(57)【要約】【課題】入力電流波形改善と、スナバのエネルギーの電源回生を容易に行えるＰＷＭサイクロコンバータを提供する  【解決手段】ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、直流電圧系統に接続されたＰＷＭコンバータ装置を有し、前記ＰＷＭコンバータ装置の出力部を前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力フィルタ前段に接続し、入力フィルタの共振抑制とを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。【選択図】    図１
2005094963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、可変周波数の可変電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力電流を１つ以上検出する入力電流検出手段と、直流電圧手段に接続されたＰＷＭコンバータ装置を有し、前記ＰＷＭコンバータ装置の出力部を前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力フィルタ前段に接続し、前記入力電流検出手段により検出された入力電流信号をもとに、入力フィルタの共振抑制を図ることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項２】
前記ＰＷＭサイクロコンバータの電力用半導体素子の入力端子に接続されたダイオード整流器および平滑キャパシタを備えた1つ以上の電圧クランプ装置と、前記平滑キャパシタの両端電圧を検出する電圧検出装置とを備え、前記電圧クランプ用キャパシタを、前記直流電圧手段の代わりとして用いることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項３】
前記ＰＷＭサイクロコンバータの電力用半導体素子の入出力端子に接続されたダイオードおよびキャパシタにより構成されるスナバ装置と、前記スナバ装置に接続された前記平滑キャパシタの両端電圧を検出するスナバ電圧検出装置とを備え、前記スナバ用キャパシタを、前記直流電圧手段の代わりとして用いることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータの入力部に接続されたＰＷＭコンバータを用いることで、任意の電流波形を実現し、入力電流歪みの抑制を図るPWMサイクロコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＰＷＭサイクロコンバータのシステムを図６に示す。図において１は三相交流電源、２は三相交流リアクトル、３は三相交流キャパシタ、４は双方向スイッチ群、５は負荷となるモータ、６は三相交流リアクトル、７は交流を直流に変換するＰＷＭコンバータ、１４は直流電圧手段である平滑キャパシタ、９は三相交流電源の検出電流信号、１０は三相交流電源の電流を検出する電流検出手段である電流検出用ＣＴ、１１は電流検出手段である電流検出用ＣＴ、１２は電流検出用ＣＴの検出電流信号、１５は双方向スイッチ群４の各々の双方向スイッチに設けたスナバ回路である。
従来例図６は、本発明と同じく小型のPWMコンバータにより入力フィルタの共振電圧を抑制するものである。しかし、電圧を抑えるためにフィルタの後段(二次側)にPWMコンバータ出力を接続しているために、共振成分の補正分以上の電流を流すと、逆にコンデンサ電圧の変動が大きくなり、補正量が限定されるというデメリットをもっていた。よって、スナバのエネルギーを回生するような図３のような方式では、特に効果が限定される。
ＰＷＭサイクロコンバータは、三相交流電源電圧を直接可変周波数の可変電圧（任意の電圧・周波数）に変換するＡＣ−ＡＣ直接電力変換装置である。ＰＷＭサイクロコンバータはその原理上、電力用半導体素子の入力部はパルス状の電流が流れる。そのパルス電流を電源系統に返さないために、一般にＡＣリアクトルとＡＣキャパシタを用いローパスフィルタを設ける。しかしながら、フィルタに電流が流れるとリアクトルとキャパシタが共振現象を起こしてしまい入力部に共振電流が流れる。この共振電流のために入力電流の歪み率が悪化してしまう。また、ＰＷＭサイクロコンバータが動作していない時にもコンデンサに進み電流が流れるため、共振電流も発生してしまう。
この共振電流を抑制する方法の従来例として、スナバ部の直流電圧源に接続された小型のＰＷＭコンバータにより、入力電流補正を行う方式があげられる。
【特許文献１】特開２００３−２４４９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述の方式では入力フィルタの共振電圧を抑制するために、フィルタの後段(スイッチング素子直近)にＰＷＭコンバータを配置するとしている。この場合スナバエネルギーが大きくなり、大きな電力を回生しなくてはならない場合に、フィルタコンデンサの電圧変動が逆に大きくなり、出力電圧に悪影響を及ぼす恐れがある。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、入力電流波形改善と、スナバのエネルギーの電源回生を容易に行えるＰＷＭサイクロコンバータ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】
【０００４】
本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、直流電圧系統に接続されたＰＷＭコンバータ装置を有し、ＰＷＭコンバータ装置の出力部を前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力フィルタの前段(1次側)に接続し、スナバエネルギーの回生と、コンバータ電流により入力電流の改善を図るものである。
上記課題を解決するため、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、可変周波数の可変電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力電流を１つ以上検出する入力電流検出手段と、直流電圧手段に接続されたＰＷＭコンバータ装置を有し、前記ＰＷＭコンバータ装置の出力部を前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力フィルタ前段に接続し、前記入力電流検出手段により検出された入力電流信号をもとに、入力フィルタの共振抑制を図るものである。
また、前記ＰＷＭサイクロコンバータの電力用半導体素子の入力端子に接続されたダイオード整流器および平滑キャパシタを備えた1つ以上の電圧クランプ装置と、前記平滑キャパシタの両端電圧を検出する電圧検出装置とを備え、前記電圧クランプ用キャパシタを、前記直流電圧手段の代わりとして用いるものである。
また、前記ＰＷＭサイクロコンバータの電力用半導体素子の入出力端子に接続されたダイオードおよびキャパシタにより構成されるスナバ装置と、前記スナバ装置に接続された前記平滑キャパシタの両端電圧を検出するスナバ電圧検出装置とを備え、前記スナバ用キャパシタを、前記直流電圧手段の代わりとして用いるものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明を用いることで、ＰＷＭサイクロコンバータにおける入力電流波形改善と、スナバのエネルギーの電源回生を容易に行うことが可能となる。
