JP5049964B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、交流電力を直流電力に変換するコンバータに関するものである。   The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a converter that converts AC power into DC power.

従来の電力変換装置として、ＧＴＯなどの自己消弧能力をもつ半導体素子によって構成されるＰＷＭコンバータは、電源電圧の極性、電流の極性、大きさにかかわらずスイッチングが可能であり、力行では力率１、回生では力率−１に制御できる（例えば、非特許文献１参照）。   As a conventional power converter, a PWM converter composed of a semiconductor element having a self-extinguishing capability such as GTO can be switched regardless of the polarity of the power supply voltage, the polarity of the current, and the magnitude. 1. In regeneration, it can be controlled to a power factor of -1 (see, for example, Non-Patent Document 1).

「最新 電気鉄道工学」（電気学会 電気鉄道における調査専門委員会 2000/9/11発行 コロナ社）Ｐ６０〜６７"Latest Electric Railway Engineering" (The Institute of Electrical Engineers, Research Committee on Electric Railway 2000/9/11, Corona) P60-67

しかしながら、従来のＰＷＭコンバータでは、電圧が大きいパルスのＰＷＭ制御により交流入力端子に電圧を発生させる。波形形成のための歪みを無くし高調波を抑制しようとすると、系統のリアクトルを大きくするかスイッチング回数を増やすことになる。しかしながら、リアクトルを大きくすると装置が大型化し、スイッチング回数を増やすと、電力損失が増え、電磁ノイズも増加する。また、スイッチング回数を減らすと、電流歪みが大きくなり、系統に高調波電流が発生するという問題点があった。   However, in the conventional PWM converter, a voltage is generated at the AC input terminal by PWM control of a pulse having a large voltage. In order to eliminate distortion for waveform formation and suppress harmonics, the reactor of the system is increased or the number of times of switching is increased. However, when the reactor is increased, the apparatus becomes larger, and when the number of times of switching is increased, power loss increases and electromagnetic noise also increases. In addition, when the number of times of switching is reduced, current distortion increases, and there is a problem that harmonic current is generated in the system.

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、交流電力を直流電力に変換し回生時にも電力制御可能なコンバータであって、高調波を抑制すると共に電力損失および電磁ノイズが低減された、変換効率が高く小型化が促進された電力変換装置を提供し、さらにこのような電力変換装置の直流電力を蓄積する電力貯蔵器を容易に信頼性よく初期充電することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a converter capable of converting AC power into DC power and controlling the power even during regeneration, suppressing harmonics and power. Provided a power conversion device with reduced conversion loss and electromagnetic noise, high conversion efficiency and facilitated miniaturization, and also easy and reliable initial charging of a power storage unit that stores DC power of such power conversion device The purpose is to do.

この発明による電力変換装置は、それぞれ直流側に直流電圧が異なる電力貯蔵器を有して交流電源からの交流電力を直流電力に変換し上記各電力貯蔵器に出力するメインコンバータおよびサブコンバータを、該サブコンバータを上記メインコンバータと上記交流電源との間に配置して直列接続した電力変換器と、上記電力変換器と上記交流電源との間に接続された充電用抵抗とを備える。上記電力変換器は、上記メインコンバータが交流側に発生する相電圧と上記サブコンバータが交流側に発生する相電圧との和である該電力変換器の相電圧が、上記交流電源の相電圧と同じになるように動作する。そして、上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて、少なくとも上記サブコンバータの電力貯蔵器を充電するものである。 The power conversion device according to the present invention includes a main converter and a sub-converter each having a power storage unit having a different DC voltage on the DC side, converting AC power from an AC power source into DC power, and outputting the DC power to the power storage units. A power converter in which the sub-converter is disposed between the main converter and the AC power supply and connected in series; and a charging resistor connected between the power converter and the AC power supply. In the power converter, the phase voltage of the power converter, which is the sum of the phase voltage generated on the AC side by the main converter and the phase voltage generated on the AC side by the sub-converter, is the phase voltage of the AC power source. Works to be the same. And at the time of the initial charge of each said electric power storage, the electric power storage of at least the said sub-converter is charged in the electric current path | route via the said resistance for charging from the said AC power supply by control of the said main converter and the said sub-converter. is there.

このような電力変換装置では、メインコンバータおよびサブコンバータの各交流入力端子に発生する電圧の和で交流入力側に電圧発生することになる。このようにメインコンバータとサブコンバータとで電圧を分担できるため、電圧が大きいパルスを高い周波数でスイッチングして発生させる必要が無く、電力損失および電磁ノイズが低減される。このため、高調波の抑制と電力損失および電磁ノイズの低減とが図れる。さらに、充電用抵抗を介してサブコンバータの電力貯蔵器を初期充電するため、電力貯蔵器に流れる突入電流が防止でき、容易で信頼性よく電力貯蔵器を初期充電できる。 In such a power conversion device, a voltage generated in the sum at the AC input side of the voltage generated in the AC input terminal of the main converter and the sub converter. Since the main converter and the sub-converter can share the voltage in this way, it is not necessary to generate a high voltage pulse by switching at a high frequency, and power loss and electromagnetic noise are reduced. For this reason, it is possible to suppress harmonics and reduce power loss and electromagnetic noise. Further, since the initial charging power reservoir sub-converter via a charging resistance, it can prevent rush current flowing to the power reservoir, easy and reliable good power reservoir may initially charged.

