JP3232431B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP3232431B2
JP3232431B2 JP23099095A JP23099095A JP3232431B2 JP 3232431 B2 JP3232431 B2 JP 3232431B2 JP 23099095 A JP23099095 A JP 23099095A JP 23099095 A JP23099095 A JP 23099095A JP 3232431 B2 JP3232431 B2 JP 3232431B2
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    • B60L2220/12Induction machines

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流電源を直流に変換
する電力変換器に係わり、特に鉄道車両用に適した電力
変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】特願昭61−53394 号公報には、交流を直
流に変換するPWM電力変換器の制御方式の一例が記載
されている。
【0003】この制御方式では、交流電源電圧が上昇
し、この変換器の変調率が制限値に近づいたとき、力率
の低下を許容することにより運転を続行するようにして
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ここで、さら
に交流電源電圧が上昇し、力率がさらに低下すると、電
力が同じであれば交流電流が増加することになるが、上
記制御方式では、交流電流指令値に制限を設けて、半導
体素子などにより定まる交流電流上限値を超えることを
防止している。
【0005】しかしながら、直流負荷の電力を制限する
手段を持たず、交流を直流に変換する電力変換器の電力
のみを制限することになるため、両者の電力がバランス
しなくなる。このため、直流中間回路に設けられたコン
デンサの電圧が、力行時には低下してしまいPWM電力
変換器としての動作が不可能になる。また、回生時には
コンデンサの電圧が上昇するので、装置の保護のため、
装置全体を停止させる必要が生じる。
【0006】このため、実際には交流電流を制限する領
域では運転することは不可能であり、装置の容量を増加
させる必要があるという問題があった。
【0007】本発明の目的は、電源電圧が変動する環境
にあっても従来と同じ出力電力を得る場合、PWM電力
変換器の容量を低減することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第1の変換器の直流側の電圧に対する交流側の電圧
の比率が予め定めた制限値になると、力率制御手段にお
ける力率を低下させていき、さらに第1の変換器の入力
電流が予め定めた制限値になると、第2の変換器におけ
る交流電流指令を制限する制御手段を設ける。
【0009】
【作用】これにより、PWM電力変換器の直流側の電圧
に対する交流側の電圧の比率 (又はそれに相当する比
率)が予め定めた制限値になっても交流電流が制限値に
達しない限りは、力率を1以下に低減することにより、
電力を一定に保ったまま運転の継続が可能である。さら
に力率を低減していく過程で、交流電流が制限値に近づ
いた場合は、直流負荷の電力を制限することにより、運
転の継続を可能とする。この結果、一部の領域でのみ力
率を低下させ、また僅かな領域でのみ直流負荷の電力が
低下することを許容することで、比較的小容量のPWM
電力変換器により比較的大きな出力を得ることができ
る。
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例を、交流電気車に適
用して示す図1により説明する。図中の交流を直流に変
換する電力変換器1(以下、コンバータと称する)は、
周知の3レベルコンバータでその構成は図2(a)に示
すようなスイッチング素子11a〜11hおよび整流素
子12a〜12h,13a〜13dから成る。コンバー
タ1の交流側には、変圧器2を介して交流電源3が接続
される。また、直流側にはコンデンサ41,42を介し
て直流負荷、この場合はインバータ5が接続され、さら
に該インバータの交流側には電気車駆動用の誘導電動機
6が接続される。ここで、インバータ5は、周知の3レ
ベルインバータでその構成は図2(b)に示すようなス
イッチング素子51a〜51l,整流素子52a〜52
l,53a〜53fから成る。
【0011】コンバータ1のスイッチング素子11a〜
11hのオン・オフを制御する制御装置は次のように構
成される。電圧検出器71,72により正側直流電圧E
dpおよび負側直流電圧Ednを検出し、これを加算器81
で加算し、直流電圧ed を算出する。減算器82により
直流電圧指令値Ed*と直流電圧ed の偏差を算出し、電
圧制御器83により交流電流実効値指令Is*を算出す
る。また、電圧検出器73により検出した交流電圧es
