JP4764990B2

JP4764990B2 - 電力変換装置の出力電圧検出方式

Info

Publication number: JP4764990B2
Application number: JP2005166650A
Authority: JP
Inventors: 宏二丸山; 英俊海田; 康松本; 次郎豊崎
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006345596A

Description

この発明は、電力変換装置の交流出力電圧を検出する方式、特に誘導電動機の低速運転時などにおける微小電圧の検出方式に関する。

図５に、例えば特許文献１に開示されている、電力変換装置により誘導電動機の駆動制御を行なう際の電圧検出方式の一例を示す。
その詳細は省略するが、電力変換器ＳＳと誘導電動機ＩＭとの間に電圧検出器ＰＴを接続し、この電圧検出器ＰＴを用いて電力変換器ＳＳの交流出力電圧を検出するものである。
電圧検出器ＰＴとしては、一般的に計器用変成器が用いられており、検出された信号は制御演算器（図５では、磁束演算器ＦＣＡＬ）に入力される構成となっている。

特開平０７−１１５８００号公報

電力変換装置の交流出力電圧を検出する場合、上述のように計器用変成器を用いて検出するのが一般的であるが、微小な電圧を検出するには検出誤差が増大するという問題がある。例えば、誘導電動機の低速運転時には、電力変換器の出力電圧，周波数が低下する。このため、計器用変成器の出力信号の振幅も微小となり、信号伝達を行なう後段のアナログ回路、およびデジタル信号への変換を行なうＡＤ変換器のオフセット等が検出誤差として大きく影響してしまう。特に、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御における速度推定等では高精度の電圧検出が必要であり、上述のような電圧検出では装置性能の低下を招くおそれがある。
したがって、この発明の課題は、電力変換装置の電圧検出誤差を低減し得るようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、電力変換装置の交流出力電圧を検出する検出方式であって、
電圧検出手段にて検出された信号をその信号の周波数に基づき波形整形を行なう波形整形手段と、この波形整形手段にて整形した信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段と、その変換されたデジタル信号を前記波形整形手段の入出力周波数特性とは逆極性にて前記電圧検出手段により検出された信号に復元する波形復元手段とを備えたことを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記波形整形手段は、検出信号が微小電圧となる低周波領域でのゲインを高くすることができる（請求項２の発明）。これら請求項１または２の発明においては、前記波形復元手段は、Ｚ変換または双一次変換を行なうものであることができる（請求項３の発明）。

この発明によれば、電力変換装置の交流出力電圧が微小な領域での検出ゲインを増加させることで、検出誤差を低減することが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示すブロック構成図である。
図１は電力変換装置の１相分の出力電圧検出回路を示しており、電力変換装置ＳＳに対し、電圧検出器ＰＴ、波形成形手段ＡＦ、アナログ−デジタル変換器ＡＤおよび波形復元手段ＤＦ等を設けて構成される。
電力変換装置ＳＳの出力電圧および周波数は、前述のとおり誘導電動機の低速運転時において低下するため、電圧検出器ＰＴの出力信号の振幅も微小となり、電圧検出誤差が増大する可能性がある。

そこで、図１では電圧検出器ＰＴの出力側に波形整形手段ＡＦを設け、ここで低速域のゲインを増大させて信号出力を行なうようにする。つまり、波形整形手段ＡＦを、例えば図２に示すような入出力周波数特性を持つアナログフィルタ回路とする。なお、図２の範囲Ｂは、電力変換装置の基本周波数以上の不要な成分を減衰させる領域で、電力変換装置の出力電圧の基本波成分をより安定に検出できるようにするためのものである。波形整形手段ＡＦの出力信号は、アナログ−デジタル変換器ＡＤによってデジタル信号化され、波形復元手段ＤＦに入力される。

波形復元手段ＤＦは、図２に示す波形成形手段ＡＦの入出力周波数特性の逆特性を有しており、検出信号を復元させるように動作する。なお、波形復元手段ＤＦでの信号変換としては、連続系でのフィルタ特性を離散時間系に変換する一般的な方法であるＺ変換、または双一次変換（または双一次Ｚ変換）手段を用いて構成することも可能である。
図３は、図２に示す入出力周波数特性を実現する具体的な回路構成例であり、オペアンプＱ₁、抵抗Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃およびコンデンサＣ₁，Ｃ₂などから構成される。以下に、図３に示す回路の伝達特性を求める。

図３において、入力端子とオペアンプＱ₁のマイナス端子との間のインピーダンスをＺ₁、オペアンプＱ₁のマイナス端子と出力端子との間のインピーダンスをＺ₂とおくと、伝達関数は次式で示される。
Ｆ（ω）＝Ｚ₂／Ｚ₁ …（１）
ここで、インピーダンスＺ₁は図３より抵抗Ｒ₁であり、次式で表わされる。
Ｚ₁＝Ｒ₁ …（２）

