JP2926931B2 - 高調波抑制装置 - Google Patents

高調波抑制装置

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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は高調波抑制装置に係り、特に高調波抑制イン
バータを用いて電源系統の高調波を抑制するようにした
高調波抑制装置に関するものである。
B.発明の概要 本発明は、高調波抑制インバータにより電源系統の高
調波を抑制する高調波抑制装置において、 高調波抑制対象となる負荷と電源側との間に高調波抑
制機能つきインバータを並列接続し、各インバータの順
変換部制御回路に高調波抑制容量に対する制御回路を設
けて負荷側のインバータから順次高調波補償することに
より、 最終的に電源電流の高調波を補償する。
C.従来の技術 高調波を抑制するために、高調波抑制機能を備えたイ
ンバータにより高調波を抑制する高調波抑制装置は種々
のものが提案されている。
高調波抑制インバータの主回路部の構成は、電圧形電
源回生インバータと同じである。従って、順変換部容量
も逆変換部容量に応じて選定される。
D.発明が解決しようとする課題 高調波発生負荷が大容量の場合には、高調波を完全に
補償しようとすると、順変換部容量の増加が必要にな
る。
ここで問題となるのは、高調波発生負荷が非常に軽負
荷になったときである。すなわち、小容量のモータ等を
駆動するのに、大容量の順変換部を運転することにな
り、装置の利用率が悪いことになる。
また、高調波抑制インバータ運転中に、高調波補償対
象となる系統負荷が増大して許容量を超過した場合の順
変換部の保護を行う必要があると共に、入力側過電流の
原因には、系統負荷の増加によるものとモータ負荷によ
るものとの2通りがある。これを区別するために、瞬時
電力演算部にて過電流制限を行う必要がある。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、高調波抑制対象となる負荷と電源
側間に高調波抑制機能付インバータを複数個並列接続
し、各インバータの制御回路部に高調波容量を制限する
機能を持たせることにより、装置の利用率が良く、かつ
高性能に高調波補償できる高調波抑制装置を提供するこ
とである。
E.課題を解決するための手段と作用 本発明は、上記目的を達成するために、交流電力を直
流電力に変換する順変換部と、この順変換部による直流
電力を所定周波数の交流電力に変換する逆変換部と、前
記順変換部を制御する制御回路部からなる高調波抑制イ
ンバータを高調波抑制対象となる負荷と電源側との間に
複数台並列に接続し、各高調波抑制インバータの制御回
路部に高調波補償容量を制限する制限回路手段を設ける
ことにより、高調波抑制対象とすべき負荷側のインバー
タから順次高調波補償を行わせる。
また、自己消弧型デバイスを主回路スイッチとしてPW
M制御により電源回生を可能にした順変換回路と、この
順変換回路から直流電力が供給され負荷に交流電力を供
給する逆変換回路と、前記順変換回路をPWM制御する制
御回路部とを備えた高調波抑制インバータを有する高調
波抑制装置において、前記制御回路部は順変換回路の交
流系統の負荷電流と相電圧から瞬時実電力及び瞬時虚電
力の夫々の高調波成分を求める手段と、前記逆変換回路
の直流電圧と直流電流から負荷の実電力を求める実電力
演算手段と、この負荷の実電力に基づいて演算される直
流電力と前記自己消弧型デバイスの損失分電力とを加算
した電力量に応じて高調波成分の瞬時実電力と虚電力を
制限する瞬時電力制限手段と、この瞬時電力制限手段に
よって制限された実電力と虚電力とから前記順変換回路
の電流指令を求める手段とを備え、インバータ直流電圧
検出と直流電流検出により演算される直流電力と順変換
部のスイッチング素子損失分の電力を加算した電力量に
応じて高調波補償成分の瞬時実電力と虚電力に制限を加
える。
F.実施例 以下に本発明の実施例を第1図〜第3図を参照しなが
ら説明する。
第1図は本発明の実施例による高調波抑制装置を示す
もので、1は電源、2は高調波を発生する負荷、3a〜3c
は高調波を補償する高調波抑制インバータ、4a〜4cはそ
れぞれ高調波抑制インバータ3a〜3cに接続されこれらの
高調波抑制インバータの負荷でもあるモータ、5a〜5cは
電流検出器である。
