(57)【要約】 【課題】商用電源の相回転が異なっていても入力系統からの電源供給を可能とする電力変換装置を得る。【解決手段】商用電源７から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０と、１０の電流が電流振幅基準に一致するように１０の出力電圧指令を作成する電流制御回路２０と、電流制御回路２０からの１０の出力指令に基づき、１０を構成するスイッチング素子のゲートを制御するゲート制御回路２７を有した直流出力型の電力変換装置において、７の相回転異常を検出する相回転異常検出回路５１と、５１の出力によりコンバータ制御回路１４の入力とコンバータゲート出力を変更する回路とを備えた電力変換装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源からの交流電力を電力変換して負荷に供給する電力変換器と、
前記商用電源の相回転を検出する相回転検出回路と、
前記相回転検出回路の出力により前記電力変換器の入力及び出力の相回転を変更する相回転変更回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
前記インバータの入力側に接続された蓄電池と、
前記負荷への電力供給を前記商用電源側またはインバータ側のいずれかに切り換える切換回路と、
前記コンバータの電流が電流振幅基準に一致するように前記コンバータの出力電圧指令を作成する電流制御回路と、
前記電流制御回路からのコンバータ出力指令に基づき、前記コンバータを構成するスイッチング素子のゲートを制御するゲート制御回路を有した電力変換装置において、
前記商用電源の相回転を検出する相回転検出回路と、
前記相回転検出回路の出力によりコンバータ制御回路の入力とコンバータゲート出力を変更する回路とを
備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの電流が電流振幅基準に一致するように前記コンバータの出力電圧指令を作成する電流制御回路と、
前記電流制御回路からのコンバータ出力指令に基づき、前記コンバータを構成するスイッチング素子のゲートを制御するゲート制御回路を有した直流出力型の電力変換装置において、
前記商用電源の相回転を検出する相回転検出回路と、
前記相回転検出回路の出力によりコンバータ制御回路の入力とコンバータゲート出力を変更する回路とを
備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記相回転検出回路は、クロック信号のタイミングで前記商用電源の入力電圧信号があれば出力をラッチするラッチ回路と、前記商用電源の入力電圧健全信号と前記ラッチ回路の出力の論理積が成立したとき相順入替信号を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記相回転検出回路は、前記商用電源の電圧信号を入力し、ｄｑ変換を行い、ｄ軸に生じる２次振動により相順の異常を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、商用電源からの交流電力を電力変換して負荷に供給するする電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の無停電電源装置は、商用電源から交流フィルタを介して供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、インバータの入力側に接続された蓄電池と、負荷への電力供給を前記商用電源側またはインバータ側のいずれかに切り換える切換回路と、コンバータの電流が電流振幅基準に一致するようにコンバータの出力電圧指令を作成する電流制御手段と、電流制御手段からのコンバータ出力指令に基づき、コンバータを構成するスイッチング素子のゲートを制御するゲート制御回路を有している。
【０００３】
そして常時は、商用電源からコンバータにより所望の直流電圧源に変換され、この直流電圧源を入力とするインバータが所望の電圧を出力することによって電力変換装置から負荷への給電が行われる。
【０００４】
交流入力停電等の交流入力異常時は、交流入力の異常を検出してコンバータを停止させ、蓄電池のような直流電圧源を構成できるものからインバータへの電力を供給し、負荷への給電を継続する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２―２７６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の電力変換装置では例えば配線の接続違いにより商用電源の相回転が異なっていた場合、コンバータ制御系が不安定になり、直流定電圧制御機能や入力力率“１”を維持できない可能性があるため、装置を保護停止もしくは直流電源がある場合は直流電源を入力としたインバータ給電を継続する形であった。
