JP7278996B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、交流電圧を直流電圧に一旦変換し、その直流電圧を交流電圧に変換して負荷に供給する電力変換装置に関する。

たとえば特許文献１には、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電圧を平滑化するコンデンサと、コンデンサの端子間電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータと、コンデンサの端子間電圧が参照電圧になるようにコンバータを制御する第１の制御回路と、負荷電流が電流指令値になるようにインバータを制御する第２の制御回路とを備えた電力変換装置が開示されている。

特開２００７－２１５３６５号公報

従来の電力変換装置では、コンデンサの端子間電圧を所定の値に維持するためには、インバータの出力電力が増大した際に、それに合わせてコンバータの出力電力を増大させる必要があった。したがって、コンバータの出力電力を装置能力の限界値とした場合には、インバータの出力電力が増大すると、コンデンサの端子間電圧が下限値より低下して装置の運転が停止するので、コンバータの出力電力を装置能力の限界値とすることができなかった。

したがって、従来の電力変換装置では、コンバータの定常的な出力電力の上限値は、コンバータの制御余裕だけコンバータの出力電力の最大値より小さな値に設定され、コンバータの装置能力を限界まで使用することができないという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、コンバータの出力電力を最大値に維持することが可能な電力変換装置を提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電圧を平滑化するコンデンサと、コンデンサの端子間電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータと、コンデンサの端子間電圧が参照電圧になるように第１の電流指令値を生成し、第１の電流指令値を最大値以下に制限して第２の電流指令値を生成し、交流電源からコンバータに流れる交流電流が第２の電流指令値に応じた値になるようにコンバータを制御する第１の制御回路と、負荷電流を指令する第３の電流指令値を生成し、第１および第２の電流指令値の差に応じた値だけ第３の電流指令値を減少させて第４の電流指令値を生成し、負荷電流が第４の電流指令値になるようにインバータを制御する第２の制御回路とを備えたものである。

この発明に係る電力変換装置では、たとえば交流電源から供給される交流電圧が低下して第１の電流指令値が増大し、第１の電流指令値が最大値を超過した場合には、第２の電流指令値を最大値に制限してコンバータの出力電力を最大値に維持するとともに、第１および第２の電流指令値の差に応じた値だけ第３の電流指令値を減少させてインバータの出力電力を減少させる。これにより、コンデンサの端子間電圧が参照電圧になるように制御しつつ、コンバータの出力電力を最大値に維持することができる。

実施の形態による電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す制御装置のうちのコンバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。 図２に示す電流制御部の構成を示すブロック図である。 図１に示す制御装置のうちのインバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。 図４に示す電流制御部の構成を示すブロック図である。 図１～図５に示す電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態の比較例を示すブロック図である。 図７で示す電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。

図１は、実施の形態による電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１において、この電力変換装置は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、変圧器１、電流検出器２，５、コンバータ３、直流ラインＬ１，Ｌ２、コンデンサＣ１、インバータ４、および制御装置６を備える。

入力端子Ｔ１は、交流電源７から供給される交流電圧Ｖｉを受ける。出力端子Ｔ２は、負荷８に接続される。負荷８は、電力変換装置から供給される交流電圧によって駆動される。変圧器１の一次巻線は入力端子Ｔ１に接続され、その二次巻線はコンバータ３の交流ノード３ａに接続される。変圧器１は、交流電源７から供給される交流電圧Ｖｉをコンバータ３の交流ノード３ａに伝達する。

交流電源７から供給される交流電圧Ｖｉの瞬時値は、制御装置６によって検出される。電流検出器２は、変圧器１の二次巻線とコンバータ３の交流ノード３ａとの間に流れる電流Ｉｉを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｆを制御装置６に出力する。

コンバータ３の正側直流ノード３ｂは、直流ラインＬ１を介してインバータ４の正側直流ノード４ａに接続される。コンバータ３の負側直流ノード３ｃは、直流ラインＬ２を介してインバータ４の負側直流ノード４ｂに接続される。

コンデンサＣ１は、直流ラインＬ１，Ｌ２間に接続され、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣを平滑化させる。直流電圧ＶＤＣは、制御装置６によって検出される。コンバータ３は、制御装置６によって制御され、交流電源７から変圧器１を介して供給される交流電圧Ｖｉを直流電圧ＶＤＣに変換する。

