JP5238772B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device.

電気鉄道直流き電システムでは、3相ブリッジ結線された電力用ダイオード整流器により3相交流電力を直流電力に変換する方式が多く採用されている。この方式は過負荷耐量に優れ、変換器コストが安くできる利点を有する。しかし、電車が回生ブレーキをかけたときにその電力を交流電源側に回生できず、しばしば回生失効を起こすという問題点があった。また、負荷電流依存性があり、直流き電電圧が負荷によって大きく変動する欠点があった。   In an electric railway DC feeding system, a system in which three-phase AC power is converted into DC power by a power diode rectifier connected in a three-phase bridge is often employed. This method has the advantage that the overload capability is excellent and the converter cost can be reduced. However, there was a problem that when the train applied the regenerative brake, the power could not be regenerated to the AC power source side, and the regeneration was often invalidated. In addition, there is a load current dependency, and there is a drawback that the DC feeding voltage varies greatly depending on the load.

そこで電力回生可能な機構を備えた電力変換装置が開発されている。図25は、従来の電力回生可能なPWMコンバータCNV(パルス幅変調制御コンバータ)の構成を示すものである。図中、R,S,Tは3相交流電源SUPの端子、Lsは交流リアクトル、CNVはPWMコンバータ、Cdは直流平滑コンデンサ、VDTはこの平滑コンデンサCdの電圧を検出する電圧検出器、INVは3相出力のVVVF(可変電圧可変周波数)インバータ、Mは交流電動機をそれぞれ示す。   Therefore, a power conversion device having a mechanism capable of regenerating power has been developed. FIG. 25 shows a configuration of a conventional PWM converter CNV (pulse width modulation control converter) capable of power regeneration. In the figure, R, S, and T are terminals of a three-phase AC power supply SUP, Ls is an AC reactor, CNV is a PWM converter, Cd is a DC smoothing capacitor, VDT is a voltage detector that detects the voltage of the smoothing capacitor Cd, and INV is A three-phase output VVVF (variable voltage variable frequency) inverter, M represents an AC motor.

また、制御回路CNTLとして、比較器C1,C2、電圧制御補償器GV(S)、乗算器ML、電流制御補償器Gi(S)およびパルス幅変調制御回路PWMCが用意されている。破線で囲まれた部分は3相分用意されており、R相のみを詳しく示しているが、S相およびT相も同様に構成されている。   As the control circuit CNTL, comparators C1 and C2, a voltage control compensator GV (S), a multiplier ML, a current control compensator Gi (S), and a pulse width modulation control circuit PWMC are prepared. A portion surrounded by a broken line is prepared for three phases, and only the R phase is shown in detail, but the S phase and the T phase are similarly configured.

PWMコンバータCNVは、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdが電圧指令値Vd*に一致するように入力電流Ir,Is,Itを制御する。   The PWM converter CNV controls the input currents Ir, Is, It so that the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd matches the voltage command value Vd *.

制御回路CNTLにおいて、電圧指令値Vd*と電圧検出値Vdの偏差を制御補償器GV(S)で増幅し、入力電流の振幅指令値Ism*とする。乗算器MLでR相の電圧に同期した単位正弦波sinωtと前記入力電流の振幅指令値Ism*を掛け算し、それをR相の電流指令値Ir*とする。すなわち、
In the control circuit CNTL, the deviation between the voltage command value Vd * and the voltage detection value Vd is amplified by the control compensator GV (S) to obtain the amplitude command value Ism * of the input current. The multiplier ML multiplies the unit sine wave sinωt synchronized with the R-phase voltage by the amplitude command value Ism * of the input current, and sets it as the R-phase current command value Ir *. That is,

となる。 It becomes.

R相電流指令値Ir*とR相電流検出値Irを比較し、その偏差を電流制御補償器Gi(S)で、反転増幅する。通常比例増幅が使われ、Gi(S)=−Kiとなる。Kiは比例定数である。Gi(S)の出力である電圧指令値er*=−Ki×(Ir*−Ir)をPWM制御回路PWMCに入力し、コンバータCNVのR相の自己消弧素子S1とS4のゲート信号g1,g4を作る。PWM制御回路PWMCは、電圧指令値er*とキャリア信号X(例えば、1kHzの三角波)を比較し、er*>Xのときは、素子S1をオンさせ(S4はオフ)、er*<Xのときは、素子S4をオン(S1はオフ)させる。この結果、コンバータCNVのR相電圧Vrは前記電圧指令値er*に比例した電圧を発生する。   The R-phase current command value Ir * and the R-phase current detection value Ir are compared, and the deviation is inverted and amplified by the current control compensator Gi (S). Normally proportional amplification is used, Gi (S) = − Ki. Ki is a proportionality constant. The voltage command value er * = − Ki × (Ir * −Ir), which is the output of Gi (S), is input to the PWM control circuit PWMC, and the gate signals g1 of the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4 of the converter CNV Make g4. The PWM control circuit PWMC compares the voltage command value er * with the carrier signal X (for example, a 1 kHz triangular wave). When er *> X, the element S1 is turned on (S4 is off), and er * <X If so, the element S4 is turned on (S1 is turned off). As a result, the R-phase voltage Vr of the converter CNV generates a voltage proportional to the voltage command value er *.

Ir*>Irの場合、電圧指令値er*は負の値となり、Irを増加させる。逆に、Ir*<Irの場合、電圧指令値er*は正の値となり、Irを減少させる。故に、Ir*=Irとなるように制御される。S相,T相の電流も同様に制御される。   When Ir *> Ir, the voltage command value er * becomes a negative value, and Ir is increased. Conversely, when Ir * <Ir, the voltage command value er * becomes a positive value, and Ir is decreased. Therefore, it is controlled so that Ir * = Ir. The S-phase and T-phase currents are similarly controlled.

また、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdは、次のように制御される。   The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor is controlled as follows.

Vd*>Vdとなった場合、前記入力電流の振幅指令値Ism*が増加する。各相の電流指令値は電源電圧と同相となり、前記振幅指令値Ism*に比例した有効電力Psが前記交流電源SUPから直流平滑コンデンサCdに供給されることになる。この結果、直流電圧Vdが上昇し、Vd*=Vdとなるように制御される。   When Vd *> Vd, the amplitude command value Ism * of the input current increases. The current command value of each phase is in phase with the power supply voltage, and the active power Ps proportional to the amplitude command value Ism * is supplied from the AC power supply SUP to the DC smoothing capacitor Cd. As a result, the direct-current voltage Vd is increased and controlled so that Vd * = Vd.

逆に、Vd*<Vdとなった場合、前記入力電流の振幅指令値Ismは負の値となり、交流電源側に電力Psを回生する。故に、直流平滑コンデンサCdの蓄積エネルギーが減少し、Vdが減って、やはり、Vd*=Vdとなるように制御される。   Conversely, when Vd * <Vd, the amplitude command value Ism of the input current becomes a negative value, and the power Ps is regenerated to the AC power supply side. Therefore, the stored energy of the DC smoothing capacitor Cd is decreased, Vd is decreased, and the control is performed so that Vd * = Vd.

VVVFインバータINVおよび交流電動機Mは、直流平滑コンデンサCdを電圧源とする負荷で、力行運転時はコンデンサCdのエネルギーを消費し、Vdを減少させる方向に働く。また、回生運転時はその回生エネルギーを平滑コンデンサCdにもどすため、Vdを上昇させる方向に働く。前述のようにPWMコンバータCNVによって直流電圧Vdが一定になるように制御するため、自動的に、力行運転では交流電源から見合った有効電力を供給し、回生運転時は回生エネルギーに見合った有効電力を交流電源側に回生することになる。このように、従来のPWMコンバータCNVによれば、直流電圧を安定化することができ、電力回生が可能となり、電気鉄道の直流き電システムでの回生失効の問題も解決される。   The VVVF inverter INV and the AC motor M are loads using the DC smoothing capacitor Cd as a voltage source, and consume power of the capacitor Cd and reduce Vd during powering operation. Further, during the regenerative operation, the regenerative energy is returned to the smoothing capacitor Cd, so that it works in the direction of increasing Vd. Since the DC voltage Vd is controlled to be constant by the PWM converter CNV as described above, the effective power corresponding to the regenerative energy is automatically supplied during the regenerative operation. Will be regenerated to the AC power supply side. Thus, according to the conventional PWM converter CNV, the DC voltage can be stabilized, power regeneration is possible, and the problem of regeneration invalidation in the DC power feeding system of the electric railway is solved.

しかし、PWMコンバータCNVは、高周波でスイッチングを行うためスイッチング損失が大きくなる欠点がある。また、スイッチング素子は、遮断電流として交流入力電流の最大値を切る能力が必要となる。従って、短時間の過負荷(例えば、定格電流の300%)でもその遮断電流に耐えるように設計しなければならず、電力変換器を構成する自己消弧素子として遮断電流の大きなものが必要となり、不経済なシステムとなってしまう問題がある。   However, the PWM converter CNV has a drawback in that switching loss increases because switching is performed at a high frequency. Further, the switching element needs to be capable of cutting the maximum value of the AC input current as a cutoff current. Therefore, it must be designed to withstand the breaking current even for a short time overload (for example, 300% of the rated current), and a self-extinguishing element constituting the power converter must have a large breaking current. There is a problem that it becomes an uneconomical system.

一方、電気鉄道では、電力用ダイオード整流器がすでに設置されている場合が多く、そこに新しいPWMコンバータCNVを設置した場合、既設の電力用ダイオード整流器と新設のPWMコンバータCNVを並列運転することが必要になってくる。   On the other hand, in electric railways, power diode rectifiers are often installed, and when a new PWM converter CNV is installed there, it is necessary to operate the existing power diode rectifier and the new PWM converter CNV in parallel. It becomes.

既設の電力用ダイオード整流器は、負荷電流によって直流電圧Vdのレギュレーションがあり、例えば、定格負荷でVd=1500Vで8%の電圧レギュレーションを持つ整流器の場合、300%過負荷運転時は、Vd=1260Vまで低下する。   The existing power diode rectifier has a regulation of the DC voltage Vd depending on the load current. For example, in the case of a rectifier having a voltage regulation of 8% at a rated load of Vd = 1500V, Vd = 1260V at 300% overload operation. To fall.

並列運転するPWMコンバータCNVの直流電圧Vdは、上記電力用ダイオード整流器の整流電圧と同じに制約され、Vd=1500V一定では運転できなくなる。その結果、過負荷運転時には、PWMコンバータCNVの直流電圧はVd=1260Vとなり、当該電圧値で交流電源から供給される入力電流Isを制御しなければならなくなる。入力力率=1で運転する場合、電源電圧をVs,交流リアクトルLsの電圧降下をjωLs・Isとした場合、PWMコンバータCNVの交流電圧Vcは、Vc=√{Vs2+(ωLs・Is)2}の大きさが必要になる。当該PWMコンバータCNVの交流電圧Vcの最大値は、前記直流電圧Vdに比例するもので、Vdが低下すれば、PWMコンバータCNVが出せる交流電圧Vcの最大値も低下する。一般には、PWMコンバータCNVの電圧利用率などを考慮すると、交流電圧Vcの実効値(変圧器の2次電圧V2)として、直流電圧Vdの(1/2)程度に設計される。   The DC voltage Vd of the PWM converter CNV that operates in parallel is restricted to be the same as the rectified voltage of the power diode rectifier, and cannot operate when Vd = 1500V is constant. As a result, during overload operation, the DC voltage of the PWM converter CNV becomes Vd = 1260 V, and the input current Is supplied from the AC power supply must be controlled with the voltage value. When operating with an input power factor of 1, assuming that the power supply voltage is Vs and the voltage drop of the AC reactor Ls is jωLs · Is, the AC voltage Vc of the PWM converter CNV is Vc = √ {Vs2 + (ωLs · Is) 2} The size of is required. The maximum value of the AC voltage Vc of the PWM converter CNV is proportional to the DC voltage Vd. If Vd decreases, the maximum value of the AC voltage Vc that can be output by the PWM converter CNV also decreases. In general, considering the voltage utilization factor of the PWM converter CNV, the effective value of the AC voltage Vc (secondary voltage V2 of the transformer) is designed to be about (1/2) of the DC voltage Vd.

すなわち、直流電圧Vd=1500Vの場合、変圧器の2次電圧はV2=750Vとなるのに対し、Vd=1260Vまで下がると、V2=630Vまで下げないと、入力力率=1の運転ができないことになる。言い換えると、既存の整流器と並列運転するPWMコンバータCNVでは、当該コンバータCNVの変圧器の2次電圧を最初からV2=630Vに設計せざるを得なくなる。すると、同じ出力の変換器では変圧器の2次電流が増加し、当然、PWMコンバータCNVの入力電流も増加してコンバータCNVを構成する自己消弧素子の電流容量も大きなものが必要となる。結果的に、コストの高い装置となってしまう欠点があった。   That is, when the DC voltage Vd = 1500V, the secondary voltage of the transformer is V2 = 750V. However, when the voltage decreases to Vd = 1260V, the operation with the input power factor = 1 cannot be performed unless the voltage V2 = 630V. It will be. In other words, in the PWM converter CNV operating in parallel with the existing rectifier, the secondary voltage of the transformer of the converter CNV must be designed to V2 = 630V from the beginning. Then, in the converter with the same output, the secondary current of the transformer increases, and naturally, the input current of the PWM converter CNV also increases, and the current capacity of the self-extinguishing element constituting the converter CNV is required to be large. As a result, there is a drawback that the device is expensive.

以上のように、電力回生が可能な電力変換器として、パルス幅変調制御による自励式電力変換器(PWMコンバータと呼ぶ)があるが、ダイオード整流器に比べるとコストが高く、過負荷耐量も大きく出来ない難点がある。また、PWM制御に伴うスイッチング損失が大きくなり、変換器効率が悪い等の問題があった。さらに、既設のダイオード整流器と並列運転する場合、当該整流器の電圧レギュレーションにより、PWMコンバータCNVの交流電圧Vcが低下し、入力電流が増加してコンバータを構成する自己消弧素子の電流容量が増大し、不経済なシステムとなる欠点があった。   As described above, there is a self-excited power converter (referred to as a PWM converter) based on pulse width modulation control as a power converter capable of power regeneration. However, the cost is higher than that of a diode rectifier and the overload capability can be increased. There are no difficulties. In addition, there is a problem that switching loss accompanying PWM control becomes large and converter efficiency is poor. Furthermore, when operating in parallel with an existing diode rectifier, the AC voltage Vc of the PWM converter CNV decreases due to voltage regulation of the rectifier, the input current increases, and the current capacity of the self-extinguishing elements constituting the converter increases. There was a drawback that would be an uneconomical system.

特公平5−7950号公報Japanese Patent Publication No. 5-7950

本発明は、上記従来の技術的課題を解決するためになされたもので、既設のダイオード整流器との並列運転に適し、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能で、変換器効率が高く、経済的な電力変換装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional technical problems, and is suitable for parallel operation with an existing diode rectifier, has excellent overload capability, is capable of power regeneration, has high converter efficiency, and is economical. An object is to provide a typical power conversion device.

本発明の1つの特徴は、交流電源と、当該交流電源に第1の変圧器を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器と、前記交流電源に第2の変圧器を介して接続された交流負荷と、前記第2の変圧器の2次巻線に第3の変圧器を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器と、当該電圧形自励式電力変換器の直流端子間に接続された直流平滑コンデンサと、前記電圧形自励式電力変換器を一定のパルスパターンで動作させ、前記交流電源の電圧に対する前記電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより前記電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する入力電流制御手段とを具備し、前記電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される直流負荷に電力を供給する電力変換装置である。 One feature of the present invention is that an AC power source, a power diode rectifier having an AC terminal connected to the AC power source via a first transformer, and a second transformer connected to the AC power source. A voltage-type self-excited power converter in which an AC terminal is connected to the secondary winding of the second transformer via a third transformer, and the voltage-type self-excited power converter. A DC smoothing capacitor connected between DC terminals and the voltage-type self-excited power converter are operated in a constant pulse pattern, and the phase of the AC-side terminal voltage of the voltage-type self-excited power converter with respect to the voltage of the AC power supply Input current control means for controlling the input current of the voltage source self-excited power converter by adjusting the angle, and connected between the DC common terminals of the voltage source self-excited power converter and the power diode rectifier Power to the DC load A power converter supplied.

本発明の別の特徴は、交流電源と、当該交流電源に第1の変圧器を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器と、前記交流電源に第2の変圧器を介して接続された交流負荷と、前記第2の変圧器の2次巻線に第3の変圧器を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器と、当該電圧形自励式電力変換器の直流端子間に接続された直流平滑コンデンサおよび抵抗器の直列回路と、前記電圧形自励式電力変換器を一定のパルスパターンで動作させ、前記交流電源の電圧に対する前記電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより前記電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する入力電流制御手段とを具備し、前記電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される直流負荷に電力を供給する電力変換装置である。 Another feature of the present invention is that an AC power source, a power diode rectifier having an AC terminal connected to the AC power source via a first transformer, and a second transformer connected to the AC power source. An AC load, a voltage-type self-excited power converter having an AC terminal connected to the secondary winding of the second transformer via a third transformer, and a DC of the voltage-type self-excited power converter A series circuit of a DC smoothing capacitor and a resistor connected between terminals and the voltage source self-excited power converter are operated with a constant pulse pattern, and the AC of the voltage source self-excited power converter with respect to the voltage of the AC power supply Input current control means for controlling the input current of the voltage source self-excited power converter by adjusting the phase angle of the side terminal voltage, and the direct current of the voltage source self-excited power converter and the power diode rectifier Connected between common terminals A power converter for supplying power to the DC load.

本発明のさらに別の特徴は、交流電源と、当該交流電源に第1の変圧器を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器と、前記交流電源に第2の変圧器を介して接続された交流負荷と、前記第2の変圧器の2次巻線に第3の変圧器を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器と、当該電圧形自励式電力変換器の直流端子間に接続された直流平滑コンデンサおよび抵抗器の直列回路と、当該抵抗器の片方向電流をバイパスさせるダイオードと、前記電圧形自励式電力変換器を一定のパルスパターンで動作させ、前記交流電源の電圧に対する前記電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより前記電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する入力電流制御手段とを具備し、前記電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される直流負荷に電力を供給する電力変換装置である。   Still another feature of the present invention is that an AC power source, a power diode rectifier having an AC terminal connected to the AC power source via a first transformer, and a second transformer connected to the AC power source. A voltage-type self-excited power converter in which an AC terminal is connected to the secondary winding of the second transformer via a third transformer, and the voltage-type self-excited power converter. A series circuit of a DC smoothing capacitor and a resistor connected between DC terminals, a diode for bypassing the one-way current of the resistor, and the voltage-type self-excited power converter are operated in a constant pulse pattern, and the AC An input current control means for controlling an input current of the voltage type self-excited power converter by adjusting a phase angle of an AC side terminal voltage of the voltage type self-excited power converter with respect to a voltage of a power source; Self-excited power variation To a DC load connected between the vessel and the DC common terminal of the power diode rectifier is a power converter for supplying power.

本発明の電力変換装置によれば、既設の電力用ダイオード整流器との並列運転に適し、過負荷耐量に優れ、電力回生が可能で、変換器効率が高く、経済的な電力変換装置を提供することができる。   According to the power conversion device of the present invention, an economical power conversion device that is suitable for parallel operation with an existing power diode rectifier, has excellent overload capability, is capable of power regeneration, has high converter efficiency, and is economical. be able to.

本発明の第1の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 1st Embodiment of this invention. 図1の電力変換装置における自励式電力変換器の具体的な構成例のブロック図。The block diagram of the specific structural example of the self-excited power converter in the power converter device of FIG. 上記実施の形態の電力変換装置の制御動作を説明するための交流側等価回路。The AC side equivalent circuit for demonstrating control operation of the power converter device of the said embodiment. 上記実施の形態の電力変換装置の制御動作を説明するための電圧・電流ベクトル図。The voltage / current vector diagram for demonstrating control operation of the power converter device of the said embodiment. 図1の電力変換装置における制御回路内の位相制御回路のブロック図。The block diagram of the phase control circuit in the control circuit in the power converter device of FIG. 図5の位相制御回路の1パルス動作時の波形例図。6 is a waveform example diagram during one-pulse operation of the phase control circuit of FIG. 本実施の形態の電力変換装置の自励式電力変換器を1パルスで力行運転した場合の各部動作波形図。The operation waveform figure of each part at the time of carrying out the power running operation by 1 pulse of the self-excitation power converter of the power converter device of this Embodiment. 本実施の形態の電力変換装置の自励式電力変換器を1パルスで回生運転した場合の各部動作波形図。The operation | movement waveform diagram of each part at the time of carrying out the regenerative operation by 1 pulse of the self-excitation power converter of the power converter device of this Embodiment. 本実施の形態の電力変換装置の自励式電力変換器を3パルスで力行運転した場合の各部動作波形図。The operation waveform figure of each part at the time of carrying out the power running operation by 3 pulses of the self-excited power converter of the power converter device of this Embodiment. 本発明の第2の実施の形態の電力変換装置による自励式電力変換器の運転特性図。The driving | operation characteristic figure of the self-excitation type power converter by the power converter device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態の電力変換装置による自励式電力変換器の運転特性図。The driving | operation characteristic figure of the self-excited power converter by the power converter device of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の電力変換装置における制御回路のブロック図。The block diagram of the control circuit in the power converter device of the 4th Embodiment of this invention. 図12の制御回路における電圧指令演算回路の演算特性図。FIG. 13 is a calculation characteristic diagram of a voltage command calculation circuit in the control circuit of FIG. 12. 本発明の第5の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施の形態の電力変換装置における制御回路のブロック図。The block diagram of the control circuit in the power converter device of the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施の形態の電力変換装置による力行過負荷運転時の自励式電力変換器の交流側電圧・電流ベクトル図。The alternating current side voltage and electric current vector diagram of the self-excitation type power converter at the time of power running overload operation by the power converter of the 8th embodiment of the present invention. 上記実施の形態の電力変換装置による過負荷運転時の自励式電力変換器の交流側電圧・電流ベクトル図。AC side voltage / current vector diagram of a self-excited power converter during overload operation by the power converter of the embodiment. 本発明の第9の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 9th Embodiment of this invention. 本発明の第10の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 10th Embodiment of this invention. 本発明の第11の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 11th Embodiment of this invention. 本発明の第12の実施の形態の電力変換装置における制御回路のブロック図。The block diagram of the control circuit in the power converter device of the 12th Embodiment of this invention. 上記実施の形態における電流指令発生器の特性例図。The characteristic example figure of the electric current command generator in the said embodiment. 本発明の第13の実施の形態の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of the 13th Embodiment of this invention. 従来例の電力変換装置のブロック図。The block diagram of the power converter device of a prior art example.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)図1は、本発明の第1の実施の形態の電力変換装置を示すブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、TR1,TR2は3相トランス、RECは電力用ダイオード整流器、CNVは電圧形自励式電力変換器、Cdは直流平滑コンデンサ、VDTは直流電圧検出器、DCDTは直流電流検出器、Loadは負荷装置を示している。   (First Embodiment) FIG. 1 is a block diagram showing a power conversion apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, TR1 and TR2 are three-phase transformers, REC is a power diode rectifier, CNV is a voltage-type self-excited power converter, Cd is a DC smoothing capacitor, and VDT is DC voltage detector, DCDT is a DC current detector, and Load is a load device.

一方、制御回路CNTLとして、比較器C1,C2、加算器AD、電圧制御補償回路Gv(S)、電流制御補償回路Gi(S)、電流指令発生器F(x)、切換え器SW、レベル検出器LBL、リミッタ回路LIM、フィードフォワード補償器FF、座標変換回路Z、電源同期位相検出回路PLL、位相制御回路PHCを用意している。   On the other hand, as the control circuit CNTL, comparators C1 and C2, adder AD, voltage control compensation circuit Gv (S), current control compensation circuit Gi (S), current command generator F (x), switch SW, level detection LBL, limiter circuit LIM, feedforward compensator FF, coordinate conversion circuit Z, power supply synchronous phase detection circuit PLL, and phase control circuit PHC are prepared.

本実施の形態の電力変換装置は、交流電源SUPと、当該交流電源SUPに第1の変圧器TR1を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器RECと、交流電源SUPに第2の変圧器TR2を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器CNVと、当該電圧形自励式電力変換器CNVの直流端子間に接続された直流平滑コンデンサCdと、電圧形自励式電力変換器CNVを一定のパルスパターンで動作させ、交流電源の電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧の位相角を調整することにより電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する制御回路CNTLとを具備し、電圧形自励式電力変換器および電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される負荷装置に電力を供給するものにあって、制御回路CNTLが、力行運転時は負荷装置Loadに供給する電流又は有効電力に応じて電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分を制御し、回生運転時は直流平滑コンデンサCdに印加される電圧が電圧指令値に一致するように入力電流を制御することを特徴とする。   The power conversion device according to the present embodiment includes an AC power supply SUP, a power diode rectifier REC having an AC terminal connected to the AC power supply SUP via a first transformer TR1, and a second transformer for the AC power supply SUP. Voltage-type self-excited power converter CNV having an AC terminal connected thereto via a transformer TR2, a DC smoothing capacitor Cd connected between DC terminals of the voltage-type self-excited power converter CNV, and voltage-type self-excited power conversion Control the input current of the voltage-type self-excited power converter by adjusting the phase angle of the AC-side terminal voltage of the voltage-type self-excited power converter CNV with respect to the voltage Vs of the AC power supply. And a control circuit CNTL for supplying power to a load device connected between the DC common terminals of the voltage-type self-excited power converter and the power diode rectifier. The control circuit CNTL controls the effective amount of the input current of the voltage type self-excited power converter CNV according to the current supplied to the load device Load or the active power during the power running operation, and is applied to the DC smoothing capacitor Cd during the regenerative operation. The input current is controlled so that the applied voltage matches the voltage command value.

本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転を行う。力行運転(電力が電源SUPから負荷Loadへ供給される)では、自励式電力変換器CNVの入力電流Icの有効分を制御することにより、負荷分担を調整する。また、回生運転(電力が負荷Loadから電源SUPへ回生される)では、直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように自励式電力変換器CNVの入力電流Icを制御する。   In the power converter of the present embodiment, the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV are operated in parallel. In the power running operation (electric power is supplied from the power supply SUP to the load Load), the load sharing is adjusted by controlling the effective amount of the input current Ic of the self-excited power converter CNV. In regenerative operation (electric power is regenerated from load Load to power supply SUP), input current Ic of self-excited power converter CNV is controlled so that DC voltage Vd matches command value Vd *.

