(57)【要約】【課題】簡単な構成によって低次の高調波等を除去して商用周波数を出力することが可能で且つ高周波の出力も可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電源１と、この直流電源１の直流電力を交流に変換して負荷５に電力を供給するインバータ２と、インバータ２の出力周波数を設定する出力周波数設定手段２１、２２及び２３と、インバータ２の出力電圧をその電圧基準値と比較し、インバータ２への出力電圧指令値を生成する主アナログ制御手段と、インバータ２の出力電圧の少なくとも１つの高調波成分がゼロとなるように前記出力電圧指令値を補正する第１のデジタル補正制御手段と、インバータ２の出力電圧の基本波成分を前記電圧基準値と比較し、前記前記出力電圧指令値を補正する第２のデジタル補正制御手段を備えた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
この直流電源の直流電力を交流に変換して負荷に電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力周波数を設定する出力周波数設定手段と、
前記インバータの出力電圧をその電圧基準値と比較し、前記インバータへの出力電圧指令値を生成する主アナログ制御手段と、
前記インバータの出力電圧の少なくとも１つの高調波成分がゼロとなるように前記出力電圧指令値を補正する第１のデジタル補正制御手段と、
前記インバータの出力電圧の基本波成分を前記電圧基準値と比較し、前記前記出力電圧指令値を補正する第２のデジタル補正制御手段と
を具備した電力変換装置。
【請求項２】
直流電源と、
この直流電源の直流電力を交流に変換して負荷に電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力周波数を設定する出力周波数設定手段と、
前記インバータの出力電圧をその電圧基準値と比較し、前記インバータへの出力電圧指令値を生成する主デジタル制御手段と、
前記インバータの出力電圧の少なくとも１つの高調波成分がゼロとなるように前記出力電圧指令値を補正する第１のデジタル補正制御手段と、
前記インバータの出力電圧の基本波成分を前記電圧基準値と比較し、前記前記出力電圧指令値を補正する第２のデジタル補正制御手段と
を具備した電力変換装置。
【請求項３】
前記第１のデジタル補正手段は、
前記インバータの出力電圧を当該高調波の座標系に座標変換し、その変換出力がゼロとなるように比例制御及び積分制御の少なくとも１つを行い、その制御出力を前記座標変換とは逆の座標変換を行って補正値を得るとようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第２のデジタル補正手段は、
前記インバータの出力電圧をその基本波の座標系に座標変換し、その変換出力がゼロとなるように比例制御及び積分制御の少なくとも１つを行い、その制御出力を前記座標変換とは逆の座標変換を行って補正値を得るとようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記インバータの出力電圧の逆相成分がゼロとなるように前記出力電圧指令値を補正する第３の補正用デジタル制御手段
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第３のデジタル補正手段は、
前記インバータの出力電圧をその逆相の座標系に座標変換し、その変換出力がゼロとなるように比例制御及び積分制御の少なくとも１つを行い、その制御出力を前記座標変換とは逆の座標変換をいって補正値を得るとようにしたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記出力周波数設定手段によって設定された出力周波数が所定値を超えたとき、
前記第１のデジタル補正制御手段を無効化することが可能な高調波補正無効化手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記高調波補正無効化手段は、前記第１のデジタル補正制御手段における制御ゲインをゼロに切替えることによって行うことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記高調波補正無効化手段は、前記第１のデジタル補正制御手段における出力をオフすることによって行うことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用周波数及び商用周波数を超える周波数を出力することが可能な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、直流電力を交流に変換して負荷に電力を供給する電力変換装置（通常、この種の電力変換装置をインバータと称している。）が多く用いられている。この電力変換装置においては、例えばＰＷＭ制御を行って出力電圧が正弦波となるように制御している。電力変換装置の負荷が抵抗などのように線形負荷の場合は通常のＰＷＭ制御によって出力電圧を、基本波の正弦波と、通常は高次の高調波であるＰＷＭ制御のキャリア周波数が重畳された電圧とすることが可能となるが、負荷がスイッチング素子を用いた整流回路のような場合には、その出力電圧に５次あるいは７次の所謂低次の高調波成分が現れ、好ましくない状態となる。また、負荷が単相負荷の場合には相アンバランスが生じ、逆相成分が出力電圧に現れて好ましくない状態となる場合がある。
