KR102497371B1

KR102497371B1 - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR102497371B1
Application number: KR1020217021900A
Authority: KR
Inventors: 요우스케 하야시; 가즈노리 사나다
Original assignee: 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2023-02-07
Also published as: US11817797B2; US20220085734A1; JPWO2021033267A1; KR20210101297A; WO2021033267A1; JP6770656B1; CN113316890A

Abstract

전압 제어부(30)는 교류 전압 지령값에 대한 교류 전압의 검출값의 편차를 작게 하기 위한 제어 연산 결과에, 변압기의 1차 권선 전류의 검출값에 게인(G3)을 승산한 피드 포워드 항을 가산함으로써, 교류 전류 지령값을 생성한다. 전류 제어부(50)는, 교류 전류 지령값에 대한 인버터의 출력 전류의 검출값의 편차를 작게 하기 위한 제어 연산에 의해, 인버터 제어 지령값을 생성한다. PWM 회로(60)는, 인버터 제어 지령값과 소정의 반송파를 비교하여 인버터의 제어 신호를 생성한다. 전압 제어부 (30)는, 1차 권선 전류의 검출값에 여자 돌입 전류가 검출되었을 때에는, 여자 돌입 전류가 검출되지 않을 때에 비해, 게인의 값을 작게 한다.

Description

전력 변환 장치

이 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.

일본 특개 2018-207785호 공보(특허문헌 1)에는, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 인버터와 부하의 사이에 마련되는 변압기와, 인버터를 제어하는 제어 장치를 구비한 전력 변환 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 편자 검출 회로(biased-magnetization detection circuit)를 이용하여, 인버터의 출력 전압에 포함되는 직류 성분을 검출하고, 검출한 직류 성분이 없어지도록 인버터의 출력 전압의 파형을 제어한다. 이 편자 검출 회로는, 인버터의 출력 전압을 적분하는 적분기를 갖고 있고, 적분기의 출력 신호의 직류 성분을 검출하도록 구성되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특개 2018-207785호 공보

상기 전력 변환 장치에 있어서는, 인버터를 변압기에 접속할 때, 접속 시의 교류 전압의 위상에 따라서는, 변압기에 여자 돌입 전류가 발생하는 경우가 있다. 여자 돌입 전류는, 부하에 공급되는 전압에 과도적인 변동을 초래함과 아울러, 부하를 오작동시킬 우려가 있다.

그러나, 특허문헌 1에 기재되는 편자 검출 회로는, 적분기의 출력 신호에 근거하여 변압기의 철심의 직류 편자를 검출하고, 인버터를 제어하는 구성으로 되어 있기 때문에, 변압기에 인버터를 접속했을 때에 순간적으로 발생하는 여자 돌입 전류를 신속하게 억제할 수 없다는 것이 염려된다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 인버터를 변압기에 접속했을 때의 여자 돌입 전류를 억제하는 것이 가능한 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 어느 국면에서는, 전력 변환 장치는, 직류 측의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 측에 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 제어 장치를 구비한다, 인버터의 교류 측은 변압기를 통하여 부하에 접속된다, 변압기는, 교류 측으로부터 출력되는 교류 전압을 부하에 부여하도록 구성된다, 전력 변환 장치는, 변압기의 1차 권선 전류를 검출하는 제 1 전류 검출기와, 인버터의 출력 전류를 검출하는 제 2 전류 검출기와, 교류 측으로부터 출력되는 교류 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비한다. 제어 장치는, 전압 제어부와, 전류 제어부와, PWM 회로를 포함한다. 전압 제어부는, 교류 전압 지령값에 대한 전압 검출기에 의한 교류 전압의 검출값의 편차를 작게 하기 위한 제어 연산 결과에, 제 1 전류 검출기에 의한 1차 권선 전류의 검출값에 게인을 승산한 피드 포워드 항을 가산함으로써, 교류 전류 지령값을 생성한다. 전류 제어부는 교류 전류 지령값에 대한 제 2 전류 검출기에 의한 인버터의 출력 전류의 검출값의 편차를 작게 하기 위한 제어 연산에 의해, 인버터 제어 지령값을 생성한다. PWM 회로는, 인버터 제어 지령값과 소정의 반송파를 비교하여 인버터의 제어 신호를 생성함으로써, 인버터를 PWM 제어한다. 전압 제어부는, 제 1 전류 검출기에 의한 1차 권선 전류의 검출값에 여자 돌입 전류가 검출되었을 때에는, 여자 돌입 전류가 검출되지 않을 때에 비해, 게인의 값을 작게 한다.

