JP6596754B2 - アクティブフィルタ、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Description
そのため、例えば、家庭用電気機器・汎用品等については、JIS C 61000−3−2(電磁両立性−第3−2部:限度値−高調波電流発生限度値(1相当たりの入力電力が20アンペア以下の機器)が適用され、高調波障害の発生防止が図られている。
高調波信号を抑制する方法の1つとして、例えば、特許文献1に記載されているアクティブフィルタと呼ばれる装置を用いることが挙げられる。
アクティブフィルタでは、三相交流電源の各配線における電圧が不平衡のとき、補償対象となるコンバータに入力されるコンバータ電流も不平衡となる。
アクティブフィルタは、系統電流が平衡正弦波となるように制御を行っている。そのため、補償対象となるコンバータ電流が不平衡な場合には、コンバータ電流における高調波電流が補償されるだけではなく、コンバータ電流における不平衡も補償される。コンバータ電流における不平衡を防止することは一般的には好ましいことである。しかしながら、機器によっては、高調波信号を抑制する必要はあっても、コンバータ電流における不平衡を抑制する必要のないものもある。コンバータ電流における不平衡を抑制する必要のない機器にとっては、コンバータ電流における不平衡が補償された場合、アクティブフィルタの出力する電流が必要以上に増大し、損失が増大する要因となる。損失が増大する場合、機器の放熱性能を向上させる必要があり、機器のコストが上昇する要因になる。
前記補償対象のコンバータ電流から前記第1三相交流電流と前記第2三相交流電流とを減算する演算を、次に示す式(4)
以下、本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタを備えるモータ駆動装置の構成について説明する。
モータ駆動装置1は、図1に示すように、三相交流電源10と、系統電圧検出部20と、コンバータ電流検出部30と、ノイズフィルタ40と、ダイオードモジュール50と、平滑化コンデンサ60と、インテリジェントパワーモジュール70と、コンプレッサモータ80と、アクティブフィルタ90と、電流補正部100と、平滑リアクトル110と、を備える。
カレントトランス301aは、三相交流電源10からノイズフィルタ40に供給されるR相の電流の大きさと向きを検出する。
カレントトランス301bは、三相交流電源10からノイズフィルタ40に供給されるT相の電流の大きさと向きを検出する。なお、R相の電流の位相は、R相の電圧の位相と同位相である。また、T相の電流の位相は、T相の電圧と同位相である。また、R相の電流、S相の電流、T相の電流の総和は、常にゼロである。そのため、S相の電流の大きさと向きは、R相の電流とT相の電流の検出結果から算出することができる。S相の電流の位相は、S相の電圧の位相と同位相である。
なお、上記のノイズフィルタ40、ダイオードモジュール50、及び、平滑化コンデンサ60により三相交流電源10が出力する交流電圧を直流電圧に変換している。すなわち、ノイズフィルタ40、ダイオードモジュール50、及び、平滑化コンデンサ60によりコンバータが構成されている。
具体的には、電流補正部100が端子である場合、アクティブフィルタ90は、補正信号としてR相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す電流そのものを生成し、その補正信号を電流補正部100に供給する。
また、具体的には、電流補正部100が補正信号に応じた電流を新たに生成する場合、アクティブフィルタ90は、補正信号として例えばR相の配線、S相の配線、T相の配線における電圧と電流に基づいて、R相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す電流を示す数ビットのデジタル信号を生成し、その補正信号を電流補正部100に送信する。R相の配線、S相の配線、T相の配線におけるインピーダンスは予めわかるため、アクティブフィルタ90は、R相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す電流がわかれば、その電流を示す数ビットのデジタル信号を生成することも可能である。
具体的には、電流補正部100が端子である場合、電流補正部100は、アクティブフィルタ90からR相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す電流そのものを受け、その受けた電流をR相の配線、S相の配線、T相の配線に流すことで、R相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す。
また、具体的には、電流補正部100が補正信号に応じた電流を新たに生成する場合、アクティブフィルタ90からR相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す電流を示す数ビットのデジタル信号を受信する。そして、電流補正部100は、受信したデジタル信号が示すR相の配線、S相の配線、T相の配線における高調波電流を打ち消す電流を生成し、生成した電流をR相の配線、S相の配線、T相の配線に供給する。
