JP4825660B2 - Power converter for superconducting coils - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、超電導電力貯蔵システム(Superconducting Magnetic Energy Storage System、以下SMES)に適用される超電導コイル用電力変換装置に係り、特に、3レベルの直流電源と超電導コイルとの間で直流電力の授受を行う3レベルチョッパの制御技術に関するものである。   The present invention relates to a power converter for a superconducting coil applied to, for example, a superconducting energy storage system (hereinafter referred to as SMES), and more particularly, a DC power between a three-level DC power source and a superconducting coil. The present invention relates to a control technology for a three-level chopper that performs transfer.

電力貯蔵システムを有する電力変換装置は、パワーエレクトロニクス技術の適用によって高度な電力変換制御が可能であり、電力系統の事故や落雷等に起因した系統電圧の瞬時低下や、鉄道等における電力負荷変動といった電力システムの様々な課題を解決する手段として、開発・導入が進められている。一般に、このような電力変換装置は、連系した電力系統の交流電力と、電力貯蔵システムの持つ電力を双方向に変換する電力変換器として、電圧形インバータを用いる。高圧大容量の電圧形インバータとしてはマルチレベルインバータがあるが、近年ではその一種である3レベル方式(3レベルインバータ)が実用化され、多くの適用例がある。
一方、電力貯蔵システムの電力貯蔵デバイスとしては、鉛蓄電池をはじめとする各種二次電池や、フライホイールなどのような機械電力で貯蔵するものなど様々なものがあるが、超電導コイルを用いたSMESを電力変換装置に適用した小形かつ大容量のシステム開発が進められている。
Power converters with power storage systems are capable of advanced power conversion control through the application of power electronics technology, such as instantaneous voltage drop due to power system accidents or lightning strikes, and power load fluctuations in railways, etc. Development and introduction are being promoted as means for solving various problems of electric power systems. In general, such a power conversion device uses a voltage-type inverter as a power converter that bidirectionally converts AC power of an interconnected power system and power of a power storage system. As a high-voltage and large-capacity voltage source inverter, there is a multi-level inverter. In recent years, a three-level system (three-level inverter), which is one type, has been put into practical use and has many applications.
On the other hand, there are various types of power storage devices for power storage systems, such as various secondary batteries including lead-acid batteries, and devices that store mechanical power such as flywheels, but SMES using superconducting coils. The development of a small and large-capacity system in which is applied to power converters is underway.

従来のSMES電力変換装置として、例えば、特許文献1に示されたものは、超電導コイルの電力の入出力を2レベルのチョッパ回路で行うもので、チョッパ回路を構成する2つの半導体スイッチング素子をオン・オフ制御することで超電導コイルに印加する電圧を調整し、超電導コイル電流の増大、減少、および環流動作による超電導コイル電流の保持を行っている。
具体的な電力入出力制御の方式としては、例えば、特許文献2に示されている。ここでは、SMESが入出力すべき有効電力の指令値をチョッパ電力制御器に与えている。チョッパ電力制御器は、有効電力指令値と超電導コイルに流れる電流とから、超電導コイルに印加すべき電圧の指令値を出力する。PWM(Pulse Width Modulation)制御器は、この電圧指令値に基づいてPWM制御を行い、チョッパ回路の半導体スイッチング素子をオン・オフする駆動信号を出力する。PWM制御は、2レベルの電圧形インバータで一般的に使用されている三角波比較方式などが適用可能である。
As a conventional SMES power converter, for example, the one disclosed in Patent Document 1 performs input / output of power of a superconducting coil by a two-level chopper circuit, and turns on two semiconductor switching elements constituting the chopper circuit. -The voltage applied to the superconducting coil is adjusted by off control, and the superconducting coil current is increased and decreased, and the superconducting coil current is maintained by the recirculation operation.
A specific power input / output control method is disclosed in Patent Document 2, for example. Here, a command value of active power to be input / output by the SMES is given to the chopper power controller. The chopper power controller outputs a command value of a voltage to be applied to the superconducting coil from the active power command value and the current flowing through the superconducting coil. A PWM (Pulse Width Modulation) controller performs PWM control based on this voltage command value, and outputs a drive signal for turning on / off the semiconductor switching element of the chopper circuit. For the PWM control, a triangular wave comparison method generally used in a two-level voltage source inverter can be applied.

高圧大容量のSMES電力変換装置の電圧形インバータとして3レベルインバータを適用した場合、チョッパ回路も3レベルタイプが必要となる。図10は、例えば、非特許文献1に示された3レベルチョッパ回路であり、2レベルインバータを3レベル化したインバータと同様に、2レベルチョッパ回路を3レベル化した構成である。
従って、3レベルチョッパのPWM制御には、3レベルインバータで一般的に使用されている制御方式が適用可能である。図11は、非特許文献1に示されたダブルキャリアユニポーラ方式によるPWM制御であり、電圧指令値に応じた電圧が超電導コイルに印加されている。
When a three-level inverter is applied as a voltage source inverter of a high-voltage and large-capacity SMES power converter, a three-level type chopper circuit is required. FIG. 10 is a three-level chopper circuit disclosed in Non-Patent Document 1, for example, and has a configuration in which the two-level chopper circuit is tri-leveled in the same manner as the inverter in which the two-level inverter is tri-leveled.
Therefore, a control method generally used in a three-level inverter can be applied to the PWM control of the three-level chopper. FIG. 11 shows PWM control by the double carrier unipolar system shown in Non-Patent Document 1, and a voltage corresponding to the voltage command value is applied to the superconducting coil.

図12は、図11と同じダブルキャリアユニポーラ方式のPWM制御を行った場合の、3レベルチョッパ回路における各半導体スイッチング素子G1〜G4のオン・オフ状態を示したものである。図12に示したスイッチングパターンSPは、後段の、発明の実施の形態1の図3で説明する3レベルチョッパ回路を構成する4個の半導体スイッチング素子(7a、7b、8a、8b、なお、この図12では、G1〜G4で示す)が取り得る合計16通りのオン・オフ状態に対応するスイッチングパターンに番号を付したものである。   FIG. 12 shows the on / off states of the semiconductor switching elements G1 to G4 in the three-level chopper circuit when the same double carrier unipolar PWM control as in FIG. 11 is performed. The switching pattern SP shown in FIG. 12 includes four semiconductor switching elements (7a, 7b, 8a, 8b) constituting the three-level chopper circuit described in FIG. 3 of the first embodiment of the invention. In FIG. 12, switching patterns corresponding to a total of 16 on / off states which can be taken by G1 to G4) are numbered.

図12において、超電導コイルに流れる電流を増大させる超電導コイル充電時は、電圧指令値は正であり、3レベルチョッパ回路の外側の素子G1、G4のみがオン・オフを繰り返し、内側の素子G2、G3はオン状態のままでスイッチングしていない。逆に、超電導コイルに流れる電流を減少させる超電導コイル放電時は、電圧指令値は負であり、内側素子G2、G3のみがスイッチングを行い、外側素子G1、G4はオフ状態のままとなっている。この時、電圧指令値の正負、大小によって使用されるスイッチングパターンは異なるものの、電圧指令値が一定であれば、使用されるスイッチングパターンは全16通りのうちの3種類となっている。また、図3のスイッチングパターンのうちで出力電圧が0Vである零電圧出力パターンは5種類あるのに対し、図12で使用されている零電圧出力パターンはSP6の1種類のみとなっている。   In FIG. 12, when charging the superconducting coil that increases the current flowing in the superconducting coil, the voltage command value is positive, and only the outer elements G1 and G4 of the three-level chopper circuit are repeatedly turned on and off, and the inner element G2, G3 remains on and does not switch. Conversely, during superconducting coil discharge that reduces the current flowing in the superconducting coil, the voltage command value is negative, only the inner elements G2 and G3 perform switching, and the outer elements G1 and G4 remain off. . At this time, although the switching pattern used differs depending on whether the voltage command value is positive or negative, if the voltage command value is constant, there are three types of switching patterns to be used. Further, among the switching patterns of FIG. 3, there are five types of zero voltage output patterns with an output voltage of 0 V, whereas the zero voltage output pattern used in FIG. 12 is only one type of SP6.

