(57)【要約】【課題】比例ゲインや積分時間を調節する方法によらずに、負荷急変時の直流電圧の変動を抑制することができる整流器の制御装置を提供する。【解決手段】半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して交流電力を直流電力に変換する整流器の制御装置であって、交流電源８の電圧を検出する交流電圧検出器９と、交流電源８と整流器５との間に流れる電流を検出する交流電流検出器１０と、整流器５の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器４と、直流電圧指令値と直流電圧検出器４による直流電圧検出値との偏差の比例積分演算を行う直流電圧調節手段３１を含む制御演算手段６と、を備えた制御装置に関する。前記直流電圧検出値が所定範囲を越えた場合に、直流電圧調節手段３１は、もとの積分演算量を積分演算量操作分により補正した値を新たな積分演算量とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して交流電力を直流電力に変換する整流器の制御装置であって、
交流電源の電圧を検出する交流電圧検出器と、交流電源と整流器との間に流れる電流を検出する交流電流検出器と、整流器の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、直流電圧指令値と前記直流電圧検出器による直流電圧検出値との偏差の比例積分演算を行う直流電圧調節手段を含む制御演算手段と、を備えた制御装置において、
前記直流電圧検出値の変化量に応じて前記直流電圧調節手段の積分演算量を操作することを特徴とする整流器の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の整流器の制御装置において、
前記直流電圧調節手段は、直流電圧指令値と直流電圧検出値とを一致させるために比例演算量及び積分演算量を算出してこれらの加算結果から交流電流振幅指令値を演算し、
前記制御演算手段は、交流電源電圧から検出した基準位相と前記交流電流振幅指令値とを乗じて交流電流指令値を演算し、この交流電流指令値と交流電流検出値とを一致させるように整流器を運転するための整流器電圧指令値を演算することを特徴とする整流器の制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の整流器の制御装置において、
前記直流電圧調節手段は、直流電圧検出値が第１及び第２の電圧規定値により設定される所定範囲を越えた場合の積分演算量操作分を演算する積分演算量操作分演算手段を備え、前記積分演算量操作分を用いてもとの積分演算量を補正した結果を新たな積分演算量とすることを特徴とする整流器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流器の制御装置に関し、詳しくは、直流電圧指令値と直流電圧検出値との偏差の比例積分演算により直流電圧を所定範囲に保つようにした制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、交流電力を入力として負荷側に直流電力を供給する整流器とその制御装置の代表的な構成図である。
図３において、整流器（整流器主回路）５は、単相ブリッジ接続された半導体スイッチング素子１１，１２，１３，１４と、各スイッチング素子１１，１２，１３，１４にそれぞれ逆並列接続された環流ダイオード２１，２２，２３，２４と、交流電源８の一端とスイッチング素子１１，１２，の相互接続点との間に接続されたリアクトル３と、スイッチング素子１３，１４の直列回路に並列に接続されたコンデンサ４とから構成されている。なお、１２はコンデンサ４の両端に接続された負荷である。
【０００３】
また、前記半導体スイッチング素子１１，１２，１３，１４をオン・オフ制御するための制御装置は、制御演算手段２０と、ドライブ手段７と、交流電源８の電圧を検出する交流電圧検出器９と、交流電源８と主回路５との間に流れる電流（以下、交流電流ともいう）を検出する交流電流検出器１０と、整流器５の出力電圧すなわちコンデンサ４の電圧（以下、直流電圧ともいう）を検出する直流電圧検出器１１とを備えている。
