JP3678582B2 - 電力変換装置および該装置の回生用付加装置 - Google Patents
電力変換装置および該装置の回生用付加装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電源を電源とし、誘導電動機など交流電圧で駆動される回転機負荷の力行回生制御が可能な電力変換装置および該装置の回生用付加装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
図10は標準的な汎用インバータの主回路構成を示している。図において、D1〜D6まではブリッジ整流器を、Tr1〜Tr6まではインバータ回路を、C0は整流器の平滑コンデンサを、L0は同じく平滑リアクトルを、R0は発電制動抵抗器を、Tr7は発電制動時に作用する半導体スイッチを、そしてMは誘導電動機を夫々示している。一般にブリッジ整流器とインバータ回路を含めて汎用インバータと呼ばれている。L0とR0は機器の外形が大きくインバータとは別に分けて設置されている。平滑コンデンサは通常電解コンデンサが使われ容量的にも小さく小型であるので、半導体スイッチも合わせてインバータに組み込まれている。
このインバータを使った誘導電動機の速度制御の接続構成図を図11に示している。電動機加速時には、三相交流電源をブリッジ整流器で直流に変換してLC回路で平滑化しインバータ回路で交流電圧に変換して電動機に印加する。又、電動機減速時には、インバータをコンバータとして電動機を交流発電機にして発電制動抵抗器に発電電力を印加して速度制御を行う。交流リアクトルL1はブリッジ整流器で交流を整流する時の力率を改善する為に使われる。
【0003】
以上説明したように、電動機減速時に発生した電力は発電制動抵抗器で消費されるが、この電力を交流電源側に回生する為にはインバータの外部に図12に示したDC−ACコンバータを使っている。電源側に回生制動をする為の回路構成を図13に示している。図中、LCはPWM制御された矩形波を正弦波にするためのフィルタである。この回生回路構成により電動機の減速時に回生制動が作用して有効に電力として利用される。しかし、この為には電動機の制御に使うインバータに相当するコンバータや正弦波フィルタが不可欠で費用が高価となる。又電源に回生することによるラジオ波等に関する誘導障害波対策が更に必要で、ラジオノイズフィルタやインバータ用伝導ノイズフィルタ等を設けなければならない。この様に電源に回生することは、電力の有効利用になるが、付属機器が必要になり経済的に実現することは困難となる。
【0004】
一方、最近では、電気二重層コンデンサが充放電特性に優れていることに着目し、この電気二重層コンデンサで構成した大容量コンデンサを電動機の駆動電源に利用した技術が開発されている。例えば、特開平9−28005号公報では、この電気二重層コンデンサを使用し、モータの回生時に上記コンデンサに充電して力行時にその充電エネルギーを利用する方式のモータ駆動用電源装置が開示されている。
【0005】
しかるに、この装置は、電池をその主電源として直流モータを駆動するもので、しかも力行時と回生時とでそれぞれ専用のチョッパ回路を必要とするものである。従って、交流電源を使用して誘導電動機を可変速駆動制御するという汎用性の高い電動機駆動用電源装置として利用することはできず、かつ、スイッチング回路(チョッパ回路)が力行用と回生用とにそれぞれ必要となって、その利用率が悪く装置が高価格化するという問題点がある。
【0006】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、交流電源を使用して誘導電動機の可変速駆動制御が可能であるという高い汎用性を備えるとともに、誘導障害波対策など複雑で高価な対策を要することなく誘導電動機の回転慣性エネルギーの回生利用が可能となる電力変換装置を得ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る電力変換装置は、交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給しその力行回生制御が可能なインバータ、上記コンバータの直流側と上記インバータの直流側との間に挿入された大容量のコンデンサ、力行時は、上記コンバータからの直流電圧と上記コンデンサの電圧とを直列にして上記インバータの直流側に供給するように、回生時は、上記インバータからの直流電圧が上記コンデンサに供給されるように、直流側の切換えを行う切換手段、および上記コンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオードを備え、 上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の正極端子または負極端子に接続するとともに、上記切換手段を、第1の接点、第2の接点および上記力行時は上記第1の接点と、上記回生時は上記第2の接点とそれぞれ切り換えて導通する共通接点を備えたスイッチで構成し、上記コンデンサの他端を上記共通接点に接続し、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の正極端子に接続する場合は、上記コンバータとインバータとの直流側の両負極端子を共通にして上記第2の接点に接続し、上記コンバータの直流側の正極端子を上記第1の接点に接続するようにし、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の負極端子に接続する場合は、上記コンバータとインバータとの直流側の両正極端子を共通にして上記第2の接点に接続し、上記コンバータの直流側の負極端子を上記第1の接点に接続するようにしたものである。