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成図である。It is a block diagram of the power converter device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態１によるサブコンバータの回路図である。1 is a circuit diagram of a sub-converter according to Embodiment 1 of the present invention. この発明の実施の形態１によるフィルタコンデンサの初期充電を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the initial stage charge of the filter capacitor by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態１によるサブコンバータのフィルタコンデンサの充電を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining charge of the filter capacitor of the sub-converter by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態１によるメインコンバータのフィルタコンデンサの充電を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining charge of the filter capacitor of the main converter by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態２によるフィルタコンデンサの初期充電を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the initial stage charge of the filter capacitor by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態２の別例によるフィルタコンデンサの初期充電を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the initial charge of the filter capacitor by another example of Embodiment 2 of this invention. 図７で示すフィルタコンデンサの充電を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining charge of the filter capacitor shown in FIG. この発明の実施の形態２の別例による電力変換装置の構成図である。It is a block diagram of the power converter device by another example of Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３による電力変換装置の構成図である。It is a block diagram of the power converter device by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態３による電力変換装置の各コンバータの出力論理と出力階調（電圧レベル）とを示す図である。It is a figure which shows the output logic and output gradation (voltage level) of each converter of the power converter device by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態３による電力変換装置の各コンバータの電圧波形である。It is a voltage waveform of each converter of the power converter device by Embodiment 3 of this invention.

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。これは、モータ、電灯などの負荷又は交流系統などに交流電力を供給する電力変換装置の中間直流電圧の形成に適用される。この電力変換装置は中間直流電圧としてのフィルタコンデンサの直流電圧を維持するため、交流系統と直流電圧リンク間で電力変換を行い、そのため交流系統側に系統電圧と同じ電圧を出力するようにスイッチングする。 Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, a power converter according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. This is applied to the formation of an intermediate DC voltage of a power converter that supplies AC power to a load such as a motor or a lamp or an AC system. In order to maintain the DC voltage of the filter capacitor as an intermediate DC voltage, this power conversion device performs power conversion between the AC system and the DC voltage link, and therefore switches to output the same voltage as the system voltage to the AC system side. .

図１に示すように、電力変換装置は、三相２レベルコンバータから成るメインコンバータ２の各相交流入力線９に単相のサブコンバータ３の交流側をそれぞれ直列接続して構成した電力変換器７にて構成される。メインコンバータ２および各サブコンバータ３は直流出力側に電力貯蔵器としてのフィルタコンデンサ４、５を備える。メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４の直流電圧は、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の直流電圧より大きいものとする。電力変換器７は、交流電源としての三相交流の系統電源１から系統のリアクトル６を通して供給された交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４に供給する。８は、例えばモータ負荷とそれを駆動するインバータ、あるいは直流負荷である。
また、各相交流入力線９におけるサブコンバータ３と系統電源１との間には、切り換えスイッチとしてのメイン上位スイッチ２１を備え、第２のスイッチとしてのサブ上位スイッチ２２と充電用抵抗２３とを直列接続した直列回路がメイン上位スイッチ２１に並列に接続される。 As shown in FIG. 1, the power converter is a power converter configured by connecting each phase AC input line 9 of a main converter 2 composed of a three-phase two-level converter to the AC side of a single-phase sub-converter 3 in series. 7. The main converter 2 and each sub-converter 3 include filter capacitors 4 and 5 as power storages on the DC output side. It is assumed that the DC voltage of the filter capacitor 4 of the main converter 2 is larger than the DC voltage of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3. The power converter 7 converts the AC power supplied from the three-phase AC system power source 1 as the AC power source through the reactor 6 of the system into DC power, and supplies this DC power to the filter capacitor 4 of the main converter 2. Reference numeral 8 denotes, for example, a motor load and an inverter for driving the motor load or a DC load.
Further, a main upper switch 21 as a changeover switch is provided between the sub-converter 3 and the system power supply 1 in each phase AC input line 9, and a sub upper switch 22 and a charging resistor 23 as a second switch are provided. A series circuit connected in series is connected to the main upper switch 21 in parallel.

