JPH0974766A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JPH0974766A
JPH0974766A JP7230990A JP23099095A JPH0974766A JP H0974766 A JPH0974766 A JP H0974766A JP 7230990 A JP7230990 A JP 7230990A JP 23099095 A JP23099095 A JP 23099095A JP H0974766 A JPH0974766 A JP H0974766A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】交流電源側と直流負荷側に接続されたＰＷＭ電
力変換器と、変換器の直流出力電圧を調節する電圧制御
手段と、変換器の交流側の力率を調節する力率制御手段
と、これら電圧及び力率制御手段の出力を入力してＰＷ
Ｍの変調率と位相を指令する手段と、これらの指令によ
り変換器を制御するＰＷＭ変調部とを備えた電力変換装
置において、変換器の制御変数が変調率に関連する制限
値に近づいた時、力率制御手段に力率の低下を許容する
手段と、変換器の制御変数が変換器の入力電力に関する
制限値に近づいた時に直流負荷の電力を制限する手段を
設ける。 【効果】電力変換器を特定の領域において力率の低下を
許容し、かつ直流負荷の電力を制限することにより、電
源電圧が変動しても過電流にならず、運転を継続するこ
とができるので、従来と同じ出力電力を得る場合、変換
器の容量を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、交流電源を直流に変換
する電力変換器に係わり、特に鉄道車両用に適した電力
変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特願昭61−53394 号公報には、交流を直
流に変換するＰＷＭ電力変換器の制御方式の一例が記載
されている。
【０００３】この制御方式では、交流電源電圧が上昇
し、この変換器の変調率が制限値に近づいたとき、力率
の低下を許容することにより運転を続行するようにして
いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ここで、さら
に交流電源電圧が上昇し、力率がさらに低下すると、電
力が同じであれば交流電流が増加することになるが、上
記制御方式では、交流電流指令値に制限を設けて、半導
体素子などにより定まる交流電流上限値を超えることを
防止している。
【０００５】しかしながら、直流負荷の電力を制限する
手段を持たず、交流を直流に変換する電力変換器の電力
のみを制限することになるため、両者の電力がバランス
しなくなる。このため、直流中間回路に設けられたコン
デンサの電圧が、力行時には低下してしまいＰＷＭ電力
変換器としての動作が不可能になる。また、回生時には
コンデンサの電圧が上昇するので、装置の保護のため、
装置全体を停止させる必要が生じる。
【０００６】このため、実際には交流電流を制限する領
域では運転することは不可能であり、装置の容量を増加
させる必要があるという問題があった。
【０００７】本発明の目的は、電源電圧が変動する環境
にあっても従来と同じ出力電力を得る場合、ＰＷＭ電力
変換器の容量を低減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】交流電源側に接続された
インダクタンス要素と直流負荷側に接続されたコンデン
サあるいはバッテリを備えたＰＷＭ電力変換器と、この
変換器に対して設けられその直流出力電圧を調節する電
圧制御手段と、この変換器に対して設けられその交流側
の力率を調節する力率制御手段と、これら電圧および力
率制御手段の出力を入力してＰＷＭの変調率と位相を指
令する手段と、これらの指令により上記変換器を制御す
るＰＷＭ変調部とを備えた電力変換装置において、上記
変換器の制御変数が変調率に関連する制限値に近づいた
時、上記力率制御手段に力率の低下を許容する手段と、
