JP3813859B2 - Power converter - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用ダイオード整流器と電圧形自励式電力変換器を組み合わせた高効率で経済的な電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気鉄道直流き電システムでは、3相ブリッジ結線された電力用ダイオード整流器により3相交流電力を直流電力に変換する方式が多く採用されている。この方式は過負荷耐量に優れ、変換器コストを安くすることができる利点を有する。しかし、電車が回生ブレーキをかけたときにその電力を交流電源側に回生できず、しばしば回生失効を起こすという問題点があった。また、負荷電流依存性があり、直流き電電圧が負荷によって大きく変動する欠点があった。
【0003】
図25は、従来の電力回生可能なPWMコンバータ(パルス幅変調制御コンバータ)の回路構成を示すものである。PWMコンバータCNVは、交流端子が交流リアクトルLsを介して3相交流電源SUPの端子R,S,Tに接続され、直流端子が直流平滑コンデンサCd、および3相出力のVVVF(可変電圧可変周波数)インバータINVの直流端子に接続される。インバータINVの交流端子は交流電動機Mに接続される。PWMコンバータCNVは、3相ブリッジ結線された6アーム6個の整流器用高速ダイオードD1〜D6と、各ダイオードに逆並列接続された回生インバータ用スイッチング素子たる自己消弧素子S1〜S6とからなっている。ダイオードD1〜D3および自己消弧素子S1〜S3は正側に配置され、ダイオードD4〜D6および自己消弧素子S4〜S6は負側に配置されている。インバータINVもコンバータCNVと同様の回路構成を持っているが、ここでは詳細説明を省略する。
【0004】
PWMコンバータCNVは、比較器C1,C2、電圧制御補償器Gv(S)、乗算器ML、電流制御補償器Gi(S)、およびパルス幅変調制御回路PWMCからなる制御装置を備えている。比較器C1および電圧制御補償器Gv(S)は各相共通であるが、乗算器ML、比較器C2、電流制御補償器Gi(S)、およびパルス幅変調制御回路PWMCは各相毎に設けられる。ここにはR相の内部回路構成のみを詳しく示しているが、S相およびT相の制御回路も同様に構成されている。R相制御回路からR相の自己消弧素子S1,S4のためのゲート信号g1,g4が出力され、S相制御回路からS相の自己消弧素子S2,S5のためのゲート信号g2,g5が出力され、T相制御回路からT相の自己消弧素子S3,S6のためのゲート信号g3,g6が出力される。
【0005】
PWMコンバータCNVは、以上のように構成された制御装置により、直流平滑コンデンサCdに印加される直流電圧Vdが電圧指令値Vd*に一致するように入力電流Ir,Is,Itを制御する。さらに具体的には、電圧指令値Vd*と電圧検出値Vdの偏差を比較器C1で得て電圧制御補償器Gv(S)で増幅し、入力電流の振幅指令値Ismとする。乗算器MLにおいてR相の電圧に同期した単位正弦波sinωtと入力電流の振幅指令値Ismを掛け算し、その積をR相の電流指令値Ir*とする。このR相電流指令値Ir*とR相電流検出値Irを比較器C2で比較し、その偏差を電流制御補償器Gi(S)で反転増幅する。ここで通常は比例増幅が使われ、ゲインはGi(S)=−Kiとなる。Kiは比例定数である。電流制御補償器Gi(S)の出力である電圧指令値er*=−Ki×(Ir*−Ir)をPWM制御回路PWMCに入力し、コンバータCNVのR相の自己消弧素子S1とS4のゲート信号g1,g4を作る。PWM制御回路PWMCは、電圧指令値er*とキャリア信号X(例えば、1kHzの三角波)を比較し、er*>Xのときは、素子S1をオンさせ(S4はオフ)、er*<Xのときは、素子S4をオン(S1はオフ)させる。この結果、コンバータのR相電圧Vrは電圧指令値er*に比例した電圧を発生する。
【0006】
R相の入力電流Irに関して、Ir*>Irの場合、電圧指令値er*は負の値となり、Irを増加させる。逆に、Ir*<Irの場合、電圧指令値er*は正の値となり、Irを減少させる。このようにして、Ir*=Irとなるような制御が行われる。S相およびT相の電流Is,Itも同様に制御される。
【0007】
直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdは、次のように制御される。すなわち、Vd*>Vdとなった場合、入力電流の振幅指令値Ismが増加する。各相の電流指令値は電源電圧と同相となり、電流Ismに比例した有効電力Psが交流電源SUPから直流平滑コンデンサCdに供給されることになる。この結果、電圧Vdが上昇し、Vd*=Vdとなるように制御される。逆に、Vd*<Vdとなった場合、入力電流の振幅指令値Ismは負の値となり、交流電源側に電力Psを回生する。故に、直流平滑コンデンサCdの蓄積エネルギーが減少し、電圧Vdが低下して、やはり、Vd*=Vdとなるように制御される。
【0008】
VVVF(可変電圧・可変周波数)インバータINVおよび交流電動機Mは直流平滑コンデンサCdを電圧源とする負荷であり、力行運転時はコンデンサCdの蓄積エネルギーを消費し、電圧Vdを低下させる方向に作用する。また、回生運転時はその回生エネルギーを平滑コンデンサCdに戻すため、電圧Vdを上昇させる方向に働く。前述のようにPWMコンバータCNVによって直流電圧Vdが一定になるように制御するため、自動的に、力行運転では交流電源から見合った有効電力を供給し、回生運転時は回生エネルギーに見合った有効電力を交流電源側に回生することになる。
【0009】
このように、従来のPWMコンバータによれば、直流電圧Vdを安定化することができ、電力回生が可能であり、電気鉄道の直流き電システムでの回生失効の問題も解決される。
【0010】
しかし、PWMコンバータは、高周波でスイッチングを行うためスイッチング素子のスイッチング損失が大きくなる欠点がある。また、スイッチング素子は、遮断電流として交流入力電流の最大値を切る能力が必要となる。したがって、短時間の過負荷(例えば、定格電流の300%)でもその遮断電流に耐えるように設計しなければならず、電力変換器として大きなものが必要となり、不経済なシステムとなってしまう問題があった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、電力回生が可能な電力変換器として、パルス幅変調制御による自励式変換器(PWMコンバータと呼ぶ)があるが、ダイオード整流器に比べるとコストが高く、過負荷耐量もあまり大きくすることができないという難点がある。また、PWM制御に伴うスイッチング損失が大きくなり、変換器効率が悪い等の問題があった。
【0012】
そこで、本発明は、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能で、変換器効率が高く、経済的な電力変換装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明の電力変換装置は、交流電源に交流リアクトルを介して交流端子が接続される電力用ダイオード整流器と、この電力用ダイオード整流器の交流端子に交流端子が直接に接続された電圧形自励式電力変換器と、この電圧形自励式電力変換器および電力用ダイオード整流器の直流共通端子間にリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続され、負荷装置を並列に接続する直流平滑コンデンサとを具備する。
【0014】
この構成によれば、力行運転時は、大部分の電流が電力用ダイオード整流器に流れるように制御することにより、電圧形自励式電力変換器の遮断電流を小さく抑える。電圧形自励式電力変換器は、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス、3パルス、5パルス等)で電源電圧に対する位相角を制御することにより、入力電流を制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。そのため自励式電力変換器を構成する自己消弧素子のスイッチングを、入力電流のゼロ点付近で行うようにすることにより、素子の遮断電流を小さくすることができる。
【0015】
回生運転時は、大部分の電流が電圧形自励式電力変換器の自己消弧素子に流れる。本発明装置は、例えば、力行運転は300%の過負荷を許容し、回生運転は100%とするのが経済的な使い方となる。電気鉄道では、1列車が回生ブレーキをかけても他の列車は力行中の場合が多く、上記使い方は妥当なものとなる。回生電力100%で運転した場合、電流の大部分は自己消弧素子に流れることは同じである。しかし、回生運転時も電源力率はほぼ1に制御され、自己消弧素子のスイッチングを電流ゼロ点付近で行うようにすることにより、素子の遮断電流は小さく抑えることが可能となる。故に、スイッチング損失は大幅に軽減され、遮断電流の小さい自己消弧素子で自励式電力変換器CNVを構成することができるようになり、経済的な装置を提供することができる。
【0016】
本発明の他の特徴は、リカバリ電流抑制用リアクトルを直流側に配置したことにある。これにより、電力用ダイオードの交流端子と電圧形自励式電力変換器の交流端子を直接接続することができ、自己消弧素子がオフ動作したとき、瞬時に電力用ダイオードに電流が移り、自己消弧素子に逆並列接続の高速ダイオードに流れる電流がごくわずかで済む。したがって、順電圧降下の小さい電力用ダイオードに電流が流れるため、損失が小さく、効率のよい運転が可能になる。
【0017】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の電力変換装置において、リカバリ電流抑制用リアクトルに、そのリアクトルに流れたリカバリ電流をリセットするリセット回路を並列接続するものである。
【0018】
リカバリ電流抑制用リアクトルは、電圧形自励式電力変換器の自己消弧素子がオンしたときに電力用ダイオード整流器の各ダイオードに過大なリカバリ電流が流れ込むのを抑制する役割を持っている。通常、このリアクトルのインダクタンスは数十μH程度でよく、交流リアクトルに比べると、2桁ぐらい小さいものでよい。このリアクトルにリカバリ電流が流れた場合、次のスイッチングのときまでにその電流を一旦リセットする必要がある。そのために、そのリアクトルにはリカバリ電流リセット回路を並列接続する。例えば、リアクトルに、ダイオードと抵抗の直列回路からなるリセット回路を並列接続する。リセット回路の時定数Tは、リアクトルのインダクタンスをL、抵抗の抵抗値をRとすれば、T=L/Rで与えられ、スイッチング周期の1/3以下にするのが望ましい。自励式変換器を1パルスで動作させる場合、電源周波数fsを50Hzとして、スイッチング周期Tswは、Tsw=1/(6・fs)=1/300[s]=3.3[ms]となる。したがって、Tp=1[ms]以下にするのが望ましいことになる。L=50μHとして、R=0.1Ωとすれば、T=0.5[ms]となる。抵抗Rを大きくすると、変換器に印加される電圧が高くなり、その分、素子の耐圧を上げる必要がある。
【0019】
従来のPWMコンバータでは、スイッチング周波数が高いことと、3相ブリッジ結線された各自己消弧素子のスイッチングがランダム動作するため、リセット時間は非常に短くなってしまう。したがって、PWMコンバータの直流ラインにリカバリ電流抑制用リアクトルを一括して挿入するのは得策ではない。
【0020】
リカバリ電流抑制用リアクトルに流れたリカバリ電流をリセットする回路として、上記のようにダイオードと抵抗の直列回路があるが、抵抗の代わりに直流電圧源を用意してもよい。直流電圧源としては、バッテリーあるいは大容量の直流平滑コンデンサ等があり得る。その直流電圧源にはエネルギーが徐々に蓄積されるので、それを消費する回路または電源に回生する回路等が付加されることが多い。
【0021】
このように、例えばダイオードと抵抗からなるリセット回路をリカバリ電流抑制用リアクトルに並列接続することにより、直流側に挿入されたリカバリ電流抑制用リアクトルの機能を保持することができる。
【0022】
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の電力変換装置において、電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより入力電流を制御することを特徴とする。
【0023】
電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで、交流電源の電圧に同期したスイッチングを行う。直流電圧が一定ならば、電圧の振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧に対する出力電圧の位相角φを変えることにより、交流リアクトルに印加される電圧が変化し、入力電流を調整することができる。
【0024】
電源電圧に対する出力電圧の位相角を遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力が増加する。逆に位相角を進み方向に増やすと、有効電力が交流電源に回生される。ちなみに、位相角φ=0では、有効電力の授受はない。入力電流の位相角は、電源電圧に対し、φ/2または、π−φ/2となり、入力力率は、cos(φ/2)となる。また、入力電流と自励式変換器の交流出力電圧との位相差は、−φ/2または、π+φ/2となり、変換器力率は、cos(φ/2)となる。位相角φは、入力電流と交流リアクトルの値に依存する。位相角θは、過負荷運転時でも高々φ=30°程度で、力率はcos15°=0.966となる。
【0025】
自励式変換器を一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流の高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、上記のように変換器力率が1に近いため、電流のゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流は小さくて済む。これにより、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0026】
請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載の電力変換装置において、電圧形自励式電力変換器は、交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより入力電流を制御することを特徴とする。
【0027】
請求項4に記載の発明によれば、請求項3に係る発明と同じく、自励式変換器を一定のパルスパターンで運転するものであるが、そのパルス数を1パルスにしたものである。当然、直流電圧が一定ならば、自励式変換器の交流側出力電圧の振幅値は、一定となる。電源電圧に対する自励式変換器の交流側出力電圧の位相角φを調整することにより、入力電流を制御するが、φ=0のとき、入力電流が0となるようにするには、電源電圧の波高値と変換器出力電圧の基本波の波高値が同じになるようにする必要がある。直流電圧は負荷側の要求等により決まってしまうので、電源側に変圧器を入れて、出力電圧の基本波成分の波高値と電源電圧の波高値が同じになるように、変圧器の2次電圧を合わせる。
【0028】
自励式変換器を1パルスで運転することにより、スイッチング回数が最小になり、変換器効率はさらに向上する。また、交流側出力電圧の基本波成分が大きくなり、自励式変換器の電圧利用率が向上する。また、変換器力率がほぼ1で運転されるため、入力電流のゼロ点付近で1回だけスイッチングを行うことになり、力行運転時も回生運転時も、自己消弧素子の遮断電流は極めて小さくなる。この結果、高効率で低コストな電力変換装置を提供することができる。また、大電流を遮断しないということは、ソフトスイッチングに近くなるということであり、EMIノイズが小さくなり、環境にもやさしい電力変換装置を提供することができる。
【0029】
請求項5に係る発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置において、電圧形自励式電力変換器は、交流電源の電圧が変動した場合、電源の電圧の変化に合わせて直流平滑コンデンサに印加される電圧の指令値を変えて制御動作することを特徴とする。
【0030】
電圧形自励式電力変換器を1パルスまたは一定パルスパターンで運転した場合、電力変換器の交流側出力電圧の振幅値は一定となり、電源電圧が高くなると、変換器は遅れ力率運転となり、また、電源電圧が低くなると、変換器は進み力率運転となってしまう。また、力率低下に伴い、自励式電力変換器の交流側出力電圧と入力電流の位相差が大きくなり、自励式電力変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流が大きくなってしまう。そこで、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを電源電圧Vsの振幅値に合わせて調整することにより、常に|Vs|=|Vc|となるように制御する。これにより、電源力率あるいは変換器力率の極端な低下を防ぐことが可能となり、自己消弧素子の遮断電流の増加を防止することができる。
【0031】
請求項6に係る発明は、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、電圧形自励式電力変換器は、交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする。
【0032】
自励式電力変換器により、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように調整することにより、入力電流の位相を電源電圧の位相に一致させることができ、電源力率=1の運転をすることができる。この効果は回生運転においても同じである。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高力率の電力変換装置を提供することができる。
【0033】
請求項7に係る発明は、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、電圧形自励式電力変換器は、交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする。
【0034】
自励式電力変換器により、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるようにほぼ調整することにより、入力電流の電源電圧に対する位相角を自励式電力変換器の交流側出力電圧の位相角にほぼ一致させることができる。すなわち、入力電流と変換器出力電圧の位相が一致し、変換器力率=1の運転をすることがができる。この結果、自励式変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができ、かつ、変換器容量を低減することができる。この効果は回生運転においても同じである。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率の電力変換装置を提供することができる。
【0035】
請求項8に係る発明の電力変換装置は、3相交流電源に1次巻線が接続され、所定の位相差を持たせたn組の2次巻線を有する3相変圧器と、この3相変圧器の各2次巻線に交流リアクトルを介して交流端子が接続されたn台の電力用ダイオード整流器と、これらn台の電力用ダイオード整流器の交流端子に交流側端子が直接に接続されたn台の電圧形自励式電力変換器と、これらn台の電圧形自励式電力変換器とn台の電力用ダイオード整流器の直流共通端子にリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続され、負荷装置を並列に接続する直流平滑コンデンサとを具備してなる。
【0036】
本装置は、電力用ダイオード整流器と電圧形自励式電力変換器を組み合わせた電力変換装置を複数台用意し、所定の位相差を持たせたn組の2次巻線を有する3相変圧器を用いて並列多重運転をするように構成したもので、変換装置の大容量化と、交流電源から供給される入力電流の高調波成分の低減化を達成することができる。これにより、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能な、高効率・低コストの大容量電力変換装置を提供することができる。
【0037】
請求項9に係る発明は、請求項8に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする。
【0038】
電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、交流電源の電圧に同期したスイッチングを行う。直流電圧が一定ならば、自励式変換器の交流出力電圧の振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧に対する出力電圧の位相角φを変えることより、交流リアクトルに印加される電圧が変化し、入力電流Isを調整することができる。
【0039】
電源電圧に対する各変換器の出力電圧の位相角を遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力が増加する。逆に位相角を進み方向に増やすと、有効電力が交流電源に回生される。
【0040】
自励式変換器を一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流の高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、変換器力率が1に近いため、電流のゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流は小さくて済む。これにより、入力電流の高調波成分が小さく、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0041】
請求項10に係る発明は、請求項8に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする。
【0042】
各電圧形自励式電力変換器を1パルスモードで動作させることにより、スイッチング損失を減らし、自励式変換器の電圧利用率を向上させることができる。また、入力電流のゼロ点付近で自励式変換器をスイッチングさせるため、自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率・大容量の電力変換装置を提供することができる。
【0043】
請求項11に係る発明の電力変換装置は、3相交流電源に1次巻線が接続され、所定の位相差を有するn組の2次巻線を有する3相変圧器と、この3相変圧器の各2次巻線に交流リアクトルを介して交流端子が接続されたn台の電力用ダイオード整流器と、これらn台の電力用ダイオード整流器の交流端子に直接に交流端子が接続されたn台の電圧形自励式電力変換器と、n台の電圧形自励式変換器および電力用ダイオード整流器の直流共通端子のそれぞれにリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続されたn個の直流平滑コンデンサとを備え、n個の直流平滑コンデンサが直列接続され、その直列接続された両端に負荷装置が接続される。
【0044】
本装置は、電力用ダイオード整流器と電圧形自励式電力変換器を組み合わせた電力変換装置を複数台(n台)用意し、適宜の位相差を持たせたn組の2次巻線を有する3相変圧器を用いて、交流側で並列多重運転し、直流側で直列接続するように構成したもので、変換装置の大容量化と、直流出力電圧の高圧化、および交流電源から供給される入力電流の高調波成分の低減化を達成することができる。これにより、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能な、高効率・低コストの大容量電力変換装置を提供することができる。
【0045】
請求項12に係る発明は、請求項11に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより各電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御して直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする。
【0046】
電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで、交流電源の電圧に同期したスイッチングを行う。直流電圧が一定ならば、自励式変換器の交流出力電圧の振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧に対する出力電圧の位相角を変えることより、交流リアクトルに印加される電圧が変化し、各電圧形自励式電力変換器の入力電流を調整することができる。自励式変換器を一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流の高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、変換器力率が1に近いところで動作させることにより、電流Isのゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器CNVを構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。
【0047】
電源電圧に対する各変換器の出力電圧の位相角φを遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力が増加する。逆に位相角φを進み方向に増やすと、有効電力が交流電源に回生される。
【0048】
自励式変換器は、各直流平滑コンデンサに印加される電圧がほぼ一定になるように制御する。その結果、その和電圧が一定に制御される。これにより、直流出力電圧の高圧化を図ることができ、入力電流の高調波成分が小さく、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0049】
請求項13に係る発明は、請求項11に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより各電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御して直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする。
【0050】
各電圧形自励式電力変換器を1パルスモードで動作させることにより、スイッチング損失を減らし、自励式変換器の電圧利用率を向上させることができる。また、入力電流のゼロ点付近で自励式変換器をスイッチングさせるため、自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率・大容量の電力変換装置を提供することができる。
【0051】
請求項14に係る発明の電力変換装置は、3相交流電源に対し1次巻線が各相毎に直列接続され、2次巻線の出力電圧が所定の位相差を持つように構成されたn台の3相変圧器と、これらn台の3相変圧器の各2次巻線に交流端子が接続された3相ブリッジ結線のn台の電力用ダイオード整流器と、これらn台の電力用ダイオード整流器の交流端子に交流端子が直接に接続されたn台の3相ブリッジ結線の電圧形自励式電力変換器と、これらn台の電圧形自励式電力変換器およびn台の電力用ダイオード整流器の直流共通共通端子にそれぞれリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続され、並列に負荷装置が接続される直流平滑コンデンサとを具備してなる。
【0052】
本装置は、電力用ダイオード整流器と電圧形自励式電力変換器を組み合わせた電力変換装置を複数台(n台)用意し、1次巻線を直列接続し、適宜の位相差を持たせた2次巻線を有するn台の3相変圧器を用いて、直列多重運転するように構成したもので、変換装置の大容量化と、交流電源から供給される入力電流の高調波成分の低減を図ることができる。特に、直列多重運転により、各変換器に流れる交流側入力電流の高調波成分を低減することができ、自励式電力変換器の制御パルスを少なくすることができる利点がある。また、3相変圧器の漏れインダクタンス分を利用することにより、従来の交流リアクトルを省略することが可能となる。これにより、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能な、高効率・低コストの大容量電力変換装置を提供することができる。
【0053】
請求項15に係る発明は、請求項14に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする。
【0054】
電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで、交流電源の電圧に同期したスイッチングを行う。直流電圧が一定ならば、自励式変換器の交流出力電圧の振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧に対する出力電圧の位相角を変えることより、変圧器の漏れインダクタンス分に印加される電圧が変化し、入力電流を調整することができる。自励式変換器を一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流の高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、変換器力率が1に近いところで動作させることにより、電流のゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。
【0055】
電源電圧に対する各変換器の出力電圧の位相角を遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力が増加する。逆に位相角を進み方向に増やすと、有効電力が交流電源に回生される。
【0056】
