(57)【要約】【課題】三相４線式出力の変換装置に、従来の出力指令に従って逆変換回路を制御する方式を適用すると、１相だけに負荷を接続する場合などに、零相成分の影響で、出力電圧波形が歪んでしまう。    【解決手段】直流中間部に設けたＮ相アームは仮想的に設けた直流回路中性点電圧を制御し、逆変換器はフィルタコンデンサの中性点に対する三相出力各相電圧をノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御することにより、逆変換器の出力電圧を正弦波に制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力する逆変換器と、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子2個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、から構成され、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサおよび前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる三相4線式非絶縁型電力変換装置において、
前記Ｎ相アームは仮想的に設けた直流回路中性点電圧を制御する手段を備え、前記逆変換器は前記フィルタコンデンサの中性点に対する三相出力各相電圧をノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する手段を備え、前記逆変換器の出力電圧を正弦波に制御することを特徴とする三相４線式非絶縁型電力変換装置。
【請求項２】
前記Ｎ相アームおよび逆変換器のそれぞれに対する制御信号に出力電圧指令に同期した第３次高調波信号を重畳し、Ｎ相アームは直流回路仮想中性点の電圧制御を行い、逆変換器はノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の三相４線式非絶縁型電力変換装置。
【請求項３】
前記フィルタコンデンサの中性点に対する三相出力各相電圧をノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する手段は、三相出力各相電圧の和を１／３倍したものを出力電圧零相成分とし、三相出力電圧から前記零相成分を減算したものを出力電圧ノーマル成分として出力電圧を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の三相４線式非絶縁型電力変換装置。
【請求項４】
三相交流電源に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力する逆変換器と、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子2個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、から構成され、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサおよび前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる三相4線式非絶縁型電力変換装置において、
前記Ｎ相アームは三相出力電圧の零相成分を制御する手段を、前記逆変換器はノーマル成分を制御する手段を、各々備え、前記Ｎ相アームと前記逆変換器とで、出力電圧の異なる成分に対し電圧制御を行うことを特徴とした三相４線式非絶縁型電力変換装置。
【請求項５】
前記Ｎ相アームおよび逆変換器のそれぞれに対する制御信号に出力電圧指令に同期した第３次高調波信号を重畳し、前記Ｎ相アームは直流回路仮想中性点の電圧制御を行い、前記逆変換器はノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御することを特徴とする請求項３に記載の三相４線式非絶縁型電力変換装置。
【請求項６】
前記ノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する手段は、三相出力各相電圧の和を１／３倍したものを出力電圧零相成分とし、三相出力電圧から前記零相成分を減算したものを出力電圧ノーマル成分として出力電圧を制御することを特徴とする請求項５に記載の三相４線式非絶縁型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流入力を電圧または周波数の異なる交流に変換して出力し、安定した交流電圧を負荷に供給する電力変換装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３に、絶縁トランスを用いずに負荷に電力を供給することができる電力変換回路が示されている。直流−交流変換を行い三相交流の電圧を出力する逆変換器の直流回路の正極と負極の間にダイオードを逆並列接続した２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなるＮ相アームを接続し、逆変換器の交流出力フィルタコンデンサの接続方法をスター結線とし、その中性点とＮ相アームの直列接続点との間にリアクトル（以下、中性点出力リアクトルと呼ぶ）を接続した回路構成である。
