JP2005261106A

JP2005261106A - 三相整流装置

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Publication number: JP2005261106A
Application number: JP2004070328A
Authority: JP
Inventors: Michio Iwabori; 道雄岩堀; Hiroto Funato; 寛人船渡
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP4370946B2

Abstract

【課題】ブリッジ整流回路と平滑コンデンサからなる三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源を流れる電流高調波の低減を行う。
【解決手段】ブリッジ整流回路２と平滑コンデンサ４との間に設置される高調波低減装置３０をダイオード３２とＭＯＳＦＥＴ３３とを直列接続してなる第１アームと、ＭＯＳＦＥＴ３４とダイオード３５とを直列接続してなる第２アームと、コンデンサ３６とからなる単相電圧形変換回路３１と、小型リアクトル３７と、制御装置３８と、ブリッジ整流回路２の正側出力端と第２アームの中間接続点、すなわち、高調波低減装置３０の入出力間の電圧をＶ_Oとして検出する電圧検出器３９と、小型リアクトル３７に流れる電流をＩ_Lとして検出する電流検出器４０とから形成し、この制御装置３８により、小型リアクトル３７に流れる電流を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電源から供給される三相交流電圧をブリッジ整流回路と平滑コンデンサとにより直流電圧に変換して負荷に給電する三相整流装置に関する。

図５は、この種の三相整流装置の従来例を示す回路構成図であり、この構成例では交流電源１の三相交流電圧を、ダイオードを用いたブリッジ整流回路２により整流し、得られた直流電圧を平滑コンデンサ４により平滑して負荷５に供給している。このとき、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源１を流れる電流高調波を抑制するために、図５に示すようにブリッジ整流回路２と平滑コンデンサ４との間に直流リアクトル３を設けている。しかしながら、上述のピーク電流や電流高調波の抑制を効果的に行うには、大きなインダクタンス値を有する直流リアクトル３を必要とし、その結果、この三相整流装置全体の大型化やコストアップを招いていた。

図５に示した三相整流装置における上述の問題点を解消した三相整流装置として、下記特許文献１に開示されているものが知られている。

図６は、下記特許文献１の回路構成例を含むと共に、図５とは別の従来例を示す三相整流装置の回路構成図であり、この図において、図５の回路構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図６に示した三相整流装置が図５に示した回路構成と異なる点は、直流リアクトル３に代えて高調波抑制装置１０を備え、この高調波抑制装置１０により、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源１を流れる電流高調波の抑制を行っている。

この高調波抑制装置１０はスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１２〜１５とコンデンサ１６とからなる単相電圧形変換回路１１と、リアクトル１７と、制御装置１８と、コンデン１６の両端電圧をＶ_cとして検出する電圧検出器１９と、リアクトル１７に流れる電流をＩ_Lとして検出する電流検出器２０と、交流電源１が出力する三相交流電圧の何れかの線間電圧をＶ_Sとして検出する電圧検出器２１とから形成されている。

図６に示した三相整流装置において、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源１を流れる電流高調波を抑制するための動作を、図７に示す制御装置１８の詳細回路構成図を参照しつつ、以下に説明する。

すなわち、この制御装置１８では電圧検出器２１で得られた検出値Ｖ_sを直流電圧演算器６１によりブリッジ整流回路２が出力する直流電圧の演算値をＶ_O（ｃａｌ）として導出し、予め定めた指令値Ｖ_DC ^*と前記Ｖ_O（ｃａｌ）との偏差を加算演算器６２で求め、この偏差に制御ゲイン６３のゲイン値を乗算演算した値を直流リップルのリップル補償パターンとしている。また、リアクトル１７に流れる電流の検出値Ｉ_Lとこの電流の予め定めた指令値Ｉ_L ^*との偏差を加算演算器６４で求め、この偏差のハイパスフィルタ６５と制御ゲイン６６とを介した値を高調波電流補償量とし、コンデンサ１６の両端電圧の検出値Ｖ_Cとこの電圧の予め定めた指令値Ｖ_C ^*との偏差を加算演算器７６で求め、この偏差に基づく調節演算を調節器６８で行い、この演算結果をコンデンサ電圧補償量として出力している。さらに、加算演算器６９により前記リップル補償パターンと高調波電流補償量とコンデンサ電圧補償量とを加算演算し、この加算値を単相電圧形変換回路１０への電圧指令値Ｖｉ^*とし、ＰＷＭ信号発生器７０では前記指令値Ｖｉ^*を周知の技術を用いてＰＷＭ制御し、この制御結果に基づく駆動信号それぞれをＭＯＳＦＥＴ１２〜１５それぞれに送出している。
特開２００２−２７２１１３号公報（第３，１１頁、第３２図）