【0008】
また、請求項2に係る電力変換装置は、請求項1において、その回生時、コンデンサの電圧がその充電許容電圧以下となるよう、インバータはその直流電圧を力行時より低く設定するようにしたものである。
【0009】
また、請求項3に係る電力変換装置は、請求項1において、そのインバータの直流側に、抵抗とスイッチング素子との直列体を接続し、回生時、上記インバータの直流電圧がコンデンサの充電許容電圧を越えたとき上記スイッチング素子をオンするようにしたものである。
【0010】
また、請求項4に係る電力変換装置は、請求項1ないし3のいずれかにおいて、その切換手段は、第1の接点と共通接点とを両電極とし力行時オンし回生時オフする第1のスイッチング素子、および第2の接点と上記共通接点とを両電極とし上記力行時オフし上記回生時オンする第2のスイッチング素子を備えたスイッチで構成したものである。
【0011】
また、請求項5に係る電力変換装置は、請求項1ないし3のいずれかにおいて、その力行時、コンバータは、このコンバータの直流電圧とコンデンサの電圧との和が一定となるよう、上記コンバータの直流電圧を制御するようにしたものである。
【0012】
また、請求項6に係る電力変換装置は、請求項5において、そのインバータの直流側にコンデンサを介して接続され、力行時はオフし、回生時はオンして上記インバータからの直流電圧を上記コンデンサに供給する第3のスイッチング素子を備え、力行時はコンバータからの直流電圧と上記コンデンサの電圧とを直列にして上記インバータの直流側に供給するようにし、回生時は、上記コンバータの直流電圧を零に制御し上記インバータからの直流電圧が上記コンデンサに供給されるようにしたものである。
【0013】
請求項7に係る回生用付加装置は、交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、およびこのコンバータからの直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給するインバータを備えた汎用電力変換装置に付加するものであって、大容量のコンデンサ、このコンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオード、上記コンデンサの一端に接続された共通接点と力行時に上記共通接点と接触する第1の接点と回生時に上記共通接点と接触する第2の接点とからなるスイッチ、上記第2の接点と上記コンバータとインバータとの直流側を共通に接続する一方の端子とを接続するための接続手段、上記第1の接点と上記コンバータの直流側端子の他方とを接続するため接続手段、および上記コンデンサの他端と上記インバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段を備えたものである。
【0014】
請求項8に係る回生用付加装置は、交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、およびこのコンバータからの直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給するインバータを備えた汎用電力変換装置に付加するものであって、大容量のコンデンサ、このコンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオード、一方の極がそれぞれ上記コンデンサの一端に接続された第1および第2のスイッチング素子、上記第2のスイッチング素子の他方の極と上記コンバータとインバータとの直流側を共通に接続する一方の端子とを接続するための接続手段、上記第1のスイッチング素子の他方の極と上記コンバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段、および上記コンデンサの他端と上記インバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段を備えたものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における電力変換装置を示す主回路構成図である。図において、1は商用周波数の交流電源、2はその交流入力側が交流リアクトル3(L1)を介して交流電源1に接続されたコンバータとしてのブリッジ整流器で、ダイオードD1〜D6のブリッジ結線構成からなり交流入力を一定の直流電圧出力に変換する。4および5は、ブリッジ整流器2からの電圧を平滑化するためのそれぞれ平滑リアクトル4(L0)および平滑コンデンサ5(C0)である。
