JP6951228B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter.
高電圧または大容量の電力変換においては、複数の電力変換セル(以下、セルと略す)を直列または並列に接続した電力変換装置が用いられる。このような電力変換装置として、特許文献1に記載された多重電力変換器がある。この多重電力変換器では、複数台のインバータユニット(セルに相当)の出力をそれぞれ直列に接続して高圧出力を得ている。
In high-voltage or large-capacity power conversion, a power conversion device in which a plurality of power conversion cells (hereinafter, abbreviated as cells) are connected in series or in parallel is used. As such a power converter, there is a multiplex power converter described in
特許文献1には、複数のインバータユニットのPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)について記載されている。
具体的には、インバータユニットの台数に応じた複数の搬送波(キャリア)信号を利用して、各インバータユニットが備える半導体素子(スイッチング素子)のオン・オフ状態を制御する。これによって、多段(マルチレベル)の出力電圧が得られる。 Specifically, the on / off state of the semiconductor element (switching element) included in each inverter unit is controlled by using a plurality of carrier signals according to the number of inverter units. As a result, a multi-stage (multi-level) output voltage can be obtained.
特許文献1に記載されているように、複数のキャリア信号はそれぞれ同位相になっている。複数のキャリア信号の位相を同期させることは、出力電圧に含まれる高調波成分を抑制する上で有効と考えられる。また、出力電圧が一度に複数レベル変化して、モータなどの負荷に悪影響を及ぼすことを抑制する上でも有効と考えられる。
As described in
このような電力変換装置の構成は、高電圧モータを直接駆動する場合に有効である。 Such a configuration of the power conversion device is effective when directly driving the high voltage motor.
また、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー発電の導入が世界的に拡大しているが、自然エネルギーから得られる電力を変換して電力系統に出力するための電力変換装置としてPCS(パワーコンディショニングシステム)がある。PCSの高電圧化や大容量化においても、複数のセルを用いる構成が有効と考えられる。 In addition, the introduction of renewable energy power generation such as solar power generation and wind power generation is expanding worldwide, but PCS (Power Conditioning System) is a power conversion device for converting the power obtained from natural energy and outputting it to the power system. ). It is considered that a configuration using a plurality of cells is also effective for increasing the voltage and capacity of the PCS.
ここで、以下の説明においては、複数セルのPWMに利用される複数のキャリア信号について、位相を同期させることをPWM同期と定義する。 Here, in the following description, synchronizing the phases of a plurality of carrier signals used for PWM of a plurality of cells is defined as PWM synchronization.
PWM同期の実現には、以下の課題があると考えられる。 Realization of PWM synchronization is considered to have the following problems.
複数セルを統括制御するために中央制御装置を設ける場合、中央制御装置が全セルのPWM処理を行い、生成されたスイッチング素子のゲート信号を各セルの制御回路まで伝送する構成が考えられる。 When a central control device is provided for integrated control of a plurality of cells, it is conceivable that the central control device performs PWM processing for all cells and transmits the generated gate signal of the switching element to the control circuit of each cell.
しかし、セルが備えるスイッチング素子は1個ではなく複数であることが多いため、スイッチング素子の数に応じて複数のゲート信号配線を施すことになり、電力変換装置の複雑化、高コスト化が問題となる。 However, since the cell often has a plurality of switching elements instead of one, a plurality of gate signal wirings are provided according to the number of switching elements, which causes a problem of complicated power conversion device and high cost. It becomes.
本発明の目的は、PWM同期を行う低コストの電力変換装置を実現することである。 An object of the present invention is to realize a low-cost power conversion device that performs PWM synchronization.
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
電力変換装置において、電源電圧を負荷に供給する電圧に変換する複数の電力変換セルと、上記複数の電力変換セルを制御する中央制御装置と、を備え、上記複数の電力変換セルのそれぞれは、上記電源電圧を変換する第1変換器と、この第1変換器を制御する第1制御回路と、上記第1変換器により変換された電圧を変換する第2変換器と、この第2変換器をパルス幅変調によって制御する第2制御回路と、上記第1変換器と上記第2変換器の間に接続されるトランスとを有し、 上記中央制御装置は、上記複数の電力変換セルのそれぞれが有する上記第1制御回路に第1制御信号を送信する制御信号送信部を有し、上記第1制御信号に基づいて、上記複数の電力変換セルのそれぞれが有する上記第1制御回路が上記第1変換器を制御し、上記複数の電力変換セルのそれぞれが有する上記第1制御回路に同期信号を送信する同期信号送信部を有し、上記第1制御回路は、上記同期信号を受信すると、上記第2制御回路に第2制御信号を送信し、上記第2制御回路は、上記第2制御信号を受信すると、上記パルス幅変調のキャリア信号をリセットし、上記第1制御回路に送信された上記第1制御信号は、上記パルス幅変調のデューティ比の情報を含み、上記デューティ比の情報は、上記第1制御回路を介して上記第2制御回路に送信され、上記複数の電力変換セルのそれぞれの上記第2制御回路は、上記デューティ比に基づいてパルス幅変調を行って、上記第2変換器を駆動する。 The power conversion device includes a plurality of power conversion cells that convert a power supply voltage into a voltage supplied to a load, and a central control device that controls the plurality of power conversion cells, and each of the plurality of power conversion cells has a plurality of power conversion cells. The first converter that converts the power supply voltage, the first control circuit that controls the first converter, the second converter that converts the voltage converted by the first converter, and the second converter. The central control device has a second control circuit for controlling the voltage by pulse width modulation and a transformer connected between the first converter and the second converter, and the central control device is a power conversion cell for each of the plurality of power conversion cells. The first control circuit of each of the plurality of power conversion cells has a control signal transmission unit for transmitting the first control signal to the first control circuit of the above-mentioned first control circuit. It has a synchronization signal transmission unit that controls one converter and transmits a synchronization signal to the first control circuit of each of the plurality of power conversion cells, and the first control circuit receives the synchronization signal. The second control signal is transmitted to the second control circuit, and when the second control circuit receives the second control signal, the carrier signal of the pulse width modulation is reset and transmitted to the first control circuit. The first control signal includes information on the duty ratio of the pulse width modulation, and the information on the duty ratio is transmitted to the second control circuit via the first control circuit, and the information of the plurality of power conversion cells is transmitted. Each of the second control circuits performs pulse width modulation based on the duty ratio to drive the second converter .
本発明によれば、PWM同期を行う低コストの電力変換装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a low-cost power conversion device that performs PWM synchronization.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1における電力変換装置の概略構成図である。
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power conversion device according to a first embodiment of the present invention.
