(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器と、前記電力変換器の交流端に接続される変圧器と、前記電力変換器の交流端の電流ないしは電圧の少なくとも一方を制御する制御装置からなる電力変換装置において、
前記変圧器が磁気飽和して励磁インダクタンスが低下したときに発生するピーク電流と相関が強く、直流成分および前記電力変換器の出力する交流の基本波成分との相関がない関数を発生する関数発生手段と、前記関数発生手段の出力を前記電力変換器の交流端の電流ないしは前記変圧器の入力電流のいずれか一方に乗じ、この乗じた結果から前記変圧器の偏磁状態を検出するとともに、前記検出した前記変圧器の偏磁状態に応じて前記電力変換器の出力電圧補正値を演算する電力変換器出力電圧補正手段を設け、前記電力変換器の出力電圧指令から前記電力変換器出力電圧補正手段の演算した出力電圧補正値を減じて前記電力変換器の交流出力を補正し、前記変圧器の直流偏磁を抑制することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力変換器と、前記電力変換器の交流端に接続される変圧器と、前記電力変換器の交流端の電流ないしは電圧の少なくとも一方を制御する制御装置からなる電力変換装置において、
前記変圧器が磁気飽和して励磁インダクタンスが低下したときに発生するピーク電流と相関が強く、前記ピーク電流に対する前記相関と比較して直流成分および前記電力変換器の出力する交流の基本波成分との相関が十分弱い関数を発生する関数発生手段と、前記関数発生手段の出力を前記電力変換器の交流端の電流ないしは前記変圧器の入力電流のいずれか一方に乗じ、この乗じた結果から前記変圧器の偏磁状態を検出するとともに、前記検出した前記変圧器の偏磁状態に応じて前記電力変換器の出力電圧補正値を演算する電力変換器出力電圧補正手段を設け、前記電力変換器の出力電圧指令から前記電力変換器出力電圧補正手段の演算した出力電圧補正値を減じて前記電力変換器の交流出力を補正し、前記変圧器の直流偏磁を抑制することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
電力変換器と、前記電力変換器の交流端に接続される変圧器と、前記電力変換器の交流端の電流ないしは電圧の少なくとも一方を制御する制御装置からなる電力変換装置において、
前記変圧器が磁気飽和して励磁インダクタンスが低下したときに発生するピーク電流と相関が強く、直流成分および電力変換器の出力する交流の基本波成分との相関がない関数を発生する関数発生手段と、前記関数発生手段の出力を前記電力変換器の交流端の電流ないしは前記変圧器の入力電流のいずれか一方に乗じ、この乗じた結果の平均値を算出し、前記変圧器の偏磁状態を検出するとともに、前記検出した前記変圧器の偏磁状態に応じて前記電力変換器の出力電圧補正値を演算する電力変換器出力電圧補正手段を設け、前記電力変換器の出力電圧指令から前記電力変換器出力電圧補正手段の演算した出力電圧補正値を減じて前記電力変換器の交流出力を補正し、前記変圧器の直流偏磁を抑制することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
電力変換器と、前記電力変換器の交流端に接続される変圧器と、前記電力変換器の交流端の電流ないしは電圧の少なくとも一方を制御する制御装置からなる電力変換装置において、
