JP4910736B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流電源を入力とし、単相交流電力を出力する単位インバータを多重接続することにより三相交流電力を出力する電力変換装置に関する。

図５は、下記特許文献１に記載の回路構成を含む、この種の電力変換装置の従来例を示す回路構成図であり、１は交流電源としての商用電源、２は電力変換装置１０の負荷としての交流電動機である。

この電力変換装置１０には、その制御部としての加減速演算器１１，積分器１２，振幅演算器１３，電圧指令器１４，ＰＷＭ制御器１５，周波数補正器１６と、商用電源１を入力とし複数個（図３の構成例では９個）の二次巻線を有する変圧器２０と、前記二次巻線それぞれに接続され、任意の周波数の単相交流電圧を出力する前記複数台の単位インバータ２１〜２９（以下、インバータ２１〜２９とも称する）とを備えている。

図５に示した電力変換装置１０の動作を、図６に示したインバータ２１〜２９の詳細回路構成図を参照しつつ、以下に説明する。

先ず、新たな周波数指令ｆ０^*が発せられると、この周波数指令ｆ０^*に対して、例えば、交流電動機２を滑らかに加速または減速させるために、予め設定した単位時間当たりの増加または減少勾配で直線的に増減させ、最終的には前記ｆ０^*に一致する値を周波数指令ｆ^*して出力する加減速演算器１１を設けている。

後述の如く通常の出力周波数領域の状態では、周波数補正器１６の出力である周波数指令ｆ１^*は前記ｆ^*と同じ値であり、従って、このｆ１^*に対して、積分器１２による時間積分した値の位相角θ１と、振幅演算器１３による電力変換装置１０の出力電圧すなわち交流電動機２の一次電圧の振幅とを求め、これらの値に基づいて電圧指令器１４では正弦波状の三相交流電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*それぞれを生成している。

ＰＷＭ制御器１５では入力される前記Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*それぞれを信号波とし、内蔵する搬送波とのパルス幅変調（ＰＷＭ）演算を行い、その演算結果はインバータ２１〜２９それぞれを形成する前記ＩＧＢＴへの駆動信号として出力している。

図６は、図５に示したインバータ２１〜２９それぞれの詳細回路構成図であり、ＤＲ１〜ＤＲ６は入力される商用電源１の三相交流電圧を整流するダイオード、ＣはＤＲ１〜ＤＲ６により得られた整流電圧を平滑するコンデンサ、Ｔ１〜Ｔ４はＩＧＢＴ、Ｄ１〜Ｄ４はダイオードであり、Ｔ１とＤ１，Ｔ２とＤ２，Ｔ３とＤ３，Ｔ４とＤ４とからなるそれぞれの逆並列回路をブリッジ接続することにより単相インバータ回路を形成している。

図６に示すインバータ２１〜２９それぞれの回路構成では、ダイオードＤＲ１〜ＤＲ６が変圧器２０の二次巻線の電圧位相と同期して順次転流する動作を行うが、インバータ２１〜２９の出力周波数が商用電源１の基本波周波数またはその半分のときに、商用電源１の電圧とインバータ２１〜２９それぞれの出力電圧の周波数が完全に同期し、さらに、インバータ２１〜２６うちの少なくともいずれか１台における瞬時電力のピークが、対応するインバータの前記ＤＲ１〜ＤＲ６のいずれかのダイオードがオンするタイミングと一致すると、このダイオードだけに毎回大きな電流が流れるとともに、他のダイオードには電流が殆ど流れない現象が発生することが知られている。

すなわち図５に示した周波数補正器１６は、上述の現象によりダイオードＤＲ１〜ＤＲ６などの損傷を防止するために設けられたものであり、この周波数補正器１６の動作を、図７に示した特性図を参照しつつ、以下に説明をする。

図７に示すように周波数補正器１６は上述の周波数指令ｆ^*を受け、このｆ^*が商用周波数設定ｆｐと一致しないように補正演算を行う。この図の例では周波数指令ｆ^*が［ｆｐ−Δｆ］からｆｐまでの間は周波数補正器１６の出力である補正後の周波数指令ｆ１^*を［ｆｐ−Δｆ］に固定し、ｆｐから［ｆｐ＋Δｆ］までの間は周波数補正器１６の出力である補正後の周波数指令ｆ１^*を［ｆｐ＋Δｆ］に固定する。

