JP2008048513A - 半導体電力変換制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定パルス方式を適用した三相あるいは単相の半導体電力変換装置において、交流出力電圧に直流成分を重畳し、変圧器の偏磁を抑制する。
【解決手段】三相半導体電力変換装置１の交流出力の電圧変換を行う三相変換器用変圧器１２から固定パルスを用いたスイッチングデバイスの三相各相の補正値を生成する偏磁抑制制御手段１５と、偏磁抑制制御手段の生成した三相各相の補正値を用いて、三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えて位相補正を行う位相補正手段１６と、位相補正手段の出力する補正量を基本ゲートパターンに加算して補正ゲートパターンを生成するパルスパターン発生手段１７とを備えた半導体電力変換制御装置１４を特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、固定パルス方式の半導体電力変換装置対してその交流出力に直流成分を重畳する制御を行う半導体電力変換装置の制御方式に関する。

従来、三相半導体電力変換装置あるいは単相半導体電力変換装置では、そのスイッチング動作あるいは交流負荷、交流系統の影響により偏磁が発生してしまい、偏磁過電流により装置を保護停止する必要が発生し、そのような場合には負荷への電力供給あるいは電力変換をやむなく一旦停止しなければならない問題点があった。

図９は、一般的な三相半導体電力変換装置のパルス幅変調（ＰＷＭ）の原理図である。この図９において、搬送波と称する三角波Ｗ１と三相半導体電力変換装置が発生すべき出力電圧指令値に相当する変調波Ｗ２とを比較し、半導体スイッチングデバイスをオン、オフ動作させることにより三相半導体電力変換装置から電圧指令値に見合った電圧を出力させる。

図１０は、一般的な単相半導体電力変換装置のＰＷＭの原理図である。この図１０において、搬送波と称する三角波Ｗ３と単相半導体電力変換装置が発生すべき出力電圧指令値に相当する変調波Ｗ４とを比較し、半導体スイッチングデバイスをオン、オフ動作させることにより単相半導体電力変換装置から電圧指令値に見合った電圧を出力させる。

電力系統では変圧器が用いられているが、変圧器には鉄心飽和があり、これを解消するために偏磁抑制をする必要がある。そのため、図９に示した三相半導体電力変換装置、図１０に示した単相半導体電力変換装置のいずれのＰＷＭでも、それぞれ変調波Ｗ２，Ｗ４に直流成分αを重畳した変調波Ｗ２^＋，Ｗ４^＋を用いることで、結果として半導体電力変換装置の交流出力電圧に直流電圧成分を容易に重畳させることで偏磁抑制を行っている。

一方、半導体電力変換装置のスイッチング方式として、上記のＰＷＭ方式に対し、固定パルスのスイッチング方式がある。固定パルススイッチング方式の半導体変換装置は、ゲートパルスのスイッチング周波数が低くても高調波を低減できるメリットがある。ところが、交流振幅を可変できない特性ゆえに、従来の搬送波と変調波を比較してゲートパルスを生成するＰＷＭ方式と同様の方法では直流電圧成分を重畳させることができない。そのため、偏磁抑制制御には新たな方式の開発が必要とされていた。
特開２００３−２７４６７５号公報

本発明は、上述したような従来の技術的課題に鑑みてなされたものであって、固定パルス方式を適用した三相あるいは単相の半導体電力変換装置において、交流出力電圧に直流成分を重畳し、変圧器の偏磁を抑制することができる半導体電力変換制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、三相半導体電力変換装置の固定パルスにおける偏磁抑制制御手段と、前記偏磁抑制制御手段の生成した三相各相の補正値を用いて、三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えて位相補正を行う位相補正手段と、前記位相補正手段の出力する補正量を基本ゲートパターンに加算して補正ゲートパターンを生成するパルスパターン発生手段とを備えた半導体電力変換制御装置である。

本発明の第２の特徴は、単相半導体電力変換装置の固定パルスにおける偏磁抑制制御手段と、前記偏磁抑制制御手段の生成した補正値を用いて、各相にスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えて位相補正を行う位相補正手段と、前記位相補正手段の出力する補正量を基本ゲートパターンに加算して補正ゲートパターンを生成するパルスパターン発生手段とを備えた半導体電力変換制御装置である。

