JP2000134956A - 交直電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過渡時の動的な制御性能はＰＷＭ制御により
必要な応答特性を確保すると共に、定常時は所望のパル
スパターンで動作させることができる交直電力変換装置
を得ることを目的とする。 【解決手段】 電気量指令値ｄｒ、ｑｒと電気量検出値
ｄｆ、ｑｆとを入力として動作し制御信号を出力する制
御手段７１ａ、７１ｂ、制御手段７１ａ、７１ｂからの
制御信号に基づきＰＷＭ制御により交直電力変換手段３
のスイッチング素子をオンオフ制御するパルスパターン
信号を生成するパルス生成手段８、所望パルスパターン
に対応する直流電圧指令値Ｖｄｃｒを生成する直流電圧
指令生成手段１０、および直流電圧指令値Ｖｄｃｒと直
流電圧検出値Ｖｄｃｆとを入力として動作し制御信号ｘ
を制御手段７１ａ、７１ｂへ送出する直流電圧制御手段
７１ｃを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交直電力変換装
置に係り、特にその運転特性の改善技術に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図８に従来の交直電力変換装置の構成図
（単線接続図）を示す。図において、１は交流系統、２
は直流系統、３は交直電力変換器ユニット３１ａ、３１
ｂを備える交直電力変換手段、４は一次巻線４１と二次
巻線４２ａ、４２ｂを持つ変圧器、５は交流側の電圧検
出手段５１、電流検出手段５２、直流側の電圧検出手段
５３、電流検出手段５４等を持つ電気量検出手段、６は
制御上の基準や値を制御に適した量に変換する電気量の
前処理手段、７は指令Ｃｏと検出手段の出力とを入力し
て所望値を帰還制御すると共にパルスパターン生成手段
８へ出力する制御手段、８は交直電力変換手段３の固体
スイッチング素子をＯＮ−ＯＦＦさせるパルスパターン
生成手段（以下、パルス生成手段と呼ぶ）である。

【０００３】次に動作について説明する。図８におい
て、電気量検出手段５により検出された電気量を前処理
手段６により調整した後、その出力を制御手段７へ入力
し、制御手段７は指令Ｃｏも入力して交流電圧・電流や
直流電圧・電流を制御するいくつかのレギュレータを備
え、この出力に基づきパルス生成手段８がパルスを生成
して交直電力変換手段３を制御する。この際、パルス生
成手段８は固体スイッチング素子の通電時間や通電タイ
ミング（位相）を変え、いわゆるパルス幅変調（ＰＷ
Ｍ）により、交流出力電圧と直流電圧との比を変える結
果、交流出力電圧・電流を制御する事ができるものであ
る。この従来の装置においては、直流電圧は最大の交流
出力電圧に備えて、一定の直流電圧となるようレギュレ
ータを働かせ、直流電圧一定制御を行っていた。また、
図示しないが、可変周波数可変電圧インバータにおい
て、固定ＰＷＭパターン条件下で直流電圧や直流電流を
変える、いわゆる固定ＰＷＭ式振幅変調制御（ＰＡＭ）
をする例もあった。また、低速度領域においては固定直
流電圧の下でＰＷＭ（可変パルスパターン）制御し、高
速度領域においては固定パルスパターンを保ちながら直
流電圧を変化させる振幅変調で電圧と周波数とを比例制
御する例もあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の固定直流電圧式
可変パルスパターン（ＰＷＭ）制御においては、パルス
パターンの変化に伴って高調波成分が変化し、特に低次
の高調波が変化すると最終的に交流系統１へ漏出する高
調波が問題になる課題があった。逆に、高調波を減らす
ためには、交直電力変換器ユニット数を増やしたり、変
圧器の二次巻線数を増やす必要があり、変換器回路が複
雑になる課題があった。一方、従来の可変直流電圧式固
定パルスパターン制御においては、制御の特性が不十分
になる課題があった。例えば、別途直流電圧可変の電源
を備えない場合、自力で直流電圧を制御するには交流電
圧の発生位相を制御する方法しかなく、このため、制御
性能、特に動特性が低下する問題が生じたり、直流平滑
キャパシタの容量が大きい場合に電圧制御応答速度が遅
くなる問題が生じていた。

【０００５】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので、過渡時の動的な制御性能はＰＷ
Ｍ制御により必要な応答特性を確保すると共に、定常時
は所望のパルスパターンで動作させることができる交直
電力変換装置を得ることを目的とする。ここで、所望の
パルスパターンは、例えば、同一の変換器回路条件にお
いて定常運転時の高調波を軽減すること、また、同一の
高調波発生条件において変換器回路の構成を簡素化でき
ること、更には、同一直流電圧の下で出力できる交流出
力電圧を高めること、従って、スイッチング素子の利用
率を高めてその定格仕様の軽減を図ること等を目標に設
定するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る交直電力
変換装置は、パルスパターン信号に基づきオンオフ制御
されるスイッチング素子を備え交流側と直流側との間で
電力を変換する交直電力変換手段、上記直流電圧および
上記交直電力変換手段に係る電気量を検出する検出手
段、電気量指令値と電気量検出値とを入力として動作し
制御信号を出力する電気量制御手段、およびこの電気量
制御手段からの制御信号に基づきＰＷＭ制御による上記
パルスパターン信号を生成するパルスパターン生成手段
を備えた交直電力変換装置において、上記パルスパター
ン信号が所望パルスパターンになるような直流電圧指令
値を生成する直流電圧指令生成手段を備え、上記直流電
圧が上記直流電圧指令値となるよう上記直流電圧を制御
するようにしたものである。

【０００７】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その直流電圧指令値と直流電圧検出値とを入力とし
て動作し制御信号を出力する直流電圧制御手段を備え、
この直流電圧制御手段からの制御信号を電気量制御手段
の入力信号に加えるようにしたものである。

