JPH11146657A

JPH11146657A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH11146657A
Application number: JP9301840A
Authority: JP
Inventors: Shoichiro Koseki; 庄一郎古関; Hirokazu Suzuki; 宏和鈴木
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】出力交流電圧波形にひずみが小さく、高効率
で経済的な電力変換装置を提供すること。【解決手段】低周波数でスイッチングさせる変換部１
１と、高周波数でスイッチングさせる変換部１２の出力
を変換装置用変圧器６で合成させ、直流電源７と交流電
力系との間で電力の授受を行なわせるようにした電力変
換装置において、変流器９で検出した電流を加算器８
５、８６を介して交流電流制御装置８０に帰還させ、波
形のひずみを無くすようにしたもの。【効果】低周波数で動作する変換器部１１で大部分の
電力変換を行い、高調波分だけを高周波数のＰＷＭでア
クティブフィルタとして動作する変換部１２により電力
変換させたので、小形安価で出力電圧ひずみの少ない電
力変換装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流電力を交流電力に
変換する電力変換装置に係り、特に、大容量で、且つ出
力交流電圧にひずみの少ないことが要求される用途に好
適な電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自己消弧型半導体スイッチング素
子を用いた電圧形自励式半導体インバータ装置が広く用
いられているが、このインバータ装置、すなわち、直流
電力を交流電力に変換する電力変換装置は、直流電圧の
スイッチング操作により交流電圧に変換するものである
ため、出力電圧にひずみが発生してしまう。そこで、こ
のひずみを軽減するため、ＰＷＭ(パルス幅変調)制御用
パルスの単位時間当りの個数を多くする方法、すなわ
ち、スイッチング周波数を高くする方法や、スイッチン
グ変換部の多重化による方法が従来から用いられてい
る。

【０００３】しかしながら、スイッチング周波数を高く
する方法では、高周波でも動作が可能な半導体スイッチ
ング素子を使用しなければならないので不経済になり、
損失も多くなってしまう。一方、多重化により、各変換
部でのスイッチング素子のスイッチング周波数を上げな
いでも対応できるようにする方法では、多重数をかなり
多くしなければならないので構成が複雑になり、また制
御応答特性が低下する虞れがある。

【０００４】そこで、これらの欠点を除くため、例え
ば、平成４年電気学会産業応用部門全国大会Ｎｏ．４
「磁気浮上式鉄道用多重インバータの中速域パルス制御
方式」に見られるように、パルス数の少ない、すなわ
ち、スイッチング周波数の低い変換部と、パルス数が多
い、すなわち、スイッチング周波数が高い変換部とを組
み合わせる方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、構成
の簡略化による経済性保持と、良好なひずみ特性保持の
両立について配慮がされているとは言えず、高性能で低
コストの電力変換装置の提供が困難であるという問題が
あった。

【０００６】すなわち、従来技術は、同じ変換器を組み
合わせて運転条件により方式を切り換えているものであ
り、必ずしも経済的ではなく、また指令値に従って動作
しているだけであり、励磁電流の影響などによる波形ひ
ずみ発生の問題があるのである。

【０００７】本発明の目的は、出力交流電圧波形にひず
みが小さく、高効率で経済的な電力変換装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、スイッチン
グ周波数が低い低周波変換部と、スイッチング周波数が
高い高周波変換部の２系統の変換部を用いて直流電力を
交流電力に変換し、変換された交流電力に基づいて上記
２系統の変換部を帰還制御することにより達成される。

【０００９】このとき、本発明では、低周波変換部のス
イッチング周波数を交流電力の基本波周波数に等しい周
波数にしたり、高周波変換部の合成容量を低周波変換部
１台当たりの容量の１〜２倍としたり、高周波変換部の
合成容量を低周波変換部の合成容量にほぼ等しくしたり
することができる。

【００１０】高周波変換部は、低周波変換部で発生する
高調波を打ち消すように働くので、ひずみをもたらすこ
となく、変換部でのスイッチング周波数の大部分を低周
波数にすることができ、帰還制御は、残留してしまうひ
ずみを打ち消すように働くので、各種要因に起因する交
流の制御対象のひずみを抑制することができる。

【００１１】低周波変換部のスイッチング周波数を交流
電力の基本波周波数に等しくした場合には、低周波変換
部の動作期間が長くなるので、その容量性能を最大限に
利用することができる。

【００１２】高周波変換部の合成容量を低周波変換部１
台当たりの容量の１〜２倍にした場合には、低周波変換
部のスイッチング動作時の電圧変化を高周波変換器で吸
収することができる。