図1において、電力変換装置1は、外部の電源300から入力される電力を変換し、外部の負荷400に出力する。また、電力変換装置1は、複数のセル101〜104とこれらを制御する中央制御装置200を備える。図1では、セルを4台利用する例を示したが、台数については任意である。
In FIG. 1, the
セル101〜104は、第1変換器141〜144及びこれらを制御する第1制御回路211〜214と、第2変換器151〜154及びこれらを制御する第2制御回路221〜224と、第1変換器141〜144と第2変換器151〜154の間にそれぞれ接続されるトランス131〜134をそれぞれ備える。
In
以下では、第1変換器141〜144と第1制御回路211〜214を合わせて1次側回路111〜114とそれぞれ定義する。また、第2変換器151〜154と第2制御回路221〜224を合わせて2次側回路121〜124とそれぞれ定義する。トランス131〜134は、1次側回路111〜114と2次側回路121〜124をそれぞれ電気的に絶縁する。セルのさらに詳細な構成については、後述する。
In the following, the
セル101〜104の入力端子(入力側)は、電源300に対して並列に接続される。従って、セル101〜104の入力電圧は全て等しい。セル101〜104は、電源300の電圧を変換して出力電圧VO1〜VO4をそれぞれ生成する。
The input terminals (input side) of
セル101が出力電圧VO1を生成する要領を説明する。
The procedure in which the
まず、1次側回路111の第1変換器141は、電源300の電圧を交流電圧に変換してトランス131の1次巻線に印加する。1次側回路111の第1制御回路211は、この動作に関する演算・処理を行い、第1変換器141を駆動する。
First, the
次に、2次側回路121の第2変換器151は、トランス131の2次巻線に発生する電圧を変換して電圧VO1を生成する。2次側回路121の第2制御回路221は、この動作に関する演算・処理を行い、第2変換器151を駆動する。セル102〜104についても、同様の要領で電圧VO2〜VO4をそれぞれ生成する。
Next, the
セル101〜104の出力端子(出力側)は、互いに直列に接続される。電力変換装置1の出力電圧は、電圧VO1〜VO4を合成した電圧であり、以下では、これを合成出力電圧VOS(=VO1+VO2+VO3+VO4)と定義する。以上の構成によって、電力変換装置1は各セルの定格出力電圧より高い電圧を出力できる。
The output terminals (output side) of
ここで、2次側回路121〜124は、後述のようにPWM(パルス幅変調)を利用して出力電圧VO1〜VO4をそれぞれ制御する。第2制御回路221は、内部で生成するキャリア信号と、外部から送信されるデューティ比(以下、デューティと略称する)を用いてPWM処理を行い、その結果に従って第2変換器151を駆動する。デューティとは、PWMにおいてスイッチング素子のオン期間比率を設定するための数値である。デューティは、電圧VO1を所望の値に制御するために中央制御装置200によって生成される。
Here, the secondary circuit 121 to 124, respectively control PWM (pulse width modulation) output voltage V O1 ~V O4 utilizing as described below. The
第2制御回路222〜224も同様にPWM処理を行い、第2変換器152〜154をそれぞれ駆動する。第2制御回路221〜224によるキャリア信号生成は独立しているが、後述の方法によってPWM同期が実現される。
The
ここで、本発明とは異なる例であるが、2次側回路121〜124のPWMにおいては、中央制御装置200が2次側回路121〜124のPWM処理を全て行い、生成されたスイッチング素子のゲート信号を2次側回路121〜124まで伝送する構成も考えられる。
Here, although it is an example different from the present invention, in the PWM of the secondary side circuits 121 to 124, the
しかし、後述のように第2変換器のスイッチング素子は複数個あるため、その分だけ複数のゲート信号配線が必要になり、電力変換装置の複雑化、高コスト化が問題となる。 However, since there are a plurality of switching elements of the second converter as described later, a plurality of gate signal wirings are required for that amount, which causes problems of complicated power conversion device and high cost.
一方、本発明の実施例1のように、中央制御装置200から第2制御回路221〜224にデューティを送信し、第2制御回路221〜224が独立してPWM処理を実施する構成であれば、中央制御装置200から各セルへの制御信号に関する配線の複雑化、高コスト化を抑制することができる。
On the other hand, as in the first embodiment of the present invention, if the
中央制御装置200は、合成出力電圧VOSを所望の値に制御するために、各セル101〜104の出力電圧VO1〜VO4を制御する。
電力変換装置1を太陽光発電のPCSに応用する場合、電力変換装置1の出力電流を所望の値に制御することが要求される。図1では、このような場合を想定して、出力電流の経路上に電流検出器230を配置している。
When the
中央制御装置200が備える制御演算部201は、電流検出器230から検出される出力電流の検出値を用いてフィードバック制御の演算を行い、出力電圧VOSの目標値、ひいては各出力セル101〜104の電圧VO1〜VO4の目標値を生成する。
Control
さらに、制御演算部201は、電圧VO1〜VO4を目標値とするための演算・処理を行い、各セル101〜104の第1制御回路211〜214と第2制御回路221〜224とに対して制御指令を生成する。制御指令とは、制御の目標値(指令値)、または、起動や停止などの状態指示であり、前述のデューティも制御指令に含まれる。
Further, the control
制御演算部201は、生成した制御指令を制御信号送信部202に出力する。図1では、4台のセル101〜104ごとに個別の制御指令を出力することを表すために、制御指令として4本の矢印を示した。制御信号送信部202は、制御指令に基づいて各セル101〜104に対する第1制御信号を生成し、各セル1101〜104の第1制御回路211〜214に第1制御信号を送信する。
The
制御信号送信部202が送信する第1制御信号には、デューティのように第2制御回路221〜224に対する制御指令が含まれる。このように第2制御回路221〜224に向けた制御指令であっても、一旦、第2制御回路221〜224が属するセル101〜104の第1制御回路211〜214に送信する。
The first control signal transmitted by the control
すなわち、第1制御回路211〜214を用いた中継を行い、制御指令を第2制御回路221〜224に送信する。
That is, the relay is performed using the
各セル101〜104の1次側回路111〜114は、外部電源300に対して並列に接続される。そのため、第1制御回路211〜214のグラウンド電位(回路が動作する基準電位)は全て共通である。また、中央制御装置200と第1制御回路211〜214のグラウンド電位も共通化できる。よって、中央制御装置200から第1制御回路211〜214への通信については、絶縁は不要であり、電線を用いた通信を適用できる。
The
本実施例1では、中央制御装置200の制御信号送信部202から第1制御回路211〜214への通信方法として、シリアル通信を想定する。そのため、第1制御信号は数バイト程度のシリアル通信信号となる。
In the first embodiment, serial communication is assumed as a communication method from the control
また、本実施例1では、中央制御装置200の制御信号送信部202と全ての第1制御回路211〜214との間で通信バスを共有し、この通信バスにより、制御信号送信部202と全ての第1制御回路211〜214とが接続される。そのため、図1では、制御信号送信部202から出力される第1制御信号として、1本の矢印を示し、それを各セルの第1制御回路211〜214に並列に入力する構成を示した。後述のように、第1制御信号は、セル101〜104を識別するためのアドレスを含む。このため、制御信号送信部202は、制御指令を符号化し、さらにアドレスを付与してシリアル通信信号を生成する。
Further, in the first embodiment, a communication bus is shared between the control
中央制御装置200において、制御信号送信部202は、同期信号送信部203に対して同期指令を出力する。同期信号送信部203は、同期信号送信部202から出力された同期指令に基づいて同期信号を生成し、第1制御回路211〜214に出力する。第1制御回路211〜214に出力される同期信号は、PWM同期に利用されるディジタル信号であり、詳細については後述する。
In the
中央制御装置200の同期信号送信部203から第1制御回路211〜214への同期信号の伝送においても、グランド電位を共通化できるため、絶縁は不要であり、電線を用いた信号伝送を適用できる。
Even in the transmission of the synchronization signal from the synchronization
本実施例1では、中央制御装置200の同期信号送信部203から全ての第1制御回路211〜214に対して共通の同期信号を出力する。図1では、同期信号送信部203から出力される同期信号として1本の矢印を示し、それを第1制御回路211〜214に並列に入力する構成を示した。
In the first embodiment, a common synchronization signal is output from the synchronization
本発明の実施例1とは異なる例であり、中央制御装置200から各セル101〜104への信号伝送において絶縁が必要となる場合、高価な光ファイバを利用する方法が考えられる。その場合、中央制御装置200から各セルへの配線は長距離になり得るため、使用する光ファイバの合計長が長くなり、電力変換装置のコストが高くなる。
This is an example different from the first embodiment of the present invention, and when insulation is required for signal transmission from the
一方、本実施例1では、グランド電位を共通化することがきるため、中央制御装置200から各セル101〜104に対する全ての信号伝送について絶縁が不要であり、高価な光ファイバではなく、安価な電線を使用できるため、低コストの電力変換装置を実現できる。
On the other hand, in the first embodiment, since the ground potential can be shared, insulation is not required for all signal transmissions from the
