JP2008092651A - Power converter and power conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関するものであり、特に、フライングキャパシタ方式のインバータ回路を備えた電力変換装置およびこの電力変換装置を用いて構成した電力変換システムに関するものである。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device including a flying capacitor type inverter circuit and a power conversion system configured using the power conversion device.
フライングキャパシタ方式のインバータ回路を備えた電力変換装置は、例えば下記非特許文献1、非特許文献2などに開示されており、出力電流に含まれるリップル成分を効果的に低減することができる電力変換装置として注目されている。
A power conversion device including a flying capacitor type inverter circuit is disclosed in, for example, Non-Patent
しかしながら、上記非特許文献1,2などに示される電力変換装置では、出力電圧が小さいときや、負荷力率が悪いときには、フライングキャパシタとして用いられるコンデンサのリップル電流が増加するという問題点があった。また、電力半導体のスイッチング損失が大きいという問題点もあった。
However, the power converters disclosed in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力電圧が小さいときや負荷力率が悪いときであっても、フライングキャパシタとして用いられるコンデンサのリップル電流の増加を抑制することができ、また、電力半導体のスイッチング損失を低減することができる電力変換装置およびこの電力変換装置を用いて構成した電力変換システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and even when the output voltage is small or the load power factor is bad, an increase in the ripple current of the capacitor used as the flying capacitor can be suppressed, Moreover, it aims at providing the power converter device which can reduce the switching loss of a power semiconductor, and the power converter system comprised using this power converter device.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、第1の電力蓄積手段を有し、該第1の電力蓄積手段に蓄積された直流電力を供給する直流中間回路と、該直流中間回路から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路と、該インバータ主回路をPWM制御するためのPWM信号を生成出力するPWM制御回路と、該PWM信号の生成に必要な電圧指令を生成して該PWM制御回路に出力する電圧指令生成回路と、を備えた電力変換装置において、前記インバータ主回路は、前記直流中間回路を構成する正負一対の直流母線間に直列に接続される第1〜第4のスイッチング素子と、前記第1、第2のスイッチング素子の接続端と前記第3、第4のスイッチング素子の接続端との間に接続される第2の電力蓄積手段と、を各相毎に備え、前記第2の電力蓄積手段に蓄積される直流電力は、前記直流中間回路から供給されることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a power conversion device according to the present invention includes a first power storage unit, and a DC intermediate unit that supplies DC power stored in the first power storage unit. A circuit, an inverter main circuit for converting DC power supplied from the DC intermediate circuit into AC power, a PWM control circuit for generating and outputting a PWM signal for PWM control of the inverter main circuit, and generation of the PWM signal A voltage command generation circuit that generates a voltage command necessary for output to the PWM control circuit, and the inverter main circuit is connected between a pair of positive and negative DC buses constituting the DC intermediate circuit. The first to fourth switching elements connected in series, the second switching element connected between the connection end of the first and second switching elements and the connection end of the third and fourth switching elements. Comprising a power storage means, to each phase, the DC power accumulated in the second power storage unit, characterized in that it is supplied from the DC intermediate circuit.
本発明にかかる電力変換装置によれば、第2の電力蓄積手段を有する直流中間回路の正負一対の直流母線間に直列に接続される第1〜第4のスイッチング素子と、第1、第2のスイッチング素子の接続端と第3、第4のスイッチング素子の接続端との間に接続される第2の電力蓄積手段が各相毎に備えられ、第2の電力蓄積手段への直流電力が、直流中間回路から供給されるような制御が行われるので、第1の電力蓄積手段や第2の電力蓄積手段に流れるリップル電流の増加を抑制することができ、また、電力半導体のスイッチング損失を低減することができるという効果が得られる。 According to the power conversion device of the present invention, the first to fourth switching elements connected in series between the pair of positive and negative DC buses of the DC intermediate circuit having the second power storage means, the first and second The second power storage means connected between the connection ends of the switching elements and the connection ends of the third and fourth switching elements is provided for each phase, and direct current power to the second power storage means is provided. Since the control as supplied from the DC intermediate circuit is performed, an increase in the ripple current flowing through the first power storage means and the second power storage means can be suppressed, and the switching loss of the power semiconductor can be reduced. The effect that it can reduce is acquired.
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a power conversion device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment.
実施の形態1.
(電力変換装置の構成)
まず、実施の形態1にかかる電力変換装置の構成について図1〜図3を参照して説明する。
(Configuration of power converter)
First, the structure of the power converter
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置を構成するインバータ主回路の構成例を示す図であり、電動機(IM)を駆動する電動機駆動用として構成した電力変換装置を示している。同図に示す電力変換装置のインバータ主回路10は、スイッチング素子(SW1a〜SW4a)、スイッチング素子(SW1b〜SW4b)およびスイッチング素子(SW1c〜SW4c)を備え、これらのスイッチング素子が各相(a相、b相、c相)毎に直列に接続されたスイッチング素子群を構成し、かつ、各相毎のスイッチング素子群が直流中間回路(Cp,Cn)の正側直流母線である直流母線11と負側直流母線である直流母線12との間に各並列に接続されている。また、各スイッチング素子群を構成する第1のスイッチング素子(a相であればSW1a)と第2のスイッチング素子(a相であればSW2a)の接続点と、第3のスイッチング素子(a相であればSW3a)と第4のスイッチング素子(a相であればSW4a)の接続点との間には、電圧クランプ回路(Ca)が接続されている。さらに、各スイッチング素子の制御端には制御用の入力端(S1a〜S4a,S1b〜S4b,S1c〜S4c)および負荷である電動機(IM)に電力を供給するための出力端(a1,b1,c1)がそれぞれ設けられている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an inverter main circuit that constitutes a power conversion device according to a first embodiment of the present invention, and illustrates a power conversion device configured for driving a motor that drives a motor (IM). Yes. The inverter
なお、上記でいうところの直流中間回路とは、電力変換装置の内部における直流母線11,12に接続される回路部の総称であり、図1では、同回路部の主構成要素であるコンデンサ(Cp,Cn)で表している。また、電圧クランプ回路は、上述の各スイッチング素子群における所定のスイッチング素子間を所定電圧にクランプするための回路部であり、図1の構成では、同回路部の主構成要素である電圧クランプ用のコンデンサ(Ca,Cb,Cc)で表している。なお、これらのコンデンサ(Ca,Cb,Cc)は、その両端の電位が所定のスイッチング素子のオン・オフによって可変制御されるように構成されており、その特徴を称してフライングキャパシタと呼ばれている。また、これらのフライングキャパシタを備えた電力変換装置は、フライングキャパシタ方式の電力変換装置として分類されている。なお、直流中間回路のコンデンサ(Cp,Cn)や電圧クランプ回路のコンデンサ(Ca,Cb,Cc)については、直流電力を蓄積できる能力を有する他の構成要素で代用することができることは言うまでもない。
Note that the DC intermediate circuit mentioned above is a general term for circuit units connected to the
また、図1の構成では、インバータ主回路のスイッチング素子としてIGBTを用いるように示しているが、例えばMOSFETやGTO、あるいはそれらの素子の組み合わせた構成としてもよい。 In the configuration of FIG. 1, the IGBT is shown as being used as a switching element of the inverter main circuit. However, for example, a MOSFET, a GTO, or a combination of these elements may be used.
図2は、本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置に用いられる整流回路の構成例を示す図である。同図に示す整流回路は、変圧器(Tr1)、整流器(Rec1)、充電電流制限抵抗(R1)、サイリスタ(Thy1)などを備えて構成される。充電電流制限抵抗(R1)は、コンデンサ(Cp,Cn,Ca〜Cc)への充電電流を制限するための抵抗素子であり、サイリスタ(Thy1)は、初期充電完了後に充電電流制限抵抗(R1)を短絡するための制御素子である。また、この整流回路は、直流中間回路を構成するコンデンサ(Cp,Cn)の運転中の電圧(Vdc:2×Edc)を一定に保持する機能や、電圧クランプ回路を構成するコンデンサ(Ca〜Cc)の各電圧(Vca〜Vcc)の初期充電および運転中の電圧を一定に保持する機能を有している。 FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a rectifier circuit used in the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. The rectifier circuit shown in the figure includes a transformer (Tr1), a rectifier (Rec1), a charging current limiting resistor (R1), a thyristor (Thy1), and the like. The charging current limiting resistor (R1) is a resistance element for limiting the charging current to the capacitors (Cp, Cn, Ca to Cc), and the thyristor (Thy1) is the charging current limiting resistor (R1) after completion of the initial charging. Is a control element for short-circuiting. In addition, this rectifier circuit has a function of maintaining a constant voltage (Vdc: 2 × Edc) during operation of the capacitors (Cp, Cn) constituting the DC intermediate circuit, and capacitors (Ca to Cc) constituting the voltage clamp circuit. ) Of the respective voltages (Vca to Vcc) and a function of keeping the voltage during operation constant.
図3は、本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置を構成するPWM制御回路(1相分)の構成例を示す図である。同図に示すPWM制御回路は、PWM信号を生成するためのPWM信号生成第1回路21と、PWM信号生成第2回路22とを備えている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a PWM control circuit (for one phase) included in the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. The PWM control circuit shown in the figure includes a PWM signal generation
PWM信号生成第1回路21は入力端側にあり、その入力端は、電圧指令Vref_aの入力端、2組の搬送波信号(Vcp,Vcm)の入力端、直流中間回路の両端電圧(すなわち直流母線11,12間の電圧:以下「直流中間回路電圧」という)Vdcの入力端、直流中間回路電圧(Vdc)の50%値の入力端、負荷である電動機のa相に出力される電流(以下「a相出力電流」あるいは単に「出力電流」という)と同等(同一極性)の電流が入力される入力端、電圧クランプ回路の電圧(以下「電圧クランプ回路電圧」という)の入力端、所定第1の設定値(Vhs)の入力端、所定第2の設定値(Vhr)の入力端、所定第3の設定値(Vls)の入力端、所定第4の設定値(Vlc)の入力端、およびクロック信号の入力端の、計12個の入力端を有している。
The PWM signal generation
一方、PWM信号生成第2回路22は出力端側にあり、その出力端は、a相のスイッチング素子(SW1a〜SW4a)をそれぞれPWM制御するためのPWM信号の出力端(S16a〜S4a)を有している。なお、図3に示す回路は、1相分の構成を示すものであり、この回路が各相毎に設けられることは言うまでもない。
On the other hand, the PWM signal generation
(電力変換装置の動作)
つぎに、実施の形態1にかかる電力変換装置の動作を図1〜図4などを参照して説明する。なお、図4は、本発明の実施の形態1にかかる電力変換装置のスイッチング波形例を示す図である。
(Operation of power converter)
Next, the operation of the power conversion apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, FIG. 4 is a figure which shows the example of a switching waveform of the power converter
直流中間回路のコンデンサ(Cp、Cn)は、図2の整流回路により定格直流電圧(Vdc=2×Ed)まで充電される。電圧クランプ回路のコンデンサ(Ca)は、電動機(IM)への印加電圧をEdにクランプする機能を有している。ここで、図3に示したPWM制御回路は、図4の(1)に示す電圧指令(Vref_a)と2組の搬送波(Vcp、Vcn)とを入力信号とし、同図の(2)〜(5)に示すスイッチング信号を自身の出力端(S1a〜S4a)から出力する。これらのスイッチング信号は、図1の電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)の制御端(S1a〜S4a)に入力される。一方、出力端(a1)から電動機(IM)の入力端(a2)に対して、直流中間回路電圧(+2Ed)、電圧クランプ回路電圧(Ed)および制御端(S1a〜S4a)に入力されるスイッチング信号の作用に基づいて決定される出力電流(a相分)が出力される。このときの波形は、図4の(6)に示すような、基本波電圧が電圧指令(Vref_a)に比例した(+Ed,0,−Ed)の3階調の電圧(Va:a相出力電圧)であり、電動機(IM)に対して所望の電力が給電されることになる。 The capacitors (Cp, Cn) of the DC intermediate circuit are charged to the rated DC voltage (Vdc = 2 × Ed) by the rectifier circuit of FIG. The capacitor (Ca) of the voltage clamp circuit has a function of clamping the voltage applied to the electric motor (IM) to Ed. Here, the PWM control circuit shown in FIG. 3 receives the voltage command (Vref_a) shown in (1) of FIG. 4 and two sets of carrier waves (Vcp, Vcn) as input signals, and (2)-( The switching signal shown in 5) is output from its own output terminal (S1a to S4a). These switching signals are input to the control terminals (S1a to S4a) of the power semiconductor switches (SW1a to SW4a) in FIG. On the other hand, switching from the output terminal (a1) to the input terminal (a2) of the electric motor (IM) is input to the DC intermediate circuit voltage (+ 2Ed), the voltage clamp circuit voltage (Ed), and the control terminals (S1a to S4a). An output current (for a phase) determined based on the action of the signal is output. The waveform at this time is a voltage of three gradations (Va: a-phase output voltage) of (+ Ed, 0, −Ed) in which the fundamental wave voltage is proportional to the voltage command (Vref_a) as shown in (6) of FIG. ), And desired electric power is supplied to the electric motor (IM).
