JP3864799B2 - PWM cycloconverter - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータの入力部に接続されたＰＷＭコンバータを用いることで、任意の電流波形を実現し、入力電流歪みの抑制を図るＰＷＭサイクロコンバータの入力電流改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＷＭサイクロコンバータは、三相交流電源電圧を直接任意の電圧・周波数に変換するＡＣ−ＡＣ直接電力変換装置である。ＰＷＭサイクロコンバータはその原理上、電力用半導体素子の入力部はパルス状の電流が流れる。そのパルス電流を電源系統に返さないために、一般にＡＣリアクトルとＡＣキャパシタを用いローパスフィルタを設ける。しかしながら、フィルタに電流が流れるとリアクトルとキャパシタが共振現象を起こしてしまい入力部に共振電流が流れる。この共振電流のために入力電流の歪み率が悪化してしまう。また、ＰＷＭサイクロコンバータが動作していない時にもコンデンサに進み電流が流れるため、共振電流も発生してしまう。
この共振電流を抑制する方法の従来例として、ＡＣリアクトルと並列に抵抗を備えダンピングさせる方法が挙げられる。この従来例を図６に示す。図６において、１は三相交流電源、２は三相交流リアクトル、３は三相交流キャパシタ、４は双方向スイッチ群、５はモータ、そして１８はダンピング抵抗である。
次に図６の接続関係がわかるように構成を説明する。ダンピング抵抗１８は三相交流リアクトル２と並列接続される。ダンピング抵抗１８の一端は三相交流電源へ接続され、他端は三相交流キャパシタ３へ接続される。三相交流キャパシタ３の他端は、双方向スイッチ群４の入力側（電源側）の各相端子に接続される。双方向スイッチ群４の出力端子側（負荷側）は、負荷となるモータ５へ接続される。三相交流リアクトル２と３は三相交流キャパシタはＬＣローパスフィルタを構成する。ダンピング抵抗１８は、入力電流高調波成分をロスとして消費させるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の抵抗を用いたダンピング方法では、抵抗の熱損失を用いてダンピングを行うためにロスが発生し、エネルギー効率を悪化させ、電力変換器であるＰＷＭサイクロコンバータの寿命にも影響を及ぼす。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は（１）ＰＷＭサイクロコンバータの共振電流を抑制し、入力電流波形の改善を図ること、（２）ＰＷＭサイクロコンバータの主回路を構成する双方向半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生したサージエネルギーを電力系統に回生することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、各相の一端が三相交流電源（１）に接続された第一の三相交流リアクトル（２）と、前記第一の三相交流リアクトル（２）の他端の各相間に接続された三相交流キャパシタ（３）と、前記三相交流キャパシタ（３）を介して各相に一端がそれぞれ接続された自己消弧能力をもつ双方向スイッチ（４）とスナバ回路（１５ １ 〜１５ ９ ）と、直流電圧系統に接続されたＰＷＭコンバータ（７）と、前記ＰＷＭコンバータ（７）の出力側に一端を接続した第二の三相交流リアクトル（６）と、前記第二の三相交流リアクトル（６）の他端を前記双方向スイッチ（４）の入力側に接続して前記双方向スイッチ（４）のスイッチング時に発生したサージエネルギーを電力系統に回生し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記スナバ回路（１５ １ 〜１５ ９ ）を直流クランプ型のスナバ回路とし、直流クランプ型のスナバ回路の直流側を前記ＰＷＭコンバータ（７）の直流側に接続し、前記ＰＷＭコンバータ（７）の直流側に接続した平滑キャパシタ（１４）を備え、 前記第二の三相交流リアクトル（６）の他端を前記三相交流電源（１）側ではなく前記第一の三相交流リアクトル（２）の他端側に接続し、前記第一の三相交流リアクトル（２）と前記三相交流キャパシタ（３）により生じる共振電流を抑制したものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的実施例に基づいて説明する。
図１は本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータと直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータを用いたシステム構成を示す。図２は本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータとダイオード整流回路を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。図３は本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータとスナバ回路より作成された直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。図４は本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。図５は本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。
【０００６】
