(57)【要約】【課題】電圧形ＰＷＭ整流回路において、交流電圧に位相が１８０°跳躍するような異常が発生した場合にも、正常運転を継続することが可能な電力変換装置を実現するために、電源位相を正確に検出する位相検出回路を提案する。【解決手段】実施形態に係る位相検出回路は、３相交流電圧を検出する検出手段１４と、３相交流電圧検出値を、２軸回転座標上の無効電圧検出値および有効電圧検出値に変換する処理を行う変換手段１６と、前記無効電圧検出値および前記有効電圧検出値の逆正接演算を行う逆正接演算手段１９と、逆正接演算結果を比例積分制御することで電源周波数を出力する比例積分制御手段１７と、電源周波数を積分演算することで電源位相を出力する積分手段１８とを備え、前記変換手段１６は、前記積分手段１８が出力する前記電源位相を用いて、前記変換処理を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段にて検出された３相交流電圧検出値を、２軸回転座標上の無効電圧検出値および有効電圧検出値に変換する処理を行う変換手段と、
前記変換手段にて変換された前記無効電圧検出値および前記有効電圧検出値の逆正接演算を行う逆正接演算手段と、
前記逆正接演算手段の演算結果を比例積分制御することで電源周波数を出力する比例積分制御手段と、
電源周波数を積分演算することで電源位相を出力する積分手段とを備え、
前記変換手段は、前記積分手段が出力する前記電源位相を用いて、前記変換処理を行う位相検出回路。
【請求項２】
前記検出手段は、前記３相交流電圧の３相のうちの任意の２相のみを検出し、他の１相は演算により検出する請求項１に記載の位相検出回路。
【請求項３】
前記比例積分制御手段の出力に電源周波数のフィードフォワード値を加算する加算手段を具備し、前記積分手段は、前記加算手段の加算結果を積分する請求項１又は２に記載の位相検出回路。
【請求項４】
前記逆正接演算手段は、前記有効電圧検出値が負のとき、前記無効電圧検出値および前記有効電圧検出値の逆正接に１８０°を加算した値を前記演算結果として提供する請求項１乃至３の１項に記載の位相検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、３相交流電源の位相角を検出する位相検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
３相交流電源から、電圧形インバータ等の直流負荷へ直流電圧を供給する方法の一つとして、自己消弧形スイッチング素子とダイオードからなる３相ブリッジ回路をＰＷＭ制御し、３相の交流電圧から直流電圧に電力の変換を行う、いわゆる電圧形ＰＷＭ整流回路が用いられている。
【０００３】
一般に電圧形ＰＷＭ整流回路では、三角波キャリアと正弦波状の３相変調波による三角波比較ＰＷＭ制御方式が用いられる。三角波比較ＰＷＭ制御方式では、３相変調波を、電源位相に対して所定の位相に調整することで、交流／直流電力変換制御を行っている。このため、電源位相を検出することが必要となる。
【０００４】
電圧形ＰＷＭ整流回路の一例として、図７にその構成を示す。図７において、１はＩＧＢＴ等の自己消弧形スイッチング素子とダイオードで構成される３相ブリッジ回路、２は直流平滑コンデンサ、３は電圧型インバータ等の直流負荷、４は交流リアクトル、５は３相交流電源である。直流平滑コンデンサ２に印可される直流電圧Ｖｄｃは直流電圧検出器６により検出され、直流電圧制御器７により直流電圧指令値Ｖｄｃ＊に追従するように、有効電流指令値ＩＱ＊が出力される。
【０００５】
３相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは交流電流検出器８により検出され、３相／ＤＱ変換器９により無効電流検出値ＩＤおよび有効電流検出値ＩＱに変換される。無効電流検出値ＩＤは、１０の無効電流制御器により無効電流指令値ＩＤ＊に追従するように、無効電圧指令値ＶＤ＊が出力される。同様に、有効電流検出値ＩＱは、有効電流制御器１１により直流電圧制御器７が出力する有効電流指令値ＩＱ＊に追従するように、有効電圧指令値ＶＱ＊が出力される。無効電圧指令値ＶＤ＊および有効電圧指令値ＶＱ＊は１２のＤＱ／３相変換器により３相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換される。３相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は１３のＰＷＭ制御器により３相ブリッジ回路１のスイッチング素子を駆動するゲート信号に制御される。
【０００６】
３相電圧検出値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは交流電圧検出器１４により検出され、ＰＬＬ回路１５により、電源位相θｓが出力される。電源位相θｓは、ＤＱ／３相変換器１２および３相／ＤＱ変換器９に入力され、座標変換演算に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３０４５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