自励式変換器は直流平滑コンデンサに印加される電圧がほぼ一定になるように入力電流を制御する。これにより、入力電流の高調波成分が小さく、電力回生が可能で、高力率・高効率で低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0057】
請求項16に係る発明は、請求項14に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする。
【0058】
この発明によれば、請求項15に係る発明と同じく、自励式変換器を一定のパルスパターンで運転するが、そのパルス数を1パルスにしたものである。当然、直流電圧が一定ならば、自励式変換器の交流側出力電圧の振幅値は一定となる。電源電圧に対する自励式変換器の交流側出力電圧の和電圧の位相角φを調整することにより、入力電流を制御するが、φ=0のとき、入力電流=0となるようにするには、電源電圧の波高値と変換器出力電圧の和電圧の基本波波高値が同じになるようにする必要がある。直流電圧は負荷側の要求等により決まってしまうので、3相変圧器の2次側電圧を各自励式変換器の交流側出力電圧の基本波成分と同じになるように値を合わせる。
【0059】
自励式変換器を1パルスで運転することにより、スイッチング回数が最小になり、変換器効率はさらに向上する。また、交流側出力電圧の基本波成分が大きくなり、自励式変換器の電圧利用率が向上する。また、変換器力率がほぼ1で運転されるため、入力電流Isのゼロ点付近で1回だけスイッチングを行うことになり、力行運転時も回生運転時も、自己消弧素子の遮断電流は極めて小さくなる。この結果、高効率で低コストな電力変換装置を提供することができる。また、大電流を遮断しないということは、ソフトスイッチングに近くなり、EMIノイズが小さくなり、環境にもやさしい電力変換装置を提供することができる。
【0060】
請求項17に係る発明は、請求項8ないし16のいずれか1項に記載の電力変換装置において、リカバリ電流抑制用リアクトルにそれぞれ、それらのリアクトルに流れた電流をリセットするリセット回路を並列接続したことを特徴とする。
【0061】
リカバリ電流抑制用リアクトルは、電圧形自励式電力変換器の自己消弧素子がオンしたときに電力用ダイオード整流器の各ダイオードに過大なリカバリ電流が流れ込むのを抑制する役割を持っている。通常、このリアクトルのインダクタンスは数十μH程度でよく、交流リアクトルに比べると、2桁ぐらい小さいものでよい。このリアクトルにリカバリ電流が流れた場合、次のスイッチングのときまでにその電流を一旦リセットする必要がある。そのために、そのリアクトルにはリカバリ電流リセット回路を並列接続する。例えば、リアクトルに、ダイオードと抵抗の直列回路からなるリセット回路を並列接続する。リセット回路の時定数Tは、リアクトルのインダクタンスをL、抵抗の抵抗値をRとすれば、T=L/Rで与えられ、スイッチング周期の1/3以下にするのが望ましい。自励式変換器を1パルスで動作させる場合、電源周波数fsを50Hzとして、スイッチング周期Tswは、Tsw=1/(6・fs)=1/300[s]=3.3[ms]となる。したがって、Tp=1[ms]以下にするのが望ましいことになる。L=50μHとして、R=0.1Ωとすれば、T=0.5[ms]となる。抵抗Rを大きくすると、変換器に印加される電圧が高くなり、その分、素子の耐圧を上げる必要がある。
【0062】
リカバリ電流抑制用リアクトルに流れたリカバリ電流をリセットする回路として、上記のようにダイオードと抵抗の直列回路があるが、抵抗の代わりに直流電圧源を用意してもよい。直流電圧源としては、バッテリーあるいは大容量の直流平滑コンデンサ等があり得る。その直流電圧源にはエネルギーが徐々に蓄積されるので、それを消費する回路または電源に回生する回路等が付加されることが多い。
【0063】
このように、例えばダイオードと抵抗からなるリセット回路をリカバリ電流抑制用リアクトルに並列接続することにより、直流側に挿入されたリカバリ電流抑制用リアクトルの機能を保持することができる。
【0064】
請求項18に係る発明は、請求項8ないし17のいずれか1項に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、交流電源の電圧が変動した場合、その電源電圧の変化に合わせて直流平滑コンデンサに印加される電圧の指令値を変えて制御することを特徴とする。
【0065】
n台の電圧形自励式電力変換器を1パルスまたは一定パルスパターンで運転した場合、当該電力変換器の交流側出力電圧の振幅値は一定となり、電源電圧が高くなると、変換器は遅れ力率運転となり、また、電源電圧が低くなると、変換器は進み力率運転となってしまう。また、力率低下に伴い、自励式電力変換器の交流側出力電圧と入力電流の位相差が大きくなり、自励式電力変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流が大きくなってしまう。そこで、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、電源電圧Vsの振幅値に合わせて調整することにより、常に|Vs|=|Vc|となるように制御する。これにより、電源力率あるいは変換器力率の極端な低下を防ぐことが可能となり、自己消弧素子の遮断電流の増加を防止することができる。
【0066】
請求項19に係る発明は、請求項8ないし18のいずれか1項に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする。
【0067】
n台の自励式電力変換器により、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように調整することにより、入力電流の位相を電源電圧の位相に一致させることができ、電源力率=1の運転をすることができる。この効果は回生運転においても同じである。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高力率の電力変換装置を提供することができる。
【0068】
請求項20に係る発明は、請求項8ないし18のいずれか1項に記載の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器は、交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする。
【0069】
n台の自励式電力変換器により、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるように調整することにより、入力電流の電源電圧に対する位相角を自励式電力変換器の交流側出力電圧の位相角にほぼ一致させることができる。すなわち、入力電流と変換器出力電圧の位相が一致し、変換器力率=1の運転をすることができる。この結果、自励式変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができ、かつ、変換器容量の低減が図れる。この効果は回生運転におもても同じである。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率の電力変換装置を提供することができる。
【0070】
【発明の実施の形態】
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の電力変換装置の一実施例を示すブロック図である。ここで図25と同一ないし類似の機能を有する回路要素には同一符号を付して、その詳細説明は省略する。図1の主回路は、図25の主回路における交流リアクトルLsと電圧形自励式変換器CNVの間に、電力用ダイオード整流器RECを付加的に配置している。整流器RECは、3相ブリッジ結線の電力用ダイオードPD1〜PD6からなり、その交流端子は交流リアクトルLsを介して3相交流電源SUPの受電端子R,S,Tに接続されるとともに、電圧形自励式変換器CNVの交流端子に直接に接続されている。整流器RECの直流端子および自励式変換器CNVの直流端子はリカバリ電流抑制用リアクトルLpを介して直流平滑コンデンサCdの両端に接続されている。直流平滑コンデンサCdの両端にこれを電圧源として、VVVFインバータINVおよび交流電動機Mからなる負荷装置LOADが接続される。
【0071】
リカバリ電流抑制用リアクトルLpは、電力変換器CNVの自己消弧素子がオン動作したときに整流器RECの各ダイオードに過大なリカバリ電流が流れ込むのを抑える役割を持っており、通常、数十μHのインダクタンス値に設計され、交流リアクトルLsと比べると、2桁ぐらい小さいものでよい。リカバリ電流抑制用リアクトルLpには、力行時の直流電流に対して順方向のダイオードDpおよび抵抗Rpの直列回路からなるリセット回路が並列接続されている。このリセット回路は、リアクトルLpに流れたリカバリ電流をリセットする役割を持っている。
【0072】
図1には電圧形自励式変換器CNVの制御のために各自己消弧素子S1〜S6にゲート信号g1〜g6を送出する制御装置も示されている。この制御装置は、比較器C1,C3、加算器C2、電圧制御補償回路Gv(S)、電流制御補償回路Gi(S)、フィードフォワード補償器FF、座標変換回路A、電源同期位相検出回路PLL、および位相制御回路PHCを備えている。直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを検出し、それを比較器C1により電圧指令値Vd*と比較する。その偏差εv(=Vd*−Vd)を電圧制御補償回路Gv(S)により積分または比例増幅し、その出力値を加算器C2の第1入力端に入力する。一方、負荷LOADが消費する直流電流Idcを検知し、フィードフォワード補償器FFを介して加算器C2の第2入力端に入力する。加算器C2の出力Iq*が、電源SUPから供給される有効電流の指令値となる。座標変換器Aは、電源SUPから電力変換器に供給される3相入力電流Ir,Is,Itの検出値をdq軸(直流量)に変換する。座標変換によって得られたq軸電流Iqは有効電流検出値を表し、d軸電流Idは無効電流検出値を表わす。
【0073】
比較器C3により、有効電流指令値Iq*と有効電流検出値Iqを比較し、その偏差εi(=Iq*−Iq)を電流制御補償回路Gi(S)により増幅して、位相角指令値φ*とする。電源同期位相検出回路PLLは3相交流電源電圧に同期した位相信号θr,θs,θtを作り、位相制御回路PHCに入力する。位相制御回路PHCは、位相角指令値φ*と各相別の位相信号θr,θs,θtを用いて電力変換器CNVの自己消弧素子S1〜S6のゲート信号g1〜g6を発生する。電圧形自励式電力変換器CNVは、ゲート信号g1〜g6により、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス、3パルス、5パルス等)で電源電圧に対する位相角φを制御することにより、入力電流を制御する。
【0074】
図2は、図1の装置の制御動作を説明するための電圧・電流ベクトル図を示すものである。図中、Vsは電源電圧、Vcは自励式電力変換器CNVの交流出力電圧、Isは入力電流、jωLs・Isは交流リアクトルLsによる電圧降下分(ただし、リアクトルLsの抵抗分は十分小さいものとして無視する)を表わしている。ベクトル的に、Vs=Vc+jωLs・Isの関係がある。
【0075】
電源電圧Vsの波高値と自励式電力変換器CNVの交流出力電圧Vcの基本波波高値はほぼ一致するように合わせる。直流電圧Vdは負荷側からの要求で決まる場合が多く、パルスパターンを決めると、交流出力電圧Vcの基本波波高値は決まってしまう。そこで、電源側に変圧器を設置し、その2次電圧をVsとして、波高値を合わせる。
【0076】
入力電流Isは、電源電圧Vsに対する電力変換器CNVの交流出力電圧Vcの位相角φを調整することにより制御することができる。すなわち、位相角φ=0とすると、交流リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Isはゼロとなり、入力電流Isもゼロとなる。位相角(遅れ)φを増やしていくと、jωL、・Isの電圧が増加し、入力電流Isもその値に比例して増加する。入力電流ベクトルIsは、電圧jωLs・Isに対し90°遅れており、電源電圧Vsに対しては、φ/2だけ遅れたベクトルとなる。従って、電源側から見た入力力率は、cos(φ/2)となる。
【0077】
一方、電力変換器CNVの交流出力電圧を図2においてVc’のように位相角φを進み方向に増やしていくと、交流リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Isも負となり、入力電流はIs’のように、電源電圧Vsに対し(π−φ/2)の位相角となる。すなわち、電力Ps=Vs・Isは負となり、電力を電源に回生することができる。電源電圧Vsを基準にして、交流出力電圧Vcを図の破線に沿ってVc’の方向に移行させていくと、入力電流ベクトルIsは破線に沿ってIs’の方向に変化する。
【0078】
さて、図1において、有効電流Iqは次のように制御される。
【0079】
Iq*>Iqとなった場合、電流制御補償回路Gi(S)の出力φ*が増加し、入力電流Isを増加させる。入力力率はほぼ1なので、有効電流Iqが増加し、やがてIq*=Iqとなって落ち着く。逆に、Iq*<Iqとなった場合、電流制御補償回路Gi(S)の出力φ*が減少し、または負の値になり、入力電流Isを減少させる。入力力率≒1なので、有効電流Iqが減少し、やはりIq*=Iqとなって落ち着く。
【0080】
また、直流平滑コンデンサCdの電圧Vdは次のように制御される。
【0081】
Vd*>Vdとなった場合、電圧制御補償回路Gv(S)の出力側の加算器C2の出力Iq*が増加し、上記のようにIq*=Iqに制御されるので、有効電力Psが交流電源SUPから直流平滑コンデンサCdに供給される。その結果、直流電圧Vdが増加し、Vd*=Vdとなるように制御される。
【0082】
逆に、Vd*<Vdとなった場合、加算器C2の出力Iq*が減少し、または負の値となり、有効電力Psが直流平滑コンデンサCdから交流電源SUP側に回生される。その結果、直流電圧Vdが減少し、やはりVd*=Vdとなるように制御される。
【0083】
図1の装置では、負荷がとる直流電流Idcを検知し、その量に見合った有効電流を供給するようにフィードフォワード補償器FFで補償量IqFF=k1・Idcを演算し、加算器C2に入力している。これにより、負荷が急変した場合、それに見合った入力電流(有効電流)Iqが供給され、直流平滑コンデンサCdの印加電圧Vdの変動を抑える。
【0084】
<第2の実施の形態>
この実施の形態は、図1の電力変換装置において、リカバリ電流抑制用リアクトルLpに、これに流れたリカバリ電流をリセットするために、ダイオードDpおよび抵抗Rpの直列回路からなるリセット回路を並列接続するものである。
【0085】
リカバリ電流抑制用リアクトルLpは、電圧形自励式電力変換器CNVの自己消弧素子がオンしたときに電力用ダイオード整流器RECの各ダイオードに過大なリカバリ電流が流れ込むのを抑制する。通常、このリアクトルLpのインダクタンスは数十μH程度であり、交流リアクトルLsに比べると、2桁ぐらい小さい。このリアクトルLpにリカバリ電流が流れた場合、次のスイッチングのときまでにその電流を一旦リセットする必要があり、リセット回路はそのリセットのために設けられている。
【0086】
図1の回路装置において、例えば、R相の入力電流Irが電力用ダイオードPD1を介して流れているとき、自己消弧素子S4がオンした場合、ダイオードPD1のリカバリ電流は、直流平滑コンデンサCd(+)→リアクトルLp→電力用ダイオードPD1→自己消弧素子S4→直流平滑コンデンサCd(−)、の経路に流れる。リアクトルLpは、この電流が過大にならないように抑制する。リカバリ電流によりダイオードPD1の内部の蓄積キャリアが消滅すると、ダイオードPD1がオフする。そのとき、リアクトルLpに蓄積されたエネルギーにより、VLP=Lp(di/dt)の電圧がリアクトルLpの両端に発生する。この結果、変換器を構成する自己消弧素子やダイオードには、Vd+VLPの電圧が印加されることになる。このとき、ダイオードDpおよび抵抗Rpからなるリセット回路はリアクトルLpの蓄積エネルギーを消費し、電流をリセットする役割を果たす。リセット回路の時定数Tpは、リアクトルLpのインダクタンスをLp、抵抗Rpの抵抗値をRpとすれば、Tp=Lp/Rpで与えられ、スイッチング周期の1/3以下にするのが望ましい。自励式変換器を1パルスで動作させる場合、電源周波数fsを50Hzとして、スイッチング周期Tswは、Tsw=1/(6・fs)=1/300[s]=3.3[ms]となる。したがって、Tp=1[ms]以下にするのが望ましいことになる。L=50μHとして、R=0.1Ωとすれば、T=0.5[ms]となる。抵抗Rを大きくすると、変換器に印加される電圧が高くなり、その分、素子の耐圧を上げる必要がある。
【0087】
リカバリ電流抑制用リアクトルLpに流れたリカバリ電流をリセットする回路として、図1では、ダイオードDpと抵抗Rpの直列回路を示したが、抵抗Rpの代わりに直流電圧源を用意してもよい。直流電圧源としては、バッテリーあるいは大容量の直流平滑コンデンサ等があり得る。その直流電圧源にはエネルギーが徐々に蓄積されるので、それを消費する回路または電源に回生する回路等が付加されることが多い。
【0088】
このように、例えばダイオードDpと抵抗Rpからなるリセット回路をリカバリ電流抑制用リアクトルLpに並列接続することにより、直流側に挿入されたリカバリ電流抑制用リアクトルLpの機能を保持することができる。
【0089】
<第3の実施の形態>
図3は、図1における位相制御回路PHCの実施形態を示すものである。図3において、AD1〜AD3は各相別に設けられた加減算器、PTN1〜PTN3は同様に各相別に設けられたパルスパターン発生器を示す。加減算器AD1〜AD3は、位相信号θr,θs,θtから位相角指令値φ*を引き算し、新たな位相信号θcr,θcs,θctを作る。この新たな位相信号θcr,θcs,θctは、0〜2πの周期関数で、電源周波数に同期して変化する。パルスパターン発生器PTN1〜PTN3は、新たな位相信号θcr,θcs,θctに対して、一定のパルスパターンとなるようにゲート信号g1〜g6を各相別に発生する。
【0090】
R相を代表例として、パルスパターン発生器PTN1は、位相信号θcrに対するR相素子S1,S4のパルスパターンをテーブル関数として記憶したもので、図4に1パルス動作時の波形を示す。図中、VrはR相電源電圧、θrは電源電圧Vrに同期した位相信号で、0〜2πの間で変化する周期関数となる。新たな位相信号θcr=θr−φ*は、0〜2πの間で変化する周期関数で、θrの信号に対しφ*だけ遅れた信号で与えられる。すなわち、入力θcrに対し、次のようなゲート信号g1(またはg4)を出力する。すなわち、
0≦θcr<πの範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
π≦θcr<2πの範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
である。
【0091】
自励式電力変換器CNVの交流側出力電圧(R相)Vcrは、
S1オン(S4オフ)のとき、Vcr=+Vd/2
S1オフ(S4オン)のとき、Vcr=−Vd/2
となる。直流電圧Vdが一定ならば、交流出力電圧Vcrの振幅値は一定となる。交流出力電圧Vcrの基本波Vcr*の位相は、電源電圧Vsに対し位相角φだけ遅れている。S相およびT相も、R相からそれぞれ120°ないし240°ずれてているが、同様にして与えられる。
【0092】
図5は、図4のパルスパターンで自励式電力変換器CNVを動作させた場合のR相各部動作波形を示す。なお、説明の便宜上、入力電流Irは正弦波としてリップル分を省略して描いている。図5は力行運転時の動作波形を示すもので、変換器の交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vrに対し、位相角φだけ遅れている。また、入力電流Irは電源電圧Vrに対し、位相角(φ/2)だけ遅れて流れる。ここで、IS1,IS4はR相の自己消弧素子S1,S4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1,D4の電流を、また、IPD1,IPD4は電力用ダイオードPD1,PD4の電流をそれぞれ表わしている。以下に、そのときの動作を図1を参照して説明する。
【0093】
R相入力電流Irが負から正に変るまでは電力用ダイオードPD4を介して電流が流れている。この状態から電流Irの向きが変ると素子S4がオン状態にあるので、入力電流Irはリカバリ電流抑制用リアクトルLsと素子S4を介して流れるようになる。次に、素子S4をオフにすると、配線インダクタンスの作用により、電流Irはまず高速ダイオードD1を介して流れる。高速ダイオードD1の順方向降下電圧VFD1に対し、電力用ダイオードPD1の順方向降下電圧VFPD1の方が低いため、入力電流Irは直ちに高速ダイオードD1から電力用ダイオードPD1へと移行していく。
【0094】
入力電流Irが再び反転するまでその電流は電力用ダイオードPD1に流れる。入力電流Irが反転した後は素子S1と高速ダイオードD4および電力用ダイオードPD1との間で、上記と同様の動作が行われる。
【0095】
かくして、この実施形態によれば、力行運転時の入力電流Irの大部分は電力用ダイオードPD1,PD4に流れるので、損失が小さく、過負荷耐量の大きな電力変換装置を提供することができる。
【0096】
電力用ダイオード整流器RECの交流端子と、自励式変換器CNVの交流端子との間の直接配線距離を短くすることにより、配線インダクタンスを小さくすることができ、高速ダイオードD1〜D6に流れる電流をほとんどゼロにすることができる。最終的には高速ダイオードD1〜D6を省略することも可能である。
【0097】
自励式電力変換器CNVの自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIsmとした場合、
Imax=Ism×sin(φ/2)
となる。例えば、φ=20°の場合、
Imax=0.174×Ism
となる。すなわち、自己消弧素子S1〜S6として遮断電流の小さい容量のものを用意すればよく、コストの安い電力変換装置を提供することができる。
【0098】
図6は、回生運転時の動作波形を示すもので、IS1,IS4はR相の自己消弧素子S1とS4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1とD4の電流を、また、IPD1,IPD4は電力用ダイオードの電流をそれぞれ表わしている。変換器の交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vrに対し、位相角φだけ進んでいる。また、入力電流Irは電源電圧の反転値−Vrに対し、位相角(φ/2)だけ進んで流れる。
【0099】
R相入力電流Irが負で、素子S1がオン(S4はオフ)のときは、入力電流Irは素子S1を介して流れる。素子S1をオフ(S4をオン)すると、配線インダクタンスの作用により、電流Irはまず高速ダイオードD4を介して流れる。高速ダイオードD4の順方向降下電圧VFD4に対し、電力用ダイオードPD4の順方向降下電圧VFPD4の方が低いため、入力電流Irは直ちに高速ダイオードD4から電力用ダイオードPD4に移っていく。入力電流Irが反転すると、素子S4に電流が流れ、上記と同様に素子S4をオフすることにより、まず高速ダイオードD1に電流が移り、直ちに電力ダイオードPD1に電流が移る。
【0100】
回生運転時、自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIsmとした場合、
Imax=Ism×sin(φ/2)
となる。例えば、φ=20°の場合、
Imax=0.174×Ism
となる。
【0101】
以上のように、回生運転時の入力電流Irの大部分は自己消弧素子S1〜S6に流れるが、素子S1〜S6の遮断電流は小さくてすみ、コストの安い電力変換装置を提供することができる。
【0102】
電気鉄道では、1つの変電所から複数の車両に電力供給を行うため、一般に力行運転時の負荷が重く、回生電力は小さくなる。例えば、力行運転時の過負荷耐量として定格出力の300%が要求されるが、普通、回生電力は100%定格を持てばよい。本電力変換装置は、このような力行運転時の過負荷耐量として大きなものに適している。
【0103】
図7は、力行運転から回生運転に移行するときの過渡時の動作波形を示すもので、電源電圧Vrに対し、電力変換器の交流出力電圧Vcrの位相角φを遅れ位相からゼロに変化させたものである。入力電流Irが正のとき、自己消弧素子S4がオン(S1はオフ)し、電力用ダイオードPD1に流れていた入力電流Irが素子S4に転流する。このとき、直流側に配置されたリカバリ電流抑制用リアクトルLpが作用し、電力用ダイオードPD1に流れるリカバリ電流IPD1reを抑制する。このリカバリ電流抑制用リアクトルLpが無いと、電力用ダイオードPD1に過大なリカバリ電流が流れ、損失を増加させるばかりでなく、ダイオードPD1や自己消弧素子S4を破壊することにもなる。入力電流Irが負のとき、自己消弧素子S1がオン(S4はオフ)し、電力用ダイオードPD4に流れていた入力電流Irが素子S1に転流する場合も同様である。
【0104】
自励式変換器CNVを1パルスで運転することにより、スイッチング回数が最小になり、変換器効率はさらに向上する。また、交流側出力電圧Vcの基本波成分が大きくなり、自励式変換器の電圧利用率が向上する。また、変換器力率がほぼ1で運転されるため、入力電流Isのゼロ点付近で1回だけスイッチングを行うことになり、力行運転時も回生運転時も、自己消弧素子の遮断電流は極めて小さくなる。この結果、高効率かつ低コストの電力変換装置を提供することができる。また、大電流を遮断しないということは、ソフトスイッチングに近いスイッチングということであり、そのためEMIノイズが小さくなり、環境にもやさしい電力変換装置を提供することができる。
【0105】
<第4の実施の形態>
図8は、パルスパターン発生器PTN1として、3パルス出力を行ったときの動作波形を示すもので、R相について描いている。図中、VrはR相電源電圧、θrは電源電圧Vrに同期した位相信号で、0〜2πの間で変化する周期関数となる。新たな位相信号θcr=θr−φ*は、0〜2πの間で変化する周期関数で、位相信号θrの信号に対しφ*だけ遅れた信号で与えられる。また、位相信号θcrに対するR相素子S1,S4のパルスパターンは、
0≦θcr<θ1の範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
θ1≦θcr<θ2の範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
θ2≦θcr<πの範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
π≦θcr<θ3の範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
θ3≦θcr<θ4の範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
θ4≦θcr<2πの範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
となる。
【0106】
このとき、自励式電力変換器CNVの交流側出力電圧(R相)Vcrは、
S1オン(S4オフ)のとき、Vcr=+Vd/2
S1オフ(S4オン)のとき、Vcr=−Vd/2
となる。出力電圧Vcrの基本波Vcr*の位相は、電源電圧Vrに対し位相角φだけ遅れている。S相およびT相も同様に与えられる。
【0107】
この場合もパルスパターンは固定され、直流電圧Vdを一定とした場合、自励式電力変換器CNVの交流出力電圧の基本波波高値は一定となる。
【0108】
図9は、図8のパルスパターンで自励式電力変換器を動作させた場合のR相の各部動作波形を示す。なお、説明を簡略化するため、入力電流Irは正弦波としてリップル分を省略して描いている。図9は力行運転時の動作波形を示すものであり、変換器の交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vsに対し位相角φだけ遅れる。また、入力電流Isは電源電圧Vsに対し、位相角(φ/2)だけ遅れて流れる。ここで、IS1,IS4はR相自己消弧素子S1,S4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1,D4の電流を、また、IPD1,IPD4は電力用ダイオードPD1,PD4の電流をそれぞれ表わしている。そのときの動作を以下に説明する。
【0109】
入力電流Irが負から正に変るまでは電力用ダイオードPD4を介して電流が流れている。この状態から電流Irの向きが変ると素子S4がオン状態にあるので、入力電流Irは素子S4を介して流れるようになる。次に、素子S4をオフにすると、配線インダクタンスの作用により、電流Irはまず高速ダイオードD1を介して流れる。高速ダイオードD1の順方向降下電圧VFD1に対し、電力用ダイオードPD1の順方向降下電圧VFPD1の方が低いため、入力電流Irは直ちに高速ダイオードD1から電力用ダイオードPD1へと移行していく。
【0110】
次に、素子S4を再びオンすると、入力電流Irは素子S4を介して流れ、電力用ダイオードPD1および高速ダイオードD1の電流はゼロとなる。さらに、図9のθ1で、素子S4をオフすると、上記と同じように、まず高速ダイオードD1に電流が流れ、次に電力用ダイオードPD1に電流が移っていき、入力電流Irが再び反転するまでその電流は電力用ダイオードPD1に流れる。入力電流Irが反転した後は、素子S1と高速ダイオードD4および電力用ダイオードPD4の間で上記と同様の動作が行われる。
【0111】
図9のパルスパターンは3パルスの場合を示したが、自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIsmとした場合、
Imax=Ism×sin(φ/2+θ1)
となる。ただし、θ2<90°とする。例えば、φ=20°、θ2=10°とした場合、
Imax=0.342×Ism
となる。
【0112】
