JP5078144B2 - Power conversion method and power conversion device - Google Patents

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本発明は、単相交流電力を一定電圧の直流電力に変換する交流-直流電力変換装置などの単相交流電力と直流電力との間で電力変換を行う電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device that performs power conversion between single-phase AC power and DC power, such as an AC-DC power conversion device that converts single-phase AC power into DC power having a constant voltage.

交流と直流間の電力変換において、交流から直流への順変換はコンバータと呼ばれる変換装置によって行われ、直流から交流への逆変換はインバータと呼ばれる変換装置によって行われる。   In power conversion between alternating current and direct current, forward conversion from alternating current to direct current is performed by a conversion device called a converter, and reverse conversion from direct current to alternating current is performed by a conversion device called an inverter.

このような電力変換を静止座標系で行う場合には、制御偏差によって交流電力を高速、高精度に制御することが困難であるという問題がある。そこで、三相交流においては、静止座標上の電圧・電流値を交流入力電圧の位相と同期した回転座標上のd軸、q軸に変換して直流値で制御を行うことが一般に行われている。   When such power conversion is performed in a stationary coordinate system, there is a problem that it is difficult to control AC power at high speed and with high accuracy by a control deviation. Therefore, in three-phase alternating current, it is generally performed to convert the voltage / current value on the stationary coordinate to the d-axis and q-axis on the rotating coordinate synchronized with the phase of the AC input voltage and control with the direct current value. Yes.

単相交流においても、交流値に対して位相が90°ずれた信号を得ることによって、交流入力電圧に同期した回転座標上に変換することが提案されている。この単相交流の有効電力や無効電力の制御において、電流、電圧等の制御対象を回転座標(dq座標)上で演算することで、交流電力の制御を高速、高精度で行うことが期待される。   Even in single-phase alternating current, it has been proposed to obtain a signal whose phase is shifted by 90 ° with respect to the alternating current value, thereby converting it into a rotating coordinate synchronized with the alternating current input voltage. In the control of active power and reactive power of this single-phase alternating current, it is expected that the control of alternating current power will be performed at high speed and with high accuracy by calculating the control target such as current and voltage on the rotation coordinate (dq coordinate). The

単相交流の電力変換の制御を回転座標上で行うものとして、例えば特許文献1,2が知られている。   For example, Patent Documents 1 and 2 are known as those that perform single-phase AC power conversion control on rotating coordinates.

特許文献1の単相電圧形PWM制御インバータ装置では、インバータ装置の出力の検出電圧と、この検出電圧を90°遅らせた補助基準とを回転座標変換器に入力し、出力電圧のd軸成分とq軸成分とを算出し、算出したd軸成分とq軸成分を用いてインバータ装置を制御することが開示されている。   In the single-phase voltage type PWM control inverter device of Patent Document 1, the detected voltage of the output of the inverter device and the auxiliary reference obtained by delaying the detected voltage by 90 ° are input to the rotary coordinate converter, and the d-axis component of the output voltage is It is disclosed that a q-axis component is calculated and an inverter device is controlled using the calculated d-axis component and q-axis component.

また、特許文献2の半導体電力変換装置の制御回路は、ヒルベルト変換を用いて交流電圧および交流電流の瞬時値の複素ベクトルを検出し、有効電力や無効電力の制御に必要な電流や電圧を回転座標上で演算可能とすることが開示されている。また、ヒルベルト変換で得られる交流電源の複素ベクトルの瞬時位相角を同期運転の基準信号として用いることが開示されている。特許文献2の回路構成では、ヒルベルト変換によって虚軸成分を算出し、遅延回路によってヒルベルト変換による群遅延を補償した実軸成分を算出し、算出した虚軸成分と実軸成分とを用いてdq変換を行い、回転座標上での演算を行っている。   In addition, the control circuit of the semiconductor power conversion device disclosed in Patent Document 2 detects a complex vector of instantaneous values of AC voltage and AC current using Hilbert transform, and rotates current and voltage necessary for controlling active power and reactive power. It is disclosed that calculation is possible on coordinates. Further, it is disclosed that an instantaneous phase angle of a complex vector of an AC power source obtained by Hilbert transform is used as a reference signal for synchronous operation. In the circuit configuration of Patent Document 2, an imaginary axis component is calculated by Hilbert transform, a real axis component compensated for group delay by Hilbert transform is calculated by a delay circuit, and dq is calculated using the calculated imaginary axis component and real axis component. Conversion is performed and calculation is performed on the rotating coordinates.

特開平1−209960号公報(第2頁右上欄17行〜19行、第2頁左下欄1行〜右下欄5行、第3頁左上欄14,15行)JP-A-1-209960 (page 2, upper right column, lines 17 to 19, page 2 lower left column, line 1 to lower right column, line 5, page 3, upper left column, lines 14 and 15) 特開2003−143860号公報(段落0005,0056,0060,0062)JP 2003-143860 A (paragraphs 0005, 0056, 0060, 0062) 特許第2509890号明細書(第2頁第4欄33行〜40行)Patent No. 2509890 (page 2, column 4, lines 33-40)

従来のフルブリッジ構成の単相コンバータでは、運転中に交流入力電圧に高調波が含まれる場合、交流入力電流にも高調波が生じる。交流入力電圧の高調波のレベルによっては、交流入力電流に過大なピーク電流が流れる。過大なピーク電流は、コンバータ等の電力変換装置に損傷を与えるおそれがある。また、交流入力電圧に急激な変動が発生した場合のおいても、制御応答の遅れによって瞬間的に入力に過大な電流が流れる場合がある。   In a conventional single-phase converter having a full bridge configuration, when the harmonics are included in the AC input voltage during operation, harmonics are also generated in the AC input current. Depending on the harmonic level of the AC input voltage, an excessive peak current flows in the AC input current. An excessive peak current may damage a power converter such as a converter. Even when a sudden fluctuation occurs in the AC input voltage, an excessive current may instantaneously flow through the input due to a delay in the control response.

電力変換装置は、このような過剰電流による損傷を回避するために、過電流から装置を保護するための機能を備えるものがある。この過電流保護では、過剰電流が発生した場合に装置を停止させることによって装置の損傷を防いでいる。   Some power conversion devices have a function to protect the device from overcurrent in order to avoid damage due to such excess current. In this overcurrent protection, the apparatus is prevented from being damaged by stopping the apparatus when an excessive current is generated.

一方、電力変換装置は、例えば無停電電源装置に適用され、コンピュータなど瞬時停電も許されない装置に接続されている。したがって、電力変換装置は、交流入力電圧に高調波が含まれる場合や交流入力電圧が急激に変動した場合であっても、装置が停止しないことが求められる。   On the other hand, the power conversion device is applied to, for example, an uninterruptible power supply, and is connected to a device such as a computer that does not allow an instantaneous power failure. Therefore, the power conversion device is required not to stop even when harmonics are included in the AC input voltage or when the AC input voltage fluctuates rapidly.

交直変換装置において、電源電圧の急変やひずみに対応するために、電源電圧の瞬時値を交流のまま制御出力に加算することが提案されている。(例えば、特許文献3参照)   In an AC / DC converter, it has been proposed to add an instantaneous value of a power supply voltage to a control output while maintaining an alternating current in order to cope with a sudden change or distortion of the power supply voltage. (For example, see Patent Document 3)

図17は、特許文献3による交直変換装置の制御態様の概要を説明するための図である。図17に示す構成例では、交流電源102をコンバータ103によって直流に変換して負荷104に供給する。この構成において、制御回路114は、検出器121で検出した交流電源102側の電流値Isおよび電圧値Vsと、検出器122で検出した負荷104側の電圧値Vdとを入力して静止座標系において電流制御を行って電圧補正量を算出し、この電圧補正量を用いてコンバータ制御部118によってコンバータ103を駆動する。このとき、電圧補正量に電源電圧の電圧値Vsを加算する。   FIG. 17 is a diagram for explaining the outline of the control mode of the AC / DC converter according to Patent Document 3. In the configuration example shown in FIG. 17, the AC power supply 102 is converted into DC by the converter 103 and supplied to the load 104. In this configuration, the control circuit 114 inputs the current value Is and voltage value Vs on the AC power supply 102 side detected by the detector 121 and the voltage value Vd on the load 104 side detected by the detector 122 to input a stationary coordinate system. The current control is performed to calculate the voltage correction amount, and the converter 103 is driven by the converter control unit 118 using this voltage correction amount. At this time, the voltage value Vs of the power supply voltage is added to the voltage correction amount.

この構成では、交流側電圧補正量に電源電圧の瞬時値を合成して交直変換装置の出力電圧を交流量として求めることによって、電源電圧の急変を交直変換装置の出力に直接反映させている。   In this configuration, the instantaneous change of the power supply voltage is directly reflected on the output of the AC / DC converter by combining the instantaneous value of the power supply voltage with the AC side voltage correction amount to obtain the output voltage of the AC / DC converter as the AC amount.

しかしながら、上記した特許文献3に開示されるものは、電源電圧の瞬時値を交流のまま制御出力に加算するという静止座標上で行う制御であり、回転座標上で行う制御に適用することができない。   However, what is disclosed in Patent Document 3 described above is control performed on stationary coordinates in which an instantaneous value of a power supply voltage is added to a control output while being alternating current, and cannot be applied to control performed on rotating coordinates. .

したがって、回転座標系で行う電力変換において、交流入力電圧に高調波が含まれる場合や交流入力電圧が急激に変動した場合に、交流入力電流の変動を抑制することを第1の目的とする。   Therefore, in the power conversion performed in the rotating coordinate system, when the AC input voltage includes harmonics or when the AC input voltage fluctuates rapidly, the first object is to suppress the fluctuation of the AC input current.

また、回転座標系による電流制御では、逆変換によって電圧指令値を回転座標系から静止座標系に変換する必要がある。この逆変換では、演算パラメータとして入力電圧の位相角が必要となる。上記した特許文献1では、この位相角として基準位相θを用いているが、この基準位相θの具体的な形成方法については明記されていない。   Further, in the current control using the rotating coordinate system, it is necessary to convert the voltage command value from the rotating coordinate system to the stationary coordinate system by inverse conversion. In this inverse conversion, the phase angle of the input voltage is required as a calculation parameter. In Patent Document 1 described above, the reference phase θ is used as the phase angle, but a specific method for forming the reference phase θ is not specified.

また、上記した特許文献2では、ヒルベルト変換器で求めた虚軸成分と遅延回路で求めた実軸成分とから演算によって求めることが示されている。この構成では、ヒルベルト変換器に含まれる群遅延を補償するために遅延回路が必要となり、入力電圧の位相角を算出するための構成が複雑となるという問題がある。また、虚軸成分および実軸成分は、ヒルベルト変換器および遅延回路の出力信号が変動した場合に、算出された入力電圧の位相角の値に誤差が含まれるおそれがあるという問題も含んでいる。   Further, in Patent Document 2 described above, it is shown that the calculation is performed from the imaginary axis component obtained by the Hilbert transformer and the real axis component obtained by the delay circuit. In this configuration, a delay circuit is required to compensate for the group delay included in the Hilbert transformer, and there is a problem that the configuration for calculating the phase angle of the input voltage is complicated. Further, the imaginary axis component and the real axis component also include a problem that the phase angle value of the calculated input voltage may include an error when the output signals of the Hilbert transformer and the delay circuit fluctuate. .

したがって、回転座標系で行う電力変換において、変換および逆変換に用いる入力電圧の位相角を簡易で高精度に検出することを第2の目的とする。   Therefore, in the power conversion performed in the rotating coordinate system, the second object is to detect the phase angle of the input voltage used for the conversion and the inverse conversion easily and with high accuracy.

