JP2749271B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP2749271B2
JP2749271B2 JP6292558A JP29255894A JP2749271B2 JP 2749271 B2 JP2749271 B2 JP 2749271B2 JP 6292558 A JP6292558 A JP 6292558A JP 29255894 A JP29255894 A JP 29255894A JP 2749271 B2 JP2749271 B2 JP 2749271B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力変換装置に係わ
り、特に電力変換装置の小型化を図る場合に好適な電力
変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】三相交流回路に六個の自己消弧素子を用
い、これらの自己消弧素子にPWMパルスを供給してス
イッチング動作させることにより、出力を平滑する手段
(例えば直流リアクトル:以下DCLと称する)を介し
て三相交流電源から負荷に直流電力を供給するようにし
た順変換装置が提案されている。
【0003】この順変換装置では、出力を所要の値に制
御するため、特開昭62−163576号公報に記載のように、
出力を制御する制御指令と出力の検出値との偏差に応じ
てPWMパルスパターンを決定するようにした出力制御
系をもっていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電源
電圧の波高値成分に起因する出力(直流)脈動について
考慮されておらず、出力脈動を十分小さくするためには
出力を平滑する手段を大形化せざるを得なくなるため、
特に大容量の変換装置では出力を平滑する手段が巨大と
なり、高価な装置となるばかりでなく、据え付け等に多
大な労力を要するなどの問題があった。
【0005】本発明の目的は、出力電流脈動を排除し、
出力を平滑する手段を小型軽量化して安価な電力変換装
置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、変換器を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子
で構成し、出力制御系の開ループ制御角周波数を電源
周波数の六倍以上に設定したことである。
【0007】
【作用】変換器は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
からなる自己消弧素子で構成したため自己消弧素子の不
感帯時間が小さく高速動作が可能となる。そのため、自
己消弧素子の不感帯時間による位相遅れが出力制御系に
悪影響を与えず、出力制御系の開ループ制御角周波数を
電源周波数の六倍以上に設定しても出力制御系は安定
に動作する。
【0008】出力制御系は、開ループ制御角周波数を電
周波数の六倍以上に設定したことで電源電圧の波高
値成分に起因する出力脈動の制御が可能となる。そのた
め、出力脈動を十分小さくでき、出力を平滑する手段の
小型化が可能となる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の第一の実施例を説明する。
【0010】図1は、本発明の第一の実施例を示す図で
ある。図1において、1は三相交流電源、2は電源電流
を平滑する電源側フィルタコンデンサ、3は順変換器、
4は出力電流を平滑する直流リアクトル(DCL)、5
は負荷、6は電流指令作成器、10は出力電流検出器、
11は出力電流制御回路、12はPWMパルス作成用の
ワンチップマイコン、13はベース駆動回路である。こ
こで負荷5は、逆変換器6と負荷電流を平滑する負荷側
フィルタコンデンサ7と、三相誘導電動機8から構成
し、ワンチップマイコン12は、A/D変換器14と、
PWMパルス演算部15とから構成している。また、順
変換器3および逆変換器6は、一アームをダイオードと
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子(以下、IGB
T素子と呼ぶ)の直列回路で構成した電流形の変換器と
なっている。
【0011】次に本発明の動作を説明する。
【0012】電流指令作成器7は、負荷5に流す所要の
出力電流指令Io*を作成し、出力電流検出器10の出
力である出力電流検出値Ioと比較され、電流偏差ΔI
として出力制御回路11に入力される。出力制御回路1
1は、電流偏差ΔIに応じた電圧指令V* を発生し、ワ
ンチップマイコン12に入力する。ワンチップマイコン
12は、電圧指令V* をAD変換器14によってデジタ
ル量に変換し、その値に応じた順変換器出力電圧を得る
ようにPWMパルスパターンをPWMパルス演算部15
で演算している。
【0013】ベース駆動回路13によって制御される順
変換器3は、ワンチップマイコン12で作成したPWM
パルスパターンによってスイッチング動作し、三相交流
電源1の交流電力を直流電力に変換する。順変換器3の