図2は、図1の装置の自励式電力変換器CNVの具体的な構成例を示すもので、R,S,Tは3相交流電源端子、TR2は変圧器、Lsは交流リアクトル(変圧器TR2のもれインダクタンス)、CNVは変換器本体、S1〜S6は自己消弧素子、D1〜D6は高速ダイオード、Cdは直流平滑コンデンサ、Loadは負荷装置を示す。以下、この主回路構成例を参照しながら、自励式電力変換器CNVの制御動作を説明する。   FIG. 2 shows a specific configuration example of the self-excited power converter CNV of the apparatus of FIG. 1, wherein R, S, and T are three-phase AC power terminals, TR2 is a transformer, and Ls is an AC reactor (transformer (TR2 leakage inductance), CNV is a converter body, S1 to S6 are self-extinguishing elements, D1 to D6 are high-speed diodes, Cd is a DC smoothing capacitor, and Load is a load device. Hereinafter, the control operation of the self-excited power converter CNV will be described with reference to this main circuit configuration example.

図1の制御回路CNTLにおいて、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdを検出し、比較器C1により、電圧指令値Vd*と比較する。その偏差εvを電圧制御補償回路Gv(S)により、積分又は比例増幅し、加算器ADに入力する。負荷LOADが消費する直流電流ILを検知し、フィードフォワード補償器FFを介して、加算器ADに入力する。加算器ADの出力Iq1*が電源SUPから供給される有効電流の指令値となる。制御回路CNTLのレベル検出器LBLは、直流電流ILが設定値(例えばILo=0)より大きくなった場合、切り替え信号CLを出力し、切り替え器SWを電流制御側に切り替える。すなわち、IL>ILoとなった場合、電流指令発生器F(x)からの出力信号Iq2*を有効電流指令値として電流制御を行う。実際の有効電流指令値Iq*は、電流指令値Iq1*又はIq2*をリミッタ回路LIMを介して与えられる。   In the control circuit CNTL in FIG. 1, the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is detected and compared with the voltage command value Vd * by the comparator C1. The deviation εv is integrated or proportionally amplified by the voltage control compensation circuit Gv (S) and input to the adder AD. The DC current IL consumed by the load LOAD is detected and input to the adder AD via the feedforward compensator FF. The output Iq1 * of the adder AD becomes a command value for the effective current supplied from the power supply SUP. The level detector LBL of the control circuit CNTL outputs a switching signal CL when the direct current IL becomes larger than a set value (for example, ILo = 0), and switches the switch SW to the current control side. That is, when IL> ILo, current control is performed using the output signal Iq2 * from the current command generator F (x) as an effective current command value. The actual effective current command value Iq * is given through the limiter circuit LIM as the current command value Iq1 * or Iq2 *.

制御回路CNTLの座標変換器Zは、交流電源SUPから供給される3相入力電流Icr,Ics,Ictの検出値をdq軸(直流量)に変換する。座標変換されたq軸電流Iqは有効電流検出値を、d軸電流Idは無効電流検出値を表わす。比較器C2により、有効電流指令値Iq*と有効電流検出値Iqを比較し、その偏差εiを電流制御補償回路Gi(S)により増幅して、位相角指令値φ*とする。電源同期位相検出回路PLLは3相交流電源電圧に同期した位相信号θr,θs,θtを作り、位相制御回路PHCに入力する。位相制御回路PHCは、位相角指令値φ*と位相信号θr,θs,θtを用いて自励式電力変換器CNVの自己消弧素子S1〜S6のゲート信号g1〜g6を発生する。   The coordinate converter Z of the control circuit CNTL converts the detected values of the three-phase input currents Icr, Ics, Ict supplied from the AC power supply SUP into dq axes (DC amount). The coordinate-converted q-axis current Iq represents an effective current detection value, and the d-axis current Id represents a reactive current detection value. The comparator C2 compares the effective current command value Iq * and the effective current detection value Iq, and a deviation εi thereof is amplified by the current control compensation circuit Gi (S) to obtain a phase angle command value φ *. The power supply synchronization phase detection circuit PLL generates phase signals θr, θs, θt synchronized with the three-phase AC power supply voltage and inputs the phase signals to the phase control circuit PHC. The phase control circuit PHC generates the gate signals g1 to g6 of the self-extinguishing elements S1 to S6 of the self-excited power converter CNV using the phase angle command value φ * and the phase signals θr, θs, and θt.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧に対する位相角φを制御することにより、入力電流Icを制御する。   The voltage type self-excited power converter CNV controls the input current Ic by controlling the phase angle φ with respect to the power supply voltage with a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage.

図3は、本実施の形態の電力変換装置の制御動作を説明するための交流側等価回路を示す。また、図4は、その電圧・電流ベクトル図を示す。図中、Lsは交流リアクトル(一般には変圧器TR2のもれインダクタンスで代用される)、Vsは電源電圧、Vcは自励式電力変換器CNVの交流出力電圧、Icは入力電流、jωLs・Icは交流リアクトルLsによる電圧降下分(ただし、リアクトルLsの抵抗分は十分小さいものとして無視した)を表わす。ベクトル的に、Vs=Vc+jωLs・Icの関係がある。   FIG. 3 shows an AC side equivalent circuit for explaining the control operation of the power conversion device of the present embodiment. FIG. 4 shows the voltage / current vector diagram. In the figure, Ls is an AC reactor (generally substituted for the leakage inductance of the transformer TR2), Vs is a power supply voltage, Vc is an AC output voltage of the self-excited power converter CNV, Ic is an input current, and jωLs · Ic is This represents a voltage drop due to the AC reactor Ls (however, the resistance of the reactor Ls is ignored as being sufficiently small). As a vector, there is a relationship of Vs = Vc + jωLs · Ic.

電源電圧Vsの波高値と自励式電力変換器の交流出力電圧Vcの基本波波高値は大略一致するように合わせる。直流電圧Vdは負荷側からの要求で決まる場合が多く、パルスパターンを決めると、交流出力電圧Vcの基本波波高値は決まってしまう。そこで、電源側に変圧器を設置し、その2次電圧をVsとして、波高値を合わせる。   The peak value of the power supply voltage Vs is matched with the fundamental peak value of the AC output voltage Vc of the self-excited power converter. The DC voltage Vd is often determined by a request from the load side, and when the pulse pattern is determined, the fundamental wave peak value of the AC output voltage Vc is determined. Therefore, a transformer is installed on the power supply side, and the peak value is adjusted with the secondary voltage as Vs.

入力電流Icは、電源電圧Vsに対する自励式電力変換器の交流出力電圧Vcの位相角φを調整することにより制御できる。すなわち、位相角φ=0とすると、交流リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icはゼロとなり、入力電流Icもゼロとなる。位相角(遅れ)φを増やしていくと、jωLs・Icの電圧が増加し、入力電流Icもその値に比例して増加する。入力電流ベクトルIcは、電圧jωLs・Icに対し90°遅れており、電源電圧Vsに対しては、φ/2だけ遅れたベクトルとなる。従って、電源側から見た入力力率は、cos(φ/2)となる。   The input current Ic can be controlled by adjusting the phase angle φ of the AC output voltage Vc of the self-excited power converter with respect to the power supply voltage Vs. That is, when the phase angle φ = 0, the voltage jωLs · Ic applied to the AC reactor Ls becomes zero, and the input current Ic also becomes zero. As the phase angle (delay) φ increases, the voltage of jωLs · Ic increases and the input current Ic also increases in proportion to the value. The input current vector Ic is delayed by 90 ° with respect to the voltage jωLs · Ic, and is a vector delayed by φ / 2 with respect to the power supply voltage Vs. Therefore, the input power factor viewed from the power supply side is cos (φ / 2).

一方、自励式電力変換器CNVの交流出力電圧をVc’のように位相角φを進み方向に増やしていくと、交流リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icも負となり、入力電流はIc’のように、電源電圧Vsに対し(π−φ/2)の位相角となる。すなわち、電力Ps=Vs・Icは負となり、電力を電源に回生することができる。電源電圧Vsを基準にして、交流出力電圧Vcを図の破線に沿ってVc’の方向に回していくと、入力電流ベクトルIcは破線に沿ってIc’の方向に変化する。   On the other hand, when the AC output voltage of the self-excited power converter CNV is increased in the advance direction by the phase angle φ like Vc ′, the voltage jωLs · Ic applied to the AC reactor Ls becomes negative, and the input current is Ic ′. Thus, the phase angle is (π−φ / 2) with respect to the power supply voltage Vs. That is, the electric power Ps = Vs · Ic becomes negative, and the electric power can be regenerated to the power source. When the AC output voltage Vc is rotated in the direction of Vc ′ along the broken line in the figure with the power supply voltage Vs as a reference, the input current vector Ic changes in the direction of Ic ′ along the broken line.

図1において、有効電流Iqは次のように制御される。Iq*>Iqとなった場合、電流制御補償回路Gi(S)の出力φ*が増加し、入力電流Icr,Ics,Ictを増加させる。入力力率≒1なので、有効電流Iqが増加し、やがてIq*=Iqとなって落ち着く。逆に、Iq*<Iqとなった場合、電流制御補償回路Gi(S)の出力φ*が減少し又は負の値になり、入力電流Icr,Ics,Ictを減少させる。入力力率≒1なので、有効電流Iqが減少し、やはりIq*=Iqとなって落ち着く。   In FIG. 1, the effective current Iq is controlled as follows. When Iq *> Iq, the output φ * of the current control compensation circuit Gi (S) increases, and the input currents Icr, Ics, and Ict are increased. Since the input power factor≈1, the effective current Iq increases and eventually settles as Iq * = Iq. Conversely, when Iq * <Iq, the output φ * of the current control compensation circuit Gi (S) decreases or becomes a negative value, and the input currents Icr, Ics, Ict are decreased. Since the input power factor≈1, the effective current Iq is decreased, and Iq * = Iq is also settled.

また、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdは次のように制御される。Vd*>Vdとなった場合、電圧制御補償回路Gv(S)の出力Iq1*が増加し、上記のようにIq1*=Iqに制御されるので、有効電力が交流電源SUPから直流平滑コンデンサCdに供給される。その結果、直流電圧Vdが増加し、Vd*=Vdとなるように制御される。逆に、Vd*<Vdとなった場合、電圧制御補償回路Gv(S)の出力Iq1*が減少し又は負の値となり、有効電力が直流平滑コンデンサCdから交流電源SUP側に回生される。その結果、直流電圧Vdが減少し、やはりVd*=Vdとなるように制御される。   The voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd is controlled as follows. When Vd *> Vd, the output Iq1 * of the voltage control compensation circuit Gv (S) increases and is controlled to Iq1 * = Iq as described above, so that the active power is supplied from the AC power supply SUP to the DC smoothing capacitor Cd. To be supplied. As a result, the direct-current voltage Vd increases and is controlled so that Vd * = Vd. Conversely, when Vd * <Vd, the output Iq1 * of the voltage control compensation circuit Gv (S) decreases or becomes a negative value, and the active power is regenerated from the DC smoothing capacitor Cd to the AC power supply SUP side. As a result, the direct-current voltage Vd is decreased and is controlled so that Vd * = Vd.

図1の装置では、負荷がとる直流電流ILを検知し、その量に見合った有効電流を供給するようにフィードフォワード補償器FFで補償量IqFF=kL・ILを演算し、加算器ADに入力している。これにより、負荷が急変した場合、それに見合った入力電流(有効電流)Iqが供給され、直流平滑コンデンサCdの印加電圧Vdの変動を抑えている。   In the apparatus of FIG. 1, a DC current IL taken by a load is detected, a compensation amount IqFF = kL · IL is calculated by a feedforward compensator FF so as to supply an effective current corresponding to the amount, and input to an adder AD. doing. As a result, when the load suddenly changes, an input current (effective current) Iq corresponding to the load is supplied, and fluctuations in the applied voltage Vd of the DC smoothing capacitor Cd are suppressed.

図5は、図1の装置の自励式電力変換器CNVの位相制御回路PHCの具体例を示す。図中、ADr,ADsaDtは加減算器、PTN1〜PTN3はパルスパターン発生器を示す。加減算器ADr,ADsaDtは、位相信号θr,θs,θtから位相角指令値φ*を引き算し、新たな位相信号θcr,θcs,θctを作る。当該新たな位相信号θcr,θcs,θctは、0〜2πの周期関数で、電源周波数に同期して変化する。パルスパターン発生器PTN1〜PTN3は、新たな位相信号θcr,θcs,θctに対して、一定のパルスパターンとなるようにゲート信号g1〜g6を発生する。パルスパターン発生器PTN1は、位相信号θcrに対するR相素子S1,S4のパルスパターンをテーブル関数として記憶したもので、図6に1パルス動作時の波形を示す。   FIG. 5 shows a specific example of the phase control circuit PHC of the self-excited power converter CNV of the apparatus of FIG. In the figure, ADr and ADsaDt are adders / subtracters, and PTN1 to PTN3 are pulse pattern generators. The adders / subtractors ADr, ADsaDt subtract the phase angle command value φ * from the phase signals θr, θs, θt to generate new phase signals θcr, θcs, θct. The new phase signals θcr, θcs, θct change in synchronization with the power supply frequency by a periodic function of 0 to 2π. The pulse pattern generators PTN1 to PTN3 generate gate signals g1 to g6 so as to obtain a constant pulse pattern with respect to the new phase signals θcr, θcs, and θct. The pulse pattern generator PTN1 stores the pulse pattern of the R-phase elements S1 and S4 with respect to the phase signal θcr as a table function, and FIG. 6 shows a waveform during one-pulse operation.

図6において、VrはR相電源電圧、θrは電源電圧Vrに同期した位相信号で、0〜2πの間で変化する周期関数となる。新たな位相信号θcr=θr−φ*は、0〜2πの間で変化する周期関数で、θrの信号に対しφ*だけ遅れた信号で与えられる。すなわち、入力θcrに対し、次のようなゲート信号g1(又はg4)を出力する。
In FIG. 6, Vr is an R-phase power supply voltage, θr is a phase signal synchronized with the power supply voltage Vr, and is a periodic function that varies between 0 and 2π. The new phase signal θcr = θr−φ * is a periodic function that changes between 0 and 2π, and is given as a signal delayed by φ * with respect to the θr signal. That is, the following gate signal g1 (or g4) is output with respect to the input θcr.

自励式電力変換器CNVの交流側出力電圧(R相)Vcrは、
The AC side output voltage (R phase) Vcr of the self-excited power converter CNV is:

となる。直流電圧Vdが一定ならば、交流出力電圧Vcrの振幅値は一定となる。Vcrの基本波Vcr*の位相は、電源電圧Vrに対し位相角φだけ遅れている。S相,T相も同様に与えられる。 It becomes. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude value of the AC output voltage Vcr is constant. The phase of the fundamental wave Vcr * of Vcr is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. The S phase and the T phase are given in the same manner.

図7は、図6のパルスパターンで自励式電力変換器CNVを動作させた場合の力行運転時のR相各部動作波形を示す。なお、説明の便宜上、入力電流Icrは正弦波としてリプル分を省略して描いている。自励式電力変換器CNVの交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vrに対し、位相角φだけ遅れている。また、入力電流Icrは電源電圧Vrに対し、位相角(φ/2)だけ遅れて流れる。このとき、IS1,IS4はR相の自己消弧素子S1とS4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1とD4の電流を、それぞれ表わしている。以下に、そのときの動作を図1の装置および図2の主回路を用いて説明する。   FIG. 7 shows an operation waveform of each part of the R phase during power running when the self-excited power converter CNV is operated with the pulse pattern of FIG. For convenience of explanation, the input current Icr is drawn as a sine wave with the ripples omitted. The fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the self-excited power converter CNV is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. The input current Icr flows with a phase angle (φ / 2) behind the power supply voltage Vr. At this time, IS1 and IS4 represent currents of R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, and ID1 and ID4 represent currents of high-speed diodes D1 and D4, respectively. The operation at that time will be described below using the apparatus of FIG. 1 and the main circuit of FIG.

入力電流Icrが負から正に変るまでは高速ダイオードD4を介して電流が流れている。この状態から電流Icrの向きが変ると素子S4がオン状態にあるので、入力電流Icrは自己消弧素子S4を介して流れるようになる。次に、素子S4をオフすると、電流Icrは高速ダイオードD1を介して流れる。入力電流Icrが再び反転するまでその電流は高速ダイオードD1に流れる。入力電流Icrが再び反転した後は、素子S1と高速ダイオードD4の間で、上記と同様の動作が行われる。   Until the input current Icr changes from negative to positive, a current flows through the high speed diode D4. When the direction of the current Icr is changed from this state, the element S4 is in the ON state, so that the input current Icr flows through the self-extinguishing element S4. Next, when the element S4 is turned off, the current Icr flows through the high speed diode D1. The current flows through the high speed diode D1 until the input current Icr is inverted again. After the input current Icr is inverted again, the same operation as described above is performed between the element S1 and the high speed diode D4.

自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIcmとした場合、Imax=Icm×sin(φ/2)となる。例えば、φ=20°の場合、Imax=0.174×Icmとなる。すなわち、自己消弧素子の遮断電流が小さいものを用意すればよく、コストの安い電力変換装置を提供できる。   The maximum current Imax cut off by the self-extinguishing elements S1 to S6 is Imax = Icm × sin (φ / 2), where Icm is the peak value of the input current. For example, when φ = 20 °, Imax = 0.174 × Icm. That is, it is only necessary to prepare a self-extinguishing element with a small cutoff current, and a low-cost power conversion device can be provided.

図8は、回生運転時の動作波形を示すもので、IS1,IS4はR相の自己消弧素子S1とS4の電流を、ID1,ID4は高速ダイオードD1とD4の電流をそれぞれ表わしている。変換器の交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vrに対し、位相角φだけ進んでいる。また、入力電流Icrは電源電圧の反転値−Vrに対し、位相角(φ/2)だけ進んで流れる。入力電流Icrが負で、自己消弧素子S1がオン(S4はオフ)のときは、入力電流Icrは素子S1を介して流れる。素子S1をオフ(S4をオン)すると、電流Icrは高速ダイオードD4を介して流れる。入力電流Icrが反転すると、自己消弧素子S4に電流が流れ、上記と同様に素子S4をオフすることにより、高速ダイオードD1に電流が移る。回生運転時、自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIcmとした場合、Imax=Icm×sin(φ/2)となる。例えば、φ=20°の場合、Imax=0.174×Icmとなる。   FIG. 8 shows operation waveforms during regenerative operation. IS1 and IS4 represent currents of R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, and ID1 and ID4 represent currents of high-speed diodes D1 and D4, respectively. The fundamental wave of the AC output voltage Vcr of the converter is advanced by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. Further, the input current Icr flows with a phase angle (φ / 2) with respect to the inversion value −Vr of the power supply voltage. When the input current Icr is negative and the self-extinguishing element S1 is on (S4 is off), the input current Icr flows through the element S1. When the element S1 is turned off (S4 is turned on), the current Icr flows through the high speed diode D4. When the input current Icr is inverted, a current flows in the self-extinguishing element S4, and the element S4 is turned off in the same manner as described above, whereby the current moves to the high speed diode D1. During regenerative operation, the maximum current Imax that is interrupted by the self-extinguishing elements S1 to S6 is Imax = Icm × sin (φ / 2), where Icm is the peak value of the input current. For example, when φ = 20 °, Imax = 0.174 × Icm.

以上のように、回生運転時の入力電流Icrの大部分は自己消弧素子に流れるが、当該素子S1〜S6の遮断電流は小さくてすみ、コストの安い電力変換装置を実現できる。ここで、自励式電力変換器CNVを固定パルスで運転することにより、スイッチング回数が最小になり、変換器効率はさらに向上する。また、交流側出力電圧Vcの基本波成分が大きくなり、自励式電力変換器の電圧利用率が向上する。また、変換器力率がほぼ1で運転されるため、入力電流Isのゼロ点付近でスイッチングを行うことになり、力行運転時も回生運転時も、自己消弧素子の遮断電流は極めて小さくなる。この結果、高効率で低コストな電力変換装置を実現できる。また、大電流を遮断しないということは、ソフトスイッチングに近くなり、EMIノイズが小さくなり、環境にもやさしい電力変換装置を実現できる。   As described above, most of the input current Icr during the regenerative operation flows to the self-extinguishing element, but the cut-off current of the elements S1 to S6 is small, and a low-cost power converter can be realized. Here, by operating the self-excited power converter CNV with a fixed pulse, the number of times of switching is minimized, and the converter efficiency is further improved. Moreover, the fundamental wave component of the AC side output voltage Vc is increased, and the voltage utilization factor of the self-excited power converter is improved. In addition, since the converter is operated with a power factor of approximately 1, switching is performed near the zero point of the input current Is, and the cut-off current of the self-extinguishing element is extremely small during power running and regenerative operation. . As a result, a highly efficient and low cost power conversion device can be realized. Moreover, not interrupting a large current is close to soft switching, EMI noise is reduced, and an environment-friendly power converter can be realized.

なお、以上では自励式電力変換器CNVを1パルスで運転した場合の動作を説明したが、当然のことながら、パルス数を3パルス,5パルス,7パルスと増やすことにより、入力電流Icの高調波を低減することができ、電源系統への悪影響を減らすことができる。図9は、自励式電力変換器CNVを3パルスで運転した場合の各部動作波形を示すもので、力行運転時のR相について描いている。なお、説明を簡略化するため、入力電流Icrは正弦波としてリプル分を省略して描いている。   In the above description, the operation when the self-excited power converter CNV is operated with one pulse has been described. However, as a matter of course, the harmonics of the input current Ic can be increased by increasing the number of pulses to 3, 5, and 7 pulses. Waves can be reduced, and adverse effects on the power supply system can be reduced. FIG. 9 shows an operation waveform of each part when the self-excited power converter CNV is operated with 3 pulses, and depicts the R phase during the power running operation. In order to simplify the description, the input current Icr is drawn as a sine wave with the ripples omitted.

位相信号θcr=θr−φ*に対する自励式電力変換器CNVのR相素子S1,S4のパルスパターンは次のようになる。
The pulse pattern of the R phase elements S1 and S4 of the self-excited power converter CNV with respect to the phase signal θcr = θr−φ * is as follows.

このとき、自励式電力変換器CNVの交流側出力電圧(R相)Vcrは、
At this time, the AC side output voltage (R phase) Vcr of the self-excited power converter CNV is

となる。出力電圧Vcrの基本波Vcr*の位相は、電源電圧Vrに対し位相角φだけ遅れている。S相,T相も同様に与えられる。このパルスパターンは固定され、直流電圧Vdを一定とした場合、自励式電力変換器CNVの交流出力電圧の基本波波高値は一定となる。 It becomes. The phase of the fundamental wave Vcr * of the output voltage Vcr is delayed by the phase angle φ with respect to the power supply voltage Vr. The S phase and the T phase are given in the same manner. This pulse pattern is fixed, and when the DC voltage Vd is constant, the fundamental wave peak value of the AC output voltage of the self-excited power converter CNV is constant.

電力変換器CNVの交流出力電圧Vcrの基本波は電源電圧Vrに対し、位相角φだけ遅れる。また、入力電流Icrは電源電圧Vrに対し、位相角(φ/2)だけ遅れて流れる。このとき、IS1,IS4はR相の自己消弧素子S1とS4の電流を、ID1,ID4はR相の高速ダイオードD1とD4の電流をそれぞれ表わしている。そのときの動作を以下に説明する。   The fundamental wave of AC output voltage Vcr of power converter CNV is delayed by phase angle φ with respect to power supply voltage Vr. The input current Icr flows with a phase angle (φ / 2) behind the power supply voltage Vr. At this time, IS1 and IS4 represent currents of the R-phase self-extinguishing elements S1 and S4, and ID1 and ID4 represent currents of the R-phase fast diodes D1 and D4, respectively. The operation at that time will be described below.

入力電流Icrが負から正に変るまでは高速ダイオードD4を介して電流が流れている。この状態から電流Icrの向きが変ると素子S4がオン状態にあるので、入力電流Icrは素子S4を介して流れるようになる。次に素子S4をオフすると、電流Icrは高速ダイオードD1を介して流れる。次に、交流出力電圧Vcrの基本波のゼロクロス点で、自己消弧素子S4を再びオンすると、入力電流Icrは素子S4を介して流れ、高速ダイオードD1の電流はゼロとなる。さらに、図9のθ1で、素子S4をオフすると、上記と同じように、高速ダイオードD1に電流が流れ、入力電流Icrが再び反転するまでその電流は高速ダイオードD1に流れる。入力電流Icrが反転した後は、素子S1と高速ダイオードD4の間で、上記と同様の動作が行われる。   Until the input current Icr changes from negative to positive, a current flows through the high speed diode D4. When the direction of the current Icr is changed from this state, the element S4 is in the ON state, so that the input current Icr flows through the element S4. Next, when the element S4 is turned off, the current Icr flows through the high speed diode D1. Next, when the self-extinguishing element S4 is turned on again at the zero cross point of the fundamental wave of the AC output voltage Vcr, the input current Icr flows through the element S4, and the current of the high speed diode D1 becomes zero. Further, when the element S4 is turned off at θ1 in FIG. 9, a current flows through the high speed diode D1 as described above, and the current flows through the high speed diode D1 until the input current Icr is inverted again. After the input current Icr is inverted, the same operation as described above is performed between the element S1 and the high-speed diode D4.

3パルス動作の場合、自己消弧素子S1〜S6が遮断する最大電流Imaxは、入力電流の波高値をIcmとすると、Imax=Icm×sin(φ/2+θ1)となる。例えば、φ=20°,θ1=10°とした場合、Imax=0.342×Icmとなる。このように、3パルスで運転した場合でも、自己消弧素子S1〜S6の最大遮断電流Imaxは入力電流波高値Icmの1/3程度に抑えることができ、装置のコストを大幅に低減できる。さらに、入力電流Icの高調波を低減させるため、パルス数を5パルス,7パルスと増やした場合でも、自己消弧素子のスイッチングは、電流のゼロクロス点付近で行うため、素子の最大遮断電流Imaxはそれほど大きくならないのが本実施の形態の電力変換装置の特徴でもある。   In the case of the three-pulse operation, the maximum current Imax that is interrupted by the self-extinguishing elements S1 to S6 is Imax = Icm × sin (φ / 2 + θ1), where the peak value of the input current is Icm. For example, when φ = 20 ° and θ1 = 10 °, Imax = 0.342 × Icm. Thus, even when operated with three pulses, the maximum cutoff current Imax of the self-extinguishing elements S1 to S6 can be suppressed to about 1/3 of the input current peak value Icm, and the cost of the apparatus can be greatly reduced. Furthermore, even when the number of pulses is increased to 5 pulses or 7 pulses in order to reduce the harmonics of the input current Ic, the switching of the self-extinguishing element is performed in the vicinity of the zero cross point of the current. It is also a feature of the power conversion device of the present embodiment that is not so large.

以上は、図2に示した3相ブリッジ結線された電圧形自励式電力変換器CNV単体について動作説明したが、このような自励式電力変換器CNVを複数台用意し、並列又は直列の多重運転することにより、入力電流Icの高調波をさらに低減することが可能である。   The operation of the voltage-type self-excited power converter CNV alone connected to the three-phase bridge shown in FIG. 2 has been described above. However, a plurality of such self-excited power converters CNV are prepared and operated in parallel or in series. By doing so, it is possible to further reduce the harmonics of the input current Ic.

