JP2007244079A - 整流器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の急変時や交流電源電圧の急変時においても、平滑コンデンサの直流電圧を一定に維持可能とした整流器の制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭ整流器３の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊から力行運転モード、回生運転モードを判断し、このモードに応じて切替スイッチ２３により直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊と直流電圧検出値Ｅ_ｄとの比（＝Ｅ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄ）またはその逆数を選択して入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊に乗じ、最終的な振幅指令値を得ると共に、この振幅指令値に基準信号を乗じて入力電流瞬時値指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊を得る。そして、入力電流Ｉ_ｓが指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊に一致するように入力電流制御部１２にて調節演算し、その出力と交流電圧検出値Ｖ_ｓとを加算してＰＷＭ整流器３の交流電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を生成する。なお、入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊に代えて入力電流瞬時値指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊を補正しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ整流器のように半導体スイッチング素子のオンオフにより交流電力を直流電力に変換する整流器の制御装置に関し、詳しくは整流器の直流電圧の制御技術に関するものである。

図２は、ＰＷＭ整流器を備えた電力変換システムの構成図であり、例えば特許文献１に記載されたコンバータ装置とほぼ同様のものである。
図２において、１は交流電源、２はリアクトル、３は半導体スイッチング素子からなるＰＷＭ整流器、４は平滑コンデンサ、５はインバータ、６は交流電動機等の負荷を示している。ＰＷＭ整流器３は、制御装置１０から出力されるゲート信号により半導体スイッチング素子をオンオフさせて力行動作（整流動作）または回生動作（インバータ動作）することにより、平滑コンデンサ４の電圧Ｅ_ｄを規定電圧に維持している。
なお、７はＰＷＭ整流器３の入力電流Ｉ_ｓを検出する電流検出器、８は交流電源１の電圧Ｖ_ｓを検出する電圧検出器、９は平滑コンデンサ４の電圧Ｅ_ｄを検出する電圧検出器である。

図２における制御装置１０の構成及び動作は、以下の通りである。
直流電圧制御部１１は、電圧検出器９から出力される電圧検出値Ｅ_ｄを平滑コンデンサ４の直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊に一致させる調節演算を行い、その結果を入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊として出力する。乗算器１４は、入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊と交流電源１の電圧に同期した基準信号ｓｉｎとを乗算し、入力電流瞬時値指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊を出力する。

入力電流制御部１２では、電流検出器７から出力される電流検出値Ｉ_ｓを入力電流瞬時値指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊に一致させる調節演算を行う。そして、入力電流制御部１２の出力と電圧検出器８から出力される電圧検出値Ｖ_ｓとを加算器１５にて加算することにより、ＰＷＭ整流器３の交流電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を生成する。
ゲート信号生成部１３は、交流電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊に基づき、ＰＷＭ整流器３の半導体スイッチング素子に与えるゲート信号を生成し、これらの半導体スイッチング素子をオンオフさせる。
以上の動作により、ＰＷＭ整流器３は、その直流出力電圧Ｅ_ｄを直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊に保つように整流動作し、インバータ５はこの直流電圧Ｅ_ｄを交流電圧に変換して負荷６に供給する。

特開平１１−１１３２６１号公報（段落［０００５］，［０００６］、図１１等）

上記従来技術において、負荷６や交流電源電圧に変動が発生し、これによって直流電圧Ｅ_ｄが変動した場合、直流電圧制御部１１によって直流電圧Ｅ_ｄを直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊に維持するように制御が行われる。しかし、負荷６や交流電源電圧の急変幅（急変率）が大きい場合、図２に示した直流電圧制御方法ではその電圧変動を十分に抑制することができず、平滑コンデンサ４の電圧の過不足によりシステムが異常停止してしまうという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、負荷の急変時や交流電源電圧の急変時においても、平滑コンデンサの直流電圧を指令値通りに維持可能とした整流器の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、
直流側の電圧を指令値に一致するように制御する整流器において、
直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊と直流電圧検出値Ｅ_ｄとの比（＝Ｅ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄ）に応じて交流電流指令値を補正する補正手段を備えたものである。
ここで、補正の対象となる交流電流指令値は、交流電流振幅指令値、または、この振幅指令値に正弦波の基準信号を乗算して得た交流電流瞬時値指令値の何れであっても良い。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、
前記補正手段は、直流電圧指令値と直流電圧検出値との比である補正量を元の交流電流指令値に乗じて交流電流指令値を補正するものである。

