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公開番号2021078191
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210520
出願番号2019201197
出願日20191106
発明の名称電力変換装置およびプレス装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人特許業務法人筒井国際特許事務所
主分類H02M 7/12 20060101AFI20210423BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】DCリンクコンデンサに対する過電流を防止可能な電力変換装置およびプレス装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置10は、倍電圧整流回路12を含む。倍電圧整流回路12において、スイッチング素子SW1,SW2は、倍電圧整流モード時に、2個のコンデンサ102a,102bの共通接続ノードNcを所定のノードに接続する。電流検出回路107は、スイッチング素子SW1,SW2に流れるスイッチ電流(IL)を検出し、電流検出回路108は、負荷15の負荷電流Ildを検出する。制御回路110は、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替え期間において、スイッチ電流(IL)および負荷電流Ildに基づいてスイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
倍電圧整流回路を含む電力変換装置であって、
前記倍電圧整流回路は、
入力された交流電圧を整流することで直流電圧に変換する整流回路と、
出力ノード対の間に直列接続される第1のコンデンサおよび第2のコンデンサを含み、前記出力ノード対の出力電圧として、第2の整流モード時に第1の整流モード時の略2倍の前記直流電圧を保持するDCリンクコンデンサと、
前記第2の整流モード時に、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサが個々に充電されるように、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの共通接続ノードを所定のノードに接続するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子に流れるスイッチ電流を検出する第1の電流検出回路と、
前記出力ノード対に接続される負荷の負荷電流を検出する第2の電流検出回路と、
前記第1の整流モードから前記第2の整流モードへのモード切り替え期間において、前記スイッチ電流および前記負荷電流に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
を有する、
電力変換装置。
続きを表示(約 1,900 文字)【請求項2】
請求項1記載の電力変換装置において、
前記制御回路は、前記スイッチ電流と、力行方向または回生方向の前記負荷電流とに基づいて前記DCリンクコンデンサに流れるコンデンサ電流を算出し、前記コンデンサ電流が所定の上限値を超えないように前記スイッチング素子をスイッチング制御する、
電力変換装置。
【請求項3】
請求項2記載の電力変換装置において、
前記制御回路は、前記モード切り替え期間において、前記負荷電流が前記回生方向であり、かつ所定の基準値よりも大きいか否かを判定し、前記所定の基準値よりも大きい場合には前記スイッチング素子をオフにし、前記所定の基準値よりも小さい場合には前記スイッチング素子のスイッチング制御を有効化する、
電力変換装置。
【請求項4】
請求項1記載の電力変換装置において、
前記倍電圧整流回路は、さらに、インダクタを有し、
前記整流回路は、
前記入力された交流電圧を全波整流することで第1の出力ノード対に前記直流電圧を出力する第1のダイオードブリッジと、
前記入力された交流電圧を全波整流することで第2の出力ノード対に前記直流電圧を出力する第2のダイオードブリッジと、
を有し、
前記DCリンクコンデンサは、前記第1の出力ノード対の間に接続され、
前記スイッチング素子は、
前記共通接続ノードを前記第2の出力ノード対の一方に前記インダクタを介して接続する第1のスイッチング素子と、
前記共通接続ノードを前記第2の出力ノード対の他方に前記インダクタを介して接続する第2のスイッチング素子と、
を有する、
電力変換装置。
【請求項5】
請求項1記載の電力変換装置において、
さらに、前記出力ノード対の前記出力電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧でモータを制御するインバータ回路を有する、
電力変換装置。
【請求項6】
加工対象物が設置されるボルスタと、
前記加工対象物を挟んで前記ボルスタと対向するように配置されるスライドと、
前記スライドを動かすことで前記ボルスタと前記スライドとの間隔を制御するサーボモータと、
倍電圧整流回路およびインバータ回路を含み、前記サーボモータを制御する電力変換装置と、
を有するプレス装置であって、
前記倍電圧整流回路は、
入力された交流電圧を整流することで直流電圧に変換する整流回路と、
出力ノード対の間に直列接続される第1のコンデンサおよび第2のコンデンサを含み、前記出力ノード対の出力電圧として、第2の整流モード時に第1の整流モード時の略2倍の前記直流電圧を保持するDCリンクコンデンサと、