さらに、図1のように全セル101〜104で通信バスを共通化すれば、中央制御装置200の出力ポート数が減少し、より低コストの電力変換装置を実現できる。また、配線の煩雑化を抑える点でもメリットがある。
Further, if the communication bus is shared among all the
第1制御回路211は、受信した第1制御信号から第1変換器141に関する制御指令を抽出し、これに従って第1変換器141を駆動する。また、第1制御回路211は、第1制御信号から第2変換器151に関する制御指令(デューティなど)を抽出し、抽出した制御指令に基づいて第2制御信号を生成し、生成した第2制御信号を第2制御回路221に送信する。第1制御回路211から第2制御回路221への通信は、中央制御装置200の同期信号送信部203から送信される同期信号の立ち上がり(または立ち下がり)をトリガとして行われる。
The
第1制御回路212〜214についても、上述した第1制御回路211と同様の要領で第1変換器142〜144をそれぞれ駆動し、第2制御回路222〜224に第2制御信号をそれぞれ送信する。
Regarding the
ここで、中央制御装置200の同期信号送信部203から全セル101〜104の第1制御回路211〜214に対して共通の同期信号を出力するため、第1制御回路211〜214から第2制御回路221〜224への通信は全セル101〜104で同時に行われる。後述するように、各セル101〜104の第2制御回路221〜224は、第2制御信号の受信をトリガとしてキャリア信号をリセットする。以上によって、PWM同期を実現できる。
Here, in order to output a common synchronization signal from the synchronization
本実施例1では、各セル101〜104の第1制御回路211〜214から第2制御回路221〜224への通信手段として、シリアル通信を利用する。そのため、第2制御信号は数バイト程度のシリアル通信信号となる。
In the first embodiment, serial communication is used as a communication means from the
各セル101〜104の2次側回路121〜124は、互いに直列に接続されるため、第2制御回路221〜224のグラウンド電位はそれぞれ異なる。また、第1制御回路211〜214と第2制御回路221〜224のグラウンド電位もそれぞれ異なる。このため、各セル101〜104の第1制御回路211〜214から第2制御回路221〜224への通信には絶縁が必要である。よって、例えば、光ファイバを利用した通信が考えられる。ただし、セル101〜104の内部の通信となるため、光ファイバの合計長は比較的短くなり、光ファイバのコストを低く抑えられる。
Since the secondary side circuits 121 to 124 of the
また、各セル101〜104の第1制御回路211〜214から第2制御回路221〜224への通信は比較的短距離となることから、光ファイバの他に、IrDA(Infrared Data Association)のような赤外線通信や超音波等を利用する方法も考えられる。赤外線通信や超音波通信であれば、第1制御回路211〜214と第2制御回路221〜224とでグラウンド電位が大きく異なる場合であっても、赤外線通信や超音波通信の送受信機の距離を適切に保つなど構造上の工夫によって絶縁を確保しつつ通信することができる。
Further, since the communication from the
ここで、図1に示した例において、補足事項を説明する。外部電源300は、直流電源または交流電源のいずれでもよい。例として、電力変換装置1を太陽光発電のPCSに応用する場合、外部電源300は太陽電池となる。また、外部負荷400の例として、高電圧モータや他の電力機器がある。
Here, supplementary matters will be described in the example shown in FIG. The
電力変換装置1を太陽光発電のPCSに応用する場合のように、外部負荷400は電力系統であってもよい。電力変換装置1は、以上に示した構成の他に、保護用部品(リレー、ヒューズなど)やフィルタ用部品(リアクトル、コンデンサ)などの要素を備えてもよい。
The
図2は、セル101の回路構成例を示す図である。図2に示した例では、外部電源300が直流電源であり、電力変換装置は外部負荷400に交流電力を出力する場合を想定した。他のセル102〜104についても、図2に示したセル101と同様の構成を適用できる。
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration example of the
図2において、第1変換器141は、4個のスイッチング素子(図2の例ではMOSFET)11〜14から成る第1インバータを備える。この第1インバータの直流入力端子は、第1変換器141の入力端子となる。また、第1インバータの直流入力端子間にはフィルタ用のコンデンサ10が接続される。そして、第1インバータの交流出力端子間には、コイル15、コンデンサ16及びトランス131の1次巻線を、直列に接続した直列共振回路が接続される。
In FIG. 2, the
第2変換器151は、ダイオード21〜24から成るダイオードブリッジを備え、ダイオードブリッジの交流入力端子間にはトランス131の2次巻線が接続される。なお、以上で述べた第1インバータ、直列共振回路、ダイオードブリッジは、絶縁型DC−DCコンバータの一種である共振型コンバータを構成する。
The
第2変換器151におけるダイオードブリッジの直流出力端子間に、平滑用のコンデンサ20が接続される。また、第2変換器151は、4個のスイッチング素子(図2ではMOSFET)31〜34から成る第2インバータを備える。第2インバータの交流出力端子が、セル101の第2変換器151の出力端子となる。
A smoothing
以上の構成から、各セル101〜104は、共振型コンバータ(以下、コンバータ)と第2インバータ(以下、インバータ)から構成されるとも言える。
From the above configuration, it can be said that each
上記コンバータは、セル101に入力される電圧を変換して直流リンク電圧Vdc1を生成する。詳細については省略するが、スイッチング素子のオン・オフ動作によって、直流リンク電圧Vdc1を所望の値に制御できる。上記コンバータが直流リンク電圧Vdc1を制御するために、図2では電圧Vdc1を検出するための電圧検出器25が配置されている。また、図1では省略したが、検出された電圧Vdc1は第2制御回路221に一旦取り込まれ、その後、第2制御回路221から第1制御回路211に送信される。第1制御回路211は電圧Vdc1のフィードバック制御を行い、その結果に基づいて上記コンバータを駆動する。
The converter converts the voltage input to the
セル102〜104も、図2に示した上記コンバータと同様に、コンバータを備えており、直流リンク電圧Vdc2〜Vdc4をそれぞれ生成する。 The cells 102 to 104 also include a converter like the converter shown in FIG. 2, and generate DC link voltages V dc2 to V dc4, respectively.
ここで、直流リンク電圧Vdc1〜Vdc4を全て同じ値に制御しても、それぞれ異なる値に制御してもよい。ただし、以下では、直流リンク電圧Vdc1〜Vdc4は全て等しい値Vdcに制御されると仮定する。 Here, the DC link voltages V dc1 to V dc4 may all be controlled to the same value, or may be controlled to different values. However, in the following, it is assumed that the DC link voltages V dc1 to V dc4 are all controlled to the same value V dc.
図2では共振型コンバータを示したが、絶縁型DC−DCコンバータであれば、具体的な回路方式については問わず、適用することができる。 Although the resonance type converter is shown in FIG. 2, any isolated DC-DC converter can be applied regardless of the specific circuit method.
外部電源300が交流電源の場合、図2のコンバータの前段に整流回路(AC−DCコンバータ)を追加すればよい。
When the
インバータは、電圧Vdc1を変換してセル101の出力電圧V01を生成する。セル102〜104も同様にインバータを備え、電圧Vdc2〜Vdc4を変換して電圧V02〜V04をそれぞれ生成する。 The inverter converts the voltage V dc1 to generate the output voltage V 01 of the cell 101. The cells 102 to 104 are similarly provided with an inverter, and the voltages V dc2 to V dc4 are converted to generate voltages V 02 to V 04 , respectively.
各セル101〜104の2次側回路121〜124のインバータは、PWMによって出力電圧V01〜V04を所望の値に制御する。
The inverters of the secondary side circuits 121 to 124 of each
図3と図4は、セル101における2次側回路121のPWM動作波形の例を示す図である。図3は、電圧V01を正の値に制御する場合のPWM動作波形である。PWM動作波形として、具体的には、キャリア信号とデューティD1、スイッチング素子31〜34のゲート信号、V01波形を示した。なお、図3では図面及び説明の簡単化のため、スイッチング素子のデッドタイムを省略した。
3 and 4 are diagrams showing an example of the PWM operation waveform of the secondary circuit 121 in the
図3に示した例では、PWMのキャリア信号として三角波信号を示した。キャリア信号の瞬時値は、0(0%)から1(100%)までの範囲で変化する。図3では、キャリア信号の3周期分のPWM動作波形を示した。なお、図3では、後述するキャリア信号のリセットについては省略した。 In the example shown in FIG. 3, a triangular wave signal is shown as the PWM carrier signal. The instantaneous value of the carrier signal varies in the range from 0 (0%) to 1 (100%). FIG. 3 shows PWM operation waveforms for three cycles of the carrier signal. In FIG. 3, the resetting of the carrier signal, which will be described later, is omitted.
