JP2016163406A - アクティブフィルタ、及びそれを用いたモータ駆動装置、並びに冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電圧や負荷の変動にかかわらず電源系統に流れる高調波電流を適切に抑制可能なアクティブフィルタを提供する。【解決手段】負荷１１に電力を供給する多相交流の交流電源１に並列接続され、この負荷１１に流れる負荷電流に含まれる高調波電流を抑制するための補償電流を発生するアクティブフィルタ２０である。このアクティブフィルタ２０は、交流電源１に並列接続され、交流／直流変換モードと直流／交流変換モードとを有するインバータ回路４と、インバータ回路４の直流側の正負極間に接続された平滑コンデンサ５と、変調波に基づいて生成されたＰＷＭ制御信号を用いてインバータ回路４を駆動することにより、平滑コンデンサ５の直流電圧を調整する制御装置６と、を備える。負荷１に流れる高調波電流は、アクティブフィルタ２０から流れる補償電流によって適切に抑制される。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源系統に接続された負荷に流れる高調波電流を抑制するアクティブフィルタ、及びそのアクティブフィルタを用いたモータ駆動装置、並びに冷凍装置に関する。

交流電源系統から電力を受電する整流装置やモータ駆動装置などの負荷では、高調波電流が生じるおそれがある。この高調波電流は、共通の交流電源系統に接続されている変電用変圧器や電力コンデンサ等の電力設備や制御装置などに種々の影響を及ぼす。そこで、交流電源系統に接続される負荷（整流装置やモータ駆動装置）で生じる高調波電流を抑制するために、これらの負荷と並列に、高調波電流を相殺するための補償電流を発生させるアクティブフィルタが接続されている。

一般的に、アクティブフィルタは、そのアクティブフィルタに並列接続される負荷（つまり、高調波電流の補償対象）の入力電流を検出して高調波電流成分を分離し、逆相の高調波電流（補償電流）を出力するように制御される。また、アクティブフィルタは、補償電流としての高調波電流を出力するために、アクティブフィルタの直流側に平滑コンデンサを接続して、直流電圧を所定値に維持しておく必要がある。アクティブフィルタの直流側の直流電圧の調整は、平滑コンデンサへの充放電電流を制御することで実現する。

ところで、アクティブフィルタでは、直流側の平滑コンデンサの直流電圧が一定値であると、例えば、交流電源系統の電圧（交流電圧）が上昇した場合、交流電圧とアクティブフィルタの最大出力電圧との差が小さくなる。すると、高調波電流（補償電流）を出力するための電流制御ができなくなるおそれがある。換言すれば、アクティブフィルタでは、交流電源系統の交流電圧が上昇すると、交流電源系統に流れる高調波電流の補償率が低下してしまう。

一方、アクティブフィルタの直流側の平滑コンデンサの直流電圧を、交流電源系統の交流電圧の最大値に合わせて高く設定すれば、交流電圧が高くなっても、アクティブフィルタでは、高調波電流（補償電流）の電流制御が可能になる。しかし、通常動作時及び交流電源系統の交流電圧が低下した際には、アクティブフィルタでは、高い直流電圧の影響で、内部のインバータ回路（半導体スイッチング素子）のスイッチング損失が増えて効率が低下すると共に、高調波電流（補償電流）のリップル成分も増加してしまう。

このような問題点に鑑みて、外乱（交流電源系統の交流電圧の変動など）に応じて、アクティブフィルタの直流側の平滑コンデンサの直流電圧を調整する技術が種々提案されている。例えば、トランスで交流電圧を検出し、交流電圧の変動に応じてアクティブフィルタの直流側の平滑コンデンサの直流電圧を変化させることにより、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御率を一定にして、高調波電流の変動を抑える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、交流電源系統の交流電圧を検出して、制御回路の直流電圧指令値（基準値）を調整することにより、交流電圧の変動に応じて平滑コンデンサの直流電圧を変化させることで、ＰＷＭ制御率を常に一定にして高調波電流の変動を抑える技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−２４７８６１号公報 特許第３７７９０６１号公報

