JP2007329980A - 整流回路の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】双方向スイッチ回路の直流出力端子間に二つのコンデンサを直列に接続し、その直列接続点を双方向スイッチ回路に接続してコンデンサの電圧を個別に制御するN相整流回路において、交流入力端子S,T間に接続される単相交流電源1b及び電圧検出器3STと、コンデンサの電圧検出器6C1,6C2と、前記入力電圧を用いて、各コンデンサの直流電圧指令値に端子間電圧を追従させる入力電流指令値を生成するための電圧調節器34a,34b、乗算器35T,35Ta等と、交流入力電流を検出する電流検出器4S,4Tと、交流入力電流が入力電流指令値に追従するようにスイッチング素子の駆動信号を生成するための電流調節器36S〜36Ta、比較器37S〜37Ta等を備える。
【選択図】図1
Description
例えば、図11は特許文献1に開示されている整流装置の構成を示している。図11ににおいて、1は三相交流電源、10は整流装置、2は整流装置10の出力側に接続されたインバータ等の負荷である。
なお、上記整流装置10において、三相交流電源1に瞬時停電または欠相等の電源異常が発生したときには、この異常を電源異常検出回路200等が検出して整流装置10の運転を停止するようになっている。
図12の整流回路において、1aは三相交流電源、2aは負荷、3RS,3ST,6C1,6C2は電圧検出器、4R,4S,4Tは電流検出器、5R,5S,5Tは電流を双方向に制御可能な双方向スイッチ回路、R,S,Tは交流入力端子、P,Nは正極、負極の直流出力端子、LR,LS,LTはリアクトル、C1,C2はコンデンサである。
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NPに接続される。また、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,DR4を介してコンデンサC1,C2の直列回路の両端に接続されている。
更に、ダイオードDT1,DT2同士の接続点はリアクトルLTの一端に接続され、スイッチング素子ST1,ST2同士の接続点は前記接続点NPに接続されていると共に、スイッチング素子ST1,ST2の直列回路の両端はダイオードDT3,DT4を介してコンデンサC1,C2の直列回路の両端に接続されている。
電圧検出器3RS,3STにより検出した入力線間電圧VRS,VSTを相電圧変換器31により相電圧VR,VS,VTに変換し、これらの入力相電圧VR,VS,VTの極性と同期した極性判別信号R+,R−,S+,S−,T+,T−を極性判別器32により作成する。また、電圧検出器6C1により検出したコンデンサC1の電圧VC1を直流電圧指令値33にフィードバックし、電圧調節器34bを介して乗算器35Ra,35Sa,35Taにより入力相電圧VR,VS,VTとそれぞれ乗算する。同様にして、電圧検出器6C2により検出したコンデンサC2の電圧VC2を直流電圧指令値33にフィードバックし、電圧調節器34aを介して乗算器35R,35S,35Tにより入力相電圧VR,VS,VTとそれぞれ乗算する。
更に、前記極性判別信号R+,R−,S+,S−,T+,T−と前記PWM信号との論理積をアンドゲート38R〜38Taにより求め、ゲート駆動回路39R〜39Taを介して各スイッチング素子SR1,SR2,SS1,SS2,ST1,ST2の駆動信号を作成する。
一方、コンデンサC2の電圧VC2が低下するとスイッチング素子SR1のオンパルス幅が広くなり、電圧VC2が上昇するとスイッチング素子SR1のオンパルス幅が狭くなるように制御装置100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、電圧VC2が一定に維持される。
なお、この制御装置においても、交流電源1aに瞬時停電または欠相等の電源異常が発生したときには、この異常を電源異常検出回路200等が検出して制御装置100は整流回路の運転を停止するようになっている。
また、装置の使用場所によっては三相交流電源を用意できないこともあり、この場合には、三相仕様の装置を単相交流電源により運転できることが望ましい。一方、三相仕様の装置を単相交流電源により運転する時は、三相交流電源の時に比べて各相入力電流が√3倍になるため三相運転時の定格電流を超えた入力電流が流れるおそれがあり、主回路の故障が懸念される。
