(57)【要約】【課題】電源入力力率を１に制御し、コンバータ入力電圧の上昇を抑制できる無効電流制御装置を提供する。【解決手段】交流／直流コンバータの無効電流制御装置を提供する。第１の手段によりフィルタコンデンサ容量と交流電源電圧・周波数に基づき、無効電流のオフセット成分を求め、第２の手段により有効電流に基き、無効電流の力率制御成分を求め、第３の手段により、第１の手段で求められたオフセット成分と第２の手段で求められた力率制御成分を加算して交流制御器の無効電流値を求め、該無効電流値を交流制御器に出力することで、安定で力率１のコンバータ制御装置を提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と並列接続するフィルタコンデンサを有する交流／直流変換器に対し、前記交流電源から入力する有効電流と無効電流とを制御できる交流電流制御器を具備し、該交流制御器の無効電流制御装置において、
前記フィルタコンデンサ容量値と前記交流電源電圧実効値と周波数に基づき、無効電流のオフセット成分を求める第1の手段と、前記交流電流制御器の有効電流値に基き、無効電流の力率制御成分を求める第２の手段と、前記第１の手段で求められた無効電流のオフセット成分と前記第２の手段で求められた無効電流の力率制御成分を加算して、前記交流制御器の無効電流値を求める第３の手段と
を設け、前記第３の手段で求められた無効電流値を前記交流制御器の無効電流としたことを特徴とする交流／直流コンバータの無効電流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流／直流コンバータの制御装置に係わり、特に交流制御器の無効電流制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、交流／直流コンバータは交流電源からの交流電力を直流に変換して負荷に供給し、または直流負荷からの電力を交流電源に回生させることが主な使用目的である。コンバータを利用した場合のシステムの構成は一般的に図２のように示すことができる。図２において、５は電力変換の役割を果たす交流／直流変換器、６は電力を供給する交流電源系統、７は電力を供給される負荷である。
【０００３】
また、８はコンバータスイッチング制御を行う半導体変換ブリッジ、１２はコンバータ電流の平滑のためのリアクトル、９はコンバータの入力電圧を平滑し、またはコンバータが発生する電流高調波を一部バイパスするためのフィルタコンデンサ、１０および１１はそれぞれ実際の電源系統に存在するラインインピーダンスの抵抗分とインダクタンス分である。
【０００４】
コンバータの制御については、マイナーループに交流制御器を設けるのが一般的である。特に三相コンバータの場合、スイッチング制御に２つの自由度があるので、入力電流の有効成分（ｉd）、無効成分（ｉq）を独立に制御することができる。有効電流は負荷制御の結果で決まるが、無効電流はそれ以外の目的に使用することが可能であり、従来では、この無効電流をゼロに制御する（交流制御器の無効電流指令値を０とする）ことによって、コンバータ入力電流の力率１制御を実現している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、図２にも示すように、コンバータ入力電流に無効電流が流れないが、系統電源と並列接続のフィルタコンデンサに進相電流が流れるため、電源電流が結局進相になり、力率が１から外れることになる。
【０００６】
一方、前記フィルタコンデンサが並列している場合、系統電源のラインインピーダンスの絡み合いで、コンバータの入力電圧（フィルタコンデンサの電圧Vc）が電源電圧より上昇することがよく知られている。特に、フィルタコンデンサの容量値または系統ラインインピーダンスのインダクタンスが大きい場合、この現象が顕著になる。
周知の通り、電圧形コンバータの動作条件としては直流電圧（Vdc）を入力線間電圧の最大値より高くしなければならない。素子耐圧制約等で直流電圧に余裕が無い場合、フィルタコンデンサの並列による入力電圧の上昇でこの動作条件が崩される場合があり、コンバータの制御が制御不可能な領域に入り、故障を引き起こす恐れが起こる。
【０００７】
さらに、負荷回生状態にある場合、回生電流が系統に戻り、この回生電流が系統ラインインピーダンスの抵抗分との絡み合いで、コンバータの入力電圧を押し上げることになり、前記と同じ理由で、コンバータが異常動作に陥る恐れがあり、対策が必要である。
【０００８】