なお、本実施の形態では、上記した電圧指令(Vref_a)にかかる作成手法について、より詳細な説明については省略する。一例を挙げるとするならば、例えば、電動機駆動用の電力変換装置に対してベクトル制御を行う場合において、a相出力電流(Ia)が所定の電流信号(Iref_a)と等しくなるように制御するときの電圧指令(Va)が、この電圧指令(Vref_a)に相当する。 In the present embodiment, a more detailed description of the creation method according to the voltage command (Vref_a) is omitted. To give an example, for example, when vector control is performed on a power conversion device for driving an electric motor, the a-phase output current (Ia) is controlled to be equal to a predetermined current signal (Iref_a). The voltage command (Va) corresponds to this voltage command (Vref_a).
なお、上記の説明では、インバータ主回路構成(図1)およびPWM制御回路(図3)に関して、各1相分(a相)の構成を示したが、他の相(b相、c相)についても同様な構成となる。また、直流中間回路については、正負2個のコンデンサ(Cp、Cn)で構成するとともに中間電位を接地するようにしているが、これは説明の便宜上のためであり、単一のコンデンサで構成され、また、2個のコンデンサで構成されていたとしても、その中間電位は非接地とされる場合の方が多い。 In the above description, regarding the inverter main circuit configuration (FIG. 1) and the PWM control circuit (FIG. 3), the configuration of one phase (a phase) is shown, but the other phases (b phase, c phase) It becomes the same composition about. The DC intermediate circuit is composed of two positive and negative capacitors (Cp, Cn) and the intermediate potential is grounded, but this is for convenience of explanation, and it is composed of a single capacitor. Moreover, even if it is composed of two capacitors, the intermediate potential is often ungrounded.
また、上記では、電力変換装置を電動機駆動用として構成した場合について説明したが、電力変換装置を電力系統安定化用として用いる場合には、出力端(a1,b1,c1)には、電動機(IM)ではなく、商用電源(CM)が接続されることは言うまでもない。なお、この場合の電圧指令(Va)は、例えば電力系統安定化制御における電流制御系の出力として与えられることが広く知られている。 In the above description, the case where the power conversion device is configured for driving the electric motor has been described. However, when the power conversion device is used for power system stabilization, the output terminal (a1, b1, c1) has an electric motor ( Needless to say, a commercial power supply (CM) is connected instead of (IM). It is widely known that the voltage command (Va) in this case is given as an output of a current control system in power system stabilization control, for example.
また、上記では、電力変換装置を3相で構成しているが、3相に限定されるものではなく、2相の電力変換装置あるいは4相以上の多相電力変換装置としての構成が可能であることは言うまでもない。 In the above description, the power conversion device is configured with three phases, but is not limited to three phases, and can be configured as a two-phase power conversion device or a multiphase power conversion device with four or more phases. Needless to say.
(PWM制御回路の制御アルゴリズム)
つぎに、図3に示したPWM制御回路の制御アルゴリズムについて説明する。なお、図3のPWM制御回路は、実施の形態1にかかる制御アルゴリズムを実現するために種々の論理素子を用いて構成した一例を示すものである。
(Control algorithm of PWM control circuit)
Next, a control algorithm of the PWM control circuit shown in FIG. 3 will be described. Note that the PWM control circuit of FIG. 3 shows an example in which various logic elements are used to realize the control algorithm according to the first embodiment.
図3において、PWM信号生成第1回路21は、電動機へ供給すべき電力に応じて制御されるa相出力電圧(Va)に対応する電圧指令(Vref_a)の極性を判別する第1の比較器(Cmp1)と、正極性の搬送波(Vcp)および電圧指令(Vref_a)を入力としてその大小を判別する第2の比較器(Cmp2)と、負極性の搬送波(Vcn)および電圧指令(Vref_a)を入力としてその大小を判別する第3の比較器(Cmp3)と、電圧クランプ回路電圧(Vca)が直流中間回路電圧(Vdc)の50%値と所定第1の設定値(Vhs)との和を超えたか否かを検出する第4の比較器(Cmp4)と、電圧クランプ回路電圧(Vca)が直流中間回路電圧(Vdc)の50%値と所定第2の設定値(Vhr)の和よりも低下したか否かを検出する第5の比較器(Cmp5)と、電圧クランプ回路電圧(Vca)が直流中間回路電圧(Vdc)の50%値と所定第3の設定値(Vls)の和を低下したか否かを検出する第6の比較器(Cmp6)と、電圧クランプ回路電圧(Vca)が直流中間回路電圧の50%値と所定第4の設定値(Vlr)の和よりも超過したか否かを検出する第7の比較器(Cmp7)と、を備えるとともに、第4の比較器(Cmp4)の出力と第5の比較器(Cmp5)の出力に基づいて、電圧クランプ回路電圧(Vca)が直流中間回路の50%よりも超過した状態を記憶する第1の記憶装置(FF1)と、第6の比較器(Cmp6)の出力と第7の比較器(Cmp7)との出力に基づいて、電圧クランプ回路の電圧が直流中間回路の50%よりも低下した状態を記憶する第2の記憶装置(FF2)と、第1の記憶装置(FF1)が動作した場合には上記状態を記憶する一方で、第2の記憶装置(FF2)が動作した場合は上記状態を解除する第3の記憶装置(FF3)を備えている。
In FIG. 3, the PWM signal generation
また、PWM信号生成第2回路22は、以下の機能を有する回路部として構成される。すなわち、電圧Vref_aの極性(正極性:1、負極性:0)と電流Iaの極性(正極性:1、負極性:0)と第3の記憶装置(FF3)の極性(第1の記憶装置(FF1)の動作時:1、第2の記憶装置(FF2)の動作時:0)の排他的論理和が0、または、第1の記憶装置(FF1)が不動作(不動作:0)かつ第2の記憶装置(FF2)も不動作(不動作:0)の場合には、電力半導体(SW1a)は第1の比較器(Cmp1)の出力で駆動され、電力半導体(SW2a)は第2の比較器(Cmp2)と第3の比較器(Cmp3)の論理和の出力で駆動され、電力半導体(SW3a)は第2の比較器(Cmp2)の逆極性と第3の比較器(Cmp3)の逆極性の論理和の出力で駆動され、電力半導体(SW4a)は第1の比較器(Cmp1)の逆極性の出力で駆動される。
The PWM signal generation
上記の場合とは逆に、電圧Vref_aの極性(正極性:1、負極性:0)と電流Iaの極性(正極性:1、負極性:0)と第3の記憶装置(FF3)の極性(第1の記憶装置(FF1)の動作時:1、第2の記憶装置(FF2)の動作時:0)の排他的論理和が1、かつ、第1の記憶装置(FF1)が不動作(不動作:0)または第2の記憶装置(FF2)が不動作(不動作:0)の場合には、電力半導体(SW1a)は第2の比較器(Cmp2)と第3の比較器(Cmp3)の論理和の出力で駆動され、電力半導体(SW2a)は第1の比較器(Cmp1)の出力で駆動され、電力半導体(SW3a)は第1の比較器(Cmp1)の逆極性の出力で駆動され、電力半導体(S4a)は第2の比較器(Cmp2)の逆極性と第3の比較器(Cmp3)の逆極性の論理和の出力で駆動される。 Contrary to the above case, the polarity of the voltage Vref_a (positive polarity: 1, negative polarity: 0), the polarity of the current Ia (positive polarity: 1, negative polarity: 0), and the polarity of the third storage device (FF3) The exclusive OR of (when the first storage device (FF1) is operating: 1, when the second storage device (FF2) is operating: 0) is 1, and the first storage device (FF1) is not operating. (Non-operation: 0) or when the second memory device (FF2) is non-operation (non-operation: 0), the power semiconductor (SW1a) is connected to the second comparator (Cmp2) and the third comparator ( Cmp3) is driven by the logical sum output, the power semiconductor (SW2a) is driven by the output of the first comparator (Cmp1), and the power semiconductor (SW3a) is the output of the reverse polarity of the first comparator (Cmp1). The power semiconductor (S4a) is driven by the reverse polarity of the second comparator (Cmp2) and the third comparator (Cmp2). It is driven by the output of the logical sum of the reverse polarity of mp3).
上記のような動作が行われる結果、電力変換装置のインバータ主回路において、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)のスイッチング状態は、例えば直流中間回路電圧(Vdc)と電圧クランプ回路電圧(Vca)の電圧比が2:1のときには、図4の(2)〜(5)に示すPWM波形でPWM制御される。 As a result of the above operation, in the inverter main circuit of the power converter, the switching states of the power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are, for example, the DC intermediate circuit voltage (Vdc) and the voltage clamp circuit voltage (Vca). When the ratio is 2: 1, PWM control is performed with the PWM waveforms shown in (2) to (5) of FIG.
また、直流中間回路電圧(Vdc)と電圧クランプ回路電圧(Vca)の電圧比が2:1から変化した場合には、例えば図5の(2)〜(5)に示すPWM波形でPWM制御されるようになる。なお、これらのPWM制御により、直流中間回路電圧(Vdc)と電圧クランプ回路電圧(Vca)の電圧比は、この電圧比2:1を維持するように制御される。 Further, when the voltage ratio between the DC intermediate circuit voltage (Vdc) and the voltage clamp circuit voltage (Vca) changes from 2: 1, for example, PWM control is performed with the PWM waveforms shown in (2) to (5) of FIG. Become so. By these PWM controls, the voltage ratio between the DC intermediate circuit voltage (Vdc) and the voltage clamp circuit voltage (Vca) is controlled to maintain this voltage ratio of 2: 1.
(実施の形態1の電力変換装置におけるシミュレーション結果)
つぎに、実施の形態1の電力変換装置におけるシミュレーション結果について図6〜図10の各図面を参照して説明する。ここで、図6は、本発明の実施の形態1の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、比較のため、従来技術にかかるシミュレーション結果を図7に示している。なお、図7のシミュレーション結果は、図8に示すPWM波形に基づいて制御された場合であり、このときのPWM波形は、例えば図9に示すような従来技術のPWM制御回路を使用して生成される。また、図10は、直流中間回路および電圧クランプ回路に流れるリップル電流にかかる従来技術との比較結果を示す図である。
(The simulation result in the power converter device of Embodiment 1)
Next, simulation results in the power conversion apparatus according to
(シミュレーションの条件−インバータ主回路における各種パラメータ)
本実施の形態では、シミュレーションを行う際のインバータ主回路における各種パラメータとして以下の値を用いている。
(1)電力変換装置の出力周波数f=50Hz
(2)搬送波の周波数Fc=10kHz
(3)出力電圧(相電圧)Va=115Vrms(線間電圧200Vrms相当)
(4)出力電流(相電流)Ia=100Arms
(5)直流中間回路電圧Vdc=2×Ed=300V(定格電圧)
(6)電圧クランプ回路のコンデンサ容量Ca=13.8mF
(7)電動機(負荷)の内部インピーダンスZ=0.367mH+0.0115Ω(スター接続換算)
(8)電流位相30°(位相遅れ)
(Simulation conditions-various parameters in the inverter main circuit)
In the present embodiment, the following values are used as various parameters in the inverter main circuit when performing the simulation.
(1) Output frequency f = 50 Hz of power converter
(2) Carrier frequency Fc = 10 kHz
(3) Output voltage (phase voltage) Va = 115 Vrms (corresponding to a line voltage of 200 Vrms)
(4) Output current (phase current) Ia = 100 Arms
(5) DC intermediate circuit voltage Vdc = 2 × Ed = 300V (rated voltage)
(6) Capacitor capacitance Ca of the voltage clamp circuit = 13.8 mF
(7) Electric motor (load) internal impedance Z = 0.367mH + 0.0115Ω (star connection conversion)
(8)
上記の中で、電圧クランプ回路のコンデンサ容量を決定する際には、電圧クランプ回路の等価容量という概念を用いて、電力変換装置の出力容量との比較において決定することができる。ここで、電圧クランプ回路の等価容量および電力変換装置の出力容量は次式で与えられる。
等価容量=2×π×f×(コンデンサ容量)×(電力変換装置出力電圧)^2
出力容量=√(3)×(定格電圧)×(定格電流)
Among the above, when determining the capacitor capacity of the voltage clamp circuit, the concept of the equivalent capacity of the voltage clamp circuit can be used in the comparison with the output capacity of the power converter. Here, the equivalent capacity of the voltage clamp circuit and the output capacity of the power converter are given by the following equations.