から、実効値算出器84で交流電圧実効値Esを算出す
る。同様に直流電圧ed から平均値算出器85で直流電
圧平均値Ed を算出する。交流電流実効値指令Is*,交
流電圧実効値Es および直流電圧平均値Ed から、変調
率算出器86で変調率Kを算出する。変調率K,その最
大変調率Kmax ,交流電圧実効値Es および直流電圧平
均値Ed から、電流・位相指令値算出器87により、交
流電流実効指令補正値Is** および位相指令値φ* を算
出する。交流電流指令値is*は、現在位相ωt と位相指
令値φ* を加算器88で加算し、正弦波発生器89で基
準正弦波を発生し、乗算器90で交流電流実効指令補正
値Is** と乗算を行い算出する。
【0012】減算器91では、交流電流指令値is*と、
電流検出器74により検出した交流電流is との偏差を
とり、電流制御器92によって、変圧器インピーダンス
の電圧降下分の制御信号yetを得る。また、除算器93
により、交流電圧es を直流電圧Ed で除算し、交流電
源電圧分の制御信号yesを得る。減算器94により、制
御信号yesからyetを減算して変調波信号ym を求め、
これに基づき、PWM制御器95によりパルス信号を発
生し、コンバータ1のスイッチング素子11a〜11h
をオン・オフ制御する。速度検出器76により検出した
速度信号fr と、交流電圧実効値Es に基づき、モータ
電流パターン発生器96によりモータ電流指令値Imm*
を発生する。このモータ電流指令値Imm* と、電流検出
器75により検出したモータ電流Imm、および速度信号
fr から、インバータ制御器97によりインバータの変
調波を発生し、インバータのPWM制御器98によりパ
ルス信号を発生し、インバータ5のスイッチング素子5
1a〜51lをオン・オフ制御する。
【0013】次に、図1の実施例の動作を図3〜図6を
用いて説明する。
【0014】図3は、力率を1として運転する場合のベ
クトル図である。交流電流実効値指令Is*が定まると、
コンバータ電圧ec の実効値Ec および位相θは(数
1)および(数2)のようにそれぞれ算出できる。
【0015】
【数1】
【0016】
【数2】
【0017】ただし、fssは電源周波数、Rt は変圧器
抵抗、Lt は変圧器インダクタンスである。
【0018】また変調率Kは、(数3)により算出でき
る。
【0019】
【数3】
【0020】図5は、電源側の交流電圧実効値Es をパ
ラメータとして(0)から(3)の範囲で変化した時、
コンバータ出力(力行回生最大出力を100%とする)
に対する変調率K,交流電流Is 、及び力率を示す。装
置の主回路定数にもよるが、一般に力行に必要な電力よ
りも回生に必要とされる電力の方が小さいため、交流電
流Is は、力行側の方が大きいことが多い。これに対し
変調率は、変圧器抵抗Rt のために変調率の極小点が力
行側にずれているために、回生側の方が大きいことが多
い。
【0021】変調率Kがその上限値Kmax を超えない限
りは、上記交流電流実効値指令Is*に基づき、また位相
指令値φ* は0として、上記で述べた手順で制御するこ
とにより、コンバータの力率を1として運転することが
できる。
【0022】次に、電源電圧が上昇した場合の動作につ
き考える。図4にこの場合のベクトル図を示す。電源電
圧Es が高い場合に力率1での運転を行うためには、コ
ンバータ電圧Ec も高くする必要がある。しかしなが
ら、コンバータは最大変調率Kmax で定まる最大値Ecm
ax以上の電圧を出力できない。この様な状態で運転を継
続しようとすると、交流電流の過電流や、歪みによる高
調波の発生が問題となる。
【0023】ここで、コンバータ最大電圧は、(数4)
で表せる。
【0024】
【数4】
【0025】また、コンバータ電圧ec の瞬時値は直流
電圧ed を超えることはできないので、理想的に考えて
も最大変調率Kmax は1を超えることはない。実際には
最小パルス幅,制御余裕確保などの観点から、1よりも
小さな値に設定せざるを得ない。
【0026】この様な場合には、図4に示すように、コ
ンバータ電圧Ec′ を、原点から半径Ecmaxでひいた円
と、元のコンバータ電圧Ecの終点から交流電圧Es に
平行にひいた破線とが交わる点に設定する。これによ
り、交流電流Is′ は、元の交流電流Is よりも大きく
なり、また位相角が−φとなるので力率が低下するが、
コンバータ電圧Ec′ は最大値Ecmaxを超えることはな
く、またコンバータ出力は元のままにできる。
【0027】図4のような力率制御を行うために、図1
の電流・位相指令値算出器87では、交流電流実効指令
補正値Is** および位相指令値φ* を(数5)および
(数6)のように演算する。
【0028】
【数5】
【0029】
【数6】
【0030】ただし、Ztとαは変圧器インピーダンス
と位相角であり、(数7)および(数8)で表せる。
【0031】
【数7】
【0032】
【数8】
【0033】これにより過電流や、歪みによる高調波の
発生を抑制し、運転を継続できる。図5のパラメータ
(2)及び(3)にはこの様な場合の特性を示す。
