(57)【要約】【課題】  大きくて急峻な外乱があっても偏磁による過電流に至ることのない半導体電力変換装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】  変圧器２を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器１と、電力変換器１の出力電流を検出する電流検出手段３と、前記出力電流を制御する電流制御手段５と、変圧器２の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段４と、この励磁電流検出手段４によって得られた励磁電流を用いて、変圧器２の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段６と、前記電流制御手段５及び前記偏磁抑制制御手段６の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段７とを具備した半導体電力変換装置において、前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記偏磁抑制制御手段６の制御パラメータを変更するようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器と、
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記出力電流を制御する電流制御手段と、
前記変圧器の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段と、
この励磁電流検出手段によって得られた励磁電流を用いて、前記変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段と、
前記電流制御手段及び前記偏磁抑制制御手段の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段と、
を具備し、
前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記偏磁抑制制御手段の制御パラメータを変更するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項２】
前記偏磁抑制制御手段は、
前記励磁電流からその直流量を検出する直流量検出手段の出力を入力とする第１の制御器と、
前記励磁電流を不感帯付きの不感帯回路に入力し、この不感帯回路の出力を入力とする第２の制御器と、
前記第１の制御器と前記第２の制御器の出力を加算する加算器と
から成り、
前記制御パラメータは、前記不感帯回路の不感帯幅であることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記偏磁抑制制御手段は、
前記励磁電流からその直流量を検出する直流量検出手段の出力を入力とする第１の制御器と、
前記励磁電流を不感帯付きの不感帯回路に入力し、この不感帯回路の出力を入力とする第２の制御器と、
前記第１の制御器と前記第２の制御器の出力を加算する加算器と
から成り、
前記制御パラメータは、前記第１の制御器の制御ゲイン及び前記第２の制御器の制御ゲインの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記制御パラメータの変更を、タイマーにより所定時間継続させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項５】
変圧器を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器と、
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
電流指令値に基づいて前記出力電流を制御する電流制御手段と、
前記変圧器の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段と、
この励磁電流検出手段によって得られた励磁電流を用いて、前記変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段と、
前記電流制御手段及び前記偏磁抑制制御手段の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段と、
を具備し、
前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記電流指令値または前記電流制御手段の制御パラメータを変更するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項６】
前記制御パラメータは、前記電流制御手段に用いられる電流制御器の制御ゲインであることを特徴とする請求項５に記載の半導体電力変換装置。
【請求項７】
前記電流検出手段は、前記出力電流を出力電圧と同相のｄ軸電流とこれに直交するｑ軸電流に分解して出力を得るようにし、
前記電流指令値はｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を備え、
前記電流制御手段は、前記ｄ軸電流を制御するｄ軸電流制御手段と、
このｄ軸電流制御手段とは独立して前記ｑ軸電流を制御するｑ軸電流制御手段と
から成り、
前記制御パラメータは前記ｄ軸電流制御手段に用いられる電流制御器の制御ゲイン及び前記ｄ軸電流制御手段に用いられる電流制御器の制御ゲインの少なくとも１つであることを特徴とする請求項５に記載の半導体電力変換装置。
【請求項８】
前記電流指令値または前記電流制御手段の制御パラメータの変更を、タイマーにより所定時間継続させるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の半導体電力変換装置。
【請求項９】
変圧器を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器と、
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記出力電流を制御する電流制御手段と、
前記変圧器の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段と、
この励磁電流検出手段によって得られた励磁電流を用いて、前記変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段と、
