JP2010124596A

JP2010124596A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2010124596A
Application number: JP2008295636A
Authority: JP
Inventors: Shingo Makishima; 信吾牧島; Keiichi Uesono; 恵一上園
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-06-03
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: JP5328313B2

Abstract

【課題】直流電源の電力を交流電力もしくは異なる電圧の直流電力に変換する電力変換装置の直流電源側に備えられているLCフィルタの共振が発散することを防ぐ。
【解決手段】回路内に直流電源及びLCフィルタ及び大地のいずれにも接地されていない電池が含まれており、電池に電流が流れるスイッチングモードのうち電池を充電する方向もしくは放電する方向のどちらかを用い、その切り替えが前記LCフィルタのコンデンサ電圧の変動方向で切り替えられることによりLCフィルタの共振を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は一定の出力の負荷を運転するための直流電源の電力を交流電力もしくは直流電力に電力を変換する電力変換装置に関するもので、特に直流電源側に接続されたLCフィルタの振動抑制に関するものである。

図９に電力変換装置の一例として出力が３相交流となる場合の構成図を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。

LCフィルタ２は、リアクトル２１とコンデンサ２２から構成され直流電源１に接続されている。LCフィルタ２の出力の間に、電力変換回路３が接続される。電力変換回路３は、スイッチ３１が２つ直列に接続されたものが３組並列に接続されている。それぞれの直列に接続された２つのスイッチ３１の間が出力点であり、３相の出力電圧
v_U、v_V、v_Wがそれぞれ負荷４に接続される。

図２はスイッチ３１の構成である。スイッチ３１はスイッチング素子３１１と還流ダイオード３１２が逆並列に接続されており、制御回路５から１が入力されると導通状態となり、０が入力されると遮断状態となる。

制御回路５は、U相出力電圧v_Uが平均的にU相電圧指令v_U*に一致するように、またV相出力電圧v_Vが平均的にV相電圧指令v_V*に一致するように、W相出力電圧v_Wが平均的にW相電圧指令v_W*に一致するように各スイッチに指令を出す。
特許公開２００６−９４５９８公報

LCフィルタ２のリアクトル２１とコンデンサ２２の間には共振特性があることが知られている。コンデンサ２２の電圧であるコンデンサ電圧Vcが変動した際に３相の出力電圧v_U、v_V、v_Wを一定に保つためにはコンデンサ電圧Vcが低下した分LCフィルタ２の出力電流I_LCを増大させる必要がある。しかしながらLCフィルタ２の出力電流I_LCを増大させるとコンデンサ電圧Vcはさらに低下しようとする。一方でコンデンサ電圧Vcが上昇すると、３相の出力電圧v_U、v_V、v_Wを一定に保つためにLCフィルタ２の出力電流I_LCを減少させる必要がある。しかしながら、LCフィルタ２の出力電流I_LCを減少させるとさらにコンデンサ電圧Vcが上昇しようとする。

つまり、コンデンサ電圧Vcが変動するとその変動をさらに増幅させるように作用することにより、LCフィルタ２の共振が発散してしまい、不安定となる。

この不安定を抑制するために、LCフィルタ２の回路内に抵抗を付加しLCフィルタ２の共振エネルギーを吸収することにより、LCフィルタ２の共振を抑制可能である。しかしながら、抵抗はLCフィルタ２の共振エネルギーだけではなく、通常の電流に対してもエネルギー吸収を行うため余計な電力消費を行う。また抵抗による電力消費は電力変換装置の発熱の原因となる。

この抵抗がなく回路インピーダンスや素子の損失が無視できる場合、LCフィルタ２と負荷４の間にはエネルギーを吸収する要素が存在しないため、LCフィルタ２の共振エネルギーは吸収することができずに共振の発散を抑制することは不可能である。

この現象は直流電源１を３相交流に変換する電力変換装置のほかに、単相交流やその他の相数の交流電圧、もしくは直流電源１を異なる電圧の直流電圧に変換する電力変換装置においても発生する問題である。

請求項１の発明によれば、直流電源を入力とし前記直流電源の電力を交流電力もしくは異なる電圧の直流電力に変換する電力変換装置であり、前記直流電源側にコンデンサとリアクトルから構成されるLCフィルタが接続されている電力変換装置において，前記電力変換装置の回路内に前記直流電源及び前記LCフィルタ及び大地のいずれにも接地されていない電池が含まれていることを特徴とする電力変換装置。

請求項２の発明によれば、請求項１の電力変換装置において、前記電力変換装置の回路はスイッチング素子とダイオードを逆並列に接続したスイッチが前記LCフィルタの出力の間に4組直列接続され、前記電池は1番目と2番目のスイッチの間から3番目と4番目のスイッチの間に接続され、2番目と3番目のスイッチの間が電力変換装置の出力となることを特徴とする電力変換装置。

