JP6884481B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to a power conversion device.

交流電圧を入力して異なる電圧や周波数の交流電圧に変換する電力変換装置や、直流電圧を入力して、交流電圧に変換する電力変換装置がある。このような電力変換装置では、入力電圧が高電圧の場合には、複数の単位変換器をカスケード接続して、マルチレベル化し、位相シフト制御を用いて単位変換器を1パルス制御する手法が用いられることがある。マルチレベル化することによって、出力波形の高調波を低減し、出力に接続する高調波フィルタを小型化することが可能になる。 There are power conversion devices that input AC voltage and convert it to AC voltage of different voltage and frequency, and power conversion devices that input DC voltage and convert it to AC voltage. In such a power converter, when the input voltage is high, a method is used in which a plurality of unit converters are cascaded, multi-leveled, and the unit converter is controlled by one pulse using phase shift control. May be done. Multi-leveling makes it possible to reduce the harmonics of the output waveform and reduce the size of the harmonic filter connected to the output.

電力変換装置の交流負荷では、力率が1より小さくなる場合があり、位相シフト制御の下で動作する単位変換器では、出力できる有効電力に相違が生じた結果、単位変換器に供給される直流電圧に変動が生じることがある。また、力率と単位変換器の位相によっては、単位変換器が負荷からの電力を吸収しなければならない場合がある。 In the AC load of the power converter, the power factor may be smaller than 1, and in the unit converter operating under phase shift control, it is supplied to the unit converter as a result of the difference in the active power that can be output. The DC voltage may fluctuate. Also, depending on the power factor and the phase of the unit converter, the unit converter may have to absorb power from the load.

供給される直流電圧を安定化する機構を単位変換器が有しない場合には、単位変換器が出力するパルスの振幅に変動が生じて高調波の抑制を十分に行えない場合が生じ得る。 If the unit converter does not have a mechanism for stabilizing the supplied DC voltage, the amplitude of the pulse output by the unit converter may fluctuate and harmonics may not be sufficiently suppressed.

電力変換装置が双方向の変換動作に対応していない場合に、負荷からの電力を吸収する必要が生じたときには、入力側に過大な電圧が印加されるおそれがある。 When it becomes necessary to absorb the power from the load when the power conversion device does not support the bidirectional conversion operation, an excessive voltage may be applied to the input side.

特開2017−85812号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-85812

実施形態は、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を提供する。 The embodiment provides a power conversion device capable of stably supplying power to a load regardless of the power factor of the load.

実施形態に係る電力変換装置は、第1単位変換器と、前記第1単位変換器にカスケード接続された第2単位変換器と、を含む電力変換器と、前記第1単位変換器を駆動する第1ゲート駆動信号および前記第2単位変換器を駆動する第2ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづく1パルス制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記第1ゲート駆動信号の位相を、前記電力変換器の出力電圧の進み位相に設定し、前記第2ゲート駆動信号の位相を、前記出力電圧の遅れ位相に設定し、所定の周期で、前記第1ゲート駆動信号の位相と前記第2ゲート駆動信号の位相とを入れ替える。
The power converter according to the embodiment drives a power converter including a first unit converter, a second unit converter cascaded to the first unit converter, and the first unit converter. It includes a control device that generates a first gate drive signal and a second gate drive signal that drives the second unit converter, and controls the power converter in one pulse based on phase shift control. The control device sets the phase of the first gate drive signal to the lead phase of the output voltage of the power converter, sets the phase of the second gate drive signal to the lag phase of the output voltage, and determines. The phase of the first gate drive signal and the phase of the second gate drive signal are exchanged in the cycle of.

本実施形態では、第1ゲート駆動信号および第2ゲート駆動信号は、それぞれ電力変換器の出力電圧に対する異なる位相が設定され、制御装置は、所定の周期で、位相を入れ替えるので、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる。 In the present embodiment, the first gate drive signal and the second gate drive signal are set to have different phases with respect to the output voltage of the power converter, and the control device switches the phases at a predetermined cycle, so that the power factor of the load is changed. Regardless, it is possible to stably supply power to the load.

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。It is a block diagram which illustrates the power conversion apparatus which concerns on embodiment. 図2(a)〜図2(c)は、電力変換装置の出力電圧、出力電流および各単位変換器の位相を説明するための模式的なベクトル図である。2 (a) to 2 (c) are schematic vector diagrams for explaining the output voltage, output current, and phase of each unit converter of the power converter. 各単位変換器に設定される位相を例示するテーブルである。It is a table exemplifying the phase set in each unit converter. 電力変換装置の動作波形の例である。This is an example of the operating waveform of the power converter.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same parts are represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawings.
In the specification of the present application and each of the drawings, the same elements as those described above with respect to the above-described drawings are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

図1は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図1に示すように、電力変換装置10は、電力変換器20と、制御装置50と、を備える。電力変換装置10は、入力12を介して交流電源1に接続される。交流電源1は、たとえば電力系統であり、周波数50Hzまたは60Hzの三相交流電圧を出力する。電力変換装置10は、出力14a,14bを介して、負荷(図示せず)に接続される。負荷は、たとえば誘導電動機等の交流負荷である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an electric power conversion device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the power converter 10 includes a power converter 20 and a control device 50. The power conversion device 10 is connected to the AC power supply 1 via the input 12. The AC power supply 1 is, for example, a power system, and outputs a three-phase AC voltage having a frequency of 50 Hz or 60 Hz. The power conversion device 10 is connected to a load (not shown) via outputs 14a and 14b. The load is, for example, an AC load such as an induction motor.

