JP5153382B2

JP5153382B2 - 電源回生コンバータ

Info

Publication number: JP5153382B2
Application number: JP2008043401A
Authority: JP
Inventors: 貴之太田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP2009201333A

Description

この発明は、電源回生コンバータに関し、特に、異常な過電流発生時にスイッチング回路を保護する電流保護機能を備えた電源回生コンバータに関するものである。

電源回生コンバータは、三相交流電源と、三相負荷である三相誘導電動機を可変速制御するインバータ装置との間に配置され、前記三相誘導電動機の減速時に生ずる誘導起電力を蓄積する前記インバータ装置側の平滑コンデンサの端子電圧をスイッチングして前記三相交流電源に回生するスイッチング回路を備えている（例えば、特許文献１参照）。

そして、従来の電源回生コンバータでは、回生電力の大きさに比例してスイッチング回路内を流れる電流が多くなるので、異常な過電流からスイッチング回路を保護するため、スイッチング回路から三相交流電源側へ流れる電流値を監視して、保護レベル以上の異常な過電流が流れると、スイッチング回路を構成する全てのスイッチング素子を同時にオフ動作させる電流保護機能を備えている。

特開２００４−１８０４２７号公報

ところが、スイッチング回路では、複数のスイッチング素子のオン・オフ動作に伴ってサージ電圧が発生するので、そのサージ電圧を吸収させるスナバコンデンサをスイッチング回路の正極母線と負極母線との間に設けている。そのため、異常な過電流発生時に全てのスイッチング素子を同時にオフ動作させる上記したような従来の電流保護機能では、次のような問題がある。

すなわち、全てのスイッチング素子を同時にオフ動作させると、スイッチング回路内の電流がスナバコンデンサに流れ込む。この流れ込む電流をＩとし、スイッチング回路内の寄生インダクタンスをＬとし、スナバコンデンサの容量値をＣとすれば、スナバコンデンサの端子電圧Ｖは、（１／２）ＬＩ^２＝ＣＶ^２の関係で、流れ込む電流Ｉの増加に応じて上昇する。

そうすると、端子電圧Ｖは、スイッチング回路の正極母線と負極母線との間に直列に接続される上アームと下アームの各スイッチング素子に印加されるので、端子電圧Ｖがスイッチング素子の定格電圧を超える場合は、スイッチング素子が破損することが起こる。

そのため、従来では、スナバコンデンサの容量値を大きくして電圧上昇を抑制する必要があり、その結果、スナバコンデンサのサイズが大きくなり、コストアップを招来しているという問題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、異常な過電流発生時のスイッチング回路保護を、スナバコンデンサの端子電圧上昇を抑制して、スナバコンデンサの容量低減を可能にする形で実現できる新たな電流保護機能を備えた電源回生コンバータを得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明にかかる電源回生コンバータは、三相負荷側で発生した余剰電力をスイッチングして三相電源系へ回生するスイッチング回路と、前記三相電源系と前記スイッチング回路との間を流れる各相電流の大きさと方向とを検出する電流検出器と、前記電流検出器が検出した電流値が所定値以上であるとき、前記スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のうち、前記電流検出器が検出した各相電流のうち電流値の小さい相に対応するスイッチング素子から順に所定の時間差を設けてオフ動作させる指示を前記スイッチング回路の駆動回路へ出力する制御部とを備えていることを特徴とする。

この発明によれば、異常な過電流が発生した場合にスイッチング回路内の全てのスイッチング素子を同時にオフ動作させるのではなく、一定のスイッチング素子から順に時間差を設けてオフ動作させるので、異常な過電流発生時のスイッチング回路保護を、スナバコンデンサの端子電圧上昇を抑制して、スナバコンデンサの容量低減を可能にする形で実現できる新たな電流保護機能を備えた電源回生コンバータが得られるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる電源回生コンバータの好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電源回生コンバータの要部構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１による電源回生コンバータ１ａは、三相交流電源２と、三相負荷である三相誘導電動機（以下「モータ」という）３を可変速制御するインバータ装置４との間に配置される。

電源回生コンバータ１ａは、交流電源端子１１，１２，１３を備えている。交流電源端子１１，１２，１３は、三相交流電源２の各電源端子に接続されている。また、電源回生コンバータ１は、直流電源端子１４，１５を備えている。直流電源端子１４，１５は、インバータ装置４内の図示しない正極母線及び負極母線に接続されている。

インバータ装置４内の図示しない正極母線及び負極母線間に、モータ３の減速動作時に生ずる誘導起電力が蓄積される平滑コンデンサが接続されている。

電源回生コンバータ１内では、直流電源端子１４，１５に接続される正極母線１６と負極母線１７との間に、スイッチング回路１８と、スナバコンデンサ１９とが並列に接続されている。

