JP5169396B2 - 電力変換装置の制御回路 - Google Patents

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この発明は、交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するPWMコンバータ、このPWMコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサ、前記PWMコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータなどから構成される電力変換装置の制御回路に関する。
図8は、無停電電源システムなどに供するために、この種の電力変換装置を並列運転するときの従来例を示す回路構成図であり、この図において、1,3は中性点がそれぞれ接地された商用電源などの入力電源、2,4は定電圧・定周波の三相交流電圧を出力する電力変換装置、5は電力変換装置2,4から給電される負荷である。
この電力変換装置2,4は商用電源1,3と電力変換装置2,4との間のノイズを除去する入力コンデンサ21,41と、PWMコンバータ23,43の入力リアクトルの機能をする入力リアクトル22,42と、IGBTなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるPWMコンバータ23,43と、PWMコンバータ23,43の整流電圧を平滑する平滑コンデンサ24,44と、IGBTなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるPWMインバータ25,45と、PWMインバータ25,45の出力電圧の高周波成分を除去するフィルタリアクトル26,46およびフィルタコンデンサ27,47と、図示しない電力変換装置2,4それぞれの運転シーケンス回路からの指令により動作する出力コンタクタ28,48と、電力変換装置2,4に備える図示しない入力電圧検出器,入力電流検出器,中間直流電圧検出器,出力電流検出器,出力電圧検出器それぞれの検出値に基づいてPWMコンバータ23,43およびPWMインバータ25,45を所望の状態に制御する制御回路29,49とから構成されている。
図8に示した回路構成において、電力変換装置2,4に備えるそれぞれの構成要素は、互いに周知の技術を用いた同一仕様で製作されることが一般的であり、また、制御回路29,49それぞれでは電力変換装置2,4から負荷5に並列給電する際に電力変換装置2と電力変換装置4との間に電力の授受が無いように、いわゆる、横流制御も行っている。
また図9は、図8とは異なった無停電電源システムに供するために、この種の電力変換装置を用いた従来例を示す回路構成図であり、この図において、1は中性点が接地された商用電源などの入力電源、6は後述の三相交流電圧を出力する電力変換装置、5は電力変換装置6から給電される負荷、7はバイパスコンタクタ、8はサイリスタを逆並列接続したもの3組からなるサイリスタスイッチである。
この電力変換装置6は商用電源1と電力変換装置6との間のノイズを除去する入力コンデンサ61と、PWMコンバータ63の入力リアクトルの機能をする入力リアクトル62と、IGBTなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるPWMコンバータ63と、PWMコンバータ63の整流電圧を平滑する平滑コンデンサ64と、IGBTなどの自己消弧形半導体素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなるPWMインバータ65と、PWMインバータ65の出力電圧の高周波成分を除去するフィルタリアクトル66およびフィルタコンデンサ67と、図示しない電力変換装置6の運転シーケンス回路からの指令により動作する出力コンタクタ68と、電力変換装置6に備える図示しない入力電圧検出器,入力電流検出器,中間直流電圧検出器,出力電流検出器,出力電圧検出器それぞれの検出値に基づいてPWMコンバータ63およびPWMインバータ65を所望の状態に制御する制御回路69とから構成されている。
図9に示した回路構成において、電力変換装置6に備えるそれぞれの構成要素は、周知の技術を用いて製作されたものであり、また、制御回路69では電力変換装置6から負荷5への給電と、バイパスコンタクタ7およびサイリスタスイッチ8から負荷5への給電との切換えを行うために、電力変換装置6が出力する三相交流電圧の周波数,電圧位相を入力電源1の周波数,電圧位相に同期させる、いわゆる、商用同期制御も行っている。
さらに、図8,9からも明らかなように、上述の電力変換装置2,4,6それぞれはトランスレスの回路構成にすることにより、該電力変換装置全体の重量,体積,発生損失の低減を計っている。
図10は、上述の電力変換装置それぞれにおけるPWMインバータの変調方法の一例を説明する波形図である。
