JP5441863B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、単相交流を出力する単位インバータ複数台の出力を直列接続して相電圧を得るように構成した電力変換装置に関し、特に停電再起動時の制御特性を改善した電力変換装置に関する。

３相電力を出力する電力変換装置においては、電力変換装置の大容量化、高電圧化を目的とし、また、その出力波形を改善するため、３相交流電源から２次側に複数の巻線を持った変圧器を介して３相交流電力を、単相交流出力を有する複数台の単位インバータへ供給し、これらの単位インバータを３グループに分割し、各グループの単相出力を夫々直列に接続し、その直列接続されたグループの一端を中性点として共通に接続し、その各々の他端を３相の交流電動機の各相の端子に接続することにより、交流電動機に３相交流電力を供給する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１には、直列接続された単位インバータの制御を効率良く行う手法も記載されている。

特開平１１−１３５７３１号公報（第４−６頁、図１）

特許文献１によれば、直列接続された単位インバータの制御を効率良く行うことが可能となるが、停電再起動時の運転継続の技術については触れていない。電源電圧に瞬低などの変動があったときには、この電圧低下を検出して一旦電力変換装置を停止させ、電源電圧が回復したとき、フリーラン中の交流電動機を再投入駆動することが一般的に行われているが、再投入時の周波数及び位相がフリーラン中の交流電動機の周波数及び位相と一致していない場合には、電力変換装置が過電流となって装置がゲートブロック停止してしまう恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、停電再起動時に電流が過大となっても、交流電動機を運転継続することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、３相交流電力を、単相交流出力を有する複数台の単位インバータへ供給し、これらの単位インバータを３グループに分割し、各グループの単相出力を夫々直列に接続して相電圧を形成し、その直列接続されたグループの一端を中性点として共通に接続し、その各々の他端を３相の交流電動機の各相の端子に接続することにより、交流電動機に３相交流電力を供給する電力変換装置であって、前記単位インバータを各相毎にＰＭＷ制御する各相制御手段と、各相の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段による各相の検出電流に応じて当該相に属する単位インバータの出力を制御する電流抑制制御手段とを具備し、前記電流抑制制御手段は、前記検出電流が第１の所定値を超えたとき、当該相に属する単位インバータのうちの１台の出力電圧をゼロとし、所定時間経過後、通常運転時の出力電圧に復帰させるようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、停電再起動時に電流が過大となっても、交流電動機を運転継続することが可能な電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の単位インバータの回路構成図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置のインバータ選択回路の動作説明図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の素子選択回路の回路構成図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の過電流時の動作説明図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作フローチャート。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の動作フローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１乃至図６を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。単位インバータ１Ｕ１、１Ｕ２及び１Ｕ３の単相交流出力は直列接続されてＵ相電圧を形成し、その一端が中性点として共通に接続され、他端を交流電動機２の１次巻線に接続している。単位インバータ１Ｖ１、１Ｖ２及び１Ｖ３の単相交流出力、単位インバータ１Ｗ１、１Ｗ２及び１Ｗ３の単相交流出力も同様に直列接続されて夫々Ｖ相電圧、Ｗ相電圧を形成している。Ｕ相の相電流は電流検出器４Ｕによって検出され、その詳細を後述するＵ相制御回路３Ｕに与えられている。

図２に単位インバータ１の内部回路構成を示す。図示しない変圧器の２次巻線から給電される３相交流電圧を整流器１１によって直流に変換し、平滑コンデンサ１２で直流を平滑する。そして、この直流電圧を、スイッチング素子１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ及び１４Ｂを単相ブリッジ接続して構成される単相インバータによって単相交流に変換する。図２から分かるように、単位インバータの出力は、オンするスイッチング素子が１３Ａと１４Ｂのとき１、逆にオンするスイッチング素子が１４Ａと１３Ｂのとき−１となる。そして、オンするスイッチング素子が１３Ａと１４Ａまたは１３Ｂと１４Ｂのとき、０となる。尚、ここで１とは、コンデンサ１２の両端電圧を正規化した出力電圧を示す。

