KR101471321B1

KR101471321B1 - 교류 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR101471321B1
Application number: KR1020137024951A
Authority: KR
Inventors: 마나부 오하시; 가즈야 나카무라
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2014-12-09
Also published as: TWI456887B; TW201240319A; JP5615427B2; KR20130131445A; US9130500B2; WO2012131880A1; US20130307462A1; DE112011105118T5; JPWO2012131880A1

Abstract

전력 저장 장치에 전력 저장 요소와 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이를 개방·단락할 수 있는 회로 절단 요소를 마련하여, 충전 과정에서 자연 방전 상태로 되는 것을 방지한다. 또, 이상 발생시에서는 전력 저장 요소를 승강압 쌍방향 초퍼 회로를 포함하는 다른 기기로부터 떼어낸다. 이것에 의해서, 전원 회생시에 있어서의 전력 저장 요소의 에너지 손실을 저감시켜 에너지의 이용 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 이상 발생시에 전력 저장 요소가 다른 기기에 파손을 일으키게 하는 파손 영향의 발생을 방지하여 보다 안전성이 높은 전력 저장 장치를 탑재한 교류 모터 구동 장치를 얻는다.

Description

교류 모터 구동 장치{ALTERNATING CURRENT MOTOR DRIVE DEVICE}

본 발명은 직류 전원으로부터의 직류 전력을 인버터에 의해 교류 전력으로 변환하여 교류 모터에 공급하는 교류 모터 구동 장치에 관한 것으로, 특히 상기 직류 전력을 제어하기 위한 전력 저장 장치를 구비하는 교류 모터 구동 장치에 관한 것이다.

교류 모터 구동 장치에서는, 교류 모터의 역행(力行)시에는 가속을 위해서 큰 구동 전류가 흐르는 반면, 감속시에는 회생(回生) 전류가 발생한다. 그러한 모터의 회생 전류를 단지 저항기로 소비하여 열로서 방출하는 것은, 에너지 이용 효율이 나쁘고 바람직하지 않다.

이 때문에, 종래부터, 직류화(直流化)용 컨버터와 교류화(交流化)용 인버터의 사이에, 인버터와 병렬로 전력 저장 장치를 개재(介在)시키고 있다. 이 전력 저장 장치는 대용량의 전해 콘덴서나 전기 이중층 캐패시터 등의 전력 저장 요소와, 이 전력 저장 요소와 직류화용 컨버터의 직류 모선의 사이에 마련되는 DC／DC 컨버터와, 이 DC／DC 컨버터를 제어하여 직류 모선과 전력 저장 요소의 사이에서의 충방전을 행하게 하는 제어 회로를 구비하고 있다.

구체적으로는, 모터 역행시에는 전력 저장 장치에 축적되어 있는 전력은 인버터를 통하여 교류 모터에 공급되는 반면, 모터 회생시에는 그 회생 전력은 인버터를 통하여 전력 저장 장치에 축적됨으로써, 모터 구동 전류의 평준화(平準化)를 도모함과 아울러, 회생 전력을 유효 이용하도록 하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2, 3 참조).

또한, 전력 저장 장치에 이용하는 DC／DC 컨버터로서는, 승강압 쌍방향 초퍼 회로가 이용되는 일이 있다. 승강압 쌍방향 초퍼 회로는, 간단한 구성으로 전력 저장 요소로의 충전 제어와 전력 저장 장치로부터 직류 모선으로의 방전 제어가 가능하다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2001－103769호 공보 특허 문헌 2: 일본국 개 2001－320893호 공보 특허 문헌 3: 일본국 특개 2008－99503호 공보

그러나 승강압 쌍방향 초퍼 회로를 사용하는 종래의 전력 저장 장치에서는, 전력 저장 요소의 전압보다도 직류 모선의 전압이 낮은 경우, 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 스위칭 소자에 역(逆)병렬 접속되어 있는 다이오드를 통해 전력 저장 요소의 전력이 직류 모선측으로 자연스럽게 회생되어 버리므로, 전력 저장 요소의 에너지 손실을 증가시킨다.