前記電流制御手段及び前記偏磁抑制制御手段の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段と
を具備した半導体電力変換装置において、
前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記偏磁抑制制御手段の制御パラメータを変更するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置の制御方法。
【請求項１０】
変圧器を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器と、
前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
電流指令値に基づいて前記出力電流を制御する電流制御手段と、
前記変圧器の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段と、
この励磁電流検出手段によって得られた励磁電流を用いて、前記変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段と、
前記電流制御手段及び前記偏磁抑制制御手段の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段と
を具備した半導体電力変換装置において、
前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記電流指令値または前記電流制御手段の制御パラメータを変更するようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源または負荷に接続して順変換または逆変換を行う自励式の半導体電力変換装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源側または負荷側に変圧器を介して接続される半導体電力変換装置は、従来から変圧器の偏磁対策を施す必要があった。これは、半導体電力変換装置の出力に僅かでも直流分があると、その直流電圧が積分されて磁束の偏りとなり、変圧器が鉄心の飽和領域で動作し、過電流が流れてしまうのを防止するためである。
【０００３】
このため、変圧器に流れ込む励磁電流の直流成分を何らかの手段で検出し、この励磁電流の直流成分がゼロになるように出力電圧を調整する所謂偏磁抑制制御が採用されていた。
【０００４】
通常の偏磁抑制制御は、上記の励磁電流の直流成分を検出するために、出力の１周期に亘って積分する必要があり、このため、大きな電源変動や負荷外乱による速い応答が必要な過渡的な偏磁に対しては対応できなかった。この対策として偏磁直流成分の定常的部分と過渡的部分の検出に工夫を施し、両者の合成成分によって半導体電力変換装置の出力を制御する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−２９８６３７号公報（第５−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に示された手法は、偏磁の過渡的な部分を検出するために過渡的成分のみを抽出するフィルタ回路を使用している。このため、フィルタ回路による遅れの影響が問題となることが考えられ、またこの過渡的部分と定常的部分とを同一の制御入力とするように構成しているためその制御効果も必ずしも十分とは言えず、大きくて急峻な電源外乱または負荷外乱には対応できない場合があった。
【０００６】
従って本発明は上記に鑑みて為されたもので、その目的は、大きくて急峻な外乱があっても偏磁による過電流に至ることのない半導体電力変換装置及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である半導体電力変換装置及びその制御方法は、変圧器を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器と、前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、前記出力電流を制御する電流制御手段と、前記変圧器の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段と、この励磁電流検出手段によって得られた励磁電流を用いて、前記変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段と、前記電流制御手段及び前記偏磁抑制制御手段の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段とを具備した半導体電力変換装置において、前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記偏磁抑制制御手段の制御パラメータを変更するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２の発明は、変圧器を介して交流電源または負荷の交流電力を順変換または逆変換する電力変換器と、前記電力変換器の出力電流を検出する電流検出手段と、
電流指令値に基づいて前記出力電流を制御する電流制御手段と、前記変圧器の励磁電流を直接または間接的に検出する励磁電流検出手段と、この励磁電流検出手段によって得られた励磁電流を用いて、前記変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御手段と、前記電流制御手段及び前記偏磁抑制制御手段の出力に基づき、前記電力変換器のゲートパターンを発生する手段とを具備した半導体電力変換装置において、前記出力電流及び前記励磁電流の少なくとも１つが所定値を超えたとき、前記電流指令値または前記電流制御手段の制御パラメータを変更するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大きくて急峻な外乱があっても偏磁による過電流に至ることのない半導体電力変換装置及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。
【００１２】
図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図である。
【００１３】
