JP2015095970A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流電源を入力とし交流を直流に変換する複数の並列接続された交流−直流変換器4a〜4c、交流−直流変換器4a〜4cの共通化された出力に接続された平滑コンデンサ5、入力を共通化して平滑コンデンサ5に接続され直流を直流に変換し負荷に電力を供給する複数の並列接続された直流−直流変換器7a〜7c、交流−直流変換器4a〜4c及び直流−直流変換器7a〜7cの故障を判定する交流−直流変換器フェール判定手段12、及び直流−直流変換器フェール判定手段13を備え、交流−直流変換器フェール判定手段12及び直流−直流変換器フェール判定手段13は、故障が発生した電力変換器のみを停止し、その他の電力変換器は全て使い続けるように制御する。
【選択図】図1
Description
また、AC/DCコンバータ部の直流電圧目標値を調整する制御を行う際に、AC/DCコンバータ部の出力にある平滑コンデンサの電圧をモニタする電圧センサを用いている。負荷に供給する電力を増加させるために、従来のような電力変換装置を単に並列接続しただけでは、並列接続した数分の電圧センサが必要となる。また、例えば、一つのAC/DCコンバータ部が故障して動作を停止した場合、対となるDC/DCコンバータ部は故障していないにも関わらず動作を停止させる必要があり、並列構成における最適な電力配分の妨げになり、電力変換効率が低下する。また、各コンバータ部の使用効率も低下することになる。
前記複数の交流−直流変換器に共通の入力電圧となる、前記交流電源の出力である交流電圧を測定する入力電圧測定部、前記複数の交流−直流変換器の各々の入力電流を測定する入力電流測定部、前記負荷の電圧を測定する出力電圧測定部、前記複数の直流−直流変換器の各々の出力電流を測定する出力電流測定部、および前記複数の交流−直流変換器および前記複数の直流−直流変換器の通流を制御する制御手段を備え、前記制御手段が、前記複数の交流−直流変換器および前記複数の直流−直流変換器の各々の故障の有無を個別に判別して、故障の変換器の前記通流を停止し、前記故障でない残りの健全な変換器の前記制御を行うものである。
また、複数の交流−直流変換器または複数の直流−直流変換器のいずれかが故障して停止しても、故障していない複数の交流−直流変換器及び複数の直流−直流変換器は動作を継続することができ、並列構成における最適な電力配分が継続でき、それぞれの変換器を効率良く動作させることができる。さらに、無駄に交流−直流変換器及び直流−直流変換器の動作を停止させることもないので、変換器の使用効率も上昇させることができる。また、各交流−直流変換器または各直流−直流変換器単位で故障により動作を停止させることにより、動作を停止する変換器を最小限とすることができるので、電力変換装置の高寿命化につながる。
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1による電力変換装置の概略構成図である。
図1に示すように、交流電源1は、交流電源1の電圧を測定する入力電圧センサと、交流電源1から交流−直流変換器4a〜4cに流入する電流を測定する入力電流センサ3a〜3cを介して、交流−直流変換器4a〜4cに接続される。ここでは、交流−直流変換器が3並列である例を示す。
並列接続された交流−直流変換器4a〜4cの出力には、その出力を平滑する平滑コンデンサ5とその電圧を測定する平滑コンデンサ電圧センサ6が接続される。
交流−直流変換器4aは、例えば図2に示すようなPFC回路にて構成される。図1と共通の部分は同じ記号を用いる。PFC回路は公知の技術により、各素子の説明は省略する。交流−直流変換器4aは、図3に示すような制御ブロックで制御される。電圧センサ6にて検出された平滑コンデンサ5の直流電圧Vdcと予め設定された平滑コンデンサ5の目標電圧Vdc*との差20を0に近づけるようにフィードバック制御(PI制御)して電流Iinの振幅目標値21を決定する。この振幅目標値21に対して、交流−直流変換器4aの電力配分係数(この例では交流−直流変換器4a〜4cにつき等分により1/3)を乗算して、交流−直流変換器4aの電流振幅目標値21aを算出する。そして、この電流振幅目標値21aに基づいて入力電圧Vinに同期した正弦波の電流目標値Iin*を生成する。
直流−直流変換器7aは、例えば図4に示すような絶縁型フルブリッジDC/DCコンバータ回路にて構成される。図1と共通の部分は同じ記号を用いる。絶縁型フルブリッジDC/DCコンバータ回路は公知の技術により、各素子の説明は省略する。直流−直流変換器7aは、図5に示すような制御ブロックで制御される。まず、出力電流目標値Iout*に直流−直流変換器7aの電力配分係数(この例では直流−直流変換器7a〜7cにつき等分により1/3)を乗算して、直流−直流変換器7aの出力電流目標値25を算出する。そして、出力電流センサ8aによってセンシングされた出力電流Iout1と直流−直流変換器7aの電流目標値25との差26をゼロに近づけるようにフィードバック制御(PI制御)して、直流−直流変換器7aのデューティ指令となるPWM信号28を生成し、半導体スイッチ素子72a〜72dを制御する。これにより、直流出力電流Iout1は直流−直流変換器7aの電流目標値25に近づくように制御される。