Equivalent capacity = 2 × π × f × (capacitor capacity) × (power converter output voltage) ^ 2
Output capacity = √ (3) x (rated voltage) x (rated current)
なお、上式で示される等価容量が、電力変換装置の出力容量の20倍以下となるような容量値を有するコンデンサを用いることが好ましく、また、出力容量の5〜10倍となるような容量値を有するコンデンサであればさらに好ましい。 In addition, it is preferable to use a capacitor having a capacitance value such that the equivalent capacitance represented by the above formula is 20 times or less of the output capacitance of the power converter, and a capacitance such that the equivalent capacitance is 5 to 10 times the output capacitance. More preferably, the capacitor has a value.
例えば、電力変換装置の出力容量を38kVA、電力変換装置の出力電圧(Va)を220V、出力電流(Ia)を100Arms、電圧クランプ回路(Ca)のコンデンサ容量を13.8mFとすれば、この場合の電圧クランプ回路の等価容量は、2×3.14×60×13.8mF×220V×220V=250kVAとなり、電力変換装置の出力容量38kVAに対して6.6倍のコンデンサ容量を用いたことになる。 For example, if the output capacity of the power converter is 38 kVA, the output voltage (Va) of the power converter is 220 V, the output current (Ia) is 100 Arms, and the capacitor capacity of the voltage clamp circuit (Ca) is 13.8 mF in this case The equivalent capacitance of the voltage clamp circuit is 2 × 3.14 × 60 × 13.8 mF × 220V × 220V = 250 kVA, and the capacitor capacity is 6.6 times the output capacity 38 kVA of the power converter. Become.
(シミュレーションの条件−PWM制御回路における設定パラメータ)
また、本実施の形態では、シミュレーションを行う際のPWM制御回路における設定パラメータとして以下の値を用いる。
(1)第1の設定値Vhs=0.9V
(2)第2の設定値Vhr=0V
(3)第3の設定値Vls=−0.9V
(4)第4の設定値Vlr=−0V
(Simulation conditions-Setting parameters in the PWM control circuit)
In the present embodiment, the following values are used as setting parameters in the PWM control circuit when performing simulation.
(1) First set value Vhs = 0.9V
(2) Second set value Vhr = 0V
(3) Third set value Vls = −0.9V
(4) Fourth set value Vlr = −0V
(シミュレーション結果)
図6において、例えば時刻4ms近辺で電圧クランプ回路(Ca)に電力が蓄えられ、その電圧(Vca)が上昇している間(K1またはK2で示す部分)では、電力半導体スイッチ(SW1aまたはSW4a)の何れかがオンし、電力半導体スイッチ(SW2aおよびSW3a)は、搬送波周波数(10kHz相当)でスイッチングしていることが分かる。また、電圧クランプ回路(Ca)から電力が放出されその電圧(Vca)が低下している間(K3およびK4で示す部分)では、電力半導体スイッチ(SW2aまたはSW3a)の何れかがオンし、電力半導体スイッチ(SW1aまたはSW4a)は、搬送波周波数(10kHz相当)でスイッチングしていることが分かる。
(simulation result)
In FIG. 6, for example, power is stored in the voltage clamp circuit (Ca) around 4 ms, and the power semiconductor switch (SW1a or SW4a) while the voltage (Vca) is rising (the portion indicated by K1 or K2). It turns out that either of these is turned on, and the power semiconductor switches (SW2a and SW3a) are switched at the carrier frequency (equivalent to 10 kHz). In addition, while the power is discharged from the voltage clamp circuit (Ca) and the voltage (Vca) is decreasing (part indicated by K3 and K4), one of the power semiconductor switches (SW2a or SW3a) is turned on, It can be seen that the semiconductor switch (SW1a or SW4a) is switched at a carrier frequency (equivalent to 10 kHz).
この動作は、PWM制御回路の制御によって行われる。いま、直流中間回路電圧(Vdc)をVdc=300V一定とすると、上記の設定パラメータに示したように、Vhs=0.9Vであるため、第1の記憶装置(FF1)は150V+0.9V=150.9Vでセットされ、150Vでリセットされる。一方、Vls=−0.9Vであるため、第2の記憶装置(FF2)は150V−0.9V=149.1Vでセットされ、150Vでリセットされる。その結果、図6の(3)に示すように、電圧クランプ回路(Ca)によって電力の蓄積/放出が適宜行われる一方で、不必要なスイッチング動作は削減される。なお、図6(実施の形態1)と図7(従来例)との比較によって明らかなように、実施の形態1では、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)のスイッチング回数が、50%程度に削減されていることが分かる。
This operation is performed under the control of the PWM control circuit. Now, assuming that the DC intermediate circuit voltage (Vdc) is constant at Vdc = 300V, Vhs = 0.9V as shown in the setting parameter, the first storage device (FF1) has 150V + 0.9V = 150. Set at 9V and reset at 150V. On the other hand, since Vls = −0.9V, the second storage device (FF2) is set at 150V−0.9V = 149.1V and reset at 150V. As a result, as shown in (3) of FIG. 6, power is stored / discharged appropriately by the voltage clamp circuit (Ca), while unnecessary switching operations are reduced. As is clear from comparison between FIG. 6 (Embodiment 1) and FIG. 7 (conventional example), in
また、図10は、出力電流Ia=100(Arms)および電流位相30°を各一定とし、出力電圧(Va)を変化させた場合の、直流中間回路および電圧クランプ回路に流れるリップル電流の比較結果を示している。同図に示すように、例えば本実施の形態では、電力変換装置の出力電圧が200V時における直流中間回路のリップル電流は43.1(Arms)、電圧クランプ回路のリップル電流は42.6(Arms)であるのに対して、従来の実施例では、直流中間回路のリップル電流は44.5(Arms)、電圧クランプ回路のリップル電流は42.7(Arms)であり、出力電圧が高い領域におけるリップル電流の低減効果が高いことが分かる。
FIG. 10 shows a comparison result of ripple currents flowing in the DC intermediate circuit and the voltage clamp circuit when the output current Ia = 100 (Arms) and the
なお、本実施の形態では、電動機駆動用の電力変換装置におけるシミュレーション結果として、出力周波数50(Hz)、出力電流100(Arms)、電流位相30°(位相遅れ)の各条件下で、出力電圧(Va)を変化させた場合を示しているが、0°から360°の全電流位相に対しても、電流位相30°のときと同様に安定に制御可能であることは言うまでもない。また、本実施の形態では、直流中間回路電圧(Vdc)についても、一定電圧(2×Ed)として示しているが、例えば図2の整流回路にダイオード整流器のような整流器を用いた場合には、直流中間回路電圧(Ed)が常時変動することになるが、このような場合でも、電圧クランプ回路(Ca)の電圧がその変動に対して、常時、設定値である50%値に制御されることは言うまでもない。
In the present embodiment, as a simulation result in the power conversion device for driving an electric motor, the output voltage under each condition of output frequency 50 (Hz), output current 100 (Arms), and
実施の形態2.
実施の形態2は、図1に示すインバータ主回路、図2に示す整流回路、および図3に示すPWM制御回路などを用いて構成され、特に、電力系統安定化用の電力変換装置に用いて好適な実施の形態を示すものである。また、電力系統安定化用の電力変換装置は、電力系統に対して無効電力を供給するため、電圧クランプ回路に流入する電力の平均値が0となり、電圧変動が生じないことに着目した実施の形態でもある。なお、基本的な動作は、実施の形態1と同一あるいは同等であり、ここではその動作の特徴をシミュレーション結果にて説明する。
The second embodiment is configured using the inverter main circuit shown in FIG. 1, the rectifier circuit shown in FIG. 2, the PWM control circuit shown in FIG. 3, etc., and particularly used in a power conversion device for power system stabilization. A preferred embodiment is shown. In addition, the power conversion device for stabilizing the power system supplies reactive power to the power system, so that the average value of the power flowing into the voltage clamp circuit becomes 0, and voltage fluctuation does not occur. It is also a form. Note that the basic operation is the same as or equivalent to that of the first embodiment, and the characteristics of the operation will be described here with simulation results.
(シミュレーションの条件)
実施の形態2にかかるシミュレーション条件は、以下に示す条件を除き、実施の形態1と同一である。なお、図1のインバータ主回路には、負荷として電力系統が接続されているものとする。
(1)電圧クランプ回路の素子容量=27.6mF
(2)第1の設定値Vhs=9V
(3)第3の設定値Vls=−9V
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment except for the following conditions. It is assumed that a power system is connected as a load to the inverter main circuit of FIG.
(1) Device capacity of voltage clamp circuit = 27.6 mF
(2) First set value Vhs = 9V
(3) Third set value Vls = −9V
(シミュレーション結果)
図11は、本発明の実施の形態2の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、電圧指令(Vref_a)の位相よりも90°遅れの無効電流(Ia)が電力変換装置から電力系統に対して供給されている場合の各部波形を示している。図11において、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)は、図3に示したPWM制御回路によってスイッチング制御され、特に電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)は電源周波数相当の50Hzでスイッチングされていることが分かる。また、電圧クランプ回路電圧(Vca)も146Vから152Vの間で安定に制御されていることが分かる。
(simulation result)
FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result in the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. A reactive current (Ia) delayed by 90 ° from the phase of the voltage command (Vref_a) is transferred from the power conversion device to the power system. The waveform of each part when it is supplied to is shown. In FIG. 11, the power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are switching-controlled by the PWM control circuit shown in FIG. 3, and in particular, the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) are switched at 50 Hz corresponding to the power supply frequency. . It can also be seen that the voltage clamp circuit voltage (Vca) is also stably controlled between 146V and 152V.
なお、図11は、電流位相が電圧位相に対して90°遅れの場合を示しているが、90°進みの場合であっても同様である。 FIG. 11 shows the case where the current phase is 90 ° behind the voltage phase, but the same applies to the case where the current phase is 90 ° advanced.
このように、電力系統安定化用の電力変換装置として、本実施の形態にかかる構成および制御手法を適用した場合には、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)のスイッチング周波数を、例えば数kHzの周波数から商用周波数(50/60Hz)まで低減可能となり、電力半導体スイッチの周辺回路(冷却構造、スナバ回路、スナバエネルギー回生回路など)の小型化や低コスト化が可能となる。 As described above, when the configuration and the control method according to the present embodiment are applied as the power conversion device for power system stabilization, the switching frequency of the power semiconductor switch (SW1a, SW4a) is set to, for example, a frequency of several kHz. To a commercial frequency (50/60 Hz), and the peripheral circuits (cooling structure, snubber circuit, snubber energy regeneration circuit, etc.) of the power semiconductor switch can be reduced in size and cost.
また、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)として、スイッチング損失は大きいが導通損失の少ないものに変更することで、より一層の低損失化を実現することができる。さらには、電力半導体装置全体の損失を抑えたままスイッチング周波数を増加させることができるので、高調波フィルタやノイズフィルタの小型化、低コスト化も実現可能となる。なお、電圧指令(Vref_a)の制御手法については、系統に注入する無効電力に応じて電圧指令(Vref_a)を制御すればよいことについては広く知られており、本実施の形態ではその説明を省略する。 Further, the power semiconductor switch (SW1a, SW4a) can be further reduced by changing to a switch having a large switching loss but a small conduction loss. Furthermore, since the switching frequency can be increased while suppressing the loss of the entire power semiconductor device, the harmonic filter and the noise filter can be reduced in size and cost. As for the control method of the voltage command (Vref_a), it is widely known that the voltage command (Vref_a) may be controlled according to the reactive power injected into the system, and the description thereof is omitted in the present embodiment. To do.
実施の形態3.
実施の形態2は、図1に示すインバータ主回路、図2に示す整流回路、および図3に示すPWM制御回路などを用いて構成され、特に、負荷である電動機(IM)の駆動周波数を、例えば通常の50/60Hzから例えば500Hzと一桁高く駆動した場合に好適な実施の形態を示すものである。また、駆動周波数を一桁高く駆動した場合には、電圧クランプ回路の等価容量も一桁高くなることから、電圧変動が生じにくくなることに着目した実施の形態でもある。なお、基本的な動作は、実施の形態1と同一あるいは同等であり、ここではその動作の特徴をシミュレーション結果にて説明する。
The second embodiment is configured using the inverter main circuit shown in FIG. 1, the rectifier circuit shown in FIG. 2, the PWM control circuit shown in FIG. 3, and the like, and in particular, the drive frequency of the electric motor (IM) as a load is For example, a preferred embodiment is shown in the case where driving is performed by an order of magnitude higher than normal 50/60 Hz, for example, 500 Hz. Further, when the driving frequency is driven by an order of magnitude, the equivalent capacitance of the voltage clamp circuit is also increased by an order of magnitude, so that the embodiment is focused on the fact that voltage fluctuation is less likely to occur. Note that the basic operation is the same as or equivalent to that of the first embodiment, and the characteristics of the operation will be described here with simulation results.
