JPH0646568A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】交流入力電流波形の零クロス付近の不連続領域
を少なくして、波形歪率及び交流入力力率を改善する。 【構成】交流入力電流指令信号ｉ0 と交流入力電流検出
信号ｉ1 との差を、交流入力電流指令信号ｉ0 が交流入
力電流検出信号ｉ1 より大きいときに、誤差増幅器２２
及び反転回路２５からなる増幅回路により増幅して、差
信号ｄとして出力する。この差信号ｄをパルス幅変調器
２３に入力し、パルス幅変調器２３の出力を反転回路２
６を通して反転してパルス幅変調信号として駆動回路２
４に出力する。駆動回路２４は、差信号ｄが小さくなる
と自己消弧形半導体素子８，９のオン時間を長くするよ
うなパルス幅の駆動パルス信号Ｐ1,Ｐ2 を出力して自己
消弧形半導体素子８，９をオン・オフ制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、整流回路及び昇圧チョ
ッパ回路を含んで交流を直流に変換する電力変換回路
（コンバータ）を備えた電力変換装置に関するものであ
り、具体的には交流入力側の電流が力率１の正弦波に近
付くように瞬時波形制御を行う交流−直流変換式の電力
変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電源ラインでの高調波障害を改善するた
めに、交流入力側の電流を力率１の正弦波になるように
チョッパ回路の自己消弧形半導体素子の通電を制御する
技術が、昭和６３年電気学会全国大会でＮＯ．５０９
「低損失高力率コンバータ回路」として提案された。図
７は、この従来の装置の概略構成図である。ブリッジ形
整流回路と昇圧チョッパ回路とは、交流電源１に接続さ
れたリアクトル２、ダイオード４〜７，ＦＥＴ等からな
る自己消弧形半導体素子８，９及び平滑用コンデンサ１
０を図示のように接続して構成されている。ここで１１
は直流出力端子、また１２は負荷である。従来は、電力
変換回路の昇圧チョッパ回路の一部を構成する自己消弧
形半導体素子８，９を、２点鎖線のブロック２７で示し
た制御回路によりオン・オフ制御して交流入力側の電流
が力率１の正弦波に近付くようにしている。例えば、交
流電圧が正の場合を考えると、自己消弧形半導体素子８
がオンで自己消弧形半導体素子９がオフのときに、リア
クトル２→ダイオード４→自己消弧形半導体素子８→ダ
イオード５の経路で電流が流れてリアクトル２にエネル
ギが蓄積され、自己消弧形半導体素子８，９が共にオフ
のときに、リアクトル２→ダイオード４→コンデンサ１
０→ダイオード７の経路で電流が流れてリアクトル２に
蓄積したエネルギでコンデンサ１０が充電される。

