JP2009303461A - 電流制御型電力変換器及び電流制御型電力変換器の出力電流波形改善方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力電流波形の歪みを改善することができる三相４線式の電流制御型電力変換器を提供する。
【解決手段】 高調波シフト部４は、相電圧波形Ｖｕを基準とした場合の第３次高調波電圧成分Ｖ３を所定時間Δｔシフトして得たシフトされた第３次高調波電圧成分Ｖ３′を得る。信号減算部４は、第３次高調波電圧成分Ｖ３′にゲインＫ１を乗算して減算信号ΔＩ３を得て、フィードバック制御に用いる三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refから減算信号ΔＩ３をそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号Ｉux〜Ｉwxを得る。ゲート信号発生回路２は、三相分の補正された電流指令信号Ｉux〜Ｉwxに基づいて三相インバータ回路ＩＶの６個の半導体スイッチング素子にゲート信号を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、三相４線式の電流制御型電力変換器及びこの変換器の出力電流波形の歪みを改善する電流制御型電力変換器の出力電流波形改善方法に関するものである。

特開２０００−２２４８６２号公報（特許文献１）には、三相４線式の電圧制御型電力変換器の従来が示されている。この電圧制御型電力変換器では、直流電源の一対の直流出力端子間に、直列接続された一対のコンデンサを備え、一対のコンデンサの接続点を中性相としている。

また特開２００７−２７４８２５号公報（特許文献２）には、三相電力変換器に対して２組の半導体スイッチング素子を直列接続した中性相アームを設け、さらに一端が中性相アームの中間点に接続され、他端が中性線として取り出されるリアクトルを備えた三相４線式の電圧制御型電力変換器が示されている。中性相アームはデューティ５０％で交互にスイッチングされる。そして中性相アームのスイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、第３次高調波がキャンセルされる。
特開２０００−２２４８６２号公報 特開２００７−２７４８２５号公報

前者の三相４線式の電圧制御型電力変換器では、出力電流波形に比較的大きな歪みが発生する。また後者の電圧制御型電力変換器では、出力電圧波形の歪みは小さくなるものの、中性相アームを設けて、中性相アームをＰＷＭ制御する必要があり、構成が複雑になる。さらに従来の電圧制御型電力変換器では、出力電圧を一定に制御する電力変換器であるため、出力電流波形の歪みを積極的に改善することは難しかった。

本発明の目的は、出力電流波形の歪みを改善することができる電流制御型電力変換器及び電流制御型電力変換器の出力電流波形改善方法を提供することにある。

本発明が改良の対象とする電流制御型電力変換器は、直流電源の一対の直流出力端子間に直列接続された一対のコンデンサと、三相インバータ回路と、電流指令信号発生回路と、ゲート信号発生回路とを備えている。三相インバータ回路は、ブリッジ接続された６個の半導体スイッチング素子を含んで構成されて直流電源の一対の直流出力端子に接続されている。また電流指令信号発生回路は、６個の半導体スイッチング素子をフィードバック制御するための三相分の電流指令信号を発生する。さらにゲート信号発生回路は、三相分の電流指令信号に基づいて６個の半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲート信号を発生する。この電流制御型電力変換装置では、一対のコンデンサの接続点を中性相とする。

本願発明者は、三相４線式の電流制御型電力変換器で出力電流の波形に比較的大きな歪みが発生することの原因が、出力電流に含まれる第３次高調波電流成分にあることを見出した。発明者は、出力電流に含まれる第３次高調波電流成分を除去することができる補正された三相分の電流指令信号をゲート回路に与えることにより、出力電流に含まれる第３次高調波成分を除去する技術的思想を発案し、効果があることを確認した。

そこで本発明においては、電流指令信号発生回路を第３次高調波電圧成分作成部と、高調波シフト部と、信号減算部とから構成する。第３次高調波電圧成分作成部は、三相インバータ回路の三相出力電圧に基づいて三相の相電圧のすべてと同期した第３次高調波電圧成分を作成する。また高調波シフト部は、第３次高調波電圧成分を時間的に遅れる方向に所定時間シフトして得たシフトされた第３次高調波電圧成分を出力する。

さらに信号減算部は、シフトされた第３次高調波電圧成分に所定のゲインを乗算した減算信号を三相分の電流指令信号からそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号としてゲート信号発生回路に出力する。減算信号は、出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の原因成分である。したがって減算信号を三相分の電流指令信号から減算して得た三相分の補正された電流指令信号を用いてゲート信号発生回路がゲート信号を発生すれば、三相インバータ回路から出力される三相の出力電流波形には、高調波成分が含まれなくなる。よって本発明の電流制御型電力変換装置によれば、出力電流波形の歪みを改善することができる。