前記変圧器が磁気飽和して励磁インダクタンスが低下したときに発生するピーク電流と相関が強く、前記ピーク電流に対する前記相関と比較して直流成分および前記電力変換器の出力する交流の基本波成分との相関が十分弱い関数を発生する関数発生手段と、前記関数発生手段の出力を前記電力変換器の交流端の電流ないしは前記変圧器の入力電流のいずれかに乗じ、この乗じた結果の平均値を算出し、前記変圧器の偏磁状態を検出するとともに、前記検出した前記変圧器の偏磁状態に応じて前記電力変換器の出力電圧補正値を演算する電力変換器出力電圧補正手段を設け、前記電力変換器の出力電圧指令から前記電力変換器出力電圧補正手段の演算した出力電圧補正値を減じて前記電力変換器の交流出力を補正し、前記変圧器の直流偏磁を抑制することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記関数発生手段の発生する関数は、前記励磁インダクタンスが低下したときに発生するピーク電流と相関が強く、直流成分、前記電力変換器の出力する交流の基本波成分および前記変圧器の他端に接続される負荷装置に起因する高調波成分との相関がない関数であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記関数発生手段の発生する関数は、前記励磁インダクタンスが低下したときに発生するピーク電流と相関が強く、前記ピーク電流に対する前記相関と比較して直流成分、前記電力変換器の出力する交流の基本波成分および前記変圧器の他端に接続される負荷装置に起因する高調波成分との相関が十分弱い関数であることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に係り、特に、スイッチング素子によって構成され、直流を交流に変換する電力変換器および交流を直流に変換する電力変換器の交流側に接続される変圧器の直流偏磁を検出し、抑制する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流を直流に変換する電力変換器や直流を交流に変換する電力変換器の交流側には、電源や負荷と電力変換器の絶縁を取るためや、所要の交流電圧および電流を得るために変圧器が接続される。
電力変換器は、交流から直流を得たり、逆に直流から交流を得ることができるが、電圧検出系や電流検出系および制御系に含まれる直流成分（オフセット成分）や、電力変換器を構成するスイッチング素子のスイッチング速度のばらつきなどにより、交流出力電圧に直流成分が含まれることがある。
変圧器の入力電圧に直流成分が含まれていると、変圧器を構成している磁性材料の飽和により励磁インダクタンスが極端に減少し、（１）過大な励磁電流が流れる、（２）変圧器の出力電圧が歪む、（３）磁気騒音が大きくなる、などの現象が発生する。
電力変換器に接続された変圧器の直流偏磁を抑制する方法としては、特開２０００−２３１２６９号公報があり、変圧器の電流を積算する期間を制限することにより、電流検出系のドリフト（オフセットおよびオフセットの時間的変化）による直流偏差の影響を低減する方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の公知例においては、オフセットの影響を小さくすることはできるが、原理的にオフセットの影響を零にすることはできない。このため、オフセットが大きい場合には、十分な偏磁抑制効果は期待できない。
【０００４】
本発明の課題は、電力変換器の交流端に変圧器が接続されている電力変換装置において、検出系のオフセットに影響されることなく、変圧器の偏磁状態を確実に検出するとともに変圧器の偏磁を抑制することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、電力変換器の出力電流に、偏磁電流と相関が強く、直流成分および基本波成分および負荷に起因する高調波との相関がない関数を乗じ、この乗じた結果から電力変換器の出力電流から変圧器の偏磁の強さおよび方向を検出し、この検出値に基づいて電力変換器の交流出力を補正し、変圧器の直流偏磁を抑制する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態である電力変換装置を示す。