電力変換器１の交流出力は変圧器２に接続され、変圧器２の出力は交流電源または負荷に供給されている。電力変換器１は通常は自己消弧型パワーデバイスにダイオードを逆並列接続したアームをブリッジ接続して主変換部が構成されており、主変換部には図示しない直流電力が供給されている。
【００１４】
電力変換器１の出力電流は電流検出器３により検出されている。また、変圧器２の励磁電流を検出するために励磁電流検出器４が設けられている。励磁電流検出器４は通常変圧器２の入力電流から出力電流を入力側に換算した値を差し引いて求める。尚、励磁電流検出器４は変圧器２の運転状態における励磁電流または磁束を直接または間接的に検出すれば良く、その方法には拘らない。
【００１５】
電流検出器３の出力は電流制御器５に与えられる。電流制御器５においては、電流検出器３で検出された出力電流が図示しない所定の電流基準となるようにゲートパターン発生器７に電圧指令を与える。尚、このゲートパターン発生器７への電圧指令として、例えば上記電流基準を、所定の出力電圧を得るための基準として与えるなど、所謂電圧制御も併せて行う場合もあるがここでは図示していない。
【００１６】
励磁電流検出器４の出力は偏磁抑制制御回路６に与えられる偏磁抑制制御回路６は励磁電流に含まれる偏磁による電流成分をゼロにするように補正電圧指令をゲートパターン発生器７に与える。この偏磁抑制制御回路６には例えば比例積分系が採用されている。また、励磁電流検出器４の出力は超過検出器８に与えられている。超過検出器８は励磁電流が所定値を超えたとき、偏磁抑制制御回路６の制御パラメータを変更するように動作する。以下偏磁抑制制御回路６の内部構成について図１（ｂ）を参照して説明する。
【００１７】
励磁電流検出器４の出力である励磁電流は直流量検出回路９に与えられ、この直流量検出回路９で電力変換器１の出力電圧の１周期乃至数周期における平均値を演算して励磁電流の直流量を求め、この直流量を平均制御器１０の入力とし、平均制御器１０はこの直流量がゼロとなるように補正電圧指令を出力する。また励磁電流検出器４の出力である励磁電流は不感帯回路１１に与えられる。この不感帯回路１１の出力は瞬時制御器１２の入力となり、瞬時制御器１２は不感帯回路１１の出力がゼロとなるように補正電圧指令を出力する。
【００１８】
超過検出器８の出力は不感帯調整回路１４に与えられ、この不感帯調整回路１４の出力は不感帯回路１１に与えられる。以下図２を参照して不感帯調整動作について説明する。
【００１９】
図２は入力である励磁電流に対する不感帯回路１１の出力特性を示している。通常時、即ち超過検出器８が動作していないときの不感帯回路１１は、図２に破線で示したように広い不感帯幅Ｂ１を持つ出力特性となっている。即ち、励磁電流に与えられる小さな外乱に対し、瞬時制御器１２が過敏に応答して制御が不安定になるのを防止している。超過検出器８により励磁電流が所定値以上になったことが検出されたとき、不感帯回路１１は、図２の実線で示したような狭い不感帯幅Ｂ２を持つ出力特性に切り替わる。
【００２０】
以上のようにして例えば外部から大きな外乱を受けたとき、不感帯回路１１の不感帯幅を狭くして瞬時制御器１２の動作を敏感にすることにより、偏磁による過電流に至ることのない半導体電力変換装置を実現することができる。
【００２１】
尚、上記の不感帯幅の変更は、励磁電流が所定値以下に回復したことを超過検出器８が検出したとき元の通常時の不感帯幅Ｂ１に戻すようにするのが通常であるが、外部からの外乱が予め予測できるような場合は、この不感帯幅の変更をタイマーにより所定時間だけホールドするようにする方が安定な偏磁抑制が可能となる。また、このタイマーによる制御方法はこの実施例１に限らず、後述する全ての実施例において適用可能である。
【実施例２】
【００２２】
図３は本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ａ）の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、電流検出器３の出力を超過検出器８Ａに供給し、出力電流が所定値を超えたとき、偏磁抑制制御回路６の制御パラメータを変更するようにした点である。
【００２３】
このように励磁電流の瞬時値でなく、出力電流の瞬時値で偏磁となる外乱を検出しても良い。出力電流で検出すれば、特に負荷電流が小さいとき励磁電流検出回路の遅れの防止が可能となるなどのメリットがある。尚、この実施例２の出力電流検出と、実施例１の励磁電流検出をＡＮＤ条件やＯＲ条件を用いて併用しても良い。
【実施例３】
【００２４】
図４は本発明の実施例３に係る半導体電力変換装置の偏磁抑制制御回路の内部構成図である。この実施例３の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る半導体電力変換装置の偏磁抑制制御回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が、実施例１と異なる点は、不感帯調整回路１４に代えて超過検出器８Ｂの出力である電流超過信号で動作するゲイン調整回路１５を設け、励磁電流または出力電流が所定値を超えたとき、瞬時制御器１２のゲインを変更するようにした点である。
【００２５】
この実施例３で、例えば電流超過時のゲインを大きな値に切り替えるようにした場合、変圧器２の偏磁を通常時よりも強力に抑制することが可能であり、これにより過電流を抑制することができる。また、通常時はゲインを小さくしておくことにより、通常発生する負荷変動などによる偏磁抑制制御の過剰な応答を防止し、半導体電力変換装置を安定に動作させる。
【実施例４】
【００２６】
図５は本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置の偏磁抑制制御回路の内部構成図である。この実施例４の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る半導体電力変換装置の偏磁抑制制御回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が、実施例１と異なる点は、不感帯調整回路１４に代えて電流超過信号で動作するゲイン調整回路１６を設け、励磁電流または出力電流が所定値を超えたとき、平均制御器１０のゲインを変更するようにした点である。
【００２７】