【０００８】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その直流電圧指令値と直流電圧検出値とを入力とし
て動作し制御信号を出力する直流電圧制御手段を備え、
この直流電圧制御手段からの制御信号に基づきパルスパ
ターン信号の位相を制御するようにしたものである。

【０００９】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量として交直電力変換手段の交流電圧およ
び交流電流を扱うものとし、直流電圧指令生成手段は、
下式の演算により直流電圧指令値を生成するようにした
ものである。 Ｖｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖｓ＋Ｚ・Ｉ｜ 但し、Ｖｄｃｒ：直流電圧指令値 ｋ：回路と所望パルスパターンとで決まる比例係数 Ｖｓ：交流電圧検出値（ベクトル） Ｚ：回路のインピーダンス Ｉ：交流電流検出値または指令値（ベクトル）

【００１０】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量として交直電力変換手段の交流電圧を扱
うものとし、直流電圧指令生成手段は、下式の演算によ
り直流電圧指令値を生成するようにしたものである。 Ｖｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖａｃｒ｜ 但し、Ｖｄｃｒ：直流電圧指令値 ｋ：回路と所望パルスパターンとで決まる比例係数 ｜Ｖａｃｒ｜：電気量制御手段から出力される制御信号
である交流電圧制御指令値（ベクトルの絶対値）

【００１１】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量制御手段からの制御信号またはパルスパ
ターン生成手段からのパルスパターン信号に基づきパル
ス幅変調に係る変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを生成する
手段を備え、直流電圧指令生成手段は、上記変調度合Ｍ
または時間比率Ｒが所望パルスパターンに対応する値か
らずれた場合このずれ量が減少する方向に直流電圧指令
値が変化するよう予め設定された、変調度合Ｍまたは時
間比率Ｒと直流電圧指令値との関係特性を備え、この関
係特性に基づき、上記生成された変調度合Ｍまたは時間
比率Ｒに対応する直流電圧指令値を出力するようにした
ものである。

【００１２】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量制御手段からの制御信号またはパルスパ
ターン生成手段からのパルスパターン信号に基づきパル
ス幅変調に係る変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを生成する
手段を備え、直流電圧指令生成手段は、上記生成された
変調度合Ｍまたは時間比率Ｒと所望パルスパターンに対
応する変調度合Ｍまたは時間比率Ｒとの偏差が減少する
よう直流電圧指令値信号を出力する直流電圧指令値制御
手段を備えたものである。

【００１３】また、この発明に係る交直電力変換装置の
直流電圧指令生成手段は、その生成出力を所定の範囲内
に制限するリミッタ機能を備えたものである。

【００１４】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その交流線路が三相の場合、所望パルスパターン
は、交流電圧１サイクル１回のパルスで、そのパルス幅
を（１８０−３０−６０ｎ）度（但し、ｎ：０、１、
２）とするパルスパターンとしたものである。

【００１５】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、一次巻線が三相の交流線路に接続され互いに３０度
の位相差を設けた２つの二次巻線を有する変圧器を備
え、この変圧器の各二次巻線に交直電力変換手段を接続
する場合、所望パルスパターンは、交流電圧１サイクル
１回のパルスで、そのパルス幅を（１８０−１５−３０
ｎ）度（但し、ｎ：０、１、２、３、４、５）とするパ
ルスパターンとしたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１における交直電力変換装置を示す構成図で
ある。図において、１は交流系統、２は直流系統、３は
後述するパルスパターン信号に基づきオンオフ制御され
るスイッチング素子を備え、交流系統１と直流系統２と
の間で電力を変換する交直電力変換器ユニット３１ａ、
３１ｂからなる交直電力変換手段、４は交流系統１に接
続された一次巻線４１、および交直電力変換器ユニット
３１ａ、３１ｂの交流側端子に接続された二次巻線４２
ａ、４２ａを備えた変圧器、５は直流電圧および交直電
力変換手段３に係る電気量を検出する電気量検出手段
で、電圧検出手段５１、電流検出手段５２、直流電圧検
出手段５３、更に、交直電力変換器ユニット３１ａ、３
１ｂの交流入出力電流を制御するための変換器電流検出
手段５５ａ、５５ｂを備えている。

【００１７】６は電気量検出手段５の出力を受けて制御
しやすい変数に変換する前処理手段で、このため、検出
された電気量を同期回転座標上の変数に変換する座標変
換手段や数値を規格化する手段等を備えている。７は電
気量指令値Ｃｏと電気量検出値（帰還値）とを入力とし
て動作し帰還制御による制御信号を出力する電気量制御
手段で、その詳細は後述する。ここで、電気量として
は、交流電圧Ｖｓ、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、交流電流
Ｉ、有効電流Ｉｐ、無効電流Ｉｑ等を扱うことになる。

【００１８】８は電気量制御手段７からの制御信号に基
づきＰＷＭ制御により、交直電力変換手段３のスイッチ
ング素子をオンオフ制御するためのパルスパターン信号
を生成するパルス生成手段、１０は各電気量（検出値ま
たは指令値）から、パルスパターン信号が所望パルスパ
ターンになるような直流電圧指令値Ｖｄｃｒを生成する
直流電圧指令生成手段で、その詳細は後述する。そし
て、直流電圧指令生成手段１０からの直流電圧指令値Ｖ
ｄｃｒは電気量制御手段７の入力信号に加えられる。

【００１９】図２は交直電力変換器ユニット３１ａ、３
１ｂの内部構成例を示す図である。図２（ａ）は単相ブ
リッジ回路を示し、図２（ｂ）は３レベル変換器の１相
分を示す。図において、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄは固体
スイッチング素子、Ｃ、Ｃａ、Ｃｂは直流平滑キャパシ
タ、Ｄａ、Ｄｂは電位クランプ用ダイオード、Ｐ、Ｎは
正負直流端子、Ｏは直流中間電位端子、Ｕ、Ｖ、ＡＣは
それぞれ交流端子である。（ａ）においては、正極性の
出力電圧と負極性の出力電圧と、出力電圧ゼロ状態をス
イッチのＯＮ−ＯＦＦの組み合わせにより作りうる。
（ｂ）においては、交流出力端子の電位を正端子電位状
態と、負端子電位状態と、中間端子電位状態とをスイッ
チング素子のＯＮ−ＯＦＦ状態により作りうる。

