JPH10327576A - 交流−直流変換装置 - Google Patents

交流−直流変換装置

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JPH10327576A
JPH10327576A JP21727697A JP21727697A JPH10327576A JP H10327576 A JPH10327576 A JP H10327576A JP 21727697 A JP21727697 A JP 21727697A JP 21727697 A JP21727697 A JP 21727697A JP H10327576 A JPH10327576 A JP H10327576A
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JP
Japan
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current
pulse width
gain
current control
power supply
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Application number
JP21727697A
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English (en)
Inventor
Kazunori Sakanobe
和憲 坂廼辺
Mamoru Kawakubo
守 川久保
Hitoshi Kawaguchi
仁 川口
Yosuke Sasamoto
洋介 篠本
Takahiro Motoki
崇弘 本木
Shoji Mochizuki
昌二 望月
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 交流−直流変換装置を、低速で安価な制御素
子を用いても、入力電流を適正に制御できるようにす
る。 【解決手段】 電圧位相検出手段10は電源電圧を検出
して電圧位相θを出力し、正弦波作成手段11でsinθ
を演算する。電圧制御手段13は直流電圧Vdcを検出
し、目標直流電圧Vdc*との偏差から入力電流の振幅指
令値を演算する。ゲイン調整部12は交流電源1のゼロ
クロス近傍では大、ピーク近傍では小となる電流制御ゲ
インGainを出力する。電流制御手段15は電流検出器
8が検出した入力電流Iと、電流指令値I*と、電流制
御ゲインGainを入力し、電流制御ゲインGainに基づい
てスイッチング素子5のオン/オフ時間比率を演算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、交流電源を直流
に変換して負荷に供給する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図10〜図12は従来の交流−直流変換
装置を示す図で、図10は全体構成図、図11は電流及
びパルス幅変調(PWM)デューティ波形図、図12は
電流制御ゲイン波形図である。図10において、交流電
源1は整流素子2、リアクトル3及び逆流阻止ダイオー
ド4を介して整流され、負荷7に直流電力を供給する。
コンバータ制御手段9は入力電流を検出し、この力率が
1となるようにスイッチング素子5を制御する。このと
きの電流指令値、実電流及びPWMデューティの変化を
図11に示す。
【0003】コンバータ制御手段9での力率制御は電流
制御手段15で行われており電源電圧に同期した正弦波
電流指令値I*と、電流検出器8で検出された入力電流
Iとの偏差に基づいて、この偏差が正の場合は、PWM
デューティを上記偏差の所定倍だけ大きく、偏差が負の
場合は、PWMデューティを上記偏差の所定倍だけ小さ
くするように動作している。なお、電流制御周波数(電
流制御周期の逆数)が低いと、電圧ゼロクロス近傍では
ゲイン不足となり、電流がひずむ(図12(A)参照)
ため、電流制御周波数は所定値以上高くする必要があ
り、一般に数10KHz以上にしている(図11参
照)。なお、図12(B)は過大ゲイン時を示す。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の交
流−直流変換装置では、電流制御周波数を高くしている
ため、電流検出器8、電流制御手段15及びPWM手段
16は高速でむだ時間の短い部品を用いる必要があり、
コンバータ制御手段9が高価になるという問題点があ
る。
【0005】この発明は上記問題点を解消するためにな
されたもので、低速で安価な制御素子を用いても入力電
流を適正に制御することができるようにした交流−直流
変換装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明の第1発明に係
る交流−直流変換装置は、交流電源の位相に応じて変化
する電流制御ゲインを出力し、この電流制御ゲインに応
じたPWM信号によりスイッチング素子をオン/オフ制
御して電流を制御するようにしたものである。
【0007】また、第2発明に係る交流−直流変換装置
は、交流電源の絶対値が零近傍となるタイミングでは
