JP5038726B2

JP5038726B2 - 位相制御装置

Info

Publication number: JP5038726B2
Application number: JP2007003759A
Authority: JP
Inventors: 均村上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: JP2008172931A

Description

本発明は、サイリスタ整流器の位相制御装置に関する。

一般に、位相制御装置においては、サイリスタ整流器の交流電源の周波数が変化したときにも、サイリスタ整流器の出力特性が周波数変化に影響を受けないことが望まれる。そこで、位相制御指令に対応した位相のパルスを発生するようにしている。このような位相制御装置としては、サイリスタ整流器の交流電源の周波数を検出し、その周波数と比例した速度でパルス出力位相角の計測を行うというものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許第２７９５９５６号公報

しかし、特許文献１ものでは、周波数検出部の構成が複雑であるため、装置が複雑で高価になる。すなわち、交流電源の周期を検出し、その周期の逆数演算により周波数を算出して、さらにその周波数と比例した位相計測を行うためにレートマルチエンコーダを備える必要がある。

本発明の目的は、簡単な構成で優れた周波数特性を提供することのできる位相制御装置を得ることである。

本発明の位相制御装置は、サイリスタ整流器の交流電源を矩形波信号に変換して出力するゼロクロス検出部と、前記ゼロクロス検出部の前段に設けられる低域通過フィルタと、前記矩形波信号の周期を計数して周期と比例した周期計数値を出力する周期計数部と、前記周期計数部からの周波数計測値を正規化し位相制御指令値に正規化した前記周期計数値を乗算して位相角指令値を求め、この位相角指令値に対し、前記低域通過フィルタの周波数特性による位相遅れを補償する処理を施した後の位相角指令値を出力する指令値補正部と、前記ゼロクロス検出部からの前記矩形波信号の立ち上がりまたは立ち下がり時に前記指令値補正部からの位相角指令値をカウント値にプリセットすると共にプリセットされたカウント値を逐次更新するカウンタと、前記カウント値が所定値に達したときに所定パルス幅のパルスを前記サイリスタ整流器へ出力するパルス発生部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、サイリスタ整流器の交流電源の周波数が変化したときにも優れた周波数特性の位相制御装置を提供できる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる位相制御装置の構成図である。サイリスタ整流器１の交流電源２から変圧器５を介して得た交流電圧ＥＡは、位相制御装置４のゼロクロス検出部４１に入力される。ゼロクロス検出部４１は交流電圧ＥＡのゼロクロス点を検出して交流電圧ＥＡを矩形波信号ＳＳに変換して出力するものである。ゼロクロス検出部４１で得られた矩形波信号ＳＳは周期計測部４２及びカウンタ４４に入力される。周期計測部４２は矩形波信号ＳＳの周期を計数し、計数した周期と比例した周期計数値ＴＷを指令値補正部４３に出力する。

指令値補正部４３には、周期計測部４２からの周期計数値ＴＷと制御装置６から得た位相制御指令ＣＳ１とが入力され、位相制御指令ＣＳ１を周期計数値ＴＷで補正した位相角指令値ＣＳ２をカウンタ４４に出力する。カウンタ４４は、ゼロクロス検出部４１からの矩形波信号ＳＳの立ち上がり時に、指令値補正部４３からの位相角指令値ＣＳ２をカウント値としてプリセットする。そして、プリセットしたカウント値を逐次更新してカウント値がゼロになったときにパルス出力条件ＣＯを有効とする。

パルス発生部４５はパルス出力条件ＣＯの立ち上がり時に、所定パルス幅のパルスＰＬを出力する。パルスＰＬはサイリスタ整流器１に供給され、サイリスタ整流器１はこのパルスＰＬに基づいて直流負荷３の直流電力を制御する。

図２は位相制御装置４の指令値補正部４３の構成図である。指令値補正部４３は、正規化部４３ａと乗算部４３ｂとを備え、正規化部４３ａは周期計数値ＴＷを正規化し、正規化した周期正規化値ＲＷを乗算器４３ｂに出力する。乗算部４３ｂは、制御装置６からの位相制御指令ＣＳ１と正規化部４３ａで得られた周期正規化値ＲＷとを乗算して位相角指令値ＣＳ２を求め、カウンター４４に出力する。

