JP2008092800A

JP2008092800A - 電流制御形電力変換装置

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Publication number: JP2008092800A
Application number: JP2007336824A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sakakibara; 憲一榊原
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP4670867B2

Abstract

【課題】簡単な構成で交流側に用いられる電流センサのゲイン,オフセットや温度ドリフトを補償でき、安価な電流センサを用いてコストを低減できる電流制御形電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電圧を三相交流電圧に変換するパワーモジュール３と、パワーモジュール３の交流側電流を検出する電流センサ１,２と、パワーモジュール３の直流側電流を検出するシャント抵抗７,増幅器６と、電流センサ１,２により検出された直流側電流とシャント抵抗７,増幅器６により検出された直流側電流に基づいて、パワーモジュール３を空間ベクトル変調法を用いたパルス幅変調により制御する制御部１１とを備える。上記制御部１１は、シャント抵抗７,増幅器６により検出された交流側電流のうちの交流側電流の所定の相の電流分に対応する電流分に基づいて、電流センサ１,２により検出される上記交流側電流の振幅とオフセットを補正する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電流制御形電力変換装置に関する。

従来、電流制御形電力変換装置としては、直流側の電流センサ１つで線電流を検出するものがある(例えば、特開２００４−２８２９７４号公報(特許文献１)参照)。

この電流制御形電力変換装置は、原理的に線電流が検出できない位相があり、座標変換によりｄｑ軸電流を求めるために三相電流の瞬時値を検出する電流センサを交流側に設ける必要がある。

このような、交流側に電流センサを設けた電流制御形電力変換装置では、電力系統に接続されるときに直流分を含んだ電流が系統側の変圧器に流れると、変圧器の偏磁を招くという問題がある。資源エネルギー庁の「系統連系技術要件ガイドライン」によれば、交流側の直流レベルを定格交流電流の１％程度以下にする必要がある。

このため、上記交流側に電流センサを設けた電流制御形電力変換装置の電流制御には、直流分の検出が可能なＤＣＣＴを交流側に設ける必要があり、このようなＤＣＣＴのホール素子から出力される低い電圧信号は増幅器で増幅しなければならないため、振幅、オフセット、温度ドリフトについて高い精度で補償されたＤＣＣＴを用いる必要があり、コストが高くなるという問題がある。
特開２００４−２８２９７４号公報

そこで、この発明の課題は、簡単な構成で交流側に用いられる電流センサの振幅,オフセットや温度ドリフトを補償でき、安価な電流センサを用いてコストを低減できる電流制御形電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の電流制御形電力変換装置は、
三相ブリッジ回路を構成する６つのスイッチング素子を有し、三相交流電圧を直流電圧に変換するかまたは直流電圧を三相交流電圧に変換する変換部と、
上記変換部の交流側電流を検出する交流側電流検出部と、
上記変換部の直流側電流を検出する直流側電流検出部と、
上記交流側電流検出部により検出された上記交流側電流と上記直流側電流検出部により検出された上記直流側電流に基づいて、上記変換部を空間ベクトル変調法を用いたパルス幅変調により制御する制御部と
を備え、
上記制御部は、上記直流側電流検出部により検出された上記直流側電流のうちの上記交流側電流の所定の相の電流分に対応する電流分に基づいて、上記交流側電流検出部により検出される上記交流側電流の振幅とオフセットを補正することを特徴とする。

上記構成の電流制御形電力変換装置によれば、空間ベクトル変調法によるパルス幅変調では、上記直流側電流検出部により検出された変換部の直流側電流の所定の位相区間おいて、変換部の交流側電流の所定の相の電流分に相当する電流が流れる。また、通常シャント抵抗が用いられる直流側電流検出部により検出される上記直流側電流は、振幅誤差,オフセットや温度ドリフトが少なく、上記交流側電流の所定の相の電流分に相当する電流を基準に用いることによって、上記交流側電流検出部により検出される上記交流側電流の所定の相の電流分に対して、振幅とオフセットを補正することが可能となる。したがって、簡単な構成で交流側に用いられる電流センサの振幅,オフセットや温度ドリフトを補償でき、安価な電流センサを用いてコストを低減できる。