또, 예를 들면 직류 전원이나 인버터에 직류 모선 사이를 단락시키는 어떠한 이상이 발생하여, 직류 모선의 전압이 전력 저장 요소의 전압보다도 저하되는 경우, 전력 저장 장치는 상기 자연 방전 상태가 되어 버린다. 그러나 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 스위칭 소자에 역병렬 접속되어 있는 다이오드를 통해 흐르는 방전 전류는 멈출 수 없기 때문에, 전력 저장 장치로부터 직류 모선으로 대전류가 흘러 버려, 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 파손 등을 초래한다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 전원 회생시에 있어서의 전력 저장 요소의 에너지 손실을 저감시켜 에너지의 이용 효율을 향상할 수 있고, 또한 이상 발생시에 전력 저장 요소가 다른 기기에 파손을 일으키게 하는 파손 영향의 발생을 방지하여 보다 안전성이 높은 전력 저장 장치를 탑재한 교류 모터 구동 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 직류 전원에 접속되는 직류 모선으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 모터의 구동에 필요한 교류 전력으로 변환하는 인버터와 병렬로 상기 직류 모선에 접속되어, 그 직류 모선의 직류 전력을 제어하는 전력 저장 장치를 구비하는 교류 모터 구동 장치에 있어서, 상기 전력 저장 장치는, 직류 전력을 저장할 수 있는 전력 저장 요소와, 상기 직류 모선측으로부터 상기 전력 저장 요소로의 충전 동작과 상기 전력 저장 요소로부터 상기 직류 모선측으로의 방전 동작이 가능한 승강압 쌍방향 초퍼 회로와, 상기 전력 저장 요소와 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이에 마련된 회로 절단 요소와, 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의한 충방전 동작과, 상기 회로 절단 요소에 의한 상기 전력 저장 요소와 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이의 개방／단락의 동작을 제어하는 제어 회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 전력 저장 장치에 전력 저장 요소와 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이를 개방／단락할 수 있는 회로 절단 요소를 마련했으므로, 충전 과정에서 자연 방전 상태로 되는 것을 방지할 수 있다. 또, 이상 발생시에서는 전력 저장 요소를 승강압 쌍방향 초퍼 회로를 포함하는 다른 기기로부터 떼어낼 수 있다. 따라서 전원 회생시에 있어서의 전력 저장 요소의 에너지 손실을 저감시켜 에너지의 이용 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 이상 발생시에 전력 저장 요소가 다른 기기에 파손을 일으키게 하는 파손 영향의 발생을 방지하여 보다 안전성이 높은 전력 저장 장치를 탑재한 교류 모터 구동 장치를 실현할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 교류 모터 구동 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 직류 전원에 관련되는 부분의 상세를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전력 저장 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전력 저장 요소의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 3에 도시된 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 구체적인 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 실시예에 의한 회로 절단 요소를 가지지 않는 일반적인 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의해 행해지는 충방전 제어 동작을 설명하는 파형도이다.
도 7은 본 실시예에 의한 회로 절단 요소를 가지는 도 5에 도시된 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의해 행해지는 충방전 제어 동작을 설명하는 파형도이다.
도 8은 도 5에 도시된 회로 절단 요소의 개방／단락의 동작 판정을 행하는 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2로서, 이상이 발생했을 경우의 도 5에 도시된 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의해 행해지는 충방전 제어 동작을 설명하는 파형도이다.
도 10은 이상이 발생했을 경우의 도 5에 도시된 회로 절단 요소의 개방／단락의 동작 판정을 행하는 회로의 일례를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 따른 교류 모터 구동 장치의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 교류 모터 구동 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 있어서, 본 실시예 1에 의한 교류 모터 구동 장치는 직류 전원(1)으로부터 직류 전력이 공급되는 양음의 직류 모선(2a, 2b)에 병렬로 복수의 인버터(3, 3, ‥)가 접속되어 있음과 아울러, 전력 저장 장치(4)가, 직류 전원(1)과 인버터(3)의 사이에 있어서의 직류 모선(2a, 2b)에 인버터(3)와 병렬로 접속되어 있다. 복수의 인버터(3, 3, ‥)에는, 각각 교류 모터(5, 5, ‥)가 접속되어 있다.

복수의 인버터(3, 3, ‥)는 각각 직류 모선(2a, 2b)의 직류 전력으로부터 소망한 교류 전력을 생성하여, 각각의 교류 모터(5, 5, ‥)를 구동한다. 또한, 도 1에서는, 인버터(3)와 교류 모터(5)의 조(組)가, 복수 조인 경우를 나타내고 있지만, 1조만인 경우도 있다. 어쨌든, 탑재하는 전력 저장 장치(4)는 1개이기 때문에, 인버터(3)와 교류 모터(5)의 조의 개수는 본 실시예를 적용할 때에 문제는 아니다. 인버터(3)의 구성에 대해서는 잘 알려져 있으므로, 여기에서는, 직류 전원(1)과 전력 저장 장치(4)의 구성에 대해서 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 직류 전원에 관련되는 부분의 상세를 나타내는 회로도이다. 도 2에 있어서, 도 1에 도시된 직류 전원(1)은 리액터(reactor)(13)와, 전파 정류 회로(14)와, 평활 콘덴서(15)를 구비하고 있다.

전파 정류 회로(14)는 직렬 접속된 3조의 상하 암 스위칭 소자(SW1, SW2)(SW3, SW4)(SW5, SW6)를 병렬로 접속한 구성이다. 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)는 예를 들면 IGBT이지만, 각각 역(逆)병렬로 환류 다이오드(D1 ~ D6)가 접속되어 있다.

직렬 접속된 3조의 상하 암 스위칭 소자(SW1, SW2)(SW3, SW4)(SW5, SW6) 각각의 직렬 접속단이 3상(相) 교류 입력단이다. 이 3상 교류 입력단은 리액터(13) 및 트랜스(12)를 통하여 3상의 교류 전원(11)에 접속된다. 또, 그 상하 암 스위칭 소자(SW1, SW2)(SW3, SW4)(SW5, SW6)의 양단(병렬 접속단)이 직류 출력단(양극(positive) 출력단, 음극(negative) 출력단)이며, 양음의 직류 모선(2a, 2b)이 접속되어 있다.