【０００３】
図１０に特許文献１〜３に示された三相4線式非絶縁型電力変換装置の回路構成を示す。図１０において、１は三相交流電源、５は入力フィルタコンデンサ、６は入力フィルタリアクトル、２は交流−直流変換を行う順変換回路、８は直流コンデンサ、３はＮ相アーム、４は逆変換回路、１０は出力フィルタリアクトル、１１は出力フィルタコンデンサ、９は中性点出力リアクトルである。入力フィルタコンデンサ５もスター結線とし、入出力のフィルタコンデンサの中性点は入出力電位を固定するために接続している。
【０００４】
特許文献１においては、Ｎ相アーム３は、逆変換回路４の直流回路の中点電位とＮ相アームの直列接続点（中間点）の電位が等価となるように制御され、中性点出力リアクトル９を介して仮想的に直流回路の中性点電位を得る。
特許文献２及び特許文献３においては、直流回路の電圧利用率を向上させるために、逆変換回路４の電圧制御指令信号である正弦波信号に、正弦波信号に同期した第３次高調波信号を重畳し、出力フィルタコンデンサ１１の中性点に対する三相出力電圧が正弦波となるように、Ｎ相アーム３を逆変換回路４の電圧制御指令信号に重畳された信号により制御している。
【特許文献１】特開２０００−２２４８６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４８２５号公報
【特許文献３】特開２０００−２５９６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三相4線式非絶縁型電力変換装置では、図１１に示すように出力フィルタコンデンサ１１の中性点と三相出力のいずれかひとつの相（ここではＷ相）との間に負荷１２が接続される場合がある。このような構成の場合、電力変換回路内を流れる電流の経路は、出力フィルタリアクトル１０−逆変換回路４−Ｎ相アーム３−中性点出力リアクトル９−出力フィルタコンデンサ１１となり、出力フィルタリアクトル１０、中性点出力リアクトル９に電圧降下が発生する。
【０００６】
このような通流状態において、中性点出力リアクトル９の電圧降下が原因となり、特許文献１の制御方式においては、直流回路中性点電位に変動が生じる。そして、この変動に影響されて出力フィルタコンデンサ１１の中性点に対する三相出力電圧に零相電圧が重畳される。また、特許文献２及び特許文献３の制御方式においては、重畳信号と中性点出力リアクトル９の電圧降下分の和で直流回路の中性点電位が変動する。このため、特許文献１の場合と同様に、出力フィルタコンデンサ１１の中性点に対する三相出力電圧に零相電圧が重畳される。
【０００７】
以上のように、特許文献１、特許文献２、特許文献３のいずれにおいても、中性点出力リアクトル９の電圧降下による直流回路の中性点電位変動が原因となり、出力フィルタコンデンサ１１の中性点に対する三相出力電圧に零相電圧が重畳され、安定した正弦波電圧を負荷に供給することが出来なくなる。
直流回路の中性点電位を検出し、零相電圧重畳を抑制する制御をＮ相アーム３もしくは逆変換回路４、順変換回路２のいずれかに追加することも可能であるが、電圧検出器を別途追加する必要が生じる。
本発明は、上記のような従来制御方式の課題を解決するためになされたもので、直流回路の中性点電位を検出する電圧検出器を追加せずに、安定した正弦波電圧を負荷に供給する三相４線式非絶縁型電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、三相交流電源に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力する逆変換器と、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子2個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、から構成され、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサおよび前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる三相4線式非絶縁型電力変換装置において、前記Ｎ相アームは仮想的に設けた直流回路中性点電圧を制御する手段を備え、前記逆変換器は前記フィルタコンデンサの中性点に対する三相出力各相電圧をノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する手段を備え、前記逆変換器の出力電圧を正弦波に制御する。