デューティD1は電圧V01を所望の値に制御するための制御指令であり、中央制御装置200の制御信号送信部202から第1制御回路211を経由して第2制御回路221に送信される制御信号に含まれる。デューティD1は−1(−100%)から+1(+100%)までの値となる。電圧V01を正の値に制御する場合、デューティD1は0から+1までの値となる。図3では、キャリア信号の各周期間において、デューティD1は一定であると仮定した。また、キャリア信号の3周期に渡ってデューティD1が徐々に増大する場合を示した。
The duty D 1 is a control command for controlling the voltage V 01 to a desired value, and is transmitted from the control
電圧V01を正の値に制御する場合、図2に示したスイッチング素子33と34はオフとオンにそれぞれ制御される。スイッチング素子31と32は、デューティD1とキャリア信号の比較結果に従ってオン・オフ制御される。デューティD1がキャリア信号より大きい期間では、スイッチング素子31と32はオンとオフにそれぞれ制御され、電圧V01(の瞬時値)は+Vdcとなる。デューティD1がキャリア信号より小さい期間では、スイッチング素子31と32はオフとオンにそれぞれ制御され、V01(の瞬時値)は0となる。
When the voltage V 01 is controlled to a positive value, the switching
キャリア周期における電圧V01の平均値は(D1Vdc)となる。デューティD1を0から+1までの範囲で変化させれば、インバータはキャリア周期内の平均値として0≦V01≦+Vdcの範囲における所望の電圧を出力できる。図3に示した例のように、デューティD1が増大するにつれて電圧V01(のキャリア周期における平均値)も増大する。 The average value of the voltage V 01 in the carrier cycle is (D 1 V dc ). If the duty D 1 is changed in the range of 0 to +1 the inverter can output a desired voltage in the range of 0 ≦ V 01 ≦ + V dc as an average value in the carrier cycle. As in the example shown in FIG. 3, as the duty D 1 increases, the voltage V 01 (the average value in the carrier cycle) also increases.
図4は、電圧V01を負の値に制御する場合のPWM動作波形図である。図4に示した例の場合、デューティD1は−1(−100%)から0までの値をとる。図4では、図3に示したデューティD1の代わりにデューティD1の絶対値である|D1|を示した。また、キャリア信号の3周期に渡って絶対値|D1|が徐々に増大する、すなわち、デューティD1が徐々に減少する場合を示した。 FIG. 4 is a PWM operation waveform diagram when the voltage V 01 is controlled to a negative value. In the case of the example shown in FIG. 4, the duty D 1 takes a value from -1 (-100%) to 0. In Figure 4, the absolute value of the duty D 1 instead of the duty D 1 shown in FIG. 3 | showed | D 1. Further, the case where the absolute value | D 1 | gradually increases over three cycles of the carrier signal, that is, the duty D 1 gradually decreases is shown.
電圧V01を負の値に制御する場合、スイッチング素子31と32はオフとオンにそれぞれ制御される。スイッチング素子33と34は、デューティD1の絶対値|D1|とキャリア信号の比較結果に従ってオン・オフ制御される。|D1|がキャリア信号より大きい期間では、スイッチング素子33と34はオンとオフにそれぞれ制御され、電圧V01(の瞬時値)は−Vdcとなる。|D1|がキャリア信号より小さい期間では、スイッチング素子33と34はオフとオンにそれぞれ制御され、電圧V01(の瞬時値)は0となる。
When the voltage V 01 is controlled to a negative value, the switching
キャリア周期における電圧V01の平均値は(D1Vdc)となる。デユーティD1が負の値であることに注意されたい。デューティD1を−1から0までの範囲で変化させれば、インバータはキャリア周期内の平均値として−Vdc≦V01≦0の範囲における所望の電圧を出力できる。図4に示した例のように、|D1|が増大するにつれて、すなわち、デューティD1が減少するにつれて、電圧V01(のキャリア周期における平均値)は減少する。 The average value of the voltage V 01 in the carrier cycle is (D 1 V dc ). Note that duty D 1 is a negative value. If the duty D 1 is changed in the range of -1 to 0, the inverter can output a desired voltage in the range of −V dc ≦ V 01 ≦ 0 as an average value in the carrier cycle. As in the example shown in FIG. 4, as | D 1 | increases, that is, as duty D 1 decreases, the voltage V 01 (the average value in the carrier cycle) decreases.
中央制御装置200が電圧V01をある目標値Vaに制御する場合、直流リンク電圧の目標値Vdcに対して、デューティを(Va/Vdc)とすればよい。ここで、−Vdc≦Va≦+Vdcである。中央制御装置200において、制御演算部201が目標値Vdcとデューティ(Va/Vdc)を制御指令として生成し、制御信号送信部202がこれらの制御指令に基づいて第1制御信号を生成する。ここで、Vdcが固定値であり、また、中央制御装置200と第1制御回路211の両方に記録されていると仮定する。
If the
この場合、中央制御装置200の制御演算部201は、目標値Vdcの代わりに、コンバータの起動または動作継続を表すデータ(シンボル)を制御指令としても生成してもよい。セル102〜104(2次側回路122〜124)においても、同様の要領でPWM処理が行われる。
In this case, the
図5は、合成出力電圧VOS波形の一例を示す図である。図5において、破線で示した正弦波は、合成出力電圧VOSに含まれる基本波成分であり、合成出力電圧VOSの目標値と考えてもよい。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a combined output voltage VOS waveform. 5, the sine wave indicated by a broken line is a basic wave component contained in the combined output voltage V OS, may be considered as a target value of the combined output voltage V OS.
合成出力電圧VOSの瞬時値は、−4Vdc、−3Vdc、・・・、0、・・・、+3Vdc、+4Vdcのいずれかとなる。PMW同期を前提とすれば、電力変換装置1はキャリア周期内の平均値として、−4Vdc≦VOS≦+4Vdcの範囲における所望の電圧を出力できる。図5に示すように、合成出力電圧VOSの目標値を正弦波状に変化させれば、マルチレベル擬似正弦波状の合成出力電圧VOSが生成される。
The instantaneous value of the combined output voltage V OS is, -4V dc, -3V dc, ··· , 0, ···, + 3V dc, made with any of the + 4V dc. Assuming PMW synchronization, the
次に、前述のPWM同期の方法を具体的に説明する。 Next, the above-mentioned PWM synchronization method will be specifically described.
図6は、PWM同期の原理を示すタイミングチャートである。具体的には、図6において、同期信号波形、中央制御装置200の制御信号送信部202から各セル101〜104の第1制御回路211〜214に向けた第1制御信号、各セル101〜104において第1制御回路211〜214から第2制御回路221〜224にそれぞれ送信される第2制御信号、及び各セル101〜104の第2制御回路221〜224にて行われるPWM動作波形を示した。
FIG. 6 is a timing chart showing the principle of PWM synchronization. Specifically, in FIG. 6, the synchronous signal waveform, the first control signal directed from the control
ここで、中央制御装置200の制御信号送信部202から第1制御回路211に向けた第1制御信号とは、制御信号送信部202から送信される第1制御信号のうち、第1制御回路211を示すアドレスが付与されたものを意味する。
Here, the first control signal directed from the control
また、各セル101〜104のPWM動作波形として、第2制御回路221〜224が生成するキャリア信号と、デューティD1〜D4を示した。
Further, as the PWM operation waveforms of the
デューティD2〜D4はV02〜V04を所望の値に制御するための制御指令であり、中央制御装置200の制御信号送信部202から第1制御回路212〜214をそれぞれ経由して第2制御回路222〜224にそれぞれ送信される制御信号に含まれる。
Duties D 2 to D 4 are control commands for controlling V 02 to V 04 to a desired value, and are the first from the control
なお、図6におけるデューティD1〜D4の具体的な値は、図5の波形を得ることを想定した値ではない。また、PWM処理によって得られるスイッチング素子のゲート信号、及び、出力電圧波形については図示を省略した。 The specific values of the duties D 1 to D 4 in FIG. 6 are not the values assuming that the waveform of FIG. 5 is obtained. Further, the gate signal of the switching element obtained by the PWM process and the output voltage waveform are not shown.
図6において、TSは中央制御装置200の制御周期を表す。具体的には、制御演算部201が制御演算を行い、制御信号送信部202から各セル101〜104に第1制御信号を送信する周期である。図6では、第1制御信号の送信が開始される時点を各制御周期の起点として、図6中にt=kTSなどの時刻を示した。なお、kは離散時間ステップを表す整数である。
In FIG. 6, T S represents a control cycle of the
時刻t=kTSから始まる制御周期を例として、PWM同期について説明する。 Examples of control cycle starting at time t = kT S, described PWM synchronization.
