特許 5793875 二象限チョッパの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5793875

(24)【登録日】2015年8月21日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】二象限チョッパの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20150928BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 H

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-17706(P2011-17706)

(22)【出願日】2011年1月31日

(65)【公開番号】特開2012-161131(P2012-161131A)

(43)【公開日】2012年8月23日

【審査請求日】2013年12月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100096459

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 剛

(72)【発明者】

【氏名】粂田 典宏

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２９２１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８８１０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００− ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流源と電力用キャパシタ（コンデンサ）との間の充放電を制御し、該直流源またはキャパシタの電圧を目標値に自動制御する充放電電圧制御系と、この電圧制御系から得る充放電電流指令に従って該キャパシタの充放電電流を自動制御する充放電電流制御系を備えた二象限チョッパの制御装置において、
前記充放電電流制御系に、キャパシタまたは直流源の充放電終期に近くなるほどキャパシタの充放電電流を低い値に制限する電圧降下分抑制用電流リミッタＬＭＩic，ＬＭＩidを設け、
前記充放電電流制御系の電圧制御器ＡＶＲc，ＡＶＲdにより直流部の電圧指令値ＶＩrefc，ＶＩrefd（降圧と昇圧で異なる値）と直流部の検出電圧ＶＩdetの各差分に基づいてＰＩ演算された演算結果を、装置電流制限用リミッタＬＭＩc，ＬＭＩdを介して前記電圧降下分抑制用電流リミッタＬＭＩic，ＬＭＩidに入力し、
前記電圧降下分抑制用電流リミッタは、リミット値制御回路ＶＳＴc，ＶＳＴdにより次式の演算、
放電時Ｒ２換算電流リミット値＝（Ｖ２det−Ｖ２dstop）／Ｒ２
充電時Ｒ２換算電流リミット値＝（Ｖ２cstop−Ｖ２det）／Ｒ２
ただし、Ｒ２はキャパシタの内部抵抗、Ｖ２dstopは放電停止電圧、Ｖ２cstopは充電停止電圧、Ｖ２detはキャパシタ電圧、
により算出された電流リミット値に従って電流リミット値を制御する制御回路を備えたことを特徴とする二象限チョッパの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流源と電力用キャパシタ（コンデンサ）との間の充放電を制御する二象限チョッパの制御装置に係り、特に電力用キャパシタの充放電電圧制御に関する。

【背景技術】

【0002】

二象限チョッパは、例えば、電動機を可変速駆動するインバータの直流部と電力用キャパシタとの間の充放電制御手段として使用される。また、直流電気鉄道の変電所の直流電源に二象限チョッパを通して並列接続される電力貯蔵装置の電気二重層キャパシタの充放電制御手段として使用される。

【0003】

図３は、インバータ装置の直流部と回生電力吸収用キャパシタ（コンデンサ）との間に二象限チョッパを設けた電動機の可変速制御装置である。インバータ装置は、順変換器（整流器）１と平滑用コンデンサ２とインバータ（逆変換器）３で主回路を構成し、負荷となる誘導機Ｍを可変速駆動する。二象限チョッパ装置は、二象限チョッパ本体４と直流リアクトル５で主回路を構成し、誘導機Ｍからの回生電流でインバータ直流部の平滑コンデンサ２の充電電圧が一定値を越えたときに降圧チョッパ動作し、直流部から回生電力吸収用キャパシタ６に充電電流を流すことで直流部の電圧上昇を抑制する。また、二象限チョッパ装置は、キャパシタ６が一定電圧以上に充電された場合、電動機Ｍからの回生電流がないときに昇圧チョッパ動作し、キャパシタ６からインバータ直流部に放電電流を流すことでキャパシタ６の電圧を一定値まで下げておき、次回の回生エネルギー吸収に備える。

