JP4582933B2 - 多相中性点付きpwm変換装置の制御回路 - Google Patents
多相中性点付きpwm変換装置の制御回路 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相負荷より電力を授受するために、直列に接続された直流コンデンサの中性点と多相負荷の中性点を接続した直流電源を有する多相中性点接続式PWM変換装置の制御回路に係わり、特に、多相各相に同一の値を有する電流(以下、零相電流と称する)を流すための零相電流制御機能を追加した多相中性点接続式PWM変換装置の制御回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のPWM変換装置のコンバータへの適用においては、文献{村井他:「誘導集電装置を利用したアクティブ磁気ダンパ」電気学会論文誌D、119巻11号、平成11年}に記載されているように、「磁気ダンピングを実現するための3相U、V、W相の集電コイルに集電電流及び零相電流を通電する方法」は、現在のところ、開発されていない。
又、インバータへの適用においては、3相で構成されるHSST等の常伝導リニアモータにおける主回路は、推進力を得るためのコイルと推進用PWM変換器があると共に、吸引力を得るためのコイルと吸引用PWM変換器とで構成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コンバータへの適用においては、磁気ダンピングを実現するための3相U、V、Wの集電コイルに集電電流及び零相電流を通電するコンバータ主回路構成及び制御方法が無いという問題があった。
又、インバータへの適用においては、3相で構成されるHSST等の常伝導リニアモータにおいて、推進力と吸引力を得るために、インバータ主回路及び制御回路を別々に構成していたという問題があった。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは、コンバータへの適用においては、3相U、V、Wの集電コイルに集電電流及び零相電流を通電する主回路構成及び制御手段を、インバータへの適用においては、推進力と吸引力を得るために、1組の3相コイル及び1台のPWM変換器で構成する手段及びその制御手段を提供することにある。
さらに、コンバータ及びインバータにおいて、3相にこだわる事無く、4相等の他の多相に対しても適用できる主回路構成及びその制御手段を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明では、先ず、電力の授受に関係しない電流制御を容易にするために、多相負荷の中性点と、多相中性点付きPWM変換装置の直列に接続された直流コンデンサの中性点を接続する、中性点接続PWM変換装置システム構成とした。
【0005】
以下は、特にこだわらない限り、3相により説明する。
コンバータにおいて、3相負荷より、3相中性点付きPWM変換装置により電力を入力する時、各相電流は入力電力に関係する周波数成分と関係しない周波数成分とに分けられる。この入力電力に関係する周波数成分の3相電流の和は、瞬時瞬時零になる。又、この多相中性点付きPWM変換装置と多相負荷の中性点間を流れる中性点電流をI0 Xとすると、3相各相に流れる上記周波数成分以外の入力電力に関係しない電流I0はI0=I0 X/3で表される。
【0006】
同様に、インバータにおいて、3相負荷にトルク等の電力を出力する時、トルク等に関係する周波数成分の3相電流の和は零になるので、3相各相に流れる上記周波数成分以外の出力電力に関係しない電流I0はI0=I0x/3で表される。
この関係は、3相以外の、例えば4相においては、各相の電力に関係する周波数成分の位相が90°異なるために、同様にI0=I0x/4で表される。
本発明では、上記3相各相に同一値として流れる、電力の授受に関係しない電流を零相電流と称して制御する。
この零相電流I0は、コンバータにおいては、磁気ダンピングを実現するための電流であり、インバータにおいては、HSST等の常伝導リニアモータにおける吸引力を得るための電流である。
【0007】
さらに、上記3相負荷に流れる電力の授受に関係しない電流、すなわち零相電流I0がそれぞれ3相負荷に流れると、上記3相負荷の抵抗値をRs、インダクタンス値をLs、微分演算子をPとすると、上記抵抗値Rs及びインダクタンス値Lsでの零相電圧降下V0は、次に示す(1)式で示される。この零相電圧降下V0を補償するように、3相中性点付きPWM変換装置の電圧制御を行えば、各相に零相電流I0を流す事ができる。
【0008】
【数1】
【0009】
しかしながら、この3相中性点付きPWM変換装置においては、3相負荷の中性点と、直列に接続された上下直流コンデンサの中性点間に低周波零相電流I0を流すと、上下直流コンデンサの中性点電圧が変動し、直流電圧Vdの半分の値を使用する従来のゲートタイミング導出方法では、指令通りの零相電流が流せない。このような電圧変動があっても、指令通りの零相電流を流す方法を、図2に示す搬送波Esと変調波Vc*により説明する。図2(a)は搬送波の三角波が立下りの時、(b)は三角波が立上がりの時の、それぞれ変調波Vc*と搬送波である三角波Esの関係図である。
