JP2005295712A - インバータ装置の出力電流検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 性能の低い演算装置を用いて、演算精度を低下させることなく簡単にインバータ装置の出力電流を演算により求めることができるインバータ装置の出力電流検出装置を提供する。
【解決手段】 コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を所定の演算式によりデジタル演算により求める。この演算式は、ｉｃ´＝Ｖ×ωo×Ｃ×[cos WaveData]×Ｋである。この式において、Ｖは出力電圧ｖｏの実効値または平均値である。ＣはコンデンサＣの静電容量であり、ωoは出力電圧の角周波数である。またＫは出力電圧ｖｏを検出する際の検出比と、アナログ値をデジタル値に変換する際の変換比と、実効値または平均値Ｖを最大値に変換するための変換比との乗算値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置の出力電流を演算により検出するインバータの出力電流検出方法及び装置に関するものである。

図２は、従来のインバータ装置の出力回路の一例を示している。一般に、無停電電源装置などに用いられるインバータ回路の出力は、リアクトルＬとコンデンサＣとからなるＬＣフィルタによりフィルタ処理されて出力される。インバータを制御する際には、インバータ回路の出力電流ｉLの検出が必要である。そこで図２に符号１０１で示した位置に電流検出器を入ている。また、インバータ装置の出力電流（負荷電流）ｉoを検出する必要がある場合は、図１に符号１０２で示した位置に電流検出器を入れている。

インバータの出力電流ｉLと負荷電流ｉoの両方の検出が必要な場合、２個の検出器が必要となるが、小型化やコスト低減などのため、出力電流ｉoを検出する代わりに、インバータ回路の出力電流ｉLを代用する場合がある。しかしながら、実際にはコンデンサＣに流れるコンデンサ電流ｉｃが存在するために、ｉo ≠ ILではない。ｉo ＝ｉL −ｉｃであるために誤差が生じる。ｉo＞＞ｉｃであれば位相の影響は小さいが、出力電流ｉoとコンデンサ電流ｉｃの大きさが近づくにつれ、影響は大きくなり、誤差も大きくなる問題がある。

一般的な理論でコンデンサ電流ｉｃを計算式で表すと、下記（１）式によりコンデンサ電流を演算により求めることができる。

ｉｃ＝Ｃ×ｄｖo／ｄｔ ・・・・・・・・・（１）
ただし、上記式（１）において、Ｃはコンデンサの静電容量、ｖoは出力電圧（＝コンデンサの両端電圧）である。この式から分かるように、コンデンサ電流ｉｃは出力電圧ｖoを微分することで求めることができる。また、出力電圧ｖoは正弦波であり、これを微分するためコンデンサ電流ｉｃ は出力電圧ｖoよりも位相が９０°進んでいることも分かる。この（１）式の演算をマイクロコンピュータやＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの演算器で演算することで、出力電圧ｖoからコンデンサ電流ｉｃを求めることも可能である。しかしながら、出力電圧ｖｏを低性能なＣＰＵやＤＳＰで微分演算することは技術的に難しい。

本発明の目的は、性能の低い演算装置を用いて、演算精度を低下させることなく簡単にインバータ装置の出力電流を演算により求めることができるインバータ装置の出力電流検出方法及び装置を提供することにある。

本発明は、インバータ回路の出力側にリアクトルとコンデンサとからなるＬＣフィルタが配置され、コンデンサの両端電圧を出力電圧ｖｏとして負荷に給電するインバータ装置におけるリアクトルを流れるリアクトル電流ｉLからコンデンサを流れるコンデンサ電流ｉｃを差し引いた電流ｉｏを出力電流として検出するインバータ装置の出力電流検出方法を改良の対象とする。

本発明の方法では、出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを求める。また出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて余弦波デジタルデータ[cos WaveData]を求める。余弦波デジタルデータ[cos WaveData]は事前に求めておき、記憶手段に記憶させておくことができる。そして本発明では、コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を下記の演算式によりデジタル演算により求める。

ｉｃ´＝Ｖ×ωo×Ｃ×[cos WaveData]×Ｋ
上記式において、ＣはコンデンサＣの静電容量であり、ωoは出力電圧の角周波数である。角周波数ωoは、出力電圧から演算により求めてもよいし、予め記憶手段に記憶させておいてもよい。また上記式において、Ｋは出力電圧ｖｏを検出する際の検出比と、アナログ値をデジタル値に変換する際の変換比と、実効値または平均値Ｖを最大値に変換するための変換比との乗算値である。このようにして求めた電流ｉｃ´をコンデンサ電流ｉｃとして出力電流ｉｏ＝ｉL−ｉｃ´を検出する。上記式は、掛け算だけで演算を行えるため、低性能のＣＰＵやＤＳＰであっても簡単に演算ができる。また演算精度も特に低下する問題は生じない。

本発明のインバータ装置の出力電流検出装置は、出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを演算により求める電圧演算手段と、出力電圧ｖｏから出力電圧の角周波数ωoを求める角周波数演算手段と、出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて得た余弦波デジタルデータ[cos WaveData]を予め記憶しているデータ記憶手段と、コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を上記の演算式によりデジタル演算により求めるコンデンサ電流演算手段とを備えている。

