JP5881775B2

JP5881775B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5881775B2
Application number: JP2014126809A
Authority: JP
Inventors: 秀人馬庭
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: JP2016007088A

Description

この発明は、交流入力電圧の力率改善を図る電力変換装置に関するものである。

従来、例えば特開２００９−２４７１０１号公報（特許文献１）に開示されているように、交流電圧を入力とした電力変換装置において、入力電圧や出力電圧に基づいてスイッチング素子を駆動し、リアクトルに流れる電流を制御することにより力率を向上することが行われている。

特開２００９−２４７１０１号公報

しかし、前記のように入力電圧や出力電圧に基づいてスイッチング素子を駆動して、リアクトルに流れる電流を制御する装置においては、電圧を測定するセンサやセンサ出力からのアナログ値のＡ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器等にて遅延が生じるため、制御部で処理する際に用いる値、特に交流である交流入力電圧は、実際の値に対して位相が異なり、力率向上が十分に図れない課題があった。

この発明は、前記のような課題を解決するために成されたものであって、センサやＡ／Ｄ変換器等の制御部までの遅延を補正して力率の向上を図る電力変換装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る電力変換装置は、交流入力電圧を測定する入力電圧測定手段と、前記入力電圧測定手段で測定された交流入力電圧値を読み取る入力電圧読取手段と、リアクトルと、前記リアクトルに接続されるスイッチング素子と、出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、前記出力電圧測定手段で測定された出力電圧値を読み取る出力電圧読取手段と、前記入力電圧読取手段で読み取った入力電圧と前記出力電圧読取手段で読み取った出力電圧とに基づいて前記スイッチング素子のオン、オフ状態を制御する制御部と、前記交流入力電圧のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロスタイミングにおける前記入力電圧読取手段による入力電圧値に基づいて前記制御部で演算する入力電圧を補正する補正手段と、を備えたものである。

この発明に係る電力変換装置によれば、交流入力電圧のゼロクロスタイミングにおける制御部への入力電圧値により電圧センサやＡ／Ｄ変換器等の制御部までの遅延を算出して、制御部への入力電圧の遅延を補正するため、力率の向上を図ることができる。

また、交流入力電圧のゼロクロスタイミングに基づいて電力変換装置のリアクトルに流す目標電流値も生成可能であるため、交流入力電圧位相により精度よく一致して力率の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。実際の交流入力電圧とセンサ値読取手段後の交流入力電圧の関係を示した図である。実際の交流入力電圧、センサ値読取手段後の交流入力電圧（正常時）及びセンサ値読取手段後の交流入力電圧（異常時）との関係を示した図である。実際の交流入力電圧とセンサ値読取手段後の交流入力電圧とのゼロクロスタイミングの関係を示した図である。

以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。
図１において、電力変換装置１００は、交流入力電圧を測定する入力電圧測定手段としての入力電圧センサ１、交流入力電流を測定する入力電流測定手段としての入力電流センサ２、出力電圧を測定する出力電圧測定手段としての出力電圧センサ３、入力電圧センサ１により測定された交流入力電圧値を読み取る入力電圧読取手段としての第１のセンサ値読取手段４、入力電流センサ２により測定された交流入力電流値を読み取る入力電流読取手段としての第２のセンサ値読取手段５、出力電圧センサ３により測定された出力電圧値を読み取る出力電圧読取手段としての第３のセンサ値読取手段６、ゼロクロス検出部７、補正手段８、目標電流生成手段９、制御部１０、ブリッジ回路を構成するダイオード１１、１２、１３、１４、リアクトル１５、スイッチング素子１６、ダイオード１７、コンデンサ１８を備えている。また、電力変換装置１００には交流電圧１９、負荷２０が接続されている。

電力変換装置１００において、入力電圧Ｖ１を入力電圧センサ１にてセンシングして第１のセンサ値読取手段４により読み取った入力電圧値と、入力電流Ｉ１を入力電流センサ２にてセンシングして第２のセンサ値読取手段５により読み取った入力電流値、及び出力電圧Ｖ２を出力電圧センサ３にてセンシングして第３のセンサ値読取手段６により読み取った出力電圧値に基づいて、制御部１０によりスイッチング素子１６をオン・オフする比率を演算し、制御して所望の入力電流及び出力電圧となるようにしている。

ここで、第１のセンサ値読取手段４、第２のセンサ値読取手段５、及び第３のセンサ値読取手段６は、例えば、センサからのアナログ値をＡ／Ｄ変換器にてディジタル値に変換し、所定の換算式による電圧値、電流値への変換をして制御部１０で演算するための値を生成している。尚、所定の換算式による電圧値、電流値への変換を制御部１０で実行するようにしてもよい。

