(57)【要約】【課題】歪波補償電源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設けることなく、簡単な構成で出力波形を改善する。【解決手段】交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法は、歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を歪波補償電源で発生させ、かつ歪波補償電源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含む。これにより、歪波補償電源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設けることなく出力波形を改善できる。また制御工程において、歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、検出量に比例した波形を、歪波補償電源のＰＷＭ制御インバータにより発生させてもよい。さらに歪波補償電源におけるＰＷＭ制御インバータへのゲインを、過変調を伴わないレベルで制御させてもよい。これにより、歪波補償インバータの直流動作電圧を低減することができる。【選択図】図２
2012121207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法であって、
前記歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を歪波補償電源で発生させ、かつ
前記歪波補償電源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含むことを特徴とする波形補償方法。
【請求項２】
請求項１に記載の波形補償方法であって、
前記制御工程において、前記歪波補償電源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることを特徴とする波形補償方法。
【請求項３】
請求項１に記載の波形補償方法であって、
前記制御工程において、前記歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、該検出量に比例した波形を、前記歪波補償電源のＰＷＭ制御インバータにより発生させることを特徴とする波形補償方法。
【請求項４】
請求項３に記載の波形補償方法であって、
前記歪波補償電源におけるＰＷＭ制御インバータへのゲインを、過変調を伴わないレベルで制御させることを特徴とする波形補償方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一に記載の歪波補償方法において、
前記歪波電源に含まれる高調波成分の除去を、複数パルス幅制御方式の歪波補償電源と、ＰＷＭ制御歪波補償電源と重畳して組み合わせ制御することにより行うことを特徴とする波形補償方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一に記載の歪波補償方法において、
前記歪波補償電源として、前記歪波電源に電圧制御可能な方形波インバータを用いることを特徴とする波形補償方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一に記載の歪波補償方法において、
前記歪波補償電源を、前記歪波電源から基本波電圧を含む歪波補償を介して接続することを特徴とする波形補償方法。
【請求項８】
交流電源の出力電力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償回路であって、
波形補償対象の歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を発生させる歪波補償電源と、前記歪波補償電源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする波形補償回路。
【請求項９】
請求項８に記載の波形補償回路であって、
前記制御手段が、前記歪波補償電源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることを特徴とする波形補償回路。
【請求項１０】
請求項９に記載の波形補償回路であって、
前記制御手段が、歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、その量に比例した波形を発生させる基本波除去フィルタ検出器を備えることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項１１】
請求項９に記載の波形補償回路であって、さらに、
前記制御手段が、歪波電源波形に対する歪波補償電源波形として、複数パルス幅制御により発生させた複数パルス幅制御波形を重畳するための複数パルス幅制御インバータを備えることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項１２】
請求項１１に記載の波形補償回路であって、
前記複数パルス幅制御インバータが、重畳する複数パルス幅制御波形の中央部に、Δθwのパルス幅を加えることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項１３】
請求項１０に記載の波形補償回路であって、
前記制御手段が、バンドエリミネートフィルタを含む三角波比較ＰＷＭ制御インバータを備えることを特徴とする波形補償回路。
【請求項１４】
請求項１０又は１３に記載の波形補償回路において、
前記ＰＷＭ制御インバータの直流電圧を検出して、一定の基準値となるような制御ループを含んでなることを特徴とする波形補償回路。
【請求項１５】
請求項８から１４のいずれか一に記載の波形補償回路であって、
前記歪波補償電源が、交流電源に対して直列に接続されており、
さらに、前記歪波補償電源が、４個のスイッチング素子と、コンデンサで構成され、
前記４個のスイッチング素子は、直列に接続された２個のスイッチング素子を一組として、一対に並列に接続されており、
前記コンデンサは、該スイッチング素子の組と並列に接続されていることを特徴とする歪波補償回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波形補償方法及び波形補償回路に関し、特に波形歪を含む電圧源あるいは電流源に対して波形改善を行う波形補償方法及び波形補償回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーエレクトロニクス装置の普及が目覚ましく、インバータ電源、無停電電源あるいは商用交流電源等に含まれる波形歪を改善するための、波形補償電源を直列に重畳する手法や、商用交流電源に接続される非線形負荷等により発生する電流波形歪を改善するための、波形補償電源を並列に接続する手法によるアクティブフィルタの実用化も進んでいる。【０００３】
しかしながら、これらのアクティブフィルタは、波形改善のための補助電源として電圧形インバータの直流端子電圧制御や電流形インバータの直流電流制御のためのフィードバック制御が必要とされてきた。【０００４】
一方で波形改善のための補助電源部における直流端子電圧や直流電流制御を制御するため、補助電源部における有効電力授受がある場合は、別途補助電源が必要になり、波形改善のための補助電源の構成が有効電力授受のために大型化、複雑化を招く場合がある。【０００５】
また有効電力授受制御のための補助電源が不要であっても、直流端子電圧量や直流電流制御量を検出する制御システム構成が一般に必要となる。【０００６】
また、アクティブフィルタとしての波形制御システムの構成において、歪波電源の高調波成分を検出して、これを打ち消し波形補償するための補償電源の波形が、歪波電源の歪波成分と同じ波形に制御するために、それぞれに波形の検出が必要とされている。【０００７】