【０００３】
上記問題点を解決するため、出力電圧に含まれる低次の高調波成分及び逆相成分を演算によって求め、この低次の高調波成分及び逆相成分をゼロとするようにＰＷＭ制御に補正を加える手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−２３６７９号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば各種の周波数帯域を利用する試験設備において、商用周波数から高周波まで自由に出力することができる電力変換装置のニーズは極めて大きい。このように高周波も出力可能な電力変換装置があれば、試験に供する各周波数において個別の電力変換装置を使用する場合であっても、何れかの電力変換装置が故障したとき、他の電力変換装置の出力周波数を変更して試験を継続することが可能となる。
【０００５】
しかるに、特許文献１に示された電力変換装置は、出力周波数が商用周波数のみの場合には有効であるが、そのままの回路方式でより高い周波数出力（例えば４００Ｈｚ）を得ることは困難であった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたもので、簡単な構成によって低次の高調波等を除去して商用周波数を出力することが可能で且つ高周波の出力も可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明に係る電力変換装置は、直流電源と、この直流電源の直流電力を交流に変換して負荷に電力を供給するインバータと、前記インバータの出力周波数を設定する出力周波数設定手段と、前記インバータの出力電圧をその電圧基準値と比較し、前記インバータへの出力電圧指令値を生成する主アナログ制御手段と、前記インバータの出力電圧の少なくとも１つの高調波成分がゼロとなるように前記出力電圧指令値を補正する第１のデジタル補正制御手段と、前記インバータの出力電圧の基本波成分を前記電圧基準値と比較し、前記前記出力電圧指令値を補正する第２のデジタル補正制御手段とを具備したことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２の発明は、直流電源と、この直流電源の直流電力を交流に変換して負荷に電力を供給するインバータと、前記インバータの出力周波数を設定する出力周波数設定手段と、前記インバータの出力電圧をその電圧基準値と比較し、前記インバータへの出力電圧指令値を生成する主デジタル制御手段と、前記インバータの出力電圧の少なくとも１つの高調波成分がゼロとなるように前記出力電圧指令値を補正する第１のデジタル補正制御手段と、前記インバータの出力電圧の基本波成分を前記電圧基準値と比較し、前記前記出力電圧指令値を補正する第２のデジタル補正制御手段とを具備したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡単な構成によって低次の高調波等を除去して商用周波数を出力することが可能で且つ高周波の出力も可能な電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。
【００１２】
直流電源１より供給される直流電力はインバータ２によって交流電力に変換される。インバータ２の出力は絶縁用のインバータトランス３を介して、フィルタコンデンサ４及び負荷５に供給される。フィルタコンデンサ４はインバータ２が発生する高次の高調波成分を吸収する。以上が電力変換装置の主回路構成である。以下に制御回路の構成を説明する。
【００１３】
電圧検出器６でインバータの出力電圧Ｖｆｅｄを検出し、減算器７ａで出力電圧基準値Ｖｒｅｆとの偏差をとり、出力電圧制御回路８に入力する。出力電圧制御回路８はアナログ制御によってこの偏差がゼロとなるように出力電圧指令値Ｖｐｉを調節する。このアナログ電圧制御を主制御と呼称する。
【００１４】
電圧検出器６で検出されたインバータの出力電圧ＶｆｅｄはＡ／Ｄ変換回路９によってのデジタル検出量に変換される。このデジタル検出量が−５次座標順変換器１０ａに入力されると、−５次座標順変換器１０ａからは、インバータ２の出力と逆方向に５倍で回転する座標で観測した成分が出力される。すなわちｎ（−５）次の高調波の正弦（ｓｉｎ）及び余弦（ｃｏｓ）の成分がそれぞれ直流分に変換され、その他のｍ次の周波数成分は（ｍ−ｎ）次の高調波に変換される。
【００１５】
−５次座標順変換器１０ａの出力は、当該周波数成分を示す直流分以外をカットするためにローパスフィルタ１１ａに入力される。これによりローパスフィルタ１１ａの出力は、−５次の高調波成分の振幅のみとなる。
