JP2011164997A - Ac power adjustment device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、指定した比率で負荷に電力を供給するように交流電圧の半サイクル毎にオン／オフを行う交流電力調整装置に関するものである。 The present invention relates to an AC power adjustment device that turns on / off every half cycle of AC voltage so as to supply power to a load at a specified ratio.
商用電力を電源として電気ヒータに電力を供給し温度の調整を行う場合、消費電流に含まれる高調波成分を抑制するためにゼロクロススイッチを用いて電気ヒータへの電力供給のスイッチングを行うことが多い。交流電圧の１周期もしくは半周期ごとにスイッチングを行うゼロクロススイッチは、抵抗負荷の場合スイッチのオン時における電流やスイッチのオフ時の電流がゼロとなるため、消費電流に含まれる高調波電流を抑制できるという利点を持つ反面、電力制御の分解能が低くなるとか、制御周期が長くなって遅れ時間が発生してしまうといった問題を持っていた。たとえば、交流の１周期ごとにオン／オフを行い、１０周期中のオンとする周期数によって制御を行おうとすると、電力制御における分解能は１／１０と低い上に制御周期は交流の１０周期分と長くなってしまう。分解能を上げようとすると制御周期は長くなってしまうし、制御周期を短くしようとすると分解能は低くなってしまう。（特許文献１）
この問題に対して、電力制御指令値と実際のゼロクロススイッチへのスイッチ信号との誤差を積分して、その誤差を積分した信号をスイッチ信号に反映させる手法が用いられることがある。この技術は、ΔΣ変調によるパルス密度変調の応用と考えることができる。すなわち、連続値もしくは高分解能の信号を２値のオン／オフパルスに変換する手法であり、スーパーオーディオCDへの音声信号記録などにも用いられている技術である。誤差を積分した信号を用いる場合、ΔΣ変調におけるノイズシェーピングフィルタは１次の積分要素であると解釈される。このノイズシェーピングフィルタの次数を上げることにより、目標値信号と出力の２値信号の誤差のパワースペクトルの低周波成分をよく抑制できることが一般に知られているが、３次以上のノイズシェーピングフィルタを用いた場合、最大変調率が限られてしまうことが知られている。すなわち、電力制御の場合、電力指令値が０に近い状態や最大値に近い状態では、ノイズシェーピングフィルタが正常に動作しないといった問題を持っている。
When the temperature is adjusted by supplying power to the electric heater using commercial power as a power source, the power supply to the electric heater is often switched using a zero cross switch in order to suppress harmonic components included in the current consumption. . Zero-cross switches that switch every one or half cycle of AC voltage suppress the harmonic current contained in the current consumption because the current when the switch is turned on and the current when the switch is turned off are zero for resistive loads. While it has the advantage of being able to do so, it has problems such as low power control resolution and a long control cycle and delay time. For example, when the AC is turned on / off every cycle and the control is performed with the number of cycles turned on in 10 cycles, the resolution in power control is as low as 1/10 and the control cycle is equivalent to 10 cycles of AC. It will be long. If the resolution is increased, the control cycle becomes longer, and if the control cycle is decreased, the resolution becomes lower. (Patent Document 1)
In order to solve this problem, a technique may be used in which an error between the power control command value and the actual switch signal to the zero-cross switch is integrated and a signal obtained by integrating the error is reflected in the switch signal. This technique can be considered as an application of pulse density modulation by ΔΣ modulation. That is, it is a technique for converting a continuous value or high-resolution signal into a binary on / off pulse, and is also used for recording an audio signal on a super audio CD. When a signal obtained by integrating an error is used, the noise shaping filter in ΔΣ modulation is interpreted as a first-order integration element. It is generally known that the low frequency component of the power spectrum of the error between the target value signal and the output binary signal can be well suppressed by increasing the order of the noise shaping filter. The maximum modulation rate is known to be limited. That is, in the case of power control, there is a problem that the noise shaping filter does not operate normally when the power command value is close to 0 or close to the maximum value.
解決しようとする課題は、ゼロクロススイッチによる電力制御において、制御周期をあまり長くすることなく、高い制御分解能を実現し、高い最大変調率を確保する手段を提供することである。
The problem to be solved is to provide means for realizing high control resolution and ensuring a high maximum modulation rate without excessively increasing the control period in power control by a zero cross switch.
上記課題を解決するため、制御周期を電源の交流電圧の半周期の整数倍に設定し、予め出力可能なゼロクロススイッチのオン／オフのパターンを用意しておき、電力指令信号とノイズシェーピングフィルタの出力信号の和に応じて予め用意されたパターンの中から適切なオン／オフのパターンを選択し、選択されたオン／オフのパターンにしたがってゼロクロススイッチを操作し、電力指令信号と選択されたオン／オフのパターンをノイズシェーピングフィルタに入力することによって制御誤差信号に対するフィルタ処理をノイズシェーピングフィルタにおいて実施する。 In order to solve the above-mentioned problem, the control cycle is set to an integral multiple of a half cycle of the AC voltage of the power supply, and an on / off pattern of a zero-cross switch that can be output in advance is prepared. An appropriate on / off pattern is selected from patterns prepared in advance according to the sum of the output signals, and the zero cross switch is operated according to the selected on / off pattern, and the power command signal and the selected on / off pattern are selected. The filter processing for the control error signal is performed in the noise shaping filter by inputting the / off pattern to the noise shaping filter.
以下、課題を解決するための手段について具体例にしたがって説明するが、それはあくまで例示であって、それによって本発明を何ら限定するものではない。 Hereinafter, means for solving the problem will be described according to a specific example, but this is merely an example, and the present invention is not limited thereby.
