(57)【要約】【課題】本発明の目的は、複数台の異なる出力容量の単位電力変換器をそれぞれ異なる電流分担状態で動作させ、単位電力変換器間を環流する横流を抑制することのできる電力変換システムを提供することにある。【解決手段】電力変換システムは、直流電源２に接続された第１の単位電力変換器１と、直流電源４に接続された第２の単位電力変換器３と、第１の電力変換器１の出力が接続される入力点６と第２の電力変換器３の出力が接続される入力点７を有し、入力電流を合成して負荷９に給電する結合リアクトル５と、第１の単位電力変換器１を制御する第１の制御装置２７と、第２の単位電力変換器３を制御する第２の制御装置２８とを備える。【選択図】図１
2013051842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電流を出力する第１の単位電力変換器と、
第２の電流を出力する第２の単位電力変換器と、
前記第１の単位電力変換器の出力が入力される第１の巻線および第２の単位電力変換器の出力が入力される第２の巻線とを有し、入力を合成して負荷に給電する結合リアクトルと、
前記第１の単位電力変換器の電流指令と第１の電流および第２の電流の検出値の和成分との差が０または０に近づくように補償する第１の電流補償器を設け、第１の単位電力変換器を制御する第１の制御装置と、
前記第２の単位電力変換器の電流指令と第１の電流および第２の電流の検出値との差成分との差が０または０に近づくように補償する第２の電流補償器を設け、第２の単位電力変換器を制御する第２の制御装置と、
を備え、
前記第１の制御装置は、
前記第１の電流補償器の出力と第１の電流と第２の電流の分担比に応じてゲイン調整した第２の電流補償器の出力との差に基づいて第１の単位電力変換器を制御し、
前記第２の制御装置は、
前記第２の電流補償器の出力と第１の電流と第２の電流の分担比に応じてゲイン調整した前記第１の電流補償器の出力との和に基づいて第２の単位電力変換器を制御する
電力変換システム。
【請求項２】
前記結合リアクトルの第１の巻線の巻線数と第２の巻線の巻線数は、それぞれ第１の電流と第２の電流の出力分担電流比の逆数に比例し、共通磁路を有する鉄心に巻かれるよう構築されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台の電力変換器が並列に接続された電力変換システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
さまざまな利用分野に応じて、用途に見あった種々の出力容量の電力変換システムを速やかに構築する手法が種々開示されている。例えば、すでに開発されている単位電力変換器を複数台並列接続して、電力変換システムの出力容量を目的に合致させて組み上げる方式の提案がなされている。下記の特許文献１では、２台の単位電力変換器は同一出力容量、つまり、２台の単位電力変換器の電流分担はほぼ等しい値で対等に動作させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７８０９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の電力変換システムの構築法では、単位電力変換器の種類は一種類に限定されている。つまり、同一容量の単位電力変換器を２台組み合わせてほぼ同一出力電流分担で並列動作させるために、組み合わせにはむだが多く、結果として出力容量の品揃えがまばらとならざるを得ない問題点がある。また、特許文献１には、同一容量の単位電力変換器間を無駄に環流する横流を抑制すると言う概念しか開示されてない。
【０００５】
本発明の目的は、複数台の異なる出力容量の単位電力変換器をそれぞれ異なる電流分担状態で動作させ、単位電力変換器間を環流する横流を抑制することのできる電力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電力変換システムは、第１の電流を出力する第１の単位電力変換器と、第１の単位電力変換器を制御する第１の制御装置と、第２の電流を出力する第２の単位電力変換器と、第２の単位電力変換器を制御する第２の制御装置と、第１の単位電力変換器の出力が入力される第１の巻線および第２の単位電力変換器の出力が入力される第２の巻線とを有し、入力電流を合成して負荷に給電する結合リアクトルとを備える。
【０００７】
第１の制御装置は、第１の単位電力変換器の電流指令と第１の電流および第２の電流の検出値の和成分との差が０に近づくように補償する第１の電流補償器を設け、第２の制御装置は、第２の単位電力変換器の電流指令と第１の電流および第２の電流の検出値との差成分との差が０に近づくように補償する第２の電流補償器を設ける。
