JP6869913B2

JP6869913B2 - 電力変換装置および制御方法

Info

Publication number: JP6869913B2
Application number: JP2018028863A
Authority: JP
Inventors: 福原　和也; 和也福原; 剛竹田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: JP2019146375A

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。特許文献１には、三相交流用の電力変換装置の構成を流用し、高周波の単相負荷にも対応できるようにした電力変換装置において、発生損失の小さい方のパルスを発生させるスイッチング素子アームが、スイッチング素子アームの設置場所のうちで、冷却が最も困難な場所に配置された電力変換装置が開示されている。

特開２０１４−７２９４１号公報

特許文献１には次のような課題がある。三相交流用の電力変換装置の構成を流用し、高周波の単相負荷にも対応できるようにした電力変換装置を周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電源が要求されるシステム、例えば非接触供給システム等に用いた場合、１サイクル中での各スイッチング素子それぞれのスイッチング周波数も１０ｋＨｚ以上となる。

このような高周波数でスイッチングを行った場合、近年、電力変換装置において多用されるＩＧＢＴ等の汎用スイッチング素子の発生損失による温度上昇はかなり高いものとなる。このような状況において、特許文献１に示された電力変換装置では、１サイクル中で、プラスとマイナス、それぞれ２つずつの電圧パルスを発生させている。スイッチング素子の発生損失によって、スイッチング素子は高温になり、スイッチング素子を構成する半導体の接合部温度が、許容値を超えた場合、正常な動作をすることができなくなる可能性がある。

本発明の目的は、高周波の単相負荷に対応できるようにした電力変換装置において、スイッチング素子の発生損失を減らした電力変換装置を提供することにある。

本発明の好ましい一例は、三相のスイッチング素子アームを有し、直流電力を交流電力に変換する逆変換部を備え、前記三相の前記スイッチング素子アームの内の二相分の前記スイッチング素子アームの出力を共通に接続して一方の交流出力端子とし、残りの一相分の前記スイッチング素子アームの出力を他方の交流出力端子とし、前記二相分の前記スイッチング素子アームのそれぞれで、一方と他方の各スイッチング素子を制御し、前記一方の交流出力端子と、前記他方の交流出力端子間に単相交流を発生させるように制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記一方の交流出力端子と前記他方の交流出力端子間に出力電圧パルスを複数サイクルにおいて発生させる場合に、前記二相分の前記スイッチング素子アームを構成する上アームの前記スイッチング素子と下アームの前記スイッチング素子は、１サイクルごとに、交互に、前記出力電圧パルスを発生させるように前記制御装置が制御する電力変換装置である。

本発明によれば、スイッチング素子の発生損失を抑制することができる。

実施例１における電力変換装置を用いた非接触供給システムの構成図の例である。実施例１におけるインバータ回路部の構成図の例である。実施例１における電力変換装置の制御動作のタイミング及び出力波形を示した図の例である。

以下、実施例について、図面を用いて詳細に説明をする。

本実施例では、電力変換装置を用いて高周波の単相負荷へ非接触にて電力を供給する非接触供給システムの例を説明する。図１は、交流電源１００と電力変換装置１１０と高周波の単相負荷１２０から成る非接触供給システムの構成図の例である。交流電源１００は、通常電力会社などから供給される商用三相交流電源などでありコンバータ回路１１１へ接続されている。

コンバータ回路１１１は、例えば、ダイオードを用いた三相ブリッジ型の整流回路で構成されており、交流電源１００より供給された交流電力を直流に変換する働きをしている。その直流に変換した電力は、平滑コンデンサ１１２を通すことにより平滑化し、インバータ回路１１３へ入力する。インバータ回路１１３は、制御装置１１４から入力されるスイッチング信号により動作し、供給されてくる直流の電力を、所定の電流で所定の高周波、例えば１０ｋＨｚの単相交流電力に変換し給電線用の導電路１２１へ出力する。