このような波形補償制御では、歪波形の検出と、補償電源が発生する制御波形の検出が必要なために、検出器のゲインが異なると正確な波形補償ができなくなる。このため、波形補償後の波形を検出して、歪波形が無くなるように波形補償電源を働かせる手法が提案されている。しかしながらこの手法では、フィルタ回路等により、振動現象を伴うことがある。また振動を生じることがないように種々の制御手法も検討されているが、制御システムの複雑化を招くという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１７０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、簡単な構成で波形補償が可能な波形補償方法及び波形補償回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る波形補償方法によれば、交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法であって、前記歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を歪波補償電源で発生させ、かつ前記歪波補償電源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含むことができる。これにより、歪波補償電源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設けることなく出力波形を改善できる。【００１１】
また第２の側面に係る波形補償方法によれば、前記制御工程において、前記歪波補償電源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることができる。これにより、歪波電源に含まれる低次の高調波を低減することができる。【００１２】
さらに第３の側面に係る波形補償方法によれば、前記制御工程において、前記歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、該検出量に比例した波形を、前記歪波補償電源のＰＷＭ制御インバータにより発生させることができる。【００１３】
さらにまた第４の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波補償電源におけるＰＷＭ制御インバータへのゲインを、過変調を伴わないレベルで制御させることができる。これにより、歪波補償インバータの直流動作電圧を低減することができる。【００１４】
さらにまた第５の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波電源に含まれる高調波成分の除去を、複数パルス幅制御方式の歪波補償電源と、ＰＷＭ制御歪波補償電源と重畳して組み合わせ制御することにより行うことができる。【００１５】
さらにまた第６の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波補償電源として、前記歪波電源に電圧制御可能な方形波インバータを用いることができる。これにより、直流電源から低波形歪の交流出力電源を得ることができる。【００１６】
さらにまた第７の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波補償電源を、前記歪波電源から基本波電圧を含む歪波補償を介して接続することができる。これにより、基本波電圧制御機能を持たせることを含めて制御できる。【００１７】
さらにまた第８の側面に係る波形補償回路によれば、交流電源の出力電力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償回路であって、波形補償対象の歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を発生させる歪波補償電源と、前記歪波補償電源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する制御手段と、を備えることができる。これにより、歪波補償電源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設けることなく出力波形を改善できる。【００１８】
さらにまた第９の側面に係る波形補償回路によれば、前記制御手段が、前記歪波補償電源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることができる。これにより、歪波電源に含まれる低次の高調波を低減することができる。【００１９】
さらにまた第１０の側面に係る波形補償回路によれば、前記制御手段が、歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、その量に比例した波形を発生させる基本波除去フィルタ検出器５を備えることができる。【００２０】
さらにまた第１１の側面に係る波形補償回路によれば、さらに前記制御手段が、歪波電源波形に対する歪波補償電源波形として、複数パルス幅制御により発生させた複数パルス幅制御波形を重畳するための複数パルス幅制御インバータを備えることができる。これにより、歪波電圧波形を方形波インバータ出力としても、歪波補償電源波形を重畳して、歪波電圧源に含まれる低次の高調波を大幅に除去できる。【００２１】
さらにまた第１２の側面に係る波形補償回路によれば、前記複数パルス幅制御インバータが、重畳する複数パルス幅制御波形の中央部に、Δθwのパルス幅を加えることができる。これにより、歪波補償電源での電力授受を、コンデンサ電圧が低い値で大きな脈動を伴うことなく、複数パルス幅制御信号を与えるだけで、動作させることができる。【００２２】
さらにまた第１３の側面に係る波形補償回路によれば、前記制御手段が、バンドエリミネートフィルタを含む三角波比較ＰＷＭ制御インバータを備えることができる。これにより、歪波電源の波形が特定できない場合でも、小型のインバータである三角波比較ＰＷＭ制御インバータにより、歪波補償電源を高速スイッチングすることで、歪波電源を適切に補償し、フィルタ後の波形をほぼ正弦波に制御することができる。【００２３】
さらにまた第１４の側面に係る波形補償回路によれば、前記ＰＷＭ制御インバータの直流電圧を検出して、一定の基準値となるような制御ループを含むことができる。【００２４】
さらにまた第１５の側面に係る波形補償回路によれば、前記歪波補償電源が、交流電源に対して直列に接続されており、さらに、前記歪波補償電源が、４個のスイッチング素子と、コンデンサで構成され、前記４個のスイッチング素子は、直列に接続された２個のスイッチング素子を一組として、一対に並列に接続されており、前記コンデンサを、該スイッチング素子の組と並列に接続することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の本発明によれば、歪波電源に対して、歪波補償電源で歪波電源に含まれる歪波成分を波形補償する電源を重畳するだけで、歪波補償電源での有効電力授受制御を行うことなく、波形改善ができるので、一般的なアクティブフィルタに比べて、主回路構成及び制御システムの簡単化ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１（ａ）は歪波電圧源に対して歪波補償電源を設ける回路図であり、図１（ｂ）は歪波電流源に対して歪波補償電流源を設ける回路図である。
【図２】図２（ａ）は歪波補償電圧源として、電圧形インバータ歪波補償電圧源を用いた構成を示す回路図であり、図２（ｂ）は歪波補償電流源として、電流制御形インバータ歪波補償電流源を用いた構成を示す回路図である。
【図３】歪波電圧源に対するインバータの複数パルス幅制御信号発生システムを示す回路図である。
