JP2006146525A - 電源装置および電源装置の負荷電圧補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧源１からリアクトルなどの回路要素を介して負荷２が接続された電源装置における負荷端電圧制御の応答性と精度を向上させる。
【解決手段】電圧源と負荷との間に介在する回路要素Ｒ、ｊＸで発生する電圧変化量を、補償量演算部８がそれらの回路定数と電圧源の出力電流から演算で求め、これを電圧源の電圧指令値Ｖ_L＊に加えて、フィードフォワードで負荷電圧を一定に保つ。
負荷電流が急変する場合には負荷電流が落ち着くまでの短い間、負荷急変時の電流波形の代わりに、１周期前の電流波形など、現在の負荷電流と類似の電流を用いて負荷電圧を一定に保つこと、これら方式を従来の負荷電圧フィードバック方式と組み合わせることも含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、出力電圧制御機能をもつ電源装置に係り、特にリアクトルなどの回路要素が負荷との間に介在する電源装置およびその負荷電圧補償方法に関する。

出力電圧を一定または可変制御する電圧形インバータやコンバータなど、電圧制御機能を備えて負荷に交流電力または直流電力を供給できる電源装置（以下、電圧源と呼ぶ）において、出力端から負荷までの経路に、電源ケーブルやトランス、リアクトル、コンデンサ、抵抗などの回路要素が介在する場合がある。なお、回路要素としては、電源ケーブルなどの線形要素の他に、負荷がもつ非線形特性として介在する場合もある。このような電源装置は、例えば、無停電電源装置、瞬時電圧低下補償装置などにみられる。

上記のような回路要素が負荷との間に介在する電圧源では、該回路要素の回路定数（リアクタンスや抵抗）と負荷電流による電圧変化が負荷端電圧に現れるため、負荷からみて電圧精度の悪い電圧源になる。そこで、電圧源の電圧指令値に一致した負荷電圧を得るために、負荷電圧を検出してフィードバック制御を行う方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、コンバータとインバータで構成する電力変換装置により負荷に交流電力を供給し、負荷電圧制御にはインバータの直流側電圧（平滑コンデンサ電圧）を制御することで出力電圧を目標値に一致させる構成において、直流側電圧が外乱で変化したときに、直流電圧の微分値（ΔＶ／Δｔ）とコンデンサ容量Ｃの積を演算し、これを直流電圧の制御信号に加算することで負荷端電圧の変化を補償する。

他の負荷電圧補償方式として、フィードフォワード方式を組み合わせたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、電力系統に無効電力補償装置を接続し、系統電圧と設定電圧の偏差を打ち消すように無効電力補償装置にフィードバック制御する装置において、負荷電流の変化による系統電圧への影響をフィードフォワード制御で緩和する。

上記の特許文献１のように、負荷電圧を直接に補償するためのフィードバック制御による負荷電圧補正制御は、基本的には図４に示す構成になる。

同図において、電圧源１から負荷２に電力供給し、電圧源１は電圧設定器３の電圧指令（交流信号）Ｖ_L＊に一致した波形の交流出力電圧を制御する装置において、電圧源１と負荷２との間にトランスやリアクトルが介在し、これら回路要素の回路定数Ｒ，ｊＸによって負荷電圧が変化するのを補償するため、負荷電圧検出を行い、この検出電圧と電圧指令Ｖ_L＊との偏差を比較器４で求め、これを増幅器５で増幅し、電圧源１の電圧指令値とする。
特開２００４−１５３９７８号公報 特開２００１−２６８７９６号公報

図４の構成となる電源装置では、負荷電流が流れると、トランスやリアクトルなどの回路要素がもつ回路定数Ｒ，ｊＸで負荷電圧が低下する。さらに、負荷電流の変化によって負荷電圧も変化する。このため、負荷電圧検出信号をフィードバックして電圧源１を目標値になるように制御するのでは、電圧検出と出力制御に遅れがあるため、負荷電圧が目標値になるまでには時間がかかる（応答性の低下）。

上記の制御遅れを少なくするために電圧制御アンプのゲインを高くしておく場合、負荷の運転状態が切り替わって負荷電流が急変したときにはｊＸ項での電圧変化が非常に大きくなり、この電圧変化は実際には負荷電圧検出から電圧源の電圧出力までは遅れがあるため、ｊＸ項での電圧変化によって電圧源の電圧出力と負荷電流が互いに振動してしまい、不安定制御になるおそれがある。又は、負荷電流が定常状態に落ち着くまで時間がかかってしまう。