インバータ４の交流ノード４ｃは、出力端子Ｔ２に接続される。出力端子Ｔ２に現れる交流電圧Ｖｏの瞬時値は、制御装置６によって検出される。電流検出器５は、インバータ４の交流ノード４ｃと出力端子Ｔ２との間に流れる電流Ｉｏを検出し、その検出値を示す信号Ｉｏｆを制御装置６に出力する。

インバータ４は、制御装置６によって制御され、コンデンサＣ１の端子間電圧ＶＤＣを所望の周波数の交流電圧Ｖｏに変換して負荷８に供給する。制御装置６は、交流入力電圧Ｖｉ、交流入力電流Ｉｉ、直流電圧ＶＤＣ、交流出力電圧Ｖｏ、交流出力電流Ｉｏ（負荷電流）に基づいて、コンバータ３およびインバータ４を制御する。

図２は、制御装置６のうちのコンバータ３の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図２において、制御装置６は制御回路１０（第１の制御回路）を含み、制御回路１０は、参照電圧発生部１１、電圧検出器１２，１７、減算器１３、直流電圧制御部１４、リミッタ１５、無効電流指令部１６、電流制御部１８、およびＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部１９を含む。

参照電圧発生部１１は、直流電圧ＶＤＣの目標電圧である参照電圧ＶＤＣｒを生成する。電圧検出器１２は、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣを検出し、検出値を示す信号ＶＤＣｆを出力する。減算器１３は、参照電圧ＶＤＣｒと電圧検出器１２の出力信号ＶＤＣｆによって示される直流電圧ＶＤＣとの偏差ΔＶＤＣ＝ＶＤＣｒ－ＶＤＣを求める。

直流電圧制御部１４は、直流電圧ＶＤＣが参照電圧ＶＤＣｒになって偏差ΔＶＤＣが０になるように有効電流指令値Ｉｉｃ（第１の電流指令値）を生成する。直流電圧制御部１４は、たとえば、偏差ΔＶＤＣに比例する値と、偏差ΔＶＤＣの積分値に比例する値とを加算して有効電流指令値Ｉｉｃを求める。

リミッタ１５は、直流電圧制御部１４からの有効電流指令値Ｉｉｃを最大値Ｉmax以下に制限して有効電流指令値ＩｉｃＬ（第２の電流指令値）を生成する。有効電流指令値Ｉｉｃが最大値Ｉmaxを超えると、コンバータ３の装置能力の限界値を超え、コンバータ３が破損する恐れがある。Ｉｉｃ≦Ｉmaxである場合は、ＩｉｃがそのままＩｉｃＬとなる。Ｉｉｃ＞Ｉmaxである場合は、ＩmaxがＩｉｃＬとなる。Ｉｉｃ，ＩｉｃＬは、インバータ４の制御にも使用される。これについては後述する。

無効電流指令部１６は、所望の無効電流指令値ＩｉｃＱを生成する。電圧検出器１７は、交流電源７から供給される交流入力電圧Ｖｉの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｖｉｆを出力する。電流制御部１８は、リミッタ１５によって生成された有効電流指令値ＩｉｃＬと、無効電流指令部１６によって生成される無効電流指令値ＩｉｃＱと、電流検出器２の出力信号Ｉｉｆによって示される交流入力電流Ｉｉと、電圧検出器１７の出力信号Ｖｉｆによって示される交流入力電圧Ｖｉとに基づいて、正弦波状の電圧指令値Ｖｉｃを生成する。

図３は、電流制御部１８の構成を示すブロック図である。図３において、電流制御部１８は、減算器２１，２２、演算制御部２３、逆ｄｑ変換部２４、加算器２５、正弦波発生器２６、およびｄｑ変換部２７を含む。正弦波発生器２６は、電圧検出器１７の出力信号Ｖｉｆによって示される交流入力電圧Ｖｉと同位相の正弦波信号cosθi，sinθiを生成する。ｄｑ変換部２７は、正弦波信号cosθi，sinθiを使用し、電流検出器２の出力信号Ｉｉｆをｄｑ変換して有効電流検出値ＩｉｆＰおよび無効電流検出値ＩｉｆＱを生成する。

