JP5328313B2 - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は一定の出力の負荷を運転するための直流電源の電力を交流電力もしくは直流電力に電力を変換する電力変換装置に関するもので、特に直流電源側に接続されたLCフィルタの振動抑制に関するものである。 The present invention relates to a power converter for converting power of a DC power source for operating a load with a constant output to AC power or DC power, and particularly to vibration suppression of an LC filter connected to the DC power source side. It is.
図9に電力変換装置の一例として出力が3相交流となる場合の構成図を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。 FIG. 9 shows a configuration diagram in the case where the output is a three-phase alternating current as an example of the power converter, and the conventional technology will be described based on this diagram.
LCフィルタ2は、リアクトル21とコンデンサ22から構成され直流電源1に接続されている。LCフィルタ2の出力の間に、電力変換回路3が接続される。電力変換回路3は、スイッチ31が2つ直列に接続されたものが3組並列に接続されている。それぞれの直列に接続された2つのスイッチ31の間が出力点であり、3相の出力電圧
vU、vV、vWがそれぞれ負荷4に接続される。
The
v U , v V , and v W are each connected to the
図2はスイッチ31の構成である。スイッチ31はスイッチング素子311と還流ダイオード312が逆並列に接続されており、制御回路5から1が入力されると導通状態となり、0が入力されると遮断状態となる。
FIG. 2 shows the configuration of the
制御回路5は、U相出力電圧vUが平均的にU相電圧指令vU*に一致するように、またV相出力電圧vVが平均的にV相電圧指令vV*に一致するように、W相出力電圧vWが平均的にW相電圧指令vW*に一致するように各スイッチに指令を出す。
LCフィルタ2のリアクトル21とコンデンサ22の間には共振特性があることが知られている。コンデンサ22の電圧であるコンデンサ電圧Vcが変動した際に3相の出力電圧vU、vV、vWを一定に保つためにはコンデンサ電圧Vcが低下した分LCフィルタ2の出力電流ILCを増大させる必要がある。しかしながらLCフィルタ2の出力電流ILCを増大させるとコンデンサ電圧Vcはさらに低下しようとする。一方でコンデンサ電圧Vcが上昇すると、3相の出力電圧vU、vV、vWを一定に保つためにLCフィルタ2の出力電流ILCを減少させる必要がある。しかしながら、LCフィルタ2の出力電流ILCを減少させるとさらにコンデンサ電圧Vcが上昇しようとする。
It is known that there is a resonance characteristic between the
つまり、コンデンサ電圧Vcが変動するとその変動をさらに増幅させるように作用することにより、LCフィルタ2の共振が発散してしまい、不安定となる。
That is, when the capacitor voltage Vc fluctuates, it acts to further amplify the fluctuation, whereby the resonance of the
この不安定を抑制するために、LCフィルタ2の回路内に抵抗を付加しLCフィルタ2の共振エネルギーを吸収することにより、LCフィルタ2の共振を抑制可能である。しかしながら、抵抗はLCフィルタ2の共振エネルギーだけではなく、通常の電流に対してもエネルギー吸収を行うため余計な電力消費を行う。また抵抗による電力消費は電力変換装置の発熱の原因となる。
In order to suppress this instability, the resonance of the
この抵抗がなく回路インピーダンスや素子の損失が無視できる場合、LCフィルタ2と負荷4の間にはエネルギーを吸収する要素が存在しないため、LCフィルタ2の共振エネルギーは吸収することができずに共振の発散を抑制することは不可能である。
If there is no resistance and the circuit impedance and element loss are negligible, there is no element that absorbs energy between the
この現象は直流電源1を3相交流に変換する電力変換装置のほかに、単相交流やその他の相数の交流電圧、もしくは直流電源1を異なる電圧の直流電圧に変換する電力変換装置においても発生する問題である。
In addition to the power converter that converts the
請求項1の発明によれば、直流電源を入力とし該直流電源の電力を交流電力もしくは異なる電圧の直流電力に変換する電力変換装置であり、前記直流電源側にコンデンサとリアクトルから構成されるLCフィルタが接続されている電力変換装置であり、該電力変換装置の回路内に前記直流電源及び前記LCフィルタ及び大地のいずれにも接地されていない電池が含まれている電力変換装置において、前記電池へ流れる電流によって前記LCフィルタの共振を抑制することを特徴とした電力変換装置。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a power conversion device that takes a DC power supply as an input and converts the power of the DC power supply into AC power or DC power of a different voltage, and an LC composed of a capacitor and a reactor on the DC power supply side. a power converter a filter is connected, in a power conversion device that contains the batteries that are not grounded in any of the DC power source and the LC filter and the ground in the circuit of the power converter, the battery A power conversion device, wherein resonance of the LC filter is suppressed by a current flowing into the LC filter.