(N−1)個の交流入力端子間に接続される(N−1)相の交流電源と、
この交流電源が接続された線間の入力電圧を検出する手段と、
前記各コンデンサの端子間電圧を検出する手段と、
前記入力電圧を用いて、前記各コンデンサの直流電圧指令値に各コンデンサの端子間電圧をそれぞれ追従させるような(N−1)相の入力電流指令値を生成する手段と、
(N−1)相の交流入力電流を検出する手段と、
(N−1)相の交流入力電流が前記入力電流指令値にそれぞれ追従するように、(N−1)相に接続された前記双方向スイッチ回路内のスイッチング素子の駆動信号を生成する手段と、を備えたものである。
N相の線間の入力電圧を検出する手段と、
検出した前記入力電圧から電源異常を検出する手段と、
前記各コンデンサの端子間電圧を検出する手段と、
電源異常が検出された相を除く前記入力電圧を用いて、前記各コンデンサの直流電圧指令値に各コンデンサの端子間電圧をそれぞれ追従させるような入力電流指令値を生成する手段と、
各相の交流入力電流を検出する手段と、
各相の交流入力電流が前記入力電流指令値にそれぞれ追従するように、電源異常が検出された相を除く相に接続された前記双方向スイッチ回路内のスイッチング素子の駆動信号を生成する手段と、を備えたものである。
前記双方向スイッチ回路の交流入力側に設けられて当該双方向スイッチ回路内の何れかの前記スイッチング素子に直列接続されるサイリスタ等のスイッチ部と、
電源異常が検出された相の前記スイッチ部をオフする手段と、を備えたものである。
電源異常検出時に、請求項2または3に記載した制御装置により実行される第1の制御動作と、
交流入力の健全時に、前記各コンデンサの直流電圧指令値に各コンデンサの端子間電圧をそれぞれ追従させるように各コンデンサの充電経路に存在する前記スイッチング素子を個別に制御する第2の制御動作と、を切替可能に構成したものである。
前記入力電圧のゼロクロスを検出する手段を備え、
電源異常検出時に、前記ゼロクロスのタイミングで第2の制御動作から第1の制御動作に切り替えるものである。
入力電力または負荷電力を演算する手段を備え、
電源異常検出時に、演算した電力が所定値を超える時には第2の制御動作から第1の制御動作に切り替えずに運転を停止させるものである。
前記双方向スイッチ回路は、
通流方向を一致させた二つのダイオードの直列回路と、通流方向を一致させた二つのスイッチング素子の直列回路とを並列接続し、前記二つのダイオード同士の接続点をそれぞれリアクトルを介して交流電源の一相に接続し、前記二つのダイオード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接続し、前記二つのダイオード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接続し、かつ、前記二つのスイッチング素子同士の接続点を前記二つのコンデンサ同士の接続点に接続したものである。
前記二つのコンデンサにそれぞれ個別に直流電圧指令値を設定したものである。
特に、請求項5の発明によれば、電源異常時の運転に切り替える際の入力電流や出力電圧の変動を防止することができ、請求項6の発明によれば、演算した入力電力または負荷電力に基づいて運転切替時における入力電流を推測することにより、過電流が流入するのを未然に防止することができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る整流回路及び制御装置の構成図であり、請求項1及び請求項7に係る発明に相当する。この実施形態は、例えば三相交流電源を用意できない場合に単相交流電源を用いて整流回路を運転する場合に有効である。
図1における整流回路の構成は、交流入力端子S,T間に単相交流電源1bが接続されている点以外は図12と同一である。
図1の制御装置100aが図12の制御装置100と異なる点は、整流回路の入力が単相交流である場合にも、コンデンサC1,C2の電圧を個別に制御可能とした点である。なお、図1の制御装置100aにおいて、図12の制御装置100の構成要素と同一のものには同一の符号を付してある。
一方、単相交流電源1bが接続されていないR相の双方向スイッチ回路5Rのスイッチング素子SR1,SR2は、ゲート指令回路41によって何れもオフにしておく。
