JP3861028B2

JP3861028B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3861028B2
Application number: JP2002167625A
Authority: JP
Inventors: 準次古澤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004015935A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源を直流に変換する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械の駆動源に使用される各種モータを可変速運転するインバータの直流電源には、トランジスタを用いて可逆変換ができるコンバータを備えた電力変換装置が使用される。この種の電力変換装置においてはモータ減速時に発生するモータの運転エネルギーを交流電源に回生できる。
【０００３】
近年、この電源回生による電源電圧の歪みに基づく進相コンデンサやリアクトル等の電源設備への悪影響が問題となっており、正弦波状の電流を回生することにより電源電圧歪みを少なくする機能を備えた電力変換装置が実用化されている。
【０００４】
従来例の電力変換装置Ｃを図７を用いて説明する。
【０００５】
従来例では、入力される交流電流が各相毎に電流検出器６を介して検出され、この検出値に基づいて入出力される交流電流が正弦波波形になる様にフィードバック制御する技術が確立されている。
【０００６】
３相交流電源１は電力変換装置Ｃの入力端子５１に接続される。入力端子５１はチョークコイル７を介してトランジスタおよびダイオードによって構成されるコンバータ４に接続される。また、入力端子５１とチョークコイル７との間には、後述するＰＷＭ制御によるリップル成分を吸収するため、相間コンデンサ１３が接続されている。コンバータ４で交流電圧が直流電圧に変換され、出力端子５２から出力される。出力された直流電圧は、平滑コンデンサ５によって平滑され、インバータ回路２の直流電源として接続される。インバータ回路２では、再び直流から交流へ変換され、交流モータ３の可変速制御が行われる。
【０００７】
ここで、図７中の制御回路Ｄの動作を説明する。
【０００８】
直流電圧Ｖｄｃの目標電圧としては、電源電圧に応じて変化するように、アイソレータ８を介して非可逆的に絶縁され、ピークホールド回路１６によって検出された電源電圧のピーク値と基準電圧２２とを加算器１７によって加算した値が設定される。この目標電圧からは、減算器１８において直流電圧Ｖｄｃの検出値が引き算され、電圧偏差信号が得られる。この電圧偏差信号は、誤差増幅器１９によって増幅され、直流電流指令ｉｄ*を形成する。
【０００９】
次に、アイソレータ８を介して検出された３相交流電源電圧を入力として、位相検出器９が電源電圧位相値を出力する。位相検出方法については、本出願人は電源電圧が歪んだ場合にも位相検出可能な電力変換装置を特願平７−１３３８８１号において提案しており、詳細な説明は省略する。
【００１０】
この位相検出値をもとに交流信号発生器１１では各相電圧と同位相，同周波数の交流信号を指令周期毎に発生する。この交流信号と直流電流指令ｉｄ*を乗算器１２によって乗算して交流電流指令ｉＲ*，ｉＳ*，ｉＴ*を作成する。
【００１１】
この交流電流指令は、減算器１４によって電流検出器６で検出した電流検出値ｉｒ，ｉｓ，ｉｔと引き算され、さらに誤差増幅器１５で増幅して交流電圧指令ＶＲ*，ＶＳ*，ＶＴ*を作成し、ＰＷＭ制御回路１０に入力される。この交流電圧指令を基にＰＷＭ制御回路１０では、入力された信号をキャリア信号によってパルス幅変調し、トランジスタＴr１〜Ｔr６のＯＮ／ＯＦＦ制御信号が作成される。このＰＷＭ制御回路１０の動作はインバータの制御回路に一般的に用いられるものであり、詳細な説明は省略する。これらの回路の働きによって、コンバータ４に流れる電流は、電源電圧と直流電圧検出値から作られた正弦波の電流指令の通りにフィードバック制御される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来例の電力変換装置Ｃにおいて、交流モータ３の減速時にはインバータ回路２側から回生される電力によって直流電圧Ｖdcが上昇し、この上昇した直流電圧Ｖdcと３相交流電源１との電位差を用いることにより回生動作を行う。
【００１３】
