WO2016063887A1

WO2016063887A1 - 交流電動機の駆動装置

Info

Publication number: WO2016063887A1
Application number: PCT/JP2015/079617
Authority: WO
Inventors: 耕才山本
Original assignee: ナブテスコ株式会社
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-04-28
Also published as: JPWO2016063887A1

Abstract

　インバータによって交流電動機を駆動する制御装置に関し、特に電力吸収用の蓄電手段を備えるものである。具体的には、コンバータ（２）の２つの第１出力端子（６ａ），（６ｂ）間から、インバータ（２０）が直流電源の供給を受け、交流電動機（２８）に接続されている第２出力端子（２４ａ），（２４ｂ），（２４ｃ）に、交流電源を供給する。インバータ２０の第２出力端子（２４ａ），（２４ｂ），（２４ｃ）からリアクトル（３８ａ），（３８ｂ），（３８ｃ）を介して充電電流がＥＤＬＣ（３６）に供給される。充電時に、インバータ（２０）の出力電位が上昇させられている。上記の構成によりチョッパを使用せずに、蓄電装置に充電する。

Description

交流電動機の駆動装置

　本発明は、インバータによって交流電動機を駆動する制御装置に関し、特に電力吸収用の蓄電手段を備えるものに関する。

　従来、上記のような駆動装置の一例が特開２０１４－１１７０９８号公報（以下、特許文献１）に開示されている。特許文献１の技術によれば、エンジンで駆動される発電機からの電力をコンバータで直流化し、この直流電力を、三相交流電動機の駆動に適した三相交流電力にインバータで変換して、三相交流電動機に供給している。コンバータとインバータとの接続点がチョッパを介して蓄電装置に接続され、交流電動機の回生電力が、インバータ及びチョッパを介して蓄電装置に蓄電され、蓄電装置の電力とコンバータの電力とが、交流電動機に供給される。

　特許文献１の技術によれば、充電時には、蓄電装置には、チョッパを介して大電流が流れるので、チョッパには、大電流に耐える大容量の半導体装置を使用しなければならず、しかも、この半導体装置が３経路に必要であり、駆動装置がコストアップしていた。また、蓄電装置から放電する場合も同様である。

　本発明は、チョッパを使用せずに、蓄電装置に充放電可能とした交流電動機の駆動装置を提供することを目的とする。

　本発明の一態様の交流電動機の駆動装置は、交流電源を直流化する交流－直流変換手段を有している。この交流－直流変換手段は、２つの第１出力端子を、直流－交流変換手段の２つの入力端子に接続している。直流－交流変換手段は、少なくとも２つの第２出力端子を有し、これが交流電動機に接続されている。交流電動機として、例えば三相交流電動機を使用することができる。その場合、第２出力端子は３つとなる。この第２出力端子からリアクトルを介して蓄電装置に充電電流が供給される。この充電電流が流されるとき、直流－交流変換手段の第２出力端子の電位は、蓄電装置の放電時よりも上昇させられている。すなわち、充電電流が蓄電装置に供給されるとき、直流－交流変換手段の第２出力端子の電位は、蓄電装置の蓄電電位よりも高く設定されている。

　このように構成すると、交流電動機の出力端子の電位は上昇し、電位が上昇している交流電動機に直流－交流変換手段の第２出力端子から蓄電装置に電流が流れ、蓄電装置を充電することができる。

　また、蓄電装置から交流電動機に放電して、交流電動機を回転させる場合には、直流－交流変換手段の第２出力端子の電位が、蓄電装置の充電時よりも降下させられ、例えば蓄電装置の電位よりも低下させられるように、直流－交流変換手段が制御される。すなわち、蓄電装置からの放電電流がリアクトルを介して直流－交流変換手段の第２出力端子から交流電動機に供給されるとき、直流－交流変換手段の第２出力端子の電位は、蓄電装置の蓄電電位よりも低く設定されている。

　このように構成すると、蓄電装置の出力電位よりも電位が低い交流電動機に放電電流が流れる。

　本発明の他の態様の交流電動機の駆動装置は、上記の態様と同様に交流－直流変換手段と、直流－交流変換手段とを、有している。直流－交流変換手段から交流電力が供給される交流電動機が備える巻線の中性点を介して蓄電装置に充電が行われる。なお、上記の態様と同様に充電電流が流されるとき、直流－交流変換手段の第２出力端子の電位は、蓄電装置の放電時よりも上昇させられている。

　このように構成すると、交流電動機の出力端子の電位は上昇し、電位が上昇している交流電動機の出力端子から交流電動機の巻線の中性点を介して蓄電装置に充電電流が流れ、蓄電装置を充電することができる。

