JPH09121561A - インバータの回生エネルギー処理方法及び回生エネルギー処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インバータの出力側から流入する回生エネル
ギーでインバータ直流電圧が過上昇するのを防止する手
段が大形化、高コスト化している。 【解決手段】 インバータ１のスイッチング制御回路７
に、インバータ１の直流電圧Ｅを監視して回生エネルギ
ーで過上昇したときにインバータ１のスイッチング周波
数を上げる電圧・周波数変換回路１７を付加する。検出
された直流電圧Ｅの下限と上限をリミッタ回路１７で制
限して、直流電圧Ｅが定常な範囲にあるときはインバー
タ１を定常のスイッチング周波数で動作させ、直流電圧
Ｅが回生エネルギーで定常範囲を超えて過上昇したとき
は、その上昇分に応じてインバータ１のスイッチング周
波数を上げ、インバータ内でのスイッチング損失を大き
くし、このスイッチング損失で回生エネルギーを消費さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、定格の直流電圧を
交流変換して負荷等に出力するインバータにおける回生
エネルギーの処理方法と処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自励式無効電力補償装置（ＶＳＶＣ）や
可変電圧可変周波数電源（ＶＶＶＦ）、太陽光発電シス
テムの系統連系システム等に使用されるパルス幅変調
（ＰＷＭ）方式のインバータは、フルブリッジ接続され
た複数のスイッチング素子の各々を所定のスイッチング
周波数でオン・オフさせることにより、直流電源部から
の直流電力を交流変換してモータ等の負荷や系統電源に
供給する。このインバータで電力供給を受ける負荷や系
統側の条件によっては、電力を受ける側からインバータ
に回生エネルギー（電力）が流入して、インバータの直
流電源部が過電圧状態となることがある。

【０００３】例えばインバータで電力供給を受ける負荷
がモータの場合、このモータの運転モードが力行モード
から回生モードに移行したときに、モータ負荷が発電機
となってインバータに電力の回生エネルギーが流入し、
この回生エネルギーがインバータの直流電源部の直流電
圧を定格より過上昇させて、直流電源部を損傷すること
がある。そこで、インバータにおいては、流入する回生
エネルギーを発熱させて消費する手段を付設したり、流
入する回生エネルギーを他の電源系へ供給して直流電源
部を保護する手段を持たせており、その前者の具体例を
図２に示し説明する。

【０００４】図２はインバータ１を使用した電力変換シ
ステムが示される。このシステムにおけるインバータ１
は、直流電源部２の直流電圧Ｅを交流変換して、例えば
モータ等の負荷３に供給する。直流電源部２は、例えば
商用交流電源４の交流電圧を整流器５で整流して直流コ
ンデンサ６を充電する構成で、直流コンデンサ６の直流
電圧Ｅが定格に維持され、これがインバータ１で交流変
換されて負荷３に出力される。

【０００５】インバータ１は、複数のスイッチング素子
をフルブリッジ接続等したＰＷＭ方式のもので、スイッ
チング制御回路７で各スイッチング素子のオン・オフが
制御される。スイッチング制御回路７は、固定された周
波数の三角波を発生する三角波発生回路８と、ＰＷＭ回
路９で構成される。三角波発生回路８は、固定された周
波数の基準クロック信号CLK に基づいて三角波をＰＷＭ
回路９に出力し、ＰＷＭ回路９は、インバータ１の所望
の出力電圧を決める出力電圧指令信号Ｖ_REF と三角波発
生回路８からの三角波のクロス点でパルス幅が決まる所
定周波数のゲートパルス信号Ｐをインバータ１に出力し
て、インバータ１のスイッチング素子を所定のスイッチ
ング周波数でオン・オフ制御する。

【０００６】インバータ１で電力供給を受ける負荷３の
運転モードが回生モードになったとき、負荷３からイン
バータ１に回生エネルギーが流入する。そこで、図２の
電力変換システムにおいては、放電スイッチ１０と放電
抵抗１１の直列接続した放電回路を直流コンデンサ６に
並列接続し、放電スイッチ１０を回生エネルギー流入時
にのみオンするようにしている。この場合、放電スイッ
チ１０をオンすることで回生エネルギーを放電抵抗１１
に流して熱変換し、回生エネルギーで直流電圧Ｅが定格
より過上昇するのを抑制する。

