JP5154587B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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そしてPLD回路内で、基本階調指令にPWM信号を加算した出力階調指令から各単相インバータのゲート駆動信号を生成する(例えば、特許文献1参照)。
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主回路(電力変換器)および制御装置の構成を示した図である。
図1に示すように、電力変換装置の主回路1は、複数(n個)の単相インバータa1〜anの交流側を直列に接続して構成される。各単相インバータa(a1〜an)は、ダイオードを逆並列に接続したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の自己消弧型半導体スイッチング素子b1(b1−1〜b1−4)〜bn(bn−1〜bn−4)と、それぞれ絶縁された直流電圧源c(c1〜cn)とから成る、例えばフルブリッジインバータで構成される。各単相インバータa1〜anは、各直流電圧源c1〜cnからの直流電力を交流電力に変換し、各単相インバータa1〜anの出力の総和を負荷3に出力する。
また、直流電圧源c1〜cnの電圧比は1:2:4:・・:2n−1と2の累乗比になるように設定しておく。
制御装置2は、電圧指令生成部5と、ディジタル三角波発生部6と、ディジタルPWM制御部7(以下、PWM制御部7と称す)と、合成部としてのディジタル信号加算部8(以下、信号加算部8と称す)と、リミッタ9と、ゲート信号分配部10とを備える。電圧指令生成部5は、アナログ値である出力電圧指令4をアナログ−ディジタル変換するAD変換器15を有して、ディジタル値の出力電圧指令50(以下、ディジタル電圧指令値50と称す)を生成して出力する。また、AD変換器15の前段にゲイン調整手段11を備える。
制御装置2では、外部からの出力電圧指令(アナログ値)4をAD変換器15でディジタル電圧指令値50に変換し、このディジタル電圧指令値50を、上位ビットから成る整数部50aと下位ビットから成る小数部50bとに分割する。ディジタル電圧指令値50の上位ビットから成る整数部50aは、基本出力レベルとして生成されるもので、この整数部50aのビット数が、直列接続された複数の単相インバータa1〜anの個数nと等しくなるように、前段のゲイン調整手段11で調整しておく。
これにより、図2に示すように、上位nビットを整数部50a、それより下位の下位ビットを小数部50bとして、小数部50bをPWM制御部7へ入力する。PWM制御部7では、小数部50bを三角波発生部6からの三角波をキャリア波として比較し、PWM電圧指令7aを出力する。出力されたPWM電圧指令7aは信号加算部8にて、上述の整数部50aの最下位ビットに加算される。加算結果はリミッタ9によって±Σ2m−n+k(k=1〜n)の範囲に制限されてゲート信号分配部10に入力される。ゲート信号分配部10では、図3に示すように、主回路1を構成する各単相インバータa1〜anの半導体スイッチング素子b1(b1−1〜b1−4)〜bn(bn−1〜bn−4)への各ゲート信号10aが生成される。
また、AD変換器15のビット数mのうち、整数部50aのビット数は主回路1の構成で決まっているため、小数部50bに必要なビット数によりAD変換器15のビット数mを決定する。即ち、小数部50bが入力されるPWM制御部7が要求する分解能からAD変換器15の分解能を決定する。これにより要求される制御が信頼性よく高速に実現できる。
ゲート信号分配部10では、2m−n+kのビットの入力信号から、図4(a)に示す単相インバータakの各半導体スイッチング素子bk−1〜bk−4へのゲート信号10aを生成する。また、ゲート信号分配部10への入力信号には電圧極性が付随しており、入力信号“0”か“1”の内、“0”の場合には出力0、“1”の場合には、電圧極性により正電圧+か負電圧−を出力するように、オンオフする半導体スイッチング素子bk−1〜bk−4を図4(b)に示すように選択する。例えば、出力0では、半導体スイッチング素子bk−1、bk−3をオンして半導体スイッチング素子bk−2、bk−4をオフ(半導体スイッチング素子bk−2、bk−4をオンして半導体スイッチング素子bk−1、bk−3をオフ)する。また正電圧+を出力するには、半導体スイッチング素子bk−1、bk−4をオンして半導体スイッチング素子bk−2、bk−3をオフし、負電圧−を出力するには、半導体スイッチング素子bk−2、bk−3をオンして半導体スイッチング素子bk−1、bk−4をオフする。
また、整数部50aの最下位ビットにPWM電圧指令7aを加算することにより、出力レベルの1レベル分をPWM制御した多レベルの電圧の出力制御が容易に実現できる。
なお、直流電圧源c1〜cnの電圧比は2の累乗比以外でも良く、電圧が最低である直流電圧源c1の電圧を1レベルとして電圧比が整数であればよい。これにより、電力変換器全体の出力電圧は、各出力レベルの1レベル分をPWM制御した多レベルの電圧となり、歪の小さい波形出力が同様に可能となる。この場合、出力可能な出力電圧レベルに応じて整数部のビット数が決定され、変換回路を備えて各単相インバータa1〜anに対応する信号に変換されてからゲート信号分配部10に入力される。
