JP5631499B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。図1はこの発明
の実施の形態1による電力変換装置の概略構成図である。
図1に示すように、電力変換装置は、交流電源1の交流電力を直流電力に変換して出力するための主回路と制御回路10とを備える。
主回路は、限流回路としてのリアクトル2とインバータ回路100とコンバータ回路300と平滑コンデンサ3とを備える。交流電源1の第1の端子からの出力は、リアクトル2に接続され、その後段に単相インバータにて構成されたインバータ回路100の交流側が直列接続される。コンバータ回路300は、一方の交流端子がインバータ回路100の後段の交流出力線に接続され、他方の交流端子が交流電源1の第2の端子に接続され、コンバータ回路300の直流母線3a、3b間に接続された平滑コンデンサ3に直流電力を出力する。
コンバータ回路300は、直流母線間に複数の半導体スイッチ素子301a〜304aを有し、この場合、ダイオード301b〜304bを逆並列に接続した複数個のIGBT等の半導体スイッチ素子301a〜304aをそれぞれ2個直列接続した2つのブリッジ回路を直流母線間に並列接続して構成する。
インバータ回路100の後段の交流出力線にはコンバータ回路300の半導体スイッチ素子301aのエミッタと半導体スイッチ素子302aのコレクタとの接続点が接続される。また半導体スイッチ素子303aのエミッタと半導体スイッチ素子304aのコレクタとの接続点が交流電源1の上記第2の端子に接続される。
また、リアクトル2はインバータ回路100とコンバータ回路300との間に直列接続しても良い。
平滑コンデンサ3には図示しない負荷が接続され、通常時は電圧Vdcは目標電圧Vdc*に比べて低く、制御回路10は、交流電源1からの交流電力を変換して平滑コンデンサ3に直流電力を供給するようにインバータ回路100およびコンバータ回路300を出力制御する。
なお、出力段の平滑コンデンサ3の電圧Vdcが、交流電源1の電圧Vinのピーク電圧Vpより高い場合を昇圧と称し、出力段の平滑コンデンサ3の電圧Vdcが、交流電源1の電圧Vinのピーク電圧Vpより低い場合を降圧と称す。また、図6、図7では、平滑コンデンサ3の電圧Vdcが一定の目標電圧Vdc*に制御されている状態を示す。
交流電源1からの電圧Vinは、図6、図7に示すような波形となる。インバータ回路100は、交流電源1からの入力力率が概1になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力し、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。以下、交流電源1からの入力力率が概1になるように電流Iinを制御することを、単に電流制御と称す。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105を充電するように流れ、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流コンデンサ105を放電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105をスルーして電流が流れる。このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御してインバータ回路100をPWM動作させることで直流コンデンサ105を充放電させ、電流制御を行う。なお、各半導体スイッチ素子101a〜104aに流れる電流が、エミッタからコレクタへ流れる時は、その半導体スイッチ素子をオフして逆並列接続されたダイオード101b〜104bに電流を流しても良い。
交流電源1の電圧Vinのゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲(以下、短絡期間Tと称す)では、図3に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子302aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路300内の他の半導体スイッチ素子301a、303a、304aをオフさせる。