【０００８】
第１の制御装置は、第１の電流補償器の出力と第１と第２の電流分担比に応じてゲイン調整した第２の電流補償器の出力との差に基づいて第１の単位電力変換器を制御するとともに、第２の制御装置は、第２の電流補償器の出力と第１と第２の電流分担比に応じてゲイン調整した第１の電流補償器の出力との和に基づいて第２の単位電力変換器を制御する。
【０００９】
すなわち、電力変換システムは、２台の単位電力変換器のそれぞれの制御装置は、電流指令に対して検出した２つの電流の和成分にゲイン処理した帰還信号が一致するよう動作する成分と、他方の単位電力変換器の電流指令に対して検出した２つの電流の差成分にゲイン処理した帰還信号が一致するよう動作する成分に電流分担比処理した成分とを加減算してそれぞれの単位電力変換器への制御信号として出力することを特徴としている。
【００１０】
上記電力変換システムは、出力電流がそれぞれ異なる電力変換器の電流分担値を維持しつつ、２台の電力変換器間を環流する横流を最小化するよう動作する。
【００１１】
また、電力変換システムは、出力電流の異なる２台の単位電力変換器の出力をそれぞれの電流分担比の逆数に比例した巻線を共通磁路を形成する鉄心に磁束を相殺するよう施して結合リアクトルを構成していることを特徴としている。
【００１２】
このように構成した本発明の請求項２に係る発明は、出力電流の異なる２台の単位電力変換器の出力成分のうち単位変換器間を環流する横流成分を結合リアクトルで抑制していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電流分担の異なる２台の単位電力変換器の出力電流分担を所望の値に制御しつつ、単位電力変換器間を不要に環流する横流を抑制制御出来る。また、２台の単位電力変換器の出力を合成する結合リアクトルでも単位変換器出力を合成しつつ、単位変換器間を環流する横流を抑制できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る電力変換システムの一実施形態を示す全体構成図である。
【図２】単位電力変換器の出力を合成する結合リアクトルについての構成図である。
【図３】パルス幅変調された２台の単位電力変換器の出力と結合リアクトル内の磁束の関係を示す図である。
【図４】本発明の制御方法についての回路解析シミュレーションの結果図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明に係る電力変換システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１に示す電力変換システム３０は、直流電源２に接続された第１の単位電力変換器１と、直流電源４に接続された第２の単位電力変換器３と、第１の単位電力変換器１の出力が接続される入力点６と第２の単位電力変換器３の出力が接続される入力点７を有し、入力電流を合成して負荷９に給電する結合リアクトル５と、第１の単位電力変換器１を制御する第１の制御装置２７と、第２の単位電力変換器３を制御する第２の制御装置２８とを備える。
【００１７】
第１の単位電力変換器１と第２の単位電力変換器３は複数のＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）などを使用し、スイッチングによって交流電流を出力するインバータ回路が挙げられる。第１の単位電力変換器１からの出力を第１の電流、第２の単位電力変換器３からの出力を第２の電流とする。インバータ回路のスイッチングを制御するための第１の制御装置２７および第２の制御装置２８が備えられる。負荷９は電動機Ｍが挙げられ、電動機Ｍへの速度指令や電動機Ｍに取り付けたエンコーダで検出した速度などによってスイッチングを制御する。
【００１８】
第１の単位電力変換器１と第２の単位電力変換器３の出力には、各出力電流を検出する電流検出器１０，１１が接続されている。電流検出器１０，１１は、ホールＣＴやシャント抵抗である。検出された電流はスイッチング制御のために、各制御装置２７，２８に帰還される。
【００１９】
結合リアクトル５は、入力点６から引き出し点８までを第１の巻線５ａ、入力点７から引き出し点８までを第２の巻線５ｂとして、途中の引き出し点８から負荷９に出力する。第１の単位電力変換器１が分担された電流と第２の単位電力変換器３が分担された電流との比をｍ：ｎとする。入力点６からは総電流のｍ分の電流が流れ込み、入力点７からは総電流のｎ分の電流が流れ込み、引き出し点８で両電流が結合されて出力される。従来技術とは異なり、電流分担比のｍとｎは異なる。