本実施の形態では、電力用ダイオード整流器RECと固定パルス位相制御の自励式電力変換器CNVの並列運転を行っている。電気鉄道の地上設備を想定した場合、既設の電力用ダイオード整流器RECがあり、電力回生機能を付加するため、自励式電力変換器CNVを新設することが考えられる。  In this embodiment, the power diode rectifier REC and the fixed pulse phase control self-excited power converter CNV are operated in parallel. When assuming the ground facilities of an electric railway, there is an existing power diode rectifier REC, and a self-excited power converter CNV may be newly installed to add a power regeneration function.

電力用ダイオード整流器RECは電力回生ができないので、回生側は自励式電力変換器CNVによって、前述のように直流電圧Vd=一定制御を行う。そのときの直流電圧指令値Vd*は、電力用ダイオード整流器RECの無負荷整流電圧より高く設定することにより、無駄な循環電流が当該電力用ダイオード整流器RECと自励式電力変換器CNVの間に流れないようにしている。   Since the power diode rectifier REC cannot perform power regeneration, the regenerative side performs the DC voltage Vd = constant control as described above by the self-excited power converter CNV. The DC voltage command value Vd * at that time is set higher than the no-load rectified voltage of the power diode rectifier REC, so that a wasteful circulating current flows between the power diode rectifier REC and the self-excited power converter CNV. I am trying not to.

力行運転では、電力用ダイオード整流器RECと自励式電力変換器CNVが並列運転されることになり、その負荷分担をどのように調整するかが重要になってくる。そこで、図1の装置では、負荷Loadに供給される電流IL又は電力PL=Vd×ILに応じて自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを制御している。すなわち、図1の装置において、レベル検出器LBLは負荷電流ILによって切換え器SWを操作するもので、負荷電流IL<0(回生)のときは切換え器SWを加算器ADの出力(Iq1*)に接続し、負荷電流IL>0(力行)のときは切換え器SWを、電流指令発生器F(x)の出力(Iq2*)に接続する。すなわち、回生運転では直流電圧Vdを指令値Vd*に一致するように入力電流の有効分Iqを制御する。また、力行運転では、電流指令発生器F(x)により負荷電流ILに比例した有効電流指令値Iq2*を発生し、当該有効電流指令値Iq2*に入力電流の有効分Iqが一致するように制御する。   In the power running operation, the power diode rectifier REC and the self-excited power converter CNV are operated in parallel, and how to adjust the load sharing becomes important. Therefore, in the apparatus of FIG. 1, the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is controlled in accordance with the current IL or power PL = Vd × IL supplied to the load Load. That is, in the apparatus of FIG. 1, the level detector LBL operates the switch SW by the load current IL, and when the load current IL <0 (regeneration), the switch SW is output from the adder AD (Iq1 *). When the load current IL> 0 (power running), the switch SW is connected to the output (Iq2 *) of the current command generator F (x). That is, in the regenerative operation, the effective amount Iq of the input current is controlled so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *. In the power running operation, the current command generator F (x) generates an effective current command value Iq2 * proportional to the load current IL so that the effective current command value Iq2 * matches the effective portion Iq of the input current. Control.

力行運転時、自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを指令値Iq2*に一致するように制御することにより、当該電力変換器CNVの直流出力電流はIdc=KIq2*に制限される。この結果、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。この直流出力電流の比Idc/Iddは、電圧形自励式電力変換器CNVの出力容量と電力用ダイオード整流器RECの出力容量に合わせて決定することが可能となる。   During powering operation, the DC output current of the power converter CNV is limited to Idc = KIq2 * by controlling the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV so as to coincide with the command value Iq2 *. . As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier REC is Idd = IL−Idc. This DC output current ratio Idc / Idd can be determined according to the output capacity of the voltage source self-excited power converter CNV and the output capacity of the power diode rectifier REC.

電力用ダイオード整流器RECの直流電圧Vdは、直流出力電流Iddが大きくなると、徐々に低下する特性、すなわち、電圧レギュレーションを持ち、並列運転される電圧形自励式電力変換器CNVの直流電圧もそれに制約される。しかし、従来のPWMコンバータとは違い、固定パルス位相制御の電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが多少低下しても入力電流Icを制御することができ、整流器RECの電圧レギュレーションの影響は小さい。言い換えると、設計段階で変圧器TR2の2次電圧V2を直流電圧レギュレーションを見込んで小さくする必要がなく、その分電流容量の小さい自励式電力変換器で済み、経済的な電力変換装置を実現できる。   The DC voltage Vd of the power diode rectifier REC gradually decreases as the DC output current Idd increases. That is, the DC voltage of the voltage source self-excited power converter CNV that has voltage regulation and is operated in parallel is also constrained thereto. Is done. However, unlike the conventional PWM converter, the voltage-type self-excited power converter CNV with fixed pulse phase control can control the input current Ic even if the DC voltage Vd slightly decreases, and the influence of the voltage regulation of the rectifier REC. Is small. In other words, it is not necessary to reduce the secondary voltage V2 of the transformer TR2 in anticipation of DC voltage regulation at the design stage, and a self-excited power converter with a small current capacity can be used, and an economical power converter can be realized. .

例えば、本実施の形態の電力変換装置では、直流電圧Vdが1620V〜1260Vまで変化すると仮定しても、変圧器TR2の2次電圧設計値はV2=1200V程度となる。従来のPWMコンバータでは、V2=630V程度になったのに対し、約2倍の電圧となり、その分自励式電力変換器CNVの入力電流Icが小さくなり、当該変換器CNVを構成する自己消弧素子の電流容量は約半分に低減され、装置の小型化とコスト低減が図られる。   For example, in the power conversion device of the present embodiment, even if it is assumed that the DC voltage Vd changes from 1620V to 1260V, the secondary voltage design value of the transformer TR2 is about V2 = 1200V. In the conventional PWM converter, V2 is about 630 V, but the voltage is about twice as much, and the input current Ic of the self-excited power converter CNV is reduced accordingly, and the self-extinguishing that constitutes the converter CNV is performed. The current capacity of the element is reduced to about half, and the size and cost of the device can be reduced.

また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdが指令値Vd*に一致するように交流電源SUPから供給される入力電流Icを制御する。直流電圧Vdを一定に制御することにより、直流き電電圧が安定化され、負荷装置Loadに対する理想的な電圧源として機能する。   Further, during the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV controls the input current Ic supplied from the AC power supply SUP so that the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd matches the command value Vd *. By controlling the DC voltage Vd to be constant, the DC feeding voltage is stabilized and functions as an ideal voltage source for the load device Load.

以上のように、本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転がスムースに行われ、特に、力行運転での自励式電力変換器CNVの力率低下を防止しながら、出力容量に合わせた負荷分担制御ができる。また、回生運転では、直流電圧を一定にすることができ、電気鉄道における直流き電電圧の安定化を図ることが可能となる。   As described above, in the power conversion device of the present embodiment, the parallel operation of the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV is smoothly performed, and in particular, the self-excited power converter CNV in the power running operation. The load sharing control according to the output capacity can be performed while preventing the power factor from decreasing. In regenerative operation, the DC voltage can be kept constant, and the DC feeding voltage in the electric railway can be stabilized.

(第2の実施の形態)第2の実施の形態の電力変換装置の回路構成は図1の第1の実施の形態と共通するが、自励式電力変換器CNVの運転特性が異なる。   (Second Embodiment) The circuit configuration of the power conversion device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment of FIG. 1, but the operation characteristics of the self-excited power converter CNV are different.

図10は、第2の実施の形態の電力変換装置における自励式電力変換器CNVの運転特性例を示すもので、負荷電力PL=Vd×ILに応じて、直流電圧Vd制御と、有効電流Iq制御を行っている。すなわち、PL<0の場合(回生運転)は直流電圧Vdが指令値Vd*=一定に一致するように制御し、PL>0の場合(力行運転)は電力用ダイオード整流器RECとの負荷分担を考慮し、自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを制御している。   FIG. 10 shows an example of operation characteristics of the self-excited power converter CNV in the power conversion device of the second embodiment. The DC voltage Vd control and the effective current Iq are controlled according to the load power PL = Vd × IL. Control is in progress. That is, when PL <0 (regenerative operation), control is performed so that the DC voltage Vd matches the command value Vd * = constant, and when PL> 0 (power running operation), load sharing with the power diode rectifier REC is performed. Considering this, the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is controlled.

ここでは、力行運転時、全体出力の4分の3を電力用ダイオード整流器RECが分担し、残りの4分の1を自励式電力変換器CNVが負担するように、自励式電力変換器CNVの入力電流を制御している。すなわち、定格負荷4MWで運転しているとき、1MWを自励式電力変換器CNVが出力し、残りの3MWを電力用ダイオード整流器RECが出力する。このとき、直流電圧Vdは、電力用ダイオード整流器RECのレギュレーションで決定され、Vd=1500Vとなる。過負荷300%(出力12MW)で運転するときは、3MWを自励式電力変換器CNVが出力し、残りの9MWを電力用ダイオード整流器RECが出力する。このとき、直流電圧Vdは、電力用ダイオード整流器RECのレギュレーションを8%とした場合、Vd=1260Vまで低下する。逆に、無負荷整流電圧は、Vd=1620Vとなる。このことから、回生運転時の直流電圧制御ではVd*=1650Vとしている。   Here, during power running, the power diode rectifier REC shares three quarters of the total output, and the self-excited power converter CNV bears the other one-fourth. The input current is controlled. That is, when operating at a rated load of 4 MW, the self-excited power converter CNV outputs 1 MW, and the remaining 3 MW is output by the power diode rectifier REC. At this time, the DC voltage Vd is determined by the regulation of the power diode rectifier REC, and Vd = 1500V. When operating at an overload of 300% (output: 12 MW), the self-excited power converter CNV outputs 3 MW, and the remaining 9 MW is output by the power diode rectifier REC. At this time, the DC voltage Vd drops to Vd = 1260V when the regulation of the power diode rectifier REC is 8%. Conversely, the no-load rectified voltage is Vd = 1620V. Therefore, Vd * = 1650V is set in the DC voltage control during the regenerative operation.

電気鉄道では、力行車両と回生車両が混在するため、力行側の出力容量が多く必要とされ、回生側はそれほど大きな容量は必要とされないのが一般的である。例えば、電力用ダイオード整流器RECとして、定格出力:3000kW(DC1500V×2000A)、過負荷出力:300%(9000kW,1分間)の装置を用意する。また、自励式電力変換器CNVとして、定格出力:±1000kW(DC1500V×667A)、過負荷出力:300%(3000kW,1分間)の装置を用意する。装置全体としては、力行定格出力:4000kW(過負荷12MW,1分)、回生定格出力:1000kW(過負荷3MW,1分)となる。   In electric railways, a power running vehicle and a regenerative vehicle coexist, so that a large output capacity is required on the power running side, and a large capacity is generally not required on the regeneration side. For example, as the power diode rectifier REC, a device having a rated output of 3000 kW (DC 1500 V × 2000 A) and an overload output of 300% (9000 kW, 1 minute) is prepared. Further, as the self-excited power converter CNV, a device having a rated output: ± 1000 kW (DC 1500 V × 667 A) and an overload output: 300% (3000 kW, 1 minute) is prepared. As a whole apparatus, power running rated output: 4000 kW (overload 12 MW, 1 minute), regenerative rated output: 1000 kW (overload 3 MW, 1 minute).

第2の実施の形態の電力変換装置では、力行運転時、自励式電力変換器CNVは負荷電流IL又は有効電力PL=Vd・ILに応じて入力電流Icの有効分を制御する。すなわち、電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流Icの有効分を指令値に一致するように制御することにより、直流出力電流はIdc=Kicに制限される。この結果、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。この直流出力電流の比Idc/Iddは、電圧形自励式電力変換器CNVの出力容量と電力用ダイオード整流器RECの出力容量に合わせて決定する。   In the power conversion device according to the second embodiment, during power running, the self-excited power converter CNV controls the effective amount of the input current Ic according to the load current IL or the active power PL = Vd · IL. That is, the DC output current is limited to Idc = Kic by controlling the effective part of the input current Ic of the voltage source self-excited power converter CNV so as to coincide with the command value. As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier REC is Idd = IL−Idc. The DC output current ratio Idc / Idd is determined in accordance with the output capacity of the voltage source self-excited power converter CNV and the output capacity of the power diode rectifier REC.

例えば、電力用ダイオード整流器RECの定格出力を3000kW、自励式電力変換器CNVの定格出力を1000kWとした場合、自励式電力変換器CNVの直流出力電流をIdc=(1/4)ILとなるように制御することにより、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流は、Idd=IL−Idc=(3/4)ILとなり、その出力電流の比は、Idc/Idd=1/3となって、負荷分担を各変換器の定格容量に比例させることができる。   For example, when the rated output of the power diode rectifier REC is 3000 kW and the rated output of the self-excited power converter CNV is 1000 kW, the DC output current of the self-excited power converter CNV is Idc = (1/4) IL. , The direct current output current of the power diode rectifier REC becomes Idd = IL−Idc = (3/4) IL, and the ratio of the output current becomes Idc / Idd = 1/3, and the load Sharing can be proportional to the rated capacity of each converter.

(第3の実施の形態)第3の実施の形態の電力変換装置の回路構成は図1の第1の実施の形態と共通するが、自励式電力変換器CNVの運転特性が異なる。本実施の形態は、第1の実施の形態の電力変換装置において、入力電流制御手段が、力行運転時、負荷装置に供給する電流ILがある設定値に達するまで、当該電圧形自励式電力変換器の入力電流Icの有効分をゼロ又は十分小さな値になるように制御することを特徴とする。また、入力電流制御手段が、力行過負荷運転時、負荷装置に供給する電流がある過負荷電流の設定値に達するまで、当該電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分が定格電流値以下になるように制御することを特徴とする。   (Third Embodiment) The circuit configuration of the power converter of the third embodiment is the same as that of the first embodiment of FIG. 1, but the operation characteristics of the self-excited power converter CNV are different. This embodiment is the voltage type self-excited power conversion in the power conversion device of the first embodiment until the input current control means reaches a certain set value during the power running operation. The effective portion of the input current Ic of the capacitor is controlled to be zero or a sufficiently small value. In addition, during the power running overload operation, the input current control means has an effective portion of the input current of the voltage type self-excited power converter CNV until the current supplied to the load device reaches a certain overload current set value. Control is performed so as to be equal to or less than the value.

力行運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは、負荷電流IL又は有効電力PL=Vd・ILに応じて入力電流Icの有効分を制御する。すなわち、電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流Icの有効分を指令値に一致するように制御することにより、直流出力電流はIdc=Kicに制限される。この結果、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。   During power running, the voltage type self-excited power converter CNV controls the effective amount of the input current Ic according to the load current IL or the active power PL = Vd · IL. That is, the DC output current is limited to Idc = Kic by controlling the effective part of the input current Ic of the voltage source self-excited power converter CNV so as to coincide with the command value. As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier REC is Idd = IL−Idc.

ここで、負荷電流ILが設定値IL0に達するまで、Idc=0となるように電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流Icの有効分を制御すると、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流は、Idd=ILとなる。他方、負荷電流ILが設定値IL0を超えた場合には、自励式電力変換器CNVからIdc=IL−IL0の直流電流を出力する。この結果、電力用ダイオード整流器の直流出力電流は、Idd=IL0=一定となる。やがて、自励式電力変換器の出力電流Idcが定格値Idcoに達すると、そこで出力電流が制限され、それ以上の負荷電流ILでは電力用ダイオード整流器からIdd=IL−Idcoが出力される。   Here, when the effective amount of the input current Ic of the voltage type self-excited power converter CNV is controlled so that Idc = 0 until the load current IL reaches the set value IL0, the DC output current of the power diode rectifier REC is , Idd = IL. On the other hand, when the load current IL exceeds the set value IL0, a direct current of Idc = IL−IL0 is output from the self-excited power converter CNV. As a result, the direct-current output current of the power diode rectifier becomes Idd = IL0 = constant. When the output current Idc of the self-excited power converter eventually reaches the rated value Idco, the output current is limited there, and Idd = IL−Idco is output from the power diode rectifier at a load current IL higher than that.

電気鉄道では、負荷電流ILは刻々と変化し、設定値IL0をときどき超えるが、時間的にはIL<IL0で運転される時間が長いので、上記のように制御することにより、自励式電力変換器は、負荷電流ILがIL0に達するまでは電流を出力しなくて済み、熱的な負担を軽くすることができる。この結果、自励式電力変換器の冷却設備を軽減でき、装置全体として経済的なシステムを実現できる。   In electric railways, the load current IL changes from moment to moment and sometimes exceeds the set value IL0. However, since it takes a long time to operate at IL <IL0, self-excited power conversion is performed by controlling as described above. The device does not need to output current until the load current IL reaches IL0, and the thermal burden can be reduced. As a result, the cooling facility for the self-excited power converter can be reduced, and an economical system as a whole can be realized.

また電気鉄道では、過負荷300%の電流で1分間の運転を行うことが要求されることがある。例えば、定格3000kW(DC1500V×2000A)の電力用ダイオード整流器と、定格1000kW(DC1500V×667A)の電圧形自励式電力変換器を並列運転する場合、定格出力は4000kW(DC1500V×2667A)となり、過負荷300%運転時の出力電流はIdd+Idc=2667A×3=8000Aとなる。   In electric railways, it may be required to operate for 1 minute at an overload current of 300%. For example, when a power diode rectifier with a rating of 3000 kW (DC 1500 V × 2000 A) and a voltage-type self-excited power converter with a rating of 1000 kW (DC 1500 V × 667 A) are operated in parallel, the rated output is 4000 kW (DC 1500 V × 2667 A), which is an overload. The output current at the time of 300% operation is Idd + Idc = 2667A × 3 = 8000A.

過負荷運転領域で、負荷電流がIL=6667A(=2000A×3+667A)に達するまでは、自励式電力変換器の直流出力電流を定格電流Idc=667Aを超えないように制御する。この結果、電力用ダイオード整流器が、Idd=IL−667Aを出力し、IL=6667A以下では自励式電力変換器は過負荷電流を流す必要がなくなる。さらに、負荷電流ILが増加した場合(6667A<IL<8000A)にのみ、自励式電力変換器が過負荷電流(Idc=667A〜2000A)を流すことにより、装置全体としての過負荷出力電流8000Aを確保する。   Until the load current reaches IL = 6667A (= 2000A × 3 + 667A) in the overload operation region, the DC output current of the self-excited power converter is controlled so as not to exceed the rated current Idc = 667A. As a result, the power diode rectifier outputs Idd = IL−667A. When IL = 6667A or less, the self-excited power converter does not need to flow an overload current. Further, only when the load current IL increases (6667A <IL <8000A), the self-excited power converter causes the overload current (Idc = 667A to 2000A) to flow, so that the overload output current 8000A of the entire apparatus is reduced. Secure.

電気鉄道での過負荷運転は短時間であり、過負荷の出力電流が大きくなればなるほど時間は短くなる傾向がある。これにより、自励式電力変換器が過負荷運転される時間はほんのわずかとなり、熱的な負担は大幅に軽減される。この結果、自励式電力変換器の冷却設備を軽減でき、装置全体として経済的なシステムを実現できる。   Overload operation on electric railways is a short time, and the time tends to be shorter as the output current of the overload increases. As a result, the time for which the self-excited power converter is overloaded is negligible, and the thermal burden is greatly reduced. As a result, the cooling facility for the self-excited power converter can be reduced, and an economical system as a whole can be realized.

図11は、第3の実施の形態の電力変換装置における自励式電力変換器CNVの運転特性例を示す。電力用ダイオード整流器RECの定格出力を3MW(DC1500V×2kA)、過負荷300%−1分、自励式電力変換器CNVの定格出力を±1MW、過負荷300%−1分とした場合の例を示す。   FIG. 11 shows an example of operation characteristics of the self-excited power converter CNV in the power conversion device of the third embodiment. Example when the rated output of the power diode rectifier REC is 3 MW (DC 1500 V × 2 kA), overload 300% -1 min, the rated output of the self-excited power converter CNV is ± 1 MW, overload 300% -1 min Show.

回生運転時は、直流電圧Vd*=1650V=一定制御を行う。また、力行運転では電力用ダイオード整流器RECと自励式電力変換器CNVの並列運転を行う。   During regenerative operation, DC voltage Vd * = 1650 V = constant control is performed. In power running operation, the power diode rectifier REC and the self-excited power converter CNV are operated in parallel.

力行負荷がPL=3MWに達するまでは、自励式電力変換器CNVの出力Pcnvはゼロになるように入力電流の有効分Iqを制御する。その結果、負荷電力PLは全て電力用ダイオード整流器RECから供給される。このとき、直流電圧Vdは、無負荷運転時に1620Vであったものが、PL=3MW負荷でVd=1500Vとなる。   Until the power running load reaches PL = 3 MW, the effective amount Iq of the input current is controlled so that the output Pcnv of the self-excited power converter CNV becomes zero. As a result, all the load power PL is supplied from the power diode rectifier REC. At this time, the DC voltage Vd, which was 1620 V during no-load operation, becomes Vd = 1500 V with a PL = 3 MW load.

力行負荷がPL=3MW〜4MWの間では、自励式電力変換器CNVの出力をPcnv=PL−3MWになるように入力電流の有効分Iqを制御する。その結果、電力用ダイオード整流器RECの出力はPrec=3MW=一定となる。このとき、直流電圧Vdは、Vd=1500V=一定となる。   When the power running load is between PL = 3 MW and 4 MW, the effective amount Iq of the input current is controlled so that the output of the self-excited power converter CNV becomes Pcnv = PL-3 MW. As a result, the output of the power diode rectifier REC becomes Prec = 3 MW = constant. At this time, the DC voltage Vd is Vd = 1500 V = constant.

さらに、負荷PLが増加し、PL=4MW〜10MWの間では、自励式電力変換器CNVの出力をPcnv=3MW=一定になるように入力電流の有効分Iqを制御する。その結果、電力用ダイオード整流器RECの出力はPrec=PL−3MWとなって増加していく。このとき、直流電圧Vdは、PL=4MWのときVd=1500Vであったものが、PL=10MW負荷でVd=1260Vまで下がる。   Further, the load PL increases, and the effective amount Iq of the input current is controlled so that the output of the self-excited power converter CNV becomes Pcnv = 3 MW = constant between PL = 4 MW and 10 MW. As a result, the output of the power diode rectifier REC increases as Prec = PL-3MW. At this time, the DC voltage Vd, which was Vd = 1500 V when PL = 4 MW, decreases to Vd = 1260 V at a PL = 10 MW load.

さらに、負荷PLが増加し、PL=10MW〜12MWの間では、自励式電力変換器CNVの出力をPcnv=PL−9MWとなるように入力電流の有効分Iqを制御する。その結果、電力用ダイオード整流器RECの出力はPrec=9MW=一定となる。このとき、直流電圧Vdは、Vd=1260V=一定となる。   Further, the load PL increases, and the effective amount Iq of the input current is controlled so that the output of the self-excited power converter CNV becomes Pcnv = PL-9 MW when PL = 10 MW to 12 MW. As a result, the output of the power diode rectifier REC becomes Prec = 9 MW = constant. At this time, the DC voltage Vd is Vd = 1260 V = constant.

以上のように制御することにより、次のようなメリットが得られる。電気鉄道では、上記装置全体の定格値4MWに対し、負荷PLは刻々と変化し、第1の設定値PLO=3MWをときどき超えるが、時間的にはPL<3MWで運転される時間が長いので、上記のように制御することにより、自励式電力変換器CNVは、負荷PLが3MWに達するまでは電流を出力しなくて済み、熱的な負担を軽くすることができる。また、負荷PLが4MWを超える過負荷運転はもともと短時間(1分以内)であり、さらにPL=10MWを超える過負荷時間はごく短くなる。これにより、自励式電力変換器CNVが過負荷運転される時間はほんのわずかとなり、熱的な負担は大幅に軽減される。この結果、自励式電力変換器CNVの冷却設備を軽減でき、装置全体として経済的なシステムを実現できる。   By controlling as described above, the following advantages can be obtained. In an electric railway, the load PL changes every moment with respect to the rated value of 4 MW for the entire device, and sometimes exceeds the first set value PLO = 3 MW, but in terms of time, it takes a long time to operate at PL <3 MW. By controlling as described above, the self-excited power converter CNV does not need to output current until the load PL reaches 3 MW, and the thermal burden can be reduced. Further, the overload operation in which the load PL exceeds 4 MW is originally a short time (within 1 minute), and the overload time in which the load PL exceeds 10 MW is extremely short. As a result, the time during which the self-excited power converter CNV is overloaded is very short, and the thermal burden is greatly reduced. As a result, the cooling equipment for the self-excited power converter CNV can be reduced, and an economical system as a whole can be realized.

(第4の実施の形態)本実施の形態の電力変換装置は、入力電流制御手段が、交流電源の電圧の実効値が変化した場合にその変化分に応じて直流電圧指令値を変えて制御することを特徴とする。   (Fourth Embodiment) In the power conversion device of the present embodiment, when the effective value of the voltage of the AC power supply changes, the input current control means changes the DC voltage command value according to the change. It is characterized by doing.

図12は、第4の実施の形態の電力変換装置における制御回路CNTLのブロック図を示すもので、図中、CALは電圧指令演算回路、C1,C2は比較器、ADは加算器、Gv(S)は電圧制御補償回路、Gi(S)は電流制御補償回路、FFはフィードフォワード補償器、Zは座標変換回路、PLLは電源同期位相検出回路、PHCは位相制御回路を表す。   FIG. 12 shows a block diagram of the control circuit CNTL in the power conversion device of the fourth embodiment, in which CAL is a voltage command calculation circuit, C1 and C2 are comparators, AD is an adder, and Gv ( S) is a voltage control compensation circuit, Gi (S) is a current control compensation circuit, FF is a feedforward compensator, Z is a coordinate conversion circuit, PLL is a power supply synchronous phase detection circuit, and PHC is a phase control circuit.

図13は、図12の電圧指令演算回路CALの演算特性例を表すもので、電源電圧Vsの大きさ|Vs|に対する直流電圧指令Vd*の特性を示す。すなわち、電源電圧の定格値Vsoに対し、Vsa>Vso>Vsb,ΔVs=|Vs|−Vsoとし、kを比例定数とした場合、
FIG. 13 shows an example of calculation characteristics of the voltage command calculation circuit CAL of FIG. 12, and shows characteristics of the DC voltage command Vd * with respect to the magnitude | Vs | of the power supply voltage Vs. That is, when Vsa>Vso> Vsb, ΔVs = | Vs | −Vso and k is a proportional constant with respect to the rated value Vso of the power supply voltage,

としている。 It is said.

