JP5169865B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図3において、1は交流電源、2はこの交流電源1からの交流電力を直流電力に変換する整流器、3は整流器2の直流出力に接続された直流中間回路、4は直流中間回路3の電圧を平滑するための直流コンデンサ、5は直流中間回路3からの直流電力を交流電力に変換するインバータ、6は負荷である。
この昇降圧チョッパ7は、直列に接続されたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等で構成される第1トランジスタ7a及び第2トランジスタ7bと、第1トランジスタ7a及び第2トランジスタ7bのそれぞれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオード7c及び7dと、第1トランジスタ7a及び第2トランジスタ7bの接続点に一端が接続されたチョッパリアクトル7eと、チョッパリアクトル7eの他端及び第2のトランジスタ7bのエミッタ側との間に、第2のトランジスタ7bと並列に接続される平滑コンデンサ7f及び前記蓄電池8とを備えている。
また、9は、昇降圧チョッパ7を降圧チョッパ動作させて蓄電池8を充電させると共に、昇降圧チョッパ7を昇圧チョッパ動作させて蓄電池8を直流電源として直流中間回路3に直流電力を供給するチョッパ制御回路を示す。
このとき、交流電源1からの入力電圧を検出する電圧センサ10の検出結果に基づいて交流電源1の停電を検出する停電検出器11において停電が検出されておらず、且つ、電圧センサ12で検出される直流中間回路3の直流中間電圧が直流中間電圧指令値よりも高いときには、パルス発生回路9cは、第1トランジスタ7aがオン・オフ動作を繰り返すように第1ゲート駆動回路9aへゲートパルスを出力する。
ここで、パルス発生回路9cが、第2ゲート駆動回路9bを動作させ、第2ゲート駆動回路9bからのゲート駆動信号により、第2トランジスタ7bをオンさせると、蓄電池8を直流電源にして、蓄電池8、チョッパリアクトル7e、第2トランジスタ7b、蓄電池8の経路で電流が増加しつつ流れる。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の課題に着目してなされたものであって、交流電源に異常が発生した場合など、直流中間電圧を変動させる事象が発生した場合であっても直流中間電圧の低下を抑制することの可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
また、請求項3に係る電力変換装置は、前記昇降圧制御手段は、前記整流器への入力電流を検出する入力電流検出手段と、前記交流電源入力が予め設定したしきい値以上であり且つ前記入力電流検出手段で検出される実入力電流が予め設定した制限開始電流以上であるときに、前記蓄電電圧偏差演算手段で演算された蓄電電圧偏差の最大値を制限する第2の制限手段を備えることを特徴としている。
さらに、請求項6に係る電力変換装置は、前記交流電源入力のしきい値は、前記交流電源に停電が生じたとみなすことの可能な値に設定されることを特徴としている。
特に、請求項6に係る電力変換装置は、交流電源入力のしきい値として、交流電源に停電が生じたとみなすことの可能な値を設定したため、交流電源に停電が生じたことにより交流電源入力が低下した場合の、蓄電電圧に対する制御と直流中間電圧に対する制御との切り替えを的確に行うことができる。
まず、第1の実施の形態を説明する。
ここでは、本発明を無停電電源装置に適用した場合について説明する。この無停電電源装置の基本的な構成は、図3に示す従来の無停電電源装置と同一であって、図3に示す無停電電源装置において、パルス発生回路9cの構成が異なっている。
このパルス発生回路9cには、図3で説明したように、交流電源1が停電状態にあることを検出する停電検出器11の検出結果、電圧センサ12で検出した直流中間回路3の実直流中間電圧DC、電圧センサ13で検出した蓄電池8の実蓄電電圧BATが入力される。
