JP2007288968A - Capacitor charging device for rectifier circuit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、N(Nは2以上の自然数)相の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路、特にその制御に関する。 The present invention relates to a rectifier circuit that converts an AC voltage of N (N is a natural number of 2 or more) phase into a DC voltage, and more particularly to its control.
半導体電力変換素子によりなる交流/直流変換回路を用いて、N相の交流電圧を直流電圧に変換し、負荷に供給するシステムは従来から良く知られている。図8は例えば特許文献1に開示されている三相の整流回路とその制御回路の例を示す。
図8において、R,S,Tは交流入力端子、P,Nは直流出力端子、LR,LS,LTはリアクトル、SR1,SR2,SS1,SS2,ST1,ST2はIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やMOSFET(金属酸化膜形電界効果トランジスタ)などのスイッチング素子、DR1〜4,DS1〜4,DT1〜4はダイオード、C1,C2はP,N間に直列接続されたコンデンサ、4R,4S,4Tは双方向スイッチ回路である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a system that converts an N-phase AC voltage into a DC voltage using an AC / DC conversion circuit composed of a semiconductor power conversion element and supplies the converted voltage to a load is well known. FIG. 8 shows an example of a three-phase rectifier circuit and its control circuit disclosed in
In FIG. 8, R, S, and T are AC input terminals, P and N are DC output terminals, LR, LS, and LT are reactors, and SR1, SR2, SS1, SS2, ST1, and ST2 are IGBTs (insulated gate bipolar transistors). And switching elements such as MOSFET (metal oxide field effect transistor), DR1-4, DS1-4, DT1-4 are diodes, C1, C2 are capacitors connected in series between P and N, 4R, 4S, 4T Is a bidirectional switch circuit.
例えば、双方向スイッチ回路4Rは、スイッチング素子SR1,SR2の直列回路と、ダイオードDR1,DR2の直列回路とを並列接続して構成される。ダイオードDR1,DR2同士の接続点はリアクトルLRの一端に接続され、スイッチング素子SR1,SR2同士の接続点はコンデンサC1,C2同士の接続点に接続される。スイッチング素子SR1,SR2の直列回路の両端は、ダイオードDR3,4を介してコンデンサC1,C2の直列回路の両端に接続される。なお、双方向スイッチ回路4S,4Tも上記と同様に構成される。
For example, the bidirectional switch circuit 4R is configured by connecting in parallel a series circuit of switching elements SR1 and SR2 and a series circuit of diodes DR1 and DR2. A connection point between the diodes DR1 and DR2 is connected to one end of the reactor LR, and a connection point between the switching elements SR1 and SR2 is connected to a connection point between the capacitors C1 and C2. Both ends of the series circuit of switching elements SR1 and SR2 are connected to both ends of the series circuit of capacitors C1 and C2 via diodes DR3 and DR4. The
制御回路の動作について説明する。
電圧検出器2RS,2STにより検出した入力線間電圧VRS,VSTを、相電圧変換器10により相電圧VR,VS,VTに変換し、変換した入力相電圧VR,VS,VTの極性と同期した信号R+,R−,S+,S−,T+,T−を極性判別器11により作成する。また、電圧検出器5C1より検出したコンデンサ電圧VC1を指令値12にフィードバックし、電圧調節器13bを介して入力相電圧VR,VS,VTと乗算する。さらに、電圧検出器5C2より検出した直流出力電圧VC2を指令値12にフィードバックし、電圧調節器13aを介して入力相電圧VR,VS,VTと乗算する。
The operation of the control circuit will be described.