しかし、実際のところ３相交流電源１には、ケーブル、変圧器等にインピーダンスが存在するため、入力端子５１からみた電源インピーダンスＬｓが大きいと、回生時の電流により電源電圧が上昇してしまう。
【００１４】
通常、電力変換装置に用いられる部品の耐圧により、直流電圧Ｖdcには上限の制約があるため、回生時に電力変換装置の入力端子５１に出力できる電圧指令にも制限がある。
【００１５】
このため、電源インピーダンスＬｓが大きく、かつ、交流モータ３の減速時にインバータ回路２側から回生されるエネルギーが大きいと、図２，３に示すように電圧指令が飽和してしまう。
【００１６】
電圧指令の飽和している区間が増加し、実験では飽和区間が指令周期の５０％から６０％程度まで増加すると、電流指令に対して実際に流れる電流に遅れを生じ、無効電流が増加して制御不能となる現象が発生した。
【００１７】
原因としては、図２に示すように電圧指令が飽和している区間は、トランジスタはＯＮ状態のままとなりＯＮ／ＯＦＦ制御が行われない。この飽和状態でも、他の２相がＰＷＭ制御している状態、つまりＯＮ／ＯＦＦ制御区間が図３中の電圧指令波形で半周期の内の２／３、つまり、ＯＮ状態のままが３３％までは問題ないが、これより減少すると、全くＯＮ／ＯＦＦ制御が行われない無制御状態の区間が存在することになるため、制御不能となる。この状態では、単純にＬ負荷に電圧を加えた場合と同じように、電流に最大９０°の位相遅れを生じる。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、部品の耐圧を上げることなく安価な構成で、電源インピーダンスが大きい場合にも正常に動作でき、かつ、最大限の電力回生を行うことができ、各種電源トラブルを未然に防ぐことが可能な電力変換装置の提供を目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のトランジスタ及びこの複数のトランジスタにそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオードによって構成され、入力された交流電圧指令に応じてこれら複数のトランジスタをＰＷＭ制御するコンバータによって３相交流電圧と直流電圧との変換を行う電力変換装置において、前記３相交流電圧を検出して電源電圧位相値を出力する手段と、前記コンバータに入出力する交流電流を検出して３相交流電流検出値を出力する手段と、前記３相交流電圧を検出して電源電圧ピーク値を出力する手段と、前記電源電圧ピーク値と前記直流電圧の偏差に応じて直流電流指令値を発生する手段と、前記電源電圧位相値から電源電圧の各相に同期した交流信号を発生する手段と、前記直流電流指令値と前記交流信号とを乗算して３相交流電流指令を発生する手段と、前記３相交流電流検出値と前記交流電流指令との誤差に基づき３相電圧指令を出力し、前記交流電流をフィードバック制御する手段と、前記３相電圧指令のうち２相以上が出力電圧の制限に伴い飽和する区間を検出して電圧飽和区間検出値として出力する手段と、前記電圧飽和区間検出値に応じて前記直流電流指令値の出力を所定の割合に制限する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記直流電流指令に制限が加わったことを外部に信号として出力する手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明は、前記フィードバック制御の開始をトリガに前記３相交流電圧のピーク値をホールドし、フィードバック制御の開始後の前記３相交流電圧と前記３相交流電圧の検出のホールドされたピーク値との偏差とにより電源インピーダンスを算出する手段と、前記電源インピーダンスの算出値が所定のレベルを超えた場合、外部へワーニング信号を出力する手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
【作用】
本発明による電力変換装置においては、電圧指令の飽和区間を検出し、飽和区間検出値に応じて出力を制限するよう作用する。
【００２３】
また、フィードバック制御の開始をトリガに３相交流電圧の検出をホールドし、フィードバック制御の開始後の３相交流電圧との偏差により電源インピーダンスを算出する。この算出値が所定のレベルを超えた場合、外部へワーニング信号を出力するよう作用する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１を参照し説明する。なお、本実施の形態において前述の図７に示す要素に付した符号と同一符号を付した要素は同一機能を有し、説明は省略する。
