JP2009254122A - 電力変換装置の制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＷＭコンバータ、ＰＷＭインバータなどから構成される電力変換装置における零相電流を抑制できる制御回路を提供する。
【解決手段】 電力変換装置１１，１２はＰＷＭコンバータ２３，４３、ＰＷＭインバータ２５，４５などから構成し、電力変換装置１１の制御回路３２では従来の制御動作の他に、零相電流検出器３１の検出値に乗算演算器を介して比例ゲイン設定器の設定値を乗算し、この乗算した値を等価的に補正するための零相電圧値として加算演算器により、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてＰＷＭインバータでのＰＷＭ演算を行うようにしている。また、電力変換装置１２の制御回路５２も、制御回路３２と同様の回路構成とすることにより、前記零相電流の発生を抑制し、その結果、電力変換装置１１，１２の変換動作が安定に行うことができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するＰＷＭコンバータ、このＰＷＭコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサ、前記ＰＷＭコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータなどから構成される電力変換装置の制御回路に関する。

図８は、無停電電源システムなどに供するために、この種の電力変換装置を並列運転するときの従来例を示す回路構成図であり、この図において、１，３は中性点がそれぞれ接地された商用電源などの入力電源、２，４は定電圧・定周波の三相交流電圧を出力する電力変換装置、５は電力変換装置２，４から給電される負荷である。

この電力変換装置２，４は商用電源１，３と電力変換装置２，４との間のノイズを除去する入力コンデンサ２１，４１と、ＰＷＭコンバータ２３，４３の入力リアクトルの機能をする入力リアクトル２２，４２と、ＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるＰＷＭコンバータ２３，４３と、ＰＷＭコンバータ２３，４３の整流電圧を平滑する平滑コンデンサ２４，４４と、ＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるＰＷＭインバータ２５，４５と、ＰＷＭインバータ２５，４５の出力電圧の高周波成分を除去するフィルタリアクトル２６，４６およびフィルタコンデンサ２７，４７と、図示しない電力変換装置２，４それぞれの運転シーケンス回路からの指令により動作する出力コンタクタ２８，４８と、電力変換装置２，４に備える図示しない入力電圧検出器，入力電流検出器，中間直流電圧検出器，出力電流検出器，出力電圧検出器それぞれの検出値に基づいてＰＷＭコンバータ２３，４３およびＰＷＭインバータ２５，４５を所望の状態に制御する制御回路２９，４９とから構成されている。

図８に示した回路構成において、電力変換装置２，４に備えるそれぞれの構成要素は、互いに周知の技術を用いた同一仕様で製作されることが一般的であり、また、制御回路２９，４９それぞれでは電力変換装置２，４から負荷５に並列給電する際に電力変換装置２と電力変換装置４との間に電力の授受が無いように、いわゆる、横流制御も行っている。

また図９は、図８とは異なった無停電電源システムに供するために、この種の電力変換装置を用いた従来例を示す回路構成図であり、この図において、１は中性点が接地された商用電源などの入力電源、６は後述の三相交流電圧を出力する電力変換装置、５は電力変換装置６から給電される負荷、７はバイパスコンタクタ、８はサイリスタを逆並列接続したもの３組からなるサイリスタスイッチである。

この電力変換装置６は商用電源１と電力変換装置６との間のノイズを除去する入力コンデンサ６１と、ＰＷＭコンバータ６３の入力リアクトルの機能をする入力リアクトル６２と、ＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるＰＷＭコンバータ６３と、ＰＷＭコンバータ６３の整流電圧を平滑する平滑コンデンサ６４と、ＩＧＢＴなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるＰＷＭインバータ６５と、ＰＷＭインバータ６５の出力電圧の高周波成分を除去するフィルタリアクトル６６およびフィルタコンデンサ６７と、図示しない電力変換装置６の運転シーケンス回路からの指令により動作する出力コンタクタ６８と、電力変換装置６に備える図示しない入力電圧検出器，入力電流検出器，中間直流電圧検出器，出力電流検出器，出力電圧検出器それぞれの検出値に基づいてＰＷＭコンバータ６３およびＰＷＭインバータ６５を所望の状態に制御する制御回路６９とから構成されている。