이 발명에 의하면, 인버터를 변압기에 접속했을 때의 여자 돌입 전류를 억제하는 것이 가능한 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 실시의 형태에 따른 전력 변환 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 비교예에 따른 전력 변환 장치의 제어 구성을 설명하는 기능 블록도이다.
도 3은 실시의 형태에 따른 전력 변환 장치의 제어 구성의 일례를 설명하는 기능 블록도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 편자 억제부의 구성을 나타내는 기능 블록도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 편자 억제부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 4에 나타낸 편자 억제부의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하여 그 설명은 반복하지 않는다.

도 1은, 실시의 형태에 따른 전력 변환 장치의 개략 구성도이다.

도 1을 참조하여, 실시의 형태에 따른 전력 변환 장치(100)의 직류 측에는, 직류 전원(1)이 접속된다. 전력 변환 장치(100)의 교류 측에는, 차단기(2a), (2b) 및 변압기(3)를 통하여 부하(4)가 접속된다. 변압기(3)는, 1차 권선(3a), 2차 권선(3b), 및 고리 형상의 철심(3c)을 갖는다.

전력 변환 장치(100)는, 인버터(10), 출력 필터(12), 전류 검출기(14), (16), 전압 검출기(18) 및 제어 장치(20)를 구비한다. 인버터(10)는, 제어 장치(20)로부터 공급되는 제어 신호 G1~G4에 의해 제어되고, 직류 전원(1)의 직류 전압 Vb를 교류 전압 Vinv로 변환한다.

구체적으로는, 인버터(10)는, 전력용 반도체 스위칭 소자(이하, 간단히 「스위칭 소자」라고도 칭함) Q1~Q4를 갖는다. 스위칭 소자 Q1~Q4의 각각은, 예를 들면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이다. 스위칭 소자 Q1, Q2의 콜렉터는 모두 직류 전원(1)의 정극에 접속된다. 스위칭 소자 Q3, Q4의 콜렉터는 각각, 스위칭 소자 Q1, Q2의 이미터에 접속된다. 반도체 스위칭 소자 Q3, Q4의 이미터는 모두 직류 전원(1)의 부극에 접속된다.

또한, 도 1에서는, 스위칭 소자로서, IGBT를 이용하고 있지만, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 임의의 자기 소호형의 스위칭 소자를 이용할 수 있다. 스위칭 소자 Q1~Q4에는 각각, 다이오드 D1~D4가 역병렬로 접속되어 있다. 다이오드 D1~D4의 각각은, 대응하는 스위칭 소자의 오프 시에 프리 휠 전류를 흘리기 위해서 마련되어 있다. 스위칭 소자가 MOSFET인 경우, 프리 휠 다이오드는 기생의 다이오드(바디 다이오드)로 구성된다. 스위칭 소자가 다이오드를 내장하지 않는 IGBT인 경우, 프리 휠 다이오드는 IGBT에 역병렬로 접속된 다이오드로 구성된다.

스위칭 소자 Q1~Q4는 각각, 제어 장치(20)로부터 공급되는 제어 신호 G1~G4에 의해 도통(온)/비도통(오프)이 제어된다. 제어 신호 G1~G4의 각각은, 예를 들면 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호이다. 제어 신호 G1~G4의 각각의 1주기는, 스위칭 주파수의 역수이다. 제어 신호 G1~G4의 각각은, 각 주기에 있어서 H(논리 하이) 레벨 또는 L(논리 로우) 레벨로 된다. 스위칭 소자 Q1~Q4의 각각은, 대응하는 제어 신호가 H 레벨일 때 온되고, 대응하는 제어 신호가 L 레벨일 때에 오프된다.

출력 필터(12)는, 리액터 L1 및 콘덴서 C1을 갖는다. 리액터 L1의 한쪽 단자는, 스위칭 소자 Q1의 이미터와 접속된다. 리액터 L1의 다른 쪽 단자는, 차단기(2a)를 통해 변압기(3)의 1차 권선(3a)의 한쪽 단자에 접속된다. 스위칭 소자 Q2의 이미터는, 차단기(2b)를 통해 변압기(3)의 1차 권선(3a)의 다른 쪽 단자에 접속된다. 콘덴선 C1은, 1차 권선(3a)의 한쪽 단자 및 다른 쪽 단자 사이에 접속된다.

출력 필터(12)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 스위칭 소자 Q1~Q4에 의해 생성된 소망의 주파수(예를 들면 상용 주파수)의 교류 전력을 통과시키고, 스위칭 소자 Q1~Q4에서 발생한 스위칭 주파수의 신호가 부하(4) 측으로 통과하는 것을 방지한다. 바꾸어 말하면, 출력 필터(12)는, 스위칭 소자 Q1~Q4를 온 오프시킴으로써 생성된 구형파 형상의 교류 전압 Vinv을 정현파 형상의 교류 전류 Vac로 변환한다.