上記変換器の制御変数が変換器の入力電力に関する制限
値に近づいた時に直流負荷の電力を制限する手段を設け
る。
【０００９】
【作用】これにより、ＰＷＭ電力変換器の制御変数、例
えば変調率が制限値に近づくと、交流電流が制限値に達
しない限りは、力率を１以下に抑制することにより、電
力を一定に保ったまま運転の継続が可能である。また、
交流電流が制限値に近づいた場合は、直流負荷の電力を
制限することにより、運転の継続を可能とする。この結
果、一部の領域でのみ力率を低下させ、また僅かな領域
でのみ直流負荷の電力が低下することを許容すること
で、比較的小容量のＰＷＭ電力変換器により比較的大き
な出力を得ることができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を、交流電気車に適
用して示す図１により説明する。図中の交流を直流に変
換する電力変換器１（以下、コンバータと称する）は、
周知の３レベルコンバータでその構成は図２（ａ）に示
すようなスイッチング素子１１ａ〜１１ｈおよび整流素
子１２ａ〜１２ｈ，１３ａ〜１３ｄから成る。コンバー
タ１の交流側には、変圧器２を介して交流電源３が接続
される。また、直流側にはコンデンサ４１，４２を介し
て直流負荷、この場合はインバータ５が接続され、さら
に該インバータの交流側には電気車駆動用の誘導電動機
６が接続される。ここで、インバータ５は、周知の３レ
ベルインバータでその構成は図２（ｂ）に示すようなス
イッチング素子５１ａ〜５１ｌ，整流素子５２ａ〜５２
ｌ，５３ａ〜５３ｆから成る。
【００１１】コンバータ１のスイッチング素子１１ａ〜
１１ｈのオン・オフを制御する制御装置は次のように構
成される。電圧検出器７１，７２により正側直流電圧Ｅ
dpおよび負側直流電圧Ｅdnを検出し、これを加算器８１
で加算し、直流電圧ｅd を算出する。減算器８２により
直流電圧指令値Ｅd*と直流電圧ｅd の偏差を算出し、電
圧制御器８３により交流電流実効値指令Ｉs*を算出す
る。また、電圧検出器７３により検出した交流電圧ｅs
から、実効値算出器８４で交流電圧実効値Ｅsを算出す
る。同様に直流電圧ｅd から平均値算出器８５で直流電
圧平均値Ｅd を算出する。交流電流実効値指令Ｉs*，交
流電圧実効値Ｅs および直流電圧平均値Ｅd から、変調
率算出器８６で変調率Ｋを算出する。変調率Ｋ，その最
大変調率Ｋmax ，交流電圧実効値Ｅs および直流電圧平
均値Ｅd から、電流・位相指令値算出器８７により、交
流電流実効指令補正値Ｉs** および位相指令値φ* を算
出する。交流電流指令値ｉs*は、現在位相ωt と位相指
令値φ* を加算器８８で加算し、正弦波発生器８９で基
準正弦波を発生し、乗算器９０で交流電流実効指令補正
値Ｉs** と乗算を行い算出する。
【００１２】減算器９１では、交流電流指令値ｉs*と、
電流検出器７４により検出した交流電流ｉs との偏差を
とり、電流制御器９２によって、変圧器インピーダンス
の電圧降下分の制御信号ｙetを得る。また、除算器９３
により、交流電圧ｅs を直流電圧Ｅd で除算し、交流電
源電圧分の制御信号ｙesを得る。減算器９４により、制
御信号ｙesからｙetを減算して変調波信号ｙm を求め、
これに基づき、ＰＷＭ制御器９５によりパルス信号を発
生し、コンバータ１のスイッチング素子１１ａ〜１１ｈ
をオン・オフ制御する。速度検出器７６により検出した
速度信号ｆr と、交流電圧実効値Ｅs に基づき、モータ
電流パターン発生器９６によりモータ電流指令値Ｉmm*
を発生する。このモータ電流指令値Ｉmm* と、電流検出
器７５により検出したモータ電流Ｉmm、および速度信号
ｆr から、インバータ制御器９７によりインバータの変
調波を発生し、インバータのＰＷＭ制御器９８によりパ
ルス信号を発生し、インバータ５のスイッチング素子５
１ａ〜５１ｌをオン・オフ制御する。
【００１３】次に、図１の実施例の動作を図３〜図６を
用いて説明する。
【００１４】図３は、力率を１として運転する場合のベ
クトル図である。交流電流実効値指令Ｉs*が定まると、
コンバータ電圧ｅc の実効値Ｅc および位相θは（数
