(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源の各相と三相出力の電力変換器の各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチを２個組み合わせた構成で、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチで直接接続する電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータであって、入力電源の異常を検出する電源異常検出器と、入力電圧の位相を検出する通常電源位相検出器と、前記入力電圧の瞬時値の大小関係から電源位相を計算する瞬時電源位相検出器と、前記入力位相として前記通常電源位相検出器の出力と前記瞬時電源位相検出器の出力のうちどちらか一方を選択する電源位相選択器とからなり、前記電源異常検出器が異常を検出しない場合は、前記電源位相選択器は前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常を検出した場合は、前記電源位相選択器は前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段からなるＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ１後に前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段からなることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項２】
前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記通常電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とするとともに、前記ＰＷＭサイクロコンバータの前記双方向半導体スイッチ素子を開き、ゲートブロック状態とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ２（Ｔ１≧Ｔ２とする）後に、前記半導体スイッチ素子を通常運転し、前記設定時間Ｔ１後に前記電源位相選択器を前記電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段からなることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項３】
三相交流電源の各相と三相出力の電力変換器の各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチを２個組み合わせた構成で、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチで直接接続する電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータの制御方法であって、電源異常検出器で入力電源の異常を検出し、通常電源位相検出器で入力電圧の位相を検出し、瞬時電源位相検出器で前記入力電圧の瞬時値の大小関係から電源位相を計算し、電源位相選択器で前記入力位相として前記通常電源位相検出器の出力と前記瞬時電源位相検出器の出力のうちどちらか一方を選択し、前記電源異常検出器が異常を検出しない場合は、前記電源位相選択器は前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常を検出した場合は、前記電源位相選択器は前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とするＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、
前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ１後に前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とすることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータの制御方法。
【請求項４】
前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記通常電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とするとともに、前記ＰＷＭサイクロコンバータの前記双方向半導体スイッチ素子を開き、ゲートブロック状態とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ２（Ｔ１≧Ｔ２とする）後に、前記半導体スイッチ素子を通常運転し、前記設定時間Ｔ１後に前記電源位相選択器を前記電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とすることを特徴とする請求項３記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源から任意の周波数へ出力変換可能な電力変換装置に関し、特にパルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式を用いたＰＷＭサイクロコンバータとそのの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術について説明する。ＰＷＭサイクロコンバータは入力電源と出力が直接双方向に電流が流せる双方向スイッチを介して直接接続されている。したがって、欠相、停電、電源不平衡等の入力電源の異常が発生した場合、入力電源の異常を検出し運転を停止しなければならない。入力電源の異常検出方法としては、「電源電圧異常検出方法（特開2001−258151号公報）」等が知られている。
