JPH0454872A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電動機などの誘起電圧を持つ負荷と接続さ
れた電力変換装置に関するものである。

〔従来の技術〕

代表的従来技術として、「パワーエレクトロニクス＆Ａ
ＣドライブＪ　　（Ｂ、に、Ｂｏｓｅ著、秦泉寺敏正、
内藤治夫訳、昭６２、電気書院）第１９５頁から第１９
７頁記載の技術が挙げられる。

これはインバータの制御に関するものである。

このインバータの制御回路においては、出力電圧指令は
正弦波で与えられる。この出力電圧指令が、ＰＷＭ制御
回路によりパルス信号に変換され。

ゲートアンプがこのパルス信号に応じてインバータの各
素子を即動することにより、インバータからは正弦波の
電圧が出力される。

［発明が解決しようとする課題〕 しかしながら電動機等の誘起電圧を有する負荷において
は、誘起電圧は例えば３次などの低次高調波成分を含有
する場合がある。これは、電動機であればエアギャップ
中の磁束分布が正弦波状から逸脱しているため、また電
力系統であれば系統内の負荷の出力変動等によって発生
する。

誘起電圧が高調波成分を含む場合、電力変換装置が正弦
波を出力すると、誘起電圧に含まれる高調波　成分がそ
のまま主回路に印加される。このため出力電流に低次高
調波成分が発生し、瞬時電力脈動の増大の原因となる。

瞬時電力脈動は、電動機におけるトルクもしくは推力の
脈動を発生させ、騒音、振動の原因となる。また電力系
統においては、低次の高調波成分により、系統内の他の
機器における騒音、振動及び損失の増加、また機器の焼
損といった障害を引き起こす。

本発明の目的は、これらの障害の発生原因となる誘起電
圧高調波成分の影響を除去することにある。

〔課題を解決するための手段〕

電力変換装置の出力電圧に、誘起電圧に含まれる高調波
成分に相当する電圧を重畳させる手段を設ける。

［作用〕 上記誘起電圧の高調波成分重畳手段により、出力電圧に
誘起電圧の高調波成分に相当する電圧が重畳される。そ
の結果、誘起電圧中の高調波成分が打ち消され、高調波
電流及び高調波電流により発生する瞬時電力脈動を低減
することができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示したもので、負荷、電
力変換器及びその制御回路の１相分を示す、インバータ
２の出力電流ｉを制御する基本波電流制御器５は、電流
検出器８により検出された出力電流ｉから出力電流基本
波成分ｉｒを抽出するローパスフィルタ５２と、出力電
流指令ｉ＊から出力電流基本波成分ｉ、を減じて偏差電
流ｉ０、を算出する減算器５３と、偏差電流ｉ、、を零
にするような基本波電圧指令ｅ、車を発生する電流制御
回路５１とから構成される。同期電動機１１の回転子の
回転角に従って発生される位置信号Ｘから高調波電圧指
令ｅ、＊を発生させる高調波電圧指令発生器４の出力を
、加算器６により基本波電圧指令ｅｆ＊に加算し出力電
圧指令０本を発生する。この出力電圧指令６１からＰＷ
Ｍ制御回路３によりパルス信号を生成し、インバータ２
を動作させ、同期電動機１１を駆動する。

第２図に、高調波電圧指令発生器４の一実施例を示した
。周波数発生器４２は電動機の位置信号Ｘを入力し出力
周波数ｆ、を発生する。４１ａ。

４１ｂ及び４１ｃはそれぞれ１次、ｍ次及びｎ次の高調
波電圧指令ｅ１傘、ｅ−及びｅ−を発生する特定高調波
電圧指令発生器であり、打ち消したい高調波成分の次数
に応じて設置すればよい。１次調波電圧指令ｅ−を発生
する４１ａを例にとって説明する。高調波電圧振幅発生
器４１１は、出力周波数ｆ、に対する誘起電圧１次調波
成分の振幅Ｅｅｌの特性を記憶してあり、与えられた出
力周波数ｆ＋から１次調波電圧指令の振幅Ｅ１＊を出力
する。この出力周波数ｆ６に対する誘起電圧高調波成分
の振幅の特性の一例として３次調波振幅Ｅ。