スナバコンデンサ１９は、高周波対応のフィルムコンデンサである。

スイッチング回路１８は、正極母線１６と負極母線１７との間に、直列接続したスイッチング素子である回生トランジスタＴＲ１，ＴＲ２、回生トランジスタＴＲ３，ＴＲ４、および回生トランジスタＴＲ５，ＴＲ６の３組が並列に接続された構成である。６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６は、それぞれ、例えばＩＧＢＴである。なお、これらの回生トランジスタには、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ逆並列に接続されている。

正極母線１６に接続される上アーム側の回生トランジスタＴＲ１，ＴＲ３，ＴＲ５と、負極母線１７に接続される下アーム側の回生トランジスタＴＲ２，ＴＲ４，ＴＲ６との各直列接続端が回生出力端であり、それぞれ、交流電源端子１１，１２，１３に接続されている。

電流検出器２０，２１，２２は、それぞれ、スイッチング回路１８の上記した３つの回生出力端と交流電源端子１１，１２，１３との接続ラインに配置され、それぞれ、各相電流の大きさと方向とを検出する。

制御部２３は、回生動作時おいて、電流検出器２０，２１，２２が検出した電流値が保護レベル以下である間、図示しない位相検出器が検出した三相交流電源２の各相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の位相関係に基づき、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のオン・オフ動作タイミングを判断する。制御部２３は、判断した６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のオン・オフ動作タイミングを、駆動回路２４に対して、回生動作制御を指示する第１の制御信号として出力する。

駆動回路２４は、第１の制御信号を受けて、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を個別に、所定期間オン動作させ所定期間オフ動作させるゲート信号（図２参照）をそれぞれ生成して、対応する回生トランジスタのゲート端子にそれぞれ印加する。

また、制御部２３は、回生動作時おいて、電流検出器２０，２１，２２が検出した電流値が保護レベルを超えた場合は、電流検出器２０，２１，２２が検出した各相の電流値と流れている方向とを調べて、電流値の低い相で、かつ電流検出器２０，２１，２２が検出した方向に実際に電流が流れている回生トランジスタを順に決定し、その順序で所定の時間差を置いてオフ動作させるタイミングを決定する（図３、図４参照）。制御部２３は、決定した６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６をオフ動作させるタイミングを、駆動回路２４に対して、電流保護動作制御を指示する第２の制御信号として出力する。

駆動回路２４は、第２の制御信号を受けて、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を指定された順に指定されたタイミングでオフ動作させてその状態を維持させるゲート信号を生成し、対応する回生トランジスタのゲート端子に順に印加する。

以下、図２〜図５を参照して、動作について説明する。なお、図２は、一般的な回生動作を説明するタイムチャートである。図３は、図１に示す制御部が行う電流保護動作の原理を説明する図である。図４は、図１に示す制御部が行う電流保護動作の具体例を説明する図である。図５は、図１に示す回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６をオフ動作させる時間差とスナバコンデンサの端子電圧との関係を説明する特性図である。

まず、図２を参照して、一般的な回生動作を簡単に説明する。図２（１）は、三相交流電源の電圧波形を示し、図２（２）は、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６に個別に与えるゲート信号波形を示している。

上アームである回生トランジスタＴＲ１は、Ｒ相電圧が“＋”である期間において、Ｔ相電圧と交差するタイミングからＳ相電圧と交差するタイミングまでの期間内オン動作する。対する下アームである回生トランジスタＴＲ２は、Ｒ相電圧が“−”である期間において、Ｔ相電圧と交差するタイミングからＳ相電圧と交差するタイミングまでの期間内オン動作する。

上アームである回生トランジスタＴＲ３は、Ｓ相電圧が“＋”である期間において、Ｒ相電圧と交差するタイミングからＴ相電圧と交差するタイミングまでの期間内オン動作する。対する下アームである回生トランジスタＴＲ４は、Ｓ相電圧が“−”である期間において、Ｒ相電圧と交差するタイミングからＴ相電圧と交差するタイミングまでの期間内オン動作する。

上アームである回生トランジスタＴＲ５は、Ｔ相電圧が“＋”である期間において、Ｓ相電圧と交差するタイミングからＲ相電圧と交差するタイミングまでの期間内オン動作する。対する下アームである回生トランジスタＴＲ６は、Ｔ相電圧が“−”である期間において、Ｓ相電圧と交差するタイミングからＲ相電圧と交差するタイミングまでの期間内オン動作する。

