JPH0729608U - 電力変換回路の出力リミッタ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部の演算回路で算出された指令値信号の入
力信号をリミット指令値で振幅制限した、かつ、指令値
信号と相似波形のリミッタ出力信号を出力する電力変換
回路の過負荷抑制用出力リミッタ回路の提供。 【構成】 電流指令値ｉ₁ の入力信号をフーリエ変換等
して瞬時の振幅を演算する振幅演算部４と、演算された
振幅値の二乗和と平方根から電流指令値ｉ₁ の実効値Ｉ
_RMS を演算する実効値演算部５と、演算された電流指令
値実効値Ｉ_RMS でリミッタ指令値に基づく所定の実効値
リミッタ値Ｉ'_RMSを除算したリミッタ係数ｋを算出する
リミッタ係数演算部６と、リミッタ係数ｋと瞬時の電流
指令値ｉ₁とを乗算してリミッタ出力電流ｉ₂ を出力す
る乗算部７で構成される。リミッタ係数演算部６は、電
流指令値実効値Ｉ_RMS が実効値リミッタ値Ｉ'_RMS以下の
ときにリミッタ係数ｋを１と算出する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、電力系統における高調波抑制用アクティブフィルタや高力率コン バータを有する無停電電源（ＵＰＳ）の電力変換回路、或いは、可変電圧可変周 波数機器電源（ＶＶＶＦ）などの電力変換回路における過負荷抑制用の出力リミ ッタ回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】

アクティブフィルタや高力率コンバータは、演算回路で算出された電流指令値 に基づいて電力変換回路のインバ−タを駆動して、所望の出力電流を得ている。 また、可変電圧可変周波数機器電源は、演算回路で算出された電圧指令値に基づ いて電力変換回路を駆動して、所望の出力電圧を得ている。

【０００３】 上記のような電力変換回路には、電力半導体素子などの回路構成部品が過電流 や過電圧で発熱し破壊するのを防止する目的で、出力レベルを制限する過負荷抑 制用出力リミッタ回路が付設される。この種の出力リミッタ回路は、電流または 電圧クランプ方式のものが一般的で、その一例を図５乃至図７を参照して説明す る。

【０００４】 図５に示される出力リミッタ回路１は、アクティブフィルタのインバータの出 力電流制御などに使用される出力電流制限用のもので、これはツェナーダイオー ドなどから成る両極性のクランプ回路２で主要部が構成される。クランプ回路２ に図示しない外部の演算回路から電流指令値ｉ₁ の指令値信号が入力されると、 出力端子に振幅がリミッタ指令値Ｉ_MAX で制限されたリミッタ出力電流ｉ₂ が出 力される。このリミッタ出力電流ｉ₂ で、アクティブフィルタのインバータなど の電力変換回路の出力電流が制御される。

【０００５】 即ち、クランプ回路２は、図６に示すように、リミッタ指令値Ｉ_MAX をクラン プ電圧に設定し、これより大きい振幅の電流指令値ｉ₁ の電圧はリミッタ指令値 ＩMAX の電圧値にクランプしてリミッタ出力電流ｉ₂ を出力する。この場合のリ ミッタ出力電流ｉ₂ は、次の式、式の如く表される。 式 ｜ｉ₁｜＜Ｉ_MAX のとき ｉ₂ ＝ ｉ₁ 式 ｜ｉ₁｜≧Ｉ_MAX のとき ｉ₂ ＝ Ｉ_MAX

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、式の｜ｉ₁ ｜＜Ｉ_MAX の場合、例えば図７（ａ）の波形の電流指 令値ｉ₁ が入力されると、電流指令値ｉ₁ の信号がそのままリミッタ出力電流ｉ ₂ となって出力され、リミッタ出力電流ｉ₂ の波形は、図７（ａ’）に示すよう に電流指令値ｉ₁ と同一振幅の相似波形となって問題無いが、式の｜ｉ₁ ｜≧ Ｉ_MAX の場合に次の問題があった。