図１に交流電力調整装置の構成を示す。交流電源２の電圧のポジティブゼロクロス（電圧が負の値から正の値に変化する事象）およびネガティブゼロクロス（電圧が正の値から負の値に変化する事象）のタイミングはゼロクロス検出器５により検出され、スイッチング信号生成器１の動作タイミングの元となる。オンオフパターンテーブル１１の出力信号であるオンオフ信号s[j]は、交流電源２の電圧のポジティブゼロクロスまたはポジティブゼロクロスおよびネガティブゼロクロスに同期して出力される。オンオフパターンテーブル１１の入力信号であるパターン番号信号p[k]、およびスイッチング信号生成器１を構成するオンオフパターンテーブル１１以外の構成要素は交流電源２の電圧の周期の整数倍または周期の半分の整数倍のサンプリング周期Tcで動作する。指令値信号u[k]は、この交流電力調整装置において負荷３に供給する電圧のrms値の目標値を指定する信号であり、スイッチ素子４が常にオンとなっている状態において負荷３に掛かる電圧のrms値に対する相対値として指定するものである。指令値信号u[k]はサンプリング周期Tcごとに与えられるものである。 FIG. 1 shows the configuration of the AC power adjustment device. The timing of the positive zero cross (the event where the voltage changes from a negative value to a positive value) and the negative zero cross (the event where the voltage changes from a positive value to a negative value) of the AC power supply 2 is detected by the zero cross detector 5 As a result, the switching signal generator 1 becomes an operation timing source. An on / off signal s [j] that is an output signal of the on / off pattern table 11 is output in synchronization with a positive zero cross or a positive zero cross and a negative zero cross of the voltage of the AC power supply 2. The component number other than the pattern number signal p [k], which is an input signal of the on / off pattern table 11, and the on / off pattern table 11 constituting the switching signal generator 1 is an integral multiple or a half of the cycle of the voltage of the AC power supply 2. Operates with an integer multiple sampling period Tc . The command value signal u [k] is a signal that designates a target value of the rms value of the voltage supplied to the load 3 in this AC power adjustment device, and is applied to the load 3 when the switch element 4 is always on. It is specified as a relative value to the rms value of the voltage. The command value signal u [k] is given every sampling period Tc .
この交流電力調整装置の動作の概略は次のとおりである。オンオフパターンテーブル１１には、予め選択されたオンオフ信号s[j]のサンプリング周期Tcに渡るパターンが格納されており、各パターンにはパターン番号が付されている。パターン選択器１２は指令値信号u[k]と状態変数ベクトルx[k]によって算出される値に対応したパターン番号p[k]を算出する。オンオフパターンテーブル１１はパターン番号p[k]を入力し、スイッチ素子４に対するオンオフ信号s[j]を出力する。オンオフ信号s[j]はオンオフ信号s[j]に従い、交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなり、負荷３への供給電力を調節する。 The outline of the operation of this AC power adjustment device is as follows. The on / off pattern table 11 stores patterns over the sampling cycle Tc of the on / off signal s [j] selected in advance, and each pattern is given a pattern number. The pattern selector 12 calculates a pattern number p [k] corresponding to the value calculated by the command value signal u [k] and the state variable vector x [k]. The on / off pattern table 11 receives the pattern number p [k] and outputs an on / off signal s [j] for the switch element 4. The on / off signal s [j] is turned on or off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2 in accordance with the on / off signal s [j], and adjusts the power supplied to the load 3.
一方、フィードバックテーブル１３、入力ベクトル１４、遅延要素１５、システム行列１６およびパターン選択器１２によって構成されるノイズシェーピングフィルタにより、指令値信号u[k]と実際に出力されるオンオフ信号s[j]の値の差（出力誤差）を検出し、その出力誤差の信号に対して周波数重みを掛けた信号が小さくなるオンオフパターンを選択する。出力誤差の信号に周波数重みを掛ける理由は、スイッチ素子４におけるゼロクロススイッチングに起因する電力調整誤差のスペクトルを形成し、低周波数領域における電力調整誤差を抑制するとともに、なるべく高い周波数まで電力調整誤差を低く抑えることによって電力調整の時間遅れを小さく抑えることである。 On the other hand, the noise shaping filter including the feedback table 13, the input vector 14, the delay element 15, the system matrix 16 and the pattern selector 12 causes the command value signal u [k] and the on / off signal s [j] to be actually output. Difference (output error) is detected, and an on / off pattern in which the signal obtained by multiplying the signal of the output error by the frequency weight is reduced is selected. The reason why the frequency weight is applied to the output error signal is to form a spectrum of power adjustment error caused by zero-cross switching in the switch element 4 to suppress the power adjustment error in the low frequency region and reduce the power adjustment error to as high a frequency as possible. By keeping it low, the time delay of the power adjustment is kept small.
使用するオンオフ信号s[j]のパターンの選択およびノイズシェーピングフィルタの設計は以下のように行う。 The selection of the pattern of the on / off signal s [j] to be used and the design of the noise shaping filter are performed as follows.
まず、第１の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の１周期ごとに行う場合について説明する。ここでは、図４に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。ここでは便宜上、オンオフ信号s[j]は交流電源２の電圧の半周期ごと出力されるものとする。したがって、オンオフパターンは８サンプルの信号となる。また、２サンプル同じ値が出力される。 First, as a first means, the case where the switching element 4 is turned on / off for each cycle of the voltage of the AC power supply 2 will be described. Here, let us consider a case where the sampling period T c is four periods of the voltage of the AC power supply 2 as shown in FIG. Here, for convenience, the on / off signal s [j] is output every half cycle of the voltage of the AC power supply 2. Therefore, the on / off pattern is a signal of 8 samples. The same value is output for two samples.
ノイズシェーピングフィルタにおけるノイズシェーピング特性の目標の例として、ハイパスフィルタの特性を持つ次の伝達関数を設定する。 As an example of the target of noise shaping characteristics in the noise shaping filter, the following transfer function having the characteristics of a high-pass filter is set.
ただし、サンプリング周期はTcである。次に、ゼロ次ホールドを用いて離散時間化すると However, the sampling period is Tc . Next, using zero-order hold to make discrete time
となる連続時間系の伝達関数を計算し、これを数３のように状態変数表現により実現する。 The transfer function of the continuous time system is calculated, and this is realized by the state variable expression as shown in Equation 3.
そして、図２に示すように連続時間系のノイズシェーピングフィルタとサンプラ１８を用いて交流電力調整装置を構成することを想定する。ただし、ゼロ次ホールド１９１は交流電源２の電圧の半周期をサンプリング周期としたゼロ次ホールド要素である。図２に示す交流電力調整装置はフィードバックテーブル１３などの算出を説明するためのものであり、実際に装置を構成するものではない。 Then, as shown in FIG. 2, it is assumed that an AC power adjustment apparatus is configured using a continuous-time noise shaping filter and a sampler 18. However, the zero-order hold 191 is a zero-order hold element whose half cycle of the voltage of the AC power supply 2 is a sampling period. The AC power adjustment device shown in FIG. 2 is for explaining the calculation of the feedback table 13 and the like, and does not actually constitute the device.
ここで、図２に示した交流電力調整装置における連続時間系のノイズシェーピングフィルタを離散時間化して図１に示すような形態で実現することを考える。そのために、まず数３に示す連続時間系のフィルタを交流電源２の電圧の半周期をサンプリング周期として次のように離散時間化する。 Here, it is considered that the continuous-time noise shaping filter in the AC power adjustment apparatus shown in FIG. 2 is made discrete time and realized in the form shown in FIG. For this purpose, first, the continuous-time filter shown in Equation 3 is converted into discrete time as follows with the half cycle of the voltage of the AC power supply 2 as the sampling cycle.
