JPS63194571A - コンバ−タ回路の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は単位コンバータを多段縦続接続して購成される
コンバータ回路の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、位相制御されるコンバータの入力端子の基本波
は大きさが出力電圧に関係なく一定であり、基本波力率
角だけが変化する。そのため、コンバータの出力電圧を
小さくしたときには大きな無効電力を発生する。

コンバータの入力無効電力の低減を図るためにコンバー
タを縦続接続して、各コンバータを正または負の最大電
圧付近で動作させる、いわゆる非対称制御方式が知られ
ている。従来の非対称制御方式は例えば特開昭５９−１
２３４６７号、特開昭６０−１９４７６０号などに記載
されているように、縦続接続されたコンバータのうちの
１段を最大出力電圧を出力するように固定し、他殺のコ
ンバータの出力電圧を調節して、所要の出力電圧を得る
ようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の非対称制御は単位コンバータの動作点を正あるい
は負の最大電圧付近にすることにより電源力率の改善を
図るのみである。そのため、コンバータ回路の出力電圧
のりプルが点弧位相によって増加するという問題点を有
する。電圧リプルが大きくなると、負荷が電動機の場合
にはトルクリプル及び電磁気合が大きくなる。

本発明の目的は単位コンバータを多段縦続接続されたコ
ンバータ回路の出力電圧のりプルを低減することができ
るコンバータ回路の制御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〕

本発明は単位コンバータ間の点弧タイミング角度差が１
点弧位相バイアスイａ号が零のときにおける各単位コン
バータ間の電圧リプル位相の角度差に等しくなるように
点弧位相バイアス信号の大きさを決定するようにする。

〔作用〕

単位コンバータの出力電圧には電圧指令に基づく基本波
成分と点弧位相制御に基づく周期（コンバータが３相の
場合は６０６周期となる）の電圧リプル成分が含まれて
いる。従って、単位コンバータ間の電圧リプル位相が一
致すると、多段縦続接続された段数倍の大きさの電圧リ
プルが発生する。本発明では、単位コンバータ間の電圧
リプル位相が常に所定値（３相の場合には３０°あるい
は９０°）となるように１点弧位相バイアス電圧を決定
している。そのため、単位コンバータの電圧リプルが段
数倍されることがなく、最小にすることができる。また
、コンバータの出力電圧の大きさに応じて点弧位相バイ
アス電圧を演算して電圧リプル位相差を切換えるように
することによって、単位コンバータの動作点を常に正あ
るいは負の最大電圧付近にすることができるので、コン
バータの入力無効電力の低減が図れるため電源力率を改
善することができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。

第１図は３相コンバータを２段縦続接続した例を示す。

第１図において、サイクロコンバータは正側コンバータ
２ａと２ｂ、負側コンバータ３ａと３ｂから構成される
。正側及び負側コンバータ２ａ。

２ｂ、３ａ、３ｂは電源トランス１に接続されている。

第１図に示す正、負側コンバータは一相分を示し、各々
は交流電動機４の一相に接続される６第１図では交流電
動機４の一相分を等価回路で図示している。正側コンバ
ータ２ａ、２ｂの出力電電圧は位相制御回路５ａ、５ｂ
から与えられる。

第１図では正側コンバータの位相制御回路のみを図示し
ている。

位相制御回路５ａ、５ｂは、コンバータ２ａ。

２ｂの出力電圧指令Ｖ２ａ”　、　Ｖ２Ｌ＋”に基づい
て、コンバータ２ａ、２ｂの点弧タイミングを与える。

比例ゲイン６はコンバータの出力電圧指令■−縦続接続
された単位コンバータに等分に分担させす るもので、２段縦続接続の場合には−の大きさである。

また、コンバータの出力電圧指令Ｖ−は点弧位相バイア
ス電圧演算回路７に入力され、縦続接続された単位コン
バータ２ａと２ｂの電圧リプルの位相差が３０６あるい
は９０°となるように点弧位相バイアス電圧ＶＢ傘の大
きさを演算して。