【0034】同図パラメータ(2)では、力行および回
生電力の小さい領域では変調率が低いため、通常の力率
1制御を行う。これはパラメータ(1)の場合よりも交
流電圧が高いため、交流電流Is は低くなっている。ま
た、回生電力の大きな領域では、変調率をKmax に押さ
える力率制御を行っているため、交流電流Is は増加
し、力率も低下する。
【0035】同図パラメータ(3)では本来の変調率が
破線のように全域でKmax よりも高いため、全域で力率
制御を行っている。このため、交流電流Is は出力が小
さい領域でも比較的大きく、また力率も全域で低い。
【0036】ところで、上記図5のパラメータ(3)で
さらに回生電力が増加すると、交流電流Is が、スイッ
チング素子の容量やコンバータ1の冷却容量などにより
定まる最大値Ismaxを超える領域が発生する。この様な
領域で運転を行うと装置破壊に至り危険であるので、交
流電流をIsmax 以下に抑制する必要が生じる。
【0037】ここで仮に、交流電流実効指令補正値Is*
* がIsmaxを超えないようなリミッタを、電流・位相指
令値算出器87の後段に設けたとしても、インバータ5
の電力が変わらない限り、コンバータ1とインバータ5
の電力がバランスしなくなる。このため、コンデンサ4
1,42の電圧が、力行時には低下してしまいPWM電
力変換器としての動作が不可能になる。また、回生時に
はコンデンサの電圧が上昇するので、装置の保護のた
め、装置全体を停止させる必要が生じる。
【0038】このような問題を防止するため、モータ電
流パターン発生器96により、交流電圧Es と速度信号
fr に基づいて、モータ電流指令値Imm* を低減するこ
とで、インバータ5のパワー制限を行う。これにより、
図5のパラメータ(3)で交流電流Is が上限値Ismax
を超えるような領域で運転を行うことはなくなり、コン
バータ1の過電流を抑制でき、運転を継続することがで
きる。
【0039】次に、交流電圧Es が低い領域での動作を
考える。図5のパラメータ(0)に示すように、交流電
圧が低い場合には変調率Kは低く、力率制御を行う必要
はない。しかしながら、交流電圧Es が低いため、同じ
出力では交流電流Is は増加する。このため、出力が大
きい領域で交流電流Is が上限値Ismaxを超える場合が
発生する。この様な場合にもモータ電流パターン発生器
96により、モータ電流指令値Imm* を低減し、インバ
ータ5のパワー制限を行うことで、運転を継続できる。
【0040】図6は、図1のモータ電流パターン発生器
96により発生するモータ電流指令値Imm* の一例であ
る。図5の特性に基づき、力行時には交流電圧Es が低
い領域で、モータ電流指令値Imm* を低減する。回生時
には、交流電圧Es が高い領域で、モータ電流指令値I
mm* を低減する。いずれも、モータ電流を低減し、パワ
ー制限を行うのは、パワーの高くなる高速域のみであ
り、全域でパワーを低減させる必要はない。
【0041】図6では、交流電圧が高い領域で回生電力
を、交流電圧が低い領域で力行電力を制限する場合につ
いて述べたが、装置の主回路定数によっては上記領域で
力行・回生電力の両方を制限する必要がある場合もあ
る。また、上記いずれかの領域で全くパワー制限を必要
としない場合も考えられる。そのような場合にも、図6
のモータ電流パターンを差し替えることで対応可能であ
る。
【0042】上記技術により、一部の領域でのみコンバ
ータ1の力率制御を行って、力率低下を許容し、また別
の一部の領域でのみインバータ5のパワー制限を行い、
電力が低下することを許容することで、比較的小容量の
PWM電力変換器により比較的大きな出力を得ることが
できる。
【0043】図7に、本発明の別の実施例を示す。簡単
のため、インバータのパワー制限に関する部分のみ記
す。交流電圧実効値Es と力率角φ、および交流電流上
限値Ismaxから、最大電力演算器99により、現在の交
流電圧,力率におけるコンバータが出力可能な最大電力
Pmax を演算する。これとインバータ電圧Ei から、最
大モータ電流演算器100により、最大モータ電流Imm
max を演算する。ここで、最大電力Pmaxおよび最大モ
ータ電流Immmaxは、それぞれ(数9),(数10)のよう
に表せる。
【0044】
【数9】 Pmax =Es・Ismax・cosφ …(数9)
【0045】
【数10】
【0046】ここで、pfmはモータ力率である。
【0047】さらに、最小値発生器101により、速度
信号fr に基づきモータ電流パターン発生器96から出
力したモータ電流指令値Imm*と、最大モータ電流Immm
axのうち、小さい方を出力する。以下、インバータ制御
器97等を用い、図1の実施例と同様にインバータ5を
制御する。
【0048】これにより、交流電圧に応じたモータ電流
パターンを持たなくても、1種類のパターンのみでイン
バータのパワー制限を行うことができ、制御回路を簡素
化できる。また、回路定数がばらつく場合でも対応可能
である。
【0049】上記では、3レベルコンバータ・3レベル