ただし、Tpは交流電源２の電圧の半周期の時間である。すると、図１におけるノイズシェーピングフィルタは次のように計算できる。 However, T p is the time of the half cycle of the voltage of the AC power source 2. Then, the noise shaping filter in FIG. 1 can be calculated as follows.
ただし、s[i]はp[k]により選択されたオンオフパターンに対応する{0,1}の系列である。オンオフパターンテーブル１１には後述する方法により選択されたオンオフパターンが記憶されており、その中から適切なオンオフパターンを決めるわけであるが、それはサンプリング周期Tc後における信号であるv[k+1]の絶対値がなるべく小さくなるように決定する。v[k+1]の値は次のように評価できる。 However, s [i] is a sequence of {0, 1} corresponding to the on / off pattern selected by p [k]. The on / off pattern table 11 stores an on / off pattern selected by a method to be described later, and an appropriate on / off pattern is determined from the stored on / off pattern, which is a signal v [k + 1] after the sampling period Tc. The absolute value of] is determined to be as small as possible. The value of v [k + 1] can be evaluated as follows.
数９において、各pの値に対するq(p)の値は予め数８および数１０により計算しておくことができ、図１におけるパターン選択器１２は信号u[k]およびx[k]に対してv[k+1]の大きさを小さくするp[k]の値を選択するものである。なお、信号v[k]はノイズシェーピングフィルタ等の設計に用いる信号であり、実際にはこの信号が交流電力調整装置の実装において必ずしも必要なものではない。 In Equation 9, the value of q (p) for each value of p can be calculated in advance using Equations 8 and 10, and the pattern selector 12 in FIG. 1 applies signals u [k] and x [k] to the signals u [k] and x [k]. On the other hand, the value of p [k] that reduces the size of v [k + 1] is selected. Note that the signal v [k] is a signal used for designing a noise shaping filter or the like, and actually this signal is not necessarily required for mounting the AC power adjustment apparatus.
図３にパターン選択器１２の構成例を示す。パターン選択器１２はu[k]およびx[k]を入力する。そして FIG. 3 shows a configuration example of the pattern selector 12. The pattern selector 12 inputs u [k] and x [k]. And
の値を算出し、その値を量子化器１２１により量子化する。ルックアップテーブル１２２は、量子化器１２１が出力する各値に対して、数９により計算されるv[k+1]の絶対値が最も小さくなるオンオフパターンが予め計算され格納されており、適切なオンオフパターンの番号pが出力される。 And the quantizer 121 quantizes the value. The look-up table 122 pre-calculates and stores an on / off pattern in which the absolute value of v [k + 1] calculated by Equation 9 is the smallest for each value output from the quantizer 121. The on / off pattern number p is output.
また、各pの値に対するe(p)の値も数８により予め計算しておくことができるので、その値はテーブルとしてフィードバックテーブル１３に格納されている。そして選択されたパターン番号p[k]のオンオフパターンに対するe(p[k])の値が出力される。 Further, the value of e (p) for each value of p can also be calculated in advance by Equation 8, and the value is stored in the feedback table 13 as a table. Then, the value of e (p [k]) for the on / off pattern of the selected pattern number p [k] is output.
選択可能なオンオフパターンの選択について述べる。この場合、交流電源２の電圧の４周期に対して１周期ごとにオンオフを決定するので、可能なオンオフの組み合わせは１６通りとなるが、すべての可能なパターンを採用すると交流電力調整装置の性能をかえって悪化させてしまうことがある。パターンの周期内でオンオフの分布があまりにも偏っていると、そのことが悪影響を及ぼしてしまうからである。そこで、各オンオフパターンに対するq(p)の値が昇順になるようにオンオフパターンを並べた際に、オンの数が昇順となるように適当にオンオフパターンを選択する。この例では、オンオフパターンの数は１２とした。オンオフパターンの例を表１に示す。 The selection of selectable on / off patterns will be described. In this case, since ON / OFF is determined for each cycle with respect to four cycles of the voltage of the AC power supply 2, there are 16 possible combinations of ON / OFF, but if all possible patterns are adopted, the performance of the AC power adjustment device May make it worse. This is because if the ON / OFF distribution is too biased within the pattern period, this will have an adverse effect. Therefore, when the on / off patterns are arranged so that the value of q (p) for each on / off pattern is in ascending order, the on / off pattern is appropriately selected so that the number of ons is in ascending order. In this example, the number of on / off patterns is 12. Table 1 shows examples of on-off patterns.
表１において、パターンの０はオフを意味し、１は交流電源２の電圧の正の半サイクルの間がオン、−１は負の半サイクルがオンであることを意味する。したがって、オンオフ信号s[j]はこの表の値に対して絶対値をとったものである。 In Table 1, 0 in the pattern means off, 1 means on during the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and -1 means that the negative half cycle is on. Therefore, the on / off signal s [j] has an absolute value with respect to the values in this table.
第２の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、オンの数が０でないときは一つのオンオフパターン内で最初にオンとなるのは交流電源２の電圧の正の半周期であり、オンとなるのは正の半周期と負の半周期が交互となっている場合について説明する。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分を軽減することができる。ここでは、図５に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。 As a second means, the switching element 4 is turned on / off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and the number of ONs in the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2 is negative in all the on / off patterns that can be selected. When the number of ons in the half cycle is equal and the number of ons is not 0, the first on in one on / off pattern is the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and the on is positive A case where the half cycle and the negative half cycle are alternated will be described. By providing a restriction on the ON timing, the low frequency component of the current flowing from the AC power supply 2 can be reduced. Here, consider a case where the sampling period T c is four periods of the voltage of the AC power supply 2 as shown in FIG. That is, the on / off pattern consists of 8 samples.
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様である。可能なオンオフパターンの数は３４であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。オンオフパターン選択の例を表２に示す。 Except for the selected on / off pattern, the operation principle and design method are the same as those of the first means. Although the number of possible on / off patterns is 34, an on / off pattern is selected by the same method as the first means. Table 2 shows examples of on / off pattern selection.
第３の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が必ずしも等しくなく、オンとなるのは正の半周期と負の半周期が交互となっている場合について説明する。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分を軽減することができる。ここでは、図６に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。 As a third means, the switching element 4 is turned on / off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and the number of ONs in the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2 is negative in all the selectable on / off patterns. The number of ONs in the half cycle is not necessarily equal, and the case where the ON is turned on will be described in the case where the positive half cycle and the negative half cycle are alternated. By providing a restriction on the ON timing, the low frequency component of the current flowing from the AC power supply 2 can be reduced. Here, consider the case where the sampling period T c is four periods of the voltage of the AC power supply 2 as shown in FIG. That is, the on / off pattern consists of 8 samples.
