JP4960374B2

JP4960374B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4960374B2
Application number: JP2008539646A
Authority: JP
Inventors: 秀夫小尾; 高弘菊池; 毅田中; 大介伊藤; 啓太畠中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: WO2008047430A1; US20100231159A1; JPWO2008047430A1; CN101523717B; CN101523717A; US8044632B2

Description

本発明は電力変換装置に係り、特に交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、さらにその直流電力をインバータにより交流電力に変換して誘導電動機を駆動する電力変換装置に関する。

従来の特許文献１による電力変換装置はコンバータの整流に起因するインバータの直流側の脈動を検出し、周波数制御手段によりインバータの出力周波数を制御している。これによって、インバータの直流入力電圧に含まれる脈動分（コンバータの整流リップル）に起因するインバータのビート現象を抑制している（脈動補正動作）。

しかしながら、特許文献１のものでは、コンバータの出力電圧（インバータの直流入力電圧）の脈動（変化）を検出してインバータの出力周波数を制御するものであるため、架線に生じる他の車両の負荷変動や、自車両の誘導電動機の速度変動（負荷変動）に対しては、コンバータの出力電圧はほとんど変化しないため、前述の脈動補正動作が即応して動作し得ないという問題があった。

特公平７−４６９１８号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、負荷変動に原因する脈動に対しても脈動補正動作が即応的に動作し、合わせて、電源側に起因する脈動に対しても脈動補正動作が行われる電圧変換装置を提供しようとするものである。

本発明の電圧変換装置は、交流電源からの交流電力を可変周波数の交流電力に変換して誘導電動機に供給する電力変換装置であって、
交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
変換された前記直流電力を可変周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記コンバータの入力側の交流電流を検出する電流検出器と、
前記コンバータの出力電圧を制御すると共に前記電流検出器で検出した前記コンバータの入力側の交流電流の変動に応じた周波数補正量を、算出するコンバータ制御器と、
前記コンバータ制御器が出力する周波数補正量を、前記インバータのトルク指令と前記誘導電動機電流より得られるすべり周波数指令に加算してすべり周波数を調整し、前記インバータの出力周波数を制御するインバータ制御器とを備えたものである。

この発明に係る電圧変換装置は、コンバータの入力側の交流電流の変動に応じてインバータ制御器がすべり周波数を調整するものであり、負荷変動に原因する脈動に対しても脈動補正動作を即応的に働かせることができ、合わせて、電源側に起因する脈動に対しても脈動補正動作を行うことができる。
本発明の前記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下の本発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。実施の形態１によるコンバータ制御器を示す制御ブロック図である。実施の形態１によるインバータ制御器を示す制御ブロック図である。実施の形態１によるビートレス制御適用時を示す波形図であるビートレス制御を適用しなかった時を示す波形図である。

符号の説明

１交流架線２パンタグラフ
３変圧器４コンバータ
５インバータ６誘導電動機
７フィルタコンデンサ８コンバータ制御器
９インバータ制御器１０変圧器の１次側
１１電流検出器１２回転周波数検出器
１３電流検出器

２１直流電圧指令２２直流電圧
２３帯域除去フィルタ２４減算器
２５電圧制御器２６変圧器１次電圧
２７位相検出器２８基準正弦波データ
２９乗算器３０交流電流
３１減算器３２電流制御器
３３２次側換算値３４加算器
３５除算器３６ＰＷＭ回路

４１帯域通過フィルタ４２帯域除去フィルタ
４３乗算器４４ＢＰＦ
４５ゲインテーブル４６乗算器
４７リングバッファ４８周波数補正
５１回転周波数５２トルク指
５３すべり周波数指令発生器５４加算器
５５除算器５６ＰＷＭ回路
５７加算器５８誘導電動機電流
１００電力変換装置

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。電力変換装置１００は車両に搭載され、交流架線１からパンタグラフ２を通して交流電力が供給される。この交流電力は変圧器３により適切な交流電圧に降圧され、コンバータ４により直流電力に変換され、さらにインバータ５により可変周波数の交流電力に変換され、誘導電動機６が駆動される。７はコンバータ４の出力である直流電圧を平滑するフィルタコンデンサである。