例えば、入力線間電圧VST>0(極性判別信号ST+が「High」レベル)の時に、コンデンサC1の電圧VC1が低下すると電圧調節器34bの出力が増加し、乗算器35Ta等を介して電流調節器36Taの出力も増加する。これにより、比較器37Ta、アンドゲート38Ta、ゲート駆動回路39Taを介してスイッチング素子ST2のオンパルス幅が広くなるように制御装置100aが動作する。また、コンデンサC1の電圧VC1が上昇すると電圧調節器34bの出力が減少し、乗算器35Ta等を介して電流調節器36Taの出力も減少する。これにより、比較器37Ta、アンドゲート38Ta、ゲート駆動回路39Taを介してスイッチング素子ST2のオンパルス幅が狭くなるように制御装置100aが動作する。
従って、S→LS→DS1→DS3→C1→ST2→DT2→LT→T→S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C1の電圧VC1が一定に維持される。
従って、S→LS→DS1→SS1→C2→DT4→DT2→LT→T→S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C2の電圧VC2が一定に維持される。
なお、この第1実施形態では、S,T相の線間に単相交流電源1bを接続した例について説明したが、R,S相の線間に単相交流電源1bを接続する場合には、制御装置として、R,S相の線間電圧VRS及びR相,S相の入力電流IR,ISを検出し、図1と同様の構成によってR,S相のスイッチング素子SR1,SR2,SS1,SS2に対する駆動信号を生成すれば良い。T,R相の線間に単相交流電源1bを接続する場合も、同様の原理で適用すれば良い。
単相交流入力の場合、各相電流の位相差は180°、つまり、各相電流は反転していて大きさが等しい(ここではIS=−IT)と考えることができる。このため、一相の電流、例えばS相の電流ISの絶対値|IS|を制御装置100b内の絶対値回路43により検出すると共に、電流調節器36Sの出力が加えられる比較器37Sの出力からアンドゲート38S,38T及びゲート駆動回路39S,39Tを介してスイッチング素子SS1,ST1のゲート信号を得ると共に、電流調節器36Saの出力が加えられる比較器37Saの出力からアンドゲート38Sa,38Ta及びゲート駆動回路39Sa,39Taを介してスイッチング素子SS2,ST2のゲート信号を得るようにしても良い。
これにより、電流検出器、電流調節器及び比較器の数を減らしても第1実施形態と同様の制御が可能になる。動作原理については、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
この実施形態は、本発明では各コンデンサC1,C2の電圧VC1,VC2を個別に制御可能である点に着目し、制御装置100c内に直流電圧指令値33,33aをそれぞれ設けて各電圧VC1,VC2を個別に制御するようにしたものである。
なお、電圧制御や電流制御の方法については第2実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、制御装置100c内の乗算器35S,35Sa以降の構成は図2と同様であるが、図1のように構成することも可能である。
この実施形態では、制御装置100d内に欠相検出器60及び選択器50を備えており、交流電源の欠相情報に基づいてスイッチング制御する相を選択する。
図4では、図1と同様に、交流入力端子S,T間に単相交流電源1bが接続されている例を示してあるが、これは、入力端子R,S,Tに三相交流電源が接続されている時にR相が欠相した場合も含むものである。
ここで、図5は選択器50の動作説明図であり、欠相情報に応じて選択する入力線間電圧及び入力電流を示している。前述の如く、図4では単相交流電源1bがS,T相の線間に接続されているので、R相欠相情報に対応してVST,IS,ITをそれぞれ選択し、出力することになる。
この実施形態によれば、何れの相が欠相した場合でも、健全相の電圧情報及び電流情報を用いて整流回路を制御することができる。勿論、欠相時ばかりでなく、三相交流電源が調達できない場合に単相交流電源1bを積極的に用いて三相の整流回路を運転する場合にも適用可能である。
この実施形態において、整流回路に関しては図12と同一の構成であり、三相交流電源1aが接続されている。
なお、三相運転及び欠相運転の動作は既に説明したため、ここでは詳述を省略する。
上記欠相検出器60aは必ずしも別個に備える必要はなく、図4の制御装置100dが有する欠相検出器60を用いても良い。