大、ピーク近傍となるタイミングでは小となる電流制御
ゲインを出力し、電流偏差と電流制御ゲインに基づいて
スイッチング素子のオン/オフ時間比率を演算して、ス
イッチング素子を制御して電流を制御するようにしたも
のである。
【0008】また、第3発明に係る交流−直流変換装置
は、第2発明のものにおいて、入力電圧半波周期の位相
情報に基づいて電流制御ゲインを演算するようにしたも
のである。
【0009】また、第4発明に係る交流−直流変換装置
は、第2又は第3発明のものにおいて、入力電圧半波周
期の位相の正弦関数に基づいて電流制御ゲインを演算す
るようにしたものである。
【0010】また、第5発明に係る交流−直流変換装置
は、第2発明のものにおいて、入力電圧の絶対値に基づ
いて電流制御ゲインを演算するようにしたものである。
【0011】また、第6発明に係る交流−直流変換装置
は、電流制御ゲインに応じた第1パルス幅変調デューテ
ィと、交流電源の周期で変化するパルス幅変調デューテ
ィ基準パターンとを加算してパルス幅変調デューティを
出力するようにしたものである。
【0012】また、第7発明に係る交流−直流変換装置
は、第6発明のものにおいて、パルス幅変調デューティ
基準パターンを、交流電圧が高い位相で小さく、交流電
圧が低い位相で大きくなるパターンとしたものである。
【0013】また、第8発明に係る交流−直流変換装置
は、第6発明のものにおいて、パルス幅変調デューティ
基準パターンを、交流電源電圧周期間における時間積分
値が零となるパターンとしたものである。
【0014】また、第9発明に係る交流−直流変換装置
は、第6発明のものにおいて、パルス幅変調デューティ
基準パターンを、交流電源電圧に周期した正弦関数を用
いて作成するようにしたものである。
【0015】また、第10発明に係る交流−直流変換装
置は、第6発明のものにおいて、パルス幅変調デューテ
ィ基準パターンを、交流電源電圧を用いて作成するよう
にしたものである。
【0016】また、第11発明に係る交流−直流変換装
置は、第6発明のものにおいて、パルス幅変調デューテ
ィ基準パターンを、データ列として記憶装置にあらかじ
め記憶させておくようにしたものである。
【0017】また、第12発明に係る交流−直流変換装
置は、第11発明のものにおいて、記憶装置に記憶され
たパルス幅変調デューティ基準パターンを、各電源位相
における電流指令値と実電流値との偏差に基づいて更新
するようにしたものである。
【0018】また、第13発明に係る交流−直流変換装
置は、入力電流をフィードバックしてパルス幅変調デュ
ーティを出力する電流制御手段として、PI制御器を用
い、パルス幅変調デューティが零から1の範囲となるよ
うに積分値を制御するようにしたものである。
【0019】また、第14発明に係る交流−直流変換装
置は、第6発明のものにおいて、交流電源からの入力電
流をフィードバックして制御する電流制御手段として、
PI制御器を設け、電流制御ゲインに応じた第1パルス
幅変調デューティと、交流電源の周期で変化するパルス
幅変調デューティ基準パターンとを加算した値が零から
1の範囲となるように積分値を制御するようにしたもの
である。
【0020】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.図1〜図3はこの発明の第1〜第4発明
の一実施の形態を示す図で、図1は全体構成図、図2は
ゲイン調整部及び電流制御手段のブロック線図、図3は
入力電流及び電流制御ゲイン波形図であり、図中同一符
号は同一部分を示す(以下の実施の形態も同じ)。
【0021】図1及び図2において、1は交流電源、2
は交流電源1に接続されブリッジ状に構成された整流素
子、3は整流素子2の出力側に挿入されたリアクトル、
4はリアクトル3に接続された逆流阻止ダイオード、5
はリアクトル3の一端と整流素子2の出力側に接続され
たスイッチング素子、6はダイオード4の出力側と整流
素子2の出力側に接続された平滑コンデンサで、リアク
トル3、ダイオード4、スイッチング素子5及び平滑コ
ンデンサ6で昇圧チョッパ回路が構成されている。7は
平滑コンデンサ6に接続された負荷、8は整流素子2の
出力側に挿入された電流検出器である。
【0022】9はコンバータ制御手段、10は交流電源
1に接続された電圧位相検出手段、11は電圧位相検出
手段10に接続された正弦波作成手段、12は正弦波作
成手段11に接続されたゲイン調整部、13は平滑コン
デンサ6に接続され、かつ目標直流電圧Vdc*が入力さ
れる電圧制御手段、14は正弦波作成手段11及び電圧
制御手段13に接続された乗算手段である。
【0023】15は電流検出器8、ゲイン調整部12及
び乗算手段14に接続された電流制御手段、16は電流
制御手段15に接続されたPWM手段である。
【0024】上記のように構成された交流−直流変換装
置において、まず交流−直流変換装置による高力率制御
の原理について説明する。この実施の形態の基本的な動
作原理は、正弦波の電流指令値I*を作成し、検出され
た電流Iとの偏差を演算し、その偏差が零となるような
スイッチング素子5のオン/オフパターンを作成し、昇
圧チョッパ回路を用いて電流を制御するというものであ
る。