【００１３】低周波変換部が複数ある場合には、２台以
上の低周波変換部のスイッチング動作が同時に行われな
いようにすることにより、低周波変換部のスイッチング
時の電圧変化を高周波変換部で吸収することができる。

【００１４】低周波変換部の台数を、例えば４台とした
場合には、高周波変換部の合成容量は、低周波変換部の
合計容量の半分以下になるので、高周波変換部の占める
電力容量が小さくでき、このため経済的で損失の少ない
電力変換装置を得ることができる。

【００１５】高周波変換器部の合成容量と低周波変換部
の合成容量をほぼ等しくした場合には、低周波変換部の
合成出力電圧を、高周波変換部の合成出力電圧で打ち消
すことにより、交流出力電圧を瞬時に零にすることがで
きるので、事故時での過電流などの抑制を効果的に得る
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による電力変換装置
について、図示の実施形態により詳細に説明する。図１
は、本発明の一実施形態で、図において、この実施形態
による電力変換装置は、低周波変換部１１と高周波変換
部１２の２系統の変換部を備え、これら低周波変換部１
１の交流側Ａと高周波変換部１２の交流側Ｂを、変換装
置用変圧器６の２組の直流側巻線に結合させ、変換装置
用変圧器６の交流側巻線により交流電力系または負荷
(図示してない)に結合させる。

【００１７】そして、これら低周波変換部１１と高周波
変換部１２とを制御装置８からのスイッチング信号によ
り制御し、直流電源７と交流電力系の間で直流と交流の
電力変換を行なうように構成してある。

【００１８】なお、ここで、直流側巻線とは、変換装置
用変圧器６の変換部に接続されている方の巻線のこと
で、交流側巻線とは、同じく交流電力系に接続されてい
る方の巻線のことである。

【００１９】低周波変換部１１及び高周波変換部１２は
単相ブリッジ接続された半導体素子で構成されている
が、ここでまず、低周波変換部１１は、上アームとなる
ＧＴＯ(ゲートターンオフサイリスタ)３１とフリーホィ
ーリングダイオード５１、それに下アームとなるＧＴＯ
３２とフリーホィーリングダイオード５２で構成された
２組のアーム対２１、２２で構成されている。

【００２０】次に、高周波変換部１２は、上アームとな
るＩＧＢＴ(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)４１
とフリーホィーリングダイオード５３、それに下アーム
となるＩＧＢＴ４２とフリーホィーリングダイオード５
４で構成された２組のアーム対で構成されている。

【００２１】ここで、当業者に良く知られているよう
に、ＧＴＯは大容量の素子があるが、現状ではスイッチ
ング周波数が低い。一方、ＩＧＢＴは高速スイッチング
が可能であるが、現状では、ＧＴＯに比して容量の小さ
い素子しか得られない。そこで、この図１の実施形態で
は、低周波変換部１１のアーム対はＧＴＯで構成したも
のを用い、高周波変換部１２のアーム対はＩＧＢＴで構
成したものを用いているのである。

【００２２】なお、本発明において、これらの半導体ス
イッチング素子としては必ずしもＧＴＯとＩＧＢＴに限
る必要はなく、全てのアームをＧＴＯで構成したり、Ｓ
Ｉサイリスタのような別の半導体スイッチング素子を使
用してもよい。

【００２３】次に、これら低周波変換部１１と高周波変
換部１２による電力変換動作について説明する。いま、
要求されている交流側の電圧波形が、図２(a)に示す正
弦波状の所要交流電圧であったとすると、このとき、ま
ず低周波変換部１１を、この電圧波形と同じ周波数でス
イッチングさせると、図１の交流側Ａ点の電圧は、図２
(b)に示すような矩形波状になる。

【００２４】そこで、図２(c)に示すように、図２(a)に
示す所要交流電圧と図２(b)に示すＡ点の電圧の差をと
ると、図２(d)に示す減算波形が得られる。ところで、
図１に示すように、変換装置用変圧器６では、２組の直
流側巻線により、Ａ点の電圧とＢ点の電圧が加算される
ように構成されている。したがって、交流側Ｂ点の電圧
が、この図２(d)に示す波形になるように、高周波変換
部１２を制御してやれば、図２(a)に示す波形と、図２
(d)に示す波形が変換装置用変圧器６で加算され、図２
(a)に示す正弦波形の所要交流電圧が交流側巻線から得
られることになる。

【００２５】そして、このためには、図２(d)に示す波
形の電圧を変調信号として使用し、高周波変換部１２の
アーム対を高周波数のスイッチング信号でＰＷＭ制御し
てやればよい。