これにより、三相交流電源10の出力、すなわち、モータ駆動装置1の最上流部において、歪の少ない正弦波波形の電流が実現される。
なお、コンバータ電流の通電期間の電流が許容範囲内で一定に保たれれば、平滑リアクトル110は無くてもよい。
補正信号生成部908は、電流減算部907による減算結果に基づいて、補償対象のコンバータ電流の補正値を示す補正信号を生成する。補正信号生成部908は、生成した補正信号を電流補正部100に送信する。
図3は、本発明の一実施形態によるアクティブフィルタ90を実現する情報処理装置の構成を示すブロック図である。アクティブフィルタ90は、情報処理装置である、例えば図3に示す一般的なコンピュータ200を用いて実現される。コンピュータ200は、CPU(Central Processing Unit)201、RAM(Random Access Memory)202、ROM(Read Only Memory)203、ストレージ装置204、外部I/F(Interface)205、および通信I/F206などを有する。
ここでは、図4に示すモータ駆動装置1の処理フローについて説明する。
系統電圧検出部20は、検出した電圧を示す電圧信号を第1変換部901に送信する。
第1変換部901は、受信した電圧信号が示す電圧値から電圧の位相を特定する。例えば、第1変換部901は、電圧のゼロクロス点を示す時刻を基準に、補償対象のコンバータ電流の位相を特定する。なお、コンバータ電流の位相は、系統電圧検出部20が検出した電圧の位相と同位相であることが予めわかっている。そのため、第1変換部901は、電圧信号が示す電圧値から電圧の位相を特定することができれば、コンバータ電流の位相を特定することができる。
より具体的には、第1変換部901は、R相のコンバータ電流をir、S相のコンバータ電流をis、T相のコンバータ電流をit、第1同相電流成分をiP、第1直交電流成分をiQ、コンバータ電流の位相を三相交流電圧の周期と同期したときの位相をθとする。このとき、第1同相電流成分iPと第1直交電流成分iQは、次に示す式(1)により算出される。
ここでは、第1同相電流成分iPを第1ローパスフィルタ902でフィルタリングしたときの第1ローパスフィルタ902の出力電流をLPF(iP)と記述する。また、第1直交電流成分iQを第1ローパスフィルタ902でフィルタリングしたときの第1ローパスフィルタ902の出力電流をLPF(iQ)と記述する。
具体的には、第1逆変換部903は、第1ローパスフィルタ902によるフィルタリング後の第1同相電流成分LPF(iP)と、第1ローパスフィルタ902によるフィルタリング後の第1直交電流成分LPF(iQ)とから、次に示す式(2)により、第1三相交流電流(ir1、is1、it1)を算出する。
より具体的には、第2変換部904は、R相のコンバータ電流ir、S相のコンバータ電流is、T相のコンバータ電流itから、次に示す式(3)により、第2同相電流成分iP_barと第2直交電流成分iQ_barを算出する。
ここでは、第2同相電流成分iP_barを第2ローパスフィルタ905でフィルタリングしたときの第2ローパスフィルタ905の出力電流をLPF(iP_bar)と記述する。また、第2直交電流成分iQ_barを第2ローパスフィルタ905でフィルタリングしたときの第2ローパスフィルタ905の出力電流をLPF(iQ_bar)と記述する。
具体的には、第2逆変換部906は、第2ローパスフィルタ905によるフィルタリング後の第2同相電流成分LPF(iP_bar)と、第2ローパスフィルタ905によるフィルタリング後の第2直交電流成分LPF(iQ_bar)とから、次に示す式(4)により、第2三相交流電流(ir2、is2、it2)を算出する。
具体的には、電流減算部907は、コンバータ電流(3相)からステップS3における演算結果とステップS6における演算結果とを減算する。
具体的には、補正信号生成部908は、電流減算部907による減算結果を補正値とする補正信号を生成する。
補正信号生成部908は、生成した補正信号を生成した補正信号を電流補正部100に送信する。
補正信号は、三相交流電源の各配線における電圧が不平衡状態のままで算出されたものとなっており、アクティブフィルタ90の出力電流が必要以上に増大することを防止している。
図7は、本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタ90を備えるモータ駆動装置1の処理を行った場合のアクティブフィルタ90の電流を示している。
図7の(a)の部分は、アクティブフィルタ90が流す系統電流である。図7の(b)の部分は、アクティブフィルタ90の補償電流である。
本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタ90を備えるモータ駆動装置1は、系統電流が不平衡の場合に不平衡を解消せずにコンバータ電流についての高調波電流を補償する。そのため、図7の(a)の部分からわかるように、アクティブフィルタ90は、系統電流は不平衡のまま、図7の(b)の部分のような補償電流を流す。
図8の(a)の部分は、アクティブフィルタが流す系統電流である。図8の(b)の部分は、アクティブフィルタの補償電流である。
