JP5399955B2 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換技術に係り、特に、電力変換器の入力側に設けた入力側変圧器に生じる偏磁を抑制することのできる電力変換装置および電力変換方法に関する。

従来の偏磁抑制装置として特許文献１が知られている。この文献に開示される装置では、変換器交流出力電圧の直流成分を検出する電圧検出回路、変換器と接続される変圧器２次電流の微分値の極性を検出する電流検出回路、およびこれらで検出した値に応じて変換器交流出力電圧の直流成分の補正ゲインを可変する制御回路を備える。

この装置では、検出回路により得られた直流電圧成分および変圧器２次電流より、変圧器２次電流の微分値を演算する。この２次電流微分値を元に補正ゲイン可変手段を用いて補正ゲインを変化させ、変化させた補正ゲインを直流電圧の検出値に乗じることで電圧補正値を得る。変換器の出力電圧指令値は前記電圧補正値により補正され、通常の交流電圧指令に直流成分が重畳した波形となる。このため、この出力電圧波形によって変圧器の偏磁を抑制することが可能となる。この装置では、電流の微分値を演算して制御に用いることで、補正によって過電流となることなく瞬時に偏磁現象を抑制可能である。

特開平９−２９４３８０号公報

交流電源に接続された変圧器と、該変圧器と接続され前記交流電源の電力を可変電圧可変周波数の電力に変換する電力変換装置において、交流を直流に変換し変換された直流を可変周波数の交流に変換する電力変換器の直流回路に流れる直流電流は、電力変換器の出力周波数のＮ倍の周波数で変動する。

前記変圧器の電源周波数と前記直流電流の変動周波数が一致する条件では、変圧器の２次巻線に直流分が流れ、この直流分により変圧器の磁束が偏る偏磁現象が生じる。変圧器に偏磁現象が生じると過渡的に大きな励磁電流が流れる。このため、高調波電流の増加、過電流に伴う変圧器の過熱等の問題が生じる。

この対策としては一般的に、変換器に検出器を追加することで変圧器の偏磁現象を検出し、その検出値から変換器の出力電圧に対して偏磁抑制制御を行う方式、あるいは別電源から偏磁を解消する直流電圧を印加することで偏磁現象を抑制又は解消する方式が知られている。しかしこららの方式では、変換を構成する部品点数が増加し、変換器の容積や費用が増加する。

また、変圧器の鉄心に空隙を入れて偏磁耐量を増加させること、あるいは鉄心断面積を大きくして磁束密度を低くすることで自己平衡作用により偏磁を防止することも行われている。しかし、この方式は、変圧器の外形寸法、重量、費用が大となる。また標準品を使用することができなくなる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、検出器、あるいは変圧器に偏磁仕様を追加することなく、偏磁現象を抑制可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

変圧器、該変圧器に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ、および該コンバータに接続されて前記直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータを備えた電力変換装置と、出力電圧指令を生成し、生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、零相電圧指令を生成し、生成した零相電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置に所定周波数の零相出力電圧を生成させる零相電圧発生器と、前記電力変換装置の出力周波数が、交流電源周波数に関連する予め定めた所定の周波数範囲にあるとき所定の可変ゲインを出力する零相電圧可変条件判定器と、前記零相電圧発生器の出力に前記可変ゲインを乗算して零相電圧指令を生成する零相電圧可変ゲイン演算器と、を備え、
該零相電圧可変ゲイン演算器の出力である零相電圧指令を前記出力電圧指令に加算して生成した生成出力電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御し、前記変圧器の偏磁現象を引き起こす電圧の周波数成分を減少させて直流偏磁を抑制する。

本発明は、以上の構成を備えるため、検出器あるいは変圧器に偏磁防止のための仕様を追加することなく、偏磁現象を抑制可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる電力変換装置を説明する図である。 入力変圧器における偏磁現象について説明する図である。 直流回路の変動周波数が電源周波数と一致する場合における電力変換器および変圧器に流れる電流・電圧および磁束を示す図である。 変換器の出力電圧指令に加算する零相電圧のゲインを可変させた場合の出力電圧波形の変化を示す図である。 電力変換器および変圧器に流れる電流、電圧および磁束の関係を示した波形を示す図である。 電力変換器および変圧器に流れる電流、電圧および磁束の関係を示した波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電力変換装置を説明する図である。図において、１は交流電源、２は前記交流電源１の電圧を電力変換器の入力電圧に変換する変圧器、３は前記変圧器２から出力される電力を所望の電力に変換する電力変換器、４は前記電力変換器が出力する電力で駆動される交流電動機である。