前述の「所定時間」及び「所定のゲイン」は、三相インバータ回路の三相出力電流に第３次高調波電流成分に基づく電流波形歪みが発生するのを抑制するようにそれぞれ定められている。「所定時間」及び「所定のゲイン」は、本発明を適用していない従来の電流制御型電力変換器の出力電流波形から第３次高調波電流成分を解析により抽出し、その第３次高調波電流成分の波形に基づいて、定めればよい。具体的には、所定時間は、三相出力電圧に対する三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の時間遅れ分に相当する時間である。また所定のゲインは、シフトされた第３次高調波電圧成分の振幅を三相出力電流に含まれる第３次高調波成分の振幅と一致させるように定めればよい。このようにすれば高い精度で、出力電流波形の歪みを改善することができる。

本発明は、上記電流制御型電力変換装置における三相出力電流の波形歪みを改善する方法としても把握することができる。すなわち本発明の方法では、三相分の電流指令信号を、三相出力電流に含まれる第３次高調波成分を除去するように補正することにより、三相出力電流の波形歪みを改善する。

具体的な方法では、まず三相インバータ回路の三相出力電圧に基づいて三相の相電圧に同期した第３次高調波電圧成分を三相の相電圧から作成する。次に、第３次高調波電圧成分の位相を三相出力電流に含まれる第３次高調波成分の位相と一致させるように、第３次高調波電圧成分をそれぞれ時間的に遅れる方向にシフトされた第３次高調波電圧成分を作る。またシフトされた第３次高調波電圧成分の振幅を三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の振幅と一致させる所定のゲインを、シフトされた第３次高調波電圧成分に乗算して減算信号を作る。そして最後に、減算信号を三相分の電流指令信号からそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号を作って、ゲート信号発生回路に出力する。このようにすれば三相出力電流波形に第３次高調波電流成分が含まれなくなるため、出力電流波形の歪みを改善することができる。

本発明の電流制御型電力変換装置によれば、三相分の電流指令信号から第３次高調波成分を発生させる原因となる信号を除去した三相分の補正された電流指令信号をゲート信号発生回路に入力するので、三相インバータ回路の出力電流からは実質的に第３次高調波電流成分を含まない出力電流波形を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の電流制御型電力変換装置の実施の形態の一例の構成を示す回路図であり、図２は電流指令信号発生回路及びゲート信号発生回路の構成の一例を示す図である。図１に示す三相４線式の電力変換器は、直流電源ＤＣの一対の直流出力端子間に、直列接続された一対のコンデンサＣ１及びＣ２を備えている。また一対の直流出力端子間には、三相インバータ回路ＩＶが接続されている。三相インバータ回路ＩＶは、ブリッジ接続された６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６と、６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に逆並列接続された６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とを含んで構成されている。三相インバータ回路ＩＶの３つの出力端子は、それぞれリアクトルＬ１〜Ｌ３を介して交流源ＡＣの三相交流ラインに接続されている。また一対のコンデンサＣ１及びＣ２の接続点が交流源ＡＣの中性相ラインに接続されている。三相交流ラインと中性相ラインとの間にはそれぞれコンデンサＣ３〜Ｃ５が接続されている。そして電流指令信号発生回路１は、６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をフィードバック制御するための三相分の電流指令信号を発生する。さらにゲート信号発生回路２は、三相分の電流指令信号に基づいて６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をＰＷＭ制御するためのゲート信号を発生する。

図２示すように、本実施の形態の電流指令信号発生回路１は、第３次高調波電圧成分作成部３と、高調波シフト部４と、信号減算部５とを含んでいる。電流指令信号発生回路１には、３台の電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３によって検出された三相交流出力電流が入力され、また三相交流出力ラインからの出力電圧（Ｕ相電圧，Ｖ相電圧，Ｗ相電圧）が入力されている。さらに中性相ラインの電圧が、三相の相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを検出して、制御するときの０Ｖの基準点として電流指令信号発生回路１に入力されている。尚図２には、中性相ラインは図示していない。

図２に示すように、第３次高調波電圧成分作成部３は、三相インバータ回路ＩＶの三相出力電圧に基づいて、三相の相電圧波形Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに同期した第３次高調波電圧成分を作成する。図３は、相電圧波形Ｖｕを基準とした場合の第３次高調波電圧成分Ｖ３を示している。三相の相電圧波形Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに対して、第３次高調波電圧成分Ｖ３は１つだけ存在する。したがって第３次高調波電圧成分Ｖ３の位相と三相の相電圧波形Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相との位相差は、それぞれ異なっている。