【０００７】 ｜ｉ₁ ｜≧Ｉ_MAX の図７（ｂ）に示す波形の電流指令値ｉ₁ を両極性のクラン プ回路２でリミッタ指令値Ｉ_MAX 内に振幅制限すると、リミッタ出力電流ｉ₂ の 波形は図７（ｂ’）に示すように、電流指令値ｉ₁ がリミッタ指令値Ｉ_MAX を超 える点のみが平坦にクランプされた波形となり、電流指令値ｉ₁ の波形と相似形 にならない。その結果、演算回路で算出された電流指令値ｉ₁ とは異なった周波 数成分を有するリミッタ出力電流ｉ₂ が電力変換回路に与えられて、電力変換回 路が電流指令値ｉ₁ に基づく所定の出力電流を出力しないといった誤動作をする ことがあった。例えば電流指令値ｉ₁ に基づくリミッタ出力電流ｉ₂ でアクティ ブフィルタの電力変換回路の出力を制御して、電力系統の高調波補償をするよう な場合、電流指令値ｉ₁ により補償する高調波成分と異なる高調波成分までが誤 って補償されるといった問題が生じることがある。

【０００８】 また、電圧指令値信号で電圧制御する可変電圧可変周波数機器電源などの電力 変換回路の過負荷抑制用出力リミッタ回路にも、上記同様な両極性のクランプ回 路が使用されている。このような出力電圧制限用の出力リミッタ回路の場合も、 そのクランプ回路に入力される電圧指令値の信号が所定のリミッタ指令値を超え ると、クランプ回路から出力されるリミッタ出力電圧の波形が電圧指令値信号の 波形と相似形とならず可変電圧可変周波数機器電源が誤動作することがある。

【０００９】 従って、この考案の目的とするところは、入力される指令値信号と相似波形の リミッタ出力信号を出力して、電力変換回路の過負荷抑制を確実に行う電力変換 回路の出力リミッタ回路を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この考案は上記目的を達成するため、電流または電圧の指令値信号を所定のリ ミッタ指令値の振幅範囲内に規制して電力変換回路の出力を制御するようにした 電力変換回路の出力リミッタ回路において、指令値信号の瞬時の振幅を演算する 振幅演算部と、演算された振幅値の二乗和と平方根演算で指令値信号の実効値を 算出する実効値演算部と、演算された指令値信号実効値でリミッタ指令値に基づ く所定の実効値リミッタ値を除算してリミッタ係数を算出し、指令値信号実効値 が実効値リミッタ値以下のときはリミッタ係数を１に算出するリミッタ係数演算 部と、算出されたリミッタ係数と瞬時の指令値信号を乗算してリミッタ出力信号 を出力する乗算部とを具備したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】

指令値信号の実効値で、リミッタ指令値に基づく実効値のリミッタ値を除算し てリミッタ係数を求め、指令値信号実効値が実効値リミッタ値以下のときはリミ ッタ係数を１に演算し、瞬時の指令値信号にリミッタ係数を乗算してリミッタ出 力信号を出力するようにすると、指令値信号の最大振幅がリミッタ指令値以下で 指令値信号実効値が実効値リミッタ値以下のときは、指令値信号がそのままリミ ッタ出力信号として出力され、また、指令値信号の最大振幅がリミッタ指令値を 超えて指令値信号実効値が実効値リミッタ値を超えるときは、瞬時の指令値信号 の振幅が０＜ｋ≦１なるリミッタ係数ｋの乗算により縮小されて、リミッタ出力 信号の最大振幅がリミッタ指令値に制限された、指令値信号と相似波形の信号と なる。その結果、リミッタ出力信号は、入力指令値信号の振幅の大小に拘らず、 常に指令値信号をリミッタ指令値で振幅制限した、かつ、入力指令値信号と周波 数成分の同じ相似波形となる。

【００１２】

【実施例】

以下、実施例について図１乃至図４を参照して説明する。

【００１３】 図１の実施例に示される出力リミッタ回路３は、例えばアクティブフィルタの インバータの出力電流制御などに適用される出力電流制限用のもので、外部の演 算回路で算出された電流指令値ｉ₁ の入力信号と同一周波数成分、相似波形のリ ミッタ出力電流ｉ₂ を出力する。出力リミッタ回路３は、電流指令値ｉ₁ をフー リエ変換等して瞬時の振幅を演算し、実効値を演算する振幅演算部４および実効 値演算部５と、演算された電流指令値実効値Ｉ_RMS で所定の実効値リミッタ値Ｉ '_RMSを除算したリミッタ係数ｋを算出するリミッタ係数演算部６と、リミッタ係 数ｋと瞬時の電流指令値ｉ₁ とを乗算してリミッタ出力電流ｉ₂ を出力する乗算 部７を備える。