【０００７】
このため、交流電源としてはエネルギーを有している状態にもかかわらず、相回転異常をした状態では装置保護の観点から直流運転を継続してしまうため、直流電源が喪失してしまうと負荷給電が停止してしまうことがあった。
【０００８】
本実施形態は、上記欠点を除去するためになされたもので、商用電源の相回転が異なっていても入力系統からの電源供給を可能とする電力変換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】
【０００９】
実施形態の代表的な電力変換装置は、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの電流が電流振幅基準に一致するように前記コンバータの出力電圧指令を作成する電流制御手段と、前記電流制御手段からのコンバータ出力指令に基づき、前記コンバータを構成するスイッチング素子のゲートを制御するゲート制御回路を有した直流出力型の電力変換装置において、前記商用電源の相回転を検出する相回転検出回路と、前記相回転検出回路の出力によりコンバータ制御回路の入力とコンバータゲート出力を変更する回路とを備えたものである。
【００１０】
実施形態の代表的な電力変換装置によれば、商用電源の相回転が異なっていても入力系統からの電源供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態における電力変換装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１のコンバータ制御回路を説明するためのブロック図。
【図３】図２の相回転異常検出回路を説明するための図。
【図４】図１のコンバータの主回路を説明するための図。
【図５】図２の直流電圧制御回路を説明するための図。
【図６】図２の交流電流検出回路を説明するための図。
【図７】図２のゲート制御回路を説明するための図。
【図８】図２の交流電流検出回路の動作を説明するための図。
【図９】図２の入力電流制御回路の動作を説明するための図。
【図１０】図２の相回転異常検出回路の動作を説明するための図。
【図１１】図２の相回転異常検出回路の動作を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本実施形態の電力変換装置の第１の例を示すもので、インバータ１の出力はインバータトランス２の１次巻線に接続され、インバータトランス２の２次巻線は本電力変換装置の出力となり、切換回路３に接続されている。切換回路３は接触器４と半導体スイッチ５から構成されており、負荷６への電力供給を電力変換装置と商用電源７のいずれかを切り換えるために用いる。
【００１３】
ここでは、切換回路３は接触器４と半導体スイッチ５で構成されているが、いずれか一方だけでも構わない。また、インバータトランス２の無い構成でも構わない。
【００１４】
インバータ１の入力側には、商用電源７からの交流電力を交流フィルタ８と系統連系用リアクトル９とを介して入力し直流電力を出力するコンバータ１０と、コンバータ１０の出力を平滑化する直流コンデンサ１１と、交流入力停電等の交流入力異常時における電圧源となる蓄電池１２が接続されている。交流フィルタ８は、コンバータ１０で発生する高調波を商用電源７に回生させないために設けられている。
【００１５】
そして常時は、商用電源７からコンバータ１０により所望の直流電圧源に変換され、この直流電圧源を入力とするインバータ１が所望の交流電圧を出力する、いわゆる電力変換装置によって負荷６への交流電力の給電が行われる。
【００１６】
交流入力停電等の交流入力異常時は、交流入力の異常を検出してコンバータ１０を停止させ、蓄電池１２のような直流電圧源を構成できるものからインバータ１への電力を供給し、負荷６への給電を継続する。
【００１７】
次に図２によりコンバータ制御回路１４について説明する。
【００１８】
直流コンデンサ等の直流電圧を測定する直流電圧検出器１３の出力である、直流電圧検出信号１６は、コンバータ制御回路１４に入力され、コンバータ制御回路１４内の直流電圧制御回路１５に直流電圧フィードバックとして入力される。また、コンバータ制御回路１４には、交流入力電圧を検出する交流電圧検出回路１７の出力に基づいて交流入力停電等の交流入力異常を検出する停電検出回路１８及びＰＬＬ回路１９とが接続される。
【００１９】
入力電流制御回路２０の入力には、以下に述べる信号が入力される。すなわち、直流電圧制御回路１５の出力である入力電流振幅基準２１が、ＰＬＬ回路１９の出力であるコンバータ基準位相２２が、入力電圧フィードバックとして交流電圧検出器１７の入力電圧検出信号２３が、入力電流フィードバックとして電流検出器２５の入力電流検出信号２４が、それぞれ入力される。