さらに、41は、停電検出器11の検出結果に応じてDC偏差を選択するDC偏差選択部、42は、直流中間電圧指令値Sdcに基づき制御用直流中間電圧指令値SAdcを演算する演算器、43は、制御用直流中間電圧指令値SAdcから実直流中間電圧DCを減算して直流中間電圧偏差ΔDCを演算する演算器、44は、停電検出器11での検出結果に応じて、直流中間電圧偏差ΔDCの出力先を切り替える切り替え部、45は、直流中間電圧偏差ΔDCの最小値を制限する下限リミッタである。
上限リミッタ22は、演算器21から入力される蓄電電圧偏差ΔBATの最大値を、上限値選択部32で選択された上限値Ha又はHb、或いは、停電時上限値選択部33で設定された上限値零に制限する。
DC偏差選択部41は、停電検出器11で交流電源1が停電状態にあることが検出されるときにはDC偏差として零を選択し、非停電状態にあることが検出されるときには、DC偏差として予め設定した規定値εdcを選択する。この規定値εdcは、正の固定値であって、例えば、交流電源1が非停電状態であり且つ整流器2が正常に動作している状態で、負荷6の負荷量の急変により生じ得る直流中間電圧の低下量の最大値と同等程度に設定される。
演算器43は、演算器42で演算された制御用直流中間電圧指令値SAdcから電圧センサ12で検出された実直流中間電圧DCを減算しこれを直流中間電圧偏差ΔDCとして、切り替え部44に出力する。
下限リミッタ45は、切り替え部44から入力される直流中間電圧偏差ΔDCの最小値を、零に制限する。そして、この下限リミッタ45で制限された制限後の直流中間電圧偏差ΔDC′は、演算器23に減算入力される。
PWM信号生成部25はPI調節器24からの昇降圧制御信号に基づいて公知の手順でPWM信号を生成し、このPWM信号を直接、デッドタイム生成部26に出力すると共に、PWM信号を反転回路27に出力する。
まず、非停電時の動作を説明する。
通常、整流器2は、交流電源1からの交流電力を直流電力に変換して直流中間回路3に出力する。インバータ5は直流中間回路3からの直流電力を所定の交流電力に変換し、変換した交流電力を負荷6に供給する。
そして、電圧センサ10の検出結果に基づいて停電検出器11で交流電源1が停電状態にあるかどうかを判定し、交流電源1が停電状態にない場合には、DC偏差選択部41において、DC偏差として正の固定値である規定値εdcが選択され、この規定値εdcを直流中間電圧指令値Sdcから減算した値が、制御用直流中間電圧指令値SAdcとなる。
そして、蓄電池8の実蓄電電圧BATと蓄電電圧指令値Sbatとの偏差である蓄電電圧偏差ΔBATが上限リミッタ22の上限値Haよりも小さいときには、蓄電電圧偏差ΔBATは制限を受けない。このため、制限後の蓄電電圧偏差ΔBAT′は、“蓄電電圧指令値Sbat−実蓄電電圧BAT”となる。
したがって、演算器23で演算される偏差信号δVは、ΔBAT′−ΔDC′=ΔBAT′となり、結果的に、“偏差信号δV=蓄電電圧指令値Sbat−実蓄電電圧BAT”となる。
このとき、偏差信号δV(=ΔBAT′)は正値であって昇降圧チョッパ7を降圧動作させる必要があるため、PWM信号を第1ゲート駆動回路9aに出力し、第2ゲート駆動回路9bは駆動しない。
このため、第1トランジスタ7aのみがオン・オフ動作し、これに伴い、昇降圧チョッパ7は前述と同様に降圧動作を行い、これによって蓄電池8への充電が行なわれ、実蓄電電圧BATが蓄電電圧指令値Sbatと一致するように制御されることになる。
また、実直流中間電圧DCが制御用直流中間電圧指令値SAdcよりも大きいため、直流中間電圧偏差ΔDCは負値となり、下限リミッタ45による制限を受け、制限後の直流中間電圧偏差ΔDC′は零となる。
このように、実直流中間電圧DCが、直流中間電圧指令値Sdcよりも小さいが、制御用直流中間電圧指令値SAdcよりも大きいときには、直流中間電圧が通常とり得る範囲の値であるため、直流中間電圧の制御は行なわず、蓄電電圧の制御のみを行ない、昇降圧チョッパ7は降圧動作のみを行なう。
このとき、実直流中間電圧DCは制御用直流中間電圧指令値SAdcよりも小さいため、直流中間電圧偏差ΔDCは正値となり下限リミッタ45の下限値零よりも大きいため、直流中間電圧偏差ΔDCは制限を受けず、制限後の直流中間電圧偏差ΔDC′は、“制御用直流中間電圧指令値SAdc−実直流中間電圧DC”となる。
