JP2017099196A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルを用いた電力変換装置の制御を安定化すること。【解決手段】ダスト系のコアを用いたリアクトル４を備える電力変換装置１において、ＰＩ制御する制御回路８はリアクトル４の直流重畳特性を記憶している。制御回路８は、通常運転時には所定の周期でリアクトル４に流れる電流に応じて変化するインダクタンスに応じて比例ゲイン及び積分ゲインを補正し、起動時には所定のゲインで補正した比例ゲイン及び積分ゲインを用いて起動させる。これにより、起動から通常運転に至るまで安定な制御を行うことができる。【選択図】図３

Description

リアクトルを備えた電力変換装置に関し、特にデジタル制御における制御の安定化に関する。

コンバータまたはインバータ等の電力変換装置は、スイッチ素子を用いてリアクトルに印加する電圧を断続することで電力変換する。リアクトルに使用するコアは一般的に直流重畳特性を有し、流れる電流が大きくなるとインダクタンスが減少する特性を持つ。

そこで、リアクトルの直流重畳特性に起因するインダクタンスの低下により発生する出力リップルの増加を補償する方法が知られている（特許文献１）。入力直流電圧と出力直流電圧との電圧差に応じてスイッチング手段のオン時間が、インダクタのインダクタンスに応じた時間設定パラメータで調整され、インダクタのインダクタンスの低下により増加する出力リップ電圧の増加分が相殺される。スイッチング手段のオン時間をインダクタのインダクタンスに応じて調整するので、リアクトルの直流重畳特性に起因する出力リップルの増加を抑制できる。

特開２００８−１７２９５７号公報

この従来技術は、直流重畳特性に応じたインダクタンスの低下に起因する電流またはリップル電圧を検出し、周波数を調整する。一般的に大容量の電力変換装置はダストコアを使用することが多い。ダストコアは電流の増加によって発生する急激なインダクタンスの低下は起きないので大容量の電力変換装置に有利である。しかし、広い電流範囲にわたって徐々にインダクタンスが低下するので、使用する電流範囲が広い大容量の電力変換装置ではインダクタンスの変化量が大きくなる。このようなコアをリアクトルとして用いた電力変換装置では、インダクタンスの変化に応じて周波数を調整すると、周波数変動が大きくなり、またこのために制御の安定化が困難であった。

このような課題を解決するため本発明は、リアクトルと、直流電圧を断続してリアクトルに印加させるスイッチ素子と、リアクトルに流れる電流を検出し電流信号を出力する電流検出回路と、ＰＩ制御でスイッチ素子をオンオフする制御回路とを備え、制御回路は、リアクトルに流れる電流に対応したインダクタンスに基づいたインダクタンス補正値を記憶する記憶部とを具備し、動作時には所定の周期で電流信号に応じたインダクタンス補正値をＰＩ制御の比例ゲイン及び積分ゲインに加算し、起動時には所定のインダクタンス補正値をＰＩ制御の比例ゲイン及び積分ゲインに加算して起動することを特徴とする。

さらに、制御回路はリアクトルの直流重畳特性を近似した式を記憶し、インダクタンス補正値はリアクトルに流れる電流から記憶した近似式を用いて計算しても良い。

さらに、起動時の所定のインダクタンス補正値は、負荷装置から送信される負荷電流信号を基に決定されても良い。

本発明によると、リアクトルに流れる電流に応じて制御回路の比例ゲイン及び積分ゲインを調整するので、リアクトルのインダクタンスが変動しても最適な制御をすることができる。さらに、起動時には、所定のインダクタンス補正値で起動させることができるので、安定に起動させることができる。

降圧チョッパをＰＩ制御する場合のインダクタンスの影響を説明するブロック図である。 図１の降圧チョッパを状態方程式を基に変換したブロック図である。 図１に本発明の実施例１に対する制御回路の動作を示すブロック図である。 リアクトルの直流重畳特性を説明するグラフである。 本発明の実施例２を示すブロック図である。

