JP5048280B2 - インバータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置に係り、特に、一相を接地相とし、該接地相と他の二相との間にのみ出力回路を接続した三相線間電圧制御型のインバータを備えたインバータ装置に関する。
一般に、インバータは、正弦波三相電圧を出力する三相3線式では、フルブリッジ型の出力回路構成を採用している。すなわち、フルブリッジ型のインバータは、直列接続した2個の電力スイッチング素子の中点から出力を取り出すようにした出力回路を3組並列接続すると共に、該インバータの出力側にリアクトルとコンデンサとからなる3組のフィルタ回路を各相毎に接続する。
ハーフブリッジ型のインバータは、三相線間電圧制御型のインバータとして用いる場合、直列接続した2個の電力スイッチング素子の中点から出力を取り出すようにした出力回路を2組並列接続すると共に、直列接続した2個のコンデンサの中点から接地相を取り出し、三相3線式の負荷に交流電力を供給している。そして、インバータの接地相を除いた二相に、リアクトルとコンデンサとからなる2組のフィルタ回路を接続する。
しかしながら、三相平衡の正弦波電圧を出力するには、各相に高調波フィルタが必要となり、三相線間電圧制御型のインバータでは一相(接地相)にリアクトルとコンデンサからなるフィルタ回路がないため、三相負荷に電圧アンバランスが生じて自立(単独)運転時に負荷電圧(供給電圧)の平衡性が崩れるという問題がある。
なお、三相3線式電力系統に接続された不平衡負荷や送電経路のインピーダンス不平衡に起因して発生する電圧不平衡を改善するため、電力変換器(インバータ装置)を用いて補償電流を注入し、電圧不平衡を補償することが提案されている(特許文献1)。
特許第3173892号公報
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、一相分の出力回路およびフィルタ回路を省略し、回路構成を簡略化することで経済化しつつ、且つ、三相3線式負荷に三相平衡電圧を安定に供給することができる三相線間電圧制御型のインバータを備えたインバータ装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るインバータ装置は、或る相が接地した三相線間電圧制御型のインバータを備えたインバータ装置において、負荷側の三相目標相電圧Voを設定する手段と、前記負荷側の三相目標相電圧Voとなるようにインバータ出力の各相電圧の実効値及び位相をそれぞれ調整する出力電圧調整手段と、前記インバータ出力相電圧を接地相との間の線間電圧に変換し、前記三相線間電圧制御型のインバータを駆動する回路とを備え、前記出力電圧調整手段が、接地相以外の二相の電流実効値をそれぞれ検出する手段と、前記二相電流の実効値とリアクトル(リアクタンスL)により形成される電圧ωLIをそれぞれ演算し、前記リアクトル電圧値ωLIと前記負荷側の三相目標相電圧Vo を用いて、三相目標相電圧実効値Vo と比較し、その位相差Δθu、Δθwと実効値Vinv-u,Vinv-wを演算し、前記インバータが出力する相電圧を調整する手段と、を備えたことを特徴とするものである。
た、本発明の他の態様に係るインバータ装置は、或る相が接地した三相線間電圧制御型のインバータを備えたインバータ装置において、負荷側の三相目標相電圧Vo を設定する手段と、前記負荷側の三相目標相電圧Vo となるようにインバータ出力の各相電圧の実効値及び位相をそれぞれ調整する出力電圧調整手段と、前記インバータ出力相電圧を接地相との間の線間電圧に変換し、前記三相線間電圧制御型のインバータを駆動する回路とを備え、前記出力電圧調整手段が、負荷側の接地相以外の二相の実際相電圧実効値Vu,Vwと位相値θu、θwを検出する手段と、負荷側の実際相電圧実効値Vu,Vwと位相値θu、θwを用いて、前記三相目標相電圧実効値Voと比較して、それぞれのずれの位相差と電圧実効値の差を検出し、ずれの位相差と電圧実効値の差をゼロとするようにフィードバック制御することで、前記接地相以外の二相電圧のそれぞれの位相値及び電圧実効値を求める手段と、を備えたことを特徴とするものである
本発明では、負荷側の三相目標相電圧Voとなるようにインバータ側の前記接地相以外の二相電圧のそれぞれの位相値及び実効値を調整する出力電圧調整手段を備え、インバータ側の出力相電圧を不平衡(アンバランス)とすることで、三相3線式負荷に平衡(バランスした)三相電圧を供給することができる。従って、一相分の出力回路およびフィルタ回路を省略し、三相線間電圧制御型のインバータにより回路構成を簡略化することで経済化しつつ、三相3線式負荷に平衡三相電圧を供給できる。