図９に示した回路構成において、電力変換装置６に備えるそれぞれの構成要素は、周知の技術を用いて製作されたものであり、また、制御回路６９では電力変換装置６から負荷５への給電と、バイパスコンタクタ７およびサイリスタスイッチ８から負荷５への給電との切換えを行うために、電力変換装置６が出力する三相交流電圧の周波数，電圧位相を入力電源１の周波数，電圧位相に同期させる、いわゆる、商用同期制御も行っている。

さらに、図８，９からも明らかなように、上述の電力変換装置２，４，６それぞれはトランスレスの回路構成にすることにより、該電力変換装置全体の重量，体積，発生損失の低減を計っている。

図１０は、上述の電力変換装置それぞれにおけるＰＷＭインバータの変調方法の一例を説明する波形図である。

すなわち、インバータの出力電圧指令値と搬送波との比較演算によりインバータ内の各アームをオンオフする際に、基本正弦波の制御信号（図示の基本波成分）に３次高調波（図示の第３高調波成分）を重畳させて前記出力電圧指令値（図示の合成電圧指令値）を生成する方法（以下、３倍調波注入方法とも称す）が使用される。この３次高調波成分はインバータの３相出力端では相殺されるので、出力基本波電圧をより高い値に設定できることから、無停電電源システムなどに供される電力変換装置で使用されることが多い。
特開平６−１５３５１９号公報

図８に示した回路構成における電力変換装置において、電力変換装置２，４が並列運転中には、それぞれが互いに横流制御を行っているが、この横流制御では各電力変換装置の出力端の相電圧を基準としたノーマルモード電流、すなわち、３線電流の合計が零になる電流に対しては抑制効果があるが、零相電流には対しては抑制効果がない。

すなわち、図８の回路構成においては、電力変換装置２，４がトランスレスの回路構成であることから、ＰＷＭインバータ２５→ＰＷＭインバータ４５→ＰＷＭコンバータ４３→入力電源３の中性点→接地線→入力電源１の中性点→ＰＷＭコンバータ２３→ＰＷＭインバータ２５の経路、またはその逆経路で横流以外の零相電流が流れる恐れがあった。

また、図９に示した回路構成において、電力変換装置６から負荷５への給電モードと、バイパスコンタクタ７およびサイリスタスイッチ８から負荷５への給電モードとの切換えを無瞬断で行わせるために、この切換動作を行う際には前記双方の給電モードがラップする期間を設け、この期間では横流制御を行っている。しかしながら、前記期間には、ＰＷＭインバータ６５→ＰＷＭコンバータ６３→バイパスコンタクタ７→ＰＷＭインバータ６５の経路、またはその逆経路で横流以外の零相電流が流れる恐れがあった。

これらの零相電流は、電力変換装置が負荷に給電するという本来の目的とは関係無く、また、この零相電流が発生すると、前記電力変換装置がトランスレスの回路構成であることに起因してより増大し、その結果、前記ＰＷＭインバータやＰＷＭコンバータの変換動作に擾乱を与える、配線ケーブルに想定外の発熱を引き起こすなどの不具合があった。

なお、前記特許文献１に開示されている方法は、電力変換装置間に流れる横流以外の電流のうち、その直流電流成分の抑制に関するものである。

この発明の目的は、上記横流以外の零相電流の交流成分を抑制できる電力変換装置の制御回路を提供することにある。

この第１の発明は、交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記ＰＷＭコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータとを備える電力変換装置において、
前記ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値に基づいて、前記ＰＷＭインバータへの電圧指令値の振幅を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は前記電力変換装置において、
前記ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記ＰＷＭインバータへの周波数指令値の位相を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。

さらに、第３の発明は前記電力変換装置において、
前記ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記ＰＷＭインバータへの電圧指令値の振幅を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。

この発明は、前記電力変換装置における横流以外の電流の発生は、主として対応するＰＷＭインバータの零相電圧間の振幅差，位相差に起因するものであるから、該電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分に基づいて、または、該出力端の零相電流の交流成分と零相電圧とに基づいて、該装置を形成するＰＷＭインバータの変換動作を補正することにより、前記横流以外の電流の発生を抑制し、その結果、前記電力変換装置の変換動作が安定に行われ、該電力変換装置を形成する半導体素子の過電流破損や配線ケーブルの想定外の発熱を解消することができる。

図１は、この発明の第１の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図であり、この図において、図８に示したそれぞれの電力変換装置と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。

