JPH01298959A - Ｐｗｍコンバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、スイッチング素子をオンさせるためのＰＷ
Ｍ信号のパルス幅を制御することにより、交流電力を直
流電力に変換するＰＷＭコンバータ装置に関し、特に出
力電流のリップルの影響を受けずに高精度に電力変換を
行なうＰ’ＷＭコンバータ装置に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は、例えば特開昭６０−２２９６７６号公報に記
載されたＰＷＭインバータを用いた、従来のＰＷＭコン
バータ装置を示すブロック図である。

図において、交流電源（１）はＵ相、Ｖ相及びＷ相の三
相交流電力を供給しており、各相の供給端子にはそれぞ
れリアクトル（２）が接続されている。

電力変換器（３）は、複数のトランジスタ（スイッチン
グ素子）（３ａ）〜（３ｆ）及びダイオード（整流素子
）（３ｇ）〜（：Ｈりからなり、トランジスタ（３ａ）
〜（３ｆ）及びダイオード（３ｇ）〜（３１）の各一対
の接続点は、リアクトル（２）を介して交流電源（１）
の供給端子に接続されている。そして、後述するＰＷＭ
信号作成回路からのＰＷＭ信号により、交流電源（１）
から供給される交流電力を所望の直流電力に変換してい
る。

電力変換器（３）のトランジスタ対及びダイオード対の
両端間には、平均化された直流電圧Ｅｄを出力する平滑
コンデンサ（４）が接続されており、この平滑コンデン
サ（４）の両端間には、電圧検出器（５）及び負荷（６
）が接続されている。

リアクトル（２）と電力変換器（３）との間には、電力
変換器（３）から交流電源（１）に流れる三相交流の出
力電流１ｕ、Ｉｖ及びＩｌｌを検出するための電流検出
器（７）が設けられ、又、交流電源（１）の供給端子に
は、三相の交流電圧Ｅ　ｕ、Ｅ　ｖ及びＥＩｌｌの各電
圧位相θＢｕ、θＢｖ及び０６ｗを検出する位相検出器
（８）が接続されている。

座標変ＩＱ器（９）は、電圧位相θｒ、ｕ、θＨｖ及び
θＰ、ｗに基づいて出力電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｕ＋を直
交二軸の無効電流Ｉｄ及び有効電流ＩＱに変換している
。

無効電流設定回路（１０）は無効電流１ｄに相当する無
効電流設定値Ｉｄ”を出力し、減算器（１１）は無効電
流設定値Ｉｄ’″から無効電流Ｉｄを減算し、電流制御
器（１２）は減算器（１１）からの差電流信号に基づい
て無効電圧設定値Ｖｄ”を出力している。

直流電圧設定回路（１３）は直流電圧Ｅｄに相当する電
圧設定値Ｅｄ”を出力し、減算器（１４）は電圧設定値
Ｅｄ″から直流電圧Ｅｄを減算し、電圧制御器（１５）
は、減算器（１４）からの差電圧信号に基づいて、有効
電流１ｑに相当する有効電流設定値Ｉｑ１を出力してい
る。減算器（１６）は有効電流設定値Ｉｑ８から有効電
流Ｉｑを減算し、電流制御器（１７）は減算器（１６）
からの差電流信号に基づいて有効電圧設定値■ｑｌ′を
出力している。

電流制御器（１２）及び（１７）に接続された座標変換
器（１８）は、電圧位相θεＵ、θＥＶ及びθＢ−に基
づいて、直交二軸の無効電圧設定値Ｖｄ”及び有効電圧
設定値■ｑ″を、三相の電圧指令値Ｖｕ”、Ｖｖ”及び
Ｖｗに変換している。

３つのＰＷＭ信号作成回路（１９）〜（２１）は、それ
ぞれ同一構成要素からなり、各電圧指令値Ｖｕ”、Ｖｖ
’及びＶｗ’に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号Ｐａ
〜Ｐｆを出力している。

例えば、Ｗ相用のＰＷＭ信号作成回路（２１）は、出力
電流Ｉｎの極性を判別する比較器（２２）と、比較器（
２２）の出力信号に応じて矩形波状の電圧補正信号Δ■
を出力する調節器〈２３）と、電圧指令値Ｖｗ”に電圧
補正信号Δ■を加算する加算器（２４）と、三角波状の
搬送波Ｖｃを出力する搬送波発生器（２５）と、加算器
（２４）により補正された電圧指令値Ｖｗ”から搬送波
Ｖｃを減算する減算器（２６）と、減算器（２６）の出
力信号に応じてオン信号Ｑ及びＱを出力する比較器（２
７）と、オン信号Ｑ及びＱの立ち上がりタイミングを電
圧補正信号Δ■に比例した時間だけ遅延させてＰＷＭ信
号Ｐｅ及びＰｆとして出力する遅延要素（２８）及び（
２９）とを備えている。