　また、蓄電装置から交流電動機に放電電流を供給することができる。この場合、蓄電装置の出力電位を、例えば直流－交流変換手段の第２出力端子の電位よりも低下させることによって放電電流を交流電動機に円滑に供給することができる。

　以上のように、本発明によれば、チョッパを使用せずに、蓄電装置から充放電可能としたので、電動機の駆動装置のコストダウンを図ることができる。

本発明の第１の実施形態の交流電動機の駆動装置のブロック図である。図１にコンデンサ１３を追加したブロック図である。本発明の第２の実施形態の交流電動機の駆動装置のブロック図である。図３にコンデンサ１３を追加したブロック図である。

　（第１の実施形態）
　図１は本発明の第１の実施形態の交流電動機の駆動装置の回路図である。
　図１に示すように、コンバータ２と、コンバータ駆動部１４と、制御部１８と、インバータ２０と、インバータ駆動部３２とを備えている。

　コンバータ（交流－直流変換手段）２は、交流電源、例えば三相交流電源４からの三相交流を入力端子６ａ、６ｂ、６ｃによって受けて、出力端子（第１出力端子）８ｐ、８ｎ間に発生する直流に変換するものである。コンバータ２は、２つの半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１０を直列に接続してなる３つの直列回路を有する。これら３つの直列回路が、出力端子８ｐ、８ｎ間に並列に接続されている。各直列回路における２つのＩＧＢＴ１０の伝導路の接続点が、入力端子６ａ、６ｂ、６ｃに接続されている。これらＩＧＢＴ１０には逆並列ダイオード１２がそれぞれ接続されている。これらＩＧＢＴ１０は、コンバータ駆動部１４によってオン、オフ制御される。この制御のために、コンバータ２への入力電流、すなわち入力端子６ａ、６ｂ、６ｃを流れる入力電流が、電流検出手段、例えば電流センサ１６、１６によって検出されて、制御部１８に供給される。この入力電流に応じて、制御部１８からコンバータ駆動部１６に制御指令が供給される。この制御指令に応じてコンバータ駆動部１４が各ＩＧＢＴ１０のゲートにオン、オフ制御信号を供給する。

　コンバータ２の出力端子８ｐ、８ｎ間に発生した直流は、インバータ（直流－交流変換手段）２０の２つの入力端子２２ｐ、２２ｎ間に供給され、複数、例えば３つの出力端子（第２出力端子）２４ａ、２４ｂ、２４ｃに発生する三相交流に変換される。インバータ２０は、２つの半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ２６を直列に接続してなる３つの直列回路を有する。これら３つの直列回路が、入力端子２２ｐ、２２ｎ間に並列に接続されている。各直列回路におけるＩＧＢＴ２６の伝導路の接続点が出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃにそれぞれ接続されている。これら出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、交流電動機、例えば三相交流電動機、具体的には三相誘導電動機２８の複数、例えば３つの入力端子２９ｕ、２９ｖ、２９ｗを介して三相交流電動機２８の３相の固定子巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに接続されている。ＩＧＢＴ２６には逆並列ダイオード３０がそれぞれ接続されている。ＩＧＢＴ２６は、インバータ駆動部３２によってオン、オフ制御される。この制御のために、インバータ２０からの出力電流が、電流検出手段、例えば電流センサ３４、３４によって検出されて、制御部１８に供給される。この出力電流に応じて、制御部１８からインバータ駆動部３２に制御指令が供給される。この制御指令に応じてインバータ駆動部３２が各ＩＧＢＴ２６のゲートにオン、オフ制御信号を供給する。

　蓄電装置、例えばＥＤＬＣ（電気二重層コンデンサ）３６が、この交流電動機の駆動装置には設けられる。ＥＤＬＣ３６の一端がコンバータ２の出力端子８ｎ及びインバータ２０の入力端子２２の接続点に接続されている。このＥＤＬＣ３６の他端は、リアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、インバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃを介して三相交流電動機２８の入力端子２９ａ、２９ｂ、２９ｃに接続されている。ＥＤＬＣ３６は、三相交流電動機２８が制動されたときに、発生される電力を蓄電するためのものである。ＥＤＬＣ３６は、蓄電時に三相交流電動機２８の電圧をインバータ２０によって制御するために、電流検出手段、例えば電流センサ４０がＥＤＬＣ３６と直列に設けられている。ＥＤＬＣ３６の充電電流が電流センサ４０によって検出され、制御部１８に供給される。三相交流電動機２８の制動時に、制御部１８は、この電流検出値に応じてインバータ駆動部３２に制御指令を供給し、インバータ駆動部３２は、この制御指令に応じて各ＩＧＢＴ２６をオン、オフ制御する。

