JP3681941B2 - 電源高調波抑制装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高調波発生負荷が発生する電源高調波を抑制するための電源高調波抑制装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の一般的な電源高調波抑制装置の構成図である。図において、１は系統電源、２は系統電源１に接続された電源高調波発生負荷、３は系統電源１１に電源高調波発生負荷２と並列に接続され電源高調波発生負荷２から発生した電源高調波を抑制する電源高調波抑制装置、４は電源高調波発生負荷２の負荷入力を検出する負荷入力検出器である。
【０００３】
また、６は電源高調波抑制装置３内に設けられたノイズフィルタ、７は電源高調波抑制装置３内に設けられた交流リアクタ、８は電源高調波抑制装置３の補償出力を検出する補償出力検出器、９は保証出力を発生するためのスイッチング素子を有する電源高調波抑制装置主回路、１０は電源高調波抑制装置主回路９の直流部に接続された電解コンデンサ、１１は電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路、１２は制御量からスイッチング素子駆動のための制御信号を発生する制御信号発生手段、１３は負荷入力検出器４より検出された負荷入力から電源高調波抑制装置３の出力する補償出力の指令値を演算する補償出力指令値演算手段、１４は補償出力指令値演算手段１３より得られる補償出力指令値と補償出力検出器８より検出される補償出力とを比較し誤差量を演算する誤差量演算手段、２１は電源高調波発生負荷２および電源高調波抑制装置３を系統電源１に接続する受電点、３５は誤差量演算手段１４より得られる誤差量から制御信号発生手段１２で用いる制御量を演算する制御量演算手段である。
【０００４】
上記のように構成された電源高調波抑制装置の動作について図１０を用いて説明する。なお、電源高調波抑制装置３には負荷入力に含まれる高調波電流を補償する電流補償型のものと高調波電圧を補償する電圧補償型のものがあるがここでは前者の電流補償型について説明する。
【０００５】
系統電源１に接続された電源高調波発生負荷２を動作させた場合、系統電源１側から電源高調波発生負荷２に電源高調波を含んだ電流が入力される。その電流は、負荷入力検出器４にて負荷入力Ifとして検出する。補償出力指令値演算手段１３では負荷入力検出器４で検出された負荷入力Ifから電源高調波成分Ihを検出し電源高調波抑制装置３が補償する出力の補償出力指令値Ia_refを演算により求める。
【０００６】
誤差量演算手段１４では、補償出力指令値Ia_refと実際に電原高調波抑制装置主回路が出力している補償出力Iaとを比較し、補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの誤差量Ia_errを演算する。制御量演算手段３５では、誤差量Ia_errを用いて、補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの差を０とするための制御量Ia_cntを演算する。
【０００７】
図１１〜１４は従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図である。
図１１はは比例制御を用いた制御ブロックで、図１１に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２６は制御量演算手段３５内の比例制御を行うための比例ゲインを示す。
【０００８】
図１１におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じて制御量Ia_cntを求める。
【０００９】
また、図１２は比例・積分制御を用いた制御ブロックである。図１２に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２５は、制御量演算手段３５内の比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、２７は制御量演算手段３５内の積分制御部、２８は積分制御部内の積分器、２９は積分制御部内の積分ゲインを示す。
【００１０】
図１２におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Ia_refを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じたものと、誤差量Ia_errの積分値に積分ゲインkciを乗じたものとを加え制御量Ia_cntをを求める。
【００１１】
図１３は比例・微分制御を用いた制御ブロックである。図１３に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２５は、制御量演算手段３５内の比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、３０は制御量演算手段３５内の微分制御部、３１は微分制御部内の微分手段、２９は微分制御部内の微分ゲインを示す。
【００１２】
図１３におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Ia_refを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じたものと、誤差量Ia_errの微分値に微分ゲインkcdを乗じたものとを加え制御量Ia_cntをを求める。
【００１３】
図１４は比例・積分・微分制御を用いた制御ブロックである。図１２に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２５は制御量演算手段３５内の比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、２７は制御量演算手段３５内の積分制御部、２８は積分制御部内の積分器、２９は積分制御部内の積分ゲイン、３０は制御量演算手段３５内の微分制御部、３１は微分制御部内の微分手段、２９は微分制御部内の微分ゲインを示す。
【００１４】
図１４におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じたものと、誤差量Ia_errの積分値に積分ゲインkciを乗じたものと、誤差量Ia_errの微分値に微分ゲインkcdを乗じたものとを加え制御量Ia_cntをを求める。
【００１５】
制御信号発生手段１２では制御量Ia_cntをもとに電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフするための制御信号(PWM信号)Ipwmを発生する。発生された制御信号Ipwmをもとにゲート駆動回路１１が電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、電源高調波抑制装置主回路９より補償出力電流が発生する。この補償出力電流は交流リアクタ７およびノイズフィルタ６を介して系統電源１に供給される。
【００１６】
このような動作により電源高調波抑制装置３から出力される補償出力Iaと電源高調波発生負荷２が発生する負荷入力Ifの高調波分Ihとが相殺され系統電源１に高調波電流が流れ込まないように補償される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の比例制御あるいは比例・積分制御あるいは比例・微分制御あるいは比例・積分・微分制御を用いた電源高調波抑制装置は上記のように構成されているので、電源高調波抑制能力を低下させるいくつかの遅れ要素の影響で高い電源高調波抑制能力が得られないという問題点があった。
【００１８】
例えば、電源高調波抑制装置３には、電源高調波抑制装置主回路９の直後に交流リアクタ７が接続されている。この交流リアクタ７は補償電流Iaの変化分dI/dt を抑制するように働くため電源高調波抑制能力に大きく影響を及ぼすものである。つまり、負荷電流Ifが急峻に変化する部分では交流リアクタ７によるdI/dtの制限により補償電流Iaが補償電流指令値Ia_refに追従しきれず、補償出力Iaと補償電流指令値Ia_refは一致しなくなる。
【００１９】
ここで、交流リアクタ７は補償電流Iaのリップルの除去、電圧型の電源高調波抑制装置においては出力電圧を出力電流に変換するために不可欠であるため、インダクタンスを極端に小さくすることは不可能である。
【００２０】
また、別の例として、電源高調波抑制装置３内の制御回路には定電流制御系を安定させるために遅れ要素を持った伝達関数が存在している。さらには電源高調波抑制装置３の制御手段にデジタル制御を用いた場合、補償出力指令値の演算し、実際に電流が出力されるまでに数制御周期の演算時間遅れが存在する。つまり、補償電流指令値Ia_refに対し、実際の補償電流Iaは演算時間遅れ分、位相遅れが生じる。
【００２１】
以上のような遅れ要素の原因により実際に生じる補償電流Iaは、図１５に示す波形(a)の負荷入力Ifから求められる波形(b)の補償出力指令値Ia_refどおりにならず、図１５の波形(c)のように補償出力指令値Ia_refの位相遅れかつなまった波形となる。その結果、系統電源側に流れ込む電流Isは完全な正弦波状にならず図１５の波形(d)のように大きなスパイクSpを含んだ形状となる。
【００２２】
また、制御性を上げるため制御ゲインを上げた場合補償出力が発振現象を生じ、かえって電源高調波を増加させるという問題点もあった。
【００２３】
また、系統電源１は周期性を持っているため負荷入力の変動は電源周期に同期した周期性を持つが、その周期性に応じた制御を行うことができなかった。
【００２４】
さらに、系統電源１や電源高調波発生負荷２の状態を検出することができないため、系統電源１や電源高調波発生負荷２の状態に応じた制御が行えず、電源環境や電源高調波発生負荷２の動作状態によってはかえって電源高調波を増加させるという問題点もあった。
【００２５】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、電源高調波抑制装置の電源高調波抑制能力の向上を図ることを目的とすると共に、信頼性の高い電源高調波抑制装置を得ることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電源高調波抑制装置は、系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、高調発生負荷の負荷入力を検出し、負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、電源電圧位相を検出する位相検出手段と、毎周期同位相において、負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、位相毎に補償出力指令と電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、 位相毎に誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、記憶された誤差量の積分値から補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、制御量から電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、を備え、制御信号に基づいて、電源高調波抑制装置制御回路は、電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、補償出力の制御量は、所定の位相だけ進んだ位相に対応する位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求められることを特徴とする。
【００２７】
また、補償出力指令値を演算する位相は、キャリア周期に同期した位相であるものである。
【００２８】
また、補償出力指令値を演算する位相は、キャリア周期と異なる周期としたものである。
【００２９】
また、補償出力の制御量は誤差量と位相毎に記憶された誤差量の積分値の両方から演算により求められるものである。
【００３０】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と位相毎に記憶された誤差量積分値とから演算により求められるものである。
【００３１】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求められるものである。
【００３２】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求められるものである。
【００３４】
また、制御量演算手段は、高調波発生負荷の負荷入力に応じて変更するものである。
【００３５】
また、制御量演算手段は、実際の補償出力に応じて変更するものである。
【００３６】
また、制御量の演算手段は系統電源の状態に応じて変更するものである。
【００３７】
また、負荷入力と補償出力は電流であるものである。
【００４０】
また、接続される系統電源は３相電源であるものである。
【００４８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図面を用いて説明する。
