(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧源に接続された負荷と並列に接続されたアクティブフィルタ装置において、前記負荷に流れる電流を各相毎に検出する負荷電流検出部と、基本波の角周波数信号の２乗を出力する周波数変動補正手段と、基本波阻止フィルタ手段と複数の直列に接続された任意のｎ次高調波阻止フィルタ手段を直列に接続し、前記周波数変動補正手段の出力を基本波阻止フィルタ手段と、周波数変動補正手段の出力である基本波の角周波数信号の２乗をｎ次高調波阻止フィルタ手段の次数ｎの２乗値と乗算して各高調波阻止フィルタ手段に供給し、前記複数の直列に接続された高調波阻止フィルタ手段の最終高調波阻止フィルタ手段の出力を基本波阻止フィルタ手段の出力から減算した信号を基に電流出力回路に入力し、前記電流出力回路の出力により任意に設定した高調波成分のみを得て、電源ラインの任意に設定した高調波電流成分のみを抑制したことを特徴としたアクティブフィルタ装置の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブフィルタ装置の制御方法において、基本波阻止フィルタ手段の出力を、直列の高調波阻止フィルタ手段に代えて、並列にした複数の高調波通過フィルタ手段のそれぞれに入力し、各高調波通過フィルタ手段の出力を加算した信号を基に電流出力回路に入力し、前記電流出力回路の出力により任意に設定した高調波成分のみを得て、電源ラインの任意に設定した高調波電流成分のみを抑制したことを特徴とするアクティブフィルタ装置の制御方法。
【請求項３】
各相毎に検出する負荷電流検出部の検出結果から、負荷に流れる電流の任意に設定した高調波成分を各高調波成分毎に抽出する高調波成分抽出手段を設け、任意の高調波成分について各高調波成分毎に出力する電流出力回路としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクティブフィルタ装置の制御方法。
【請求項４】
交流電圧源から各相毎に出力する電流を検出する電圧源電流検出部と前記電流出力回路から各相毎に出力する電流を検出する出力電流検出部を設け、前記電圧源電流検出部の検出結果と出力電流検出部の検出結果の差分を求める演算手段とを有し、前記演算手段の出力を負荷電流検出部の検出結果としたことを特徴とする請求項１乃至３に記載のアクティブフィルタ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、負荷と並列接続するアクティブフィルタ装置に於いて、精度良く高調波電流成分を抑制する制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電源ラインの高周波抑制や力率改善にアクティブフィルタ装置が用いられ、またコンデンサインプット型回路や整流器等の非線型負荷では高調波成分が発生し、電源の負担が大きくなることから、負荷電流の高調波成分を検出して、電源ラインの高調波成分を打ち消すように入力信号を入れて、電源ラインの高周波電流成分を抑制するアクティブフィルタ装置が開示されている。
【０００３】
図５には従来のアクティブフィルタ装置の一例を示しているが、この例のように単相に限らず、３相３線式、もしくは３相４線式のアクティブフィルタ装置を含めて、電源から電源ラインを通って負荷に供給され、負荷ラインにカレントトランスのような検出器を用いて電流を検出しこの出力信号を制御手段に入れ、制御手段は基本波阻止フィルタ手段や複数の高調波フィルタ手段を備えており高調波成分を出力してアクティブフィルタ装置により電源ラインの高調波を打ち消す方法で電源ラインの高調波を除去している。
【０００４】
従来のアクティブフィルタ装置の制御方式は図４に示すように基本波及び高調波阻止フィルタ手段であるノッチフィルタを用いただけで、任意に設定した高調波成分のみを抑制させるように設定できない場合や、負荷と電流出力回路のフィルタ構成により、ある次数の電流成分の範囲で異常発振するという問題があった。
【０００５】
また、基本波の周波数が変動した場合、基本波ノッチフィルタの出力に基本波成分が現われてしまい、電源の電圧と電流の位相差が増大することになる。さらに高調波成分の周波数変化にも対応していない。
【０００６】
