JP4983968B2

JP4983968B2 - Ｐｗｍサイクロコンバータ装置

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Publication number: JP4983968B2
Application number: JP2010183854A
Authority: JP
Inventors: 貴裕内野; 栄治山本
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: JP2011097822A

Description

本発明は、電源の各々の相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流出力電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭサイクロコンバータ装置に関する。

従来の昇降機システム等に適用されるＰＷＭサイクロコンバータ装置では、電源に欠相、停電、電源不平衡等の異常が発生した場合でも運転を継続するために、非常用電源に接続を切り替えて運転するものがある。

従来のＰＷＭサイクロコンバータ装置を使った昇降機システムは三相交流電源に接続され、昇降機用ドライブ装置と、モータと、昇降機マシンとから構成され、さらに非常用直流電源として蓄電池または大容量コンデンサ、あるいは非常用交流電源として単相交流電源または三相交流電源装置を有している。
また、昇降機用ドライブ装置は、電源切り替え器、電源異常検出回路、入力電源位相検出回路、非常用電源位相検出回路、固定位相情報生成回路、位相検出回路切り替え設定器、位相検出回路切り替えスイッチ、およびＰＷＭサイクロコンバータ装置とから構成され、さらにＰＷＭサイクロコンバータ装置は入力フィルタ、入力電源レベル検出回路、制御コントローラ、ゲートドライバ及び双方向スイッチモジュールとから構成されている。
以上の構成により、従来の昇降機システムに適用されるＰＷＭサイクロコンバータ装置は、三相交流電源の故障時に、主回路構成を変更すること無く、様々な種類の非常用電源から給電を受けて昇降機の非常運転を行うことが可能であった。（例えば特許文献１参照。）

特開２００１−２９４３７８号公報（第５−６頁、図１）

従来の昇降機用ドライブ装置等に適用するＰＷＭサイクロコンバータ装置では、ＰＷＭサイクロコンバータ装置は電源回生動作が可能であるため、たとえば昇降機のかごが下降中のときなどモータから大きな回生電力が発生した場合、その電力は電源に回生される。
非常用直流電源として蓄電池を用いた場合は蓄電池にその電力が直接回生されるため、蓄電池が回生電力を全て吸収することができなくなる場合がある。
また非常用直流電源として大容量コンデンサを使用した場合は、コンデンサの容量を適正に選定することで、回生電力を全て吸収することは可能であるが、コンデンサの充電回路が別に必要となる。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回生運転時に大きな回生電力が発生してもそれを吸収することができ、かつ特別な充電回路の不要な非常用直流電源を使用した、ＰＷＭサイクロコンバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面によるＰＷＭサイクロコンバータ装置は、入力側が三線式電源に接続され、出力側が三相のモータに接続され、三線式電源と三相モータを接続する九つの双方向スイッチからなる双方向スイッチモジュールと、三線式電源から入力される電圧値を検出して入力電圧値を出力する入力電源レベル検出回路と、三線式電源の位相を検出して入力電源位相を出力する入力電源位相検出回路と、非常電源切り替え信号と、制御切り替え信号と、複数の固定位相情報を生成して出力するとともに、制御切り替え信号に応じて複数の固定位相情報のいずれかひとつを選択する固定位相情報生成回路と、非常電源切り替え信号に応じて、入力電源位相と、選択された固定位相情報とを切り替えるとともに、いずれかを制御コントローラに入力する位相検出回路切替スイッチと、前記非常電源切り替え信号に応じて、ＰＷＭ方法を切り替えながら双方向スイッチモジュールのオンオフ信号を生成して出力する制御コントローラを備える。

上記一の局面によるＰＷＭサイクロコンバータ装置において、好ましくは、複数の固定位相は、第１の固定位相情報と第２の固定位相情報を有し、制御コントローラは、非常電源切り替え信号に応じて、入力電源レベル検出回路の出力である入力電圧値と入力電源位相とに基づく三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にてオンオフ信号を生成するか、入力電圧値と第１の固定位相情報または第２の固定位相情報のどちらかと、に基づく直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にてオンオフ信号を生成するかを切り替える。

上記一の局面によるＰＷＭサイクロコンバータ装置において、好ましくは、双方向スイッチモジュールの出力電流を検出する出力電流検出回路と、制御コントローラが出力する出力電圧指令と、出力電流検出回路の出力する出力電流検出値に基づき、力行回生判別信号を生成する力行回生判別回路と、を備え、制御切り替え信号は力行回生判別信号であり、固定位相情報生成回路は、力行回生判別信号が力行状態を判別したとき、三線式電源の一つの線間を表す第１の固定位相情報を選択し、力行回生判別信号が回生状態を判別したとき、三線式電源の他の一つの線間を表す第２の固定位相情報を選択する。