변압기(3)는, 출력 필터(12)로부터 출력되는 교류 전압 Vac에 따른 교류 전압 Vo을 부하(4)에 공급한다. 교류 전압 Vac의 진폭과 교류 전압 Vo의 진폭의 비는, 1차 권선(3a)의 권선 수 N1과 2차 권선(3b)의 권선 수 N2의 비 N1/N2와 같다.

부하(4)는, 변압기(3)로부터 공급되는 교류 전압 Vo에 의해 구동된다. 출력 필터(12) 및 변압기(3)의 사이에 차단기(2a), (2b)를 배치함으로써, 전력 변환 장치(100) 및 변압기(3)의 접속 및 차단을 제어할 수 있다.

전류 검출기(14)는, 출력 필터(12)의 리액터 L1의 리액터 전류 IL을 검출한다. 리액터 전류 IL은, 인버터(10)의 교류 측으로부터 출력되는 「교류 전류」에 대응한다. 전류 검출기(16)는, 출력 필터(12)로부터 출력되는 교류 전류 Iac를 검출한다. 교류 전류 Iac는, 변압기(3)의 1차 권선(3a)에 흐르는 「1차 권선 전류」에 대응한다. 전류 검출기(14)는 「제 2 전류 검출기」의 일 실시예에 대응하고, 전류 검출기(16)는 「제 1 전류 검출기」의 일 실시예에 대응한다.

전압 검출기(18)는, 출력 필터(12)의 콘덴서 C1의 전압 Vac를 검출한다. 콘덴서 C1의 전압 Vac는, 인버터(10)의 교류 측의 「교류 전압」에 대응한다. 리액터 전류 IL, 1차 권선 전류 Iac 및 전압 Vac의 검출값은 제어 장치(20)에 입력된다. 전압 검출기(18)는 「전압 검출기」의 일 실시예에 대응한다.

제어 장치(20)는, 1차 권선 전류 Iac, 리액터 전류 IL 및 전압 Vac의 검출값을 이용하여 반도체 스위칭 소자 Q1~Q4의 온 오프를 제어하기 위한 제어 신호 G1~G4를 생성한다.

다음으로, 도 1에 나타낸 전력 변환 장치(100)의 제어 구성에 대하여 설명한다. 최초로, 비교예에 따른 전력 변환 장치의 제어 구성을 설명한다.

도 2는, 비교예에 따른 전력 변환 장치의 제어 구성을 설명하는 기능 블록도이다.

도 2를 참조하여, 비교예에 따른 전력 변환 장치의 제어 장치(200)는, 전압 제어부(300)와, 전류 제어부(50)와, PMW 회로(60)를 포함한다.

전압 제어부(300)는, 감산기(32), 전압 제어기(34), 가산기(36), (38) 및 게인 연산기(40)를 갖는다. 감산기(32)는, 콘덴서 C1의 전압 지령값 Vac*에 대한, 전압 검출기(18)에 의해 검출된 전압 Vac의 편차 ΔVac를 연산한다. 전압 지령값 Vac*은 소망의 주파수(예를 들면 상용 주파수)의 정현파 형상의 전압으로 설정된다. 전압 지령값 Vac*는 「교류 전압 지령값」에 대응한다.

전압 제어기(34)는 감산기(32)에 의해 연산된 편차 ΔVac를 작게 하기 위한 제어 연산에 의해, 인버터 제어 지령값을 생성한다. 인버터 제어 지령값은, 인버터(10)의 교류 측으로부터 출력되는 교류 전류의 지령값에 상당한다. 게인 G1은, 전압 제어기(34)에 있어서의 제어 연산의 게인을 나타낸다. 예를 들면, 전압 제어기(34)는, 편차 ΔVac를 비례 게인 Kp와 승산한 비례항(Kp·ΔVac)과, 편차 ΔVac의 적분값과 적분 게인 Ki를 승산한 적분항(Ki·Σ(ΔVac))을 가산하는 피드 백 연산에 의해, 인버터 제어 지령값을 구할 수 있다.

가산기(36)는, 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac를 피드 포워드 항으로서, 인버터 제어 지령값에 가산한다. 피드 포워드 항을, 상기 피드 백 연산 결과에 가산함으로써, 1차 권선 전류 Iac의 급변에 대하여 전류 제어계가 고속으로 추종하는 것이 가능해진다.

게인 연산기(40)는, 전압 검출기(18)에 의해 검출된 전압 Vac와 전류 제어기(54)의 게인 G2의 역수(1/G2)를 승산한다.