電力変換器20は、変圧器22と、単位変換器30a,30bと、を含む。変圧器22の一次側は入力12を介して交流電源1に接続される。変圧器22の二次側22a,22bは、入力31a,31bを介して、単位変換器30a,30bに接続されている。変圧器22の二次巻き線は、互い絶縁されており、同じ巻き数に設定されている。したがって、変圧器22は、交流電源1の一次側の電圧を同一電圧を有する二次側電圧に分圧して、単位変換器30a,30bに供給する。変圧器の一次側と二次側の巻き数比を調整して、一次側の電圧を降圧または昇圧して、二次側でさらに分圧するようにしてもよい。 The power converter 20 includes a transformer 22 and unit converters 30a and 30b. The primary side of the transformer 22 is connected to the AC power supply 1 via the input 12. The secondary sides 22a and 22b of the transformer 22 are connected to the unit converters 30a and 30b via the inputs 31a and 31b. The secondary windings of the transformer 22 are isolated from each other and are set to the same number of turns. Therefore, the transformer 22 divides the voltage on the primary side of the AC power supply 1 into the secondary side voltage having the same voltage and supplies the voltage to the unit converters 30a and 30b. The turns ratio between the primary side and the secondary side of the transformer may be adjusted to step down or boost the voltage on the primary side so that the voltage is further divided on the secondary side.

単位変換器30a,30bには、ほぼ同一の電圧値を有する交流電圧が入力される。 AC voltages having substantially the same voltage value are input to the unit converters 30a and 30b.

単位変換器30a,30bは、カスケード接続されている。つまり、単位変換器30aの一方の出力37aは、電力変換装置10の一方の出力14aに接続されている。単位変換器30aの他方の出力38aは、単位変換器30bの一方の出力37bに接続されている。単位変換器30bの他方の出力38bは、電力変換装置10の他方の出力14bに接続されている。 The unit converters 30a and 30b are cascade-connected. That is, one output 37a of the unit converter 30a is connected to one output 14a of the power converter 10. The other output 38a of the unit converter 30a is connected to one output 37b of the unit converter 30b. The other output 38b of the unit converter 30b is connected to the other output 14b of the power converter 10.

単位変換器30aは、整流回路32aと、平滑回路34aと、インバータ回路36aと、を含む。単位変換器30bは、整流回路32bと、平滑回路34bと、インバータ回路36bと、を含む。以下では、単位変換器30aの構成について説明する。単位変換器30bは、単位変換器30aと同一の構成であり詳細な説明は省略する。 The unit converter 30a includes a rectifier circuit 32a, a smoothing circuit 34a, and an inverter circuit 36a. The unit converter 30b includes a rectifier circuit 32b, a smoothing circuit 34b, and an inverter circuit 36b. Hereinafter, the configuration of the unit converter 30a will be described. The unit converter 30b has the same configuration as the unit converter 30a, and detailed description thereof will be omitted.

整流回路32aは、変圧器22の二次側22aから交流電圧を入力して整流して出力する。整流回路32aは、たとえば、三相全波整流回路である。 The rectifier circuit 32a inputs an AC voltage from the secondary side 22a of the transformer 22, rectifies it, and outputs it. The rectifier circuit 32a is, for example, a three-phase full-wave rectifier circuit.

平滑回路34aは、整流回路32aの出力に並列に接続されている。平滑回路34aはたとえばコンデンサであり、整流回路32aとともに、整流平滑回路を構成する。平滑回路34aは、整流回路32aから出力された整流電圧を平滑して脈流を有する直流電圧(以下、単に直流電圧ともいう)を出力する。 The smoothing circuit 34a is connected in parallel to the output of the rectifier circuit 32a. The smoothing circuit 34a is, for example, a capacitor, and together with the rectifying circuit 32a, constitutes a rectifying and smoothing circuit. The smoothing circuit 34a smoothes the rectified voltage output from the rectified circuit 32a and outputs a DC voltage having a pulsating current (hereinafter, also simply referred to as a DC voltage).