【０００３】制御回路２７は、交流電源１に連結される
交流入力電圧検出用トランス１３を介して検出した交流
入力電圧信号［図８の信号波形ｅを参照］を絶対値回路
１４を通して交流入力電流の波形指令信号として乗算器
１５に入力する。他方、直流出力端子１１に連結される
直流出力電圧検出回路１６により検出した直流出力検出
信号と電圧設定器１７により設定した電圧設定信号との
差を総和器１８で求め、この差を誤差増幅器１９で増幅
し、誤差増幅器１９は直流出力電圧を所定の値とするた
めに交流入力電流の振幅値を制御する帰還信号を乗算器
１５に出力する。乗算器１５で乗算演算した出力信号を
交流入力電流指令信号ｉ0 ［図８の信号波形ｉo を参
照］とし、電力変換装置の交流電源入力に結合した変流
器３により検出した電流値を絶対値回路２０を通して交
流入力電流検出信号ｉ1 ［図８の信号波形ｉ1 を参照］
とし、この交流入力電流検出信号ｉ1 と前述の交流入力
電流指令信号ｉ0 との差を総和器２１で求め、この差を
誤差増幅器２２により増幅して差信号ｄ［図８の信号波
形ｄを参照］として出力する。この誤差増幅器２２は、
オペアンプを中心にして構成されてゲイン調整と位相補
償を行うように構成されており、また図８に示したよう
に、交流入力電流指令信号ｉ0 が交流入力電流検出信号
ｉ1 より大きくなればなるほど、差信号ｄの振幅値（０
レベルからの値）が小さくなる極性となっている。この
差信号ｄをパルス幅変調器２３に入力し、差信号ｄと変
調器２３内で発生する三角波の搬送波信号ｃ［図８の信
号波形ｃを参照］とで、交流電源電圧の瞬時値の変化に
対応してパルス幅が増減するパルス幅変調即ちパルス幅
変調信号を形成する。このパルス幅変調信号を自己消弧
形半導体素子駆動回路２４を通して得た駆動パルス信号
Ｐ1 ，Ｐ2 により自己消弧形半導体素子８，９のオン・
オフ動作を制御して、交流電源１からの入力電流波形を
力率が１の正弦波形となるようにしている。なお、駆動
パルス信号Ｐ1 ，Ｐ2 は、差信号ｄが三角波の搬送波信
号ｃよりも大きくなる期間に対応してそれぞれ発生す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の制
御装置による電力変換装置の制御では、交流入力電流ｉ
の波形は図９に示したようにほぼ正弦波形となるもの
の、実際には零クロス付近でφで示す期間の不連続領域
（以下、デッドアングルと称す）が生ずる。これは図７
の誤差増幅器２２のゲインが有限であるために、その出
力電圧である図８に示す差信号ｄが零クロス付近で点線
のようにならず実線で示すようになってしまい、零クロ
ス付近において駆動パルス信号Ｐ1 ，Ｐ2 のパルス幅が
理論的に広くなるべきところが狭くなってしまい、その
結果零クロス付近においてリアクトル２に電流が流れ難
くなるためである。図７の装置では、誤差増幅器２２の
出力電圧（差信号ｄ）が大きくなると駆動パルス信号Ｐ
1 ，Ｐ2 のパルス幅が広くなる［すなわち半導体素子
８，９のオン時間が長くなる］ようなパルス幅変調信号
が出力される。この様に交流入力電流波形にデッドアン
グルが発生するようになると波形歪率や交流入力力率が
悪化する問題が生じる。

【０００５】本発明の目的は、交流入力電流波形の零ク
ロス付近のデッドアングルを少なくして、波形歪率や交
流入力力率をより改善できる電力変換装置の制御装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明が改良の対象とす
る電力変換装置の制御装置は、実施例の図１に示したよ
うに、交流を直流に変換する整流素子４〜７よりなるブ
リッジ形整流回路及びリアクトル２と自己消弧形半導体
素子８，９と平滑用コンデンサ１０とを備えて整流回路
の出力を昇圧チョッパ制御する昇圧チョッパ回路を含む
電力変換回路（２〜１０）と、電力変換回路の交流入力
電圧及び直流出力電圧の検出値に基づいて交流入力電流
指令信号ｉo を発生し、該交流入力電流指令信号ｉo と
電力変換回路の交流入力電流検出信号ｉ1 との差を増幅
回路により増幅した差信号をパルス幅変調器に入力して
得られるパルス幅変調信号により昇圧チョッパ回路の自
己消弧形半導体素子８，９をオン・オフ制御する制御回
路２７とを備えてなる電力変換装置である。本発明で
は、制御回路２７の増幅回路として交流入力電流指令信
号ｉo が交流入力電流検出信号i1より大きいときに差信
号を出力する増幅回路（２２，２５）を用い、パルス幅
変調回路として差信号出力が小さくなると自己消弧形半
導体素子のオン時間を長くするようなパルス幅の変調信
号を出力するパルス幅変調回路（２３，２６）を用い
る。

【０００７】

【作用】本発明の制御装置においては、電力変換装置の
交流入力電圧及び直流出力電圧の検出値に基づいて生成
した交流入力電流指令信号ｉo が、電力変換装置の交流
入力電流検出信号ｉ1 より大きいときに差信号ｄが出力
される。この差信号ｄに基づきパルス幅変調を行って、
差信号が小さくなると電力変換装置における自己消弧形
半導体素子８，９のオン時間を長くするようなパルス幅
の駆動パルス信号を出力して、半導体素子をオン・オフ
制御する。これにより、交流入力電流波形の零クロス付
近における入力電流ｉが増加して、零クロス付近の電流
波形のデッドアングルが減小し、交流入力電流ｉの波形
歪率や交流入力力率が改善される。

