JP4543766B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電力変換器の制御装置に関し、例えば、コンデンサ等のエネルギーバッファを有する直流中間回路を介さずに、交流電源から入力された交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する交流電圧に直接変換して出力する直接変換器の制御装置において、交流電源の異常発生時における電源供給手段を改良した制御装置に関するものである。

図３は、従来のこの種の制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
図３において、１０は制御対象である直接変換器、２０は負荷としての三相の交流電動機、３１は三相交流電源、３２はリアクトル及びコンデンサからなる入力フィルタである。ここで、上記直接変換器１０は、例えば三相（Ｒ,Ｓ,Ｔ相）の入力側と三相（Ｕ,Ｖ,Ｗ相）の出力側との間に双方向性の半導体スイッチ（逆並列接続された半導体スイッチング素子等からなる）をそれぞれ接続してなるマトリクスコンバータ等により構成されている。

４１は直接変換器１０を制御するための制御手段であり、例えば直接変換器１０内に仮想整流器及び仮想インバータを想定し、これらに対するＰＷＭパルスを合成して出力する仮想ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ制御方式等を実現するためのものである。すなわち、制御手段４１は、直接変換器１０の入力電流指令及び出力電圧指令を制御指令として出力し、ＰＷＭパターン作成手段４２では、上記各指令とキャリアとの比較によってそれぞれ生成した仮想整流器及び仮想インバータに対するＰＷＭパルスを合成して直接変換器１０内の半導体スイッチング素子に対するＰＷＭパルスを作成する。

また、５０は交流電源３１に接続された異常検出手段であり、電源電圧の異常（停電や電圧低下等）を検出して制御手段４１に異常検出信号を出力するものである。

さて、この制御装置では、交流電源３１の異常発生時にも制御手段４１に電力を供給する機能を備えている。
すなわち、６０は電源供給手段であり、この電源供給手段６０は、交流側が入力フィルタ３２の出力側に接続された第１の整流回路６１と、その直流側に接続されたエネルギー吸収用のコンデンサ６２と、コンデンサ６２の両端に直流側が接続され、交流側が電動機２０の各相端子に接続された第２の整流回路６３とから構成されている。
また、コンデンサ６２の両端には突入電流防止用の抵抗７１及び第１の電解コンデンサ７２が直列に接続され、電解コンデンサ７２の両端には降圧チョッパ等からなる直流電圧降圧手段７３の入力側が接続されている。そして、直流電圧降圧手段７３の出力側には第２の電解コンデンサ７４が接続され、その両端に前記制御手段４１が接続されている。

前記コンデンサ６２には、整流回路６１によって電源電圧を整流した直流電圧が常時印加されており、抵抗７１を介してコンデンサ６２の電圧と等しく保たれた電解コンデンサ７２の電圧が直流降圧手段７３により所定値に降圧され、電解コンデンサ７４を介し電源電圧として制御手段４１に供給されている。

ここで、電源電圧に異常が発生すると、異常検出手段５０がこれを検出して制御手段４１に異常検出信号を送り、制御手段４１では、ＰＷＭパターン作成手段４２を経て直接変換器１０のスイッチング素子をすべてオフさせる（以下、全遮断という）ように制御を行う。
このとき、電動機２０の巻線に蓄積された誘導性エネルギーが整流回路６３を介してコンデンサ６２に供給され、その電圧は電源電圧の数倍にも達するが、この電圧は抵抗７１を介して電解コンデンサ７２に印加され、直流電圧降圧手段７３により降圧されて電解コンデンサ７４を介し制御手段４１に供給される。

上記作用により、電源３１に異常が発生した場合でも、電源供給手段６０内の直流中間電圧が大幅に低下しなければ電解コンデンサ７２により十分な電圧を確保して直流電圧降圧手段７３及び電解コンデンサ７４を介し制御手段４１に電源を供給することができ、制御手段４１は動作を継続することが可能になっている。