이 전파 정류 회로(14)는 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)가 서로 중복하지 않는 타이밍으로, 3상 교류 전압을 스위칭함으로써 정류화한다. 평활 콘덴서(15)는 양음의 직류 모선(2a, 2b) 사이에 마련되고, 전파 정류 회로(14)가 양음의 직류 모선(2a, 2b)으로 출력하는 정류화 전압을 평활하여, 양음의 직류 모선(2a, 2b) 사이에 소정의 직류 전압(직류 전원)을 형성한다.

또, 이 전파 정류 회로(14)는 전력 저장 장치(4)로부터 축전된 회생 전력을 직류 모선(2a, 2b)으로 방전하는 전원 회생 모드에서는, 그 회생 전력을 교류 전원(11)으로 회생하도록 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)가 제어되게 되어 있다.

다음으로, 도 3은 도 1에 도시된 전력 저장 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 전력 저장 장치(4)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전력 저장 요소(21)와, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)와, 제어 회로(23)를 구비하고 있다.

전력 저장 요소(21)는 대용량의 전해 콘덴서나 전기 이중층 캐패시터(EDLC) 등으로 구성된다(도 4 참조). 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)는 직류 모선(2a, 2b)측으로부터 전력 저장 요소(21)로의 충전과, 전력 저장 요소(21)로부터 직류 모선(2a, 2b)측으로의 방전의 쌍방향 동작이 가능하다. 본 실시예에서는, 이 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)와 전력 저장 요소(21)의 사이에 「회로 절단 요소」를 마련하고 있다(도 5 참조). 제어 회로(23)는 마이크로 컴퓨터에 의한 프로그램 제어에 의해서 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)의 상기한 쌍방향 동작을 제어한다. 그때에, 본 실시예 1에서는, 제어 회로(23)는 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)와 전력 저장 요소(21)의 사이에 마련된 「회로 절단 요소」의 개방／단락의 제어를 행하도록 되어 있다(도 7, 도 8 참조).

도 4는 도 3에 도시된 전력 저장 요소의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 4에서는, 전력 저장 요소(21)를 전기 이중층 캐패시터(EDLC)로 구성했을 경우를 나타낸다. 도 4에 있어서, 전력 저장 요소(21)는 EDLC 모듈(31, 31, …)의 m×n(m, n는 1 이상의 정수) 개를 직·병렬 접속한 EDLC 유니트로서 이용된다. EDLC 모듈(31)은 직렬 접속한 복수의 EDLC 셀(32, 32, …)과, 각 EDLC 셀(31, 31, …) 사이의 전압의 편차를 저감시키기 위해서, 각 EDLC 셀(31, 31, …)에 대해서 개별적으로 병렬 접속한 전압 밸런스 저항기(33, 33, …)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 전력 저장 요소(21)는 그 정전 용량이 예를 들면 1F 정도인 대용량의 것이다. 1개의 EDLC 셀(32)의 정전 용량은, 통상 100F를 넘지만 최대 전압은 대체로 3V 이하이다. 또, 직류 모선(2, 2) 사이의 전압은, 통상 300V나 600V이기 때문에, 실용상은 전력 저장 요소(21)의 전압은 150V 이상이 된다. 또한, 전력 저장 요소(21)에는 퓨즈나 브레이커(breaker) 등을 포함하기도 하지만, 도 4에서는 생략하고 있다. 또, 전압 밸런스 저항기(33)는 생략 가능하고, 또 다른 밸런스 방식으로 하는 것도 가능하다.

도 5는 도 3에 도시된 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 구체적인 구성예를 나타내는 회로도이다. 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)에는, 여러 가지의 회로 형태가 알려져 있지만, 본 실시예에서는, 예를 들면 도 5에 도시된 바와 같이, 가장 기본적인 회로 형태를 이용하고 있다.

도 5에 있어서, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)는 직렬로 접속된 2개의 스위칭 소자(예를 들면 IGBT)(41a, 41b)를 구비하고 있다. 스위칭 소자(41a, 41b)에는, 각각 역병렬로 환류 다이오드(42a, 42b)가 접속되어 있다.

스위칭 소자(41a, 41b)의 직렬 회로의 일단(도시예에서는 스위칭 소자(41a)의 컬렉터 단자)은 양극의 직류 모선(2a)에 접속되고, 스위칭 소자(41a, 41b)의 직렬 회로의 타단(도시예에서는 스위칭 소자(41b)의 이미터 단자)은 음극의 직류 모선(2b)에 접속되어 있다. 평활 콘덴서(44a)는 스위칭 소자(41a, 41b)의 직렬 회로에 병렬로 접속되어 있다. 즉, 평활 콘덴서(44a)는 직류 모선(2a, 2b) 사이에 접속되어 있다.