また、第１のセンサ値読取手段４、第２のセンサ値読取手段５、第３のセンサ値読取手段６、及び制御部１０は、通常、１つのＭＰＵ（Micro-Processing Unit）で行われることが多い。

図１において、ダイオード１１、１２、１３、１４からなるブリッジ回路、リアクトル１５、スイッチング素子１６、ダイオード１７からなる一石型のコンバータ回路が例として示されているが、セミブリッジレス回路やインタリーブ回路でもよく、コンバータ回路方式を限定するものではない。また、図１においてスイッチング素子１６はＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）となっているが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）でもよい。

図２は、実際の交流入力電圧と第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧の関係を示した図で、交流入力電圧２１を実線で示し、第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧２２を破線で示している。ここで実際の交流入力電圧２１とは図１における入力電圧Ｖ１のことである。図２に示す通り、第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧２２は、入力電圧センサ１や第１のセンサ値読取手段４における例えばＡ／Ｄ変換器等による遅延により、実際の交流入力電圧２１に対して位相遅延が発生する。

交流入力電圧は基本的には正弦波（sin波）であるため、図２に示す実際の交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングにおける第１のセンサ値読取手段４の後段の電圧値より、位相遅延量を算出することができる。

次に、具体的に位相遅延量の算出方法について図１を用いて説明する。実際の交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングはゼロクロス検出部７により検出する。ここでゼロクロス検出部７は、図１においてコンパレータ表記となっているが特にこの構成に限定するものでない。

ゼロクロス検出部７からのゼロクロスタイミングにて第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧値Ｖ１’を保持する。ここで、交流入力電圧値Ｖ１’の保持はＭＰＵ内のメモリ等が考えられる。

また、ゼロクロスタイミングでの第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧値Ｖ１’に対する外乱の影響を抑制するために、数回のゼロクロスタイミングでの第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧値を平均した値をゼロクロスタイミングでの第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧値Ｖ１’として用いてもよい。

図３に示すように入力電圧センサ１等の異常で、第１のセンサ値読取手段４からの出力が大きく遅延してセンサ読取手段後の交流入力電圧（異常時）２４のようになった場合、位相遅延量を誤って算出してしまう可能性があるが、ゼロクロスタイミングにおける第１のセンサ値読取手段４からの出力が単調減少であるかどうか（１８０°異なるゼロクロス点では単調増加）を補正手段８で判別することにより誤算出を回避することができる。なお、異常と判別した場合は補正しない。

予め演算してある交流入力電圧実効値Ｖ１ｒｍｓとゼロクロスタイミングでの第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧値Ｖ１’との関係は、交流入力電圧が正弦波であるとすると、以下の式（１）であらわされる。

ここでｆは入力電圧の周波数、ｔ１は位相遅延量を表している。位相遅延量ｔ１は式（１）より、以下の式（２）として算出される。

また図４に示すように、位相遅延量ｔ１はゼロクロス検出部７よりゼロクロスタイミング（ゼロクロス１）を起点として第１のセンサ値読取手段４のゼロクロスタイミング（ゼロクロス２）により算出してもよい。

ここでゼロクロス１を起点としたゼロクロス２による位相遅延量ｔ１に対する外乱の影響を抑制するために、数回のゼロクロスタイミングでのゼロクロス１を起点としたゼロクロス２による位相遅延量ｔ１を平均した値を位相遅延量ｔ１として用いてもよい。

ある時刻ｔにおける実際の交流入力電圧２１と第１のセンサ値読取手段４の後段の交流入力電圧２２との差ΔＶ１（ｔ）は、以下の式（３）で算出されることとなる。

よって、第１のセンサ値読取手段４の後段の入力電圧にΔＶ１（ｔ）を加算することにより、入力電圧センサ１や第１のセンサ値読取手段４における遅延による実際の交流入力電圧２１に対する電圧誤差を補正することができる。これら位相遅延量の算出及び電圧誤差の補正は補正手段８により行われる。

ここで、図１には図示していないが、入力電流センサ２及び第２のセンサ読取手段５における遅延を予め固定値として、式（３）と同様に遅延による電流誤差を制御部１０で処理する際に補正してもよい。尚、この場合、式（３）において交流入力電圧実効値Ｖ１ｒｍｓが交流入力電流実効値Ｉ１ｒｍｓに置き換わる。

また、ゼロクロス検出部７からのゼロクロスタイミングを０点として、以下の式（４）で表すことのできる、リアクトル１５に流すある時間ｔにおける目標電流値Ｉ１*（ｔ）を目標電流生成手段９により生成する。

