JP6837576B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
(電力変換装置の構成)
図1を参照して、実施の形態1に係る電力変換装置100の構成について説明する。図1は、実施の形態1に係る電力変換装置100の構成を示すブロック図である。図1に示されるように、電力変換装置100は、第1端子P1と、第2端子P2と、第3端子P3と、第4端子P4と、インバータ1と、LCフィルタ2と、ローパスフィルタ3,4と、スイッチングモード切替器5と、PWM(Pulse Width Modulation)制御器6とを備える。
D*=0.5(m×sinωt+1)・・・式(1)
基準三角波Carrierは、0〜1の範囲を取る三角波であり、キャリア周期を有する。
次にスイッチングモード切替器5における基準信号Dpole*の位相の調整方法を説明する。スイッチングモード切替器5は、予め定められた周期T毎に基準信号Dpole*の位相を調整する。周期Tは、たとえば出力電圧指令値Vc*で示される交流の周期である。
図3は、位相調整部56の処理の流れを示すフローチャートである。まずステップS1において、位相調整部56は、Pq0に0、θ0に0、フラグに1を代入する。ここで、θ0=0のときに生成される基準信号Dpole*の位相(初期位相)は、上位の制御ユニットから受ける出力電圧指令値Vc*の位相と一致する。フラグは、前回の周期Tにおける調整量θ0の調整方向を示す。具体的には、フラグ=1は、前回の周期Tにおいて調整量θ0を正側に調整したことを示し、フラグ=0は、前回の周期Tにおいて調整量θ0を負側に調整したことを示す。
図4は、交流負荷8が抵抗負荷である場合の電力変換装置100の動作例を示す。図5は、図4における運転開始直後(図4のA部分)の拡大図である。図6は、図4における運転終了直前(図4のB部分)の拡大図である。図7は、交流負荷8が誘導性負荷である場合の電力変換装置100の動作例を示す。図8は、図7における運転開始直後(図7のA部分)の拡大図である。図9は、図7における運転終了直前(図7のB部分)の拡大図である。図10は、交流負荷8が整流器負荷である場合の電力変換装置100の動作例を示す。図11は、図10における運転開始直後(図10のA部分)の拡大図である。図12は、図10における運転終了直前(図10のB部分)の拡大図である。図4〜12において、1段目は電圧Vc(C電圧)を、2段目はリアクトル電流Iinvおよび負荷電流Iloadを、3段目は調整量θ0を、4段目は有効電力値Pおよび平方根値Pqを、5段目は電圧Vcの全高調波ひずみ率(Total Harmonic Distortion(THD))を示す。
以上のように、電力変換装置100は、第1端子P1,第2端子P2,第3端子P3および第4端子P4と、フルブリッジ回路FBと、リアクトルLと、スイッチングモード切替器5と、PWM制御器6とを備える。第1端子P1と第2端子P2とは、直流電源7の正極および負極にそれぞれ接続される。第3端子P3および第4端子P4は、交流電圧を出力する。フルブリッジ回路FBは、第1端子P1と第2端子P2との間に並列に接続される第1レグLG1および第2レグLG2を含む。リアクトルLは、第1レグLG1の上アームQ1と下アームQ2との第1接続点N1と第3端子P3との間に接続される。スイッチングモード切替器5は、フルブリッジ回路FBの動作モードを第1スイッチングモードおよび第2スイッチングモードのいずれかに切り替えるための基準信号Dpole*を生成する。PWM制御器6は、基準信号Dpole*に従って、フルブリッジ回路FBを第1スイッチングモードおよび第2スイッチングモードのいずれかで動作させる。第4端子P4は、第2レグLG2の上アームQ3と下アームQ4との第2接続点N2に接続される。第1スイッチングモードは、第1レグLG1の上アームQ1と第2レグLG2の下アームQ4とを同期してスイッチングし、第1レグLG1の下アームQ2と第2レグLG2の上アームQ3とを非導通とするモードである。第2スイッチングモードは、下アームQ2と上アームQ3とを同期してスイッチングし、上アームQ1と下アームQ4とを非導通とするモードである。スイッチングモード切替器5は、第3端子P3および第4端子P4から出力される無効電力が小さくなるように、基準信号Dpole*の位相を調整する。