上記一の局面によるＰＷＭサイクロコンバータ装置において、好ましくは、三線式電源は、三相交流電源と、蓄電池の両端子を三線のうちの一つの線間に接続し、他の一つの線間には回生用コンデンサの両端子を接続した三線式直流電源と、三相交流電源と三線式直流電源とを切り替えて出力する電源切り替え器を備え、制御コントローラは、非常電源切り替え信号を電源切り替え器に出力し、非常電源切り替え信号に応じて、電源切り替え器により三相交流電源と三線式直流電源を切り替え、非常電源切り替え信号に応じて、三相交流電源の電圧を入力とする三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にてオンオフ信号を生成するか、三線式直流電源の電圧を入力とする直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にてオンオフ信号を生成するかを切り替え、第１の固定位相情報は蓄電池の両端子が接続された線間を表す位相情報であり、第２の固定位相情報は回生用コンデンサの両端子が接続された線間を表す位相情報である。

上記一の局面によるＰＷＭサイクロコンバータ装置において、好ましくは、三相交流電源の異常を検出し電源異常検出信号を出力する電源異常検出回路を備え、非常電源切り替え信号は、電源異常検出信号であり、電源異常信号が出力されないときは、電源切り替え器により三相交流電源に切り替えられ、電源異常検出信号が出力されたときは、電源切り替え器により三線式直流電源に切り替えられ、制御コントローラは、異常検出信号が出力されないときは、三相交流電源の電圧を入力とする三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にてオンオフ信号を生成し、異常検出信号が出力されないときは、三線式直流電源の電圧を入力とする直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にてオンオフ信号を生成する。

上記一の局面によるＰＷＭサイクロコンバータ装置において、好ましくは、制御コントローラは、回生用コンデンサを充電するときに、双方向スイッチモジュール内に三組ある、入力三相各相と出力の一相を接続する３個の双方向スイッチからなる双方向スイッチ組で、全ての双方向スイッチ組で蓄電池と回生用コンデンサの共通接続点に接続される入力相につながる双方向スイッチをオフし、かつ少なくとも一つの双方向スイッチ組で他の二つの入力相につながる２個の双方向スイッチを共にオンする。

本発明のＰＷＭサイクロコンバータ装置によると、非常用電源として蓄電池と、蓄電池が接続される相以外のもう一つの相にコンデンサを接続したものを使用し、またＰＷＭサイクロコンバータ装置の双方向スイッチを力行動作中は蓄電池とモータが接続されるようにオンし、回生動作中はコンデンサとモータが接続されるようにすることで、モータ回生動作中の回生電力はコンデンサが吸収し、かつコンデンサ充電回路を不要とすることが可能となる。

本発明の昇降機ドライブ装置システムブロック図本発明の非常用電源接続時のマトリクスコンバータの回路接続図回生用コンデンサ9充電動作力行運転時のマトリクスコンバータの双方向スイッチ接続回生運転時のマトリクスコンバータの双方向スイッチ接続

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態示した回路構成図である。本発明は、昇降機等回生電力を発生する負荷を駆動するドライブシステムにて非常用電源として蓄電池を使用したシステムに適用される従来のＰＷＭサイクロコンバータにて、出力電流検出回路１６及び力行回生判別回路１７を追加し、また、回生用コンデンサのマイナス端子を蓄電池のマイナス端子に接続し、プラス端子を入力三相のうち蓄電池の接続されていない余った一相に接続するようにしたものである。

図１において本発明におけるＰＷＭサイクロコンバータ装置２は、入力フィルタ６、入力電源レベル検出回路１０、電源異常検出回路１１、制御コントローラ１３、入力電源位相検出回路１４、固定位相情報生成回路１５、出力電流検出回路１６、力行回生判別回路１７、位相検出回路切り替えスイッチ１８、及び双方向スイッチモジュール７とから構成されている。またＰＷＭサイクロコンバータ装置２の入力側には、電源切り替え器５と、三相交流電源１と、回生用コンデンサ９と蓄電池８とを直列接続したものとが接続される。またＰＷサイコロコンバータ装置２の出力側には、モータ３が接続され、さらにモータ３は昇降機マシンのような回生電力を発生する負荷装置４を駆動している。

