JPH1094262A

JPH1094262A - 電圧型自励式変換装置

Info

Publication number: JPH1094262A
Application number: JP8240801A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Iijima; 島由紀久飯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】交流系統の電圧基本周波数の整数倍以外の高
調波成分を含むことのない電圧型自励式変換装置を提供
する。【解決手段】電圧型自励式変換器４の直流端子間に電
圧源３が接続され、交流端子がインピーダンス素子２を
介して交流系統１に接続されているときに、ディジタル
電流制御手段１４Ａが、所定のタイミングにて、変換器
の出力電力の検出値と予め設定された設定値との偏差に
基づいて変換器の出力電流指令を演算し、パルスパター
ン決定手段１７がディジタル電流制御手段の電流指令と
三角波発生手段の三角波とを比較して自己消弧型スイッ
チング素子のオン、オフパターンを決定する場合、ディ
ジタル電流制御手段は、三角波発生手段の三角波信号に
同期したタイミングにて、変換器の出力電流指令を演算
するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流を交流に変換
するインバータや、無効電力を補償する無効電力補償装
置、交流受電電流の高調波を抑制するアクティブ・フィ
ルタ等として使用される、電圧型自励式変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図９は電圧型自励式変換器の構成を示す
回路図である。同図において、電圧型自励式変換器（以
下、単に変換器と言う）４は自己消弧型スイッチング素
子、例えば、ゲート・ターン・オフ・サイリスタ４Ａ〜
４Ｆを３相ブリッジ接続した回路で構成されている。そ
して、交流系統１が、インピーダンス素子２を介して、
変換器４の交流端子に接続され、この変換器４の直流端
子間に直流電源又はコンデンサでなる電圧源３が接続さ
れている。

【０００３】図１０は変換器４の制御装置を含めた変換
装置全体の構成を示すブロック図である。ここで、交流
系統の電流が電流検出器１０で検出され、電圧が電圧検
出器１１で検出される。これらの検出値は電力検出器１
２に加えられる。電力検出器１２は電流、電圧の各検出
値に基づいて、有効電力及び無効電力の状態量をそれぞ
れ演算する演算器である。電力制御回路１３は電力検出
器１２で演算された状態量と、変換器４が制御する状態
量の基準である指令値とを比較し、その差を零にする３
相の電流指令値を演算してディジタル電流制御回路１４
に加える。ディジタル電流制御回路１４は、電力制御回
路１３で演算された電流指令値と電流検出器１０で検出
された交流系統電流とを比較し、その差を零にする出力
電圧指令をクロスポイント検出器１６に加える。また、
交流系統の位相で見て、０度の位置と３６０度の位置が
それぞれゼロクロス点となる三角波発生器１５の出力電
圧がクロスポイント検出器１６に加えられる。クロスポ
イント検出器１６はこれに加えられた３相の出力電圧指
令と三角波電圧との交点を検出する。パルスパターン決
定回路１７はこの交点の検出信号に基づいて自己消弧型
スイッチング素子４Ａ〜４Ｆをオン、オフするゲートパ
ルスを出力して変換器４に加える。

【０００４】図１１はディジタル電流制御回路１４の制
御演算の演算実行タイミングを示す。図中、２０は交流
系統１の１相分の電圧波形で、２１は三角波発生器１５
から出力される三角波電圧波形である。ここでは、一例
として、交流系統１の３倍の周波数を持った三角波電圧
を出力する場合を示している。２２はディジタル電流制
御回路１４の演算実行タイミングである。この場合、デ
ィジタル電流制御回路１４はＣＰＵ（中央演算装置）等
のディジタル演算装置を用いて構成されるディジタル演
算回路である。このディジタル電流制御回路１４は演算
実行タイミング２２の間隔で変換器４の出力電流の指令
値の演算を実行する。図１２はディジタル電流制御回路
１４の詳細な構成及びその動作を説明する説明図であ
る。ここでは、先ず、ディジタル電流制御回路１４は
（ａ）に示すように、所定の周波数のパルスを発生する
パルス発生器３０と、このパルスを計数して一定間隔の
パルスを出力するパルスカウンタ３１とで構成されてい
る。そして、パルス発生器３０が（ｂ）に示すパルス３
２を出力すると、パルスカウンタ３１がこれを計数して
（ｃ）に示す演算実行タイミングパルス３３を出力す
る。そこで、（ｄ）に斜線で示す期間が電流指令の実行
時間３４となる。図１３にディジタル電流制御回路１４
が出力する変換器４の１相分の電圧指令２３を、交流系
統２０及び三角波形２１と併せて示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したディジタル演
算装置を用いたディジタル電流制御回路１４は、パルス
カウンタ３１で設定した一定の時間間隔で、制御演算を
実行していたので、以下に述べる不都合があった。

