JP2011229347A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インバータ回路の交流側出力を電源に重畳して所望の直流電圧を得る電力変換装置において、高精度な電流制御を可能にして高調波電流を抑制する。
【解決手段】単相インバータを1以上直列接続したインバータ回路100を交流電源1に直列接続し、その後段に半導体スイッチ素子101a〜104aによるコンバータ回路300を介して平滑コンデンサ3を接続し、1周期内に平滑コンデンサ3をバイパスさせる短絡期間Tを設けてコンバータ回路300を制御し、平滑コンデンサ3の電圧が目標電圧となるように電流指令を用いて交流電源1の力率を改善するようにインバータ回路100を制御する。そして短絡期間Tとそれ以外との制御の切り替え時にインバータ回路100の出力電圧を平滑コンデンサ3の電圧分加減算させるようインバータ回路100をフィードフォワード制御する。
【選択図】図1
【解決手段】単相インバータを1以上直列接続したインバータ回路100を交流電源1に直列接続し、その後段に半導体スイッチ素子101a〜104aによるコンバータ回路300を介して平滑コンデンサ3を接続し、1周期内に平滑コンデンサ3をバイパスさせる短絡期間Tを設けてコンバータ回路300を制御し、平滑コンデンサ3の電圧が目標電圧となるように電流指令を用いて交流電源1の力率を改善するようにインバータ回路100を制御する。そして短絡期間Tとそれ以外との制御の切り替え時にインバータ回路100の出力電圧を平滑コンデンサ3の電圧分加減算させるようインバータ回路100をフィードフォワード制御する。
【選択図】図1
Description
この発明は、単相インバータの交流側の出力を電源出力に重畳し、所望の直流電圧を得る電力変換装置に関するものである。
従来の電力変換装置は、交流電源の第1の端子からの出力は、リアクトルに接続され、その後段に単相インバータにて構成されたインバータ回路の交流側が直列接続される。インバータ回路内の単相インバータは、半導体スイッチ素子および直流電圧源から構成される。また、それぞれ短絡用スイッチと整流ダイオードとを直列接続してインバータを構成する第1、第2の直列回路は並列接続され、出力段の平滑コンデンサの両端子間に接続される。第1の直列回路の中点が、インバータ回路の後段の交流出力線に接続され、第2の直列回路の中点が交流電源の第2の端子に接続される。そして、平滑コンデンサの直流電圧が一定の目標電圧に維持できるように、また交流電源からの入力力率が概1になるようにPWM制御により電流を制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源からの入力電圧に重畳する。そして、交流電源からの入力電圧の位相のゼロクロス位相を中央とする短絡位相範囲でのみ、短絡用スイッチをオン状態として平滑コンデンサをバイパスさせ、短絡用スイッチのオンオフ切り替えに同期して、インバータ回路の電圧指令を補正する(例えば、特許文献1参照)。
このような電力変換装置では、短絡用スイッチのオンオフ切り替えによりインバータ回路の直流電圧源の充放電を切り替えて、所望の直流電圧を得るもので、短絡用スイッチのオンオフ切り替えの際にフィードフォワード制御を用いて、フィードバック制御の遅れを防止している。しかしながら、短絡用スイッチのオンオフ切り替え時の過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生を抑制することは困難であった。
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、平滑コンデンサをバイパスする制御とそれ以外の制御との切り替え時にも、インバータ回路を流れる電流を高精度に制御し、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる電力変換装置を得る事を目的とする。
この発明に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチ素子と直流電圧源とから成る単相インバータの交流側を1以上直列接続して構成され、該交流側を電源の第1の端子に直列接続して上記各単相インバータの出力の総和を上記電源の出力に重畳するインバータ回路と、直流母線間に複数のスイッチを有し、一方の交流端子が上記インバータ回路の後段の交流出力線に接続され、他方の交流端子が上記電源の第2の端子に接続され、上記直流母線間に直流電力を出力するコンバータ回路と、上記直流母線間に接続され、上記コンバータ回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を出力制御する制御回路とを備える。そして、上記制御回路は、上記コンバータ回路の上記交流端子間を短絡させて上記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して上記コンバータ回路を制御すると共に、上記平滑コンデンサの電圧を目標電圧に追従させるように上記インバータ回路を電流指令を用いて制御する。また、上記制御回路は、上記コンバータ回路の制御における上記短絡期間の制御である第1の制御と、上記コンバータ回路の上記各交流端子と上記平滑コンデンサとの間を導通させる第2の制御との切り替え時に、上記インバータ回路の出力電圧が上記平滑コンデンサの電圧分、加減算されるように、フィードフォワード制御を用いて該インバータ回路を出力制御するものである。
この発明によると、制御回路は、平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間の第1の制御と、コンバータ回路の各交流端子と平滑コンデンサとの間を導通させる第2の制御との切り替え時に、インバータ回路の出力電圧が平滑コンデンサの電圧分、加減算されるように、フィードフォワード制御を用いて該インバータ回路を出力制御するため、第1の制御と第2の制御との切り替え時における過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。図1はこの発明
の実施の形態1による電力変換装置の概略構成図である。
図1に示すように、電力変換装置は、交流電源1の交流電力を直流電力に変換して出力するための主回路と制御回路10とを備える。
主回路は、限流回路としてのリアクトル2とインバータ回路100とコンバータ回路300と平滑コンデンサ3とを備える。交流電源1の第1の端子からの出力は、リアクトル2に接続され、その後段に単相インバータにて構成されたインバータ回路100の交流側が直列接続される。コンバータ回路300は、一方の交流端子がインバータ回路100の後段の交流出力線に接続され、他方の交流端子が交流電源1の第2の端子に接続され、コンバータ回路300の直流母線3a、3b間に接続された平滑コンデンサ3に直流電力を出力する。
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。図1はこの発明
の実施の形態1による電力変換装置の概略構成図である。
図1に示すように、電力変換装置は、交流電源1の交流電力を直流電力に変換して出力するための主回路と制御回路10とを備える。
主回路は、限流回路としてのリアクトル2とインバータ回路100とコンバータ回路300と平滑コンデンサ3とを備える。交流電源1の第1の端子からの出力は、リアクトル2に接続され、その後段に単相インバータにて構成されたインバータ回路100の交流側が直列接続される。コンバータ回路300は、一方の交流端子がインバータ回路100の後段の交流出力線に接続され、他方の交流端子が交流電源1の第2の端子に接続され、コンバータ回路300の直流母線3a、3b間に接続された平滑コンデンサ3に直流電力を出力する。
インバータ回路100内の単相インバータは、ダイオード101b〜104bを逆並列に接続した複数個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体スイッチ素子101a〜104a、および直流コンデンサ等から成る直流電圧源105にて構成されるフルブリッジ構成のインバータである。
コンバータ回路300は、直流母線間に複数の半導体スイッチ素子301a〜304aを有し、この場合、ダイオード301b〜304bを逆並列に接続した複数個のIGBT等の半導体スイッチ素子301a〜304aをそれぞれ2個直列接続した2つのブリッジ回路を直流母線間に並列接続して構成する。
インバータ回路100の後段の交流出力線にはコンバータ回路300の半導体スイッチ素子301aのエミッタと半導体スイッチ素子302aのコレクタとの接続点が接続される。また半導体スイッチ素子303aのエミッタと半導体スイッチ素子304aのコレクタとの接続点が交流電源1の上記第2の端子に接続される。
コンバータ回路300は、直流母線間に複数の半導体スイッチ素子301a〜304aを有し、この場合、ダイオード301b〜304bを逆並列に接続した複数個のIGBT等の半導体スイッチ素子301a〜304aをそれぞれ2個直列接続した2つのブリッジ回路を直流母線間に並列接続して構成する。