この実施形態の制御装置101aは、図6の制御装置101に対して、入力線間電圧VRS,VSTのゼロクロスを検出するゼロクロス検出器61と、そのゼロクロス検出信号及び欠相検出器60aからの欠相検出信号が入力されるラッチ回路62とが追加されている。これらの構成により、欠相を検出した場合にスイッチ70によって制御を切り替えるタイミングを、欠相した相以外に係る入力線間電圧(例えばR相の欠相時にはVST)のゼロクロス時点とするものである。
このため、入力線間電圧と充電電流指令値とを乗算して各相電流指令値が生成されることに着目すると、入力線間電圧のゼロクロス時点で制御を切り替えれば、電流調節器の入力信号が大きく変動するのを防止することができる。
本実施形態では、図7の欠相検出器60aによりR相の欠相を検出して欠相検出信号を出力した後、図8に示す如く、入力線間電圧VSTのゼロクロス検出信号に同期してラッチ回路62から制御切替信号を出力することにより、三相運転から欠相運転(単相運転)への切替時におけるショックを抑制する。
三相運転及び欠相運転の動作は前述したとおりであるため、詳述を省略する。
この実施形態の制御装置101bを図7の制御装置101aと比較すると、入力線間電圧VST,VRS、各相入力電流IR,IS,ITが入力されて入力電力を演算する入力電力演算回路63と、演算した単相入力電力を単相電力定格値と比較する比較器64とが追加されている。ここで、比較器64の出力はラッチ回路62に加えられている。
仮に三相運転から単相運転に切り替えた場合、各相入力電流は三相運転時の√3倍となり、三相運転時の定格電流を超えた入力電流が流れる恐れがある(例えば三相運転時の各相入力電流を100%とすると、単相運転時には各相入力電流が173%となる)。このため、入力電力を予め計算しておき、これが単相電力定格値の(1/√3)倍を超える場合には整流回路の入力電流が過電流になると推測して装置の運転を停止する。
なお、この実施形態では入力電力により判定したが、負荷の電流、電圧を検出して負荷電力を計算し、前記判定を行ってもよい。
この実施形態の整流回路では、双方向スイッチ回路5R',5S',5T'の交流入力側の上下アームのうち一方のアームを、例えば図6におけるダイオードDR1,DS1,DT1からサイリスタTR1,TS1,TT1に変更してあり、制御装置102においては、欠相検出器60aからの欠相検出信号をサイリスタ制御回路65に入力してサイリスタTR1,TS1,TT1のゲート信号を得るように構成されている。
更に、この第8実施形態において、図7の第6実施形態や図9の第7実施形態を適用することもできる。
1b:単相交流電源
2a:負荷
3RS,3ST,6C1,6C2:電圧検出器
4R,4S,4T:電流検出器
5R,5S,5T,5R',5S',5T':双方向スイッチ回路
32a:極性判別器
33:直流電圧指令値
34a,34b:電圧調節器
35T〜,35Ta:乗算器
36R〜36Ta:電流調節器
37R〜37TaT:比較器
38R〜38Ta:アンドゲート
39R〜39Ta:ゲート駆動回路
40:キャリア信号
41:ゲート指令回路
42,43:絶対値回路
50:選択器
60,60a:欠相検出器
61:ゼロクロス検出器
62:ラッチ回路
63:入力電力演算回路
64:比較器
70:スイッチ
100a〜100d,101a,101b,102:制御装置
R,S,T:交流入力端子
P,N:直流出力端子
LR,LS,LT:リアクトル
C1,C2:コンデンサ
DR1〜DR4,DS1〜DS4,DT1〜DT4:ダイオード
SR1,SR2,SS1,SS2,ST1,ST2:半導体スイッチング素子
TR1,TS1,TT1:サイリスタ
Claims (8)
- N(Nは2以上の自然数)相の交流電圧をN個の双方向スイッチ回路により直流電圧に変換可能な整流回路であって、各双方向スイッチ回路の交流入力側をN個の交流入力端子にそれぞれ接続し、各双方向スイッチ回路の正極の直流出力端子、負極の直流出力端子をそれぞれ一括接続してこれら正負の直流出力端子間に二つのコンデンサを直列に接続すると共に、前記二つのコンデンサ同士の接続点を各双方向スイッチ回路に接続してこれらの双方向スイッチ回路内のスイッチング素子のオンオフ動作により前記二つのコンデンサの端子間電圧を個別に制御可能とした整流回路において、
(N−1)個の交流入力端子間に接続される(N−1)相の交流電源と、