【0010】
図2(a)の搬送波の三角波Esが立下り時において、変調波Vc*、直流電圧Vd、直流コンデンサの中性点電圧Vdn、サンプリング時間Ts、及びPWM変換装置の上側スイッチング素子がオフからオンするゲート時刻Tg1の間には、次に示す(2)式の如き関係がある。従って、PWM変換装置の上側スイッチング素子がオフからオンするゲート時刻Tg1は、次に示す(3)式のように求められる。
【0011】
【数2】
【0012】
同様に、図2(b)の搬送波の三角波Esが立上がり時において、PWM変換装置の上側スイッチング素子がオンからオフするゲート時刻Tg2は、次に示す(4)式で表される。
【0013】
【数3】
【0014】
本発明は、このようにI0=I0x/3で表される零相電流I0を検出して、零相電流指令I0 *との偏差増幅値である零相電圧指令V0 *と、3相負荷電力の授受を制御するための3相電圧指令を加算して、3相PWM変換器の電圧指令となし、直流コンデンサの中性点電圧Vdnの変動を考慮して、前記電圧指令により各相スイッチング素子のゲート信号を生成し、3相PWM変換器の出力端子電圧をパルス幅変調によって制御するものである。
【0015】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
1)請求項1において、
直列に接続された直流コンデンサの中性点と多相負荷の中性点を接続した直流電源を有する多相中性点付きPWM変換装置の制御回路を、前記中性点間を流れる零相実電流値を出力する手段と、該零相実電流値と零相電流指令が一致するように零相分電圧指令を出力する手段と、該零相分電圧指令と前記多相負荷の電力を制御する各相電力分電圧指令を加算して前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を出力する手段により構成する。
【0016】
2)請求項2において、
多相中性点付きPWM変換装置の制御回路を、前記直流コンデンサの中点電圧と前記直流電源電圧、及び前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を入力して、PWM変換装置のスイッチング素子のオンからオフとオフからオンとで異なる演算式により前記直流コンデンサの中点電圧の変動を補正したゲート時間を出力する手段により構成する。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における主回路構成を示すブロック図であり、3相の場合を示す。
同図において、1は3相負荷の誘起電圧源、2は3相負荷の電源インダクタンス、3は交流電流検出器、4は3相PWM変換器、51及び52はそれぞれ+側直流コンデンサ及びー側直流コンデンサ、6は直流電源、7は中性点電流検出器を表す。
以下、図1について説明する。
3相PWM変換器4は、逆並列に接続されたダイオードを有する上下スイッチング素子3組をブリッジ状に接続して構成され、その直流部は直流電源6に直列に接続される。この直流電源6に並列に、直列に接続された+側直流コンデンサ51及びー側直流コンデンサ52が接続される。3相PWM変換器4の交流部はそれぞれ電源インダクタンス2に接続される。交流電流検出器3は、それぞれ3相負荷の誘起電圧源1の各相実電流値Iu、Iv、Iwを検出する。
【0018】
3相負荷の誘起電圧源1の中性点N1は、直列に接続された+側直流コンデンサ51及びー側直流コンデンサ52の中性点N2と接続される。中性点電流検出器7は、3相各相に流れる零相電流の合計値である中性点電流I0 Xを検出する。この誘起電圧源1は、直流電源6に電力を集電するコンバータ動作をする時は誘起電圧源として動作し、又、直流電源6より電力を出力して、HSST等の常伝導リニアモータを駆動するインバータ動作をする時は、負荷の逆起電力として動作する。
又、4相においては、逆並列に接続されたダイオードを有する上下スイッチング素子4組をブリッジ状に接続して構成される4相PWM変換器、4個の交流電流検出器、1個の中性点電流検出器、及び4相負荷により構成し、4相負荷の中性点と4相PWM変換器の直流コンデンサ中性点を接続すれば良く、他の多相においても同様である。
【0019】
図3は本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における制御回路構成例を示すブロック図である。同図において、101は零相電流検出回路、102は減算器、103は演算増幅器、104は加算器、105はゲート発生回路を表す。以下、図3について、特に3相の場合を説明する。零相電流検出回路101は、中性点電流I0Xを検出し、式I0=I0x/3に基づいて各相の零相実電流値I0を検出し、減算器102に出力する。
【0020】