上記した第1の交流入力電流の変動を抑制する目的、および第2の入力電圧の位相角を簡易で高精度に検出する目的は、共に電力変換を回転座標系で行う際の課題を解決するものであり、交流入力電圧の変動という共通の要因によって生じる課題を解決するものである。   The purpose of suppressing the fluctuation of the first AC input current and the purpose of detecting the phase angle of the second input voltage simply and with high accuracy both solve the problems in performing power conversion in the rotating coordinate system. It solves the problem caused by the common factor of fluctuation of AC input voltage.

本発明は、単相電力変換器を回転座標系で電流制御し、単相交流電力と直流電力との間で電力変換を行う電力変換において、単相電力変換器の入力電流値を静止座標系から回転座標系に変換し、この回転座標系に変換した入力電流値を用いて電流制御を行い、単相コンバータを制御する電圧制御値を形成し、さらに、この電圧制御値に回転座標系に変換した単相コンバータの入力電圧分を加算して、入力電圧分をバイアスした電圧制御値を用いて単相コンバータを制御する。   In the power conversion in which the current control is performed on the single-phase power converter in the rotating coordinate system and the power conversion is performed between the single-phase AC power and the DC power, the input current value of the single-phase power converter is set to the stationary coordinate system. Is converted to a rotating coordinate system, current control is performed using the input current value converted to this rotating coordinate system, a voltage control value for controlling the single-phase converter is formed, and further, this voltage control value is added to the rotating coordinate system. The converted input voltage of the single-phase converter is added, and the single-phase converter is controlled using a voltage control value obtained by biasing the input voltage.

本発明によれば、回転座標系で電流制御を行うと共に、この電流制御で形成した電圧制御値に、回転座標系に変換した単相コンバータの入力電圧分を加算することによって交流入力電流の変動を抑制する。   According to the present invention, the current control is performed in the rotating coordinate system, and the fluctuation of the AC input current is performed by adding the input voltage of the single-phase converter converted into the rotating coordinate system to the voltage control value formed by the current control. Suppress.

交流入力電流の変動要因は、交流入力電圧に含まれる高調波や、交流入力電圧の急激な変動等の交流入力の電圧変動によるものである。本発明は、この交流入力の電圧変動に対して同電圧変動分をバイアスすることで交流入力電流の変動を抑制する。本発明は、回転座標系に変換した入力電圧分を、回転座標系で電流制御して得た電圧制御値に加算することで、回転座標系において交流入力電流の変動を抑制することができる。   The fluctuation factor of the AC input current is due to the AC input voltage fluctuation such as harmonics included in the AC input voltage or abrupt fluctuation of the AC input voltage. The present invention suppresses the fluctuation of the AC input current by biasing the voltage fluctuation with respect to the voltage fluctuation of the AC input. The present invention can suppress fluctuations in the AC input current in the rotating coordinate system by adding the input voltage converted into the rotating coordinate system to a voltage control value obtained by controlling the current in the rotating coordinate system.

本発明は、交流から直流への順変換を行うコンバータの態様において、方法の形態と装置の形態に適用することができる。   The present invention can be applied to the form of the method and the form of the apparatus in the aspect of the converter that performs forward conversion from alternating current to direct current.

本発明の電力変換方法の形態では、単相コンバータを回転座標系で電流制御し、単相交流電力を直流電力に変換する電力変換方法において、単相コンバータへの入力電流値を回転座標系に変換し、当該回転座標系の入力電流値を電流制御して単相コンバータを制御する電圧制御値を形成し、単相コンバータへの入力電圧分を回転座標系に変換し、この電圧制御値に回転座標系に変換した単相コンバータの入力電圧分をバイアスし、バイアスした電圧制御値を用いて単相コンバータを制御する。   In the form of the power conversion method of the present invention, in the power conversion method in which a single-phase converter is current-controlled in a rotating coordinate system and single-phase AC power is converted into DC power, the input current value to the single-phase converter is converted into the rotating coordinate system To convert the input current value of the rotating coordinate system into current control to form a voltage control value for controlling the single-phase converter, convert the input voltage to the single-phase converter into the rotating coordinate system, and convert the voltage control value to this voltage control value. The input voltage of the single-phase converter converted into the rotating coordinate system is biased, and the single-phase converter is controlled using the biased voltage control value.

また、本発明の電力変換装置の形態では、単相交流電力を直流電力に変換する単相コンバータと、回転座標系において電流制御を行う回転座標系制御部と、静止座標系の電圧値および電流値を回転座標系に変換する第1の座標変換部と、回転座標系の電圧値を静止座標系に変換する第2の座標変換部と、単相交流の電圧および電流の検出値の位相を+90°又は−90°シフトする位相シフタとを備える。   In the form of the power converter of the present invention, the single-phase converter that converts single-phase AC power into DC power, the rotating coordinate system control unit that performs current control in the rotating coordinate system, and the voltage value and current of the stationary coordinate system A first coordinate conversion unit that converts a value into a rotating coordinate system, a second coordinate conversion unit that converts a voltage value of the rotating coordinate system into a stationary coordinate system, and a phase of a detected value of a single-phase AC voltage and current And a phase shifter that shifts by + 90 ° or −90 °.

図1は、本発明の電力変換装置の概略構成を説明するための図である。   FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of a power converter according to the present invention.

図1において、電力変換装置1は、コンバータ3によって電源2の単相交流を直流に電力変換して負荷4に供給する。コンバータ3は、負荷4に供給する電圧が所定電圧となるように、また、力率が1となるように制御される。このコンバータ制御は、コンバータ3の入力側の電流を検出し、この検出電流を回転座標系制御部13において回転座標上で電流制御し、コンバータ3を制御する電圧制御値を形成する。   In FIG. 1, a power converter 1 converts a single-phase alternating current of a power source 2 into direct current by a converter 3 and supplies the direct current to a load 4. The converter 3 is controlled so that the voltage supplied to the load 4 becomes a predetermined voltage and the power factor becomes 1. In this converter control, a current on the input side of the converter 3 is detected, and this detected current is subjected to current control on the rotational coordinates in the rotational coordinate system control unit 13 to form a voltage control value for controlling the converter 3.

回転座標系制御部13では回転座標上で電流制御の演算を行うため、検出器21で検出した入力側の電流値iおよび電圧値eを、第1座標変換部11によって静止座標系から回転座標系に変換し、回転座標系制御部13で形成した電圧制御値を第2座標変換部12によって回転座標系から静止座標系に変換する。これによって、コンバータ制御部18は、静止座標系の電圧制御値でコンバータ3を制御して電力変換を行う。   Since the rotation coordinate system control unit 13 performs current control calculation on the rotation coordinates, the current value i and the voltage value e on the input side detected by the detector 21 are rotated from the stationary coordinate system by the first coordinate conversion unit 11. The voltage control value formed by the rotating coordinate system control unit 13 is converted from the rotating coordinate system to the stationary coordinate system by the second coordinate converting unit 12. As a result, the converter control unit 18 performs power conversion by controlling the converter 3 with the voltage control value of the stationary coordinate system.

回転座標系制御部13は、コンバータ3を制御するために、電圧制御値を算出する電流制御手段14と、入力電圧変動による電流変動を抑制する電流変動抑制手段15の構成を備える。電流変動抑制手段15は、電流制御手段14で求めた電圧制御値に第1座標変換部11で変換した入力電圧eを加算する。なお、電流変動抑制手段15は、電流制御手段14が電圧制御値を出力する加算器を兼用し、この加算器に第1座標変換部11で変換した入力電圧eを加算する構成とすることができる。   In order to control the converter 3, the rotating coordinate system control unit 13 includes a current control unit 14 that calculates a voltage control value and a current fluctuation suppression unit 15 that suppresses a current fluctuation due to an input voltage fluctuation. The current fluctuation suppressing unit 15 adds the input voltage e converted by the first coordinate conversion unit 11 to the voltage control value obtained by the current control unit 14. Note that the current fluctuation suppressing means 15 also has a configuration in which the current control means 14 also serves as an adder that outputs a voltage control value, and the input voltage e converted by the first coordinate conversion unit 11 is added to this adder. it can.

また、第1座標変換部11および第2座標変換部12で行う座標変換の演算では、90°位相がずれた信号が必要であるため、位相シフタ16によって、検出器21で検出した入力側の電流値iおよび電圧値eの位相を90°ずらし、回転座標系制御部13の電流制御手段14に送る。   In addition, since the calculation of the coordinate conversion performed by the first coordinate conversion unit 11 and the second coordinate conversion unit 12 requires a signal that is 90 ° out of phase, the phase shifter 16 detects the input side detected by the detector 21. The phases of the current value i and the voltage value e are shifted by 90 ° and sent to the current control means 14 of the rotating coordinate system control unit 13.

また、位相検出部17を位相シフタ16に接続し、位相シフタ16の出力に基づいて入力電圧の位相角ωtを求める。この入力電圧の位相角ωtは、第1座標変換部11および第2座標変換部12で行う座標変換演算に要する演算パラメータとして用いられる。   Further, the phase detector 17 is connected to the phase shifter 16 and the phase angle ωt of the input voltage is obtained based on the output of the phase shifter 16. The phase angle ωt of the input voltage is used as a calculation parameter required for the coordinate conversion calculation performed by the first coordinate conversion unit 11 and the second coordinate conversion unit 12.

上記した各構成において、電流変動抑制手段15、位相シフタ16、および位相シフタ16をローパスフィルタとしその出力を用いた位相検出部17の各手段は、本発明が特徴的に備える構成である。   In each of the above-described configurations, the current variation suppressing unit 15, the phase shifter 16, and each unit of the phase detection unit 17 using the output of the phase shifter 16 as a low-pass filter is a configuration that is characteristically provided by the present invention.

第1の座標変換部は、単相交流の入力電流値と、位相シフタによって入力電流値を90°位相シフトした電流値とを入力して回転座標系の電流値に変換する。   The first coordinate conversion unit inputs a single-phase AC input current value and a current value obtained by shifting the input current value by 90 ° by the phase shifter and converts the input current value into a current value of the rotating coordinate system.

また、回転座標系制御部は、電流制御手段と電流変動抑制手段とを備え、いずれの手段も回転座標上の演算処理で行うことができる。電流制御手段は、第1の座標変換部で変換した回転座標系の電流値を電流制御して回転座標系の電圧制御値を形成する。電流変動抑制手段は、電圧制御値に単相コンバータに入力する入力電圧分を加算して、入力電圧変動による電流変動を抑制する。   Further, the rotating coordinate system control unit includes a current control unit and a current fluctuation suppressing unit, and any of the units can be performed by a calculation process on the rotating coordinate. The current control unit performs current control on the current value of the rotating coordinate system converted by the first coordinate conversion unit to form a voltage control value of the rotating coordinate system. The current fluctuation suppressing means adds the input voltage input to the single-phase converter to the voltage control value to suppress current fluctuation due to input voltage fluctuation.

第2の座標変換は、回転座標系制御部が出力する回転座標系の電圧指令値を静止座標系の電圧指令値に変換する。単相コンバータは、第2の座標変換が出力する静止座標系の電圧指令値に基づいて交流電力を直流電力に電力変換する。 The second coordinate conversion unit converts the voltage command value of the rotating coordinate system output from the rotating coordinate system control unit into a voltage command value of the stationary coordinate system. The single-phase converter converts AC power into DC power based on the voltage command value of the stationary coordinate system output from the second coordinate conversion unit .

電流変動抑制手段は、電流制御手段が出力する電圧制御値に、第1の座標変換で変換した回転座標系の電圧値を加算する。 The current fluctuation suppressing unit adds the voltage value of the rotating coordinate system converted by the first coordinate conversion unit to the voltage control value output by the current control unit.