【００２０】
入力電流制御回路２０において求められる入力電圧指令２６は、ゲート制御回路２７に入力されると共に、ゲート制御回路２７に後述する停電検出信号２９及びコンバータ相順入替信号が入力され、ゲート制御回路２７において求められるコンバータ１０のゲート信号２８が出力される。
【００２１】
図２において、直流電圧制御回路１５は、電力変換装置が本来出力すべき電圧相当の出力をインバータが出力できるように入力電流振幅基準２１を出力する。入力電流制御回路２０は電流検出器２５によって検出された入力電流検出信号２４が入力電流振幅基準２１と等しくなり、かつＰＬＬ回路１９によって検出されたコンバータ基準位相２２と等しくなるように制御を行い、入力電圧指令２６を出力する。ゲート制御回路２７はコンバータ１０の出力が入力電圧指令２６に一致するようにゲート信号２８を出力する。
【００２２】
以上述べたコンバータ制御回路１４に、次に述べる相回転異常検出回路５１が付加されている。相回転異常検出回路５１は、交流電圧検出回路１７からの出力である入力電圧検出信号（交流入力電圧、コンバータ入力）２３及び停電検出回路１８からの入力電圧健全信号５７を入力し、相回転異常検出回路５１は出力としてコンバータ相順入替信号５２を入力電流制御回路２０及びゲート制御回路２７にそれぞれ入力されるようになっている。
【００２３】
図３は相回転異常検出回路５１の具体例を示すもので、Ｄラッチ回路５３と論理積回路５８からなり、Ｄラッチ回路５３は、クロック入力端子ＣＬＫにクロック信号５４のタイミングでラッチ入力端子Ｄに入力信号５５があれば、出力端子Ｑからラッチ出力を出力せず、これ以外のとき出力端子Ｑからラッチ出力を出力する。Ｄラッチ入力５５とクロック入力５４は、後述するように前記入力電圧検出信号２３から得られ、Ｄラッチ回路５３のＤラッチ出力５６及び入力電圧健全信号５７が論理積回路５８に入力されている。この結果、Ｄラッチ出力５６及び入力電圧健全信号５７が共に存在したとき論理積回路５８からの出力としてコンバータ相順入替信号５２が得られる。
【００２４】
ここで、Ｄラッチ回路５３のクロック入力５４として入力電圧検出信号２３の一つのａ相（例えばＵ相）を入力し、もう一つの他のｂ相（前記の相がＵ相であれば例えばＶ相）をＤラッチ入力５５としている。これにより、交流入力電圧のＵ相とＶ相があらかじめ決められた時間（位相）内であることを検出し、あらかじめ決められた時間を超えた場合（本構成では１８０度：５０Ｈｚの場合１０ｍｓ）、すなわち交流入力電圧の相順が正しくないと検知した場合Ｄラッチ回路の出力５６がオンとなる。Ｄラッチ出力５６と停電検出回路１８の出力である入力電圧健全信号５７は論理積回路５８の入力となり、論理積回路５８の出力はコンバータ相順入替信号５２となっている。
【００２５】
また、図１のコンバータ１０には蓄電池１２を充電するための充電電流制御回路（図示しない）が設けられているが、ここでは説明を省略する。
【００２６】
インバータ１についてもコンバータ１０のコンバータ制御回路１４と同様にインバータ制御回路（図示せず）が設けられている。
【００２７】
図４はコンバータ１０の主回路を示すもので、以下のような素子等のアームがブリッジ接続され、その入力側に商用電源７が接続され、また出力側に正極Ｐ及び負極Ｎを備えている。正極Ｐにはスイッチング素子３１ａ，３１ｃ，３１ｅのコレクタが各々接続され、各スイッチング素子には各々逆並列にダイオード３２ａ，３２ｃ，３２ｅが接続されている。負極Ｎにはスイッチング素子３１ｂ，３１ｄ，３１ｆのコレクタが各々接続され、各スイッチング素子には各々逆並列にダイオード３２ｂ，３２ｄ，３２ｆが接続されている。正極Ｐ及び負極Ｎの間に、直流コンデンサ１１が接続され、正極Ｐ及び負極Ｎ並びに直流コンデンサ１１の両端からコンバータ出力３３が得られるようになっている。
【００２８】
ゲート駆動回路３４にはゲート信号２８が入力されている。各スイッチング素子３２には個別または一括にスイッチング時のサージ電圧抑制用のスナバ回路が設けられているがここでは説明を簡単にするため省略している。ゲート信号２８に対し、ゲート駆動回路３４は上下直列に接続されたスイッチング素子、例えば３１ａ，３１ｂなどが同時にオンすることを防止する（デッドタイム）を生成したり、各スナバ回路の充放電の期間を確保したりする。コンバータ１０はパルス幅変調（ＰＷＭ）により直流コンデンサ１１の直流電圧を制御することにより、電力蓄積要素である蓄電池１２を充電する。
【００２９】