【００２０】次に電気量制御手段７の内部構成の具体例
および直流電圧指令生成手段１０からの直流電圧指令値
Ｖｄｃｒをもその入力信号とする電気量制御手段７の制
御動作を図３により説明する。ここでは、ｄ軸、ｑ軸の
２軸成分による制御を行っている。図３において、７１
ａはｄ軸成分の電気量指令値ｄｒと電気量検出値（帰還
値）ｄｆとを入力信号として動作する制御手段で、扱う
電気量としては、例えばｄ軸電流Ｉｄ、有効電力Ｐ、有
効電流Ｉｐ、ｄ軸電力Ｐｄ等が考えられる。７１ｂはｑ
軸成分の電気量指令値ｑｒと電気量検出値ｑｆとを入力
信号として動作する制御手段で、扱う電気量としては、
例えば、ｑ軸電流Ｉｑ、無効電力Ｑ、無効電流Ｉｑ、ｑ
軸電力Ｐｑ等が考えられる。

【００２１】７１ｃは直流電圧指令生成手段１０からの
直流電圧指令値Ｖｄｃｒと電圧検出手段５３からの直流
電圧検出値Ｖｄｃｆとを入力信号として動作する直流電
圧制御手段で、その出力である制御信号ｘは制御手段７
１ａおよび７１ｂの入力信号に加えられる。７４ａ、７
４ｂはそれぞれ制御手段７１ａ、７１ｂの出力側に挿入
された加減算手段、Ｖｓｄ、Ｖｓｑは交流電圧のｄ軸お
よびｑ軸成分、ＸＩｑはｑ軸電流によるリアクタンス電
圧（リアクタンスＸとＩｄとの乗算値）、Ｖｄｒ、Ｖｑ
ｒはパルス生成手段８へ出力する交流電圧指令のｄ軸お
よびｑ軸成分である。

【００２２】次に動作について説明する。図３におい
て、制御手段７１ａはｄ軸電気量（電流、電力など）の
指令ｄｒと検出手段５と前処理手段６から得られる同帰
還量ｄｆとを比較してｄ軸誤差に応答する制御信号を出
力する。これに、ｄ軸リアクタンス電圧ＸＩｑやｄ軸交
流電圧Ｖｓｄなどを加えてパルス生成手段８への交流電
圧指令Ｖｄｒを出力する。制御手段７１ｂはｑ軸電気量
（電流、電力など）の指令ｑｒと検出手段５と前処理手
段６から得られる同帰還量ｑｆとを比較してｑ軸誤差に
応答する制御信号を出力する。これに、ｑ軸リアクタン
ス電圧ＸＩｄやｑ軸交流電圧Ｖｓｑなどを加減してパル
ス生成手段８への交流電圧指令Ｖｑｒを出力する。上記
交流電圧指令Ｖｄｒ、Ｖｑｒに基づき、パルス生成手段
８が交直電力変換器ユニット３１ａ、３１ｂの固体スイ
ッチング素子へ与えるパルスを生成する。この結果、前
記実施の形態で示した主回路が働き、ｄ軸電気量又はｑ
軸電気量が帰還制御される訳である。

【００２３】なお、電気量として交流電流を扱う場合、
この電流制御を安全確実に行う上で、変換器電流検出手
段５５ａ、５５ｂ（図１）の出力Ｉａ、Ｉｂ（変圧器を
考慮した合成により、一次電流Ｉに代わり得る電流を導
ける）を帰還制御に用いる事が望ましく、これにより変
圧器の磁気飽和の悪影響を軽減できる。

【００２４】更に、直流電圧制御手段７１ｃは直流電圧
指令値Ｖｄｃｒと検出手段５および前処理手段６から得
られる同帰還量Ｖｄｃｆとを比較して直流電圧誤差に応
答する制御信号ｘを出力する。この信号ｘは制御手段７
１ａ、または７１ｂに与え、有効電流や有効電力など直
流電流や有効電力に関与する変数（有効電流Ｉｐや有効
電力Ｐや位相に関与する変数、この変数はｄ軸、ｑ軸の
取り方により変わる。例えば、有効電流・有効電力の指
令値又は帰還値、またはｄ軸が交流系統の交流電圧ベク
トルと同軸の場合はｑ軸電圧）を操作（例えば加減）す
る。基準軸と直交する軸の電圧を操作すれば変換器交流
出力電圧の位相が操作される。また、上記の変換器交流
出力電圧の操作は、パルス生成手段８により行うことも
事ができ、点線図示のように直流電圧制御手段７１ｃか
らの制御信号（ｘ）をパルス生成手段８へ与えても良
い。この場合、例えばパルス発生位相を加減したり、パ
ルス生成手段の時間軸基準を加減するなど、パルスパタ
ーン信号の位相を制御するようにしても、有効電流が加
減されるので、直流電圧の制御に使用しうる。

【００２５】以上のごとく、直流電圧が制御できるの
で、この指令値Ｖｄｃｒを可変制御することにより好適
なパルスパターンで定常運転するように出来る。即ち、
電気量指令値（Ｃｏ）と電気量検出値とに差がある過渡
時は、パルス生成手段８のＰＷＭ制御によりパルス幅を
可変として速やかな制御応答が実行されるとともに、定
常状態では、直流電圧が直流電圧指令生成手段１０にて
生成される直流電圧指令値Ｖｄｃｒに落ち着くので、こ
の直流電圧指令値Ｖｄｃｒに対応する所望パルスパター
ンの運転が実現し、例えば、高調波成分を低くする、ま
た、スイッチング素子の利用率を高めることができる所
望パルスパターンでの定常運転が可能となる訳である。