すなわち図１に示す電力変換装置１１では、電力変換装置２における制御回路２９に代えて制御回路３２が備えられ、さらに零相変流器（零相ＣＴ）が零相電流検出器３１として図示の位置に付加されている。同様に、電力変換装置１２では、電力変換装置４における制御回路４９に代えて制御回路５２が備えられ、さらに零相変流器（零相ＣＴ）が零相電流検出器５１として図示の位置に付加されている。

図２は、この発明の第１の実施例の補正手段として、図１の制御回路３２内の部分詳細回路構成図を示している。

すなわち、図１に示した電力変換装置１１の制御回路３２では従来の制御動作の他に、零相電流検出器３１の検出値に乗算演算器３２ａを介して比例ゲイン設定器３２ｂの設定値を乗算し、この乗算した値を等価的に補正するための零相電圧値として加算演算器３２ｃ〜３２ｅにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてＰＷＭインバータ２５でのＰＷＭ演算を行うようにしている。このときの零相電流検出器３１の検出極性は、流れ出る方向を正とすればよい。

また、図１に示した電力変換装置１２の制御回路５２では、図２に示した回路構成と同様の補正手段を備えている。

図３は、この発明の第２の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図であり、この図において、図１に示したそれぞれの電力変換装置と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。

すなわち図３に示す電力変換装置１３では、電力変換装置１１における制御回路３２に代えて制御回路３４または制御回路３５が備えられ、さらに交流電圧検出器３３が図示の位置に付加されている。同様に、電力変換装置１４では、電力変換装置１２における制御回路５２に代えて制御回路５４または制御回路５５が備えられ、さらに交流電圧検出器５３が図示の位置に付加されている。これらの交流電圧検出器３３，５３により、等価的に電力変換装置１３，１４それぞれの出力端の零相電圧に基づく値が検出できる。

図４は、この発明の第２の実施例の補正手段として、図３の制御回路３４内の部分詳細回路構成図を示している。

すなわち、図４に示した電力変換装置１３の制御回路３４では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器３３で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ３４ａを介することにより零相電圧の基本波成分を抽出し、この抽出した基本波成分に乗算演算器３２ｂを介して零相電流検出器３１の検出値を乗算すると、零相横流の基本波成分の有効分が得られる。そこで、この有効分を低域通過フィルタ３４ｃにより平滑して、比例積分調節器３４ｄへの入力とする。従って、比例積分調節器３４ｄにより前記零相横流の基本波成分の有効分が零になるように、加算演算器３４を介してＰＷＭインバータ２５が出力する電圧の周波数を変化させ、その調節結果として、電圧位相を調整するようにしている。

また、図３に示した電力変換装置１４の制御回路５４では、図４に示した回路構成と同様の補正手段を備えている。

なお、ＰＷＭインバータ２５，４５の変調方法として前記３倍調波注入方法を採用しているときには、例えば、制御回路３４では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器３３で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ３４ａを介することにより零相電圧の３倍調波成分を抽出し、この抽出した３倍調波成分に乗算演算器３２ｂを介して零相電流検出器３１の検出値を乗算すると、零相横流の３倍調波成分の有効分が得られる。そこで、この有効分を低域通過フィルタ３４ｃにより平滑して、比例積分調節器３４ｄへの入力とする。従って、比例積分調節器３４ｄにより前記零相横流の３倍調波成分の有効分が零になるように、加算演算器３４ｅを介してＰＷＭインバータ２５が出力する電圧の周波数を変化させ、その調節結果として、電圧位相を調整するようにしている。

図５は、この発明の第３の実施例の補正手段として、図３の制御回路３５内の部分詳細回路構成図を示している。

すなわち、図５に示した電力変換装置１３の制御回路３５では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器３３で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ３５ａを介することにより零相電圧の基本波成分を抽出し、この抽出した基本波成分を９０°位相進み回路３５ｂを介し、さらに、乗算演算器３５ｃを介して零相電流検出器３１の検出値と乗算演算すると、零相横流の基本波成分の無効分が得られる。そこで、この無効分を低域通過フィルタ３５ｄにより平滑して、比例積分調節器３５ｅへの入力とする。比例積分調節器３５ｅでは前記零相横流の基本波成分の無効分が零になるように調節演算を行い、乗算演算器３５ｆを介して前記零相電圧の基本波成分と調節演算値との積を導出し、この導出した値を前記零相横流の基本波成分の無効分が零にするための補正値として、加算演算器３５ｇ〜３５ｉにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてＰＷＭインバータ２５でのＰＷＭ演算を行うようにしている。

