(57)【要約】【課題】  従来では、相間リアクトルによる直流／直流変換器の並列接続が不可能としているが、本発明の並列制御装置より可能とする。【解決手段】相間リアクトルによる直流／直流変換器の並列制御装置を提供する。第１の手段により並列接続変換アームの２相出力電流をそれぞれ検出し、第４の手段により第1の手段で検出した電流の差を増幅し、補正電圧値を求め、第５の手段により、制御器出力の電圧指令値と第４の手段で求められた電圧補正値に基づき、補正相の電圧指令値を求め、第２の手段と第３の手段により、それぞれ制御器出力の電圧指令値、第５の手段より求められた電圧指令値に基づき、並列接続する変換アームを構成する半導体開閉素子を駆動して、安定な並列運転を実現できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源または直流負荷１と、２相の半導体変換アームを並列接続して構成される半導体変換ブリッジ２と、電流平滑用電力リアクトル３と、両端が前記半導体変換ブリッジの出力端と接続され、中間点が前記電流平滑用リアクトル３と接続される相間リアクトル４と、直流電源または直流負荷５と、から構成される直流／直流電力変換器の制御装置において、
前記並列接続変換アームの２相出力電流をそれぞれ検出する第１の手段と、並列接続アームの1相に対し、与えられた電圧指令値に基づいて変換アームを構成する半導体開閉素子の開閉を駆動する第２の手段と、並列接続アームの他方の相に対し、与えられた電圧指令値に基づいて変換アームを構成する半導体開閉素子の開閉を駆動する第３の手段と、前記第１の手段で求められた２相出力電流の差に基づき、補正電圧値を求める第４の手段と、前記第２の手段に与える電圧指令値を制御器からの出力電圧とし、第３の手段に与える電圧指令値を制御器からの出力電圧に前記第４の手段より求められた補正電圧を加算して得る第５の手段と、を設け、前記第５の手段で求められた電圧指令値を用いて並列接続される半導体開閉素子を制御したことを特徴とする直流／直流電力変換器の並列制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流／直流半導体変換器の制御装置に係わり、特に並列接続した場合の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流／直流電力変換装置の変換ブリッジが一つのアームから構成されるのは一般的である。しかし、変換器の容量は半導体開閉素子の電流容量で決まるので、容量を拡大したい場合は、複数のアームを並列接続して構成することが多い。この場合、並列接続する開閉素子同士が同じタイミングで動作するのは理想的であるが、実際には開閉素子およびその駆動回路の特性のバラツキで、電源の短絡または負荷分担の偏り等の不具合を起こす恐れがある。
【０００３】
このため、従来では、図２に示すように、各アームの出力端を直接に接続するのではなく、バランサと呼ばれる電力用リアクトルを介し接続することで、この問題を解消するのは一般的である。
図２において、１’は電力を供給する直流電源または直流負荷であり、２’は２相の変換アームを並列接続して構成される変換ブリッジであり、３’は電流平滑用電力リアクトルであり、５’は直流負荷また直流電源であり、７’は開閉素子を駆動するドライバであり、１１’は変換装置の制御器であり、１２は並列制御用のバランサである。
【０００４】
この場合、バランサを挿入することにより、短絡などの問題を回避することができる。しかし、回路図からも分かるように、２つのリアクトルも追加する必要があり、しかも、各リアクトルに負荷電流と同じ程度の電流を流れるので、部品サイズが大きくなるので、部品点数、サイズ、コストのどちらの面においても不利となる。
【０００５】
これらの問題に対する対策として、二個のバランサを一個の相間リアクトルで置き変えることが考えられる。図１に示すように、負荷分担を均等に配分されていれば、ほぼ二等分された電流はそれぞれ相間リアクトルの正負極に流れ込み、磁気的に互いに消しあうので、部品サイズは図２に示したバランサと比べると一段と小さくすることができる。しかも、並列変換アーム出力電圧の不整合で電流がアンバランス方向へ動こうとすると、相間リアクトルは等価的に大きなインダクタンス値をもつリアクトルとなるので、その動きを阻止する役割を演じるので好都合である。
【０００６】
しかし、この役割に限界があり、長時間にわたる低周波の不整合電圧の蓄積で、アンバランス電流が徐々に増大し、つい相間リアクトルが飽和（偏磁）し、本来の作用が失って、故障に陥る恐れがある。この弱点があって、従来では交流負荷の場合のみに起用され、本発明で扱う直流負荷においては使用できないとされている。(例えば、非特許文献１参照。)。
