JP3216068B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流電圧を直流電圧
に、あるいは直流電圧を交流電圧に変換し、かつ交流電
流を交流電圧に対して力率1の正弦波となるよう制御す
る電力変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の電力変換装置としての正弦波コン
バータの構成および制御方法を図4に示す。図中、1は
交流電源、2はコンバータ装置、3はモータ駆動用や無
停電電源装置用のインバータ回路、蓄電池などの直流負
荷回路である。コンバータ装置2は、半導体スイッチン
グ素子からなるコンバータ出力部4、コンデンサ5、リ
アクトル6、制御回路7、電流検出器8から成る。ここ
で、コンデンサ5およびリアクトル6はフィルタ回路を
構成している。制御回路7は直流電圧制御部71、基準正
弦波発生部72、電流指令部73、電流制御部74、ゲート増
幅部75から成る。
【0003】直流電圧制御部71はコンバータ装置2の直
流電圧を取り込み、加算器71aにより直流電圧設定信号
71bとの偏差を求め、さらに制御増幅器71cを介して電
圧制御信号を出力する。基準正弦波発生部72はコンバー
タ装置2の入力端子の電圧と位相が一致した一定振幅の
基準正弦波形を出力する。電流指令部73は掛け算器73a
から成り、直流電圧制御部71からの電圧制御信号と基準
正弦波発生部72からの基準正弦波形とを乗算することに
より位相がコンバータ装置2の入力端子電圧に一致しか
つ振幅が必要とする電流に比例した正弦波形が得られ、
この正弦波形がコンバータ出力部4の入力電流指令Id
*となる。電流制御部74は加算器74a、制御増幅器74b
から成る。ここで入力電流指令Id*波形と電流検出器
8より取り込んだ電流波形との偏差を加算器74aにより
求め、制御増幅器74b、ゲート増幅部75を介してコンバ
ータ出力部4へ送ることにより、コンバータ出力部4の
入力電流が入力電流指令Id*波形と同じになるように
制御できる。
【0004】図4におけるコンバータ装置2と交流電源
との関係を等価回路で表したものが図5であり、1aは
交流電源1の等価回路、4aはコンバータ部4の等価回
路、9は交流電源1とコンバータ装置2との間の配線イ
ンピダンスあるいは電源インピダンスである。図6に、
図5の等価回路から求めた各部の電圧・電流のベクトル
図を示す。図6中の各記号は図5中に矢印に添えて示し
た記号を示す。図5、図6とも実線矢印は電流、一点鎖
線矢印は電圧を示す。コンバータ装置2の入力端子電圧
であるコンデンサ5の電圧Vcを基準にしてみると、コ
ンデンサ5にはVcより90度進み位相の電流Icが流
れる。
【0005】図4においては掛け算器73aの出力である
コンバータ出力部4の入力電流指令Id*は前述のよう
にコンデンサ5の電圧Vcとまったく位相が一致してお
り、コンバータ出力部4の入力電流およびリアクトル6
の電流IL4もコンデンサ5の電圧Vcと同位相となる。
電源1aおよびリアクトル9にはコンデンサ5の電流I
cとコンバータ出力部4への電流IL4との和の電流IL2
が流れる。この電流IL2はコンデンサ5の電圧Vcより
90度位相の進んだ電流Icの成分により、コンデンサ5
の電圧Vcより進み位相の電流となる。コンデンサ5の
電圧Vcと電源1aの起電圧Eとの位相差は小さいの
で、電源1aおよび配線等のリアクトル9に流れる電流
IL2は、図6に示すように電源1aの起電圧Eから見る
と、進み位相となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】電源がコンバータ装置
の容量に対して充分余裕のある場合には電源に流れる電
流の位相は問題とならないが、電源が発電機で、しかも
容量的に余裕のない場合には、発電機に進み電流を流す
と、発電機が自己励磁を起こし、出力電圧を上昇させ、
過大な電圧を出力してしまう。その電圧は通常電圧の
1.5倍に達することもあり、装置を過電圧により破損
させてしまう恐れがある。また、電源電流の力率が進ん
だり遅れたりして力率が1よりも低下し、無効電力が発
生すると、その分大きな電源設備容量が必要となり不経
済になる。
【0007】
【課題を解決するための手段】かような不具合を回避す
るために、本発明は、交流電源の電圧と位相の一致した
基準正弦波形を出力する基準正弦波発生部、出力直流電
圧と設定信号との偏差を増幅する直流電圧制御部、基準
正弦波発生部と直流電圧制御部の出力を入力とする掛け
算器、掛け算器の出力をコンバータ出力部の入力電流指
令値とする電力変換装置において、基準正弦波形に対し
て、90度位相の遅れた正弦波形と掛け算器出力を加算
し、その出力をコンバータ出力部の入力電流指令値とす