図１〜４は実施の形態１を示す図で、図１は電源高調波発生負荷より発生する電源高調波を抑制する電源高調波抑制装置の構成図、図２は図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図(１)、図３は図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図(２)、図４は電源高調波抑制装置の制御ブロック図である。
【００４９】
図１において、１は系統電源、２は系統電源１に接続された電源高調波発生負荷、３は系統電源１に電源高調波発生負荷２と並列に接続され電源高調波発生負荷２から発生した電源高調波を抑制する電源高調波抑制装置、４は電源高調波発生負荷２の負荷入力を検出する負荷入力検出器である。
【００５０】
また、５は電源高調波抑制装置３内に設けられた電源電圧の位相を検出を行う位相検出手段、６は電源高調波抑制装置３内に設けられたノイズフィルタ、７は電源高調波抑制装置３内に設けられた交流リアクタ、８は電源高調波抑制装置３の補償出力を検出する補償出力検出器、９は補償出力を発生するためのスイッチング素子を有する電源高調波抑制装置主回路、１０は電源高調波抑制装置主回路９の直流部に接続された電解コンデンサ、１１は電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路、１２は制御量からスイッチング素子駆動のための制御信号を発生する制御信号発生手段、１３は負荷入力検出器４より検出された負荷入力から電源高調波抑制装置３の出力する補償出力の指令値を演算する補償出力指令値演算手段、１４は補償出力指令値演算手段１３より得られる補償出力指令値と補償出力検出器８より検出される補償出力とを比較し誤差量を演算する誤差量演算手段である。
【００５１】
また、１５は位相検出手段５より得られる位相に応じて誤差量演算手段１４より得られた誤差量を位相毎に決められた積分器にて積分し、位相に応じた積分器内の積分値を出力する誤差量積分手段、１６は誤差量積分手段１５内に設けられ位相毎に決められた誤差量積分器、１７は誤差量積分手段１５内に設けられ位相検出手段５より得られる位相に応じて誤差量積分器１６を切り替えるための切り替え手段A、１８は制御量演算手段１８内に設けられ位相検出手段５より得られる位相に応じて誤差量積分手段１５内に設けられた誤差量積分器１６を選択する切り替え手段Bである。
【００５２】
また、１９は負荷入力または補償出力から系統電源状態または電源高調波発生負荷動作状態を判断する運転状態判断手段、２０は誤差積分器１６の出力および誤差量演算手段１４から得られる誤差量から運転状態判断手段１９の判断結果に応じて制御量を演算する制御量演算手段、２１は電源高調波発生負荷２および電源高調波抑制装置３を系統電源１に接続する受電点である。
【００５３】
上記のように構成された電源高調波抑制装置の動作について図１を用いて説明する。なお、電源高調波抑制装置には負荷入力に含まれる高調波電流を補償する電流補償型のものと高調波電圧を補償する電圧補償型のものがあるがここでは前者の電流補償型を例にとり説明する。さらに、ここでは系統電源を３相電源とした場合を例にとり説明する。
【００５４】
電源高調波抑制装置３の補償出力指令値演算手段１３および誤差量演算手段１４および誤差量積分手段１５および制御量演算手段２０は制御周期dtにて離散時間的に処理を行う。ここで、制御周期dtと系統電源１の周波数fsが決まれば電源電圧１周期内に生じる制御回数NがN(整数値)=１/(fs・dt)により得られるため、誤差量積分器１６の数はN個となる。
【００５５】
ここでは、制御周期dtをキャリア周期と同周期とする。ここで、キャリア周期とは、電源高調波抑制装置主回路９内に設けられたスイッチング素子をオン／オフ制御する周期である。また、制御周期dtは、キャリア周期と異なる周期、例えばキャリア周期の２倍の周期でもよい。
【００５６】
系統電源１に接続された電源高調波発生負荷２を動作させた場合、系統電源１側から電源高調波発生負荷２に電源高調波を含んだ電流が発生する。
【００５７】
位相検出手段５では、電源高調波抑制装置３に入力される電源電圧のゼロクロスから図２の波形(a)に示す電源電圧の位相θを演算により求める。図２の波形(a)のように電源電圧のゼロクロス直後の制御点での位相をθ0としその後制御周期dt毎にθ1、θ2、・・・・・・、θN-1とする(図２の(d))。つまり、電源１周期内にN個の制御点を設ける。位相検出手段５は前記制御位相θ0〜θN-1の値を求める。
【００５８】
高調波を含んだ負荷電流は、図２の波形(b)のようにそれぞれの制御位相θ毎に負荷入力検出器４にて負荷入力Ifとして検出される。補償出力指令値演算手段１３では負荷入力検出器４で検出された負荷入力Ifから電源高調波成分Ihを検出し電源高調波抑制装置３が補償する出力の補償出力指令値Ia_refを演算により求める。その波形を図２の波形(c)に示す。
【００５９】
誤差量演算手段１４では、補償出力指令値Ia_refと実際に電原高調波抑制装置主回路が出力している補償出力Iaとを比較し、補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの誤差量Ia_errを演算する。
【００６０】
誤差量積分手段１５内には制御位相θに対応するN個の誤差量積分器１６を有しており、誤差量Ia_errは制御位相θに応じて切り替え手段A １７により選択された誤差量積分器１６により積分され、制御位相θに応じて切り替え手段B １８により選択された誤差積分器１６より得られる誤差積分値Ia_err_iを出力する。
【００６１】
運転状態判断手段１９は負荷入力の検出結果Ifまたは補償出力Iaまたは負荷入力Ifと補償入力Iaの両方から系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断する。詳しく言えば電源状態の変化あるいは悪化さらには電源高調波発生負荷２の不安定動作の影響により電源高調波抑制装置３の動作が電源高調波を抑制できず、かえって電源高調波を増加させてしまう状態であるかないかを判断する。負荷入力Ifの電源周期ごとの変動が所定値を超えた場合または補償出力Iaが発振した場合制御量抑制信号Srを出力する。
【００６２】
ここで、制御量抑制信号Srを出力するか否かを判断する基準の例について説明する。まず、電源周期数周期における同位相の負荷入力のピークの最大値と最小値を比較し、その差が所定値を超えた場合、または、電源１周期における負荷入力の最大値を前周期の最大値と比較しその差が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６３】
また、系統電源１の電圧において電源周期数周期における同位相の電圧の最大値と最小値を比較しその差が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６４】
また、系統電源１の電圧において電源周期１周期の最大値と前周期の最大値とを比較しその差が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６５】
さらに、系統電源１の電圧においてその周波数変動が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６６】
制御量演算手段２０では、誤差量積分手段１５の出力Ia_err_iまたは誤差量Ia_errまたはIa_err_iとIa_errの両方から補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの誤差量Ia_errを０とするための制御量Ia_cntを演算する。制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインの低下あるいは演算手段の変更により制御量を抑制あるいは制御を停止し、電源高調波の増加という系統電源への悪影響を回避する。
【００６７】
制御信号発生手段１２では制御量Ia_cntに応じた電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御信号(PWM信号)Ipwmを出力する。制御信号Ipwmをもとにゲート駆動回路１１は電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフ制御する。それにより電源高調波抑制装置主回路９より補償出力電流が発生する。この補償出力電流は交流リアクタ７およびノイズフィルタ６を介して系統電源１に供給される。
【００６８】
図２の波形(b)に示すように、インバータを搭載した空気調和機により発生する負荷入力電流波形Ifは電源周期と同期した周期的な波形となる。そのため、電源高調波を補償するための補償出力指令値Ia_refも電源周期に同期した周期的な波形となる。つまり、電源周期毎の同電源電圧位相における補償出力は毎周期ほぼ同出力となる。従って、電源１周期において電源の位相を検出し、位相に応じた補償出力を毎周期出力することにより電源高調波の抑制能力を向上できる。
【００６９】
さらに、図３の波形(a)〜(d)に図１の各部の波形を示す。図３の波形(a)は３相電源を用いる電源高調波発生負荷２により発生する電源高調波を含んだ１相あたりの負荷入力電流Ifの波形である。また、図３の波形(b)は波形(a)の負荷入力電流Ifから補償出力指令値演算手段１３より求められる補償出力指令値Ia_refの波形である。また、図３の波形(c)は図１のように構成した装置を上記のように動作させた場合に生じる補償出力Iaの波形である。さらに、図３の波形(d)は負荷入力Ifが補償電流Iaにより正弦波状に補償された系統電源側に流れる電流Isの波形である。
【００７０】
図３に示すとおり、上記の動作により、補償出力指令値Ia_refに対し、実際の補償出力Iaが補償出力指令値Ia_refの急峻な変化にも遅れなく追従できるようになり、図３の波形(d)に示すように負荷入力Ifが急峻に変化する位相に生じていた系統電源側に流れ込む電流IsのスパイクSpを抑えることが可能となる。つまり、電源高調波抑制装置の電源高調波抑制能力を向上することが可能となる。
【００７１】
ここでは電源高調波抑制の対象として高調波電流を例にとり説明を行ったが、高調波電圧に関しても同様の動作にて補償が可能である。また、ここで用いた例では系統電源１を３相電源として説明を行ったが、単相電源においても同様の動作で電源高調波抑制が可能であることは言うまでもない。
【００７２】
図４は補償出力指令値Ia_refから制御量Ia_cntを導出するまでの行程(誤差量演算手段１４および誤差量積分手段１５および制御量演算手段２０)の流れを示した制御ブロック図であるが、この制御ブロックは繰り返し制御を用いた制御手段であり、電源高調波抑制装置３内の制御回路組み込まれたマイクロコンピュータの中で演算処理される。
【００７３】
図４に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、２２は繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部２２内の制御ゲインである。
【００７４】
その制御演算の流れは次のようになる。まず、補償出力指令値演算手段１３にて導出された補償電力指令値Ia_refは実際の補償出力Iaと比較され、その差が誤差量Ia_errとなる。誤差量Ia_errはN制御周期前の誤差量Ia_errとの和をとり再びN個の１サンプル遅れのループに入る。
【００７５】
仮に現在の誤差量Ia_errの位相をθ0とすると、１電源周期内の制御周期の数はNであるので、N周期前の位相もθ0となる。つまり、電源周期毎に、同位相θの誤差量が積分されることとなる。
【００７６】
同位相の誤差量の積分値はNサンプル遅れの後、制御ゲインkcが乗じられ制御量Ia_cntとして出力する。制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインkcの値を低下させ制御量Ia_cntを抑制する。
【００７７】
ここで、上記制御ブロックで示した処理をマイクロコンピュータの中で実現する手段は次のようになる。まず、電源１周期内の制御点の数Nの分だけメモリを用意する。それぞれのメモリを位相θ0からθN-1用のメモリとして振り分け、位相θに応じたメモリの保持する値に誤差量Ia_errを加える。
【００７８】
制御量Ia_cntは制御周期の位相θに応じたメモリθ0〜θN-1を選択し、保持された値Ia_err_iに制御ゲインkcを乗じて求められる。
【００７９】
このように電源高調波抑制装置の制御手段を構成することで以下のような効果が得られる。電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、電源周期に同期した補償出力が可能となる。そのため電源周期に同期した電源高調波発生負荷の負荷入力に対し、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【００８０】
また、電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、位相毎に制御量を発生することが可能となり、負荷出力が急峻に変化する位相において、補償出力の追従性が上昇し、電源高調波抑制能力が向上できる。
