JPH03207225A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JPH03207225A
JPH03207225A JP2001259A JP125990A JPH03207225A JP H03207225 A JPH03207225 A JP H03207225A JP 2001259 A JP2001259 A JP 2001259A JP 125990 A JP125990 A JP 125990A JP H03207225 A JPH03207225 A JP H03207225A
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清 仲田
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彰 木村
Yoji Takahashi
洋二 高橋
Yoshio Tsutsui
筒井 義雄
Kiyoshi Nakamura
清 中村
Jun Abe
純 阿部
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可変周波数・可変電圧の交流電源を直流に変
換する技術に係り、特に、直流回路にバッテリを有し,
磁気浮上式鉄道等の非接触集電装置や自動車、風力発電
等の交流発電機の交流電圧を直流電圧に変換するに好適
な電力変換装置に関する。
〔従来の技術〕
可変周波数・可変電圧の交流電源から電力変換器を用い
て直流電圧を得ようとする電源システムは、自動車等の
バッテリ充電装置をはじめとして様々な用途へ適用され
、磁気浮上式鉄道の車上電源システムとしても適用が期
待されている。
例えば、磁気浮上式鉄道の非接触集電装置の場合、電気
学会論文誌B分冊101巻1号(昭和56年)第33頁
から第40頁に記載の装置,第20回の鉄道におけるサ
イバネティクス利用国内シンポジウム論文集(1 9 
8 3年)第549頁から第543頁に記載の装置、特
開昭61−121773号公報に示された装置などが知
られている.電気学会録文誌B分冊101巻1号(昭和
56年)第33頁から第40頁に記載の装置は、集電コ
イルに発生する交流電圧をダイオード全波整流回路によ
って整流し、負荷に電力を供給するもので、直流出力電
圧の制御機能はない。
第20回鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポ
ジウム論文集(1983年)第549頁から第543頁
に記載の装置は、上記の装置にチョッパ回路(昇圧装!
!)を付加し、直流出力電圧の制御機能を持たせたもの
である。
特開昭61−121773号公報に示された装置は,電
力変換器を自己消弧可能なスイッチング素子を用いて構
成し、交流電源側のりアクタンスによる出力低下を抑え
、より多くの電力を供給しようとするものである。
一方、自動車のように交流発電機から直流電圧を得よう
とする場合、カーエレクトロニクスサブシステム(中日
社)第146頁第3図に示されているように、ダイオー
ド整流回路を用いたシステムが従来から用いられ、直流
出力電圧の調整用として交流発電機に界磁電流の制御機
能を持つものが一般的である。
〔発明が解決しようとする課題〕
電源が内部インピーダンス(インダクタンスし、抵抗R
)を持つ可変周波数・可変電圧の平衡した三相交流電源
で、各相の電圧(電源電圧と呼ぶ)をEuo= Evo
= Etgoミ Eo、相電流(電源電流と呼ぶ)をI
u=Iv=  Iw=I、カ率角をφとして、電圧・電
流の高調波成分及び変換器の損失を無視すると、電源か
ら取り出せる電力Pは次式で表わせる。
P==3(EoIcosφ−RI”)   ・−・−(
1)上式から明らかなように.電力Pは 。。5φ=1            ・・・・・(2
)T =E o/ 2 R== I.        
−−(3)を満足するとき最大となり、これ以上、電源
電流を流しても電力は増加せず、むしろ減少する。この
とき、電源から取り出せる最大電力PmaxはPmax
= 3 E o’/ 4 R       ==・・(
4)で与えられる。
一方、電源電流には電源容量などによって決まる許容最
大値が存在する。ここで、許容最大値をI maxとす
ると、(3)式により次の関係が成り立つ。
I = E o / 2 R≦I max−’. E 
o≦2 R I max          − − 
(5)なる領域では、電源電流をI max以下に制限
しなければならない。このとき,電源から取り出せる最
大電力P maxは Pmax= 3 (E o Imax − R Ima
x2) −(6)となる。
したがって,電源電圧に応じて(4)式及び(6)式で
示される電力まで電源から得ることが可能である。
ところで、ダイオードやサイリスタなど自己消弧不能な
スイッチング素子を用いた整流回路では、素子の転流の
際に,交流電源側に含まれるリアクタンスの影響で転流
の重なり現象が生じる。転流重なり現象は等価的に電源
力率を低下させ、負荷電流が増加すると転流重なり現象
はさらに拡大し、直流電圧が減少して,有効に電力を供