上記実施の形態1では、外部からの出力電圧指令4に応じて主回路1を制御するものを示したが、外部からの指令は出力電流指令でも良い。その場合も、電圧指令生成部にてディジタル電圧指令値50を生成して整数部50a、小数部50bに分割して用いる。
図7はこの発明の実施の形態2による電力変換装置の主回路1(電力変換器)および制御装置2aの構成を示した図である。
図に示すように、主回路1は上記実施の形態1と同様の回路構成に電流センサ12を備えて負荷電流となる出力電流12aを検出する。また制御装置2a内の電圧指令生成部5aは、誤差検出部16、誤差増幅部17およびAD変換器15を備える。制御装置2aのその他の部分は上記実施の形態1の制御装置2と同様である。
制御装置2aでは、外部からの出力電流指令(アナログ値)13を入力し、出力電流指令13と電流センサ12によって検出される出力電流12aとの誤差を誤差検出部16で検出する。誤差増幅部17では検出された誤差を小さくして0になるようにフィードバック制御により出力電圧指令(アナログ値)4aを生成する。この出力電圧指令(アナログ値)4aをAD変換器15でディジタル電圧指令値50に変換し、そのディジタル電圧指令値50を上位ビットから成る整数部50aと下位ビットから成る小数部50bとに分割する。この時、ディジタル電圧指令値50の整数部50aのビット数が、直列接続された複数の単相インバータa1〜anの個数nと等しくなるように、前段の誤差増幅部17で調整しておく。この後の制御動作は、上記実施の形態1と同様である。
このように電力変換装置を制御することにより、例えばモータ負荷のように出力電流を制御する必要がある構成についても高速・高精度な出力制御が可能となる。
上記実施の形態2では、出力電流指令13と出力電流12aとの誤差をフィードバック制御して出力電圧指令(アナログ値)4aを生成した後にAD変換してディジタル電圧指令値50を生成したが、出力電流指令13、出力電流12aをそれぞれAD変換して用いても良い。
図8はこの発明の実施の形態3による電力変換装置の主回路1(電力変換器)および制御装置2bの構成を示した図である。
図に示すように、主回路1は上記実施の形態2と同様であり、制御装置2b内の電圧指令生成部5bは、2つのAD変換器15a、15bと誤差検出部16aと誤差増幅部17aとを備える。制御装置2bのその他の部分は上記実施の形態1、2と同様である。
制御装置2bでは、外部からの出力電流指令(アナログ値)13を入力し、AD変換器15aでは、出力電流指令(アナログ値)13をディジタル値に変換する。またAD変換器15bでは、電流センサ12によって検出された出力電流(アナログ値)12aをディジタル値に変換する。そして、出力電流指令(ディジタル値)と出力電流(ディジタル値)との誤差を誤差検出部16aで検出し、誤差増幅部17aでは検出された誤差を小さくして0になるようにフィードバック制御によりディジタル電圧指令値50を生成する。この後の制御動作は、上記実施の形態1、2と同様である。
4,4a 出力電圧指令(アナログ値)、5,5a,5b 電圧指令生成部、
7 PWM制御部、7a PWM電圧指令、8 合成部としての信号加算部、
10a ゲート信号、12a 出力電流、13 出力電流指令(アナログ値)、
15,15a,15b AD変換器、16,16a 誤差検出部、
17,17a 誤差増幅部、21 単相インバータ、22a,22b 直流電圧源、
50 出力電圧指令(ディジタル値)、50a 上位ビット(整数部)、
50b 下位ビット(小数部)、a(a1〜an) 単相インバータ、
c(c1〜cn) 直流電圧源。
Claims (9)
- それぞれ直流電圧源を有して該直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータを直列接続して、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力する電力変換器と、制御装置とを備え、
上記制御装置は、AD変換器を有して出力電圧指令をディジタル値にて生成して出力する電圧指令生成部と、該電圧指令生成部からの出力である上記ディジタル値の所定の上位ビットを除いた下位ビットを入力してPWM電圧指令を生成するPWM制御部と、上記ディジタル値の上記上位ビットと上記PWM電圧指令とを合成して合成指令信号を生成する合成部とを備えて、上記合成指令信号に基づいて上記各単相インバータを出力制御し、
上記合成部は、上記電圧指令生成部からの上記上位ビットの内、最下位ビットに上記PWM電圧指令を加算して上記合成指令信号を生成することを特徴とする電力変換装置。 - それぞれ直流電圧源を有して該直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータを直列接続して、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力する電力変換器と、制御装置とを備え、
