JP2006271102A

JP2006271102A - 並列多重チョッパ装置

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Publication number: JP2006271102A
Application number: JP2005085370A
Authority: JP
Inventors: Tsuguhiro Tanaka; 嗣大田中
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: JP4642517B2

Abstract

【課題】個々の単位チョッパの電流検出を行うことなく、電流アンバランス補正制御が可能となる並列多重チョッパ装置を提供する。
【解決手段】共通の直流電源１に並列に接続され、制御部３からのオンオフ指令によりその通流率が制御される単位チョッパＮ（Ｎは２以上の整数）台と、この単位チョッパの夫々の出力側に設けられ、その出力が共通の負荷５に接続されたリアクトル４と、負荷の入力電流を検出する電流検出器６とで構成し、前記制御部は、前記入力電流を電流指令値に追従させ、平均通流率基準を出力する電流制御手段２１と、各々の単位チョッパの電流が均衡するように前記平均通流率基準を夫々補正するアンバランス補正演算手段と、単位チョッパ毎に前記補正された通流率基準と当該単位チョッパ用キャリア信号２５とを比較して当該単位チョッパのゲート信号を出力する手段とを有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、単位チョッパを複数台並列接続させて負荷に直流電流を供給する並列多重チョッパ装置に関する。

直流電圧を所望の直流電圧に変換するチョッパ構成の装置において、負荷に低リプル化された大電流を供給する場合には、単位チョッパを多並列として負荷電流を分担させる並列多重チョッパ装置を採用することがある。この場合、各単位チョッパの主スイッチング素子のスイッチング動作には位相差を設け、出力の低リプル化を図るのが一般的である。

このような並列多重チョッパ装置においては、各単位チョッパに同一の部品を用いても、各々の単位チョッパの部品の特性や配線路の差等に起因するインピーダンスのばらつきにより、各単位チョッパの出力電流がアンバランスになるという問題がある。各単位チョッパの出力電流がアンバランスになると、電流が過大となった単位チョッパのために全体としての出力容量が低下する不具合や出力リプルが増大するという不具合を生ずる。

この出力電流のアンバランスを解消するため、異なる単位チョッパ毎の電流偏差を検出し、この偏差を零にするように各単位チョッパの通流率を制御する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平９−２１５３２２号公報（第４頁、図１）

特許文献１に記載されているように、単位チョッパ毎に電流検出器を設け、この検出電流を用いてフィードバック制御を行ってアンバランスを補正することは可能であるが、検出機器が単位チョッパの台数分必要になるばかりでなく、制御部も複雑化する欠点がある。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、個々の単位チョッパの電流検出を行うことなく、電流アンバランス補正制御が可能となる並列多重チョッパ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の並列多重チョッパ装置は、共通の直流電源に並列に接続され、制御部からのオンオフ指令によりその通流率が制御される単位チョッパＮ（Ｎは２以上の整数）台と、前記単位チョッパの夫々の出力側に設けられ、その出力が共通の負荷に接続されたリアクトルと、前記負荷の入力電流を検出する電流検出器とを具備し、前記制御部は、前記電流検出値で検出された入力電流を電流指令値に追従させ、平均通流率基準を出力する電流制御手段と、各々の単位チョッパの電流が均衡するように前記平均通流率基準を夫々補正するアンバランス補正演算手段と、単位チョッパ毎に前記補正された通流率基準と当該単位チョッパ用キャリア信号とを比較して当該単位チョッパのゲート信号を出力する手段とを有するように構成したことを特徴としている。

本発明によれば、個々の単位チョッパの電流検出を行なうことなく、電流アンバランス補正制御が可能となる並列多重チョッパ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る並列多重チョッパ装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図である。

共通の直流電源１の出力は、制御部３からの制御信号でその出力が制御されるＮ（Ｎは２以上の整数）台の単位チョッパ２Ａ、・・・、２Ｎの夫々の入力となっている。単位チョッパ２Ａ、・・・、２Ｎの出力は夫々リアクトル４Ａ、・・・、４Ｎを介し、共通の負荷５に並列に接続されている。負荷５の入力電流は電流検出器６で検出され、この検出信号は制御部３に与えられる。尚、図１において、図面が複雑になるのを避けるために１台目とＮ台目のみ単位チョッパを図示している。以下制御部３の内部構成について説明する。