【００２５】
図１は本発明に係る電力変換装置の一例である。
【００２６】
以下に電力変換装置Ａ内の制御回路Ｂの動作を説明する。この回路はマイクロプロセッサ等を利用して実現され、その動作はソフトウエアによって実現される。
【００２７】
直流電流指令ｉｄ*は、アイソレータ８を介してピークホールド回路１６によって検出された電源電圧のピーク値と、直流電圧Ｖdc、基準電圧２２、加算器１７、減算器１８、誤差増幅器１９によって作成される。
【００２８】
この直流電流指令は、位相検出器９からの電源位相θをもとに生成された交流信号発生器１１から出力される各相電圧と同位相，同周波数の交流信号と乗算器１２によって乗算され、３相交流電流指令ｉＲ*，ｉＳ*，ｉＴ*として出力される。
【００２９】
この交流電流指令は、減算器１４によって電流検出器６で検出した電流検出値と引き算され、さらに誤差増幅器１５で増幅して交流電圧指令を作成し、ＰＷＭ制御回路１０に入力される。この交流電圧指令を基にＰＷＭ制御回路１０では、入力された信号をキャリア信号によってパルス幅変調し、トランジスタＴr１〜Ｔr６のＯＮ／ＯＦＦ制御信号が作成される。
【００３０】
ここで、交流モータ３の減速時にはインバータ回路２側から回生される電力によって直流電圧Ｖdcが上昇し、直流電圧Ｖdcの上昇に応じた電流指令を作成し、回生動作を行う。
【００３１】
通常の回生動作では、図２、図３のような点線の交流電圧指令となるが、電源インピーダンスが大きく、かつ、回生エネルギーが大きい場合、電源電圧が上昇して直流電圧Ｖｄｃと電源電圧との電位差が小さくなり、結果として図２，図３の実線の電圧指令のように電圧指令が出力できる上限を超えてしまい、電圧指令の平らな部分、つまり、電圧指令が飽和している区間が発生する。
【００３２】
この飽和区間は、電圧飽和検出回路２１によって検出され、飽和区間に応じて制限回路２０により、図４のような条件で直流電流指令が出力制限される。
【００３３】
ここで図４において、飽和区間が発生した場合、即、出力制限を行わない理由として、電圧飽和が発生しても制御可能状態であれば、電圧飽和がない状態と比較してより大きなエネルギーを回生できるからである。このため、制御可能な飽和区間３３％以内であれば、出力の制限を行わない。
【００３４】
図３は電圧飽和検出回路２１での具体的な検出方法について示したものである。
【００３５】
電圧飽和検出回路２１では、３相電圧指令ＶＲ*，ＶＳ*，ＶＴ*を各指令周期毎に検出し、２相以上の電圧指令が飽和状態であることを検出する。２相以上の電圧指令が飽和するということは、３３％以上の区間で電圧飽和していることになり、６７％の範囲まで検出できる。この検出値を基に電源電圧周波数の１／６周期ごとの処理タイミングで飽和区間の割合を算出する。また、出力制限する方法として、図１においては直流電流指令ｉｄ*を制限し、飽和区間制限開始直後の直流電流指令ｉｄ*を基準に制限を行う。具体的に、この方法で検出した飽和区間の割合値をαとし、図４に当てはめたものが図５である。
【００３６】
また、出力制限を行うことで、電源への回生エネルギーが減少するため、直流電圧Ｖｄｃが上昇する。このため、インバータ回路２において直流電圧Ｖｄｃを検出し、直流電圧Ｖｄｃの上昇に応じてモータの減速を緩やかにし、回生エネルギーを減少させる。この場合、インバータ回路２において直流電圧Ｖｄｃを検出する回路が必要となるため、図１では安価な構成で実現する手段として出力制限を開始していることを、コネクタＥによってインバータ回路２へ転送する方法を示している。
【００３７】
インピーダンス算出回路２３は、ＰＷＭ制御回路１０の制御開始信号をトリガに、制御開始前のピークホールド回路１６からの電源電圧値と、制御開始後の電源電圧値から電源インピーダンスを算出する。
【００３８】
図６を用いて、インピーダンス算出回路２３の動作を説明する。
【００３９】
図６は３相交流電源１の等価回路で、実際の電源にはケーブル、変圧器等にインピーダンス存在し、入力端子５１からみた合計インピーダンスをＬｓとする。ここで、制御開始前の電源電圧をＶ0とし、電源回生時の電源電圧をＶ1とすると、
【数１】
Ｖ1−Ｖ0＝ω・２Ｌｓ・ｉ（ω＝２πｆ）・・・（１）
で表される。
【００４０】
