JP5126300B2 - 直流−交流電力変換装置 - Google Patents
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Description
まず、図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態による直流−交流電力変換装置100の概略の構成について説明する。
ここで、VOP *は交流電圧のピーク値指令、は同じくω0 *角周波数指令である。
以下、各モードについて詳細に説明する。
(正の降圧モード)
出力電圧指令出力手段11から出力される出力電圧指令VAC_REFの極性が正であるとともに、降圧モード(期間A、図9参照)である場合では、図5に示すように、双方向スイッチ群4に含まれる双方向スイッチSURが常にオンにされるとともに、双方向スイッチSWSと双方向スイッチSVSとが交互にオン/オフ制御される。なお、図5では、常にオフである3つの双方向スイッチSUS、SVRおよびSWRは、省略されている。また、双方向スイッチSWSのオン/オフの比率は、出力電圧指令VAC_REFと、直流電源1の直流電圧値VDC_REFとの比率で決定される。なお、PWM方式においては、ある一定の周期内のオン/オフ比率が制御される。ここで、この一定周期時間をTc、オンしている時間をTon、オフしている時間をToffとした場合、変圧比率MI1は、下記の式(2)で表わされる。
そして、双方向スイッチSVSがオフであり、双方向スイッチSWSがオンのとき(状態A1)には、直流電源1から、直流リアクトル2、負荷8および双方向スイッチSWSを介して、電流が流れる。また、双方向スイッチSVSがオンであり、双方向スイッチSWSがオフのとき(状態A2)には、直流リアクトル2から、双方向スイッチSUR、負荷8および双方向スイッチSVSを介して、電流が流れる。そして、双方向スイッチSVSおよびSWSのオン/オフ制御で、状態A1およびA2を繰り返すことにより、直流電源1の電圧VBが降圧されて、負荷8に印加される。
出力電圧指令出力手段11から出力される出力電圧指令VAC_REFの極性が正であるとともに、昇圧モード(期間B、図9参照)である場合では、図6に示すように、双方向スイッチ群4に含まれる双方向スイッチSWSが常にオンにされるとともに、双方向スイッチSUSと双方向スイッチSURとが交互にオン/オフ制御される。なお、図6では、常にオフである3つの双方向スイッチSVR、SVSおよびSWRは、省略されている。また、双方向スイッチSUSのオン/オフの比率は、出力電圧指令VAC_REFと、直流電源1の電圧VBとの比率で決定される。そして、昇圧スイッチ比率は、上記降圧モードの際に用いられる変圧比率MI1を用いて、下記の式(3)で表わされる。
そして、双方向スイッチSUSがオフであり、双方向スイッチSURがオンのとき(状態B1)には、直流電源1から、直流リアクトル2、双方向スイッチSUR、負荷8および双方向スイッチSWSを介して、電流が流れる。また、双方向スイッチSUSがオンであり、双方向スイッチSURがオフのとき(状態B2)には、直流電源1から、直流リアクトル2、双方向スイッチSUSおよび双方向スイッチSWSを介して、電流が流れる。そして、双方向スイッチSUSおよびSURのオン/オフ制御で、状態B1およびB2を繰り返すことにより、直流電源1の電圧VBが昇圧されて、負荷8に印加される。
出力電圧指令出力手段11から出力される出力電圧指令VAC_REFの極性が負であるとともに、降圧モード(期間C、図9参照)である場合では、図7に示すように、双方向スイッチ群4に含まれる双方向スイッチSUSが常にオンにされるとともに、双方向スイッチSWRと双方向スイッチSVRとが交互にオン/オフ制御される。なお、図7では、常にオフである3つの双方向スイッチSUR、SVSおよびSWSは、省略されている。また、双方向スイッチSWRのオン/オフの比率は、出力電圧指令VAC_REFと、直流電源1の電圧VBとの比率で決定される。また、変圧比率MI1は、上記の式(2)で表わされる。
出力電圧指令出力手段11から出力される出力電圧指令VAC_REFの極性が負であるとともに、昇圧モード(期間D、図9参照)である場合では、図8に示すように、双方向スイッチ群4に含まれる双方向スイッチSWRが常にオンにされるとともに、双方向スイッチSURと双方向スイッチSUSとが交互にオン/オフ制御される。なお、図8では、常にオフである3つの双方向スイッチSVR、SVSおよびSWSは、省略されている。また、双方向スイッチSURのオン/オフの比率は、上記の式(3)で表わされる。
また、昇圧スイッチ比率MI2に基づいて、三角波の1周期時間Tcに対して下記の式(5)で表わされる幅Ton2を持つ昇圧のためのPWM信号2が、第2のPWM指令生成手段15により生成される。
第1実施形態では、図9に示すように、三角波比較法によって、PWM信号2を生成している。
次に、図10〜図12を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、出力電圧精度を向上させるために、出力電圧フィードバック制御が行われる。
このように2相交流のα軸への写影Vαは、検出した単相交流電圧VAC_FBとなる。同様に、β軸への写影Vβは、下記の式(7)により算出される。
ここで、β軸への写影Vβは、上記2相交流のα軸への写影Vαと異なり、検出できないために、写影Vβは、α軸への写影Vαを下記の式(8)のように時間微分することにより求められる。
これにより、下記の式(9)に示すように、Vβが求められる。
そして、下記の式(10)に示すように、直流量である交流出力のピーク値VOPが求められる。
次に、図13〜図15を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態では、出力電流精度を向上させるために、電流フィードバック制御が行われる。なお、直流電源を充電する場合には、電流一定制御が行われることが多い。そして、電流一定制御を行う場合、電流フィードバック制御を行うことにより、電流が一定に保たれる。