第1図に示す高調波抑制装置において、電源電流Is
インバータ3aに流入する電流I1bと負荷2の方向に流れ
る電流I1aに分流する。電流検出器5aは電流I1aを検出
し、その検出信号をインバータ3aに入力する。インバー
タ3aは電流検出器5aの検出信号を基に電流I1bに含まれ
る高調波成分を補償する。電流I1aはインバータ3bに分
流する電流I2bと負荷2方向に流れる電流I2aに分流す
る。電流検出器5bは、電流I2aを検出し、その検出信号
をインバータ3bに導く。インバータ3bは、同様にして電
流検出器5bの検出信号を基に電流I2bに含まれる高調波
成分を補償する。さらに、電流I2aはインバータ3cに流
入する電流I3bと負荷2に流れる電流I3aに分流する。同
様にして、電流検出器5cは究極的に負荷電流I3aを検出
しその検出信号をインバータ3cに導くとともに、インバ
ータ3cは電流検出器5cの検出信号を基に電流I3aの高調
波成分を補償する。
すなわち、インバータ3a〜3cは並列運転されるもの
で、まずインバータ3cは電流I3aに含まれる高調波成分
を検出して高調波補償を行う。もし、補償量が許容範囲
を超える場合には、その分については後述する制御回路
によりカットして、補償は行わない。従って、電流I2a
は完全な高調波補償が行われていないので、正弦波電流
にはなっていない。
次に、インバータ3bはI2aに含まれる高調波電流を補
償するが、インバータ3bにて補償しきれなかったものを
補償することになる。しかし、インバータ3bにおいても
補償量が許容範囲を超える場合には、補償の制限が行わ
れて、電流I1aには高調波が残る。
さらに、インバータ3aは、電流I1aの高調波を検出し
て、高調波補償を行う。ここで、電流I3aに含まれる高
調波の全てが補償されたとすると、電源電流ISは正弦波
電流となる。
このように、高調波発生負荷に近いインバータから順
々に補償を行うことによって、電源側電流を正弦波にし
ようとするものである。また、自動的に補償量の分担を
行うことにもなり、トータルで大容量の高調波の補償が
可能である。
さらに、電流I3aに含まれる高調波が少なくて、イン
バータ3cのみで高調波補償が可能であるときは、電流
IS,I1a,I2aともに正弦波電流となっている。インバータ
3a〜3cのトータルの高調波補償量の最大は、モータ4a〜
4cが全て停止している場合である。逆にモータ4a〜4cが
全て全負荷のとき、高調波補償量は最小となる。また、
多数台にて高調波補償を行っているとき、電源側に近く
なるほど高調波含有率が低下して正弦波に近づく。
第2図は高調波抑制インバータを示し、6はリアクト
ル、7はコンデンサで、これらのリアクトル6とコンデ
ンサ7によって搬送波除去フィルタ8が形成される。9
は交流リアクトル、10は順変換部で、搬送波除去フィル
タ8と交流リアクトル9を介して交流電源1に接続され
ている。順変換部10は自己消弧型スイッチング素子であ
るトランジスタ11をブリッジ接続してなり、トランジス
タ11にはダイオード12が逆並列に接続されている。13は
コンデンサ、14は逆変換部であり、ダイオード16が逆並
列接続されたトランジスタ15をブリッジ接続して構成さ
れている。
17は電圧検出器であるトランス、18は電流検出器であ
る変流器でインバータ電流を検出する。19は電流検出器
で直流電流を検出する。20は順変換部10を制御する制御
回路部で、トランス17からの同期信号S1,変流器5(5a
〜5c)の負荷電流検出信号S2,変換器18のインバータ電
流検出信号S3,直流電圧検出信号S4および直流電流検出
信号S5を入力としてゲート信号S6を出力する。かくし
て、順変換部10,逆変換部14および制御回路部20によっ
てアクティブインバータが構成される。
第2図の高調波抑制インバータにおいて、順変換部10
は交流電源1からの交流電力を直流電力に変換する。順
変換部10の直流電力は逆変換部14によって所定周波数の
交流電力に変換された後に誘導電動機4aに供給される。
制御回路部20は同期信号S1,負荷電流検出信号S2,インバ
ータ電流検出信号S3,直流電圧検出信号S4および直流電
流検出信号S5を入力して、これらの信号に基づいてPWM
信号を出力し、順変換部10のトランジスタ11を制御す
る。すなわち、順変換部10と逆変換部14から成る主回路
部は、従来の電圧形電源回生インバータと同じで、入力
側には交流リアクトル9が接続されており、又順変換部