加算器９，１０に加えられる。

次に、動作を説明する。

第２図は単位コンバータ２ａの動作波形を直流電圧Ｖ、
を出力した時について示したものである。

第２図において、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）の２π／３周
期の矩形波は各相の通流期間であり、（ｈ）に示すよう
に単位コンバータの出力電圧は位相制御角αによる大き
さの成分と、６０’周期の電圧リプルが含まれている。

なお、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）の実線と破線は三相ブリ
ッジ構成による単位コンバータの正側アームと負側アー
ムによるものを表わしたものである。

この単位コンバータの出力電圧の基本波成分と位相制御
角αの間には、第３図に示す関係がある。

これが１位相制御回路５ａ、５ｂの入出力特性である。

また、単位コンバータの出力電圧の基本波成分の出力電
圧比に対する電源の力率は第４図に；示す関係がある。

従って、通常は単位コンバータ２ａと２ｂを縦続接続し
て、出力電圧が低い場合には一方を単位コンバータの最
大出力電圧に固定して、他方の単位コンバータの位相制
御によって所要の出力電圧を得ることによって、電源力
率の改善を図る。

このようにして、力率改善を行うのであるが、本発明に
おいては更に、次のような動作を行う。

単位コンバータ２ａと２ｂは電源高調波を低減するため
に、電源変圧器１の２次側のΔ及びＹ結線に接続される
。その結果、単位コンバータ２ａと２ｂに同一の出力′
重圧指令を入力すると、ｆ、位コンバータ２ａと２ｂの
電圧リプルには３０°の位相差が生じる。この関係を第
５図に示す。単位コンバータ２ａ、２ｂの位相制御角α
２ａ、α２ｂは等しいので、（ａ）、（ｂ）に示すよう
に電源側の入力位相差３０°だけ電圧リプル位相が異な
り、（ｃ）に示すように縦続接続されたコンバータ回路
の電圧リプルは、単位コンバータの電圧リプルの大きさ
に等しく１周波数が２倍となる。しかしながら、位相制
御角α２ａ、α２ｂが等しい場合には、出力電圧が低い
場合に電源力率が悪化する。そこで、点弧位相バイアス
電圧を加算して、動作点を高めた場合を次に示す。単位
コンバータ２ａと２ｂの出力電圧指令が異なる場合には
、例えば位相制御角α２ａをα２ｂに対して−大きくし
た場合の電圧リプル位相は、位相制御角の差と電源側の
入力位相差３０°を加算した大きさとなる。この関係を
第６図に示す。この場合には、（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに単位コンバータ２ａと２ｂの電圧リプル位相が一致
するため、（ｃ）に示すように縦続接続されたコンバー
タ回路の電圧リプルの大きさは、単位コンバータの電圧
リプルの２倍（縦続接続される段数倍）となる。

点弧位相バイアス電圧演算回路７は単位コンバータ２ａ
と２ｂの電圧リプル位相差が３０″あるいは９０°とな
る点弧位相バイアス電圧■８拳を求求めて、単位コンバ
ータ２ａと２ｂの出力電圧指令の一方に加算し、他方か
ら減算するようにしている。その結果、縦続接続された
コンバータ回路の出力電圧には点弧位相バイアス電圧が
相殺され出力されず、出力電圧指令■ｌＩＩの大きさが
出力される。

以上のような動作を行うのであるが、このような動作に
伴う本発明の作用について具体的に説明する。

いま、単位コンバータ２ａと２ｂの位相制御角をα２ａ
、　　α２ｂとすると、単位コンバータ２ａ。

２ｂの出力Ｖ２ａ、　ｖハは次式のように表わせる。

ｖｚａ＝　Ｅｄｍ　°Ｃｏ５ｔ！２ａ ｖ２ｂ：　ＥＬｌａ　Ｉ　ｃｏｓａ２ｂ　　　　　　　
　　−（］）ここに、Ｅａ＋ａは単位コンバータの最大
出力電圧である。点弧位相バイアス電圧をｖＢ、単位コ
ンバータ２ａと２ｂを縦続接続したコンバータ回路の出
力電圧■。とすれば、次式が成立する。