インバータ回路100の後段の交流出力線にはコンバータ回路300の半導体スイッチ素子301aのエミッタと半導体スイッチ素子302aのコレクタとの接続点が接続される。また半導体スイッチ素子303aのエミッタと半導体スイッチ素子304aのコレクタとの接続点が交流電源1の上記第2の端子に接続される。
なお、半導体スイッチ素子101a〜104a、301a〜304aはIGBT以外にも、ソース・ドレイン間にダイオードが内蔵されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等でもよい。
また、リアクトル2はインバータ回路100とコンバータ回路300との間に直列接続しても良い。
また、リアクトル2はインバータ回路100とコンバータ回路300との間に直列接続しても良い。
制御回路10は、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubと、平滑コンデンサ3の電圧Vdcと、交流電源1からの電圧Vin、電流Iinとに基づいて、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが一定の目標電圧Vdc*になるように、インバータ回路100およびコンバータ回路300内の各半導体スイッチ素子101a〜104a、301a〜304aへのゲート信号11、12を生成してインバータ回路100およびコンバータ回路300を出力制御する。
平滑コンデンサ3には図示しない負荷が接続され、通常時は電圧Vdcは目標電圧Vdc*に比べて低く、制御回路10は、交流電源1からの交流電力を変換して平滑コンデンサ3に直流電力を供給するようにインバータ回路100およびコンバータ回路300を出力制御する。
平滑コンデンサ3には図示しない負荷が接続され、通常時は電圧Vdcは目標電圧Vdc*に比べて低く、制御回路10は、交流電源1からの交流電力を変換して平滑コンデンサ3に直流電力を供給するようにインバータ回路100およびコンバータ回路300を出力制御する。
このように構成される電力変換装置の力行動作、即ち平滑コンデンサ3に直流電力を出力する動作について、図に基づいて説明する。図2〜図5は、力行動作における電流経路図を示す。また、図6は、電力変換装置の昇圧時の力行動作を説明する各部の波形とインバータ回路100の直流電圧源105の充放電を示す図である。図7は、電力変換装置の降圧時の力行動作を説明する各部の波形とインバータ回路100の直流電圧源105の充放電を示す図である。なお、出力段の平滑コンデンサ3の電圧Vdcが、交流電源1の電圧Vinのピーク電圧Vpより高い場合を昇圧と称し、出力段の平滑コンデンサ3の電圧Vdcが、交流電源1の電圧Vinのピーク電圧Vpより高い場合を降圧と称す。また、図6、図7では、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが一定の目標電圧Vdc*に制御されている状態を示す。
交流電源1からの電圧Vinは、図6、図7に示すような波形となる。インバータ回路100は、交流電源1からの入力力率が概1になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。
交流電源1からの電圧Vinは、図6、図7に示すような波形となる。インバータ回路100は、交流電源1からの入力力率が概1になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。
交流電源1の電圧位相をθとし、まず、電圧Vinが正極性である0≦θ<πの場合について示す。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れ、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御してインバータ回路100をPWM動作させることで直流電圧源105を充放電させ、電流制御を行う。なお、各半導体スイッチ素子101a〜104aに流れる電流が、エミッタからコレクタへ流れる時は、その半導体スイッチ素子をオフして逆並列接続されたダイオード101b〜104bに電流を流しても良い。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れ、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御してインバータ回路100をPWM動作させることで直流電圧源105を充放電させ、電流制御を行う。なお、各半導体スイッチ素子101a〜104aに流れる電流が、エミッタからコレクタへ流れる時は、その半導体スイッチ素子をオフして逆並列接続されたダイオード101b〜104bに電流を流しても良い。
図2に示すように、交流電源1からの電流はリアクトル2にて限流され、インバータ回路100に入力され、その出力はコンバータ回路300内のダイオード301bを通り平滑用コンデンサ3を充電しダイオード304bを経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、上記の4種の制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を放電、あるいは充放電させ、電流制御を行う。
交流電源1の電圧Vinのゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲(以下、短絡期間Tと称す)では、図3に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子302aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路300内の他の半導体スイッチ素子301a、303a、304aをオフさせる。交流電源1からの電流はリアクトル2にて限流され、インバータ回路100に入力されて直流電圧源105を充電し、コンバータ回路300内の半導体スイッチ素子302a、ダイオード304bを経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流電圧源105を充電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を充電させ、電流制御を行う。
交流電源1の電圧Vinのゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲(以下、短絡期間Tと称す)では、図3に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子302aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路300内の他の半導体スイッチ素子301a、303a、304aをオフさせる。交流電源1からの電流はリアクトル2にて限流され、インバータ回路100に入力されて直流電圧源105を充電し、コンバータ回路300内の半導体スイッチ素子302a、ダイオード304bを経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流電圧源105を充電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を充電させ、電流制御を行う。
次に、電圧Vinが負極性であるπ≦θ<2πの場合について示す。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れ、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御してインバータ回路100をPWM動作させることで直流電圧源105を充放電させ、電流制御を行う。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れ、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御してインバータ回路100をPWM動作させることで直流電圧源105を充放電させ、電流制御を行う。
図4に示すように、交流電源1からの電流は、コンバータ回路300内のダイオード303bを通り、平滑用コンデンサ3を充電しダイオード302bを経てインバータ回路100に入力され、インバータ回路100の出力はリアクトル2を経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、上記の4種の制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を放電、あるいは充放電させ、電流制御を行う。