インバータ回路36aは、平滑回路34aから供給される直流電圧を入力して、方形波の交流電圧を出力する。インバータ回路36aは、たとえばフルブリッジ回路である。フルブリッジ回路は、4つのスイッチング素子ua,va,xa,yaを含む。スイッチング素子ua,xaは直列に接続され、スイッチング素子va,yaは直列に接続されている。スイッチング素子ua,xaの直列回路とスイッチング素子va,yaの直列回路は、並列に接続されている。スイッチング素子ua,xaの接続ノードは、一方の出力37aに接続され、スイッチング素子va,yaの接続ノードは、他方の出力38aに接続されている。 The inverter circuit 36a inputs a DC voltage supplied from the smoothing circuit 34a and outputs a square wave AC voltage. The inverter circuit 36a is, for example, a full bridge circuit. The full bridge circuit includes four switching elements ua, va, xa, ya. The switching elements ua and xa are connected in series, and the switching elements va and ya are connected in series. The series circuit of the switching elements ua and xa and the series circuit of the switching elements va and ya are connected in parallel. The connection nodes of the switching elements ua and xa are connected to one output 37a, and the connection nodes of the switching elements va and ya are connected to the other output 38a.

インバータ回路36aの各スイッチング素子ua,va,xa,yaは、制御装置50で生成されたゲート駆動信号VGua,VGva,VGxa,VGyaによって、それぞれ駆動される。インバータ回路36bの各スイッチング素子ub,vb,xb,ybは、制御装置50で生成され供給されたゲート駆動信号VGub,VGvb,VGxb,VGybによって、それぞれ駆動される。 Each of the switching elements ua, va, xa, and ya of the inverter circuit 36a is driven by the gate drive signals VGua, VGva, VGxa, and VGya generated by the control device 50, respectively. Each switching element ub, vb, xb, yb of the inverter circuit 36b is driven by the gate drive signals VGub, VGvb, VGxb, VGyb generated and supplied by the control device 50, respectively.

制御装置50は、各単位変換器30a,30bに入力される直流電圧、各単位変換器30a,30bが出力する出力電圧Va,Vbおよび出力電流Ioutに応じて、ゲート駆動信号VGua〜VGya,VGub〜VGybを生成し、各単位変換器30a,30bに供給する。 The control device 50 receives the gate drive signals VGua to VGya, VGub according to the DC voltage input to the unit converters 30a and 30b, the output voltages Va and Vb output by the unit converters 30a and 30b, and the output current Iout. ~ VGyb is generated and supplied to the unit converters 30a and 30b.

後に詳述するが、制御装置50が生成するゲート駆動信号は、位相シフト制御の原理にしたがって生成され、生成されるゲート駆動信号のθ1,−θ1(図2)が周期的に切り替えられる。 As will be described in detail later, the gate drive signal generated by the control device 50 is generated according to the principle of phase shift control, and θ1 and −θ1 (FIG. 2) of the generated gate drive signal are periodically switched.

電力変換装置10は、出力14a,14bを介して、電圧Voutを出力する。電圧Voutは、単位変換器30a,30bが出力する電圧Va,Vbの合成電圧である。電力変換器20が出力する出力電流Ioutは、各単位変換器30a,30bが出力する電流に等しい。 The power conversion device 10 outputs the voltage Vout via the outputs 14a and 14b. The voltage Vout is a combined voltage of the voltages Va and Vb output by the unit converters 30a and 30b. The output current Iout output by the power converter 20 is equal to the current output by the unit converters 30a and 30b.

本実施形態の電力変換装置10の動作について説明する。
図2(a)〜図2(c)は、電力変換装置の出力電圧、出力電流および各単位変換器の位相を説明するための模式的なベクトル図である。
図2(a)では、負荷の力率cosφが1である場合の電圧Vout(実線)および出力電流Iout(一点鎖線)の関係が示されている。図2(a)に示すように、単位変換器30aの電圧Vaの位相θaは、電圧Voutに対して+θ1の進み位相に設定されている。単位変換器30bの電圧Vbの位相θbは、電圧Voutに対して、−θ1の遅れ位相に設定されている。
The operation of the power conversion device 10 of the present embodiment will be described.
2 (a) to 2 (c) are schematic vector diagrams for explaining the output voltage, output current, and phase of each unit converter of the power converter.
FIG. 2A shows the relationship between the voltage Vout (solid line) and the output current Iout (dashed line) when the power factor cosφ of the load is 1. As shown in FIG. 2A, the phase θa of the voltage Va of the unit converter 30a is set to the lead phase of + θ1 with respect to the voltage Vout. The phase θb of the voltage Vb of the unit converter 30b is set to a lag phase of −θ1 with respect to the voltage Vout.