電流制御手段は、回転座標系のq軸の指令電流を零とし、回転座標系のd軸の指令電流を、単相コンバータの出力電圧と電圧指令値との偏差を零とするPI制御で得た値とするPI制御を行う。回転座標系のq軸の指令電流を零とすることによって、力率を改善して力率を1とし、単相PFC(Power Factor Correction)コンバータを構成することができる。   The current control means obtains the q-axis command current of the rotating coordinate system by zero, and obtains the d-axis command current of the rotating coordinate system by PI control in which the deviation between the output voltage of the single-phase converter and the voltage command value is zero. PI control is performed to set the value. By setting the q-axis command current of the rotating coordinate system to zero, the power factor can be improved and the power factor can be set to 1, and a single-phase PFC (Power Factor Correction) converter can be configured.

本発明の位相シフタは、単相交流の電圧および電流の検出値の位相を+90°又は−90°シフトする装置であり、例えば、オペアンプを用いた90°進み回路により構成することができる。本発明が備えるオペアンプを用いた90°進み回路は、オペアンプの帰還抵抗を、第1のコンデンサと、接続点を第2のコンデンサを介して接地した直列抵抗との並列回路で構成することができる。この90°進み回路の周波数特性は抵抗およびコンデンサを調整することで定めることができる。この位相シフタの周波数特性は、所定周波数において所定のゲインを有すると共に、90°の位相ずれを有する特性とする。この所定周波数として、電力変換装置によって変換する交流の周波数とすることで、電力変換を行う周波数において、大きさを変えることなく位相のみを90°進ませることができる。   The phase shifter of the present invention is a device that shifts the phase of a detected value of a single-phase AC voltage and current by + 90 ° or −90 °, and can be configured by a 90 ° advance circuit using an operational amplifier, for example. The 90 ° advance circuit using the operational amplifier provided in the present invention can be configured such that the feedback resistance of the operational amplifier is a parallel circuit of a first capacitor and a series resistor whose connection point is grounded via the second capacitor. . The frequency characteristic of the 90 ° advance circuit can be determined by adjusting the resistor and the capacitor. The frequency characteristic of the phase shifter is a characteristic having a predetermined gain at a predetermined frequency and a phase shift of 90 °. By setting the predetermined frequency as an AC frequency converted by the power conversion device, only the phase can be advanced by 90 ° without changing the magnitude in the frequency at which the power conversion is performed.

本発明の電力変換装置は、位相シフタとして90°進み回路に限らず90°遅れ回路を用いて構成してもよい。90°遅れ回路は、例えば、上述した90°進み回路に位相反転回路を接続することによって構成することができる。   The power conversion device of the present invention is not limited to a 90 ° advance circuit as a phase shifter, and may be configured using a 90 ° delay circuit. The 90 ° delay circuit can be configured, for example, by connecting a phase inversion circuit to the 90 ° advance circuit described above.

本発明の電力変換装置は、電流制御を回転座標上の演算で行うため、静止座標系の電圧値および電流値を回転座標系に変換する第1の座標変換部を備える。また、回転座標上の電流制御で得られた電圧制御値を用いて単相コンバータを制御するには、静止座標上で駆動する単相コンバータに合わせて、回転座標上の電圧制御値を静止座標上の電圧制御値に逆変換する必要がある。本発明の電力変換装置は、この回転座標系から静止座標系への逆変換を行うために第2の座標変換部とを備える。   The power conversion device of the present invention includes a first coordinate conversion unit that converts a voltage value and a current value of a stationary coordinate system into a rotation coordinate system in order to perform current control by calculation on the rotation coordinate. To control the single-phase converter using the voltage control value obtained by the current control on the rotating coordinate, the voltage control value on the rotating coordinate is set to the stationary coordinate in accordance with the single-phase converter driven on the stationary coordinate. It is necessary to convert back to the voltage control value above. The power conversion device of the present invention includes a second coordinate conversion unit for performing inverse conversion from the rotating coordinate system to the stationary coordinate system.

第1の座標変換部および第2の座標変換部は、座標変換の演算を行うために入力電圧の位相角を演算パラメータとして必要としている。本発明電力変換装置は、この入力電圧の位相角を検出する位相検出手段を備える。この位相検出手段は、位相シフタの出力を用いるものであり、位相シフタによるローパスフィルタ出力の零点を基準として入力電圧の位相角を検出する。   The first coordinate conversion unit and the second coordinate conversion unit require the phase angle of the input voltage as a calculation parameter in order to perform the coordinate conversion calculation. The power converter of the present invention includes phase detection means for detecting the phase angle of the input voltage. This phase detection means uses the output of the phase shifter, and detects the phase angle of the input voltage with reference to the zero point of the low-pass filter output by the phase shifter.

本発明のオペアンプを用いた90°進み回路により構成される位相シフタは、入力電圧の位相を90°進める特性の他にローパスフィルタの特性を有している。したがって、入力電圧信号に高周波成分やピーク成分が含まれている場合であっても、このローパスフィルタの特性によってこれらの高周波成分やピーク成分は除去され、基本波を抽出することができる。   The phase shifter configured by a 90 ° advance circuit using the operational amplifier of the present invention has a low-pass filter characteristic in addition to the characteristic of advancing the phase of the input voltage by 90 °. Therefore, even when the input voltage signal includes a high frequency component and a peak component, the high frequency component and the peak component are removed by the characteristics of the low-pass filter, and the fundamental wave can be extracted.

また、本発明のオペアンプを用いた90°進み回路の直流分に対するゲインを有限値とすることによって、入力信号に含まれるオフセット電圧が増幅されることによる飽和を防ぐことができる。   Further, by setting the gain with respect to the direct current component of the 90 ° advance circuit using the operational amplifier of the present invention to a finite value, saturation due to amplification of the offset voltage included in the input signal can be prevented.

位相検出手段は、位相シフタの出力が零となる零点を基準として位相角を検出する際、信号成分から高周波成分やピーク成分を除去することによって、零点を誤って検出することを防ぐことができ、位相角を高精度で検出することができる。   When detecting the phase angle based on the zero point at which the output of the phase shifter becomes zero, the phase detection means can prevent the zero point from being erroneously detected by removing the high frequency component and the peak component from the signal component. The phase angle can be detected with high accuracy.

また、本発明の構成によれば、入力電圧値を回転座標系に変換するために備える位相シフタを位相検出に兼用することができるため、回路構成を簡略化し小型化することができる。   Further, according to the configuration of the present invention, the phase shifter provided for converting the input voltage value to the rotating coordinate system can be used for phase detection, so that the circuit configuration can be simplified and miniaturized.

本発明が備える単相コンバータは、例えば、入力端と出力端との間に、自己消弧形素子とダイオードとを並列接続したスイッチ素子をブリッジ接続してなる単相ブリッジ回路で構成することができる。各スイッチ素子を電圧指令値に従って開閉制御することにより交流電力を直流電力に電力変換する。   The single-phase converter included in the present invention may be configured by a single-phase bridge circuit in which a switch element in which a self-extinguishing element and a diode are connected in parallel is bridge-connected between an input terminal and an output terminal, for example. it can. AC power is converted to DC power by opening and closing each switch element according to a voltage command value.

本発明の態様によれば、回転座標系に変換した入力電圧を、回転座標上の電圧指令値に加算することによって、交流入力電圧の変動に起因する交流入力電流の変動を抑制することができる。   According to the aspect of the present invention, by adding the input voltage converted to the rotation coordinate system to the voltage command value on the rotation coordinate, it is possible to suppress the fluctuation of the AC input current due to the fluctuation of the AC input voltage. .

本発明の態様によれば、位相シフタにローパスフィルタの特性を持たせることによって、座標変換に用いる位相角の演算パラメータを簡易で高精度で検出することができる。   According to the aspect of the present invention, by providing the phase shifter with the characteristics of a low-pass filter, it is possible to easily and accurately detect the calculation parameter of the phase angle used for coordinate conversion.

本発明の態様によれば、位相シフタとしてオペアンプを用いた90°進み回路を用い、この90°進み回路の直流信号のゲインを有限値とすることで、入力電圧に含まれるオフセット電圧が増幅されて飽和することを防ぐことができる。   According to the aspect of the present invention, the offset voltage included in the input voltage is amplified by using a 90 ° advance circuit using an operational amplifier as a phase shifter and setting the gain of the DC signal of this 90 ° advance circuit to a finite value. To prevent saturation.

以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、交流入力電圧の変動に起因する課題を解決することができる。   As described above, according to the power conversion device of the present invention, it is possible to solve the problem caused by the fluctuation of the AC input voltage.

より詳細には、本発明の電力変換装置によれば、回転座標系で行う電力変換において、交流入力電圧に高調波が含まれる場合や交流入力電圧が急激に変動した場合に、交流入力電流の変動を抑制することができる。   More specifically, according to the power conversion device of the present invention, in the power conversion performed in the rotating coordinate system, when the AC input voltage includes harmonics or when the AC input voltage fluctuates rapidly, the AC input current Variations can be suppressed.

また、回転座標系で行う電力変換において、変換および逆変換の座標変換に用いる入力電圧の位相角を簡易で高精度に検出することができる。   Further, in the power conversion performed in the rotating coordinate system, the phase angle of the input voltage used for the coordinate conversion of conversion and inverse conversion can be detected easily and with high accuracy.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2は本発明の電力変換装置の一構成例を説明するための図である。図2は、前記した図1に示す概略構成を詳細に示した図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration example of the power conversion device of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing in detail the schematic configuration shown in FIG.

図2において、電源2は交流電源2Aとし、コンバータ3は、自己消弧形素子とダイオードとを並列接続したスイッチ素子3a〜3dをブリッジ接続してなる単相ブリッジ回路で構成し、入力端はインダクタンスLを介して交流電源2Aと接続し、出力端は平滑コンデンサを介して負荷4と接続する。   In FIG. 2, the power source 2 is an AC power source 2A, and the converter 3 is constituted by a single-phase bridge circuit formed by bridge-connecting switch elements 3a to 3d in which a self-extinguishing element and a diode are connected in parallel. An AC power source 2A is connected via an inductance L, and an output terminal is connected to a load 4 via a smoothing capacitor.

スイッチ素子3a〜3dは、制御パルス生成手段18bからの制御パルス信号によって開閉のタイミングと開閉間隔が制御され、交流電源2Aからの交流電力は直流電力に変換されて負荷4に供給される。   The switching elements 3a to 3d are controlled in opening / closing timing and opening / closing interval by a control pulse signal from the control pulse generator 18b, and the AC power from the AC power source 2A is converted into DC power and supplied to the load 4.

電流検出手段21Aは、交流電源2A側の入力電流値を検出し、また、電圧検出手段21Bは交流電源2A側の入力電圧値を検出する。電流検出手段21Aは、検出した電流値を、第1座標変換部11を構成する回転座標変換手段11Aに入力すると共に、位相シフタ16を構成する90°進み回路16Aに入力する。また、電圧検出手段21Bは、検出した電圧値を、第1座標変換部11を構成する回転座標変換手段11Bに入力すると共に、位相シフタ16を構成する90°進み回路16Bに入力する。   The current detection means 21A detects the input current value on the AC power supply 2A side, and the voltage detection means 21B detects the input voltage value on the AC power supply 2A side. The current detection unit 21A inputs the detected current value to the rotation coordinate conversion unit 11A constituting the first coordinate conversion unit 11 and also to the 90 ° advance circuit 16A constituting the phase shifter 16. In addition, the voltage detection unit 21B inputs the detected voltage value to the rotation coordinate conversion unit 11B constituting the first coordinate conversion unit 11 and to the 90 ° advance circuit 16B constituting the phase shifter 16.

90°進み回路16Aおよび90°進み回路16Bは、オペアンプにより構成することができ、所定周波数において所定のゲインを有し、90°の位相ずれを有する周波数特性を備える。この90°進み回路の詳細については後述する。   The 90 ° advance circuit 16A and the 90 ° advance circuit 16B can be configured by operational amplifiers, have a predetermined gain at a predetermined frequency, and have a frequency characteristic having a phase shift of 90 °. Details of the 90 ° advance circuit will be described later.

