JP2007300710A

JP2007300710A - 交流−交流直接変換装置

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Publication number: JP2007300710A
Application number: JP2006125143A
Authority: JP
Inventors: Yugo Tadano; 裕吾只野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP4775101B2

Abstract

【課題】負荷状態と独立に無効電力量を制御でき、しかも波形歪みを起こすことなく安定した無効電力制御ができる。
【解決手段】交流電源１の各相に双方向スイッチ構成の交流−交流直接変換回路３を介挿し、制御装置４が無効電力指令値に従って無効電力を制御する交流−交流直接変換装置において、変換回路の入力有効電力と負荷が要求する有効電力の一致条件から演算ブロック１５は入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜を推定し、演算ブロック１６は電源相電圧Ｖｓに対する入力電流Ｉｓの位相差Δθを推定し、演算ブロック１７は無効電力制御に必要な入力電流Ｉｓを推定する。制御装置は、入力電流Ｉｓの推定値などに応じて変換回路の入力電流位相θを制御する。
位相差Δθの演算の高速化、入力電流指令値を制限して歪み発生を防止、位相差Δθの最大値を制限して安定動作させることも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相または多相の交流電源から入力する電圧または周波数を、任意の電圧または周波数に変換して出力する交流−交流直接変換装置（マトリックスコンバータ）に係り、特に装置単体で負荷を駆動する場合の無効電力制御に関する。

従来から存在するこの種の交流−交流直接変換装置は、自己消弧形の半導体素子を用いた双方向スイッチを高速に切換え、単相または多相の交流入力を任意の電圧または周波数の電力に変換する変換装置であり、図５に基本構成を示す。三相交流電源１のＲ，Ｓ，Ｔの各相に入力フィルタ（ＩｎｐｕｔＦｉｌｔｅｒ）２と双方向スイッチＳ１〜Ｓ９構成の交流−交流直接変換回路３を介挿し、制御装置（コントローラ）４によって各双方向スイッチを電源周波数よりも十分高い周波数でＰＷＭ制御することにより、入力電圧をモータなどの負荷Ｌｏａｄに直接に印加しながら任意の電圧または周波数に制御したＵ，Ｖ，Ｗの交流出力を得る。

交流−交流直接変換装置における双方向スイッチのスイッチングパターンは、例えばキャリア振幅による変調方式の場合には、入力電圧と同期した信号となるＰＷＭコンバータパターンと、出力周波数と電圧に従って作成されるＰＷＭインバータパターンとのＡＮＤ条件で決まる。これにより、交流−交流直接変換装置の入力電流はＰＷＭコンバータパターンで制限され、出力電圧と周波数はＰＷＭインバータパターンで制御され、入力力率を「１」に保ちながら入力電流の正弦波化、出力波形の正弦波化、周波数変換動作を同時に実現する。なお、双方向スイッチは、図示のように単方向スイッチを複数用いて構成する場合もある。

上記のような交流−交流直接変換装置において、一般には入力力率を「１」に制御するが、入力力率の制御、すなわち無効電力を能動的に制御する場合がある。この無効電力の制御にはコンバータの入力電流ベクトルと入力電圧ベクトルの位相差Δθを無効電力指令値に従って制御することになる。また、ＰＷＭサイクロコンバータの力率制御に入力電流検出器および電圧検出器を不要にして電源側の位相差Δθを推定する方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−６９７５９号公報

交流−交流直接変換装置は、交流電源と負荷を直接接続して電流・電圧・周波数を任意に変換するため、低負荷状態では入力電流も小さくなり、電源に並列に無効電力制御機器等がなく、単体で負荷を駆動する場合には交流電源側で発生できる無効電力量も限られる。
また、PWMコンバータとPWMインバータとの組み合わせによる直流回路を介挿させた装置構成では、入力の交流リアクトルとコンバータで、負荷状態とは独立に無効電力制御を行うことができるが（ただし、負荷の要求する有効電力量と、入力で制御する無効電力量から決まる装置定格容量オーバーには注意が必要）、直流回路を介挿しない交流−交流直接変換装置を単体で用いた場合では独立に制御することができない。また、交流−交流直接変換装置の出力電圧を制御する場合、無作為にそのときの負荷電流に応じた無効電力量を制御すると、出力電圧指令どおりの電圧が忠実に出力されない問題がある。