また、Ｚ₂はコンデンサＣ₁と、抵抗Ｒ₂とコンデンサＣ₂との直列回路と、抵抗Ｒ₃との並列回路の合成インピーダンスとなる。ここで、コンデンサＣ₁のアドミッタンスをＹ_2a、抵抗Ｒ₂とコンデンサＣ₂との直列回路のアドミッタンスをＹ_2b、抵抗Ｒ₃のアドミッタンスをＹ_2cとすると、これらの合成アドミッタンスＹ₂は次の数１の（３）式で示すことができる。

インピーダンスＺ₂はアドミッタンスＹ₂の逆数なので、次の（４）式のようになる。
Ｚ₂＝１／Ｙ₂＝Ｒ₃×（１＋ω・Ｃ₂・Ｒ₂）／
[ω²・Ｃ₁・Ｃ₂・Ｒ₂・Ｒ₃＋ω×（Ｃ₁・Ｒ₃＋Ｃ₂・Ｒ₂＋Ｃ₂・Ｒ₃）＋１]
…（４）
先の（２）式と（４）式を（１）式に代入すると、次の（５）式が得られる。
Ｆ（ω）＝Ｚ₂／Ｚ₁＝Ｒ₃×（１＋ω・Ｃ₂・Ｒ₂）／
Ｒ₁×[ω²・Ｃ₁・Ｃ₂・Ｒ₂・Ｒ₃＋ω×（Ｃ₁・Ｒ₃＋Ｃ₂・Ｒ₂＋Ｃ₂・Ｒ₃）＋１]
…（５）

（５）式を次の数２の（６）式のように変形し、

この（６）式の右辺第３項を、次式のように表現する。
１／[ω²・Ｃ₁・Ｃ₂・Ｒ₂・Ｒ₃＋ω×（Ｃ₁・Ｒ₃＋Ｃ₂・Ｒ₂＋Ｃ₂・Ｒ₃）＋１]
＝１／[（１＋ω・Ｔ₁）]×[１／（１＋ω・Ｔ₃）]

そうすると、上記（５）式は次の数３の（７）式のように表わされる。

よって、（７）式の伝達関数は、図４のようになる。

ここで、上記（７）式の第３，４項は、次の（８）式のように表わされる。
[１／（１＋ω・Ｔ₁）]×[１／（１＋ω・Ｔ₃）]
＝１／[ω²・Ｔ₁・Ｔ₃＋ω×（Ｔ₁＋Ｔ₃）＋１] …（８）

上記（６）〜（８）式より、
Ｔ₁・Ｔ₃＝Ｃ₁・Ｃ₂・Ｒ₂・Ｒ₃ …（９）
Ｔ₁＋Ｔ₃＝Ｃ₁・Ｒ₃＋Ｃ₂・Ｒ₂＋Ｃ₂・Ｒ₃ …（１０）
Ｔ₂＝Ｃ₂・Ｒ₂ …（１１）

上記（９）式と（１０）式より、
Ｃ₁・Ｒ₃＝Ｔ₁・Ｔ₃／Ｔ₂ …（１２）
が得られ、（１０）〜（１２）式より、次の（１３）式が得られる。
Ｃ₂・Ｒ₃＝Ｔ₁＋Ｔ₃−Ｔ₂−Ｔ₁・Ｔ₃／Ｔ₂ …（１３）

よって、（１１）〜（１３）式より、Ｔ₁〜Ｔ₃および図４に示す低速域のゲインを設定し、回路定数内のいずれか１つの値を設定すれば、残りの回路定数は一義的に決定することができる。したがって、図３に示す回路構成により図４に示すゲイン特性が実現でき、近似的に図２に示す特性を実現できることが分かる。

この発明の実施の形態を示す回路構成図図１の波形整形手段の入出力周波数特性を示す特性図図２の特性を具体的に実現するための回路構成図図３の回路の入出力周波数特性を示す特性図従来例を示す構成図

符号の説明

ＳＳ…電力変換装置、ＰＴ…電圧検出器、ＡＦ…波形整形手段、ＡＤ…アナログ−デジタル変換器、ＤＦ…波形復元手段、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチング素子、Ｑ１…オペアンプ。

Claims

電力変換装置の交流出力電圧を検出する検出方式であって、
電圧検出手段にて検出された信号をその信号の周波数に基づき波形整形を行なう波形整形手段と、この波形整形手段にて整形した信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段と、その変換されたデジタル信号を前記波形整形手段の入出力周波数特性とは逆極性にて前記電圧検出手段により検出された信号に復元する波形復元手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置の出力電圧検出方式。
前記波形整形手段は、検出信号が微小電圧となる低周波領域でのゲインを高くすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の出力電圧検出方式。
前記波形復元手段は、Ｚ変換または双一次変換を行なうものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置の出力電圧検出方式。