交流電源1からの電流はリアクトル2にて限流され、インバータ回路100に入力されて直流コンデンサ105を充電し、コンバータ回路300内の半導体スイッチ素子302a、ダイオード304bを経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流コンデンサ105を充電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流コンデンサ105を充電させ、電流制御を行う。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流コンデンサ105を充電するように流れ、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105を放電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105をスルーして電流が流れる。このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御してインバータ回路100をPWM動作させることで直流コンデンサ105を充放電させ、電流制御を行う。
短絡期間Tでは、図5に示すように、コンバータ回路300では、短絡スイッチとなる半導体スイッチ素子304aをオン状態として平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、コンバータ回路300内の他の半導体スイッチ素子301a、302a、303aをオフさせる。交流電源1からの電流は、コンバータ回路300の半導体スイッチ素子304a、ダイオード302bを経てインバータ回路100に入力され、直流コンデンサ105を充電してリアクトル2を経て交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、直流コンデンサ105を充電する制御とスルーさせる制御の組み合わせによりPWM動作させることで直流コンデンサ105を充電させ、電流制御を行う。
また、電力変換装置の降圧時には、図7に示すように、インバータ回路100は、短絡期間Tにおいて電圧(−Vin)を出力して交流電源1により直流コンデンサ105を充電し、その後の開放期間Kにて、交流電源1の電圧Vinにインバータ回路100の出力電圧を加算することで、交流電源1のピーク電圧より低い目標電圧Vdc*に平滑コンデンサ3の電圧Vdcを制御する。交流電源1の電圧Vinが平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*と等しくなる時の位相θ=θ2(0<θ2<π/2)とすると、θ1≦θ<θ2、π−θ2≦θ<π−θ1である時、インバータ回路100は電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流コンデンサ105を放電し、θ2≦θ<π−θ2である時、インバータ回路100は負極性の電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流コンデンサ105を充電する。
なお、短絡期間Tは、ゼロクロス位相(θ=0、π)が短絡期間Tの中央としたが、ゼロクロス位相を含む位相範囲で、いずれかに偏るものであっても良い。
Vdc*=Vp・π/(4cosθ1) ・・・数式1
但し、Vdc*の下限値はθ1が0となる時であり、値は(π/4)Vpとなる。また、上記数式1は、Vp≦Vdc*の昇圧時の場合にも成立する。
このように、平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*は短絡期間Tの位相範囲を決定するθ1により決まり、即ちθ1を変化させて制御できる。そして、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcは該目標電圧Vdc*に追従するように制御される。
直流コンデンサ105の電圧Vsubを各位相範囲におけるインバータ回路100の所望の発生電圧の大きさ以上に設定する。即ち、直流コンデンサ105の電圧Vsubは以下の数式2、数式3を満たす必要がある。
Vsub≧|Vp・sinθ| ・・・数式2
開放期間Kの位相θでは、
Vsub≧|Vdc*−|Vp・sinθ|| ・・・数式3
Vsub≧Vp・sinθ1 ・・・数式4
Vsub≧(Vdc*−Vp・sinθ1) ・・・数式5
Vsub≧(Vp−Vdc*) ・・・数式6
そして、ゼロクロス位相を中央として±θ1の位相範囲のみを平滑コンデンサ3をバイパスする短絡期間Tとすることで、インバータ回路100は、短絡期間Tでも、それ以外の開放期間Kでも入力力率が概1になるように電流Iinを制御し、かつ平滑コンデンサ3に所望の電圧の直流電力を出力できる。
