JP2008043057A

JP2008043057A - Ｐｗｍコンバータ

Info

Publication number: JP2008043057A
Application number: JP2006214410A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tanaka; 正城田中; Eiji Yamamoto; 栄治山本; Hidenori Hara; 英則原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】電源容量や配線距離が不明であっても、運転障害を起こさないＰＷＭコンバータ装置を提供する。
【解決手段】電圧制御部（２２）は、交流電源側の交流電流を検出する交流電流検出器（１２）と、交流電圧を検出する交流電圧検出器（１１）と、電源側のインピーダンスを演算する電源側インピーダンス演算器（１６）と、直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器（１３）と、直流電圧と設定電圧から電流指令を生成する電圧制御器（１４）と、電流指令と前記電流から電圧指令を生成する電流制御器（１５）と、電圧指令からＰＷＭ信号を生成し電力変換器をスイッチングするゲート信号を生成するＰＷＭ制御器（１８）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は交流電源を直流に変換するＰＷＭコンバータ装置に係わり、特に、電源の容量や、配線距離の状況が不明な場合に好適なＰＷＭコンバータ装置に関する。

交流電源側から、直流側にエネルギーを取り出す電動動作と、直流側から、交流電源側にエネルギーを戻す回生動作が可能で、電源側入出力電流をＰＷＭ制御により擬似正弦波として流すことが可能なＰＷＭコンバータは、クレーンやエレベータなどの回生エネルギー処理や、電源側高調波抑制の手段として適用されてきており、省エネルギー対策や電源高調波対策として今後も適用が期待されている。しかしながら、接続される電源側の電源容量や、電源まで配線距離などの電源側インピーダンスにより、電動、回生動作によって、電源側電圧の上昇、下降量が変化し、さまざまな弊害が生じる場合があり、対策が考えられてきた。

図８は特許文献１に開示された従来技術のＰＷＭコンバータ装置のブロック図である。目的は可変周波数・可変電圧の交流電源電圧を複数のスイッチング素子のオンオフ制御により直流に変換し、バツテリを介して負荷に電力を供給する装置や負荷装置がバツテリであり、バツテリ充電を行う装置の電源から最大限の電力を取り出し、バツテリの適正な充放電が可能にしようとしたものである。図８において、ＡＣＳＰは内部インピーダンスを持ち、可変周波数・可変電圧の三相交流電圧を発生する電源、ＣＯＮＶは主回路を構成するスイツチング素子オン・オフ制御により、交流電源電圧を直流に変換する電力変換器。ＤＣＣは直流コンデンサ、ＤＣＬは直流リアクトル、ＤＣＤは電流の逆流防止ダイオード、ＢＡＴＴはバツテリ、ＬＯＡＤは負荷装置である。また、ＭＡＶＲは電力変換器ＣＯＮＶの直流出力電圧ｅｄを所定値に制御する電圧制御回路、ＥＵＣＬは電源電流ｉｕの振幅指令ｉｕ＊と位相指令φ＊に応じて電力変換器ＣＯＮＶを制御する入力電圧制御回路、ＤＥＴＣは交流電源ＡＣＳＰの電圧実効値Ｅｕｏを検出する電圧検出回路、ＬＭＩＯは電圧検出回路ＤＥＴＣの出力に応じて設定された変換器入力電流の制限値Ｉｍを越えないように電圧制御回路ＭＡＶＲの出力を制限する電流制限回路、ＬＭＥＲは変換器入力電圧の電源電圧との同相成分Ｅｕｒ＊を所定値に制限する同相成分制限回路である。ＢＴＣＬは、バツテリ電流Ｉｂが所定値となるように、直流電圧指令Ｅｄ＊を作成し、バツテリ電流が常に定格充電電流以下になるように管理するバツテリ制御回路である。このバツテリ制御回路ＢＴＣＬの働きにより、バツテリの定格充電電流の範囲内で適正充電が可能となり、過大な充電電流によるバツテリの劣化を防止できるというものである。

図９は特許文献２に開示された従来技術のＰＷＭコンバータ装置のブロック図である。目的は特許文献１の従来技術と同様である。乗算器１３７は、座標変換器１１５によって求められたｑ軸電流成分１１６を第１の入力として、これに第２の入力として、電源インピーダンス相当の係数、例えば電源リアクタンスＬ相当の係数を入力し、両入力の積を求めて、ｄ軸電流基準１２０に対する補正量として出力する。加算器はｄ軸電流制御演算器１２１のｄ軸電流基準１２０の入力端に設けられており、その第１の入力端にはｄ軸電流基準１２０が入力され、第２の入力端には乗算器によって得られたｄ軸電流基準補正量が入力されるもので、負荷電流が増加してｑ軸電流成分１１６が増加した場合、乗算器および加算器１３８を介してｄ軸電流基準１２０をｑ軸電流成分１１６に応じて増加させ、コンバータ入力電圧１３２が電源インピーダンスおよび入力電流に応じて生ずる電圧降下により変動するという事態を抑制することができるというものである。
特許第２６３３９５０号公報特開２００２−３６９５３３号公報

