JP6671853B2 - 電力変換装置およびそれを用いた産業機械 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

クレーンやハイブリッドショベルなどの産業機械には、電力変換装置が用いられる。図１は、産業機械１０の電気系統を示すブロック図である。産業機械は、電力変換装置１００Ｒ、蓄電デバイス２００、発電機２０２、インバータ２０４、モータ２０６を備える。

インバータ２０４は、力行運転時にモータ２０６に電力を供給し、回転させる。またモータ２０６の回生運転時には、インバータ２０４は、モータ２０６からの電流を整流し、電力変換装置１００Ｒに供給する。蓄電デバイス２００は、リチウムイオン電池などの２次電池、あるいは電気二重層キャパシタなどである。発電機２０２は、発電機２０２は、エンジンの回転に応じた電力を発生する。

電力変換装置１００Ｒは、蓄電デバイス２００、発電機２０２、インバータ２０４の間に設けられ、それらの間で電圧レベルを適切に変換する。電力変換装置１００Ｒは、ＤＣリンクバス１０２、バッテリコンバータ１０４、エンジンコンバータ１２０、平滑コンデンサＣ１、放電抵抗Ｒ１を備える。

平滑コンデンサＣ１は、ＤＣリンクバス１０２に接続される。エンジンコンバータ１２０の降圧側端子は、発電機２０２と接続され、昇圧側端子はＤＣリンクバス１０２と接続される。エンジンコンバータ１２０は、発電機２０２からの直流電圧を昇圧し、ＤＣリンクバス１０２の電圧（ＤＣリンク電圧）を所定レベルに安定化する。

バッテリコンバータ１０４の降圧側端子は蓄電デバイス２００と接続され、昇圧側端子はＤＣリンクバス１０２と接続される。バッテリコンバータ１０４は、モータ２０６の力行運転時には、昇圧コンバータとして動作し、蓄電デバイス２００の電圧Ｖ_ＢＡＴを昇圧する。バッテリコンバータ１０４は、モータ２０６の回生運転時には、降圧コンバータとして動作し、ＤＣリンクバス１０２からエネルギーを蓄電デバイス２００に回収し、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを安定化させる。

特開２００８−２５４８３０号公報

用途によっては、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは非常に高圧（たとえば数百Ｖ以上）となる。したがって電力変換装置１００Ｒの非動作時において、平滑コンデンサＣ１の電荷が残留していると、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの高圧が維持されるため危険である。

そこで平滑コンデンサＣ１と並列に、放電抵抗Ｒ１が挿入される。電力変換装置１００Ｒの動作が停止すると、平滑コンデンサＣ１の電荷は放電抵抗Ｒ１を介して放電され、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥ（たとえば６０Ｖ以下）まで低下する。また放電抵抗Ｒ１は、バッテリコンバータ１０４の停止時において、回生運転となりインバータ２０４から過剰な電力が供給されたときに、平滑コンデンサＣ１が許容電圧レベルを超えるのを抑制する。

一方、放電抵抗Ｒ１は、電力変換装置１００Ｒの動作中においても、常に平滑コンデンサＣ１の放電経路を形成している。したがって放電抵抗Ｒ１によって常に無駄な電力（Ｐ＝Ｒ×Ｉ_ＤＩＳ ^２＝Ｖ_ＤＣ ^２／Ｒ）が消費されることとなり、省エネ化の要請に反する。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、消費電力を低減した産業機械用の電力変換装置の提供にある。

本発明のある態様は、モータ、インバータおよび蓄電デバイスを備える産業機械に使用される電力変換装置に関する。電力変換装置は、ＤＣリンクバスと、ＤＣリンクバスに接続される平滑コンデンサと、その昇圧側端子がＤＣリンクバスと接続され、その降圧側端子が前記蓄電デバイスと接続され、リアクトルおよびスイッチング素子を含む第１昇降圧コンバータと、平滑コンデンサと並列な経路に、直列に設けられる放電抵抗および放電スイッチと、ＤＣリンクバスに発生するＤＣリンク電圧を受け、第１電源電圧を生成する内部制御電源と、内部制御電源からの第１電源電圧が供給され、放電スイッチを制御する放電コントローラと、を備える。