図３は本発明の実施の形態に係わる位相制御装置４の動作を説明する波形図である。図３において、カウント値ＣＮＴはカウンタ４４のカウント値を示している。まず、ゼロクロス検出部４１は、交流電圧ＥＡが正の期間に高値、負の期間に低値を示す矩形波信号ＳＳを出力する。周波数計数部４２は矩形波信号ＳＳの立ち上がりｔ１から次の立ち上がりｔ３までの時間を計数して周期計数値ＴＷを得ている。

指令値補正部４３は周期計数値ＴＷを正規化した周期正規化値ＲＷと制御装置６からの位相制御指令ＣＳ１とを乗算して位相角指令値ＣＳ２を求め、矩形波信号ＳＳの立ち上がり時ｔ１に、カウンタ４４は指令値補正部４３で求めた位相角指令値ＣＳ２を読み取り、カウント値ＣＮＴとして位相角指令値ＣＳ２を格納する。

その後、カウンタ４４はダウンカウントを行い、カウント値ＣＮＴは下降する。そして、カウント値ＣＮＴがゼロに達した時刻ｔ２でカウントを停止してパルス出力条件ＣＯを出力し、次に矩形波信号ＳＳの立ち上がりが発生する時刻ｔ３までその状態を維持する。パルス発生部４５によって、パルス出力条件ＣＯの立ち上がり時刻ｔ２において所定のパルス幅ｔｐのパルスＰＬを出力する。

次に、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間において位相制御指令ＣＳ１が減少した場合の動作を説明する。時刻ｔ３においてカウント値ＣＮＴは位相角指令値ＣＳ２を読み取るが、この位相角指令値ＣＳ２は位相制御指令ＣＳ１と比例するので、時刻ｔ１に読み取った位相角指令値ＣＳ２よりも低い値となる。時刻ｔ３に位相角指令値ＣＳ２を読み取ったカウンタ４４はダウンカウントを行い、カウント値ＣＮＴは下降し、カウント値ＣＮＴがゼロに達した時刻ｔ４でカウントを停止してパルス出力条件ＣＯを出力する。

従って、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間隔よりも短い時間である時刻ｔ３から時刻ｔ４の間隔においてカウント値ＣＮＴがゼロに到達してパルスＰＬを出力する。このように、位相制御指令ＣＳ１が減少するとパルスＰＬの位相が進み方向に制御され、逆に位相制御指令ＣＳ１が増加するとパルスＰＬの位相が遅れる方向に制御される。

次に、交流電圧ＥＡの周波数が変化した場合の動作を説明する。時刻ｔ７は、時刻ｔ５よりも交流電圧ＥＡの周波数が高くなった状態を示している。交流電圧ＥＡの周波数の上昇に反比例して周期計数値ＴＷが低下し、周期計数値ＴＷと位相角指令値ＣＳ２は比例関係にあるので、時刻ｔ７におけるカウント値ＣＮＴの値は時刻ｔ５の時よりも低くなる。この状態からカウンタ４４はダウンカウントを行い、カウント値ＣＮＴは下降し、カウント値ＣＮＴがゼロに達した時刻ｔ８でカウントを停止してパルス出力条件ＣＯを出力する。

従って、時刻ｔ５から時刻ｔ６の間隔よりも短い時間である時刻ｔ７から時刻ｔ８の間隔においてカウント値ＣＮＴがゼロに到達してパルスＰＬを出力する。このように、交流電圧ＥＡの周波数の変化に反比例してパルスＰＬが出力するまでの時間が変化するので、周波数が変化してもパルスＰＬの出力する位相角は変化しない。