同様に、前記ｆ^*が商用周波数設定の半分（ｆｐ／２）と一致しないように補正演算を行う。すなわち、周波数指令ｆ^*が［ｆｐ／２−Δｆ］からｆｐ／２までの間は補正後の周波数指令ｆ１^*を［ｆｐ／２−Δｆ］に固定し、ｆｐ／２から［ｆｐ／２＋Δｆ］までの間は補正後の周波数指令ｆ１^*を［ｆｐ／２＋Δｆ］に固定する。このとき、前記Δｆとしては１Ｈｚ程度に設定され、また、商用周波数設定ｆｐに代えて、商用電源１の周波数の検出値を用いることも行われている。
特開２００５−８６８４４号公報

上述の従来の電力変換装置１０では、その出力周波数が商用電源１の周波数およびその半分の周波数のとき、インバータ２１〜２９を形成するダイオードＤＲ１〜ＤＲ６のうちの特定のダイオードへの電流集中による加熱，焼損などを防止するために、電力変換装置１０ではその負荷とは無関係に出力周波数の補正を行っていたが、この電力変換装置１０の負荷としての可変速駆動される交流電動機２などでは、連続運転時に必要とする該電動機の印加電圧の周波数が商用電源１の周波数およびその半分の周波数では運転できないという問題があった。

また、上述の加減速演算器１１を用いて、交流電動機２を滑らかに加速または減速させたいときにも、この電力変換装置１０では加減速中の交流電動機２の印加電圧の周波数が商用電源１の周波数またはその半分の周波数を通過する際に該電動機に擾乱を与える恐れがあった。

この発明の目的は、上記問題点を解消できる電力変換装置を提供することにある。

この発明は、交流電源の三相交流電圧を入力とし、任意の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータを３組に分割し、その出力を各組毎に直列接続した一端それぞれを中性点に接続し、それぞれの他端から三相交流出力を得るように構成した三相インバータと、この三相インバータを所望の動作状態に制御する制御部とからなる電力変換装置において、
前記制御部には、前記交流電源の周波数またはその半分の周波数と前記三相インバータの出力周波数指令との偏差が所定値以内のときに、前記出力周波数指令を補正する動作を行うか否かを該三相インバータの出力電力値に基づいて決定する判別手段を備えたことを特徴とする。

この発明は、前記電力変換装置の負荷として可変速駆動される交流電動機が用いられる場合、特に前記電動機がファン，ポンプの駆動源として供用される場合には、この電力変換装置から前記電動機への出力電力が該電動機の回転数の３乗にほぼ比例することから、また、前記電動機の容量に対して十分に余裕を持ったインバータを選定した場合には、必要とする前記電動機の印加電圧の周波数が前記交流電源の周波数またはその半分の周波数の状態で、前記単相インバータを形成する整流ダイオードのうちの特定のダイオードへの電流集中が発生したときにも、このときの値が当該する前記ダイオードの許容電流以下の状態となる場合があることに着目してなされたものである。

図１は、この発明の電力変換装置の第１の実施例を示す回路構成図であり、この図において、図５に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付しており、ここではその説明を省略する。

すなわち図１に示した電力変換装置３０には、従来の電力変換装置１０に対して、その制御部として電力演算器１７と切替器１８と電力判別器１９とが追加装備され、また、周波数補正器１６に対して、後述の如く、若干の機能が追加された周波数補正器１６ａが用いられ、さらに、電圧検出器３１，電流検出器３２も追加装備されている。

この電力変換装置３０の動作を、図２，図３に示した特性図を参照しつつ、以下に説明する。

図２（イ）は先述の図６と同一特性である周波数補正器１６ａの入−出力特性を示し、さらに、周波数指令ｆ^*が前記［ｆｐ±Δｆ］の領域では、この領域にあることを電力判別器１９に伝達し、同様に、前記ｆ^*が前記［ｆｐ／２±Δｆ］の領域でも、この領域にあることを電力判別器１９に伝達する。

一方、電力変換装置３０の出力電圧は電圧検出器３１により検出され、該変換装置の出力電流は変流器（ＣＴ）３２ａを介した電流検出器３２により検出され、これらの検出値に基づいて、電力演算器１７では電力変換装置３０の有効出力電力Ｐｏｕｔ、すなわち、交流電動機２への駆動電力を求めている。