特許文献１や特許文献２には、交流電圧が変化しても高調波電流の変動を抑えるために、交流電圧の大きさに応じてアクティブフィルタの直流側の平滑コンデンサの直流電圧を調整する技術が開示されている。
しかしながら、これらの技術は、検出トランスや電圧検出器によって交流電源系統の交流電圧を検出し、交流電圧の大きさに応じてアクティブフィルタの直流側の直流電圧を調整している。そのため、交流電源系統の交流電圧を高精度に検出する電圧検出器や高価な電圧検出部品（検出トランス）などが必要となる。
また、特許文献１や特許文献２に示すような技術手段を用いて、交流電圧の変動に対応して直流電圧を仮に調整することができたとしても、負荷の変化によって高調波電流が変化した場合、直流電圧を調整することができない。したがって、アクティブフィルタは、負荷の変動に対しては高調波電流の抑制を適切に行うことができない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、交流電圧や負荷を含む外乱の変動にかかわらず、交流電源系統に流れる高調波電流を適切に抑制可能なアクティブフィルタ、及びそのアクティブフィルタを用いたモータ駆動装置、並びに冷凍装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係るアクティブフィルタは、負荷に電力を供給する多相交流の交流電源に並列接続され、前記負荷に流れる負荷電流に含まれる高調波電流を抑制するための補償電流を発生するアクティブフィルタであって、前記交流電源に並列接続され、交流／直流変換モードと直流／交流変換モードとを有するインバータ回路と、前記インバータ回路の直流側の正負極間に接続された平滑コンデンサと、所定の変調波に基づいて前記インバータ回路の制御信号を生成するとともに、前記変調波の振幅に基づいて前記平滑コンデンサの直流電圧を調整する制御手段と、を備えることを最も主要な特徴とする。

本発明に係るアクティブフィルタによれば、交流電圧や負荷の変動にかかわらず交流電源系統に流れる高調波電流を適切に抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタの全体構成及び交流電源系統を示す構成図である。 図１に示す制御装置の制御構成を示すブロック図である。 図２に示す高調波分離機の制御構成を示すブロック図である。 図２に示す電流制御部の制御構成を示すブロック図である。 図２に示す変調率演算部の制御構成を示すブロック図である。 図２に示す直流電圧指令調整部の制御構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタにおける交流電圧変動と直流電圧の調整結果の一例を示す各部波形であり、（ａ）はＵ相電圧（Ｖｕ）、（ｂ）はＵ相負荷電流（ｉＬｕ）、（ｃ）は変調波振幅（Ｍ１）、（ｄ）は直流電圧（Ｅｄ）、（ｅ）はＵ相変調波（Ｍｕ＊９を示す。 本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。 本発明の第３実施形態に係る圧縮機のモータ駆動装置の構成図である。 本発明の第４実施形態に係る冷凍装置の構成図である。

以下、本発明に係るアクティブフィルタ、及びそのアクティブフィルタを用いたモータ駆動装置、並びに冷凍装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態では、説明を容易にするために、交流電源系統の相数として三相を代表的に例示して説明する。

《第１実施形態》
第１実施形態では、三相交流電源系統に連結する負荷に並列接続されるアクティブフィルタについて説明する。
＜装置構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタの全体構成及び交流電源系統を示す構成図である。
アクティブフィルタ２０は、図１に示すように、三相の交流電源１から電力を供給する負荷１１と並列接続されている。負荷１１は、高調波電流を発生する。この高調波電流を抑制するために、アクティブフィルタ２０は、負荷１１に流れる負荷電流に含まれる高調波成分を抑制（相殺）するための補償電流を三相交流電源系統へ出力するように構成されている。

アクティブフィルタ２０は、交流電源１の三相の各相に接続されたノイズフィルタ２と、ノイズフィルタ２の出力側の三相の各線に直列に接続されたリアクトル３と、リアクトル３に接続されて三相ブリッジ回路で構成される半導体スイッチング素子からなるインバータ回路４と、インバータ回路４の直流側の正負極間に接続された平滑コンデンサ５と、インバータ回路４のＰＷＭ制御を行う制御装置（制御手段）６と、インバータ回路４の交流側のＵ相、Ｖ相の交流電流（アクティブフィルタ電流）を検出するアクティブフィルタ電流検出部７と、平滑コンデンサ５の直流電圧を検出する直流電圧検出部８と、電源位相を演算するために交流電源１の任意の二相の電圧のゼロクロス信号を求める一対のコンパレータ９と、負荷１１に流れる三相交流電流のうちＵ相、Ｖ相の負荷電流を検出する負荷電流検出部１０と、を備えて構成されている。

