JPS62230357A - Ｐｗｍ電力変換器の制御装置 - 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】 〔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電力変換器の制御については、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や、特開
昭５９−６１４７５号公報に記載されたものが知られて
いる。

すなわち、前者は、直流電圧指令値ｖｏ傘とその帰還値
ＶＤの偏差をＰＩ制御したものに、負荷電流Ｉｔ、の要
素を加味して交流電流指令値を発生する。これにリアク
トルのインピーダンスωＬ１　を乗じることにより、変
換器入力電圧Ｖｃｖの虚軸成分（交流電源電圧Ｖｚｚと
直交する成分）を得る。

一方、変換器入力電圧Ｖｃｖの実軸成分（交流電源交流
電流Ｉｚｚの位相差を検出した結果によって調節される
。

以上のようにして得た虚軸成分および実軸成分は、極座
標に変換された後にＰＷＭ変調し、変換器を運転する。

また、後者は、直流電圧指令値ｖ０１１とその帰還値Ｖ
ｏの偏差から、交流電流波高値送金Ｉｐｍを発生する。

そして、これに交流電源電圧Ｖｓに同期した単位正弦波
を乗じることによって交流電流１ｘ工ｓ傘を得る。制御
器Ｇｚ（Ｓ）　　は、検出した交流電流Ｉｓの瞬時値が
指令値工Ｓ＊に等しくなるように変換器を制御する。

前者の方式は、後者のように交流電流の瞬時値を演算処
理して制御する必要がない６したがって、演算時間を必
要とするマイクロコンピュータなどによるディジタル制
御に適した方式である。

〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記従来技術には次のような問題があっ
た。

交流電流が変換器の電流容量を超えないようにするため
に、一般には交流電流指令値にリミッタをかけることが
考えられる。前述のように、交流電流指令値にリアクト
ルのインピーダンスωＬｌ（定数）を乗じて変換器入力
電圧Ｖｃｖの虚軸成分を発生している。したがって、交
流電流指令値にリミッタをかけることは、変換器入力電
圧Ｖｃｖの虚軸成分にリミッタをかけることと等価であ
る。

ここで、第３図に示すように、変換器を力率１でない状
態で運転する場合（交流電源電圧Ｖａｔと交流電流１ｘ
工が位相差φをもつ）を考えてみる。

おくと。

ＣＯ３− すなわち、 Ｖ＋、ｚ＞　Ｉ　ｍ　（Ｖｃｖ） となる、交流電流Ｉｚｔは。

　Ｌ　１ ｊ　ωＬ であるから、虚軸成分Ｉ　ｗａ　（Ｖｃｖ）　　にリミ
ッタをかけても、交流電流Ｉｚｔの大きさを制限できな
いことがわかる。交流電流が変換器の電流容量を超えよ
うとした場合、一般には過電流保護装置が動作し、変換
器の運転を続行することができなくなる。

つぎに、複数の変換器を多段接続する場合を考える。こ
の場合、複数の変圧器２次巻線を交流電源として変換器
を接続するのが一般的である。ところが、特に電気車の
ように変圧器の小形化を図らなければならない場合、変
圧器２次巻線間の相互インダクタンスをなくすことは非
常に困難である。いま、３つの２次巻線があるとすると
、各部の電圧・電流の間には次の関係がある。

二二に、Ｌｚ＝Ｌａは各２次巻線間に接続したりアクド
ルのインダクタンス、Ｍ１〜Ｍａは２次巻線間の相互イ
ンダクタンス、Ｌａｘ〜Ｉｚｓは各２次巻線に流れる交
流電流、Ｖｔ、ｚ〜ＶＬδは各２次巻線に接続したりア
クドルの両端電圧である。

このように、相互インダクタンスにより他巻線の交流電
流の影響を受けるため、個々の交流電流を高精度に制御
することが難かしいという問題がある。

本発明の目的とするところは、力率を変更しても・、Ｐ
ＷＭ電力変換器の交流入力電流が、その電流容量を越え
ることがない制御装置を提供することである。

〔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、ＰＷＭｆｆｔ力変換器の
交流電流を、その指令値と帰還値とを比較演算して制御
することである。

〔作用〕

このように、交流電流を帰還制御することにより、力率
や他巻線からの影響を排除し、交流電流を指令値に等し
く制御することができる。

この結果、力率を変更しても交流電流が変換器の電流容
量を超えようとして過電流に至ることがない。また、変
換器を多段接続した場合には、何個の変換器の交流電流
を高精度に制御することができる。

〔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Ｅ−拳と直流電圧Ｅ４を比較し、電
圧偏差εＥ−を出力する比較器７と、電圧偏差εＥ−を
入力し、交流電流の振幅指令１°工ｓｌ・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の電流容量から定まる制限特
性を備えている。この交流電流振幅指令１Ｉｓｌ傘は、
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ｌｌ５ｌと比較され、
ｆ！！流偏差ε１Ｉｓｌを出力する。この偏差５ｌＩｓ
ｌ　　は、電流制御器１２に入力される。この電流制御
器１２は、例え分）Ｉ−（Ｅｃ）を出力する。

一方１位相検出器１３は、交流電源電圧Ｅｓと交流電流
Ｉｓの位相差φを検出する。位相差指令値φ−は１通常
電気角０度、すなわち力率ｃｏｓφ＝１に設定されてい
る０位相差指令値φ拳と検出位相差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（Ｅｃ）　　を入力し、ＰＷＭ変調のための
位！ＺＥｃと変調度指令ＭＩを出力する。