なお、制御演算手段２０は、基準位相発生手段３０と、直流電圧調節手段４０と、乗算手段３２と、交流電流調節手段３３とから構成されている。
【０００４】
上記制御装置による整流器５の制御動作は、次のとおりである。
基準位相発生手段３０は、交流電圧検出器９により検出した交流電圧検出値Ｖｓを入力とし、交流電圧と同位相の基準位相ｓｉｎωｔを出力する。直流電圧調節手段４０は、直流電圧指令値Ｖｄ＊と直流電圧検出器１１により検出した直流電圧検出値Ｖｄとを入力とし、両者の偏差の比例積分演算により、直流電圧検出値Ｖｄを直流電圧指令値Ｖｄ＊に一致させるための交流電流振幅指令値ＩＲＯ＊を演算する。乗算手段３２は、交流電流振幅指令値ＩＲＯ＊と前記基準位相ｓｉｎωｔとを乗じて交流電流指令ＩＲ＊を算出する。
【０００５】
交流電流調節手段３３では、交流電流指令値ＩＲ＊と交流電流検出器１０により検出した交流電流検出値ＩＲとを入力とし、両者の偏差の比例演算により、交流電流検出値ＩＲを交流電流指令値ＩＲ＊に一致させるための整流器電圧指令値ＶＲ＊を演算する。ドライブ手段７は、整流器電圧指令値ＶＲ＊に応じて半導体スイッチング素子１１，１２，１３，１４のオン・オフを制御する。
以上のように整流器５を制御することにより、交流電源８から高力率で交流電力を取り込んで、所望の直流電圧値にて負荷１２に直流電力を供給している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、直流電圧調節手段３１による直流電圧指令値Ｖｄ＊と直流電圧検出値Ｖｄとの偏差の比例積分演算結果により、直流電圧検出値Ｖｄを直流電圧指令値Ｖｄ＊に一致させている。一般に、比例積分演算による調節動作では、比例ゲインを大きくするほど、あるいは積分時間を短くするほど、負荷急変時における直流電圧の変動量が少なくなる。
【０００７】
しかしながら、ディジタルシグナルプロセッサに代表される演算手段を用いて比例積分演算を行う場合は、離散時間で演算処理を行うため、比例ゲインを大きくするほど、また積分時間を短くするほど、制御対象が振動しやすくなる。
従って、従来の整流器の制御装置では、制御対象の振動を防止する観点から、比例ゲインや積分時間を直流電圧の変動を抑えるのに必要な値にすることができず、負荷急変時に直流電圧が急上昇あるいは急降下して、整流器の運転を停止させなければならないという問題を生じていた。
【０００８】
そこで本発明は、比例ゲインや積分時間を調節する方法によらずに、負荷急変時の直流電圧の変動を抑制することができる整流器の制御装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、直流電圧の変動が比例積分演算の積分項の応答遅れにより生じていることに着目してなされたものである。
まず、図４は、図３の直流電圧調節手段４０で使用される代表的な比例積分演算を離散系制御ブロック図で示したものである。
ここで、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Ｔｓはサンプル周期（以下、演算周期ともいう）、Ｚ−１は１演算遅れ演算子、ＩＲＩは積分演算量、ＩＲＰは比例演算量である。
【００１０】
直流電圧調節手段４０では、減算手段５０と、ゲイン手段５１，５２と、積分手段５３と、加算手段５４とにより、直流電圧指令値Ｖｄ＊と直流電圧検出値Ｖｄとの偏差の比例積分演算を行い、積分演算量ＩＲＩと比例演算量ＩＲＰとを加算することによって直流電圧指令値Ｖｄ＊と直流電圧検出値Ｖｄとを一致させるための交流電流振幅指令値ＩＲＯ＊を算出する。
いま、整流器５における電力損失と比例演算量ＩＲＰとを無視すると、負荷急変時の直流電圧変動量ΔＶｄは、数式１により表すことができる。
【００１１】
［数１］
△Ｖｄ＝（１／Ｃ）∫（ＩＲＩ−ＩＬ）ｄｔ
【００１２】