特許第2543336号(第1図、第2図)Japanese Patent No. 2543336 (FIGS. 1 and 2) 特許第2771948号(図1)Japanese Patent No. 2771948 (FIG. 1) 船橋、高柳、林、三宮、堤:「100MVA級SMES用電圧型交直変換装置の概念設計」、電気学会電力技術研究会資料、PE−01−12、pp.67−72、2001年(図2、図3)Funabashi, Takayanagi, Hayashi, Sannomiya, Tsutsumi: “Conceptual design of voltage-type AC / DC converter for 100 MVA class SMES”, IEEJ Electric Power Technology Study Group, PE-01-12, pp. 67-72, 2001 (Figures 2 and 3)

以上のように、SMES電力変換装置で使用されている3レベルチョッパの従来のダブルキャリアユニポーラ方式では、電圧指令値と三角波形の変調波との比較による論理出力でスイッチング素子の駆動信号を制御するため、電圧指令値に対してオンオフ動作をするスイッチング素子が特定の2素子に限定される。
この為、個々の適用において要求される運転パターンによって、例えば、オンオフ動作をするスイッチング素子を3個以上として各素子の負荷率を均等化させる方向を追求したい場合、また、充電、放電等の動作モードの移行を円滑にしたい場合等が生じても、従来の電圧指令値と三角波形の変調波との比較による論理出力でスイッチング素子を駆動する方式では、これら多様な要求に対応できないという問題点があった。
As described above, in the conventional double carrier unipolar system of the three-level chopper used in the SMES power converter, the drive signal of the switching element is controlled by the logic output based on the comparison between the voltage command value and the triangular wave. Therefore, the switching elements that perform the on / off operation with respect to the voltage command value are limited to two specific elements.
For this reason, depending on the operation pattern required in each application, for example, when it is desired to pursue a direction in which the load factor of each element is equalized by setting three or more switching elements that perform on / off operation, and operations such as charging and discharging. Even if there is a case where smooth mode transition occurs, the conventional method of driving a switching element with a logical output by comparing a voltage command value and a triangular wave is not able to meet these various requirements. was there.

この発明は、以上のような従来の問題点を解消するためになされたもので、3レベルチョッパにおいて、オンオフ動作をするスイッチング素子が、電圧指令値に応じて定まる2素子に限定されることなく、その選択に自由度を持たせることが出来、より広範囲な用途への適用が可能となる超電導コイル用電力変換装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and in the three-level chopper, the switching element that performs the on / off operation is not limited to two elements that are determined according to the voltage command value. An object of the present invention is to obtain a power converter for a superconducting coil that can give a degree of freedom in selection and can be applied to a wider range of uses.

この発明に係る超電導コイル用電力変換装置は、正側端子、負側端子および中性点端子を備えた3レベルの直流電源と正負両極端子を備えた超電導コイルとの間に接続され、複数のスイッチング素子を備え、各スイッチング素子をオンオフすることにより直流電源と超電導コイルとの間で直流電力の授受を行う3レベルチョッパ、および超電導コイルの両極端子への直流出力電圧が電圧指令値に追随するよう各スイッチング素子をオンオフ制御するチョッパ制御手段を備えた超電導コイル用電力変換装置において、
チョッパ制御手段は、超電導コイルの充放電に係る複数種別の制御モード毎に予め各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、電圧指令値に応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択部、および直流出力電圧が電圧指令値に一致するよう選択されたスイッチングパターンによる3レベルチョッパの出力電圧パルス幅を演算し各スイッチング素子をオンオフ駆動する信号を作成するパルス作成部を備えたものである。
A power converter for a superconducting coil according to the present invention is connected between a three-level DC power source having a positive terminal, a negative terminal, and a neutral point terminal, and a superconducting coil having a positive and negative bipolar terminal. A switching element is provided, and a DC output voltage to the bipolar terminal of the superconducting coil follows the voltage command value, and a three-level chopper that transfers DC power between the DC power supply and the superconducting coil by turning on and off each switching element. In the superconducting coil power converter equipped with a chopper control means for controlling on / off of each switching element,
The chopper control means sets in advance a switching pattern for specifying the on / off control order of each switching element for each of a plurality of types of control modes related to charging / discharging of the superconducting coil, and sets the corresponding control mode according to the voltage command value. A switching pattern selection unit for selecting the switching pattern, and a signal for driving on / off of each switching element by calculating the output voltage pulse width of the three-level chopper by the switching pattern selected so that the DC output voltage matches the voltage command value It is provided with a pulse generating unit for generating.

この発明においては、制御モード毎に任意のスイッチングパターンを設定できるので、個々に要求される特性を満足させる方向で、3レベルチョッパを構成する各スイッチング素子をオンオフ動作させることができ、超電導コイル用電力変換装置として、より広範囲な用途への適用が可能となる。   In the present invention, since an arbitrary switching pattern can be set for each control mode, each switching element constituting the three-level chopper can be turned on and off in a direction satisfying the individually required characteristics. As a power converter, it can be applied to a wider range of uses.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による超電導コイル用電力変換装置の例を示す構成図である。
電力系統1に変圧器2を介して接続される電圧形インバータ回路3の直流出力端子(正側端子、負側端子および中性点端子)間に2つの直流コンデンサ4a、4bを直列に接続する。そして、3レベルチョッパであるチョッパ回路6は、直流電源となる2つの直流コンデンサ4a、4bと超電導コイル5との間でチョッパ動作によって双方向の電力変換を行う。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a superconducting coil power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
Two DC capacitors 4a and 4b are connected in series between the DC output terminals (positive side terminal, negative side terminal and neutral point terminal) of the voltage source inverter circuit 3 connected to the power system 1 via the transformer 2. . The chopper circuit 6 that is a three-level chopper performs bidirectional power conversion by the chopper operation between the two DC capacitors 4a and 4b serving as a DC power source and the superconducting coil 5.

電圧形インバータ回路3は、高圧大容量の三相3レベルインバータであり、自己消弧機能を持った半導体スイッチング素子として、例えば、高耐圧大電流用途のGTOサイリスタ(Gate Turn−Off Thyristor)やGCTサイリスタ(Gate Commutated Turn−off Thyristor)などが適用されるが、従来のパワートランジスタや近年高耐圧化が進んでいるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)なども適用可能である。三相3レベルインバータは、本願では主要部でなく、またその構成や動作については公知であるため、詳細な説明を省略する。   The voltage source inverter circuit 3 is a high-voltage and large-capacity three-phase three-level inverter. As a semiconductor switching element having a self-extinguishing function, for example, a high-voltage, high-current GTO thyristor (Gate Turn-Off Thyristor) or GCT A thyristor (Gate Committed Turn-off Thyristor) or the like is applied, but a conventional power transistor or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) whose breakdown voltage has been increasing in recent years is also applicable. Since the three-phase three-level inverter is not a main part in the present application, and its configuration and operation are known, detailed description thereof is omitted.

チョッパ回路6は、図2に示すような電圧可逆形のチョッパ回路であり、電圧形インバータ回路3と同様の3レベル構成によるブリッジ形チョッパ回路であるが、超電導コイル5に流す電流の向きを一方向に固定すると、電流の向きを逆転させるための半導体スイッチング素子が不要になるため、半導体素子の使用数が半分となっている。
即ち、第1および第2のスイッチング素子である半導体スイッチング素子7a、7bの直列接続の組と第3および第4のスイッチング素子である半導体スイッチング素子8a、8bの直列接続の組による2組の半導体スイッチング素子と、同様に、第1のダイオードであるダイオード9a、9bの直列接続の組と第2のダイオードであるダイオード10a、10bの直列接続の組による2組のダイオードと、直列に接続した半導体スイッチング素子同士の接続点を中性点端子にクランプするための第1および第2のクランプダイオードである2個のクランプダイオード11a、11bで構成される。
The chopper circuit 6 is a voltage reversible chopper circuit as shown in FIG. 2 and is a bridge type chopper circuit having a three-level configuration similar to that of the voltage source inverter circuit 3. However, the direction of the current flowing through the superconducting coil 5 is uniform. When the direction is fixed, the semiconductor switching element for reversing the direction of the current becomes unnecessary, so the number of semiconductor elements used is halved.
That is, two sets of semiconductors are formed by a series connection set of semiconductor switching elements 7a and 7b as first and second switching elements and a series connection set of semiconductor switching elements 8a and 8b as third and fourth switching elements. A semiconductor connected in series with a switching element, and similarly, two sets of diodes by a series connection set of diodes 9a and 9b as first diodes and a series connection set of diodes 10a and 10b as second diodes It is composed of two clamp diodes 11a and 11b which are first and second clamp diodes for clamping a connection point between the switching elements to a neutral point terminal.