【特許文献１】特許２９１６０９２  （第7頁、第1図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題点に対して、系統電源の力率を向上すると共に、コンバータの入力電圧の上昇を抑制するコンバータの無効電流制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
つまり、その目的を達成するために、フィルタコンデンサ容量値と交流電源電圧実効値と周波数に基づき、無効電流のオフセット成分を求める第１の手段と、前記交流電流制御器の有効電流に基き、無効電流の力率制御成分を求める第２の手段と、第１の手段で求められた無効電流のオフセット成分と前記第２の手段で求められた無効電流の力率制御成分を加算して、前記交流制御器の無効電流値を求める第３の手段とを設け、第３の手段で求められた無効電流値を交流制御器の無効電流値として、コンバータの入力無効電流を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の請求項によれば、交流電源と並列するフィルタコンデンサがあるにも係らず、電源入力力率を１に近づけることができると同時に、コンバータの入力電圧の上昇を抑制できる。従って、コンバータ出力の直流電圧を低く設定することが可能なので、コンバータの動作範囲を広げることが可能となる。
さらに、回生時回生電流による入力電圧の上昇も抑制できるので、より安定なコンバータ制御システム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】
【００１２】
図１は本発明のコンバータ制御装置の構成を示す図である。同図において、１は無効電流のオフセット成分を求める第１の手段であり、２は無効電流の力率制御制御成分を求める第２の手段であり、３は第１の手段より得たオフセット成分と第２の手段より得た力率制御成分を加算して無効電流値を得る第３の手段であり、４はコンバータの交流電流制御器である。本発明では、第３の手段より得た無効電流値を４の交流制御器に入力し、交流制御器の制御動作より、コンバータの入力電流の無効電流をその指令値と一致させることにより、所望の制御効果を達成させている。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の実施例である図1に示した無効電流制御装置の原理を詳述する。
コンバータの制御器に交流電流制御器を設けた場合、コンバータへの入力電流はその交流電流制御器の指令値と一致するので、コンバータは可制御電流源とみなせることできる。従って、図２に示すコンバータシステムの特性は図３のような等価回路で表すことができる。
図３において、E、ωは電源電圧実効値、角周波数であり、ｒ、Lはそれぞれ系統ラインインピーダンスの抵抗、インダクタンス値であり、Cは並列フィルタコンデンサの容量値である。また、Vs,ｉｓは電源電圧、電流であり、ｉｃはフィルタコンデンサに流れる電流である。Vcはフィルタコンデンサの電圧であり、コンバータの入力電圧でもある。ｉ＝ｉｄ＋ｊ・ｉｑはコンバータの入力電流であり、ｉｄ、ｉｑはそれぞれその有効成分、無効成分である。ｊは虚数を表す記号である。
【００１４】
周知のように、コンバータ電流の有効成分ｉｄは負荷消費電力に依存し、負荷制御の結果となるが、無効電流ｉｑは負荷制御を損なわずに自由に調整できる量であり、従来のコンバータ制御では、ｉｑ＝０とすることで、コンバータ入力電流の力率１制御を実現している。
しかし、図３に示すように、フィルタコンデンサが並列している場合、コンデンサにｉｃ＝ｊωＣＶｃ程度の進相電流が流れるため、電源電流は（１）式となり、
ｉｓ＝ｉｃ＋ｉ＝ｉｄ＋ｊ（ｉｑ＋ωＣＶｃ）・・・・・・・・・・・（１）
結局、電源電流も進相となる。すなわち、電源力率を１に制御するという本来の目的から外れることになる。
【００１５】
これに対して、本発明の第1の手段においては、コンバータ無効電流のオフセット成分ｉｑ１を（２）式のように決めると、
ｉｑ１＝−ωＣＥ  ・・・・・・・・・・・・・・・（２）
コンデンサ電圧Ｖｃが電源電圧Ｅとほぼ同じ値であることに注意し、（１）式の虚数成分（無効成分）はほぼ0にキャンセルされ、電源入力力率をほぼ１に制御することができることが分かる。
（２）式は本発明の請求項の第1の手段の一実施例であり、その主な作用は電源入力力率を１付近に制御することである。
【００１６】
次に、並列フィルタコンデンサを有する場合の負荷状態（ｉｄ）によるコンバータ入力電圧（フィルタコンデンサ電圧Vc）の変化を調べることにする。
電源電圧（実効値E）をVsとすると、図3の等価回路図から（３）式のような回路方程式が成り立つがわかる。