【図４】歪波電圧補償インバータの複数パルス幅制御信号の発生による動作波形を示すグラフである。
【図５】歪波電圧源に対するインバータのＰＷＭ制御信号発生システムを示す回路図である。
【図６】歪波電圧補償インバータのＰＷＭ制御信号発生による動作波形を示すグラフである。
【図７】歪波電圧源としてインバータ電圧源に対してインバータを用いた歪波補償電源を接続した構成を示す回路図である。
【図８】歪波電源として交流歪波電圧源に対してインバータを用いた歪波補償電源を接続した構成を示す回路図である。
【図９】歪波電源の歪波補償電源として複数パルス幅制御インバータと三角波比較ＰＷＭ制御インバータを重畳する構成を示す回路図である。
【図１０】歪波電源の波形補償に歪波補償電源を複数段直列に用いた電圧源に対する波形補償を行う構成を示す回路図である。
【図１１】図３に基づく複数パルス幅制御インバータ歪波補償電源による制御システムのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】図３に基づく複数パルス幅制御パルス幅Δθwに対する制御特性として、図１２（ａ）は出力電圧とコンデンサ電圧の制御特性の関係を示すグラフ、図１２（ｂ）はフィルタ前後の出力電圧歪率の特性を示すグラフである。
【図１３】図５に基づく方形波電圧源に対するＰＷＭ制御インバータ歪波補償電源のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】図５に基づく歪波交流電圧源に対するＰＷＭ制御インバータ歪波補償電源のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１５】図９における歪波電圧源として１２０度通流幅の方形波電圧波形に対しインバータ電源を二段直列に用いた歪波補償電源システムに整流回路負荷を接続した際のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１６】図５に示す歪波電圧補償インバータのＰＷＭ制御信号発生システムにおいてコンデンサ電圧制御機構を付加した波形補償回路を示す回路図である。
【図１７】図１６の具体的な回路例として、入力電圧を台形波状波形としたシミュレーション回路図例である。
【図１８】図１６の具体的な回路例として、入力電圧を１２０度方形波としたシミュレーション回路図例である。
【図１９】図１７の回路においてＥcr＝３０Ｖとした場合の入力電圧ｅs、歪波補償電圧ｅx、出力電圧ｅso及び出力電流ｉoを示すグラフである。
【図２０】図１７の回路においてＥcr＝５０Ｖとした場合の入力電圧ｅs、歪波補償電圧ｅx、出力電圧ｅso及び出力電流ｉoを示すグラフである。
【図２１】図１８の回路においてＥcr＝５０Ｖとした場合の入力電圧ｅs、歪波補償電圧ｅx、出力電圧ｅso及び出力電流ｉoを示すグラフである。
【図２２】図２２（ａ）は図８の波形補償回路に入力した商用電源の入力電圧ｅsの波形を、図２２（ｂ）は出力電圧ｅcfの波形を示すグラフである。
【図２３】図２３（ａ）は図８の波形補償回路に入力した方形波の入力波形ｅsを、図２３（ｂ）は出力電圧ｅcfの波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための波形補償方法及び波形補償回路を例示するものであって、本発明は波形補償方法及び波形補償回路を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施の形態、実施例において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
【００２８】
本実施の形態によれば、有効電力授受制御のための特別な補償電源構成にすることなく、また制御システムにおいても、補助電源における電圧制御ループや電流制御ループを必要とすることなく、歪波電源波形を検出した量に基づいて適切な大きさの波形歪の補償波形を補助電源で発生させることができる。すなわち、この制御手法によれば、極めて簡単な主回路構成と制御システムで波形補償が可能となる。
【００２９】
ここでは、歪波電源が電圧源の場合は、重畳する波形補償電圧源部を、また歪波電源が電流源の場合は、それと並列の波形補償電流源部を介した電流による歪波補償電源で、平衡的に有効電力授受が基本的に生じなくなる電圧値や電流値に落ち着くことを原理として用いる。
【００３０】
波形補償電源での有効電力授受を伴わなくできるのは、基本的には歪波電源の波形補償出力電源に高調波成分を無くすことができるので、歪波電圧源に対するものであれば主回路の電流が、歪波電流源に対するものであれば主回路の電圧が、基本的に基本波形となることから、それらの電圧電流積で与えられる補償電源での電力授受量の平均は零となることによる。
【００３１】
なお、歪波補償電圧源での電圧波形の基本波成分が完全に零にならなくても、有効電力授受が零となる平衡点で動作できるのは、コンデンサ電圧の脈動によるものである。歪波補償電流源部での有効電力授受についても同様である。このため、歪波補償電圧源での直流コンデンサの容量値は、ある程度の電圧脈動が許される程度のものにする必要がある。歪波補償電源に対しても同様である。
【００３２】
本実施の形態では、このような歪波補償電源での有効電力授受を伴わない歪波補償電源の構成制御法として、歪波電源に含まれる低次高調波成分をもとに、歪波補償電源で発生させた補償電源を、歪波電圧源に対しては波形補償電圧源を直列に、歪波電流源に対しては波形補償電流源を並列に接続することにより、出力電圧波形あるいは合成した電流波形の高調波成分を低減するアクティブフィルタを実現できる。
【００３３】
具体的な第一実施形態として、主インバータにおいて方形波を出力し、これに直列に接続される波形補償インバータには、方形波出力の低次高調波を低減する複数パルス幅制御した出力を、電圧形であれば直列に、電流形であれば並列に接続することにより、歪波電源の波形を改善する。このような波形改善手法を用いることにより、歪波補償電源での有効電力授受を伴うことなく波形改善を実現できる。この場合、歪波電源が電圧形の場合は、有効電力授受を低減する目的で挿入するパルス波形の幅を制御することにより、歪波補償電源でのコンデンサ動作電圧を変えることができると共に、重畳された出力電圧波形の歪率を制御することが可能である。歪波電流源に対する波形補償においても同様である。
【００３４】
また第二実施形態として、歪波電源がインバータ出力であって交流電源波形が歪んでいる場合においても、歪波電源に含まれる高調波成分を検出し、ＰＷＭ制御により波形補償インバータを働かせる。これによって、歪波補償電源での特別な有効電力授受制御を行うことなく、出力波形に含まれる高調波成分がほとんど生じないように波形補償電源を働かせることができる。この場合の歪波補償電源インバータ部での直流電圧値は、ほぼ完全な波形補償制御を行うためには、歪波電源に含まれる高調波成分の波形が過変調を伴うことなくＰＷＭ制御がかけられる大きさ以上の値で働くものの、有効電力授受制御を必要とせずに働かせることができる。
【００３５】
歪波電源が電圧源の場合は、図１（ａ）に示すように、バンドエリミネートフィルタＢＥＦにより、歪波電源１で発生する歪波電圧ｅsの基本波成分を除いた信号を検出し、この信号量に基づいて歪波補償電源２である歪波補償電圧源で歪波補償電圧ｅxを発生させて、次式数１により歪波電圧ｅsに重畳することにより歪波補償した出力電圧ｅoを得る。
【００３６】
［数１］
ｅo＝ｅs＋ｅx＝ｅs1＋ｅsh＋ｅx
【００３７】
数１において、ｅs1は歪波電圧の基本波成分、ｅshは歪波電圧の高調波を示している。歪波補償電圧源の歪波補償電圧ｅxをｅx＝−ｅshとなるように制御すると、出力電圧ｅo＝ｅs1となり、歪波電圧ｅsのうち基本波成分電圧ｅs1のみが出力される。
【００３８】