まず、図１についてＰＷＭサイクロコンバータは三相交流電源１とモータ５の入力電流である三相出力との間に計９個の双方向半導体スイッチ群４を用いて直接接続し、交流電源電圧を直流に変換することなく、任意の周波数・電圧を出力することができる。しかし、双方向半導体スイッチ群４の入力段にはパルス状の電流が流れる。そのために三相交流リアクトル２と三相交流キャパシタ３を用いてフィルタを作成している。本発明は、交流電源１とは別に直流電圧系統電源である直流電源８を設け、これに小型のＰＷＭコンバータ７を設け、ＰＷＭサイクロコンバータの入力部に電流を供給してやることで、先に述べたフィルタによる共振電流を抑制することができる。電流抑制手段として、電流検出用ＣＴ１０を用いて検出された入力電流信号９をＰＷＭコンバータ７の制御部に入力し、ＰＷＭサイクロコンバータの実現したい任意の電流波形と比較し、その補正分の電流を供給してやることで理想の入力電流波形を実現する。
【０００７】
また、補正電流信号１２を検出してやることで、その制御性能を向上させることができる。補正方法の例として入力電流の高調波成分中、制御対象が共振電流のみである場合、入力電流信号９を理想正弦波と比較し、ＰＷＭコンバータ７より補正電流を流してやれば共振電流の抑制が実現できる。この場合、共振電流はフィルタの設計に依存するが、その電流値は入力電流全体と比較して十分に小さい。そのためＰＷＭコンバータ７の電流容量も小さくてよいことになり、コスト的にも負担が少ない。
【０００８】
図２は図１中の直流電源８の変わりに、ダイオード整流器１３を用いて三相全波整流し、平滑キャパシタ１４を用いて平滑した直流電源を用いてＰＷＭコンバータ７を駆動するものである。まず双方向スイッチ群４によりＰＷＭ出力を行うと、三相交流リアクトル２と三相交流キャパシタ３により共振現象が発生し、三相交流キャパシタ３の電圧が大きく乱れる。次にこの共振電圧をダイオード整流器１３により整流し平滑キャパシタ１４に蓄える。そして、そのエネルギーによりＰＷＭコンバータ７をもちいて、三相交流キャパシタ３の共振電流を抑制する。すなわち、入力フィルタの共振エネルギーを吸収し、そのエネルギーで共振電流を抑制し、入力電流の歪を改善することができる。
【０００９】
図３は図１の直流電源８、図２のダイオード整流器１３の変わりに直流クランプ型のスナバ回路１５を用いるものである。ＰＷＭサイクロコンバータにおける双方向半導体スイッチの保護装置として直流クランプ型のスナバ回路を用いる場合がある。図３中スナバ回路１５の回路構成を示したものが図４、５であり、それぞれスナバ用ダイオード群１６やスナバ用ダイオード群１７のような構成が考えられる。このスナバ回路１４を本特許のＰＷＭコンバータ７の直流電源電圧として用いることにより、スイッチング時に発生したサージによるエネルギーを浪費することなく補正電流として用いることができ、システム全体においてより高効率化が実現できる。本特許を用いることにより、このような抵抗にロスを発生させることなく、より高性能な入力電流制御を実現することができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、直流電圧系統に接続されたＰＷＭコンバータ装置を有し、前記ＰＷＭコンバータ装置の出力部を前記ＰＷＭサイクロコンバータの入力電源側に接続したので、ＰＷＭサイクロコンバータの共振電流を抑制し、入力電流波形の改善を容易に図ることができる。また、ＰＷＭサイクロコンバータの主回路を構成する双方向半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生したサージエネルギーを電力系統に回生することができる。
本来、ＰＷＭサイクロコンバータはその原理上、入力電流波形を制御することが可能である。しかし、出力部とは双方向半導体スイッチで直接接続されているため、同時に出力電流も制御しなくてはならない。そのため入力電流制御性能に制約が発生してしまう。本特許ではこうしたＰＷＭサイクロコンバータの制御性能を高めるための補助装置に関するものであり、一般的なＰＷＭコンバータを流用することで容易に入力電流制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータと直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータを用いたシステム構成を示す。
【図２】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータとダイオード整流回路を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。
【図３】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータとスナバ回路より作成された直流電圧源を用いたＰＷＭコンバータによるシステム構成を示す。
【図４】本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。
【図５】本発明を実施するための、スナバ回路構成図の一例を示す。
【図６】従来のＰＷＭサイクロコンバータのシステム構成とフィルタ共振抑制の一例を示す。
【符号の説明】
１ 三相交流電源
２ 三相交流リアクトル
３ 三相交流キャパシタ
４ 双方向スイッチ群
５ モータ
６ 三相交流リアクトル
７ ＰＷＭコンバータ
８ 直流電圧源
９1 、９2、９3 入力電流信号
１０ 電流検出用ＣＴ
１１ 電流検出用ＣＴ
１２1〜１２3 補正電流信号
１３ ダイオード整流器
１４ 平滑キャパシタ
１５1〜１５9 スナバ回路
１６ スナバ用ダイオード群
１７ スナバ用ダイオード群
１８ ダンピング抵抗[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in input current of a PWM cycloconverter that realizes an arbitrary current waveform and suppresses input current distortion by using a PWM converter connected to an input section of the PWM cycloconverter.
