JP2006187082A - Ac/dc双方向コンバータ - Google Patents

Ac/dc双方向コンバータ Download PDF

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Abstract

【課題】 主回路用のAC電源信号とは別に制御用のAC電源信号を入力することなく、簡易な構成により、AC電源の周波数に同期した電気角を求めることが可能なAC/DC双方向コンバータを提供する。
【解決手段】 AC/DCコンバータ100内部に備えた電圧フィードバック検出器128が、AC電源電圧信号を入力して相間電圧を生成する。電気角演算手段110は、相間電圧を用いてAC電源の電圧ベクトルを生成し、電気角θ2を演算する。3相−2相電流フィードバック演算器21は、この演算された電気角θ2を用いて電流フィードバックの座標変換を行い、2相−3相電圧指令演算器25は、当該電気角θ2を用いて電圧指令の座標変換を行う。
【選択図】 図1

Description

本発明は、AC/DC双方向コンバータに関し、特に、AC電源に同期する電気角を求める技術に関する。
一般に、AC/DC双方向コンバータ(以下、AC/DCコンバータという。)は、交流電力と直流電力との間で電力エネルギーを双方向に変換する機器であり、この電力エネルギーは、例えば、インバータを介してモータを制御するために用いられる。このようなAC/DCコンバータにおいて、無効電力を抑え過電流の発生をなくし、電力エネルギーを高効率及び低歪み率で変換するためには、インバータが接続される負荷側のDCバス電圧を適切に制御する必要がある。つまり、AC電源に同期させた電圧により、電力エネルギーを変換する必要がある。
図5は、従来のAC/DCコンバータを説明するための構成図である。このAC/DCコンバータ1は、インバータ4を介してモータ5を制御するために用いられ、電流検出器20a〜20c、3相−2相電流フィードバック演算器21、DCバス電圧制御器22、d軸電流制御器23、q軸電流制御器24、2相−3相電圧指令演算器25、PWM制御器26、パワー素子27、電圧フィードバック検出器28、及び電気角演算手段10を備えている。また、電気角演算手段10は、電源検出器11、及び、エッジ検出器13と相順検出器14と周波数検出器15とを有する電気角出力手段12を備えている。AC/DCコンバータ1には、主回路用端子、制御用入力端子及びDCバス端子が設けられ、主回路用端子が、当該AC/DCコンバータ1からみてリアクタ3の前方(手前)側の電源ラインに接続され、制御用入力端子が、当該AC/DCコンバータ1からみてリアクタ3の後方側の電源ラインに接続され、DCバス端子がインバータ4側(負荷側)のDCバスに接続される。
このような構成の下で、AC/DCコンバータ1は、電気角演算手段10が制御用入力端子を介して入力されたAC電源信号を用いて電気角θ1を演算し、この演算した電気角θ1を用いて電流フィードバック及び電圧指令の座標変換を行い、パルス幅変調信号を生成し、パワー素子27がこのパルス幅変調信号を用いて電力エネルギーを変換する。
以下、AC/DCコンバータ1の動作について詳細に説明する。まず、電気角θ1の演算動作について説明する。電気角演算手段10が制御用入力端子を介してR,S及びT相のAC電源信号を入力すると、電源検出器11は、入力したAC電源信号を絶縁して低電圧信号に変換する。そして、電源検出器11は、コンパレータ(図示せず)によりAC電源の周期に同期した矩形波に変換し、R相及びT相の矩形波の低電圧ロジック信号を出力する。
電気角出力手段12が電源検出器11から低電圧ロジック信号を入力すると、エッジ検出器13は、R相の低電圧ロジック信号を用いて、当該信号のエッジを検出する。このエッジにより電気角θ1の周期の始まりを特定することができる。相順検出器14は、R相及びT相の低電圧ロジック信号を用いて、相順(正相または逆相)を検出する。この相順により電気角θ1の変化の方向を特定することができる。周波数検出器15は、エッジ検出器13により検出されたエッジと、相順検出器14により検出された相順とを入力し、フィルタ(図示せず)により、エッジが入力される時間間隔から周期を測定し、その周期における電気角θ1の傾き(周波数)を測定する。この場合、0radから2πradまでに変化する電気角θ1の傾きは、1周期毎に測定される平均値となり、1周期内では固定となる。そして、エッジ検出時にその時点までの1周期における傾きが測定されると、電気角出力手段12は、次の周期における電気角θ1を、前回測定した傾きを用いて演算する。