このように、本実施形態によれば、力行運転時には大部分の電流が、オン電圧の小さい電力用ダイオードPD1〜PD6を通って流れ、高効率の変換装置を達成することができる。また、自己消弧素子S1〜S6の遮断電流を小さくすることができ、装置全体のコストを大幅に低減することができる。
【0113】
図10は、パルスパターン発生器PTN1として、5パルス出力運転を行う場合の動作波形を示すもので、R相について描いている。図中、VrはR相電源電圧、θrは電源電圧Vrに同期した位相信号で、0〜2πの間で変化する周期関数となる。また、新たな位相信号θcr=θr−φ*は、0〜2πの間で変化する周期関数で、θrの信号に対しφ*だけ遅れた信号で与えられる。また、位相信号θcrに対するR相素子S1、S4のパルスパターンは次のようになる。
【0114】
0≦θcr<θ1の範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
θ1≦θcr<θ2の範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
θ2≦θcr<θ3の範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
θ3≦θcr<θ4の範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
θ4≦θcr<πの範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
π≦θcr<θ5の範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
θ5≦θcr<θ6の範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
θ6≦θcr<θ7の範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
θ7≦θcr<θ8の範囲で、g1=1、g4=0(S1オン、S4オフ)
θ8≦θcr<2πの範囲で、g1=0、g4=1(S1オフ、S4オン)
自励式電力変換器CNVの交流側出力電圧(R相)Vcrは、
S1オン(S4オフ)のとき、Vcr=+Vd/2
S1オフ(S4オン)のとき、Vcr=−Vd/2
となる。直流電圧Vdが一定ならば、交流出力電圧Vcrの振幅値は一定となる。Vcrの基本波Vcr*の位相は、電源電圧Vrに対し位相角φだけ遅れている。S相およびT相も同様に与えられる。
【0115】
図11は、図10のパルスパターンで自励式電力変換器を動作させた場合の各部動作波形を示すもので、R相について表わしている。なお、説明を簡略化するため、入力電流Irは正弦波としてリップル分を省略して描いている。
【0116】
図11において、変換器の交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vsに対し、位相角φだけ遅れている。したがって、電力変換装置は力行運転となり、入力電流Isは電源電圧Vsに対し、位相角(φ/2)だけ遅れて流れる。ここで、電流IS1,Is4はR相の自己消弧素子S1,S4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1,D4の電流を、また、電流IPD1,IPD4は電力用ダイオードの電流波形をそれぞれ表わしている。以下に、そのときの動作を図1の装置を用いて説明する。
【0117】
入力電流Irが負から正に変るまでは電力用ダイオードPD4を介して電流が流れている。この状態から電流Irの向きが変ると素子S4がオン状態にあるので、入力電流Irは素子S4を介して流れるようになる。次に、素子S4をオフにすると、配線インダクタンスの作用により、電流Irはまず高速ダイオードD1を介して流れる。高速ダイオードD1の順方向降下電圧VFD1に対し、電力用ダイオードPD1の順方向降下電圧VFPD1の方が低いため、入力電流Irは、直ちに高速ダイオードD1から電力用ダイオードPD1に移る。
【0118】
次に、素子S4を再びオンにすると、入力電流Irは素子S4を介して流れ、電力用ダイオードPD1および高速ダイオードD1の電流はゼロとなる。さらに、素子S4をオフにすると、電流Irはまず高速ダイオードD1を介して流れ、直ちに電力用ダイオードPD1に電流が移行していく。図10に示したパルスパターンに従って上記動作を繰り返すが、図10の位相角θ2で、素子S4がオフ(素子S1がオン)した後は、上記と同じように、まず高速ダイオードD1に電流が流れ、次に電力用ダイオードPD1に電流が移行し、入力電流Irが再び反転するまでその電流は電力用ダイオードPD1に流れる。入力電流Irが反転した後は、素子S1と高速ダイオードD4および電力用ダイオードPD4の間で、上記と同様の動作が行われる。
【0119】
図11のパルスパターンは5パルスの場合を示したが、自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIsmとした場合、
Imax=Ism×sin(φ/2+θ2)
となる。ただし、θ2<90°とする。例えば、φ=20°、θ2=15°とした場合、
Imax=0.42×Ism
となる。
【0120】
パルス数を増やしていくことにより、入力電流Irの高調波成分を低減し、電流脈動を小さくすることができるが、その反面、自己消弧素子の遮断電流の最大値Imaxが増加してくる欠点がある。後で説明するように、電力変換器の多重化等により、入力電流高調波を減らし、できるだけ少ないパルス数で運転することが望ましい。
【0121】
自励式変換器CNVを一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流Isの高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、上記のように変換器力率が1に近いところで運転されるため、電流Isのゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器CNVを構成する自己消弧素子の遮断電流は小さくて済む。これにより、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0122】
<第5の実施の形態>
図12は、本発明装置の別の制御装置の実施形態を示すものである。この実施形態では、図1の制御装置における電圧指令値Vd*を、演算回路CALにより電源電圧の波高値Vsmあるいは入力電流の波高値Ismに応じて変化させる。一つの制御方式として、演算回路CALは、電源電圧波高値Vsmに比例させて直流電圧指令値Vd*を与える。
【0123】
図13は、直流電圧Vdを一定に制御したとき、電源電圧Vsの振幅値が変動した場合の交流電源側の電圧・電流ベクトル図を示すものである。Vs=Vcでは、位相角φ=0で、入力電流Isはゼロとなる。これに対し、Vs<Vcでは、φ=0のときに進み電流が流れてしまう。逆に、Vs>Vcでは、φ=0のときに遅れ電流が流れてしまう。電源電圧Vsが変動した場合、それに合わせて直流電圧Vdを調整することにより、変換器出力電圧Vcの基本波波高値を常に電源電圧Vsの波高値に合わせることができる。これにより、位相角φ=0のとき無駄な無効電流を電源からとることを防止することができる。
【0124】
<第6の実施の形態>
図12の制御装置において、演算回路CALは、直流電圧指令値Vd*を、
Vd*=k・√{Vsm+(ωLs・Ism)
として与えるものとする。ここで、Vsmは電源電圧波高値、ωは電源角周波数、Lsは交流リアクトルLsのインダクタンス値、Ismは入力電流Isの波高値を表わす。
【0125】
この制御方式では、電源電圧Vsの大きさによって直流電圧指令値Vd*を変化させるだけでなく、入力電流波高値Ismにも関係させてVd*を調整する。
【0126】
図14は、この時の交流側の電圧・電流ベクトル図を示したもので、変換器出力電圧は、
Vc=√{Vs+(ωLs・Is)
の関係を保つ。この結果、電源電圧ベクトルVsと交流リアクトルLsの印加電圧(=jωLs・Is)が常に直交関係を保つようになり、入力電流Isは電源電圧Vsと同相(または逆相)となって、入力力率=1となる。
【0127】
図15は、入力電流波高値Ismに対する直流電圧指令値Vd*の関係を示したもので、電流Ismが大きくなるに従って直流電圧指令値Vd*を増加させている。
【0128】
<第7の実施の形態>
図12の制御回路において、演算回路CALは、直流電圧指令値Vd*を、
Vd*=k・√{Vsm−(ωLs・Ism)
として与えるものとする。ここで、Vsmは電源電圧波高値、ωは電源角周波数、Lsは交流リアクトルのインダクタンス値、Ismは入力電流波高値を表わす。
【0129】
この制御方式でも、電源電圧Vsの大きさによって直流電圧指令値Vd*を変化させるだけでなく、入力電流波高値Ismにも関係させてVd*を調整する。
【0130】
図16は、この時の交流側の電圧・電流ベクトル図を示したもので、変換器出力電圧は、
Vc=√{Vs−(ωLs・Is)
の関係を保つ。この結果、変換器出力電圧ベクトルVcと交流リアクトルLsの印加電圧(=jωLs・Is)が常に直交関係を保つようになり、入力電流Isは変換器出力電圧Vcと同相(または逆相)となって、変換器力率が1となる。
【0131】
図17は、入力電流波高値Ismに対する直流電圧指令値Vd*の関係を示したもので、電流Ismが大きくなるに従って直流電圧指令値Vd*は減少することを示している。
【0132】
図18は、1パルスモードで、変換器力率を1にして運転したときの動作波形を示す。R相について表わしており、説明の便宜上、入力電流Irは正弦波としてリップル分を省略して描いている。図中、IS1,IS4はR相の自己消弧素子S1,S4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1,D4の電流を表し、また、IPD1,IPD4は電力用ダイオードPD1,PD4の電流波形をそれぞれ表わしている。
【0133】
図18は力行運転時の波形を示しており、変換器の交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vsに対し位相角φだけ遅れている。入力電流Irは変換器の交流出力電圧Vcrと同相になり、電源電圧Vrに対し位相角φだけ遅れて流れる。
【0134】
1パルスモードでは、入力電流Irがゼロのとき、自己消弧素子S1あるいはS4がオン/オフ動作するため、素子の遮断電流はゼロとなる。回生運転でも同様になる。すなわち、変換器力率=1で運転することにより、自励式変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流をゼロにして運転することが可能となり、変換器コストを大幅に低減することが可能となる。また、ゼロ電流スイッチングすなわちソフトスイッチングが可能となり、現在ハードスイッチングで問題とされているEMIノイズや誘導障害の問題を解決することができる。
【0135】
<第8の実施の形態>
図19は、本発明装置の別の実施形態を示すものである。この実施形態では、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVを組み合わせた電力変換装置を2台用意し、両者に30°の位相差を持たせた2組の2次巻線を有する3相変圧器TRを用いて、電力変換装置の交流側で並列多重運転し、直流側で並列接続するように構成している。ここでは、図1で説明したダイオード整流器REC、電圧形自励式電力変換器CNV、交流リアクトルLs、およびリカバリ電流抑制リアクトルLpの末尾にそれぞれ1または2を付して第1または第2のグループに属することを表している。交流電源端子R,S,Tと交流リアクトルLS1,LS2との間に介在されている変圧器TRは2組の2次巻線を有し、一方の2次巻線は星形結線(Y結線)、他方の2次巻線は三角結線(Δ結線)であって、両者の出力電圧には30°の位相差が存在する。変圧器TRの一方の2次巻線は第1のグループの電力変換装置に給電し、他方の2次巻線は第2のグループの電力変換装置に給電する。両電力変換器CNV1,CNV2は直流側で並列接続され、その直流端子が共通の直流平滑コンデンサCdおよび負荷装置LOADに接続されている。負荷装置LOADはインバータINVおよび交流電動機Mを一括表現したものである。
【0136】
図20は、図19の電力変換装置を制御する制御装置の実施形態を示すものであり、有効電流指令値Iq*を作成するところまでは両グループに共通に使用され、ここから後が2グループに分かれる。各グループの構成要素は図1のものと同様であるが、ここでも第1のグループのものと第2のグループのものは末尾符号1または2で区別されている。最終的に第1の制御装置は第1の電力変換器CNV1の自己消弧素子のためのゲート信号g11〜g16を出力し、第2の制御装置は第2の電力変換器CNV2の自己消弧素子のためのゲート信号g21〜g26を出力する。
【0137】
2組の電力変換装置の例えばR相の入力電流(変圧器TRの2次電流)Ir1,Ir2は独立に制御されるが、両者の指令値Iq*は同じなので、ほぼ同じ値に制御される。その結果、変圧器TRの1次電流の高調波が互いに打ち消し合い、電流リップルの少ない運転をすることができる。3組以上の電力変換装置を組み合わせて並列多重運転した場合には、変圧器TRの1次電流リップルをさらに低減することができる。
【0138】
本装置は、変換装置の大容量化、および交流電源から供給される入力電流Isの高調波成分の低減を図ることができ、これにより、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能な、高効率・低コストの大容量電力変換装置を提供することが可能となる。
【0139】
<第9の実施の形態>
本実施形態は、第8の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnを一定のパルスパターンで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する位相角φを調整することにより交流入力電流Isを制御し、直流平滑コンデンサCdの電圧Vdを制御する。電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは一定のパルスパターンで動作し、交流電源の電圧Vsに同期したスイッチングを行う。直流電圧Vdが一定ならば、自励式電力変換器CNV1〜CNVnの交流出力電圧Vc1〜Vcnの振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧Vsに対する出力電圧Vc1〜Vcnの位相角φを変えることより、交流リアクトルLs1〜Lsnに印加される電圧が変化し、入力電流Isを調整することができる。電源電圧Vsに対する各変換器の出力電圧Vc1〜Vcnの位相角φを遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力Psが増加する。逆に位相角φを進み方向に増やすと、有効電力Psが交流電源に回生される。
【0140】
自励式変換器CNV1〜CNVnを一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流Isの高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、変換器力率が1に近いため、電流Isのゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器CNV1〜CNVnを構成する自己消弧素子の遮断電流は小さくて済む。これにより、入力電流Isの高調波成分が小さく、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0141】
<第10の実施の形態>
本実施形態は、第8の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは、交流電源SUPの周波数に同期した1パルスモードで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する位相角φを調整することにより交流入力電流Isを制御し、直流平滑コンデンサCdの電圧Vdを制御する。
【0142】
各電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnを1パルスモードで動作させることにより、スイッチング損失を減らし、自励式変換器の電圧利用率を向上させることができる。また、入力電流Isのゼロ点付近で自励式変換器をスイッチングさせるため、自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率・大容量の電力変換装置を提供することができる。
【0143】
<第11の実施の形態>
図21は、本発明装置のさらに別の実施例を示すものである。この実施形態の特徴は、第1および第2の電圧形自励式電力変換器CNV1,CNV2の直流側を直列接続して共通の負荷装置LOADに給電するようにした点にある。他の構成はは、図19のものと同一である。
【0144】
図22は、図21の装置の制御装置の実施形態を示すものである。自励式電力変換器CNV1およびCNV2は、直流平滑コンデンサCd1,Cd2の電圧Vd1,Vd2が指令値Vd*にそれぞれ一致するように制御動作する。比較器C11により、電圧検出値Vd1を電圧指令値Vd*と比較し、その偏差εv1を電庄制御補償回路Gv1(S)により積分または比例増幅し、加算器C21の一方の入力端に入力する。同様に、比較器C12により、電圧検出値Vd2を電圧指令値Vd*と比較し、その偏差εv2を電圧制御補償回路Gv2(S)により積分または比例増幅し、加算器C22の一方の入力端に入力する一方、負荷LOADが消費する直流電流Idvを検知し、共通のフィードフォワード補償器FFを介して、加算器C21およびC22の各他方の入力端に入力する。加算器C21の出力が電源SUPから第1の電力変換装置(REC1+CNV1)に供給される有効電流の指令値Iq1*となり、加算器C22の出力が電源SUPから第2の電力変換装置(REC2+CNV2)に供給される有効電流の指令値Iq2*となる。その他は図20のものと同様である。
【0145】
電圧形自励式電力変換器CNV1,CNV2は電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス、3パルス、5パルス等)で電源電圧に対する位相角φ1,φ2を制御することにより、入力電流を制御する。
【0146】
2組の電力変換装置の入力電流(変圧器TRの2次電流)Ir1,Ir2(R相)は独立に制御されるが、定常状態では直流電圧Vd1およびVd2がほぼ同じになり、有効電流指令値Iq1*,Iq2*がほぼ等しくなるので、入力電流Is1,Is2はほぼ同じ値に制御される。その結果、変圧器の1次電流の高調波が互いに打ち消し合い、電流リップルの少ない運転をすることができる。3組以上の電力変換装置を組み合わせて並列多重運転した場合には、変圧器TRの1次電流リップルをさらに低減することができる。
【0147】
本装置は、変換装置の大容量化と、直流出力電圧Vdの高圧化、および交流電源から供給される入力電流Isの高調波成分の低減を図ることができ、これにより、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能な、高効率・低コストの大容量電力変換装置を提供することが可能となる。
【0148】
<第12の実施の形態>
本実施形態の特徴は、第11の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは一定のパルスパターンで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する位相角φを調整することにより交流入力電流Isを制御し、直流平滑コンデンサCd1〜Cdnに印加される電圧Vd1〜Vdnを制御することにある。
【0149】
電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは、一定のパルスパターンで、交流電源の電圧Vsに同期したスイッチングを行う。直流電圧Vdが一定ならば、自励式変換器CNV1〜CNVnの交流出力電圧Vc1〜Vcnの振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧Vsに対する出力電圧Vc1〜Vcnの位相角φを変えることより、交流リアクトルLs1〜Lsnに印加される電圧が変化し、各電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnの入力電流を調整することができる。自励式変換器CNV1〜CNVnを一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流Isの高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、変換器力率が1に近いところで動作させることにより、電流Isのゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器CNV1,CNV2を構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。
【0150】
電源電圧Vsに対する各変換器の出力電圧Vc1〜Vcnの位相角φを遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力Psが増加する。逆に位相角φを進み方向に増やすと、有効電力Psが交流電源に回生される。自励式変換器CNV1〜CNVnは、直流平滑コンデンサCd1〜Cdnの電圧Vd1〜Vdnがほぼ一定になるように制御する。その結果、その和電圧Vd0=Vd1+Vd2+…+Vdnが一定に制御される。これにより、直流出力電圧の高圧化を図ることができ、入力電流Isの高調波成分が小さく、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0151】
<第13の実施の形態>
本実施形態では、第11の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは交流電源SUPの周波数に同期した1パルスモードで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する位相角φを調整することにより各電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnの入力電流を制御し、直流平滑コンデンサCd1〜Cdnに印加される電圧Vd1〜Vdnを制御する。
【0152】
各電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnを1パルスモードで動作させることによりスイッチング損失を減らし、自励式変換器の電圧利用率を向上させることができる。また、入力電流Isのゼロ点付近で自励式変換器をスイッチングさせるため、自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率・大容量の電力変換装置を提供することができる。
【0153】
<第14の実施の形態)
図23は、本発明のさらに別の実施形態例を示すものである。この実施形態の特徴は、図19の装置において、2組の2次巻線を有する1台の変圧器TRの代わりに、1次巻線を直列接続し、相互に30°の位相差を有する電圧を出力する2台の3相変圧器TR1,TR2を用いて、直列多重運転をするように構成し、さらに、2台の変圧器の漏れインダクタンスを利用することにより、図19に示した交流リアクトルLs1,Ls2を省略していることにある。もちろん、図19のものと同様に外部に交流リアクトルLs1,Ls2を設けても原理的には同じことになる。
【0154】
図24は、図23の装置の制御装置の実施形態を示すものである。ここでは、加算器C1から電流制御補償回路Gi(S)までは図1のものと同様であり、位相制御回路PHC1,PHC2以降が2グループに分岐される。位相制御回路PHC1,PHC2は、すでに述べた共通の位相角指令値φ*を用いて両電力変換器CNV1,CNV2のためのゲート信号g11〜g16,g21〜g26を生成する。
【0155】
電圧形自励式電力変換器CNV1,CNV2は、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス、3パルス、5パルス等)で電源電圧に対する位相角φを制御することにより、入力電流Ir,Is,Itを制御する。この装置では、2台の変圧器TR1,TR2が1次側で直列接続されているので、2台の電力変換装置(REC1+CNV1とREC2+CNV2)の入力電流は同じになり、高調波の少ない電流となる。
【0156】
以上は、2台の電力変換装置を用いた例を示したが、3台以上の電力変換装置を用いて直列多重接続運転をすることができることは言うまでもない。
【0157】
本装置によれば、変換装置の大容量化、および交流電源から供給される入力電流Isの高調波成分の低減を図ることができる。特に、直列多重運転により、各変換器に流れる交流側入力電流の高調波成分を低減することができ、自励式電力変換器CNV1〜CNVnの制御パルスを少なくすることができる利点がある。また、3相変圧器の漏れインダクタンス分を利用することにより、従来の交流リアクトルを省略することが可能となる。これにより、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能な、高効率・低コストの大容量電力変換装置を提供することができる。
【0158】
<第15の実施の形態>
本実施形態は、第14の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNVl〜CNVnは、一定パルスパターンで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する位相角φを調整することにより交流入力電流Isを制御し、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを制御する。
【0159】
電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは、一定のパルスパターンで、交流電源の電圧Vsに同期したスイッチングを行う。直流電圧Vdが一定ならば、自励式変換器CNV1〜CNVnの交流出力電圧Vc1〜Vcnの振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧Vsに対する出力電圧Vc1〜Vcnの位相角φを変えることより、変圧器の漏れインダクタンス分に印加される電圧が変化し、入力電流Isを調整することができる。自励式変換器CNV1〜CNVnを一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流Isの高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、変換器力率が1に近いところで動作させることにより、電流Isのゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式変換器CNV1〜CNVnを構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができる。
【0160】
電源電圧Vsに対する各変換器の出力電圧Vc1〜Vcnの位相角φを遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力Psが増加する。逆に位相角φを進み方向に増やすと、有効電力Psが交流電源に回生される。
【0161】
自励式変換器CNV1〜CNVnは、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdがほぼ一定になるようた入力電流Isを制御する。これにより、入力電流Isの高調波成分が小さく、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を提供することができる。
【0162】
<第16の実施の形態>
本実施形態は、第14の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnを、交流電源SUPの周波数に同期した1パルスモードで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する位相角φを調整することにより交流入力電流Isを制御し、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを制御する。
【0163】
本実施形態では、第15の実施形態と同じく自励式変換器CNV1〜CNVnを一定のパルスパターンで運転するが、そのパルス数を1パルスにしたものである。当然、直流電圧Vdが一定ならば、自励式変換器CNV1〜CNVnの交流側出力電圧Vc1〜Vcnの振幅値は一定となる。電源電圧Vsに対する自励式変換器CNV1〜CNVnの交流側出力電圧Vc1〜Vcnの和電圧の位相角φを調整することにより、入力電流Isを制御するが、φ=0のとき、Is=0となるようにするには、電源電圧Vsの波高値と変換器出力電圧Vc1〜Vcnの和電圧の基本波波高値が同じになるようにする必要がある。直流電圧Vdは負荷側の要求等により決まってしまうので、3相変圧器TR1〜TRnの2次側電圧を各自励式変換器CNV1〜CNVnの交流側出力電圧Vc1〜Vcnの基本波成分と同じになるように値を合わせる。
【0164】
自励式変換器CNV1〜CNVnを1パルスで運転することにより、スイッチング回数が最小になり、変換器効率をさらに向上させることができる。また、交流側出力電圧Vc1〜Vcnの基本波成分が大きくなり、自励式変換器CNV1〜CNVnの電圧利用率が向上する。また、変換器力率がほぼ1で運転されるため、入力電流Isのゼロ点付近で1回だけスイッチングを行うことになり、力行運転時も回生運転時も、自己消弧素子の遮断電流は極めて小さくなる。この結果、高効率で低コストの電力変換装置を提供することができる。また、大電流を遮断しないということは、ソフトスイッチングに近いということであり、EMIノイズが小さくなり、環境にもやさしい電力変換装置を提供することができる。