I2d=I1d−ωOCV1q ・・・(12)
V1q=−ωOLI2d+VOP ・・・(13)
V1d=ωOLI2q ・・・(14)
ここで、I2qは、電流I2のq軸成分であるとともに、I2dは、電流I2のd軸成分である。I1qは、電流I1のq軸成分であるとともに、I1dは、電流I1のd軸成分である。V1qは、電圧V1のq軸成分であるとともに、V1dは、電圧V1のd軸成分である。また、前述のとおりVOPは、交流電源111の交流電圧のピーク値である。また、Cは、フィルターコンデンサ5の静電容量であるとともに、Lは、交流リアクトル113のインダクタンスである。
次に、図16および図17を参照して、第4実施形態について説明する。この第4実施形態では、放電と充電とが切替可能に構成されている。
2 直流リアクトル(電力変換部)
4 双方向スイッチ群(電力変換部)
11 出力電圧指令出力手段(交流電圧指令出力手段、出力電圧指令生成手段)
12 第1の電圧指令生成手段
13 第2の電圧指令生成手段(昇圧制御信号生成手段)
14 第1のPWM指令生成手段(降圧制御信号生成手段、降圧PWM制御信号生成手段)
15 第2のPWM指令生成手段(昇圧制御信号生成手段、昇圧PWM制御信号生成手段)
16 スイッチ分配手段
71 自動電圧調整手段(電圧調整手段)
120 出力電流指令出力手段(出力電流指令生成手段)
121 自動電流調整手段(電流調整手段)
187 制御切替手段(指令切替手段)
Claims (8)
- 直流電源と、複数の双方向スイッチと、前記直流電源と前記双方向スイッチとの間に配置される直流リアクトルとを含み、直流−交流の電力変換を行う電力変換部と、
交流電圧指令を出力する交流電圧指令出力手段と、
前記交流電圧指令と前記直流電源の直流電圧とに基づいて、降圧制御信号を生成する降圧制御信号生成手段と、
前記交流電圧指令と前記直流電源の直流電圧とに基づいて、昇圧制御信号を生成する昇圧制御信号生成手段と、
前記交流電圧指令の1周期内において、前記交流電圧指令の極性判別信号に基づいて、前記降圧制御信号および前記昇圧制御信号を、それぞれ、対応する所定の前記双方向スイッチに対するスイッチ制御信号に分配して出力するスイッチ分配手段とを備える、直流−交流電力変換装置。 - 前記交流電圧指令の1周期内の直流−交流の電力変換動作時に、前記降圧制御信号および前記昇圧制御信号に対応して前記スイッチ分配手段から出力される前記双方向スイッチに対するスイッチ制御信号に基づいて、正の降圧モードと、正の昇圧モードと、負の降圧モードと、負の昇圧モードとが選択的に行われるように構成されている、請求項1に記載の直流−交流電力変換装置。
- 前記降圧制御信号生成手段と前記昇圧制御信号生成手段とは、前記直流電源の直流電圧に対する前記交流電圧指令の指令値の比である変圧比率を算出するとともに、前記交流電圧指令の極性判別信号を生成する共通の第1の電圧指令生成手段をさらに備え、
前記降圧制御信号生成手段は、
前記変圧比率から降圧PWM制御信号を生成する降圧PWM制御信号生成手段を含み、
前記昇圧制御信号生成手段は、
前記変圧比率に基づいて昇圧スイッチ比率を算出する第2の電圧指令生成手段と、
前記昇圧スイッチ比率から昇圧PWM制御信号を生成する昇圧PWM制御信号生成手段とを含み、
前記スイッチ分配手段は、前記交流電圧指令の1周期内において、前記交流電圧指令の極性判別信号に基づいて、前記降圧PWM制御信号および前記昇圧PWM制御信号を、それぞれ、対応する所定の前記双方向スイッチに対するスイッチ制御信号に分配して出力するように構成されている、請求項1または2に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記第2の電圧指令生成手段は、前記変圧比率が1よりも小さい場合は前記昇圧スイッチ比率を0に設定するとともに、前記変圧比率が1以上の場合は、1−1/(変圧比率)により昇圧スイッチ比率を算出するように構成されている、請求項3に記載の直流−交流電力変換装置。
- 前記スイッチ分配手段は、前記交流電圧指令の1周期内において、前記交流電圧指令の極性判別信号に基づいて、前記降圧PWM制御信号を、対応する所定の前記双方向スイッチに対するスイッチ制御信号に分配して出力するとともに、前記昇圧PWM制御信号を、前記交流電圧指令の極性判別信号にかかわらず対応する前記双方向スイッチに対するスイッチ制御信号に分配して出力するように構成されている、請求項3または4に記載の直流−交流電力変換装置。
- 前記交流電圧指令出力手段は、
出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成手段と、
前記電圧指令と出力電圧の検出値とに基づいて、前記交流電圧指令を算出する電圧調整手段とを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記交流電圧指令生成手段は、
出力電流指令を生成する出力電流指令生成手段と、
前記出力電流指令と、出力電流の検出値と、出力電圧の検出値とに基づいて、前記交流電圧指令を算出する電流調整手段とを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の直流−交流電力変換装置。 - 前記交流電圧指令出力手段は、
出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成手段と、
前記電圧指令と出力電圧の検出値とに基づいて、第1の交流電圧指令を算出する電圧調整手段と、
出力電流指令を生成する出力電流指令生成手段と、
前記出力電流指令と、出力電流の検出値と、出力電圧の検出値とに基づいて、第2の交流電圧指令を算出する電流調整手段と、
切替信号に基づいて、前記第1の交流電圧指令と、前記第2の交流電圧指令とを切り替えて前記交流電圧指令を求める指令切替手段とを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の直流−交流電力変換装置。
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