なお、ステップS102で、交流−直流変換器4a〜4cの入力電流Iin1、Iin2、Iin3がいずれも入力電流フェール閾値Iadin_th以下の場合、交流−直流変換器4a〜4c及び直流−直流変換器7a〜7cは動作を継続する。
一方、交流−直流変換器4a、4bは入力電流目標値Iin1 *、Iin2 *を変えずに動作を継続する。次に、ステップS208で、交流−直流変換器4cの入力電流目標値Iin3 *の入力電流目標値Iin *に占める割合分、直流−直流変換器7a〜7cの出力目標値Iout *から減じて直流−直流変換器7a〜7cそれぞれに分配する。以下の(式6)を参照。
上であるかどうかを判定する。直流−直流変換器7aの出力電流Iout1が出力電流フェール閾値Iddout_th以上である場合、ステップS303で、直流−直流変換器7aの動作を停止し、出力電流目標値Iout *を等分して、直流−直流変換器7b、7cの出力電流目標値Iout2 *、Iout3 *に割り当てる。以下の(式8)を参照。
なお、ステップS302で、直流−直流変換器7a〜7cの出力電流Iout1、Iout2、Iout3がいずれも出力電流フェール閾値Iddout_th以下の場合、交
流−直流変換器4a〜4c及び直流−直流変換器7a〜7cは動作を継続する。
流−直流変換器4a〜4c及び直流−直流変換器7a〜7cは動作を継続する。
上記した実施の形態1では、入力電流センサ3a〜3cにて検出された入力電流に応じて、交流−直流変換器4a〜4cの故障を判定し、故障と判定された交流−直流変換器4a〜4cのみ動作を停止し、故障と判定された交流−直流変換器4a〜4cが出力すべき電力分を故障と判定されていない交流−直流変換器4a〜4cに割り当て、直流−直流変換器7a〜7cは動作し続ける例を示したが、実施の形態2では、平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲から逸脱した場合に、所定数の直流−直流変換器7a〜7cの電力を調整し、平滑コンデンサ5の電圧を直流電圧目標値の制御可能範囲に復帰させる。つまり、平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲を下回る場合、所定数の直流−直流変換器7a〜7cの電力を減少させ、平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲を上回る場合、所定数の直流−直流変換器7a〜7cの電力を増加させる。
平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲から逸脱した場合に、所定数の直流−直流変換器7a〜7cの電力を調整し、平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲に復帰させる手法について、図13のフローチャートを参照しながら説明する。ここでは、制御可能範囲から逸脱した平滑コンデンサ5の電圧を制御可能範囲内に復帰させるために直流−直流変換器7aを用いる例を示す。
本実施例によれば、平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲から逸脱した場合に、直流−直流変換器7aの電力を調整し、平滑コンデンサ5の電圧が直流電圧目標値の制御可能範囲に復帰させることができる。すなわち、平滑コンデンサ5の電圧Vdcが直流電圧目標値Vdc*の制御可能範囲を下回る場合、直流−直流変換器7aの電力を増加させ、平滑コンデンサ5の電圧Vdcが直流電圧目標値Vdc*の制御可能範囲を上回る場合、直流−直流変換器7aの電力を減少させ、平滑コンデンサ5の電圧Vdcを直流電圧目標値の制御可能範囲に復帰させる。また、この間、電力調整用の直流−直流変換器7a以外(交流−交流変換器4a〜4c及び直流−直流変換器7b、7c)は、通常の制御シーケンスで動作することができる。
なお、各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。
3a〜3c 入力電流センサ、 4a〜4c 交流−直流変換器、
5、52 平滑コンデンサ、 6 平滑コンデンサ電圧センサ、
7a〜7c 直流−直流変換器、 8a〜8c 出力電流センサ、
9 出力電圧センサ、 10 負荷、
11 制御手段、 12 交流−直流変換器フェール判定手段、
13 直流−直流変換器フェール判定手段、
32,81 ダイオードブリッジ、 33、42 限流用リアクトル、
34,43〜46,48〜51,72a〜72d,82〜85 半導体スイッチ素子、
35 整流用ダイオード、
53 単相インバータ回路、 54 コンバータ回路、
73 絶縁トランス、 74 整流ダイオード、
75 出力平滑リアクトル、 76 出力平滑コンデンサ、
86 ハーフブリッジ型のインバータ回路。