なお、下記の非特許文献１には、上述した図３と同様に、整流回路６１，６３を有する電源供給手段６０の直流中間電圧を利用して制御手段４１に電源を供給する技術が記載されている。

C.Klumpner, F. Blaabjerg，"Experimental Evaluation of Ride-Through Capabilities for a Matrix Converter Under Short Power Interruptions",IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No.2, 2002（Fig.2等）

図３や上記非特許文献１に記載された構成によると、突入電流防止用の抵抗７１による電力消費が省電力化の妨げとなる。
また、直接変換器１０の全遮断時に整流回路６３の直流側に発生する過大なエネルギーを吸収する電解コンデンサ７２には、高耐圧で大形の部品が必要になり、これが装置全体の大形化やコストの上昇を招くという問題がある。
そこで本発明の解決課題は、突入電流防止用の抵抗や高耐圧かつ大形の電解コンデンサを用いることなく、電源の異常発生時に制御手段への電源供給を継続可能にした電力変換器の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換する電力変換器の制御装置において、
前記電力変換器の交流入力側及び交流出力側にそれぞれ交流側が接続され、かつ、直流中間回路を介して直流側同士が接続された第１及び第２の整流回路を有する電源供給手段と、前記直流中間回路の電圧を降圧する直流電圧降圧手段と、交流電源電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換手段と、交流電源電圧の異常を検出する異常検出手段と、前記電力変換器に対する駆動パルスを発生させるための制御指令を出力する制御手段と、を備え、
交流電源電圧の正常時には、前記交流−直流変換手段から前記制御手段に電源を供給し、前記異常検出手段による交流電源電圧の異常検出時には、前記直流電圧降圧手段を動作させて前記直流中間回路から前記直流電圧降圧手段を介して前記制御手段に電源を供給するものである。

請求項２に記載した発明は、交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換する電力変換器の制御装置において、
前記電力変換器の交流入力側及び交流出力側にそれぞれ交流側が接続され、かつ、直流中間回路を介して直流側同士が接続された第１及び第２の整流回路からなる電源供給手段と、交流電源電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換手段と、この交流−直流変換手段の出力電圧及び前記直流中間回路の電圧のうち大きい方の電圧を降圧する直流電圧降圧手段と、交流電源電圧の異常を検出する異常検出手段と、前記電力変換器に対する駆動パルスを発生させるための制御指令を出力する制御手段と、を備え、
交流電源電圧の正常時には、前記交流−直流変換手段から前記直流電圧降圧手段を介して前記制御手段に電源を供給し、前記異常検出手段による交流電源電圧の異常検出時には、前記直流中間回路から前記直流電圧降圧手段を介して前記制御手段に電源を供給するものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
交流電源電圧の異常検出時に前記直流中間回路の電圧が低下した時に、前記制御手段は、回生運転指令を出力して前記直流中間回路の電圧を上昇させ、またはゼロベクトル指令を出力して負荷電流が規定値に達すると前記電力変換器の半導体スイッチング素子を全てオフして前記直流中間回路の電圧を上昇させるものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項において、
前記電源供給手段は、前記直流中間回路に設けられたコンデンサを放電させる放電手段を備え、前記直流中間回路の電圧が規定値を越えたときに、前記放電手段を動作させて前記直流中間回路の電圧を低下させるものである。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項において、
前記異常検出手段による交流電源電圧の異常検出時に、前記制御手段は、前記電力変換器による負荷の駆動運転及び回生運転を交互に繰り返して前記直流中間回路の電圧を一定に保つものである。

なお、請求項６に記載するように、請求項１〜５の発明は、コンデンサ等のエネルギーバッファからなる直流中間回路を持たずに直接、交流−交流変換を行う電力変換器としての直接変換器に適用することができる。