図５は、コンバータ制御回路１４内の直流電圧制御回路１５の一構成例である。直流電圧指令(直流電圧基準信号)３５は、インバータ１が所望の電圧出力できるように一定の電圧指令を出力する。電力蓄積要素である蓄電池１２の特性に合わせて、各種の直流電圧指令を設定する回路を設けることもあるが、ここでは説明を簡単にするため省略している。
【００３０】
直流電圧指令３５と前述の直流電圧検出器１３からの直流電圧検出信号１６との差分が差分検出器３７で求められ、この差分がＰＩ制御回路３６に入力され、ＰＩ制御回路３６の出力として入力電流振幅基準２１が得られる。
【００３１】
なお、本例では電圧制御としてＰＩ制御を用いた例としているが、ＰＩＤ制御やＩ−Ｐ制御その他の一般的な制御手法や現代制御理論などを用いた制御回路でもよいことは言うまでもない。
【００３２】
図６はコンバータ制御回路１４内の入力電流制御回路２０の一構成例である。入力電流振幅基準２１と、ＰＬＬ回路１９の出力であるコンバータ基準位相２２ａ〜２２ｃとは乗算器４１ａ〜４１ｃに接続されている。乗算器４１ａ〜４１ｃの出力はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流入力電流基準となる。交流入力電流基準は入力電流検出信号２４との差分を各々とられ、Ｐ制御回路４２ａ〜４２ｃに各々入力される。
【００３３】
図６において、Ｐ制御回路４２ａ〜４２ｃは入力電流検出信号２４が入力電流基準に追従するように制御を行う。なお、本例では電圧制御としてＰ制御を用いた例としているが、ＰＩＤ制御やＩ−Ｐ制御その他の一般的な制御手法や現代制御理論などを用いた制御回路でもよいことは言うまでもない。特に、高速化や安定化を図る意味で入力電流の後段または前段あるいは並列に、入力電圧などのオフセットを付加することがあってもよい。ここでは、後段に入力電圧検出信号２３を各相毎に加算して、入力電圧指令２６としている。また、本構成例は１相毎に個別に制御を行う構成であるが、公知のｄ−ｑ軸理論を用いて、３相の電流、電圧を振幅成分と位相成分に分けた制御回路で構成であってもよい。
【００３４】
図７はコンバータ制御回路１４内のゲート制御回路２７の一構成例である。入力電流制御回路２０からの各入力電圧指令２６と各キャリア発生回路４３からの信号は、それぞれオペアンプ４４ａ〜４４ｃに入力される。オペアンプ４４ａは、入力電圧指令２６とキャリア発生回路４３からの信号の差分を求める減算器４４ａ１と前記差分を増幅する増幅器４４ａ２を備え、同様にオペアンプ４４ｂは、入力電圧指令２６とキャリア発生回路４３からの信号の差分を求める減算器４４ｂ１と前記差分を増幅する増幅器４４ｂ２を備え、オペアンプ４４ｃは、入力電圧指令２６とキャリア発生回路４３からの信号の差分を求める減算器４４ｃ１と前記差分を増幅する増幅器４４ｃ２を備えている。オペアンプ４４ａ〜４４ｃの出力はゲート信号出力回路４５ａ〜４５ｃに入力される。ゲート信号出力回路４５ａ〜４５ｃの出力は信号切換回路４６の一方の入力となる。もう一方は出力オフとなっており、本信号切換には、停電検出回路１８の出力である停電検出信号２９を用いている。信号切換回路４５の出力はゲート信号２８となる。本構成例は、一般的に言われる三角波比較方式を示した一例である。ゲートパルスの発生手法は特に限定しない。
【００３５】
図８は本実施形態で用いる入力電流制御回路２５の一構成例である。コンバータ相順入替信号５２がオンのときは、コンバータ基準位相２２，入力電圧検出信号２３及び入力電流検出信号２４の相順（Ｖ相とＷ相）を入れ替える構成となっている
図９は本実施形態で用いるゲート制御回路２７の一構成例である。コンバータ相順入替信号５２がオンのときは、ゲート信号２８の相順（Ｖ相とＷ相）を入れ替える構成となっている。
【００３６】
図１０は相回転異常検出回路５１の動作例を説明するための図で、（１）は交流入力電圧の一つのａ相（例えばＵ相）を入力電圧の波形を示し、（２）はａ相検出信号で、（１）の負の期間をオンとする。（３）は交流入力電圧もう一つのｂ相（前記の相がＵ相であれば例えばＶ相）を示し、（４）はｂ相検出信号で、（３）の負から正に変化するゼロクロス点から１ｍｓ程度をオンとする。（５）は相回転が正常ときの相回転検出信号であり、（６）はｂ相検出信号が相回転が異常のときであり、（７）は相回転が異常のときの相回転異常検出信号である。（８）は、各相における相回転が正常な場合の状態と、相回転が異常な場合の状態を示している。
【００３７】
図１１は本実施形態で用いる相回転異常検出回路５１の動作タイミング例である。
【００３８】