なお、負荷電流の変化による負荷電圧変化をフィードフォワード方式で補償する特許文献２の方式においても、負荷電圧をフィードバック制御するため、同様の問題が残る。

本発明の目的は、負荷電流およびその急変にも安定性と応答性を高めて負荷端電圧を補償できる電源装置およびその負荷電圧補償方法を提供することにある。

本発明は、電圧源と負荷との間に介在するトランスやリアクトルなどで発生する電圧変化量を、それらの回路定数と電圧源の出力電流から演算で求め、これを電圧源の電圧指令値に加えて、フィードフォワードで負荷電圧を一定に保つこと、さらに、負荷電流が急変する場合には負荷電流が落ち着くまでの短い間、負荷急変時の電流波形の代わりに、１周期前の電流波形など、現在の負荷電流と類似の電流を用いて負荷電圧を一定に保つこと、さらにまたこれら方式を従来の負荷電圧フィードバック方式と組み合わせるようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。

（１）電圧源からリアクトルなどの回路要素を介して負荷が接続され、前記電圧源の出力電圧を電圧設定器からの電圧指令に従って制御して負荷に電圧制御した電力を供給する電源装置であって、
前記電圧源の出力端電流を負荷電流として検出する電流検出器と、
前記回路要素の定数と前記負荷電流から該回路要素で発生する電圧変化分を求める補償量演算部と、
前記電圧設定器の電圧指令に前記電圧変化分を加算して前記電圧源の電圧指令とする加算器とを備えたことを特徴とする。

（２）前記電流検出器の検出電流を一定周期または一定時間遅らせた出力を得る無駄時間発生器と、
前記負荷側で負荷電流の急変が発生したとき、または予測されるときに負荷電流急変を検出する負荷電流急変検出器と、
前記負荷電流急変検出器が負荷電流急変を検出したときに、前記無駄時間発生器の出力を前記補償量演算部の負荷電流検出入力として一定時間だけ切り替える切替スイッチとを備えたことを特徴とする。

（３）前記負荷端の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器の検出電圧と前記電圧指令発生器の電圧指令との偏差に応じた負荷電圧制御信号を前記加算器の加算入力とする負荷電圧制御回路とを備えたことを特徴とする。

（４）電圧源からリアクトルなどの回路要素を介して負荷が接続され、前記電圧源の出力電圧を電圧設定器からの電圧指令に従って制御して負荷に電圧制御した電力を供給する電源装置の負荷電圧補償方法であって、
電流検出器によって前記電圧源の出力端電流を負荷電流として検出し、
補償量演算部は前記回路要素の定数と前記負荷電流から該回路要素で発生する電圧変化分を求め、
加算器は、前記電圧設定器の電圧指令に前記電圧変化分を加算して前記電圧源の電圧指令とすることを特徴とする。

（５）無駄時間発生器は前記電流検出器の検出電流を一定周期または一定時間遅らせた出力を得、
負荷電流急変検出器は前記負荷側で負荷電流の急変が発生したとき、または予測されるときに負荷電流急変を検出し、
切替スイッチは前記負荷電流急変検出器が負荷電流急変を検出したときに、前記無駄時間発生器の出力を前記補償量演算部の負荷電流検出入力として一定時間だけ切り替えることを特徴とする。

（６）電圧検出器は前記負荷端の電圧を検出し、
負荷電圧制御回路は前記電圧検出器の検出電圧と前記電圧指令発生器の電圧指令との偏差に応じた負荷電圧制御信号を前記加算器の加算入力とすることを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、電圧源と負荷との間に介在するトランスやリアクトルなどで発生する電圧変化量を、それらの回路定数と電圧源の出力電流から演算で求め、これを電圧源の電圧指令値に加えて、フィードフォワードで負荷電圧を一定に保つため、トランスやリアクトルで生じる電圧を瞬時に求めることができ、高速な応答が期待できる。また、負荷電圧のフィードバックループを作ることなく、負荷電流によらず負荷電圧を一定に保つことができる。非線形負荷が接続されている場合でも同様に制御可能である。

また、負荷電流が急変する場合には負荷電流が落ち着くまでの短い間、負荷急変時の電流波形の代わりに、１周期前の電流波形など、現在の負荷電流と類似の電流を用いて負荷電圧を一定に保つため、スイッチの投入・開放など負荷電流が急激に変化し、電圧変化が非常に大きくなる場合に、あらかじめ流れると予想される負荷電流を用いて補正量を求めることで、負荷電圧が指令値に達するまでの時間を短くすることができる。

また、上記の負荷電圧補償方式を従来の負荷電圧フィードバック方式と組み合わせることにより、ＲやｊＸなどのパラメータに変化や誤差があった場合にも出力電圧を電圧指令と合わせることができ、高い応答性と精度を確保できる。