【００２６】この制御は、図１の制御装置８により実行
される。まず、電流制御装置８０は、加算器８５を介し
て入力される電流設定値に基づいて、図２(a)に示した
所要交流電圧ａを生成し、パルス制御装置８１のコンパ
レータ８２と、加算器８４に供給する。そこで、まずコ
ンパレータ８２は、この所要交流電圧ａの正負を判定
し、所要交流電圧ａが正を示す期間と負を示す期間をそ
れぞれパルス幅とする図２(b)に示す矩形波ｂを生成す
る。

【００２７】次に、加算器８４は、電流制御装置８０か
ら供給される所要交流電圧ａと、コンパレータ８２から
供給される矩形波ｂを入力し、所要交流電圧ａから矩形
波ｂを減算する処理を行ない、減算波形ｄを出力する。
ＰＷＭパルス発生装置８３は、加算器８４から減算波形
ｄを入力し、これを変調信号として所定の周波数の搬送
波信号をＰＷＭ変調し、ＰＷＭ変調パルス信号ｐを生成
する。

【００２８】低周波変換部１１のアーム対２１、２２に
は、コンパレータ８２で生成された矩形波ｂが供給さ
れ、この矩形波ｂの極性に応じて、各アーム対の上アー
ムと下アームが交互にスイッチングされる。この結果、
低周波変換部１１の交流側Ａには、直流電源７の電圧か
ら決まる電圧値で、図２(b)に示す矩形波形を有する交
流電圧が発生される。

【００２９】また、高周波変換部１２の各アーム対に
は、ＰＷＭパルス発生装置８３で生成されたＰＷＭ変調
パルス信号ｐが供給され、このパルス信号ｐにより各ア
ーム対の上アームと下アームが交互にスイッチングされ
る。この結果、高周波変換部１２の交流側Ｂには、所定
の電圧値で、図２(d)に示す減算波形ｄと同じ波形の交
流電圧が発生される。したがって、この実施形態によれ
ば、変換装置用変圧器６から、所要交流電圧に対応した
正弦波形の電圧が容易に得られることになる。

【００３０】なお、この実施形態では、低周波変換部１
１の制御に使用する矩形波ｂの生成にコンパレータ８２
を用いているが、これに代えて、信号波の位相を検出し
てパルスを発生させる方式の、より精度の良いパルス発
生方式を用いるようにしてもよい。

【００３１】ここで、パルス制御装置８１に入力される
所要交流電圧ａは、電流制御装置８０から供給される
が、この電流制御装置８０は、加算器８５を介して、外
部にある、さらに上位の制御装置から与えられる電流ま
たは電圧設定値cs により所要交流電圧ａを生成するも
ので、このとき、この電流または電圧設定値cs に対応
した交流電流または電圧を、変換装置用変圧器４から得
るのに必要な値の所要交流電圧ａを発生する。

【００３２】しかしながら、このままでは、フィードフ
ォワード制御となってしまうため、各種要因によって交
流出力にひずみを生じる。そこで、本発明は、制御対象
である交流電流又は交流電圧を検出し、帰還制御が行な
われるように構成した点を特徴とするものであるが、こ
こでは、交流電流により帰還制御する場合の実施形態に
ついて説明する。

【００３３】図１において、９は変流器で、これにより
変換装置用変圧器６の交流側巻線に流れる電流を検出
し、この電流検出値ct を加算器８５に供給し、電流設
定値csと突合せて偏差εを取り、この偏差εを電流制御
装置８０に入力して所要交流電圧ａを生成するように構
成してある。

【００３４】変換装置用変圧器６の交流側巻線から交流
電力系に流れる電流にひずみがあると、電流検出値ct
が電流設定値cs に一致しなくなって、加算器８５の出
力に偏差εが現われ、この偏差εに応じて電流制御装置
８０により所要交流電圧ａの波形が補正されるので、結
果として、この偏差εをゼロにする方向の帰還制御が働
くことになり、したがって、変換装置用変圧器６に流れ
る交流電流はひずみが充分に抑えられた良好な波形にな
る。

【００３５】なお、この交流電流の制御は、上記実施形
態のように、帰還制御だけによるのではなく、他の制御
方式も付加することにより、より良い制御特性を得られ
るようにしてもよい。また、この実施形態では、単相の
電力変換装置として実施しているが、三相の電力変換装
置として実施する場合には、２軸変換して制御するなど
の方法を用いればよい。交流電圧を制御する場合も同様
にして可能である。

