JP2019062667A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、第１単位変換器と、前記第１単位変換器にカスケード接続された第２単位変換器と、を含む電力変換器と、前記第１単位変換器を駆動する第１ゲート駆動信号および前記第２単位変換器を駆動する第２ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづく１パルス制御する制御装置と、を備える。前記第１ゲート駆動信号および前記第２ゲート駆動信号は、それぞれ前記電力変換器の出力電圧に対する異なる位相が設定される。前記制御装置は、所定の周期で、前記位相を入れ替える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流電圧を入力して異なる電圧や周波数の交流電圧に変換する電力変換装置や、直流電圧を入力して、交流電圧に変換する電力変換装置がある。このような電力変換装置では、入力電圧が高電圧の場合には、複数の単位変換器をカスケード接続して、マルチレベル化し、位相シフト制御を用いて単位変換器を１パルス制御する手法が用いられることがある。マルチレベル化することによって、出力波形の高調波を低減し、出力に接続する高調波フィルタを小型化することが可能になる。

電力変換装置の交流負荷では、力率が１より小さくなる場合があり、位相シフト制御の下で動作する単位変換器では、出力できる有効電力に相違が生じた結果、単位変換器に供給される直流電圧に変動が生じることがある。また、力率と単位変換器の位相によっては、単位変換器が負荷からの電力を吸収しなければならない場合がある。

供給される直流電圧を安定化する機構を単位変換器が有しない場合には、単位変換器が出力するパルスの振幅に変動が生じて高調波の抑制を十分に行えない場合が生じ得る。

電力変換装置が双方向の変換動作に対応していない場合に、負荷からの電力を吸収する必要が生じたときには、入力側に過大な電圧が印加されるおそれがある。

特開２０１７−８５８１２号公報

実施形態は、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、第１単位変換器と、前記第１単位変換器にカスケード接続された第２単位変換器と、を含む電力変換器と、前記第１単位変換器を駆動する第１ゲート駆動信号および前記第２単位変換器を駆動する第２ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづく１パルス制御する制御装置と、を備える。前記第１ゲート駆動信号および前記第２ゲート駆動信号は、それぞれ前記電力変換器の出力電圧に対する異なる位相が設定される。前記制御装置は、所定の周期で、前記位相を入れ替える。

本実施形態では、第１ゲート駆動信号および第２ゲート駆動信号は、それぞれ電力変換器の出力電圧に対する異なる位相が設定され、制御装置は、所定の周期で、位相を入れ替えるので、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる。

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、電力変換装置の出力電圧、出力電流および各単位変換器の位相を説明するための模式的なベクトル図である。 各単位変換器に設定される位相を例示するテーブルである。 電力変換装置の動作波形の例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、入力１２を介して交流電源１に接続される。交流電源１は、たとえば電力系統であり、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの三相交流電圧を出力する。電力変換装置１０は、出力１４ａ，１４ｂを介して、負荷（図示せず）に接続される。負荷は、たとえば誘導電動機等の交流負荷である。

電力変換器２０は、変圧器２２と、単位変換器３０ａ，３０ｂと、を含む。変圧器２２の一次側は入力１２を介して交流電源１に接続される。変圧器２２の二次側２２ａ，２２ｂは、入力３１ａ，３１ｂを介して、単位変換器３０ａ，３０ｂに接続されている。変圧器２２の二次巻き線は、互い絶縁されており、同じ巻き数に設定されている。したがって、変圧器２２は、交流電源１の一次側の電圧を同一電圧を有する二次側電圧に分圧して、単位変換器３０ａ，３０ｂに供給する。変圧器の一次側と二次側の巻き数比を調整して、一次側の電圧を降圧または昇圧して、二次側でさらに分圧するようにしてもよい。

単位変換器３０ａ，３０ｂには、ほぼ同一の電圧値を有する交流電圧が入力される。

単位変換器３０ａ，３０ｂは、カスケード接続されている。つまり、単位変換器３０ａの一方の出力３７ａは、電力変換装置１０の一方の出力１４ａに接続されている。単位変換器３０ａの他方の出力３８ａは、単位変換器３０ｂの一方の出力３７ｂに接続されている。単位変換器３０ｂの他方の出力３８ｂは、電力変換装置１０の他方の出力１４ｂに接続されている。