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様であるが、選択されるオンオフパターンの制約条件のため直前に選択されたオンオフパターンにおいて最後にオンとなったのが電圧の正の半周期であるか負の半周期であるかによって、次に選択可能なオンオフパターンが異なってくる。直前に選択されたオンオフパターンにおける最後のオンとなったのが電圧の正のサイクルである場合は、続くオンオフパターンは最初にオンとなるのが電圧の負のサイクルであるものの中から選択され、直前に選択されたオンオフパターンにおける最後のオンとなったのが電圧の負のサイクルである場合は、続くオンオフパターンは最初にオンとなるのが電圧の正のサイクルであるものの中から選択される必要がある。最初にオンとなるのが電圧の正のサイクルであるオンオフパターンについて、可能な数は５５であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。最初にオンとなるのが電圧の正のサイクルであるオンオフパターン選択の例を表３に示す。 Except for the selected on / off pattern, the operation principle and design method are the same as those of the first means, but the last selected on / off pattern is turned on last because of the constraints of the selected on / off pattern. The next selectable on / off pattern differs depending on whether the voltage is a positive half cycle or a negative half cycle. If the last on-off pattern in the previously selected on-off pattern was the positive cycle of voltage, the subsequent on-off pattern is selected from those in which the first on-cycle is the negative voltage cycle, If the last on-off pattern in the last selected on-off pattern is a negative voltage cycle, the following on-off pattern is selected from those that are first turned on in the positive voltage cycle There is a need. For the on / off pattern in which the first cycle is a positive voltage cycle, the possible number is 55, but the on / off pattern is selected by the same method as the first means. Table 3 shows an example of on / off pattern selection in which the first cycle is a positive voltage cycle.
また、最初にオンとなるのが電圧の負のサイクルであるオンオフパターンについて、可能な数は３４であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。最初にオンとなるのが電圧の負のサイクルであるオンオフパターン選択の例を表４に示す。 Further, regarding the on / off pattern in which the first cycle is a negative voltage cycle, the possible number is 34, but the on / off pattern is selected by the same method as the first means. Table 4 shows an example of on / off pattern selection in which the first cycle is a negative voltage cycle.
第４の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、各オンオフパターン内で任意の位置においてそのオンオフパターンの最初から数えて交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差の絶対値が１未満となる場合について説明する。このようなオンオフパターンに対する制約は本発明第２の手段において用いた制約よりも緩やかになっており、交流電源２から流れる電流の低周波成分を制限しながらも、選択可能なオンオフパターンの数を多く取ることを可能にしている。ここでは、図７に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。各オンオフパターンのオンの数は偶数であり、交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差であるサイクル差は各オンオフパターンの終了時には０となっている。 As a fourth means, the switching element 4 is turned on / off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and the number of ONs in the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2 is negative in all the on / off patterns that can be selected. The number of ONs in the half cycle is equal, and the number of ONs in the positive half cycle and the number of ONs in the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2 are counted from the beginning of the on / off pattern at any position in each on / off pattern. A case where the absolute value of the difference is less than 1 will be described. Such restrictions on the on / off pattern are less strict than those used in the second means of the present invention, and the number of selectable on / off patterns can be selected while limiting the low frequency component of the current flowing from the AC power supply 2. It is possible to take more. Here, consider a case where the sampling period T c is four periods of the voltage of the AC power supply 2 as shown in FIG. That is, the on / off pattern consists of 8 samples. The number of ons in each on / off pattern is an even number, and the cycle difference that is the difference between the number of ons in the positive half cycle and the number of ons in the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2 is 0 at the end of each on / off pattern. It has become.
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様である。可能なオンオフパターンの数は６１であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。オンオフパターン選択の例を表５に示す。 Except for the selected on / off pattern, the operation principle and design method are the same as those of the first means. Although the number of possible on / off patterns is 61, an on / off pattern is selected by the same method as the first means. Table 5 shows an example of on / off pattern selection.
第５の手段として、スイッチ素子４のオンオフは交流電源２の電圧の半周期ごとに行い、選択されうるすべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が必ずしも等しくなく、動作開始から数えて交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差の絶対値が１未満である場合について説明する。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分を軽減することができる。このオンのタイミングに制約は本発明の第３の手段よりもさらに緩いので、選択可能なオンオフパターンの数を増やすことができ、交流電力調整装置の性能向上の可能性を与えることができる。ここでは、図８に示すようにサンプリング周期Tcは交流電源２の電圧の４周期である場合を考える。すなわち、オンオフパターンは８サンプルからなることになる。 As a fifth means, the switching element 4 is turned on / off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and the number of ONs in the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2 is negative in all the on / off patterns that can be selected. When the number of ONs in the half cycle is not necessarily equal and the absolute value of the difference between the number of ONs in the positive half cycle and the number of ONs in the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2 from the start of operation is less than 1. Will be described. By providing a restriction on the ON timing, the low frequency component of the current flowing from the AC power supply 2 can be reduced. Since the restriction on the ON timing is more relaxed than the third means of the present invention, the number of selectable ON / OFF patterns can be increased, and the possibility of improving the performance of the AC power adjusting device can be given. Here, consider a case where the sampling period T c is four periods of the voltage of the AC power supply 2 as shown in FIG. That is, the on / off pattern consists of 8 samples.
選択されるオンオフパターンを除いては、動作原理および設計手法は第１の手段と同様であるが、選択されるオンオフパターンの制約条件のため直前に選択されたオンオフパターンの終了時において、動作開始時からの交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差（以下、サイクル差と記す）の値によって、次に選択可能なオンオフパターンが異なってくる。オンオフパターン選択の制約より、起こりうるサイクル差の値は−１、０、１のどれかである。 Except for the selected on / off pattern, the operation principle and design method are the same as the first means, but the operation starts at the end of the on / off pattern selected immediately before due to the constraint condition of the selected on / off pattern. The next selectable on / off pattern differs depending on the difference between the number of ons in the positive half cycle and the number of ons in the negative half cycle (hereinafter referred to as cycle difference) of the voltage of the AC power supply 2 from the time. come. Depending on the on / off pattern selection constraint, the possible cycle difference value is -1, 0, or 1.
直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が１である場合に選択可能なパターンの数は６１であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が１である場合に選択可能なパターンの例を表６に示す。 The number of patterns that can be selected when the value of the cycle difference at the end of the on / off pattern selected immediately before is 1 is 61, but the on / off pattern is selected by the same method as the first means. Table 6 shows examples of patterns that can be selected when the value of the cycle difference at the end of the on / off pattern selected immediately before is 1.