The input line voltages VRS, VST detected by the voltage detectors 2RS, 2ST are converted into phase voltages VR, VS, VT by the
これらの乗算結果に対し、電流検出器3R,3S,3Tにより検出した各相入力電流IR,IS,ITをフィードバックし、電流調節器16R,16S,16Tを介して比較器17R,17S,17Tによりキャリア信号20と比較することで、上側アームのスイッチング素子SR1,SS1,ST1に対するPWM信号を得るとともに、電流調節器16Ra,16Sa,16Taを介して比較器17Ra,17Sa,17Taによりキャリア信号20と比較することで、下側アームのスイッチング素子SR2,SS2,ST2に対するPWM信号を得る。さらに、入力相電圧VR,VS,VTの極性と同期した信号R+,R−,S+,S−,T+,T−と、上記PWM信号との論理積をアンドゲート18R〜18Taで求め、ゲート駆動回路19R〜19Taを介して各スイッチング素子SR1,SR2,SS1,SS2,ST1,ST2に対する制御信号を作成する。
In response to these multiplication results, the respective phase input currents IR, IS, IT detected by the
ここで、コンデンサ電圧VC1が低下するとスイッチング素子SS2のパルス幅が広くなり、コンデンサ電圧VC1が上昇するとスイッチング素子SS2のパルス幅が狭くなるように制御回路101が動作する。これにより、R→LR→DR1→DR3→C1→SS2→DS2→LS→S→Rの経路で流れるコンデンサC1の充電電流が変化し、コンデンサ電圧VC1が一定に維持される。一方、コンデンサ電圧VC2が低下するとスイッチング素子SR1のパルス幅が広くなり、コンデンサ電圧VC2が上昇するとスイッチング素子SR1のパルス幅が狭くなるように制御回路101が動作する。これにより、R→LR→DR1→SR1→C2→DS4→DS2→LS→S→Rの経路で流れるコンデンサC2の充電電流が変化し、コンデンサ電圧VC2が一定に維持される。
Here, when the capacitor voltage VC1 decreases, the pulse width of the switching element SS2 increases, and when the capacitor voltage VC1 increases, the
このような動作により、コンデンサ電圧VC1,VC2をそれぞれ独立して制御することができる。また、入力電流のフィードバック制御によって、入力電流は入力電圧と同期した正弦波状の波形に制御され、出力電圧(コンデンサC1,C2の電圧)もフィードバック制御によって、一定の直流電圧に制御することができる。これにより、入力電流を高力率に制御しながら、交流電圧を直流電圧に変換することができる。 With such an operation, the capacitor voltages VC1 and VC2 can be controlled independently. In addition, the input current is controlled to a sinusoidal waveform synchronized with the input voltage by feedback control of the input current, and the output voltage (the voltages of the capacitors C1 and C2) can also be controlled to a constant DC voltage by feedback control. . As a result, the AC voltage can be converted to a DC voltage while controlling the input current at a high power factor.
図8において、装置起動時などでコンデンサ電圧VC1,VC2がゼロに近い状態、かつ各双方向スイッチ回路を構成する2つのスイッチング素子がオフの状態で、交流入力1aを投入するとR→LR→DR1→DR3→C1→C2→DS4→DS2→LS→S→Rの経路で電流が流れ、コンデンサC1,C2を充電する。これにより、図9(c)に示すような過大な電流が流れ、リアクトルやダイオードなどの素子を破壊するおそれがある。
上記特許文献1には、双方向スイッチ回路を構成する2つのダイオードのうちの一方を、図10のようにサイリスタTR1,TS1,TT1に置き換え、図11のように各相間電圧が低い状態でオンする方法も開示されているが、リアクトルやコンデンサの選定によっては充電電流経路にあるダイオードの電流定格を超える電流が流れるおそれがある。
In FIG. 8, when the AC input 1a is turned on when the capacitor voltages VC1 and VC2 are close to zero at the time of starting the apparatus and the two switching elements constituting each bidirectional switch circuit are turned off, R → LR → DR1 A current flows through a route of DR3 → C1 → C2 → DS4 → DS2 → LS → S → R to charge the capacitors C1 and C2. As a result, an excessive current as shown in FIG. 9C flows, and there is a risk of destroying elements such as a reactor and a diode.
In
そこで、例えばリアクトルを大形化し、充電電流経路のインピーダンスを大きくすれば抑制できるが、装置が大形化しコストアップになることは避けられない。もちろん、専用の初期充電回路を設ければ上記の問題は解消するが回路構成が複雑になる。
したがって、この発明の課題は、初期充電時にコンデンサの充電電流を制限できるようにし、各半導体素子の破壊を低コストに防止できるようにすることにある。
Therefore, for example, the reactor can be increased in size and the impedance of the charging current path can be increased. However, it is inevitable that the device is increased in size and the cost is increased. Of course, if a dedicated initial charging circuit is provided, the above problem can be solved, but the circuit configuration becomes complicated.
