JP2011101456A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路及び充放電チョッパ回路の機能を一部共有し、両回路を切り替えて動作可能として装置全体の小型化、保守作業の容易化を図る。
【解決手段】平滑コンデンサ３及びインバータブリッジ４を有するインバータ回路２４と、インバータブリッジ４の交流出力端子に切替スイッチ２３ｕ〜２３ｗとリアクトル１５とを介して蓄電装置１６が接続され、インバータブリッジ４内の半導体スイッチング素子の動作により蓄電装置１６を充放電する充放電チョッパ回路２５と、インバータ制御回路１３及び充放電チョッパ制御回路１４と、を備え、制御切替信号により、インバータ制御回路１３がインバータブリッジ４内の半導体スイッチング素子を動作させて電動機５を駆動する機能と、充放電チョッパ制御回路１４がインバータブリッジ４内の半導体スイッチング素子を動作させて蓄電装置１６を充放電する機能と、を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路及び充放電チョッパ回路の両機能を備えた電力変換装置に関するものである。

図２は、電動機を駆動するためのインバータ回路と、電動機からの回生電力を有効利用して蓄電装置を充電する充放電チョッパ回路とを備えた電力変換装置の従来技術を示している。なお、この従来技術は、後述の特許文献１に記載された電力変換装置と実質的に同一のものである。

図２において、１は三相交流電源、２は電源１の交流電圧を直流電圧に変換する整流器、３は整流器２から出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ、４は平滑された直流電圧を所定の大きさ及び周波数の三相交流電圧に変換し、三相の交流電動機（以下、単に電動機ともいう）５に供給するインバータブリッジであり、これらによってインバータ回路２０が構成されている。なお、インバータブリッジ４は、還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を、三相分（計６個）、ブリッジ接続してなるものである。

また、６は降圧用チョッパ回路、７は昇圧用チョッパ回路であり、これらのチョッパ回路６，７の直列回路は平滑コンデンサ３に並列に接続されている。８はリアクトル、９は電解コンデンサや電気二重層キャパシタ、バッテリー等からなる蓄電装置であり、リアクトル８と蓄電装置９との直列回路は昇圧用チョッパ回路７に並列に接続されている。ここで、チョッパ回路６，７は、還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子により構成されている。

更に、１０はインバータ回路２０の直流電流を検出する電流検出器、１１は直流中間電圧（平滑コンデンサ３の両端の直流電圧）を検出する電圧検出器、１２は、電流検出器１０による直流電流検出値と電圧検出器１１による直流電圧検出値とが入力され、蓄電装置９の充放電を行うために各チョッパ回路６，７を制御するチョッパ制御回路である。
なお、降圧用チョッパ回路６、昇圧用チョッパ回路７、リアクトル８、チョッパ制御回路１２等により、充放電チョッパ回路が構成されている。

この従来技術において、力行時にはインバータブリッジ４により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力して電動機５を駆動する。
また、電動機５が例えばクレーン設備に用いられており、クレーンの巻き下げ時に電動機５からインバータブリッジ４へ回生電力が流入した場合には、降圧用チョッパ回路６のスイッチング素子をオンさせて回生電力を蓄電装置９に供給し、蓄電装置９を充電する。
更に、この状態で昇圧用チョッパ回路７のスイッチング素子をオンすると、蓄電装置９の放電電流がリアクトル８を介して上記スイッチング素子に流れる。次にこのスイッチング素子をオフすると、リアクトル８に蓄積されたエネルギーが降圧用チョッパ回路６の還流ダイオードを介して平滑コンデンサ３に供給されるため、平滑コンデンサ３が充電される。この平滑コンデンサ３の電圧は、力行動作による電動機５の駆動時にインバータブリッジ４に供給されることになる。

上記のように、図２の従来技術によれば、回生時に蓄電装置９に蓄積した電力を、力行時にインバータブリッジ４を介して電動機５に供給することができ、回生電力の有効利用により省エネルギー性に優れた電力変換装置を得ることが可能である。