このため、偏差信号δVは“上限値Hb(=0)−(制御用直流中間電圧指令値SAdc−実直流中間電圧DC)”となり、昇降圧チョッパ7は、“制御用直流中間電圧指令値SAdc−実直流中間電圧DC”が零となるように昇圧動作を行なう。
この状態から、交流電源1側の異常により交流電源入力が低下すると、この低下に伴い実直流中間電圧DCが低下し、実直流中間電圧DCが制御用直流中間電圧指令値SAdcよりも大きい状態では、直流中間電圧が通常とり得る範囲内の変動であるため、引き続き蓄電電圧の制御を優先して行なう。
停電検出器11で停電が検出されると、DC偏差選択部41においてDC偏差として零が選択されるため、制御用直流中間電圧指令値SAdcは直流中間電圧指令値Sdcとなる。また、停電状態であるため、切り替え部44では演算器43で演算された直流中間電圧偏差ΔDCは直接、演算器23に入力され、直流中間電圧偏差ΔDCは制限されない。また、停電状態であるため、停電時上限値選択部33では、上限リミッタ22の上限値を零に設定する。
このため、直流中間電圧偏差ΔDCは、“直流中間電圧指令値Sdc−実直流中間電圧DC”となり、偏差信号δV=ΔBAT′−ΔDC=−ΔDCであるため、実直流中間電圧DCが直流中間電圧指令値Sdcと一致するように、直流中間電圧の制御が行なわれることになる。
また、非停電状態の場合には、制御用直流中間電圧指令値SAdcではなく、直流中間電圧指令値Sdcと、実直流中間電圧DCとが一致するように制御を行なっているため、交流電源1が停電状態となったことに伴い整流器2による直流中間電圧の制御が行なわれない場合であっても、直流中間電圧を直流中間電圧指令値Sdcに維持することができる。
図2は、第2の実施の形態における無停電電源装置のパルス発生回路9cの構成を示すブロック図である。
この第2の実施の形態における無停電電源装置の基本的な構成は、図3に示す従来の無停電電源装置と同一であって、図3に示す無停電電源装置において、パルス発生回路9cの構成が異なっている。なお、上記第1の実施の形態の図1におけるパルス発生回路9cと同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
電流センサ51は、交流電源1と整流器2との間に設けられ、交流電源1から無停電電源装置への入力電流を検出する。
振幅演算部52は、電流センサ51からの検出信号をもとにその振幅を演算し、これを入力電流振幅Wiとして出力する。
まず、交流電源1が非停電状態にある場合の動作を説明する。
通常、整流器2は、交流電源1からの交流電力を直流電力に変換して直流中間回路3に出力する。インバータ5は直流中間回路3からの直流電力を所定の交流電力に変換し、変換した交流電力を負荷6に供給する。
そして、停電検出器11で、交流電源1が非停電状態にあると判定されるときには、DC偏差選択部41において、DC偏差として正の固定値である規定値εdcが選択され、この規定値εdcを直流中間電圧指令値Sdcから減算した値が、制御用直流中間電圧指令値SAdcとなる。また、非停電状態であるため、切り替え部44は、演算器43で演算された直流中間電圧偏差ΔDCを下限リミッタ45に出力する。このため、直流中間電圧偏差ΔDCの下限値は、零に制限されることになる。また、停電時上限値選択部33では、上限リミッタ22の上限値として、上限値選択部32で選択された上限値Ha又はHbを選択する。
このとき、振幅演算部52で演算される入力電流振幅Wiが振幅指令値SWiよりも小さく、負荷6が安定して電力消費を行なっていると判断されるときには、上限リミッタ22の上限値として蓄電池8への充電定格電圧値相当の上限値Haが設定される。また、蓄電電圧偏差ΔBATが上限値Haよりも小さいときには、蓄電電圧偏差ΔBATは上限リミッタ22で制限を受けない。このため、制限後の蓄電電圧偏差ΔBAT′は、“蓄電電圧指令値Sbat−実蓄電電圧BAT”となる。
このため、PI調節器24により、偏差信号δV(=蓄電電圧指令値Sbat−実蓄電電圧BAT)を零に制御する昇降圧制御信号が生成され、これに応じたPWM信号がPWM信号生成部25で生成され、生成されたPWM信号と、反転回路27で反転されたPWM反転信号とをもとにデッドタイム生成部26においてデッドタイム処理が行なわれる。そして、偏差信号δVは正値であるため、PWM信号を第1ゲート駆動回路9aに出力して降圧動作を行なわせ、第2ゲート駆動回路9bは駆動しない。