【0004】

図４は、二象限チョッパの制御装置を示す。この制御装置は、インバータ直流部の電圧を目標値に降圧または昇圧自動制御する電圧制御系と、この電圧制御系から得る電流指令に充放電電流を自動制御する電流制御系を備える。電圧制御系は、直流部の電圧指令値Ｖ１ｒｅｆｃ、Ｖ１ｒｅｆｄ（降圧と昇圧で異なる値）と直流部の検出電圧Ｖ１ｄｅｔをＰＩ演算する電圧制御器ＡＶＲｃ、ＡＶＲｄを設け、この演算結果を装置電流制限用（過電流保護用や定電流制御用）のリミッタＬＩＭｃ、ＬＩＭｄでリミッタ処理して電流制御系の充放電電流指令値ＩＬｒｅｆｃ、ＩＬｒｅｆｄとする。電流制御器ＡＣＲｃ、ＡＣＲｄは、電流指令値ＩＬｒｅｆｃ、ＩＬｒｅｆｄと充放電電流検出値（平均値）ＩＬｄｅｔをＰＩ演算し、これらの演算結果を導通率指令とするパルス幅変調器ＰＷＭｃ、ＰＷＭｄに従って二象限チョッパ本体４の充電用スイッチＳＷｃと放電用スイッチＳＷｄのゲート信号Ｇｃ、Ｇｄを得る。

【0005】

このような制御系による直流部の電圧Ｖ１制御は、図４中に直流部の電圧Ｖ１の制御波形と共に示す。インバータで電動機を駆動してその直流部電圧Ｖ１が放電開始電圧Ｖ１ｄｓｔａｒｔにまで低下したとき、二象限チョッパは昇圧制御によってキャパシタ６からインバータ直流部への放電を開始し、直流部の電圧Ｖ１を電圧指令値Ｖ１ｒｅｆｄに自動電圧制御（ＡＶＲ）をする。この電圧制御中に、電動機Ｍからの回生電力でインバータの直流部電圧Ｖ１が放電停止電圧Ｖ１ｄｓｔｏｐを超えたときに、二象限チョッパは昇圧制御を停止する。この停止にも、インバータの直流部電圧Ｖ１が回生電力によって上昇し、充電開始電圧Ｖ１ｃｓｔｏｐを超えたときに、二象限チョッパは降圧制御を開始し、インバータ直流部からキャパシタ６への充電を開始し、直流部の電圧Ｖ１を電圧指令値Ｖ１ｒｅｆｃに自動電圧制御（ＡＶＲ）をする。この電圧制御で、インバータ直流部電圧Ｖ１が充電停止電圧Ｖ１ｃｓｔｏｐまで低下したときに、二象限チョッパは降圧制御を停止する。

【0006】

なお、図４では充放電電圧制御は、直流部の電圧Ｖ１を制御する場合を示すが、キャパシタの電圧Ｖ２を所定電圧まで充電または放電する場合は、電圧制御系での電圧指令値Ｖ１ｒｅｆｃ、Ｖ１ｒｅｆｄに代えてキャパシタの電圧Ｖ２の指令値とし、検出値はキャパシタの検出電圧Ｖ２ｄｅｔを使用する。

【0007】

また、リミッタ処理は、図５中に示すように、装置電流制限用リミッタＬＩＭｃ、ＬＩＭｄのほか、充電時定電力リミッタＬＩＭｐを切替スイッチＳＷで切り替え処理可能とする場合もある。

【0008】

図４で説明するように、二象限チョッパの制御は、インバータ直流部の電圧Ｖ１（またはキャパシタの電圧Ｖ２）の指令値とその検出値で自動電圧制御（ＡＶＲ）する。ここで、キャパシタ６には、図３に等価的に示すように、キャパシタンスＣ２には内部抵抗Ｒ２が直列に介在し、図６にキャパシタの充放電電圧波形を示すように、充電・放電時にキャパシタ６の電圧Ｖ２にステップ的な電圧上昇・電圧低下が生じる。

【0009】

図６において、二象限チョッパ本体４が充放電制御を停止している待機状態からキャパシタ６の充電を開始したとき（時刻ｔ１）、この充電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけキャパシタ６の電圧Ｖ２が見かけ上高くなり、この電圧が上昇したままキャパシタ６が充電される。その後、インバータ直流部電圧Ｖ１が目標電圧Ｖ１ｒｅｆｃに達して充電を停止したとき（時刻ｔ２）、このときのキャパシタ６の電圧Ｖ２がそれまでの充電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけステップ的に低下する。その後、キャパシタ６からインバータ直流部への放電制御が開始されたとき（時刻ｔ３）、この放電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけキャパシタ６の電圧Ｖ２が再度低下して放電される。その後、インバータ直流部電圧Ｖ１が目標電圧Ｖ１ｄｒｅｆに達して放電を停止したとき（時刻ｔ４）、それまでの放電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけキャパシタ６の電圧Ｖ２がステップ的に上昇する。