三相交流電源１は、電源切り替え器５と入力フィルタ６を介して双方向スイッチモジュール７に接続されている。双方向スイッチモジュール７は、入力フィルタ６を介して入力された三相交流電源１の三相電圧（Ｒ、Ｓ、Ｔ）と三相の出力電圧との間の全ての組合せを接続する九つの双方向スイッチにより構成されている。そして、双方向スイッチモジュール７の出力は、モータ３の各相に接続されている。ここで入力フィルタ６は、双方向スイッチモジュールのスイッチングに伴う高周波成分を減衰させ、三相交流電源１に流出することを防ぐために設けるものである。なお、双方向スイッチの例としては、逆電圧阻止型ＩＧＢＴを２個逆並列に接続したもの、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列接続体を２個備え、ＩＧＢＴのコレクタ同志あるいはエミッタ同志を接続した直列接続体、あるいはＩＧＢＴとダイオードを互いに順方向に直列接続した直列接続体２個を逆並列接続したものなどが挙げられるがこれらに限定されるものではない。

入力電源レベル検出回路１０は、入力フィルタ６に入力される三相電圧の各相の電圧値をそれぞれ検出している。入力電源位相検出回路１４は、三相交流電源１の三相電圧のうちの二相の電圧を検出し、検出した電圧値をたとえばＰＬＬに入力し、三相交流電源１の三相電圧の位相を求め入力電源位相としている。固定位相情報発生回路１５は、非常用電源である蓄電池８と回生用コンデンサ９がそれぞれ入力三相のうちどの相とどの相の間に接続されているかがあらかじめ位相として設定されている。この設定される位相については後述する。蓄電池８と回生用デンデンサ９が電源として使用される場合に、力行回生判別回路１７が出力する力行回生判別信号に従い、蓄電池８が接続されている相又は回生用コンデンサ９が接続されている相に関する情報を位相検出回路切り替えスイッチ１８に出力する。回路電源異常検出回路１１の動作の一例としては、三相交流電源１の電圧を検出し、検出電圧値を三相二相変換により二相電圧に変換し、この二相電圧から電圧の振幅をもとめ、さらに検出電圧値をＰＬＬに入力し周波数を求めている。こうして求めた電圧の振幅があらかじめ設定した電圧値より小さいときを停電、電圧の振幅の変動率があらかじめ設定した値以上であるときを欠相、また求めた周波数とあらかじめ設定した定格周波数との差があらかじめ設定した値以上であるときを電源周波数異常とすることにより、三相交流電源１の異常を検出する例があるが、その他ＰＷＭサイクロコンバータ装置の運転に支障をきたす電源異常を検出するものであれば、この例に限るものではない。こうして検出した電源異常が発生した場合に、電源異常検出回路１１は、電源異常検出信号を電源切り替え器５および位相検出回路切り替えスイッチ１８に出力する。なお、別に設けた操作器具等で非常電源を使用するかどうかを選択し、この選択結果を示す操作信号を入出力装置やＩＯ装置でＰＷＭサイクロコンバータ装置に入力して、電源異常検出信号と論理和をとったものを上記電源異常検出信号に代わって使用するなど、非常電源が必要なことを示す信号を非常電源切り替え信号として、上記電源異常検出信号に代わって使用してもよい。また上記説明においてあらかじめ設定する値は、図示しない数値設定器等で設定され、この数値設定器等を図示しない通信回線等でＰＷＭサイクロコンバータ装置２と接続する構成とすることにより、ＰＷＭサイクロコンバータ装置２で設定値を使用することが可能となる。

制御コントローラ１３は、図示しない設定器や設定用操作器具などで設定されたモータ３に対する速度などの設定値を、図示しないＩＯ装置や通信装置等を通して取り込み、これらの設定値に基づいて、公知のベクトル制御則やＶ／Ｆ制御則によりモータ３に対する電圧指令を生成している。さらに制御コントローラ１３は、電源レベル検出回路１０より入力される各相の電圧値および入力電源位相検出回路１４または固定位相情報１５から入力される位相に基づいて、ＰＷＭサイクロコンバータのＰＷＭ方法により、電圧指令からゲートドライバ１２に双方向スイッチモジュール７の各双方向スイッチを駆動するゲート信号を出力している。このゲート信号を生成する動作の詳細については後述する。ゲートドライブ１２は、制御コントローラ１３から入力されたゲート信号に基づいて双方向スイッチモジュール７の各双方向スイッチを駆動している。

電源切り替え器５は、電源異常検出信号が入力されていない場合、三相交流電源１からの三相出力（Ｒ、Ｓ、Ｔ）をそのまま入力フィルタ６を介して双方向スイッチモジュール７に出力し、電源異常検出信号が入力された場合、蓄電池８、および回生用コンデンサ９、の電圧を、異常が発生した三相交流電源の電圧から切り替えて入力フィルタ６を介して双方向スイッチモジュールに入力する。
位相検出回路切り替えスイッチ１８は、電源異常検出信号が入力されていない場合には、入力電源位相検出回路１４からの位相情報を選択して制御コントローラ１３に出力し、電源異常検出信号が入力された場合には、固定位相情報生成回路１５からの出力である固定位相情報を選択して制御コントローラ１３に出力する。