このとき、実蓄電電圧BATが蓄電電圧指令値Sbatを大きく下回り、蓄電電圧偏差ΔBATが上限リミッタ22の上限値Haを超えると、蓄電電圧偏差ΔBATは上限値Haに制限される。このため、制限後の蓄電電圧偏差ΔBAT′は“上限値Ha”となるため、偏差信号δVは上限値Haとなり、上限値Ha相当の充電を行なうように降圧動作が行なわれることになる。ここで、上限値Haは、蓄電池8の充電電圧定格値相当に設定されているため、定格以上の充電が行なわれることを回避することができる。
そして、実直流中間電圧DCが制御用直流中間電圧指令値SAdcよりも大きいときには、直流中間電圧偏差ΔDCは負値となるため、下限リミッタ45で零に制限され、制限後の直流中間電圧偏差ΔDC′は零となる。
したがって、演算器23で演算される偏差信号δVは、ΔBAT′−ΔDC′=上限値Hb(=0)−0=0となり、昇降圧チョッパ7は駆動されない。
このとき、振幅演算部52で演算される入力電流振幅Wiが振幅指令値SWiよりも小さい場合には、上限リミッタ22の上限値として蓄電池8への充電定格電圧値相当の上限値Haが設定される。このため、蓄電電圧偏差ΔBATが上限値Haよりも小さいときには上限リミッタ22で制限を受けず、制限後の蓄電電圧偏差ΔBAT′は、“蓄電電圧指令値Sbat−実蓄電電圧BAT”となる。
このため、偏差信号δVは“上限値Ha−(制御用直流中間電圧指令値SAdc−実直流中間電圧DC)”となり、上限値Haの方が直流中間電圧偏差ΔDC′よりも大きいときには、偏差信号δV相当の充電を行なうように昇降圧チョッパ7が降圧動作を行ない、直流中間電圧偏差ΔDC′の方が大きいときには、偏差信号δV相当の昇圧を行なうように昇降圧チョッパ7は昇圧動作を行なって直流中間電圧の昇圧を図る。
このため、蓄電電圧偏差ΔBATは上限リミッタ22で制限を受け、制限後の蓄電電圧偏差ΔBAT′は“上限値Hb”となる。
したがって、偏差信号δVは、ΔBAT′−ΔDC′=上限値Hb(=0)−(制御用直流中間電圧指令値SAdc−実直流中間電圧DC)となるため、直流中間電圧偏差ΔDCが零となるように、昇降圧チョッパ7は昇圧動作を行なうことになる。
この状態から、例えば、負荷6の消費電力が増加したり、交流電源1からの供給電力の制限を行なったりすること等により、交流電源1からの入力電流が増加し、振幅演算部52で演算される入力電流振幅Wiが振幅指令値SWi以上となると、上限リミッタ22の上限値がHb(=0)に変更される。
停電検出器11で交流電源1が停電状態にあることが検出されると、DC偏差選択部41において、DC偏差として零が選択されるため、制御用直流中間電圧指令値SAdcは直流中間電圧指令値Sdcとなる。また、直流中間電圧偏差ΔDCは、切り替え部44により直接、演算器23に入力され、下限リミッタ45による制限はうけない。また、停電状態であるため、停電時上限値選択部33により上限値として零が選択されるため、上限リミッタ22の上限値は零となり、蓄電電圧偏差ΔBATは零に制限される。
このため、偏差信号δVは、ΔBAT′−ΔDC′=−ΔDC′=(直流中間電圧指令値Sdc−実直流中間電圧DC)となる。
また、非停電状態の場合には、制御用直流中間電圧指令値SAdcではなく、直流中間電圧指令値Sdcと、実直流中間電圧DCとが一致するように制御を行なっているため、交流電源1が停電状態となったことに伴い整流器2による直流中間電圧の制御が行なわれない場合であっても、直流中間電圧を直流中間電圧指令値Sdcに維持することができる。
また、昇降圧回路として図3に示す昇降圧チョッパ7を適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、昇降圧制御信号に応じて昇圧動作と降圧動作とを切り替えて行なうようになっている昇降圧回路であれば適用することができる。
また、第2の実施の形態において、電流センサ51が入力電流検出手段に対応し、電流センサ51の検出信号に基づき振幅演算部52で演算した入力電流振幅Wiが振幅指令値SWi(制限開始電流)以上であるときに上限値選択部32で上限値Hbを選択させ、これに応じて上限リミッタ22で蓄電電圧偏差ΔBATを上限値Hbに制限する処理が第2の制限手段に対応している。