また、一実施形態の電流制御形電力変換装置では、上記制御部は、起動時に、上記交流側電流の振幅の補正または上記交流側電流のオフセットの補正の少なくとも一方を行う。

上記実施形態によれば、起動時に、上記交流側電流検出部により検出された上記交流側電流の振幅の補正またはオフセットの補正の少なくとも一方を制御部が行うことによって、上記交流側電流の振幅,オフセットの温度ドリフトを解消できる。

また、一実施形態の電流制御形電力変換装置では、上記制御部は、運転中に、上記交流側電流の振幅の補正または上記交流側電流のオフセットの補正の少なくとも一方を行う。

上記実施形態によれば、運転中に、上記交流側電流検出部により検出された上記交流側電流の振幅の補正またはオフセットの補正の少なくとも一方を制御部が行うことによって、上記交流側電流の振幅,オフセットの温度ドリフトを解消できる。

以上より明らかなように、この発明の電流制御形電力変換装置によれば、簡単な構成で交流側に用いられる電流センサの振幅,オフセットや温度ドリフトを補償でき、安価な電流センサを用いてコストを低減できる。

また、一実施形態の電流制御形電力変換装置によれば、起動時に、上記交流側電流の振幅の補正、または、上記交流側電流のオフセットの補正の少なくとも一方を行うことによって、上記交流側電流検出部の振幅,オフセットのばらつきを解消できる。

また、一実施形態の電流制御形電力変換装置によれば、運転中に、上記交流側電流の振幅の補正、または、上記交流側電流のオフセットの補正の少なくとも一方を行うことによって、上記交流側電流検出部の振幅,オフセットの温度ドリフトを解消できる。

以下、この発明の電流制御形電力変換装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１はこの発明の実施の一形態の電流制御形電力変換装置の構成を示している。この電流制御形電力変換装置は、直流側から交流側に電流が流れる逆変換器として構成した例を示しているが、点線で示すように、直流電源Ｅの代わりに負荷Ｒを接続して、交流側から直流側に電流が流れる順変換器としても動作することができる。

この電流制御形電力変換装置は、図１に示すように、三相交流電源１０のＲ相の出力端子をリアクトルＬ_Rを介して変換部の一例としてのパワーモジュール３の第１交流側端子に接続し、三相交流電源１０のＳ相の出力端子をリアクトルＬ_Sを介してパワーモジュール３の第２交流側端子に接続し、三相交流電源１０のＴ相の出力端子をリアクトルＬ_Tを介してパワーモジュール３の第３交流側端子に接続している。上記パワーモジュール３の正極側端子にコンデンサＣの一端を接続し、コンデンサＣの他端をシャント抵抗７を介して負極側端子に接続している。上記コンデンサＣに直流電源Ｅを並列に接続している。

また、上記電流制御形電力変換装置は、三相交流電源１０のＲ相電圧の位相を検出する位相検出部４と、リアクトルＬ_RとリアクトルＬ_Sを夫々流れる電流を検出する交流側電流検出部の一例としての電流センサ１,２と、シャント抵抗７により検出される電流を表す信号を増幅する増幅器６と、上記位相検出部４からの信号と電流センサ１,２からの信号および増幅器６からの信号に基づいて、パワーモジュール３に制御信号を出力する制御回路５とを備える。上記位相検出部４と増幅器６と制御回路５で制御部１１を構成している。上記シャント抵抗７と増幅器６で直流側電流検出部を構成している。

上記パワーモジュール３は、スイッチング素子の一例としての６つのトランジスタＱ１〜Ｑ６により三相ブリッジ回路を構成している。

上記制御回路５は、図２に示す電圧ベクトルを順次選択する空間ベクトル変調法によりＰＷＭ変調でパワーモジュール３を制御する。ここで、６０度毎に分割される６つのモードの領域内の位相角φにより、電圧ベクトルτ4,τ6,τ0の時比率は次の(１)〜(３)式により求められる。

Ｔ₀：キャリア周期、ｋs：電圧制御率

また、表１は各モードの領域毎の電圧ベクトル、直流電流、逆変換のときの直流側に表れる線電流成分、順変換のときの直流側に表れる線電流成分、および、電圧ベクトルの出力時間を示している。

