JP5539337B2 - 可変速駆動装置のエネルギー回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、回収したエネルギーを蓄積するモジュールを含むエネルギー回収装置を備えた可変速駆動装置に関する。かかる可変速駆動装置は特に、昇降用途や位置調整用途などの加速および減速の多い用途における電動機を制御するために使用される。

エネルギー回収装置は通常、電動機がブレーキモード（すなわち、回収モード（recovery mode））になっている時にエネルギーを蓄積し、次に、電動機が駆動モード（すなわち、電動機モード）になっている時にこのように蓄積されたエネルギーを復元し、そして、必要ならば可変速駆動装置の配電網（mains supply）が停電した時に非常用エネルギーを供給し得るように用いられる。

ＵＳ２００１０１７２３４、ＥＰ１６４１１１０、ＵＳ６,７４２,６３０、ＵＳ６,９３８,７３３、ＷＯ２００６／０１６００２、ＥＰ１５８６５２７Ａ１などの従来技術文献では、可変速駆動装置に付属するエネルギー回収手段が既に提案されている。従来のトポロジーは、通常、追加の電力コンバータとエネルギー蓄積モジュールに基づき、該電力コンバータが可変速駆動装置の直流電力バスと並列に接続される。該エネルギー蓄積モジュールは、一つまたは複数の「超コンデンサ（スーパーキャパシタ）」または「超コンデンサ」と電池の組み合わせから構成される。

「超コンデンサ」（ｓｕｐｅｒ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）あるいは「ウルトラコンデンサ」（ｕｌｔｒａ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）とは、周知のコンポーネントであって、従来のコンデンサよりも大量の電気エネルギー、例えば電気化学電池に近い程度まで電気エネルギーを蓄積できるが、電気化学電池とは異なり、従来のコンデンサのように大きな充電及び放電電流を受け入れられる。

従来の解決策では、直流バスの電圧を、整流器の出力において可変速駆動装置の配電網が供給する電圧より高くまで上昇（すなわち、ブースト）させることはできない。また、直流バス電圧は、インバータの出力に印加される電圧が最大になる時、駆動電流の歪み率ひいてはトルク変動（torque ripple）を抑えるために直流バスの振動を軽減させるように、調整され得ない。また、整流器で吸収される電流の電流全高調波歪み率（ＴＨＤＩ）を３０％未満に抑えることはできない。さらに、エネルギー回収装置で使用されるスイッチの負荷率（load factor）も最適化されない。

したがって、本発明の目的は、エネルギーを節約し、可変速駆動装置の性能を向上させ、且つ、上記の欠点を解決するエネルギー回収装置を備えた可変速駆動装置を提供することにある。特に、エネルギー回収装置は下記を可能とするものである。
−上記可変速駆動装置がブレーキモードで機能する時、電気エネルギーを回収し蓄積する。
−ブレーキモードで回収された上記電気エネルギーを上記可変速駆動装置に復元する。
−上記可変速駆動装置の入力側の配電網の相線の電流全高調波歪み率（ＴＨＤＩ）を約３０％まで抑える。
−バスコンデンサを有しない可変速駆動装置（Ｃ−ｌｅｓｓトポロジー）の場合でも、外部配電網の擾乱にかかわらず、配電網の周波数（約５０Ｈｚ）で、この直流バスの電圧の変動を抑える（リップルフリー機能）。特に直流バスの電圧を調整することによって、電動機のトルクおよび磁束をよりよく制御できる。
−必要な場合、可変速駆動装置の整流器モジュールから供給される直流バスの電圧を上昇させること（ブースト機能）によって、予備エネルギーを持つことができる。

このため本発明は、プラス線とマイナス線を有する電力給電用の直流バスと、前記直流バスから給電され、電気負荷へ可変電圧を供給するためのインバータモジュールと、を備える可変速駆動装置を記載する。前記可変速駆動装置は、入力段と出力段を有し、前記出力段が直流バスのプラス線に直列に接続されている第一直流／直流コンバータと、入力段と出力段を有し、前記入力段が直流バスのプラス線とマイナス線の間に接続されている第二直流／直流コンバータと、第一コンバータの入力段および第二コンバータの出力段と並列に接続された電気エネルギーの蓄積モジュールと、を備えるエネルギー回収装置を有する。