（実施形態１）
図１は、本実施形態になる電源装置の回路構成図であり、図４と同等の部分は同一符号で示す。

図１において、電流検出器７は電圧源１の出力端で負荷電流Ｉを検出する。補償量演算部８は、電圧源１と負荷２との間に介在する回路要素と、これに流れる負荷電流Ｉとによる現在の電圧変化分を求める。図示では、電圧源１と負荷２との間に介在する回路要素がもつ回路定数（抵抗成分Ｒとリアクタンス成分ｊＸ）を乗算器８Ａと８Ｂに予め設定し、これらを検出負荷電流Ｉに乗じ、両出力を加算器８Ｃで加算することで電圧変化分Ｉ（Ｒ＋ｊＸ）を求める。加算器６は、電圧設定器３の電圧指令Ｖ_L＊に、補償量演算部８で求めた電圧変化分Ｉ（Ｒ＋ｊＸ）を加算する。

以上の構成により、電圧源１の出力電圧は電圧指令Ｖ_L＊に電圧変化分Ｉ（Ｒ＋ｊＸ）を加算した値になり、この電圧に対して、負荷との間に介在する回路要素によって発生する電圧変化分だけ減じたものが負荷端電圧になり、この負荷端電圧は電圧指令Ｖ_L＊に常に等しく保つことができる。

本実施形態によれば、電圧源１と負荷２との間に介在するトランスやリアクトルなどの回路要素で発生する電圧変化量を、電圧源１の出力端で検出する負荷電流Ｉと予め求めておく回路定数（Ｒ、ｊＸ）から演算で求め、これを電圧源１の電圧指令値に加えることで、負荷に対してはフィードフォワード方式で電圧源出力を制御し、負荷電圧を一定に保つ。これにより、従来の負荷電圧のフィードバック方式に比べて、トランスやリアクトルで生じる負荷電圧検出と出力制御に遅れを少なくした負荷電圧補償ができ、負荷電圧補償に高い応答性を期待できる。

（実施形態２）
図２は、本実施形態になる電源装置の回路構成図であり、図１と同等の部分は同一符号で示す。

図２において、無駄時間発生器９は、負荷電流Ｉの検出信号を入力し、この負荷電流に対して電圧源１の交流出力周期をＴとした無駄時間を発生した出力を得る。例えば、無駄時間発生器９は、負荷電流Ｉを一周期（または数周期）だけ遅らせた負荷電流波形を得る。なお、電圧源１が負荷２に直流電力を供給する直流電源の場合は、負荷電流Ｉの検出信号を一定時間遅らせた負荷電流検出値（直流値）を得る。

切替スイッチ１０は、定常時は電流検出器７の検出出力を補償量演算部８への入力とし、負荷側で負荷電流の急変が発生したとき、または予測されるとき、この負荷電流急変を検出する負荷電流急変検出器１１の検出信号（入り／切り）に連動して無駄時間発生器９側に切り替えられ、その出力を補償量演算部８への入力とする。

このスイッチ１０と検出器１１の連動は、例えば、検出器１１が電流検出器７の検出電流Ｉから負荷急変を予測、または負荷２の運転状態の切り替えで負荷電流の急変を検出する電流検出回路と比較器とすれば、スイッチ１０をその比較器出力信号に応動するスイッチ回路とした構成で実現される。また、検出器１１が複数ある場合にはそれらのいずれか１つが負荷電流の急変を検出したときにスイッチ１０が無駄時間発生器９側に切り替えられる。

本実施形態によれば、負荷電流急変検出器１１が負荷電流の急変を検出、または予測した場合、負荷電流が落ち着くまでの短い間、負荷急変時の検出電流波形Ｉの代わりに一周期前の負荷電流波形など、定常状態と類似の負荷電流波形を無駄時間発生器９から得て、実施形態１と同様の負荷電圧補償を行う。スイッチ１０は、上記の切り替え後は、負荷電流の急変が収まるまでに必要な時間（負荷２の機能構成によって予め予測される時間）後に元の状態に戻す。

前記のように、負荷電流が急変する場合、電圧源１と負荷２との間に介在する回路要素のｊＸ項での電圧変化分が非常に大きくなる。しかも負荷電流検出から電圧源１の電圧出力までは遅れがあり、電圧源１の電圧出力と負荷電流Ｉには振動を伴って定常状態に収束する。結果として負荷電流が定常状態に落ち着くまで時間がかかってしまう。

そこで、本実施形態では、負荷電流の急変時には、検出電流Ｉに代えて、その直前の負荷電流波形を基にして補償信号を用いて補正量演算を行うことで、電圧源１の出力電圧が振動的になるのを抑制し、負荷電圧が電圧指令値に達するまでの時間を短縮した負荷電圧補償ができる。

（実施形態３）
図３は、本実施形態になる電源装置の回路構成図である。同図は、前記の実施形態２の方式を、従来の負荷電圧フィードバック方式に組み合わせた構成とする。なお、本実施形態は、実施形態１と組み合わせた構成とすることもできる。