の特性を第４図に示す。

誘起電圧３次調波Ｅ、、８は出力周波数ｆ、に対し比例
関係にあるのが一般的であるが、鉄心の飽和などの影響
により特性が変化し、非線形性を呈する場合もある。こ
れは電動機の構造及び設計に依存するものである。この
特性は測定により予め求めることができる。また、他の
次数の誘起電圧高調波成分についても同様に求めること
ができるので、打ち消したい次数の高調波成分を高調波
電圧振幅発生器４１１に記憶させておけばよい。

周波数てい倍器４１２は位置信号Ｘから振幅が１で周波
数が１倍の１次調波信号ＸＩを発生し乗算＠４１３に出
力する６乗算器４１３は、１次調波電圧指令の振幅Ｅ１
＊と高調波信号ｘ１を乗算し１次調波電圧指令６１ｍを
発生する。４３は各特定高調波電圧指令発生器４１ａ、
４１ｂ及び４１ｃからの指令を加算し高調波電圧指令ｅ
ｈ＊を発生する加算器である。

上記構成による動作を述べる。

第１図において、出力電流ｉからローパスフィルタ５２
により出力電流基本波成分ｉｆを抽出する。減算器５３
により出力電流指令１本から出力電流基本波成分ｉ、を
減算し偏差電流ｘａｒを得る。

電流制御回路５１は偏差電流ｉ、？を零にするように基
本波電圧指令６１１を発生させる。この電圧指令ｅｆ本
をＰＷＭ制御回路３でパルス幅変調しパルス信号を生成
する。インバータ２はこのパルス信号に従って電圧を出
力する。

次に原理説明をする。

第３図（ａ）に示すように、負荷１の誘起電圧ｅ、が基
本波成分ｅａ＋ｆのみである場合、インバータ２は基本
波出力電圧ｅ、を出力すれば出力電流ｉは正弦波となる
。

しかしながら第３図（ｂ）のように、誘起電圧ｅ、が基
本波成分ｅ。、の他に高調波成分ｅｍｂを含む場合があ
る。誘起電圧高調波成分ｅ１は、比較的低次の成分で構
成され、特に３次調波が大きく現れる場合が多い。この
場合、インバータ２の出力電圧ｅが基本波成分ｅｆのみ
であると、誘起電圧高調波成分ｅ□はそのまま負荷１の
抵抗分Ｒとインダクタンス分りに印加される。第５図は
この場合の各波形を計算により求めたものであるが、出
力電流ｉは歪波となり、高調波電流が含まれている。ま
た負荷１の瞬時出力電力Ｐｔ、は出力電流ｉと誘起電圧
ｅ、の積であるが、出力電流ｉが高調波成分を含有する
ために、第５図に示されるように瞬時出力電力ｐ、には
脈動成分が重畳され、瞬時電力脈動が増大する。この瞬
時電力脈動は。

機器における振動、騒音、損失の増大等の障害の原因と
なる。

そこで、第１図における高調波電圧指令発生器４により
、誘起電圧の高調渡分に相当する高調波電圧指令ｅ、＊
を発生させ、加算器６によって基本波電圧指令値ｅｆ本
に加算する。これにより第３図（ｃ）に示すように、イ
ンバータ２は基本波電圧ｅｆと誘起電圧高調波成分ｅｍ
ｈに相当する高調波成分ｅｈとを出力電圧ｅとして出力
する。これにより第６図に示されるように出力電圧指令
ｅ＊は歪波となるが、誘起電圧高調波成分ｅｍｂは出力
電圧高調波成分ｅ、により打ち消されるので、第３図（
ｃ）における負荷１の抵抗分Ｒとインダクタンス分りに
印加される電圧ｅ６は正弦波となる。