一方、歪波電源１が電源電流ｉsを流す歪波電流源の場合は、図１（ｂ）に示すように、バンドエリミネートフィルタＢＥＦにより負荷３を流れる歪波負荷電流ｉoの基本波成分を除いた信号を検出し、この信号量に基づいて歪波補償電源２である歪波補償電流源で補償電流ｉxを発生させて、歪波電源１に流れる電流ｉsの波形の歪波補償を行う。この場合も、歪波負荷電流ｉoに対して、歪波補償電流ｉxを流すことにより、電源電流ｉsは次式数２により与えられる。
【００３９】
［数２］
Ｉｓ＝ｉo＋ｉx＝ｉo1＋ｉoh＋ｉx
ここで、ｉo1は歪波電流源の基本波成分、ｉohは歪波電流源の高調波を示している。歪波補償電流源の電流がｉx＝−ｉohとなるように制御すると、電源電流ｉsには、完全に歪波電流源ｉoのうち基本波成分ｉo1のみが流れる。
【００４０】
このような歪波補償電源２の具体的な構成例として、電圧源に対しては図２（ａ）に示すような電圧形インバータ回路２Ａを用いることができる。電圧形インバータ回路２Ａを歪波電源１である歪波電圧源の歪波電圧ｅsに重畳することにより、出力電圧ｅoを得る。得られた出力電圧ｅoを、フィルタ回路４に通すことにより、出力電圧波形ｅofの歪を低減して負荷３に導く。この構成によって歪波補償電源を実現できる。
【００４１】
一方、電圧源に対しては図２（ｂ）に示すような電流電圧形インバータ回路２Ｂを用いる。電流電圧形インバータ回路２Ｂを歪波電源１に適用し、歪波電流ｉsに補償電流ｉxを重畳することにより、歪波負荷電流ｉoを得る。
【００４２】
図３は、図２（ａ）の回路において、歪波電圧波形が方形波インバータ出力等に限定される例を示す。この回路では、基本波除去フィルタ検出器５として、複数パルス幅制御インバータ５ａを備えている。この場合は、波形が特定されるので、複数パルス幅制御信号Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ＰＷＭで、歪波電圧源に含まれる低次の高調波を大幅に除去することができる。例えば、歪波電圧ｅsが１２０°通流幅の方形波の場合は、低次高調波成分は、基本波成分の次数分の１の大きさで、第５、第７、第１１、第１３次等、（６ｍ±１）次の高調波が含まれる。これに対し、後述するような適当な大きさの歪波補償電源波形を重畳すれば、理想的には重畳後の出力電圧波形には、低次の第５、第７調波成分を含む（６ｌ±１）成分を除去でき、高調波としては（１２ｍ±１）次のみとすることができる。この場合、歪波補償電圧ｅxの電圧波形には基本波成分が含まれることになるので、歪波補償電源で主回路からの有効電力授受が生じて、歪波補償インバータの直流電圧の上昇を招く。ただ、コンデンサの容量値がある範囲以下であれば、直流コンデンサ電圧が脈動することにより、有効電力授受が無くなる平衡点が生じる。このため、複数パルス幅制御信号Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ＰＷＭを与えることで、重畳波形制御はできるものの、重畳波形の振幅が大きくなるため、却って波形歪が増える。
【００４３】
これに対して、歪波補償インバータの直流電圧を低い値に抑えるために、歪波電源１の歪波電圧ｅsとして与えられる１２０°通流の方形波ＥBに対して、重畳する複数パルス幅制御波形の中央部に、Δθwのパルス幅を加える例を図４に示す。この図は、複数パルス幅制御された歪波補償電源による動作波形を示している。この中央部のΔθwのパルス幅波形により、歪波補償電源２での電力授受を、コンデンサ電圧ｅCが低い値で大きな脈動を伴うことなく、複数パルス幅制御信号を与えるだけで、動作させることができる。ここで重畳波形出力の波形歪は、理想的なものよりは多少の低次の高調波が含まれるものの、実用上十分な歪波補償を行うことができる。また歪波補償出力波形の歪率が最も小さくなるように、中央部のΔθwのパルス幅で動作させることができる。この結果、歪波電圧源である方形波インバータの波形ＥBに比べ、数分の１程度の容量のインバータを重畳するだけで、歪波補償電源を含めた波形の出力電圧波形の歪を大幅に改善することが期待できる。
【００４４】
一方、歪波電源の波形が特定できない場合や、歪波補償電源で高速スイッチングできる場合は、基本波除去フィルタ検出器を用いることで対応できる。図５は、このような基本波除去フィルタ検出器５として、三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂを用いた回路例を示している。三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂは、バンドエリミネートフィルタＢＥＦを備えるＰＷＭ回路である。この図に示すように、歪波電圧源１の歪波電圧ｅsに含まれる歪波成分を、バンドエリミネートフィルタＢＥＦで検出し、適切な大きさの歪波補償電圧ｅxを発生させるＰＷＭ制御信号を歪波補償電源２Ｂに与えるだけで、出力電圧波形としてフィルタ後の波形をほぼ正弦波に制御することができる。
【００４５】
ここで、歪波補償された出力電圧ｅoを、数１に示すように歪波電圧源の基本波成分ｅs1とするためには、歪波補償電圧ｅxは次式数３を満たす必要がある。
【００４６】
［数３］
ｅx＝−ｅsh
【００４７】
一方、歪波補償電圧ｅxは、バンドエリミネートフィルタＢＥＦで検出された歪波電圧ｅsの歪波成分電圧をｅsh、ＰＷＭの変調信号へのゲインをｋ、変調信号をｅsg、三角波の振幅をＥt、ＰＷＭ制御歪波補償インバータの直流電圧をＥcとすると、次式数４で表現できる。
【００４８】
［数４］
ｅx＝（ｅsg／Ｅt）Ｅc＝（ｋ＊ｅsh／Ｅt）Ｅc
【００４９】
数３、数４より、ゲインｋと歪波補償インバータの直流電圧Ｅcとの間には、次式数５の関係が成立する。
【００５０】
［数５］
Ｅc＝Ｅt／ｋ
【００５１】
一方、変調信号ｅsgが大きくなると、ＰＷＭ制御による線形制御ができなくなるので、過変調しないためには、Ｅt＞ｅsg＝ｋ＊ｅshなる関係が求められる。このことから、ゲインｋは次式数６で示される値以下に設定することが必要である。
【００５２】
［数６］
ｋ＜Ｅt／ｅsg
【００５３】
ここで、ｅsgは、歪波電源の歪波成分の最大振幅値である。歪波電圧が高くなるのに比例してｅsgが大きくなるので、制御ゲインｋの大きさは、歪波電圧の大きさに比例して変化させる必要がある。
【００５４】
なお図６は、歪波電圧ｅsが１２０°通流の方形波としたときの制御動作波形を示しており、ＰＷＭ制御により歪波補償電圧ｅxを発生させたときのスイッチング間隔とスイッチング成分を除いた平均信号波形ｅx、これを重畳したときの出力電圧波形ｅo、及びフィルタ後の出力電圧波形ｅofを示している。
【００５５】
また、歪波補償電圧源をＰＷＭ制御により得る場合は、出力電圧波形は正弦波とできる。このため、線形負荷が接続される場合は、基本波成分である正弦波電流のみが流れるので、歪波補償電圧源で発生する歪波補償電圧ｅxには基本波成分が含まれず、電力授受の問題は本質的に生じない。
【００５６】
次に図７は、歪波電圧源としてインバータ電圧源を用いる場合に、このインバータ電圧源（主インバータ１Ｃ）に対して歪波補償インバータ（副インバータ２Ｃ）を用いた歪波補償電源を接続する回路例を示している。インバータにより正弦波に近い電圧波形を得る場合、大電力を扱う主インバータ１Ｃはスイッチング回数を最小限に抑え、少量の副インバータ２Ｃで、複数パルス幅制御又はＰＷＭ制御するだけで対応できる。このため、歪波補償電源での直流電圧検出制御ループ等を設けることなく、波形補償出力を得ることができ、小さなＬＣフィルタ等を通すだけで正弦波出力を比較的容易に得られる利点がある。
【００５７】
また図８は、歪波電源として交流歪波電圧源に対してインバータを用いた歪波補償電源を接続した回路例を示している。商用電源等に歪波成分が含まれる場合に、本実施形態に係る歪波補償電源として、歪波補償インバータ回路を直列に接続し、歪波電圧源を歪波補償するＰＷＭ制御信号を与える。また重畳出力電圧に小さなＬＣフィルタ回路４Ｂを接続している。このように、本実施形態に係る歪補償電源は、極めて簡単な回路構成と制御システムで波形改善が可能なアクティブフィルタ回路として動作させることができる。