減算器２１は、有効電流指令値ＩｉｃＬと有効電流検出値ＩｉｆＰとの偏差ΔＩｉＰ＝ＩｉｃＬ－ＩｉｆＰを求める。減算器２２は、無効電流指令値ＩｉｃＱと無効電流検出値ＩｉｆＱとの偏差ΔＩｉＱ＝ＩｉｃＱ－ＩｉｆＱを求める。演算制御部２３は、有効電流検出値ＩｉｆＰが有効電流指令値ＩｉｃＬになって偏差ΔＩｉＰが０になるように有効電圧指令値ＶｉＰを生成するとともに、無効電流検出値ＩｉｆＱが無効電流指令値ＩｉｃＱになって偏差ΔＩｉＱが０になるように無効電圧指令値ＶｉＱを生成する。

演算制御部２３は、たとえば、偏差ΔＩｉＰに比例する値と、偏差ΔＩｉＰの積分値に比例する値とを加算して有効電圧指令値ＶｉＰを求めるとともに、偏差ΔＩｉＱに比例する値と、偏差ΔＩｉＱの積分値に比例する値とを加算して無効電圧指令値ＶｉＱを求める。逆ｄｑ変換部２４は、正弦波信号cosθi，sinθiを使用し、有効電圧指令値ＶｉＰおよび無効電圧指令値ＶｉＱを逆ｄｑ変換して電圧指令値Ｖｉ^*を生成する。加算器２５は、逆ｄｑ変換部２４によって生成された電圧指令値Ｖｉ^＊と、電圧検出器１７の出力信号Ｖｉｆによって示される交流入力電圧Ｖｉとを加算して電圧指令値Ｖｉｃを生成する。

図２に戻って、ＰＷＭ制御部１９は、たとえば、電圧指令値Ｖｉｃと三角波信号とを比較してＰＷＭ制御信号φ１９を生成し、コンバータ３に与える。コンバータ３は、ＰＷＭ制御信号φ１９によって駆動され、交流電圧Ｖｉを直流電圧ＶＤＣに変換する。

図４は、制御装置６のうちのインバータ４の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図４において、制御装置６は制御回路３０（第２の制御回路）を含み、制御回路３０は、有効電流指令部３１、減算器３２，３４、補償器３３、無効電流指令部３５、電流制御部３６、およびＰＷＭ制御部３７を含む。

有効電流指令部３１は、負荷８に応じて所望の有効電流指令値Ｉｏｃ１を生成する。減算器３２は、制御回路１０から電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬ（図２）を受け、電流指令値Ｉｉｃと電流指令値ＩｉｃＬの差ΔＩｉｃ＝Ｉｉｃ－ＩｉｃＬを求める。Ｉｉｃ≦Ｉmaxである場合は、Ｉｉｃ＝ＩｉｃＬであるので、ΔＩｉｃ＝０である。Ｉｉｃ＞Ｉmaxである場合は、ＩmaxがＩｉｃＬとなるので、ΔＩｉｃ＝Ｉｉｃ－Ｉmax＞０となる。

補償器３３は、コンバータ３の電流制御応答とインバータ４の電流制御応答の差に応じて設定された伝達関数に従って、入力信号ΔＩｉｃを出力信号Ｉｏｃ２に変換する。たとえば、コンバータ３の電流制御応答とインバータ４の電流制御応答にほとんど差が無い場合は入力信号ΔＩｉｃをそのまま出力信号Ｉｏｃ２として使用することができる。

減算器３４は、有効電流指令部３１によって生成された有効電流指令値Ｉｏｃ１から、補償器３３によって生成された電流指令値Ｉｏｃ２を減算して、有効電流指令値Ｉｏｃ３（第４の電流指令値）を生成する。減算器３２，３４および補償器３３は、有効電指令値Ｉｏｃ１を補正する補正部を構成する。

無効電流指令部３５は、負荷８に応じて所望の無効電流指令値ＩｏｃＱを生成する。電流制御部３６は、減算器３４からの有効電流指令値Ｉｏｃ３と、無効電流指令部３５によって生成される無効電流指令値ＩｏｃＱと、電流検出器５の出力信号Ｉｏｆによって示される交流出力電流Ｉｏとに基づいて、正弦波状の電圧指令値Ｖｏｃを生成する。

