JPH04312359A - 交流電力変換装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、サイクロコンバータ
やＰＷＭインバータなどの交流電力を出力する電力変換
器などの出力電圧波形の制御が可能な交流電力変換装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の交流電力変換装置では出力電圧
の制御範囲の拡大や出力電圧に含まれる高調波成分を低
減することを目的として、各相ごとの出力電圧の波形を
指令する電圧指令信号の波形を、波高部を押しつぶした
台形状に設定されることがある。交流電力変換装置はこ
の電圧指令信号の波形に比例した相電圧を発生させるが
、出力電圧としての線間電圧は相電圧に含まれる高調波
成分が相間で相殺されることによって正弦波になるよう
に前述の電圧指令信号の波形が設定される。

【０００３】図３は従来の交流電力変換装置の例を示す
ブロック回路図である。この図における出力電圧の相数
は最も一般的な３相としてある。交流電力変換装置１は
電圧指令信号１１１，　　１１２，　１１３が入力され
て交流電圧である相電圧１０１，２０２，２０３を出力
する。電圧指令信号１１１，１１２，１１３はそれぞれ
電圧指令発生器２１，２２，２３によって生成される。 電圧指令発生器２１は電圧振幅指令信号１０１と電圧位
相信号１０２とを入力信号として図に概略を示し詳細は
後述する波形の電圧指令信号１１１を生成する。電圧指
令発生器２２，２３も同様であるが、電圧指令信号１１
２は電圧指令信号１１１に対して１２０°遅れ、電圧指
令信号１１３は１２０°進んだ位相になっている。交流
電力変換器１は図示しない入力電源を電圧指令信号１１
１，１１２，１１３の波高値と波形に基づいて電力変換
し電圧指令信号１１１，１１２，１１３と同じ位相と波
形の相電圧２０１，２０２，２０３を生成する。線間電
圧は２つの相電圧の差であり、前述のようにこの線間電
圧は正弦波になるようになっている。

【０００４】図４は図３の動作を説明するための交流電
力変換装置１の出力電圧の波形図であり、簡単のため、
出力電圧の振幅と周波数が一定になるように振幅１０１
、位相１０２を与えた場合の３つの相電圧を、下図は１
つの線間電圧をそれぞれ図示してある。相電圧２０１，
２０２，２０３をそれぞれｖ１，　ｖ２，　　ｖ３　で
表すと次式を満足するように電圧指令信号１１１，１１
２，１１３が電圧指令発生器２１，２２，２３によって
生成される。

【数１】 ここで、Ｖ０　；相電圧波高値、θ；位相角

【０００５
】（１）式のｖ１，　　ｖ２，　　ｖ３　に同相で加算
される関数ｆ（　θ）は出力周期の３分の１で出力電圧
における零相成分である。したがって、電圧指令信号１
１１，１１２，１１３もこの零相成分に比例した零相信
号が含まれていることになる。ｆ（　θ）は次式で定義
される。なお以下の中のａは３の平方根を表す。

【数２】

【０００６】線間電圧ｖ１２は次式で定義されｆ（　θ
）が相殺されて結果的に正弦波形となる。 ｖ１２＝ｖ１　−ｖ２　 　　　　＝Ｖ０　ｓｉｎ（θ）　−Ｖ０　ｓｉｎ（θ−
　１２０°）　　　　　＝ａＶ０　ｓｉｎ（θ＋３０°
）　‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（３）

【０００７】
この線間電圧ｖ１２を図４の下図に示す。図示を省略し
た線間電圧ｖ２３，　ｖ３１はｖ１２からそれぞれ　１
２０°遅れと進みの位相となり、同じ波高値の正弦波で
ある。