【０００８】

【実施例】本発明の実施例を図１を参照して説明する。
本実施例の構成は図１の１点鎖線のブロックの構成が図
７と異なるほかは図７の装置と同じである。即ち、交流
電源１につながるリアクトル２、ダイオード４〜７、自
己消弧形半導体素子８，９及び平滑用コンデンサ１０を
図示のように接続して交流を直流に変換する電力変換回
路が構成されている。１１は直流出力端、１２は負荷で
ある。電力変換回路の制御回路２７は、交流入力電圧検
出用トランス１３、絶対値回路１４、乗算器１５、直流
出力電圧検出回路１６、電圧設定器１７，総和器１８、
誤差増幅器１９、絶対値回路２０、総和器２１、誤差増
幅器２２、パルス幅変調器２３、自己消弧形半導体素子
駆動回路２４、及び反転回路２５，２６を図示のように
接続して構成されている。即ち、本実施例の制御装置が
図７の制御装置と異なるのは、誤差増幅器２２の出力側
に反転回路２５を、パルス幅変調器２３の出力側に反転
回路２６をそれぞれ挿入した点にある。

【０００９】次に、本実施例の動作を図３（Ａ）及び
（Ｂ）を併用して説明する。制御回路２７は、トランス
１３を介して検出した交流入力電圧信号を絶対値回路１
４を通して交流入力電流の波形指令信号として乗算器１
５に入力する。他方、直流電圧検出回路１６による検出
信号と、電圧設定器１７による電圧設定信号との対比に
より、誤差増幅器１９より直流出力電圧を所定値とする
ために交流入力電流の振幅を制御する帰還信号を出力し
て乗算器１５に入力する。そして、乗算器１５で演算し
た出力信号を交流入力電流指令信号ｉ0 とし、この指令
信号ｉ0 と、変流器３で検出して絶対値回路２０を通し
た交流入力電流検出信号ｉ1 との対比により誤差増幅器
２２及び反転回路２５を通して差信号ｄを出力する。な
お総和器（減算器）２１からの出力波形ａ及び誤差増幅
器２２からの出力波形ｂは、図３（Ｂ）に示す通りであ
る。ここで誤差増幅器２２及び反転回路２５により増幅
回路が構成されている。この増幅回路では、図３（Ａ）
に示すように差信号ｄの零クロス点の電圧レベルを零ボ
ルトとするために、誤差増幅器２２の出力を反転回路２
２で反転しており、その結果誤差増幅器２２のゲインが
有限であることは問題とならない。図３（Ａ）に示した
ように交流入力電流指令信号ｉ0 が交流入力電流検出信
号ｉ1 より大きいときに、差信号ｄが出力される。

【００１０】この差信号ｄをパルス幅変調器２３に入力
し、この差信号ｄとパルス幅変調器２３内で発生する三
角波の搬送波信号ｃとで、交流電源電圧の瞬時値の変化
に対応してパルス幅が増減するパルス幅変調即ちパルス
幅変調信号を形成し、反転回路２６を通して出力する。
ここでパルス幅変調器２３及び反転回路２６により、パ
ルス幅変調回路が構成される。パルス幅変調信号は、差
信号ｄが小さくなるとパルス幅が広くなるような特性を
持つもので、このパルス幅変調信号を駆動回路２４を通
して得た駆動パルス信号Ｐ1 ，Ｐ2 により自己消弧形半
導体素子８，９のオン・オフ動作を制御する。これによ
り、差信号ｄが小さくなる交流電流ｉの零クロス近傍
で、電力変換回路における自己消弧形半導体素子８，９
のオン時間を長くするように制御するので、電力変換回
路の交流入力電流ｉの波形に図９にφで示したようなデ
ッドアングルが生ずるのが防止されて、図２に示したよ
うに電流波形の歪率が改善され、交流入力力率も改善さ
れる。

【００１１】なお、本実施例では誤差増幅器２２及びパ
ルス幅変調器２３の各出力側に反転回路を付設したが、
誤差増幅器及びパルス幅変調器自体を反転回路の特性を
併有する特性のものとして構成してもよい。要は、パル
ス幅変調回路に差信号を入力する増幅器回路は、交流入
力電流指令信号ｉ0 が交流入力電流検出信号ｉ1 より大
きいときに差信号ｄを発生するものとし、パルス幅変調
回路は、差信号出力が小さくなると電力変換回路の自己
消弧形半導体素子のオン時間を長くするようなパルス幅
の変調信号を出力するものとすればよい。

