JP4501122B2 - Ｐｗｍサイクロコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、一定周波数の交流電源から任意の周波数の交流出力を直接生成する電力変換装置であるサイクロコンバータに関し、特にパルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式を用いたＰＷＭサイクロコンバータに関する。

ＰＷＭサイクロコンバータは、入力電源と出力とが直接双方向に電流が流れることができる双方向スイッチを介して直接接続されている。また、ＰＷＭサイクロコンバータでは、欠相、停電、電源不平衡等の入力電源の異常が発生し通常の運転を維持することができなくなった場合には運転を停止しなければならない。電源の異常が発生した場合に運転を停止する従来のＰＷＭサイクロコンバータを図４に示す。この従来のＰＷＭサイクロコンバータは、三相交流電源１と、入力フィルタ２と、電源異常検出回路３０と、入力電源位相検出回路４０と、入力電源レベル検出回路５０と、制御コントローラ１６０と、ゲートドライバ７０と、双方向スイッチモジュール８０とから構成されている。

三相交流電源１は、入力フィルタ２を介して双方向スイッチモジュール８０に接続されている。双方向スイッチモジュール８０は、入力フィルタ２を介して入力された三相交流電源１の三相電圧（Ｒ、Ｓ、Ｔ）と三相の出力電圧（Ｕ、Ｖ、Ｗ）との間の全ての組合わせを接続する９つの双方向スイッチＳur〜Ｓwtにより構成されている。そして、双方向スイッチモジュール８０の出力は、負荷Ｒ₁〜Ｒ₃に接続される。

制御コントローラ１６０は、入力電源レベル検出回路５０、入力電源位相検出回路４０から入力される情報に基いて、ゲートドライバ７０へゲート信号を出力している。ゲートドライバ７０は、ゲート信号に基いて双方向スイッチモジュール８０の各双方向スイッチＳ_UR〜Ｓ_WTを駆動している。入力電源レベル検出回路５０は、三相交流電源１の電圧値を検出している。

入力電源位相検出回路４０は、三相交流電源１のうちの２相を入力とし、三相交流電源１の位相を検出している。また、入力電源位相検出回路４０は、図５に示すように、トランス１００と、コンパレータ１０１と、位相周波数比較器（ＰＦＤ）１０２と、フィルタ１０３と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０４と、カウンタ１０５とから構成されている。

三相交流電源１からの入力電圧のうちの２相分はトランス１００を介してコンパレータ１０１に入力され、ＰＦＤ１０２、フィルタ１０３、ＶＣＯ１０４、カウンタ１０５に入力されることにより位相情報となる。カウンタ１０５の最上位ビット（ＭＳＢ）は、ＰＦＤ１０２にフィードバックされることによりＰＬＬ回路が構成されている。入力電圧の位相を検出する手段は、図５に示されるような回路でなく、コンパレータ１０１の出力の矩形波のエッジからエッジまでをタイマによって計測するような回路によっても構成することができる。

電源異常検出回路３０は、三相交流電源１に欠相、停電、不平衡といった電源異常が検出された場合、電源異常検出信号１２０を制御コントローラ１６０に出力する。制御コントローラ１６０は、電源異常検出信号１２０を入力すると、双方向スイッチモジュール８０を停止させるために、ゲートドライバ７０に停止用ゲート信号を出力する。

上記で説明した従来のＰＷＭサイクロコンバータによれば、電源異常が発生した場合でも、運転の停止が自動的に行われる。しかし、電動機が使用される用途によっては、電源異常が発生した場合でも運転の継続が必要となる場合がある。このような課題を達成するためには、一般的に直流電源や無停電電源等の非常用電源を備えるようにし、電源異常が発生した場合には通常の電源を非常用の電源に切替えることにより運転の継続を行うようにすることが考えられる。

