JPS637166A - 電力変換装置 - 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５６−１６２９
７６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
ＮＱ４５３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１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
号公報に示しで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、交流電源を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図〜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。まず、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ＩＳの入力端子、６は指令
Ｉ−と帰還値ｉｌどの偏差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袋！！
１０内部の周波数指令ω串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ＰＨｚ−と通流率指令ＰＵＳを発生する関数発
生手ト 段１１０．電源周波数指令ω喰を一定時」こ積分し、第
１の位相指令ＰＨ１傘を　　　　　　　　　。

作成する一方、第２の位 相指令ＰＨｘ＊とから総合位相指令θＴ−を作成する総
合位相作成手段１２０．総合位相指令θ７６の値に応じ
て０丁・がＯ〜６０”　、６０〜１２０°。

１２０〜１８０°、１８０〜２４０’　、２４０〜３０
０″、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θＴ　”　Ｑ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などから構成しである。

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１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２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１ｏ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、５０　Ｈｚの電源を使用していれ
ば、２０ｍ５ｅｃ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傘を一定時間Δを毎に積分して得られる第１の
位相指令ＰＨ１傘の値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
ＰＨｘ’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ツジ検出し、このときの
時刻を別置タイマで調べ、その値をＰ　Ｉ　ＦＯＲＡＭ
　（ｆｉｒｓｔ　１ｎｆｉｒｓｔ　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ＰＨｘ＊
は電気角３６ｏ６に近づいているはずである。このＰＨ
ｚ”の値があまりに３６０゜とかけはなれた場合に受は
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Ｖυ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者えられ、
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、はぼ−定時間Δを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Δを毎にコ
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、２０ｍ５ｅｃ／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、Ｔｉ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１
０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申算出の前であれば、同期動作は第４図（ａ）の傘１
で示すパターン発生処理内で実行され、θＴ＊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傘２で
パターン発生に反映されることになる。

そして、７２時点でゼロクロス発生の時間保持が行われ
た場合もやはり傘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ＰＨｚ拳を発
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−ｉ−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Ｐ
Ｈｘ＊が不要となるだけで同期化に舅する本発明の本質
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で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１２２で前回の位相指令ＰＨ１”にゲ
インに倍した電源周波数指令ω申を加算することによっ
て今回の位相指令ＰＨｚ拳を求める。−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ｆでの経過時間Ｔｐ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１次に、処理１２４で位相指令Ｐ）
＋１１１用のイニシャルデータを次式により作成する。

Δ　ｔ ここに、Δｔ；積分インターバル 処理１２５では、前回のＰＨ１傘を今回のＰＨｔｌ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ＰＨｘ拳と第２の位相指令ＰＨｚ
＊より総合位相指令０丁−を求める。

ここで電源周波数指令ω傘は電源の周波数であるから５
０　Ｈｚ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傘が作成される状態の説明図で
ある。第７図（ａ）はΔを毎に起動されるパターン発生
処理で、位相指令ＰＨＬＩがｋ・ω−ずつ積分さ九てい
る状態を示す、−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Ｔｐに応じてイニシャルデータ（Ｔｐ／Δｔ
−にω＊）が位相指令ＰＨｚ＊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拳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拳の
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θ７６を用
いて電気角３６ｏ°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１３１で総合位相指令θＴ＊の値
が電気角３６０ｍのうちのどの６０６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１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Δを時間の間に消点弧すべき素子が判定
される。さらに、処理１３２でθ丁−が６０”区間のう
ちのどのΔを区間に存在するかを（，１）を調べる。仮
にΔｔ＝５５５．６μｓｅｃとすると、６０’区間内に
は６個のΔを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１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θＴ・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１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ＰＵＳを用いる。ここでは総合位相指令θ７６
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を１　、８　ｋ　Ｈｚ　　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丁−が第１番目のステージにあったとし１
通流率指令ＰＵ傘＝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の間室時点弧 （２）ｔ＜ｔｚの間短絡用素子２２を点弧、素子２１．
２３，２４，２６は消弧 （３）ｔ１≦ｔ≦ｔ２の間素子２３を点弧、素子２１゜
２２．２４，２６は消弧 （４）ｔｚ≦ｔくΔｔの間素子２１を点弧、素子２２゜
２３．２４，２６は消弧 なお、Ｑ１〜Ｑ６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１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
１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
３６０ｍ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
ｘ拳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傘の修正処理がやや複雑となるが、
先に述べた方式が２Ｑｍｓｅｃに１回しか同期化を行わ
ないのに比較して３　、３　ｍ５ｅｃ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拳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Ｔｐを求め、処理１５０２でイニシャル
データのうち可変分データＰＨｘｏ申を求める。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ＰＨｓ拳
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Ｐ
Ｈ１０＊と０°とを加算して代入する。小さくなければ
処理１５ｏ５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ＰＨｚ”はＰＨｔｏ＊と６０＠とが加算さ
れたものが代入される。以下同様に、Ｖ組立ち上り、Ｕ
相克ち下り。

Ｗ和文ち上り、Ｖ組立ち下り、Ｕ相克ち上りのゼロクロ
ス信号に対応して処理１５０８，１５１０゜１５１２．
１５１３で位相指令ＰＨｔ＊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ＰＨｚ傘が作
成される状態を示す説明図、第８図は第２図の処理１３
０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１
４０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。 （０Ｌ） 同類化処理 第２閉 Ｃｂ） バヲーン発生熟工里 第３　図 （！７） Ｕ争 半１米２　　　　　　　　　　米３ １Ｔ２ 第６０ 第７２ （ｃＬ） Ｃ１０） 第Ｓ　図 （０Ｌ） 同期化灼捏 ！２　区 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。 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。 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つ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。 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つ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。 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°、１２０〜１８
   ０°、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。 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。 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。