WO2010116865A1

WO2010116865A1 - インダイレクトマトリクスコンバータ、作業機械の旋回制御装置及び作業機械

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Publication number: WO2010116865A1
Application number: PCT/JP2010/054398
Authority: WO
Inventors: 和人中村; 耕才山本
Original assignee: ナブテスコ株式会社
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2010-10-14
Also published as: JPWO2010116865A1

Abstract

【課題】　インダイレクトマトリクスコンバータにおいて入力電流や出力電圧の歪みを容易に低減可能とする。【解決手段】　第１電力変換部（１６）と第２電力変換部（１８）とを備えたインダイレクトマトリクスコンバータ（１４）において、第１電力変換指令生成部（１２８）からの第１電力変換指令に基づいてＰＷＭ発生部（１２６）が第１電力変換用のＰＷＭ信号を発生する。第１電力変換指令に基づいて第２電力変換指令生成部（１３０）が第２電力変換指令を生成する。指令補正部１３２が第２電力変換指令を補正してＰＷＭ発生部１２６に供給する。ＰＷＭ発生部１２６が、第１電力変換部１６及び第２電力変換部１８の全スイッチが同時にオフとならないように、インバータ用のＰＷＭ信号を発生する。

Description

インダイレクトマトリクスコンバータ、作業機械の旋回制御装置及び作業機械

　本発明は、インダイレクトマトリクスコンバータ、このインダイレクトマトリクスコンバータを備えた作業機械の制御装置及びこの制御装置を備えた作業機械に関する。

　作業機械、例えば建設機械には、ブームやアームが取り付けられている旋回体を、電気モータで旋回させるハイブリッド建設機械がある。電気モータを駆動するために発電機も駆動する。この発電機は、ブームやアームを駆動するための油圧ポンプを駆動するエンジンによって駆動される。従来、発電機が発生した交流電力は、コンバータ及び平滑用のキャパシタによって直流電力に変換され、この直流電力がインバータによって交流電力に変換されて、電気モータに供給されていた。このようにな交流電力から直流電力に変換し、さらに直流電力を交流電力に変換する電力変換の代わりに、一切直流電力を発生させずに、交流電力を所定の交流電力に直接に変換するダイレクトマトリクスコンバータを使用することも考えられる。ダイレクトマトリクスコンバータはケミカルコンデンサのような平滑用のエネルギ蓄積要素を備えていないので、ダイレクトマトリクスコンバータが備えるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のデッドタイム（ＩＧＢＴに短絡電流が流れるのを防止するために設定されるスイッチングの切換え遅延時間）の影響を考慮して、ＩＧＢＴの駆動パルスパターンを決定する必要がある。特許文献１には、ダイレクトマトリクスコンバータの駆動パルスパターンを補正することにより、入力電流や出力電圧の歪みを低減させる技術が開示されている。

特開２００７－１６６７４９号公報

　ダイレクトマトリクスコンバータに代えて、回路上直流電力が現れる直流部を有するインダイレクトマトリクスコンバータを使用することが考えられている。ダイレクトマトリクスコンバータとインダイレクトマトリクスコンバータとでは、駆動パルスパターンの生成方法が異なるため、特許文献１に開示された技術を、そのままインダイレクトマトリクスコンバータに適用することは困難である。

　本発明は、インダイレクトマトリクスコンバータにおいて入力電流や出力電圧の歪みを容易に低減可能とすることを目的とする。また、本発明は、このようなインダイレクトマトリクスコンバータを備えた作業機械の制御装置及びこの制御装置を備えた作業機械を提供することも目的とする。

　本発明の一態様のインダイレクトマトリクスコンバータは、第１電力変換部を備えている。第１電力変換部では、入力された交流電力が複数のスイッチング手段によって直流電力に変換されて出力される。また、インダイレクトマトリクスコンバータは、第２電力変換部も備えている。第２電力変換部では、前記直流電力が複数のスイッチング手段によって交流電力に変換され出力される。第１電力変換部では、例えば直列に接続された２つのスイッチング手段を有する複数（供給される交流電力の相数に対応した数）のアームが互いに並列に接続されている。各アームにおけるスイッチング手段の相互接続点が、それぞれ交流電源の電源入力端子とされている。並列に接続されたアームの両端が第１電力変換部の出力端子とされ手いる。この出力端子が第２電力変換部に接続されている。第２電力変換部でも、例えば直列に接続された２つのスイッチング手段を有する複数（出力する交流電力の相数に対応した数）のアームが互いに並列に接続されている。並列に接続されたアームの両端間が、第１電力変換部の出力端子に接続された電源入力端子とされている。各アームにおけるスイッチング手段の相互接続点が、出力端子とされている。このインダイレクトマトリクスコンバータは、指令補正部を備えている。この指令補正部は、第１電力変換部及び第２電力変換部の全ての前記複数のスイッチング手段が同時にオフとならないように制御するために、前記複数のスイッチング手段の制御の基準となる信号を補正する。前記複数のスイッチング手段の制御の基準となる信号によって、例えば第２電力変換部を構成するスイッチング手段のうち、同じアームに属するものをオン、オフさせる期間が定められる。