制御コントローラ１３は、入力電源レベル検出回路１０から出力される入力電圧値と、位相検出回路切り替えスイッチ１８から出力された入力電源位相とに基いて、双方向スイッチモジュール７の各双方向スイッチのゲート信号のオンオフを行っており、電源異常検出信号が入力されていない場合には、双方向スイッチモジュール７が三相交流入力三相交流出力運転を行うように双方向スイッチモジュール７のゲート信号の生成を行ない、電源異常検出信号が入力されると、入力電源レベル検出回路１０から出力される入力電圧値と、位相検出回路切り替えスイッチ１８から出力される固定位相情報と、に応じて双方向スイッチモジュール７が直流入力三相交流出力運転を行うように、双方向スイッチモジュール７のゲート信号の生成を行う。電源異常検出信号が入力されていない場合の双方向スイッチモジュール７のゲート信号の生成は、種々開示されている公知の三相交流入力三相交流出力ＰＷＭサイクロコンバータのＰＷＭ方法により行われる。

この三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法は、一例として検出した入力電源位相から、その位相のときに振幅が最大となっている線間電圧を三つの線間電圧の中から選び出し、その線間電圧を出力する双方向スイッチを選び出し、その双方向スイッチに対してオンオフ信号を決定する。そして入力電源レベル検出回路１０から出力される入力電圧値から、選び出した線間電圧の実際の値を二つの相電圧を引き算して演算し、その線間電圧の値に対するそのときの電圧指令の比に比例させてＰＷＭ制御１周期の中で、出力電圧を出力する時間比率を求めるものである。こうして選び出した双方向スイッチがＰＷＭ制御１周期の中でオンする時間（パルス幅）が、ＰＷＭ制御１周期の時間に時間比率を掛け算することにより決定される方法である。さらに別の例では、入力電流波形改善のため、ＰＷＭ制御１周期の中で振幅最大の線間電圧以外の線間電圧を出力し、二つ以上の大きさの異なる電圧をＰＷＭ制御１周期の中で時分割して出力するＰＷＭ方法や、ＰＷＭコンバータとインバータを直流回路で結合した回路を仮想的に設け、入力電源位相と電圧指令からＰＷＭコンバータとインバータのオンオフ信号を作り出し、それに対応するＰＷＭサイクロコンバータの双方向スイッチをオンオフさせるＰＷＭ方法もあるが、本発明はこのＰＷＭ方法であっても良い。

次に、電源異常検出信号が入力され非常用電源に接続された場合の本発明の動作について説明する。図２は、本発明の非常用電源が接続された場合のＰＷＭサイクロコンバータの回路構成の一例を示しており、SRU、SSU、STU、SRV、SSV、STV、SRW、SSW、STWは双方向スイッチモジュールの九つの双方向スイッチである。非常用電源に接続された場合、双方向スイッチモジュール７は、力行運転を行うときは蓄電池８から力行電力をモータ３に供給し、回生運転を行うときは回生用コンデンサ９にモータ３からの回生電力を蓄積する。