この実施例４で、例えば電流超過時のゲインを大きい値に切り替えるようにした場合、実施例３の場合と同様、変圧器２の偏磁を通常時よりも強力に抑制することが可能であり、これにより過電流を抑制することができる。また、通常時はゲインを小さくしておくことにより、通常発生する負荷変動などによる偏磁抑制制御の過剰な応答を防止し、半導体電力変換装置を安定に動作させる。
【００２８】
また、この実施例４の手法を適用する場合は、瞬時制御の動作を敏感にする実施例１あるいは実施例３と組み合わせて用いるとより効果的である。
【実施例５】
【００２９】
図６（ａ）は本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図１（ａ）の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が、実施例１と異なる点は、超過検出器８Ｂの出力を偏磁抑制制御回路６ではなく電流制御回路５の入力とするようにした点である。
【００３０】
電流制御回路５の内部構成を図５（ｂ）に示す。電流指令値は乗算器１７を介して減算器１８に与えられ、この減算器１８で検出された出力電流と比較される。減算器１８の出力は電流制御器１９の入力となり、電流制御器１９は上記の差分がゼロとなるように電圧基準を出力する。また、電流超過信号を受けた指令値低減回路２０はα（α＜１）を乗算器１７に入力し、励磁電流または出力電流が所定値以上になると電流指令値を低減するように補正する。
【００３１】
以上の実施例５に示した手法によっても偏磁による過電流を防止することが可能な半導体電力変換装置を提供することができる。
【実施例６】
【００３２】
図７は本発明の実施例６に係る半導体電力変換装置の電流制御回路の内部構成図である。この実施例６の各部について、図６（ｂ）の実施例５に係る半導体電力変換装置の電流制御回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が、実施例５と異なる点は、乗算器１７を省いた点、また指令値低減回路２０に代え電流超過信号により動作するゲイン調整回路２１を設け、この出力で電流制御器１９の制御ゲインを変更するようにした点である。
【００３３】
例えば電流超過時の電流制御器５のゲインを通常時のゲインより小さくした場合、電流制御と偏磁抑制制御との制御干渉を防止することが可能となる。即ち、変圧器２が偏磁方向にある時、電流制御器１９のゲインを小さくして偏磁抑制制御側を支配的にすることにより、変圧器２の偏磁をより効果的に抑制することが可能となり、偏磁による過電流を防止することができる。
【００３４】
上記の説明で分かるように、この実施例６の手法を適用する場合は、実施例１や実施例３などのように偏磁抑制制御の感度を上げる制御と併用するとより効果的である。
【実施例７】
【００３５】
図８は本発明の実施例７に係る半導体電力変換装置の一部を示すブロック構成図である。
【００３６】
３相の半導体電力変換装置においてはｄｑ軸上で電流制御を実施することが一般的であり、この実施例７の構成は、実施例５及び実施例６を併用した場合の構成をｄ軸とｑ軸で独立して実施した例を示している。
【００３７】
図８において、電流検出器３Ａは出力電流を電圧と同相のｄ軸電流、これと直交するｑ軸電流に分解して出力して電流制御回路５に与える。電流指令として、ｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値は独立して与えられ、夫々乗算器１７Ｄ及び１７Ｑを介して減算器１８Ｄ及び１８Ｑによりｄ軸電流検出値及びｑ軸電流検出値と夫々比較され、その出力はｄ軸用の電流制御器１９Ｄ及びｑ軸用の電流制御器１９Ｑの入力となる。電流制御器１９Ｄ及び電流制御器１９Ｑの出力は図示していないが、３相成分に再び変換されてゲートパターン発生器７の入力となる。
【００３８】
超過検出器８で得られた電流超過信号はｄ軸用の指令値低減回路２０Ｄ及びゲイン調整回路２１Ｄに与えられ、指令値低減回路２０Ｄの出力は乗算器１７Ｄに与えられる。またゲイン調整回路２１Ｄの出力は電流制御器１９Ｄに与えられる。同様にして超過検出回路８で得られた電流超過信号はｑ軸用の指令値低減回路２０Ｑ及びゲイン調整回路２１Ｑに与えられ、指令値低減回路２０Ｑの出力は乗算器１７Ｑに与えられる。またゲイン調整回路２１Ｑの出力は電流制御器１９Ｑに与えられる。
【００３９】
以上のように構成すれば、電流制御における瞬時偏磁抑制制御をｄ軸とｑ軸を独立して
行うことが可能である。尚、このような分離制御を行ったとき、必ずしもｄ軸及びｑ軸の瞬時偏磁抑制制御の両方を行う必要はない。例えば、負荷側で他の変圧器の投入があった場合、励磁突入電流は大部分が無効成分であるため、ｑ軸の電流指令値を低減することにより、過電流を防止することができる。
【００４０】
また、この実施例では電流指令値の低減と制御器の制御ゲインの変更を同時に行うように説明したが、何れか一方でも良いことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。
【図２】本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の不感帯回路の説明図。
【図３】本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。
【図４】本発明の実施例３に係る半導体電力変換装置の偏磁抑制制御回路の内部構成図。
【図５】本発明の実施例４に係る半導体電力変換装置の偏磁抑制制御回路の内部構成図。
【図６】本発明の実施例５に係る半導体電力変換装置のブロック構成図。
【図７】本発明の実施例６に係る半導体電力変換装置の電流制御回路の内部構成図。
【図８】本発明の実施例７に係る半導体電力変換装置の部分ブロック構成図。
【符号の説明】
【００４２】
１  電力変換器
２  変圧器
３  電流検出器
４  励磁電流検出器
５  電流制御回路
６  偏磁抑制制御回路
７  ゲートパターン発生回路
８、８Ａ、８Ｂ  超過検出器
９  直流量検出回路
１０  平均制御器
１１  不感帯回路
１２  瞬時制御器
１３  加算器
１４  不感帯幅調整回路
１５、１６  ゲイン調整回路
１７、１７Ｄ、１７Ｑ  乗算器
１８、１８Ｄ、１８Ｑ  減算器
１９、１９Ｄ、１９Ｑ  電流制御器
２０、２０Ｄ、２０Ｑ  指令値低減回路
２１、２１Ｄ、２１Ｑ  ゲイン調整回路
【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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