JP5562504B1 - 交流モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

回生電力の大きさに応じ、急峻な回生電力発生に対応した、蓄電デバイスへの充電電流指令値を生成することが可能な交流モータ駆動システム１を得るために、直流母線電圧値と充放電電流値に基づいてインバータ１４を制御するための制御信号を出力する充放電制御手段２が、交流モータ１６からの回生電力のインバータ１４を介した回生電力が予め定められた電力しきい値を越える場合には、直流母線電圧値を電力しきい値に応じた電圧しきい値になるように蓄電デバイス１７を充電させ、且つ蓄電デバイス１７への充電開始時における充電電流を、直流母線電圧値に基づく充電電流値から開始させる。

Description

本発明は、交流モータ駆動システムに関する。

従来、交流モータ駆動システムの一構成例として、系統電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータの出力側である直流母線に対して、平滑コンデンサを介して、交流モータを駆動するために直流電力を系統電源とは別の電圧値と周波数の交流電力に変換するインバータと、直流電力を蓄え、放出する蓄電デバイスに充放電するための充放電回路と、を並列に接続した交流モータ駆動システムが挙げられる。

このような交流モータ駆動システムの一例として、例えば、特許文献１には、交流モータからインバータを介して回生される回生電力が充放電回路を介して蓄電デバイスを充電する場合に、急峻な回生初期値を有する回生電力に対応するため、充放電回路内の充電電流指令値生成部の比例積分制御（ＰＩ制御）に予め定められた回生時電流指令値積分成分初期値を採用した交流モータ駆動システムの技術が開示されている。

特開２０１２−２３９２５２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、回生時電流指令値積分成分初期値を充放電回路内のリアクトルの許容電流値に近い値としているため、回生開始時の充電電流指令値の初期値は、回生電力の大小（多寡）に拘らず、交流モータ駆動システムの最大量の充電電流で蓄電デバイスに充電を開始する。そのため、交流モータ駆動システムが予定している最大回生電力よりも実際の回生電力が小さい場合には、交流モータからの回生電力を補うために、系統電源からコンバータを介して供給される電力をも使用して蓄電デバイスに充電するので、回生動作時でもコンバータは力行時の動作を行い、電力を消費する、という問題があった。

また、上記従来の技術によれば、コンバータの出力側の電力が予め定められた回生時電力補償しきい値を越えるたびに、回生時電流指令値積分成分初期値を充電電流指令値生成部のＰＩ制御部に設定する。そのため、充電電流指令値が不連続になり、蓄電デバイスが充放電回路のリアクトルを流れる電流が大きく変化し、蓄電デバイスや充放電回路の素子の寿命を短くする、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回生電力の大きさに応じ、急峻な回生電力発生に対応した、蓄電デバイスへの充電電流指令値を生成することが可能な交流モータ駆動システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電力を供給するコンバータと、前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータと前記インバータを接続する直流母線と、前記交流電力により駆動される交流モータと、前記コンバータの出力側における直流母線電圧値を検出する直流電圧値検出手段と、前記直流電力を前記直流母線から充電し、且つ充電した前記直流電力を前記直流母線へ放電する蓄電デバイスと、前記直流母線に対して前記インバータと並列に接続され、且つ前記直流母線と前記蓄電デバイスの間に接続され、前記蓄電デバイスを充放電させる充放電回路と、前記蓄電デバイスの充放電電流値を検出する充放電電流値検出手段と、前記直流母線電圧値と前記充放電電流値に基づいて前記インバータを制御するための制御信号を出力する充放電制御手段と、を備え、前記充放電制御手段は、前記交流モータからの回生電力の前記インバータを介した回生電力が予め定められた電力しきい値を越える場合には、前記直流母線電圧値を前記電力しきい値に応じた電圧しきい値になるように前記蓄電デバイスを充電させ、且つ前記蓄電デバイスへの充電開始時における充電電流を、前記直流母線の直流母線電圧値に基づく充電電流値から開始させることを特徴とする。

本発明にかかる交流モータ駆動システムは、回生電力の大きさに応じ、急峻な回生電力発生に対応した、蓄電デバイスへの充電電流指令値を生成することが可能な交流モータ駆動システムを得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムの全体を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システム内の充放電制御部を示すブロック図である。 図３は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システム内の電力Ｐ、直流母線電圧値Ｖｄｃ、回生時電力補償動作フラグＦａの時間変化を示す図である。 図４は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおいて、電力Ｐｃｎｖ（ｔ）が負値の場合の直流母線の直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）の波形を模式的に示す図である。 図５は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおいて、電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜と直流母線電圧値Ｖｄｃの関係を示す図である。 図６は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける回生時制御部内の充電電流指令値生成部を示すブロック図である。 図７は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける充電電流指令値生成部内の回生時電流指令値積分成分生成部を示すブロック図である。 図８は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける充電電流指令値生成部内の回生時電流指令値微分成分生成部を示すブロック図である。 図９は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける直流母線側充電電流指令値出力部を示すブロック図である。 図１０は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける電力Ｐ、直流母線電圧Ｖｄｃの時間変化を表す図である。 図１１は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける回生時電流指令値積分成分初期値生成部の構成例を示す図である。 図１２は、実施の形態１にかかる交流モータ駆動システムにおける回生電力Ｐｌｏａｄ（ｔ）、直流母線側充電電流指令値Ｉ１ｉ＊、回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊の時間変化を示す図である。 図１３は、実施の形態２にかかる交流モータ駆動システムの全体を示すブロック図である。 図１４は、実施の形態２にかかる交流モータ駆動システムにおいて、平滑コンデンサの静電容量値が一定であり、交流モータが回生動作で交流電圧値Ｖａｃを変動させたときの、直流母線電圧値Ｖｄｃとコンバータの回生電力｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜との関係を示す図である。 図１５は、実施の形態２にかかる交流モータ駆動システム内の充放電制御部を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかる交流モータ駆動システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

なお、本明細書中では、物理量の単位を明示しているが、この単位に限定されるものではない。また、演算子｜Ａ｜は、Ａの絶対値（正数）を表すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる交流モータ駆動システムの実施の形態１の全体を示すブロック図である。

図１に示す交流モータ駆動システム１は、充放電制御部２と、コンバータ１１と、平滑コンデンサ１３と、インバータ１４と、充放電回路１５と、交流モータ１６と、蓄電デバイス１７と、直流電圧値検出部１８と、充放電電流値検出部１９と、を含む。

図１に示す交流モータ駆動システム１には、発電所や工場内の変電設備などの系統電源１０から、配線Ｒ，Ｓ，Ｔを介して交流電力が供給される。

コンバータ１１は、系統電源１０からの交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、コンバータ１１から直流母線１２に出力される。なお、直流母線１２は、高電位側直流母線１２ａと、低電位側直流母線１２ｂと、を備える。

平滑コンデンサ１３は、コンバータ１１の出力部分、直流母線１２中、後述するインバータ１４の入力部分、後述する充放電回路１５の直流母線１２側の部分のうち１箇所または複数箇所に配される。平滑コンデンサ１３は、高電位側直流母線１２ａと低電位側直流母線１２ｂの間で、直流電力を平滑にする。平滑コンデンサ１３の静電容量をＣ［Ｆ］とする。

平滑コンデンサ１３で平滑にされた直流電力は、直流母線１２を介して、インバータ１４と充放電回路１５に出力される。インバータ１４と充放電回路１５は、直流母線１２に対して並列に接続されている。

インバータ１４は、直流電力を交流電力に変換し、交流モータ１６を駆動する。インバータ１４が出力する交流電力の電圧値や周波数は、系統電源１０から供給される交流電力の電圧値や周波数とは異なる。

充放電回路１５は、直流母線１２を流れる直流電力を蓄電デバイス１７に蓄え、蓄電デバイス１７に蓄えている電力を直流母線１２へ放出する回路である。充放電回路１５としては、電流可逆チョッパ回路を例示することができる。充放電回路１５が電流可逆チョッパ回路である場合には、直流母線１２を流れる電力は、蓄電デバイス１７への充電電流により蓄えられ、逆に、蓄電デバイス１７に蓄えられた電力は、直流母線１２への放電電流により放出される。なお、以下の説明において、充電電流と放電電流を区別せずに蓄電デバイス１７に流れる電流を表す場合には、充放電電流と記載する。