図6は、電気角θ1と時間との関係を示す図であり、電気角θ1の演算手法を示している。すなわち、電気角出力手段12は、エッジ検出器13により検出されたエッジの入力タイミングで、電気角θ1をリセットする。これにより、AC電源と同期したタイミングで電気角θ1をリセットすることができる。また、電気角出力手段12は、周波数検出器15により検出された周波数である電気角θ1の傾きにより、相順検出器14により検出された相順に従って電気角θ1を変化させ、当該電気角θ1を出力する。この場合、周波数である電気角θ1の傾きにより、変化させるべき電気角θ1の偏差の絶対値を設定し、相順よりその偏差の極性を設定する。そして、サンプリング毎に、その設定した絶対値分を極性に従って変化させる。このように、電気角演算手段10は、演算した電気角θ1信号を、3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25へ出力する。
次に、電気角演算手段10により演算された電気角θ1を用いて、DCバス電圧が所定の設定値になるように、パワー素子により電力エネルギーを変換する動作について説明する。図5を参照して、電流検出器20a〜20cは、主回路用端子におけるAC電源信号のR,S,T各相の電流を検出し、3相−2相電流フィードバック演算器21へフィードバックする。3相−2相電流フィードバック演算器21は、電流検出器20a〜20cにより検出された電流フィードバック信号を入力し、演算処理して、d軸電流フィードバック信号及びq軸電流フィードバック信号を出力する。
電圧フィードバック検出器28は、パワー素子27により変換されたDCバス電圧信号を入力し、DCバス電圧フィードバック信号としてDCバス電圧制御器22へ出力する。DCバス電圧制御器22は、電圧フィードバック検出器28からDCバス電圧フィードバック信号を入力し、このDCバス電圧の値が所定のDCバス電圧設定値になるように、DCバス電圧制御信号をq軸電流制御器24へ出力する。
d軸電流制御器23は、3相−2相電流フィードバック演算器21からd軸電流フィードバック信号を入力し、演算処理して、d軸電圧指令信号を2相−3相電圧指令演算器25へ出力する。q軸電流制御器24は、3相−2相電流フィードバック演算器21からq軸電流フィードバック信号を、DCバス電圧制御器22からDCバス電圧制御信号をそれぞれ入力し、演算処理して、q軸電圧指令信号を2相−3相電圧指令演算器25へ出力する。2相−3相電圧指令演算器25は、d軸電流制御器23からd軸電圧指令信号を、q軸電流制御器24からq軸電圧指令信号を、電気角演算手段10から電気角θ1信号をそれぞれ入力し、演算処理して、R相,T相及びS相の電圧指令信号を出力する。PWM制御器26は、2相−3相電圧指令演算器25から3相の電圧指令信号を入力し、当該電圧指令信号と、図示しない発振器で発生する信号、例えば、三角波信号またはのこぎり波信号とを図示しないコンパレータに入力し、演算処理して、パルス幅変調信号をパワー素子27へ出力する。パワー素子27は、PWM制御器26からパルス幅変調信号を入力し、スイッチング素子のスイッチング動作により、AC/DC変換を行う。
また、図5に示したAC/DCコンバータ1に類似するAC/DCコンバータも開示されている(例えば、特許文献1を参照)。このAC/DCコンバータは、位相検出器が電源のR相電圧信号を入力し、R相電圧が0Vになるタイミングを用いてクロックパルスを計数することにより電気角(電圧位相)を検出する。そして、この電気角を用いてパスル変調信号を生成する。
特開2003−169495号公報(段落0024〜0034、図1、図2)
しかしながら、従来のAC/DCコンバータでは、AC電源信号を検出して低電圧信号に変換するための回路等(図5では、電源検出器11やエッジ検出器13等が相当する。)が必要となる。このため、部品点数が増加し、コストアップが生じるという問題があった。また、部品点数の増加に伴って、故障する確率が高くなるという問題もあった。