스위칭 소자(41a, 41b)의 직렬 접속단(도시예에서는 스위칭 소자(41a)의 이미터 단자와 스위칭 소자(41b)의 컬렉터 단자의 공통 접속단)에는, 초크 코일(43)의 일단이 접속되고, 초크 코일(43)의 타단은 본 실시예에 의한 회로 절단 요소(51)의 일단에 접속된다. 회로 절단 요소(51)의 타단은 전력 저장 요소(21)의 한쪽 입출력 단자에 접속된다. 전력 저장 요소(21)의 다른 쪽 입출력 단자는, 스위칭 소자(41b)의 이미터 단자가 접속되는 음극의 직류 모선(2b)에 접속되어 있다. 평활 콘덴서(44b)는 전력 저장 요소(21)의 한쪽과 다른 쪽의 입출력 단자 사이에 접속되어 있다. 또한, 평활 콘덴서(44a, 44b)는 생략되기도 한다.

제어 회로(23)에는, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)를 제어할 때의 참조 신호로서, 전압 센서(45a)가 검출한 직류 모선(2a, 2b)의 전압과, 전압 센서(45b)가 검출한 전력 저장 요소(21)의 전압과, 전류 센서(46a)가 검출한 모선 전류와, 전류 센서(46b)가 검출한 초크 코일(43)을 흐르는 전류가 입력된다. 또한, 제어 회로(23)에 입력되는 검출치는, 이상의 4개로 한정되는 것이 아니고, 일례로서 다른 검출치가 입력되기도 한다. 또, 도시하지 않은 상위의 컨트롤러로부터 입력되는 경우도 있다.

제어 회로(23)는 이들 검출치에 기초하여 스위칭 소자(41a, 41b)를 개별적으로 스위칭시키는 게이트 신호를 생성하여, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)에, 모터(5)로부터의 회생 전력에 의해 전력 저장 요소(21)를 충전하는 강압 동작과, 전력 저장 요소(21)에 축전한 회생 전력을 방전(전원 회생)하는 승압 동작을 행하게 한다. 그때에, 제어 회로(23)는 이러한 검출치에 기초하여, 본 실시예에 의한 회로 절단 요소(51)의 개방／단락의 제어를 행한다.

또한, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)는 전력 저장 요소(21)의 전압이 직류 모선(2a, 2b)보다도 고전압으로 되어 있는 동안도 전력 저장 요소(21)로부터의 방전 전류가 일정하게 되도록 제어를 행하는 것이 가능하다. 이에, 본 실시예에서의 제어 회로(23)는 전력 저장 요소(21)로부터 직류 모선(2a, 2b)측으로의 방전을 행하는 경우, 정전류로 전원 회생이 행해지도록 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)를 제어하도록 구성되어 있다.

그런데, 방전 개시시에 있어서의 전력 저장 요소(21)의 전압이 충전시의 최대 전압보다도 낮으면, 회생시에 사용할 수 있는 에너지를 저하시킨다. 그리고 전력 저장 요소(21)의 방전 전 전압을 Va, 방전 후 전압을 Vb로 했을 때, 그 이용 가능 전력 P는 P=(Va²－Vb²)／2가 된다. 전력 저장 요소(21)에 축전되어 있는 에너지를 취출할 때 전력 저장 요소(21)의 방전 후 전압 Vb가 일정하면, 방전에 의한 회생 이용 에너지는, 전력 저장 요소(21)의 방전 전 전압 Va의 제곱으로 효과가 있다. 즉, 방전 개시시에 있어서 전력 저장 요소(21)에 가능한 한 높은 전압이 축전되어 있으면, 전원 회생시의 에너지 이용 효율을 높일 수 있다.

그러나 회로 절단 요소(51)를 마련하지 않고 초크 코일(43)의 타단이 직접 전력 저장 요소(21)의 한쪽 입출력 단자에 접속되는 일반적인 구성의 승강압 쌍방향 초퍼 회로에서는, 전력 저장 요소(21)의 전압이 직류 모선(2a, 2b)의 전압보다도 고전압으로 되는 경우에, 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a)에 자연 방전되는 일이 일어나므로, 전력 저장 요소(21)에, 방전 개시시에 있어서의 전력 저장 요소(21)의 전압을 최대 충전 전압에 가까운 고전압으로 유지시키는 것이 곤란하다. 이하, 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 실시예에 의한 회로 절단 요소를 가지지 않는 일반적인 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의해 행해지는 충방전 제어 동작을 설명하는 파형도이다. 도 6에서는, (1) 직류 모선(2a, 2b)의 전압 변화와, 그에 대한 (2) 전력 저장 요소(21)로의 충방전 동작과, (3) 직류 모선(2a, 2b)의 전압 V1과 전력 저장 요소(21)의 전압 V2의 관계를 나타내는 전압차(V3=V2－V1)가 도시되어 있다. 또, 직류 모선(2a, 2b)의 전압 V1에 대해, 전원 회생의 동작 임계치인 방전 개시 전압(60)이 정해져 있다.

도 6 (1)에 있어서, 직류 모선 전압이 상승하고 있는 기간(61)은 감속 기간에 대응하고, 그 후 일정 전압인 기간(62)은 정속 기간에 대응하고, 그 후 하강하고 있는 기간(63)은 가속 기간에 대응하고 있다.