充放電回路１５では、充放電制御部２からの制御信号により電流可逆チョッパ回路が制御され、充放電電流の電流量を制御する。充放電制御部２には、直流電圧値検出部１８で検出する直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃ及び充放電電流値検出部１９で検出する充放電電流値Ｉｃが観測値として入力され、充放電回路１５に制御信号を出力する。

コンバータ１１としては、三相全波整流回路に抵抗回生回路が付加された抵抗回生型コンバータ、または三相全波整流回路を構成するダイオードそれぞれに逆並列にスイッチング素子が接続されて且つ入力側に交流リアクトルを直列に挿入した電源回生型コンバータを例示することができる。

まず、コンバータ１１が抵抗回生型コンバータである場合について説明する。抵抗回生型コンバータでは、交流モータ１６が減速や停止して回生電力が発生した場合、回生電力はインバータ１４を介して平滑コンデンサ１３に蓄えられ、直流母線１２の電圧値を上昇させる。直流母線１２の電圧値が予め定められた短絡開始電圧値より高電圧になった場合には、抵抗回生型コンバータ内の抵抗器を介して該抵抗回生回路が高電位側直流母線１２ａと低電位側直流母線１２ｂを短絡し、平滑コンデンサ１３に蓄えられたエネルギーを該抵抗器で熱に変換する。その後、短絡の結果として平滑コンデンサ１３に蓄えられた電荷が放電されるため、直流母線１２の電圧値が予め定められた短絡終了電圧値より低電圧になった場合には、該抵抗回生回路により短絡させた高電位側直流母線１２ａと低電位側直流母線１２ｂを遮断する。コンバータ１１が抵抗回生型コンバータである場合には、このような動作を繰り返すことで、回生電力を消費する。

次に、コンバータ１１が電源回生型コンバータである場合について説明する。電源回生型コンバータでは、回生電力により直流母線１２の電圧値が予め定められた回生開始電圧値より高電圧になった場合には、電源回生型コンバータ内の制御回路により、系統電源１０の波形の位相に応じて予め定められた期間だけ電源回生型コンバータ内のスイッチング素子が導通状態になり、電源回生型コンバータ内の交流リアクトルを介して、平滑コンデンサ１３に蓄えられた電荷を系統電源１０に回生する。系統電源１０への回生動作は、直流母線１２の電圧値が予め定められた回生終了電圧値より低電圧になるまで継続される。この回生動作により、交流モータ１６で発生した回生電力を系統電源１０に回生する。

図２は、交流モータ駆動システム１内の充放電制御部２を示すブロック図である。図２に示す充放電制御部２は、力行時制御部２１と、回生時制御部３と、電流指令値統合部２２と、制御信号生成部２３と、を備える。

力行時制御部２１は、交流モータ１６の力行動作により電圧降下した直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃ（直流電圧値検出部１８により検出）を入力とし、蓄電デバイス１７から放電させるための放電電流を制御する指令値である蓄電デバイス側放電電流指令値Ｉｂ＊と、蓄電デバイス１７から放電させる期間を決定する力行時電力補償動作フラグＦｂと、を出力する。

回生時制御部３は、交流モータ１６の回生動作により電圧上昇した直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃ（直流電圧値検出部１８により検出）を入力とし、蓄電デバイス１７に充電するための充電電流を制御する指令値である蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊と、蓄電デバイス１７に充電する期間を決定する回生時電力補償動作フラグＦａと、を出力する。

電流指令値統合部２２は、蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊と、蓄電デバイス側放電電流指令値Ｉｂ＊と、を用いて蓄電デバイス１７の充放電電流の指令値である統合充放電電流指令値Ｉｃ＊を生成する。

制御信号生成部２３は、電流指令値統合部２２からの統合充放電電流指令値Ｉｃ＊と、充放電電流値検出部１９からの蓄電デバイス１７の充放電電流値Ｉｃと、により統合充放電電流指令値Ｉｃ＊と充放電電流値Ｉｃの差異を最終的には差異がなくなるように小さくし、力行時制御部２１からの力行時電力補償動作フラグＦｂまたは回生時制御部３からの回生時電力補償動作フラグＦａの期間に充放電回路１５を制御する制御信号を生成する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、電力Ｐ，直流母線電圧値Ｖｄｃ，回生時電力補償動作フラグＦａの時間変化を示す図である。図３（ａ）には、交流モータ１６からインバータ１４を介して回生される回生電力Ｐｌｏａｄ（ｔ）の時間変化が太線で示されている。図１に示す交流モータ駆動システム１の機能の１つは、回生電力Ｐｌｏａｄ（ｔ）に対して、図３（ａ）に格子縞で示す部分の縦軸に示される電力、すなわち、充電電力｜Ｐｃ（ｔ）｜を蓄電デバイス１７に充電することにより、コンバータ１１で回生される電力が図３（ａ）に示す電力しきい値ＰｔｈＡを越えないように抑制することで、コンバータ１１がこの電力を熱に変換して消費、または、系統電源１０へ回生する電力のピークが制限されることである。

図３（ａ）に太線で示す回生電力Ｐｌｏａｄ（ｔ）は、交流モータ１６が停止または急速な減速動作を行う場合に発生する波形の模式的な例である。図３（ａ）では、交流モータ１６の力行電力を正数で表し、回生電力を負数で表す。また、蓄電デバイス１７への充電電力及び充電電流は正数で表し、放電電力及び放電電流を負数で表す。

ここで、図３（ａ）に斜線で示す部分における電力Ｐｃｎｖ（ｔ）を以下の式（１）で定義する。

電力Ｐｃｎｖ（ｔ）は、コンバータ１１の直流母線１２側の電力を表す。電力Ｐｃｎｖ（ｔ）が正数値の場合には、コンバータ１１は電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜だけ系統電源１０から直流母線１２に電力を変換して出力していることを表す。逆に、電力Ｐｃｎｖ（ｔ）が負数値の場合には、コンバータ１１は電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜だけ直流母線１２から電力を熱に変換して消費、または、系統電源１０に電力を回生していることを表す。

電力Ｐｃｎｖ（ｔ）が負値でコンバータ１１が抵抗回生型コンバータの場合には、前述したように、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）が短絡開始電圧値と短絡終了電圧値との間で変動しつつ、電力Ｐｃｎｖ（ｔ）がコンバータ１１内の抵抗器で消費される。

電力Ｐｃｎｖ（ｔ）が負値でコンバータ１１が電源回生型コンバータの場合には、前述したように、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）が回生開始電圧値と回生終了電圧値との間で変動しつつ、電力Ｐｃｎｖ（ｔ）がコンバータ１１内のＡＣリアクトルを介して系統電源１０に回生される。

図４は、電力Ｐｃｎｖ（ｔ）が負値の場合の直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）の波形を模式的に示す図である。図４（ａ）は電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜が相対的に大きい場合の波形を示し、図４（ｂ）は電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜が相対的に小さい場合の波形を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、太い破線で表す直流母線電圧値Ｖｄｃは、直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）の時間平均値であり、例えば、直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）を低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）に通過させて得ることができる。直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）は、直流電圧値検出部１８が検出する。

図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜が相対的に大きい場合には時間平均値である直流母線電圧値Ｖｄｃが高くなり、電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜が相対的に小さい場合には時間平均値である直流母線電圧値Ｖｄｃが低くなる。また、直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）の波形は、電力Ｐｃｎｖ（ｔ）の平滑コンデンサ１３への充電と平滑コンデンサ１３からコンバータ１１への放電により形成されることから、直流母線電圧値Ｖｄｃは電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜のみならず平滑コンデンサ１３の静電容量値Ｃにも依存する。

また、上記低域通過フィルタの伝達関数は、後述する充電電流指令値生成部４の伝達関数と合成されるため、合成後の特性において、交流モータ駆動システム１の安定性に留意しなければならない。一般に、上記低域通過フィルタの伝達関数は、充電電流指令値生成部４の伝達関数の自由度を確保するために、より低次の特性が好ましい。一次の低域通過フィルタで所望の直流母線電圧値Ｖｄｃを得ることができれば、一次の低域通過フィルタを採用することが好ましい。

なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）が短絡開始電圧値（または回生開始電圧値）と短絡終了電圧値（または回生終了電圧値）の範囲内に収まっているが、実際の動作では、動作速度の制限や系統電源１０の位相との時間的関係により、直流母線電圧値Ｖｄｃ（ｔ）がこの範囲外となる場合も存在することを注記する。

ここで、前述の図３および後述の図１０において、回生動作時の直流母線電圧値Ｖｄｃは回生動作前の直流母線電圧値より上昇する様に図示しているが、回生動作時の直流母線電圧値Ｖｄｃは、ここまでの説明で明らかなように、短絡開始電圧値（または回生開始電圧値）と短絡終了電圧値（または回生終了電圧値）との相互関係で定まる。即ち、短絡開始電圧値（または回生開始電圧値）が回生動作前の直流母線電圧値より僅かに高く、一方、短絡終了電圧値（または回生終了電圧値）が回生動作前の直流母線電圧値より大幅に低い場合には、回生動作時の直流母線電圧値Ｖｄｃは回生動作前の直流母線電圧値より降下する。

図５は、電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜と直流母線電圧値Ｖｄｃの関係を示す図である。上記説明したように、平滑コンデンサ１３の静電容量値がＣの場合の電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜と直流母線電圧値Ｖｄｃの関係は、図５（ａ）の太い実線にて示される。同様に、平滑コンデンサ１３の静電容量値がＣ１，Ｃ２の場合の関係は、図５（ａ）の破線にて示される。

一般には、図５（ａ）において、Ｃ１＜Ｃ＜Ｃ２の関係が成立するが、静電容量値Ｃ１とＣ２との差があまり大きくない場合や、直流電圧値検出部１８の分解能や使用するＬＰＦの特性により、平滑コンデンサ１３の静電容量値の差を考慮せず、電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜と直流母線電圧値Ｖｄｃの関係を静電容量値Ｃの１種類で代表する場合もある。

図５（ａ）に示すように、平滑コンデンサ１３の静電容量値がＣである場合には、交流モータ１６からの回生電力のうち、コンバータ１１への電力を電力しきい値｜ＰｔｈＡ｜以下に抑制しようとすると、直流母線１２の電圧値は電圧しきい値ＶｔｈＡ以下にすべきである。図３（ａ）及び図３（ｂ）には、この回生動作における、交流モータ１６からの回生電力Ｐｌｏａｄ（ｔ）、コンバータ１１への電力Ｐｃｎｖ（ｔ）及び直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃの波形の時間変化が示されている。

コンバータ１１への電力が電力しきい値ＰｔｈＡに抑制されている期間、すなわち、図３（ａ）に示す充電電力Ｐｃ（ｔ）が蓄電デバイス１７に充電されている期間（図３（ａ）にＴａで示す期間）では、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃは電圧しきい値ＶｔｈＡになる（図３（ｂ）を参照）。図５（ｂ）は、図５（ａ）の横軸と縦軸を入れ換えた図である。図５（ｂ）からも判るように、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃを電圧しきい値ＶｔｈＡ以下に保つように蓄電デバイス１７に電力を充電することにより、コンバータ１１への電力値｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜は電力しきい値｜ＰｔｈＡ｜以下に抑制することが可能となる。

図２に示す回生時制御部３は、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃと回生時の電圧しきい値（電圧指令値）ＶｔｈＡから充電電力Ｐｃ（ｔ）に対応する蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊を生成する。直流電圧値検出部１８から回生時制御部３に入力される直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃは、回生時制御部３内の充電電流指令値生成部４と回生時電力補償動作制御部５に入力される。

一方、回生時電力／電圧換算部６は、回生時電圧しきい値生成変換部６１と、静電容量値格納部６２と、回生時電力しきい値格納部６３と、を備える。

回生時電力しきい値格納部６３は、コンバータ１１に回生させようとする電力の上限値である回生時の電力しきい値ＰｔｈＡを格納する。

静電容量値格納部６２は、平滑コンデンサ１３の静電容量値Ｃを格納する。

回生時電圧しきい値生成変換部６１は、回生時電力しきい値格納部６３からの回生時の電力しきい値ＰｔｈＡと静電容量値格納部６２からの静電容量値Ｃにより図５（ａ）に示す対応関係に基づいて回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡを生成する。回生時電圧しきい値生成変換部６１は、図５（ａ）に示す対応関係をルックアップテーブル（ＬＵＴ：ＬｏｏｋＵｐ Ｔａｂｌｅ）の読み出しや近似式による計算などにより、回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡを生成して出力する。回生時電力／電圧換算部６の出力、すなわち、回生時電圧しきい値生成変換部６１の出力である回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡは、充電電流指令値生成部４、回生時電力補償動作制御部５及び充電電流指令値換算部７に出力される。

なお、回生時の電力しきい値ＰｔｈＡと静電容量値Ｃは、交流モータ駆動システム１の作業負荷やインバータの構成に応じて、適宜設定すればよく、ユーザーにより回生時電力しきい値格納部６３及び静電容量値格納部６２にそれぞれの値を入力可能な構成を備えていればよい。

回生時電力補償動作制御部５は、直流電圧値検出部１８からの直流母線電圧値Ｖｄｃに基づいて、蓄電デバイス１７に充電を開始するタイミングを示す回生時電力補償動作開始信号Ｓａを生成する。また、回生時電力補償動作制御部５は、直流母線電圧値Ｖｄｃと回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡを用いて、蓄電デバイス１７に充電する期間を示す回生時電力補償動作フラグＦａを生成する。

回生時電力補償動作制御部５にて生成された回生時電力補償動作開始信号Ｓａは、充電電流指令値生成部４に出力される。回生時電力補償動作フラグＦａは、充電電流指令値生成部４と制御信号生成部２３に出力される。回生時電力補償動作開始信号Ｓａは、例えば、直流母線電圧値Ｖｄｃが回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡになった時刻を示す信号であり、または、直流母線電圧値Ｖｄｃが無負荷時（交流モータ１６が力行動作も回生動作も実施していないとき）の直流母線電圧値以上になった時刻を示す信号である。また、回生時電力補償動作フラグＦａは、例えば、回生時電力補償動作開始信号Ｓａが示す時刻から、直流母線電圧値Ｖｄｃが回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡ以下になるまでの時刻を示す信号である。

図３（ｃ）は、回生時電力補償動作フラグＦａの回生電力と直流母線電圧値Ｖｄｃとの関係を示す図である。

なお、ここで以下の説明を簡単にするために、下記の通り設定する。回生時電力補償動作開始信号Ｓａは、有意な場合、蓄電デバイス１７に充電を開始するタイミングで１の値となり、それ以外の期間では０の値となる２値の論理信号とする。回生時電力補償動作フラグＦａは、有意な場合、蓄電デバイス１７に充電する期間で１の値となり、それ以外の期間では０の値となる２値の論理信号とするものとする。なお、回生時電力補償動作開始信号Ｓａが有意になる条件や、回生時電力補償動作フラグＦａの有意となる開始条件や終了条件に関しては、直流母線電圧値Ｖｄｃに重畳する雑音の揺らぎの影響を排除するために、チャタリング防止や不感帯の設定などを行う場合もある。

図６は、回生時制御部３内の充電電流指令値生成部４を示すブロック図である。図６に示す充電電流指令値生成部４は、第１の減算器４１と、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２と、第１の乗算器４３と、第１の切換部４４と、第１のリミッタ４５と、回生時電流指令値積分成分生成部４６と、回生時電流指令値微分成分生成部４７と、直流母線側充電電流指令値出力部４８と、を備える。

直流電圧値検出部１８で検出される直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃは、第１の減算器４１の被減数端と回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２に入力される。

第１の減算器４１は、直流母線電圧値Ｖｄｃから回生時電力／電圧換算部６が生成する回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡを減じた値、すなわち、下記の式（２）で示す回生時電圧差分値ＥｒｒＡを第１の乗算器４３に出力する。