【0165】
<第17の実施の形態>
本実施形態は、第8〜16の実施形態の電力変換装置において、リカバリ電流抑制用リアクトルLp1〜Lpnに、ダイオードDp1,Dp2および抵抗Rp1,Rp2の直列回路からなるリカバリ電流をリセットするためのリセット回路を並列接続したものである。
【0166】
本実施の形態では、第8〜16の実施形態の電力変換装置において、リカバリ電流抑制用リアクトルLp1〜Lpnに対しそれぞれ、これらのリアクトルに流れたリカバリ電流をリセットするリセット回路を付加したものである。リセット回路はそれぞれダイオードDp1〜Dpnおよび抵抗Rp1〜Rpnの直列回路からなっている。
【0167】
リカバリ電流抑制用リアクトルLp1〜Lpnは、電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnの自己消弧素子がオンしたときに電力用ダイオード整流器REC1〜RECnの各ダイオードに過大なリカバリ電流が流れ込むのを抑制する役割を持っている。通常、リアクトルLp1〜Lpnは数十μHのインダクタンス値のものである。リアクトルLp1〜Lpnにリカバリ電流が流れた場合、次のスイッチングのときまでにその電流を一旦リセットする必要がある。そのためリアクトルLp1〜Lpnにはリカバリ電流を一旦リセットするリセット回路を並列接続する。
【0168】
電力用ダイオードに流れるリカバリ電流が無くなるとき、VLP=Lp(di/dt)の電圧がリアクトルLp1〜Lpnに発生する。この結果、この結果、変換器を構成する自己消弧素子やダイオードには、Vd+VLPの電圧が印加されることになる。このとき、ダイオードおよび抵抗からなるリセット回路は各リアクトルLp1〜Lpnの蓄積エネルギーを消費し、電流をリセットする役割を果たす。リセット回路の時定数Tpは、リアクトルのインダクタンスをLp、抵抗の抵抗値をRpとすれば、Tp=Lp/Rpで与えられ、スイッチング周期の1/3以下にするのが望ましい。自励式変換器を1パルスで動作させる場合、電源周波数fsを50Hzとすれば、スイッチング周期Tswは、Tsw=1/(6・fs)=1/300[s]=3.3[ms]となる。したがって、Tp=1[ms]以下にするのが望ましいことになる。Lp=50μHとして、Rp=0.1Ωとすれば、Tp=0.5[ms]となる。抵抗値Rpを大きくすると、変換器に印加される電圧が高くなり、その分、素子の耐圧を上げる必要がある。
【0169】
リカバリ電流抑制用リアクトルLp1〜Lpnに流れたリカバリ電流をリセットする回路として、実施形態としてダイオードと抵抗の直列回路を示したが、抵抗の代わりに直流電圧源を用意してもよい。直流電圧源しては、バッテリーあるいは大容量の直流平滑コンデンサ等があり得る。その直流電圧源にはエネルギーが徐々に蓄積されるので、それを消費する回路または電源に回生する回路等が付加されることが多い。
【0170】
このように、例えばダイオードと抵抗からなるリセット回路をリカバリ電流抑制用リアクトルに並列接続することにより、直流側に挿入されたリカバリ電流抑制用リアクトルの機能を保持することができる。
【0171】
<第18の実施の形態>
本実施形態は、第8〜17の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは、交流電源の電圧Vsが変動した場合、電源電圧Vsの変化に合わせて直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdの指令値を変えて制御するものである。
【0172】
n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnを1パルスまたは一定パルスパターンで運転した場合、それらの電力変換器CNV1〜CNVnの交流側出力電圧Vcの振幅値は一定となり、電源電圧Vsが高くなると、変換器CNV1〜CNVnは遅れ力率運転となり、また、電源電圧Vsが低くなると、変換器CNV1〜CNVnは進み力率運転となってしまう。また、力率低下に伴い、自励式電力変換器CNV1〜CNVnの交流側出力電圧Vcと入力電流Isの位相差が大きくなり、自励式電力変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流が大きくなってしまう。そこで、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを、電源電圧Vsの振幅値に合わせて調整することにより、常に|Vs|=|Vc|となるように制御する。これにより、電源力率あるいは変換器力率の極端な低下を防ぐことが可能となり、自己消弧素子の遮断電流の増加を防止することができる。
【0173】
<第19の実施の形態>
本実施の形態は、第8〜18の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは、交流電源SUPの角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように制御するものである。
【0174】
n台の自励式電力変換器CNV1〜CNVnにより、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるようにほぼ調整することにより、入力電流Isの位相を電源電圧Vsに位相に一致させることができ、電源力率=1の運転をすることができる。この効果は回生運転においても同じである。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高力率の電力変換装置を提供することができる。
【0175】
<第20の実施の形態>
本実施の形態は、第8〜18の実施形態の電力変換装置において、n台の電圧形自励式電力変換器CNV1〜CNVnは、交流電源SUPの角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるように制御するものである。
【0176】
n台の自励式電力変換器CNV1〜CNVnにより、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるようにほぼ調整することにより、入力電流Isの電源電圧Vsに対する位相角φを自励式電力変換器CNV1〜CNVnの交流側出力電圧Vcの位相角φにほぼ一致させることができる。すなわち、入力電流Isと変換器出力電圧Vcの位相が一致し、変換器力率=1の運転をすることができる。この結果、自励式変換器CNVを構成する自己消弧素子の遮断電流を小さくすることができ、かつ、変換器容量を低減化することができる。この効果は回生運転においても同様である。これにより、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率の電力変換装置を提供することができる。
【0177】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の電力変換装置によれば、電力回生が可能で、過負荷耐量に優れ、低コストで高効率の電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電力変換装置の実施の形態を示す構成図。
【図2】図1の装置の制御動作を説明するための交流側電圧・電流ベクトル図。
【図3】図1の装置の位相制御動作を説明するための制御ブロック図。
【図4】図1の装置の位相制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図5】図1の装置の力行運転時の制御動作を説明するための各部動作波形図。
【図6】図1の装置の回生運転時の制御動作を説明するための各部動作波形図。
【図7】図1の装置の力行運転から回生運転に至る過程での制御動作を説明するための各部動作波形図。
【図8】図1の装置の位相制御動作を説明するための別のタイムチャート。
【図9】図1の装置の力行運転時の別の制御動作を説明するための各部動作波形図。
【図10】図1の装置の位相制御動作を説明するためのさらに別のタイムチャート。
【図11】図1の装置の力行運転時のさらに別の制御動作を説明するための各部動作波形図。
【図12】本発明装置の別の制御回路の実施の形態を示す構成図。
【図13】本発明装置の動作を説明するための交流側電圧・電流ベクトル図。
【図14】本発明装置の制御動作を説明するための交流側電圧・電流ベクトル図。
【図15】本発明装置の制御動作を説明するための特性図。
【図16】本発明装置の別の制御動作を説明するための交流側電圧・電流ベクトル図。
【図17】本発明装置の別の制御動作を説明するための特性図。
【図18】本発明装置の別の制御動作を説明するための動作波形図。
【図19】本発明装置の別の実施の形態を示す主回路構成図。
【図20】図19の装置の制御回路の実施の形態を示す構成図。
【図21】本発明装置のさらに別の実施の形態を示す主回路構成図。
【図22】図21の装置の制御回路の実施の形態を示す構成図。
【図23】本発明装置のさらに別の実施の形態を示す主回路構成図。
【図24】図23の装置の制御回路の実施の形態を示す構成図。
【図25】従来の電力回生可能なパルス幅変調制御コンバータの構成図。
【符号の説明】
SUP 交流電源
REC 電力用ダイオード整流器
CNV 電圧形自励式電力変換器
Ls 交流リアクトル
Lp リ力バリ電流抑制用リアクトル
Cd 直流平滑コンデンサ
LOAD 負荷
C1,C3 比較器
C2 加算器
Gv(S) 電圧制御補償回路
Gi(S) 電流制御補償回路
FF フィードフォワード補償器
A 3相/dq座標変換回路
PLL 電源同期位相検出回路
PHC 位相制御回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-efficiency and economical power converter that combines a power diode rectifier and a voltage-type self-excited power converter.
[0002]
[Prior art]
In an electric railway DC feeding system, a system in which three-phase AC power is converted into DC power by a power diode rectifier connected in a three-phase bridge is often employed. This method has an advantage of being excellent in overload resistance and reducing the converter cost. However, there was a problem that when the train applied the regenerative brake, the power could not be regenerated to the AC power source side, and the regeneration was often invalidated. In addition, there is a load current dependency, and there is a drawback that the DC feeding voltage varies greatly depending on the load.
[0003]
FIG. 25 shows a circuit configuration of a conventional PWM converter (pulse width modulation control converter) capable of power regeneration. The PWM converter CNV has an AC terminal connected to terminals R, S, and T of a three-phase AC power supply SUP via an AC reactor Ls, a DC terminal is a DC smoothing capacitor Cd, and a three-phase output VVVF (variable voltage variable frequency). Connected to the DC terminal of the inverter INV. The AC terminal of the inverter INV is connected to the AC motor M. The PWM converter CNV includes six-arm six rectifier high-speed diodes D1 to D6 connected in a three-phase bridge, and self-extinguishing elements S1 to S6 which are switching elements for regenerative inverters connected in reverse parallel to the respective diodes. Yes. Diodes D1-D3 and self-extinguishing elements S1-S3 are arranged on the positive side, and diodes D4-D6 and self-extinguishing elements S4-S6 are arranged on the negative side. The inverter INV also has a circuit configuration similar to that of the converter CNV, but detailed description thereof is omitted here.
[0004]
The PWM converter CNV includes a control device including comparators C1 and C2, a voltage control compensator Gv (S), a multiplier ML, a current control compensator Gi (S), and a pulse width modulation control circuit PWMC. Although the comparator C1 and the voltage control compensator Gv (S) are common to each phase, the multiplier ML, the comparator C2, the current control compensator Gi (S), and the pulse width modulation control circuit PWMC are provided for each phase. It is done. Here, only the R-phase internal circuit configuration is shown in detail, but the S-phase and T-phase control circuits are similarly configured. Gate signals g1 and g4 for the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4 are output from the R-phase control circuit, and gate signals g2 and g5 for the S-phase self-extinguishing elements S2 and S5 are output from the S-phase control circuit. , And gate signals g3 and g6 for the T-phase self-extinguishing elements S3 and S6 are output from the T-phase control circuit.
[0005]
The PWM converter CNV controls the input currents Ir, Is, It so that the DC voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd matches the voltage command value Vd * by the control device configured as described above. More specifically, the deviation between the voltage command value Vd * and the voltage detection value Vd is obtained by the comparator C1 and amplified by the voltage control compensator Gv (S) to obtain the amplitude command value Ism of the input current. Multiplier ML multiplies unit sine wave sinωt synchronized with the R-phase voltage and amplitude command value Ism of the input current, and sets the product as R-phase current command value Ir *. The R-phase current command value Ir * and the R-phase current detection value Ir are compared by the comparator C2, and the deviation is inverted and amplified by the current control compensator Gi (S). Here, normally, proportional amplification is used, and the gain is Gi (S) = − Ki. Ki is a proportionality constant. The voltage command value er * = − Ki × (Ir * −Ir), which is the output of the current control compensator Gi (S), is input to the PWM control circuit PWMC, and the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4 of the converter CNV are input. Gate signals g1 and g4 are generated. The PWM control circuit PWMC compares the voltage command value er * with the carrier signal X (for example, a 1 kHz triangular wave). When er *> X, the element S1 is turned on (S4 is turned off), and er * <X. If so, the element S4 is turned on (S1 is turned off). As a result, the R-phase voltage Vr of the converter generates a voltage proportional to the voltage command value er *.
[0006]
When the R-phase input current Ir is Ir *> Ir, the voltage command value er * becomes a negative value, and Ir is increased. Conversely, when Ir * <Ir, the voltage command value er * becomes a positive value, and Ir is decreased. In this way, control is performed so that Ir * = Ir. S-phase and T-phase currents Is and It are similarly controlled.
[0007]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is controlled as follows. That is, when Vd *> Vd, the amplitude command value Ism of the input current increases. The current command value of each phase is in phase with the power supply voltage, and active power Ps proportional to the current Ism is supplied from the AC power supply SUP to the DC smoothing capacitor Cd. As a result, the voltage Vd rises and is controlled so that Vd * = Vd. Conversely, when Vd * <Vd, the amplitude command value Ism of the input current becomes a negative value, and the power Ps is regenerated to the AC power supply side. Therefore, the stored energy of the DC smoothing capacitor Cd is reduced, the voltage Vd is lowered, and the control is performed so that Vd * = Vd.
[0008]
The VVVF (variable voltage / variable frequency) inverter INV and the AC motor M are loads using the DC smoothing capacitor Cd as a voltage source, and during powering operation, the accumulated energy of the capacitor Cd is consumed and acts to reduce the voltage Vd. . Further, during the regenerative operation, the regenerative energy is returned to the smoothing capacitor Cd, so that the voltage Vd is increased. Since the DC voltage Vd is controlled to be constant by the PWM converter CNV as described above, the effective power corresponding to the regenerative energy is automatically supplied during the regenerative operation. Will be regenerated to the AC power supply side.
[0009]
Thus, according to the conventional PWM converter, the DC voltage Vd can be stabilized, power regeneration is possible, and the problem of regeneration invalidation in the DC power feeding system of the electric railway is solved.
[0010]
However, since the PWM converter performs switching at a high frequency, there is a drawback that the switching loss of the switching element becomes large. Further, the switching element needs to be capable of cutting the maximum value of the AC input current as a cutoff current. Therefore, it must be designed to withstand the breaking current even for a short overload (for example, 300% of the rated current), and a large power converter is required, resulting in an uneconomic system. was there.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, as a power converter capable of power regeneration, there is a self-excited converter (referred to as a PWM converter) based on pulse width modulation control. However, the cost is higher than that of a diode rectifier, and the overload capability is increased too much. There is a difficulty that can not be. In addition, there is a problem that switching loss accompanying PWM control becomes large and converter efficiency is poor.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to provide an economical power conversion device that is excellent in overload resistance, is capable of power regeneration, has high converter efficiency, and is economical.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The power converter of the invention according to claim 1 is a power diode rectifier having an AC terminal connected to an AC power source through an AC reactor, and a voltage in which the AC terminal is directly connected to the AC terminal of the power diode rectifier. A self-excited power converter, and a DC smoothing capacitor connected between the DC common terminals of the voltage self-excited power converter and the power diode rectifier via a recovery current suppression reactor and connecting the load device in parallel. It has.
[0014]
According to this configuration, during powering operation, the cut-off current of the voltage source self-excited power converter is kept small by controlling so that most of the current flows to the power diode rectifier. The voltage type self-excited power converter controls the input current by controlling the phase angle with respect to the power supply voltage with a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage. Operates near input power factor = 1. Therefore, by switching the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter near the zero point of the input current, it is possible to reduce the breaking current of the element.