図２のように非常用電源が接続された場合は、運転を開始する前など回生用コンデンサ９は電荷が溜まっていない場合もあり、このとき回生コンデンサ９の電圧は０Ｖであり、入力電源レベル検出回路１０で検出されるＳ相、Ｔ相の電圧も０Ｖである。この場合、回生用コンデンサ９を充電する手段が必要になる。回生用コンデンサ９を充電する場合、制御コントローラ１３は双方向スイッチモジュール７の双方向スイッチを下記する七つのスイッチング状態のどれかになるように、ゲート信号をゲートドライバ１２に出力する。
（１）SRU：ON、SSU：OFF、STU：ON、SRV：OFF、SSV：OFF、STV：OFF、SRW：OFF、
SSW：OFF、STW：OFF
（２）SRU：OFF、SSU：OFF、STU：OFF、SRV：ON、SSV：OFF、STV：ON、SRW：OFF、
SSW：OFF、STW：OFF
（３）SRU：Off、SSU：OFF、STU：OFF、SRV：OFF、SSV：OFF、STV：OFF、SRW：ON、
SSW：OFF、STW：ON
（４）SRU：ON、SSU：OFF、STU：ON、SRV：ON、SSV：OFF、STV：ON、SRW：OFF、
SSW：OFF、STW：OFF
（５）SRU：OFF、SSU：OFF、STU：OFF、SRV：ON、SSV：OFF、STV：ON、SRW：ON、
SSW：OFF、STW：ON
（６）SRU：ON、SSU：OFF、STU：ON、SRV：OFF、SSV：OFF、STV：OFF、SRW：ON、
SSW：OFF、STW：ON
（７）SRU：ON、SSU：OFF、STU：ON、SRV：ON、SSV：OFF、STV：ON、SRW：ON、
SSW：OFF、STW：ON
この七つのスイッチング状態は、等価的に図３に示す回路を作り出すことになり、この回路は蓄電池とコンデンサが並列に接続され、コンデンサ９を図３に示す極性で充電する充電回路となる。図２に示す九つの双方向スイッチの接続図と比較することにより、図３のスイッチＳＲ、ＳＳ、ＳＴによる回路は、実際には入力三相の各相と出力の一相を接続する三つの双方向スイッチ組（SRU，SSU，STU）、(SRV，SSV，STV)、（SRW，SSW，STW）による三組の回路の並列接続であることがわかる。図３に示した等価回路で示した前記七つのスイッチング状態は、三つの双方向スイッチの組全てで蓄電池８とコンデンサ９の共通接続点に接続される入力相につながるスイッチを開き、かつ少なくとも一つの双方向スイッチ組で共通接続点につながる入力相以外の入力相につながる二つの双方向スイッチを共に閉じたものである。これらのスイッチング状態により、蓄電池８の電圧が回生用コンデンサ９に印加され、回生用コンデンサ９が図３に示す極性で充電される。いくつの双方向スイッチ組で双方向スイッチ２個を閉じるかは、回生用コンデンサの充電電流を双方向スイッチの電流定格を考慮して、双方向スイッチに電流定格以上の電流が流れないように決定すればよい。尚、上記（１）〜（７）のスイッチング状態で、例えば（１）の（SRV，SSV，STV）や（SRW，SSW，STW）のように、双方向スイッチ組の中で全て開となる双方向スイッチ組を含むものがある。これらの双方向スイッチ組に含まれる双方向スイッチのうち、蓄電池８とコンデンサ９の共通接続点に接続される双方向スイッチ以外の二つのスイッチは、どちらか一つが閉であっても良い。（１）の双方向スイッチ組（SRV，SSV，STV）の例では、SRV、STVのどちらか一方が閉であっても良い。これはこれらのスイッチが閉じても新たな閉回路を生じず、蓄電池の充電回路は（１）に示したスイッチング状態によるものと全く変わらないからである。

次に、回生用コンデンサ９が充電されたあとの非常用電源を使用した場合について説明する。電源異常検出信号が入力されると、位相検出回路切り替えスイッチ１８は、固定位相情報生成回路１５を制御コントローラ１３に出力する。固定位相情報の一例としては蓄電池８および回生用コンデンサ９が入力三相のどの相に接続されているかの情報を位相に置き換えて表したものがある。蓄電池８および回生用コンデンサ９は電源切り替え器５により、三相交流電源１のＲ相、Ｓ相、Ｔ相のうちどれかの相の間に接続される。固定位相情報の一例としては、Ｒ相とＳ相の間を表すのに、Ｒ相の相電圧が正または負の最大値となるとき入力電源位相検出回路１４から出力される位相とする。同じようにＳ相とＴ相の間を表すのに、Ｓ相の相電圧が正または負の最大値となるとき入力電圧位相検出回路１４から出力される位相とし、Ｔ相とＲ相の間を表すのに、Ｔ相の相電圧が正または負の最大値となるとき入力電圧検出回路から出力される位相とする。図２の場合、蓄電池８のプラス端子はＲ相、マイナス端子はＳ相に接続されるので、蓄電池８についての固定位相情報は、Ｒ相の相電圧が正の最大値の場合に入力電圧位相検出回路１４から出力される位相とする。また回生用コンデンサ９のマイナス端子はＳ相に接続されており、プラス端子はＴ相に接続されているので、回生用コンデンサ９についての位相情報は、Ｓ相の相電圧が負の最大値の場合に入力位相検出回路１４から出力される位相とする。このように固定位相情報は、上記した入力三相のうちＲ相とＳ相、Ｓ相とＴ相、Ｔ相とＲ相の三組の組み合わせと、各々が正の最大か負の最大かを示す合計６個の状態を識別する符号化信号であっても良い。