メインコンバータ２は、ダイオードを逆並列に接続した複数個のＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子とフィルタコンデンサ４とで構成された三相２レベルコンバータである。また、サブコンバータ３は、図２に示すように、ダイオード１２を逆並列に接続した複数個のＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子１１のフルブリッジとフィルタコンデンサ５で構成される。自己消弧型半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ以外にも、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でも、また自己消弧機能がないサイリスタ等でも強制転流動作が可能であればよい。
フィルタコンデンサ４の電圧とフィルタコンデンサ５の電圧の比は、例えば、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１であり、製品仕様に合わせて用いられる。
フィルタコンデンサ４、５の代わりに電力を貯蔵する電池等を電力貯蔵器に用いても良く、同様な効果が得られる。 The main converter 2 is a three-phase two-level converter including a plurality of self-extinguishing semiconductor switching elements such as IGBTs and diodes connected in antiparallel, and a filter capacitor 4. Further, as shown in FIG. 2, the sub-converter 3 includes a full bridge of a plurality of self-extinguishing semiconductor switching elements 11 such as IGBTs having diodes 12 connected in antiparallel and a filter capacitor 5. The self-extinguishing type semiconductor switching element may be a GCT, GTO, transistor, MOSFET, or the like, or a thyristor without a self-extinguishing function, as long as it can perform forced commutation operation.
The ratio of the voltage of the filter capacitor 4 and the voltage of the filter capacitor 5 is, for example, 2: 1, 3: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1, and is used according to the product specifications.
Instead of the filter capacitors 4 and 5, a battery or the like that stores power may be used for the power storage, and the same effect can be obtained.

このように構成される電力変換装置は、メインコンバータ２とサブコンバータ３とを直列接続して電力変換器７を構成して各コンバータ２、３の相電圧の和で電力変換器７の相電圧を発生するため、大きな電圧のパルスを高いスイッチング周波数で発生させる必要がなく、系統のリアクトルを大きくすることなく高調波を抑制でき、電力損失および電磁ノイズも低減できる。このため、変換効率が高く小型化が促進された電力変換装置が得られる。
なお、メインコンバータ２とサブコンバータ３は出力したい電圧に対してパルス幅の変調制御出力、いわゆる、ＰＷＭ出力を行っても良い。出力に小さなフィルタをおくことで、電圧出力の精度が向上させることが出来、電圧や電流の高調波を抑制できる。
特に電圧が高いメインコンバータは出力パルス数を少なくし、電圧が低いサブコンバータはＰＷＭ出力すると、変換効率の向上と高調波抑制の両立が出来、効果的である。
また、電力変換器７が回生運転をしない場合、図１で示すメインコンバータ２に替わってダイオードのフルブリッジ構成のメインコンバータを用いて電力変換器を構成してもよく、安価を実現できる。この場合も、サブコンバータ３をＰＷＭ制御することで、高調波の抑制ができる。 The power conversion device configured as described above includes a main converter 2 and a sub-converter 3 connected in series to form a power converter 7, and the phase voltage of the power converter 7 is the sum of the phase voltages of the converters 2 and 3. Therefore, it is not necessary to generate a large voltage pulse at a high switching frequency, harmonics can be suppressed without increasing the reactor of the system, and power loss and electromagnetic noise can be reduced. For this reason, the power converter device with which conversion efficiency was high and size reduction was promoted is obtained.
Note that the main converter 2 and the sub-converter 3 may perform a pulse width modulation control output, that is, a so-called PWM output, on the voltage to be output. By placing a small filter in the output, the accuracy of voltage output can be improved, and harmonics of voltage and current can be suppressed.
In particular, if the main converter with a high voltage reduces the number of output pulses and the sub-converter with a low voltage outputs PWM, it is possible to improve both conversion efficiency and suppress harmonics, which is effective.
When the power converter 7 does not perform regenerative operation, the power converter may be configured using a main converter having a full bridge configuration of diodes instead of the main converter 2 shown in FIG. Also in this case, harmonics can be suppressed by PWM control of the sub-converter 3.

次に、電力変換装置の起動時におけるフィルタコンデンサ４、５の初期充電について以下に示す。
各相交流入力線９におけるサブコンバータ３と系統電源１との間に設けられた、メイン上位スイッチ２１、サブ上位スイッチ２２および充電用抵抗２３は、メインコンバータ２とサブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５の初期充電用抵抗回路を構成する。充電用抵抗２３は、数kΩであり、サブ上位スイッチ２２は小容量のコンタクタ又はリレーである。 Next, initial charging of the filter capacitors 4 and 5 at the time of starting the power conversion device will be described below.
The main upper switch 21, the sub upper switch 22 and the charging resistor 23 provided between the sub-converter 3 and the system power source 1 in each phase AC input line 9 are the filter capacitor 4 of the main converter 2 and the sub-converter 3, 5 is formed. The charging resistor 23 is several kΩ, and the sub upper switch 22 is a small-capacity contactor or relay.