[0015]
During regenerative operation, most of the current flows through the self-extinguishing element of the voltage type self-excited power converter. For example, it is economical to use the apparatus of the present invention to allow 300% overload during power running and 100% during regenerative operation. In electric railways, even if one train applies regenerative braking, the other trains are often in power running, and the above usage is appropriate. When operating at 100% regenerative power, the majority of the current flows through the self-extinguishing element. However, even during regenerative operation, the power source power factor is controlled to approximately 1, and switching of the self-extinguishing element is performed in the vicinity of the current zero point, so that the breaking current of the element can be kept small. Therefore, the switching loss is greatly reduced, and the self-excited power converter CNV can be configured with a self-extinguishing element having a small breaking current, thereby providing an economical device.
[0016]
Another feature of the present invention resides in that a recovery current suppressing reactor is arranged on the DC side. As a result, the AC terminal of the power diode and the AC terminal of the voltage type self-excited power converter can be directly connected, and when the self-extinguishing element is turned off, the current instantaneously moves to the power diode and self-extinguishes. Very little current flows through the high speed diode connected in antiparallel with the arc element. Therefore, since a current flows through the power diode having a small forward voltage drop, the loss is small and an efficient operation is possible.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first aspect, a recovery current suppression reactor is connected in parallel with a reset circuit that resets the recovery current flowing through the reactor.
[0018]
The recovery current suppressing reactor has a role of suppressing an excessive recovery current from flowing into each diode of the power diode rectifier when the self-extinguishing element of the voltage type self-excited power converter is turned on. Usually, the inductance of this reactor may be about several tens of μH, and may be about two orders of magnitude smaller than that of an AC reactor. When a recovery current flows through this reactor, it is necessary to reset the current once before the next switching. For this purpose, a recovery current reset circuit is connected in parallel to the reactor. For example, a reset circuit composed of a series circuit of a diode and a resistor is connected in parallel to the reactor. The time constant T of the reset circuit is given by T = L / R, where L is the inductance of the reactor and R is the resistance value of the resistor, and is preferably 1/3 or less of the switching period. When the self-excited converter is operated with one pulse, the power supply frequency fs is 50 Hz, and the switching cycle Tsw is Tsw = 1 / (6 · fs) = 1/300 [s] = 3.3 [ms]. Therefore, it is desirable to set Tp = 1 [ms] or less. If L = 50 μH and R = 0.1Ω, T = 0.5 [ms]. When the resistance R is increased, the voltage applied to the converter increases, and accordingly, the breakdown voltage of the element needs to be increased.
[0019]
In the conventional PWM converter, since the switching frequency is high and the switching of each self-extinguishing element connected in a three-phase bridge operates randomly, the reset time becomes very short. Therefore, it is not a good idea to insert recovery current suppressing reactors in a batch on the DC line of the PWM converter.
[0020]
As a circuit for resetting the recovery current flowing through the recovery current suppressing reactor, there is a series circuit of a diode and a resistor as described above, but a DC voltage source may be prepared instead of the resistor. The DC voltage source may be a battery or a large-capacity DC smoothing capacitor. Since energy is gradually stored in the DC voltage source, a circuit that consumes it or a circuit that regenerates power is often added.
[0021]
Thus, for example, by connecting a reset circuit including a diode and a resistor in parallel to the recovery current suppression reactor, the function of the recovery current suppression reactor inserted on the DC side can be maintained.
[0022]
According to a third aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first or second aspect, the voltage-type self-excited power converter operates with a constant pulse pattern and adjusts the phase angle with respect to the voltage of the AC power supply. It is characterized by controlling the input current.
[0023]
The voltage type self-excited power converter performs switching in synchronization with the voltage of the AC power supply with a constant pulse pattern. If the DC voltage is constant, the voltage amplitude value is constant. In this state, by changing the phase angle φ of the output voltage with respect to the power supply voltage, the voltage applied to the AC reactor changes and the input current can be adjusted.
[0024]
By increasing the phase angle of the output voltage with respect to the power supply voltage in the delay direction, the effective power supplied from the AC power supply increases. Conversely, when the phase angle is increased in the advance direction, the active power is regenerated to the AC power source. Incidentally, there is no exchange of active power at the phase angle φ = 0. The phase angle of the input current is φ / 2 or π−φ / 2 with respect to the power supply voltage, and the input power factor is cos (φ / 2). Further, the phase difference between the input current and the AC output voltage of the self-excited converter is −φ / 2 or π + φ / 2, and the converter power factor is cos (φ / 2). The phase angle φ depends on the input current and the value of the AC reactor. The phase angle θ is at most about φ = 30 ° even during overload operation, and the power factor is cos 15 ° = 0.966.
[0025]
When the self-excited converter is controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current becomes small. However, since the converter power factor is close to 1 as described above, the current is near the zero point. Thus, switching is performed, and the cut-off current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter can be small. As a result, it is possible to provide a power conversion device that can regenerate power, has a high power factor, is highly efficient, and is low in cost.
[0026]
According to a fourth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first or second aspect, the voltage-type self-excited power converter operates in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply, and has a phase with respect to the voltage of the AC power supply. The input current is controlled by adjusting the angle.
[0027]
According to the invention described in claim 4, as in the invention according to claim 3, the self-excited converter is operated with a constant pulse pattern, but the number of pulses is one. Naturally, if the DC voltage is constant, the amplitude value of the AC side output voltage of the self-excited converter is constant. The input current is controlled by adjusting the phase angle φ of the AC-side output voltage of the self-excited converter with respect to the power supply voltage. When φ = 0, It is necessary to make the peak value and the peak value of the fundamental wave of the converter output voltage the same. Since the DC voltage is determined by the demand on the load side, a transformer is inserted on the power supply side so that the peak value of the fundamental component of the output voltage and the peak value of the power supply voltage are the same. Adjust the voltage.
[0028]
By operating the self-excited converter with one pulse, the number of switching is minimized and the converter efficiency is further improved. Moreover, the fundamental wave component of the AC side output voltage is increased, and the voltage utilization factor of the self-excited converter is improved. In addition, since the converter power factor is operated at approximately 1, switching is performed only once near the zero point of the input current, and the cutoff current of the self-extinguishing element is extremely high during power running and regenerative operation. Get smaller. As a result, a highly efficient and low-cost power conversion device can be provided. Further, not interrupting a large current means that it is close to soft switching, and an EMI noise is reduced and an environment-friendly power conversion device can be provided.
[0029]
According to a fifth aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the first to fourth aspects, the voltage type self-excited power converter is adapted to change the voltage of the power supply when the voltage of the AC power supply fluctuates. In addition, the control operation is performed by changing the command value of the voltage applied to the DC smoothing capacitor.
[0030]
When the voltage type self-excited power converter is operated with one pulse or a constant pulse pattern, the amplitude value of the AC side output voltage of the power converter becomes constant, and when the power supply voltage becomes high, the converter becomes a delayed power factor operation, When the power supply voltage becomes low, the converter advances and becomes a power factor operation. Further, as the power factor decreases, the phase difference between the AC output voltage of the self-excited power converter and the input current increases, and the cutoff current of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter increases. Therefore, by adjusting the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor in accordance with the amplitude value of the power supply voltage Vs, control is always performed so that | Vs | = | Vc |. Thereby, it is possible to prevent an extreme decrease in the power source power factor or the converter power factor, and it is possible to prevent an increase in the cutoff current of the self-extinguishing element.
[0031]
According to a sixth aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the first to fifth aspects, the voltage-type self-excited power converter has an angular frequency of ω, a power supply voltage of Vs, and an input current. Is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is
Vd = k · √ {Vs 2 + (Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
It is characterized by controlling to become.
[0032]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor by the self-excited power converter is
Vd = k · √ {Vs 2 + (Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
Thus, the phase of the input current can be matched with the phase of the power supply voltage, and the operation with the power source power factor = 1 can be performed. This effect is the same in regenerative operation. As a result, it is possible to provide a power conversion device that is excellent in overload resistance, low cost, and high power factor.
[0033]
According to a seventh aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the first to fifth aspects, the voltage type self-excited power converter is configured such that the angular frequency of the AC power source is ω, the power source voltage is Vs, and the input current is Is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is
Vd = k · √ {Vs 2 -(Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
It is characterized by controlling to become.
[0034]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor by the self-excited power converter is
Vd = k · √ {Vs 2 -(Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
Thus, the phase angle of the input current with respect to the power supply voltage can be made to substantially match the phase angle of the AC side output voltage of the self-excited power converter. That is, the phase of the input current and the converter output voltage match, and the converter power factor = 1 can be operated. As a result, the cutoff current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter can be reduced, and the converter capacity can be reduced. This effect is the same in regenerative operation. Thereby, it is excellent in overload tolerance, can provide a low-cost and highly efficient power converter device.
[0035]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a power conversion device including a three-phase transformer having a primary winding connected to a three-phase AC power source and having n sets of secondary windings having a predetermined phase difference. N power diode rectifiers in which an AC terminal is connected to each secondary winding of the phase transformer via an AC reactor, and an AC side terminal is directly connected to the AC terminals of these n power diode rectifiers. N voltage-type self-excited power converters, and n voltage-type self-excited power converters and n power diode rectifiers connected to a DC common terminal via a recovery current suppressing reactor, and a load device Are connected to each other in parallel.
[0036]
This device prepares a plurality of power converters that combine power diode rectifiers and voltage-type self-excited power converters, and includes a three-phase transformer having n sets of secondary windings having a predetermined phase difference. It is configured to be used for parallel multiple operation, and it is possible to increase the capacity of the conversion device and reduce the harmonic components of the input current supplied from the AC power supply. As a result, it is possible to provide a high-efficiency, low-cost, large-capacity power conversion device that is excellent in overload capability and capable of power regeneration.
[0037]
The invention according to claim 9 is the power converter according to claim 8, wherein the n voltage-type self-excited power converters operate with a constant pulse pattern and adjust the phase angle with respect to the voltage of the AC power supply. To control the voltage applied to the DC smoothing capacitor by controlling the AC input current.
[0038]
The voltage-type self-excited power converter operates with a constant pulse pattern and performs switching in synchronization with the voltage of the AC power supply. If the DC voltage is constant, the amplitude value of the AC output voltage of the self-excited converter becomes constant. In this state, by changing the phase angle φ of the output voltage with respect to the power supply voltage, the voltage applied to the AC reactor changes and the input current Is can be adjusted.
[0039]
By increasing the phase angle of the output voltage of each converter with respect to the power supply voltage in the delay direction, the effective power supplied from the AC power supply increases. Conversely, when the phase angle is increased in the advance direction, the active power is regenerated to the AC power source.
[0040]
When controlling a self-excited converter with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current is small. However, since the converter power factor is close to 1, switching is performed near the zero point of the current. However, the cut-off current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter may be small. Thereby, the harmonic component of input current is small, electric power regeneration is possible, a high power factor, high efficiency, and a low-cost power converter device can be provided.
[0041]
The invention according to claim 10 is the power converter according to claim 8, wherein the n voltage-type self-excited power converters operate in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply, The AC input current is controlled by adjusting the phase angle to control the voltage applied to the DC smoothing capacitor.
[0042]
By operating each voltage type self-excited power converter in the 1-pulse mode, switching loss can be reduced and the voltage utilization factor of the self-excited converter can be improved. Further, since the self-excited converter is switched near the zero point of the input current, the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced. As a result, it is possible to provide a power conversion device that has excellent overload capability, low cost, high efficiency, and large capacity.
[0043]
A power conversion device according to an eleventh aspect of the present invention is a three-phase transformer having a primary winding connected to a three-phase AC power source and having n sets of secondary windings having a predetermined phase difference. N power diode rectifiers in which an AC terminal is connected to each secondary winding via an AC reactor, and n AC terminals directly connected to the AC terminals of these n power diode rectifiers Voltage-type self-excited power converters, and n DC-type smoothing capacitors connected to the DC common terminals of the n voltage-type self-excited converters and the power diode rectifier via a recovery current suppressing reactor, respectively. And n DC smoothing capacitors are connected in series, and load devices are connected to both ends connected in series.
[0044]
This device is provided with a plurality of power converters (n units) in which a power diode rectifier and a voltage-type self-excited power converter are combined, and has n sets of secondary windings having appropriate phase differences. A phase transformer is used to perform parallel multiplex operation on the AC side and to connect in series on the DC side. The converter has a large capacity, a high DC output voltage, and is supplied from an AC power source. Reduction of harmonic components of the input current can be achieved. As a result, it is possible to provide a high-efficiency, low-cost, large-capacity power conversion device that is excellent in overload capability and capable of power regeneration.
[0045]
The invention according to claim 12 is the power converter according to claim 11, wherein the n voltage-type self-excited power converters operate with a constant pulse pattern and adjust the phase angle with respect to the voltage of the AC power supply. To control the voltage applied to the DC smoothing capacitor by controlling the input current of each voltage source self-excited power converter.
[0046]
The voltage type self-excited power converter performs switching in synchronization with the voltage of the AC power supply with a constant pulse pattern. If the DC voltage is constant, the amplitude value of the AC output voltage of the self-excited converter becomes constant. In this state, by changing the phase angle of the output voltage with respect to the power supply voltage, the voltage applied to the AC reactor changes, and the input current of each voltage source self-excited power converter can be adjusted. When the self-excited converter is controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current becomes small. By operating the converter power factor close to 1, the zero point of the current Is Switching is performed in the vicinity, and the cut-off current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter CNV can be reduced.
[0047]
Increasing the phase angle φ of the output voltage of each converter with respect to the power supply voltage in the delay direction increases the effective power supplied from the AC power supply. Conversely, when the phase angle φ is increased in the advance direction, the active power is regenerated to the AC power source.
[0048]
The self-excited converter controls the voltage applied to each DC smoothing capacitor to be substantially constant. As a result, the sum voltage is controlled to be constant. As a result, the DC output voltage can be increased, the harmonic component of the input current is small, power regeneration is possible, and a high power factor, high efficiency, and low cost power conversion device can be provided. .
[0049]
The invention according to claim 13 is the power converter according to claim 11, wherein the n voltage-type self-excited power converters operate in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply, The voltage applied to the DC smoothing capacitor is controlled by controlling the input current of each voltage source self-excited power converter by adjusting the phase angle.
[0050]
By operating each voltage type self-excited power converter in the 1-pulse mode, switching loss can be reduced and the voltage utilization factor of the self-excited converter can be improved. Further, since the self-excited converter is switched near the zero point of the input current, the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced. As a result, it is possible to provide a power conversion device that has excellent overload capability, low cost, high efficiency, and large capacity.
[0051]
The power converter of the invention according to claim 14 is configured such that a primary winding is connected in series for each phase with respect to a three-phase AC power supply, and an output voltage of the secondary winding has a predetermined phase difference. n three-phase transformers, n power diode rectifiers in a three-phase bridge connection in which an AC terminal is connected to each secondary winding of these n three-phase transformers, and these n power transformers N three-phase bridge-connected voltage-type self-excited power converters in which the AC terminal is directly connected to the AC terminal of the diode rectifier, and these n voltage-type self-excited power converters and n power diode rectifiers And a DC smoothing capacitor that is connected to each DC common common terminal via a recovery current suppressing reactor and connected in parallel with a load device.
[0052]
In this device, a plurality (n units) of power converters combining a power diode rectifier and a voltage-type self-excited power converter are prepared, primary windings are connected in series, and an appropriate phase difference is provided. It is configured to perform series multiplex operation using n three-phase transformers with secondary windings, which can increase the capacity of the converter and reduce the harmonic components of the input current supplied from the AC power supply. Can be planned. In particular, there is an advantage that the harmonic component of the AC side input current flowing through each converter can be reduced by the serial multiple operation, and the control pulses of the self-excited power converter can be reduced. Moreover, the conventional AC reactor can be omitted by using the leakage inductance of the three-phase transformer. As a result, it is possible to provide a high-efficiency, low-cost, large-capacity power conversion device that is excellent in overload capability and capable of power regeneration.
[0053]
The invention according to claim 15 is the power conversion device according to claim 14, wherein the n voltage-type self-excited power converters operate with a constant pulse pattern and adjust the phase angle with respect to the voltage of the AC power supply. To control the voltage applied to the DC smoothing capacitor by controlling the AC input current.
[0054]
The voltage type self-excited power converter performs switching in synchronization with the voltage of the AC power supply with a constant pulse pattern. If the DC voltage is constant, the amplitude value of the AC output voltage of the self-excited converter becomes constant. In this state, by changing the phase angle of the output voltage with respect to the power supply voltage, the voltage applied to the leakage inductance of the transformer changes, and the input current can be adjusted. When the self-excited converter is controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current is reduced. By operating the converter power factor close to 1, it is near the zero point of the current. Switching is performed in this manner, and the cut-off current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter can be reduced.
[0055]
By increasing the phase angle of the output voltage of each converter with respect to the power supply voltage in the delay direction, the effective power supplied from the AC power supply increases. Conversely, when the phase angle is increased in the advance direction, the active power is regenerated to the AC power source.
[0056]
The self-excited converter controls the input current so that the voltage applied to the DC smoothing capacitor is substantially constant. As a result, it is possible to provide a power converter that has a small harmonic component of the input current, can regenerate power, and has a high power factor, high efficiency, and low cost.
[0057]
The invention according to claim 16 is the power converter according to claim 14, wherein the n voltage-type self-excited power converters operate in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply, The AC input current is controlled by adjusting the phase angle to control the voltage applied to the DC smoothing capacitor.
[0058]
According to this invention, as in the invention according to claim 15, the self-excited converter is operated with a constant pulse pattern, but the number of pulses is one. Naturally, if the DC voltage is constant, the amplitude value of the AC side output voltage of the self-excited converter is constant. The input current is controlled by adjusting the phase angle φ of the sum voltage of the AC side output voltage of the self-excited converter with respect to the power supply voltage. When φ = 0, the input current = 0 It is necessary that the peak value of the power supply voltage and the fundamental peak value of the sum voltage of the converter output voltage be the same. Since the DC voltage is determined by the load-side requirements, the values are adjusted so that the secondary side voltage of the three-phase transformer is the same as the fundamental wave component of the AC side output voltage of each self-excited converter.
[0059]
By operating the self-excited converter with one pulse, the number of switching is minimized and the converter efficiency is further improved. Moreover, the fundamental wave component of the AC side output voltage is increased, and the voltage utilization factor of the self-excited converter is improved. In addition, since the converter power factor is operated at approximately 1, switching is performed only once near the zero point of the input current Is, and the cutoff current of the self-extinguishing element during power running operation and regenerative operation is Extremely small. As a result, a highly efficient and low-cost power conversion device can be provided. In addition, the fact that a large current is not cut off is close to soft switching, EMI noise is reduced, and an environment-friendly power conversion device can be provided.
[0060]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the eighth to sixteenth aspects, a reset circuit for resetting a current flowing through each of the reactors is connected in parallel to each of the recovery current suppressing reactors. It is characterized by that.
[0061]
The recovery current suppressing reactor has a role of suppressing an excessive recovery current from flowing into each diode of the power diode rectifier when the self-extinguishing element of the voltage type self-excited power converter is turned on. Usually, the inductance of this reactor may be about several tens of μH, and may be about two orders of magnitude smaller than that of an AC reactor. When a recovery current flows through this reactor, it is necessary to reset the current once before the next switching. For this purpose, a recovery current reset circuit is connected in parallel to the reactor. For example, a reset circuit composed of a series circuit of a diode and a resistor is connected in parallel to the reactor. The time constant T of the reset circuit is given by T = L / R, where L is the inductance of the reactor and R is the resistance value of the resistor, and is preferably 1/3 or less of the switching period. When the self-excited converter is operated with one pulse, the power supply frequency fs is 50 Hz, and the switching cycle Tsw is Tsw = 1 / (6 · fs) = 1/300 [s] = 3.3 [ms]. Therefore, it is desirable to set Tp = 1 [ms] or less. If L = 50 μH and R = 0.1Ω, T = 0.5 [ms]. When the resistance R is increased, the voltage applied to the converter increases, and accordingly, the breakdown voltage of the element needs to be increased.
[0062]
As a circuit for resetting the recovery current flowing through the recovery current suppressing reactor, there is a series circuit of a diode and a resistor as described above, but a DC voltage source may be prepared instead of the resistor. The DC voltage source may be a battery or a large-capacity DC smoothing capacitor. Since energy is gradually stored in the DC voltage source, a circuit that consumes it or a circuit that regenerates power is often added.
[0063]
Thus, for example, by connecting a reset circuit including a diode and a resistor in parallel to the recovery current suppression reactor, the function of the recovery current suppression reactor inserted on the DC side can be maintained.
[0064]
According to an eighteenth aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the eighth to seventeenth aspects, the n voltage-type self-excited power converters have a power supply voltage when the voltage of the AC power supply fluctuates. The control is performed by changing the command value of the voltage applied to the DC smoothing capacitor in accordance with the change of.
[0065]
When n voltage-type self-excited power converters are operated with one pulse or a constant pulse pattern, the amplitude value of the AC output voltage of the power converter becomes constant, and when the power supply voltage becomes high, the converter When the operation is started and the power supply voltage is lowered, the converter is advanced in a power factor operation. Further, as the power factor decreases, the phase difference between the AC output voltage of the self-excited power converter and the input current increases, and the cutoff current of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter increases. Therefore, by adjusting the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor in accordance with the amplitude value of the power supply voltage Vs, control is always performed so that | Vs | = | Vc |. Thereby, it is possible to prevent an extreme decrease in the power source power factor or the converter power factor, and it is possible to prevent an increase in the cutoff current of the self-extinguishing element.