インバータ回路４は、６個の半導体スイッチング素子（本実施形態ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））と各半導体スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードとによって三相ブリッジ回路が構成されている。この三相ブリッジ回路は、三相の交流電源１に対応している。なお、各半導体スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードは、それぞれの半導体スイッチング素子のＯＦＦ時の転流用ダイオードであり、インバータ回路の公知の基本構成に属するものである。そのため、ダイオードについての詳細な説明は省略する。

インバータ回路４の交流側は、ノイズフィルタ２及びリアクトル３を介して交流電源１に接続されている。一方、インバータ回路４の直流側は、その正負極端子間に平滑コンデンサ５が接続されている。インバータ回路４は、平滑コンデンサ５を充電する一方、高調波電流の補償電流を交流電源１側に流すように動作する。
このとき、インバータ回路４から出力される交流電流は、アクティブフィルタ電流信号（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ）としてアクティブフィルタ電流検出部７で検出される。また、平滑コンデンサ５の直流電圧（Ｅｄ）は、直流電圧検出回路８の分圧抵抗回路の中点電圧で検出される。こうして検出された交流電流及び直流電圧（Ｅｄ）は、制御装置６にそれぞれ入力される。

制御装置６には、交流電源１の各相に繋がる一対のコンパレータ９のそれぞれから出力されるパルス信号（Ｐ_ＵＶ，Ｐ_ＶＷ）と、負荷電流検出部１０で検出されたＵ相、Ｖ相の負荷電流信号（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）とが入力される。なお、以下の説明では、アクティブフィルタ電流信号（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ）はアクティブフィルタ電流（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ）、負荷電流信号（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）は負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）と表現し、文言「信号」を省略する。

＜制御系の構成＞
図２は、図１に示す制御装置６の制御構成を示すブロック図である。
制御装置６としては、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の演算処理装置が好適に用いられる。
図２に示す制御装置６は、高周波分離部１２、電圧制御部１３、電流制御部１４、電源位相検出部１５、変調率演算部１６、ＰＷＭ制御部１７、及び、直流電圧指令調整部（直流電圧指令調整手段）１８を備えて構成されている。

（高調波分離）
高調波分離部１２は、負荷１１の入力電流を検出する負荷電流検出部１０が検出したＵ相、Ｖ相の負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）と、電源位相検出部１５からの電源位相（θｓ）と、電圧制御部１３からの有効電流指令値（ｉｑ＊）とを入力して、負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）から電源周波数（基本波）成分を取り除いて、Ｕ相、Ｖ相の高調波電流（ｉＬh_Ｕ ，ｉＬh_Ｖ ）の成分を出力する。

（直流電圧制御）
電圧制御部１３は、平滑コンデンサ５の両端電圧を制御するために、直流電圧検出回路８が検出した直流電圧（Ｅｄ）と直流電圧指令値（Ｅｄ_ｒｅｆ）との偏差を算出し、有効電流指令値（ｉｑ＊）を生成して、この有効電流指令値（ｉｑ＊）を高調波分離部１２へ出力する。

（電流制御）
電流制御部１４は、高調波分離部１２が、電流指令値としている負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）から分離した高調波電流（ｉＬh_Ｕ ，ｉＬh_Ｖ ）の成分と、アクティブフィルタ電流検出部７が検出したＵ相、Ｖ相のアクティブフィルタ電流（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ）と、電源位相検出部１５からの電源位相（θｓ）とを用いて、三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）を算出し、この三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）を変調率演算部１６へ出力する。

（電源位相検出）
電源位相検出部１５は、交流電源１の各相に繋がる一対のコンパレータ９のそれぞれから出力された任意の二相のパルス信号（Ｐ_ＵＶ，Ｐ_ＶＷ）を入力して、交流電源１の電源位相（θｓ）を算出し、この電源位相（θｓ）を高調波分離部１２と電流制御部１４へ出力する。

（変調率演算）
変調率演算部１６は、電流制御部１４からの三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）と直流電圧（Ｅｄ）とを入力し、三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）を直流電圧（Ｅｄ）で割算して、三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）を算出する。例えば、Ｕ相については、Ｍ_Ｕ ^＊＝Ｖ_Ｕ ^＊／（Ｅｄ／２）の式を用いてＵ相の変調波Ｍ_Ｕ ^＊を求める。