従って、インバータ回路１１３は、逆変換部の主回路となるものであり、平滑コンデンサ１１２によって平滑化された直流電力の正極側Ｐに接続された３個のスイッチング素子Ｕ、スイッチング素子Ｖ、スイッチング素子Ｗと、負極側Ｎに接続された３個のスイッチング素子Ｘ、スイッチング素子Ｙ、スイッチング素子Ｚの計６個のスイッチング素子で構成されている。そして、この例では、各スイッチング素子としてＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)を用いた場合を示しており、これには夫々にフライホイールダイオードが逆並列接続されている。

ところで、このようなインバータの主回路では、直流の正極側のスイッチング素子を上アームと呼び、負極側のスイッチング素子を下アームと呼ぶ。上アームのスイッチング素子Ｕと下アームのスイッチング素子Ｘが、Ｕ-Ｘ相の１相分のスイッチング素子アームとなる。また、上アームのスイッチング素子Ｖと、下アームのスイッチング素子Ｙが、Ｖ-Ｙ相の１相分のスイッチング素子アームとなる。また、上アームのスイッチング素子Ｗと下アームのスイッチング素子Ｚが、Ｗ-Ｚ相の１相分のスイッチング素子アームとなる。全体で、Ｕ-Ｘ相とＶ-Ｙ相とＷ-Ｚ相の三相分のスイッチング素子アームを形成している。

三相交流用の電力変換装置では、このような三相分のスイッチング素子アームの出力により三相交流電圧を得るが、本実施例による電力変換装置１１０のインバータ回路１１３では、まず、三相分のスイッチング素子アームの内の、二相分のスイッチング素子アーム、すなわち、Ｕ-Ｘ相のスイッチング素子アームとＶ-Ｙ相のスイッチング素子アームの出力Ｒ、Ｓを共通に接続する。この出力Ｒ、Ｓを共通に接続した端子を、インバータ回路１１３の一方の交流出力端子Ａとする。そして、残りの一相分のスイッチング素子アームであるＷ-Ｚ相の出力Ｔを、他方の交流出力端子Ｂとして取り出すようになっており、これにより単相出力の電力変換装置が、構成されるようにしている。

高周波の単相負荷１２０は、交流出力端子Ａと交流出力端子Ｂより供給される高周波の単相電流を流す給電線用の導電路１２１と、例えば、１台以上の移動台車１２２、移動台車１２３、…とで構成されている。

ここで、これらの移動台車１２２、移動台車１２３、…は、例えば、クリーンルーム内で使用される物体運搬車のことで、導電路１２１から非接触で電力の供給を受け、走行用のモータを駆動して移動するようになっている。導電路１２１は、移動台車１２２、移動台車１２３、…の移動経路に沿って往復する２本の線路である。これに、移動台車１２２、移動台車１２３、…に搭載してある２次巻線だけを有する、鉄心の１部を除いて開放閉路型とした変圧器を組み合わせ、導電路１２１を１次巻線として移動台車１２２、移動台車１２３、…で電力が非接触で受け取れるようにしてある。

次に、本実施例の電力変換装置のインバータ回路１１３の構造上の配置を、図２を用いて説明する。インバータ回路１１３は、冷却フィン２００と、冷却フィン２００上に配置してある、Ｕ相のスイッチング素子部２１１と、Ｖ相のスイッチング素子部２１２と、Ｗ相のスイッチング素子部２１３と、Ｘ相のスイッチング素子部２１４と、Ｙ相のスイッチング素子部２１５と、Ｚ相のスイッチング素子部２１６とで構成されている。

この夫々のスイッチング素子部は、内部で各スイッチング素子としてＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)を用いており、これには夫々にフライホイールダイオードが逆並列接続された構成となっている。また、これらのスイッチング素子部２１１、スイッチング素子部２１２、…スイッチング素子部２１６は、夫々がインバータ回路１１３の構成を成すように銅バーや、電線等で接続されており、さらに電力変換装置１１０の構成を成すように、図１の平滑コンデンサ１１２や、交流出力端子Ａ、交流出力端子Ｂとも銅バーや電線等で接続されている。このことは、図２では省略している。