この交流電源が接続された線間の入力電圧を検出する手段と、
前記各コンデンサの端子間電圧を検出する手段と、
前記入力電圧を用いて、前記各コンデンサの直流電圧指令値に各コンデンサの端子間電圧をそれぞれ追従させるような(N−1)相の入力電流指令値を生成する手段と、
(N−1)相の交流入力電流を検出する手段と、
(N−1)相の交流入力電流が前記入力電流指令値にそれぞれ追従するように、(N−1)相に接続された前記双方向スイッチ回路内のスイッチング素子の駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする整流回路の制御装置。 - N(Nは2以上の自然数)相の交流電圧をN個の双方向スイッチ回路により直流電圧に変換可能な整流回路であって、各双方向スイッチ回路の交流入力側をN個の交流入力端子にそれぞれ接続し、各双方向スイッチ回路の正極の直流出力端子、負極の直流出力端子をそれぞれ一括接続してこれら正負の直流出力端子間に二つのコンデンサを直列に接続すると共に、前記二つのコンデンサ同士の接続点を各双方向スイッチ回路に接続してこれらの双方向スイッチ回路内のスイッチング素子のオンオフ動作により前記二つのコンデンサの端子間電圧を個別に制御可能とした整流回路において、
N相の線間の入力電圧を検出する手段と、
検出した前記入力電圧から電源異常を検出する手段と、
前記各コンデンサの端子間電圧を検出する手段と、
電源異常が検出された相を除く前記入力電圧を用いて、前記各コンデンサの直流電圧指令値に各コンデンサの端子間電圧をそれぞれ追従させるような入力電流指令値を生成する手段と、
各相の交流入力電流を検出する手段と、
各相の交流入力電流が前記入力電流指令値にそれぞれ追従するように、電源異常が検出された相を除く相に接続された前記双方向スイッチ回路内のスイッチング素子の駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする整流回路の制御装置。 - 請求項2に記載した整流回路の制御装置において、
前記双方向スイッチ回路の交流入力側に設けられて当該双方向スイッチ回路内の何れかの前記スイッチング素子に直列接続されるスイッチ部と、
電源異常が検出された相の前記スイッチ部をオフする手段と、
を備えたことを特徴とする整流回路の制御装置。 - 請求項2または3に記載した整流回路の制御装置において、
電源異常検出時に、請求項2または3に記載した制御装置により実行される第1の制御動作と、
交流入力の健全時に、前記各コンデンサの直流電圧指令値に各コンデンサの端子間電圧をそれぞれ追従させるように各コンデンサの充電経路に存在する前記スイッチング素子を個別に制御する第2の制御動作と、を切替可能に構成したことを特徴とする整流回路の制御装置。 - 請求項4に記載した整流回路の制御装置において、
前記入力電圧のゼロクロスを検出する手段を備え、
電源異常検出時に、前記ゼロクロスのタイミングで第2の制御動作から第1の制御動作に切り替えることを特徴とする整流回路の制御装置。 - 請求項4または5に記載した整流回路の制御装置において、
入力電力または負荷電力を演算する手段を備え、
電源異常検出時に、演算した電力が所定値を超える時には第2の制御動作から第1の制御動作に切り替えずに運転を停止させることを特徴とする整流回路の制御装置。 - 請求項1または2に記載した整流回路の制御装置において、
前記双方向スイッチ回路は、
通流方向を一致させた二つのダイオードの直列回路と、通流方向を一致させた二つのスイッチング素子の直列回路とを並列接続し、前記二つのダイオード同士の接続点をそれぞれリアクトルを介して交流電源の一相に接続し、前記二つのダイオード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接続し、前記二つのダイオード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接続し、かつ、前記二つのスイッチング素子同士の接続点を前記二つのコンデンサ同士の接続点に接続したことを特徴とする整流回路の制御装置。 - 請求項1〜7の何れか1項に記載した整流回路の制御装置において、
前記二つのコンデンサにそれぞれ個別に直流電圧指令値を設定したことを特徴とする整流回路の制御装置。
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