前記第2の整流モード時に、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサが個々に充電されるように、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの共通接続ノードを所定のノードに接続するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子に流れるスイッチ電流を検出する第1の電流検出回路と、
前記サーボモータに流れる負荷電流を検出する第2の電流検出回路と、
前記第1の整流モードから前記第2の整流モードへのモード切り替え期間において、前記スイッチ電流および前記負荷電流に基づいて前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
を有し、
前記インバータ回路は、前記出力ノード対の前記出力電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧で前記サーボモータを制御する、
プレス装置。
【請求項7】
請求項6記載のプレス装置において、
前記制御回路は、前記スイッチ電流と、力行方向または回生方向の前記負荷電流とに基づいて前記DCリンクコンデンサに流れるコンデンサ電流を算出し、前記コンデンサ電流が所定の上限値を超えないように前記スイッチング素子をスイッチング制御する、
プレス装置。
【請求項8】
請求項7記載のプレス装置において、
前記制御回路は、前記モード切り替え期間において、前記負荷電流が前記回生方向であり、かつ所定の基準値よりも大きいか否かを判定し、前記所定の基準値よりも大きい場合には前記スイッチング素子をオフにし、前記所定の基準値よりも小さい場合には前記スイッチング素子のスイッチング制御を有効化する、
プレス装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置およびプレス装置に関し、例えば、倍電圧整流回路を含む電力変換装置、および当該電力変換装置を含むプレス装置に関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、整流回路、インダクタ、直列接続された2個のスイッチング素子、直列接続された2個のDCリンクコンデンサ、および逆流防止用のダイオードを備え、全波整流モードと倍電圧整流モードとを切り替え可能な倍電圧整流回路が示される。倍電圧整流モードでは、全波整流モードの略2倍の直流電圧が出力される。当該回路では、全波整流モードから倍電圧整流モードへ切り替える際に、DCリンクコンデンサに急激に電荷が貯まるため、スイッチング素子等に過大な突入電流が流れる恐れがある。そこで、当該回路では、インダクタに流れる電流を検出する電流検出部と、当該電流が所定の範囲内となるようにスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2018−174642号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
例えば、直流電圧(直流電力)を交流電圧(交流電力)へ変換する電力変換装置は、モータの可変速制御等を目的として広く使用されている。このような電力変換装置は、一般的に、商用電源(200Vの三相交流電圧等)を直流電圧に変換する整流回路と、当該直流電圧を受けて任意の電圧や周波数をもつ三相交流電圧を出力するインバータ回路とを備える。整流回路は、商用電源からの三相交流電圧を全波整流する全波整流回路である場合が多い。この場合、整流回路から出力される直流電圧は、整流回路に入力される各線間電圧実効値の略√2倍となる。
【0005】
一般的に、インバータ回路の出力電圧の上限は、入力される直流電圧によって定まる。このため、インバータ回路は、入力される直流電圧の大きさによっては、モータを高速回転させるために必要な電圧を十分に生成できない場合がある。具体的には、モータの回転速度が上昇すると、誘起電圧は高くなり、逆に駆動電流(ひいてはトルク)は低下する。このため、モータを高速回転させつつ必要なトルクを確保するためには、インバータ回路に対して、より高い直流電圧を入力する必要がある。
【0006】
このような課題に対して、例えば、特許文献1に示されるように、全波整流モードと、その略2倍の直流電圧を出力する倍電圧整流モードとを切り替え可能な倍電圧整流回路を用いることが考えられる。さらに、全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替えに伴う過電流を防止するため、特許文献1に示されるような電流検出部およびスイッチング制御部を設けることが考えられる。
【0007】
しかし、例えば、このようなモード切り替えの際に、モータから倍電圧整流回路への回生電力が生じた場合、特許文献1の方式では、過電流を防止できない恐れがある。具体的には、回路電力に伴う回生電流は、DCリンクコンデンサに流れるが、インダクタには流れない。このため、インダクタに流れる電流を所定の範囲内に制限した場合であっても、DCリンクコンデンサに流れる電流を制限できるとは限らず、DCリンクコンデンサに過電流が生じ得る。一般的に使用される電解コンデンサでは、電流リプルによってその寿命が決まるため、過電流によって寿命が低下する恐れがある。
【0008】
本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、DCリンクコンデンサに対する過電流を防止可能な電力変換装置およびプレス装置を提供することにある。
【0009】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0011】
