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発明の名称 電力変換装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−266059
公開日 平成8年(1996)10月11日
出願番号 特願平7−65426
出願日 平成7年(1995)3月24日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 (外2名)
発明者 由良 元澄 / 古澤 準次
要約 目的
コンバータの熱損失を抑え、1つの電流検出器でフィードバック制御を行い、歪みの少ない正弦波回生電流を生成し、安価な電力変換装置を提供する。

構成
コンバータ1につながる3相交流電圧の大小関係を検出する手段と、大小関係から3相交流電圧中絶対値が最大となる相を選択する第1スイッチ及びそれ以外の2つの相を選択する第2スイッチと、第1スイッチで選択された交流電圧検出値とコンバータ1が出力する直流電圧に応じた直流電流指令とから交流電流指令を発生する手段と、コンバータ1の直流電流検出値を三角波キャリヤ信号が頂点になるタイミングでサンプル/ホールドされた電流検出値と交流電流指令とに応じて交流電圧指令を出力する電流誤差増幅手段と、第1スイッチで選択された相のコンバータ1の1つのトランジスタTrを常時ON状態に保持し、第2スイッチで選択された2つの相につながるトランジスタTrを交流電圧指令と三角波キャリヤ信号とでPWM制御し、ON/OFF制御する手段とを備える。
特許請求の範囲
【請求項1】 トランジスタ及びこのトランジスタに逆並列接続されたダイオードの組合せが複数構成され、前記複数のトランジスタをPWM制御するコンバータが入力された交流電圧指令に応じて3相交流電圧を直流電圧に可逆変換する電力変換装置において、前記コンバータから出力される直流電流を検出する手段と、前記コンバータから出力される直流電圧に応じて直流電流指令を発生する手段と、前記コンバータにつながる3相交流電圧の大小関係を検出する手段と、前記大小関係の検出に基づき3相交流電圧中で絶対値が最大となる相を選択する第1スイッチ及び前記第1スイッチ以外の2つの相を選択する第2スイッチと、前記第1スイッチにより選択された相の交流電圧検出値と前記直流電流指令とから交流電流指令を発生する手段と、前記直流電流検出値を三角波キャリヤ信号の三角波が頂点になるタイミングでサンプル/ホールドする手段と、前記サンプル/ホールドされた直流電流検出値と前記交流電流指令とに応じて交流電圧指令を出力する電流誤差増幅手段と、前記第1スイッチによって選択された相の前記コンバータの1つのトランジスタを常時ON状態に保持し、前記第2スイッチによって選択された2つの相につながるトランジスタが前記交流電圧指令と前記三角波キャリヤ信号とによってPWM制御されON/OFF制御を行う手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力変換装置に関し、特にモータを駆動するインバータの直流電源を生成し電力を回生するコンバータを備えた電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械の駆動源に使用されるモータを可変速運転するインバータの直流電源には、トランジスタを用いて可逆変換ができるコンバータを備えた電力変換装置で生成される直流電源が使用される。この種の電力変換装置においてはモータ減速時にモータの運転エネルギーが交流電源に回生できる。しかしながら、近年、歪の多い回生電流を交流電源へ回生した場合には他の機械が誤動作するなどの悪影響を及ぼすことが問題となってきている。そこで、このような問題を解決するため、従来においては図5に示す電力変換装置が使用され、歪の少ない正弦波電流を回生することが実用化されている。図5に示す電力変換装置においてはコンバータ1で生成された直流電圧Vdcがインバータ回路によって交流に変換される。この変換された交流により交流モータの可変速運転が行われる。コンバータ1に入出力される3相交流電流は電流検出器14を介して絶縁されるとともに検出される。この検出値に基づいて入出力される交流電流は正弦波になるようにフィードバック制御されている。
【0003】ここで、図5に示す点線内の制御回路の動作について説明する。基準電圧源21には平滑コンデンサ2に充電された直流電圧Vdcの目標電圧が設定され、減算器19においてこの目標電圧と直流電圧Vdcの検出値とが引き算され、電圧偏差信号が得られる。この電圧偏差信号は増幅器18によって増幅され、増幅された電圧偏差信号はベクトル回転器15に入力される。ベクトル回転器15からは3相交流電源電圧と同位相の正弦波電流指令が生成される。つまり、アイソレータ3を介して検出された3相交流電圧の線間電圧波形が変換器22によって相電圧波形に変換され、この後に相電圧波形は増幅器18の出力と乗算され、正弦波の電流指令が出力される。この電流指令は減算器17において電流検出器14を介して検出した値と引き算され、この引き算された値は増幅器23で増幅された後にPWM制御回路20に入力される。