JPH061983B2

JPH061983B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH061983B2
Application number: JP14946086A
Authority: JP
Inventors: 博美稲葉; 清哉島; 三根　　俊介; 和彦佐々木; 正之広瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPS637166A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電力変換装置に係り、特にパルス幅制御を行う
コンバータに好適な電力変換装置に関するものである。

〔従来の技術〕

コンバータの力率改善の観点から特開昭56-162976号公
報では、電流遮断機能を有する制御可能な開閉素子をア
ームに接続し、パルス幅制御と位相制御を併用する方式
が、また、昭和５８年電気学会全国大会論文集No.４５
３では、パルス幅制御のみを用いる方式が提案されてい
る。しかし、いずれもコンバータ制御のために電源電圧
との同期をとる必要がある。従来技術では、この同期引
き込みを行う手段として、交流電源電圧の一相が負から
正に変化し、零電圧を横切る際に発生する同期化信号を
トリガとしてパルス列を発生させたり（パルス幅制御の
みの場合）、パルス列発生に先立って位相制御系を起動
させるなど（位相制御も併用する場合）同期化信号に同
期して一連のパルス発生処理を実行する方式が用いられ
ていた。しかしながら、このような同期化技術では、同
期化信号が発生したときに、現在どのようなパルス列を
発生しているかとは無関係に強制的に同期化が行われる
ので、例えば、同期化の直前で、あるコンバータ素子に
点弧指令を発生したものの同期化処理によってすぐ点弧
指令を発生しなければならないというような状況も十分
起こり、コンバータ素子に与える最小パルス幅確保の点
から（素子の破損を防ぐ必要から）、特開昭59-103579
号公報に示してあるような付加回路を外部に設ける必要
があるなどのシステムを構成する上での簡潔さに改善の
余地があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、最小パルス幅確保回路を含めたシス
テム全体の簡潔さに配慮がなされておらず、最小パルス
幅確保回路がシステムに不可欠であるという問題点があ
った。

本発明の目的は、複雑な最小パルス幅確保回路を不要と
することができる電力変換装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、交流電源に直流に変換するコンバータと、
このコンバータに上記電源とは非同期に一定周期でパル
スパターンを与えるパターン発生装置と、上記交流電源
から得られる同期化信号に応じて上記パターン発生装置
内で用いる数値を修正する同期化装置とより構成とし、
パルスパターン発生処理を同期化処理とは非同期で行い
つつ、パルスパターン算出用の位相値を同期化信号の発
生からの経過時間に応じてイニシャライズすることによ
って達成するようにした。

〔作用〕パルスパターン発生処理は、同期化処理とはあたかも無
関係のように動作する。それによって、パルスパターン
発生処理は同期化を瞬時に行うのではなく、いくばくか
の無駄時間をもって実行するようになるので、パルス幅
確保回路のような付加回路が不要となる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図，第２図，第６図，第８図，第１０
〜第１３図に示した実施例および第３図〜第５図，第７
図，第９図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の電力変換装置の一実施例を示す全体構
成図である。また、その全体構成について説明する。１
はコンバータ２に電源を供給する交流電源で、３はコン
バータ２の直流出力電流を検出する電流検出器、４はＬ
−Ｒ負荷、５は直流電流指令Ｉ＊の入力端子、６は指令
Ｉ＊と帰還値ｉ_ｆとの偏差Δｉを求める比較器、７は交
流電圧レベルを検出する電圧検出器、８は交流電圧値が
ゼロクロスしたときにパルスを発生する波形整形回路、
９はゼロクロスパルスＵ↑発生時にパターン発生装置１
０内部の周波数指令ω＊の積分値格納レジスタの内容を
修正する同期化装置、１０はコンバータ２の構成素子に
消点弧パターンを発生するパターン発生装置である。パ
ターン発生装置１０は、電流偏差Δｉに応じて第２の位
相指令ＰＨ₂*と通流率指令ＰＵ＊を発生する関数発生手
段１１０、電源周波数指令ω＊を一定時間毎に積分し、
第１の位相指令ＰＨ₁*を作成する一方、第２の位相指令
ＰＨ₂*とから総合位相指令θ_T*を作成する総合位相作成
手段１２０，総合位相指令θ_T*の値に応じてθ_T*が０〜
６０°，６０〜１２０°，１２０〜１８０°，１８０〜
２４０°，２４０〜３００°，３００〜３６０°の６つ
の領域のうち、どの領域に含まれるかを判定する領域判
定手段１３０，判定情報Ｍｏ，総合位相指令θ_T*、通流
率指令ＰＵ＊とからどの制御素子にどのようなパルスパ
ターンを与えるべきかを決定する分配装置１４０などか
ら構成してある。なお、２１〜２６はコンバータ２の制
御素子である。