　このように構成すると、第１電力変換部及び第２電力変換部の全ての前記複数のスイッチング手段が同時にオフとならないので、入力電流や出力電圧の歪みを低減させることができる。しかも、第１電力変換部及び第２電力変換部の全ての前記複数のスイッチング手段が同時にオフとならないように制御するために、前記複数のスイッチング手段の制御の基準となる信号を補正しているので、入力電流や出力電圧の歪みを検知して、この歪をなくすようにフィードバック制御する場合に比べ、フィードバック制御用の特別なセンサを設ける必要がない。従って、インダイレクトマトリクスコンバータのコストを低減させることができる。

　上記の態様のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記第１電力変換部の前記複数のスイッチング手段を制御する信号を基に、前記第２電力変換部の前記複数のスイッチング手段を制御する信号が生成することができる。即ち、第１電力変換部と第２電力変換部との複数のスイッチング手段は、互いに関連づけられて制御されている。この場合、前記基準となる信号は、前記第２電力変換部のスイッチング手段を制御する信号である。

　このように構成すると、制御状態が変更されるのは、第２電力変換部のスイッチング手段のみであり、第１電力変換部のスイッチング手段を制御する信号については補正が不要であり、補正のための処理が簡素化される。

　さらに、前記第１電力変換部のいずれかの前記複数のスイッチング手段がデッドタイムにあるとき、例えば第１電力変換部の１つのスイッチング手段がオンからオフに切り換え、これと相補に、即ち逆にオフからオンに別のスイッチング手段が切り換えられる場合に、これら切換が完了するまでの間に両スイッチング手段が共にオフになるとき、この第１電力変換部のスイッチング手段に関連する前記第２電力変換部のスイッチング手段がオンとなるように、前記基準となる信号の期間を調整する。例えば、期間を長くしたり、短くしたりする。具体的には、基準となる信号が、第１のレベル状態と第２のレベルとの間で変化するものであり、第１のレベル状態から第２のレベル状態に変化し、再び第１のレベル状態に変化するとき、この変化する２つのタイミングを速くしたり、遅くしたりする。

　このように構成すると、基準となる信号を新たに作るのではなく、その期間の長さを修正するので、補正量が少なく、補正の影響を極めて低く抑えることができる。

　本発明の他の態様の作業用機械の制御装置は、油圧ポンプを駆動するエンジンにより駆動される発電機と、この発電機に接続され、入力された交流電力が複数のスイッチング手段によって直流電力に変換されて出力される第１電力変換部と、前記直流電力が複数のスイッチング手段によって交流電力に変換され出力される第２電力変換部とを備えるインダイレクトマトリクスコンバータと、　このインダイレクトマトリクスコンバータによって制御される旋回モータとを、備えている。そして、インダイレクトマトリクスコンバータが、上述した態様のものである。

　このように構成すると、第１電力変換部及び第２電力変換部の全ての前記複数のスイッチング手段が同時にオフとならないので、入力電流や出力電圧の歪みを低減させることができ、第１電力変換部に電力を供給する発電機の鉄損を抑えることができる。従って、作業機械の旋回制御装置でのエネルギ消費を抑えることができる。しかも、第１電力変換部及び第２電力変換部の全ての前記複数のスイッチング手段が同時にオフとならないように制御するために、前記複数のスイッチング手段の制御の基準となる信号を補正しているので、入力電流や出力電圧の歪みを検知して、この歪をなくすようにフィードバック制御する場合に比べ、フィードバック制御用の特別なセンサを設ける必要がない。従って、インダイレクトマトリクスコンバータを使用した作業機械の旋回制御装置のコストを低減させることができる。

　この態様において、前記インダイレクトマトリクスコンバータの第１電力変換部及び前記第２電力変換部の各スイッチング手段を、双方向スイッチング手段とすることができる。この場合、前記第１電力変換部と前記第２電力変換部との間の直流リンクには、前記発電機からの電力及び前記旋回モータからの回生電力を蓄積するとともに、前記旋回モータ及び駆動用モータとしての前記発電機を作動させるために蓄積された電力を供給するためのキャパシタと、このキャパシタに充放電する充放電回路が設けられている。

　このように構成すると、電気モータを回生制動することが可能となり、この回生によって発生した電力を、充放電回路を介して前記キャパシタに蓄積することができ、この蓄積された電力と第１電力変換部からの電力とによってブームやアームが取り付けられている旋回体を旋回させるための旋回モータを駆動することもできるし、キャパシタに蓄積された電力と旋回モータが発生した電力とを第１電力変換部第を介して発電機側に供給し、油圧ポンプを駆動するエンジンをアシストして、エンジンの燃料消費量を減らすことができる。従って、作業機械のエネルギ消費を抑えることができると共に、エネルギの利用効率を高めることができる。

　この制御装置を備えた作業機械では、制御装置において発電機の鉄損を抑えることができるので、作業機械のエネルギ消費を抑えることができる。

　また、この制御装置を備えた作業機械では、前記油圧ポンプが前記エンジンに駆動される方式に代わって、前記発電機の電力によって駆動される電動油圧ポンプであってもよい。制御装置において発電機の鉄損を抑えることができるので、作業機械のエネルギ消費を抑えることができる。

　以上のように、本発明によれば、インダイレクトマトリクスコンバータの入力電流や出力電圧の歪みを容易に低減可能とすることができる。また、このようなインダイレクトマトリクスコンバータを作業機械の制御装置に適用することや、この制御装置を作業機械に備えることにより、作業機械のエネルギ消費を抑えることができる。