次に、第４図及び第５図の波形図を参照しながら、第３
図に示した従来のＰＷＭコンバータ装置の動作について
説明する。

電流検出器（７）は、出力電流１ｕ、Ｉｖ及びＩ−を検
出して、座標変換器（９）及びＰＷＭ信号作成回路（１
９）〜（２１）に入力する。又、位相検出器（８）は、
交流電圧Ｅ　ｕ、Ｅ　ｖ及びＥＩｌｌの電圧位相θＢｕ
、θＥＥＶ及びθＨｍを検出し、座標変換器（９）及び
（１８）に入力する。各電圧位相θＥｕ、θＢｖ及びθ
ＥＩｌｌは、θｐｕ−θ θＲＶ−θ−（２／３）π θ口四＝θ＋（２／３）π で表わされる。

座標変換器（９）は、交流電圧Ｅ　ｕ、Ｅ　ｖ及びＥ−
の直流量に相当する電源電圧Ｅを基準として、出力電流
１ｕ、Ｉｖ及び１ｍのｙＸ流量に相当する出力電流■の
、電源電圧Ｅに対する直交成分（無効電流）Ｉｄと、同
相成分（有効電流Ｈｑとを、 ・・・■ から演算する。この演算により、無効電流Ｉｄ及び有効
電流ＩＱは直流量に変換される。

一方、無効電流設定回路（１０）から生成された無効電
流設定値Ｔｄ’は、減算器（１１）により無効電流Ｉｄ
が減算されて差電流信号となり、電流制御器（１２）に
入力される。電流制御器（１２）は、差電流信号を例え
ば比例積分演算し、電圧指令値Ｖｕ”、Ｖｖ’及び■１
の直流量に相当する電圧指令値■１の、電源電圧Ｅに対
する直交成分（無効電圧指令値）Ｖｄ”を出力する。

又、直流電圧設定回路（１３）がら生成された電圧設定
値Ｅｄ”は、−Ｉ＆算器（１４〉により直流電圧Ｅｄが
減算されて差電圧信号となり、電圧制御器（１５）に入
力される。電圧制御器（１５）は、差電圧信号を例えば
比例積分演算し、電源電圧Ｅを基準としたときに同相成
分となる出力電流■の有効電流設定値■ｑ１を出力する
。この有効電流設定値Ｉｑ８は、減算器（１６）により
有効電流ＩＱが減算され、差電流信号となって電流制御
器（１７）に入力される。電流制御器（１７）は、差電
流信号を例えば比例積分演算し、電圧指令値Ｖ８の電源
電圧Ｅに対する同相成分く有効電圧設定値）ＶＱ’″を
出力する。

座標変換器（１８）は、無効電圧設定値Ｖｄ’及び有効
電圧設定値■ｑ１に基づいて、三相交流の電圧指令値Ｖ
ｕ’、Ｖｖ’及びＶＷ”を、 ・・・■ から演算する。この演算により、直流量に相当する無効
電圧設定値Ｖｄ”及び有効電圧設定値ｖｑ８は、交流量
の電圧指令値Ｖｕ”、Ｖｖ”及びＶｗ”に変換され、各
ＰＷＭ信号作成回路（１９）〜（２１）に入力される。

ここで、Ｗ相のＰＷＭ信号作成回路（２１）に注目し、
電圧補正信号Δ■が零の場合について説明する。電圧指
令値Ｖｗ”は、減算器（２６）により搬送波Ｖｃが減算
されて比較器（２７）に入力される。

比較器（２７）は、減算器（２６）の出力信号に基づい
て、第４図に示すように電圧指令値Ｖｗ”と搬送波Ｖｃ
とを比較し、 Ｖｌｌｌ’＞Ｖｃ の間はオン信号Ｑを出力し、 Ｖｗ”＜Ｖｃ の間はオン信号のを出力する。これらのオン信号Ｑ及び
Ｑは、遅延要素（２８）及び（２９）により立ち上がり
タイミングが遅延され、トランジスタ（３ｅ）及び（３
「）をそれぞれオン駆動するためのＰＷＭ信号Ｐｅ及び
Ｐｆとなって出力される。遅延要素（２８）及び（２９
）は、ｌ・ランジスタ（３ｃ）及び（３ｒ）のオフ動作
遅れに起因するアーム短絡を防止している。

