JP5224647B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、インバータの交流側出力電流に含まれる直流成分を除去するインバータ制御装置に関するものである。

インバータはトランジスタやサイリスタなどの電子スイッチの開閉動作（スイッチング）を高速に繰り返して直流電流の流れる方向を変えて直流電流を交流電流に変換するものであるが、電子スイッチのスイッチングのタイミングや飽和電圧の僅かなバラツキ等の理由によって、インバータ出力電流には必ず直流成分が含まれてしまう。しかしながら、この直流成分は、インバータに接続して交流電流で動作するように設計された機器には好ましくない影響を与える。

例えば、インバータに変圧器を接続した場合、インバータの出力電流に直流成分が含まれていると偏磁が発生して発熱が大きくなり、容量が低下する。電動機を接続した場合、直流成分によって制動がかけられながら駆動することとなるので効率が低下するとともに回転が不安定になって乱調を来すこともある。
また、ソーラー発電等の系統連系システムの場合、インバータの出力を商用電力に重畳して使用するので、直流成分が除去されている必要がある。

インバータの出力電流に含まれる直流成分を除去する手段として、例えば、特開平８−１４９８４２号公報に記載された発明が提案されている。この特許文献に記載された発明は、直流電源を入力し、これを交流に変換して出力するインバータと、インバータの出力電流を検出する電流検出器と、電流検出器の検出信号を整流する整流回路と、インバータの出力電流の設定を指令する電流指令装置と、整流回路により整流された直流信号と電流指令装置の電流信号との誤差を入力とし、インバータを瞬時波形制御する瞬時波形制御装置により構成される系統連系用インバータにおいて、インバータの出力電流を検出する分流器と、分流器の出力信号の直流成分を出力するローパスフィルタと、このローパスフィルタの直流成分を絶縁する絶縁増幅器と、絶縁された直流成分を電流検出器の検出信号に減算補正する加算器とを設けて構成されている。
この発明によれば、インバータの出力電流に直流成分が発生した場合、分流器で検出された出力電流からローパスフィルタで直流成分が取り出され、この直流成分が絶縁増幅器によって絶縁増幅された後、電流検出器の検出信号を加算器で減算補正して出力電流に含まれる直流成分を除去している。電流検出器としてはホールＣＴ、変流器が例示されている。
特開平８−１４９８４２号公報

しかしながら、出力電流検出手段としてホールＣＴを用いた場合、インバータの出力電流から完全に直流成分を除去することはできない。すなわち、ホールＣＴはホール素子を用いて電流を検出しているが、ホール素子は温度や地磁気の影響を受けやすいため、オフセット（ゼロ点移動）の発生が避けられない。そのため、ホールＣＴを用いてインバータの出力電流を検出すると、検出された出力電流にこのオフセットが重畳してしまう。すなわち、インバータ出力電流に直流成分は実際には含まれていない場合であっても、検出値としてはオフセット分の直流成分が含まれたものとして出力されてしまうこととなる。
特許文献１に記載された発明では、電流検出器にホールＣＴを用いた場合のオフセットが考慮されておらず、インバータの出力電流から直流成分を正しく除去することができない。すなわち、特許文献１に記載された発明においては出力電流自体に含まれる直流成分にホールＣＴで発生するオフセット分が加わった値が検出され、補正の対象とされる。したがって、オフセットが重畳した出力電流がフィードバック系に入力されると、そのオフセット分だけ余計に補正がかかり、制御後の出力電流にはオフセットと逆極性の直流成分が重畳されてしまうという問題がある。
また、出力電流検出手段として分流器を用いた場合には、特許文献１にも記載されているように、絶縁増幅手段が必要となり、回路が複雑になると共にコストが増大してしまうという問題がある。
加えて、出力電流検出手段として磁気増幅器を用いた場合には、装置が大型化するとともに、精度・応答速度が悪いという問題がある。

この発明は、簡易で低コストな回路構成によって電流検出手段で発生するオフセットの影響を受けることなく、出力電流に含まれる直流成分のみを検出することにより、出力電流に含まれる直流成分を可及的に零とすることができるインバータ制御装置を得ることを課題とするものである。