第１の乗算器４３は、第１の減算器４１から入力される回生時電圧差分値ＥｒｒＡに、比例ゲインである予め定められた定数Ｋｐを乗じた乗算値Ｋｐ・ＥｒｒＡを生成し、第１の切換部４４と回生時電流指令値微分成分生成部４７に出力する。

第１の切換部４４は、回生時電力補償動作制御部５の出力である回生時電力補償動作フラグＦａを用いて、下記の式（３）で定義される出力値Ｉ１ｐｐを生成して出力する。

第１の切換部４４は、回生時電力補償動作フラグＦａが有意を示す期間は乗算値Ｋｐ・ＥｒｒＡを出力し、それ以外の期間には０の値を出力する。第１の切換部４４の出力値Ｉ１ｐｐは、第１のリミッタ４５と回生時電流指令値積分成分生成部４６に出力される。

第１のリミッタ４５は、回生時電流指令値比例成分値Ｉ１ｐ＊を出力する。回生時電流指令値比例成分値Ｉ１ｐ＊は、入力された出力値Ｉ１ｐｐが負値の場合には０であり、入力された出力値Ｉ１ｐｐが交流モータ駆動システム１における電流制限値Ｉｍａｘを越える場合には電流制限値Ｉｍａｘであり、入力された出力値Ｉ１ｐｐが正値であって、電流制限値Ｉｍａｘ以下である場合には入力値と同じ値である。なお、交流モータ駆動システム１における電流制限値Ｉｍａｘは、例えば充放電回路１５の充電電流の最大値、蓄電デバイス１７の充電電流の最大値またはこれらの最大値に近い値などである。第１のリミッタ４５が出力する回生時電流指令値比例成分値Ｉ１ｐ＊は、下記の式（４）で表すことができる。

回生時電流指令値比例成分値Ｉ１ｐ＊は、直流母線側充電電流指令値出力部４８に入力される。

図７は、充電電流指令値生成部４内の回生時電流指令値積分成分生成部４６を示すブロック図である。図７に示す回生時電流指令値積分成分生成部４６は、第２の乗算器４６１と、第１の２入力加算器４６２と、第２のリミッタ４６３と、第２の切換部４６４と、第１の遅延部４６５と、を備える。

回生時電流指令値積分成分生成部４６には、第１の切換部４４の出力値Ｉ１ｐｐ、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２９の出力値である回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔ及び回生時電力補償動作開始信号Ｓａが入力される。

第２の乗算器４６１は、出力値Ｉ１ｐｐに積分ゲインである予め定められた定数Ｋｉを乗じた乗算値Ｋｉ・Ｉ１ｐｐを生成して、第１の２入力加算器４６２の一方の入力端に出力する。

第１の２入力加算器４６２は、第２の乗算器４６１の出力である乗算値Ｋｉ・Ｉ１ｐｐと第１の遅延部４６５の出力値ＺＩ１ｉ＊の和を計算して、加算値ＳｕｍＩ１ｉを出力する。第１の２入力加算器４６２の処理は、下記の式（５）で表すことができる。

第２のリミッタ４６３は、出力値ＬＩ１ｉを出力する。出力値ＬＩ１ｉは、入力された加算値ＳｕｍＩ１ｉが負値の場合には０であり、入力された加算値ＳｕｍＩ１ｉが交流モータ駆動システム１における電流制限値Ｉｍａｘを越える場合には電流制限値Ｉｍａｘであり、入力された加算値ＳｕｍＩ１ｉが正値であって、電流制限値Ｉｍａｘ以下である場合には入力値と同じ値である。

第２のリミッタ４６３が出力する出力値ＬＩ１ｉは、下記の式（６）で表すことができる。

第２の切換部４６４は、第２のリミッタ４６３が出力する出力値ＬＩ１ｉと回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２が出力する回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔの入力に対し、回生時電力補償動作制御部５の出力である回生時電力補償動作開始信号Ｓａを用いて、下記の式（７）で示す選択を実施した値である選択結果Ｉ１ｉ＊を出力する。

この選択結果Ｉ１ｉ＊は、第１の遅延部４６５と直流母線側充電電流指令値出力部４８に出力される。

第１の遅延部４６５は、入力値を制御時間間隔１単位分だけ遅延させて出力する。第１の遅延部４６５により、第２の切換部４６４の出力値である選択結果Ｉ１ｉ＊を制御時間間隔１単位分だけ遅延させた結果が出力値ＺＩ１ｉ＊となる。そして、第１の２入力加算器４６２にて、上記の式（５）で表す処理が実行されることにより、第２の乗算器４６１が出力する乗算値Ｋｉ・Ｉ１ｐｐに対する積分機能が実現する。すなわち、第２の切換部４６４が出力する選択結果Ｉ１ｉ＊が、回生時電流指令値積分成分値となる。

図７に示す回生時電流指令値積分成分生成部４６が上記説明した構成を備えるので、回生時電流指令値積分成分値Ｉ１ｉ＊は、第１の切換部４４により回生時電力補償動作開始時刻以前には０の値を保持し、第２の切換部４６４により回生時電力補償開始時には回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔから積分動作を開始することとなり、その最大値は第２のリミッタ４６３により電流制限値Ｉｍａｘを越えることはない。なお、積分ゲインである定数Ｋｉは、制御時間間隔による因子を含んだ値である。

図８は、充電電流指令値生成部４内の回生時電流指令値微分成分生成部４７を示すブロック図である。図８に示す回生時電流指令値微分成分生成部４７は、第２の遅延回路４７１と、第２の減算器４７２と、第３の乗算器４７３と、第３のリミッタ４７４と、を備える。回生時電流指令値微分成分生成部４７に入力される第１の乗算器４３が出力する乗算値Ｋｐ・ＥｒｒＡは、第２の遅延部４７１と第２の減算器４７２の被減数端に入力される。

第２の遅延部４７１は、入力を制御時間間隔１単位分だけ遅延させて出力する。第２の遅延部４７１により、第１の乗算器４３が出力する乗算値Ｋｐ・ＥｒｒＡを制御時間間隔１単位分だけ遅延させた結果が出力値ＺＫｐＥｒとして出力される。第２の遅延部４７１の出力値ＺＫｐＥｒは、第２の減算器４７２の減数端に入力される。

第２の減算器４７２は、下記の式（８）で定義される減算値ＤｉｆＫｐＥｒを第３の乗算器４７３へ出力する。

第３の乗算器４７３は、減算値ＤｉｆＫｐＥｒに微分ゲインである予め定められた定数Ｋｄを乗じた乗算値Ｉ１ｄｐを生成し、第３のリミッタ４７４に出力する。

第３のリミッタ４７４は、乗算値Ｉ１ｄｐに対して値０と電流制限値Ｉｍａｘに基づいて下記の式（９）で表す処理を施して、直流母線側充電電流指令値出力部４８に出力する。

第２の減算器４７２によって、式（８）にて表す処理が実施されることにより、第１の乗算器４３が出力する乗算値Ｋｐ・ＥｒｒＡに対する微分機能が実現する。よって、第３のリミッタ４７４の出力が回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊となる。

回生時電流指令値微分成分生成部４７が上記説明した構成を備えるので、回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊の最大値は、第３のリミッタ４７４により電流制限値Ｉｍａｘを越えることはない。なお、微分ゲインである定数Ｋｄは、制御時間間隔による因子を含んだ値である。

図９は、直流母線側充電電流指令値出力部４８を示すブロック図である。図９に示す直流母線側充電電流指令値出力部４８は、３入力加算器４８１と、第４のリミッタ４８２と、第３の切換部４８３と、を備える。

３入力加算器４８１は、第１のリミッタ４５から出力される回生時電流指令値比例成分値Ｉ１ｐ＊と、回生時電流指令値積分成分生成部４６から出力される回生時電流指令値積分成分値Ｉ１ｉ＊と、回生時電流指令値微分成分生成部４７から出力される回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊と、の総和Ｉ１ｃ＊を第４のリミッタ４８２へ出力する。

