JPH09312975A - 電流形変換器の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電流形変換器の指令急変時においても交流入力
電流等の振動抑制機能を有する電流形変換器の制御装置
を提供するものである。 【解決手段】直流電流指令と検出直流電流の誤差を入力
として直流電圧指令を得るＰＩ制御器を備え、直流電圧
指令によるＰＷＭ変調により交流−直流変換を行う電流
形変換器において、ＰＩ制御器内に比例制御部出力に電
圧変化率の制限を設けたリミッタを具備して構成したも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導電動機駆動用
可変電圧可変周波数装置や各種電源装置などに用いられ
ている交流ー直流変換を行う電流形変換器に係わり、特
にＰＩ制御器を具備して電流制御用としてＰＷＭ変調を
行っている電流形変換器の制御装置に、関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、パルス幅変調（ＰＷＭ変調）を
行っている三相交流ー直流変換の電流形変換器は、図４
の如く示される。図４は電流形変換器の構成を示し、11
〜13は相電圧、21〜23はリアクトル、31〜33はコンデン
サ、41〜46はスイッチング素子、51〜56はダイオード、
６は直流リアクトル、７は負荷装置、８は直流電流検出
器、９は制御回路である。制御回路９において、91は減
算器、92はＰＩ制御器、93はＰＷＭ変調器である。すな
わち図４においては、相電圧11，12，13は三相交流電源
の電圧値Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗをもち、コンデンサ31，32，
33は電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをもつ。ここで、リアクト
ル21，22，23とコンデンサ31，32，33はフィルタを構成
して外部電源からの高調波混入を防ぐとともに、ＰＷＭ
動作を行うことによる高調波が外部に流出することを防
いでいる。

【０００３】また、スイッチング素子41，42，43，44，
45，46は図示の如くＵＰ〜ＷＮを構成しており、ここで
はIGBTで示しているが、 GTOや各種トランジスタなども
使用される。ダイオード51，52，53，54，55，56はスイ
ッチング素子41〜46に印加される直流電圧Ｖdcに耐える
よう逆耐圧特性をもたせるためのものであって、一部の
GTOなどのようにスイッチング素子自身が逆耐圧をもつ
場合は不用である。直流リアクトル６は、前述のスイッ
チング素子部出力を直流電流Ｉdcの電流源化する。負荷
装置７は直流電流Ｉdcを消費し、直流電流検出器８はそ
の直流電流Ｉdcを検出する。さらには、制御回路９にお
いては、減算器91は直流電流指令Ｉdc＊と直流電流Ｉdc
の偏差である変化分ΔＩdcを出力し、ＰＩ制御器92は減
算器91出力を受け比例（Ｐ）積分（Ｉ）演算を行って直
流電圧指令Ｖdc＊を信号発生する。ＰＷＭ変調器93は、
直流電圧Ｖdcが直流電圧指令Ｖdc＊に一致するよう、各
スイッチング素子41〜46のオン幅を定めて点弧制御す
る。

【０００４】図５は電流形変換器におけるＰＩ制御器の
具体例を示すものであって、 921は比例（Ｐ）制御部、
922は積分（Ｉ）制御部、 923は加算部である。すなわ
ち、比例制御部 921，積分制御部 922は比例ゲインＫ
ｐ，積分ゲインＫｉをそれぞれ有し、両者は減算器91出
力の変化分ΔＩdcをを受けてそれぞれの演算を行い、さ
らには、その出力が加算器 923にて加算されて直流電圧
指令Ｖdc＊が得られる。この図の信号名は、ラプラス表
示となるので大文字で記してある。なお、ＰＷＭ変調器
93は、三角波比較方式，ヒステリシスコンパレータ方
式，CPU演算方式などが一般的に行われているものであ
って、ここでは本発明に直接関係しないため詳細説明を
省略する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この種の従来技術にお
いては、直流電流指令Ｉdc＊を急変させると、ＰＩ制御
器における比例制御部の比例ゲインＫｐのため直流電圧
指令Ｖdc＊も急変し、その結果、スイッチング素子部へ
の交流入力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがリアクトルおよびコ
ンデンサのフィルタ作用と相まって高周波の振動波形と
なり、そのため、電流容量，耐圧，リップル，高調波な
どさまざまの面から支障をきたしていた。