特開平１０−１６４８６２号公報（段落［００１３］〜［００２５］、図１，図２等）

図２に示した従来技術では、インバータ回路及び充放電チョッパ回路（昇降圧チョッパ回路）は、それぞれ個別にインバータ装置、充放電チョッパ装置として提供されている。しかし、電力変換装置として複数台のインバータ装置と充放電チョッパ装置とを必要とするクレーン設備等の用途では、装置全体の小型化、故障発生時の応急的処置を含む保守作業の容易化等が望まれている。また、故障発生時等の装置交換に備えてインバータ装置と充放電チョッパ装置とをそれぞれ個別に準備しておく必要があるため、予備のインバータ装置及び充放電チョッパ装置のストック数を減少させることも望まれている。インバータ装置及び充放電チョッパ装置がそれぞれ別個独立の装置として提供されている上記従来技術では、このような要請に応えることができなかった。

そこで、本発明の解決課題は、インバータ回路及び充放電チョッパ回路の構成部品を一部共用しながら両回路を切り替えて動作させ、インバータ装置としても充放電チョッパ装置としても使用することができる電力変換装置とすることにより、装置全体の小型化、保守作業の容易化、予備の装置のストック数の減少等を可能にした電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、平滑コンデンサを備えた直流中間回路の直流電圧を、還流ダイオードが逆並列接続された半導体スイッチング素子の動作により交流電圧に変換し、切替スイッチを介して負荷に供給するインバータ回路であって、前記半導体スイッチング素子がブリッジ接続されたインバータブリッジを有するインバータ回路と、
前記インバータ回路を動作させるためのインバータ制御回路と、
前記インバータブリッジの交流出力端子に前記切替スイッチを介してリアクトルと蓄電装置が接続された際に、前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子の動作により前記蓄電装置を充放電して前記直流中間回路と前記蓄電装置との間で電圧を昇降圧動作させるための充放電チョッパ制御回路と、を備え、
制御切替信号により、前記インバータ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記負荷を駆動する機能と、前記充放電チョッパ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記蓄電装置を充放電する機能と、を切り替えるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、
前記充放電チョッパ制御回路によって前記蓄電装置を充放電させる時に、
前記直流中間回路を、別の負荷を駆動するための別のインバータブリッジを有する別のインバータ回路の直流中間回路に共通接続する手段を備えたものである。

なお、請求項３〜５に記載するように、前記蓄電装置には、電解コンデンサ、電気二重層キャパシタまたはバッテリーを用いることができる。

本発明によれば、従来技術のようにインバータ回路を構成するインバータブリッジと、充放電チョッパ回路とを別個の装置として独立に備えるのではなく、一台の装置で負荷を駆動する機能と蓄電装置を充放電する機能とを備えることにより、インバータ装置、充放電チョッパ装置のどちらにも適用することが可能となり、装置全体の小型化や保守点検作業の容易化、保用品の減少等が可能である。特に、本発明は、複数台のインバータ装置及び充放電チョッパ装置を必要とするクレーン設備等の用途に最適である。

本発明の実施形態を示す回路図である。 従来技術を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態を示す回路図であり、図２と同一の機能を有するものには同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１に示す電力変換装置１００において、整流器２と平滑コンデンサ３との間には、制御切替信号によって動作する切替スイッチ２１が接続されている。なお、制御切替信号の機能については後述する。
インバータブリッジ４の交流出力側の三相各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）は、同じく制御切替信号により動作する切替スイッチ２３ｕ，２３ｖ，２３ｗを介して交流電動機５に接続されている。また、インバータブリッジ４と切替スイッチ２３ｕ，２３ｖ，２３ｗとの間には、電流検出器１７が設けられている。

切替スイッチ２３ｕ，２３ｖ，２３ｗの切替端子には、相ごとにリアクトル１５の一端が接続可能となっており、これらのリアクトル１５の他端には蓄電装置１６が接続される。なお、蓄電装置１６は、請求項３〜５に記載するように、例えば電解コンデンサ、電気二重層キャパシタ、バッテリー等からなるものである。
切替スイッチ２３ｕ，２３ｖ，２３ｗは、制御切替信号によってすべて同時に動作するものであり、インバータブリッジ４の出力電圧によって電動機５を駆動する力行時にはインバータブリッジ４の交流出力端子と電動機５とを接続し、充放電チョッパ動作を行う場合には、インバータブリッジ４の交流出力端子をリアクトル１５の各一端に接続して電動機５を切り離すように切替動作する。