ここで、通常、ＰＷＭ制御を行う際のキャリヤ周波数を十数ｋＨｚといった高周波でパルス幅変調し、適度なチョークコイル７と相間コンデンサ１３を選定することで、ｉをリップルのない正弦波状の電流にすることができる。このため、周波数ｆは、商用電源周波数（５０または６０Ｈｚ）と考えることができる。
【００４１】
また、電流ｉは電流フィードバック制御を行っていることから、電流指令と実電流が一致していると考え、簡易的に電流ｉを電流指令で置き換えてもよい。図１では、簡易的に直流電流指令ｉｄ*から算出する場合を示したものである。
【００４２】
この数式（１）から電源インピーダンスを算出し、予め設定された電力変換装置の許容可能な電源インピーダンス値を超えた場合、電源インピーダンスが高いこと外部へワーニング信号としてコネクタＥから出力する。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、電圧指令の飽和に応じて出力を制限することで、インピーダンスが大きい電源環境においても、部品の耐圧を上げることなく安価な構成で、異常状態に陥ることなく正常に動作することができ、かつ、最大限に回生出力できる。
【００４４】
また、電源インピーダンスを算出し、電源インピーダンスが大きい電源環境であることを予めワーニング信号として出力することで、出力制限が行われた原因が電源による異常であることを警告する。さらに、他の機器が電源インピーダンスが大きいことによる電源変動によりトラブルが発生した場合、電源環境による問題であることが推定できる他、電源に関するトラブルを未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の電圧指令とＯＮ／ＯＦＦ制御の関係を示す図である。
【図３】本発明の電圧指令飽和区間を検出する方法を示す図である。
【図４】本発明の電圧飽和に対する出力制限の割合を示す図である。
【図５】本発明の図１による電圧飽和に対する出力制限の割合を示す図である。
【図６】３相交流電源の等価回路を示す図である。
【図７】従来技術を示す図である。
【符号の説明】
１３相交流電源、２インバータ回路、３交流モータ、４コンバータ、５平滑コンデンサ、６電流検出器、７チョークコイル、８アイソレータ、９位相検出器、１０ＰＷＭ制御回路、１１交流信号発生器、１２乗算器、１３相間コンデンサ、１４，１８減算器、１５，１９増幅器、１６ピークホールド回路、１７加算器、２０リミット回路、２１電圧飽和検出器、２２基準電圧、２３インピーダンス算出回路。

Claims

複数のトランジスタ及びこの複数のトランジスタにそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオードによって構成され、入力された交流電圧指令に応じてこれら複数のトランジスタをＰＷＭ制御するコンバータによって３相交流電圧と直流電圧との変換を行う電力変換装置において、
前記３相交流電圧を検出して電源電圧位相値を出力する手段と、
前記コンバータに入出力する交流電流を検出して３相交流電流検出値を出力する手段と、
前記３相交流電圧を検出して電源電圧ピーク値を出力する手段と、
前記電源電圧ピーク値と前記直流電圧の偏差に応じて直流電流指令値を発生する手段と、
前記電源電圧位相値から電源電圧の各相に同期した交流信号を発生する手段と、
前記直流電流指令値と前記交流信号とを乗算して３相交流電流指令を発生する手段と、
前記３相交流電流検出値と前記交流電流指令との誤差に基づき３相電圧指令を出力し、前記交流電流をフィードバック制御する手段と、
前記３相電圧指令のうち２相以上が出力電圧の制限に伴い飽和する区間を検出して電圧飽和区間検出値として出力する手段と、
前記電圧飽和区間検出値に応じて前記直流電流指令値の出力を所定の割合に制限する手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記直流電流指令に制限が加わったことを外部に信号として出力する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記フィードバック制御の開始をトリガに前記３相交流電圧のピーク値をホールドし、フィードバック制御の開始後の前記３相交流電圧と前記３相交流電圧の検出のホールドされたピーク値との偏差とにより電源インピーダンスを算出する手段と、
前記電源インピーダンスの算出値が所定のレベルを超えた場合、外部へワーニング信号を出力する手段を備えた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。