【0025】次に昇圧チョッパ回路による入力電流制御
について説明する。交流電源1は整流素子2により直流
に変換されて負荷7に供給される。ここで、スイッチン
グ素子5がオン状態の場合、電流Iが2−3−5−2の
回路を通じて流れる。この回路のインピーダンスは極め
て小さく、かつ誘導性であるため、電流Iは時間ととも
に増加する波形となり、このときリアクトル3には電流
Iに応じたエネルギーが蓄積される。
【0026】また、スイッチング素子5がオフ状態の場
合、電流Iは2−3−4−6−2の回路を通じて流れ
る。この場合、リアクトル3の電流エネルギーは、平滑
コンデンサ6の電荷エネルギーに変換されるため、電流
Iは時間とともに減少する波形となる。すなわち、スイ
ッチング素子5のオン/オフのタイミングを制御するこ
とにより入力電流が制御できる。
【0027】次にPWMによる入力電流の正弦波電流制
御について説明する。上述から明らかなように、入力電
流はスイッチング素子5のオン時間を長くすると増加
し、オフ時間を長くすると減少する。したがって、所定
周期Tにおけるスイッチング素子5のオン時間の比率
(Ton/T:以下PWMデューティという)を大きくす
ると電流Iが増加し、小さくすると電流Iが減少する。
このPWMデューティを用いて入力電流を制御すること
ができる。
【0028】PWMデューティを用いて目標とする電流
波形(正弦波)に入力電流を近づける手段としては、フ
ィードバック制御が用いられる。すなわち、入力電流を
検出し、目標とする電流(正弦波)との偏差を逐次演算
し、偏差が正(入力電流値<目標電流値)の場合は、P
WMデューティを偏差に比例して大きくし、偏差が負
(入力電流値>目標電流値)の場合は、PWMデューテ
ィを偏差に比例して小さくする。この処理を連続して行
うことにより、入力電流値を目標電流値に近づけること
ができる。
【0029】上記制御における入力電流の目標値(電流
指令値)を入力電圧に同期した正弦波にすれば、入力電
流を正弦波にし、かつ入力力率をほぼ1に制御すること
ができる。次に、この実施の形態の原理を説明する。ま
ず、スイッチング素子5のオン時間と、スイッチング素
子5を流れる電流の関係式は下式で示される。
【0030】 I=C1・Vs・{1−exp(−C2*t)} ・・・(1) ここに、C1,C2:定数 Vs:入力電圧(V・sinθ) t:通流時間 I:電流 すなわち、通流時間tを一定とすると、電流Iは入力電
圧Vsにほぼ比例する。
【0031】したがって、電圧が低い入力電圧ゼロクロ
ス近傍で、所定のPWM変化量を与えた場合は、電流I
は変化しにくくなる。電流制御の制御周波数を低くした
場合の電圧ゼロクロス近傍の電流ひずみ(図6(A))
は、上記の要因によるものである。この実施の形態は、
電源電圧の絶対値に対して逆の相関(電源電圧の絶対値
が大きいときは小となるような特性)を持つゲインを用
いてPWMデューティを演算する(電流誤差をゲイン倍
してPWMデューティとする)ことにより、自動的に電
源ゼロクロス近傍でのゲイン不足を解消し、電流制御周
波数の引下げを可能とするものである。
【0032】次に、この実施の形態の動作を説明する。
電圧位相検出手段10は電源電圧を検出し、現在の電圧
位相θ(ただし、電圧位相θは電源半波周期の繰返し位
相:0≦θ<π)を出力する。正弦波作成手段11は電
圧位相θに基づき、そのsinθを出力する。電圧制御手
段13は直流電圧Vdcを検出し、目標直流電圧Vdc*
の偏差から入力電流の振幅指令値を作成する。また、電
流検出器8は入力電流Iを検出する。
【0033】ゲイン調整部12は現在の電圧位相θに基
づき電流制御ゲインGainを演算する。また、乗算手段
14は上記振幅指令値及びsinθを入力して入力電流指
令値I*を演算する。そして、電流制御手段15は入力
電流I及び入力電流指令値Iを入力してその偏差が零
となるようにPWMデューティを制御する。PWM手段
16はPWMデューティの情報を所定キャリア周波数の
スイッチング素子オン/オフタイミング信号(PWM信
号)に変換してスイッチング素子5をオン/オフ制御す
る。
【0034】ここで、ゲイン調整部12は、電圧位相θ
がπ/2近辺で最小、電圧位相θが零及びπで最大とな
るような電流制御ゲインGainを出力する。以下に、
電流制御ゲインGainの演算の一例を示す。 Gain←(K1−K2・sinθ)(K1,K2は定数、K1>K2)・・・(2) また、電流制御手段15では、PWMデューティは例え
ば(3)式のように制御される。 PWMduty←ΔI・Gain (ΔI=I*−I) ・・・(3) 上記のように制御した場合、(1)式は下記のようにな
る。 I=C1・V・sinθ[1−exp{−C2・ΔI・(K1−K2・sinθ)}]・・・(4)
【0035】(4)式において、前半項(C1・V・sin
θ)と後半項(大かっこ内)とで分けて電圧位相θの影響
を考える。前半項が小となる電圧位相θが零近傍の場合
は、後半項は大となり、前半項が大となる電圧位相θが
π/2近傍の場合は、後半項は小となるように制御され
る。すなわち、電流制御は入力電圧変化の外乱を自動的
に抑制するように作用することとなる。
【0036】このときの電流制御ゲインGain電流指令