本発明によれば、掛け算だけでリアルタイムにコンデンサ電流に相当する電流の演算を行えるため、低性能のＣＰＵやＤＳＰであっても演算精度を低下させることなく、簡単に出力電流を演算により検出することができる。

以下図面を参照して本発明のインバータ装置の出力電流検出方法を実施する装置の実施の形態について説明し、併せて本発明の方法の実施の形態について説明する。図１は、本発明の出力電流検出装置の実施の形態の一例の構成を示す図である。この実施の形態でも図２の従来の装置と同様に、インバータ回路ＩＶの出力側にリアクトルＬとコンデンサＣとからなるＬＣフィルタが配置されている。そしてリアクトルＬを流れるリアクトル電流ｉLを変流器ＣＴにより検出する。そしてコンデンサＣの両端電圧を、出力電圧ｖｏとして負荷ＬＤに給電する。符号１は、インバータ装置におけるリアクトル電流ｉLからコンデンサＣを流れるコンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を差し引いた電流ｉｏを出力電流とする演算を行う出力電流検出装置を示している。出力電流検出装置１は、出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを演算により求める電圧演算手段２と、出力電圧ｖｏから出力電圧の角周波数ωoを求める角周波数演算手段３と、出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて得た余弦波デジタルデータ[cos WaveData]を予め記憶しているデータ記憶手段４と、コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を後述する演算式によりデジタル演算により求めるコンデンサ電流演算手段５と、リアクトル電流ｉLから電流ｉｃ´を差し引いた電流ｉｏを出力電流とする演算を行う出力電流演算手段６とから構成されている。

コンデンサ電流演算手段５は、下記の式（２）に基づいてコンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´をデジタル演算により求める。

ｉｃ´＝Ｖ×ωo×Ｃ×[cos WaveData]×Ｋ ・・・（２）
上記式（２）において、ＣはコンデンサＣの静電容量であり、ωoは角周波数であり、Ｋは係数である。上記式の演算のために、電圧演算手段２は、出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを求める。出力電圧ｖｏの検出は、計器用変圧器や分圧回路により行えばよい。また実効値または平均値は、公知の実効値演算技術または平均値演算技術を用いて行っている。角周波数を演算する角周波数演算手段３は、出力電圧ｖｏの周波数を直流値に変換する構成を有している。図１において、「Ｋｆｏ」は、出力電圧ｖｏの周波数を直流値に変換する際に用いるいわゆる「ｆ−Ｖ変換」のゲインである。なお無停電電源装置であれば、周波数ｆｏは５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであるから、角周波数演算手段３は角周波数記憶手段に置き換えてもよい。したがって電源周波数が決まっている日本で使用する場合であれば、「Ｋｆｏ」を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚそれぞれに応じた固定値にしておけばよい。しかし、ｆｏの変化幅が大きい用途の場合は、誤差が大きくなるため、本実施の形態のように「ｆ−Ｖ変換」を行う必要がある。

データ記憶手段４には、出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて得た余弦波デジタルデータ[cos WaveData]が予め記憶されている。コンデンサ電流演算手段５では、まず電圧演算手段２で求めた出力電圧ｖｏの実効値または平均値Ｖと、角周波数演算手段３で求めた角周波数ωoと、データ記憶手段４に記憶された余弦波デジタルデータ[cos WaveData]とを掛け算し、その演算結果に係数Ｋを掛け合わせる。

係数Ｋは出力電圧ｖｏを検出する際の検出比と、アナログ値をデジタル値に変換する際の変換比と、実効値または平均値Ｖを最大値に変換するための変換比との乗算値である。

理論的に、コンデンサ電流ｉｃを求めるには、ｉｃ＝Ｃ×ｄｖo／ｄｔ として、出力電圧ｖｏを微分するのが理想的である。しかし、低性能なＣＰＵやＤＳＰ（Digital Signal Processor）で微分演算するのは技術的に難しいため、交流回路における一般的な計算式をリアルタイムに演算し、ｉｃを正弦波で再現しようとすると下記の一般的な計算式で演算すればいよことになる。

ｉｃ＝Ｖm×ωo×Ｃ×cosωｔ
ここでＶmは出力電圧ｖoの最大値である。

本発明の方法では、上記の式に置き換えて、コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を上記式（２）を用いて演算により求めることにした。出力電流演算手段６は、このようにして求めた電流ｉｃ´をコンデンサ電流ｉｃとして出力電流ｉｏ＝ｉL−ｉｃ´を演算により検出する。

本実施の形態によれば、ＬＣフィルタのコンデンサ電流の瞬時波形をデータと演算により求め、これをインバータ電流からリアルタイムで引き算することで、ｉo´≒ｉL−ｉｃ´より、擬似的に出力電流を求めることができ、実際の試験では、従来最大10〜15％であった検出誤差を5％以下に改善することができた。