本発明の１実施形態のハイブリッド建設機械のブロック図である。図１のハイブリッド建設機械で使用しているインダイレクトマトリクスコンバータの回路図である。図２のインダイレクトマトリクスコンバータのインバータの或る状態でのインバータＰＷＭ信号の補正前後の波形図である。図２のインダイレクトマトリクスコンバータのインバータの別の状態でのインバータＰＷＭ信号の補正前後の波形図である。図２のインダイレクトマトリクスコンバータのインバータの補正方法の説明用の波形図である。図２のインダイレクトマトリクスコンバータのインバータの補正法を示すフローチャートである。図１のハイブリッド建設機械の動作フローチャートである。

　本発明の１実施形態の作業機械、例えばハイブリッド建設機械は、図１に示すように、エンジン２を有している。エンジン２は、油圧ポンプ４及び発電機６を駆動する。油圧ポンプ４は、油圧アクチュエータ８、例えばハイブリッド建設機械のアームシリンダ、ブームシリンダ、バケットシリンダ、走行油圧モータ等の駆動源として機能する。

　アームシリンダが駆動するアームと、ブームシリンダが駆動するブームと、バケットシリンダが駆動するバケットとは、ハイブリッド建設機械の上部旋回体に取り付けられ手いる。この上部旋回体が旋回可能に設けられている走行体を走行油圧モータ（図示せず）が駆動する。

　上部旋回体を旋回させるために、上部旋回体に旋回機構（図示せず）を介して旋回制御装置１０の電気モータ、例えば旋回モータ１２が結合されている。旋回モータ１２は、例えば三相電動機である。旋回モータ１２を回転させるための電力が発電機６によって発電されている。発電機６は、例えば三相交流電力を発生する三相交流発電機であって、また電気モータ、例えば三相電動機としても動作可能なものである。三相電動機として機能する場合には、発電機６はエンジン２と共に油圧ポンプ４を駆動する。

　発電機６が発生した電力は、旋回制御装置１０のインダイレクトマトリクスコンバータ１４に供給され、その電力の周波数及び電圧がインダイレクトマトリクスコンバータ１４によって変換されて、旋回モータ１２に供給される。

　インダイレクトマトリクスコンバータ１４は、図２に示すように、第１電力変換部１６と、第２電力変換部１８とを有している。

　第１電力変換部１６は、三相交流電源入力端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔを有し、さらに２つの中間直流端子２２ｐ、２２ｎを有している。三相交流電源入力端子２０ｒと中間直流出力端子２２ｐとの間に、スイッチング素子、例えば双方向スイッチング回路２４が接続されている。双方向スイッチング回路２４は、コレクタが三相交流電源入力端子２０ｒに接続されたＩＧＢＴ２６と、同じくコレクタが中間直流出力端子２２ｐに接続されたＩＧＢＴ２８とを有し、これらのエミッタ同士が接続されている。ＩＧＢＴ２６のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード３０が接続され、ＩＧＢＴ２８のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード３２が接続されている。ＩＧＢＴ２６が導通しているとき、三相交流電源入力端子２０ｒからの電流が、ＩＧＢＴ２６、ダイオード３２を介して中間直流出力端子２２ｐに流れる。ＩＧＢＴ２８が導通しているとき、中間直流出力端子２２ｐからの電流が、ＩＧＢ２８、ダイオード３０を介して三相交流電源入力端子２０ｒに流れる。

　双方向スイッチング回路３４、３６が三相交流電源入力端子２０ｓ、２０ｔと、中間直流出力端子２２ｐとの間に、それぞれ接続されている。双方向スイッチング回路３４、３６も、双方向スイッチング回路２４と同様に、２つのＩＧＢＴ３６、３８、４０、４２と逆並列ダイオード４４、４６、４８、５０とから、それぞれ構成されている。

　同様に、電源入力端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔと中間直流出力端子２２ｎとの間に、双方向スイッチング回路５２、５４、５６が接続されている。これら双方向スイッチング回路５２、５４、５６も、それぞれ２つのＩＧＢＴ５８、６０、６２、６４、６６、６８と逆並列ダイオード７０、７２、７４、７６、７８、８０とから、それぞれ構成されている。

　このように第１電力変換部１６は、１２個のＩＧＢＴと１２個のダイオードとによって構成されている。この第１電力変換部１６によって、中間出力端子２２ｐ、２２ｎ間に中間直流電圧が生成される。

　第２電力変換部１８は、中間出力端子２２ｐに中間直流電源ライン８２ｐを介して接続された中間直流入力端子８４ｐと、中間直流出力端子２２ｎに中間直流電源ライン８２ｎを介して接続された中間直流入力端子８４ｎとを、有している。さらに、第２電力変換部１８は、旋回モータ１２の各相に接続された交流出力端子８６ｕ、８６ｖ、８６ｗも有している。

　中間直流入力端子８４ｐと交流出力端子８６ｕとの間に、半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ８８が接続されている。ＩＧＢＴ８８では、ＩＧＢＴ８８のコレクタが中間直流入力端子８４ｐに接続され、エミッタが交流出力端子８６ｕに接続されている。ＩＧＢＴ８８のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード９０が接続されている。同様に、中間直流入力端子８４ｐと交流出力端子８６ｖ、８６ｗとの間に、それぞれＩＧＢＴ９２、９４が接続されている。ＩＧＢＴ９２、９４のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード９６、９８が接続されている。