また、従来のAC/DCコンバータでは、電気角演算手段10が、測定した周期を用いて電気角θ1の傾き(偏差)を測定しているため、1周期前のAC電源に対応した電気角θ1を演算している。つまり、3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25は、1周期前のAC電源に対応する電気角θ1を入力して演算処理を行っている。このため、電気角θ1がAC電源に完全に同期していないという問題があった。
さらに、従来のAC/DCコンバータでは、電気角θ1を演算するために、AC電源信号を入力する制御用入力端子が必要となる。これは、AC電源信号の周波数等を測定するために、AC/DCコンバータからみてリアクタの後側のAC電源信号が必要となるからである。このため、この制御用入力端子と、電力エネルギーを変換するためのAC電源信号の電源ラインが接続される主回路用端子とを別々に設けることになり、これらの配線を間違える可能性があるという問題があった。
そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、主回路用のAC電源信号とは別に制御用のAC電源信号を入力することなく、簡易な構成により、AC電源の周波数に同期した電気角を求めることが可能なAC/DCコンバータを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のAC/DCコンバータは、AC電源がリアクタを介して接続されるAC電源接続部と、負荷が接続されるDCバス接続部とを備え、AC電圧に基づいて演算した電気角を用いて、AC電源接続部における電流フィードバック信号の座標変換、及びパワー素子をスイッチングするための電圧指令信号の座標変換を行い、AC電源接続部とDCバス接続部との間の電力エネルギーを変換するAC/DCコンバータにおいて、前記AC電源接続部におけるAC電圧のフィードバック信号を検出し、相間電圧信号を生成する電圧フィードバック検出器と、前記相間電圧信号に基づいて、AC電圧を静止座標系及び回転座標系で表す電圧ベクトルに変換して、電気角を演算する電気角演算手段とを備え、該電気角演算手段により演算された電気角を用いて、前記座標変換及び電力エネルギー変換を行うことを特徴とする。
また、本発明のAC/DCコンバータは、さらに、前記電気角演算手段により演算された電気角の変化を制限し、内部モデル化した推定電気角を求め、該推定電気角と同期するように第2の電気角を演算する第2の電気角演算手段を備え、該第2の電気角演算手段により演算された第2の電気角を用いて、前記座標変換及び電力エネルギー変換を行うことを特徴とする。この場合、前記第2の電気角演算手段は、第2の電気角が推定電気角と同期するための周波数偏差信号を生成し、該周波数偏差信号の変化を制限し、予め設定された基準周波数を用いて周波数指令信号を生成し、該周波数指令信号から第2の電気角を演算することが好ましい。
以上のように、本発明のAC/DCコンバータによれば、電力エネルギー変換を行うためのAC電源接続部とは別に、電気角を求めるための制御用AC電源接続部を備えていないから、この制御用AC電源接続部への配線が必要ない。また、AC電源の周期の始まり、周波数及び相順を意識することなく電気角を求めることができるので、これら周期の始まり等を得るための電源用の回路が不要となる。これにより、簡易な構成のAC/DCコンバータを実現することができる。
また、本発明のAC/DCコンバータによれば、AC電圧フィードバック信号から相間電圧信号を生成し、この相間電圧信号に基づいて電気角を求めるようにした。これにより、AC電源の周波数に確実に同期した電気角を求めることができる。この電気角を用いて電流フィードバック及び電圧指令の座標変換を行うから、負荷側のDCバス電圧を適切に制御することができ、電力エネルギーを高効率及び低歪み率で変換することができる。
また、本発明のAC/DCコンバータによれば、演算した電気角の変化を制限し、内部モデル化した推定電気角に同期するように新たな電気角を求めるようにした。これにより、AC電源がノイズや瞬時停電の影響を受けた場合であっても、その影響を抑えた電気角を求めることができる。したがって、負荷側のDCバス電圧の安定した制御を実現することができ、電力エネルギーを一層、高効率及び低歪み率で変換することができる。