コンバータ制御器８には、変圧器３の１次側１０の変圧器１次電圧と、コンバータ４の出力電圧であるコンデンサ７の直流電圧と、電流検出器１１で検出された変圧器３の２次側、即ちコンバータ４の入力側の交流電流と、誘導電動機６の回転周波数とが入力され、コンバータ４への制御指令と、インバータ制御器９への周波数補正量が出力される。インバータ制御器９には、誘導電動機６の回転周波数と、コンデンサ７の直流電圧と、電流検出器１３で検出された誘導電動機６の電流と、コンバータ４からの周波数補正量とが入力され、インバータ５への制御指令が出力される。

次に動作について説明する。コンバータ４は交流電圧を整流し直流電圧を得ている。図２は実施の形態１によるコンバータ制御器８を示す制御ブロック図である。２１はコンバータ４の直流電圧指令である。２２はコンデンサ７の直流電圧である。２３は帯域除去フィルタ（Band Elimination Filter : ＢＥＦ）で、直流電圧２２から電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の２倍の成分を除去し出力する。減算器２４では、直流電圧指令２１からＢＥＦ２３の出力を減算し、直流電圧が一定になるように電流指令を発生する電圧制御器２５に入力する。

変圧器３の１次電圧２６から位相検出器２７で電圧の位相を検出し、基準となる正弦波データ２８から１次電圧２６に同期した正弦波を発生させる。この正弦波と電圧制御器２５の出力とを、乗算器２９で乗算し交流電流指令を得る。この交流電流指令から電流検出器１１で検出された交流電流３０を減算器３１で減算する。減算器３１の出力を電流制御器３２に入力し、電流を指令どおりとなるように制御する電流制御器３２の出力と、変圧器３の交流１次電圧を２次側に換算した値３３とを加算器３４で加算しコンバータ出力電圧指令を得る。

このコンバータ電圧指令を直流電圧２２で、除算器３５を用いて除算して、直流電圧の変動を補正し、その出力をＰＷＭ回路３６に入力し、ＰＷＭ回路３６により、コンバータ４の各半導体素子を駆動する。このようにすることにより電源側の力率を１に制御しつつ、コンバータ４の出力側の直流電圧を一定に制御することができる。

次に、架線に生じる他の車両の負荷変動や、自車両の誘導電動機の速度変動（負荷変動）及び電源変動に対して、その変動に起因する脈動周波数と、インバータに接続される誘導電動機の回転周波数（インバータ出力周波数）が一致した場合、脈動成分が増幅され、その結果、誘導電動機電流にビートが発生し、過電流停止に至る可能性がある。そこで、両者の周波数が一致する場合に、脈動成分の増幅を抑制するために、発生するビート成分を抑制するように、誘導電動機のすべり周波数を操作する。前記ビートが発生する一致する周波数は、コンバータ交流電圧（電源）周波数の２倍成分であることが知られており、電源周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであれば、ビート発生周波数は１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚである。

負荷変動及び電源変動に対しては、初期にコンバータの交流側電流にビート成分が発生するので、ビート抑制制御に対しては、このコンバータの交流電流を検出する。次にコンバータの交流電流から、ビート成分を抽出する仕方を図２をもとに説明する。ビート成分はコンバータ４の電源電圧周波数の２倍であるため、コンバータ４の交流電流３０には、その周波数の１倍と３倍成分が発生する。１倍成分は元々の交流電流成分と区別できないため、３倍成分のみを帯域通過フィルタ（Band Pass Filter : ＢＰＦ）４１により抽出する。そのとき検出値の精度を上げるために適当なゲインをかけておくとよい。３倍成分を抽出するＢＰＦ４１を通過しても１倍成分は残るため、これを帯域除去フィルタ（ＢＥＦ）４２を用いてカットする。

