JP2016163406A - アクティブフィルタ、及びそれを用いたモータ駆動装置、並びに冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、これらの技術は、検出トランスや電圧検出器によって交流電源系統の交流電圧を検出し、交流電圧の大きさに応じてアクティブフィルタの直流側の直流電圧を調整している。そのため、交流電源系統の交流電圧を高精度に検出する電圧検出器や高価な電圧検出部品(検出トランス)などが必要となる。
また、特許文献1や特許文献2に示すような技術手段を用いて、交流電圧の変動に対応して直流電圧を仮に調整することができたとしても、負荷の変化によって高調波電流が変化した場合、直流電圧を調整することができない。したがって、アクティブフィルタは、負荷の変動に対しては高調波電流の抑制を適切に行うことができない。
第1実施形態では、三相交流電源系統に連結する負荷に並列接続されるアクティブフィルタについて説明する。
<装置構成>
図1は、本発明の第1実施形態に係るアクティブフィルタの全体構成及び交流電源系統を示す構成図である。
アクティブフィルタ20は、図1に示すように、三相の交流電源1から電力を供給する負荷11と並列接続されている。負荷11は、高調波電流を発生する。この高調波電流を抑制するために、アクティブフィルタ20は、負荷11に流れる負荷電流に含まれる高調波成分を抑制(相殺)するための補償電流を三相交流電源系統へ出力するように構成されている。
このとき、インバータ回路4から出力される交流電流は、アクティブフィルタ電流信号(iU ,iV )としてアクティブフィルタ電流検出部7で検出される。また、平滑コンデンサ5の直流電圧(Ed)は、直流電圧検出回路8の分圧抵抗回路の中点電圧で検出される。こうして検出された交流電流及び直流電圧(Ed)は、制御装置6にそれぞれ入力される。
図2は、図1に示す制御装置6の制御構成を示すブロック図である。
制御装置6としては、マイクロコンピュータ、DSP(Digital Signal Processor)等の演算処理装置が好適に用いられる。
図2に示す制御装置6は、高周波分離部12、電圧制御部13、電流制御部14、電源位相検出部15、変調率演算部16、PWM制御部17、及び、直流電圧指令調整部(直流電圧指令調整手段)18を備えて構成されている。
高調波分離部12は、負荷11の入力電流を検出する負荷電流検出部10が検出したU相、V相の負荷電流(iLU ,iLV )と、電源位相検出部15からの電源位相(θs)と、電圧制御部13からの有効電流指令値(iq*)とを入力して、負荷電流(iLU ,iLV )から電源周波数(基本波)成分を取り除いて、U相、V相の高調波電流(iLhU ,iLhV )の成分を出力する。
電圧制御部13は、平滑コンデンサ5の両端電圧を制御するために、直流電圧検出回路8が検出した直流電圧(Ed)と直流電圧指令値(Ed_ref)との偏差を算出し、有効電流指令値(iq*)を生成して、この有効電流指令値(iq*)を高調波分離部12へ出力する。
電流制御部14は、高調波分離部12が、電流指令値としている負荷電流(iLU ,iLV )から分離した高調波電流(iLhU ,iLhV )の成分と、アクティブフィルタ電流検出部7が検出したU相、V相のアクティブフィルタ電流(iU ,iV )と、電源位相検出部15からの電源位相(θs)とを用いて、三相電圧指令値(VU *,VV *,VW *)を算出し、この三相電圧指令値(VU *,VV *,VW *)を変調率演算部16へ出力する。
電源位相検出部15は、交流電源1の各相に繋がる一対のコンパレータ9のそれぞれから出力された任意の二相のパルス信号(PUV,PVW)を入力して、交流電源1の電源位相(θs)を算出し、この電源位相(θs)を高調波分離部12と電流制御部14へ出力する。
変調率演算部16は、電流制御部14からの三相電圧指令値(VU *,VV *,VW *)と直流電圧(Ed)とを入力し、三相電圧指令値(VU *,VV *,VW *)を直流電圧(Ed)で割算して、三相変調波(MU *,MV *,MW *)を算出する。例えば、U相については、MU *=VU */(Ed/2)の式を用いてU相の変調波MU *を求める。