このような考え方により、電源異常の場合でも電動機の運転の継続を実現した方法を、ＰＷＭインバータの場合を用いて説明する。

このＰＷＭインバータは、図６に示すように、交流電源１１１と、ダイオードモジュール１１２と、非常用電源である直流電源１１３と、トランジスタモジュール１１４と、ダイオード１１５、１１６と、コントローラ１１７と、平滑コンデンサ１１８とから構成されている。

ダイオードモジュール１１２は、交流電源１の出力電圧を整流し直流電圧に変換している。ダイオード１１５、１１６は、ダイオードモジュール１１２からの出力電圧と、直流電流１１３からの出力電圧のうちの電圧値が高い方を選択している。コントローラ１１７は、トランジスタモジュール１１４を構成している各トランジスタに対して制御信号をそれぞれ出力することにより、直流電圧を三相交流電圧に変換して負荷Ｒ₁〜Ｒ₃に対して出力している。

このＰＷＭインバータでは、交流電源１１１の電圧が低下し、平滑コンデンサ１１８の電圧が低下すると自動的に直流電源１１３はトランジスタモジュール１１４への電力の供給を行う。そのため、交流電源１１１に異常が発生しその出力電圧が低下した場合でも、負荷である電動機の運転を中断することなく非常用電源である直流電源１１３への切り替えを行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

このように、ＰＷＭインバータでは直流電源１１３とダイオード１１５、１１６を設けるという簡易な方法により電源異常の場合でも運転の継続を行うことができるのは、直流部を有しているからである。

しかし、ＰＷＭサイクロコンバータでは、交流電源を直接任意の周波数の交流電源に変換しているため直流部を有していない。そのため、ＰＷＭサイクロコンバータでは、ＰＷＭインバータのようにダイオード等を用いて供給電源を切替えることは不可能である。

また、ＰＷＭサイクロコンバータでは、入力電源の位相情報を知ることができなければその動作を制御することができない。従って、図４に示したような従来のＰＷＭサイクロコンバータでは、無停電の三相交流電源を非常用電源として備えておき、電源異常時には使用する電源を三相交流電源１から非常用電源に単純に切替えただけでは、電動機の運転を一旦停止することが必要となり運転を継続させることはできない。

特開昭５８−１８３５７６号公報（図２、図５）

上述した従来のＰＷＭサイクロコンバータでは、電源異常が発生して通常電源から非常用電源への切り替えを行うとすると、運転を中断しなければならなず継続した運転を実現することができないという問題点があった。
本発明の目的は、電源異常が発生した場合でも、運転を中断することなく通常電源から非常用電源への切り替えを行うことにより継続した運転を実現することができるＰＷＭサイクロコンバータを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のＰＷＭサイクロコンバータは、三相交流電源の各相と出力側の各々の相とが双方向スイッチを介して直接接続されるＰＷＭサイクロコンバータにおいて、非常用電源と、前記三相交流電源の異常が発生した場合には前記ＰＷＭサイクロコンバータへの入力電源を前記三相交流電源から前記非常用電源に切り替える電源切り替え器と、前記三相交流電源の異常が発生した場合には、前記双方向スイッチの制御を、前記三相交流電源の位相情報に基づく制御から前記非常用電源に応じた位相情報に基づく制御へと切替える制御部とを有することを特徴とする。

本発明は、運転を行っている最中に電源異常が発生した場合でも、運転を中断することなく通常電源である三相交流電源から非常用電源への切り替えを行うことができるという効果を有している。

本発明の第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図 本発明の第２の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図 本発明の第３の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図 従来のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図 図４のＰＷＭサイクロコンバータ中の入力電源位相検出回路４０の構成を示すブロック図 ＰＷＭインバータの構成を示すブロック図

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。図１において、図４中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータは、図４に示した従来のＰＷＭサイクロコンバータに対して、電源切り替え器２０、単相交流電源である無停電電源１０を新たに設け、制御コントローラ１６０を制御コントローラ６０に置き換えたものである。

電源切り替え器２０は、電源異常検出信号１２０が入力されていない場合には三相交流電源１からの三相出力電圧（Ｒ、Ｓ、Ｔ）をそのまま入力フィルタ２へ出力し、電源異常検出信号１２０が入力された場合には三相交流電源１からの三相出力電圧（Ｒ、Ｓ、Ｔ）のうちのＲ、Ｓ相の替わりに無停電電源１０からの単相交流電圧を入力フィルタ２へ出力する。

制御コントローラ６０は、電源異常検出信号１２０が入力されていない通常の状態では、制御コントローラ１６０と同様な動作を行ない双方向スイッチモジュール８０の動作を制御するためのゲート信号をゲートドライバ７０へ対して出力している。そして、制御コントローラ６０は、電源異常検出信号１２０が入力されると、制御方式を三相入力運転から単相入力運転に切替える。

また、本実施形態では、入力電源位相検出回路４０は、電源切り替え器２０から出力され入力フィルタ２へ入力される三相出力電圧のうちのＲ、Ｓ相を入力として位相の検出を行っている。

次に、本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの動作について図１を参照して詳細に説明する。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータでは、三相交流電源１に異常が発生すると電源異常検出回路３０によりその三相交流電源１の異常が検出され電源異常検出信号１２０が出力される。そして、電源異常検出信号１２０が出力されたことにより、電源切り替え器２０は、三相交流電源１からのからの三相出力電圧（Ｒ、Ｓ、Ｔ）のうちのＲ、Ｓ相の替わりに無停電電源１０からの単相交流出力電圧を入力フィルタ２へ出力するようになる。

そのため、入力電源位相検出回路４０は、無停電電源１０の位相の検出を行うようになる。そして、制御コントローラ６０は、電源異常検出信号１２０が入力されたことにより、制御方式を三相入力運転から単相入力運転に切替え、入力電源位相検出回路４０により検出された無停電電源１０の位相情報を用いてゲートドライバ７０を介して双方向スイッチモジュール８０の制御を行う。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータによれば、三相交流電源１に異常が発生した場合には、使用する電源を三相交流電源１から単相の無停電電源１０へ切り替え、制御方式を三相運転から単相運転に切り替えるようにすることにより、運転をほぼ中断させることなく電源の切り替えを行うことにより継続した運転を実現することができる。

次に、本発明の第２の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータについて説明する。

上記で説明した第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータでは、電源異常検出信号１２０が出力され入力電源位相検出回路４０に入力される電源が三相交流電源１から無停電電源１０に切り替わった場合、入力電源位相検出回路４０を構成しているＰＬＬがロックして、無停電電源１０の位相が検出され位相情報が出力されるまでにはある程度の時間を必要とする。この時間は、入力される信号への周波数変動の追従範囲を広く設定すれば、一般的なＰＬＬ回路の性質と同様に長くなる。従って、上記第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータによれば、非常用電源である無停電電源１０への切り替えの際には、一瞬だけ運転が中断してしまう可能性が有る。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータは、このような点を改善し、電源異常が発生した場合でも、運転を中断することなく電源の切り替えを行ない、継続した運転を実現するためのものである。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示したブロック図を図２に示す。図２において、図１中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータでは、図１に示した第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータに対して、無停電電源１０の位相を検出するための無停電電源位相検出回路４１と、位相検出回路切り替え器４３が新たに設けられている。

無停電電源位相検出回路４１は、図５に示したような入力電源位相検出回路４０と同様な構成となっている。そして、無停電電源位相検出回路４１は、常に無停電電源１０の位相の検出を行っている。

位相検出回路切り替え器４３は、電源異常検出信号１２０が入力された場合には無停電電源位相検出回路４１から出力される位相情報を選択して出力し、電源異常検出信号１２０が入力されていない場合には入力電源位相検出回路４０から出力される位相情報を選択して出力している。

