JP2012029384A - 電力変換装置の制御回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1,第2のコンデンサC1,C2が直列接続されたコンデンサ直列回路と、このコンデンサ直列回路に並列接続された直流電源Eと、複数の半導体スイッチが直列接続された半導体スイッチ直列回路と、この半導体スイッチ直列回路に接続された第3のコンデンサC3と、を少なくとも備え、コンデンサC1,C2の電圧を電源として第3のコンデンサC3の電圧が一定値になるように半導体スイッチをオンオフさせて半導体スイッチ直列回路の内部接続点から電圧指令値どおりの交流電圧を出力させる電力変換装置の制御回路において、第1,第2のコンデンサC1,C2の電圧偏差を検出する減算器91及び偏差増幅器6と、その出力である補正量を電圧指令値に加算する加算器9Uとを備える。
【選択図】図1
Description
なお、図8において、10は三相交流電源、20は整流回路、30は電圧均一化回路、P1,P2,N1,N2は節点、U,V,Wは交流出力端子である。
このため、図8の回路では電圧均一化回路30を設けてコンデンサC1〜C4の電圧を均一(以下、平衡ともいう)に保っている。ここで、電圧均一化回路30は、整流回路20の出力端子間に、半導体スイッチS11〜S14及び直列共振回路(インダクタLr及びコンデンサCr)、同じく半導体スイッチS15〜S18及び直列共振回路からなる回路を直列に接続して構成されており、半導体スイッチS11〜S18を上記直列共振回路の共振周波数よりも低い周波数にてスイッチングすることでインバータの出力相電圧に零相電圧を重畳し、電圧不平衡の原因となる節点電流を抑制している。なお、この電圧均一化回路30の具体的な動作は本発明に直接関係しないため、ここでは詳述を省略する。
そこで本発明の解決課題は、直流電源電圧が印加される複数のコンデンサの電圧を平衡化するために特別な回路を追加することもなく、回路構成の簡略化、装置全体の小型化、低コスト化を可能にした電力変換装置の制御回路を提供することにある。
第1,第2のコンデンサの電圧の偏差を検出する手段と、前記偏差に応じた補正量を前記電圧指令値に加算する手段と、を備えたものである。
まず、本実施形態が適用される電力変換装置の一例として、発明者による先願(特願2009−89231)に係る電力変換装置について説明する。この電力変換装置は、図8の従来技術よりも半導体スイッチの数を減少させて発生損失を低減させることを主な目的としている。
図3において、直流電源Eには、環流ダイオードが逆並列接続されたIGBTからなる半導体スイッチS1〜S4の直列回路と、コンデンサC1,C2の直列回路とが並列に接続されている。また、IGBTを逆並列接続することによって双方向の電流遮断が可能で双方向の耐圧を備えた双方向スイッチS5,S6の直列回路が、半導体スイッチS2,S3の直列回路と並列に接続され、更にコンデンサC3も並列に接続されている。
また、双方向スイッチS5,S6の直列接続点が直流回路の中点(コンデンサC1,C2の直列接続点)Mに接続され、半導体スイッチS2,S3の直列接続点が、U相の出力端子Uに接続されている。
なお、表1では、各スイッチS1〜S6のオンオフ状態に応じた動作モードを、それぞれモード1〜8としてある。
なお、表1における電流極性は、図3の負荷電流iUの矢印方向を正方向(+)としてあり、記号c,dは、それぞれ、選択されたスイッチのオンオフモードと負荷電流の極性とによってコンデンサC3が充電または放電されることを示している。
図5において、三角波tri1〜tri4は、振幅(ピーク−ピーク値)が1/2であり、また、各三角波の直流成分(オフセット)は、それぞれ3/4,1/4,−1/4,−3/4である。
また、第1の比較器61は、電圧指令値VU *と三角波tri1〜tri4とをそれぞれ比較し、以下の表2に示す論理に基づき、電力変換装置の5レベルの出力電圧Ed/2,Ed/4,0,−Ed/4,−Ed/2を決定する。
また、第3の比較器63は、負荷電流iUの極性を検出するためのものである。
例えば、出力電圧VUMをEd/4とする場合、コンデンサC3の電圧が指令値Ed/4よりも低く、かつ、負荷電流iUの極性が正である時には、表1に基づいてモード2を選択し、各スイッチをオンオフ制御してコンデンサC3を充電しつつEd/4を出力する。
また、表1によれば、出力電圧VUMを0とする場合には、モード4及びモード5の何れかを選択可能であるが、一方のモードのみを選択すると特定のスイッチに損失が偏るため、オンオフスイッチ選択部70では、モード4及びモード5を交互に選択する等の方法により、特定のスイッチに損失が偏るのを防止することも可能にしている。