特に、負荷側の実際相電圧実効値と位相値を検出し、三相目標相電圧Voからのずれの位相差と電圧実効値の差を検出し、ずれの位相差と電圧実効値の差をゼロとするように前記インバータが出力する相電圧をフィードバック制御することで、負荷自体のアンバランスおよびラインインピーダンスのアンバランスが存在しても、自動的に三相3線式負荷に平衡三相電圧を供給することができる。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。また、説明を簡略化するために、電圧、電流など交流項において、特別な説明がない場合は、全て実効値とする。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態のインバータ装置を示す。本実施形態ではV相が接地された場合について説明を行なう。インバータ装置10では、直流電源11の直流出力は、昇圧チョッパ12により昇圧され、コンデンサ(直流電源)13にDCリンク電圧で平滑される。そして、DCリンク電圧の直流電力がインバータ15により所定周波数および電圧の交流電力に変換され、三相3線式負荷16に供給される。三相3線式負荷16においては、通常V相が接地されている。直流電源11は、ガスタービン発電機や太陽電池などの分散型電源を含み、該電源から直流電力を供給するもので、直流電源11とインバータ装置10とをユニット化して、単一の装置として用いることができる。なお、インバータ装置10は、インバータ15と、その周辺の昇圧チョッパ12、フィルタ回路17、開閉器18、センサ回路および制御回路などを含み、直流電力を交流電力に変換する装置である。
インバータ15は、直列接続した2個の電力スイッチング素子の中点から出力(U相、W相)を取り出すようにした出力回路(アーム)を2組並列接続すると共に、直列接続した2個のコンデンサ13の中点から接地相(V相)を取り出すようにした三相線間電圧制御型の回路である。インバータ15は、上記電力スイッチング素子をパルス幅変調信号に従ってオン/オフ制御することにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、コンデンサ13の直流リンク電圧がパルス幅変調信号に従って出力され、リアクトルとコンデンサとからなるフィルタ回路17により高調波成分が除去され、これにより正弦波電圧波形がフィルタ回路17の出力側に形成される。
フィルタ回路17の出力側には開閉器18が設けられ、インバータ15の出力を負荷に接続または切断するようになっている。さらに、インバータ装置10の出力側には第2の開閉器19が設けられ、系統負荷16と接続または切断可能となっている。
第2の開閉器19が閉じられると、負荷16の三相線間電圧が電圧検出器により検出され、三相相電圧Vu,Vv,Vwとして、インバータ装置10の制御部20に取り込まれる。インバータ装置10の制御部20には、予め三相目標相電圧Voの振幅と位相が設定され、負荷側の電圧が三相目標相電圧Voとなるようにインバータ出力の各相電圧の実効値(振幅)及び位相をそれぞれ調整する出力電圧調整手段を備える。制御部20では、出力電圧調整手段により振幅と位相が調整された各相電圧を線間電圧に変換し、線間電圧正弦波波形によりパルス幅変調(PWM)信号を形成し、駆動回路21によりインバータ15の出力回路の電力スイッチング素子をオン・オフ駆動制御して矩形波状の波形を出力し、これをフィルタ回路17により高調波成分を除去することにより三相目標相電圧Voの正弦波電圧波形がリアクトル出力側(負荷16)に形成される。
従って、上記インバータ装置10は、三相線間電圧制御型のインバータ15を備えたインバータ装置であり、フルブリッジ型のインバータ装置と比較して出力回路とフィルタ回路とを一相分省略し、経済化したものであるが、二相分の出力回路にその出力電圧調整手段を備えることで、自立運転(単独運転)時に、三相3線式負荷16に平衡(バランス)した電圧を供給することができる。以下に、出力電圧調整手段について、具体的に説明する。
図2および図3は、第1の出力電圧調整手段を示す。図2(a)は、比較例としての一般的な線間電圧制御型インバータ装置の出力例を示し、インバータ15の出力電圧自体はバランスしているが、三相3線式負荷16に供給される負荷側電圧はバランスしていない(不平衡の)状態を示す。すなわち、インバータ出力相電圧Vinv-u、Vinv-v、Vinv-wがバランスするようにパルス幅変調信号が制御部20から出力され、上記相電圧Vinv-u、Vinv-v、Vinv-wの大きさが等しく且つ位相が120°づつずれて形成されている。