単位変換器３０ａは、整流回路３２ａと、平滑回路３４ａと、インバータ回路３６ａと、を含む。単位変換器３０ｂは、整流回路３２ｂと、平滑回路３４ｂと、インバータ回路３６ｂと、を含む。以下では、単位変換器３０ａの構成について説明する。単位変換器３０ｂは、単位変換器３０ａと同一の構成であり詳細な説明は省略する。

整流回路３２ａは、変圧器２２の二次側２２ａから交流電圧を入力して整流して出力する。整流回路３２ａは、たとえば、三相全波整流回路である。

平滑回路３４ａは、整流回路３２ａの出力に並列に接続されている。平滑回路３４ａはたとえばコンデンサであり、整流回路３２ａとともに、整流平滑回路を構成する。平滑回路３４ａは、整流回路３２ａから出力された整流電圧を平滑して脈流を有する直流電圧（以下、単に直流電圧ともいう）を出力する。

インバータ回路３６ａは、平滑回路３４ａから供給される直流電圧を入力して、方形波の交流電圧を出力する。インバータ回路３６ａは、たとえばフルブリッジ回路である。フルブリッジ回路は、４つのスイッチング素子ｕａ，ｖａ，ｘａ，ｙａを含む。スイッチング素子ｕａ，ｘａは直列に接続され、スイッチング素子ｖａ，ｙａは直列に接続されている。スイッチング素子ｕａ，ｘａの直列回路とスイッチング素子ｖａ，ｙａの直列回路は、並列に接続されている。スイッチング素子ｕａ，ｘａの接続ノードは、一方の出力３７ａに接続され、スイッチング素子ｖａ，ｙａの接続ノードは、他方の出力３８ａに接続されている。

インバータ回路３６ａの各スイッチング素子ｕａ，ｖａ，ｘａ，ｙａは、制御装置５０で生成されたゲート駆動信号ＶＧｕａ，ＶＧｖａ，ＶＧｘａ，ＶＧｙａによって、それぞれ駆動される。インバータ回路３６ｂの各スイッチング素子ｕｂ，ｖｂ，ｘｂ，ｙｂは、制御装置５０で生成され供給されたゲート駆動信号ＶＧｕｂ，ＶＧｖｂ，ＶＧｘｂ，ＶＧｙｂによって、それぞれ駆動される。

制御装置５０は、各単位変換器３０ａ，３０ｂに入力される直流電圧、各単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する出力電圧Ｖａ，Ｖｂおよび出力電流Ｉｏｕｔに応じて、ゲート駆動信号ＶＧｕａ〜ＶＧｙａ，ＶＧｕｂ〜ＶＧｙｂを生成し、各単位変換器３０ａ，３０ｂに供給する。

後に詳述するが、制御装置５０が生成するゲート駆動信号は、位相シフト制御の原理にしたがって生成され、生成されるゲート駆動信号のθ１，−θ１（図２）が周期的に切り替えられる。

電力変換装置１０は、出力１４ａ，１４ｂを介して、電圧Ｖｏｕｔを出力する。電圧Ｖｏｕｔは、単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する電圧Ｖａ，Ｖｂの合成電圧である。電力変換器２０が出力する出力電流Ｉｏｕｔは、各単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する電流に等しい。

本実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、電力変換装置の出力電圧、出力電流および各単位変換器の位相を説明するための模式的なベクトル図である。
図２（ａ）では、負荷の力率ｃｏｓφが１である場合の電圧Ｖｏｕｔ（実線）および出力電流Ｉｏｕｔ（一点鎖線）の関係が示されている。図２（ａ）に示すように、単位変換器３０ａの電圧Ｖａの位相θａは、電圧Ｖｏｕｔに対して＋θ１の進み位相に設定されている。単位変換器３０ｂの電圧Ｖｂの位相θｂは、電圧Ｖｏｕｔに対して、−θ１の遅れ位相に設定されている。

単位変換器３０ａが出力することができる有効電力Ｐａは、Ｐａ＝Ｖａ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（θ１）である。単位変換器３０ｂが出力することができる有効電力Ｐｂは、Ｐｂ＝Ｖｂ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（−θ１）＝Ｖｂ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（θ１）である。Ｖａ＝Ｖｂであれば、Ｐａ＝Ｐｂとなり、正の値を有するので、電力変換器２０は、単位変換器３０ａ，３０ｂが正または負の電圧を出力するサイクルにおいて、等しい有効電力Ｐａ，Ｐｂを出力することができる。