도 6 (2)에 있어서, 전력 저장 요소(21)에서는, 직류 모선 전압이 상승하고 있는 기간(61)의 초기에 있어서의 타이밍(64)에서 충전이 개시된다. 충전 동작은, 전력 저장 요소(21)의 전압 V2가 직류 모선 전압 V1과 동일해질 때까지 행해진다. 도 6에서는, 직류 모선 전압 V1이 일정 전압인 기간(62)의 종단 부근의 타이밍(65)에서, 전력 저장 요소(21)의 전압 V2가 직류 모선 전압 V1과 동일해졌을 경우를 나타내고 있다.

이 경우에, 직류 모선 전압 V1은 충전 종료 타이밍(65) 후의 타이밍(66)에 있어서, 일정 전압으로부터 강하하므로, V2＞V1의 상황이 된다. 그러면, 전력 저장 요소(21)로부터 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a)으로의 자연 방전이 일어나므로, 전력 저장 요소(21)의 전압 V2도 최대 충전 전압으로부터 강하하게 된다. 이때에, 제어 회로(23)는 초크 코일(43)에 전류가 흐르고 있는 것은 전류 센서(43b)로부터의 통지로 인식할 수 있지만, 그 전류를 차단할 수 없다. 즉, 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a)에 자연 방전되는 전류는, 전력 저장 요소(21)와 직류 모선(2)이 동전압으로 되는 타이밍(67)까지 계속 흐른다. 그리고 직류 모선 전압 V1이 방전 개시 전압(60)을 하회하는 타이밍(67)에 있어서, 전원 회생이 개시된다. 전원 회생시의 타이밍(67)에서의 전력 저장 요소(21)의 전압은, 타이밍(66)에서의 최대 충전 전압으로부터 전압(68)만큼 저하한 전압이며, 도시예에서는 최대 충전 전압의 약 60％이다. 전압(68)은 에너지 손실에 상당한다. 즉, 일반적인 승강압 쌍방향 초퍼 회로를 이용했을 경우, 전력 저장 요소(21)의 축전 에너지의 이용 효율이 좋지 않다는 것을 알 수 있다.

이에, 본 실시예에서는, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)와 전력 저장 요소(21)의 사이에 회로 절단 요소(51)를 마련하고, 아직 전원 회생의 상황이 아닌 충전 동작 중에, 전력 저장 요소(21)의 전압이 직류 모선(2a, 2b)의 전압보다도 높아지는 경우에, 제어 회로(23)에 의해 회로 절단 요소(51)를 개방 제어하여, 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a, 2b)으로 자연 방전이 일어나는 것을 방지할 수 있도록 했다. 이하, 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 실시예에 의한 회로 절단 요소를 가지는 도 5에 도시된 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의해 행해지는 충방전 제어 동작을 설명하는 파형도이다. 도 7에서는, 도 6에 있어서 (4) 회로 절단 요소(51) 동작 신호가 추가되어 있다. "H"레벨은 회로 절단 요소(51)를 개방 상태로 제어하는 지시를 의미하고, "L"레벨은 회로 절단 요소(51)를 단락 상태로 제어하는 지시를 의미하고 있다. 도 7에 있어서, 전력 저장 요소(21)의 전압 V2가 직류 모선 전압 V1과 동일해지는 타이밍(65)까지는, 회로 절단 요소(51)는 단락 상태로 있지만, 제어 회로(23)는 입력되는 검출치에 기초하여, 전력 저장 요소(21)의 전압 상승 변화율 등으로부터 V2＞V1이 되는 상황에 있다고 판단하면, 타이밍(65)에 있어서 회로 절단 요소(51)를 개방 상태로 한다.

그 결과, 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a)으로 자연 방전되는 전류의 경로가 차단되므로, 자연 방전의 발생이 방지된다. 전력 저장 요소(21)는 방전이 일어나지 않기 때문에, 전압 V2를 저하시키는 일 없이 타이밍(65)에 있어서의 최대 충전 전압으로 유지된다. 그리고 타이밍(66)까지는, V1=V2이지만, 직류 모선 전압 V1은 타이밍(66)에 있어서 강하로 바뀌므로, 도 7 (3)에 도시된 바와 같이, 전압차 V3은 양극성의 전압으로 되고, 전력 저장 요소(21)의 전압 V2가 직류 모선 전압 V1보다도 고전압으로 유지된다. 즉, 타이밍(65)에 있어서의 최대 충전 전압은, 직류 모선 전압 V1보다도 고전압이다.

그 후, 직류 모선 전압 V1이 방전 개시 전압(60)을 하회하는 타이밍(67)에 있어서, 제어 회로(23)는 회로 절단 요소(51)를 단락 상태로 변화시켜서, 전원 회생을 실시하도록 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)를 제어한다. 도 7 (2)에 도시된 바와 같이, 전력 저장 요소(21)에서는, 타이밍(65)에 있어서의 최대 충전 전압을 타이밍(67)까지 유지하여, 그 상태에서 방전이 행해진다. 도 6에 도시된 전압(68)과 같은 에너지 손실을 저감시킬 수 있었으므로, 전원 회생시의 에너지 이용 효율이 향상된다.