[0066]
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the power conversion device according to any one of the eighth to eighteenth aspects, the n voltage-type self-excited power converters have an angular frequency of the AC power supply of ω and a power supply voltage of Vs. When the input current is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is
Vd = k · √ {Vs 2 + (Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
It is characterized by controlling to become.
[0067]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor by n self-excited power converters is
Vd = k · √ {Vs 2 + (Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
Thus, the phase of the input current can be matched with the phase of the power supply voltage, and the operation with the power source power factor = 1 can be performed. This effect is the same in regenerative operation. As a result, it is possible to provide a power conversion device that is excellent in overload resistance, low cost, and high power factor.
[0068]
The invention according to claim 20 is the power converter according to any one of claims 8 to 18, wherein the n voltage-type self-excited power converters have an angular frequency of the AC power supply of ω and a power supply voltage of Vs. When the input current is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is
Vd = k · √ {Vs 2 -(Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
It is characterized by controlling to become.
[0069]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor by n self-excited power converters is
Vd = k · √ {Vs 2 -(Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
The phase angle of the input current with respect to the power supply voltage can be made to substantially coincide with the phase angle of the AC output voltage of the self-excited power converter. That is, the phase of the input current and the converter output voltage match, and the converter power factor = 1 can be operated. As a result, the cutoff current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter can be reduced, and the converter capacity can be reduced. This effect is the same in regenerative operation. Thereby, it is excellent in overload tolerance, can provide a low-cost and highly efficient power converter device.
[0070]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the power conversion apparatus of the present invention. Here, circuit elements having the same or similar functions as those in FIG. 25 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In the main circuit of FIG. 1, a power diode rectifier REC is additionally disposed between the AC reactor Ls and the voltage source self-excited converter CNV in the main circuit of FIG. The rectifier REC is composed of power diodes PD1 to PD6 having a three-phase bridge connection, and the AC terminal is connected to the power receiving terminals R, S, and T of the three-phase AC power supply SUP through the AC reactor Ls, and the voltage source itself. It is directly connected to the AC terminal of the excitation converter CNV. The DC terminal of the rectifier REC and the DC terminal of the self-excited converter CNV are connected to both ends of the DC smoothing capacitor Cd via a recovery current suppressing reactor Lp. A load device LOAD composed of a VVVF inverter INV and an AC motor M is connected to both ends of the DC smoothing capacitor Cd using this as a voltage source.
[0071]
The recovery current suppression reactor Lp has a role of suppressing excessive recovery current from flowing into each diode of the rectifier REC when the self-extinguishing element of the power converter CNV is turned on. It is designed to have an inductance value, and may be about two orders of magnitude smaller than the AC reactor Ls. The recovery current suppressing reactor Lp is connected in parallel with a reset circuit composed of a series circuit of a diode Dp and a resistor Rp in the forward direction with respect to the direct current during powering. This reset circuit has a role of resetting the recovery current flowing in the reactor Lp.
[0072]
FIG. 1 also shows a control device for sending gate signals g1 to g6 to the self-extinguishing elements S1 to S6 for controlling the voltage source self-excited converter CNV. The control device includes comparators C1 and C3, an adder C2, a voltage control compensation circuit Gv (S), a current control compensation circuit Gi (S), a feedforward compensator FF, a coordinate conversion circuit A, and a power supply synchronization phase detection circuit PLL. And a phase control circuit PHC. The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is detected, and is compared with the voltage command value Vd * by the comparator C1. The deviation εv (= Vd * −Vd) is integrated or proportionally amplified by the voltage control compensation circuit Gv (S), and the output value is input to the first input terminal of the adder C2. On the other hand, the DC current Idc consumed by the load LOAD is detected and input to the second input terminal of the adder C2 via the feedforward compensator FF. The output Iq * of the adder C2 becomes the command value of the effective current supplied from the power supply SUP. The coordinate converter A converts the detected values of the three-phase input currents Ir, Is, It supplied from the power supply SUP to the power converter into a dq axis (DC amount). The q-axis current Iq obtained by the coordinate conversion represents an effective current detection value, and the d-axis current Id represents a reactive current detection value.
[0073]
The comparator C3 compares the effective current command value Iq * with the detected effective current value Iq, amplifies the deviation εi (= Iq * −Iq) by the current control compensation circuit Gi (S), and the phase angle command value φ * The power supply synchronization phase detection circuit PLL generates phase signals θr, θs, θt synchronized with the three-phase AC power supply voltage and inputs the phase signals to the phase control circuit PHC. The phase control circuit PHC generates the gate signals g1 to g6 of the self-extinguishing elements S1 to S6 of the power converter CNV using the phase angle command value φ * and the phase signals θr, θs, θt for each phase. The voltage type self-excited power converter CNV controls the phase angle φ with respect to the power supply voltage by a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage by the gate signals g1 to g6. Control input current.
[0074]
FIG. 2 is a voltage / current vector diagram for explaining the control operation of the apparatus of FIG. In the figure, Vs is the power supply voltage, Vc is the AC output voltage of the self-excited power converter CNV, Is is the input current, jωLs · Is is the voltage drop due to the AC reactor Ls (however, the resistance of the reactor Ls is sufficiently small) Ignore). As a vector, there is a relationship of Vs = Vc + jωLs · Is.
[0075]
The peak value of the power supply voltage Vs is matched with the fundamental peak value of the AC output voltage Vc of the self-excited power converter CNV. The DC voltage Vd is often determined by a request from the load side, and when the pulse pattern is determined, the fundamental wave peak value of the AC output voltage Vc is determined. Therefore, a transformer is installed on the power supply side, and the peak value is adjusted with the secondary voltage as Vs.
[0076]
The input current Is can be controlled by adjusting the phase angle φ of the AC output voltage Vc of the power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. That is, when the phase angle φ = 0, the voltage jωLs · Is applied to the AC reactor Ls is zero, and the input current Is is also zero. As the phase angle (delay) φ is increased, the voltages of jωL and • Is increase, and the input current Is also increases in proportion to the value. The input current vector Is is 90 ° behind the voltage jωLs · Is, and is a vector delayed by φ / 2 with respect to the power supply voltage Vs. Therefore, the input power factor viewed from the power source side is cos (φ / 2).
[0077]
On the other hand, when the AC output voltage of the power converter CNV is increased in the advance direction by the phase angle φ as shown by Vc ′ in FIG. 2, the voltage jωLs · Is applied to the AC reactor Ls becomes negative, and the input current is Is. As indicated by ', the phase angle is (π−φ / 2) with respect to the power supply voltage Vs. That is, the electric power Ps = Vs · Is becomes negative, and the electric power can be regenerated to the power source. When the AC output voltage Vc is shifted in the direction of Vc ′ along the broken line in the figure with respect to the power supply voltage Vs, the input current vector Is changes in the direction of Is ′ along the broken line.
[0078]
In FIG. 1, the effective current Iq is controlled as follows.
[0079]
When Iq *> Iq, the output φ * of the current control compensation circuit Gi (S) increases to increase the input current Is. Since the input power factor is approximately 1, the effective current Iq increases and eventually settles as Iq * = Iq. On the contrary, when Iq * <Iq, the output φ * of the current control compensation circuit Gi (S) decreases or becomes a negative value, and the input current Is is decreased. Since the input power factor≈1, the effective current Iq decreases, and Iq * = Iq is also settled.
[0080]
Further, the voltage Vd of the DC smoothing capacitor Cd is controlled as follows.
[0081]
When Vd *> Vd, the output Iq * of the adder C2 on the output side of the voltage control compensation circuit Gv (S) increases and is controlled to Iq * = Iq as described above, so that the active power Ps is It is supplied from the AC power supply SUP to the DC smoothing capacitor Cd. As a result, the DC voltage Vd is increased and controlled so that Vd * = Vd.
[0082]
Conversely, when Vd * <Vd, the output Iq * of the adder C2 decreases or becomes a negative value, and the active power Ps is regenerated from the DC smoothing capacitor Cd to the AC power supply SUP side. As a result, the direct-current voltage Vd is decreased and is controlled so that Vd * = Vd.
[0083]
In the apparatus shown in FIG. 1, a DC current Idc taken by a load is detected, a compensation amount IqFF = k1 · Idc is calculated by a feedforward compensator FF so that an effective current corresponding to the amount is supplied, and input to an adder C2. is doing. As a result, when the load suddenly changes, an input current (effective current) Iq corresponding to the load is supplied, and fluctuations in the applied voltage Vd of the DC smoothing capacitor Cd are suppressed.
[0084]
<Second Embodiment>
In this embodiment, in the power conversion device of FIG. 1, a reset circuit composed of a series circuit of a diode Dp and a resistor Rp is connected in parallel to the recovery current suppressing reactor Lp in order to reset the recovery current flowing therethrough. Is.
[0085]
The recovery current suppressing reactor Lp suppresses an excessive recovery current from flowing into each diode of the power diode rectifier REC when the self-extinguishing element of the voltage source self-excited power converter CNV is turned on. Usually, the inductance of the reactor Lp is about several tens of μH, which is about two orders of magnitude smaller than that of the AC reactor Ls. When a recovery current flows through the reactor Lp, it is necessary to reset the current once before the next switching, and a reset circuit is provided for the reset.
[0086]
In the circuit device of FIG. 1, for example, when the R-phase input current Ir is flowing through the power diode PD1, and the self-extinguishing element S4 is turned on, the recovery current of the diode PD1 is the DC smoothing capacitor Cd ( +) → Reactor Lp → Power diode PD1 → Self-extinguishing element S4 → Direct current smoothing capacitor Cd (−). Reactor Lp suppresses this current from becoming excessive. When the accumulated carriers in the diode PD1 disappear due to the recovery current, the diode PD1 is turned off. At that time, a voltage of VLP = Lp (di / dt) is generated at both ends of the reactor Lp due to the energy accumulated in the reactor Lp. As a result, a voltage of Vd + VLP is applied to the self-extinguishing element and the diode constituting the converter. At this time, the reset circuit composed of the diode Dp and the resistor Rp consumes the stored energy of the reactor Lp and plays a role of resetting the current. The time constant Tp of the reset circuit is given by Tp = Lp / Rp, where Lp is the inductance of the reactor Lp and Rp is the resistance value of the resistor Rp, and is preferably 1/3 or less of the switching period. When the self-excited converter is operated with one pulse, the power supply frequency fs is 50 Hz, and the switching cycle Tsw is Tsw = 1 / (6 · fs) = 1/300 [s] = 3.3 [ms]. Therefore, it is desirable to set Tp = 1 [ms] or less. If L = 50 μH and R = 0.1Ω, T = 0.5 [ms]. When the resistance R is increased, the voltage applied to the converter increases, and accordingly, the breakdown voltage of the element needs to be increased.
[0087]
As a circuit for resetting the recovery current flowing through the recovery current suppressing reactor Lp, FIG. 1 shows a series circuit of the diode Dp and the resistor Rp, but a DC voltage source may be prepared instead of the resistor Rp. The DC voltage source may be a battery or a large-capacity DC smoothing capacitor. Since energy is gradually stored in the DC voltage source, a circuit that consumes it or a circuit that regenerates power is often added.
[0088]
Thus, for example, the function of the recovery current suppression reactor Lp inserted on the DC side can be maintained by connecting a reset circuit including the diode Dp and the resistor Rp in parallel to the recovery current suppression reactor Lp.
[0089]
<Third Embodiment>
FIG. 3 shows an embodiment of the phase control circuit PHC in FIG. In FIG. 3, AD1 to AD3 are adders / subtracters provided for each phase, and PTN1 to PTN3 are pulse pattern generators similarly provided for each phase. The adders / subtractors AD1 to AD3 subtract the phase angle command value φ * from the phase signals θr, θs, θt to generate new phase signals θcr, θcs, θct. The new phase signals θcr, θcs, and θct change in synchronization with the power supply frequency with a periodic function of 0 to 2π. The pulse pattern generators PTN1 to PTN3 generate gate signals g1 to g6 for each phase so that a new pulse signal θcr, θcs, θct has a constant pulse pattern.
[0090]
Using the R phase as a representative example, the pulse pattern generator PTN1 stores the pulse pattern of the R phase elements S1 and S4 with respect to the phase signal θcr as a table function. FIG. 4 shows a waveform during one pulse operation. In the figure, Vr is an R-phase power supply voltage, θr is a phase signal synchronized with the power supply voltage Vr, and has a periodic function that varies between 0 and 2π. The new phase signal θcr = θr−φ * is a periodic function that changes between 0 and 2π, and is given as a signal delayed by φ * with respect to the signal of θr. That is, the following gate signal g1 (or g4) is output with respect to the input θcr. That is,
In the range of 0 ≦ θcr <π, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of π ≦ θcr <2π, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
It is.
[0091]
The AC side output voltage (R phase) Vcr of the self-excited power converter CNV is
When S1 is on (S4 is off), Vcr = + Vd / 2
When S1 is off (S4 is on), Vcr = −Vd / 2
It becomes. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude value of the AC output voltage Vcr is constant. The phase of the fundamental wave Vcr * of the AC output voltage Vcr is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vs. The S phase and T phase are also offset by 120 ° to 240 ° from the R phase, respectively, but are given similarly.
[0092]
FIG. 5 shows an operation waveform of each part of the R phase when the self-excited power converter CNV is operated with the pulse pattern of FIG. For convenience of explanation, the input current Ir is drawn as a sine wave with the ripples omitted. FIG. 5 shows an operation waveform during powering operation. The fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the converter is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. The input current Ir flows with a phase angle (φ / 2) with respect to the power supply voltage Vr. Here, IS1 and IS4 are currents of the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, ID1 and ID4 are currents of the high-speed diodes D1 and D4, and IPD1 and IPD4 are currents of the power diodes PD1 and PD4, respectively. It represents. The operation at that time will be described below with reference to FIG.
[0093]
Until the R-phase input current Ir changes from negative to positive, current flows through the power diode PD4. When the direction of the current Ir changes from this state, the element S4 is in the on state, so that the input current Ir flows through the recovery current suppressing reactor Ls and the element S4. Next, when the element S4 is turned off, the current Ir first flows through the high-speed diode D1 due to the effect of the wiring inductance. Since the forward drop voltage VFPD1 of the power diode PD1 is lower than the forward drop voltage VFD1 of the high speed diode D1, the input current Ir immediately shifts from the high speed diode D1 to the power diode PD1.
[0094]
The current flows through the power diode PD1 until the input current Ir is inverted again. After the input current Ir is inverted, the same operation as described above is performed between the element S1, the high speed diode D4, and the power diode PD1.
[0095]
Thus, according to this embodiment, most of the input current Ir during powering operation flows to the power diodes PD1 and PD4, so that it is possible to provide a power converter that has a small loss and a large overload capability.
[0096]
By reducing the direct wiring distance between the AC terminal of the power diode rectifier REC and the AC terminal of the self-excited converter CNV, the wiring inductance can be reduced, and almost all the current flowing through the high-speed diodes D1 to D6 can be reduced. Can be zero. Finally, the high speed diodes D1 to D6 can be omitted.
[0097]
The maximum current Imax cut off by the self-extinguishing elements S1 to S6 of the self-excited power converter CNV is, when the peak value of the input current is Ism,
Imax = Ism × sin (φ / 2)
It becomes. For example, when φ = 20 °,
Imax = 0.174 × Ism
It becomes. That is, it is only necessary to prepare a self-extinguishing element S1 to S6 having a capacity with a small breaking current, and a low-cost power conversion device can be provided.
[0098]
FIG. 6 shows operation waveforms during regenerative operation. IS1 and IS4 are currents of R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, ID1 and ID4 are currents of high-speed diodes D1 and D4, and IPD1, IPD4 represents the current of the power diode. The fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the converter is advanced by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. The input current Ir flows with a phase angle (φ / 2) with respect to the inversion value −Vr of the power supply voltage.
[0099]
When the R-phase input current Ir is negative and the element S1 is on (S4 is off), the input current Ir flows through the element S1. When the element S1 is turned off (S4 is turned on), the current Ir first flows through the high speed diode D4 due to the effect of the wiring inductance. Since the forward drop voltage VFPD4 of the power diode PD4 is lower than the forward drop voltage VFD4 of the high speed diode D4, the input current Ir immediately moves from the high speed diode D4 to the power diode PD4. When the input current Ir is inverted, a current flows through the element S4. When the element S4 is turned off in the same manner as described above, the current first moves to the high speed diode D1, and then immediately flows to the power diode PD1.
[0100]
During regenerative operation, the maximum current Imax that the self-extinguishing elements S1 to S6 cut off is when the peak value of the input current is Ism,
Imax = Ism × sin (φ / 2)
It becomes. For example, when φ = 20 °,
Imax = 0.174 × Ism
It becomes.
[0101]
As described above, most of the input current Ir during the regenerative operation flows through the self-extinguishing elements S1 to S6, but the cut-off current of the elements S1 to S6 can be small, and a low-cost power conversion device can be provided. it can.
[0102]
In electric railways, since power is supplied to a plurality of vehicles from one substation, generally the load during powering operation is heavy and the regenerative power is small. For example, 300% of the rated output is required as the overload withstand capability during powering operation, but normally the regenerative power only needs to have a rating of 100%. This power converter is suitable for a large overload capability during such powering operation.
[0103]
FIG. 7 shows an operation waveform at the time of transition from power running to regenerative operation. The phase angle φ of the AC output voltage Vcr of the power converter is changed from the delayed phase to zero with respect to the power supply voltage Vr. It is a thing. When the input current Ir is positive, the self-extinguishing element S4 is turned on (S1 is turned off), and the input current Ir flowing in the power diode PD1 is commutated to the element S4. At this time, the recovery current suppression reactor Lp arranged on the direct current side acts to suppress the recovery current IPD1re flowing in the power diode PD1. Without this recovery current suppressing reactor Lp, an excessive recovery current flows through the power diode PD1 and not only increases the loss but also destroys the diode PD1 and the self-extinguishing element S4. The same applies to the case where the self-extinguishing element S1 is turned on (S4 is turned off) when the input current Ir is negative, and the input current Ir flowing in the power diode PD4 is commutated to the element S1.
[0104]
By operating the self-excited converter CNV with one pulse, the number of times of switching is minimized and the converter efficiency is further improved. Moreover, the fundamental wave component of the AC side output voltage Vc is increased, and the voltage utilization factor of the self-excited converter is improved. In addition, since the converter power factor is operated at approximately 1, switching is performed only once near the zero point of the input current Is, and the cutoff current of the self-extinguishing element during power running operation and regenerative operation is Extremely small. As a result, a highly efficient and low cost power conversion device can be provided. Further, not interrupting a large current means switching close to soft switching, and therefore, EMI noise is reduced, and an environment-friendly power conversion device can be provided.
[0105]
<Fourth embodiment>
FIG. 8 shows an operation waveform when a three-pulse output is performed as the pulse pattern generator PTN1, and the R phase is illustrated. In the figure, Vr is an R-phase power supply voltage, θr is a phase signal synchronized with the power supply voltage Vr, and has a periodic function that varies between 0 and 2π. The new phase signal θcr = θr−φ * is a periodic function that changes between 0 and 2π, and is given as a signal delayed by φ * with respect to the signal of the phase signal θr. The pulse pattern of the R-phase elements S1 and S4 with respect to the phase signal θcr is
In the range of 0 ≦ θcr <θ1, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of θ1 ≦ θcr <θ2, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of θ2 ≦ θcr <π, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of π ≦ θcr <θ3, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of θ3 ≦ θcr <θ4, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of θ4 ≦ θcr <2π, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
It becomes.
[0106]
At this time, the AC side output voltage (R phase) Vcr of the self-excited power converter CNV is
When S1 is on (S4 is off), Vcr = + Vd / 2
When S1 is off (S4 is on), Vcr = −Vd / 2
It becomes. The phase of the fundamental wave Vcr * of the output voltage Vcr is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. S and T phases are given as well.
[0107]
In this case as well, the pulse pattern is fixed, and when the DC voltage Vd is constant, the fundamental peak value of the AC output voltage of the self-excited power converter CNV is constant.
[0108]
FIG. 9 shows an operation waveform of each part of the R phase when the self-excited power converter is operated with the pulse pattern of FIG. In order to simplify the description, the input current Ir is drawn as a sine wave with the ripples omitted. FIG. 9 shows an operation waveform during the power running operation. The fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the converter is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vs. The input current Is flows with a phase angle (φ / 2) delayed from the power supply voltage Vs. Here, IS1 and IS4 represent currents of the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, ID1 and ID4 represent currents of the high-speed diodes D1 and D4, and IPD1 and IPD4 represent currents of the power diodes PD1 and PD4, respectively. ing. The operation at that time will be described below.
[0109]
Until the input current Ir changes from negative to positive, current flows through the power diode PD4. When the direction of the current Ir is changed from this state, the element S4 is in the on state, so that the input current Ir flows through the element S4. Next, when the element S4 is turned off, the current Ir first flows through the high-speed diode D1 due to the effect of the wiring inductance. Since the forward drop voltage VFPD1 of the power diode PD1 is lower than the forward drop voltage VFD1 of the high speed diode D1, the input current Ir immediately shifts from the high speed diode D1 to the power diode PD1.
[0110]
Next, when the element S4 is turned on again, the input current Ir flows through the element S4, and the currents of the power diode PD1 and the high speed diode D1 become zero. Further, when the element S4 is turned off at θ1 in FIG. 9, the current first flows to the high speed diode D1, and then the current moves to the power diode PD1 until the input current Ir is inverted again, as described above. The current flows through the power diode PD1. After the input current Ir is inverted, the same operation as described above is performed between the element S1, the high-speed diode D4, and the power diode PD4.