【００１４】 図１の出力リミッタ回路３は、電流指令値ｉ₁ の入力信号が単相入力の場合の 基本回路が示され、これの基本動作を説明する。

【００１５】 振幅演算部４は、電流指令値ｉ₁ の各周波数成分の信号を全波整流し平滑など して瞬時の振幅を演算する、或いは、電流指令値ｉ₁ 信号をフーリエ変換して所 望の周波数（高調波）成分の振幅を演算する。実効値演算部５は、振幅演算部４ で演算された各周波数成分の振幅値を二乗する二乗器８と、各周波数成分の振幅 二乗値を加算する加算器９と、各周波数成分の振幅二乗値の加算値の平方根を演 算して電流指令値実効値Ｉ_RMS を算出する平方根演算器１０を備える。実効値演 算部５で演算された電流指令値実効値Ｉ_RMS がリミッタ係数演算部６に入力され て、電流指令値ｉ₁ に乗算されるリミッタ係数ｋが算出される。

【００１
６】 リミッタ係数演算部６は、電流指令値ｉ₁ の振幅を制限するリミッタ指令値Ｉ _MAX に基づく所定の実効値リミッタ値Ｉ'_RMSを設定するリミッタ値設定回路１１ と、除算器１２を備える。除算器１２は、入力される電流指令値実効値Ｉ_RMS で 実効値リミッタ値Ｉ'_RMSを除算するｋ＝Ｉ'_RMS／Ｉ_RMS の計算式で１または０＜ ｋ≦１のリミッタ係数ｋを算出する。例えば、実効値演算部５の電流指令値実効 値Ｉ_RMS 信号が第１ダイオードＤ₁ を通し、リミッタ値設定回路１１の実効値リ ミッタ値Ｉ'_RMS信号が第２ダイオードＤ₂ を通して除算器１２に入力される。従 って、電流指令値実効値Ｉ_RMS が実効値リミッタ値Ｉ'_RMSより小さいと、除算器 １２には実効値リミッタ値Ｉ'_RMSが入力され、これを同一の実効値リミッタ値Ｉ '_RMSで除算してリミッタ係数ｋが１と演算される。また、電流指令値実効値Ｉ_{RM S} が実効値リミッタ値Ｉ'_RMS以上のときは、除算器１２に電流指令値実効値Ｉ_{RM S} が入力され、これを実効値リミッタ値Ｉ'_RMSで除算して０＜ｋ≦１のリミッタ 係数ｋが演算される。

【００１７】 乗算部７は、元の電流指令値ｉ₁ にリミッタ係数演算部６で演算されたリミッ タ係数ｋを乗算して、振幅制限された所望のリミッタ出力電流ｉ₂ を出力する。 この場合のリミッタ出力電流ｉ₂ は、次の式、式の如く表される。 式 Ｉ_RMS ＜Ｉ'_RMSのとき ｉ₂ ＝ ｉ₁ ｋ＝１ 式 Ｉ_RMS ≧Ｉ'_RMSのとき ｉ₂ ＝ ｋｉ1 ０＜ｋ≦１

【００１８】 即ち、電流指令値ｉ₁ の信号が図２（ａ）に示すような波形で、最大振幅がリ ミッタ指令値Ｉ_MAX より小さいとき、この電流指令値ｉ₁ より演算された電流指 令値実効値Ｉ_RMS がリミッタ指令値Ｉ_MAX に対応する実効値リミッタ値Ｉ'_RMSよ り小さくて、リミッタ係数演算部６で演算されるリミッタ係数ｋが１となる。そ の結果、リミッタ出力電流ｉ₂ は、瞬時の電流指令値ｉ₁ に１を乗算した信号、 つまり、電流指令値ｉ₁ そのものとなり、その出力波形は図２（ａ）と同一の図 ２（ａ’）の波形となる。