力行と回生の判断は、出力電流検出回路１６にてＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出した出力電流検出値と、制御コントローラ１３で元々演算されている出力電圧指令を力行回生判別回路１７に入力することにより、力行回生判別回路１７が行う。力行回生判別回路１７は、判別結果により制御コントローラ１３および固定位相情報生成回路１５に、力行回生判別信号を出力する。
力行回生判別回路１７は出力相電圧指令と出力電流検出値とから出力電圧と出力電流の位相差を求める。位相差φを求めるために、力行回生判別回路１７は三相の出力相電圧指令と三相の出力電流検出値の各々を一般に広く知られた三相→二相(ｄ-ｑ軸)変換によりｄ−ｑ座標上のベクトル量に変換するベクトル変換回路を備え、このベクトル変換回路は、出力相電圧指令から変換された出力電圧ベクトルと出力電流検出値から変換された出力電流ベクトルを出力する。位相差φはこれら二つのベクトルの成す角となるので、力行回生判別回路１７はこの二つのベクトルの成す角を演算する位相差演算回路を備えている。具体的な一例として、出力電圧や出力電流の位相角θを以下で定義する。ここでＸは電圧、電流等のベクトルを表し、出力電圧ベクトルや出力電流ベクトルのどちらでも一般に成り立ち、どちらであって良い。またＸ_ｄはベクトルＸのｄ軸成分、Ｘ_ｑはベクトルＸのｑ軸成分を表す。
Ｘ_ｄ≧０、Ｘ_ｑ≧０のとき
θ＝ｓｉｎ^−１（Ｘ_ｄ／√（Ｘ_ｄ ^２＋Ｘ_ｑ ^２））
Ｘ_ｄ≧０、Ｘ_ｑ＜０またはＸ_ｄ＜０、Ｘ_ｑ＜０のとき
θ＝π―ｓｉｎ^−１（Ｘ_ｄ／√（Ｘ_ｄ ^２＋Ｘ_ｑ ^２））
Ｘｄ＜０、Ｘｑ≧０のとき
θ＝２π＋ｓｉｎ^−１（Ｘ_ｄ／√（Ｘ_ｄ ^２＋Ｘ_ｑ ^２））

以上の位相角θはベクトルＸとｄ軸との成す角となり、この位相角θを出力電流、出力電圧それぞれについて求めたものをそれぞれθｉ_ｏｕｔ、θｖ_ｏｕｔとすれば、出力電圧と出力電流の位相差φは式（１）で求めることができる。
φ＝θｖ_ｏｕｔ−θｉ_ｏｕｔ・・・（１）
位相差演算回路は式（１）により出力電圧と出力電流の位相差φを演算する。力行回生判別回路１７は位相差判定部を備えており、位相差判定部は以下の判定方法でＰＷＭサイクロコンバータが力行運転中であるか回生運転中であるかを判定する。
−２π≦φ≦（−３／２)π、−π／２≦φ≦π／２、（３／２）π≦φ≦２πのとき
力行運転
（−３／２）π＜φ＜−π／２、π／２＜φ＜（３／２）πのとき
回生運転

なお、別に設けた操作器具等で非常電源として蓄電池８を使用するか回生用コンデンサ９を使用するかどうかを選択し、この選択結果を示す操作信号を入出力装置やＩＯ装置でＰＷＭサイクロコンバータ装置に入力して、力行回生判別信号と論理和をとったものを上記力行回生判別信号に代わって使用するなど、蓄電池８と回生用コンデンサ９のどちらを使用するかの選択信号を制御切り替え信号として、上記力行回生判別信号に代わって使用してもよい。

図４は、力行回生判別信号により力行運転であると判定されたときに、制御コントローラ１３が出力するゲートドライブ信号によりオンオフする双方向スイッチモジュール７の双方向スイッチの接続図を示す。図において実線で示した双方向スイッチがオンオフし、点線で示したスイッチは常にオフとなる。SRUは蓄電池８のプラス側とモータ３のＵ相を接続するための双方向スイッチであり、SRV、SRWも同じく各々モータ３のＶ相、Ｗ相を接続するための双方向スイッチとなる。SSUは蓄電池８のマイナス側とモータ３のＵ相を接続するための双方向スイッチであり、SSV、SSWも同じく各々モータ３のＶ相、Ｗ相を接続するための双方向スイッチである。これら六つの双方向スイッチのみが制御コントローラ１３が出力するゲートドライブ信号によりオンオフすることによりモータ３は蓄電池８のみに接続され、かつ蓄電池８の電圧に基づいてモータ３に出力する電圧のＰＷＭ制御が行なわれる。以上のゲートドライブ信号の動作は、前述した電源異常検出信号が入力されない場合の三相交流入力三相交流出力ＰＷＭサイクロコンバータのＰＷＭ方法のうち、振幅が最大となっている線間電圧を選び出し出力するＰＷＭ方法において、入力電圧の位相が、Ｒ相−Ｓ相間の線間電圧が最大でありかつＲ相の相電圧が正の値となる位相であるときのゲートドライブ信号の動作に等しい。固定位相情報生成回路１５は、力行回生判別信号により力行と判断されたときは、前述の蓄電池８についての固定位相情報として、Ｒ相−Ｓ相間の線間電圧が最大でありかつＲ相の相電圧が正の値となる位相（第１の固定位相情報の例）を位相検出回路切り替えスイッチ１８に出力する。従って制御コントローラ１３は、ＰＷＭ方法を、振幅が最大となっている線間電圧を選び出し出力するＰＷＭ方法（直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法の例）に切り替え、固定位相情報生成回路１５から位相検出回路切り替えスイッチ１８を介して入力される固定位相情報と、入力電源レベル検出回路１０から出力される入力電圧値から引き算により演算した蓄電池８の電圧値とに基づき、双方向スイッチのオンオフ信号を生成する。