このため出力電流ｉは正弦波状となり、誘起電圧高調波
成分ｅ。に起因する高調波電流は消去される。発明者等
の演算の結果、補償後の誘起電圧ｅ□は歪波であっても
、出力電流ｉが正弦波状であれば、誘起電圧高調波成分
ｅｓｃｈに起因する瞬時出力電力ｐ、の脈動成分は各相
分で互いに打ち消し合うため現れず、瞬時電力脈動が低
減される。

−例として、誘起電圧ｅ１に３次調波が含まれている場
合をあげる。第７図において誘起電圧が基本枝分のみで
ある場合、電流リプルはす。［Ａｌとなる。しかしなが
ら誘起電圧３次調波がａ　［Ｖ］含まれる場合には、電
流リプルがｂｉ［Ａｌにまで上昇する。そこで高調波電
圧指令発生器４を用いて、インバータ１が誘起電圧の３
次調波を打ち消すような電圧を出力するように制御する
と、電流リプルはｂよ［Ａ］にまで低減される。

第８図に示す出力電流歪率、及び第９図に示す瞬時電力
脈動についても同様の効果が得られる。

誘起電圧３次調波は、低調波に比べ振幅が大きい場合が
多いので、これを打ち消した場合の補償効果は大きい。

第１０図に第１図における基本波電流制御器５の他の実
施例を示す構成図を示す。

直交座標変換器５８ａは出力電流指令ｉ＊から実軸成分
工、本と虚軸成分１８本を発生する。直交座標変換器５
８ｂはローパスフィルタ５２により得られた出力電流基
本波成分ｉｆから実軸成分工、と虚軸成分■、を発生す
る。減算器５７ａは出力電流指令実軸成分Ｉ、＊と出力
電流基本成分工、から偏差電流実軸成分Ｉ　ｔａｒを、
減算器５７ｂは出力電流指令虚軸成分■、ネと出力電流
基本成分工、から偏差電流虚軸成分Ｉ　ｊａｒをそれぞ
れ発生する。

電流制御回路５６ａ及び５６ｂはそれぞれ偏差電流実軸
成分Ｉ　ｔａｒ及び虚軸成分Ｉ　ｊａｒを零にするよう
な出力電圧指令虚軸成分Ｅ−及び実軸成分Ｅ−を発生す
る。５５は出力電圧指令の実軸成分Ｅ−と虚軸成分 Ｅ、車から出力電圧指令ベクトルＥの大きさＩＥと位相
角ＺＥを発生する極座標変換器、５４は出力電圧指令ベ
クトルＥの大きさＩＥＩと位相角／Ｅから基本波電圧指
令ｅ＊を発生する座標逆変換器である。

本図のような直行座表系を用いた制御器により制御を行
うと、電流制御回路５６ａ及び５６ｂが扱う信号は直流
量であるため、回路の設計に余裕が生じ制御精度及び応
答性が向上する。

第１１図は、第１図に示した制御回路の他の実施例であ
る。

第１図に示した制御回路では負荷の位置信号Ｘから誘起
電圧の波形を特定することはできない。

この場合、例えば、誘導電動機においては位置信号Ｘは
存在しないので、このようなものについて本実施例では
手当てをした。以下、第１図との相違点についてのみ述
べる。

１２は誘導電動機、４５は誘起電圧高調波成分ｅ１に起
因する出力電流高調波成分ｉ、を出力電流ｉから抽出す
るバンドパスフィルタ、４４は出力電流高調波成分ｉ、
を零にするような高調波電圧指令ｅ−を発生する高調波
電圧指令発生器である。電流制御回路５１は出力電流ｉ
の基本波成分ｉｆを出力電流指令ｉｓに一致させるよう
な基本波電圧指令ｅ、ネを発生し、高調波電圧指令発生
器４４は誘起電圧高調波成分ｅ１に起因し発生する出力
電流高調波成分ｉ、を抑制するよ−うな高調波電圧指令
６ｋｍを発生する。これにより出力電流ｅには誘起電圧
高調波成分に相当する高調波成分ｅ、が重畳され、第１
図に示した実施例同様の効果を得ることができる。