【００２６】次に、直流電圧指令生成手段１０により、
所望パルスパターンに関連させて直流電圧指令値Ｖｄｃ
ｒを生成する具体的構成例について説明する。先ず、こ
こでは、交流電圧ベクトルＶｓ（例えばＶｄ、Ｖｑを成
分とする）と交流電流ベクトルＩ（例えばＩｄ、Ｉｑを
成分とする）より、例えば次式により直流電圧の指令値
を決める。

【００２７】 Ｖｄｃｒ＝ｋ｜Ｖｓ＋Ｚ・Ｉ｜ ＝ｋ｜(Ｖｄ+Ｒ・Ｉｄ+Ｘ・Ｉｑ)+ｊ(Ｖｑ+Ｒ・Ｉｑ-Ｘ・Ｉｄ)｜ ≒ｋ｜Ｖｓ＋ｊＩ・Ｘ｜ ………………………（１） ここに、ｋ：回路と所望のパルスパターンとで決まる比
例係数、 Ｘ：交流回路リアクタンスと回路で決まる比例係数 Ｒ：交流回路の抵抗と回路で決まる比例係数

【００２８】すなわち、交流電圧と変圧器インピーダン
ス電圧とのベクトル和の絶対値に係数ｋを掛ければ、所
望の好適なパルスパターンを維持するのに要する直流電
圧を求める事ができる。このほか、交直電力変換手段３
が発生すべき交流電圧の大きさは系統電圧に最も強く依
存するので、直流電圧指令値Ｖｄｃｒを交流電圧Ｖｓに
比例させても良い。また、変圧器リアクタンス電圧によ
る変換器電圧の増減は無効電流や無効電力に大きく依存
するので、無効電流によるリアクタンス電圧ｋ・Ｘ・Ｉ
ｑを｜Ｖｓ｜や無負荷点直流電圧Ｖｄｃｏに加える事に
よって｛Ｖｄｃｒ≒ｋ（｜Ｖｓ｜＋Ｘ・Ｉｑ）、Ｖｄｃ
ｒ≒（Ｖｄｃｏ＋ｋ・Ｘ・Ｉｑ）｝簡単に近似しても良
い。このほか、種々の近似法を採用できる。また、電流
値は指令値や検出値を使うことができる。検出値を使う
場合や指令値が短時間中に速く変動する場合、フィルタ
や時間遅れ要素を通してＰＷＭ制御の結果に敏速に反応
させない様にする。また、直流電圧制御系の応答速度や
ゲインを下げても良い。

【００２９】さらに、交流電流によるリアクタンス電圧
を考慮して前記の如く直流電圧指令値を変えるのに際し
て、ＰＷＭ出力電圧が上限値や下限値にかかる場合、交
流電流が指令値に追従しないケースがあり得る。この問
題を回避するには、交流電流指令値を用いて直流電圧指
令を決めた方が良い。以上により、交流電圧Ｖｓや交流
電流や交流電力により、所望パルスパターンとなるよ
う、必要な交流出力電圧と直流電圧とを比例的に制御で
きる。

【００３０】次に、図２で説明した変換器回路によって
得られるパルスパターンを図４について説明する。即
ち、図２（ａ）（ｂ）のスイッチング素子のＯＮ−ＯＦ
Ｆの組み合わせにより、図４（ａ）（ｂ）に示す如く１
パルスＰＷＭまたは多パルスＰＷＭのパルスパターンで
電圧を出力できる。変圧器を使った場合、これらＰＷＭ
電圧パターンに適宜位相差を付けたり、積和演算で表さ
れる合成電圧が変圧器の開放一次電圧として得られる。

【００３１】（ａ）の１パルスにおいては、固体スイッ
チング素子のスイッチング回数が基本波の１サイクルに
１回で済むので、変換器損失や固体スイッチング素子損
失が軽減される特長がある。また、固体スイッチング素
子損失が低いので、同一の固体スイッチング素子損失の
条件では、より大きい電流を流しうる特長が得られる。
他方、高調波低減の点で見れば、変圧器４がＹ△結線さ
れるなど３０度の位相差を持つ場合、出力パルス幅φを
変えるのに際して、電圧ゼロ期間の角度αを１５度、４
５度、７５度、１０５度、１３５度、１６５度（（１５
＋３０ｎ）度、但し、ｎ＝０、１、２、３、４、５）を
中心に変える事が望ましい。換言すれば、出力パルス幅
φを１６５度、１３５度、１０５度、７５度、４５度、
１５度（（１８０−１５−３０ｎ）度）を中心に可変に
するのがよい。この理由は、上記角度を動作中心に選ぶ
と、（１２（２ｎ−１）±１）次の高調波が大幅に低減
され、かつ、Ｙ△結線で（６（２ｎ−１）±１）次の高
調波が消えているので、ほぼ２４相相当の高調波量にま
で低減できる。しかも、三相３レベル変換器ではＹ△結
線で済むので変圧器及び変圧器への配線が簡潔になる特
長が得られる。変圧器の結線を図示しない２レベル単相
変換器でも高調波が低減され、しかも、変換器ユニット
数や変圧器巻線数が軽減できる。

【００３２】変圧器の組み合わせによる３０度の位相差
が得られない場合には、（６（２ｎ−１）±１）次の高
調波を抑制するパルスパターンを設定する必要がある。
このときの出力パルス幅φは、上記の表現に従えば、１
５０度、９０度、３０度（（１８０−３０−６０ｎ）
度、但し、ｎ＝０、１、２）を中心に可変するのがよ
い。

【００３３】上記、高調波低減に有利なパルス幅を中心
としてＰＷＭ制御するために、前記の直流電圧の可変制
御が極めて有効である。すなわち、出力すべき交流出力
電圧に比例する直流電圧指令を与えたので、過渡的にパ
ルス幅が変わるが、定常状態ではほぼ同一の所望パルス
パターンに戻った状態で運転が続くことになる。換言す
れば、変調度がほぼ同一となるように直流電圧を可変制
御している訳である。