【００５８】
さらに図９は、他の実施形態に係る歪波電源の歪波補償電源として、複数パルス幅制御インバータ５ａと三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂを重畳した回路例を示す。この図に示す回路例では、前段では複数パルス幅制御インバータ５ａによる複数パルス幅制御により歪波電源の歪波成分を小さく抑え、その後段で、より小型のインバータである三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂにより、より細かな波形制御を行うことができる。
【００５９】
さらにまた図１０は、他の実施形態に係る歪波電源の波形補償に歪波補償電源２−１，２−２，．．．，２−ｎを複数段直列に用いた電圧源に対する波形補償回路の例を示している。この例では、歪波電源から順に小さな容量の歪波補償電源を重畳することにより、スイッチングパルス幅を小さくすることができる。このように、極めて小さな受動フィルタ回路を接続するだけで、出力インピーダンスの小さな交流出力を得ることができる。
【実施例１】
【００６０】
以下、実施例を説明する。まず図１１は、図３に示した複数パルス幅制御インバータ歪波補償電源による制御システムによる動作を確認するために、次の動作条件でシミュレーション解析した結果を示している。
ＥB＝１２７Ｖ，１２０°，Ｃd＝５０００μＦ，Ｖc＝３１．６Ｖ，Ｌ＝２ｍＨ，Ｃ＝１０μＦ，ｒc＝５Ω【００６１】
図１１に示すように、方形波歪波電圧源の歪波電圧ｅsに対して歪波補償電圧ｅxを重畳することにより、波形改善された出力電圧ｅoが得られている。またＲ−Ｌ直列負荷には、ほぼ正弦波の電流ｉoが流れており、波形改善効果が確認できた。なお、図１１には歪波補償電源での瞬時電力波形ｐxも示している。このように平均電力が零で、歪波補償電源での電力授受なく運転できることを示しており、極めて簡単な主回路構成と制御システムにより波形改善できることが実証された。【００６２】
また図１２は、複数パルス幅制御における中央パルス幅Δθwに対する制御特性を示している。この図において図１２（ａ）はΔθwに対する出力電圧Ｅoとコンデンサ電圧ｅCの制御特性を、図１２（ｂ）はフィルタ前後の出力電圧歪率μo、μofをそれぞれ示している。これらの図に示すように、複数パルス幅制御における中央パルス幅Δθwを変えることにより、コンデンサ電圧ｅC、出力電圧実効値Ｅo、出力電圧の波形歪率μo、μofが変化している。特に、中央パルス幅Δθwを歪率μo、μofが小さくなる付近に設定することで、このパルス幅近傍では歪を大きく増加することなく出力電圧Ｅoを制御できることを示している。【００６３】
なお、中央パルス幅Δθwを無くしたときは、上述の通り波形歪は増加する。ただ、コンデンサ電圧ｅCは極端に高い値に逸脱することがないので、何らかの不具合における制御システムの保護が比較的容易となることを示している。【００６４】
次に図１３は、図５に示した方形波電圧源に対するＰＷＭ制御インバータ歪波補償電源の動作を確認するため、次の動作条件でシミュレーション解析した結果を示している。
ＥB＝Ｖp＝１００Ｖ，Ｅc＝５２Ｖ，ｆ＝６０Ｈｚ，Ｒ＝２０Ω，Ｌ＝１０ｍＨ，Ｃ＝２０００μＦ，Ｌf＝０．２ｍＨ，Ｃf＝５０μＦ，ｒc＝１Ω，ｋ＝０．０２【００６５】
図１３に示すように、方形波歪波電圧源の歪波電圧ｅsに対して、その歪波成分ｅshを検出して、過変調とならないゲインｋ＝０．０２に設定したときの動作は、主インバータの電圧１００Ｖに対して、歪波補償インバータの直流動作電圧が５２Ｖで動作し、歪波補償電圧ｅxを出力し、その重畳出力電圧はマルチレベル間でのＰＷＭ制御がかかった波形出力ｅoが得られる。また正弦波の負荷電流ｉoが流れており、極めて低波形歪の出力波形制御できていることが確認できる。このように、直流電圧源から方形波出力を発生する主インバータと歪波補償インバータを重畳するだけで、歪波補償電源における直流電圧制御システムを構成することなく、制御信号を与えるだけで低波形歪の出力が得られるので、無停電電源等への適用が期待できる。【００６６】
さらに図１４は、図５に示す歪波交流電圧源に対するＰＷＭ制御インバータ歪波補償電源による回路例の動作を確認するため、次の動作条件でシミュレーション解析した結果を示している。
ＥB＝１２７Ｖ，１２０°，Ｃd＝５０００μＦ，Ｖc＝３１．６Ｖ，Ｌ＝２ｍＨ，Ｃ＝１０μＦ，ｒc＝５Ω，ｋ＝０．０５【００６７】
ここでは、商用電源等の交流電圧波形が歪んでいる歪波交流電圧源の歪波電圧ｅsに対し、ＰＷＭ制御インバータ歪波補償電源により歪波補償動作を行っている。図１４は、歪波電圧ｅsに対して、その歪波成分ｅshを検出して、過変調とならないゲインｋ＝０．０５に設定したときのシミュレーション解析結果を示している。この図に示すように、歪波電圧ｅsに対して歪波補償インバータに波形補償信号を与えＰＷＭ制御するだけで、極めて簡単に正弦波交流波形に制御できるので、アクティブフィルタ等としての適用が期待できる。
（ＰＷＭ制御インバータのコデンサ電圧制御機構）【００６８】
また、コンデンサ電圧ｅCを制御する機構を付加することもできる。例えば、制御手段においてＰＷＭ制御インバータの直流電圧を検出して一定の基準値となるような制御ループを波形補償信号に重畳させることにより、歪波補償電源の電圧を一定に保つ制御をかけてもよい。これにより、歪波補償インバータの直流動作電圧を低減することができる。具体的には、歪波補償電源を構成する電流電圧形インバータ回路２ＢであるＰＷＭインバータの直流電圧を検出して、一定の基準値となるように制御する制御ループを付加する。図５の回路例において、このようなコンデンサ電圧制御機構を付加した波形補償回路を図１６に、また具体的な回路例を図１７〜図１８に、それぞれ示す。図１６に示す波形補償回路は、三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂに、コンデンサ電圧制御回路５ｃを加えることで、コンデンサ電圧一定制御を付加している。コンデンサ電圧制御回路５ｃは、コンデンサＣdの両端の電圧ｅCを検出して、これを基本波除去フィルタ検出器に入力する。【００６９】
さらにこのような波形補償回路の具体例を示すシミュレーション回路を図１７〜図１８に示す。これらの波形補償回路を用いて、その歪波補償動作をシミュレーション解析で確認した結果を、図１９〜図２１に示す。具体的な動作条件としては、Ｃd＝２０００μＦ，Ｌ0＝０．２ｍＨ，Ｃ0＝５０μＦ，ｒc＝５Ω，ｋ＝０．０２とした。コンデンサ電圧制御回路５ｃは、コンデンサＣdの端子電圧ｅcを検出するとと共に、所定のコンデンサ電圧制御基準電圧Ｅcrと加算してＰＩ制御を行い、得られた電圧ｅσを三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂ側の信号と加算して変調信号ｅsgを得る。三角波比較ＰＷＭ制御インバータ５ｂでは、振幅Ｅtの三角波を発生させる周期ｆsを１０ｋＨｚとしており、これを先ほどの変調信号ｅsgと比較してＰＷＭ信号を生成する。【００７０】
また入力電圧は、図１７に示す回路においては、１００Ｖピークの台形状波形を入力し、そのシミュレーション解析結果を図１９及び図２０に示している。これらの図において、図１９はＥcrが３０Ｖの例を、図２０はＥcrが５０Ｖの例を、それぞれ示している。さらに入力電圧として、図１８の回路例に示す１２０度位相をずらした１００Ｖピークの方形波を方形波インバータで発生させ、シミュレーション解析を行った結果を、図２１に示している。いずれの例でも出力波形として、歪み成分が除去された綺麗な正弦波が得られており、波形改善が適切に行われていることが確認できた。【００７１】
