JP3553180B2 - コンバータ装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、三相交流を直流に変換するコンバータ装置であって、その三相交流側の異常を速やかに検出する方式に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3は、図2に示すコンバータ主回路図の3組のスイッチング素子をオン/オフさせるための、代表的な制御回路のブロック線図である。同図中21は図2の18で示す直流電流の指令値、22はその直流電流のフィードバック値、23は加算器、24は例えばPI増幅器のような誤差演算増幅器、25は乗算器、26は正弦波発生器、27は三角波発生器であって、28は比較器、29はゲート信号発生器、30は前記正弦波発生器のR相同期信号である。同様に、30′及び30″はそれぞれS相及びT相同期信号である。点線で示した32、32′及び32″はそれぞれR、S及びT相に特有の部分を示し、内部の同一符号は同一機能を有する部分を示す。31はゲート信号群で、図2の13に示すコンバータ部のスイッチング素子に供給される。
【0003】
このブロック線図の動作を説明すると、直流電流の指令値21と同フィードバック値22との偏差を誤差演算増幅器24で演算増幅した値と正弦波発生器26の出力とを乗算器25で乗算し、その出力112、112′、112″を三角波発生器27の出力と比較器28において比較して、その大小を示す信号114、114′、114″をゲート信号発生器29に供給する。ゲート信号発生器29はその入力の極性によって図2のスイッチチング素子をオン/オフさせる。すなわち、入力が正の場合には上側出力端子にオン信号を下側出力端子にはオフ信号を発生し、入力が負の場合には上側出力端子にオフ信号を下側出力端子にはオン信号を発生する。ゲート信号発生器29の二つの出力は上側はコンバータの正側のスイッチング素子へ供給され、下側はコンバータの負側のスイッチング素子へ供給されるものであって、これらの信号は常に逆の関係にある。
【0004】
これをタイムチャートで示したのが図5である。簡単化のために2相分、例えばR相及びS相のみを示した。同図中(a)に示した、a1は図3の三角波発生器27の出力113でり、a2,a3はそれぞれ図3の比較器28の片方の入力112,112′で、例えばR相及びS相のものであり、(b),(c)はそれぞれ比較器28の出力114,114′を示し、波形(b)から波形(c)を減じた波形(d)は図2のコンバータ部13の交流側の線間電圧20の波形、例えばR〜S相間の線間電圧の波形を示している。また図3のゲート信号発生器29のもう一つの入力60は、ゲート信号31を一時的にオフさせるためのものである。
【0005】
図4は、図3に示す制御ブロック線図中の正弦波発生器26の従来例の詳細図である。図4において、33はその入力信号30の正から負及び負から正への変換点を検出するゼロクロス検出器、34は位相比較器、35は例えばPI増幅器のような誤差演算器、36は電圧制御発振器、37はカウンタであり、38はリードオンリーメモリ、39はディジタル/アナログ変換器である。
【0006】
このブロック線図の動作を説明すると、位相比較器34の二つの入力115と119との位相が一致してなければ、その出力116は位相ずれ分に比例するので、誤差演算増幅器35の出力117は位相ずれを修正する方向に電圧制御発振器36を駆動する。入力119の方が入力115より位相が遅れていれば、電圧制御発振器36の出力周波数が高くなる方向に制御される。電圧制御発振器36の出力118の周波数はその入力117に比例する。カウンタ37は電圧制御発振器36の出力周波数を1/nに分周した出力119を前記位相比較器34に供給するとともに、その入力118の計数値0〜n−1をアドレス情報120としてリードオンリーメモリ38に供給する。リードオンリーメモリ38はその入力120を電気角度情報として、それに対応するSINまたはCOS値に比例する値を出力121とする。ディジタル/アナログ変換器39はリードオンリーメモリ38の出力121がディジタル値なので、これをアナログ値に変換する。
【0007】