請求項３に記載した発明は、請求項２において、
前記整流器は力行運転及び回生運転が可能であり、
前記補正手段は、
力行運転モードでは直流電圧指令値と直流電圧検出値との比である補正量を元の交流電流指令値に乗じると共に、回生運転モードでは前記の比の逆数である補正量を元の交流電流指令値に乗じて、交流電流指令値をそれぞれ補正するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項３において、
直流電圧検出値が直流電圧指令値に一致するように制御する直流電圧制御手段を備え、
前記補正手段は、前記直流電圧制御手段から出力される交流電流指令値から力行運転モード、回生運転モードを判断し、その判断結果に応じて、前記補正量を元の交流電流指令値に乗じることにより交流電流指令値を補正するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項４において、
前記補正手段を経て生成された交流電流瞬時値指令値に、前記整流器の交流電流が一致するように前記整流器の交流電圧指令値を制御する交流電流制御手段を備えたものである。

本発明によれば、整流器の直流電圧指令値と実際の直流電圧との大小関係に応じて整流器の交流電流指令値を補正することにより、直流電圧の変動を抑制してその指令値に一致させることができる。
このため、負荷の急変時や交流電源電圧の急変時にも直流電圧の急変を未然に防止して当該整流器を含む電力変換システムの継続的な運転が可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る制御装置２０のブロック図である。なお、この制御装置２０は、例えば図２に示したような電力変換システム内のＰＷＭ整流器３の制御に用いられるものである。
図１において、図２の制御装置１０内の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。

図１に示す制御装置２０では、図２の制御装置１０に対し、除算器２１，２２、切替スイッチ２３及び乗算器２４が付加されている。
除算器２１は、直流電圧Ｅ_ｄ及び直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊を用いて補正量（＝Ｅ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄ）を演算し、除算器２２は逆数である補正量（＝Ｅ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊）を演算する。切替スイッチ２３は、直流電圧制御部１１から出力される入力電流（交流電流）振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊に応じて切り替わり、補正量としてＥ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄまたはＥ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊を乗算器２４に向けて出力する。乗算器２４では、元の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊にＥ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄまたはＥ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊を乗算して入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊を補正し、これを最終的な振幅指令値として次段の乗算器１４に出力する。

ここで、切替スイッチ２３は、ＰＷＭ整流器３の運転モードに応じて切替動作する。
すなわち、ＰＷＭ整流器３が力行運転（整流動作）の場合にはＩ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊≧０であるため、切替スイッチ２３はこれを検出し、入力として除算器２１側のＥ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄを選択する。乗算器２４では、Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊にＥ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄを乗じて入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊を補正する。

上記の補正処理により、例えば平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄが上昇して直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊よりも高くなった場合には、補正量（＝Ｅ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄ）が１よりも小さくなるため、補正後の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊は直流電圧制御部１１の出力である元の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊よりも小さくなる。
このため、力行運転モードにおいて交流電源１から流入する電流Ｉ_ｓが減少し、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄの上昇が抑制される。

逆に、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄが低下して直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊よりも低くなった場合には、補正量（＝Ｅ_ｄ ^＊／Ｅ_ｄ）が１よりも大きくなるため、補正後の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊は元の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊よりも大きくなる。
従って、交流電源１から流入する電流Ｉ_ｓが増加し、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄの低下が抑制されることとなる。

また、ＰＷＭ整流器３が回生運転（インバータ動作）の場合にはＩ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊＜０であるため、切替スイッチ２３はこれを検出し、入力として除算器２２側のＥ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊を選択する。乗算器２４では、Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊にＥ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊を乗じて入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊を補正する。