最後に図１５は、図９に示す方形波電圧源に対する歪波補償電源として、複数パルス幅制御インバータ歪波補償電源とＰＷＭ制御インバータ歪波補償電源を重畳させた回路例の動作を確認するため、次の動作条件でシミュレーション解析した結果を示している。
ＥB＝１００Ｖ，Ｅc1＝２８Ｖ，Ｅc2＝１８Ｖ，Ｌo＝０．０１ｍＨ，Ｃo＝１００μＦ，ｒc＝０．５Ω，ＲL＝４０Ω，Ｌ＝１０ｍＨ，Ｌrec＝０．２ｍＨ，Ｒdc＝１００Ω【００７２】
ここでは、方形波インバータ出力ｅsに対して、複数パルス幅制御した歪波補償電源ｅx1を重畳することにより出力される波形補償出力電圧ｅs1に対して、さらにＰＷＭ制御による歪波補償電源を重畳することにより、スイッチング制御幅が極めて小さなほぼ正弦波に近い出力電圧ｅoが得られている。このように、小さなフィルタ回路で極めて正弦波に近い出力電圧ｅoの波形が得られるので、コンデンサインプット整流回路が接続されパルス電流ｉoが流れても、フィルタ回路インピーダンスが小さいため、波形に影響を与えない出力が得られることが確認できた。この場合も、主インバータに二台の小容量の歪波補償インバータを重畳して、それぞれに波形歪補償の制御信号を与えるだけで、スイッチング幅の極めて小さな交流出力電圧が得られる。このように、フィルタインピーダンスを小さくできるので、出力インピーダンスの小さな正弦波交流出力が得られる高精度の無停電電源としての応用が期待できる。【００７３】
なお以上の例では、歪波電源に対する歪波補償電源として、電圧源に関する実施例を示した。ただ、電流源に対しても同様の制御手法を適用することができる。【００７４】
以上のように、実施例に係る制御手法は、電流源に対するアクティブフィルタとしての適用が期待できる。すなわち、パワーエレクトロニクス機器の普及により交流電源電流が歪む原因を招いている高調波電流を、交流電源に流さないためのアクティブフィルタを、本発明によれば極めて簡単に構成でき、また制御できる。例えば、歪波交流電源に対する歪波補償電源の制御に、歪波交流電源に含まれる歪波成分を打ち消す波形を歪波補償電源に発生させるだけで、出力波形を改善できる。このため、歪波補償電源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設ける必要を無くすことができる。【００７５】
さらに以上の例では、高調波電流源負荷による交流電源電圧の波形歪みに対しては、電圧源に対する歪波補償装置が有効であることを示したが、電流源アクティブフィルタと電圧源アクティブフィルタを組み合わせた制御においても実施形態に係る制御手法の応用が期待できる。さらにまた、上記の例では単相電源を説明したが、これに限定されるものでなく、例えば三相を含む多相電源にも適用することができる。
（波形補償インバータの実験結果）【００７６】
ここで、図８の波形補償回路を用いて、その波形補償動作を実験で確認した。この結果を図２２〜図２３に示す。これらの図において、図２２は歪み波商用電源に対する波形補償動作の実験結果を示すグラフ、図２３は歪み波方形波電源に対する波形補償動作の実験結果を示すグラフを、それぞれ示している。【００７７】
ここでは、波形補償回路として図８の回路例を用いた。この回路例において、具体的なシミュレーションの動作条件としてＣd＝２０００［μＦ］、Ｌo＝０．２［μＨ］、Ｃ0＝４．５［μＦ］、ｒc＝１［Ω］に設定した。また歪波補償を行う電流電圧形インバータ回路２Ｂの直流動作電圧Ｅcを４０Ｖに設定した。【００７８】
この回路の入力電圧ｅsとして、電源電圧１００Ｖ、周波数６０Ｈｚの商用電源を接続した。この波形を図２２（ａ）に示す。この図に示すように入力した交流電源波形の一部に歪み波（特に最大振幅付近）が見られる。これに対して、波形補償回路を通すことにより、図２２（ｂ）に示す出力波形が得られた。この図に示すように、入力波形で見られた歪み波が除去されて、波形改善が適切に行われていることが確認できた。【００７９】
また、別の入力電圧ｅsとして、図２３（ａ）に示す方形波の電源電圧を入力して得られた出力電圧波形を、図２３（ｂ）に示す。ここでは方形波として、振幅１３０Ｖ、通流幅１２０度、周波数６０Ｈｚの方形波電圧を入力電圧ｅsとして用いた。これに対して図８の波形補償回路を通して得られた波形補償後の出力電圧ｅcfの波形は、ひげ状の波形が見られるものの、基本正弦波形が出力されていることが判る。なお、このひげ状のパルスは実験で使用した波形補償回路での遅れに起因するものであって、実際の装置では除去することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る波形補償方法及び波形補償回路は、電源系統に接続して、歪波電圧や歪波電流源に対して波形歪を補償するアクティブフィルタとして好適に利用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１…歪波電源；１Ｃ…主インバータ
２，２−１，２−２，．．．，２−ｎ…歪波補償電源
２Ａ…電圧形インバータ回路；２Ｂ…電流電圧形インバータ回路；２Ｃ…副インバータ
３…負荷
４…フィルタ回路；４Ｂ…ＬＣフィルタ回路
５…基本波除去フィルタ検出器；５ａ…複数パルス幅制御インバータ
５ｂ…三角波比較ＰＷＭ制御インバータ；５ｃ…コンデンサ電圧制御回路
ＢＥＦ…バンドエリミネートフィルタ
ｅs…歪波電圧；ｅx…歪波補償電圧；ｅo…波形補償後の出力電圧
ｅsh…歪波成分電圧；ｅsg…変調信号；ｅof…出力電圧波形
ｋ…ＰＷＭの変調信号へのゲイン
Ｅo…出力電圧
ＥB…方形波；Ｅt…三角波の振幅；Ｅc…ＰＷＭ制御歪波補償インバータの直流電圧
ｅC…コンデンサ電圧
ｐx…瞬時電力波形
ｉo…負荷電流；ｉx…補償電流；ｉs…歪波電流
μo…フィルタ前の出力電圧歪率；μof…フィルタ後の出力電圧歪率
Δθw…中央パルス幅
【図１】
2012121207.tif 000003
【図２】
2012121207.tif 000004
【図３】
2012121207.tif 000005
【図４】
2012121207.tif 000006
【図５】
2012121207.tif 000007
【図６】
2012121207.tif 000008
【図７】
2012121207.tif 000009
【図８】
2012121207.tif 000010
【図９】
2012121207.tif 000011
【図１０】
2012121207.tif 000012
【図１１】
2012121207.tif 000013
【図１２】
2012121207.tif 000014
【図１３】
2012121207.tif 000015
【図１４】
2012121207.tif 000016
【図１５】
2012121207.tif 000017
【図１６】
2012121207.tif 000018
【図１７】
2012121207.tif 000019
【図１８】
2012121207.tif 000020
【図１９】
2012121207.tif 000021
【図２０】
2012121207.tif 000022
【図２１】
2012121207.tif 000023
【図２２】
2012121207.tif 000024
【図２３】
2012121207.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月3日(2013.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法であって、
前記歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を、該歪波電源に対して直列に接続された歪波補償電圧源で発生させ、かつ
前記歪波補償電圧源での回路損失を含む電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含み、
前記制御工程において、前記歪波補償電圧源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることを特徴とする波形補償方法。