【0016】
6はブリッジ整流器2からの直流電圧を可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機7(IM)に供給するインバータ回路で、トランジスタTr1〜Tr6とこれと逆並列接続されたフライホイールダイオードDf1〜Df6のブリッジ結線構成からなり、回生制御も可能となっている。8は一端がインバータ回路6の正極端子に接続された電気二重層からなる大容量のコンデンサ(C)、9はコンデンサ8と並列に接続されたダイオードで、後述するように、コンデンサ8の放電時その極性が反転するのを防止するためのものである。10はその共通接点がコンデンサ8の他端に接続された接続切換手段としてのスイッチ(SW)で、その接点1は平滑リアクトル4と平滑コンデンサ5との接続点に接続され、その接点2はブリッジ整流器2およびインバータ回路6の共通の負極端子に接続されている。
【0017】
次に動作について説明する。先ず、力行時、即ち、誘導電動機7の起動および加速時は、スイッチ10は接点1側を選択しており、ブリッジ整流器2からの直流電圧出力は平滑リアクトル4および平滑コンデンサ5で平滑化された後、当初はコンデンサ8は充電されていないので、そのままダイオード9を経てインバータ回路6に入力される。
インバータ回路6はこの直流電圧を入力とし、図示しない制御装置が各トランジスタTr1〜Tr6にスイッチング信号を送出して指令値に応じた可変周波数の交流電圧を出力して誘導電動機7に供給する。これによって、誘導電動機7は起動し、続いて所定の加速動作を行う。
即ち、交流電源を使用して誘導電動機を可変速駆動制御するという汎用性の高い電動機駆動用電源装置として機能する訳である。
【0018】
次に、誘導電動機7の回生制動時は、スイッチ10を接点1側から接点2側へ切り換えるとともに、インバータ回路6の制御装置は回生モードで各トランジスタTr1〜Tr6をオンオフ制御し、誘導電動機7のもつ機械的慣性エネルギーによる交流電力を直流電力に逆変換し、これによってコンデンサ8を充電する。このコンデンサ8は充電動作が進むに連れてその端子電圧は上昇するが、電気二重層コンデンサはその電圧が許容値を越えると内部で電気分解を生じて特性が劣化するので、これを考慮してインバータ回路6はその直流出力電圧を、力行時の直流電圧より低い値に設定する。これら直流電圧の設定は、インバータ回路6の制御装置の例えばROM等に書き込むスイッチング信号発生パターンを力行/回生で区分することにより、極めて簡便に実施可能であり、主回路構成の変更は不要である。
【0019】
コンデンサ8が充電された後、誘導電動機7が力行運転に入ると、スイッチ10は再び接点1側に戻り、ブリッジ整流器2からの直流出力電圧とコンデンサ8の充電電圧とが直列となった電圧がインバータ回路6に入力されることになる。インバータ回路6はこの直列の電圧を所定の交流電圧に変換して誘導電動機7へ供給する。この場合、コンデンサ8は放電によりその電圧を次第に低下させていくので、インバータ回路6もこの入力直流電圧の変化を含めて交流出力電圧を制御する必要がある。コンデンサ8の負荷がすべて放電されその電圧が零となると、動作の最初に説明したように、ブリッジ整流器2からの直流電圧はダイオード9を経てインバータ回路6に入力される。従って、コンデンサ8の逆充電は防止される。
【0020】
以上のように、力行時はブリッジ整流器2の電圧にコンデンサ8の充電電圧が加算された電圧がインバータ回路6に入力されるので、インバータ回路6はこの電圧がそのトランジスタ等の耐圧を越えないようにする必要がある。既述した通り、電気二重層コンデンサの特性から回生時のコンデンサ8の充電電圧を低く抑えているので、このことが力行時のインバータ回路6の耐圧面にも有利に働くことになる。
【0021】
図2はこの電力変換装置における、誘導電動機7の起動からの速度制御状況を示す動作図である。時刻t1で加速指令が立ち上がると、交流電源1が供給されブリッジ整流器2の直流出力E1が立ち上がる。スイッチ10は接点1を選択しているが、コンデンサ8は充電されていないので、この電圧E1がダイオード9を経てそのままインバータ回路6に印加される。以後、インバータ回路6は、この入力電圧E1一定の条件で、時刻t1〜t2、t3〜t4での加速指令に応じて、その出力周波数およびこの周波数に比例してその交流出力電圧を上昇させていく。
【0022】