直流電圧指令値Vd*を電源電圧Vsの変動に関係なくVdo*一定として運転した場合、次のような問題がある。すなわち、電源電圧Vsが定格値Vsoより高くなった場合、並列運転している電力用ダイオード整流器RECの直流電圧が上がり、自励式電力変換器CNVの制御電圧Vdo*より高くなる。すると、自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdを指令値Vdo*に合わせようとして電力を回生する。一方、電力ダイオード整流器RECは直流電圧が下がれば、電源から電力を供給する。このようにして、両者の間で循環電流が流れ、その分、変換器を構成する素子の電流を増やし、損失の増大を招くことになる。   When the DC voltage command value Vd * is operated with Vdo * constant regardless of fluctuations in the power supply voltage Vs, there are the following problems. That is, when the power supply voltage Vs becomes higher than the rated value Vso, the DC voltage of the power diode rectifier REC operating in parallel increases and becomes higher than the control voltage Vdo * of the self-excited power converter CNV. Then, self-excited power converter CNV regenerates power in an attempt to match DC voltage Vd with command value Vdo *. On the other hand, the power diode rectifier REC supplies power from the power source when the DC voltage drops. In this way, a circulating current flows between the two, and accordingly, the current of the elements constituting the converter is increased, leading to an increase in loss.

反対に、電源電圧Vsが定格値Vsoより低くなった場合、直流電圧Vdが一定に制御されていると、自励式電力変換器CNVの交流側電圧Vcは一定値となり、Vc>Vsとなる。この結果、電源SUPから進み無効電流が流れ込み、自励式電力変換器CNVの入力電流が増大し、素子の損失の増大と素子遮断電流の増大を招くことになる。特に、時間的には短時間であるが電圧低下が大きい、瞬低(瞬時電圧低下)が発生した場合、上記無効電流値が大きいため、過電流により装置の運転停止に至ることがある。   On the contrary, when the power supply voltage Vs becomes lower than the rated value Vso, if the DC voltage Vd is controlled to be constant, the AC side voltage Vc of the self-excited power converter CNV becomes a constant value, and Vc> Vs. As a result, a reactive current flows from the power supply SUP and the input current of the self-excited power converter CNV increases, leading to an increase in element loss and an increase in element cutoff current. In particular, when a voltage drop is large but an instantaneous drop (instantaneous voltage drop) occurs in a short time, the reactive current value is large, and the apparatus may be shut down due to overcurrent.

本実施の形態では、Vsb<|Vs|<Vsaの範囲で、Vd*=Vdo*+k・ΔVsとして、電源電圧Vsが変化した場合、その変化分ΔVs=|Vs|−Vsoに比例させて、直流電圧指令値Vd*を変えている。すなわち、Vsが上昇したときはその上昇分に比例させて直流電圧Vdを高くすることにより、循環電流の増加を抑えている。また、Vsが低下した場合、その低下分に比例させて直流電圧Vdを下げて電源SUPから無効電流が流れ込むのを抑えている。これにより、電源電圧変動による素子電流の増大を防止することが可能となり、かつ、瞬低が発生しても装置を停止させるとなく、運転継続ができるようになる。   In this embodiment, when the power supply voltage Vs changes as Vd * = Vdo * + k · ΔVs in the range of Vsb <| Vs | <Vsa, the change ΔVs = | Vs | −Vso The DC voltage command value Vd * is changed. That is, when Vs increases, the DC voltage Vd is increased in proportion to the increase, thereby suppressing an increase in circulating current. Further, when Vs decreases, the direct current voltage Vd is decreased in proportion to the decrease, thereby suppressing the reactive current from flowing from the power supply SUP. As a result, it is possible to prevent an increase in element current due to power supply voltage fluctuations, and it is possible to continue operation without stopping the apparatus even if a voltage sag occurs.

電源電圧が|Vs|≧Vsaとなった場合、Vd*=Vdmax*として、それ以上直流電圧Vdを上げないようにしている。一般には、電源電圧Vsの変動は高々±5%程度であるが、雷サージなどによりそれ以上電源電圧が上昇した場合には、Vd*=Vdmax*として直流電圧Vdをむやみに上げることなく装置全体の整合性を保っている。これにより、負荷装置Loadへ過大な電圧が印加されるのを防いでいる。   When the power supply voltage becomes | Vs | ≧ Vsa, Vd * = Vdmax * is set so that the DC voltage Vd is not further increased. In general, the fluctuation of the power supply voltage Vs is about ± 5% at most. However, when the power supply voltage further increases due to a lightning surge or the like, the entire apparatus is set without Vdc * = Vdmax * and increasing the DC voltage Vd unnecessarily. Is consistent. This prevents an excessive voltage from being applied to the load device Load.

逆に、|Vs|≦Vsbとなった場合、Vd*=Vdmin*として、それ以下に直流電圧Vdを下げないようにしている。ただし、瞬低時の運転継続を考えて、設定値Vsbは、定格値Vsoの0.9〜0.6倍程度にするのが適当である。   Conversely, when | Vs | ≦ Vsb, Vd * = Vdmin * is set so that the DC voltage Vd is not lowered below that. However, it is appropriate that the set value Vsb is set to about 0.9 to 0.6 times the rated value Vso in consideration of the continuation of operation at the time of a momentary drop.

このように、本実施の形態によれば、電源電圧Vsが変動した場合でも無駄な循環電流や無効電流が増加することを防止でき、しいては装置を構成する素子の電流容量が低減され、経済的な電力変換装置を実現できる。また、瞬時電圧低下が発生しても装置を停止させることなく信頼性の高いシステムを実現できる。   Thus, according to the present embodiment, it is possible to prevent an increase in useless circulating current and reactive current even when the power supply voltage Vs fluctuates, and the current capacity of elements constituting the device is reduced. An economical power converter can be realized. In addition, a highly reliable system can be realized without stopping the apparatus even if an instantaneous voltage drop occurs.

(第5の実施の形態)図14は、第5の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、TR1,TR2は3相トランス、RECは電力用ダイオード整流器、CNVは電圧形自励式電力変換器、Cdは直流平滑コンデンサ、VDTは直流電圧検出器、DCDTは直流電流検出器、Rdは抵抗器、Lfは直流き電線のインダクタンス、Loadは負荷装置を示している。   (Fifth Embodiment) FIG. 14 is a block diagram of a power conversion apparatus according to a fifth embodiment. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, TR1 and TR2 are three-phase transformers, REC is a power diode rectifier, CNV is a voltage-type self-excited power converter, Cd is a DC smoothing capacitor, and VDT is DC voltage detector, DCDT is a DC current detector, Rd is a resistor, Lf is an inductance of a DC feeder, and Load is a load device.

一方、制御回路CNTLとして、電圧指令演算回路CAL、比較器C1,C2、加算器AD、電圧制御補償回路Gv(S)、電流制御補償回路Gi(S)、電流指令発生器F(x)、切換え器SW、レベル検出器LBL、リミッタ回路LIM、フィードフォワード補償器FF、座標変換回路Z、電源同期位相検出回路PLL、位相制御回路PHCを用意している。   On the other hand, as the control circuit CNTL, a voltage command calculation circuit CAL, comparators C1 and C2, an adder AD, a voltage control compensation circuit Gv (S), a current control compensation circuit Gi (S), a current command generator F (x), A switch SW, a level detector LBL, a limiter circuit LIM, a feedforward compensator FF, a coordinate conversion circuit Z, a power supply synchronous phase detection circuit PLL, and a phase control circuit PHC are prepared.

本実施の形態の電力変換装置は、交流電源SUPと、当該交流電源SUPに第1の変圧器TR1を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器RECと、交流電源SUPに第2の変圧器TR2を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器CNVと、当該電圧形自励式電力変換器CNVの直流端子間に接続された直流平滑コンデンサCdおよび抵抗器Rdの直列回路と、電圧形自励式電力変換器CNVを一定のパルスパターンで動作させ、交流電源の電圧に対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧の位相角を調整することにより電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する制御回路CNTLとを具備し、電圧形自励式電力変換器CNVおよび電力用ダイオード整流器RECの直流共通端子間に接続される負荷装置Loadに電力を供給することを特徴とする。   The power conversion device according to the present embodiment includes an AC power supply SUP, a power diode rectifier REC having an AC terminal connected to the AC power supply SUP via a first transformer TR1, and a second transformer for the AC power supply SUP. A voltage-type self-excited power converter CNV having an AC terminal connected via a transformer TR2, and a series circuit of a DC smoothing capacitor Cd and a resistor Rd connected between the DC terminals of the voltage-type self-excited power converter CNV The voltage type self-excited power converter CNV is operated with a constant pulse pattern, and the voltage type self-excited power converter is adjusted by adjusting the phase angle of the AC side terminal voltage of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the voltage of the AC power supply. And a control circuit CNTL for controlling the input current of the capacitor, and is connected between the DC common terminals of the voltage source self-excited power converter CNV and the power diode rectifier REC. And supplying power to the device Load.

本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転を行う。力行運転時は電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVが負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給する。また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように電圧制御を行いながら、負荷装置Loadが発生する電力を交流電源SUPに回生する。   In the power converter of the present embodiment, the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV are operated in parallel. During power running, the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV supply power to the load device Load while adjusting the load sharing. In the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV regenerates the electric power generated by the load device Load to the AC power supply SUP while performing voltage control so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧Vcの位相角φを制御することにより、入力電流Icを制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。また、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子のスイッチングは入力電流Icのゼロ点付近で行われ、自己消弧素子の遮断電流を小さくでき、かつ、入力電流Icの高調波を低減できる利点がある。   The voltage type self-excited power converter CNV is a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage, and the AC side terminal voltage Vc of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. By controlling the phase angle φ, the input current Ic is controlled, and it is always operated near the input power factor = 1. In addition, switching of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter CNV is performed near the zero point of the input current Ic, so that the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced and the harmonics of the input current Ic are reduced. There are advantages you can do.

電気鉄道では、直流き電線を介して電車負荷Loadに電力を供給する。当該直流き電線のインダクタンスLfと、電圧形自励式電力変換器CNVの直流平滑コンデンサCdにより共振回路が構成され、当該自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御に影響を与える。特に、負荷電流ILが急変した場合には、過渡現象により電圧振動が発生し、容易に減衰せず、場合によっては制御系が不安定になる恐れがある。また、直流電圧Vdの振動は電車負荷Loadへ影響を与え、電車の発生トルクの脈動や車体の振動をもたらすことにもなる。   In an electric railway, electric power is supplied to a train load Load via a DC feeder. A resonance circuit is constituted by the inductance Lf of the DC feeder and the DC smoothing capacitor Cd of the voltage type self-excited power converter CNV, which affects the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. In particular, when the load current IL changes suddenly, a voltage oscillation occurs due to a transient phenomenon and does not easily attenuate, and in some cases, the control system may become unstable. Further, the vibration of the DC voltage Vd affects the train load Load, and also causes pulsation of train generated torque and vibration of the vehicle body.

そこで本実施の形態では、直流平滑コンデンサCdに直列に抵抗器Rdを接続している。容量10mF程度の直流平滑コンデンサCdに対し、抵抗器Rdの抵抗値は0.1Ω程度でよく、上記インダクタンスLfとコンデンサCdによる振動現象を減衰させる役目を果たす。これにより、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させることが可能となる。   Therefore, in the present embodiment, the resistor Rd is connected in series with the DC smoothing capacitor Cd. The resistance value of the resistor Rd may be about 0.1Ω with respect to the DC smoothing capacitor Cd having a capacity of about 10 mF, and serves to attenuate the vibration phenomenon caused by the inductance Lf and the capacitor Cd. This makes it possible to stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV.

本実施の形態の電力変換装置では、負荷Loadに供給される電流IL又は電力PL=Vd×ILに応じて自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを次のようにして制御する。制御回路CNTLにおいて、レベル検出器LBLは負荷電流ILによって切換え器SWを操作するもので、負荷電流IL<0(回生)のときは切換え器SWを加算器ADの出力(Iq1*)に接続し、負荷電流IL>0(力行)のときは切換え器SWを、電流指令発生器F(x)の出力(Iq2*)に接続する。すなわち、回生運転では直流電圧Vdを指令値Vd*に一致するように入力電流の有効分Iqを制御する。また、力行運転では、電流指令発生器F(x)により負荷電流ILに比例した有効電流指令値Iq2*を発生し、当該有効電流指令値Iq2*に入力電流の有効分Iqが一致するように制御する。   In the power conversion device of the present embodiment, the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is controlled as follows in accordance with the current IL or power PL = Vd × IL supplied to the load Load. In the control circuit CNTL, the level detector LBL operates the switch SW by the load current IL. When the load current IL <0 (regeneration), the switch SW is connected to the output (Iq1 *) of the adder AD. When the load current IL> 0 (powering), the switch SW is connected to the output (Iq2 *) of the current command generator F (x). That is, in the regenerative operation, the effective amount Iq of the input current is controlled so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *. In the power running operation, the current command generator F (x) generates an effective current command value Iq2 * proportional to the load current IL so that the effective current command value Iq2 * matches the effective portion Iq of the input current. Control.

力行運転時、自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを指令値Iq2*に一致するように制御することにより、当該電力変換器CNVの直流出力電流はIdc=KIq2*に制限される。この結果、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。この直流出力電流の比Idc/Iddは、電圧形自励式電力変換器CNVの出力容量と電力用ダイオード整流器RECの出力容量に合わせて決定することが可能となる。   During powering operation, the DC output current of the power converter CNV is limited to Idc = KIq2 * by controlling the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV so as to coincide with the command value Iq2 *. . As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier REC is Idd = IL−Idc. This DC output current ratio Idc / Idd can be determined according to the output capacity of the voltage source self-excited power converter CNV and the output capacity of the power diode rectifier REC.

電力用ダイオード整流器RECの直流電圧Vdは、直流出力電流Iddが大きくなると、徐々に低下する特性、すなわち、電圧レギュレーションを持ち、並列運転される電圧形自励式電力変換器CNVの直流電圧もそれに制約される。しかし、従来のPWMコンバータとは違い、固定パルス位相制御の電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが多少低下しても入力電流Icを制御することができ、整流器RECの電圧レギュレーションの影響は小さい。言い換えると、設計段階で変圧器TR2の2次電圧V2を直流電圧レギュレーションを見込んで小さくする必要がなく、その分電流容量の小さい自励式電力変換器で済み、経済的な電力変換装置を実現できる。   The DC voltage Vd of the power diode rectifier REC gradually decreases as the DC output current Idd increases. That is, the DC voltage of the voltage source self-excited power converter CNV that has voltage regulation and is operated in parallel is also constrained thereto. Is done. However, unlike the conventional PWM converter, the voltage-type self-excited power converter CNV with fixed pulse phase control can control the input current Ic even if the DC voltage Vd slightly decreases, and the influence of the voltage regulation of the rectifier REC. Is small. In other words, it is not necessary to reduce the secondary voltage V2 of the transformer TR2 in anticipation of DC voltage regulation at the design stage, and a self-excited power converter with a small current capacity can be used, and an economical power converter can be realized. .

例示すれば、本実施の形態の装置では、直流電圧Vdが1620V〜1260Vまで変化すると仮定しても、変圧器TR2の2次電圧設計値はV2=1200V程度となる。従来のPWMコンバータでは、V2=630V程度になったのに対し、約2倍の電圧となり、その分自励式電力変換器CNVの入力電流Icが小さくなり、当該変換器CNVを構成する自己消弧素子の電流容量は約半分に低減され、装置の小型化とコスト低減が図れる。   For example, in the apparatus of the present embodiment, even if it is assumed that the DC voltage Vd changes from 1620V to 1260V, the secondary voltage design value of the transformer TR2 is about V2 = 1200V. In the conventional PWM converter, V2 is about 630 V, but the voltage is about twice as much, and the input current Ic of the self-excited power converter CNV is reduced accordingly, and the self-extinguishing that constitutes the converter CNV is performed. The current capacity of the element is reduced to about half, and the size and cost of the device can be reduced.

また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdが指令値Vd*に一致するように交流電源SUPから供給される入力電流Icを制御する。直流電圧Vdを一定に制御することにより、直流き電電圧が安定化され、負荷装置Loadに対する理想的な電圧源として機能する。   Further, during the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV controls the input current Ic supplied from the AC power supply SUP so that the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd matches the command value Vd *. By controlling the DC voltage Vd to be constant, the DC feeding voltage is stabilized and functions as an ideal voltage source for the load device Load.

以上のように、本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転がスムースに行われ、特に、力行運転での自励式電力変換器CNVの力率低下を防止しながら、出力容量に合わせた負荷分担制御ができる。また、回生運転では、直流電圧を一定にすることができ、電気鉄道における直流き電電圧の安定化を図ることが可能となる。   As described above, in the power conversion device of the present embodiment, the parallel operation of the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV is smoothly performed, and in particular, the self-excited power converter CNV in the power running operation. The load sharing control according to the output capacity can be performed while preventing the power factor from decreasing. In regenerative operation, the DC voltage can be kept constant, and the DC feeding voltage in the electric railway can be stabilized.

また、制御回路CNTLは、力行運転時は負荷装置Loadに供給する電流又は有効電力に応じて電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分を制御し、回生運転時は直流平滑コンデンサCdに印加される電圧が電圧指令値に一致するように入力電流を制御するものとすることができる。   The control circuit CNTL controls the effective amount of the input current of the voltage type self-excited power converter CNV according to the current supplied to the load device Load or the active power during the power running operation, and the DC smoothing capacitor Cd during the regenerative operation. The input current can be controlled so that the voltage applied to the voltage coincides with the voltage command value.

力行運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは、負荷装置Loadに供給する電流IL又は有効電力PL=Vd・ILに応じて入力電流Icの有効分を制御する。すなわち、電圧形自励式電力変換器の入力電流Icの有効分を指令値に一致するように制御することにより、直流出力電流はIdc=Kicに制限される。この結果、電力用ダイオード整流器の直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。この直流出力電流の比Idc/Iddは、電圧形自励式電力変換器の出力容量と電力用ダイオード整流器の出力容量に合わせて決定することが可能となる。   During power running, the voltage-type self-excited power converter CNV controls the effective amount of the input current Ic according to the current IL supplied to the load device Load or the active power PL = Vd · IL. That is, the DC output current is limited to Idc = Kic by controlling the effective part of the input current Ic of the voltage source self-excited power converter so as to coincide with the command value. As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier is Idd = IL−Idc. This DC output current ratio Idc / Idd can be determined in accordance with the output capacity of the voltage-type self-excited power converter and the output capacity of the power diode rectifier.

また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器は、直流平滑コンデンサに印加される電圧Vdが指令値Vd*に一致するように交流電源から供給される入力電流Icを制御する。例えば、Vd<Vd*となった場合、電源電圧Vsに対する電力変換器の出力電圧Vcの位相角φを遅らせ、入力電流Icの有効成分を増加させる。この結果、有効電力が電源から直流平滑コンデンサに供給され、直流電圧Vdが上昇し、Vd=Vd*となるように制御される。逆に、Vd>Vd*となった場合、電源電圧Vsに対する電力変換器の出力電圧Vcの位相角φを進ませ、入力電流Icの有効成分を負の値にする。この結果、直流平滑コンデンサから電源へ有効電力が回生され、直流電圧Vdが下降し、Vd=Vd*となるように制御される。このように、回生運転時、直流電圧Vdを一定に制御することにより、直流き電電圧が安定化され、負荷装置に対する理想的な電圧源として機能する。   In the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter controls the input current Ic supplied from the AC power supply so that the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor matches the command value Vd *. For example, when Vd <Vd *, the phase angle φ of the output voltage Vc of the power converter with respect to the power supply voltage Vs is delayed, and the effective component of the input current Ic is increased. As a result, the active power is supplied from the power source to the DC smoothing capacitor, and the DC voltage Vd is increased and controlled so that Vd = Vd *. Conversely, when Vd> Vd *, the phase angle φ of the output voltage Vc of the power converter with respect to the power supply voltage Vs is advanced, and the effective component of the input current Ic is set to a negative value. As a result, the active power is regenerated from the DC smoothing capacitor to the power source, and the DC voltage Vd is lowered so that Vd = Vd *. As described above, during the regenerative operation, the DC voltage Vd is controlled to be constant, so that the DC feeding voltage is stabilized and functions as an ideal voltage source for the load device.

また、上において、制御回路CNTLに、交流電源SUPの電圧の実効値が変化した場合、その変化分に応じて直流電圧指令値を変えて制御させることができる。   In the above, when the effective value of the voltage of the AC power supply SUP changes, the control circuit CNTL can be controlled by changing the DC voltage command value according to the change.

交流き電系統の電圧Vsが瞬間的に低下した場合(いわゆる瞬低)、装置を停止させてしまうことも考えられるが、ある程度の電圧低下であれば、そのまま運転を継続するのが望ましい。その場合、本電力変換装置では、|Vc|>|Vs|となり、電源から自励式電力変換器へ大きな進み電流が流れ込む。逆に、電源電圧Vsが高くなった場合には、|Vc|<|Vs|となり、電源から自励式電力変換器へ遅れ電流が流れ込む。その結果、いずれの場合でも入力力率が低下し、入力電流Isが増加して、自励式電力変換器を構成する自己消弧素子の遮断電流が増加し、場合によっては当該素子を壊してしまうこともある。   If the voltage Vs of the AC power supply system drops instantaneously (so-called instantaneous drop), it may be possible to stop the apparatus. However, if the voltage drops to some extent, it is desirable to continue the operation as it is. In that case, in this power converter, | Vc |> | Vs | is satisfied, and a large advance current flows from the power source to the self-excited power converter. Conversely, when the power supply voltage Vs becomes high, | Vc | <| Vs | is satisfied, and a delayed current flows from the power supply to the self-excited power converter. As a result, in any case, the input power factor is decreased, the input current Is is increased, the cutoff current of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter is increased, and in some cases, the element is broken. Sometimes.

また、自励式電力変換器の直流電圧Vd=一定で回生運転しているとき、電源電圧Vsの実効値が大きくなった場合、電力用ダイオード整流器の整流電圧が自励式電力変換器の直流電圧Vdより大きくなり、電力用ダイオード整流器から直流側に電力を供給し、自励式電力変換器は直流電圧Vdを保つため、その電力を回生するようになる。すなわち、電力用ダイオード整流器と自励式電力変換器との間に循環電流が流れる。その結果、自励式電力変換器を構成する自己消弧素子に流れる電流の増大を招き、また、変圧器TR2の容量増加を招く。   Further, when the DC voltage Vd of the self-excited power converter is regeneratively operated and the effective value of the power supply voltage Vs increases, the rectified voltage of the power diode rectifier becomes the DC voltage Vd of the self-excited power converter. The power becomes larger and power is supplied from the power diode rectifier to the DC side, and the self-excited power converter maintains the DC voltage Vd, so that the power is regenerated. That is, a circulating current flows between the power diode rectifier and the self-excited power converter. As a result, the current flowing through the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter is increased, and the capacity of the transformer TR2 is increased.

そこで、交流電源SUPの電圧Vsの実効値が変化した場合、その変化分に比例させて直流電圧指令値Vd*を変えて制御させる。これにより、自励式電力変換器CNVの交流電圧の大きさ|Vc|は直流電圧Vd=Vd*に比例するので、上記電源電圧の変化が発生しても、|Vc|≒|Vs|が維持され、自励式電力変換器CNVの入力力率の低下や回生運転時の循環電流増大の問題がなくなる。同時に、瞬低が起きた場合でも装置の運転継続が可能となり、より信頼性の高いシステムを実現できる。   Therefore, when the effective value of the voltage Vs of the AC power supply SUP changes, the DC voltage command value Vd * is changed and controlled in proportion to the change. As a result, the magnitude of the AC voltage | Vc | of the self-excited power converter CNV is proportional to the DC voltage Vd = Vd *, so that | Vc | ≈ | Vs | is maintained even if the power supply voltage changes. This eliminates the problem of a decrease in input power factor of the self-excited power converter CNV and an increase in circulating current during regenerative operation. At the same time, it is possible to continue the operation of the device even when a voltage sag occurs, and a more reliable system can be realized.

本実施の形態をより具体的に説明する。制御回路CNTLは、電圧指令演算回路CALにより、直流電圧指令値Vd*を電源電圧の定格値Vsoに対し、
This embodiment will be described more specifically. The control circuit CNTL uses the voltage command calculation circuit CAL to set the DC voltage command value Vd * to the rated value Vso of the power supply voltage.

としている。ただし、Vsa>Vso>Vsb,ΔVs=|Vs|−Vso,kを比例定数とする。 It is said. However, Vsa> Vso> Vsb, ΔVs = | Vs | −Vso, k is a proportionality constant.

直流電圧指令値Vd*を電源電圧Vsの変動に関係なくVdo*一定として運転した場合、次のような問題がある。すなわち、電源電圧Vsが定格値Vsoより高くなった場合、並列運転している電力用ダイオード整流器RECの直流電圧が上がり、自励式電力変換器CNVの制御電圧Vdo*より高くなる。すると、自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdを指令値Vdo*に合わせようとして電力を回生する。一方、電力ダイオード整流器RECは直流電圧が下がれば、電源から電力を供給する。このようにして、両者の間で循環電流が流れ、その分、変換器を構成する素子の電流を増やし、損失の増大を招くことになる。   When the DC voltage command value Vd * is operated with Vdo * constant regardless of fluctuations in the power supply voltage Vs, there are the following problems. That is, when the power supply voltage Vs becomes higher than the rated value Vso, the DC voltage of the power diode rectifier REC operating in parallel increases and becomes higher than the control voltage Vdo * of the self-excited power converter CNV. Then, self-excited power converter CNV regenerates power in an attempt to match DC voltage Vd with command value Vdo *. On the other hand, the power diode rectifier REC supplies power from the power source when the DC voltage drops. In this way, a circulating current flows between the two, and accordingly, the current of the elements constituting the converter is increased, leading to an increase in loss.

反対に、電源電圧Vsが定格値Vsoより低くなった場合、直流電圧Vdが一定に制御されていると、自励式電力変換器CNVの交流側電圧Vcは一定値となり、Vc>Vsとなる。この結果、電源SUPから進み無効電流が流れ込み、自励式電力変換器CNVの入力電流が増大し、素子の損失の増大と素子遮断電流の増大を招くことになる。特に、時間的には短時間であるが電圧低下が大きい、瞬低(瞬時電圧低下)が発生した場合、上記無効電流値が大きいため、過電流により装置の運転停止に至ることがある。   On the contrary, when the power supply voltage Vs becomes lower than the rated value Vso, if the DC voltage Vd is controlled to be constant, the AC side voltage Vc of the self-excited power converter CNV becomes a constant value, and Vc> Vs. As a result, a reactive current flows from the power supply SUP and the input current of the self-excited power converter CNV increases, leading to an increase in element loss and an increase in element cutoff current. In particular, when a voltage drop is large but an instantaneous drop (instantaneous voltage drop) occurs in a short time, the reactive current value is large, and the apparatus may be shut down due to overcurrent.