このため、負荷電流Iがゼロの時、すなわち、無負荷時は三相3線式負荷16に供給される負荷側相電圧Vu,Vv,Vwはバランスしている。しかしながら、負荷電流Iが流れるとフィルタ回路のリアクトル(リアクタンスL)にjωLIの電圧が形成される。V相は接地相であり、リアクトルは無く、U相とW相のみにリアクタンスLu,Lwが接続されているので、U相にjωLuIuの電圧が形成され、W相にjωLwIwの電圧がそれぞれリアクトルに形成される。このため、三相3線式負荷16に供給される三相相電圧Vu,Vv,Vwは、アンバランスとなり、歪んだ三角形Aとなる。
本発明のインバータ装置においては、三相線間電圧制御型のインバータにより出力される電圧を不平衡に調整して出力することで、三相3線式負荷16に供給される負荷側電圧を平衡させるようにしたものである。このため、図3に示すインバータ出力電圧調整手段を制御部20に備えている。すなわち、負荷側の三相目標相電圧Voを設定する目標相電圧設定手段31を備える。この三相目標相電圧Voは、負荷側各相へ供給する相電圧Vu,Vv,Vwが等しい振幅(21/2Vo)を有し、位相が120°づつずれる三相相電圧である。設定手段としては、図示しないメモリ等の記憶装置、スイッチ、表示器等から構成される。メモリ等の記憶装置に予め所定値を記憶しておき、スイッチや表示器等を使用して、外部からユーザが任意に目標相電圧を書き換えてもよいし、あるいは、本発明のインバータ装置に図示しない通信ポートを設けておき、外部のパソコン等の通信機器からユーザが任意に目標相電圧を書き換えてもよい。このように目標相電圧を外部から任意に変更することで、各種相電圧の異なるシステムに対応することができる。
そして、相電流Iu,Iwを検出する手段32と、前記相電流Iu,Iwとリアクトル(リアクタンスL)により形成される電圧jωLuIu,jωLwIwを演算するリアクトル電圧演算手段33と、前記負荷側の三相目標相電圧Voから移動する位相差ΔθuとΔθwを演算する位相差演算手段34aと目標相電圧により実効値を演算する振幅演算手段34bとを備える。そして、上記位相と実効値からインバータが出力する各相電圧の瞬時値(Vinv-u,Vinv-wの瞬時値)を演算するインバータ出力相電圧演算手段35と、インバータが出力する相電圧の瞬時値を接地相との間の線間電圧の瞬時値(Vinv-uv,Vinv-wvの瞬時値)に変換するインバータ出力線間電圧演算手段36とを備える。
インバータ出力線間電圧瞬時値(Vinv-uv,Vinv-wvの瞬時値)信号が得られると、この線間電圧瞬時値信号をパルス幅変調信号として制御部20から駆動回路21に供給することで、インバータ15の出力端には図2(b)に示すインバータ出力線間電圧(Vinv-uv,Vinv-wv)が得られる。この出力線間電圧により形成される三角形Bは図示するように歪んだものであるが、負荷側電圧(リアクトル出力端電圧である三相3線式負荷16に供給される電圧)は図示するようにインバータ出力端電圧からリアクトル電圧の電圧降下を差し引いたものとなるので、図中三角形Cで示すように正三角形となり、目標平衡三相相電圧Vu,Vv,Vw(等しい振幅(21/2Vo)を有し位相が120°づつずれる)が得られる。
図3に示すインバータ出力調整手段について、図2(b)との関連を説明する。位相差演算手段34aは、図2(b)におけるΔθw、Δθuを演算するものである。下記演算を行うことで、目標平衡出力相電圧Vw、Vuからリアクトル電圧の降下分を加えたインバータ出力相電圧(Vinv-u,Vinv-w)の移動すべき位相差Δθw、Δθuを算出することができる。
Figure 0005048280
同様に、実効値演算手段34bは、図2(b)におけるインバータ出力相電圧(Vinv-u,Vinv-w)の実効値を演算するものである。下記演算を行うことで、目標出力相電圧Vw、Vuからリアクトル電圧のベクトル降下分を加えたインバータ出力相電圧(Vinv-u,Vinv-w)の出力すべき実効値を算出することができる。
Figure 0005048280
インバータ出力相電圧演算手段35は上記演算手段34a,34bによって算出された移動すべき位相差および出力すべき実効値により、下記演算を行うことで、インバータ出力相電圧(Vinv-u,Vinv-w)の正弦波波形を算出する。
Figure 0005048280
上記インバータ出力相電圧(Vinv-u,Vinv-w)の正弦波波形がインバータ出力端に形成されると、リアクトル電圧のベクトル降下分を差し引いた負荷側電圧(リアクトル出力端電圧である三相3線負荷16に供給される電圧)の正弦波波形は目標波形である下記波形が得られる。
Figure 0005048280
