JP5210734B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
従来のサイリスタの整流器は、入力される交流の周期を基に、サイリスタをオンする位相角(点弧角)を位相制御し、入力される交流の周波数が変動したとしても点弧角が変化しない制御を行いDC電圧を安定化している(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1は、入力される交流が1相であり、かつ負荷が変動した際のDC電圧の変動に対して、何ら制御を行わないため、DC電圧が変動した際、負荷に与える交流出力が変動してリップルなどが発生して歪率が増加する欠点がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、整流器におけるDC電圧を制御するため、サイリスタを一括点弧させる点弧角を簡易な回路により求め、従来に比較して装置を小型化し、製造コストを低減するインバータ装置を提供することを目的とする。
以下、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置を図面を参照して説明する。図1は同実施形態によるインバータ装置の構成例を示すブロック図である。
この図において、インバータ装置は、整流器1、コンデンサ2、電圧検出部3、インバータ4、チョークコイル5、コンデンサ6、電流検出部7、電圧検出部8及び制御部9を有している。図1において、10は本実施形態のインバータ装置が交流電力を供給する負荷である。ここで、コンデンサ6は負荷に対する交流出力の力率改善用に設けられている。また、以下の説明において、インバータ4の出力する交流出力の周波数は、整流器1に入力される3相交流の周波数より、十分小さいとする。
コンデンサ2は、平滑コンデンサであり、入力されるDC電流により電荷を蓄積し、インバータ4が使用するDC電圧を充電する。
電圧検出部3は、コンデンサ2に充電される電圧を測定し、測定電圧Vsとして点弧角制御部9へ出力する。
電圧検出部8は、負荷に印加されている電圧値を測定し、測定電圧Vkとして点弧角制御部9へ出力する。
インバータ4は、例えば、nチャネル型のMOSトランジスタ(以下、トランジスタ)41、42、43及び44から構成されており、トランジスタ41及び44と、トランジスタ42及び43とのそれぞれの組をオン、オフすることにより予め設定した周期の交流出力を生成する。
インバータ制御部92は、トランジスタ41〜44のオンオフ制御を行い、コンデンサ2に充電されているDC電圧から、予め設定されている電圧値及び周期の交流出力を生成し、負荷10に供給する。
点弧角制御部91は、主制御部911、副制御部912、位相角算出部913及び点弧制御部914から構成されてる。
主制御部911には、インバータ4が交流出力を生成するために、コンデンサ2に充電する必要のある電圧範囲が、予め設定電圧Vtを中心としてΔVの幅にて設定されている。
また、主制御部911は、上記設定電圧Vtと、測定電圧Vsとの差分電圧ΔVを算出し、この差分電圧ΔVが「0」に近づくように、PID(Proportional Integral Differential)制御により、サイリスタ11〜13を一括点弧する位相角である点弧角θpを求める。
また、副制御部921は、上記瞬時電力値ΔWにより、主制御部911が求めた点弧角θpを、瞬時電力値が+ΔWの場合、電力がコンデンサ2から負荷10に供給されるので、整流器1からコンデンサ2へ供給する電力を増加させる必要があり、ΔWに対応する点弧角分を早める補正をし、一方、瞬時電力値が−ΔWの場合、電力が負荷10からコンデンサ2に対して回生されるので、整流器1からコンデンサ2へ供給する電力を減少させる必要があり、ΔWに対応する点弧角分遅らせる補正を行い、補正結果を制御点弧角θonとして点弧制御部914へ出力する。