一つの態様によれば、前記電気エネルギーの蓄積モジュールは一つまたは複数の超コンデンサを有する。

別の態様によれば、前記第一直流／直流コンバータは、能動スイッチおよび受動スイッチを有する非絶縁型単方向コンバータである。

本文書において、「能動スイッチ」とは、トランジスタ、サイリスタ、トライアックなどのように、スイッチの切り替わりが開および／または閉に制御されるスイッチをいう。これに対して「受動スイッチ」とは、ダイオードなどの自発的に切り替わるスイッチをいう。

別の態様によれば、受動スイッチは、直流バスのプラス線上に直列に接続されるダイオードであって、第一コンバータの出力段はダイオードの端子に接続されており、第一コンバータの入力段は直列に接続された能動スイッチと受動スイッチから構成されるユニットの端子に接続されている。能動スイッチは、可変速駆動装置から生成される第一制御信号によって制御される電力トランジスタである。

別の態様によれば、第二直流／直流コンバータは、第二能動スイッチと直列に接続された第一能動スイッチを有する非絶縁型双方向コンバータである。第二コンバータの出力段は第二能動スイッチの端子に接続され、第二コンバータの入力段は第一能動スイッチと第二能動スイッチから構成されるユニットの端子に接続される。

別の態様によれば、第二直流／直流コンバータは、高周波数変圧器を有する絶縁型双方向コンバータである。

また別の特徴と利点については、例として図面に示す実施形態を参照する詳細な説明で明らかになる。

図１は、本発明による可変速駆動装置の簡単な構成例を示す。 図２は、第一直流／直流コンバータの好ましい実施形態の詳細を示す。 図３は、直流バスの電圧および整流された電圧を示す図である。 図４ａから４ｄは、可変速駆動装置の各種動作モードを示す。 図５は、第二直流／直流コンバータの実施形態を示す。 図６は、他の第二直流／直流コンバータの実施形態を示す。

図１を参照すると、周波数変換型の可変速駆動装置は、三相の外部配電網５によって給電される。可変速駆動装置は、直流電源バスのプラス線１６とマイナス線１７の間に整流電圧Ｖ_INを供給する整流器モジュール１２を備える。好ましくは、整流器モジュール１２はダイオードを使用し、サイリスタを必要としない。好ましくは、小さい値の付加的なフィルタインダクタンス１３が直流バスのプラス線１６に直列に配置される。

可変速駆動装置はさらに、直流バスによって給電されるインバータモジュール１４を備え、インバータモジュール１４は、特に同期型又は非同期型電動機などの外部の電気負荷Ｍへ可変電圧を供給する。かかるインバータモジュール１４は通常、可変速駆動装置の制御ユニット（図示せず）からの制御信号で制御される電力トランジスタを備える。可変速駆動装置は、インバータモジュール１４側の直流バスのプラス線１６とマイナス線１７の間に接続されたバスコンデンサＣ_Bも備え得る。このバスコンデンサＣ_Bの端子での直流電圧はバス電圧Ｖ_Bと呼ばれる。

可変速駆動装置は、電気負荷Ｍが被駆動状態（電動機ブレーキ）の時に、電気エネルギーを回収し蓄積するためのエネルギー回収装置１０を備える。本発明によれば、エネルギー回収装置１０は、第一直流／直流コンバータ（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ）２０、第二直流／直流コンバータ（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ）３０、及び、電気エネルギー蓄積モジュールＣ_Sを備える。第一直流／直流コンバータ２０は、二つの入力端子から構成される入力段２０ｂおよび二つの出力端子から構成される出力段２０ａを備える。同様に、第二直流／直流コンバータ３０は、二つの入力端子から構成される入力段３０ｂおよび二つの出力端子から構成される出力段３０ａを備える。

第一コンバータ２０の出力段２０ａは、フィルタインダクタンス１３とバスコンデンサＣ_Bの間の直流バスのプラス線１６に直列に接続される。この出力段２０ａの二つの端子間には電圧Ｖ₀があり、この電圧Ｖ₀はインダクタンス１３の端子での電圧を無視して、Ｖ_B ＝ Ｖ_IN ＋ Ｖ₀となるようになっている。第二コンバータ３０の入力段３０ｂは、バスコンデンサＣ_Bの上流側、すなわちバスコンデンサＣ_Bと整流器モジュール１２間の直流バスのプラス線１６とマイナス線１７間で接続される。