従来のＰＷＭサイクロコンバータの回路構成図を図２に示す。図において三相電源１は入力フィルタ２を介して双方向スイッチ群３に接続される。双方向スイッチ群３は、双方向スイッチＳ１〜Ｓ９で構成される。現在、双方向に電力が流せ、逆耐圧特性を持ったパワーデバイスがないため、各双方向スイッチは、例えば図３に示すように逆並列に接続された、ダイオードＤ１、Ｄ２とＩＧＢＴ１、２から構成される。双方向スイッチＳ１〜Ｓ９の出力は負荷Ｌ１〜Ｌ３に接続される。ＰＷＭサイクロコンバータの制御コントローラ８は、電源異常検出器４、通常電源位相検出器５の入力を持ち、ゲートドライバ９へゲート信号を出力する。ゲートドライバ９は、ゲート信号に基づいて各双方向スイッチＳ１〜Ｓ９を駆動する。通常電源位相検出器５の詳細を図４に示す。通常電源位相検出器５は、三相電源１のうち２相を入力とし、電源の位相を検出する。入力電圧のうち二相分は、トランス１００を介してコンパレータ１０１に入力され、ＰＦＤ１０２、フィルタ１０３、ＶＣＯ１０４、カウンタ１０５に入力され、位相データとなる。カウンタ１０５の最上位ビット（ＭＳＢ）は、ＰＦＤ１０２にフィードバックされ、ＰＬＬ回路を構成する。もちろん、入力電圧の位相を検出する手段は、図５に示すものだけでなく、コンパレータ１０１出力の矩形波のエッジからエッジまでをタイマーによって計測する方法や，入力電圧の瞬時値をCPUにAD変換して取り込み，ソフトウェアで位相を検出してもよい。電源異常検出器４は、三相電源１に欠相、停電、不平衡といった異常が検出された場合、電源異常情報を制御コントローラ８に伝える。従来例では、電源異常が検出された場合、制御コントローラ８は、各双方向スイッチＳ１〜Ｓ９を停止させるために、ゲートドライバ９に運転停止用ゲート信号を出力する。通常、双方向スイッチＳ１〜Ｓ９を停止するためには、すべてのスイッチを”開”とする。この動作を今後ゲートブロックと呼ぶ。従来例のＰＷＭサイクロコンバータの電源異常時の運転について図５を用いて説明する。電源異常が発生した場合、即座にゲートブロックし、電源異常が解除されると通常運転に復帰する。
上述のとおり入力電源の異常を検出し、電源異常時にすみやかにＰＷＭサイクロコンバータの動作を停止させることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の構成では電源異常時、ＰＷＭサイクロコンバータの運転を停止させることは出来るが、例えば、電源が電源周波数１〜２周期の間停電した場合（以下瞬停と呼ぶ）でも、運転を継続させることができない。本発明はこの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的はＰＷＭサイクロコンバータ運転時、電源異常、特に瞬停が発生し復電した時、すみやかに運転が継続できるようにすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本発明は、三相交流電源の各相と三相出力の電力変換器の各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチを２個組み合わせた構成で、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチで直接接続する電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータであって、入力電源の異常を検出する電源異常検出器と、入力電圧の位相を検出する通常電源位相検出器と、前記入力電圧の瞬時値の大小関係から電源位相を計算する瞬時電源位相検出器と、前記入力位相として前記通常電源位相検出器の出力と前記瞬時電源位相検出器の出力のうちどちらか一方を選択する電源位相選択器とからなり、前記電源異常検出器が異常を検出しない場合は、前記電源位相選択器は前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常を検出した場合は、前記電源位相選択器は前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段からなるＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ１後に前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段を備える。
また、請求項１において、前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記通常電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とするとともに、前記ＰＷＭサイクロコンバータの前記双方向半導体スイッチ素子を開き、ゲートブロック状態とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ２（Ｔ１≧Ｔ２とする）後に、前記半導体スイッチ素子を通常運転し、前記設定時間Ｔ１後に前記電源位相選択器を前記電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段からなる。
また、三相交流電源の各相と三相出力の電力変換器の各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチを２個組み合わせた構成で、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチで直接接続する電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータの制御方法であって、電源異常検出器で入力電源の異常を検出し、通常電源位相検出器で入力電圧の位相を検出し、瞬時電源位相検出器で前記入力電圧の瞬時値の大小関係から電源位相を計算し、電源位相選択器で前記入力位相として前記通常電源位相検出器の出力と前記瞬時電源位相検出器の出力のうちどちらか一方を選択し、前記電源異常検出器が異常を検出しない場合は、前記電源位相選択器は前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常を検出した場合は、前記電源位相選択器は前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とするＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、
前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ１後に前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする。