請求項2の発明によれば、請求項1の電力変換装置において、前記電力変換装置の回路はスイッチング素子とダイオードを逆並列に接続したスイッチが4組直列接続されたものが前記LCフィルタのコンデンサに対し並列に接続され、該電池は1番目と2番目のスイッチの間から3番目と4番目のスイッチの間に接続され、2番目と3番目のスイッチの間が電力変換装置の出力となることを特徴とする電力変換装置。
According to a second aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first aspect, the circuit of the power conversion device is a capacitor of the LC filter in which four sets of switches in which switching elements and diodes are connected in antiparallel are connected in series. Is connected in parallel , the battery is connected between the 3rd and 4th switch from between the 1st and 2nd switch, between the 2nd and 3rd switch is the output of the power converter The power converter characterized by the above-mentioned.
請求項3の発明によれば、請求項2の電力変換装置において、該スイッチ及び前記電池により構成される回路が、複数並列に前記LCフィルタ間にコンデンサに対し並列接続されることにより複数相の出力電圧を得ることを特徴とする電力変換装置。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、請求項1の電力変換装置において、前記電池に電流が流れるスイッチングモードのうち前記電池を充電する方向もしくは放電する方向のどちらかを用い、前記電池を充電する方向か放電する方向かの切り替えが前記LCフィルタのコンデンサ電圧の変動方向で切り替えられることにより前記LCフィルタの共振を抑制することを特徴とする電力変換装置。
According to a fourth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first aspect, the direction in which the battery is charged by using either the charging direction or the discharging direction in the switching mode in which current flows in the battery. The power conversion device is characterized in that the resonance of the LC filter is suppressed by switching between the direction of discharging and the direction of discharging in accordance with the fluctuation direction of the capacitor voltage of the LC filter.
請求項5の発明によれば、請求項4の電力変換装置において、前記電池に流れる電流が充電か放電かの切り替えは、出力電流の極性とコンデンサ電圧の変動方向によって切り替えることを特徴とした電力変換装置。
According to a fifth aspect of the present invention, in the power conversion device of the fourth aspect, the switching between the charging current and the discharging current flowing through the battery is switched according to the polarity of the output current and the fluctuation direction of the capacitor voltage. Conversion device.
請求項6の発明によれば、請求項1から請求項5の電力変換装置において、前記電池の代わりにキャパシタを用いることを特徴とした電力変換装置。
According to invention of
本発明により電力変換回路内でエネルギーの出し入れ可能となるためLCフィルタの共振を抑制することが可能となる。 According to the present invention, since energy can be taken in and out in the power conversion circuit, resonance of the LC filter can be suppressed.
回路内に直流電源及びLCフィルタ及び大地のいずれにも接地されていない電池が含まれており、電池に電流が流れるスイッチングモードのうち電池を充電する方向もしくは放電する方向のどちらかを用い、その切り替えが前記LCフィルタのコンデンサ電圧の変動方向で切り替えられることによりLCフィルタの共振を抑制する。 The circuit includes a DC power supply, an LC filter, and a battery that is not grounded to either of the earths. In the switching mode in which current flows through the battery, use either the charging direction or the discharging direction. The switching is switched in the fluctuation direction of the capacitor voltage of the LC filter, thereby suppressing the resonance of the LC filter.