(シミュレーションの条件)
実施の形態3にかかるシミュレーション条件は、電力変換装置の出力周波数(f)を除き、実施の形態2と同一である。なお、図1のインバータ主回路には、負荷として電動機が接続されているものとする。
・電力変換装置の出力周波数f=500Hz
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the third embodiment are the same as those of the second embodiment except for the output frequency (f) of the power conversion device. It is assumed that an electric motor is connected as a load to the inverter main circuit of FIG.
・ Output frequency f = 500Hz of power converter
(シミュレーション結果)
図12は、本発明の実施の形態3の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)は、図3に示したPWM制御回路によってスイッチング制御される。図12の(4)を参照すると、4〜6msの2ms間において、電力半導体スイッチ(SW1a)は6回のスイッチング動作をしている。一方、変調周波数10kHzの周期は0.1msであるため、変調周波数10kHzの場合には2msの間で20回のスイッチング動作が行われることになる。このことは、本実施の形態にかかる電力変換装置では、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)のスイッチング動作が、図7に示した従来の電力変換装置と比較して、1/3程度に軽減されることを意味している。
(simulation result)
FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result in the power conversion device according to the third embodiment of the present invention. The power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are subjected to switching control by the PWM control circuit illustrated in FIG. Referring to (4) of FIG. 12, the power semiconductor switch (SW1a) performs the switching
その結果、本実施の形態の電力変換装置では、電力半導体スイッチの周辺回路(冷却構造、スナバ回路、スナバエネルギー回生回路など)の小型化や低コスト化が可能となる。また、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)として、スイッチング損失は大きいが導通損失の少ないものに変更することで、より一層の低損失化を図ることができる。さらには、電力半導体装置全体の損失を抑えたままスイッチング周波数を増加させることができるので、高調波フィルタやノイズフィルタの小型化、低コスト化も実現可能となる。 As a result, in the power conversion device of the present embodiment, it is possible to reduce the size and cost of peripheral circuits (such as a cooling structure, a snubber circuit, a snubber energy regeneration circuit) of the power semiconductor switch. Further, the power semiconductor switch (SW1a, SW4a) can be further reduced by changing to a switch having a large switching loss but a small conduction loss. Furthermore, since the switching frequency can be increased while suppressing the loss of the entire power semiconductor device, the harmonic filter and the noise filter can be reduced in size and cost.
<実施の形態4〜6の説明にかかる前提事項>
ところで、実施の形態1〜3に示した電力変換装置は、主として出力電圧や負荷力率が高い場合での、スイッチング損失や電圧クランプ回路のリップル電流を低減させることを主目的としていたが、以下に説明する実施の形態4〜6では、出力電圧の全領域、あるいは負荷力率の全領域において、その効果を発揮するものである。より詳細には、電圧指令の変調により、2組の搬送波(Vcp,Vcn)を用いた変調方式(バイポーラ変調)から、2組の搬送波(Vcp,Vcn)のうちの一つの搬送波(VcpまたはVcn)を擬似的に用いる変調方式(ユニポーラ変調)を適用することで、従来技術ではなし得なかった還流モードを付加し、電圧クランプ回路、あるいは直流中間回路のリップル電流および素子損失のさらなる低減を可能としたものである。
<Prerequisites for explaining the fourth to sixth embodiments>
By the way, the power converters shown in the first to third embodiments mainly have the purpose of reducing the switching loss and the ripple current of the voltage clamp circuit when the output voltage and the load power factor are high. In the fourth to sixth embodiments described above, the effect is exhibited in the entire region of the output voltage or the entire region of the load power factor. More specifically, by modulation of a voltage command, one carrier wave (Vcp or Vcn) of two carrier waves (Vcp, Vcn) is changed from a modulation system (bipolar modulation) using two carrier waves (Vcp, Vcn). ) Pseudo-modulation method (unipolar modulation) is applied to add a return mode that could not be achieved with the conventional technology, enabling further reduction of ripple current and element loss of voltage clamp circuit or DC intermediate circuit It is what.
実施の形態4.
つぎに、実施の形態4にかかる電力変換装置について説明する。図13は、本発明の実施の形態4にかかる電力変換装置に使用可能な電圧指令生成回路の構成例を示す図である。本実施の形態は、図1に示すインバータ主回路、図2に示す整流回路、図3に示すPWM制御回路および図13に示す電圧指令生成回路などを用いて構成され、特に、電動機駆動用の3相電力変換装置に用いて好適な実施形態を示すものである。
Next, a power converter according to the fourth embodiment will be described. FIG. 13: is a figure which shows the structural example of the voltage command generation circuit which can be used for the power converter
図13に示す電圧指令生成回路は、所定レベルの各相電圧(Va、Vb、Vc)に加算するためのオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成部25を備えて構成される。図13において、オフセット電圧生成部25は、比較器、マルチプレクサ(MUX)、加算器、変調信号生成器(±Vmax)などを備え、例えば電動機のベクトル制御を行う際の電流制御器の出力として用いられる3相電圧信号の各相電圧(Va、Vb、Vc)を入力とし、これらの各相電圧(Va、Vb、Vc)における正負の最大値を中心に、60゜の位相幅で最大電圧となるような変調信号(Voffset)を生成する(後述の図14を参照)。なお、この変調信号は、各相電圧(Va、Vb、Vc)に加算されて電圧指令(Vref_a、Vref_b、Vref_c)となり、図3に示したPWM制御回路の入力端Vref_aへの入力信号とされる。
The voltage command generation circuit shown in FIG. 13 includes an offset
図14は、図13に示す電圧指令生成回路の出力信号の波形例を示す図である。より詳細に説明すると、図14の上段部は、3相電圧信号における各相の電圧波形(Va、Vb、Vc)とオフセット電圧生成部25の出力波形(Voffset)を示し、同図の下段部は、電圧指令生成回路の出力波形(Vref_a,Vref_b,Vref_c)を示している。同図の下段部において、例えば3.3ms〜6.6msの間では、電圧指令(Vref_a、Vref_b、Vref_c)は、全て93Vから150Vの間の正極性であるため、図3に示すPWM制御回路にて、3相の全てが搬送波(Vcp)によってPWM変調されることになる。
FIG. 14 is a diagram illustrating a waveform example of an output signal of the voltage command generation circuit illustrated in FIG. More specifically, the upper part of FIG. 14 shows the voltage waveform (Va, Vb, Vc) of each phase in the three-phase voltage signal and the output waveform (Voffset) of the offset
(シミュレーションの条件)
実施の形態4にかかるシミュレーション条件は、電力変換装置の出力電圧(Va)を除き、実施の形態1と同一である。
・出力電圧(相電圧)Va=23Vrms(線間電圧40Vrms相当)
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment except for the output voltage (Va) of the power conversion device.
Output voltage (phase voltage) Va = 23Vrms (corresponding to line voltage 40Vrms)
(シミュレーション結果)
図15は、本発明の実施の形態4の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)は、図3に示したPWM制御回路によってスイッチング制御される。図15の(1)に示されるように、3.3ms〜6.6msの間(約60°の区間)では、電圧指令(Vref_a)は最大電圧相当(=150V)に調整される。したがって、この区間では、図3のPWM制御回路の制御に基づき、図15の(4)〜(7)に示すように、電力半導体スイッチ(SW1a,SW2a)がオンの状態に制御される一方で、電力半導体スイッチ(SW3a,SW4a)はオフの状態に制御されるため、電圧クランプ回路電圧(Vca)は一定電圧を維持する。
(simulation result)
FIG. 15 is a diagram illustrating a simulation result in the power conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. The power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are switching-controlled by the PWM control circuit illustrated in FIG. As shown in (1) of FIG. 15, the voltage command (Vref_a) is adjusted to the maximum voltage equivalent (= 150 V) during 3.3 ms to 6.6 ms (about 60 ° interval). Therefore, in this section, the power semiconductor switches (SW1a, SW2a) are controlled to be in the ON state as shown in (4) to (7) of FIG. 15 based on the control of the PWM control circuit of FIG. Since the power semiconductor switches (SW3a, SW4a) are controlled to be in an OFF state, the voltage clamp circuit voltage (Vca) maintains a constant voltage.
また、0〜3.3msの間では、電力半導体スイッチ(SW1a)がオフの状態に制御されるとともに電力半導体スイッチ(SW4a)がオンの状態に制御され、また、電力半導体スイッチ(SW2a、SW3a)は交互にオン・オフの状態にPWM制御される。 In addition, between 0 and 3.3 ms, the power semiconductor switch (SW1a) is controlled to be in an off state and the power semiconductor switch (SW4a) is controlled to be in an on state, and the power semiconductor switches (SW2a and SW3a) are controlled. Are PWM controlled to alternately turn on and off.
さらに、6.6〜10.0msの間では、電力半導体スイッチ(SW2a、SW3a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御されるときには、電力半導体スイッチ(SW1a)がオフの状態に制御され、かつ、電力半導体スイッチ(SW4a)がオンの状態に制御され、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御されるときには、電力半導体スイッチ(SW2a)がオフの状態に制御され、かつ、電力半導体スイッチ(SW3a)がオンの状態に制御される。 Furthermore, between 6.6 and 10.0 ms, when the power semiconductor switch (SW2a, SW3a) is PWM controlled to be alternately turned on and off, the power semiconductor switch (SW1a) is controlled to be turned off, In addition, when the power semiconductor switch (SW4a) is controlled to be in an on state and the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) are alternately controlled to be in an on / off state, the power semiconductor switch (SW2a) is in an off state. The power semiconductor switch (SW3a) is controlled to be on.
なお、10〜20msの区間では、上記の制御と全く対照的な制御が行われる。したがって、これらの1周期の区間(0〜20ms)を通じて、電圧クランプ回路電圧(Vc1)は安定的に制御され、また、出力電流(Ia)は、より正弦波状に制御されることになる。 Note that in the interval of 10 to 20 ms, control completely contrasting with the above control is performed. Therefore, the voltage clamp circuit voltage (Vc1) is stably controlled through these one-cycle sections (0 to 20 ms), and the output current (Ia) is more sinusoidally controlled.
また、図16には、出力電流Ia=100(Arms)および電流位相30°を各一定とし、出力電圧(Va)を変化させた場合の、直流中間回路および電圧クランプ回路に流れるリップル電流の従来技術との比較結果を示している。同図に示すように、例えば本実施の形態では、電力変換装置の出力電圧が40V時における電圧クランプ回路のリップル電流が40.8(Arms)であるのに対して、従来の実施例では、電圧クランプ回路のリップル電流は91.3(Arms)(領域外)であり、特に、出力電圧が低い領域におけるリップル電流の低減に著しい効果のあることが分かる。
FIG. 16 shows the conventional ripple current flowing in the DC intermediate circuit and the voltage clamp circuit when the output current Ia = 100 (Arms) and the
実施の形態5.
つぎに、実施の形態5にかかる電力変換装置について説明する。図17は、本発明の実施の形態5にかかる電力変換装置に使用可能な電圧指令生成回路の構成例を示す図である。本実施の形態は、図1に示すインバータ主回路、図2に示す整流回路、図3に示すPWM制御回路および図15に示す電圧指令生成回路などを用いて構成され、特に、電動機駆動用の3相電力変換装置に用いて好適な実施の形態を示すものである。
Next, a power converter according to the fifth embodiment will be described. FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of a voltage command generation circuit that can be used in the power conversion device according to the fifth embodiment of the present invention. The present embodiment is configured by using the inverter main circuit shown in FIG. 1, the rectifier circuit shown in FIG. 2, the PWM control circuit shown in FIG. 3, the voltage command generation circuit shown in FIG. 15, and the like. An embodiment suitable for use in a three-phase power converter is shown.