次に、その動作について具体的に説明する。なお、ここ
では、各装置，手段をマイクロコンピュータ（マイコ
ン）で実現したので、各装置，手段の動作はフローチャ
ートを用いて説明する。

第２図は２つの主な処理である第１図の同期化装置９と
パターン発生装置１０の処理の一実施例を示す概略フロ
ーチャートであり、（ａ）は同期化処理、（ｂ）はパタ
ーン発生処理を示す。

まず、同期化処理について説明する。同期化処理は電源
のゼロクロスパルスＵ↑によって起動されるから、仮に
電源に変動等がなく、５０Hzの電源を使用していれば、
２０msec毎にこのサブルーチンが実行されることにな
る。このサブルーチンの主な処理は、電源の周波数指令
ω＊を一定時間Δｔ毎に積分して得られる第１の位相指
令ＰＨ₁*のイニシャライズを行うのに必要なデータ、す
なわち、電源のゼロクロスパルスが発生した時刻を保存
することにある。この同期化処理によって保存されたデ
ータをどのように利用して第１の位相指令ＰＨ₁*のイニ
シャライズデータを作成するかは、パターン発生処理で
詳細に説明する。

また、この同期化処理は、ゼロクロスパルスを割り込み
信号としてマイクロプロセッサに取り込んで割り込み処
理として動作させてもよいし、ゼロクロスパルスをトラ
ンジェントディテクタによりエッジ検出し、このときの
時刻を別置タイマで調べ、その値をＦＩＦＯＲＡＭ(f
irst in first out RAM)に保存する処理を周辺回路部を
実行させる非割り込み処理としてもよい。なお、以下の
説明では、割り込み処理の場合を例にとって説明する。

処理９１は、外乱に対してこの同期化処理が誤動作しに
くくするための付加処理である。すなわち、理想的なゼ
ロクロスパルスが入力されるときには位相指令ＰＨ₁*は
電気角３６０°に近づいているはずである。このＰＨ₁*
の値があまりに３６０°とかけはなれた場合に受け付け
た割の込みは、同期化処理を行わずに割り込み待ちに戻
るようにしている。この付加処理によって、同期化処理
の誤動作を防止することができる。

第３図はこのような現象が発生する例を示した図で、
（ａ）は理想的な場合、（ｂ）は誤ゼロクロスパルスが
発生する場合を示す。電源電圧波形ｖ_Ｕは常に（ａ）の
ような状態にある保障はなく、（ｂ）のようにノイズが
重畳することは十分考えられ、このときの誤ゼロクロス
パルスによってそのたびに同期化処理が行われれば、正
常なパターン発生は期待できない。

処理９２は、ゼロクロスパルスの発生時刻の保存処理で
ある。

次に、パターン発生処理について説明する。このパター
ン発生処理は、ほぼ一定時間Δｔ毎に起動されるタイマ
割り込みタスクである。このタスクによってΔｔ毎にコ
ンバータ素子はオン，オフするので、コンバータ２のス
イッチング周波数はこの値によって決まり、１／Δｔ
（Hz）ということになる。

さらに、２０msec／Δｔが整数となるようにΔｔを決
め、ゼロクロスパルスに同期するようにタイマ割り込み
をセットし、かつ、電源が周波数変動を起こさなけれ
ば、このパターン発生処理は同期化処理と同期して働く
ことになるが、周波数変動等は必ず生じるので、このパ
ターン発生処理は電源とは非同期に起動しているといえ
る。

両タスクの起動タイミングを第４図に示す。第４図
（ａ）はパターン発生装置１０からのパルス信号を、同
図（ｂ）は同期化装置９からのパルス信号を示し、Ｔ_１
時点の同期化装置９からのパルス信号はパターン発生装
置１０に割り込んで、ゼロクロス発生の時刻保持を行う
が、この割込みがパターン発生装置１０内の総合位相指
令θ_T*算出の前であれば、同期動作は第４図（ａ）の＊
１で示すパターン発生処理内で実行され、θ_T*算出のあ
とであれば、同期動作はタイマ割り込み分遅れて＊２で
パターン発生に反映されることになる。そして、Ｔ_２時
点でゼロクロス発生の時間保持が行われた場合もやはり
＊３でパターン発生に同期化が反映されることになる。