例えば、モード１においては、電圧ベクトルＶ４,Ｖ６が選択され、電圧ベクトルＶ４ではＲ相上アーム(トランジスタＱ１)がオンするため、Ｒ相の電流が直流側のシャント抵抗７に流れて、逆変換では正の電圧信号Irとして検出され、順変換では負の電圧信号-Irとして検出される。また、電圧ベクトルＶ６ではＴ相下アーム(トランジスタＱ６)がオンするため、Ｔ相の電流が直流側のシャント抵抗７に流れて、逆変換では負の電圧信号-Itとして検出され、順変換では正の電圧信号Itとして検出される。このように、シャント抵抗７に発生する電圧信号を電圧ベクトルＶ４,Ｖ６の出力時間内にサンプリングすることにより、交流側の線電流を検出することができる。

このシャント抵抗７に発生する電圧信号のサンプリングは、トリガー信号により制御回路５のＡ／Ｄコンバータをスタートさせることにより行う。

図４は、二相変調波形における検出タイミングを示し、図５は、三相変調波形における検出タイミングを示している。

図４,図５に示すように、ＰＷＭ出力は上記(１)〜(３)式より求まる通電時間をＰＷＭカウンタで比較することにより得られ、検出可能な期間は、各電圧ベクトルの出力期間よりデッドタイムを除いた図中の傾斜部となる。このため、ＰＷＭカウンタと同期した別のＡ／Ｄトリガーカウンタを用いて、図中の式で得られる値と比較することにより、検出可能期間の中間でＡ／Ｄコンバータをスタートさせるトリガー信号を発生させることができる。

図４では、Ａ／Ｄトリガーカウンタが電圧ベクトルＶ０の出力時間τ０の中間τ０／２をカウントすると、直流電流ｉ0をサンプリングし、Ａ／Ｄトリガーカウンタが時間(τ０＋τ４／２＋ｔd／２)をカウントすると、直流電流ｉ1をサンプリングし、Ａ／Ｄトリガーカウンタが時間(τ０＋τ４+τ６／２＋ｔd／２)をカウントすると、直流電流ｉ2をサンプリングする。

一方、図５では、Ａ／Ｄトリガーカウンタが時間τ０／４をカウントすると、直流電流ｉ0をサンプリングし、Ａ／Ｄトリガーカウンタが時間(τ０／２＋τ４／２＋ｔd／２)をカウントすると、直流電流ｉ1をサンプリングし、Ａ／Ｄトリガーカウンタが時間(τ０／２＋τ４+τ６／２＋ｔd／２)をカウントすると、直流電流ｉ2をサンプリングする。

なお、電圧ベクトルＶ０,Ｖ７が選択される零ベクトル期間は、三相交流電源１０とパワーモジュール３との間を環流するため、シャント抵抗７には電流は流れないが、ここでは、シャント抵抗７の信号を増幅する増幅器６のオフセットレベルをまず補正するために、他のベクトルと同様にサンプリングして、次の(４)式,(５)式により補正する。

なお、二相変調波形、三相変調波形において、図４,図５以外のベクトルパターンも選択できるが、上記(１)〜(３)式の通電時間に基づいて、制御回路５のＡ／Ｄコンバータへのトリガータイミングを設定すればよく、また、オフセット検出は電圧ベクトルＶ０,Ｖ７のいずれのタイミングで行ってもよい。

図３は表１と上記(１)〜(３)式に基づく線電流,出力時間および直流電流の波形を示している。電圧ベクトルＶ４の出力時間ｔ４は位相角６０度で最小となり、電圧ベクトルＶ６の出力時間ｔ６は０度で出力時間が最小となることに留意し、出力時間ｔ６からｔ４へのモードの遷移に伴い、同一のベクトルが選択される状態を用いると、１２０度期間の電流が検出できることになる。

例えば、モード１でＴ相が検出できる電圧ベクトルＶ６については、位相角６０度で出力時間ｔ６は最大となり、次のモード２では出力時間ｔ４であるから位相角０度で最大の出力時間が得られるため、２つのモードを通じて１２０度期間、連続して電流が検出できる。