Accordingly, an object of the present invention is to allow the charging current of a capacitor to be limited during initial charging, and to prevent destruction of each semiconductor element at low cost.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、N(Nは2以上の自然数)相の交流電圧を直流電圧に変換するために、通流方向を一致させた2つのサイリスタの直列回路と、通流方向を一致させた2つのスイッチング素子の直列回路とを並列接続して構成される1相分の双方向スイッチ回路をN個設け、各双方向スイッチ回路におけるサイリスタ同士の接続点をそれぞれリアクトルを介して各相の交流入力端子に接続し、各双方向スイッチ回路におけるサイリスタの直列回路のカソード側をそれぞれダイオードを介して正極の直流出力端子に一括して接続し、各双方向スイッチ回路におけるサイリスタの直列回路のアノード側をそれぞれダイオードを介して負極の直流出力端子に一括して接続し、正極および負極の直流出力端子間に2つのコンデンサを直列に接続し、各双方向スイッチ回路におけるスイッチング素子同士の接続点を前記2つのコンデンサ同士の接続点に一括して接続した整流回路において、
N相の交流入力電圧を検出する電圧検出手段と、前記交流入力電圧位相に同期する信号を生成する同期信号生成手段と、前記交流入力電圧位相に同期する信号に基き前記サイリスタの点弧角を制御する点弧角制御手段とを設け、前記2つのコンデンサの初期充電を行なうことを特徴とする。
In order to solve such a problem, in the invention of
A voltage detecting means for detecting an N-phase AC input voltage; a synchronization signal generating means for generating a signal synchronized with the AC input voltage phase; and a firing angle of the thyristor based on the signal synchronized with the AC input voltage phase. A firing angle control means for controlling is provided, and initial charging of the two capacitors is performed.
上記請求項1の発明においては、N相の交流入力電流を検出する電流検出手段を設け、交流入力電流が一定値に制限されるように前記サイリスタの点弧角を制御することができる(請求項2の発明)。
これら請求項1または2の発明においては、前記各双方向スイッチ回路を構成する2つのサイリスタの一方をダイオードに置き換え、サイリスタの点弧角を制御することにより、直流出力端子間に直列に接続された2つのコンデンサの初期充電を行なうことができる(請求項3の発明)。
In the first aspect of the present invention, the current detection means for detecting the N-phase AC input current is provided, and the firing angle of the thyristor can be controlled so that the AC input current is limited to a constant value. Item 2).
In the first or second aspect of the present invention, one of the two thyristors constituting each of the bidirectional switch circuits is replaced with a diode, and the firing angle of the thyristor is controlled, so that the DC output terminals are connected in series. In addition, initial charging of only two capacitors can be performed (invention of claim 3).
請求項1,2の発明によれば、初期充電時にサイリスタの点弧角を制御することにより、コンデンサの充電電流を制限するようにしたので、ダイオードの低電流容量化、リアクトルの小型化による装置の軽量化および低コスト化が可能となり、各半導体素子の破壊を防止できる。
また、請求項3の発明によれば、双方向スイッチを構成する2つのサイリスタのうちの1つをダイオードに置き換えることで、サイリスタゲート駆動回路が小型,軽量化され低コスト化が可能となる。
According to the first and second aspects of the present invention, since the charging current of the capacitor is limited by controlling the firing angle of the thyristor during initial charging, a device with a lower current capacity of the diode and a smaller reactor Can be reduced in weight and cost, and destruction of each semiconductor element can be prevented.
According to the invention of
図1はこの発明の実施の形態を示す全体構成図である。
図8との相違点は、双方向スイッチ回路の2つのダイオードの直列回路をサイリスタの直列回路に代え、そのサイリスタ制御回路102を付加した点にある。
サイリスタ制御回路102は、電圧検出器2RS,2STにより検出した入力線間電圧を位相同期回路24に入力し、各相に同期した位相を出力する。一方、点弧角指令生成回路21から出力されるサイリスタの点弧角指令と、位相同期回路24から出力される各相の位相を点弧角制御回路22へ入力し、サイリスタゲート駆動回路23を介して各サイリスタへゲート信号が出力される。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
The difference from FIG. 8 is that the series circuit of two diodes in the bidirectional switch circuit is replaced with a series circuit of thyristors and a
The
点弧角指令生成回路の具体例を図2(a)に、その動作を図2(b)に示す。
点弧角指令生成回路21は図2(a)のように、積分器202,リミッタ203および減算器などから構成され、初期充電指令201によって積分器202は動作し、0°からリミッタ203で制限する180°まで徐々に加算し、点弧角指令αrefを180°から0°へ徐々にシフトさせるようにする。
A specific example of the firing angle command generation circuit is shown in FIG. 2 (a), and its operation is shown in FIG. 2 (b).