また、図３に示した電力変換装置１４の制御回路５５では、図５に示した回路構成と同様の補正手段を備えている。

なお、ＰＷＭインバータ２５，４５の変調方法として前記３倍調波注入方法を採用しているときには、例えば、制御回路３５では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器３３で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ３５ａを介することにより零相電圧の３倍調波成分を抽出し、この抽出した３倍調波成分を９０°位相進み回路３５ｂを介し、さらに、乗算演算器３５ｃを介して零相電流検出器３１の検出値と乗算演算すると、零相横流の３倍調波成分の無効分が得られる。そこで、この無効分を低域通過フィルタ３５ｄにより平滑して、比例積分調節器３５ｅへの入力とする。比例積分調節器３５ｅでは前記零相横流の３倍調波成分の無効分が零になるように調節演算を行い、乗算演算器３５ｆを介して前記零相電圧の３倍調波成分と調節演算値との積を導出し、この導出した値を前記零相横流の３倍調波成分の無効分が零にするための補正値として、加算演算器３５ｇ〜３５ｉにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてＰＷＭインバータ２５でのＰＷＭ演算を行うようにしている。

なお、図３に示した回路構成において、交流電圧検出器３３，５３を省略し、この省略した検出機能をＰＷＭインバータの各相の電圧指令値から生成することもできる。

図６は、この発明の第３の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図であり、この図において、図９に示したそれぞれの電力変換装置と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。

すなわち図６に示す電力変換装置１６では、電力変換装置６における制御回路６９に代えて制御回路７２が備えられ、さらに零相変流器（零相ＣＴ）が零相電流検出器７１として図示の位置に付加されている。

図７は、この発明の第４の実施例の補正手段として、図６の制御回路７２内の部分詳細回路構成図を示している。

すなわち、図６に示した電力変換装置１６の制御回路７２では従来の制御動作の他に、零相電流検出器７１の検出値に乗算演算器７２ａを介して比例ゲイン設定器７２ｂの設定値を乗算し、この乗算した値を等価的に補正する零相電圧値として加算演算器７２ｃ〜７２ｅにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてＰＷＭインバータ６５でのＰＷＭ演算を行うようにしている。また、このときの零相電流検出器７１の検出極性は、流れ出る方向を正とすればよい。

この発明の第１の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図 この発明の第１の実施例としての図１の部分詳細回路構成図 この発明の第２の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図 この発明の第２の実施例としての図３の部分詳細回路構成図 この発明の第３の実施例としての図３の部分詳細回路構成図 この発明の第３の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図 この発明の第４の実施例としての図６の部分詳細回路構成図 従来例を示す電力変換装置の回路構成図 図８とは別の従来例を示す電力変換装置の回路構成図 図８，９の動作を説明する波形図

符号の説明

１，３…入力電源、２，４，６，１１〜１４，１６…電力変換装置、５…負荷、７…バイパスコンタクタ、８…サイリスタスイッチ、２１，４１，６１…入力コンデンサ、２２，４２，６２…入力リアクトル、２３，４３，６３…ＰＷＭコンバータ、２４，４４，６４…平滑コンデンサ、２５，４５，６５…ＰＷＭインバータ、２６，４６，６６…フィルタリアクトル、２７，４７，６７…フィルタコンデンサ、２８，４８，６８…出力コンタクタ、２９，３２，３４，３５，４９，５２，５４，５５，６９，７２…制御回路、３１，５１，７１…零相電流検出器、３３，５３…交流電圧検出器。

Claims (3)

1. 交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記ＰＷＭコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータとを備える電力変換装置において、
   前記ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値に基づいて、前記ＰＷＭインバータへの電圧指令値の振幅を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。
2. 交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記ＰＷＭコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータとを備える電力変換装置において、
   前記ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記ＰＷＭインバータへの周波数指令値の位相を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。
3. 交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するＰＷＭコンバータと、このＰＷＭコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記ＰＷＭコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するＰＷＭインバータとを備える電力変換装置において、
   前記ＰＷＭコンバータ及びＰＷＭインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記ＰＷＭインバータへの電圧指令値の振幅を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。

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