すなわち従来のアクティブフィルタはアナログフィルタで負荷電流を検出した信号で基本波阻止フィルタ手段であるノッチフィルタにより基本波のみを修正して出力する制御方式であるため、基本波周波数変動に対して伝達関数の特性により基本波周波数が基本波ノッチフィルタの共振点からずれてしまうことで阻止領域からはずれてしまい、基本波ノッチフィルタの出力に基本波成分が現われる。
【０００７】
従来のアクティブフィルタ装置の制御構成を図で示すと図５のようになり、抑制したい任意の高調波成分を設定することなく、さらに高調波成分の周波数変化にも対応してないので、負荷電圧が不安定で、さらに効率の悪い電源装置になってしまうなどの問題があった。
【０００８】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたもので、その目的は、任意に設定した高調波電流成分を抑制し、電源の基本周波数の変動に応じることのできるアクティブフィルタ装置の制御方法を提供できる。
【０００９】
【課題を解決しようとする手段】
上記目的を達成するためになされた請求項記載の発明は、アクティブフィルタ装置において、任意に設定した高調波電流を抑制させ、基本波の周波数変動に対応して、基本波周波数の設定を変更し、高調波の周波数変動に対しても基本波の周波数信号により、高調波電流を抑制できることを特徴とするアクティブフィルタ装置の制御方法を提供するものである。
【００１０】
すなわちアクティブフィルタ装置における高調波成分抽出手段において、基本波阻止フィルタ手段と複数の直列に接続された高調波阻止フィルタ手段を直列に接続し、前記複数の直列に接続された高調波阻止フィルタの最終高調波阻止フィルタ手段の出力を基本波阻止フィルタ手段の出力から減算して出力し、任意に設定した高調波成分のみを得て、電源ラインの任意に設定した高調波電流成分のみを抑制する制御方法を提供するものである。
【００１１】
別の手段としては、アクティブフィルタ装置における高調波成分抽出手段において、前記直列に配置された高調波阻止フィルタ手段を並列に配置された高調波通過フィルタ手段に置き換えて、それぞれの高調波通過フィルタ手段の出力を加算して得られた出力により、任意に設定した高調波成分のみを得て、電源ラインの任意に設定した高調波電流成分のみを抑制する制御方法を提供するものである。
【００１２】
また、基本波の周波数信号を取り込むことで、任意に設定した高調波成分に、基本波の周波数変動に対して得られた基本波周波数信号を使い、抑制したい高調波電流成分のそれぞれに周波数の設定を変更し、高調波電流を抑制する制御方法を提供するものである。
【００１３】
これにより基本波の周波数が変動した場合でも基本波阻止フィルタ手段の出力には基本波成分が現われず、さらに高調波に対してもそれぞれに確実なフィルタ出力を提供することが可能で、電源ラインにある高調波電流成分を除くことができ、力率を改善した効率の良いアクティブフィルタとして利用することが可能である。
【００１４】
周波数変動補正手段から出力された周波数補正信号をｎ次高調波成分の次数ｎの２乗倍して得た信号を抑制したい各次数の高調波フィルタに与え、これらの信号を減算もしくは加算することでアクティブフィルタ装置の制御手段からアクティブフィルタ装置に制御信号を入力して電源ラインの高調波電流成分を打ち消し、効率の良い電力を供給できる。
【００１５】
アクティブフィルタ装置において、任意に設定した高調波成分のみを抑制させるように設定できたことにより、負荷と電流出力回路のフィルタ構成による、異常発振する範囲の次数の電流成分を電流出力回路の出力電流に出力させないことで、異常発振するという問題を解決できる。
【００１６】
基本波の周波数が変動してもそれに応じた高調波周波数に合致できるため、わずかな変動に対してももしくは大きな変動に対しても基本波の周波数に対応した高調波を選択できるため、基本波の周波数変動に対して安定した制御手段でアクティブフィルタ装置を駆動できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明に係わるアクティブフィルタの制御手段の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１、図２は本発明の実施形態の一例を示しており、図１、図２はそのブロック図である。このブロック図は図３に示す本発明によるアクティブフィルタ装置２８において、その制御手段１３をブロック図にしたものである。
【００１９】