図13を参照して、実施の形態2に係る電力変換装置について説明する。図13は、実施の形態2に係る電力変換装置が備えるスイッチングモード切替器5aの構成を示すブロック図である。実施の形態2に係る電力変換装置は、実施の形態1に係る電力変換装置100と比較して、スイッチングモード切替器5の代わりに図13に示すスイッチングモード切替器5aを備える点で相違する。その他の点は図1に示される電力変換装置100と同じであるので、以下ではそれらの説明については繰り返さない。なお、実施の形態2に係る電力変換装置は、図1に示す電流センサ11およびローパスフィルタ3を備えていなくてもよい。
スイッチングモード切替器5aは、予め定められた周期T毎に基準信号Dpole*の位相を調整する。周期Tは、たとえば出力電圧指令または出力電流指令で示される交流の周期である。図13に示されるように、スイッチングモード切替器5aは、ひずみ率測定器58と、位相調整部56aと、信号生成部57とを含む。スイッチングモード切替器5aの各部は、たとえば、処理演算の内容を記述したプログラムなどが記憶されたメモリと、当該プログラムを実行するプロセッサとにより構成される。
図14は、位相調整部56aの処理の流れを示すフローチャートである。位相調整部56aの処理は、図3に示す実施の形態1の位相調整部56の処理と比較して、ステップS1,S3,S4,S11の代わりにステップS21、S23,S24,S31をそれぞれ実行する点でのみ相違する。
図15は、交流負荷8が抵抗負荷である場合の電力変換装置の動作例を示す。図16は、図15における運転開始直後(図15のA部分)の拡大図である。図17は、図15における運転終了直前(図15のB部分)の拡大図である。図18は、交流負荷8が誘導性負荷である場合の電力変換装置の動作例を示す。図19は、図18における運転開始直後(図18のA部分)の拡大図である。図20は、図18における運転終了直前(図18のB部分)の拡大図である。図21は、交流負荷8が整流器負荷である場合の電力変換装置の動作例を示す。図22は、図21における運転開始直後(図21のA部分)の拡大図である。図23は、図21における運転終了直前(図21のB部分)の拡大図である。図15〜23において、1段目は電圧Vc(C電圧)の波形を、2段目はリアクトル電流Iinvおよび負荷電流Iloadを、3段目は調整量θ0を、4段目は有効電力値Pおよび平方根値Pqを、5段目は電圧Vcの全高調波ひずみ率を示す。
以上のように、スイッチングモード切替器5aは、一定時間ごとに、電圧Vcの全高調波ひずみ率を取得するとともに、基準信号Dpole*の位相を調整する。スイッチングモード切替器5aは、新たに取得した全高調波ひずみ率THD(FVc)が前回取得した全高調波ひずみ率THD0よりも小さい場合に、前回の調整方向と同じ方向に基準信号Dpole*の位相を調整する。スイッチングモード切替器5aは、新たに取得した全高調波ひずみ率THD(FVc)が前回取得した全高調波ひずみ率THD0よりも大きい場合に、前回の調整方向と反対の方向に基準信号Dpole*の位相を調整する。
上記の実施の形態1,2では、PWM制御器6は、出力電圧指令値Vc*に基づいてPWM信号Sa,Sbを生成した。しかしながら、PWM制御器6は、電圧制御回路61の代わりに、出力電流指令値を受けて通流率指令値D*を生成する電流制御回路を備えていてもよい。この場合、PWM制御器6は、出力電流指令値に基づいてPWM信号Sa,Sbを生成する。そして、スイッチングモード切替器5,5aは、出力電流指令値の位相を基準信号Dpole*の初期位相とし、基準信号Dpole*の位相の調整を開始すればよい。
Dpole*=(sin(ωt+θ0)/|sin(ωt+θ0)|)・・・式(3)
PWM制御器6は、基準信号Dpole*が1の場合にPWM信号Sbを0とし、基準信号Dpole*が−1の場合にPWM信号Saを0とする。
Claims (7)
- 直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置であって、
前記直流電源の正極および負極にそれぞれ接続される第1端子および第2端子と、
前記交流電圧を出力する第3端子および第4端子と、
前記第1端子と前記第2端子との間に並列に接続される第1レグおよび第2レグを含むフルブリッジ回路と、
前記第1レグの上アームと下アームとの第1接続点と前記第3端子との間に接続されるリアクトルと、
前記フルブリッジ回路の動作モードを第1スイッチングモードおよび第2スイッチングモードのいずれかに切り替えるための信号を生成するスイッチングモード切替器と、
前記信号に従って、前記フルブリッジ回路を前記第1スイッチングモードおよび前記第2スイッチングモードのいずれかで動作させるPWM制御器とを備え、