本実施例においては、出力電流ｉの基本波成分ｉ、の制
御を行う電流制御回路５１と、高調波成分の抑制を行う
高調波電圧指令発生器４４とを別々に設けている。これ
を１つの制御回路で制御及び抑制の両方を行うことは可
能である６しかしながら複数の周波数の信号を同時に扱
うため、制御系の設計が難しくなる。本実施例のように
、基本波成分の制御と高調波成分の抑制を別々に行うこ
とにより、制御系の設計に余裕が生じ、制御精度及び応
答性が向上する。

上記実施例においては、各相ごとの出力電流の高調波成
分を検出して補償するため理想的に動作する場合、全て
の高調波がなくなり出力電流は正弦波となる。しかしな
がら、バンドパスフィルタ４５の位相遅れは必ず存在し
、高調波電流の周波数が高くなると、重畳する指令値が
正方向に重畳され発散してしまうことが考えられる。

そこで、以下に示す実施例では、比較的振幅の大きい高
調波成分が３次調波であることに着目して、その高調波
成分を打ち消すこととした。つまり、例えば、３相の場
合、３次調波及びその３倍数の高調波は零相成分であり
、この高調波が現れると必ず零相にも現れる。そこでこ
の零相に現れる高調波成分を打ち消すように制御すれば
、零相は各相の和であるため１位相遅れの問題無しに出
力電流は正弦波状になる。

第１２図は、誘起電圧高調波成分ｅ、が例えば３次調波
等の零相成分で構成されている場合の実施例で、４７は
各相の出力電流の総和をとり出力電流零相成分１０を算
呂する加算器、４６は出力電流零相成分ｉ。を抑制する
ような高調波電圧指令０１本を発生する高調波電圧指令
発生器である。

第１３図は、誘起電圧高調波成分ｅｍｋが零相成分で構
成されている場合の他の実施例を示す。本実施例におい
ては、各相の出力電流から出力電流零相成分１０を算出
するかわりに、中性線電流ｉ。

を検出し、高調波電圧指令発生器４６の入力としている
１本実施例においても、第１２図における実施例を用い
た場合と同様の効果を得ることができる。

第１２図及び第１３図における実施例においては、出力
電流高調波成分を抽出するために第１１図の実施例に見
られるようなバンドパスフィルタ等が不要であり、位相
遅れが生じないため制御性が向上する。

また第１１図、第１２図及び第１３図における実施例に
おいては、負荷を誘起電動機としたが、負荷が同期電動
機であっても、当然ながら前記実施例を適用することが
できる。

第１４図は、負荷が電力系統である場合の１相分のモデ
ルを示す構成図である。１１は受電側、２１は周波数変
換器もしくは電力用能動フィルタ等の電力変換器により
構成される送電側、７は送電線である。受電端電圧ｅＲ
が高調波成分を含む場合、系統内の機器において騒音、
振動の増加、及び機器の焼損といった障害の原因となる
。第１１図、第１２図もしくは第１３図のような制御器
を用いて送電端電圧ｅ、を制御することにより、電流ｉ
を正弦波に保ち、これらの障害の発生を抑制できる。