【０００９】
第２の発明においては、前記Ｎ相アームおよび逆変換器のそれぞれに対する制御信号に出力電圧指令に同期した第３次高調波信号を重畳し、Ｎ相アームは直流回路仮想中性点の電圧制御を行い、逆変換器はノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する。
【００１０】
第３の発明においては、三相交流電源に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力する逆変換器と、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子2個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、から構成され、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサおよび前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる三相4線式非絶縁型電力変換装置において、前記Ｎ相アームは三相出力電圧の零相成分を制御する手段を、前記逆変換器はノーマル成分を制御する手段を、各々備え、前記Ｎ相アームと前記逆変換器とで、出力電圧の異なる成分に対し電圧制御を行う。
【００１１】
第４の発明においては、前記Ｎ相アームおよび逆変換器のそれぞれに対する制御信号に出力電圧指令に同期した第３次高調波信号を重畳し、前記Ｎ相アームは直流回路仮想中性点の電圧制御を行い、前記逆変換器はノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１及び第２の発明における三相４線式非絶縁電力変換装置では、Ｎ相アームは仮想的に設けた直流回路中性点電圧を制御する手段を備え、逆変換器はフィルタコンデンサの中性点に対する三相出力各相電圧をノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する手段を備えているので、出力フィルタリアクトルや中性点出力リアクトルに電圧降下が発生した場合でも、直流回路の中性点電位の変動を抑制し、フィルタコンデンサの中性点に対する三相出力電圧を正弦波とすることができる。
【００１３】
また、第３及び第４の発明における三相４線式非絶縁電力変換装置では、Ｎ相アームは三相出力電圧の零相成分を制御する手段を、逆変換器はノーマル成分を制御する手段を備え、Ｎ相アームと逆変換器とで、出力電圧の異なる成分に対し電圧制御を行っているので、出力フィルタリアクトルや中性点出力リアクトルに電圧降下が発生した場合でも、直流回路の中性点電位の変動を抑制し、フィルタコンデンサの中性点に対する三相出力電圧を正弦波とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の要点は、Ｎ相アームは仮想的に設けた直流回路中性点電圧を制御する手段を備え、逆変換器はフィルタコンデンサの中性点に対する三相出力各相電圧をノーマル成分と零相成分に分離して出力電圧を制御する点である。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１は、逆変換回路の各相アームとＮ相アームの電圧制御ブロック図を示している。逆変換回路の各相アームは三相出力電圧制御を行っており、Ｎ相アームは直流回路中性点電圧の制御を行っている。
【００１６】
図２は、制御対象である三相出力電圧の検出点と、負荷電流に起因した出力フィルタリアクトル１０、中性点出力リアクトル９での電圧降下を補正するための制御に必要な三相出力電流の検出点とを図示した、三相4線式非絶縁型電力変換装置を示している。電圧検出器１３は、出力フィルタコンデンサ１１の中性点を基準にした各相電圧を三相出力電圧として検出し、電流検出器１４は、負荷へ出力される電流を三相出力電流として検出している。
【００１７】
図１の電圧制御ブロック図が示すように、三相出力電圧を制御するために、零相成分と零相成分以外の成分（以下、ノーマル成分と呼ぶ）とに分離して制御している。また、直流回路中性点を制御するために、三相出力電圧、三相出力電圧の零相成分を用いている。そこで、図２の電圧検出器、電流検出器で検出した三相出力電圧、三相出力電流を零相成分とノーマル成分に分離している。
【００１８】
図３は、検出した三相出力電圧、三相出力電流を零相成分とノーマル成分に分離する制御ブロック図を示している。まず、検出した三相出力電圧、三相出力電流から加算器１６、１８でそれぞれ三相和を求める。次に加算器１６、１８の出力を、各々比例ゲイン３６、３７で大きさを三分の一にし、それぞれ出力電圧零相成分Vｚ、出力電流零相成分Iｚとする。得られた各零相成分を、検出した三相電圧、三相電流から減算器１５ｕ、１５ｗ、１７ｕ、１７ｗを用いて除去し、ノーマル成分の電圧Ｖｎｕ、Ｖｎｗ、及びノーマル成分の電流Ｉｎｕ、Ｉｎｗを抽出する。ノーマル成分は三相和が零であり、三相のうち一相は他の二相に従属であることから、制御に二相しか用いない。今回は、Ｕ相とＷ相の二相としている。