しかしながら、従来技術によると、電源側のインピーダンスや電源容量が判らない場合に、電圧のドロップにより、電流を制限したり、電圧の補償をおこなって,電圧変動を抑えている。しかしながら、ＰＷＭコンバータでは、直流側の電圧制御および、電源側の電流制御を行なっており、電源側のインピーダンスが変化した場合、それぞれの制御ループへの影響が生じる。
例えば、電源までの配線距離が短く、電源容量も大きいとき、図１の電圧検出から電力変換器の間にあるリアクトルのインピーダンスに比べ電源側のインピーダンスが極めて小さくなる場合と、電源までの配線距離が長く、電源容量が小さく、電源側のインピーダンスが電圧検出から電力変換器の間にあるリアクトルのインピーダンスに比べ同等となる場合では、直流出力側に繋がる負荷が同じでも、電圧制御、電流制御における変化量が倍半分となり、同じ制御ループゲイン,時定数では、制御が追いつかなくなり、不安定になる場合がある。また、通常は電源容量や配線距離など、電源側のインピーダンスが不明という問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電源容量や配線距離が不明であっても、運転障害を起こさないＰＷＭコンバータ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、交流電圧をリアクトルを介してＰＷＭ制御をして直流電圧に変換する電力変換器と、前記直流電圧を所定値に制御する電圧制御部を備えるＰＷＭコンバータ装置において、前記電圧制御部は、前記交流電源側の交流電流を検出する交流電流検出回路と、交流電圧を検出する交流電圧検出回路と、前記電源側のインピーダンスを演算する電源側インピーダンス演算器と、直流電源の電圧を検出する直流電圧検出回路と、前記直流電圧と設定電圧から電流指令を生成する電圧制御器と、前記電流指令と前記電流から電圧指令を生成する電流制御器と、前記電圧指令からＰＷＭ信号を生成し前記電力変換器をスイッチングするゲート信号を生成するＰＷＭ制御器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置において、前記電源インピーダンス演算器は、前記交流電圧と前記交流電流から電源インピーダンスを演算することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のＰＷＭコンバータ装置において、前記電源インピーダンス演算器は、前記交流電圧と前記交流電流の位相から電源インピーダンスを演算することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置において、前記電流制御器は、前記電源側インピーダンスに応じてゲインを変更することを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置において、前記電圧制御器は、前記電源側インピーダンスに応じてゲインを変更することを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置において、前記電圧制御部は、前記電源側インピーダンスの測定結果を表示する表示器を備えることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置において、前記電圧制御部は、前記電源側インピーダンスの測定結果があらかじめ設定した値を超えた場合、運転を継続する警告か運転を停止する異常を発生させ、表示器に異常・警告を表示する異常・警告検出器を備えることを特徴とするものである。

本発明によると、電源容量や配線距離が不明であっても、運転障害を起こさないＰＷＭコンバータ装置を提供することができる。

以下、ＰＷＭコンバータの電源側インピーダンスチューニングについて、実施例を用いて詳細に説明する。

図１に本発明が適用されたＰＷＭコンバータ装置の一実施例を示す。図１において、１は商用電源、２は電源側のインピーダンス(リアクタンス分)、３は電源側のインピーダンス(抵抗分)、４はＰＷＭコンバータ用の入力リアクトルのインピーダンス(リアクタンス分)、５はＰＷＭコンバータ用の入力リアクトルのインピーダンス(抵抗分)，６は電流検出器、７はＰＷＭコンバータ、８は平滑コンデンサ、９はインバータ装置、１０は電動機、１１は電源側電圧検出器、１２は電源側電流検出器、１３は直流電圧検出器、１４は電圧制御演算器、１５は電流制御演算器、１６は電源側インピーダンス演算器、１７は座標変換器、１８はＰＷＭ制御駆動器、１９は表示器、２０は異常・警告検出器、２１は直流電圧指令、２２は電圧制御部である。

次に動作について説明する。ＰＷＭコンバータ７は商用電源１から供給される交流電力を直流電力に変換し、インバータ装置９は直流電力を交流電力に変換し電動機１０を駆動する。電圧制御器１４は直流電圧指令２１と直流電圧検出器１３が生成した直流電圧信号の差をＰＩＤ制御処理をしてｄｑ軸電流指令を生成する。電流制御器１５はｄｑ軸電流指令と座標変換器１７の生成したｄｑ軸電流信号の差をＰＩＤ制御処理をして交流電圧指令を生成する。ＰＷＭ制御器１８は交流電圧指令をＰＷＭ信号に変換し、ＰＷＭコンバータ７のスイッチング素子を駆動する。交流電流検出器１２は電源の交流電流を検出して交流電流信号を生成する。座標変換器は電源の交流電流を座標変換しｄｑ軸電流信号を生成し、電源側インピーダンス演算器１６は交流電圧信号と交流電流信号に基づいてインピーダンスを演算する。