図３、図７は本発明によるアクティブフィルタ装置２８の構成を示すブロック図であり、交流入力電圧源１１に接続された負荷１２と並列に接続されている。従来のアクティブフィルタ装置２８に周波数検出手段１７を新たに設けており、周波数の誤差を電圧値で出力し、以下に説明するように制御手段１３で周波数の変動に対して制御し、制御手段１３の出力を電流指令パルス出力手段３４に入力し電流指令パルスを電流出力回路１４に入力し、精度良く高調波電流成分を抑制する制御を特徴としている。
【００２０】
なお、図３は、負荷ライン１８に流れる電流を検出するために負荷電流検出部１５を設けてあり、図７は、電源ライン１６に流れる電流を検出するための電圧源電流検出部３２を負荷電流検出部１５の代わりに設けて、電圧源電流検出部３２の検出結果と出力電流検出部１９の検出結果より、負荷ライン１８に流れる電流を検出するための負荷電流検出部１５の検出結果と同じ値を得る。図３、図７の直流電圧検出部２４は、絶縁トランスや分圧抵抗などのような主コンデンサ２６に印加する直流電圧２７を検出するためのものである。
【００２１】
図１と図２のフィルタ手段における伝達関数の次数は、何次系でもよく、一例として２次系のフィルタであれば、下記数１で表される。伝達関数Ｇは、２次系のフィルタの伝達関数で、ＡとＢとＣとＤは、定数であり、ｓは微分記号ｄ／ｄｔを置き換えたラプラス変数である。例えば、５０Ｈｚ阻止フィルタであれば、定数Ａを１、定数Ｂを０、定数Ｃを１、定数Ｄを２００とし、変数Ｆは角周波数の２乗である（２π５０）２である。伝達関数Ｇは、定数Ｄの値が小さいほど阻止領域の傾きが急勾配な周波数特性になる。
【数１】
G=(A・s２＋B・s＋F)／（C・s２＋D・s＋F）
【００２２】
図１について詳細な説明を加える。図３における周波数検出手段１７の一例として、周波数検出信号Ｖｆは基本波の周波数からの誤差分を電圧に置き換えたもので例えば５０Ｈｚに基本周波数を設定し５１Ｈｚで＋１０Ｖ、４９Ｈｚで−１０Ｖのようにして得られる電圧であり、周波数変動補正手段１でデジタルのパルス列に変換しその周波数は周波数検出信号Ｖｆで入力された電圧に応じて変換され、各次数の高調波阻止フィルタ手段は周波数補正手段１の出力信号である変数Ｆから各次数ｎの２乗倍にして各高調波阻止フィルタ手段の変数Ｆに入力している。
【００２３】
一方入力Ｖｉｎは負荷ラインのカレントトランスなどで得られた負荷電流検出部１５の出力であり、高調波電流成分を含む信号で、基本波成分は基本波阻止フィルタ手段２により阻止され、任意に設定した第３次高調波と第５次高調波のみ出力する信号である出力Ｖｏｕｔは基本波阻止フィルタ手段２を通して得た信号を第５次高調波阻止フィルタ手段５の出力信号から減算して出力することで、電源ラインの高調波を抑制させる出力を与える制御信号の基になる。
【００２４】
図１は制御手段１３のブロック図で電源ライン電流の第３次高調波と第５次高調波を除去する例で、入力Ｖｉｎは各相毎に検出する負荷電流検出部１５の検出結果による信号であり、入力Ｖｉｎは基本波阻止フィルタ手段２に入力され、基本波阻止フィルタ手段２と第３次高調波阻止フィルタ手段３と第５次高調波阻止フィルタ手段５を直列に接続し、基本波阻止フィルタ手段２の出力からの信号を加算し、第５次高調波遮断フィルタ手段５の出力を減算する加減算器７に加え出力Ｖｏｕｔを得ている。
【００２５】
一方角周波数の２乗手段３１は、周波数検出手段１７から周波数を電圧変換して周波数変動補正手段１で得た信号を基本波阻止フィルタ手段２の伝達関数の変数Ｆに書き換えて周波数補正を行い、第３次高調波阻止フィルタ手段３の変数Ｆには周波数変動補正手段１の信号をｎの２乗倍手段４により、次数３の２乗値即ち９倍にして書き換え、第５次高調波阻止フィルタ手段５は周波数変動補正手段１の信号にｎの２乗倍手段６を用いて、次数５の２乗値である２５倍にして第５次高調波阻止フィルタ手段５の変数Ｆを書き換えて制御している。
【００２６】
次に、高調波電流抽出手段３３の出力結果である出力Ｖｏｕｔと出力電流検出部１９の検出結果である出力電流信号Vｉｃとの差分を減算器２１を用いて求め、電流出力回路１４は、減算器２１の出力結果が差分を小さくするように任意に設定した第３次高調波成分と第５次高調波成分に近似した電流を出力する。
【００２７】