１）および（数２）のようにそれぞれ算出できる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
【数２】
【００１７】ただし、ｆssは電源周波数、Ｒt は変圧器
抵抗、Ｌt は変圧器インダクタンスである。
【００１８】また変調率Ｋは、（数３）により算出でき
る。
【００１９】
【数３】
【００２０】図５は、電源側の交流電圧実効値Ｅs をパ
ラメータとして（０）から（３）の範囲で変化した時、
コンバータ出力（力行回生最大出力を１００％とする）
に対する変調率Ｋ，交流電流Ｉs 、及び力率を示す。装
置の主回路定数にもよるが、一般に力行に必要な電力よ
りも回生に必要とされる電力の方が小さいため、交流電
流Ｉs は、力行側の方が大きいことが多い。これに対し
変調率は、変圧器抵抗Ｒt のために変調率の極小点が力
行側にずれているために、回生側の方が大きいことが多
い。
【００２１】変調率Ｋがその上限値Ｋmax を超えない限
りは、上記交流電流実効値指令Ｉs*に基づき、また位相
指令値φ* は０として、上記で述べた手順で制御するこ
とにより、コンバータの力率を１として運転することが
できる。
【００２２】次に、電源電圧が上昇した場合の動作につ
き考える。図４にこの場合のベクトル図を示す。電源電
圧Ｅs が高い場合に力率１での運転を行うためには、コ
ンバータ電圧Ｅc も高くする必要がある。しかしなが
ら、コンバータは最大変調率Ｋmax で定まる最大値Ｅcm
ax以上の電圧を出力できない。この様な状態で運転を継
続しようとすると、交流電流の過電流や、歪みによる高
調波の発生が問題となる。
【００２３】ここで、コンバータ最大電圧は、（数４）
で表せる。
【００２４】
【数４】
【００２５】また、コンバータ電圧ｅc の瞬時値は直流
電圧ｅd を超えることはできないので、理想的に考えて
も最大変調率Ｋmax は１を超えることはない。実際には
最小パルス幅，制御余裕確保などの観点から、１よりも
小さな値に設定せざるを得ない。
【００２６】この様な場合には、図４に示すように、コ
ンバータ電圧Ｅc′ を、原点から半径Ｅcmaxでひいた円
と、元のコンバータ電圧Ｅｃの終点から交流電圧Ｅs に
平行にひいた破線とが交わる点に設定する。これによ
り、交流電流Ｉs′ は、元の交流電流Ｉs よりも大きく
なり、また位相角が−φとなるので力率が低下するが、
コンバータ電圧Ｅc′ は最大値Ｅcmaxを超えることはな
く、またコンバータ出力は元のままにできる。
【００２７】図４のような力率制御を行うために、図１
の電流・位相指令値算出器８７では、交流電流実効指令
補正値Ｉs** および位相指令値φ* を（数５）および
(数６)のように演算する。
【００２８】
【数５】
【００２９】
【数６】
【００３０】ただし、Ｚｔとαは変圧器インピーダンス
と位相角であり、（数７）および（数８）で表せる。
【００３１】
【数７】
【００３２】
【数８】
【００３３】これにより過電流や、歪みによる高調波の
発生を抑制し、運転を継続できる。図５のパラメータ
（２）及び（３）にはこの様な場合の特性を示す。
【００３４】同図パラメータ（２）では、力行および回
生電力の小さい領域では変調率が低いため、通常の力率
１制御を行う。これはパラメータ（１）の場合よりも交
流電圧が高いため、交流電流Ｉs は低くなっている。ま
た、回生電力の大きな領域では、変調率をＫmax に押さ
える力率制御を行っているため、交流電流Ｉs は増加
し、力率も低下する。
【００３５】同図パラメータ（３）では本来の変調率が
破線のように全域でＫmax よりも高いため、全域で力率
制御を行っている。このため、交流電流Ｉs は出力が小
さい領域でも比較的大きく、また力率も全域で低い。
【００３６】ところで、上記図５のパラメータ（３）で
さらに回生電力が増加すると、交流電流Ｉs が、スイッ
チング素子の容量やコンバータ１の冷却容量などにより
定まる最大値Ｉsmaxを超える領域が発生する。この様な
領域で運転を行うと装置破壊に至り危険であるので、交
流電流をＩsmax 以下に抑制する必要が生じる。
【００３７】ここで仮に、交流電流実効指令補正値Ｉs*