（ＰＷＭ制御）
ＰＷＭ制御部１７は、変調率演算部１６で算出された三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）と三角波または鋸歯状波のキャリア波との比較によりＰＷＭ制御信号を生成し、このＰＷＭ制御信号をインバータ回路４へ出力して、各半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する。

（直流電圧指令）
直流電圧指令調整部１８は、変調率演算部１６で算出された三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）を用いて、直流電圧指令値の調整量（ΔＥｄ_ref）を算出する。この直流電圧指令値の調整量（ΔＥｄ_ref）は、直流電圧指令初期値（Ｅｄ_ref0）との減算により直流電圧指令値（Ｅｄ_ｒｅｆ）を作成し、直流電圧（Ｅｄ）を調整する。このような制御系により、交流電源１の交流電圧（Ｖ_Ｕ ，Ｖ_Ｖ ，Ｖ_Ｗ ）と三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）とは比例関係にあるので、交流電圧（Ｖ_Ｕ ，Ｖ_Ｖ ，Ｖ_Ｗ ）の変動に応じて直流電圧（Ｅｄ）は調整される。

（高調波分離の詳細）
図３は、図２に示す高調波分離機１２の制御構成を示すブロック図である。すなわち、図３は、高調波分離部１２の内部の機能ブロックの構成を詳細に示しており、ＵＶＷ／ｄｑ変換部１２ａと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）１２ｂと、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１２ｃとによって構成されている。ＵＶＷ／ｄｑ変換部１２ａは３相２軸変換を行い、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１２ｃは２軸３相変換を行う。

まず、ＵＶＷ／ｄｑ変換部１２ａは、電源位相（θｓ）を用いて、三相の交流電源１から負荷１１へ流れる電流に対応する負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）を、制御軸（ｄｑ軸）に変換して、負荷電流のｄ軸電流成分（無効電流成分）とｑ軸電流成分（有効電流成分）すなわち、ｄｑ軸電流成分（ｉＬｄ，ｉＬｑ）を算出する。次に、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２ｂが、算出されたｄｑ軸電流成分（ｉＬｄ，ｉＬｑ）の高調波成分を取り除いてｄｑ軸の直流電流成分を抽出する。なお、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２ｂの代わりに、周期平均処理或いは移動平均処理を利用して、直流電流成分を抽出してもよい。

そして、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２ｂで抽出されたｄｑ軸の直流電流成分をｄｑ／ＵＶＷ変換部１２ｃで、再度、三相交流座標に変換して、負荷電流の基本波成分を算出する。また、平滑コンデンサ５の直流電圧（Ｅｄ）は、交流電源１からアクティブフィルタ２０への有効電流成分によって制御するため、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１２ｃは、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２ｂからのｄｑ軸の直流電流成分に対して有効電流指令値（ｉｑ＊）を加算した信号を入力する。最後に、負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）からその負荷電流の基本波成分を減算して、有効電流指令値（ｉｑ＊）を含んだ高調波電流（ｉＬh_Ｕ ，ｉＬh_Ｖ ）を算出する。そして、この高調波電流（ｉＬh_Ｕ ，ｉＬh_Ｖ ）を電流制御部１４へ出力する。

（電流制御）
図４は、図２に示す電流制御部１４の制御構成を示すブロック図である。すなわち、図４は、電流制御部１４の内部の機能ブロックの構成を詳細に示しており、ＰＩ（Proportional-Integral）制御部１４ａ、１４ｂと、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１４ｃを備えて構成されている。なお、このｄｑ／ＵＶＷ変換部１４ｃは、交流電源１からの検出信号がないので、内部回路のＶ０で無効電流成分（ｄ軸電流）を作り、内部回路のＶｓで有効電流成分（ｑ軸電流）を作り、それぞれ（ｄ軸電流、ｑ軸電流）を入力して２軸３相変換を行っている。

図４に示すように、高調波分離部１２によって算出された高調波成分（ｉＬh_Ｕ ，ｉＬh_Ｖ ）と、アクティブフィルタ電流検出部７で検出されたアクティブフィルタ電流（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ）との電流誤差を、それぞれ、ＰＩ（比例積分）制御部１４ａ、１４ｂに入力し、インバータ回路４から出力される交流電流（アクティブフィルタ電流（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ））を制御するためのＵ相、Ｖ相の電圧指令（ΔＶ_Ｕ ^＊，ΔＶ_Ｖ ^＊）を作成する。