　同様に、交流出力端子８６ｕ、８６ｖ、８６ｗと中間直流入力端子８４ｎとの間にも、ＩＧＢＴ１００、１０２、１０４が接続されている。ＩＧＢＴ１００、１０２、１０４は、それらのコレクタが交流出力端子８６ｕ、８６ｖ、８６ｗに接続され、それらのエミッタが中間直流入力端子８４ｎにそ接続されている。これらＩＧＢＴ１００、１０２、１０４のコレクタ・エミッタ間に逆並列にダイオード１０６、１０８、１１０がそれぞれ接続されている。

　このように第２電力変換部１８は、６個のＩＧＢＴと６個のダイオードとによって構成されている。

　中間直流電源ライン８２ｐ、８２ｎ間に充放電回路１１２が設けられている。充放電回路１１２は、ＩＧＢＴ１１４を有している。ＩＧＢＴ１１４のコレクタが中間直流電源ライン８２ｐに接続されている。ＩＧＢＴ１１４のエミッタは、抵抗器１１６及びキャパシタ１１８の直列回路を介して中間直流電源ライン８２ｎに接続されている。キャパシタ１１８としては、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）の他、ハイブリッド・キャパシタ、例えば、Ｌｉ（リチウム）イオン・キャパシタなどを用いることができる。抵抗器１１６及びキャパシタ１１８の直列回路と並列に、ＩＧＢＴ１２０が接続されている。ＩＧＢＴ１２０では、コレクタが抵抗器１１６側に位置し、エミッタが中間直流入力端子８４ｎ側に位置している。ＩＧＢＴ１１４、１２０のコレクタ・エミッタ間には逆並列にダイオード１２２、１２４がそれぞれ接続されている。なお、ＩＧＢＴ１１４やＩＧＢＴ１２０はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に変更可能である。

　これら第１電力変換部１６及び第２電力変換部１８の各ＩＧＢＴは、図１に示す第１電力変換及び第２電力変換用のＰＷＭ発生部１２６が発生するＰＷＭ信号によってオン、オフ制御される。その結果、旋回モータ１２に所望の周波数及び電圧を持つ交流電力が供給される。

　ＰＷＭ発生部１２６は、第１電力変換指令生成部１２８からの第１電力変換指令に従って第１電力変換用のＰＷＭ信号を発生する。第１電力変換指令生成部１２８は、作業機械の制御部、例えばハイブリッド建設機械の制御部１２９からの指示に従って、第１電力変換指令を生成する。第１電力変換指令に基づいて第２電力変換指令生成部１３０が第２電力変換指令を生成する。この第２電力変換指令を指令補正部１３２が補正して、補正された第２電力変換指令が、ＰＷＭ発生部１２６に供給され、ＰＷＭ発生部１２６が第２電力変換用のＰＷＭ信号を発生する。従来、第２電力変換指令が直接にＰＷＭ発生部１２６に供給され、直接供給された第２電力変換指令に基づいて、ＰＷＭ発生部１２６が第２電力変換用のＰＷＭ信号を発生していた。しかし、これでは、インダイレクトマトリクスコンバータ１４において電流が流れている経路に存在する全てのＩＧＢＴがオフになることが発生するという不都合が発生していた。以下、図３及び図４を参照して、この点について説明する。

　図３は、キャリア比較方式によってＰＷＭ信号を発生する場合であって、三相交流の一相について１２０度区間だけＰＷＭ信号でＩＧＢＴをスイッチングする場合を示している。他の二相は、１２０度位相をずらせて考えればよいので省略する。同図においてＣＣはコンバータ１６の制御用の三角波である第１電力変換用のキャリアを示す。Ｓｒ、Ｒｒ、Ｔｒは、制御装置１２９からの指示に従って生成された３つの基準値を示す。三角波キャリアＣＣの値が基準値Ｓｒ、Ｒｒ、Ｔｒよりも小さい期間に整流器指令ＳＣ、ＲＣ、ＴＣが第１の状態、例えばＨレベルとなる。ここでは、Ｓｒが三角波キャリアＳＣの最大値に等しく、Ｔｒが三角波キャリアＣＣの最小値に等しく、ＲｒがＳｒ、Ｔｒとの間の値をとり、特に整流器指令ＲＣのＨレベルとなる期間が第１電力変換部１６のスイッチング素子の最小オン時間Ｔｏｎｒｅｃに等しくなるようにＲｒが定められているとする。従って、整流器指令ＲＣは、三角波キャリアＣＣの値が基準値Ｒｒよりも小さい期間Ｈレベルとなり、整流器指令ＳＣは、継続してＨレベルであり、整流器指令ＴＣは継続して第２の状態、例えばＬレベルである。