上記の補正処理により、例えば平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄが上昇して直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊よりも高くなった場合には、補正量（＝Ｅ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊）が１よりも大きくなるため、補正後の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊は元の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊よりも大きくなり、回生運転モードにおいて交流電源１へ流出する電流Ｉ_ｓが増加し、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄの上昇が抑制される。

逆に、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄが低下して直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊よりも低くなった場合には、補正量（＝Ｅ_ｄ／Ｅ_ｄ ^＊）が１よりも小さくなるため、補正後の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊は元の入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊よりも小さくなるため、交流電源１へ流出する電流Ｉ_ｓが減少し、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄの低下が抑制されることとなる。

以上のように、本実施形態によれば、力行運転、回線運転の各モードにおいて、平滑コンデンサ４の直流電圧Ｅ_ｄと直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊との大小関係に応じて交流電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊の補正量を切り替えることで、直流電圧Ｅ_ｄを変動させずにその指令値Ｅ_ｄ ^＊に一致するように制御することができる。
このため、負荷６の急変時や交流電源電圧の急変時にも直流電圧Ｅ_ｄの急変を未然に防止し、電力変換システムを停止させずに継続して運転することが可能である。
なお、直流電圧Ｅ_ｄが直流電圧指令値Ｅ_ｄ ^＊にほぼ一致している場合には、切替スイッチ２から“１”を出力させるように構成すれば良い。

なお、上記実施形態では、切替スイッチ２３により選択した補正量を用いて乗算器２４により入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊を補正しているが、入力電流瞬時値指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊を補正しても良い。すなわち、この場合には、乗算器２４を乗算器１４の後段に移動し、入力電流振幅指令値Ｉ_{ｓｓｏｌｐ} ^＊と基準信号ｓｉｎとを乗算器１４により乗算した結果である入力電流瞬時値指令値Ｉ_ｓｓｏｌ ^＊を乗算器２４に入力し、切替スイッチ２３により選択した補正量を乗じて補正すれば良い。

また、本発明は、ＰＷＭ整流器ばかりでなく他の制御方式による整流器の制御装置にも適用可能である。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 従来技術を示す電力変換システムの構成図である。

符号の説明

１：交流電源
２：リアクトル
３：ＰＷＭ整流器
４：平滑コンデンサ
５：インバータ
６：負荷
１１：直流電圧制御部
１２：入力電流制御部
１３：ゲート信号生成部
１４，２４：乗算器
１５：加算器
２０：制御装置
２１，２２：除算器
２３：切替スイッチ

Claims (5)

1. 直流側の電圧を指令値に一致するように制御する整流器において、
   この整流器の直流電圧指令値と直流電圧検出値との比に応じて交流電流指令値を補正する補正手段を備えたことを特徴とする整流器の制御装置。
2. 請求項１に記載した整流器の制御装置において、
   前記補正手段は、直流電圧指令値と直流電圧検出値との比である補正量を元の交流電流指令値に乗じて交流電流指令値を補正することを特徴とする整流器の制御装置。
3. 請求項２に記載した整流器の制御装置において、
   前記整流器は力行運転及び回生運転が可能であり、
   前記補正手段は、
   力行運転モードでは直流電圧指令値と直流電圧検出値との比である補正量を元の交流電流指令値に乗じると共に、回生運転モードでは前記の比の逆数である補正量を元の交流電流指令値に乗じて、交流電流指令値をそれぞれ補正することを特徴とする整流器の制御装置。
4. 請求項３に記載した整流器の制御装置において、
   直流電圧検出値が直流電圧指令値に一致するように制御する直流電圧制御手段を備え、
   前記補正手段は、前記直流電圧制御手段から出力される交流電流指令値から力行運転モード、回生運転モードを判断し、その判断結果に応じて、前記補正量を元の交流電流指令値に乗じることにより交流電流指令値を補正することを特徴とする整流器の制御装置。
5. 請求項４に記載した整流器の制御装置において、
   前記補正手段を経て生成された交流電流瞬時値指令値に、前記整流器の交流電流が一致するように前記整流器の交流電圧指令値を制御する交流電流制御手段を備えたことを特徴とする整流器の制御装置。

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