JP2001238455A

JP2001238455A - 多重電力変換装置

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Publication number: JP2001238455A
Application number: JP2000050462A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Iwaji; 善尚岩路; Toshiaki Okuyama; 俊昭奥山; Koichiro Nagata; 浩一郎永田; Shigetoshi Okamatsu; 茂俊岡松
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP3463165B2

Abstract

(57)【要約】【課題】装置を大型化することなく、わずかな部品の
追加と制御によって、多重電力変換装置により駆動され
る負荷装置の回生運転を実現することにある。【解決手段】複数台のユニットインバータ４と、交流
側を直列に接続して一相分の多重電力変換器３を構成
し、多重電力変換器を複数接続して出力される三相交流
により三相誘導電動機６を駆動する多重電力変換装置に
おいて、各相の多重電力変換器のユニットインバータ５
に電動機からの回生エネルギーを処理する制動抵抗ユニ
ット５１を設け、制御器８として電動機印加電圧演算
器、回生可否判別器、切り替え信号発生器、回生トルク
電流零設定器、回生トルク電流指令発生器を設け、回転
中の電動機を減速あるいは停止させる際に、電動機の減
速開始と同時に、電動機の端子電圧を計測あるいは推定
し、端子電圧が予め設定した所定値以下に下がった時点
で電動機を回生制動し、電動機を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回生機能の付いた
多重電力変換装置に係り、特に、これを用いて交流電動
機を駆動する際の回生技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】既設の高圧交流電動機（３．３ｋＶ、
６．６ｋＶなど）をインバータを用いて可変速化するこ
とにより、省エネルギーが実現できるため、高圧電動機
駆動技術として多重インバータ方式が実用化されてい
る。インバータを構成する半導体素子は、高耐圧化が難
しいため、低圧のインバータを多重化してこれに対応し
ている（例えば、特開平１０−３３７０４２号公報）。
また、低圧のインバータを多重化することにより、イン
バータの出力電圧のひずみを低減し、電動機巻線の高調
波による絶縁劣化を防止している。高圧電動機は、主と
してファン、ポンプなどの駆動用に用いられ、一般的に
回生動作を必要としない場合が多い。そのため、多重イ
ンバータを構成する個々のユニットインバータの直流電
源は、ダイオード整流器と平滑コンデンサによって構成
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の高圧電動機駆動
用の多重インバータでは、高圧電動機からの電力を電源
に回生することができないため、電動機を速やかに減速
することができない。特に、ファンなどのイナーシャの
大きな負荷の場合、急減速が難しい。電力回生機能を付
加すれば、回生は可能であるが、装置の大型化やコスト
の面で問題がある。多重インバータには、既設電動機の
可変速化がニーズとしてあるため、装置の大型化はでき
るだけ避けたい。また、高圧電動機の用途を拡大するた
めにも、回生制動がかけられる装置が望まれる。

【０００４】本発明の課題は、装置を大型化することな
く、わずかな部品の追加と制御によって、多重電力変換
装置により駆動される負荷装置の回生運転を実現するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、複数台のユニットインバータからなる多重電力変換
器を複数台接続してなる多重電力変換装置、または、三
相インバータと前記複数台の多重電力変換器を接続して
なる多重電力変換装置において、少なくとも一つのユニ
ットインバータの直流部に、または、三相インバータの
直流部に回生電力を消費する制動抵抗器を付加し、三相
負荷装置が回生動作した場合に、制動抵抗器を用いて回
生エネルギーを消費する。ここで、回転中の誘導電動機
を減速あるいは停止させる際に、誘導電動機の二次巻線
に流れる電流を実質的に零に制御し、かつ、励磁電流を
零でない特定の値に制御する。また、回転中の誘導電動
機を減速あるいは停止させる際に、誘導電動機の減速開
始と同時に、誘導電動機の端子電圧を計測あるいは推定
し、端子電圧が予め設定した所定値以下に下がった時点
で誘導電動機を回生制動し、誘導電動機を停止させる。
また、回転中の誘導電動機を減速あるいは停止させる際
に、誘導電動機の減速開始と同時に、誘導電動機の励磁
電流を徐々に低減し、同時に誘導電動機の端子電圧を計
測あるいは推定し、端子電圧が予め設定した所定値以下
に下がった時点で誘導電動機を回生制動し、誘導電動機
を停止させる。また、回転中の誘導電動機を減速あるい
は停止させる際に、誘導電動機の減速開始と同時に、誘
導電動機の励磁電流を徐々に低減し、同時に誘導電動機
の端子電圧を計測あるいは推定し、端子電圧が予め設定
した所定値以下に下がった時点で誘導電動機を回生制動
させ、これと同時に端子電圧が所定値付近に保たれるよ
うに励磁電流を制御し、誘導電動機を停止させる。ま
た、回転中の誘導電動機を減速あるいは停止させる際
に、誘導電動機の減速開始と同時に、誘導電動機の励磁
電流を徐々に低減し、同時に誘導電動機の端子電圧を計
測あるいは推定し、端子電圧が予め設定した所定値以下
に下がった時点で誘導電動機を回生制動させ、同時に端
子電圧が所定値に保たれるように励磁電流を制御し、さ
らに励磁電流値の関数として回生トルクを変化させ、誘
導電動機を停止させる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の第一の実施形態によ
る多重電力変換装置を示す。本実施形態は、一相当たり
ユニットインバータを４台多重化して構成した三相多重
電力変換装置である。図１において、部品番号１は三相
交流電源、２は入力の変圧器、３は各相電圧を出力する
多重電力変換器、４は単相交流を出力するユニットイン
バータ、４１はダイオード整流器、４２は平滑コンデン
サ、４３は単相フルブリッジのインバータ、５は制動抵
抗５１”を付加したユニットインバータ、５１はユニッ
トインバータ５の直流電圧が過大になった場合にスイッ
チ５１’をオンし、電力を消費する制動抵抗ユニット、
６は誘導電動機に代表される負荷装置、７は負荷電流を
検出する電流検出器、８は多重電力変換装置を制御する
制御器である。