Ｖ２ａ＝　　　＋ｖＢ ここで、電圧Ｅｄ１に対する点弧位相バイアス電圧ｖｎ
の比をＱ、？ｉ１１圧Ｅａ＋ａに対する単位コンバータ
の出力電圧■ｕ／２の電圧比をγとすると（１）　、　
（２）式より（３）式が成立する。

α２ａ　：　ＣＯ３−’　（γ十〇） αｚｂ＝ｃｏｓ−”（ｙ　−Ｑ　）　　　　　　　　　
　−（３）（３）式より、単位コンバータ２ａと２ｂの
位相制仰角の差を求める次式となる。

α２ｂ−α２ａ＝ＣＯ３−”　　（γ−Ｑ）　　　ｃｏ
ｓ−”（γ十Ω）＝ｃｏｓ−”［（”Ｉ−Ｑ　）（γ十
Ｑ）＋　１−（γ−Ｑ　　１−γ＋Ｑ　　］・・・（４
） （４）式より、単位コンバータ間の電圧リプルの位相差
が３０’あるいは９０°となる比Ｑの大きさを求めるこ
とができる。前述したように、電圧リプルの位相差が３
０°あるいは９０°となるためには電源側の位相差３０
’より単位コンバータ間の位相制御角の差は６０°ある
いは１２０°である。最初に、単位コンバータ間の点弧
位相差を６０°とする比Ｑ、すなわち点弧位相バイアス
電圧の大きさを求める。（４）式に（５）式を代入して
。

比Ｑについて整理すると（６）式である。

ｃｏｓ（αｚｂ−ａ　ｚａ）　＝ｃｏｓ　−＝−・・・
（５） 但し、（γ−Ω）（γ十Ｑ）≦−・・・（７）（８）式
より、単位コンバータ間の点弧位相差を６０°とする点
弧位相バイアス電圧ＶＢは次式のようになる。

次に、点弧位相差６０’と全く同様に電圧リプルを最小
とする点弧位相差１２０°について、点弧位相バイアス
電圧を求めるため単位コンバータ間の点弧位相差を１２
０°とする比Ωを求める。

（４）式に（１０）式を代入して比Ｑについて整理する
と（１１）式となる。

ｃｏｓ　（α２ｂ−α２．）　：ＣＯ３−π＝−−・・
・（１ｏ） Ｑ”＝−−３ｙ２　　　　　　　　　　　・・・（１１
）但し、（γ−Ｑ）（γ＋Ｑ）ニー−・・・（１２）（
１１）、　（１２）式より比Ｑを求めると、γ≦−の範
囲において次式で与えられる。

（１１）式より単位コンバータ間の点弧位相差を１２０
゜とする点弧位相バイアス電圧ＶＢは次式によって１ノ
求められる。

以上の単位コンバータ間の点弧位相差を６０″あるいは
１２０″′とするための、点弧位相バイアス電圧の大き
さに関する結果である（８）式、（１１）式をまとめる
と第７図に示す特性になる。第７図において、実線（ａ
）は単位コンバータ間の点弧位相差６０°における電圧
比γに対する比Ｑの関係を示し、破線（ｂ）は単位コン
バータ間の点弧位相差１２０″′における電圧比γに対
する比Ｑの関係を示す。単位コンバータの入力無効電力
を低減するには単位コンバータの動作点を正または負の
できるだけ最高電圧付近で動作させることが望ましい。