次に、処理内容について詳細に説明する。第２図（ｂ）
の処理１１０は、第５図に示すように、電流偏差Δｉに
応じて通流率指令ＰＵ＊と第２の位相指令ＰＨ₂*を発生
する関数発生処理である。このΔｉが小さい領域βでは
位相制御が動作し、Δｉの絶対値が大きい領域αではパ
ルス幅制御が動作することになる。さらに、ここで最小
通流率ＰＵ_minを設定しているが、この値は前述した最
小パルス幅にリンクする数値である。そしてこの値自体
は同期化処理の影響を受けないので、ＰＵ*_minを確保す
れば付加回路なくして最小パルス幅を確保できることに
なる。勿論パルス幅制御だけで位相制御が不要な用途に
は第２の位相指令ＰＨ₂*が不要となるだけで同期化に関
する本発明の本質は影響を受けない。

処理１２０は総合位相作成処理であり、その詳細は第６
図の実施例に示す。処理１２１はゼロクロスパルスの発
生があったかどうかの判定を行い、もしなければ処理１
２２で前回の位相指令ＰＨ₁*にゲインｋ倍した電源周波
数指令ω＊を加算することによって今回の位相指令ＰＨ
₁*を求める。一方、ゼロクロスパルスの発生があったと
きには、処理１２３でゼロクロス発生から現在までの経
過時間Ｔ_ｐを算出する。この際にゼロクロスパルス発生
時に割り込みあるいは周辺回路部の機能によって保存し
ておいたゼロクロスパルス発生時刻データを用いる。次
に、処理１２４で位相指令ＰＨ₁*用のイニシャルデータ
を次式により作成する。

ＰＨ₁*＝T_p/Δｔ・ｋ・ω＊ …(1) ここに、Δｔ；積分インターバル処理１２５では、前回のＰＨ₁*を今回のＰＨ₁*に書きか
え、次の積分の準備をする。そして、処理１２６で今回
の第１の位相指令ＰＨ₁*と第２の位相指令ＰＨ₂*より総
合位相指令θ_T*を求める。ここで電源周波数指令ω＊は
電源の周波数であるから５０Hzまたは６０Hzである。さ
らにパルス幅制御だけで位相制御を行わない場合には、
処理１２６は不要となる。

第７図は位相指令ＰＨ₁*が作成される状態の説明図であ
る。第７図（ａ）はΔｔ毎に起動されるパターン発生処
理で、位相指令ＰＨ₁*がｋ・ω＊ずつ積分されている状
態を示す。一方、第７図（ｂ）に同期化処理が途中で発
生した場合の位相指令ＰＨ₁*の状態を示しており、同期
化処理が発生してから次のパターン発生処理までの経過
時間Ｔ_Ｐに応じてイニシャルデータ（Ｔ_Ｐ／Δｔ・ｋω
＊）が位相指令ＰＨ₁*に格納されることによって同期化
が行われ、以後のパターン発生処理ではこれをベースに
してｋ・ω＊が加算され積分が行われてゆく。このよう
に、同期化信号の発生とパターン発生処理は非同期で動
作しつつ、電源との同期は位相指令ＰＨ₁*の修正という
ことで実現している。

第２図（ｂ）の処理１３０は、総合位相指令θ_T*を用い
て電気角３６０°のうちのどの領域のパルスを出したら
よいかを判定する処理である。その詳細な処理の一実施
例を第８図に示すフローチャートに示す。まず、処理１
３１で総合位相指令θ_T*の値が電気角３６０°のうちの
どの６０°区間にあるかを（Ｍｏ）を調べる。この判定
によってコンバータ構成素子のうちΔｔの間連続して点
弧すべき素子、短絡すべき素子、短絡素子を消弧し、次
に点弧すべき第１の点弧素子、第１の点弧素子を消弧し
て次の点弧すべき第２の点弧素子など、このΔｔ時間の
間に消点弧すべき素子が判定される。さらに、処理１３
２でθ_T*が６０°区間のうちのどのΔｔ区間に存在する
かを（ｓｔ）を調べる。仮にΔｔ＝５５５．６μsecと
すると、６０°区間内には６個のΔｔ区間があることが
わかる（電源が５０Hzの場合）。このｓｔがわかれば、
消点弧時間を検索する際にどのデータテーブルを使用す
ればよいかがわかることになる。なお、ここでは正弦波
化（不等パルス）を実現できる方式を例にとって説明し
たが、等パルスでよい場合には、この処理１３２は不要
となる。