しかも、複数の交流−直流変換器または複数の直流−直流変換器のいずれかが故障して停止しても、故障していない複数の交流−直流変換器及び複数の直流−直流変換器は動作を継続することができ、並列構成における最適な電力配分が継続でき、それぞれの変換器を効率良く動作させることができ、さらに、無駄に交流−直流変換器及び直流−直流変換器の動作を停止させることもないので、変換器の使用効率も上昇させることができ、また、各交流−直流変換器または各直流−直流変換器単位で故障により動作を停止させることにより、動作を停止する変換器を最小限とすることができるので、電力変換装置の高寿命化につながる。
Claims (32)
- 交流電源の出力である交流を共通の入力とし、それぞれ前記交流を直流に変換する、互いに並列接続された複数の交流−直流変換器、
前記複数の交流−直流変換器の各々の出力を平滑する、前記複数の交流−直流変換器に共通の平滑コンデンサ、
前記平滑コンデンサの出力を共通の入力とし、それぞれ前記平滑コンデンサの出力の電圧を負荷の電圧に変換する、互いに並列接続された複数の直流−直流変換器、
前記複数の交流−直流変換器に共通の入力電圧となる、前記交流電源の出力である交流電圧を測定する入力電圧測定部、
前記複数の交流−直流変換器の各々の入力電流を測定する入力電流測定部、
前記負荷の電圧を測定する出力電圧測定部、
前記複数の直流−直流変換器の各々の出力電流を測定する出力電流測定部、および
前記複数の交流−直流変換器および前記複数の直流−直流変換器の通流を制御する制御手段を備え、
前記制御手段が、前記複数の交流−直流変換器および前記複数の直流−直流変換器の各々の故障の有無を個別に判別して、故障の変換器の前記通流を停止し、前記故障でない残りの健全な変換器の前記制御を行う
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記交流−直流変換器は、複数の半導体スイッチ素子と直流電圧源とを有する単相インバータを一つ以上有し、前記交流電源の電圧に前記単相インバータの出力電圧を重畳させる交流−直流変換器であることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記交流−直流変換器は、複数の半導体スイッチ素子と直流電圧源とを有するハーフブリッジ型の単相インバータを一つ以上有し、交流電源の電圧に前記ハーフブリッジ型の単相インバータの出力電圧を重畳させる交流−直流変換器であることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記交流の力率を制御しつつ前記交流−直流変換器の出力直流電圧が直流電圧目標値に追従するように前記交流−直流変換器を制御すると共に、前記直流−直流変換器の前記負荷への直流出力が目標値に追従するように前記直流−直流変換器を制御し、前記直流−直流変換器と前記負荷との間の直流出力に応じて、前記交流−直流変換器の前記直流電圧目標値を調整することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の交流−直流変換器の故障を個別に判定し、故障した交流−直流変換器を特定する交流−直流変換器フェール判定手段と、前記複数の直流−直流変換器の故障を個別に判定し、故障した直流−直流変換器を特定する直流−直流変換器フェール判定手段とを有していることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記交流−直流変換器フェール判定手段が、前記複数の交流−直流変換器のうちの少なくとも一を故障と判定した場合、故障と判定された前記交流−直流変換器の動作を停止させ、故障と判定されていない前記複数の交流−直流変換器の前記通流を続けるように制御することを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記直流−直流変換器フェール判定手段が、前記複数の直流−直流変換器のうちの少なくとも一を故障と判定した場合、故障と判定された前記直流−直流変換器の動作を停止させ、故障と判定されていない前記複数の直流−直流変換器の前記通流を
続けるように制御することを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。 - 前記交流−直流変換器フェール判定手段は、前記入力電流測定部により測定した前記複数の交流−直流変換器の各々の入力電流が所定値以上の場合、前記入力電流が所定値以上である前記交流−直流変換器を故障と判定し、前記入力電流と前記複数の交流−直流変換器への入力電流目標値との差分が所定値以上の場合に、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分が所定値以上である前記交流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記複数の交流−直流変換器は、各々の出力電流を測定する交流−直流変換器出力電流測定部を有し、前記交流−直流変換器フェール判定手段は、前記出力電流測定部により