JPS62210866A

JPS62210866A - Ｐｗｍ電力変換器の制御装置

Info

Publication number: JPS62210866A
Application number: JP61053394A
Authority: JP
Inventors: Wataru Miyake; 亙三宅; Kiyoshi Nakamura; 清中村; Kiyoshi Nakada; 清仲田; Toshihiko Ishida; 俊彦石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-03-11
Filing date: 1986-03-11
Publication date: 1987-09-16
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: JP2510510B2

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、交流側にインダクタンス要素と、直流側にコ
ンデンサあるいはバッテリを備えたＰＷＭ電力変換器に
関するもので、特に、交流電気車のＡＣ／ＤＣ変換器と
して好適な電力変換器の制御装置に係る。

〔従来の技術〕

この種のＰＷＭコンバータの制御については、例えば、
昭和６０年電気学会東京支部大会講演論文集（１９８５
年）、第８５頁から第８８頁に開示されたものが知られ
ている。すなわち、交流電圧と交流電流の位相差を検出
した結果により、変換器入力電圧と交流電源電圧との同
相成分を調節することによって、前記位相差を零とする
制御を行っていた。

ここで、第３図および第４図により、位相調節動作につ
いて簡単に説明する。第３図は上記文献による従来技術
を簡略化して書き直したものである。

直流電圧目標値Ｅｄ１１と直流電圧Ｅ、を比較器３０１
で比較して得た電圧偏差εＥ４は、電圧調節器３０２に
入力される。電圧調節器３０２は、電圧偏差εＥａを演
算し、変換器入力電圧Ｅｃの出力する。直交成分１．（
ｍｃ）は、ベクトル図から明らかなように、交流側リア
クトルＬの両端型い大きさをもつ。リアクトル電圧ＥＬ
と交流電流ｊωＬなる関係があるから、直交成分エヨ（ＥＣ）は交流電流
Ｉｓの有効成分に比例することになる。すなわち、電圧
調節器３０２は交流電流Ｉｓの有効成分を制御すること
により負荷側に供給される電力を制御し、直流電圧Ｅｄ
を目標値Ｅａｓに等しくなるように調節する機能を有す
る。

は位相差検出器３０３で検出される。いま、交流電流Ｉ
ｓがＩｇｏなる遅れ電流であるとすると、このときのり
アクドル電圧ＥＬおよび変換器入力型とき１位相調節器
３０４は同相電圧Ｒｅ　（Ｅ：ｃ）を増大させるように
働く。それにより、変換器入力すなわち位相差φは零に
制御される。この動作の過程において、直交成分１．（
ＥＣ）には影響を与えないので、電源電流ＩＢの有効成
分は一定、すなわち負荷側に供給される電力は一定に保
たれる。

これら同相電圧Ｒ１１（ＥＣ）および直交成分１、（Ｅ
Ｃ）は、座標変換器３０５により、電源電圧Ｅｓどの位
相差ＬＥｃと変換器入力電圧の振幅相当の変調度ＭＩに
変換される。変換された信号は、ＰＷＭ変調部３０６に
よりパルス幅変調され、スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４の
ゲートパルスを発生する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は次のような問題点があった。

周知のように、半導体素子のスイッチング制御において
は、素子破壊を防ぐため、最小オンおよび最小オフ時間
が制限を受ける。そして、これらの時間が問題になるの
は変調度が大きい場合である。一般に最小オン、オフ時
間を確保するためには、ゲートパルスを発生する段階で
制限を設けることと、変調度ＭＩの値に制限を設けるこ
とが考えられる。

変調度ＭＩの制限が変換器の動作に与える影響について
第５図により、以下に説明する。

第５図から明らかなように、変調度ＭＩ、すなわち変換
器入力電圧ＥＣの振幅ＩＥｃｌは、電源側の力率を１と
すれば、リアクトル電圧ＥＬが大きいほど、すなわち負
荷側に供給する電力が大きいほど、大きな値が要求され
る。