値I*及び実電流値Iの変化を図3に示す。同図に示し
たように電圧位相θに同期して電流制御ゲインGainが
変化するため、スイッチング素子5に低速の制御素子を
用いた場合でも、ゼロクロス付近でのひずみや、ピーク
付近での発振が生じることなく、入力電流を正弦波に制
御することが可能となる。このようにして、電流制御が
入力電圧位相の影響を受けにくくなるため、制御周波数
を下げることができ、安価な制御素子を使用することが
可能となる。
【0037】また、この実施の形態では、入力電圧半波
周期の位相情報、特に正弦関数に基づいて電流制御ゲイ
ンGainを変化させ、正弦関数を電流指令値I*作成用の
手段と共用しているため、電流制御ゲインGainを所望
の形に変化させるための専用手段を新設する必要がな
く、簡易にコンバータ制御手段9を構成することが可能
である。
【0038】実施の形態2.この実施の形態はこの発明
の第5発明の一実施の形態を示すものである。実施の形
態1では、電流制御ゲインGainを変化させる基準信号
として正弦関数を用いるものとしたが、これに限るもの
ではなく、入力電圧信号自体を用いてもほぼ同様の効果
が得られる。なお、上記基準信号として入力電圧を用い
た場合、電源電圧の変動に対して安定した制御を実現で
きる。
【0039】実施の形態3.図4及び図5はこの発明の
第6〜第9及び第11発明の一実施の形態を示す図で、
図4は全体構成図、図5は第1PWMデューティ、PW
Mデューティ基準パターン及び電流制御補償手段出力の
波形図である。
【0040】図4において、D1は電流制御手段15か
ら出力される第1PWMデューティ、21は電流制御補
償手段で、電圧位相検出手段10に接続され第2PWM
デューティD2を出力する演算手段22と、電流制御手
段15及び演算手段22に接続された加算器23で構成
され、加算器23はPWM手段16に接続されている。
上記以外は図1と同様である。ただし、ゲイン調整部1
2は設けられていない。
【0041】上記のように構成された交流−直流変換装
置による高力率制御の原理について説明する。この実施
の形態の基本的な動作原理は、正弦波の電流指令値I*
を作成し、検出された電流Iとの偏差を演算し、その偏
差が零となるように、スイッチング素子5のPWMデュ
ーティを演算し、求められたPWMデューティを基に、
スイッチング素子5をPWM制御し、昇圧チョッパ回路
の入力電流を制御するというものである。
【0042】昇圧チョッパ回路による入力電流制御につ
いては、図1で説明したとおりである。次にPWMデュ
ーティを用いて、目標とする電流波形に入力電流を近づ
ける手段として用いられるPI制御について説明する。
これは目標とする電流(正弦波)に対する実電流の偏差
(I*−I)を逐次演算し、偏差を所定ゲインの比例、
積分器へ入力し、その出力をPWMデューティとして制
御するものである。
【0043】ここで、上記ゲインを正の値とすると、比
例・積分器は電流偏差が正のとき(不足電流状態)に
は、PWMデューティは増加して電流が増加し、電流偏
差が負のとき(過電流状態)には、PWMデューティは
減少して電流が減少するように動作するため、ほぼ目標
電流に近づくことになる。ただし、電流の変化は、初期
電流値及び電圧位相にも依存するため、PWMデューテ
ィと電流変化の関係は、一般に非線形である。
【0044】ここで、入力電流が連続、かつ力率1(入
力電圧と同位相の正弦波)に制御する場合、PWMデュ
ーティは、図5のように変化する必要があるが、PI制
御では、制御周期及びゲインで決定される所定の応答遅
れ及び上記のPWMデューティと電流変化の関係の非線
形性が存在するため、PWMデューティが目標どおりに
変化せず、力率が所定値以上には向上できなくなる。こ
の実施の形態は、あらかじめ想定されるPWMデューテ
ィをフィードフォワード的に出力する電流制御補償手段
21を用いることにより、上記応答遅れによる力率の低
下を解消し、また、電流制御周波数の低下を可能にする
ものである。
【0045】次に、この実施の形態の動作を説明する。
電圧位相検出手段10は電源電圧を検出し、現在の電圧
位相θ(ただし、電圧位相θは電源半波周期の繰返し位
相:0≦θ<π)を出力する。正弦波作成手段11は、
電圧位相θに基づき、そのsinθを出力する。電圧制御
手段13は直流電圧Vdcを検出し、目標直流電圧Vdc*
との偏差から入力電圧の振幅指令値を作成する。また、
電流検出器8は入力電流Iを検出する。
【0046】乗算手段14は上記振幅指令値及びsinθ
を入力して、入力電流指令値I*を演算する。そして、
電流制御手段15は入力電流I及び入力電流指令値I*
を入力して、その偏差が零になるように第1PWMデュ
ーティD1を出力する。電流制御補償手段21は、演算
手段22で、現在の電圧位相θに基づき、第2PWMデ
ューティD2を求め、これを加算器23で第1PWMデ
ューティD1と加算して、最終的なPWMデューティを
出力する。
【0047】PWM手段16は電流制御補償手段21か
ら出力されるPWMデューティの情報を所定キャリア周
波数雪スイッチング素子オン/オフタイミング信号(P
WM信号)に変換して、スイッチング素子5をオン/オ
フ制御する。ここで、電流制御補償手段21は、図5に