電力変換装置１０の負荷は、交流負荷であり、力率ｃｏｓφが１より小さくなることがある。図２（ｂ）に示されたベクトル図は、負荷の力率が０より大きく、９０°よりも小さい場合である。この例では、電力変換器２０に接続された負荷は、単位変換器３０ａが出力する電圧Ｖａから９０°の位相遅れを生じている場合が示されている。

単位変換器３０ａが出力することができる有効電力Ｐａ’は、Ｐａ’＝Ｖａ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ９０°＝０となる。つまり、単位変換器３０ａが正または負の電圧を出力できるサイクルでは、負荷に有効電力を供給することができない。

一方、上述の出力電流Ｉｏｕｔの位相は、単位変換器３０ｂの位相に対して９０°−２×θ１の位相遅れを生じている。つまり、電圧Ｖｂと出力電流Ｉｏｕｔとの位相差は９０°よりも小さい。

単位変換器３０ｂが出力することができる有効電力Ｐｂ’は、Ｐｂ’＝Ｖｂ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（９０°−２×θ１）となり、正の値を有する。

したがって、このような負荷条件では、単位変換器３０ａは、負荷に有効電力を供給することができない。一方、単位変換器３０ｂは、出力電流Ｉｏｕｔとの位相差に応じた有効電力を負荷に供給することができる。

出力電流Ｉｏｕｔと単位変換器３０ａの出力電圧Ｖａとの位相差が０°〜９０°の範囲となるような負荷の場合には、単位変換器３０ａ，３０ｂのそれぞれにおいて、異なる有効電力が負荷に供給されることとなる。

図２（ｃ）には、負荷の力率ｃｏｓφが０となる場合のベクトル図が示されている。図２（ｃ）に示すように、出力電流Ｉｏｕｔの位相は、単位変換器３０ａの位相から９０°以上遅れているので、単位変換器３０ａが負荷に供給すべき有効電力Ｐａ’’は、負の値を有する。負の有効電力とは、その有効電力の絶対値を有する電力が単位変換器３０ａに入力されることを意味する。一方、単位変換器３０ｂでは、出力電流Ｉｏｕｔの位相の遅れは、単位変換器３０ｂの位相から９０°よりも小さい。そのため単位変換器３０ｂが出力する有効電力Ｐｂ’’は、正の値を有する。

この例の単位変換器３０ａ，３０ｂは、交流電圧の整流平滑によって直流電圧を供給されている。整流回路３２ａ，３２ｂおよび平滑回路３４ａ，３４ｂから供給される直流電圧は、安定化されていないので、単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する有効電力に応じて変化する。単位変換器３０ａ，３０ｂに供給される直流電圧が変動した場合には、単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する電圧の振幅が変動することになる。そのため、電力変換装置１０が出力する電圧波形に歪みが生じ、含有される高調波が増大する。

また、整流回路３２ａ，３２ｂがたとえば全波整流回路の場合には、単位変換器３０ａ，３０ｂは、交流側に電力を回生することができない。そのため、単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する電力が負となった場合には、入力される負荷からの電力は、平滑回路３４ａ，３４ｂのコンデンサを充電することとなる。コンデンサへの充電が継続されると、コンデンサの両端の電圧が上昇し、過電圧状態となり、コンデンサが破損するおそれがある。

本実施形態の電力変換装置１０では、単位変換器３０ａ，３０ｂに設定される位相θ１，−θ１を所定の周期で切り替える。所定の周期は、たとえば電力変換装置１０が出力する交流電圧の周期にもとづいて設定することができる。この周期は、出力電圧Ｖｏｕｔのｎ周期（ｎは自然数）とすることができる。

図３は、各単位変換器３０ａ，３０ｂに設定される位相を例示するテーブルである。
図３に示すように、各変換器３０ａ，３０ｂに設定される位相θａ，θｂは、２つのパターンを有する。第１のパターン［１］では、単位変換器３０ａの位相θａ＝＋θ１に設定され、単位変換器３０ｂの位相θｂ＝−θ１に設定される。第２のパターン［２］では、単位変換器３０ａの位相θａ＝−θ１に設定され、単位変換器３０ｂの位相θｂ＝＋θ１に設定される。第１のパターン［１］および第２のパターン［２］は、交互に切り替えられる。切り替えるタイミングは、所定の周期であり、たとえば出力電圧Ｖｏｕｔのｎ周期である。