【０００６】つぎに、この振動の理由を説明する。図６
は電流形変換器の一相分等価回路を示し、Ｅは相電圧で
ある電圧源、Ｒｆ，Ｌｆはそれぞれリアクトルの抵抗成
分，インダクタンス成分、Ｃｆはコンデンサ、Ｉは直流
回路部を表す電流源である。いま、直流電流指令Ｉdc＊
をステップ状に変化させると、直流電圧指令Ｖdc＊もス
テップ状に変化するが、ここで、制御回路が正常に働い
ていて実際の電流，電圧も指令通りに変化したとし、こ
の時のスイッチング素子部への交流入力電流の高周波変
化のみを考えるとすると、図６は図７に置き換えて考え
ることができる。

【０００７】図７においては、直流電圧Ｖdcの変化分Δ
Ｖdcは図４の直流電流Ｉdcの変化分ΔＩdcを電圧源とし
て換算し、直流電流指令Ｉdc＊がステップ状に変化した
場合、変化分ΔＶdcもステップ状に立ち上がる。なお、
基本波のみの電圧源であるＥは省略している。ここで、
直流電圧Ｖdcの変化分ΔＶdcは、式（１）となる。ただ
し、そのＺｏおよびωn は、式（２），（３）である。

【０００８】

【数１】

【０００９】そして、電流Ｉｔ（ｔ）について解くと、
つぎの式（４），（５）のようになる。ただし、式
（５）では近似を行っており、そのαおよびβは式
（６），（７）である。この式（５）から明らかなよう
に、このときの電流Ｉｔ（ｔ）は振幅ΔＩdc，周波数
β，減衰時定数αの振動波形となる、ことがわかる。か
ようにして、直流電流指令Ｉdc＊の急変時には、スイッ
チング素子部への交流入力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが振動
波形となる。

【００１０】

【数２】

【００１１】しかして本発明の目的とするところは、電
流形変換器の指令急変時においても交流入力電流等の振
動抑制機能を有する格別な装置を提供する、ことにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みなされたものであって、つぎの如くに構成した
ものである。すなわち、直流電流指令と検出直流電流の
誤差を入力として直流電圧指令を得るＰＩ制御器を備
え、直流電圧指令によるＰＷＭ変調により交流−直流変
換を行う電流形変換器において、ＰＩ制御器内に比例制
御部出力に電圧変化率の制限を設けたリミッタを具備し
て構成したものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】先ず、図１および図２を参照し
て、説明する。図１は本発明に係わる電圧指令値のラン
プ状変化を示し、図２は本発明に係わる電圧指令値の立
ち上がり時間と振動電流振幅の関係を示している。さ
て、図７における電圧源をステップ状に立ち上がるので
はなく、図１の如くに、時間Ｔｏをかけて直流電圧Ｖdc
の変化分ΔＶdcまで立ち上がるランプ状のものとする
と、電流Ｉｔ（ｔ）は、つぎの式（８）のようになる。
ただし、ｕ（ｔ）は単位ステップ関数であり、ｆ（ｔ）
は式（９）である。ここで、リアクトルの抵抗成分Ｒｆ
は小さいものとして（α≒０）と近似すると、式（９）
は、式（10）のように表すことができる。

【００１４】

【数３】

【００１５】式（５）と式（10）を比べてみると、振動
の振幅は、ΔＩdcから（ΔＩdc／ωn ・Ｔｏ）になって
いる。したがって、（ωn ・Ｔｏ）を大きくすることに
より、振動を減らすことが可能である。図２において、
時間Ｔｏを（Ｔｎ＝２π／ωn ）で、電流振幅を式
（５）の変化分ΔＩdcで正規化している。Ｔｓは周期、
Ｖｐは最大値である。かくの如くに、時間Ｔｏを大きく
することにより振動電流振幅を小さくし得ることから、
時間Ｔｏを振動周期Ｔｎと等しくすれば、振動電流振幅
をほぼ（１／３）にすることができる。