単位変換器30aが出力することができる有効電力Paは、Pa=Va×Iout×cos(θ1)である。単位変換器30bが出力することができる有効電力Pbは、Pb=Vb×Iout×cos(−θ1)=Vb×Iout×cos(θ1)である。Va=Vbであれば、Pa=Pbとなり、正の値を有するので、電力変換器20は、単位変換器30a,30bが正または負の電圧を出力するサイクルにおいて、等しい有効電力Pa,Pbを出力することができる。 The active power Pa that can be output by the unit converter 30a is Pa = Va × Iout × cos (θ1). The active power Pb that can be output by the unit converter 30b is Pb = Vb × Iout × cos (−θ1) = Vb × Iout × cos (θ1). If Va = Vb, then Pa = Pb and has a positive value. Therefore, the power converter 20 outputs equal active powers Pa and Pb in the cycle in which the unit converters 30a and 30b output positive or negative voltages. Can be output.

電力変換装置10の負荷は、交流負荷であり、力率cosφが1より小さくなることがある。図2(b)に示されたベクトル図は、負荷の力率が0より大きく、90°よりも小さい場合である。この例では、電力変換器20に接続された負荷は、単位変換器30aが出力する電圧Vaから90°の位相遅れを生じている場合が示されている。 The load of the power conversion device 10 is an AC load, and the power factor cosφ may be smaller than 1. The vector diagram shown in FIG. 2B is a case where the power factor of the load is larger than 0 and smaller than 90 °. In this example, it is shown that the load connected to the power converter 20 has a phase lag of 90 ° from the voltage Va output by the unit converter 30a.

単位変換器30aが出力することができる有効電力Pa’は、Pa’=Va×Iout×cos90°=0となる。つまり、単位変換器30aが正または負の電圧を出力できるサイクルでは、負荷に有効電力を供給することができない。 The active power Pa'that can be output by the unit converter 30a is Pa'= Va × Iout × cos 90 ° = 0. That is, the active power cannot be supplied to the load in the cycle in which the unit converter 30a can output a positive or negative voltage.

一方、上述の出力電流Ioutの位相は、単位変換器30bの位相に対して90°−2×θ1の位相遅れを生じている。つまり、電圧Vbと出力電流Ioutとの位相差は90°よりも小さい。 On the other hand, the phase of the output current Iout described above causes a phase delay of 90 ° -2 × θ1 with respect to the phase of the unit converter 30b. That is, the phase difference between the voltage Vb and the output current Iout is smaller than 90 °.

単位変換器30bが出力することができる有効電力Pb’は、Pb’=Vb×Iout×cos(90°−2×θ1)となり、正の値を有する。 The active power Pb'that can be output by the unit converter 30b is Pb'= Vb × Iout × cos (90 ° -2 × θ1) and has a positive value.

したがって、このような負荷条件では、単位変換器30aは、負荷に有効電力を供給することができない。一方、単位変換器30bは、出力電流Ioutとの位相差に応じた有効電力を負荷に供給することができる。 Therefore, under such load conditions, the unit converter 30a cannot supply active power to the load. On the other hand, the unit converter 30b can supply the load with active power according to the phase difference from the output current Iout.

出力電流Ioutと単位変換器30aの出力電圧Vaとの位相差が0°〜90°の範囲となるような負荷の場合には、単位変換器30a,30bのそれぞれにおいて、異なる有効電力が負荷に供給されることとなる。 In the case of a load in which the phase difference between the output current Iout and the output voltage Va of the unit converter 30a is in the range of 0 ° to 90 °, different active powers are applied to the load in each of the unit converters 30a and 30b. It will be supplied.

図2(c)には、負荷の力率cosφが0となる場合のベクトル図が示されている。図2(c)に示すように、出力電流Ioutの位相は、単位変換器30aの位相から90°以上遅れているので、単位変換器30aが負荷に供給すべき有効電力Pa’’は、負の値を有する。負の有効電力とは、その有効電力の絶対値を有する電力が単位変換器30aに入力されることを意味する。一方、単位変換器30bでは、出力電流Ioutの位相の遅れは、単位変換器30bの位相から90°よりも小さい。そのため単位変換器30bが出力する有効電力Pb’’は、正の値を有する。 FIG. 2C shows a vector diagram when the power factor cosφ of the load becomes 0. As shown in FIG. 2C, the phase of the output current Iout is delayed by 90 ° or more from the phase of the unit converter 30a, so that the active power Pa'' to be supplied to the load by the unit converter 30a is negative. Has a value of. Negative active power means that power having an absolute value of the active power is input to the unit converter 30a. On the other hand, in the unit converter 30b, the phase delay of the output current Iout is smaller than 90 ° from the phase of the unit converter 30b. Therefore, the active power Pb ″ output by the unit converter 30b has a positive value.