以上の動作は、図２の電圧ベクトルの図からも明らかであり、各頂点を中心として±６０度の期間、各電圧ベクトルに相当する線電流が検出できる。

図６にゲイン、オフセット検出波形を示している。

正弦波の全波整流平均値は次の(６)式で表される(Ａは定数)。

直流側のシャント抵抗７で検出される電流は、線電流の１２０度期間を除いた全波整流波形に相当するため、全波整流平均値Ａ_avgを求めると、次の(７)式で表される。

上記(７)式では、(６)式と比較すると、０.８７倍程度の平均値が得られ、交流側の電流センサ１,２の振幅補正用の基準信号として十分なレベルの全波整流平均値Ａ_avg(DC)を確保することができる。

以上の線電流の１２０度の期間において、交流側の電流センサ１,２についても同期してサンプリングすることにより全波整流平均値Ａ_avg(AC)を求め、次の(８)式で振幅補正値としてのゲイン補正値ΔＧを得る。

一方、オフセット電圧については、次の(９),(１０)式により、直流側、交流側ともに半波毎の１２０度期間の半波整流平均値Ｈ_avg+,Ｈ_avg-を求め、次の(１１)式の関係より、交流側電流オフセット成分Ｖ_offset(AC)と直流側電流オフセット成分Ｖ_offset(DC)を夫々求める(図３参照)。

なお、交流側については、運転中の検出電流と増幅器それぞれのオフセットの分離が困難であるため、交流側電流オフセット成分Ｖ_offset(AC)を信号より除去し、直流側電流オフセット成分Ｖ_offset(DC)を加算する。

図７Ａ, 図７Ｂに上記の電流検出法による制御部の構成を示している。図７Ａは直流側から交流側に電流が流れる逆変換のときの制御部１１Ａを備えた電流制御形電力変換装置の構成を示し、図７Ｂは交流側から直流側に電流が流れる順変換のときの制御部１１Ｂを備えた電流制御形電力変換装置の構成を示している。なお、図７Ａ, 図７Ｂにおいて、図１に示す電流制御形電力変換装置と同一の構成部には同一参照番号を付している(ただし、リアクトルＬr,Ｌs,Ｌtは省略してＬとしている)。また、図７Ａ, 図７Ｂでは、シャント抵抗７により検出された直流側の電流Ｉ_dcを増幅する増幅器６を省略している。

図７Ａに示すように、直流側から交流側に電流が流れる逆変換を行う電流制御形電力変換装置の制御部１１Ａは、有効電力指令値ｐ*と有効電力ｐを減算する加減算器２０と、加減算器２０からの出力を比例積分して有効電流指令値Ｉq*を出力する電力制御器２１と、電力制御器２１からの有効電流指令値Ｉq*と無効電流指令値Ｉd*＝０に基づいて、電圧指令値Ｖi*を出力する非干渉電流制御部２２と、非干渉電流制御部２２からの電圧指令値Ｖi*に基づいてＰＷＭ制御信号をパワーモジュール３に出力する空間ベクトル変調部２３と、空間ベクトル変調部２３からのタイミング信号に基づいて、交流側の電流センサＤＣＣＴ(図１の１,２)により検出された電流Ｉ_r,Ｉ_sの校正処理を制限する最小パルス幅制限部２４と、最小パルス幅制限部２４からの制御信号と、シャント抵抗７により検出された直流側の電流Ｉ_dcと、電流センサＤＣＣＴからの電流Ｉ_r,Ｉ_sに基づいて、ゲイン補正値ΔＧと交流側電流オフセット成分Ｖ_offset(AC)と直流側電流オフセット成分Ｖ_offset(DC)を演算する電流校正部２５と、電流校正部２５からの交流側電流オフセット成分Ｖ_offset(AC)を電流Ｉ_r,Ｉ_sから夫々減算する交流側電流オフセット補正部の一例としての減算器２６と、減算器２６の出力に電流校正部２５からのゲイン補正値ΔＧを乗算する交流側電流振幅補正部の一例としての乗算器２７と、乗算器２７の出力に電流校正部２５からの直流側電流オフセット成分Ｖ_offset(DC)を加算する交流側電流オフセット加算部の一例としての加算器２８と、加算器２８からの補正された電流Ｉ_r,Ｉ_sに基づいて、二相／三相変換により有効電流Ｉdと無効電流Ｉdを非干渉電流制御部２２に出力する座標変換器２９とを有する。