給できない.例えば、三相ダイオード全波整流回路で転
流重なり角が60度以下の場合、直流電流を完全平滑な
電流とすれば,直流出力電圧Edは次式で与えられる。
Ed=Edo−(3/π)ωLId  ・・・・・・(
7)ここに、Edo:無負荷時直流電圧 ω :電源角周波数 L :交流電源側インダクタンス Id:直流電流 (7)式において、右辺第2項は転流重なり現象による
電圧降下であり、この電圧降下は直流電流と電源周波数
に比例して増大する。(7)式の関係より、変換電力P
dを求めると次のようになる。
Pd=EdId =EdoI d−(3/ π)ωL I d2−48)
ここで、転流重なり現象の影響で上式の右辺第2項の分
だけ変換電力Pdが減少することがわかる。
特に,電源周波数が高くなる領域ではりアクタンスが大
きくなるため、電源から有効に電カを取り出せなくなる
また、電源電圧が低い領域では直流出カ電圧も低く、直
流出力電圧がバッテリ電圧に達するまで電力を供給する
ことができず、バッテリを充電できない。このとき、負
荷への電カの供給はバッテリのみとなり、バッテリの負
担が大きがった。また、直流出力電圧を所定の電圧に維
持するには、新たに昇圧装置等を設ける必要があった。
これに対して、転流重なり現象を極カ減らして出力の低
下を抑えることを目的とした特開昭61−121773
号公報に示された装置がある。しかし、この装置でも完
全に転流重なり現象を除去することはできず、前記のダ
イオード整流回路の場合と同様に、直流出力電圧を所定
値に維持できる電源電圧範囲は限られた範囲となる。
ところで、電力変換器として、パワートランジスタ等の
自己消弧形素子を用いた電圧形PWMコンバータを用い
た場合、交流電源側のりアクタンスを積極的に活用する
ため、転流重なり現象は生じない。しかし、従来の制御
では電源電圧が低い領域での動作に対する配慮がされて
おらず、電源電流の許容最大値以内であれば、(3)式
で示した電流値を超えてさらに大きな電流を電源から取
り出そうとして、かえって、電力を減少させる原因とな
っていた。一方、電源電圧が高い領域においては、直流
電圧によって一義的に決まるPWMコンバータの交流入
力電圧(入力電圧)の最大値が存在し、この最大値によ
ってPWMのコンバータの動作可能な電源電圧範囲が制
限されていた。
このような問題を解決する装置として、特願昭61−5
3394号に示された装置が知られている。この装置で
は、電源電圧が高くなって入力電圧が最大値に近づくと
、その最大値と入力電圧との偏差に応じて入力電圧に係
わる内部制御変数を補正することにより、入力電圧が最
大値を超えないようにして、継続した運転を可能とする
ものである。この装置では、複雑な制御ループで入力電
圧を最大値以下に制限していたため、いかに安定な制御
特性を得るかが課題であった。
本発明の目的は、交流電源の状態に合わせてバッテリの
適正な充放電制御が行えると共に必要な電力を負荷に供
給することができる電力変換装置を提供することにある
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するために、本発明は、第1の装置とし
て、可変周波数可変電圧の交流電源の出力電圧をパルス
信号により直流電圧に変換する電力変換器と、電力変換
器の直流出力側で電力変換器と並列に接続されたバッテ
リと、バッテリの状態量を検出するバッテリ状態量検出
手段と、バツテリの目標状態量とバッテリ状態量検出手
段の検出出力との偏差を零に抑制するための直流電圧指
令を出力する直流電圧指令手段と、電力変換器の出力電
圧を検出する出力電圧検出手段と、出力電圧検出手段の
検出出力と前記直流電圧指令との偏差を零に抑制するた
めの入力電流指令を出力する入力電流指令手段と、前記
交流電源の電圧、周波数又はその相当信号を発生する電
源状態検出手段と、電源状態検出手段の検出出力に応じ
て前記入力電流指令を前記交流電源の許容最大値以下に
制限する電流制限手段と、前記電力変換器の入力電流を
検出する入力電流検出手段と、入力電流検出手段の検出
出力と前記電流制限手段の出力との偏差を零に抑制する
ための出力電圧指令を出力する出力電圧指令手段と、出
力電圧指令手段と前記電源状態検出手段および入力電流
検出手段の出力を監視して、入力電流が交流電源の許容
最大値に達するまでは指定の電流の範囲内で最大電力を
得るためのパルス信号を生成し、入力電流が交流電源の
許容最大値に達したときにはこの電流の範囲内で最大電
力を得るためのパルス信号を生成し、各パルス信号を前
記電力変換器に出力するパルス信号生成手段とを備えて
いる電力変換装置を構成したものである。
第1の装置を含む第2の装置として、パルス信号生戒手
段は、交流電源の電圧又は周波数が設定値を越えたとき
には電力変換器の入力電流と入力電圧を所定値以下に抑
制した状態で最大電力を得るためのパルス信号を生成し
てなる電力変換装置を構成したものである。
第l又は第2の装置を含む第3の装置として、パルス信
号生成手段は、電源状態検出手段と入力電流検出手段の
各検出出力から電力変換器入力電圧の電源電圧に対する