【請求項２】
交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法であって、
前記歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を歪波補償電圧源で発生させ、かつ
前記歪波補償電圧源での回路損失を含む電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含み、
前記制御工程において、前記歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、該検出量に比例した波形を、前記歪波補償電圧源のＰＷＭ制御インバータにより発生させることを特徴とする波形補償方法。
【請求項３】
請求項２に記載の波形補償方法であって、
前記歪波補償電圧源におけるＰＷＭ制御インバータへのゲインを、過変調を伴わないレベルで制御させることを特徴とする波形補償方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一に記載の歪波補償方法において、
前記歪波電源に含まれる高調波成分の除去を、複数パルス幅制御方式の歪波補償電圧源と、ＰＷＭ制御歪波補償電圧源と重畳して組み合わせ制御することにより行うことを特徴とする波形補償方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一に記載の歪波補償方法において、
前記歪波補償電圧源として、前記歪波電源に対して電圧制御可能な方形波インバータを用いることを特徴とする波形補償方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一に記載の歪波補償方法において、
前記歪波補償電圧源を、前記歪波電源から基本波電圧を含む歪波補償を介して接続することを特徴とする波形補償方法。
【請求項７】
交流電源の出力電圧に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償回路であって、
波形補償対象の歪波電源に対して直列に接続可能な、該歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を発生させる歪波補償電圧源と、
前記歪波補償電圧源での回路損失を含む電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記歪波補償電圧源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることを特徴とする波形補償回路。
【請求項８】
請求項７に記載の波形補償回路であって、
前記制御手段が、歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、その量に比例した波形を発生させる基本波除去フィルタ検出器を備えることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項９】
請求項７に記載の波形補償回路であって、さらに、
前記制御手段が、歪波電源波形に対する歪波補償電圧源波形として、複数パルス幅制御により発生させた複数パルス幅制御波形を重畳するための複数パルス幅制御インバータを備えることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項１０】
請求項９に記載の波形補償回路であって、
前記複数パルス幅制御インバータが、重畳する複数パルス幅制御波形の中央部に、ΔθＷのパルス幅を加えることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項１１】
請求項８に記載の波形補償回路であって、
前記制御手段が、バンドエリミネートフィルタを含む三角波比較ＰＷＭ制御インバータを備えることを特徴とする波形補償回路。
【請求項１２】
交流電源の出力電圧に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償回路であって、
波形補償対象の歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を発生させる歪波補償電圧源と、
前記歪波補償電圧源での回路損失を含む電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、
該検出量に比例した波形を、前記歪波補償電圧源のＰＷＭ制御インバータにより発生させるよう構成してなることを特徴とする波形補償回路。
【請求項１３】
請求項１２に記載の波形補償回路において、
前記ＰＷＭ制御インバータの直流電圧を検出して、一定の基準値となるような制御ループを含んでなることを特徴とする波形補償回路。
【請求項１４】
請求項７から１３のいずれか一に記載の波形補償回路であって、
前記歪波補償電圧源が、交流電源に対して直列に接続されており、
さらに、前記歪波補償電圧源が、４個のスイッチング素子と、コンデンサで構成され、
前記４個のスイッチング素子は、直列に接続された２個のスイッチング素子を一組として、一対に並列に接続されており、
前記コンデンサは、該スイッチング素子の組と並列に接続されていることを特徴とする歪波補償回路。
【請求項１５】
請求項７から１４のいずれか一に記載の波形補償回路であって、
歪波電源に対して、歪波補償電圧源として電圧形インバータ歪波補償電圧源を用いて歪波補償を行うことを特徴とする波形補償回路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
きなくなる。このため、波形補償後の波形を検出して、歪波形が無くなるように波形補償電源を働かせる手法が提案されている。しかしながらこの手法では、フィルタ回路等により、振動現象を伴うことがある。また振動を生じることがないように種々の制御手法も検討されているが、制御システムの複雑化を招くという問題があった。
先行技術文献
特許文献
［０００８］
特許文献１：特表平８−５０７６２７号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００９］
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、簡単な構成で波形補償が可能な波形補償方法及び波形補償回路を提供することにある。
課題を解決するための手段
［００１０］
上記目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る波形補償方法によれば、交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法であって、前記歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を、該歪波電源に対して直列に接続された歪波補償電圧源で発生させ、かつ前記歪波補償電圧源での回路損失を含む電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含み、前記制御工程において、前記歪波補償電圧源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることができる。これにより、歪波補償電圧源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設けることなく出力波形を改善できる。
［００１１］
また、歪波電源に含まれる低次の高調波を低減することができる。
［００１２］