この態様によると、通常の動作時には放電スイッチをオフすることで、放電経路を遮断できるため、無駄な消費電力を低減できる。また放電スイッチを制御する放電コントローラの電源を、ＤＣリンク電圧にもとづいて生成することとしているため、放電スイッチをオンすべき期間、つまりＤＣリンク電圧がある程度高い状態では、放電コントローラを確実に動作させることができる。これにより、ＤＣリンク電圧を安全電圧以下まで確実に低下させることができる。

電力変換装置は、外部から電源供給され、第２電源電圧を生成する外部制御電源をさらに備えてもよい。放電コントローラは、第１電源電圧、第２電源電圧の一方を受けて動作可能であってもよい。
放電コントローラへの電源供給を多重化することで、より確実に放電スイッチを制御できる。

電力変換装置は、その昇圧側端子がＤＣリンクバスと接続され、その降圧側端子がエンジンを動力源とする発電機と接続される第２昇降圧コンバータをさらに備えてもよい。

放電コントローラは、第１昇降圧コンバータの停止状態においてモータが回生運転するときに、放電スイッチをオンしてもよい。
これにより、ＤＣリンク電圧が過電圧となるのを防止できる。

本発明の別の態様は産業機械に関する。産業機械は、モータ、インバータおよび蓄電デバイスと、上述のいずれかの電力変換装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電力変換装置の消費電力を低減できる。

産業機械の電気系統を示すブロック図である。 実施の形態に係る電力変換装置のブロック図である。 図２の電力変換装置の動作波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係る電力変換装置１００のブロック図である。電力変換装置１００は、図１に類する電気系統を産業機械に使用される。後述のように産業機械としては、クレーンやハイブリッドショベルが好適である。電力変換装置１００は、１次側Ｐに接続される発電機２０２、２次側Ｓに接続される蓄電デバイス２００、ならびにＤＣリンクバス１０２に接続されるインバータおよびモータ（不図示、３次側と称する）との間で、エネルギーを授受可能に構成される。

１次側Ｐには、たとえばエンジンにより駆動される発電機２０２と、発電機２０２が発生する交流電圧を整流する整流回路２０３が接続される。また２次側Ｓには、蓄電デバイス２００が接続される。蓄電デバイス２００は、たとえばリチウムイオンなどの二次電池、あるいは電気二重層キャパシタなどのコンデンサである。

電力変換装置１００は、ＤＣリンクバス１０２、平滑コンデンサＣ１、第１の昇降圧コンバータであるバッテリコンバータ１０４、コンバータコントローラ１０６、制御電源１０８、放電抵抗Ｒ１、放電スイッチＳＷ１、放電コントローラ１１２、内部制御電源１１０、外部制御電源１１４、第２昇降圧コンバータであるエンジンコンバータ１２０を備える。

平滑コンデンサＣ１はＤＣリンクバス１０２に接続され、ＤＣリンクバス１０２の電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ_ＤＣを平滑・安定化する。

エンジンコンバータ１２０は、その昇圧側端子ＡがＤＣリンクバス１０２と接続され、その降圧側端子Ｂが整流回路２０３に接続されている。エンジンコンバータ１２０は、整流回路２０３からの直流電圧Ｖ_Ｐを受け、それを昇圧して、ＤＣリンクバス１０２のＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを所定の目標電圧Ｖ_ＲＥＦに安定化する。エンジンコンバータ１２０は、リアクトルＬ１およびスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２、平滑コンデンサＣ２を含む。エンジンコンバータ１２０のスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２は、コンバータコントローラ１２２によって制御される。

バッテリコンバータ１０４は、その昇圧側端子ＡがＤＣリンクバス１０２と接続され、その降圧側端子Ｂが蓄電デバイス２００と接続される。バッテリコンバータ１０４は、エンジンコンバータ１２０と同様に構成される。平滑コンデンサＣ２は省略してもよい。

コンバータコントローラ１０６は、バッテリコンバータ１０４のスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２を制御する。コンバータコントローラ１０６は、制御電源１０８が生成する電源電圧Ｖ_ＤＤ３を受けて動作する。