* がＩsmaxを超えないようなリミッタを、電流・位相指
令値算出器８７の後段に設けたとしても、インバータ５
の電力が変わらない限り、コンバータ１とインバータ５
の電力がバランスしなくなる。このため、コンデンサ４
１，４２の電圧が、力行時には低下してしまいＰＷＭ電
力変換器としての動作が不可能になる。また、回生時に
はコンデンサの電圧が上昇するので、装置の保護のた
め、装置全体を停止させる必要が生じる。
【００３８】このような問題を防止するため、モータ電
流パターン発生器９６により、交流電圧Ｅs と速度信号
ｆr に基づいて、モータ電流指令値Ｉmm* を低減するこ
とで、インバータ５のパワー制限を行う。これにより、
図５のパラメータ（３）で交流電流Ｉs が上限値Ｉsmax
を超えるような領域で運転を行うことはなくなり、コン
バータ１の過電流を抑制でき、運転を継続することがで
きる。
【００３９】次に、交流電圧Ｅs が低い領域での動作を
考える。図５のパラメータ（０）に示すように、交流電
圧が低い場合には変調率Ｋは低く、力率制御を行う必要
はない。しかしながら、交流電圧Ｅs が低いため、同じ
出力では交流電流Ｉs は増加する。このため、出力が大
きい領域で交流電流Ｉs が上限値Ｉsmaxを超える場合が
発生する。この様な場合にもモータ電流パターン発生器
９６により、モータ電流指令値Ｉmm* を低減し、インバ
ータ５のパワー制限を行うことで、運転を継続できる。
【００４０】図６は、図１のモータ電流パターン発生器
９６により発生するモータ電流指令値Ｉmm* の一例であ
る。図５の特性に基づき、力行時には交流電圧Ｅs が低
い領域で、モータ電流指令値Ｉmm* を低減する。回生時
には、交流電圧Ｅs が高い領域で、モータ電流指令値Ｉ
mm* を低減する。いずれも、モータ電流を低減し、パワ
ー制限を行うのは、パワーの高くなる高速域のみであ
り、全域でパワーを低減させる必要はない。
【００４１】図６では、交流電圧が高い領域で回生電力
を、交流電圧が低い領域で力行電力を制限する場合につ
いて述べたが、装置の主回路定数によっては上記領域で
力行・回生電力の両方を制限する必要がある場合もあ
る。また、上記いずれかの領域で全くパワー制限を必要
としない場合も考えられる。そのような場合にも、図６
のモータ電流パターンを差し替えることで対応可能であ
る。
【００４２】上記技術により、一部の領域でのみコンバ
ータ１の力率制御を行って、力率低下を許容し、また別
の一部の領域でのみインバータ５のパワー制限を行い、
電力が低下することを許容することで、比較的小容量の
ＰＷＭ電力変換器により比較的大きな出力を得ることが
できる。
【００４３】図７に、本発明の別の実施例を示す。簡単
のため、インバータのパワー制限に関する部分のみ記
す。交流電圧実効値Ｅs と力率角φ、および交流電流上
限値Ｉsmaxから、最大電力演算器９９により、現在の交
流電圧，力率におけるコンバータが出力可能な最大電力
Ｐmax を演算する。これとインバータ電圧Ｅi から、最
大モータ電流演算器１００により、最大モータ電流Ｉmm
max を演算する。ここで、最大電力Ｐmaxおよび最大モ
ータ電流Ｉmmmaxは、それぞれ(数９)，(数１０)のよう
に表せる。
【００４４】
【数９】 Ｐmax ＝Ｅs・Ｉsmax・cosφ …（数９）
【００４５】
【数１０】
【００４６】ここで、ｐfmはモータ力率である。
【００４７】さらに、最小値発生器１０１により、速度
信号ｆr に基づきモータ電流パターン発生器９６から出
力したモータ電流指令値Ｉmm*と、最大モータ電流Ｉmmm
axのうち、小さい方を出力する。以下、インバータ制御
器９７等を用い、図１の実施例と同様にインバータ５を
制御する。
【００４８】これにより、交流電圧に応じたモータ電流
パターンを持たなくても、１種類のパターンのみでイン
バータのパワー制限を行うことができ、制御回路を簡素
化できる。また、回路定数がばらつく場合でも対応可能
である。
【００４９】上記では、３レベルコンバータ・３レベル
インバータシステムを例に説明したが、２レベルあるい
は他の多レベル変換器にも同様に本発明を適用できるこ
とは自明である。