アクティブフィルタが、系統電流が平衡正弦波となるように制御を行った場合、図8の(a)の部分からわかるように、系統電流における不平衡が解消される。また、図8の(b)の部分からわかるように、系統電流の不平衡を解消するアクティブフィルタは、本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタ90が処理した場合に比べて補償電流の最大値は大きく、最小値は小さくなっている。つまり、系統電流の不平衡を解消するアクティブフィルタは、本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタ90が処理した場合に比べて補償電流の絶対値が大きくなっている。
図9からわかるように、本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタ90を備えるモータ駆動装置1の処理を行った場合のコンバータ電流は、矢印で示されている正の電流と負の電流の大きさが近くなっているのに対して、アクティブフィルタが、系統電流が平衡正弦波となるように制御を行った場合、矢印で示されている正の電流と負の電流の大きさが異なり、電流の絶対値が大きくなる傾向にある。
本発明の第一の実施形態によるアクティブフィルタ90において、第1変換部901は、補償対象のコンバータ電流に基づいて、三相交流電圧の位相と同相の第1同相電流成分と、三相交流電圧の位相と直交する第1直交電流成分とを特定する。第1ローパスフィルタ902は、第1同相電流成分と第1直交電流成分とをフィルタリングする。第1逆変換部903は、第1ローパスフィルタ902によるフィルタリング後の第1同相電流成分と、第1ローパスフィルタ902によるフィルタリング後の第1直交電流成分とに基づいて、第1三相交流電流(ir1、is1、it1)を特定する。第2変換部904は、補償対象のコンバータ電流に基づいて、第1同相電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2同相電流成分と、第1直交電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2直交電流成分とを特定する。第2ローパスフィルタ905は第2同相電流成分と第2直交電流成分とをフィルタリングする。第2逆変換部906は、第2ローパスフィルタ905によるフィルタリング後の第2同相電流成分と、第2ローパスフィルタ905によるフィルタリング後の第2直交電流成分とに基づいて、第2三相交流電流(ir2、is2、it2)を特定する。電流減算部907は、コンバータ電流から第1三相交流電流(ir1、is1、it1)と第2三相交流電流(ir2、is2、it2)とを減算する。補正信号生成部908は、電流減算部907による減算結果に基づいて、補償対象のコンバータ電流の補正値を特定する。
こうすることで、アクティブフィルタ90は、高調波電流を抑制するとともに必要以上の電流の増大を抑制することができる。
以下、本発明の第二の実施形態によるアクティブフィルタを備えるモータ駆動装置の構成について説明する。
本発明の第二の実施形態によるモータ駆動装置1は、図1で示した本発明の第一の実施形態によるモータ駆動装置1と同様に、三相交流電源10と、系統電圧検出部20と、コンバータ電流検出部30と、ノイズフィルタ40と、ダイオードモジュール50と、平滑化コンデンサ60と、インテリジェントパワーモジュール70と、コンプレッサモータ80と、アクティブフィルタ90と、電流補正部100と、を備える。
合成部911は、電流減算部907の減算結果から第2相変換部910の生成した2相のフィルタ電流を減算する。
第3相変換部913は、PI制御部912により制御された出力値を2相の信号から3相の信号を生成する。
ここでは、アクティブフィルタ90を備えるモータ駆動装置1の構成と対応付けた図11に示す処理フローについて説明する。
系統電圧検出部20は、検出した電圧を示す電圧信号を第1変換部901に送信する。
第1変換部901は、受信した電圧信号が示す電圧値から電圧の位相を特定する。例えば、第1変換部901は、電圧のゼロクロス点を示す時刻を基準に、補償対象のコンバータ電流の位相を特定する。なお、コンバータ電流の位相は、系統電圧検出部20が検出した電圧の位相と同位相であることが予めわかっている。そのため、第1変換部901は、電圧信号が示す電圧値から電圧の位相を特定することができれば、コンバータ電流の位相を特定することができる。
より具体的には、第1変換部901は、R相のコンバータ電流をir、S相のコンバータ電流をis、T相のコンバータ電流をit、第1同相電流成分をiP、第1直交電流成分をiQ、コンバータ電流の位相を三相交流電圧の周期と同期したときの位相をθとする。このとき、第1同相電流成分iPと第1直交電流成分iQは、次に示す式(1)により算出される。
ここでは、第1同相電流成分iPを第1ローパスフィルタ902でフィルタリングしたときの第1ローパスフィルタ902の出力電流をLPF(iP)と記述する。また、第1直交電流成分iQを第1ローパスフィルタ902でフィルタリングしたときの第1ローパスフィルタ902の出力電流をLPF(iQ)と記述する。
具体的には、第1逆変換部903は、第1ローパスフィルタ902によるフィルタリング後の第1同相電流成分LPF(iP)と、第1ローパスフィルタ902によるフィルタリング後の第1直交電流成分LPF(iQ)とから、次に示す式(2)により、第1三相交流電流(ir1、is1、it1)を算出する。