ＰＷＭ信号Ｐｅ及びＰｌにより、トランジスタ（３ｅ）
及び（３ｒ）は交互にオン制御され、トランジスタ対の
両端からは交流の出力電圧Ｖｗが発生する。この出力電
圧■―は、平滑コンデンサ（４）により平均化され、電
圧設定値Ｅｄ’に相当する所望の直流電圧Ｅｄとなって
負荷（６）に印加される。

このとき、出力電圧■―は遅延時間に相当する電圧無制
御期間Ｔｄを含んでおり、この電圧無制御期間Ｔｄは搬
送波Ｖｃの１サイクル中に２度発生する。

従って、搬送波Ｖｃの１サイクル中において、出力電圧
■−に対して電圧無制御期間Ｔｄが占める割合には、搬
送波Ｖｃの１サイクルの時間をＴｃとすれば、ｋ＝　２
　Ｔ　ｄ／　Ｔ　ｃ で表わされる。そして、例えば、搬送波Ｖｃの周波数が
２５００）１ｚ、電圧無制御期間Ｔｄが５０μ秒の場合
、ｋは０．２５となる。この電圧無制御期間Ｔｄにおけ
る出力電圧Ｖｗは、出力電流Ｉの極性によって左右され
るので、出力電流■の極性に応じて電圧指令値Ｖｗ”を
補正する必要がある。

そのため、比較器（２２）は、出力電流１ｕ＋の極性を
判別し、極性が正の場合は正の出力信号を、負の場合は
負の出力信号を調節器（２３）に入力する。これにより
、調節器（２３）は電圧補正信号ΔＶを出力するが、電
圧補正信号Δ■の値は、上述したようにに−０，２５の
場合は、搬送波Ｖｃの波高値の２５％程度に設定される
。

第５図は、ｋが０．２５であり、又、説明を簡略化する
ために電圧指令値Ｖｗ”が零の場合の波形図である。図
において、Ｉｅ、Ｉｆ、Ｉｋ、１１は、トランジスタ（
３ｅ）、（３「）、ダイオード（３ｋ）、（３ｅ）にそ
れぞれ流れる電流波形を示し、又、ここでは、リアクト
ル（２）のインダクタンス分が十分に大きく、出力電流
Ｉｗがほぼ直流、且つ正極性であると仮定している。

この場合、ＰＷＭ信号Ｐｅ及びＰｆの波形は、電圧補正
信号ΔＶが零であれば対称となるが、電圧指令値Ｖｗ”
（＝０．）に搬送波の波高値の２５％に相当する正の電
圧補正信号Δ■が重畳されているため非対称となり、一
方のＰＷＭ信号Ｐｅのパルス幅が長くなる。

しかし、出力電流Ｉ―は、トランジスタ（３ｅ）がオン
している間は、トランジスタ（３ｅ）を通してＩｅのよ
うに流れ、トランジスタ（３ｅ）がオフしている間はダ
イオード（３１）を通してＩ＆のように流れる。

又、出力電流ｌｌ１１の極性が正であるため、トランジ
スタ（３ｒ）のオンオフにかかわらず、トランジスタ（
３ｆ）及びダイオ−ト（３ｋＮｍ　ハ、［及びＩｋのよ
うに電流が流れない。

従って、出力電圧Ｖ−を平均化した直流電圧Ｅｄは電圧
指令値Ｖｗ’通りに零に制御され、電圧無制御期間Ｔｄ
に起因する電圧誤差は無くなる。このことは、電圧指令
値Ｖｗ”が零以外の値であっても同様であり、又、Ｗ相
に限らすＵ相及びＶ相に関しても同様である。