いま、変調度ＭＩの制限値Ｍ１．が図示の大きさにあり
、電圧調節器３０２の出力である直交成分Ｉｍ（ＥＣ）
および位相調節器３０４の出力である同相成分Ｒｅ　（
ＥＣ）によって与えられた変換器入力電圧ＥＣが、Ｅｃ
ｏで示されたとする。変換器入力電圧Ｅｅｏは、制限値
Ｍ１．を超えた大きさであるため、前記の理由から変調
度ＭＩは制限値Ｍ１．に制限され、変換入力電圧Ｅｃは
Ｅｃｌのよすに制限される。この結果、交流電流Ｉｓは
Ｉｓｔに示すように、必要な交流電流Ｉｓｏに比べて、
その有効成分は小さくなり、負荷側に必要な電力を供給
することができなくなる。

必要な電力を負荷側に供給できない場合、直流電圧Ｅｄ
が低下するから、電圧調節器３０２はその出力である直
交成分１．（Ｅｃ）を大きくすることにより、負荷側に
供給される電力を増加するように働く。ところが、変換
器入力電圧ＥｃがＥＣＩのように制限されているため、
位相差φが存在し位相調節器３０３もその出力Ｒｅ　（
ＥＣ）を大きくする。従って、演算される変換器入力電
圧ＥＣは大きさ１Ｅｃｌは大きくなるが、位相差ＬＥｃ
はあまり変化しない。大きさＩＥｃｌについては、制限
値Ｍ１．に制限されるため、最終的に得られる変換器入
力電圧ＥｃはＥｃｌに近いものとなり、負荷側に供給さ
れる電力を増加することができない。

本発明の目的は、比較的小容量のＰＷＭ電力変換器で比
較的大きな出力を採出すことにある。

〔問題点を解決するための手段〕本発明の特徴とするところは、ＰＷＭ電力変換器の制御
変数が、変調度に関連する制限値に近づいたとき、力率
の低下を許容することである。

〔作用〕

このように、ＰＷＭ電力変換器の制御変数、例えば変調
度が、スイッチング素子の最小オン、最小オフ時間の制
限によって決る制限値に近づくと、積極的に力率を１以
下に抑制する。これにより、変換器の入力電圧は、変換
器の変調度の上限の軌跡に沿って推移し、その直流出力
電力の最大値を維持することが可能である。

この結果、特定の僅かの領域でのみ、力率の低下を許容
することにより、比較的小容量のＰＷＭ電力変換器によ
り、比較的大きな直流出力を得ることができる。

〔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
第１図により説明する。

スイッチング素子１１〜１４および整流素子１５〜１８
から成る電力変換器１の交流電源変圧器２側にはりアク
ドル３が、また、インバータ４側にはコンデンサ５ある
いはバッテリが接続される。６は、電気車駆動用の誘導
電動機である。電力変換器１のスイッチング素子１１〜
１４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。ま
ず、直流電圧目標値Ｅａｔと直流電圧Ｆ、＋を比較し、
電圧偏差ｔＥｄを出力する比較器７と、電圧偏差ｇＥ＋
＋を入力し、交流電流の振幅指令１Ｉｓｌ＊を出力する
電圧制御器８が設けられる。

この電圧制御器８は、スイッチング素子１１〜１４の最
大遮断電流および変換器１の電流容量が′ら定まる制限
特性を備えている。この交流電流振幅指令ＩＩｓしは、
比較器９によって、電流検出器１０および振幅検出器１
１を介して得られた交流電流振幅１１ｓｌと比較され、
電流偏差電流制御器１２に入力される。この電流制御器
１２は、例えば比例積分演算を行い、変換器の交流入力
電圧ｉａの虚軸成分（交流電源電圧Ｅｓと直交する成分
）工、（Ｅｃ）を出力する。

一方１位相検出器１３は、交流電源電圧ｉｓと交流電流
工ｓの位相差φを検出する。位相差指令値φψは、通常
電気角０度、すなわち力率ｅ０８φ＝１に設定されてい
る。位相差指令値φψと検出位相差φは、比較器１４に
よって比較され、偏差Ｅφを位相力率制御器１５へ出力
する。この位相制御器１５は、後述する制限特性を備え
ており、変換器の交流入力電圧ＥＣの実軸成分（交流電
源電圧″Ｅｓと同相の成分）Ｒｅ（Ｅｃ）を出力する。