【０００７】放電スイッチ１０のオン・オフ制御は、直
流電圧検出回路１２と電圧判定回路１３で行われる。直
流電圧検出回路１２は、直流電圧Ｅを検出して電圧判定
回路１３に出力する。電圧判定回路１３は、入力された
直流電圧Ｅと予め設定された基準電圧Ｖ_S を比較して、
直流電圧Ｅが基準電圧Ｖ_S を超えたときに放電スイッチ
１０をオンする信号を出力し、直流電圧Ｅが基準電圧Ｖ
_S より小さいときは放電スイッチ１０のオフを維持す
る。即ち、直流電圧検出回路１２で検出される直流電圧
Ｅは、インバータ１の直流電源部２の交流電源４の１０
％前後の定常の変動でも増減することから、この交流電
源４の定常変動を見越して定格の直流電圧Ｅの１０％前
後以上の所定値に基準電圧Ｖ_S が設定され、検出された
直流電圧Ｅが基準電圧Ｖ_S を超えると回生エネルギーで
直流電圧Ｅが定格より過上昇したと判定されて、放電ス
イッチ１０がオンされる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図２のインバータ１に
おける回生エネルギー処理方法の場合、回生エネルギー
による直流電圧Ｅの過上昇が抑制され、直流電源部２の
過電圧による損傷が抑制されるが、回生エネルギー消費
のための放電スイッチ１０と放電抵抗１１の放電回路部
品に容量大の大形で高価なものを必要とし、これがイン
バータ仕様の電力変換システム等のインバータ設備の設
置スペースを大きくし、設備全体をコスト高なものにし
ていた。

【０００９】また、インバータ１の直流電源部２の整流
器５の代わりに双方向コンバータ（ＰＷＭコンバータ
等）、つまり、入力方向と出力方向の双方向に電力の流
出入が可能な双方向コンバータを使用して、インバータ
１の回生エネルギーを双方向コンバータから交流電源４
の側に供給するようにして、回生エネルギーを消費する
ようにした回生エネルギー処理方法と処理装置がある。
この場合、回生エネルギー処理のための放電手段や直流
電圧検出手段等が不要となり、図２の場合よりインバー
タ設備全体の構成部品点数が少なくなるが、双方向コン
バータに構造複雑で高価なものが必要となり、インバー
タ設備全体がコスト高となる不具合があった。

【００１０】本発明の目的は、インバータ設備全体をコ
スト高にすること無くインバータの回生エネルギーを処
理する方法と装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的を達成
する回生エネルギー処理方法は、定格の直流電圧を交流
変換して出力するパルス幅変調方式のインバータにおけ
る回生エネルギーによる前記直流電圧の変動分に対応さ
せてインバータのスイッチング周波数を可変制御して、
回生エネルギーをインバータのスイッチング素子による
スイッチング損失で消費させることを特徴とする。

【００１２】ここで、インバータのスイッチング周波数
とスイッチング損失は比例的な関係にあって、インバー
タの出力側から流入する回生エネルギーが増えると、そ
の増加分に対応させてインバータのスイッチング周波数
を上げ、回生エネルギーをスイッチング損失による発熱
で消費するようにする。

【００１３】また、本発明の上記目的を達成する回生エ
ネルギー消費装置は、定格の直流電圧を交流変換して出
力するパルス幅変調方式のインバータのスイッチング制
御回路に、インバータの回生エネルギーにより変動する
前記直流電圧を周波数変換した制御信号に基づいてイン
バータのスイッチング周波数をスイッチング素子の許容
範囲内で可変制御して、回生エネルギーによるインバー
タの直流電圧の変動を抑制する電圧・周波数変換回路を
付加したことを特徴とする。

【００１４】ここで、上記の電圧・周波数変換回路は、
インバータの直流電圧が回生エネルギーによって過上昇
したときに、この電圧上昇分に対応させてインバータの
スイッチング周波数を上げて、回生エネルギーをインバ
ータのスイッチング素子によるスイッチング損失で消費
させる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２のインバータ仕様の電力変換
システムに本発明を適用した一実施例を図１に示し、以
下、図１を参照して本発明の回生エネルギーの処理方法
及び処理装置を説明する。なお、図１の図２と同一、又
は、相当部分には同一符号を付して、その詳細説明は省
略する。

【００１６】図１に示される本発明実施例の回生エネル
ギー処理装置１５は、インバータ１の直流電圧Ｅの検出
信号に基づいてスイッチング制御回路７に、インバータ
１のスイッチング周波数を可変制御する信号を出力する
電圧・周波数変換回路１７を付加して構成される。具体
的に回生エネルギー処理装置１５は、図２と同様の直流
電圧検出回路１２と、検出された直流電圧Ｅの下限と上
限を整定して出力するリミッタ回路１６と、リミッタ回
路１６の出力電圧を周波数変換する電圧・周波数変換回
路１７を備える。