５は前記交流電動機４の出力トルクや速度が所望の特性を満たすように前記電力変換器３を操作する電力変換器制御装置である。６は電流検出器であり、前記電力変換器３の出力電流を検出し出力する。７は速度検出器であり、前記交流電動機４の速度を検出し出力する。前記電流検出器６、速度検出器７の出力信号は、電力変換器制御装置５に入力され、電力変換器制御装置５は、各種演算処理を行い、前記電力変換器３を操作する信号を出力する。

次に電力変換器制御装置５の主要動作について説明する。先ず、電力変換器制御装置５は、速度指令発生器５１から出力される速度指令値ωｒｒｅｆと速度検出器７から出力される速度検出値ωｒとの偏差が速度制御器５２に入力され、速度制御器５２では速度検出値が速度指令値に一致するようにトルク電流指令値Ｉｑｒｅｆを演算し、出力する。

電流座標変換器５３には、電流検出器６から出力される交流電流検出値と位相演算器５４から出力される位相θが入力され、電流座標変換器５３では、位相θを用いて３相交流電流検出値から直流電流検出値である励磁電流検出値Ｉｄとトルク電流検出値Ｉｑを演算し、出力する。

速度制御器５２で演算されたトルク電流指令値Ｉｑｒｅｆと電流座標変換器５３から出力されるトルク電流検出値Ｉｑとの偏差がトルク電流制御器５５に入力され、トルク電流制御器５５ではトルク電流検出値Ｉｑがトルク電流指令値Ｉｑｒｅｆに一致するようにｑ軸電圧指令値Ｖｑを演算し、出力する。また、励磁電流指令設定器５６から出力される励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆと電流座標変換器５３から出力される励磁電流検出値Ｉｄとの偏差が励磁電流制御器５７に入力され、励磁電流制御器５７では励磁電流検出値Ｉｄが励磁電流指令値Ｉｄｒｅｆに一致するようにｄ軸電圧指令値Ｖｄを演算し、出力する。

トルク電流制御器５５から出力されるｑ軸電圧指令値Ｖｑと励磁電流制御器５７から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄと位相演算器５４から出力される位相θが電圧座標変換器５８に入力され、電圧座標変換器５８では、位相θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄとｑ軸電圧指令値Ｖｑから３相交流電圧指令値を演算し、出力する。

速度検出器７から出力される速度検出値ωｒと電流座標変換器５３から出力されるトルク電流検出値が周波数演算器５９に入力され、周波数演算器５９では、例えば誘導電動機を用いた場合は、速度検出器ωｒに負荷に応じたすべり周波数ωｓを加算して周波数指令ω１を演算し、出力する。周波数演算器５９で演算した周波数指令ω１は位相演算器５４に入力され、位相演算器５４では周波数指令ω１を積分して位相θを演算し、出力する。 前記交流電圧指令値はパルス生成器６０に入力され、パルス生成器６０では、電力変換器３の出力電圧が出力電圧指令値に一致するように電力変換器３のスイッチング素子をオン・オフするパルス信号を演算し出力する。

以上説明したように、電力変換器は交流電動機４の出力トルクあるいは速度が所望の特性となるように、出力する交流電圧を制御する。

図２は、入力変圧器における偏磁現象について説明する図であり、電力変換器３として、単相インバータを直列に接続して多レベルの出力電圧を出力するようにしたマルチレベルインバータを用いた例を示したものである
図２において、１は交流電源、２は変圧器、３は複数の単相セルインバータ１０を直列に接続することで構成された電力変換器であり、変圧器２から供給される交流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換する。４は前記電力変換器３が出力する電力で駆動される交流電動機である。

電力変換器３内の各単相セルインバータ１０は、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器１１、変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１２を備え、逆変換器１３によりパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧を出力する。各セルインバータ１０の出力はＵ相セルユニット１４ｕ、Ｖ相セルユニット１４ｖ、Ｗ相セルユニット１４ｗの各ユニット内で足し合わされ、３相交流電圧として交流電動機４へ出力される。なお、各相のセルユニットには、各相に対応してＵ相変圧器２１ｕ、Ｖ相変圧器２１ｖ、Ｗ相変圧器２１ｗが接続され、前記交流電源１の電圧を電力変換器の入力電圧に変換する。

電流検出器６、速度検出器７の出力信号は、電力変換器制御装置５に入力され、電力変換器制御装置５は、各種演算処理を行い、前記電力変換器３を操作する信号を出力する。電力変換器制御装置５の主要動作については前述したとおりである。