また、ｄｑ／ＵＶＷ変換部１４ｃは、電源位相検出部１５から入力した電源位相（θｓ）を用いて、三相の交流電源電圧信号（Ｖ_Ｓ＿Ｕ，Ｖ_Ｓ＿Ｖ）を算出する。そして、三相の交流電源電圧信号（Ｖ_Ｓ＿Ｕ，Ｖ_Ｓ＿Ｖ）と、ＰＩ制御部１４ａ、１４ｂから出力された電圧指令（ΔＶｕ＊、ΔＶｖ＊）とを加算して、三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）を算出し、これらの三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）を変調率演算部１６へ入力する。

（変調波の演算）
図５は、図２に示す変調率演算部１６の制御構成を示すブロック図である。図５に示すように、変調率演算部１６は、電流制御部１４から入力された三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）と直流電圧（Ｅｄ）とを用いて、三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）を算出する。すなわち、割算部１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれ、入力された三相電圧指令値（Ｖ_Ｕ ^＊，Ｖ_Ｖ ^＊，Ｖ_Ｗ ^＊）を、直流電圧半減部１６ｄで電源電圧（Ｅｄ）を半分にした１／２電源電圧（Ｅｄ／２）で割算し、Ｍ_Ｕ ^＊＝Ｖ_Ｕ ^＊／（Ｅｄ／２）、Ｍ_Ｖ ^＊＝Ｖ_Ｖ ^＊／（Ｅｄ／２）、Ｍ_Ｗ ^＊＝Ｖ_Ｗ ^＊／（Ｅｄ／２）をそれぞれ求め、三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）をＰＷＭ制御部１７へ出力する。

（直流電圧指令調整）
図６は、図２に示す直流電圧指令調整部１８の制御構成を示すブロック図である。直流電圧指令調整部１８においては、振幅演算部１８aが、入力された三相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊，Ｍ_Ｖ ^＊，Ｍ_Ｗ ^＊）を用いて変調波振幅値（Ｍ１）を算出する。そして、振幅演算部１８aで算出された変調波振幅値（Ｍ１）と変調波振幅指令値（Ｍ１_ref）との偏差がＰＩ制御部１８ｂに入力され、直流電圧指令値の調整量（ΔＥｄ_ref）が算出される。ここで、変調波振幅指令値（Ｍ１_ref）は事前に設定した定数である。なお、変調波振幅指令値（Ｍ１_ref）は、ＰＷＭ制御部１７によるＰＷＭ制御の線形変調領域を超えないように、およそ０．９〜１．２（好ましくは、約０．９５〜１．１５）の範囲で、高調波電流残留率目標値とＰＷＭ変調方式とによって適宜に調整する。

＜高調波電流の抑制効果＞
図７は、本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタにおける交流電圧変動と直流電圧の調整結果の一例を示す各部波形であり、（ａ）はＵ相電圧（Ｖ_Ｕ ）、（ｂ）はＵ相負荷電流（ｉＬ_Ｕ ）、（ｃ）は変調波振幅値（Ｍ１）、（ｄ）は直流電圧（Ｅｄ）、（ｅ）はＵ相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊）を示す。なお、各波形の縦軸は、（ａ）が電圧レベル、（ｂ）が電流レベル、（ｃ）が振幅レベル、（ｄ）が電圧レベル、（ｅ）が振幅レベルを示している。横軸はいずれも時間軸である。

すなわち、図７の（ａ）は交流電源１のＵ相の交流電圧（Ｖ_Ｕ ）３０、（ｂ）は高調波電流補償後のＵ相の負荷電流（ｉＬ_Ｕ ）３１、（ｃ）は三相変調波の振幅値（変調波振幅値）（Ｍ１）３２、（ｄ）は平滑コンデンサ５の両端の直流電圧（Ｅｄ）３３、（ｅ）はＵ相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊）３４の波形を示している。また、時間軸１ｓの時点で交流電源１のＵ相電圧（Ｖ_Ｕ ）３０が１５％上昇している状態を示している。