【０００８】相電圧ｖ１　を例にとると、（２）式を（
１）式に代入して整理することによりｖ１　は結果的に
次式で表される。

【数３】

【０００９】この式の範囲２）で相電圧ｖ１　は一定値
Ｖｄ　になる。このＶｄ　の値は上式に示すように、Ｖ
ｄ　＝ａ／２Ｖ０　≒０．８７Ｖ０　である。したがっ
て、相電圧ｖ１　の瞬時値の絶対値が変化する範囲は０
から０．８７Ｖ０　ということになる。一方、電圧指令
信号が正弦波の場合では、相電圧瞬時値の絶対値の変化
範囲は０からＶ０　となって、前述の場合に比べて約１
５％大きくなる。したがって、交流電力変換装置１とし
てＰＷＭインバータによって直流電源から交流電力を生
成する装置を例にとると、同じ直流電源とＰＷＭインバ
ータを用いて制御信号としての電圧指令信号を台形状に
するだけで正弦波電圧指令信号の場合に比べて１５％大
きな値の交流電圧を得ることができることになり、この
ことは結果的に制御方式を変えるだけで１５％の容量増
加が可能になるということである。このような利点があ
ることから前述のように交流電力変換装置１の電圧指令
信号として正弦波ではなく台形波形が採用されている。

【００１０】上記の説明は正弦波を得る場合であるが、
瞬時電圧を制御する場合にも同様に成立する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】（４）式を満足するよ
うな電圧指令信号ｖ１　は前述のように電圧指令発生器
１１１によって生成されるが、この波形が正弦波とか方
形波などの単純な波形ではなく、前述のように半周期が
３分割されてそれぞれが異なる波形が合成されてなる波
形なので、その生成のためには関数演算を行うなど複雑
な構成を必要とし、しかも各相独立に設けるためになお
のこと回路素子数が多くなり、結果的に高価な交流電力
変換装置になるという問題がある。

【００１２】この発明の目的は、台形状の電圧指令信号
の生成を簡素な構成で行うことによって安価な交流電力
変換装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明によれば、相ごとに位相が異なる交流の電圧
指令信号に基づいた波形を出力する交流電力変換装置に
おいて、電圧振幅と位相の指令にしたがって相ごとに所
定の位相と振幅の正弦波信号を出力する正弦波発生器と
、相数に応じて決まる所定の比率でこの電圧振幅に比例
したしきい値を出力するしきい値演算器と、前記正弦波
信号のそれぞれの相の絶対値が前記しきい値演算器の出
力信号の値を越える部分を出力する各相ごとのクリッパ
と、これらクリッパの出力信号を加算する加算器と、前
記相ごとの正弦波信号からこの加算回路の出力信号をそ
れぞれ減算する減算器とを設け、これら減算回路の出力
信号を前記交流電力変換装置のそれぞれの相の電圧指令
信号とするものとする。

【００１４】

【作用】この発明の構成において、正弦波発生器によっ
て所定の位相と振幅で正弦波信号を相ごとに出力し、し
きい値演算器によって相数に応じて決まる所定の比率で
電圧振幅指令に比例したしきい値を出力し、各相ごとの
クリッパによって正弦波信号のそれぞれの相の絶対値が
このしきい値の値を越える部分だけを出力するいわゆる
クリッピングをおこない、これら各相ごとのクリッパの
出力信号を全ての相について加算することによって、正
弦波信号の周波数の相数倍の周波数を持つ零相信号を発
生させ、この零相信号を前述の正弦波信号からそれぞれ
の相の減算器によって減算することによって、出力電圧
が、相電圧は台形状であっても線間電圧は正弦波となる
交流電力変換装置の電圧指令信号が得られる。正弦波発
生器、クリッパ及び加算器は相数ごとに必要であるが、
これらは従来の技術における電圧指令発生器に比べては
るかに簡単な構成であり、しきい値演算器、正弦波発生
器及び加算器は相数に関係なしに１つでよいがこれらも
簡単な構成なので、結果的に交流電力変換装置の電圧指
令信号発生部は従来のものに比べて簡単な構成となる。