座標変換器１６は、前記虚軸成分１．（Ｅｃ）および実
軸成分Ｒｅ　（ｉｃ）を入力し、ＰＷＭ変調のための位
相Ｌ　Ｅ　ｃと変調度指令ＭＩを出力する。

ＰＷＭ変調部１７は、前記位相Ｌ″ＥＣおよび変調度指
令ＭＩから、ＰＷＭ変調を行い、スイッチング素子１１
〜１４のオン、オフパルスを発生する。

前記変調度指令ＭＩは、スイッチング素子１１〜１４の
最小オン、オフ時間がら決まる最大変調度Ｍ１．と比較
器１８によって比較され、力率制限器１９に出力される
。この力率制限器１９は、変調度指令ＭＩが最大変調器
Ｍ１．を超えたとき、その超えた量に応じた力率制限信
号ＰＦＬを出力する。この力率制限信号ＰＦＬは、前記
位相（力率）制御器１５に入力され、その大きさに応じ
て実軸成分Ｒｅ　（Ｅｃ）を絞り込むように制限する。

以下、第６図を参照して第１図の制御動作について説明
する。

第１図の交流電気車において、変換器１は、基本的には
直流電圧Ｅ１を一定に制御する。インバータ４は、直流
電気車のものと基本的に同一であり、インバータ制御器
２０によって電気車の速度に応じ、公知の定トルク、定
電力、ならびに特性領域の制御を行う。

ここで、変換器１に要求される出力電力は、定電力領域
において最大となる。例えば、最高速度３００ｋｍ／ｈ
の電気車を想定すると、はぼ１００〜２００ｋｍ／ｈ程
度の速度域がこの領域となる。

この領域で交流電源電圧がＥｇｌの大きさであったとす
ると、必要な電力を供給するための交流電流はＩｓｚと
なる。これによりリアクトル電圧はＥＬｌとなるので、
変換器入力電圧としてはＥａｚが要求される。このＥＣ
１は、最大変調度Ｍ１．以内の変調度で得られる値であ
る。

ここで、交流電源電圧が変動し、Ｅｓｘとなった場合、
力率１を保ちつつ必要な電力を供給するとすれば、リア
クトル電圧はＥしｚとなる。但し、Ｅｌは交流電源電圧
の変動に対して、供給電力を一定とするりアクドル電圧
の軌跡（ＩＥｓｌ・ところが、リアクトル電圧ＥＬｘを
得るための変換器入力電圧はＥｓｚとなり、最大変調度
Ｍ１．を超えてしまうため、実現不可能である。

このような場合において、本実施例によれば、変調度指
令ＭＩが最大変調度Ｍ１．を類火ないように力率制限器
１９の出力（力率制限信号）　ＰＦＬにより位相（力率
）制御器１５の出力である実軸成分Ｒ１！　（ＥＣ）を
絞り込む、これにより、力・率の低下を許容し、変換器
入力電圧はＥｃｓなる最大変調度Ｍ１．を満足する値に
制御される。

この動作においては、虚軸成分Ｉ−（Ｅｃ）には影響を
与えていない。交流電流工ａは。

ｊωＬ５−ＥａｊωＬと表わせるから、その実軸成分（有効成分）　Ｒ１１（
Ｉｓ）　　にも影響を与えない。したがって、Ｉ　５ｓ
ｃｏ１１φ＝Ｉｓｚとなり、変換器１は必要な電力を出力することができる
。

前述のように電気車の運転において、出力電力が最大と
なるのは定電力領域である。その他の、定トルクおよび
特性領域では、出力電力は定電力領域より小さくなり、
したがって変換器入力電圧Ｅｃも小さくなる。すなわち
、最大変調度ＭＩ。

を満足するために、力率の低下を許容するのは、大きな
出力電力を要求された場合、あるいは交流電源電圧ＥＳ
が上昇した場合である。なお、出力電力が最大となる定
電力領域の持続時間は、前述の想定した電気車において
加速度を２．０ｋｍ／ｈ／ｓとすれば、たかだか１分間
程度のものである。