Ｕ相を構成する単位インバータ１Ｕ１、１Ｕ２及び１Ｕ３のスイッチング素子には、Ｕ相制御回路３Ｕからゲート制御信号が与えられる。尚、Ｖ相、Ｗ相についてもＵ相と同様の制御回路が設けられ、各々の相の電流検出器による電流信号が与えられているが、基本的にＵ相と同一構成であるので、これらの図示と説明は省略する。以下、Ｕ相制御回路３Ｕの内部構成について説明する。

図示しない主制御部から、例えば主制御部で速度制御を行った結果としてＵ相電圧指令が与えられる。この電圧指令をＰＷＭ回路３０に入力し、図示しない外部から与えられた搬送波と電圧指令を比較することによって、所望のＰＷＭ変調されたＵ相電圧を出力するためのゲートパルスがＰＷＭ回路３０から出力され、後述するゲートパルス割り振り回路３５に与えられる。

また、Ｕ相電圧指令はレベル決定回路３１に与えられる。レベル決定回路３１においては、電圧指令の変化に応じて、−１、０、＋１の３種類の値をインバータ選択回路３２に与える。ここで電圧の変化の−１、０、＋１は、上述したように単位インバータ１台の出力電圧の変化を正規化して示したものである。

インバータ選択回路３２は、上記電圧の変化を、どの単位インバータで実現するかを選択する。このために、キューメモリ回路３３とのやりとりを行う。図３に示したように、キューメモリ回路３３においては過去の電圧変化に対応して−１、０、＋１のスイッチング状態を実現した単位インバータが、実現した順に記憶されている。図３には一例として＋１への電圧変遷が単位インバータ１Ｕ１→１Ｕ２→１Ｕ３の順番で実現している状態で、レベル決定回路３１から０の指令が与えられた場合を図示している。この場合に、スイッチング状態を＋１から０に変化させて０を実現するには、どの単位インバータを使用しても可能であるが、この実施例では一番先に＋１となった単位インバータ１Ｕ１を選択する。すなわち、インバータ選択回路３２は、キューメモリ３３を参照して、先入れ先出し方式で単位インバータを選択する。これは最も長い期間スイッチングが発生しなかったスイッチング素子を有する単位インバータを選択することになる。そして選択された単位インバータの情報は素子選択回路３４に与えられる。

素子選択回路３４はインバータ選択回路３２によって選択されたインバータにおいて、どのスイッチング素子をスイッチングするのかを決定する。図４に示すように、正規化された相電圧＋１または−１を出力する場合はスイッチング素子の選択は夫々（１３Ａ、１４Ｂ）、（１４Ａ、１３Ｂ）に限られるが、０を出力する組合せは、（１３Ａ、１４Ａ）及び（１３Ｂ、１４Ｂ）の２種類ある。この２種類の組合せの何れを選択するかについては、スイッチング素子のスイッチング回数をなるべく分散させるように選択することが好ましい。例えば、前回＋１から０に変化したときの選択状態を記憶しておき、次回はこの逆となるように選択し、−１から０に変化する場合も同様にする。すなわちここでもより長い期間スイッチングが発生しなかったスイッチング素子の組合せを選択する。

ゲートパルス割り振り回路３５は、上述した素子選択回路３４が選択したスイッチング素子に対して前述したＰＷＭ回路３０のゲートパルスＧＰのタイミングで最終のゲートパルスを出力する。尚、他の全てのスイッチング素子に対しては前回出力したゲートパルスを維持し、継続出力する。

次に、電流抑制制御回路３６の動作について図５を参照して説明する。図５（ａ）は、単位インバータ１Ｕ１、１Ｕ２及び１Ｕ３が何れも＋１を出力している状態を示している。このときの電流ルートは破線で示したようになっている。そして、この状態において電流検出器４Ｕで検出された相電流が所定の閾値を超えたとする。このとき、電流抑制制御回路３６はインバータ選択回路３２に電圧低下指令を出力する。この指令を受けたインバータ選択回路３２は、図５（ｂ）に示すように単位インバータ１Ｕ１の出力を＋１から０に変更する。この状態で相電流が所定の閾値以下となれば、所定時間後に電圧低下指令を解除するが、図５（ｂ）の状態でも尚相電流が所定の閾値を超えている場合には、図５（ｃ）に示すように単位インバータ１Ｕ２の出力も＋１から０に変更する。そして、図５（ｃ）の状態で相電流が所定の閾値以下となれば、所定時間後に電圧低下指令を解除する。電圧低下指令が解除されると、図５（ｄ）に示すように、まず先に選択制御された単位インバータ１Ｕ１を正常状態に復帰し、所定時間のあと、次に後から選択された単位インバータ１Ｕ２を正常状態に復帰させる、このとき正常運転状態のＰＷＭ制御によるゲートパルスの状態に変化がなければ、図５（ａ）の状態に戻る。