なお、図2では、半導体スイッチング素子としてGTOを適用しているが、電圧形インバータ回路3で適用される半導体スイッチング素子に対応してGCT、パワートランジスタ、IGBTなど他の半導体スイッチング素子と置き換えてもよい。また、2個直列に接続したダイオードの組は、直流回路電圧に対して十分な耐圧があれば1個のダイオードに置き換えてもよい。   In FIG. 2, the GTO is applied as the semiconductor switching element. However, the semiconductor switching element may be replaced with another semiconductor switching element such as a GCT, a power transistor, or an IGBT corresponding to the semiconductor switching element applied in the voltage source inverter circuit 3. Good. Further, a group of two diodes connected in series may be replaced with one diode if it has a sufficient withstand voltage with respect to the DC circuit voltage.

次に、図2に示したチョッパ回路6に関し、図3を参照して具体的なチョッパ動作を説明する。図3は、チョッパ回路6が取り得る全てのスイッチングパターンを示したものである。即ち、チョッパ回路6は、4個の半導体スイッチング素子7a、7b、8a、8bを持つため、図3に示したSP0〜SP15の合計16通りのオン・オフ状態の組合せを取り得る。各スイッチングパターンSP0〜SP15において流れる電流経路により、直流コンデンサ4a、4bの充電または放電、超電導コイル電流の環流状態という3種類の動作モードに大きく分類できる。   Next, with regard to the chopper circuit 6 shown in FIG. 2, a specific chopper operation will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows all the switching patterns that the chopper circuit 6 can take. That is, since the chopper circuit 6 includes the four semiconductor switching elements 7a, 7b, 8a, and 8b, it can take a total of 16 combinations of on / off states SP0 to SP15 shown in FIG. Depending on the current path flowing in each of the switching patterns SP0 to SP15, it can be broadly classified into three types of operation modes: charging or discharging of the DC capacitors 4a and 4b, and the circulating state of the superconducting coil current.

但し、スイッチングパターンSP0〜SP15の中で、半導体スイッチング素子7b(または8a)がオフの時に半導体スイッチング素子7a(または8b)がスイッチングしても、電流経路は変わらない。そのため、SP1、8、9はSP0と同じ電流経路となる。同様に、SP2とSP10、SP3とSP11、SP4とSP5、SP12とSP13がそれぞれ同じ電流経路となる。従って、半導体スイッチング素子7b(または8a)がオフの時には、半導体スイッチング素子7a(または8b)を必ずオフにすると決めると、使用するスイッチングパターンは全16通りのうちSP0、2、3、4、6、7、12、14、15の9通りとなる。これにより、スイッチングパターンを選択する制御が簡素化できる。   However, in the switching patterns SP0 to SP15, even if the semiconductor switching element 7a (or 8b) is switched when the semiconductor switching element 7b (or 8a) is off, the current path does not change. Therefore, SP1, 8, and 9 have the same current path as SP0. Similarly, SP2 and SP10, SP3 and SP11, SP4 and SP5, and SP12 and SP13 have the same current path. Therefore, when the semiconductor switching element 7b (or 8a) is off, if it is decided to always turn off the semiconductor switching element 7a (or 8b), the switching patterns to be used are SP0, 2, 3, 4, 6 among all 16 patterns. , 7, 12, 14, 15 Thereby, the control which selects a switching pattern can be simplified.

図4(a)〜(d)は、それぞれ各スイッチングパターンSP0、2、3および4の、図5(a)〜(d)は、それぞれ同SP6、7、12および14の、図6は同SP15の電流経路をそれぞれ示している。
図3、図4〜6より、SP7、14、15は、超電導コイル5を流れる電流を増大させるスイッチングパターンであるため、超電導コイル充電制御モードで使用する。この内、SP15は、電圧2Eを出力し、SP7、14は、電圧Eを出力して超電導コイル5の充電を行うパターンである。
SP0、2、4は、超電導コイル5を流れる電流を減少させるスイッチングパターンであるため、超電導コイル放電制御モードで使用する。この内、SP0は、電圧(−2E)を出力し、SP2、4は、電圧(−E)を出力して超電導コイル5から放電を行うパターンである。
SP3、6、12は、超電導コイル5の電流がチョッパ回路6の内部を通って環流するスイッチングパターンであり、超電導コイル5には電圧が印加されない零電圧出力のパターンである。これら零電圧出力のスイッチングパターンは超電導コイル5に流れる電流を保持する場合に使用するが、半導体素子を通流する際に若干の損失が発生するため、超電導コイル電流は徐々に減少する。従って、上述した超電導コイル充電制御モードと超電導コイル放電制御モード以外においては、超電導コイル電流の減少分を補償しながら超電導コイル電流を保持する超電導コイル電流補償制御モードを設ける。従って、チョッパ回路6の制御モードとしては、超電導コイル充電制御モード、超電導コイル放電制御モードおよび超電導コイル電流補償制御モードの3種類となる。
4A to 4D show the switching patterns SP0, 2, 3 and 4, respectively. FIGS. 5A to 5D show the same SP6, 7, 12 and 14, respectively. FIG. The current paths of SP15 are shown respectively.
3 and 4 to 6, SPs 7, 14, and 15 are switching patterns that increase the current flowing through the superconducting coil 5, and are therefore used in the superconducting coil charging control mode. Among these patterns, SP15 outputs voltage 2E, and SP7 and SP14 output voltage E to charge the superconducting coil 5.
SP0, 2, 4 are switching patterns for reducing the current flowing through the superconducting coil 5, and are used in the superconducting coil discharge control mode. Among them, SP0 is a pattern for outputting a voltage (−2E), and SP2 and 4 are patterns for outputting a voltage (−E) to discharge from the superconducting coil 5.
SP3, 6 and 12 are switching patterns in which the current of the superconducting coil 5 circulates through the chopper circuit 6, and is a zero voltage output pattern in which no voltage is applied to the superconducting coil 5. These zero voltage output switching patterns are used to maintain the current flowing through the superconducting coil 5, but a slight loss occurs when flowing through the semiconductor element, so the superconducting coil current gradually decreases. Therefore, except for the superconducting coil charge control mode and the superconducting coil discharge control mode described above, a superconducting coil current compensation control mode for holding the superconducting coil current while compensating for the decrease in the superconducting coil current is provided. Therefore, there are three types of control modes for the chopper circuit 6: a superconducting coil charge control mode, a superconducting coil discharge control mode, and a superconducting coil current compensation control mode.

この発明では、これら各制御モード毎に予め各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定してチョッパ制御手段であるPWM制御器14に格納しておく。以下、図7〜9により、各制御モード毎に設定したスイッチングパターンの順位の一例を説明する。   In the present invention, a switching pattern for specifying the on / off control order of each switching element is set in advance for each of these control modes and stored in the PWM controller 14 which is a chopper control means. Hereinafter, an example of the order of switching patterns set for each control mode will be described with reference to FIGS.

図7は、超電導コイル充電制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示したものである。他の制御モードとの切換えを円滑に行うために、他の制御モードと共通のスイッチングパターンとするSP3、12を備える。即ち、零電圧出力のスイッチングパターンであるSP3またはSP12による環流モードの動作状態で、他の制御モードが有するSP3またはSP12の位置への移行を可能とする。また、半導体スイッチング素子が同時に2つ以上スイッチングしないようにスイッチングパターンの連続性を考慮して、SP12→SP14→SP15→SP7→SP3→SP7→SP15→SP14→SP12の順序を1周期としてこのパターン順位を繰り返す。この結果、各半導体スイッチング素子が全て1回ずつオン・オフのスイッチング動作を行うことになる。
超電導コイル充電制御モードは、電力変換装置から大電力を出力した直後など、超電導コイル5の電流が定格値よりも大きく減少している場合に実行し、SP15のパターン期間で直流回路電圧を超電導コイル5に印加して超電導コイル電流を増大する。
FIG. 7 shows the order of switching patterns in the superconducting coil charge control mode. In order to smoothly switch to other control modes, SP3 and SP12 having a switching pattern common to the other control modes are provided. That is, it is possible to shift to the position of SP3 or SP12 of another control mode in the operation state of the recirculation mode by SP3 or SP12 which is the switching pattern of zero voltage output. Also, considering the continuity of the switching pattern so that two or more semiconductor switching elements do not switch at the same time, the order of SP12 → SP14 → SP15 → SP7 → SP3 → SP7 → SP15 → SP14 → SP12 is set as one cycle. repeat. As a result, each semiconductor switching element performs an on / off switching operation once.
The superconducting coil charging control mode is executed when the current of the superconducting coil 5 is greatly reduced from the rated value, such as immediately after outputting a large amount of power from the power converter, and the DC circuit voltage is applied to the superconducting coil during the pattern period of SP15. 5 to increase the superconducting coil current.