【０００６】図９に示す変換器４の交流出力電圧波形
は、直流電圧をピーク値とする矩形波である。従って、
その交流出力電圧には交流系統１の基本周波数に対して
多くの高調波成分を含んでいる。発生する高調波成分の
次数と大きさは、変換器４のスイング素子の並列接続数
や三角波発生器１５から出力される三角波周波数、すな
わち、交流系統１の電圧の１周期に含まれける三角波の
数により理論的に算出される。また、交流系統１の電圧
の高調波成分と同様に交流系統１の系統電流にも高調波
成分が含まれる。さらに、三角波の数は交流系統１の電
圧基本周波数に対して奇数倍の数（周波数）になってい
る。

【０００７】ディジタル電流制御回路１４にディジタル
演算装置を用いた場合は、ディジタル電流制御回路１４
の演算実行タイミング２２と同様の時間間隔（一定の周
波数）で電流検出器１０等から状態量の読み込みや、電
力制御回路１３からの指令値の読み込みを行って、制御
演算を実行する。そのため、交流系統１に含まれる交流
電圧高調波成分、もしくは、交流系統１に含まれる交流
電流高調波成分とディジタル電流制御回路１４の演算実
行タイミングの周波数とが干渉し、高調波成分の大きさ
を増大させる現象を生じる。高調波が増大すると、交流
系統１に障害を生じたり、変換器４の制御の安定性に悪
影響を与える不具合があった。

【０００８】三角波発生器１５から発生する三角波の周
波数と交流系統１の基本周波数から求められる高調波成
分は次の（１）式で示される。ｆ_b＝ｎ・ｆ_c±ｋ・ｆ_s …（１）ただし、ｆ_b：高調波成分ｆ_c：三角波周波数ｆ_s：交流系統基本波周波数ｎ＝１，３，５，・・・のときｋ＝０，２，４，・・・ｎ＝２，４，６，・・・のときｋ＝１，３，５，・・・である。

【０００９】（１）式で発生する高調波成分とディジタ
ル電流制御回路１４の演算実行タイミング２２の周波数
が干渉して生じる高調波成分は次の（２）式で表され
る。ｆ_h＝ｆ_b−ｆ_a …（２）ただし、ｆ_h：干渉による高調波成分ｆ_a：電流制御演算実行タイミング周波数である。

【００１０】（１）式の高調波成分は、三角波発生器１
５で発生する三角波周波数により発生する理論高調波で
あり、この（１）式は周知の計算式である。（１）式の
関係によって発生する高調波成分に、（２）式で求めら
れる高調波成分が重畳し高調波成分を増大させ、交流系
統１に損害を生じたり、制御の安定性に悪影響を与えた
りする。これらの不具合の例を以下に示す。

【００１１】不具合例（ａ）交流系統１の基本周波数＝５０Ｈｚ（一次）三角波発生器１５で発生する三角波周波数＝１５０Ｈｚ
（三次）ディジタル電流制御回路１４の演算実行タイミング２２
の周波数＝２１０Ｈｚ（４．２次）ｎ＝２ｋ＝１の条件で発生する高調波は次の（３）式で計算される。ｆ_b＝２×１５０＋１×５０＝３５０Ｈｚ（７次） …（３）（３）式で求められる高調波成分と演算実行タイミング
２２の干渉による高調波成分は、次の（４）式に示され
る値になる。ｆ_h＝６５０Ｈｚ−２１０Ｈｚ＝１４０Ｈｚ（２．８次） …（４）すなわち、交流系統１の電圧基本周波数に対して整数倍
以下の高調波成分（２．８次）が発生し、交流系統１に
悪影響を与える。