短絡期間Tでは、図5に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子304aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路300内の他の半導体スイッチ素子301a、302a、303aをオフさせる。交流電源1からの電流は、コンバータ回路300の半導体スイッチ素子304a、ダイオード302bを経てインバータ回路100に入力され、直流電圧源105を充電してリアクトル2を経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流電圧源105を充電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を充電させ、電流制御を行う。
短絡期間Tでは、図5に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子304aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路300内の他の半導体スイッチ素子301a、302a、303aをオフさせる。交流電源1からの電流は、コンバータ回路300の半導体スイッチ素子304a、ダイオード302bを経てインバータ回路100に入力され、直流電圧源105を充電してリアクトル2を経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流電圧源105を充電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を充電させ、電流制御を行う。
なお、コンバータ回路300では、半導体スイッチ素子302a、304aを短絡スイッチとして動作させるときのみオンさせる場合を示したが、各ダイオード301b〜304bに電流を流す場合は、該ダイオードが逆並列接続されている半導体スイッチ素子301a〜304aをオンさせて半導体スイッチ素子301a〜304a側に電流を流しても良い。即ち、電圧Vinが正負、いずれの極性においても、短絡期間Tにおいて2つの半導体スイッチ素子302a、304aを短絡スイッチとしてオンさせても良く、また、他の2つの半導体スイッチ素子301a、303aを短絡スイッチとしてオンさせても良い。
このような動作により電力変換装置の昇圧時には、図6に示すように、インバータ回路100は、短絡期間Tにおいて電圧(−Vin)を出力して交流電源1により直流電圧源105を充電し、その後、θ1≦θ<π−θ1にて直流電圧源105を放電する際、交流電源1の電圧Vinにインバータ回路100の出力電圧である(Vdc*−Vin)を加算することで、交流電源1のピーク電圧より高い目標電圧Vdc*に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを制御する。
また、電力変換装置の降圧時には、図7に示すように、インバータ回路100は、短絡期間Tにおいて電圧(−Vin)を出力して交流電源1により直流電圧源105を充電し、その後、交流電源1の電圧Vinにインバータ回路100の出力電圧を加算することで、交流電源1のピーク電圧より低い目標電圧Vdc*に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを制御する。交流電源1の電圧Vinが平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*と等しくなる時の位相θ=θ2(0<θ2<π/2)とすると、θ1≦θ<θ2、π−θ2≦θ<π−θ1である時、インバータ回路100は電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流電圧源105を放電し、θ2≦θ<π−θ2である時、インバータ回路100は電圧(Vin−Vdc*)を出力して直流電圧源105を充電する。
また、電力変換装置の降圧時には、図7に示すように、インバータ回路100は、短絡期間Tにおいて電圧(−Vin)を出力して交流電源1により直流電圧源105を充電し、その後、交流電源1の電圧Vinにインバータ回路100の出力電圧を加算することで、交流電源1のピーク電圧より低い目標電圧Vdc*に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを制御する。交流電源1の電圧Vinが平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*と等しくなる時の位相θ=θ2(0<θ2<π/2)とすると、θ1≦θ<θ2、π−θ2≦θ<π−θ1である時、インバータ回路100は電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流電圧源105を放電し、θ2≦θ<π−θ2である時、インバータ回路100は電圧(Vin−Vdc*)を出力して直流電圧源105を充電する。
以上のように力行動作では、交流電源1の電圧位相θのゼロクロス位相(θ=0、π)±θ1にて、コンバータ回路300の制御を切り替え、該ゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲である短絡期間Tでのみ、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子302a、304aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、インバータ回路100は、電圧Vinの逆極性にほぼ等しい電圧を発生させつつ、入力力率が概1になるように電流Iinを制御して出力し、直流電圧源105は充電される。そして、短絡期間以外の位相では、インバータ回路100は、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持し、また入力力率が概1になるように電流Iinを制御して出力する。このとき、電圧Vinの絶対値が平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*以下の時、直流電圧源105は放電され、電圧Vinの絶対値が目標電圧Vdc*以上の時は、直流電圧源105は充電される。
なお、短絡期間Tは、ゼロクロス位相(θ=0、π)が短絡期間Tの中央としたが、ゼロクロス位相を含む位相範囲で、いずれかに偏るものであっても良い。
なお、短絡期間Tは、ゼロクロス位相(θ=0、π)が短絡期間Tの中央としたが、ゼロクロス位相を含む位相範囲で、いずれかに偏るものであっても良い。
また、短絡期間Tの位相範囲は、インバータ回路100の直流電圧源105の充電と放電のエネルギが等しくなるように決定できる。インバータ回路100の直流電圧源105の充放電エネルギが等しいとすると、Vdc*<Vpの降圧時の場合、以下の数式が成り立つ。但し、Vpは電圧Vinのピーク電圧、Ipは電流Iinのピーク電流である。
ここで、Vin=Vp・sinθ、Iin=Ip・sinθとすると、
Vdc*=Vp・π/(4cosθ1)
となり、Vdc*の下限値はθ1が0となる時であり、値は(π/4)Vpとなる。
このように、平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*は短絡期間Tの位相範囲を決定するθ1により決まり、即ちθ1を変化させて制御できる。そして、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcは該目標電圧Vdc*に追従するように制御される。
Vdc*=Vp・π/(4cosθ1)
となり、Vdc*の下限値はθ1が0となる時であり、値は(π/4)Vpとなる。
このように、平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*は短絡期間Tの位相範囲を決定するθ1により決まり、即ちθ1を変化させて制御できる。そして、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcは該目標電圧Vdc*に追従するように制御される。
また、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubを、0≦θ<θ1、θ1≦θ<θ2、θ2≦θ<π/2、の各位相範囲におけるインバータ回路100の所望の発生電圧の大きさ以上に設定することで、インバータ回路100は上述した所望の制御が信頼性よく行える。即ち、
Vp・sinθ1≦Vsub、(Vdc*−Vp・sinθ1)≦Vsub、(Vp−Vdc*)≦Vsub、の3条件を満たすように電圧Vsubを設定することで、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcが目標電圧Vdc*に維持でき、また入力力率が概1になるように電流Iinを制御するインバータ回路100の制御が、交流電源1の全位相において信頼性よく行える。
Vp・sinθ1≦Vsub、(Vdc*−Vp・sinθ1)≦Vsub、(Vp−Vdc*)≦Vsub、の3条件を満たすように電圧Vsubを設定することで、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcが目標電圧Vdc*に維持でき、また入力力率が概1になるように電流Iinを制御するインバータ回路100の制御が、交流電源1の全位相において信頼性よく行える。