以上のように、スイッチングパターンの順位が1つ進むときに1つの半導体スイッチング素子のみがオンまたはオフの動作を行うので、制御が簡便で、かつ、図7に示す1周期で4つの半導体スイッチング素子が全て1回のオンオフ動作を行うので、従来のように、一部の素子にオンオフ動作が集中せず均等化する利点がある。   As described above, since only one semiconductor switching element performs an on or off operation when the switching pattern rank advances by one, the control is simple, and four semiconductor switching elements are provided in one cycle shown in FIG. However, since all ON / OFF operations are performed once, there is an advantage that the ON / OFF operations are not concentrated on some elements and are equalized as in the prior art.

ここで、図7に示すスイッチングパターンの順序を設定した根拠について更に詳しく説明する。
図7で示す超電導コイル充電制御モードにおいては、超電導コイル5の充電を行うために、チョッパ回路3の出力電圧は、正(0〜2E)である必要がある。従って、このモードでは出力電圧がEまたは2EであるSP7、14、15を選択し、それぞれのパターンの出力時間(パルス幅)を調整して出力電圧指令値に応じた出力電圧制御をすることになる。但し、このSP7、14、15の3パターンだけでパルス幅制御を行うと、どのような順序、どのようなパルス幅で制御しても、得られる平均出力電圧は、E〜2Eの範囲となるので、0〜Eの出力電圧指令値にも対応するためには零電圧出力のパターンも必要となる。
Here, the reason for setting the order of the switching patterns shown in FIG. 7 will be described in more detail.
In the superconducting coil charging control mode shown in FIG. 7, in order to charge the superconducting coil 5, the output voltage of the chopper circuit 3 needs to be positive (0 to 2E). Therefore, in this mode, SP7, 14 and 15 whose output voltage is E or 2E is selected, and the output voltage is controlled according to the output voltage command value by adjusting the output time (pulse width) of each pattern. Become. However, if the pulse width control is performed only with these three patterns SP7, 14, and 15, the average output voltage obtained is in the range of E to 2E regardless of the order and the pulse width. Therefore, a zero voltage output pattern is also required to cope with output voltage command values of 0 to E.

次に、パルス出力順序としては出力電圧で見て0→E→2E→E→0の繰返しが一般的と考えられる。その理由は、零電圧出力のパターンは4つの素子のうちいずれか2つがオン、2E出力は4つ全てがオンの状態であるので、同時に2つ以上スイッチングを行わないという条件を適用した場合、0→2Eまたは2E→0の順序は必ず2つの素子がオン、またはオフしなければならず、その条件に適合しないからである。
一方、E出力のパターンは、3つの素子がオンの状態であり、0←→E、E←→2Eのそれぞれの順序において適切なパターンを組み合わせることにより、いずれか1つの素子のみオンまたはオフすることで電圧出力を増減でき、上記条件を満たすことができる。
Next, as a pulse output order, it is considered that 0 → E → 2E → E → 0 is repeated in terms of output voltage. The reason for this is that when any two of the four elements in the zero voltage output pattern are on, and all four of the 4E outputs are on, the condition that two or more switching is not performed simultaneously is applied. This is because the order of 0 → 2E or 2E → 0 always requires two elements to be turned on or off and does not meet the conditions.
On the other hand, in the pattern of E output, three elements are in an on state, and only one element is turned on or off by combining appropriate patterns in the order of 0 ← → E and E ← → 2E. Therefore, the voltage output can be increased or decreased, and the above conditions can be satisfied.

ここで、採用可能な零電圧出力パターンは、SP3、6、12の3通りあり(すでにSP11、13は除外済み)、SP6を3つの正電圧出力パターンSP7、14、15と組み合わせた場合を考えると、全ての素子が均等にスイッチングする順序は得られない。SP6の代わりにSP3またはSP12を零電圧出力パターンとしてこれを3つの正電圧出力パターンと組み合わせても同様である。
その他の零電圧出力の選び方として、3つのパターンから2つ選んで組み合わせる、また、3つとも組み合わせるというケースが考えられるが、その中でSP3、12の2つを選んで組み合わせた場合のみ、全ての素子が均等にスイッチングする順序が得られ、それが図7で示す内容となる。
Here, there are three possible zero voltage output patterns SP3, 6, and 12 (SP11 and 13 have already been excluded), and a case where SP6 is combined with three positive voltage output patterns SP7, 14, and 15 is considered. And the order in which all the elements are switched equally cannot be obtained. The same applies when SP3 or SP12 is used as a zero voltage output pattern instead of SP6 and combined with three positive voltage output patterns.
Another way to select zero voltage output is to select and combine two patterns from three patterns, or to combine all three patterns, but only when two of SP3 and SP12 are selected and combined. The order in which the elements in FIG. 7 are switched evenly is obtained, which is the content shown in FIG.

次に、図8は、超電導コイル放電制御モードのスイッチングパターン配列を示したものである。他の制御モードとの切換えを行う零電圧出力パターンであるSP3、12を備え、連続的にスイッチングパターンを配置して、SP12→SP4→SP0→SP2→SP3→SP2→SP0→SP4→SP12の順序を1周期として繰り返す。この結果、超電導コイル充電制御モードと同様に、各半導体スイッチング素子が全て1回ずつオン・オフのスイッチングを行う。
図8に示すスイッチングパターン順序の設定根拠は、先の図7の場合と同様でありその説明は割愛する。
超電導コイル放電制御モードは、電力変換装置から電力を出力する場合に実行し、SP0のパターン期間で直流回路へ超電導コイル5の持つ電力を供給する。
Next, FIG. 8 shows a switching pattern arrangement in the superconducting coil discharge control mode. SP3 and SP3 which are zero voltage output patterns for switching to other control modes are provided, and switching patterns are continuously arranged in the order of SP12 → SP4 → SP0 → SP2 → SP3 → SP2 → SP0 → SP4 → SP12. Is repeated as one cycle. As a result, as in the superconducting coil charging control mode, each semiconductor switching element performs on / off switching once.
The basis for setting the switching pattern order shown in FIG. 8 is the same as in the case of FIG. 7, and the description thereof is omitted.
The superconducting coil discharge control mode is executed when power is output from the power converter, and supplies the power of the superconducting coil 5 to the DC circuit in the SP0 pattern period.

図9は、超電導コイル電流補償制御モードのスイッチングパターン配列を示したものである。環流状態での超電導コイル電流の減少分はわずかであり、減少分を補償充電する場合の電圧指令値は0に近い値となるため、直流回路電圧の半分の電圧Eを超電導コイル5に印加するモードを設ける。これにより、直流回路全電圧2Eを印加する場合と比較して、電流が上昇する傾きも半分となり、電流リプルの小さい充電ができる。従って、電圧Eを出力するSP7、14を使用し、他の制御モードとの切換えを円滑に行うための零電圧出力パターンであるSP3、12を備える。
更に、他の制御モードと同様に、各半導体スイッチング素子が全て1回ずつオン・オフのスイッチングを行うという条件を満足させるため、零電圧出力パターンであるSP6を加え、これらにより連続的にスイッチングパターンを配置して、SP12→SP14→SP6→SP7→SP3→SP7→SP6→SP14→SP12の順序を1周期として繰り返す。
FIG. 9 shows a switching pattern arrangement in the superconducting coil current compensation control mode. The amount of decrease in the superconducting coil current in the recirculation state is slight, and the voltage command value in the case of compensating charging for the decrease is close to 0. Therefore, a voltage E that is half the DC circuit voltage is applied to the superconducting coil 5. Set the mode. Thereby, compared with the case where the DC circuit full voltage 2E is applied, the gradient in which the current rises is halved, and charging with a small current ripple can be performed. Therefore, SP7 and SP14 which output voltage E are used, and SP3 and SP12 which are zero voltage output patterns for smoothly switching to other control modes are provided.
Furthermore, as in the other control modes, in order to satisfy the condition that each semiconductor switching element performs on / off switching once at all, SP6 which is a zero voltage output pattern is added, thereby continuously switching patterns. And repeat the order of SP12 → SP14 → SP6 → SP7 → SP3 → SP7 → SP6 → SP14 → SP12 as one cycle.

