(57)【要約】【課題】電圧制御器の応答性を低減させた場合に、コンバータ制御器を安定化させ、フィルタコンデンサ両端電圧Ecfを一定に制御する電力変換装置及びその安定化方法を提供する。【解決手段】交流電源1に接続される変圧器2と、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器3と、コンバータ電力変換器3の直流側に接続され、フィルタコンデンサ7を含む直流ステージ回路と、直流ステージ回路に接続されるインバータ電力変換器4と、インバータ電力変換器4に接続される交流電動機8と、電圧制御部61、電流制御部66及びPWM制御部68を有し、コンデンサ7の両端電圧制御目標値Ｅcf＊と両端電圧検出値Ecfを入力してコンデンサ7の両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器11とで構成される電力変換装置において、両端電圧制御目標値Ecf＊と電圧検出値Ecfを基に２次電流補償量Is＊＊を算出する補償演算部10を備え、２次電流補償量Is＊＊によりコンバータ電力変換器3の不安定要素を補償する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びＰＷＭ制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置において、
上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを基に、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した２次電流補償量Ｉｓ＊＊により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びＰＷＭ制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置において、
上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆと電圧最小値Ｅｃｆ＿ｍｉｎを基に、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した２次電流補償量Ｉｓ＊＊により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びＰＷＭ制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置における上記コンバータ制御部を安定化させる方法において、
上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを基に、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出することと、算出した２次電流補償量Ｉｓ＊＊により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償することとを有することを特徴とする電力変換装置安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置及びその安定化方法に関し、特に交流を直流に変換する電力変換器を用いた、交流電気車の電圧制御系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４に示すように、交流電気車の電圧制御系において、フィルタコンデンサ７の両端電圧Ｅｃｆを制御目標値Ｅｃｆ＊一定に制御するためのコンバータ制御系１１では、制御目標値Ｅｃｆ＊と検出器５２で求められた両端電圧検出値Ｅｃｆの差に対して、電圧制御器６１を通して２次電流実効値Ｉｓを求めている。２次電流実効値指令値Ｉｓ＊に正弦波発生器６４の出力を乗じて、２次電流指令値ｉｓ＊とする。
【０００３】
算出した２次電流指令値ｉｓ＊と２次電流検出器５０で検出された２次電流検出値ｉｓの差に対して、電流制御器６６を通して２次電圧検出器５１より検出したコンバータ電圧Ｅｃを基準にしてＰＷＭ制御６８を行い、コンバータ電力変換器３にゲートパルス信号ＰＷＭ＿Ｃを出力する。
【０００４】
コンバータ電力変換器３では、ＰＷＭ制御器６８から出力されたゲートパルス信号ＰＷＭ＿Ｃに従い、コンバータ出力電流ｉｃｏｎｖが出力される。２次電流実効値指令値Ｉｓ＊に従い、ｉｃｏｎｖを出力しているが、コンバータ電力変換器３のスイッチング遅れや配線のインダクタンス成分の影響により、必ずしもｉｓ＊＝ｉｃｏｎｖとならない。コンバータ制御系１１及びコンバータ電力変換器３では、コンバータ出力電流ｉｃｏｎｖの電流の向きによりフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆを変化させ、一定電圧に制御することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術では、コンバータ制御器１１に含まれる電圧制御器６１の応答性を低減させた場合、負荷変動などによりフィルタコンデンサ両端電圧Ｅｃｆが急激に変化した時に、両端電圧Ｅｃｆを一定に制御することができなくなる傾向にある。一方で、交流電源１に流れる帰線電流の高調波成分を低減するために電圧制御器６１の応答性を低減させる手段が用いられることがあり、応答性を低減させ帰線電流の高調波成分を低減するのが好ましい。やみくもに応答性を低減するとコンバータ制御系１１で考慮されていない実モデルの影響により、コンバータ制御系１１が不安定となる。特に、コンバータ電力変換器３が回生動作を行っている場合（ｉｃｏｎｖ＜０の時）は、その影響が大きくコンバータ制御系１１が不安定となる。