回転座標変換手段11Aは、電流検出手段21Aから静止座標系の交流入力電流ia′を入力し、90°進み回路16Aから静止座標系の交流入力電流ib′を入力する。交流入力電流ib′は交流入力電流ia′に対して90°位相が進んだ信号である。回転座標変換手段11Aは、入力した静止座標系の交流入力電流ia′および交流入力電流ib′に対して座標変換の演算を施して回転座標系(dq座標変換系)のd軸電流id′およびq軸電流iq′を算出する。 The rotating coordinate conversion unit 11A receives the AC input current i a ′ of the stationary coordinate system from the current detection unit 21A, and receives the AC input current i b ′ of the stationary coordinate system from the 90 ° advance circuit 16A. The AC input current i b ′ is a signal whose phase is advanced by 90 ° with respect to the AC input current i a ′. The rotating coordinate conversion unit 11A performs a coordinate conversion operation on the input AC input current i a ′ and AC input current i b ′ of the stationary coordinate system, and d-axis current i of the rotating coordinate system (dq coordinate conversion system). d ′ and q-axis current i q ′ are calculated.

また、回転座標変換手段11Bは、電圧検出手段21Bから静止座標系の交流入力電圧ea′を入力し、90°進み回路16Bから静止座標系の交流入力電圧eb′を入力する。交流入力電圧eb′は交流入力電圧ea′に対して90°位相が進んだ信号である。回転座標変換手段11Bは、入力した静止座標系の交流入力電圧ea′および交流入力電圧eb′に対して座標変換の演算を施して回転座標系(dq座標変換系)のd軸電圧ed′およびq軸電圧eq′を算出する。 The rotating coordinate conversion unit 11B receives the AC input voltage e a ′ of the stationary coordinate system from the voltage detection unit 21B, and receives the AC input voltage e b ′ of the stationary coordinate system from the 90 ° advance circuit 16B. The AC input voltage e b ′ is a signal whose phase is advanced by 90 ° with respect to the AC input voltage e a ′. The rotating coordinate conversion means 11B performs a coordinate conversion operation on the input AC input voltage e a ′ and AC input voltage e b ′ of the stationary coordinate system, and d-axis voltage e of the rotating coordinate system (dq coordinate conversion system). d ′ and q-axis voltage e q ′ are calculated.

また、位相検出部17は、90°進み回路16Bから静止座標系の交流入力電圧eb′を入力し、この交流入力電圧eb′が零点をなる時点を検出することで入力電圧の位相角ωtを算出する。回転座標変換手段11A,11Bは、位相検出部17で求めた位相角ωtを演算パラメータとして座標変換を行う。また、この位相角ωtは、回転座標系から静止座標系に逆変換を行う回転座標変換部12にも送られる。 Further, the phase detector 17 receives the AC input voltage e b ′ of the stationary coordinate system from the 90 ° advance circuit 16B, and detects the time point at which the AC input voltage e b ′ becomes zero to detect the phase angle of the input voltage. ωt is calculated. The rotation coordinate conversion means 11A and 11B perform coordinate conversion using the phase angle ωt obtained by the phase detection unit 17 as an operation parameter. The phase angle ωt is also sent to the rotating coordinate conversion unit 12 that performs inverse conversion from the rotating coordinate system to the stationary coordinate system.

回転座標系制御部13は、d軸電流id′とその目標値id *との偏差を求める減算器31と、減算器31で求めた(id′−id *)を入力して、d軸電流id′を目標値id *に制御するためのPI制御器14aと、q軸電流iq′をωL倍するための掛算器14eと、掛算器14eの出力とPI制御器14aの出力との偏差を求める減算器33を備えると共に、q軸電流iq′とその目標値iq *との偏差を求める減算器32と、減算器32で求めた(iq′−iq *)を入力して、q軸電流iq′を目標値iq *に制御するためのPI制御器14bと、d軸電流id′をωL倍するための掛算器14fと、掛算器14fの出力とPI制御器14bの出力とを加算する加算器34を備える。 The rotating coordinate system control unit 13 inputs a subtractor 31 for obtaining a deviation between the d-axis current i d ′ and its target value i d *, and (i d ′ −i d * ) obtained by the subtractor 31. , A PI controller 14a for controlling the d-axis current i d ′ to the target value i d * , a multiplier 14e for multiplying the q-axis current i q ′ by ωL, an output of the multiplier 14e, and a PI controller 14a, a subtractor 33 for obtaining a deviation from the output 14a, a subtractor 32 for obtaining a deviation between the q-axis current i q 'and its target value i q * , and a subtracter 32 (i q ' -i q * ), the PI controller 14b for controlling the q-axis current i q 'to the target value i q * , the multiplier 14f for multiplying the d-axis current i d ' by ωL, and the multiplier An adder 34 for adding the output of 14f and the output of the PI controller 14b is provided.

また、減算器33には回転座標変換手段11Bからのd軸電圧ed′が加算され、加算器34には回転座標変換手段11Bからのq軸電圧eq′が減算される。 Further, the d-axis voltage e d ′ from the rotation coordinate conversion unit 11B is added to the subtracter 33, and the q-axis voltage e q ′ from the rotation coordinate conversion unit 11B is subtracted from the adder 34.

この構成によって、回転座標系制御部13の減算器33からはd軸制御電圧vd′が出力され、回転座標系制御部13の加算器34からはq軸制御電圧vq′が出力される。 With this configuration, the d-axis control voltage v d ′ is output from the subtractor 33 of the rotating coordinate system control unit 13, and the q-axis control voltage v q ′ is output from the adder 34 of the rotating coordinate system control unit 13. .

減算器33および加算器34は、回転座標系制御部13の電流変動抑制手段を構成する。減算器33による電流変動抑制手段は、電流制御で得られたd軸制御電圧vd′にd軸電圧ed′を加算することによって、入力電圧変動による電流変動を抑制する。また、加算器34による電流変動抑制手段は、電流制御で得られたq軸制御電圧vq′にq軸電圧ed′を加算することによって、入力電圧変動による電流変動を抑制する。 The subtractor 33 and the adder 34 constitute current fluctuation suppressing means of the rotating coordinate system control unit 13. The current fluctuation suppression means by the subtractor 33 suppresses the current fluctuation due to the input voltage fluctuation by adding the d-axis voltage e d ′ to the d-axis control voltage v d ′ obtained by the current control. The current fluctuation suppression means by the adder 34 suppresses current fluctuation due to input voltage fluctuation by adding the q-axis voltage e d ′ to the q-axis control voltage v q ′ obtained by current control.

回転座標系制御部13では、d軸電流の目標値としてid *を入力し、q軸電流の目標値としてiq *を入力する。 In the rotating coordinate system control unit 13, i d * is input as a target value of the d- axis current, and i q * is input as a target value of the q-axis current.

目標値id *は、単相コンバータ3の直流出力電圧vdc′が直流電圧指令値vdc *となるように、回転座標系制御部13を制御する。この目標値id *を求める構成は、単相コンバータ3の直流出力電圧vdc′を検出する検出器22と、直流電圧指令値vdc *を出力する指定電圧設定手段14dと、直流出力電圧vdc′と直流電圧指令値vdc *との偏差を求める減算器30と、求めた偏差(vdc *−vdc′)をPI制御して直流出力電圧vdc′を一定に保持させるためのPI制御器14cとを備え、このPI制御器14cの出力id *を目標値としてPI制御器14aの入力側の減算器31に入力する。 The target value i d * controls the rotating coordinate system control unit 13 so that the DC output voltage v dc ′ of the single-phase converter 3 becomes the DC voltage command value v dc * . The configuration for obtaining the target value i d * includes a detector 22 that detects the DC output voltage v dc ′ of the single-phase converter 3, designated voltage setting means 14 d that outputs a DC voltage command value v dc * , and a DC output voltage. In order to hold the DC output voltage v dc ′ constant by PI control of the subtractor 30 for obtaining the deviation between v dc ′ and the DC voltage command value v dc * and the obtained deviation (v dc * −v dc ′). And an output i d * of the PI controller 14c is input as a target value to the subtractor 31 on the input side of the PI controller 14a.

一方、目標値iq *は無効電流指令とし、単相コンバータ3による電力変換において無効電力が零となるように回転座標系制御部13を制御する。無効電流指令は無効電力を零として力率を1とするために、目標値iq *を“0”に設定し、この目標値iq *=0を目標値としてPI制御器14bの入力側の減算器32に入力する。 On the other hand, the target value i q * is a reactive current command, and the rotary coordinate system control unit 13 is controlled so that the reactive power becomes zero in the power conversion by the single-phase converter 3. The reactive current command sets the target value i q * to “0” so that the reactive power is zero and the power factor is 1, and the target value i q * = 0 is set as the target value on the input side of the PI controller 14b. Are input to the subtractor 32.

座標変換部12は、回転座標系制御部13で得られたd軸制御電圧vd′とq軸制御電圧vq′の制御出力を逆変換して、回転座標系から静止座標系に再変換する。 The coordinate conversion unit 12 inversely converts the control output of the d-axis control voltage v d ′ and the q-axis control voltage v q ′ obtained by the rotation coordinate system control unit 13 and reconverts from the rotation coordinate system to the stationary coordinate system. To do.

制御パルス生成手段18bは、座標変換部12の再変換で得られた静止座標系の制御電圧va′を用いて単相コンバータ3を制御する制御パルス信号を生成する。制御パルス信号の生成は、例えば、制御電圧va′の電圧値と三角波形のキャリア信号とを比較することで行う。 The control pulse generator 18 b generates a control pulse signal for controlling the single-phase converter 3 using the control voltage v a ′ of the stationary coordinate system obtained by the re-conversion of the coordinate converter 12. The generation of the control pulse signal is performed, for example, by comparing the voltage value of the control voltage v a ′ with a triangular waveform carrier signal.

以下、上述した電力変換装置が備える各構成部分において、90°進み回路の構成および動作について図3〜図6を用いて説明し、回転座標上で行う電流制御について図7〜図10を用いて説明し、電流制御の指令値について図11を用いて説明し、PWMパスルの出力について図12を用いて説明し、本発明の実施例について図13〜図16を用いて説明する。   Hereinafter, in each component included in the above-described power conversion device, the configuration and operation of the 90 ° advance circuit will be described with reference to FIGS. 3 to 6, and current control performed on the rotation coordinates will be described with reference to FIGS. 7 to 10. The command value of current control will be described with reference to FIG. 11, the output of the PWM pulse will be described with reference to FIG. 12, and the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

[90°進み回路の構成および動作]
本発明は、交流電圧あるいは交流電流に対して位相が90°ずれた信号を形成する回路として、オペアンプを用いた新規な構成の回路を用いる。この90°進み回路は一定の周波数以上において位相が90°進んだ信号を出力する周波数特性を備えるもので、電力変換装置の単相コンバータが電力変換する交流信号の周波数において、入力した電流信号あるいは電圧信号の位相を90°進める。
[Configuration and operation of 90 ° lead circuit]
In the present invention, a circuit having a novel configuration using an operational amplifier is used as a circuit for forming a signal whose phase is shifted by 90 ° with respect to an AC voltage or an AC current. This 90 ° advance circuit has a frequency characteristic that outputs a signal whose phase is advanced by 90 ° at a certain frequency or higher, and at the frequency of the AC signal that is converted by the single-phase converter of the power converter, the input current signal or Advance the phase of the voltage signal by 90 °.

一般に、オペアンプを用いて90°進み回路を構成することが知られている。図3は一般的なオペアンプを用いた90°進み回路の構成例である。   In general, it is known to form a 90 ° advance circuit using an operational amplifier. FIG. 3 shows a configuration example of a 90 ° advance circuit using a general operational amplifier.