この例の単位変換器30a,30bは、交流電圧の整流平滑によって直流電圧を供給されている。整流回路32a,32bおよび平滑回路34a,34bから供給される直流電圧は、安定化されていないので、単位変換器30a,30bが出力する有効電力に応じて変化する。単位変換器30a,30bに供給される直流電圧が変動した場合には、単位変換器30a,30bが出力する電圧の振幅が変動することになる。そのため、電力変換装置10が出力する電圧波形に歪みが生じ、含有される高調波が増大する。 The unit converters 30a and 30b of this example are supplied with a DC voltage by rectifying and smoothing an AC voltage. Since the DC voltage supplied from the rectifier circuits 32a and 32b and the smoothing circuits 34a and 34b is not stabilized, it changes according to the active power output by the unit converters 30a and 30b. When the DC voltage supplied to the unit converters 30a and 30b fluctuates, the amplitude of the voltage output by the unit converters 30a and 30b fluctuates. Therefore, the voltage waveform output by the power converter 10 is distorted, and the contained harmonics increase.

また、整流回路32a,32bがたとえば全波整流回路の場合には、単位変換器30a,30bは、交流側に電力を回生することができない。そのため、単位変換器30a,30bが出力する電力が負となった場合には、入力される負荷からの電力は、平滑回路34a,34bのコンデンサを充電することとなる。コンデンサへの充電が継続されると、コンデンサの両端の電圧が上昇し、過電圧状態となり、コンデンサが破損するおそれがある。 Further, when the rectifier circuits 32a and 32b are, for example, full-wave rectifier circuits, the unit converters 30a and 30b cannot regenerate electric power to the AC side. Therefore, when the power output by the unit converters 30a and 30b becomes negative, the power from the input load charges the capacitors of the smoothing circuits 34a and 34b. If the capacitor is continuously charged, the voltage across the capacitor rises, resulting in an overvoltage state, which may damage the capacitor.

本実施形態の電力変換装置10では、単位変換器30a,30bに設定される位相θ1,−θ1を所定の周期で切り替える。所定の周期は、たとえば電力変換装置10が出力する交流電圧の周期にもとづいて設定することができる。この周期は、出力電圧Voutのn周期(nは自然数)とすることができる。 In the power conversion device 10 of the present embodiment, the phases θ1 and −θ1 set in the unit converters 30a and 30b are switched at a predetermined cycle. The predetermined cycle can be set based on, for example, the cycle of the AC voltage output by the power conversion device 10. This cycle can be n cycles of the output voltage Vout (n is a natural number).

図3は、各単位変換器30a,30bに設定される位相を例示するテーブルである。
図3に示すように、各変換器30a,30bに設定される位相θa,θbは、2つのパターンを有する。第1のパターン[1]では、単位変換器30aの位相θa=+θ1に設定され、単位変換器30bの位相θb=−θ1に設定される。第2のパターン[2]では、単位変換器30aの位相θa=−θ1に設定され、単位変換器30bの位相θb=+θ1に設定される。第1のパターン[1]および第2のパターン[2]は、交互に切り替えられる。切り替えるタイミングは、所定の周期であり、たとえば出力電圧Voutのn周期である。
FIG. 3 is a table illustrating the phases set in the best ad-free units 30a and 30b.
As shown in FIG. 3, the phases θa and θb set in the converters 30a and 30b have two patterns. In the first pattern [1], the phase θa = + θ1 of the unit converter 30a is set, and the phase θb = −θ1 of the unit converter 30b is set. In the second pattern [2], the phase θa = −θ1 of the unit converter 30a is set, and the phase θb = + θ1 of the unit converter 30b is set. The first pattern [1] and the second pattern [2] are switched alternately. The switching timing is a predetermined cycle, for example, n cycles of the output voltage Vout.

図4は、電力変換装置の動作波形の例である。
図4の最上段から下段に向かって、ゲート駆動信号VGua,VGva,VGub,VGvb、単位変換器30a,30bの出力電圧Va,Vb、電力変換器20の出力電圧Vout、および出力電流Ioutの時間変化の波形例が示されている。なお、出力電圧Voutは、単位変換器30a,30bが出力する電圧Va,Vbの合成電圧である。出力電流Ioutは、各単位変換器30a,30bが出力電流に等しい。
FIG. 4 is an example of the operating waveform of the power conversion device.
From the top to the bottom of FIG. 4, the gate drive signals VGua, VGva, VGub, VGvb, the output voltages Va and Vb of the unit converters 30a and 30b, the output voltage Vout of the power converter 20, and the output current Iout time. An example of the waveform of the change is shown. The output voltage Vout is a combined voltage of the voltages Va and Vb output by the unit converters 30a and 30b. The output current Iout is equal to the output current of the best ad-free units 30a and 30b.

図4には、出力電圧Voutおよび出力電流Ioutの5周期分の波形例が示されている。第1のパターン[1]および第2のパターン[2]は、出力電圧Voutの1周期ごとに切り替えられる。時刻t0〜t4、t8〜t12、t16〜t20の周期では、第1のパターン[1]が設定されており、時刻t4〜t8、t12〜t16の周期では、第2のパターン[2]が設定されている。 FIG. 4 shows an example of waveforms for five cycles of the output voltage Vout and the output current Iout. The first pattern [1] and the second pattern [2] are switched every one cycle of the output voltage Vout. The first pattern [1] is set in the cycles of times t0 to t4, t8 to t12, and t16 to t20, and the second pattern [2] is set in the cycles of times t4 to t8 and t12 to t16. Has been done.