第１の実施の形態によれば、位相制御指令ＣＳ１の変化に応じてパルスＰＬの出力位相を制御するので、交流電圧ＥＡの周波数が変化してもパルスＰＬの出力位相に影響を及ぼさない位相制御装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる位相制御装置４の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ゼロクロス検出部４１の前段に低域通過フィルタ４６を設けると共に、指令値補正部４３に低域通過フィルタ４６の周波数特性による位相遅れを補償する機能を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４に示すように、ゼロクロス検出部４１の前に低域通過フィルタ４６が設けられている。これに伴い、指令値補正部４３の内部構成を変更し、後述するように、低域通過フィルタ４６の周波数特性による位相遅れを補償する機能を設ける。

サイリスタ整流器１が動作すると、交流電源２のインピーダンスの影響により交流電圧ＥＡに波形歪みが生じるが、その波形歪みの影響によりゼロクロス検出部４１の動作が不安定になることがある。すなわち、交流電圧ＥＡのゼロクロス近傍に波形歪みが発生すると、ゼロクロス検出が誤動作して矩形波信号ＳＳに不正な波形を出力する場合がある。

そこで、この交流電圧ＥＡの波形歪みの影響を除去するために、ゼロクロス検出部４１の前に低域通過フィルタ４６を設けて、交流電圧ＥＡの波形から高調波成分を除去した交流電圧ＥＢをゼロクロス検出部４１に入力するように構成している。

一方、低域通過フィルタ４６は周波数特性を有しており、交流電圧ＥＡの周波数が変動すると交流電圧ＥＡに対する低域通過フィルタ４６を通した交流電圧ＥＢの位相遅れ角が変化する。この周波数特性は、周波数が変化してもパルスＰＬの出力する位相角は変化させないことに悪影響を及ぼすことになる。そこで、この悪影響を除去するために指令値補正部４３に、低域通過フィルタ４６の周波数特性による位相遅れを補償する機能を設ける。

図５は本発明の第２の実施の形態に係わる指令値補正部４３の構成図である。指令値補正部４３は、図２に示した第１の実施の形態の指令値補正演算部４３に対し補正部４３ｃ及び加算部４３ｄが追加して設けられている。正規化部４３ａは周期計数値ＴＷを正規化した周期正規化値ＲＷを出力するものであり、乗算部４３ｂは制御装置６からの位相制御指令ＣＳ１と周期正規化値ＲＷとを乗算した位相角指令値ＣＳ３を出力する。補正部４３ｃは周期正規化値ＲＷから周波数特性補正値ＣＶを算出して出力する。また、加算部４３ｄは乗算部４３ｂからの位相角指令値ＣＳ３と補正部４３ｃからの周波数特性補正値ＣＶとを加算した位相角指令値ＣＳ２を出力する。

次に、図６及び図７を用いて低域通過フィルタ４６の周波数特性と補正部４３ｃの関数との関係を説明する。図６は、低域通過フィルタ４６の周波数特性を示す特性図であり、周期正規化値ＲＷに対する位相角の関係を示している。図６において、交流電圧ＥＡの周波数が上昇して周期正規化値ＲＷが点ａに移動すると、位相角＋θａだけ位相遅れが増加する方向の特性であることを示している。

図７は、補正部４３ｃが周期正規化値ＲＷから周波数特性補正値ＣＶを算出するための関数を示している。この関数は図６の低域通過フィルタ４６の周波数特性と正負が逆の特性を持たせている。すなわち、交流電圧ＥＡの周波数が上昇して周期正規化値ＲＷが点ａに移動すると、位相角−θａだけ位相角が進む方向の特性としている。

従って、交流電圧ＥＡの周波数が上昇した場合には、低域通過フィルタ４６の周波数特性により交流電圧ＥＡに対する交流電圧ＥＢの位相遅れが増加するが、その位相遅れに相当する周波数特性補正値ＣＶが位相角指令値ＣＳ２を低下させてパルスＰＬの位相を進める方向に作用する。

第２の実施の形態によれば、交流電圧ＥＡの波形歪みの影響を除去できると共に、低域通過フィルタ４６の周波数特性を周波数特性補正値ＣＶで相殺することができるので、交流電圧ＥＡの周波数が変化してもパルスＰＬの出力位相に影響を及ぼさない位相制御装置を提供することができる。