【００８１】
さらに、電源１周期において制御周期により分割された位相毎に誤差量の積分器を設けることで、位相θにおける過去の誤差量の情報が保持され、現周期あるいは先の周期の負荷入力を予測することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【００８２】
運転状態判断手段１９により、負荷入力あるいは補償出力の状態から、系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断することにより、電源高調波抑制装置の動作が電源高調波を抑制できずかえって電源高調波を増加させてしまう状態に、制御手段を変更させあるいは制御ゲインを低下させ、系統電源への悪影響を回避することが可能となる。
ここで、制御手段の変更には制御を停止し、電源高調波抑制装置が電源高調波抑制動作をやめることも含まれる。
【００８３】
実施の形態２．
図５〜８は実施の形態２を示す図で、図５は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(１)、図６は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(２)、図７は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(３)、図８は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(４)である。
【００８４】
図５に示す制御ブロックは、繰り返し制御と比例制御を用いた制御手段であり、電源高調波抑制装置３内の制御回路組み込まれたマイクロコンピュータの中で演算処理される。
【００８５】
図５に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、２２は繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部２２内の制御ゲイン、２５は比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲインである。
【００８６】
その制御演算の流れは次のようになる。まず、補償出力指令値演算手段にて導出された補償電力指令値Ia_refは実際の補償出力Iaと比較され、その差が誤差量Ia_errとなる。ここで１/zは１制御周期出力を遅らせる１サンプル遅れである。誤差量Ia_errはN制御周期前の誤差量Ia_errとの和をとり再びN個の１サンプル遅れのループに入る。
【００８７】
仮に現在の誤差量Ia_errの位相をθ0とすると、１電源周期内の制御周期の数はNであるので、N周期前の位相もθ0となる。つまり、電源周期毎に、同位相θの誤差量が積分されることとなる。
【００８８】
同位相の誤差量の積分値はNサンプル遅れの後制御ゲインkcが乗じられ、さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものとを足しあわされた後制御量Ia_cntとして出力する。制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインkcの値あるいは比例ゲインkciあるいは制御ゲインkcおよび比例ゲインkciの両方を低下させ制御量Ia_cntを抑制する。または制御ゲインkcを０とし、比例制御のみの制御を行う。
【００８９】
ここで、上記制御ブロックで示した処理をマイクロコンピュータの中で実現する手段は次のようになる。まず、電源１周期内の制御点の数Nの分だけメモリを用意する。それぞれのメモリを位相θ0からθN-1用のメモリとして振り分け、位相θに応じたメモリの保持する値に誤差量Ia_errを加える。
【００９０】
制御量Ia_cntは制御周期の位相θに応じたメモリθ0〜θN-1を選択し、保持された値Ia_err_iに制御ゲインkcを乗じたものと、さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものとを加えて求められる。
【００９１】
このように電源高調波抑制装置の制御手段を構成することで以下のような効果が得られる。電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、電源周期に同期した補償出力が可能となる。そのため電源周期に同期した電源高調波発生負荷の負荷入力に対し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９２】
また、電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、位相毎に制御量を発生することが可能となり、負荷出力が急峻に変化する位相において、補償出力の追従性が上昇し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９３】
また、電源１周期において制御周期により分割された位相毎に誤差量の積分器を設けることで、位相θにおける過去の誤差量の情報が保持され、現周期あるいは先の周期の負荷入力を予測することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９４】
さらに上記繰り返し制御のみでなく誤差量の比例量を用いる比例制御を合わせて用いることで、電源周期と異なる周期の瞬間的な負荷入力の変化にも追従が可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９５】
運転状態判断手段により、負荷入力あるいは補償出力の状態から、系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断することにより、電源高調波抑制装置の動作が電源高調波を抑制できずかえって電源高調波を増加させてしまう状態に、制御手段を変更させあるいは制御ゲインを低下させ、系統電源への悪影響を回避することが可能となる。
ここで、制御手段の変更には制御を停止し、電源高調波抑制装置が電源高調波抑制動作をやめることも含まれる。
【００９６】
さらに、図６に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および積分制御を用いた制御手段や、図７に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および微分制御を用いた制御手段、さらには図８に示す制御ブロックのような繰り返し制御および比例制御および積分制御および微分制御を用いた手段においても同様の電源高調波抑制能力を向上させる効果を得ることができる。
【００９７】
ここで、図６または図７または図８に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、２２は繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部２２内の制御ゲイン、２５は比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、２７は積分制御部、２８は積分制御部２７内の積分器、２９は積分制御部内の積分ゲイン、３０は微分制御部、３１は微分制御部３０内の微分手段、３２は微分制御部３０内の微分ゲインである。
【００９８】
実施の形態３．
図９は実施の形態３を示す図で、電源高調波抑制装置における制御ブロック図である。この制御ブロックは繰り返し制御と比例制御を用いた制御手段であり、制御量演算の演算時間遅れを補償するため、繰り返し制御の出力を位相を進めて出力するように構成したものである。この制御ブロックは電源高調波抑制装置３内の制御回路組み込まれたマイクロコンピュータの中で演算処理される。
【００９９】
図９に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、３３は出力位相を進める手段を備えた繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部３３内のの制御ゲイン、２５は比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲインである。
【０１００】
その制御演算の流れは次のようになる。
まず、補償出力指令値演算手段１３にて導出された補償電力指令値Ia_refは実際の補償出力Iaと比較され、その差が誤差量Ia_errとなる。ここで１/zは１制御周期出力を遅らせる１サンプル遅れである。誤差量Ia_errはN制御周期前の誤差量Ia_errとの和をとり再びN個の１サンプル遅れのループに入る。
【０１０１】
仮に現在の誤差量Ia_errの位相をθ0とすると、１電源周期内の制御周期の数はNであるので、N周期前の位相もθ0となる。つまり、電源周期毎に、同位相θの誤差量が積分されることとなる。
【０１０２】
マイクロコンピュータでの演算時間遅れを補償するため、N個の１サンプル遅れを通過する前の誤差量積分値に制御ゲインkcを乗じ、繰り返し制御の出力とする。つまり、現在の位相θより進んだ位相の誤差量積分値Ia_err_i を用いて繰り返し制御の出力を演算する。例えば現在の位相をθ0とし位相進み分を２制御周期とすると誤差量積分値にθ2のものを用いて繰り返し制御出力を求めることになる。さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものと繰り返し制御出力を足しあわせ、制御量Ia_cntとして出力する。
【０１０３】
制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインkcの値あるいは比例ゲインkciあるいは制御ゲインkcおよび比例ゲインkciの両方を低下させ制御量Ia_cntを抑制する。または制御ゲインkcを０とし、比例制御のみの制御を行う。
【０１０４】
ここで、上記制御ブロックで示した処理をマイクロコンピュータの中で実現する手段は次のようになる。まず、電源１周期内の制御点の数Nの分だけメモリを用意する。それぞれのメモリを位相θ0からθN-1用のメモリとして振り分け、位相θに応じたメモリの保持する値に誤差量Ia_errを加える。
【０１０５】
制御量Ia_cntは制御周期の位相θに応じ演算時間遅れを補償する進み位相となるメモリθ0〜θN-1を選択し、保持された値Ia_err_i に制御ゲインkcを乗じたものと、さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものとを加えて求められる。
【０１０６】
このように電源高調波抑制装置の制御手段を構成することで以下のような効果が得られる。電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、電源周期に同期した補償出力が可能となる。そのため電源周期に同期した電源高調波発生負荷の負荷入力に対し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１０７】
また、電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、位相毎に制御量を発生することが可能となり、位相に依存した負荷出力の急峻に変化に対し補償出力の追従性が上昇し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１０８】
また、電源１周期において制御周期により分割された位相毎に誤差量の積分器を設けることで、位相θにおける過去の誤差量の情報が保持され、現周期あるいは先の周期の負荷入力を予測することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１０９】
また、繰り返し制御の出力時に数制御周期位相の進んだ誤差量積分量を用いることで、負荷入力検出から制御量を演算し実際に補償出力に反映されるまでの演算遅れ時間を補償することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１１０】
さらに上記繰り返し制御のみでなく誤差量の比例量を用いる比例制御を合わせて用いることで、電源周期と異なる周期の瞬間的な負荷入力の変化にも追従が可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１１１】
運転状態判断手段により、負荷入力あるいは補償出力の状態から、系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断することにより、電源高調波抑制装置の動作が電源高調波を抑制できずかえって電源高調波を増加させてしまう状態に、制御手段を変更させあるいは制御ゲインを低下させ、系統電源への悪影響を回避することが可能となる。
ここで、制御手段の変更には制御を停止し、電源高調波抑制装置が電源高調波抑制動作をやめることも含まれる。
【０１１２】
さらに、図６に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および積分制御を用いた制御手段や、図７に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および微分制御を用いた制御手段、さらには図８に示す制御ブロックのような繰り返し制御および比例制御および積分制御および微分制御を用いた手段においても同様の位相進み出力手段を用いることで電源高調波抑制能力を向上させる効果を得ることができる。