図５は、電流制御部３６の構成を示すブロック図である。図５において、電流制御部３６は、減算器４１，４２、演算制御部４３、逆ｄｑ変換部４４、加算器４５、正弦波発生器４６、およびｄｑ変換部４７を含む。正弦波発生器４６は、所望の周波数の正弦波信号cosθo，sinθoを生成する。ｄｑ変換部４７は、正弦波信号cosθo，sinθoを使用し、電流検出器５の出力信号Ｉｏｆをｄｑ変換して有効電流検出値ＩｏｆＰおよび無効電流検出値ＩｏｆＱを生成する。

減算器４１は、有効電流指令値Ｉｏｃ３と有効電流検出値ＩｏｆＰとの偏差ΔＩｏＰ＝Ｉｏｃ３－ＩｏｆＰを求める。減算器４２は、無効電流指令値ＩｏｃＱと無効電流検出値ＩｏｆＱとの偏差ΔＩｏＱ＝ＩｏｃＱ－ＩｏｆＱを求める。演算制御部４３は、有効電流検出値ＩｏｆＰが有効電流指令値Ｉｏｃ３になって偏差ΔＩｏＰが０になるように有効電圧指令値ＶｏＰを生成するとともに、無効電流検出値ＩｏｆＱが無効電流指令値ＩｏｃＱになって偏差ΔＩｏＱが０になるように無効電圧指令値ＶｏＱを生成する。

演算制御部４３は、たとえば、偏差ΔＩｏＰに比例する値と、偏差ΔＩｏＰの積分値に比例する値とを加算して有効電圧指令値ＶｏＰを求めるとともに、偏差ΔＩｏＱに比例する値と、偏差ΔＩｏＱの積分値に比例する値とを加算して無効電圧指令値ＶｏＱを求める。逆ｄｑ変換部４４は、正弦波信号cosθo，sinθoを使用し、有効電圧指令値ＶｏＰおよび無効電圧指令値ＶｏＱを逆ｄｑ変換して電圧指令値Ｖｏ^*を生成する。

加算器４５は、逆ｄｑ変換部４４によって生成された電圧指令値Ｖｏ^＊と、電圧指令基準値Ｖｏｅとを加算して電圧指令値Ｖｏｃを生成する。電圧指令基準値Ｖｏｅは、たとえば、所望の負荷電流を流した場合の負荷電圧の推定値（または検出値）である。

図４に戻って、ＰＷＭ制御部３７は、例えば電圧指令値Ｖｏｃと三角波信号とを比較してＰＷＭ制御信号φ３７を生成し、インバータ４に与える。インバータ４は、ＰＷＭ制御信号φ３７によって駆動され、直流電圧ＶＤＣを交流電圧Ｖｏに変換する。

次に、この電力変換装置の動作について説明する。図１に示すように、交流電源７から供給される交流電圧は、変圧器１を介してコンバータ３に供給され、コンバータ３によって直流電圧ＶＤＣに変換される。直流電圧ＶＤＣは、コンデンサＣ１によって平滑化され、インバータ４によって所望の周波数の交流電圧Ｖｏに変換されて負荷８に供給される。

コンバータ３は、制御装置６に含まれる制御回路１０によって制御される。制御回路１０（図２、図３）では、参照電圧発生部１１によって参照電圧ＶＤＣｒが生成され、電圧検出器１２、減算器１３、および直流電圧制御部１４により、直流電圧ＶＤＣが参照電圧ＶＤＣｒになるように有効電流指令値Ｉｉｃが生成される。

有効電流指令値Ｉｉｃは、リミッタ１５によって最大値Ｉmax以下に制限されて有効電流指令値ＩｉｃＬとなる。無効電流指令部１６によって無効電流指令値ＩｉｃＱが生成される。電流検出器２の出力信号Ｉｉｆがｄｑ変換部２７によってｄｑ変換されて、有効電流検出値ＩｉｆＰおよび無効電流検出値ＩｉｆＱが生成される。有効電流検出値ＩｉｆＰおよび無効電流検出値ＩｉｆＱがそれぞれ有効電流指令値ＩｉｃＬおよび無効電流指令値ＩｉｃＱになるように、演算制御部２３によって有効電圧指令値ＶｉＰおよび無効電圧指令値ＶｉＱが生成される。有効電圧指令値ＶｉＰおよび無効電圧指令値ＶｉＱが、逆ｄｑ変換部２４によって逆ｄｑ変換されて電圧指令値Ｖｉ^*が生成される。