電流検出器６で検出された電流信号は、その１／Ｎの大きさが電流制御器２１によって与えられた電流指令値と比較され、この偏差を電流制御器２１内で演算処理することにより各単位チョッパの平均的な通流率基準Ｅｃを得る。この通流率基準Ｅｃはゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎの各々の入力となる。ゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎの各々の出力には、オフセット設定器２３Ａ、・・・、２３Ｎの設定値が加算器２４Ａ、・・・、２４Ｎで夫々加算され、補正された通流率基準ＥｃＡ、・・・、ＥｃＮが得られる。この通流率基準Ｅｃはキャリア比較器２５Ａ，・・・、２５Ｎに夫々与えられ、キャリア比較器２５Ａ，・・・、２５Ｎは単位チョッパ２Ａ、・・・、２Ｎを構成するスイッチング素子を夫々オンオフ制御する。

上記構成において、通流率基準Ｅｃから補正された通流率基準ＥｃＡ、・・・、ＥｃＮを得るアンバランス補正手段によって、各単位チョッパの電流のアンバランスが補正されることが分かる。

尚、ここでの電流指令値は、繰り返しパターン電流を生成するような指令値を考えており、この実施例１は、指令値が一定値の場合やランプ関数の場合に好適である。以下図２を参照してゲイン演算器とオフセット設定値の求め方の一例を説明する。

図２は単位チョッパ２Ａ、２Ｂの２台の単位チョッパで構成される図１の主回路を等価的に表したものである。ここで、Ｚ１は単位チョッパ２ＡのインピーダンスでＺ１＝Ｒ＋ｓＬ、Ｚ２は単位チョッパ２ＢのインピーダンスでＺ２＝Ｒ＋ΔＲ＋ｓ（Ｌ＋ΔＬ）、Ｚ３は負荷５のインピーダンスでＺ３＝Ｒ_０＋ｓＬ_０とする。尚、上式でｓはラプラス演算子である。

今、電流指令値が傾きＡのランプ関数の場合、即ちＩｒｅｆ＝Ａｔの場合を考えると、通流率基準を電圧に換算した単位チョッパ２Ａの電圧指令は、
Ｖref＝（Ｒ_０＋Ｒ）Ｉｒｅｆ＋（Ｌ_０＋Ｌ）ｄＩｒｅｆ／ｄｔ
＝（Ｒ_０＋Ｒ）Ａｔ＋（Ｌ_０＋Ｌ）Ａ
また、アンバランス補正を施した単位チョッパ２Ｂの電圧指令は、補正ゲインをＫ、オフセット設定値をＯＦＳとして、
Ｖref´＝{（Ｒ_０＋Ｒ）Ａｔ＋（Ｌ_０＋Ｌ）Ａ}＊Ｋ＋ＯＦＳ
となる。ラプラス演算子ｓを用いて上式を書き直すと、
Ｖref（ｓ）＝Ａ（Ｒ_０＋Ｒ）／ｓ^２＋Ａ（Ｌ_０＋Ｌ）／ｓ・・・（１）
Ｖref´（ｓ）＝（Ｒ_０＋Ｒ）Ａ＊／ｓ^２＋{Ａ（Ｌ_０＋Ｌ）Ｋ＋ＯＦＳ}／ｓ・・・（２）
となる。また、単位チョッパ２Ａ及び２Ｂの電流ｉ１及びｉ２は図２の回路から夫々、
ｉ１＝{（Ｚ２＋Ｚ３）／（Ｚ１Ｚ２＋Ｚ２Ｚ３＋Ｚ３Ｚ１）}＊Ｖｒｅｆ（ｓ）・・・（３）
ｉ２＝{（Ｚ１＋Ｚ３）／（Ｚ１Ｚ２＋Ｚ２Ｚ３＋Ｚ３Ｚ１）}＊Ｖｒｅｆ´（ｓ）・・・（４）
で与えられる。