【０１１３】
実施の形態４．
空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することで発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１４】
実施の形態５．
インバータで駆動される圧縮機を備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１５】
実施の形態６．
インバータで駆動される直流ブラシレスモータを有する圧縮機を備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１６】
実施の形態７．
インバータで駆動される誘導電動機を有する圧縮機を備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１７】
実施の形態８．
インバータで駆動されるファンモータを備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１８】
実施の形態９．
インバータで駆動される直流ブラシレスモータを有するファンモータを備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１９】
実施の形態１０．
インバータで駆動される誘導電動機を有するファンモータを備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１２０】
【発明の効果】
この発明に係る電源高調波抑制装置は、電源電圧位相を検出する位相検出手段と、毎周期同位相において負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、位相毎に補償出力指令と電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、位相毎に誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、記憶された誤差量の積分値をから補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、制御量から電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、を備え、制御信号に基づいて、電源高調波抑制装置制御回路は、電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御することで、負荷入力が急峻に変化する位相を予測し、補償出力指令値と実際の補償出力との差が極力なくなるように、電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御量を出力し、補償出力の制御量は、所定の位相だけ進んだ位相に対応する位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求められるように構成したので、電源高調波抑制能力を向上することができる。さらにマイクロコンピュータでの演算時間遅れによる補償電流の遅れ分を補償することができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２１】
また、補償出力指令値を演算する位相周期はキャリア周期に同期した位相とすることで、位相周期毎に補償出力を可変できるため電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２２】
また、補償出力指令値を演算する位相周期はキャリア周期と異なる周期とすることで演算周期とキャリア周期とを同じ周期にできないときであっても同様の制御手段を備えた電源高調波抑制装置を得ることができる。
【０１２３】
また、補償出力の制御量は誤差量と位相毎に記憶された誤差量の積分値の両方から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２４】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で突発的に発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２５】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で突発的に発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２６】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で突発的に発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２８】
また、制御量の演算手段は高調波発生負荷の負荷入力に応じて変更することにより、系統電源の電源環境の悪化により電源高調波抑制装置が電源高調波を補償しきれずかえって電源高調波を増加させてしまうような系統電源に与える悪影響を回避することができる。
【０１２９】
また、制御量の演算手段は実際の補償出力に応じて変更することにより、系統電源の電源環境の悪化により電源高調波抑制装置が電源高調波を補償しきれずかえって電源高調波を増加させてしまうような系統電源に与える悪影響を回避することができる。
【０１３０】
また、制御量の演算手段は系統電源の状態に応じて変更することにより、系統電源の電源環境の悪化により電源高調波抑制装置が電源高調波を補償しきれずかえって電源高調波を増加させてしまうような系統電源に与える悪影響を回避することができる。
【０１３１】
また、負荷入力と補償出力は電流とすることにより、高調波電流を補償する電源高調波抑制装置を得ることができる。
【０１３４】
また、接続される系統電源は３相電源とすることにより、３相電源で用いられる電源高調波発生負荷の発生する電源高調波を補償する電源高調波抑制装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１を示す図で、電源高調波抑制装置の構成図である。
【図２】 実施形態１を示す図で、図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図（１）である。
【図３】 実施形態１を示す図で、図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図（２）である。
【図４】 実施の形態１を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図である。
【図５】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（１）である。
【図６】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（２）である。
【図７】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（３）である。
【図８】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（４）である。
【図９】 実施の形態３を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図である。
【図１０】 従来の一般的な電源高調波抑制装置を示す構成図である。
【図１１】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（１）である。
【図１２】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（２）である。
【図１３】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（３）である。
【図１４】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（４）である。
【図１５】 従来の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 系統電源、２ 電源高調波発生負荷、３ 電源高調波抑制装置、４ 負荷入力検出器、５ 位相検出手段、６ ノイズフィルタ、７ 交流リアクタ、８ 補償出力検出器、９ 電源高調波抑制装置主回路、１０ 電解コンデンサ、１１ゲート駆動回路、１２ 制御信号発生手段、１３ 補償出力指令値演算手段、１４ 誤差量演算手段、１５ 誤差量積分手段、１６ 誤差量積分器、１７ 切り替え手段A、１８ 切り替え手段B、１９ 運転状態判断手段、２０ 制御量演算手段、２１受電点。
【発明の属する技術分野】
この発明は、高調波発生負荷が発生する電源高調波を抑制するための電源高調波抑制装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の一般的な電源高調波抑制装置の構成図である。図において、１は系統電源、２は系統電源１に接続された電源高調波発生負荷、３は系統電源１１に電源高調波発生負荷２と並列に接続され電源高調波発生負荷２から発生した電源高調波を抑制する電源高調波抑制装置、４は電源高調波発生負荷２の負荷入力を検出する負荷入力検出器である。
【０００３】
また、６は電源高調波抑制装置３内に設けられたノイズフィルタ、７は電源高調波抑制装置３内に設けられた交流リアクタ、８は電源高調波抑制装置３の補償出力を検出する補償出力検出器、９は保証出力を発生するためのスイッチング素子を有する電源高調波抑制装置主回路、１０は電源高調波抑制装置主回路９の直流部に接続された電解コンデンサ、１１は電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路、１２は制御量からスイッチング素子駆動のための制御信号を発生する制御信号発生手段、１３は負荷入力検出器４より検出された負荷入力から電源高調波抑制装置３の出力する補償出力の指令値を演算する補償出力指令値演算手段、１４は補償出力指令値演算手段１３より得られる補償出力指令値と補償出力検出器８より検出される補償出力とを比較し誤差量を演算する誤差量演算手段、２１は電源高調波発生負荷２および電源高調波抑制装置３を系統電源１に接続する受電点、３５は誤差量演算手段１４より得られる誤差量から制御信号発生手段１２で用いる制御量を演算する制御量演算手段である。
【０００４】
上記のように構成された電源高調波抑制装置の動作について図１０を用いて説明する。なお、電源高調波抑制装置３には負荷入力に含まれる高調波電流を補償する電流補償型のものと高調波電圧を補償する電圧補償型のものがあるがここでは前者の電流補償型について説明する。
【０００５】
系統電源１に接続された電源高調波発生負荷２を動作させた場合、系統電源１側から電源高調波発生負荷２に電源高調波を含んだ電流が入力される。その電流は、負荷入力検出器４にて負荷入力Ifとして検出する。補償出力指令値演算手段１３では負荷入力検出器４で検出された負荷入力Ifから電源高調波成分Ihを検出し電源高調波抑制装置３が補償する出力の補償出力指令値Ia_refを演算により求める。
【０００６】
誤差量演算手段１４では、補償出力指令値Ia_refと実際に電原高調波抑制装置主回路が出力している補償出力Iaとを比較し、補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの誤差量Ia_errを演算する。制御量演算手段３５では、誤差量Ia_errを用いて、補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの差を０とするための制御量Ia_cntを演算する。
【０００７】
図１１〜１４は従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図である。
図１１はは比例制御を用いた制御ブロックで、図１１に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２６は制御量演算手段３５内の比例制御を行うための比例ゲインを示す。
【０００８】
図１１におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じて制御量Ia_cntを求める。
【０００９】
また、図１２は比例・積分制御を用いた制御ブロックである。図１２に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２５は、制御量演算手段３５内の比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、２７は制御量演算手段３５内の積分制御部、２８は積分制御部内の積分器、２９は積分制御部内の積分ゲインを示す。
【００１０】
図１２におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Ia_refを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じたものと、誤差量Ia_errの積分値に積分ゲインkciを乗じたものとを加え制御量Ia_cntをを求める。