［発明が解決しようとする課Ｍ］ 従来のＰＷＭコンバータ装置は以上のように、出力電流
Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗの極性に応じて、電圧指令値Ｖｕ”
、Ｖｖ”及びＶｗ”に電圧補正信号Δ■を加算している
ので、出力電流Ｉｕ、Ｉｖ及び■−にリップル成分が含
まれていた場合、零付近で変動する出力電流の極性を精
度良く判別することができず、電圧補正信号Δ■が外乱
となり、出力電圧に重畳される高調波が増加して、力率
の低下や直流電圧Ｅｄの制御特性の悪化を招くという問
題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、出力電流の極性を精度良く判別して出力電圧
の歪を無くし、直流電圧制御特性を向上させたＰＷＭコ
ンバータ装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るＰＷＭコンバータ装置は、出力電流の無
効？！！流及び有効電流に基づいて出力電流と交流電源
との位相差を演算する位相差演算回路と、交流電源の電
圧位相に演算された位相差を加算して交流電源を基準と
した出力電流の電流位相を出力する加算器と、ＰＷＭ信
号作成回路内に設けられ電流位相に基づいて出力電流の
極性を判別するための位相比較器とを備えたものである
。

［作用］ この発明においては、電流位相から判別された出力電流
の極性に基づいて電圧指令値に電圧補正信号を加算し、
出力電流に含まれるリップル成分による極性判別誤差を
なくし、出力電圧に含まれる高調波を低減させると共に
、力率及び直流電圧制御特性を向上させる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示すブロック図であり、符号
（１）〜（２１）及び（２３）〜（２９）で示した構成
要素は前述と同様のものである。

ＰＷＭ信号作成回路（２１）内の位相比較器（２２Ａ）
は、前述の比較器（２２）に対応しており、後述する加
算器からの電流位相に基づいて出力電流Ｉの極性を判別
するようになっている。

位相差演算回路（３０）は、座標変換器（９）からの無
効電流Ｉｄ及び有効電流Ｉｑに基づいて、電源電圧Ｅを
基準とした出力電流Ｉの位相差φを演算するようになっ
ている。

加算器（３１〉〜（３３）は、位相検出器（８）からの
各相の電圧位相θＢｕ、θＢｖ及び８９ｗに、それぞれ
位相差演算回路（３０）がらの位相差φを加算し、電流
位相θｌｕ、ｅｌｖ及び０１ｍを出力している。

第２図は、それぞれ直流量の無効電流Ｉｄ、有効電流ｒ
ｑ、出力電流Ｉ、無効電圧設定値■ｄ＊、有効電圧設定
値Ｖｑ＊、電圧指令値Ｖ＊及び電源電圧Ｅの相互関係を
示すベクトル図である０図において、電源電圧Ｅ及び電
圧指令値Ｖ８の差ベクトルωＬＩは、リアクトル（２）
における電圧降下を示しており、ωは交流電源（１）の
角周波数、しはりアクドル（２）のインダクタンスであ
る。又、出力電流■は有効電流ｒｑ及び無効電流Ｉｄの
合成ベクトル、電圧指令値Ｖ８は有効電圧設定値ｖｑ１
１及び無効電圧設定値Ｖｄ”の合成ベクトルであり、有
効７１＋”、　ｊｉｂ：、　Ｉ　＋：及び有効電圧設定
値■ｑ１１は電源電圧Ｅの同相成分、無効電流１ｄ及び
無効電圧設定値Ｖｄ”は電源電圧Ｅの直交成分である。

次に、第２図を参照しながら、第１図に示したこの発明
の一実施例の動作について説明する。

第２図から明らかなように、電源電圧Ｅを基準とした出
力電流Ｉの位相差φは、電源電圧Ｅの同相成分である有
効電流ＩＱと、電源電圧Ｅの直交成分である無効電流Ｉ
ｄとを用いて、 φ＝　ｊａｎ−’　（Ｉ　ｄ／　Ｉ　ｑ）　　　　　−
■で表わされる。従って、位相差演算回路（３０）は、
座標変換器（９）から入力される無効電流Ｉｄ及び有効
電流ＩＱに対して０式の演算を行ない、電源電圧Ｅに対
する出力電流Ｉの位相差φを出力する。

この位相差φは、加算器（３１）〜（３３）により電圧
位相θＢｕ、θＢｖ及び０１ｍとそれぞれ加算されて出
力電流■の電流位相θ［ｕ、θＩＶ及びθ■―となり、
各相のＰＷＭ信号作成回路（１９）〜（２１）内の位相
比較器（２２＾）に入力される。

例えば、Ｗ相のＰＷＭ信号作成回路（２１）内の位相比
較器（２２＾）は、電流位相θ■−が、２ｎπ≦θ１ｗ
＜　（２ｎ＋　１）π−■又は、 （２ｎ＋１）π≦θｔｗ＜　（２ｎ＋　２）π　・・・
■但し、ｎ：整数 を満たすかを判別する。そして、■式を満たす場合には
、出力電流■の極性が正であると判別して正の出力信号
を調節器（２３）に入力し、０式を満たす場合には、出
力電流Ｉの極性が負であると判別して負の出力信号を調
節器（２３）に入力する。