さらに、補助制御手段３０の出力信号ｈ２は、電流出力回路１４に並列接続された主コンデンサ２６に印加された直流電圧検出部２７の検出結果である直流電圧Ｖｄｃと基準信号Ｖｒｅｆを減算器２３を用いて減算した信号と電源電圧検出部２０の検出結果である交流入力電源電圧Ｖｉを乗算器２２を用いて乗算したものであり、直流電圧Ｖｄｃを一定に保ちつつ、電流出力回路の出力電流２９を交流入力電源電圧Ｖｉの位相と同期させることができる。出力ｙは、減算器２１の出力結果と出力信号ｈ２を加算器２５を用いて加算した値であり、電流指令パルス出力手段３４の入力信号となる。
【００２８】
図２においては並列にフィルタ手段を配置したもので阻止の代りに通過フィルタである第３次高調波通過フィルタ手段８と第５次高調波通過フィルタ手段９を用意してそれぞれの出力を加算器１０を用いて加算して抑制する周波数の信号である出力Ｖｏｕｔをアクティブフィルタ装置２８の制御信号の基とすることで、電源ライン１６から任意に設定した高調波電流成分を抑制させる出力を与える制御手段１３になる。
【００２９】
図２は図１の第３次高調波阻止フィルタ手段３と第５次高調波阻止フィルタ手段５を並列にするためのもので第３次高調波通過フィルタ手段８と第５次高調波通過フィルタ手段９を用いることによって図１に示した制御手段と同等の効果を示すものである。
【００３０】
上記は第３次高調波と第５次高調波を抑制するように構成した例で、第７次以上の高調波においても任意に設定でき、また２つの高調波のみならず複数の高調波を選択でき、直列もしくは並列のフィルタを構成することで、任意に設定した高調波電流を抑制させる制御方法が可能になる。
【００３１】
図６は、図１の制御手段１３中のブロックをアナログ回路の使用なしで、マイコン等を使用してデジタル的に制御する場合の実施の一形態における動作の一例を示すフローチャートである。この際に図３における周波数検出手段１７や電流指令パルス出力手段３４は、制御手段１３内で処理してもよい。各検出信号が入力される前に、各種のパラメータを設定しておく。例えば、各フィルタの伝達関数Ｇの式における定数Ａと定数Ｂと定数Ｃと定数Ｄや、電流出力回路１４に並列接続された主コンデンサ２６に印加する直流電圧の基準電圧Ｖｒｅｆなどをあらかじめ設定しておく。なお、フローチャートにおける微分記号ｓや積分記号１／ｓで示された式は、実際にはデジタルであるため周知のとおりＺ変換法（例えば、美多  勉  著「ディジタル制御理論」昭晃堂発行参照）を用いて離散時間領域の式に変換して、プログラミングして演算する。
【００３２】
各検出信号をＡ／Ｄ変換器により変換した後に、ステップＳ３１において変換した各検出信号を入力し、保持する。そして、必要に応じて前記変換した各検出信号を取り出す。次にステップＳ３２とステップＳ３３においてステップＳ３１で取り出した周波数検出信号Ｖｆを入力し周波数補正手段１の出力に相当する角周波数Ｆ１を得る。つまり、ステップＳ３２において、周波数検出信号Ｖｆから基本波周波数ｆを得て、ステップＳ３３で前記基本波周波数ｆを用いて、基本波角周波数の２乗を演算する。
【００３３】
基本波阻止フィルタ手段２は、ステップＳ３４において、定数Ａと定数Ｂと定数Ｃと定数ＤとステップＳ３３で得られた値Ｆ１をもとに入力Ｖｉｎを基本波阻止演算し角周波数Ｖ１を得る。次数ｎの２乗手段４はステップＳ３５において基本波角周波数Ｆ１を９倍するものであり第３次高調波角周波数Ｆ３を出力し、次数ｎの２乗手段６はステップＳ３６において基本波角周波数Ｆ１を２５倍し第５次高調波角周波数Ｆ５を出力するものである。
【００３４】
ステップＳ３７は、定数Ａと定数Ｂと定数Ｃと定数ＤとステップＳ３５で得られた第３次高調波角周波数Ｆ３をもとにステップＳ３４の演算結果の基本波出力Ｖ１を第３次高調波阻止演算し、第３次高調波阻止フィルタ手段３に相当するもので第３次高調波出力Ｖ３を得て、ステップＳ３８は、定数Ａと定数Ｂと定数Ｃと定数ＤとステップＳ３６で得られた第５次高調波角周波数Ｆ５をもとにステップＳ３７の演算結果の値、第３次高調波出力Ｖ３を第５次高調波阻止演算し、第５次高調波阻止フィルタ手段５に相当するものであり第５次高調波出力Ｖ５を得る。さらにステップＳ３９は、基本波出力Ｖ１から第５次高調波出力Ｖ５を減算し出力Ｖｏｕｔを得る。
【００３５】