【００１１】
図１３は比例・微分制御を用いた制御ブロックである。図１３に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２５は、制御量演算手段３５内の比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、３０は制御量演算手段３５内の微分制御部、３１は微分制御部内の微分手段、２９は微分制御部内の微分ゲインを示す。
【００１２】
図１３におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Ia_refを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じたものと、誤差量Ia_errの微分値に微分ゲインkcdを乗じたものとを加え制御量Ia_cntをを求める。
【００１３】
図１４は比例・積分・微分制御を用いた制御ブロックである。図１２に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaを差し引き誤差量Ia_errを求める誤差量演算手段、３５は誤差量Ia_errから制御量Ia_cntを求める制御量演算手段、２５は制御量演算手段３５内の比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、２７は制御量演算手段３５内の積分制御部、２８は積分制御部内の積分器、２９は積分制御部内の積分ゲイン、３０は制御量演算手段３５内の微分制御部、３１は微分制御部内の微分手段、２９は微分制御部内の微分ゲインを示す。
【００１４】
図１４におけるブロックの流れは次のようになる。補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引きし誤差量Ia_errを求める。誤差量Ia_errに比例ゲインkcpを乗じたものと、誤差量Ia_errの積分値に積分ゲインkciを乗じたものと、誤差量Ia_errの微分値に微分ゲインkcdを乗じたものとを加え制御量Ia_cntをを求める。
【００１５】
制御信号発生手段１２では制御量Ia_cntをもとに電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフするための制御信号(PWM信号)Ipwmを発生する。発生された制御信号Ipwmをもとにゲート駆動回路１１が電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、電源高調波抑制装置主回路９より補償出力電流が発生する。この補償出力電流は交流リアクタ７およびノイズフィルタ６を介して系統電源１に供給される。
【００１６】
このような動作により電源高調波抑制装置３から出力される補償出力Iaと電源高調波発生負荷２が発生する負荷入力Ifの高調波分Ihとが相殺され系統電源１に高調波電流が流れ込まないように補償される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の比例制御あるいは比例・積分制御あるいは比例・微分制御あるいは比例・積分・微分制御を用いた電源高調波抑制装置は上記のように構成されているので、電源高調波抑制能力を低下させるいくつかの遅れ要素の影響で高い電源高調波抑制能力が得られないという問題点があった。
【００１８】
例えば、電源高調波抑制装置３には、電源高調波抑制装置主回路９の直後に交流リアクタ７が接続されている。この交流リアクタ７は補償電流Iaの変化分dI/dt を抑制するように働くため電源高調波抑制能力に大きく影響を及ぼすものである。つまり、負荷電流Ifが急峻に変化する部分では交流リアクタ７によるdI/dtの制限により補償電流Iaが補償電流指令値Ia_refに追従しきれず、補償出力Iaと補償電流指令値Ia_refは一致しなくなる。
【００１９】
ここで、交流リアクタ７は補償電流Iaのリップルの除去、電圧型の電源高調波抑制装置においては出力電圧を出力電流に変換するために不可欠であるため、インダクタンスを極端に小さくすることは不可能である。
【００２０】
また、別の例として、電源高調波抑制装置３内の制御回路には定電流制御系を安定させるために遅れ要素を持った伝達関数が存在している。さらには電源高調波抑制装置３の制御手段にデジタル制御を用いた場合、補償出力指令値の演算し、実際に電流が出力されるまでに数制御周期の演算時間遅れが存在する。つまり、補償電流指令値Ia_refに対し、実際の補償電流Iaは演算時間遅れ分、位相遅れが生じる。
【００２１】
以上のような遅れ要素の原因により実際に生じる補償電流Iaは、図１５に示す波形(a)の負荷入力Ifから求められる波形(b)の補償出力指令値Ia_refどおりにならず、図１５の波形(c)のように補償出力指令値Ia_refの位相遅れかつなまった波形となる。その結果、系統電源側に流れ込む電流Isは完全な正弦波状にならず図１５の波形(d)のように大きなスパイクSpを含んだ形状となる。
【００２２】
また、制御性を上げるため制御ゲインを上げた場合補償出力が発振現象を生じ、かえって電源高調波を増加させるという問題点もあった。
【００２３】
また、系統電源１は周期性を持っているため負荷入力の変動は電源周期に同期した周期性を持つが、その周期性に応じた制御を行うことができなかった。
【００２４】
さらに、系統電源１や電源高調波発生負荷２の状態を検出することができないため、系統電源１や電源高調波発生負荷２の状態に応じた制御が行えず、電源環境や電源高調波発生負荷２の動作状態によってはかえって電源高調波を増加させるという問題点もあった。
【００２５】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、電源高調波抑制装置の電源高調波抑制能力の向上を図ることを目的とすると共に、信頼性の高い電源高調波抑制装置を得ることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電源高調波抑制装置は、系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、高調発生負荷の負荷入力を検出し、負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、電源電圧位相を検出する位相検出手段と、毎周期同位相において、負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、位相毎に補償出力指令と電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、 位相毎に誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、記憶された誤差量の積分値から補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、制御量から電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、を備え、制御信号に基づいて、電源高調波抑制装置制御回路は、電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、補償出力の制御量は、所定の位相だけ進んだ位相に対応する位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求められることを特徴とする。
【００２７】
また、補償出力指令値を演算する位相は、キャリア周期に同期した位相であるものである。
【００２８】
また、補償出力指令値を演算する位相は、キャリア周期と異なる周期としたものである。
【００２９】
また、補償出力の制御量は誤差量と位相毎に記憶された誤差量の積分値の両方から演算により求められるものである。
【００３０】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と位相毎に記憶された誤差量積分値とから演算により求められるものである。
【００３１】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求められるものである。
【００３２】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求められるものである。
【００３４】
また、制御量演算手段は、高調波発生負荷の負荷入力に応じて変更するものである。
【００３５】
また、制御量演算手段は、実際の補償出力に応じて変更するものである。
【００３６】
また、制御量の演算手段は系統電源の状態に応じて変更するものである。
【００３７】
また、負荷入力と補償出力は電流であるものである。
【００４０】
また、接続される系統電源は３相電源であるものである。
【００４８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図面を用いて説明する。
図１〜４は実施の形態１を示す図で、図１は電源高調波発生負荷より発生する電源高調波を抑制する電源高調波抑制装置の構成図、図２は図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図(１)、図３は図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図(２)、図４は電源高調波抑制装置の制御ブロック図である。
【００４９】
図１において、１は系統電源、２は系統電源１に接続された電源高調波発生負荷、３は系統電源１に電源高調波発生負荷２と並列に接続され電源高調波発生負荷２から発生した電源高調波を抑制する電源高調波抑制装置、４は電源高調波発生負荷２の負荷入力を検出する負荷入力検出器である。
【００５０】
また、５は電源高調波抑制装置３内に設けられた電源電圧の位相を検出を行う位相検出手段、６は電源高調波抑制装置３内に設けられたノイズフィルタ、７は電源高調波抑制装置３内に設けられた交流リアクタ、８は電源高調波抑制装置３の補償出力を検出する補償出力検出器、９は補償出力を発生するためのスイッチング素子を有する電源高調波抑制装置主回路、１０は電源高調波抑制装置主回路９の直流部に接続された電解コンデンサ、１１は電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子を駆動するためのゲート駆動回路、１２は制御量からスイッチング素子駆動のための制御信号を発生する制御信号発生手段、１３は負荷入力検出器４より検出された負荷入力から電源高調波抑制装置３の出力する補償出力の指令値を演算する補償出力指令値演算手段、１４は補償出力指令値演算手段１３より得られる補償出力指令値と補償出力検出器８より検出される補償出力とを比較し誤差量を演算する誤差量演算手段である。
【００５１】
また、１５は位相検出手段５より得られる位相に応じて誤差量演算手段１４より得られた誤差量を位相毎に決められた積分器にて積分し、位相に応じた積分器内の積分値を出力する誤差量積分手段、１６は誤差量積分手段１５内に設けられ位相毎に決められた誤差量積分器、１７は誤差量積分手段１５内に設けられ位相検出手段５より得られる位相に応じて誤差量積分器１６を切り替えるための切り替え手段A、１８は制御量演算手段１８内に設けられ位相検出手段５より得られる位相に応じて誤差量積分手段１５内に設けられた誤差量積分器１６を選択する切り替え手段Bである。
【００５２】
また、１９は負荷入力または補償出力から系統電源状態または電源高調波発生負荷動作状態を判断する運転状態判断手段、２０は誤差積分器１６の出力および誤差量演算手段１４から得られる誤差量から運転状態判断手段１９の判断結果に応じて制御量を演算する制御量演算手段、２１は電源高調波発生負荷２および電源高調波抑制装置３を系統電源１に接続する受電点である。
【００５３】
上記のように構成された電源高調波抑制装置の動作について図１を用いて説明する。なお、電源高調波抑制装置には負荷入力に含まれる高調波電流を補償する電流補償型のものと高調波電圧を補償する電圧補償型のものがあるがここでは前者の電流補償型を例にとり説明する。さらに、ここでは系統電源を３相電源とした場合を例にとり説明する。
【００５４】
電源高調波抑制装置３の補償出力指令値演算手段１３および誤差量演算手段１４および誤差量積分手段１５および制御量演算手段２０は制御周期dtにて離散時間的に処理を行う。ここで、制御周期dtと系統電源１の周波数fsが決まれば電源電圧１周期内に生じる制御回数NがN(整数値)=１/(fs・dt)により得られるため、誤差量積分器１６の数はN個となる。
【００５５】
ここでは、制御周期dtをキャリア周期と同周期とする。ここで、キャリア周期とは、電源高調波抑制装置主回路９内に設けられたスイッチング素子をオン／オフ制御する周期である。また、制御周期dtは、キャリア周期と異なる周期、例えばキャリア周期の２倍の周期でもよい。
【００５６】
系統電源１に接続された電源高調波発生負荷２を動作させた場合、系統電源１側から電源高調波発生負荷２に電源高調波を含んだ電流が発生する。
【００５７】