出力は、直流電流平滑用のDCLを介して負荷5を駆動
し、負荷5に直流電力を供給する。
【0014】このように構成した電流形PWM電力変換
装置は、この回路構成からもわかるように、一巡の電流
帰還制御系を構成しており、この電流帰還制御系の開ル
ープ制御角周波数は図2のAに示すように、電源周波
数の六倍(図2のC)以上に設定している。以下、この
設定理由を図3を用いて説明する。
【0015】図3は、図1の装置における制御角周波数
を図2のBのように電源周波数の六倍(図2のC)以
下に設定し、従来程度の制御応答とした場合の各部動作
波形を示しており、制御位相が0°、電流指令値が一定
という条件である。図3(a)は三相交流電源の相電圧、
(b)は順変換器の各IGBT素子に与えるPWMパル
スパターン、(c)は順変換器出力電圧、(d)は順変
換器出力電流である。電流形順変換器は各IGBT素子
をPWMパルスパターン(b)によりスイッチング動作
させ、三相交流電源の相電圧(a)をチョッピングする
ことによって、(c)のような出力電圧を得ている。よ
って(c)の順変換器出力電圧を見るとわかるように電
源電圧の波高値成分が出力電圧の波高値脈動として現れ
る。この出力電圧の波高値脈動は、電気角60°毎に繰
り返されるため、順変換器出力電流(d)は出力電圧
(c)の波高値脈動に応じて、電源周波数の六倍の周波
数で脈動してしまう。従来、出力電流脈動はDCLによ
って平滑していたが、この電源電圧の波高値成分に起因
する出力電流脈動まで排除するとなると、DCLは巨大
な物となり、大変高価な装置となってしまう。
【0016】そこで本発明の一実施例では、この電源電
圧の波高値成分による電流脈動が電源周波数の六倍の周
波数であることに着目し、この周波数領域まで十分制御
可能な電流帰還制御系を構築するため、電流帰還制御系
の開ループ制御角周波数を電源周波数の六倍以上の領
域に設定した。このようにすることで順変換器出力電流
は(d)に破線で示すような脈動のない一定の電流に制
御できる。
【0017】図4は、制御角周波数と出力電流脈動との
関係を示している。前述のように制御角周波数を上げる
ことによって電流リプルが低減され、これによってDC
Lの容量を大幅に低減でき、装置の小形化を図れること
がわかる。
【0018】しかし、前述のように制御角周波数を上げ
る場合には、順変換器を構成する自己消弧素子の不感帯
時間が大きいと、これによる位相遅れの影響で、制御系
の安定が図れない恐れがある。
【0019】そこで本実施例では、順変換器を構成する
自己消弧素子の不感帯時間が小さく高速スイッチングの
可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成した。
そのため、不感帯時間による位相遅れの影響が小さく、
制御角周波数を上げた場合にも制御系が安定に動作し出
力電流脈動低減作用が安定し、信頼性が向上する。
【0020】また、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
の自己消弧素子を用いたことで、スイッチング周波数を
上げることが可能となり、スイッチング周波数を上げる
ことで電源側のフィルタコンデンサを小形化できる効果
がある。
【0021】図5は、スイッチング周波数とフィルタコ
ンデンサ容量との関係を示しており、スイッチング周波
数とフィルタコンデンサ容量とほぼ逆比例の関係にあ
る。従って例えば、スイッチング周波数を3KHz→1
5KHzに上げることで、フィルタコンデンサ容量は約
1/5に低減できる。
【0022】更に、本実施例では図1に示した負荷5の
中の逆変換器6も、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
で構成しており、スイッチング周波数を上げることで電
源側と同様に負荷側フィルタコンデンサ容量を小形化で
きる効果がある。
【0023】また、逆変換器のスイッチング周波数を上
げることで誘導電動機8に流れる負荷電流の正弦波化率
が向上し、誘導電動機8と滑らかに駆動できる効果があ
る。以上述べたように本発明の第一の実施例によれば、
DCL,電源側フィルタコンデンサ容量及び負荷側フィ
ルタコンデンサ容量を小形化できる効果があり、電力変
換装置全体の寸法を大幅に小型,軽量化できる効果があ
る。
【0024】以上は電流形の電力変換器について述べた
が、3相の各アームをそれぞれ絶縁ゲートバイポーラト
ランジスタ素子と逆導通ダイオードの並列接続体を備え
て構成し、平滑手段としてはコンデンサを備えた電圧形
の電力変換装置においても、同様に実現でき、平滑コン
デンサを小型化できる。
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、順変換器の3相各アー
ムをそれぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子を
備えて構成し、かつこの順変換器の出力制御系の開ルー
プ制御角周波数を電源周波数の六倍以上に設定した事
により、電源電圧の波高値成分に起因した電流脈動が排
除できるため、変換器の出力を平滑する手段(例えばD