次に、第２図（ｂ）のパルス分配処理１４０について説
明する。まず、前述の領域判定処理１３０によって総合
位相指令θ_T*のどの６０°領域にいるかがわかれば、第
１表に示すように、消点弧すべき素子がわかる。次に、
消点弧の時間がわかればよいのであるが、これには通流
率指令ＰＵ＊を用いる。ここでは総合位相指令θ_T*が０
〜６０°区間にある場合を例にとって説明する。さらに
スイッチング周波数１．８ｋHzとすると、６０°区間は
さらに６つのステージから構成される。ここでθ_T*が第
１番目のステージにあったとし、通流率指令ＰＵ＊＝０．６であったと仮定すると、第９図
に示す通流率対消点弧時間テーブルを参照することによ
り、次の（１）〜（４）の分配処理内容がわかる。

(1)素子２５をΔｔの間常時点弧 (2)ｔ＜ｔ_１の間短絡用素子２２を点弧、素子２１，２
３，２４，２６は消弧 (3)ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２の間素子２３を点弧、素子２１，２
２，２４，２６は消弧 (4)ｔ_２≦ｔ＜Δｔの間素子２１を点弧、素子２２，２
３，２４，２６は消弧なお、l₁〜l₆の設定値は、出力を正弦波化するためにあ
らかじめ計算で求めておいたデータであるが、この値は
本発明の本質を制限するものではない。

このように、パルス分配処理１４０では、第１０図の実
施例に示すフローチャートのように、処理１４１で消点
弧すべき素子を調べ、処理１４２でその具体的な時間を
調べ、処理１４３で出力ポートにスケジュールを組むこ
とによってパルス分配を行う。

このように、本実施例によれば、パターン発生処理は、
電源同期化処理にもとづいてデータの修正は受けるもの
の、パターン発生自体には影響を受けないので、パター
ン発生処理内で決定した最小パルス幅が同期化処理の影
響を受けて削られるようなことはない。その結果とし
て、本実施例では、最小パルス幅確保回路のような付加
回路はいっさい不要となるという効果がある。

第１１図〜第１３図は本発明の他の実施例を示すそれぞ
れ第１図，第２図に相当する図および第１２図の処理１
５０の詳細を示すフローチャートである。この実施例で
は、同期化処理を電気角６０°毎に行うようにしてい
る。回路構成は第１１図に示すように、波形整形回路８
の電源電圧の取り込みは３相としてあり、各相の電圧の
立ち上り，立ち下りのゼロクロス点を同期化処理のトリ
ガとしている点が第１図と異なり、他は同一である。

第１２図は第１１図の同期化装置９とパターン発生装置
１０における処理の一実施例を示すフローチャートで、
第１２図（ａ）は同期化装置９における処理、（ｂ）は
パターン発生装置１０の処理で、第２図と異なるところ
は、第１２図（ａ）においては、第２図の処理９１が処
理９３となっており、処理９１では同期化処理が電気角
３６０°に対して一度であったのに対して、処理９３で
は電気角６０°毎にゼロクロスパルス入力があるので、
その近傍でゼロクロスパルス発生時刻の保存処理を有効
にする処理９２を行うようにしてあり、また、第１２図
（ｂ）では、処理１５０が追加してあり、位相指令ＰＨ
₁*のイニシャライズはそのベースとなる位相値が０°，
６０°，１２０°，１８０°，２４０°，３００°と６
種類となるので、処理１５０のＰＨ₁*の修正処理がやや
複雑となるが、先に述べた方式が２０msecに１回しか同
期化を行わないのに比較して３．３msecに１回同期化を
行うので、出力電流の低リップル化には効果が増大す
る。