このことを実行するには単位コンバータの出力電圧に応
じて出来るだけ大きな点弧位相バイアス電圧を加算する
ことである。そのためには、第７図に示す特性から明ら
かなように、単位コンバータの出力電圧■ｕ／２とと単
位コンバータの最大出力電圧Ｅａ＋ｉの電圧比γに応じ
て、点弧位相バイアス電圧（ＶＢ）　　とＥｄ、の比Ｑ
の大きな値を選択すればよい。なお、単位コンバータ間
の点弧位相差を１２０°と出来る電圧比γの太きさは（
１２）式から明らかな如＜０．２５以下である。

従って、電圧比γが０．２５以下では単位コンバータ間
の点弧位相差が１２０°となるように点弧位相バイアス
電圧の大きさを第７図に示す破線（ｂ）のようにし、ま
た電圧比γが０．２５以上では単位コンバータ間の点弧
位相差が６０°となるように点弧位相バイアス電圧の大
きさを第７図に示す実線（ａ）のようにとることにより
、単位コンバータを縦続接続したコンバータ回路の出力
電圧の電圧リプルを最小とすることができると共に、動
作点を高くできるので電源力率を改善することができる
。

点弧位相バイアス電圧演算回路７はコンバータ回路の出
力電圧指令■−とコンバータ回路の最大出力電圧２・Ｅ
＋＋ｍの電圧比γ串に対して、Ｑ拳（＝ｖＢｅ／　Ｅ　
ａｍ）を出力する第８図に示す特性の関数発生器で実現
できる。

また、点弧位相バイアス電圧演算回路をマイクロプロセ
ッサで枯成し、演算処理内容を行うようにしてもよい。

第９図において、ブロック９はコンバータ回路の出力電
圧指令■−とコンバータ回路の最大出力電圧２・Ｅｄ、
どの電圧比γを演算し、ブロック１０にてγと０．２５
　を比較しこの演算結果γが０．２５以下の場合には単
位コンバータ間の点弧位相差を１２０°とする点弧位相
バイアス電圧ＶＢをブロック１１にて演算して出力する
。

また、電圧比γが０．２５以上の場合には！ｊ１．位コ
ンバータ間の点弧位相差を６０°とする点弧位相バイア
ス電圧■［Ｉをブロック１２にて演算して出力する。

第１０図に点弧位相バイアス電圧演算回路７の他の入出
力特性を示す。第１０図において第８図と異なる点は、
コンバータ回路の出力電圧指令の最大値に基づいて、単
位コンバータ間の点弧位相差を６０’あるいは１２０°
とするようにしたことである。コンバータ回路の出力電
圧指令ＶＢ＊のピーク値■。傘とコンバータ回路の最大
出力電圧２Ｅｌｌｌｌの電圧比γ１を求めて、電圧比γ
、が０．２５以下の場合には単位コンバータ間の点弧位
相を１２０°とする。また、電圧比γ、が０．２５を越
える場合には、コンバータ回路の出力電圧指令■−とコ
ンバータ回路の最大出力電圧２Ｅａ−の電圧比γが０．
２５以下の場合でも、単位コンバータ間の点弧位相差を
６０’としている。

第１１図は演算回路７をマイクロプロセッサ構成し、第
１０図の特性に基づき演算する場合の処理内容である。

第１１図において、ブロック１３はコンバータ回路の出
力電圧指令Ｖ−とコンバータ回路の最大出力電圧２・Ｅ
ｏの電圧比γを演算し、ブロック１４はコンバータの出
力電圧指令Ｖ　ｕ”、　Ｖ　ｙ＊、　Ｖ　ｗｅから最大
値を求め、これとコンバータの最大出力電圧２・Ｅｄ、
の電圧比γ、を演算する。ブロック１５にて電圧比γ１
と０．２５を比較し、電圧比γ、が０．２５以下の場合
には、ブロック１６にてブロック１３で求めた電圧比γ
に基づいて、ｍ位コンバータ間の点弧位相差を１２０゜
とする点弧位相バイアス電圧ｖ８を演算して出力する。