第４のリミッタ４８２は、出力値ＬＩ１ｃ＊を出力する。出力値ＬＩ１ｃ＊は、総和Ｉ１ｃ＊が負値の場合には０であり、総和Ｉ１ｃ＊が交流モータ駆動システム１における電流制限値Ｉｍａｘを越える場合には電流制限値Ｉｍａｘであり、総和Ｉ１ｃ＊が正値であって、電流制限値Ｉｍａｘ以下である場合には入力値と同じ値である。第４のリミッタ４８２が出力する出力値ＬＩ１ｃ＊は、下記の式（１０）で表すことができる。

第３の切換部４８３は、回生時電力補償動作フラグＦａを用いて、下記の式（１１）で定義される直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊を生成して出力する。

第３の切換部４８３は、回生時電力補償動作フラグＦａが有意を示す期間には直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊に出力値ＬＩ１ｃ＊を出力し、それ以外の期間には０を出力する。第３の切換部４８３の直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊は、充電電流指令値換算部７に出力される。

図３（ａ）に示す回生動作初期時刻における最大回生電力Ｐｍａｘにより、同時刻での蓄電デバイス１７への充電電流値Ｉｓは、下記の式（１２−１）で表すことができる。

前述のように、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃと回生電力の間には、図５（ｂ）に示す関係が存在する。平滑コンデンサ１３の静電容量値がＣの場合、すなわち、図５（ｂ）において太い実線で表される関係を関数ｆｃ（Ｖｄｃ）で表すこととする。そして、関数ｆｃ（Ｖｄｃ）において最大回生電力Ｐｍａｘとなると想定される直流母線電圧値を最大直流母線電圧値Ｖｍａｘと定義すると、下記の式（１２−２）の関係が成立する。

上記の式（１２−２）より、式（１２−１）は、下記の式（１２−３）に変形することができる。

ここで、１／ＶｔｈＡと−｜ＰｔｈＡ｜／ＶｔｈＡは、それぞれ予め値が判明している定数であることから、これらの値それぞれを下記の式（１２−４）及び（１２−５）にて定義すると、上記の式（１２−３）は下記の式（１２−６）で表すことができる。

しかし、交流モータ駆動システム１では、蓄電デバイス１７への充電動作により回生電力のピークを抑制するため、直流電圧値検出部１８の出力である直流母線電圧値Ｖｄｃを観測していても、最大直流母線電圧値Ｖｍａｘの値を得ることはできない。そこで、観測可能な直流母線電圧値Ｖｄｃから最大直流母線電圧値Ｖｍａｘを推定することとする。上記の式（１２−２）より下記の式（１２−７）及び式（１２−８）の関係が成立するＰｍａｘ１，Ｐｍａｘ２，Ｖｍａｘ１，Ｖｍａｘ２をそれぞれ定義する。但し、Ｐｍａｘ１とＰｍａｘ２の間には、式（１２−９）が成立するものとする。

図１０（ａ−１）〜（ｂ−２）は、電力Ｐまたは直流母線電圧Ｖｄｃの時間変化を表す図である。図１０（ａ）の破線で示すように、交流モータ１６が急停止するような急峻な回生電力の回生動作開始時の変化であっても、インバータ１４や直流母線１２のインピーダンスまたはインダクタンスなどの要因により、図１０（ａ）の太い実線で示すように実際の回生電力は遅れが生じる。回生動作開始直後における実際の回生電力の変化率は、最大回生電力Ｐｍａｘが大きいほど急峻になる。すなわち、図１０（ａ−１）と図１０（ａ−２）にΔｔ０で示す回生動作開始直後の制御時間間隔１単位分における回生電力の変化は、最大回生電力ＰｍａｘがＰｍａｘ２である場合よりもＰｍａｘ１である場合の方が大きく、図１０（ａ−１）のΔＰｍａｘ１は、図１０（ａ−２）のΔＰｍａｘ２よりも大きい。

これに伴い、図１０（ｂ−１），（ｂ−２）にΔｔ０で示す回生動作開始直後の制御時間間隔１単位分における直流母線電圧値Ｖｄｃの変化も、最大回生電力ＰｍａｘがＰｍａｘ２である場合よりもＰｍａｘ１である場合の方が大きく、図１０（ｂ−１）のΔＶｄｃ１は、図１０（ｂ−２）のΔＶｄｃ２よりも大きい。

従って、最大直流母線電圧値Ｖｍａｘと制御時間間隔１単位分における直流母線電圧値Ｖｄｃの変化分ΔＶｄｃとの間には一意の関係が存在し、この関係を下記の式（１３）で示す関数ｇ（ΔＶｄｃ）で定義する。

上記の式（１３）を式（１２−６）に代入すると下記の式（１４）が得られる。下記の式（１４）で表す充電電流値Ｉｓを生成する機能が、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２の機能である。

しかし、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２は、回生動作開始時のみならず、交流モータ駆動システム１の稼動時刻全てにおいて作動する。よって、上記の式（１４）の左辺は、回生動作初期時刻における充電電流値Ｉｓではなく、下記の式（１５）に示すように回生時電流指令値積分成分初期値の候補値である回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔとすることが好ましい。そして、回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔは、回生時電流指令値積分成分生成部４６内の第２の切換部４６４において回生時電力補償開始信号Ｓａが有意になった時刻をもって、回生時電流指令値積分成分初期値となる。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２の構成例を示すブロック図である。図１１（ａ）は、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２ａのブロック図を示す。回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２ａは、第３の減算器４２１と、第３の遅延部４２２と、ΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部４２３と、Ｖｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２４と、第４の乗算器４２５と、定数ｂ格納部４２６と、第２の２入力加算器４２７と、を備える。直流電圧値検出部１８の出力である直流母線電圧値Ｖｄｃは、第３の減算器４２１の被減数端と第３の遅延部４２２に入力される。

第３の遅延部４２２は、入力を制御時間間隔１単位分だけ遅延して出力する。第３の遅延部４２２により、直流母線電圧値Ｖｄｃを制御時間間隔１単位分だけ遅延した結果が出力値ＺＶｄｃとなる。第３の遅延部４２２の出力値ＺＶｄｃは、第３の減算器４２１の減数端に入力される。

第３の減算器４２１は、ＶｄｃからＺＶｄｃを減じた値ΔＶｄｃを生成して出力する。ΔＶｄｃは、ΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部４２３に入力される。ΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部４２３は、上記の式（１３）に示す対応関係をＬＵＴの読み出しや近似式による計算などにより実現し、最大直流母線電圧値Ｖｍａｘの推定値を出力する。ΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部４２３の出力である最大直流母線電圧値Ｖｍａｘは、Ｖｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２４に入力される。

Ｖｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２４は、上記の式（１２−２）に示す対応関係をＬＵＴの読み出しや近似式による計算などにより実現し、最大回生電力の絶対値｜Ｐｍａｘ｜を出力する。Ｖｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２４の出力である最大回生電力の絶対値｜Ｐｍａｘ｜は、第４の乗算器４２５に入力される。

第４の乗算器４２５は、入力された最大回生電力の絶対値｜Ｐｍａｘ｜に上記の式（１２−４）で示す定数ａを乗じて出力する。出力された値は、第２の２入力加算器４２７の一方の入力端に入力される。第２の２入力加算器４２７の他方の入力端には、上記の式（１２−５）に示す定数ｂを格納している定数ｂ格納部４２６から定数ｂが入力される。

第２の２入力加算器４２７は、第４の乗算器４２５の出力と定数ｂ格納部４２６の出力を加算して、回生時電流指令値積分成分生成部４６内の第２の切換部４６４（図７）へ上記の式（１５）に示す回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔを出力する。

図１１（ｂ）は、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２ｂのブロック図を示す。回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２ｂは、図１１（ａ）のΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部４２３とＶｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２４を一体として、複合関数ｆｃ（ｇ（ΔＶｄｃ））であるΔＶｄｃから｜Ｐｍａｘ｜への対応関係をＬＵＴの読み出しや近似式による計算などにより実現し、最大回生電力Ｐｍａｘの絶対値である｜Ｐｍａｘ｜を出力するΔＶｄｃ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２８で実現する構成である。