図３において、負荷電圧検出信号を基にして、比較器４と増幅器５および加算器６による電圧指令Ｖ_L＊の負荷電圧補償回路（従来のフィードバック方式）に加えて、電圧源１の出力電流Ｉと回路定数（Ｒ＋ｊＸ）を基にした補償量演算部８による負荷電圧補償方式（実施形態１）と、これに無駄時間発生器９と切替スイッチ１０および検出回路１１による負荷電流急変時の負荷電圧補償方式（実施形態２）を併設した構成とする。

本実施形態によれば、実施形態１および２の方式に、負荷電圧検出によるフィードバック制御を併設するため、実施形態１，２と同様の作用効果に加えて、乗算器８Ａ、８Ｂで設定する回路定数ＲやｊＸなどのパラメータと実際の回路定数に誤差があった場合にも、負荷電圧検出によるフィードバック制御によって負荷電圧を電圧指令と常に一致させることができ、高い応答性と精度を確保できる。

なお、実施形態１，２，３では、電圧源１と負荷２の間に介在する回路定数Ｒ、ｊＸが固定の場合を示すが、これらが切り替えられる場合、例えばトランスが切り替えられる場合、この場合には補償量演算部８等での設定回路定数も切り替える構成として同等の作用効果を得ることができる。また、電圧源１に対して１つの負荷２が接続される場合を示すが、電圧源１から複数の電源ケーブルを介して複数の負荷が接続される構成の場合には、補償量演算部８等を電圧源と各負荷との間に介在する回路定数別および負荷電流別に設けた構成で対応できる。

本発明の実施形態１を示す電源装置の構成図。 本発明の実施形態２を示す電源装置の構成図。 本発明の実施形態３を示す電源装置の構成図。 従来の電源装置の構成図。

符号の説明

１ 電圧源
２ 負荷
３ 電圧指令発生器
４ 比較器
５ 増幅器
６ 加算器
７ 電流検出器
８ 補償量演算部
９ 無駄時間発生器
１０ 切替スイッチ
１１ 負荷電流急変検出器

Claims (6)

1. 電圧源からリアクトルなどの回路要素を介して負荷が接続され、前記電圧源の出力電圧を電圧設定器からの電圧指令に従って制御して負荷に電圧制御した電力を供給する電源装置であって、
   前記電圧源の出力端電流を負荷電流として検出する電流検出器と、
   前記回路要素の定数と前記負荷電流から該回路要素で発生する電圧変化分を求める補償量演算部と、
   前記電圧設定器の電圧指令に前記電圧変化分を加算して前記電圧源の電圧指令とする加算器とを備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記電流検出器の検出電流を一定周期または一定時間遅らせた出力を得る無駄時間発生器と、
   前記負荷側で負荷電流の急変が発生したとき、または予測されるときに負荷電流急変を検出する負荷電流急変検出器と、
   前記負荷電流急変検出器が負荷電流急変を検出したときに、前記無駄時間発生器の出力を前記補償量演算部の負荷電流検出入力として一定時間だけ切り替える切替スイッチとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記負荷端の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器の検出電圧と前記電圧指令発生器の電圧指令との偏差に応じた負荷電圧制御信号を前記加算器の加算入力とする負荷電圧制御回路とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 電圧源からリアクトルなどの回路要素を介して負荷が接続され、前記電圧源の出力電圧を電圧設定器からの電圧指令に従って制御して負荷に電圧制御した電力を供給する電源装置の負荷電圧補償方法であって、
   電流検出器によって前記電圧源の出力端電流を負荷電流として検出し、
   補償量演算部は前記回路要素の定数と前記負荷電流から該回路要素で発生する電圧変化分を求め、
   加算器は、前記電圧設定器の電圧指令に前記電圧変化分を加算して前記電圧源の電圧指令とすることを特徴とする電源装置の負荷電圧補償方法。
5. 無駄時間発生器は前記電流検出器の検出電流を一定周期または一定時間遅らせた出力を得、
   負荷電流急変検出器は前記負荷側で負荷電流の急変が発生したとき、または予測されるときに負荷電流急変を検出し、
   切替スイッチは前記負荷電流急変検出器が負荷電流急変を検出したときに、前記無駄時間発生器の出力を前記補償量演算部の負荷電流検出入力として一定時間だけ切り替えることを特徴とする請求項４に記載の電源装置の負荷電圧補償方法。
6. 電圧検出器は前記負荷端の電圧を検出し、
   負荷電圧制御回路は前記電圧検出器の検出電圧と前記電圧指令発生器の電圧指令との偏差に応じた負荷電圧制御信号を前記加算器の加算入力とすることを特徴とする請求項４または５に記載の電源装置の負荷電圧補償方法。
   

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