PWM制御部17は、変調率演算部16で算出された三相変調波(MU *,MV *,MW *)と三角波または鋸歯状波のキャリア波との比較によりPWM制御信号を生成し、このPWM制御信号をインバータ回路4へ出力して、各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する。
直流電圧指令調整部18は、変調率演算部16で算出された三相変調波(MU *,MV *,MW *)を用いて、直流電圧指令値の調整量(ΔEd_ref)を算出する。この直流電圧指令値の調整量(ΔEd_ref)は、直流電圧指令初期値(Ed_ref0)との減算により直流電圧指令値(Ed_ref)を作成し、直流電圧(Ed)を調整する。このような制御系により、交流電源1の交流電圧(VU ,VV ,VW )と三相変調波(MU *,MV *,MW *)とは比例関係にあるので、交流電圧(VU ,VV ,VW )の変動に応じて直流電圧(Ed)は調整される。
図3は、図2に示す高調波分離機12の制御構成を示すブロック図である。すなわち、図3は、高調波分離部12の内部の機能ブロックの構成を詳細に示しており、UVW/dq変換部12aと、ローパスフィルタ(LPF:Low Pass Filter)12bと、dq/UVW変換部12cとによって構成されている。UVW/dq変換部12aは3相2軸変換を行い、dq/UVW変換部12cは2軸3相変換を行う。
図4は、図2に示す電流制御部14の制御構成を示すブロック図である。すなわち、図4は、電流制御部14の内部の機能ブロックの構成を詳細に示しており、PI(Proportional-Integral)制御部14a、14bと、dq/UVW変換部14cを備えて構成されている。なお、このdq/UVW変換部14cは、交流電源1からの検出信号がないので、内部回路のV0で無効電流成分(d軸電流)を作り、内部回路のVsで有効電流成分(q軸電流)を作り、それぞれ(d軸電流、q軸電流)を入力して2軸3相変換を行っている。
図5は、図2に示す変調率演算部16の制御構成を示すブロック図である。図5に示すように、変調率演算部16は、電流制御部14から入力された三相電圧指令値(VU *,VV *,VW *)と直流電圧(Ed)とを用いて、三相変調波(MU *,MV *,MW *)を算出する。すなわち、割算部16a、16b、16cは、それぞれ、入力された三相電圧指令値(VU *,VV *,VW *)を、直流電圧半減部16dで電源電圧(Ed)を半分にした1/2電源電圧(Ed/2)で割算し、MU *=VU */(Ed/2)、MV *=VV */(Ed/2)、MW *=VW */(Ed/2)をそれぞれ求め、三相変調波(MU *,MV *,MW *)をPWM制御部17へ出力する。
図6は、図2に示す直流電圧指令調整部18の制御構成を示すブロック図である。直流電圧指令調整部18においては、振幅演算部18aが、入力された三相変調波(MU *,MV *,MW *)を用いて変調波振幅値(M1)を算出する。そして、振幅演算部18aで算出された変調波振幅値(M1)と変調波振幅指令値(M1_ref)との偏差がPI制御部18bに入力され、直流電圧指令値の調整量(ΔEd_ref)が算出される。ここで、変調波振幅指令値(M1_ref)は事前に設定した定数である。なお、変調波振幅指令値(M1_ref)は、PWM制御部17によるPWM制御の線形変調領域を超えないように、およそ0.9〜1.2(好ましくは、約0.95〜1.15)の範囲で、高調波電流残留率目標値とPWM変調方式とによって適宜に調整する。
図7は、本発明の第1実施形態に係るアクティブフィルタにおける交流電圧変動と直流電圧の調整結果の一例を示す各部波形であり、(a)はU相電圧(VU )、(b)はU相負荷電流(iLU )、(c)は変調波振幅値(M1)、(d)は直流電圧(Ed)、(e)はU相変調波(MU *)を示す。なお、各波形の縦軸は、(a)が電圧レベル、(b)が電流レベル、(c)が振幅レベル、(d)が電圧レベル、(e)が振幅レベルを示している。横軸はいずれも時間軸である。
