(57)【要約】【課題】交流電源電圧の波形に大きな変化が起こり、ゼロクロスのタイミングが乱れた場合にも、サイリスタを用いた整流回路を有する整流装置の制御が適切になし得る制御方法および制御装置を提供する。【解決手段】整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置１０の制御を制御装置２０に設けられた、入力電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段３１と、前記ゼロクロス検出手段３１のゼロクロス検出値に基づいてゼロクロス周期を算出するゼロクロス周期算出手段３２と、前記算出されたゼロクロス周期が許容範囲内にあるか否かを判定する周期適否判定手段３３と、前記周期適否判定手段３３の判定結果に基づいて入力電圧の安定度を判定する安定度判定手段３４と、前記安定度判定手段３４の判定結果に基づいてサイリスタの点弧動作を制御する点弧動作制御手段３５とを備えてなるサイリスタ点弧制御３０によりサイリスタの適正制御をなすものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法であって、
入力電圧のゼロクロスの実周期から電源電圧の安定度を判定し、その判定において電源電圧が安定していると判定された場合、所定のサイリスタ点弧動作をなすことを特徴とする整流装置の制御方法。
【請求項２】
整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法であって、
入力電圧のゼロクロスの実周期から電源電圧の安定度を判定し、その判定において電源電圧が安定していないと判定された場合、サイリスタ点弧動作を中止することを特徴とする整流装置の制御方法。
【請求項３】
許容範囲内となる入力電圧のゼロクロスの実周期が所定回以上連続している場合、電源電圧が安定していると判定することを特徴とする請求項１または２記載の整流装置の制御方法。
【請求項４】
整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法であって、
入力電圧のゼロクロスの時刻から次期ゼロクロスの時刻を予測し、その予測時刻の次期ゼロクロスの実時刻との誤差から補正値を算出し、その補正値により入力電圧の取込時期および／またはサイリスタ点弧時期を補正することを特徴とする整流装置の制御方法。
【請求項５】
整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御装置であって、
前記制御装置がサイリスタ点弧制御部を有し、
前記サイリスタ点弧制御部が、入力電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段のゼロクロス検出値に基づいてゼロクロス周期を算出するゼロクロス周期算出手段と、前記算出されたゼロクロス周期が許容範囲内にあるか否かを判定する周期適否判定手段と、前記周期適否判定手段の判定結果に基づいて入力電圧の安定度を判定する安定度判定手段と、前記安定度判定手段の判定結果に基づいてサイリスタの点弧動作を制御する点弧動作制御手段とを備えてなることを特徴とする整流装置の制御装置。
【請求項６】
許容範囲内となる入力電圧のゼロクロスの実周期が所定回以上連続している場合、電源電圧が安定していると判定するよう構成されてなることを特徴とする請求項５記載の整流装置の制御装置。
【請求項７】
整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御装置であって、
前記制御装置がサイリスタ点弧制御部を有し、
前記サイリスタ点弧制御部が、入力電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段のゼロクロス検出値に基づいて次期ゼロクロスの時刻を予測するゼロクロス予測手段と、前記ゼロクロス予測手段によるゼロクロス予測時刻の前記ゼロクロス検出手段により検出された実ゼロクロス時刻との誤差に基づいて補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段により算出された補正値に基づいて電圧値取込時期を補正する電圧値取込時期補正手段および／またはサイリスタ点弧時期を補正するサイリスタ点弧時期補正手段とを備えてなることを特徴とする整流装置の制御装置。
【請求項８】
請求項５、６または７のいずれか一項に記載の整流装置の制御装置を備えてなることを特徴とする整流システム。
【請求項９】