ここで、単相インバータの出力パワーＰｄｃは（１）式で表される。単相インバータの出力は（１）式の第２項で示されるように電力変換器の出力周波数ω１の２倍周波数で変動する。なお、（１）式中のφは電動機の力率角である。

単相セルインバータの直流回路にはパワーＰｄｃに比例した直流電流が流れ、この電流はパワーＰｄｃと同じく、電力変換器の出力周波数の２倍周波数で変動する。

図３は、前記直流回路の変動周波数が電源周波数と一致する場合、例えば、電源が５０Ｈｚの場合、電力変換器を出力周波数２５Ｈｚで運転した場合における、電力変換器および変圧器に流れる電流・電圧および磁束を示す図である。なお、前記電流、電圧、磁束はそれぞれ３相となるが１相分のみ表示する。

図３（ａ）に示す変換器出力電圧指令、図３（ｂ）に示す変換器出力電流の出力周波数が２５Ｈｚの場合、図３（ｃ）に示す単相インバータの直流回路に流れる直流電流は２倍の５０Ｈｚで変動する。この変動周波数が、電源周波数である５０Ｈｚと一致する条件では、図３（ｄ）に示すように変圧器の２次側電流が片側に偏り直流成分が含まれる。このように直流電流成分が流れると、図３（ｅ）に示すように変圧器には、磁束が偏る偏磁現象が生じ、過渡的に過大な励磁電流が流れ、高調波、変圧器の騒音（うなり）、あるいは損失が増加し熱的な問題が生じる。

図４は、変換器の出力電圧指令に加算する零相電圧のゲインを可変させた場合の出力電圧波形の変化を示す図である。

ここでは、図４（ｂ）に示すように零相電圧指令の周波数は出力電圧指令の３倍とし、零相電圧指令のピーク値を出力電圧指令のピーク値と一致させ、電動機の力率角分の位相をシフトさせた条件としている。この結果、図４（ｃ）に示すように変換器の出力電圧波形が変化し、変圧器の偏磁現象を引き起こす原因となる２５Ｈｚの電圧成分が減少する。なお、零相電圧のみを変化させるため、電動機に印加される線間電圧波形は変化しない。 本発明ではこのような特性に着目し、Ｕ、Ｖ、Ｗ相に加算する零相電圧指令を可変制御することで変圧器の偏磁現象を引き起こす電圧の周波数成分を減少させ、直流偏磁を抑制する。

本実施形態の電力変換装置における制御動作について図１を用いて説明する。零相電圧を生成し、生成した零相電圧のゲインを制御するため、零相電圧発生器１００、零相電圧可変条件判定器１０１、零相電圧可変ゲイン演算器１０２、および位相演算器１０３を設置する。

零相電圧発生器は設定した周期で変化する波形を演算して出力する。零相電圧可変条件判定器１０１は出力周波数指令ω１を入力し、入力した周波数指令ω１が偏磁が生じる出力周波数を中心として設定した周波数バンド幅内に入る場合、零相電圧可変条件成立の判定フラグを出力する。

出力された判定フラグは零相電圧可変ゲイン演算器１０２に入力する。零相電圧発生器１００から出力される零相電圧波形は、電流の位相を検出して位相を演算する位相演算器１０３において位相をシフトされ、零相電圧可変ゲイン演算器に１０２に入力される。

零相電圧可変ゲイン演算器１０２は、判定フラグに基づいて位相演算器１０３から出力される零相電圧波形に演算したゲインを乗算して出力する。

零相電圧可変ゲイン演算器１０２の出力は電圧座標変換器５８から出力される出力電圧指令Ｖｒｅｆに加算され、加算後の出力電圧指令がパルス生成器６０に入力され、パルス生成器６０は入力された出力電圧指令に応じたパルス信号を変換器３のスイッチング素子に供給する。

図５は、電力変換器および変圧器に流れる電流、電圧および磁束の関係を示した波形を示す図である。

前述のように、出力電圧指令に零相電圧を加算することで、偏磁が生じる運転状態においても、変圧器の２次側に流れる直流電流成分を減少させることができる。このため、電源に変圧器を介して電力変換器を接続し、電力変換器により電動機を可変速駆動する電力変換器においても、特定周波数での運転時に生じる変換器の入力側変圧器の偏磁現象に対して、偏磁耐量を増加させるための対策や偏磁を抑制するための検出器を追加することなく、変圧器の偏磁現象を抑制することが可能となる。