【0010】

以上のように、電力用キャパシタや電気二重層コンデンサには内部抵抗（Ｒ２）が内在するため、その充放電電流が大きい場合には充放電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけキャパシタの充放電電圧が低下する。図６では、充電時の場合は内部抵抗分の電圧上昇が起こることにより、充電停止電圧Ｖ２レベルで充電停止すると、内部抵抗分の電圧上昇がなくなり電圧が低下してしまい、キャパシタの充電電圧制御を行う場合には目標電圧まで充電できない。また、放電時の場合は内部抵抗分の電圧降下が起こることにより、放電停止電圧Ｖ２レベルで放電停止すると、内部抵抗分の電圧降下を起こしてしまい、利用できる電力エネルギーを存分に使いきれない。

【0011】

上記のＩＲドロップ分によるキャパシタの蓄積エネルギーの過不足の課題を解消しようとする方式として、電力貯蔵装置の充放電指令値とキャパシタの内部抵抗を乗算して内部抵抗による電圧降下（ＩＲドロップ）分を算出し、この電圧降下分と放電終止電圧を加算してキャパシタの新たな放電終止電圧設定値とするものがある（例えば、特許文献１参照）。

【0012】

他の方式として、電気二重層キャパシタの充電に際し、内部抵抗による電圧ドロップ分だけ上限充電電圧Ｖｍに加算した値までキャパシタを定電力充電し、この値に達した後は定電圧を印加してキャパシタの充電を停止するものがある（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特開２００９−２９２１８７号公報

【特許文献2】特開２００８−１９３７９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

特許文献１（または特許文献２）の制御方式は、キャパシタの内部抵抗Ｒ２によるＩＲドロップ分の補償を、ＩＲドロップ分をキャパシタまたは直流部の電圧指令に加算した値で充電電圧を自動制御（ＡＶＲ）する。

【0015】

この制御方式では、放電時（または充電時）に対してのみＩＲドロップ分を補償制御するため、逆の充電時（または放電時）にはＩＲドロップ分の補償制御ができない。このため、キャパシタの充放電エネルギーからみればそれを存分に使いきれない。

【0016】

また、特許文献１（または特許文献２）の制御方式は、充電電流または放電電流が大きいまま充放電制御するため、充放電終期にも内部抵抗Ｒ２によるエネルギー損失（Ｉ²Ｒ）が大きくなる。このため、充放電電力の利用効率が低下し、さらにはキャパシタの過熱とその冷却が問題となる。

【0017】

また、特許文献１（または特許文献２）の制御方式は、キャパシタの内部抵抗Ｒ２を固定値としてＩＲドロップ分を設定しており、内部抵抗Ｒ２が経年変化で増大した場合には、キャパシタや直流部の充放電電圧の精度低下が問題となる。

【0018】

本発明の目的は、キャパシタの充放電にＩＲドロップ分を補償でき、充放電電力の利用効率の向上および内部抵抗の変化にも充放電電圧精度を確保できる二象限チョッパの制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明は、前記の課題を解決するため、二象限チョッパの電流制御系に、キャパシタまたは直流源の充放電終期に近くなるほどキャパシタの充放電電流を低い値に制限する電流リミッタを備えたもので、以下の構成を特徴とする。

【0020】

直流源と電力用キャパシタ（コンデンサ）との間の充放電を制御し、該直流源またはキャパシタの電圧を目標値に自動制御する充放電電圧制御系と、この電圧制御系から得る充放電電流指令に従って該キャパシタの充放電電流を自動制御する充放電電流制御系を備えた二象限チョッパの制御装置において、
前記充放電電流制御系に、キャパシタまたは直流源の充放電終期に近くなるほどキャパシタの充放電電流を低い値に制限する電圧降下分抑制用電流リミッタＬＭＩic，ＬＭＩidを設け、
前記充放電電流制御系の電圧制御器ＡＶＲc，ＡＶＲdにより直流部の電圧指令値ＶＩrefc，ＶＩrefd（降圧と昇圧で異なる値）と直流部の検出電圧ＶＩdetの各差分に基づいてＰＩ演算された演算結果を、装置電流制限用リミッタＬＭＩc，ＬＭＩdを介して前記電圧降下分抑制用電流リミッタＬＭＩic，ＬＭＩidに入力し、
前記電圧降下分抑制用電流リミッタは、リミット値制御回路ＶＳＴc，ＶＳＴdにより次式の演算、
放電時Ｒ２換算電流リミット値＝（Ｖ２det−Ｖ２dstop）／Ｒ２
充電時Ｒ２換算電流リミット値＝（Ｖ２cstop−Ｖ２det）／Ｒ２
ただし、Ｒ２はキャパシタの内部抵抗、Ｖ２dstopは放電停止電圧、Ｖ２cstopは充電停止電圧、Ｖ２detはキャパシタ電圧、
により算出された電流リミット値に従って電流リミット値を制御する制御回路を備えたことを特徴とする