請求項８記載の整流システムを備えてなることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整流装置の制御方法および制御装置に関する。さらに詳しくは、整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、交流を直流に変換する整流回路としてサイリスタを用いた整流回路が知られている。かかる整流回路を例えば新幹線などの移動体搭載機器に適用する場合、大きな入力電圧の変動や頻発する瞬低・瞬停に対処するため制御が煩雑になるという問題がある。
【０００３】
かかる問題を解決すべく、本発明者等は、図９に示すように、サイリスタとダイオードの混合ブリッジ回路を用いて整流回路を構成し、その整流回路におけるサイリスタの点弧角制御を、図１０に示すような参照テーブルを用いたマイコン制御によりなし、それにより突入電流の抑制や直流路部電圧の安定化を図るテーブル参照によるサイリスタ整流回路制御方式の提案を行っている（平成１４年  電気関係学会関西支部連合大会（平成１４年１１月９−１０日於近畿大学）講演論文集参照）。
【０００４】
そして、前記従来技術においては、交流部の電圧は特定の電気角における電圧を検出してその電圧からそのピーク値を推定し、その推定値によりサイリスタの点弧角を調整することとしている。
【０００５】
しかしながら、前記提案における制御方式においては、交流電圧のピーク値を前記の如くなしているため、次のような問題が生じている。
【０００６】
（１）移動体の移動途中に位相切替がなされて交流波形に大きな変化が発生し、ゼロクロスのタイミングが乱れた場合、実際の交流入力電圧に対してサイリスタの点弧が適切になされないことになる。その結果、突入電流の発生を引き起こすおそれがある。
【０００７】
（２）交流波形の歪などによりゼロクロスのタイミングが小さくずれる場合、交流電圧のピーク値は安定しているにもかかわらず、点弧角は半周期毎に偏る現象が発生する。その結果、負荷に適切な電流の供給がなし得ないおそれがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、交流電源電圧の波形に大きな変化が起こり、ゼロクロスのタイミングが乱れた場合や、交流電源電圧の波形に歪が起こり、ゼロクロスのタイミングが小さくずれる場合にも、サイリスタを用いた整流回路を有する整流装置の制御が適切になし得る制御方法および制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の整流装置の制御方法の第１形態の第１態様は、整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法であって、入力電圧のゼロクロスの実周期から電源電圧の安定度を判定し、その判定において電源電圧が安定していると判定された場合、所定のサイリスタ点弧動作をなすことを特徴とする。
【００１０】
本発明の整流装置の制御方法の第１形態の第２態様は、整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法であって、入力電圧のゼロクロスの実周期から電源電圧の安定度を判定し、その判定において電源電圧が安定していないと判定された場合、サイリスタ点弧動作を中止することを特徴とする。
【００１１】
本発明の整流装置の制御方法の第１形態においては、許容範囲内となる入力電圧のゼロクロスの実周期が所定回以上連続している場合、電源電圧が安定していると判定するのが好ましい。
【００１２】
本発明の整流装置の制御方法の第２形態は、整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御方法であって、入力電圧のゼロクロスの時刻から次期ゼロクロスの時刻を予測し、その予測時刻の次期ゼロクロスの実時刻との誤差から補正値を算出し、その補正値により入力電圧の取込時期および／またはサイリスタ点弧時期を補正することを特徴とする。
【００１３】
本発明の整流装置の制御装置の第１形態は、整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御装置であって、前記制御装置がサイリスタ点弧制御部を有し、前記サイリスタ点弧制御部が、入力電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段のゼロクロス検出値に基づいてゼロクロス周期を算出するゼロクロス周期算出手段と、前記算出されたゼロクロス周期が許容範囲内にあるか否かを判定する周期適否判定手段と、前記周期適否判定手段の判定結果に基づいて入力電圧の安定度を判定する安定度判定手段と、前記安定度判定手段の判定結果に基づいてサイリスタの点弧動作を制御する点弧動作制御手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１４】
本発明の整流装置の制御装置の第２形態においては、許容範囲内となる入力電圧のゼロクロスの実周期が所定回以上連続している場合、電源電圧が安定していると判定するよう構成されてなるのが好ましい。