コンバータコントローラ１０６は、モータの力行運転時において、昇圧コンバータとして動作し、蓄電デバイス２００の電圧Ｖ_ＢＡＴを昇圧してＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを安定化する。つまり、エンジンコンバータ１２０からインバータへの供給をアシストする。反対にコンバータコントローラ１０６は、モータの回生運転時には、降圧コンバータとして動作し、ＤＣリンクバス１０２からエネルギーを蓄電デバイス２００に回収し、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを安定化させる。

放電抵抗Ｒ１および放電スイッチＳＷ１は、平滑コンデンサＣ１と並列な経路に、言い換えればＤＣリンクバス１０２と接地ライン１０３の間に、直列に設けられる。内部制御電源１１０は、制御電源１０８とは別に設けられており、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを受け、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１を生成する。

放電コントローラ１１２は、内部制御電源１１０からの第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１を受け、放電スイッチＳＷ１を制御する。具体的には放電コントローラ１１２は、電力変換装置１００の動作停止時に、放電スイッチＳＷ１をオンする。また放電コントローラ１１２は、電力変換装置１００の動作中であっても、図示しないインバータあるいはエンジンコンバータ１２０からのＤＣリンクバス１０２への電力供給が過剰であるときには、放電スイッチＳＷ１をオンし、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣのオーバーシュートを抑制してもよい。たとえばバッテリコンバータ１０４の停止状態においてモータが回生運転するときには、ＤＣリンクバス１０２への電力供給が過剰となる。そこで放電コントローラ１１２は、バッテリコンバータ１０４の停止状態においてモータが回生運転するときに放電スイッチＳＷ１をオンする。放電コントローラ１１２は、外部からの制御指令に応じて放電スイッチＳＷ１を制御してもよいし、自らが、発電機２０２、バッテリコンバータ１０４、エンジンコンバータ１２０、インバータやモータ等の状態を監視し、監視結果に基づいて適応的に放電スイッチＳＷ１を制御してもよい。

外部制御電源１１４は、外部からの電源電圧Ｖ_ＥＸＴの供給を受け、第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２を生成する。外部電源電圧Ｖ_ＥＸＴは、整流回路２０３が生成する直流電圧Ｖ_Ｐであってもよいし、外部から与えられる商用交流電圧であってもよく、その起源は問わない。

放電コントローラ１１２には、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１に加えて、第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２が供給可能であってもよい。たとえば放電コントローラ１１２は、ダイオードＯＲ回路１１６を介して、２つの電源電圧Ｖ_ＤＤ１，Ｖ_ＤＤ２が供給され、それらのうち、電圧レベルの高い一方を電源として動作してもよい。

以上が電力変換装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、図２の電力変換装置１００の動作波形図である。ここでは外部制御電源１１４からの第２電源電圧Ｖ_ＤＤ２は、放電コントローラ１１２に供給されておらず、放電コントローラ１１２には第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１が供給されるものとする。

時刻ｔ０より前は、電力変換装置１００が動作状態であり、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは、所定電圧Ｖ_ＲＥＦに安定化されている。この間、放電コントローラ１１２には、内部制御電源１１０により生成される第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１が供給され、放電スイッチＳＷ１を制御可能となっている。時刻ｔ０より前、放電コントローラ１１２は、放電スイッチＳＷ１をオフしており、したがって放電経路１３０は遮断され、無駄な電力消費が抑制されている。

時刻ｔ０に発電機２０２が停止し、電力変換装置１００も停止状態となる。電力変換装置１００の停止状態では、エンジンコンバータ１２０、バッテリコンバータ１０４はいずれも停止する。これを契機として放電コントローラ１１２は、放電スイッチＳＷ１をターンオンする。これにより平滑コンデンサＣ１の電荷が放電抵抗Ｒ１、放電スイッチＳＷ１を含む放電経路１３０を介して放電され、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが時間とともに低下していく。やがて時刻ｔ１に、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは、人体がＤＣリンクバス１０２に接触しても危害が及ばない安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥ以下となる。

さらにＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが低下すると、内部制御電源１１０が生成する第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１が低下し始め、時刻ｔ２に第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１は、放電コントローラ１１２の最低動作電圧Ｖ_ＬＯＷを下回る。時刻ｔ２以降、放電コントローラ１１２は、放電スイッチＳＷ１を制御不能となり、放電スイッチＳＷ１のオン／オフ状態は不定となる。ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは、安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥより低い範囲で不定となり、リーク電流によって緩やかに低下していく。