CLや平滑コンデンサ)を小型化できる。
【0031】また、電力変換器を静電誘導形の自己消弧
素子で構成したため上記のように開ループ制御角周波数
を上げた場合にも、自己消弧素子の不感帯時間による位
相遅れが小さく、制御系が安定に動作可能となるととも
に、スイッチング周波数を上げることができるため、フ
ィルタコンデンサ容量を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の回路図。
【図2】図1の動作説明図。
【図3】図1の動作説明図。
【図4】図1の動作説明図。
【図5】図1の動作説明図。
【符号の説明】
1…三相交流電源、3…順変換器、4…平滑手段(直流
リアクトル、6…逆変換器、8…三相誘導電動機、9
…電流指令作成器、10…出力電流検出器、11…出力
電流制御回路、13…ベース駆動回路、15…PWMパ
ルス演算部、Io…出力電流検出値、Io*…出力電流
指令、ΔI…電流偏差、IGBT…絶縁ゲートバイポー
ラトランジスタ素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒沢 俊明 東京都千代田区神田錦町一丁目6番地 株式会社 日立ビルシステムサービス内 (72)発明者 稲葉 博美 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 高橋 秀明 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社 日立製作所 水戸工場内 (56)参考文献 特開 昭63−64595(JP,A) 特開 平1−214266(JP,A) 実開 昭62−178795(JP,U)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】3相交流電源からの電力を直流電力に変換
    する順変換器、前記順変換器の出力を平滑する手段、前
    記順変換器の出力によって駆動される負荷、前記順変換
    器の出力を検出する検出器、前記順変換器のスイッチン
    グ動作を制御するPWM制御部、前記順変換器の出力に
    対する制御指令と前記検出器による検出値との偏差に応
    じて前記PWM制御部を動作させる出力制御手段を備え
    た電力変換装置において、 前記順変換器の3相各アームをそれぞれ絶縁ゲートバイ
    ポーラトランジスタ素子を備えて構成し、かつ前記出力
    制御手段の開ループ制御角周波数を前記3相交流電源
    周波数の6倍以上に設定したことを特徴とする電力変換
    装置。
  2. 【請求項2】3相交流電源からの電力を直流電力に変換
    する順変換器、前記順変換器の出力を平滑する手段、前
    記順変換器の出力によって駆動される負荷、前記順変換
    器の出力を検出する検出器、前記順変換器のスイッチン
    グ動作を制御するPWM制御部、前記順変換器の出力に
    対する制御指令と前記検出器による検出値との偏差に応
    じて前記PWM制御部を動作させる出力制御手段を備え
    た電力変換装置において、 前記順変換器は3相各アームそれぞれ絶縁ゲートバイ
    ポーラトランジスタ素子と逆阻止ダイオードの直列接続
    体を備え、前記平滑手段は直流リアクトルを備え、かつ
    前記出力制御手段の開ループ制御角周波数を前記3相交
    流電源角周波数の6倍以上に設定したことを特徴とする
    電流形の電力変換装置。
  3. 【請求項3】3相交流電源からの電力を直流電力に変換
    する順変換器、前記順変換器の出力を平滑する手段、前
    記順変換器の出力によって駆動される負荷、前記順変換
    器の出力を検出する検出器、前記順変換器のスイッチン
    グ動作を制御するPWM制御部、前記順変換器の出力に
    対する制御指令と前記検出器による検出値との偏差に応
    じて前記PWM制御部を動作させる出力制御手段を備え
    た電力変換装置において、 前記順変換器は3相各アームそれぞれ絶縁ゲートバイ
    ポーラトランジスタ素子と逆導通ダイオードの並列接続
    体を備え、前記平滑手段はコンデンサを備え、かつ前記
    出力制御手段の開ループ制御角周波数を前記3相交流電
    源角周波数の6倍以上に設定したことを特徴とする電圧
    形の電力変換装置。
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JPH07236279A JPH07236279A (ja) 1995-09-05
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ES2138548B1 (es) * 1997-12-18 2000-08-16 Iberdrola S A Titular Al 80 Rectificador con factor de potencia proximo a la unidad.
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