減算器102は別に生成される零相電流指令I0 *と零相実電流値I0を入力して、その偏差である零相電流偏差値ΔI0を偏差増幅器103により、偏差増幅して零相電圧指令V0 *として、加算器104に出力する。加算器104は零相分電圧指令V0 *と、別に生成される3相負荷の電力を制御する3相各相電力分電圧指令Vm*を加算して、3相PWM変換器の各相電圧指令Vc*をゲート発生回路105に出力する。
【0021】
ゲート発生回路105は、3相PWM変換器の各相電圧指令Vc*を入力して、(2)式、又は(3)式により中性点電圧変動を補正した各相のゲート信号Gを3相PWM変換器4に出力する。
このような中性点電圧変動を補正したゲート信号Gにより制御される3相PWM変換器4により、各相電圧指令Vc*通りの電力及び零相電流が制御される。
上記の「別に生成される3相各相負荷の電力を制御する3相各相電力分電圧指令Vm*」とは、例えば、コンバータであれば、3相PWM変換器4に入力する電力制御のために別に生成される電力分電圧指令、インバータであれば、3相PWM変換器4が出力する電力制御のために別に生成される電力分電圧指令のことである。
これは3相PWM変換器4にとってはエネルギーの流れる方向が逆となるだけであり、同一の3相PWM変換器4で構成できる。
又、4相においては、中性点電流I0xを零相電流検出回路101に入力し、
式、I0=I0 X/4に基づいて各相の零相実電流値I0を検出すれば良く、他の多相においても同様である。
【0022】
以上の説明では、本発明の制御装置は、多相電源又は負荷がバランスしている事が必要であるように記述してきたが、電源インダクタンスがアンバランスであっても、各相の電源インダクタンスの抵抗値Rs及びインダクタンス値Lsに比例させて、各相の零相電圧指令を制御すれば、各相の零相電流を任意に制御させる事ができる。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、多相への適用を3相の場合により詳述したように、3相電源及び負荷に対して、電力の授受に関係しない零相電流制御を容易にするために、本発明においては、3相PWM変換装置の直列に接続された直流コンデンサの中性点と3相負荷の中性点を接続したものである。
さらに、上記3相PWM変換装置のコンバータへの適用においては、集電コイルに集電電流及び零相電流を通電する制御手段を、インバータへの適用においては、推進力と吸引力を得るための制御手段を提供するために、(1)式で表される零相電流I0を制御するための零相電圧指令と、上記3相各相電力分電圧指令を加算して、3相PWM変換装置の電圧指令となし、3相PWM変換装置のスイッチング素子のオンからオフとオフからオンとで異なる演算式により前記直流コンデンサの中点電圧の変動を補正したゲート時間を出力し、3相PWM変換器の出力端子電圧をパルス幅変調によって制御するものであり、零相電流指令に追従した零相電流制御、及び電力制御を容易に行う事ができるため、実用上、極めて有用性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多相中性点付きPWM変換装置の主回路構成を示すブロック図である。
【図2】 本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における搬送波Esと変調波Vc * との関係を示す説明図である。
【図3】 本発明の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路における制御回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 3相負荷の誘起電圧源
2 3相負荷の電源インダクタンス
3 交流電流検出器
4 3相PWM変換器
51、52 +側直流コンデンサ及びー側直流コンデンサ
6 直流電源
7 中性点電流検出器
101 零相電流検出回路
102 減算器
103 偏差増幅器
104 加算器
105 ゲート発生回路
Claims (2)
- 直列に接続された直流コンデンサの中性点と多相負荷の中性点を接続した直流電源を有する多相中性点付きPWM変換装置の制御回路において、前記中性点間を流れる零相実電流値を出力する手段と、該零相実電流値と零相電流指令が一致するように零相分電圧指令を出力する手段と、該零相分電圧指令と前記多相負荷の電力を制御する各相電力分電圧指令を加算して前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を出力する手段を有する事を特徴とする多相中性点付きPWM変換装置の制御回路。
- 前記直流コンデンサの中性点電圧と前記直流電源電圧、及び前記多相中性点付きPWM変換装置の各相電圧指令を入力して、PWM変換装置のスイッチング素子のオンからオフとオフからオンとで異なる演算式により前記直流コンデンサの中性点電圧の変動を補正したゲート時間を出力する手段を有する事を特徴とする請求項1記載の多相中性点付きPWM変換装置の制御回路。
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