【００３４】図４（ｂ）の多パルスの場合、パルスの幅
φａ、φｂやその発生位相θａ、θｂ、（π−θａ）を
変えるのに際して、あらかじめ計算されたパターンにす
る事により、特定高調波を消去したり少なくする条件を
保ちながら基本波出力を変え得る。消去する特定高調波
として５、７、１１次高調波を選べば、変圧器による位
相差も不要にできる場合もあり得る。すなわち、一巻線
でもすむ。換言すれば、変換器用変圧器無しまたは３レ
ベル変換器１台で済ませ得る場合もあり得る。また、Ｙ
△結線で（６（２ｎ−１）±１）次の高調波を消してお
き、パルスパターンで１１、１３次高調波を消去しなが
ら（３パルスでは２３または２５次を消すか、または２
３、２５次の両方を少々軽減する事も可能）基本波を変
え得る。この場合、さらに高い次数の高調波まで低減で
きる。さらに、前記説明の通り、必要な交流出力電圧に
比例的に直流電圧を可変にする事により、過渡的にパル
ス幅が変わるが、定常状態ではほぼ同一の所望パルスパ
ターンに戻った状態で運転が続くことになる。換言すれ
ば、変調度がほぼ同一となるように直流電圧を可変制御
している訳である。従って、変調度（ＡＣ電圧／ＤＣ電
圧比率）の高い状態や高調波にとって好適な状態で定常
運転できる。

【００３５】上記実施の形態により、固体スイッチング
素子の通電時間幅を可変にして上記交流端子の交流出力
を制御すると共に、同時間帯にリアルタイムに直流電圧
が所望パルスパターンに対応する直流電圧指令値になる
よう直流電圧を可変制御する手段を備えたので、定常状
態では交直電力変換手段の交流出力電圧と直流電圧とが
比例的に変化する。このため、パルスパターンを有利な
変調度（または出力電圧比率）の状態（所望パルスパタ
ーン）で定常運転できる効果が得られる。交流電圧に交
流電流によるインピーダンス電圧を加えた電圧に基づき
直流電圧指令を生成する事により、上記ＡＣ電圧とＤＣ
電圧との関係を一層好適にできる。

【００３６】実施の形態２．この発明による他の一実施
形態による構成図を図５に示す。図において、制御手段
７の内部の電流制御手段の出力など変換器の交流出力電
圧指令と見なせる出力Ｖａｃｒが存在する。例えば、図
３のＶｄｒ、Ｖｑｒがこれに当たり、これら電圧ベクト
ルがあるのでＶａｃｒ＝Ｖｄｒ＋ｊＶｑｒとして交流電
圧ベクトルが表される。従って、（１）式の（Ｖｓ＋Ｚ
・Ｉ）に代えて、上記交流電圧ベクトルＶａｃｒ＝Ｖｄ
ｒ＋ｊＶｑｒを代入すれば良い。すなわち、直流電圧指
令生成手段１０は電気量制御手段７から交流出力電圧指
令Ｖａｃｒを得ることが出来るので、この絶対値を演算
して比例係数ｋを掛ければ、直流電圧指令値Ｖｄｃｒを
出力できる。

【００３７】図５（ａ）は、電気量制御手段７内で得ら
れる交流出力電圧指令値Ｖｄｒ、Ｖｑｒから直流電圧指
令値Ｖｄｃｒを求める場合の要部を示す構成図である。
図に示すように、交流出力電圧指令値Ｖｄｒ、Ｖｑｒを
直接、直流電圧指令生成手段１０へ送出して、直流電圧
指令生成手段１０内でＶｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖａｃｒ｜の演
算をしてもよいが、電気量制御手段７内に絶対値演算手
段７２を設け、絶対値｜Ｖａｃｒ｜の出力を直流電圧指
令生成手段１０へ送出するようにしてもよい。絶対値演
算手段７２では、ベクトル要素Ｖｄｒ、Ｖｑｒの二乗の
和の平方根を演算する。但し、制御座標が固定子座標
で、交流信号の場合は、整流後の平均値を取るようにし
てもよい。

【００３８】この場合の電圧関係を図５（ｂ）に示す。
同図において、Ｖｄｃｏは動作中心とする直流電圧、Δ
Ｖｄｃｒはこれを中心に変化させる場合の直流電圧変化
分を表す。また、必要に応じて上限値ＵＬ、下限値ＬＬ
を付けるリミッタを付加しても良い。直流電圧の極端な
変動による制御系の乱れを未然に防止する効果がある。
また、直流電圧指令値Ｖｄｃｒ、ΔＶｄｃｒの出力また
は演算、或いは交流電圧指令Ｖａｃｒの入力に当たっ
て、電気量制御手段７への干渉による不安定を避けるた
め、時間遅れ要素やフィルタほか安定化伝達関数を介し
て入出力または演算するようにしてもよい。上記のほ
か、他の目的で交流出力電圧絶対値が演算される場合、
その絶対値｜Ｖａｃｒ｜を直流電圧指令生成手段１０へ
入力しても良いことは言うまでもない。

【００３９】その他の作用は前記実施の形態１と同様で
ある。すなわち、動的にはＰＷＭにより基本制御を行
い、定常状態においては直流電圧制御により、パルスパ
ターンが好適な状態へ収束させるという作用は前記実施
例と同じである。