次に、時刻t5で減速指令が立ち上がると、スイッチ10は接点2を選択し、インバータ回路6は回生モードでコンデンサ8への充電を開始する。この充電動作で、コンデンサ8の端子電圧は上昇し、減速指令が立下がる時刻t6で電圧E2に達する。以後、コンデンサ8の電圧はE2一定を保つが、時刻t7で再び加速指令が立ち上がると、スイッチ10は接点1を選択し、この瞬間、インバータ回路6にはブリッジ整流器2からの電圧E1とコンデンサ8の充電電圧E2との和、E1+E2の電圧が印加される。以後、コンデンサ8は放電を続け、この例では、加速指令が立下がる時刻t8で丁度、放電が完了して電圧が零となり、従って、インバータ回路6の直流入力電圧は電圧E1に戻る。即ち、時刻t5〜t6での減速によるエネルギーがコンデンサ8の充電の形で蓄積され、時刻t7〜t8での加速時にコンデンサ8の放電の形で上記蓄積エネルギーが放出され、電力の回生が行われた訳である。
【0023】
この場合、充電電圧E2が、その電気二重層コンデンサ8の許容電圧よりも低く、また、電圧E1+E2がインバータ回路6の耐圧値よりも低くなるように、インバータ回路6の回生時における直流出力電圧が制御される。
【0024】
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2における電力変換装置を示す主回路構成図である。ここでは、従来の技術で説明した標準的な汎用インバータを活用して本発明を適用する場合の応用例を示している。即ち、図中、一点鎖線で囲まれた部分が標準的な汎用インバータである。そして、通常は、交流電源1をブリッジ整流器2で直流に変換して外部に接続する平滑リアクトル4と内部に設けられた平滑コンデンサ5で平滑化し、この平滑化した直流電圧をインバータ回路6で可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機7の起動および加速の制御を行う。減速のときは、誘導電動機7を交流発電機としてインバータ回路6で交流を直流に変換し、内部に設けた半導体スイッチ11(Tr7)を作用させて外部に接続した抵抗器12(R0)に通電して発電制動している。
【0025】
この発明の実施の形態2では、以上で説明した従来からの汎用インバータを有効に活用し、これに、図3に示すように、コンデンサ8、ダイオード9およびスイッチ10を追加する。そして、コンデンサ8とダイオード9とは互いに並列に接続し、その一端は、インバータ回路6の正極側を引き出す端子hに接続する。コンデンサ8およびダイオード9の他端はスイッチ10の共通接点に接続する。また、スイッチ10の接点1は、一端がブリッジ整流器2の直流側を引き出す端子gに接続された平滑リアクトル4の他端に接続する。スイッチ10の接点2はブリッジ整流器2とインバータ回路6との共通の負極側を引き出す端子jに接続する。
【0026】
次に、起動から制動停止までの動作を図4により説明する。時刻t1〜t2、t3〜t4で加速指令、時刻t5〜t6で減速指令、更にその後、時刻t7で加速指令が立ち上がっているが、ここまでの動作は、先の実施の形態1の図2の場合と全く同一であるので、説明は省略する。図4では、時刻t7で加速指令が立ち上がり、ブリッジ整流器2からの電圧E1とコンデンサ8に充電されていた電圧E2との和、E1+E2の電圧を入力にインバータ回路6が力行モードで動作し、コンデンサ8の電荷を放電しつつ加速を進め、時刻t61でコンデンサ8の電荷、従って電圧は零になり、以後、インバータ回路6は入力電圧E1で時刻t8まで加速動作を行う。
【0027】
次に、時刻t9で停止のための減速指令が立ち上がると、スイッチ10は接点2を選択し、誘導電動機7の減速に伴うエネルギーによりコンデンサ8を充電する動作に入る。この充電動作の進行により、コンデンサ8の端子電圧が次第に上昇してその許容電圧E2を越えると、これを検出して半導体スイッチ11がオンする。これにより、インバータ回路6の直流電圧、即ち、コンデンサ8の電圧はその許容電圧E2に保たれ、以後、誘導電動機7が停止して減速指令が立下がる時刻t10までは、抵抗器12に通電する発電制動となる。
【0028】
図4の斜線のハッチングで示す部分が抵抗器12への放流によってコンデンサ8の過電圧を防止していることを示す。即ち、この過電圧防止策を設けないと、時刻t10には、コンデンサ8の電圧はE3(E3>E2)に達している訳である。
【0029】
図5は、汎用インバータに付加する部分を回生用付加装置13として別個に示したものである。図において、端子Xは、平滑リアクトル4を介して汎用インバータにおけるブリッジ整流器2の直流側を引き出す端子gに接続する。端子Yは、汎用インバータにおけるブリッジ整流器2とインバータ回路6との共通の負極側を引き出す端子jに接続する。そして、端子Zは、汎用インバータにおけるインバータ回路6の正極側を引き出す端子hに接続する。
【0030】
以上のように、この実施の形態2においては、従来からの汎用インバータを有効に活用できるので、新たな投入コストを低減することができるとともに、コンデンサ8の充電電圧を所定の許容値内に制限する半導体スイッチ11および抵抗器12の回路を設けているので、電気二重層コンデンサの使用時の信頼性が向上しかつ制動動作が確実に達成され安全性が向上する。
【0031】
実施の形態3.