図６に示した従来の三相整流装置では高調波抑制装置１０により、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源１を流れる電流高調波を抑制できるが、その際に下記（１）〜（３）のような問題点がある。
（１）単相電圧形変換回路１１には４個のスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１２〜１５が用いられており、従って、その回路構成および制御装置１８が複雑になり、その結果、コストアップを招いている。
（２）直流電圧リップルと直流電流高調波の双方を補償するように制御を行っており、その結果、両者の間に干渉が生ずるなど不安定な制御動作が起こり易い。
（３）交流電源１が出力する三相交流電圧の何れかの線間電圧Ｖ_Sからブリッジ整流回路２が出力する直流電圧の演算値をＶ_O（ｃａｌ）を求めているが、ブリッジ整流回路２の転流重なり期間，ダイオードのオン電圧，前記三相交流電圧の相アンバランスなどによって、実際の電圧値と前記演算値との間に誤差が発生し易い。

この発明の目的は、上記の問題点を解消した三相整流装置を提供することにある。

この第１の発明は、交流電源から供給される三相交流電圧をブリッジ整流回路と平滑コンデンサとにより直流電圧に変換する三相整流装置において、
前記ブリッジ整流回路と平滑コンデンサとの間に、リアクトルと、ダイオードとスイッチング素子の順に直列接続してなる第１アームと、スイッチング素子とダイオードの順に直列接続してなる第２アームと、コンデンサと、第１アームおよび第２アームそれぞれの動作状態を制御する制御装置とから構成される高調波低減装置を挿入し、
第１アームと第２アームと前記コンデンサとを互いに並列接続し、第１アームの中間接続点と前記ブリッジ整流回路の出力側の一端との間に前記リアクトルを接続し、第２アームの中間接続点と前記ブリッジ整流回路の出力側の他端との間に前記平滑コンデンサを接続したことを特徴とする。

また第２の発明は、前記第１の発明の三相整流装置において、
前記制御装置は、前記リアクトルとブリッジ整流回路の接続点と第２アームの中間接続点との間の電圧を検出し、この検出した電圧値から前記リアクトルに流れる電流の指令値を演算し、この指令値に前記リアクトルに流れる電流の検出値が追従するように、第１アームおよび第２アームを形成するそれぞれのスイッチング素子をオン・オフ制御することを特徴とする。

第３の発明は、前記第１の発明の三相整流装置において、
前記制御装置は、前記リアクトルとブリッジ整流回路の接続点と第２アームの中間接続点との間の電圧を検出し、この検出した電圧値から前記リアクトルに流れる電流の指令値を演算し、前記コンデンサの両端電圧を検出し、この検出した両端電圧が予め定めた設定値に追従させるための補正値を演算し、前記指令値と補正値とを加算演算した値を前記リアクトルに流れる電流の新たな指令値とし、この新たな指令値に前記リアクトルに流れる電流の検出値が追従するように、第１アームおよび第２アームを形成するそれぞれのスイッチング素子をオン・オフ制御することを特徴とする。

さらに第４の発明は、前記第２又は第３の発明の三相整流装置において、
前記リアクトルに流れる電流の指令値は、前記リアクトルとブリッジ整流回路の接続点と第２アームの中間接続点との間の電圧の検出値を積分演算し、この積分演算結果に予め定めた値を乗算演算した値としたことを特徴とする。

この発明によれば、簡単な回路構成の高調波低減装置を設け、従来のように直流電圧リップルと直流電流のリップルとを直接補償する制御を行わずに、前記リアクトルに流れる電流のみを制御し、その際に、前記リアクトルに流れる電流の指令値を前記高調波低減装置の入出力間の電圧値から直接に導出するので、ブリッジ整流回路の転流重なり期間などによって発生する誤差を回避することができる。このとき、前記リアクトルは従来の直流リアクトルに比してより小型にすることができる。

その結果、安価な回路構成で安定な制御動作により、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源を流れる電流高調波を低減することができる。また、外部に新たな制御回路を備えることなく、前記コンデンサの両端電圧も制御可能である。