そこで本実施の形態における制御回路CNTLでは、Vsb<|Vs|<Vsaの範囲で、Vd*=Vdo*+k・ΔVsとして、電源電圧Vsが変化した場合、その変化分ΔVs=|Vs|−Vsoに比例させて、直流電圧指令値Vd*を変えている。すなわち、Vsが上昇したときはその上昇分に比例させて直流電圧Vdを高くすることにより、循環電流の増加を抑えている。また、Vsが低下した場合、その低下分に比例させて直流電圧Vdを下げて電源SUPから無効電流が流れ込むのを抑えている。これにより、電源電圧変動による素子電流の増大を防止することが可能となり、かつ、瞬低が発生しても装置を停止させるとなく、運転継続ができるようになる。   Therefore, in the control circuit CNTL in the present embodiment, when the power supply voltage Vs changes as Vd * = Vdo * + k · ΔVs in the range of Vsb <| Vs | <Vsa, the change ΔVs = | Vs | −Vso. The DC voltage command value Vd * is changed in proportion to. That is, when Vs increases, the DC voltage Vd is increased in proportion to the increase, thereby suppressing an increase in circulating current. Further, when Vs decreases, the direct current voltage Vd is decreased in proportion to the decrease, thereby suppressing the reactive current from flowing from the power supply SUP. As a result, it is possible to prevent an increase in element current due to power supply voltage fluctuations, and it is possible to continue operation without stopping the apparatus even if a voltage sag occurs.

電源電圧が|Vs|≧Vsaとなった場合、Vd*=Vdmax*として、それ以上直流電圧を上げないようにしている。一般には、電源電圧Vsの変動は高々±5%程度であるが、雷サージなどによりそれ以上電源電圧が上昇した場合には、Vd*=Vdmax*として直流電圧Vdをむやみに上げることなく装置全体の整合性を保っている。これにより、負荷装置Loadへ過大な電圧が印加されるのを防いでいる。   When the power supply voltage is | Vs | ≧ Vsa, Vd * = Vdmax * is set so that the DC voltage is not further increased. In general, the fluctuation of the power supply voltage Vs is about ± 5% at most. However, when the power supply voltage further increases due to a lightning surge or the like, the entire apparatus is set without Vdc * = Vdmax * and increasing the DC voltage Vd unnecessarily. Is consistent. This prevents an excessive voltage from being applied to the load device Load.

逆に、|Vs|≦Vsbとなった場合、Vd*=Vdmin*として、それ以下に直流電圧Vdを下げないようにしている。ただし、瞬低時の運転継続を考えて、設定値Vsbは、定格値Vsoの0.9〜0.6倍程度にするのが適当である。   Conversely, when | Vs | ≦ Vsb, Vd * = Vdmin * is set so that the DC voltage Vd is not lowered below that. However, it is appropriate that the set value Vsb is set to about 0.9 to 0.6 times the rated value Vso in consideration of the continuation of operation at the time of a momentary drop.

このように、本実施の形態の電力変換装置によれば、電源電圧Vsが変動した場合でも無駄な循環電流や無効電流が増加することを防止でき、しいては装置を構成する素子の電流容量が低減され、経済的な電力変換装置を実現できる。また、瞬時電圧低下が発生しても装置を停止させることなく信頼性の高いシステムを実現できる。   As described above, according to the power conversion device of the present embodiment, it is possible to prevent an increase in useless circulating current and reactive current even when the power supply voltage Vs fluctuates, and the current capacity of elements constituting the device. Therefore, an economical power conversion device can be realized. In addition, a highly reliable system can be realized without stopping the apparatus even if an instantaneous voltage drop occurs.

(第6の実施の形態)図15は、本発明の第6の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、TR1,TR2は3相トランス、RECは電力用ダイオード整流器、CNVは電圧形自励式電力変換器、Cdは直流平滑コンデンサ、Rdは抵抗器、Ddはバイパスダイオード、Lfは直流き電線のインダクタンス、Loadは負荷装置を示している。   (Sixth Embodiment) FIG. 15 is a block diagram of a power converter according to a sixth embodiment of the present invention. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, TR1 and TR2 are three-phase transformers, REC is a power diode rectifier, CNV is a voltage-type self-excited power converter, Cd is a DC smoothing capacitor, Rd is A resistor, Dd is a bypass diode, Lf is an inductance of a DC feeder, and Load is a load device.

一方、制御回路CNTLとして、電圧指令演算回路CAL、比較器C1,C2、加算器AD、電圧制御補償回路Gv(S)、電流制御補償回路Gi(S)、電流指令発生器F(x)、切換え器SW、レベル検出器LBL、リミッタ回路LIM、フィードフォワード補償器FF、座標変換回路Z、電源同期位相検出回路PLL、位相制御回路PHCを用意している。   On the other hand, as the control circuit CNTL, a voltage command calculation circuit CAL, comparators C1 and C2, an adder AD, a voltage control compensation circuit Gv (S), a current control compensation circuit Gi (S), a current command generator F (x), A switch SW, a level detector LBL, a limiter circuit LIM, a feedforward compensator FF, a coordinate conversion circuit Z, a power supply synchronous phase detection circuit PLL, and a phase control circuit PHC are prepared.

本実施の形態の電力変換装置は、交流電源SUPと、当該交流電源SUPに第1の変圧器TR1を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器RECと、交流電源SUPに第2の変圧器TR2を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器CNVと、当該電圧形自励式電力変換器CNVの直流端子間に接続された直流平滑コンデンサCdおよび抵抗器Rdの直列回路と、当該抵抗器Rdの片方向電流をバイパスさせるダイオードDdと、電圧形自励式電力変換器CNVを一定のパルスパターンで動作させ、交流電源の電圧に対する電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流を制御する制御回路CNTLとを具備し、電圧形自励式電力変換器CNVおよび電力用ダイオード整流器Ddの直流共通端子間に接続される負荷装置Loadに電力を供給するものである。   The power conversion device according to the present embodiment includes an AC power supply SUP, a power diode rectifier REC having an AC terminal connected to the AC power supply SUP via a first transformer TR1, and a second transformer for the AC power supply SUP. A voltage-type self-excited power converter CNV having an AC terminal connected via a transformer TR2, and a series circuit of a DC smoothing capacitor Cd and a resistor Rd connected between the DC terminals of the voltage-type self-excited power converter CNV The diode Dd for bypassing the one-way current of the resistor Rd and the voltage-type self-excited power converter CNV are operated with a constant pulse pattern, and the AC side terminal voltage of the voltage-type self-excited power converter with respect to the voltage of the AC power supply And a control circuit CNTL for controlling the input current of the voltage-type self-excited power converter CNV by adjusting the phase angle of the voltage-type self-excited power converter CNV and And supplies power to a load device Load connected between the DC common terminal of the power diode rectifier Dd.

本実施の形態の発明装置は、電力用ダイオード整流器RECと、電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転を行い、力行運転時は電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVが負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給する。また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように電圧制御を行いながら、負荷装置Loadが発生する電力を交流電源SUPに回生する。   The inventive device of the present embodiment performs parallel operation of the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV, and the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV are loaded during powering operation. Electric power is supplied to the load device Load while adjusting the sharing. In the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV regenerates the electric power generated by the load device Load to the AC power supply SUP while performing voltage control so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧Vcの位相角φを制御することにより、入力電流Icを制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。また、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子のスイッチングは入力電流Icのゼロ点付近で行われ、自己消弧素子の遮断電流を小さくでき、かつ、入力電流Icの高調波を低減できる利点がある。   The voltage type self-excited power converter CNV is a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage, and the AC side terminal voltage Vc of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. By controlling the phase angle φ, the input current Ic is controlled, and it is always operated near the input power factor = 1. In addition, switching of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter CNV is performed near the zero point of the input current Ic, so that the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced and the harmonics of the input current Ic are reduced. There are advantages you can do.

電気鉄道では、直流き電線を介して電車負荷Loadに電力を供給する。当該直流き電線のインダクタンスLfと、電圧形自励式電力変換器CNVの直流平滑コンデンサCdにより共振回路が構成され、当該自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御に影響を与える。特に、負荷電流ILが急変した場合には、過渡現象により電圧振動が発生し、減衰に時間がかかり、場合によっては制御系が不安定になる恐れがある。また、直流電圧Vdの振動は電車負荷Loadへ影響を与え、電車の発生トルクの脈動や車体の振動をもたらすことにもなる。   In an electric railway, electric power is supplied to a train load Load via a DC feeder. A resonance circuit is constituted by the inductance Lf of the DC feeder and the DC smoothing capacitor Cd of the voltage type self-excited power converter CNV, which affects the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. In particular, when the load current IL changes suddenly, voltage oscillation occurs due to a transient phenomenon, and it takes time to attenuate, and in some cases, the control system may become unstable. Further, the vibration of the DC voltage Vd affects the train load Load, and also causes pulsation of train generated torque and vibration of the vehicle body.

本実施の形態の電力変更装置では、直流平滑コンデンサCdに直列に抵抗器Rdを接続している。容量10mF程度の直流平滑コンデンサCdに対し、抵抗器Rdの抵抗値は0.1Ω程度でよく、上記インダクタンスLfとコンデンサCdによる振動現象を減衰させる役目を果たす。これにより、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させることが可能となる。   In the power changing device of the present embodiment, a resistor Rd is connected in series with the DC smoothing capacitor Cd. The resistance value of the resistor Rd may be about 0.1Ω with respect to the DC smoothing capacitor Cd having a capacity of about 10 mF, and serves to attenuate the vibration phenomenon caused by the inductance Lf and the capacitor Cd. This makes it possible to stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV.

以上のように、抵抗器Rdは、直流平滑コンデンサCdと直流き電線のインダクタンスLf等により発生する振動現象を減衰させ、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させる役目を果たすが、直流平滑コンデンサCdに流れる電流Icapにより、Icap2×Rdの損失が発生する。ダイオードDdは抵抗器Rdに流れる電流の片方向の電流をバイパスさせるもので、上記損失を半分に減らすことができる。バイパスダイオードDdが入っても、共振現象を抑制する効果はほぼ同じである。   As described above, the resistor Rd serves to attenuate the vibration phenomenon generated by the DC smoothing capacitor Cd and the inductance Lf of the DC feeder and stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. A loss of Icap2 × Rd occurs due to the current Icap flowing through the DC smoothing capacitor Cd. The diode Dd bypasses the one-way current flowing through the resistor Rd, and the loss can be reduced by half. Even if the bypass diode Dd is inserted, the effect of suppressing the resonance phenomenon is almost the same.

なお、本実施の形態においても、制御回路CNTLは上記第5の実施の形態における制御回路CNTLと同じように入力電流を制御するものが採用される。   Also in the present embodiment, the control circuit CNTL is one that controls the input current in the same manner as the control circuit CNTL in the fifth embodiment.

(第7の実施の形態)本実施の形態では、制御回路CNTLは、力行負荷電流がある設定値を超えた場合に当該自励式電力変換器CNVを構成するすべての自己消弧素子をゲートブロックするように制御することを特徴とする。すなわち、電圧形自励式電力変換器CNVは、主に回生機能を活かした運転を行い、力行側の設定負荷電流ILoを超えた領域で自己消弧素子を全てゲートブロックすることにより、電力用ダイオード整流器RECと、自励式電力変換器CNVの高速ダイオードによる整流器との並列運転を行う。この場合の両者の負荷分担は、第1および第2の変圧器TR1,TR2の%インピーダンスに依存する。%ZI1と%ZI2が同じとすれば、当該2つの変圧器TR1,TR2の容量に比例して負荷分担が図られる。設定負荷電流ILoとして、例えば、定格電流を選んだ場合、当該定格負荷電流までは、通常の運転すなわち、自励式電力変換器と電力用ダイオード整流器との並列運転が行われ、定格電流を超えた領域では高速ダイオード整流器と電力用ダイオード整流器の並列運転に切り替わる。この結果、過負荷領域で電力用ダイオード整流器のレギュレーション特性により直流電圧Vdが低下しても、自励式電力変換器はゲートブロックされているため、単なる高速ダイオード整流器として動作し、入力力率の低下の問題がなくなる。また、過負荷領域で自励式電力変換器をゲートブロックすることにより、当該自励式電力変換器の損失が低減され、運転効率が向上し、かつ、装置の冷却設備を軽減することができる。   (Seventh Embodiment) In the present embodiment, the control circuit CNTL gates all self-extinguishing elements constituting the self-excited power converter CNV when the powering load current exceeds a certain set value. It controls to do. That is, the voltage-type self-excited power converter CNV is operated mainly utilizing the regenerative function, and the self-extinguishing element is gate-blocked in a region exceeding the set load current ILo on the power running side, thereby A parallel operation of the rectifier REC and a rectifier using a high-speed diode of the self-excited power converter CNV is performed. In this case, the load sharing between them depends on the% impedance of the first and second transformers TR1 and TR2. If% ZI1 and% ZI2 are the same, load sharing is achieved in proportion to the capacities of the two transformers TR1 and TR2. For example, when the rated current is selected as the set load current ILo, the normal operation, that is, the parallel operation of the self-excited power converter and the power diode rectifier is performed up to the rated load current, and the rated current is exceeded. In the area, the high-speed diode rectifier and the power diode rectifier are switched to parallel operation. As a result, even if the DC voltage Vd drops due to the regulation characteristics of the power diode rectifier in the overload region, the self-excited power converter operates as a simple high-speed diode rectifier because of the gate block, and the input power factor decreases. No problem. Moreover, by gate-blocking the self-excited power converter in the overload region, the loss of the self-excited power converter can be reduced, the operation efficiency can be improved, and the cooling equipment of the apparatus can be reduced.

図16は、本発明の第7の実施の形態の電力変換装置における制御回路CNTLブロック図を示すもので、図中、C1,C2は比較器、ADは加算器、SWは切換え器、LIMはリミッタ回路、LBL1,LBL2はレベル検出器、Gv(S)は電圧制御補償回路、Gi(S)は電流制御補償回路、F(x)は電流指令発生器、FFはフィードフォワード補償器、Zは座標変換回路、PLLは電源同期位相検出回路、PHCは位相制御回路を表す。   FIG. 16 is a block diagram of the control circuit CNTL in the power conversion device according to the seventh embodiment of the present invention, in which C1 and C2 are comparators, AD is an adder, SW is a switcher, and LIM is Limiter circuit, LBL1 and LBL2 are level detectors, Gv (S) is a voltage control compensation circuit, Gi (S) is a current control compensation circuit, F (x) is a current command generator, FF is a feedforward compensator, and Z is A coordinate conversion circuit, PLL is a power supply synchronous phase detection circuit, and PHC is a phase control circuit.

第1のレベル検出器LBL1は、負荷電流ILが設定値ILo1より大きくなったときに信号CL=”1”を発生し、切換え器SWを電流指令発生器F(x)の出力Iq2*に接続する。逆に、IL<ILo1となった場合は信号CL=”0”を発生し、切換え器SWを加算器ADの出力Iq1*に接続する。例えば、ILo1=0とした場合、IL<0(回生運転)では直流電圧Vdがその指令値Vd*に一致するように自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを制御する。また、IL>0(力行運転)では電流指令発生器F(x)により負荷電力PLに応じた有効電流指令Iq2*を算出し、当該電流指令値Iq2*に自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqが一致するように制御する。   The first level detector LBL1 generates a signal CL = “1” when the load current IL becomes larger than the set value ILo1, and connects the switch SW to the output Iq2 * of the current command generator F (x). To do. Conversely, if IL <ILo1, the signal CL = "0" is generated, and the switch SW is connected to the output Iq1 * of the adder AD. For example, when ILo1 = 0, when IL <0 (regenerative operation), the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is controlled so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *. Further, when IL> 0 (powering operation), the current command generator F (x) calculates an effective current command Iq2 * corresponding to the load power PL, and the current command value Iq2 * is input to the self-excited power converter CNV. Is controlled so that the effective amount Iq matches.

座標変換回路Zは、自励式電力変換器CNVの3相入力電流Icr,Ics,Ictをdq座標の値に変換するもので、Iqは有効電流成分,Idは無効電流成分となる。比較器C2により、リミッタ回路LIMから出力される電流指令値Iq*と有効電流Iqを比較し、その偏差を電流制御補償回路Gi(S)で増幅し、電源電圧Vsに対する自励式電力変換器CNVの交流出力電圧Vcの位相差指令値φ*を位相制御回路PHCに入力する。このとき、電源同期位相検出回路PLLからの基準信号θr,θs,θtを基準にして位相制御回路PHCを動作させる。   The coordinate conversion circuit Z converts the three-phase input currents Icr, Ics, and Ict of the self-excited power converter CNV into dq coordinate values, where Iq is an active current component and Id is a reactive current component. The comparator C2 compares the current command value Iq * output from the limiter circuit LIM with the effective current Iq, amplifies the deviation by the current control compensation circuit Gi (S), and self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. The phase difference command value φ * of the AC output voltage Vc is input to the phase control circuit PHC. At this time, the phase control circuit PHC is operated with reference to the reference signals θr, θs, and θt from the power supply synchronous phase detection circuit PLL.

第2のレベル検出器LBL2は、負荷電流ILが設定値ILo2より大きくなったときにゲートブロック信号GBを発生し、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子の全てをオフさせる。このとき、自励式電力変換器CNVは高速ダイオード整流器として動作し、電力用ダイオード整流器RECと高速ダイオード整流器の並列運転が行われる。2台の整流器の負荷分担は、それぞれの変圧器TR1,TR2の%インピーダンス(%ZI)によって決定され、両者の%ZIが同じなら、それぞれの出力容量に比例した負荷を担うことになる。   The second level detector LBL2 generates a gate block signal GB when the load current IL becomes larger than the set value ILo2, and turns off all the self-extinguishing elements constituting the self-excited power converter CNV. At this time, the self-excited power converter CNV operates as a high-speed diode rectifier, and the power diode rectifier REC and the high-speed diode rectifier are operated in parallel. The load sharing of the two rectifiers is determined by the% impedance (% ZI) of each of the transformers TR1 and TR2. If the% ZI of both is the same, the load sharing is proportional to the output capacity of each.

第1のレベル検出器LBL1の設定値ILo1に対し、第2のレベル検出器LBL2の設定値ILo2は、ILo1≦ILo2とする。これにより、直流電圧制御しているときにゲートブロックするのを防止できる。   The setting value ILo2 of the second level detector LBL2 is set to ILo1 ≦ ILo2 with respect to the setting value ILo1 of the first level detector LBL1. Thereby, it is possible to prevent the gate from being blocked when the DC voltage control is performed.

設定負荷電流ILo2として、例えば、定格電流を選んだ場合、当該定格負荷電流までは、通常の運転すなわち、自励式電力変換器CNVと電力用ダイオード整流器RECとの並列運転が行われ、定格電流を超えた領域では高速ダイオード整流器と電力用ダイオード整流器RECの並列運転に切り替わる。この結果、過負荷領域で電力用ダイオード整流器RECのレギュレーション特性により直流電圧Vdが低下しても、自励式電力変換器CNVはゲートブロックされているため、単なる高速ダイオード整流器として動作し、入力力率の低下の問題がなくなる。また、過負荷領域で自励式電力変換器CNVをゲートブロックすることにより、当該自励式電力変換器CNVの損失が低減され、運転効率が向上し、かつ、装置の冷却設備を軽減することができる。   For example, when a rated current is selected as the set load current ILo2, the normal operation, that is, the parallel operation of the self-excited power converter CNV and the power diode rectifier REC is performed up to the rated load current. In the exceeding region, the high-speed diode rectifier and the power diode rectifier REC are switched to parallel operation. As a result, even if the DC voltage Vd is reduced due to the regulation characteristics of the power diode rectifier REC in the overload region, the self-excited power converter CNV is gate-blocked, and thus operates as a simple high-speed diode rectifier. The problem of lowering is eliminated. Further, by gate-blocking the self-excited power converter CNV in the overload region, the loss of the self-excited power converter CNV can be reduced, the operation efficiency can be improved, and the cooling equipment of the apparatus can be reduced. .

(第8の実施の形態)本発明の第8の実施の形態の電力変換装置について説明する。第8の実施の形態は図1に示した第1の実施の形態において、電力用ダイオード整流器RECと電圧計ダイオード整流器CNVのトランスTR1,TR2のインピーダンスを最適に設計したことを特徴とする。   (Eighth Embodiment) A power conversion apparatus according to an eighth embodiment of the present invention will be described. The eighth embodiment is characterized in that, in the first embodiment shown in FIG. 1, the impedances of the transformers TR1 and TR2 of the power diode rectifier REC and the voltmeter diode rectifier CNV are optimally designed.

上に述べたように、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVを並列運転する電力変換装置において、力行運転では、直流電圧Vdは電力用ダイオード整流器RECの整流電圧になる。当該電力用ダイオード整流器RECの整流電圧は、直流出力電流Iddが増加するに従い、一定の割合で低下する。例えば、8%のレギュレーションを持つ電力用ダイオード整流器の場合、定格直流電圧1500Vに対し、無負荷直流電圧は1620Vとなり、300%過負荷運転では1260Vまで下がる。このとき、並列運転している自励式電力変換器CNVの直流電圧Vdも上記値に規制される。   As described above, in the power converter that operates the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV in parallel, the DC voltage Vd becomes the rectified voltage of the power diode rectifier REC in the power running operation. The rectified voltage of the power diode rectifier REC decreases at a constant rate as the DC output current Idd increases. For example, in the case of a power diode rectifier having a regulation of 8%, the no-load DC voltage is 1620V with respect to the rated DC voltage 1500V, and is reduced to 1260V in 300% overload operation. At this time, the DC voltage Vd of the self-excited power converter CNV operating in parallel is also restricted to the above value.

自励式電力変換器CNVの交流側電圧Vcの大きさは、直流電圧Vdの値により決定され、直流電圧Vdが下がれば、交流電圧Vcも小さくなる。   The magnitude of the AC side voltage Vc of the self-excited power converter CNV is determined by the value of the DC voltage Vd. When the DC voltage Vd decreases, the AC voltage Vc also decreases.

図17は、力行過負荷運転時の自励式電力変換器CNVの交流側電圧・電流ベクトル図を示す。負荷電流ILの増加に伴い、並列運転する電力用ダイオード整流器RECのレギュレーションにより、直流電圧Vdが低下し、電源電圧Vsに対し、変換器CNVの交流出力電圧Vc=k・Vdが小さくなる。この結果、交流リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icのベクトルの位相が電源電圧Vsベクトルに近づく。すると、自励式電力変換器CNVの入力電流Icベクトルと電源電圧Vsベクトルとの位相差θが大きくなり、自励式電力変換器CNVは力率の悪い運転を強いられることになる。同じ有効電力を供給する場合、力率低下により自励式電力変換器CNVの入力電流Icは大きくなり、当該変換器CNVを構成する素子の電流容量を増やさなければならなくなる。   FIG. 17 shows an AC side voltage / current vector diagram of the self-excited power converter CNV during powering overload operation. As the load current IL increases, the regulation of the power diode rectifier REC operated in parallel decreases the DC voltage Vd, and the AC output voltage Vc = k · Vd of the converter CNV becomes smaller than the power supply voltage Vs. As a result, the phase of the vector of the voltage jωLs · Ic applied to the AC reactor Ls approaches the power supply voltage Vs vector. Then, the phase difference θ between the input current Ic vector of the self-excited power converter CNV and the power supply voltage Vs vector becomes large, and the self-excited power converter CNV is forced to operate with a low power factor. When the same active power is supplied, the input current Ic of the self-excited power converter CNV increases due to the power factor reduction, and the current capacity of the elements constituting the converter CNV must be increased.

これに対し、本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECの変圧器TR1の%インピーダンス(%ZI1)より自励式電力変換器CNVの変圧器TR2の%インピーダンス(%ZI2)が大きくなるように設計している。この結果、過負荷運転時の自励式電力変換器CNVの交流側電圧・電流ベクトル図は図18のようになる。すなわち、%ZI2を大きくすることによって、交流リアクトルLsの値が大きくなったものと同じになり、同じ電流Icを流す場合でも当該リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icが大きくなって、電源電圧Vsベクトルと変換器CNVの交流電圧Vcベクトルの位相差φが大きくなる。故に、電源電圧Vsに対するリアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icの位相は90°方向に広がり、電源電圧Vsに対する入力電流Icベクトルの位相角θは小さくなって、自励式電力変換器CNVの入力力率が改善できる。これにより、自励式電力変換器CNVを構成する素子の電流容量が低減され、経済的な装置を実現できる。なお、このトランスTR1,TR2のインピーダンスの設計は、他の各実施の形態に対しても等しく適用できる。   On the other hand, in the power conversion device of the present embodiment, the% impedance (% ZI2) of the transformer TR2 of the self-excited power converter CNV is larger than the% impedance (% ZI1) of the transformer TR1 of the power diode rectifier REC. It is designed to be. As a result, the AC side voltage / current vector diagram of the self-excited power converter CNV during overload operation is as shown in FIG. That is, by increasing% ZI2, the value of AC reactor Ls becomes the same, and even when the same current Ic is passed, voltage jωLs · Ic applied to reactor Ls increases, and the power supply voltage The phase difference φ between the Vs vector and the AC voltage Vc vector of the converter CNV increases. Therefore, the phase of the voltage jωLs · Ic applied to the reactor Ls with respect to the power supply voltage Vs spreads in the 90 ° direction, the phase angle θ of the input current Ic vector with respect to the power supply voltage Vs becomes small, and the input of the self-excited power converter CNV Power factor can be improved. Thereby, the current capacity of the elements constituting the self-excited power converter CNV is reduced, and an economical device can be realized. The impedance design of the transformers TR1 and TR2 can be equally applied to the other embodiments.

(第9の実施の形態)本実施の形態の電力変換装置は、上記各実施の形態の電力変換装置において、直流平滑コンデンサCdから記負荷装置Loadに至る経路上に直流リアクトルDCLと高速遮断器HSCBを挿入したことを特徴とする。図19は、本発明の第9の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、TR1,TR2は3相トランス、RECは電力用ダイオード整流器、CNVは電圧形自励式電力変換器、RfとCfは高調波フィルタ回路の抵抗とコンデンサ、Cdは直流平滑コンデンサ、VDTは直流電圧検出器、DCDTは直流電流検出器、Rdは抵抗器、Ddはバイパスダイオード、DCLは直流リアクトル、HSCBは高速遮断器、Loadは負荷装置を示している。   (Ninth Embodiment) The power converter of this embodiment is the same as the power converter of each of the embodiments described above, except that the DC reactor DCL and the high-speed circuit breaker are on the path from the DC smoothing capacitor Cd to the load device Load. It is characterized by inserting HSCB. FIG. 19 is a block diagram of a power conversion device according to the ninth embodiment of this invention. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, TR1 and TR2 are three-phase transformers, REC is a power diode rectifier, CNV is a voltage-type self-excited power converter, and Rf and Cf are harmonic filter circuits. Resistors and capacitors, Cd is a DC smoothing capacitor, VDT is a DC voltage detector, DCDT is a DC current detector, Rd is a resistor, Dd is a bypass diode, DCL is a DC reactor, HSCB is a high-speed circuit breaker, and Load is a load device Is shown.