図6は図5で説明した回生用付加装置の変形例である。即ち、この回生用付加装置16では、図5のスイッチ10の代わりに、第1のスイッチング素子であるサイリスタ素子14および第2のスイッチング素子であるサイリスタ素子15を設けている。各端子X、Y、Zと汎用インバータとの接続要領は図5の回生用付加装置13の場合と全く同様である。
【0032】
次に、この回生用付加装置16を汎用インバータに付加した場合の動作について説明する。先ず、力行時は、サイリスタ素子14をオン、サイリスタ素子15をオフに制御する。これにより、ブリッジ整流器2からの直流電圧とコンデンサ8の電圧とが直列となってインバータ回路6の直流側に供給され、インバータ回路6はこの直流入力電圧を交流に変換して誘導電動機7を駆動する。
また、回生時は、サイリスタ素子14をオフ、サイリスタ素子15をオンに制御する。これによって、ブリッジ整流器2の直流側とコンデンサ8とは回路が断たれるとともに、回生によるインバータ回路6からの直流電圧がコンデンサ8に供給されその充電動作が行われる。
【0033】
以上のように、先に説明した実施の形態2の場合と全く同様の力行、回生、そして、コンデンサ8の放電、充電の動作が実現する。
この実施の形態3では、大電流が流れる主回路の無接点化が実現するので、装置としての信頼性が向上するとともに、保守面のコストも低減する。
【0034】
実施の形態4.
図7はこの発明の実施の形態4における電力変換装置を示す主回路構成図である。実施の形態1の図1と異なるのは、ブリッジ整流器2をサイリスタTh1〜Th6のブリッジ結線構成からなるサイリスタコンバータ2Aに替えた点のみである。このサイリスタコンバータ2Aは図示しない制御装置により各サイリスタTh1〜Th6をスイッチング制御することによりその直流出力電圧を制御することができる。
そして、このサイリスタコンバータ2Aは、力行時、このサイリスタコンバータ2Aの直流出力電圧とコンデンサ8の電圧との和が一定(E1)となるよう、その直流出力電圧を制御する。
【0035】
次に、実際に、起動、加速、減速を行った場合の動作を図8により説明する。時刻t1で加速指令が立ち上がると、交流電源1が供給され、スイッチ10は接点1を選択しているが、コンデンサ8は充電されておらずその電圧は零であるので、サイリスタコンバータ2Aは一定の直流出力電圧E1を立ち上げ、これがダイオード9を経てそのままインバータ回路6に印加される。以後、インバータ回路6は、この入力電圧E1一定の条件で、時刻t1〜t2、t3〜t4での加速指令に応じて、その出力周波数およびこの周波数に比例してその交流出力電圧を上昇させていく。
【0036】
次に、時刻t5〜t6で減速指令が出されるが、この部分は図2の場合と同様に、スイッチ10は接点2を選択してコンデンサ8を充電していく。時刻t6でこの充電電圧がE2に達した後、時刻t7で再び加速指令が立ち上がると、スイッチ10は再び接点1を選択してサイリスタコンバータ2Aからの電圧とコンデンサ8の充電電圧E2との和がインバータ回路6に印加されることになる。この場合、サイリスタコンバータ2Aの出力電圧がそれまでのE1であると、上記和電圧E1+E2は一定保持電圧E1を越えることになるので、サイリスタコンバータ2Aの制御装置が直ちに動作してその出力電圧を(E1−E2)に降下させる。これにより、インバータ回路6への印加電圧は一定値E1となる。
【0037】
加速動作の進行に伴いコンデンサ8の充電電圧が減少していくので、これに対応してサイリスタコンバータ2Aはその出力電圧を上昇させていき、インバータ回路6への入力電圧を常に一定値E1に保つ。
時刻t8で加速が終わり、同時にコンデンサ8の蓄積電荷も消滅してその電圧が零になると、以後、サイリスタコンバータ2Aは元の電圧E1を出力することになる。
【0038】
以上のように、この実施の形態4においては、力行時にその出力電圧を制御可能なサイリスタコンバータ2Aを採用したので、コンデンサ8に蓄積した電荷を放電して電力回生を行う際のインバータ回路6の入力側への過電圧負担を解消することができ、インバータ回路6のトランジスタ等の設計、適用条件が緩和され、全体として経済的で信頼性の高い電力変換装置を実現することができる。
【0039】
実施の形態5.