本発明において、交流電源の正常時には交流−直流変換手段により制御手段に電源を供給する。そして、交流電源の異常時には、制御手段が電力変換器に回生運転指令を与え、またはゼロベクトル指令を与えた後に全遮断指令を与えることにより、電源供給手段内の直流中間回路の電圧を所定値まで上昇させる。この直流中間電圧を直流電圧降圧手段により降圧して制御手段に供給することにより、電源異常時の制御手段の電源電圧を確保する。
また、前記直流中間電圧が低下した場合には、上記動作を繰り返して直流中間電圧を上昇させ、その電圧が規定値を超えた場合には放電手段の動作により直流中間電圧を低下させる。これにより、直流中間電圧をほぼ一定値に保つことができる。なお、電源異常時に負荷の駆動運転及び回生運転を繰り返すことによっても直流中間電圧の安定化が可能である。

これらの動作により、電源供給手段の直流中間回路に過大な電圧が印加されることがなく、直流電圧降圧回路の入力側に突入電流防止用の抵抗や高耐圧かつ大形の電解コンデンサを設ける必要もなくなり、上記抵抗による電力損失をなくすと共に、装置全体の小型軽量化、低価格化が可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は請求項１，３〜６に相当する本発明の第１実施形態を示すブロック図であり、図３と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
なお、以下の実施形態では、制御対象となる電力変換器として、図３と同様に直接変換器１０を用いる場合につき説明する。

図１において、６０Ａは電源供給手段であり、図３における電源供給手段６０に放電手段６４が付加されている。この放電手段６４は、抵抗６５と半導体スイッチング素子６６との直列回路をコンデンサ６２に並列に接続して構成されている。
また、コンデンサ６２の両端は、図３に示した突入電流防止用の抵抗７１や高耐圧かつ大形の電解コンデンサ７２を介することなく直流電圧降圧手段７３に直接接続され、その出力側には、ダイオード７５を介して電解コンデンサ７４が接続されている。ここで、直流電圧降圧手段７３は、平常時は運転を停止しており、異常検出手段５０から異常検出信号が入力されることにより起動するようになっている。

更に、三相交流電源３１には交流−直流変換手段８１が接続され、その出力側はダイオード８２を介して前記電解コンデンサ７４に接続されている。すなわち、制御手段４１の入力側に接続された電解コンデンサ７４には、ダイオード７５，８２を介して直流電圧降圧手段７３及び交流−直流変換手段８１が並列的に接続されている。

次に、この実施形態の動作を説明する。
電源３１の正常時には、交流−直流変換手段８１が交流電源電圧を所定の直流電圧に変換し、ダイオード８２を介して電解コンデンサ７４に供給することにより、制御手段４１に電源が供給される。この制御手段４１から制御指令がＰＷＭパターン作成手段４２に出力され、作成手段４２から出力されるＰＷＭパルスにより直接変換器１０が駆動され、交流−交流直接変換を行って電動機２０に所定の大きさ及び周波数を有する交流電力が供給される。

一方、異常検出手段５０が例えば停電による電源異常を検出すると、異常検出信号が直流電圧降圧手段７３及び制御手段４１に入力される。これにより、直流電圧降圧手段７３は動作を開始すると共に、交流−直流変換手段８１は入力電圧がゼロになるため、動作を停止する。
なお、この時の制御手段４１の動作については後述する。
直流電圧降圧手段７３の動作により、電源供給手段６０Ａ内の直流中間電圧が降圧され、この電圧はダイオード７５を介して電解コンデンサ７４に印加される。従って、この電解コンデンサ７４の電圧を制御手段４１の電源電圧として用いることができ、電源異常時にも制御手段４１を継続して動作させることができる。

上記のように、電源異常時に電源供給手段６０Ａの直流中間回路から制御手段４１に電力を供給すると、電源供給手段６０Ａの直流中間電圧は低下する。制御手段４１では、上記直流中間電圧が規定値よりも低下したことを検出すると、ＰＷＭパターン作成手段４２に回生運転指令またはゼロベクトル指令を出力する。ここで、ゼロベクトル指令とは、直接変換器１０内の仮想インバータの上アームまたは下アームを全てオンさせてゼロ電圧ベクトルを出力させる指令モードである。