[0002]
[Prior art]
The PWM cycloconverter is an AC-AC direct power converter that directly converts a three-phase AC power supply voltage into an arbitrary voltage / frequency. The PWM cycloconverter is based on the principle that a pulsed current flows through the input portion of the power semiconductor element. In order not to return the pulse current to the power supply system, an AC reactor and an AC capacitor are generally used to provide a low-pass filter. However, when a current flows through the filter, the reactor and the capacitor cause a resonance phenomenon, and a resonant current flows through the input section. This resonance current deteriorates the distortion rate of the input current. Further, when the PWM cycloconverter is not operating, a current flows through the capacitor and thus a resonance current is also generated.
As a conventional example of a method for suppressing this resonance current, there is a method in which a resistor is provided in parallel with an AC reactor for damping. This conventional example is shown in FIG. In FIG. 6, 1 is a three-phase AC power source, 2 is a three-phase AC reactor, 3 is a three-phase AC capacitor, 4 is a bidirectional switch group, 5 is a motor, and 18 is a damping resistor.
Next, the configuration will be described so that the connection relationship of FIG. 6 can be understood. The damping resistor 18 is connected in parallel with the three-phase AC reactor 2. One end of the damping resistor 18 is connected to the three-phase AC power source, and the other end is connected to the three-phase AC capacitor 3. The other end of the three-phase AC capacitor 3 is connected to each phase terminal on the input side (power supply side) of the bidirectional switch group 4. The output terminal side (load side) of the bidirectional switch group 4 is connected to a motor 5 serving as a load. The three-phase AC reactors 2 and 3 are LC low-pass filters. The damping resistor 18 consumes the input current harmonic component as a loss.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the damping method using the above-described resistor, a loss occurs because the damping is performed using the heat loss of the resistor, the energy efficiency is deteriorated, and the life of the PWM cycloconverter that is a power converter is also affected. .
The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is (1) suppressing the resonance current of the PWM cycloconverter and improving the input current waveform, and (2) the main circuit of the PWM cycloconverter. The object is to regenerate the surge energy generated during switching of the bidirectional semiconductor switching element to be regenerated in the power system.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a first three-phase AC reactor (2) in which one end of each phase is connected to a three-phase AC power source (1), and the first three-phase AC reactor (2). A three-phase AC capacitor (3) connected between the respective phases at the other end, and a bidirectional switch (4) having a self-extinguishing capability in which one end is connected to each phase via the three-phase AC capacitor (3). And a snubber circuit (15 1 to 15 9 ), a PWM converter (7) connected to a DC voltage system, and a second three-phase AC reactor (6) having one end connected to the output side of the PWM converter (7) And the other end of the second three-phase AC reactor (6) is connected to the input side of the bidirectional switch (4) to regenerate the surge energy generated during switching of the bidirectional switch (4) to the power system. Output any AC or DC voltage. In the PWM cycloconverter that
The snubber circuit (15 1 to 15 9 ) is a direct current clamp type snubber circuit, the direct current side of the direct current clamp type snubber circuit is connected to the direct current side of the PWM converter (7), and the direct current of the PWM converter (7) is connected. The second three-phase AC reactor (6) is connected to the other side of the first three-phase AC reactor (2) instead of the three-phase AC power source (1) side. Connected to the other end side, the resonance current generated by the first three-phase AC reactor (2) and the three-phase AC capacitor (3) is suppressed.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
FIG. 1 shows a system configuration using a PWM converter using a PWM cycloconverter and a DC voltage source for implementing the present invention. FIG. 2 shows a system configuration of a PWM converter using a PWM cycloconverter and a diode rectifier circuit for carrying out the present invention. FIG. 3 shows a system configuration of a PWM converter using a DC voltage source created from a PWM cycloconverter and a snubber circuit for carrying out the present invention. FIG. 4 shows an example of a snubber circuit configuration diagram for carrying out the present invention. FIG. 5 shows an example of a snubber circuit configuration diagram for carrying out the present invention.