[0111]
Although the pulse pattern of FIG. 9 shows the case of 3 pulses, the maximum current Imax cut off by the self-extinguishing elements S1 to S6 is when the peak value of the input current is Ism,
Imax = Ism × sin (φ / 2 + θ1)
It becomes. However, θ2 <90 °. For example, when φ = 20 ° and θ2 = 10 °,
Imax = 0.342 × Ism
It becomes.
[0112]
Thus, according to the present embodiment, during power running, most of the current flows through the power diodes PD1 to PD6 having a low on-voltage, and a highly efficient conversion device can be achieved. Further, the cutoff current of the self-extinguishing elements S1 to S6 can be reduced, and the cost of the entire apparatus can be greatly reduced.
[0113]
FIG. 10 shows an operation waveform when the 5-pulse output operation is performed as the pulse pattern generator PTN1, and the R phase is illustrated. In the figure, Vr is an R-phase power supply voltage, θr is a phase signal synchronized with the power supply voltage Vr, and has a periodic function that varies between 0 and 2π. The new phase signal θcr = θr−φ * is a periodic function that changes between 0 and 2π, and is given as a signal delayed by φ * with respect to the θr signal. The pulse pattern of the R-phase elements S1 and S4 with respect to the phase signal θcr is as follows.
[0114]
In the range of 0 ≦ θcr <θ1, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of θ1 ≦ θcr <θ2, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of θ2 ≦ θcr <θ3, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of θ3 ≦ θcr <θ4, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of θ4 ≦ θcr <π, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of π ≦ θcr <θ5, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of θ5 ≦ θcr <θ6, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of θ6 ≦ θcr <θ7, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
In the range of θ7 ≦ θcr <θ8, g1 = 1, g4 = 0 (S1 on, S4 off)
In the range of θ8 ≦ θcr <2π, g1 = 0, g4 = 1 (S1 off, S4 on)
The AC side output voltage (R phase) Vcr of the self-excited power converter CNV is
When S1 is on (S4 is off), Vcr = + Vd / 2
When S1 is off (S4 is on), Vcr = −Vd / 2
It becomes. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude value of the AC output voltage Vcr is constant. The phase of the fundamental wave Vcr * of Vcr is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. S and T phases are given as well.
[0115]
FIG. 11 shows an operation waveform of each part when the self-excited power converter is operated with the pulse pattern of FIG. 10 and shows the R phase. In order to simplify the description, the input current Ir is drawn as a sine wave with the ripples omitted.
[0116]
In FIG. 11, the fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the converter is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vs. Therefore, the power converter is in a power running operation, and the input current Is flows with a phase angle (φ / 2) delayed with respect to the power supply voltage Vs. Here, the currents IS1 and Is4 are the currents of the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, ID1 and ID4 are the currents of the high-speed diodes D1 and D4, and the currents IPD1 and IPD4 are the current waveforms of the power diodes, respectively. It represents. The operation at that time will be described below using the apparatus shown in FIG.
[0117]
Until the input current Ir changes from negative to positive, current flows through the power diode PD4. When the direction of the current Ir is changed from this state, the element S4 is in the on state, so that the input current Ir flows through the element S4. Next, when the element S4 is turned off, the current Ir first flows through the high-speed diode D1 due to the effect of the wiring inductance. Since the forward drop voltage VFPD1 of the power diode PD1 is lower than the forward drop voltage VFD1 of the high speed diode D1, the input current Ir immediately moves from the high speed diode D1 to the power diode PD1.
[0118]
Next, when the element S4 is turned on again, the input current Ir flows through the element S4, and the currents of the power diode PD1 and the high speed diode D1 become zero. Further, when the element S4 is turned off, the current Ir first flows through the high speed diode D1, and the current immediately moves to the power diode PD1. The above operation is repeated according to the pulse pattern shown in FIG. 10, but after the element S4 is turned off (the element S1 is turned on) at the phase angle θ2 in FIG. 10, first, a current flows through the high-speed diode D1 as described above. Then, the current flows to the power diode PD1, and the current flows to the power diode PD1 until the input current Ir is inverted again. After the input current Ir is inverted, the same operation as described above is performed between the element S1, the high speed diode D4, and the power diode PD4.
[0119]
Although the pulse pattern of FIG. 11 shows the case of 5 pulses, the maximum current Imax cut off by the self-extinguishing elements S1 to S6 is when the peak value of the input current is Ism,
Imax = Ism × sin (φ / 2 + θ2)
It becomes. However, θ2 <90 °. For example, when φ = 20 ° and θ2 = 15 °,
Imax = 0.42 × Ism
It becomes.
[0120]
By increasing the number of pulses, the harmonic component of the input current Ir can be reduced and the current pulsation can be reduced. However, on the other hand, the maximum value Imax of the cutoff current of the self-extinguishing element is increased. There is. As will be described later, it is desirable to reduce the input current harmonics by multiplexing power converters, etc., and to operate with as few pulses as possible.
[0121]
When the self-excited converter CNV is controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current Is becomes small. However, because the converter power factor is operated near 1 as described above. Switching is performed in the vicinity of the zero point of the current Is, and the cut-off current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter CNV can be small. As a result, it is possible to provide a power conversion device that can regenerate power, has a high power factor, is highly efficient, and is low in cost.
[0122]
<Fifth embodiment>
FIG. 12 shows another embodiment of the control device of the device of the present invention. In this embodiment, the voltage command value Vd * in the control device of FIG. 1 is changed by the arithmetic circuit CAL according to the peak value Vsm of the power supply voltage or the peak value Ism of the input current. As one control method, the arithmetic circuit CAL gives the DC voltage command value Vd * in proportion to the power supply voltage peak value Vsm.
[0123]
FIG. 13 shows a voltage / current vector diagram on the AC power supply side when the amplitude value of the power supply voltage Vs varies when the DC voltage Vd is controlled to be constant. When Vs = Vc, the phase angle φ = 0 and the input current Is becomes zero. On the other hand, when Vs <Vc, the leading current flows when φ = 0. On the contrary, when Vs> Vc, a delay current flows when φ = 0. When the power supply voltage Vs fluctuates, the fundamental wave crest value of the converter output voltage Vc can always be matched with the crest value of the power supply voltage Vs by adjusting the DC voltage Vd accordingly. Thereby, it is possible to prevent useless reactive current from being taken from the power source when the phase angle φ = 0.
[0124]
<Sixth Embodiment>
In the control device of FIG. 12, the arithmetic circuit CAL calculates the DC voltage command value Vd *
Vd * = k · √ {Vsm 2 + (ΩLs ・ Ism) 2 }
Shall be given as Here, Vsm represents a power supply voltage peak value, ω represents a power supply angular frequency, Ls represents an inductance value of the AC reactor Ls, and Ism represents a peak value of the input current Is.
[0125]
In this control method, not only the DC voltage command value Vd * is changed depending on the magnitude of the power supply voltage Vs, but also the Vd * is adjusted in relation to the input current peak value Ism.
[0126]
FIG. 14 shows a voltage / current vector diagram on the AC side at this time. The converter output voltage is
Vc = √ {Vs 2 + (ΩLs · Is) 2 }
Keep the relationship. As a result, the power supply voltage vector Vs and the applied voltage (= jωLs · Is) of the AC reactor Ls always maintain a quadrature relationship, and the input current Is is in phase (or in reverse phase) with the power supply voltage Vs. Rate = 1.
[0127]
FIG. 15 shows the relationship of the DC voltage command value Vd * to the input current peak value Ism. The DC voltage command value Vd * is increased as the current Ism increases.
[0128]
<Seventh embodiment>
In the control circuit of FIG. 12, the arithmetic circuit CAL calculates the DC voltage command value Vd *
Vd * = k · √ {Vsm 2 -(ΩLs ・ Ism) 2 }
Shall be given as Here, Vsm represents the power supply voltage peak value, ω represents the power supply angular frequency, Ls represents the inductance value of the AC reactor, and Ism represents the input current peak value.
[0129]
In this control method, not only the DC voltage command value Vd * is changed depending on the magnitude of the power supply voltage Vs, but also the Vd * is adjusted in relation to the input current peak value Ism.
[0130]
FIG. 16 shows a voltage / current vector diagram on the AC side at this time. The converter output voltage is
Vc = √ {Vs 2 -(ΩLs ・ Is) 2 }
Keep the relationship. As a result, the converter output voltage vector Vc and the applied voltage (= jωLs · Is) of the AC reactor Ls always maintain a quadrature relationship, and the input current Is is in phase (or in reverse phase) with the converter output voltage Vc. Thus, the converter power factor becomes 1.
[0131]
FIG. 17 shows the relationship of the DC voltage command value Vd * with respect to the input current peak value Ism, and shows that the DC voltage command value Vd * decreases as the current Ism increases.
[0132]
FIG. 18 shows an operation waveform when the converter is operated in the 1-pulse mode with a converter power factor of 1. For the convenience of explanation, the input current Ir is drawn as a sine wave with the ripples omitted. In the figure, IS1 and IS4 represent currents of the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, ID1 and ID4 represent currents of the high-speed diodes D1 and D4, and IPD1 and IPD4 represent current waveforms of the power diodes PD1 and PD4. Respectively.
[0133]
FIG. 18 shows a waveform during powering operation. The fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the converter is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vs. The input current Ir is in phase with the AC output voltage Vcr of the converter and flows with a phase angle φ delayed from the power supply voltage Vr.
[0134]
In the 1-pulse mode, when the input current Ir is zero, the self-extinguishing element S1 or S4 is turned on / off, so that the interruption current of the element becomes zero. The same applies to regenerative operation. In other words, by operating with the converter power factor = 1, it becomes possible to operate with the interruption current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter being zero, and the converter cost can be greatly reduced. It becomes. In addition, zero current switching, that is, soft switching can be performed, and the problems of EMI noise and inductive failure that are currently problematic in hard switching can be solved.
[0135]
<Eighth Embodiment>
FIG. 19 shows another embodiment of the apparatus of the present invention. In this embodiment, two power converters that combine a power diode rectifier REC and a voltage-type self-excited power converter CNV are prepared, and two sets of secondary windings having a phase difference of 30 ° between them are prepared. Using the three-phase transformer TR, the power converter is configured to perform parallel multiplex operation on the AC side and to connect in parallel on the DC side. Here, the diode rectifier REC, the voltage source self-excited power converter CNV, the AC reactor Ls, and the recovery current suppression reactor Lp described in FIG. It represents belonging. The transformer TR interposed between the AC power supply terminals R, S, T and the AC reactors LS1, LS2 has two sets of secondary windings, and one of the secondary windings is a star connection (Y connection). ), And the other secondary winding is a triangular connection (Δ connection), and there is a phase difference of 30 ° between the output voltages of both. One secondary winding of the transformer TR supplies power to the first group of power converters, and the other secondary winding supplies power to the second group of power converters. Both power converters CNV1 and CNV2 are connected in parallel on the DC side, and the DC terminals thereof are connected to a common DC smoothing capacitor Cd and a load device LOAD. The load device LOAD is a collective representation of the inverter INV and the AC motor M.
[0136]
FIG. 20 shows an embodiment of a control device that controls the power conversion device of FIG. 19, and is used in common for both groups up to the generation of the active current command value Iq *. Divided into The constituent elements of each group are the same as those in FIG. 1, but here again, those in the first group and those in the second group are distinguished by the suffix 1 or 2. Finally, the first controller outputs gate signals g11 to g16 for the self-extinguishing element of the first power converter CNV1, and the second control unit outputs the self-extinguishing of the second power converter CNV2. Gate signals g21 to g26 for the element are output.
[0137]
For example, the R-phase input currents (secondary currents of the transformer TR) Ir1 and Ir2 of the two sets of power converters are controlled independently, but both command values Iq * are the same, so they are controlled to substantially the same value. . As a result, the harmonics of the primary current of the transformer TR cancel each other, and operation with less current ripple can be performed. When the parallel multiple operation is performed by combining three or more power conversion devices, the primary current ripple of the transformer TR can be further reduced.
[0138]
This device can increase the capacity of the conversion device and reduce the harmonic component of the input current Is supplied from the AC power supply, thereby providing high efficiency with excellent overload capability and power regeneration. -A low-cost large-capacity power converter can be provided.
[0139]
<Ninth embodiment>
The present embodiment adjusts the phase angle φ with respect to the voltage Vs of the AC power supply by operating n voltage source self-excited power converters CNV1 to CNVn in a constant pulse pattern in the power conversion device of the eighth embodiment. Thus, the AC input current Is is controlled, and the voltage Vd of the DC smoothing capacitor Cd is controlled. The voltage type self-excited power converters CNV1 to CNVn operate with a constant pulse pattern and perform switching in synchronization with the voltage Vs of the AC power supply. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude values of the AC output voltages Vc1 to Vcn of the self-excited power converters CNV1 to CNVn are constant. In this state, by changing the phase angle φ of the output voltages Vc1 to Vcn with respect to the power supply voltage Vs, the voltage applied to the AC reactors Ls1 to Lsn changes, and the input current Is can be adjusted. By increasing the phase angle φ of the output voltages Vc1 to Vcn of each converter with respect to the power supply voltage Vs in the delay direction, the effective power Ps supplied from the AC power supply increases. Conversely, when the phase angle φ is increased in the advance direction, the active power Ps is regenerated to the AC power source.
[0140]
When the self-excited converters CNV1 to CNVn are controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current Is becomes small. However, since the converter power factor is close to 1, the zero point of the current Is Switching is performed in the vicinity, and the cut-off current of the self-extinguishing elements constituting the self-excited converters CNV1 to CNVn can be small. Thereby, the harmonic component of the input current Is is small, power regeneration is possible, and a high-power factor / high-efficiency, low-cost power conversion device can be provided.
[0141]
<Tenth Embodiment>
In this embodiment, in the power conversion device of the eighth embodiment, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn are operated in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply SUP, and the voltage of the AC power supply The AC input current Is is controlled by adjusting the phase angle φ with respect to Vs, and the voltage Vd of the DC smoothing capacitor Cd is controlled.
[0142]
By operating each voltage type self-excited power converter CNV1 to CNVn in the 1-pulse mode, switching loss can be reduced and the voltage utilization factor of the self-excited converter can be improved. Further, since the self-excited converter is switched near the zero point of the input current Is, the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced. As a result, it is possible to provide a power conversion device that has excellent overload capability, low cost, high efficiency, and large capacity.
[0143]
<Eleventh embodiment>
FIG. 21 shows still another embodiment of the device of the present invention. The feature of this embodiment is that the DC side of the first and second voltage source self-excited power converters CNV1 and CNV2 is connected in series to supply power to a common load device LOAD. The other configuration is the same as that of FIG.
[0144]
FIG. 22 shows an embodiment of the control device of the apparatus of FIG. Self-excited power converters CNV1 and CNV2 perform a control operation so that voltages Vd1 and Vd2 of DC smoothing capacitors Cd1 and Cd2 respectively coincide with command value Vd *. The comparator C11 compares the voltage detection value Vd1 with the voltage command value Vd *, and the deviation εv1 is integrated or proportionally amplified by the voltage control compensation circuit Gv1 (S) and input to one input terminal of the adder C21. . Similarly, the comparator C12 compares the voltage detection value Vd2 with the voltage command value Vd *, and the deviation εv2 is integrated or proportionally amplified by the voltage control compensation circuit Gv2 (S), and is added to one input terminal of the adder C22. On the other hand, the DC current Idv consumed by the load LOAD is detected and input to the other input terminals of the adders C21 and C22 via the common feedforward compensator FF. The output of the adder C21 becomes the command value Iq1 * of the active current supplied from the power supply SUP to the first power converter (REC1 + CNV1), and the output of the adder C22 is sent from the power supply SUP to the second power converter (REC2 + CNV2). The command value Iq2 * of the effective current to be supplied is obtained. Others are the same as those of FIG.
[0145]
Voltage-type self-excited power converters CNV1 and CNV2 control the input current by controlling the phase angle φ1, φ2 with respect to the power supply voltage with a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage. To do.
[0146]
The input currents (secondary currents of the transformer TR) Ir1 and Ir2 (R phase) of the two sets of power converters are controlled independently, but in the steady state, the DC voltages Vd1 and Vd2 are substantially the same, and the effective current command Since the values Iq1 * and Iq2 * are substantially equal, the input currents Is1 and Is2 are controlled to be substantially the same value. As a result, the harmonics of the primary current of the transformer cancel each other, and operation with less current ripple can be performed. When the parallel multiple operation is performed by combining three or more power conversion devices, the primary current ripple of the transformer TR can be further reduced.
[0147]
This device can increase the capacity of the conversion device, increase the DC output voltage Vd, and reduce the harmonic component of the input current Is supplied from the AC power supply. It is possible to provide a high-efficiency, low-cost, large-capacity power conversion device that can regenerate power.
[0148]
<Twelfth embodiment>
The feature of this embodiment is that in the power conversion device of the eleventh embodiment, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn are operated with a constant pulse pattern, and the phase angle φ with respect to the voltage Vs of the AC power supply is set. The adjustment is to control the AC input current Is and to control the voltages Vd1 to Vdn applied to the DC smoothing capacitors Cd1 to Cdn.
[0149]
The voltage type self-excited power converters CNV1 to CNVn perform switching in synchronization with the voltage Vs of the AC power supply with a constant pulse pattern. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude values of the AC output voltages Vc1 to Vcn of the self-excited converters CNV1 to CNVn are constant. In this state, by changing the phase angle φ of the output voltages Vc1 to Vcn with respect to the power supply voltage Vs, the voltage applied to the AC reactors Ls1 to Lsn changes, and the input current of each voltage source self-excited power converter CNV1 to CNVn Can be adjusted. When the self-excited converters CNV1 to CNVn are controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current Is becomes small. By operating the converter power factor close to 1, Switching is performed near the zero point of Is, and the cutoff current of the self-extinguishing elements constituting the self-excited converters CNV1 and CNV2 can be reduced.
[0150]
By increasing the phase angle φ of the output voltages Vc1 to Vcn of each converter with respect to the power supply voltage Vs in the delay direction, the effective power Ps supplied from the AC power supply increases. Conversely, when the phase angle φ is increased in the advance direction, the active power Ps is regenerated to the AC power source. Self-excited converters CNV1 to CNVn control so that voltages Vd1 to Vdn of DC smoothing capacitors Cd1 to Cdn are substantially constant. As a result, the sum voltage Vd0 = Vd1 + Vd2 + ... + Vdn is controlled to be constant. As a result, the DC output voltage can be increased, the harmonic component of the input current Is is small, power regeneration is possible, and a high power factor, high efficiency, and low cost power conversion device is provided. it can.
[0151]
<Thirteenth embodiment>
In this embodiment, in the power conversion device of the eleventh embodiment, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn are operated in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply SUP, and the voltage Vs of the AC power supply is set. Is adjusted to control the input currents of the voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn and the voltages Vd1 to Vdn applied to the DC smoothing capacitors Cd1 to Cdn.
[0152]
By operating each of the voltage source self-excited power converters CNV1 to CNVn in the one-pulse mode, the switching loss can be reduced and the voltage utilization rate of the self-excited converter can be improved. Further, since the self-excited converter is switched near the zero point of the input current Is, the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced. As a result, it is possible to provide a power conversion device that has excellent overload capability, low cost, high efficiency, and large capacity.
[0153]
<Fourteenth embodiment>
FIG. 23 shows still another embodiment of the present invention. A feature of this embodiment is that the primary windings are connected in series instead of one transformer TR having two sets of secondary windings in the apparatus of FIG. 19 and have a phase difference of 30 ° from each other. By using two three-phase transformers TR1 and TR2 that output voltage to perform series multiplex operation, and using the leakage inductance of the two transformers, the AC shown in FIG. The reactors Ls1 and Ls2 are omitted. Of course, in the same manner as in FIG. 19, even if AC reactors Ls1 and Ls2 are provided outside, the same principle is obtained.
[0154]
FIG. 24 shows an embodiment of the control device of the device of FIG. Here, the steps from the adder C1 to the current control compensation circuit Gi (S) are the same as those in FIG. 1, and the phase control circuits PHC1, PHC2 and the subsequent branches are divided into two groups. The phase control circuits PHC1 and PHC2 generate gate signals g11 to g16 and g21 to g26 for both power converters CNV1 and CNV2 using the common phase angle command value φ * already described.
[0155]
The voltage-type self-excited power converters CNV1 and CNV2 control the input current Ir, Is by controlling the phase angle φ with respect to the power supply voltage with a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage. , It is controlled. In this device, since the two transformers TR1 and TR2 are connected in series on the primary side, the input currents of the two power converters (REC1 + CNV1 and REC2 + CNV2) are the same, resulting in a current with less harmonics. .
[0156]
Although the example using two power converters has been described above, it goes without saying that a serial multiple connection operation can be performed using three or more power converters.
[0157]
According to this device, it is possible to increase the capacity of the conversion device and reduce the harmonic component of the input current Is supplied from the AC power supply. In particular, there is an advantage that harmonic components of the AC side input current flowing through each converter can be reduced by serial multiple operation, and the control pulses of the self-excited power converters CNV1 to CNVn can be reduced. Moreover, the conventional AC reactor can be omitted by using the leakage inductance of the three-phase transformer. As a result, it is possible to provide a high-efficiency, low-cost, large-capacity power conversion device that is excellent in overload capability and capable of power regeneration.
[0158]
<Fifteenth embodiment>
In this embodiment, in the power conversion device of the fourteenth embodiment, n voltage-type self-excited power converters CNVl to CNVn are operated in a constant pulse pattern to adjust the phase angle φ with respect to the voltage Vs of the AC power supply. Thus, the AC input current Is is controlled, and the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is controlled.