가산기(38)는, 게인 연산기(40)의 출력(Vac/G2)을, 전압 보상을 위해 가산기(36)의 출력에 가산함으로써, 리액터 전류 지령값 IL*를 생성한다. 리액터 전류 지령값 IL*은 「교류 전류 지령값」에 대응한다.

전류 제어부(50)는, 감산기(52) 및 전류 제어기(54)를 포함한다. 감산기(52)는, 리액터 전류 지령값 IL*에 대한, 전류 검출기(14)에 의해 검출된 리액터 전류 IL의 편차 ΔIL을 연산한다.

전류 제어기(54)는, 감산기(52)에 의해 연산된 편차 ΔIL을 작게 하기 위한 제어 연산에 의해, 인버터 제어 지령값 Vinv*을 생성한다. 인버터 제어 지령값 Vinv*은, 인버터(10)의 출력 전압 Vinv의 지령값에 상당한다. 게인 G2는 전류 제어기(54)에 있어서의 제어 연산의 게인을 나타낸다. 예를 들면, 전류 제어기(54)는, 편차 ΔIL을 비례 게인 Kp와 승산한 비례항(Kp·ΔIL)과, 편차 ΔIL의 적분값과 적분 게인 Ki를 승산한 적분항(Ki·Σ(ΔIL))을 가산하는 피드 백 연산에 의해, 인버터 제어 지령값 Vinv*을 구할 수 있다. 리액터 전류 지령값 IL*의 주기적인 변화에 따라, 인버터 제어 지령값 Vinv*도 동일한 주파수의 교류 파형이 된다.

PWM 회로(60)는, 인버터 출력 전압 Vinv을 인버터 제어 지령값 Vinv*으로 제어하기 위한 제어 신호 G1~G4를 생성한다. 구체적으로는, PWM 회로(60)는, 인버터 제어 지령값 Vinv*과 캐리어파의 전압 비교에 따라, PWM 신호 S1, S2를 생성한다. 기본적으로, Vinv*가 캐리어파의 전압보다 낮은 기간에서는, PWM 신호 S1이 H 레벨로 설정되는 한편, PWM 신호 S2가 L 레벨로 설정된다. 이에 대해, Vinv*가 캐리어파의 전압의 전압보다 높은 기간에서는, PWM 신호 S1이 L 레벨로 설정되는 한편, PWM 신호 S2가 H 레벨로 설정된다.

PWM 신호 S1의 H 레벨 기간에서는, 반도체 스위칭 소자 Q1, Q4를 온하기 위해, 제어 신호 G1, G4가 H 레벨로 설정된다. 반대로, PWM 신호 S1의 L 레벨 기간에서는, 반도체 스위칭 소자 Q1, Q4를 오프하기 위해, 제어 신호 Gl, G4가 L 레벨로 설정된다.

이에 대해, PWM 신호 S2의 H 레벨 기간에서는, 반도체 스위칭 소자 Q2, Q3를 온하기 위해, 제어 신호 G2, G3가 H 레벨로 설정된다. 반대로, PWM 신호 S2의 L 레벨 기간에서는, 반도체 스위칭 소자 Q2, Q3를 오프하기 위해, 제어 신호 G2, G3가 L 레벨로 설정된다. 또한, PWM 신호 S1, S2의 사이에는, 데드 타임이 마련된다.

비교예에 따른 제어 장치(200)에서는, 전류 제어부(50)에 있어서 가산되는 피드 포워드 항인, 전압 검출기(18)에 의해 검출된 전압 Vac가, 실질적으로 전압 제어부(300)에 가산되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 전류 제어부(50)는, 전압 제어부(300)와 비교하여 저응답의 설계이면 되고, 예를 들면 디지털 제어에 의해 구성할 수 있기 때문에, 소프트웨어에 의한 연산이 가능하게 된다. 그 결과, 회로를 간략화할 수 있으므로, 저코스트화가 가능하게 된다.

여기서, 도 1의 구성예에 있어서는, 차단기(2a), (2b)를 모두 투입함으로써 전력 변환 장치(100)를 변압기(3)에 접속할 때, 접속 시의 전압 Vac의 위상에 따라서는, 변압기(3)에 여자 돌입 전류가 발생하는 경우가 있다. 여자 돌입 전류는, 부하(4)에 공급되는 전압에 과도적인 변동을 초래함과 아울러, 부하(4)를 오작동시킬 우려가 있다.

