(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチングブリッジと交流リアクトルを介し、直流から交流に、あるいは交流から直流に電力を変換するＰＷＭ変換器の交流電圧の推定装置において、前記ＰＷＭ変換器の直流電圧（ＶＤ）を検出する第１の手段と、交流電流（Ｉｓ）を検出する第２の手段と、第１の手段で求められた直流電圧値と前記スイッチングブリッジの発生パターンから交流制御電圧（Ｖｃ）を求める第３の手段と、前記第２、３の手段で求められた交流電流値、交流制御電圧値と前記交流リアクトル値（Ｌ）と交流基本周波数値（ωｏ）を用いて、交流電圧推定値を求める第４の手段と、を設け、該第４の手段を、
【数１】
0004093643.tif 000015
とすることを特徴とするＰＷＭ変換器の交流電圧推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭ変換器の制御装置に係わり、特に交流電圧を推定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＰＷＭ変換器のスイッチング作用により交流を直流に変換するＰＷＭコンバータ、直流を交流に変換するＰＷＭインバータは公知である。
図２は従来の技術を説明するための交直流変換を行うＰＷＭ変換器の回路構成を示す図であって、同図において、５は変換器を構成するＰＷＭ変換ブリッジ、６は直流電源あるいは負荷、８は多相交流電源あるいは負荷、７は交流リアクトルである。
【０００３】
交流制御の目的は一般的に交流電流（リアクトル電流）をその指令値に追従することであるが、図２から明らかであるように、交流電流の増減は基本的にリアクトル両端の電圧の差でコントロールされる。リアクトル左端の電圧は制御器で発生する制御電圧で、直流電圧（ＶＤ）と制御出力の開閉パターンから容易に求められる。
右端の交流電圧（ＶＡ）は交流負荷または交流電源の電圧であり、電流制御を行うために直接または間接に求める必要がある。
【０００４】
このため、従来では、ハード的に電圧センサを設けて、交流電圧を直接に検出することが多い。また、ハード的に電圧センサを設けずに、制御器との絡み合いで、電流制御誤差を用いて、何らかの計算手段で交流電圧の値を求める手法もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハード的に交流電圧を直接検出して求めるのが最も確実であるが、コストの面では好ましくない。
また、従来のように電流制御誤差から交流電圧を推定する方法では、推定動作はその制御器の種類に強く依存している。つまり、その制御器にしか適用できず、他の制御器に変えると成立しなくなることがある。
【０００６】
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題点に対して、交流電圧センサを設けず、しかも、制御器の種類に係わらず常に安定に動作する交流電圧の推定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
つまり、その目的を達成するための手段は、請求項１において、
半導体スイッチングブリッジと交流リアクトルを介し、直流から交流に、あるいは交流から直流に電力を変換するＰＷＭ変換器の交流電圧の推定装置に関するもので、
前記ＰＷＭ変換器の直流電圧（ＶＤ）を検出する第１の手段と、交流電流（ＩＡ）を検出する第２の手段と、前記第１の手段で求められた直流電圧値と前記半導体スイッチングブリッジの発生パターンから交流制御電圧（Ｖｃ）を求める第３の手段と、前記第２、３の手段で求められた直流電圧値、交流電流値、交流制御電圧値と前記交流リアクトル値（Ｌ）と交流基本周波数値（ωｏ）を用いて、交流電圧推定値を求める第４の手段と、を設け、該第４の手段として、数１で表したものとすることを特徴とするＰＷＭ変換器の交流電圧推定装置である。
以下、三相変換器を対象に、本発明の一実施例を図面に基づいて交流電圧推定の原理を詳述する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は汎用性があって、しかも、定常推定誤差のない交流電圧推定方法を得るために、正弦波内部モデル原理を含んだオブザーバ理論に基づいて、交流電圧推定器を構成する。
【０００９】
オブザーバの回路モデルは図２に示す回路で、その回路方程式は周知のように数２の（１）式のように表すことができる。
【００１０】
【数２】
0004093643.tif 000002
【００１１】
また、ｕｋはｋ番目の相のスイッチング関数で、次のように定義されるものである。
0004093643.tif 000003
【００１２】
図２に示すモデル回路に対して、図１は本発明の交流電圧の推定装置の構成を示すブロック図であり、同図において、１は本発明の第１の手段であり、直流電圧値（ＶＤ）を検出する。２は本発明の第２の手段であり、交流電流値（ＩＡ）を検出する。３は本発明の第３の手段であり、第１の手段で求められた直流電圧値と制御器出力のスイッチングパターンにより制御電圧（Ｖｃ）を求める手段である。
例えば、数２の（１）式の回路方程式を対象にした場合は、ｋ番目の相の制御電圧Ｖｃｋは数３の（２）式のように表される。
【００１３】
【数３】
0004093643.tif 000004
【００１４】
４は第４の手段で、本発明の中心となる交流電圧オブザーバであり、ＶＡｋの＾は交流電圧の推定値を表す。