［実施例１］
先ず、図１の降圧チョッパを用いて、リアクトルを使用する電力変換装置をＰＩ制御する場合のインダクタンスの影響を説明する。
図１は一般的な降圧チョッパである。入力電圧Ｖｉを供給する直流電源１にスイッチ素子２とダイオード３が直列に接続される。スイッチ素子２はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のようなスイッチング素子でよい。ダイオード３の両端にはインダクタンスがＬであるリアクトル４と容量がＣであるコンデンサ５が直列接続され、コンデンサ５の両端に負荷装置７が接続され、負荷装置７には出力電圧Ｖｏが供給される。電流検出器６は出力電流ｉｏを検出する。制御回路８は出力電圧Ｖｏと出力電流ｉｏと入力電圧Ｖｉが入力され、スイッチ素子２をオンオフ制御するゲート信号Ｇを出力する。

図１の降圧チョッパにおいて、ダイオード３の両端電圧をｖｄ、コンデンサ５の両端電圧をｖｃとすると、リアクトル４に流れるリアクトル電流ｉＬと出力電流Ｉｏとに以下の関係が成り立つ。

これをラプラス変換すると、

数２の式をブロック化すると図２のブロック図となる。図２のブロック図に基づいて出力電圧を制御する制御回路の構成し、電圧制御系、電流制御系の補償器をＰＩ制御で行う。リアクトル電流ＩＬはリアクトルのインダクタンスに依存するので、図２より、ＰＩ制御のゲインは係数としてリアクトルのインダクタンスが存在することになる。

比較的に廉価であることから、リアクトルのコアとしてダスト系のコアがしばしば用いられる。しかし、ダスト系のコアは、図４に示す直流重畳特性のように、電流の増加と共にインダクタンスが徐々に減少する特性を示す。このため、本発明では、リアクトルにダスト系のコアを使用し、インダクタンスの変化に応じてＰＩ制御の比例ゲインＫｐｉおよび積分ゲインＫｉｉを減少させることで、安定な制御を行う。

図２に示すブロック図では電圧制御系と電流制御系に対してそれぞれＰＩ制御を行うが、本発明は、リアクトルに流れる電流に起因するインダクタンスの変化を補正するものであるから電流制御系に対して比例ゲインＫｐｉおよび積分ゲインＫｉｉを補正する。図３に本発明を適用した電流制御系のブロック図を示す。ここに、Ｋｃは電流制御系のゲイン、Ｋｐｉは比例ゲイン、Ｋｉｉは積分ゲイン、ＫＬはインダクタンスの変化による補正ゲインであり、電流制御系のＰＩ制御において、比例ゲインおよび積分ゲインにインダクタンスの変化に基づいた補正ゲインＫＬを加算する。補正ゲインＫＬは、図４に示す直流重畳特性を基に、リアクトルに流れる電流に対するインダクタンスに対応した補正ゲインＫＬの関係をテーブルとして記憶しておく。電流検出器６−１で検出したリアクトルに流れる電流ＩＬｉを用いて、対応するインダクタンスに応じた補正ゲインＫＬをテーブルから呼び出し、比例ゲインＫｐｉおよび積分ゲインＫｉｉに加算する。補正ゲインＫＬは、負荷装置７に流れる電流の変化を加味して決定された所定の周期での更新する。例えば１００ｕＳの周期で行う。

図４に示すように、出力電流がゼロから最大電流Ｉｍａｘまで変化するのに対応して、インダクタンスＬはＬｍｉｎからＬｍａｘまで変化する。このため、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータは、ダストコアのように電流の変化に応じたインダクタンスの変化が大きい直流重畳特性を示すコアを使用した場合でも、出力電流に起因したインダクタンスの変動に対して安定に制御することができる。また、予め設定されたゲインを使用する場合は、広い出力電流の変動に対して適切なゲインを選定することが困難であるが、本発明によると、出力電流の変動に応じてゲインを調整するのでゲインの設定が容易になる。