As shown in FIG. 2A, the firing angle
点弧角制御回路22の具体例を図3(a)〜(d)に示す。
点弧角指令生成回路21から出力される点弧角指令値αrefと、点弧角同期回路24から出力される、入力電圧に同期した各相の点弧角θR,θS,θTとを比較器30R,30S,30Tにて比較する。双方向スイッチを構成する負側のサイリスタの制御に対しては、点弧角シフト回路31R,31S,31Tにより点弧角を180°シフトさせてから、比較器30Ra,30Sa,30Taにて比較する。図3(b)〜(d)のように、三相のうちの二相の上下サイリスタを制御することでも初期充電は可能であるが、三相で制御する場合に比べて初期充電が完了するまでに若干時間を要する。
Specific examples of the firing
The firing angle command value αref output from the firing angle
図4を参照して、図1におけるサイリスタの点弧角制御を主に説明する。
図4の上から順に入力相電圧、R相の位相、各サイリスタのゲート信号、リアクトルLRの電流(IR)、PN間の電圧(コンデンサ電圧)を示し、ここでは図3(b)のようにR相とS相のサイリスタの点弧角を制御する例を示す。入力相電圧の位相180°から点弧角指令を小さくしていくと、R相正側のサイリスタのゲート信号TR1とS相負側のサイリスタのゲート信号TS2が重なり、この時点で交流入力からコンデンサに向けてパルス状の充電電流が流れ、コンデンサ電圧が上昇する。
With reference to FIG. 4, the firing angle control of the thyristor in FIG. 1 will be mainly described.
FIG. 4 shows the input phase voltage, the phase of R phase, the gate signal of each thyristor, the current (IR) of the reactor LR, and the voltage between PN (capacitor voltage) in this order, as shown in FIG. 3B. An example of controlling the firing angle of the R-phase and S-phase thyristors is shown. When the firing angle command is decreased from the phase of the input phase voltage of 180 °, the gate signal TR1 of the thyristor on the R phase positive side and the gate signal TS2 of the thyristor on the S phase negative side overlap, and at this point, the capacitor is switched from the AC input to the capacitor. A pulsed charging current flows toward the capacitor, and the capacitor voltage rises.
R相負側のサイリスタのゲート信号TR2とS相正側のサイリスタのゲート信号TS1についても同様であり、点弧角指令αrefが0に到達する頃には、コンデンサ電圧は入力電圧の√2倍の波高値の電圧(実効値が200Vの場合、200×√2=282.8V)になり、初期充電が完了する。ここでは2相を制御する場合について説明したが、3相で制御する場合も初期充電は可能であり、2相の場合と比較して充電電流経路が増加するため、初期充電時間を短くできる。なお、従来と同様の制御方式のため詳細は省略するが、初期充電後に制御回路101により上下コンデンサの個別制御を行なうことで、初期充電値から昇圧することができる。
The same applies to the gate signal TR2 of the R-phase negative thyristor and the gate signal TS1 of the S-phase positive thyristor. When the firing angle command αref reaches 0, the capacitor voltage is √2 times the input voltage. The voltage of the peak value (200 × √2 = 282.8 V when the effective value is 200 V) is reached, and the initial charging is completed. Although the case where two phases are controlled has been described here, the initial charging is possible even when the control is performed using three phases, and the charging current path is increased as compared with the case of two phases, so that the initial charging time can be shortened. Although details are omitted because of the control method similar to the conventional one, the voltage can be boosted from the initial charge value by performing individual control of the upper and lower capacitors by the
図5に点弧角指令生成回路の他の実施の形態を示す。
これは、図2に示すものに対し、各相の入力電流を検出し、充電電流が電流制限値を超えないように点弧角指令を調節するブロックを追加したものである。すなわち、図5(a)のように各相の電流を検出し、最大値演算回路204で絶対値から最大値を求め、一次遅れ要素205を介して電流制限値と比較する。その結果、検出電流が制限値以内であれば積分器202を動作させ、制限値にかかる場合は積分器202を停止する。なお、停止する代わりに、積分器202に負の指令を与え、点弧角指令を戻すようにしても良い。
FIG. 5 shows another embodiment of the firing angle command generation circuit.
This is obtained by adding a block that detects the input current of each phase and adjusts the firing angle command so that the charging current does not exceed the current limit value, as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 5A, the current of each phase is detected, the maximum value is calculated from the absolute value by the maximum
図6はこの発明の他の実施の形態を示す全体構成図である。
図6からも明らかなように、双方向スイッチを構成する2つのサイリスタのうちの1つをダイオード(DR2,DS2,DT2)に置き換えて構成したもので、制御回路101は図8と同じであり、サイリスタ制御回路102は図1と同様であるが、負側の制御回路を有していない点で図1とは若干異なる程度なので、説明は省略する。
FIG. 6 is an overall configuration diagram showing another embodiment of the present invention.