本発明の目的は、負荷状態と独立に無効電力量を制御でき、さらには波形歪みを起こすことなく安定した無効電力制御ができる交流−交流直接変換装置を提供することにある。

前記の課題を解決するための本発明は、以下の構成を特徴とする。

（１）単相または多相交流電源の各相に双方向スイッチ構成の交流−交流直接変換回路を介挿して負荷に接続し、前記各双方向スイッチのＰＷＭ制御を行う制御装置によって無効電力を制御する交流−交流直接変換装置において、
前記交流−交流直接変換回路の電力変換効率ηも含めた入力有効電力と負荷が要求する有効電力の一致条件から交流−交流直接変換回路の入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を推定し、この入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜と電源相電圧Ｖｓの大きさ｜Ｖｓ｜および無効電力指令値Ｑｒｅｆから電源相電圧Ｖｓに対する該入力電流Ｉｓの位相差Δθを推定し、該入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜と電源相電圧Ｖｓおよび該位相差Δθから無効電力制御に必要な入力電流Ｉｓを推定する演算手段を備え、
前記制御装置は、前記演算手段で推定した入力電流Ｉｓと、電源相電圧Ｖｓと出力電流Ｉ₀、および出力相電圧指令値Vｒｅｆｐに応じて前記位相差Δθを調整することで、交流−交流直接変換回路の無効電力を制御することを特徴とする。

（２）前記演算手段は、前記推定入力電流Ｉｓの推定演算と前記位相差Δθの推定演算とを並列的に行う構成にしたことを特徴とする。
（３）前記演算手段は、前記出力電流Ｉ₀の大きさ｜Ｉ₀｜と予め設定した係数値とを掛け合わした値となるように前記推定入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を制限する手段を備えたことを特徴とする。

（４）前記演算手段は、前記位相差Δθの最大値を予め設定した値に制限する手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、負荷状態と独立に無効電力量を制御でき、さらには波形歪みを起こすことなく安定した無効電力制御ができる。

具体的には、出力電圧指令と有効電力の一致条件から入力電流の大きさ、および入力電流ベクトルと入力電圧ベクトルとの位相差を導くことにより、負荷が変動しても所望の無効電力量が電源側で得られるように入力電流位相を制御することができる。

また、無効電力制御機能を持った制御装置に必要な入力電流指令値|Ｉｓ|と入力電流電圧位相差Δθの計算で、予め数式を簡単化し、制御にフィードバックループをなくすことで、演算の高速化が期待できる。

また、入出力電流電圧波形を歪みなく制御するための原理的な制約条件である電流・電圧利用率の最大値０．８６６などを考慮し、予め設定した値に入力電流指令値を制限することで、歪み発生を防止できる。また、出力電流検出値Ｉ₀を基にした入力電流指令値を制限するため、負荷の状態に応じて随時制限値を変更することができ、負荷変動にも対応できる。

また、低負荷時に無効電力指令を与える場合に、位相差Δθの最大値を予め設定した値に制限することで、不安定動作を引き起こしやすい条件を常に回避することができる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態を示す交流−交流直接変換装置の構成図であり、制御装置４に付加する無効電力制御の演算ブロック構成を示す。

まず、本実施形態による無効電力制御を原理的に説明する。図５のような一般的な交流−交流直接変換装置の構成において、交流電源１に並列に無効電力制御機器等が接続されることなく、かつ装置単体で負荷を駆動する場合、低負荷の場合には無効電力を制御するための入力電流も小さくなるため、制御できる無効電力量は負荷が要求する有効電力に依存する。

いま、交流−交流直接変換装置の入出力で有効電力の授受が一致するとすれば、交流−交流直接変換回路の電力変換効率も含めて、（１）式のように定義できる。

ただし、ηは電力変換効率、Ｖｓは電源側入力相電圧、Ｉｓは入力電流、ｃｏｓθは入力力率、Vｒｅｆｐは出力相電圧指令値、Ｉ₀は出力電流、ｃｏｓφは出力力率である。

この（１）式の一致条件から、電源相電圧Ｖｓおよび出力電流Ｉ₀を検出し、出力相電圧指令Vｒｅｆｐに従った出力を発生させて交流−交流直接変換する場合を考えると、出力力率ｃｏｓφは出力相電圧指令Vｒｅｆｐと出力電流Ｉ₀の位相関係より求めることができる。したがって、未知量としては入力電流Ｉｓの大きさと入力力率ｃｏｓθとなる。

ここで、入力電流Ｉｓと入力力率ｃｏｓθおよび無効電力指令値Ｑｒｅｆとの関係を（２）式のように定義すると、（１）式および（２）式の連立方程式から、入力電流Ｉｓの大きさ、および電源相電圧Ｖｓに対する入力電流Ｉｓとの間に必要な位相差Δθを求めることができる。