この発明は、インバータの直流側には交流側出力電流に対応して流れる直流電流を検出する直流側電流検出手段と、前記直流側電流検出手段で検出された直流電流から交流側出力電流に含まれる直流成分を抽出する直流成分抽出手段と、比較演算回路と、インバータ制御手段とを備え、インバータの交流側には交流側の出力電流を検出する交流側電流検出手段を備え、前記直流側電流検出手段は１つ備えるものとし、前記直流成分抽出手段は、アナログスイッチで構成され、前記直流電流検出手段で検出された直流電流をゼロクロス信号で同期して正負の半サイクルごとに弁別する同期弁別回路と、オペアンプで構成され、前記同期弁別回路で弁別された正負の信号を入力して交流側出力電流に含まれる直流成分を出力する差動積分回路とで構成し、前記比較演算回路は、前記直流成分抽出手段の出力と前記交流側電流検出手段の出力とを加算し、加算された値を基準信号と比較して差分を検出するものとし、前記比較演算回路の出力により前記インバータ制御手段を制御するようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、インバータの交流側で検出した出力電流をフィードバックしてインバータ出力電流を制御するインバータ制御装置において、インバータの直流側には交流側出力電流に対応する直流電流を検出する直流側電流検出手段と、前記直流側電流検出手段で検出された直流電流から交流側出力電流に含まれる直流成分を抽出する直流成分抽出手段とを設け、前記直流成分抽出手段の出力を交流側電流検出手段の出力に加算してこの出力に含まれる交流側電流検出手段が生じるオフセットを除去し、オフセット除去後の信号と基準信号とを比較して得た差分に応じてインバータ制御手段を制御するようにしたので、電流検出手段が生ずるオフセットが含まれていない実際の交流側出力電流でフィードバック制御することが可能となり、実際の交流側出力電流に含まれている直流成分を可及的に零にできるインバータ制御が可能となる。

以下、この発明の実施例を説明する。

図１はこの発明の実施例を示す回路図である。この発明のインバータ制御装置１において、インバータ回路２の出力側に交流側出力電流を検出する交流側電流検出手段（ＤＣＣＴ）３が配設してあり、その出力は比較演算部５に入力されるようにしてある。他方、インバータの直流側に交流側出力電流に対応する直流電流を検出する直流側電流検出手段（ＤＣＣＴ）８が配設してあり、その検出値は直流成分抽出手段９に出力され、直流成分抽出手段９における検出値は前記比較演算部５に入力されるようにしてある。
前記比較演算部５は、前記交流側電流検出手段３で検出された交流側出力電流と前記直流成分抽出手段９で検出された直流成分とを加算すると共に、加算後の電流波形と基準正弦波発生手段４で形成された基準正弦波とを比較して差分を得るものである。比較演算部５で得た差分は、アンプ６で増幅され、アンプ６の出力は増幅された差分に応じて出力電流を制御するインバータ制御部７に入力され、インバータ２の出力を補正するように構成してある。交流側電流検出手段３はホールＣＴが好ましいが、絶縁しつつ電流を検出できるものであればよい。
前記比較演算部５は交流側電流検出手段３の検出値と直流成分抽出部９の出力値とを加算して交流側電流検出手段３の検出値から交流側電流検出手段３で重畳される直流成分を除去するとともに、重畳された直流成分が除去された後の出力電流波形と基準正弦波とを比較して差分を得るよう回路が構成されている。
インバータ制御部７は、ＰＷＭ制御部７１とドライバ７２とを備え、比較演算部５で得た差分をアンプ６で増幅した値に基づいてインバータ回路２のスイッチング素子のスイッチのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを調整してパルス幅を変化させ、比較演算部５の差分に応じた出力電流の制御を行う。
直流側電流検出手段８はホールＣＴが好ましいが、絶縁しながら電流を検出できるものであればよい。また、直流電流検出手段８では平準化される前の正負サイクルがよく表れた直流電流を検出するため、平滑コンデンサ１０とインバータアーム１１の間に設けることが好ましい。