本発明の半導体電力変換制御装置によれば、三相半導体電力変換装置を固定パルス方式で制御するのに、三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより位相補正値を切り替えて固定パルスを位相補正することによって交流出力に直流成分を重畳し、三相変換器用変圧器の偏磁を各相毎に抑制し、三相半導体電力変換装置の過電流を防止し、連続して運転継続できるようにする。

また、本発明の半導体電力変換制御装置によれば、単相半導体電力変換装置において、各アームのスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えて固定パルスを位相補正することによって交流出力に直流成分を重畳し、単相変換器用変圧器の偏磁を抑制し、単相半導体電力変換装置の過電流を防止することができ、連続して運転継続できるようにする。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。まず、図１、図２を用いて本発明の三相半導体電力変換装置による偏磁抑制制御の原理について説明する。図１は１パルス、３パルス、５パルス、７パルスそれぞれの固定パルス方式のパルス波形を示している。３６０°の１周期の間に１パルスあるのが１パルス方式、１周期の間に３パルスがあるのが３パルス方式、同様に５パルス、７パルスあるのがそれぞれ５パルス方式、７パルス方式である。

さて、このような固定パルス方式の場合、正のパルス波高を大きくし負のパルス波高を小さくするという操作はできない。そこで、正負のパルスの位相を操作することによって正側の積分値を負側よりも積分値の絶対値よりも大きくする（あるいはその逆。しかしここでは正側を大きくするとする）ことで、１周期の全体の積分値を正側にαだけ大きくすることで直流成分を重畳する。

この正側のパルスの積分値を負側のパルスの積分値の絶対値よりも大きくするための位相操作を、図２に示す３パルス方式を例示して説明する。図２（ａ）に示すように、１周期のパルス波形には、２つの狭パルスＰｎと１つの広パルスＰｗが含まれる。そこで、直流成分を生成するためには、図２（ｂ）に示すように、正期間の広パルスＰｗを少し広くし、逆に負期間の広パルスＰｗをその分狭くする。例えば、３相の場合、他相のスイッチングタイミングと重ならない範囲で、両端４°ずつ調整する。この操作により、正側のパルスの積分値が負側のパルスの積分値の絶対値よりも大きくなり、結果として、スイッチング出力には直流成分を重畳することができる。

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の三相半導体電力変換制御装置を、図３、図４を参照して説明する。図３に示すように、三相半導体電力変換装置１は、スイッチングデバイスＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚを備え、スイッチングデバイスＵ，ＸでＵＸアーム、スイッチングデバイスＶ，ＹでＶＹアーム、スイッチングデバイスＷ，ＺでＷＺアームを構成している。この三相半導体電力変換装置１は三相電力を直流電力に、若しくは直流電力を三相電力に変換するものであり、直流側には直流電源あるいは直流コンデンサ１１が、交流側には三相変換器用変圧器１２がそれぞれ接続され、この三相変換器用変圧器１２を介して交流電源又は負荷１３が接続される。

三相半導体電力変換装置１に対する制御装置１４は、三相変換器用変圧器１２の磁束あるいは励磁電流、又はこれらの相当量から補正値を演算する偏磁抑制制御部１５、位相補正部１６、パルスパターン発生部１７、そしてＰＷＭ処理を行ってスイッチングデバイスに対するゲート信号を出力するＰＷＭ処理部１８から構成されている。

図４（ａ）〜（ｃ）には、三相半導体電力変換装置１のＵＸ，ＶＹ，ＷＺの各アームの３パルスの固定パルススイッチングパターン、図４（ｄ）にはＵＶＷ各相のゲートパルス、図４（ｅ）〜（ｇ）には偏磁抑制制御部１５の生成するＵ，Ｖ，Ｗ各相の補正値、図４（ｈ）には最終的な補正値、図４（ｉ）には位相補正部１６による位相指令、図４（ｊ）〜（ｌ）にはパルスパターン発生部１７による補正後の各アームの固定パルススイッチングパターンを示している。