図１１（ｃ）は、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２ｃのブロック図を示す。回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２ｃは、図１１（ａ）のΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部４２３と、図１１（ａ）のＶｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部４２４と、図１１（ａ），（ｂ）の第４の乗算器４２５と、図１１（ａ），（ｂ）の定数ｂ格納部４２６と、図１１（ａ），（ｂ）の第２の２入力加算器４２７と、を一体として、上記の式（１５）の対応関係を一括してＬＵＴの読み出しや近似式による計算などにより実現し、図１１（ａ），（ｂ）のΔＶｄｃから回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔを出力するΔＶｄｃ／Ｉｉｎｉｔ換算部４２９で実現する構成である。

充電電流指令値生成部４は、上記のように構成されているので、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）の積分成分初期値に、直流母線電圧値Ｖｄｃと回生動作開始時差分値に基づいた値を採用し、回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡを指令値に観測値を直流母線電圧値Ｖｄｃとして、平滑コンデンサ１３からの充電電流指令値、すなわち、直流母線側充電電流指令値である直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊を求めることができる。

そして、充電電流指令値生成部４をＰＩＤ制御にし、且つ積分成分初期値を導入することにより、交流モータ１６からの急峻な回生電力の発生に対して、その回生電力の大きさに応じ、且つ応答の良い直流母線側充電電流指令値を求めることができる。

充電電流指令値生成部４の出力である直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊は、直流母線１２の直流母線電圧値Ｖｄｃと、直流母線１２に対する指令値である電圧しきい値ＶｔｈＡと、により生成されているため、直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊は充放電回路１５の直流母線１２側の電流指令値である。一方、充放電制御部２の出力である制御信号の生成には充放電電流検出部１９の出力である充放電電流値Ｉｃを観測値としているため、充放電電流値Ｉｃへの指令値は充放電回路１５の蓄電デバイス１７側の電流指令値である必要がある。

ここで、充放電回路１５の損失は小さいものとして無視し、蓄電デバイス１７の両端電圧値をＶｃａｐとすると、充放電回路１５の直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊と蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊の間には、下記の式（１６−１）の関係が成立する。

回生電力補償時においては、上記の式（１６−１）の直流母線電圧値Ｖｄｃが回生時の電圧しきい値ＶｔｈＡに制御されていることから、上記の式（１６−１）は下記の式（１６−２）となる。

上記の式（１６−２）では、蓄電デバイス１７の両端電圧値Ｖｃａｐを常に観測し、且つ除算を実行する必要がある。蓄電デバイス１７の両端電圧値Ｖｃａｐの検出部を省き、且つ計算が煩雑な除算を省略するために、蓄電デバイス１７の両端電圧値Ｖｃａｐを予め定められた代用両端電圧値Ｖｃｆｉｘで代用する。代用両端電圧値Ｖｃｆｉｘを用いると、上記の式（１６−２）は下記の式（１６−３）となる。

代用両端電圧値Ｖｃｆｉｘには特に制限はないが、例えば、蓄電デバイス１７の両端電圧値Ｖｃａｐが採り得る最低値を用いればよい。代用両端電圧値Ｖｃｆｉｘを両端電圧値Ｖｃａｐの最低値とした場合には、蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊は本来の値より大きい値となるが、充放電回路１５の損失と充電電流指令値生成部４のＰＩＤ制御のフィードバック機能により、蓄電デバイス側充電電流指令値として充分に機能する。

そこで、回生時制御部３内の充電電流指令値換算部７は、充電電流指令値換算部７内に予め定められた代用両端電圧値Ｖｃｆｉｘの逆数１／Ｖｃｆｉｘを格納する代用両端電圧値格納部を有し、該逆数と、充電電流指令値生成部４から入力される直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊と、回生時電力／電圧換算部６から入力される回生時電圧しきい値ＶｔｈＡと、の３つの値の積を計算し（上記の式（１６−３））、蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊を生成する。充電電流指令値換算部７の出力である蓄電デバイス側充電電流指令値Ｉａ＊は、電流指令値統合部２２に出力される。

以上説明した本実施の形態の交流モータ駆動システムは、直流電力を供給するコンバータと、前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータと前記インバータを接続する直流母線と、前記交流電力により駆動される交流モータと、前記コンバータの出力側における直流母線電圧値を検出する直流電圧値検出手段と、前記直流電力を前記直流母線から充電し、且つ充電した前記直流電力を前記直流母線へ放電する蓄電デバイスと、前記直流母線に対して前記インバータと並列に接続され、且つ前記直流母線と前記蓄電デバイスの間に接続され、前記蓄電デバイスを充放電させる充放電回路と、前記蓄電デバイスの充放電電流値を検出する充放電電流値検出手段と、前記直流母線電圧値と前記充放電電流値に基づいて前記インバータを制御するための制御信号を出力する充放電制御手段と、を備え、前記充放電制御手段は、前記交流モータからの回生電力の前記インバータを介した回生電力が予め定められた電力しきい値を越える場合には、前記直流母線電圧値を前記電力しきい値に応じた電圧しきい値になるように前記蓄電デバイスを充電させ、且つ前記蓄電デバイスへの充電開始時における充電電流を、前記直流母線の直流母線電圧値に基づく充電電流値から開始させることを特徴とする。

また、前記蓄電デバイスへの充電開始時における前記充電電流値は、前記直流母線電圧値の充電開始時における変化量に基づけばよい。

さらには、前記充放電制御手段は、前記直流母線電圧値と前記電圧しきい値に応じた積分制御手段、比例積分制御手段または比例積分微分制御手段を有し、前記積分制御手段、前記比例積分制御手段または前記比例積分微分制御手段内の積分成分に対し、前記蓄電デバイスへの充電開始時に、前記充電開始時の前記直流母線電圧値に応じた値を設定すればよい。

本実施の形態の交流モータ駆動システムは、下記の効果を奏する。なお、図１２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ回生電力Ｐｌｏａｄ（ｔ），直流母線側充電電流指令値Ｉ１ｉ＊，回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊の時間変化を示す図である。

第１に、回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔの導入により、急峻な回生電力の発生開始時において、従来の構成では図１２（ｂ）に破線で示すように応答の遅れた回生時電流指令値積分成分値Ｉ１ｉ＊を生成せざるをえなかったのに対して、本実施の形態の交流モータ駆動システムでは、図１２（ｂ）に実線で示すような応答の速い回生時電流指令値積分成分値Ｉ１ｉ＊を得ることが可能になり、応答性の良い制御信号を得ることができる。

第２に、回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔが回生動作開始時の直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊に応じた値に生成されることにより、不必要に大きな値の回生時電流指令値積分成分初期値を用いることが防げるため、回生動作開始時に系統電源からの不必要な電力供給を防止することができる。

第３に、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２が常に作動していることにより、回生動作開始時直後以外の時刻において、回生時電力補償動作開始信号Ｓａが有意となり、回生時電流指令値積分成分値Ｉ１ｉ＊に回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔが置換されても回生時電流指令値積分成分値Ｉ１ｉ＊に大きな変化が生じることを防止でき、連続性の良い制御信号を得ることができる。そのため、蓄電デバイス１７や充放電回路１５内のリアクトルの素子を長寿命化できる。

第４に、回生時電流指令値積分成分初期値生成部４２の回生時電流指令値積分成分初期値Ｉｉｎｉｔの生成において、観測値として直流母線電圧値Ｖｄｃのみを使用しているため、大電流が流れる直流母線１２の電流値検出部が不要となり、交流モータ駆動システムのコストを低廉化し、容積縮小や取り付け部材の廃止により省資源化し、また、電流値検出部の磁束飽和による制御不能となる危険性を回避することができる。

第５に、回生時電流指令値微分成分生成部４７の入力を第１の切換部４４を経ない構成としたことにより、回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊の生成に、回生時電力補償動作制御部５の回生時電力補償動作フラグＦａの生成を待つ必要がないため、回生時電力の発生開始直後に回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊を生成することができ、回生補償動作開始直後から有効な制御信号を発生させることができる。