【０００７】本実施形態の動作原理を説明する。三相交
流電源１から変圧器２を介して各ユニットインバータ
４、５へ電源が供給される。変圧器２は、電源の降圧と
ユニットインバータ間の絶縁のために挿入される。ユニ
ットインバータ４、５では、図２、３に示すように、ダ
イオードによる６相整流器４１と平滑コンデンサ４２に
より直流電源が構成され、フルブリッジインバータ４３
によって単相交流を出力する。ユニットインバータ５に
は、制動抵抗ユニット５１が直流部に付加され、直流電
圧（平滑コンデンサ電圧）が過大になった時に、制動抵
抗器５１”で電力を消費する。次に、図１における回生
動作について説明する。誘導電動機６が高速回転し、電
動機に高い電圧が印加されている場合には、ユニットイ
ンバータ５のみの回生では耐圧上無理があるため、回生
は行わない。電動機が低速で回転し、電動機の端子電圧
が低い状態であって、ユニットインバータ５のみでの電
動機駆動が可能な範囲で回生を行う。図１では、４台中
１台のユニットインバータ５のみに制動抵抗ユニット５
１が付加されているので、電動機定格の約１／４以下の
電圧で電動機を駆動している場合には、回生が可能とな
る。回生時には、ユニットインバータ４の出力電圧をす
べて零とし、スイッチ５１’をオンしてユニットインバ
ータ５のみをスイッチングして回生を行う。高圧の誘導
電動機の用途としては、ファン、ポンプなどの二乗低減
トルク負荷のものが多く、これらの負荷は、速度の三乗
に比例して電力を消費する。つまり、電動機速度が高い
ほど負荷が大きくなるため、速度の高い領域では減速時
間を短くしても回生エネルギーは生じ難い（回生電力と
負荷電力がキャンセルする）。逆に、速度が下がるに従
って負荷が減少するため、回生能力のない装置では減速
時間を長くする必要があった。しかし、本実施形態によ
る多重電力変換装置では、上記のように低速度域での回
生が実現できるため、減速時間を長くする必要がなくな
り、速やかに減速・停止が可能となる。また、各々のユ
ニットインバータ内のダイオード整流器の代わりに電源
回生コンバータを用いる方式が提案されているが、本実
施形態では、より低コストで簡単に制動をかけることが
でき、装置の大型化を回避できる。

【０００８】図４は、本発明の第二の実施形態を示す。
本実施形態は、３台の単相ユニットインバータと、一つ
の三相インバータを組み合わせて構成した多重電力変換
装置である。図４において、部品番号１〜４、４１、４
２、５１は図１の実施形態と同一のものである。５Ｅは
三相交流を出力する三相インバータユニット、５２は三
相フルブリッジインバータである。

【０００９】本実施形態の動作原理を説明する。本実施
形態による多重電力変換装置の構成は、三相インバータ
５Ｅを中性点に備えるようにしてユニットインバータ４
を直列に接続したものである。よって、三相インバータ
ユニット５Ｅのみが三相共通の直流電源を備えることに
なる。また、制動抵抗器ユニット５１は、三相インバー
タユニット５Ｅに備え付けられ、制動抵抗ユニット５１
を三相共通に使用することができる。次に、図４におけ
る回生動作について説明する。回生動作は、図１の実施
形態と同じであり、電動機が低速で回転し、三相インバ
ータユニット５Ｅのみでの電動機駆動が可能な範囲で回
生を行う。本実施形態では、制動抵抗ユニット５１を三
相共通にできるため、図１の実施形態よりもさらに装置
の小型化が実現できる。尚、三相インバータユニットを
例えば３レベルインバータなどにしても、同様に適用で
きる。