すなわち、インバータの出力電圧指令値と搬送波との比較演算によりインバータ内の各アームをオンオフする際に、基本正弦波の制御信号(図示の基本波成分)に3次高調波(図示の第3高調波成分)を重畳させて前記出力電圧指令値(図示の合成電圧指令値)を生成する方法(以下、3倍調波注入方法とも称す)が使用される。この3次高調波成分はインバータの3相出力端では相殺されるので、出力基本波電圧をより高い値に設定できることから、無停電電源システムなどに供される電力変換装置で使用されることが多い。
特開平6−153519号公報
図8に示した回路構成における電力変換装置において、電力変換装置2,4が並列運転中には、それぞれが互いに横流制御を行っているが、この横流制御では各電力変換装置の出力端の相電圧を基準としたノーマルモード電流、すなわち、3線電流の合計が零になる電流に対しては抑制効果があるが、零相電流には対しては抑制効果がない。
すなわち、図8の回路構成においては、電力変換装置2,4がトランスレスの回路構成であることから、PWMインバータ25→PWMインバータ45→PWMコンバータ43→入力電源3の中性点→接地線→入力電源1の中性点→PWMコンバータ23→PWMインバータ25の経路、またはその逆経路で横流以外の零相電流が流れる恐れがあった。
また、図9に示した回路構成において、電力変換装置6から負荷5への給電モードと、バイパスコンタクタ7およびサイリスタスイッチ8から負荷5への給電モードとの切換えを無瞬断で行わせるために、この切換動作を行う際には前記双方の給電モードがラップする期間を設け、この期間では横流制御を行っている。しかしながら、前記期間には、PWMインバータ65→PWMコンバータ63→バイパスコンタクタ7→PWMインバータ65の経路、またはその逆経路で横流以外の零相電流が流れる恐れがあった。
これらの零相電流は、電力変換装置が負荷に給電するという本来の目的とは関係無く、また、この零相電流が発生すると、前記電力変換装置がトランスレスの回路構成であることに起因してより増大し、その結果、前記PWMインバータやPWMコンバータの変換動作に擾乱を与える、配線ケーブルに想定外の発熱を引き起こすなどの不具合があった。
なお、前記特許文献1に開示されている方法は、電力変換装置間に流れる横流以外の電流のうち、その直流電流成分の抑制に関するものである。
この発明の目的は、上記横流以外の零相電流の交流成分を抑制できる電力変換装置の制御回路を提供することにある。
この第1の発明は、交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するPWMコンバータと、このPWMコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記PWMコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータとを備える電力変換装置において、
前記PWMコンバータ及びPWMインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記PWMインバータへの周波数指令値の位相を補正する補正手段を備えたことを特徴とする
また、第2の発明は前記電力変換装置において、
前記PWMコンバータ及びPWMインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記PWMインバータへの電圧指令値の振幅を補正する補正手段を備えたことを特徴とする。
この発明は、前記電力変換装置における横流以外の電流の発生は、主として対応するPWMインバータの零相電圧間の振幅差,位相差に起因するものであるから、該電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分に基づいて、または、該出力端の零相電流の交流成分と零相電圧とに基づいて、該装置を形成するPWMインバータの変換動作を補正することにより、前記横流以外の電流の発生を抑制し、その結果、前記電力変換装置の変換動作が安定に行われ、該電力変換装置を形成する半導体素子の過電流破損や配線ケーブルの想定外の発熱を解消することができる。
図1は、この発明の第1の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図であり、この図において、図8に示したそれぞれの電力変換装置と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。
すなわち図1に示す電力変換装置11では、電力変換装置2における制御回路29に代えて制御回路32が備えられ、さらに零相変流器(零相CT)が零相電流検出器31として図示の位置に付加されている。同様に、電力変換装置12では、電力変換装置4における制御回路49に代えて制御回路52が備えられ、さらに零相変流器(零相CT)が零相電流検出器51として図示の位置に付加されている。
図2は、この発明の第1の実施例の補正手段として、図1の制御回路32内の部分詳細回路構成図を示している。