加算器２５によって電圧指令値Ｖｉ^＊に交流入力電圧Ｖｉが加算されて電圧指令値Ｖｉｃが生成され、ＰＷＭ制御部１９によって電圧指令値Ｖｉｃと三角波信号とが比較されてＰＷＭ制御信号φ１９が生成される。コンバータ３は、ＰＷＭ制御信号φ１９（図２）によって駆動され、交流入力電圧Ｖｉを直流電圧ＶＤＣに変換する。

インバータ４は、制御装置６に含まれる制御回路３０によって制御される。制御回路３０（図４、図５）では、有効電流指令部３１により、負荷８に応じた所望の有効電流指令値Ｉｏｃ１が生成される。

また、制御回路１０（図２）で生成された電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬの差ΔＩｉｃ＝Ｉｉｃ－ＩｉｃＬが減算器３２によって求められ、その差ΔＩｉｃが補償器３３によって有効電流指令値Ｉｏｃ２に変換され、減算器３４によって有効電流指令値Ｉｏｃ１から有効電流指令値Ｉｏｃ２が減算されて有効電流指令値Ｉｏｃ３が生成される。

無効電流指令部３５によって無効電流指令値ＩｏｃＱが生成される。電流検出器５の出力信号Ｉｏｆが、ｄｑ変換部４７によってｄｑ変換されて有効電流検出値ＩｏｆＰおよび無効電流検出値ＩｏｆＱが生成される。有効電流検出値ＩｏｆＰおよび無効電流検出値ＩｏｆＱがそれぞれ有効電流指令値Ｉｏｃ３および無効電流指令値ＩｏｃＱになるように、演算制御部４３によって有効電圧指令値ＶｏＰおよび無効電圧指令値ＶｏＱが生成される。

有効電圧指令値ＶｏＰおよび無効電圧指令値ＶｏＱが、逆ｄｑ変換部４４によって逆ｄｑ変換されて電圧指令値Ｖｏ^＊が生成される。加算器４５によって電圧指令値Ｖｏ^＊に電圧指令基準値Ｖｏｅが加算されて電圧指令値Ｖｏｃが生成され、ＰＷＭ制御部３７によって電圧指令値Ｖｏｃと三角波信号とが比較されてＰＷＭ制御信号φ３７が生成される。インバータ４は、ＰＷＭ制御信号φ３７によって駆動され、直流電圧ＶＤＣを交流出力電圧Ｖｏに変換する。

図６は、この電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。図６において、（Ａ）は交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨである場合におけるインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃおよびコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃの時刻変化を示し、（Ｂ）は交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨよりも低い電圧ＶＬになった場合におけるインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃおよびコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃの時刻変化を示している。

インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは、有効電流指令値Ｉｏｃ３（図４）と交流出力電圧Ｖｏ（図１）とに基づいて求められる値である。コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃは、有効電流指令値ＩｉｃＬ（図２）と交流入力電圧Ｖｉ（図１）とに基づいて求められる値である。Ｐ３maxは、コンバータ３の出力電力の最大値（コンバータ３の装置能力の限界値）であり、電流指令値ＩｉｃＬの最大値Ｉmaxに基づいて求められる値である。

まず、交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨになっている場合について説明する。図５（Ａ）において、負荷電流Ｉｏの増大に伴ってインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが徐々に増大すると、それに応じてコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃも徐々に増大する。

インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが最大値Ｐ４maxに到達するのとほぼ同時に、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃも最大値Ｐ３maxに到達する（時刻ｔ１）。コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが最大値Ｐ３maxに到達すると、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは増大することができなくなり、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃおよびコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃはそれぞれ最大値Ｐ４max，Ｐ３maxに維持される。

この動作は、制御回路１０，３０（図２～図５）により実現される。すなわち、所望の負荷電流Ｉｏの増大に伴ってインバータ４の有効電流指令値Ｉｏｃ１，Ｉｏｃ３が徐々に増大すると、それに応じてコンバータ３の有効電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬも徐々に増大する。