調節器（２３）は、出力電流■の極性に対応する極性で
、電圧無制御期間Ｔｄの電圧時間積に相当する大きさの
電圧補正信号Δ■を出力し、加算器（２４）を介して電
圧指令値■１に加算する。この動作は他の相についても
同様に行なわれ、前述と同様にＰＷＭ信号Ｐａ〜Ｐｆが
生成されて電力変換器（３）に印加される。

こうして、位相差演算回路（３０）及び加算器（３１）
〜（３３）を用いて電流位相θｌｕ、θ■Ｖ及びθ■―
を求めることにより、出力電流■の極性に正確に対応す
る極性の電圧補正信号Δ■を電圧指令値Ｖｗ”に加算す
ることができ、直流電圧Ｅｄを高精度に制御することが
できる６ ［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、出力電流の無効電流及
び有効電流に基づいて出力電流と交流電源との位相差を
演算する位相差演算回路と、交流電源の電圧位相に位相
差を加算して交流電源を基準とした出力電流の電流位相
を出力する加算器と、電流位相に基づいて出力電流の極
性を判別するための位相比較器とを設け、電流位相から
判別された出力電流の極性に基づいて電圧指令値に電圧
補正信号を加算するようにしたので、出力電流に含まれ
るリップル成分による極性判別誤差をなくし、出力電圧
に含まれる高調波を低減させると共に、力率及び直流電
圧制御特性を向上させたＰＷＭコンバータ装置が得られ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は出力電流の位相差を説明するためのベクトル図、第３
図は従来のＰＷＭコンバータ装置を示すブロック図、第
４図及び第５図は従来のＰＷＭコンバータ装置の動作を
説明するための波形図である。 （１）・・・交流電源　　　　（３）・・・電力変換器
（３ａ）〜（３ｆ）・・・トランジスタ（スイッチング
素子）（８）・・・位相検出器　　　（９）・・・座標
変換器（１９）〜（２１）・・・ＰＷＭ信号作成回路（
２２＾）・・・位相比較器　　（２３）・・・調節器（
２７）・・・比較器　　　　　（２８）、（２９）・・
・遅延要素（３０）・・・位相差演算回路　（３１）〜
（３３）・・・加算器Ｖｕ”、Ｖｖ”、Ｖｗ”−電圧指
令値 Ｉ　ｕ、　Ｉ　ｖ、　Ｉ　ｖａ−出力電流Ｉｄ・・・無
効電流　　　　　ｒｑ・・・有効電流φ・・・位相差 θＢｕ、θＢｖ、θＢ−・・・電圧位相θｌｕ、θド、
θｌ―・・・電流位相 Δ■・・・電圧補正信号　　Ｖｃ・・・搬送波Ｑ、ｉ：
Ｊ・・・オン信号　　　Ｐａ〜Ｐｆ・・・ＰＷＭ信号信
号図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 泌２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 スイッチング素子を含む電力変換器と、電圧指令値に応
   じて前記スイッチング素子をオン制御するためのＰＷＭ
   信号を出力するＰＷＭ信号作成回路とを有し、交流電源
   からの交流電力を前記電力変換器を介して直流電力に変
   換するＰＷＭコンバータ装置において、 前記交流電源の電圧位相を検出する位相検出器と、 前記電力変換器の出力電流及び前記電圧位相に基づいて
   前記交流電源を基準とした前記出力電流の無効電流及び
   有効電流を演算する座標変換器と、前記無効電流及び有
   効電流に基づいて前記出力電流と前記交流電源との位相
   差を演算する位相差演算回路と、 前記電圧位相に前記位相差を加算して前記交流電源を基
   準とした前記出力電流の電流位相を出力する加算器とを
   備え、 前記ＰＷＭ信号作成回路は、 前記電流位相に基づいて前記出力電流の極性を判別する
   位相比較器と、 前記出力電流の極性に応じて前記電圧指令値を補正する
   ための電圧補正信号を出力する調節器と、補正された前
   記電圧指令値を搬送波と比較してオン信号を出力する比
   較器と、 前記オン信号の立ち上がりタイミングを前記電圧補正信
   号に比例した時間だけ遅延させて、前記ＰＷＭ信号とし
   て出力する遅延要素と、 を含むことを特徴とするＰＷＭコンバータ装置。