図３は、フィルタコンデンサ４、５の初期充電を示すフローチャートである。
まず、電力変換装置の起動時に、メイン上位スイッチ２１およびサブ上位スイッチ２２が遮断され、フィルタコンデンサ４、５が充電されていない状態で（ステップｓ１）、サブ上位スイッチ２２を投入し、突入電流を抑えながらサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電する。このとき、メインコンバータ２の全ての上部アームのみまたは全ての下部アームのみをオンにして、図４（ａ）に示すように、系統電源１から充電用抵抗２３を介する電流経路によりサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電する。なお、便宜上、図４では、Ｒ相からＳ相に流れる電流でＲ相のサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５が充電される場合を示すが、他の相の場合も同様である。サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の充電電圧が目標値を越えると、サブコンバータ３のスイッチ状態を変えて、図４（ｂ）に示す電流経路によりサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を放電し、図に示す充電モードと放電モードと繰り返して充電電圧を目標値に近づける（ステップｓ２）。 FIG. 3 is a flowchart showing initial charging of the filter capacitors 4 and 5.
First, when the power converter is activated, the main upper switch 21 and the sub upper switch 22 are cut off and the filter capacitors 4 and 5 are not charged (step s1). While being suppressed, the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is charged. At this time, only all the upper arms or only all the lower arms of the main converter 2 are turned on, and as shown in FIG. 4A, the sub-converter 3 is connected to the sub-converter 3 by a current path from the system power supply 1 through the charging resistor 23. The filter capacitor 5 is charged. For convenience, FIG. 4 shows the case where the filter capacitor 5 of the R-phase sub-converter 3 is charged with the current flowing from the R-phase to the S-phase, but the same applies to the other phases. When the charging voltage of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 exceeds the target value, the switch state of the sub-converter 3 is changed, and the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is discharged through the current path shown in FIG. The charging voltage and the discharging mode shown are repeated to bring the charging voltage closer to the target value (step s2).

次に、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の充電が完了したか判定し（ステップｓ３）、充電が完了するとメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電する。このとき、サブコンバータ３においてフィルタコンデンサ５に電流が流れないスイッチ状態（以下、スルーモード）にして、図５（ａ）に示すように、メインコンバータ２のスイッチ状態を全オフにして系統電源１から充電用抵抗２３を介する電流経路によりメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電する。なお、便宜上、図５では、Ｒ相からＳ相に流れる電流でメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４が充電される場合を示すが、他の相の場合も同様である。この場合、メインコンバータ２のスイッチ状態を変えて、図５（ｂ）に示す電流経路によりメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を放電する放電モードを用い、図に示す充電モードと放電モードと繰り返して充電電圧を目標値に近づける（ステップｓ４）。
次に、メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４の充電が完了したか判定し（ステップｓ５）、充電が完了すると、サブ上位スイッチ２２を遮断すると共にメイン上位スイッチ２１を投入して、電力変換装置の運転を開始する（ステップｓ６）。 Next, it is determined whether charging of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is completed (step s3). When charging is completed, the filter capacitor 4 of the main converter 2 is charged. At this time, the sub-converter 3 is switched to a switch state in which no current flows through the filter capacitor 5 (hereinafter referred to as a through mode), and the switch state of the main converter 2 is completely turned off as shown in FIG. To the filter capacitor 4 of the main converter 2 through the current path via the charging resistor 23. For convenience, FIG. 5 shows a case where the filter capacitor 4 of the main converter 2 is charged with a current flowing from the R phase to the S phase, but the same applies to the other phases. In this case, the switch state of the main converter 2 is changed and the discharge mode in which the filter capacitor 4 of the main converter 2 is discharged by the current path shown in FIG. 5B is used, and charging is repeated between the charge mode and the discharge mode shown in the figure. The voltage is brought close to the target value (step s4).
Next, it is determined whether the charging of the filter capacitor 4 of the main converter 2 is completed (step s5). When the charging is completed, the sub upper switch 22 is shut off and the main upper switch 21 is turned on to operate the power converter. Is started (step s6).

このように、メインコンバータ２およびサブコンバータ３の制御により、系統電源１から充電用抵抗２３を介する電流経路にてメインコンバータ２とサブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５の初期充電を行うため、各フィルタコンデンサ４、５に流れる突入電流を抑制でき、信頼性よく初期充電できる。   In this way, the initial charging of the filter capacitors 4 and 5 of the main converter 2 and the sub-converter 3 is performed by the control of the main converter 2 and the sub-converter 3 through the current path from the system power supply 1 through the charging resistor 23. Inrush current flowing through the filter capacitors 4 and 5 can be suppressed, and initial charging can be performed with high reliability.

なお、上記初期充電のフローにおいて、ステップｓ４、ｓ５にてメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電する際、ステップｓ５において、所定の時間経過、あるいは所定の割合でフィルタコンデンサ４の電圧が充電されると、ステップｓ６に示すように、サブ上位スイッチ２２を遮断すると共にメイン上位スイッチ２１を投入して電力変換装置を運転させることにより、フィルタコンデンサ４の残りの電圧を充電してもよい。この場合、サブコンバータ２の制御により電流を抑えるよう電流制御してフィルタコンデンサ４を目標電圧まで充電する。このようにメイン上位スイッチ２１を投入して充電用抵抗２３を介することなく充電するため、高速充電が可能になる。   In the initial charging flow, when the filter capacitor 4 of the main converter 2 is charged in steps s4 and s5, the voltage of the filter capacitor 4 is charged at a predetermined time or at a predetermined rate in step s5. Then, as shown in step s6, the remaining voltage of the filter capacitor 4 may be charged by shutting off the sub host switch 22 and turning on the main host switch 21 to operate the power converter. In this case, the filter capacitor 4 is charged to the target voltage by controlling the current so as to suppress the current by the control of the sub-converter 2. In this way, since the main upper switch 21 is turned on and charging is performed without going through the charging resistor 23, high-speed charging becomes possible.