図6に示した時刻t=kTSにて、中央制御装置200の制御信号送信部202から各セル101〜104の第1制御回路211〜214に第1制御信号を送信し始める。
At time t = kT S shown in FIG. 6 starts transmitting the first control signal from the control
ここで、前述のように中央制御装置200と全セル101〜104の第1制御回路211〜214とで通信バスを共有しているため、中央制御装置200の制御信号送信部202は、第1制御回路214に向けた第1制御信号1014を最初に送信する。以下、第1制御回路213に向けた第1制御信号1013、第1制御回路212に向けた第1制御信号1012、第1制御回路211に向けた第1制御信号1011を順番に送信する。第1制御信号1011〜1014には、時刻t=kTSの直前に制御演算部201が生成したデューティD1(k)〜D4(k)に関する情報がそれぞれ含まれる。
Here, since the communication bus is shared between the
中央制御装置200の制御信号送信部202は、第1制御回路211に向けた第1制御信号1011を送信した後、同期信号送信部203に同期指令を出力する。同期信号送信部203は、制御信号送信部202からの同期指令の受信に合わせてディジタル信号である同期信号をHレベルとして、同期信号の立ち上がりエッジを発生させる。ただし、図6では、この間の処理遅れを無視して、第1制御信号1011の送信完了と同時に同期信号の立ち上がりが発生するとした。同期信号の立ち上がりは、全セル101〜104の第1制御回路211〜214に出力される。
The control
各セル101〜104の第1制御回路211〜214は、同期信号の立ち上がりをトリガとして、第2制御回路221〜224に第2制御信号1021〜1024をそれぞれ送信する。前述のように、これらの通信は全セル101〜104で同時に行われる。第2制御信号1021〜1024には、デューティD1(k)〜D4(k)に関する情報がそれぞれ含まれる。
The
各セル101〜104の第2制御回路221〜224は、第2制御信号の受信をトリガとして、キャリア信号をリセットする。図6のように、各セルの第2制御回路が発生させるキャリア信号の値は、時点t1、t2、t3にて第2制御信号の受信完了と同時に0に初期化され、その後1まで増大を始める(図6の横方向の破線が「1」を示す)。
The
図6に示すように、第2制御信号の受信完了は全セル101〜104で同時となるため、キャリア信号のリセットも全セル101〜104で同時に行われる。リセット後の各セル101〜104のデューティには、受信したD1(k)〜D4(k)がそれぞれ反映される。
As shown in FIG. 6, since the reception of the second control signal is completed simultaneously in all
時刻t=(k+1)TS、t=(k+2)TSから始まる制御周期についても、上述と同様に、第1制御信号及び第2制御信号の通信とこれを利用したキャリア信号のリセットが行われる。同期信号の立ち上がりが発生する周期は制御周期と同じくTSとなる。 Time t = (k + 1) T S, t = (k + 2) for also controlling period starting T S, similarly to the above, the reset of the first control signal and the communication and the carrier signal using the same of the second control signal line It is said. Cycle rise occurs in the synchronization signal is also T S and Control period.
各セル101〜104のキャリア周期は、中央制御装置200の制御周期TSと同じ時間に設定される。しかし、実際には、各セル101〜104のキャリア周期は互いに全く同じ時間にはならない。また、同期信号の立ち上がり周期TSとも全く同じ値にはならない。
Carrier period of each
ここで、例えば、中央制御装置200や第2制御回路221〜224がディジタル制御装置(マイクロコンピュータやディジタルシグナルプロセッサなど)によって演算、通信、PWM処理などを行う場合を考える。
Here, for example, consider a case where the
この場合、各ディジタル制御装置のクロック周期に存在する僅かな誤差が、前述の周期誤差を発生させる。図6では、第2制御回路221のキャリア周期はTSより僅かに短く、第2制御回路222のキャリア周期は中央制御装置200のTSより僅かに長い場合を示した。
In this case, a slight error existing in the clock period of each digital control device causes the above-mentioned period error. In Figure 6, the carrier period of the
このような場合であっても、本実施例1のように全セル101〜104が同時にキャリア信号をリセットすることによって、各セル101〜104のキャリア信号をほぼ同期させることができる。つまり、図6に示すように、時点t1の直前では、第2制御回路221〜224のキャリア信号は、第2制御回路221から224に行くに従って、徐々に遅延している。このため、時点t1にて、第2制御回路221〜224のキャリア信号を同時にリセットすることにより、各セル101〜104のキャリア信号をほぼ同期させることができる。
Even in such a case, the carrier signals of the
また、時点t1から時点t2に進むに従って、第2制御回路221〜224のキャリア信号の周期誤差が発生するが、時点t2にて、第2制御回路221〜224のキャリア信号を同時にリセットすることにより、各セル101〜104のキャリア信号をほぼ同期させることができる。時点t3についても、時点t1及びt2と同様である。
Further, as the process progresses from the time point t1 to the time point t2, a periodic error of the carrier signal of the
図7は、図6に示した第1制御信号1011の具体的なデータ構成例を示す図である。前述のように、第1制御信号1011は数バイト程度のシリアル通信信号である。具体的には、スタートビット、アドレス部、デューティ部、他データ部(Other data)、エンドビット(ストップビット)から構成される。
FIG. 7 is a diagram showing a specific data configuration example of the
スタートビットに続くアドレス部は、セル101の第1制御回路211を識別するためのディジタルデータとして構成される。デューティ部(PWM duty)は、図6に示したデューティD1(k)の値を示すためのディジタルデータとして構成される。他データ部(Other data)は、デューティ以外の制御指令の内容を示すためのディジタルデータ、または、パリティビットなどで構成される。他データ部の存在、及び内容については任意に設定可能である。
The address portion following the start bit is configured as digital data for identifying the
図8は、図6に示した第2制御信号1021の具体的なデータ構成例を示す図である。前述のように、第2制御信号1021は数バイト程度のシリアル通信信号である。具体的には、スタートビット、デューティ部(PWM duty)、他データ部、エンドビット(ストップビット)から構成される。セル内部での通信であるため、アドレス部は不要である。
FIG. 8 is a diagram showing a specific data configuration example of the
デューティ部は、図6に示したデューティD1(k)の値を示すためのディジタルデータとして構成され、図7に示した第1制御信号1011のデューティ部と同一内容であってもよい。他データ部は、デューティ以外の制御指令の内容を示すためのディジタルデータ、または、パリティビットなどで構成される。他データ部の存在、及び、内容については任意に設定可能である。
The duty section is configured as digital data for showing the value of duty D 1 (k) shown in FIG. 6, and may have the same contents as the duty section of the
図9は、セル101の第1制御回路211の構成例を示す図である。他セル102〜104の第1制御回路212〜214についても、同様の構成を適用することができる。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of the
図9において、第1制御回路211は、制御信号受信部2111と、同期信号受信部2112と、制御信号送信部2113と、駆動制御部2114とを備える。
In FIG. 9, the
制御信号受信部2111は、中央制御装置200の制御信号送信部202から送信される第1制御信号を受信し、この第1制御信号のアドレスを確認する。そして、第1制御回路211に向けた第1制御信号と判断した場合、第1制御信号に含まれる制御指令を抽出して以下の処理を行う。
The control
まず、デューティのように第2制御回路221への制御指令を制御信号送信部2113に出力する。次に、一次側回路111の第1変換器141に関する制御指令を駆動制御部2114に出力する。
First, a control command to the
同期信号受信部2112は、中央制御装置200の同期信号送信部203から送信される同期信号の立ち上がりを検出し、制御信号送信部2113に送信指令を出力する。
The synchronization
制御信号送信部2113は、制御信号受信部2111が出力した第2制御回路221への制御指令に基づいて第2制御信号を生成する。その後、同期信号受信部2112が出力する送信指令に従って第2制御回路221へ送信する。
The control
駆動制御部2114は、制御信号受信部2111が出力した第1変換器141に関する制御指令に従って第1変換器141を駆動制御する。
The
図10は、セル101の第2制御回路221の構成例を示す図である。他セル102〜104の第2制御回路222〜224についても、第2制御回路221と同様の構成を適用することができる。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the
図10において、第2制御回路221は、制御信号受信部2211と、キャリア信号生成部2212と、駆動制御部2213とを備える。
In FIG. 10, the
制御信号受信部2211は、第1制御回路211から送信される第2制御信号を受信して制御指令であるデューティを抽出し、抽出したデューティを駆動制御部2213に出力する。また、制御信号受信部2211は、第2制御信号の受信完了と同時にキャリア信号生成部2212にリセット指令を出力する。
The control
キャリア信号生成部2212は、設定されたキャリア周期でキャリア信号を生成し、キャリア信号を駆動制御部2213に出力する。また、制御信号受信部2211からリセット指令を受けると同時にキャリア信号をリセットする。
The carrier
駆動制御部2213は、信号受信部2211からのデューティとキャリア信号生成部2212からのキャリア信号とを比較し、その結果に基づいて第2変換器151を駆動制御する。
The
図11は、PWM同期の別例を示すタイミングチャートである。図6で説明したPWM同期との差分のみを以下に説明する。 FIG. 11 is a timing chart showing another example of PWM synchronization. Only the difference from the PWM synchronization described with reference to FIG. 6 will be described below.