As is apparent from FIG. 6, one of the two thyristors constituting the bidirectional switch is replaced with a diode (DR2, DS2, DT2), and the
図7は図6の動作を説明するもので、図7の上から順に入力相電圧、R相の位相、各サイリスタのゲート信号、リアクトルLRの電流(IR)、PN間の電圧(コンデンサ電圧)を示し、ここでは各相のサイリスタの点弧角を制御した例を示す。入力相電圧の位相180°から点弧角指令を小さくしていくと、この例では双方向スイッチの負側はダイオードであるため、入力電圧が正である点弧角指令αrefが与えられた時点(180°以内)で、交流入力からコンデンサに向けてパルス状の充電電流が流れ、コンデンサ電圧が上昇する。図4との相違は、サイリスタが正側にしか接続されていないので、正側の電流しか制御できないことである。なお、入力電流の制限は図5と同じ回路で同様に行なうことができる。 FIG. 7 illustrates the operation of FIG. 6. From the top of FIG. 7, the input phase voltage, the phase of R phase, the gate signal of each thyristor, the current of the reactor LR (IR), the voltage between PN (capacitor voltage) Here, an example in which the firing angle of each phase thyristor is controlled is shown. When the firing angle command is reduced from the phase of the input phase voltage of 180 °, the negative side of the bidirectional switch is a diode in this example, and therefore, when the firing angle command αref having a positive input voltage is given. (Within 180 °), a pulsed charging current flows from the AC input to the capacitor, and the capacitor voltage rises. The difference from FIG. 4 is that since the thyristor is connected only to the positive side, only the positive side current can be controlled. Note that the input current can be limited in the same manner as in the circuit shown in FIG.
1…3相交流電源、2RS,2ST,5C1,5C2…電圧検出器、3R,3S,3T…電流検出器、4R,4S,4T…双方向スイッチ回路、6…負荷、10…相電圧変換回路、11…極性判別回路、13a,13b…電圧調節器、15R,15Ra,15S,15Sa,15T,15Ta…乗算器、16R,16Ra,16S,16Sa,16T,16Ta…電流調節器、17R,17Ra,17S,17Sa,17T,17Ta…比較器、18R,18Ra,18S,18Sa,18T,18Ta…アンドゲート、19R,19Ra,19S,19Sa,19T,19Ta…スイッチング素子用ゲート駆動回路、21…点弧角指令生成回路、22…点弧角制御回路、23…サイリスタ用ゲート駆動回路、24…位相同期回路、101…制御回路、102…サイリスタ制御回路、202…積分器、203…リミッタ、204…最大値演算回路、205…一次遅れ要素、31R,31S,31T…点弧角シフト回路、LR,LS,LT…リアクトル、DR1〜4,DS1〜4,DT1〜4…ダイオード、C1,C2…コンデンサ、R,S,T…入力端子、P,N…出力端子、NP…中性点端子、SR1,SR2,SS1,SS2,ST1,ST2…スイッチング素子、TR1,TR2,TS1,TS2,TT1,TT2…サイリスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
N相の交流入力電圧を検出する電圧検出手段と、前記交流入力電圧位相に同期する信号を生成する同期信号生成手段と、前記交流入力電圧位相に同期する信号に基き前記サイリスタの点弧角を制御する点弧角制御手段とを設け、前記2つのコンデンサの初期充電を行なうことを特徴とする整流回路のコンデンサ充電装置。 In order to convert an AC voltage of N (N is a natural number of 2 or more) phase into a DC voltage, a series circuit of two thyristors having the same flow direction and a series of two switching elements having the same flow direction N bidirectional switch circuits for one phase constituted by connecting the circuits in parallel are provided, and the connection points between the thyristors in each bidirectional switch circuit are connected to the AC input terminals of the respective phases through the reactors, Connect the cathode side of the series circuit of the thyristor in each bidirectional switch circuit to the positive DC output terminal via a diode, and connect the anode side of the series circuit of the thyristor in each bidirectional switch circuit via a diode. Connect to the negative DC output terminal at once and connect two capacitors in series between the positive and negative DC output terminals. In the rectifier circuit the connection point between the switching elements connected collectively to a connection point between the two capacitors in,
A voltage detecting means for detecting an N-phase AC input voltage; a synchronization signal generating means for generating a signal synchronized with the AC input voltage phase; and a firing angle of the thyristor based on the signal synchronized with the AC input voltage phase. A capacitor charging device for a rectifier circuit, characterized in that an ignition angle control means for controlling is provided to perform initial charging of the two capacitors.
By replacing one of the two thyristors constituting each of the bidirectional switch circuits with a diode and controlling the firing angle of the thyristor, initial charging of two capacitors connected in series between the DC output terminals is performed. 3. The capacitor charging device for a rectifier circuit according to claim 1, wherein the capacitor charging device is a rectifier circuit.
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Effective date: 20110719 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20111206 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |