JP4533674B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

直流から交流に変換出力するインバータの出力側に、リアクトルとコンデンサから成るＬＣフィルタを有し、コンデンサの電圧を正弦波状の指令値に一致させるように制御することで、コンデンサに接続された負荷に給電する電力変換装置として、特開２０００−５０６３８号公報には、コンデンサの電圧とコンデンサへの電流とに基づいて制御指標を生成し、この制御指標の符号に基づき、インバータのスイッチング素子を制御する方式のものが示されている。

この従来の電力変換装置は、負荷急変や３相非対称負荷などに対してもロバストに出力電圧を所定の電圧指令を生成することができる点で、品質の高い電圧を給電できる有効な方式である。しかしながら、同方式ではインバータの出力電流が負荷次第であり、同方式は出力電流が増加することに対してなんらそれを抑制する手段を持たない。電力変換装置では、一般に、出力電流が過度に増加した場合、スイッチング素子を保護するために装置を停止する必要があるが、その場合、負荷への給電が停止して様々な障害を引き起こすことになるので、従来方式の電力変換装置では出力電流が過度にならないように抑制する手段が必要であった。
特開２０００−５０６３８号公報

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、過電流による電力変換装置の保護停止を回避し、安定して負荷に電力給電をすることができ、元来有する品質のよい特徴を活かしつつ、システムの信頼性を向上することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、３相の交流電圧を出力するインバータの出力側にＬＣフィルタを介して負荷が接続され、当該ＬＣフィルタのコンデンサの電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、ＬＣフィルタのコンデンサに流れる電流を検出するコンデンサ電流検出手段と、前記コンデンサの電圧及び、所定の第１の係数を乗じた前記コンデンサの電流を前記コンデンサの電圧指令値より減算することで制御指標を演算する指標演算手段とを備え、前記制御指標の符号に基づきスイッチング素子を制御する電力変換装置において、前記インバータの出力電流を検出するインバータ電流検出手段と、当該インバータ電流検出手段の検出した電流を入力とし、所定の第２の係数を乗じて前記制御指標に加算する加算手段と、前記インバータの出力電流を入力し、当該電流が増加した場合に前記第２の係数が大きくなるように演算するゲイン演算手段とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１の電力変換装置において、前記加算手段とゲイン演算手段とに代えて、前記インバータ電流検出手段の検出したインバータの出力電流に基づき過電流であることを判定する過電流検出手段と、前記過電流検出手段が過電流であると判定した場合、前記制御指標に変え、前記インバータ電流検出手段の検出するインバータの出力電流を新たな指標とする指標切換手段とを備えたものである。

請求項３の発明は、請求項２の電力変換装置において、前記コンデンサの電圧指令は、回転座標系上で与えられるものであって、前記インバータの出力電流を回転座標系上に変換する第１の座標変換手段と、前記過電流判定手段が、過電流と判定した時の回転座標系上の電流値をラッチするラッチ手段と、前記ラッチ手段がラッチした前記回転座標系上の電流値を所定値にリミットするリミット手段と、前記リミット手段の出力を回転座標系上の電流指令値とみなし３相座標系上へ変換する第２の座標変換手段と、前記第２の座標変換手段の出力を前記制御指標に加算する制御指標加算手段とを備えたものである。

本発明によれば、インバータの交流出力をＬＣフィルタを介して負荷に供給し、ＬＣフィルタのコンデンサ電圧が所定値になるように制御する電力変換装置に対して、通常の運転状態では、不平衡な負荷や負荷の急変にロバストな出力電圧を供給することができ、しかも、インバータの出力電流が増加した場合には過電流による保護停止を回避することができ、品質と信頼性を両立させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。直流電圧源１には、直流コンデンサ２と３相交流を出力するインバータ３が接続されている。インバータ３の交流出力側には、リアクトル５とコンデンサ６から成るＬＣフィルタ回路が構成されている。コンデンサ６の電圧は、３相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に一致するように制御され、負荷７に交流給電される。

コンデンサ６の電圧を電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に一致させる手段は次のようになっている。電流検出器９はＬＣフィルタを構成するコンデンサ６の電圧を検出する。電流検出器８はコンデンサ６へ流れる電流を検出する。座標変換器１０は、検出された線間電圧を３相の相電圧へと変換する。この３相の相電圧は、減算器１１により、それぞれの電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊から減算される。

第１ゲイン乗算部１２において、電流検出器８にて検出されたコンデンサ電流に対して所定のゲインＡがそれぞれ乗算されて出力される。減算器１３は、減算器１１の出力である電圧偏差からゲインＡを乗じたコンデンサ電流を減算し、指標として出力する。

さらに、この指標に対して、本実施の形態の特徴である指標の補正処理が施される。まず、電流検出器４により検出されたインバータ３の出力電流が、不感帯設定部１４へ入力される。この不感帯設定部１４は、所定値Ｉｓｅｔ１（Ｉｓｅｔ１＞０）として、次式のように不感帯を設定する。
[数１]
Iout=Iu-Iset1 if (Iu>Iset1)
=0 if (-Iset1<=Iu<=Iset1)
=Iu+Iset1 if (Iu<-Iset1)
不感帯設定部１４の出力は、第２ゲイン乗算部１５に入力される。第２ゲイン乗算部１５では、３相それぞれの入力に所定のゲインＢを乗算して出力する。ここで、ゲインＢは、Ｂ＞＞１（１より十分に大きい）と設定されるのが好ましい。第２ゲイン乗算部１５の出力は、減算器１６において、減算器１３の出力である指標から減算されることで、指標を補正し、最終的な各相の指標Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを生成出力する。ゲート指令演算部１７では、各相の指標Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗに基づき、インバータ３の６つのスイッチング素子へのゲート信号を生成出力する。

このゲート指令演算部１７の一例を図２を用いて説明する。ゲート指令演算部１７では３相のゲート指令を生成しているが、各相の処理は同一であるので、Ｕ相についてのみ説明する。Ｕ相の指標Ｓｕは、ヒステリシスコンパレータ１８に入力され、所定の設定においてＨ，Ｌが出力され、Ｕ相のゲート指令になる。また、ヒステリシスコンパレータ１８の出力は、インバータ１９（論理反転）に入力され、その出力がＸ相のゲート指令となる。

以上の構成により、本実施の形態では、インバータ３の出力電流を入力する不感帯設定部１４において、インバータ出力電流の絶対値が所定値Ｉｓｅｔ１より小さい場合、指標の補正量は０であり、影響を与えない。この状態は、特許文献１に記載された従来例と等価である。コンデンサ電圧指令値とコンデンサ電圧の偏差にコンデンサ電流を減算して算出した指標に基づき、その指標の符号（この構成ではスイッチング周波数の増大を抑制するヒステリシスコンパレータ１８を用いているが）に応じてインバータ３のスイッチング素子を制御するもので、負荷の急変や非対称な負荷に対しロバストであり、歪みが小さくて品質の高い出力（コンデンサ）電圧を供給することができる。負荷急増などにより、インバータ３の出力電流が増加し、その絶対値がＩｓｅｔ１を超過する場合、超過した電流分に応じて指標が補正される。これにより、従来の出力電圧を指令値に一致させるという作用に加え、インバータ出力電流を増加させないという作用が加わる。このため、本実施の形態の電力変換装置では、過電流による保護停止を回避し、システムの信頼性を向上できる。また、前述のようにインバータの出力電流の絶対値Ｉｓｅｔ１未満である通常の運転範囲においては、なんら従来方式に変わらない電圧制御特性を維持することができることから、通常運転時の電圧の品質を維持しつつ信頼性を向上することができる。

また、過電流設定値Ｉｓｅｔ１との超過分に応じて指標に対するインバータ出力電流の影響が強くなるため、通常の電圧制御状態と過電流設定による電流正弦状態との切り替えがスムーズである特徴がある。

なお、本実施の形態では、インバータが３相出力の例を示したが、単相出力であっても同様な作用効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）図３は、本発明の第２の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。本実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態とはインバータ３の出力電流に応じて指標を補正する処理が異なるのみであるため、異なる部分について詳説し、共通する部分については説明を省略する。

電流検出器４によって検出されたインバータ３の出力の３相電流は第３ゲイン演算部３４へと入力される。第３ゲイン演算部３４は、例えば、次のように各相のゲインＢｕ，Ｂｖ，Ｂｗを演算出力する。
[数２]
Bu=f(abs(Iu))
Bv=f(abs(Iv))
Bw=f(abs(Iw))
ここに、ａｂｓ（ｘ）は、ｘの絶対値を演算する関数である。関数ｆ（ｘ）は、ｘの単調増加関数である。関数ｆ（ｘ）は様々な関数があるが、次式のように設定できる。
[数３]
f(x)=B1×exp(x2)
x2=x-Iset2 if (x>Iset2)
=0 if (0<=x<=Iset2)
演算された各相のゲインＢｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、第３ゲイン乗算部２４へ入力される。第３ゲイン乗算部２４では、各相のインバータ３の出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを入力とし、それぞれに対応したゲインＢｕ，Ｂｖ，Ｂｗを乗じて出力する。減算器１６において、減算器１３にて生成出力された指標を減算されることで当該指標を補正する。

以上の構成により、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様、インバータ出力電流が所定値Ｉｓｅｔ２未満である通常運転範囲において、インバータ出力電流による指標の補正処理は作用せず、その良好な電圧制御特性になんら影響を与えない。所定値Ｉｓｅｔ２を超過した場合、指標に対してインバータ出力電流の作用することで、インバータ出力電流の抑制効果が現れる。特に、第１の実施の形態では、インバータ出力電流の超過分に応じてのみ指標補正量が決定されるのに対し、本実施の形態では、指標補正量の演算である第３ゲイン乗算部２４におけるゲインＢｕ，Ｂｖ，Ｂｗがインバータ出力電流が超過するほど大きく設定されているため、電流超過の程度によってより顕著な過電流抑制効果を得ることができる。すなわち、過電流の危険度の低い状態では、小さい効果を得るように弱いゲインを設け、危険度の高い状態では、大きな効果を得るように強いゲインを設定することができるのである。これにより、通常の運転状態（過電流の危険性がない範囲）と、過電流保護を回避するため出力電流を制限する状態とを第１の実施の形態よりスムーズに移行することが可能になる。

なお、本実施の形態では、インバータが３相出力の例を示したが、単相出力であっても同様な作用効果を得ることができる。また、第３ゲイン演算部３４については、様々な関数にすることが可能である。例えば、次式のように設定すれば、第１の実施の形態と等価的にほぼ同一な構成にすることができる。
[数４]
f(x)=B1 if (X>Iset3)
=0 if (0<=x<=Iset3)
（第３の実施の形態）図４は、本発明の第３実施の形態の電力変換装置を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態とは、インバータ３の出力電流に応じて指標を補正する処理が異なるのみであるため、その他の部分を省略して説明する。

電流検出器４によって検出されたインバータ３の出力の３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗはゲイン反転部２６に入力される。ゲイン反転部２６では、各相それぞれの電流値にゲイン−１を乗じて出力する。また、インバータ３の出力の３相電流は過電流検出部２０に入力され、出力電流を抑制する必要があるか否かを表す過電流フラグＯＣを出力する。

この過電流検出部２０の詳細を図５に示す。インバータ３のＵ相電流Ｉｕは、絶対値演算部２１へ入力され、絶対値が演算出力される。ヒステリシスコンパレータ２２では、過電流設定値Ｉｓｅｔ４とヒステリシス付きで比較され、過電流である場合にはＨを、過電流でない場合にはＬを出力する。同様にＶ相、Ｗ相が演算される。論理和演算部２３では、各相のヒステリシスコンパレータ２２の出力の論理和を出力する。この論理和演算部２３の出力が、過電流フラグＯＣとなる。過電流フラグＯＣは、切替器２５へと入力される。

過電流フラグＯＣ＝Ｌ（図面では０）の場合、減算器１３の出力を最終的な指標として選択し出力する。一方、過電流フラグＯＣ＝Ｈ（図面では１）の場合、ゲイン反転部２６の出力を最終的な指標として選択し出力する。

以上の構成により、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様、インバータ出力電流が所定値Ｉｓｅｔ４未満である通常運転範囲において、インバータ出力電流による指標の補正処理は作用せず、その良好な電圧制御特性になんら影響を与えない。一方、インバータ出力電流が所定値Ｉｓｅｔ４以上で過電流の危険がある場合、過電流フラグがＨとなり、切替器２５によって３相の指標全てがインバータ出力電流に置き換えられ、この結果、全相とも各相の電流が０になる方向にスイッチングが制御されることになる（ゲイン反転部２６は電流を０にする方向とするためのゲイン）。よって、過電流による保護停止を回避し、システムの信頼性を向上できる。

特に、本実施の形態では３相全ての指標を一括して切り替えている点に特徴がある。例えば、第１の実施の形態や第２の実施の形態のように、過電流の危険性がある相だけ、指標に出力電流をそれが小さくなるように作用させても、実際の出力電流は、他の相の出力電圧の影響を受けてしまい、必ずしもその相の電流が減少するとは言いきれない。過電流の危険性がある相は、その相電流を減少させる方向の電圧を出力しても、他の相があくまで電圧指令に従う電圧を出力しようとするものであれば、過電流危険性がある相の電流が減少するかはわからないからである。これに対し、本実施の形態では、３相一括して全ての相が零電流になるように動作するため、上記のような現象が起こらず、良好に出力電流を減少させることが可能になる。

（第４の実施の形態）図６は、本発明の第４の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。本実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態とは、インバータ３の出力電流に応じて指標を補正する処理と出力電圧指令を演算する部分が異なるのみであるため、その他の部分は省略して説明する。

出力電圧指令の生成は、ＤＱ軸回転座標系上にて、Ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊として与えられる。出力周波数指令（５０Ｈｚ，６０Ｈｚの商用周波数となることが多い）は、積分器２８に入力される。積分器２８では、出力電圧指令を積分し、Ｕ軸に対するＤ軸の位相角θを算出する。座標変換器２７では、Ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と前記位相角θを入力し、ＤＱ軸座標系上の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊をＵＶＷ軸座標系上での３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換し出力する。

一方、電流検出器４によって検出されたインバータ３の出力の３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは第３の実施の形態と同様の過電流検出部２０に入力される。過電流検出部２０では、インバータの出力電流のいずれの相でも過電流設定値Ｉｓｅｔ４に達した場合、過電流フラグＯＣをＨにして出力する。

また、インバータ３の出力の３相電流Ｉｕ，Ｉｖ．Ｉｗは、座標変換器２９に入力され、ＤＱ軸回転座標系上での電流値Ｉｄ，Ｉｑに変換される。このＤＱ軸上の電流値Ｉｄ，Ｉｑはリミッタ３０へと入力され、そのベクトル長が所定値Ｉｓｅｔ５を超えないようにリミットされ、ＩｄＬｉｍ，ＩｑＬｉｍを出力する。すなわち、

にある。

ラッチ３１では、過電流検出部２０の出力である過電流フラグＯＣがＬからＨになったときのＩｄＬｉｍ，ＩｑＬｉｍを記憶し、それぞれＤ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｑ軸電流指令Ｉｑ＊として出力する。座標変換器３２では、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｑ軸電流指令Ｉｑ＊を入力として、ＵＶＷ相の３相の電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊を生成出力する。

減算器３３では、３相の電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊から電流検出器４によって検出されたインバータ３の出力の３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがそれぞれ減算される。切替器２５では、過電流フラグＯＣがＬ（図面では０）の場合、減算器１３の出力を指標として選択し、過電流フラグＯＣがＨ（図面では１）の場合、減算器３３の出力を指標として選択して出力する。

以上の構成により、本実施の形態では、過電流検出部２０において、過電流ではないと判断した（ＯＣ＝Ｌ）の場合、第３の実施の形態と同様、指標はインバータ出力電流が反映されず従来方式と同一となり、ロバスト性の高く品質の良好な出力電圧を供給できる。一方、過電流フラグがＬからＨになった場合、その時点でのインバータ出力電流のＤＱ軸座標系上の値をインバータ３が過電流にならないような範囲にリミットし、それをＤＱ軸回転座標系上での電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊として保持する。このＤＱ軸電流指令値は、３相の電流指令に変換される。指標には、この３相電流指令と３相電流との偏差が選択される。この結果、インバータ出力電流は、過電流と判断した（過電流フラグがＬからＨに変化した）時点で、なおかつ、過電流とならない範囲に制限された電流指令値に追従する。この電流指令値は、ＤＱ軸座標系上で保持されるものであり、過電流フラグがＨである期間においても、出力周波数と同一周波数で回転する。ＵＶＷ相でみれば、正弦波状になる。