図７に示すように、時間軸の１ｓの時点で、交流電源１の電源電圧が上昇したときに、つまり、Ｕ相電圧（Ｖ_Ｕ ）３０が上昇したときに、Ｕ相の負荷電流（ｉＬ_Ｕ ）３１、変調波振幅値（Ｍ１）３２、直流電圧（Ｅｄ）３３、及びＵ相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊）３４がそれぞれ上昇している。そして、時間軸１ｓ以降において、変調波振幅値（Ｍ１）３２の波形は一時上昇するが、前述した直流電圧指令調整の動作により（直流電圧指令調整部１８による直流電圧指令値の調整量（ΔＥｄ_ref）により）、直流電圧（Ｅｄ）が徐々に上昇している。その結果、時間軸１．２ｓ以降は、変調波振幅値（Ｍ１）３２は設定した指令値（約１．０５）に戻している。
これにより、Ｕ相変調波（Ｍ_Ｕ ^＊）３４には、±１．０を超えるような過変調が生じないことが確認できる。要するに、交流電圧が変動しても、変調波は過変調とはならず、高調波電流の変動は適切に抑制される。

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０によれば、交流電圧や負荷を含む外乱の変動によって高調波電流が生じた場合に、制御装置６の変調波情報（変調率情報）を用いて、この高調波電流を抑制するように直流電圧Ｅｄのレベルを調整するため、外乱の変動にかかわらず交流電源系統に流れる高調波電流を適切に抑制することができる。また、インバータ回路４における半導体スイッチング素子の損失低減及び電流リップルの低減を図ることができる。さらに、交流電源系統の交流電圧を検出するためのトランスや交流電圧検出部を要しないため、簡素な構成で小型かつ低コストのアクティブフィルタ２０を得ることができる。

また、本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０では、制御装置（制御手段）６は、制御装置６の変調波情報（変調率情報）から変調波振幅値を算出し、算出された変調波振幅値とあらかじめ設定された変調波振幅指令値との差分から、直流電圧Ｅｄのレベルを調整するための直流電圧指令値の調整量を演算する直流電圧指令調整手段を備える。
本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０によれば、直流電圧指令調整手段は、前記算出された変調波振幅値とあらかじめ設定された変調波振幅指令値との差分から、直流電圧Ｅｄのレベルを調整するための直流電圧指令値の調整量を演算するため、高調波電流の抑制効果を一層高めることができる。

また、本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０では、前記変調波振幅指令値は、インバータ回路４の線形変調領域を超えないように、あらかじめ、０．９〜１．２の範囲、好ましくは０．９５〜１．１５の範囲に設定されている。
本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０によれば、高調波電流の抑制効果をより一層高めることができる。

また、本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０では、前記直流電圧指令調整手段は、比例積分制御を用いて、前記変調波振幅値と前記変調波振幅指令値との差分を処理し、前記直流電圧指令値の調整量を求める構成を採用してもよい。
本発明の第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０によれば、高調波電流の抑制効果を高めることができる。

《第２実施形態》
（モータ駆動装置）
図８は、本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の構成図である。
第２実施形態に係るモータ駆動装置１００は、図８に示すように、主に、アクティブフィルタ２０及びモータ駆動回路１０１を備えて構成されている。アクティブフィルタ２０は、図１と同じ回路構成であり、かつ、交流電源１に並列接続された構成となっている。また、アクティブフィルタ２０の制御方法も第１実施形態と同じである。そのため、アクティブフィルタ２０の詳細な説明は省略する。
モータ駆動回路１０１は、整流回路１０２及びインバータ１０３を備えて構成される。モータ駆動回路１０１は、モータ１０４を駆動するための電源手段として機能する。

アクティブフィルタ２０は、負荷電流検出部１０によってモータ駆動回路１０１の入力電流（Ｕ相の負荷電流（ｉＬ_Ｕ ）とＶ相の負荷電流（ｉＬ_Ｖ ））を検出し、逆相の高調波電流（補償電流）を生成して交流電源１側へ出力する。これによって、交流電源１に流れる交流電流の高調波成分を電源高調波規制値以下に抑制することができる。
このような高調波電流の抑制は、制御装置６が、Ｕ相、Ｖ相の負荷電流（ｉＬ_Ｕ ，ｉＬ_Ｖ ）と、Ｕ相、Ｖ相のアクティブフィルタ電流（ｉ_Ｕ ，ｉ_Ｖ ）と、各相の差分電圧（Ｐ_ＵＶ，Ｐ_ＶＷ）と、平滑コンデンサ５の両端の直流電圧（Ｅｄ）とを入力し、第１実施形態で述べたような制御を行うことによって実現される。