位相検出手段５では、電源高調波抑制装置３に入力される電源電圧のゼロクロスから図２の波形(a)に示す電源電圧の位相θを演算により求める。図２の波形(a)のように電源電圧のゼロクロス直後の制御点での位相をθ0としその後制御周期dt毎にθ1、θ2、・・・・・・、θN-1とする(図２の(d))。つまり、電源１周期内にN個の制御点を設ける。位相検出手段５は前記制御位相θ0〜θN-1の値を求める。
【００５８】
高調波を含んだ負荷電流は、図２の波形(b)のようにそれぞれの制御位相θ毎に負荷入力検出器４にて負荷入力Ifとして検出される。補償出力指令値演算手段１３では負荷入力検出器４で検出された負荷入力Ifから電源高調波成分Ihを検出し電源高調波抑制装置３が補償する出力の補償出力指令値Ia_refを演算により求める。その波形を図２の波形(c)に示す。
【００５９】
誤差量演算手段１４では、補償出力指令値Ia_refと実際に電原高調波抑制装置主回路が出力している補償出力Iaとを比較し、補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの誤差量Ia_errを演算する。
【００６０】
誤差量積分手段１５内には制御位相θに対応するN個の誤差量積分器１６を有しており、誤差量Ia_errは制御位相θに応じて切り替え手段A １７により選択された誤差量積分器１６により積分され、制御位相θに応じて切り替え手段B １８により選択された誤差積分器１６より得られる誤差積分値Ia_err_iを出力する。
【００６１】
運転状態判断手段１９は負荷入力の検出結果Ifまたは補償出力Iaまたは負荷入力Ifと補償入力Iaの両方から系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断する。詳しく言えば電源状態の変化あるいは悪化さらには電源高調波発生負荷２の不安定動作の影響により電源高調波抑制装置３の動作が電源高調波を抑制できず、かえって電源高調波を増加させてしまう状態であるかないかを判断する。負荷入力Ifの電源周期ごとの変動が所定値を超えた場合または補償出力Iaが発振した場合制御量抑制信号Srを出力する。
【００６２】
ここで、制御量抑制信号Srを出力するか否かを判断する基準の例について説明する。まず、電源周期数周期における同位相の負荷入力のピークの最大値と最小値を比較し、その差が所定値を超えた場合、または、電源１周期における負荷入力の最大値を前周期の最大値と比較しその差が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６３】
また、系統電源１の電圧において電源周期数周期における同位相の電圧の最大値と最小値を比較しその差が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６４】
また、系統電源１の電圧において電源周期１周期の最大値と前周期の最大値とを比較しその差が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６５】
さらに、系統電源１の電圧においてその周波数変動が所定値を超えた場合、系統電源環境が悪化したと判断し、制御量抑制信号Srを出力する。
【００６６】
制御量演算手段２０では、誤差量積分手段１５の出力Ia_err_iまたは誤差量Ia_errまたはIa_err_iとIa_errの両方から補償出力指令値Ia_refと補償出力Iaとの誤差量Ia_errを０とするための制御量Ia_cntを演算する。制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインの低下あるいは演算手段の変更により制御量を抑制あるいは制御を停止し、電源高調波の増加という系統電源への悪影響を回避する。
【００６７】
制御信号発生手段１２では制御量Ia_cntに応じた電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御信号(PWM信号)Ipwmを出力する。制御信号Ipwmをもとにゲート駆動回路１１は電源高調波抑制装置主回路９内のスイッチング素子をオン／オフ制御する。それにより電源高調波抑制装置主回路９より補償出力電流が発生する。この補償出力電流は交流リアクタ７およびノイズフィルタ６を介して系統電源１に供給される。
【００６８】
図２の波形(b)に示すように、インバータを搭載した空気調和機により発生する負荷入力電流波形Ifは電源周期と同期した周期的な波形となる。そのため、電源高調波を補償するための補償出力指令値Ia_refも電源周期に同期した周期的な波形となる。つまり、電源周期毎の同電源電圧位相における補償出力は毎周期ほぼ同出力となる。従って、電源１周期において電源の位相を検出し、位相に応じた補償出力を毎周期出力することにより電源高調波の抑制能力を向上できる。
【００６９】
さらに、図３の波形(a)〜(d)に図１の各部の波形を示す。図３の波形(a)は３相電源を用いる電源高調波発生負荷２により発生する電源高調波を含んだ１相あたりの負荷入力電流Ifの波形である。また、図３の波形(b)は波形(a)の負荷入力電流Ifから補償出力指令値演算手段１３より求められる補償出力指令値Ia_refの波形である。また、図３の波形(c)は図１のように構成した装置を上記のように動作させた場合に生じる補償出力Iaの波形である。さらに、図３の波形(d)は負荷入力Ifが補償電流Iaにより正弦波状に補償された系統電源側に流れる電流Isの波形である。
【００７０】
図３に示すとおり、上記の動作により、補償出力指令値Ia_refに対し、実際の補償出力Iaが補償出力指令値Ia_refの急峻な変化にも遅れなく追従できるようになり、図３の波形(d)に示すように負荷入力Ifが急峻に変化する位相に生じていた系統電源側に流れ込む電流IsのスパイクSpを抑えることが可能となる。つまり、電源高調波抑制装置の電源高調波抑制能力を向上することが可能となる。
【００７１】
ここでは電源高調波抑制の対象として高調波電流を例にとり説明を行ったが、高調波電圧に関しても同様の動作にて補償が可能である。また、ここで用いた例では系統電源１を３相電源として説明を行ったが、単相電源においても同様の動作で電源高調波抑制が可能であることは言うまでもない。
【００７２】
図４は補償出力指令値Ia_refから制御量Ia_cntを導出するまでの行程(誤差量演算手段１４および誤差量積分手段１５および制御量演算手段２０)の流れを示した制御ブロック図であるが、この制御ブロックは繰り返し制御を用いた制御手段であり、電源高調波抑制装置３内の制御回路組み込まれたマイクロコンピュータの中で演算処理される。
【００７３】
図４に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、２２は繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部２２内の制御ゲインである。
【００７４】
その制御演算の流れは次のようになる。まず、補償出力指令値演算手段１３にて導出された補償電力指令値Ia_refは実際の補償出力Iaと比較され、その差が誤差量Ia_errとなる。誤差量Ia_errはN制御周期前の誤差量Ia_errとの和をとり再びN個の１サンプル遅れのループに入る。
【００７５】
仮に現在の誤差量Ia_errの位相をθ0とすると、１電源周期内の制御周期の数はNであるので、N周期前の位相もθ0となる。つまり、電源周期毎に、同位相θの誤差量が積分されることとなる。
【００７６】
同位相の誤差量の積分値はNサンプル遅れの後、制御ゲインkcが乗じられ制御量Ia_cntとして出力する。制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインkcの値を低下させ制御量Ia_cntを抑制する。
【００７７】
ここで、上記制御ブロックで示した処理をマイクロコンピュータの中で実現する手段は次のようになる。まず、電源１周期内の制御点の数Nの分だけメモリを用意する。それぞれのメモリを位相θ0からθN-1用のメモリとして振り分け、位相θに応じたメモリの保持する値に誤差量Ia_errを加える。
【００７８】
制御量Ia_cntは制御周期の位相θに応じたメモリθ0〜θN-1を選択し、保持された値Ia_err_iに制御ゲインkcを乗じて求められる。
【００７９】
このように電源高調波抑制装置の制御手段を構成することで以下のような効果が得られる。電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、電源周期に同期した補償出力が可能となる。そのため電源周期に同期した電源高調波発生負荷の負荷入力に対し、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【００８０】
また、電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、位相毎に制御量を発生することが可能となり、負荷出力が急峻に変化する位相において、補償出力の追従性が上昇し、電源高調波抑制能力が向上できる。
【００８１】
さらに、電源１周期において制御周期により分割された位相毎に誤差量の積分器を設けることで、位相θにおける過去の誤差量の情報が保持され、現周期あるいは先の周期の負荷入力を予測することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【００８２】
運転状態判断手段１９により、負荷入力あるいは補償出力の状態から、系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断することにより、電源高調波抑制装置の動作が電源高調波を抑制できずかえって電源高調波を増加させてしまう状態に、制御手段を変更させあるいは制御ゲインを低下させ、系統電源への悪影響を回避することが可能となる。
ここで、制御手段の変更には制御を停止し、電源高調波抑制装置が電源高調波抑制動作をやめることも含まれる。
【００８３】
実施の形態２．
図５〜８は実施の形態２を示す図で、図５は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(１)、図６は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(２)、図７は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(３)、図８は電源高調波抑制装置の制御ブロック図(４)である。
【００８４】
図５に示す制御ブロックは、繰り返し制御と比例制御を用いた制御手段であり、電源高調波抑制装置３内の制御回路組み込まれたマイクロコンピュータの中で演算処理される。
【００８５】
図５に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、２２は繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部２２内の制御ゲイン、２５は比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲインである。
【００８６】
その制御演算の流れは次のようになる。まず、補償出力指令値演算手段にて導出された補償電力指令値Ia_refは実際の補償出力Iaと比較され、その差が誤差量Ia_errとなる。ここで１/zは１制御周期出力を遅らせる１サンプル遅れである。誤差量Ia_errはN制御周期前の誤差量Ia_errとの和をとり再びN個の１サンプル遅れのループに入る。
【００８７】
仮に現在の誤差量Ia_errの位相をθ0とすると、１電源周期内の制御周期の数はNであるので、N周期前の位相もθ0となる。つまり、電源周期毎に、同位相θの誤差量が積分されることとなる。
【００８８】
同位相の誤差量の積分値はNサンプル遅れの後制御ゲインkcが乗じられ、さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものとを足しあわされた後制御量Ia_cntとして出力する。制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインkcの値あるいは比例ゲインkciあるいは制御ゲインkcおよび比例ゲインkciの両方を低下させ制御量Ia_cntを抑制する。または制御ゲインkcを０とし、比例制御のみの制御を行う。
【００８９】
ここで、上記制御ブロックで示した処理をマイクロコンピュータの中で実現する手段は次のようになる。まず、電源１周期内の制御点の数Nの分だけメモリを用意する。それぞれのメモリを位相θ0からθN-1用のメモリとして振り分け、位相θに応じたメモリの保持する値に誤差量Ia_errを加える。
【００９０】
制御量Ia_cntは制御周期の位相θに応じたメモリθ0〜θN-1を選択し、保持された値Ia_err_iに制御ゲインkcを乗じたものと、さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものとを加えて求められる。
【００９１】
このように電源高調波抑制装置の制御手段を構成することで以下のような効果が得られる。電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、電源周期に同期した補償出力が可能となる。そのため電源周期に同期した電源高調波発生負荷の負荷入力に対し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９２】