次に、図1を用いてPWM制御器14の動作について説明する。チョッパ電力制御器13は、超電導コイル電流Idとインバータ電力制御器12が出力する電力指令値Prefを基に、チョッパ回路6が出力すべき電圧の指令値Vdrefを演算し、PWM制御器14へ出力する。PWM制御器14の制御モード選択部15は、電圧指令値Vdrefを基に、チョッパ回路6の制御モードを選択する。即ち、負の電圧指令値に基づき超電導コイル放電制御モード、コイル放電制御後の正の電圧指令値に基づき超電導コイル充電制御モード、超電導コイル電流Idがほぼ定格値の時の微小な正の電圧指令値に基づき超電導コイル電流補償制御モードと、3つの制御モードのうちいずれか1つを選択する。スイッチングパターン選択部16は、制御モード選択部15が出力する制御モード信号に基づき、図7〜9で示した各制御モードに応じたそれぞれ5種類のスイッチングパターンを選択して出力する。   Next, the operation of the PWM controller 14 will be described with reference to FIG. The chopper power controller 13 calculates the command value Vdref of the voltage to be output by the chopper circuit 6 based on the superconducting coil current Id and the power command value Pref output from the inverter power controller 12, and outputs it to the PWM controller 14. To do. The control mode selection unit 15 of the PWM controller 14 selects the control mode of the chopper circuit 6 based on the voltage command value Vdref. That is, the superconducting coil discharge control mode based on the negative voltage command value, the superconducting coil charge control mode based on the positive voltage command value after the coil discharge control, and the minute positive voltage command when the superconducting coil current Id is almost the rated value. Based on the value, one of the superconducting coil current compensation control mode and the three control modes is selected. The switching pattern selection unit 16 selects and outputs five types of switching patterns corresponding to the control modes shown in FIGS. 7 to 9 based on the control mode signal output from the control mode selection unit 15.

制御モード選択部15によって超電導コイル充電制御モードが選択された場合、スイッチングパターン選択部16は、図7に示したSP3、7、12、14、15の5種類のスイッチングパターンをパルス作成部17へ出力する。パルス作成部17は、直前の制御モードで出力していたスイッチングパターンが、零電圧出力パターンであるSP3またはSP12の時に、新たな制御モードによるスイッチングパターンへ移行し、図7で示したスイッチングパターンの順序で出力パルスを作成する。
例えば、SP3を出力中に移行した場合、図7に示したSP3から始まるスイッチングパターンの順序、即ち、SP3→SP7→SP15→SP14→SP12→SP14→SP15→SP7→SP3の順序で出力パルスを作成する。また、SP12を出力中に移行した場合は、SP12から始まるSP12→SP14→SP15→SP7→SP3→SP7→SP15→SP14→SP12の順序で出力パルスを作成する。
When the superconducting coil charging control mode is selected by the control mode selection unit 15, the switching pattern selection unit 16 transmits the five types of switching patterns SP 3, 7, 12, 14, and 15 shown in FIG. 7 to the pulse generation unit 17. Output. When the switching pattern output in the previous control mode is SP3 or SP12 which is the zero voltage output pattern, the pulse generator 17 shifts to the switching pattern based on the new control mode, and the switching pattern shown in FIG. Create output pulses in order.
For example, when SP3 is being output, output pulses are generated in the order of switching patterns starting from SP3 shown in FIG. 7, that is, SP3 → SP7 → SP15 → SP14 → SP12 → SP14 → SP15 → SP7 → SP3. To do. When the SP12 is being output, the output pulses are generated in the order of SP12 → SP14 → SP15 → SP7 → SP3 → SP7 → SP15 → SP14 → SP12 starting from SP12.

また、パルス作成部17は、チョッパ回路6の平均出力電圧が電圧指令値Vdref(=0〜2E)と等しくなるように、各スイッチングパターンの出力継続時間(出力パルスの幅)を決定する。即ち、SP3の出力継続時間をt3、SP7の出力継続時間をt7、SP12の出力継続時間をt12、SP14の出力継続時間をt14、SP15の出力継続時間をt15、スイッチングパターンが一巡する時間をT1とすると、
T1=t3+t7×2+t12+t14×2+t15×2
となり、チョッパ回路6の平均出力電圧は、
(E×t7×2+E×t14×2+2E×t15×2)/T1=Vdref
となる。
In addition, the pulse generator 17 determines the output duration (output pulse width) of each switching pattern so that the average output voltage of the chopper circuit 6 is equal to the voltage command value Vdref (= 0 to 2E). That is, the output duration time of SP3 is t3, the output duration time of SP7 is t7, the output duration time of SP12 is t12, the output duration time of SP14 is t14, the output duration time of SP15 is t15, and the time that the switching pattern makes a round is T1. Then,
T1 = t3 + t7 × 2 + t12 + t14 × 2 + t15 × 2
The average output voltage of the chopper circuit 6 is
(E * t7 * 2 + E * t14 * 2 + 2E * t15 * 2) / T1 = Vdref
It becomes.

従って、パルス作成部17は、スイッチングパターンの出力順序と決定した各スイッチングパターンの出力継続時間の情報をチョッパ回路6への駆動信号として順次出力する。その結果、チョッパ回路6には、5種類のスイッチングパターンのうちいずれか1つが入力される。そして、その順序は半導体スイッチング素子が同時に2つ以上スイッチングすることなく、かつ、全ての半導体スイッチング素子が同じ回数のオン・オフのスイッチングを行うこととなり、SP7、14、15のパターン期間で直流回路電圧Eまたは2Eが超電導コイル5に印加され超電導コイル電流が増大する。   Therefore, the pulse generation unit 17 sequentially outputs information on the output order of the switching patterns and the output duration of each switching pattern as a drive signal to the chopper circuit 6. As a result, any one of the five types of switching patterns is input to the chopper circuit 6. In this order, two or more semiconductor switching elements do not switch at the same time, and all the semiconductor switching elements perform the same number of on / off switching operations, and the DC circuit is used in the pattern periods of SP7, 14, and 15. The voltage E or 2E is applied to the superconducting coil 5 to increase the superconducting coil current.

制御モード選択部15によって超電導コイル放電制御モードが選択された場合も、超電導コイル充電制御モードが選択された場合と同様であり、スイッチングパターン選択部16は、図8に示したSP0、2、3、4、12の5種類のスイッチングパターンをパルス作成部17へ出力する。パルス作成部17は、直前の制御モードで出力していたスイッチングパターンが、零電圧出力パターンであるSP3またはSP12の時に、新たな制御モードによるスイッチングパターンへ移行し、SP3を出力中に移行した場合は、図8に示したSP3から始まるSP3→SP2→SP0→SP4→SP12→SP4→SP0→SP2→SP3の順序で、SP12を出力中に移行した場合は、SP12から始まるSP12→SP4→SP0→SP2→SP3→SP2→SP0→SP4→SP12の順序で出力パルスを作成する。   The case where the superconducting coil discharge control mode is selected by the control mode selection unit 15 is the same as the case where the superconducting coil charge control mode is selected, and the switching pattern selection unit 16 includes the SP0, 2, 3 shown in FIG. 4 and 12 are output to the pulse generator 17. When the switching pattern output in the previous control mode is SP3 or SP12, which is the zero voltage output pattern, the pulse generator 17 shifts to a switching pattern based on a new control mode, and SP3 is being output. Is SP3 → SP2 → SP0 → SP4 → SP12 → SP4 → SP0 → SP2 → SP3 in the order shown in FIG. 8 when SP12 is being output, SP12 → SP4 → SP0 → starting from SP12 Output pulses are generated in the order of SP2-> SP3-> SP2-> SP0-> SP4-> SP12.