上記電流校正部２５は、第３のスイッチング状態のときにシャント抵抗７により検出された直流側電流をオフセット成分として用いて、第１,第２のスイッチング状態のときに上記直流側電流のオフセットを補正するオフセット補正部２５aと、上記オフセット補正部２５aによりオフセットが補正された上記直流側電流のうちの交流側電流の所定の相の電流分(電流Ｉ_r,Ｉ_s)に対応する電流分と、上記交流側電流の所定の相の電流分(電流Ｉ_r,Ｉ_s)に基づいて、上記交流側電流の所定の相の電流分(電流Ｉ_r,Ｉ_s)の振幅を補正するための振幅補正値としてのゲイン補正値ΔＧを演算する振幅補正値演算部２５bと、上記オフセット補正部２５aによりオフセットが補正された上記直流側電流のうちの上記交流側電流の所定の相の電流分(電流Ｉ_r,Ｉ_s)に対応する電流分に基づいて、直流側電流オフセット成分Ｖ_offset(DC)を演算する直流側電流オフセット成分演算部２５cと、上記交流側電流の所定の相の電流分(電流Ｉ_r,Ｉ_s)に基づいて、交流側電流オフセット成分Ｖ_offset(AC)を演算する交流側電流オフセット成分演算部２５dとを有する。

一方、図７Ｂに示すように、交流側から直流側に電流が流れる順変換を行う電流制御形電力変換装置の制御部１１Ｂは、図７Ａに示す制御部１１Ａ加減算器２０と電力制御器２１の代わりに、電圧指令値Ｖ_dc*と電圧値Ｖ_dcを減算する加減算器３０と、上記加減算器３０からの出力を比例積分して有効電流指令値Ｉq*を出力する電圧制御器３１を備えている。

上記図７Ａ, 図７Ｂに示す電流制御形電力変換装置の検出タイミングでは、電圧制御率、キャリア周波数、デッドタイムにより、１２０度区間の両端は、電圧ベクトルの出力時間が短くなり、検出不能となる場合がある。このため、最小パルス幅で制限するブロックとして最小パルス幅制限部２４を設け、電圧ベクトルの出力時間が最小パルス幅よりも短くなると、電流Ｉ_r,Ｉ_sの補正を停止する。

上記構成の電流制御形電力変換装置によれば、簡単な構成で交流側の電流センサ１,２の振幅,オフセットや温度ドリフトを補償でき、安価な電流センサを用いてコストを低減することができる。

また、６０度毎に異なる６つの電圧ベクトルを選択する空間ベクトル変調法を用いたパルス幅変調によってパワーモジュール３を制御する電流制御形電力変換装置において、第１,第２のスイッチング状態のときにシャント抵抗７,増幅器６により検出された直流側電流は、交流側電流の所定の相の電流分に対応する電流分を有している。この直流側電流のうちの交流側電流の所定の相の電流分に対応する電流分を利用して、電流センサ１,２により検出された上記交流電流のオフセットや振幅を補正することが可能となる。

また、交流側電流オフセット成分Ｖ_offset(AC)を用いて交流側電流の所定の相の電流分のオフセットを補正した後に、振幅補正値ΔＧを用いて交流側電流の所定の相の電流分である電流Ｉ_r,Ｉ_sの振幅を補正し、振幅が補正された電流Ｉ_r,Ｉ_sに直流側電流オフセット成分Ｖ_offset(DC)を加算することにより、増幅器のオフセットの分離が困難な電流センサ１,２により検出された交流側の電流Ｉ_r,Ｉ_sの振幅,オフセットを補正できる。

また、表１に示すように、第１,第２のスイッチング状態のときに直流側電流検出部(６,７)により検出された直流側電流のうちの隣接する２つの上記所定の１２０度区間の電流分は、上記所定の１２０度区間の交流側電流の所定の相の電流分に対応することにより、上記所定の１２０度区間で対応づけられた直流側電流の電流分と交流側電流の所定の相の電流分の夫々の平均値を求めることによって、振幅補正値を容易に演算できる。また、上記所定の１２０度区間で対応づけられた直流側電流の電流分と交流側電流の所定の相の電流分について、それぞれのオフセット成分を容易に演算することができる。