図２（２）に示すように、回生動作は、インバータ装置４側の図示しない平滑コンデンサの端子電圧が印加されている正極母線１６及び負極母線１７の間に現れている直流電圧を、３つの上アームと３つの下アームのうち、電圧が最大である相に接続される上アームの回生トランジスタと、電圧が最小である相に接続される下アームの回生トランジスタとがオン動作し、その他の回生トランジスタがオフ動作する関係を維持して繰り返しスイッチングすることで実現される。

そして、制御部２３の電流保護機能は、上記した回生動作時に各相の回生電流の大きさを監視し、或る相の回生電流が保護レベル以上となったことを検出した場合、回生電流の小さい相の回生トランジスタから順に所定の時間差を設けてオフ動作せる。

以下、図３〜図５を参照して、この実施の形態１による電流保護動作を説明する。図３において、電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴは、ＩＲ＋ＩＳ＝ＩＴの場合で、ＩＲ＜ＩＳの関係にある場合を考える。この場合、回生トランジスタは、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相と電流値の小さい相から順に、かつ、実際に電流が流れている順に、ＴＲ１→ＴＲ２→ＴＲ３→ＴＲ４→ＴＲ６→ＴＲ５と、オフ動作させる。具体的には、図４に示すように制御する。

図４では、１つの上下アームの組が示されている。図４（１）に示すように、スイッチング回路１８から三相交流電源２に向かう回生電流２６が、電流値の低い相である場合、まず、実際に三相交流電源２に向かう回生電流２６が流れている上アームの回生トランジスタＴＲ１をオフ動作（遮断）させ、所定時間後に下アームの回生トランジスタＴＲ２をオフ動作させることを、各上下アームの組において行う。

また、図４（２）に示すように、三相交流電源２からスイッチング回路１８に向かう回生電流２７が、電流値の低い相である場合、まず、実際にスイッチング回路１８に向かう回生電流２７が流れている下アームの回生トランジスタＴＲ２をオフ動作させ、所定時間後に上アームの回生トランジスタＴＲ１をオフ動作させることを、各上下アームの組において行う。

このように、過電流異常時では、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を、回生電流の大きさと向きから定めた一定の回生トランジスタから順に時間差を設けてオフ動作（遮断）させるので、スイッチング回路を流れる過電流は、スイッチング回路内を減少しながら還流することになる。つまり、（１／２）ＬＩ^２＝ＣＶ^２の関係式から理解できるように、スナバコンデンサ１９の端子電圧Ｖの上昇に大きく影響する電流Ｉが減少するので、スナバコンデンサ１９の端子電圧上昇が抑制される。

以下、図５を参照してスナバコンデンサ１９の端子電圧上昇がどの程度抑制されるかを具体的に説明する。図５は、三相交流電源２がＡＣ２２０Ｖの電源である場合の時間差とスナバコンデンサの端子電圧との関係を示す。

図５に示すように、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を同時にオフ動作させる従来の技術では、スナバコンデンサ１９の端子電圧は５９２Ｖまで上昇していたが、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を個別に最大で２００ｎｓの時間差を置いてオフ動作させると、スナバコンデンサ１９の端子電圧上昇は５２３Ｖに低減できることが判明した。

以上のように、実施の形態１によれば、異常な過電流が発生した場合に、スイッチング回路内の全てのスイッチング素子（回生トランジスタ）を同時にオフ動作させるのではなく、回生電流の大きさと向きから定めた一定のスイッチング素子から順に時間差を設けてオフ動作させるようにしたので、スナバコンデンサ１９の端子電圧上昇を抑制することができる。つまり、スナバコンデンサの容量低減が可能になるのに加えて、スイッチング素子の破損を減らすことが可能になるので、コストの低減が図れる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による電源回生コンバータの要部構成を示すブロック図である。なお、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図６に示すように、実施の形態２による電源回生コンバータ１ｂでは、図１（実施の形態１）に示した構成において、電流検出器２０，２１，２２に代えて電流検出器３０，３１，３２が設けられ、また、制御部２３に代えて制御部３３が設けられている。

電流検出器３０，３１，３２は、それぞれ、スイッチング回路１８の３つの回生出力端と交流電源端子１１，１２，１３との接続ラインに流れる各相電流の大きさを検出する。

制御部３３は、電流保護用テーブル３４を備えている。制御部３３は、回生動作時おいて、電流検出器３０，３１，３２が検出した電流値が保護レベル以下である間は、実施の形態１に説明したのと同様内容の第１の制御信号を駆動回路２４に出力するが、電流検出器３０，３１，３２が検出した電流値が保護レベルを超える場合は、電流保護用テーブル３４を参照して定めた６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６をオフ動作させるタイミングを、駆動回路２４に対して、電流保護動作制御を指示する第２の制御信号として出力する。