図8は、電流制御切り替え動作を各部の波形図と共に説明する図である。この場合、数式1で求めた短絡期間Tを決める位相θ1において、直流コンデンサ105の電圧Vsubが数式4を満たさず、Vsub<Vp・sinθ1となる。このため、短絡期間Tを決める新たな位相θAを決定し、それに伴って開放期間Kを決める新たな位相θBを決定する。
即ち、電圧Vsubは、短絡期間Tでは交流電源1の電圧Vinの大きさ以上であり、開放期間Kでは、平滑コンデンサ3の電圧Vdc(目標電圧Vdc*)と電圧Vinの大きさとの差分以上となる。
またθB≦θ≦π−θBの開放期間Kにおいて、コンバータ回路300では全ての半導体スイッチ素子301a〜304aをオフして、交流電源1からの電流はインバータ回路100に入力され、その出力はコンバータ回路300を経て平滑コンデンサ3を充電し交流電源1に戻る。このとき、インバータ回路100では、PWM制御により直流コンデンサ105を放電させて電流制御を行う。
図10に示すように、コンバータ回路300の出力制御では、インバータ回路100の直流コンデンサ105の電圧Vsubを指令値Vsub*に追従させる電圧Vsub一定制御だけでなく、必要に応じて入力電流力率制御を行う。
電流制御期間(短絡期間、開放期間)算出器50は、電流制御判定器32の出力に基づいて、新たに短絡期間T、開放期間Kを決定し位相θA34、θB36を出力する。
そして指令値Vsub*と電圧Vsubとの差21をPI制御した出力22を、電流制御短絡期間算出器33からの出力34に加算して位相θAを微調整し、調整された位相θA37と電流制御開放期間算出器35からの位相θB36とをゲート信号選定器38に入力する。
まず、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcと目標電圧Vdc*との差40をフィードバック量として、PI制御した出力を振幅目標値41として、この振幅目標値41に基づいて、交流電源同期周波数から、電圧Vinに同期した正弦波の電流指令Iin*42を生成する。次に、電流指令Iin*42と検出された電流Iinとの差43をフィードバック量として、PI制御した出力をインバータ回路100の発生電圧の目標値となる電圧指令44とする。この時、コンバータ回路300の交流端子間を短絡させる短絡期間Tの制御と短絡期間外の制御との切り替え時に同期したフィードフォワード補正電圧ΔVを加算して電圧指令44を補正する。そして、補正後の電圧指令45を用いて、PWM制御46によりインバータ回路100の各半導体スイッチ素子101a〜104aへのゲート信号47を生成し、ゲート信号作成器48に入力する。
またコンバータ回路300に電流制御を切り替える場合でのコンバータ回路300の電流制御期間は、インバータ回路100の直流コンデンサ105の充放電量が0になるように設定しているため、インバータ回路100の直流コンデンサ105の電圧Vsubは一定に制御される。
このため、電力変換装置の耐圧を上げることなく、交流電源電圧Vinおよび直流電圧Vdcの範囲を拡大でき、広い動作範囲で電流制御を実現でき、電力変換装置の小型化および電力損失低減が図れる。また電流制御を継続できることで装置の信頼性も向上する。
上記実施の形態1では、インバータ回路100が、交流電源1の全位相において電流制御を可能にする3条件(数式4〜数式6)の内、数式4を満たさない場合を説明したが、この実施の形態では、数式6を満たさない場合について説明する。即ち、電力変換装置は降圧動作をしており、Vsub<(Vp−Vdc*)となる。なお、主回路構成および制御回路10の構成は上記実施の形態1と同様で、図2〜図7を用いて示した基本の力行動作も上記実施の形態1と同様である。
図13は、この実施の形態2による電流制御切り替え動作を各部の波形図と共に説明する図である。この場合、交流電源1のピーク電圧時を含む期間で、インバータ回路100が電圧(Vin−Vdc*)を出力して直流コンデンサ105を充電する動作ができなくなる期間が存在する。このため、開放期間Kの一端を決める新たな位相θBを決定し、それに伴って短絡期間Tを決める新たな位相θAを決定する。この場合、位相θAは開放期間Kの他端でもある。
即ち、電圧Vsubは、短絡期間Tでは交流電源1の電圧Vinの大きさ以上であり、開放期間Kでは、平滑コンデンサ3の電圧Vdc(目標電圧Vdc*)と電圧Vinの大きさとの差分以上となる。