偏磁抑制制御部１５は、補正前のゲートパルスとしてのＵＸアーム、ＶＹアーム、ＷＺアームの３パルス固定パルスに対するＵ相偏磁補正値ｋｕ、Ｖ相偏磁補正値ｋｖ、Ｗ相偏磁補正値ｋｗを与え、位相補正部１６は三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替える。固定パルス方式における直流成分重畳を実施するため、三相半導体電力変換装置１の位相シフトタイミングは、各アームのスイッチング期間の範囲外、かつ各アームの間の最も離れた箇所において実施する。三相の場合の位相シフトタイミングは、それぞれ３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°とする。補正値としては、各アームがスイッチング期間を有する相の偏磁補正値を次の位相シフトタイミングを実施するまで連続して生成し、こうして生成された偏磁補正値をパルスパターン発生部１７に入力し、パルスパターン発生部１７は図４（ｊ）〜（ｌ）に示すゲートパターンを生成する。

ＰＷＭ処理部１８は、パルスパターン発生部１７で生成される固定パルスゲートパターンに基づいてＰＷＭ処理を行い、三相半導体電力変換装置１の各スイッチングデバイスをスイッチング動作させる。

このように、本実施の形態の三相半導体電力変換制御装置では、固定パルス方式の三相半導体電力変換装置１に対して、三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えることにより、交流出力に直流成分を重畳し、三相変換器用変圧器１２の偏磁を抑制し、三相半導体電力変換装置１と三相変換器用変圧器１２との間の過電流を防止する。これにより、三相変換器用変圧器１２の過電流を防ぎ、連続して運転継続できるようになる。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の三相半導体電力変換制御装置について、図３、図５を参照して説明する。尚、第１の実施の形態で用いた図３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施の形態は、図５に示すように、偏磁抑制制御部１５の生成する補正値として各アームがスイッチング期間を有する相の補正値を、位相補正部１６が次の位相シフトタイミングまでサンプルホールドすることを特徴とする。

固定パルス方式の三相半導体電力変換装置１において、三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えることにより、三相変換器用変圧器１２の偏磁を抑制し、直流成分を重畳し、三相半導体電力変換装置１と三相変換器用変圧器１２との間の過電流を防止することができる。これにより、三相変換器用変圧器１２の過電流を防ぎ、連続して運転継続できるようになる。加えて、本実施の形態の場合、上記構成によって三相半導体電力変換装置１を運転することにより、位相指令が負の傾きとなって不要にスイッチング回数が増加する現象を防止できる。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の単相半導体電力変換制御装置について、図６、図７を参照して説明する。尚、上述した図３、図４と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６に示す単相半導体電力変換装置６は、スイッチングデバイスＵ，Ｖ，Ｘ，Ｙを備え、スイッチングデバイスＵ，ＸでＵＸアーム、スイッチングデバイスＶ，ＹでＶＹアームを構成している。この単相半導体電力変換装置６の直流側には、直流電源あるいは直流コンデンサ１１、交流側には単相変換器用変圧器１９を接続してあり、この単相変換器用変圧器１９を介して交流電源又は負荷１３へ接続される。本実施の形態の場合も、制御装置１４は、単相変換器用変圧器１９の磁束あるいは励磁電流、又はこれらの相当量から補正値を演算する偏磁抑制制御部１５、位相補正部１６、パルスパターン発生部１７、そしてＰＷＭ処理を実施するＰＷＭ処理部１８から構成されている。

図７（ａ），（ｂ）には、単相半導体電力変換装置６のＵＸ，ＶＹの各アームのスイッチングパターン、図７（ｃ）にはゲートパルス、図７（ｄ）には偏磁抑制制御部１５の生成するＵ相の補正値、図７（ｅ）には最終的な補正値、図７（ｆ）には位相指令部１６による位相指令、図７（ｇ），（ｈ）にはパルスパターン発生部１７の出力する補正後の各アームのスイッチングパターンを示している。

偏磁抑制制御部１５は、単相半導体電力変換装置６の各アームのスイッチングパターンを記した補正前のゲートパルスに対してＵＸアーム、ＶＹアームの固定パルスを構成し、Ｕ相偏磁補正値ｋｕを生成する。位相補正部１６は、各アームにてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替える。固定パルス方式において直流成分を重畳するため、単相半導体電力変換装置６の位相シフトタイミングは、各アームのスイッチング期間の範囲外、かつ各アームの間の最も離れた箇所において実施する。単相の場合の位相シフトタイミングは、それぞれ９０°、２７０°で構成する。補正値としては、各アームがスイッチング期間を有する相の偏磁補正値を次の位相シフトタイミングを実施するまで連続して生成する。