【００２０】
結合リアクトル５の入力点６から引き出し点８までの第１の巻線５ａの巻き数と、入力点７から引き出し点８までの第２の巻線５ｂの巻き数の比は単位電力変換器１，３の電流分担の逆数に比例する形で巻かれている。上述した制御装置２７，２８の能動的な制御の働きによる横流抑制のほか、結合リアクトル５でも、あらかじめ設定された値が異なる２種類の電流値の単純加算動作に対してインピーダンスはそれぞれ小さく働き、この設定値に対してずれた横流成分に対しては、この成分を受動的に抑制するように動作する。
【００２１】
なお、各単位電力変換器１，３、結合リアクトル５および負荷９は三相回路であり、図１は簡略化している。また、制御装置２７，２８は入出力部分に相当する前後の三相交流から直流変換、直流から三相交流変換などの座標変換部分は省略して示している。加算器２４と減算器２６の出力は三相の変調波相当の波形であり、電力変換器１，３内のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ制御に具体的に用いられる際には図示していない搬送波との比較が行なわれ、パルス幅変調制御が行なわれる。
【００２２】
第１の制御装置２７は、各単位電力変換器１，３から出力された第１および第２の電流の和成分の負帰還信号を生成する加算器１２と、電流指令と電流の和成分の負帰還信号との差分を取る減算器１９と、減算器１９の差分が０または０に近づくように補償する第１の電流補償器２１とを備え、第１の電流補償器２１の出力を第２の電流補償器２２の出力で減算して出力する。
【００２３】
第２の制御装置２８は、各単位電力変換器１，３から出力された第１と第２の電流の差成分の負帰還信号を生成する減算器１３と、電流指令と電流の差成分の負帰還信号との差分を取る減算器２０と、減算器２０の差分が０または０に近づくように補償する第２の電流補償器２２とを備え、第２の電流補償器２２の出力を第１の電流補償器２１の出力と加算して出力する。
【００２４】
電流指令は単位電力変換器１と３が出力するべき総和の電流値を含んだ信号である。電流指令は、電動機Ｍへの速度指令と電動機Ｍからの速度帰還信号との差から演算される。電動機Ｍから速度帰還信号を受信し、電流指令を生成するためのマイコンを備える。電流指令は、端子１６からゲイン調整器１７，１８を介して減算器１９，２０に入力される。出力電流の和成分と差成分の負帰還信号もゲイン調整器１４，１５を介して減算器１９，２０に入力される。
【００２５】
各電流補償器２１，２２は、それぞれ減算器１９，２０の出力を受け、ゲイン処理された速度指令と負帰還信号との差分とが０または０に近くなるように制御する回路である。このため２台の単位電力変換器間を環流する横流を最小化するよう動作する。
【００２６】
第１の制御装置１７は、第１の電流補償器２１の出力とゲイン調整器２５を介した第２の電流補償器２２の出力とを減算器２６で減算し、減算した値を単位電力変換器１でスイッチングする制御信号として出力する。第２の制御装置１８は、第２の電流補償器２２の出力とゲイン調整器２３を介した第１の電流補償器２１の出力とを加算器２４で加算し、加算した値を単位電力変換器３でスイッチングする制御信号として出力する。
【００２７】
各ゲイン調整器１４，１５，１７，１８，２３，２５でゲイン調整される値は、図１に示すように電流分担比であるｍとｎの値で表される。すなわち、各ゲイン調整器１４，１５，１７，１８，２３，２５は、各単位電力変換器１，３の出力する電流分担比に基づいてゲイン調整する。加算器１２、２４、減算器１３、２６および各ゲイン調整器１４，１５，１７，１８，２３，２５は、オペアンプやマイクロコンピュータなどを使用して構成する。上述した加算や減算は図１の＋と−でも表しており、＋と＋では加算、＋と−では減算となる。
【００２８】
このように、第１の単位電力変換器１は２つの制御信号を生成するためのゲイン調節器１４，１７，２５、電流補償器２１，減算器２６よりなる制御装置２７によって、変換器間を環流する横流成分を零に制御され、電流分担値に応じた出力電流をそれぞれ発生するようにも制御される。また第２の単位電力変換器２は２つの制御信号を生成するためのゲイン調節器１５，１８，２３、電流補償器２２，加算器２４よりなる制御装置２８によって、単位電力変換器間を環流する横流成分を零に制御され、電流分担値に応じた出力電流をそれぞれ発生するようにも制御される。
【００２９】
上記のように、結合リアクトル５は、第１の単位電力変換器１と第２の電力変換器３をそれぞれ入力点６、７に接続されている。入力点６から引き出し点８までの第１の巻線５ａの巻線数は、入力点７から引き出し点８までの第２の巻線５ｂの巻線数に対して電流分担比の逆数に設定する。これらの巻線は同一鉄心２９に同じ巻き向きに巻かれている（図２）。