コンバータ３の電流指令値Ｉｉｃが最大値Ｉmaxを超えると、リミッタ１５（図２）によって電流指令値ＩｉｃＬが最大値Ｉmaxに維持される。これにより、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃは最大値Ｐ３maxに維持される。

また、減算器３２，３４および補償器３３（図４）により、有効電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬの差に応じた値Ｉｏｃ２だけインバータ４の有効電流指令値Ｉｏｃ１が減少されて有効電流指令値Ｉｏｃ３になり、電流制御部３６などにより、交流出力電流Ｉｏが電流指令値Ｉｏｃ３，ＩｏｃＱになるようにインバータ４が制御される。したがって、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは最大値Ｐ４maxを超えることができず、最大値Ｐ４maxに維持される。

次に、交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨよりも低い電圧ＶＬに低下した場合について説明する。図５（Ｂ）において、所望の負荷電流Ｉｏの増大に伴ってインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが徐々に増大すると、それに応じてコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃも徐々に増大する。

この場合は、交流入力電圧Ｖｉが低下しているので、交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨである場合に比べてコンバータ３の電力指令最大値Ｐ３maxが小さく、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが最大値Ｐ４maxに到達する前にコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが最大値Ｐ３maxに到達してしまう（時刻ｔ２）。

コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが最大値Ｐ３maxに到達すると、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは増大することができなくなり、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは、最大値Ｐ４maxよりも小さな電力値ＰＬで飽和する。この電力値ＰＬは、交流入力電圧Ｖｉの値ＶＬで決まる。

たとえば時刻ｔ３において、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが電力値ＰＬを超えようとして、所望の有効電流指令値Ｉｏｃ１が増大しても、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが最大値Ｐ３maxに到達しているので、補償器３３の出力である有効電流指令値Ｉｏｃ２も増大することによって、インバータ４の有効電流指令値Ｉｏｃ３は増大せず、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは、最大値Ｐ４maxよりも小さな電力値ＰＬで維持される。これによりコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが最大値Ｐ３maxに到達した場合でも直流電圧ＶＤＣは低下することなく維持される。

この動作は、制御回路１０，３０（図２～図５）により実現される。すなわち、負荷電流Ｉｏの増大に伴ってインバータ４の有効電流指令値Ｉｏｃ１，Ｉｏｃ３が徐々に増大すると、それに応じてコンバータ３の有効電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬも徐々に増大する。

コンバータ３の有効電流指令値Ｉｉｃが最大値Ｉmaxを超えると、リミッタ１５（図２）によって有効電流指令値ＩｉｃＬが最大値Ｉmaxに維持される。これにより、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃは最大値Ｐ３maxに維持される。

また、減算器３２，３４および補償器３３（図４）により、有効電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬの差に応じた値Ｉｏｃ２だけインバータ４の有効電流指令値Ｉｏｃ１が減少されて有効電流指令値Ｉｏｃ３になり、電流制御部３６などにより、交流出力電流Ｉｏが電流指令値Ｉｏｃ３，ＩｏｃＱになるようにインバータ４が制御される。したがって、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは電力値ＰＬを超えることができず、電力値ＰＬに維持される。

以上のように、この実施の形態では、たとえば交流電源７から供給される交流電圧Ｖｉが低下して有効電流指令値Ｉｉｃが増大し、有効電流指令値Ｉｉｃが最大値Ｉmaxを超過した場合には、有効電流指令値ＩｉｃＬを最大値Ｉmaxに制限してコンバータ３の出力電力を最大値Ｐ３maxに維持するとともに、有効電流指令値Ｉｉｃ，ＩｉｃＬの差ΔＩｉｃに応じた値Ｉｏｃ２だけ有効電流指令値Ｉｏｃ１を減少させてインバータ４の出力電力を減少させることで直流電圧ＶＤＣを維持することができる。したがって、コンバータ３の出力電力を最大値Ｐ３maxに維持することができる。

図７は、実施の形態の比較例を示すブロック図であって、図４と対比される図である。図７を参照して、この比較例が実施の形態と異なる点は、制御回路３０が制御回路５０で置換されている点である。制御回路５０が制御回路３０と異なる点は、減算器３２，３４および補償器３３が除去され、演算制御部５１およびリミッタ５２が追加されている点である。