Vｓ＝Vｃ＋ｉｓ（ｒ＋ｊωＬ）・・・・・・・・・・・・・・・（３）
【００１７】
（３）式のｉｓに（１）式の右辺を代入し、コンデンサ電圧は（４）式のように表すことができる。
【数１】
2005229723.tif 000003
以下（４）式からコンバータ入力電圧の実効値を求めるが、実際のシステムにおいては、上式の各インピーダンス（ωL、ωC,ｒ）のパーセントインピーダンス値がそれほど大きくないことに注目して、計算精度に微小な影響しか与えない項を省略し、整理すると、コンバータ入力電圧は次の（５）式のように近似的に表すことができる。
【数２】
2005229723.tif 000004
【００１８】
（５）式から以下の結論を得ることができる。すなわち、
１．フィルタコンデンサの追加により、入力電圧がω2LCE程度上昇し、容量が大きいほど上昇分が大きい。
２．負荷（ｉｄ）の影響については、入力電圧が、力行（ｉｄ＞０）時に低下し、回生（ｉｄ＜０）時に上昇する。
３．コンバータ無効電流（ｉｑ）の影響については、入力電圧が、進相電流で（ｉｑ＞0）上昇し、遅れ位相電流（ｉｑ＜0）で低下する。
【００１９】
本発明請求項の第1の手段は、（２）式のように、−ωＣＥの無効電流を発生することによって、電源入力力率を改善できると前述したが、（５）式から、フィルタコンデンサによる入力電圧の上昇分をキャンセルする役割もしていることが分かる。
【００２０】
上記第２の結論から、負荷回生（ｉｄ＜０）時の入力電圧の上昇で、前述のように、コンバータ直流電圧が低い場合、制御動作を不安定に引き起こす可能性が生じうることが推察できる。遅れ位相の無効電流をコンバータに追加発生させれば、電圧上昇を防ぐことができるが、電源入力力率を悪くする副作用も伴う。
【００２１】
このため、本発明請求項の第２の手段の無効電流力率制御成分を（６）式のように求めることでこの問題を解決している。
【数３】
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ただし、ｋ＞０はゲイン定数である。
【００２２】
すなわち、負荷が力行の通常な場合、無効電流を発生させずに力率を１に保ち、負荷が回生時のみに無効電流を発生し、短時間に力率を悪くするが、制御動作の不安定を引き起こす入力電圧の上昇の抑制が最優先的な課題になるので、仕方がない。
なお、（６）式のゲインｋをｋ＝ｒ/(ωL)と決めることで、負荷による入力変動をほぼゼロに抑えることができることは（５）式から分かる。
以上の（６）式は本発明請求項の第２の手段の一実施例であり、その作用が電源入力力率を保持しながら、回生時の入力電圧の上昇を抑制することである。
【００２３】
本発明の請求項の第３の手段は第１の手段より求められる無効電流オフセット成分ｉｑ１と第２の手段より求められる無効電流力率制御成分ｉｑ２とを加算して、無効電流値を求め、これをコンバータの発生する無効電流とすることで、電源入力力率を１に保ちながら、コンバータ入力電圧の上昇を抑制する。
以上は本発明請求項に請求した内容である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
交流／直流コンバータの使用にあたり、フィルタコンデンサを系統電源と並列接続する構成が通常であるが、本発明の無効電流制御装置によれば、電源入力力率を向上し、コンバータ入力電圧の上昇を抑制できるので、多くの産業利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の構成を示すブロック図である。
【図２】従来の技術を説明するためのコンバータシステム構成図である。
【図３】本発明の原理を説明するためのコンバータシステム等価回路図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    本発明の第１の手段
２    本発明の第２の手段
３    本発明の第３の手段
４    交流／直流コンバータの交流電流制御器
５    交流／直流コンバータ
６    電力を供給する交流電源系統
７    交流／直流コンバータの負荷
８    コンバータを構成する半導体変換ブリッジ
９    系統と並列接続のフィルタコンデンサ
１０    系統インピーダンスの抵抗成分
１１    系統インピーダンスのインダクタンス成分
１２    コンバータの電流を平滑するための交流リアクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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