以上のことから、本実施形態では図１中に示す演算ブロック１１~１７で無効電力指令値Ｑｒｅｆに従った無効電力制御に必要な入力電流（大きさと位相）を推定し、制御装置による無効電力制御を可能にする。
演算ブロック１１は電源相電圧Ｖｓの絶対値（大きさ）｜Ｖｓ｜を求め、演算ブロック１２は出力電流Ｉ₀の大きさ｜Ｉ₀｜を求め、演算ブロック１３は出力電圧指令Ｖｒｅｆの大きさ｜Ｖｒｅｆ｜を求める。演算ブロック１４は出力電流Ｉ₀と出力電圧指令Ｖｒｅｆの位相から出力力率ｃｏｓφを求める。
演算ブロック１５は、演算ブロック１１〜１４からの電源相電圧Ｖｓと出力電流Ｉ₀と出力相電圧指令Vｒｅｆｐの各大きさ、および出力力率ｃｏｓφを入力し、さらに変換回路の変換効率ηと位相差（推定値）Δθから上記（１）式の演算を行い、推定した入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を求める。
演算ブロック１６は、入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜と電源相電圧の大きさ｜Ｖｓ｜および無効電力指令値Qｒｅｆから上記（２）式の演算を行い、電源相電圧Ｖｓに対する推定入力電流Ｉｓの位相差Δθを求める。演算ブロック１７は推定入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜と電源相電圧Ｖｓおよび位相差Δθから推定入力電流Ｉｓのベクトル（位相と大きさ）を求める。
以上の演算ブロック１１〜１７により推定入力電流Ｉｓのベクトル（位相と大きさ）が求められ、制御装置４はこの推定入力電流Ｉｓと、電源相電圧Ｖｓと出力電流Ｉ₀の検出値、および出力相電圧指令値Vｒｅｆｐから、出力電流Ｉ₀に応じた有効電力で入力力率ｃｏｓθを制御、つまり無効電力指令値Ｑｒｅｆに従った無効電力量が得られるように交流−交流直接変換回路３の入力電流位相θを制御する。
本実施形態によれば、交流−交流直接変換回路の入力有効電力と負荷が要求する有効電力の一致条件から、そのときの入力電流Ｉｓの大きさと位相を推定して電源相電圧Ｖｓとの位相差Δθを調整するため、負荷条件（有効電力）が変化した場合にも指令どおりの任意の無効電力制御ができる。

（実施形態２）
前記の（１）式と（２）式の連立方程式を解くと、（３）、（４）式となる。

本実施形態では、図２に演算ブロック構成を示すように、（３）、（４）式による演算を行い、無効電力を制御する。演算ブロック１１〜１４および１７は図１と同じものであり、演算ブロック２１はこれらの演算出力と効率ηおよび無効電力指令Ｑｒｅｆから（３）式に従った演算で推定入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を求め、演算ブロック２２は（４）式に従った演算で位相差Δθを求める。
本実施形態によれば、実施形態１と同様に負荷状態に応じた無効電力が制御できるのに加えて、推定位相差Δθのフィードバックループがなくなるため、これらの並列的演算により高速制御が期待できる。

（実施形態３）
実施形態１、２は、無効電力指令値に応じて（３）式の演算で求められる入力電流Ｉｓの大きさに従った入力電流制御に対し、実際の交流−交流直接変換回路３の入力電流値もその通りに流れる場合に所望の無効電力量が得られる。
一方で、交流−交流直接変換回路の場合、電源電圧の逆相分の出力も可能であるため、出力電圧波形の包絡線は逆相分も含めた６相交流からなる。このため、交流−交流直接変換装置が入出力波形を歪みなく制御できる電圧・電流利用率の最大値は０．８６６となる。それを超えると正弦波状の電流電圧波形が得られないが、（３）式で求めた推定入力電流指令値は、あくまで無効電力指令に対して必要となる入力電流値を計算的に導いたものであるため、原理上の制約条件を無視して負荷電流の大きさの０．８６６倍を超える場合が存在する。そのまま指令値として与えると、実際の入力電流は推定入力電流指令値どおりの大きさとはならずに誤差と歪みを生じながら、（３）式の入力電流Ｉｓのみを大きくしてしまう。
そこで、本実施形態では、実施形態１に加えて推定入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜と出力電流検出値の大きさ|Ｉ₀|を常時比較し、｜Ｉｓ｜＞０．８６６×|Ｉ₀|となるときは無効電力指令値Qｒｅｆを制限、すなわち（３）式の入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を制限する。
図３は本実施形態の制御ブロック図であり、図１および図２と同等の演算ブロックは同一符号で示す。演算ブロック１６では（２）式に従った演算で入力位相差Δθを求め、演算ブロック２１では（３）式に従った演算で入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜を求める。ここで、本実施形態では、演算ブロック１６の入力となる｜Ｉｓ｜を０．８６６×|Ｉ₀|で制限する演算ブロック３１を介挿する。
この演算ブロック３１の介挿により、（４）式の位相差Δθも制限され、歪みを生じることはない。ただし、このときは無効電力指令値どおりの無効電力量は得られず、負荷電流に依存した任意の値で制限されることになるが、波形の歪み防止を優先させた無効電力制御を得ることができる。
本実施形態によれば、無効電力指令値が原理上の制約条件を超える場合は飽和させるため、推定入力電流指令値誤差および波形歪みを防止することができる。