第３の実施の形態では、３相を一括して零電流にしようとする強い作用が生じる。このため、過電流検出部２０のヒステリシスコンパレータ２２や制御応答の遅れにより、過度に電流が絞られる現象が生じる可能性があるが、その場合、出力電圧に大きな歪みが生じて好ましくない。これに対して本実施の形態では、過電流となる直前のインバータ出力電流に近い状態を維持しつつ過電流を抑制するため、出力電圧の歪みを抑えることが可能になる。すなわち、過電流を抑制する期間においても、極力、出力電圧を良好に維持することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態の電力変換装置の回路ブロック図。 上記実施の形態におけるゲート指令演算部の構成を示す回路ブロック図。 本発明の第２の実施の形態の電力変換装置の回路ブロック図。 本発明の第３の実施の形態の電力変換装置の回路ブロック図。 上記実施の形態における過電流検出部の構成を示す回路ブロック図。 本発明の第４の実施の形態の電力変換装置の回路ブロック図。

符号の説明

１ 直流電圧源
２ 直流コンデンサ
３ インバータ
４ 電流検出器
５ 出力リアクトル
６ 出力コンデンサ
７ 負荷
８ 電流検出器
９ 電圧検出器
１０ 座標変換器
１１ 減算器
１２ 第１ゲイン乗算部
１３ 減算器
１４ 不感帯設定部
１５ 第２ゲイン乗算部
１６ 減算器
１７ ゲート指令演算部
１８ ヒステリシスコンパレータ
１９ インバータ
２０ 過電流検出部
２１ 絶対値演算部
２２ ヒステリシスコンパレータ
２３ 論理和演算部
２４ 第３ゲイン乗算部
２５ 切替器
２６ ゲイン反転部
２７ 座標変換器
２８ 積分器
２９ 座標変換器
３０ リミッタ
３１ ラッチ
３２ 座標変換器
３３ 減算器
３４ 第３ゲイン演算部

Claims (3)

1. ３相の交流電圧を出力するインバータの出力側にＬＣフィルタを介して負荷が接続され、当該ＬＣフィルタのコンデンサの電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、ＬＣフィルタのコンデンサに流れる電流を検出するコンデンサ電流検出手段と、前記コンデンサの電圧及び、所定の第１の係数を乗じた前記コンデンサの電流を前記コンデンサの電圧指令値より減算することで制御指標を演算する指標演算手段とを備え、前記制御指標の符号に基づきスイッチング素子を制御する電力変換装置において、
   前記インバータの出力電流を検出するインバータ電流検出手段と、
   当該インバータ電流検出手段の検出した電流を入力とし、所定の第２の係数を乗じて前記制御指標に加算する加算手段と、
   前記インバータの出力電流を入力し、当該電流が増加した場合に前記第２の係数が大きくなるように演算するゲイン演算手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記加算手段とゲイン演算手段とに代えて、
   前記インバータ電流検出手段の検出したインバータの出力電流に基づき過電流であることを判定する過電流検出手段と、
   前記過電流検出手段が過電流であると判定した場合、前記制御指標に変え、前記電流検出手段の検出するインバータの出力電流を新たな指標とする指標切換手段と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。
3. 前記コンデンサの電圧指令は、回転座標系上で与えられるものであって、
   前記インバータの出力電流を回転座標系上に変換する第１の座標変換手段と、
   前記過電流判定手段が、過電流と判定した時の回転座標系上の電流値をラッチするラッチ手段と、
   前記ラッチ手段がラッチした前記回転座標系上の電流値を所定値にリミットするリミット手段と、
   前記リミット手段の出力を回転座標系上の電流指令値とみなし３相座標系上へ変換する第２の座標変換手段と、
   前記第２の座標変換手段の出力を前記制御指標に加算する制御指標加算手段とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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