時刻t=kTSから始まる制御周期を例として、図11に示したPWM同期について説明する。第2制御回路221〜224は、第2制御信号1021〜1024をそれぞれ受信後、一定時間TWが経過してからキャリア信号をそれぞれリセットする。これ以外の点については、図6で説明したPWM同期と同様である。
Examples of control cycle starting at time t = kT S, the PWM synchronization will be described as shown in FIG. 11. The
図11に示した、PWM同期は、第2制御回路221〜224が第2制御信号を受信してから一定時間TW経過後にキャリア信号をリセットする構成は、以下の全ての実施例に別例として適用することができる。
Shown in FIG. 11, PWM synchronization, configuration in which the
以上のように、実施例1によれば、中央制御装置200から第2制御回路221〜224にデューティを送信し、第2制御回路221〜224が独立してPWM処理を実施する構成としたので、中央制御装置200から2次側回路121〜124のスイッチグング素子に制御信号を送信する必要は無く、中央制御装置200から各セルへの制御信号に関する配線の複雑化、高コスト化を抑制することができ、低コスト化を図ることができる。
As described above, according to the first embodiment, the
さらに、実施例1によれば、各セル101〜104の1次側回路111〜114は、外部電源300に対して並列に接続され、第1制御回路211〜214のグラウンド電位は全て共通であり、中央制御装置200と第1制御回路211〜214のグラウンド電位も共通化できる。よって、中央制御装置200から第1制御回路211〜214への通信については、絶縁は不要であり、電線を用いた通信を適用でき、絶縁処理のためのコストを省略することができる。
Further, according to the first embodiment, the
特に、電力変換装置を高圧モータ駆動用のインバータや、高圧配電系統向けのPCSに利用する場合は、本発明の実施例1を適用しなければ、5kVを超える耐圧が必要となり、その絶縁処理が高価格となる。 In particular, when the power conversion device is used for an inverter for driving a high-voltage motor or a PCS for a high-voltage distribution system, a withstand voltage exceeding 5 kV is required unless Example 1 of the present invention is applied, and the insulation treatment is required. It will be a high price.
本発明の実施例1によれば、PWM同期を行う低コストの電力変換装置を実現することができる。 According to the first embodiment of the present invention, it is possible to realize a low-cost power conversion device that performs PWM synchronization.
(実施例2)
次に、本発明の実施例2について説明する。
(Example 2)
Next, Example 2 of the present invention will be described.
図12は、実施例2におけるPWM同期の原理を示すタイミングチャートである。実施例2における電力変換装置の構成は、図1に示した実施例1の構成と同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。 FIG. 12 is a timing chart showing the principle of PWM synchronization in the second embodiment. Since the configuration of the power conversion device in the second embodiment is the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, illustration and detailed description thereof will be omitted.
以下では、図6で説明した実施例1におけるPWM同期との差分のみを説明する。 In the following, only the difference from the PWM synchronization in the first embodiment described with reference to FIG. 6 will be described.
中央制御装置200の制御信号送信部202から各セル101〜104の第1制御回路211〜214に向けた第1制御信号、及び、各セル101〜104において第1制御回路211〜214から第2制御回路221〜224にそれぞれ送信される第2制御信号は、制御指令としてデューティの他にリセット指令の情報を含む。リセット指令とは、第2制御回路221〜224が制御信号の受信後にキャリア信号をリセットするか否か(オンまたはオフ)を示す情報である1ビットの制御指令である。
The first control signal directed from the control
図12に示した例では、いくつかの制御信号(例えば第1制御信号1311)に対して、リセット指令に関連する「on(オン)」を記載した。これは、リセット指令がオンである、すなわち、第2制御回路221〜224に対して、第2制御信号の受信後にキャリア信号をリセットさせる制御指令であることを意味する。
In the example shown in FIG. 12, “on” related to the reset command is described for some control signals (for example, the first control signal 1311). This means that the reset command is on, that is, it is a control command for the
図12において、時刻t=kTSから始まる制御周期(第1制御指令を送信する周期、同期信号周期)Tsにおいて、中央制御装置200の制御信号送信部202から第1制御回路211に向けた第1制御信号1311を送信するが、前述のように第1制御信号1311のリセット指令をオンにする。
12, (the period for transmitting a first control instruction, the synchronization signal period) control cycle starting at time t = kT S at Ts, the the control
セル101の第1制御回路211は、第1制御信号1311を受信した後、同期信号の立ち上がりをトリガとして、第2制御回路221に第2制御信号1321を送信する。このとき、第1制御信号1311のリセット指令がon(オン)であることを受けて、第2制御信号1321のリセット指令もon(オン)にする。
After receiving the
第2制御回路221は、第2制御信号1321のリセット指令がonであることを受けて、第2制御信号1321の受信をトリガとしてキャリア信号をリセットする。
The
一方、時刻t=(k+1)TSから始まる制御周期では、中央制御装置200の制御信号送信部202から第1制御回路211に向けた第1制御信号1411に対して、リセット指令をオンにしない(図示は省略したが、リセット指令をオフに設定する)。そのため、第1制御回路211から第2制御回路221への第2制御信号1421についてもリセット指令はオフに設定される。
On the other hand, in the control cycle starting at time t = (k + 1) T S, the
第2制御信号1421のリセット指令がオフであることを受けて、第2制御回路221は第2制御信号1421を受信してもキャリア信号をリセットしない。
In response to the fact that the reset command of the
時刻t=(k+2)TSから始まる制御周期では、t=kTSから始まる制御周期と同様に、制御信号のリセット指令がオンに設定されるため、第2制御回路221はキャリア信号をリセットする。
In the control cycle starting at time t = (k + 2) T S, similarly to the control period starting t = kT S, since the reset command of the control signal is set to ON, the
以上の説明では、セル101(第1制御回路211と第2制御回路221)を中心に動作を説明したが、他のセル102〜104(第1制御回路212〜214と第2制御回路222〜224)も同様に動作する。
In the above description, the operation has been described centering on the cells 101 (
実施例2は、実施例1と比べて第1制御回路211〜214と第2制御回路221〜224の構成や動作に若干の変更点があるが、以上で動作を説明したため、図9や図10のようなブロック図の図示については省略する。
In the second embodiment, there are some changes in the configurations and operations of the
実施例1においては、全ての制御周期でキャリア信号をリセットするように構成したが、実施例2のように、各セル101〜104のキャリア周期、及び、中央制御装置200の制御周期TSとの間の誤差が十分に小さければ、全ての制御周期でキャリア信号をリセットしない場合であっても各セルのキャリア信号をほぼ同期させることができる。
In Example 1, is configured so as to reset the carrier signal in every control cycle, as in Example 2, the carrier period of the
このため、実施例2は、実施例1に比較して、マイコン等の制御部の動作レベルが低いものに適用可能である。ただし、クロックの発振を適切に管理できることが必要である。 Therefore, the second embodiment can be applied to a control unit such as a microcomputer having a lower operation level than the first embodiment. However, it is necessary to be able to properly manage the oscillation of the clock.
実施例2においても、実施例1と同様な効果を得ることができる。 In Example 2, the same effect as in Example 1 can be obtained.
(実施例3)
次に、本発明の実施例3について説明する。
(Example 3)
Next, Example 3 of the present invention will be described.
図13は、実施例3におけるPWM同期の原理を示すタイミングチャートである。実施例3における電力変換装置の構成は、図1に示した実施例1の構成と同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。 FIG. 13 is a timing chart showing the principle of PWM synchronization in the third embodiment. Since the configuration of the power conversion device in the third embodiment is the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, illustration and detailed description thereof will be omitted.
以下では、図6で説明した実施例1におけるPWM同期との差分のみを説明する。 In the following, only the difference from the PWM synchronization in the first embodiment described with reference to FIG. 6 will be described.