このときＶ-Ｙ相のスイッチング素子部であるスイッチング素子部２１２、スイッチング素子部２１５は、左右に配置されたＵ-Ｘ相のスイッチング素子部２１１、スイッチング素子部２１４、及び、Ｗ-Ｚ相のスイッチング素子部２１３、スイッチング素子部２１６の発熱の煽りを受ける為、冷却が最も困難となる。そこで、スイッチング素子の発生損失を少なくする配慮が必要となる。

次に、実施例１における電力変換装置１１０内の制御装置１１４について説明する。制御装置１１４はマイコンなどを搭載した回路基板で構成しており、インバータ回路１１３の上アームのＵ相と上アームＶ相のスイッチング素子と、下アームのＸ相と下アームＹ相のスイッチング素子にオン制御信号を供給する働きをする。なお、残りのＷ相とＺ相のスイッチング素子に対するオン制御信号の供給については図示が省略されている。

具体的には、負荷１２０に流れる電流iを、電流検出器ＣＴにより検出し、この検出結果から出力電流iが、外部から制御装置１１４に提供される出力電流指令値に、一致するように制御装置１１４にてＵ相、Ｖ相、Ｘ相、Ｙ相の各スイッチング素子のオン時間Ｔ２、Ｔ５、Ｔ８、Ｔ１１を独立して制御する。これにより交流出力端子Ａと交流出力端子Ｂ間に１サイクル中でプラス側及びマイナス側に１パルスずつの電圧を発生させ、導電路１２１に流れる電流を制御することができる。

例えば、移動台車１２２、移動台車１２３…の実稼働台数が少なく、出力電流指令値が、小さな値に設定されていた場合は、これらのパルス幅の内、各アームのパルス幅、例えばパルス幅Ｔ２、Ｔ５を短くするような制御が行われる。この場合、スイッチング素子全体の発生損失は小さい状態となる。

また、反対に、例えば移動台車１２２、移動台車１２３…の実稼働台数が多く、出力電流指令値が、大きな値に設定されていた場合は、パルス幅Ｔ８、Ｔ１１を長くするような制御が行われる。この場合、スイッチング素子全体の発生損失は大きい状態となる。

次に、制御装置１１４から出力する信号により行われるインバータ回路１１３の制御動作におけるパルスを発生させるスイッチング素子の発生損失について図３のタイミングチャートにより説明する。Ｔは、交流出力端子Ａと交流出力端子Ｂ間に発生させるべき単相交流の２サイクルの期間を表わし、Ｔ＝Ｔ１３＋Ｔ１４の各１サイクル期間ずつで構成される。

したがって、出力される単相交流電圧の周波数をｆとすれば、Ｔ１３＝Ｔ１４＝１／ｆとなる。そして、まず、この１サイクル期間Ｔ１３の半分のサイクル期間であるＴ１３／２中には、下アームのＺ相のスイッチング素子をオン(導通)制御させると共に、上アームではＵ相のスイッチング素子をオン制御させることにより電力変換装置の出力に、プラス側のパルスを発生させる。

次に、残り半分のサイクル期間であるＴ１３／２中には、上アームのＷ相のスイッチング素子を、同じくオン制御すると共に、下アームではＸ相のスイッチング素子をオン制御させることにより電力変換装置の出力に、マイナス側のパルスを発生させる。これにより交流出力端子Ａと交流出力端子Ｂ間に周波数ｆの単相交流電圧が発生されるように制御する。

そして、次のサイクル期間Ｔ１４では、この１サイクル期間Ｔ１４の半分のサイクル期間であるＴ１４／２中には、下アームのＺ相のスイッチング素子を、オン(導通)制御させると共に、上アームではＶ相のスイッチング素子を、オン制御させることにより電力変換装置の出力に、プラス側のパルスを発生させる。次に、残り半分のサイクル期間であるＴ１４／２中には、上アームのＷ相のスイッチング素子を、同じくオン制御すると共に、下アームでは、Ｙ相のスイッチング素子をオン制御させることにより電力変換装置の出力にマイナス側のパルスを発生させる。実施例１では、二相分の前記スイッチング素子アームを構成する上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子は、１サイクルごとに、交互に、前記出力電圧パルスを発生させるように制御されている。そのため、１サイクル中で、プラス側とマイナス側、それぞれ１つずつの電圧パルスを発生させているので、従来技術に比べて、スイッチング素子の発生損失を低減できる。