また、パルス作成部17は、電圧指令値Vdref(=−2E〜0)に対して、SP0の出力継続時間をt0、SP2の出力継続時間をt2、SP3の出力継続時間をt3、SP4の出力継続時間をt4、SP12の出力継続時間をt12、スイッチングパターンが一巡する時間をT2とすると、チョッパ回路6の平均出力電圧が、
(−2E×t0×2−E×t2×2−E×t4×2)/T2=Vdref
但し、T2=t0×2+t2×2+t3+t4×2+t12
となるように、各スイッチングパターンの出力継続時間(出力パルスの幅)を決定する。
パルス作成部17が、スイッチングパターンの出力順序と決定した各スイッチングパターンの出力継続時間の情報を駆動信号として順次出力することにより、チョッパ回路6には5種類のスイッチングパターンのうちいずれか1つが入力される。そして、その順序は、半導体スイッチング素子が同時に2つ以上スイッチングすることなく、かつ、全ての半導体スイッチング素子が同じ回数のオン・オフのスイッチングを行うこととなり、SP0、2、4のパターン期間で直流回路電圧−Eまたは−2Eが超電導コイル5に印加され超電導コイル電流が減少する。
In addition, the pulse generator 17 outputs the SP0 output duration t0, the SP2 output duration t2, the SP3 output duration t3, and the SP4 output for the voltage command value Vdref (= -2E to 0). Assuming that the duration is t4, the output duration of SP12 is t12, and the time that the switching pattern makes a round is T2, the average output voltage of the chopper circuit 6 is
(-2E * t0 * 2-E * t2 * 2-E * t4 * 2) / T2 = Vdref
However, T2 = t0 × 2 + t2 × 2 + t3 + t4 × 2 + t12
The output duration (output pulse width) of each switching pattern is determined so that
The pulse creation unit 17 sequentially outputs the output order of the switching patterns and the determined output duration time of each switching pattern as a drive signal, so that any one of the five types of switching patterns is input to the chopper circuit 6. Is done. The order is that two or more semiconductor switching elements do not switch at the same time, and all the semiconductor switching elements perform the same number of on / off switchings. The circuit voltage -E or -2E is applied to the superconducting coil 5 to reduce the superconducting coil current.

制御モード選択部15によって超電導コイル電流補償制御モードが選択された場合も、超電導コイル充電制御モード、超電導コイル放電制御モードが選択された場合と同様であり、スイッチングパターン選択部16は、図9に示したSP3、6、7、12、14の5種類のスイッチングパターンをパルス作成部17へ出力する。パルス作成部17は、直前の制御モードで出力していたスイッチングパターンが、零電圧出力パターンであるSP3またはSP12の時に、新たな制御モードによるスイッチングパターンへ移行し、SP3を出力中に移行した場合は、図9に示したSP3から始まるSP3→SP7→SP6→SP14→SP12→SP14→SP6→SP7→SP3の順序で、SP12を出力中に移行した場合は、SP12から始まるSP12→SP14→SP6→SP7→SP3→SP7→SP6→SP14→SP12の順序で出力パルスを作成する。   The case where the superconducting coil current compensation control mode is selected by the control mode selection unit 15 is the same as the case where the superconducting coil charging control mode and the superconducting coil discharge control mode are selected, and the switching pattern selection unit 16 is shown in FIG. The five types of switching patterns SP3, 6, 7, 12, and 14 shown are output to the pulse generator 17. When the switching pattern output in the previous control mode is SP3 or SP12, which is the zero voltage output pattern, the pulse generator 17 shifts to a switching pattern based on a new control mode, and SP3 is being output. When SP12 is shifted during output in the order of SP3 → SP7 → SP6 → SP14 → SP12 → SP14 → SP6 → SP7 → SP3 shown in FIG. 9, SP12 → SP14 → SP6 → Output pulses are generated in the order of SP7-> SP3-> SP7-> SP6-> SP14-> SP12.

また、パルス作成部17は、微小な正の電圧指令値Vdrefに対して、SP3の出力継続時間をt3、SP6の出力継続時間をt6、SP7の出力継続時間をt7、SP12の出力継続時間をt12、SP14の出力継続時間をt14、スイッチングパターンが一巡する時間をT3とすると、チョッパ回路6の平均出力電圧が、
(E×t7×2+E×t14×2)/T3=Vdref
但し、T3=t3+t6×2+t7×2+t12+t14×2
となるように、各スイッチングパターンの出力継続時間(出力パルスの幅)を決定する。
パルス作成部17が、スイッチングパターンの出力順序と決定した各スイッチングパターンの出力継続時間の情報を駆動信号として順次出力することにより、チョッパ回路6には5種類のスイッチングパターンのうちいずれか1つが入力される。そして、その順序は、半導体スイッチング素子が同時に2つ以上スイッチングすることなく、かつ、全ての半導体スイッチング素子が同じ回数のオン・オフのスイッチングを行うこととなり、SP7、14のパターン期間で直流回路電圧Eが超電導コイル5に印加され超電導コイル電流が増大して回路の損失による電流減少が補償される。
Further, the pulse generator 17 sets the output duration of SP3 to t3, the output duration of SP6 to t6, the output duration of SP7 to t7, and the output duration of SP12 to the minute positive voltage command value Vdref. Assuming that the output duration time of t12, SP14 is t14, and the time for which the switching pattern makes a round is T3, the average output voltage of the chopper circuit 6 is
(E * t7 * 2 + E * t14 * 2) / T3 = Vdref
However, T3 = t3 + t6 × 2 + t7 × 2 + t12 + t14 × 2
The output duration (output pulse width) of each switching pattern is determined so that
The pulse creation unit 17 sequentially outputs the output order of the switching patterns and the determined output duration time of each switching pattern as a drive signal, so that any one of the five types of switching patterns is input to the chopper circuit 6. Is done. The order is that two or more semiconductor switching elements do not switch at the same time, and all the semiconductor switching elements perform the same number of on / off switchings, and the DC circuit voltage is changed in the pattern period of SP7 and SP14. E is applied to the superconducting coil 5 to increase the superconducting coil current to compensate for the current decrease due to circuit loss.

以上のように、この発明の実施の形態1においては、チョッパ回路6の3種類全ての制御モードにおいて、半導体スイッチング素子が同時に2つ以上スイッチングすることなく各制御モード内での制御が簡便円滑となる。また、各半導体スイッチング素子のスイッチング回数を平均化でき、スイッチングに伴う発熱を各半導体スイッチング素子に分散することが可能となる。また、全ての制御モードに共通の零電圧出力パターンSP3、12を備えたので、各制御モードの切換え移行を円滑に行うことができる。   As described above, in the first embodiment of the present invention, in all three types of control modes of the chopper circuit 6, the control within each control mode is simple and smooth without switching two or more semiconductor switching elements simultaneously. Become. In addition, the switching frequency of each semiconductor switching element can be averaged, and heat generated by switching can be distributed to each semiconductor switching element. Further, since the zero voltage output patterns SP3 and SP12 common to all the control modes are provided, the switching of each control mode can be smoothly performed.

なお、この発明の実施の形態1では、3つの制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を、それぞれ図7〜9で示すものとしたが、制御モード毎に予め各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、電圧指令値に応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するという本願発明の適用においては、必ずしも、例示した図に示す順序に限られるものではない。
その場合も、従来のように、オンオフ動作をするスイッチング素子が電圧指令値に応じて定まる2素子に限定されることなく、その選択に自由度を持たせることが出来、より広範囲な用途への適用が可能となるという本願発明の課題を解決することが出来る。
In the first embodiment of the present invention, the order of the switching patterns in the three control modes is shown in FIGS. 7 to 9, respectively. However, the switching that specifies the on / off control order of each switching element in advance for each control mode. The application of the present invention in which a pattern is set and the switching pattern set in the corresponding control mode is selected according to the voltage command value is not necessarily limited to the order shown in the illustrated figure.
Even in such a case, the switching element that performs the on / off operation is not limited to two elements that are determined according to the voltage command value as in the conventional case, and the selection can be given a degree of freedom. The problem of the present invention that it can be applied can be solved.

また、この発明の各変形例において、3レベルチョッパは、アノードが直流電源の正側端子に接続される第1のスイッチング素子、この第1のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが超電導コイルの正極端子に接続される第2のスイッチング素子、アノードが超電導コイルの負極端子に接続される第3のスイッチング素子、この第3のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが直流電源の負側端子に接続される第4にスイッチング素子、アノードが直流電源の負側端子に接続されカソードが超電導コイルの正極端子に接続される第1のダイオード、アノードが超電導コイルの負極端子に接続されカソードが直流電源の正側端子に接続される第2のダイオード、アノードが直流電源の中性点端子に接続されカソードが第1と第2のスイッチング素子の接続点に接続される第1のクランプダイオード、およびアノードが第3と第4のスイッチング素子の接続点に接続されカソードが直流電源の中性点端子に接続される第2のクランプダイオードを備えたので、制御モード毎に任意のスイッチングパターンを設定して、個々に要求される特性を満足させることができる3レベルチョッパを確実に実現させることが可能となる。   Further, in each modification of the present invention, the three-level chopper includes a first switching element whose anode is connected to the positive terminal of the DC power supply, and is connected in series with the cathode side of the first switching element, and the cathode is superconducting. A second switching element connected to the positive terminal of the coil; a third switching element whose anode is connected to the negative terminal of the superconducting coil; and a cathode connected to the cathode side of the third switching element in series. Fourthly, the switching element connected to the negative terminal, the anode connected to the negative terminal of the DC power supply, the cathode connected to the positive terminal of the superconducting coil, and the anode connected to the negative terminal of the superconducting coil The second diode whose cathode is connected to the positive terminal of the DC power supply, and the anode is connected to the neutral point terminal of the DC power supply A first clamp diode connected to the connection point of the first and second switching elements, and an anode connected to the connection point of the third and fourth switching elements, and the cathode to the neutral point terminal of the DC power supply Since the second clamp diode to be connected is provided, it is possible to reliably realize a three-level chopper that can satisfy an individually required characteristic by setting an arbitrary switching pattern for each control mode. Become.