【００１０】図５は、誘導電動機６の一相分の等価回路
を示す。等価回路は一次抵抗Ｒ１、漏れインダクタＬ
σ、二次抵抗Ｒ２’、励磁インダクタンスＭ’からな
る。図５において、インバータ（多重電力変換装置を含
む）によって印加される電圧がＶ１、その時流れる電流
がＩ１であり、Ｉ１は励磁電流Ｉ０とトルク電流（二次
電流）Ｉ２に分流する。誘導電動機の発生するトルクは
二次電流Ｉ２に比例して生じる。よって、誘導電動機を
減速させるには、Ｉ２を低減することにより発生トルク
を減少させればよい。ただし、Ｉ２を負の値にすると、
回生動作となり、誘導電動機からインバータへ電力が回
生される。よって、インバータに回生機能がない場合に
は、Ｉ２を零に制御するのが最も速く電動機を減速させ
ることになる。それには、制御器８において、誘導電動
機に印加する電圧と電流を一定の関係で制御すればよ
い。例えば、図５において、Ｉ２を零にするにはＩ１＝
Ｉ０に制御すればよく、それには電圧Ｖ１の位相に対し
て電流Ｉ１の位相が９０°遅れになるように制御すれば
よいことがわかる（Ｒ１を無視）。インバータに回生能
力のない場合の従来の減速方法としては、（１）速度を
一定レイトで下げるか、（２）インバータをサプレス
（スイッチング素子をすべてオフ）して自然減速させ
る、等の方法がある。（１）ではＩ２が正の値で流れて
いる可能性があり、減速時間に無駄が生じる。（２）で
はインバータをサプレスすることにより、励磁電流Ｉ０
までもが零になってしまい、再びサプレスを解除した場
合の処理が複雑になる（例えば、高速運転から減速し
て、低速で回転を維持したいような場合等）。その場
合、電動機の回転数の同定（検出）から励磁電流の立ち
上げ等を行わなければならない。これに対して本発明に
よる実施形態によれば、励磁電流Ｉ０を維持し、トルク
電流Ｉ２のみを零に制御するため、上記問題は解決さ
れ、速やかな減速が得られる。

【００１１】図６は、図１ならびに図４に示す実施形態
の制御器８の構成例を示す。図６において、部品番号９
は誘導電動機６の速度指令ωｒ*を出力する速度指令発
生器、１０は信号を加算（減算）する加算器（減算
器）、１１は誘導電動機の速度を制御する速度制御器、
１２は誘導電動機の磁束指令Φ*を出力する磁束指令発
生器、１３は磁束指令Φ*に基づいて励磁電流指令Ｉｄ*
を演算するＩｄ*演算器、１４は電流指令Ｉｄ*、Ｉｑ*
に基づいて誘導電動機に印加する電圧ｖｄ*、ｖｑ*を演
算する電圧指令演算器、１５は誘導電動機のトルク電流
Ｉｑを制御する電流制御器、１６は誘導電動機の励磁電
流Ｉｄを制御する電流制御器、１７は回転座標軸（ｄｑ
座標軸）上の電圧指令ｖｄ*、ｖｑ*を三相電圧指令Ｖｕ
*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換する座標変換器、１８は相電流
Ｉｕ、Ｉｖをｄｑ軸上の電流に変換する座標変換器、１
９は誘導電動機のすべりωｓを演算するすべり演算器、
２０は誘導電動機の一次角周波数ω１を積分して磁束軸
位相θを演算する積分器、２１は三相電圧指令Ｖｕ*、
Ｖｖ*、Ｖｗ*に基づいて多重変換器をスイッチングする
パルスを作成する多重ＰＷＭ変調器、２２は誘導電動機
の回転数ωｒを検出あるいは推定する速度検出器／推定
器、２３は誘導電動機に印加している電圧｜Ｖ１｜の大
きさを演算する｜Ｖ１｜演算器、２４は｜Ｖ１｜が設定
値Ｖｒｇよりも大きいか否かを判別して回生信号Ｆ２を
出力する回生可否判別器、２５は誘導電動機の減速・停
止信号Ｆ１と、Ｆ２の信号を受けて切り替え信号Ｆ３を
発生する切り替え信号発生器、２６はＦ３の値に応じて
トルク電流指令Ｉｑ*を切り替えるスイッチＳＷ１、２
７は零を出力する設定器、２８は回生時のトルク電流指
令Ｉｑｒｇ*を発生する回生トルク電流指令発生器であ
る。

