(57)【要約】【課題】  直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動があった場合でも、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有する仮想リアクトルを確実に形成することができ、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動に容易に対応する。【解決手段】  電圧指令値と電圧検出値との比較により得られた差分を積分する積分器１３と、その積分器１３からの出力値を仮想インダクタンス値で除算する除算器１４と、その除算器１４から出力される電流指令値と電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器１５とを備え、その増幅器１５からの出力値を電流制御部１１の出力値に加算することにより、仮想インダクタンス値と同一のインダクタンス値を持つリアクトルと同等の電流・電圧特性を有するアクティブリアクトル１２であって、電流制御部１１の出力値を電圧指令値に変換する電圧変換器１７を設ける。【選択図】    図１
2009261152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧指令値と電圧検出値との比較により得られた差分を積分する積分器と、その積分器からの出力値を仮想インダクタンス値で除算する除算器と、その除算器から出力される電流指令値と電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器とを備え、その増幅器からの出力値を制御部の出力値に加算することにより、仮想インダクタンス値と同一のインダクタンス値を持つリアクトルと同等の電流・電圧特性を有するアクティブリアクトルであって、前記制御部の出力値を前記電圧指令値に変換する電圧変換器を設けたことを特徴とするアクティブリアクトル。
【請求項２】
前記積分器と除算器との間に、積分器での積分処理を飽和させるリミッタを挿入接続した請求項１に記載のアクティブリアクトル。
【請求項３】
前記制御部は、電流指令値と電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器を備えた電流制御部である請求項１又は２に記載のアクティブリアクトル。
【請求項４】
前記制御部は、直流電源装置を構成する直流交流変換器の電流制御部である請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクティブリアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば直流電源装置などの各種制御装置に組み込まれ、その制御装置の出力端にリアクトルを実際に設置することなく、そのリアクトルと同等の電流・電圧特性を擬似的に再現するようにしたアクティブリアクトルに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法として、短絡期間およびアーク期間の出力電流の変化や、アーク負荷の変動に伴う出力電流の変化率を適正化するために、実際のリアクトルと等価な作用を電子的に形成する電子リアクトル制御、つまり、実際のリアクトルと同等の電流・電圧特性を擬似的に再現するようにしたアクティブリアクトルが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１のように、負荷電流を検出し、その検出値を微分した値に仮想インダクタンス値を乗算した値を電圧設定値から減算して電圧制御の目標値を補正することで、電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有するリアクトルを電子的に形成したアクティブリアクトルがある。
【０００４】
一方、下記の（１）式で示すように、負荷電圧の検出値Ｖを積分した値を仮想インダクタンス値Ｌで除算することで仮想リアクトル電流の目標値Ｉ＊を得て、その目標値Ｉ＊から負荷電流の検出値を減算することにより、電源出力の補正量を得るようにしたアクティブリアクトルもある。
【数１】
2009261152.tif 000003
【０００５】
この種のアクティブリアクトルを直流電源装置に適用した場合、下記の（２）式で示すように、積分器の入力値が直流であることから積分器が発散してしまうため、予め定めた電源出力の電圧指令値Ｅから負荷電圧の検出値Ｖを減算した値を積分器に入力し、その積分値を仮想インダクタンス値で除算することで仮想リアクトル電流の目標値Ｉ＊を得るようにしている。
【数２】
2009261152.tif 000004
【０００６】
図４は、例えば、直流電源装置の電流制御部１に組み込まれたアクティブリアクトル２の具体的回路構成を例示する。
【０００７】
この直流電源装置の電流制御部１では、電源出力の電流指令値と負荷電流の検出値との差分を増幅器６により増幅する。これにより、電流制御部１では、負荷電流を電流指令値に一致させる電流制御が行われる。
【０００８】
一方、アクティブリアクトル２では、電源出力の電圧指令値と負荷電圧の検出値との差分を積分器３で積分し、その積分値を除算器４により仮想インダクタンス値で除算することにより、仮想リアクトル電流の目標値を得る。この仮想リアクトル電流の目標値から負荷電流の検出値を減算し、その差分を増幅器５により増幅した値を電流制御部２の出力値に加算することにより、電源電圧の指令値としている。
【０００９】
以上の回路構成により、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有するリアクトルを電子的に形成したアクティブリアクトル２を実現している。
【特許文献１】特開２００４−１１４０９８号公報
【特許文献２】特開２００７−２１５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、従来のアクティブリアクトル２では、電圧指令値が予め設定された固定値であるため、直流電源装置における電源電圧の変更、例えば１００Ｖから２００Ｖへの変更などにより電圧指令値を変更する必要がある場合に、アクティブリアクトル２による仮想インダクタンスの精度が低下し、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と仮想リアクトルの電流・電圧特性に違いが生じることが想定される。このように直流電源装置における電源電圧の変更があった場合、従来のアクティブリアクトル２ではその変更に対応することが困難であった。