また、直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が−１である場合に選択可能なパターンの数は１０８であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が−１である場合に選択可能なパターンの例を表７に示す。 The number of patterns that can be selected is 108 when the cycle difference value at the end of the on / off pattern selected immediately before is −1, but the on / off pattern is selected by the same method as the first means. . Table 7 shows examples of patterns that can be selected when the cycle difference value at the end of the on / off pattern selected immediately before is -1.
さらに直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が０である場合に選択可能なパターンの数は１３６であるが、第１の手段と同様の手法によりオンオフパターンを選択する。直前に選択されたオンオフパターンの終了時におけるサイクル差の値が０である場合に選択可能なパターンの例を表７に示す。 Further, the number of patterns that can be selected when the value of the cycle difference at the end of the on / off pattern selected immediately before is 0 is 136, but the on / off pattern is selected by the same method as the first means. Table 7 shows examples of patterns that can be selected when the cycle difference value at the end of the on / off pattern selected immediately before is zero.
本発明第１の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りである。指令値信号u[k]は、この交流電力調整装置において負荷３に供給する電圧のrms値の目標値を指定する信号であり、スイッチ素子４が常にオンとなっている状態において負荷３に掛かる電圧のrms値に対する相対値として指定するものである。したがって、指令値信号u[k]は０から１までの値をとることになる。また、指令値信号u[k]はサンプリング周期Tcごとに与えられるものである。交流電源２は商用電源であり、周波数６０Ｈｚで電圧の実効値が１００Ｖの交流電圧源である。
The block diagram of the AC power adjustment device in the first embodiment of the present invention is as shown in FIG. The command value signal u [k] is a signal that designates a target value of the rms value of the voltage supplied to the load 3 in this AC power adjustment device, and is applied to the load 3 when the switch element 4 is always on. It is specified as a relative value to the rms value of the voltage. Therefore, the command value signal u [k] takes a value from 0 to 1. The command value signal u [k] is given every sampling cycle Tc . The AC power source 2 is a commercial power source, and is an AC voltage source having a frequency of 60 Hz and an effective voltage value of 100V.
交流電源２の電圧のポジティブゼロクロス（電圧が負の値から正の値に変化する事象）およびネガティブゼロクロス（電圧が正の値から負の値に変化する事象）のタイミングはゼロクロス検出器５により検出され、スイッチング信号生成器１の動作タイミングの元となる。オンオフパターンテーブル１１の出力信号であるオンオフ信号s[j]は、交流電源２の電圧のポジティブゼロクロスおよびネガティブゼロクロスに同期して出力される。オンオフパターンテーブル１１の入力信号であるパターン番号信号p[k]、およびスイッチング信号生成器１を構成するオンオフパターンテーブル１１以外の構成要素は交流電源２の電圧の周期の８倍のサンプリング周期で動作し、そのサンプリング周期をTcとする。（Tc=2/15［秒］）なお、サンプリングの１周期は交流電源２の電圧のポジティブゼロクロスから開始される。 The timing of the positive zero cross (the event where the voltage changes from a negative value to a positive value) and the negative zero cross (the event where the voltage changes from a positive value to a negative value) of the AC power supply 2 is detected by the zero cross detector 5 As a result, the switching signal generator 1 becomes an operation timing source. An on / off signal s [j] that is an output signal of the on / off pattern table 11 is output in synchronization with the positive zero cross and the negative zero cross of the voltage of the AC power supply 2. The constituent elements other than the pattern number signal p [k], which is an input signal of the on / off pattern table 11, and the on / off pattern table 11 constituting the switching signal generator 1 operate at a sampling period eight times the period of the voltage of the AC power supply 2. Let T c be the sampling period. (T c = 2/15 [seconds]) One sampling period starts from a positive zero cross of the voltage of the AC power supply 2.
この交流電力調整装置の動作の概略は次の通りである。オンオフパターンテーブル１１には、予め選択されたオンオフ信号s[j]のサンプリング周期Tcに渡るパターン（１６サンプル）が格納されており、各パターンにはパターン番号が付されている。パターン選択器１２は数１１に従って指令値信号u[k]と状態変数ベクトルx[k]から計算される値に対応したパターン番号p[k]を算出する。オンオフパターンテーブル１１はパターン番号p[k]を入力し、スイッチ素子４に対するオンオフ信号s[j]を出力する。オンオフ信号s[j]はオンオフ信号s[j]に従い、交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなり、負荷３への供給電力を調節する。 The outline of the operation of this AC power adjustment device is as follows. The on / off pattern table 11 stores patterns (16 samples) over a sampling cycle Tc of a preselected on / off signal s [j], and each pattern is given a pattern number. The pattern selector 12 calculates a pattern number p [k] corresponding to a value calculated from the command value signal u [k] and the state variable vector x [k] according to Equation 11. The on / off pattern table 11 receives the pattern number p [k] and outputs an on / off signal s [j] for the switch element 4. The on / off signal s [j] is turned on or off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2 in accordance with the on / off signal s [j], and adjusts the power supplied to the load 3.
一方、フィードバックテーブル１３、入力ベクトル１４、遅延要素１５、システム行列１６およびパターン選択器１２によって構成されるノイズシェーピングフィルタにより、指令値信号u[k]と実際に出力されるオンオフ信号s[j]の値の差（出力誤差）を検出し、その出力誤差の信号に対して周波数重みを掛けた信号が小さくなるオンオフパターンを選択する。出力誤差の信号に周波数重みを掛ける理由は、スイッチ素子４におけるゼロクロススイッチングに起因する電力調整誤差のスペクトルを形成し、低周波数領域における電力調整誤差を抑制するとともに、なるべく高い周波数まで電力調整誤差を低く抑えることによって電力調整の時間遅れを小さく抑えることである。 On the other hand, the noise shaping filter including the feedback table 13, the input vector 14, the delay element 15, the system matrix 16 and the pattern selector 12 causes the command value signal u [k] and the on / off signal s [j] to be actually output. Difference (output error) is detected, and an on / off pattern in which the signal obtained by multiplying the signal of the output error by the frequency weight is reduced is selected. The reason why the frequency weight is applied to the output error signal is to form a spectrum of power adjustment error caused by zero-cross switching in the switch element 4 to suppress the power adjustment error in the low frequency region and reduce the power adjustment error to as high a frequency as possible. By keeping it low, the time delay of the power adjustment is kept small.