これにより、U相変調波(MU *)34には、±1.0を超えるような過変調が生じないことが確認できる。要するに、交流電圧が変動しても、変調波は過変調とはならず、高調波電流の変動は適切に抑制される。
本発明の第1実施形態に係るアクティブフィルタ20によれば、直流電圧指令調整手段は、前記算出された変調波振幅値とあらかじめ設定された変調波振幅指令値との差分から、直流電圧Edのレベルを調整するための直流電圧指令値の調整量を演算するため、高調波電流の抑制効果を一層高めることができる。
本発明の第1実施形態に係るアクティブフィルタ20によれば、高調波電流の抑制効果をより一層高めることができる。
本発明の第1実施形態に係るアクティブフィルタ20によれば、高調波電流の抑制効果を高めることができる。
(モータ駆動装置)
図8は、本発明の第2実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。
第2実施形態に係るモータ駆動装置100は、図8に示すように、主に、アクティブフィルタ20及びモータ駆動回路101を備えて構成されている。アクティブフィルタ20は、図1と同じ回路構成であり、かつ、交流電源1に並列接続された構成となっている。また、アクティブフィルタ20の制御方法も第1実施形態と同じである。そのため、アクティブフィルタ20の詳細な説明は省略する。
モータ駆動回路101は、整流回路102及びインバータ103を備えて構成される。モータ駆動回路101は、モータ104を駆動するための電源手段として機能する。
このような高調波電流の抑制は、制御装置6が、U相、V相の負荷電流(iLU ,iLV )と、U相、V相のアクティブフィルタ電流(iU ,iV )と、各相の差分電圧(PUV,PVW)と、平滑コンデンサ5の両端の直流電圧(Ed)とを入力し、第1実施形態で述べたような制御を行うことによって実現される。
(圧縮機のモータ駆動装置)
図9は、第3実施形態に係る圧縮機205のモータ駆動装置100の構成図である。第3実施形態に係る圧縮機205のモータ駆動装置100は、第2実施形態に係るモータ駆動装置100と共通の構成である。図9では、圧縮機205の詳細な構造は図示されていない。
圧縮機205としては、例えば、ロータリ圧縮機やスクロール圧縮機などを適宜採用すればよい。圧縮機205の内部には、圧縮機構部(図示せず)が設けられている。この圧縮機構部は圧縮機用モータ208によって駆動される。圧縮機構部は、例えば、スクロール圧縮機であれば、固定スクロールと旋回スクロールとによって構成され、固定スクロールに対して旋回スクロールが旋回運動を行うことで、スクロール間に圧縮室が形成される。
(冷凍装置)
図10は、本発明の第4実施形態に係る冷凍装置の構成図である。空気調和機や冷凍機などの冷凍装置200は空気温度を調和する装置であり、室外機209と室内機210とが冷媒配管206により接続された構成となっている。
室内機210は、冷媒と空気間の熱交換を行う室内熱交換器201と、この室内熱交換器201に空気を送風する室内ファン203と、を備える。
室外機209は、冷媒と空気間の熱交換を行う室外熱交換器202と、この室外熱交換器202に空気を送風する室外ファン204と、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機205と、を備える。
第4実施形態に係る冷凍装置200によれば、第1実施形態に係るアクティブフィルタ20が奏する作用効果、第2実施形態に係るモータ駆動装置100が奏する作用効果、及び、第3実施形態に係る圧縮機205のモータ駆動装置100が奏する作用効果に加えて、優れた商品性を有する冷凍装置200を得ることができる。
以上説明した本発明に係るアクティブフィルタ、及びそれを用いたモータ駆動装置、圧縮機のモータ駆動装置、並びに冷凍装置の各実施形態は、本発明の具現化の例を示したものである。したがって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。本発明はその要旨又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるからである。