10に自己消弧型スイッチング素子が使用されている。制
御回路部20は、従来型インバータに系統の高調波電流の
抑制機能を持たせるために、抑制の対象となる負荷電流
ILを検出して、目的とする負荷電流ILに対しての高調波
補償電流指令値を演算する機能と、前述のように補償量
が許容範囲を超える場合に、その分についてはカットし
て行わないようにさせる機能が新たに追加されている。
従って、誘導電動機4aを運転していないときでも、順変
換部10のスイッチング素子を制御することによって系統
負荷電流ILの高調波を補償するものである。
第3図は制御回路図である。3相/2相変換部21は、系
統の3相負荷電流IU,IV,IWを直交α−β座標上の2相電
流Iα,Iβに変換する。
同様に、3相/2相変換部22は、系統の相電圧EU,EV,EW
を直交α−β座標上の2相電圧Eα,Eβに変換する。
上述の2相電流Iα,Iβと2相電圧Eα,Eβとはα−
β座標軸上の瞬時ベクトルとなり、瞬時電力演算部23は
2相電圧と電流のスカラ積の和として瞬時実電力Pと瞬
時虚電力qを求める。
交流分演算部24及び25はローパスフィルタの加算器に
よってハイパスフィルタ機能を持ち、瞬時実電力P及び
瞬時虚電力qから夫々の交流分(高調波瞬時電力)Ph,q
hを求める。
すなわち、Phは系統負荷の瞬時電力成分であり、qh
瞬時虚電力成分であるが、これらに制限を設けること
で、系統負荷の増加に対して高調波補償電流の制限を行
う。実電力リミッタ31は瞬時電力成分PhをPhbとし、虚
電力リミッタ32は瞬時虚電力成分qをqhaとする。P1
順変換部トランジスタの損失で、P2はモータ負荷の各々
の有効成分である。ここで、P3=P1+P2とすると、瞬時
電力リミット演算部33はP3の大きさに応じてリミッタ3
1,32のリミット値を決定する。
実電力の部分に着目すると次のようになる。
Pha=P1+P2+Phb=P3+Phb …(4) ∴Phb=Pha−P3 …(5) いま、入力電流を制限しようとする場合は、電流指令
値演算に使用されるPhとqhを制限すればよい。ところが
Ph成分のうちP3(=P1+P2)成分を制限すると、直流電
圧の降下が予想されるのでPh成分についてはqh成分につ
いて制限を行う。具体的には、P3が零に近い場合(モー
タが軽負荷)の場合にはPhの制限値は大きくなり、P3
最大(モータが全負荷)の場合には小さくなる。同様の
方法でqhの制限も行う。
モータが停止状態の場合はPha≒Phとなり、入力電流
実効値は小さくトランジスタの素子定格からみると余裕
がある。モータが全負荷の状態では、Pha=P3+Phで、P
3は入力電流のうち基本波成分で供給され、Phは高調波
成分である。この場合、P3が大きいのでPhの補償量には
余裕がない。
電流指令演算部26は瞬時電力Pha,qhaと相電圧Eα,E
βから直交α−β座標上の瞬時電流 を求める。
2相/3相変換部27は、2相瞬時電流 を3相瞬時電流 に変換する。
PWM制御部28は、3相瞬時電流 と補償電流の検出信号IR,IS,ITとを突き合わせ、コンパ
レータによる搬送波との比較方式でPWM波形のゲート信
号を得、このゲート信号により順変換回路10の自己消弧
素子をスイッチング制御する。
上述までの構成により、系統負荷電流に含まれる高調
波成分を順変換回路10から補償する電流として交流電源
1側に供給する。
ここで、瞬時実電力Phbには逆変換回路14が電動機に
供給する実電力P2を加算して電流指令演算部26に供給す
る。この実電力P2はコンデンサ13の電圧Edと逆変換回路
14の直流電流Idの夫々の検出信号を乗算することで直流
負荷を求め、必要に応じてフィルターによる一次遅れを
持って実電力演算部29によって求められる。また、瞬時
実電力Phbには順変換回路10のスイッチングロス等のロ
ス分を補償するロス電力P1を加算している。このロス電
力P1はコンデンサ電圧Edの検出信号とコンデンサ13の直
流電圧指令 との突き合わせで電圧制御回路30から求める。
本実施例によれば、系統負荷電流から瞬時実電力Pと
順次虚電力qを求め、これら電力から高調波瞬時実電力
Phaと虚電力qhaを求め、このうち実電力Phaには逆変換
回路14が負荷に供給する実電力P2及び順変換介10の変換
ロス分P1を加えて順変換回路10の瞬時実電力Pの制御信
号とし、この実電力Pと瞬時虚電力qhaから電流指令に
変換し、さらに2相/3相変換と電流フィードバック制御