蓄積モジュールＣ_Sは、第一コンバータ２０の入力段２０ｂおよび第二コンバータ３０の出力段３０ａと並列に接続される。蓄積モジュールＣ_Sの端子での電圧、すなわち出力段３０ａの端子および入力段２０ｂの端子での電圧はＶ_Sと呼ばれる。好ましくは、大量の電気エネルギーを蓄積でき、且つ、高電流で充電／放電できるように、蓄積モジュールＣ_Sは一つまた複数の超コンデンサから構成される。

第一コンバータ２０は非絶縁型単方向直流／直流コンバータである。それは、蓄積モジュールＣ_Sの電圧Ｖ_Sを入力とし、直流バスのプラス線１６で電圧Ｖ₀を出力する。図２は、第一コンバータ２０の簡単な実施形態を示す。これは能動スイッチ２１と直列に接続された受動スイッチ２２を単に備えている。好ましくは、能動スイッチはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの電力トランジスタ２１であって、受動スイッチはその陽極（アノード）が能動スイッチ２１側に位置されたダイオード２２である。電力トランジスタ２１は、可変速駆動装置の制御ユニットからの制御信号Ｓ₂₁によって制御される。制御信号Ｓ₂₁はパルス幅変調（ＰＷＭ − Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号であり、特に、第一コンバータ２０の出力電圧Ｖ₀を変化させることが可能である。

第一コンバータ２０の出力段２０ａはダイオード２２の端子に直接接続され、第一コンバータ２０の入力段２０ｂは、直列に接続された電力トランジスタ２１とダイオード２２から構成されるユニット（assembly）の端子に直接接続される。したがって、ダイオード２２は直流バスのプラス線１６上に直列に位置され、ダイオードの端子での電圧Ｖ_Dは第一コンバータ２０の出力電圧Ｖ₀と等しい。

電力トランジスタ２１が開（オフ状態）の時は、直流バスの電流がダイオード２２を流れる。したがって、ダイオードの端子での電圧Ｖ_Dはゼロになるので、Ｖ₀ ＝ ０ 且つ Ｖ_B ＝ Ｖ_INとなる。電力トランジスタ２１が閉（オン状態）の時は、電流がトランジスタ２１を流れ、電圧Ｖ_Dは蓄積モジュールＣ_Sの電圧Ｖ_Sと等しくなるので、Ｖ_B ＝ Ｖ_IN ＋ Ｖ_Sとなる。したがって、出力電圧Ｖ₀は０とＶ_Sの間で変動し、常にプラスまたはゼロである。したがって、電力トランジスタ２１の制御信号Ｓ₂₁に作用することによって、電圧Ｖ_Bおよびインダクタンス１３に流れている電流を調整できる。

第二コンバータ３０は双方向直流／直流コンバータである。直流バスの電圧Ｖ_Bを入力とし、蓄積モジュールＣ_Sの電圧Ｖ_Sを出力する。したがって、第二コンバータ３０の入力段３０ｂはバスコンデンサＣ_Bに直接接続され、第二コンバータ３０の出力段３０ａは蓄積モジュールＣ_Sに直接接続される。

通常、第二コンバータ３０は双方向電流の直流／直流コンバータでよく、非絶縁型であっても絶縁型であってもよい。非絶縁トポロジーは、例えばＮＰＣ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ：中性点コンデンサ）またはフライングコンデンサタイプなどの二つ以上の電圧レベルを有するハーフブリッジ形式である。絶縁トポロジーは、ハーフブリッジまたはフルブリッジ形式の二つの直流／直流コンバータに挟まれたＨＦ変圧器を有する全シリコンのソフトスイッチングタイプである。

第二コンバータ３０の複数の簡単な実施形態を図５および図６に示す。

図５は、第二コンバータ３０の非常に簡単な非絶縁トポロジーの実施形態を示す。これは第二能動スイッチ３２と直列に接続された第一能動スイッチ３１から構成される。好ましくは、これらの能動スイッチはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴタイプの電力トランジスタなどの双方向電流スイッチであって、それぞれにフリーホイーリングダイオードが並列に設けられている。電力トランジスタ３１、３２は、可変速駆動装置の制御ユニットからの制御信号Ｓ₃₁、Ｓ₃₂でそれぞれ制御される。制御信号Ｓ₃₁、Ｓ₃₂はパルス幅変調（ＰＷＭ）信号である。