時刻t0〜t4、t8〜t12、t16〜t20の周期の第1のパターン[1]では、単位変換器30aの位相設定が+θ1であり、単位変換器30bの位相設定が−θ1である。時刻t4〜t8、t12〜t16の周期の第2のパターン[2]では、単位変換器30aの位相設定が−θ1であり、単位変換器30bの位相設定が+θ1である。 In the first pattern [1] of the period of time t0 to t4, t8 to t12, and t16 to t20, the phase setting of the unit converter 30a is + θ1, and the phase setting of the unit converter 30b is −θ1. In the second pattern [2] of the period of time t4 to t8 and t12 to t16, the phase setting of the unit converter 30a is −θ1 and the phase setting of the unit converter 30b is + θ1.

なお、位相設定された位相は、図示するとおり、第1のパターン[1]では、たとえばゲート駆動信号VGuaは、時刻t1から+θ1の進み位相で生成されている。一方、単位変換器30bのゲート駆動信号VGubは、時刻t1から−θ1の遅れ位相で生成されている。 As shown in the figure, the phase set phase is generated in the first pattern [1], for example, the gate drive signal VGua is generated with a lead phase of + θ1 from the time t1. On the other hand, the gate drive signal VGub of the unit converter 30b is generated with a lag phase of −θ1 from time t1.

図4に示すように、第1のパターン[1]では、単位変換器30aが出力する電圧Vaの正出力のサイクル(たとえば時刻t8〜t10)のパルス幅は、単位変換器30bが出力する電圧Vbの正出力のサイクルのパルス幅よりも短くなっている。第2のパターン[2]に切り替わると、電圧Vaの正出力のサイクル(たとえば時刻t12〜15)のパルス幅は、電圧Vbの正出力のサイクルのパルス幅よりも長くなっている。 As shown in FIG. 4, in the first pattern [1], the pulse width of the positive output cycle (for example, time t8 to t10) of the voltage Va output by the unit converter 30a is the voltage output by the unit converter 30b. It is shorter than the pulse width of the positive output cycle of Vb. When switching to the second pattern [2], the pulse width of the positive output cycle of the voltage Va (for example, time t12 to 15) is longer than the pulse width of the positive output cycle of the voltage Vb.

そして、第1のパターン[1]のときの電圧Vaの正周期のサイクルのパルス幅は、隣接する第2のパターン[2]のときの電圧Vbの正周期のサイクルのパルス幅にほぼ等しくなる。第1のパターン[1]のときの電圧Vbの正周期のサイクルのパルス幅は、第2のパターン[2]のときの電圧Vaの正周期のサイクルのパルス幅にほぼ等しい。負周期のサイクルについても同様である。各単位変換器30a,30bが出力する有効電力は、図4中の電圧Va×Iout,Vb×Ioutの面積にほぼ比例するので、単位変換器30a,30bが出力する有効電力は、実質的に等しくなる。 Then, the pulse width of the normal cycle of the voltage Va in the first pattern [1] is substantially equal to the pulse width of the cycle of the normal cycle of the voltage Vb in the adjacent second pattern [2]. .. The pulse width of the normal cycle of the voltage Vb in the first pattern [1] is substantially equal to the pulse width of the cycle of the normal cycle of the voltage Va in the second pattern [2]. The same applies to the cycle of negative cycle. Since the active power output by the unit converters 30a and 30b is substantially proportional to the area of the voltages Va × Iout and Vb × Iout in FIG. 4, the active power output by the unit converters 30a and 30b is substantially proportional. Become equal.

なお、本実施形態の電力変換装置10では、出力電圧および出力電流の生成には、位相シフト制御にもとづく1パルス制御(以下、単に1パルス制御ともいう)を用いる。1パルス制御では、電力変換装置10に出力電圧Voutの1周期を制御の周期とする。たとえば、電圧Voutが正のサイクルでは、電圧Voutから+θだけ位相を進めた上で、スイッチング素子ua,yaをオンさせ、スイッチング素子va,xaは、オフさせる。出力する電圧Voutの値を調整するには、スイッチング素子ua,yaとスイッチング素子va,xaとの位相差を180°から狭めていくように制御する。単位変換器30bのスイッチング素子についても出力電圧Voutから−θだけ位相を遅らせた上で、同様に位相シフト制御する。このように位相シフト制御を行うことによって、電力変換装置10が出力する電圧Voutのたとえば実効値を調整することができる。 In the power conversion device 10 of the present embodiment, one-pulse control based on phase shift control (hereinafter, also simply referred to as one-pulse control) is used to generate the output voltage and the output current. In the one-pulse control, one cycle of the output voltage Vout in the power conversion device 10 is set as the control cycle. For example, in a cycle in which the voltage Vout is positive, the switching elements ua and ya are turned on and the switching elements va and xa are turned off after advancing the phase by + θ from the voltage Vout. In order to adjust the value of the output voltage Vout, the phase difference between the switching elements ua and ya and the switching elements va and xa is controlled to be narrowed from 180 °. The switching element of the unit converter 30b is also phase-shifted in the same manner after delaying the phase by −θ from the output voltage Vout. By performing the phase shift control in this way, it is possible to adjust, for example, the effective value of the voltage Vout output by the power conversion device 10.