ステップＳ４３は、図１の減算器２１に相当するものであり、出力Ｖｏｕｔから、電流出力回路の出力電流２９の検出結果をデジタル変換した出力電流信号Ｖｉｃを減算して高調波電流抑制信号ｈ３を得る。さらに補助制御手段３０における演算は、先ず、ステップＳ４０において、基準信号Ｖｒｅｆと直流電圧の検出結果をデジタル変換した直流電圧Ｖｄｃの誤差ｅを計算し、ステップＳ４１において、誤差ｅを減らすためＰＩＤ制御演算を行い出力信号ｈ１を得る。さらにステップＳ４２において、出力信号ｈ１と電源電圧検出部の検出結果をデジタル変換した交流入力電源電圧Ｖｉを掛け算し出力信号ｈ２を得て、この出力信号ｈ２が補助制御手段３０の出力値に相当する。
【００３６】
ステップＳ４４は、高調波電流抑制信号ｈ３をＰＩＤ制御演算したものであり出力信号ｈ４を得て、ステップＳ４５において、出力信号ｈ２と出力信号ｈ４を加算し、電流指令パルス出力手段３４への入力信号ｙを得て、このｙを出力する。上述したステップＳ３１〜ステップＳ４５の処理を繰り返し実行されることにより、図１の制御手段中のブロックをアナログ回路の使用なしで、マイコン等を使用してデジタル的に図３における電流出力回路１４を制御することが可能となる。
【００３７】
請求項３に記載のようにアクティブフィルタ装置２８の制御方法において、各相毎に検出する負荷電流検出部１５の検出結果から負荷に流れる電流の任意に設定した高調波成分を各高調波成分毎に抽出する高調波成分抽出手段３３を設け、基本波、高調波の直列並列を問わず、それぞれ目的とする周波数に対して個別に電流出力回路１４を各高調波成分毎に出力する電流とすることも可能である。
【００３８】
請求項４のように交流電圧源から各相毎に出力する電流を検出する電圧源電流検出部３２と電流出力回路１４から各相毎に出力する電流を検出する出力電流検出部１９を設け、電圧源電流検出部３２の検出結果と出力電流検出部１９の検出結果の差分を求める演算手段とを有し、前記演算手段の出力を負荷電流検出部１５の検出結果の代替とすることも電源ライン１６に含まれる高調波の周波数成分を抑制することが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
アクティブフィルタ装置２８において、任意に設定した高調波電流を抑制させ、基本波の周波数変動に対して、基本波周波数の設定を変更し、高調波に対しても基本波の周波数信号により、高調波電流を抑制できることを特徴とするアクティブフィルタ装置２８の制御方法を提供するものである。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すアクティブフィルタ装置制御手段の第１の実施例でそのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態を示す第２の実施例のブロック図である。
【図３】本発明のアクティブフィルタ装置を示すブロック図である。
【図４】従来のアクティブフィルタ装置の制御手段のブロック図である。
【図５】従来のアクティブフィルタ装置を示すブロック図である。
【図６】本発明の図３の制御手段中のブロックをアナログ回路の使用なしで、マイコン等を使用してデジタル的に制御する場合の実施の一形態における動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明のアクティブフィルタ装置において電圧源電流検出部を用いたブロック図である。
【符号の説明】
Ｖｉｎ、入力
Ｖｏｕｔ、出力
Ｖｒｅｆ、基準電圧
Ｖｄｃ、直流電圧
Ｖｉ、交流入力電源電圧
Ｖｆ、周波数検出信号
Ｖｉｃ、出力電流信号
１、周波数補正手段
２、基本波阻止フィルタ手段
３、第３次高調波阻止フィルタ手段
４、６、ｎの２乗倍手段
５、第５次高調波阻止フィルタ手段
７、加減算器
８、第３次高調波通過フィルタ手段
９、第５次高調波通過フィルタ手段
１０、２５、加算器
１１、交流入力電圧源
１２、負荷
１３、制御手段
１４、電流出力回路
１５、負荷電流検出部
１６、電源ライン
１７、周波数検出手段
１８、負荷ライン
１９、出力電流検出部
２０、電源電圧検出部
２１、２３、減算器
２２、乗算器
２４、直流電圧検出部
２６、主コンデンサ
２７、直流電圧
２８、アクティブフィルタ装置
２９、電流出力回路の出力電流
３０、補助制御手段
３１、角周波数の２乗出力手段
３２、電圧源電流検出部
３３、高調波成分抽出手段
３４、電流指令パルス出力手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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