【００４０】前記実施の形態１と同様の効果が得られ
る。また、電気量制御手段７内の変数により直流電圧を
変えるべき指令を演算できる。

【００４１】実施の形態３．この発明による交直電力変
換装置の他の一実施形態を示す構成図を図６（ａ）に示
す。図において、電気量制御手段７内の変数からパルス
パターンとの相関が大きいパルス幅の時間比率Ｒまたは
変調度合Ｍに係る変数がある。ここで、時間比率Ｒと
は、例えば、先の図４（ａ）で示すパルスパターンの場
合、（パルス幅時間／半周期時間）＝φ／πや（零時間
／半周期時間）＝α／π等で表現される概念である。ま
た、変調度合Ｍは例えば、ＰＷＭ制御における、変調度
＝（変調信号振幅値／キャリア信号振幅値）やこれに相
当する概念である。電気量検出手段５から電気量の情報
が入力されているので、例えば、比率演算手段７３によ
り、前記交流出力電圧指令の絶対値｜Ｖａｃｒ｜と直流
電圧（Ｖｄｃ／ｋ）との比や交流電圧Ｖｓ、更には変換
器交流出力電圧指令値の絶対値｜Ｖａｃｒ｜との比を求
め、この比から変調度合Ｍまたは時間比率Ｒが演算でき
る。さらにまた、パルス生成手段８のパルスパターン信
号にも同様に変調度合Ｍまたは時間比率Ｒに関する情報
が含まれている。従って、パルスパターン信号Ｍ’、
Ｒ’を入力して、これを分析して変調度合Ｍまたは時間
比率Ｒを演算する手段１３を直流電圧指令生成手段１０
に設けても良い。

【００４２】次に動作について説明する。動的にはＰＷ
Ｍにより基本制御を行い、定常状態においては直流電圧
制御により、パルスパターンが好適な状態へ収束させる
作用は前記実施例と同じである。次に、上記変調度合Ｍ
または時間比率Ｒを用い、同図（ｂ）に示す如く動作中
心点Ｐｏを中心にして、比例的関係折れ線Ｆａ．Ｆｂで
示される直流電圧指令値Ｖｄｃｒを出力する。即ち、直
流電圧指令生成手段１０は、変調度合Ｍまたは時間比率
Ｒが動作中心点Ｐｏに相当する値（換言すると所望パル
スパターンに対応する値）からずれた場合、このずれ量
が減少する方向に直流電圧指令値Ｖｄｃｒが変化するよ
う予め設定された、変調度合Ｍまたは時間比率Ｒと直流
電圧指令値Ｖｄｃｒとの関係特性を備えており、この関
係特性に基づき、直流電圧指令値Ｖｄｃｒを出力する。
上記関係特性は、具体的には、関数テーブルやリミッタ
付き比例増幅器で容易に実現することができる。ここ
で、勾配を高くすれば（Ｆａ→Ｆｂ）、ゲインが高くな
り、定常運転中の変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを限られ
た狭い目標動作点へ近づけ得る。従って、前記実施例と
同じく動作中心点Ｐｏを高調波や交流出力電圧／直流電
圧比の点で有利な点に選んで置けば、前記実施の形態
１、２と同様の作用効果が得られる。

【００４３】所望の変調度合Ｍまたは時間比率Ｒに近づ
ける様に直流電圧指令を決めることが出来るので、前記
実施の形態１、２と同様の効果が得られる。また、この
実施の形態においては、電気量制御手段７内の変数だけ
でなく、パルス生成手段８のパルスパターン信号やその
他の内部情報、更には固体スイッチング素子のゲートパ
ルス情報からも直流電圧を変えるべき指令を演算でき
る。

【００４４】実施の形態４．この発明による交直電力変
換装置の他の一実施形態を示す構成図を図７（ａ）に示
す。図において、電気量制御手段７内の変数やパルス生
成手段８からパルスパターンとの相関の高いパルス幅の
時間比率Ｒまたは変調度合Ｍに係る変数がある事を応用
する点は前記実施の形態３（図６）と同じである。ここ
では、所望パルスパターンに対応するパルス幅の時間比
率Ｒまたは変調度合Ｍの値を指令値Ｒｒ、Ｍｒとして与
え、直流電圧指令生成手段１０により、上記所望時間比
率Ｒｒまたは変調度合Ｍｒとなるよう直流電圧指令値Ｖ
ｄｃｒを制御する。この具体例を図７（ｂ）に示す。す
なわち、ＰＩ制御器などのレギュレータ１１を用い、必
要に応じて加減手段１２を付加し、変化分ΔＶｄｃｒと
ベース値Ｖｄｃｏとの加減により、直流電圧指令値Ｖｄ
ｃｒを決めることができる。変化分ΔＶｄｃｒで指令す
るか、直流電圧Ｖｄｃｒで指令するかは自由である。ま
た、前記実施の形態１、２、３においても同様にＶｄｃ
ｒ、ΔＶｄｃｒのいずれで指令しても良い。

【００４５】次に動作について説明する。動的にはＰＷ
Ｍにより基本制御を行い、定常状態においては直流電圧
制御により、パルスパターンが好適な状態へ収束させる
作用は前記実施例と同じである。実施の形態４において
は、時間比率Ｒまたは変調度合Ｍ自体が所望の指令値Ｒ
ｒ、Ｍｒになるよう帰還制御系を構成したので、一層直
接的にパルス時間比率Ｒや変調度合Ｍを制御する事が出
来る。しかも、レギュレータ１１により動特性を自由に
合せやすく、且つ、ハイゲイン要素または積分制御要素
を付加できるので、定常運転中のパルスパターンやパル
ス幅の時間比率Ｒまたは変調度合Ｍを目標値へ高精度に
合わせ込む事が出来る。

【００４６】前記実施の形態３と同様の効果が得られ、
さらに、パルスパターンやパルス幅の時間比率Ｒまたは
変調度合Ｍが好適な値になるよう高精度に調整できる効
果が得られる。