電力判別器１９は、周波数補正器１６ａからの伝達信号である周波数指令ｆ^*が前記［ｆｐ±Δｆ］の領域内にあり、図３（イ）の特性図に示すように前記Ｐｏｕｔが予め設定した判別値Ｐｏ１未満のときには、切替器１８の周波数補正器１６ａの出力側の接点を開路させるとともに、周波数補正器１６ａの入力側の接点を閉路させることにより、周波数指令ｆ１^*が周波数指令ｆ^*と同じ値になり、同様に、周波数補正器１６ａからの伝達信号である周波数指令ｆ^*が前記［ｆｐ／２±Δｆ］の領域内にあり、図３（ロ）の特性図に示すように前記Ｐｏｕｔが予め設定した判別値Ｐｏ２未満のときには、切替器１８の周波数補正器１６ａの出力側の接点を開路させるともに、周波数補正器１６ａの入力側の接点を閉路させることにより、周波数指令ｆ１^*が周波数指令ｆ^*と同じ値になる。

例えば、交流電動機２がファン，ポンプの駆動源として供用される場合は、前記Ｐｏ１を電力変換装置３０の定格出力電力の１００〜１３０％程度に設定し、また、前記Ｐｏ２を前記定格出力電力の５０〜７０％程度に設定することにより、図２（ロ）の特性図に示すように、ファン，ポンプを駆動する交流電動機２の通常の動作状態では周波数指令ｆ^*と周波数指令ｆ１^*の間での補正動作は行われず、任意の出力周波数での前記電動機の連続運転が可能となり、さらに、該電動機を滑らかに加速または減速させることができる。

この電力変換装置３０では、周波数指令ｆ^*が前記［ｆｐ±Δｆ］または［ｆｐ／２±Δｆ］の領域内にあり、交流電動機２の駆動電力（＝Ｐｏｕｔ）が何らかの要因で前記判別値Ｐｏ１若しくはＰｏ２以上のときには、インバータ２１〜２９を形成するダイオードＤＲ１〜ＤＲ６のうちの特定のダイオードへの電流集中による損傷を防止するために、図２（イ）に示した従来の電力変換装置１０と同様の周波数補正器１６ａの入−出力特性に基づき、周波数指令ｆ１^*を先述の如く固定して運転することもでき、その結果、この電力変換装置３０はその動作信頼性も向上させた装置になっている。

なお、図１に示した電力変換装置３０の回路構成では、電力演算器１７における演算には電圧検出器３１により検出された電力変換装置３０の出力電圧を用いているが、この電圧検出器３１を省略し、電圧指令器１４で得られる電圧指令値を用いてもよい。

図４は、この発明の電力変換装置の第２の実施例を示す回路構成図であり、この図において、図１に示した実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付しており、ここではその説明を省略する。

すなわち図４に示した電力変換装置４０では、先述の加減速演算器１１に対して、単位時間当たりの増加または減少勾配をほぼ等しい値、若しくはより大きい値に設定した加減速演算器１１ａとし、その入力には切替器１８での切替結果を用いる回路構成にすることにより、上述の電力変換装置３０と同様の効果を得ることができる。また、この電力変換装置４０の回路構成では、電力演算器１７における演算には電圧検出器３１により検出された電力変換装置４０の出力電圧を用いているが、この電圧検出器３１を省略し、電圧指令器１４で得られる電圧指令値を用いてもよい。

この発明の第１の実施例を示す電力変換装置の回路構成図 図１の動作を説明する特性図 図１の動作を説明する特性図 この発明の第２の実施例を示す電力変換装置の回路構成図 従来例を示す電力変換装置の回路構成図 図５の部分詳細回路構成図 図５の動作を説明する特性図

符号の説明

１…商用電源、２…交流電動機、１０…電力変換装置、１１，１１ａ…加減速演算器、１２…積分器、１３…振幅演算器、１４…電圧指令器、１５…ＰＷＭ制御器、１６，１６ａ…周波数補正器、１７…電力演算器、１８…切替器、１９…電力判別器、２０…変圧器、２１〜２９…単位インバータ、３０…電力変換装置、３１…電圧検出器、３２…電流検出器、４０…電力変換装置。

Claims (1)

1. 交流電源の三相交流電圧を入力とし、任意の周波数の単相交流電圧を出力する複数台の単位インバータを３組に分割し、その出力を各組毎に直列接続した一端それぞれを中性点に接続し、それぞれの他端から三相交流出力を得るように構成した三相インバータと、この三相インバータを所望の動作状態に制御する制御部とからなる電力変換装置において、
   前記制御部には、前記交流電源の周波数またはその半分の周波数と前記三相インバータの出力周波数指令との偏差が所定値以内のときに、前記出力周波数指令を補正する動作を行うか否かを該三相インバータの出力電力値に基づいて決定する判別手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。

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