[0159]
The voltage type self-excited power converters CNV1 to CNVn perform switching in synchronization with the voltage Vs of the AC power supply with a constant pulse pattern. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude values of the AC output voltages Vc1 to Vcn of the self-excited converters CNV1 to CNVn are constant. In this state, by changing the phase angle φ of the output voltages Vc1 to Vcn with respect to the power supply voltage Vs, the voltage applied to the leakage inductance of the transformer changes and the input current Is can be adjusted. When the self-excited converters CNV1 to CNVn are controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current Is becomes small. By operating the converter power factor close to 1, Switching is performed near the zero point of Is, and the cutoff current of the self-extinguishing elements constituting the self-excited converters CNV1 to CNVn can be reduced.
[0160]
By increasing the phase angle φ of the output voltages Vc1 to Vcn of each converter with respect to the power supply voltage Vs in the delay direction, the effective power Ps supplied from the AC power supply increases. Conversely, when the phase angle φ is increased in the advance direction, the active power Ps is regenerated to the AC power source.
[0161]
Self-excited converters CNV1 to CNVn control input current Is such that voltage Vd applied to DC smoothing capacitor Cd is substantially constant. Thereby, the harmonic component of the input current Is is small, power regeneration is possible, and a high-power factor / high-efficiency, low-cost power conversion device can be provided.
[0162]
<Sixteenth Embodiment>
In this embodiment, in the power conversion device of the fourteenth embodiment, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn are operated in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply SUP, and the voltage of the AC power supply The AC input current Is is controlled by adjusting the phase angle φ with respect to Vs, and the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is controlled.
[0163]
In the present embodiment, the self-excited converters CNV1 to CNVn are operated with a constant pulse pattern as in the fifteenth embodiment, but the number of pulses is one. Naturally, if the DC voltage Vd is constant, the amplitude values of the AC side output voltages Vc1 to Vcn of the self-excited converters CNV1 to CNVn are constant. The input current Is is controlled by adjusting the phase angle φ of the sum voltage of the AC side output voltages Vc1 to Vcn of the self-excited converters CNV1 to CNVn with respect to the power supply voltage Vs. When φ = 0, Is = 0 In order to achieve this, it is necessary that the peak value of the power supply voltage Vs and the fundamental peak value of the sum voltage of the converter output voltages Vc1 to Vcn be the same. Since the DC voltage Vd is determined by the load side requirements, etc., the secondary side voltages of the three-phase transformers TR1 to TRn are made the same as the fundamental wave components of the AC side output voltages Vc1 to Vcn of the self-excited converters CNV1 to CNVn. Adjust the values so that
[0164]
By operating the self-excited converters CNV1 to CNVn with one pulse, the number of times of switching can be minimized and the converter efficiency can be further improved. Further, the fundamental wave components of the AC side output voltages Vc1 to Vcn are increased, and the voltage utilization rates of the self-excited converters CNV1 to CNVn are improved. In addition, since the converter power factor is operated at approximately 1, switching is performed only once near the zero point of the input current Is, and the cutoff current of the self-extinguishing element during power running operation and regenerative operation is Extremely small. As a result, a highly efficient and low cost power conversion device can be provided. Further, not interrupting a large current means that it is close to soft switching, and EMI noise is reduced, and an environment-friendly power conversion device can be provided.
[0165]
<Seventeenth embodiment>
In this embodiment, in the power conversion devices of the eighth to sixteenth embodiments, the recovery current suppression reactors Lp1 to Lpn are reset for resetting a recovery current composed of a series circuit of diodes Dp1 and Dp2 and resistors Rp1 and Rp2. The circuit is connected in parallel.
[0166]
In the present embodiment, in the power converters of the eighth to sixteenth embodiments, a reset circuit for resetting the recovery current flowing through these reactors is added to the recovery current suppressing reactors Lp1 to Lpn, respectively. . Each reset circuit is composed of a series circuit of diodes Dp1 to Dpn and resistors Rp1 to Rpn.
[0167]
The recovery current suppressing reactors Lp1 to Lpn suppress excessive current flowing into each diode of the power diode rectifiers REC1 to RECn when the self-extinguishing elements of the voltage type self-excited power converters CNV1 to CNVn are turned on. Have a role to play. Normally, the reactors Lp1 to Lpn have an inductance value of several tens of μH. When a recovery current flows through the reactors Lp1 to Lpn, it is necessary to reset the current once before the next switching. Therefore, a reset circuit for resetting the recovery current once is connected in parallel to the reactors Lp1 to Lpn.
[0168]
When the recovery current flowing through the power diode disappears, a voltage of VLP = Lp (di / dt) is generated in the reactors Lp1 to Lpn. As a result, as a result, a voltage of Vd + VLP is applied to the self-extinguishing element and the diode constituting the converter. At this time, the reset circuit including the diode and the resistor consumes the energy stored in each of the reactors Lp1 to Lpn and serves to reset the current. The time constant Tp of the reset circuit is given by Tp = Lp / Rp, where Lp is the inductance of the reactor and Rp is the resistance value of the resistor, and is preferably 1/3 or less of the switching period. When the self-excited converter is operated with one pulse, if the power supply frequency fs is 50 Hz, the switching cycle Tsw is Tsw = 1 / (6 · fs) = 1/300 [s] = 3.3 [ms]. Become. Therefore, it is desirable to set Tp = 1 [ms] or less. If Lp = 50 μH and Rp = 0.1Ω, then Tp = 0.5 [ms]. When the resistance value Rp is increased, the voltage applied to the converter increases, and the breakdown voltage of the element needs to be increased accordingly.
[0169]
As a circuit for resetting the recovery current flowing through the recovery current suppressing reactors Lp1 to Lpn, a series circuit of a diode and a resistor is shown as an embodiment, but a DC voltage source may be prepared instead of the resistor. The DC voltage source may be a battery or a large-capacity DC smoothing capacitor. Since energy is gradually stored in the DC voltage source, a circuit that consumes it or a circuit that regenerates power is often added.
[0170]
Thus, for example, by connecting a reset circuit including a diode and a resistor in parallel to the recovery current suppression reactor, the function of the recovery current suppression reactor inserted on the DC side can be maintained.
[0171]
<Eighteenth embodiment>
In this embodiment, in the power converters of the eighth to seventeenth embodiments, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn are adapted to change in the power supply voltage Vs when the voltage Vs of the AC power supply fluctuates. Thus, the command value of the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is changed and controlled.
[0172]
When n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn are operated with one pulse or a constant pulse pattern, the amplitude value of the AC side output voltage Vc of these power converters CNV1 to CNVn is constant, and the power supply voltage Vs is When it becomes higher, converters CNV1 to CNVn become delayed power factor operation, and when power supply voltage Vs becomes lower, converters CNV1 to CNVn become advanced power factor operation. As the power factor decreases, the phase difference between the AC output voltage Vc and the input current Is of the self-excited power converters CNV1 to CNVn increases, and the cutoff current of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter increases. turn into. Therefore, by adjusting the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd according to the amplitude value of the power supply voltage Vs, control is always performed so that | Vs | = | Vc |. Thereby, it is possible to prevent an extreme decrease in the power source power factor or the converter power factor, and it is possible to prevent an increase in the cutoff current of the self-extinguishing element.
[0173]
<Nineteenth embodiment>
In this embodiment, in the power converters of the eighth to eighteenth embodiments, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn have an angular frequency of AC power supply SUP as ω, a power supply voltage as Vs, and an input current. Is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is
Vd = k · √ {Vs 2 + (Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
It controls to become.
[0174]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd by n self-excited power converters CNV1 to CNVn is
Vd = k · √ {Vs 2 + (Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
Thus, the phase of the input current Is can be matched to the phase of the power supply voltage Vs, and the operation with the power source power factor = 1 can be performed. This effect is the same in regenerative operation. As a result, it is possible to provide a power conversion device that is excellent in overload resistance, low cost, and high power factor.
[0175]
<20th Embodiment>
In this embodiment, in the power converters of the eighth to eighteenth embodiments, n voltage-type self-excited power converters CNV1 to CNVn have an angular frequency of AC power supply SUP as ω, a power supply voltage as Vs, and an input current. Is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is
Vd = k · √ {Vs 2 -(Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
It controls to become.
[0176]
The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd by n self-excited power converters CNV1 to CNVn is
Vd = k · √ {Vs 2 -(Ω ・ Ls ・ Is) 2 }
The phase angle φ of the input current Is with respect to the power supply voltage Vs can be made to substantially coincide with the phase angle φ of the AC output voltage Vc of the self-excited power converters CNV1 to CNVn. That is, the phase of the input current Is and the converter output voltage Vc are matched, and the converter power factor = 1 can be operated. As a result, the cut-off current of the self-extinguishing element constituting the self-excited converter CNV can be reduced, and the converter capacity can be reduced. This effect is the same in the regenerative operation. Thereby, it is excellent in overload tolerance, can provide a low-cost and highly efficient power converter device.
[0177]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the power conversion device of the present invention, it is possible to provide a power conversion device that is capable of power regeneration, has excellent overload capability, and is low in cost and high efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a power converter of the present invention.
FIG. 2 is an AC side voltage / current vector diagram for explaining a control operation of the apparatus of FIG.
FIG. 3 is a control block diagram for explaining a phase control operation of the apparatus of FIG. 1;
4 is a time chart for explaining a phase control operation of the apparatus of FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is an operation waveform diagram of each part for explaining a control operation during the power running operation of the apparatus of FIG. 1;
6 is an operation waveform diagram of each part for explaining a control operation during a regenerative operation of the apparatus of FIG. 1;
7 is an operation waveform diagram of each part for explaining a control operation in a process from a power running operation to a regenerative operation of the apparatus of FIG. 1;
8 is another time chart for explaining the phase control operation of the apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 9 is an operation waveform diagram for each part for explaining another control operation during the power running operation of the apparatus of FIG. 1;
10 is still another time chart for explaining the phase control operation of the apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 11 is an operation waveform diagram of each part for explaining still another control operation during the power running operation of the apparatus of FIG. 1;
FIG. 12 is a block diagram showing an embodiment of another control circuit of the device of the present invention.
FIG. 13 is an AC side voltage / current vector diagram for explaining the operation of the device of the present invention.
FIG. 14 is an AC side voltage / current vector diagram for explaining a control operation of the device of the present invention.
FIG. 15 is a characteristic diagram for explaining a control operation of the device of the present invention.
FIG. 16 is an AC side voltage / current vector diagram for explaining another control operation of the device of the present invention;
FIG. 17 is a characteristic diagram for explaining another control operation of the device of the present invention.
FIG. 18 is an operation waveform diagram for explaining another control operation of the device of the present invention.
FIG. 19 is a main circuit configuration diagram showing another embodiment of the device of the present invention.
20 is a configuration diagram showing an embodiment of a control circuit of the apparatus shown in FIG. 19;
FIG. 21 is a main circuit configuration diagram showing still another embodiment of the device of the present invention.
22 is a configuration diagram showing an embodiment of a control circuit of the apparatus of FIG. 21. FIG.
FIG. 23 is a main circuit configuration diagram showing still another embodiment of the device of the present invention.
24 is a configuration diagram showing an embodiment of a control circuit of the apparatus of FIG. 23. FIG.
FIG. 25 is a configuration diagram of a conventional pulse width modulation control converter capable of power regeneration.
[Explanation of symbols]
SUP AC power supply
REC Power diode rectifier
CNV Voltage type self-excited power converter
Ls AC reactor
Lp Re-force burr current suppression reactor
Cd DC smoothing capacitor
LOAD load
C1, C3 comparator
C2 adder
Gv (S) voltage control compensation circuit
Gi (S) current control compensation circuit
FF feedforward compensator
A 3-phase / dq coordinate conversion circuit
PLL power supply synchronous phase detection circuit
PHC phase control circuit

Claims (20)

交流電源に交流リアクトルを介して交流端子が接続される電力用ダイオード整流器と、この電力用ダイオード整流器の交流端子に交流端子が直接に接続された電圧形自励式電力変換器と、この電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間にリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続され、負荷装置を並列に接続する直流平滑コンデンサとを具備してなる電力変換装置。A power diode rectifier having an AC terminal connected to an AC power source through an AC reactor, a voltage type self-excited power converter in which the AC terminal is directly connected to the AC terminal of the power diode rectifier, and the voltage type A power converter comprising: an excitation power converter; and a DC smoothing capacitor connected between a DC common terminal of the power diode rectifier via a recovery current suppressing reactor and connecting a load device in parallel. 前記リカバリ電流抑制用リアクトルに、そのリアクトルに流れたリカバリ電流をリセットするリセット回路を並列接続したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。The power converter according to claim 1, wherein a reset circuit for resetting a recovery current flowing through the reactor is connected in parallel to the recovery current suppressing reactor. 前記電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより入力電流を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。3. The power according to claim 1, wherein the voltage source self-excited power converter operates with a constant pulse pattern and controls an input current by adjusting a phase angle with respect to a voltage of the AC power supply. Conversion device. 前記電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより入力電流を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。The voltage-type self-excited power converter operates in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power supply, and controls an input current by adjusting a phase angle with respect to the voltage of the AC power supply. The power converter according to 1 or 2. 前記電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の電圧が変動した場合、電源の電圧の変化に合わせて前記直流平滑コンデンサに印加される電圧の指令値を変えて制御動作することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置。When the voltage of the AC power supply fluctuates, the voltage type self-excited power converter performs a control operation by changing a command value of the voltage applied to the DC smoothing capacitor in accordance with a change in the voltage of the power supply. The power converter according to any one of claims 1 to 4. 前記電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、前記交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、前記直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
The voltage-type self-excited power converter has the DC smoothing capacitor when the angular frequency of the AC power supply is ω, the power supply voltage is Vs, the input current is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k. The voltage Vd applied to
Vd = k · √ {Vs 2 + (ω · Ls · Is) 2 }
The power conversion device according to claim 1, wherein control is performed so that
前記電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、前記交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、前記直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載された電力変換装置。
In the voltage-type self-excited power converter, when the angular frequency of the AC power supply is ω, the power supply voltage is Vs, the input current is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k, the DC smoothing capacitor The voltage Vd applied to
Vd = k · √ {Vs 2 − (ω · Ls · Is) 2 }
The power conversion device according to claim 1, wherein control is performed so that
3相交流電源に1次巻線が接続され、所定の位相差を持たせたn組の2次巻線を有する3相変圧器と、この3相変圧器の各2次巻線に交流リアクトルを介して交流端子が接続されたn台の電力用ダイオード整流器と、これらn台の電力用ダイオード整流器の交流端子に交流側端子が直接に接続されたn台の電圧形自励式電力変換器と、これらn台の電圧形自励式電力変換器と前記n台の電力用ダイオード整流器の直流共通端子にリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続され、負荷装置を並列に接続する直流平滑コンデンサとを具備してなる電力変換装置。A three-phase transformer having a primary winding connected to a three-phase AC power source and having n sets of secondary windings having a predetermined phase difference, and an AC reactor on each secondary winding of the three-phase transformer N power diode rectifiers having AC terminals connected thereto, and n voltage-type self-excited power converters in which the AC side terminals are directly connected to the AC terminals of the n power diode rectifiers, The n voltage-type self-excited power converters and a DC smoothing capacitor connected to a DC common terminal of the n power diode rectifiers via a recovery current suppressing reactor and connecting a load device in parallel. A power conversion device. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して前記直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。The n voltage-type self-excited power converters operate with a constant pulse pattern, and control the AC input current by adjusting the phase angle with respect to the voltage of the AC power supply to be applied to the DC smoothing capacitor. The power conversion device according to claim 8, wherein the power conversion device is controlled. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して前記直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。The n voltage-type self-excited power converters operate in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power source, and control the AC input current by adjusting the phase angle with respect to the voltage of the AC power source to control the DC current. The power converter according to claim 8, wherein a voltage applied to the smoothing capacitor is controlled. 3相交流電源に1次巻線が接続され、所定の位相差を有するn組の2次巻線を有する3相変圧器と、この3相変圧器の各2次巻線に交流リアクトルを介して交流端子が接続されたn台の電力用ダイオード整流器と、これらn台の電力用ダイオード整流器の交流端子に直接に交流端子が接続されたn台の電圧形自励式電力変換器と、前記n台の電圧形自励式変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子のそれぞれにリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続されたn個の直流平滑コンデンサとを備え、前記n個の直流平滑コンデンサが直列接続され、その直列接続された両端に負荷装置が接続される電力変換装置。A three-phase transformer is connected to a three-phase AC power source, and a primary phase is connected to each other, and a secondary phase of the three-phase transformer is connected to each secondary winding via an AC reactor. N power diode rectifiers having AC terminals connected thereto, n voltage-type self-excited power converters having AC terminals directly connected to AC terminals of the n power diode rectifiers, A voltage source self-excited converter and n DC smoothing capacitors connected to a DC common terminal of each of the power diode rectifiers via a recovery current suppressing reactor, wherein the n DC smoothing capacitors are A power conversion device that is connected in series, and load devices are connected to both ends of the series connection. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより各電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御して前記直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする請求項11に記載の電力変換装置。The n voltage-type self-excited power converters operate with a constant pulse pattern, and control the input current of each voltage-type self-excited power converter by adjusting the phase angle with respect to the voltage of the AC power source. The power converter according to claim 11, wherein a voltage applied to the DC smoothing capacitor is controlled. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより各電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御して前記直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする請求項11に記載の電力変換装置。The n voltage-type self-excited power converters operate in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power source, and adjust the phase angle with respect to the voltage of the AC power source to adjust the voltage type self-excited power converter. The power converter according to claim 11, wherein an input current is controlled to control a voltage applied to the DC smoothing capacitor. 3相交流電源に対し1次巻線が各相毎に直列接続され、2次巻線の出力電圧が所定の位相差を持つように構成されたn台の3相変圧器と、これらn台の3相変圧器の各2次巻線に交流端子が接続された3相ブリッジ結線のn台の電力用ダイオード整流器と、これらn台の電力用ダイオード整流器の交流端子に交流端子が直接に接続されたn台の3相ブリッジ結線の電圧形自励式電力変換器と、これらn台の電圧形自励式電力変換器および前記n台の電力用ダイオード整流器の直流共通共通端子にそれぞれリカバリ電流抑制用リアクトルを介して接続され、並列に負荷装置が接続される直流平滑コンデンサとを具備してなる電力変換装置。N three-phase transformers configured such that a primary winding is connected in series for each phase with respect to a three-phase AC power source, and an output voltage of the secondary winding has a predetermined phase difference, and these n units N power diode rectifiers with a three-phase bridge connection in which an AC terminal is connected to each secondary winding of the three-phase transformer, and an AC terminal directly connected to the AC terminals of these n power diode rectifiers N-type three-phase bridge-connected voltage-type self-excited power converters, and DC voltage common common terminals of the n voltage-type self-excited power converters and the n power diode rectifiers, respectively. A power converter comprising a DC smoothing capacitor connected via a reactor and connected to a load device in parallel. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、一定のパルスパターンで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して前記直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする請求項14に記載の電力変換装置。The n voltage-type self-excited power converters operate with a constant pulse pattern, and control the AC input current by adjusting the phase angle with respect to the voltage of the AC power supply to be applied to the DC smoothing capacitor. The power conversion device according to claim 14, wherein the power conversion device is controlled. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の周波数に同期した1パルスモードで動作し、前記交流電源の電圧に対する位相角を調整することにより交流入力電流を制御して前記直流平滑コンデンサに印加される電圧を制御することを特徴とする請求項14に記載の電力変換装置。The n voltage-type self-excited power converters operate in a one-pulse mode synchronized with the frequency of the AC power source, and control the AC input current by adjusting the phase angle with respect to the voltage of the AC power source to control the DC current. The power converter according to claim 14, wherein a voltage applied to the smoothing capacitor is controlled. 前記リカバリ電流抑制用リアクトルにそれぞれ、それらのリアクトルに流れた電流をリセットするリセット回路を並列接続したことを特徴とする請求項8ないし16のいずれか1項に記載の電力変換装置。The power converter according to any one of claims 8 to 16, wherein a reset circuit for resetting a current flowing through each of the recovery current suppressing reactors is connected in parallel. 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の電圧が変動した場合、その電源電圧の変化に合わせて前記直流平滑コンデンサに印加される電圧の指令値を変えて制御することを特徴とする請求項8〜17のいずれか1項に記載の電力変換装置。When the voltage of the AC power supply fluctuates, the n voltage-type self-excited power converters control by changing the command value of the voltage applied to the DC smoothing capacitor in accordance with the change of the power supply voltage. The power converter according to claim 8, wherein the power converter is characterized in that 前記n台の電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、前記交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、前記直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs+(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする請求項8〜18のいずれか1項に記載の電力変換装置。
In the n voltage-type self-excited power converters, the angular frequency of the AC power supply is ω, the power supply voltage is Vs, the input current is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k. The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is
Vd = k · √ {Vs 2 + (ω · Ls · Is) 2 }
It controls so that it may become. The power converter device of any one of Claims 8-18 characterized by the above-mentioned.
前記n台の電圧形自励式電力変換器は、前記交流電源の角周波数をω、電源電圧をVs、入力電流をIs、前記交流リアクトルのインダクタンス値をLs、比例定数をkとした場合、前記直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdを、
Vd=k・√{Vs−(ω・Ls・Is)
となるように制御することを特徴とする請求項8〜18のいずれか1項に記載の電力変換装置。
In the n voltage-type self-excited power converters, the angular frequency of the AC power supply is ω, the power supply voltage is Vs, the input current is Is, the inductance value of the AC reactor is Ls, and the proportionality constant is k. The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is
Vd = k · √ {Vs 2 − (ω · Ls · Is) 2 }
It controls so that it may become. The power converter device of any one of Claims 8-18 characterized by the above-mentioned.
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