【００３０】
入力点６から流入する第１の電流Ｉ１と、入力点７から流入する第２の電流Ｉ２はそれぞれ引き出し点８に向って流れ、電流分担比の逆数に比例した巻線との間で磁束Φ１、Φ２を生じさせる。巻線５ａ，５ｂの向きを同一の方向とすれば、発生する磁束Φ１、Φ２は相殺し合い、リアクトルＬ分は小さな値と見え、２系統からの電流の結合は損失少なく実現できる。また、所定の電流分担値の電流と電流分担比の逆数に比例した巻線５ａ，５ｂとの間に発生する磁束Φ１、Φ２の相殺は、電流分担が所定値からずれた成分には、リアクトルＬ分の増加として働くので、ずれである循環電流成分(横流)を受動的に抑制するよう働く。
【００３１】
微視的に見た電流Ｉ１、Ｉ２と発生磁束Φ１、Φ２の概略関係図を図３に示す。電力変換器１，３はパルス幅変調され回路にはリアクトルＬ分が存在するので、純粋な方形波状の電流とはならないが、模式図としては、電流分担に比例した波高値を持った電流と説明できる。
【００３２】
ここで、結合リアクトル５における発生磁束Φ１、Φ２はそれぞれ入力点６から引き出し点８間の巻線数×I１、入力点７から引き出し点８間の巻線数×I２となる。巻線数を電流分担比の逆数に比例した値に設定し、かつ、両巻線を共通磁路を形成する鉄心に施し、搬送波を同期させて位相差を極力なくしてパルス波形を時間軸上で重ねるよう位相制御する。
【００３３】
その場合、発生磁束Φ１、Φ２は多くの時間領域で相殺され、それぞれの電流分担比成分に対しては結合リアクトルＬ分を極小化して見え損失の少ない結合器として結合リアクトルは振る舞う。また、電流分担比を崩す成分である変換器間を環流する横流成分に対しては磁束相殺が不平衡となり、その成分に対しては結合リアクトルが大きなリアクトルＬとして働き、横流抑制効果を発揮する。
【００３４】
図４は、本願の制御法について回路解析ソフトを用いてシミュレーションした結果の一例である。台形状の電動機速度指令を与え、２台の単位電力変換器１，３の電流分担比を２：１と設定し、負荷への最大電流の分担をそれぞれ８００Ａと４００Ａ、合計１２００Ａとしたときの電流波形である。出力は三相交流のうちの一相であるＵ相の波形を代表として示す。ＩＵａｌｌが結合リアクトルから取り出したＵ相電流の総和、ＩＵ１は単位電力変換器１が出力したＵ相電流成分、ＩＵ２は単位電力変換器３が出力したＵ相電流成分である。
【００３５】
ＩＵ１とＩＵ２はそれぞれ電流分担比である２：１の割合に分担制御されており、ＩＵａｌｌはＩＵ１とＩＵ２の和になっていることが分かる。差成分である横流についてはＩＵ１−２＊ＩＵ２を示している。和電流ＩＵａｌｌの最大値が１２００Ａ級に対して、横流は瞬間的な最大値でも１５Ａ程度に抑制できていることが分かる。
【００３６】
本実施例によれば、並列接続された複数台数の電力変換器間を無駄に環流する横流を抑制制御しつつ、出力電流の異なる単位電力変換器の組み合わせ構成を可能と出来る。
【００３７】
また、複数台の電力変換器出力を合成する結合リアクトルの巻線数を電流分担比の逆数とし同一磁路に配置する構成と、電流位相を制御することにより主電流自体によっても横流を抑制することが可能となる。
【００３８】
なお、電流分担比が異なる単位電力変換器の組み合わせを可能とした電力変換システムでは、あらかじめ単位電力変換器を数種類用意しておけば、短期間で所望の電力変換装置を無駄なく構築出来、装置の原価低減を図ることができる。
【００３９】
電流分担比のｍとｎが異なる場合を説明したが、ｍとｎが同じである場合であっても、本発明のシステム３０を利用することはできる。
【００４０】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１、３：単位電力変換器
２、４：直流電源
５：結合リアクトル
５ａ、５ｂ：巻線
６、７：単位電力変換器からの電流の入力点
８：結合電流の引き出し点
９：負荷
１０、１１：電流検出器
１２：加算器
１３：減算器
１４、１５、１７、１８、２３、２５：ゲイン調整器
１６：総和の電流指令が入力される端子
１９、２０、２４、２６：信号加算器
２１、２２：電流補償器
２７、２８：制御装置
２９：結合リアクトルの鉄心
３０：電力変換システム
Ｉ１、Ｉ２：単位電力変換器の出力電流
ＩＵａｌｌ：Ｕ相の総和電流
ＩＵ１、ＩＵ２：単位変換器のＵ相電流
Φ１、Φ２：結合リアクトル内の磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013051842.tif 000006