図3に示す回路構成の90°進み回路は、オペアンプOPの入力抵抗にR1を接続し帰還抵抗にC1を接続して構成され、入力信号eaの位相を90°ずらした出力信号eoを出力する。 90 ° leading circuit having the circuit configuration shown in FIG. 3 is constructed by connecting the C 1 to feedback resistor connected to R 1 in the input resistance of the operational amplifier OP, the input signal e a output signal e whose phase is shifted by 90 ° of Output o .

この回路の伝達関数は、
o/ea=−(1/C11)・(1/s)
で表され、上記式でs→0とすることで得られる、時間が充分経過したときの直流分のゲインは無限大となる。そのため、入力信号に含まれるオフセット電圧の直流分が積分されて出力eoは飽和することになる。
The transfer function of this circuit is
e o / e a = − (1 / C 1 R 1 ) · (1 / s)
The gain for the direct current when the time has sufficiently passed, obtained by setting s → 0 in the above formula, is infinite. For this reason, the DC component of the offset voltage included in the input signal is integrated, and the output eo is saturated.

そこで、本発明では、90°進み回路は図4に示す回路構成とすることで、所定の周波数特性を備えると共に、上記した飽和の問題を解消する。図4に示す90°進み回路40は、オペアンプOPに接続する帰還抵抗として、第1のコンデンサC1と、接続点を第2のコンデンサC2を介して接地した抵抗RF1とRF2の直列抵抗との並列回路とする構成である。 Therefore, in the present invention, the 90 ° advance circuit has the circuit configuration shown in FIG. 4 to provide a predetermined frequency characteristic and solve the above-described saturation problem. The 90 ° advance circuit 40 shown in FIG. 4 has a first capacitor C 1 as a feedback resistor connected to the operational amplifier OP and a series of resistors R F1 and R F2 whose connection point is grounded via the second capacitor C 2. In this configuration, a parallel circuit with a resistor is used.

一般に、交流電圧を式(1)で表されるeaとしたとき、このeaに対して位相が90°進んだ交流入力電圧ebは式(2)で表される。 In general, when an AC voltage is e a of the formula (1), the AC input voltage e b the phase advances 90 ° to this e a is expressed by Equation (2).

図4で示される90°進み回路40の伝達関数は式(3)で表される。式(3)中のeaは90°進み回路の入力信号であり、eoは90°進み回路の出力信号である。ここでは、90°進み回路への入力信号と交流電圧の一般式とを、共に位相進めを行う前の信号として共通するeaで表している。 The transfer function of the 90 ° advance circuit 40 shown in FIG. 4 is expressed by Equation (3). In equation (3), e a is a 90 ° advance circuit input signal, and e o is a 90 ° advance circuit output signal. Here, the input signal to the 90 ° advance circuit and the general expression of the AC voltage are both represented by ea which is a common signal before the phase advance.

上記式(3)において、sが以下の式(4)の関係を満たすような領域では、
式(3)で示される伝達関数(eo/ea)は、式中のsにωtを代入して近似式を求めると以下の式(5)で表される。
In the above formula (3), in a region where s satisfies the relationship of the following formula (4),
The transfer function (e o / e a ) shown in the equation (3) is expressed by the following equation (5) when an approximate equation is obtained by substituting ωt for s in the equation.

式(4)を満たすsの領域は、例えば、周波数ωと時間tとの積が1/(C1(RF1+RF2+sCFF1F2)よりも充分に大きい領域であり、所定の周波数ωでは充分な時間が経過した後の状態であることを表し、所定の時間tが経過した時点においては周波数ωが充分な大きな状態であることを表している。 The region of s satisfying the equation (4) is a region in which the product of the frequency ω and the time t is sufficiently larger than 1 / (C 1 (R F1 + R F2 + sC F R F1 R F2 ), for example. The frequency ω represents a state after a sufficient time has elapsed, and the frequency ω represents a sufficiently large state when a predetermined time t has elapsed.

ここでR1、C1の各定数を以下の条件を満たすように選定する。 Here, each constant of R 1 and C 1 is selected so as to satisfy the following conditions.

選定の条件は、式(2)のeb中の基本波成分(n=1)が式(4)を満たす領域であって、かつ、1/R11ω1=1を満たすものである。 Conditions of selection is the fundamental wave component in e b of formula (2) (n = 1) is a region satisfying the equation (4), and those satisfying 1 / R 1 C 1 ω 1 = 1 is there.

なお、1/R11ω1=1の条件は、式(4)を満たすような領域において、ゲインが“1”となる条件を表している。 Note that the condition of 1 / R 1 C 1 ω 1 = 1 represents a condition in which the gain is “1” in a region that satisfies Equation (4).

上記の条件を満たすR1、C1の各定数を選定すると、交流入力電圧eaとebの基本波の振幅はEb1≒Ea1と近似することができる。 When the constants R 1 and C 1 satisfying the above conditions are selected, the amplitudes of the fundamental waves of the AC input voltages e a and e b can be approximated as E b1 ≈E a1 .

したがって、この振幅の関係から、90°進み回路の出力信号eoは90°位相を進めた出力信号ebとして利用することができ、以下の式(6)で表される。 Therefore, from the relationship of this amplitude, the output signal of the 90 ° leading circuit e o can be utilized as an output signal e b that proceeded 90 ° phase, represented by the following equation (6).

これにより、本発明の図4に示す90°進み回路40の回路構成は、入力信号eaの位相を90°進めた出力信号eoを出力する。 Thus, the circuit configuration of the 90 ° leading circuit 40 shown in FIG. 4 of the present invention, an output signal e o of the phase advanced by 90 ° of the input signal e a.

なお、図2に示した本発明の電力変換装置1では、位相シフタとして90°進み回路40を用いる構成例を示しているが、90°遅れ回路を用いる構成例とすることもできる。この場合には、図4に示した90°進み回路に代えて、図5に示す構成の90°遅れ回路を用いることができる。   In the power conversion device 1 of the present invention shown in FIG. 2, the configuration example using the 90 ° advance circuit 40 as the phase shifter is shown, but the configuration example using the 90 ° delay circuit may be used. In this case, a 90 ° delay circuit having the configuration shown in FIG. 5 can be used in place of the 90 ° advance circuit shown in FIG.

図5に示す90°遅れ回路42は、図4に示した90°進み回路40の出力端に位相反転回路41を接続することで構成することができる。位相反転回路41は、例えば、オペアンプOPに入力抵抗R2と帰還抵抗R3を接続することで構成することができる。位相反転回路41は、90°進み回路40の出力の位相を反転する。この90°遅れ回路42の出力信号ebは以下の式(7)で表される。 The 90 ° delay circuit 42 shown in FIG. 5 can be configured by connecting a phase inverting circuit 41 to the output terminal of the 90 ° advance circuit 40 shown in FIG. The phase inversion circuit 41 can be configured, for example, by connecting an input resistor R 2 and a feedback resistor R 3 to the operational amplifier OP. The phase inversion circuit 41 inverts the phase of the output of the 90-degree advance circuit 40. Output signal e b of 90 ° delay circuit 42 is expressed by the following equation (7).

以下では、本発明の電力変換装置が備える位相シフタは90°進み回路の例を用いて説明するが、90°遅れ回路を用いた構成についても同様とすることができる。   Hereinafter, the phase shifter included in the power conversion device of the present invention will be described using an example of a 90 ° advance circuit, but the same can be applied to a configuration using a 90 ° delay circuit.

本発明の電力変換装置に用いる、図4に示す90°進み回路の一例について説明する。ここで示す例は、基本波が50Hzにおいて、入力電圧eaの基本波の振幅Ea1と、90°位相を進めた出力電圧ebの基本波の振幅Eb1がほぼ等しくなる(Ea1≒Eb1)ようにC1,C2,R1,R2,R3の定数を選定する。 An example of the 90 ° advance circuit shown in FIG. 4 used in the power conversion apparatus of the present invention will be described. Examples shown here, the fundamental wave is 50 Hz, the fundamental wave amplitude E a1 of the input voltage e a, substantially equal 90 ° output voltage advanced phase e b amplitude E b1 of the fundamental wave (E a1 ≒ E b1 ) The constants of C 1 , C 2 , R 1 , R 2 , R 3 are selected.

この定数の選定では、帰還抵抗(RF1+RF2)と入力抵抗R1との抵抗比((RF1+RF2)/R1)を例えば4程度に設定し、オペアンプOPの内部抵抗を充分に大きな値としている。 In selecting this constant, the resistance ratio ((R F1 + R F2 ) / R 1 ) between the feedback resistance (R F1 + R F2 ) and the input resistance R 1 is set to about 4, for example, and the internal resistance of the operational amplifier OP is sufficiently set. Great value.

図6は、上記で選定した定数で90°進み回路を構成したときの周波数特性を示し、非反転回路として計算したシミュレーション結果を示している。   FIG. 6 shows frequency characteristics when a 90 ° lead circuit is configured with the constants selected above, and shows simulation results calculated as a non-inverting circuit.

この90°進み回路は、基本波が50Hzにおいて、入力電圧eaと出力電圧ebの各基本波の振幅がほぼ等しくなるようにゲインを設定しているため、ゲインは50Hz付近で0dBを示し、位相はほぼ20Hz以上の周波数で−90°を維持する特性を示している。 The 90 ° leading circuit, in the fundamental wave is 50 Hz, the amplitude of the fundamental wave of the input voltage e a output voltage eb is set the gain to be substantially equal, the gain represents the 0dB around 50 Hz, The phase has a characteristic of maintaining −90 ° at a frequency of approximately 20 Hz or more.

本発明の90°進み回路の回路構成によれば、直流成分のゲインは
(RF1+RF2)/R1
で表すことができる。このゲインは、式(3)においてs=0とおくことによって求めることができる。
According to the circuit configuration of the 90 ° advance circuit of the present invention, the gain of the DC component is (R F1 + R F2 ) / R 1.
Can be expressed as This gain can be obtained by setting s = 0 in equation (3).

したがって、直流成分のゲインは有限であるため、入力信号にオフセット電圧が生じたとしても、出力信号が飽和することはなく、前記した図3に示した90°進み回路の回路構成の場合のように、時間経過とともに出力信号が飽和するという問題は生じない。   Therefore, since the gain of the DC component is finite, even if an offset voltage is generated in the input signal, the output signal is not saturated, as in the case of the circuit configuration of the 90 ° advance circuit shown in FIG. In addition, the problem that the output signal saturates with time does not occur.

例えば、上記回路構成において上述したように定数を選定すると、5mVのオフセット電圧が生じた場合には、
a×(RF1+RF2/R1)=5mV×4=20mV
の直流分が出力されるに過ぎず、出力が飽和するという問題は生じない。
For example, when a constant is selected as described above in the above circuit configuration, when an offset voltage of 5 mV is generated,
e a × (R F1 + R F2 / R 1 ) = 5 mV × 4 = 20 mV
Only a direct current component is output, and the problem that the output is saturated does not occur.

[回転座標上で行う電流制御]
次に、本発明の回転座標上で行うコンバータの電流制御について、図7〜図10を用いて説明する。図7はコンバータの入出力関係を説明するための図であり、図8は静止座標系と回転座標系との関係を説明するための図であり、図9は90°位相進め回路のローパスフィルタ特性を説明するための図であり、図10はコンバータを電流制御する電流制御ブロックを示す図である。
[Current control on rotating coordinates]
Next, converter current control performed on the rotational coordinates of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a diagram for explaining the input / output relationship of the converter, FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the stationary coordinate system and the rotating coordinate system, and FIG. 9 is a low-pass filter of a 90 ° phase advance circuit. FIG. 10 is a diagram for explaining the characteristics, and FIG. 10 is a diagram showing a current control block for controlling the current of the converter.