次に、本発明の第2実施形態の出力電圧調整手段について、図4を参照して説明する。この調整手段は、三相線間電圧制御型のインバータ出力相電圧の振幅と位相を不平衡に調整することで、負荷側に平衡三相電圧を供給するという点で、上記実施形態と共通する。しかしながら、負荷電流を介在させずに負荷側の電圧振幅と位相を検出し、直接フィードバック制御により調整するという点で異なっている。
すなわち、三相負荷へ供給する目標相電圧(振幅)Voと、目標位相θu,θwを設定する手段と、負荷側の実際相電圧Vu,Vwと位相θu,θwを検出する手段51,52,53,54と、実際相電圧Vu,Vwと位相θu,θwと、目標相電圧Voと目標位相θu,θwとの誤差εをゼロとするようにフィードバック制御することで、前記インバータが出力する二相電圧(Vinv-u,Vinv-w)のそれぞれの振幅と位相を求めるU相PI制御手段41およびW相PI制御手段42とを備える。ここで、目標平衡三相相電圧Vu,Vv,Vwは、等しい振幅(21/2Vo)を有し位相が120°づつずれるので、目標位相θuは時間関数ωtであり、θwは時間関数(ωt-240°)であり、目標相電圧(振幅)は(21/2Vo)である。
Figure 0005048280
U相PI制御手段41の構成例を図5(a)に示す。目標相電圧Voと実際負荷相電圧Vuとの振幅誤差εを加算器43にて減算し、振幅誤差εをゼロとするようにPI制御器44にてU相インバータ出力電圧Vinv-uを出力する。同様に、目標位相θuと実際負荷位相θuとの位相誤差εを加算器45にて減算し、位相誤差εをゼロとするようにPI制御器46にてU相インバータ出力位相差Δθuを出力する。リミッタ48を通過したU相インバータ出力位相差Δθuと目標位相θuを加算器55にて加算してインバータU相電圧位相値(θu+Δθu)を出力する。最後に、リミッタ47を通過したU相インバータ出力電圧Vinv-uとU相インバータ電圧位相値(θu+Δθu)とにより変調率生成手段49にて、U相電圧波形に対応したパルス幅変調信号αuが形成される。
W相PI制御手段42も同様であり、図5(b)に示すように、加算器43,44,55、PI制御器44,46、リミッタ47,48、変調率生成手段49を備えることで、W相電圧波形に対応したパルス幅変調信号αwが形成される。パルス幅変調信号αwは、上述したように、目標相電圧Voと実際負荷相電圧Vwとの振幅誤差εを加算器43にて演算し、振幅誤差εをゼロとするようにPI制御器44にてW相インバータ出力電圧Vinv-w(振幅)を出力し、目標位相θwと実際負荷位相θwとの位相誤差εを加算器45にて減算し、位相誤差εをゼロとするようにPI制御器46にてW相インバータ出力位相差Δθwを出力し、リミッタ48を通過したW相インバータ出力位相差Δθwと目標位相θwを加算器55にて加算してW相インバータ電圧位相値(θw+Δθw)を出力するものである。
従って、パルス幅変調信号αuは、負荷電圧Vuと負荷位相θuが目標相電圧Voと目標位相θuに一致するようにフィードバック制御されたものである。同様に、パルス幅変調信号αwは、負荷電圧Vwと負荷位相Δθwが目標相電圧Voと目標位相差θwに一致するようにフィードバック制御されたものである。
パルス幅変調信号αu、αwは、インバータが出力する相電圧に対応したものであるので、これを接地相(V相)との間の線間電圧に対応したパルス幅変調信号αu-v、αw-vに相電圧/線間電圧変換器50で変換する。そして、三相線間電圧制御型のインバータ15を駆動回路21で駆動することで、負荷側に平衡した目標値の三相電圧Vu’,Vv’,Vw’(Vu,Vv,Vw)が形成される。
負荷側の線間電圧Vu-vは電圧検出手段51および位相検出手段52により検出され、U相電圧Vuおよび位相θuが抽出され、U相PI制御器41にフィードバックされ、目標相電圧Voと目標位相θuと一致するようにPI制御される。同様に、負荷側の線間電圧Vw-vは電圧検出手段53および位相検出手段54により検出され、W相電圧Vwおよび位相θwが抽出され、W相PI制御器42にフィードバックされ、目標相電圧Voと目標位相θwと一致するようにPI制御される。
従って、負荷側の三相目標相電圧(平衡相電圧)VoとなるようにPI制御によるインバータ側のU相電圧値と位相値、インバータ側のW相電圧値と位相値を調整できる出力電圧調整手段を備えることで、インバータ側の出力相電圧を不平衡(アンバランス)としつつ、三相3線式負荷に平衡(バランスした)三相電圧を供給することができる。このため、一相分の出力回路およびフィルタ回路を省略し、三相線間電圧制御型のインバータにより回路構成を簡略化することで経済化しつつ、三相3線式負荷に平衡三相電圧を供給できる。