図17に示す電圧指令生成回路は、各相電圧(Va、Vb、Vc)に加算するためのオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成部27を備えて構成される。図17において、オフセット電圧生成部27は、リファレンス電流(Iref_a、Iref_b、Iref_c)に同期して1/6サイクル毎のユニット電圧を出力する6組のユニット電圧発生器(Uu、Uz、Uv、Ux、Uw、Uy)と、6組の乗算器(M1、M2、M3、M4、M5、M6)と、14組の加減算器(S1〜S6、A1〜A8)とによって変調信号(Voffset)を生成する(後述の図18を参照)。なお、この変調信号(offset)は、各相電圧(Va、Vb、Vc)に加算されて電圧指令(Vref_a、Vref_b、Vref_c)となり、図3に示したPWM制御回路の入力端Vref_aへの入力信号とされる。
The voltage command generation circuit shown in FIG. 17 includes an offset
図18は、図17に示す電圧指令生成回路の出力信号の波形例を示す図である。より詳細に説明すると、図18の上段部は、3相電圧信号における各相の電圧波形(Va、Vb、Vc)とオフセット電圧生成部27の出力波形(Voffset)を示し、同図の下段部は、電圧指令生成回路の出力波形(Vref_a,Vref_b,Vref_c)を示している。同図の下段部において、例えば5ms〜8msの間では、電圧指令(Vref_a、Vref_b、Vref_c)は、全て93Vから150Vの間の正極性であるため、図3に示すPWM制御回路にて、3相の全てが搬送波(Vcp)によってPWM変調されることになる。
18 is a diagram showing a waveform example of an output signal of the voltage command generation circuit shown in FIG. More specifically, the upper part of FIG. 18 shows the voltage waveform (Va, Vb, Vc) of each phase in the three-phase voltage signal and the output waveform (Voffset) of the offset
(シミュレーションの条件)
実施の形態5にかかるシミュレーション条件は、実施の形態4と同一である。
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the fifth embodiment are the same as those of the fourth embodiment.
(シミュレーション結果)
図19は、本発明の実施の形態5の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)は、図3に示したPWM制御回路によってスイッチング制御される。図19の(1)に示されるように、電流信号(Ia)の正のピーク近辺(5.0ms〜8.33msの区間)では、電圧指令(Vref_a)は最大電圧相当(=150V)に調整されている。したがって、この区間では、図3のPWM制御回路の制御に基づき、図19の(4)〜(7)に示されるように、電力半導体スイッチ(SW1a,SW2a)がオンの状態に制御されるとともに、電力半導体スイッチ(SW3a,SW4a)がオフの状態に制御されるため、電圧クランプ回路電圧(Vca)は一定電圧を維持する。
(simulation result)
FIG. 19 is a diagram showing a simulation result in the power conversion device according to the fifth embodiment of the present invention. The power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are switching-controlled by the PWM control circuit shown in FIG. As shown in (1) of FIG. 19, the voltage command (Vref_a) is adjusted to the maximum voltage equivalent (= 150V) in the vicinity of the positive peak of the current signal (Ia) (section of 5.0 ms to 8.33 ms). Has been. Therefore, in this section, the power semiconductor switches (SW1a, SW2a) are controlled to be on as shown in (4) to (7) of FIG. 19 based on the control of the PWM control circuit of FIG. Since the power semiconductor switches (SW3a, SW4a) are controlled to be in an OFF state, the voltage clamp circuit voltage (Vca) maintains a constant voltage.
また、電流信号(Ia)のピーク近辺以外の正の区間(1.67〜5.0ms、8.33〜11.67msの区間)では、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御されるときには、電力半導体スイッチ(SW2a)がオフの状態に制御され、かつ、電力半導体スイッチ(SW3a)がオンの状態に制御され、電力半導体スイッチ(SW2a、SW3a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御されるときには、電力半導体スイッチ(SW1a)がオフの状態に制御され、かつ、電力半導体スイッチ(SW4a)がオンの状態に制御される。 In addition, the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) are alternately turned on / off in a positive section (1.67 to 5.0 ms, 8.33 to 11.67 ms) other than near the peak of the current signal (Ia). When the PWM control is performed in this state, the power semiconductor switch (SW2a) is controlled to be in the OFF state, and the power semiconductor switch (SW3a) is controlled to be in the ON state, so that the power semiconductor switches (SW2a, SW3a) are alternately When PWM control is performed in the on / off state, the power semiconductor switch (SW1a) is controlled in the off state, and the power semiconductor switch (SW4a) is controlled in the on state.
同様に、電流信号(Ia)の負のピーク近辺(15.0〜18.33msの区間)では、電圧指令(Vref_a)は最小電圧相当(=−150V)に調整されており、この区間では、電力半導体スイッチ(SW1a,SW2a)がオフの状態に制御されるとともに、電力半導体スイッチ(SW3a,SW4a)がオンの状態に制御されるため、電圧クランプ回路電圧(Vca)は一定電圧を維持する。 Similarly, in the vicinity of the negative peak of the current signal (Ia) (section of 15.0 to 18.33 ms), the voltage command (Vref_a) is adjusted to the minimum voltage equivalent (= −150 V). In this section, Since the power semiconductor switches (SW1a, SW2a) are controlled to be turned off and the power semiconductor switches (SW3a, SW4a) are controlled to be turned on, the voltage clamp circuit voltage (Vca) maintains a constant voltage.
また、電流信号(Ia)のピーク近辺以外の負の区間(11.67〜15.0ms、18.33〜20.0msの区間)では、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御されるときには、電力半導体スイッチ(SW2a)がオンの状態に制御され、かつ、電力半導体スイッチ(SW3a)がオフの状態に制御され、電力半導体スイッチ(SW2a、SW3a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御されるときには、電力半導体スイッチ(SW1a)がオンの状態に制御され、かつ、電力半導体スイッチ(SW4a)がオフの状態に制御される。 Also, in the negative section (sections from 11.67 to 15.0 ms, 18.33 to 20.0 ms) other than the vicinity of the peak of the current signal (Ia), the power semiconductor switches (SW1a and SW4a) are alternately turned on and off. When the PWM control is performed in this state, the power semiconductor switch (SW2a) is controlled to be on, and the power semiconductor switch (SW3a) is controlled to be off, so that the power semiconductor switches (SW2a, SW3a) are alternately When PWM control is performed in the on / off state, the power semiconductor switch (SW1a) is controlled to be in an on state, and the power semiconductor switch (SW4a) is controlled to be in an off state.
したがって、これらの1周期の区間(0〜20ms)を通じて、電圧クランプ回路電圧(Vc1)が安定的に制御され、また、出力電流(Ia)もより正弦波状に制御されることになる。 Therefore, the voltage clamp circuit voltage (Vc1) is stably controlled through these one-cycle sections (0 to 20 ms), and the output current (Ia) is also controlled more sinusoidally.
また、図20には、出力電流Ia=100(Arms)および電流位相30°を各一定とし、出力電圧(Va)を変化させた場合の、直流中間回路および電圧クランプ回路に流れるリップル電流の従来技術との比較結果を示している。同図に示すように、例えば本実施の形態では、電力変換装置の出力電圧が20V時における電圧クランプ回路のリップル電流が28.9(Arms)であるのに対して、従来の実施例では、電圧クランプ回路のリップル電流は95.6(Arms)(領域外)であり、特に、出力電圧が低い領域におけるリップル電流の低減に著しい効果のあることが分かる。
FIG. 20 shows the conventional ripple current flowing in the DC intermediate circuit and the voltage clamp circuit when the output current Ia = 100 (Arms) and the
なお、本実施の形態では、図19から明らかなように、出力電流(Ia)のピーク値近辺でのスイッチング制御を行なっていないため、従来の実施例と比較して、装置の信頼性の向上と低損失化とを容易に実現することができる。 In this embodiment, as apparent from FIG. 19, since switching control is not performed near the peak value of the output current (Ia), the reliability of the apparatus is improved as compared with the conventional example. And low loss can be easily realized.
また、本実施の形態では、電流位相が電圧位相に対して30°遅れる場合についての説明を行ったが、出力電圧(Va)の電圧位相に対する位相シフトが−30°〜30°、あるいは150°〜210°のいずれの範囲にあるときでも、上記と同様の効果を得ることができる。 In this embodiment, the case where the current phase is delayed by 30 ° with respect to the voltage phase has been described. However, the phase shift of the output voltage (Va) with respect to the voltage phase is −30 ° to 30 °, or 150 °. Even in any range of ˜210 °, the same effect as described above can be obtained.
一方、両者の位相差が30°を超える場合には、1/6サイクル毎のユニット電圧を出力する6組のユニット電圧発生器(Uu、Uz、Uv、Ux、Uw、Uy)の各相の電圧(Va、Vb、Vc)との位相差を最大±30°で固定することで、直流中間回路および電圧クランプ回路に流れるリップル電流の低減化が可能となる。 On the other hand, when the phase difference between the two exceeds 30 °, each phase of each of the six unit voltage generators (Uu, Uz, Uv, Ux, Uw, Uy) that outputs a unit voltage every 1/6 cycle is output. By fixing the phase difference from the voltages (Va, Vb, Vc) at a maximum of ± 30 °, the ripple current flowing in the DC intermediate circuit and the voltage clamp circuit can be reduced.
また、図21は、本実施の形態にかかる電力変換装置において、実施の形態3と同様に、電動機の駆動周波数を例えば通常の50/60Hzから例えば500Hzと一桁高く駆動した場合のシミュレーション結果を示す図である。実施の形態3と同様に、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)のスイッチング周波数が、商用周波数相当まで低減されていることが分かる。 Further, FIG. 21 shows the simulation result when the drive frequency of the electric motor is driven by one digit higher from, for example, normal 50/60 Hz to, for example, 500 Hz in the power conversion device according to the present embodiment, as in the third embodiment. FIG. As in the third embodiment, it can be seen that the switching frequency of the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) is reduced to the commercial frequency equivalent.
したがって、本実施の形態の電力変換装置を電動機駆動用として用いた場合に、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)のスイッチング周波数を、例えば数kHzの周波数から商用周波数(50/60Hz)まで低減可能となり、電力半導体スイッチの周辺回路(冷却構造、スナバ回路、スナバエネルギー回生回路など)の小型化や低コスト化が可能となる。 Therefore, when the power conversion device of the present embodiment is used for driving an electric motor, the switching frequency of the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) can be reduced, for example, from a frequency of several kHz to a commercial frequency (50/60 Hz). In addition, it is possible to reduce the size and cost of peripheral circuits (cooling structure, snubber circuit, snubber energy regeneration circuit, etc.) of the power semiconductor switch.
また、本実施の形態にかかる電力変換装置では、例えば電力半導体スイッチとしてGTOを用いる場合に、電流遮断時のGTOに直列に挿入されたアノードリアクトルのエネルギーを処理するためのスナバ回路の容量を低減することができる。また、外側の素子(SW1a、SW4aに相当する素子)として、スイッチング損失は大きいが同通損失の少ない素子で構成することにより、さらなる低損失化を実現することができる。さらには、例えばGTOが発生する熱を除去するための冷却フィンを片側だけに設けることにより、冷却構造をより簡素化することができる。 In the power converter according to the present embodiment, for example, when a GTO is used as a power semiconductor switch, the capacity of the snubber circuit for processing the energy of the anode reactor inserted in series with the GTO at the time of current interruption is reduced. can do. Further, by configuring the outer elements (elements corresponding to SW1a and SW4a) with elements having a large switching loss but a small common loss, a further reduction in loss can be realized. Furthermore, for example, the cooling structure can be further simplified by providing cooling fins for removing heat generated by the GTO only on one side.
実施の形態6.
つぎに、実施の形態6にかかる電力変換装置について説明する。図22は、本発明の実施の形態6にかかる電力変換装置に使用可能な電圧指令生成回路の構成例を示す図である。本実施の形態は、図1に示すインバータ主回路、図2に示す整流回路、図3に示すPWM制御回路および図22に示す電圧指令生成回路などを用いて構成され、特に、電動機駆動用の3相電力変換装置に用いて好適な実施の形態を示すものである。
Next, a power converter according to the sixth embodiment will be described. FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration example of a voltage command generation circuit that can be used in the power conversion device according to the sixth embodiment of the present invention. The present embodiment is configured by using the inverter main circuit shown in FIG. 1, the rectifier circuit shown in FIG. 2, the PWM control circuit shown in FIG. 3, the voltage command generation circuit shown in FIG. 22, and the like. An embodiment suitable for use in a three-phase power converter is shown.
図22に示す電圧指令生成回路は、所定のレベルに調整された各相電圧(Va、Vb、Vc)に所定のオフセット信号が付加された3次調波信号を加算して図3に示したPWM制御回路の入力端Vref_aに入力させるための電圧指令(Vref_a、Vref_b、Vref_c:後述の図23を参照)を生成して出力する。 The voltage command generation circuit shown in FIG. 22 adds the third harmonic signal obtained by adding a predetermined offset signal to each phase voltage (Va, Vb, Vc) adjusted to a predetermined level, as shown in FIG. A voltage command (Vref_a, Vref_b, Vref_c: refer to FIG. 23 described later) to be input to the input terminal Vref_a of the PWM control circuit is generated and output.
(シミュレーションの条件)
実施の形態6にかかるシミュレーション条件は、以下に示す条件を除き、実施の形態1と同一である。
(1)電力変換装置の出力電圧Va=11.5Vrms(線間電圧20Vrms相当)
(2)3次調波電圧V3f=1.92Vrms(Va×1/6相当)
(3)オフセット電圧Voffset=±135V(50Hzの矩形波)
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the sixth embodiment are the same as those of the first embodiment except for the following conditions.