また、直流電源の正側端子、負側端子および中性点端子の電圧をそれぞれ、+E、−Eおよび0とし、3レベルチョッパの直流出力電圧平均値をEDとしたとき、
複数種別の制御モードは、+2E>ED>0の電圧範囲で制御する超電導コイル充電制御モード、0>ED>−2Eの電圧範囲で制御する超電導コイル放電制御モード、および+E>ED>0の電圧範囲で制御する超電導コイル電流補償制御モードからなるので、超電導コイルに必要な操作が確実になされる。
Also, when the voltages of the positive side terminal, the negative side terminal and the neutral point terminal of the DC power source are + E, -E and 0, respectively, and the DC output voltage average value of the three-level chopper is ED,
The plurality of types of control modes are a superconducting coil charge control mode that controls in a voltage range of + 2E>ED> 0, a superconducting coil discharge control mode that controls in a voltage range of 0>ED> −2E, and a voltage of + E>ED> 0 Since the superconducting coil current compensation control mode is controlled in a range, the operation necessary for the superconducting coil is surely performed.

また、超電導コイル充電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子(第1〜第4のスイッチング素子をSW−1〜SW−4と表示する)のオン/オフ(ON/OFF)制御を下記の順位で繰り返すものとしたので、超電導コイルの充電動作が円滑確実になされる。
順位 SW−1 SW−2 SW−3 SW−4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 ON ON ON ON
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 ON ON ON ON
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF
The switching pattern set in the superconducting coil charging control mode includes the following ON / OFF control of each switching element (the first to fourth switching elements are indicated as SW-1 to SW-4). Therefore, the superconducting coil can be charged smoothly and reliably.
Rank SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 ON ON ON ON
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 ON ON ON ON
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF

また、超電導コイル放電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子(第1〜第4のスイッチング素子をSW−1〜SW−4と表示する)のオン/オフ(ON/OFF)制御を下記の順位で繰り返すものとしたので、超電導コイルの放電動作が円滑確実になされる。
順位 SW−1 SW−2 SW−3 SW−4
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF OFF OFF
4 OFF OFF ON OFF
5 OFF OFF ON ON
6 OFF OFF ON OFF
7 OFF OFF OFF OFF
8 OFF ON OFF OFF
1 ON ON OFF OFF
In addition, the switching pattern set in the superconducting coil discharge control mode includes the following ON / OFF control of each switching element (the first to fourth switching elements are indicated as SW-1 to SW-4). Therefore, the discharging operation of the superconducting coil is smoothly and reliably performed.
Rank SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF OFF OFF
4 OFF OFF ON OFF
5 OFF OFF ON ON
6 OFF OFF ON OFF
7 OFF OFF OFF OFF
8 OFF ON OFF OFF
1 ON ON OFF OFF

また、超電導コイル電流補償制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子(第1〜第4のスイッチング素子をSW−1〜SW−4と表示する)のオン/オフ(ON/OFF)制御を下記の順位で繰り返すものとしたので、超電導コイルの電流補償動作が円滑確実になされる。
順位 SW−1 SW−2 SW−3 SW−4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 OFF ON ON OFF
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 OFF ON ON OFF
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF
In addition, the switching pattern set in the superconducting coil current compensation control mode is ON / OFF control of each switching element (the first to fourth switching elements are indicated as SW-1 to SW-4). Since the repetition is performed in the following order, the current compensation operation of the superconducting coil is smoothly and reliably performed.
Rank SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 OFF ON ON OFF
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 OFF ON ON OFF
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF

また、電圧指令値の変化に応じて制御モードをそれまでの制御モードから他の制御モードに移行する場合、移行前の制御モードにおける出力電圧が零となるスイッチングパターン順位から各スイッチング素子のオンオフ状態が移行前スイッチングパターン順位のオンオフ状態と同一となる移行先制御モードにおけるスイッチングパターン順位に移行するようにしたので、各制御モードの切換え移行が円滑になされる。   In addition, when shifting the control mode from the previous control mode to another control mode according to the change in the voltage command value, each switching element is turned on / off from the switching pattern order in which the output voltage in the control mode before the transition becomes zero. Since the transition to the switching pattern order in the transition destination control mode that is the same as the on / off state of the switching pattern order before transition is made, the switching transition of each control mode is performed smoothly.

この発明の実施の形態1における超電導コイル用電力変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power converter device for superconducting coils in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1におけるチョッパ回路6の内部構成図である。It is an internal block diagram of the chopper circuit 6 in Embodiment 1 of this invention. チョッパ回路6の半導体スイッチング素子が取り得る全てのオン・オフ状態の組み合わせを示すスイッチングパターン表である。6 is a switching pattern table showing all combinations of on / off states that can be taken by the semiconductor switching element of the chopper circuit 6. チョッパ回路6の各スイッチングパターンSP0、SP2、SP3、SP4における電流経路を示す図である。3 is a diagram showing current paths in switching patterns SP0, SP2, SP3, SP4 of the chopper circuit 6. FIG. 同じく、チョッパ回路6の各スイッチングパターンSP6、SP7、SP12、SP14における電流経路を示す図である。Similarly, it is a diagram showing a current path in each switching pattern SP6, SP7, SP12, SP14 of the chopper circuit 6. FIG. 同じく、チョッパ回路6のスイッチングパターンSP15における電流経路を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the electric current path in switching pattern SP15 of the chopper circuit 6. FIG. この発明の実施の形態1における超電導コイル充電制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示す図である。It is a figure which shows the order of the switching pattern in the superconducting coil charge control mode in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における超電導コイル放電制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示す図である。It is a figure which shows the order of the switching pattern in the superconducting coil discharge control mode in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における超電導コイル電流補償制御モードにおけるスイッチングパターンの順序を示す図である。It is a figure which shows the order of the switching pattern in the superconducting coil current compensation control mode in Embodiment 1 of this invention. 従来の3レベルチョッパ回路と超電導コイルを示す図である。It is a figure which shows the conventional 3 level chopper circuit and a superconducting coil. 従来の3レベルチョッパ回路のPWM制御法を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the PWM control method of the conventional 3 level chopper circuit. 従来の3レベルチョッパ回路のPWM制御を行った場合の、各半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the ON / OFF state of each semiconductor switching element at the time of performing PWM control of the conventional 3 level chopper circuit.

符号の説明Explanation of symbols

3 電圧形インバータ回路、4a,4b 直流コンデンサ、5 超電導コイル、
6 チョッパ回路、7a,7b,8a,8b 半導体スイッチング素子、
9a,9b,10a,10b ダイオード、11a,11b クランプダイオード、
12 インバータ電力制御器、13 チョッパ電力制御器、14 PWM制御器、
15 制御モード選択部、16 スイッチングパターン選択部、17 パルス作成部、
Vdref 電圧指令値。
3 Voltage source inverter circuit, 4a, 4b DC capacitor, 5 superconducting coil,
6 chopper circuit, 7a, 7b, 8a, 8b semiconductor switching element,
9a, 9b, 10a, 10b diode, 11a, 11b clamp diode,
12 inverter power controller, 13 chopper power controller, 14 PWM controller,
15 control mode selector, 16 switching pattern selector, 17 pulse generator,
Vdref Voltage command value.