【発明の効果】

【0022】

以上のとおり、本発明によれば、二象限チョッパの電流制御系に、充放電終期に近くなるほどキャパシタの充放電電流を低い値に制限する電流リミッタを備えたため、キャパシタの充放電にＩＲドロップ分を補償でき、充放電電力の利用効率の向上および内部抵抗の変化にも充放電電圧精度を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施形態を示す二象限チョッパの制御装置の回路。

【図2】実施形態におけるキャパシタの充放電電圧波形。

【図3】電動機の可変速制御装置の構成図。

【図4】二象限チョッパの制御装置の回路図。

【図5】制御装置の電流リミッタ回路図。

【図6】キャパシタの充放電電圧波形例。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、本発明の実施形態を示す二象限チョッパの制御装置の回路図である。同図が図４と異なる部分は、二象限チョッパの充放電電流制御系に、キャパシタ６または直流部２の充放電終期に近くなるほどキャパシタの充放電電流を低い値に制限する電圧降下分抑制用電流リミッタを備え、キャパシタ６の内部抵抗Ｒ２による電圧降下分ＩＲを補償する点にある。

【0025】

図１において、電圧降下分抑制用電流リミッタは、装置電流制限用リミッタＬＩＭｃ、ＬＩＭｄの後段に配置される電圧降下分抑制用リミッタＬＩＭｉｃ、ＬＩＭｉｄと、これらのリミット値を自動制御するリミット値制御回路ＶＳＴｃ、ＶＳＴｄで構成される。リミット値制御回路ＶＳＴｃ、ＶＳＴｄは、キャパシタ６の充放電停止電圧Ｖ２ｃｓｔｏｐ、Ｖ２ｄｓｔｏｐとキャパシタ電圧検出値Ｖ２ｄｅｔおよび予め設定される内部抵抗Ｒ２から、下記の式で示す演算によって充放電時Ｒ２換算ＩＬリミット値を求め、リミッタＬＩＭｉｃ、ＬＩＭｉｄのリミット値を制御する。このリミット値は、キャパシタ６または直流部２の充放電終期に近くなるほどキャパシタ６の充放電電流Ｉを低い値に制限する。

【0026】

放電時Ｒ２換算電流リミット値＝（Ｖ２ｄｅｔ−Ｖ２ｄｓｔｏｐ）／Ｒ２
充電時Ｒ２換算電流リミット値＝（Ｖ２ｃｓｔｏｐ−Ｖ２ｄｅｔ）／Ｒ２
ただし、Ｒ２はキャパシタの内部抵抗、Ｖ２ｄｓｔｏｐは放電停止電圧、Ｖ２ｃｓｔｏｐは充電停止電圧、Ｖ２ｄｅｔはキャパシタ電圧である。

【0027】

図１に示す二象限チョッパの制御装置によれば、キャパシタの充電制御または放電制御に際し、充電電流または放電電流が上記の式で示すＲ２換算ＩＬリミット値で制限され、充放電終期に近くなるほどキャパシタ６の充放電電流Ｉを低い値に制限することで、充放電停止時のステップ的な電圧変化を抑制する。

【0028】

図２は本実施形態によるキャパシタの充放電電圧波形を示す。二象限チョッパ本体４が充放電制御を停止している待機状態からキャパシタ６の充電を開始したとき（時刻ｔ１）、この充電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけキャパシタ６の電圧Ｖ２が見かけ上高くなり、この電圧上昇を含めたままキャパシタ６が充電される。この充電中は、上記のキャパシタ６の内部抵抗Ｒ２による電圧降下分で制限するＲ２換算電流リミット値に制限される。