ここでＩ１^*ｒｍｓは予め演算されたリアクトル１５に流す目標電流実効値であり、fは入力電圧Ｖ１の周波数である。

以上、実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、入力電圧センサ１及び第１のセンサ値読取手段４における遅延による実際の交流入力電圧２１に対する電圧誤差を、交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングでの第１のセンサ値読取手段４の後段の電圧値、又は交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングを起点とした第１のセンサ値読取手段４のゼロクロスタイミングによる位相遅延量に基づいて補正することにより、力率向上を十分に図ることができる。また電力変換装置１００毎の入力電圧センサ１及び第１のセンサ値読取手段４の遅延に基づいて補正を実施しているので、入力電圧センサ１及び第１のセンサ値読取手段４の個体ばらつきに関しても補正可能である。

ここで、交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングでの第１のセンサ値読取手段４の後段の電圧値、又は交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングを起点とした第１のセンサ値読取手段４のゼロクロスタイミングによる位相遅延量をゼロクロスタイミング数回分の平均値とすることにより外乱の影響も抑制することができる。

また、入力電流センサ２及び第２のセンサ値読取手段５における遅延を予め固定値として式（３）と同様に遅延による電流誤差を制御部１０で処理する際に、補正することにより更なる力率向上を図れる。

さらに、交流入力電圧２１のゼロクロスタイミングに同期したリアクトル１５に流す目標電流値を生成するためにより力率向上を図れる。

１入力電圧センサ、２入力電流センサ、３出力電圧センサ、４第１のセンサ値読取手段、５第２のセンサ値読取手段、６第３のセンサ値読取手段、７ゼロクロス検出部、８補正手段、９目標電流生成手段、１０制御部、１１〜１４、１７ダイオード、１５リアクトル、１６スイッチング素子、１８コンデンサ、１９交流電圧、２０負荷、２１実際の交流入力電圧、２２センサ読取手段後の交流入力電圧、２３センサ読取手段後の交流入力電圧（通常時）、２４センサ読取手段後の交流入力電圧（異常時）１００電力変換装置。

Claims

交流入力電圧を測定する入力電圧測定手段と、
前記入力電圧測定手段で測定された交流入力電圧値を読み取る入力電圧読取手段と、
リアクトルと、
前記リアクトルに接続されるスイッチング素子と、
出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、
前記出力電圧測定手段で測定された出力電圧値を読み取る出力電圧読取手段と、
前記入力電圧読取手段で読み取った入力電圧と前記出力電圧読取手段で読み取った出力電圧とに基づいて前記スイッチング素子のオン、オフ状態を制御する制御部と、
前記交流入力電圧のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロスタイミングにおける前記入力電圧読取手段による入力電圧値に基づいて前記制御部で演算する入力電圧を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記ゼロクロスタイミングにおける前記入力電圧読取手段による入力電圧値の複数回の平均値に基づいて前記制御部で演算する入力電圧を補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記補正手段は、前記ゼロクロスタイミングにおける前記入力電圧読取手段による入力電圧が単調減少又は単調増加を判別して前記制御部で演算する入力電圧を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
交流入力電圧を測定する入力電圧測定手段と、
前記入力電圧測定手段で測定された交流入力電圧値を読み取る入力電圧読取手段と、
リアクトルと、
前記リアクトルに接続されるスイッチング素子と、
出力電圧を測定する出力電圧測定手段と、
前記出力電圧測定手段で測定された出力電圧値を読み取る出力電圧読取手段と、
前記入力電圧読取手段で読み取った入力電圧と前記出力電圧読取手段で読み取った出力電圧とに基づいてスイッチング素子のオン・オフ状態を制御する制御部と、
前記交流入力電圧のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス検出手段により検出されたゼロクロスタイミングを起点とした前記入力電圧読取手段の後段のゼロクロスタイミングまでの時間に基づいて前記制御部で演算する入力電圧を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記ゼロクロスタイミングを起点とした前記入力電圧読取手段の後段のゼロクロスタイミングまでの時間の複数回の平均値に基づいて前記制御部で演算する入力電圧を補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
交流入力電流を測定する入力電流測定手段と、
前記入力電流測定手段で測定された交流入力電流値を読み取る入力電流読取手段と、
を備え、
前記入力電流測定手段と前記入力電流読取手段とでの遅延時間を予め固定値として保有し、前記制御部にて前記固定値に基づき入力電流を補正することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電力変換装置。
前記ゼロクロス検出手段により検出されたゼロクロスタイミングに基づいて、前記リアクトルに流れる目標電流を生成する目標電流生成部を有することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電力変換装置。