以上説明した正常運転時と過電流時の制御を纏めたのが図６に示す本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作フローチャートである。

まず、電流抑制制御回路３６で相電流が閾値を超えたかどうかチェックする（ステップＳ１）。相電流が閾値を超えていなければ正常運転時の動作フローとなる。レベル決定回路３１によって電圧指令の変化をチェックし（ステップＳ２）、変化があれば、インバータ選択回路３２でどの単位インバータでその変化を実現するのかを決める（ステップＳ３）。

そして素子選択回路３４によって素子選択を実施し（ステップＳ４）、ゲートパルス割り振り回路３５によって、ステップＳ４で選択されたスイッチング素子に対して上記電圧変化を実現するためのゲートパルスを印加する（ステップＳ５）。

ステップＳ１で相電流が閾値を超えていれば電流抑制制御の動作フローとなる。まず、電流抑制制御回路３２からインバータ選択回路３２に与えられる電圧低下指令に従って、インバータ選択回路３２は出力を０とすべき単位インバータを選択する（ステップＳ１１）。次に素子選択回路３４は、選択された単位インバータの２通りある素子選択のうち、何れかを選択する（ステップＳ１２）。これにより、ゲートパルスが印加され（ステップＳ１３）、電力変換装置のＵ相の出力電圧が低減する。そして電流抑制制御回路３６で相電流が閾値を超えているかどうか再度チェックする（ステップＳ１４）。相電流が閾値を超えていれば、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１２、１３を繰り返して次の単位インバータの出力を０とする。

ステップＳ１４で、相電流が閾値を超えていなければ、所定時間の経過後（ステップＳ１５）、ステップＳ１１、１２で選択した単位インバータのゲートパルスを正常状態に復帰させる（ステップＳ１６）。復帰すべき単位インバータが複数台ある場合には、適切な時間間隔で復帰させる。

上記において、正常運転時のステップＳ３乃至Ｓ５は、電流抑制制御時のステップＳ１１乃至Ｓ１３に夫々対応しており、同一のハードまたはソフトによって構成された機能を用いることができる。また、ステップＳ１１でのインバータ選択は、図３を参照して説明した正常運転時のインバータ選択と同様となり、ステップ１２での素子選択も図４を参照して説明した正常運転時の素子選択と同様となる。

尚、本実施例においては、正常運転時の単位インバータのＰＷＭ制御を図１に示すＵ相制御回路３Ｕの内部構成による制御としたが、必ずしもこのような制御を用いる必要はない。単位インバータ１Ｕ１、１Ｕ２及び１Ｕ３の制御を、従来のように各単位インバータ毎にＰＷＭ回路と位相シフト回路を組み合わせて行うようにしても良い。

図７は本発明の実施例２に係る電力変換装置の動作フローチャートである。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作フローチャートの各ステップと同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ステップＳ１５の後に、相電流が閾値２以下となっているかどうかを判断するステップＳ１５Ａを追加し、相電流が閾値２以下となった場合にステップＳ１６に進んで単位インバータを復帰させるようにした点である。

ステップＳ１５Ａにおける閾値２はステップＳ１及びＳ１４における閾値より小さく設定し、ステップＳ１６で単位インバータを復帰させたときステップＳ１で再び相電流が閾値を超えないようにしておくことが肝要である。