【００１５】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。 図１はこの発明の実施例を示す交流電力変換装置のブロ
ック回路図であり、図３と共通の構成要素や信号に対し
ては同じ参照番号を付してあり、相数も図３と同様に３
としている。この図において、正弦波発生器５は、電圧
指令信号を発生させるための基本的な信号である電圧振
幅信号１０１と電圧位相信号１０２とを入力信号として
、交流電力変換装置１の相数に応じた位相差を持つ複数
の正弦波信号１２１，１２２，１２３を出力する。この
正弦波発生器５は２つの互いに位相の異なる正弦波を生
成しこれらを適宜係数をかけた上で加減算することによ
って任意の位相の正弦波を生成することができることか
ら相ごとに独立した正弦波発生器を設ける必要はない。

【００１６】零相信号演算器７は（１）式の零相信号ｆ
（　θ）を演算するものであり、電圧振幅信号１０１１
　が入力されるしきい値演算器４、このしきい値演算器
４によって演算されたしきい値を基に正弦波信号１２１
，１２２，１２３をそれぞれクリッピングする３つのク
リッパ５１，５２，５３及びこれらクリッパ５１，５２
，５３の出力信号であるクリッピング信号１３１，１３
２，１３３を加算して零相信号１３４　を出力する加算
器６とからなっている。しきい値演算器４は入力信号で
ある電圧振幅信号１０１を相数に応じた比例係数を掛け
算した結果を出力する掛け算器でもある。クリッパ５１
，５２，５３は不感帯とも称される非線型演算回路であ
り、しきい値を越えた部分の入力信号だけを取り出して
出力するものでありこのような出力を得ることをクリッ
ピングと称されており、簡単のため、電圧振幅信号１０
１、電圧位相信号１０２は一定振幅、周波数の正弦波信
号となるように設定する。

【００１７】図２は図１の動作を説明するための波形図
である。この図において、波高値がＶ０　の正弦波信号
１２１，１２２，１２３を上図に示してあり、Ｖｄ　は
しきい値である。これらの信号強度はいずれも交流電力
変換装置１の出力電圧に換算した値を採用してある。し
たがって、波高値Ｖ０　、しきい値Ｖｄ　は前述の（３
）式の同じ符号のものに一致している。中図はクリッパ
５１，５２，５３でクリッピングされたクリッピング信
号１３１，１３２，１３３及びこれらが加算された零相
信号１３４を示すものであり、しきい値Ｖｄ　はＶｄ　
＝ａ／２Ｖ０　でクリッピングされるように設定されて
いる。零相信号１３４は前述の関数ｆ（θ）となってい
る。下図は正弦波信号１２１，１２２，１２３から零相
信号１３４が減算器３１，３２，３３によってそれぞれ
減算されて得られた電圧指令信号１１１，１１２，１１
３である。この図は基本的には図４の上図と同じである
。

【００１８】クリッパ５１，５２，５３は最も簡単には
基準電圧、ダイオード及び抵抗だけで構成することので
きる簡単な回路であり、加算器６や減算器３１，３２，
３３もよく知られている演算回路である。このように零
相信号演算器７は従来の回路技術の範囲で容易にかつ簡
素に構成することができる。

【００１９】交流電力変換装置１の容量が大きいときに
、６相とか１２相などの多相交流電力変換装置が使用さ
れる場合がある。このような場合には、しきい値演算器
４によって掛け算される係数をａ／２の代わりにｃｏｓ
（９０°／Ｎ）　（　Ｎ；相数）を使用することによっ
て、クリッピング幅を１８０°／Ｎにすることができ、
零相信号はＮ×ｍ（ｍ＝１，３，５・・・）倍調波の信
号となる。また、クリッパや減算器は相数に応じた数を
設けることになる。

【００２０】なお、サイクロコンバータや通常の使用法
における　　ＰＷＭインバータなどのように出力が交流
の場合にこの発明がそのまま適用可能であることは勿論
であるが、ＰＷＭインバータの回生状態や、自己消弧形
半導体素子を使用してＰＷＭ方式を採用したコンバータ
に対してもこの発明を適用することができる。コンバー
タにおいては、入力側と出力側との接続を順次切り換え
ることによって常に出力側に一定方向の電圧を得るもの
であるが、サイリスタコンバータのように、瞬時値とし
ての出力電圧は入力側の１つの相に実質的に一致してい
るのに対して、ＰＷＭコンバータの場合は、入力側の周
波数に比べてはるかに高いキャリア周波数で出力電圧の
瞬時値を制御することができるので、入力側の１つの相
が出力側に接続されている状態のときの出力電圧の波形
を凸状ではなく平坦になるように制御することによって
、出力電圧に含まれる脈流成分を減らすことができる。 このように凸状の出力電圧波形を平坦な波形にするとい
うことはとりもなおさず前述の電圧指令信号を台形状に
するということであり、この発明が適用可能である所以
である。また、サイクロコンバータも同様の効果がある
。