第二コンバータ３０の出力段３０ａは第二電力トランジスタ３２の端子に接続され、また入力段３０ｂは直列で接続された第一電力トランジスタ３１と第二電力トランジスタ３２からなるユニットの端子に接続される。第二コンバータ３０は、二つの電力トランジスタ３１、３２の中央点と蓄積モジュールＣ_Sのマイナス端子の間に接続されたラインインダクタンス３３も備える。インダクタンス３３によって、蓄積モジュールＣ_Sの充電または放電中の蓄積モジュールＣ_Sの電流変動を抑えることができる。

この第二コンバータ３０の簡単な実施形態は非常に安価でコンポーネント数が少ないという利点があるが、蓄積モジュールＣ_Sと直流バスは直接接続されているため、電力トランジスタ３１、３２には大きな負担がかかる、つまり、バスの電圧Ｖ_Bによって決まる高電圧および蓄積モジュールＣ_Sの電流によって決まる高電流がかかるという欠点もある。

図６は第二コンバータ３０の絶縁トポロジーの実施例を示す。これは二つのコイルを有する高周波数の変圧器３５を有するため、ガルバニック絶縁を得ながら、エネルギー伝達を可能とするものである。第二コンバータ３０は変圧器３５の両側に４つの能動スイッチを備えており、二つずつが直列に設けられ、バスコンデンサＣ_B側を３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂとし、蓄積モジュールＣ_Ｓ側を３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂとする。全てのこれらの能動スイッチはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴタイプの電力トランジスタなどの双方向電流スイッチであって、それぞれに並列にフリーホイーリングダイオードおよびスナバコンデンサ（図略）が設けられている。この８つのスイッチの制御信号は、可変速駆動装置の制御ユニットからの位相シフト変調信号である。図６に示すように、変圧器３５のコイルは能動スイッチの中央点間に接続されている。さらに、漏れインダクタンス３６はバスコンデンサＣ_B側で、変圧器３５のコイルと二つのスイッチ３１ｂ、３２ｂの中央点の間に接続される。このインダクタンス３６により、ゼロ電圧でスイッチの切り替え（ソフトスイッチング）ができる。

図６の実施形態の変形例として、スイッチ３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂをコンデンサに替えることができる。この場合は、第二コンバータ３０は４つのコンデンサおよび４つの能動スイッチのみを設ける。この４つの能動スイッチはスナバコンデンサを必要とせず、またその制御信号は周波数変調信号になる。この変形例はより安価であるという利点がある。

図４ａ〜４ｄは、エネルギー回収装置１０の各種動作状況を示す。

−正常動作モード（図４ａ、駆動モード）では、可変速駆動装置が整流器１２を介して外部配電網５から給電され、その配電網５から供給されたエネルギーを使って負荷Ｍを給電し駆動する。バス電圧Ｖ_Bは、第一コンバータ２０の出力の電圧Ｖ₀によって、整流電圧Ｖ_IN以上になるよう一定に維持される。したがって、図３に示すように、電圧Ｖ₀の役割は、整流器モジュール１２の整流電圧Ｖ_INを上昇（ブースト機能）させること、また整流電圧Ｖ_INの脈動を相殺（リップルフリー機能）することである。第一コンバータ２０のもう一つの重要な機能は、外部配電網５の給電電圧の変動にかかわらず、インダクタンス１３に流れる電流をほぼ一定に維持することである。このモードの間、配電網５から供給されるエネルギーによって第二コンバータ３０は超コンデンサＣ_Sを充電でき、および／または超コンデンサＣ_Sの端子での電圧Ｖ_Sを最低値Ｖ_Sminに維持できる。

−図４ｂはブレーキモードに対応して、このモードでは可変速駆動装置が、（降下するエレベーターのモーターのように）被駆動中に、負荷Ｍから供給される電気エネルギーを回収し蓄積する。この回収されたブレーキのエネルギーによって、超コンデンサＣ_Sを充電できる。第二コンバータ３０の役割は、バス電圧Ｖ_Bを調整すること、および超コンデンサＣ_Sの端子での電圧Ｖ_Sを上昇させることである。このモードでは、制御信号Ｓ₂₁が能動スイッチ２１を開状態に維持する。