【０００６】
本発明は、電圧制御器６１の応答性を低減させた場合においても、コンバータ制御系１１を安定化させ、フィルタコンデンサ両端電圧Ｅｃｆを一定に制御する方法を実現する電力変換装置及びその安定化方法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】
【０００７】
電圧制御器６１の応答性を低減させた場合、負荷変動等が発生しフィルタコンデンサ両端電圧Ｅｃｆが急激に変化した時に、両端電圧Ｅｃｆを一定に制御することが困難である。そこで、本発明は、コンバータ制御系１１の安定化を目的として補償演算部１０を設け、補償演算部１０より２次電流補償量Ｉｓ＊＊を出力する。出力された２次電流補償量Ｉｓ＊＊と電力制御器６１にて算出される２次電流実効値Ｉｓを乗ずることによって、コンバータ制御系１１では考慮されていなかったコンバータ電力変換器３に存在する不安定要素が補償され、コンバータ電力変換器３の制御系が安定化しフィルタコンデンサ両端電圧Ｅｃｆを一定に制御することが可能となる。
【０００８】
すなわち、本発明は、交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びＰＷＭ制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置において、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを基に、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した２次電流補償量Ｉｓ＊＊により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させる電力変換装置である。
【０００９】
また、本発明は、交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びＰＷＭ制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置において、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と電圧検出値Ｅｃｆと電圧最小値Ｅｃｆ＿ｍｉｎを基に、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した２次電流補償量Ｉｓ＊＊により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させる電力変換装置である。
【００１０】
そして、本発明は、交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びＰＷＭ制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置における上記コンバータ制御部を安定化させる方法において、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊と両端電圧検出値Ｅｃｆを基に、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出することと、算出した２次電流補償量Ｉｓ＊＊により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償することとを有する電力変換装置安定化方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンバータ制御器１１に補償演算部１０を設け、２次電流指令補償量Ｉｓ＊＊を求めコンバータ電力変換器３の不安定要素を補償することにより、コンバータ制御器１１を安定化させることができる。その結果、コンバータ制御器１１に含まれる電圧制御器６１の応答性を低減させ、負荷変動などによりフィルタコンデンサ両端電圧Ｅｃｆが急激に変化した時でも、両端電圧Ｅｃｆを一定に制御することができる。さらに、従来よりも応答性を低減させることができる為、交流電源１に流れる帰線電流の高調波成分を従来技術よりも低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の電力変換装置及びその安定化方法の実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