【非特許文献１】電気学会著「交流電動機可変速駆動の基礎と応用」  コロナ社、  １９９８年１０月、ｐ．４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、相間リアクトルを直流／直流変換器の並列接続に適用し、偏磁現象の発生を防げる並列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】
【０００８】
つまり、その目的を達成するために、並列接続変換アームの２相出力電流をそれぞれ検出する第１の手段と、並列接続アームの1相に対し、与えられた電圧指令値に基づいて変換アームを構成する半導体開閉素子の開閉を駆動する第２の手段と、並列接続アームの他方の相に対し、与えられた電圧指令値に基づいて変換アームを構成する半導体開閉素子の開閉を駆動する第３の手段と、前記第１の手段で求められた２相出力電流の差に基づき、補正電圧値を求める第４の手段と、前記第２の手段に与える電圧指令値を制御器からの出力電圧とし、第３の手段に与える電圧指令値を制御器からの出力電圧に前記第４の手段より求められた補正電圧を加算して得る第５の手段と、を設け、前記第５の手段で求められた電圧指令値を用いて並列接続される半導体開閉素子を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように直流／直流電力変換器の並列制御装置において、本発明の請求項によれば、並列用相間リアクトルに偏磁を起こさせずに並列動作を安定に行うことができる。また、相間リアクトルの励磁電流は並列制御装置のゲイン定数の適切選定により十分に小さくすることができるので、相間リアクトルのサイズを小さく設計することができ、安価な電力変換システムを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の並列制御装置の構成を示す図である。同図において、１は電力を供給する直流電源または電力を供給される直流負荷であり、２は二相の変換アームを並列接続して構成される半導体変換ブリッジであり、３は出力電流を平滑するための電力用リアクトルであり、４は並列運転の場合に起こりうる不具合を避けるための相間リアクトルであり、５は直流負荷または直流電源であり、６は出力電流制御または相間還流電流の制御に設ける電流検出センサであり、７は制御器からの電圧指令値を開閉信号へ変換し、補正を行わない相の開閉素子を駆動するためのドライバ（第2の手段）であり、８は補正を行う相の開閉素子を駆動するためのドライバ(第3の手段)であり、１１はＤＣ／ＤＣ変換器を制御するための制御器であり、変換器が出力すべき電圧の指令値を出力する。
９は本発明の第４の手段であり、並列接続する２つの変換アームの出力電流の差に基づき、補正電圧値を求める。１０は本発明の第５の手段であり、１１の制御器出力の電圧指令値と９の第４の手段で求められた補正電圧値を加算して補正相の変換アームの出力電圧指令値を算出する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例である図1に示した半導体変換器並列制御装置の原理を詳述する。
前述のように、ドライバを構成する回路素子と開閉素子の特性のバラツキで、ドライバ７，８に同じ信号を入力しても、各並列変換アームの出力電圧にバラツキが生じてくる。並列変換アームのスイッチングタイミングの不揃いによる直流電源１の瞬間短絡を防ぐために、相間リアクトル４を挿入するが、開閉素子のオン電圧のバラツキが長時間において蓄積すると、相間リアクトルを偏磁させ、本来の機能を失わせる恐れが生じる。
【００１２】
本発明の並列制御装置の主な機能はこの偏磁現象の発生を抑制することにあるが、その説明の前に、まず相間リアクトルの作用および偏磁発生のメカニズムを説明する。
【００１３】
図３は相間リアクトルの等価回路図であり、図に示すように、相間リアクトルは励磁インダクタンスＭと変換比が１：１の理想トランスからなり、トランスの一次と二次巻き線が中間点ｃで接続されている。以下、便宜上、端子Ｕ、Ｖ、ｃはそれぞれ、並列接続する２つの変換アーム（Ｕ，Ｖ相）の出力端子と、電流平滑用リアクトルと接続していると想定して説明する。また、符号ｉｕ、ｉｖ、ｉｃ、ｉｍはそれぞれＵ相電流、Ｖ相電流、出力電流、励磁インダクタンス電流を表し、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｃはそれぞれ端子ｕ，ｖ，ｃの端子電圧値を表すことにする。ｉｍはトランスの磁束を発生するために不可欠なものであるが、その値が部品の物理寸法で決まる限界値（磁束飽和）ＩＭを超え、いわゆる偏磁現象が起こると、トランスが飽和し、相間リアクトルが持っている機能は一気に失ってしまうことになる。したがって、偏磁現象が絶対に避けなければならないものである。
【００１４】
トランスの特性より、次の（１）、（２）式が成り立つことが分かる。
【数１】