図５は、力行回生判別信号により回生運転であると判定されたときに、制御コントローラ１３が出力するゲートドライブ信号によりオンオフする双方向スイッチモジュール７の双方向スイッチの接続図を示す。図４と同様実線で示した双方向スイッチがオンオフし、点線で示したスイッチは常にオフとなる。SRTは回生用コンデンサ９のプラス側とモータ３のＵ相を接続するための双方向スイッチであり、STV、STWも同じく各々モータ３のＶ相、Ｗ相を接続するための双方向スイッチとなる。SSUは回生用コンデンサ９のマイナス側とモータ３のＵ相を接続するための双方向スイッチであり、SSV、SSWも同じく各々モータ３のＶ相、Ｗ相を接続するための双方向スイッチである。これら六つの双方向スイッチのみが制御コントローラ１３が出力するゲートドライブ信号によりオンオフすることによりモータ３は回生用コンデンサ９に接続され、かつ回生用コンデンサ９の電圧に基づいてモータ３に出力する電圧のＰＷＭ制御が行なわれる。以上のゲートドライブ信号の動作は、前述した電源異常検出信号が入力されない場合の三相交流入力三相交流出力ＰＷＭサイクロコンバータのＰＷＭ方法のうち、振幅が最大となっている線間電圧を選び出し出力するＰＷＭ方法において、入力電圧の位相が、Ｓ相−Ｔ相間の線間電圧が最大でありかつＳ相の相電圧が負の値となる位相であるときのゲートドライブ信号の動作に等しい。固定位相情報生成回路１５は、力行回生判別信号により回生と判断されたときは、前述の回生用コンデンサ９についての固定位相情報としてＳ相の相電圧が負の値となる位相（第２の固定位相情報の例）を位相検出回路切り替えスイッチ１８に出力する。従って制御コントローラ１３は、前述の力行と判断されたときと同様、振幅が最大となっている線間電圧を選び出し出力するＰＷＭ方法により、固定位相情報生成回路１５から位相検出回路切り替えスイッチ１８を介して入力される固定位相情報と、入力電源レベル検出回路１０の出力である入力電圧値から出力される入力電圧値から引き算により演算した回生用コンデンサ９の電圧値とに基づき、双方向スイッチのオンオフ信号を生成する。

なお、直流入力三相出力のＰＷＭ方法は、位相情報を介さず直接直流電圧の入力される線間を指定すれば、その線間に対応する二相と出力三相を接続する双方向スイッチを選び出して、入力電源レベル検出回路１０から演算される直流電圧値に対する電圧指令の比に基づき、出力電圧を出力する時間比率を求めるものであっても良い。この場合、固定位相情報生成回路１５が生成する固定位相情報は、入力三相のうちＲ相とＳ相、Ｓ相とＴ相、Ｔ相とＲ相の三組の組み合わせと、各々が正の最大か負の最大かを示す合計６個の状態を識別する符号化信号であれば良い。

以上の構成により、本発明のＰＷＭサイクロコンバータ装置は、電源異常が発生していないときは、三相入力三相出力運転を行い、電源異常が発生しているとき、力行時は蓄電池８のみを使用し、回生時は回生コンデンサ９のみを使用して回生電力を吸収しつつ、直流入力三相交流出力運転を行うことができ、さらに回生用コンデンサ９に電荷が溜まっていないときは、蓄電池８から回生コンデンサ９を充電することも可能である。

１３相交流電源
２昇降機用ドライブ装置
３モータ
４負荷装置
５電源切り替え器
６入力フィルタ
７双方向スイッチモジュール
８蓄電池
９回生用コンデンサ
１０入力電源レベル検出回路
１１電源異常検出回路
１２ゲートドライバ
１３制御コントローラ
１４入力電源位相検出回路
１５固定位相情報生成回路
１６出力電流検出回路
１７力行回生判別回路
１８位相検出回路切り替えスイッチ
１９非常用電源位相検出回路
２０位相検出回路切り替え設定器
２１非常用三相交流電源
２２非常用単相交流電源
２３大容量コンデンサ
２４入力フィルタリアクトル
２５入力フィルタコンデンサ