測定した前記複数の交流−直流変換器の各々の出力電流が所定値以上の場合、前記出力電流が所定値以上である前記交流−直流変換器を故障と判定し、前記出力電流と前記複数の交流−直流変換器への出力電流目標値との差分が所定値以上の場合に、前記出力電流と前記出力電流目標値との差分が所定値以上である前記交流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記直流−直流変換器フェール判定手段は、前記出力電流測定部により測定した前記複数の直流−直流変換器の各々の出力電流が所定値以上の場合、前記出力電流が所定値以上である前記直流−直流変換器を故障と判定し、前記出力電流と前記複数の直流−直流変換器への出力電流目標値との差分が所定値以上の場合に、前記出力電流と前記出力電流目標値との差分が所定値以上である前記直流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
- 前記複数の直流−直流変換器は、各々の入力電流を測定する直流−直流変換器入力電流測定部を有し、前記直流−直流変換器フェール判定手段は、前記直流−直流変換器入力電流測定部により測定した前記複数の直流−直流変換器の各々の入力電流が所定値以上の場合、前記入力電流が所定値以上である前記直流−直流変換器を故障と判定し、前記入力電流と前記複数の直流−直流変換器への入力電流目標値との差分が所定値以上の場合に、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分が所定値以上である前記直流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
- 入力電流あるいは出力電流の目標値は、前記複数の交流−直流変換器もしくは前記複数の直流−直流変換器における入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、発熱、効率の少なくとも一が変換器間で均等になるように決定されることを特徴とする請求項8から請求項11の何れか一に記載の電力変換装置。
- 前記複数の交流−直流変換器は、各々の効率を測定する交流−直流変換器効率測定部を有し、前記交流−直流変換器フェール判定手段は、前記交流−直流変換器効率測定部により測定した前記複数の交流−直流変換器の各々の前記効率が所定値以下の場合に、前記効率が所定値以下である前記複数の交流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記複数の直流−直流変換器は、各々の効率を測定する直流−直流変換器効率測定部を有し、前記直流−直流変換器フェール判定手段は、前記直流−直流変換器効率測定部により測定した前記複数の直流−直流変換器の各々の前記効率が所定値以下の場合に、前記効率が所定値以下である前記複数の直流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
- 前記複数の交流−直流変換器は、各々の温度を測定する交流−直流変換器温度測定部を
有し、前記交流−直流変換器フェール判定手段は、前記交流−直流変換器温度測定部により測定した前記複数の交流−直流変換器の各々の前記温度が所定値以上の場合に、前記温度が所定値以上である前記複数の交流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。 - 前記複数の直流−直流変換器は、各々の温度を測定する直流−直流変換器温度測定部を有し、前記直流−直流変換器フェール判定手段は、前記直流−直流変換器温度測定部により測定した前記複数の直流−直流変換器の各々の前記温度が所定値以上の場合に、前記温度が所定値以上である前記複数の直流−直流変換器を故障と判定することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の交流−直流変換器が故障と判定され停止した場合、故障と判定された前記複数の交流−直流変換器が出力すべき電力分を、停止していない前記複数の交流−直流変換器に割り当てるよう制御することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の直流−直流変換器が故障と判定され停止した場合、故障と判定された前記複数の直流−直流変換器が出力すべき電力分を停止していない前記複数の直流−直流変換器に割り当てるよう制御することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、故障と判定され停止した前記複数の交流−直流変換器が出力すべき電力分を停止していない前記複数の交流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等になるように割り当て、故障と判定され停止した前記複数の直流−直流変換器が出力すべき電力分を停止していない前記複数の直流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等になるように割り当てることを特徴とする