図7において、単相コンバータ3は、入力端と出力端との間に、自己消弧形素子とダイオードとを並列接続したスイッチ素子3a〜3dをブリッジ接続してなる単相ブリッジ回路から構成される。単相コンバータ3の入力端にはインダクタンスLを介して交流電源2Aが接続され、単相コンバータ3の出力端には平滑コンデンサと負荷4が接続されている。   In FIG. 7, the single-phase converter 3 includes a single-phase bridge circuit formed by bridge-connecting switch elements 3a to 3d in which a self-extinguishing element and a diode are connected in parallel between an input terminal and an output terminal. The An AC power source 2 </ b> A is connected to the input end of the single-phase converter 3 via an inductance L, and a smoothing capacitor and a load 4 are connected to the output end of the single-phase converter 3.

単相コンバータ3の各スイッチ素子3a〜3dは、電圧指令値に従って開閉制御され、交流電力を直流電力に電力変換して負荷4に供給する。なお、eaは交流入力電圧、iaは交流入力電流、vaはコンバータの入力側電圧である。 The switch elements 3 a to 3 d of the single-phase converter 3 are controlled to be opened and closed according to the voltage command value, convert AC power into DC power, and supply the DC power to the load 4. Note that e a is an AC input voltage, i a is an AC input current, and v a is an input voltage of the converter.

この単相コンバータにおいて、入力電圧eaを回転ベクトルの実軸成分(図8中の実軸(a軸)で示す)とすると、90°進め回路で位相を90°進めた電圧ebを回転ベクトルの虚軸成分(図8中の虚軸(b軸)で示す)で表すことができる。 In this single-phase converter, if the input voltage e a is the real axis component of the rotation vector (indicated by the real axis (a axis) in FIG. 8), the voltage e b whose phase is advanced by 90 ° is rotated by the 90 ° advance circuit. It can be represented by an imaginary axis component of the vector (indicated by an imaginary axis (b axis) in FIG. 8).

また、交流入力電流ia、および入力側電圧vaについても回転ベクトルの実軸成分とし、90°進め回路で位相を90°進めた電流ib、および電圧vbを回転ベクトルの虚軸成分で表すことができる。 Further, the AC input current i a and the input side voltage v a are also used as the real axis components of the rotation vector, and the current i b and the voltage v b whose phase is advanced by 90 ° by the 90 ° advance circuit are used as the imaginary axis component of the rotation vector. Can be expressed as

これらの実軸成分ea,ia,およびvaと虚軸成分eb,ib,およびvbの各電圧・電流の関係は以下の式(8)で表される行列[C]を用いて、入力電圧に同期した回転座標上(dq軸座標上)に変換することができる。また、この逆行列[C]-1により回転座標上から静止座標上に逆変換することができる。 The relationship between the voltages and currents of the real axis components e a , i a , and va and the imaginary axis components e b , i b , and v b uses a matrix [C] represented by the following equation (8). Thus, it can be converted to a rotation coordinate (on the dq axis coordinate) synchronized with the input voltage. Further, the inverse matrix [C] −1 can be inversely transformed from the rotational coordinates to the stationary coordinates.

ここで、交流入力電圧の回転座標(dq軸座標)上の値をed(d軸成分),eq(q軸成分)とすると、上記した変換行列[C]を用いることによって以下の式(9)で表される。 Here, the value of e d (d-axis component) of the rotating coordinate of the AC input voltage (dq-axis coordinate), when e q (q-axis component), the following equation by using the transformation matrix described above [C] It is represented by (9).

また、同様にして、交流入力電流の回転座標(dq軸座標)上の値をid(d軸成分),iq(q軸成分)とし、コンバータの入力電圧の回転座標(dq軸座標)上の値をvd(d軸成分),vq(q軸成分)とすると、上記した変換行列[C]を用いることによって、それぞれ以下の式(9)、(10)で表される。 Similarly, the values on the rotational coordinates (dq-axis coordinates) of the AC input current are i d (d-axis components) and i q (q-axis components), and the rotational coordinates of the converter input voltage (dq-axis coordinates). Assuming that the upper values are v d (d-axis component) and v q (q-axis component), the above-described transformation matrix [C] is used to represent the following expressions (9) and (10), respectively.

上記した座標変換を行うためには、入力電圧の位相角ωtが必要である。交流の位相角を得るには電圧の零点を基準にしてωtを決定するのが一般的である。しかしながら、入力電圧の波形に高調波が含まれるときにはゼロクロスを複数回行う場合がある。このように、複数回のゼロクロスが行われると、ゼロクロス毎に零点が検出され、本来1点で検出されるべき零点が複数の検出されることになり、結局誤った位相が検出されることになる。   In order to perform the coordinate conversion described above, the phase angle ωt of the input voltage is necessary. In order to obtain an AC phase angle, ωt is generally determined based on the zero point of the voltage. However, when the input voltage waveform includes harmonics, zero crossing may be performed a plurality of times. As described above, when a plurality of zero crossings are performed, a zero point is detected for each zero cross, and a plurality of zero points that should be originally detected at one point are detected, and an erroneous phase is eventually detected. Become.

これに対して、本発明は座標変換のために90°位相をずらせるために用いた位相シフタが備えるローパスフィルタの特性を利用することで、入力電圧の波形に含まれる高調波を除去し、位相シフタの出力から位相角ωを求める。   On the other hand, the present invention removes harmonics included in the waveform of the input voltage by utilizing the characteristics of the low-pass filter provided in the phase shifter used to shift the phase by 90 ° for coordinate conversion, The phase angle ω is obtained from the output of the phase shifter.

前記した本発明が備える90°位相進め回路は、前記した図6の周波数特性に示すように、高調波成分を減衰してノイズや高調波が除去するローパスフィルタの特性を有し、さらに、本回路構成では50Hzや60Hz等の所定の周波数に対して位相のずれがほぼ90°の一定となるため、本回路構成の90°位相進め回路の出力について零点を基準にしてsinωt,cosωtを求めることで、位相を正確に検出することができる。   The 90 ° phase advance circuit provided in the present invention has the characteristics of a low-pass filter that attenuates harmonic components and removes noise and harmonics as shown in the frequency characteristics of FIG. In the circuit configuration, the phase shift is constant at approximately 90 ° with respect to a predetermined frequency such as 50 Hz or 60 Hz. Therefore, sinωt and cosωt are obtained with reference to the zero point for the output of the 90 ° phase advance circuit of this circuit configuration. Thus, the phase can be accurately detected.

また、本回路構成では、座標変換するための回路の一部を流用するため、新たにフィルタ回路を設ける必要が無いという効果を有している。   Further, this circuit configuration has an effect that it is not necessary to newly provide a filter circuit since a part of the circuit for coordinate conversion is diverted.

図9は本発明の電力変換装置が備える90°位相進め回路のローパスフィルタ特性を説明するための図である。図9(a),(b)に示すシミュレーション結果によれば、高調波成分を含む入力電圧を90°位相進め回路に通すと、位相が90°ずれた出力電圧が出力されると共に、入力電圧に含まれていた高調波成分は除去される。   FIG. 9 is a diagram for explaining the low-pass filter characteristics of the 90 ° phase advance circuit provided in the power converter of the present invention. According to the simulation results shown in FIGS. 9A and 9B, when an input voltage including a harmonic component is passed through a 90 ° phase advance circuit, an output voltage whose phase is shifted by 90 ° is output, and the input voltage The harmonic component contained in is removed.

ここで、図7の回路において交流入力電圧e,交流入力電流i,コンバータの入力電圧vの関係は次式の式(12)、(13)で表される。   Here, in the circuit of FIG. 7, the relationship between the AC input voltage e, the AC input current i, and the input voltage v of the converter is expressed by the following equations (12) and (13).

上記式(13)の各交流入力電圧ea,eb、交流入力電流ia,ib、コンバータの入力電圧va,vbに、式(9),(10),(11)を代入し展開すると、交流入力電圧e,交流入力電流i,コンバータの入力電圧vを回転座標(dq軸)上で表した次式(14)を得る。 Substituting Expressions (9), (10), and (11) into the AC input voltages e a and e b , the AC input currents i a and i b , and the converter input voltages v a and v b in Expression (13) above. Then, the following expression (14) is obtained in which the AC input voltage e, the AC input current i, and the input voltage v of the converter are expressed on rotation coordinates (dq axes).

式(14)からコンバータの入力電圧vを回転座標(dq軸)で表したvd(d軸)、vq(q軸)は次式(15)、(16)で表される。 From the equation (14), v d (d axis) and v q (q axis) representing the input voltage v of the converter in rotation coordinates (dq axis) are represented by the following equations (15) and (16).

ここで、交流入力電流iのd軸電流idの制御目標値をid *とし、交流入力電流iのq軸電流iqの制御目標値をiq *とし、式(15),(16)の右辺第3項部分をPI制御器によって同様な機能を持たせると、式(15),(16)は、回転座標上の電流制御系では以下の式(17),(18)に写像することができる。なお、式(17),(18)では、コンバータの主回路上の各電圧(e、v)、電流(i)に対し、電流制御上の値は「′」を付して表している。 Here, the control target value of the d-axis current i d of the AC input current i is i d * , the control target value of the q-axis current i q of the AC input current i is i q * , and the equations (15), (16 When the third term part of the right side of () is given a similar function by the PI controller, the expressions (15) and (16) are mapped to the following expressions (17) and (18) in the current control system on the rotating coordinates. can do. In the equations (17) and (18), the current control values are represented by adding “′” to each voltage (e, v) and current (i) on the main circuit of the converter.

図10は上記式(17),(18)を電流制御ブロック図で表したものである。   FIG. 10 is a current control block diagram showing the above equations (17) and (18).

式(17)は、回転座標系の電流制御において、d軸上においてインバータの入力電圧vd′の生成を示している。式(17)において、右辺第2項部分と右辺第3項部分は電流制御手段14に相当し、右辺第1項部分は電流変動抑制手段15に相当している。 Expression (17) shows generation of the input voltage v d ′ of the inverter on the d axis in the current control of the rotating coordinate system. In Expression (17), the second term part on the right side and the third term part on the right side correspond to the current control means 14, and the first term part on the right side corresponds to the current fluctuation suppression means 15.

電流制御機能において、右辺第2項部分である(ωLiq′)は、回転座標変換手段11Aで生成されたq軸電流iq′に(ωL)を乗じることで生成され、右辺第3項部分である(kp+ki/s)(id *−id′)は、減算器31で算出した(id *−id′)を、(kp+ki/s)の機能を有するPI制御器14aに通すことで生成され、生成された(ωLiq′)と(kp+ki/s)(id *−id′)とを減算器33に入力して(ωLiq′)から(kp+ki/s)(id *−id′)を減算することよって、電流制御を行うd軸上の制御電圧vd′が得られる。 In the current control function, the second term part (ωLi q ′) on the right side is generated by multiplying the q-axis current i q ′ generated by the rotating coordinate conversion means 11A by (ωL), and the third term part on the right side. is (k p + k i / s ) (i d * -i d ') was calculated by the subtracter 31 (i d * -i d' a) has a function (k p + k i / s ) It is generated by passing it through a PI controller 14a, the generated (ωLi q ') and (k p + k i / s ) (i d * -i d') and is input to the subtracter 33 (ωLi q ' ) from 'i'm subtracting), the control voltage v d on the d-axis which performs the current control' (k p + k i / s) (i d * -i d is obtained.

また、電流変動抑制機能は、右辺第1項部分であるed′は回転座標変換手段11Bで生成されたd軸電圧ed′を減算器33に加算して、制御電圧vd′をed′分だけバイアスすることで行われる。 In the current fluctuation suppressing function, the first term portion of the right side, e d ′, is obtained by adding the d-axis voltage e d ′ generated by the rotating coordinate conversion means 11B to the subtractor 33 to obtain the control voltage v d ′ as e. This is done by biasing by d ′.

一方、式(18)は、回転座標系の電流制御において、q軸上においてインバータの入力電圧vq′の生成を示している。式(18)において、右辺第2項部分と右辺第3項部分は電流制御手段14に相当し、右辺第1項部分は電流変動抑制手段15に相当している。 On the other hand, Expression (18) shows generation of the input voltage v q ′ of the inverter on the q axis in the current control of the rotating coordinate system. In Expression (18), the second term part on the right side and the third term part on the right side correspond to the current control means 14, and the first term part on the right side corresponds to the current fluctuation suppressing means 15.