前記第4端子は、前記第2レグの上アームと下アームとの第2接続点に接続され、
前記第1スイッチングモードは、前記第1レグの上アームと前記第2レグの下アームとを同期してスイッチングし、前記第1レグの下アームと前記第2レグの上アームとを非導通とするモードであり、
前記第2スイッチングモードは、前記第1レグの下アームと前記第2レグの上アームとを同期してスイッチングし、前記第1レグの上アームと前記第2レグの下アームとを非導通とするモードであり、
前記スイッチングモード切替器は、前記第3端子および前記第4端子から出力される無効電力または前記交流電圧のひずみ率が小さくなるように、前記信号の位相を調整する、電力変換装置。 - 前記スイッチングモード切替器は、一定時間ごとに、前記無効電力と相関するパラメータ値を取得するとともに、前記信号の位相を調整し、
前記パラメータ値は、前記第3端子および前記第4端子から出力される有効電力値、前記交流電圧の実効値および前記リアクトルに流れる電流の実効値を用いて算出され、
前記無効電力が大きくなるにつれ前記パラメータ値が大きくなる場合、前記スイッチングモード切替器は、新たに取得したパラメータ値が前回取得したパラメータ値よりも小さいときに、前回の調整方向と同じ方向に前記信号の位相を調整し、新たに取得したパラメータ値が前回取得したパラメータ値よりも大きいときに、前回の調整方向と反対の方向に前記信号の位相を調整し、
前記無効電力が大きくなるにつれ前記パラメータ値が小さくなる場合、前記スイッチングモード切替器は、新たに取得したパラメータ値が前回取得したパラメータ値よりも大きいときに、前回の調整方向と同じ方向に前記信号の位相を調整し、新たに取得したパラメータ値が前回取得したパラメータ値よりも小さいときに、前回の調整方向と反対の方向に前記信号の位相を調整する、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記スイッチングモード切替器は、一定時間ごとに、前記交流電圧のひずみ率を取得するとともに、前記信号の位相を調整し、
前記スイッチングモード切替器は、新たに取得したひずみ率が前回取得したひずみ率よりも小さい場合に、前回の調整方向と同じ方向に前記信号の位相を調整し、新たに取得したひずみ率が前回取得したひずみ率よりも大きい場合に、前回の調整方向と反対の方向に前記信号の位相を調整する、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記PWM制御器は、出力電流指令に基づいて前記フルブリッジ回路の動作を制御し、
前記スイッチングモード切替器は、前記出力電流指令の位相を前記信号の初期位相として、前記信号の位相の調整を開始する、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PWM制御器は、出力電圧指令に基づいて前記フルブリッジ回路の動作を制御し、
前記スイッチングモード切替器は、前記出力電圧指令の位相を前記信号の初期位相として、前記信号の位相の調整を開始する、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記フルブリッジ回路の動作モードは、前記第1スイッチングモードおよび前記第2スイッチングモードに加えて、第3スイッチングモードを含み、
前記第3スイッチングモードは、前記第1レグの上アームと前記第1レグの下アームとを反転動作でスイッチングし、前記第2レグの上アームと前記第2レグの下アームとを反転動作でスイッチングするモードであり、
前記PWM制御器は、三角波と指令値との比較結果に応じてパルス幅を変調し、
前記スイッチングモード切替器は、前記フルブリッジ回路が前記第3スイッチングモードで動作したときの前記交流電圧または前記指令値と前記リアクトルに流れる電流との少なくとも一方に基づいて前記信号の初期位相を決定し、前記信号の位相の調整を開始する、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PWM制御器は、三角波と指令値との比較結果に応じてパルス幅を変調し、
前記スイッチングモード切替器は、前記交流電圧または前記指令値と前記リアクトルに流れる電流との少なくとも一方に基づいて前記信号の初期位相を決定し、前記信号の位相の調整を開始する、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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