なお、電力変換装置に接続される負荷が同期電動機である場合は電力変換装置の負荷力率が１となるため、図６に示すように電力変換装置の出力電圧指令に対する零相電圧指令の位相差は０となる。この場合、図１に示す位相演算器１０３は不要である。

１ 交流電源
２ 変圧器
３ 電力変換器
４ 交流電動機
５ 電力変換器制御装置
６ 電力変換器出力電流検出器
７ 速度検出器
１０ 単相セルインバータ
１１ 順変換器
１２ 平滑コンデンサ
１３ 逆変換器
１４ 単相セルユニット
２１ 各相変圧器
５１ 速度指令発生器
５２ 速度制御器
５３ 電流座標変換器
５４ 位相演算器
５５ トルク電流制御器
５６ 励磁電流指令設定器
５７ 励磁電流制御器
５８ 電圧座標変換器
５９ 周波数指令演算器
６０ パルス生成器
１００ 零相電圧発生器
１０１ 零相電圧可変条件判定器
１０２ 零相電圧可変ゲイン演算器
１０３ 位相演算器

Claims (7)

1. 変圧器、該変圧器に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ、および該コンバータに接続されて前記直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータを備えた電力変換装置と、
   出力電圧指令を生成し、生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備え、
   該制御装置は、
   零相電圧指令を生成し、生成した零相電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置に所定周波数の零相出力電圧を生成させる零相電圧発生器と、
   前記電力変換装置の出力周波数が、交流電源周波数に関連する予め定めた所定の周波数範囲にあるとき所定の可変ゲインを出力する零相電圧可変条件判定器と、
   前記零相電圧発生器の出力に前記可変ゲインを乗算して零相電圧指令を生成する零相電圧可変ゲイン演算器と、を備え、
   該零相電圧可変ゲイン演算器の出力である零相電圧指令を前記出力電圧指令に加算して生成した生成出力電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御し、前記変圧器の偏磁現象を引き起こす電圧の周波数成分を減少させて直流偏磁を抑制する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記電力変換装置の負荷力率を検出する検出装置を備え、検出した負荷力率に応じて前記零相電圧の位相を制御することを特徴とする電力変換装置。
3. 三相変圧器、該三相変圧器に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ、および該コンバータに接続されて前記直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータを備えた電力変換装置と、
   出力電圧指令を生成し、生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備え、
   該制御装置は、
   第３高調波の零相電圧指令を生成し、生成した零相電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記変換器に所定周波数の零相出力電圧を生成させる零相電圧発生器と、
   前記電力変換装置の出力周波数が、交流電源周波数に関連する予め定めた所定の周波数範囲にあるとき所定の可変ゲインを出力する零相電圧可変条件判定器と、
   前記零相電圧発生器の出力に前記可変ゲインを乗算して零相電圧指令を生成する零相電圧可変ゲイン演算器を備え、
   該零相電圧可変ゲイン演算器の出力である零相電圧指令を前記出力電圧指令に加算して生成した生成出力電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御し、前記三相変圧器の偏磁現象を引き起こす電圧の周波数成分を減少させて直流偏磁を抑制する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３記載の電力変換装置において、
   前記電力変換装置の負荷力率を検出する検出装置を備え、検出した負荷力率に応じて前記零相電圧の位相を制御することを特徴とする電力変換装置。
5. 変圧器、該変圧器に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ、および該コンバータに接続されて前記直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータを備えた電力変換装置と、
   出力電圧指令を生成し、生成した出力電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置の出力電圧および出力周波数を制御する制御装置を備えた電力変換装置の制御方法において、
   零相電圧指令を生成し、生成した零相電圧指令を前記電力変換装置を構成するスイッチング素子を制御するパルス生成器に供給して前記電力変換装置に所定周波数の零相出力電圧を生成させる零相電圧発生器を備え、
   前記電力変換装置の出力周波数が、交流電源周波数に関連する予め定めた所定の周波数範囲にあるとき所定の可変ゲインを出力し、前記零相電圧発生器の出力に前記可変ゲインを乗算して零相電圧指令を生成し、生成した零相電圧指令を前記出力電圧指令に加算して生成した生成出力電圧指令に基づいて前記電力変換装置を制御し、前記変圧器の偏磁現象を引き起こす電圧の周波数成分を減少させて直流偏磁を抑制する
   ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
6. 請求項５記載の電力変換装置の制御方法において、
   前記電力変換装置の負荷力率を検出する検出装置を備え、検出した負荷力率に応じて前記零相電圧の位相を制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
7. 請求項５記載の電力変換装置の制御方法において、
   前記変圧器は三相変圧器であることを特徴とする電力変換装置の制御方法。