【００１９】 また、電流指令値ｉの信号が図２（ｂ）の波形に示すように、最大振幅がリミ ッタ指令値Ｉ_MAX 以上のとき、電流指令値実効値Ｉ_RMS が実効値リミッタ値Ｉ'_{R MS} 以上となって、リミッタ係数ｋが０＜ｋ≦１の範囲で演算される。この１以下 のリミッタ係数ｋを元の電流指令値ｉ₁ に乗算したリミッタ出力電流ｉ₂ は、図 ２（ｂ’）の波形に示すように、瞬時の電流指令値ｉ₁ の振幅だけをリミッタ係 数ｋで圧縮した、最大振幅がリミッタ指令値Ｉ_MAX で制限された波形となる。従 って、振幅制限されたリミッタ出力電流ｉ₂ でアクティブフィルタなどの電力変 換回路の過電流による加熱破壊が防止される。また、このリミッタ出力電流ｉ₂ の波形と電流指令値ｉ₁ の波形は完全な相似波形であるため、入力と出力の周波 数成分が同一となって、アクティブフィルタなどの電力変換回路の誤動作が防止 される。

【００２０】 図１の出力リミッタ回路３をアクティブフィルタのインバータの出力電流制御 に使用する場合、図３に示すように振幅演算部４にフーリエ変換回路１３を適用 する。この場合、電流指令値ｉ₁ の信号がフーリエ変換回路１３で所望のｎ次高 調波成分（ｎ＝5、7、11、13、…）に分解され、その各々の高調波成分における振幅 情報であるＰ座標の振幅絶対値｜ｉ_Pn｜とＱ座標の振幅絶対値｜ｉ_Qn｜が振幅演 算部（パワースペクトル演算部）５の二乗器８…で二乗され、各々の二乗値が加 算器９で加算され、その加算値の平方根が平方根演算部１０で演算されて、電流 指令値ｉ₁ の各高調波成分の合計されたパワースペクトルが演算される。このパ ワースペクトルが電流指令値実効値Ｉ_RMS としてリミッタ係数演算部６に出力さ れて、次の式のリミッタ係数ｋが算出される。 式 ｋ＝Ｉ'_RMS／Ｉ_RMS ＝Ｉ'_RMS／（｜ｉ_Pn｜² ＋｜ｉ_Qn｜² ）^1/2

【００２１】 このように演算されたリミッタ係数ｋをフーリエ変換回路１３の各ｎ次高調波 成分の振幅絶対値｜ｉ_Pn｜、｜ｉ_Qn｜の信号に乗算部７の乗算器７’で乗算して 、各ｎ次高調波成分のリミッタ出力電流｜ｉ_2n｜を得る。この各ｎ次高調波成分 のリミッタ出力電流｜ｉ_2n｜を逆フーリエ変換によって時間軸信号に変換すれば 、電流指令値ｉ₁ と相似波形の振幅制限された所望のリミッタ出力電流が出力さ れる。

【００２２】 図１の出力リミッタ回路３における電流指令値ｉ₁ の入力信号が複数相、例え ば三相入力の場合、図４に示すように回路構成される。図４の出力リミッタ回路 ３の基本動作を説明すると、三相入力の電流指令値ｉa 、ｉb 、ｉc の各々が振 幅演算部４に入力されて夫々の瞬時の振幅値｜ｉa ｜、｜ｉb ｜、｜ｉc ｜が演 算される。三相入力の各振幅値｜ｉa ｜、｜ｉb ｜、｜ｉc ｜が実効値演算部５ の対応する二乗器８、…で二乗され、その二乗値の合計が加算器９で加算され、 その加算値の平方根が平方根演算部１０で演算されて、三相入力の電流指令値ｉ a 、ｉb 、ｉc の全体の電流指令値実効値ＩRMS が算出され、リミッタ係数演算 部６に出力される。

【００２３】 リミッタ係数演算部６の実効値リミッタ値Ｉ'RMSは、三相入力全体に対して設 定されて、リミッタ係数演算部６は次の式のリミッタ係数ｋを算出する。 式 ｋ＝Ｉ'_RMS／Ｉ_RMS ＝Ｉ'_RMS／ （｜ｉa ｜² ＋｜ｉb ｜² ＋｜ｉc ｜² ）^1/2