　これら整流器指令ＳＣ、ＲＣ、ＴＣを双対変換することにより、双方向スイッチング回路２４、３４、３６、５２、５４、５６の制御信号Ｒｐ、Ｓｐ、Ｔｐ、Ｒｎ、Ｓｎ、Ｔｎが生成される。即ち、双方向スイッチング回路２４用の制御信号Ｒｐは継続してＬレベル（双方向スイッチング回路２４がオフ）であり、双方向スイッチング回路５２用の制御信号Ｒｎは、整流器指令ＲＣがＨレベルである期間をデッドタイムＴｄだけ延長した期間Ｌレベル（双方向スイッチング回路５２がオフ）であり、他の期間はＨレベル（双方向スイッチング回路５２がオン）となる。双方向スイッチング回路３４用の制御信号Ｓｐは、継続してＨレベル（双方向スイッチング回路３４がオン）であり、双方向スイッチング回路５４用の制御信号Ｓｎは継続してＬレベル（双方向スイッチング回路５４がオフ）である。双方向スイッチング回路３６用制御信号Ｔｐは継続してＬレベル（双方向スイッチング回路３６がオフ）であり、双方向スイッチング回路５６用の制御信号Ｔｎは、整流器指令ＲＣがＨレベルに立ち上がった時点からデッドタイムＴｄだけ遅れた時点から整流器指令ＲＣがＬレベルに立ち下がった時点までＨレベル（双方向スイッチング回路５６がオン）であり、他の期間はＬレベル（双方向スイッチング回路５６がオフ）である。デッドタイムＴｄは、各双方向スイッチング回路のオン、オフにはばらつきが生じることを考慮して、同じアームに存在する双方向スイッチ回路が同時にオンすることが生じなくするために設定されている。

　整流器指令ＲＣを基にインバータ１８のＰＷＭ信号がインバータ指令生成部１３０で生成される。三角波である第２電力変換部１８における第２電力変換用のキャリアＩＣは、第１電力変換用のキャリアＣＣが最小値のとき最大値となり、整流器指令ＲＣのＨレベルへの立ち上がり及び立ち下がり時点で最小値をとり、整流器指令ＲＣの立ち上がり時点と同じ時点に向かって値が低下してくる部分と、整流器指令ＲＣの立ち下がり時点と同じ時点から値が増加していく部分とを有するように生成される。第２電力変換用の３つの基準値よりも第２電力変換用のキャリアＩＣの値が小さい期間、第２電力変換指令ＵＣがＨレベルとなる。第２電力変換部１８のＩＧＢＴ８８用のＰＷＭ信号Ｕｐは、第２電力変換指令ＵＣの立ち上がりからデッドタイムＴｄだけ遅延して立ち上がり、第２電力変換指令ＵＣの立ち下がりに同期して立ち下がる。第２電力変換部１８のＩＧＢＴ１００用のＰＷＭ信号Ｕｎは、第２電力変換指令ＵＣの立ち上がりからＬレベルとなり、第２電力変換指令ＵＣの立ち下がりからデッドタイムＴｄだけ遅れた時間までＬレベルを維持し、他の期間はＨレベルを維持する。従って、図３に示すようにＰＷＭ信号Ｕｐにおいて先行してＨレベルとなった部分がＨレベルからＬレベルに立ち下がった後の期間Ｔ１、ＰＷＭ信号Ｕｎにおける後続のＨレベル部分が立ち上がる前の期間Ｔ２には、双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる期間が存在する。即ち、インダイレクトマトリクスコンバータにおいて、電流が流れている１つの経路に存在する双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる。そのため、これら期間Ｔ１、Ｔ２には、入力電流や出力電圧の波形が歪む。

　同様に、図４に示すように１２０度の位相期間の開始から基準指令ＲＣが立ち上がるまでのＬレベルの期間及び整流器指令ＲＣが立ち下がってから１２０度の位相期間が終了するまでのＬレベルの期間がそれぞれＴｏｎｒｅｃ／２の場合にも、ＰＷＭ信号Ｕｐに先行してＨレベルとなった部分の立ち上がりの前側の期間Ｔ３、ＰＷＭ信号Ｕｐに後続してＨレベルとなった部分の立ち下がりからの期間Ｔ４に、それぞれ示すように双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる期間が生じ、入力電流や出力電圧の波形が歪む。図３における整流器指令ＲＣのＨレベルとなる期間と、図４における整流器指令ＲＣがＨレベルとなる期間とので種々に整流器指令ＲＣのＨレベルとなる期間が発生するが、これらにおいても同様に期間の長さが異なるが、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４に対応するものが発生する。

　これら期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の発生を防止するために、補正指令部１３２が設けられている。補正指令部１３２は、図５に示すように第２電力変換指令ＵＣを補正第２電力変換指令ＵＣＣに補正している。補正は、図６にフローチャートで示すように行われる。

　図５に示すように、補正指令部３２は、時間Ｄ１と、時間Ｄ２と、時間Ｄ３と、時間Ｄ４とを測定する（ステップＳ２）。時間Ｄ１は、第２電力変換指令ＵＣにおいて先行してＨレベルとなる部分の立ち上がり時点から第２電力変換用のキャリアＩＣが低下状態から増加状態へ変化する最小値の時点（第１電力変換指令ＲＣの立ち上がり時点）までの時間である。時間Ｄ２は、第２電力変換用のキャリアＩＣの最小値の時点（第１電力変換指令ＲＣの立ち上がり時点）から第１電力変換指令ＵＣの先行するものの立ち下がりまでの時間である。時間Ｄ３は、第２電力変換指令ＵＣにおいて後続するＨレベルとなる部分の立ち上がり時点から第２電力変換用のキャリアＩＣが低下状態から増加状態へ変化する最小値の時点（第１電力変換指令ＲＣの立ち下がり時点）までの時間である。時間Ｄ４は第２電力変換用のキャリアＩＣが低下状態から増加状態へ変化する最小値の時点（第１電力変換指令ＲＣの立ち下がり時点）から第２電力変換指令ＵＣにおける後続してＨレベルとなった部分の立ち下がり時点までの時間である。