ノイズシェーピングフィルタにおけるノイズシェーピング特性の目標として、ハイパスフィルタの特性を持つ数１に示す伝達関数を設定する。ただし、サンプリング周期はTcである。すると、数６におけるA、b、cの値として次のものを用いることができる。 As a target of noise shaping characteristics in the noise shaping filter, a transfer function shown in Equation 1 having a high-pass filter characteristic is set. However, the sampling period is Tc . Then, the following values can be used as the values of A, b, and c in Equation 6.
本発明の第１の実施の形態では、スイッチ素子４は交流電源２の電圧の１周期を単位としてオンまたはオフとする。したがって、オンオフパターンテーブル１１に格納されているオンオフパターンは、オン信号およびオフ信号が必ず二つずつ連続したものとなっている。スイッチ素子４が交流電源２の電圧の１周期を単位としてオンまたはオフとすることにより、交流電源２から供給される電流の低周波成分を確実に少なくすることができる。 In the first embodiment of the present invention, the switch element 4 is turned on or off in units of one cycle of the voltage of the AC power supply 2. Therefore, the on / off pattern stored in the on / off pattern table 11 always has two consecutive on and off signals. When the switching element 4 is turned on or off in units of one cycle of the voltage of the AC power supply 2, the low frequency component of the current supplied from the AC power supply 2 can be reliably reduced.
可能なオンオフパターンの数は２５６であるが、本発明第１の手段に従いオンオフパターンを選択し、１８２個のオンオフパターンを用いた。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は１８２０とした。 Although the number of possible on / off patterns is 256, on / off patterns were selected according to the first means of the present invention, and 182 on / off patterns were used. The number of output levels of the quantizer 121 and the number of entries in the lookup table 122 are 1820.
指令値信号u[k]として As command value signal u [k]
（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図９に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１０に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図１１に示す。周波数1.5[Hz]から下の周波数において、スペクトルが急速に落ち込んでおり、オンオフ信号s[j]の低周波成分が指令値信号u[k]に精度良く追従していることがわかる。 FIG. 9 shows an example of the state of the on / off signal s [j] when the signal sampled at the sampling period T c is used for (f = 0.3715 [Hz]). The spectrum of the on / off signal s [j] at this time is shown in FIG. This is the spectrum of the on / off signal s [j], but is substantially the spectrum of the power supplied to the load 3. Further, FIG. 11 shows a spectrum in a low frequency region. It can be seen that the spectrum drops rapidly at frequencies below 1.5 [Hz], and the low frequency component of the on / off signal s [j] follows the command value signal u [k] with high accuracy.
本発明の第１の実施の形態においては、指令値信号u[k]が0.05よりも小さい値となる場合はノイズシェーピングフィルタの動作を停止し、スイッチ素子４を常にオフとする。また、指令値信号u[k]が0.95よりも大きい値となる場合はノイズシェーピングフィルタの動作を停止し、スイッチ素子４を常にオンとする。これは、指令値信号u[k]の値が０に近かったり１に近かったりすると、ノイズシェーピングフィルタが正常に動作できなくなるからである。この現象はノイズシェーピングフィルタの次数が３以上のときに現れる。ノイズシェーピングフィルタの次数を２以下にしても、このような問題を回避することもできるが、ノイズシェーピングの性能が落ちる上に、特に指令値信号u[k]の値が０に近かったり１に近かったりする場合に性能の悪化が顕著になるといった問題点を持っている。 In the first embodiment of the present invention, when the command value signal u [k] is a value smaller than 0.05, the operation of the noise shaping filter is stopped and the switch element 4 is always turned off. When the command value signal u [k] is larger than 0.95, the operation of the noise shaping filter is stopped and the switch element 4 is always turned on. This is because if the value of the command value signal u [k] is close to 0 or close to 1, the noise shaping filter cannot operate normally. This phenomenon appears when the order of the noise shaping filter is 3 or more. Even if the order of the noise shaping filter is 2 or less, such a problem can be avoided. However, the noise shaping performance is degraded, and the value of the command value signal u [k] is close to 0 or 1 in particular. There is a problem that the deterioration of the performance becomes remarkable when it is close.
本発明の第１の実施の形態においては、ノイズシェーピングフィルタにおけるノイズシェーピング特性の目標として数１に示す伝達関数を設定したが、ノイズシェーピング特性の目標は数１に示す伝達関数である必要はなく、他の伝達関数を用いても良い。また、ノイズシェーピング特性の目標とする伝達関数は３次のものである必要はなく、２次の伝達関数または４次以上の次数の伝達関数を用いてもよい。 In the first embodiment of the present invention, the transfer function shown in Equation 1 is set as the target of the noise shaping characteristic in the noise shaping filter. However, the target of the noise shaping characteristic is not necessarily the transfer function shown in Equation 1. Other transfer functions may be used. The target transfer function of the noise shaping characteristic need not be a third-order transfer function, and a second-order transfer function or a transfer function of the fourth or higher order may be used.
本発明の第１の実施の形態においては、オンオフ信号s[j]は交流電源２の電圧の半周期ごとに出力していたが、本発明の第１の実施の形態においてはスイッチ素子４をオンまたはオフとするのは交流電源２の電圧の１周期ごとであるので、オンオフ信号s[j]を交流電源２の電圧の１周期ごとに出力するようにしてもよい。しかし、オンオフ信号s[j]を交流電源２の電圧の半周期ごとに出力するようにすることにより、後述する本発明の他の実施の形態と容易に切り替えることができるので、ユーザにより使用する本発明の実施の形態を切り替える場合には都合が良い。 In the first embodiment of the present invention, the on / off signal s [j] is output every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, but in the first embodiment of the present invention, the switch element 4 is turned on. Since it is turned on or off every cycle of the voltage of the AC power supply 2, the on / off signal s [j] may be output every cycle of the voltage of the AC power supply 2. However, since the on / off signal s [j] is output every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, it can be easily switched to other embodiments of the present invention described later, and is used by the user. It is convenient when switching the embodiment of the present invention.
本発明第２の実施の形態は用いるオンオフパターンが異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第２の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第２の実施の形態では、本発明第２の手段を用い、すべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、オンの数が０でないときは一つのオンオフパターン内で最初にオンとなるのは交流電源２の電圧の正の半周期であり、オンとなるのは正の半周期と負の半周期が交互となっている。このようなオンのタイミングに制約を設けることにより、本発明第１の実施の形態に対して選択可能なオンオフパターンの数が増え、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら、制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を可能にすることができる。 The second embodiment of the present invention is the same as the first embodiment of the present invention except that the on / off pattern used is different. Therefore, the block diagram of the AC power adjustment apparatus in the second embodiment of the present invention is as shown in FIG. 1, and the blocks different in content from the first embodiment of the present invention in FIG. A pattern selector 12 and a feedback table 13. In the second embodiment of the present invention, the second means of the present invention is used, and the number of ONs in the positive half cycle and the number of ONs in the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2 are equal in all the on / off patterns. When the number of on-states is not 0, the on-off pattern is first turned on in the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2, and is turned on in the positive half-cycle and the negative half-cycle. Alternating. By providing constraints on the on timing, the number of on / off patterns that can be selected for the first embodiment of the present invention is increased, and while reducing the low frequency component of the current flowing from the AC power supply 2, It is possible to reduce the low frequency component of the control error and enable more accurate power adjustment.