以下、本発明に係るAC/DCコンバータの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔実施例1〕
図1は、本発明に係るAC/DCコンバータの第1の実施例を示す構成図である。このAC/DCコンバータ100は、電流検出器20a〜20c、3相−2相電流フィードバック演算器21、DCバス電圧制御器22、d軸電流制御器23、q軸電流制御器24、2相−3相電圧指令演算器25、PWM制御器26、パワー素子27、電圧フィードバック検出器128、及び電気角演算手段110を備えている。AC/DCコンバータ1には、主回路用端子及びDCバス端子が設けられ、主回路用端子が、リアクタ3を介してAC電源2に接続され、DCバス端子がインバータ4を介してモータ5に接続される。
このAC/DCコンバータ100と図5に示した従来のAC/DCコンバータ1とを比較すると、両コンバータは、電流検出器20、3相−2相電流フィードバック演算器21、DCバス電圧制御器22、d軸電流制御器23、q軸電流制御器24、2相−3相電圧指令演算器25、PWM制御器26及びパワー素子27を備えており、主回路用端子及びDCバス端子が設けられている点で共通する。しかし、AC/DCコンバータ100は、当該AC/DCコンバータ100の負荷側のDCバス電圧と、AC電源側のAC電源電圧とを入力する電圧フィードバック検出器128、及び、電圧フィードバック検出器128の出力信号であるACライン間の相間電圧を用いて電気角θ2を演算する電気角演算手段110を備えており、制御用入力端子が設けられていない点で、図5に示したAC/DCコンバータ1と相違する。尚、図1において、図5と共通する部分には図5と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
このような構成の下で、AC/DCコンバータ100は、当該AC/DCコンバータ100内部のAC電源電圧(AC電源側の主回路用端子におけるAC電圧)を用いて電気角θ2を演算し、この演算した電気角θ2を用いて電流フィードバック及び電圧指令の座標変換を行い、AC電源に同期したパルス幅変調信号を生成し、パワー素子27がこのパルス幅変調信号を用いて電力エネルギーを変換する。
以下、AC/DCコンバータ100における電気角θ2の演算動作について詳細に説明する。電圧フィードバック検出器128は、パワー素子27のDC側であるDCバス電圧信号を入力し(図1のa,b)、DCバス電圧フィードバック信号としてDCバス電圧制御器22へ出力する。また、電圧フィードバック検出器128は、パワー素子27のAC側であるAC電源電圧信号を入力し、相間電圧信号として電気角演算手段110へ出力する。具体的には、電圧フィードバック検出器128は、R、S、T3相のAC電源電圧信号を入力し、以下の数式(1)及び(2)に基づいた演算処理を行い、R−S相の相間電圧信号VRS、及びS−T相の相間電圧信号VSTを電気角演算手段110へ出力する。
RS=VR−VS ・・・ (1)
ST=VS−VT ・・・ (2)
電気角演算手段110は、電圧フィードバック検出器128から相間電圧信号VRS及びVSTを入力し、以下の数式(3)〜(16)に基づいた演算処理を行い、電気角θ2を3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25へ出力する。図2は、R、S、T3相のAC電源電圧の電圧ベクトルVsとds−qs座標系及びd−q座標系との関係を示す図である。ここで、d−q座標は静止座標系であり、d−q座標は回転座標系である。すなわち、図2は、R、S、T3相のAC電源電圧を2相変換した電圧ベクトルVsと、静止座標系ds−qs(dsは下方向を正とする)及び回転座標d−qとの関係を示す図である。尚、ベクトルVqsは、静止座標系ds−qsの座標上における電圧ベクトルVsのqs成分、ベクトルVdsは、電圧ベクトルVsのds成分を示す。この場合、R、S、T3相のAC電源電圧に基づいた電圧ベクトルVsとqs軸の正方向とのなす角度が、電気角θ2となる。