時刻t=kTSから始まる制御周期を考える。図13に示したように、セル103の第2制御回路223とセル104の第2制御回路224では、1ステップ前の制御周期からデューティが変化しない。すなわち、D3(k)=D3(k−1)、D4(k)=D4(k−1)である。そのため、中央制御装置200の制御信号送信部202は、第1制御回路212に向けた第1制御信号1012と第1制御回路211に向けた第1制御信号1011のみを順番に送信する。
Given the control cycle starting from time t = kT S. As shown in FIG. 13, in the
第1制御回路211と212は、第1制御信号を受信した後、同期信号の立ち上がりをトリガとして、第2制御回路221と222に第2制御信号1021と1022をそれぞれ送信する。そのため、時刻t=kTSから始まる制御周期では、キャリア信号のリセットは、セル101(第2制御回路221)とセル102(第2制御回路222)のみで行われる。
After receiving the first control signal, the
次の時刻t=(k+1)TSから始まる制御周期では、第2制御回路221と222については1ステップ前の制御周期からデューティが変化しない。すなわち、D1(k+1)=D1(k)、D2(k+1)=D2(k)である。そのため、中央制御装置200の制御信号送信部202は、第1制御回路214に向けた第1制御信号1114と第1制御回路213に向けた第1制御信号1113のみを順番に送信する。
In the control period starting next time t = (k + 1) T S, the duty does not change from the control period of one step before for the
セル103の第1制御回路213とセル104の第1制御回路214は、第1制御信号を受信した後、同期信号の立ち上がりをトリガとして、第2制御回路223と224に第2制御信号1123と1124をそれぞれ送信する。そのため、時刻t=(k+1)TSから始まる制御周期では、キャリア信号のリセットはセル103の第2制御回路223とセル104の第2制御回路224のみで行われる。
After receiving the first control signal, the
各制御周期においてデューティが変更させるセルが最大2台と分かっている場合、図13のようにして制御信号の通信とキャリア信号のリセットを行うことによって、中央制御装置200がデューティの演算を完了してから第2制御回路にてデューティが反映されるまでの時間、すなわち、通信による遅延時間を短縮できる。
When it is known that the maximum number of cells whose duty is changed in each control cycle is two, the
実施例3においても、実施例1と同様な効果が得られる他、上述したような効果も得ることができる。 In Example 3, the same effect as in Example 1 can be obtained, and the above-mentioned effect can also be obtained.
(実施例4)
次に、本発明の実施例4について説明する。
(Example 4)
Next, Example 4 of the present invention will be described.
図14は、実施例4における電力変換装置の概略構成図である。以下では、図1で説明した実施例1における電力変換装置1との差分のみを説明する。
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of the power conversion device according to the fourth embodiment. In the following, only the difference from the
図14に示した電力変換装置2は、図1の中央制御装置200の代わりに中央制御装置204を備えている。図14の中央制御装置204は、実施例1の中央制御装置200と比べて、同期信号送信部203を備えておらず、各セルの101〜104の第1制御回路211〜214に同期信号を出力しない構成となっている。
The
図15は、実施例4におけるPWM同期の原理を示すタイミングチャートである。本実施例4では、図12で説明した実施例2と同様に、制御信号にリセット指令が含まれる。以下では、図12で説明した実施例2におけるPWM同期との差分のみを説明する。 FIG. 15 is a timing chart showing the principle of PWM synchronization in the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the control signal includes a reset command as in the second embodiment described with reference to FIG. In the following, only the difference from the PWM synchronization in the second embodiment described with reference to FIG. 12 will be described.
図15において、各制御周期にて、中央制御装置204の制御信号送信部202は、第1制御回路211〜214に向けた第1制御信号を送信する。制御信号送信部202は制御周期につき第1制御信号の出力を4回(4フレーム分)行うが、時間的に4番目の第1制御信号(図15の第1制御信号1311、1412、1513)に対してリセット指令にオンに設定する。
In FIG. 15, at each control cycle, the control
また、4番目の第1制御信号におけるアドレスをセル101〜104の第1制御回路211〜214の間でローテーションする。図15に示した例では、4番目の第1制御信号におけるアドレスがセル101(第1制御回路211)、セル102(第1制御回路212)、セル103(第1制御回路213)と変化する。図15には示していないが、時刻t=(k+3)TSから始まる制御周期では、4番目の第1制御信号におけるアドレスをセル104(第1制御回路214)にすればよい。
Further, the address in the fourth first control signal is rotated between the
各セル101〜104の第1制御回路211〜214は、中央制御装置200の制御信号送信部202が送信した第1制御信号の受信後、すぐに第2制御回路221〜224に第2制御信号を送信する。各セル101〜104の第2制御回路221〜224は、第2制御信号の受信後、リセット指令がオンであればキャリア信号をリセットする。
The
以上に構成によって、制御周期の起点(制御信号送信部202による第1制御信号の通信が始まる時点)からキャリア信号のリセットまでの時間を一定に保つことができ、図15のようにPWM同期を実現できる。
With the above configuration, the time from the start point of the control cycle (the time when the communication of the first control signal by the control
実施例4では、同期信号を利用しない分だけ中央制御装置204の構成、及び、中央制御装置204から各セル101〜104への配線を簡単化できる。
In the fourth embodiment, the configuration of the
実施例4においても、実施例1と同様な効果が得られる他、上述したような効果も得ることができる。 In Example 4, the same effect as in Example 1 can be obtained, and the above-mentioned effect can also be obtained.
(実施例5)
次に、本発明の実施例5について説明する。
(Example 5)
Next, Example 5 of the present invention will be described.
図16は、本発明の実施例5における電力変換装置の概略構成図である。 FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the power conversion device according to the fifth embodiment of the present invention.
図16の電力変換装置3は、4台のセル105〜108を備えている。図1に示した実施例1 と実施例5との違いとして、セル105〜108の入力端子(入力側)はそれぞれ直列に接続され、合成された入力端子が外部の電源301に接続される。一方、セル105〜108の出力端子(出力側)は、負荷401に対して並列に接続される。
The
セル105〜108は、1次側回路115〜118、2次側回路125〜128、トランス135〜138をそれぞれ備える。 Cells 105-108 include primary side circuits 115-118, secondary side circuits 125-128, and transformers 135-138, respectively.
ここで、1次側回路115〜118が第2変換器155〜158及びこれらを制御する第2制御回路225〜228をそれぞれ備え、2次側回路125〜128が第1変換器145〜148及びこれらを制御する第1制御回路215〜218をそれぞれ備えており、セル105〜108の内部構成は、実施例1のセル101〜104と同様の構成都なっているので、実施例1にて説明したPWM同期をそのまま実施例5に適用することができる。
Here, the
実施例5は、以上のように構成することによって、一次側を例えば66kv
の高圧とし、二次側を例えば100vの低圧に変換する電力変換装置に適用することができる。
In the fifth embodiment, the primary side is set to, for example, 66 kv by configuring as described above.
It can be applied to a power conversion device that converts the secondary side to a low voltage of, for example, 100v.
本発明の実施例5においても、実施例1と同様な効果が得られる他、上述したような効果も得ることができる。 In Example 5 of the present invention, the same effects as those in Example 1 can be obtained, and the above-mentioned effects can also be obtained.
(実施例6)
次に、本発明の実施例6について説明する。
(Example 6)
Next, Example 6 of the present invention will be described.
本発明の実施例6は、実施例1で説明した電力変換装置1を3台利用して、三相交流出力の電力変換装置を構成する例である。
Example 6 of the present invention is an example of configuring a three-phase AC output power conversion device by using three
図17は、実施例6における電力変換装置4の概略構成図である。図17に示した電力変換装置4は、実施例1で説明した電力変換装置1を3台備える。
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of the
図17に示したように、3台の電力変換装置1が備える出力端子のうち一方が、三相の出力端子を構成し、三相負荷401と接続される。3台の電力変換装置1が備える出力端子のうちのもう一方(他の一方)は、互いに接続されてY結線の三相交流回路における中性点を成す。
As shown in FIG. 17, one of the output terminals included in the three
3台の電力変換装置1が備える入力端子は、互いに並列に接続され、電源300に接続されている。
The input terminals included in the three
実施例1で説明したように、電力変換装置1は中央制御装置200を内部に備える。そのため、図17の電力変換装置4は中央制御装置200を3台備えることになるが、3台の中央制御装置200を1台に纏めてもよい。
As described in the first embodiment, the
以上の構成によって、本発明の実施例6は、例えば、三相高電圧モータを駆動するインバータや三相交流の電力系統用PCSに適用でき、三相交流を出力する電力変換装置においても実施例1と同様な効果を得ることができる。 With the above configuration, Example 6 of the present invention can be applied to, for example, an inverter for driving a three-phase high-voltage motor or a PCS for a three-phase AC power system, and is also an embodiment in a power conversion device that outputs three-phase AC. The same effect as in 1 can be obtained.