交流電源電圧Ｅｓの設定にあたっては、従来はその値Ｅ
ｓが変動範囲の最大値をとり、かつ変換器１の出力電力
が最大であるときに、最大変調度Ｍ　Ｉ　ｍと力率１と
を同時に満足するようにしてい電圧を一定とすれば反比
例の関係にあるから、交流電源電圧Ｅ８が低下した場合
には、交流電流ＸＢが増大する。変換器１の電流容量は
、いうまでもなく、交流電源電圧Ｅｓが最小となったと
きの交流電流Ｉｇを考慮して設定しなければならない。

これに対して、本実施例によれば、交流電源電圧１１．
ｑが上昇したときには必ずしも力率１を満足しなくても
良い。したがって、交流電源電圧Ｅｓを従来より大きい
値に設定することができる。これにより、交流電源電圧
が低下した場合に必要な交流電圧Ｉｓは小さくなる。一
方、交流電源電圧Ｅｒ＋が上昇した場合には力率の低下
を許容することになる。しかし、必要な交流電流の実軸
成分（有効成分）　　Ｉａｃｏｓφは小さくなり、力率
の低下による交流電流Ｉｓの増加を打ち消す方向に働く
。

そのため、力率の低下に対して、交流電流ＩＳの増加分
は小さい。

以上の電流容量の低減効果については、最悪条件時に力
率が０．９　程度まで低下することを許容すれば、変換
器１の電流容量を約１５％低減できるという試算結果が
得られた。

つぎに、変換器１に要求される出力電力が過大になった
場合を考える。

最大変調度Ｍ１．の制限に対して力率の低下を許容しつ
つ出力電力を増大していくと、ついには交流電流−Ｉｓ
が変換器１の許容できる電流容量に達する。このとき、
変換器１が出し得る出力電力を超える電力をインバータ
４が消費した場合、コンデンサ５は徐々に放電すること
になり、したがって直流電圧Ｅｄは徐々に低下する。変
換器入力電圧Ｅａは、直流電圧ＥａをＰＷＭ制御するこ
とによって発生している。そのために、最大変調度Ｍ１
．を保持していても、変換器入力電圧Ｅａの大きさは直
流型ｉＥｎの低下に従って小さくなっていく。その際に
、交流電流Ｉｓを変換器１の電流容量内に抑えるために
は、変換器入力電圧ＥＣが最大リアクトル電圧ＥＬｍを
超えないように制御すれば良い。

本実施例によれば、電圧制御器８の出力、すなわち交流
電流振幅指令値１１ｓｌ＊に制限を設けており、電流制
御器１２は検出した交流電流振幅御を行う。この場合、
虚軸成分子、（ＥＣ）の大きさを減少せしめる方向に動
作する。その結果、変換器入力電圧Ｅｃは最大リアクト
ル電圧Ｅｌ、ＩＩの軌跡に沿って制御されることになり
、交流電流Ｉｓを変換器１の電流容量の限界に沿って制
御することができる。

以上のように、本実施例によれば、変換器１にその電流
容量を超えるような過大な出力電力が要求され、直流電
圧Ｅａが低下してきても、交流電流Ｉｓを変換器１の電
流容量内に制御することができる。

第２図は、本発明の他の実施例を示す図である。

ここで、位相制御器１５は出力を制限する機能を特に有
していないこと、力率制限器１９の出力ＰＦＬは比較器
２１に入力され、位相差目標値φ◆を調節することによ
って力率を低下するほかは、第１図と同様である。

したがって、前記実施例と同様の効果が得られる。

以上の２つの実施例は、変調度指令ＭＩが最大変調度Ｍ
１．を超えないように、それらを比較しく１９）た結果に応じて力率の低下を許容するものである。

変調度に関連する制御変数としては、この他にスイッチ
ング素子１１〜１４に与えられるゲートパルスの幅、変
換器入力電圧ＥＣの波形、虚軸成分ｘ−（ｉｃ）などを
挙げることができる。これらの制御変数がその制限値を
超えないように力率の低下を許容することは、前記実施
例において比較器１８の入力を変調度に関連する制御変
数と、その制限値とに変更することによって達成できる
。