次に、電気角θ2の算定式について説明する。図2において定義されたqs方向、及びこれに直交するds方向の電圧をそれぞれVqs、Vdsとし、このVqs、Vds各値からAC電源電圧の電気角θ2を演算することができる。すなわち、相間電圧VRS及びVSTの値を使ってVqs、Vdsは、以下の数式となる。

そして、Vqs、Vdsの絶対値表示をそれぞれVqsa、Vdsaとすると、

を求める。ここでabsは、絶対値を表わす。
そして、Vds、Vqs、Vqsa、Vdsa各値の大きさに応じて以下に示すような数式を選択して電気角θを演算し、この電気角θから電気角θ2を求める。すなわち、
Vds≦0である場合において、
もし、Vqs≧0であり、かつ、Vqsa>Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=atan(Vdsa/Vqsa) ・・・ (7)
もし、Vqs≧0であり、かつVqsa≦Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=π/2−atan(Vqsa/Vdsa) ・・・ (8)
もし、Vqs<0であり、かつ、Vqsa<Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=π/2+atan(Vqsa/Vdsa) ・・・ (9)
もし、Vqs<0であり、かつ、Vqsa≧Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=π−atan(Vdsa/Vqsa) ・・・ (10)
Vds>0である場合において、
もし、Vqs<0であり、かつ、Vqsa>Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=π+atan(Vdsa/Vqsa) ・・・ (11)
もし、Vqs<0であり、かつVqsa≦Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=3π/2−atan(Vqsa/Vdsa) ・・・ (12)
もし、Vqs≧0であり、かつ、Vqsa<Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=3π/2+atan(Vqsa/Vdsa) ・・・ (13)
もし、Vqs≧0であり、かつ、Vqsa≧Vdsaであるならば、以下のようになる。
θ=2π−atan(Vdsa/Vqsa) ・・・ (14)
となる。そして、演算した電気角θの時間的変化(傾き)を算出し、この傾きが正の場合は正の相順、傾きが負の場合は負の相順であると判断し、以下の数式により電気角θ2を求める。
θ2=θ (相順が正の場合) ・・・ (15)
θ2=π−θ (相順が負の場合) ・・・ (16)
したがって、以上の説明により、電気角θ2は、電圧ベクトルVsのds方向及びqs方向の各成分Vds、Vqsの絶対値Vdsa、Vqsaの比に依存することが分かる。このように、電気角演算手段110は、電気角θ2を演算し、電気角θ2信号を3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25へ出力する。
電気角演算手段110により演算された電気角θ2を用いて、DCバス電圧が所定の設定値になるように、パワー素子27により、DCバス電圧信号とAC電源電圧信号との間で電力エネルギーが変換される。図1に戻って、電流検出器20、3相−2相電流フィードバック演算器21、DCバス電圧制御器22、d軸電流制御器23、q軸電流制御器24、2相−3相電圧指令演算器25、PWM制御器26及びパワー素子27は、図5に示した各種の制御器等と同様の機能を有するため、ここでは詳細な説明を省略する。この場合、3相−2相電流フィードバック演算器21は、電流検出器20a〜20cにより検出された電流フィードバック信号を、電気角演算手段110から電気角θ2信号をそれぞれ入力し、AC電源と同期した演算処理を行い、d軸電流フィードバック信号をd軸電流制御器23へ、q軸電流フィードバック信号をq軸電流制御器24へそれぞれ出力する。また、2相−3相電圧指令演算器25は、d軸電流制御器23からd軸電圧指令信号を、q軸電流制御器24からq軸電圧指令信号を、電気角演算手段110から電気角θ2信号をそれぞれ入力し、AC電源と同期した演算処理を行い、R相,T相及びS相の電圧指令信号をPWM制御器26へ出力する。
