JP3848903B2

JP3848903B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3848903B2
Application number: JP2002224325A
Authority: JP
Inventors: 尚礼鈴木; 保夫能登原; 常博遠藤; 純一高木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: JP2004072806A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に係り、特に、交流電源の半周期に１回もしくは複数回の短絡動作を行い電源の力率改善を行う電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電源の半周期に１回もしくは複数回の短絡動作を行い力率を改善する電力変換装置を、特開平１０−２０１２４８号公報が開示している。特開平１０−
２０１２４８号公報は、電源装置に接続したインバータ回路のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）のデューティー比もしくは出力周波数などの内部的状態に基づいて短絡手段の短絡開始時刻（ディレイ時間）と短絡期間（パルス幅）とを決定して、負荷の状態に応じて力率を最適点に制御する方法を開示している。
【０００３】
前記特開平１０−２０１２４８号公報は負荷の状態に応じてディレイ時間とパルス幅を、予め設定した関数、例えば、インバータのＰＷＭデューティーに対するディレイ時間とパルス幅の関数、から算出して力率を改善している。このため、設定した条件下では最適な力率を確保するとともに安定したモータ制御が行える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記電源装置は交流電源に接続しており、交流電源の電力を直流電力に変換する装置である。交流電源として用いている商用電源の電圧は、一般的に変動することが知られている。前記特開平１０−２０１２４８号公報には、交流電源の電圧変動の対応策の記載が無く、電源変動による力率の低下防止方法の開示がない。
【０００５】
また、前記従来技術は、インバータによるモータ制御を念頭に、負荷状態量に対するディレイ時間とパルス幅の関数を使用してディレイ時間とパルス幅を決定していて、直流電圧の制御が記載されていない。
【０００６】
本発明の目的は交流電源の電圧変動に対応した力率改善型電力変換装置を提供することであり、本発明の別の目的は、簡単な演算でディレイ時間とパルス幅を決定し、直流電圧を制御する電力変換装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電力変換装置は、一端を交流電源に接続したリアクトルと、一端を該リアクトルの他端に接続した短絡手段と、交流入力側の一端を前記リアクトルの他端に接続し、交流入力側の多端を前記短絡手段の他端に接続した整流回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、一端を前記交流電源の他端に接続し、他端を前記短絡手段の他端に接続した入力電流検出回路と、前記整流回路の直流出力の両端に接続した平滑コンデンサと、前記短絡手段を制御する制御回路とを備え、前記制御回路が前記交流電源のゼロクロス点から短絡動作を開始するまでの期間であるディレイ時間Ｔｄと、短絡期間であるパルス幅Ｔｗとに基づいて、前記短絡手段の短絡動作を制御し、前記ディレイ時間Ｔｄと前記パルス幅Ｔｗを、それぞれを制御する。
【０００８】
本発明の電力変換装置は、ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗを以下のように制御する。
（１）予め設定した入力電流もしくは入力電力に対する関数からディレイ時間を算出し、直流電圧が予め設定した所定値になるようにパルス幅Ｔｗを可変する。
（２）ディレイ時間Ｔｄを予め設定した所定値（固定値）とし、直流電圧が予め設定した所定値になるようにパルス幅Ｔｗを可変する。
（３）ディレイ時間Ｔｄおよびパルス幅Ｔｗを入力電流もしくは入力電力に対する関数として、それぞれ与え、この関数を用いて検出した入力電流もしくは入力電力から前記パルス幅Ｔｗおよび前記ディレイ時間Ｔｄを設定する。
（４）ディレイ時間Ｔｄを決定する（１）に示した関数もしくは（２）に示した所定値（固定値）あるいは、（３）で示した前記ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗの関数を交流電源の電圧に対応して複数備え、交流電源の電圧に応じて選択する。