【0029】

その後、インバータ直流部電圧Ｖ１が目標電圧Ｖ１ｒｅｆｃに達して充電を停止するとき（時刻ｔ２）、このときの充電電流は充電終期のため、Ｒ２換算電流リミット値を決定する（充電停止電圧Ｖ２ｃｓｔｏｐ−Ｖ２ｄｅｔ）が零に近くなっており、充分に低い電流に制限される。これにより、図６のように、キャパシタ６の電圧Ｖ２が充電電流Ｉと内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分でステップ的に低下することはない。

【0030】

その後、キャパシタ６からインバータ直流部への放電制御が開始されたとき（時刻ｔ３）、この放電電流と内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分だけキャパシタ６の電圧Ｖ２が低下して放電が開始される。このときの放電電流は上記のＲ２換算電流リミット値が比較的高い状態で制限される。

【0031】

その後、インバータ直流部電圧Ｖ１が目標電圧Ｖ１ｄｒｅｆに達して放電を停止したとき（時刻ｔ４）、このときの放電電流は放電終期のためＲ２換算電流リミット値が充分に低い値に制限されており、キャパシタ６の電圧Ｖ２が充電電流Ｉと内部抵抗Ｒ２との積による電圧降下（ＩＲドロップ）分でステップ的に上昇することはない。

【0032】

以上のように、本実施形態によれば、キャパシタの充放電制御は、キャパシタまたは直流源の充放電終期に近くなるほどキャパシタの充放電電流Ｉを低い値に制限する電流リミッタ制御になり、充放電終期には充分に低い値に電流制限され、充放電終期にキャパシタ電圧がステップ的に変化するのを抑制できる。

【0033】

したがって、キャパシタの充放電の両方に亘ってＩＲドロップ分を補償制御することができ、キャパシタの蓄積エネルギーの過不足の課題を解消できる。また、キャパシタの充放電電流Ｉは内部抵抗Ｒ２による電圧降下分を抑制でき、キャパシタの内部抵抗Ｒ２によるエネルギー損失（Ｉ²Ｒ）を低く抑えて充放電電力の利用効率を高め、さらにはキャパシタのエネルギー損失（Ｉ²Ｒ）による過熱とその冷却の課題は解消される。また、キャパシタの内部抵抗Ｒ２が経年変化で増大した場合にも、内部抵抗Ｒ２の値がキャパシタや直流源の充放電電圧制御系に直接に影響を及ぼすことがなく、充放電電圧精度が低下することはない。

【0034】

なお、本実施形態では、図３に示す直流部の電圧Ｖ１を自動制御する場合を示すが、この直流部を直流源として、二象限チョッパ（図３の象限チョッパ本体４と直流リアクトル５）によってキャパシタ６を目標電圧まで充放電自動制御する装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。この場合、充放電電圧指令Ｖ１ｒｅｆｃ、Ｖ１ｒｅｆｄはキャパシタＣ２の充放電電圧Ｖ２ｒｅｆｃ、Ｖ２ｒｅｆｄに変更され、充放電電圧検出値Ｖ１ｄｅｔはキャパシタ６の電圧検出値Ｖ２ｄｅｔに変更される。

【0035】

また、実施形態では、電力リミッタ処理を設けない制御装置に適用した場合を示すが、図５に示す電流リミッタ回路を適用して電力リミッタ機能を設けた充放電制御ができる。

【符号の説明】

【0036】

１ 順変換器（整流器）
２ 平滑用コンデンサ
３ 平滑用コンデンサ
４ 二象限チョッパ本体
５ 直流リアクトル
６ 回生電力吸収用キャパシタ
ＡＶＲｃ、ＡＶＲｄ 電圧制御器
ＬＩＭｃ、ＬＩＭｄ 装置電流制限用電流リミッタ
ＡＣＲｃ、ＡＣＲｄ 電流制御器
ＰＷＭｃ、ＰＷＭｄ パルス幅変調器
ＳＷｃ 充電用スイッチ
ＳＷｄ 放電用スイッチ
ＬＩＭｉｃ、ＬＩＭｉｄ 電圧降下分抑制用電流リミッタ
ＶＳＴｃ、ＶＳＴｄ リミット値制御回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】