【００１９】
以下では、図１の電圧制御ブロック図について詳細に説明する。
逆変換回路の各相アームは個別に制御されており、各相の出力電圧ノーマル成分が出力電圧指令と一致するように、３つの補償器からなる補正器１８u、１８wが付加されている。補正器１８ｕでは、まず出力電圧指令Ｖｕ＊と検出した出力電圧ノーマル成分Ｖｎｕとの差分を減算器１９ｕにより求め、補償器２１ｕによりノーマル電圧差分補正指令を求める。また、出力電流ノーマル成分Ｉｎｕによる出力フィルタリアクトル１０でのノーマル電圧降下を補正するために、補償器２２ｕにより電圧降下補正指令を求める。
【００２０】
さらに、電圧差分補正指令と電圧降下補正指令の和を加算器２０ｕにより求め、補償器２３ｕにより制御帯域外の成分を除去し、ノーマル成分補正指令として出力電圧指令Ｖｕ＊に加算器２６ｕを用いて加算する。補償器１８ｗにおいても同様である。ノーマル成分は三相和が零であり、三相のうち一相は他の二相に従属であることから、補正器は三相のうち二相に設置し、二相の補正器１８u、１８wの出力を残りの一相の指令から減算器２７により減算し、残りの一相に対するノーマル成分補正を行う。
【００２１】
逆変換回路の各相アームに対しては、上記に追加して、出力電圧の零相成分を制御するための零相成分補正を付加している。零相成分補正指令は、ノーマル成分補正指令と同様の構成の補正器１８zを用いて求めている。まず出力電圧零相成分指令Ｖｚ＊と検出した出力電圧零相成分Ｖｚとの差分を減算器１９ｚにより求め、補償器２１ｚにより零相電圧差分補正指令を求める。また、出力電流零相成分Ｉｚによる出力フィルタリアクトル１０での零相成分電圧降下を補正するために、補償器２２ｚにより零相電圧降下補正指令を求める。
【００２２】
さらに、零相電圧差分補正指令と零相電圧降下補正指令の和を加算器２０ｚにより求め、補償器２３ｚにより制御帯域外の成分を除去し、零相成分補正指令Ｖｉｚ＊として三相の各相電圧指令に加算器２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを用いて加算する。加算器２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの出力を逆変換回路の各相アームの電圧指令として、各相を個別に制御する。補正器１８u、補正器１８w、補正器１８zを構成する補償器２１ｕ、２１ｖ、２１ｗは、出力フィルタリアクトル１０と出力フィルタコンデンサ１１の回路定数を基に設計する。補償器２２ｕ、２２ｖ、２２ｗは、出力フィルタリアクトル１０の回路定数を基に設計する。補償器２３は、出力正弦波の周波数と逆変換回路のスイッチング周波数を基に設計する。
【００２３】
Ｎ相アームは、直流回路中性点電圧が指令と一致するように制御されている。図４に出力フィルタコンデンサ１１の中性点と三相出力のいずれかひとつの相の間に負荷が接続される場合の、零相に関する等価回路を示す。負荷は零相電流源３５として表され、Ｎ相アームは電圧源３３として、また、逆変換回路の零相成分補正は電圧源３４として表される。
【００２４】
さらに、三相の出力フィルタリアクトル１０、三相出力フィルタコンデンサ１１は、単相回路に置き換えられる。図４において、電圧源３３と電圧源３４が接続されている点を直流回路の仮想中性点Ｖｃとし、この仮想中性点が指令と一致するようにＮ相アームを制御する。Ｎ相アームの制御において、逆変換回路の零相成分補正により、電圧源３４は出力フィルタリアクトル１０ｚの零相電流による電圧降下分を補正していると仮定する。
【００２５】
これにより、図４の等価回路を図５の電圧源３３のみで構成されていると仮定でき、さらに直流中間回路の仮想中性点Ｖｃが三相出力フィルタコンデンサの零相電圧であると仮定でき、逆変換回路の各相アームに付加した零相成分補正器１８zと同じ構成の補正器１８nを用いて、仮想中性点をＮ相アームにより制御できる。
【００２６】
ただし、補償器２４は中性点出力リアクトル９と出力フィルタコンデンサ１１の回路定数を基に設計し、補償器２５は中性点出力リアクトル９の回路定数を基に設計する。また、電圧源３３と電圧源３４の出力方向は逆向きであることから、補正器１８nの出力の極性をゲイン２９により反転し、ゲイン２９の出力をＮ相アーム中間点電圧指令として、Ｎ相アームを制御する。
【実施例２】
【００２７】
図６に本発明の第２の実施例を示す。図６の電圧制御ブロックは、直流回路の電圧利用率向上のために、逆変換回路の各相アーム電圧指令とＮ相アーム中間点電圧指令に、正弦波信号に同期した第３次高調波信号Ｖ３を重畳する加算器３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｎを図１の電圧制御ブロックに追加したものである。三相出力電圧の基本波成分を大きくするための手法で、詳細は特許文献２、及び３に記載されているので、説明は省略する。制御方式は第１の実施例と全く同様である。