以上のように、実施例1のAC/DCコンバータ100によれば、当該AC/DCコンバータ100に内蔵されている電圧フィードバック検出器128が、AC電源電圧信号を入力して相間電圧VRS及びVSTを出力し、電気角演算手段110が、この相間電圧を用いて電気角θ2を演算するようにした。これにより、電圧フィードバック検出器128とは別にAC電源電圧を検出するための回路(図5に示した電源検出器11)が不要となり、AC電源の周期の始まり、周波数及び相順を測定するための回路であるエッジ検出器13、相順検出器14及び周波数検出器15も不要となる。したがって、部品点数が増加することがなく、故障する確率が高くなるという問題を解消することができる。また、図5に示したような制御用入力端子、及び、制御用入力端子への配線が不要となるから、主回路用端子への配線を間違えることなく正しく行うことができる。
また、実施例1のAC/DCコンバータ100によれば、電気角演算手段110が、電圧フィードバック検出器128から相間電圧VRS及びVSTを入力し電気角θ2を演算するようにした。これにより、AC電源信号においてその時点の電気角θ2を常に演算しているから、図5に示したようにAC電源と電気角と間で1周期のずれを生じることがなく、AC電源に確実に同期した電気角θ2を演算することができる。したがって、3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25は、AC電源に同期した電気角θ2を用いて座標変換を行うから、電気エネルギーを高効率及び低歪み率で変換することができる。
〔実施例2〕
次に、実施例2について説明する。図3は、本発明に係るAC/DCコンバータの第2の実施例を示す構成図である。このAC/DCコンバータ200は、図1に示したAC/DCコンバータ100の各構成要素に加えて、さらに、電気角同期制御手段210及び周波数/電気角変換器220を備えている。尚、図3において、図1と共通する部分には図1と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
このような構成の下で、AC/DCコンバータ200は、当該AC/DCコンバータ100内部のAC電源電圧(AC電源側の主回路用端子におけるAC電圧)を用いて電気角θ2を演算し、AC電源電圧がノイズや瞬時停電の影響を受けた場合であっても急激に変化しないような電気角θ3を、電気角θ2を用いて演算し、この演算した電気角θ3を用いて電流フィードバック及び電圧指令の座標変換を行い、AC電源に同期したパルス幅変調信号を生成し、パワー素子27がこのパルス幅変調信号を用いて電力エネルギーを変換する。つまり、AC電源電圧がノイズや瞬時停電の影響を受けて、AC電源電圧が急激に変化した場合には、図5においては、AC電源周期の始まり、周波数及び相順が変化して電気角θ1にその影響が現れてしまう。また、図1においても電気角θ2にその影響が現れてしまう。この影響を受け難くするため、AC/DCコンバータ200は、電気角θ2を用いて新たな電気角θ3を演算する。したがって、AC/DCコンバータ200は、図1に示したAC/DCコンバータ100よりも安定したDCバス電圧制御を実現することができる。
以下、AC/DCコンバータ200における電気角θ3の演算動作について詳細に説明する。電気角演算手段110が電気角θ2を演算して出力する動作は、図1と同様である。電気角同期制御手段210は、電気角演算手段110から電気角θ2信号を、周波数/電気角変換器220から電気角θ3をそれぞれ入力し、電気角同期制御を行い、周波数指令信号を周波数/電気角変換器220へ出力する。周波数/電気角変換器220は、電気角同期制御手段210から周波数指令信号を入力し、演算処理して当該周波数指令信号を電気角θ3に変換し、当該電気角θ3を3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25へ出力すると共に、電気角同期制御手段210へフィードバックする。