インバータ回路の直流中間回路に設けられた電圧検出器１１による直流電圧検出値は、前記電流検出器１７による電流検出値と共に、インバータ制御回路１３及び充放電チョッパ制御回路１４に入力されている。これらの制御回路１３，１４は、直流電圧検出値及び電流検出値を用いて、インバータブリッジ４の半導体スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号（ゲート信号）を生成し、切替スイッチ２２の切替端子にそれぞれ出力する。
この切替スイッチ２２も制御切替信号によって切り替わるようになっており、その共通端子から出力される三相上下アーム（計６個）の駆動信号が、インバータブリッジ４の半導体スイッチング素子に与えられる。

上述した電力変換装置１００において、三相交流電源１、整流器２、平滑コンデンサ３及びインバータブリッジ４によりインバータ回路２４が構成され、また、切替スイッチ２３ｕ，２３ｖ，２３ｗの切替端子にリアクトル１５及び蓄電装置１６が接続することで、インバータブリッジ４、切替スイッチ２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ及びリアクトル１５により、蓄電装置１６を充放電させるための充放電チョッパ回路２５が構成される。

一方、３０は別のインバータ回路であって、三相交流電源３１、整流器３２、平滑コンデンサ３３及びインバータブリッジ３４から構成されており、別の電動機３５を駆動するためのシステムである。例えば、クレーン設備等においては、複数台のインバータ回路を備える場合が多いため、この実施形態では、電力変換装置１００内のインバータ回路２４の他に、別のインバータ回路３０を有する場合を想定している。
ここで、インバータ回路２４とインバータ回路３０との間にはスイッチ４１が設けられており、このスイッチ４１をオンすることにより、インバータ回路２４，３０の直流中間回路が共通接続されるようになっている。上記スイッチ４１は、前記制御切替信号と同じタイミングで、充放電チョッパ動作を行う時にオンするものである。

次に、この実施形態の動作を説明する。
電力変換装置１００において、インバータ回路２４により電動機５を駆動する場合には、切替スイッチ２１，２２，２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ及びスイッチ４１が図１に示す状態にあり、インバータ制御回路１３から出力される駆動信号によってインバータブリッジ４の半導体スイッチング素子をオンオフすることで、電動機５に所望の交流電圧が印加されて、インバータ装置として機能することになる。

また、充放電チョッパ回路２５を動作させる場合には、切替スイッチ２１，２２，２３ｕ，２３ｖ，２３ｗを切り替えると共に、スイッチ４１をオンする。これにより、充放電チョッパ制御回路１４から出力された駆動信号がインバータブリッジ４の半導体スイッチング素子に加えられると共に、インバータブリッジ４の交流出力端子は電動機５から切り離されてリアクトル１５に接続される。同時に、整流器２がインバータ回路２４の直流中間回路から切り離され、更に、スイッチ４１のオンによってインバータ回路２４，３０の直流中間回路が共通接続されることになる。

この状態で、例えばインバータ回路３０側の電動機３５からインバータブリッジ３４を介して電力が回生されると、この回生電力により電力変換装置１００内のインバータ回路２４の平滑コンデンサ３が充電され、その電圧が上昇する。この時、充放電チョッパ制御回路１４からの駆動信号によりインバータブリッジ４内の半導体スイッチング素子を図２の降圧用チョッパ回路６と同様に動作させれば、切替スイッチ２１，２２，２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ及びリアクトル１５を介して蓄電装置１６を充電することができ、充電チョッパ装置として機能することになる。

その後、インバータブリッジ４内の半導体スイッチング素子を図２の昇圧用チョッパ回路７と同様に動作させれば、蓄電装置１６をリアクトル１５、切替スイッチ２１，２２，２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ及びインバータブリッジ４内の環流ダイオードを介して放電させ、インバータ回路２４の平滑コンデンサ３及びインバータ回路３０の平滑コンデンサ３３を所定の電圧に充電することができ、放電チョッパ装置として機能することになる。
このため、回生時に蓄電装置１６に蓄積した電力を、力行時にインバータ回路２４，３０の平滑コンデンサ３，３３からインバータブリッジ４，３４を介して電動機５，３５に供給することができ、回生電力の有効利用が可能になる。