実施例１を説明する。図１は、本実施例の電力変換装置の回路構成を示す図である。本実施例における交流電車の電力変換装置は、交流電源１に接続される変圧器２と、変圧器２の巻線に接続されており交流を直流に変換するコンバータ電力変換器３と、コンバータ電力変換器３の直流側に接続され、フィルタコンデンサ７を含む直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器４と、インバータ電力変換器４に接続される交流電動機８と、速度検出器９と、コンバータ制御系１１と、インバータ制御系１２と、補償演算部１０とで構成される。
【００１４】
単相交流電源である交流電源１からの交流電力は、変圧器２を介してコンバータ電力変換器３に交流電力を供給する。
【００１５】
コンバータ電力変換器３は、Ｕ相とＶ相の二相からなるフルブリッジ型で構成するものとする。コンバータ電力変換器３は、Ｐ側半導体スイッチ３１ＰとＮ側半導体スイッチ３１Ｎの二つの半導体スイッチから構成され、Ｐ側半導体スイッチ３１Ｐは、変圧器２のＰ側端子とフィルタコンデンサ７のＰ側端子を接続し、Ｎ側半導体スイッチ３１Ｎは、変圧器２のＮ側端子とフィルタコンデンサ７のＮ側端子に接続する。コンバータＵ相と同じ様に、コンバータＶ相では、Ｐ側半導体スイッチ３２Ｐは、変圧器２のＰ側端子とフィルタコンデンサ７のＰ側端子を接続し、Ｎ側半導体スイッチ３２Ｎは、変圧器２のＮ側端子とフィルタコンデンサ７のＮ側端子に接続する。
【００１６】
コンバータ電力変換器３は、半導体スイッチ３１Ｐ〜３２Ｎの導通状態を制御することによって、変圧器２から供給される交流電力を直流電力に変換する。コンバータ電力変換器３のＰ側端子は、フィルタコンデンサ７のＰ側端子およびインバータ電力変換器４のＰ側端子と接続する。コンバータ電力変換器３のＮ側端子は、フィルタコンデンサ７のＮ側端子およびインバータ電力変換器４のＮ側端子に接続され、コンバータ電力変換器３の供給する直流電力は、フィルタコンデンサ７によって平滑化されインバータ電力変換器４に供給される。
【００１７】
コンバータ電力変換器３から出力されるコンバータ出力電流ｉｃｏｎｖは、２次電流検出値ｉｓと変調率Ｖｃの積で表される。
【００１８】
インバータ電力変換器４は、Ｕ、Ｖ，Ｗ相の三相から構成される三相交流変換器とする。インバータ電力変換器４のＵ相は、Ｐ側半導体スイッチ４１ＰとＮ側半導体スイッチ４１Ｎの二つの半導体スイッチから構成される。Ｐ側半導体スイッチ４１Ｐはフィルタコンデンサ７のＰ側端子と交流電動機８のＵ相端子に接続され、Ｎ側半導体スイッチ４１Ｎはフィルタコンデンサ７のＮ側端子と交流電動機８のＵ相端子に接続する。インバータ電力変換器４のＶ相は、Ｐ側半導体スイッチ４２ＰとＮ側半導体スイッチ４２Ｎの二つの半導体スイッチから構成される。Ｐ側半導体スイッチ４２Ｐはフィルタコンデンサ７のＰ側端子と交流電動機８のＶ相端子に接続され、Ｎ側半導体スイッチ４２Ｎはフィルタコンデンサ７のＮ側端子と交流電動機８のＶ相端子に接続する。インバータ電力変換器４のＷ相は、Ｐ側半導体スイッチ４３ＰとＮ側半導体スイッチ４３Ｎの二つの半導体スイッチから構成される。Ｐ側半導体スイッチ４３Ｐはフィルタコンデンサ７のＰ側端子と交流電動機８のＷ相端子に接続され、Ｎ側半導体スイッチ４３Ｎはフィルタコンデンサ７のＮ側端子と交流電動機８のＷ相端子に接続する。
【００１９】
インバータ電力変換器４は、半導体スイッチ４１Ｐ〜４３Ｎの導通状態を制御することによって、コンバータ電力変換器３から供給される直流電力を、任意の交流電力に変換し交流電動機８を駆動する。
【００２０】
交流電動機８は、交流電気車を駆動するモータである。パルスジェネレータ９は、交流電動機の回転速度を検出し速度信号Ｆｒを出力する。
【００２１】
次に、実施例１におけるコンバータ電力変換器３の半導体スイッチ３１Ｐ〜３２Ｎの導通状態を制御するゲートパルス信号を生成するコンバータ制御系１１の構成について説明する。コンバータ制御系１１は、差分器（１）６０と、電圧制御部６１と、乗算器（１）６２と、乗算器（２）６３と、正弦波発生器６４と、差分器（２）６５と、電流制御部６６と、差分器（３）６７と、ＰＷＭ制御部６８とで構成される。
【００２２】
コンバータ制御系１１では、フィルタコンデンサ７の両端電圧Ｅｃｆを一定に制御する。制御目標値Ｅｃｆ＊と検出器５２で求められた両端電圧検出値Ｅｃｆの差に対して、電圧制御器６１を通して２次電流実効値Ｉｓを求めている。
【００２３】
図２は、実施例１における補償演算部１０を説明する図であり、補償演算部１０は、除算器（３）１０ａで構成されている。フィルタコンデンサ両端電圧制御目標値Ｅｃｆと検出値Ｅｃｆ＊より、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を求め、コンバータ制御系１１に出力する。
【００２４】
２次電流補償量Ｉｓ＊＊と２次電流実効値Ｉｓを乗算器（１）６２で乗算し、２次電流実効値指令値Ｉｓ＊を求める。
【００２５】