より具体的には、第2変換部904は、R相のコンバータ電流ir、S相のコンバータ電流is、T相のコンバータ電流itから、次に示す式(3)により、第2同相電流成分iP_barと第2直交電流成分iQ_barを算出する。
ここでは、第2同相電流成分iP_barを第2ローパスフィルタ905でフィルタリングしたときの第2ローパスフィルタ905の出力電流をLPF(iP_bar)と記述する。また、第2直交電流成分iQ_barを第2ローパスフィルタ905でフィルタリングしたときの第2ローパスフィルタ905の出力電流をLPF(iQ_bar)と記述する。
具体的には、第2逆変換部906は、第2ローパスフィルタ905によるフィルタリング後の第2同相電流成分LPF(iP_bar)と、第2ローパスフィルタ905によるフィルタリング後の第2直交電流成分LPF(iQ_bar)とから、次に示す式(4)により、第2三相交流電流(ir2、is2、it2)を算出する。
具体的には、第1相変換部909は、式(1)を用いて、第2三相交流電流(ir2、is2、it2)を2相交流電流に変換する。
具体的には、電流減算部907は、ステップS1における演算結果からステップS2における演算結果とステップS9における演算結果とを減算する。
第3相変換部913は、PI制御部912により制御された出力値を2相の信号から3相の信号を生成する(ステップS13)。
具体的には、補正信号生成部908は、第3相変換部913によって生成された3相の信号を補正値とする補正信号を生成する。
補正信号生成部908は、生成した補正信号を生成した補正信号を電流補正部100に送信する。
補正信号は、三相交流電源の各配線における電圧が不平衡状態のままで算出されたものとなっており、アクティブフィルタ90の出力電流が必要以上に増大することを防止している。
本発明の第二の実施形態によるアクティブフィルタ90において、第1相変換部909は、第2逆変換部906が算出した第2三相交流電流(ir2、is2、it2)から2相交流電流を生成する。第2相変換部910は、3相のフィルタ電流から2相のフィルタ電流を生成する。合成部911は、電流減算部907の減算結果から第2相変換部910の生成した2相のフィルタ電流を減算する。PI制御部912は、合成部911による減算結果についてPI制御を行う。第3相変換部913は、PI制御部912により制御された出力値を2相の信号から3相の信号を生成する。補正信号生成部908は、第3相変換部913によって生成された3相の信号に基づいて、補償対象のコンバータ電流の補正値を示す補正信号を生成する。
こうすることで、アクティブフィルタ90は、高調波電流を抑制するとともに必要以上の電流の増大を抑制することができる。
10・・・三相交流電源
20・・・系統電圧検出部
30・・・コンバータ電流検出部
40・・・ノイズフィルタ
50・・・ダイオードモジュール
60・・・平滑化コンデンサ
70・・・インテリジェントパワーモジュール
80・・・コンプレッサモータ
90・・・アクティブフィルタ
100・・・電流補正部
110・・・平滑リアクトル
301a、301b・・・カレントトランス
901・・・第1変換部
902・・・第1ローパスフィルタ
903・・・第1逆変換部
904・・・第2変換部
905・・・第2ローパスフィルタ
906・・・第2逆変換部
907・・・電流減算部
908・・・補正信号生成部
Claims (8)
- 補償対象のコンバータ電流に基づいて、三相交流電圧の位相と同相の第1同相電流成分と、三相交流電圧の位相と直交する第1直交電流成分とを含む第1二相交流電流を特定する第1変換部と、
前記第1二相交流電流をフィルタリングする第1ローパスフィルタと、
前記補償対象のコンバータ電流に基づいて、前記第1同相電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2同相電流成分と、前記第1直交電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2直交電流成分とを含む第2二相交流電流を特定する第2変換部と、
前記第2二相交流電流をフィルタリングする第2ローパスフィルタと、
前記第1ローパスフィルタが出力する二相交流電流と、前記第2ローパスフィルタが出力する二相交流電流とに基づいて、前記補償対象のコンバータ電流の補正値を特定する補正信号を生成する補正信号生成部と、
前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2同相電流成分と、前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2直交電流成分とに基づいて、第2三相交流電流を特定する第2逆変換部と、
前記第2逆変換部が特定した第2三相交流電流から二相交流電流を生成する第1相変換部と、
前記第1二相交流電流から前記第1ローパスフィルタが出力する二相交流電流と前記第1相変換部が生成する二相交流電流とを減算する電流減算部と、
三相のフィルタ電流から二相のフィルタ電流を生成する第2相変換部と、
前記電流減算部の減算結果から前記第2相変換部の生成した二相のフィルタ電流を減算する合成部と、
前記合成部による減算結果についてPI制御を行うPI制御部と、