【００１２】不具合例（ｂ）（３）式の条件でディジタ
ル電流制御回路１４の演算実行タイミング２２を４５０
Ｈｚとした場合に干渉によって生じる高調波成分は、次
の（５）式に示すように、ｆ_h＝４５０Ｈｚ−３５０Ｈｚ＝１００Ｈｚ（２次） …（５）偶数次となり、交流系統に悪影響を及ぼす。

【００１３】また、上記の不具合に加えて、図９に示す
三角波発生器１５から出力される三角波形２１の位相
と、ディジタル電流制御回路１４から出力される変換器
４の出力電圧指令２３とに位相差を生じた場合、変換器
４が出力する交流電圧波形はパルスパターン決定回路１
７で電圧の正負が非対称になり高調波成分がさらに増大
する。

【００１４】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、第１の目的は、交流系統の電圧基本周波数
の整数倍以外の高調波成分を含むことのない電圧型自励
式変換装置を提供することにある。

【００１５】本発明の第２の目的は偶数次の高調波成分
を含むことのない電圧型自励式変換装置を提供すること
にある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の電圧型自励式変換装置は、自己消弧型スイッチング素
子をブリッジ接続してなり、直流端子間に電圧源が接続
され、交流端子がインピーダンス素子を介して交流系統
に接続された電圧型自励式変換器と、変換器の出力電力
を検出する電力検出手段と、三角波信号を発生する三角
波発生手段と、所定のタイミングにて、変換器の出力電
力の検出値と予め設定された設定値との偏差に基づいて
変換器の出力電流指令を演算するディジタル電流制御手
段と、ディジタル電流制御手段の電流指令と三角波発生
手段の三角波とを比較して自己消弧型スイッチング素子
のオン、オフパターンを決定するパルスパターン決定手
段とを備えるとき、ディジタル電流制御手段は、三角波
発生手段の三角波信号に同期したタイミングにて、変換
器の出力電流指令を演算するようにしたもので、これに
よって、交流系統の電圧基本周波数の整数倍以外の高調
波成分を含むことがなくなる。

【００１７】本発明の請求項２に記載の電圧型自励式変
換装置は、ディジタル電流制御手段が、さらに、三角波
を偶数値で分割したタイミングにて変換器の出力電流指
令を演算するようにしたもので、これによって、交流系
統の電圧基本周波数の整数倍以外の高調波成分を含むこ
とがなく、また、偶数次の高調波成分を含むこともなく
なる。

【００１８】本発明の請求項３に記載の電圧型自励式変
換装置は、三角波発生手段が、ディジタル電流制御手段
の出力に同期した三角波を発生するようにしたもので、
これによって、交流系統の電圧基本周波数の整数倍以外
の高調波成分を含むことがなく、また、偶数次の高調波
成分を含むこともなくなる。

【００１９】本発明の請求項４に記載の電圧型自励式変
換装置は、さらに、交流系統の電圧位相を検出する電圧
位相検出手段を備え、ディジタル電流制御手段は、交流
系統の電圧の１周期を、前記三角波を整数倍で分割した
タイミングにて、変換器の出力電流指令を演算するよう
にしたもので、これによって、交流系統の電圧基本周波
数の整数倍以外の高調波成分を含むことがなくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を好適な実施形態に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形
態の構成を示すブロック図であり、図中、従来装置を示
す図１０と同一の要素には同一の符号を付してその説明
を省略する。これは、ディジタル電流制御回路１４の代
わりにディジタル電流制御回路１４Ａを用いたもので、
このディジタル電流制御回路１４Ａは、三角波発生器１
５の三角波信号に同期したタイミングにて、変換器の出
力電流指令を演算するようにしたものである。

