JP6671545B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一対の入力端子と、
一対の入力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、
複数のコンデンサのそれぞれに並列に接続され、各コンデンサのコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出回路と、
複数のコンデンサの入力端子側の反対側に、複数のコンデンサと並列にそれぞれ接続された複数のインバータ回路と、
複数のインバータ回路のそれぞれの出力側に接続された複数の一次側巻き線、および複数の一次側巻き線と磁気結合した二次側巻き線を備えたトランスと、
トランスの二次側巻き線に接続された一対の出力端子と、
トランスからの出力電流および出力電圧の少なくとも一方を検出する出力検出器と、
複数のインバータ回路、コンデンサ電圧検出回路および出力検出器に接続された制御部を備えており、
制御部は、
出力電流および出力電圧の少なくとも一方に基づいて複数のインバータ回路の各インバータ回路の個別オンデューティーの合計である全オンデューティーを設定する、または直列に接続された複数のコンデンサの両端電圧の検出値であるリンク電圧検出値および直列に接続された複数のコンデンサの両端電圧の目標値であるリンク電圧目標値に基づいて全オンデューティーを設定すると共に、各コンデンサのコンデンサ電圧およびコンデンサ電圧の指令値並びに全オンデューティーに基づいて各インバータ回路の個別オンデューティーを設定する。
なお、図1において、制御器200と他の機器との接続関係の図示は、図が煩雑になることを避けるために省略している。
D1=T1/T、D2=T2/T、・・・Dn=Tn/T
D=D1+D2+・・・+Dn
図2は、本実施の形態に係るn=2とした電力変換装置の回路図である。また、図3は、n=2とした電力変換装置におけるスイッチング動作を示す図である。図3において、上の図はスイッチング素子SE11、SE12、SE13およびSE14のオン・オフ状態を表し、中央の図はSE21、SE22、SE23およびSE24のオン・オフ状態を表し、下の図は絶縁トランスTRの2次巻き線のトランス電圧(VTR)を表している。インバータ回路は、フルブリッジ構成のインバータ回路であり、4つのスイッチング素子のオン・オフにより正極性の電圧および負極性の電圧を出力することが可能である。
n=2とした電力変換装置では、1個目のバータ回路INV1と2個目のインバータ回路INV2とで1周期内を2分割し、180度位相をずらして動作させている。インバータ回路の数がn個ある電力変換装置では、1周期をn分割し、360度/n度位相をずらして動作させる。
図4は、定電力モードの制御チャートを示す図である。図20に示すように、制御器200は、リンク電圧検出値Vlinkとリンク電圧目標値Vlink *との差分を計算し、PI制御器に入力する。制御器200は、PI制御器の出力値と設計オンデューティーDrefとの和を取り、合計オンデューティーDが決定される。最後に制御器200は、算出された全インバータ回路の合計オンデューティーDに基づいて、各インバータ回路を制御する。
<定電流モード>
図5は、定電流モードの制御チャートを示す図である。図4に示すように、定電流モードでの出力電流目標値をIout *とし、出力検出器100で検出される出力電流検出値をIoutとすると、制御器200は、IoutとIout *との差分を計算し、その差分をPI制御器に入力する。さらに、制御器200は、あらかじめ定められた全インバータ回路の設計オンデューティーDrefとPI制御器出力との和を計算して、全インバータ回路の合計オンデューティーDを算出する。最後に制御器200は、算出された全インバータ回路の合計オンデューティーDに基づいて、各インバータ回路を制御する。
図6は、定電圧モードの制御チャートを示す図である。図5に示すように、定電圧モードでの出力電圧目標値をVout *とし、出力検出器100で検出される出力電圧検出値をVoutとすると、制御器200は、VoutとVout *との差分を計算し、その差分をPI制御器に入力する。さらに、制御器200は、あらかじめ定められた全インバータ回路の設計オンデューティーDrefとPI制御器出力との和を計算して、全インバータ回路の合計オンデューティーDを算出する。最後に制御器200は、算出された全インバータ回路の合計オンデューティーDに基づいて、各インバータ回路を制御する。
図7は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。リンク電圧目標値Vlink *をインバータ回路の個数の2で割った値を指令値とする。指令値とコンデンサC1の電圧検出値Vc1の差分がPI制御器に入力される。合計オンデューティーDをインバータ回路の個数の2で割った値と、PI制御器の出力との和を取り、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。指令値とコンデンサC2の電圧検出値Vc2との差分がPI制御器に入力される。合計オンデューティーDをインバータの個数の2で割った値と、PI制御器の出力との和を取り、2個目のインバータ回路のオンデューティーD2が決定される。
図8は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。リンク電圧検出値Vlinkをインバータ回路の個数の2で割った値を指令値とする。指令値とコンデンサC1の電圧検出値Vc1の差分がPI制御器に入力される。合計オンデューティーDをインバータ回路の個数の2で割った値と、PI制御器の出力との和を取り、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。指令値とコンデンサC2の電圧検出値Vc2との差分がPI制御器に入力される。合計オンデューティーDをインバータ回路の個数の2で割った値と、PI制御器の出力との和を取り、第2のインバータ回路のオンデューティーD2が決定される。
図9は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。リンク電圧目標値Vlink *をインバータ回路の個数の2で割った値を指令値とする。指令値とコンデンサC1の電圧検出値Vc1の差分がPI制御器に入力される。合計オンデューティーDをインバータ回路の個数の2で割った値と、PI制御器の出力との和を取り、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。2個目のインバータ回路のオンデューティーD2は、合計オンデューティーDから1個目のインバータ回路のオンデューティーD1を引くことで決定される。