請求項３の発明によれば、請求項２の電力変換装置において、前記スイッチ及び前記電池により構成される回路が、複数並列に前記LCフィルタ間に接続されることにより複数相の出力電圧を得ることを特徴とする電力変換装置。

請求項４の発明によれば、請求項２もしくは請求項３のの電力変換装置において、前記電池へ流れる電流によって、前記LCフィルタの共振を抑制することを特徴とした電力変換装置。

請求項５の発明によれば、請求項４の電力変換装置において、前記電池に電流が流れるスイッチングモードのうち前記電池を充電する方向もしくは放電する方向のどちらかを用い、前記電池を充電する方向か放電する方向かの切り替えが前記LCフィルタのコンデンサ電圧の変動方向で切り替えられることにより前記LCフィルタの共振を抑制することを特徴とする電力変換装置。

請求項６の発明によれば、請求項５の電力変換装置において、前記電池に流れる電流が充電か放電かの切り替えは、出力電流の極性とコンデンサ電圧の変動成分の方向によって切り替えることを特徴とした電力変換装置。

請求項７の発明によれば、請求項１から請求項６の電力変換装置において、前記電池の代わりにキャパシタを用いることを特徴とした電力変換装置。

本発明により電力変換回路内でエネルギーの出し入れ可能となるためLCフィルタの共振を抑制することが可能となる。

回路内に直流電源及びLCフィルタ及び大地のいずれにも接地されていない電池が含まれており、電池に電流が流れるスイッチングモードのうち電池を充電する方向もしくは放電する方向のどちらかを用い、その切り替えが前記LCフィルタのコンデンサ電圧の変動方向で切り替えられることによりLCフィルタの共振を抑制する。

図１を用いて請求項１から請求項６の発明を適用した一例として出力が３相交流となる場合にについて説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。

電力変換回路３は、LCフィルタ２の出力の間にスイッチ３１が４個直列に接続されている。直列に接続されているスイッチ３１のうち、１番目と２番目のスイッチ３１の間と３番目と４番目のスイッチ３１の間に電池３２が接続されている。この構成が３組並列にLCフィルタ２の出力の間に接続されており、それぞれの直列接続されたスイッチ３１の２番目と３番目の間から３相の出力電圧v_U、v_V、v_Wがそれぞれ出力される。

以下に詳細動作について、U相について説明するが、V相及びW相に関しても同様である。

電池３２の電圧はV_BATに充電されているとする。なお、V_BATは０以上で直流電源１の電圧Vdc以下とする。

ここで、LCフィルタ２の出力を短絡することなくU相出力電圧v_Uを生成可能なスイッチ３１の組み合わせは次の４種類である。なお、スイッチは高電位側からsu1、su2、su3、su4とし、1はスイッチが導通している状態、0はスイッチが遮断している状態である。

モード１：su1=1、su2=1、su3=0、su4=0
モード２：su1=1、su2=0、su3=1、su4=0
モード３：su1=0、su2=1、su3=0、su4=1
モード４：su1=0、su2=0、su3=1、su4=1

それぞれのモードの状態におけるU相出力電流i_Uの経路を図３に示す。また、それぞれのモードの際のU相出力電圧v_Uは次の値となる。なお、ここでは電圧は直流電源１の低電位側を０とする。

モード１：v_U=V_C
モード２：v_U=V_C-V_BAT
モード３：v_U=V_BAT
モード４：v_U=0

この４種類の電圧の選択を切り替えることにより、出力電圧v_Uを平均的に0からV_Cの範囲で任意の電圧を得るためには、モード１及びモード４があれば生成可能であり、モード２及びモード３は必ずしも必要はない。そこで、モード１及びモード４の他にモード２及びモード３のいずれか一方のみを利用して、平均的に任意の電圧を得ることとする。

次に、電池３２からの電力の出入りについて説明する。モード１及びモード４の時は、電池３２にU相出力電流i_Uが流れないため電池からの電力の出入りはない。一方でモード２の時は、U相出力電流i_Uが正のときは充電状態となり、負のときは放電状態となる。またモード３の時は、U相出力電流i_Uが正のときは放電状態、負のときは充電状態となる。

電圧変動方向判別器５１はコンデンサ電圧Vcを入力しコンデンサ電圧Vcが上昇した場合は１を低下した場合は−１を出力する。

図５は、電圧変動方向判別器５１の一例である。コンデンサ電圧Vcからコンデンサ電圧Vcにフィルタ５１を通したものの差分によりコンデンサ電圧Vcの変動成分を抽出し、正であれば１を負であれば−１を出力する。

図６は、電圧変動方向判別器の他の例である。コンデンサ電圧Vcと直流電源１の電圧Vdcの差分によりコンデンサ電圧Vcの変動成分を抽出し、正であれば１を負であれば−１を出力する。

電流検出器６は出力電流i_U、i_V、i_Wを検出する。U相電流極性判別器５２は電流検出器６で検出したU相出力電流i_Uの極性を判別し、正であれば１を、負であれば−１を出力する。