同相成分指令を生成する同相成分生成手段と、出力電圧
指令手段の出力を電力変換器入力電圧の電源電圧に対す
る直交成分指令として、この指令と同相成分指令を直交
一極座標変換して振幅指令と位相指令を生成する座標変
換手段と、前記振幅指令と位相指令に従ってパルス信号
を発生するパルス信号発生手段とを有する電力変換装置
を構成したものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、可変周波数可変電圧の交流電源の出力電圧をパルス
    信号により直流電圧に変換する電力変換器と、電力変換
    器の直流出力側で電力変換器と並列に接続されたバッテ
    リと、バッテリの状態量を検出するバッテリ状態量検出
    手段と、バッテリの目標状態量とバッテリ状態量検出手
    段の検出出力との偏差を零に抑制するための直流電圧指
    令を出力する直流電圧指令手段と、電力変換器の出力電
    圧を検出する出力電圧検出手段と、出力電圧検出手段の
    検出出力と前記直流電圧指令との偏差を零に抑制するた
    めの入力電流指令を出力する入力電流指令手段と、前記
    交流電源の電圧、周波数又はその相当信号を発生する電
    源状態検出手段と、電源状態検出手段の検出出力に応じ
    て前記入力電流指令を前記交流電源の許容最大値以下に
    制限する電流制限手段と、前記電力変換器の入力電流を
    検出する入力電流検出手段と、入力電流検出手段の検出
    出力と前記電流制限手段の出力との偏差を零に抑制する
    ための出力電圧指令を出力する出力電圧指令手段と、出
    力電圧指令手段と前記電源状態検出手段および入力電流
    検出手段の出力を監視して、入力電流が交流電源の許容
    最大値に達するまでは指定の電流の範囲内で最大電力を
    得るためのパルス信号を生成し、入力電流が交流電源の
    許容最大値に達したときにはこの電流の範囲内で最大電
    力を得るためのパルス信号を生成し、各パルス信号を前
    記電力変換器に出力するパルス信号生成手段とを備えて
    いる電力変換装置。 2、パルス信号生成手段は、交流電源の電圧又は周波数
    が設定値を越えたときには電力変換器の入力電流と入力
    電圧を所定値以下に抑制した状態で最大電力を得るため
    のパルス信号を生成してなる請求項1記載の電力変換装
    置。 3、パルス信号生成手段は、電源状態検出手段と入力電
    流検出手段の各検出出力から電力変換器入力電圧の電源
    電圧に対する同相成分指令を生成する同相成分生成手段
    と、出力電圧指令手段の出力を電力変換器入力電圧の電
    源電圧に対する直交成分指令として、この指令と同相成
    分指令を直交一極座標変換して振幅指令と位相指令を生
    成する座標変換手段と、前記振幅指令と位相指令に従っ
    てパルス信号を発生するパルス信号発生手段とを有する
    請求項1又は2記載の電力変換装置。 4、同相成分生成手段は、交流電源の電圧が設定値以下
    のときには電力変換器入力電圧の電源電圧に対する同相
    成分を電源電圧に応じて所定値以下に制限した同相成分
    指令を生成してなる請求項3記載の電力変換装置。 5、同相成分生成手段は、交流電源の電圧が設定値を越
    えたときには電力変換器入力電圧の電源電圧に対する同
    相成分を一定値とする同相成分指令を生成してなる請求
    項3記載の電力変換装置。 6、電力変換器の直流出力側に電力変換器の出力電圧を
    平滑してバッテリに供給するフィルタ手段を有する請求
    項1又2記載の電力変換装置。 7、電力変換器の直流出力側にバッテリから電力変換器
    への電流の逆流を防止する逆流防止手段を有する請求項
    1、2又は6記載の電力変換装置。 8、フィルタ手段は電力変換器に並列接続されたコンデ
    ンサである請求項6記載の電力変換装置。 9、フィルタ手段は、電力変換器に並列接続されたコン
    デンサと、電力変換器に直列接続されたリアクトルであ
    る請求項6記載の電力変換装置。 10、バッテリ状態量検出手段はバッテリ電圧を検出す
    るバッテリ電圧検出器である請求項1又は2記載の電力
    変換装置。 11、バッテリ状態量検出手段はバッテリ電流を検出す
    るバッテリ電流検出器である請求項1又は2記載の電力
    変換装置。 12、電源状態検出手段は電力変換器の入力電圧と入力
    電流とから交流電源の電圧、周波数又はその相当信号を
    推定する推定手段である請求項1又は2記載の電力変換
    装置。 13、出力電圧指令手段は、直流電流指令を交流電源の
    角周波数に比例した値に変化させる補償要素を含む請求
    項1又は2記載の電力変換装置。 14、直流電圧指令手段は、直流電圧指令を一定の範囲
    に制限する制限要素を含む請求項1、2又は13記載の
    電力変換装置。
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