図1を用いて請求項1から請求項6の発明を適用した一例として出力が3相交流となる場合にについて説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。
The case where the output is a three-phase alternating current will be described as an example to which the invention of
電力変換回路3は、LCフィルタ2の出力の間にスイッチ31が4個直列に接続されている。直列に接続されているスイッチ31のうち、1番目と2番目のスイッチ31の間と3番目と4番目のスイッチ31の間に電池32が接続されている。この構成が3組並列にLCフィルタ2の出力の間に接続されており、それぞれの直列接続されたスイッチ31の2番目と3番目の間から3相の出力電圧vU、vV、vWがそれぞれ出力される。
In the
以下に詳細動作について、U相について説明するが、V相及びW相に関しても同様である。 The detailed operation will be described below for the U phase, but the same applies to the V phase and the W phase.
電池32の電圧はVBATに充電されているとする。なお、VBATは0以上で直流電源1の電圧Vdc以下とする。
It is assumed that the voltage of the
ここで、LCフィルタ2の出力を短絡することなくU相出力電圧vUを生成可能なスイッチ31の組み合わせは次の4種類である。なお、スイッチは高電位側からsu1、su2、su3、su4とし、1はスイッチが導通している状態、0はスイッチが遮断している状態である。
Here, the combination capable of generating
モード1:su1=1、su2=1、su3=0、su4=0
モード2:su1=1、su2=0、su3=1、su4=0
モード3:su1=0、su2=1、su3=0、su4=1
モード4:su1=0、su2=0、su3=1、su4=1
Mode 1: su1 = 1, su2 = 1, su3 = 0, su4 = 0
Mode 2: su1 = 1, su2 = 0, su3 = 1, su4 = 0
Mode 3: su1 = 0, su2 = 1, su3 = 0, su4 = 1
Mode 4: su1 = 0, su2 = 0, su3 = 1, su4 = 1
それぞれのモードの状態におけるU相出力電流iUの経路を図3に示す。また、それぞれのモードの際のU相出力電圧vUは次の値となる。なお、ここでは電圧は直流電源1の低電 位側を0とする。
The path of the U-phase output current i U in each mode state is shown in FIG. Further, U-phase output voltage v U during each mode becomes the following value. Here, the voltage is 0 on the low potential side of the
モード1:vU=VC
モード2:vU=VC-VBAT
モード3:vU=VBAT
モード4:vU=0
Mode 1: v U = V C
Mode 2: v U = V C -V BAT
Mode 3: v U = V BAT
Mode 4: v U = 0
この4種類の電圧の選択を切り替えることにより、出力電圧vUを平均的に0からVCの範囲で任意の電圧を得るためには、モード1及びモード4があれば生成可能であり、モード2及びモード3は必ずしも必要はない。そこで、モード1及びモード4の他にモード2及びモード3のいずれか一方のみを利用して、平均的に任意の電圧を得ることとする。
By switching the selection of the four kinds of voltages, in order to obtain an arbitrary voltage in average in a range of from 0 to V C output voltage v U, it can be generated if the
次に、電池32からの電力の出入りについて説明する。モード1及びモード4の時は、電池32にU相出力電流iUが流れないため電池からの電力の出入りはない。一方でモード2の時は、U相出力電流iUが正のときは充電状態となり、負のときは放電状態となる。またモード3の時は、U相出力電流iUが正のときは放電状態、負のときは充電状態となる。
Next, power input / output from the
電圧変動方向判別器51はコンデンサ電圧Vcを入力しコンデンサ電圧Vcが上昇した場合は1を低下した場合は−1を出力する。
The voltage
図5は、電圧変動方向判別器51の一例である。コンデンサ電圧Vcからコンデンサ電圧Vcにフィルタ51を通したものの差分によりコンデンサ電圧Vcの変動成分を抽出し、正であれば1を負であれば−1を出力する。
FIG. 5 is an example of the voltage