示すような電圧位相θがπ/2近辺で最小、電圧位相θ
が零及びπで最大となるような、PWMデューティ基準
パターンD2(θ)を記憶している。以下にPWMデュー
ティ基準パターンD2(θ)を作成するための関数の一例
を示す。
【0048】 D2(θ)=Y1(Y2−sinθ) ・・・(5) ここに、θ:電源電圧位相(0≦θ<π) D2:第2PWMデューティ Y1,Y2:定数(Y1,Y2>0) (5)式に示したような関数を用いて、PWMデューティ
基準パターンD2(θ)を作成する。なお、基準パターン
2(θ)の記憶形式は、例えばn区分に等分割した電源
位相θ1〜θnにおけるPWMデューティ基準パターンD
1)〜D(θn)とする。
【0049】このとき、第2PWMデューティD2は電
圧位相θがπ/2近辺で小、零及びπ近辺で大となるよ
うな変化を示すことは明らかである。ここで、(5)式の
1を適当な値に設定すると、所定の負荷でのPWMデ
ューティの交流分と、第2PWMデューティD2の交流
分とを、ほぼ同等にすることができる。このとき、電流
制御手段15の出力する第1PWMデューティD1の交
流成分が小さくなる。すなわち、電流制御手段15の制
御ゲインを下げることが可能となり、安価な制御素子を
使用することが可能となる。
【0050】また、(5)式において、K2=1/(√
2)、すなわち第2PWMデューティD2の電源半周期
間における時間積分が零となるように設定すると、コン
バータ起動時において、PWMデューティが急激に変化
しない。すなわち、起動時の過渡電流の発生を抑制する
ことが可能となる。
【0051】実施の形態4.図6はこの発明の第10発
明の一実施の形態を示す全体構成図である。実施の形態
3では、第2PWMデューティD2を変化させる基準信
号として正弦関数を用いるものとしたが、これに限るも
のではなく、実施の形態4では、入力電圧自体を用いる
ようにしたものであり、電源電圧の変動に対して安定し
た制御を実現しようとするものである。
【0052】図において、25は制御素子2の出力側に
接続された電圧検出手段、26は電圧検出手段25に接
続された目標電流波形作成手段、27は電流制御補償手
段で、電圧検出手段25に接続された演算手段28と、
電流制御手段15及び演算手段28に接続された加算器
29で構成され、加算器29はPWM手段16に接続さ
れている。上記以外は図4と同様である。
【0053】次に、この実施の形態の動作を説明する。
電圧検出手段25は、制御素子2で整流された入力電圧
|V5|(入力電圧Vsの絶対値)を検出して出力す
る。目標電流波形作成手段26は電圧検出手段25の出
力|Vs|を所定倍して出力する。電流制御補償手段2
7は演算手段28で電圧検出手段25の出力|Vs|か
ら下記(6)式に基づいて第2PWMデューティD2を逐次
演算し、加算器29で電流制御手段15の出力と加算し
てPWM手段16へ出力する。
【0054】 D2=Y1−Y2*|Vs| ・・・(6) ここに、Y1,Y2:定数(Y1,Y2>0) ここで、定数Y1,Y2を適当な値にすることにより、第
2PWMデューティD2を図5のPWMデューティ基準
パターンとほぼ同等の波形にすることができ、実施の形
態3と同様の効果を得ることができる。
【0055】なお、実施の形態3では、PWMデューテ
ィ基準パターンを電源位相θだけから作成したため、電
源電圧変動及びひずみに対する考慮が十分ではなかった
が、実施の形態4では、電源電圧変動及びひずみに対し
ても、良好に制御することが可能なものとなっている。
すなわち、電源電圧が低い場合は、第2PWMデューテ
ィD2は大となり、電源電圧が高い場合は、第2PWM
デューティD2は小となるように動作し、電流制御手段
15の出力を小さくすることができ、結果として電流を
安定して制御することが可能となる。
【0056】なお、上記実施の形態では(6)式に基づき
第2PWMデューティD2を演算するものとしたが、こ
れに限るものではなく、例えば(7)式、又は(8)式のよう
な演算によっても、同様の第2PWMデューティD2
得られる。 D2=Y1+Y2・1/|Vs|(|Vs|≫0) ・・・(7) D2=1 (|Vs|≒0) ・・・(8)
【0057】実施の形態5.この実施の形態はこの発明
の第12発明の一実施の形態を示し、図4を流用する。
実施の形態3では、PWMデューティ基準パターンD
2(θ)は、あらかじめ求めた固定のデータを用いるもの
としたが、これに限るものではなく、各電圧位相におけ
る電流偏差ΔI(電流指令値I*−実電流I)に基づい
て修正されたデータを用いてもよい。下記(9)式による
修正手順の一例を示す。
【0058】 D2(θ)new=D2(θ)old+Kd・Δ1(θ) ・・・(9) ここに、D2(θ)old:記憶されているPWMデューティ
基準パターン D2(θ)new:更新されたPWMデューティ基準パターン Kd:定数(ただし、Kd>0) ΔI(θ):電流偏差(I*−I) 電流電圧に変動やひずみが生じている場合、記憶されて
いるPWMデューティ基準パターンと目標とするPWM
デューティ基準パターンの間に誤差が生じ、電流の制御
性が損われる。
【0059】このとき、電流制御手段15の入力である