【００５０】
【発明の効果】本発明によれば、ＰＷＭ電力変換器を特
定の領域において力率の低下を許容し、かつ直流負荷の
電力を制限することにより、電源電圧が変動しても過電
流になることはなく、運転を継続することができる。し
たがって、従来と同じ出力電力を得る場合、変換器の容
量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す構成図である。
【図２】図１の実施例の電力変換器の主回路構成を示す
図である。
【図３】電力変換器の通常の動作を示すベクトル図であ
る。
【図４】力率低減を行う際の動作を示すベクトル図であ
る。
【図５】図１の実施例の電力変換装置の動作特性を示す
グラフである。
【図６】図１の実施例のインバータの電流制限値を示す
グラフである。
【図７】本発明の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…コンバータ、２…変圧器、３…交流電源、４１，４
２…コンデンサ、５…インバータ、６…誘導電動機、７
１〜７３…電圧検出器、７４，７５…電流検出器、７６
…速度検出器、８１，８８…加算器、８２，９１，９４
…減算器、８３…電圧制御器、８４…実効値算出器、８
５…平均値算出器、８６…変調率算出器、８７…電流・
位相指令値算出器、８９…正弦波発生器、９０…乗算
器、９２…電流制御器、９３…除算器、９５…ＰＷＭ制
御器、９６…モータ電流パターン発生器、９７…インバ
ータ制御器、９８…ＰＷＭ制御器、９９…最大電力演算
器、１００…最大モータ電流演算器、１０１…最小値発
生器。
───────────────────────────────────────────────────── 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 5/41 ３０２ Ｈ０２Ｐ 5/41 ３０２Ｌ 7/63 ３０２ 7/63 ３０２Ｑ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】交流電源側に接続されたインダクタンス要
    素と直流負荷側に接続されたコンデンサあるいはバッテ
    リを備えたＰＷＭ電力変換器と、この変換器に対して設
    けられその直流出力電圧を調節する電圧制御手段と、こ
    の変換器に対して設けられその交流側の力率を調節する
    力率制御手段と、これら電圧および力率制御手段の出力
    を入力してＰＷＭの変調率と位相を指令する手段と、こ
    れらの指令により上記変換器を制御するＰＷＭ変調部と
    を備えた電力変換装置において、 上記変換器の制御変数が変調率に関連する制限値に近づ
    いた時、上記力率制御手段に力率の低下を許容する手段
    と、上記変換器の制御変数が変換器の入力電力に関する
    制限値に近づいた時に直流負荷の電力を制限する手段を
    設けたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、上記変換器の入力電力
    に関する制限値は、該変換器の入力電流上限値であるこ
    とを特徴とする電力変換装置。
  3. 【請求項３】請求項１において、上記直流負荷の電力を
    制限する手段は、上記直流負荷の電流を制限する手段で
    あることを特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項４】請求項１において、上記直流負荷の電流を
    制限する手段は、上記交流電源電圧が低い場合には力行
    電流を低減し、また上記交流電源電圧が高い場合には回
    生電流を低減する手段であることを特徴とする電力変換
    装置。
  5. 【請求項５】請求項１において、上記直流負荷の電流を
    制限する手段は、上記交流電源電圧及び上記交流電源電
    流から逐次直流負荷電流の上限値を算出し、これを上記
    直流負荷の制限値として用いることを特徴とする電力変
    換装置。
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