本実施形態は、直流電圧源２０と、直流電源２１を直流電圧源とし、スイッチング素子により構成され、直流を交流に変換する電力変換器１と、リアクトルおよびコンデンサからなり、電力変換器１の出力する出力電圧に含まれる高周波成分を除去するフィルタ回路２と、フィルタ回路２の出力電圧を一次入力電圧とする変圧器３と、変圧器３の二次側に接続される負荷装置４と、変圧器３の二次電圧を検出する電圧検出器５と、電圧検出器５の出力が二次電圧指令発生器１１の出力する出力電圧指令と一致するように電力変換器１の出力電流指令を発生する二次電圧制御器１２と、電力変換器１の出力電流を検出する電流検出器６と、二次電圧制御器１２の出力と電流検出器６の出力が一致するように電力変換器１の出力電圧を調整する電力変換器出力電流制御器１３と、偏磁電流の検出に用いる関数Ｆを出力する関数発生装置３１と、電流検出器６の出力と関数発生装置３１の出力から出力電圧補正値を演算する電力変換器出力電圧補正器３２と、電力変換器出力電流制御器１３の発生する電力変換器出力電圧指令から電力変換器出力電圧補正器３２の出力を減じる減算器１５と、減算器１５の出力に基づいて電力変換器１を構成するスイッチング素子のスイッチング状態を制御する制御パルスを出力するパルス発生器１４からなる電力変換装置である。
【０００７】
図１においては、負荷装置４に安定した交流電圧を供給するため、変圧器３の二次電圧を検出し、二次電圧制御器１２により電圧検出器５の出力が二次電圧指令発生器１１の出力する出力電圧指令に一致するように電力変換器出力電流指令を出力するとともに、電力変換器１の出力電流を検出し、電力変換器出力電流制御器１３により電流検出器６の出力が電力変換器出力電流指令と一致するように電力変換器１の出力電圧を調整している。
また、電力変換器出力電圧補正器３２では、関数発生器３１により発生され、変圧器３が直流的に偏磁した場合に発生するピーク電流と相関度の強い関数Ｆと電力変換器１の出力電流から変圧器３の偏磁方向と強さを検出するとともに、検出結果に基づき電力変換器１の出力電圧補正値を出力する。電力変換器出力電流制御器１３の出力から出力電圧補正値を減じることにより、変圧器３の直流偏磁を抑制する。
【０００８】
二次電圧指令発生器１１の二次出力電圧指令、二次電圧制御器１２の出力電流指令および電力変換器出力電流制御器１３の出力は、直流成分を含まない交流成分のみであり、当然のとこながら、電力変換器１の出力電圧、電流、変圧器３の二次出力電圧、電流も交流成分のみに制御される。すなわち、直流成分が零となるように制御される。このため、変圧器３に直流電圧が印加されることはない。
ところが、出力電流の検出系を構成する電流検出器６や、制御系を構成している制御器１２，１３には微量ながら直流成分が含まれ、検出した成分にオフセット成分、すなわち本来は存在しない直流成分が重畳した状態で諸量が検出される。検出系および制御系に直流成分が重畳していると、電力変換器１の出力電流に直流成分が含まれていないのにも係わらず、あたかも直流成分が存在しているかのように見える。このため、電流制御系は重畳しているオフセット成分が零になるように電力変換器１の出力電圧を制御する。フィルタ回路２では直流成分は除去されないから、電力変換器１の出力した直流成分は変圧器３の一次巻線に印加される。この結果、変圧器一次入力電圧にも直流成分が重畳され、変圧器３の鉄心は直流偏磁を起こす。変圧器３の鉄心が直流偏磁を起こすと、励磁インダクタンスが極端に低下するため、図２に示すように、変圧器電圧の零クロス付近で過大なピーク電流（点線）が流れる。
このような現象を抑制するには、電力変換器１の出力電流に含まれている変圧器鉄心の直流偏磁によって発生するピーク電流成分を検出し、これが抑制されるようにすなわち電力変換器１の出力電圧に含まれる直流成分が減少する方向に出力電圧を制御すればよい。しかしながら、電力変換器１の出力電流には、直流偏磁に伴うピーク電流の他に、フィルタ回路２に流れる電流および負荷電流（二次電流を変圧器巻数比倍したもの）が重畳した電流となる。特に負荷電流は、負荷の状態により変化するため、電力変換器１の出力電流から直流偏磁に伴うピーク電流のみを確実に検出することは困難を極める。
変圧器３の直流偏磁の有無を検出する方法として、電力変換器１の出力電流に含まれれる直流成分を検出する方式が考えられるが、電流検出系にはオフセットの影響があるため、直流成分を正確に検出することは事実上不可能である。