PWM制御回路20においては指令信号がキャリヤ信号によってパルス幅変調され、トランジスタのON/OFF制御信号が作成される。このPWM制御回路20の動作はインバータ回路の制御回路に一般的に用いられるものであり、詳細な説明は省略する。これらの回路の働きによって、コンバータ1に流れる電流はベクトル回転器15から出力された正弦波の電流指令の通りにフィードバック制御され、各相に流れる電流は正弦波に成形される。また、交流電源とコンバータ1との間に挿入されたチョークコイル7はコンバータ1のスイッチングにより入出力される交流電流のリップルを平滑化し、より正弦波に近い成形が行われる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の電力変換装置においては、コンバータ1に入出力される各相の交流電流が検出され、この検出に基づきフィードバック制御が行われる。このため、複数の電流検出手段が必要になり、結果として電力変換装置が高価になる。また、正弦波回生を行うにはコンバータ1のトランジスタが常に高速でスイッチングされる必要があるので、スイッチング損失によりトランジスタが発熱する。本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明は、損失を最小限に抑え、歪みの少ない回生電流を1つの電流検出器のフィードバック制御によって実現できる安価な電力変換装置の提供を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明は、トランジスタ及びこのトランジスタに逆並列接続されたダイオードの組合せが複数構成され、前記複数のトランジスタをPWM制御するコンバータが入力された交流電圧指令に応じて3相交流電圧を直流電圧に可逆変換する電力変換装置において、前記コンバータから出力される直流電流を検出する手段と、前記コンバータから出力される直流電圧に応じて直流電流指令を発生する手段と、前記コンバータにつながる3相交流電圧の大小関係を検出する手段と、前記大小関係の検出に基づき3相交流電圧中で絶対値が最大となる相を選択する第1スイッチ及び前記第1スイッチ以外の2つの相を選択する第2スイッチと、前記第1スイッチにより選択された相の交流電圧検出値と前記直流電流指令とから交流電流指令を発生する手段と、前記直流電流検出値を三角波キャリヤ信号の三角波が頂点になるタイミングでサンプル/ホールドする手段と、前記サンプル/ホールドされた直流電流検出値と前記交流電流指令とに応じて交流電圧指令を出力する電流誤差増幅手段と、前記第1スイッチによって選択された相の前記コンバータの1つのトランジスタを常時ON状態に保持し、前記第2スイッチによって選択された2つの相につながるトランジスタが前記交流電圧指令と前記三角波キャリヤ信号とによってPWM制御されON/OFF制御を行う手段と、を備えたことを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明に係る電力変換装置においては、コンバータにつながる3相交流電圧の大小関係が検出され、コンバータの1つのトランジスタが一定期間ON状態になるので、スイッチング回数が減少でき、スイッチング損失が抑制できる。本発明に係る電力変換装置においては、さらにコンバータから出力される直流電流がキャリヤ信号の三角波が頂点になるタイミングによってサンプル/ホールドされ、ON状態に保持されたトランジスタに流れる電流に等しい電流が検出され、直流電圧に応じた直流電流指令とON状態に保持された相の交流電圧検出値とから交流電流指令が生成される。つまり、ON状態に保持されたトランジスタに流したい電流に相当する電流指令とサンプル/ホールドされた電流値とが比較され、ON状態にされたトランジスタにつながる相以外の2つの相につながるトランジスタのON/OFF信号を補正しながら制御が行える。従って、1つの電流検出器でフィードバック制御が実現できる。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し説明する。なお、本実施例において前述の図5に示す要素に付した符号と同一符号を付した要素は同一機能を有し、説明が重複するので、説明は省略する。図1は本発明に係る電力変換装置の一例のブロック回路図である。まず、電力を交流から直流に変換する場合(力行時)においては、コンバータ1を構成するダイオードd1〜d6の働きによって無制御で交流電圧が変換され、平滑コンデンサ2に充電され、直流電圧Vdcが生成される。この時の交流電源各相に流れる電流(iR,iS,iT)は図3に示す波形になる。また、交流モータの減速時にはインバータ回路側から回生される電力によって直流電圧Vdcが上昇するが、この時ダイオードd1〜d6は逆阻止状態となって電力は交流電源側には回生されない。