2 整流器
3 直流中間回路
4 直流コンデンサ
5 インバータ
6 負荷
7 昇降圧チョッパ
7a 第1トランジスタ
7b 第2トランジスタ
8 蓄電池
9 チョッパ制御回路
9a 第1ゲート駆動回路
9b 第2ゲート駆動回路
10 電圧センサ
11 停電検出器
12、13 電圧センサ
22 上限リミッタ
31 モード判定部
32 上限値選択部
51 電流センサ
52 振幅演算部
53 整流器状態判定部
Claims (6)
- 交流電源入力を直流電力に変換する整流器と、
前記直流電力を交流電力に変換して負荷供給用の交流電力を生成しこの負荷供給用の交流電力を負荷に供給するインバータと、
前記直流電力を蓄電する蓄電手段と、
前記整流器と前記インバータとの間に接続され、入力される制御信号に応じて昇圧又は降圧動作を行い、前記整流器と前記インバータとの間の直流中間電圧を降圧して前記蓄電手段への充電を行なうと共に前記蓄電手段の蓄電エネルギを利用して前記直流中間電圧を昇圧する昇降圧回路と、を備えた電力変換装置であって、
前記直流中間電圧を検出する直流中間電圧検出手段と、
前記蓄電手段の蓄電電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、
前記直流中間電圧の目標値と前記直流中間電圧検出手段で検出される実直流中間電圧との偏差を演算する直流中間電圧偏差演算手段と、
前記蓄電手段の蓄電電圧の目標値と前記蓄電電圧検出手段で検出される実蓄電電圧との偏差を演算する蓄電電圧偏差演算手段と、
前記直流中間電圧偏差演算手段で演算される直流中間電圧偏差と前記蓄電電圧偏差演算手段で演算される蓄電電圧偏差とからこれらの偏差を演算し、この偏差が零となるように前記制御信号を生成する昇降圧制御手段と、を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記昇降圧制御手段は、前記交流電源入力が予め設定したしきい値以上であり且つ前記実直流中間電圧が予め設定した制限開始電圧より小さいときに、前記蓄電電圧偏差演算手段で演算された蓄電電圧偏差の最大値を制限する第1の制限手段を備えることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記昇降圧制御手段は、
前記整流器への入力電流を検出する入力電流検出手段と、
前記交流電源入力が予め設定したしきい値以上であり且つ前記入力電流検出手段で検出される実入力電流が予め設定した制限開始電流以上であるときに、前記蓄電電圧偏差演算手段で演算された蓄電電圧偏差の最大値を制限する第2の制限手段を備えることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記インバータは、前記交流電源入力が予め設定したしきい値より小さいときには前記蓄電手段の蓄電エネルギを利用して前記負荷供給用の交流電力を生成するようになっている電力変換装置であって、
前記交流電源入力が前記しきい値以上であるときには、前記整流器において前記直流電力に変換するときの直流電圧変換目標値から予め設定した規定値を減算した値を、前記直流中間電圧の目標値とし、
前記交流電源入力が前記しきい値よりも小さいときには、前記直流電圧変換目標値を前記直流中間電圧の目標値とすることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記昇降圧制御手段は、前記直流中間電圧偏差と前記蓄電電圧偏差との偏差に対して比例−積分制御処理を行なって前記制御信号を生成することを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載の電力変換装置。
- 前記交流電源入力のしきい値は、前記交流電源に停電が生じたとみなすことの可能な値に設定されることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載の電力変換装置。
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