背景技術で述べたように、交流電源の位相角の検出にはＰＬＬ回路が用いられる場合が多い。図８に従来例としてのＰＬＬ回路の一例を示し、その動作を説明する。３相電圧検出値Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＰＬＬ回路が出力する電源位相θｓにより、３相／ＤＱ変換演算器１６により、電源位相θｓで回転する２軸回転座標系上の２軸直流量に変換する。２軸直流量はそれぞれ無効電圧検出値ＶＤおよび有効電圧検出値ＶＱとなる。このうち無効電圧検出値ＶＤは比例積分制御器１７によりゼロになるように制御される。比例積分制御器１７の出力は電源周波数ωｓに相当し、積分器１８で積分演算されることにより、電源位相θｓとなり、再び３相／ＤＱ変換演算器１６に用いられる。
【０００９】
以上の制御ループの働きにより、無効電圧検出値ＶＤがゼロになるように制御され、有効電圧検出値ＶＱに追従する電源位相θｓが検出される。検出された電源位相θｓにより３相交流電流検出値を３相／ＤＱ変換することにより無効電流検出値ＩＤおよび有効電流検出値ＩＱを得ることが可能となる。
【００１０】
ＰＬＬ回路は、交流電圧の位相が地絡等の系統事故等により位相跳躍した場合にも正常に動作する必要がある。図９に示すように、例えば４５°の位相跳躍が発生した場合、無効電圧検出値ＶＤは、４５°の位相跳躍に応じた値に変化するので問題は生じない。しかし上記従来の方式では、位相跳躍が図９のように１８０°となる場合に、無効電圧検出値ＶＤはゼロのまま変わらない。従って、検出された電源位相θｓが、位相跳躍後の真の電源位相から１８０°ずれた状態では制御ループが動作（応答）せず、１８０°の位相誤差が維持されるという課題がある。
【００１１】
実施形態は上記課題を考慮してなされたもので、電圧形ＰＷＭ整流回路において、交流電圧に位相が１８０°跳躍する異常が発生した場合にも、正常運転を継続することが可能な電力変換装置を実現するために、電源位相を正確に検出する位相検出回路を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態に係る位相検出回路は、３相交流電圧を検出する検出手段と、前記検出手段にて検出された３相交流電圧検出値を、２軸回転座標上の無効電圧検出値および有効電圧検出値に変換する処理を行う変換手段と、前記変換手段にて変換された前記無効電圧検出値および前記有効電圧検出値の逆正接演算を行う逆正接演算手段と、前記逆正接演算手段の演算結果を比例積分制御することで電源周波数を出力する比例積分制御手段と、電源周波数を積分演算することで電源位相を出力する積分手段とを備え、前記変換手段は、前記積分手段が出力する前記電源位相を用いて、前記変換処理を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＰＬＬ回路の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】３相電圧の電源電圧ベクトルＶｓと、ＶＵＷ軸と、ＤＱ軸の関係を示すベクトル図である。
【図３】図１の逆正接演算器が出力する位相偏差Δの具体例を示すベクトル図である。
【図４】図１の逆正接演算器が出力する位相偏差Δの他の具体例を示すベクトル図である。
【図５】ＰＬＬ回路の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】ＰＬＬ回路の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】電圧形ＰＷＭ整流回路の構成例を示す回路構成図である。
【図８】従来のＰＬＬ回路を示すブロック図である。
【図９】従来のＰＬＬ回路の課題を説明するためのベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態に係る位相検出回路について図面を参照して説明する。同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１５】
図１は第１の実施形態に係るＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。図１において、３相電圧検出値Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＰＬＬ回路が出力する電源位相θｓを用いて、３相／ＤＱ変換演算１６により、電源位相θｓで回転する２軸回転座標系上の２軸直流量に変換する。以下に３相／ＤＱ変換演算式の一例を示す。
【００１６】
Ｖａ  ＝  （−Ｖｖ＋Ｖｗ）／（√３）
Ｖｂ  ＝  （２Ｖｕ―Ｖｖ−Ｖｗ）／３
ＶＤ  ＝  Ｖｂ×ｓｉｎ（θｓ）＋Ｖａ×ｃｏｓ（θｓ）
ＶＱ  ＝  Ｖｂ×ｃｏｓ（θｓ）−Ｖａ×ｓｉｎ（θｓ）
２軸直流量はそれぞれ無効電圧検出値ＶＤおよび有効電圧検出値ＶＱとなる。
【００１７】
図２は、３相電圧の電源電圧ベクトルＶｓと、ＶＵＷ軸と、ＤＱ軸の関係を示すベクトル図である。ＶＵＷ軸を固定軸として、ＶＵＷ軸の原点を中心に電源電圧ベクトルＶｓが実際の電源位相θｉで回転する。この時の３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、電源電圧ベクトルＶｓの大きさをＶｓとすると以下のように表される。