(1) Output voltage Va = 11.5 Vrms of power converter (corresponding to a line voltage of 20 Vrms)
(2) Third harmonic voltage V3f = 1.92 Vrms (equivalent to Va × 1/6)
(3) Offset voltage Voffset = ± 135 V (50 Hz rectangular wave)
(シミュレーション結果)
図23は、本発明の実施の形態6の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)は、図3に示したPWM制御回路によってスイッチング制御される。図23の(1)に示されるように、電圧指令(Vref_a、Vref_b、Vref_c)は、正の半サイクルと負の半サイクルでステップ状に大きく変化するが、線間電圧は電圧指令(Vref_a)に比例した正弦波であり、出力電流(Ia)は正弦波状に変化する。基本的な動作としては、図23の(4)〜(7)に示されるように、電圧指令(Vref_a)が正の区間では、電力半導体スイッチ(SW1a)はオン、電力半導体スイッチ(SW4a)はオフの状態に制御されるとともに、電力半導体スイッチ(SW2a、SW3a)は交互にオン・オフの状態にPWM制御されるが、電圧クランプ回路電圧(Vca)が約151Vを超過した場合には、電力半導体スイッチ(SW2a)がオン、かつ、電力半導体スイッチ(SW3a)がオフの状態に制御されるとともに、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御され、電圧クランプ回路電圧(Vca)が一定電圧となるように制御される。
(simulation result)
FIG. 23 is a diagram showing a simulation result in the power conversion device according to the sixth embodiment of the present invention. The power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are switching-controlled by the PWM control circuit shown in FIG. As shown in (1) of FIG. 23, the voltage command (Vref_a, Vref_b, Vref_c) greatly changes in a step shape between the positive half cycle and the negative half cycle, but the line voltage is the voltage command (Vref_a). The output current (Ia) changes in a sine wave shape. As basic operations, as shown in (4) to (7) of FIG. 23, the power semiconductor switch (SW1a) is on and the power semiconductor switch (SW4a) is on when the voltage command (Vref_a) is positive. While the power semiconductor switches (SW2a, SW3a) are alternately PWM controlled to be turned on / off while being controlled to be in an off state, if the voltage clamp circuit voltage (Vca) exceeds about 151V, the power The semiconductor switch (SW2a) is turned on and the power semiconductor switch (SW3a) is controlled to be turned off, and the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) are alternately PWM controlled to be turned on / off, and the voltage clamp circuit The voltage (Vca) is controlled to be a constant voltage.
また、電圧指令(Vref_a)が負の区間では、電力半導体スイッチ(SW1a)はオフ、電力半導体スイッチ(SW4a)はオンの状態に制御されるとともに、電力半導体スイッチ(SW2a、SW3a)は交互にオン・オフの状態にPWM制御されが、電圧クランプ回路電圧(Vca)が約150Vを下回った場合には、電力半導体スイッチ(SW2a)がオフ、かつ、電力半導体スイッチ(SW3a)がオンの状態に制御されるとともに、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)が交互にオン・オフの状態にPWM制御され、電圧クランプ回路電圧(Vca)が一定電圧となるように制御される。 Further, in the interval where the voltage command (Vref_a) is negative, the power semiconductor switch (SW1a) is controlled to be off and the power semiconductor switch (SW4a) is controlled to be on, and the power semiconductor switches (SW2a, SW3a) are alternately turned on. -PWM control is performed in an off state, but when the voltage clamp circuit voltage (Vca) falls below about 150 V, the power semiconductor switch (SW2a) is turned off and the power semiconductor switch (SW3a) is controlled to be on. At the same time, the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) are alternately PWM controlled to turn on and off, and the voltage clamp circuit voltage (Vca) is controlled to be a constant voltage.
また、図24には、出力電流Ia=100(Arms)および電流位相30°を各一定とし、出力電圧(Va)を変化させた場合の、直流中間回路および電圧クランプ回路に流れるリップル電流の従来技術との比較結果を示している。実施の形態4、5などと同様に、出力電圧が低い領域におけるリップル電流の低減に著しい効果のあることが分かる。
FIG. 24 shows the conventional ripple current flowing in the DC intermediate circuit and the voltage clamp circuit when the output current Ia = 100 (Arms) and the
なお、本実施の形態では、上記のような電力変換装置の出力電圧が低周波・低電圧・低電流(50Hz、線間電圧20Vrms相当)となるような運転領域でのシミュレーションを行ったが、このような運転領域では、オフセット電圧(Voffset)を矩形波ではなく、例えば直流としてもよい。このような制御を行うことにより、例えば実施の形態2,3にかかる電力変換装置において、運転周波数の3倍の周波数で変動する対地間電位変動の発生を抑制することができ、より安定化された電力の供給が可能となる。
In the present embodiment, a simulation was performed in an operation region in which the output voltage of the power conversion device as described above is low frequency, low voltage, and low current (equivalent to 50 Hz,
また、負荷が大きく、出力電流(Ia)が増加する場合には、電力半導体スイッチ間(SW1aとSW4a、あるいはSW2aとSW3a)のスイッチング回数に偏りが生じて温度上昇がアンバランスとなるが、例えば電力半導体スイッチの過渡熱時定数である例えば数百msecの周期で、オフセット電圧(Voffset)を例えば台形波状に滑らかに切り替えることで、これらのアンバランスの増加を抑制することができ、より安定的な運転が可能となる。 Also, when the load is large and the output current (Ia) increases, the switching frequency between the power semiconductor switches (SW1a and SW4a or SW2a and SW3a) is biased and the temperature rise becomes unbalanced. By smoothly switching the offset voltage (Voffset) to, for example, a trapezoidal wave with a period of, for example, several hundreds msec, which is a transient thermal time constant of the power semiconductor switch, it is possible to suppress an increase in these imbalances, and to be more stable Driving becomes possible.
実施の形態7.
実施の形態7は、電圧クランプ回路(Ca)の初期充電にかかる好適な実施の形態について示すものである。図3に示したPWM制御回路では、上述のように直流中間回路電圧(Vdc)と電圧クランプ回路電圧(Vc)の電圧比を一定に制御することが可能であり、この機能を利用して、補助電源を用いることなく電圧クランプ回路を構成できることに着目した実施の形態でもある。以下、その動作をシミュレーション結果に基づいて説明する。
The seventh embodiment is a preferred embodiment related to the initial charging of the voltage clamp circuit (Ca). In the PWM control circuit shown in FIG. 3, the voltage ratio between the DC intermediate circuit voltage (Vdc) and the voltage clamp circuit voltage (Vc) can be controlled to be constant as described above. It is also an embodiment focusing on the fact that a voltage clamp circuit can be configured without using an auxiliary power supply. Hereinafter, the operation will be described based on the simulation result.
(シミュレーションの条件−インバータ主回路における各種パラメータ)
本実施の形態では、シミュレーションを行う際のインバータ主回路における各種パラメータとして、実施の形態1の条件に加えて以下の値を用いる。
(1)電圧指令Vref_a=0V
(2)直流中間回路電圧(Vdc=2×Ed)の初期値=0V
(3)電圧クランプ回路電圧(Vca)の初期値=0V
(Simulation conditions-various parameters in the inverter main circuit)
In the present embodiment, the following values are used in addition to the conditions of the first embodiment as various parameters in the inverter main circuit when performing the simulation.
(1) Voltage command Vref_a = 0V
(2) Initial value of DC intermediate circuit voltage (Vdc = 2 × Ed) = 0V
(3) Initial value of voltage clamp circuit voltage (Vca) = 0V
(シミュレーションの条件−PWM制御回路における設定パラメータ)
また、本実施の形態では、シミュレーションを行う際のPWM制御回路における設定パラメータとして以下の値を用いる。
(1)第1の設定値Vhs=0V
(2)第2の設定値Vhr=0V
(3)第3の設定値Vls=0V
(4)第4の設定値Vlr=0V
(Simulation conditions-Setting parameters in the PWM control circuit)
In the present embodiment, the following values are used as setting parameters in the PWM control circuit when performing simulation.
(1) First set value Vhs = 0V
(2) Second set value Vhr = 0V
(3) Third set value Vls = 0V
(4) Fourth set value Vlr = 0V
(シミュレーション結果)
図25は、本発明の実施の形態7にかかるシミュレーション結果を示す図である。なお、本シミュレーションは、時刻0.0秒から時刻1.0秒に達するまでに直流中間回路電圧(Vdc)が300Vまで上昇する、つまり電圧上昇率300V/1秒の条件で実施した。なお、電圧クランプ回路電圧(Vca)は、直流中間回路電圧(Vdc)に対する電圧クランプ回路電圧(Vca)の比率として設定された出力比率(Vca/Vdc)に基づいて決定されるが、本シミュレーションでは、この出力比率を50%(1/2:図3の入力端「50%」を参照)に設定している。
(simulation result)
FIG. 25 is a diagram illustrating a simulation result according to the seventh embodiment of the present invention. This simulation was carried out under the condition that the DC intermediate circuit voltage (Vdc) increased to 300 V from the time 0.0 seconds to the time 1.0 seconds, that is, the voltage increase rate was 300 V / 1 second. The voltage clamp circuit voltage (Vca) is determined based on the output ratio (Vca / Vdc) set as the ratio of the voltage clamp circuit voltage (Vca) to the DC intermediate circuit voltage (Vdc). The output ratio is set to 50% (1/2: refer to the input terminal “50%” in FIG. 3).
図25に示されるように、電圧クランプ回路電圧(Vca)は、直流中間回路電圧(Vdc)の上昇に伴い、上記出力比率に基づいて決定される電圧値(直流中間回路電圧(Vdc)の50%値)まで上昇しており、図2に示すような整流回路を用いることなく、電圧クランプ回路電圧を安定的に充電することができる。 As shown in FIG. 25, the voltage clamp circuit voltage (Vca) is 50% of the voltage value (DC intermediate circuit voltage (Vdc)) determined based on the output ratio as the DC intermediate circuit voltage (Vdc) increases. %), And the voltage clamp circuit voltage can be stably charged without using a rectifier circuit as shown in FIG.
なお、本シミュレーションでは、電圧クランプ回路電圧(Vca)の初期充電に関し、直流中間回路電圧(Vdc)の初期値=0V、電圧クランプ回路電圧(Vca)の初期値=0Vの条件で実施したが、任意の初期値においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。 In this simulation, the initial charging of the voltage clamp circuit voltage (Vca) was performed under the conditions of the initial value of the DC intermediate circuit voltage (Vdc) = 0 V and the initial value of the voltage clamp circuit voltage (Vca) = 0 V. Needless to say, the same effect can be obtained at any initial value.
実施の形態8.
実施の形態8は、電圧クランプ回路(Ca)の初期充電にかかる実施の形態7とは異なる他の実施形態について示すものであり、図26は、当該実施形態にかかるシミュレーション結果を示す図である。
Embodiment 8 FIG.
The eighth embodiment shows another embodiment different from the seventh embodiment relating to the initial charging of the voltage clamp circuit (Ca), and FIG. 26 is a diagram showing a simulation result according to the embodiment. .
本実施の形態では、例えば電圧クランプ回路電圧(Vca)と直流中間回路電圧(Vdc)とが半導体スイッチ(SW1a、SW4a)を介して接続される構成とし、上述の初期充電を半導体スイッチ(SW1a、SW4a)を介して行い、電圧クランプ回路電圧(Vca)が、上記出力比率に基づいて決定される電圧レベル(Vca_Level、上記の例では150V)に達した後に半導体スイッチ(SW1a、SW4a)をオフにする制御が行われる。図26に示すように、電圧クランプ回路電圧(Vca)は、設定値である0.5秒後(電圧上昇率:300V/1秒、出力比率:1/2)に150Vに達しており、電圧クランプ回路電圧に対する確実かつ安定的な充電が行われていることが分かる。 In the present embodiment, for example, the voltage clamp circuit voltage (Vca) and the DC intermediate circuit voltage (Vdc) are connected via the semiconductor switches (SW1a, SW4a), and the initial charge described above is performed by the semiconductor switch (SW1a, After the voltage clamp circuit voltage (Vca) reaches a voltage level (Vca_Level, 150 V in the above example) determined based on the output ratio, the semiconductor switches (SW1a, SW4a) are turned off. Control is performed. As shown in FIG. 26, the voltage clamp circuit voltage (Vca) reaches 150 V after 0.5 seconds (voltage increase rate: 300 V / 1 second, output ratio: 1/2), which is a set value. It can be seen that reliable and stable charging with respect to the clamp circuit voltage is performed.
実施の形態9.
実施の形態9は、電圧クランプ回路(Ca)の初期充電にかかる実施の形態7,8とは異なる他の実施形態について示すものであり、図27は、当該実施形態にかかるシミュレーション結果を示す図である。
Embodiment 9 FIG.