ここで、差電圧制御部921は、設定電圧Vt(例えば、DC電圧の電圧値の制御範囲Vt±ΔVの中央値)から検出電圧Vsを減算して、差分電圧ΔVを求めてPID制御部922へ出力する。
PID制御部922は、入力された差分電圧ΔVの極性(+あるいは−のいずれかであるかを示す情報)と、差分電圧ΔVの電圧値とにより、差分電圧ΔVが小さくなるように、位相角制御に対応して予め設定したPID演算式によりPID演算を行い、サイリスタ11〜13を一括点弧する点弧角θpを要求値として求める。この演算するタイミングは、後述する瞬時電力値を演算するタイミングと同期が取られている。
瞬時電力値演算部932は、入力される検出電圧Vkと、検出電流Ikとを乗算して、瞬時電力値ΔWを算出し、点弧角変換部931へ出力する。
点弧角変換部931は、上記瞬時電力値ΔW及び点弧角θpが入力されると、点弧電力モデル記憶部933に記憶されている点弧電力曲線の情報(供給余裕電力値Wと、点弧角θの関係を点弧電力曲線を示す式、あるいはこの式により求めた電力値Wと、点弧角θの関係を示すテーブルなど)を読み出す。
上述したように、点弧角変換部931は、瞬時電力値ΔWに対応した増減(回生にて増、供給にて減)の位相分を、点弧角θpに反映させ、サイリスタ11〜13を一括点弧する制御点弧角θonとして点弧制御部914へ出力する。
W=Vpeak 2/Z …(1)
ここで、Zは点弧毎の整流器1の出力インピーダンスとし(仮のインピーダンスとする)、すなわち、点弧角を変数としたインピーダンス関数である。上記(1)式は、いずれかの交流の相のゼロクロスから、いずれかの交流の相のゼロクロスまでの、ゼロクロス間隔の周期内における点弧角の相対的な変化に対応した電力の供給量を示し、3相交流により整流器1ががコンデンサ2に対して供給可能な供給余裕電力として定義している。
W=K/θ (0≦θ≦60) …(2)
(2)式は、(1)式と同様に、位相角θにてサイリスタの一括点弧した場合、次のゼロクロスまでに整流器1が供給することのできる電力値である供給余裕電力を示している。
Kは、ゼロクロスの位相角周期の角度範囲(すなわち、0°〜60°)の角度θにて除算することにより、(1)式におけるその角度θに対応するインピーダンスZにてVpeak 2を減算にした値と同様の数値を近似的に求める係数式である。
3相交流の各相のゼロクロス間隔内にて、上記(1)式が成り立つことから、この(1)を変形した「位相角と供給余裕電力との対応を示す」(2)式を用いることにより、PID制御により求めた点弧角θpにおける供給余裕電力の電力値に対して、瞬時電力値ΔWを加算(極性が正の場合)、または減算(極性が負の場合)することにより、瞬時電力値ΔWに対応する点弧角調整量Δθを、点弧角θpから減算(極性が正の場合)、または加算(極性が負の場合)することができ、負荷の変動に対応して制御点弧角θonを微調整することができる。
また、上記点弧電力モデル記憶部933に、上記(2)式から、すなわち点弧電力曲線からそれぞれの供給余裕電力の電力値Wに対応する位相角θを求め、電力値W毎に対応させてテーブルとして記憶させておき、点弧角変換部931が、入力される点弧角θに対応した電力値Wをテーブルから読み出し、この電力値Wに瞬時電力値ΔWを反映させ(ΔWが正の場合に電力値Wに加算、ΔWが負の場合に電力値Wから減算)て、反映させた電力値Wに対応する点弧角を制御点弧角θonとして、点弧電力モデル記憶部933の上記テーブルから読み出すようにしても良い。
点弧角調整量制御部91は、予め設定された一定周期毎に、図5のフローチャートの動作を行いサイリスタ11〜13を一括点弧する制御点弧角θonを求め、インバータ4から負荷10に対して歪率の小さな交流波形により電力の供給を行う。
点弧角調整量制御部91は、予め設定された周期の時刻となると、サイリスタ11〜13を駆動する点弧角を求め、サイリスタ11〜13を駆動する処理を開始する。