前記PI制御部により制御された出力値を二相の信号から三相の信号に変換する第3相変換部と、
を備えるアクティブフィルタ。 - 前記第1ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第1同相電流成分と、前記第1ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第1直交電流成分とに基づいて、第1三相交流電流を特定する第1逆変換部と、
前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2同相電流成分と、前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2直交電流成分とに基づいて、第2三相交流電流を特定する第2逆変換部と、
前記補償対象のコンバータ電流から前記第1三相交流電流と前記第2三相交流電流とを減算する電流減算部と、
を備え、
前記補正信号生成部は、
前記電流減算部による減算結果に基づいて、前記補償対象のコンバータ電流の補正値を特定する補正信号を生成する、
請求項1に記載のアクティブフィルタ。 - 第1変換部が、補償対象のコンバータ電流に基づいて、三相交流電圧の位相と同相の第1同相電流成分と、三相交流電圧の位相と直交する第1直交電流成分とを含む第1二相交流電流を特定することと、
第1ローパスフィルタが、前記第1二相交流電流をフィルタリングすることと、
第2変換部が、前記補償対象のコンバータ電流に基づいて、前記第1同相電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2同相電流成分と、前記第1直交電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2直交電流成分とを含む第2二相交流電流を特定することと、
第2ローパスフィルタが、前記第2二相交流電流をフィルタリングすることと、
補正信号生成部が、前記第1ローパスフィルタが出力する二相交流電流と、前記第2ローパスフィルタが出力する二相交流電流とに基づいて、前記補償対象のコンバータ電流の補正値を特定する補正信号を生成することと、
第2逆変換部が、前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2同相電流成分と、前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2直交電流成分とに基づいて、第2三相交流電流を特定することと、
第1相変換部が、前記第2逆変換部が特定した第2三相交流電流から二相交流電流を生成することと、
電流減算部が、前記第1二相交流電流から前記第1ローパスフィルタが出力する二相交流電流と前記第1相変換部が生成する二相交流電流とを減算することと、
第2相変換部が、三相のフィルタ電流から二相のフィルタ電流を生成することと、
合成部が、前記電流減算部の減算結果から前記第2相変換部の生成した二相のフィルタ電流を減算することと、
PI制御部が、前記合成部による減算結果についてPI制御を行うことと、
第3相変換部が、前記PI制御部により制御された出力値を二相の信号から三相の信号に変換することと、
を含む制御方法。 - コンピュータに、
第1変換部が、補償対象のコンバータ電流に基づいて、三相交流電圧の位相と同相の第1同相電流成分と、三相交流電圧の位相と直交する第1直交電流成分とを含む第1二相交流電流を特定することと、
第1ローパスフィルタが、前記第1二相交流電流をフィルタリングすることと、
第2変換部が、前記補償対象のコンバータ電流に基づいて、前記第1同相電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2同相電流成分と、前記第1直交電流成分と大きさが同一で位相が逆位相である第2直交電流成分とを含む第2二相交流電流を特定することと、
第2ローパスフィルタが、前記第2二相交流電流をフィルタリングすることと、
補正信号生成部が、前記第1ローパスフィルタが出力する二相交流電流と、前記第2ローパスフィルタが出力する二相交流電流とに基づいて、前記補償対象のコンバータ電流の補正値を特定する補正信号を生成することと、
第2逆変換部が、前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2同相電流成分と、前記第2ローパスフィルタによるフィルタリング後の前記第2直交電流成分とに基づいて、第2三相交流電流を特定することと、
第1相変換部が、前記第2逆変換部が特定した第2三相交流電流から二相交流電流を生成することと、
電流減算部が、前記第1二相交流電流から前記第1ローパスフィルタが出力する二相交流電流と前記第1相変換部が生成する二相交流電流とを減算することと、
第2相変換部が、三相のフィルタ電流から二相のフィルタ電流を生成することと、
合成部が、前記電流減算部の減算結果から前記第2相変換部の生成した二相のフィルタ電流を減算することと、
PI制御部が、前記合成部による減算結果についてPI制御を行うことと、
第3相変換部が、前記PI制御部により制御された出力値を二相の信号から三相の信号に変換することと、
を実行させるプログラム。
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