さらに第２の側面に係る波形補償方法によれば、交流の歪波電源からの出力に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償方法であって、前記歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を歪波補償電圧源で発生させ、かつ前記歪波補償電圧源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する工程を含み、前記制御工程において、前記歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、該検出量に比例
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
した波形を、前記歪波補償電圧源のＰＷＭ制御インバータにより発生させることができる。
［００１３］
さらにまた第３の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波補償電圧源におけるＰＷＭ制御インバータへのゲインを、過変調を伴わないレベルで制御させることができる。これにより、歪波補償インバータの直流動作電圧を低減することができる。
［００１４］
さらにまた第４の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波電源に含まれる高調波成分の除去を、複数パルス幅制御方式の歪波補償電圧源と、ＰＷＭ制御歪波補償電圧源と重畳して組み合わせ制御することにより行うことができる。
［００１５］
さらにまた第５の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波補償電圧源として、前記歪波電源に対して電圧制御可能な方形波インバータを用いることができる。これにより、直流電源から低波形歪の交流出力電源を得ることができる。
［００１６］
さらにまた第６の側面に係る波形補償方法によれば、前記歪波補償電圧源を、前記歪波電源から基本波電圧を含む歪波補償を介して接続することができる。これにより、基本波電圧制御機能を持たせることを含めて制御できる。
［００１７］
さらにまた第７の側面に係る波形補償回路によれば、交流電源の出力電圧に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償回路であって、波形補償対象の歪波電源に対して直列に接続可能な、該歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を発生させる歪波補償電圧源と、前記歪波補償電圧源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する制御手段と、を備え、前記制御手段が、前記歪波補償電圧源での電力授受の平衡点が保たれる複数パルス幅制御波形を発生させることができる。これにより、歪波補償電圧源での電圧、電流量の検出制御や電力授受回路を設けることなく出力波形を改善できる。
［００１８］
また、歪波電源に含まれる低次の高調波を低減することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
［００１９］
さらにまた第８の側面に係る波形補償回路によれば、前記制御手段が、歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、その量に比例した波形を発生させる基本波除去フィルタ検出器５を備えることができる。
［００２０］
さらにまた第９の側面に係る波形補償回路によれば、さらに前記制御手段が、歪波電源波形に対する歪波補償電圧源波形として、複数パルス幅制御により発生させた複数パルス幅制御波形を重畳するための複数パルス幅制御インバータを備えることができる。これにより、歪波電圧波形を方形波インバータ出力としても、歪波補償電圧源波形を重畳して、歪波電圧源に含まれる低次の高調波を大幅に除去できる。
［００２１］
さらにまた第１０の側面に係る波形補償回路によれば、前記複数パルス幅制御インバータが、重畳する複数パルス幅制御波形の中央部に、ΔθＷのパルス幅を加えることができる。これにより、歪波補償電圧源での電力授受を、コンデンサ電圧が低い値で大きな脈動を伴うことなく、複数パルス幅制御信号を与えるだけで、動作させることができる。
［００２２］
さらにまた第１１の側面に係る波形補償回路によれば、前記制御手段が、バンドエリミネートフィルタを含む三角波比較ＰＷＭ制御インバータを備えることができる。これにより、歪波電源の波形が特定できない場合でも、小型のインバータである三角波比較ＰＷＭ制御インバータにより、歪波補償電圧源を高速スイッチングすることで、歪波電源を適切に補償し、フィルタ後の波形をほぼ正弦波に制御することができる。
さらにまた第１２の側面に係る波形補償回路によれば、交流電源の出力電圧に含まれる歪波の波形補償を行うための波形補償回路であって、波形補償対象の歪波電源に含まれる歪波成分を打ち消す歪波を発生させる歪波補償電圧源と、前記歪波補償電圧源での電力授受の平均値が零となる平衡点を有するように制御する制御手段と、を備え、前記制御手段が、前記歪波電源に含まれる基本波成分を除いた波形を検出し、該検出量に比例した波形を、前記歪波補償電圧源のＰＷＭ制御インバータにより発生させるよう構成できる。
［００２３］
さらにまた第１３の側面に係る波形補償回路によれば、前記ＰＷＭ制御インバータの直流電圧を検出して、一定の基準値となるような制御ループを含むことができる。
［００２４］
さらにまた第１４の側面に係る波形補償回路によれば、前記歪波補償電圧源が、交流電源に対して直列に接続されており、さらに、前記歪波補償電圧源が、４個のスイッチング素子と、コンデンサで構成され、前記４個のスイッチング素子は、直列に接続された２個のスイッチング素子を一組として、一対に並列に接続されており、前記コンデンサを、該スイッチング素子の組と並
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
列に接続することができる。
さらにまた第１５の側面に係る波形補償回路によれば、歪波電源に対して、歪波補償電圧源として電圧形インバータ歪波補償電圧源を用いて歪波補償を行うことができる。
発明の効果
［００２５］
以上の本発明によれば、歪波電源に対して、歪波補償電圧源で歪波電源に含まれる歪波成分を波形補償する電源を重畳するだけで、歪波補償電圧源での有効電力授受制御を行うことなく、波形改善ができるので、一般的なアクティブフィルタに比べて、主回路構成及び制御システムの簡単化ができる。
図面の簡単な説明
［００２６］
［図１］図１（ａ）は歪波電圧源に対して歪波補償電源を設ける回路図であり、図１（ｂ）は歪波電流源に対して歪波補償電流源を設ける回路図である。
［図２］図２（ａ）は歪波補償電圧源として、電圧形インバータ歪波補償電圧源を用いた構成を示す回路図であり、図２（ｂ）は歪波補償電流源として、電流制御形インバータ歪波補償電流源を用いた構成を示す回路図である。
［図３］歪波電圧源に対するインバータの複数パルス幅制御信号発生システムを示す回路図である。
［図４］歪波電圧補償インバータの複数パルス幅制御信号の発生による動作波形を示すグラフである。
［図５］歪波電圧源に対するインバータのＰＷＭ制御信号発生システムを示す回路図である。
［図６］歪波電圧補償インバータのＰＷＭ制御信号発生による動作波形を示すグラフである。
［図７］歪波電圧源としてインバータ電圧源に対してインバータを用いた歪波補償電源を接続した構成を示す回路図である。
［図８］歪波電源として交流歪波電圧源に対してインバータを用いた歪波補償電源を接続した構成を示す回路図である。
［図９］歪波電源の歪波補償電源として複数パルス幅制御インバータと三角波比較ＰＷＭ制御インバータを重畳する構成を示す回路図である。
［図１０］歪波電源の波形補償に歪波補償電源を複数段直列に用いた電圧源に対する波形補償を行う構成を示す回路図である。
【国際調査報告】
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