なお、直流電圧源105の電圧Vsubは、交流電源1の電圧Vinのピーク電圧Vp以下に設定する。PWM制御するインバータ回路100では、直流電圧源105の電圧Vsubが大きくなると損失が増大するため、電圧Vsubは上記3条件を満たす条件で小さく設定するのが望ましい。
そして、ゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲のみを平滑コンデンサ3をバイパスする短絡期間Tとすることで、インバータ回路100は、短絡期間Tでも、それ以外の期間でも入力力率が概1になるように電流Iinを制御し、かつ平滑コンデンサ3に所望の電圧の直流電力を出力できる。
そして、ゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲のみを平滑コンデンサ3をバイパスする短絡期間Tとすることで、インバータ回路100は、短絡期間Tでも、それ以外の期間でも入力力率が概1になるように電流Iinを制御し、かつ平滑コンデンサ3に所望の電圧の直流電力を出力できる。
次に、インバータ回路100の制御の詳細について図8に基づいて以下に説明する。図8は、制御回路10によるインバータ回路100の出力制御における制御ブロック図である。インバータ回路100の出力制御により、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持し、また交流電源1の力率が概1になるように電流Iinを制御する。まず、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcと目標電圧Vdc*との差21aをフィードバック量として、PI制御した出力を振幅目標値22aとして、この振幅目標値22aに基づいて、交流電源同期周波数から、電圧Vinに同期した正弦波の電流指令Iin*を生成する。次に、電流指令Iin*と検出された電流Iinとの差24をフィードバック量として、PI制御した出力をインバータ回路100の発生電圧の目標値となる電圧指令25とする。この時、コンバータ回路300の交流端子間を短絡させる短絡期間Tの制御である第1の制御と、コンバータ回路300の各交流端子と平滑コンデンサ3との間を導通させる制御、即ち短絡期間外の第2の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧ΔVを加算して電圧指令25を補正する。そして、補正後の電圧指令26を用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号11を生成し、インバータ回路100を動作させる。
このように、制御回路10は、インバータ回路100に流れる電流Iinが電流指令Iin*に追従するように電圧指令25を生成してインバータ回路100を出力制御し、コンバータ回路300の短絡期間Tの第1の制御とそれ以外の第2の制御との切り替え時となる短絡スイッチのオンオフ切り替え時のみ、電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御を行う。図9に示すように、フィードフォワード補正電圧ΔVは、交流電源1の電圧Vinが正のとき、第1の制御から第2の制御への切り替え時には平滑コンデンサ3の電圧Vdcであり、第2の制御から第1の制御への切り替え時には平滑コンデンサ3の逆電圧(−Vdc)である。また、フィードフォワード補正電圧ΔVは、交流電源1の電圧Vinが負のとき、第1の制御から第2の制御への切り替え時には平滑コンデンサ3の逆電圧(−Vdc)であり、第2の制御から第1の制御への切り替え時には平滑コンデンサ3の電圧Vdcである。
このように、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時にインバータ回路100の出力電圧が平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されるように、インバータ回路100の電圧指令を補正する。これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、入力力率が概1になるように電流Iinを制御でき、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる。
次に、コンバータ回路300の出力制御であり、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubを指令値Vsub*に追従させる制御について図10に基づいて以下に説明する。図10は、制御回路10によるコンバータ回路300の出力制御における制御ブロック図である。
まず、設定された指令値Vsub*と検出された電圧Vsubとの差32をフィードバック量として、PI制御した出力33を電圧指令としてPWM制御34によりコンバータ回路300の各半導体スイッチ素子301a〜304aへのゲート信号12を生成する。このPWM制御34では、交流電源1の周波数の2倍の周期に同期した三角波(交流電源同期三角波)35をキャリア波に用いて比較演算し、比較演算した信号を交流電源1の極性により、交流電源1の電圧Vinがゼロクロスする位相をほぼ中央に動作するゲート信号12を生成する。即ち、このゲート信号12にてコンバータ回路300の交流端子間を短絡する短絡期間Tも制御される。
まず、設定された指令値Vsub*と検出された電圧Vsubとの差32をフィードバック量として、PI制御した出力33を電圧指令としてPWM制御34によりコンバータ回路300の各半導体スイッチ素子301a〜304aへのゲート信号12を生成する。このPWM制御34では、交流電源1の周波数の2倍の周期に同期した三角波(交流電源同期三角波)35をキャリア波に用いて比較演算し、比較演算した信号を交流電源1の極性により、交流電源1の電圧Vinがゼロクロスする位相をほぼ中央に動作するゲート信号12を生成する。即ち、このゲート信号12にてコンバータ回路300の交流端子間を短絡する短絡期間Tも制御される。
この実施の形態では、上述したような電流指令Iin*を用いてインバータ回路100を制御することにより、平滑コンデンサ3の電圧Vdcを目標電圧Vdc*に追従させ、交流電源1の力率を改善するように制御する。コンバータ回路300は高周波スイッチングが不要であるためスイッチング損失が殆ど無い。また、力率を制御し平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを制御するインバータ回路100は、スイッチングで扱う電圧Vsubを交流電源1のピーク電圧よりも大幅に低くできる。このため、大きなリアクトル2を要することなくスイッチング損失およびノイズを低減でき、インバータ回路100の素子の信頼性が向上する。
また平滑コンデンサ3をバイパスする短絡期間Tを有してコンバータ回路300を制御し、インバータ回路100は、短絡期間Tにて直流電圧源105を充電する。このため、インバータ回路100が高い電圧を発生させることなく電流0となるのが回避できると共に、直流電圧源105に充電されたエネルギを平滑コンデンサ3への放電に使える。このため、インバータ回路100では、スイッチングで扱う電圧をさらに低減でき、高効率化、低ノイズ化がさらに促進できる。
なお、この場合リアクトル2は、エネルギを貯めるものではなく、電流を制限する限流回路として動作し、電流制御の信頼性が向上する。
また、インバータ回路100の直流電圧となる直流電圧源8の電圧Vsubを、Vinのピーク電圧Vp以下に設定することにより、上記高効率化、低ノイズ化の効果を確実に得る。
なお、この場合リアクトル2は、エネルギを貯めるものではなく、電流を制限する限流回路として動作し、電流制御の信頼性が向上する。
また、インバータ回路100の直流電圧となる直流電圧源8の電圧Vsubを、Vinのピーク電圧Vp以下に設定することにより、上記高効率化、低ノイズ化の効果を確実に得る。
また、コンバータ回路300の交流端子間を短絡させる第1の制御(短絡期間Tの制御)と、各交流端子と平滑コンデンサ3との間を導通させる第2の制御との切り替え時に、インバータ回路100の出力電圧が平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されるように、インバータ回路100は、電圧指令25を補正するフィードフォワード制御を用いる。これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、入力力率が概1になるように電流Iinを制御でき、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる。
なお、この実施の形態では、電力変換装置は力行動作のみ行うため、コンバータ回路300は、直流母線間に並列接続される2つのブリッジ回路の上アームの半導体スイッチ素子301a、303aを、ダイオードのみとしても良い。
実施の形態2.