[0006]
First, referring to FIG. 1, the PWM cycloconverter is directly connected using a total of nine bidirectional semiconductor switch groups 4 between the three-phase AC power source 1 and the three-phase output that is the input current of the motor 5, and the AC source voltage is Arbitrary frequencies and voltages can be output without conversion to direct current. However, a pulsed current flows through the input stage of the bidirectional semiconductor switch group 4. Therefore, a filter is created using the three-phase AC reactor 2 and the three-phase AC capacitor 3. In the present invention, a DC power supply 8 that is a DC voltage system power supply is provided separately from the AC power supply 1, a small PWM converter 7 is provided, and current is supplied to the input portion of the PWM cycloconverter. The resonance current due to the filter can be suppressed. As the current suppression means, the input current signal 9 detected using the current detection CT 10 is input to the control unit of the PWM converter 7 and compared with an arbitrary current waveform desired to be realized by the PWM cycloconverter. By supplying it, an ideal input current waveform is realized.
[0007]
Further, the control performance can be improved by detecting the correction current signal 12. As an example of the correction method, when the control target is only the resonance current among the harmonic components of the input current, the input current signal 9 is compared with the ideal sine wave, and if the correction current is supplied from the PWM converter 7, the resonance current can be suppressed. realizable. In this case, the resonance current depends on the filter design, but the current value is sufficiently small compared to the entire input current. Therefore, the current capacity of the PWM converter 7 may be small, and the burden is small in terms of cost.
[0008]
FIG. 2 shows a configuration in which the PWM converter 7 is driven using a DC power source that is three-phase full-wave rectified using a diode rectifier 13 and smoothed using a smoothing capacitor 14 instead of the DC power source 8 shown in FIG. First, when PWM output is performed by the bidirectional switch group 4, a resonance phenomenon is generated by the three-phase AC reactor 2 and the three-phase AC capacitor 3, and the voltage of the three-phase AC capacitor 3 is greatly disturbed. Next, this resonant voltage is rectified by the diode rectifier 13 and stored in the smoothing capacitor 14. Then, the resonance current of the three-phase AC capacitor 3 is suppressed by using the PWM converter 7 by the energy. That is, it is possible to absorb the resonance energy of the input filter, suppress the resonance current with the energy, and improve the distortion of the input current.
[0009]
FIG. 3 uses a DC clamp type snubber circuit 15 instead of the DC power supply 8 of FIG. 1 and the diode rectifier 13 of FIG. In some cases, a DC clamp type snubber circuit is used as a protection device for a bidirectional semiconductor switch in a PWM cycloconverter. The circuit configuration of the snubber circuit 15 in FIG. 3 is shown in FIGS. 4 and 5, and configurations such as the snubber diode group 16 and the snubber diode group 17 can be considered. By using this snubber circuit 14 as the DC power supply voltage of the PWM converter 7 of this patent, it can be used as a correction current without wasting energy due to a surge generated during switching, and higher efficiency can be realized in the entire system. . By using this patent, higher-performance input current control can be realized without causing a loss in such a resistor.
[0010]
【The invention's effect】
As described above, the present invention directly connects each phase of the AC power supply and each phase on the output side with a bidirectional switch having a self-extinguishing capability, and performs PWM control of the AC power supply voltage according to the output voltage command, In a PWM cycloconverter that outputs arbitrary AC and DC voltages, a PWM converter device connected to a DC voltage system is included, and the output section of the PWM converter device is connected to the input power supply side of the PWM cycloconverter. The resonance current of the cycloconverter can be suppressed and the input current waveform can be easily improved. In addition, surge energy generated during switching of the bidirectional semiconductor switching element constituting the main circuit of the PWM cycloconverter can be regenerated in the power system.