【００２１】上記のように構成された第１の実施形態の
動作について、図２の波形図を参照して以下に説明す
る。

【００２２】図２において、２０は交流系統１の１相分
の電圧波形、２１は三角波発生器１５から出力される三
角波形で、ここでは、交流系統の位相で見て、０度の位
置と３６０度の位置がそれぞれゼロクロス点となり、交
流系統の周波数と比較して３倍の周波数を有している。
２２はディジタル電流制御回路１４の演算実行タイミン
グであり、ここでは、三角波形２１に同期している。ま
た、演算実行タイミング２２は三角波形２１の３倍の周
波数を持つ場合を示している。因みに、三角波形２１に
同期した演算実行タイミング２２の周波数は次の（６）
式で表される。ｆ_a＝ｍ・ｆ_c …（６）ｍ＝１，２，３，・・・従って、干渉による高調波成分は（１）式、（２）式及
び（６）式により次の（７）式で表される。ｆ_h＝（ｎ−ｍ）・ｆ_c±ｋ・ｆ_s …（７）（７）式でｎ，ｍ，ｋは整数のため、発生する高調波成
分に不具合例（ａ）に示す整数倍以外の高調波成分が発
生することはない。

【００２３】かくして、第１の実施形態によれば、交流
系統の電圧基本周波数の整数倍以外の高調波を含むこと
はない。

【００２４】図３は本発明の第２の実施形態の構成を示
すブロック図であり、図中、従来装置を示す図１０と同
一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
これは、ディジタル電流制御回路１４の代わりにディジ
タル電流制御回路１４Ｂを用いたもので、このディジタ
ル電流制御回路１４Ｂは、三角波発生手段の三角波信号
に同期したタイミングにて、変換器の出力電流指令を演
算すると共に、三角波を偶数値で分割したタイミングに
て変換器の出力電流指令を演算するものである。

【００２５】上記のように構成された第２の実施形態の
動作について、図４の波形図を参照して以下に説明す
る。ここでは、演算実行タイミング２２が三角波形２１
の１周期を偶数個に分割したタイミングを持って同期し
ている。このとき、演算実行タイミング２２の周波数は
次式で示される。ｆ_a＝２・ｍ・ｆ_c …（８）ｍ＝１，２，３，・・・また、干渉による高調波成分の周波数は（１）式、
（２）式及び（８）式により次の（９）式で示される。ｆ_h＝（ｎ−２ｍ）・ｆ_c±ｋ・ｆ_s …（９）（９）式から明らかなように、交流系統１の基本波に対
して整数倍以外の高調波成分が発生することはなく、ま
た、偶数次の高調波成分を発生することはない。

【００２６】図５は本発明の第２の実施形態の構成を示
すブロック図であり、図中、従来装置を示す図１０と同
一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
これは、三角波発生器１５の代わりに三角波発生器１５
Ａを用いたもので、この三角波発生器１５Ａは、ディジ
タル電流制御回路１４の出力に同期した三角波を発生す
るようにしたものである。

【００２７】上記のように構成された第３の実施形態の
動作について、図６の波形図を参照して以下に説明す
る。ここでは、ディジタル電流制御回路１４から出力さ
れる変換器４の出力電圧指令２３のゼロクロス点に三角
波形２１のゼロクロス点を同期させる。これによって出
力電圧指令２３の位相が変化した場合でも、三角波形２
１は位相差を生じることはなく同期する。この第３の実
施形態によれば、変換器４が出力する電圧は、正負に対
称であるため交流系統１の高調波が増大することはな
い。また、第１、第２の実施形態と同様に、ディジタル
電流制御回路１４の演算実行タイミングを三角波形２１
に同期させた場合には、交流系統の電圧基本周波数の整
数倍以外の高調波や偶数次の高調波成分を含むことはな
い。

【００２８】図７は本発明の第４の実施形態の構成を示
すブロック図であり、図中、従来装置を示す図１０と同
一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この装置は交流系統１の電圧位相を検出する電圧位相検
出器１９が新たに設けられ、ディジタル電流制御回路１
４Ｃが交流系統の電圧の１周期を、三角波を整数倍で分
割したタイミングにて、変換器４の出力電流指令を演算
するようにしたものである。

【００２９】上記のように構成された第４の実施形態の
動作について、図８の波形図を参照して以下に説明す
る。ディジタル電流制御回路１４の演算は交流系統２０
の１周期を整数に分割した演算実行タイミング２２で実
行する。この場合、演算実行タイミング２２の周波数は
次式で示される。ｆ_a＝ｍ・ｆ_s …（１０）ｍ＝１，２，３，・・・従って、干渉による高調波成分は（１）式、（２）式及
び（１０）式より次の（１１）式で表されたものとな
る。ｆ_h＝ｎ・ｆ_c±（ｋ−ｍ）・ｆ_s …（１１）かくして、図４に示した実施形態によれば、交流系統１
に生じる高調波成分は整数倍の理論高調波のみしか発生
せず、電圧基本周波数の整数倍以外の高調波を含むこと
はない。