図１１の（１）に示すように切換回路３に有する接触器４により電力変換装置の交流電源入力を商用電源７から自家発電源設備６０に切り換える場合、コンバータ１０は一度停電を検出する。このとき、コンバータ１０は停止するが、復電後、相順が異なる状態で自家発電源設備６０が接続されていた場合、まず始めに図１１の（３）に示す電圧健全信号５７が復帰（健全）となり、その後相回転異常検出回路５１のＤラッチ出力５６が異常（オン）となり、コンバータ相順入替信号５２がオンとなる。最後に停電検出信号２９が復帰（健全）となることで、再度コンバータ１０が動作を始める。したがってコンバータ１０の動作の前に相回転異常を検出することで、コンバータ１０の動作前に相順を変更することができる。
【００３９】
電力変換装置の交流電源入力を商用電源７から発電機５８に切り換える場合、コンバータ１０は一度停電を検出する。このとき、コンバータは停止するが、復電後、相順が異なる状態で発電機５８が接続されていた場合、まず始めに図１１の（３）に示すように電圧健全信号５７が復帰（健全）となり、その後位相異常検出回路のＤラッチ回路出力５６が異常（オン）となり、図１１の（４）に示すようにコンバータ相順入替信号５２がオンとなる。最後に図１１の（５）に示すように停電検出信号２９が復帰（健全）となることで、再度コンバータが動作を始める。したがってコンバータ動作の前に相回転異常を検出することで、コンバータ動作前に相順を変更することができる。
【００４０】
以上述べた実施形態では、上位系統の相回転異常を検出することにより、電力変換装置を構成するコンバータ制御回路１４内の入力信号の相順を入れ替えることで、コンバータ制御を健全に行わせ、コンバータ制御出力を出力相順に合わせることで、コンバータ制御出力を相回転異常状態でも健全な形で出力させることができる。
【００４１】
以上述べた実施形態は、次のようにしても同様に実施できる。
【００４２】
１）前述したコンバータ及びインバータを備えた電力変換装置に限らず、商用電源からの交流電力を電力変換して負荷に供給する電力変換器と、前記商用電源の相回転を検出する相回転検出回路と、前記相回転検出回路の出力により前記電力変換器の入力及び出力の相回転を変更する相回転変更回路とを備えた電力変換装置であってもよい。
【００４３】
２）前述したコンバータ及びインバータを備えた電力変換装置に限らず、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの電流が電流振幅基準に一致するように前記コンバータの出力電圧指令を作成する電流制御手段と、前記電流制御手段からのコンバータ出力指令に基づき、前記コンバータを構成するスイッチング素子のゲートを制御するゲート制御回路を有した直流出力型の電力変換装置において、前記商用電源の相回転を検出する相回転検出回路と、前記相回転検出回路の出力によりコンバータ制御回路の入力とコンバータゲート出力を変更する回路とを備えた電力変換装置であってもよい。
【００４４】
３）前述の回転検出回路は、クロック信号のタイミングで前記商用電源の入力電圧信号があれば出力をラッチするラッチ回路と、前記商用電源の入力電圧健全信号と前記ラッチ回路の出力の論理積が成立したとき相順入替信号を出力するものであるが、相回転検出回路は、前記商用電源の電圧信号を入力し、ｄｑ変換を行い、ｄ軸に生じる２次振動により相順の異常を検出するものであってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１…インバータ、２…インバータトランス、３…切換回路、４… 接触器、５…半導体スイッチ、６…負荷、７…商用電源、８…交流フィルタ、９…系統連系用リアクトル、１０…コンバータ、１１…直流コンデンサ、１２…蓄電池、１３…直流電圧検出器、１４…コンバータ制御回路、１５…直流電圧制御回路、１６…直流電圧検出信号、１７…交流電圧検出回路、１８…停電検出回路、１９…ＰＬＬ回路、２０…入力電流制御回路、２１…入力電流振幅基準、２２…コンバータ基準位相、２３…入力電圧検出信号、２４…入力電流検出信号、２５…交流電流検出回路、２６…入力電圧指令、２７…ゲート制御回路、２８…コンバータ１０のゲート信号、２９…停電検出信号、３１…スイッチング素子、３２…ダイオード、３３…コンバータ出力、３４…ゲート駆動回路、３５…直流電圧基準信号、３６…ＰＩ制御回路、４１…乗算器、４２…Ｐ制御回路、４３…キャリア発生回路、４４…オペアンプ、４５…ゲート信号出力回路、４６…信号切換回路、５１…相回転異常検出回路、５２…コンバータ相順入替信号、５３…Ｄラッチ回路、５４…クロック入力、５５…Ｄラッチ入力、５６…Ｄラッチ出力、５７…入力電圧健全信号、５８…論理積回路、５９…相順入替回路。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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