JP5967832B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は半導体電力変換装置に関し、特に被試験装置の健全性を確認することが可能な半導体電力変換装置に関する。

従来、電動機などを負荷として駆動する半導体電力変換装置においては、必要に応じてその主回路の健全性を確認する試験が行われる。半導体電力変換装置において主回路の健全性を確認するためには、電流定格と電圧定格の両者を満たす負荷設備を用意すれば良いが、半導体電力変換装置が大容量になると、このような大容量の負荷設備を用意するのは経済性の面で得策ではない。このため、２台の半導体電力変換装置の交流出力同士を互いに接続し、一方の半導体電力変換装置を交流電圧源として動作させ、他方の半導体電力変換装置を電流制御器として動作させることによって等価試験を行う手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００３−２１９６６２号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に示された手法は、２台の半導体電力変換装置のうち１台を被試験装置、他の１台を試験設備としたとき、試験設備の定格を最小限とすることができる有効な手法である。しかしながら、出力周波数を上昇させたとき、電流制御の応答が追従できないという問題があった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、出力周波数を上昇させても電流制御の応答が可能となる半導体電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体電力変換装置は、交流を直流に変換する第１のコンバータとこの直流を交流に変換する第１のインバータとから成る被試験装置の交流出力を試験設備に接続し、制御装置によって制御することによって被試験装置を所望の入力、出力で試験を行うようにした半導体電力変換装置であって、前記試験設備は、交流電圧を入力とする第２のコンバータと、前記第２のコンバータの直流出力を交流に変換し、この交流出力を、交流リアクトルを介して前記第１のインバータの交流出力と接続する第２のインバータと、前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流検出器とを具備し、前記制御装置は、電圧基準が第１のゲインを介して与えられ、変換位相入力に応じて第１の交流電圧基準を出力する第１の変換器と、前記電圧基準が第２のゲインを介して与えられ、変換位相入力に応じて第２の交流電圧基準を出力する第２の変換器と、前記第１の交流電圧基準をＰＷＭ制御して前記第１のインバータにゲート信号を供給する第１のＰＷＭ信号発生器と、前記第２の交流電圧基準をＰＷＭ制御して前記第２のインバータにゲート信号を供給する第２のＰＷＭ信号発生器と、周波数基準を入力とし、出力の位相基準を変換位相として前記第１の変換器に与えるようにした積分器と、電流基準と、前記電流検出器で検出された電流を直流量に変換した値との差分を入力とし、この入力が最小となるように位相差指令を出力する電流制御器とを有し、前記位相基準と前記位相差指令の差分を変換位相として前記第２の変換器に与えるようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、出力周波数を上昇させても電流制御の応答が可能となる半導体電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の制御装置の内部ブロック構成図。 本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の制御装置の内部ブロック構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の基本回路構成図であり、図２は図１における制御部の内部ブロック構成図である。

図１において可変電圧の交流電源１から試験設備２の３相コンバータ２１に所望の電圧が給電される。試験設備２は他に、単相インバータ２２、３相インバータ２３、３相フィルタ２４、交流リアクトル２５を有している。３相コンバータ２１の直流出力は単相インバータ２２の直流リンクに接続されると共に３相インバータ２３の直流リンクにも接続されている。単相インバータ２２の交流側は交流リアクトル２５を介して被試験装置３の単相インバータ３２の交流端子に接続されている。被試験装置３は他に３相コンバータ３１を有している。３相インバータ２３の交流端子は交流フィルタ２４を介して３相コンバータ３１の交流端子に接続されている。

単相インバータ２２及び単相インバータ３２は共にスイッチング素子をブリッジ接続した構成であり、これらのスイッチング素子には制御装置４からオンオフ信号が与えられている。また、交流リアクトル４に流れる電流は電流検出器２６によって検出され、電流フィードバックとして制御装置４に与えられている。このような図１に示す構成で、被試験装置３に対して所望の入力電圧、入力周波数、出力電圧、出力周波数及び出力電流を与えることが可能となり、被試験装置３の等価試験が可能となる。

制御装置４の内部構成について図２を参照して以下説明する。

実施例１における制御装置４は、被試験装置３の出力が与えられた周波数基準ｆ*、電圧基準Ｖ*、電流基準ｉ*となるように被試験装置３の単相インバータ３２及び試験設備２の単相インバータ２２を制御する。尚、被試験装置３の入力電圧及び入力周波数は、３相インバータ２３の出力をオープンループで制御することによって与えることができる。