以下、図７を参照して、この実施の形態２による電流保護動作を説明する。なお、図７は、図６に示す制御部が備える電流保護用テーブルの内容とスイッチングパターンとの関係を説明する図である。

図７（１）に示すスイッチングパターンは、図２（２）に示したものと同じである。図２にて説明したように、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６が組みになって、２つの回生トランジスタがオン動作し残り４つの回生トランジスタがオフ動作するので、１サイクルの間に、６組のスイッチングパターン（ａ）〜（ｆ）が作られる。

電流保護用テーブル３４には、図７（２）に示すように、６組のスイッチングパターン（ａ）〜（ｆ）のそれぞれに対応して、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６が、最初にオフ動作（遮断）させる回生トランジスタから順に最後にオフ動作（遮断）させる回生トランジスタまでが設定されている。

制御部３３は、電流検出器３０，３１，３２が検出した電流値が保護レベル以上であるとき、電流保護用テーブル３４を参照して、電流検出器３０，３１，３２の過電流検出タイミングに対応するスイッチングパターン（ａ）〜（ｆ）において定められた回生トランジスタから順に所定の時間差を設けてオフ動作させるタイミングを、駆動回路２４に対して、電流保護動作制御を指示する第２の制御信号として出力する。

例えば、電流検出器３０，３１，３２の過電流検出タイミングが、スイッチングパターン（ａ）のタイミングであれば、６個の回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６は、図７（２）に示すように、電流保護用テーブル３４に設定されている、回生トランジスタＴＲ５→回生トランジスタＴＲ１→回生トランジスタＴＲ３→回生トランジスタＴＲ６→回生トランジスタＴＲ２→回生トランジスタＴＲ４の順に所定の時間差を置いてオフ動作（遮断）することになる。

したがって、実施の形態２においても、図５に示したように、スナバコンデンサ１９の端子電圧上昇を抑制することができるので、実施の形態１と同様に、スナバコンデンサの容量低減が可能になるのに加えて、スイッチング素子（回生トランジスタ）の破損を減らすことが可能になるので、コストの低減が図れる。

また、実施の形態２においては、図７に示すように、１周期を６分割した６通りの遮断パターンを電流保護用テーブル３４に備えたので、電流電圧波形から簡易な電流保護が行える。

以上のように、この発明にかかる電源回生コンバータは、異常な過電流発生時のスイッチング回路保護を、スナバコンデンサの端子電圧上昇を抑制して、スナバコンデンサの容量低減を可能にする形で実現するのに有用である。

この発明の実施の形態１による電源回生コンバータの要部構成を示すブロック図である。一般的な回生動作を説明するタイムチャートである。図１に示す制御部が行う電流保護動作の原理を説明する図である。図１に示す制御部が行う電流保護動作の具体例を説明する図である。図１に示す回生トランジスタＴＲ１〜ＴＲ６をオフ動作させる時間差とスナバコンデンサの端子電圧との関係を説明する特性図である。この発明の実施の形態２による電源回生コンバータの要部構成を示すブロック図である。図６に示す制御部が備える電流保護用テーブルの内容とスイッチングパターンとの関係を説明する図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ電源回生コンバータ
２三相交流電源
３三相誘導電動機（モータ）
４インバータ装置
１１，１２，１３交流電源端子
１４，１５直流電源端子
１６正極母線
１７負極母線
１８スイッチング回路
１９スナバコンデンサ
２０，２１，２２電流検出器
２３制御部
２４駆動回路
３０，３１，３２電流検出器
３３制御部
３４電流保護用テーブル
ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４，ＴＲ５，ＴＲ６回生トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ６ダイオード

Claims

三相負荷側で発生した余剰電力をスイッチングして三相電源系へ回生するスイッチング回路と、
前記三相電源系と前記スイッチング回路との間を流れる各相電流の大きさと方向とを検出する電流検出器と、
前記電流検出器が検出した電流値が所定値以上であるとき、前記スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のうち、前記電流検出器が検出した各相電流のうち電流値の小さい相に対応するスイッチング素子から順に所定の時間差を設けてオフ動作させる指示を前記スイッチング回路の駆動回路へ出力する制御部と、
を備えていることを特徴とする電源回生コンバータ。
前記制御部は、前記電流検出器が検出した電流値が所定値以上であるとき、前記スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のうち、前記電流検出器が検出した各相電流のうち電流値の小さい相に対応するスイッチング素子で、かつ前記電流検出器が検出した方向に実際に電流が流れているスイッチング素子から順に所定の時間差を設けてオフ動作させる指示を前記スイッチング回路の駆動回路へ出力する、ことを特徴とする請求項１に記載の電源回生コンバータ。