図9はこの発明の実施の形態5における電力変換装置を示す主回路構成図である。実施の形態4と異なるのは、スイッチ10を第3のスイッチング素子であるサイリスタ素子17に代えた点のみである。
力行時は、サイリスタ素子17をオフに制御し、実施の形態4で説明したと全く同様に、サイリスタコンバータ2Aからの直流電圧とコンデンサ8の電圧とが直列となってインバータ回路6の直流側に供給され、インバータ回路6はこの直流入力電圧を交流に変換して誘導電動機7を駆動する。
回生時は、サイリスタ素子17をオンに制御するとともに、サイリスタコンバータ2Aの出力電圧を零に制御して実質的にサイリスタコンバータ2Aをコンデンサ8の回路から断ち、回生によるインバータ回路6からの直流電圧がコンデンサ8に供給されその充電動作が行われる。
【0040】
以上のように、この実施の形態5では、サイリスタコンバータ2Aの出力電圧制御能力を有効に活かし、簡単な構成で主回路の無接点化が可能となり、信頼性、経済性が向上する利点がある。
【0041】
なお、上記各実施の形態では、各変換回路のスイッチング素子としてトランジスタやサイリスタを使用した場合について示したが、例えばIGBTなど他の種類のスイッチング素子を使用するようにしてもよい。
また、交流電源および誘導電動機のいずれも3相方式のものとして説明しているが、いずれかまたは双方を単相方式のものとしてもよい。
【0042】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係る電力変換装置は、交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給しその力行回生制御が可能なインバータ、上記コンバータの直流側と上記インバータの直流側との間に挿入された大容量のコンデンサ、力行時は、上記コンバータからの直流電圧と上記コンデンサの電圧とを直列にして上記インバータの直流側に供給するように、回生時は、上記インバータからの直流電圧が上記コンデンサに供給されるように、直流側の切換えを行う切換手段、および上記コンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオードを備え、上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の正極端子または負極端子に接続するとともに、上記切換手段を、第1の接点、第2の接点および上記力行時は上記第1の接点と、上記回生時は上記第2の接点とそれぞれ切り換えて導通する共通接点を備えたスイッチで構成し、上記コンデンサの他端を上記共通接点に接続し、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の正極端子に接続する場合は、上記コンバータとインバータとの直流側の両負極端子を共通にして上記第2の接点に接続し、上記コンバータの直流側の正極端子を上記第1の接点に接続するようにし、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の負極端子に接続する場合は、上記コンバータとインバータとの直流側の両正極端子を共通にして上記第2の接点に接続し、上記コンバータの直流側の負極端子を上記第1の接点に接続するようにしたので、簡単安価な構成で、交流電源を使用した回転機負荷の力行運転および上記交流電源へ悪影響を及ぼすことなく上記回転機負荷の電力回生運転が確実に実現できる。
【0043】
また、請求項2に係る電力変換装置は、その回生時、コンデンサの電圧がその充電許容電圧以下となるよう、インバータはその直流電圧を力行時より低く設定するようにしたので、大容量コンデンサとして適当な例えば電気二重層コンデンサ等の適用が容易になるとともに、力行時におけるインバータの耐圧特性が緩和される。
【0044】
また、請求項3に係る電力変換装置は、そのインバータの直流側に、抵抗とスイッチング素子との直列体を接続し、回生時、上記インバータの直流電圧がコンデンサの充電許容電圧を越えたとき上記スイッチング素子をオンするようにしたので、コンデンサの耐電圧保護が確実になされて信頼性が向上するとともに、回転機負荷の制動動作が確実になされて安全性が向上する。
【0045】
また、請求項4に係る電力変換装置の切換手段は、第1の接点と共通接点とを両電極とし力行時オンし回生時オフする第1のスイッチング素子、および第2の接点と上記共通接点とを両電極とし上記力行時オフし上記回生時オンする第2のスイッチング素子を備えたスイッチで構成したので、主回路の無接点化が実現し、信頼性が向上するとともに保守費用が低減する。
【0046】
また、請求項5に係る電力変換装置は、その力行時、コンバータは、このコンバータの直流電圧とコンデンサの電圧との和が一定となるよう、上記コンバータの直流電圧を制御するようにしたので、インバータの入力電圧が常に一定値となり、小型化、低コストが可能になるとともに信頼性が向上する。
【0047】