【００２４】 このリミッタ係数ｋを乗算部７の各乗算器７’で三相入力の各振幅値｜ｉa ｜ 、｜ｉb ｜、｜ｉc ｜に乗算すれば、振幅制限された三相のリミッタ出力電流｜ ｉa'｜、｜ｉb'｜、｜ｉc'｜が得られる。この三相のリミッタ出力電流｜ｉa'｜ 、｜ｉb'｜、｜ｉc'｜を時間軸信号に変換すれば、三相入力と相似波形の三相の リミッタ出力電流が出力される。

【００２５】 なお、上記各実施例は、電流指令値信号で電流制御を行うアクティブフィルタ などの電力変換回路の出力リミッタ回路で説明したが、本考案は以上の実施例に 限らず、電圧指令値信号で電圧制御する可変電圧可変周波数機器電源などの電力 変換回路の出力リミッタ回路にも適用可能である。

【００２６】

【考案の効果】

本考案によれば、指令値信号のリミッタ指令値に基づく実効値リミッタ値を指 令値信号の実効値で除算したリミッタ係数を求め、指令値信号の実効値が実効値 リミッタ値以下のときはリミッタ係数を１に演算して、瞬時の指令値信号にリミ ッタ係数を乗算してリミッタ出力信号を出力するようにしたので、指令値信号の 最大振幅がリミッタ指令値以下のときは、指令値信号がそのままリミッタ出力信 号として出力され、指令値信号の最大振幅がリミッタ指令値を超えるときは、瞬 時の指令値信号の振幅が１以下のリミッタ係数の乗算で縮小されて、最大振幅が リミッタ指令値に制限された、指令値信号と相似波形のリミッタ出力信号が出力 される。

【００２７】 従って、リミッタ出力信号は、常にリミッタ指令値で振幅制限された信号とな り、電力変換回路の過電流や過電圧による加熱や破壊が未然に防止される。また 、指令値信号の波形とリミッタ出力信号の波形が常に相似形となるため、リミッ タ出力信号と入力指令値信号の周波数成分が同一となって、電力変換回路の出力 制御の誤動作が回避されるようになり、アクティブフィルタなどの動作の信頼性 を上げることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す基本的な出力リミッタ
回路のブロック図

【図２】（ａ）及び（ａ’）と、（ｂ）及び（ｂ’）は
図１の出力リミッタ回路の入力指令値信号と出力信号の
振幅と位相関係を示す信号波形図

【図３】図１の出力リミッタ回路の応用例を示すブロッ
ク図

【図４】図１の出力リミッタ回路の他の応用例を示すブ
ロック図

【図５】従来の電力変換回路の出力リミッタ回路の概略
を示すブロック図

【図６】図５の出力リミッタ回路のリミッタ特性を示す
電流波形図

【図７】（ａ）及び（ａ’）と、（ｂ）及び（ｂ’）は
図５の出力リミッタ回路の入力指令値信号と出力信号の
振幅と位相関係を示す信号波形図

【符号の説明】

３ 出力リミッタ回路 ４ 振幅演算部 ５ 実効値演算部 ６ リミッタ係数演算部 ７ 乗算部 ｉ₁ 指令値信号（電流指令値） ｉ₂ リミッタ出力信号（リミッタ出力電流） Ｉ_MAX リミッタ指令値 Ｉ_RMS 指令値信号実効値 Ｉ'_RMS 実効値リミッタ値 ｋ リミッタ係数

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電流または電圧の指令値信号を所定のリ
   ミッタ指令値の振幅範囲内に規制して電力変換回路の出
   力を制御するようにした電力変換回路の出力リミッタ回
   路であって、 前記指令値信号の瞬時の振幅を演算する振幅演算部と、
   演算された振幅値の二乗和と平方根演算で指令値信号の
   実効値を算出する実効値演算部と、演算された指令値信
   号実効値で前記リミッタ指令値に基づく所定の実効値リ
   ミッタ値を除算してリミッタ係数を算出し、前記指令値
   信号実効値が実効値リミッタ値以下のときはリミッタ係
   数を１に算出するリミッタ係数演算部と、算出されたリ
   ミッタ係数と瞬時の指令値信号を乗算してリミッタ出力
   信号を出力する乗算部とを具備したことを特徴とする電
   力変換回路の出力リミッタ回路。