【００１２】次に、制御器８の動作原理について説明す
る。通常運転時には、速度指令ωｒ*と実速度ωｒの差
に応じて速度制御器１１でトルク電流指令Ｉｑ*が演算
され、スイッチ（ＳＷ１）２６を介してＩｑの電流制御
器１５ならびに電圧指令演算器１４へ送られる。通常
は、スイッチ（ＳＷ１）は「０」の状態に接続されてい
る。また、励磁電流指令Ｉｄ*は、磁束指令Φ*に基づい
て演算され、Ｉｄの電流制御器１６ならびに電圧指令演
算器１４へ送られる。電圧指令演算器１４では、Ｉｄ、
Ｉｑのｄｑ軸上の干渉成分と速度起電圧分から誘導電動
機への印加電圧を演算する。一方、電流制御器１５、１
６は、過渡時における電流応答の改善と電動機の定数誤
差によるずれを補正するために設けられ、それぞれ補正
分を演算し、ｖｄ*、ｖｑ*に加算する。また、トルク電
流指令Ｉｑ*から誘導電動機のすべり周波数ωｓをすべ
り演算器１９で演算し、実速度ωｒに加算して一次角周
波数ω１を得る。ω１を積分器２０で積分し、電動機の
回転座標軸位相θを得る。このθに基づいて相電流検出
値Ｉｕ、Ｉｖを座標変換し、励磁電流ならびにトルク電
流の実測値ＩｄＦＢ、ＩｑＦＢを得る。また、θに基づ
いて電圧指令ｖｄ*、ｖｑ*を三相交流軸上の値Ｖｕ*、
Ｖｖ*、Ｖｗ*に座標変換する。多重ＰＷＭ変調器２１で
は、Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の値に基づいて各ユニットイ
ンバータへ与えるスイッチングパルス信号を演算する。
以上が誘導電動機の基本的な制御ブロックであり、従来
のベクトル制御に基づいた構成になっている。本発明の
特徴とする構成は、｜Ｖ１｜演算器２３、回生可否判別
器２４、切り替え信号発生器２５、スイッチ（ＳＷ１）
２６、零設定器２７、回生トルク電流指令発生器２８を
設けることにある。

【００１３】次に、本発明の特徴部分である減速時の動
作について、図６と図７を用いて説明する。図７は、減
速開始から誘導電動機が停止するまでの信号の動きを示
す。まず始めに、誘導電動機を減速・停止する場合、外
部から減速信号Ｆ１を入力する。通常はＦ１＝０である
が、減速時ｔ０にはＦ１＝１とする（図７）。切り替え
信号発生器２５では、Ｆ１＝１となったのを受けて切り
替え信号Ｆ３を「１」にする（通常は「０」）。それに
よってスイッチ（ＳＷ１）２６を「１」に切り替え、Ｉ
ｑ*を速度制御器１１の出力からＩｑ*＝０に移す。トル
ク電流指令Ｉｑ*が零になることで誘導電動機の発生ト
ルクは無くなり、誘導電動機は減速する。この間、回生
動作は行わないため、誘導電動機は自然減速する（図７
の速度ωｒ）。一方、｜Ｖ１｜演算器２３では、誘導電
動機の端子電圧の絶対値｜Ｖ１｜を制御器内部の電圧指
令（ｖｄ*、ｖｑ*あるいはＶｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*）を用
いて演算する。絶対値｜Ｖ１｜の演算は、相電圧指令を
用いた場合、（数１）のようになる。｜Ｖ１｜＝（√２／３）（√Ｖｕ*²＋Ｖｖ*²＋Ｖｗ*²）（数１）また、ｄｑ軸上の電圧指令を用いた場合、（数２）のよ
うになる。｜Ｖ１｜＝（１／√３）（√ｖｄ*²＋ｖｑ*²）（数２）尚、電圧指令の代りに端子電圧の検出値を用いて上記の
演算を行っても支障はない。回生可否判別器２４では、
｜Ｖ１｜を予め設定した値Ｖｒｇと比較し、｜Ｖ１｜＜
Ｖｒｇとなった時点ｔ１で回生信号Ｆ２を「０」から
「１」にする。尚、図１の実施形態の多重電力変換装置
では、４つのユニットインバータのうち、一台に制動抵
抗ユニット５１が接続されているため、Ｖｒｇは電動機
の定格電圧の１／４程度に設定しておけばよい。切り替
え信号発生器２５では、Ｆ１＝１で、かつ、Ｆ２＝１と
なった場合に、切り替え信号Ｆ３の値を「２」にし、ス
イッチ（ＳＷ１）２６へ与える。スイッチ（ＳＷ１）２
６では「２」に切り替えてＩｑ*を回生電流指令Ｉｑｒ
ｇ*に切り替える（Ｉｑｒｇ*＜０）。