本実施の形態によれば、単相半導体電力変換装置６において、各アームのスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えることによって直流成分を重畳し、単相変換器用変圧器１９の偏磁を抑制し、単相半導体電力変換装置６と単相変換器用変圧器１９との間の過電流を防止することができる。これにより、単相変換器用変圧器１９の偏磁による過電流を防ぎ、連続して運転継続できる。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態の単相半導体電力変換制御装置について、図６、図８を参照して説明する。なお、第３の実施の形態と同一の構成には同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。

本実施の形態は、制御装置１４において、偏磁抑制制御部１５の生成する補正値として各アームがスイッチング期間を有する相の補正値を、位相補正部１６が次の位相シフトタイミングまでサンプルホールドすることを特徴とする。

本実施の形態によれば、固定パルス方式の単相半導体電力変換装置６において、各アームのスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えることにより、単相変換器用変圧器１９の偏磁を抑制し、直流成分を重畳し、単相半導体電力変換装置６と単相変換器用変圧器１９との間の過電流を防止することができる。これにより、単相変換器用変圧器１９の偏磁による過電流を防ぎ、連続して運転継続できるようになる。また、上記構成により運転を実施することにより、位相指令が負の傾きとなって不要にスイッチング回数が増加する現象を防止できる。

一般的な半導体電力変換装置の１パルス、３パルス、５パルス、７パルスの固定パルス方式の各パルスパターンの説明図。 ３パルス固定パルス方式の位相操作による直流成分重畳の原理を示す波形図。 本発明の第１の実施の形態の三相半導体電力変換制御装置のブロック図。 上記第１の実施の形態の三相半導体電力変換制御装置よる補正前のパルスパターン、各相補正値、位相指令、補正パルスパターンを示す波形図。 本発明の第２の実施の形態の三相半導体電力変換制御装置による補正前のパルスパターン、各相補正値、位相指令、補正パルスパターンを示す波形図。 本発明の第３の実施の形態の単相半導体電力変換制御装置のブロック図。 上記第３の実施の形態の三相半導体電力変換制御装置による補正前のパルスパターン、各相補正値、位相指令、補正パルスパターンを示す波形図。 本発明の第４の実施の形態の単相半導体電力変換制御装置による補正前のパルスパターン、各相補正値、位相指令、補正パルスパターンを示す波形図。 従来の三相のＰＷＭ方式の搬送波と変調波と直流補正後の変調波の波形図。 従来の単相のＰＷＭ方式の搬送波と変調波と直流補正後の変調波の波形図。

符号の説明

１ 三相半導体電力変換装置
６ 単相半導体電力変換装置
１１ 直流コンデンサ
１２ 三相変換器用変圧器
１４ 制御装置
１５ 偏磁抑制制御部
１６ 位相補正部
１７ パルスパターン発生部
１８ ＰＷＭ処理部
１９ 単相変換器用変圧器

Claims (4)

1. 三相半導体電力変換装置の固定パルスにおける偏磁抑制制御手段と、
   前記偏磁抑制制御手段の生成した三相各相の補正値を用いて、三相全相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えて位相補正を行う位相補正手段と、
   前記位相補正手段の出力する補正量を基本ゲートパターンに加算して補正ゲートパターンを生成するパルスパターン発生手段とを備えたことを特徴とする半導体電力変換制御装置。
2. 前記位相補正手段は、前記偏磁抑制制御手段からの三相各相の補正値をサンプルホールドし、所定のタイミングに位相補正を出力することを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換制御装置。
3. 単相半導体電力変換装置の固定パルスにおける偏磁抑制制御手段と、
   前記偏磁抑制制御手段の生成した補正値を用いて、各相にてスイッチングの発生しないタイミングにより補正値を切り替えて位相補正を行う位相補正手段と、
   前記位相補正手段の出力する補正量を基本ゲートパターンに加算して補正ゲートパターンを生成するパルスパターン発生手段とを備えたことを特徴とする半導体電力変換制御装置。
4. 前記位相補正手段は、前記偏磁抑制制御手段からの補正値をサンプルホールドし、所定のタイミングに位相補正を出力することを特徴とする請求項３に記載の半導体電力変換制御装置。
   
   

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