다음으로, 도 8은 도 5에 도시된 회로 절단 요소의 개방／단락의 동작 판정을 행하는 회로의 일례를 나타내는 도면이다. 회로 절단 요소(51)의 개방／단락의 동작 판정을 행하는 회로는, 예를 들면 도 8에 도시된 바와 같이, 콤퍼레이터(70)와, 논리 반전 회로(71)와, 논리곱 회로(72)로 구성할 수 있다. 콤퍼레이터(70)는 비반전 입력 단자 (＋)의 전력 저장 요소(21)의 전압 V2가 입력되고, 반전 입력 단자(－)에 직류 모선 전압 V1이 입력된다.

논리 반전 회로(71)에 입력되는 방전 필요 신호 S1은, 제어 회로(23)가 상기한 각종의 검출치에 기초하여 생성하는 것으로, "H"레벨일 때는 「방전 필요」를 가리키고, "L"레벨일 때는 「방전 불요(不要)」를 가리킨다. 논리 반전 회로(71)의 출력은 논리곱 회로(72)의 다른 쪽 입력단에 입력된다.

논리곱 회로(72)는 콤퍼레이터(70)의 출력 및 논리 반전 회로(71)의 출력이 모두 "H"레벨일 때, 출력(회로 절단 요구 신호 S2)을 "H" 레벨로 하고, 회로 절단 요소(51)를 개방 상태로 제어시킨다.

요컨데, 방전 필요 신호 S1="L"로 되어 있어 전원 회생을 행하는 상황이 아닌 경우에 있어서, V2＞V1인 상황으로 되어 콤퍼레이터(70)의 출력이 "H"레벨이면, 논리곱 회로(72)로부터 회로 절단 요소(51)를 개방 상태로 제어시키는 회로 절단 요구 신호 S2가 출력된다. 그리고 전원 회생을 행할 때에, 방전 필요 신호 S1="H"로 되므로, 논리곱 회로(72)로부터 회로 절단 요소(51)를 단락 상태로 제어시키는 회로 절단 요구 신호 S2가 출력된다.

이와 같이, 본 실시예 1에 의하면, 자연 방전이 발생하는 상황으로 되면, 회로 절단 요소를 개방시키므로, 전력 저장 요소(21)는 축전된 직류 모선 전압보다도 높은 전압을 본래의 방전 개시시까지 유지할 수 있다. 따라서 전력 저장 요소(21)의 에너지 손실의 저감이 도모될 수 있으므로, 전원 회생시에 에너지 이용 효율을 높일 수 있다.

실시예 2

본 실시예 2에서는, 내부에 있어서 직류 모선 전압을 전력 저장 요소의 전압보다도 저하시켜 버리는 이상이 발생했을 경우, 혹은, 외부로부터 이상 신호가 입력되었을 경우에, 전력 저장 요소(21)와 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)를 포함하는 그 외의 기기와의 전기적 접속을 물리적으로 분리 차단하는 제어를 행하는 예를 나타낸다. 이하, 도 1 ~ 도 5를 적당하게 참조하면서 설명한다.

도 6에서 설명한 것처럼, 회로 절단 요소(51)를 가지지 않는 일반적인 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 있어서는, 전력 저장 요소(21)의 전압이 직류 모선(2a, 2b)의 전압보다도 높으면, 전력 저장 요소(21)로부터 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a)으로의 자연 방전이 일어난다. 이 자연 방전은, 예를 들면 직류 전원(1)이나 인버터(3)에 직류 모선(2a, 2b) 사이를 단락시키는 어떠한 이상이 발생하여, 직류 모선(2a, 2b)의 전압이 전력 저장 요소(21)의 전압 이하로 저하하는 경우에서도 일어난다.

이 방전 전류는 멈출 수 없기 때문에, 전력 저장 장치(4)로부터 직류 모선(2a, 2b)으로 대전류가 계속 흐르게 된다. 그러면, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)의 파손뿐만이 아니라, 예를 들면, 전력 저장 요소(21)로부터 고장 기기의 단락 부위까지의 배선의 소실, 혹은, 단락 부위의 가열에 의한 부근 회로 등의 가열 파괴 등의 파손 영향을 초래한다.

이것에 대해, 도 5에 도시된 바와 같이, 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)와 전력 저장 요소(21)의 사이에 회로 절단 요소(51)를 마련하고 있으므로, 상기한 직류 모선(2a, 2b) 사이를 단락시키는 이상이 발생하여도 회로 절단 요소(51)를 개방시킴으로써, 간단히 또한 확실히 전력 저장 요소(21)와 승강압 쌍방향 초퍼 회로(22)를 포함하는 그 외의 기기와의 전기적 접속을 물리적으로 분리 차단할 수 있으므로, 상기한 파손 영향을 제한할 수 있다.

이하, 도 9와 도 10을 참조하여 구체적인 제어 내용을 설명한다. 도 9는 본 발명의 실시예 2로서, 이상이 발생했을 경우의 도 5에 도시된 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의해 행해지는 충방전 제어 동작을 설명하는 파형도이다. 도 10은 이상이 발생했을 경우의 도 5에 도시된 회로 절단 요소의 개방／단락의 동작 판정을 행하는 회로의 일례를 나타내는 도면이다.