また、回路断路がさらに上位のスイッチによりなされる場合は、サブ上位スイッチ２２は無くても良い。   Further, when the circuit disconnection is performed by a higher-order switch, the sub-higher-order switch 22 may not be provided.

実施の形態２．
上記実施の形態１では、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電した後、メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電することを説明したが、この実施の形態２では、図６のフローチャートに示すようにメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電した後、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電する。
まず、メイン上位スイッチ２１およびサブ上位スイッチ２２が遮断され、フィルタコンデンサ４、５が充電されていない状態で（ステップｓｓ１）、サブ上位スイッチ２２を投入し、突入電流を抑えながらメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電する（ステップｓｓ１、図５参照）。
次に、メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４の充電が完了したか判定し（ステップｓｓ３）、充電が完了するとサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電する（ステップｓｓ４、図４参照）。
次に、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の充電が完了したか判定し（ステップｓｓ５）、充電が完了すると、サブ上位スイッチ２２を遮断すると共にメイン上位スイッチ２１を投入して、電力変換装置の運転を開始する（ステップｓｓ６）。 Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, it has been described that the filter capacitor 5 of the main converter 2 is charged after the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is charged. In the second embodiment, as shown in the flowchart of FIG. After charging the filter capacitor 4 of the main converter 2, the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is charged.
First, in a state where the main upper switch 21 and the sub upper switch 22 are cut off and the filter capacitors 4 and 5 are not charged (step ss1), the sub upper switch 22 is turned on and the filter of the main converter 2 is suppressed while suppressing the inrush current. The capacitor 4 is charged (see step ss1, FIG. 5).
Next, it is determined whether charging of the filter capacitor 4 of the main converter 2 is completed (step ss3). When charging is completed, the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is charged (step ss4, see FIG. 4).
Next, it is determined whether or not the charging of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is completed (step ss5). When the charging is completed, the sub upper switch 22 is shut off and the main upper switch 21 is turned on to operate the power converter. Is started (step ss6).

さらに、メインコンバータ２、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５を、例えば図７のフローチャートに示すように同時に充電しても良い。この場合も、充電モードと放電モードを切り替えながらメインコンバータ２とサブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５の充電を同時に行う。
まず、メイン上位スイッチ２１およびサブ上位スイッチ２２が遮断され、フィルタコンデンサ４、５が充電されていない状態で（ステップｔ１）、サブ上位スイッチ２２を投入し、突入電流を抑えながらメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４とサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を同時に充電する。このとき、図８（ａ）に示すように、メインコンバータ２のスイッチ状態を全オフにして系統電源１から充電用抵抗２３を介する電流経路により、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５およびメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を充電する。なお、便宜上、図８では、Ｒ相からＳ相に流れる電流でＲ相のサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５とメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４とが充電される場合を示すが、他の相の場合も同様である（ステップｔ２）。 Further, the filter capacitors 4 and 5 of the main converter 2 and the sub-converter 3 may be charged at the same time as shown in the flowchart of FIG. Also in this case, the filter capacitors 4 and 5 of the main converter 2 and the sub-converter 3 are simultaneously charged while switching between the charge mode and the discharge mode.
First, in a state where the main upper switch 21 and the sub upper switch 22 are cut off and the filter capacitors 4 and 5 are not charged (step t1), the sub upper switch 22 is turned on and the filter of the main converter 2 is suppressed while suppressing the inrush current. The capacitor 4 and the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 are charged simultaneously. At this time, as shown in FIG. 8A, the switch state of the main converter 2 is completely turned off, and the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 and the main converter 2 are connected by a current path from the system power supply 1 through the charging resistor 23. The filter capacitor 4 is charged. For convenience, FIG. 8 shows a case where the filter capacitor 5 of the R-phase sub-converter 3 and the filter capacitor 4 of the main converter 2 are charged by the current flowing from the R-phase to the S-phase. The same applies to (Step t2).