第１３図は第１２図（ｂ）の処理１５０における位相指
令ＰＨ₁*のイニシャライズ作成の具体的実施例を示すフ
ローチャートである。処理１５０１でゼロクロス発生か
らの経過時間Ｔ_ｐを求め、処理１５０２でイニシャライ
ズデータのうち可変分データＰＨ₁₀*を求める。ここま
では、第６図の処理１２３，１２４と同様であるが、こ
れからがやや異なる。処理１５０３で位相指令ＰＨ₁*が
電気角３０°よりも小さいかどうかを調べる。小さけれ
ば処理１５０４で位相指令ＰＨ₁*に可変分データＰＨ₁₀
*と０°とを加算して代入する。小さくなければ処理１
５０５でＰＨ₁*が９０°よりも小さいかどうかを比較
し、小さければ処理１５０６で今回の同期は電気角６０
°付近で発生するＷ相の立ち下りであると判断され、位
相指令ＰＨ₁*はＰＨ₁₀*と６０°とが加算されたものが
代入される。以下同様に、Ｖ相立ち上り，Ｕ相立ち下
り，Ｗ相立ち上り，Ｖ相立ち下り，Ｕ相立ち上りのゼロ
クロス信号に対応して処理１５０８，１５１０，１５１
２，１５１３で位相指令ＰＨ₁*のイニシャルデータセッ
トが実行される。

このように、この実施例によれば、ややソフト処理は複
雑になるものの同期化がこまめに行われるので、出力電
流特性の改善が期待できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、パルス発生処理
が同期化処理の直接的な影響を受けないで同期化を達成
できるので、最小パルス幅確保回路のような付加回路を
設けなくともよいという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電力変換装置の一実施例を示す全体構
成図、第２図は第１図の同期化装置とパターン発生装置
の処理の一実施例を示す概略フローチャート、第３図は
電源電圧波形を示した図、第４図は第１図の同期化装置
とパターン発生装置の起動タイミングを示した図、第５
図は第２図の処理１１０の説明図、第６図は第２図の処
理１２０の詳細の一実施例を示すフローチャート、第７
図は位相指令ＰＨ₁*が作成される状態を示す説明図、第
８図は第２図の処理１３０の詳細の一実施例を示すフロ
ーチャート、第９図は通流率対消点弧時間テーブル、第
１０図は第２図の処理１４０の詳細の一実施例を示すフ
ローチャート、第１１図は本発明の他の実施例を示す第
１図に相当する全体構成図、第１２図は第１１図の場合
の第２図に相当する概略フローチャート、第１３図は第
１２図の処理１５０における位相指令ＰＨ₁*のイニシャ
ライズ作成の具体的実施例を示すフローチャートであ
る。２…コンバータ、７…電圧検出器、８…波形整形回路、
９…同期化装置、１０…パターン発生装置、１１０…関
数発生手段、１２０…総合位相作成手段、１３０…領域
判定手段、１４０…分配装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐々木和彦茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者広瀬正之茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (56)参考文献特開昭62−171470（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−162976（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−103579（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源を直流に変換するコンバータと、
該コンバータに前記交流電源とは非同期に一定周期でパ
ルスパターンを与えるパターン発生装置と、前記交流電
源から得られる同期化信号に応じて前記パターン発生装
置内で用いる数値を修正する同期化装置とよりなること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】前記同期化装置により修正される数値は、
前記同期化信号が発生した同期化点からの位相角である
特許請求の範囲第１項記載の電力変換装置。
【請求項３】前記位相角は、前記交流電源の電源周波数
を一定時間毎に積分することによって得られる数値であ
る特許請求の範囲第２項記載の電力変換装置。
【請求項４】前記同期化信号は、前記交流電源の一相が
負電圧から正電圧に零電圧を横切った瞬間に発生する信
号である特許請求の範囲第１項または第２項または第３
項記載の電力変換装置。
【請求項５】前記パターン発生装置は、前記位相角を含
む位相情報が電気角０〜６０°，６０〜１２０°、１２
０〜１８０°，１８０〜２４０°，２４０〜３００°，
３００〜３６０°のどの領域に含まれるかを判定する領
域判定手段と、電流指令と前記コンバータで変換された
直流電流の帰還値との偏差および前記領域判定手段から
の消点弧すべきコンバータ構成素子と消点弧期間を決定
する分配装置とを具備している特許請求の範囲第１項ま
たは第２項または第３項または第４項記載の電力変換装
置。
【請求項６】前記位相角の修正手段は、前記同期化信号
の発生から前記積分処理までの経過時間に応じた値を設
定する特許請求の範囲第２項記載の電力変換装置。
【請求項７】前記位相情報は、前記同期化点からの位相
角と前記電流偏差に応じて決まる第２の位相角との和で
ある特許請求の範囲第５項記載の電力変換装置。