　次に、補正指令部３２は、時間Ｄ１がデッドタイムＴｄよりも短いか判断する（ステップＳ４）。この判断の答えがイエスの場合、もし、このままＰＷＭ信号Ｕｐを発生させたなら、図４に期間Ｔ３で示すようにＰＷＭ信号Ｕｐの立ち上がりは、第１電力変換用のＰＷＭ信号Ｒｎ、Ｔｎが共にデッドタイム期間にある第１電力変換指令Ｒが立ち上がった時点よりも後の時点で初めてＨレベルとなる。その結果、期間Ｔ３の間、双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる。そこで、補正指令部３２は、第１電力変換指令Ｒが立ち上がった時点で補正第２電力変換用のＰＷＭ信号ＵｐＣがＨレベルとなるように補正時間Ｄ１ＣをデッドタイムＴｄに等しくする（ステップＳ６）。さらに、補正時間Ｄ２Ｃは、補正時間Ｄ２Ｃと補正時間Ｄ１Ｃとの和が、元の時間Ｄ１とＤ２との和と等しくなるように、補正指令部３６は、ステップＳ６において、Ｄ２－（Ｔｄ－Ｄ１）に補正する。この結果、補正第２電力変換指令ＵＣＣにおける先行してＨレベルとなる部分は、元の第２電力変換指令ＵＣにおける先行してＨレベルとなる部分の立ち上がりよりも速く立ち上がり、元の立ち下がりよりも速く立ち下がる。但し、Ｈレベルである期間の長さは変化しないし、この補正の基準となっている時点は、第１電力変換指令ＲＣがＨレベルになった時点である。

　ステップＳ４の判断の答えがノーの場合、即ち、時間Ｄ１がデッドタイムＴｄよりも長い場合、補正指令部３２は、時間Ｄ２がデッドタイムＴｄよりも短いか判断する（ステップＳ８）。この判断の答えがイエスの場合、時間Ｄ２の補正を行わなければ、図３に期間Ｔ１で示したように双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる期間ができる。そこで、補正指令部３２は、第１電力変換用のＰＷＭ信号ＲｐがＬレベルに変化してからデッドタイムＴｄが経過して、第１電力変換用のＰＷＭ信号ＴｎがＨレベルに変化するまでの間、第２電力変換用のＰＷＭ信号ＵｐＣがＨレベルを維持するように、補正時間Ｄ２ＣをデッドタイムＴｄに等しくする（ステップＳ１０）。補正時間Ｄ１Ｃは、補正時間Ｄ１Ｃと補正時間Ｄ２Ｃとの和が、元の時間Ｄ１とＤ２との和と等しくなるように、補正指令部３６は、ステップＳ１０において、Ｄ１－（Ｔｄ－Ｄ２）に補正する。この結果、補正第２電力変換指令ＵＣＣにおける先行してＨレベルとなる部分は、元の第２電力変換指令ＵＣにおけるＨレベルとなる部分の立ち上がりよりも遅く立ち上がり、元の立ち下がりよりも遅く立ち下がる。但し、Ｈレベルである期間の長さは変化しない。この補正の基準となっている時点は、第１電力変換指令ＲＣがＨレベルになった時点である。

　ステップＳ８の判断の答えがノーの場合、補正指令部３６は、時間Ｄ３がデッドタイムＴｄよりも短いか判断する（ステップＳ１２）。この判断の答えがイエスの場合、このまま第２電力変換用のＰＷＭ信号Ｕｐを発生させると、図３の期間Ｔ２で示したように双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる期間が発生する。そこで、補正時間Ｄ３Ｃは、第１電力変換用のＰＷＭ信号Ｒｎ及びＴｎが共にＬレベルとなったとき、補正ＰＷＭ信号ＵｐＣの後続する部分が立ち上がるように、補正指令部３６は、補正時間Ｄ３ＣをデッドタイムＴｄに等しくする（ステップＳ１４）。補正時間Ｄ４Ｃは、補正時間Ｄ３Ｃと補正時間Ｄ４Ｃとの和が、元の時間Ｄ３とＤ４との和と等しくなるように、補正指令部３６は、ステップＳ１４において、Ｄ４－（Ｔｄ－Ｄ３）に補正する。この結果、補正第２電力変換指令ＵＣＣは、元の第２電力変換指令ＵＣに後続してＨレベルとなる部分の立ち上がりよりも速く立ち上がり、元の立ち下がりよりも速く立ち下がる。但し、Ｈレベルである期間の長さは変化しない。この補正の基準となっている時点は、第１電力変換指令ＲＣがＬレベルになった時点である。