도 9에서는, (1) 직류 모선(2a, 2b)의 전압 변화와, 그에 대한 (2) 전력 저장 요소(21)로의 충방전 동작과, (3) 직류 모선(2a, 2b)의 전압 V1과 전력 저장 요소(21)의 전압 V2의 관계를 나타내는 전압차(V3=V2－W1)와, (4) 이상 신호와, (5) 회로 절단 요소(51) 동작 신호가 도시되어 있다.

여기서, 도 9에서는, 설명의 편의를 위해, (1) 직류 모선(2a, 2b)의 전압 변화와, (2) 전력 저장 요소(21)로의 충방전 동작과, (3) 전압차(V3=V2－W1)에 있어서의 특성도는, 도 7과 마찬가지로 하고 있다. 즉, 본 실시예 2에서는, (4) 이상 신호와, (5) 회로 절단 요소(51) 동작 신호에 대해서 설명한다.

이상 신호는, "H"레벨일 때는 이상 있음을 나타내고, "L"레벨일 때는 이상 없음을 나타낸다. 이상 신호는 당해 교류 모터 구동 장치 내의 감시계가 발생하는 경우와, 외부의 상위 장치로부터 입력되는 경우가 있다. 전력 저장 장치(4)에 있어서도, 제어 회로(23)가 전압 센서(45a, 45b)나 전류 센서(46a, 46b)의 검출치로부터, 직류 모선 전압을 전력 저장 요소의 전압보다도 저하시켜 버리는 이상의 발생을 검출할 수 있다.

도 9에서는, 이상 신호가 "H" 레벨일 때, 도 7에서 설명한 것처럼, 타이밍(65)에 있어서 전력 저장 요소(21)의 전압 V2가 직류 모선(2a, 2b)의 전압 V1보다도 높아지지만, 아직 전원 회생의 개시 타이밍은 아니다. 이에, 제어 회로(23)는 회로 절단 요소(51) 동작 신호를 "L" 레벨에서 "H" 레벨로 상승시켜서 회로 절단 요소(51)를 개방 상태로 제어하여, 환류 다이오드(42a)를 통해서 직류 모선(2a, 2b)으로 자연 방전되는 전류의 발생을 방지한다. 그것을 전원 회생의 개시 타이밍(67)까지 계속하고 있는 과정에서, 이상 신호가 "H" 레벨로 상승하여, 그것을 유지하고 있으므로, 제어 회로(23)는 전원 회생의 개시 타이밍(67)이 되어도, 회로 절단 요소(51) 동작 신호를 "H"레벨로 계속 유지한다.

이와 같이, 회로 절단 요소(51)의 개방 상태는 이상이 해제될 때까지 계속하므로, 전력 저장 요소(21)에서는 축전된 에너지를 이상이 해제될 때까지 저하시키지 않고 유지할 수 있게 된다.

다음으로, 도 10에서는, 도 8에 있어서, 논리합 회로(75)가 추가되어 있다. 논리합 회로(75)의 한쪽 입력은, 논리곱 회로(72)의 출력(회로 절단 요구 신호 S2)이고, 다른 쪽 입력은 이상 신호 S6이다. 논리합 회로(75)로부터 회로 절단 신호 S21이 출력된다. 이 구성에 의하면, 이상 신호가 "L" 레벨인 경우는, 도 7에 도시된 충방전 제어가 행해지고, 이상 신호가 "H" 레벨로 되면, 예를 들면 도 9에 도시된 제어가 행해진다. 이상 신호가 외부로부터 입력되는 경우는, 도 7에서 설명한 자연 방전의 발생 유무와는 관계없이, 회로 절단 요소(51)는 강제적으로 개방 상태로 제어된다.

이상과 같이, 본 실시예 2에 의하면, 내부에 있어서 이상이 발생했을 경우, 혹은, 외부로부터 이상 신호가 입력되었을 경우, 제어 회로(23)가 회로 절단 요소(51)를 개방 상태로 제어하여, 전력 저장 요소(21)를 승강압 쌍방향 초퍼 회로로부터 떼어내는 제어를 행하므로, 전력 저장 요소(21)가 접속되어 있었을 경우에 이상 기기에 주는 영향을 없앨 수 있어, 안전성이 높은 전력 저장 장치를 탑재하는 교류 모터 구동 장치가 얻어진다.

또, 전력 저장 요소(21)는 축전된 에너지를 저하시키지 않고 유지할 수 있기 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 전력 저장 요소(21)에 축전된 에너지를 최대한 유효 이용할 수 있어, 교류 모터 구동 장치의 에너지 효율의 향상이 도모된다.

또한, 실시예 1, 2에서는, 회로 절단 요소(51)를 개방시킬지 여부의 기준을, 직류 모선(2a, 2b)의 전압 V1≤전력 저장 요소(21)의 전압 V2로서 설명하고 있지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, V1≤V2의 상황이 단시간 발생한 것 만으로는, 회로 절단 요소(51)를 개방시키지 않고, 전압 V1과 전압 V2의 비교 연산 결과에 일정한 불감대(不感帶)를 마련하여, 방전 전력이 소정치 이상일 때에 회로 절단 요소(51)를 개방시키도록 해도 된다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명에 따른 교류 모터 구동 장치는, 전원 회생시에 있어서의 전력 저장 요소의 에너지 손실을 저감시켜 에너지의 이용 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 이상 발생시에 전력 저장 요소가 다른 기기에 파손을 일으키게 하는 파손 영향의 발생을 방지하여 보다 안전성이 높은 전력 저장 장치를 탑재한 교류 모터 구동 장치로서 유용하다.