なお、回生時電流指令値微分成分値Ｉ１ｄ＊（図１２（ｃ））の直流母線側充電電流指令値Ｉ１＊（図１２（ｂ）の太い実線）に対する寄与は、限定的であり、且つ小規模であるため、充電電流指令値生成部４から回生時電流指令値微分成分生成部４７を除いた構成で、上記した第１から第４の効果を奏する交流モータ駆動システムを得ることができる。但し、この場合の直流母線側充電電流指令値出力部４８内の３入力加算器４８１は、２入力加算器に置き換えられる。

さらに、定常誤差が許容される範囲であれば、充電電流指令値生成部４から第１のリミッタ４５と回生時電流指令値微分成分生成部４７の両方を省略することでも、上記した第１から第４までの効果を奏する交流モータ駆動システムを得ることができる。但し、この場合には、直流母線側充電電流指令値出力部４８内の３入力加算器４８１も省略される。

なお、図１においては、充放電回路１５が単相のチョッパの場合を想定した図であるため、充放電電流値検出部１９が１つのみ存在する場合を示している。蓄電デバイス１７の充放電電流のリプルを抑える目的で、充放電回路１５を複数の相、すなわち、ｎ相チョッパ（ｎは２以上の整数）で構成することも可能である。充放電回路１５をｎ相チョッパで構成すると、蓄電デバイス１７の充放電電流のリプルは１／ｎに低減することが可能になり、それに伴ない、蓄電デバイス１７の発熱を抑えることができるため、蓄電デバイス１７の寿命を延ばすことができる。充放電回路１５をｎ相チョッパで構成する場合には、1以上ｎ以下の整数であるｍ個の充放電電流検出部を搭載し、ｍ個の充放電電流値を充放電制御部２内の制御信号生成部２３に入力し、蓄電デバイス１７の充放電電流Ｉｃを計算して使用することになる。

また、充放電回路１５をｎ相チョッパで構成することで、１相当りの充放電電流を抑えることが可能になるため、充放電制御部２の出力である制御信号に対する充放電電流の応答が迅速になる。したがって、回生動作開始時の制御信号に対する充電電流の応答は、単相のチョッパの場合に比べて向上する。

なお、図１に示す構成に対して、交流モータ１６が力行動作も回生動作も実施しない期間や交流モータ１６の力行動作時の電力または回生動作時の電力が予め定められたしきい値未満の場合に、蓄電デバイス１７に所望の電力を充放電させるために充放電回路１５を動作させる制御信号を生成する補充電制御部をさらに備えていてもよい。反対に、力行時にコンバータ１１からの供給電力を抑制する必要がない場合には、本実施の形態で説明した力行時制御部２１と電流指令値統合部２２が存在しない構成としてもよい。

なお、本実施の形態では、充放電制御部２が様々なハードウエアの組み合わせにより構成する形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、充放電制御部２内の各構成の一部または全部は、置換可能なソフトウエアにより実現してもよい。

実施の形態２．
図１３は、本発明にかかる交流モータ駆動システムの実施の形態２の全体を示すブロック図である。図１３に示す交流モータ駆動システム１ａは、充放電制御部２ａと、コンバータ１１と、平滑コンデンサ１３と、インバータ１４と、充放電回路１５と、交流モータ１６と、蓄電デバイス１７と、直流電圧値検出部１８と、充放電電流値検出部１９と、交流電圧値検出部８と、を含む。すなわち、図１３に示す交流モータ駆動システム１ａと図１に示す交流モータ駆動システム１とは、交流電圧値検出部８を含む点が異なる。

交流電圧値検出部８は、コンバータ１１の系統電源１０側に接続される系統電源線間における電圧値である交流電圧値Ｖａｃを検出し、充放電制御部２ａへ出力する。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一または同等の手段には、同一の名称と符号を用いて説明を省略する。

コンバータ１１に入力される系統電源における交流電圧値Ｖａｃは、系統電源１０からコンバータ１１までの配線の長さにより異なる。また、同じ系統電源に複数の交流モータ駆動システムが接続される場合には、一の交流モータ駆動システムのコンバータ１１に入力される交流電圧値Ｖａｃは、他の交流モータ駆動システムの稼動状態（繁閑）により変動する。そして、コンバータ１１における交流電圧値Ｖａｃが変動すると、コンバータ１１の出力である直流母線１２の電圧値Ｖｄｃも変動する。

本実施の形態の交流モータ駆動システム１ａは、コンバータ１１の交流電圧値Ｖａｃが変動しても、コンバータ１１を介して回生する回生電力を、予め定められた回生時電力しきい値ＰｔｈＡに抑制することができる。

図１４は、平滑コンデンサ１３の静電容量値がＣで一定であり、交流電圧値Ｖａｃが変動したときの、交流モータ１６の回生動作における直流母線電圧値Ｖｄｃとコンバータ１１の回生電力｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜との関係を示す図である。図１４において、Ｖａｃ１＜Ｖａｃ０＜Ｖａｃ２とし、直流母線電圧値ＶｄｃがＶａｃ０の場合の｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜と電圧値Ｖｄｃの関係は、太い実線にて示される。同様に、直流母線電圧値ＶｄｃがＶａｃ１，Ｖａｃ２の場合には、図１４の破線にて示される。図１４に示す太い実線と２本の破線は、概ね平行移動した関係にある。

図１４からも判るように、コンバータ１１が回生する電力をＰｔｈＡに抑制しようとしても、Ｖａｃ＝Ｖａｃ０の場合の回生時電圧しきい値ＶｔｈＡはＶｔｈＡ＿０であるのに対して、Ｖａｃ＝Ｖａｃ１の場合の回生電圧しきい値ＶｔｈＡはＶｔｈＡ＿１に設定し、また、Ｖａｃ＝Ｖａｃ２の場合の回生電圧しきい値ＶｔｈＡはＶｔｈＡ＿２に設定する必要がある。

そこで、本実施の形態では、交流電圧値検出部８で検出した交流電圧値Ｖａｃを充放電制御部２ａ内の回生時制御部３内の回生時電力／電圧換算部６へ入力する。本実施の形態における回生時電力／電圧換算部６は、例えば、平滑コンデンサ１３の静電容量値Ｃに応じて、図１４に示すような、交流電圧値の違いに対応するＬＵＴを備える。または、本実施の形態における回生時電力／電圧換算部６は、平滑コンデンサ１３の静電容量値が同一値Ｃである場合の交流電圧値の違いによる電圧値Ｖｄｃと｜Ｐｃｎｖ（ｔ）｜の関係がおよそ平行移動した関係にあることを利用する。すなわち、回生時電力／電圧換算部６が、Ｖａｃ＝Ｖａｃ０場合の関係のみをＬＵＴまたは近似式を格納しており、回生時電力／電圧換算部６内の変換部の出力は、図１４におけるＶｔｈＡ＿０となる。そして、このＶｔｈＡ＿０に対して、下記の式（１７）で示す演算、即ち、ＶｔｈＡ＿０に定数Ｋａ／Ｖａｃ０を乗じ、更に、交流電圧値検出部８からの交流電圧値Ｖａｃを乗じて、回生時電圧しきい値ＶｔｈＡを得る。

但し、上記の式（１７）に示す定数Ｋａは、交流電圧値Ｖａｃの基準となる電圧値Ｖａｃ０に対する変化率、即ち、図１４の曲線の平行移動の比率を表す定数である。

回生時電力／電圧換算部６の出力は、実施の形態１と同様に、充電電流指令値生成部４、回生時電力補償動作制御部５及び充電電流指令値換算部７に出力される。なお、ＶｔｈＡ＿０に定数Ｋａ／Ｖａｃ０を乗じたデータを本実施の形態の回生時電力／電圧換算部６内の変換手段に格納してもよい。

また、本実施の形態によると、実施の形態１の効果に加えて、コンバータ１１の入力側の系統電源線間の電圧値である交流電圧値Ｖａｃが変動した場合においても、直流母線電流量検出手段を設けることなく、コンバータ１１を介して回生する回生電力を、予め定められたしきい値ＰｔｈＡに抑制することが可能である。