【００４７】なお、以上の各実施の形態では、制御の具
体的方法を分かりやすくするため単純なもので説明した
が、制御手段や数学的処理が変形自由なように多数の変
形があり得る。それら変形はこの発明から排除されるも
のではない。即ち、例えば、交流系統１についていえ
ば、三相に限らず、単相交流系等でもよく、また、交直
電力変換手段３は必ずしも変圧器４を介して交流系統１
に接続する場合に限らず、交流系統１に直接接続する回
路構成の場合にあっては、この発明は同様に適用するこ
とができ同等の効果を奏する。更に、交直電力変換器ユ
ニット３１の構成も図２に示すものに限られるものでは
ない。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る交直電力
変換装置は、パルスパターン信号に基づきオンオフ制御
されるスイッチング素子を備え交流側と直流側との間で
電力を変換する交直電力変換手段、上記直流電圧および
上記交直電力変換手段に係る電気量を検出する検出手
段、電気量指令値と電気量検出値とを入力として動作し
制御信号を出力する電気量制御手段、およびこの電気量
制御手段からの制御信号に基づきＰＷＭ制御による上記
パルスパターン信号を生成するパルスパターン生成手段
を備えた交直電力変換装置において、上記パルスパター
ン信号が所望パルスパターンになるような直流電圧指令
値を生成する直流電圧指令生成手段を備え、上記直流電
圧が上記直流電圧指令値となるよう上記直流電圧を制御
するようにしたので、過渡時の動的な制御性能はＰＷＭ
制御により必要な応答特性を確保すると共に、定常時は
所望のパルスパターンで動作させることができる。従っ
て、定常運転時の高調波を軽減することができる。ま
た、高調波発生条件を同一とすると変換器回路の構成を
簡素化できる。また、スイッチング素子の利用率を高め
てその定格仕様の軽減を図ることができる。

【００４９】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その直流電圧指令値と直流電圧検出値とを入力とし
て動作し制御信号を出力する直流電圧制御手段を備え、
この直流電圧制御手段からの制御信号を電気量制御手段
の入力信号に加えるようにしたので、直流電圧制御手段
および電気量制御手段の帰還動作により定常時の直流電
圧が所定の指令値となるよう確実な制御動作が得られ
る。

【００５０】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その直流電圧指令値と直流電圧検出値とを入力とし
て動作し制御信号を出力する直流電圧制御手段を備え、
この直流電圧制御手段からの制御信号に基づきパルスパ
ターン信号の位相を制御するようにしたので、パルスパ
ターン生成手段の位相制御動作により、定常時の直流電
圧が所定の指令値となるよう確実な制御動作が得られ
る。

【００５１】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量として交直電力変換手段の交流電圧およ
び交流電流を扱うものとし、直流電圧指令生成手段は、
下式の演算により直流電圧指令値を生成するようにした
ので、交流電圧と直流電圧との比を、所望パルスパター
ンに対応する所望の値に保つことができる。 Ｖｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖｓ＋Ｚ・Ｉ｜ 但し、Ｖｄｃｒ：直流電圧指令値 ｋ：回路と所望パルスパターンとで決まる比例係数 Ｖｓ：交流電圧検出値（ベクトル） Ｚ：回路のインピーダンス Ｉ：交流電流検出値または指令値（ベクトル）

【００５２】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量として交直電力変換手段の交流電圧を扱
うものとし、直流電圧指令生成手段は、下式の演算によ
り直流電圧指令値を生成するようにしたので、交流電圧
と直流電圧との比を、所望パルスパターンに対応する所
望の値に保つことができる。 Ｖｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖａｃｒ｜ 但し、Ｖｄｃｒ：直流電圧指令値 ｋ：回路と所望パルスパターンとで決まる比例係数 ｜Ｖａｃｒ｜：電気量制御手段から出力される制御信号
である交流電圧制御指令値（ベクトルの絶対値）

【００５３】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量制御手段からの制御信号またはパルスパ
ターン生成手段からのパルスパターン信号に基づきパル
ス幅変調に係る変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを生成する
手段を備え、直流電圧指令生成手段は、上記変調度合Ｍ
または時間比率Ｒが所望パルスパターンに対応する値か
らずれた場合このずれ量が減少する方向に直流電圧指令
値が変化するよう予め設定された、変調度合Ｍまたは時
間比率Ｒと直流電圧指令値との関係特性を備え、この関
係特性に基づき、上記生成された変調度合Ｍまたは時間
比率Ｒに対応する直流電圧指令値を出力するようにした
ので、変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを、所望パルスパタ
ーンに対応する値に保つことができる。

【００５４】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その電気量制御手段からの制御信号またはパルスパ
ターン生成手段からのパルスパターン信号に基づきパル
ス幅変調に係る変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを生成する
手段を備え、直流電圧指令生成手段は、上記生成された
変調度合Ｍまたは時間比率Ｒと所望パルスパターンに対
応する変調度合Ｍまたは時間比率Ｒとの偏差が減少する
よう直流電圧指令値信号を出力する直流電圧指令値制御
手段を備えたので、変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを、所
望パルスパターンに対応する値に保つことができる。

【００５５】また、この発明に係る交直電力変換装置の
直流電圧指令生成手段は、その生成出力を所定の範囲内
に制限するリミッタ機能を備えたので、直流電圧の極端
な変動による制御系の乱れを未然に防止することができ
る。

【００５６】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、その交流線路が三相の場合、所望パルスパターン
は、交流電圧１サイクル１回のパルスで、そのパルス幅
を（１８０−３０−６０ｎ）度（但し、ｎ：０、１、
２）とするパルスパターンので、定常運転時の高調波の
発生量が効果的に抑制される。

【００５７】また、この発明に係る交直電力変換装置
は、一次巻線が三相の交流線路に接続され互いに３０度
の位相差を設けた２つの二次巻線を有する変圧器を備
え、この変圧器の各二次巻線に交直電力変換手段を接続
する場合、所望パルスパターンは、交流電圧１サイクル
１回のパルスで、そのパルス幅を（１８０−１５−３０
ｎ）度（但し、ｎ：０、１、２、３、４、５）とするパ
ルスパターンので、変圧器の位相差による効果と相俟っ
て定常運転時の高調波の発生量が一層抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１における交直電力変
換装置を示す構成図である。

【図２】 図１の交直電力変換器ユニットの内部構成例
を示す図である。

【図３】 図１の電気量制御手段の内部構成例を示す図
である。

【図４】 図２の交直電力変換器ユニットで得られるパ
ルスパターンを示す図である。

【図５】 この発明の実施の形態２における交直電力変
換装置を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態３における交直電力変
換装置を示す図である。