電流偏差(目標とする電流波形と実電流の差分)は大き
く変化するが、上記(7)式のように制御すると、PWM
デューティ基準パターンD2(θ)は電流偏差ΔIが正の
ときに増加し、負のときに減少して、それぞれ電流偏差
ΔIを小さくするように作用するため、結果として電流
Iは電流指令値(正弦波)I*に次第に近づいて行くこ
とになる。すなわち、電流電圧に変動やひずみが生じて
も安定した制御が実現できる。
【0060】実施の形態6.図7及び図8はこの発明の
第13発明の一実施の形態を示す図で、図7は電流制御
手段のブロック線図、図8は非線形積分器の動作フロー
チャートである。なお、図8は図10の電流制御手段1
5の内部に相当する。図において、31は電流偏差ΔI
が入力される比例制御器、32は電流偏差ΔIが入力さ
れ、かつ比例制御器31に接続された非線形積分器、3
3は比例制御器31及び非線形積分器32に接続された
加算器である。
【0061】次に、この実施の形態の動作を説明する。
比例制御器31は電流制御手段15の入力(電流偏差)
ΔIを入力し、所定ゲインkp倍して出力する。非線形
積分器32は比例制御器31の出力Dpと電流偏差ΔI
を入力し、積分値Diを出力する。加算器33は比例制
御器出力Dpと積分値出力Diを加算してPWMデューテ
ィを出力する。
【0062】次に、非線形積分器32の動作を図8を参
照して説明する。まず、ステップS1で電流偏差ΔIを
下記(10)式により積分する .
【0063】 Di tmp←Di old+Ki・ΔI ・・・(10) ここに、Di tmp:仮の積分器出力 Di old:積分器出力Diの前回演算値 Ki:制御ゲイン 次に、(8)式で求められた仮の積分器出力Di tmpが所定
範囲内(−Dp≦Di tmp≦(1−Dp))であるかを判
断する。まず、ステップS2で積分器出力Di tmpが
(1−Dp)よりも大であるかを判断し、(1−Dp)よ
りも大であればステップS3で積分器出力Diを(1−
Dp)に設定する。
【0064】(1−Dp)以下であればステップS4へ
進み、積分器出力Diが(−Dp)未満であるかを判断
し、(−Dp)未満であればステップS5で積分器出力
Diを(−Dp)に設定し、(−Dp)以上であればステ
ップS6で積分器出力DiをDi tmpをに設定する。非線
形積分器32が概略上記のような動作をすることによ
り、電流制御手段15の出力(PWMデューティ)は零
から1の範囲となり、かつ積分値が過小及び過大になら
ないように制御される。すなわち、過大な電流偏差ΔI
が入力されても、良好に制御することが可能である。
【0065】なお、入力電圧のゼロクロス近傍の位相に
おける電流制御が困難である昇圧チョッパ形の回路(図
4)に適用するのに、更に望ましいものとなる。
【0066】実施の形態7.図9はこの発明の第14発
明の一実施の形態を示す電流制御手段のブロック線図で
あり、図4の電流制御手段15の内部に相当する。実施
の形態6では、電流制御が比例制御と非線形積分制御で
実現される場合について説明したが、電流制御補償手段
21を含めた制御系においても実現可能である。
【0067】図9は図7に対して加算器34を追加し、
比例制御器31の出力Dpと、電流制御補償手段21の
第2PWMデューティD2とを加算して非線形積分器3
2へ入力するようにしている。上記のように構成すれ
ば、電流制御手段15の出力PWMデューティは零から
1の範囲となり、かつ積分値が過小及び過大にならない
ように制御することが可能である。
【0068】上記各実施の形態では、各部材2〜6は図
1に示すように配置されるものとしたが、リアクトル3
を制御素子2の入力側に挿入してもよく、電流検出器8
を制御素子2の入力側に挿入してもよく、また、電圧位
相検出手段10を制御素子2の出力側に挿入してもよい
ことは明白である。
【0069】
【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の第1発
明では、交流電源の位相に応じて変化する電流制御ゲイ
ンを出力し、この電流制御ゲインに応じたPWM信号に
よりスイッチング素子をオン/オフ制御して電流を制御
するようにしたため、電流制御が入力電圧位相の影響を
受けにくくなり、制御周波数を長くすることができ、安
価な制御素子を使用することができる。
【0070】また、第2発明では、交流電源に絶対値が
零近傍となるタイミングでは大、ピーク近傍となるタイ
ミングでは小となる電流制御ゲインを出力し、電流偏差
と電流制御ゲインに基づいてスイッチング素子のオン/
オフ時間比率を演算して、スイッチング素子を制御して
電流を制御するようにしたため、第1発明と同様の効果
がある。
【0071】また、第3発明では、入力電圧半波周期の
位相情報に基づいて電流制御ゲインを演算するようにし
たため、第2発明の効果に加えて、ゲイン調整のための
専用手段を新設する必要がなく、簡易に装置を構成する
ことができる。
【0072】また、第4発明では、入力電圧半波周期の
位相の正弦関数に基づいて電流制御ゲインを演算するよ
うにしたため、第2発明の効果に加えて、電流制御ゲイ
ンの変化パターンを新設する必要がなく、簡易に装置を
構成することができる。