本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと、電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転を行う。力行運転時は電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVが負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給する。また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように電圧制御を行いながら、負荷装置Loadが発生する電力を交流電源SUPに回生する。   In the power converter of the present embodiment, the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV are operated in parallel. During power running, the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV supply power to the load device Load while adjusting the load sharing. In the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV regenerates the electric power generated by the load device Load to the AC power supply SUP while performing voltage control so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧Vcの位相角φを制御することにより、入力電流Icを制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。また、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子のスイッチングは入力電流Icのゼロ点付近で行われ、自己消弧素子の遮断電流を小さくでき、かつ、入力電流Icの高調波を低減できる利点がある。   The voltage type self-excited power converter CNV is a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage, and the AC side terminal voltage Vc of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. By controlling the phase angle φ, the input current Ic is controlled, and it is always operated near the input power factor = 1. In addition, switching of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter CNV is performed near the zero point of the input current Ic, so that the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced and the harmonics of the input current Ic are reduced. There are advantages you can do.

高速遮断器HSCBは、直流き電線の地絡事故などにより、過大な電流が流れた場合、いち早く回路を切り離す役目を果たし、事故が拡大するのを防止する。しかし、直流平滑コンデンサCdが電圧源となっており、至近端で地絡事故などが発生した場合には、事故電流の立ち上がりが速く高速遮断器HSCBでも切り離せないことがある。直流リアクトルDCLは、事故電流の立ち上がりを抑制するもので、事故時に高速遮断器HSCBを確実に動作させることが可能となる。すなわち、直流電圧をVd,直流リアクトルDCLのインダクタンス値をLdcとし、至近端で地絡事故が発生した場合、事故電流の立ち上がりは、(dIdt)=Vd/Ldcとなる。例えば、Vd=1500V,Ldc=1mHとした場合、至近端での事故電流の立ち上がりは、(dIdt)=1500A/msecとなり、数msecで動作する高速遮断器HSCBにより回路を切り離すことができ、事故の拡大を防止することが可能となる。   The high-speed circuit breaker HSCB serves to quickly disconnect the circuit when an excessive current flows due to a ground fault of a DC feeder, and prevents the accident from expanding. However, when the DC smoothing capacitor Cd is a voltage source and a ground fault occurs at the closest end, the fault current rises quickly and may not be disconnected even by the high-speed circuit breaker HSCB. The DC reactor DCL suppresses the rising of the accident current, and can reliably operate the high-speed circuit breaker HSCB at the time of the accident. That is, when the DC voltage is Vd, the inductance value of the DC reactor DCL is Ldc, and a ground fault occurs at the closest end, the rise of the fault current is (dIdt) = Vd / Ldc. For example, when Vd = 1500V and Ldc = 1mH, the rise of the fault current at the near end is (dIdt) = 1500 A / msec, and the circuit can be disconnected by the high-speed circuit breaker HSCB operating at several msec. It becomes possible to prevent the spread of accidents.

電気鉄道では、直流き電線を介して電車負荷Loadに電力を供給する。当該直流き電線のインダクタンスLfと、電圧形自励式電力変換器CNVの直流平滑コンデンサCdにより共振回路が構成され、当該自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御に影響を与える。特に、負荷電流ILが急変した場合には、過渡現象により電圧振動が発生し、容易に減衰せず、場合によっては制御系が不安定になる恐れがある。また、直流電圧Vdの振動は電車負荷Loadへ影響を与え、電車の発生トルクの脈動や車体の振動をもたらすことにもなる。   In an electric railway, electric power is supplied to a train load Load via a DC feeder. A resonance circuit is constituted by the inductance Lf of the DC feeder and the DC smoothing capacitor Cd of the voltage type self-excited power converter CNV, which affects the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. In particular, when the load current IL changes suddenly, a voltage oscillation occurs due to a transient phenomenon and does not easily attenuate, and in some cases, the control system may become unstable. Further, the vibration of the DC voltage Vd affects the train load Load, and also causes pulsation of train generated torque and vibration of the vehicle body.

そこで本実施の形態の電力変換装置では、直流平滑コンデンサCdに直列に抵抗器Rdを接続している。抵抗器Rdは上記振動現象を減衰させる役目を果たし、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させることが可能となる。この抵抗器Rdは、直流平滑コンデンサCdと直流き電線のインダクタンスLf等により発生する振動現象を減衰させ、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させる役目を果たすが、直流平滑コンデンサCdに流れる電流Icapにより、Icap2×Rdの損失が発生する。ダイオードDdは抵抗器Rdに流れる電流の片方向の電流をバイパスさせるもので、上記損失を半分に減らすことができる。バイパスダイオードDdが入っても、共振現象を抑制する効果はほぼ同じである。   Therefore, in the power conversion device of the present embodiment, the resistor Rd is connected in series with the DC smoothing capacitor Cd. The resistor Rd serves to attenuate the vibration phenomenon, and can stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. The resistor Rd serves to attenuate the vibration phenomenon generated by the DC smoothing capacitor Cd and the inductance Lf of the DC feeder and stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. A loss of Icap2 × Rd occurs due to the current Icap flowing through. The diode Dd bypasses the one-way current flowing through the resistor Rd, and the loss can be reduced by half. Even if the bypass diode Dd is inserted, the effect of suppressing the resonance phenomenon is almost the same.

(第10の実施の形態)図20は、本発明の第10の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、ACCB1,ACCB2は交流遮断器、DCCB1,DCCB2は直流遮断器、TR1,TR2,TR3は3相トランス、AC−Loadは交流負荷、RECは電力用ダイオード整流器、Cf,Rfは高調波フィルタ回路のコンデンサと抵抗器、CNVは電圧形自励式電力変換器、Cdは直流平滑コンデンサ、VDTは直流電圧検出器、DCDTは直流電流検出器、Loadは負荷装置を示している。   (Tenth Embodiment) FIG. 20 is a block diagram of a power conversion apparatus according to a tenth embodiment of the present invention. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, ACCB1 and ACCB2 are AC circuit breakers, DCCB1 and DCCB2 are DC circuit breakers, TR1, TR2 and TR3 are three-phase transformers, and AC-Load is an AC load. REC is a power diode rectifier, Cf and Rf are harmonic filter circuit capacitors and resistors, CNV is a voltage-type self-excited power converter, Cd is a DC smoothing capacitor, VDT is a DC voltage detector, and DCDT is a DC current detector. , Load indicates a load device.

一方、制御回路CNTLとして、比較器C1,C2、加算器AD、電圧制御補償回路Gv(S)、電流制御補償回路Gi(S)、電流指令発生器F(x)、切換え器SW、レベル検出器LBL、リミッタ回路LIM、フィードフォワード補償器FF、座標変換回路Z、電源同期位相検出回路PLL、位相制御回路PHCを用意している。   On the other hand, as the control circuit CNTL, comparators C1 and C2, adder AD, voltage control compensation circuit Gv (S), current control compensation circuit Gi (S), current command generator F (x), switch SW, level detection LBL, limiter circuit LIM, feedforward compensator FF, coordinate conversion circuit Z, power supply synchronous phase detection circuit PLL, and phase control circuit PHC are prepared.

本実施の形態の電力変換装置は、交流電源SUPと、当該交流電源SUPに第1の変圧器TR1を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器RECと、交流電源SUPに第2の変圧器TR2を介して接続された交流負荷AC−Loadと、第2の変圧器TR2の2次巻線に第3の変圧器TR3を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器CNVと、当該電圧形自励式電力変換器CNVの直流端子間に接続された直流平滑コンデンサCdと、電圧形自励式電力変換器CNVを一定のパルスパターンで動作させ、交流電源SUPの電圧に対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧の位相角を調整することにより電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流を制御する制御回路CNTLとを具備し、電圧形自励式電力変換器CNVおよび電力用ダイオード整流器RECの直流共通端子間に接続される直流負荷Loadに電力を供給することを特徴とする。   The power conversion device according to the present embodiment includes an AC power supply SUP, a power diode rectifier REC having an AC terminal connected to the AC power supply SUP via a first transformer TR1, and a second transformer for the AC power supply SUP. AC-load AC-Load connected via the transformer TR2, and a voltage-type self-excited power converter CNV having an AC terminal connected to the secondary winding of the second transformer TR2 via the third transformer TR3 And the DC smoothing capacitor Cd connected between the DC terminals of the voltage type self-excited power converter CNV and the voltage type self-excited power converter CNV are operated in a constant pulse pattern, and the voltage type for the voltage of the AC power supply SUP A control circuit CNTL for controlling the input current of the voltage-type self-excited power converter CNV by adjusting the phase angle of the AC-side terminal voltage of the self-excited power converter CNV. And supplying power to the DC load Load connected between the DC common terminal of the converter CNV and power diode rectifier REC.

第2の変圧器TR2を介して接続された交流負荷AC−Loadは、電力変換装置が設置されている変電所の照明や空調設備などの負荷で、一般には交流電源SUPから電力供給を受ける。電力用ダイオード整流器RECは、交流遮断器ACCB1および第1の変圧器TR1を介して交流電源SUPに接続される。当該整流器RECの直流側端子には高調波フィルタ回路Cf,Rfが接続されている。一方、電圧形自励式電力変換器CNVは、第2の変圧器TR2の2次巻線から交流遮断器ACCB2および第3の変圧器TR3を介して交流側端子が接続される。また、当該自励式電力変換器CNVの直流側端子には直流平滑コンデンサCdが接続されている。   The AC load AC-Load connected via the second transformer TR2 is a load such as lighting or air conditioning equipment of a substation where the power converter is installed, and generally receives power supply from an AC power supply SUP. The power diode rectifier REC is connected to the AC power supply SUP via the AC circuit breaker ACCB1 and the first transformer TR1. Harmonic filter circuits Cf and Rf are connected to the DC side terminal of the rectifier REC. On the other hand, voltage-type self-excited power converter CNV is connected to the AC side terminal from the secondary winding of second transformer TR2 via AC circuit breaker ACCB2 and third transformer TR3. A DC smoothing capacitor Cd is connected to the DC side terminal of the self-excited power converter CNV.

電力用ダイオード整流器RECおよび自励式電力変換器CNVは、それぞれ直流遮断器DCCB1およびDCCB2を介して並列接続され、力行運転時は電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVが負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給する。また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように電圧制御を行いながら、負荷装置Loadが発生する電力を交流電源SUPに回生する。   The power diode rectifier REC and the self-excited power converter CNV are connected in parallel via the DC circuit breakers DCCB1 and DCCB2, respectively, and the power diode rectifier REC and the voltage-type self-excited power converter CNV share the load during powering operation. Electric power is supplied to the load device Load while adjusting. In the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV regenerates the electric power generated by the load device Load to the AC power supply SUP while performing voltage control so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *.

制御回路CNTLのレベル検出器LBLは、負荷電流ILが設定値ILoより大きくなったときに信号CL=”1”を発生し、切換え器SWを電流指令発生器F(x)の出力Iq2*に接続する。逆に、IL<ILoとなった場合は信号CL=”0”を発生し、切換え器SWを加算器ADの出力Iq1*に接続する。例えば、ILo=0とした場合、IL<0(回生運転)では直流電圧Vdがその指令値Vd*に一致するように自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを制御する。また、IL>0(力行運転)では電流指令発生器F(x)により負荷電力PLに応じた有効電流指令Iq2*を算出し、当該電流指令値Iq2*に自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqが一致するように制御する。   The level detector LBL of the control circuit CNTL generates the signal CL = “1” when the load current IL becomes larger than the set value ILo, and the switch SW is set to the output Iq2 * of the current command generator F (x). Connecting. On the other hand, when IL <ILo, the signal CL = "0" is generated, and the switch SW is connected to the output Iq1 * of the adder AD. For example, when ILo = 0, when IL <0 (regenerative operation), the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is controlled so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *. Further, when IL> 0 (powering operation), the current command generator F (x) calculates an effective current command Iq2 * corresponding to the load power PL, and the current command value Iq2 * is input to the self-excited power converter CNV. Is controlled so that the effective amount Iq matches.

制御回路CNTLの座標変換回路Zは、自励式電力変換器CNVの3相入力電流Icr,Ics,Ictをdq座標の値に変換するもので、Iqは有効電流成分,Idは無効電流成分となる。比較器C2により、リミッタ回路LIMから出力される電流指令値Iq*と有効電流Iqを比較し、その偏差を電流制御補償回路Gi(S)で増幅し、電源電圧Vsに対する自励式電力変換器CNVの交流出力電圧Vcの位相差指令値φ*を位相制御回路PHCに入力する。このとき、電源同期位相検出回路PLLからの基準信号θr,θs,θtを基準にして位相制御回路PHCを動作させる。   The coordinate conversion circuit Z of the control circuit CNTL converts the three-phase input currents Icr, Ics, Ict of the self-excited power converter CNV into dq coordinate values, where Iq is an effective current component and Id is a reactive current component. . The comparator C2 compares the current command value Iq * output from the limiter circuit LIM with the effective current Iq, amplifies the deviation by the current control compensation circuit Gi (S), and self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. The phase difference command value φ * of the AC output voltage Vc is input to the phase control circuit PHC. At this time, the phase control circuit PHC is operated with reference to the reference signals θr, θs, and θt from the power supply synchronous phase detection circuit PLL.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧(第2の変圧器TR2の2次側電圧)に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧Vcの位相角φを制御することにより、入力電流Icを制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。また、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子のスイッチングは入力電流Icのゼロ点付近で行われ、自己消弧素子の遮断電流を小さくでき、かつ、入力電流Icの高調波を低減できる利点がある。   The voltage type self-excited power converter CNV is a voltage type with respect to the power supply voltage Vs in a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage (secondary voltage of the second transformer TR2). By controlling the phase angle φ of the AC side terminal voltage Vc of the self-excited power converter CNV, the input current Ic is controlled and is always operated near the input power factor = 1. In addition, switching of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter CNV is performed near the zero point of the input current Ic, so that the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced and the harmonics of the input current Ic are reduced. There are advantages you can do.

電力用ダイオード整流器RECは交流電力を直流電力に変換する整流器で、力行運転時に負荷装置Loadに直流電力を供給する。電車などの負荷装置Loadから電力が回生された場合、電圧形自励式電力変換器CNVが逆変換動作し、直流電力を交流電力に変換して交流電源SUPに電力を回生する。同時に、交流負荷装置AC−Loadにも上記回生電力が供給され、電力の有効利用が図られる。この結果、電気料金が節約され、電気鉄道での運転コストを低減することができる。また、本実施の形態の電力変換装置では、自励式電力変換器CNVにより回生された電力の大部分は変電所内の交流負荷AC−Loadにより消費されるが、そのとき、自励式電力変換器CNVの入力電流Icの高調波を小さくできるため、従来必要とされた交流側のフィルタ設備を省略でき、経済的なシステムを実現できる。   The power diode rectifier REC is a rectifier that converts AC power into DC power, and supplies DC power to the load device Load during powering operation. When power is regenerated from a load device Load such as a train, the voltage-type self-excited power converter CNV performs reverse conversion operation, converts DC power to AC power, and regenerates power to the AC power supply SUP. At the same time, the regenerative power is also supplied to the AC load device AC-Load, so that the power can be effectively used. As a result, the electricity bill can be saved and the operating cost of the electric railway can be reduced. Further, in the power conversion device of the present embodiment, most of the power regenerated by the self-excited power converter CNV is consumed by the AC load AC-Load in the substation, but at that time, the self-excited power converter CNV Since the harmonics of the input current Ic can be reduced, the AC-side filter equipment required conventionally can be omitted, and an economical system can be realized.

電圧形自励式電力変換器CNVは力行運転時にも動作し、電力用ダイオード整流器との負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給することができる。この電圧形自励式電力変換器CNVは、一定のパルスパターンで、交流電源の電圧Vsに同期したスイッチングを行う。直流電圧Vdが一定ならば、電圧Vcの振幅値は一定になる。この状態で、電源電圧Vsに対する出力電圧Vcの位相角φを変えることにより、交流リアクトルLs(又は、変圧器TR3のもれインダクタンス)に印加される電圧(Vs−Vc)が変化し、入力電流Ic=(Vs−Vc)/(jω・Ls)を調整することができる。   The voltage-type self-excited power converter CNV operates even during powering operation, and can supply power to the load device Load while adjusting the load sharing with the power diode rectifier. The voltage type self-excited power converter CNV performs switching in synchronization with the voltage Vs of the AC power supply with a constant pulse pattern. If the DC voltage Vd is constant, the amplitude value of the voltage Vc is constant. In this state, by changing the phase angle φ of the output voltage Vc with respect to the power supply voltage Vs, the voltage (Vs−Vc) applied to the AC reactor Ls (or the leakage inductance of the transformer TR3) changes, and the input current Ic = (Vs−Vc) / (jω · Ls) can be adjusted.

電源電圧Vsに対する出力電圧Vcの位相角φを遅れ方向に増加させることにより、交流電源から供給される有効電力が増加する。逆に位相角φを進み方向に増やすと、有効電力が交流電源に回生される。例えば、位相角φ=0では、有効電力の授受はない。入力電流Icの位相角は、電源電圧Vsに対し、φ/2又は、π−φ/2となり、入力力率は、cos(φ/2)となる。また、入力電流Isと自励式電力変換器CNVの交流出力電圧Vcとの位相差は、−φ/2又は、π+φ/2となり、変換器力率は、cos(φ/2)となる。位相角φは、過負荷運転時でも高々φ=30°程度で、力率はcos15°=0.966となる。   Increasing the phase angle φ of the output voltage Vc with respect to the power supply voltage Vs in the delay direction increases the effective power supplied from the AC power supply. Conversely, when the phase angle φ is increased in the advance direction, the active power is regenerated to the AC power source. For example, at the phase angle φ = 0, no active power is transferred. The phase angle of the input current Ic is φ / 2 or π−φ / 2 with respect to the power supply voltage Vs, and the input power factor is cos (φ / 2). Moreover, the phase difference between the input current Is and the AC output voltage Vc of the self-excited power converter CNV is −φ / 2 or π + φ / 2, and the converter power factor is cos (φ / 2). The phase angle φ is at most about φ = 30 ° even during overload operation, and the power factor is cos 15 ° = 0.966.

自励式電力変換器CNVを一定のパルスパターンで制御する場合、入力電流Icの高調波成分が小さくなるようにスイッチングパターンを決めるが、上記のように変換器力率が1に近いため、電流Icのゼロ点付近でスイッチングが行われ、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子の遮断電流は小さくて済む。これにより、電力回生が可能で、高力率・高効率で、低コストの電力変換装置を実現できる。   When the self-excited power converter CNV is controlled with a constant pulse pattern, the switching pattern is determined so that the harmonic component of the input current Ic becomes small. However, since the converter power factor is close to 1 as described above, the current Ic Switching is performed in the vicinity of the zero point of the self-extinguishing power converter CNV, and the self-extinguishing element of the self-extinguishing power converter CNV can be cut off. Thereby, electric power regeneration is possible, and a power converter with high power factor, high efficiency, and low cost can be realized.

回生運転の場合、電流の大部分は自己消弧素子に流れるが、回生運転時も電源力率はほぼ1に制御され、自己消弧素子のスイッチングを電流ゼロ点付近で行うようにすることにより、素子の遮断電流は小さく抑えることが可能となる。故に、スイッチング損失は大幅に軽減され、遮断電流の小さい自己消弧素子で自励式電力変換器CNVを構成できるようになり、経済的な装置を実現できる。   In regenerative operation, most of the current flows to the self-extinguishing element, but the power factor is controlled to approximately 1 even during regenerative operation, and switching of the self-extinguishing element is performed near the current zero point. The cut-off current of the element can be kept small. Therefore, the switching loss is greatly reduced, and the self-excited power converter CNV can be configured with a self-extinguishing element having a small breaking current, thereby realizing an economical device.

(第11の実施の形態)図21は、本発明の第11の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、ACCB1,ACCB2は交流遮断器、DCCB1,DCCB2は直流遮断器、TR1,TR2,TR3は3相トランス、AC−Loadは交流負荷、RECは電力用ダイオード整流器、Cf,Rfは高調波フィルタ回路のコンデンサと抵抗器、CNVは電圧形自励式電力変換器、Cdは直流平滑コンデンサ、Rdは抵抗器、VDTは直流電圧検出器、DCDTは直流電流検出器、Ddはダイオード、Lfは直流き電線のインダクタンス、Loadは負荷装置を示している。制御回路CNTLは図20で示したものと同様に構成される。   (Eleventh Embodiment) FIG. 21 is a block diagram of a power converter according to an eleventh embodiment of the present invention. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, ACCB1 and ACCB2 are AC circuit breakers, DCCB1 and DCCB2 are DC circuit breakers, TR1, TR2 and TR3 are three-phase transformers, and AC-Load is an AC load. REC is a power diode rectifier, Cf and Rf are capacitors and resistors of a harmonic filter circuit, CNV is a voltage type self-excited power converter, Cd is a DC smoothing capacitor, Rd is a resistor, VDT is a DC voltage detector, DCDT Is a DC current detector, Dd is a diode, Lf is an inductance of a DC feeder, and Load is a load device. The control circuit CNTL is configured similarly to that shown in FIG.

本実施の形態の電力変換装置は、交流電源SUPと、当該交流電源SUPに第1の変圧器TR1を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器RECと、交流電源SUPに第2の変圧器TR2を介して接続された交流負荷AC−Loadと、第2の変圧器TR2の2次巻線に第3の変圧器TR3を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器CNVと、当該電圧形自励式電力変換器CNVの直流端子間に接続された直流平滑コンデンサCdおよび抵抗器Rdの直列回路と、必要に応じて挿入される、当該抵抗器Rdの片方向電流をバイパスさせるダイオードDdと、電圧形自励式電力変換器CNVを一定のパルスパターンで動作させ、交流電源SUPの電圧に対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧の位相角φを調整することにより電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流Icを制御する制御回路CNTLとを具備し、電圧形自励式電力変換器CNVおよび電力用ダイオード整流器RECの直流共通端子間に接続される直流負荷Loadに電力を供給することを特徴とする。   The power conversion device according to the present embodiment includes an AC power supply SUP, a power diode rectifier REC having an AC terminal connected to the AC power supply SUP via a first transformer TR1, and a second transformer for the AC power supply SUP. AC-load AC-Load connected via the transformer TR2, and a voltage-type self-excited power converter CNV having an AC terminal connected to the secondary winding of the second transformer TR2 via the third transformer TR3 And a series circuit of a DC smoothing capacitor Cd and a resistor Rd connected between the DC terminals of the voltage type self-excited power converter CNV, and bypass the unidirectional current of the resistor Rd inserted as necessary The phase angle of the AC side terminal voltage of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the voltage of the AC power supply SUP is caused to operate the diode Dd and the voltage type self-excited power converter CNV with a constant pulse pattern. And a control circuit CNTL for controlling the input current Ic of the voltage-type self-excited power converter CNV, and is connected between the DC common terminals of the voltage-type self-excited power converter CNV and the power diode rectifier REC. Power is supplied to the DC load Load.

本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと、電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転を行う。力行運転時は電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVが負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給する。また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように電圧制御を行いながら、負荷装置Load(電車など)が発生する電力を交流電源SUPに回生するとともに、交流負荷AC−Loadにも回生電力を供給し、有効利用を図る。   In the power converter of the present embodiment, the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV are operated in parallel. During power running, the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV supply power to the load device Load while adjusting the load sharing. Further, during regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV controls the voltage so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *, and supplies the power generated by the load device Load (such as a train) to the AC power supply SUP. Regenerative power is also supplied to the AC load AC-Load for effective use.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧Vcの位相角φを制御することにより入力電流Icを制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。また、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子のスイッチングは入力電流Icのゼロ点付近で行われ、自己消弧素子の遮断電流を小さくでき、かつ、入力電流Icの高調波を低減できる利点がある。   The voltage type self-excited power converter CNV is a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage, and the AC side terminal voltage Vc of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs The input current Ic is controlled by controlling the phase angle φ and is always operated near the input power factor = 1. In addition, switching of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter CNV is performed near the zero point of the input current Ic, so that the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced and the harmonics of the input current Ic are reduced. There are advantages you can do.

本実施の形態の電力変換装置では、自励式電力変換器CNVにより回生された電力の大部分は変電所内の交流負荷AC−Loadにより消費されるが、そのとき、自励式電力変換器CNVの入力電流Icの高調波を小さくできるため、従来必要とされた交流側のフィルタ設備を省略でき、経済的なシステムを実現できる。   In the power conversion device of the present embodiment, most of the power regenerated by the self-excited power converter CNV is consumed by the AC load AC-Load in the substation, but at that time, the input of the self-excited power converter CNV Since the harmonics of the current Ic can be reduced, it is possible to omit the AC side filter equipment that has been required in the past, and to realize an economical system.

電気鉄道では、直流き電線を介して電車負荷が接続され、直流平滑コンデンサCdと直流き電線のインダクタンスLfにより共振現象が発生し、直流電圧制御が不安定になる場合がある。これを防ぐために本実施の形態の電力変換装置では、直流平滑コンデンサCdに直列に抵抗器Rdを接続している。抵抗器Rdは上記振動現象を減衰させる役目を果たし、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させることが可能となる。しかしながら、当該抵抗器Rdは、直流平滑コンデンサCdと直流き電線のインダクタンスLf等により発生する振動現象を減衰させ、自励式電力変換器CNVによる直流電圧制御を安定化させる役目を果たすが、直流平滑コンデンサCdに流れる電流Icapにより、Icap2×Rdの損失が発生する。そこで必要な場合ダイオードDdを挿入する。このダイオードDdは抵抗器Rdに流れる電流の片方向の電流をバイパスさせるもので、上記損失を半分に減らすことができる。バイパスダイオードDdが入っても、共振現象を抑制する効果はほぼ同じである。   In an electric railway, a train load is connected via a DC feeder, a resonance phenomenon occurs due to the DC smoothing capacitor Cd and the inductance Lf of the DC feeder, and the DC voltage control may become unstable. In order to prevent this, in the power conversion device of the present embodiment, a resistor Rd is connected in series with the DC smoothing capacitor Cd. The resistor Rd serves to attenuate the vibration phenomenon, and can stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. However, the resistor Rd serves to attenuate a vibration phenomenon generated by the DC smoothing capacitor Cd and the inductance Lf of the DC feeder and stabilize the DC voltage control by the self-excited power converter CNV. A loss of Icap2 × Rd occurs due to the current Icap flowing through the capacitor Cd. Therefore, a diode Dd is inserted when necessary. The diode Dd bypasses the one-way current flowing through the resistor Rd, and the loss can be reduced by half. Even if the bypass diode Dd is inserted, the effect of suppressing the resonance phenomenon is almost the same.

なお、本実施の形態においても、制御回路CNTLは上記第10の実施の形態における制御回路CNTLと同じように制御するものである。   Also in the present embodiment, the control circuit CNTL controls in the same manner as the control circuit CNTL in the tenth embodiment.