また、電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、位相毎に制御量を発生することが可能となり、負荷出力が急峻に変化する位相において、補償出力の追従性が上昇し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９３】
また、電源１周期において制御周期により分割された位相毎に誤差量の積分器を設けることで、位相θにおける過去の誤差量の情報が保持され、現周期あるいは先の周期の負荷入力を予測することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９４】
さらに上記繰り返し制御のみでなく誤差量の比例量を用いる比例制御を合わせて用いることで、電源周期と異なる周期の瞬間的な負荷入力の変化にも追従が可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【００９５】
運転状態判断手段により、負荷入力あるいは補償出力の状態から、系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断することにより、電源高調波抑制装置の動作が電源高調波を抑制できずかえって電源高調波を増加させてしまう状態に、制御手段を変更させあるいは制御ゲインを低下させ、系統電源への悪影響を回避することが可能となる。
ここで、制御手段の変更には制御を停止し、電源高調波抑制装置が電源高調波抑制動作をやめることも含まれる。
【００９６】
さらに、図６に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および積分制御を用いた制御手段や、図７に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および微分制御を用いた制御手段、さらには図８に示す制御ブロックのような繰り返し制御および比例制御および積分制御および微分制御を用いた手段においても同様の電源高調波抑制能力を向上させる効果を得ることができる。
【００９７】
ここで、図６または図７または図８に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、２２は繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部２２内の制御ゲイン、２５は比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲイン、２７は積分制御部、２８は積分制御部２７内の積分器、２９は積分制御部内の積分ゲイン、３０は微分制御部、３１は微分制御部３０内の微分手段、３２は微分制御部３０内の微分ゲインである。
【００９８】
実施の形態３．
図９は実施の形態３を示す図で、電源高調波抑制装置における制御ブロック図である。この制御ブロックは繰り返し制御と比例制御を用いた制御手段であり、制御量演算の演算時間遅れを補償するため、繰り返し制御の出力を位相を進めて出力するように構成したものである。この制御ブロックは電源高調波抑制装置３内の制御回路組み込まれたマイクロコンピュータの中で演算処理される。
【００９９】
図９に示す制御ブロックにおいて、１４は補償出力指令値Ia_refから補償出力Iaを差し引いて誤差量Ia_errを演算する誤差量演算手段、１６は位相毎に誤差量Ia_errを積分する誤差量積分手段、２０は制御量Ia_cntを演算する制御量演算手段、３３は出力位相を進める手段を備えた繰り返し制御部、２３はデジタル制御における出力を１制御周期遅らせる１サンプル遅れ、２４は繰り返し制御部３３内のの制御ゲイン、２５は比例制御部、２６は比例制御部２５内の比例ゲインである。
【０１００】
その制御演算の流れは次のようになる。
まず、補償出力指令値演算手段１３にて導出された補償電力指令値Ia_refは実際の補償出力Iaと比較され、その差が誤差量Ia_errとなる。ここで１/zは１制御周期出力を遅らせる１サンプル遅れである。誤差量Ia_errはN制御周期前の誤差量Ia_errとの和をとり再びN個の１サンプル遅れのループに入る。
【０１０１】
仮に現在の誤差量Ia_errの位相をθ0とすると、１電源周期内の制御周期の数はNであるので、N周期前の位相もθ0となる。つまり、電源周期毎に、同位相θの誤差量が積分されることとなる。
【０１０２】
マイクロコンピュータでの演算時間遅れを補償するため、N個の１サンプル遅れを通過する前の誤差量積分値に制御ゲインkcを乗じ、繰り返し制御の出力とする。つまり、現在の位相θより進んだ位相の誤差量積分値Ia_err_i を用いて繰り返し制御の出力を演算する。例えば現在の位相をθ0とし位相進み分を２制御周期とすると誤差量積分値にθ2のものを用いて繰り返し制御出力を求めることになる。さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものと繰り返し制御出力を足しあわせ、制御量Ia_cntとして出力する。
【０１０３】
制御量抑制信号Srが運転状態判断手段１９より出力されていた場合、制御ゲインkcの値あるいは比例ゲインkciあるいは制御ゲインkcおよび比例ゲインkciの両方を低下させ制御量Ia_cntを抑制する。または制御ゲインkcを０とし、比例制御のみの制御を行う。
【０１０４】
ここで、上記制御ブロックで示した処理をマイクロコンピュータの中で実現する手段は次のようになる。まず、電源１周期内の制御点の数Nの分だけメモリを用意する。それぞれのメモリを位相θ0からθN-1用のメモリとして振り分け、位相θに応じたメモリの保持する値に誤差量Ia_errを加える。
【０１０５】
制御量Ia_cntは制御周期の位相θに応じ演算時間遅れを補償する進み位相となるメモリθ0〜θN-1を選択し、保持された値Ia_err_i に制御ゲインkcを乗じたものと、さらに誤差量Ia_errに比例ゲインkciを乗じたものとを加えて求められる。
【０１０６】
このように電源高調波抑制装置の制御手段を構成することで以下のような効果が得られる。電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、電源周期に同期した補償出力が可能となる。そのため電源周期に同期した電源高調波発生負荷の負荷入力に対し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１０７】
また、電源周期１周期において制御周期により分割された位相毎に、誤差量の積分値を設けることで、位相毎に制御量を発生することが可能となり、位相に依存した負荷出力の急峻に変化に対し補償出力の追従性が上昇し、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１０８】
また、電源１周期において制御周期により分割された位相毎に誤差量の積分器を設けることで、位相θにおける過去の誤差量の情報が保持され、現周期あるいは先の周期の負荷入力を予測することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１０９】
また、繰り返し制御の出力時に数制御周期位相の進んだ誤差量積分量を用いることで、負荷入力検出から制御量を演算し実際に補償出力に反映されるまでの演算遅れ時間を補償することが可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１１０】
さらに上記繰り返し制御のみでなく誤差量の比例量を用いる比例制御を合わせて用いることで、電源周期と異なる周期の瞬間的な負荷入力の変化にも追従が可能となり、電源高調波抑制能力を向上できる。
【０１１１】
運転状態判断手段により、負荷入力あるいは補償出力の状態から、系統電源の状態、あるいは電源高調波発生負荷の動作状態を判断することにより、電源高調波抑制装置の動作が電源高調波を抑制できずかえって電源高調波を増加させてしまう状態に、制御手段を変更させあるいは制御ゲインを低下させ、系統電源への悪影響を回避することが可能となる。
ここで、制御手段の変更には制御を停止し、電源高調波抑制装置が電源高調波抑制動作をやめることも含まれる。
【０１１２】
さらに、図６に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および積分制御を用いた制御手段や、図７に示す制御ブロックのように繰り返し制御および比例制御および微分制御を用いた制御手段、さらには図８に示す制御ブロックのような繰り返し制御および比例制御および積分制御および微分制御を用いた手段においても同様の位相進み出力手段を用いることで電源高調波抑制能力を向上させる効果を得ることができる。
【０１１３】
実施の形態４．
空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することで発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１４】
実施の形態５．
インバータで駆動される圧縮機を備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１５】
実施の形態６．
インバータで駆動される直流ブラシレスモータを有する圧縮機を備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１６】
実施の形態７．
インバータで駆動される誘導電動機を有する圧縮機を備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１７】
実施の形態８．
インバータで駆動されるファンモータを備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１８】
実施の形態９．
インバータで駆動される直流ブラシレスモータを有するファンモータを備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１１９】
実施の形態１０．
インバータで駆動される誘導電動機を有するファンモータを備えた空気調和機に、本発明による電源高調波抑制装置を接続することでインバータにより発生する電源高調波を抑制した空気調和機を得ることができる。
【０１２０】
【発明の効果】
この発明に係る電源高調波抑制装置は、電源電圧位相を検出する位相検出手段と、毎周期同位相において負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、位相毎に補償出力指令と電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、位相毎に誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、記憶された誤差量の積分値をから補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、制御量から電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、を備え、制御信号に基づいて、電源高調波抑制装置制御回路は、電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御することで、負荷入力が急峻に変化する位相を予測し、補償出力指令値と実際の補償出力との差が極力なくなるように、電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御するための制御量を出力し、補償出力の制御量は、所定の位相だけ進んだ位相に対応する位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求められるように構成したので、電源高調波抑制能力を向上することができる。さらにマイクロコンピュータでの演算時間遅れによる補償電流の遅れ分を補償することができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２１】
また、補償出力指令値を演算する位相周期はキャリア周期に同期した位相とすることで、位相周期毎に補償出力を可変できるため電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２２】
また、補償出力指令値を演算する位相周期はキャリア周期と異なる周期とすることで演算周期とキャリア周期とを同じ周期にできないときであっても同様の制御手段を備えた電源高調波抑制装置を得ることができる。
【０１２３】
また、補償出力の制御量は誤差量と位相毎に記憶された誤差量の積分値の両方から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２４】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で突発的に発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２５】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で突発的に発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２６】