−図４ｃは、負荷Ｍによってエネルギーが消費または回収されないモード（スタンバイ・モード）に対応する。

−図４ｄは、ブレーキモードで超コンデンサＣ_Sに蓄積されたエネルギーを第二コンバータ３０によって可変速駆動装置へ戻す復元モードに対応する。このモードでは、超コンデンサＣ_Sに蓄積されたエネルギーが負荷Ｍへ戻され、その結果、電圧Ｖ_Sは最低値Ｖ_Sminになるまで低下する。このモードにおいて、制御信号Ｓ₂₁は能動スイッチ２１を開状態に維持する。電圧Ｖ_Sが最低値Ｖ_Sminになると、負荷Ｍは再び外部配電網５からの給電を必要とするため、可変速駆動装置は再び通常動作モード４ａに戻る。

また、本発明の構成によれば、負荷Ｍへの給電を維持できるようにするために超コンデンサＣ_Sをより大きく放電させられるため、外部配電網５の短時間の停電に備えられる。

言うまでもなく、本発明の範囲にそむくことなく、他の変形や変更または均等手段の使用を想像することができる。

Claims (8)

1. 互いに分離された電源側部分および負荷側部分を含むプラス線（１６）と、マイナス線（１７）とを有する直流電源バスと、前記直流バスから給電され、電気負荷（Ｍ）へ可変電圧を供給するためのインバータモジュール（１４）と、エネルギー回収装置（１０）と、を備える可変速駆動装置であって、前記エネルギー回収装置（１０）は、
   −入力段と、２つの出力端子から構成される出力段とを有し、前記出力段の一方の前記出力端子が前記直流バスの前記プラス線の前記電源側部分に接続されるとともに他方の前記出力端子が当該プラス線の前記負荷側部分に接続されている第一直流／直流コンバータ（２０）と、
   −２つの入力端子から構成される入力段と、出力段とを有し、前記入力段の一方の前記入力端子が前記直流バスの前記プラス線の前記負荷側部分に接続されるとともに他方の前記入力端子が前記マイナス線に接続されている第二直流／直流コンバータ（３０）と、
   −前記第一コンバータ（２０）の前記入力段および前記第二コンバータ（３０）の前記出力段と並列に接続された電気エネルギーの蓄積モジュール（Ｃ_S）と、を備えることを特徴とする可変速駆動装置。
2. 前記電気エネルギーの蓄積モジュールは、一つまたは複数の超コンデンサ（Ｃ_S）を有することを特徴とする請求項１に記載の可変速駆動装置。
3. 前記第一直流／直流コンバータ（２０）は、能動スイッチ（２１）および受動スイッチ（２２）を有する非絶縁型単方向コンバータであることを特徴とする請求項１に記載の可変速駆動装置。
4. 前記第一コンバータ（２０）の前記受動スイッチは、前記直流バスの前記プラス線の前記電源側部分と前記負荷側部分とに直列に接続されるダイオード（２２）であって、前記第一コンバータ（２０）の前記出力段は前記ダイオード（２２）の端子に接続されており、前記第一コンバータ（２０）の前記入力段は直列に接続された前記能動スイッチ（２１）と前記受動スイッチ（２２）から構成されるユニットの端子に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の可変速駆動装置。
5. 前記第一コンバータ（２０）の前記能動スイッチは、前記可変速駆動装置から生成される第一制御信号（Ｓ₂₁）によって制御されるＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴタイプの電力トランジスタ（２１）であることを特徴とする請求項４に記載の可変速駆動装置。
6. 前記第二直流／直流コンバータ（３０）は、第二能動スイッチ（３２）と直列に接続された第一能動スイッチ（３１）を有する非絶縁型双方向コンバータであることを特徴とする請求項１に記載の可変速駆動装置。
7. 前記第二コンバータ（３０）の前記出力段は前記第二能動スイッチ（３２）の端子に接続され、前記第二コンバータ（３０）の前記入力段は前記第一能動スイッチ（３１）と前記第二能動スイッチ（３２）から構成されるユニットの端子に接続されることを特徴とする請求項６に記載の可変速駆動装置。
8. 前記第二直流／直流コンバータ（３０）は高周波数変圧器（３５）を有する絶縁型双方向コンバータであることを特徴とする請求項１に記載の可変速駆動装置。

Images