　このように構成された交流電動機の駆動装置では、三相交流電動機２８を加速する場合、インバータ２０によって三相交流電動機２８に供給される電圧の周波数を増加させる。このとき、周波数を増加させても、供給される電圧と周波数との比は一定に維持されている。このとき、リアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃを介してＥＤＬＣ３６を充電することも可能である。このとき、ＥＤＬＣ３６の蓄電電位は、インバータ２０の入力端子２２ｐ、２２ｎの電位よりも低く設定されている。また、三相交流電動機２８を加速する際には、通常はＥＤＬＣ３６の放電が行われる。ＥＤＬＣ３６の放電時には、インバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃの電位は、ＥＤＬＣ３６の充電時よりも下げられる。すなわち、ＥＤＬＣ３６の放電時には、インバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃの電位は、ＥＤＬＣ３６の蓄電電位よりも低く設定される。これにより、ＥＤＬＣ３６からリアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃを通ってインバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃに放電電流が流れる。

　三相交流電動機２８を減速する場合、インバータ２０から供給される電圧の周波数を、三相交流電動機２８の回転数よりも低くすることによって、回生制動が行われる。これによって、リアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃを介してＥＤＬＣ３６が充電される。このとき、三相交流電動機２８に供給される電圧は、加速する際に供給されていた電圧よりも高くされている。これによって、ＥＤＬＣ３６へ充電が良好に行われ、チョッパは不要である。三相交流電動機２８を減速する際に行われるＥＤＬＣ３６の充電時には、インバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃの電位は、ＥＤＬＣ３６の放電時よりも、上昇させられる。すなわち、ＥＤＬＣ３６の充電時には、インバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃの電位は、ＥＤＬＣ３６の蓄電電位よりも高く設定される。これにより、インバータ２０の出力端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃからリアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃを通ってＥＤＬＣ３６に充電電流が流れる。

　また、ＥＤＬＣ３６から三相交流電動機２８に放電する場合、ＥＤＬＣ３６の電位よりも三相交流電動機２８の電位が低下するように、インバータ２０の電位を低下させる。

　図２は図１にコンデンサ１３を追加したブロック図である。コンデンサ１３は、コンバータ２の出力端子８ｐ、８ｎ間に接続されている。このコンデンサ１３を設けることで、コンバータ２からの出力を電圧の形態でインバータ２０に伝達することができる。すなわち、コンデンサ１３を設けることで、コンバータ２とインバータ２０とを非同期制御することができる。コンデンサ１３は、電解コンデンサやフィルムコンデンサ等からなる数ｍＦの小容量のコンデンサである。

　図２において、ＥＤＬＣ３６からの放電時には、ＥＤＬＣ６からの放電電流が逆並列ダイオード３０を通ってコンデンサ１３に流れてコンデンサ１３が充電され、その後、コンデンサ１３からの放電電流が、オンになったＩＧＢＴ２６を通過して三相交流電動機２８に流れる。

　一方、図２において、ＥＤＬＣ３６への充電時には、三相交流電動機２８からの電流が、逆並列ダイオード３０を通ってコンデンサ１３に流れてコンデンサ１３が充電され、その後、コンデンサ１３からの放電電流が、オンになったＩＧＢＴ２６を通過してＥＤＬＣ６に流れて、ＥＤＬＣ６の充電が行われる。

　（第２の実施形態）
　図３は本発明の第２の実施形態の交流電動機の駆動装置の回路図である。この実施形態では、図３に示すように、リアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃを使用せずに、三相交流電動機２８の各固定子巻線の中性点をＥＤＬＣ３８に接続したものである。この実施形態においても、第１の実施形態と同様にして、ＥＤＬＣ３６を充電することもでき、またＥＤＬＣ３６から放電することもできる上に、リアクトル３８ａ、３８ｂ、３８ｃを除去することができるので、コストの低減を図ることができる。

　図４は図３に図２と同様のコンデンサ１３を追加したブロック図である。
　図４において、ＥＤＬＣ３６からの放電時には、ＥＤＬＣ６からの放電電流が三相交流電動機２８の各固定子巻線の中性点を通った後、逆並列ダイオード３０を通ってコンデンサ１３に流れてコンデンサ１３が充電される。