구체적으로는, 1차 권선(3a)의 단자간 전압 Vac을 적분하면, 변압기(3)의 철심(3c) 내에 자속이 발생한다. 또한, 전압 vac의 파형이 이상적인 정현파인 경우, 자속은 전압 Vac보다 90도 지연된 정현파가 된다. 전압 Vac가 0이 되는 위치에서 차단기(2a), (2b)를 닫은 경우, 자속은 최대값에 도달한다. 변압기(3)의 철심(3c)에 자속이 잔류하고 있는 경우, 자속은 잔류 자속을 초기값으로 한 정현파가 된다. 또한, 변압기(3)의 철심(3c)에 잔류 자속이 생기고 있는 것은, 철심(3c)의 자속 밀도에 직류 성분이 중첩하는 것(이하, 「직류 편자」라고도 칭함)이 발생하고 있는 것을 나타내고 있다. 이 자속이 철심(3c)의 자기 포화점을 초과하면, 변압기(3)의 여자 임피던스가 급격하게(sharply) 저하함으로써, 과도적으로 큰 전류(여자 돌입 전류)가 흐른다. 그 결과, 1차 권선 전류 Iac도 급격하게 증대한다.

도 2에 나타내는 비교예에 따른 제어 장치(200)에서는, 전압 제어부(300)는, 피드 백 연산 결과에 대하여, 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac를 피드 포워드 항으로서 가산한다. 그 때문에, 여자 돌입 전류가 발생한 경우에는, 1차 권선 전류 Iac가 급변하기 때문에, 이 1차 권선 전류 Iac의 급변에 대하여 전류 제어부(50)가 고속으로 추종하게 된다. 이에 따라, 여자 전류가 증대하고, 결과적으로 직류 편자를 확대시켜 버리는 것이 염려된다.

또한, 변압기(3)의 직류 편자를 억제하기 위한 기술로서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 편자 검출 회로를 이용하여, 인버터의 출력 전압에 포함되는 직류 성분을 검출하고, 검출한 직류 성분이 없어지도록 인버터의 출력 전압의 파형을 제어하는 구성이 개시되어 있다. 이 편자 검출 회로는, 인버터의 출력 전압을 적분하는 적분기를 가지고 있고, 적분기의 출력 신호의 직류 성분을 검출하도록 구성되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같이, 여자 돌입 전류는, 변압기(3)에 전력 변환 장치(100)를 접속했을 때에 순간적으로 발생한다. 이에 대하여, 특허문헌 1에 기재되는 편자 검출 회로는, 적분기의 출력 신호에 근거하여 변압기(3)의 철심(3c)의 직류 편자를 검출하고, 인버터를 제어하는 구성으로 되어 있기 때문에, 여자 돌입 전류를 빠르게 억제하는 것이 어렵다.

그래서, 본 실시의 형태에 따른 전력 변환 장치(100)에 있어서는, 제어 장치(20)는, 1차 권선 전류 Iac에 포함되는 여자 돌입 전류를 검출한 경우에, 전압 제어부에 있어서의 피드 포워드 항의 크기를 감소시키도록 구성된다.

도 3은, 본 실시의 형태에 따른 전력 변환 장치(100)의 제어 구성의 일례를 설명하는 기능 블록도이다. 제어 장치(20)를 구성하는 각 기능 블록은, 예를 들면, 제어 장치(20)를 구성하는 마이크로 컴퓨터에 의한, 소프트웨어 처리 및/또는 하드웨어 처리에 의해서 실현된다.

도 3을 참조하여, 제어 장치(20)는, 전압 제어부(30), 전류 제어부(50) 및 PWM 회로(60)를 갖는다. 도 3에 나타내는 제어 장치(20)는, 도 2에 나타낸 비교예에 따른 제어 장치(200)와 비교하여, 전압 제어부(300)를 대신해, 전압 제어부(30)를 갖는 점이 다르다.

전압 제어부(30)는, 감산기(32), 전압 제어기(34), 가산기(36), (38), 게인 연산기(40), (42) 및, 편자 억제부(44)를 갖는다. 전압 제어부(30)는, 도 2에 나타낸 전압 제어부(300)에 게인 연산기(42) 및 편자 억제부(44)를 추가한 것이다.

게인 연산기(42)는, 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac와 게인 G3을 승산하고, 승산 결과를 가산기(36)에 출력한다. 가산기(36)는, 게인 연산기(42)의 출력(Iac·G3)을 피드 포워드 항으로서, 전압 제어기(34)에 의해 생성된 인버터 제어 지령값에 가산한다.

여기서, 게인 G3은, 피드 포워드 항의 크기를 조정하기 위한 게인이며, 0보다 크고 1.0 이하의 값을 취할 수 있다. 또한, G3=1.0인 경우, 피드 포워드 항은 1차 권선 전류 Iac 그 자체가 되고, 도 2의 비교예에 있어서의 피드 포워드 항과 동일해진다.