高調波シフト部４は、作成した一つの第３次高調波電圧成分Ｖ３を時間的に遅れる方向に所定時間Δｔシフトして、シフトされた一つの第３次高調波電圧成分Ｖ３′を出力する。なお第３次高調波電圧成分作成部３における第３次高調波電圧成分の作成方法は、周知であるため説明は省略する。信号減算部５は、シフトされた第３次高調波電圧成分Ｖ３′に所定のゲインＫ１を乗算した一つの減算信号ΔＩ３をフィードバック制御に用いる三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refからそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号Ｉux〜Ｉwxとしてゲート信号発生回路２に出力する。図３は、相電圧波形Ｖｕを基準とした場合の第３次高調波電圧成分Ｖ３を所定時間Δｔシフトして得たシフトされた第３次高調波電圧成分Ｖ３′にゲインＫ１を乗算して得た減算信号ΔＩ３を示している。所定のゲインＫ１は、シフトされた第３次高調波電圧成分ΔＩ３の振幅を三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の振幅と一致させるように定める。ゲインＫ１も固定値として予め定める。なお、ゲインＫ１を大きくしすぎると、電流指令信号と補正された電流指令信号との位相関係がずれるため、本実施の形態では、このゲインＫ１は位相関係がずれない程度の小さな値（例えば、０．０２以下の値）にしている。

ここで高調波シフト部４における所定時間Δｔ及び信号減算部５における所定のゲインＫ１は、三相インバータ回路ＩＶの三相出力電流に第３次高調波電流成分に基づく電流波形歪みが発生するのを抑制するようにそれぞれ定められている。具体的な所定時間Δｔ及び所定のゲインＫ１は、本発明を適用していない従来の電流制御型電力変換器の出力電流波形から第３次高調波電流成分を解析により抽出し、その第３次高調波電流成分の波形に基づいて、予め定めることができる。この第３次高調波電流成分は、三相出力電流のそれぞれにすべて同じ位相で含まれている。また具体的に、所定時間Δｔは、三相出力電圧に対する三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の時間遅れ分に相当する時間である。一般的にこの所定時間Δｔは、１msec〜１０msecを固定値として予め定めている。

本実施の形態では、フィードバック制御に用いる三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refを、図示しない電流指令発生手段から出力された各相の電流指令信号（Ｕ相電流指令信号，Ｖ相電流指令信号，Ｗ相電流指令信号）から電流検出器ＣＴ１〜ＣＴ３により検出したＵ相電流〜Ｗ相電流を減算した信号にゲインＫ２を乗じて得た信号にＵ相電圧〜Ｗ相電圧を加算することにより得ている。このフィードバック制御に用いる三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refを得る際に、Ｕ相電圧〜Ｗ相電圧を加算しているのは、出力相電流を出力相電圧に同期させるためである。

一つの減算信号ΔＩ３は、三相出力電流に含まれる第３次高調波成分の原因成分である。したがって減算信号ΔＩ３を三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refから減算して得た三相分の補正された電流指令信号Ｉux〜Ｉwxを用いて、ゲート信号発生回路２はＰＷＭ制御に必要なゲート信号Ｓｕ，ＸＳｕ，Ｓｖ，ＸＳｖ，Ｓｗ，ＸＳｗを発生する。なおゲート信号発生回路２は、比較器ＣＭＰで搬送波と電流指令信号Ｉux〜Ｉwxとを比較してＰＷＭ制御信号に必要なゲート信号Ｓｕ，ＸＳｕ，Ｓｖ，ＸＳｖ，Ｓｗ，ＸＳｗを発生する。なおゲート信号発生回路２では、ゲート信号Ｓｕ，ＸＳｕが一対の半導体スイッチ素子を同時にオンしないようにするためのデットタイムの追加をしている。またゲート信号発生回路２では、ゲート信号間の絶縁をして、各半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６にゲート信号を与える。

本発明の方法では、三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refを、三相出力電流に含まれる第３次高調波成分を除去するように補正することにより、三相出力電流の波形歪みを改善する。そこで、三相インバータ回路の三相出力電圧に基づいて三相の相電圧に同期した一つの第３次高調波電圧成分Ｖ３を作成する。次に、第３次高調波電圧成分Ｖ３の位相を三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の位相と一致させるように、第３次高調波電圧成分Ｖ３をそれぞれ時間的に遅れる方向にシフトしてシフトされた第３次高調波電圧成分Ｖ３′を作る。またシフトされた第３次高調波電圧成分Ｖ３′の振幅を三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の振幅と一致させる所定のゲインＫ１を、シフトされた第３次高調波電圧成分Ｖ３′に乗算して減算信号ΔＩ３を作る。そして最後に、減算信号ΔＩ３を三相分の電流指令信号Ｉu_ref〜Ｉw_refからそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号Ｉux〜Ｉwxを作って、ゲート信号発生回路２に出力する。このようにすれば三相出力電流波形に第３次高調波電流成分が含まれなくなるため、出力電流波形の歪みを改善することができる。