コンバータ回路300の出力制御では、上記実施の形態1と同様に、電圧Vsub一定制御によるゲート信号24と、入力電流力率制御によるゲート信号31と、新たに設定された短絡期間T、開放期間Kを決定する位相θA37、θB36とが生成されてゲート信号選定器38に入力される。
電圧Vsub一定制御によるゲート信号24と、入力電流力率制御によるゲート信号31とは、上記実施の形態1と同様に生成される。
電流制御期間算出器50は、電流制御判定器32の出力に基づいて、新たに短絡期間T、開放期間Kを決定し位相θA34、θB36を出力する。
そして、上記実施の形態1と同様に、指令値Vsub*と電圧Vsubとの差21をPI制御した出力22を、電流制御短絡期間算出器33からの出力34に加算して位相θAを微調整し、調整された位相θA37と電流制御開放期間算出器35からの位相θB36とをゲート信号選定器38に入力する。
上記実施の形態1、2では、インバータ回路100が、交流電源1の全位相において電流制御を可能にする3条件(数式4〜数式6)の内、数式4、数式6を満たさない場合を説明したが、この実施の形態では、数式5を満たさない場合について説明する。この場合、上記数式1で求めた位相θ1において、直流コンデンサ105の電圧Vsubが数式5を満たさず、Vsub<(Vdc*−Vp・sinθ1)となる。なお、主回路構成および制御回路10の構成は上記実施の形態1と同様で、図2〜図7を用いて示した基本の力行動作も上記実施の形態1と同様である。
図15は、この実施の形態3による電流制御切り替え動作を各部の波形図と共に説明する図である。この場合、交流電源1の位相θ1を含む領域で、インバータ回路100が電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流コンデンサ105を放電する動作ができなくなる期間が存在する。このため、開放期間Kを決める新たな位相θBを決定し、それに伴って短絡期間Tを決める新たな位相θAを決定する。
即ち、電圧Vsubは、短絡期間Tでは交流電源1の電圧Vinの大きさ以上であり、開放期間Kでは、平滑コンデンサ3の電圧Vdc(目標電圧Vdc*)と電圧Vinの大きさとの差分以上となる。
この場合、まず上記数式3を満たすような開放期間Kを決める位相θBを演算し、短絡期間Tと開放期間Kとで直流コンデンサ105の充放電量が0となるように位相θAを演算して短絡期間Tを決定する。図15に示す昇圧動作の場合、充電と放電のエネルギが等しくなるように、上記数式Bから算出する。
コンバータ回路300の出力制御では、上記実施の形態1と同様に、電圧Vsub一定制御によるゲート信号24と、入力電流力率制御によるゲート信号31と、新たに設定された短絡期間T、開放期間Kを決定する位相θA37、θB36とが生成されてゲート信号選定器38に入力される。
電圧Vsub一定制御によるゲート信号24と、入力電流力率制御によるゲート信号31とは、上記実施の形態1と同様に生成される。
電流制御期間算出器50は、電流制御判定器32の出力に基づいて、新たに短絡期間T、開放期間Kを決定し位相θA34、θB36を出力する。
そして、上記実施の形態1と同様に、指令値Vsub*と電圧Vsubとの差21をPI制御した出力22を、電流制御短絡期間算出器33からの出力34に加算して位相θAを微調整し、調整された位相θA37と電流制御開放期間算出器35からの位相θB36とをゲート信号選定器38に入力する。
上記実施の形態1〜3では、インバータ回路100が交流電源1の全位相において電流制御を可能にする3条件(数式4〜数式6)の内のいずれか1つを満たさない場合を説明したが、この実施の形態では、数式4と数式5の2つの条件を満たさない場合について説明する。なお、主回路構成および制御回路10の構成は上記実施の形態1と同様で、図2〜図7を用いて示した基本の力行動作も上記実施の形態1と同様である。
図16は、この実施の形態4による電流制御切り替え動作を各部の波形図と共に説明する図である。この場合、交流電源1の位相θ1を含む領域で、インバータ回路100が電圧(−Vin)を出力して直流コンデンサ105を充電する動作も、また電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流コンデンサ105を放電する動作もできなくなる期間が存在する。このため、短絡期間Tと開放期間Kを決める新たな位相θAと位相θBを決定する。
即ち、電圧Vsubは、短絡期間Tでは交流電源1の電圧Vinの大きさ以上であり、開放期間Kでは、平滑コンデンサ3の電圧Vdc(目標電圧Vdc*)と電圧Vinの大きさとの差分以上となる。