下記の表１は、インバータの出力電流ioを計器用変流器で測定した値と、本実施の形態の装置を用いて演算により求めた出力電流の演算結果のデータである。この結果からは、出力電流が大きい場合には、コンデンサ電流の影響が少ないため、結果に相違はあまりないが、電流が小さい場合には効果が見られる。なお、出力電流が１Ａ以下の場合、演算器の分解能が不十分であるため、実使用上、演算結果を切り捨てている。

なお出力電流ｉｏの情報は、インバータの負荷率情報であり、負荷率情報、電流値情報として装置のユーザが利用する。よって、本発明によって得られる出力電流は、インバータをより安全且つ効率的に使用するための有益な情報になる。なお本発明は、出力電流ｉo´を実効値や平均値に変換して計測に利用するような、瞬時波形としての再現性をそれほど重要としない用途に特に有効である。

本発明の出力電流検出装置の実施の形態の一例の構成を示す図である。 従来の出力電流検出方法を説明するために用いる図である。

符号の説明

１ 出力電流検出装置
２ 電圧演算手段
３ 角周波数演算手段
４ データ記憶手段
５ コンデンサ電流演算手段
６ 出力電流演算手段

Claims (3)

1. インバータ回路の出力側にリアクトルとコンデンサとからなるＬＣフィルタが配置され、前記コンデンサの両端電圧を出力電圧ｖｏとして負荷に給電するインバータ装置における前記リアクトルを流れるリアクトル電流ｉLから前記コンデンサを流れるコンデンサ電流ｉｃを差し引いた電流ｉｏを出力電流として検出するインバータ装置の出力電流検出方法であって、
   前記出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを求め、
   前記出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて余弦波デジタルデータ[cos WaveData]を求め、
   前記コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を下記の演算式によりデジタル演算により求め、
   ｉｃ´＝Ｖ×ωo×Ｃ×[cos WaveData]×Ｋ
   前記ωoは前記出力電圧の角周波数であり、
   前記Ｃはコンデンサの静電容量であり、
   前記Ｋは前記出力電圧ｖｏを検出する際の検出比と、アナログ値をデジタル値に変換する際の変換比と、前記実効値または平均値Ｖを最大値に変換するための変換比との乗算値であり、
   前記電流ｉｃ´を前記コンデンサ電流ｉｃとして前記出力電流を検出することを特徴とするインバータ装置の出力電流検出方法。
2. インバータ回路の出力側にリアクトルとコンデンサとからなるＬＣフィルタが配置され、前記コンデンサの両端電圧を出力電圧ｖｏとして負荷に給電するインバータ装置における前記リアクトルを流れるリアクトル電流ｉLから前記コンデンサを流れるコンデンサ電流ｉｃを差し引いた電流ｉｏを出力電流として検出するインバータの出力電流検出方法であって、
   前記出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを求め、
   前記出力電圧ｖｏから前記出力電圧の角周波数ωoを求め、
   前記出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて得た余弦波デジタルデータ[cos WaveData]を予め求めておき、
   前記コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を下記の演算式によりデジタル演算により求め、
   ｉｃ´＝Ｖ×ωo×Ｃ×[cos WaveData]×Ｋ
   前記Ｃがコンデンサの静電容量であり、
   前記Ｋが、前記出力電圧ｖｏを検出する際の検出比と、アナログ値をデジタル値に変換する際の変換比と、前記実効値または平均値Ｖを最大値に変換するための変換比との乗算値であり、
   前記電流ｉｃ´を前記コンデンサ電流ｉｃとして前記出力電流を検出することを特徴とするインバータ装置の出力電流検出方法。
3. インバータ回路の出力側にリアクトルとコンデンサとからなるＬＣフィルタが配置され、前記コンデンサの両端電圧を出力電圧ｖｏとして負荷に給電するインバータ装置における前記リアクトルを流れるリアクトル電流ｉLから前記コンデンサを流れるコンデンサ電流ｉｃを差し引いた電流ｉｏを出力電流とする演算を行って前記出力電流を検出するインバータの出力電流検出装置であって、
   前記出力電圧ｖｏを検出してその実効値または平均値Ｖを演算により求める電圧演算手段と、
   前記出力電圧ｖｏから前記出力電圧の角周波数ωoを求める角周波数演算手段と、
   前記出力電圧ｖｏを得るために用いるインバータ用正弦波データの位相を９０°進ませて得た余弦波デジタルデータ[cos WaveData]を予め記憶しているデータ記憶手段と、
   前記コンデンサ電流ｉｃに相当する電流ｉｃ´を下記の演算式によりデジタル演算により求めるコンデンサ電流演算手段とを備え、
   ｉｃ´＝Ｖ×ωo×Ｃ×[cos WaveData]×Ｋ
   前記Ｃがコンデンサの静電容量であり、
   前記Ｋが、前記出力電圧ｖｏを検出する際の検出比と、アナログ値をデジタル値に変換する際の変換比と、前記実効値または平均値Ｖを最大値に変換するための変換比との乗算値であることを特徴とするインバータ装置の出力電流検出装置。

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