【００２１】なお、前述の実施例はアナログ演算回路で
実施した例であるが、同じ機能をコンピュータを用いた
ディジタル演算によって行うことも可能であり、この発
明において演算方式について制約を持つものではない。

【００２２】

【発明の効果】この発明は前述のように、正弦波発生器
によって所定の位相及び振幅の正弦波信号を相ごとに出
力し、しきい値演算器によって相数に応じて決まる所定
の比率でこの正弦波信号の波高値に比例したしきい値を
出力し、この出力信号をしきい値とする各相ごとのクリ
ッパによって正弦波信号の正負をそれぞれクリピングし
て出力し、これらクリッパの出力信号を全ての相につい
て加算することによって零相信号を得るとともに、この
零相信号を前述の正弦波信号からそれぞれの相の減算回
路によって減算することによって、交流電力変換装置の
出力が相電圧は台形状であっても線間電圧は正弦波とな
る電圧指令信号が得られる。正弦波発生器、クリッパ及
び加算器は相数に応じた数が必要であるが、これらは従
来の技術における電圧指令発生器に比べてはるかに簡単
な構成であり、また、しきい値演算器、正弦波発生器及
び加算器は相数に関係なしに１つでよいがこれらも簡単
な構成なので、結果的に交流電力変換装置の電圧指令信
号発生部は従来のものに比べて簡素化された構成となり
、交流電力変換装置の価格が低減されるという効果が上
げられるともに、回路構成素子数の低減による信頼性の
向上という付帯効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す交流電力変換装置のブ
ロック回路図

【図２】図１の動作を説明するための波形図

【図３】従
来の交流電力変換装置の例を示すブロック回路図

【図４】図３の動作を説明するための波形図

【符号の説明】

１　　　　交流電力変換装置 ４　　　　しきい値演算器 ５　　　　正弦波発生器 ６　　　　加算器 ７　　　　零相演算器 ５１　　　　クリッパ ５２　　　　クリッパ ５３　　　　クリッパ ３１　　　　減算器 ３２　　　　減算器 ３３　　　　減算器 １０１　　　　電圧振幅信号 １０２　　　　電圧位相信号 １２１　　　　正弦波信号 １２２　　　　正弦波信号 １２３　　　　正弦波信号 １３１　　　　クリッピング信号 １３２　　　　クリッピング信号 １３３　　　　クリッピング信号 １３４　　　　零相信号 １１１　　　　電圧指令信号 １１２　　　　電圧指令信号 １１３　　　　電圧指令信号 ２０１　　　　相電圧 ２０２　　　　相電圧 ２０３　　　　相電圧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相ごとに位相が異なる交流の電圧指令信号
   に基づいた波形を出力する交流電力変換装置において、
   電圧振幅と位相の指令にしたがって相ごとに所定の位相
   と振幅の正弦波信号を出力する正弦波発生器と、相数に
   応じて決まる所定の比率でこの電圧振幅に比例したしき
   い値を出力するしきい値演算器と、前記正弦波信号のそ
   れぞれの相の絶対値が前記しきい値演算器の出力信号の
   値を越える部分を出力する各相ごとのクリッパと、これ
   らクリッパの出力信号を加算する加算器と、前記相ごと
   の正弦波信号からこの加算回路の出力信号をそれぞれ減
   算する減算器とを設け、これら減算回路の出力信号を前
   記交流電力変換装置のそれぞれの相の電圧指令信号とす
   ることを特徴とする交流電力変換装置。