この場合、短絡期間Tで上記数式2を満たし、かつ開放期間Kで上記数式3を満たし、しかも、短絡期間Tと開放期間Kとで直流コンデンサ105の充放電量が0となるように上記数式Bを満たすように位相θAと位相θBを決定する。
コンバータ回路300の出力制御では、上記実施の形態1と同様に、電圧Vsub一定制御によるゲート信号24と、入力電流力率制御によるゲート信号31と、新たに設定された短絡期間T、開放期間Kを決定する位相θA37、θB36とが生成されてゲート信号選定器38に入力される。
電圧Vsub一定制御によるゲート信号24と、入力電流力率制御によるゲート信号31とは、上記実施の形態1と同様に生成される。
この場合、短絡期間Tで上記数式2を満たし、かつ開放期間Kで上記数式3を満たし、しかも、短絡期間Tと開放期間Kとで直流コンデンサ105の充放電量が0となるように位相θAと位相θBを決定する。この場合、上記数式Bから算出する。
そして、上記実施の形態1と同様に、指令値Vsub*と電圧Vsubとの差21をPI制御した出力22を、電流制御短絡期間算出器33からの出力34に加算して位相θAを微調整し、調整された位相θA37と電流制御開放期間算出器35からの位相θB36とをゲート信号選定器38に入力する。
上記実施の形態1〜4では、電力変換装置の力行動作のみ示したが、この実施の形態5では、電力変換装置は回生機能を備え、回生動作により交流電源1に電力を回生する。
なお、回路構成は図1と同様であり、また力行動作については上記実施の形態1と同様である。
図17〜図20は、回生動作における電流経路図を示す。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105を放電するように流れ、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流コンデンサ105を充電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105をスルーして電流が流れる。インバータ回路100は、このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御して交流電源1の力率が概(−1)になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力することで直流コンデンサ105を充放電させ、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。なお、各半導体スイッチ素子101a〜104aに流れる電流が、エミッタからコレクタへ流れる時は、その半導体スイッチ素子をオフして逆並列接続されたダイオード101b〜104bに電流を流しても良い。
インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aがオン、半導体スイッチ素子101a、104aがオフの時には、直流コンデンサ105を放電するように流れ、半導体スイッチ素子101a、104aがオン、半導体スイッチ素子102a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105を充電するように流れる。また、半導体スイッチ素子101a、103aがオン、半導体スイッチ素子102a、104aがオフの時、および半導体スイッチ素子102a、104aがオン、半導体スイッチ素子101a、103aがオフの時には、直流コンデンサ105をスルーして電流が流れる。インバータ回路100は、このような4種の制御の組み合わせにて半導体スイッチ素子101a〜104aを制御して交流電源1の力率が概(−1)になるようにPWM制御により電流Iinを制御して出力することで直流コンデンサ105を充放電させ、交流側の発生電圧を交流電源1の出力である電圧Vinに重畳する。
即ち、交流電源1の電圧位相θのゼロクロス位相(θ=0、π)±θ1にて、コンバータ回路300の制御を切り替えて、該ゼロクロス位相を中央として±θ1の短絡期間Tでのみ平滑コンデンサ3をバイパスさせる。このとき、インバータ回路100は、電圧Vinの逆極性にほぼ等しい電圧を発生させつつ、入力力率が概(−1)になるように電流Iinを制御して出力し、直流コンデンサ105は放電される。そして、短絡期間以外の開放期間Kでは、インバータ回路100は、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持し、また入力力率が概(−1)になるように電流Iinを制御して出力する。このとき、電圧Vinの絶対値が平滑コンデンサ3の目標電圧Vdc*以下の時、直流コンデンサ105は充電され、電圧Vinの絶対値が目標電圧Vdc*以上の時は、直流コンデンサ105は放電される。