【００１８】
Ｖｕ  ＝  Ｖｓ・ｃｏｓθｉ
Ｖｖ  ＝  Ｖｓ・ｃｏｓ（θｉ−（２π／３））
Ｖｗ  ＝  Ｖｓ・ｃｏｓ（θｉ＋（２π／３））
ＤＱ軸は制御上の仮想の直交座標であり、ＰＬＬ回路の出力である電源位相θｓで、ＶＵＷ軸の原点を中心に回転する。ＤＱ軸を位相θｓで回転させた時のベクトルＶｓとＱ軸のずれを位相差Δとすると、無効電圧検出値ＶＤおよび有効電圧検出値ＶＱは次式のように表すことができる。
【００１９】
ＶＤ  ＝  Ｖｓ・ｓｉｎΔ
ＶＱ  ＝  Ｖｓ・ｃｏｓΔ
ＰＬＬ回路は、電源電圧ベクトルＶｓとＱ軸の位相偏差Δ（＝θｓ−θｉ）が０となるように動作する。
【００２０】
図１の説明に戻り、逆正接演算器１９では以下の演算により、位相偏差Δを出力する。
【００２１】
ＶＱ＞０のとき、  
Δ  ＝  ｔａｎ−１（ＶＤ／ＶＱ）
この場合のベクトル図を図３に示す。図３（ｂ）のように、無効電圧検出値ＶＤが負のとき、逆正接演算器１９は負の位相偏差Δを出力する。
【００２２】
ＶＱ＜０のとき、  
Δ  ＝  １８０°＋ｔａｎ−１（ＶＤ／ＶＱ）
この場合のベクトル図を図４に示す。逆正接では、正のＱ軸からの位相角は＋９０°〜−９０°の範囲の角度しか表すことができない。本実施形態の場合、逆正接に１８０°を加算することで、位相角（位相跳躍）が＋９０°〜−９０°の範囲を超えたときでも、逆正接演算器１９は当該位相跳躍を的確に示す位相偏差Δを出力することができる。
【００２３】
ＶＱ＝０、ＶＤ＞０のとき、  
Δ  ＝  ９０°
この場合、逆正接は無限大となるので、逆正接演算器１９は位相偏差Δとして９０°を出力する。
【００２４】
ＶＱ＝０、ＶＤ＜０のとき、  
Δ  ＝  −９０°
この場合も、逆正接は無限大となるので、逆正接演算器１９は位相偏差Δとして−９０°を出力する。
【００２５】
位相偏差Δは比例積分制御器１７によりゼロになるように制御される。比例積分制御器１７は、次式に示す演算を行い電源周波数ωｓを出力する。  
ωｓ  ＝  Δ（Ｋｐ＋（Ｋｉ／ｓ））
ここで、Ｋｐは比例係数、Ｋｉは積分係数、ｓはラプラス演算子である。
【００２６】
比例積分制御１７の出力である電源周波数ωｓは、積分器１８で積分演算されることにより、電源位相θｓとなり、再び３相／ＤＱ変換演算器１６に用いられる。
【００２７】
上記実施形態では、交流電圧に位相が１８０°跳躍する異常が発生した場合にも位相偏差Δが、
Δ  ＝  １８０°
となるので、制御ループが対応して動作することにより、電源位相を正確に検出することが可能となる。
【００２８】
図５は第２の実施形態に係るＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。図５において、３相電圧検出値は３相のうちの任意の２相のみが用いられ、他の１相は演算によって検出する。一例として、３相電圧のうちＶｕ、Ｖｗのみを検出する場合には、他の１相であるＶｖを以下の演算により検出する。  
Ｖｖ  ＝  −Ｖｕ−Ｖｗ
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果が得られ、かつ電圧検出にかかる部品点数の削減が可能となる。
【００２９】
図６は第３の実施形態に係るＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。図６において、比例積分制御１７の出力に電源周波数のフィードフォワード値を加算器２０にて加算する。一例として、電源周波数が５０Ｈｚの場合には、
ωｏ＝５０Ｈｚ  
となる。本実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果が得られる。更に、比例積分制御器１７は、最初から例えば代表値５０Ｈｚからのずれのみを出力するので、制御ループの例えば初期応答性を向上させることが可能となる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、電圧形ＰＷＭ整流回路において、交流電圧に位相が例えば１８０°跳躍する異常が発生した場合にも運転を正常に継続することが可能な電力変換装置を実現できる。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・３相ブリッジ回路、２・・・直流平滑コンデンサ、３・・・直流負荷、４・・・交流リアクトル、５・・・３相交流電源、６・・・直流電圧検出器、７・・・直流電圧制御器、８・・・交流電流検出器、９・・・３相／ＤＱ変換器、１０・・・無効電流制御器、１１・・・有効電流制御器、１２・・・ＤＱ／３相変換器、１３・・・ＰＷＭ制御器、１４・・・交流電圧検出器、１５・・・ＰＬＬ回路、１６・・・３相／ＤＱ変換演算器、１７・・・比例積分制御器、１８・・・積分器、１９・・・逆正接演算器。
【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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