これにより、Ｔ１３期間と同じく交流出力端子Ａと交流出力端子Ｂ間に周波数ｆの単相交流電圧が発生されるように制御する。なお、このようなインバータ主回路の制御には、通例、スイッチング素子の動作にデッドタイムを設けるのが一般的である。図３では、例えば、スイッチング素子Ｗとスイッチング素子Ｚは、いずれかがオンとなっている。切り替え時に両方のスイッチング素子がオンになる期間が生じないように、デッドタイムという期間を設けている。デッドタイムは、両方のスイッチング素子がオフとなる期間であるため短絡を生じないようにできる。図３に示すスイッチングパターンで、スイッチング素子Ｕ、スイッチング素子Ｖ、スイッチング素子Ｗ、スイッチング素子Ｘ、スイッチング素子Ｙ、スイッチング素子Ｚが、スイッチングを繰り返すことにより、夫々のスイッチング素子は損失を発生し温度上昇することとなる。

ところで、スイッチング素子の損失は定常損失及びスイッチング損失に分けられ、さらに、スイッチング損失は、ターンオン損失とターンオフ損失に分けられる。このいずれの損失も、図３における出力電圧パルス及び出力電流iに依存する。

図３のＶ_ＰＮは、インバータ回路１１３の上アームＵ相、または上アームＶ相がオンした際に、図１の交流出力端子Ａと、交流出力端子Ｂに発生するパルスの波高値であり、−Ｖ_ＰＮは、インバータ回路１１３の下アームＸ相、または下アームＹ相がオンした際に、図１の交流出力端子Ａと、交流出力端子Ｂに発生するパルスの波高値である。

図３の出力電流i６１は、プラス側パルス立ち上がり時の出力電流の瞬時値を示しており、出力電流i６２は、プラス側パルス立ち下がり時の出力電流の瞬時値を示している。出力電流は、還流期間Ｔ３により減少する。
図２において述べたとおり、スイッチング素子Ｖ、スイッチング素子Ｙは、左右のスイッチング素子Ｕ、スイッチング素子Ｘ及びスイッチング素子Ｗ、スイッチング素子Ｚの発熱の煽りを受ける為、冷却が最も困難となる。そこで、実施例１における電力変換装置１１０では、前述の通りスイッチング素子Ｕとスイッチング素子Ｖ、スイッチング素子Ｘとスイッチング素子Ｙを、各サイクル毎に、切り替えてオンさせることで、スイッチング素子Ｖ、スイッチング素子Ｙの局所的過熱を抑え冷却効率を高めることが可能となる。

図３では、Ｔ１３期間において、スイッチング素子Ｕおよびスイッチング素子Ｘをオンとし、Ｔ１４期間において、スイッチング素子スイッチング素子Ｖおよびスイッチング素子Ｙをオンとしていたが、これに限らない。例えば、Ｔ１３期間において、スイッチング素子Ｕおよびスイッチング素子Ｙをオンとし、Ｔ１４期間において、スイッチング素子スイッチング素子Ｖおよびスイッチング素子Ｘをオンとしてもよい。このようなタイミングで、スイッチング素子を制御することで、冷却が最も困難となるスイッチング素子Ｖ、スイッチング素子Ｙは、１サイクル中に、片方の素子のみがオンとなるので、温度上昇を抑えることができる。