　一方、図４において、ＥＤＬＣ３６への充電時には、コンデンサ１３からの放電電流が、オンになったＩＧＢＴ２６を通って三相交流電動機２８の各固定子巻線の中性点を通った後、ＥＤＬＣ３６に流れてＥＤＬＣ３６が充電される。

　上記の実施形態では、交流電動機として三相誘導電動機を使用したが、三相同期電動機を使用することもできるし、三相に代えて単相の誘導電動機を使用することもできる。また、第２の実施形態において、三相交流電動機２８の中性点をＥＤＬＣ３６に接続したが、巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗのうちいずれかの中性点に接続されていない端に接続することもできる。即ち、三相交流電動機２８の巻線を介してＥＤＬＣ３６から充電または放電することができる。

　２　コンバータ（直流－交流変換手段）　２０　インバータ（交流－直流変換手段）　３６　ＥＤＬＣ（蓄電装置）　３８ａ、３８ｂ、３８ｃ　リアクトル

Claims

　２つの第１出力端子を有し、この２つの第１出力端子間に、交流電源を直流化した直流電源を出力する交流－直流変換手段と、
　少なくとも２つの第２出力端子を有し、前記交流－直流変換手段の前記２つの第１出力端子間から、前記直流電源の供給を受け、前記第２出力端子から交流電動機に交流電源を供給する直流－交流変換手段と、
　前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子からリアクトルを介して充電電流が供給される蓄電装置とを、有し、
　前記充電電流が前記蓄電装置に供給されるとき、前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子の電位は、前記蓄電装置の放電時よりも上昇させられている交流電動機の駆動装置。
　前記充電電流が前記蓄電装置に供給されるとき、前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子の電位は、前記蓄電装置の蓄電電位よりも高く設定される請求項１に記載の交流電動機の駆動装置。
　請求項１記載の交流電動機の駆動装置において、前記蓄電装置からの放電電流が前記リアクトルを介して前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子から前記交流電動機に供給されるとき、前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子の電位は、前記蓄電装置の充電時よりも下降させられている交流電動機の駆動装置。
　前記蓄電装置からの放電電流が前記リアクトルを介して前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子から前記交流電動機に供給されるとき、前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子の電位は、前記蓄電装置の蓄電電位よりも低く設定される請求項３に記載の交流電動機の駆動装置。
　前記交流－直流変換手段の前記２つの第１出力端子間に接続されるコンデンサを備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の交流電動機の駆動装置。
　前記蓄電装置の放電時には、前記蓄電装置からの放電電流が前記リアクトルと前記直流－交流変換手段とを通過して前記コンデンサに流れて前記コンデンサが充電され、その後、前記コンデンサからの放電電流が前記直流－交流変換手段を通過して前記交流電動機に流れ、
　前記蓄電装置への充電時には、前記交流電動機からの電流が前記直流－交流変換手段を通過して前記コンデンサに流れて前記コンデンサが充電され、その後、前記コンデンサからの放電電流が前記直流－交流変換手段と前記リアクトルとを通過して前記蓄電装置に流れて前記蓄電装置が充電される請求項５に記載の交流電動機の駆動装置。
　２つの第１出力端子を有し、この２つの第１出力端子間に、交流電源を直流化した直流電源を出力する交流－直流変換手段と、
　少なくとも２つの第２出力端子を有し、前記交流－直流変換手段の前記２つの第１出力端子間から、前記直流電源の供給を受け、前記第２出力端子から交流電動機に交流電源を供給する直流－交流変換手段と、
　前記交流電動機が有する巻線の中性点を介して充電電流が供給される蓄電装置とを、有し、
　前記充電電流が前記蓄電装置に供給されるとき、前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子の電位は、前記蓄電装置の放電時よりも上昇させられている交流電動機の駆動装置。
　請求項７記載の交流電動機の駆動装置において、前記蓄電装置からの放電電流が前記交流電動機の巻線の中性点を介して放電されるとき、前記直流－交流変換手段の前記第２出力端子の電位は、前記蓄電装置の充電時よりも下降させられている交流電動機の駆動装置。
　前記交流－直流変換手段の前記２つの第１出力端子間に接続されるコンデンサを備える請求項７または８に記載の交流電動機の駆動装置。
　前記蓄電装置の放電時には、前記蓄電装置からの放電電流が前記交流電動機の巻線の中性点と前記直流－交流変換手段とを通って前記コンデンサに流れて前記コンデンサが充電され、
　前記蓄電装置の充電時には、前記コンデンサからの放電電流が前記直流－交流変換手段と前記交流電動機の巻線の中性点とを通って前記蓄電装置に流れて前記蓄電装置が充電される請求項９に記載の交流電動機の駆動装置。