Claims

入力側が三線式電源に接続され、出力側が三相モータに接続され、
前記三線式電源と前記三相モータを接続する九つの双方向スイッチからなる双方向スイッチモジュールと、
前記三線式電源から入力される電圧値を検出して入力電圧値を出力する入力電源レベル検出回路と、
前記三線式電源の位相を検出して入力電源位相を出力する入力電源位相検出回路と、
非常電源切り替え信号と、
制御切り替え信号と、
複数の固定位相情報を生成して出力するとともに、前記制御切り替え信号に応じて前記複数の固定位相情報のいずれか一つを選択する固定位相情報生成回路と、
前記非常電源切り替え信号に応じて、前記入力電源位相と、選択された前記固定位相情報とを切り替えるとともに、いずれかを前記制御コントローラに入力する位相検出回路切替スイッチと、
前記非常電源切り替え信号に応じて、ＰＷＭ方法を切り替えながら前記双方向スイッチモジュールのオンオフ信号を生成して出力する制御コントローラと、を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置。
前記複数の固定位相は、第１の固定位相情報と第２の固定位相情報を有し、
前記制御コントローラは、前記非常電源切り替え信号に応じて、前記入力電源レベル検出回路の出力である入力電圧値と前記入力電源位相とに基づく三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にて前記オンオフ信号を生成するか、前記入力電圧値と前記第１の固定位相情報または前記第２の固定位相情報のどちらかと、に基づく直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にて前記オンオフ信号を生成するかを切り替える、ことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
前記双方向スイッチモジュールの出力電流を検出する出力電流検出回路と、
前記制御コントローラが出力する出力電圧指令と、前記出力電流検出回路の出力する出力電流検出値に基づき、力行回生判別信号を生成する力行回生判別回路と、を備え、
前記制御切り替え信号は前記力行回生判別信号であり、前記固定位相情報生成回路は、前記力行回生判別信号が力行状態を判別したとき、前記三線式電源の前記一つの線間を表す前記第１の固定位相情報を選択し、前記力行回生判別信号が回生状態を判別したとき、前記三線式電源の他の一つの線間を表す前記第２の固定位相情報を選択することを特徴とする請求項２に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
前記三線式電源は、三相交流電源と、蓄電池の両端子を三線のうちの前記一つの線間に接続し、前記他の一つの線間には回生用コンデンサの両端子を接続した三線式直流電源と、前記三相交流電源と前記三線式直流電源とを切り替えて出力する電源切り替え器を備え、
前記制御コントローラは、前記非常電源切り替え信号を前記電源切り替え器に出力し、前記非常電源切り替え信号に応じて、前記電源切り替え器により前記三相交流電源と前記三線式直流電源を切り替え、前記非常電源切り替え信号に応じて、前記三相交流電源の電圧を入力とする前記三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にて前記オンオフ信号を生成するか、前記三線式直流電源の電圧を入力とする前記直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にて前記オンオフ信号を生成するかを切り替え、前記第１の固定位相情報は前記蓄電池の両端子が接続された線間を表す位相情報であり、前記第２の固定位相情報は前記回生用コンデンサの両端子が接続された線間を表す位相情報であることを特徴とする請求項２又は３に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
前記三相交流電源の異常を検出し電源異常検出信号を出力する電源異常検出回路を備え、
前記非常電源切り替え信号は、前記電源異常検出信号であり、前記電源異常信号が出力されないときは、前記電源切り替え器により前記三相交流電源に切り替えられ、前記電源異常検出信号が出力されたときは、前記電源切り替え器により前記三線式直流電源に切り替えられ、前記制御コントローラは、前記異常検出信号が出力されないときは、前記三相交流電源の電圧を入力とする前記三相交流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にて前記オンオフ信号を生成し、前記異常検出信号が出力されないときは、前記三線式直流電源の電圧を入力とする前記直流入力三相交流出力のＰＷＭ方法にて前記オンオフ信号を生成することを特徴とする請求項４に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
前記制御コントローラは、前記回生用コンデンサを充電するときに、前記双方向スイッチモジュール内に三組ある、入力三相各相と出力の一相を接続する３個の双方向スイッチからなる双方向スイッチ組で、全ての双方向スイッチ組で前記蓄電池と前記回生用コンデンサの共通接続点に接続される入力相につながる双方向スイッチをオフし、かつ少なくとも一つの双方向スイッチ組で他の二つの入力相につながる２個の双方向スイッチを共にオンすることを特徴とする請求項４記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。