また、起動時に、上記交流側電流振幅補正部である乗算器２７による交流側電流の振幅の補正と、交流側電流オフセット補正部である減算器２６と交流側電流オフセット加算部である加算器２８よる交流側電流のオフセットの補正を行うことによって、交流側電流の振幅,オフセットのばらつきを解消できる。なお、起動時に、交流側電流の振幅の補正または交流側電流のオフセットの補正のいずれか一方のみを行ってもよい。

また、運転中に、上記交流側電流振幅補正部である乗算器２７よる交流側電流の振幅の補正と、交流側電流オフセット補正部である減算器２６と交流側電流オフセット加算部である加算器２８よる交流側電流のオフセットの補正を行うことによって、交流側電流の振幅,オフセットの温度ドリフトを解消できる。なお、運転中に、交流側電流の振幅の補正または交流側電流のオフセットの補正のいずれか一方のみを行ってもよい。

図１はこの発明の実施の一形態の電流制御形電力変換装置の構成を示す図である。図２は上記電流制御形電力変換装置の空間ベクトル変調法を説明するための図である。図３は上記電流制御形電力変換装置の各部の波形を示す図である。図４は二相変調波形における検出タイミングを示す図である。図５は三相変調波形における検出タイミングを示す図である。図６はゲイン、オフセット検出波形を示す図である。図７Ａは逆変換の場合の電流制御形電力変換装置の構成を示す図である。図７Ｂは順変換の場合の電流制御形電力変換装置の構成を示す図である。

符号の説明

１,２,ＤＣＣＴ…電流センサ
３…パワーモジュール
４…位相検出部
５…制御回路
６…増幅器
７…シャント抵抗
１０…三相交流電源
１１…制御部
２０…加減算器
２１…電力制御器
２２…非干渉電流制御部
２３…空間ベクトル変調部
２４…最小パルス幅制限部
２５…電流校正部
２５a…オフセット補正部
２５b…振幅補正値演算部
２５c…直流側電流オフセット成分演算部
２５d…交流側電流オフセット成分演算部
２６…減算器
２７…乗算器
２８…加算器
２９…座標変換器
３０…加減算器
３１…電圧制御器
Ｃ…コンデンサ
Ｌ,Ｌ_R,Ｌ_S,Ｌ_T…リアクトル
Ｑ１〜Ｑ６…トランジスタ

Claims

三相ブリッジ回路を構成する６つのスイッチング素子を有し、三相交流電圧を直流電圧に変換するかまたは直流電圧を三相交流電圧に変換する変換部(３)と、
上記変換部(３)の交流側電流を検出する交流側電流検出部(１,２)と、
上記変換部(３)の直流側電流を検出する直流側電流検出部(６,７)と、
上記交流側電流検出部(１,２)により検出された上記交流側電流と上記直流側電流検出部(６,７)により検出された上記直流側電流に基づいて、上記変換部(３)を空間ベクトル変調法を用いたパルス幅変調により制御する制御部(１１,１１Ａ,１１Ｂ)と
を備え、
上記制御部(１１,１１Ａ,１１Ｂ)は、上記直流側電流検出部(６,７)により検出された上記直流側電流のうちの上記交流側電流の所定の相の電流分に対応する電流分に基づいて、上記交流側電流検出部(１,２)により検出される上記交流側電流の振幅とオフセットを補正することを特徴とする電流制御形電力変換装置。
請求項１に記載の電流制御形電力変換装置において、
上記制御部(１１,１１Ａ,１１Ｂ)は、起動時に、上記交流側電流の振幅の補正または上記交流側電流のオフセットの補正の少なくとも一方を行うことを特徴とする電流制御形電力変換装置。
請求項１または２に記載の電流制御形電力変換装置において、
上記制御部(１１,１１Ａ,１１Ｂ)は、運転中に、上記交流側電流の振幅の補正または上記交流側電流のオフセットの補正の少なくとも一方を行うことを特徴とする電流制御形電力変換装置。