直接変換器１０に回生運転指令を与えると、電力が電動機２０側から電源側へ返ってくるが、電源異常時は回生エネルギーが電源側へ供給されないため、回生エネルギーは整流回路６３を介して電源供給手段６０Ａの直流中間回路に供給され、直流中間電圧を上昇させる。
また、直接変換器１０にゼロベクトル指令を与えると、負荷電流が増加する。そして、この負荷電流が規定値に達した後に制御手段４１が全遮断指令を出力して直接変換器１０の全てのスイッチング素子をオフさせることにより、電動機２０の巻線に蓄えられた誘導性エネルギーが整流回路６３を介して直流中間回路に供給される。これにより、直流中間電圧が上昇するので、この電圧を利用して制御手段４１への電源供給を継続することができる。

電源供給手段６０Ａの直流中間電圧が再び低下した場合には、上述した各指令（回生運転指令またはゼロベクトル指令の後の全遮断指令）による制御動作を再度行うことによって電源供給手段６０Ａの直流中間電圧を上昇させることができ、この動作を繰り返せば制御手段４１に継続して電源を供給することができる。

更に、直流中間電圧が規定値を超えたことを電圧検出手段（図示せず）により検出した場合には、放電手段６４内のスイッチング素子６６をオンさせて抵抗６５によりエネルギーを消費させれば、直流中間電圧を規定値以下に維持することが可能である。
また、電動機２０を駆動（力行）動作させれば、制御手段４１の消費電力によって前記直流中間電圧が低下するので、駆動動作と回生動作とを交互に繰り返すことで直流中間電圧を一定に保つことができ、その結果、制御手段４１に対して継続的にほぼ一定の電源電圧を供給することができる。
なお、本実施形態において、制御手段４１の入力側の電解コンデンサ７４には、直接変換器１０の全遮断時における電動機２０からの誘導性エネルギーが供給されることがないため、低耐圧かつ小容量の部品を使用しても何ら支障はない。

次に、図２は請求項２，３〜６に相当する本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
図１の第１実施形態との相違点を中心に説明すると、第２実施形態では、交流−直流変換手段８１の出力側にダイオード８２を介して直流電圧降圧手段７３が接続され、この直流電圧降圧手段７３の入力側は、ダイオード７５を介して保護回路６０Ａの直流中間回路に接続されている。また、直流電圧降圧手段７３の出力側には電解コンデンサ７４が直接接続されている。

上記のように、直流電圧降圧手段７３の入力側にダイオード８２，７５を介して交流−直流変換手段８１及び直流中間回路を並列的に接続したことにより、直流電圧降圧手段７３には、交流−直流変換手段８１及び直流中間回路のうち電圧が高い方から直流電力が供給されることになる。

この実施形態において、電源３１の正常時には、交流−直流変換手段８１からダイオード８２及び直流電圧降圧手段７３を介して制御手段４１に電源を供給する。停電等の電源異常が発生した場合には、電源電圧がゼロになるため交流−直流変換手段８１は動作を停止し、その出力電圧もゼロになるが、直流中間回路６２に所定の電圧が保持されていれば、その電圧を利用して直流電圧降圧手段７３から電解コンデンサ７４を介し制御手段４１に電源を供給することができる。

なお、この実施形態においても、電源異常時に、制御手段４１から直接変換器１０に対して回生運転指令またはゼロベクトル指令出力後に全遮断指令を出力させる動作を必要に応じて繰り返す点、更に、放電手段６４の動作により直流中間電圧が規定値以上になるのを防止する点、駆動運転及び回生運転を繰り返すことによって直流中間電圧を一定に保つ点は第１実施形態と同様である。