この実施例２の場合、ステップＳ１５におけるタイマーは実施例１の場合に比べて短時間に設定しても良く、また省略することも可能である。

１、１Ｕ１、１Ｕ２、１Ｕ３、１Ｖ１、１Ｖ２、１Ｖ３、１Ｗ１、１Ｗ２、１Ｗ３ 単位インバータ
２ 交流電動機
３Ｕ Ｕ相制御回路
４Ｕ 電流検出器
１１ 整流回路
１２ 平滑コンデンサ
１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ スイッチング素子
３０ ＰＷＭ回路
３１ レベル調整回路
３２ インバータ選択回路
３３ キューメモリ
３４ 素子選択回路
３５ ゲートパルス割振り回路
３６ 電流抑制制御回路

Claims (7)

1. ３相交流電力を、単相交流出力を有する複数台の単位インバータへ供給し、これらの単位インバータを３グループに分割し、各グループの単相出力を夫々直列に接続して相電圧を形成し、その直列接続されたグループの一端を中性点として共通に接続し、その各々の他端を３相の交流電動機の各相の端子に接続することにより、交流電動機に３相交流電力を供給する電力変換装置であって、
   前記単位インバータを各相毎にＰＭＷ制御する各相制御手段と、
   各相の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段による各相の検出電流に応じて当該相に属する単位インバータの出力を制御する電流抑制制御手段と
   を具備し、
   前記電流抑制制御手段は、
   前記検出電流が第１の所定値を超えたとき、当該相に属する単位インバータのうちの１台の出力電圧をゼロとし、所定時間経過後、通常運転時の出力電圧に復帰させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. ３相交流電力を、単相交流出力を有する複数台の単位インバータへ供給し、これらの単位インバータを３グループに分割し、各グループの単相出力を夫々直列に接続して相電圧を形成し、その直列接続されたグループの一端を中性点として共通に接続し、その各々の他端を３相の交流電動機の各相の端子に接続することにより、交流電動機に３相交流電力を供給する電力変換装置であって、
   前記単位インバータを各相毎にＰＭＷ制御する各相制御手段と、
   各相の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段による各相の検出電流に応じて当該相に属する単位インバータの出力を制御する電流抑制制御手段と
   を具備し、
   前記電流抑制制御手段は、
   前記検出電流が第１の閾値を超えたとき、当該相に属する単位インバータのうちの１台の出力電圧をゼロとし、前記検出電流が第１の閾値より小さい第２の閾値以下となったとき、通常運転時の出力電圧に復帰させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記電流抑制制御手段は、
   １台目の前記単位インバータの出力電圧をゼロとしても前記検出電流が第１の閾値以下とならないときには、前記検出電流が第１の閾値以下となるまで順次２台目、３台目の単位インバータの出力電圧をゼロとし、これらの単位インバータを通常の出力電圧に復帰させるときは所定の時間間隔で順次復帰させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記各相制御手段は、
   各相の電圧指令を搬送波と比較してゲートパルスを出力するＰＷＭ回路と、
   前記電圧指令の変化によって、前記単位インバータで規格化された電圧レベル＋１、０、−１の何れかを出力するレベル決定回路と、
   前記レベル決定回路の出力を受け、前記単位インバータのうちの１台を選択するインバータ選択回路と、
   前記選択されたインバータのどのスイッチング素子をオンさせるかを決定する素子選択回路と、
   この素子選択回路が選択したスイッチング素子に前記ゲートパルスのタイミングに応じて最終的ゲートパルスを与え、他の全てのスイッチング素子には与えているゲートパルスを維持するゲートパルス割り振り回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記各相制御手段は、
   前記単位インバータのスイッチング発生順序を記憶する記憶手段を有し、
   前記インバータ選択回路は、最も長い期間スイッチングが発生しなかったスイッチング素子を有する単位インバータを選択するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記電流抑制制御手段は、
   前記検出電流が第１の所定値を超えたとき、前記インバータ選択回路に電圧低下指令を与え、
   前記インバータ選択回路は最も長い期間スイッチングが発生しなかったスイッチング素子を有する単位インバータを選択するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記素子選択回路は、
   電圧レベル０を実現するスイチング素子を選択するとき、より長い期間スイッチングが発生しなかったスイッチング素子を有する組合せを選択するようにしたことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の電力変換装置。

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