上記実施の形態1では、インバータ回路100の出力制御において、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時のみ、電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御を行うものであったが、この実施の形態では、異なるフィードフォワード制御について示す。なお、インバータ回路100のフィードフォワード制御以外の制御および回路構成は上記実施の形態1と同様である。
図11は、この発明の実施の形態2によるインバータ回路のフィードフォワード制御を説明する図である。
制御回路10は、上記実施の形態1と同様に(図8参照)、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に追従するように電流指令Iin*を生成し、またインバータ回路100に流れる電流Iinが電流指令Iin*に追従するように電圧指令25を生成する。そして、電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算する補正をし、補正後の電圧指令26を用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号11を生成し、インバータ回路100を動作させる。
上記実施の形態1では、インバータ回路100の出力制御において、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時のみ、電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御を行うものであったが、この実施の形態では、異なるフィードフォワード制御について示す。なお、インバータ回路100のフィードフォワード制御以外の制御および回路構成は上記実施の形態1と同様である。
図11は、この発明の実施の形態2によるインバータ回路のフィードフォワード制御を説明する図である。
制御回路10は、上記実施の形態1と同様に(図8参照)、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に追従するように電流指令Iin*を生成し、またインバータ回路100に流れる電流Iinが電流指令Iin*に追従するように電圧指令25を生成する。そして、電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算する補正をし、補正後の電圧指令26を用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号11を生成し、インバータ回路100を動作させる。
この場合、制御回路10は、インバータ回路100に流れる電流Iinが電流指令Iin*に追従するように生成された電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御によりインバータ回路100を出力制御する。図11に示すように、フィードフォワード補正電圧ΔVは、コンバータ回路300の短絡期間Tでの第1の制御の際は、交流電源1の電圧Vinの逆電圧(−Vin)である。また、第2の制御の際は、交流電源1の電圧Vinが正のとき、(−Vin)に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを加算した電圧(Vdc−Vin)であり、電圧Vinが負のとき、(−Vin)に平滑コンデンサ3の逆電圧(−Vdc)を加算した電圧(−Vdc−Vin)である。
このように、制御回路10は、インバータ回路100に要求される出力電圧をフィードフォワード補正電圧ΔVとして電圧指令25に常時加算することで、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え前後で、インバータ回路100の補正後の電圧指令26は、平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されることになる。このため、インバータ回路100は上記実施の形態1の制御の場合と同様に動作し、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる。
なお、上記実施の形態1、2において、制御回路10でディジタル演算する際には、通常、制御遅延時間tが発生する。図12に示すように、平滑コンデンサ3の電圧Vdcは、短絡期間Tにおいて減少し、その後の充電により増大する。また電力変換装置の入力電圧となる交流電源1の電圧Vinや、出力電圧となる平滑コンデンサ3の電圧VdcをサンプリングするタイミングSと、サンプリングした電圧に基づいてディジタル演算によりフィードフォワード補正電圧ΔVを電圧指令25に加算してインバータ回路100を実際に制御するタイミングとの間には、時間差(制御遅延時間t)がある。この制御遅延時間tに基づく誤差電圧ΔVdc、ΔVinを予め求めて、フィードフォワード補正電圧ΔVを演算する際に反映させる。このように、制御遅延時間tに基づく誤差電圧ΔVdc、ΔVinを予測してフィードフォワード補正電圧ΔVを決定することで、制御遅延による影響をなくすことができ、より高精度な電流制御が得られる。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、電力変換装置の力行動作のみ示したが、この実施の形態では、電力変換装置は回生機能を備え、通常は力行動作を行うが、平滑コンデンサ3の電圧が上昇すると回生動作により交流電源1に電力を回生する。なお、回路構成は図1と同様であり、また力行動作については上記実施の形態1と同様である。
図13〜図16は、回生動作における電流経路図を示す。制御回路10は、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが目標電圧をVdc*より所定の電圧分、増大すると、電力変換装置の制御を力行動作から回生動作に切り替える。
上記実施の形態1では、電力変換装置の力行動作のみ示したが、この実施の形態では、電力変換装置は回生機能を備え、通常は力行動作を行うが、平滑コンデンサ3の電圧が上昇すると回生動作により交流電源1に電力を回生する。なお、回路構成は図1と同様であり、また力行動作については上記実施の形態1と同様である。
図13〜図16は、回生動作における電流経路図を示す。制御回路10は、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが目標電圧をVdc*より所定の電圧分、増大すると、電力変換装置の制御を力行動作から回生動作に切り替える。
まず交流電源1の電圧Vinが正極性である0≦θ<πの場合について示す。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れ、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。インバータ回路100は、このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御して交流電源1の力率が概(−1)になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力することで直流電圧源105を充放電させ、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。なお、各半導体スイッチ素子101a〜104aに流れる電流が、エミッタからコレクタへ流れる時は、その半導体スイッチ素子をオフして逆並列接続されたダイオード101b〜104bに電流を流しても良い。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れ、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。インバータ回路100は、このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御して交流電源1の力率が概(−1)になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力することで直流電圧源105を充放電させ、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。なお、各半導体スイッチ素子101a〜104aに流れる電流が、エミッタからコレクタへ流れる時は、その半導体スイッチ素子をオフして逆並列接続されたダイオード101b〜104bに電流を流しても良い。
図13に示すように、コンバータ回路300では、半導体スイッチ素子301a、304aをオン状態とする。平滑コンデンサ3の正極からの電流は、コンバータ回路300の半導体スイッチ素子301aを通りインバータ回路100に入力され、インバータ回路100からの電流はリアクトル2を経て交流電源1に回生され、さらに交流電源1の他方の端子からコンバータ回路300の半導体スイッチ素子304aを経て平滑コンデンサ3の負極に戻る。このとき、インバータ回路100では、上記の4種の制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を充電、あるいは充放電させ、電流制御を行う。直流電圧源105は平滑コンデンサ3からのエネルギで充電され、放電される場合(昇圧時)には、直流電圧源105からのエネルギは平滑コンデンサ3からのエネルギと共に交流電源1へ回生される。
交流電源1の電圧Vinのゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲である短絡期間Tでは、図14に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子304aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。インバータ回路100内の正極からの電流はリアクトル2を経て交流電源1に回生され、さらに交流電源1の他方の端子からコンバータ回路300の半導体スイッチ素子304a、ダイオード302bを経てインバータ回路100に入力され直流電圧源105の負極に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流電圧源105を放電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を放電させ、電流制御を行う。
次に、電圧Vinが負極性であるπ≦θ<2πの場合について示す。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れ、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。インバータ回路100は、このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御して交流電源1の力率が概(−1)になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力することで直流電圧源105を充放電させ、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流電圧源105を放電するように流れ、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流電圧源105を充電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流電圧源105をスルーして電流が流れる。インバータ回路100は、このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御して交流電源1の力率が概(−1)になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力することで直流電圧源105を充放電させ、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。