オフセットの影響を排除し、偏磁電流を検出する方向として前述の公知例があるが、この方式は、オフセット成分の影響を小さくしているに過ぎず、オフセット成分の大きさによっては、偏磁電流を検出できないことがある。または、偏磁していないにも拘らず偏磁しているかのように検出してしまうこともある。
【０００９】
そこで、本実施形態では、直流成分および基本波成分との相関がなく、直流偏磁に伴うピーク電流成分との相関が強い関数Ｆとインバータ出力電流とを乗じ、乗じた結果の平均値により偏磁電流の大きさと方向を検出する。
ここで、関数同士の相関について説明する。ある関数Ｇ（ｔ）とＨ（ｔ）に含まれる周波数成分およびその周波数成分の位相が密な場合を相関が強い（共通の周波数成分を有し、位相も同じ）と言い、これらが疎である場合を相関がない（全く関係ない：周波数、位相が一致していない）と言う。すなわち、ある関数Ｇ(ｔ)と最も相関の強い関数は、Ｇ（ｔ）自身であり、Ｇ(ｔ)と相関がない関数は、Ｇ（ｔ）に含まれない周波数成分からなる関数もしくは、Ｇ（ｔ）に含まれる周波数成分を有するが、これらの周波数成分の位相は互いに直交関係にある関数である。
関数Ｆの直流成分に対する相関および関数Ｆの基本波成分に対する相関は、ないことが理想的であるが、直流偏磁に伴うピーク電流成分との相関の強さに対して、無視または十分小さければ偏磁抑制を行うことが可能である。
例えば、電力変換器出力電流の検出系で検出される直流成分（オフセットおよび誤差を含む）をＡ、基本波の実効値（誤差を含む）をＢ、直流偏磁に伴うピーク電流の実効値をＨとし、検出関数Ｆの直流成分に対する相関の強さをＡＦ、基本波に対する相関の強さをＢＦ、偏磁に伴うピーク電流に対する相関の強さをＨＦとすると、偏磁の方向と強さを表す値は、
Ａ×ＡＦ＋Ｂ×ＢＦ＋Ｈ×ＨＦ
で表される。
偏磁抑制を行うには、Ｈ×ＨＦに対し、Ａｍ×ＡＦおよびＢｍ×ＢＦが無視または十分小さければよい。ただし、Ａｍを電力変換器の制御装置の有するオフセットの最大値（制御器および検出器の精度によって決まる。）、Ｂｍを電力変換器の最大出力電流（出力容量によって決まる。）とし、検出誤差として無視できるレベルを例えばＸ（装置の規模、制御対象に依存するが、概ね５〜１０％程度と考える。）、偏磁電流の最小検出レベル（偏磁電流検出精度）をＨｍとすれば、
Ｘ×（Ｈｍ×ＨＦ）＞Ａｍ×ＡＦ
Ｘ×（Ｈｍ×ＨＦ）＞Ｂｍ×ＢＦ
を満たすように、すなわち、各成分に対する相関が
ＡＦ＜Ｘ×Ｈｍ×ＨＦ／Ａｍ
ＢＦ＜Ｘ×Ｈｍ×ＨＦ／Ｂｍ
を満たせば、偏磁電流の検出に影響を与えない。
よって、直流成分、基本波成分および偏磁に伴うピーク電流に対する相関が上記を満たす関数Ｆを用いればよい。
【００１０】
偏磁電流の大きさおよび方向に基づき、偏磁電流が減衰ないしは零となるように電力変換器１の出力電圧補正する出力電圧補正値を電力変換器出力電圧補正器３２から発生し、これを電力変換器出力電流制御器１３の出力から減じることにより、電力変換器１の出力電圧に含まれる直流成分を抑制する。偏磁電流から出力電圧補正値を発生する手段としては、例えばフィードバック制御で広く用いられる比例制御器や比例積分制御器が挙げられる。
【００１１】
以下に上記の条件を満たす関数Ｆとして図３に示すような関数を使用した場合を例にとって、その動作を説明する。
図３に示す関数Ｆは、変圧器３の直流偏磁に伴うピーク電流に対する相関が高くなるように、ピーク電流の発生する位相で、振幅１、幅Ｗ（Ｗは９０°以下）のパルスと、前記のパルスと基本波の周期Ｔの１／２周期内（Ｔ／２）に振幅−１、幅Ｗのパルスを有する関数である。すなわち、図３に示す関数Ｆは（１）のように表わせる。
図３において、出力電圧一周期を２πとし、
０≦θａ，θｂ，θｃ，θｄ，θｅ，θｆ，θｇ，θｈ≦２π
また、θｅ＝θａ＋π，θｆ＝θｂ＋π，θｇ＝θｃ＋π，θｈ＝θｄ＋π
とすると、
【数１】
0003965622.tif 000002
電力変換器出力電圧補正器３２では、出力電流と関数Ｆを乗じて得た出力の平均値を求め、偏磁状態を検出するとともに、検出値を基に電力変換器出力電圧指令の補正値を出力する。
