の交流側と回生用変換器
８の交流側との間なら、とにかく何処にあっても有効
で、本発明の目的を達成することができ、従って、この
図２の実施例によっても、図１の実施例と同様の作用効
果を得ることができる。

【００４５】次に、図３は本発明の第３の実施例で、こ
の実施例が図１の実施例と異なる点は、一方向通電素子
１４が回生用変換器８の直流の正側とインバータ装置５
の直流回路の正側の間に接続してある点だけである。

【００４６】この一方向通電素子１４の機能は、上記し
たように、回生用変換器８の直流側からインバータ装置
５の直流回路に向かっては電流が流れず、インバータ装
置５の直流回路から回生用変換器８の直流側に向かって
だけ電流が流れるようにすることであるから、回生用変
換器８の直流側とインバータ装置５の直流回路の間の経
路のとにかく何処にあっても有効で、本発明の目的を達
成することができ、従って、この図３の実施例によって
も、図１の実施例と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００４７】ところで、周知のように、インバータ装置
は、大別すると、コンバータ部(順変換部)とインバータ
部(逆変換部)から構成されている。そこで、コンバータ
部からインバータ部を切り離してみると、コンバータ部
だけでも動作が可能で、直流の電源装置として機能し、
インバータ部でも同様に、直流電源から給電される、い
わゆる直流インバータ装置として機能する。そこで、こ
のことを踏まえて構成したのが、図４に示す本発明の第
４の実施例である。

【００４８】この図４の実施例は、図１の実施例におけ
るインバータ装置５の順変換部を直流電源装置２２と
し、逆変換部を直流インバータ装置２３として夫々独立
させ、この直流電源装置２２に本発明を適用して、回生
用のパルス幅変調方式変換部１６を設けたものである。

【００４９】従って、この図４の実施例によっても、本
発明の目的を達成することができ、図１の実施例と同様
の作用効果を得ることができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、力行時、回生時に関係
なく、回生用変換器を常時１８０°通電方式のＰＷＭ制
御状態にしておき、力行時にも、１８０°通電方式によ
り回生用変換部を動作させ、その直流側の電圧を回生動
作が可能な電圧レベルに保って待機させることができる
ので、以下に列挙する効果を得ることができる。

【００５１】 電力変換装置の回生時でのスイッチン
グ損失の発生を回生用変換部に限定でき、従って、順変
換部の容量を、回生動作を見越して大きくしておく必要
が無くなり、装置の小型化と信頼性の向上を充分に図る
ことができる。そして、このことは、負荷からの回生電
力の戻り方が少ない場合、特に有効である。 回生時、力率１の制御が可能になるため、省エネル
ギー効果が充分に得られる。 回生時、電源電流の低次高調波成分の発生をかなり
抑えることができるので、電源設備への悪影響を低減す
ることができる。 順変換部と回生用変換部を接続する際、直流母線の
正、負を逆に誤配線したときでも電源短絡の虞れがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電力変換装置の回生制御装置の第
１の実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。

【図４】本発明の第４の実施例を示すブロック図であ
る。

【図５】ＰＷＭコンバータの動作原理を示す説明図であ
る。

【図６】ＰＷＭコンバータの単相等価モデルの説明図で
ある。

【図７】ＰＷＭコンバータの力行時の出力電圧ベクトル
を示す特性図である。

【図８】ＰＷＭコンバータの回生時の出力電圧ベクトル
を示す特性図である。

【図９】回生機能を備えた電力変換装置におけるループ
電流の説明図である。

【図１０】三相交流電源の位相状態を示す波形図であ
る。

【符号の説明】

１ 三相交流電源 ２ 順変換器 ３、１３ 平滑コンデンサ ４ 逆変換器 ５ 電圧型ＰＷＭインバータ ６ 電動機(誘導電動機) ７ 交流リアクトル ８ 回生用のＰＷＭ変換器 ９ 交流電圧位相検出器 １０ 交流電流検出器 １１ 絶縁型直流電圧検出器 １２ 制御回路 １４ 一方向通電素子(ダイオード) １５ 絶縁用変圧器 １６ 回生用のパルス幅変調方式変換部(回生用変換部) １７ ＡＶＲ系調節器 １８ 掛算器 １９ ＡＣＲ系調節器 ２０ 搬送波発生器 ２１ ＰＷＭ出力回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上総 裕之 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 日立京葉エンジニアリング株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源と直流負荷の間に、整流用の順
   変換部と、回生用のパルス幅変調方式変換部とを並列に
   備えた電力変換装置において、 上記交流電源から上記整流用の順変換部の交流側入力に
   至る接続路、又は上記回生用の変換部の交流側出力と上
   記交流電源に至る接続路の少なくとも一方に挿入された
   絶縁用の変圧器と、 上記回生用の変換部の入力と上記直流負荷の間に接続さ
   れた一方向通電素子とを設け、 上記一方向通電素子の通電方向を、上記回生用の変換部
   による回生電流の通流方向と一致させたことを特徴とす
   る電力変換装置の回生制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１の発明において、上記整流用の
   順変換部がインバータ装置の順変換部で、上記直流負荷
   が該インバータ装置の逆変換部であることを特徴とする
   電力変換装置の回生制御装置。