図15に示すように、コンバータ回路300では、半導体スイッチ素子302a、303aをオン状態とする。平滑コンデンサ3の正極からの電流は、コンバータ回路300の半導体スイッチ素子303aを経て交流電源1に回生され、さらに交流電源1の他方の端子からリアクトル2を経てインバータ回路100に入力され、インバータ回路100からの電流はコンバータ回路300の半導体スイッチ素子302aを経て平滑コンデンサ3の負極に戻る。このとき、インバータ回路100では、上記の4種の制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を充電、あるいは充放電させ、電流制御を行う。直流電圧源105は平滑コンデンサ3からのエネルギで充電され、放電される場合(昇圧時)には、直流電圧源105からのエネルギは平滑コンデンサ3からのエネルギと共に交流電源1へ回生される。
交流電源1の電圧Vinのゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲である短絡期間Tでは、図16に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子302aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。インバータ回路100内の正極からの電流はコンバータ回路300の半導体スイッチ素子302a、ダイオード304bを経て交流電源1に回生され、さらに交流電源1の他方の端子からリアクトル2を経てインバータ回路100に入力され直流電圧源105の負極に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流電圧源105を放電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流電圧源105を放電させ、電流制御を行う。
なお、コンバータ回路300では、電圧Vinが正負、いずれの極性においても、短絡期間Tにおいて2つの半導体スイッチ素子302a、304aを短絡スイッチとしてオンさせても良く、また、他の2つの半導体スイッチ素子301a、303aを短絡スイッチとしてオンさせても良い。
以上のように回生動作においても、力行動作時と同様に、交流電源1の電圧位相θのゼロクロス位相(θ=0、π)±θ1にて、コンバータ回路300の制御を切り替えて、該ゼロクロス位相を中央として±θ1の短絡期間Tでのみ平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、インバータ回路100は、電圧Vinの逆極性にほぼ等しい電圧を発生させつつ、入力力率が概(−1)になるように電流Iinを制御して出力し、直流電圧源105は放電される。そして、短絡期間以外の位相では、インバータ回路100は、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持し、また入力力率が概(−1)になるように電流Iinを制御して出力する。このとき、電圧Vinの絶対値が平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*以下の時、直流電圧源105は充電され、電圧Vinの絶対値が目標電圧Vdc*以上の時は、直流電圧源105は放電される。
この場合も、制御回路10は、上記実施の形態1と同様に(図8参照)、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に追従するように電流指令Iin*を生成し、またインバータ回路100に流れる電流Iinが電流指令Iin*に追従するように電圧指令25を生成する。そして、上記実施の形態1あるいは上記実施の形態2と同様の方法で、電圧指令25にフィードフォワード補正電圧ΔVを加算する補正をし、補正後の電圧指令26を用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号11を生成し、インバータ回路100を動作させる。
図17は、この実施の形態による制御回路10によるコンバータ回路300の出力制御における制御ブロック図である。このコンバータ回路300の出力制御は、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubを指令値Vsub*に追従させる制御である。
まず上記実施の形態1と同様に、設定された指令値Vsub*と検出された電圧Vsubとの差32をフィードバック量として、PI制御した出力33を力行・回生選択装置40に入力する。力行・回生選択装置40には、PI制御した出力33を極性反転した信号33aも入力され、力行・回生信号37に基づいて力行動作時には出力33を、回生動作時には信号33aが選択されて出力される。そして、力行・回生選択装置40の出力を電圧指令としてPWM制御34によりコンバータ回路300の各半導体スイッチ素子301a〜304aへのゲート信号12を生成する。このPWM制御34では、交流電源1の周波数の2倍の周期に同期した三角波(交流電源同期三角波)35をキャリア波に用いて比較演算し、比較演算した信号を交流電源1の極性と力行・回生信号37に基づいて、交流電源1の電圧Vinがゼロクロスする位相をほぼ中央に動作するゲート信号12を生成する。即ち、このゲート信号12にてコンバータ回路300の交流端子間を短絡する短絡期間Tも制御される。
まず上記実施の形態1と同様に、設定された指令値Vsub*と検出された電圧Vsubとの差32をフィードバック量として、PI制御した出力33を力行・回生選択装置40に入力する。力行・回生選択装置40には、PI制御した出力33を極性反転した信号33aも入力され、力行・回生信号37に基づいて力行動作時には出力33を、回生動作時には信号33aが選択されて出力される。そして、力行・回生選択装置40の出力を電圧指令としてPWM制御34によりコンバータ回路300の各半導体スイッチ素子301a〜304aへのゲート信号12を生成する。このPWM制御34では、交流電源1の周波数の2倍の周期に同期した三角波(交流電源同期三角波)35をキャリア波に用いて比較演算し、比較演算した信号を交流電源1の極性と力行・回生信号37に基づいて、交流電源1の電圧Vinがゼロクロスする位相をほぼ中央に動作するゲート信号12を生成する。即ち、このゲート信号12にてコンバータ回路300の交流端子間を短絡する短絡期間Tも制御される。
以上のように、この実施の形態では、通常時の力行動作では平滑コンデンサ3が所望の電圧になるように直流電力を出力し、平滑コンデンサ3の電圧が所定の電圧分上昇すると回生動作にて交流電源1に電力を回生する。平滑コンデンサ3に例えば電動機制御用のインバータ等を接続すると、電動機が減速する際に電力が平滑コンデンサ3に戻り、平滑コンデンサ3の電圧が上昇する。このように平滑コンデンサ3の電圧が上昇しても、回生動作にて平滑コンデンサ3の電力を交流電源1に回生することで平滑コンデンサ3は所望の電圧に安定的に制御することができる。
また、力行動作、回生動作の双方において、コンバータ回路300の短絡期間Tである第1の制御とそれ以外の第2の制御との切り替え時に、インバータ回路100の出力電圧が、平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されるようにフィードフォワード制御を用いてインバータ回路100を制御する。このため、力行動作の場合と同様に、回生動作においてもフィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる。
なお、この場合も、上述したように、制御回路10の制御遅延時間tに基づく誤差電圧ΔVdc、ΔVinを予測してフィードフォワード補正電圧ΔVを決定することで、制御遅延による影響をなくすことができ、より高精度な電流制御が得られる。
実施の形態4.
上記実施の形態1では、インバータ回路100は、1つの単相インバータで構成されたものを示したが、図18に示すように、複数個の単相インバータ100、200の交流側を直列接続してインバータ回路110を構成しても良い。各単相インバータ100、200は、上記実施の形態1と同様に、ダイオード101b〜104b、201b〜204bを逆並列に接続した複数個のIGBT等の自己消弧型半導体スイッチ素子101a〜104a、201a〜204aおよび直流電圧源105、205から構成されるフルブリッジ構成のインバータである。この場合、各単相インバータ100、200の出力の総和が、インバータ回路110の出力となる。
上記実施の形態1では、インバータ回路100は、1つの単相インバータで構成されたものを示したが、図18に示すように、複数個の単相インバータ100、200の交流側を直列接続してインバータ回路110を構成しても良い。各単相インバータ100、200は、上記実施の形態1と同様に、ダイオード101b〜104b、201b〜204bを逆並列に接続した複数個のIGBT等の自己消弧型半導体スイッチ素子101a〜104a、201a〜204aおよび直流電圧源105、205から構成されるフルブリッジ構成のインバータである。この場合、各単相インバータ100、200の出力の総和が、インバータ回路110の出力となる。
制御回路10aは、各単相インバータ100、200の直流電圧源105、205の電圧Vsub、Vsubaと、平滑コンデンサ3の電圧Vdcと、交流電源1からの電圧Vin、電流Iinとに基づいて、上記実施の形態1、2と同様に、電流指令を用いて、平滑コンデンサ3の電圧Vdcを目標電圧に追従させ、交流電源1からの力率を力行動作時は1に、回生動作時は(−1)に近づくように制御する。そして、コンバータ回路300の短絡期間Tである第1の制御とそれ以外の第2の制御との切り替え時に、インバータ回路100の出力電圧が、平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されるようにフィードフォワード制御を用いてインバータ回路100を制御し、インバータ回路110の交流側の発生電圧を交流電源1の電圧Vinに重畳する。
この実施の形態においても、コンバータ回路300の短絡期間Tである第1の制御とそれ以外の第2の制御との切り替え時に、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制でき、上記実施の形態1、2と同様の効果が得られる。
なお、インバータ回路110は、複数の単相インバータの出力の総和で階段状の電圧波形を発生する階調制御により出力してもよく、また複数の単相インバータの中の特定の単相インバータのみPWM制御しても良い。
実施の形態5.