短絡期間Tの位相θでは、
Vsub≧|Vp・sinθ| ・・・数式2
開放期間Kの位相θでは、
Vsub≧|Vdc*−|Vp・sinθ|| ・・・数式3
が成り立つように直流コンデンサ105の電圧Vsubが設定されており、入力力率が概(−1)になるように電流Iinを制御するインバータ回路100の制御を交流電源1の全位相において行うためには、直流コンデンサ105の電圧Vsubは、力行動作時と同様に以下の3条件を満たす必要がある。
Vsub≧Vp・sinθ1 ・・・数式4
Vsub≧(Vdc*−Vp・sinθ1) ・・・数式5
Vsub≧(Vp−Vdc*) ・・・数式6
図21は、電流制御切り替え動作の第1例を各部の波形図と共に説明する図である。この場合、上記数式1で求めた短絡期間Tを決める位相θ1において、直流コンデンサ105の電圧Vsubが数式4を満たさず、Vsub<Vp・sinθ1となる。そして、上記実施の形態1と同様に、短絡期間Tを決める新たな位相θAを決定し、それに伴って開放期間Kを決める新たな位相θBを決定する。
そして、短絡期間Tおよび開放期間Kでは、インバータ回路100のPWM制御により電流制御を行い、それ以外の期間ではコンバータ回路300をPWM制御する。
なお、電圧Vinが負極性の時は、半導体スイッチ素子302a、303aをオン状態とし、他の半導体スイッチ素子301a、304aをオフ状態にする。
そして、短絡期間Tおよび開放期間Kでは、インバータ回路100のPWM制御により電流制御を行い、それ以外の期間ではコンバータ回路300をPWM制御する。
なお、電圧Vinが負極性の時は、半導体スイッチ素子302a、303aをオン状態とし、他の半導体スイッチ素子301a、304aをオフ状態にする。
そして、短絡期間Tおよび開放期間Kでは、インバータ回路100のPWM制御により電流制御を行い、それ以外の期間ではコンバータ回路300をPWM制御する。
なお、電圧Vinが負極性の時は、半導体スイッチ素子302a、303aをオン状態とし、他の半導体スイッチ素子301a、304aをオフ状態にする。
そして、短絡期間Tおよび開放期間Kでは、インバータ回路100のPWM制御により電流制御を行い、それ以外の期間ではコンバータ回路300をPWM制御する。
なお、電圧Vinが負極性の時は、半導体スイッチ素子302a、303aをオン状態とし、他の半導体スイッチ素子301a、304aをオフ状態にする。
このため、力行時だけでなく回生時にも、交流電源1の1周期を通して電流制御を信頼性良く継続でき、インバータ回路100の直流電圧Vsubを低減できる。これにより、電力変換装置の耐圧を上げることなく、交流電源電圧Vinおよび直流電圧Vdcの範囲を拡大でき、広い動作範囲で電流制御を実現でき、電力変換装置の小型化および電力損失低減が図れる。また電流制御を継続できることで装置の信頼性も向上する。
上記実施の形態1〜5では、コンバータ回路300がPWM制御により電流制御を行う場合に、インバータ回路100は0を出力していたが、この実施の形態6では、コンバータ回路300がPWM制御により電流制御を行う場合に、インバータ回路100が電源電圧Vinと逆極性の電圧を出力する。なお、主回路構成は上記実施の形態1と同様で、図2〜図7を用いて示した基本の力行動作も上記実施の形態1と同様である。
直流コンデンサ105の電圧Vsubが上記3条件(数式4〜数式6)の数式4、数式5のいずれか一方または双方を満たさない場合を、図25に基づいて以下に説明する。なお、ここでは力行動作について説明する。
この場合、交流電源1の位相θ1を含む領域で、インバータ回路100が電圧(−Vin)を出力して直流コンデンサ105を充電する動作、および電圧(Vdc*−Vin)を出力して直流コンデンサ105を放電する動作の一方あるいは双方ができなくなる期間が存在する。このため、短絡期間Tと開放期間Kを決める新たな位相θAと位相θBを決定する。
即ち、電圧Vsubは、短絡期間Tでは交流電源1の電圧Vinの大きさ以上であり、開放期間Kでは、平滑コンデンサ3の電圧Vdc(目標電圧Vdc*)と電圧Vinの大きさとの差分以上となる。