【００１５】
本発明の整流装置の制御装置の第２形態は、整流素子の一部にサイリスタが用いられた整流回路を有する整流装置の制御装置であって、前記制御装置がサイリスタ点弧制御部を有し、前記サイリスタ点弧制御部が、入力電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段のゼロクロス検出値に基づいて次期ゼロクロスの時刻を予測するゼロクロス予測手段と、前記ゼロクロス予測手段によるゼロクロス予測時刻の前記ゼロクロス検出手段により検出された実ゼロクロス時刻との誤差に基づいて補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段により算出された補正値に基づいて電圧値取込時期を補正する電圧値取込時期補正手段および／またはサイリスタ点弧時期を補正するサイリスタ点弧時期補正手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１６】
しかして、本発明の整流装置の制御装置は整流システムに備えられ、また本発明の整流システムは移動体に備えられる。
【００１７】
【作用】
本発明は前記の如く構成されているので、入力電圧に乱れが生じてもサイリスタの点弧が適正になされて整流装置の動作の安定化が図られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１９】
実施形態１
本発明の実施形態１に係る整流装置の制御方法が適用されてなる整流システムを図１にブロック図で示す。
【００２０】
整流システムＡは、整流装置１０と制御装置２０とを主要部として備えてなるものとされる。
【００２１】
整流装置１０は、図１に示すように、コンバータ部１１と電力回生部１２とインバータ部１３とを直列状に配設してなるものとされる。
【００２２】
コンバータ部１１は、図９に示す従来のものと同様に、アーム下部にサイリスタが設けられたサイリスタ／ダイオードの混合ブリッジ回路と、混合ブリッジ回路からの出力を平滑化する平滑コンデンサとを有するものとされる。
【００２３】
電力回生部１２は、回生抵抗と回生トランジスタとを直列に接続してなる公知構造のものとされる。
【００２４】
インバータ部１３は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御により直流入力を所定の交流に変換する公知構造のものとされる。
【００２５】
制御装置２０は、図１に示すように、交流入力電圧波形を監視してサイリスタの点弧角を制御するサイリスタ点弧制御部３０を主要構成要素として備えてなるものとされる。
【００２６】
サイリスタ点弧制御部３０は、図２に示すように、入力電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段３１と、前記ゼロクロス検出手段３１により検出された各ゼロクロスの時間間隔、つまりゼロクロス周期を算出するゼロクロス周期算出手段３２と、前記ゼロクロス周期算出手段３２により算出されたゼロクロス周期が許容範囲内にあるか否かを判定する周期適否判定手段３３と、前記周期適否判定手段３３の判定結果に基づいて入力電圧の安定度を判定する安定度判定手段３４と、前記安定度判定手段３４の判定結果に基づいてサイリスタ点弧動作を制御する点弧動作制御手段３５とを備えてなるものとされる。
【００２７】
なお、かかる各手段３１，３２，…を有するサイリスタ点弧制御部３０は、マイコンに前記各機能に対応させたプログラムを格納して、ゼロクロス自体を検出する公知回路およびサイリスタの点弧させるパルスを生成する公知ゲートドライブ回路などを組合せることにより容易に実現される。
【００２８】
次に、図３に示すフローチャートを参照しながら、かかる構成とされているサイリスタ点弧制御部３０を有する制御装置２０によるサイリスタ点弧制御について説明する。なお、図３中の符号Ｓ１〜Ｓ８はステップ番号を示す。
【００２９】
（１）ゼロクロスの時刻ｔｉを検出する。（ステップＳ１）
【００３０】
（２）ゼロクロス周期ＺＴｉを算出する。つまり、検出時刻ｔｉとその一回前のゼロクロスの検出時刻ｔｉ−１との差を算出する。（ステップＳ２）
【００３１】
（３）算出されたゼロクロス周期（以下、実周期という）ＺＴｉが許容範囲内か否かを判定する。例えば、電源周波数が６０Ｈｚで許容範囲を±５％とすれば、周期Ｔｓは８．３ミリ秒となり、許容される周期の範囲は７．９ミリ秒〜８．７ミリ秒となる。（ステップＳ３）
【００３２】
（４）実周期ＺＴｉが許容範囲内であればステップＳ４に移行する一方、実周期ＺＴｉが許容範囲外であればステップＳ８に移行する。
【００３３】
（５）周期安定回数Ｎを１加算する。（ステップＳ４）