次に、この発明の実施の形態5による電力変換装置について説明する。図19はこの発明の実施の形態5による電力変換装置の概略構成図である。
図19に示すように、上記実施の形態1と同様の主回路を直流電源5に接続して所望の直流電圧を得る。制御回路10bは、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubと、平滑コンデンサ3の電圧Vdcと、直流電源5の直流電圧Va、電流iとに基づいて、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが一定の目標電圧Vdc*になるように、インバータ回路100およびコンバータ回路300内の各半導体スイッチ素子101a〜104a、301a〜304aへのゲート信号13、14を生成してインバータ回路100およびコンバータ回路300を出力制御する。
次に、この発明の実施の形態5による電力変換装置について説明する。図19はこの発明の実施の形態5による電力変換装置の概略構成図である。
図19に示すように、上記実施の形態1と同様の主回路を直流電源5に接続して所望の直流電圧を得る。制御回路10bは、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubと、平滑コンデンサ3の電圧Vdcと、直流電源5の直流電圧Va、電流iとに基づいて、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが一定の目標電圧Vdc*になるように、インバータ回路100およびコンバータ回路300内の各半導体スイッチ素子101a〜104a、301a〜304aへのゲート信号13、14を生成してインバータ回路100およびコンバータ回路300を出力制御する。
制御回路10bは、コンバータ回路300の交流端子間を短絡させて平滑コンデンサ3をバイパスする短絡期間を所定の周期で有して、インバータ回路100の直流電圧源105を充電し、上記短絡期間以外では、直流電源5の電圧Vaにインバータ回路100の出力を重畳して平滑コンデンサ3に出力し、平滑コンデンサ3の電圧Vdcを目標電圧Vdc*になるように制御する。この場合、直流電源5の電圧Vaを昇圧した出力電圧Vdcを得る。
また、上記実施の形態3と同様に電力変換装置は回生機能を備え、制御回路10bは、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが所定の電圧分、上昇すると力行動作から回生動作に切り替えて直流電源5に電力を回生する。
なお、力行、回生時の各電流経路は上記実施の形態1、3で示したものと同様である。
また、上記実施の形態3と同様に電力変換装置は回生機能を備え、制御回路10bは、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが所定の電圧分、上昇すると力行動作から回生動作に切り替えて直流電源5に電力を回生する。
なお、力行、回生時の各電流経路は上記実施の形態1、3で示したものと同様である。
また、直流電源5から充電される直流電圧源105の電圧Vsubは、直流電源5の直流電圧Vaより低く、また、インバータ回路100の所望の発生電圧の大きさ以上に設定する必要がある。即ち、Vsub<Va、Vsub>Vdc*−Va、の2つの条件を満たすように電圧Vsubを設定することで、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcが目標電圧Vdc*に維持できる。PWM制御するインバータ回路100では、直流電圧源105の電圧Vsubが大きくなると損失が増大するため、電圧Vsubは上記2条件を満たす条件で小さく設定するのが望ましい。
次に、インバータ回路100の制御について図20に基づいて以下に説明する。
図20は、制御回路10bによるインバータ回路100の出力制御における制御ブロック図である。インバータ回路100の出力制御により、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持する。
まず、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcと目標電圧Vdc*との差21aをフィードバック量として、PI制御した出力を電流指令i*とする。そして、電流指令i*と検出された電流iとの差24aをフィードバック量として、PI制御した出力をインバータ回路100の発生電圧の目標値となる電圧指令25aとする。この時、コンバータ回路300の交流端子間を短絡させる短絡期間の制御である第1の制御と、コンバータ回路300の各交流端子と平滑コンデンサ3との間を導通させる制御、即ち短絡期間外の第2の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧ΔVを加算して電圧指令25aを補正するそして、補正後の電圧指令26aを用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号13を生成し、インバータ回路100を動作させる。
図20は、制御回路10bによるインバータ回路100の出力制御における制御ブロック図である。インバータ回路100の出力制御により、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持する。
まず、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcと目標電圧Vdc*との差21aをフィードバック量として、PI制御した出力を電流指令i*とする。そして、電流指令i*と検出された電流iとの差24aをフィードバック量として、PI制御した出力をインバータ回路100の発生電圧の目標値となる電圧指令25aとする。この時、コンバータ回路300の交流端子間を短絡させる短絡期間の制御である第1の制御と、コンバータ回路300の各交流端子と平滑コンデンサ3との間を導通させる制御、即ち短絡期間外の第2の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧ΔVを加算して電圧指令25aを補正するそして、補正後の電圧指令26aを用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号13を生成し、インバータ回路100を動作させる。
このように、制御回路10bは、インバータ回路100に流れる電流iが電流指令i*に追従するように電圧指令25aを生成してインバータ回路100を出力制御し、コンバータ回路300の短絡期間の第1の制御とそれ以外の第2の制御との切り替え時となる短絡スイッチのオンオフ切り替え時のみ、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御を行う。フィードフォワード補正電圧ΔVは、第1の制御から第2の制御への切り替え時には平滑コンデンサ3の電圧Vdcであり、第2の制御から第1の制御への切り替え時には平滑コンデンサ3の逆電圧(−Vdc)である。
このように、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時にインバータ回路100の出力電圧が平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されるように、インバータ回路100の電圧指令を補正する。これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生を抑制できる。
なお、フィードフォワード補正電圧ΔVに用いる平滑コンデンサ3の電圧または逆電圧の大きさは、目標電圧Vdc*であっても良い。
このように、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時にインバータ回路100の出力電圧が平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されるように、インバータ回路100の電圧指令を補正する。これにより、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生を抑制できる。
なお、フィードフォワード補正電圧ΔVに用いる平滑コンデンサ3の電圧または逆電圧の大きさは、目標電圧Vdc*であっても良い。
次に、コンバータ回路300の出力制御であり、インバータ回路100の直流電圧源105の電圧Vsubを指令値Vsub*に追従させる制御について図21に基づいて以下に説明する。図21は、制御回路10bによるコンバータ回路300の出力制御における制御ブロック図である。
まず、設定された指令値Vsub*と検出された電圧Vsubとの差32をフィードバック量として、PI制御した出力33を力行・回生選択装置40に入力する。力行・回生選択装置40には、PI制御した出力33を極性反転した信号33aも入力され、力行・回生信号37に基づいて力行動作時には出力33を、回生動作時には信号33aが選択されて出力される。そして、力行・回生選択装置40の出力を電圧指令としてPWM制御34によりコンバータ回路300の各半導体スイッチ素子301a〜304aへのゲート信号14を生成する。このPWM制御34では、短絡期間の周期となる任意の周期で生成した三角波35aをキャリア波に用いて比較演算し、比較演算した信号を力行・回生信号37に基づいてゲート信号14を生成する。即ち、このゲート信号14にてコンバータ回路300の交流端子間を短絡する短絡期間も制御される。
まず、設定された指令値Vsub*と検出された電圧Vsubとの差32をフィードバック量として、PI制御した出力33を力行・回生選択装置40に入力する。力行・回生選択装置40には、PI制御した出力33を極性反転した信号33aも入力され、力行・回生信号37に基づいて力行動作時には出力33を、回生動作時には信号33aが選択されて出力される。そして、力行・回生選択装置40の出力を電圧指令としてPWM制御34によりコンバータ回路300の各半導体スイッチ素子301a〜304aへのゲート信号14を生成する。このPWM制御34では、短絡期間の周期となる任意の周期で生成した三角波35aをキャリア波に用いて比較演算し、比較演算した信号を力行・回生信号37に基づいてゲート信号14を生成する。即ち、このゲート信号14にてコンバータ回路300の交流端子間を短絡する短絡期間も制御される。
実施の形態6.