【００１２】また、本発明の対象とされる電力変換装置
は図１に示した構成のものに限らず、図４に示したよう
に、ダイオード４，５にも並列に自己消弧形半導体素子
２８，２９を接続して回生運転をも可能とした構成のも
のでも、また図５に示したように、ブリッジ形整流回路
の出力側にリアクトル２、自己消弧形半導体素子８、及
びダイオード３０等を接続して半導体素子１個でオン・
オフ制御する構成のものでも、更に図６に示したよう
に、ブリッジ形整流回路の出力側に自己消弧形半導体素
子のブリッジ回路を接続し、該ブリッジ回路の出力側に
トランス３１を介してダイオード３２〜３５からなる第
２のブリッジ形整流回路を接続した構成のものでも、本
発明の制御装置を適用して所要の制御を行うことができ
る。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の制御装置に
よれば、電力変換回路の交流入力電圧及び直流出力電圧
の検出値に基づいて生成した交流入力電流指令信号が、
交流入力電流検出信号より大きいときに差信号を出力す
るとともに、差信号が小さくなると電力変換装置におけ
る自己消弧形半導体素子のオン時間を長くするようなパ
ルス幅の駆動パルス信号を出力して半導体素子をオン・
オフ制御するようにしたので、電力変換回路の交流入力
電流の瞬時値が小さくなる交流入力電流波形の零クロス
付近における入力電流を増加させて、零クロス付近の電
流波形のデッドアングルを減小させることができる。こ
れにより、交流入力電流が交流電源電圧と所定の位相で
正弦波形となる電力変換装置における交流入力電流の波
形歪率及び交流入力力率を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す接続図である。

【図２】本発明による電力変換装置交流入力電圧及び電
流の波形を示す波形図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施例の制御装置
の動作を説明する信号波形図である。

【図４】本発明の対象となる電力変換装置の異なる構成
例を示す回路図である。

【図５】本発明の対象となる電力変換装置の異なる構成
例を示す回路図である。

【図６】本発明の対象となる電力変換装置の異なる構成
例を示す回路図である。

【図７】従来の電力変換装置制御装置の例を示す接続図
である。

【図８】従来の制御装置の動作を説明する信号波形図で
ある。

【図９】従来の電力変換装置交流入力電圧及び電流の波
形例を示す波形図である。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ リアクトル ３ 変流器 ４〜７ ダイオード ８，９，２８，２９ 自己消弧形半導体素子 １０ 平滑用コンデンサ １３ 交流入力電圧検出用トランス １４，２０ 絶対値回路 １５ 乗算器 １６ 直流出力電圧検出回路 １７ 電圧設定器 １９，２２ 誤差増幅器 ２３ パルス幅変調器 ２４ 自己消弧形半導体素子駆動回路 ２５，２６ 反転回路 ２７ 制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流を直流に変換する整流素子よりなるブ
   リッジ形整流回路及びリアクトルと自己消弧形半導体素
   子と平滑用コンデンサとを備えて前記整流回路の出力を
   昇圧チョッパ制御する昇圧チョッパ回路を含む電力変換
   回路と、 前記電力変換回路の交流入力電圧及び直流出力電圧の検
   出値に基づいて交流入力電流指令信号を発生し、該交流
   入力電流指令信号と前記電力変換回路の交流入力電流検
   出信号との差を増幅回路により増幅した差信号をパルス
   幅変調回路に入力して得られるパルス幅変調信号により
   前記昇圧チョッパ回路の前記自己消弧形半導体素子をオ
   ン・オフ制御する制御回路とを備えてなる電力変換装置
   であって、 前記制御回路の前記増幅回路として前記交流入力電流指
   令信号が前記交流入力電流検出信号より大きいときに前
   記差信号を出力するものを用い、 前記パルス幅変調回路として前記差信号出力が小さくな
   ると前記自己消弧形半導体素子のオン時間を長くするよ
   うなパルス幅の変調信号を出力するものを用いたことを
   特徴とする電力変換装置。