図１５は、本実施の形態における充放電制御部２ａを示すブロック図である。図１５に示すように、力行動作に関する電力ピーク抑制のために、系統電源１０の交流電圧値Ｖａｃの変動に対応する目的で、交流電圧値Ｖａｃを力行時制御部２１に入力してもよい。

以上説明した本実施の形態の交流モータ駆動システムは、交流電流を直流電力に変換するコンバータと、前記直流電力を前記コンバータの入力の交流電力とは異なる交流電力に変換するインバータと、前記コンバータと前記インバータを接続する直流母線と、前記インバータの出力である交流電力により駆動される交流モータと、前記コンバータの出力側における直流母線電圧値を検出する直流電圧値検出手段と、前記直流電力を前記直流母線から充電し、且つ充電した前記直流電力を前記直流母線へ放電する蓄電デバイスと、前記直流母線に対して前記インバータと並列に接続され、且つ前記直流母線と前記蓄電デバイスの間に接続され、前記蓄電デバイスを充放電させる充放電回路と、前記蓄電デバイスの充放電電流値を検出する充放電電流値検出手段と、前記コンバータの入力側における交流電圧値を検出する交流電圧値検出手段と、前記直流母線電圧値、前記充放電電流値及び前記交流電圧値に基づいて前記インバータを制御するための制御信号を出力する充放電制御手段と、を備え、前記充放電制御手段は、前記交流モータからの回生電力の前記インバータを介した回生電力が予め定められた電力しきい値を越える場合には、前記直流母線電圧値を前記電力しきい値と前記交流電圧値に応じた電圧しきい値になるように前記蓄電デバイスを充電させ、且つ前記蓄電デバイスへの充電開始時における充電電流を、前記直流母線電圧値と前記交流電圧値に基づく充電電流値から開始させることを特徴とする。

また、前記蓄電デバイスへの充電開始時における前記充電電流値は、前記直流母線電圧値の充電開始時における変化量と前記交流電圧値に基づけばよい。

さらには、前記充放電制御手段は、前記直流母線電圧値と前記電圧しきい値に応じた積分制御手段、比例積分制御手段または比例積分微分制御手段を有し、前記積分制御手段、前記比例積分制御手段または前記比例積分微分制御手段内の積分成分に対し、前記蓄電デバイスへの充電開始時に、前記充電開始時の前記直流母線電圧値に応じた値を設定すればよい。

なお、本実施の形態の充放電制御部２ａ内の各構成の一部または全部も、置換可能なソフトウエアにより実現してもよい。

以上のように、本発明にかかる交流モータ駆動システムは、系統電源に接続されて動作する交流モータを含む交流モータ駆動システムに有用である。

１ 交流モータ駆動システム、２ 充放電制御部、３ 回生時制御部、４ 充電電流指令値生成部、５ 回生時電力補償動作制御部、６ 回生時電力／電圧換算部、７ 充電電流指令値換算部、１０ 系統電源、１１ コンバータ、１２ 直流母線、１２ａ 高電位側直流母線、１２ｂ 低電位側直流母線、１３ 平滑コンデンサ、１４ インバータ、１５ 充放電回路、１６ 交流モータ、１７ 蓄電デバイス、１８ 直流電圧値検出部、１９ 充放電電流値検出部、２１ 力行時制御部、２２ 電流指令値統合部、２３ 制御信号生成部、４１ 第１の減算器、４２，４２ａ〜４２ｃ 回生時電流指令値積分成分初期値生成部、４３ 第１の乗算器、４４ 第１の切換部、４５ 第１のリミッタ、４６ 回生時電流指令値積分成分生成部、４７ 回生時電流指令値微分成分生成部、４８ 直流母線側充電電流指令値出力部、６１ 回生時電圧しきい値生成変換部、６２ 静電容量値格納部、６３ 回生時電力しきい値格納部、４２１ 第３の減算器、４２２ 第３の遅延部、４２３ ΔＶｄｃ／Ｖｍａｘ換算部、４２４ Ｖｍａｘ／｜Ｐｍａｘ｜換算部、４２５ 第４の乗算器、４２６ 定数ｂ格納部、４２７ 第２の２入力加算器、４２８ ΔＶｄｃ／｜Ｐｍａｘ｜換算部、４２９ ΔＶｄｃ／Ｉｉｎｉｔ換算部、４６１ 第２の乗算器、４６２ 第１の２入力加算器、４６３ 第２のリミッタ、４６４ 第２の切換部、４６５ 第１の遅延部、４７１ 第２の遅延部、４７２ 第２の減算器、４７３ 第３の乗算器、４７４ 第３のリミッタ、４８１ ３入力加算器、４８２ 第４のリミッタ、４８３ 第３の切換部。

Claims (5)

1. 直流電力を供給するコンバータと、
   前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記コンバータと前記インバータを接続する直流母線と、
   前記交流電力により駆動される交流モータと、
   前記コンバータの出力側における直流母線電圧値を検出する直流電圧値検出手段と、
   前記直流電力を前記直流母線から充電し、且つ充電した前記直流電力を前記直流母線へ放電する蓄電デバイスと、
   前記直流母線に対して前記インバータと並列に接続され、且つ前記直流母線と前記蓄電デバイスの間に接続され、前記蓄電デバイスを充放電させる充放電回路と、
   前記蓄電デバイスの充放電電流値を検出する充放電電流値検出手段と、
   前記直流母線電圧値と前記充放電電流値に基づいて前記インバータを制御するための制御信号を出力する充放電制御手段と、を備え、
   前記充放電制御手段は、
   前記交流モータからの回生電力の前記インバータを介した回生電力が予め定められた電力しきい値を越える場合には、前記直流母線電圧値を前記電力しきい値に応じた電圧しきい値になるように前記蓄電デバイスを充電させ、且つ前記蓄電デバイスへの充電開始時における充電電流を、前記直流母線の直流母線電圧値に基づく充電電流値から開始させることを特徴とする交流モータ駆動システム。
2. 前記蓄電デバイスへの充電開始時における前記充電電流値は、前記直流母線電圧値の充電開始時における変化量に基づくことを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動システム。
3. 交流電流を直流電力に変換するコンバータと、
   前記直流電力を前記コンバータの入力の交流電力とは異なる交流電力に変換するインバータと、
   前記コンバータと前記インバータを接続する直流母線と、
   前記インバータの出力である交流電力により駆動される交流モータと、
   前記コンバータの出力側における直流母線電圧値を検出する直流電圧値検出手段と、
   前記直流電力を前記直流母線から充電し、且つ充電した前記直流電力を前記直流母線へ放電する蓄電デバイスと、
   前記直流母線に対して前記インバータと並列に接続され、且つ前記直流母線と前記蓄電デバイスの間に接続され、前記蓄電デバイスを充放電させる充放電回路と、
   前記蓄電デバイスの充放電電流値を検出する充放電電流値検出手段と、
   前記コンバータの入力側における交流電圧値を検出する交流電圧値検出手段と、
   前記直流母線電圧値、前記充放電電流値及び前記交流電圧値に基づいて前記インバータを制御するための制御信号を出力する充放電制御手段と、を備え、
   前記充放電制御手段は、
   前記交流モータからの回生電力の前記インバータを介した回生電力が予め定められた電力しきい値を越える場合には、前記直流母線電圧値を前記電力しきい値と前記交流電圧値に応じた電圧しきい値になるように前記蓄電デバイスを充電させ、且つ前記蓄電デバイスへの充電開始時における充電電流を、前記直流母線電圧値と前記交流電圧値に基づく充電電流値から開始させることを特徴とする交流モータ駆動システム。
4. 前記蓄電デバイスへの充電開始時における前記充電電流値は、前記直流母線電圧値の充電開始時における変化量と前記交流電圧値に基づくことを特徴とする請求項３に記載の交流モータ駆動システム。
5. 前記充放電制御手段は、前記直流母線電圧値と前記電圧しきい値に応じた積分制御手段、比例積分制御手段または比例積分微分制御手段を有し、
   前記積分制御手段、前記比例積分制御手段または前記比例積分微分制御手段内の積分成分に対し、前記蓄電デバイスへの充電開始時に、前記充電開始時の前記直流母線電圧値に応じた値を設定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の交流モータ駆動システム。

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