従って、上記（１）乃至（４）式と、アンバランス補正を行った結果ｉ１＝ｉ２となる条件を用いて、補正ゲインＫ及びオフセット設定値ＯＦＳの値を求めると、
Ｋ＝１＋ΔＲ／（Ｒ＋Ｒ_０）
ＯＦＳ＝ＡＬ_０{ΔＬ／（Ｌ＋Ｌ_０）−ΔＲ／（Ｒ＋Ｒ_０）}
となる。上式を単位インバータがＮ台ある場合に拡張したときには、アンバランス補正用のゲイン演算器のゲインを、
Ｋ_Ｎ＝１＋ΔＲ_Ｎ／（Ｒ＋Ｒ_０）
とし、オフセット設定器のオフセット設定値を
ＯＦＳ_Ｎ＝Ａ（Ｌ＋Ｌ_０）（ΔＬ_Ｎ／（Ｌ＋Ｌ_０） - ΔＲ_Ｎ／（Ｒ＋Ｒ_０））
と設定すれば良いことが分かる。

尚、電流指令値が一定値Ｂの場合即ちＩｒｅｆ＝Ｂの場合には、更に簡単になり、アンバランス補正用のゲイン演算器のゲインを、
Ｋ_Ｎ＝１＋ΔＲ_Ｎ／（Ｒ＋Ｒ_０）
とし、またオフセット設定器のオフセット設定値を、
ＯＦＳ_Ｎ＝０
と設定すれば良い。

以上により、本実施例によれば、各単位インバータの出力指令が一定値又はランプ関数のとき、電流のアンバランス分をゲイン演算器とオフセット設定値によるアンバランス補正手段で補正することが可能となる。

図３は本発明の実施例２に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、通流率基準Ｅｃを入力とする第２ゲイン演算器３１Ａ、・・・、３１Ｎを設け、この第２ゲイン演算器３１Ａ、・・・、３１Ｎの出力と、通流率基準Ｅｃを乗算器３２Ａ、・・・、３２Ｎで夫々乗算した補正分を加算器３２Ａ、・・・、３２Ｎによって、ゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎの出力に夫々加えるようにした点である。

電流指令値がべき乗波形Ａｔ^ｎ（ｎ＝２，３・・・）で構成されるパターン電流の場合、各チョッパ装置に含まれる抵抗分ΔＲ，インダクタンス分ΔＬのアンバランスは，それぞれＡΔＲｔ^ｎ，ＡｎΔＬｔ^ｎ−１となる。また，負荷にキャパシタンス分のアンバランスが有る場合，ＡΔｔ^ｎ＋１／(Ｃ(ｎ＋１))となる。

従って電流指令値が２乗波形Ｉｒｅｆ＝Ａｔ^２であれば、図３に示したように通流率基準と第２ゲイン演算器の出力を乗算して、Ｉｒｅｆ＝Ａｔの場合のゲイン演算器に加算する補正を行えば、アンバランス分を補正できる。さらに高次の電流指令値の場合は、上記補正を繰り返して行うようにすれば良い。

図４は本発明の実施例３に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例１と異なる点は、ゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎ及びオフセット設定器２３Ａ、・・・、２３Ｎによる補正に代えて、周波数関数演算器４１Ａ、・・・、４１Ｎを設け、この出力を加算器４２Ａ、・・・、４２Ｎを用いて通流率基準Ｅｃに加算して補正された通流率基準を求めるようにした点である。

各単位チョッパの平均の抵抗をＲ、平均値からのずれをΔＲ_ｎ、インダクタンスをＬ、この平均値からのずれをΔＬ_Ｎとすると（Ｎは単位チョッパの並列多重数）、各単位チョッパのインピーダンスは（Ｒ＋ΔＲ_Ｎ、Ｌ＋ΔＬ_Ｎ）である。また、負荷のインピーダンスを（Ｒ_０、Ｌ_０）とすると、電流指令値がＡ＊ｓｉｎ(ωｔ)のパターン電流の場合、アンバランス補正用の周波数関数演算器は、
ｆ_Ｎ（ｎωｔ）＝Ａ{ΔＲ_Ｎ＊ｓｉｎ(ωｔ)＋ωΔＬ_Ｎ＊ｃｏｓ(ωｔ)}
とすれば良いことが分かる。