インバータシステムを例に説明したが、2レベルあるい
は他の多レベル変換器にも同様に本発明を適用できるこ
とは自明である。
【0050】
【発明の効果】本発明によれば、PWM電力変換器を特
定の領域において力率の低下を許容し、かつ直流負荷の
電力を制限することにより、電源電圧が変動しても過電
流になることはなく、運転を継続することができる。し
たがって、従来と同じ出力電力を得る場合、変換器の容
量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例を示す構成図である。
【図2】図1の実施例の電力変換器の主回路構成を示す
図である。
【図3】電力変換器の通常の動作を示すベクトル図であ
る。
【図4】力率低減を行う際の動作を示すベクトル図であ
る。
【図5】図1の実施例の電力変換装置の動作特性を示す
グラフである。
【図6】図1の実施例のインバータの電流制限値を示す
グラフである。
【図7】本発明の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1…コンバータ、2…変圧器、3…交流電源、41,4
2…コンデンサ、5…インバータ、6…誘導電動機、7
1〜73…電圧検出器、74,75…電流検出器、76
…速度検出器、81,88…加算器、82,91,94
…減算器、83…電圧制御器、84…実効値算出器、8
5…平均値算出器、86…変調率算出器、87…電流・
位相指令値算出器、89…正弦波発生器、90…乗算
器、92…電流制御器、93…除算器、95…PWM制
御器、96…モータ電流パターン発生器、97…インバ
ータ制御器、98…PWM制御器、99…最大電力演算
器、100…最大モータ電流演算器、101…最小値発
生器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H02P 5/41 302 H02P 5/41 302L 7/63 302 7/63 302Q (56)参考文献 特開 昭62−210866(JP,A) 特開 昭62−230357(JP,A) 特開 平6−233537(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/219 H02M 7/48 H02P 5/41 H02P 7/63

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流側が交流電源に接続され、直流負荷
    側にコンデンサが接続され、力行回生機能を有する第1
    のPWM電力変換器(第1の変換器)と、交流側が交流
    電動機に接続され、直流側が前記コンデンサに接続さ
    れ、力行回生機能を有する第2のPWM電力変換器(第
    2の変換器)と、前記第1の変換器に対して設けられ、
    その直流出力電圧を調節する電圧制御手段と、前記第1
    の変換器に対して設けられ、その交流側の力率を調節す
    る力率制御手段と、これら電圧および力率制御手段の出
    力を入力してPWMの変調率と位相を指令する手段と、
    これらの指令により前記第1の変換器を制御する第1の
    PWM変調手段と、前記第2の変換器の交流電流がその
    指令値になるように制御する電流制御手段と、該電流制
    御手段からの出力により前記第2の変換器をPWM制御
    する第2のPWM変調手段とを備えた電力変換装置にお
    いて、 前記第1の変換器の直流側の電圧に対する交流側の電圧
    の比率が予め定めた制限値になると、前記力率制御手段
    における力率を低下させていき、さらに前記第1の変換
    器の入力電流が予め定めた制限値になると、前記第2の
    変換器における前記交流電流指令を制限する制御手段を
    設けたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記第2の変換器に
    おける前記交流電流指令を制限する制御手段は、前記第
    1の変換器における前記直流負荷の電流を制限する手段
    であることを特徴とする電力変換装置。
  3. 【請求項3】 請求項1において、前記第2の変換器に
    おける前記交流電流指令を制限する制御手段は、上記交
    流電源電圧がその定格値より低い場合には力行電流を低
    減し、また、上記交流電源電圧が高い場合には回生電流
    を低減する手段であることを特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項4】 請求項1において、前記第2の変換器に
    おける前記交流電流指令を制限する制御手段は、前記第
    1の変換器における交流電源電圧及び交流電源電流から
    逐次前記第2の変換器における交流電流の上限値を算出
    し、これを前記第1の変換器における前記直流負荷の電
    流の制限値として用いることを特徴とする電力変換装
    置。
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