また、請求項３において、前記電源異常検出器が異常を検出した際は、即座に前記通常電源位相選択器を前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とするとともに、前記ＰＷＭサイクロコンバータの前記双方向半導体スイッチ素子を開き、ゲートブロック状態とし、前記電源異常検出器が異常検出から正常検出へ切り替わった際は、設定時間Ｔ２（Ｔ１≧Ｔ２とする）後に、前記半導体スイッチ素子を通常運転し、前記設定時間Ｔ１後に前記電源位相選択器を前記電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする。
上記手段により、ＰＷＭサイクロコンバータ運転時、電源異常、特に瞬停が発生し復電した時、すみやかに運転が継続できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１に本発明のＰＷＭサイクロコンバータの回路構成図を示す。本発明の構成（図１）が従来の構成（図２）と異なる部分は、瞬時電源位相検出器６、電源位相選択器７、タイマＴ１とタイマＴ２からなるタイマ手段の部分である。従来と同じ名称には同一符号を付け重複説明を省略する。三相電源１に接続されその異常を検出する電源異常検出器４から出される異常検出信号は、タイマＴ１、Ｔ２を通過し電源位相選択器７に入力される。タイマーＴ１、Ｔ２は電源異常状態から正常状態に戻った場合に動作する。また、タイマーＴ１、Ｔ２はＴ１≧Ｔ２となるようにあらかじめ設定する。
【０００６】
電源異常検出器４が異常を検出した場合は、タイマーＴ１、Ｔ２通過信号もそれぞれ即座に異常検出するが、電源異常検出器４が正常検出に戻った場合は、まずタイマーＴ２通過信号が正常となり、次にタイマーＴ１通過信号が正常となる。瞬時電源位相検出器６では、入力電圧の瞬時値から入力電圧の位相を計算する。計算結果は電源１周期を１２分割した区間（３０度の範囲）として計算される。計算フローを図９に示す。区間１と区間２を判別するには、まず入力電圧Ｖｒの正負を判別する。Ｖｒが０以上である場合、Ｖｓの正負を判別する。Ｖｓが０以上である場合、Ｖｒ−Ｖｓの正負を判別する。結果が０以上であれば、区間１となり、負であれば、区間２となる。同様に残りの区間もＶｒ、Ｖｓ、Ｖｔの大小関係からすべて求めることができる。
【０００７】
（ステップ１）電源異常時、図６に示すように入力位相を通常電源位相検出器５の出力θ１から、瞬時電源位相検出器６の出力θ２に切り替える。
（ステップ２）正常状態に戻る際、図７に示すようにＴ１時間経過するまで瞬時電源位相検出器６の出力θ２を用いる。この理由は、電源異常検出器４が正常と判断しても実際の入力電源電圧の値が不安定な場合があるためです。PWMサイクロコンバータの入力にはリアクトルとコンデンサから成るフィルタ回路を有しているため電源が復電した時に突入電流が流れ電圧・電流に大きなリプル成分が含まれます。そのため通常電源位相検出器５の出力θ１では、位相を誤検出する場合があるためである。
（ステップ３）異常検出すると、図８に示すように瞬時電源位相検出器６の出力θ２に切り替えるとともにベースブロックし、正常状態に戻った際、Ｔ２時間後に双方向スイッチ群３を通常運転に戻し（ベースブロック解除し）、Ｔ１時間経過後に、入力位相として瞬時電源位相検出器６の出力θ２を用いる。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、三相交流電源の各相と三相出力の電力変換器の各相とを電流が一方向だけ流せる片方向半導体スイッチを２個組み合わせた構成で、かつ各々が独立にオンオフできる構成とする双方向半導体スイッチで直接接続する電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータにおいて、入力電源の異常を検出する電源異常検出器と、入力電圧の位相を検出する通常電源位相検出器と、前記入力電圧の瞬時値の大小関係から電源位相を計算する瞬時電源位相検出器と、前記入力位相として前記通常電源位相検出器の出力と前記瞬時電源位相検出器の出力のうちどちらか一方を選択する電源位相選択器とからなり、前記電源異常検出器が異常を検出しない場合は、前記電源位相選択器は前記通常電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とし、前記電源異常検出器が異常を検出した場合は、前記電源位相選択器は前記瞬時電源位相検出器で求められる電源位相を入力電源位相とする手段を備えたので、ＰＷＭサイクロコンバータ運転時、電源異常、特に瞬停が発生し復電した時、すみやかに運転を継続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＰＷＭサイクロコンバータの構成図
【図２】従来のＰＷＭサイクロコンバータの構成図
【図３】双方向半導体スイッチの構成の一例
【図４】通常電源位相検出器の詳細ブロック図
【図５】従来の電源異常時の運転動作図
【図６】本発明の電源異常時の運転動作図（請求項１）
【図７】本発明の電源異常時の運転動作図（請求項２）
【図８】本発明の電源異常時の運転動作図（請求項３）
【図９】瞬時電源位相検出器の詳細フローチャート
【符号の説明】
１  三相電源
２  入力フィルタ
３  双方向スイッチ群
４  電源異常検器
５  通常電源位相検出器
６  異常電源位相検出器
７  電源位相選択器
８  制御コントローラ
９  ゲートドライバ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  負荷
Ｓ１〜Ｓ９  双方向スイッチ
１００  トランス
１０１  コンパレータ
１０２  ＰＦＤ
１０３  フィルタ
１０４  ＶＣＯ
１０５  カウンタ
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２  絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）
【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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