ここで、ＩＬは負荷電流、Ｃは図３におけるコンデンサ４の容量である。
従って、負荷が急変した時でも、積分演算量ＩＲＩを速やかに急変後の負荷電流ＩＬに等しくすれば、直流電圧変動量△Ｖｄを小さく抑えることができる。
数式１を変形すると、負荷電流ＩＬは数式２のように表される。
【００１３】
［数２］
ＩＬ＝ＩＲＩ−Ｃ（△Ｖｄ／△Ｔ）
【００１４】
ここで、ΔＴは直流電圧ＶｄがΔＶｄだけ変動するのに要した時間である。また、右辺の第２項はΔＴの間にコンデンサ４に流入あるいはコンデンサ４から流出した電流量を意味している。
すなわち、時間△Ｔの間に直流電圧ＶｄがΔＶｄだけ変動したとすれば、変動後の負荷電流ＩＬは、数式２に示す如く前回の積分演算量ＩＲＩを流入または流出電流量により補正した値となるので、この右辺に示される量を今回の（変動後の）積分演算量とすれば、数式１によって直流電圧変動量△Ｖｄを小さくすることができる。
【００１５】
以上のことから、直流電圧Ｖｄが変動して第１の規定値Ｖｄｔｈｕ以上となった際に、あるいは第１の規定値Ｖｄｔｈｕよりも低い第２の規定値Ｖｄｔｈｌ以下となった際に、数式３に示すように、それまでの積分演算量ＩＲＩ（前回）からコンデンサ４に流入した電流分を減算、またはコンデンサ４から流出した電流分を加算して補正し（これらの流入電流分または流出電流分を積分演算量操作分という）、その結果を新たな積分演算量ＩＲＩ（今回）とすることで、直流電圧が現状以上に変動するのを抑えることができる。
【００１６】
［数３］
ＩＲＩ（今回）＝ＩＲＩ（前回）−｛Ｃ／（ｎ・Ｔｓ）｝（Ｖｄ（今回）−Ｖｄ（ｎ回前））
ここで、Ｔｓは演算周期、ｎは演算回数である。
【００１７】
すなわち、請求項１記載の発明は、半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して交流電力を直流電力に変換する整流器の制御装置であって、
交流電源の電圧を検出する交流電圧検出器と、交流電源と整流器との間に流れる電流を検出する交流電流検出器と、整流器の直流出力電圧を検出する直流電圧検出器と、直流電圧指令値と前記直流電圧検出器による直流電圧検出値との偏差の比例積分演算を行う直流電圧調節手段を含む制御演算手段と、を備えた制御装置において、
前記直流電圧検出値の変化量に応じて前記直流電圧調節手段の積分演算量を操作するものである。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の整流器の制御装置において、
前記直流電圧調節手段は、直流電圧指令値と直流電圧検出値とを一致させるために比例演算量及び積分演算量を算出してこれらの加算結果から交流電流振幅指令値を演算し、
前記制御演算手段は、交流電源電圧から検出した基準位相と前記交流電流振幅指令値とを乗じて交流電流指令値を演算し、この交流電流指令値と交流電流検出値とを一致させるように整流器を運転するための整流器電圧指令値を演算するものである。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の整流器の制御装置において、
前記直流電圧調節手段は、直流電圧検出値が第１及び第２の電圧規定値により設定される所定範囲を越えた場合の積分演算量操作分を演算する積分演算量操作分演算手段を備え、前記積分演算量操作分を用いてもとの積分演算量を補正した結果を新たな積分演算量とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。前後するが、図２は本実施形態の構成を整流器と共に示したブロック図である。
図２において、図３と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
この実施形態が図３と異なるのは、制御演算手段６内の直流電圧調節手段３１の構成である。
【００２１】
図１は、直流電圧調節手段３１の構成を示すブロック図である。