〔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することにより、出力電力を拡大す
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、変換器の電流容量を低減することができる。電
流容量は、最悪条件時に力率が０．９程度まで低下する
ことを許容すれば、従来より約１５％低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第３図は従来例を示す構
成図、第４図は第３図の動作を示すベクトル図、第５図
は従来例の動作を示すベクトル図、第６図は本発明の動
作を示すベクトル図である。１・・・ＰＷＭ電力変換器、３・・・リアクトル、５・
・・コンデンサ、８・・・電力制御器、１１・・・振幅
検出器、１２・・・電流制御器、１３・・・位相検出器
、１５・・・位相制御器、１６・・・座標変換器、１７
・・・ＰＷＭ変調部、１９・・・力率制限器、７，９，
１４，１８゜２１・・・比較器。

Claims

【特許請求の範囲】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の変調度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
ものにおいて、上記変換器の制御変数が変調度に関連す
る制限値に近づいたとき、上記力率制御手段に力率の低
下を許容する手段を設けたことを特徴とするＰＷＭ電力
変換器の制御装置。２、上記力率低下の許容手段は、力率制御手段の出力を
制限する手段を備えたことを特徴とする第１項記載のＰ
ＷＭ電力変換器の制御装置。３、上記力率低下の許容手段は、上記力率制御手段への
力率指令を調節する手段を備えたことを特徴とする第１
項記載のＰＷＭ電力変換器の制御装置。４、上記ＰＷＭの変調度と位相の指令手段は、上記電圧
制御手段の出力を交流電流指令とし、交流電流検出値を
帰還する電流制御手段を備えたことを特徴とする第１項
記載のＰＷＭ電力変換器の制御装置。５、上記電圧制御手段の出力を予定値に制限する手段を
設けたことを特徴とする第１項または第４項記載のＰＷ
Ｍ電力変換器の制御装置。６、上記変換器の制御変数は、上記変調度そのものであ
ることを特徴とする第１項記載のＰＷＭ電力変換器の制
御装置。７、上記変換器の制御変数は、上記変換器内のスイッチ
ング素子に与えられるゲートパルスの幅であることを特
徴とする第１項記載のＰＷＭ電力変換器の制御装置。８、上記変換器の制御変数は、上記変換器の入力電圧で
あることを特徴とする第１項記載のＰＷＭ電力変換器の
制御装置。９、上記変換器の制御変数は、電圧制御手段の出力であ
ることを特徴とする第１項記載のＰＷＭ電力変換器の制
御装置。１０、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、この変換器の直流出力電圧指
令を設定する手段と、上記変換器の直流出力電圧を検出
する手段と、上記電圧指令と検出電圧とを比較する手段
と、交流電圧と交流電流の位相差指令を設定する手段と
、上記交流電圧と上記交流電流の位相差を検出する手段
と、上記位相差指令と検出位相差とを比較する手段と、
これら両比較手段の出力を入力してＰＷＭの変調度と位
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変調部とを備えたものにおいて、上記変
換器の制御変数が変調度に関連する制限値に近づいたと
き、上記ＰＷＭの変調度と位相の指令手段の入力のうち
、上記位相差比較手段の出力を制限する手段を設けたこ
とを特徴とするＰＷＭ電力変換器の制御装置。１１、上記制限手段は、上記位相差指令を調節する手段
を備えたことを特徴とする第１０項記載のＰＷＭ電力変
換器の制御装置。１２、上記ＰＷＭの変調度と位相の指令手段は、上記電
圧比較手段の出力を交流電流指令とし、交流電流検出値
を帰還する電流制御手段を備えたことを特徴とする第１
０項記載のＰＷＭ電力変換器の制御装置。１３、上記電圧比較手段の出力を予定値に制限する手段
を設けたことを特徴とする第１０項または第１２項記載
のＰＷＭ電力変換器の制御装置。