【００１７】直流電圧検出回路１２は、インバータ１の
直流電圧Ｅを検出してリミッタ回路１６に出力する。リ
ミッタ回路１６は、検出された直流電圧Ｅに対応する電
圧信号の予め設定された下限リミット値と上限リミット
値の範囲内の信号を電圧・周波数変換回路１７に出力す
る。例えば、直流電圧Ｅが交流電源４の１０％前後の定
常変動による定常変動範囲にあるとき、リミッタ回路１
６は下限リミット値で整定される定電圧値の電圧信号を
電圧・周波数変換回路１７に出力する。また、リミッタ
回路１６は、直流電圧Ｅが定常変動範囲を超えて増大す
ると、その増大電圧信号を電圧・周波数変換回路１７に
出力して、後述するようにインバータ１のスイッチング
周波数を増大させる。このスイッチング周波数の増大の
上限は、インバータ１のスイッチング素子の上限スイッ
チング周波数までに制限され、この制限がリミッタ回路
１６に整定された上限リミット値で行われる。

【００１８】電圧・周波数変換回路１７は、直流電圧Ｅ
に応じたリミッタ回路１６からの入力電圧信号を、その
電圧値に比例させて周波数変換した所望の周波数の基準
クロック信号CLK を作成し、基準クロック信号CLK をス
イッチング制御回路７の三角波発生回路８に出力する。
スイッチング制御回路７は、電圧・周波数変換回路１７
からの基準クロック信号CLK の周波数に比例させてイン
バータ１のスイッチング周波数を可変制御する。

【００１９】即ち、インバータ１に回生エネルギーの流
入が無くて直流電圧Ｅが定常変動範囲にあるとき、リミ
ッタ回路１６から定電圧信号が電圧・周波数変換回路１
７に出力され、電圧・周波数変換回路１７から所定の基
準周波数の基準クロック信号CLK が三角波発生回路８に
出力される。この場合、三角波発生回路８から所定の基
準周波数の三角波がＰＷＭ回路９に出力されて、ＰＷＭ
回路９が入力三角波周波数に対応する一定のスイッチン
グ周波数（図２の場合と同一周波数）でインバータ１の
スイッチング素子をオン・オフ制御する。

【００２０】また、インバータ１の直流電圧Ｅがインバ
ータ１に流入する回生エネルギーでもって定常変動範囲
を超えて増大したとき、増大した変動電圧信号の電圧増
大分に応じて電圧・周波数変換回路１７からの基準クロ
ック信号CLK の周波数が増大する。すると、基準クロッ
ク信号CLK が入力される三角波発生回路８の発生三角波
の周波数が基準クロック信号CLK の周波数増大分に対応
して増大し、この増大分に相応してインバータ１のスイ
ッチング周波数が増大して、インバータ１のスイッチン
グ素子のスイッチング損失が増す。

【００２１】そこで、インバータ１に流入する回生エネ
ルギーがインバータ１のスイッチング損失による発熱で
消費されるように、回生エネルギーによる直流電圧Ｅの
増大分とインバータ１のスイッチング周波数の相関関係
を予め設定しておく。すると、インバータ１に流入して
回生エネルギーがインバータ１のスイッチング損失だけ
で消費されるようになって、直流電圧Ｅの過上昇が抑制
され、直流電源部２が回生エネルギーから保護される。

【００２２】

【発明の効果】本発明の回生エネルギー処理方法によれ
ば、インバータの回生エネルギーをインバータの既存の
スイッチング素子のスイッチング損失で消費させるた
め、回生エネルギーを消費させる特別な放電回路等の回
生エネルギー消費専用部品が省略できて、インバータ設
備の部品点数の低減化、低コスト化が容易に図れるよう
になる。

【００２３】また、本発明の回生エネルギー処理装置に
使用される電圧・周波数変換回路は、インバータのスイ
ッチング制御回路の出力周波数を可変制御してインバー
タのスイッチング周波数を可変制御するだけの機能のも
の、従って、低コストで小形、省スペースな部品で構成
できて、インバータ仕様の電力変換システム等のインバ
ータ設備の低コスト化、小形省スペース化を容易にす
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すインバータ設備のブロ
ック回路図。

【図２】従来のインバータの回生エネルギー処理方法と
処理装置を説明するためのインバータ設備のブロック回
路図。

【符号の説明】

１ インバータ Ｅ 直流電圧 ７ スイッチング制御回路 １５ 回生エネルギー処理装置 １７ 電圧・周波数変換回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 定格の直流電圧を交流変換して出力する
   パルス幅変調方式のインバータにおける回生エネルギー
   による前記直流電圧の変動分に対応させてインバータの
   スイッチング周波数を可変制御して、回生エネルギーを
   インバータのスイッチング素子によるスイッチング損失
   で消費させることを特徴とするインバータの回生エネル
   ギー処理方法。
2. 【請求項２】 定格の直流電圧を交流変換して出力する
   パルス幅変調方式のインバータのスイッチング制御回路
   に、インバータの回生エネルギーにより変動する前記直
   流電圧を周波数変換した制御信号に基づいてインバータ
   のスイッチング周波数をスイッチング素子の許容範囲内
   で可変制御して、回生エネルギーによるインバータの直
   流電圧の変動を抑制する電圧・周波数変換回路を付加し
   たことを特徴とするインバータの回生エネルギー処理装
   置。