以上が電力変換装置１００の動作である。続いてその効果を説明する。
第１に、電力変換装置１００によれば、通常の動作時には放電スイッチＳＷ１をオフすることで、放電経路１３０を遮断できるため、無駄な消費電力を低減できる。

第２に、放電スイッチＳＷ１を制御する放電コントローラ１１２の電源を、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣにもとづいて生成することとしている。ここで安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥは６０Ｖ程度であり、放電コントローラ１１２の最低動作電圧Ｖ_ＬＯＷは、数Ｖからせいぜい２０Ｖ程度である。したがって、内部制御電源１１０は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥより低くなった後しばらくの間は、第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１を最低動作電圧Ｖ_ＬＯＷよりも高い範囲に維持できる。

したがって、放電スイッチＳＷ１をオンすべき期間、つまりＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥより高い状態では、放電コントローラ１１２を確実に動作させることができる。これにより、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを安全電圧Ｖ_ＳＡＦＥ以下まで確実に低下させることができる。

第２の利点は、比較技術との対比によって明確となる。比較技術として、放電コントローラ１１２の電源電圧として、発電機２０２を起源とする電圧が供給される構成を考える。この構成では、発電機２０２の停止状態、つまり電力変換装置１００の停止状態では、放電コントローラ１１２に電源電圧が供給されないため、放電スイッチＳＷ１をターンオンすることができない。

別の比較技術として、放電コントローラ１１２の電源電圧として、商用交流電圧を起源とする電圧が供給される構成を考える。この構成では、商用交流電圧が供給されない状況では、放電コントローラ１１２に電源電圧が供給されないため、放電スイッチＳＷ１をターンオンすることができない。

これらの比較技術と対比して、実施の形態に係る電力変換装置１００によれば、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを起源とした第１電源電圧Ｖ_ＤＤ１を放電コントローラ１１２に供給することとしたため、確実に放電スイッチＳＷ１をターンオンすることができる。

（用途）
続いて、電力変換装置１００の用途を説明する。電力変換装置１００は、産業機械のひとつであるクレーンに使用される。クレーンは、図１に示す電気系統を有し、たとえばモータ２０６は、巻き上げ、巻き下げ用の主巻電動機に対応する。クレーンの巻き上げ時には、モータ２０６は力行運転をし、このときエンジンコンバータ１２０、バッテリコンバータ１０４は昇圧動作し、インバータに電力を供給する。一方、クレーンの巻き下げ時には、モータ２０６は回生運転となり、このときエンジンコンバータ１２０は停止し、バッテリコンバータ１０４は降圧動作し、回生エネルギーを蓄電デバイス２００に回収する。

電力変換装置１００の動作中には、放電スイッチＳＷ１をオフすることで消費電力が低減される。ただし電力変換装置１００の動作であっても、巻き下げ動作中に、バッテリコンバータ１０４が故障あるいは制御下で停止した場合には、放電スイッチＳＷ１をオンする。これによりＤＣリンクバス１０２に過大な電圧が生ずるのを防止でき、平滑コンデンサＣ１などの回路部品を保護できる。

別の実施の形態において、電力変換装置１００は、産業機械のひとつであるハイブリッドショベルに使用される。ハイブリッドショベルも図１に示す電気系統を有し、たとえばモータ２０６は、上部旋回体を回転させる旋回モータに対応する。旋回時には、モータ２０６は力行運転をし、このときエンジンコンバータ１２０、バッテリコンバータ１０４は昇圧動作し、インバータに電力を供給する。一方、旋回のブレーキ時には、モータ２０６は回生運転となり、このときエンジンコンバータ１２０は停止し、バッテリコンバータ１０４は降圧動作し、回生エネルギーを蓄電デバイス２００に回収する。

ショベルにおいても電力変換装置１００の動作中には、放電スイッチＳＷ１をオフすることで消費電力が低減される。ただし電力変換装置１００の動作であっても、旋回減速中に、バッテリコンバータ１０４が故障し、あるいは回路保護のためにバッテリコンバータ１０４を意図的に停止制御した場合には、放電スイッチＳＷ１をオンする。これによりＤＣリンクバス１０２に過大な電圧が生ずるのを防止でき、平滑コンデンサＣ１などの回路部品を保護できる。