請求項17または請求項18に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の交流−直流変換器が故障と判定され停止した場合、故障と判定された前記複数の交流−直流変換器が出力すべき電力分を、前記複数の直流−直流変換器から減じるよう制御することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、故障と判定され停止した前記複数の交流−直流変換器が出力すべき電力分を、前記複数の直流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等となるように前記複数の直流−直流変換器から減じることを特徴とする請求項20記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の直流−直流変換器が故障と判定され停止した場合、故障と判定された前記複数の直流−直流変換器が出力すべき電力分を前記複数の交流−直流変換器から減じるよう制御することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、故障と判定され停止した前記複数の直流−直流変換器が出力すべき電力分を、前記複数の交流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等となるように前記複数の直流−直流変換器から減じることを特徴とする請求項22記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、故障と判定され停止した前記複数の交流−直流変換器と同数の前記複数の直流−直流変換器を停止させ、故障と判定され停止した前記複数の直流−直流変換器と同数の前記複数の交流−直流変換器を停止させることを特徴とする請求項20または請
求項22に記載の電力変換装置。 - 前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が前記交流−直流変換器の直流電圧目標値の制御可能範囲から逸脱した場合、所定数の前記複数の交流−直流変換器または、所定数の前記複数の直流−直流変換器の電力を調整し、前記平滑コンデンサの電圧が前記直流電圧目標値の制御可能範囲に復帰するように制御することを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が前記直流電圧目標値の制御可能範囲を下回る場合、所定数の前記複数の交流−直流変換器の電力を増加させるように制御することを特徴とする請求項25記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が前記直流電圧目標値の制御可能範囲を上回る場合、所定数の前記複数の直流−直流変換器の電力を増加させるように制御することを特徴とする請求項25記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の交流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等になるように所定数の前記複数の交流−直流変換器の電力を増加させ、前記複数の直流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等になるように所定数の前記複数の直流−直流変換器の電力を増加させることを特徴とする請求項26または請求項27に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が前記直流電圧目標値の制御可能範囲を下回る場合、所定数の前記複数の直流−直流変換器の電力を減少させるように制御することを特徴とする請求項25記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記平滑コンデンサの電圧が前記直流電圧目標値の制御可能範囲を上回る場合、所定数の前記複数の交流−直流変換器の電力を減少させるように制御することを特徴とする請求項25記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、前記複数の交流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等となるように所定数の前記複数の交流−直流変換器の電力を減少させ、前記複数の直流−直流変換器の入力電流または出力電流、入力電力、出力電力、温度、効率の少なくとも一が変換器間で均等となるように所定数の前記複数の直流−直流変換器の電力を減少させることを特徴とする請求項29または請求項30に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段は、所定数の前記複数の交流−直流変換器または、所定数の前記複数の直流−直流変換器を停止させることを特徴とする請求項29または請求項30に記載の電力変換装置。
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