Originally, the PWM cycloconverter can control the input current waveform on the principle. However, since it is directly connected to the output unit by a bidirectional semiconductor switch, the output current must be controlled at the same time. As a result, the input current control performance is limited. This patent relates to an auxiliary device for enhancing the control performance of such a PWM cycloconverter, and input current control can be easily realized by diverting a general PWM converter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a system configuration using a PWM converter using a PWM cycloconverter and a DC voltage source for implementing the present invention.
FIG. 2 shows a system configuration of a PWM converter using a PWM cycloconverter and a diode rectifier circuit for carrying out the present invention.
FIG. 3 shows a system configuration of a PWM converter using a DC voltage source created from a PWM cycloconverter and a snubber circuit for implementing the present invention.
FIG. 4 shows an example of a snubber circuit configuration diagram for carrying out the present invention.
FIG. 5 shows an example of a snubber circuit configuration diagram for carrying out the present invention.
FIG. 6 shows an example of a system configuration and filter resonance suppression of a conventional PWM cycloconverter.
[Explanation of symbols]
1 Three-phase AC power supply 2 Three-phase AC reactor 3 Three-phase AC capacitor 4 Bidirectional switch group 5 Motor 6 Three-phase AC reactor 7 PWM converter 8 DC voltage source 9 1 , 9 2 , 9 3 Input current signal 10 Current detection CT
11 CT for current detection
12 1 to 12 3 Correction current signal 13 Diode rectifier 14 Smoothing capacitor 15 1 to 15 9 Snubber circuit 16 Snubber diode group 17 Snubber diode group 18 Damping resistor

Claims (1)

各相の一端が三相交流電源（１）に接続された第一の三相交流リアクトル（２）と、前記第一の三相交流リアクトル（２）の他端の各相間に接続された三相交流キャパシタ（３）と、前記三相交流キャパシタ（３）を介して各相に一端がそれぞれ接続された自己消弧能力をもつ双方向スイッチ（４）とスナバ回路（１５A first three-phase AC reactor (2) in which one end of each phase is connected to a three-phase AC power source (1), and three connected between the other phases of the first three-phase AC reactor (2). A phase AC capacitor (3), a bidirectional switch (4) having a self-extinguishing capability, one end of which is connected to each phase via the three-phase AC capacitor (3), and a snubber circuit (15 １1 〜１５~ 15 ９9 ）と、直流電圧系統に接続されたＰＷＭコンバータ（７）と、前記ＰＷＭコンバータ（７）の出力側に一端を接続した第二の三相交流リアクトル（６）と、前記第二の三相交流リアクトル（６）の他端を前記双方向スイッチ（４）の入力側に接続して前記双方向スイッチ（４）のスイッチング時に発生したサージエネルギーを電力系統に回生し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、), A PWM converter (7) connected to a DC voltage system, a second three-phase AC reactor (6) having one end connected to the output side of the PWM converter (7), and the second three-phase AC The other end of the reactor (6) is connected to the input side of the bidirectional switch (4) to regenerate the surge energy generated at the time of switching of the bidirectional switch (4) to the power system, and to generate arbitrary AC and DC voltage. In the PWM cycloconverter that outputs,
前記スナバ回路（１５  The snubber circuit (15 １1 〜１５~ 15 ９9 ）を直流クランプ型のスナバ回路とし、直流クランプ型のスナバ回路の直流側を前記ＰＷＭコンバータ（７）の直流側に接続し、前記ＰＷＭコンバータ（７）の直流側に接続した平滑キャパシタ（１４）を備え、 前記第二の三相交流リアクトル（６）の他端を前記三相交流電源（１）側ではなく前記第一の三相交流リアクトル（２）の他端側に接続し、前記第一の三相交流リアクトル（２）と前記三相交流キャパシタ（３）により生じる共振電流を抑制することを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。) Is a DC clamp type snubber circuit, the DC side of the DC clamp type snubber circuit is connected to the DC side of the PWM converter (7), and the smoothing capacitor (14) connected to the DC side of the PWM converter (7) The other end of the second three-phase AC reactor (6) is connected to the other end side of the first three-phase AC reactor (2) instead of the three-phase AC power source (1) side, A PWM cycloconverter characterized by suppressing a resonance current generated by one three-phase AC reactor (2) and the three-phase AC capacitor (3).
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