第２実施形態に係るモータ駆動装置１００によれば、第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０が奏する作用効果に加えて、簡素な構成で小型かつ低コストのモータ駆動装置１００を得ることができる。

《第３実施形態》
（圧縮機のモータ駆動装置）
図９は、第３実施形態に係る圧縮機２０５のモータ駆動装置１００の構成図である。第３実施形態に係る圧縮機２０５のモータ駆動装置１００は、第２実施形態に係るモータ駆動装置１００と共通の構成である。図９では、圧縮機２０５の詳細な構造は図示されていない。
圧縮機２０５としては、例えば、ロータリ圧縮機やスクロール圧縮機などを適宜採用すればよい。圧縮機２０５の内部には、圧縮機構部（図示せず）が設けられている。この圧縮機構部は圧縮機用モータ２０８によって駆動される。圧縮機構部は、例えば、スクロール圧縮機であれば、固定スクロールと旋回スクロールとによって構成され、固定スクロールに対して旋回スクロールが旋回運動を行うことで、スクロール間に圧縮室が形成される。

圧縮機２０５は、その内部に、例えば永久磁石同期モータからなる圧縮機用モータ２０８を有する。この圧縮機２０５は、第２実施形態のモータ駆動装置１００を用いて圧縮機用モータ２０８を駆動することで駆動される。モータ駆動装置１００は、図９に示すように、アクティブフィルタ２０及びモータ駆動回路１０１を備えて構成されている。モータ駆動回路１０１は、整流回路１０２及びインバータ１０３を備えて構成される。

第３実施形態に係る圧縮機２０５のモータ駆動装置１００によれば、圧縮機２０５は、第２実施形態に係るモータ駆動装置１００を用いて駆動されるため、第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０が奏する作用効果、及び、第２実施形態に係るモータ駆動装置１００が奏する作用効果に加えて、圧縮機２０５に流れる交流電流（負荷電流）の高調波電流成分を電源高調波規制値以下に抑制することができる。

《第４実施形態》
（冷凍装置）
図１０は、本発明の第４実施形態に係る冷凍装置の構成図である。空気調和機や冷凍機などの冷凍装置２００は空気温度を調和する装置であり、室外機２０９と室内機２１０とが冷媒配管２０６により接続された構成となっている。
室内機２１０は、冷媒と空気間の熱交換を行う室内熱交換器２０１と、この室内熱交換器２０１に空気を送風する室内ファン２０３と、を備える。
室外機２０９は、冷媒と空気間の熱交換を行う室外熱交換器２０２と、この室外熱交換器２０２に空気を送風する室外ファン２０４と、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機２０５と、を備える。

圧縮機２０５としては、第３実施形態に係る圧縮機２０５を適用する。この圧縮機２０５は、ロータリ圧縮機やスクロール圧縮機等が採用され、内部に圧縮機構部（図示せず）と圧縮機用モータ２０８を備える。圧縮機用モータ２０８は、図８に示す第２実施形態のモータ駆動装置１００によって駆動される。これにより、モータ駆動装置１００に流れる交流電流（負荷電流）の高調波成分を電源高調波規制値以下に抑制することができる。
第４実施形態に係る冷凍装置２００によれば、第１実施形態に係るアクティブフィルタ２０が奏する作用効果、第２実施形態に係るモータ駆動装置１００が奏する作用効果、及び、第３実施形態に係る圧縮機２０５のモータ駆動装置１００が奏する作用効果に加えて、優れた商品性を有する冷凍装置２００を得ることができる。

〔その他の実施形態〕
以上説明した本発明に係るアクティブフィルタ、及びそれを用いたモータ駆動装置、圧縮機のモータ駆動装置、並びに冷凍装置の各実施形態は、本発明の具現化の例を示したものである。したがって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。本発明はその要旨又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるからである。