【００１６】
次に、この検出された−５次の高調波成分の振幅は減算器７ｂに入力され−５次の電圧基準（０）との偏差が求められる。減算器７ｂの出力は−５次電圧制御回路１２ａに入力される。−５次電圧制御回路１２ａは−５次の特定高調波成分を打ち消すように、少なくとも比例制御及び積分制御のうちの１つの制御演算を行い、電圧振幅指令値を生成する。
【００１７】
次に、この生成された電圧振幅指令値は−５次座標逆変換器１３ａに入力される。−５次座標逆変換器１３ａは−５次座標変換器１０ａで行なった変換と逆の変換を行い、デジタル電圧補正量を出力する。
【００１８】
７次の正相成分についても同様に、Ａ／Ｄ変換回路９の出力を７次座標順変換器１０ｂ
に与え、ローパスフィルタ１１ｂによって７次成分を抽出して減算器７ｃに与え、この7次成分がゼロになるように７次電圧制御回路１２ｂによって電圧振幅指令値を生成し、７次座標逆変換器１３ｂを介して７次のデジタル電圧補正量を得る。
【００１９】
また基本波の逆相分についても同様に、Ａ／Ｄ変換回路９の出力を−１次座標順変換器１０ｃに与え、ローパスフィルタ１１ｃによって７次成分を抽出して減算器７ｄに与え、この逆相（−１次）成分がゼロになるように−１次電圧制御回路１２ｃによって電圧振幅指令値を生成し、−１次座標逆変換器１３ｃを介して−１次のデジタル電圧補正量を得る。この逆相分の補正は、扱う周波数が商用周波数でも高周波であっても有効である。
【００２０】
基本波の正相分についても同様にＡ／Ｄ変換回路９の出力をｎ次座標順変換器１０ｄ
に与える。ｎ次座標順変換器１０ｄはインバータ２の出力の基本波成分の振幅を出力し、減算器７ｅに与える。減算器7ｅにおいて出力電圧基準値Ｖｒｅｆとの偏差を求め、ｎ次電圧制御回路１２ｄの入力とする。ｎ次電圧制御回路１２ｄはこの偏差がゼロになるようにその出力である電圧振幅指令値を調整する。この電圧振幅指令値はｎ次逆変換器１３ｄにより基本波のデジタル電圧補正量に変換される。この基本波分の補正は扱う周波数が商用周波数でも高周波であっても有効であり、出力電圧精度の向上に寄与する。
【００２１】
以上によって求められた各々のデジタル電圧補正量は加算器１４ａによって加算され、合計電圧補正量Ｖｎｐｉとなる。この合計電圧補正量Ｖｎｐｉを、Ｄ／Ａ変換回路１５によってアナログ量に変換し、加算器１４ｂのよって前述の出力電圧指令値Ｖｐｉと足し合わせる。そしてインバータ２の出力電圧がこの合算値の電圧となるように、ゲート信号発生回路１６でインバータを構成する各スイッチング素子へのオンオフ信号を与える構成となっている。
【００２２】
次に、出力電圧基準値Ｖｒｅｆを生成するための構成を説明する。基準周波数設定回路２１によって基準となる周波数を設定する。そして、ｎ次設定回路２２によって倍数ｎを設定する。この倍数ｎと基準周波数設定回路２１によって設定された基準となる周波数を乗算器２３によって掛け合わせて所望となる出力周波数基準を作り、この出力周波数基準をｆ−Ｖ変換器２４によって出力電圧基準値Ｖｒｅｆに変換する。
【００２３】
尚、上記の構成において、出力電圧制御回路８を用いたアナログ電圧制御ループには、特性を改善するためフィルタコンデンサ４の電流やインバータ２の出力電流を検出してマイナーループを挿入することもあるがここでは図示を省略している。
【００２４】
また、−５次電圧制御回路１２ａ及び７次電圧制御回路１２ｂの制御定数は外部指令によってゼロに切替えられる構成となっている。この詳細を図２の高次電圧制御回路の内部構成図を参照して説明する。
【００２５】
電圧制御回路１２は入力を比例ゲインＫｐ倍する比例制御系の出力と、入力をＫｉ／Ｓ倍する積分制御系の出力を合算する構成となっている。ここで、外部からの制御定数＝０指令によってＫｐ及びＫｉはゼロになり、従って電圧制御回路１２は実質の動作を停止する。
【００２６】
以上の回路構成において、例えば、５０Ｈｚの出力周波数を得るためには、基準周波数設定回路２１を“５０Ｈｚ”とし、ｎ次設定回路２２を“１”とし、出力電圧指令の周波数設定を５０Ｈｚ（＝５０Ｈｚ×１）とする。
【００２７】
次に、例えば４００Ｈｚの出力周波数を得るためには、基準周波数設定回路２１を“５０Ｈｚ”とし、次数設定回路２２を“８”とし、出力電圧指令の周波数設定を４００Ｈｚ（＝５０Ｈｚ×８）とする。
【００２８】
このとき、高次調波成分の制御回路（−５次電圧制御回路１２ａ及び７次電圧制御回路１２ｂ）の制御ゲインを図２に従って全て“０”とすることによって所望の出力電圧を生成する。このように高調波補正を無効化するのは、４００Ｈｚに対する５次乃至７次の高調波成分はインバータトランス３とフィルタコンデンサ４を適切に選定することによって電圧検出器６の出力には現れないので、外乱を防止するために行なうものである。尚、この高調波補正の無効化は、出力周波数基準が所定値以上になったとき行なうが、手動設定入力によっても良いし自動的に行っても良い。
【００２９】