図4は、図3に示した電気角同期制御手段210の内部構成図である。この電気角同期制御手段210は、AC電源電圧がノイズや瞬時停電の影響を受けた場合に電気角θ2に現れる変化分を取り除き、かつ、基準周波数に合わせた新たな電気角θ3を演算するための周波数指令信号を生成する。すなわち、電気角同期制御手段210は、ノイズ等の影響を受けない本来のAC電源に同期した電気角θ3を演算するために必要な周波数指令信号を生成する。図4を参照して、この電気角同期制御手段210は、微分器211、リミッタ212、フィルタ213、電気角モデル演算器214、電気角周波数制御器215、リミッタ216及び加算器217を備えている。
電気角同期制御手段210の微分器211は、電気角演算手段110から電気角θ2を入力し、その変化量(傾き)を求める。リミッタ212は、微分器211から電気角θ2の変化量を入力し、その変化量が所定の上限値以下になるように制限する。フィルタ213は、リミッタ212から電気角θ2の変化量を入力し、例えば5次のトランバーサルフィルタにより、急激な変化を除去する。電気角モデル演算器214は、フィルタ213から電気角θ2の変化量を入力し、当該変化量を積分して内部モデル化した推定電気角を演算する。この推定電気角は、前述のノイズ等の影響を抑えた電気角である。
電気角周波数制御器215は、電気角モデル演算器214から推定電気角を、周波数/電気角変換器220から電気角θ3をそれぞれ入力し、当該推定電気角と電気角θ3とが同期するように演算処理して、周波数偏差信号を出力する。すなわち、電気角周波数制御器215は、電気角θ3が推定電気角に同期するように、周波数偏差信号を生成して出力する。電気角θ3が推定電気角に同期した場合には、周波数偏差信号は0となり、電気角θ3は、前述のノイズ等の影響を抑えた電気角となる。
リミッタ216は、電気角周波数制御器215から周波数偏差信号を入力し、当該周波数偏差信号が急激に変化した場合であっても(推定電気角が急激に変化した場合であっても)、その周波数偏差信号の変化量が所定の上限値以下になるように制限する。加算器217は、リミッタ216から周波数偏差信号を入力し、当該周波数偏差信号と、予め設定された電気角基準周波数信号とを加算処理して、周波数指令信号を周波数/電気角変換器220へ出力する。このように、電気角同期制御手段210は、周波数/電気角変換器220により変換して出力される電気角θ3が、電気角モデル演算器214により演算される推定電気角に同期するように、周波数指令信号を生成して出力する。したがって、周波数/電気角変換器220が出力する電気角θ3は、AC電源がノイズ等の影響を受けた場合であっても、その影響を抑えた電気角とすることができる。
図3を参照して、周波数/電気角変換器220は、電気角θ3信号を3相−2相電流フィードバック演算器21、2相−3相電圧指令演算器25及び電気角同期制御手段210へ出力する。そして、電気角演算手段110、電気角同期制御手段210及び周波数/電気角変換器220により演算された電気角θ3を用いて、DCバス電圧が所定の設定値になるように、パワー素子27により、DCバス電圧信号とAC電源電圧信号との間で電力エネルギーが変換される。電流検出器20、3相−2相電流フィードバック演算器21、DCバス電圧制御器22、d軸電流制御器23、q軸電流制御器24、2相−3相電圧指令演算器25、PWM制御器26及びパワー素子27は、図1及び図5に示した各種の制御器等と同様の機能を有するため、ここでは詳細な説明を省略する。この場合、3相−2相電流フィードバック演算器21は、電流検出器20a〜20cにより検出された電流フィードバック信号を、周波数/電気角変換器220から電気角θ3信号をそれぞれ入力し、AC電源と同期した演算処理を行い、d軸電流フィードバック信号をd軸電流制御器23へ、q軸電流フィードバック信号をq軸電流制御器24へそれぞれ出力する。また、2相−3相電圧指令演算器25は、d軸電流制御器23からd軸電圧指令信号を、q軸電流制御器24からq軸電圧指令信号を、周波数/電気角変換器220から電気角θ3信号をそれぞれ入力し、AC電源と同期した演算処理を行い、R相,T相及びS相の電圧指令信号をPWM制御器26へ出力する。