図１において、直流電圧調節手段３１は、直流電圧指令値Ｖｄ＊と直流電圧検出値Ｖｄとの偏差を演算する減算手段５０と、この偏差に比例ゲインＫｐを乗じるゲイン手段５１と、ゲイン手段５１の出力にゲイン（Ｔｓ／Ｔｉ）を乗じるゲイン手段５２と、直流電圧検出値Ｖｄと第１，第２の規定値Ｖｄｔｈｕ，Ｖｄｔｈｌとの大小関係に基づいて後述の積分演算量操作分ΔＩＲＩを算出する積分演算量操作分演算手段５５と、ゲイン手段５２及び積分演算量操作分演算手段５５の出力を用いて積分演算を行う積分手段５６と、ゲイン手段５１から出力される比例演算量ＩＲＰと積分手段５６から出力される積分演算量ＩＲＩとを加算する加算手段５４とを備えている。
また、積分手段５６は、減算手段５６１、加算手段５６２及び１演算遅れ演算子Ｚ−１を有している。
【００２２】
この実施形態の動作を説明すると、直流電圧検出値Ｖｄに大幅な変動がなく第１の規定値Ｖｄｔｈｕと第２のＶｄｔｈｌとの間に保たれている通常時は、減算手段５０と、ゲイン手段５１，５２と、積分手段５６と、加算手段５４とにより、直流電圧指令値Ｖｄ＊と直流電圧検出値Ｖｄとの偏差に基づく比例積分演算を行い、直流電圧検出値Ｖｄを直流電圧指令値Ｖｄ＊に一致させるための交流電流振幅指令値ＩＲＯ＊を算出する。このとき、後述する積分演算量操作分ΔＩＲＩは零となっている。
【００２３】
負荷の急変により、直流電圧検出値Ｖｄが第１の規定値Ｖｄｔｈｕ以上、あるいは第２の規定値Ｖｄｔｈｌ以下となって許容範囲を逸脱した場合に、積分演算量操作分演算手段５５は、下記の数式４に従って積分演算量操作分ΔＩＲＩを算出し、この積分演算量操作分ΔＩＲＩは積分手段５６に入力される。
【００２４】
［数４］
ΔＩＲＩ＝−｛Ｃ／（ｎ・Ｔｓ）｝（Ｖｄ（今回）−Ｖｄ（ｎ回前））
【００２５】
積分手段５６は、積分演算量操作分ΔＩＲＩによりもとの積分演算量ＩＲＩを補正したものを新たな積分演算量ＩＲＩとして出力する。上記の積分演算量操作分ΔＩＲＩは、負荷変動に伴ってコンデンサ４に流入またはコンデンサ４から流出した電流分であり、数式２または数式３における右辺第２項に相当する。従って、この積分演算量ＩＲＩによりもとの積分演算量ＩＲＩを補正したものを新たな積分演算量ＩＲＩとして出力することにより、負荷急変後の負荷電流ＩＬを積分演算量ＩＲＩとすることができ、前述した数式１から直流電圧変動量ΔＶｄを小さく抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、制御演算手段としてディジタルシグナルプロセッサ等を用いた制御装置においても、制御対象の振動要因となる比例ゲインや積分時間を調整する等の方法によることなく、負荷急変時の直流電圧の急上昇や急降下を抑制することができ、整流器の運転を継続することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における直流電圧調節手段の構成を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図３】従来技術を示す構成図である。
【図４】図３の直流電圧調節手段で使用される代表的な比例積分演算を示す離散系制御ブロック図である。
【符号の説明】
１　半導体スイッチング素子
２　ダイオード
３　リアクトル
４　コンデンサ
５　整流器
６，２０　制御演算手段
７　ドライブ手段
８　交流電源
９　交流電圧検出器
１０　交流電流検出器
１１　直流電圧検出器
３０　基準位相発生手段
３１，４０　直流電圧調節手段
３２　乗算手段
３３　交流電流調節手段
５０，５６１　減算手段
５１，５２　ゲイン手段
５３，５６　積分手段
５４，５６２　加算手段
５５　積分演算量操作分演算手段
Ｖｄ＊　直流電圧指令値
Ｖｄ　直流電圧検出値
ＩＲＯ＊　交流電流振幅指令値
ｓｉｎωｔ　基準位相
ＩＲ＊　交流電流指令値
ＩＲ　交流電流検出値
ＶＲ＊　整流器電圧指令値
ＩＲＰ　比例演算量
ＩＲＩ　積分演算量
ΔＩＲＩ　積分演算量操作分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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