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は１５９７となる。そのうち、本発明第２の手段に従い１２５４個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は１２５４０とした。 The on / off pattern is composed of 16 on / off signals, and the number of on / off patterns satisfying the above-described restrictions is 1,597. Of these, 1254 on-off patterns were selected and used in accordance with the second means of the present invention. The number of output levels of the quantizer 121 and the number of entries of the lookup table 122 are 12540.
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図１２に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１３に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図１４に示す。本発明第１の実施の形態に比べて低域におけるスペクトルが抑制されている。 FIG. 12 shows an example of the state of the on / off signal s [j] when the command value signal u [k] is sampled at the sampling period Tc with respect to Equation 13 (f = 0.3715 [Hz]). The spectrum of the on / off signal s [j] at this time is shown in FIG. This is the spectrum of the on / off signal s [j], but is substantially the spectrum of the power supplied to the load 3. A spectrum in a low frequency region is shown in FIG. Compared to the first embodiment of the present invention, the spectrum in the low band is suppressed.
本発明第３の実施の形態は用いるオンオフパターンおよびその選択方法が異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第３の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第３の実施の形態では、本発明第３の手段を用い、スイッチ素子４は交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなるが、オンとなる交流電源２の電圧の符号は必ず正負が交互となるようにする。したがって、直前までのオンオフパターンで最後にオンとなったのが交流電源２の電圧の正の半サイクルに対応している場合は最初のオンが正の半サイクルではないオンオフパターンの中から選択され、直前までのオンオフパターンで最後にオンとなったのが交流電源２の電圧の負の半サイクルに対応している場合は最初のオンが負の半サイクルではないオンオフパターンの中から選択される必要がある。すなわち、図３に示すパターン選択器におけるルックアップテーブル１２２は２種類用意され、最後にスイッチ素子４がオンとなったときの交流電源２の電圧の符号により切り替えられる。このような方法でオンのタイミングの制約を本発明第２の実施の形態に対して緩めることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を可能にすることが期待できる。 The third embodiment of the present invention is the same as the first embodiment of the present invention except that the on / off pattern used and the selection method thereof are different. Therefore, the block diagram of the AC power adjustment device in the third embodiment of the present invention is as shown in FIG. 1, and the blocks different in content from the first embodiment of the present invention in FIG. A pattern selector 12 and a feedback table 13. In the third embodiment of the present invention, the third means of the present invention is used, and the switch element 4 is turned on or off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, but the sign of the voltage of the AC power supply 2 to be turned on Always alternate between positive and negative. Therefore, when the last on-off pattern in the immediately preceding on-off pattern corresponds to the positive half cycle of the voltage of the AC power supply 2, the first on is selected from the on-off pattern that is not the positive half cycle. In the case where the last on-off pattern in the immediately preceding on-off pattern corresponds to the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2, the first on is selected from the on-off pattern that is not the negative half cycle. There is a need. That is, two types of look-up tables 122 in the pattern selector shown in FIG. 3 are prepared and switched according to the sign of the voltage of the AC power supply 2 when the switch element 4 is turned on last. By relaxing the on-timing restriction in this way with respect to the second embodiment of the present invention, the low-frequency component of the control error is reduced while the low-frequency component of the current flowing from the AC power supply 2 is reduced. It can be expected to enable more accurate power adjustment.
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は負のサイクルから始まらないものが２５８４、正のサイクルから始まらないものが１５９７となる。そのうち、本発明第３の手段に従いそれぞれ１１７７個および７９８個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は、負のサイクルから始まらないもの及び正のサイクルから始まらないもの共に１１７７０とした。 The on / off pattern is composed of 16 on / off signals, and the number of on / off patterns satisfying the above-described constraints is 2584 that does not start from the negative cycle and 1597 that does not start from the positive cycle. Of these, 1177 and 798 on-off patterns were selected and used, respectively, according to the third means of the present invention. The number of output levels of the quantizer 121 and the number of entries in the lookup table 122 are 11770 for both those that do not start from a negative cycle and those that do not start from a positive cycle.
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図１５に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１６に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図１７に示す。本発明第２の実施の形態に比べて低域におけるスペクトルがさらに抑制されている。 FIG. 15 shows an example of the state of the on / off signal s [j] when the command value signal u [k] is sampled at the sampling period Tc with respect to Equation 13 (f = 0.3715 [Hz]). Further, the spectrum of the on / off signal s [j] at this time is shown in FIG. This is the spectrum of the on / off signal s [j], but is substantially the spectrum of the power supplied to the load 3. A spectrum in a low frequency region is shown in FIG. Compared to the second embodiment of the present invention, the spectrum in the low band is further suppressed.
本発明第４の実施の形態は用いるオンオフパターンが異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第４の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第４の実施の形態では、本発明第４の手段を用い、すべてのオンオフパターン内で交流電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数が等しく、オンオフパターン内の任意の位置において、それまでの電源２の電圧の正の半周期におけるオンの数と負の半周期におけるオンの数の差の絶対値が１以下となるようにしている。このようなオンのタイミングに制約の緩和により、本発明第２の実施の形態に対して選択可能なオンオフパターンの数が増え、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら、制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を行う可能性を持っている。 The fourth embodiment of the present invention is the same as the first embodiment of the present invention except that the on / off pattern used is different. Therefore, the block diagram of the AC power adjusting device in the fourth embodiment of the present invention is as shown in FIG. 1, and the blocks different in content from the first embodiment of the present invention in FIG. A pattern selector 12 and a feedback table 13. In the fourth embodiment of the present invention, by using the fourth means of the present invention, the number of ONs in the positive half cycle and the number of ONs in the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2 are equal in all the on / off patterns. The absolute value of the difference between the number of ONs in the positive half cycle and the number of ONs in the negative half cycle of the voltage of the power supply 2 so far is set to 1 or less at an arbitrary position in the on / off pattern. By relaxing the restriction on the on timing, the number of on / off patterns that can be selected for the second embodiment of the present invention is increased, and control is performed while reducing the low frequency component of the current flowing from the AC power supply 2. It has the potential to reduce the low frequency component of the error and perform more accurate power adjustment.