本発明に係るアクティブフィルタを、交流電源で駆動される各種の機器（冷凍装置、モータ駆動装置など）に適用することにより、高調波電流対策を行うことができる。

１ 交流電源
２ ノイズフィルタ
３ リアクトル
４ インバータ回路
５ 平滑コンデンサ
６ 制御装置（制御手段）
７ アクティブフィルタ電流検出部
８ 直流電圧検出回路
９ コンパレータ
１０ 負荷電流検出部
１１ 負荷
１２ 高調波分離部
１２ａ ＵＶＷ／ｄｑ変換部
１２ｂ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１２ｃ ｄｑ／ＵＶＷ変換部
１３ 電圧制御部
１４ 電流制御部
１４ａ、１４ｂ比例積分（ＰＩ）制御部
１４ｃ ｄｑ／ＵＶＷ変換部
１５ 電源位相検出部
１６ 変調率演算部
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 割算部
１６ｄ 直流電圧半減部
１７ ＰＷＭ制御部
１８ 直流電圧指令調整部（直流電圧指令調整手段）
１８ａ 振幅演算部
１８ｂ ＰＩ制御部
２０ アクティブフィルタ
３０ Ｕ相電圧（Ｖｕ）
３１ Ｕ相負荷電流（ｉＬｕ）
３２ 変調波振幅値（Ｍ１）
３３ 直流電圧（Ｅｄ）
３４ Ｕ相変調波（Ｍｕ＊）
１００ モータ駆動装置
１０１ モータ駆動回路
１０２ 整流回路
１０３ インバータ
１０４ モータ
２００ 冷凍装置
２０１ 室内熱交換器
２０２ 室外熱交換器
２０３ 室内ファン
２０４ 室外ファン
２０５ 圧縮機
２０６ 配管
２０８ 圧縮機用モータ
２０９ 室外機
２１０ 室内機

Claims (7)

1. 負荷に電力を供給する多相交流の交流電源に並列接続され、前記負荷に流れる負荷電流に含まれる高調波電流を抑制するための補償電流を発生するアクティブフィルタであって、
   前記交流電源に並列接続され、交流／直流変換モードと直流／交流変換モードとを有するインバータ回路と、
   前記インバータ回路の直流側の正負極間に接続された平滑コンデンサと、
   所定の変調波に基づいて前記インバータ回路の制御信号を生成するとともに、前記変調波の振幅に基づいて前記平滑コンデンサの直流電圧を調整する制御手段と、
   を備えることを特徴とするアクティブフィルタ。
2. 前記制御手段は、
   前記変調波から変調波振幅値を算出し、算出された変調波振幅値とあらかじめ設定された変調波振幅指令値との差分から、前記直流電圧を調整するための直流電圧指令値の調整量を演算する直流電圧指令調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクティブフィルタ。
3. 前記変調波振幅指令値は、
   前記インバータ回路の線形変調領域を超えないように、０．９〜１．２の範囲に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のアクティブフィルタ。
4. 前記直流電圧指令調整手段は、
   比例積分制御を用いて、前記変調波振幅値と前記変調波振幅指令値との差分を処理し、前記直流電圧指令値の調整量を求めることを特徴とする請求項２に記載のアクティブフィルタ。
5. 交流電源から受電し、交流／直流変換を行う整流回路及び直流／交流変換を行うインバータを備えてモータを駆動させるモータ駆動回路と、
   前記モータ駆動回路に並列接続され、該モータ駆動回路の入力電流に含まれる高調波を抑制するための補償電流を発生するアクティブフィルタと、を備え、
   前記アクティブフィルタは、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアクティブフィルタであることを特徴とするモータ駆動装置。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機構部、及び当該圧縮機構部を駆動する圧縮機用モータを備える圧縮機のモータ駆動装置であって、
   前記圧縮機用モータは、前記モータ駆動装置により駆動され、
   前記モータ駆動装置は、請求項５に記載のモータ駆動装置であることを特徴とするモータ駆動装置。
7. 冷媒を圧縮する圧縮機構部、及び当該圧縮機構部を駆動する圧縮機用モータを備える圧縮機と、
   冷媒と空気間で熱交換を行う室外熱交換器と、
   前記室外熱交換器に空気を送風する室外ファンと、
   前記圧縮機用モータを駆動するモータ駆動装置と、を備え、
   前記モータ駆動装置は、請求項５に記載のモータ駆動装置であることを特徴とする冷凍装置。

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