すなわち、図1に示した電力変換装置11の制御回路32では従来の制御動作の他に、零相電流検出器31の検出値に乗算演算器32aを介して比例ゲイン設定器32bの設定値を乗算し、この乗算した値を等価的に補正するための零相電圧値として加算演算器32c〜32eにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてPWMインバータ25でのPWM演算を行うようにしている。このときの零相電流検出器31の検出極性は、流れ出る方向を正とすればよい。
また、図1に示した電力変換装置12の制御回路52では、図2に示した回路構成と同様の補正手段を備えている。
図3は、この発明の第2の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図であり、この図において、図1に示したそれぞれの電力変換装置と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。
すなわち図3に示す電力変換装置13では、電力変換装置11における制御回路32に代えて制御回路34または制御回路35が備えられ、さらに交流電圧検出器33が図示の位置に付加されている。同様に、電力変換装置14では、電力変換装置12における制御回路52に代えて制御回路54または制御回路55が備えられ、さらに交流電圧検出器53が図示の位置に付加されている。これらの交流電圧検出器33,53により、等価的に電力変換装置13,14それぞれの出力端の零相電圧に基づく値が検出できる。
図4は、この発明の第2の実施例の補正手段として、図3の制御回路34内の部分詳細回路構成図を示している。
すなわち、図4に示した電力変換装置13の制御回路34では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器33で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ34aを介することにより零相電圧の基本波成分を抽出し、この抽出した基本波成分に乗算演算器32bを介して零相電流検出器31の検出値を乗算すると、零相横流の基本波成分の有効分が得られる。そこで、この有効分を低域通過フィルタ34cにより平滑して、比例積分調節器34dへの入力とする。従って、比例積分調節器34dにより前記零相横流の基本波成分の有効分が零になるように、加算演算器34を介してPWMインバータ25が出力する電圧の周波数を変化させ、その調節結果として、電圧位相を調整するようにしている。
また、図3に示した電力変換装置14の制御回路54では、図4に示した回路構成と同様の補正手段を備えている。
なお、PWMインバータ25,45の変調方法として前記3倍調波注入方法を採用しているときには、例えば、制御回路34では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器33で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ34aを介することにより零相電圧の3倍調波成分を抽出し、この抽出した3倍調波成分に乗算演算器32bを介して零相電流検出器31の検出値を乗算すると、零相横流の3倍調波成分の有効分が得られる。そこで、この有効分を低域通過フィルタ34cにより平滑して、比例積分調節器34dへの入力とする。従って、比例積分調節器34dにより前記零相横流の3倍調波成分の有効分が零になるように、加算演算器34eを介してPWMインバータ25が出力する電圧の周波数を変化させ、その調節結果として、電圧位相を調整するようにしている。
図5は、この発明の第3の実施例の補正手段として、図3の制御回路35内の部分詳細回路構成図を示している。
すなわち、図5に示した電力変換装置13の制御回路35では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器33で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ35aを介することにより零相電圧の基本波成分を抽出し、この抽出した基本波成分を90°位相進み回路35bを介し、さらに、乗算演算器35cを介して零相電流検出器31の検出値と乗算演算すると、零相横流の基本波成分の無効分が得られる。そこで、この無効分を低域通過フィルタ35dにより平滑して、比例積分調節器35eへの入力とする。比例積分調節器35eでは前記零相横流の基本波成分の無効分が零になるように調節演算を行い、乗算演算器35fを介して前記零相電圧の基本波成分と調節演算値との積を導出し、この導出した値を前記零相横流の基本波成分の無効分が零にするための補正値として、加算演算器35g〜35iにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてPWMインバータ25でのPWM演算を行うようにしている。
また、図3に示した電力変換装置14の制御回路55では、図5に示した回路構成と同様の補正手段を備えている。