The ninth embodiment shows another embodiment different from the seventh and eighth embodiments related to the initial charging of the voltage clamp circuit (Ca), and FIG. 27 shows the simulation result according to the embodiment. It is.
(シミュレーションの条件)
実施の形態9にかかるシミュレーション条件は、初期充電にかかるパラメータについては、直流中間回路電圧(Vdc)の初期値を除き、実施の形態7と同一である。
・直流中間回路電圧(Vdc=2×Ed)の初期値=0V
また、その他のパラメータについては、実施の形態1と同一である。
なお、本実施の形態では、図3に示したPWM制御回路において、出力比率を時刻0.0秒〜1.0秒までの間、0%から50%までリニアに上昇させる制御を行っている。
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the ninth embodiment are the same as those of the seventh embodiment except for the initial value of the DC intermediate circuit voltage (Vdc) with respect to the parameters for initial charging.
・ Initial value of DC intermediate circuit voltage (Vdc = 2 × Ed) = 0V
Other parameters are the same as those in the first embodiment.
In the present embodiment, in the PWM control circuit shown in FIG. 3, the output ratio is linearly increased from 0% to 50% from time 0.0 seconds to 1.0 seconds. .
(シミュレーション結果)
図27に示されるように、電圧クランプ回路電圧(Vca)は、(Vca_level)の制御カーブ(Vca_ref)に従って、直流中間回路電圧(Vdc)の50%の電圧までリニアに上昇しており、電圧クランプ回路電圧を安定的に充電することができる。
(simulation result)
As shown in FIG. 27, the voltage clamp circuit voltage (Vca) rises linearly to 50% of the DC intermediate circuit voltage (Vdc) according to the control curve (Vca_ref) of (Vca_level), and the voltage clamp The circuit voltage can be stably charged.
なお、本シミュレーションでは、電圧クランプ回路電圧(Vca)の初期充電に関し、電圧クランプ回路電圧(Vca)の初期値=0Vの条件で実施したが、任意の初期値においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。 In this simulation, the initial charging of the voltage clamp circuit voltage (Vca) was performed under the condition that the initial value of the voltage clamp circuit voltage (Vca) = 0 V, but the same effect can be obtained even at an arbitrary initial value. Needless to say.
実施の形態10.
実施の形態10は、商用電源の停電時にも運転継続可能な電力変換装置の構成例を示すものであり、当該構成を電動機駆動用の電力変換装置として適用した場合の好適な実施の形態を示すものである。なお、図28において、電圧クランプ回路を構成するコンデンサ(Ca〜Cc)の各両端には電力蓄積要素容量(Bfa)が付加されているが、基本的な動作は、実施の形態1と同一あるいは同等であり、ここではその動作をシミュレーション結果にて説明する。
The tenth embodiment shows a configuration example of a power conversion device that can continue operation even when a commercial power supply fails, and shows a preferred embodiment when the configuration is applied as a power conversion device for driving an electric motor. Is. In FIG. 28, power storage element capacitors (Bfa) are added to both ends of the capacitors (Ca to Cc) constituting the voltage clamp circuit, but the basic operation is the same as that of the first embodiment or Here, the operation will be described with simulation results.
(シミュレーションの条件)
実施の形態10にかかるシミュレーション条件は、以下に示す条件を除き、実施の形態1と同一である。
(1)出力電圧(相電圧)Va=100Vrms(線間電圧173Vrms相当)
(2)電力蓄積要素容量(Bfa)の出力電圧Vbfa=150V
(3)商用電源電圧230Vrms(相電圧)
(4)商用電源のインピーダンスZcm=100uH
なお、電力蓄積要素容量(Bfa)は、例えば二次電池とし、その出力は常時一定であるものと仮定する。
(Simulation conditions)
The simulation conditions according to the tenth embodiment are the same as those in the first embodiment except for the following conditions.
(1) Output voltage (phase voltage) Va = 100 Vrms (corresponding to line voltage 173 Vrms)
(2) Output voltage Vbfa of the power storage element capacity (Bfa) = 150V
(3) Commercial power supply voltage 230Vrms (phase voltage)
(4) Impedance of commercial power supply Zcm = 100uH
The power storage element capacity (Bfa) is assumed to be, for example, a secondary battery, and its output is always constant.
(シミュレーション結果)
図29は、本発明の実施の形態10の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、通常時(非停電時)の各部波形を示している。図29に示されるように、電圧指令(Vref_a)は約90Vrms(相電圧)、出力電流(Ia)も約90Armsである。また、直流中間回路電圧も、約300V±1Vに制御される。なお、電力蓄積要素(Bfa)が接続された電圧クランプ回路の電圧(Vca)は、電力蓄積要素(Bfa)の出力電圧(Vbfa)が150V一定であるため、図3に示したPWM制御回路における第1の記憶装置(FF1)および第2の記憶装置(FF2)の双方が動作せず、電力半導体スイッチ(SW1a〜SW4a)は図4に示されるスイッチングパターン(以下「スイッチングモード」という)でスイッチングされていることが分かる(図3と図29の横軸の単位およびスケールの差に注意)。
(simulation result)
FIG. 29 is a diagram showing a simulation result in the power conversion device according to the tenth embodiment of the present invention, and shows waveforms of respective parts at normal time (non-power failure time). As shown in FIG. 29, the voltage command (Vref_a) is about 90 Vrms (phase voltage), and the output current (Ia) is also about 90 Arms. The DC intermediate circuit voltage is also controlled to about 300V ± 1V. Note that the voltage (Vca) of the voltage clamp circuit to which the power storage element (Bfa) is connected is constant in the output voltage (Vbfa) of the power storage element (Bfa) at 150 V. Therefore, in the PWM control circuit shown in FIG. Both the first memory device (FF1) and the second memory device (FF2) do not operate, and the power semiconductor switches (SW1a to SW4a) are switched in the switching pattern shown in FIG. 4 (hereinafter referred to as “switching mode”). (Note the difference between the unit and scale of the horizontal axis in FIG. 3 and FIG. 29).
図30は、本発明の実施の形態10の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図であり、時刻t=0.03秒に停電が発生した場合の各部波形を示している。 FIG. 30 is a diagram showing a simulation result in the power conversion device according to the tenth embodiment of the present invention, and shows each part waveform when a power failure occurs at time t = 0.03 seconds.
図30において、停電発生前には、電圧指令(Vref_a)は約66Vrms(相電圧)、出力電流(Ia)は約70Armsであり、また商用電源(CM)から整流器(Rec)を介して流入した直流電流(Idc)によって直流中間回路(Cp、Cn)が充電されるため、直流中間回路電圧(Vdc)は約300V±1Vの電圧が維持されている。一方、時刻t=0.03秒後の停電発生後では、直流電流(Idc)はゼロとなるが、電動機(IM)に供給される電流(Ia)は安定して供給されており、停電時にも運転を継続可能なことが理解できる。 In FIG. 30, before the occurrence of a power failure, the voltage command (Vref_a) is about 66 Vrms (phase voltage), the output current (Ia) is about 70 Arms, and flows from the commercial power supply (CM) via the rectifier (Rec). Since the DC intermediate circuit (Cp, Cn) is charged by the DC current (Idc), the DC intermediate circuit voltage (Vdc) is maintained at a voltage of about 300V ± 1V. On the other hand, after the occurrence of a power failure at time t = 0.03 seconds, the direct current (Idc) becomes zero, but the current (Ia) supplied to the electric motor (IM) is stably supplied. It can be understood that the operation can be continued.
停電時の動作をより詳細に説明すると、図30の(2)に示されるように、停電発生時には、直流中間回路電圧(Vdc)は一旦低下するが、その電圧(Vdc)が296V以下になると、図3のPWM制御回路における第1の記憶装置(FF1)がセットされるため、PWM制御回路は図5に示されるスイッチングモードとなる。このスイッチングモードでは、電力蓄積要素(Bfa)から直流中間回路(Cp、Cn)に電力が供給されるモードであり、直流中間回路電圧(Vdc)は上昇する。一方、この制御が継続すると、直流中間回路電圧(Vdc)は上昇して300Vを超過するため、今度は第1の記憶装置(FF1)がリセットされ、直流中間回路電圧(Vdc)は再度296Vに低下する。なお、このシーケンスは、復電まで、あるいは電力蓄積要素(Bfa)のエネルギーが放出されるまで繰り返される。 The operation during a power failure will be described in more detail. As shown in (2) of FIG. 30, when a power failure occurs, the DC intermediate circuit voltage (Vdc) once decreases, but when the voltage (Vdc) becomes 296 V or less. Since the first storage device (FF1) in the PWM control circuit of FIG. 3 is set, the PWM control circuit is in the switching mode shown in FIG. In this switching mode, power is supplied from the power storage element (Bfa) to the DC intermediate circuit (Cp, Cn), and the DC intermediate circuit voltage (Vdc) rises. On the other hand, if this control continues, the DC intermediate circuit voltage (Vdc) rises and exceeds 300V, so the first storage device (FF1) is reset this time and the DC intermediate circuit voltage (Vdc) is again set to 296V. descend. This sequence is repeated until power is restored or until the energy of the power storage element (Bfa) is released.
なお、この実施の形態では、直流中間回路電圧(Vdc)と電圧クランプ回路電圧(Vca)の比が2対1の場合に、図4に示すようなスイッチングモードによって電力蓄積要素(Bfa)の電力を直流中間回路(Cp、Cn)に供給し、また、図5に示すスイッチングモードによって直流中間回路(Cp、Cn)の電力を電力蓄積要素(Bfa)に回生するようにしている。したがって、図4に示すスイッチングモードと図5に示すスイッチングモードを切り替える制御を行うことにより、電力蓄積要素(Bfa)に対する電力の出入(供給、回生)制御を積極的に行うことが可能となる。 In this embodiment, when the ratio between the DC intermediate circuit voltage (Vdc) and the voltage clamp circuit voltage (Vca) is 2 to 1, the power of the power storage element (Bfa) is switched by the switching mode as shown in FIG. Is supplied to the DC intermediate circuit (Cp, Cn), and the power of the DC intermediate circuit (Cp, Cn) is regenerated to the power storage element (Bfa) by the switching mode shown in FIG. Therefore, by performing control to switch between the switching mode shown in FIG. 4 and the switching mode shown in FIG. 5, it is possible to positively perform power input / output (supply, regeneration) control with respect to the power storage element (Bfa).
また、本実施の形態では、出力比率を1/2に設定することで電圧クランプ回路電圧(Vca)と直流中間回路電圧(Vdc)との比がほぼ1対2になるように制御を行っているが、この出力比率を替えることで、通常運転中の電力蓄積要素(Bfa)に対する電力制御を行うこともできる。 In this embodiment, the output ratio is set to ½ so that the ratio between the voltage clamp circuit voltage (Vca) and the DC intermediate circuit voltage (Vdc) is controlled to be approximately 1: 2. However, by changing the output ratio, it is possible to perform power control on the power storage element (Bfa) during normal operation.
実施の形態11.
図31は、実施の形態11にかかる電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態11は、2台の電力変換装置を直流中間回路に相互に接続するように構成した実施形態を示すものであり、図31では、一方の電力変換装置である電力変換装置(10a)の出力端を商用電源CMの入力端に接続するとともに、他方の電力変換装置である電力変換装置(10b)の出力端を電動機(IM)の入力端に接続するようにしている。
FIG. 31 is a diagram of a configuration example of the power conversion device according to the eleventh embodiment.
図31に示す構成では、商用電源(CM)と電動機(IM)との間における電力授受が2台の電力変換装置を介して行われるが、商用電源(CM)と電動機(IM)に供給される何れの電流においても、例えば図6に示すような正弦波となり、特別な高調波対策が不要となるという大きな利点が得られる。 In the configuration shown in FIG. 31, power is exchanged between the commercial power source (CM) and the electric motor (IM) via two power converters, but is supplied to the commercial power source (CM) and the electric motor (IM). In any current, for example, a sine wave as shown in FIG. 6 is obtained, and a great advantage is obtained that no special countermeasure against harmonics is required.
実施の形態12.