図２は、直流成分抽出手段９の回路図を示したものである。直流成分抽出手段９は同期弁別回路９１と差動積分回路９２とで構成されている。同期弁別回路９１は直流側電流検出手段８で検出された直流電流を入力してゼロクロス信号９１１ａで同期して負サイクルを取り出すアナログスイッチ９１２ａと、直流側電流検出手段８で検出された直流電流を入力してゼロクロス信号９１１ｂで同期して正サイクルを取り出すアナログスイッチ９１２ｂとで構成されている。
差動積分回路９２は同期弁別回路９１で弁別された直流電流の負サイクルが抵抗９２１ａを介してＯＰアンプ９２２の反転入力側に、正サイクルが抵抗９２１ｂを介して非反転入力側にそれぞれ入力され、その出力が並列接続されたコンデンサ９２３及び抵抗９２４を介して反転入力側に帰還され、非反転入力側にはコンデンサ９２５及び抵抗９２６が並列接続されてアースされる差動低域アンプとして構成してある。

なお、図３に示すように、差動積分回路９２は同期弁別回路９１で弁別された直流電流の負サイクルが抵抗９２１ａを介して反転入力側に、正サイクルが抵抗９２１ｂを介して非反転入力側に入力され、その出力がコンデンサ９２３を介して反転入力側に帰還されるＯＰアンプ９２２で構成される差動積分アンプとしてもよい。なお、正サイクルは非反転入力側と並列にコンデンサ９２５が接続されてアースされている。

次にこの発明の動作を説明する。今、インバータ回路２から出力されている交流側出力電流が直流成分（ｄ）を含んでいるものとする。この出力電流を交流側電流検出手段３で検出すると、検出値として出力される交流側出力電流には交流側電流検出手段３のオフセット（ｄｏ）が重畳される。
交流側電流検出手段３の出力は負帰還され、比較演算部５において基準正弦波発生手段４から出力されている基準正弦波と比較演算される。図４は比較演算部５に入力される各波形を示したものであり、図４中（ａ）は交流側電流検出手段３で検出された交流出力の負帰還値を、（−ｄ）は交流側出力電流に含まれる直流成分の負帰還値を、｛−（ｄｏ＋ｄ）｝は交流側電流検出手段のオフセット分が（−ｄ）にさらに重畳した負帰還値を示す波形であり、（ｂ）は基準正弦波である。比較演算部５において、基準正基準正弦波と比較演算された差分｛−（ｄ＋ｄｏ）｝はアンプ６で増幅され、ＰＷＭ制御部７１に出力され、現時点の出力電流よりも｛−（ｄ＋ｄｏ）｝となる出力電流となるように制御信号がドライバ７２に出力される。したがって、ＰＷＭ制御後のインバータ回路２からの出力電流は「制御前の出力電流−（ｄ＋ｄｏ）」の電流となり、ここで、制御前の出力電流には直流成分（ｄ）が含まれていたから、制御後の出力電流に含まれる直流成分は［ｄ−（ｄ＋ｄｏ）＝−ｄｏ］となって、前記オフセット分に相当する直流成分（−ｄｏ）が含まれることとなる。図５（ア）は、このときの交流側出力電流波形を示したものである。
インバータの直流側において、この直流成分（−ｄｏ）を含んだ出力電流に対応する直流電流が直流側電流検出手段８で検出され、同期弁別回路９１に出力される。図５（イ）の波形は、このときの直流側電流検出手段８の出力波形を示したものである。同期弁別回路９１では、直流側電流検出手段８で検出された直流電流がアナログスイッチ９１２ａ、９１２ｂにおいて、それぞれゼロクロス信号９１１ａ、９１１ｂで同期して負サイクルと正サイクルとに弁別される。図５（ウ）の波形はゼロクロス信号９１１ａ、（エ）の波形は負サイクル波形、（オ）の波形はゼロクロス信号９１１ｂ、（カ）の波形は正サイクル波形をそれぞれ示したものである。負サイクルと正サイクルとに弁別された直流電流は、それぞれ抵抗９２１ａ、９２１ｂを介して負サイクルはＯＰアンプ９２２の反転入力側に、正サイクルは非反転入力側に入力されて積分され、負サイクルと正サイクルの平均値の差として出力される。なお、直流電流検出手段８においてもオフセットが発生するが、直流波形を用いているので出力にこのオフセットが影響することはない。また、差動積分回路９２によって極性は反転するので、直流成分抽出手段９で検出される直流成分は（ｄｏ）となる。図５（キ）の波形は、このときの直流成分抽出手段９の出力波形を示したものである。
直流成分抽出手段９で得た直流成分（ｄｏ）は比較演算部５に出力される。
比較演算部５において、交流側電流検出手段３で検出されてフィードバックされる直流成分｛−（ｄ＋ｄｏ）｝を含んだ検出値と前記直流成分抽出手段から出力される直流成分（ｄｏ）が加算されて、交流側電流検出手段３のオフセット分（−ｄｏ）がキャンセルされ、オフセット分キャンセル後の検出値と基準正弦波とが比較されて差分（−ｄ）が得られる。図６は、オフセットがキャンセルされた後の交流側出力波形と、基準正弦波とが比較された波形を示したものである。この差分がアンプ６で増幅された後インバータ制御手段７に入力され、インバータ制御手段７において現時点の出力電流よりも（−ｄ）となる出力電流となるようにＰＷＭ制御が行われる。したがって、ＰＷＭ制御後のインバータ回路２からの出力電流は、制御前の出力電流に含まれていた直流成分（ｄ）が適切に除去された電流となる。図７は、このときの交流側出力電流波形を示したものである。