なお、PWMインバータ25,45の変調方法として前記3倍調波注入方法を採用しているときには、例えば、制御回路35では従来の制御動作の他に、交流電圧検出器33で検出された等価的な零相電圧検出値に帯域通過フィルタ35aを介することにより零相電圧の3倍調波成分を抽出し、この抽出した3倍調波成分を90°位相進み回路35bを介し、さらに、乗算演算器35cを介して零相電流検出器31の検出値と乗算演算すると、零相横流の3倍調波成分の無効分が得られる。そこで、この無効分を低域通過フィルタ35dにより平滑して、比例積分調節器35eへの入力とする。比例積分調節器35eでは前記零相横流の3倍調波成分の無効分が零になるように調節演算を行い、乗算演算器35fを介して前記零相電圧の3倍調波成分と調節演算値との積を導出し、この導出した値を前記零相横流の3倍調波成分の無効分が零にするための補正値として、加算演算器35g〜35iにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてPWMインバータ25でのPWM演算を行うようにしている。
なお、図3に示した回路構成において、交流電圧検出器33,53を省略し、この省略した検出機能をPWMインバータの各相の電圧指令値から生成することもできる。
図6は、この発明の第3の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図であり、この図において、図9に示したそれぞれの電力変換装置と同一機能を有する構成要素には同一符号を付している。
すなわち図6に示す電力変換装置16では、電力変換装置6における制御回路69に代えて制御回路72が備えられ、さらに零相変流器(零相CT)が零相電流検出器71として図示の位置に付加されている。
図7は、この発明の第4の実施例の補正手段として、図6の制御回路72内の部分詳細回路構成図を示している。
すなわち、図6に示した電力変換装置16の制御回路72では従来の制御動作の他に、零相電流検出器71の検出値に乗算演算器72aを介して比例ゲイン設定器72bの設定値を乗算し、この乗算した値を等価的に補正する零相電圧値として加算演算器72c〜72eにより、各相の電圧指令値から減算した値を新たな各相の電圧指令値としてPWMインバータ65でのPWM演算を行うようにしている。また、このときの零相電流検出器71の検出極性は、流れ出る方向を正とすればよい。
この発明の第1の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図 この発明の第1の実施例としての図1の部分詳細回路構成図 この発明の第2の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図 この発明の第2の実施例としての図3の部分詳細回路構成図 この発明の第3の実施例としての図3の部分詳細回路構成図 この発明の第3の実施の形態を示す電力変換装置の回路構成図 この発明の第4の実施例としての図6の部分詳細回路構成図 従来例を示す電力変換装置の回路構成図 図8とは別の従来例を示す電力変換装置の回路構成図 図8,9の動作を説明する波形図
符号の説明
1,3…入力電源、2,4,6,11〜14,16…電力変換装置、5…負荷、7…バイパスコンタクタ、8…サイリスタスイッチ、21,41,61…入力コンデンサ、22,42,62…入力リアクトル、23,43,63…PWMコンバータ、24,44,64…平滑コンデンサ、25,45,65…PWMインバータ、26,46,66…フィルタリアクトル、27,47,67…フィルタコンデンサ、28,48,68…出力コンタクタ、29,32,34,35,49,52,54,55,69,72…制御回路、31,51,71…零相電流検出器、33,53…交流電圧検出器。

Claims (2)

  1. 交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するPWMコンバータと、このPWMコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記PWMコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータとを備える電力変換装置において、
    前記PWMコンバータ及びPWMインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記PWMインバータへの周波数指令値の位相を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。
  2. 交流入力電圧を整流して直流電圧に変換するPWMコンバータと、このPWMコンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記PWMコンバータの出力に接続されて直流電圧を交流電圧に変換するPWMインバータとを備える電力変換装置において、
    前記PWMコンバータ及びPWMインバータを所望の状態に制御する制御回路には、前記電力変換装置の出力端の零相電流の交流成分の検出値と、該出力端の零相電圧の検出値とに基づいて、前記PWMインバータへの電圧指令値の振幅を補正する補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御回路。
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