また、補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求めることにより、電源周期と異なる周期で突発的に発生する負荷入力の変化にも追従する補償出力を得ることができ、電源高調波抑制能力を向上することができる。
【０１２８】
また、制御量の演算手段は高調波発生負荷の負荷入力に応じて変更することにより、系統電源の電源環境の悪化により電源高調波抑制装置が電源高調波を補償しきれずかえって電源高調波を増加させてしまうような系統電源に与える悪影響を回避することができる。
【０１２９】
また、制御量の演算手段は実際の補償出力に応じて変更することにより、系統電源の電源環境の悪化により電源高調波抑制装置が電源高調波を補償しきれずかえって電源高調波を増加させてしまうような系統電源に与える悪影響を回避することができる。
【０１３０】
また、制御量の演算手段は系統電源の状態に応じて変更することにより、系統電源の電源環境の悪化により電源高調波抑制装置が電源高調波を補償しきれずかえって電源高調波を増加させてしまうような系統電源に与える悪影響を回避することができる。
【０１３１】
また、負荷入力と補償出力は電流とすることにより、高調波電流を補償する電源高調波抑制装置を得ることができる。
【０１３４】
また、接続される系統電源は３相電源とすることにより、３相電源で用いられる電源高調波発生負荷の発生する電源高調波を補償する電源高調波抑制装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１を示す図で、電源高調波抑制装置の構成図である。
【図２】 実施形態１を示す図で、図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図（１）である。
【図３】 実施形態１を示す図で、図１の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図（２）である。
【図４】 実施の形態１を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図である。
【図５】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（１）である。
【図６】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（２）である。
【図７】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（３）である。
【図８】 実施の形態２を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図（４）である。
【図９】 実施の形態３を示す図で、電源高調波抑制装置の制御ブロック図である。
【図１０】 従来の一般的な電源高調波抑制装置を示す構成図である。
【図１１】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（１）である。
【図１２】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（２）である。
【図１３】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（３）である。
【図１４】 従来の電源高調波抑制装置における制御ブロック図（４）である。
【図１５】 従来の電源高調波抑制装置における各部の波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 系統電源、２ 電源高調波発生負荷、３ 電源高調波抑制装置、４ 負荷入力検出器、５ 位相検出手段、６ ノイズフィルタ、７ 交流リアクタ、８ 補償出力検出器、９ 電源高調波抑制装置主回路、１０ 電解コンデンサ、１１ゲート駆動回路、１２ 制御信号発生手段、１３ 補償出力指令値演算手段、１４ 誤差量演算手段、１５ 誤差量積分手段、１６ 誤差量積分器、１７ 切り替え手段A、１８ 切り替え手段B、１９ 運転状態判断手段、２０ 制御量演算手段、２１受電点。
Claims (12)
- 系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、前記高調発生負荷の負荷入力を検出し、前記負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、前記高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、
電源電圧位相を検出する位相検出手段と、
毎周期同位相において、前記負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、
前記位相毎に前記補償出力指令と前記電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、
前記位相毎に前記誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、
前記記憶された誤差量の積分値から前記補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、
前記制御量から前記電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、
を備え、前記制御信号に基づいて、前記電源高調波抑制装置制御回路は、前記電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記補償出力の制御量は、所定の位相だけ進んだ位相に対応する位相毎に記憶された誤差量積分値から演算により求められることを特徴とする電源高調波抑制装置。 - 系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、前記高調発生負荷の負荷入力を検出し、前記負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、前記高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、
電源電圧位相を検出する位相検出手段と、
毎周期同位相において、前記負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、
前記位相毎に前記補償出力指令と前記電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、
前記位相毎に前記誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、
前記記憶された誤差量の積分値から前記補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、
前記制御量から前記電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、
を備え、前記制御信号に基づいて、前記電源高調波抑制装置制御回路は、前記電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記補償出力の制御量は誤差量と位相毎に記憶された誤差量の積分値の両方から演算により求められることを特徴とする電源高調波抑制装置。 - 系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、前記高調発生負荷の負荷入力を検出し、前記負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、前記高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、
電源電圧位相を検出する位相検出手段と、
毎周期同位相において、前記負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、
前記位相毎に前記補償出力指令と前記電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、
前記位相毎に前記誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、
前記記憶された誤差量の積分値から前記補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、
前記制御量から前記電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、
を備え、前記制御信号に基づいて、前記電源高調波抑制装置制御回路は、前記電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と位相毎に記憶された誤差量積分値とから演算により求められることを特徴とする電源高調波抑制装置。 - 系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、前記高調発生負荷の負荷入力を検出し、前記負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、前記高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、
電源電圧位相を検出する位相検出手段と、
毎周期同位相において、前記負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、
前記位相毎に前記補償出力指令と前記電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、
前記位相毎に前記誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、
前記記憶された誤差量の積分値から前記補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、
前記制御量から前記電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、
を備え、前記制御信号に基づいて、前記電源高調波抑制装置制御回路は、前記電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記補償出力の制御量は誤差量と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求められることを特徴とする電源高調波抑制装置。 - 系統電源に接続された高調波発生負荷に並列に接続され、前記高調発生負荷の負荷入力を検出し、前記負荷入力に含まれる高調波成分を抽出し、前記高調波成分を相殺するための補償出力をスイッチング素子のオン／オフ制御により発生させる電源高調波抑制装置において、
電源電圧位相を検出する位相検出手段と、
毎周期同位相において、前記負荷入力をもとに補償出力指令値を演算する補償出力指令値演算手段と、
前記位相毎に前記補償出力指令と前記電源高調波抑制装置主回路が出力する実際の補償出力との誤差量を演算する誤差量演算手段と、
前記位相毎に前記誤差量を電源高調波抑制装置の動作開始から所定時間経過後より積分し記憶する誤差量積分手段と、
前記記憶された誤差量の積分値から前記補償出力の制御量を演算する制御量演算手段と、
前記制御量から前記電源高調波抑制装置主回路の制御信号を出力する制御信号出力手段と、
を備え、前記制御信号に基づいて、前記電源高調波抑制装置制御回路は、前記電源高調波抑制装置主回路内のスイッチング素子をオン／オフ制御し、前記補償出力の制御量は誤差量と誤差量の積分値と誤差量の変化量と位相毎に記憶された誤差量の積分値から演算により求められることを特徴とする電源高調波抑制装置。 - 前記補償出力指令値を演算する位相は、キャリア周期に同期した位相であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
- 前記補償出力指令値を演算する位相は、キャリア周期と異なる周期であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
- 前記制御量演算手段は、高調波発生負荷の負荷入力に応じて変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
- 前記制御量演算手段は、実際の補償出力に応じて変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
- 前記制御量の演算手段は系統電源の状態に応じて変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
- 前記負荷入力と前記補償出力は電流であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
- 接続される系統電源は３相電源であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電源高調波抑制装置。
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