図10は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。リンク電圧検出値Vlinkをインバータ回路の個数の2で割った値を指令値とする。指令値とコンデンサC1の電圧検出値Vc1の差分がPI制御器に入力される。合計オンデューティーDをインバータ回路の個数の2で割った値と、PI制御器の出力との和を取り、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。2個目のインバータ回路のオンデューティーD2は、合計オンデューティーから1個目のインバータ回路のオンデューティーを引くことで決定される。
図11は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。コンデンサC1の電圧検出値Vc1をリンク電圧目標値Vlink *で割り、その結果を合計オンデューティーDと積算し、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。コンデンサC2の電圧検出値Vc2をリンク電圧目標値Vlink *で割り、その結果が合計オンデューティーDと積算され、2個目のインバータ回路のオンデューティーD2が決定される。
図12は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。コンデンサC1の電圧検出値Vc1をリンク電圧検出値Vlinkで割り、その結果が合計オンデューティーDと積算され、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。コンデンサC2の電圧検出値Vc2をリンク電圧検出値Vlinkで割り、その結果が合計オンデューティーDと積算され、2個目のインバータ回路のオンデューティーD2が決定される。
図13は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。コンデンサC1の電圧検出値Vc1をリンク電圧目標値Vlink *で割り、その結果が合計オンデューティーDと積算され、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。合計オンデューティーDから1個目のインバータ回路のオンデューティーD1を引くことにより、2個目のインバータ回路のオンデューティーD2が決定される。
図14は、各インバータ回路のオンデューティーD1、D2の制御チャートを示す図である。コンデンサC1の電圧検出値Vc1をリンク電圧検出値Vlinkで割り、その結果が合計オンデューティーDと積算され、1個目のインバータ回路のオンデューティーD1が決定される。合計オンデューティーDから1個目のインバータ回路のオンデューティーD1を引くことにより、2個目のインバータ回路のオンデューティーD2が決定される。
図15は、このパターンでのスイッチング動作を示す図である。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11とSE14がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオンする。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11、SE14がターンオンする。そして上記動作を繰り返す。
図16は、このパターンでのスイッチング動作を示す図である。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11とSE14がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオンする。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11、SE14がターンオンする。そして上記動作を繰り返す。
図17は、このパターンでのスイッチング動作を示す図である。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11とSE14がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオンする。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11、SE14がターンオンする。そして上記動作を繰り返す。
図18は、このパターンでのスイッチング動作を示す図である。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11とSE14がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオンする。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11、SE14がターンオンする。そして上記動作を繰り返す。
図19は、このパターンでのスイッチング動作を示す図である。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11とSE14がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE22、SE23がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオンする。1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE12、SE13がターンオフ後、2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオンする。2個目のインバータ回路INV2のスイッチSE21、SE24がターンオフ後、1個目のインバータ回路INV1のスイッチSE11、SE14がターンオンする。そして上記動作を繰り返す。
実施の形態1の電力変換装置は、DC−ACコンバータであった。このDC−ACコンバータは、入力端子に接続される入力源が定電流源であれば、定電力モードでも駆動可能であった。しかし、実際には入力源が定電流源であることは限られている。実施の形態2の電力変換装置は、入力源として交流電圧源(以下、単に交流電源と呼ぶ)を用い、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路をさらに備えたもので、確実に定電力モードで駆動できる。
本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態1の電力変換装置と同様に定電力モードで制御することができる。実施の形態1の図4に示すように、制御器200は、リンク電圧検出値Vlinkとリンク電圧目標値Vlink *との差分を計算し、PI制御器に入力する。制御器200は、PI制御器の出力値と設計オンデューティーDrefとの和を取り、合計オンデューティーDが決定される。
また、実施の形態1と同様に、本実施の形態の電力変換装置は、定電流モードおよび定電圧モードでも駆動することができる。