上述した充放電チョッパ動作時には、図１のインバータ回路２４内のインバータブリッジ４が図２におけるチョッパ回路６，７として機能し、かつ、図１のインバータ回路３０が図２におけるインバータ回路２０として機能しているのと等価である。
従って、電力変換装置１００に着目した場合、インバータブリッジ４は、インバータ回路２４が電動機５を駆動する力行時のスイッチング動作と、充放電チョッパ回路２５が蓄電装置１６を充放電する（直流中間回路と蓄電装置１６との間で電圧を昇降圧する）チョッパ動作時のスイッチング動作とを行っていることになり、単一のインバータブリッジ４が二つの機能を果たすことになる。

このため、本実施形態によれば、図２の従来技術のようにインバータブリッジ４、降圧用チョッパ回路６及び昇圧用チョッパ回路７をそれぞれ別個の装置として備える場合に比べて、装置全体の小型化や保守点検作業の容易化を達成することができる。
また、負荷を駆動する時のインバータ制御に必要な直流中間電圧を検出する電圧検出器１１及び出力電流を検出する電流検出器１７は、充放電チョッパ制御に必要な直流電圧検出値及び電流検出値の検出用として共通に利用できるので、電圧検出器及び電流検出器を新たに追加することなくインバータ装置、充放電チョッパ装置のどちらにも適用することが可能となる。
さらに、一台の装置で負荷を駆動する機能と蓄電装置を充放電する機能とを備えてインバータ装置、充放電チョッパ装置のどちらにも適用することができるので、予備のインバータ装置及び充放電チョッパ装置のストック数を減少させることが可能となる。

上記実施形態では、インバータ回路２４，３０及び交流電動機５，３５を何れも三相構成として説明したが、これらは単相構成であっても良い。また、インバータ回路２４，３０の直流入力電圧は、交流電源と整流器との組み合わせだけでなく、直流電源から直接得るようにしても良い。

１，３１：三相交流電源
２，３２：整流器
３，３３：平滑コンデンサ
４，３４：インバータブリッジ
５，３５：交流電動機
１１：電圧検出器
１３：インバータ制御回路
１４：充放電チョッパ制御回路
１５：リアクトル
１６：蓄電装置
１７：電流検出器
２１，２２，２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ：切替スイッチ
２４，３０：インバータ回路
２５：充放電チョッパ回路
４１：スイッチ
１００：電力変換装置

Claims (5)

1. 平滑コンデンサを備えた直流中間回路の直流電圧を、還流ダイオードが逆並列接続された半導体スイッチング素子の動作により交流電圧に変換し、切替スイッチを介して負荷に供給するインバータ回路であって、前記半導体スイッチング素子がブリッジ接続されたインバータブリッジを有するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を動作させるためのインバータ制御回路と、
   前記インバータブリッジの交流出力端子に前記切替スイッチを介してリアクトルと蓄電装置が接続された際に、前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子の動作により前記蓄電装置を充放電して前記直流中間回路と前記蓄電装置との間で電圧を昇降圧動作させるための充放電チョッパ制御回路と、を備え、
   制御切替信号により、前記インバータ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記負荷を駆動する機能と、前記充放電チョッパ制御回路が前記インバータブリッジ内の半導体スイッチング素子を動作させて前記蓄電装置を充放電する機能と、を切り替えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記充放電チョッパ制御回路によって前記蓄電装置を充放電させる時に、
   前記直流中間回路を、別の負荷を駆動するための別のインバータブリッジを有する別のインバータ回路の直流中間回路に共通接続する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載した電力変換装置において、
   前記蓄電装置が電解コンデンサであることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または２に記載した電力変換装置において、
   前記蓄電装置が電気二重層キャパシタであることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１または２に記載した電力変換装置において、
   前記蓄電装置がバッテリーであることを特徴とする電力変換装置。
   

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