（５）交流電源の電圧を、短絡手段が短絡動作する前の直流電圧あるいは短絡動作を一時停止したときの直流電圧から推定して、電源電圧の変動に対応する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本実施例の電力変換装置を用いたモータ制御装置の基本構成図である。本実施例の電力変換装置１００は図１に示すように、単相の交流電源１の一方の出力端に一端が接続したリアクトル２と、そのリアクトル２を介して交流電源１を短絡する短絡手段３と、交流電源１に接続していない側のリアクトル２の他端とリアクトル２が接続していない側の交流電源１の他端との間に入力電流検出回路３０を介して接続した整流回路４と、整流回路４の直流出力の両端に直列接続した平滑コンデンサ６と、整流回路４の交流入力の一方と、平滑コンデンサ６を構成する平滑コンデンサ６１と平滑コンデンサ６２との接続点の間に接続した整流回路切替手段５と、交流電源１のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路８と、前記平滑コンデンサ６の両端の直流電圧Ｖｄを入力しゼロクロス信号９２を基準タイミングとして短絡手段３を動作させる短絡パルス信号９６を出力し、整流回路切替手段５に整流回路切替信号９７を出力する制御回路７と、前記交流電源１から入力される入力電流Ｉｓを検出し、制御回路７に入力電流値９８を出力する入力電流検出回路３０とを備えている。
【００１１】
図１には、前記電力変換装置１００の直流出力に接続したインバータ回路１０と電動機を内蔵した圧縮機２０とを備えたモータ駆動システム１０１を合わせて示す。ここで、制御回路７は、例えばワンチップマイクロコンピュータなどの半導体集積回路（ＩＣ）で構成しており、全ての動作をソフトウェア処理で実行している。
【００１２】
ゼロクロス検出回路８は、交流電源１の両端の電圧を入力し、交流電源１の交流電圧(以下、電源電圧Ｖｓと略記する。)がゼロクロス点を通過し極性が変わるタイミングでＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号に、もしくはＬｏｗ信号からＨｉｇｈ信号に切り替わるゼロクロス信号９２を出力する。このゼロクロス信号９２は制御回路７へ入力される。
【００１３】
制御回路７は、入力されたゼロクロス信号９２の立ち上がりもしくは立ち下りを基準タイミングとして、そこから短絡手段３が短絡動作を開始するまでの期間（以下、ディレイ時間Ｔｄ）および短絡する期間（以下、パルス幅Ｔｗ）を設定し、短絡パルス信号９６（Ｈｉｇｈ，Ｌｏｗ信号）を短絡手段３に出力する。ディレイ時間Ｔｄおよびパルス幅Ｔｗは、制御回路７に予め記憶させたり、制御回路７で計算して求める。
【００１４】
短絡手段３は短絡パルス信号９６に従って短絡開閉動作を行う。本実施例では、制御回路７から出力される短絡パルス信号９６がＨｉｇｈの時に、短絡手段３は短絡動作する。短絡手段３は、ダイオードブリッジとＩＧＢＴもしくは、バイポーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴなどの電力半導体スイッチング素子で構成しており、短絡パルス信号９６に従ってリアクトル２を介して交流電源１を短絡する。この短絡開閉動作によって交流電源１の力率を改善する。
【００１５】
整流回路切替手段５は、パワーリレー,トライアック,ダイオードブリッジと電力半導体スイッチング素子(ＩＧＢＴ，バイポーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ)の組み合わせなどによる双方向スイッチで構成され、制御回路７が出力する整流回路切替信号９７（Ｈｉｇｈ，Ｌｏｗ信号）に応じて整流回路４を切り替える。本実施例では、整流回路切替信号９７がＬｏｗ信号のときに整流回路４を全波整流回路に切り替え、Ｈｉｇｈ信号のときに倍電圧整流回路に切り替える。
【００１６】
制御回路７は、ゼロクロス信号９２と、平滑コンデンサ６の両端の直流電圧
Ｖｄである直流電圧値９３と、入力電流値９８とを入力し、短絡パルス信号９６と、整流回路切替信号９７を出力する。
【００１７】
本実施例の電力変換装置１００は、交流電源１を電源半周期に一回もしくは複数回、リアクトル２を介して短絡する動作を行って、電源電流の通流角を広げ電源力率を改善しながら、交流電力を直流電力に変換する。本実施例の電力変換装置１００は、整流回路切替手段５を備えていて、整流回路４を全波整流回路あるいは倍電圧整流回路に切り替えて動作させる。そのため、パルス幅Ｔｗで直流電圧Ｖｄを制御することに加え、幅広い範囲の直流電圧Ｖｄを出力できる。
【００１８】
本実施例の電力変換装置１００の入力電流Ｉｓに対する、ディレイ時間Ｔｄと、パルス幅Ｔｗと、効率と、力率と、直流電圧Ｖｄとの関係を図２を用いて説明する。図２は、入力電流Ｉｓを変化した場合に、力率が最大となるようにディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを変えた実験結果である。図２の横軸は入力電流