次に電源側インピーダンスの演算について説明する。まず、電流０の状態で電源の交流電圧信号を検出し、次に力率1のある一定の電流を流し、交流電圧信号の変化量を測定する。図２は電圧の測定点を示す図でありＶ１は電源の電圧ベクトル、Ｖ２は電源側のインピーダンスを経たあとの電圧ベクトル、Ｖ３はさらに入力リアクトルのインピーダンスを経た後の電圧ベクトルである。図３は力率１の電流を流したときのベクトル図である。電圧検出器の変動分は、電圧検出器から電源側の抵抗分による電圧変化であり、電流に対する電圧の変化量より、電源側のインピーダンス(抵抗分)が計算できる。図４は力率０の電流を流したときのベクトル図である。図４に示したベクトルの関係より、交流電圧検出器の変動分は、交流電圧検出器から電源側のインダクタンス分による電圧変化であり、電流に対する電圧と位相の変化量より、電源側のインピーダンス(インダクタンス分)が計算できる。力率1の電流は、図３の平滑コンデンサ８に対して充電、または放電を行なうことで可能であり、力率０の電流は無効分として、ＰＷＭコンバータ入力のリアクトルに対し、力率1の電圧を印加することで可能である。

このように計算した電源側のインピーダンスより、電圧制御器および、電流制御器への補正を行なう。
図５は、図６は制御ゲインの補正方法の一例である。ＰＷＭコンバータの入力側リアクトルのインピーダンスと電源側インピーダンスの和とＰＷＭコンバータの入力側リアクトルのインピーダンスとの比をＰＩＤ制御ゲインに乗じて新たなＰＩＤ制御ゲインとする。

図７は電源側インピーダンスを表示器に表示するとともに警告・異常を上位システムに出力する図である。電源側インピーダンスを定格電流に対する電源の％インピーダンスに変換し表示する。あらかじめ警告レベル＜異常レベルに設定しておき、電源側インピーダンスが警告レベルを超えたときは警告信号を上位システムに出力し、さらに異常レベルを超えたときは異常信号を出力する。警告の場合は運転を続行しながら、電源インピーダンス以外に警告を表示器に表示し、異常の場合は運転を停止して、異常を表示器に表示する。

本発明によると、電源容量や配線距離が不明であっても、運転障害を起こさないＰＷＭコンバータ装置を提供することができるので、電源容量や配線距離が不明な一般的な用途への適用が期待できる。

本発明の一実施例を示すＰＷＭコンバータ制御装置のブロック図本発明の実施例を構成する制御装置の単線結線図力率1電流時のベクトル図力率０電流時のベクトル図本発明電圧制御器のゲインを補正する説明図本発明電流制御器のゲインを補正する説明図本発明の表示・警告・異常を表示する図従来のＰＷＭコンバータ装置の構成を示すブロック図従来のＰＷＭコンバータ装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１商用電源
２電源側のインピーダンス(リアクタンス分)
３電源側のインピーダンス(抵抗分)
４入力リアクトルのインピーダンス(リアクタンス分)
５入力リアクトルのインピーダンス(抵抗分)
６電流検出器
７ＰＷＭコンバータ
８平滑コンデンサ
９インバータ装置
１０電動機
１１交流電圧検出器
１２交流電流検出器
１３直流電圧検出器
１４電圧制御器
１５電流制御器
１６電源側インピーダンス演算器
１７座標変換器
１８ＰＷＭ制御器
１９表示器
２０異常・警告検出器
２１直流電圧指令
２２電圧制御部

Claims

交流電圧をリアクトルを介してＰＷＭ制御をして直流電圧に変換する電力変換器と、前記直流電圧を所定値に制御する電圧制御部を備えるＰＷＭコンバータ装置において、
前記電圧制御部は、前記交流電源側の交流電流を検出する交流電流検出器と、交流電圧を検出する交流電圧検出器と、前記電源側のインピーダンスを演算する電源側インピーダンス演算器と、直流電源の電圧を検出する直流電圧検出器と、前記直流電圧と設定電圧から電流指令を生成する電圧制御器と、前記電流指令と前記電流から電圧指令を生成する電流制御器と、前記電圧指令からＰＷＭ信号を生成し前記電力変換器をスイッチングするゲート信号を生成するＰＷＭ制御器と、を備えることを特徴とするＰＷＭコンバータ装置。
前記電源インピーダンス演算器は、前記交流電圧と前記交流電流から電源インピーダンスを演算することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置。
前記電源インピーダンス演算器は、前記交流電圧と前記交流電流の位相から電源インピーダンスを演算することを特徴とする請求項２記載のＰＷＭコンバータ装置。
前記電流制御器は、前記電源側インピーダンスに応じてゲインを変更することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置。
前記電圧制御器は、前記電源側インピーダンスに応じてゲインを変更することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置。
前記電圧制御部は、前記電源側インピーダンスの測定結果を表示する表示器を備えることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置。
前記電圧制御部は、前記電源側インピーダンスの測定結果があらかじめ設定した値を超えた場合、運転を継続する警告か運転を停止する異常を発生させ、表示器に異常・警告を表示する異常・警告検出器を備えることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭコンバータ装置。