２次電流実効値指令値Ｉｓ＊に正弦波発生器６４の出力を乗じて、２次電流指令値ｉｓ＊とする。算出した２次電流指令値ｉｓ＊と２次電流検出器５０で検出された２次電流検出値ｉｓの差に対して、電流制御器６６にて電流制御を行う。差分器（３）６７では、２次電圧検出器５１より検出したコンバータ電圧Ｅｃと前電流制御器６６の出力操作量を減算し、コンバータＵ相電圧指令Ｖｕ，コンバータＶ相電圧指令Ｖｖを出力する。
【００２６】
ＰＷＭ制御６８を行い、コンバータＵ相電圧指令Ｖｕ，およびコンバータＶ相電圧指令Ｖｖを入力し、フィルタコンデンサ両端電圧検出器５２によって検出したフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆを基準としてＰＷＭ演算を行い、ゲートパルス信号ＰＷＭ＿Ｃを出力する。
【００２７】
コンバータ電力変換器３では、ＰＷＭ制御器６８から出力されたゲートパルス信号ＰＷＭ＿Ｃに従い、半導体スイッチ３１Ｐ〜３２Ｎを入、切することによってコンバータ出力電流ｉｃｏｎｖが出力される。２次電流実効値指令値Ｉｓ＊に従い、ｉｃｏｎｖを出力しているが、コンバータ電力変換器３のスイッチング遅れや配線のインダクタンス成分の影響により、必ずしもＩｓ＊＝ｉｃｏｎｖとならない。コンバータ制御系１１およびコンバータ電力変換器３では、コンバータ出力電流ｉｃｏｎｖの電流の向きによりフィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆを変化させ、一定電圧に制御する。
【００２８】
インバータ制御系１２では、速度信号Ｆｒとモータ電流Ｉｍから電圧指令を求め、フィルタコンデンサ電圧Ｅｃｆを基準としてＰＷＭ演算を行い、ゲートパルス信号ＰＷＭ＿Ｉを出力する。
【実施例２】
【００２９】
実施例２を説明する。本実施例の電力変換装置は、実施例１と同様であるが、補償演算部１０が相違する。実施例２では、図３に示す補償演算部１０を設け、２次電流補償量Ｉｓ＊＊を算出する。補償演算部１０では、フィルタコンデンサ両端電圧検出値Ｅｃｆとフィルタコンデンサ電圧最小値Ｅｃｆ＿ｍｉｎを最大値算出器（１）１０ｂに入力し、フィルタコンデンサ両端電圧制御目標値Ｅｃｆ＊とフィルタコンデンサ電圧最小値Ｅｃｆ＿ｍｉｎを最大値算出器（２）１０ｃに入力し、各々の最大値算出器１０ｂ、１０ｃで算出した値を除算器（１）１０ａで除算して２次電流補償量Ｉｓ＊＊を求める。フィルタコンデンサ電圧最小値Ｅｃｆ＿ｍｉｎは、フィルタコンデンサ両端電圧検出値として、設定時に想定される下限値を使用する。これにより、フィルタコンデンサ両端電圧検出値Ｅｃｆとして０（ゼロ）Ｖを検出しても、除算による暴走を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１、２の電力変換装置の回路構成の説明図。
【図２】実施例１における補償演算部の説明図。
【図３】実施例２における補償演算部の説明図。
【図４】従来の電力変換装置の回路構成の説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１      交流電源
２      変圧器
３      コンバータ電力変換器
４      インバータ電力変換器
７      フィルタコンデンサ
８      交流電動機
９      パルスジェネレータ（速度検出器）
１０    補償演算部
１１    コンバータ制御系
１２    インバータ制御系
３１Ｐ  コンバータＵ相Ｐ側半導体スイッチ
３１Ｎ  コンバータＵ相Ｎ側半導体スイッチ
３２Ｐ  コンバータＶ相Ｐ側半導体スイッチ
３２Ｎ  コンバータＶ相Ｎ側半導体スイッチ
４１Ｐ  インバータＵ相Ｐ側半導体スイッチ
４１Ｎ  インバータＵ相Ｎ側半導体スイッチ
４２Ｐ  インバータＶ相Ｐ側半導体スイッチ
４２Ｎ  インバータＶ相Ｎ側半導体スイッチ
４３Ｐ  インバータＷ相Ｐ側半導体スイッチ
４３Ｎ  インバータＷ相Ｎ側半導体スイッチ
５０    ２次電流検出器
５１    ２次電圧検出器
５２    フィルタコンデンサ両端電圧検出器
５３    モータ電流検出器
６０    差分器１
６１    電圧制御部
６２    乗算器１
６３    乗算器２
６４    正弦波発生器
６５    差分器２
６６    電流制御部
６７    差分器３
６８    ＰＷＭ制御部
Ｅｐ        １次電圧
Ｅｃ        コンバータ電圧
Ｅｃｆ      フィルタコンデンサ両端電圧検出値
Ｅｃｆ＊    フィルタコンデンサ両端電圧制御目標値
Ｖｃ      変調率
Ｉｓ      ２次電流実効値
Ｉｓ＊      ２次電流実効値指令
Ｉｓ＊＊    ２次電流補償量
ｉｃｏｎｖ    コンバータ出力電流
ｉｓ      ２次電流検出値
ｉｓ＊        ２次電流指令値
ｉｍ      誘導機負荷電流
Ｆｒ      ロータ回転周波数検出値
ＰＭＷ＿Ｃ    コンバータゲートパルス信号
ＰＷＭ＿Ｉ    インバータゲートパルス信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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