本発明の代表的な実施の形態による電力変換装置は、倍電圧整流回路を含む。倍電圧整流回路は、整流回路と、DCリンクコンデンサと、スイッチング素子と、第1および第2の電流検出回路と、制御回路とを有する。整流回路は、入力された交流電圧を整流することで直流電圧に変換する。DCリンクコンデンサは、出力ノード対の間に直列接続される第1および第2のコンデンサを含み、出力ノード対の出力電圧として、第2の整流モード時に第1の整流モード時の略2倍の直流電圧を保持する。スイッチング素子は、第2の整流モード時に、第1のコンデンサおよび第2のコンデンサが個々に充電されるように、第1のコンデンサと第2のコンデンサの共通接続ノードを所定のノードに接続する。第1の電流検出回路は、スイッチング素子に流れるスイッチ電流を検出し、第2の電流検出回路は、出力ノード対に接続される負荷の負荷電流を検出する。制御回路は、第1の整流モードから第2の整流モードへのモード切り替え期間において、スイッチ電流および負荷電流に基づいてスイッチング素子をスイッチング制御する。
【発明の効果】
【0012】
本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すると、倍電圧整流回路を含む電力変換装置において、DCリンクコンデンサに対する過電流を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
本発明の実施の形態1による電力変換装置周りの構成例を示す回路図である。
図1において、倍電圧整流回路内の制御回路の主要部の構成例を示すブロック図である。
図2におけるゲート信号生成器の処理内容の一例を示すフロー図である。
図1および図2において、倍電圧整流回路の動作例を示す波形図である。
本発明の実施の形態2によるプレス装置の構成例を示す概略図である。
図5Aのプレス装置における制御動作の一例を示すタイムチャートである。
本発明の実施の形態3による電力変換装置において、図1の倍電圧整流回路における制御回路の主要部の構成例を示すブロック図である。
図6におけるゲート信号生成器の処理内容の一例を示すフロー図である。
図6の制御回路が行う制御動作の一例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0015】
(実施の形態1)
《電力変換装置の構成》
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置周りの構成例を示す回路図である。図1には、三相交流電源11と、倍電圧整流回路12と、上位制御回路13と、インバータ回路(例えば三相インバータ回路)14と、負荷(例えば三相モータ)15とが示される。この内、倍電圧整流回路12およびインバータ回路14は、電力変換装置10を構成する。倍電圧整流回路12は、全波整流モードまたは倍電圧整流モードのいずれか一方で選択的に動作し、倍電圧整流モード時には全波整流モード時と比べて略2倍の出力電圧Voを出力する。
【0016】
倍電圧整流回路12は、整流回路101と、DCリンクコンデンサ102と、ハーフブリッジ回路(スイッチング回路)103と、インダクタ104と、電圧センサ(電圧検出回路)106,109と、電流センサ(電流検出回路)107,108と、制御回路(スイッチング制御回路)110とを備える。整流回路101は、三相交流電源11から入力された交流電圧(ここでは三相交流電圧)Vu,Vv,Vwを整流することで直流電圧に変換する。具体的には、整流回路101は、ここでは、2個のダイオードブリッジ101a,101bを備える。
【0017】
ダイオードブリッジ101aは、単独で動作する場合には、各相の上アームダイオードDhおよび下アームダイオードDlによって三相交流電圧(Vu,Vv,Vw)を全波整流し、DCリンクコンデンサ102を全波整流電圧に充電する。ダイオードブリッジ101bは後述のように、ダイオードブリッジ101aのいずれかの相の上アームダイオードDhもしくは下アームダイオードDlとダイオードブリッジ101bのいずれかの相の下アームダイオードDlもしくは上アームダイオードDhが導通することで、DCリンクコンデンサ102を倍電圧整流電圧(全波整流電圧の略2倍)に充電する。
【0018】
DCリンクコンデンサ102は、ダイオードブリッジ101aの出力ノード対(Np1,Nn1)の間に直列接続される2個のコンデンサ102a,102bを備える。DCリンクコンデンサ102は、全波整流モード時には、出力ノード対(Np1,Nn1)の出力電圧Voとして、ダイオードブリッジ101aからの直流電圧を保持する。一方、DCリンクコンデンサ102は、倍電圧整流モード時には、出力電圧Voとして、後述するハーフブリッジ回路103を介して全波整流モード時の略2倍の直流電圧を保持する。
【0019】
ハーフブリッジ回路103は、倍電圧整流モード時に、DCリンクコンデンサ102内の2個のコンデンサ102a,102bが個々に全波整流電圧まで充電されるように、2個のコンデンサ102a,102bの共通接続ノードNcを所定のノードに接続する。この例では、ハーフブリッジ回路103は、ダイオードブリッジ101bの出力ノード対(Np2,Nn2)の間に直列接続される2個のスイッチング素子SW1,SW2を有する。
【0020】
スイッチング素子SW1は、2個のコンデンサ102a,102bの共通接続ノードNcをダイオードブリッジ101bの出力ノード対の一方(Np2)にインダクタ104を介して接続する。一方、スイッチング素子SW2は、当該共通接続ノードNcをダイオードブリッジ101bの出力ノード対の他方(Nn2)にインダクタ104を介して接続する。
【0021】