図４は、電力変換装置の動作波形の例である。
図４の最上段から下段に向かって、ゲート駆動信号ＶＧｕａ，ＶＧｖａ，ＶＧｕｂ，ＶＧｖｂ、単位変換器３０ａ，３０ｂの出力電圧Ｖａ，Ｖｂ、電力変換器２０の出力電圧Ｖｏｕｔ、および出力電流Ｉｏｕｔの時間変化の波形例が示されている。なお、出力電圧Ｖｏｕｔは、単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する電圧Ｖａ，Ｖｂの合成電圧である。出力電流Ｉｏｕｔは、各単位変換器３０ａ，３０ｂが出力電流に等しい。

図４には、出力電圧Ｖｏｕｔおよび出力電流Ｉｏｕｔの５周期分の波形例が示されている。第１のパターン［１］および第２のパターン［２］は、出力電圧Ｖｏｕｔの１周期ごとに切り替えられる。時刻ｔ０〜ｔ４、ｔ８〜ｔ１２、ｔ１６〜ｔ２０の周期では、第１のパターン［１］が設定されており、時刻ｔ４〜ｔ８、ｔ１２〜ｔ１６の周期では、第２のパターン［２］が設定されている。

時刻ｔ０〜ｔ４、ｔ８〜ｔ１２、ｔ１６〜ｔ２０の周期の第１のパターン［１］では、単位変換器３０ａの位相設定が＋θ１であり、単位変換器３０ｂの位相設定が−θ１である。時刻ｔ４〜ｔ８、ｔ１２〜ｔ１６の周期の第２のパターン［２］では、単位変換器３０ａの位相設定が−θ１であり、単位変換器３０ｂの位相設定が＋θ１である。

なお、位相設定された位相は、図示するとおり、第１のパターン［１］では、たとえばゲート駆動信号ＶＧｕａは、時刻ｔ１から＋θ１の進み位相で生成されている。一方、単位変換器３０ｂのゲート駆動信号ＶＧｕｂは、時刻ｔ１から−θ１の遅れ位相で生成されている。

図４に示すように、第１のパターン［１］では、単位変換器３０ａが出力する電圧Ｖａの正出力のサイクル（たとえば時刻ｔ８〜ｔ１０）のパルス幅は、単位変換器３０ｂが出力する電圧Ｖｂの正出力のサイクルのパルス幅よりも短くなっている。第２のパターン［２］に切り替わると、電圧Ｖａの正出力のサイクル（たとえば時刻ｔ１２〜１５）のパルス幅は、電圧Ｖｂの正出力のサイクルのパルス幅よりも長くなっている。

そして、第１のパターン［１］のときの電圧Ｖａの正周期のサイクルのパルス幅は、隣接する第２のパターン［２］のときの電圧Ｖｂの正周期のサイクルのパルス幅にほぼ等しくなる。第１のパターン［１］のときの電圧Ｖｂの正周期のサイクルのパルス幅は、第２のパターン［２］のときの電圧Ｖａの正周期のサイクルのパルス幅にほぼ等しい。負周期のサイクルについても同様である。各単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する有効電力は、図４中の電圧Ｖａ×Ｉｏｕｔ，Ｖｂ×Ｉｏｕｔの面積にほぼ比例するので、単位変換器３０ａ，３０ｂが出力する有効電力は、実質的に等しくなる。

なお、本実施形態の電力変換装置１０では、出力電圧および出力電流の生成には、位相シフト制御にもとづく１パルス制御（以下、単に１パルス制御ともいう）を用いる。１パルス制御では、電力変換装置１０に出力電圧Ｖｏｕｔの１周期を制御の周期とする。たとえば、電圧Ｖｏｕｔが正のサイクルでは、電圧Ｖｏｕｔから＋θだけ位相を進めた上で、スイッチング素子ｕａ，ｙａをオンさせ、スイッチング素子ｖａ，ｘａは、オフさせる。出力する電圧Ｖｏｕｔの値を調整するには、スイッチング素子ｕａ，ｙａとスイッチング素子ｖａ，ｘａとの位相差を１８０°から狭めていくように制御する。単位変換器３０ｂのスイッチング素子についても出力電圧Ｖｏｕｔから−θだけ位相を遅らせた上で、同様に位相シフト制御する。このように位相シフト制御を行うことによって、電力変換装置１０が出力する電圧Ｖｏｕｔのたとえば実効値を調整することができる。

図４の例では、ゲート駆動信号ＶＧｕａ，ＶＧｖａの位相差およびゲート駆動信号ＶＧｕｂ，ＶＧｖｂの位相差をいずれも１８０°とすることによって、電力変換器２０が最大電圧を出力しているものとした。電力変換器２０の出力電圧の振幅を調整するには、位相シフト制御によりゲート駆動信号ＶＧｕａ，ＶＧｖａの位相差およびゲート駆動信号ＶＧｕｂ，ＶＧｖｂの位相差を調整すればよい。