2 ノイズフィルタ
3 リアクトル
4 インバータ回路
5 平滑コンデンサ
6 制御装置(制御手段)
7 アクティブフィルタ電流検出部
8 直流電圧検出回路
9 コンパレータ
10 負荷電流検出部
11 負荷
12 高調波分離部
12a UVW/dq変換部
12b ローパスフィルタ(LPF)
12c dq/UVW変換部
13 電圧制御部
14 電流制御部
14a、14b比例積分(PI)制御部
14c dq/UVW変換部
15 電源位相検出部
16 変調率演算部
16a、16b、16c 割算部
16d 直流電圧半減部
17 PWM制御部
18 直流電圧指令調整部(直流電圧指令調整手段)
18a 振幅演算部
18b PI制御部
20 アクティブフィルタ
30 U相電圧(Vu)
31 U相負荷電流(iLu)
32 変調波振幅値(M1)
33 直流電圧(Ed)
34 U相変調波(Mu*)
100 モータ駆動装置
101 モータ駆動回路
102 整流回路
103 インバータ
104 モータ
200 冷凍装置
201 室内熱交換器
202 室外熱交換器
203 室内ファン
204 室外ファン
205 圧縮機
206 配管
208 圧縮機用モータ
209 室外機
210 室内機
Claims (7)
- 負荷に電力を供給する多相交流の交流電源に並列接続され、前記負荷に流れる負荷電流に含まれる高調波電流を抑制するための補償電流を発生するアクティブフィルタであって、
前記交流電源に並列接続され、交流/直流変換モードと直流/交流変換モードとを有するインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流側の正負極間に接続された平滑コンデンサと、
所定の変調波に基づいて前記インバータ回路の制御信号を生成するとともに、前記変調波の振幅に基づいて前記平滑コンデンサの直流電圧を調整する制御手段と、
を備えることを特徴とするアクティブフィルタ。 - 前記制御手段は、
前記変調波から変調波振幅値を算出し、算出された変調波振幅値とあらかじめ設定された変調波振幅指令値との差分から、前記直流電圧を調整するための直流電圧指令値の調整量を演算する直流電圧指令調整手段を備えることを特徴とする請求項1に記載のアクティブフィルタ。 - 前記変調波振幅指令値は、
前記インバータ回路の線形変調領域を超えないように、0.9〜1.2の範囲に設定されていることを特徴とする請求項2に記載のアクティブフィルタ。 - 前記直流電圧指令調整手段は、
比例積分制御を用いて、前記変調波振幅値と前記変調波振幅指令値との差分を処理し、前記直流電圧指令値の調整量を求めることを特徴とする請求項2に記載のアクティブフィルタ。 - 交流電源から受電し、交流/直流変換を行う整流回路及び直流/交流変換を行うインバータを備えてモータを駆動させるモータ駆動回路と、
前記モータ駆動回路に並列接続され、該モータ駆動回路の入力電流に含まれる高調波を抑制するための補償電流を発生するアクティブフィルタと、を備え、
前記アクティブフィルタは、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のアクティブフィルタであることを特徴とするモータ駆動装置。 - 冷媒を圧縮する圧縮機構部、及び当該圧縮機構部を駆動する圧縮機用モータを備える圧縮機のモータ駆動装置であって、
前記圧縮機用モータは、前記モータ駆動装置により駆動され、
前記モータ駆動装置は、請求項5に記載のモータ駆動装置であることを特徴とするモータ駆動装置。 - 冷媒を圧縮する圧縮機構部、及び当該圧縮機構部を駆動する圧縮機用モータを備える圧縮機と、
冷媒と空気間で熱交換を行う室外熱交換器と、
前記室外熱交換器に空気を送風する室外ファンと、
前記圧縮機用モータを駆動するモータ駆動装置と、を備え、
前記モータ駆動装置は、請求項5に記載のモータ駆動装置であることを特徴とする冷凍装置。
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