U相PWM制御装置５５は、U相電流検出器５２の出力と電圧変動判定器５１の出力の積及びU相電圧指令v_u*が入力される。U相PWM制御装置５５は、平均的にU相出力電圧v_uがU相電圧指令v_u*と一致するようにスイッチング指令を出すが、U相電流検出器５２の出力と電圧変動判定器５１の出力の積が1であるときにはモード１及びモード２及びモード４の３通りを用いてスイッチング指令を発生させ、U相電流検出器５２の出力と電圧変動判定器５１の出力の積が−1であるときにはモード１及びモード３及びモード４の３通りを用いてスイッチング指令を発生させる。

図７及び図８は、U相のスイッチング指令の発生方法の一例である。この例では、三角波キャリアを用いている。図７は、モード１及びモード２及びモード４の３通りのスイッチング指令を出力する場合の例であり、図８はモード１及びモード３及びモード４の３通りのスイッチング指令を出力する場合の例である。

V相およびW相に関しても、同様にスイッチング指令を出力する。

上記構成により、コンデンサ電圧Vcが低下した場合は電池３２を経由する電流はすべて電池３２から放電する方向となるためコンデンサ電圧Vcが上昇するように働き、コンデンサ電圧Vcが上昇した場合は電池３２を経由する電流はすべて電池３２に充電する方向となりコンデンサ電圧Vcが低下するように働くため、LCフィルタ２の共振が抑制される。すなわち、電池３２の電力の出入によって、LCフィルタ２の共振エネルギーが吸収されるわけである。

LCフィルタ２の出力に並列に接続される回路の数を変えることにより、直流電源１を単相交流や他の相数の交流電圧に変換する電力変換装置や、直流電源１を他の電圧の直流電圧に変換する電力変換装置にも適用可能である。

本発明により、直流電源を交流電力に変換する電力変換装置であるインバータや、直流電源を異なる電圧の直流電力に変換するチョッパに適用可能であり、電力を用いる様々な産業分野に利用可能であるため、極めて有効である。

本発明の一実施例の制御回路構成図である。スイッチの構成を示す図である。本発明のスイッチの導通状態のモードを説明する図である。本発明の一実施例における制御回路の構成図である。本発明の一実施例における制御回路の電圧変動方向判別器の一例である。本発明の一実施例における制御回路の電圧変動方向判別器の他の例である。本発明の一実施例におけるモード１及びモード２及びモード４の３通りを用いたスイッチング指令発生の一例である。本発明の一実施例におけるモード１及びモード３及びモード４の３通りを用いたスイッチング指令発生の一例である。従来の技術による電力変換装置の一例である

符号の説明

１直流電源
２ LCフィルタ
２１リアクトル
２２コンデンサ
３電力変換回路
３１スイッチ
３１１スイッチング素子
３１２還流ダイオード
３２電池
４負荷
５制御回路
５１電圧変動方向判別器
５１１フィルタ
５２ U相電流極性判別器
５３ V相電流極性判別器
５４ W相電流極性判別器
５５ U相PWM制御装置
５６ V相PWM制御装置
５７ W相PWM制御装置
６電流検出器

Claims

直流電源を入力とし該直流電源の電力を交流電力もしくは異なる電圧の直流電力に変換する電力変換装置であり、前記直流電源側にコンデンサとリアクトルから構成されるLCフィルタが接続されている電力変換装置において，該電力変換装置の回路内に前記直流電源及び該LCフィルタ及び大地のいずれにも接地されていない電池が含まれていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１の電力変換装置において、前記電力変換装置の回路はスイッチング素子とダイオードを逆並列に接続したスイッチが前記LCフィルタの出力の間に4組直列接続され、該電池は1番目と2番目のスイッチの間から3番目と4番目のスイッチの間に接続され、2番目と3番目のスイッチの間が電力変換装置の出力となることを特徴とする電力変換装置。
請求項２の電力変換装置において、該スイッチ及び前記電池により構成される回路が、複数並列に前記LCフィルタ間に接続されることにより複数相の出力電圧を得ることを特徴とする電力変換装置。
請求項２もしくは請求項３の電力変換装置において、前記電池へ流れる電流によって、前記LCフィルタの共振を抑制することを特徴とした電力変換装置。
請求項４の電力変換装置において、前記電池に電流が流れるスイッチングモードのうち前記電池を充電する方向もしくは放電する方向のどちらかを用い、前記電池を充電する方向か放電する方向かの切り替えが前記LCフィルタのコンデンサ電圧の変動方向で切り替えられることにより前記LCフィルタの共振を抑制することを特徴とする電力変換装置。
請求項５の電力変換装置において、前記電池に流れる電流が充電か放電かの切り替えは、出力電流の極性とコンデンサ電圧の変動方向によって切り替えることを特徴とした電力変換装置。
請求項１から請求項６の電力変換装置において、前記電池の代わりにキャパシタを用いることを特徴とした電力変換装置。