次に、本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの動作について図２を参照して詳細に説明する。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータでは、三相交流電源１に異常が発生して、電源異常検出回路３０により電源異常検出信号１２０が出力された場合、上記第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータにおける動作に加えて以下のような動作が行われる。

位相検出回路切り替え器４３は、出力する位相情報を、入力電源位相検出回路４０から出力される位相情報から、無停電電源位相検出回路４１から出力される位相情報に切り替える。無停電電源位相検出回路４１では、電源異常が発生する前から無停電電源１０の位相の検出を行っているので、位相検出回路切り替え器４３が出力する位相情報の切り替えを行った直後でも無停電電源１０の正確な位相情報を出力することができる。

従って、本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータによれば、上記第１の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータによる場合と比較して、電源切り替えの際の運転の停止をほぼ無くすことができ、継続した運転を実現することができる。

次に、本発明の第３の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータについて説明する。本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示したブロック図を図３に示す。図３において、図２中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。

本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータは、図２に示した第２の実施形態のＰＷＭサイクロコンバータに対して、無停電電源１０のかわりにバッテリ１１を備え、無停電電源位相検出回路４１のかわりに固定位相情報生成回路４２を備えるようにしたものである。固定位相情報生成回路４２は、固定位相情報を生成して出力している。

次に、本実施形態のＰＷＭサイクロコンバータの動作について図３を参照して詳細に説明する。

本実施形態における電源切り替え器２０および位相検出回路切り替え器４３は、図２に示した第２の実施形態の場合と同様に動作を行う。三相交流電源１に異常が発生し、電源異常検出回路３０から電源異常検出信号１２０が出力された場合、固定位相情報生成回路４２により生成された固定位相情報が位相検出回路切り替え回路４３によれ選択された制御コントローラ６０に出力される。

バッテリ１１は直流電源であるため、その位相は常に一定である。そのため、本実施形態では、制御コントローラ６０は固定位相情報生成回路４２により生成された固定位相情報を用いて単相運転を行うようにすれば、電源切り替えの際に運転を停止することなく継続した運転を実現することができる。

１ 三相交流電源
２ 入力フィルタ
１０ 無停電電源
１１ バッテリ
２０、２１ 電源切り替え器
３０、３１ 電源異常検出回路
４０ 入力電源位相検出器
４１ 無停電電源位相検出回路
４２ 固定位相情報生成回路
４３ 位相検出回路切り替え器
５０ 入力電源レベル検出回路
６０ 制御コントローラ
７０ ゲートドライバ
８０ 双方向スイッチモジュール
１００ トランス
１０１ コンパレータ
１０２ 位相周波数比較器（ＰＦＤ）
１０３ フィルタ
１０４ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
１０５ カウンタ
１１１ 交流電源
１１２ ダイオードモジュール
１１３ 直流電源
１１４ トランジスタモジュール
１１５、１１６ ダイオード
１１７ コントローラ
１１８ 平滑コンデンサ
１２０ 電源異常検出信号
１２１ 切り替え制御信号

Claims (2)

1. 三相交流電源の各相と出力側の各々の相とが双方向スイッチを介して直接接続されるＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
   非常用電源と、
   前記三相交流電源の異常が発生した場合には前記ＰＷＭサイクロコンバータへの入力電源を前記三相交流電源から前記非常用電源に切り替える電源切り替え器と、
   前記三相交流電源の異常が発生した場合には、前記双方向スイッチの制御を、前記三相交流電源の位相情報に基づく制御から前記非常用電源に応じた位相情報に基づく制御へと切り替える制御部と、
   を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
2. 三相交流電源の各相と出力側の各々の相とが双方向スイッチを介して直接接続されるＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
   前記三相交流電源の異常が発生した場合には非常用電源を入力電源として、前記双方向スイッチの制御を、前記三相交流電源の位相情報に基づく制御から前記非常用電源に応じた位相情報に基づく制御へと切り替える制御部を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。