るものである。
【0008】また、基準正弦波形より90度位相の遅れた
正弦波形と交流電源電圧値との積と、掛け算器出力を加
算し、その出力をコンバータ出力部の入力電流指令値と
することによっても同様に不具合を解消することができ
る。
【0009】
【作用】このようにすることにより、コンバータ出力部
の入力電流指令Id*は常にコンデンサによる進み電流
Icを打ち消すような遅れ電流の成分を持ち、電源に対
して進み電流が流れることを阻止でき、かつ電源電流の
力率を1にすることができる。
【0010】
【実施例】図1に本発明の第1の実施例による構成を示
す。図1中、7’は制御回路、76は基準正弦波発生部、
77は電流指令部、77aは掛け算器、77bは加算器、77c
は倍率器を示す。なお、図4と同じ符号を付したものは
同じものを示す。ここに、掛け算器77aは図4の掛け算
器73aと同一である。基準正弦波発生部72と基準正弦波
発生部76の相違点は基準正弦波発生部76が第2の出力を
出すようになっており、かつこの出力が基準正弦波より
も位相が90度遅れた波形である点である。 この波形
は、回路的には基準正弦波をフィルタ回路により位相を
遅らせたり、マイクロコンピュータのソフトウェア処理
により正弦波を表すデータテーブルの読み込むポイント
をずらせることにより容易に求めることができる。ま
た、3相交流電源の場合には、例えばR相より90度遅れ
た波形は、S相の電圧または基準正弦波と、T相の電圧
または基準正弦波との差を求めることにより、ソフトウ
ェアにても回路にても求めることができる。
【0011】電流指令部73と電流指令部77との相違点
は、電流指令部77が掛け算器のほかに加算器77b、倍率
器77cを含む点である。基準正弦波発生部76の第2の出
力は倍率器77cに入力され、倍率器77cの出力と掛け算
器77aの出力は、加算器77bで加算する。このようにす
ることにより、基準正弦波形より90度位相が遅れた波形
に、倍率器77cによりコンデンサ5による進み電流の値
に応じた係数を掛け、加算器77bにて従来のコンバータ
出力部4の入力電流指令Id*に加算し、新たな入力電
流指令I*とする。
【0012】本実施例による各部の電圧電流のベクトル
図を図2に示す。図2中、図6と同じ符号を付したもの
は同じものを示す。図2中、従来例と同様に、直流電圧
制御部71の出力と基準正弦波発生部76からの基準正弦波
形とを掛け算器77aにより乗算して得られた波形は、位
相が入力端子電圧に一致し、かつ直流電圧制御に必要と
する電流の振幅に比例した正弦波形であり、この正弦波
形のベクトルはId*となる。この正弦波形は純粋に直
流電圧制御に必要な電流成分である。また、倍率器77c
に与えられる基準正弦波発生部76の第2の出力波形は基
準正弦波形より90度位相が遅れた波形であり、コンデン
サ5の電流Icからみれば180度位相が逆の波形であ
る。この波形に倍率器77cにより適切な係数を掛けた波
形ILAG *とId*との和を加算器77bにより求め、新
たなコンバータ出力部4の入力電流指令I*する。
【0013】この入力電流指令I*によるコンバータ出
力部4の入力電流IL4はI*と同じ波形であり、この電
流は純粋に直流電圧を制御するために必要な成分IR
と、コンデンサ5に流れる進み電流IC と逆位相の電流
ILAG とからなる電流である。したがって、ILAG がI
cよりも等しいかあるいは若干大きめになるように倍率
器77cのゲインを設定することにより、コンバータ装置
の入力電流IL2を純粋に直流電流制御に必要な成分のみ
にし、装置の入力端子電圧Vcに対して同位相か若干遅
れ位相気味にすることができる。図2は、IL2を装置の
入力端子電圧Vcに対し若干遅れ気味にした例である。
このとき、電源電流IL2は電源や発電機からみた位相も
遅れとなるので発電機が自己励磁を起こさず、過大な電
圧を発生することを防ぐことができる。
【0014】図3に本発明の第2の実施例を示す。図3
中、7”は制御回路、79は電源電圧の大きさを検出する
電源電圧値検出器である。ここに、図1の倍率器77cが
掛算器78dに置き換えられ、基準正弦波発生部76からの
第2の出力と電源電圧値検出器79の出力とが乗算されて
いる。つまり、倍率器77cの倍率を可変にし、電源電圧
値に比例した倍率としている。なお、図1と同一符号を
付したものは同じものを表す。 また、掛け算器78aは掛
け算器73a、掛け算器77aと同一である。
【0015】第1の実施例においては、コンデンサ5に
よる進み電流Icを打ち消すための遅れ電流指令ILAG
*は一定であった。しかし、コンデンサ5による進み電
流Icは電源電圧Vcの大きさに比例して変化する。し
たがって、遅れ電流指令ILAG *が一定ではある電源電