上記のブロック34,35,36,37は閉ループ、いわゆるフエーズロックループ(PLL)を構成しているので、位相比較器の二つの入力115と119とは同一位相で且つ同一周波数、すなわちR相同期信号30とディジタル/アナログ変換器39の出力111とは同位相で且つ同周波数となる。ここで、図3のR相同期信号30は図2のR相に相当する交流電源から、例えば変圧器等で降圧して得ているから、図3の正弦波発生器26の出力と図2の交流電源の位相及び周波数もまた同一である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図3と図4とに示した従来例では二つの問題点がある。第1の問題点は、三相電源とコンバータ装置との同期をとるのにPLL方式を採用しているために、電源位相が急変した場合、例えばコンバータ装置の電源を自家用発電機から商用電源に切り換えた瞬間には、PLLの応答遅れを生じるために、一時的に図2の交流電源8,8,9の位相と、図3の正弦波発生器26,26′,26″の出力位相とが互いにずれてしまい、過電流、過電圧等の発生原因になり得る。第2の問題点は、第1の問題点の影響を少なくするために、図示しない安定化回路や補償回路等を設けなければならないので、制御系の設計が難しく、また制御系が不安定になりやすいという欠点があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の問題点を解決するためのものであって、その目的は、電源位相の急変をなるべく早く検知して、コンバータの運転を一時的に停止するなどして過電流,過電圧の発生を防ぐ手段を提供するにある。具体的には、三相交流電圧を二相交流電圧に等価変換してその瞬時位相をベクトル演算して計算し、単位時間内にその位相が定められた値以上に変化した時に、電源異常と判断する。
【0010】
【作用】
図6は、三相交流を二相交流に変換するための説明図である。図6中のVr,Vs,Vtはそれぞれ三相交流のR,S,T相の瞬時電圧ベクトル、Vα,Vβは二相交流のα相,β相の瞬時電圧ベクトルを示す。VrとVαとを図のごとく同一位相に選べば、互いの関係は次式で示される。
【数1】
Vα=k(Vr−Vs/2−Vt/2) ……(1)
Vβ=k(31/2 Vs/2−31/2 Vt/2) ……(2)
ただし、kは定数である。二相交流の瞬時位相θを図6に示すごとく定義すれば
【数2】
θ=tan−1(Vβ/Vα) ……(3)
【0011】
θは電源周波数が50Hzならば1周期20msであるから、1ms当たりで18°、同様に60Hzならば21.6°づつ変化するので、これに比べて大幅な変化、例えば1ms当たりで30°以上の変化があれば、電源異常と判断できる。
【0012】
【実施例】
以下、図面に基づき本発明を説明する。図2は本発明を適用するのに最も望ましいコンバータの主回路図である。図2の13は半導体スイッチング素子を使用したコンバータ部、7,8,9は三相を構成する各相の交流電源、10,11,12はリアクトル、14は直流電源、18は直流電流、15,16,17は各相の交流電流、20はコンバータ部の交流線間電圧、19は交流電源の線間電圧である。コンバータ部13を構成する半導体スイッチング素子を所定の手順でオン/オフして、直流電流18、交流電流15,16,17を所望の値に制御する。
【0013】
図1は本発明の一実施例を示す制御回路のブロック線図である。図1において1は三相/二相変換器、2は除算器、3は逆正接演算器、4はサンプルアンドホールド回路、5は記憶回路、6は比較器である。三相/二相変換器1は(1)、(2)式を実現するもので、その入力101,102,103はそれぞれ図2の交流電源7,8,9の電圧の瞬時値に比例し、(1)、(2)式のVr,Vs,Vtに相当し、またその出力104,105は(1)、(2)式のVα,Vβに相当する。除算器2はその入力105を、その入力104で除算した結果を出力106とする。逆正接演算器3は、その入力106の逆正接値を出力107とする。従って除算器2と逆正接演算器3とで(3)式を実現し、逆正接演算器3の出力107は(3)式の瞬時位相θに相当する。
【0014】