【図７】 この発明の実施の形態４における交直電力変
換装置を示す図である。

【図８】 従来の交直電力変換装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 交流系統、２ 直流系統、３ 交直電力変換手段、
３１ａ，３１ｂ 交直電力変換器ユニット、４ 変圧
器、４１ 一次巻線、４２ａ，４２ｂ 二次巻線、５
電気量検出手段、５３ 直流電圧検出手段、７ 電気量
制御手段、７１ａ，７１ｂ 制御手段、７１ｃ 直流電
圧制御手段、８ パルス生成手段、１０ 直流電圧指令
生成手段、１１ レギュレータ、Ｓａ〜Ｓｄ スイッチ
ング素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｍ 7/5387 Ｈ０２Ｍ 7/5387 Ｚ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルスパターン信号に基づきオンオフ制
   御されるスイッチング素子を備え交流側と直流側との間
   で電力を変換する交直電力変換手段、上記直流電圧およ
   び上記交直電力変換手段に係る電気量を検出する検出手
   段、電気量指令値と電気量検出値とを入力として動作し
   制御信号を出力する電気量制御手段、およびこの電気量
   制御手段からの制御信号に基づきＰＷＭ制御による上記
   パルスパターン信号を生成するパルスパターン生成手段
   を備えた交直電力変換装置において、 上記パルスパターン信号が所望パルスパターンになるよ
   うな直流電圧指令値を生成する直流電圧指令生成手段を
   備え、上記直流電圧が上記直流電圧指令値となるよう上
   記直流電圧を制御するようにしたことを特徴とする交直
   電力変換装置。
2. 【請求項２】 直流電圧指令値と直流電圧検出値とを入
   力として動作し制御信号を出力する直流電圧制御手段を
   備え、この直流電圧制御手段からの制御信号を電気量制
   御手段の入力信号に加えるようにしたことを特徴とする
   請求項１記載の交直電力変換装置。
3. 【請求項３】 直流電圧指令値と直流電圧検出値とを入
   力として動作し制御信号を出力する直流電圧制御手段を
   備え、この直流電圧制御手段からの制御信号に基づきパ
   ルスパターン信号の位相を制御するようにしたことを特
   徴とする請求項１記載の交直電力変換装置。
4. 【請求項４】 電気量として交直電力変換手段の交流電
   圧および交流電流を扱うものとし、直流電圧指令生成手
   段は、下式の演算により直流電圧指令値を生成するよう
   にしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
   記載の交直電力変換装置。 Ｖｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖｓ＋Ｚ・Ｉ｜ 但し、Ｖｄｃｒ：直流電圧指令値 ｋ：回路と所望パルスパターンとで決まる比例係数 Ｖｓ：交流電圧検出値（ベクトル） Ｚ：回路のインピーダンス Ｉ：交流電流検出値または指令値（ベクトル）
5. 【請求項５】 電気量として交直電力変換手段の交流電
   圧を扱うものとし、直流電圧指令生成手段は、下式の演
   算により直流電圧指令値を生成するようにしたことを特
   徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の交直電力
   変換装置。 Ｖｄｃｒ＝ｋ・｜Ｖａｃｒ｜ 但し、Ｖｄｃｒ：直流電圧指令値 ｋ：回路と所望パルスパターンとで決まる比例係数 ｜Ｖａｃｒ｜：電気量制御手段から出力される制御信号
   である交流電圧制御指令値（ベクトルの絶対値）
6. 【請求項６】 電気量制御手段からの制御信号またはパ
   ルスパターン生成手段からのパルスパターン信号に基づ
   きパルス幅変調に係る変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを生
   成する手段を備え、直流電圧指令生成手段は、上記変調
   度合Ｍまたは時間比率Ｒが所望パルスパターンに対応す
   る値からずれた場合このずれ量が減少する方向に直流電
   圧指令値が変化するよう予め設定された、変調度合Ｍま
   たは時間比率Ｒと直流電圧指令値との関係特性を備え、
   この関係特性に基づき、上記生成された変調度合Ｍまた
   は時間比率Ｒに対応する直流電圧指令値を出力するよう
   にしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
   記載の交直電力変換装置。
7. 【請求項７】 電気量制御手段からの制御信号またはパ
   ルスパターン生成手段からのパルスパターン信号に基づ
   きパルス幅変調に係る変調度合Ｍまたは時間比率Ｒを生
   成する手段を備え、直流電圧指令生成手段は、上記生成
   された変調度合Ｍまたは時間比率Ｒと所望パルスパター
   ンに対応する変調度合Ｍまたは時間比率Ｒとの偏差が減
   少するよう直流電圧指令値信号を出力する直流電圧指令
   値制御手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし３
   のいずれかに記載の交直電力変換装置。
8. 【請求項８】 直流電圧指令生成手段は、その生成出力
   を所定の範囲内に制限するリミッタ機能を備えたことを
   特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の交直電
   力変換装置。
9. 【請求項９】 交流線路が三相の場合、所望パルスパタ
   ーンは、交流電圧１サイクル１回のパルスで、そのパル
   ス幅を（１８０−３０−６０ｎ）度（但し、ｎ：０、
   １、２）とするパルスパターンであることを特徴とする
   請求項１ないし８のいずれかに記載の交直電力変換装
   置。
10. 【請求項１０】 一次巻線が三相の交流線路に接続され
    互いに３０度の位相差を設けた２つの二次巻線を有する
    変圧器を備え、この変圧器の各二次巻線に交直電力変換
    手段を接続する場合、所望パルスパターンは、交流電圧
    １サイクル１回のパルスで、そのパルス幅を（１８０−
    １５−３０ｎ）度（但し、ｎ：０、１、２、３、４、
    ５）とするパルスパターンであることを特徴とする請求
    項１ないし８のいずれかに記載の交直電力変換装置。