Ｉｓであって、図２（ａ）に効率と力率を、図２(ｂ）に直流電圧を、図２(ｃ）にディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを示す。ここで、図２の横軸に入力電流を記載したが、横軸を入力電力としても同様である。以下、本実施例では横軸が入力電流の場合を説明する。
【００１９】
図２は全波整流回路及び倍電圧整流回路の実験結果である。図２の区間Ａは全波整流回路で動作する入力電流範囲を示し、区間Ｂと区間Ｃとは倍電圧整流回路で動作する入力電流範囲であり、区間Ｃでは区間Ｂより負荷が重い。電源装置の起動時（入力電流がゼロ近傍）では区間Ａの全波整流回路動作し、入力電流Ｉｓの増加に伴って区間Ｂの倍電圧整流回路動作に移行する。入力電流Ｉｓが減少していくと区間Ｂの倍電圧整流回路動作から区間Ａの全波整流回路動作へと移行するが、区間Ａと区間Ｂとの入力電流値が重複する部分がありヒステリシスを持たせてあるために円滑に移行できる。
【００２０】
区間Ａ，区間Ｂの入力電流Ｉｓの場合、図２（ｃ）に示すようにディレイ時間Ｔｄが入力電流Ｉｓに対して単調減少し、パルス幅Ｔｗが単調増加しており、ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとの和が一定値になっている。すなわち、ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとが相互に関連付けられており、どちらか一方を決定すれば、他方を決定できる関係になっている。言い換えると、検出した入力電流Ｉｓが区間Ａ，区間Ｂであれば、ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを決定できる。また、図２（ｂ）に示すように、直流電圧Ｖｄは、入力電流Ｉｓに対してほぼ一定値である。
【００２１】
ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを決定する第１の方法として、直流電圧
Ｖｄを一定にするようにパルス幅Ｔｗを制御し、かつディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとの和が一定になるようにする。この方法は、短絡手段で短絡開始する時点を直流電圧が一定になるように制御して、短絡動作を終了する時点を一定にすることと同じである。これにより、図２に示す区間Ａおよび区間Ｂでは直流電圧Ｖｄを一定に制御すると同時に最大力率で運転が可能となる。なお、区間Ａ，区間Ｂに入っているか否かの判定は電流検出信号９８を用いて判定する。
【００２２】
ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを決定する第２の方法として、入力電流検出回路３０からの入力電流検出信号９８に応じて、ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗを相互に関連付けずに、入力電流検出信号９８に応じてそれぞれ独立にディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを決定する。高い力率で運転できるディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを、シミュレーションで予め求めて、ディレイ時間Ｔｄの値を入力電流Ｉｓから求める関数と、パルス幅Ｔｗの値を入力電流Ｉｓから求める関数とを予め制御回路７に入力しておく。この方法はディレイ時間Ｔｄおよびパルス幅Ｔｗを簡便に求める良い方法である。
【００２３】
次に、交流電源１の電源電圧Ｖｓの変動に対応した、ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを決定する第３の方法を説明する。この方法では、図２で示した関係を利用して入力電流Ｉｓとディレイ時間Ｔｄの関係に従ってディレイ時間Ｔｄを決定する。一方、パルス幅Ｔｗは直流電圧Ｖｄを一定にするように決定する。なお、ディレイ時間Ｔｄを入力電流Ｉｓで求める関数は、予め実験やシミュレーションで求めた。
【００２４】
図３に、横軸にパルス幅Ｔｗにした場合の、効率や力率や直流電圧Ｖｄの電源電圧Ｖｓ依存性を示す。図３に示すように、電源電圧Ｖｄの変動に伴って効率や力率や直流電圧が変動するが、これらのグラフの概形は変わらない。言い換えると、電源電圧に応じて効率と力率とは図３に示すパルス幅ＴｗがＡ，Ｂ，Ｃの各値で極大値のピークを持つ２次関数状に変化する。また、直流電圧Ｖｄは、単調増加関数的に変化する。また、図３のパルス幅ＴｗがＡ，Ｂ，Ｃの各値で、直流電圧Ｖｄが等しいことがわかる。つまり、電源電圧Ｖｓが変化しても直流電圧
Ｖｄが一定になるようにパルス幅Ｔｗを制御すれば、力率を最大値に制御できる。
【００２５】