(第12の実施の形態)図22は、図20および図21の第11,12の実施の形態の電力変換装置における別の制御回路CNTLのブロック図を示すもので、図中、CALは直流電圧指令演算器、C1,C2は比較器、SWは切換え器、LIMはリミッタ回路、LBL1,LBL2はレベル検出器、Gv(S)は電圧制御補償回路、Gi(S)は電流制御補償回路、F(x)は電流指令発生器、Zは座標変換回路、PLLは電源同期位相検出回路、PHCは位相制御回路を表す。   (Twelfth Embodiment) FIG. 22 shows a block diagram of another control circuit CNTL in the power converters of the eleventh and twelfth embodiments of FIGS. 20 and 21, in which CAL is a direct current. Voltage command calculator, C1 and C2 are comparators, SW is a switcher, LIM is a limiter circuit, LBL1 and LBL2 are level detectors, Gv (S) is a voltage control compensation circuit, Gi (S) is a current control compensation circuit, F (x) is a current command generator, Z is a coordinate conversion circuit, PLL is a power supply synchronous phase detection circuit, and PHC is a phase control circuit.

本実施の形態は、第11,12の実施の形態の電力変換装置において、制御回路CNTLが、交流負荷AC−Loadに供給される電流の大きさに応じて、電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分を制御することを特徴とする。   In this embodiment, in the power converters of the eleventh and twelfth embodiments, the voltage source self-excited power converter CNV is controlled by the control circuit CNTL according to the magnitude of the current supplied to the AC load AC-Load. The effective amount of the input current is controlled.

交流負荷は、第2の変圧器TR2を介して交流電源に接続されている。また、電圧形自励式電力変換器は、第2の変圧器および第3の変圧器を介して交流電源に接続されている。このため、力行運転時には、交流負荷への供給電力と、電圧形自励式電力変換器が出力する電力の和が第2の変圧器を介して供給される。第2の変圧器はもともと交流負荷が消費する電力に見合う容量のものが用意され、それほどの余裕はない。   The AC load is connected to an AC power supply via the second transformer TR2. The voltage source self-excited power converter is connected to the AC power supply via the second transformer and the third transformer. For this reason, during powering operation, the sum of the power supplied to the AC load and the power output from the voltage source self-excited power converter is supplied via the second transformer. The second transformer is originally prepared with a capacity corresponding to the power consumed by the AC load, and there is not much room for it.

本実施の形態の電力変換装置では、交流負荷AC−Loadに供給される電流の大きさに応じて電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分を制御することにより、力行運転時に、交流負荷AC−Loadへの供給電力が小さいときに電圧形自励式電力変換器CNVから出力する電力Pcnvを大きくし、逆に、交流負荷への供給電力が大きいときに電圧形自励式電力変換器CNVから出力する電力を小さくする。これにより、第2の変圧器TR2に容量を増加させることなく、力行運転時の装置容量アップを図る。   In the power conversion device of the present embodiment, by controlling the effective amount of the input current of the voltage type self-excited power converter CNV according to the magnitude of the current supplied to the AC load AC-Load, during power running operation, When the power supplied to the AC load AC-Load is small, the power Pcnv output from the voltage-type self-excited power converter CNV is increased. Conversely, when the power supplied to the AC load is large, the voltage-type self-excited power converter Reduce the power output from the CNV. As a result, the capacity of the apparatus during power running is increased without increasing the capacity of the second transformer TR2.

一方、交流負荷AC−Loadに供給される電流が大きくなった場合、負荷電流が小さいとき、有効電流指令値Iq*<0、すなわち回生指令を与えるように制御する。この結果、力行運転時に自励式電力変換器CNVは電力回生(Pcnv<0)を行うことになり、電力用ダイオード整流器RECは、負荷電力と交流負荷電力の和の電力を出力するようになる。これにより、第2の変圧器TR2の容量を超えた電力を交流負荷に供給できる。   On the other hand, when the current supplied to the AC load AC-Load is increased, the effective current command value Iq * <0, that is, the regeneration command is controlled when the load current is small. As a result, the self-excited power converter CNV performs power regeneration (Pcnv <0) during powering operation, and the power diode rectifier REC outputs the sum of load power and AC load power. Thereby, the electric power exceeding the capacity | capacitance of 2nd transformer TR2 can be supplied to alternating current load.

本実施の形態はまた、制御回路CNTLが、力行負荷電流がある設定値を超えた場合に当該自励式電力変換器CNVを構成するすべての自己消弧素子をゲートブロックするように制御することを特徴とする。   In the present embodiment, the control circuit CNTL also controls to block all the self-extinguishing elements constituting the self-excited power converter CNV when the power running load current exceeds a certain set value. Features.

電圧形自励式電力変換器CNVは、主に回生機能を活かした運転を行い、力行側の設定負荷電流を超えた領域で自己消弧素子をすべてゲートブロックすることにより、電力用ダイオード整流器RECと、自励式電力変換器CNVの高速ダイオードによる整流器との並列運転を行う。設定負荷電流として、例えば、定格電流を選んだ場合、当該定格負荷電流までは、通常の運転すなわち、自励式電力変換器と電力用ダイオード整流器との並列運転が行われ、定格電流を超えた領域では高速ダイオード整流器と電力用ダイオード整流器の並列運転に切り替わる。この結果、過負荷領域で電力用ダイオード整流器のレギュレーション特性により直流電圧が低下しても、自励式電力変換器はゲートブロックされているため、単なる高速ダイオード整流器として動作し、入力力率の低下の問題がなくなる。また、過負荷領域で自励式電力変換器をゲートブロックすることにより、当該自励式電力変換器の損失が低減され、運転効率が向上し、かつ、装置の冷却設備を軽減することができる。   The voltage-type self-excited power converter CNV operates mainly utilizing the regenerative function, and all the self-extinguishing elements are gate-blocked in a region that exceeds the set load current on the power running side. The self-excited power converter CNV is operated in parallel with a rectifier using a high-speed diode. For example, when a rated current is selected as the set load current, normal operation, that is, a parallel operation of a self-excited power converter and a power diode rectifier is performed up to the rated load current, and the region where the rated current is exceeded. Then, it switches to the parallel operation of the high-speed diode rectifier and the power diode rectifier. As a result, even if the DC voltage drops due to the regulation characteristics of the power diode rectifier in the overload region, the self-excited power converter operates as a simple high-speed diode rectifier because the gate block is used, and the input power factor decreases. The problem disappears. Moreover, by gate-blocking the self-excited power converter in the overload region, the loss of the self-excited power converter can be reduced, the operation efficiency can be improved, and the cooling equipment of the apparatus can be reduced.

本実施の形態ではさらに、第3の変圧器TR3のパーセントインピーダンスを、第1の変圧器TR1のパーセントインピーダンスより大きくしたことを特徴とする。   The present embodiment is further characterized in that the percentage impedance of the third transformer TR3 is made larger than the percentage impedance of the first transformer TR1.

力行運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは、負荷電流ILに応じて入力電流の有効分の有効分を制御する。電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流Icの有効分を指令値に一致するように制御することにより、直流出力電流はIdc=k・Icに制限される。この結果、電力用ダイオード整流器の直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。この直流出力電流の比Idc/Iddは、電圧形自励式電力変換器の出力容量と電力用ダイオード整流器の出力容量に合わせて決定する。   During power running, the voltage type self-excited power converter CNV controls the effective portion of the input current according to the load current IL. The DC output current is limited to Idc = k · Ic by controlling the effective amount of the input current Ic of the voltage type self-excited power converter CNV so as to coincide with the command value. As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier is Idd = IL−Idc. This DC output current ratio Idc / Idd is determined in accordance with the output capacity of the voltage source self-excited power converter and the output capacity of the power diode rectifier.

電力用ダイオード整流器RECは、直流電流が大きくなるに従って直流電圧Vdが下がってくる。例えば、電気鉄道で直流電圧8%のレギュレーションを持つ整流器では、定格電圧Vd=1500Vに対し、300%の過負荷運転時にVd=1260Vまで下がる。このとき、並列運転を行っている電圧形自励式電力変換器CNVの直流電圧Vdも同じ値に下がる。すると、電源電圧Vsに対し自励式電力変換器の交流電圧|Vc|=k・Vdが小さくなり、|Vs|>|Vc|となる。この差電圧(Vs−Vc)が第2の変圧器TR2のもれインダクタンスに印加され、大きな遅れ無効電流が流れ、電圧形自励式電力変換器は力率の悪い運転を強いられる。   In the power diode rectifier REC, the DC voltage Vd decreases as the DC current increases. For example, in a rectifier having a regulation of a DC voltage of 8% in an electric railway, the voltage drops to Vd = 1260V during a 300% overload operation with respect to the rated voltage Vd = 1500V. At this time, the direct-current voltage Vd of the voltage source self-excited power converter CNV performing the parallel operation also decreases to the same value. Then, the AC voltage | Vc | = k · Vd of the self-excited power converter becomes smaller than the power supply voltage Vs, and | Vs |> | Vc |. This differential voltage (Vs−Vc) is applied to the leakage inductance of the second transformer TR2, a large delayed reactive current flows, and the voltage-type self-excited power converter is forced to operate with a low power factor.

上記電力用ダイオード整流器の直流電圧のレギュレーションは、第1の変圧器TR1のパーセントインピーダンス%IZ1により決まる。また、電源電圧の大きさ|Vs|に対し変換器の交流電圧の大きさ|Vc|=k・Vdが小さくなった場合、上記電圧形自励式電力変換器の遅れ無効電流の大きさは、第2の変圧器TR3のパーセントインピーダンス%IZ3(すなわち、もれインダクタンス)により決まる。   The regulation of the DC voltage of the power diode rectifier is determined by the percentage impedance% IZ1 of the first transformer TR1. When the magnitude of the AC voltage of the converter | Vc | = k · Vd is smaller than the magnitude of the power supply voltage | Vs |, the magnitude of the delayed reactive current of the voltage-type self-excited power converter is It is determined by the percent impedance% IZ3 (that is, leakage inductance) of the second transformer TR3.

そこで第3の変圧器TR3のパーセントインピーダンス%IZ3を、第1の変圧器TR1のパーセントインピーダンス%IZ1より大きくすることにより、過負荷運転時の電力用ダイオード整流器の直流電圧のレギュレーションに対し、電圧形自励式電力変換器の遅れ無効電流の増加の割合が小さくでき、結果的に当該電圧形自励式電力変換器の入力力率の低下を抑制することが可能となる。   Therefore, by making the percentage impedance% IZ3 of the third transformer TR3 larger than the percentage impedance% IZ1 of the first transformer TR1, the voltage type is regulated with respect to the regulation of the DC voltage of the power diode rectifier during overload operation. The rate of increase of the delayed reactive current of the self-excited power converter can be reduced, and as a result, it is possible to suppress a decrease in the input power factor of the voltage type self-excited power converter.

本実施の形態をさらに詳しく説明する。第1のレベル検出器LBL1は、負荷電流ILが設定値ILo1より大きくなったときに信号CL=”1”を発生し、切換え器SWを電流指令発生器F(x)の出力Iq2*に接続する。逆に、IL<ILo1となった場合は信号CL=”0”を発生し、切換え器SWを加算器ADの出力Iq1*に接続する。例えば、ILo1=0とした場合、IL<0(回生運転)では直流電圧Vdがその指令値Vd*に一致するように自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを制御する。また、IL>0(力行運転)では電流指令発生器F(x)により負荷電力PLに応じた有効電流指令Iq2*を算出し、当該電流指令値Iq2*に自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqが一致するように制御する。   This embodiment will be described in more detail. The first level detector LBL1 generates a signal CL = “1” when the load current IL becomes larger than the set value ILo1, and connects the switch SW to the output Iq2 * of the current command generator F (x). To do. Conversely, if IL <ILo1, the signal CL = "0" is generated, and the switch SW is connected to the output Iq1 * of the adder AD. For example, when ILo1 = 0, when IL <0 (regenerative operation), the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is controlled so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *. Further, when IL> 0 (powering operation), the current command generator F (x) calculates an effective current command Iq2 * corresponding to the load power PL, and the current command value Iq2 * is input to the self-excited power converter CNV. Is controlled so that the effective amount Iq matches.

座標変換回路Zは、自励式電力変換器CNVの3相入力電流Icr,Ics,Ictをdq座標の値に変換するもので、Iqは有効電流成分,Idは無効電流成分となる。比較器C2により、リミッタ回路LIMから出力される電流指令値Iq*と有効電流Iqを比較し、その偏差を電流制御補償回路Gi(S)で増幅し、電源電圧Vsに対する自励式電力変換器CNVの交流出力電圧Vcの位相差指令値φ*を位相制御回路PHCに入力する。このとき、電源同期位相検出回路PLLからの基準信号θr,θs,θtを基準にして位相制御回路PHCを動作させる。   The coordinate conversion circuit Z converts the three-phase input currents Icr, Ics, and Ict of the self-excited power converter CNV into dq coordinate values, where Iq is an active current component and Id is a reactive current component. The comparator C2 compares the current command value Iq * output from the limiter circuit LIM with the effective current Iq, amplifies the deviation by the current control compensation circuit Gi (S), and self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. The phase difference command value φ * of the AC output voltage Vc is input to the phase control circuit PHC. At this time, the phase control circuit PHC is operated with reference to the reference signals θr, θs, and θt from the power supply synchronous phase detection circuit PLL.

図20、図21に示した電力変換装置では、負荷Loadに供給される電流IL又は電力PL=Vd×ILに応じて自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを次のようにして制御する。制御回路CNTLにおいて、レベル検出器LBLは負荷電流ILによって切換え器SWを操作するもので、負荷電流IL<0(回生)のときは切換え器SWを加算器ADの出力(Iq1*)に接続し、負荷電流IL>0(力行)のときは切換え器SWを、電流指令発生器F(x)の出力(Iq2*)に接続する。すなわち、回生運転では直流電圧Vdを指令値Vd*に一致するように入力電流の有効分Iqを制御する。また、力行運転では、電流指令発生器F(x)により負荷電流ILに比例した有効電流指令値Iq2*を発生し、当該有効電流指令値Iq2*に入力電流の有効分Iqが一致するように制御する。   20 and 21, the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV is set as follows according to the current IL or power PL = Vd × IL supplied to the load Load as follows. Control. In the control circuit CNTL, the level detector LBL operates the switch SW by the load current IL. When the load current IL <0 (regeneration), the switch SW is connected to the output (Iq1 *) of the adder AD. When the load current IL> 0 (powering), the switch SW is connected to the output (Iq2 *) of the current command generator F (x). That is, in the regenerative operation, the effective amount Iq of the input current is controlled so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *. In the power running operation, the current command generator F (x) generates an effective current command value Iq2 * proportional to the load current IL so that the effective current command value Iq2 * matches the effective portion Iq of the input current. Control.

力行運転時、自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分Iqを指令値Iq2*に一致するように制御することにより、当該電力変換器CNVの直流出力電流はIdc=KIq2*に制限される。この結果、電力用ダイオード整流器RECの直流出力電流Iddは、Idd=IL−Idcとなる。この直流出力電流の比Idc/Iddは、電圧形自励式電力変換器CNVの出力容量と電力用ダイオード整流器RECの出力容量に合わせて決定することが可能となる。   During powering operation, the DC output current of the power converter CNV is limited to Idc = KIq2 * by controlling the effective amount Iq of the input current of the self-excited power converter CNV so as to coincide with the command value Iq2 *. . As a result, the DC output current Idd of the power diode rectifier REC is Idd = IL−Idc. This DC output current ratio Idc / Idd can be determined according to the output capacity of the voltage source self-excited power converter CNV and the output capacity of the power diode rectifier REC.

電力用ダイオード整流器RECの直流電圧Vdは、直流出力電流Iddが大きくなると、徐々に低下する特性、すなわち、電圧レギュレーションを持ち、並列運転される電圧形自励式電力変換器CNVの直流電圧もそれに制約される。しかし、従来のPWMコンバータとは違い、固定パルス位相制御の電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが多少低下しても入力電流Icを制御することができ、整流器RECの電圧レギュレーションの影響は小さい。言い換えると、設計段階で変圧器TR2の2次電圧V2を直流電圧レギュレーションを見込んで小さくする必要がなく、その分電流容量の小さい自励式電力変換器で済み、経済的な電力変換装置を実現できる。   The DC voltage Vd of the power diode rectifier REC gradually decreases as the DC output current Idd increases. That is, the DC voltage of the voltage source self-excited power converter CNV that has voltage regulation and is operated in parallel is also constrained thereto. Is done. However, unlike the conventional PWM converter, the voltage-type self-excited power converter CNV with fixed pulse phase control can control the input current Ic even if the DC voltage Vd slightly decreases, and the influence of the voltage regulation of the rectifier REC. Is small. In other words, it is not necessary to reduce the secondary voltage V2 of the transformer TR2 in anticipation of DC voltage regulation at the design stage, and a self-excited power converter with a small current capacity can be used, and an economical power converter can be realized. .

例示すれば、本実施の形態の装置では、直流電圧Vdが1620V〜1260Vまで変化すると仮定しても、変圧器TR2の2次電圧設計値はV2=1200V程度となる。従来のPWMコンバータでは、V2=630V程度になったのに対し、約2倍の電圧となり、その分自励式電力変換器CNVの入力電流Icが小さくなり、当該変換器CNVを構成する自己消弧素子の電流容量は約半分に低減され、装置の小型化とコスト低減が図れる。   For example, in the apparatus of the present embodiment, even if it is assumed that the DC voltage Vd changes from 1620V to 1260V, the secondary voltage design value of the transformer TR2 is about V2 = 1200V. In the conventional PWM converter, V2 is about 630 V, but the voltage is about twice as much, and the input current Ic of the self-excited power converter CNV is reduced accordingly, and the self-extinguishing that constitutes the converter CNV is performed. The current capacity of the element is reduced to about half, and the size and cost of the device can be reduced.

また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは、直流平滑コンデンサCdに印加される電圧Vdが指令値Vd*に一致するように交流電源SUPから供給される入力電流Icを制御する。直流電圧Vdを一定に制御することにより、直流き電電圧が安定化され、負荷装置Loadに対する理想的な電圧源として機能する。   Further, during the regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV controls the input current Ic supplied from the AC power supply SUP so that the voltage Vd applied to the DC smoothing capacitor Cd matches the command value Vd *. By controlling the DC voltage Vd to be constant, the DC feeding voltage is stabilized and functions as an ideal voltage source for the load device Load.

以上のように、本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転がスムースに行われ、特に、力行運転での自励式電力変換器CNVの力率低下を防止しながら、出力容量に合わせた負荷分担制御ができる。また、回生運転では、直流電圧を一定にすることができ、電気鉄道における直流き電電圧の安定化を図ることが可能となる。   As described above, in the power conversion device of the present embodiment, the parallel operation of the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV is smoothly performed, and in particular, the self-excited power converter CNV in the power running operation. The load sharing control according to the output capacity can be performed while preventing the power factor from decreasing. In regenerative operation, the DC voltage can be kept constant, and the DC feeding voltage in the electric railway can be stabilized.

図22に示した制御回路CNTLでは、電圧指令演算回路CALにより、直流電圧指令値Vd*を、電源電圧の定格値Vsoに対し、
In the control circuit CNTL shown in FIG. 22, the voltage command calculation circuit CAL converts the DC voltage command value Vd * to the rated value Vso of the power supply voltage.

としている。ただし、Vsa>Vso>Vsb,ΔVs=|Vs|−Vso,kを比例定数とする。 It is said. However, Vsa> Vso> Vsb, ΔVs = | Vs | −Vso, k is a proportionality constant.

直流電圧指令値Vd*を電源電圧Vsの変動に関係なくVdo*一定として運転した場合、次のような問題がある。すなわち、電源電圧Vsが定格値Vsoより高くなった場合、並列運転している電力用ダイオード整流器RECの直流電圧が上がり、自励式電力変換器CNVの制御電圧Vdo*より高くなる。すると、自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdを指令値Vdo*に合わせようとして電力を回生する。一方、電力ダイオード整流器RECは直流電圧が下がれば、電源から電力を供給する。このようにして、両者の間で循環電流が流れ、その分、変換器を構成する素子の電流を増やし、損失の増大を招くことになる。   When the DC voltage command value Vd * is operated with Vdo * constant regardless of fluctuations in the power supply voltage Vs, there are the following problems. That is, when the power supply voltage Vs becomes higher than the rated value Vso, the DC voltage of the power diode rectifier REC operating in parallel increases and becomes higher than the control voltage Vdo * of the self-excited power converter CNV. Then, self-excited power converter CNV regenerates power in an attempt to match DC voltage Vd with command value Vdo *. On the other hand, the power diode rectifier REC supplies power from the power source when the DC voltage drops. In this way, a circulating current flows between the two, and accordingly, the current of the elements constituting the converter is increased, leading to an increase in loss.

反対に、電源電圧Vsが定格値Vsoより低くなった場合、直流電圧Vdが一定に制御されていると、自励式電力変換器CNVの交流側電圧Vcは一定値となり、Vc>Vsとなる。この結果、電源SUPから進み無効電流が流れ込み、自励式電力変換器CNVの入力電流が増大し、素子の損失の増大と素子遮断電流の増大を招くことになる。特に、時間的には短時間であるが電圧低下が大きい、瞬低(瞬時電圧低下)が発生した場合、上記無効電流値が大きいため、過電流により装置の運転停止に至ることがある。   On the contrary, when the power supply voltage Vs becomes lower than the rated value Vso, if the DC voltage Vd is controlled to be constant, the AC side voltage Vc of the self-excited power converter CNV becomes a constant value, and Vc> Vs. As a result, a reactive current flows from the power supply SUP and the input current of the self-excited power converter CNV increases, leading to an increase in element loss and an increase in element cutoff current. In particular, when a voltage drop is large but an instantaneous drop (instantaneous voltage drop) occurs in a short time, the reactive current value is large, and the apparatus may be shut down due to overcurrent.

そこで本実施の形態における制御回路CNTLでは、Vsb<|Vs|<Vsaの範囲で、Vd*=Vdo*+k・ΔVs として、電源電圧Vsが変化した場合、その変化分ΔVs=|Vs|−Vsoに比例させて、直流電圧指令値Vd*を変えている。すなわち、Vsが上昇したときはその上昇分に比例させて直流電圧Vdを高くすることにより、循環電流の増加を抑えている。また、Vsが低下した場合、その低下分に比例させて直流電圧Vdを下げて電源SUPから無効電流が流れ込むのを抑えている。これにより、電源電圧変動による素子電流の増大を防止することが可能となり、かつ、瞬低が発生しても装置を停止させるとなく、運転継続ができるようになる。   Therefore, in the control circuit CNTL in the present embodiment, when the power supply voltage Vs changes as Vd * = Vdo * + k · ΔVs in the range of Vsb <| Vs | <Vsa, the change ΔVs = | Vs | −Vso. The DC voltage command value Vd * is changed in proportion to. That is, when Vs increases, the DC voltage Vd is increased in proportion to the increase, thereby suppressing an increase in circulating current. Further, when Vs decreases, the direct current voltage Vd is decreased in proportion to the decrease, thereby suppressing the reactive current from flowing from the power supply SUP. As a result, it is possible to prevent an increase in element current due to power supply voltage fluctuations, and it is possible to continue operation without stopping the apparatus even if a voltage sag occurs.

電源電圧が|Vs|≧Vsaとなった場合、Vd*=Vdmax*として、それ以上直流電圧を上げないようにしている。一般には、電源電圧Vsの変動は高々±5%程度であるが、雷サージなどによりそれ以上電源電圧が上昇した場合には、Vd*=Vdmax*として直流電圧Vdをむやみに上げることなく装置全体の整合性を保っている。これにより、負荷装置Loadへ過大な電圧が印加されるのを防いでいる。   When the power supply voltage is | Vs | ≧ Vsa, Vd * = Vdmax * is set so that the DC voltage is not further increased. In general, the fluctuation of the power supply voltage Vs is about ± 5% at most. However, when the power supply voltage further increases due to a lightning surge or the like, the entire apparatus is set without Vdc * = Vdmax * and increasing the DC voltage Vd unnecessarily. Is consistent. This prevents an excessive voltage from being applied to the load device Load.

逆に、|Vs|≦Vsbとなった場合、Vd*=Vdmin*として、それ以下に直流電圧Vdを下げないようにしている。ただし、瞬低時の運転継続を考えて、設定値Vsbは、定格値Vsoの0.9〜0.6倍程度にするのが適当である。   Conversely, when | Vs | ≦ Vsb, Vd * = Vdmin * is set so that the DC voltage Vd is not lowered below that. However, it is appropriate that the set value Vsb is set to about 0.9 to 0.6 times the rated value Vso in consideration of the continuation of operation at the time of a momentary drop.

このように、本実施の形態の電力変換装置によれば、電源電圧Vsが変動した場合でも無駄な循環電流や無効電流が増加することを防止でき、しいては装置を構成する素子の電流容量が低減され、経済的な電力変換装置を実現できる。また、瞬時電圧低下が発生しても装置を停止させることなく信頼性の高いシステムを実現できる。   As described above, according to the power conversion device of the present embodiment, it is possible to prevent an increase in useless circulating current and reactive current even when the power supply voltage Vs fluctuates, and the current capacity of elements constituting the device. Therefore, an economical power conversion device can be realized. In addition, a highly reliable system can be realized without stopping the apparatus even if an instantaneous voltage drop occurs.

図20、図21の電力変換装置でも、主回路の電圧形自励式電力変換器CNVは、交流負荷AC−Loadに供給される電流IacLの大きさに応じて電圧形自励式電力変換器CNVの入力電流Icの有効分を制御する。この制御は制御回路CNTLによる。   20 and FIG. 21, the voltage type self-excited power converter CNV of the main circuit is the same as that of the voltage type self-excited power converter CNV according to the magnitude of the current IacL supplied to the AC load AC-Load. The effective amount of the input current Ic is controlled. This control is performed by the control circuit CNTL.

図22の制御回路CNTLの電流指令発生器F(x)は、前述のように、負荷Loadに供給される電流IL又は電力PL=Vd×ILに応じて自励式電力変換器CNVの入力電流の有効分指令値Iq*を与えるが、その指令値Iq*を交流負荷AC−Loadに供給される電流IacLの実効値により変えている。   As described above, the current command generator F (x) of the control circuit CNTL in FIG. 22 determines the input current of the self-excited power converter CNV according to the current IL supplied to the load Load or the power PL = Vd × IL. An effective command value Iq * is given, and the command value Iq * is changed by the effective value of the current IacL supplied to the AC load AC-Load.