Claims (7)

正側端子、負側端子および中性点端子を備えた3レベルの直流電源と正負両極端子を備えた超電導コイルとの間に接続され、複数のスイッチング素子を備え、前記各スイッチング素子をオンオフすることにより前記直流電源と前記超電導コイルとの間で直流電力の授受を行う3レベルチョッパ、および前記超電導コイルの両極端子への直流出力電圧が電圧指令値に追随するよう前記各スイッチング素子をオンオフ制御するチョッパ制御手段を備えた超電導コイル用電力変換装置において、
前記チョッパ制御手段は、前記超電導コイルの充放電に係る複数種別の制御モード毎に予め前記各スイッチング素子のオンオフ制御順位を特定するスイッチングパターンを設定しておき、前記電圧指令値に応じて該当する制御モードに設定されたスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択部、および前記直流出力電圧が前記電圧指令値に一致するよう前記選択されたスイッチングパターンによる前記3レベルチョッパの出力電圧パルス幅を演算し前記各スイッチング素子をオンオフ駆動する信号を作成するパルス作成部を備えたことを特徴とする超電導コイル用電力変換装置。
Connected between a three-level DC power source having a positive terminal, a negative terminal, and a neutral point terminal and a superconducting coil having a positive and negative bipolar terminal, a plurality of switching elements are provided, and each of the switching elements is turned on / off As a result, a three-level chopper that transmits and receives DC power between the DC power supply and the superconducting coil, and on / off control of the switching elements so that the DC output voltage to the bipolar terminals of the superconducting coil follows the voltage command value. In the superconducting coil power converter equipped with the chopper control means to
The chopper control means sets a switching pattern for specifying an on / off control order of each switching element in advance for each of a plurality of types of control modes related to charging / discharging of the superconducting coil, and corresponds to the voltage command value. A switching pattern selection unit that selects a switching pattern set in a control mode, and calculates an output voltage pulse width of the three-level chopper by the selected switching pattern so that the DC output voltage matches the voltage command value; A superconducting coil power converter comprising a pulse generating unit that generates a signal for driving on and off each switching element.
前記3レベルチョッパは、アノードが前記直流電源の正側端子に接続される第1のスイッチング素子、この第1のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが前記超電導コイルの正極端子に接続される第2のスイッチング素子、アノードが前記超電導コイルの負極端子に接続される第3のスイッチング素子、この第3のスイッチング素子のカソード側と直列に接続されカソードが前記直流電源の負側端子に接続される第4にスイッチング素子、アノードが前記直流電源の負側端子に接続されカソードが前記超電導コイルの正極端子に接続される第1のダイオード、アノードが前記超電導コイルの負極端子に接続されカソードが前記直流電源の正側端子に接続される第2のダイオード、アノードが前記直流電源の中性点端子に接続されカソードが前記第1と第2のスイッチング素子の接続点に接続される第1のクランプダイオード、およびアノードが前記第3と第4のスイッチング素子の接続点に接続されカソードが前記直流電源の中性点端子に接続される第2のクランプダイオードを備えたことを特徴とする請求項1記載の超電導コイル用電力変換装置。 The three-level chopper has a first switching element whose anode is connected to the positive terminal of the DC power supply, and is connected in series with the cathode side of the first switching element, and the cathode is connected to the positive terminal of the superconducting coil. A second switching element, a third switching element whose anode is connected to the negative terminal of the superconducting coil, a cathode connected to the cathode side of the third switching element, and a cathode connected to the negative terminal of the DC power supply Fourth, a switching element, a first diode whose anode is connected to the negative terminal of the DC power supply and a cathode connected to the positive terminal of the superconducting coil, an anode connected to the negative terminal of the superconducting coil, and the cathode A second diode and an anode connected to the positive terminal of the DC power supply are connected to a neutral point terminal of the DC power supply. A first clamp diode whose cathode is connected to a connection point of the first and second switching elements, and an anode which is connected to a connection point of the third and fourth switching elements, and a cathode in the DC power source. The superconducting coil power converter according to claim 1, further comprising a second clamp diode connected to the sex point terminal. 前記直流電源の前記正側端子、負側端子および中性点端子の電圧をそれぞれ、+E、−Eおよび0とし、前記3レベルチョッパの直流出力電圧平均値をEDとしたとき、
前記複数種別の制御モードは、+2E>ED>0の電圧範囲で制御する超電導コイル充電制御モード、0>ED>−2Eの電圧範囲で制御する超電導コイル放電制御モード、および+E>ED>0の電圧範囲で制御する超電導コイル電流補償制御モードからなることを特徴とする請求項2記載の超電導コイル用電力変換装置。
When the voltages of the positive terminal, negative terminal and neutral point terminal of the DC power supply are + E, −E and 0, respectively, and the DC output voltage average value of the three-level chopper is ED,
The plurality of types of control modes include a superconducting coil charge control mode that controls in a voltage range of + 2E>ED> 0, a superconducting coil discharge control mode that controls in a voltage range of 0>ED> −2E, and + E>ED> 0. The superconducting coil power converter according to claim 2, comprising a superconducting coil current compensation control mode controlled in a voltage range.
前記超電導コイル充電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子(第1〜第4のスイッチング素子をSW−1〜SW−4と表示する)のオン/オフ(ON/OFF)制御を下記の順位で繰り返すものとしたことを特徴とする請求項3記載の超電導コイル用電力変換装置。
順位 SW−1 SW−2 SW−3 SW−4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 ON ON ON ON
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 ON ON ON ON
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF
The switching pattern set in the superconducting coil charging control mode includes the following ON / OFF control of each switching element (the first to fourth switching elements are indicated as SW-1 to SW-4). 4. The superconducting coil power converter according to claim 3, wherein the power converter is repeated in order.
Rank SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 ON ON ON ON
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 ON ON ON ON
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF
前記超電導コイル放電制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子(第1〜第4のスイッチング素子をSW−1〜SW−4と表示する)のオン/オフ(ON/OFF)制御を下記の順位で繰り返すものとしたことを特徴とする請求項3記載の超電導コイル用電力変換装置。
順位 SW−1 SW−2 SW−3 SW−4
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF OFF OFF
4 OFF OFF ON OFF
5 OFF OFF ON ON
6 OFF OFF ON OFF
7 OFF OFF OFF OFF
8 OFF ON OFF OFF
1 ON ON OFF OFF
The switching pattern set in the superconducting coil discharge control mode includes the following ON / OFF control of each switching element (the first to fourth switching elements are indicated as SW-1 to SW-4). 4. The superconducting coil power converter according to claim 3, wherein the power converter is repeated in order.
Rank SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF OFF OFF
4 OFF OFF ON OFF
5 OFF OFF ON ON
6 OFF OFF ON OFF
7 OFF OFF OFF OFF
8 OFF ON OFF OFF
1 ON ON OFF OFF
前記超電導コイル電流補償制御モードで設定するスイッチングパターンは、各スイッチング素子(第1〜第4のスイッチング素子をSW−1〜SW−4と表示する)のオン/オフ(ON/OFF)制御を下記の順位で繰り返すものとしたことを特徴とする請求項3記載の超電導コイル用電力変換装置。
順位 SW−1 SW−2 SW−3 SW−4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 OFF ON ON OFF
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 OFF ON ON OFF
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF
The switching pattern set in the superconducting coil current compensation control mode includes the following ON / OFF control of each switching element (the first to fourth switching elements are indicated as SW-1 to SW-4). 4. The superconducting coil power converter according to claim 3, wherein the power converter is repeated in the following order.
Rank SW-1 SW-2 SW-3 SW-4
1 ON ON OFF OFF
2 ON ON ON OFF
3 OFF ON ON OFF
4 OFF ON ON ON
5 OFF OFF ON ON
6 OFF ON ON ON
7 OFF ON ON OFF
8 ON ON ON OFF
1 ON ON OFF OFF
前記電圧指令値の変化に応じて前記制御モードをそれまでの制御モードから他の制御モードに移行する場合、前記移行前の制御モードにおける出力電圧が零となるスイッチングパターン順位から前記各スイッチング素子のオンオフ状態が前記移行前スイッチングパターン順位のオンオフ状態と同一となる移行先制御モードにおけるスイッチングパターン順位に移行するようにしたことを特徴とする請求項3ないし6のいずれかに記載の超電導コイル用電力変換装置。 When shifting the control mode from the previous control mode to another control mode in accordance with the change in the voltage command value, the switching elements of each switching element are determined from the switching pattern order in which the output voltage in the control mode before the transition becomes zero. The superconducting coil power according to any one of claims 3 to 6, wherein an on / off state shifts to a switching pattern order in a transition destination control mode in which the on-off state of the switching pattern order before transition is the same. Conversion device.
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