図２に示すように、積分器４１が与えられた周波数基準ｆ*を積分することによって位相基準θ*を出力する。また電圧基準Ｖ*は、ゲイン４２により増幅されて変換器４４に、同様にゲイン４３により増幅されて変換器４５に与えられる。この実施例１においてはゲイン４２とゲイン４３は同一増幅率を有している。変換器４４の位相入力には位相基準θ*が与えられる。これにより変換器４４は位相θ*を有する交流電圧基準Ｖｕを出力する。この交流電圧基準ＶｕはＰＷＭ信号発生器４６によってＰＷＭのゲート信号に変換されて、被試験装置３の単相インバータ３２を構成するスイッチング素子に与えられる。これにより被試験装置３の単相インバータ３２から所望の周波数と振幅の単相交流電圧が出力される。

一方、電流検出器２６で検出した電流フィードバックＩfを、ＲＭＳ変換器４８を介して実効値（振幅値）に変換し、その値と電流基準Ｉ*との差分を電流制御器４９に与える。このような構成を採用することにより電流制御の基準値を直流量とする事ができ、周波数基準ｆ*が上昇しても電流制御器４９の応答には無関係とする事が可能となる。また、本願においては、電流制御器４９は負荷変動に敏感に応答する必要はないため、例えばその応答時間を秒のオーダーとすることができる。従ってＲＭＳ変換器４８の変換遅れ時間は全く問題とならない。

上記により電流制御が行われ、この実施例１においては、電流制御器４９は入力の偏差が最小となるように位相差指令θｄを出力する。位相差指令θｄと、位相基準θ*の差分が変換器４５に位相入力として与えられ、変換器４５はこの位相で位相回転変換された１相分の交流電圧基準Ｖxを出力する。この交流電圧基準Ｖxは、ＰＷＭ信号発生器４７によってＰＷＭのゲート信号に変換されて、試験設備２の単相インバータ２２を構成するスイッチング素子に与えられる。

以上の構成によって、交流リアクトル２５に流れる電流すなわちインバータ３２の出力電流を所望の電流基準Ｉ*となるように制御することが可能となる。

以下、本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置を、図３を参照して説明する。

図３は本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の制御装置４Ａの内部ブロック構成図である。この実施例２の各部について、図２の本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の制御装置４の内部ブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、電流制御器４９の出力を電圧補正指令とし、この電圧補正指令に応じてゲイン４３Ａの増幅率を調整するように構成した点、また変換器４５の位相入力を、位相基準θ*から力率基準φ*を減算した値とした点である。

実施例１においては、ゲイン４２とゲイン４３の増幅率は同一としてインバータ３２とインバータ２２の交流出力電圧の大きさを一致させ、電流制御器４９の出力である位相差指令に応じて変換器４５の位相入力を調整することによってインバータ３２の出力電流を所望の電流基準Ｉ*となるようにした。これに対してこの実施例２は、変換器４５の位相入力を、位相基準θ*から力率基準φ*を減算した値に固定することによって単相インバータ３２と単相インバータ２２の出力電圧の位相差を固定し、単相インバータ２２の出力電圧の大きさを調整することによって単相インバータ３２の出力電流が所望の電流基準Ｉ*となるようにしている。このように構成すれば、被試験装置３の単相インバータ３２を所望の力率で試験を行うことが可能となる。すなわち、力率基準φ*＝０と設定すれば、単相インバータ３２と単相インバータ２２の出力電圧の位相差をゼロとし、単相インバータ２２の電圧振幅を調整するだけで単相インバータ３２の出力電流が所望の電流基準Ｉ*とすることが可能となる。

以上本発明の２つの実施例を説明したが、これは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、インバータ２２及びインバータ３２を単相出力として説明したが、両者が３相出力であっても本願は成立する。この場合は電流検出器で検出した電流をｄ軸電流（無効電流）とｑ軸電流（有効電流）に展開し、これらの電流が夫々所望の電流基準となるように独立して制御し、その結果で変換器４５の入力位相またはゲイン４３Ａの増幅率またはその両方を制御するように構成すれば良い。

また、試験設備２におけるインバータ２３と交流フィルタ２４は必ずしも備えている必要は無く、コンバータ３１の給電は外部の交流電源から行う構成としても良い。すなわちコンバータ３１の入力周波数を可変とする必要がなければ、交流電源１から給電するようにしても良い。