【００１４】減速から回生までの様子を図７を用いて更
に説明する。図７では、時刻ｔ０において減速を開始
し、減速開始直後にＩｑを零に制御する（スイッチ（Ｓ
Ｗ１）２６が「１」に切り替わる）。この結果、電動機
は自然減速し、電動機の端子電圧｜Ｖ１｜も速度に比例
して低下する。｜Ｖ１｜がＶｒｇよりも小さくなった時
点ｔ１で回生「可」と判別し、スイッチ（ＳＷ１）２６
が「２」に切り替わり、Ｉｑが所定の回生電流値Ｉｑｒ
ｇ*に制御され、電動機にブレーキがかかる。この時、
多重電力変換装置では、回生制動ユニット５１が付加さ
れているユニットインバータのみを動作させ、他のユニ
ットインバータは出力を零にしておく。回生制動によっ
て電動機は速やかに減速し、停止する。以上、図６の制
御器８によって誘導電動機を速やかに減速、停止する誘
導電動機駆動装置を実現することができる。

【００１５】図８は、図１ならびに図４に示す実施形態
の制御器８の他の構成例を示す。図８において、部品番
号９、１０、１２〜１５、１７〜２１、２３〜２８は、
図６における同一の番号と同じものである。図８は、速
度センサレスベクトル制御を基本とした制御器８Ａであ
る。図６における速度制御器１１、ｄ軸の電流制御器１
６、さらに速度検出器／推定器２２が削除されている。
また、ｑ軸電流制御器１５は、通常運転中は使用せず、
減速、回生時においてのみ使用する。その際、ｑ軸電流
制御器１５の出力は、周波数修正信号Δω１として誘導
電動機の一次角周波数指令ω１に加える。図８の制御器
８Ａの減速・回生動作は、図６の制御器８と同じであ
る。減速開始と同時に、スイッチ（ＳＷ１）２６ならび
にスイッチ（ＳＷ２）２６を「１」に切り替え、トルク
電流Ｉｑが零になるように一次角周波数ω１を変化させ
る。この結果、電動機は自然減速し、｜Ｖ１｜＜Ｖｒｇ
となった時点ｔ１で回生「可」と判別し、回生制動を開
始する。｜Ｖ１｜＜ＶｒｇでＳＷ１、ＳＷ２を「２」に
切り替え、Ｉｑを回生時の設定値Ｉｑｒｇ*になるよう
に制御する。以上のように、速度センサレスベクトル制
御にも適用することが可能である。

【００１６】図９は、図６および図８における磁束指令
発生器１２の構成例を示す。図９において、部品番号１
０、１２、２７は図６および図８における同じ番号と同
一のものである。１２１は減速信号Ｆ１の値に応じてス
イッチを切り替えるスイッチＳＷ３、１２２は時定数Ｔ
ａで入力を積分する積分器、１２３は磁束指令の最小値
をΦｍｉｎにするリミッタである。次に、図９の磁束指
令発生器１２Ｂの動作について説明する。Φ*は誘導電
動機の定格磁束であり、通常はそのままΦ**として出力
される。電動機が減速を開始し、減速信号Ｆ１が「１」
になると、スイッチ（ＳＷ３）１２１が「１」に切り替
わる。積分器１２２ではΦ*を積分して出力し、減算器
１０において元のΦ*から減算する。よって、Φ**は減
速開始と同時に徐々に減少する。ただし、リミッタ１２
３によって最小値Φｍｉｎが設定され、零にはならない
ようにする。

【００１７】図１０を用いて、図９の磁束指令発生器１
２Ｂを図６の制御器８あるいは図８の制御器８Ａに適用
した場合の動作を説明する。図１０においては時刻ｔ０
で減速が開始する。図９の磁束指令発生器１２Ｂを用い
ているため、減速と同時に磁束指令Φ**が減少する。磁
束が減少するため、電動機の端子電圧｜Ｖ１｜は、図７
の動作例に比べて速く低下し、短時間でＶｒｇ以下にな
る。｜Ｖ１｜＜Ｖｒｇとなった時点ｔ１で回生「可」と
判別し、図６あるいは図８と同様に回生を行い、電動機
を停止させる。Φ**の下限値Φｍｉｎならびに積分器１
２２の時定数Ｔａを小さく設定すれば、より速く電圧を
下げることができる。ただし、磁束が低下した分、回生
トルクは減少するため、回生制動時間は逆に長くなる可
能性もある。磁束指令発生器１２Ｂは、負荷のイナーシ
ャが大きく、｜Ｖ１｜がなかなか低下しないような場合
に有効である。