次に、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の充電が完了したか判定し（ステップｔ３）、充電が未完了の場合、続いてメインコンバータ２のフィルタコンデンサ５の充電が完了したか判定し（ステップｔ４）、充電が未完了であるとステップｔ２に戻り、メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４とサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５との同時充電を継続する。
ステップｔ３において、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の充電が完了すると、サブコンバータ３のスイッチ状態をスルーモードにし、図８（ｂ）に示す電流経路により、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５は充電せずにメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４のみ充電する。次にメインコンバータ２のフィルタコンデンサ５の充電が完了したか判定し（ステップｔ６）、充電が完了すると、サブ上位スイッチ２２を遮断すると共にメイン上位スイッチ２１を投入して、電力変換装置の運転を開始する（ステップｔ７）。
ステップｔ４において、メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４の充電が完了した場合、メインコンバータ２のフィルタコンデンサ４は充電、放電を繰り返しながら、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電する。このとき、図８（ｃ）に示す電流経路によりメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を放電する放電モードを用い、図８（ａ）に示す充電モードと該放電モードとを繰り返して充電電圧を目標値に近づける（ステップｔ８）。そして、サブコンバータ３のフィルタコンデンサ５の充電が完了したか判定し（ステップｔ９）、充電が完了すると、ステップｔ７に移り、サブ上位スイッチ２２を遮断すると共にメイン上位スイッチ２１を投入して、電力変換装置の運転を開始する。 Next, it is determined whether charging of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 has been completed (step t3). If charging has not been completed, it is subsequently determined whether charging of the filter capacitor 5 of the main converter 2 has been completed (step t4). If the charging is not completed, the process returns to step t2, and the simultaneous charging of the filter capacitor 4 of the main converter 2 and the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is continued.
When charging of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is completed in step t3, the switch state of the sub-converter 3 is set to the through mode, and the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is not charged by the current path shown in FIG. Only the filter capacitor 4 of the main converter 2 is charged. Next, it is determined whether the charging of the filter capacitor 5 of the main converter 2 is completed (step t6). When the charging is completed, the sub host switch 22 is shut off and the main host switch 21 is turned on to operate the power converter. Start (step t7).
When charging of the filter capacitor 4 of the main converter 2 is completed at step t4, the filter capacitor 4 of the main converter 2 charges the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 while repeating charging and discharging. At this time, using the discharge mode in which the filter capacitor 4 of the main converter 2 is discharged by the current path shown in FIG. 8C, the charge mode shown in FIG. 8A and the discharge mode are repeated to set the charge voltage to the target value. (Step t8). Then, it is determined whether the charging of the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 is completed (step t9). When the charging is completed, the process proceeds to step t7 where the sub upper switch 22 is shut off and the main upper switch 21 is turned on. Start operation of the converter.

この実施の形態２においても、メインコンバータ２およびサブコンバータ３の制御により、系統電源１から充電用抵抗２３を介する電流経路にてメインコンバータ２とサブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５の初期充電を行うため、各フィルタコンデンサ４、５に流れる突入電流を抑制でき、信頼性よく初期充電できる。   Also in the second embodiment, the main converter 2 and the sub-converter 3 are controlled so that the main capacitors 2 and the filter capacitors 4 and 5 of the sub-converter 3 are initially charged from the system power source 1 through the charging resistor 23. Therefore, the inrush current flowing through the filter capacitors 4 and 5 can be suppressed, and initial charging can be performed with high reliability.

次に、通常の運転停止や事故・過負荷運転での電力変換装置の停止動作について説明する。最初にメイン上位スイッチ２１は接点開極し、アーク電圧は発生する。そして電流は限流され、自然電流零点で遮断される。その後、電流はサブ上位スイッチ２２と充電用抵抗２３の並列回路に転流されるので、メイン上位スイッチ２１の接点間にかかる回路回復電圧は低くなる。そして充電用抵抗２３によりサブ上位スイッチ２２に流れる電流は抑えられ、遮断時の回路回復電圧の振動を小さくできるので、容易にサブ上位スイッチ２２は電流遮断ができる。
このように回路遮断の性能が大幅に向上する他、遮断時の断路サージを充電用抵抗２３により抑制することが出来る。 Next, a stop operation of the power conversion device in a normal operation stop or accident / overload operation will be described. First, the main upper switch 21 opens the contact, and an arc voltage is generated. The current is limited and cut off at the natural current zero point. Thereafter, the current is commutated to the parallel circuit of the sub upper switch 22 and the charging resistor 23, so that the circuit recovery voltage applied between the contacts of the main upper switch 21 is lowered. Then, the current flowing through the sub upper switch 22 is suppressed by the charging resistor 23, and the oscillation of the circuit recovery voltage at the time of interruption can be reduced, so that the sub upper switch 22 can easily cut off the current.
In this way, the circuit breaking performance is greatly improved, and the disconnecting surge at the time of breaking can be suppressed by the charging resistor 23.

なお、上記実施の形態１、２では充電用抵抗２３を設けたが、図９に示すように、充電用抵抗２３の代わりにリアクトル２３ａを用いても良い。この場合、系統電源１からリアクトル２３ａを介する電流経路にて、上記実施の形態１、２と同様の制御によりメインコンバータ２およびサブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５の初期充電を行う。これにより、各フィルタコンデンサ４、５に流れる突入電流を抑制でき、信頼性よく初期充電できる。
またこの場合も、リアクトル２３ａを介してサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５を充電した後、サブ上位スイッチ２２を遮断すると共にメイン上位スイッチ２１を投入してメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を目標電圧まで充電しても良い。その際、リアクトル２３ａを介することなく、サブコンバータ２の制御により電流を抑えるよう電流制御してメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４を目標電圧まで充電するため、高速充電が可能になる。 Although the charging resistor 23 is provided in the first and second embodiments, a reactor 23a may be used instead of the charging resistor 23 as shown in FIG. In this case, initial charging of filter capacitors 4 and 5 of main converter 2 and sub-converter 3 is performed by the same control as in the first and second embodiments through a current path from system power supply 1 through reactor 23a. Thereby, the rush current which flows into each filter capacitor | condenser 4 and 5 can be suppressed, and initial charge can be performed reliably.
Also in this case, after charging the filter capacitor 5 of the sub-converter 3 via the reactor 23a, the sub high-order switch 22 is shut off and the main high-order switch 21 is turned on to charge the filter capacitor 4 of the main converter 2 to the target voltage. You may do it. At this time, the current is controlled so as to suppress the current by controlling the sub-converter 2 without using the reactor 23a, and the filter capacitor 4 of the main converter 2 is charged to the target voltage, so that high-speed charging is possible.