以上によって簡単な基準周波数とそのｎ次数の設定により商用周波数から高周波の周波数までの出力が可能な電力変換装置を提供することができる。出力電圧制御回路８による主アナログ制御で速い応答の制御を行い、ｎ次電圧制御回路１２ｄによる基本波のデジタル補正制御系で積分制御を中心としたオフセット補正を行えば、好適な過渡特性と定常特性の両方を満足する制御特性を得ることが可能となる。
【００３０】
尚、本例においては、負荷５が単相負荷と整流負荷である場合を想定し、高調波としては−５次及び７次を抑制する例を説明したが、負荷５の特性に応じてこれ以外の他の高調波を抑制するループを設けても良い。
【実施例２】
【００３１】
図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、−５次座標逆変換器１３ａ及び７次座標逆変換器１３ｂの出力を夫々切替器３１ａ、３１ｂを介して加算器１４ａに供給するように構成した点である。
【００３２】
例えば、４００Ｈｚの出力周波数を得るためには、基準周波数設定回路２１を“５０Ｈｚ”とし、次数設定回路２２を“８”とし、出力電圧指令の周波数設定を４００Ｈｚ（＝５０Ｈｚ×８）とする。
【００３３】
このとき、高次調波成分の制御回路（−５次電圧制御回路１２ａ及び７次電圧制御回路１２ｂ）の制御系の出力部に付加した切替器３１ａ及び３１ｂをオフするようにする。この様にすれば、実施例１で制御ゲインをゼロとして高次調波成分の制御系を無効化した場合と同一の効果を得ることが可能となる。
【実施例３】
【００３４】
図４は本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、ｆ−Ｖ変換器２４の出力をＡ／Ｄ変換回路２５に与え、出力電圧基準値Ｖｒｅｆをデジタル入力として減算器７ａの加算入力とする構成とした点、Ａ／Ｄ変換回路９のデジタル出力をインバータの出力電圧Ｖｆｅｄとして減算器７ａの減算入力とした点、減算器７ａの偏差出力によって、出力電圧制御回路７ａをデジタル制御する構成とした点である。
【００３５】
このように出力電圧制御回路８による主電圧制御ループをデジタル化すれば、定常制御特性の更なる改善が可能となる。この実施例３の場合も、出力電圧制御回路８による主電圧制御は比例制御を中心とし、ｎ次電圧制御回路１２ｄによる基本波のデジタル補正制御系で積分制御を中心としたオフセット補正を行うことが好ましい。
【実施例４】
【００３６】
図５は本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図４の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、−５次座標逆変換器１３ａ及び７次座標逆変換器１３ｂの出力を、夫々切替器３１ａ、３１ｂを介して加算器１４ａに供給するように構成した点である。
【００３７】
この実施例４のように、全ての制御系をデジタル制御で統一した場合においても、高周波の出力を得るとき、高次調波成分の補正制御回路（−５次電圧制御回路１２ａ及び７次電圧制御回路１２ｂ）の制御系の出力部に付加した切替器３１ａ及び３１ｂをオフする構成とすれば、実施例２の場合と同一の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。
【図２】高次電圧制御回路の内部構成図。
【図３】本発明の実施例２に係る電力変換装置の回路構成図。
【図４】本発明の実施例３に係る電力変換装置の回路構成図。
【図５】本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１  直流電源
２  インバータ
３  インバータトランス
４  フィルタコンデンサ
５  負荷
６  電圧検出器
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ  減算器
８、８ａ  出力電圧制御回路
９  Ａ／Ｄ変換回路
１０ａ  −５次座標順変換器
１０ｂ  ７次座標順変換器
１０ｃ  −１次座標順変換器
１０ｄ  基本波座標順変換器
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  ローパスフィルタ
１２  高次電圧制御回路
１２ａ  −５次電圧制御回路
１２ｂ  ７次電圧制御回路
１２ｃ  −１次電圧制御回路
１２ｄ  基本波電圧制御回路
１３ａ  −５次座標逆変換器
１３ｂ  ７次座標逆変換器
１３ｃ  −１次座標逆変換器
１３ｄ  基本波座標逆変換器
１４ａ、１４ｂ  加算器
１５  Ｄ／Ａ変換回路
１６  ゲート信号発生回路
２１  基準周波数設定回路
２２  ｎ次設定回路
２３  乗算器
２４  ｆ−Ｖ変換器
２５  Ａ／Ｄ変換回路
３１ａ、３１ｂ  切替器
【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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