1: 직류 전원
2a, 2b: 직류 모선
3: 인버터
4: 전력 저장 장치
5: 교류 모터
21: 전력 저장 요소
22: 승강압 쌍방향 초퍼 회로
23: 제어 회로
31: EDLC(전기 이중층 캐패시터) 모듈
32: EDLC 셀
33: 전압 밸런스 저항기
41a, 41b: 스위칭 소자
42a, 42b: 환류 다이오드
43: 초크 코일
44a, 44b: 평활 콘덴서
45a, 45b: 전압 센서
46a, 46b: 전류 센서
51: 회로 절단 요소
70: 콤퍼레이터
71: 논리 반전 회로
72: 논리곱 회로
75: 논리합 회로

Claims

직류 전원에 접속되는 직류 모선으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 모터의 구동에 필요한 교류 전력으로 변환하는 인버터와 병렬로 상기 직류 모선에 접속되고, 그 직류 모선의 직류 전력을 제어하는 전력 저장 장치를 구비하는 교류 모터 구동 장치에 있어서,
상기 전력 저장 장치는
직류 전력을 저장할 수 있는 전력 저장 요소와,
상기 직류 모선측으로부터 상기 전력 저장 요소로의 충전 동작과 상기 전력 저장 요소로부터 상기 직류 모선측으로의 방전 동작이 가능한 승강압 쌍방향 초퍼 회로와,
상기 전력 저장 요소와 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이에 마련된 회로 절단 요소와,
상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의한 충방전 동작과, 상기 회로 절단 요소에 의한 상기 전력 저장 요소와 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이의 개방·단락의 동작을 제어하는 제어 회로를 구비하고,
상기 제어 회로는
미리 정한 전원 회생의 동작 임계치와, 상기 전력 저장 요소의 전압과, 상기 직류 모선의 전압을 비교하여, 전원 회생 불요일 때에 상기 회로 절단 요소에 단락 동작을 행하게 하여 상기 전력 저장 요소로의 충전을 제어하고, 상기 전력 저장 요소의 전압이 상기 직류 모선의 전압을 초과할 때에, 상기 회로 절단 요소에 개방 동작을 행하게 하고, 상기 직류 모선의 전압이 상기 전원 회생의 동작 임계치에 도달할 때까지 상기 회로 절단 요소를 개방으로 유지하고, 상기 직류 모선의 전압이 상기 전원 회생의 동작 임계치에 도달할 때에 상기 회로 절단 요소에 단락 동작을 행하게 하여, 상기 전력 저장 요소로부터의 방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 모터 구동 장치.
직류 전원에 접속되는 직류 모선으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 모터의 구동에 필요한 교류 전력으로 변환하는 인버터와 병렬로 상기 직류 모선에 접속되고, 그 직류 모선의 직류 전력을 제어하는 전력 저장 장치를 구비하는 교류 모터 구동 장치에 있어서,
상기 전력 저장 장치는
직류 전력을 저장할 수 있는 전력 저장 요소와,
상기 직류 모선측으로부터 상기 전력 저장 요소로의 충전 동작과 상기 전력 저장 요소로부터 상기 직류 모선측으로의 방전 동작이 가능한 승강압 쌍방향 초퍼 회로와,
상기 전력 저장 요소와 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이에 마련된 회로 절단 요소와,
상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로에 의한 충방전 동작과, 상기 회로 절단 요소에 의한 상기 전력 저장 요소와 상기 승강압 쌍방향 초퍼 회로의 사이의 개방·단락의 동작을 제어하는 제어 회로를 구비하고,
상기 제어 회로는
미리 정한 전원 회생의 동작 임계치와, 상기 전력 저장 요소의 전압과, 상기 직류 모선의 전압을 비교하여, 전원 회생 불요일 때에 상기 회로 절단 요소에 단락 동작을 행하게 하여 상기 전력 저장 요소로의 충전을 제어하고, 상기 전력 저장 요소의 전압이 상기 직류 모선의 전압을 초과하는 경우로서 상기 전력 저장 요소로부터의 방전 전력이 소정치 이상일 때에, 상기 회로 절단 요소에 개방 동작을 행하게 하고, 상기 직류 모선의 전압이 상기 전원 회생의 동작 임계치에 도달할 때까지 상기 회로 절단 요소를 개방으로 유지하고, 상기 직류 모선의 전압이 상기 전원 회생의 동작 임계치에 도달할 때에 상기 회로 절단 요소에 단락 동작을 행하게 하여, 상기 전력 저장 요소로부터의 방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 모터 구동 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
감시계를 추가로 구비하고,
당해 감시계가 이상 판단을 했을 경우, 또는 장치 외부로부터 이상 신호가 입력되었을 경우, 상기 제어 회로는 상기 회로 절단 요소에 개방 동작을 행하게 하고, 당해 이상이 해제될 때까지 상기 회로 절단 요소를 개방으로 유지하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 교류 모터 구동 장치.