【0008】そこで、トランジスタTr1〜Tr6が制御され、交流電源への回生が行われる。以下に図1に示す点線内の制御回路の動作について説明する。点線内の制御回路はマイクロプロセッサ等を利用して実現され、この制御回路の動作はソフトウエアによって簡単に実現できる。まず、3相電源電圧の線間電圧がアイソレータ3を介して検出される。比較器8によって電圧の大小関係が判別され、図2に示すように電源電圧の1周期が6つの区間に分けられる。この区間データからその区間に対応するトランジスタの選択及びスイッチ9,10の選択が行われ、PWM制御回路5によってON/OFF制御が行われる。また、変換器6においては線間電圧を相電圧に変換する処理が行なわれ、各相の電圧指令が出力される。この電圧指令のみによってコンバータ1の交流側から回生出力される電圧は電源電圧に等しい。
【0009】基準電圧21は直流電圧Vdcの目標値を設定し、コンバータ1に使用している素子の耐圧又はインバータの耐圧に対して許容できる値が設定される。減算器19は上記目標値と実際の直流電圧Vdcの検出値との偏差を演算する。この演算値はPWM制御回路5に入力され、プラスの場合にはトランジスタへの制御信号を出力して回生が開始され、ゼロ、マイナスのいずれかの場合にはトランジスタへOFF信号を出力して回生が停止される。また、演算値は誤差増幅器18によって増幅される。この増幅された値はスイッチ9で選択された電圧指令に乗算されることで交流電流指令が作成できる。サンプル/ホールド回路24は後述する検出タイミングによって電流検出器4で検出された電流値をホールドする。電流指令は減算器13においてホールドされた電流値との間で減算され、この減算された偏差が増幅器11によって増幅され、増幅された値が各相の電圧指令に乗算され補正される。なお、増幅器11の出力は減算器13からの偏差値をe、増幅率をAとすると(1+A×e)で求められ、減算器13からの出力がゼロでも1が出力される。この補正された各相電圧指令値においてはスイッチ10によって区間別データのON状態に保持する相の指令信号が切り離され、図2に示す波形の指令となる。
【0010】次に、図4を用い、区間1について一例のPWM制御回路5の働きを説明する。図4にはトランジスタTrのON/OFF信号を示しており、この信号は各相の指令をキャリヤ信号によってパルス幅変調して作成される。比較器8から送られる図2に示す区間別データに基づきPWM制御回路5においてはS相のトランジスタTr 3がオフ状態、トランジスタTr 4がオン状態に保持されるベース信号が出力される。S相交流電圧指令は図1に示すスイッチ10で切り離され、使用がなされない。R相、T相に各々つながるトランジスタTr1,Tr 2,Tr 5,Tr 6をスイッチングする交流電圧指令には、アイソレータ3から検出された線間電圧を変換器6で計算された電圧値に、乗算器16から出力される交流電流指令とサンプル/ホールド回路24から出力される電流検出値との偏差が増幅器11によって増幅された値を乗算した値が用いられる。つまり、乗算することで電圧値の大きさに比例した補正が行なわれ、電圧値の大きな所には大きな補正がかかり電流が多く流れるが、電圧値の小さな所には小さな補正がかかり少ない電流が流れることになる。次に、補正を行なって得られたR相交流電圧指令、T相交流電圧指令に基づき、キャリヤ信号によって図4に示すトランジスタTrのON/OFF信号パルスが作成される。なお、減算器13にフィードバックされる電流検出器4の検出値はサンプル/ホールド回路24にてキャリヤ信号のマイナスのピーク値をトリガにして検出した値である。
【0011】サンプル/ホールド回路24の検出タイミングは区間1でON状態に保持されたトランジスタTr 4に流れる電流が正確に測定できるタイミングでなければならない。つまり、ダイオードdに流れる電流の影響がない時であり、トランジスタTr 1及びTr 5がONするタイミングがよい。よって、キャリヤ信号がマイナスのピーク値になる時であれば、必ずトランジスタTr 1及びTr 5が同時にONする。他の区間についても同様に考えれば、直流電圧出力のプラス側に接続されるトランジスタTrがON状態に保持される場合にはキャリヤ信号のプラスのピーク値をトリガにして検出がなされ、直流電圧出力のマイナス側に接続されるトランジスタTrがON状態に保持される場合にはキャリヤ信号のマイナスのピーク値をトリガにして検出がなされる。よって、サンプル/ホールド回路24においてはPWM制御回路5からのキャリヤ信号と比較器8からの信号とによって検出タイミングが決定される。
【0012】他の区間についても区間1と同様に行なうことができる。このようにして作成されたトランジスタTrのON/OFF信号によってコンバータ1が制御されると、図3に示す電源電圧と同位相の電流の回生が実現できる。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、1つの電流検出器によってフィードバック制御が行われ、正弦波の回生電流が生成できしかも安価な電力変換装置が実現できる。また、力行時はダイオードによって電流が充電され、回生時には電流が一番多く流れるトランジスタがON状態に保持されるので、損失が最小限に抑えられる電力変換装置が実現できる。




 

 


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