上記制御装置は、AD変換器を有して出力電圧指令をディジタル値にて生成して出力する電圧指令生成部と、該電圧指令生成部からの出力である上記ディジタル値の所定の上位ビットを除いた下位ビットを入力してPWM電圧指令を生成するPWM制御部と、上記ディジタル値の上記上位ビットと上記PWM電圧指令とを合成して合成指令信号を生成する合成部とを備えて、上記合成指令信号に基づいて上記各単相インバータを出力制御し、
上記電圧指令生成部は、出力電流指令に基づいて上記出力電圧指令を決定することを特徴とする電力変換装置。 - 上記電圧指令生成部は、上記電力変換器の出力電流と上記出力電流指令との誤差を検出して該誤差が小さくなるように上記出力電圧指令を決定することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 上記電圧指令生成部は、上記AD変換器として、上記電力変換器の出力電流をAD変換するAD変換器と上記出力電流指令をAD変換するAD変換器とを有し、AD変換後の上記出力電流および上記出力電流指令に基づいて上記出力電圧指令をディジタル値にて決定することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- それぞれ直流電圧源を有して該直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータを直列接続して、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力する電力変換器と、制御装置とを備え、
上記制御装置は、AD変換器を有して出力電圧指令をディジタル値にて生成して出力する電圧指令生成部と、該電圧指令生成部からの出力である上記ディジタル値の所定の上位ビットを除いた下位ビットを入力してPWM電圧指令を生成するPWM制御部と、上記ディジタル値の上記上位ビットと上記PWM電圧指令とを合成して合成指令信号を生成する合成部とを備えて、上記合成指令信号に基づいて上記各単相インバータを出力制御し、
上記AD変換器は、上記出力電圧指令をアナログ信号からディジタル信号に変換するものであることを特徴とする電力変換装置。 - それぞれ直流電圧源を有して該直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータを直列接続して、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力する電力変換器と、制御装置とを備え、
上記制御装置は、AD変換器を有して出力電圧指令をディジタル値にて生成して出力する電圧指令生成部と、該電圧指令生成部からの出力である上記ディジタル値の所定の上位ビットを除いた下位ビットを入力してPWM電圧指令を生成するPWM制御部と、上記ディジタル値の上記上位ビットと上記PWM電圧指令とを合成して合成指令信号を生成する合成部とを備えて、上記合成指令信号に基づいて上記各単相インバータを出力制御し、
上記AD変換器の分解能は、上記PWM制御部で要求される分解能により決定されることを特徴とする電力変換装置。 - それぞれ直流電圧源を有して該直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータを直列接続して、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力する電力変換器と、制御装置とを備え、
上記制御装置は、AD変換器を有して出力電圧指令をディジタル値にて生成して出力する電圧指令生成部と、該電圧指令生成部からの出力である上記ディジタル値の所定の上位ビットを除いた下位ビットを入力してPWM電圧指令を生成するPWM制御部と、上記ディジタル値の上記上位ビットと上記PWM電圧指令とを合成して合成指令信号を生成する合成部とを備えて、上記合成指令信号に基づいて上記各単相インバータを出力制御し、
上記複数の単相インバータの直流電圧源の電圧比は、1:2:4:・・と2の累乗比となることを特徴とする電力変換装置。 - それぞれ直流電圧源を有して該直流電圧源からの直流電力を交流電力に変換する複数の単相インバータを直列接続して、上記複数の単相インバータの各発生電圧の総和により出力する電力変換器と、制御装置とを備え、
上記制御装置は、AD変換器を有して出力電圧指令をディジタル値にて生成して出力する電圧指令生成部と、該電圧指令生成部からの出力である上記ディジタル値の所定の上位ビットを除いた下位ビットを入力してPWM電圧指令を生成するPWM制御部と、上記ディジタル値の上記上位ビットと上記PWM電圧指令とを合成して合成指令信号を生成する合成部とを備えて、上記合成指令信号に基づいて上記各単相インバータを出力制御し、
上記電圧指令生成部からの上記上位ビットのビット数は、直列接続される上記複数の単相インバータの個数に等しいことを特徴とする電力変換装置。 - 上記複数の単相インバータの上記各直流電圧源は、最低電圧を基準の1レベルとして電圧比が整数であり、
上記電圧指令生成部は、上記ディジタル値の上記上位ビットを、上記出力電圧指令に基づく基本出力レベルとして生成することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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