以上のように、本実施例においては、電流指令値が三角関数の場合に有効な補正を行うことが可能となる。

図５は本発明の実施例４に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図１の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が、実施例１と異なる点は、オフセット設定器ＯＦＳのオフセット値をゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎの出力に加算することに代えて、ゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎの出力を１次進み遅れ演算器５１Ａ、・・・、５１Ｎの入力とし、１次進み遅れ演算器５１Ａ、・・・、５１Ｎの出力を補正された通流基準値とした点である。

チョッパ装置では、直流電源をオンオフ制御して電流指令値に追従させるため、電流制御部２１によって電流指令値を通流率基準（または電圧指令値）に変換している。

負荷５が抵抗とインダクタンスの場合、ゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎが抵抗値、１次進み遅れ演算器５１Ａ、・・・、５１Ｎの一次進み時間が（インダクタンス値／抵抗値）に対応する。そこで本実施例では、ゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎで抵抗のアンバランス分を補正し、一次進み遅れ演算器５１Ａ、・・・、５１Ｎの一次進み要素によって（インダクタンス分／抵抗分）のアンバランス分を補正する。

本実施例においては、各単位チョッパの電流のアンバランス分をゲイン演算器２２Ａ、・・・、２２Ｎ及び一次進み遅れ演算器５１Ａ、・・・、５１Ｎを用いて補正するようにしたので、電流指令値の電流パターンの波形に依らず、比較的実用的な補正を行うことが可能となる。

図６は本発明の実施例５に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図５の実施例４に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が、実施例４と異なる点は、加算器５２Ａ、・・・、５２Ｎによって、一次進み遅れ演算器５１Ａ、・・・、５１Ｎの出力に通流率基準Ｅｃを加えることによって補正された通流率基準を得るようにした点である。

実施例４においては、上述したようにアンバランス分をゲイン要素的に補正している。これに対し、この実施例５においてはアンバランス分をオフセット要素的に補正するようにしているが、基本的には実施例４の場合と同様の補正効果が得られる。

以下、本発明の実施例６に係る並列多重チョッパ装置を図７及び図８を参照して説明する。

図７は、本発明の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図である。この実施例６の各部について、図１の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が、実施例１と異なる点は、電流指令値を入力とするアンバランス補正演算器選択回路６２を設け、このアンバランス補正演算器選択回路６２の出力を、複数の補正演算器で構成されたアンバランス補正演算回路６１A、・・・、６１Nに与えるように構成した点である。

上記構成の詳細について図８を参照して説明する。図８は実施例６のアンバランス補正部分の詳細ブロック構成図である。

まずアンバランス補正演算回路６１Aの構成について説明する。ここでアンバランス補正演算回路６１A以外の他のアンバランス補正演算回路については、アンバランス補正演算回路６１Aと同一の構成であるので図示を省略している。通流率基準Ｅｃは切換器６３Aに入力される。この切換器６３Aは、M（Mは２以上の整数）個ある補正演算器６４Ａ１、６４Ａ２、・・・、６４ＡＭの何れかに選択的に通流率基準Ｅｃを入力するように動作し、この結果補正された通流率基準ＥｃＡが出力として得られる。

次にアンバランス補正演算器選択回路６２の構成と動作について説明する。電流指令値を入力とする波形検出判定回路６５は、その波形を分析し、その波形に応じてどの補正演算器を選択すべきかを補正演算器選択回路６６に与える。この信号を受け、補正演算器選択回路６６は切換器６３Ａに選択信号を発し、この結果補正演算器６４Ａ１、６４Ａ２、・・・、６４ＡＭの何れかが選択される。

以上の構成において、補正演算器６４Ａ１、６４Ａ２、・・・、６４ＡＭの各々に、例えば実施例１乃至実施例５で示したアンバランス補正演算回路の何れかを割り当てておけば、電流指令値の電流パターンの変化に応じて最適なアンバランス補正を自動的に行うようにすることが可能となる。

本発明の実施例１に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図。補正量を演算するための等価回路。本発明の実施例２に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図。本発明の実施例３に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図。本発明の実施例４に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図。本発明の実施例５に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図。本発明の実施例６に係る並列多重チョッパ装置のブロック構成図。実施例６のアンバランス補正部分の詳細ブロック構成図。