また、電圧比γ１が０．２５を越える場合にはブロック
１７にてブロック１３で求めた電圧比γに基づいて、単
位コンバータ間の点弧位相差を６０６とする点弧位相バ
イアス電圧ＶＢを演算して出力するようにしている。

第１０図のような特性にすると、コンバータ回路の出力
電圧指令の最大値とコンバータ回路の最大出力電圧２・
Ｅｄｌｌの電圧比γヨが、０．２５以上の場合において
も１点弧位相バイアス電圧が不連続的な変化をすること
がなく、単位コンバータの出力電圧に急便な変化を生じ
させることがないので、良好な制御性能が得られる。

第１２図は負荷が直流電動機の例を示す。第１図と異な
る点は直流電動機８を負荷とした点である。直流電動機
においてはコンバータ回路の出力電圧のりプルは直流電
動機の電流脈動として表オ〕れ、速度リプルの発生なら
びにブラシによる整流不良の原因となる。本発明を採用
することによって、コンバータ回路の出力電圧リプルを
最小とできるので直流電動機を電流リプルミニマムにし
て運転することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単位コンバータを多段に縦続接続した
コンバータ回路において、単位コンバータ間の点弧タイ
ミング位相差をコンバータ回路の出力電圧の電圧リプル
が最小となるようにすることができる。また、単位コン
バータの動作点を正あるいは負の最大出力電圧の付近に
できるので、電動機のトルクリプル、電磁録音の低減が
図れると共に、コンバータ回路の電源力率も改善できる
。

なお、上述の実施例はコンバータが１相及び３相の場合
について説明したが、コンバータが６相。

１２相のものであっても同様な効果を戻し得ることは勿
論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例を示す構成図、第２図は単
位コンバータの動作を説明するための波形図、第３図は
コンバータの出力電圧と位相制御角の関係を示す特性図
、第４図はコンバータの出力電圧と電源力率の関係を示
す特性図、第５図。 第６図は単位コンバータを縦続接続したコンバータ回路
の出力電圧リプルを説明するための波形図、第７図は単
位コンバータ間の点弧位相差を所定値とする点弧位相バ
イアス電圧の特性図、第８図は第一実施例に用いる点弧
位相バイアス電圧演算回路の人出力特性図、第９図は第
一実施例をディジタル演算で行う場合の処理内容フロー
図、第１０図は本発明に用いる点弧位相バイアス電圧演
算回路の他の入出力特性図、第１１図は本発明をディジ
タル演算で行う場合の他の処理内容フロー図、第１２図
は本発明の他の適用例を示す構成図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも２個の単位コンバータを縦続接続したコ
   ンバータ回路と、該コンバータ回路により給電される負
   荷と、前記単位コンバータ毎に設けられ、電圧指令信号
   に基づき対応する単位コンバータの点弧位相制御を行う
   位相制御手段と、これら位相制御手段に点弧位相バイア
   ス信号を逆極性で加えるバイアス演算手段とを具備し、
   該バイアス演算手段は各単位コンバータ間の点弧タイミ
   ング角度差が、前記点弧位相バイアス信号が零のときに
   おける各単位コンバータ間の電圧リプル位相の角度差に
   等しくなるように前記点弧位相バイアス信号の大きさを
   決定するようにしたことを特徴とするコンバータ装置の
   制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記単位コンバー
   タが３相の場合には前記電圧指令信号と前記単位コンバ
   ータの最大出力電圧の電圧比が０．２５以下において前
   記単位コンバータ間の点弧タイミング角度差が１２０°
   となるようにし、前記電圧比が０．２５以上において前
   記単位コンバータ間の点弧タイミング角度差が６０°に
   なるように前記点弧位相バイアス信号の大きさを決定す
   るようにしたことを特徴とするコンバータ回路の制御装
   置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記コンバータ回
   路の出力電圧指令を前記単位コンバータに均等に配分す
   るようにしたことを特徴とするコンバータ回路の制御装
   置。