2005151639.tif 000003
【００１５】
（１）式を整理すると、（３）式が成り立つ。
【数２】
2005151639.tif 000004
すなわち、出力電圧はＵ，Ｖ相出力電圧の中間値となる。これを利用し、励磁インダクタンスにかかる電圧Ｖｍは次のようになる。
【００１６】
【数３】
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すなわち、並列する２つの変換アームの出力電圧差の１／２となる。
【００１７】
（２）、（４）式とインダクタンスの特性より、励磁電流は（５）式のようになり、並列アームの出力電圧差の時間積となる。ただし、Ｍは励磁インダクタンスのインダクタンス値を表し、ｓはラプラス演算子である。
【数４】
2005151639.tif 000006
【００１８】
偏磁の発生する要因は２種類の成分に分けることができ、１つはＵ，Ｖ相の出力タイミングのバラツキによるものであり、もう１つは開閉素子のオン電圧（低電圧）の不一致による長時間での蓄積である。前者は高電圧・短時間が特徴であるので、巻き線数を増やせば（Ｍを大きくして）対応できるが、後者について、これだけでは励磁電流の増加を防ぐことができない。
【００１９】
そこで、本発明では、第１の手段によって、Ｕ、Ｖ相の出力電流（ｉｕ，ｉｖ）を検出し、第４の手段ではその出力電流の偏差を算出する。（２）式から相間リアクトルの励磁電流（ｉｍ）を算出したことと同等なことが分かる。そして、同じく第４の手段において、検出した励磁電流を増幅し、補正電圧値を算出する。
【００２０】
以下、簡潔のために、増幅器が最も単純な比例増幅器として本発明の原理を説明する。すなわち、
【数５】
2005151639.tif 000007
ここで、ｋは比例ゲインであり、σは補正電圧値を表す。
（６）式は本発明の第４の手段の実施例である。
【００２１】
本発明の第５の手段は制御器からの制御電圧指令値（Ｖ＊）に、第４の手段で算出した補正電圧値σを足して、Ｖ相の出力電圧指令値としている。すなわち、
【数６】
2005151639.tif 000008
また、本発明の第２の手段では、制御器からの制御電圧指令値（Ｖ＊）を直接使用してＵ相の開閉素子を駆動するが、第３の手段ではＶ相の開閉素子の駆動に、第５の手段で求められた出力電圧値（Ｖｖ＊）を用いている。
【００２２】
本発明の効果を確認するために、Ｕ相の出力電圧が駆動回路および開閉素子の特性のバラツキで、Ｖ相と比べて値がΔとなる電圧を多めに出力していると仮定し、相間リアクトルの励磁電流を概算してみる。（６）、（７）式より、Ｕ、Ｖ相の出力電圧はそれぞれ（８）式のようなる。
【数７】
2005151639.tif 000009
【００２３】
（８）式を（５）式に代入すると、励磁電流は（９）式のようになり、比例ゲインを大きく設定するほど、励磁電流小さくなることが分かる。
【数８】
2005151639.tif 000010
【００２４】
（９）式より、Δの上限値をΔｍとすると、励磁電流ｉｍはΔｍ／ｋ以下に抑えられる。従って、この値を許容値（ＩＭ）以下になるようにゲインｋを十分大きく選定すれば、偏磁現象が起こらないことが分かる。
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】
【００２５】
大容量の直流／直流半導体変換装置の構成に当たり、複数アームを並列接続する構成が通常であるが、各アーム間の電流バランスを採るためのリアクトルの容量を小型化できるので、多くの産業利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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変換器構成図である。
【図３】本発明の原理を説明するための相間リアクトル等価回路図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、１’直流電源または直流負荷
２、２’  並列接続する半導体変換ブリッジ
３、３’電流平滑用リアクトル
４      並列用相間リアクトル
５、５’  直流負荷または直流電源
６      電流を検出する第1の手段
７      開閉素子を駆動するためのドライバ（第2の手段）
７’    開閉素子を駆動するためのドライバ
８      開閉素子を駆動するためのドライバ（第3の手段）
９      本発明の補正電圧を求める第４の手段
１０    本発明の並列制御の第５の手段
１１    変換装置の制御器
１２    従来例のバランサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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