図23はその特性例を示すもので、負荷Loadに供給される電流をIL、交流負荷AC−Loadに供給される電流の実効値をIacL、比例定数をk1,k2とした場合、自励式電力変換器CNVの有効電流指令値Iq*を、
FIG. 23 shows an example of the characteristics. When the current supplied to the load Load is IL, the effective value of the current supplied to the AC load AC-Load is IacL, and the proportionality constants are k1 and k2, self-excited power The effective current command value Iq * of the converter CNV is

として与えている。この結果、IacL=0のときは、Iq*=k1・ILとなって通常のように負荷電流ILの何分の1かの電流Idcを自励式電力変換器CNVから出力し、残りを電力用ダイオード整流器RECからIdd=IL−Idcを出力するように運転される。また、交流負荷AC−Loadに供給される電流IacLが大きくなった場合、図23に示すように、有効電流指令値Iq*の特性カーブが下に移行する。 As given. As a result, when IacL = 0, Iq * = k1 · IL and, as usual, the current Idc which is a fraction of the load current IL is output from the self-excited power converter CNV, and the rest is used for power It is operated to output Idd = IL−Idc from the diode rectifier REC. Further, when the current IacL supplied to the AC load AC-Load increases, as shown in FIG. 23, the characteristic curve of the active current command value Iq * shifts downward.

図20、図21に示したように、交流負荷AC−Loadは、第2の変圧器TR2を介して交流電源SUPに接続されている。また、電圧形自励式電力変換器CNVは、第2の変圧器TR2および第3の変圧器TR3を介して交流電源SUPに接続されている。このため、力行運転時には、交流負荷AC−Loadへの電力Pacと、電圧形自励式電力変換器CNVが出力する電力Pcnvの和が第2の変圧器TR2を介して供給される。第2の変圧器TR2はもともと交流負荷AC−Loadが消費する電力に見合う容量のものが用意され、それほどの余裕はない。   As illustrated in FIGS. 20 and 21, the AC load AC-Load is connected to the AC power supply SUP via the second transformer TR2. The voltage source self-excited power converter CNV is connected to the AC power supply SUP via the second transformer TR2 and the third transformer TR3. For this reason, during powering operation, the sum of the electric power Pac to the AC load AC-Load and the electric power Pcnv output from the voltage source self-excited power converter CNV is supplied via the second transformer TR2. The second transformer TR2 is originally provided with a capacity corresponding to the power consumed by the AC load AC-Load, and there is not much room.

上記のように制御することにより、力行運転時に、交流負荷AC−Loadへの供給電力Pacが小さいときに電圧形自励式電力変換器CNVから出力する電力Pcnvを大きくし、逆に、交流負荷AC−Loadへの供給電力Pacが大きいときに電圧形自励式電力変換器CNVから出力する電力Pcnvを小さくする。これにより、第2の変圧器TR2に容量を増加させることなく、力行運転時の装置容量アップを図ることができるようになる。   By controlling as described above, the power Pcnv output from the voltage-type self-excited power converter CNV is increased when the power supply Pac to the AC load AC-Load is small during powering operation, and conversely, the AC load AC -When the supply power Pac to the load is large, the power Pcnv output from the voltage source self-excited power converter CNV is reduced. As a result, it is possible to increase the device capacity during powering operation without increasing the capacity of the second transformer TR2.

一方、交流負荷AC−Loadに供給される電流IacLが大きくなった場合、有効電流指令値Iq*の特性カーブが下に移行すると、IL=0のとき、Iq*<0、すなわち回生指令を与えるようになる。この結果、図20又は図21の装置において、力行運転時に自励式電力変換器CNVは電力回生(Pcnv<0)を行うことになり、電力用ダイオード整流器RECは、負荷電力PLと交流負荷電力Pacの和の電力Precを出力するようになる。これにより、第2の変圧器TR2の容量を超えた電力を交流負荷AC−Loadに供給できるようになる。   On the other hand, when the current IacL supplied to the AC load AC-Load increases, the characteristic curve of the effective current command value Iq * shifts downward, and when IL = 0, Iq * <0, that is, a regeneration command is given. It becomes like this. As a result, in the apparatus of FIG. 20 or FIG. 21, the self-excited power converter CNV performs power regeneration (Pcnv <0) during powering operation, and the power diode rectifier REC has the load power PL and the AC load power Pac. Is output as a power Prec. Thereby, the electric power exceeding the capacity | capacitance of 2nd transformer TR2 can be supplied to AC load AC-Load.

例えば、TR2の容量を1000kW,TR3の容量を1000kWとした場合、交流負荷AC−Loadは2000kWまで消費することができる。すなわち、負荷装置Loadが消費する電力をPLとした場合、変圧器TR1と電力用ダイオード整流器RECを介してPL+1000kW の電力が供給され、自励式電力変換器CNVにより1000kWの電力を回生することにより、交流負荷AC−Loadには、変圧器TR2を介して1000kW、変圧器TR3を介して1000kW の電力が供給される。この結果、負荷装置Loadから電力回生がない場合でも、第2の変圧器TR2の容量を増やすことなく、それ以上の電力を交流負荷AC−Loadに供給できるようになる。   For example, when the capacity of TR2 is 1000 kW and the capacity of TR3 is 1000 kW, the AC load AC-Load can consume up to 2000 kW. That is, when the power consumed by the load device Load is PL, PL + 1000 kW is supplied through the transformer TR1 and the power diode rectifier REC, and 1000 kW is regenerated by the self-excited power converter CNV. The AC load AC-Load is supplied with 1000 kW of power through the transformer TR2 and 1000 kW of power through the transformer TR3. As a result, even when there is no power regeneration from the load device Load, more power can be supplied to the AC load AC-Load without increasing the capacity of the second transformer TR2.

図22の制御回路CNTLにおいて、第2のレベル検出器LBL2は、負荷電流ILが設定値ILo2より大きくなったときにゲートブロック信号GBを発生し、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子の全てをオフさせる。このとき、自励式電力変換器CNVは高速ダイオード整流器として動作し、電力用ダイオード整流器RECと高速ダイオード整流器の並列運転が行われる。2台の整流器の負荷分担は、それぞれの変圧器TR1,TR2の%インピーダンス(%ZI)によって決定され、両者の%ZIが同じなら、それぞれの出力容量に比例した負荷を担うことになる。   In the control circuit CNTL of FIG. 22, the second level detector LBL2 generates the gate block signal GB when the load current IL becomes larger than the set value ILo2, and self-extinguishes constituting the self-excited power converter CNV. Turn off all of the elements. At this time, the self-excited power converter CNV operates as a high-speed diode rectifier, and the power diode rectifier REC and the high-speed diode rectifier are operated in parallel. The load sharing of the two rectifiers is determined by the% impedance (% ZI) of each of the transformers TR1 and TR2. If the% ZI of both is the same, the load sharing is proportional to the output capacity of each.

第1のレベル検出器LBL1の設定値ILo1に対し、第2のレベル検出器LBL2の設定値ILo2は、ILo1≦ILo2とする。これにより、直流電圧制御しているときにゲートブロックするのを防止できる。   The setting value ILo2 of the second level detector LBL2 is set to ILo1 ≦ ILo2 with respect to the setting value ILo1 of the first level detector LBL1. Thereby, it is possible to prevent the gate from being blocked when the DC voltage control is performed.

設定負荷電流ILo2として、例えば、定格電流を選んだ場合、当該定格負荷電流までは、通常の運転すなわち、自励式電力変換器CNVと電力用ダイオード整流器RECとの並列運転が行われ、定格電流を超えた領域では高速ダイオード整流器と電力用ダイオード整流器RECの並列運転に切り替わる。この結果、過負荷領域で電力用ダイオード整流器RECのレギュレーション特性により直流電圧Vdが低下しても、自励式電力変換器CNVはゲートブロックされているため、単なる高速ダイオード整流器として動作し、入力力率の低下の問題がなくなる。また、過負荷領域で自励式電力変換器CNVをゲートブロックすることにより、当該自励式電力変換器CNVの損失が低減され、運転効率が向上し、かつ、装置の冷却設備を軽減することができる。   For example, when a rated current is selected as the set load current ILo2, the normal operation, that is, the parallel operation of the self-excited power converter CNV and the power diode rectifier REC is performed up to the rated load current. In the exceeding region, the high-speed diode rectifier and the power diode rectifier REC are switched to parallel operation. As a result, even if the DC voltage Vd is reduced due to the regulation characteristics of the power diode rectifier REC in the overload region, the self-excited power converter CNV is gate-blocked, and thus operates as a simple high-speed diode rectifier. The problem of lowering is eliminated. Further, by gate-blocking the self-excited power converter CNV in the overload region, the loss of the self-excited power converter CNV can be reduced, the operation efficiency can be improved, and the cooling equipment of the apparatus can be reduced. .

電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVを並列運転する本実施の形態の電力変換装置において、力行運転では、直流電圧Vdは電力用ダイオード整流器RECの整流電圧になる。当該電力用ダイオード整流器RECの整流電圧は、直流出力電流Iddが増加するに従い、一定の割合で低下する。例えば、8%のレギュレーションを持つ電力用ダイオード整流器の場合、定格直流電圧1500Vに対し、無負荷直流電圧は1620Vとなり、300%過負荷運転では1260Vまで下がる。このとき、並列運転している自励式電力変換器CNVの直流電圧Vdも上記値に規制される。   In the power converter of the present embodiment in which the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV are operated in parallel, the DC voltage Vd becomes the rectified voltage of the power diode rectifier REC in the power running operation. The rectified voltage of the power diode rectifier REC decreases at a constant rate as the DC output current Idd increases. For example, in the case of a power diode rectifier having a regulation of 8%, the no-load DC voltage is 1620V with respect to the rated DC voltage 1500V, and is reduced to 1260V in 300% overload operation. At this time, the DC voltage Vd of the self-excited power converter CNV operating in parallel is also restricted to the above value.

自励式電力変換器CNVの交流側電圧Vcの大きさは、直流電圧Vdの値により決定され、直流電圧Vdが下がれば、交流電圧Vcも小さくなる。   The magnitude of the AC side voltage Vc of the self-excited power converter CNV is determined by the value of the DC voltage Vd. When the DC voltage Vd decreases, the AC voltage Vc also decreases.

負荷電流ILの増加に伴い、並列運転する電力用ダイオード整流器RECのレギュレーションにより、直流電圧Vdが低下し、電源電圧Vsに対し、変換器CNVの交流出力電圧Vc=k・Vdが小さくなる。この結果、交流リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icのベクトルの位相が電源電圧Vsベクトルに近づく。すると、自励式電力変換器CNVの入力電流Icベクトルと電源電圧Vsベクトルとの位相差θが大きくなり、自励式電力変換器CNVは力率の悪い運転を強いられることになる。同じ有効電力を供給する場合、力率低下により自励式電力変換器CNVの入力電流Icは大きくなり、当該変換器CNVを構成する素子の電流容量を増やさなければならなくなる。   As the load current IL increases, the regulation of the power diode rectifier REC operated in parallel decreases the DC voltage Vd, and the AC output voltage Vc = k · Vd of the converter CNV becomes smaller than the power supply voltage Vs. As a result, the phase of the vector of the voltage jωLs · Ic applied to the AC reactor Ls approaches the power supply voltage Vs vector. Then, the phase difference θ between the input current Ic vector of the self-excited power converter CNV and the power supply voltage Vs vector becomes large, and the self-excited power converter CNV is forced to operate with a low power factor. When the same active power is supplied, the input current Ic of the self-excited power converter CNV increases due to the power factor reduction, and the current capacity of the elements constituting the converter CNV must be increased.

そこで本実施の形態では図20および図21の装置において、電力用ダイオード整流器RECの変圧器TR1の%インピーダンス(%ZI1)より自励式電力変換器CNVの変圧器TR3の%インピーダンス(%ZI3)が大きくなるように設計している。この結果、%ZI3を大きくすることによって、交流リアクトルLsの値が大きくなったものと同じになり、同じ電流Icを流す場合でも当該リアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icが大きくなって、電源電圧Vsベクトルと変換器CNVの交流電圧Vcベクトルの位相差φが大きくなる。故に、電源電圧Vsに対するリアクトルLsに印加される電圧jωLs・Icの位相は90°方向に広がり、電源電圧Vsに対する入力電流Icベクトルの位相角θは小さくなって、自励式電力変換器CNVの入力力率が改善できる。これにより、自励式電力変換器CNVを構成する素子の電流容量が低減され、経済的な装置を実現できる。   Therefore, in the present embodiment, in the apparatus of FIG. 20 and FIG. 21, the% impedance (% ZI3) of the transformer TR3 of the self-excited power converter CNV is higher than the% impedance (% ZI1) of the transformer TR1 of the power diode rectifier REC. Designed to be large. As a result, by increasing% ZI3, the value of AC reactor Ls becomes the same, and even when the same current Ic is passed, voltage jωLs · Ic applied to reactor Ls increases, The phase difference φ between the voltage Vs vector and the AC voltage Vc vector of the converter CNV increases. Therefore, the phase of the voltage jωLs · Ic applied to the reactor Ls with respect to the power supply voltage Vs spreads in the 90 ° direction, the phase angle θ of the input current Ic vector with respect to the power supply voltage Vs becomes small, and the input of the self-excited power converter CNV Power factor can be improved. Thereby, the current capacity of the elements constituting the self-excited power converter CNV is reduced, and an economical device can be realized.

(第13の実施の形態)図24は、本発明の第13の実施の形態の電力変換装置のブロック図である。図中、SUPは3相交流電源、MCBは交流主遮断器、ACCB1,ACCB2は交流遮断器、DCCB1,DCCB2は直流遮断器、TR1,TR2,TR3は3相トランス、AC−Loadは交流負荷、RECは電力用ダイオード整流器、Cf,Rfは高調波フィルタ回路のコンデンサと抵抗器、CNVは電圧形自励式電力変換器、Cdは直流平滑コンデンサ、VDTは直流電圧検出器、DCDTは直流電流検出器、DCLは直流リアクトル、HSCBは直流高速遮断器、Loadは負荷装置を示している。制御回路CNTLは、図20又は図22で示したものと同様に構成される。   (Thirteenth Embodiment) FIG. 24 is a block diagram of a power converter according to a thirteenth embodiment of the present invention. In the figure, SUP is a three-phase AC power source, MCB is an AC main circuit breaker, ACCB1 and ACCB2 are AC circuit breakers, DCCB1 and DCCB2 are DC circuit breakers, TR1, TR2 and TR3 are three-phase transformers, and AC-Load is an AC load. REC is a power diode rectifier, Cf and Rf are harmonic filter circuit capacitors and resistors, CNV is a voltage-type self-excited power converter, Cd is a DC smoothing capacitor, VDT is a DC voltage detector, and DCDT is a DC current detector. , DCL indicates a DC reactor, HSCB indicates a DC high-speed circuit breaker, and Load indicates a load device. The control circuit CNTL is configured similarly to that shown in FIG. 20 or FIG.

本実施の形態の電力変換装置は、直流平滑コンデンサCdから直流負荷Loadの間に直流リアクトルDCLと高速遮断器HSCBを挿入したことを特徴とする。   The power conversion device according to the present embodiment is characterized in that a DC reactor DCL and a high-speed circuit breaker HSCB are inserted between a DC smoothing capacitor Cd and a DC load Load.

本実施の形態の電力変換装置では、電力用ダイオード整流器RECと、電圧形自励式電力変換器CNVの並列運転を行う。力行運転時は電力用ダイオード整流器RECと電圧形自励式電力変換器CNVが負荷分担を調整しながら負荷装置Loadに電力を供給する。また、回生運転時、電圧形自励式電力変換器CNVは直流電圧Vdが指令値Vd*に一致するように電圧制御を行いながら、負荷装置Load(電車など)が発生する電力を交流電源SUPに回生するとともに、交流負荷AC−Loadにも回生電力を供給し、有効利用を図る。   In the power converter of the present embodiment, the power diode rectifier REC and the voltage source self-excited power converter CNV are operated in parallel. During power running, the power diode rectifier REC and the voltage type self-excited power converter CNV supply power to the load device Load while adjusting the load sharing. Further, during regenerative operation, the voltage type self-excited power converter CNV controls the voltage so that the DC voltage Vd matches the command value Vd *, and supplies the power generated by the load device Load (such as a train) to the AC power supply SUP. Regenerative power is also supplied to the AC load AC-Load for effective use.

電圧形自励式電力変換器CNVは、電源電圧に同期した一定のパルスパターン(1パルス,3パルス,5パルス等)で電源電圧Vsに対する電圧形自励式電力変換器CNVの交流側端子電圧Vcの位相角φを制御することにより、入力電流Icを制御するもので、常に入力力率=1付近で運転される。また、自励式電力変換器CNVを構成する自己消弧素子のスイッチングは入力電流Icのゼロ点付近で行われ、自己消弧素子の遮断電流を小さくでき、かつ、入力電流Icの高調波を低減できる。   The voltage type self-excited power converter CNV is a constant pulse pattern (1 pulse, 3 pulses, 5 pulses, etc.) synchronized with the power supply voltage, and the AC side terminal voltage Vc of the voltage type self-excited power converter CNV with respect to the power supply voltage Vs. By controlling the phase angle φ, the input current Ic is controlled, and it is always operated near the input power factor = 1. In addition, switching of the self-extinguishing element constituting the self-excited power converter CNV is performed near the zero point of the input current Ic, so that the cutoff current of the self-extinguishing element can be reduced and the harmonics of the input current Ic are reduced. it can.

本実施の形態の電力変換装置では、自励式電力変換器CNVにより回生された電力の大部分は変電所内の交流負荷AC−Loadにより消費されるが、そのとき、自励式電力変換器CNVの入力電流Icの高調波を小さくできるため、従来必要とされた交流側のフィルタ設備を省略でき、経済的なシステムを実現できる。   In the power conversion device of the present embodiment, most of the power regenerated by the self-excited power converter CNV is consumed by the AC load AC-Load in the substation, but at that time, the input of the self-excited power converter CNV Since the harmonics of the current Ic can be reduced, it is possible to omit the AC side filter equipment that has been required in the past, and to realize an economical system.

図24の装置では、直流平滑コンデンサCdと負荷装置Loadの間に直流リアクトルDCLと高速遮断器HSCBを挿入している。高速遮断器HSCBは、直流き電線の地絡事故などにより、過大な電流が流れた場合、いち早く回路を切り離す役目を果たし、事故が拡大するのを防止する。   In the apparatus of FIG. 24, a DC reactor DCL and a high-speed circuit breaker HSCB are inserted between the DC smoothing capacitor Cd and the load device Load. The high-speed circuit breaker HSCB serves to quickly disconnect the circuit when an excessive current flows due to a ground fault of a DC feeder, and prevents the accident from expanding.

しかし、直流平滑コンデンサCdが電圧源となっており、至近端で地絡事故などが発生した場合には、事故電流の立ち上がりが速く高速遮断器HSCBでも切り離せないことがある。直流リアクトルDCLは、事故電流の立ち上がりを抑制するもので、事故時に高速遮断器HSCBを確実に動作させることが可能となる。すなわち、直流電圧をVd,直流リアクトルDCLのインダクタンス値をLdcとし、至近端で地絡事故が発生した場合、事故電流の立ち上がりは、(dIdt)=Vd/Ldcとなる。例えば、Vd=1500V,Ldc=1mHとした場合、至近端での事故電流の立ち上がりは、(dIdt)=1500A/msecとなり、数msecで動作する高速遮断器HSCBにより回路を切り離すことができ、事故の拡大を防止することが可能となる。   However, when the DC smoothing capacitor Cd is a voltage source and a ground fault occurs at the closest end, the fault current rises quickly and may not be disconnected even by the high-speed circuit breaker HSCB. The DC reactor DCL suppresses the rising of the accident current, and can reliably operate the high-speed circuit breaker HSCB at the time of the accident. That is, when the DC voltage is Vd, the inductance value of the DC reactor DCL is Ldc, and a ground fault occurs at the closest end, the rise of the fault current is (dIdt) = Vd / Ldc. For example, when Vd = 1500V and Ldc = 1 mH, the rise of the fault current at the closest end is (dIdt) = 1500 A / msec, and the circuit can be disconnected by the high-speed circuit breaker HSCB operating at several msec. It becomes possible to prevent the spread of accidents.

SUP 3相交流電源
MCB 交流主遮断器
TR1,TR2,TR3 3相トランス
Ls 交流リアクトル
REC 電力用ダイオード整流器
CNV 電圧形自励式電力変換器
S1〜S6 自己消弧素子
D1〜D6 高速ダイオード
Cd 直流平滑コンデンサ
Rd 抵抗器
Dd バイパスダイオード
Cf,Rf 高調波フィルタのコンデンサと抵抗
DCL 直流リアクトル
HSCB 直流高速遮断器
ACCB1,ACCB2 交流遮断器
DCCB1,DCCB2 直流遮断器
AC−Load 交流負荷(所内負荷)
Load 負荷装置
CAL 直流電圧指令演算器
C1,C2 比較器
AD 加算器
F(x) 電流指令発生器
Gv(S) 電圧制御補償回路
Gi(S) 電流制御補償回路
SW 切換え器
LBL,LBL1,LBL2 レベル検出器
LIM リミッタ回路
FF フィードフォワード補償器
Z 座標変換回路
PLL 電源同期位相検出回路
PHC 位相制御回路
CNTL 制御回路
PWMC PWM制御回路
SUP 3-phase AC power supply MCB AC main circuit breaker TR1, TR2, TR3 3-phase transformer Ls AC reactor REC Power diode rectifier CNV Voltage-type self-excited power converter S1-S6 Self-extinguishing element D1-D6 High-speed diode Cd DC smoothing capacitor Rd Resistor Dd Bypass diode Cf, Rf Harmonic filter capacitor and resistor DCL DC reactor HSCB DC high-speed circuit breaker ACCB1, ACCB2 AC circuit breaker DCCB1, DCCB2 DC circuit breaker AC-Load AC load (in-house load)
Load load device CAL DC voltage command calculator C1, C2 Comparator AD Adder F (x) Current command generator Gv (S) Voltage control compensation circuit Gi (S) Current control compensation circuit SW Switch LBL, LBL1, LBL2 Level Detector LIM Limiter circuit FF Feedforward compensator Z Coordinate conversion circuit PLL Power supply synchronous phase detection circuit PHC Phase control circuit CNTL Control circuit PWMC PWM control circuit

Claims (5)

交流電源と、
当該交流電源に第1の変圧器を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器と、
前記交流電源に第2の変圧器を介して接続された交流負荷と、
前記第2の変圧器の2次巻線に第3の変圧器を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器と、
当該電圧形自励式電力変換器の直流端子間に接続された直流平滑コンデンサと
前記電圧形自励式電力変換器を一定のパルスパターンで動作させ、前記交流電源の電圧に対する前記電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより前記電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する入力電流制御手段とを具備し、
前記電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される直流負荷に電力を供給することを特徴とする電力変換装置。
AC power supply,
A power diode rectifier having an AC terminal connected to the AC power source via a first transformer;
An AC load connected to the AC power source via a second transformer ;
A voltage-type self-excited power converter having an AC terminal connected to the secondary winding of the second transformer via a third transformer ;
A DC smoothing capacitor that connected between the DC terminals of the voltage type self-commutated power converter,
The voltage-type self-excited power converter is operated with a constant pulse pattern, and the voltage-type self-excited power is adjusted by adjusting the phase angle of the AC side terminal voltage of the voltage-type self-excited power converter with respect to the voltage of the AC power supply. Input current control means for controlling the input current of the converter,
A power conversion apparatus for supplying power to a DC load connected between DC common terminals of the voltage-type self-excited power converter and the power diode rectifier.
交流電源と、
当該交流電源に第1の変圧器を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器と、
前記交流電源に第2の変圧器を介して接続された交流負荷と、
前記第2の変圧器の2次巻線に第3の変圧器を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器と、
当該電圧形自励式電力変換器の直流端子間に接続された直流平滑コンデンサおよび抵抗器の直列回路と、
記電圧形自励式電力変換器を一定のパルスパターンで動作させ、前記交流電源の電圧に対する前記電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより前記電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する入力電流制御手段とを具備し、
前記電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される直流負荷に電力を供給することを特徴とする電力変換装置。
AC power supply,
A power diode rectifier having an AC terminal connected to the AC power source via a first transformer;
An AC load connected to the AC power source via a second transformer ;
A voltage-type self-excited power converter having an AC terminal connected to the secondary winding of the second transformer via a third transformer ;
A series circuit of a DC smoothing capacitor and a resistor connected between DC terminals of the voltage type self-excited power converter ;
Operating the pre SL voltage type self-commutated power converter at a fixed pulse pattern, the voltage type self-commutated by adjusting the phase angle of the AC side terminal voltage of the voltage type self-commutated power converter for the voltage of the AC power source An input current control means for controlling the input current of the power converter,
A power conversion apparatus for supplying power to a DC load connected between DC common terminals of the voltage-type self-excited power converter and the power diode rectifier.
交流電源と、
当該交流電源に第1の変圧器を介して交流端子が接続された電力用ダイオード整流器と、
前記交流電源に第2の変圧器を介して接続された交流負荷と、
前記第2の変圧器の2次巻線に第3の変圧器を介して交流端子が接続された電圧形自励式電力変換器と、
当該電圧形自励式電力変換器の直流端子間に接続された直流平滑コンデンサおよび抵抗器の直列回路と、
当該抵抗器の片方向電流をバイパスさせるダイオードと、
前記電圧形自励式電力変換器を一定のパルスパターンで動作させ、前記交流電源の電圧に対する前記電圧形自励式電力変換器の交流側端子電圧の位相角を調整することにより前記電圧形自励式電力変換器の入力電流を制御する入力電流制御手段とを具備し、
前記電圧形自励式電力変換器および前記電力用ダイオード整流器の直流共通端子間に接続される直流負荷に電力を供給することを特徴とする電力変換装置。
AC power supply,
A power diode rectifier having an AC terminal connected to the AC power source via a first transformer;
An AC load connected to the AC power source via a second transformer;
A voltage-type self-excited power converter having an AC terminal connected to the secondary winding of the second transformer via a third transformer;
A series circuit of a DC smoothing capacitor and a resistor connected between DC terminals of the voltage type self-excited power converter;
A diode that bypasses the one-way current of the resistor;
The voltage-type self-excited power converter is operated with a constant pulse pattern, and the voltage-type self-excited power is adjusted by adjusting the phase angle of the AC side terminal voltage of the voltage-type self-excited power converter with respect to the voltage of the AC power supply. Input current control means for controlling the input current of the converter,
A power conversion apparatus for supplying power to a DC load connected between DC common terminals of the voltage-type self-excited power converter and the power diode rectifier .
前記入力電流制御手段は、力行負荷電流がある設定値を超えた場合に当該自励式電力変換器を構成するすべての自己消弧素子をゲートブロックするように制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電力変換装置。 2. The input current control means controls to gate block all self-extinguishing elements constituting the self-excited power converter when a power running load current exceeds a certain set value. The power converter device in any one of -3. 前記第3の変圧器のパーセントインピーダンスを、前記第1の変圧器のパーセントインピーダンスより大きくしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電力変換装置。 5. The power conversion device according to claim 1, wherein a percentage impedance of the third transformer is larger than a percentage impedance of the first transformer .
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