이에 대해서, 0<G3<1.0인 경우에는, 피드 포워드 항은 1차 권선 전류 Iac보다 작아지기 때문에, 도 2의 비교예에 있어서의 피드 포워드 항에 비해 작아진다.

편자 억제부(44)는, 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac에 근거하여, 게인 연산기(42)에 이용되는 게인 G3의 값을 설정한다. 편자 억제부(44)는, 이하에 설명하는 바와 같이, 1차 권선 전류 Iac에 중첩하고 있는 여자 돌입 전류가 검출된 경우에는, 게인 G3을 1.0 미만의 값으로 설정함으로써, 피드 포워드 항을 작게 하도록 구성된다.

도 4는 도 3에 나타낸 편자 억제부(44)의 구성을 나타내는 기능 블록도이다. 도 4를 참조하여, 편자 억제부(44)는, 검출부(70), 판정부(80) 및 설정부(90)를 갖는다. 검출부(70)는, 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac에 중첩하고 있는 여자 전류를 추출한다.

판정부(80)는, 검출부(70)에 의해 추출된 여자 전류의 크기에 근거하여, 여자 돌입 전류의 유무를 판정한다. 판정부(80)는, 1차 권선 전류 Iac의 검출값이 여자 돌입 전류를 갖고 있다고 판정된 경우에는, 판정 결과를 나타내는 신호로서, H 레벨로 활성화된 신호 DET를 출력한다. H 레벨의 신호 DET는, 변압기(3)에 직류 편자가 발생하고 있는 것을 나타내고 있다.

한편, 판정부(80)는, 1차 권선 전류 Iac의 검출값이 여자 돌입 전류를 갖고 있지 않다고 판정된 경우에는, 판정 결과를 나타내는 신호로서, L 레벨로 비활성화된 신호 DET를 출력한다. L 레벨의 신호 DET는, 변압기(3)에 직류 편자가 발생하고 있지 않다는 것을 나타내고 있다.

설정부(90)는, 판정부(80)의 출력 신호 DET에 따라, 게인 G3의 값을 설정한다. 설정부(90)는, L 레벨의 신호 DET를 받은 경우, 게인 G3의 값을 「1.0」으로 설정한다(G3=1.0). 한편, H 레벨의 신호 DET를 받은 경우에는, 설정부(90)는, 게인 G3을 소정값 K로 설정한다(G3=K). 소정값 K는 0보다 크고 1.0 미만의 값이다(0<K<1.0). 설정부(90)는, 설정한 게인 G3을 게인 연산기(42)에 출력한다. 게인 연산기(42)는, 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac와 게인 G3을 승산한다.

도 5는 도 4에 나타낸 편자 억제부(44)의 구성예를 나타내는 회로도이다.

도 5를 참조하여, 검출부(70)는 저역 통과 필터(LPF)(72)를 갖는다. LPF(72)는, 출력 필터(12)로부터 출력되는 소망의 주파수(예를 들면 상용 주파수)의 전류 IL이 통과하는 것을 방지하고, 소망의 주파수보다 낮은 주파수의 여자 전류를 통과시키도록 구성된다. 즉, LPF(72)는 전류 검출기(16)에 의해 검출된 1차 권선 전류 Iac로부터, 여자 전류를 추출한다.

판정부(80)는, 절대값 회로(ABS)(82)와, 임계값(84)과, 비교기(86)를 갖는다. 절대값 회로(82)는, 여자 전류의 절대값을 산출하고, 산출 결과를 나타내는 신호를 출력한다.

비교기(86)는, 절대값 회로(82)의 출력 신호와 미리 설정된 임계값(84)을 비교하고, 비교 결과를 나타내는 신호를 출력한다. 임계값(84)은, 변압기(3)의 철심(3c)에 자기 포화가 발생했을 때에 1차 권선(3a)에 흐르는 여자 돌입 전류를 상정하여 설정되어 있다. 절대값 회로(82)의 출력 신호(여자 전류의 절대값)의 피크값이 임계값(84)보다 클 때, 비교기(86)는, H 레벨의 신호 DET를 출력한다. 한편, 절대값 회로(82)의 출력 신호(여자 전류의 절대값)의 피크값이 임계값(84)보다 작을 때에는, 비교기(86)는 L 레벨의 신호 DET를 출력한다.

설정부(90)는, 전환부(92)를 갖는다. 전환부(92)는, 제 1 입력 단자, 제 2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는다. 제 1 입력 단자는 소정값 K를 받고, 제 2 입력단자는 값 「1.0」을 받는다. 소정값 K는, 상술한 바와 같이, 0보다 크고 1.0 미만의 값이다(0<K<1.0).