以上説明したように、各実施形態によれば、電源供給手段の直流中間回路に過大な電圧が印加されることがなくなり、図３のように直流電圧降圧回路の入力側に突入電流防止用の抵抗や高耐圧かつ大形の電解コンデンサを設けることが不要になる。
また、各実施形態では、制御対象となる電力変換器として直接変換器を用いる場合を説明したが、本発明の原理は、コンデンサ等のエネルギーバッファを備えた直流中間回路を介在させてＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換を行う方式の電力変換器にも適用可能である。

本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。

符号の説明

１０：直接変換器
２０：交流電動機
３１：三相交流電源
３２：入力フィルタ
４１：制御手段
４２：ＰＷＭパターン作成手段
５０：異常検出手段
６０Ａ：電源供給手段
６１，６３：整流回路
６２：コンデンサ
６４：放電手段
６５：抵抗
６６：半導体スイッチング素子
７３：直流電圧降圧手段
７４：電解コンデンサ
７５：ダイオード
８１：交流−直流変換手段
８２：ダイオード

Claims (6)

1. 交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換する電力変換器の制御装置において、
   前記電力変換器の交流入力側及び交流出力側にそれぞれ交流側が接続され、かつ、直流中間回路を介して直流側同士が接続された第１及び第２の整流回路を有する電源供給手段と、
   前記直流中間回路の電圧を降圧する直流電圧降圧手段と、
   交流電源電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換手段と、
   交流電源電圧の異常を検出する異常検出手段と、
   前記電力変換器に対する駆動パルスを発生させるための制御指令を出力する制御手段と、
   を備え、
   交流電源電圧の正常時には、前記交流−直流変換手段から前記制御手段に電源を供給し、前記異常検出手段による交流電源電圧の異常検出時には、前記直流電圧降圧手段を動作させて前記直流中間回路から前記直流電圧降圧手段を介して前記制御手段に電源を供給することを特徴とする電力変換器の制御装置。
2. 交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換する電力変換器の制御装置において、
   前記電力変換器の交流入力側及び交流出力側にそれぞれ交流側が接続され、かつ、直流中間回路を介して直流側同士が接続された第１及び第２の整流回路からなる電源供給手段と、
   交流電源電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換手段と、
   この交流−直流変換手段の出力電圧及び前記直流中間回路の電圧のうち大きい方の電圧を降圧する直流電圧降圧手段と、
   交流電源電圧の異常を検出する異常検出手段と、
   前記電力変換器に対する駆動パルスを発生させるための制御指令を出力する制御手段と、
   を備え、
   交流電源電圧の正常時には、前記交流−直流変換手段から前記直流電圧降圧手段を介して前記制御手段に電源を供給し、前記異常検出手段による交流電源電圧の異常検出時には、前記直流中間回路から前記直流電圧降圧手段を介して前記制御手段に電源を供給することを特徴とする電力変換器の制御装置。
3. 請求項１または２に記載した電力変換器の制御装置において、
   交流電源電圧の異常検出時に前記直流中間回路の電圧が低下した時に、
   前記制御手段は、回生運転指令を出力して前記直流中間回路の電圧を上昇させ、またはゼロベクトル指令を出力して負荷電流が規定値に達すると前記電力変換器の半導体スイッチング素子を全てオフして前記直流中間回路の電圧を上昇させることを特徴とする電力変換器の制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換器の制御装置において、
   前記電源供給手段は、前記直流中間回路に設けられたコンデンサを放電させる放電手段を備え、
   前記直流中間回路の電圧が規定値を越えたときに、前記放電手段を動作させて前記直流中間回路の電圧を低下させることを特徴とする電力変換器の制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した電力変換器の制御装置において、
   前記異常検出手段による交流電源電圧の異常検出時に、前記制御手段は、前記電力変換器による負荷の駆動運転及び回生運転を交互に繰り返して前記直流中間回路の電圧を一定に保つことを特徴とする電力変換器の制御装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載した電力変換器の制御装置において、
   前記電力変換器が、直流中間回路を持たずに直接、交流−交流変換を行う直接変換器であることを特徴とする電力変換器の制御装置。
   

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