以上のように、実施例2のAC/DCコンバータ200によれば、電気角同期制御手段210及び周波数/電気角変換器220が、電気角θ2の調整幅に制限を設けると共に、内部モデル化した推定電気角の変化にも制限を設け、電気角θ3を生成して出力するようにした。これにより、AC電源がノイズや瞬時停電の影響を受けた場合であっても、電気角θ3は推定電気角に同期するから、その影響を受け難い電気角θ3を出力することができる。
また、実施例2のAC/DCコンバータ200によれば、周波数/電気角変換器220が、電気角同期制御手段210により生成された周波数指令信号を用いて、電気角θ3を生成するようにし、電気角同期制御手段210が、推定電気角が大きく変化した場合であっても、その周波数指令信号の変化を制限するようにした。これにより、電気角θ3を生成するための周波数指令信号は、商用周波数である基準周波数から大きく外れることがない。
また、実施例2のAC/DCコンバータ200によれば、3相−2相電流フィードバック演算器21及び2相−3相電圧指令演算器25が、AC電源に確実に同期し、かつ、ノイズ等の影響を受け難い電気角θ3を用いて座標変換を行うから、DCバス電圧の安定した制御を実現することができ、実施例1よりも一層、電気エネルギーを高効率及び低歪み率で変換することができる。
本発明に係るAC/DCコンバータの第1の実施例を示す構成図である。 電圧ベクトルVsとd−q座標系及びd−q座標系との関係を示す図である。 本発明に係るAC/DCコンバータの第2の実施例を示す構成図である。 図3のAC/DCコンバータにおける電気角周期演算器の一例を示す内部構成図である。 従来のAC/DCコンバータを示す構成図である。 電気角θ1と時間との関係を示す図である。
符号の説明
1,100,200 AC/DCコンバータ
2 AC電源
3 リアクタ
4 インバータ
5 モータ
10,110 電気角演算手段
11 電源検出器
12 電気角出力手段
13 エッジ検出器
14 相順検出器
15 周波数検出器
20 電流検出器
21 3相−2相電流フィードバック演算器
22 DCバス電圧制御器
23 d軸電流制御器
24 q軸電流制御器
25 2相−3相電圧指令演算器
26 PWM制御器
27 パワー素子
28,128 電圧フィードバック検出器
210 電気角同期制御手段
211 微分器
212,216 リミッタ
213 フィルタ
214 電気角モデル演算器
215 電気角周波数制御器
217 加算器
220 周波数/電気角変換器

Claims (3)

  1. AC電源がリアクタを介して接続されるAC電源接続部と、負荷が接続されるDCバス接続部とを備え、AC電圧に基づいて演算した電気角を用いて、AC電源接続部における電流フィードバック信号の座標変換、及びパワー素子をスイッチングするための電圧指令信号の座標変換を行い、AC電源接続部とDCバス接続部との間の電力エネルギーを変換するAC/DC双方向コンバータにおいて、
    前記AC電源接続部におけるAC電圧のフィードバック信号を検出し、相間電圧信号を生成する電圧フィードバック検出器と、
    前記相間電圧信号に基づいて、AC電圧を静止座標系及び回転座標系で表す電圧ベクトルに変換して、電気角を演算する電気角演算手段とを備え、
    該電気角演算手段により演算された電気角を用いて、前記座標変換及び電力エネルギー変換を行うことを特徴とするAC/DC双方向コンバータ。
  2. 請求項1に記載のAC/DC双方向コンバータにおいて、
    さらに、前記電気角演算手段により演算された電気角の変化を制限し、内部モデル化した推定電気角を求め、該推定電気角と同期するように第2の電気角を演算する第2の電気角演算手段を備え、
    該第2の電気角演算手段により演算された第2の電気角を用いて、前記座標変換及び電力エネルギー変換を行うことを特徴とするAC/DC双方向コンバータ。
  3. 請求項2に記載のAC/DC双方向コンバータにおいて、
    前記第2の電気角演算手段は、第2の電気角が推定電気角と同期するための周波数偏差信号を生成し、該周波数偏差信号の変化を制限し、予め設定された基準周波数を用いて周波数指令信号を生成し、該周波数指令信号から第2の電気角を演算する
    ことを特徴とするAC/DC双方向コンバータ。

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