なお、制限値は上記の０．８６６×|Ｉ₀|に限るものでなく、負荷電流Ｉ₀の状態を基に決定することができ、負荷条件に応じてリアルタイムに変動させながら制限できる。

（実施形態４）
前記の（４）式から明らかなように、有効電流（出力電流Ｉ₀×ｃｏｓφ）が小さい低負荷時に無効電力指令を大きく与えると、入力電流と電圧の位相差Δθが大きくなる状態が多発する。±９０度の位相差が最大値となるが、大きな位相差を持つ条件下では、（２）式や（４）式における分子が分母に対して大きくなり、θは極めて変動的で、一定の割合を超えると外乱等の多い実機では不安定になることがある。
そこで、本実施形態では、図４で示すように、実施形態３における入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜の制限に加え、低負荷時に予測される不安定な位相差Δθを制限する演算ブロック４１を設ける。この位相差Δθの制限は、変動幅最大値を予め設定しておく。変動幅の決定は任意であるが、ここでは例として、±６０度をθ最大値と設定するならば、±６０度を超える位相差Δθが入力された場合は強制的にその制限値で飽和させ、±６０度以内の位相差Δθが与えられたならば、実施形態３における演算ブロック３１での入力電流｜Ｉｓ｜の制限値を最大とする。
本実施形態によれば、低負荷時に無効電力指令値を与えた場合に変動的となる位相差Δθの異常制御を防止し、不安定動作を回避することができる。なお、制限されたときは、無効電力量が指令値に一致しないが、不安定動作の回避を優先させた無効電力制御を得ることができる。

本発明の実施形態１を示す交流−交流直接変換装置の構成図。本発明の実施形態２を示す無効電力制御回路図。本発明の実施形態３を示す無効電力制御回路図。本発明の実施形態４を示す無効電力制御回路図。交流−交流直接変換装置の基本構成図。

符号の説明

１交流電源
２入力ＬＣフィルタ
３交流−交流直接変換回路
４制御装置
１１~１７演算ブロック
２１，２２演算ブロック
３１演算ブロック
４１演算ブロック

Claims

単相または多相交流電源の各相に双方向スイッチ構成の交流−交流直接変換回路を介挿して負荷に接続し、前記各双方向スイッチのＰＷＭ制御を行う制御装置によって無効電力を制御する交流−交流直接変換装置において、
前記交流−交流直接変換回路の電力変換効率ηも含めた入力有効電力と負荷が要求する有効電力の一致条件から交流−交流直接変換回路の入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を推定し、この入力電流の大きさ｜Ｉｓ｜と電源相電圧Ｖｓの大きさ｜Ｖｓ｜および無効電力指令値Ｑｒｅｆから電源相電圧Ｖｓに対する該入力電流Ｉｓの位相差Δθを推定し、該入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜と電源相電圧Ｖｓおよび該位相差Δθから無効電力制御に必要な入力電流Ｉｓを推定する演算手段を備え、
前記制御装置は、前記演算手段で推定した入力電流Ｉｓと、電源相電圧Ｖｓと出力電流Ｉ₀、および出力相電圧指令値Vｒｅｆｐに応じて前記位相差Δθを調整することで、交流−交流直接変換回路の無効電力を制御することを特徴とする交流−交流直接変換装置。
前記演算手段は、前記推定入力電流Ｉｓの推定演算と前記位相差Δθの推定演算とを並列的に行う構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の交流−交流直接変換装置。
前記演算手段は、前記出力電流Ｉ₀の大きさ｜Ｉ₀｜と予め設定した係数値とを掛け合わした値となるように前記推定入力電流Ｉｓの大きさ｜Ｉｓ｜を制限する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の交流−交流直接変換装置。
前記演算手段は、前記位相差Δθの最大値を予め設定した値に制限する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流−交流直接変換装置。