【0073】また、第5発明では、入力電圧の絶対値に
基づいて電流制御ゲインを演算するようにしたため、第
2発明の効果に加えて、電源電圧の変動に対して安定し
た制御を実現することができる。
【0074】また、第6発明では、電流制御ゲインに応
じた第1パルス幅変調デューティと、交流電源の周期で
変化するパルス幅変調デューティ基準パターンとを加算
してパルス幅変調デューティを出力し、第7発明では、
パルス幅変調デューティ基準パターンを、交流電圧が高
い位相で小さく、低い位相で大きくなるパターンとした
ため、電流制御が入力電圧位相の影響を受けにくくな
り、制御周期を長くすることができ、安価な制御素子を
使用することができる。
【0075】また、第8発明では、パルス幅変調デュー
ティ基準パターンを、交流電源電圧周期間における時間
積分値が零となるパターンとしたため、起動時の過渡特
性を良好にすることができる。
【0076】また、第9発明では、パルス幅変調デュー
ティ基準パターンを、交流電源電圧に同期した正弦関数
を用いて作成し、第10発明では、交流電源電圧を用い
て作成するようにしたため、パルス幅変調基準パターン
を記憶する必要がなく、メモリを節約することができ
る。
【0077】また、第11発明では、パルス幅変調デュ
ーティ基準パターンを、データ列として記憶装置にあら
かじめ記憶させておくようにしたため、電流制御の制御
周期を長くすることができ、安価な制御素子を使用する
ことができる。
【0078】また、第12発明では、記憶装置に記憶さ
れたパルス幅変調デューティ基準パターンを、各電源位
相における電流指令値と実電流値との偏差に基づいて更
新するようにしたため、電源電圧のひずみ、リアクタ
値、電源インピーダンスのばらつきなどがある場合で
も、良好に電流を制御することができる。
【0079】また、第13発明では、パルス幅変調デュ
ーティを出力する電流制御手段としてPI制御器を用
い、パルス幅変調デューティが零から1の範囲となるよ
うに積分値を制御し、第14発明では、電流制御ゲイン
に応じた第1パルス幅変調デューティと、交流電源の周
期で変化するパルス幅変調デューティ基準パターンとを
加算した値が零から1の範囲となるように積分値を制御
するようにしたため、積分器の積分値が過大に蓄積され
ることはなく、電流の制御性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す全体構成図。
【図2】 図1のゲイン調整部及び電流制御手段のブロ
ック線図。
【図3】 この発明の実施の形態1を示す入力電流及び
電流制御ゲイン波形図。
【図4】 この発明の実施の形態3を示す全体構成図。
【図5】 図4の各部信号波形図。
【図6】 この発明の実施の形態4を示す全体構成図。
【図7】 この発明の実施の形態4を示す電流制御手段
のブロック線図。
【図8】 図7の非線形積分器の動作フローチャート。
【図9】 この発明の実施の形態7を示す電流制御手段
のブロック線図。
【図10】 従来の交流−直流変換装置を示す全体構成
図。
【図11】 従来装置における正弦波電流制御時の電流
及びPWMデューティ波形図。
【図12】 従来装置における電流制御ゲイン波形図
で、(A)は不足ゲイン時、(B)は過大ゲイン時。
【符号の説明】
1 交流電源、2 整流素子、3 リアクトル、4 逆
流阻止ダイオード、5 スイッチング素子、6 平滑コ
ンデンサ、7 負荷、8 電流検出器、10電圧位相検
出手段、11 正弦波作成手段、12 ゲイン調整部、
13電圧制御手段、14 乗算手段、15 電源制御手
段、16 PWM手段、21 電流制御補償手段、25
電圧検出手段、27 電流制御補償手段、31 比例
制御器、32 非線形積分器、33,34 加算器、θ
電圧位相、I* 電流指令値、I 実電流値、D1
1PWMデューティ、D2(θ) PWMデューティ基準
パターン、D2 PWMデューティ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠本 洋介 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 本木 崇弘 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 望月 昌二 東京都千代田区大手町二丁目6番2号 三 菱電機エンジニアリング株式会社内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電源を整流素子で直流に変換し、こ
    れをリアクトル、逆流阻止ダイオード、平滑コンデンサ
    及びスイッチング素子からなる昇圧チョッパ回路を介し
    て負荷に供給し、電流制御ゲインに応じたパルス幅変調
    信号により上記スイッチング素子をオン/オフ制御して
    上記負荷に流れる電流を制御する装置において、上記交
    流電源の位相に応じて変化する上記電流制御ゲインを出
    力するゲイン調整部を備えたことを特徴とする交流−直
    流変換装置。
  2. 【請求項2】 交流電源を整流する整流素子と、この整
    流素子の入力側又は出力側に挿入されたリアクトルと、
    上記整流素子及びリアクトルの出力側に接続されたスイ