전환부(92)는, 비교기(86)의 출력 신호 DET에 근거하여, 2개의 입력값 중 어느 한쪽을 선택하고, 선택한 값을 게인 G3으로서 출력 단자로부터 출력한다. 구체적으로는, 비교기(86)의 출력 신호 DET가 H 레벨일 때, 전환부(92)는, 소정값 K를 선택한다. 한편, 비교기(86)의 출력 신호 DET가 L 레벨일 때, 전환부(92)는, 값 「1.0」을 선택한다.

즉, 1차 권선 전류 Iac의 검출값에 포함되는 여자 전류의 절대값의 피크값이 임계값(84)보다 큰 경우에는, 변압기(3)에 직류 편자가 발생하고 있다고 판정되어 게인 G3이 소정값 K(0<K<1.0)으로 설정된다. 따라서, 게인 연산기(42)는, 1차 권선 전류 Iac의 검출값에 소정값 K를 곱한 것, 즉, 1차 권선 전류 Iac를 저감시킨 것을, 피드 포워드 항으로서 출력한다. 이에 의하면, 전력 변환 장치(100)를 변압기(3)에 접속한 경우에 있어서 변압기(3)에 직류 편자가 발생했을 때에는, 전압 제어부(30)에 있어서의 피드 포워드 항이 작아진다. 피드 포워드 항을 저감시킴으로써, 여자 돌입 전류에 의한 1차 권선 전류 Iac의 급변에 대한 전류 제어계의 즉응성이 저하하기 때문에, 여자 전류의 증대를 억제할 수 있고, 결과적으로 직류 편자가 확대하는 것을 방지할 수 있다.

이에 대해서, 1차 권선 전류 Iac의 검출값에 포함되는 여자 돌입 전류의 절대값의 피크값이 임계값(84)보다 작은 경우에는, 변압기(3)에 직류 편자가 발생하고 있지 않다고 판정되어 게인 G3이 값 「1.0」으로 설정된다. 이 경우, 게인 연산기(42)는, 전류 검출기(16)에 의한 1차 권선 전류 Iac의 검출값을 피드 포워드 항으로서 출력한다. 이에 의하면, 전압 제어부(30)에 있어서의 피드 포워드 항이 유지되기 때문에, 1차 권선 전류 Iac의 급변에 대한 전류 제어계의 즉응성을 확보할 수 있다.

도 3으로 되돌아가서, 제어 장치(20)는, 편자 검출부(64) 및 보정부(62)를 더 갖는다. 편자 검출부(64)는, 특허문헌 2에 기재되는 편자 검출 회로와 마찬가지의 기능을 갖고 있다. 구체적으로는, 편자 검출부(64)는, 전압 검출기(18)에 의해 검출된 전압 Vac에 근거하여, 변압기(3)의 철심(3c)에 발생하는 자속을 나타내는 신호의 직류 성분 Vdc를 검출한다. 보정부(62)는, 편자 검출부(64)에 의해 검출되는 직류 성분 Vdc를 없애도록, 인버터 제어 지령값 Vinv*에 직류 오프셋값을 가산함으로써, 인버터 제어 지령값 Vinv*을 보정한다. PWM 회로(60)는, 보정부(62)에 의해 보정된 인버터 제어 지령값 Vinv*과 캐리어파를 비교함으로써, 제어 신호 G1~G4를 생성한다.

이에 의하면, 전력 변환 장치(100)의 접속 시에 있어서, 편자 억제부(44)에 의해 여자 돌입 전류의 증대가 억제되면, 그 후에는 편자 검출부(64)에 의해 직류 편자의 발생이 억제된다, 따라서, 편자 억제부(44)에 있어서, 전력 변환 장치(100)의 접속 후에 피드 포워드 항을 원래의 크기로 되돌려도, 직류 편자는 발생하지 않는다. 그 결과, 정상 시의 제어에 영향을 미치지 않고, 변압기(3)의 직류 편자를 수속시킬 수 있다.

(그 밖의 구성예)

상술한 실시의 형태에서는, 전압 제어부(30)에 있어서의 피드 포워드 항의 크기를 결정하는 게인 G3의 값을, 「1.0」 및 소정값 K의 사이에서 전환하는 구성예에 대해 설명했다. 이 구성예에서는, 피드 포워드 항의 크기가 변화할 때에 제어 안정성이 저하될 가능성이 염려된다.

도 6은, 도 5에 나타낸 편자 억제부(44)의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다. 도 6을 참조하여, 편자 억제부(44)는, 도 5에 나타낸 편자 억제부(44)와 비교하여, 설정부(90)의 구성이 다르다. 본 변경예의 설정부(90)는, 도 5에 나타낸 설정부에 대하여, 리미터(94)를 추가한 것이다.