このような産業機械に実施の形態に係る電力変換装置１００を搭載することにより、エネルギー効率を改善することができ、商品価値を高めることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

（第１変形例）
電力変換装置１００は、ダイオードＯＲ回路１１６に代えて、スイッチあるいはセレクタを備えてもよい。これにより、内部制御電源１１０、外部制御電源１１４が生成する電源電圧Ｖ_ＤＤ１、Ｖ_ＤＤ２が選択的に放電コントローラ１１２に供給されるようにしてもよい。あるいは、ケーブルの差し替えによって、内部制御電源１１０と外部制御電源１１４が選択可能であってもよい。また外部制御電源１１４を省略してもよい。

（第２変形例）
コンバータコントローラ１０６は、バッテリコンバータ１０４を、ＤＣリンクバス１０２側を出力、蓄電デバイス２００側を入力とする昇圧コンバータとして動作させ、電池電圧Ｖ_ＢＡＴを昇圧し、ＤＣリンクバス１０２に電力を供給し、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを上昇させてもよい。またエンジンコンバータ１２０に代えて、電動機等を駆動し、あるいは電動機からの回生電流を平滑コンデンサＣ１に回収するインバータが設けられてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…電力変換装置、１０２…ＤＣリンクバス、１０４…バッテリコンバータ、１０６…コンバータコントローラ、１０８…制御電源、１１０…内部制御電源、１１２…放電コントローラ、１１４…外部制御電源、１１６…ダイオードＯＲ回路、１２０…エンジンコンバータ、１３０…放電経路、２００…蓄電デバイス、２０２…発電機、２０３…整流回路、Ｌ１…リアクトル、Ｃ１…平滑コンデンサ、Ｍ１，Ｍ２…スイッチング素子、Ｃ２…平滑コンデンサ、Ｒ１…放電抵抗、ＳＷ１…放電スイッチ、Ｖ_ＤＤ１…第１電源電圧、Ｖ_ＤＤ２…第２電源電圧。

Claims (5)

1. 発電機と、
   前記発電機の出力を直流電圧に変換するコンバータと、
   前記コンバータに接続されたＤＣリンクと、
   前記ＤＣリンクに接続された平滑コンデンサと、
   前記ＤＣリンクに接続可能な、直列接続された放電抵抗及び放電スイッチと、
   その昇圧側端子が前記ＤＣリンクと接続され、その降圧側端子が蓄電デバイスと接続された昇降圧コンバータと、
   前記発電機、前記コンバータ、前記昇降圧コンバータの少なくともいずれが停止することを条件として、前記ＤＣリンクの電圧を電源電圧として前記放電スイッチを制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする産業機械。
2. 前記コンバータ、前記昇降圧コンバータのいずれも停止し、前記コンバータ、前記昇降圧コンバータから前記ＤＣリンクに電力が供給されない状態の前記ＤＣリンクの電圧を電源電圧として前記放電スイッチを制御することを特徴とする請求項１に記載の産業機械。
3. モータ、インバータおよび蓄電デバイスを備える産業機械に使用される電力変換装置であって、
   ＤＣリンクバスと、
   前記ＤＣリンクバスに接続される平滑コンデンサと、
   その昇圧側端子が前記ＤＣリンクバスと接続され、その降圧側端子が前記蓄電デバイスと接続され、リアクトルおよびスイッチング素子を含む第１昇降圧コンバータと、
   前記平滑コンデンサと並列な経路に、直列に設けられる放電抵抗および放電スイッチと、
   前記ＤＣリンクバスに発生するＤＣリンク電圧を受け、第１電源電圧を生成する内部制御電源と、
   前記内部制御電源からの前記第１電源電圧が供給され、前記放電スイッチを制御する放電コントローラと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
4. 外部から電源供給され、第２電源電圧を生成する外部制御電源をさらに備え、
   前記放電コントローラは、前記第１電源電圧、前記第２電源電圧の一方を受けて動作可能であることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記放電コントローラは、前記第１昇降圧コンバータの停止状態において前記モータが回生運転するときに、前記放電スイッチをオンすることを特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置。

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