【００１２】
本実施形態では、変圧器３の直流偏磁に伴うピーク電流と関数Ｆが振幅１である位相が一致しているので、ピーク電流に対する相関が強く、効率よくピーク電流を検出でき、変圧器３の偏磁方向および偏磁の大きさを精度良くかつ確実に検出することができる。
一方で、関数Ｆは直流成分を含まないので、出力電流検出値に直流成分が含まれていても、直流成分は偏磁成分の検出値、すなわち出力電流検出値と関数Ｆとの積の平均値には全く影響を与えない。同様に、関数Ｆは電力変換器１の基本波成分を含まないから、偏磁電流の検出値には全く影響を与えない。
これにより、検出系に直流成分が含まれていても、また、基本波成分が含まれていても、直流偏磁に伴うピーク電流を誤差なく、確実に検出することができる。
勿論、高調波を発生する負荷が変圧器の二次側に接続されていたとしても、これらの負荷に起因する高調波成分を含まないように関数Ｆを設定すれば、同様の効果が得られる。例えば、ダイオードやサイリスタのような半導体素子からなる整流負荷は、３次、５次、７次、９次といった低次の高調波を多く含むことが知られており、これらを含まないように関数Ｆを設定すればよい。また、三相の場合には３の整数倍の高調波は含まず、５次、７次といった高調波を多く含むので、これらを含まないように関数Ｆを設定すればよい。
【００１３】
なお、変圧器の入力電流を直接検出できる場合には、電力変換器の出力電流に代えて変圧器の入力電流を用い、変圧器の偏磁状態の検出に用いても同様の効果が得られる。
また、直流成分および基本波成分との相関が低く、偏磁電流との相関が高ければ、変圧器の偏磁検出に用いる関数Ｆの波形は、図３に示す波形でなくても良い。
上述した実施形態においては、電力変換器出力電流と関数Ｆを乗じることにより、偏磁方向および強さを検出しているが、図３に示したように、１、０、−１の三つのレベルからなる比較的簡単な関数の場合には、電力変換器出力電流と関数Ｆを乗じるに及ばず、積算バッファーを設け、電力変換器出力電流をＦ＝１の場合には、サンプリングした出力電流を加算し、Ｆ＝−１の場合にはサンプリングした出力電流を減算することでも同様の結果が得られる。
本発明の実施形態として、直流を単相交流に変換する電力変換器を用いて出力電圧を制御する電力変換装置を例にとって説明したが、本発明は、三相交流を含む多相交流の変圧器にも容易に適用可能である。また、直流を交流に変換する電力変換器を用いて交流出力電流を制御する電力変換装置や、交流を直流に変換する電力変換装置を用いて交流入力電流および直流電圧を制御する電力変換装置にも容易に適用可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、直流成分および基本波成分との相関が低く、偏磁電流との相関が高い関数Ｆと電力変換器の出力電流とを乗じることにより、検出系に含まれるオフセット成分の影響、負荷電流の影響を受けることなく、簡単かつ確実に変圧器の偏磁方向および強さを検出することができ、また、検出系のオフセット成分の影響、負荷電流の影響を受けることなく、変圧器の偏磁現象を確実に抑制することができ、安定かつ歪のない良質な交流出力電圧を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である電力変換装置の構成図
【図２】変圧器の直流偏磁に伴い発生するピーク電流を示す図
【図３】本発明の変圧器の直流偏磁に伴い発生するピーク電流を検出するための関数の一例を示す図
【符号の説明】
１…電力変換器、２…フィルタ回路、３…変圧器、４…負荷、５…電圧検出器、６…電流検出器、１１…二次電圧指令発生器、１２…二次電圧制御器、１３…電力変換器出力電流制御器、１４…パルス発生器、１５…減算器、３１…関数発生器、３２…電力変換器出力電圧補正器
【図１】
0003965622.tif 000003
【図２】
0003965622.tif 000004
【図３】
0003965622.tif 000005