【００３４】
（６）周期安定回数Ｎが２以上であるか否かを判定する。つまり、許容される周期範囲となる実周期が２回以上連続しているか否か判定する。（ステップＳ５）
【００３５】
（７）安定した実周期が２回以上連続していればステップＳ６に移行する一方、安定した実周期が２回以上連続していなければステップＳ７に移行する。
【００３６】
（８）点弧動作の制御を開始する。つまり、所定の電気角、例えば電気角３０度における入力電圧値を取り込んでその電圧値からピーク値を推定し、それに基づいて点弧角を設定してサイリスタを点弧する。（ステップＳ６）
【００３７】
（９）ゼロクロス検出時刻ｔｉをその一回前のゼロクロスの検出時刻ｔｉ−１としてステップ１に戻る。（ステップＳ７）
【００３８】
（１０）周期安定回数をクリアしてステップＳ７に移行する。（ステップＳ８）
このように、この実施形態１においては、許容範囲に収まる実周期ＺＴｉが連続して２回以上存在しなければ入力電源電圧が安定していないとしてサイリスタの点弧を行わないので、サイリスタの点弧が適正になされその動作が安定して電源投入時における突入電流の抑制が確実になされる。つまり、ソフトスタートが確実になされる。
【００３９】
また、整流装置１０が新幹線の換気装置などの車両用途に用いられた場合、変電区間の切替点いわゆるセクション通過時に、図４に示すように、位相変動による実周期ＺＴｉに乱れが生ずる。このように実周期ＺＴｉが乱れた状態でサイリスタの点弧を行うと、図４に示すように、不適切な点弧角となって過電圧や過電流を発生するおそれがある。しかるに、この実施形態１では、実周期ＺＴｉが乱れた状態ではサイリスタの点弧を行わないようにしているので、セクション通過時などにおける位相変動による整流装置１０の動作不安定を解消できる。
【００４０】
実施形態２
本発明の実施形態２に係る整流装置の制御方法が適用されてなる整流システムの要部を図５にブロック図で示す。
【００４１】
この整流システムは、図６に示すように、負荷の変動などの影響により、電圧波形に歪が生じてゼロクロス時期にずれは生じるがピーク値は変化しない場合に、サイリスタに対し適切な点弧がなし得るように制御装置２０が構成されてなるものである。
【００４２】
整流システムは、より具体的には、実施形態１における制御装置２０のサイリスタ点弧制御部３０を改変してなるものである。そこで、以下、実施形態１と異なる点について主として説明する。
【００４３】
サイリスタ点弧制御部４０は、図５に示すように、ゼロクロス検出手段４１と、ゼロクロス検出手段４１によるゼロクロス検出時刻に基づいて次期ゼロクロスの時刻を予測するゼロクロス予測手段４２と、ゼロクロス予測手段４２によるゼロクロス予測時刻のゼロクロス検出手段４１により検出された実ゼロクロス時刻との誤差に基づいて補正値を算出する補正値算出手段４３と、補正値算出手段４３により算出された補正値に基づいて、電圧値取込時期を補正する電圧値取込時期補正手段４４やサイリスタ点弧時期を補正するサイリスタ点弧時期補正手段４５とを備えてなるものとされる。
【００４４】
なお、かかる各手段４１，４２，…を有するサイリスタ点弧制御部４０は、マイコンに前記各機能に対応させたプログラムを格納して公知のゼロクロス検出回路などと組合せることにより容易に実現される。
【００４５】
次に、図７に示すフローチャートおよび図８に示すグラフを参照しながら、かかる構成とされているサイリスタ点弧制御部４０を有する制御装置２０によるサイリスタ点弧制御について説明する。なお、図７中の符号Ｓ１１〜Ｓ１８はステップ番号を示す。
【００４６】
（１）ゼロクロス時刻ｔｉを検出する。（ステップＳ１１）
【００４７】
（２）前記検出時刻ｔｉを用いて下記式１により次期ゼロクロスの時刻Ｔｉ＋１を予測する。（ステップＳ１２）
【００４８】
Ｔｉ＋１＝ｔｉ＋Ｔ０                                  （１）
【００４９】
ここに、
Ｔ０：入力電圧の周波数により定まるゼロクロス周期
【００５０】
（３）次期ゼロクロス時刻ｔｉ＋１を検出する。（ステップＳ１３）
【００５１】
（４）予測ゼロクロスの時刻Ｔｉ＋１の検出ゼロクロス時刻ｔｉ＋１との誤差Ｔｅを算出する。（ステップＳ１４）
【００５２】
Ｔｅ＝Ｔｉ＋１−ｔｉ＋１                                  （２）
【００５３】
（５）前記誤差Ｔｅに基づいて電圧値取込時期Ｔｄおよびサイリスタ点弧時期Ｔｒを補正する補正値Ｔａを算出する。（ステップＳ１５）
【００５４】
Ｔａ＝ｋＴｅ                                          （３）
【００５５】
ここに、
ｋ：補正係数
【００５６】
なお、補正係数ｋの値は適用される負荷や電源電圧のゆらぎに応じて０〜１．０の範囲で適宜設定される。ただし、０の場合は補正なしである。