第１図の実施例では負荷として回転型同期電動機を、第
１１図、第１２図及び第１３図においては回転型誘導電
動機を例示したが、直線型同期電動機及び直線型誘導電
動機の制御においても、また第１４図の電力系統におけ
る実施例のように負荷が電動機でない場合でも当然のこ
とながら本発明を適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば負荷の誘起電圧に起因する瞬時電力脈動
を抑制することができるので、トルク変動、騒音等の併
置を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は高調
波電圧指令発生器の一実施例を示す構成図、第３図は主
回路のモデルを示す図、第４図は出力周波数に対する誘
起電圧の高調波成分の振幅の関係の一例として３次調波
の特性を示したもの、第５図は出力電圧が基本渡分のみ
の場合の各部波形を計算により求めたもの、第６図は出
方電圧が誘起電圧高調波成分に相当する電圧を加えて出
力する場合の各部波形を計算により求めたもの、第７図
は誘起電圧３次調波実効値に対する出力電流リプルの特
性を示したもの、第８図は誘起電圧３次調波実効値に対
する出力電流歪率の特性を示したもの、第９図は誘起電
圧３次調波実効値に対する瞬時電力脈動の特性を示した
もの、第１０図は第１図における電流制御回路の別の実
施例を示す構成図、第１１図、第１２図及び第１３図は
インバータの制御回路の別の実施例を示す構成図、第１
４図は電力系統のモデルを示す図である。 １・・・負荷、２・・・インバータ、３・・・ＰＷＭ制
御回路、１１・・・同期電動機、１２・・・誘導電動機
、１３・・・電力系統における受電側、２１・・・電力
系統における送電側、４・・・高調波電圧指令発生器、
４１・・・特定高調波電圧指令発生器、４１１・・・高
調波電圧振幅発生器、４１２・・・周波数てい倍器、４
１３・・・乗算器、４２・・・周波数発生器、４３・・
・加算器、４４・・・高調波電圧指令発生器、４５・・
・バンドパスフィルタ、４６・・・高調波電圧指令発生
器、４７・・・加算器、４８・・・高調波電圧指令発生
器、５・・・基本波電流制御器、５１・・・電流制御回
路、５２・・・ローパスフィルタ、５３・・・減算器、
５４・・・座標逆変換器、５５・・・極座標変換器、５
６・・・電流制御回路、５７・・・減算器、５８・・・
直行座標変換器、６・・・加算器、７・・・第１図 Ｍ３ＷＡ 箪４図 出力周１．Ｎ １１１３図 ａ１ （ｂ） 箪７図 誘起電圧３次ｔｌｌＪ実効値 誘起電圧３次調ｊ実効値 篤９図 箪１０ｒＩＡ １１１１図 冨１２ｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘起電圧を持つ負荷に電力を供給する電力変換装置
   において、この誘起電圧中に含まれる高調波成分に起因
   して発生する出力電流の高調波成分を打ち消す電圧成分
   を前記電力変換装置の出力電圧に重畳する手段を備えた
   電力変換装置。 ２、誘起電圧を持つ負荷に電力を供給する電力変換装置
   において、この誘起電圧中に含まれる高調波成分に等し
   い電圧成分を逆位相で前記電力変換装置の出力電圧に重
   畳する手段を備えた電力変換装置。 ３、同期電動機に電力を供給する電力変換装置において
   、この同期電動機の位置信号からこの同期電動機に発生
   する誘起電圧の高調波成分に相当する電圧指令を作成す
   る手段と、この電圧指令を作成する手段の出力を前記電
   力変換装置の出力電圧指令値に加算する手段とを備えた
   電力変換装置。 ４、誘導電動機に電力を供給する電力変換装置において
   、この誘導電動機に発生する誘起電圧高調波成分に起因
   する出力電流の高調波成分を検出する手段と、前記出力
   電流の高調波成分を打ち消す電圧成分を前記電力変換装
   置の出力電圧に重畳する手段を備えた電力変換装置。 ５、電力系統の受電端等の一般の機器に電力を供給する
   電力変換装置において、この電力系統の受電端等の一般
   の機器に発生する誘起電圧高調波成分に起因する出力電
   流の高調波成分を検出する手段と、前記出力電流の高調
   波成分を打ち消す電圧成分を前起電力変換装置の出力電
   圧に重畳する手段を備えた電力変換装置。 ６、請求項第１項、第２項、第４項又は第５項記載の電
   力変換装置において、前記打ち消す出力電流の高調波成
   分は零相成分である電力変換装置。 ７、請求項第１項、第２項、第４項、第５項又は第６項
   記載の電力変換装置において、前記出力電流の高調波成
   分を検出する手段は中性線の電流を検出する手段である
   電力変換装置。 ８、請求項第１項、第２項、第３項、第４項又は第５項
   記載の電力変換装置において、前記打ち消す高調波電圧
   成分が第３次調波である電力変換装置。