図6は、電圧変動方向判別器の他の例である。コンデンサ電圧Vcと直流電源1の電圧Vdcの差分によりコンデンサ電圧Vcの変動成分を抽出し、正であれば1を負であれば−1を出力する。
FIG. 6 shows another example of the voltage fluctuation direction discriminator. The fluctuation component of the capacitor voltage Vc is extracted from the difference between the capacitor voltage Vc and the voltage Vdc of the
電流検出器6は出力電流iU、iV、iWを検出する。U相電流極性判別器52は電流検出器6で検出したU相出力電流iUの極性を判別し、正であれば1を、負であれば−1を出力する。
The
U相PWM制御装置55は、U相電流検出器52の出力と電圧変動判定器51の出力の積及びU相電圧指令vu*が入力される。U相PWM制御装置55は、平均的にU相出力電圧vuがU相電圧指令vu*と一致するようにスイッチング指令を出すが、U相電流検出器52の出力と電圧変動判定器51の出力の積が1であるときにはモード1及びモード2及びモード4の3通りを用いてスイッチング指令を発生させ、U相電流検出器52の出力と電圧変動判定器51の出力の積が−1であるときにはモード1及びモード3及びモード4の3通りを用いてスイッチング指令を発生させる。
The
図7及び図8は、U相のスイッチング指令の発生方法の一例である。この例では、三角波キャリアを用いている。図7は、モード1及びモード2及びモード4の3通りのスイッチング指令を出力する場合の例であり、図8はモード1及びモード3及びモード4の3通りのスイッチング指令を出力する場合の例である。
7 and 8 show an example of a U-phase switching command generation method. In this example, a triangular wave carrier is used. FIG. 7 is an example in the case of outputting three kinds of switching commands of
V相およびW相に関しても、同様にスイッチング指令を出力する。 A switching command is similarly output for the V phase and the W phase.
上記構成により、コンデンサ電圧Vcが低下した場合は電池32を経由する電流はすべて電池32から放電する方向となるためコンデンサ電圧Vcが上昇するように働き、コンデンサ電圧Vcが上昇した場合は電池32を経由する電流はすべて電池32に充電する方向となりコンデンサ電圧Vcが低下するように働くため、LCフィルタ2の共振が抑制される。すなわち、電池32の電力の出入によって、LCフィルタ2の共振エネルギーが吸収されるわけである。
With the above configuration, when the capacitor voltage Vc is decreased, all the current passing through the
LCフィルタ2の出力に並列に接続される回路の数を変えることにより、直流電源1を単相交流や他の相数の交流電圧に変換する電力変換装置や、直流電源1を他の電圧の直流電圧に変換する電力変換装置にも適用可能である。
By changing the number of circuits connected in parallel to the output of the
本発明により、直流電源を交流電力に変換する電力変換装置であるインバータや、直流電源を異なる電圧の直流電力に変換するチョッパに適用可能であり、電力を用いる様々な産業分野に利用可能であるため、極めて有効である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, the present invention can be applied to an inverter that is a power conversion device that converts DC power into AC power, and a chopper that converts DC power into DC power of different voltages, and can be used in various industrial fields that use power. Therefore, it is extremely effective.
1 直流電源
2 LCフィルタ
21 リアクトル
22 コンデンサ
3 電力変換回路
31 スイッチ
311 スイッチング素子
312 還流ダイオード
32 電池
4 負荷
5 制御回路
51 電圧変動方向判別器
511 フィルタ
52 U相電流極性判別器
53 V相電流極性判別器
54 W相電流極性判別器
55 U相PWM制御装置
56 V相PWM制御装置
57 W相PWM制御装置
6 電流検出器
1
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