리미터(94)는, 전환부(92)와 게인 연산기(42)의 사이에 마련된다. 리미터(94)는, 전환부(92)에 의해 게인 G3의 값이 「1.0」으로부터 소정값 K로 전환된 경우, 또는, 게인 G3의 값이 소정값 k로부터 「1.0」으로 전환된 경우에 있어서, 게인 G3의 변화율을 제한하도록 구성된다. 게인 G3의 변화율이란 단위 시간당의 게인 G3의 변화량에 상당한다.

소정의 변화율은, 전류 제어부(50)에 있어서의 제어 응답성에 따라 설정된다. 이에 의하면, 게인 G3의 값이 전환될 때, 게인 G3의 값이 소정의 변화율에 따라 변화함으로써, 전류 제어부(50)에 있어서 제어 안정성이 확보된다.

금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1 직류 전원, 2a, 2b 차단기, 3 변압기, 3a 1차 권선, 3b 2차 권선, 3c 철심, 4 부하, 10 인버터, 12 출력 필터, 14, 16 전류 검출기, 18 전압 검출기, 20, 200 제어 장치, 30, 300 전압 제어부, 32, 52 감산기, 34 전압 제어기, 36, 38 가산기, 40, 42 게인 연산기, 44 편자 억제부, 50 전류 제어부, 54 전류 제어기, 60 PWM 회로, 62 보정부, 64 편자 검출부, 70 검출부, 80 판정부, 82 절대값 회로, 84 임계값, 90 설정부, 92 전환부, 94 리미터, 100 전력 변환 장치

Claims

직류 측의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 측에 출력하는 인버터와,
상기 인버터를 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 인버터의 상기 교류 측은 변압기를 통해 부하에 접속되고, 상기 변압기는, 상기 교류 측으로부터 출력되는 상기 교류 전압을 상기 부하에 부여하도록 구성되고,
상기 변압기의 1차 권선 전류를 검출하는 제 1 전류 검출기와,
상기 인버터의 출력 전류를 검출하는 제 2 전류 검출기와,
상기 교류 측으로부터 출력되는 교류 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 장치는,
교류 전압 지령값에 대한 상기 전압 검출기에 의한 상기 교류 전압의 검출값의 편차를 작게 하기 위한 제어 연산 결과에, 상기 제 1 전류 검출기에 의한 상기 1차 권선 전류의 검출값에 게인을 승산한 피드 포워드 항을 가산함으로써, 교류 전류 지령값을 생성하는 전압 제어부와,
상기 교류 전류 지령값에 대한 상기 제 2 전류 검출기에 의한 상기 인버터의 출력 전류의 검출값의 편차를 작게 하기 위한 제어 연산에 의해, 인버터 제어 지령값을 생성하는 전류 제어부와,
상기 인버터 제어 지령값과 소정의 반송파를 비교하여 상기 인버터의 제어 신호를 생성함으로써, 상기 인버터를 PWM 제어하는 PWM 회로를 포함하고,
상기 전압 제어부는, 상기 제 1 전류 검출기에 의한 상기 1차 권선 전류의 검출값에 여자 돌입 전류가 검출되었을 때에는, 상기 여자 돌입 전류가 검출되지 않을 때에 비해, 상기 게인의 값을 작게 하는 전력 변환 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전압 제어부는,
상기 제 1 전류 검출기에 의한 상기 1차 권선 전류의 검출값에 있어서의 상기 여자 돌입 전류의 유무를 검출하고,
상기 1차 권선 전류의 검출값이 상기 여자 돌입 전류를 가질 때에는 상기 게인의 값을 제 1 값으로 설정하고, 상기 1차 권선 전류의 검출값이 상기 여자 돌입 전류를 갖지 않을 때는 상기 게인을 상기 제 1 값보다 작은 제 2 값으로 설정하는 전력 변환 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 값은 1.0이고,
상기 제 2 값은 0보다 크고 1.0 미만인 전력 변환 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전압 제어부는, 상기 게인의 전환 시에 있어서의 상기 피드 포워드 항의 변화율을 제한하기 위한 리미터를 갖는 전력 변환 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 전압 검출기에 의한 상기 교류 전압의 검출값에 근거하여, 상기 변압기의 철심에 발생하는 자속을 나타내는 신호의 직류 성분을 검출하는 편자 검출부와,
상기 직류 성분을 없애도록 상기 인버터 제어 지령값을 보정하는 보정부를 더 포함하고,
상기 PWM 회로는, 상기 보정부에 의해 보정된 상기 인버터 제어 지령값과 상기 소정의 반송파를 비교하여 상기 인버터의 제어 신호를 생성하는 전력 변환 장치.