図８は、この発明の第２の実施例を示したものである。上述した第１の実施例における基準正弦波発生回路４、比較演算部５、アンプ６、ＰＷＭ７１のそれぞれの機能をマイコン１２に格納し、マイコン１２の制御プログラムによってそれぞれの機能を実行して演算、インバータ制御を行うものとしたものである。この実施例の動作は第１の実施例と同等であるので説明は省略する。
なお、同期弁別回路、差動積分回路の機能もマイコンソフトで制御することもできる。

この発明は、インバータの交流側出力電流に含まれる直流成分を除去するインバータ制御装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。

この発明の第１の実施例の回路図を示したものである。 直流成分抽出手段の回路図を示したものである。 差動積分回路の別の構成例を示す図である。 オフセット除去前の波形と基準正弦波とを比較した図である。 直流側において直流成分を抽出する動作を説明するための図である。 オフセット除去後の波形と基準正弦波とを比較した図である。 フィードバック制御により直流成分が除去された出力波形を示す図である。 この発明の第２の実施例の回路図を示したものである。

符号の説明

１ インバータ制御装置
２ インバータ回路
３ 交流側電流検出手段
４ 基準正弦波発生回路
５ 比較演算部
６ アンプ
７ インバータ制御部
７１ ＰＷＭ回路
７２ ドライバ
８ 直流側電流検出手段
９ 直流成分抽出手段
９１ 同期弁別回路
９１１ａ 負サイクル用ゼロクロス信号
９１１ｂ 正サイクル用ゼロクロス信号
９１２ａ、９１２ｂ アナログスイッチ
９２ 差動積分回路
９２１ａ、９２１ｂ 抵抗
９２２ ＯＰアンプ
９２３、９２５ コンデンサ
９２４、９２６ 抵抗
１０ 平滑コンデンサ
１１ インバータアーム
１２ マイコン

Claims (1)

1. インバータの直流側には交流側出力電流に対応して流れる直流電流を検出する直流側電流検出手段と、前記直流側電流検出手段で検出された直流電流から交流側出力電流に含まれる直流成分を抽出する直流成分抽出手段と、比較演算回路と、インバータ制御手段とを備え、
   インバータの交流側には交流側の出力電流を検出する交流側電流検出手段を備え、
   前記直流側電流検出手段は１つ備えるものとし、
   前記直流成分抽出手段は、
   アナログスイッチで構成され、前記直流電流検出手段で検出された直流電流をゼロクロス信号で同期して正負の半サイクルごとに弁別する同期弁別回路と、
   オペアンプで構成され、前記同期弁別回路で弁別された正負の信号を入力して交流側出力電流に含まれる直流成分を出力する差動積分回路と
   で構成し、
   前記比較演算回路は、前記直流成分抽出手段の出力と前記交流側電流検出手段の出力とを加算し、加算された値を基準信号と比較して差分を検出するものとし、
   前記比較演算回路の出力により前記インバータ制御手段を制御するようにした、
   電圧形電流制御方式のインバータ制御装置。
   

Images