上述では、単位変換器が２個の場合の例について説明したが、カスケード接続される単位変換器の個数に制限はない。たとえば単位変換器は、３個でもよいし、それ以上であってもよい。

たとえば、単位変換器が４個の場合には、位相設定のパターンを４つ設ける。各単位変換器の位相がθａ，θｂ，θｃ，θｄのように設定されている場合には、第１のパターンとして、θａ，θｂ，θｃ，θｄとし、第２のパターンとして、θｂ，θｃ，θｄ，θａとし、第３のパターンとして、θｃ，θｄ，θａ，θｂとし、第４のパターンとして、θｄ，θａ，θｂ，θｃとし、各パターンを順番に切り替える。

たとえば、制御装置５０は、位相設定のパターンが設定されたテーブルを有している。テーブルに設定されたパターンは、別に設定されたパターンの切替周期に応じて、制御装置５０によって切り替えられる。

本実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０は、カスケード接続された単位変換器３０ａ，３０ｂを含む電力変換器２０と、単位変換器３０ａ，３０ｂを動作させるゲート駆動信号を生成する制御装置と、を備える。制御装置は、単位変換器３０ａ，３０ｂのために１パルス制御用のゲート駆動信号の位相をそれぞれ設定し、所定の周期ごとに設定する位相を切り替える。そのため、単位変換器３０ａ，３０ｂごとに出力できる有効電力を実質的に等しくすることができる。

単位変換器３０ａ，３０ｂは、整流回路３２ａ，３２ｂおよび平滑回路３４ａ，３４ｂからなる整流平滑回路によって、入力される交流から安定化されない直流電圧を供給されて動作する。本実施形態の電力変換装置１０では、単位変換器３０ａ，３０ｂがそれぞれ出力する有効電力は、実質的に等しいので、安定化されない直流電圧であっても、電圧の変動を少なくすることができるので、低コストで、高調波含有の少ない出力を実現することができる。

インバータ回路３６ａ，３６ｂに供給される直流電圧は、安定化されていなくても、各単位変換器が出力する有効電力が実質的に等しいので、直流電圧の変動を小さくすることができる。そのため、直流電圧の過電圧検出や、過少電圧検出のしきい値を適切に設定することができる。

負荷の力率ｃｏｓφが１より小さく、負荷から単位変換器に電力の戻りがある場合であっても、本実施形態の電力変換装置１０では、電力の戻りを生じる単位変換器を所定の周期で切り替えるので、平滑回路のコンデンサの電圧が上昇し続けることがなく、整流回路や平滑回路に過大な負担を生じることがない。

カスケード接続された単位変換器を有する電力変換器を１パルス制御で制御する場合に、単位変換器の位相設定を適切に行うことによって、出力の高調波成分を実質的にキャンセルすることができる。そのような位相設定を行うことによって、出力の高調波フィルタを小型化したり、削除することができる。このような制御を行った場合に、単位変換器が出力する有効電力に実質的な相違があると、直流電圧に変動が生じ、出力の高調波が増大する。本実施形態の電力変換装置１０では、各単位変換器が出力する有効電力を実質的に等しくすることができるので、単位変換器に供給される直流電圧の変動を抑制することができ、効果的に高調波成分をキャンセルすることができる。

以上説明した実施形態によれば、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流電源、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２２ 変圧器、３０ａ，３０ｂ 単位変換器、３２ａ，３２ｂ 整流回路、３４ａ，３４ｂ 平滑回路、３６ａ，３６ｂ インバータ回路、５０ 制御装置

Claims (4)

1. 第１単位変換器と、前記第１単位変換器にカスケード接続された第２単位変換器と、を含む電力変換器と、
   前記第１単位変換器を駆動する第１ゲート駆動信号および前記第２単位変換器を駆動する第２ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづく１パルス制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第１ゲート駆動信号および前記第２ゲート駆動信号は、それぞれ前記電力変換器の出力電圧に対する異なる位相が設定され、
   前記制御装置は、所定の周期で、前記位相を入れ替える電力変換装置。
2. 前記第１単位変換器および前記第２単位変換器は、一方向の電力変換を行う請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１単位変換器および前記第２単位変換器は、交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、をそれぞれ含む請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記位相は、相殺する高調波の次数にもとづいて設定された請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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