図6の電力変換装置によれば、直流電源Eの電圧Edを三相交流電圧に変換し、交流出力端子U,V,Wに中点Mから見て5つの電圧レベルを出力して負荷50に供給すると共に、図8の従来技術と同等の機能を図8よりも少数の半導体スイッチによって実現可能としている。
図1において、5Uは図6におけるスイッチS1U〜S6Uをオンオフ制御するU相制御部、5Vは同じくスイッチS1V〜S6Vをオンオフ制御するV相制御部、5Wは同じくスイッチS1W〜S6Wをオンオフ制御するW相制御部である。これらの制御部5U,5V,5Wの構成は、基本的には図5に示したものと同様であるが、本実施形態では、コンデンサC1,C2の電圧Vc1,Vc2の偏差を検出し、この電圧偏差を増幅して得た補正量を各相の出力電圧指令値VU *,VV *,VW *に加算してコンデンサC1,C2の電圧不平衡を抑制する点が特徴となっている。
加算器9U,9V,9Wの出力は、三角波tri1〜tri4と共に各相の第1の比較器1U,1V,1Wに入力されている。三角波tri1〜tri4は、前述したように振幅(ピーク−ピーク値)が1/2であり、また、各三角波の直流成分(オフセット)は、それぞれ3/4,1/4,−1/4,−3/4となっている。
第1の比較器1U,1V,1Wは、加算器9U,9V,9Wの出力と三角波tri1〜tri4とをそれぞれ比較し、例えばU相については前述した表2に示す論理に基づき(V相、W相も同様)、出力電圧の5つの電圧レベル(Ed/2,Ed/4,0,−Ed/4,−Ed/2)を決定する。
以下、本実施形態によりコンデンサC1,C2の電圧不平衡が抑制される理由を概念的に説明する。なお、説明を簡単にするため、この第1実施形態では相電圧と電流との位相が一致している状態(負荷力率=1)を想定する。
このことを応用して考えると、例えば、コンデンサC1,C2の電圧がVc1>Vc2であって不平衡である場合、これを抑制するには、交流出力電圧の一周期におけるiMの平均値を負にすればよいことになる。
すなわち、結果としては、状態(2),(3)の発生する期間を除外して考えると、状態(1)の発生する期間が増加し、状態(4),(5)の発生する期間が減少することで、iMが減少する。
また、Vc1<Vc2の場合には、出力電圧に負の直流成分を重畳すれば交流出力電圧の一周期におけるiMの平均値が増加することになり、同様にコンデンサC1,C2の電圧不平衡を抑制することができる。
図1における減算器91、偏差増幅器6及び加算器9U,9V,9Wは、上記の作用を実現するために、コンデンサC1,C2の電圧Vc1,Vc2に応じて生成した補正量を用いて各相の出力電圧指令値VU *,VV *,VW *を補正するものである。
例えば、Vc1>Vc2であった場合に、交流出力電圧の一周期におけるiMの平均値を負にすることで、コンデンサC1,C2の電圧不平衡を抑制する点では、第1実施形態と同様である。しかし、負荷力率が−1の場合には、電流の極性が第1実施形態の場合と異なるため、Vc1>Vc2の場合に、前記同様に出力電圧に正の直流成分を重畳すると電圧不平衡を助長することになる。
S5,S6,S5U,S6U,S5V,S6V,S5W,S6W:双方向スイッチ
C1,C2,C3,C3U,C3V,C3W:コンデンサ
E:直流電源
M:中点
U,V,W:交流出力端子
1U〜3U,1V〜3V,1W〜3W:比較器
4U,4V,4W:オンオフスイッチ選択部
5U:U相制御部
5V:V相制御部
5W:W相制御部
6:偏差増幅器
9U,9V,9W:加算器
50:負荷
80:偏差増幅極性切替部
81:力率演算器
82:正負判別器
83:スイッチ
84:乗算器
91:減算器
100U:U相ユニット
100V:V相ユニット
100W:W相ユニット
Claims (2)
- 第1,第2のコンデンサが直列接続されたコンデンサ直列回路と、このコンデンサ直列回路に並列接続された直流電源と、複数の半導体スイッチが直列接続された半導体スイッチ直列回路と、この半導体スイッチ直列回路に接続された第3のコンデンサと、を少なくとも備え、前記第1,第2のコンデンサの電圧を電源として第3のコンデンサの電圧が一定値になるように前記半導体スイッチをオンオフさせて前記半導体スイッチ直列回路の内部接続点から電圧指令値どおりの交流電圧を出力させるようにした電力変換装置の制御回路において、
第1,第2のコンデンサの電圧の偏差を検出する手段と、前記偏差に応じた補正量を前記電圧指令値に加算する手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。 - 請求項1に記載した電力変換装置の制御回路において、
負荷力率を判断する手段と、負荷力率の判断結果に応じて前記補正量の極性を反転させる手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。
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