圧の状態ではコンデンサ5による進み電流と遅れ電流I
LAG は丁度打ち消し合い、電源電流IL2は電源電圧と同
位相となるが、電源電圧Vcが変化しコンデンサ5によ
る進み電流が増減すると、電源電流IL2の位相は電源電
圧Vcとずれてしまい、力率1が保てない。特に、電源
電圧Vcが上昇しコンデンサ5の進み電流が大きくなっ
た時には電源電流IL2は電源電圧Vcに対して進みとな
り、前述の不具合が発生する。また、最大の電源電圧に
対しても電源電流IL2が電源電圧Vcに対して遅れ電流
となるように遅れ電流指令ILAG *を大きく設定する
と、通常の電源電圧では電源電流IL2は電源電圧Vcか
らの遅れが大きくなり、電源力率が低下し、大きな電源
容量を必要としてしまう。かくの如き不具合を解消する
ため、第2の実施例では、遅れ電流指令ILAG *を電源
電圧の大きさに比例して変化させ、図2中の遅れ電流I
LAG を、常にコンデンサ5による進み電流Icを丁度打
ち消す大きさに制御する。これにより、電源電流IL2を
常に電源電圧Vcと同位相となるようにすることができ
る。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、直
流電圧制御に必要な電源電圧との位相が一致した電流指
令に加えて、コンデンサの進み電流を打ち消すような遅
れ電流成分をオフセットとして重畳してコンバータ電流
指令とすることにより電源電流が進み位相となることを
防ぐことができ、発電機の自己励磁を防ぎ、発電機が過
大な電圧を発生し、コンバータ装置や負荷装置に損害を
与えることを防ぐことができ、厳しい電源環境において
も安定した動作が行える電力変換装置を提供することが
できる。さらに、遅れ電流成分のオフセットの大きさを
電源電圧の大きさに比例して変化させることにより、電
源電圧変動に対しても常に電源の力率を1に保ち電源設
備容量を有効に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の第1の実施例を示す回路構成で
ある。
【図2】図2は第1の実施例による各部のベクトル図で
ある。
【図3】図3は本発明の第2の実施例を示す回路構成で
ある。
【図4】図4は従来の回路構成例である。
【図5】図5は1相分の等価回路である。
【図6】図6は従来例による各部のベクトル図である。
【符号の説明】
1 交流電源 2 コンバータ装置 3 直流負荷回路 4 コンバータ出力部 5 コンデンサ 6 リアクトル 7 制御回路 7’ 制御回路 7” 制御回路 8 電流検出器 9 リアクトル 71 直流電圧制御部 71a 加算器 71b 直流電圧設定信号 71c 制御増幅器 72 基準正弦波発生部 73 電流指令部 73a 掛け算器 74 電流制御部 74a 加算器 74b 制御増幅器 75 ゲート増幅部 76 基準正弦波発生部 77 電流指令部 77a 掛け算器 77b 加算器 77c 倍率器 78 電流指令部 78a 掛け算器 78b 加算器 78d 掛け算器 79 電源電圧値検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/155 H02P 9/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電源の電圧と位相の一致した基準正
    弦波形を出力する基準正弦波発生部、出力直流電圧と設
    定信号との偏差を増幅する直流電圧制御部、基準正弦波
    発生部と直流電圧制御部の出力を入力とする掛け算器、
    該掛け算器の出力をコンバータ出力部の入力電流指令値
    とする電力変換装置において、前記基準正弦波形に対し
    て90度位相の遅れた正弦波形と前記掛け算器出力を加算
    し、その出力をコンバータ出力部の入力電流指令値とす
    るよう構成したことを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項2】 交流電源の電圧と位相の一致した基準正
    弦波形を出力する基準正弦波発生部、出力直流電圧と設
    定信号との偏差を増幅する直流電圧制御部、基準正弦波
    発生部と直流電圧制御部の出力を入力とする掛け算器、
    該掛け算器の出力をコンバータ出力部の入力電流指令値
    とする電力変換装置において、前期基準正弦波形に対し
    て90度位相の遅れた正弦波形と交流電源電圧値との積
    と、前記掛け算器出力を加算し、その出力をコンバータ
    出力部の入力電流指令値とするよう構成したことを特徴
    とする電力変換装置。
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