【００１８】図１１は、図６および図８における磁束指
令発生器１２の他の構成例を示す。図１１において、部
品番号１０、１２、２７、１２１、１２２は、図６、図
８および図９における同じ番号と同一のものである。１
２３Ｃは磁束指令の大きさを最小値Φｍｉｎ、最大値Φ
*に制限するリミッタ、１２４は磁束指令Φ*の符号を反
転させる符号反転器、１２５は｜Ｖ１｜の大きさを二つ
の設定値Ｖｒｇ０とＶｒｇ１と比較し、増磁信号Ｆ４を
出力するヒステリシスコンパレータである。次に、図１
１の磁束指令発生器１２Ｃの動作について説明する。Φ
*は電動機の定格値であり、通常はそのままΦ**として
出力される。電動機が減速を開始し、減速信号Ｆ１が
「１」になると、スイッチ（ＳＷ３）１２１が「１」に
切り替わる。積分器１２２ではΦ*を積分して出力し、
減算器１０において元のΦ*から減算する。よって、Φ*
*は減速開始と同時に徐々に減少する。ただし、リミッ
タ１２３によって最小値Φｍｉｎが設定され、零にはな
らないようにする。減速ならびに減磁によって、電動機
の端子電圧は急速に低下する。｜Ｖ１｜がＶｒｇ以下に
なった時点で回生制動を開始する。回生によって電動機
はさらに減速し、端子電圧もさらに減少する。この時、
ヒステリシスコンパレータ１２５では、｜Ｖ１｜が予め
設定した値Ｖｒｇ０よりも小さくなった時点で増磁信号
Ｆ４を「１」にする。Ｆ４が「１」になったのを受け、
スイッチ（ＳＷ４）１２１が「１」に切り替えられ、積
分器１２２へ入力されるΦ*の符号が反転する。この結
果、一度減少した磁束が再び上昇する。磁束が増加する
と、再び｜Ｖ１｜が上昇する。ヒステリシスコンパレー
タ１２５では、｜Ｖ１｜がＶｒｇ１よりも大きくなった
時点でＦ４を再び「０」にする。ここで、ヒステリシス
コンパレータ１２５は、Ｖｒｇの近傍でのスイッチング
のガタツキを抑制する。これらの動作を繰り返し、結果
的には、一度減少させた磁束が元の値（定格値）にまで
回復する。尚、リミッタ１２３Ｃでは、Φ**が定格磁束
Φ*以上に増磁されるのを抑えるため、上限値にもリミ
ッタ値を設ける。

【００１９】図１２を用いて、図１１の磁束指令発生器
１２Ｃを図６の制御器８あるいは図８の制御器８Ａに適
用した場合の動作を説明する。時刻ｔ０で減速を開始
し、減速と同時に磁束指令Φ**が減少する。磁束が減少
するため、電動機の端子電圧｜Ｖ１｜は短時間でＶｒｇ
以下になる。｜Ｖ１｜＜Ｖｒｇとなった時点ｔ１で回生
「可」と判別し、回生を開始し、電動機の速度はさらに
減少する。この時、図１１におけるヒステリシスコンパ
レータ１２５が動作し、磁束指令Φ**を増加させ、一度
減少した磁束を再び増磁させる。回生開始後も｜Ｖ１｜
がしばらく一定に保たれる。磁束指令発生器１２Ｃは、
図９の磁束指令発生器１２Ｂに比べて回生時の磁束が大
きくなるので、より大きな回生トルクが得られ、回生開
始からの減速時間はさらに短くなる。

【００２０】図１３は、図６および図８における回生ト
ルク電流指令発生器２８の構成例を示す。図１３の回生
トルク電流指令発生器２８Ｄは、図１１の磁束指令発生
器１２Ｃを適用した図６の制御器８あるいは図８の制御
器８Ａに適用する。図１３において、部品番号２８１
は、図１１の磁束指令Φ**を入力し、その大きさに応じ
て回生トルク電流指令Ｉｑｒｇ*を計算する関数発生器
である。これまでの図６および図８における回生トルク
電流指令発生器２８では、回生トルク電流を一定の値に
固定していたが、図１３の回生トルク電流指令発生器２
８Ｄは、電動機磁束に応じて回生時のトルク電流を変化
させることが可能になる。図１０によれば、回生開始時
には電動機磁束は弱められているため、十分な回生トル
クが得られない。また、磁束が弱められているため、あ
まり大きな回生トルク電流を流そうとすると、軸ずれな
どが発生して制御系が不安定になる恐れがある。よっ
て、磁束が減少している場合はあまり大きな回生電流は
流せない。しかし、図１１の磁束指令発生器１２Ｃで
は、一旦弱めた磁束指令Φ**を回生開始と同時に徐々に
増磁し、再び定格磁束へ戻す機能があるため、磁束指令
Φ**に応じて、図１４に示すように、回生トルク電流Ｉ
ｑ（Ｉｑ＜０）を増加させれば、より大きな回生トルク
を安定に生じさせることが可能になる。以上のように、
磁束指令Φ**の関数としてＩｑｒｇ*を変化させること
により、回生制動の時間をさらに短縮することが可能と
なる。