【００３６】ここで、低周波変換部１１のスイッチング
周波数は必ずしも交流電圧の周波数と同じにする必要は
ないが、同じ周波数にすることにより変換器の利用率を
最大にすることができ、同時にスイッチング損失も最低
にできるという利点がある。

【００３７】ところで、上記実施形態では、図２(d)の
波形におけるＣ時点又はＤ時点で、低周波変換部１１の
電圧を打ち消すだけの逆の電圧を、高周波変換部１２か
ら出力させる必要があるが、しかし、上記実施形態のよ
うに、ＰＷＭ制御による場合には変調度の制約があり、
変換装置用変圧器６の２組の直流側巻線として、同じ巻
数の巻線とした場合には、これだけ急峻な電圧を高周波
変換部１２から出力させることは、事実上、まず不可能
に近いが、実用上は、それ程問題はない。

【００３８】必要なら、変換装置用変圧器６の直流側巻
線の巻数を異ならしめた上で、低周波変換部１１と高周
波変換部１２の電流・電圧仕様を調整し、低周波変換部
１１による交流電圧変化幅以上の電圧が、高周波変換部
１２から出力されるようにしてやれば、この問題も解決
でき、充分な打ち消しを得ることができる。

【００３９】必要によっては、直流電源７を２系統に
し、低周波変換部１１の直流電源の電圧よりも高い直流
電圧で高周波変換部１２を動作させるようにしてもよ
い。ただし、この場合には、各変換部の電力容量の調整
が必要になる。したがって、高周波変換部１２の合成容
量は、低周波変換部１１の１台当りの容量の１〜２倍に
するのが適切である。

【００４０】なお、ここで合成容量としたのは、変換部
の構成上、複数の変換器の動作位相をずらした場合など
では、必ずしも合計容量が運転時の容量とならないこと
があるからであり、詳しくは、後述する他の実施形態に
おいて説明する。

【００４１】一方、低周波変換部１１の電力容量と高周
波変換部１２の電力容量をほぼ同じにした場合には、高
周波変換部１２の出力電圧で、低周波変換部１１の出力
電圧を打ち消して、出力交流電圧を零にすることができ
る。このため、交流交流回路の事故時などに過電流を抑
制できる効果がある。なお、このためには、低周波変換
部の合成容量と高周波変換部の合成容量とをほぼ等しく
する必要があるのは、上述したとおりである。

【００４２】図５は、図１の実施形態におけるパルス制
御装置８１を変形した、本発明の一実施形態である。図
１の実施形態では、減算波形ｄを所要交流電圧ａからコ
ンパレータ８２から供給される矩形波ｂを差し引いてい
た。図５の実施形態では低周波変換部の電圧を検出する
計器用変圧器１０を追加し、減算波形ｄを所要交流電圧
ａから計器用変圧器１０で検出された実際の低周波変換
部の電圧ｖを差し引いて求めるようにしている。

【００４３】このため、よりよい制御ができることが明
らかである。これをそのままＰＷＭパルス発生装置８３
に入力してもよいが、本実施形態では、さらによい波形
とするため、新たに交流電圧制御装置８６を追加し、こ
れを経由してＰＷＭパルス発生装置８３に入力するよう
にしている。交流電圧制御装置８３では減算電圧ｄを０
にするように高速な第２の帰還制御が行われ、いっそう
良好な出力を得ることができる。

【００４４】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。ここで説明する実施形態は、図１の構成におい
て、低周波変換部１１の２組のアーム対２１、２２のス
イッチング位相を、図３(b-1)、(b-2)に示すように、前
後にφ、１８０度−φずらしたものである。なお、この
ためには、図１においてコンパレータ８２の出力に位相
制御回路を設け、アーム対２１とアーム対２２に供給さ
れる矩形波ｂの位相をそれぞれ制御してやればよい。

【００４５】この結果、低周波変換部１１の交流側Ａに
発生する出力電圧は、図３(b-3)に示すようになり、そ
の基本波電圧は、φ＝０である図２の場合に比してｃｏ
ｓφ倍に低下し、その電力容量もｃｏｓφ倍に低下す
る。一方、このときの図３(a)に示す所要交流電圧と、
図３(b-3)に示すＡ点の電圧の差である減算波形は、図
３(d)に示すようになり、図２(d)と比較して、振幅の変
化がかなり低減される。

【００４６】したがって、この実施形態によれば、変換
装置用変圧器６の直流側巻線の巻数を変えることなく、
高周波変換部１２から容易に、図３(d)に示す減算波形
を出力させることができ、この結果、波形ひずみを充分
に抑えることができる。