この第３の方法では、図２の区間Ａと、区間Ｂとで、ディレイ時間Ｔｄを入力電流Ｉｓもしくは入力電力に対応した値として予め設定しておき、直流電圧Ｖｄを一定に制御するようにパルス幅Ｔｗを決定して、電源変動に対応した力率改善制御をする。
【００２６】
なお、図３に示したように、前記条件が成り立つ範囲は電源変動は定格電圧の±５％程度である。そこで、いくつかの異なる電源電圧Ｖｓで、ディレイ時間
Ｔｄの設定値（関数）をそれぞれ記憶（格納）し、電源電圧Ｖｓの大きさによりディレイ時間Ｔｄの設定値（関数）を変更して、広い範囲の電源電圧変動に対応できる。
【００２７】
ここで、電源電圧Ｖｓの変動は直接電源電圧Ｖｓを検出する回路を別に設けても良いが、本実施例では力率改善動作停止時すなわち短絡動作の停止時の直流電圧Ｖｄと電源電圧Ｖｓとの関係を予め測定し、この測定結果を格納したテーブルあるいは測定結果から導き出した直流電圧Ｖｄと電源電圧Ｖｓとの関係式を用いて推定する。
【００２８】
ディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗとを決定する第４の方法として、パルス幅
Ｔｗに制限を設けて、電源電圧Ｖｓの変動に対応する。この第４の方法は図３の横軸に示した最大パルス幅５２や最小パルス幅５３に示す通り、基準となる電源電圧Ｖｓに対するディレイ時間Ｔｄの設定値（関数）を使用し、例えば電源変動±５％程度までは前記第３の方法でパルス幅Ｔｗを決定するが、それ以上の電源変動が生じたときはパルス幅Ｔｗを制限値、例えば最大パルス幅５２や、最小パルス幅５３に固定する。これによって、最大力率で運転できる電源電圧Ｖｓの範囲は狭くなっても、多数のディレイ時間設定値（関数）が必要なく、電源電圧
Ｖｓの大きさを把握する必要もないので制御構成が簡素化でき、力率もあまり低下しない。ここで、パルス幅Ｔｗが制限値（最大値もしくは最小値）になっている場合は、直流電圧Ｖｄが必ずしも一定値となっているわけではないが、パルス幅Ｔｗの制限値を、使用するシステムが許容できる最小の力率値もしくは直流電圧の値から決定すればよい。
【００２９】
次に図２の区間Ｃの制御方法を説明する。図２の区間Ｃでは、先に述べたディレイ時間Ｔｄとパルス幅Ｔｗの和が一定になるという条件が成立しないが、ディレイ時間Ｔｄを固定値にして、パルス幅Ｔｗを変更して直流電圧Ｖｄを一定に保つことができる。つまり、ディレイ時間Ｔｄを固定し、直流電圧Ｖｄを一定に保つようにパルス幅Ｔｗを制御すれば、力率を最大値にした動作ができる。この場合にも、電源電圧Ｖｓの大きさに対応した数種類のディレイ時間Ｔｄ（固定値）を制御回路７に記憶し、電源電圧Ｖｓの大きさに基づいてその固定値を変更すれば、電源電圧Ｖｓの変動にも対応ができる。
【００３０】
以上の実施例で説明したように、電源電圧Ｖｓの半周期に一回もしくは複数回、電源を短絡する力率改善回路を備えた本発明の電源装置は、力率を最大値に保ちながら直流電圧Ｖｄを一定に制御できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、電源電圧変動が生じても電源装置の力率を最大値に保ちながら直流電圧Ｖｄを一定に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の電力変換装置を用いたモータ制御装置の説明図。
【図２】実施例の電力変換装置の効率，力率，直流電圧の入力電流依存性の説明図。
【図３】実施例の電力変換装置で電源電圧が変動した場合の効率，力率，直流電圧の変化とパルス幅との関係の説明図。
【符号の説明】
１…交流電源、２…リアクトル、３…短絡手段、４…整流回路、５…整流回路切替手段、６…平滑コンデンサ、７…制御回路、８…ゼロクロス検出回路、１０…インバータ回路、２０…圧縮機、３０…入力電流検出回路、１００…電力変換装置、Ｔｗ…パルス幅、Ｔｄ…ディレイ時間。

Claims

一端を交流電源に接続したリアクトルと、一端を該リアクトルの他端に接続した短絡手段と、交流入力側の一端を前記リアクトルの他端に接続し、交流入力側の他端を前記短絡手段の他端に接続した整流回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、前記短絡手段を制御する制御回路と、一端を前記交流電源の他端に接続し、他端を前記短絡手段の他端に接続した入力電流検出回路と、前記整流回路の直流出力の両端に接続した平滑コンデンサとを具備した電力変換装置において、
前記制御回路に入力電流検出値と前記平滑コンデンサの両端の直流電圧とを入力し、前記制御回路が、前記交流電源のゼロクロス点から短絡動作を開始するまでの期間であるディレイ時間Ｔｄを、前記入力電流もしくは入力電力に対して予め設定した関数に基づいて制御し、かつ、短絡期間であるパルス幅Ｔｗを、前記直流電圧が所定値になるように制御することを特徴とする電力変換装置。