【００２１】尚、これまで説明した本発明の実施形態に
おいて、一相当たりのユニットインバータを４段にした
例について説明したが、段数が何段であっても適用可能
である。また、回生制動ユニットを複数台のユニットイ
ンバータに付加しても、本発明の減速・回生の手法が適
用できる。また、本発明による減速・停止方法は、図１
の構成の多重電力変換装置を前提に説明したが、図４の
構成の多重電力変換装置にも同様に適用可能である。ま
た、本発明の減速方法では、減速開始と同時にトルク電
流を零に制御し、自然減速させるものとして説明した
が、この間を一定の減速率で電動機を減速しても何ら支
障は無い。また、本発明における回生方式において、回
生エネルギーをすべて制動抵抗器で処理するものとして
説明したが、制動抵抗ユニットの代わりに電源回生コン
バータを付加し、電源にエネルギーを回生する方式とし
ても、本発明として説明したすべての回生方式を適用す
ることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多重電力変換装置を構成する一部のユニットインバータ
に制動抵抗ユニットを設け、さらに、トルク電流ならび
に電動機磁束を適切に制御するので、装置を大型化する
ことなく、効果的に回生制動を実現することができ、電
動機を速やかに減速・停止することが可能になる。ま
た、多重インバータを構成するユニットインバータの一
部に回生用の制動抵抗器を接続するので、抵抗器の数は
少なくて済み、装置の大型化を回避できる。また、多重
インバータの一部に三相インバータを使用し、その直流
部に回生用の制動抵抗器を接続するので、三相個別に制
動抵抗を付加する必要がないため、さらに装置の小型化
が実現できる。また、多重インバータにより誘導電動機
を駆動する場合、誘導電動機の二次電流を零に制御する
ので、電動機の発生トルクを零にでき、回生ブレーキ機
能がない変換器においても、回転中の電動機を負荷トル
クにより速やかに減速することができる。また、多重イ
ンバータにり誘導電動機を駆動する場合、多重インバー
タを構成するユニットインバータの一部に回生機能を持
たせ、電動機の減速開始と同時に電動機の端子電圧を検
知し、回生機能を有するユニットインバータが回生可能
となる電圧レベルまで待機し、回生可能となった時点で
電動機の電力を回生するので、回転中の電動機を速やか
に減速することができる。また、減速と同時に誘導電動
機の励磁電流を低減し、それによって端子電圧を早めに
低下させて回生可能となるまでの待機時間を短縮し、電
動機の電力を回生するので、さらに速やかに電動機を減
速することができる。また、回生を開始すると同時に誘
導電動機の励磁電流を制御し、電動機端子電圧を回生可
能な範囲でできるだけ大きな値に制御し、回生電力をで
きるだけ多くするので、一層さらに速やかに電動機を減
速することができる。また、回生中の励磁電流の大きさ
に応じて回生電力を変化させるので、回生トルクをでき
るだけ大きくし、さらに速やかに電動機を減速すること
ができる。また、複数台の単相ユニットインバータと回
生電力を処理する能力のある少なくとも一台の三相イン
バータにより構成された多重電力変換装置に上述した手
段を適用することにより、さらに小型化、減速時間の短
縮が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態による多重電力変換装
置の構成図

【図２】本発明におけるユニットインバータの構成図

【図３】本発明における制動抵抗ユニットが付いたユニ
ットインバータの構成図

【図４】本発明の第二の実施形態による構成図

【図５】誘導電動機の一相分の等価回路モデル

【図６】本発明の制御器の構成図

【図７】本発明の動作波形図

【図８】本発明の制御器の他の構成図

【図９】本発明の磁束指令発生器の構成図

【図１０】本発明の動作波形図

【図１１】本発明の磁束指令発生器の他の構成図

【図１２】本発明の動作波形図

【図１３】本発明の回生トルク電流発生器の構成図

【図１４】本発明の動作波形図

【符号の説明】

１…三相交流電源、２…入力の変圧器、３…一相分の電
力変換器、４…ユニットインバータ、５…ユニットイン
バータ、６…誘導電動機等の負荷装置、７…電流検出
器、８…制御器、４１…ダイオード整流器、４２…平滑
コンデンサ、４３…単相フルブリッジインバータ、５１
…制動抵抗ユニット１２…磁束指令発生器、２３…｜Ｖ１｜演算器、２４…
回生可否判別器、２５…切り替え信号発生器、２６…ス
イッチ（ＳＷ１）（ＳＷ２）、２７…零設定器、２８…
回生トルク電流指令発生器１２Ｂ、１２Ｃ…磁束指令発生器、２８Ｄ…回生トルク
電流指令発生器