本来、ＰＷＭサイクロコンバータはその原理上、入力電流波形を制御することが可能である。しかし、出力部とは双方向半導体スイッチで直接接続されているため、同時に出力電流も制御しなくてはならない。そのため入力電流制御性能に制約が発生してしまう。本発明ではこうしたＰＷＭサイクロコンバータの制御性能を高めるための補助装置に関するものであり、一般的かつ小型のＰＷＭコンバータを流用することで容易に入力電流制御を実現させるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明を具体的実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【０００７】
図１は本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータと直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータを用いたシステム構成を示す。図２は本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータとダイオード整流回路を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。図３は本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータとスナバ回路より作成された直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。図４は本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。図５は本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。図６は従来のPWMサイクロコンバータのシステム構成とフィルタ共振抑制方法の一例を示す。
図１のＰＷＭコンバータを用いたシステム構成図において、従来例である図６と同一の名称には極力同一符号を付け重複する説明を省略する。８は直流電圧手段である直流電圧源である。図１が従来例の図６と相違する部分は電流検出ＣＴ１１を設けた位置が異なる点にある。即ち図６において電流検出ＣＴ１１は、三相交流リアクトル２と三相交流キャパシタ３との連結点とＰＷＭコンバータ７とを接続する接続線上に設けている。これに対し本発明の図１では三相交流リアクトル２を介することなく三相交流電源１とＰＷＭコンバータ７とを接続する接続線上に電流検出ＣＴ１１を設けている。
次に本発明の動作を説明する。まず、図１についてＰＷＭサイクロコンバータは三相交流電源１とモータ５の入力電流である三相出力との間に計９個の双方向半導体スイッチ群４を用いて直接接続し、交流電源電圧を直流に変換することなく、任意の周波数・電圧を出力することができる。しかし、双方向半導体スイッチ群４の入力段にはパルス状の電流が流れる。そのために三相交流リアクトル２と三相交流キャパシタ３を用いて入力フィルタを構成している。本発明は、交流電源１とは別途に直流電源８を設け、これに小型のＰＷＭコンバータ７を設け、ＰＷＭサイクロコンバータの入力フィルタ前段部に電流を供給してやることで、先に述べた入力フィルタによる共振電流を抑制できる。電流抑制手段として、電流検出用ＣＴ１０を用いて検出された入力電流信号９をＰＷＭコンバータ７の制御部に入力し、ＰＷＭサイクロコンバータの実現したい任意の電流波形と比較し、その補正分の電流を供給してやることで理想の入力電流波形を実現する。また、補正電流信号１２を検出してやることで、その制御性能を向上させることができる。補正方法の例として入力電流の高調波成分中、制御対象が共振電流のみである場合、入力電流信号９を理想正弦波と比較し、ＰＷＭコンバータ７より補正電流を流してやれば共振電流の抑制が実現できる。この場合、共振電流はフィルタの設計に依存するが、その電流値は入力電流全体と比較して十分に小さい。そのためＰＷＭコンバータ７の電流容量も小さくてよいことになり、コスト的にも負担が少ない。
図２は図１中の直流電源８の変わりに、ダイオード整流器１３を用いて三相全波整流し、平滑キャパシタ１４を用いて平滑した直流電源を用いてＰＷＭコンバータ７を駆動するものである。これにより、直流電源８を省略することができ、コスト的にもメリットがある。
図３は図１の直流電源８、図２のダイオード整流器１３の変わりに直流クランプ型のスナバ回路１４を用いるものである。ＰＷＭサイクロコンバータにおける双方向半導体スイッチの保護装置として直流クランプ型のスナバ回路を用いる場合がある。図３中スナバ回路１４の回路構成を示したものが図４、５であり、それぞれスナバ用ダイオード群１５やスナバ用ダイオード群１６のような構成が考えられる。このスナバ回路１４を本発明のＰＷＭコンバータ７の直流電源電圧として用いることにより、スイッチング時に発生したサージによるエネルギーを浪費することなく補正電流として用いることができ、システム全体においてより高効率化が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０００８】
本発明は、入力電流波形改善と、スナバのエネルギーの電源回生を容易に行えるため、電動機の省エネ駆動ができ、電力を熱として消費せずに電源に回生する用途である電気自動車、エレベータ、クレーン、巻上・巻下機等の電動機の制御装置として特に有用である。                  
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータと直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータを用いたシステム構成を示す。
【図２】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータとダイオード整流回路を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。
【図３】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータとスナバ回路より作成された直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。
【図４】本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。
【図５】本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。
【図６】従来のPWMサイクロコンバータのシステム構成とフィルタ共振抑制方法の一例を示す。
【符号の説明】
【００１０】
１  三相交流電源
２  三相交流リアクトル
３  三相交流キャパシタ
４  双方向スイッチ群
５  モータ
６  三相交流リアクトル
７  ＰＷＭコンバータ
８  直流電圧源
９1-3  入力電流信号
１０  電流検出用ＣＴ
１１  電流検出用ＣＴ
１２1-3  補正電流信号
１３  ダイオード整流器
１４  平滑キャパシタ
１５1-9  スナバ回路
１６  スナバ用ダイオード群
１７  スナバ用ダイオード群
【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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