また、請求項6に係る電力変換装置は、そのインバータの直流側にコンデンサを介して接続され、力行時はオフし、回生時はオンして上記インバータからの直流電圧を上記コンデンサに供給する第3のスイッチング素子を備え、力行時はコンバータからの直流電圧と上記コンデンサの電圧とを直列にして上記インバータの直流側に供給するようにし、回生時は、上記コンバータの直流電圧を零に制御し上記インバータからの直流電圧が上記コンデンサに供給されるようにしたので、簡単な構成で主回路の無接点化が実現し、信頼性が向上するとともに保守費用が低減する。
【0048】
請求項7に係る回生用付加装置は、交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、およびこのコンバータからの直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給するインバータを備えた汎用電力変換装置に付加するものであって、大容量のコンデンサ、このコンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオード、上記コンデンサの一端に接続された共通接点と力行時に上記共通接点と接触する第1の接点と回生時に上記共通接点と接触する第2の接点とからなるスイッチ、上記第2の接点と上記コンバータとインバータとの直流側を共通に接続する一方の端子とを接続するための接続手段、上記第1の接点と上記コンバータの直流側端子の他方とを接続するため接続手段、および上記コンデンサの他端と上記インバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段を備えたので、汎用電力変換装置を有効に活用して低い投入コストで、電力回生が可能な電力変換装置が実現する。
【0049】
請求項8に係る回生用付加装置は、交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、およびこのコンバータからの直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給するインバータを備えた汎用電力変換装置に付加するものであって、大容量のコンデンサ、このコンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオード、一方の極がそれぞれ上記コンデンサの一端に接続された第1および第2のスイッチング素子、上記第2のスイッチング素子の他方の極と上記コンバータとインバータとの直流側を共通に接続する一方の端子とを接続するための接続手段、上記第1のスイッチング素子の他方の極と上記コンバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段、および上記コンデンサの他端と上記インバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段を備えたので、汎用電力変換装置を有効に活用して低い投入コストで、電力回生が可能な電力変換装置が実現するとともに、主回路の無接点化が実現し、信頼性が向上するとともに保守費用が低減する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1における電力変換装置を示す主回路構成図である。
【図2】 図1の電力変換装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図3】 この発明の実施の形態2における電力変換装置を示す主回路構成図である。
【図4】 図3の電力変換装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図5】 汎用インバータに付加する回生用付加装置13を示す構成図である。
【図6】 この発明の実施の形態3における回生用付加装置を示す構成図である。
【図7】 この発明の実施の形態4における電力変換装置を示す主回路構成図である。
【図8】 図7の電力変換装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図9】 この発明の実施の形態5おける電力変換装置を示す構成図である。
【図10】 従来の標準的な汎用インバータを示す主回路構成図である。
【図11】 図10のインバータを使って誘導電動機を速度制御する場合の接続構成図である。
【図12】 従来のDC−ACコンバータを示す主回路構成図である。
【図13】 図12のコンバータを使って電源側への回生制動を行う場合の接続構成図である。
【符号の説明】
1 交流電源、2 ブリッジ整流器、2A サイリスタコンバータ、
6 インバータ回路、7 誘導電動機、8 コンデンサ、9 ダイオード、
10 スイッチ、11 半導体スイッチ、12 抵抗器、
14,15,17 サイリスタ素子、13,16 回生用付加装置。
Claims (8)