フロントページの続き (72)発明者永田浩一郎茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者岡松茂俊茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源を入力して単相交流に変換する
ユニットインバータと、該ユニットインバータを複数台
用意し、交流側を直列に接続して一相分の多重電力変換
器を構成し、該多重電力変換器を複数台接続して多相負
荷装置を駆動する多重電力変換装置において、前記各相
の多重電力変換器における少なくとも一つのユニットイ
ンバータに対して該ユニットインバータの直流部に回生
電力を消費する制動抵抗器を付加し、前記多相負荷装置
が回生動作した場合に、該制動抵抗器を用いて回生エネ
ルギーを消費することを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項２】直流電源を入力して三相交流に変換する
三相インバータと、直流電源を入力し、単相交流に変換
するユニットインバータと、該ユニットインバータの交
流側を複数台直列に接続した多重電力変換器と、前期三
相インバータの各相の出力に前記多重電力変換器をそれ
ぞれ接続して三相負荷装置を駆動する多重電力変換装置
において、前記三相インバータに対して該三相インバー
タの直流部に回生電力を消費する制動抵抗器を付加し、
前記三相負荷装置が回生動作した場合に、該制動抵抗器
を用いて回生エネルギーを消費することを特徴とする多
重電力変換装置。
【請求項３】請求項１または請求項２の多重電力変換
装置において、回転中の前記誘導電動機を減速あるいは
停止させる際に、前記誘導電動機の二次巻線に流れる電
流を実質的に零に制御し、かつ、励磁電流を零でない特
定の値に制御することを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項４】直流電源を入力して単相交流に変換する
ユニットインバータと、該ユニットインバータを複数台
用意し、交流側を直列に接続して一相分の多重電力変換
器を構成し、該多重電力変換器を複数台接続して出力さ
れる三相交流により三相誘導電動機を駆動する多重電力
変換装置において、前記各相の多重電力変換器における
少なくとも一つのユニットインバータに前記誘導電動機
からの回生エネルギーを処理する手段を設け、回転中の
前記誘導電動機を減速あるいは停止させる際に、前記誘
導電動機の減速開始と同時に、前記誘導電動機の端子電
圧を計測あるいは推定し、該端子電圧が予め設定した所
定値以下に下がった時点で前記誘導電動機を回生制動
し、該誘導電動機を停止させることを特徴とする多重電
力変換装置。
【請求項５】請求項４における多重電力変換装置にお
いて、回転中の前記誘導電動機を減速あるいは停止させ
る際に、前記誘導電動機の減速開始と同時に、前記誘導
電動機の励磁電流を徐々に低減し、同時に前記誘導電動
機の端子電圧を計測あるいは推定し、該端子電圧が予め
設定した所定値以下に下がった時点で前記誘導電動機を
回生制動し、該誘導電動機を停止させることを特徴とす
る多重電力変換装置。
【請求項６】請求項４における多重電力変換装置にお
いて、回転中の前記誘導電動機を減速あるいは停止させ
る際に、前記誘導電動機の減速開始と同時に、前記誘導
電動機の励磁電流を徐々に低減し、同時に前記誘導電動
機の端子電圧を計測あるいは推定し、該端子電圧が予め
設定した所定値以下に下がった時点で前記誘導電動機を
回生制動させ、これと同時に前記端子電圧が前記所定値
付近に保たれるように前記励磁電流を制御し、前記誘導
電動機を停止させることを特徴とする多重電力変換装
置。
【請求項７】請求項４における多重電力変換装置にお
いて、回転中の前記誘導電動機を減速あるいは停止させ
る際に、前記誘導電動機の減速開始と同時に、前記誘導
電動機の励磁電流を徐々に低減し、同時に前記誘導電動
機の端子電圧を計測あるいは推定し、該端子電圧が予め
設定した所定値以下に下がった時点で前記誘導電動機を
回生制動させ、同時に前記端子電圧が前記所定値に保た
れるように前記励磁電流を制御し、さらに該励磁電流値
の関数として回生トルクを変化させ、前記誘導電動機を
停止させることを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項８】請求項４から請求項７のいずれかの多重
電力変換装置において、前記多重電力変換装置を複数台
の前記ユニットインバータと一台の三相インバータの組
み合わせにより構成し、少なくとも前記三相インバータ
に前記誘導電動機の回生電力を処理する手段を備えるこ
とを特徴とする多重電力変換装置。
【請求項９】請求項４から請求項８のいずれかの多重
電力変換装置において、前記誘導電動機を減速し、前記
端子電圧が前記所定値に至るまでの間、前記誘導電動機
の二次巻線に流れる電流を実質的に零に制御し、かつ、
励磁電流を零でない特定の値に制御することを特徴とす
る多重電力変換装置。