    ッチング素子と、このスイッチング素子の出力側に挿入
    された逆流阻止ダイオードと、この逆流阻止ダイオード
    の出力側に接続された平滑コンデンサと、上記整流素子
    の入力側又は出力側に流れる入力電流を検出し所定の電
    流指令値と上記入力電流との電流偏差に基づいて上記入
    力電流が正弦波状になるように、電流制御ゲインに応じ
    たパルス幅変調信号により上記スイッチング素子をオン
    /オフ制御する装置において、上記交流電源の絶対値が
    零近傍となるタイミングでは大、ピーク近傍となるタイ
    ミングでは小となる上記電流制御ゲインを出力するゲイ
    ン調整部と、上記電流偏差と上記電流制御ゲインに基づ
    いて上記スイッチング素子のオン/オフ時間比率を演算
    する電流制御手段とを備えたことを特徴とする交流−直
    流変換装置。
  3. 【請求項3】 ゲイン調整部を、入力電圧半波周期の位
    相情報に基づいて電流制御ゲインを演算するように構成
    したことを特徴とする請求項2記載の交流−直流変換装
    置。
  4. 【請求項4】 ゲイン調整部を、入力電圧半波周期の位
    相の正弦関数に基づいて電流制御ゲインを演算するよう
    に構成したことを特徴とする請求項2又は請求項3記載
    の交流−直流変換装置。
  5. 【請求項5】 ゲイン調整部を、入力電圧の絶対値に基
    づいて電流制御ゲインを演算するように構成したことを
    特徴とする請求項2記載の交流−直流変換装置。
  6. 【請求項6】 交流電源を整流素子で直流に変換し、こ
    れをリアクトル、逆流阻止ダイオード、平滑コンデンサ
    及びスイッチング素子からなる昇圧チョッパ回路を介し
    て負荷に供給し、電流制御ゲインに応じたパルス幅変調
    デューティにより上記スイッチング素子をパルス幅変調
    制御して上記交流電源からの入力電流をフィードバック
    制御する装置において、上記電流制御ゲインに応じた第
    1パルス幅変調デューティと、上記交流電源の周期で変
    化するパルス幅変調デューティ基準パターンとを加算し
    て上記パルス幅変調デューティを出力する電流制御補償
    手段を備えたことを特徴とする交流−直流変換装置。
  7. 【請求項7】 パルス幅変調デューティ基準パターン
    は、交流電圧が高い位相で小さく、上記交流電圧が低い
    位相で大きくなるパターンとしたことを特徴とする請求
    項6記載の交流−直流変換装置。
  8. 【請求項8】 パルス幅変調デューティ基準パターン
    は、交流電源電圧周期間における時間積分値が零となる
    パターンとしたことを特徴とする請求項6記載の交流−
    直流変換装置。
  9. 【請求項9】 パルス幅変調デューティ基準パターン
    は、交流電源電圧に同期した正弦関数を用いて作成され
    ることを特徴とする請求項6記載の交流−直流変換装
    置。
  10. 【請求項10】 パルス幅変調デューティ基準パターン
    は、交流電源電圧を用いて作成されることを特徴とする
    請求項6記載の交流−直流変換装置。
  11. 【請求項11】 パルス幅変調デューティ基準パターン
    は、データ列として記憶装置にあらかじめ記憶させてお
    くものとしたことを特徴とする請求項6記載の交流−直
    流変換装置。
  12. 【請求項12】 記憶装置に記憶されたパルス幅変調デ
    ューティ基準パターンを、各電源位相における電流指令
    値と実電流値との偏差に基づいて更新するものとしたこ
    とを特徴とする請求項11記載の交流−直流変換装置。
  13. 【請求項13】 交流電源を整流素子で直流に変換し、
    これをリアクトル、逆流阻止ダイオード、平滑コンデン
    サ及びスイッチング素子からなる昇圧チョッパ回路を介
    して負荷に供給し、電流制御ゲインに応じたパルス幅変
    調デューティにより上記スイッチング素子をパルス幅変
    調制御して上記交流電源からの入力電流をフィードバッ
    ク制御する装置において、上記入力電流をフィードバッ
    クして上記パルス幅変調デューティを出力する電流制御
    手段として、上記パルス幅変調デューティが零から1の
    範囲となるように積分値を制御するPI制御器を用いた
    ことを特徴とする交流−直流変換装置。
  14. 【請求項14】 交流電源からの入力電流をフィードバ
    ックして制御する電流制御手段として、上記電流制御ゲ
    インに応じた第1パルス幅変調デューティと、上記交流
    電源の周期で変化するパルス幅変調デューティ基準パタ
    ーンとを加算した値が零から1の範囲となるように積分
    値を制御するPI制御器を設けたことを特徴とする請求
    項6記載の交流−直流変換装置。
JP21727697A 1997-03-21 1997-08-12 交流−直流変換装置 Pending JPH10327576A (ja)

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