によってPWM制御信号を得る。
従って、高調波抑制のためには瞬時実電力と虚電力か
ら高調波分を求めて順変換回路10への電流指令を求め、
この電流指令に逆変換回路14の負荷実電力を加えて順変
換回路10への電流指令を求めるため、高調波抑制機能を
低下させることなく逆変換回路の負荷にも安定した電力
供給を行うことができる。また、逆変換回路14の負荷に
供給するべき電力を直流電圧と直流電流のみから求める
ため実電力演算部29を簡単化する。さらに、逆変換回路
14の実電力を高調波抑制のための高調波実電力Phbに加
算して、順変換回路10の電力制御になるため、逆変換回
路14から負荷に供給する電力は力率1になるし、同様に
回生運転時も力率1に制御される。
G.発明の効果 以上の通り、本発明によれば、高調波抑制対象となる
負荷の電源側との間に高調波抑制機能つきインバータを
多数台並列に接続するとともに、各インバータの順変換
部制御回路には、高調波補償容量に対する制御回路部を
設け、この制御回路部により、インバータ直流電圧,直
流電流検出より演算される直流電力と順変換部スイッチ
ング素子損失分の電力とを加算した電力量に応じて高調
波補償分の瞬時実電力と虚電力に制限を設けたから、次
のような効果が得られる。
(1)多数台の高調波抑制インバータを運転する場合、
各インバータが高調波補償の分担を行うのでトータルで
は大容量の補償が可能となる。
(2)各インバータは許容補償量を超過すると、それ以
上は補償せず、自動的に次のインバータがこれを補償す
ることになるので、各高調波抑制インバータは、高調波
補償の分担において各インバータ間での情報交換を必要
とせず、従って、設備が簡単になるとともに、設備増の
場合にも特別の考慮を必要としない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例による高調波抑制装置のブロッ
ク図、第2図は第1図の装置の高調波抑制インバータの
ブロック図、第3図は第2図の高調波抑制インバータの
制御回路部のブロック図である。 1……電源、2……高調波発生負荷、3a〜3c……高調波
抑制インバータ、4a〜4c……モータ、5a〜5c……電流検
出器、10……順変換部、14……逆変換部、20……制御回
路部。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】それぞれ交流電源からの交流電力を直流電
    力に変換する順変換部と、この順変換部による直流電力
    をそれぞれ所定周波数の交流電力に変換し負荷であるモ
    ータに該交流電力を供給する逆変換部と、それぞれ前記
    順変換部の交流入力電流と交流入力電圧、前記交流電源
    の電源電流と前記順変換部の交流入力電流との差電流、
    および前記逆変換部の直流入力電流と直流入力電圧に基
    づいて、前記順変換部を制御する制御回路部からなる複
    数台の高調波抑制インバータを、高調波抑制対象となる
    負荷と前記交流電源との間に並列に接続し、各高調波抑
    制インバータの制御回路部に高調波補償容量を制限する
    制限回路手段を設けて構成したことを特徴とする高調波
    抑制装置。
  2. 【請求項2】自己消弧型デバイスを主回路スイッチとし
    てPWM制御により電源回生を可能にした順変換回路と、
    この順変換回路から直流電力が供給され負荷に交流電力
    を供給する逆変換回路と、前記順変換回路をPWM制御す
    る制御回路部とを備えた高調波抑制インバータを有する
    高調波抑制装置において、前記制御回路部は順変換回路
    の交流系統の負荷電流と相電圧から瞬時実電力及び瞬時
    虚電力を夫々の高調波成分を求める手段と、前記逆変換
    回路の直流電圧とを直流電流から負荷の実電力を求める
    実電力演算手段と、この負荷の実電力に基づいて演算さ
    れる直流電力と前記自己消弧型デバイスの損失分電力と
    を加算した電力量に応じて高調波成分の瞬時実電力と虚
    電力を制限する瞬時電力制限手段と、この瞬時電力制限
    手段によって制限された実電力と虚電力とから前記順変
    換回路の電流指令を求める手段とを備えたことを特徴と
    する高調波抑制装置。
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