例えば、図1に示した電力変換装置のインバータ主回路構成を参照すれば明らかなように、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)に印加される電圧は、直流中間回路電圧(2×Ed)と電圧クランプ回路電圧(Ed)との差電圧となる。一方、例えば停電が発生した場合に、直流中間回路電圧(2×Ed)の低下率と電圧クランプ回路電圧(Ed)の低下率とに差がある場合には、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)に対する印加電圧がばらつく。ここで、直流中間回路電圧(2×Ed)の低下率が電圧クランプ回路電圧(Ed)の低下率よりも小さい場合には、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)への印加電圧が大きくなる。そこで、電力半導体スイッチ(SW1a、SW4a)への印加電圧がEd以下となるように、電圧クランプ回路の放電時定数を、直流中間回路放電時定数よりも長くすることが好ましい。
For example, as apparent from the inverter main circuit configuration of the power converter shown in FIG. 1, the voltage applied to the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) is the DC intermediate circuit voltage (2 × Ed) and the voltage. It becomes a difference voltage from the clamp circuit voltage (Ed). On the other hand, for example, when a power failure occurs, if there is a difference between the decrease rate of the DC intermediate circuit voltage (2 × Ed) and the decrease rate of the voltage clamp circuit voltage (Ed), the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) The applied voltage varies with respect to. Here, when the rate of decrease of the DC intermediate circuit voltage (2 × Ed) is smaller than the rate of decrease of the voltage clamp circuit voltage (Ed), the applied voltage to the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) increases. Therefore, it is preferable to make the discharge time constant of the voltage clamp circuit longer than the DC intermediate circuit discharge time constant so that the voltage applied to the power semiconductor switches (SW1a, SW4a) is not more than Ed.
なお、上記の各実施の形態では、図3に示すPWM制御回路を用いるとともに、このPWM制御回路に入力する好適なリファレンス信号を生成するための電圧指令生成回路にかかる種々の好適な実施形態について説明してきたが、各実施の形態毎の好適な構成に限定されるものではない。例えば、同等の機能や同等のアルゴリズムを、CPUでのS/W処理やASICでのH/W処理で実現してもよく、上述の各実施の形態で得られる効果と同等の効果が得られることは言うまでもない。 In each of the above-described embodiments, the PWM control circuit shown in FIG. 3 is used, and various preferred embodiments related to the voltage command generation circuit for generating a suitable reference signal to be input to the PWM control circuit. Although described, it is not limited to a suitable configuration for each embodiment. For example, an equivalent function or an equivalent algorithm may be realized by S / W processing by a CPU or H / W processing by an ASIC, and an effect equivalent to the effect obtained in each of the above embodiments can be obtained. Needless to say.
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電動機駆動用、電力系統安定化用の電力変換装置として有用である。 As described above, the power conversion device according to the present invention is useful as a power conversion device for driving an electric motor and stabilizing a power system.
10 電力変換装置インバータ主回路
11 直流母線(正極側)
12 直流母線(負極側)
21 PWM信号生成第1回路
22 PWM信号生成第2回路
25,27 オフセット電圧生成部
30 電流位相
Cp,Cn コンデンサ(直流中間回路)
Ca,Cb,Cc コンデンサ(電圧クランプ回路)
CM 商用電源
IM 電動機
10 Power converter inverter
12 DC bus (negative electrode side)
21 PWM signal generation
Ca, Cb, Cc capacitors (voltage clamp circuit)
CM Commercial power IM motor
Claims (11)
前記インバータ主回路は、
前記直流中間回路を構成する正負一対の直流母線間に直列に接続される第1〜第4のスイッチング素子と、
前記第1、第2のスイッチング素子の接続端と前記第3、第4のスイッチング素子の接続端との間に接続される第2の電力蓄積手段と、
を各相毎に備え、
前記第2の電力蓄積手段に蓄積される直流電力は、前記直流中間回路から供給されることを特徴とする電力変換装置。 A DC intermediate circuit having first power storage means and supplying DC power stored in the first power storage means, and an inverter main circuit for converting DC power supplied from the DC intermediate circuit into AC power A PWM control circuit that generates and outputs a PWM signal for PWM control of the inverter main circuit, a voltage command generation circuit that generates a voltage command necessary for generating the PWM signal and outputs the voltage command to the PWM control circuit, In a power conversion device comprising:
The inverter main circuit is:
First to fourth switching elements connected in series between a pair of positive and negative DC buses constituting the DC intermediate circuit;
Second power storage means connected between the connection ends of the first and second switching elements and the connection ends of the third and fourth switching elements;
For each phase,
DC power stored in the second power storage means is supplied from the DC intermediate circuit.
該コンデンサは、次式(1)で表される等価容量が次式(2)で表される前記インバータ主回路の出力容量の20倍以下となるような容量値を有していることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
等価容量=2×π×(出力周波数)×(容量値)×(装置定格電圧)^2 …(1)
出力容量=√(3)×(装置定格電圧)×(装置定格電流) …(2) The second power storage means is a capacitor;
The capacitor has a capacitance value such that an equivalent capacitance represented by the following equation (1) is 20 times or less of an output capacitance of the inverter main circuit represented by the following equation (2). The power conversion device according to claim 1.
Equivalent capacity = 2 × π × (Output frequency) × (Capacity value) × (Device rated voltage) ^ 2 (1)
Output capacity = √ (3) x (equipment rated voltage) x (equipment rated current) (2)
前記電圧指令生成回路から出力される電圧指令の極性を判別する第1の比較器と、
前記第1〜第4のスイッチング素子をPWM制御する際のスイッチング周波数を決定する正極性の搬送波と前記電圧指令との大小を判別する第2の比較器と、
前記スイッチング周波数を決定する負極性の搬送波と前記電圧指令との大小を判別する第3の比較器と、
を備え、
前記直流中間回路の出力電圧に対する前記第2の電力蓄積手段の出力電圧の比率として出力比率(出力比率:0を超え1未満の実数)が予め設定されるとき、
前記第2の電力蓄積手段の出力電圧が、前記直流中間回路の出力電圧を前記出力比率倍した値に等しい場合には、前記第1の比較器の出力に基づいて前記第1のスイッチング素子または前記第4のスイッチング素子の何れかをスイッチング制御するとともに、前記第2の比較器および前記第3の比較器の各出力に基づいて前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子の両者をスイッチング制御し、
前記第2の電力蓄積手段の出力電圧が、前記直流中間回路の出力電圧を前記出力比率倍した値と異なる場合には、前記第1の比較器の出力に基づいて前記第2のスイッチング素子または前記第3のスイッチング素子の何れかをスイッチング制御するとともに、前記第2の比較器および前記第3の比較器の各出力に基づいて前記第1のスイッチング素子および前記第4のスイッチング素子の両者をスイッチング制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The PWM control circuit is
A first comparator for determining a polarity of a voltage command output from the voltage command generation circuit;
A second comparator for determining the magnitude of a positive polarity carrier wave for determining a switching frequency when PWM controlling the first to fourth switching elements and the voltage command;
A third comparator for determining the magnitude of the negative polarity carrier wave that determines the switching frequency and the voltage command;
With
When an output ratio (output ratio: real number greater than 0 and less than 1) is preset as a ratio of the output voltage of the second power storage means to the output voltage of the DC intermediate circuit,
When the output voltage of the second power storage means is equal to a value obtained by multiplying the output voltage of the DC intermediate circuit by the output ratio, the first switching element or the output voltage based on the output of the first comparator The switching control of any of the fourth switching elements is performed, and both the second switching element and the third switching element are controlled based on the outputs of the second comparator and the third comparator. Switching control,
When the output voltage of the second power storage means is different from a value obtained by multiplying the output voltage of the DC intermediate circuit by the output ratio, the second switching element or the output voltage based on the output of the first comparator The switching control of any of the third switching elements is performed, and both the first switching element and the fourth switching element are controlled based on the outputs of the second comparator and the third comparator. Switching control,
The power conversion apparatus according to claim 1.
前記電圧指令生成回路から出力される電圧指令の極性を判別する第1の比較器と、
前記第1〜第4のスイッチング素子をPWM制御する際のスイッチング周波数を決定する正極性の搬送波と前記電圧指令との大小を判別する第2の比較器と、
前記スイッチング周波数を決定する負極性の搬送波と前記電圧指令との大小を判別する第3の比較器と、
を備え、
前記直流中間回路の出力電圧に対する前記第2の電力蓄積手段の出力電圧の比率として出力比率(出力比率:0を超え1未満の実数)が予め設定されるとき、
前記電圧指令の極性と、前記インバータ主回路の出力電流の極性と、前記第2の電力蓄積手段の出力電圧と前記直流中間回路の出力電圧を前記出力比率倍した電圧との差分値の極性と、の3者の極性による排他的論理和の出力が0の場合には、
前記第1のスイッチング素子を前記第1の比較器の出力で制御し、
前記第2のスイッチング素子を前記第2の比較器の出力と前記第3の比較器の出力との論理和の出力で制御し、
前記第3のスイッチング素子を前記第2の比較器の逆極性の出力と前記第3の比較器の逆極性の出力との論理和の出力で制御し、
前記第4のスイッチング素子を前記第1の比較器の逆極性の出力で制御するとともに、
前記電圧指令の極性と、前記インバータ主回路の出力電流の極性と、前記第2の電力蓄積手段の出力電圧と前記直流中間回路の出力電圧を前記出力比率倍した電圧との差分出力の極性と、の3者の極性による排他的論理和の出力が1の場合には、
前記第1のスイッチング素子を前記第2の比較器の出力と前記第3の比較器の出力との論理和の出力で制御し、
前記第2のスイッチング素子を前記第1の比較器の出力で制御し、
前記第3のスイッチング素子を前記第1の比較器の逆極性の出力で制御し、
前記第4のスイッチング素子を前記第2の比較器の逆極性の出力と前記第3の比較器の逆極性の出力との論理和の出力で制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The PWM control circuit is
A first comparator for determining a polarity of a voltage command output from the voltage command generation circuit;
A second comparator for determining the magnitude of a positive polarity carrier wave for determining a switching frequency when PWM controlling the first to fourth switching elements and the voltage command;
A third comparator for determining the magnitude of the negative polarity carrier wave that determines the switching frequency and the voltage command;
With
When an output ratio (output ratio: real number greater than 0 and less than 1) is preset as a ratio of the output voltage of the second power storage means to the output voltage of the DC intermediate circuit,
The polarity of the voltage command, the polarity of the output current of the inverter main circuit, the polarity of the difference value between the output voltage of the second power storage means and the voltage obtained by multiplying the output voltage of the DC intermediate circuit by the output ratio, When the output of the exclusive OR according to the three polarities is 0,
Controlling the first switching element by the output of the first comparator;
Controlling the second switching element by an output of a logical sum of an output of the second comparator and an output of the third comparator;
Controlling the third switching element by an output of a logical sum of an output of the reverse polarity of the second comparator and an output of the reverse polarity of the third comparator;
Controlling the fourth switching element with the output of the reverse polarity of the first comparator;
The polarity of the voltage command, the polarity of the output current of the inverter main circuit, the polarity of the differential output between the output voltage of the second power storage means and the voltage obtained by multiplying the output voltage of the DC intermediate circuit by the output ratio, When the output of the exclusive OR according to the polarities of the three is 1,
Controlling the first switching element with an output of a logical sum of an output of the second comparator and an output of the third comparator;
Controlling the second switching element by the output of the first comparator;
Controlling the third switching element with an output of reverse polarity of the first comparator;
The fourth switching element is controlled by an output of a logical sum of an output of reverse polarity of the second comparator and an output of reverse polarity of the third comparator;
The power conversion apparatus according to claim 1.
一の相の相電圧の正のピーク値を中心とした1/6サイクルの区間では、正極側にオフセットされた略一定の電圧値を呈し、該一の相の相電圧の負のピーク値を中心とした1/6サイクルの区間では、負極側にオフセットされた略一定の電圧値を呈し、これらの各1/6サイクルの区間が交互かつ周期的に繰り返される信号をオフセット信号として生成すオフセット信号生成回路と、
前記オフセット信号を所定レベルに調整された各相電圧にそれぞれ加算する加算器と、
を備え、
前記加算器の出力は、前記オフセット信号の正の区間では、前記正極性の搬送波によって全ての相がPWM変調されるとともに、該オフセット信号の負の区間では、前記負極性の搬送波によって全ての相がPWM変調されるように調整されていることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The voltage command generation circuit includes:
In the section of 1/6 cycle centered on the positive peak value of the phase voltage of one phase, it exhibits a substantially constant voltage value offset to the positive side, and the negative peak value of the phase voltage of the one phase is In the central 1/6 cycle section, an offset is generated that exhibits a substantially constant voltage value offset to the negative electrode side, and that each 1/6 cycle section is alternately and periodically repeated as an offset signal. A signal generation circuit;
An adder for adding the offset signal to each phase voltage adjusted to a predetermined level;
With
The output of the adder is PWM-modulated by the positive polarity carrier in the positive section of the offset signal, and all phases by the negative polarity carrier in the negative section of the offset signal. The power conversion device according to claim 4, wherein the power conversion device is adjusted so as to be PWM-modulated.
該複数の電力変換装置の直流母線を相互に接続するとともに、少なくとも1台の電力変換装置の出力端を商用電源に接続したことを特徴とする電力変換システム。 A plurality of the power conversion devices according to any one of claims 1 to 10,
A power conversion system characterized in that the DC buses of the plurality of power converters are connected to each other and the output terminal of at least one power converter is connected to a commercial power source.
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