（第３の実施の形態）
図８は本発明の第３の実施の形態に係わる位相制御装置４における指令値補正部４３の構成図である。この第３の実施の形態は、図５に示した第２の実施の形態の指令値補正部４３に対し、正規化部４３ａの前段に変化率制限部４３ｅを設けたものである。図５に示した第２の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図８において、正規化部４３ａの前段に変化率制限部４３ｅが設けられている。変化率制限部４３ｅは周期計数値ＴＷを入力し、周期計数値ＴＷの変化率が所定の値よりも小さいときは周期計数値ＴＷと同一値の周期変化率制限値ＦＷを出力し、周期計数値ＴＷの変化率が所定の値よりも大きいときは制限を加えた周期変化率制限値ＦＷの値を出力する。

従って、交流電圧ＥＡの波形歪みや外来ノイズ等の影響によりゼロクロス検出部４１が誤動作して一時的に不正な矩形波信号ＳＳを出力した場合に、周期計数値ＴＷも一時的に異常値を示すが、変化率制限部４３ｅが周期計数値ＴＷの変化を感知して周期変化率制限値ＦＷの値を維持することにより、正規化部４３ａ以降の動作に影響を及ぼさない。

第３の実施の形態によれば、交流電圧ＥＡの波形歪みや外来ノイズ等の影響によるゼロクロス検出部４１の誤動作に対しても正常な動作を継続することが可能な位相制御装置を提供することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、種々変形して実施可能である。例えば、サイリスタ整流器１の結線方式によって、低域通過フィルタ４６やゼロクロス検出部４１やカウンタ４４やパルス発生部４５が複数になることがあってもよい。また、パルスＰＬの電力増幅手段や故障検出を具備したり、位相制御装置４を多重化構成してパルス出力の切替手段を追加してもよい。

本発明の第１の実施の形態に係わる位相制御装置の構成図。本発明の第１の実施の形態に係わる位相制御装置の指令値補正部の構成図。本発明の実施の形態に係わる位相制御装置の動作を説明する波形図。本発明の第２の実施の形態に係わる位相制御装置の構成図。本発明の第２の実施の形態に係わる指令値補正部の構成図。本発明の第２の実施の形態における低域通過フィルタの周波数特性を示す特性図。本発明の第２の実施の形態における補正部が周期正規化値ＲＷから周波数特性補正値ＣＶを算出するための関数を示す特性図。本発明の第３の実施の形態に係わる位相制御装置における指令値補正部の構成図。

符号の説明

１…サイリスタ整流器、２…交流電源、３…直流負荷、４…位相制御装置、５…変圧器、６…制御装置、４１…ゼロクロス検出部、４２…周期計数部、４３…指令値補正部、４３ａ…正規化部、４３ｂ…乗算部、４４…カウンタ、４５…パルス発生部、４６…低域通過フィルタ

Claims

サイリスタ整流器の交流電源を矩形波信号に変換して出力するゼロクロス検出部と、前記ゼロクロス検出部の前段に設けられる低域通過フィルタと、前記矩形波信号の周期を計数して周期と比例した周期計数値を出力する周期計数部と、前記周期計数部からの周波数計測値を正規化し位相制御指令値に正規化した前記周期計数値を乗算して位相角指令値を求め、この位相角指令値に対し、前記低域通過フィルタの周波数特性による位相遅れを補償する処理を施した後の位相角指令値を出力する指令値補正部と、前記ゼロクロス検出部からの前記矩形波信号の立ち上がりまたは立ち下がり時に前記指令値補正部からの位相角指令値をカウント値にプリセットすると共にプリセットされたカウント値を逐次更新するカウンタと、前記カウント値が所定値に達したときに所定パルス幅のパルスを前記サイリスタ整流器へ出力するパルス発生部とを有することを特徴とする位相制御装置。
前記指令値補正部は前記周期計数値の変化率を制限する変化率制限部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の位相制御装置。