【００１６】図３は本発明が適用されたＰＩ制御器の構
成例を図５に類して示したものであって、92’はＰＩ制
御器である。ＰＩ制御器92’において、 921’は比例制
御部、 922’は積分制御部、 923’は加算部、 924はリ
ミッタである。すなわち、ＰＩ制御器92’は図４構成に
あって制御回路９のＰＩ制御器92に代えて効用し得るも
のであり、特に、比例制御部 921’の出力電圧の変化率
を制限するリミッタ 924が設けられてなるものである。

【００１７】さて、従来のＰＩ制御器92で高速の直流電
流制御系を構成する場合、積分ゲインＫｉに比べて比例
ゲインＫｐを大きくするのが普通であり、直流電圧指令
Ｖdc＊の変化率は比例制御系で決まっていると言ってよ
い。ここで、図３の如くにリミッタ 924が挿入された比
例制御部 921’およびリミッタ 924の構成により、大き
な電流変化である直流電流Ｉdcの変化分ΔＩdcが入力さ
れた場合でも、直流電圧指令Ｖdc＊’の変化率を一定値
以下に制限することができる。いま、周期Ｔｓのサンプ
リング周期にてＰＩ制御を行っているとすると、一周期
にて動かすことができる直流電圧指令Ｖdc＊’の最大値
Ｖｐを、式（11）のようにすることによっても、かかる
技術思想の主旨を実現できることは明らかである。

【００１８】

【数４】

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、交
流入力側にＬＣフィルタをもち、交流入力電圧を直流出
力電流に変換して負荷装置に電力を供給する電流形変換
器において、ＰＩ制御器により直流電流制御を行ってい
る場合に、直流電流指令の急変時にも交流入力電流の振
動を効果的に抑制し得る簡便な構成の装置を提供でき、
産業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係わる電圧指令値のランプ状変
化を示す説明図である。

【図２】図２は本発明に係わる電圧指令値の立ち上がり
時間と振動電流振幅の関係を示す図である。

【図３】図３は本発明が適用されたＰＩ制御器の構成例
を示す部分系統図である。

【図４】図４は電流形変換器の構成を示す回路図であ
る。

【図５】図５は電流形変換器におけるＰＩ制御器の従来
例を示す部分系統図である。

【図６】図６は電流形変換器の一相分等価回路を示す図
である。

【図７】図７は電流形変換器の電圧急変時の一相分等価
回路を示す図である。

【符号の説明】

11 相電圧 21 リアクトル 31 コンデンサ 41 スイッチング素子 51 ダイオード ６ 直流リアクトル ７ 負荷装置 ８ 直流電流検出器 ９ 制御回路 92 ＰＩ制御器 92’ ＰＩ制御器 921’ 比例制御部 922’ 積分制御部 923’ 加算部 924 リミッタ 93 ＰＷＭ変調器 ΔＶdc 直流電圧Ｖdcの変化分 Ｖdc＊ 直流電圧指令 Ｖdc＊’ 直流電圧指令 ΔＩdc 直流電流Ｉdcの変化分 Ｉdc＊ 直流電流指令 Ｒｆ リアクトルの抵抗成分 Ｌｆ リアクトルのインダクタンス成分 Ｃｆ コンデンサ Ｅ 電圧源 Ｉ 電流源 Ｔｏ 時間 Ｔｓ 周期 Ｖｐ 最大値

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２ Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｒ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電流指令値と直流電流検出値の誤差
   を入力として直流電圧指令値を出力するＰＩ制御器を具
   備するとともに、該直流電圧指令値によるＰＷＭ変調に
   より交流入力側にＬＣフィルタを有する交流を直流に変
   換する電流形変換器において、前記ＰＩ制御器内に比例
   制御部出力を入力として所定の電圧変化率を有する信号
   出力を得るリミッタを設けたことを特徴とする電流形変
   換器の制御装置。