　ステップＳ１２の判断の答えがノー場合、補正指令部３６は、時間Ｄ４がデッドタイムＴｄよりも短いか判断する（ステップＳ１６）。この判断の答えがイエスの場合、このまま第２電力変換用のＰＷＭ信号Ｕｐを発生させると、図４の期間Ｔ４で示したように双方向スイッチング回路５２、５６、ＩＧＢＴ８８、１００が全てオフとなる期間が発生する。そこで、補正時間Ｄ４Ｃは、第１電力変換用のＰＷＭ信号Ｒｎ及びＴｎが共にＬレベルとなったとき、補正ＰＷＭ信号ＵｐＣがまだＨレベルを維持するように、補正指令部３６は、補正時間Ｄ４ＣをデッドタイムＴｄに等しくする（ステップＳ１８）。補正時間Ｄ３Ｃは、補正時間Ｄ３Ｃと補正時間Ｄ４Ｃとの和が、元の時間Ｄ３とＤ４との和と等しくなるように、補正指令部３６は、ステップＳ１８において、Ｄ３－（Ｔｄ－Ｄ４）に補正する。この結果、補正第２電力変換指令ＵＣＣは、元の第２電力変換指令ＵＣにおける後続してＨレベルとなる部分の立ち上がりよりも遅く立ち上がり、元の立ち下がりよりも遅く立ち下がる。但し、Ｈレベルである期間の長さは変化しない。この補正の基準となっている時点は、第１電力変換指令ＲＣがＬレベルになった時点である。

　このように補正された補正第２電力変換指令ＵＣＣに基づいて、補正第２電力変換指令ＵＣＣにおいてそれぞれＨレベルとなる部分からデッドタイムだけ遅延させて補正ＰＷＭ信号ＵｐＣのＨレベルとなる部分が立ち上がり、補正第２電力変換指令ＵＣＣにおけるＨレベルとなる部分の立ち下がりに同期して、補正ＰＷＭ信号ＵｐＣが立ち下がる。同様に、補正第２電力変換指令ＵＣＣにおけるＨレベルとなる部分の立ち上がりに同期して、補正ＰＷＭ信号ＵｎＣがＬレベルに立ち下がり、補正第２電力変換指令ＵＣＣにおけるＨレベルとなる部分の立ち下がりからデッドタイムＴｄの経過後に補正ＰＷＭ信号ＵｎＣがＨレベルに立ち上がる。この補正ＰＷＭ信号ＵｐＣ、ＵｎＣ及び同様に生成された補正ＰＷＭ信号ＶｐＣ、ＶｎＣ、ＷｐＣ、ＷｎＣ（図示せず）に基づいて、第１電力変換部１６及び第２電力変換部１８の各ＩＧＢＴは制御され、旋回用モータ１２に所望の周波数及び所望の電圧を持つ交流電力を供給する。特に、三相交流電力を、第１電力変換部１６及び第２電力変換部１８によって直接に所望の交流電力に変換しているので、中間直流電源ライン８２ｐ、８２ｎ間に平滑用の大容量のキャパシタを設ける必要がない。しかも、上述したようにコンバータ１６及びインバータ１８の対応する双方向スイッチ回路及びＩＧＢＴが同時に全てオフとなることがないので、入力電流や出力電圧の波形に歪みが生じない。また、補正ＰＷＭ信号ＵｐＣ、ＵｎＣは、制御の基準となる第２電力変換指令ＵＣを補正第２電力変換指令ＵＣＣに補正することによって行っているので、この補正された補正第２電力変換指令ＵＣＣに基づいて補正ＰＷＭ信号ＵｐＣ、ＵｎＣを発生する。従って、補正ＰＷＭ信号ＵｐＣ、ＵｎＣの発生が容易に行える。

　このように、ハイブリッド建設機械の操縦者からの制御部１２９を介しての指令（図示せず）に基づき、上部旋回体を旋回させるため、旋回用モータ１２に所望の周波数及び所望の電圧を持つ交流電力を供給するように、インダイレクトマトリクスコンバータ１４が制御される。このとき、発電機６からの電力を優先して旋回モータ１２に供給する。すなわち、図７に示すように、制御部１２９は、旋回パワーが不足しているか判断する（ステップＳ２０）。後述するように旋回モータ１２での旋回のための必要電力に余裕があるときに、キャパシタ１１８が第１電力変換部１６によって充電されている。ステップＳ２０において旋回モータ１２における旋回のための必要電力が不足すると判断された場合、制御部１２９は、キャパシタ１１８を放電させて、キャパシタ１１８の電力を、旋回モータ１２に供給される電力に加える（ステップＳ２２）。

　また、第１電力変換部１６では、各ＩＧＢＴ２６、２８、３６乃至４２、５８乃至６８に逆並列にダイオード３０、３２、４４乃至５０、７０乃至８０が設けられ、第１電力変換部１６はそれぞれ双方向スイッチ回路２４、３４、３６、５２乃至５６によって構成されているので、これらをＰＷＭ制御部１２６で制御することによって旋回モータ１２の回生制御を行い、電源入力端子２０ｒ、２０ｓ、２０ｔに交流電力を発生することができる。

　従って、ステップＳ２０の判断の答えがノーの場合、旋回モータ１２が回生ブレーキ中であるか制御部１２９が判断する（ステップＳ２４）。この判断の答えがノーの場合、制御部１２９は油圧ポンプ４のパワーが不足しているか判断する（ステップＳ２６）。この判断の答えがノーの場合には、制御部１２９は、第１電力変換部１６の余剰電力でキャパシタ１１８を充電する（ステップＳ２８）。また、ステップＳ２６の判断の答えがイエスの場合、即ち油圧ポンプ４のパワーが不足している場合には、制御部１２９は、第１電力変換部１６を介して供給するキャパシタ１１８の電力によって、発電機６の駆動を補助する（ステップＳ３０）。即ち、発電機６を三相電動機として動作させる。