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、サブコンバータ３は各相で１台としたが、この実施の形態３では、メインコンバータ２の各相交流入力線９に複数台の単相サブコンバータ３の交流側をそれぞれ直列接続する。図１０は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の構成を示す図である。この場合、メインコンバータ２は、各相２ａが図に示すように構成された三相３レベルコンバータで、フィルタコンデンサ４は２つのフィルタコンデンサ４ａを直列接続して用いる。
このように構成される電力変換装置のメインコンバータ２のフィルタコンデンサ４のＤＣ電圧Vcと２台のサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５のＤＣ電圧Vb1、Vb2は、それぞれ異なる値（Vc＞Vb1＞Vb2）で、４：２：１、４：３：１、５：３：１、６：３：１、７：３：１等の関係を有する。なお、製品仕様に合わしてこれ以外の値でも良く、２台のサブコンバータ３のフィルタコンデンサ５のＤＣ電圧Vb1、Vb2を等しい電圧にして部品の種類を低減しても良い。それぞれの場合について、各コンバータの出力論理とそれらを直列接続した電力変換器の出力階調（電圧レベル）との関係を図１１のＡ〜Ｅの論理表に示す。 Embodiment 3 FIG.
In the first and second embodiments, one sub-converter 3 is provided for each phase. However, in this third embodiment, each phase AC input line 9 of the main converter 2 is connected to an AC of a plurality of single-phase sub-converters 3. Connect the sides in series. FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention. In this case, the main converter 2 is a three-phase three-level converter in which each phase 2a is configured as shown in the figure, and the filter capacitor 4 is used by connecting two filter capacitors 4a in series.
The DC voltage Vc of the filter capacitor 4 of the main converter 2 and the DC voltages Vb1 and Vb2 of the filter capacitors 5 of the two sub-converters 3 are different from each other (Vc>Vb1> Vb2). 4: 2: 1, 4: 3: 1, 5: 3: 1, 6: 3: 1, 7: 3: 1, etc. It should be noted that other values may be used in accordance with product specifications, and the types of components may be reduced by setting the DC voltages Vb1 and Vb2 of the filter capacitors 5 of the two sub-converters 3 to the same voltage. In each case, the relationship between the output logic of each converter and the output gradation (voltage level) of the power converter in which they are connected in series is shown in the logic tables of A to E in FIG.

ここでは、表Ａの場合について、以下に説明する。
Vc、Vb1、Vb2は４：２：１の関係で、３つのコンバータ２、３の組み合わせにより、これらの発生電圧の総和で０〜７の８階調の相電圧（絶対値）が交流入力端子に発生する。ほぼ正弦波となる階調電圧を得るための各コンバータ２、３の電圧波形を、図１２に示す。図１２（ａ）は電力変換器全体の電圧波形、図１２（ｂ）はＤＣ電圧Vb2を有するサブコンバータ３の電圧波形、図１２（ｃ）はＤＣ電圧Vb1を有するサブコンバータ３の電圧波形、図１２（ｄ）はＤＣ電圧Vcを有するメインコンバータ２の電圧波形を示す。各コンバータ２、３の発生電圧の組み合わせにより、滑らかな電圧階調波形が得られていることがわかる。 Here, the case of Table A will be described below.
Vc, Vb1, and Vb2 are in a 4: 2: 1 relationship, and by combining the three converters 2 and 3, the phase voltage (absolute value) of 8 gradations of 0 to 7 in total is generated by the AC input terminal. Occurs. FIG. 12 shows voltage waveforms of the converters 2 and 3 for obtaining a gradation voltage that is substantially a sine wave. 12A is a voltage waveform of the entire power converter, FIG. 12B is a voltage waveform of the sub-converter 3 having the DC voltage Vb2, FIG. 12C is a voltage waveform of the sub-converter 3 having the DC voltage Vb1, FIG. 12D shows a voltage waveform of the main converter 2 having the DC voltage Vc. It can be seen that a smooth voltage gradation waveform is obtained by the combination of the voltages generated by the converters 2 and 3.