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は６７１４となる。そのうち、本発明第４の手段に従い５５９３個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は５５９３０とした。 The on / off pattern is composed of 16 on / off signals, and the number of on / off patterns satisfying the above-mentioned restrictions is 6714. Of these, 5593 on / off patterns were selected and used according to the fourth means of the present invention. The number of output levels of the quantizer 121 and the number of entries in the lookup table 122 are 55930.
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図１８に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図１９に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図２０に示す。 FIG. 18 shows an example of the state of the on / off signal s [j] when the command value signal u [k] is sampled at the sampling period Tc with respect to Equation 13 (f = 0.3715 [Hz]). Further, the spectrum of the on / off signal s [j] at this time is shown in FIG. This is the spectrum of the on / off signal s [j], but is substantially the spectrum of the power supplied to the load 3. Further, FIG. 20 shows a spectrum in a low frequency region.
本発明第５の実施の形態は用いるオンオフパターンおよびその選択方法が異なることを除いては、本発明第１の実施の形態と同じである。したがって、本発明第５の実施の形態における交流電力調整装置のブロック図は図１に示す通りであり、図１において本発明第１の実施の形態とその内容が異なるブロックはオンオフパターンテーブル１１、パターン選択器１２、フィードバックテーブル１３である。本発明第５の実施の形態では、本発明第５の手段を用い、スイッチ素子４は交流電源２の電圧の半周期ごとにオンまたはオフとなるが、交流電力調整装置の動作開始時から数えた交流電源２の電圧の正の半周期と負の半周期におけるスイッチ素子４のオンの数の差（以下、サイクル差と記す）の絶対値が任意のタイミングで１以下となるようにオンオフパターンを選択する。したがって、オンオフパターン選択時において、サイクル差が−１のとき、０のとき、１のときで選択可能なオンオフパターンが異なってくる。すなわち、図３に示すパターン選択器におけるルックアップテーブル１２２は３種類用意され、前のオンオフパターン終了時におけるサイクル差の値により切り替えられる。このような方法でオンのタイミングの制約を本発明第４の実施の形態に対して緩めることにより、交流電源２から流れる電流の低周波成分の軽減を図りながら制御誤差の低周波成分を低減させ、より高精度な電力調整を可能にすることが期待される。 The fifth embodiment of the present invention is the same as the first embodiment of the present invention except that the on / off pattern used and the selection method thereof are different. Therefore, the block diagram of the AC power adjusting device in the fifth embodiment of the present invention is as shown in FIG. 1, and the blocks different in content from the first embodiment of the present invention in FIG. A pattern selector 12 and a feedback table 13. In the fifth embodiment of the present invention, the fifth means of the present invention is used, and the switch element 4 is turned on or off every half cycle of the voltage of the AC power supply 2, but counted from the start of the operation of the AC power adjustment device. On-off pattern so that the absolute value of the difference in the number of ON of the switch element 4 (hereinafter referred to as cycle difference) between the positive half cycle and the negative half cycle of the voltage of the AC power supply 2 becomes 1 or less at an arbitrary timing. Select. Therefore, when the on / off pattern is selected, the selectable on / off pattern differs depending on whether the cycle difference is -1, 0, or 1. That is, three types of lookup tables 122 in the pattern selector shown in FIG. 3 are prepared and switched according to the cycle difference value at the end of the previous on / off pattern. By relaxing the on-timing restriction in this way with respect to the fourth embodiment of the present invention, the low-frequency component of the control error is reduced while the low-frequency component of the current flowing from the AC power supply 2 is reduced. It is expected to enable more accurate power adjustment.
オンオフパターンは１６個のオンまたはオフの信号から成り立っており、上述の制約を満たすオンオフパターンの数は直前のサイクル差が１の場合が６７１４、−１の場合が１２０８７、０の場合が１５０８０である。そのうち、本発明第５の手段に従いそれぞれ３５０１個、５８６７個および７４２７個のオンオフパターンを選択して使用した。量子化器１２１の出力レベル数およびルックアップテーブル１２２のエントリー数は、直前のサイクル差のすべての値の場合に対して ７４２７０とした。 The on / off pattern is composed of 16 on / off signals, and the number of on / off patterns satisfying the above-described constraints is 6714 when the previous cycle difference is 1, 12087 when -1 is 1, and 15080 when 0. is there. Among them, according to the fifth means of the present invention, 3501, 5867 and 7427 on / off patterns were selected and used, respectively. The number of output levels of the quantizer 121 and the number of entries in the lookup table 122 are set to 74270 for all values of the previous cycle difference.
指令値信号u[k]として数１３（f=0.3715[Hz]）に対してサンプリング周期Tcでサンプルしたものを用いた場合のオンオフ信号s[j]の様子の例を図２１に示す。また、このときのオンオフ信号s[j]のスペクトルを図２２に示す。これはオンオフ信号s[j]のスペクトルではあるが、実質的に負荷３に供給される電力のスペクトルとなる。また、周波数が低い領域におけるスペクトルを図２３に示す。 FIG. 21 shows an example of the state of the on / off signal s [j] when the command value signal u [k] sampled at the sampling period Tc with respect to Equation 13 (f = 0.3715 [Hz]) is used. The spectrum of the on / off signal s [j] at this time is shown in FIG. This is the spectrum of the on / off signal s [j], but is substantially the spectrum of the power supplied to the load 3. A spectrum in a low frequency region is shown in FIG.
本発明の交流電力調整装置を用いると、ゼロクロススイッチングを用いながらも抵抗性の負荷に対して精度の高い電力制御を実現することができる。 When the AC power adjustment device of the present invention is used, high-precision power control can be realized for a resistive load while using zero-cross switching.
１・・・スイッチング信号生成器
１１・・・オンオフパターンテーブル
１２・・・パターン選択器
１２１・・・量子化器
１２２・・・ルックアップテーブル
１２３・・・スカラーゲイン
１２４・・・ベクトルゲイン
１３・・・フィードバックテーブル
１４・・・入力ベクトル
１５・・・遅延要素
１６・・・システム行列
１７・・・ゼロ次ホールド
１８ａ，１８ｂ・・・サンプラ
１９・・・積分要素
２・・・交流電源
３・・・負荷
４・・・スイッチ素子
５・・・ゼロクロス検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Switching signal generator 11 ... On-off pattern table 12 ... Pattern selector 121 ... Quantizer 122 ... Look-up table 123 ... Scalar gain 124 ... Vector gain 13. .. Feedback table 14 ... input vector 15 ... delay element 16 ... system matrix 17 ... zero order hold 18a, 18b ... sampler 19 ... integration element 2 ... AC power supply 3 ..Load 4 ... Switch element 5 ... Zero cross detector
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