さらに、本発明では、ＤＣ／ＤＣコンバータが起動するときのインダクタンスの初期値をあらかじめ設定する。起動時においては負荷装置７にどの程度の電流が流れるは不明である。例えば、軽負荷で有った場合に、インダクタンスをＬｍｉｎとして起動すると、Ｌｍａｘまで変化させる前に出力電圧が規定値まで立ち上るった場合に、比例ゲインが必要とするゲインに到達する前に動作することになる。逆に重負荷の状態のときにインダクタンスをＬｍａｘで起動する場合も同様に、比例ゲインが必要とするゲインに到達する前に動作することになる。すると、出力がオーバーシュートする、または制御が不安定になる。そこで、本発明では、起動時にインダクタンスをＬｍａｘからＬｍｉｎの間に設定する。中間の値付近に設定するか、または、想定される負荷の電流に応じて設定する。起動時のゲイン調整幅が少なくなるので、オーバーシュートまたは制御不安定になることを抑制することができる。

また、制御回路は、図４に示す直流重畳特性を近似式として記憶しておき、リアクトルに流れる電流を基に近似式から補正ゲインＫＬを計算しても良い。

本発明の実施例１では、降圧チョッパを例に説明したが、降圧チョッパ以外に、昇圧チョッパ、フォワードコンバータ、共振型コンバータ、ＤＣ−ＡＣインバータ等、スイッチ素子でリアクトルに印加する電圧を断続する電力変換装置に適用可能である。同様の効果が得られる。

［実施例２］
本発明の実施例２を図５に示す。実施例２は本発明の電力変換装置を無停電電源装置に適用したものである。つまり、通常は交流電源１０が供給する電力を整流器１１で直流に変換し、インバータ１２で交流に変換し、安定した交流を負荷１３に供給する。交流電源１０が停電すると、インバータ１２は入力を整流器１１から電力変換装置に切り替える。これによってバッテリ１５からの電力が電力変換装置を介してインバータ１２に供給され、負荷１３に交流電力が供給される。本発明の実施例２では、インバータ１２から電力変換装置１４へインバータの出力電流を示す情報を、信号線１６を介して伝達する。このため、インバータ１２が入力を整流器１１から電力変換装置１４に切換え、電力変換装置１４が電力を供給するとき、電力変換装置１４はインバータ１２が出力した出力電流を示す情報を基に実際にリアクトルに流れる電流ＩＬｉを算出し、補正ゲインＫＬを設定する。即ち、実施例２では、インバータ１２が電力変換装置１４の負荷装置７に相当し、電力変換装置１４は、インバータ１２からの起動時の電流情報を得て、比例ゲインＫｐｉ、積分ゲインＫｉｉを、補正ゲインＫＬを用いて最適化した制御を行うことができる。
なお、電力変換装置１４はインバータ１２に電力を供給する前から起動していても良い。このとき、電力変換装置１４はインバータ１２からの電流情報を基にリアクトルの流れる電流を予測し、補正ゲインを用いて比例ゲインＫｐｉ、積分ゲインＫｉｉを補正する。

１ 直流電源
２ スイッチ素子
３ ダイオード
４ リアクトル
５ コンデンサ
６ 電流検出器
７ 負荷装置
８ 制御回路
１０ 交流電源
１１ 整流器
１２ インバータ
１３ 負荷
１４ 電力変換装置
１５ 蓄電池
１６ 信号線

Claims (4)

1. リアクトルと、
   直流電圧を断続し前記リアクトルに印加させるスイッチ素子と、
   前記リアクトルに流れる電流を検出し電流信号を出力する電流検出回路と、
   ＰＩ制御により前記スイッチ素子をオンオフする制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、ＰＩ制御する電流制御系に対し、流れる電流に対応した前記リアクトルのインダクタンス補正値を記憶する記憶部を具備し、
   動作時には前記電流信号に応じたインダクタンス補正値を所定の間隔で読み出して、ＰＩ制御の比例ゲイン及び積分ゲインに加算し、
   起動時には所定のインダクタンス補正値をＰＩ制御の比例ゲイン及び積分ゲインに加算しで起動すること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記記憶部は、前記リアクトルの直流重畳特性を近似した近似式を記憶し、
   前記インダクタンス補正値は前記電流信号を用いて前記近似式から算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 起動時には、前記電流信号は、電力変換装置に接続される負荷装置に流れる電流に基づいて決定されること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 起動時には、前記電流信号は、電力変換装置に接続される負荷装置から送信される負荷電流信号を用いること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置。

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