図21は、実施の形態3に係る電力変換装置の回路図である。本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態2に示した電力変換装置の出力端子1cと1d絶縁トランスとの二次側巻き線との間に整流回路600および整流コンデンサ700を備えている。また、この電力変換装置は、出力検出器に替えて出力電流検出器800および出力電圧検出器900を備えている。したがって、本実施の形態の電力変換装置は、AC−DCコンバータである。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (10)
- 一対の入力端子と、
前記一対の入力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、
複数の前記コンデンサのそれぞれに並列に接続され、各コンデンサのコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出回路と、
複数の前記コンデンサの入力端子側と反対側に、複数の前記コンデンサと並列にそれぞれ接続された複数のインバータ回路と、
複数の前記インバータ回路のそれぞれの出力側に接続された複数の一次側巻き線、および前記複数の一次側巻き線と磁気結合した二次側巻き線を備えたトランスと、
前記トランスの二次側巻き線に接続された一対の出力端子と、
前記トランスからの出力電流および出力電圧の少なくとも一方を検出する出力検出器と、
複数の前記インバータ回路、前記コンデンサ電圧検出回路、および前記出力検出器に接続された制御部と
を備えた電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記出力電流および前記出力電圧の少なくとも一方に基づいて前記複数のインバータ回路の各インバータ回路の個別オンデューティーの合計である全オンデューティーを設定する、または前記直列に接続された複数のコンデンサの両端電圧の検出値であるリンク電圧検出値および前記直列に接続された複数のコンデンサの両端電圧の目標値であるリンク電圧目標値に基づいて前記全オンデューティーを設定すると共に、前記各コンデンサの前記コンデンサ電圧および前記コンデンサ電圧の指令値並びに前記全オンデューティーに基づいて前記各インバータ回路の個別オンデューティーを設定することを特徴とする電力変換装置。 - 前記直列に接続された複数のコンデンサの前記入力端子側に、前記直列に接続された複数のコンデンサと並列に接続されたコンバータ回路をさらに備え、
前記制御部は、前記コンバータ回路の入力電流を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記トランスの二次側巻き線と前記一対の出力端子との間に、整流回路および整流コンデンサをさらに備え、
前記出力検出器は、前記整流回路と一方の出力端子との間に直列に接続された出力電流検出器および
前記一対の出力端子間に接続された出力電圧検出器を備えた
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路は、複数のスイッチング素子を有し、正極性の電圧および負極性の電圧を出力するものであり、
前記制御部は、1つの周期において前記インバータ回路が正極性の電圧および負極性の電圧を1回ずつ出力するように前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、複数の前記インバータ回路のうち1つの前記インバータ回路が異なる極性の電圧を連続で出力したのち、他の前記インバータ回路が異なる極性の電圧を出力するように前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、複数の前記インバータ回路のすべてが一方の極性の電圧を連続で出力したのち、複数の前記インバータ回路のすべてが他方の極性の電圧を出力するように前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記トランスの二次側巻き線から出力される電力を定電流モードおよび定電圧モードの少なくとも一つのモードで制御する
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記出力電流および前記出力電圧の少なくとも一方を一定とするように、前記複数のインバータ回路の前記個別オンデューティーおよび前記全オンデューティーを設定する
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
複数の前記コンデンサの個別のコンデンサ電圧の値と複数の前記コンデンサのすべてのコンデンサ電圧の値の合計値を複数の前記コンデンサの個数で割った値との差分値、および前記全オンデューティーを複数の前記コンデンサの個数で割った値に基づいて、前記個別オンデューティーを設定する
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 一対の入力端子と、
前記一対の入力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、
複数の前記コンデンサのそれぞれに並列に接続され、各コンデンサのコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出回路と、
複数の前記コンデンサの入力端子側と反対側に、複数の前記コンデンサと並列にそれぞれ接続された複数のインバータ回路と、
複数の前記インバータ回路のそれぞれの出力側に接続された複数の一次側巻き線、および前記複数の一次側巻き線と磁気結合した二次側巻き線を備えたトランスと、
前記トランスの二次側巻き線に接続された一対の出力端子と、
前記トランスからの出力電流および出力電圧の少なくとも一方を検出する出力検出器と、
複数の前記インバータ回路、前記コンデンサ電圧検出回路、および前記出力検出器に接続された制御部と
を備えた電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記出力電流および前記出力電圧の少なくとも一方に基づいて前記複数のインバータ回路の各インバータ回路の個別オンデューティーの合計である全オンデューティーを設定する、または前記直列に接続された複数のコンデンサの両端電圧の検出値であるリンク電圧検出値および前記直列に接続された複数のコンデンサの両端電圧の目標値であるリンク電圧目標値に基づいて前記全オンデューティーを設定すると共に、前記各コンデンサの前記コンデンサ電圧および前記全オンデューティーに基づいて前記各インバータ回路の個別オンデューティーを設定し、
複数の前記コンデンサの個別のコンデンサ電圧の値を複数の前記コンデンサのすべてのコンデンサ電圧の値の合計値で割った値に前記全オンデューティーを乗算した値に基づいて、前記個別オンデューティーを設定することを特徴とする電力変換装置。
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