特に、負荷側の実際相電圧Vu,Vwと位相値θu、θwを検出し、三相目標相電圧Voからのずれの位相差εと電圧実効値の差εを検出し、ずれの位相差εと電圧実効値の差εをゼロとするようにフィードバック制御(PI制御)することで、前記接地相以外の二相電圧のそれぞれの位相値及び電圧実効値を求めて出力することにより、負荷自体のアンバランスおよびラインインピーダンスのアンバランスが存在しても、三相3線式負荷に平衡三相電圧を供給することができる。
なお、上記実施形態においては、フィードバック制御の例として、PI(比例積分)制御の例について説明したが、例えばPID(比例積分微分)制御等の他形式の制御を用いてもよいことは勿論である。
上述の実施形態は、インバータ装置が通常備えているマイクロプロセッサと電圧・電流検出器を使用することで、ソフトウェアを追加することにより実現可能である。このため、目標電圧Voを変更する場合の変更も容易となり、コスト的にも安価に構成できる。
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。
本発明の一実施形態のインバータ装置を示すブロック図である。 負荷側相電圧Vu,Vv,Vwとインバータ出力相電圧(Vinv-u,Vinv-w)との関係を示すベクトル図であり、(a)は比較例のインバータ出力相電圧が平衡であり、負荷側相電圧が不平衡である場合を示し、(b)は本発明のインバータ出力相電圧が不平衡であり、負荷側相電圧が平衡である場合を示す。 本発明の第1実施形態の出力電圧調整手段を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態の出力電圧調整手段を示すブロック図である。 図4のフィードバック制御手段の詳細を示すブロック図である。
符号の説明
10 インバータ装置
11 直流電源
12 昇圧チョッパ
13 コンデンサ
15 インバータ
16 負荷
17 フィルタ回路
18,19 開閉器
20 制御部
21 駆動回路
31 目標相電圧設定手段
32 相電流検出手段
33 リアクトル電圧演算手段
34a 位相差演算手段
34b 実効値演算手段
35 インバータ出力相電圧演算手段
36 インバータ出力線間電圧演算手段
41 U相PI制御器
42 W相PI制御器
43,45,55 加算器
44,46 制御器
47,48 リミッタ
49 変調率生成手段
50 相/線間電圧変換器
51,53 電圧検出手段
52,54 位相検出手段
Iu,Iw 相電流
jωLuIu,jωLwIw リアクトル電圧
L リアクタンス
Vinv-u,Vinv-w インバータ出力相電圧
Vinv-uv,Vinv-wv インバータ出力線間電圧
Vu,Vv,Vw 負荷側相電圧
Δθu,Δθw 位相差

Claims (2)

  1. 或る相が接地した三相線間電圧制御型のインバータを備えたインバータ装置において、
    負荷側の三相目標相電圧Vo を設定する手段と、
    前記負荷側の三相目標相電圧Vo となるようにインバータ出力の各相電圧の実効値及び位相をそれぞれ調整する出力電圧調整手段と、
    前記インバータ出力相電圧を接地相との間の線間電圧に変換し、前記三相線間電圧制御型のインバータを駆動する回路とを備え、
    前記出力電圧調整手段が、
    接地相以外の二相の電流実効値を検出する手段と、
    前記相電流実効値とリアクトルのリアクタンスLにより形成されるリアクトル電圧ωLIをそれぞれ演算し、前記リアクトル電圧値ωLIと三相目標相電圧Voとを比較し、その位相差と実効値を演算し、前記インバータ出力相電圧を出力する手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
  2. 或る相が接地した三相線間電圧制御型のインバータを備えたインバータ装置において、
    負荷側の三相目標相電圧Vo を設定する手段と、
    前記負荷側の三相目標相電圧Vo となるようにインバータ出力の各相電圧の実効値及び位相をそれぞれ調整する出力電圧調整手段と、
    前記インバータ出力相電圧を接地相との間の線間電圧に変換し、前記三相線間電圧制御型のインバータを駆動する回路とを備え、
    前記出力電圧調整手段が、
    負荷側の接地相以外の二相の実際相電圧実効値と位相値を検出する手段と、
    負荷側の実際相電圧実効値と位相値と前記三相目標相電圧Voとを比較して、それぞれの相のずれの位相差と電圧実効値の差を検出し、ずれの位相差と電圧実効値の差をゼロとするようにフィードバック制御する手段と、を備えたことを特徴とするインバータ装置。
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