なお、上述した実施例1〜4は、複数のセル101〜104が、外部電源300に並列に接続され、外部負荷400と直列に接続される例であり、実施例5は、複数のセル105〜108が、外部電源301に直列に接続され、負荷401と並列に接続される例であるが、複数のセルが外部電源と直列に接続され、かつ、負荷にも直列に接続される例であっても、本発明は適用可能である。
In the above-described Examples 1 to 4, a plurality of
1、2、3、4・・・電力変換装置、10、16、20・・・コンデンサ、11、12、13、14、31、32、33、34・・・スイッチング素子、15・・・コイル、21、22、23、24・・・ダイオード、25・・・電圧検出器、101、102、103、104、105、106、107、108・・・電力変換セル、111、112、113、114・・・1次側回路、121、122、123、124・・・2次側回路、131、132、133、134・・・トランス、141、142、142、144・・・第1変換器、151、152、152、154・・・第2変換器、200、204・・・中央制御装置、211、212、213、214・・・第1制御回路、221、222、223、224・・・第2制御回路、230・・・電流検出器、300、301・・・電源、400、401・・・負荷 1, 2, 3, 4 ... Power converter, 10, 16, 20 ... Condenser, 11, 12, 13, 14, 31, 32, 33, 34 ... Switching element, 15 ... Coil , 21, 22, 23, 24 ... Diode, 25 ... Voltage detector, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 ... Power conversion cell, 111, 112, 113, 114 ... Primary circuit, 121, 122, 123, 124 ... Secondary circuit, 131, 132, 133, 134 ... Transformer, 141, 142, 142, 144 ... First converter, 151, 152, 152, 154 ... 2nd converter, 200, 204 ... Central controller, 211, 212, 213, 214 ... 1st control circuit, 221 222, 223, 224 ... 2nd control circuit, 230 ... current detector, 300, 301 ... power supply, 400, 401 ... load
Claims (9)
上記複数の電力変換セルを制御する中央制御装置と、を備え、
上記複数の電力変換セルのそれぞれは、上記電源電圧を変換する第1変換器と、この第1変換器を制御する第1制御回路と、上記第1変換器により変換された電圧を変換する第2変換器と、この第2変換器をパルス幅変調によって制御する第2制御回路と、上記第1変換器と上記第2変換器の間に接続されるトランスとを有し、
上記中央制御装置は、上記複数の電力変換セルのそれぞれが有する上記第1制御回路に第1制御信号を送信する制御信号送信部を有し、
上記第1制御信号に基づいて、上記複数の電力変換セルのそれぞれが有する上記第1制御回路が上記第1変換器を制御し、
上記複数の電力変換セルのそれぞれが有する上記第1制御回路に同期信号を送信する同期信号送信部を有し、上記第1制御回路は、上記同期信号を受信すると、上記第2制御回路に第2制御信号を送信し、上記第2制御回路は、上記第2制御信号を受信すると、上記パルス幅変調のキャリア信号をリセットし、
上記第1制御回路に送信された上記第1制御信号は、上記パルス幅変調のデューティ比の情報を含み、上記デューティ比の情報は、上記第1制御回路を介して上記第2制御回路に送信され、上記複数の電力変換セルのそれぞれの上記第2制御回路は、上記デューティ比に基づいてパルス幅変調を行って、上記第2変換器を駆動することを特徴とする電力変換装置。 Multiple power conversion cells that convert the power supply voltage to the voltage supplied to the load,
It is equipped with a central control device that controls the plurality of power conversion cells.
Each of the plurality of power conversion cells has a first converter that converts the power supply voltage, a first control circuit that controls the first converter, and a first converter that converts the voltage converted by the first converter. It has two converters, a second control circuit that controls this second converter by pulse width modulation, and a transformer connected between the first converter and the second converter.
The central control device has a control signal transmission unit that transmits a first control signal to the first control circuit of each of the plurality of power conversion cells.
Based on the first control signal, the first control circuit of each of the plurality of power conversion cells controls the first converter.
Each of the plurality of power conversion cells has a synchronization signal transmission unit that transmits a synchronization signal to the first control circuit, and when the first control circuit receives the synchronization signal, the second control circuit has a second unit. 2 The control signal is transmitted, and when the second control circuit receives the second control signal, the carrier signal of the pulse width modulation is reset.
The first control signal transmitted to the first control circuit includes information on the duty ratio of the pulse width modulation, and the duty ratio information is transmitted to the second control circuit via the first control circuit. The second control circuit of each of the plurality of power conversion cells performs pulse width modulation based on the duty ratio to drive the second converter .
上記中央制御装置は、上記複数の電力変換セルが有する上記第1制御回路と有線シリアル通信を行う通信バスにより接続され、上記複数の電力変換セルが有する上記第1制御回路と有線シリアル通信を行って上記第1制御信号を送信し、上記第1制御信号は、上記複数の電力変換セルを識別するためのアドレスの情報を含むことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 1,
The central control device is connected to the first control circuit of the plurality of power conversion cells by a communication bus that performs wired serial communication, and performs wired serial communication with the first control circuit of the plurality of power conversion cells. The first control signal is transmitted, and the first control signal includes address information for identifying the plurality of power conversion cells.
複数の電力変換セルの入力側は、外部の電源に対して互いに並列に接続され、上記複数の電力変換セルの出力側は、互いに直列に接続されることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 1 or 2.
A power conversion device characterized in that the input sides of a plurality of power conversion cells are connected in parallel to an external power source, and the output sides of the plurality of power conversion cells are connected in series with each other.
上記複数の電力変換セルの出力側は、外部の負荷に対して並列に接続され、上記複数の電力変換セルの入力側は、直列に接続されていることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 1 or 2.
A power conversion device characterized in that the output sides of the plurality of power conversion cells are connected in parallel to an external load, and the input sides of the plurality of power conversion cells are connected in series.
上記複数の電力変換セルが有する上記第1制御回路は、上記第2制御回路に無線通信により上記第2制御信号を上記第2制御回路に送信することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 1 to 4.
The first control circuit included in the plurality of power conversion cells is a power conversion device characterized in that the second control signal is transmitted to the second control circuit by wireless communication to the second control circuit.
上記無線通信は、赤外線通信であることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 5,
The wireless communication is a power conversion device characterized by infrared communication.
上記第1制御信号は、上記キャリア信号をリセットするか否かのリセット指令の情報を含み、上記第1制御回路は、上記第2制御回路に上記リセット指令の情報を含む第2制御信号を送信し、上記第2制御回路は、上記第2制御信号を受信し、かつ、上記リセット指令が上記キャリア信号をリセットする情報である場合、上記パルス幅変調のキャリア信号をリセットすることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 1,
The first control signal includes information on a reset command as to whether or not to reset the carrier signal, and the first control circuit transmits a second control signal including information on the reset command to the second control circuit. The second control circuit is characterized in that, when the second control signal is received and the reset command is information for resetting the carrier signal, the carrier signal of the pulse width modulation is reset. Power converter.
上記中央制御装置の、上記第1制御信号を送信する制御周期の開始時点から、上記複数の電力変換セルのうちのいずれかの上記第2制御回路が、上記キャリア信号をリセットする情報を含む上記リセット指令を受信するまでの時間が略一定であることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 7,
From the start of the control cycle for transmitting the first control signal of the central control device, the second control circuit of any one of the plurality of power conversion cells includes information for resetting the carrier signal. A power conversion device characterized in that the time until a reset command is received is substantially constant.
3台の上記電力変換装置からなり、上記3台の上記電力変換装置の出力端子のうちの一方が、三相の出力端子を構成し、三相負荷と接続され、上記3台の上記電力変換装置の出力端子の他の一方は、互いに接続されてY結線の中性点をなし、上記3台の上記電力変換装置の入力端子は、互いに並列に接続され、電源に接続されることを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to any one of claims 1 to 8.
It is composed of three power conversion devices, and one of the output terminals of the three power conversion devices constitutes a three-phase output terminal and is connected to a three-phase load. The other one of the output terminals of the device is connected to each other to form a neutral point of Y connection, and the input terminals of the above three power conversion devices are connected to each other in parallel and connected to a power supply. Power conversion device.
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