ＰＷＭ変調部１７は、前記位相１”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、オフ時間か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が最大変調度
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４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Ｅ４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３００　Ｋ　ｍ
　／　ｈの電気車を想定すると、はぼ１００〜２００Ｋ
ｍ／ｈ程度の速度域がこの領域交流電流はＩｓｔとなる
。これによるリアクトル電圧は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、ＥＳ２どなった場合、
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ＥＬＫどなる。但し、ＥＬａ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（ｌＥｓｌ・ｌＩｓｌＥｔ。

ｊ　ωＬ アクドル電圧Ｅ＋、ｚを得るための変換器入力電圧はＥ
ａｔ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．を超丸ないように力
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Ｒθ（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Ｅｃａ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１．（Ｅｃ）には影響を
与えていない、交流電流工ｓは、５−Ｅｃ ｊωＬ Ｉ−（Ｅｃ）　　　　Ｉ　Ｅｓｌ　−Ｒｅ　　（Ｅｃ）
ω　Ｌ　　　　　　　　　　　　　ωＬと表わせるから
、その実軸成分（有効成分）Ｒｅ（Ｉｃ）　　にも影響
を与えない、したがって、Ｉｓδｃｏｓφ＝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Ｅａ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Ｍ１．と力率１とを同
時に満足するようにしてい電力を一定とすれば反比例の
関係にあるから、交流電源電圧Ｅｓが低下した場合には
、交流電流Ｉｓ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ＥＢが最小となったときの
交流電流Ｉｓ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Ｅｓ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流Ｉｓは小さくなる。一方、
交流電源電圧Ｅｓ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）−１ｓｃｏｇφ　は小さくなり、力率の低下
による交流電流Ｉｎ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、ついには交流電流工ｓ
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Ｅ−は徐々に低下する。変
換器入力によって発生している。そのため、最大変調度
Ｍｌ、を保持していても、変換器入力電圧Ｅｃの大きさ
は直流電圧Ｅａ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Ｅｔ
、ヨ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１Ｉｓｌ＊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″Ｘｌ”Ｉｓｌヵ、ヨ
ウ、１□ｓ　ｌ　、ＩＣ”Ｊ　Ｌ／　＜　ｆｔうよう。

御゛を行う。この場合は、虚軸成分１．（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ＥＬＩＩの軌跡に沿っ
て制御されることになり、交流電流”Ｉ　Ｓ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Ｅ−が低下してきても、交流電流−Ｉ　ｓを変換器１
の電流容量内に制御することができる。

第２図は他の実施例を示す図である。

電圧制御器８の出力を変換器出力電流指令値Ｉ、１１と
し、これを乗算器１０１に入力する。乗算器１０１のも
う１つの入力は、直流電圧Ｅ−を、実効値検出器１０２
で検出した交流電源電圧実効値ＥＳ＋ｍで除したもので
ある。除算は、除算器１０３で行っている。また、実効
値を振幅に変換するため１乗算器１０１にはへターも入
力される。乗算器１０１の出力はリミッタ１０４で制限
を受け、交流電流振幅指令値ｌｌ５ｌ・を発生する０以
上が第１図との相違である。

本実施例の特徴とするところは次の通りである。

直流電圧Ｅａは、コンデンサ５に流れる電流を積分した
結果得られる。従って、電圧制御器８は、変換器出力電
流ニーを指令することにより、交流電流Ｉｓを指令する
のに比べて、より良好に電圧制御を行うことができる。

直流側に供給する電力Ｐ４および交流側から供給される
電力Ｐａは、 Ｐｄ＝Ｅｄ　・工。

ｌ　Ｅｓｌ　・Ｉ　ｌ５ｌ ｐａ　＝　　　　　　　　　ＣｏＳφ である。よって、変換器出力電流１ａ　を交流電流振幅
ｌｌ５ｌ　　に変換するためには、Ｐａ＝Ｐａとおいて
。

　Ｅ　ａ ＩＩｓｌ＝　　　　　Ｉｎ Ｉｓｌ ｓｍ となる、（但し、力率＝１とした場合）第１図では、上
式によって変換器出力電流指令値Ｉ、申を交流電流振幅
指令値１Ｉｓｌ＊に変換しているものである。

本実施例によれば、交流電源電圧Ｅｓなどが変動しても
、直流側に供給する電力を一定にできるので、より良好
な電圧制御が可能になる。

なお、以上の実施例では交流電流振幅１Ｉｓｌを制御し
たものであるが、交流電流Ｉｓは正弦波状の電流である
から、関連する制御変数に係数を乗ずれば、容易に実効
値や平均値として制御することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、力率を調整したとしても、入力交流電
流が変換器の電流容量を越えてしまうようなことのない
ＰＷＭ電力変換装置の制御装置を提供できる。

【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図は従来例の動作を
示すベクトル図、第４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・・・電圧制御器、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・・・座棟変換器、１７
・・・ＰＷＭ変調部、１９・・・力率制限器、７，９，
１４，１８゜２１・・・比較器。

Claims (1)

1. 【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、交流電流検出値を規還制御する電流制御手段を設
   けたことを特徴とするＰＷＭ電力変換器の制御装置。 ２、上記電圧制御手段は、上記変換器の出力電流を指令
   し、上記出力電流の指令値を交流電流指令に変換する手
   段を設け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。