電流制御機能において、右辺第2項部分である(ωLid′)は、回転座標変換手段11Aで生成されたd軸電流id′に(ωL)を乗じることで生成され、右辺第3項部分である(kp+ki/s)(iq *−iq′)は、減算器32で算出した(iq *−iq′)を、(kp+ki/s)の機能を有するPI制御器14bに通すことで生成され、生成された(ωLid′)と(kp+ki/s)(iq *−iq′)とを加算器34に符号を反転させて入力して(ωLid′)と(kp+ki/s)(iq *−iq′)を加算して符号を変えることよって、電流制御を行うq軸上の制御電圧vq′が得られる。 In the current control function, the second term part (ωLi d ′) on the right side is generated by multiplying the d-axis current i d ′ generated by the rotating coordinate conversion means 11A by (ωL), and the third term part on the right side. (K p + k i / s) (i q * −i q ′) has a function of (k p + k i / s) calculated by the subtractor 32 (i q * −i q ′). The generated (ωLi d ′) and (k p + k i / s) (i q * −i q ′) generated by passing through the PI controller 14 b are input to the adder 34 with the sign inverted. What i changing the sign control voltage v q on the q axis to perform the current control 'is obtained by adding (ωLi d') and (k p + k i / s ) (i q * -i q ') Te .

また、電流変動抑制機能は、右辺第1項部分であるeq′は回転座標変換手段11Bで生成されたq軸電圧eq′を加算器34に加算して、制御電圧vq′をeq′分だけバイアスすることで行われる。これによって、dq軸上の制御出力値vd′,vq′を得ることができる。 The current variation suppressing function, the first term on the right side portion in which e q 'is q-axis voltage e q generated by the rotational coordinate conversion unit 11B' is added to the adder 34, the control voltage v q 'to e This is done by biasing by q ′. As a result, control output values v d ′, v q ′ on the dq axis can be obtained.

[電流制御の指令値]
本発明の電力変換装置において単相コンバータは、直流出力電圧を定電圧に保つと同時に入力電流を交流電圧と同相として、力率1の正弦波にすることを目的の一つとしている。回転座標上においてq軸電流iqを0とすれば入力電流が入力電圧と同相になるため、q軸電流iq の指令値iq *=0とすることによって、入力電流を交流電圧と同相する機能を達成することができる。
[Command value for current control]
In the power conversion device of the present invention, the single-phase converter is intended to maintain a direct-current output voltage at a constant voltage and at the same time make an input current in phase with an alternating-current voltage to form a sine wave with a power factor of 1. If the q-axis current i q is set to 0 on the rotating coordinates, the input current is in phase with the input voltage. By setting the q-axis current i q command value i q * = 0, the input current is in phase with the AC voltage. Can achieve the function.

一方、d軸電流idは直流出力電圧を一定に保つために必要な電流に制御されればよい。そこで、図11に示すように、d軸電流id の指令値id *は、直流出力電圧の検出値vdc′とその指令値vdc *との偏差(vdc *−vdc′)をPI制御器14cに入力し、PI制御器14cによってこの偏差(vdc *−vdc′)を零となるようすることで得る。 On the other hand, the d-axis current i d may be controlled to a current necessary for keeping the DC output voltage constant. Therefore, as shown in FIG. 11, the command value i d * of the d-axis current i d is a deviation (v dc * −v dc ′) between the detected value v dc ′ of the DC output voltage and the command value v dc *. Is input to the PI controller 14c, and the deviation (v dc * −v dc ′) is made zero by the PI controller 14c.

[PWMパスルの出力]
回転座標系制御部13で得たd軸の制御電圧vd′およびq軸の制御電圧vq′は、式(8)の逆変換行列[C]-1を用いて(13)式を変形し、図12に示す静止座標上の交流値va′,vb′に戻される。ここで得られる交流値va′,vb′のうち、b軸は仮想的に設けたものであるため、制御出力としてはvb′を使用せずva′のみを用いる。
[PWM pulse output]
The d-axis control voltage v d ′ and the q-axis control voltage v q ′ obtained by the rotating coordinate system control unit 13 are transformed from the equation (13) using the inverse transformation matrix [C] −1 of the equation (8). Then, the AC values v a ′ and v b ′ on the stationary coordinates shown in FIG. 12 are restored. Of the AC values v a ′ and v b ′ obtained here, the b-axis is virtually provided, so that v b ′ is not used as the control output, and only v a ′ is used.

制御パルス生成手段18bは、このva′とキャリア三角波信号生成手段18aで生成したキャリア周波数の三角波と比較することにより、単相コンバータ3のIGBT等のスイッチング素子を駆動する制御パルスを生成し、PWMパルス制御を行う。 The control pulse generation unit 18b generates a control pulse for driving a switching element such as an IGBT of the single-phase converter 3 by comparing this v a ′ with the triangular wave of the carrier frequency generated by the carrier triangular wave signal generation unit 18a. PWM pulse control is performed.

なお、この制御パルス信号の生成は、PWM制御としてよく知られているため、ここでの説明は省略する。   Note that the generation of the control pulse signal is well known as PWM control, and a description thereof is omitted here.

[本発明の電力変換装置の波形例]
本発明の電力変換装置によって電力変換した際の波形例について、特に電流変動抑制の効果について図13〜図16を用いて説明する。
[Example of Waveform of Power Converter of the Present Invention]
Examples of waveforms when power is converted by the power conversion device of the present invention will be described with reference to FIGS.

図13,図14は、入力電圧が急変したときの交流入力電流の変化と直流出力電圧の変化を示し、図13は電流変動抑制を行わない場合の波形例を示し、図14は電流変動抑制を行った場合の波形例を示している。   13 and 14 show changes in the AC input current and changes in the DC output voltage when the input voltage suddenly changes, FIG. 13 shows an example of a waveform when current fluctuation suppression is not performed, and FIG. 14 shows current fluctuation suppression. The example of a waveform at the time of performing is shown.

図13に示す波形例は、電流制御によって得られる制御出力vd′、vq′のみで単相コンバータを制御した場合を示し、図14に示す波形例は、電流制御によって得られる制御出力vd′、vq′に入力電圧ed′、eq′を加算した信号を用いて単相コンバータを制御した場合を示している。 The waveform example shown in FIG. 13 shows a case where the single-phase converter is controlled only by the control outputs v d ′ and v q ′ obtained by current control, and the waveform example shown in FIG. 14 shows the control output v obtained by current control. A case is shown in which a single-phase converter is controlled using a signal obtained by adding input voltages e d ′ and e q ′ to d ′ and v q ′.

両場合において、図中の矢印は交流入力電圧が急変した時点を示している。この入力電圧の急変時において、図13と図14の交流入力電流および直流出力電圧を比較すると、共に電流変動抑制時には変動幅が低減することが確認される。   In both cases, the arrows in the figure indicate the time when the AC input voltage suddenly changes. When the input voltage suddenly changes, the AC input current and the DC output voltage shown in FIGS. 13 and 14 are compared, and it is confirmed that the fluctuation range is reduced when the current fluctuation is suppressed.

また、図15,図16は、入力電圧の歪みに対する交流入力電流の変化を示し、図15は電流変動抑制を行わない場合の波形例を示し、図16は電流変動抑制を行った場合の波形例を示している。   15 and 16 show changes in the AC input current with respect to distortion of the input voltage, FIG. 15 shows an example of a waveform when current fluctuation suppression is not performed, and FIG. 16 shows a waveform when current fluctuation suppression is performed. An example is shown.

図15に示す波形例は、電流制御によって得られる制御出力vd′、vq′のみで単相コンバータを制御した場合を示し、図16に示す波形例は、電流制御によって得られる制御出力vd′、vq′に入力電圧ed′、eq′を加算した信号を用いて単相コンバータを制御した場合を示している。 The waveform example shown in FIG. 15 shows a case where the single-phase converter is controlled only by the control outputs v d ′ and v q ′ obtained by current control, and the waveform example shown in FIG. 16 shows the control output v obtained by current control. A case is shown in which a single-phase converter is controlled using a signal obtained by adding input voltages e d ′ and e q ′ to d ′ and v q ′.

入力電圧に同じ歪みが含まれるとしたとき、図15と図16の交流入力電流を比較すると、電流変動抑制を行うことによってが入力電流歪率が大きく低減されることが確認される。   Assuming that the same distortion is included in the input voltage, comparing the AC input currents of FIG. 15 and FIG. 16 confirms that the input current distortion rate is greatly reduced by suppressing the current fluctuation.

本発明のコンバータの実施例によれば、単相コンバータへの入力電流は、直流定電圧制御系からの指令値にもとづいて制御され、また、本発明の制御によれば、入力電圧が変動したときでも、電流制御のPI制御器の出力に加算されたed′,eq′が入力電圧の変動に応じて変化するため、交流入力電圧の急変時や、入力電圧に高調波が含まれる場合でも、電力変換器の交流入力側の電圧を交流入力電圧と同じように変動させ、PI制御器の応答を待つことなく過渡変動を抑制することができる。 According to the embodiment of the converter of the present invention, the input current to the single-phase converter is controlled based on the command value from the DC constant voltage control system, and the input voltage fluctuates according to the control of the present invention. Even when ed ', eq ' added to the output of the PI controller for current control changes according to fluctuations in the input voltage, harmonics are included in the sudden change in the AC input voltage or in the input voltage. Even in this case, the voltage on the AC input side of the power converter can be changed in the same manner as the AC input voltage, and the transient fluctuation can be suppressed without waiting for the response of the PI controller.

また、本発明の電力変換装置が備える90°進み回路の位相シフタによれば、そのローパスフィルタ特性を有する周波数特性を利用することによって入力電圧に高調波が含まれている場合であっても、高調波を除去し入力電圧の電圧位相を検出することによって、位相検出の誤差を低減し、電力変換後の電流変動を低減させることができる。   In addition, according to the phase shifter of the 90 ° advance circuit included in the power conversion device of the present invention, even when the input voltage contains harmonics by using the frequency characteristics having the low-pass filter characteristics, By removing the harmonics and detecting the voltage phase of the input voltage, errors in phase detection can be reduced, and current fluctuation after power conversion can be reduced.

本発明の電力変換装置によれば、入力電源の品質が低水準の場合であっても、出力電圧を安定させると共に出力電流の変動を抑制することによって、この電源を接続した装置の稼働率が向上させることができる。   According to the power conversion device of the present invention, even when the quality of the input power supply is low, the operation rate of the device connected to this power supply is stabilized by stabilizing the output voltage and suppressing fluctuations in the output current. Can be improved.

本発明の電力変換装置によれば、出力電流の変動が抑えられるため、電力変換部の過電流耐量を下げた設計が可能となり、小型化、廉価化が容易となる。   According to the power conversion device of the present invention, since fluctuations in the output current can be suppressed, it is possible to design the power conversion unit with a reduced overcurrent capability, and it is easy to reduce the size and cost.

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。   The present invention is not limited to the embodiments described above. Various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の電力変換装置の電流制御部は、デジタル信号で行うことができ、コンピュータ上のソフトウエア出力を行うことができる。   The current control unit of the power conversion device of the present invention can be performed with a digital signal and can perform software output on a computer.

また、本発明の電力変換装置の後段にDC/DCコンバータを接続することによって、高力率のAC/DCコンバータを構成することができる。   Moreover, a high power factor AC / DC converter can be comprised by connecting a DC / DC converter in the back | latter stage of the power converter device of this invention.