このように異なるＤＣ電圧を有するメインコンバータ２と複数台のサブコンバータ３との直列接続構成で、交流入力端子に発生する電圧は、多レベル化して滑らかな電圧階調波形となるため、高調波を抑制することができる。また、電圧の高いメインコンバータ２のスイッチング回数を抑えることにより、スイッチング損失を抑えることが出来、電力変換装置の効率は向上し、さらに電磁ノイズも減らすことが出来る。
また、図１０に示すように各相交流入力線９におけるサブコンバータ３と系統電源１との間に、メイン上位スイッチ２１、サブ上位スイッチ２２および充電用抵抗２３から成る初期充電用抵抗回路を設ける。これにより、系統電源１から充電用抵抗２３を介する電流経路にてメインコンバータ２およびサブコンバータ３のフィルタコンデンサ４、５の初期充電を行うことができる。この場合も、上記実施の形態１、２と同様にフィルタコンデンサ４、５の初期充電ができ、同様の効果が得られる。
また、この場合も、充電用抵抗２３の代わりにリアクトル２３ａを用いても良い。 Since the main converter 2 having different DC voltages and the plurality of sub-converters 3 are connected in series in this way, the voltage generated at the AC input terminal becomes multilevel and becomes a smooth voltage gradation waveform. Can be suppressed. Moreover, by suppressing the switching frequency of the main converter 2 with a high voltage, switching loss can be suppressed, the efficiency of a power converter device can be improved, and electromagnetic noise can also be reduced.
Further, as shown in FIG. 10, an initial charging resistor circuit including a main upper switch 21, a sub upper switch 22, and a charging resistor 23 is provided between the sub-converter 3 and the system power source 1 in each phase AC input line 9. . Thereby, initial charging of the filter capacitors 4 and 5 of the main converter 2 and the sub-converter 3 can be performed through the current path from the system power supply 1 through the charging resistor 23. Also in this case, the filter capacitors 4 and 5 can be initially charged as in the first and second embodiments, and the same effect can be obtained.
Also in this case, a reactor 23 a may be used instead of the charging resistor 23.

初期充電が必要な電力貯蔵器を直流側に備えて、交流から直流に電力変換し回生時にも電力制御可能な電力変換装置に広く適用できる。   It can be widely applied to power converters that are equipped with a power storage that requires initial charging on the DC side, that convert power from AC to DC and can control power even during regeneration.

Claims (6)

それぞれ直流側に直流電圧が異なる電力貯蔵器を有して交流電源からの交流電力を直流電力に変換し上記各電力貯蔵器に出力するメインコンバータおよびサブコンバータを、該サブコンバータを上記メインコンバータと上記交流電源との間に配置して直列接続した電力変換器と、上記電力変換器と上記交流電源との間に接続された充電用抵抗とを備え、
上記電力変換器は、上記メインコンバータが交流側に発生する相電圧と上記サブコンバータが交流側に発生する相電圧との和である該電力変換器の相電圧が、上記交流電源の相電圧と同じになるように動作し、
上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて、少なくとも上記サブコンバータの電力貯蔵器を充電することを特徴とする電力変換装置。A main converter and a sub-converter, each having a power storage unit having a different DC voltage on the DC side, converting AC power from an AC power source into DC power and outputting the DC power to each of the power storage units; A power converter arranged in series with the AC power supply, and a charging resistor connected between the power converter and the AC power supply,
In the power converter, the phase voltage of the power converter, which is the sum of the phase voltage generated on the AC side by the main converter and the phase voltage generated on the AC side by the sub-converter, is the phase voltage of the AC power source. Works to be the same,
At the time of initial charging of each of the power storage units, at least the power storage unit of the sub-converter is charged through a current path from the AC power source through the charging resistor under the control of the main converter and the sub-converter. Power converter. 上記充電用抵抗をバイパスさせる切り換えスイッチを上記充電用抵抗に並列接続して配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。  The power converter according to claim 1, wherein a changeover switch for bypassing the charging resistor is arranged in parallel with the charging resistor. 上記充電用抵抗に第２のスイッチを直列接続して直列回路を構成し、該直列回路と上記切り換えスイッチを並列接続としたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。  The power converter according to claim 2, wherein a second circuit is connected in series to the charging resistor to form a series circuit, and the series circuit and the changeover switch are connected in parallel. 上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの各電力貯蔵器を充電することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。  At the time of initial charging of each of the power storage units, the power storage units of the main converter and the sub converter are charged through a current path from the AC power source through the charging resistor under the control of the main converter and the sub converter. The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is a power conversion device. 上記各電力貯蔵器の初期充電時に、上記メインコンバータおよび上記サブコンバータの制御により上記交流電源から上記充電用抵抗を介する電流経路にて上記サブコンバータの電力貯蔵器を充電し、その後、上記交流電源から上記充電用抵抗をバイパスする電流経路にて上記サブコンバータで電流制御しつつ上記メインコンバータの電力貯蔵器を充電することを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。  At the time of initial charging of each power storage unit, the power storage unit of the sub-converter is charged from the AC power source through the charging resistor through the charging resistor under the control of the main converter and the sub-converter, and then the AC power source 4. The power converter according to claim 2, wherein the power storage device of the main converter is charged while current is controlled by the sub-converter through a current path that bypasses the charging resistor. 5. 上記サブコンバータは、複数段の直列接続とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。  The power converter according to claim 1, wherein the sub-converter has a plurality of stages connected in series.
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