図１は、この発明の第１の実施例を示す三相整流装置の回路構成図であり、この図において、図５，６に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図１に示したこの発明の三相整流装置では、図６に示した高調波抑制装置１０に代えて、高調波低減装置３０を備えている。

この高調波低減装置３０はダイオード３２とスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ３３とを図示の極性で直列接続してなる第１アームと、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ３４とダイオード３５とを図示の極性で直列接続してなる第２アームと、コンデンサ３６とからなる単相電圧形変換回路３１と、リアクトル３７と、制御装置３８と、ブリッジ整流回路２の正側出力端と第２アームの中間接続点、すなわち、高調波低減装置３０の入出力間の電圧をＶ_Oとして検出する電圧検出器３９と、リアクトル３７に流れる電流をＩ_Lとして検出する電流検出器４０とから形成されている。

図１に示した三相整流装置の動作を、図２に示す制御装置３８の詳細回路構成図を参照しつつ、以下に説明する。

この制御装置３８では、電圧検出器３９で得られた検出値Ｖ_Oを電流指令値演算器８１によりリアクトル３７に流れる電流の指令値Ｉ_L ^*を導出し、この指令値Ｉ_L ^*とリアクトル３７に流れる電流の検出値Ｉ_Lとの偏差を加算演算器８２で求め、この偏差に基づく制御演算を電流制御器８３で行いつつＰＷＭ信号発生器８４に出力し、ＰＷＭ信号発生器８４では前記演算結果を周知の技術を用いてＰＷＭ制御し、この制御結果に基づく駆動信号それぞれをＭＯＳＦＥＴ３３，３４それぞれに送出している。

すなわち、第１アームを形成するＭＯＳＦＥＴ３３および第２アームを形成するＭＯＳＦＥＴ３４それぞれをＰＷＭ制御に基づいてオン・オフ制御することで、リアクトル３７に流れる電流が所望の値に制御でき、その結果、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源１を流れる電流高調波を低減させることができる。このとき、図２に示す如く、電圧指令値演算器８１では電圧検出器３９の検出値Ｖ_Oを積分器８１ａにより積分演算し、この積分結果に乗算器８１ｂにより予め定めた定数Ｋを乗算した値をリアクトル３７に流れる電流の指令値Ｉ_L ^*として導出する際に、リアクトル３７のインダクタンス値は前記定数Ｋの逆数（＝１／Ｋ）として設定することができる。

図３は、この発明の第２の実施例を示す三相整流装置の回路構成図であり、この図において、図１に示した実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図３に示したこの発明の三相整流装置では、図１に示した高調波低減装置３０に代えて、高調波低減装置５０を備えている。

この高調波低減装置５０が高調波低減装置３０と異なる点は、制御装置３８に代えて制御装置５１が備えられ、さらに、コンデンサ３６の両端電圧をＶ_Cとして検出する電圧検出器５２が付加されていることである。

図３に示した三相整流装置の動作を、図４に示す制御装置５１の詳細回路構成図を参照しつつ、以下に説明する。

この制御装置５１では、電圧検出器３９で得られた検出値Ｖ_Oを電流指令値演算器８１によりリアクトル３７に流れる電流の指令値Ｉ_L ^*を導出し、コンデンサ３６の両端電圧の検出値Ｖ_Cとこの電圧の予め定めた指令値Ｖ_C ^*との偏差を加算演算器８５で求め、この偏差に基づく制御演算を電圧制御器８６で行い、この制御演算結果とリアクトル３７に流れる電流の指令値Ｉ_L ^*とを加算演算器８７により加算演算し、この加算値をリアクトル３７に流れる電流の新たな指令値Ｉ_L ^**とし、この指令値Ｉ_L ^**とリアクトル３７に流れる電流の検出値Ｉ_Lとの偏差を加算演算器８８で求め、この偏差に基づく制御演算を電流制御器８３で行いつつＰＷＭ信号発生器８４に出力し、ＰＷＭ信号発生器８４では前記演算結果を周知の技術を用いてＰＷＭ制御し、この制御結果に基づく駆動信号それぞれをＭＯＳＦＥＴ３３，３４それぞれに送出している。