このようにして抽出された３倍成分を、ビート抑制のため、誘導電動機の回転周波数に作用させる周波数に変換するため、２倍成分に変換する必要がある。そのため、ＢＥＦ４２で抽出された３倍成分に前記２次側に換算された値３３を乗算器４３によって乗じることにより、交流電流３０の周波数の２倍成分と４倍成分が抽出される。これよりビートに寄与する２倍成分を抽出するＢＰＦ４４を通過させる。さらにこの値に、ビートを抑制したい周波数だけに作用させるようにするために、誘導電動機の回転周波数ｆｍ（回転周波数検出器１２より得られた回転周波数５１）を横軸、ゲインＧを縦軸としたゲインテーブル４５（誘導電動機の回転周波数の２倍成分付近にのみ値をもち、それ以外の周波数では０ゲインとするテーブル）を、乗算器４６によって乗算する。乗算器４６の出力が誘導電動機電流のビートを抑制可能となるようにタイミングを合わせるために位相シフトを行う。そのため、リングバッファ（移相器）４７を設けて抑制効果が最大になるように位相をずらせて遅延させ、ビート補正量（周波数補正量）４８を得る。なお、リングバッファ４７での移相量は、誘導電動機の回転周波数の２倍の周波数の１周期より０．５°程度前の値である。

図３は実施の形態１によるインバータ制御器９を示す制御ブロック図である。インバータ５側はすべり周波数制御を行う。トルク指令５２と誘導電動機電流５８をすべり周波数指令発生器５３に入力し出力されるすべり周波数指令と、回転周波数検出器１２より得られた回転周波数５１と、を加算器５４で加算し、インバータ出力周波数指令を得る。このインバータ出力周波数指令を直流電圧２２で、除算器５５を用いて除算して、直流電圧の変動を補正し、その出力をＰＷＭ回路５６に入力し、ＰＷＭ回路５６により、インバータ５の各半導体素子を駆動し、誘導電動機６を駆動している。

このとき、コンバータ制御器８で得られた周波数補正量（ビート補正量）４８をインバータのすべり周波数指令に加算器５７で加算し、加算された出力を加算器５４に入力することにより、コンバータ５の交流電力の変動を抑制することができると共に誘導電動機の電流変動（ビート）を抑制することができる。

このように、ビート抑制を考慮したインバータ出力周波数指令によって制御されるインバータから出力される誘導電動機電流には、ビート成分が重畳されず、負荷変動及び電源変動に起因するビート増幅現象は解消され、誘導電動機電流の過電流が回避される。

実施の形態１を用いてシミュレーションを実施した結果を図４と図５に示す。図４は実施の形態１によるビートレス制御適用時を示す波形図である。図５はビートレス制御を適用しなかった時を示す波形図である。図４と図５では、横軸の時間ｔに対して、誘導電動機６の回転周波数、コンバータ４の入力側の交流電流、コンデンサ７の直流電圧、誘導電動機６の電流、出力トルクの波形をそれぞれ示している。図５のビートレス制御を適用しなかった時と比較して、図４のビートレス制御適用時には、明らかに誘導電動機電流のビートが抑制されおり、直流電圧の変動も抑制されていることが分かる。

前述の説明では、本発明の用途として交流架線電気車の場合を例に説明したが、その他の単相交流電源を入力とし三相交流出力のインバータにより誘導電動機を駆動する工作機械やファン・ポンプの分野にも利用できる。

この発明の各種の変形または変更は、関連する熟練技術者が、この発明の範囲と精神を逸脱しない中で実現可能であり、この明細書に記載された実施の形態には制限されないことと理解されるべきである。

Claims

交流電源からの交流電力を可変周波数の交流電力に変換して誘導電動機に供給する電力変換装置であって、
交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
変換された前記直流電力を可変周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記コンバータの入力側の交流電流を検出する電流検出器と、
前記コンバータの出力電圧を制御すると共に前記電流検出器で検出した前記コンバータの入力側の交流電流の変動に応じた周波数補正量を、算出するコンバータ制御器と、
前記コンバータ制御器が出力する周波数補正量を、前記インバータのトルク指令と前記誘導電動機電流より得られるすべり周波数指令に加算してすべり周波数を調整し、前記インバータの出力周波数を制御するインバータ制御器とを備えた電力変換装置。
前記電流検出器で検出した前記コンバータの入力側の交流電流から抽出した交流電源の周波数の３倍付近の成分の量に応じて前記周波数補正量を求めることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。