一端を交流電源に接続したリアクトルと、一端を該リアクトルの他端に接続した短絡手段と、交流入力側の一端を前記リアクトルの他端に接続し、交流入力側の他端を前記短絡手段の他端に接続した整流回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、前記短絡手段を制御する制御回路と、一端を前記交流電源の他端に接続し、他端を前記短絡手段の他端に接続した入力電流検出回路とを具備した電力変換装置において、
前記制御回路に入力電流検出値を入力し、前記制御回路が、前記交流電源のゼロクロス点から短絡動作を開始するまでの期間であるディレイ時間Ｔｄを、前記入力電流もしくは入力電力に対して予め設定した第１の関数に従って制御し、かつ、短絡期間であるパルス幅Ｔｗを、前記入力電流もしくは入力電力に対して予め設定した第２の関数に従って制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記関数を、前記短絡手段が短絡動作していないときの前記直流電圧から推定した交流電源の電圧に対応して複数備え、該交流電源の電圧に応じて前記関数を選択することを特徴とする電力変換装置。
一端を交流電源に接続したリアクトルと、一端を該リアクトルの他端に接続した短絡手段と、交流入力側の一端を前記リアクトルの他端に接続し、交流入力側の他端を前記短絡手段の他端に接続した整流回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、前記短絡手段を制御する制御回路と、一端を前記交流電源の他端に接続し、他端を前記短絡手段の他端に接続した入力電流検出回路と、前記整流回路の直流出力の両端に接続した平滑コンデンサとを具備した電力変換装置において、
前記制御回路に前記平滑コンデンサの両端の直流電圧を入力し、前記制御回路が、前記交流電源のゼロクロス点から短絡動作を開始するまでの期間であるディレイ時間Ｔｄを、予め設定した一定値に制御し、かつ、短絡期間であるパルス幅Ｔｗを、前記直流電圧が所定値になるように制御し、
前記一定値は、前記短絡手段が短絡動作していないときの前記直流電圧から推定した交流電源の電圧に対応して複数備えた中から、該交流電源の電圧に応じて前記一定値を選択することを特徴とする電力変換装置。
請求項２において、
前記電力変換装置が、前記整流回路の直流出力の両端に接続した平滑コンデンサとを備え、前記制御回路に前記平滑コンデンサの両端の直流電圧を入力し、前記制御回路が前記第１の関数と前記第２の関数とをそれぞれ複数備え、前記短絡手段が短絡動作していないときの前記直流電圧から推定した交流電源の電圧に応じて前記第１の関数と前記第２の関数とを選択することを特徴とする電力変換装置。
一端を交流電源に接続したリアクトルと、一端を該リアクトルの他端に接続した短絡手段と、交流入力側の一端を前記リアクトルの他端に接続し、交流入力側の他端を前記短絡手段の他端に接続した整流回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、前記短絡手段を制御する制御回路とを具備した電力変換装置において、
前記制御回路が前記交流電源のゼロクロス点から短絡動作を開始するまでの期間であるディレイ時間Ｔｄと、短絡期間であるパルス幅Ｔｗとに基づいて、前記短絡手段の短絡動作を制御し、前記ディレイ時間Ｔｄと前記パルス幅Ｔｗとを前記ディレイ時間Ｔｄと前記パルス幅Ｔｗの和を一定値に制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項６において、
前記電力変換装置が、前記整流回路の直流出力の両端に接続した平滑コンデンサとを備え、前記制御回路に前記平滑コンデンサの両端の直流電圧を入力し、前記制御回路が、該直流電圧を一定にするように前記パルス幅Ｔｗを制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項７において、
前記一定値を、前記短絡手段が短絡動作していないときの前記直流電圧から推定した交流電源の電圧に応じて変更することを特徴とする電力変換装置。
一端を交流電源に接続したリアクトルと、一端を該リアクトルの他端に接続した短絡手段と、交流入力側の一端を前記リアクトルの他端に接続し、交流入力側の他端を前記短絡手段の他端に接続した整流回路と、前記交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、前記短絡手段を制御する制御回路とを具備した電力変換装置において、
前記短絡手段は前記交流電源のゼロクロス点から短絡動作を開始するまでの時点とゼロクロス点から短絡動作を終了する時点に応じて、短絡動作し、前記制御回路が、前記短絡を終了する時点を一定として、前記直流電圧が一定となるように、前記短絡動作を開始する時点を制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至９の何れかにおいて、前記ディレイ時間Ｔｄもしくは前記パルス幅Ｔｗに制限値を設けたことを特徴とする電力変換装置。