符号の説明

１直流電源
２Ａ、・・・、２Ｎ単位チョッパ
３制御部
４Ａ、・・・、４Ｎリアクトル
５負荷
６電流検出器

２１電流制御器
２２Ａ、・・・、２２Ｎゲイン演算器
２３Ａ、・・・、２３Ｎオフセット設定器
２４Ａ、・・・、２４Ｎ加算器
２５Ａ、・・・、２５Ｎキャリア比較器
３１Ａ、・・・、３１Ｎ第２ゲイン演算器
３２Ａ、・・・、３２Ｎ乗算器
３４Ａ、・・・、３４Ｎ加算器
４１Ａ、・・・、４１Ｎ周波数関数演算器
５１Ａ、・・・、５１Ｎ一次進み遅れ演算器
５２Ａ、・・・、５２Ｎ加算器
６１Ａ、・・・、６１Ｎアンバランス補正演算器
６２アンバランス補正演算器選択回路
６３Ａ切換器
６４Ａ１、６４Ａ２、・・・、６４ＡＭ補正演算器
６５波形検出判定回路
６６補正演算器選択回路

Claims

共通の直流電源に並列に接続され、制御部からのオンオフ指令によりその通流率が制御される単位チョッパＮ（Ｎは２以上の整数）台と、
前記単位チョッパの夫々の出力側に設けられ、その出力が共通の負荷に接続されたリアクトルと、
前記負荷の入力電流を検出する電流検出器と
を具備し、
前記制御部は、
前記電流検出値で検出された入力電流を電流指令値に追従させ、平均通流率基準を出力する電流制御手段と、
各々の単位チョッパの電流が均衡するように前記平均通流率基準を夫々補正するアンバランス補正演算手段と、
単位チョッパ毎に前記補正された通流率基準と当該単位チョッパ用キャリア信号とを比較して当該単位チョッパのゲート信号を出力する手段と
を有するように構成したことを特徴とする並列多重チョッパ装置。
前記アンバランス補正演算手段は、
前記平均通流率基準にゲインを乗算するゲイン演算手段と、
所定のオフセット値を設定するオフセット設定手段と、
前記ゲイン演算手段の出力と前記オフセット設定手段の出力を加算する手段と
から成ることを特徴とする請求項１に記載の並列多重チョッパ装置。
前記アンバランス補正演算手段は、
前記平均通流率基準にゲインを乗算するゲイン演算手段と、
前記平均通流率基準に第２のゲインを乗算する第２のゲイン演算手段と、
前記第２のゲイン演算手段の出力と前記平均通流率基準を乗算する乗算手段と、
前記ゲイン演算手段の出力と前記乗算手段の出力を加算する加算手段と、
所定のオフセット値を設定するオフセット設定手段と、
前記加算手段の出力と前記オフセット設定手段の出力を加算する手段と
から成ることを特徴とする請求項１に記載の並列多重チョッパ装置。
前記アンバランス補正演算手段は、
前記平均通流率基準に、周波数に応じた電圧降下を補正するための周波数関数演算器を乗算する周波数関数補正手段と、
この周波数関数補正手段の出力と前記平均通流率基準を加算する手段と
から成ることを特徴とする請求項１に記載の並列多重チョッパ装置。
前記アンバランス補正演算手段は、
前記平均通流率基準にゲインを乗算するゲイン演算手段と、
このゲイン演算手段の出力に１次進み遅れ要素を乗算する１次進み遅れ演算手段と
から成ることを特徴とする請求項１に記載の並列多重チョッパ装置。
前記アンバランス補正演算手段は、
前記平均通流率基準にゲインを乗算するゲイン演算手段と、
このゲイン演算手段の出力に１次進み遅れ要素を乗算する１次進み遅れ演算手段と、
前記１次進み遅れ演算手段の出力に前記平均通流率基準を加算する手段と
から成ることを特徴とする請求項１に記載の並列多重チョッパ装置。
前記アンバランス補正演算手段は複数個の補正演算手段から成り、
前記制御部は、
前記電流指令値の指令パターンの波形に応じて、前記複数個の補正演算手段の何れかを切換えて選択するアンバランス補正演算器選択手段を
有することを特徴とする請求項１に記載の並列多重チョッパ装置。