【００３０】なお、上記の各実施形態によれば、ディジ
タル電流制御回路の出力電圧と三角波発生器の出力電圧
との交点をクロスポイント検出器１６で検出し、さら
に、この検出信号に基づいてパルスパターン決定回路１
７が変換器４を構成する自己消弧型スイッチング素子４
Ａ〜４Ｆのオン、オフ制御パターンを発生したが、クロ
スポイント検出器１６及びパルスパターン決定回路１７
の機能を電圧比較器に持たせてもよく、あるいは、それ
らの機能をマイクロコンピュータに持たせても上述した
と同様な動作を行わせることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明のよって明らかなように、請
求項１及び請求項４に記載の電圧型自励式変換装置によ
れば、交流系統の電圧基本周波数の整数倍以外の高調波
を含むことはない。

【００３２】また、請求項２及び請求項３に記載の電圧
型自励式変換装置によれば、交流系統１の基本波に対し
て整数倍以外の高調波成分が発生することはなく、ま
た、偶数次の高調波成分を発生することはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック
図。

【図２】図１に示した実施形態の動作を説明するための
波形図。

【図３】本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック
図。

【図４】図３に示した実施形態の動作を説明するための
波形図。

【図５】本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック
図。

【図６】図５に示した実施形態の動作を説明するための
波形図。

【図７】本発明の第４の実施形態の構成を示すブロック
図。

【図８】図７に示した実施形態の動作を説明するための
波形図。

【図９】電圧型自励式変換装置を構成する変換器の一般
的な回路図。

【図１０】従来の電圧型自励式変換装置の構成を示すブ
ロック図。

【図１１】図１０に示した電圧型自励式変換装置の動作
を説明するための波形図。

【図１２】図１０に示した電圧型自励式変換装置の主要
素の詳細な構成及び動作の説明図。

【図１３】図１０に示した電圧型自励式変換装置の動作
を説明するための波形図。

【符号の説明】

１交流系統２インピーダンス素子３電圧源４電圧型自励式変換器４Ａ〜４Ｆ自己消弧型スイッチング素子１０電流検出器１１電圧検出器１２電力検出器１３電力制御回路１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃディジタル電流制御回
路１５，１５Ａ三角波発生器１６クロスポイント検出器１７パルスパターン決定回路１８電圧位相検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自己消弧型スイッチング素子をブリッジ接
続してなり、直流端子間に電圧源が接続され、交流端子
がインピーダンス素子を介して交流系統に接続された電
圧型自励式変換器と、前記変換器の出力電力を検出する
電力検出手段と、三角波信号を発生する三角波発生手段
と、所定のタイミングにて、前記変換器の出力電力の検
出値と予め設定された設定値との偏差に基づいて前記変
換器の出力電流指令を演算するディジタル電流制御手段
と、前記ディジタル電流制御手段の電流指令と前記三角
波発生手段の三角波とを比較して前記自己消弧型スイッ
チング素子のオン、オフパターンを決定するパルスパタ
ーン決定手段とを備えた電圧型自励式変換装置におい
て、前記ディジタル電流制御手段は、前記三角波発生手
段の三角波信号に同期したタイミングにて、前記変換器
の出力電流指令を演算することを特徴とする電圧型自励
式変換装置。
【請求項２】前記ディジタル電流制御手段は、前記三角
波を偶数値で分割したタイミングにて前記変換器の出力
電流指令を演算する請求項１に記載の電圧型自励式変換
装置。
【請求項３】前記三角波発生手段は、前記ディジタル電
流制御手段の出力に同期した三角波を発生することを特
徴とする請求項１又は２に記載の電圧型自励式変換装
置。
【請求項４】さらに、前記交流系統の電圧位相を検出す
る電圧位相検出手段を備え、前記ディジタル電流制御手
段は、前記交流系統の電圧の１周期を、前記三角波を整
数倍で分割したタイミングにて、前記変換器の出力電流
指令を演算することを特徴とする請求項１に記載の電圧
型自励式変換装置。