また、実施例で使用したＲＭＳ変換器については、交流電流の瞬時値を直流量に変換するものであれば良く、例えば電流の絶対値の平均値、あるいはゼロピーク値に変換する変換器としても良い。

１ 交流電源
２ 試験設備
３ 被試験装置
４、４Ａ 制御装置
２１ ３相コンバータ
２２ 単相インバータ
２３ ３相インバータ
２４ 交流フィルタ
２５ 交流リアクトル
２６ 電流検出器
３１ ３相コンバータ
３２ 単相インバータ
４１ 積分器
４２、４３、４３Ａ ゲイン
４４、４５ 変換器
４６、４７ ＰＷＭ信号発生器
４８ ＲＭＳ変換器

Claims (5)

1. 交流を直流に変換する第１のコンバータとこの直流を交流に変換する第１のインバータとから成る被試験装置の交流出力を試験設備に接続し、制御装置によって制御することによって被試験装置を所望の入力、出力で試験を行うようにした半導体電力変換装置であって、
   前記試験設備は、
   交流電圧を入力とする第２のコンバータと、
   前記第２のコンバータの直流出力を交流に変換し、この交流出力を、交流リアクトルを介して前記第１のインバータの交流出力と接続する第２のインバータと、
   前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流検出器と
   を具備し、
   前記制御装置は、
   電圧基準が第１のゲインを介して与えられ、位相入力に応じて第１の交流電圧基準を出力する第１の変換器と、
   前記電圧基準が第２のゲインを介して与えられ、位相入力に応じて第２の交流電圧基準を出力する第２の変換器と、
   前記第１の交流電圧基準をＰＷＭ制御して前記第１のインバータにゲート信号を供給する第１のＰＷＭ信号発生器と、
   前記第２の交流電圧基準をＰＷＭ制御して前記第２のインバータにゲート信号を供給する第２のＰＷＭ信号発生器と、
   周波数基準を入力とし、出力の位相基準を位相入力として前記第１の変換器に与えるようにした積分器と、
   電流基準と、前記電流検出器で検出された電流を直流量に変換した値との差分を入力とし、この入力が最小となるように位相差指令を出力する電流制御器と
   を有し、
   前記位相基準と前記位相差指令の差分を位相入力として前記第２の変換器に与えるようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 交流を直流に変換する第１のコンバータとこの直流を交流に変換する第１のインバータとから成る被試験装置の交流出力を試験設備に接続し、制御装置によって制御することによって被試験装置を所望の入力、出力で試験を行うようにした半導体電力変換装置であって、
   前記試験設備は、
   可変交流電圧を入力とする第２のコンバータと、
   前記第２のコンバータの直流出力を交流に変換し、この交流出力を、交流リアクトルを介して前記第１のインバータの交流出力と接続する第２のインバータと、
   前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流検出器と
   を具備し、
   前記制御装置は、
   電圧基準が第１のゲインを介して与えられ、位相入力に応じて第１の交流電圧基準を出力する第１の変換器と、
   前記電圧基準が、増幅率が可変の第２のゲインを介して与えられ、位相入力に応じて第２の交流電圧基準を出力する第２の変換器と、
   前記第１の交流電圧基準をＰＷＭ制御して前記第１のインバータにゲート信号を供給する第１のＰＷＭ信号発生器と、
   前記第２の交流電圧基準をＰＷＭ制御して前記第２のインバータにゲート信号を供給する第２のＰＷＭ信号発生器と、
   周波数基準を入力とし、出力の位相基準を位相入力として前記第１の変換器に与えるようにした積分器と、
   電流基準と、前記電流検出器で検出された電流を直流量に変換した値との差分を入力とし、この入力が最小となるように電圧補正指令を出力する電流制御器と
   を有し、
   力率基準と前記位相基準との差分を位相入力として前記第２の変換器に与えるようにすると共に、前記電圧補正指令に従って前記第２のゲインの増幅率を調整するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
3. 前記試験設備は、
   前記第２のコンバータの直流出力を交流に変換し、この交流出力を、交流フィルタを介して出力する第３のインバータを更に備え、
   前記交流フィルタの出力を前記第１のコンバータに給電するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体電力変換装置。
4. 前記第１のインバータ及び前記第２のインバータは共に単相出力インバータであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。
5. 前記電流の直流量は電流のＲＭＳ値であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。

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