このため、制御回路10では、短絡期間Tで上記数式2を満たし、かつ開放期間Kで上記数式3を満たし、しかも、短絡期間Tと開放期間Kとコンバータ回路300がPWM制御する期間とを合わせた1周期(あるいは半周期、1/4周期)で、直流コンデンサ105の充放電量が0となるように位相θAと位相θBを決定する。この場合、以下の数式Dを満たすように位相θAと位相θBを決定する。
なお、電圧Vinが負極性の時は、インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aをオン状態にして半導体スイッチ素子101a、104aをオフ状態にして直流コンデンサ105を充電する。そして、コンバータ回路300では、半導体スイッチ素子304aをオンさせ、半導体スイッチ素子302aを用いてPWM制御により電流を制御して平滑コンデンサ3を充電する。
この場合、交流電源1のピーク電圧時を含む期間で、インバータ回路100が電圧(Vin−Vdc*)を出力して直流コンデンサ105を充電する動作ができなくなる期間が存在する。このため、開放期間Kの一端を決める新たな位相θBを決定し、それに伴って短絡期間Tを決める新たな位相θAを決定する。この場合、位相θAは開放期間Kの他端でもある。
即ち、電圧Vsubは、短絡期間Tでは交流電源1の電圧Vinの大きさ以上であり、開放期間Kでは、平滑コンデンサ3の電圧Vdc(目標電圧Vdc*)と電圧Vinの大きさとの差分以上となる。
このため、制御回路10では、短絡期間Tで上記数式2を満たし、かつ開放期間Kで上記数式3を満たし、しかも、短絡期間Tと開放期間Kとコンバータ回路300がPWM制御する期間とを合わせた1周期(あるいは半周期、1/4周期)で、直流コンデンサ105の充放電量が0となるように位相θAと位相θBを決定する。この場合、以下の数式Eを満たすように位相θAと位相θBを決定する。
なお、電圧Vinが負極性の時は、インバータ回路100では、半導体スイッチ素子102a、103aをオン状態にして半導体スイッチ素子101a、104aをオフ状態にして直流コンデンサ105を充電する。そして、コンバータ回路300では、半導体スイッチ素子304aをオンさせ、半導体スイッチ素子302aを用いてPWM制御により電流を制御して平滑コンデンサ3を充電する。
インバータ回路100の出力制御について以下に示す。図27は、制御回路10によるインバータ回路100の出力制御における制御ブロック図である。図27に示すように、インバータ回路100の基本の出力制御では、平滑コンデンサ3の直流電圧Vdcを目標電圧Vdc*に維持し、また交流電源1の力率が概1になるように電流Iinを制御する。
上記各実施の形態では、インバータ回路100は1つの単相インバータで構成されたものを示したが、複数個の単相インバータの交流側を直列接続してインバータ回路を構成しても良い。この場合、直列接続した複数の単相インバータの各直流コンデンサの電圧の総和を電圧Vsubと考え、電圧Vsubが上記3条件(数式4〜数式6)を満たすか否かで、インバータ回路による電流制御の交流電源全位相における成立可否を判定する。
そして、インバータ回路100による入力電流力率制御が成立しない期間がある場合には、インバータ回路の各直流コンデンサの充放電量が0になるように、短絡期間Tと開放期間Kを再設定する。そして、短絡期間Tと開放期間Kとではインバータ回路をPWM制御して電流制御を行い、それ以外の期間では、コンバータ回路300をPWM制御して電流制御を行うことで、インバータ回路100の直流コンデンサ105の直流電圧は一定に保たれ、また1周期を通して入力電流Iinの力率制御が継続され、入力電流Iinの力率は1に制御される。この場合、コンバータ回路300をPWM制御する間は、インバータ回路の各単相インバータの出力電圧は全て0とする。あるいは、上記実施の形態6を適用して、1以上の単相インバータの出力電圧を電源電圧Vinと逆極性にして動作させても良い。
この場合も、上記実施の形態1〜4および上記実施の形態6と同様の効果が得られる。さらに、力行/回生の双方向制御を行う電力変換装置にも適用でき、上記実施の形態5と同様の効果が得られる。
Claims (10)
- 複数の半導体スイッチ素子および直流コンデンサを有し、交流電源の第1の端子に直列接続されるインバータ回路と、
直流母線間に複数の半導体スイッチ素子を有し、一方の交流端子が上記インバータ回路に直列接続され、他方の交流端子が上記交流電源の第2の端子に接続され、上記直流母線間に直流電力を出力するコンバータ回路と、
上記直流母線間に接続され上記コンバータ回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