サンプルアンドホールド回路4はその瞬時位相θを所定の時間間隔でサンプリングして、比較器6と記憶回路5とに出力108を供給する。記憶回路5は一回前の入力をその出力109として出力する。比較器6はその二つの入力108と109、すなわち現在のサンプルホールド値と前回のサンプルホールド値とを比較して、その偏差が所定値以上であればその出力110を論理「1」にし、それ以外の場合は論理「0」にする。この出力110の信号は、図示しない論理回路を経由して、図3のゲート停止信号60に接続され、出力110が論理「1」であれば図3のゲート信号群31をオフさせてコンバータ停止に到らしめる。このゲート信号群31をオン状態に復帰するには、例えば前述のPLLの応答遅れが解消し、安定になったことを条件にして、前記論理回路にリセット信号を送ればよい。
【0015】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、簡単な構成でコンバータ装置の交流電源異常を速やかに検出でき、過電流、過電圧の発生を未然に防げるので、その実用的効果は極めて大きく、UPS(無停電電源装置)を構成するコンバータ装置に適用すれば、その効果は特に顕著である。また、本発明はコンバータ装置に限らず、交流電源と同期制御する必要のある他の装置、例えばサイリスタレオナード装置の電源異常検出にも応用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック線図である。
【図2】本発明を適用するのに望ましいコンバータ主回路図である。
【図3】図2に示したコンバータ主回路を制御する代表的な制御回路のブロック線図である。
【図4】図3に示した正弦波発生器の詳細例を示すブロック線図である。
【図5】従来の実施例を示すタイムチャートである。
【図6】三相交流を二相交流に変換するための説明図である。
【符号の説明】
1 三相/二相変換器
2 除算器
3 逆正接演算器
4 サンプルアンドホールド回路
5 記憶回路
6 比較器
7,8,9 三相を構成する各相の交流電源
10,11,12 リアクトル
13 コンバータ部
14 直流電源
15,16,17 各相の交流電流
18 直流電流
19 交流電源の線間電圧
18 直流電流
20 コンバータの交流側の線間電圧
21 直流電流の指令値
22 直流電流のフィードバック値
23 加算器
24 例えばPI増幅器のような誤差演算増幅器
25 乗算器
26 正弦波発生器
27 三角波発生器
28 比較器
29 ゲート信号発生器
30 正弦波発生器のR相同期信号
30′正弦波発生器のS相同期信号
30″正弦波発生器のT相同期信号
31 ゲート信号群
32 R相に特有の部分
32′S相に特有の部分
32″T相に特有の部分
33 ゼロクロス検出器
34 位相比較器
35 例えばPI増幅器のような誤差演算器
36 電圧制御発振器
37 カウンタ
38 リードオンリーメモリ
39 ディジタル/アナログ変換器
60 ゲート信号を一時的にオフするための信号
101,102,103 三相交流電源電圧Vr,Vs,Vtの瞬時値
104,105 変換された二相電圧Vα,Vβの瞬時値
106 除算器の出力
107 逆正接演算器の出力すなわち瞬時位相θ
108 今回のサンプルホールド値
109 前回のサンプルホールド値
110 比較器の出力すなわちゲート停止信号
111 ディジタル/アナログ変換器すなわち正弦波発生器の出力
112,112′,112″ 乗算器の出力すなわち比較器の一方の入力
113 三角波発生器の出力すなち比較器の一方の入力
114,114′,114″ 比較器の出力すなわちゲート信号発生器入力
115 ゼロクロス検出器の出力すなわち位相比較器の一方の入力
116 位相ずれ分に比例する比較器の出力
117 誤差演算増幅器の出力すなわち電圧制御発振器の入力
118 電圧制御発振器の出力すなわちカウンタの入力
119 カウンタの出力すなわち位相比較器の一方の入力
120 アドレス情報すなわち電気角度情報
121 リードオンリメモリ出力すなわちディジタル/アナログ変換器入力

Claims (1)

  1. 三相交流電源と直流電源との間に接続され、交流を直流に変換するコンバータ装置において、三相交流電源の各相電圧または各線間電圧を三相/二相変換して得た二相側の成分の一つを他の成分で除した商の逆正接値が、単位時間内に所定の値以上に変化したときに、三相交流電源異常と判断するように構成したことを特徴とするコンバータ装置。
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