【００５７】
（６）前記補正値Ｔａにより電圧値取込時期Ｔｄを補正する。（ステップＳ１６）
【００５８】
Ｔｄ＝Ｔｄ＋Ｔａ                                      （４）
【００５９】
すなわち、図８に示すように、電圧波形の歪により実ゼロクロス時刻ｔｉ＋１が予測ゼロクロス時刻Ｔｉ＋１より早くなった場合には、規定の電圧値取込時期よりも前記補正値Ｔａだけ遅らせた時期Ｔｄにおいて電圧値の取り込みを行う一方、実ゼロクロス時刻ｔｉ＋１が予測ゼロクロス時刻Ｔｉ＋１より遅くなった場合には、規定の電圧値取込時期よりも前記補正値Ｔａだけ早めた時期Ｔｄにおいて電圧値の取り込みを行う。こうすることにより、ゼロクロス近傍において電圧波形に歪が生じた場合においても、精度よく電圧のピーク値を推定できる。
【００６０】
（７）前記補正値Ｔａによりサイリスタ点弧時期Ｔｒを補正する。（ステップＳ１７）
【００６１】
Ｔｒ＝Ｔｒ＋Ｔａ                                      （５）
【００６２】
こうすることにより、ゼロクロス近傍において電圧波形に歪が生じた場合においても、サイリスタの点弧を適切な時期にできる。
【００６３】
（８）番号を１インクリメントしてステップ１１に戻る。
【００６４】
ｉ＝ｉ＋１                                          （６）
【００６５】
このように、この実施形態２によれば、ゼロクロス近傍において電圧波形に歪が生じゼロクロス位置が正規の位置からずれたとしても、電圧のピーク値を精度よく推定できてサイリスタの点弧角を適正なものとでき、かつ、サイリスタの点弧を適正な時期になし得るので、ゼロクロス近傍において電圧波形に歪が生じても直流電流の安定化が図られる。
【００６６】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。
【００６７】
例えば、実施形態１と実施形態２とを組み合わせてサイリスタの点弧制御を行うこともできる。そして、このようにすることにより、突入電流の抑制および直流電流の安定化が同時に図られる。また、各実施形態では単相交流を例に採り説明されているが、本発明の適用は単相交流に限定されるものではなく、適宜改変することにより多相交流にも適用でき、例えば三相交流にも適用できる。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、入力電圧に乱れが生じてもサイリスタの点弧が適正になされて整流装置の動作の安定化が図られるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る整流装置の制御方法が適用される整流システムのブロック図である。
【図２】同実施形態の制御装置のサイリスタ点弧制御部のブロック図である。
【図３】同実施形態の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】セクション通過時における電圧を模式的に示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態２に係る整流装置の制御方法が適用される整流システムの要部ブロック図である。
【図６】波形に歪が生じた電圧を模式的に示すグラフである。
【図７】実施形態２に係る制御手順を示すフローチャートである。
【図８】同制御方法の説明図である。
【図９】従来技術における整流装置の概略図である。
【図１０】同従来技術において提案されている参照テーブルである。
【符号の説明】
１０      整流装置
１１      コンバータ部
１２      電力回生部
１３      インバータ部
２０      制御装置
３０      サイリスタ点弧制御部
３１      ゼロクロス検出手段
３２      ゼロクロス周期算出手段
３３      周期適否判定手段
３４      安定度判定手段
３５      点弧動作制御手段
４０      サイリスタ点弧制御部
４１      ゼロクロス検出手段
４２      ゼロクロス予測手段
４３      補正値算出手段
４４      電圧値取込時期補正手段
４５      サイリスタ点弧時期補正手段
Ａ      整流システム
【図１】
2005027433.tif 000003
【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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【図１０】
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