- 交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給しその力行回生制御が可能なインバータ、上記コンバータの直流側と上記インバータの直流側との間に挿入された大容量のコンデンサ、力行時は、上記コンバータからの直流電圧と上記コンデンサの電圧とを直列にして上記インバータの直流側に供給するように、回生時は、上記インバータからの直流電圧が上記コンデンサに供給されるように、直流側の切換えを行う切換手段、および上記コンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオードを備え、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の正極端子または負極端子に接続するとともに、上記切換手段を、第1の接点、第2の接点および上記力行時は上記第1の接点と、上記回生時は上記第2の接点とそれぞれ切り換えて導通する共通接点を備えたスイッチで構成し、上記コンデンサの他端を上記共通接点に接続し、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の正極端子に接続する場合は、上記コンバータとインバータとの直流側の両負極端子を共通にして上記第2の接点に接続し、上記コンバータの直流側の正極端子を上記第1の接点に接続するようにし、
上記コンデンサの一端を上記インバータの直流側の負極端子に接続する場合は、上記コンバータとインバータとの直流側の両正極端子を共通にして上記第2の接点に接続し、上記コンバータの直流側の負極端子を上記第1の接点に接続するようにした電力変換装置。 - 回生時、コンデンサの電圧がその充電許容電圧以下となるよう、インバータはその直流電圧を力行時より低く設定するようにしたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- インバータの直流側に、抵抗とスイッチング素子との直列体を接続し、回生時、上記インバータの直流電圧がコンデンサの充電許容電圧を越えたとき上記スイッチング素子をオンするようにしたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 切換手段は、第1の接点と共通接点とを両電極とし力行時オンし回生時オフする第1のスイッチング素子、および第2の接点と上記共通接点とを両電極とし上記力行時オフし上記回生時オンする第2のスイッチング素子を備えたスイッチで構成したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電力変換装置。
- 力行時、コンバータは、このコンバータの直流電圧とコンデンサの電圧との和が一定となるよう、上記コンバータの直流電圧を制御するようにしたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電力変換装置。
- インバータの直流側にコンデンサを介して接続され、力行時はオフし、回生時はオンして上記インバータからの直流電圧を上記コンデンサに供給する第3のスイッチング素子を備え、力行時はコンバータからの直流電圧と上記コンデンサの電圧とを直列にして上記インバータの直流側に供給するようにし、回生時は、上記コンバータの直流電圧を零に制御し上記インバータからの直流電圧が上記コンデンサに供給されるようにしたことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
- 交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、およびこのコンバータからの直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給するインバータを備えた汎用電力変換装置に付加するものであって、大容量のコンデンサ、このコンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオード、上記コンデンサの一端に接続された共通接点と力行時に上記共通接点と接触する第1の接点と回生時に上記共通接点と接触する第2の接点とからなるスイッチ、上記第2の接点と上記コンバータとインバータとの直流側を共通に接続する一方の端子とを接続するための接続手段、上記第1の接点と上記コンバータの直流側端子の他方とを接続するため接続手段、および上記コンデンサの他端と上記インバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段を備えた回生用付加装置。
- 交流電源に接続され交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、およびこのコンバータからの直流電圧を所定の交流電圧に変換して回転機負荷に供給するインバータを備えた汎用電力変換装置に付加するものであって、大容量のコンデンサ、このコンデンサと並列に接続され上記コンデンサの極性反転を防止するダイオード、一方の極がそれぞれ上記コンデンサの一端に接続された第1および第2のスイッチング素子、上記第2のスイッチング素子の他方の極と上記コンバータとインバータとの直流側を共通に接続する一方の端子とを接続するための接続手段、上記第1のスイッチング素子の他方の極と上記コンバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段、および上記コンデンサの他端と上記インバータの直流側端子の他方とを接続するための接続手段を備えた回生用付加装置。
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