なお、上記実施の形態5では、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時のみ、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御を行うものであったが、上記実施の形態2と同様に、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを常時加算しても良い。
この場合、制御回路10bは、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に追従するように生成された電流指令i*に、インバータ回路100に流れる電流iが追従するように電圧指令25aを生成する。そして、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを加算する補正をする。この場合のフィードフォワード補正電圧ΔVは、コンバータ回路300の短絡期間での第1の制御の際は、直流電源1の電圧Vaの逆電圧(−Va)で、第2の制御の際は、(−Va)に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを加算した電圧(Vdc−Va)である。そして、補正後の電圧指令26aを用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号11を生成し、インバータ回路100を動作させる。
なお、上記実施の形態5では、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え時のみ、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを加算するフィードフォワード制御を行うものであったが、上記実施の形態2と同様に、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを常時加算しても良い。
この場合、制御回路10bは、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に追従するように生成された電流指令i*に、インバータ回路100に流れる電流iが追従するように電圧指令25aを生成する。そして、電圧指令25aにフィードフォワード補正電圧ΔVを加算する補正をする。この場合のフィードフォワード補正電圧ΔVは、コンバータ回路300の短絡期間での第1の制御の際は、直流電源1の電圧Vaの逆電圧(−Va)で、第2の制御の際は、(−Va)に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを加算した電圧(Vdc−Va)である。そして、補正後の電圧指令26aを用いて、PWM制御によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号11を生成し、インバータ回路100を動作させる。
このように、制御回路10bは、インバータ回路100に要求される出力電圧をフィードフォワード補正電圧ΔVとして電圧指令25aに常時加算することで、コンバータ回路300の第1の制御と第2の制御との切り替え前後で、インバータ回路100の補正後の電圧指令26aは、平滑コンデンサ3の電圧分、加算あるいは減算されることになる。このため、インバータ回路100は上記実施の形態5の制御の場合と同様に動作し、フィードバック制御の応答時間分、制御が遅れることを確実に防ぐことができ、第1の制御と第2の制御との切り替え時にも、過渡的な電流変動を信頼性良く抑制して高調波電流の発生が抑制できる。
1 交流電源、3 平滑コンデンサ、3a,3b 直流母線、5 直流電源、
10,10a,10b 制御回路、11,11a,11b,12〜14 ゲート信号、
100 インバータ回路(単相インバータ)、
101a〜104a 半導体スイッチ素子、105 直流電圧源、
200 単相インバータ、201a〜204a 半導体スイッチ素子、
205 直流電圧源、110 インバータ回路、300 コンバータ回路、
301a〜304a 半導体スイッチ素子、i,Iin 電流、i*,Iin* 電流指令、
T 短絡期間、Va 直流電源電圧、Vin 交流電源電圧、Vdc 平滑コンデンサの電圧、
Vdc* 平滑コンデンサの目標電圧、ΔV フィードフォワード補正電圧。
10,10a,10b 制御回路、11,11a,11b,12〜14 ゲート信号、
100 インバータ回路(単相インバータ)、
101a〜104a 半導体スイッチ素子、105 直流電圧源、
200 単相インバータ、201a〜204a 半導体スイッチ素子、
205 直流電圧源、110 インバータ回路、300 コンバータ回路、
301a〜304a 半導体スイッチ素子、i,Iin 電流、i*,Iin* 電流指令、
T 短絡期間、Va 直流電源電圧、Vin 交流電源電圧、Vdc 平滑コンデンサの電圧、
Vdc* 平滑コンデンサの目標電圧、ΔV フィードフォワード補正電圧。
Claims (9)
- 複数の半導体スイッチ素子と直流電圧源とから成る単相インバータの交流側を1以上直列接続して構成され、該交流側を電源の第1の端子に直列接続して上記各単相インバータの出力の総和を上記電源の出力に重畳するインバータ回路と、
直流母線間に複数のスイッチを有し、一方の交流端子が上記インバータ回路の後段の交流出力線に接続され、他方の交流端子が上記電源の第2の端子に接続され、上記直流母線間に直流電力を出力するコンバータ回路と、
上記直流母線間に接続され、上記コンバータ回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
上記インバータ回路および上記コンバータ回路を出力制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、
上記コンバータ回路の上記交流端子間を短絡させて上記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間を有して上記コンバータ回路を制御すると共に、上記平滑コンデンサの電圧を目標電圧に追従させるように上記インバータ回路を電流指令を用いて制御し、
上記コンバータ回路の制御における上記短絡期間の制御である第1の制御と、上記コンバータ回路の上記各交流端子と上記平滑コンデンサとの間を導通させる第2の制御との切り替え時に、上記インバータ回路の出力電圧が上記平滑コンデンサの電圧分、加減算されるように、フィードフォワード制御を用いて該インバータ回路を出力制御することを特徴とする電力変換装置。 - 上記制御回路は、
上記インバータ回路に流れる電流が上記電流指令に追従するように生成された電圧指令により上記インバータ回路を出力制御すると共に、上記コンバータ回路の第1、第2の制御の切り替え時のみ、上記電圧指令に所定の補正電圧を加算するフィードフォワード制御を行い、
上記電源電圧が正のとき、上記第1の制御から上記第2の制御への切り替え時には上記平滑コンデンサの電圧を、上記第2の制御から上記第1の制御への切り替え時には上記平滑コンデンサの逆電圧を、それぞれ上記補正電圧とし、
上記電源電圧が負のとき、上記第1の制御から上記第2の制御への切り替え時には上記平滑コンデンサの逆電圧を、上記第2の制御から上記第1の制御への切り替え時には上記平滑コンデンサの電圧を、それぞれ上記補正電圧とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、
上記インバータ回路に流れる電流が上記電流指令に追従するように生成された電圧指令に所定の補正電圧を加算するフィードフォワード制御により上記インバータ回路を出力制御し、
上記コンバータ回路の上記第1の制御の際、上記電源電圧の逆電圧を上記補正電圧とし、
上記コンバータ回路の上記第2の制御の際、上記電源電圧が正のときは該電源電圧の逆電圧に上記平滑コンデンサの電圧を加算した電圧を、上記電源電圧が負のときは該電源電圧の逆電圧に上記平滑コンデンサの逆電圧を加算した電圧を、それぞれ上記補正電圧とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、制御遅延時間に基づく誤差電圧を予測して上記補正電圧を決定することを特徴とする請求項2または3に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサからの電力を上記電源に回生する回生機能を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記短絡期間において、上記インバータ回路の上記直流電圧源を通常力行時では充電し、回生時では放電することを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。
- 上記電源は交流電源であり、上記制御回路は、上記交流電源の力率を改善するように上記電流指令を生成して上記インバータ回路を制御することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記電源は電源電圧が常に正である直流電源であり、上記平滑コンデンサの目標電圧は上記直流電源の電圧より高く設定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記コンバータ回路は、それぞれ2直列の上記スイッチとしての半導体スイッチ素子から成る2個のブリッジ回路を上記直流母線間に並列接続して構成され、上記各半導体スイッチ素子には逆並列にダイオードが接続されることを特徴とすることを請求項1〜8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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