本発明の電流制御型電力変換装置の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。 電流指令信号発生回路及びゲート信号発生回路の構成の一例を示す図である。 １つの相電圧波形、第３次高調波電圧成分及び減算信号の一例を示す波形図である。

符号の説明

１ 電流指令信号発生回路
２ ゲート信号発生回路
３ 第３次高調波電圧成分作成部
４ 高調波シフト部
５ 信号減算部
Ｔｒ１〜Ｔｒ６ 半導体スイッチング素子
Ｃ１〜Ｃ５ コンデンサ
ＣＴ１〜ＣＴ３ 電流検出器
Ｌ１〜Ｌ３ リアクトル
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
ＤＣ 直流電源
ＡＣ 商用交流電源（交流源）

Claims (5)

1. 直流電源の一対の直流出力端子間に直列接続された一対のコンデンサと、
   ブリッジ接続された６個の半導体スイッチング素子を含んで構成されて前記一対の直流出力端子に接続された三相インバータ回路と、
   前記６個の半導体スイッチング素子をフィードバック制御するための三相分の電流指令信号を発生する電流指令信号発生回路と、
   前記三相分の電流指令信号に基づいて前記６個の半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲート信号を発生するゲート信号発生回路とを備え、
   前記一対のコンデンサの接続点を中性相とする電流制御型電力変換装置であって、
   前記電流指令信号発生回路は、前記三相インバータ回路の三相出力電圧に基づいて、三相の相電圧に同期した第３次高調波電圧成分を作成する第３次高調波電圧成分作成部と、
   前記第３次高調波電圧成分を時間的に遅れる方向に所定時間シフトして得たシフトされた第３次高調波電圧成分を出力する高調波シフト部と、
   前記シフトされた第３次高調波電圧成分に所定のゲインを乗算した減算信号を前記三相分の電流指令信号からそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号として前記ゲート信号発生回路に出力する信号減算部とを備えていることを特徴とする電流制御型電力変換器。
2. 前記所定時間及び前記所定のゲインは、前記三相インバータ回路の三相出力電流に第３次高調波電流成分に基づく電流波形歪みが発生するのを抑制するようにそれぞれ定められている請求項１に記載の電流制御型電力変換器。
3. 前記所定時間は、前記三相出力電圧に対する前記三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の時間遅れ分に相当する時間であり、前記所定のゲインは、前記シフトされた第３次高調波電圧成分の振幅を前記三相出力電流に含まれる前記第３次高調波電流成分の振幅と一致させるように定められている請求項１に記載の電流制御型電力変換器。
4. 直流電源の一対の直流出力端子間に直列接続された一対のコンデンサと、
   ブリッジ接続された６個の半導体スイッチング素子を含んで構成され前記一対の直流出力端子に接続された三相インバータ回路と、
   前記６個の半導体スイッチング素子をフィードバック制御するための三相分の電流指令信号を発生する電流指令信号発生回路と、
   前記三相分の電流指令信号に基づいて前記６個の半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲート信号を発生するゲート信号発生回路とを備え、
   前記一対のコンデンサの接続点を中性相とする電流制御型電力変換装置から出力される三相出力電流の波形歪みを改善する方法であって、
   前記三相分の電流指令信号を、前記三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分を除去するように補正することを特徴とする電流制御型電力変換装置の出力電流波形改善方法。
5. 前記三相インバータ回路の三相出力電圧に基づいて三相の相電圧に同期した第３次高調波電圧成分を作成し、
   前記第３次高調波電圧成分の位相を前記三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の位相と一致させるように、前記第３次高調波電圧成分を時間的に遅れる方向にシフトして得たシフトされた第３次高調波電圧成分を作り、
   前記シフトされた第３次高調波電圧成分の振幅を前記三相出力電流に含まれる第３次高調波電流成分の振幅と一致させる所定のゲインを前記シフトされた第３次高調波電圧成分に乗算して減算信号を作り、該減算信号を前記三相分の電流指令信号からそれぞれ減算して三相分の補正された電流指令信号として前記ゲート信号発生回路に出力することを特徴とする請求項４に記載の電流制御型電力変換器の出力電流波形改善方法。

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