【実施例３】
【００２８】
図７に本発明の第３の実施例を示す。図７の電圧制御ブロックでは、逆変換回路の各相アームは各相の出力電圧ノーマル成分が出力電圧指令と一致するように個別に制御されており、Ｎ相アームは出力電圧の零相成分が出力電圧零相成分指令と一致するように制御される。
逆変換回路各相アームの制御ブロックの構成は、第１の実施例で説明した出力電圧ノーマル成分に対する制御ブロックと同じ構成である。
【００２９】
一方、Ｎ相アームの制御ブロックの構成は、第１の実施例で説明したＮ相アームに対する制御ブロックと同じ構成としている。しかし、Ｎ相アームの制御対象は出力電圧の零相成分であることから、Ｎ相アームに対する電圧指令は、第１の実施例で扱った直流回路中性点電圧指令Ｖｃ＊ではなく、出力電圧零相成分指令Ｖｚ＊とする。
【００３０】
また、補償器３１、補償器３２は、出力フィルタリアクトル１０、中性点出力リアクトル９の回路定数を基に設計し、設計の際には、出力フィルタコンデンサ１１の中性点と三相出力のいずれかひとつの相の間に負荷が接続される場合の、図８に示す零相に関する等価回路を想定する。補償器３１は、零相等価回路の出力フィルタリアクトル１０と中性点出力リアクトル９および出力フィルタコンデンサ１１の回路定数を基に設計し、補償器３２は、零相等価回路の出力フィルタリアクトルと中性点出力リアクトルの回路定数を基に設計する。
【実施例４】
【００３１】
図９に本発明の第４の実施例を示す。図９の電圧制御ブロックは、図７の電圧制御ブロック図に、直流回路の電圧利用率向上のために、逆変換回路の各相アーム電圧指令とＮ相アーム中間点電圧指令に、正弦波信号に同期した第３次高調波信号Ｖ３を重畳する加算器３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｎを追加したものである。三相出力電圧の基本波成分を大きくするための手法で、詳細は特許文献２、及び３に記載されているので、説明は省略する。制御方式は第３の実施例と同様である。
尚、上記実施例には直流電圧利用率を向上させるために第３次高調波成分を加算する例を示したが、３の倍数次の高調波や、台形波などでも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、三相４線式の出力を必要とされる無停電電源装置（ＵＰＳ）や交流電源装置などへの適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施例を示す電圧制御ブロック図
【図２】三相4線式非絶縁型電力変換装置の三相出力電圧と三相出力電流の検出点を示した回路図
【図３】検出した三相出力電圧と三相出力電流をノーマル成分と零相成分とに分離する制御ブロック図
【図４】出力フィルタコンデンサの中性点と三相出力のいずれかひとつの相の間に負荷が接続される場合の零相に関する等価回路
【図５】補償器２４、補償器２５を設計する際に想定する零相に関する等価回路
【図６】本発明の第２の実施例を示す電圧制御ブロック図
【図７】本発明の第３の実施例を示す電圧制御ブロック図
【図８】補償器３１、補償器３２を設計する際に想定する零相に関する等価回路
【図９】本発明の第４の実施例を示す電圧制御ブロック図
【図１０】三相4線式非絶縁型電力変換装置の主回路構成図
【図１１】三相4線式非絶縁型電力変換回路の出力フィルタコンデンサの中性点と三相出力のいずれかひとつの相の間に負荷が接続された場合の回路構成図
【符号の説明】
【００３４】
１・・・三相交流電源、２・・・順変換回路、３・・・Ｎ相アーム、４・・・逆変換回路、５・・・入力フィルタコンデンサ、６・・・入力フィルタリアクトル、７・・・接地点、８・・・直流コンデンサ、９・・・中性点出力リアクトル、
１０・・・出力フィルタリアクトル、１１・・・出力フィルタコンデンサ、
１２・・・負荷、１３・・・電圧検出器、１４・・・電流検出器、
１５ｕ、１５ｗ、１７ｕ、１７ｗ、１９ｕ、１９ｗ、１９ｚ、１９ｎ、２７・・・減算器、
１８ｕ、１８ｗ、１８ｚ、１８ｎ・・・補正器、
１６、１８、２０ｕ、２０ｗ、２０ｚ、２０ｎ、２６ｕ、２６ｗ・・・加算器、
２８ｕ、２８ｖ、２８ｗ、３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ、３０ｎ・・・加算器、
２１ｕ、２１ｗ、２１ｚ、２２ｕ、２２ｗ、２２ｚ・・・補償器、
２３ｕ、２３ｗ、２３ｚ、２３ｎ、２４、２５、３１、３２・・・補償器、
３３、３４・・・電圧源、３５・・・零相電流源、２９、３６、３７・・・比例ゲイン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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