また、瞬時電力演算部932は、電流検出部7から入力される検出電流Ikと、電圧検出部8から検出電圧Vkと入力し、処理をステップS2へ進める(ステップS1)。
θn = θn−1 + Δθn …(3)
Δθn=Kp(ΔVn−ΔVn−1) + Ki×ΔVn
+Kd((ΔVn−ΔVn−1)−(ΔVn−1−ΔVn−2)) …(4)
上記(3)及び(4)式において、θn:今回の操作量、θn−1:前回の操作量、Δθn:前回と今回との操作量差分、ΔVn:今回の偏差、ΔVn−1:前回の偏差、ΔVn−2:前々回の偏差である。
また、PID制御部922は、演算した結果の点弧角θpを点弧角変換部931へ出力する。
このとき、点弧制御部914は、位相角検出部931から入力される位相角θが、制御点弧角θonとなるとサイリスタ11〜13の一括点弧を行う(ステップS8)。
ここで、点弧制御部914は、位相角θが制御点弧角θonを超えている場合、その時点にてサイリスタ11〜13の一括点弧を行う。
また、ステップS8において、位相角θが制御点弧角θonとなる前に、制御点弧角θonを演算する周期となるとステップS1に戻り、ステップS1〜ステップS8の動作を行う。
したがって、インバータ4から負荷10に電力を供給する交流波形の歪率を従来に比較して低減させることが可能となる。
2,6…コンデンサ
3,8…電圧検出部
4…インバータ
5…インダクタ
7…電流検出部
9…制御部
10…負荷
911…主制御部
912…副制御部
913…位相角検出部
914…点弧制御部
921…差電圧演算部
922…PID制御部
931…点弧角変換部
932…瞬時電力値演算部
933…点弧電力モデル記憶部
Claims (3)
- 3相交流を直流電圧に変換する、複数のサイリスタからなる整流部と、
該整流部の整流した整流電圧を蓄積するコンデンサと、
該コンデンサに蓄積された整流電圧から、交流出力を生成するインバータ部と、
前記交流出力が負荷に供給された際に発生する無効電力及び有効電力を示す瞬時電力値を、一定周期にて測定する測定部と、
前記コンデンサに蓄積される蓄積電圧を検出し、検出電圧として出力する検出部と、
前記3相交流におけるいずれか1相のゼロクロス検出により、各相のゼロクロスのタイミングを算出し、ゼロクロス間の位相角を出力する位相角算出部と、
各位相角により前記サイリスタを一括点弧した際に、前記3相交流からの供給余裕電力と位相角との対応をモデル化した点弧電力曲線を記憶する点弧電力モデル記憶部と、
前記コンデンサに蓄積される蓄積電圧を、予め設定された設定電圧と前記検出電圧との差分によりPID制御して、サイリスタを一括点弧する点弧角を求める主制御部と、
前記点弧電力曲線を用いて、前記点弧角と前記瞬時電力値とから、前記サイリスタを一括点弧する制御点弧角を求め副制御部と、
前記位相角算出部の出力する位相角が、前記制御点弧角となるか否かを検出し、該位相角が該制御点弧角を超えたことを検出すると前記複数のサイリスタを一括点弧する点弧制御部と
を有するインバータ装置。 - 前記設定電圧に維持できるように、
前記主制御部が前記設定電圧と前記検出電圧との差分を基に、前記点弧角をPID制御により算出し、
前記点弧制御部が前記点弧角に対応する供給余裕電力に対し、前記瞬時電力値を、該電力値の極性に対応させて反映させ、反映結果の電力値に対応する点弧角を求め、該この点弧角を制御点弧角として出力する
ことを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。 - 前記点弧制御部が、
前記測定周期毎の前記瞬時電力値に基づき、該瞬時電力値が有効電力の場合、前記供給余裕電力に対し前記瞬時電力値を加算し、一方、前記瞬時電力値が無効電力の場合、前記供給余裕電力から前記瞬時電力値を減算し、算出結果の電力値に対応する点弧角を前記点弧電力曲線から求め、制御点弧角とする
ことを特徴とする請求項2に記載のインバータ装置。
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