演算制御部５１は、直流電圧制御部１４（図２）によって生成された有効電流指令値Ｉｉｃに基づいて可変制限値Ｉｖｒを生成する。有効電流指令値Ｉｉｃが上限値Ｉ３ｈよりも小さい場合には、可変制限値Ｉｖｒは最大値Ｉ４maxにされる。電流指令値Ｉｉｃが上限値Ｉ３ｈ以上になると、可変制限値Ｉｖｒは最大値Ｉ４maxよりも小さな上限値Ｉ４ｈにされる。上限値Ｉ３ｈは、最大値Ｉ３maxよりもコンバータ３の制御余裕だけ小さな値に設定する。可変制限値Ｉｖｒは、リミッタ５２に与えられる。

リミッタ５２は、有効電流指令部３１からの有効電流指令値Ｉｏｃ１を可変制限値Ｉｖｒ以下に制限して有効電流指令値Ｉｏｃ１Ｌを生成する。Ｉｏｃ１≦Ｉｖｒである場合は、Ｉｏｃ１がそのままＩｏｃ１Ｌとなる。Ｉｏｃ１＞Ｉｖｒである場合は、ＩｖｒがＩｏｃ１Ｌとなる。他の構成および動作は、実施の形態と同じであるので、その説明は繰り返さない。

図８は、比較例の動作を示すタイムチャートであって、図６と対比される図である。図８において、（Ａ）は交流電源７から供給される交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨである場合におけるインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃおよびコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃの時刻変化を示し、（Ｂ）は交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨよりも低い電圧ＶＬになった場合におけるインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃおよびコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃの時刻変化を示している。

インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは、有効電流指令値Ｉｏｃ１Ｌ（図７）と交流出力電圧Ｖｏ（図１）とに基づいて求められる値である。コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃは、電流指令値ＩｉｃＬ（図２）と交流入力電圧Ｖｉ（図１）とに基づいて求められる値である。Ｐmaxは、コンバータ３の出力電力の最大値（コンバータ３の装置能力の限界値）である。Ｐｈは、コンバータ３の出力電力の上限値であり、Ｐmaxよりもコンバータ３の制御余裕だけ小さな値である。

Ｐｖｒは、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃを制限する可変制限値であり、可変制限値Ｉｖｒに対応する値である。コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが上限値Ｐｈよりも小さい場合には、Ｐｖｒ＝Ｐmaxとなる。コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが上限値Ｐｈに到達すると、Ｐｖｒ＝Ｐｈとなる。

まず、交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨになっている場合について説明する。図８（Ａ）において、負荷電流Ｉｏの増大に伴ってインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが徐々に増大すると、それに応じてコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃも徐々に増大する。

コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが上限値Ｐｈに到達すると、可変制限値Ｐｖｒが上限値Ｐｈとなり、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが上限値Ｐｈに制限され、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃもインバータ電力Ｐ４ｈと釣り合う値に落ち着く（時刻ｔ１）。したがって、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃおよびコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃは最大値Ｐmaxよりも小さな上限値Ｐｈに維持される。

この動作は、制御回路１０，５０（図２、図３、図７）により実現される。すなわち、コンバータ３の有効電流指令値Ｉｉｃが上限値Ｉ３ｈに到達すると、演算制御部５１によって可変制限値Ｉｖｒが上限値Ｉ４ｈに設定され、リミッタ５２によってインバータ４の有効電流指令値Ｉｏｃ１Ｌが上限値Ｉ４ｈに制限される。これにより、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃおよびインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは最大値Ｐmaxよりも小さな上限値Ｐｈに維持される。

次に、交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨよりも低い電圧ＶＬに低下した場合について説明する。図８（Ｂ）において、負荷電流Ｉｏの増大に伴ってインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが徐々に増大すると、それに応じてコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃも徐々に増大する。

この場合は、交流入力電圧Ｖｉが低下しているので、交流入力電圧Ｖｉが定格電圧ＶＨである場合に比べてコンバータ３の電力指令上限値Ｐ３ｈが小さく、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが上限値Ｐｈに到達する前にコンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃが上限値Ｐｈに到達してしまう（時刻ｔ２）。