これにより、スイッチング素子SW1がオンに制御された際には、ダイオードブリッジ101bの高電位側の出力ノードNp2と、ダイオードブリッジ101aの低電位側の出力ノードNn1との間で、インダクタ104を介したコンデンサ102bの充電経路が形成される。一方、スイッチング素子SW2がオンに制御された際には、ダイオードブリッジ101aの高電位側の出力ノードNp1と、ダイオードブリッジ101bの低電位側の出力ノードNn2との間で、インダクタ104を介したコンデンサ102aの充電経路が形成される。その結果、コンデンサ102a,102bの各々が三相交流電圧の線間電圧の振幅近傍まで充電され、出力電圧Voは、全波整流モード時の略2倍となる。
【0022】
ここで、インダクタ104を設けることによる効果を述べる。例えば、DCリンクコンデンサ102の電圧が全波整流電圧となっている場合において、スイッチング素子SW2がオン(スイッチング素子SW1がオフ)した際、インダクタ104が設けられない場合、コンデンサ102aには充電電圧(全波整流電圧のおよそ1/2)のおよそ2倍の電圧が印加されるため、コンデンサ102aに突入電流が流れてしまう。ここで、インダクタ104を設けることにより、電流の変化率を小さくでき、コンデンサ102aへの突入電流を抑制できる。コンデンサ102bについても同様である。
【0023】
電圧センサ106は、三相交流電源11からの三相交流電圧Vu,Vv,Vwを検出し、その検出値Vu’,Vv’,Vw’を信号線113を介して制御回路110へ出力する。電圧センサ109は、倍電圧整流回路12の出力ノード対(すなわち、DCリンクコンデンサ102が接続される出力ノード対(Np1,Nn1))の出力電圧Voを検出し、その検出値Vo’を信号線116を介して制御回路110へ出力する。
【0024】
電流センサ107は、インダクタ104に流れるインダクタ電流ILを検出することで、スイッチング素子SW1,SW2に流れるスイッチ電流を検出し、その検出値IL’を信号線114を介して制御回路110へ出力する。電流センサ108は、倍電圧整流回路12の出力ノード対(Np1,Nn1)にインバータ回路14を介して接続される負荷15の負荷電流Ildを検出し、その検出値Ild’を信号線115を介して制御回路110へ出力する。
【0025】
この例では、電流センサ108は、インバータ回路14の低電位側の入力ノードに設置されるが、これに限らず、負荷電流Ildを検出できる箇所に設置されればよい。すなわち、電流センサ108の設置箇所は、例えば、インバータ回路14の高電位側の入力ノードや、または、インバータ回路14の内部や、あるいは、負荷(三相モータ)15の駆動ノードNmt等であってもよい。
【0026】
なお、電圧センサ(電圧検出回路)106,109は、例えば、所定の電圧レンジ内で検出対象の電圧に比例するアナログ電圧を出力する分圧抵抗等を含み、加えて、当該アナログ電圧をディジタル値に変換するアナログディジタル変換器等を含んでもよい。電流センサ(電流検出回路)107,108は、例えば、検出対象の電流に比例するアナログ電圧を出力するカレントトランスまたは電流検出用抵抗等を含み、加えて、当該アナログ電圧をディジタル値に変換するアナログディジタル変換器等を含んでもよい。
【0027】
制御回路(スイッチング制御回路)110は、入力された各検出値Vu’,Vv’,Vw’,Vo’,IL’,Ild’と、入力されたモード切り替え信号MDとに基づいて、信号線117を介してハーフブリッジ回路103内のスイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。モード切り替え信号MDは、全波整流モードか倍電圧整流モードかを選択する信号である。
【0028】
具体的には、制御回路110は、倍電圧整流モード時に、三相交流電圧Vu,Vv,Vwにおける各相の電圧関係に基づいてハーフブリッジ回路103(スイッチング素子SW1,SW2)をスイッチング制御(ターンオン/ターンオフ)する。さらに、制御回路110は、特に全波整流モードから倍電圧整流モードへのモード切り替え期間において、インダクタ電流(スイッチ電流)ILおよび負荷電流Ild(厳密には、その各検出値IL’,Ild’)に基づいてスイッチング素子SW1,SW2をスイッチング制御する。具体的には、制御回路110は、必要に応じてスイッチング素子SW1,SW2を両方共にオフにする。なお、制御回路110は、全波整流モード時には、各スイッチング素子SW1,SW2をオフに固定する。
【0029】
ここで、制御回路110は、代表的には、マイクロコントローラ(マイコン)等で構成される。この場合、例えば、電圧センサ106,109および電流センサ108内のアナログディジタル変換器等は、マイコン内に実装可能である。ただし、制御回路110は、マイコンに限らず、一部または全てが、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等で構成されてもよい。すなわち、制御回路110は、ソフトウェア、またはハードウェア、あるいは、その組み合わせで適宜構成されればよい。
【0030】
スイッチング素子SW1,SW2は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)や、あるいはサイリスタ等によって構成される。各信号線113〜117は、有線に限らず、無線であってもよい。また、電圧センサ106は、この例では、三相交流電圧Vu,Vv,Vwを検出したが、これに限らず、例えば、各相の線間電圧等を検出してもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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