【００４７】また、この実施形態では、図２(b)の波形
図と図３(b-3)の波形図の比較から明らかなように、低
周波変換部１１での高調波の発生も少なくできるので、
出力交流波形を、更に容易に正弦波にすることができ
る。

【００４８】次に、更に別の本発明の実施形態を図４に
示す。この図４の実施形態は、本発明を三相交流の電力
変換装置として具現したもので、低周波数で動作させる
三相の変換部１４、１５、１６、１７が４多重構成さ
れ、高周波数で動作させる三相の変換部１８、１９が２
多重構成され、全体で６多重で構成されている。

【００４９】そして、これに応じて、変換装置用変圧器
６１の低周波数側の巻線に位相巻線を付加し、各変換部
の運転位相を１５度ずつずらした、いわゆる２４相構成
としたものである。

【００５０】この実施形態でも、基本的な制御方式は図
３と同じである。ただし、変換装置用変圧器６１が位相
巻線を備えているので、４台の低周波変換部１４〜１６
による交流電圧が、変換装置用変圧器６１の位相巻線を
考慮して合成されるように、これら低周波変換部１４〜
１６をそれぞれ制御する必要がある。なお、このとき、
２軸変換により制御する方式を適用してもよい。

【００５１】次に、この実施形態において、低周波数側
の変換装置用変圧器の巻線に位相巻線を設けず、デルタ
巻線と星形巻線の組み合わせだけで１２相２組の巻線構
成にし、変換部の運転位相だけを約１５度ずつずらすこ
とにより、近似２４相運転が得られるようにしてもよ
い。

【００５２】この場合には、複雑な位相巻線が不要にな
るので、変換装置用変圧器の構成が簡略化され、高信頼
性化をローコストで図ることができる。さらに、巻線は
全て同一にし、低周波変換部の制御だけで所定の電圧に
近似の電圧を発生させるように構成してもよい。なお、
高周波数側の変換部は、必ずしも多重化する必要はな
い。

【００５３】ここで、多重化した場合の特徴を挙げると
以下のとおりである。 (1) 等価スイッチング周波数が、２多重であれば２倍に
できるので、より良い制御が可能になる。 (2) 低周波数の変換部の１台当たりの容量が小さくでき
る。また直流電圧は同じであるが、電流容量が小さくできる
ので、小容量ではあるが高周波で動作可能な半導体スイ
ッチング素子を使用できる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、出力交流電圧波形にひ
ずみが小さく、高効率で経済的な電力変換装置が得られ
るので、交流電力系統の電圧波形や電流波形に影響を与
える虞れがなく、容易に交流電力の授受を行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電力変換装置の一実施形態を示す
ブロック回路図である。

【図２】本発明の一実施形態の動作を説明するための波
形図である。

【図３】本発明の他の一実施形態の動作を説明するため
の波形図である。

【図４】本発明の更に別の一実施形態を示すブロック回
路図である。

【図５】本発明の更に別の一実施形態で、図１の実施形
態の変形例を示すブロック回路図である。

【符号の説明】

６変換装置用変圧器７直流電源８制御装置９変流器１１低周波変換部１２高周波変換部１３〜１６低周波数で動作させる三相の変換部１７、１８高周波数で動作させる三相の変換部２１、２２アーム対３１、３２ＧＴＯ(ゲートターンオフサイリスタ) ４１、４２ＩＧＢＴ(絶縁ゲート形バイポーラトラン
ジスタ) ５１、５２、５３、５４フリーホィーリングダイオー
ド６１変換装置用変圧器８０交流電流制御装置８１パルス制御装置８２コンパレータ８３ＰＷＭ(パルス幅変調)パルス発生装置８４、８５加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチング周波数を異にする少なくと
も２系統の変換部を備え、低周波で動作する変換部で発
生する高調波を、高周波で動作する変換部の出力により
抑制するようにようにした電圧形多重電力変換装置にお
いて、変換装置用変圧器の交流側巻線の電流又は電圧の一方を
検出し、該電流又は電流の検出結果に基づいて、上記少
なくとも２系統の変換部を帰還制御したことを特徴とす
る電力変換装置。
【請求項２】請求項１の発明において、前記低周波で動作する変換部のスイッチング周波数が、
出力交流電圧の周波数と等しい周波数であることを特徴
とする電力変換装置。
【請求項３】請求項１の発明において、前記高周波で動作する変換部の合成容量が、前記低周波
で動作する変換部１台当たりの容量の１〜２倍に設定さ
れていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】請求項１の発明において、前記高周波で動作する変換部の合成容量が、前記低周波
で動作する変換部の合成容量とほぼ等しく設定されてい
ることを特徴とする電力変換装置。