　ステップＳ２４の判断の答えがイエスの場合、即ち旋回モータ１２が回生ブレーキ中の場合、制御部１２９は油圧ポンプ４のパワーが不足しているか判断する（ステップＳ３２）。この判断の答えがイエスの場合、制御部１２９は、インダイレクトマトリクスコンバータ２２を介して旋回モータ１２の回生による交流電力を発電機６に供給させ、発電機６を三相電動機として動作させ、エンジン２が油圧ポンプ４を駆動するのを補助する（ステップＳ３４）。なお、回生電力のみでは不足の場合には、キャパシタ１１８の電力も供給される。このように充放電用のキャパシタ１１８は、余剰電力が発生したときのみ充電され、回生電力が不足するときのみ放電されるので、頻繁に充放電されることが無く、充放電に伴う損失の発生が少ない。ステップＳ３２の判断の答えがノーの場合、即ち、油圧ポンプ４のパワーが不足していない場合、制御部１２９は、旋回モータ１２の回生電力でキャパシタ１１８を充電させる（ステップＳ３６）。

　上記の実施形態では、双方向スイッチング回路２４、３４、３６やその他の半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたが、これに限らず、バイポーラ型パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴを用いても構わない。更に上記の実施形態では、補正処理を簡素化するため第２電力変換指令を補正するように構成したが、第１電力変換指令を補正するように構成することもできる。この場合、第１電力変換指令生成部１２８で生成された信号は、指令補正部１３２によって補正され、ＰＷＭ発生部１２６に入力される。更に、第１電力変換指令生成部１２８で生成された信号は、第２電力変換生成部にも入力され、第２電力変換生成部で生成された信号はＰＷＭ発生部１２６に入力される。基本的な処理の考え方は第２電力変換指令を補正する場合と同様である。また上記の実施形態では、発電機６が電動機として作動可能としたが、別途、油圧ポンプ４を補助駆動するための電動機を設け、この電動機をインダイレクトマトリクスコンバータ１４からの回生電力で駆動するように構成することもできる。さらに、油圧アクチュエータ８のアームシリンダ、ブームシリンダ、バケットシリンダ、走行油圧モータ毎に電動機と油圧ポンプを設け、各電動機への電力配分を調節することもできる。

Claims

　入力された交流電力が複数のスイッチング手段によって、直流電力に変換されて、出力される第１電力変換部と、
　前記直流電力が複数のスイッチング手段によって、交流電力に変換されて、出力される第２電力変換部と、
を備えたインダイレクトマトリクスコンバータであって、
　全ての前記複数のスイッチング手段が同時にオフとならないように、前記複数のスイッチング手段の制御の基準となる信号を補正する指令補正部を、備えたインダイレクトマトリクスコンバータ。
　請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記第１電力変換部の前記複数のスイッチング手段を制御する信号を基に、前記第２電力変換部の前記複数のスイッチング手段を制御する信号が生成され、前記基準となる信号は、前記第２電力変換部の前記複数のスイッチング手段を制御する信号であるインダイレクトマトリクスコンバータ。
　請求項２記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記スイッチング手段が短絡することを防止するために設けられているスイッチング間隔であるデッドタイムに、前記第１電力変換部のいずれかの前記複数のスイッチング手段があるとき、このスイッチング手段に関連する前記第２電力変換部のいずれかの前記複数のスイッチング手段がオンとなるように、前記基準となる信号の期間を調整するインダイレクトマトリクスコンバータ。
　油圧ポンプを駆動するエンジンにより駆動される発電機と、
　この発電機に接続され、入力された交流電力が複数のスイッチング手段によって直流電力に変換されて出力される第１電力変換部と、前記直流電力が複数のスイッチング手段によって交流電力に変換され出力される第２電力変換部とを備えるインダイレクトマトリクスコンバータと、
　このインダイレクトマトリクスコンバータによって制御される旋回モータとを、
備え、前記インダイレクトマトリクスコンバータは、更に全ての前記複数のスイッチング手段がオフとならないように、前記複数のスイッチング手段の制御の基準となる信号を補正する指令補正部を、備えている
作業機械の旋回制御装置。
　請求項４記載の作業機械の旋回制御装置において、前記インダイレクトマトリクスコンバータの前記第１電力変換部及び前記第２電力変換部の前記複数のスイッチング手段は、双方向スイッチング手段であり、前記第１電力変換部と前記第２電力変換部との間の直流リンクには、前記発電機からの電力及び前記旋回モータからの回生電力を蓄積するとともに、前記旋回モータ及び駆動用モータとしての前記発電機を作動させるために蓄積された電力を供給するためのキャパシタと、このキャパシタに充放電する充放電回路が設けられている作業機械の旋回制御装置。
　請求項４記載の作業機械の旋回制御装置を備えた作業機械。
　請求項４記載の作業機械の旋回制御装置において、前記油圧ポンプが前記エンジンに駆動される方式に代わって、前記発電機の電力によって駆動される電動油圧ポンプである作業機械の旋回制御装置を備えた作業機械。