【００１５】
以下、第４の手段を中心に詳述する。
交流電圧が正弦波であることに注目し、正弦波の内部モデルは、数４の（３）式のように表される。
【００１６】
【数４】
0004093643.tif 000005
【００１７】
状態変数ｘ１、ｘ２を数５の（４）式のように選んだ場合、
【００１８】
【数５】
0004093643.tif 000006
【００１９】
正弦波内部モデルの状態方程式は、数６の（５）式のように表すことができる。
【００２０】
【数６】
0004093643.tif 000007
【００２１】
数２、数３の回路方程式と数６の（５）式の正弦波内部モデルとを併せて、オブザーバを構成するためのモデルは数７の（６）式のように表す。
【００２２】
【数７】
0004093643.tif 000008
【００２３】
数７の（６）式の一部の正弦波内部モデルは従来では用いないものであり、本発明では、交流量は正弦波である特徴に注目し、この内部モデルを使用して、推定値にオフセットおよび位相ずれを防ぐことにしている。
【００２４】
モデルを確立したら、オブザーバを数８の（７）式のように構成する。
【００２５】
【数８】
0004093643.tif 000009
【００２６】
ただし、＾の付いた変数はその対応する量の推定値を表し、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３はオブザーバのゲインである。
オブザーバのゲインの決定についてはいろいろな方法が考えられるが、ここでは指定される特性多項式になるような設定手法に基づく例を紹介する。
オブザーバシステムの次数が３なので、以下、希望の特性多項式Ｐ（ｓ）を数９の（８）式のように指定されるものとしよう。ただし、ｓはラプラス演算子である。
【００２７】
【数９】
0004093643.tif 000010
【００２８】
数８の（７）式のオブザーバの特性多項式は数１０の（９）式となる。
【００２９】
【数１０】
0004093643.tif 000011
【００３０】
ここで、オブザーバのゲインを数１１の（１０）式のように選定すれば、数９の（８）式の希望特性多項式が得られる。
【００３１】
【数１１】
0004093643.tif 000012
【００３２】
数８の（７）式のオブザーバは状態方程式で表現されているが、それを伝達関数で表すと、数１２の（１１）式のようになる。
【００３３】
【数１２】
0004093643.tif 000013
【００３４】
数１２の（１１）式のオブザーバの構成は本発明の第４の手段である。パラメータａ，ｂ，ｃの選定で、オブザーバを安定に設計すれば、オブザーバの出力の交流電圧推定値はその真値に収束することが理論的に保証される。
以上は本発明の請求項１に請求した内容である。
【００３５】
数１２の（１１）式のオブザーバの伝達式から分かるように，オブザーバはローパスフィルタとして捉えられ，電流センサ，直流電圧センサに含まれるノイズに対して，ローパス特性で，良好なノイズ減衰特性を示ている。
電圧の推定特性を把握するために，数１２の（１１）式の右辺括弧内の項は数２の（１）式と数３の（２）式より、交流電圧ＶＡｋと等しいことに注目し，推定値／真値伝達関数を数１３の（１２）式のように求める。
【００３６】
【数１３】
0004093643.tif 000014
【００３７】
上式の伝達関数から分かるように、電源電圧の推定値は真値に対してローパス特性で、電源電圧に含有する高調波成分に対して４０ｄｂ／Ｄｅｃ減衰特性を示す。しかし、周波数ωｏの基本正弦波に対しては伝達関数がパラメータａ，ｂ，ｃによらず常に１なので、振幅，位相の定常推定誤差が共にゼロとなることが判る。
なお、このオブザーバは交流回路の相順に関する仮定が一切設けていないので、順相でも逆相でも使用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したようにＰＷＭ変換器の交流電圧推定装置において、本発明の請求項によれば、ＰＷＭ制御器の種類や相順等と関係無しに、汎用的に交流電圧を推定することができる。また、推定装置に正弦波内部モデルを組み込んだので、推定誤差オフセット、位相ずれが生じない。さらに、本発明の交流電圧推定装置は基本的にローパスフィルタとして捉えられるので、センサノイズ、交流回路に含有する高次ひずみ等に良好な減衰特性を持ち、推定器のパラメータを調整することによって、基本波の推定特性を影響せずに所望の周波数特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成のブロック図である。
【図２】従来の技術を説明するための変換器主回路を示す説明図である。
【符号説明】
１      第１の手段
２      第２の手段
３      第３の手段
４      第４の手段
５      ＰＷＭ変換器ブリッジ
６      直流電源または負荷
７      交流リアクトル
８      交流電源または負荷
ＶＡ    交流電圧
ＩＡ    交流電流
Ｖｃ    制御電圧
ＶＤ    直流電圧
Ｈ１    推定器のゲイン行列
Ｈ２    推定器のゲイン行列
Ｈ３    推定器のゲイン行列
ａ，ｂ，ｃ  推定装置のパラメータ
ω０    交流基本角周波数
ｓ      ラプラス演算子
【図１】
0004093643.tif 000016
【図２】
0004093643.tif 000017