上記インバータ回路の上記直流コンデンサの電圧を設定された電圧指令値に追従させ、上記平滑コンデンサの電圧を目標電圧に追従させ、上記交流電源からの電流である入力電流の力率が1となるように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、
上記交流電源のゼロクロス位相を含む期間で上記コンバータ回路の上記交流端子間を継続的に短絡させて上記平滑コンデンサをバイパスさせる短絡期間と、上記コンバータ回路の直流出力を継続して上記平滑コンデンサに出力する開放期間とを有して上記インバータ回路の上記直流コンデンサの電圧を設定された電圧指令値に追従させると共に、上記短絡期間および上記開放期間において上記インバータ回路をPWM制御し、
上記直流コンデンサの電圧に応じて上記コンバータ回路をPWM制御する期間を設け、上記インバータ回路のPWM制御と上記コンバータ回路のPWM制御とを切り替えて上記入力電流の力率が1になるように制御する電力変換装置。 - 上記制御回路は、上記インバータ回路の上記直流コンデンサの電圧が、上記短絡期間では交流電源電圧の大きさ以上であり、上記開放期間では上記平滑コンデンサの電圧と上記交流電源電圧の大きさとの差分以上であるように、上記短絡期間および上記開放期間を決定する請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記コンバータ回路をPWM制御する期間に上記インバータ回路の交流側出力電圧を0に制御し、上記短絡期間と上記開放期間とを合わせて上記インバータ回路の上記直流コンデンサの充放電量をほぼ0にする請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記コンバータ回路をPWM制御する期間に、上記インバータ回路を上記交流電源電圧と逆極性の電圧を交流側に継続して出力させ、上記短絡期間、上記開放期間および上記コンバータ回路のPWM制御期間を合わせた1周期で、上記インバータ回路の上記直流コンデンサの充放電量をほぼ0にする請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサからの電力を上記交流電源に回生する回生機能を備え、該回生時には上記入力電流の力率が(−1)となるように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサからの電力を上記交流電源に回生する回生機能を備え、該回生時には上記入力電流の力率が(−1)となるように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する請求項3に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサからの電力を上記交流電源に回生する回生機能を備え、該回生時には上記入力電流の力率が(−1)となるように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する請求項4に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサへ電力を出力する力行時では、上記インバータ回路の上記直流コンデンサを上記短絡期間において充電し、上記平滑コンデンサからの電力回生時では、上記インバータ回路の上記直流コンデンサを上記短絡期間において放電するように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する請求項5に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサへ電力を出力する力行時では、上記インバータ回路の上記直流コンデンサを上記短絡期間において充電し、上記平滑コンデンサからの電力回生時では、上記インバータ回路の上記直流コンデンサを上記短絡期間において放電するように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する請求項6に記載の電力変換装置。
- 上記制御回路は、上記平滑コンデンサへ電力を出力する力行時では、上記インバータ回路の上記直流コンデンサを上記短絡期間において充電し、上記平滑コンデンサからの電力回生時では、上記インバータ回路の上記直流コンデンサを上記短絡期間において放電するように、上記インバータ回路および上記コンバータ回路を制御する請求項7に記載の電力変換装置。
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