図4の例では、ゲート駆動信号VGua,VGvaの位相差およびゲート駆動信号VGub,VGvbの位相差をいずれも180°とすることによって、電力変換器20が最大電圧を出力しているものとした。電力変換器20の出力電圧の振幅を調整するには、位相シフト制御によりゲート駆動信号VGua,VGvaの位相差およびゲート駆動信号VGub,VGvbの位相差を調整すればよい。 In the example of FIG. 4, it is assumed that the power converter 20 outputs the maximum voltage by setting the phase difference of the gate drive signals VGua and VGva and the phase difference of the gate drive signals VGub and VGvb to 180 °. .. In order to adjust the amplitude of the output voltage of the power converter 20, the phase difference of the gate drive signals VGua and VGva and the phase difference of the gate drive signals VGub and VGvb may be adjusted by phase shift control.

上述では、単位変換器が2個の場合の例について説明したが、カスケード接続される単位変換器の個数に制限はない。たとえば単位変換器は、3個でもよいし、それ以上であってもよい。 In the above description, an example in which the number of unit converters is two has been described, but there is no limit to the number of unit converters connected in cascade. For example, the number of unit converters may be three or more.

たとえば、単位変換器が4個の場合には、位相設定のパターンを4つ設ける。各単位変換器の位相がθa,θb,θc,θdのように設定されている場合には、第1のパターンとして、θa,θb,θc,θdとし、第2のパターンとして、θb,θc,θd,θaとし、第3のパターンとして、θc,θd,θa,θbとし、第4のパターンとして、θd,θa,θb,θcとし、各パターンを順番に切り替える。 For example, when there are four unit converters, four phase setting patterns are provided. When the phase of each unit converter is set as θa, θb, θc, θd, the first pattern is θa, θb, θc, θd, and the second pattern is θb, θc, θd and θa are used, the third pattern is θc, θd, θa and θb, and the fourth pattern is θd, θa, θb and θc, and each pattern is switched in order.

たとえば、制御装置50は、位相設定のパターンが設定されたテーブルを有している。テーブルに設定されたパターンは、別に設定されたパターンの切替周期に応じて、制御装置50によって切り替えられる。 For example, the control device 50 has a table in which a pattern of phase setting is set. The pattern set in the table is switched by the control device 50 according to the switching cycle of the pattern set separately.

本実施形態の電力変換装置10の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置10は、カスケード接続された単位変換器30a,30bを含む電力変換器20と、単位変換器30a,30bを動作させるゲート駆動信号を生成する制御装置と、を備える。制御装置は、単位変換器30a,30bのために1パルス制御用のゲート駆動信号の位相をそれぞれ設定し、所定の周期ごとに設定する位相を切り替える。そのため、単位変換器30a,30bごとに出力できる有効電力を実質的に等しくすることができる。
The effect of the power conversion device 10 of the present embodiment will be described.
The power converter 10 of the present embodiment includes a power converter 20 including cascaded unit converters 30a and 30b, and a control device for generating a gate drive signal for operating the unit converters 30a and 30b. The control device sets the phase of the gate drive signal for one-pulse control for the unit converters 30a and 30b, respectively, and switches the phase to be set at predetermined intervals. Therefore, the active power that can be output for each of the unit converters 30a and 30b can be made substantially equal.

単位変換器30a,30bは、整流回路32a,32bおよび平滑回路34a,34bからなる整流平滑回路によって、入力される交流から安定化されない直流電圧を供給されて動作する。本実施形態の電力変換装置10では、単位変換器30a,30bがそれぞれ出力する有効電力は、実質的に等しいので、安定化されない直流電圧であっても、電圧の変動を少なくすることができるので、低コストで、高調波含有の少ない出力を実現することができる。 The unit converters 30a and 30b operate by supplying an unstabilized DC voltage from the input alternating current by the rectifying and smoothing circuit including the rectifying circuits 32a and 32b and the smoothing circuits 34a and 34b. In the power conversion device 10 of the present embodiment, the active powers output by the unit converters 30a and 30b are substantially the same, so that even if the DC voltage is not stabilized, the fluctuation of the voltage can be reduced. , It is possible to realize an output with less harmonic content at low cost.