１１０…電力変換装置、１１１…コンバータ回路、１１２…平滑コンデンサ、１１３…インバータ回路、１１４…制御装置

Claims

三相のスイッチング素子アームを有し、直流電力を交流電力に変換する逆変換部を備え、前記三相の前記スイッチング素子アームの内の二相分の前記スイッチング素子アームの出力を共通に接続して一方の交流出力端子とし、残りの一相分の前記スイッチング素子アームの出力を他方の交流出力端子とし、前記二相分の前記スイッチング素子アームのそれぞれで、一方と他方の各スイッチング素子を制御し、前記一方の交流出力端子と、前記他方の交流出力端子間に単相交流を発生させるように制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記一方の交流出力端子と前記他方の交流出力端子間に出力電圧パルスを複数サイクルにおいて発生させる場合に、前記二相分の前記スイッチング素子アームを構成する上アームの前記スイッチング素子と下アームの前記スイッチング素子は、１サイクルごとに、交互に、前記出力電圧パルスを発生させるように前記制御装置が制御することを特徴とした電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、前記二相分の前記スイッチング素子アームの設置場所のうちで、冷却が最も困難な場所に配置された第１のスイッチング素子アームと、前記第１のスイッチング素子アーム以外の第２のスイッチング素子アームとで前記１サイクルごとに、交互に、前記出力電圧パルスを発生させるように前記制御装置が制御することを特徴とした電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、前記第１のスイッチング素子アームのうち、前記上アームの前記スイッチング素子は、第１のスイッチング素子であり、前記下アームの前記スイッチング素子は、第２のスイッチング素子であり、
前記第２のスイッチング素子アームのうちで、前記上アームの前記スイッチング素子は、第３のスイッチング素子であり、前記下アームの前記スイッチング素子は、第４のスイッチング素子であり、
第１のサイクルでは、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とがオンとなり、第２のサイクルでは、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とがオンとなるように、前記制御装置が制御することを特徴とした電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、残りの一相分の前記スイッチング素子アームのうちで、前記上アームの前記スイッチング素子は、第５のスイッチング素子であり、前記下アームの前記スイッチング素子は、第６のスイッチング素子であり、
前記第１のサイクルで、前記第１のスイッチング素子がオンの際に、前記第６のスイッチング素子がオンとなり、
前記第２のスイッチング素子がオンの際に、前記第５のスイッチング素子がオンとなり、
前記第２のサイクルで、前記第３のスイッチング素子がオンの際に、前記第６のスイッチング素子がオンとなり、前記第４のスイッチング素子がオンの際に、前記第５のスイッチング素子がオンとなるように、前記制御装置が制御することを特徴とした電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、冷却が最も困難な場所に配置された第１のスイッチング素子アームのうち、前記上アームの前記スイッチング素子は、第１のスイッチング素子であり、前記下アームの前記スイッチング素子は、第２のスイッチング素子であり、
前記第１のスイッチング素子アーム以外の第２のスイッチング素子アームのうちで、前記上アームの前記スイッチング素子は、第３のスイッチング素子であり、前記下アームの前記スイッチング素子は、第４のスイッチング素子であり、
第１のサイクルでは、前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とがオンとなり、
第２のサイクルでは、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子とがオンとなるように、前記制御装置が制御することを特徴とした電力変換装置。
三相のスイッチング素子アームを有し、直流電力を交流電力に変換する逆変換器を備え、前記三相のスイッチング素子アームの内の二相分のスイッチング素子アームの出力を共通に接続して一方の交流出力端子とし、残りの一相分のスイッチング素子アームの出力を他方の交流出力端子とし、
前記二相分のスイッチング素子アームのそれぞれで、一方と他方の各スイッチング素子を制御し、前記一方の交流出力端子と、前記他方の交流出力端子間に、出力電圧パルスを発生させるように制御する制御装置を備えた電力変換装置の制御方法であって、
前記制御装置は、
１サイクルにおいて、前記二相分のスイッチング素子アームのうち上アームを構成する前記一方のスイッチング素子をオンとし、前記他方のスイッチング素子をオンとしない制御をした場合には、残りの一相分のスイッチング素子アームのうち、下アームを構成するスイッチング素子をオンとし、
前記二相分のスイッチング素子アームのうち前記下アームを構成する前記一方のスイッチング素子をオンとし、前記他方のスイッチング素子をオンとしない制御をした場合には、残りの一相分のスイッチング素子アームのうち、前記上アームを構成するスイッチング素子をオンとするように制御をすることを特徴とした電力変換装置の制御方法。