この場合のインバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは、上限値Ｐｈよりも小さな電力値ＰＬである。この電力値ＰＬは、交流入力電圧Ｖｉの値ＶＬで決まる。時刻ｔ３において、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃは上限値Ｐ４ｈよりも小さいためリミッタ５２で制限されておらず、インバータ４の電力指令値Ｐ４ｃが変動して若干増大すると、コンバータ３の電力指令値Ｐ３ｃを増大させて直流電圧ＶＤＣを維持する必要がある。

このため、最大値Ｐmaxよりもコンバータ３の制御余裕だけ小さな値に上限値Ｐｈを設定する必要がある。したがって、この比較例では、コンバータ３の出力電力を最大値Ｐmaxに維持することができず、コンバータ３の装置能力を限界まで使用することができない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｔ１ 入力端子、Ｔ２ 出力端子、１ 変圧器、２，５ 電流検出器、３ コンバータ、Ｌ１，Ｌ２ 直流ライン、Ｃ１ コンデンサ、４ インバータ、６ 制御装置、７ 交流電源、８ 負荷、１０，３０，５０ 制御回路、１１ 参照電圧発生部、１２，１７ 電圧検出器、１３，２１，２２，３２，３４，４１，４２ 減算器、１４ 直流電圧制御部、１５，５２ リミッタ、１６，３５ 無効電流指令部、１８，３６ 電流制御部、１９，３７ ＰＷＭ制御部、２３，４３，５１ 演算制御部、２４，４４ 逆ｄｑ変換部、２５，４５ 加算器、２６，４６ 正弦波発生器、２７，４７ ｄｑ変換部、３１ 有効電流指令部、３３ 補償器。

Claims (4)

1. 交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   前記コンバータから出力される直流電圧を平滑化するコンデンサと、
   前記コンデンサの端子間電圧を交流電圧に変換して負荷に供給するインバータと、
   前記コンデンサの端子間電圧が参照電圧になるように第１の電流指令値を生成し、前記第１の電流指令値を最大値以下に制限して第２の電流指令値を生成し、前記交流電源から前記コンバータに流れる交流電流が前記第２の電流指令値に応じた値になるように前記コンバータを制御する第１の制御回路と、
   負荷電流を指令する第３の電流指令値を生成し、前記第１および第２の電流指令値の差に応じた値だけ前記第３の電流指令値を減少させて第４の電流指令値を生成し、前記負荷電流が前記第４の電流指令値になるように前記インバータを制御する第２の制御回路とを備える、電力変換装置。
2. 前記第１の制御回路は、
   前記コンデンサの端子間電圧が前記参照電圧になるように前記第１の電流指令値を生成する第１の制御部と、
   前記第１の電流指令値を前記最大値以下に制限して前記第２の電流指令値を生成するリミッタと、
   前記交流電源から前記コンバータに流れる交流電流が前記第２の電流指令値に応じた値になるように前記コンバータを制御する第２の制御部とを含み、
   前記第２の制御回路は、
   前記負荷電流を指令する前記第３の電流指令値を生成する第３の制御部と、
   前記第１および第２の電流指令値の差に応じた値だけ前記第３の電流指令値を減少させて前記第４の電流指令値を生成する補正部と、
   前記負荷電流が前記第４の電流指令値になるように前記インバータを制御する第４の制御部とを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記補正部は、
   前記第１の電流指令値から前記第２の電流指令値を減算して第５の電流指令値を求める第１の減算器と、
   予め定められた伝達関数に従って、前記第５の電流指令値を第６の電流指令値に変換する補償器と、
   前記第３の電流指令値から前記第６の電流指令値を減算して前記第４の電流指令値を生成する第２の減算器とを含む、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記交流電源から前記コンバータに流れる電流を検出する第１の電流検出器と、
   前記インバータから前記負荷に流れる電流を検出する第２の電流検出器とを備え、
   前記第２の制御部は、前記第１の電流検出器によって検出される電流値が前記第２の電流指令値に応じた値になるように前記コンバータを制御し、
   前記第４の制御部は、前記第２の電流検出器によって検出される電流値が前記第４の電流指令値になるように前記インバータを制御する、請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
   

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