すなわち、ＭＯＳＦＥＴ３３およびＭＯＳＦＥＴ３４それぞれをＰＷＭ制御に基づいてオン・オフ制御することで、リアクトル３７に流れる電流およびコンデンサ３６の両端電圧が所望の値に制御でき、その結果、この三相整流装置に流れるピーク電流や交流電源１を流れる電流高調波を低減させることができる。

なお、図１，図３に示したこの発明の三相整流装置の回路構成ではブリッジ整流器２をダイオードの純ブリッジ回路としたが、サイリスタの純ブリッジ回路やサイリスタとダイオードの混合ブリッジ回路でもよい。

この発明の第１の実施例を示す三相整流装置の回路構成図図１の部分詳細回路構成図この発明の第２の実施例を示す三相整流装置の回路構成図図３の部分詳細回路構成図従来例を示す三相整流装置の回路構成図図５とは別の従来例を示す三相整流装置の回路構成図図６の部分詳細回路構成図

符号の説明

１…交流電源、２…ブリッジ整流回路、３…直流リアクトル、４…平滑コンデンサ、５…負荷、１０…高調波抑制装置、１１…単相電圧形変換回路、１２〜１５…ＭＯＳＦＥＴ、１６…コンデンサ、１７…リアクトル、１８…制御装置、１９…電圧検出器、２０…電流検出器、２１…電圧検出器、３０…高調波低減装置、３１…単相電圧形変換回路、３２，３５…ダイオード、３３，３４…ＭＯＳＦＥＴ、３６…コンデンサ、３７…リアクトル、３８…制御装置、３９…電圧検出器、４０…電流検出器、５０…単相電圧形変換回路、５１…制御装置、５２…電圧検出器、６１…直流電圧演算器、６２…加算演算器、６３…制御ゲイン、６４…加算演算器、６５…ハイパスフィルタ、６６…制御ゲイン、６７…加算演算器、６８…調節器、６９…加算演算器、７０…ＰＷＭ信号発生器、８１…電流指令演算器、８２…加算演算器、８３…電圧制御器、８４…ＰＷＭ信号発生器、８５…加算演算器、８６電圧制御器、８７，８８…加算演算器。

Claims

交流電源から供給される三相交流電圧をブリッジ整流回路と平滑コンデンサとにより直流電圧に変換する三相整流装置において、
前記ブリッジ整流回路と平滑コンデンサとの間に、
リアクトルと、ダイオードとスイッチング素子の順に直列接続してなる第１アームと、スイッチング素子とダイオードの順に直列接続してなる第２アームと、コンデンサと、第１アームおよび第２アームそれぞれの動作状態を制御する制御装置とから構成される高調波低減装置を挿入し、
第１アームと第２アームと前記コンデンサとを互いに並列接続し、第１アームの中間接続点と前記ブリッジ整流回路の出力側の一端との間に前記リアクトルを接続し、第２アームの中間接続点と前記ブリッジ整流回路の出力側の他端との間に前記平滑コンデンサを接続したことを特徴とする三相整流装置。
請求項１に記載の三相整流装置において、
前記制御装置は、
前記リアクトルとブリッジ整流回路の接続点と第２アームの中間接続点との間の電圧を検出し、この検出した電圧値から前記リアクトルに流れる電流の指令値を演算し、この指令値に前記リアクトルに流れる電流の検出値が追従するように、第１アームおよび第２アームを形成するそれぞれのスイッチング素子をオン・オフ制御することを特徴とする三相整流装置。
請求項１に記載の三相整流装置において、
前記制御装置は、
前記リアクトルとブリッジ整流回路の接続点と第２アームの中間接続点との間の電圧を検出し、この検出した電圧値から前記リアクトルに流れる電流の指令値を演算し、
前記コンデンサの両端電圧を検出し、この検出した両端電圧が予め定めた設定値に追従させるための補正値を演算し、
前記指令値と補正値とを加算演算した値を前記リアクトルに流れる電流の新たな指令値とし、この新たな指令値に前記リアクトルに流れる電流の検出値が追従するように、第１アームおよび第２アームを形成するそれぞれのスイッチング素子をオン・オフ制御することを特徴とする三相整流装置。
請求項２又は請求項３に記載の三相整流装置において、
前記リアクトルに流れる電流の指令値は、
前記リアクトルとブリッジ整流回路の接続点と第２アームの中間接続点との間の電圧の検出値を積分演算し、この積分演算結果に予め定めた値を乗算演算した値としたことを特徴とする三相整流装置。