インバータ回路36a,36bに供給される直流電圧は、安定化されていなくても、各単位変換器が出力する有効電力が実質的に等しいので、直流電圧の変動を小さくすることができる。そのため、直流電圧の過電圧検出や、過少電圧検出のしきい値を適切に設定することができる。 Even if the DC voltage supplied to the inverter circuits 36a and 36b is not stabilized, the active power output by each unit converter is substantially equal, so that the fluctuation of the DC voltage can be reduced. Therefore, it is possible to appropriately set the threshold values for overvoltage detection of DC voltage and undervoltage detection.

負荷の力率cosφが1より小さく、負荷から単位変換器に電力の戻りがある場合であっても、本実施形態の電力変換装置10では、電力の戻りを生じる単位変換器を所定の周期で切り替えるので、平滑回路のコンデンサの電圧が上昇し続けることがなく、整流回路や平滑回路に過大な負担を生じることがない。 Even when the power factor cosφ of the load is smaller than 1, and there is a power return from the load to the unit converter, the power converter 10 of the present embodiment uses the unit converter that causes the power return at a predetermined cycle. Since the switching is performed, the voltage of the capacitor of the smoothing circuit does not continue to rise, and an excessive load is not generated on the rectifier circuit and the smoothing circuit.

カスケード接続された単位変換器を有する電力変換器を1パルス制御で制御する場合に、単位変換器の位相設定を適切に行うことによって、出力の高調波成分を実質的にキャンセルすることができる。そのような位相設定を行うことによって、出力の高調波フィルタを小型化したり、削除することができる。このような制御を行った場合に、単位変換器が出力する有効電力に実質的な相違があると、直流電圧に変動が生じ、出力の高調波が増大する。本実施形態の電力変換装置10では、各単位変換器が出力する有効電力を実質的に等しくすることができるので、単位変換器に供給される直流電圧の変動を抑制することができ、効果的に高調波成分をキャンセルすることができる。 When a power converter having a cascaded unit converter is controlled by one pulse control, the harmonic component of the output can be substantially canceled by appropriately setting the phase of the unit converter. By performing such a phase setting, the output harmonic filter can be miniaturized or deleted. When such control is performed, if there is a substantial difference in the active power output by the unit converter, the DC voltage fluctuates and the harmonics of the output increase. In the power converter 10 of the present embodiment, since the active power output by each unit converter can be substantially equalized, fluctuations in the DC voltage supplied to the unit converter can be suppressed, which is effective. The harmonic component can be canceled.

以上説明した実施形態によれば、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a power conversion device capable of stably supplying power to the load regardless of the power factor of the load.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims. Moreover, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.

1 交流電源、10 電力変換装置、20 電力変換器、22 変圧器、30a,30b 単位変換器、32a,32b 整流回路、34a,34b 平滑回路、36a,36b インバータ回路、50 制御装置 1 AC power supply, 10 power converter, 20 power converter, 22 transformer, 30a, 30b unit converter, 32a, 32b rectifier circuit, 34a, 34b smoothing circuit, 36a, 36b inverter circuit, 50 control device

Claims (4)

第1単位変換器と、前記第1単位変換器にカスケード接続された第2単位変換器と、を含む電力変換器と、
前記第1単位変換器を駆動する第1ゲート駆動信号および前記第2単位変換器を駆動する第2ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづく1パルス制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記第1ゲート駆動信号の位相を、前記電力変換器の出力電圧の進み位相に設定し、前記第2ゲート駆動信号の位相を、前記出力電圧の遅れ位相に設定し、所定の周期で、前記第1ゲート駆動信号の位相と前記第2ゲート駆動信号の位相とを入れ替える電力変換装置。
A power converter including a first unit converter and a second unit converter cascaded to the first unit converter.
A control device that generates a first gate drive signal for driving the first unit converter and a second gate drive signal for driving the second unit converter, and controls the power converter with one pulse based on phase shift control. When,
With
The control device sets the phase of the first gate drive signal to the lead phase of the output voltage of the power converter, sets the phase of the second gate drive signal to the lag phase of the output voltage, and determines. A power conversion device that exchanges the phase of the first gate drive signal with the phase of the second gate drive signal in the cycle of.
前記第1単位変換器および前記第2単位変換器は、一方向の電力変換を行う請求項1記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1, wherein the first unit converter and the second unit converter perform power conversion in one direction. 前記第1単位変換器および前記第2単位変換器は、交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、をそれぞれ含む請求項2記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2, wherein the first unit converter and the second unit converter include a rectifier circuit that rectifies an AC voltage and a smoothing circuit that smoothes the output of the rectifier circuit, respectively. 前記位相は、相殺する高調波の次数にもとづいて設定された請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase is set based on the order of the harmonics to be offset.
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