また、本発明の電力変換装置によるコンバータを蓄電池の充電装置として使用し、後段に蓄電装置・逆変換装置をすることによって無停電電源装置を構成することができる。   Moreover, an uninterruptible power supply apparatus can be comprised by using the converter by the power converter device of this invention as a charging device of a storage battery, and making an electrical storage apparatus and a reverse conversion apparatus in a back | latter stage.

本発明の電力変換装置1の概略構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating schematic structure of the power converter device 1 of this invention. 本発明の電力変換装置の一構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of 1 structure of the power converter device of this invention. 一般的なオペアンプを用いた90°進み回路の構成例である。This is a configuration example of a 90 ° advance circuit using a general operational amplifier. 本発明の電力変換装置が備える90°進み回路の回路構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the circuit structure of the 90 degrees advance circuit with which the power converter device of this invention is provided. 本発明の電力変換装置が備える90°遅れ回路の回路構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the circuit structure of the 90 degree delay circuit with which the power converter device of this invention is provided. 本発明の電力変換装置が備える90°進み回路の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the 90 degree advance circuit with which the power converter device of this invention is provided. コンバータの入出力関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the input-output relationship of a converter. 静止座標系と回転座標系との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between a stationary coordinate system and a rotation coordinate system. 90°位相進め回路のローパスフィルタ特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the low-pass filter characteristic of a 90 degree phase advance circuit. コンバータを電流制御する電流制御ブロックを示す図である。It is a figure which shows the current control block which carries out current control of the converter. 電流制御の指令値を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the command value of electric current control. PWMパスルの出力生成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the output generation of a PWM pulse. 入力電圧が急変したときの交流入力電流の変化と直流出力電圧の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of an alternating current input current when an input voltage changes suddenly, and the change of a direct-current output voltage. 入力電圧が急変したときの交流入力電流の変化と直流出力電圧の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of an alternating current input current when an input voltage changes suddenly, and the change of a direct-current output voltage. 入力電圧の歪みに対する交流入力電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of alternating current input current with respect to distortion of input voltage. 入力電圧の歪みに対する交流入力電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of alternating current input current with respect to distortion of input voltage. 従来の交直変換装置の制御態様の概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of the control aspect of the conventional AC / DC converter.

符号の説明Explanation of symbols

1 電力変換装置
2 電源
2A 交流電源
2B 直流電源
3 単相コンバータ
3a-3d スイッチ素子
3a-3d 各スイッチ素子
4 負荷
5 インバータ
11 座標変換部
11A,11B 回転座標変換手段
12 座標変換部
13 回転座標系制御部
14 電流制御手段
14a 制御器
14b 制御器
14c 制御器
14d 指定電圧設定手段
14e 掛算器
14f 掛算器
15 電流変動抑制手段
16 位相シフタ
16A 回路
16B 回路
17 位相検出部
18 コンバータ制御部
18a キャリア三角波信号生成手段
18b 制御パルス生成手段
19 インバータ制御部
21 検出器
21A 電流検出手段
21B 電圧検出手段
22 検出器
30 減算器
31 減算器
32 減算器
33 減算器
34 加算器
40 回路
41 位相反転回路
42 回路
102 交流電源
103 コンバータ
104 負荷
114 制御回路
118 コンバータ制御部
121 検出器
122 検出器
1 コンデンサ
2 コンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power converter 2 Power supply 2A AC power supply 2B DC power supply 3 Single phase converter 3a-3d Switch element 3a-3d Each switch element 4 Load 5 Inverter 11 Coordinate conversion part 11A, 11B Rotation coordinate conversion means 12 Coordinate conversion part 13 Rotation coordinate system Control unit 14 Current control means 14a Controller 14b Controller 14c Controller 14d Specified voltage setting means 14e Multiplier 14f Multiplier 15 Current fluctuation suppressing means 16 Phase shifter 16A circuit 16B circuit 17 Phase detection section 18 Converter control section 18a Carrier triangular wave signal Generation means 18b Control pulse generation means 19 Inverter control section 21 Detector 21A Current detection means 21B Voltage detection means 22 Detector 30 Subtractor 31 Subtractor 32 Subtractor 33 Subtractor 34 Adder 40 Circuit 41 Phase inversion circuit 42 Circuit 102 AC power Source 103 Converter 104 Load 114 Control circuit 118 Converter control unit 121 Detector 122 Detector C 1 capacitor C 2 capacitor

Claims (8)

単相電力変換器を回転座標系で電流制御し、単相交流電力と直流電力との間で電力変換を行う電力変換方法において、
回転座標系に変換した単相電力変換器の入力電流値を用いた電流制御により単相コンバータを制御する電圧制御値を形成し、
前記電圧制御値に回転座標系に変換した単相コンバータの入力電圧分をバイアスし、
当該電圧制御値を用いて単相コンバータを制御することを特徴とする、電力変換方法。
In a power conversion method in which a single-phase power converter is current-controlled in a rotating coordinate system and power conversion is performed between single-phase AC power and DC power,
Form a voltage control value to control the single-phase converter by current control using the input current value of the single-phase power converter converted to the rotating coordinate system,
Bias the input voltage component of the single-phase converter converted to the rotary coordinate system to the voltage control value,
A power conversion method characterized by controlling a single phase converter using the voltage control value.
単相コンバータを回転座標系で電流制御し、単相交流電力を直流電力に変換する電力変換方法において、
単相コンバータへの入力電流値を回転座標系に変換し、当該回転座標系の入力電流値を電流制御して単相コンバータを制御する電圧制御値を形成し、
単相コンバータへの入力電圧分を回転座標系に変換し、
前記電圧制御値に回転座標系に変換した単相コンバータの入力電圧分を加算し、
前記加算した電圧制御値を用いて単相コンバータを制御することを特徴とする、電力変換方法。
In a power conversion method for current control of a single-phase converter in a rotating coordinate system and converting single-phase AC power to DC power,
Converting the input current value to the single-phase converter into a rotating coordinate system, forming a voltage control value for controlling the single-phase converter by controlling the input current value of the rotating coordinate system,
Convert the input voltage to the single-phase converter into a rotating coordinate system,
Add the input voltage of the single-phase converter converted to the rotating coordinate system to the voltage control value,
A power conversion method, wherein a single-phase converter is controlled using the added voltage control value.
単相交流電力を直流電力に変換する単相コンバータと、
回転座標系において電流制御を行う回転座標系制御部と、
静止座標系の電圧値および電流値を回転座標系に変換する第1の座標変換部と、
回転座標系の電圧値を静止座標系に変換する第2の座標変換部と、
前記単相交流の電圧および電流の検出値の位相を+90°又は−90°シフトする位相シフタとを備え、
前記第1の座標変換部は、単相交流の入力電流値と前記位相シフタによって当該入力電流値を90°位相シフトした電流値とを入力して回転座標系の電流値に変換し、
前記回転座標系制御部は、前記第1の座標変換部で変換した回転座標系の電流値を電流制御して回転座標系の電圧制御値を形成する電流制御手段と、
前記電圧制御値に、前記単相コンバータに入力する入力電圧分を加算して、入力電圧変動による電流変動を抑制する電流変動抑制手段とを有し、
前記第2の座標変換は、前記回転座標系制御部が出力する回転座標系の電圧指令値を静止座標系の電圧指令値に変換し、
前記単相コンバータは、前記第2の座標変換が出力する静止座標系の電圧指令値に基づいて交流電力を直流電力に電力変換することを特徴とする、電力変換装置。
A single-phase converter that converts single-phase AC power into DC power;
A rotating coordinate system control unit for performing current control in the rotating coordinate system;
A first coordinate conversion unit that converts a voltage value and a current value of a stationary coordinate system into a rotating coordinate system;
A second coordinate converter that converts the voltage value of the rotating coordinate system into a stationary coordinate system;
A phase shifter that shifts the phase of the detected value of the voltage and current of the single-phase alternating current by + 90 ° or -90 °,
The first coordinate conversion unit inputs a single-phase AC input current value and a current value obtained by shifting the input current value by 90 ° by the phase shifter, and converts the input current value into a current value of a rotating coordinate system,
The rotating coordinate system control unit includes a current control unit configured to control a current value of the rotating coordinate system converted by the first coordinate converting unit to form a voltage control value of the rotating coordinate system;
Current fluctuation suppressing means for adding the input voltage input to the single-phase converter to the voltage control value and suppressing current fluctuation due to input voltage fluctuation;
The second coordinate conversion unit converts the voltage command value of the rotating coordinate system output from the rotating coordinate system control unit into a voltage command value of the stationary coordinate system,
The single-phase converter performs power conversion from AC power to DC power based on a voltage command value of a stationary coordinate system output from the second coordinate conversion unit .
前記電流変動抑制手段は、前記電流制御手段が出力する電圧制御値に、前記第1の座標変換で変換した回転座標系の電圧値を加算することを特徴とする、請求項3に記載の電力変換装置。 The said current fluctuation suppression means adds the voltage value of the rotating coordinate system converted by the said 1st coordinate conversion part to the voltage control value which the said current control means outputs, The Claim 3 characterized by the above-mentioned. Power conversion device. 前記電流制御手段は、
回転座標系のq軸の指令電流を零とし、回転座標系のd軸の指令電流を、単相PFCコンバータの出力電圧と電圧指令値との偏差を零とするPI制御で得た値とするPI制御を行うことを特徴とする、請求項3に記載の電力変換装置。
The current control means includes
The q-axis command current in the rotating coordinate system is set to zero, and the d-axis command current in the rotating coordinate system is set to a value obtained by PI control in which the deviation between the output voltage of the single-phase PFC converter and the voltage command value is set to zero. The power converter according to claim 3, wherein PI control is performed.
前記位相シフタは、オペアンプを用いた90°進み回路であり、
当該オペアンプの帰還抵抗を、第1のコンデンサと、接続点を第2のコンデンサを介して接地した直列抵抗との並列回路とする構成であり、
前記抵抗およびコンデンサは、当該位相シフタの周波数特性を、所定周波数において所定のゲインを有し、90°の位相ずれを有する特性とする値であることを特徴とする、請求項3から5の何れか一つに記載の電力変換装置。
The phase shifter is a 90 ° advance circuit using an operational amplifier,
The feedback resistor of the operational amplifier is configured as a parallel circuit of a first capacitor and a series resistor whose connection point is grounded via a second capacitor,
6. The resistor and the capacitor according to any one of claims 3 to 5, wherein the frequency characteristic of the phase shifter is a value having a predetermined gain at a predetermined frequency and a phase shift of 90 degrees. The power converter device as described in any one.
単相交流電力の入力電圧の位相角を検出する位相検出手段を備え、
前記位相検出手段は、前記位相シフタによるローパスフィルタ出力の零点を基準として入力電圧の位相角を検出し、
前記第1の座標変換部および第2の座標変換部は、前記位相検出手段が検出した入力電圧の位相角を演算パラメータとして座標変換を行うことを特徴とする、請求項3から6のいずれか一つに記載の電力変換装置。
Phase detection means for detecting the phase angle of the input voltage of single-phase AC power,
The phase detection means detects the phase angle of the input voltage with reference to the zero point of the low-pass filter output by the phase shifter,
The first coordinate conversion unit and the second coordinate conversion unit perform coordinate conversion using the phase angle of the input voltage detected by the phase detection unit as an operation parameter. The power conversion device according to one.
前記単相コンバータは、入力端と出力端との間に、自己消弧形素子とダイオードとを並列接続したスイッチ素子をブリッジ接続してなる単相ブリッジ回路であり、
前記各スイッチ素子を前記電圧指令値に従って開閉制御することにより交流電力を直流電力に電力変換することを特徴とする、請求項3から7のいずれか一つに記載の電力変換装置。
The single-phase converter is a single-phase bridge circuit formed by bridge-connecting a switch element in which a self-extinguishing element and a diode are connected in parallel between an input terminal and an output terminal,
The power converter according to any one of claims 3 to 7, wherein AC power is converted into DC power by performing open / close control of each switch element in accordance with the voltage command value.
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