【００１１】
また、直流電源装置は電流制御されていることから、その電流制御による電源電圧の変動により、アクティブリアクトル２による仮想インダクタンスの精度が低下し、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と仮想リアクトルの電流・電圧特性に違いが生じることが想定される。このように電流制御による電源電圧の変動に対しても、従来のアクティブリアクトル２ではその変動に対応することが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動があった場合でも、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有する仮想リアクトルを確実に形成することができ、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動に容易に対応し得るアクティブリアクトルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、電圧指令値と電圧検出値との比較により得られた差分を積分する積分器と、その積分器からの出力値を仮想インダクタンス値で除算する除算器と、その除算器から出力される電流指令値と電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器とを備え、その増幅器からの出力値を制御部の出力値に加算することにより、仮想インダクタンス値と同一のインダクタンス値を持つリアクトルと同等の電流・電圧特性を有するアクティブリアクトルであって、制御部の出力値を前述の電圧指令値に変換する電圧変換器を設けたことを特徴とする。
【００１４】
このアクティブリアクトルは、例えば直流電源装置に組み込まれて使用され、その直流電源装置を構成する直流交流変換器の電流制御部、例えば、電流指令値と電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器を備えた電流制御部に組み込まれる。
【００１５】
本発明のアクティブリアクトルでは、制御部の出力値を電圧指令値に変換する電圧変換器を設けたことにより、制御部の出力値を変換した電圧指令値がその制御部の出力値に追従することになるため、例えば、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動があった場合でも、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有する仮想リアクトルを確実に形成することができ、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動に容易に対応できる。
【００１６】
また、本発明では、前述の積分器と除算器との間に、積分器での積分処理を飽和させるリミッタを挿入接続した構成とすることが望ましい。このアクティブリアクトルにおける積分器はその入力が零にならない限り常に積分するため、積分値が増大した場合にワインドアップが生じ、アクティブリアクトルの応答が遅くなる。そこで、前述したように積分器での積分処理を飽和させるリミッタを積分器の出力側に設けることにより、積分値が増大した場合であっても積分器のワインドアップ発生を抑制し、アクティブリアクトルの応答遅れを未然に防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、制御部の出力値を電圧指令値に変換する電圧変換器を設けたことにより、制御部の出力値を変換した電圧指令値がその制御部の出力値に追従することになるため、例えば、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動があった場合でも、直流電源装置の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有する仮想リアクトルを確実に形成することができ、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動に容易に対応できる。
【００１８】
その結果、リアクトル削減による装置の小型化、軽量化および低コスト化に伴って、直流電源装置における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動に容易に対応し得る高信頼性および高精度のアクティブリアクトルを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係るアクティブリアクトルの実施形態を以下に詳述する。なお、図１は本発明における第一の実施形態、図２は本発明における第二の実施形態、図３は第一および第二の実施形態におけるアクティブリアクトルが組み込まれる直流電源装置を例示する。
【００２０】
図３に示す直流電源装置２１は、交流電源２２と負荷２３との間に設置され、交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を負荷２３に供給するものであり、入力側整流器２４、直流交流変換器２５、変圧器２６、出力側整流器２７とで回路構成されている。この直流電源装置２１は、直流交流変換器２５での電流制御により、交流電圧に対して直流電圧を出力するようにしている。
【００２１】
この直流電源装置２１では、交流電源２２から入力側整流器２４を介して直流電圧を生成し、直流交流変換器２５の半導体スイッチによるスイッチングにより直流電圧を交流電圧に変換する。この交流電圧は変圧器２６の一次側に印加され、二次側に降圧された交流電圧を得る。この交流電圧を出力側整流器２７により直流電圧に整流して平滑した上で、その直流電圧を電源出力端に接続された負荷２３に供給するようにしている。
【００２２】
図１は本発明の第一の実施形態で、直流電源装置２１を構成する直流交流変換器２５の電流制御部１１に組み込まれたアクティブリアクトル１２を示す。直流交流変換器２５の電流制御部１１は、電流出力の電流指令値と電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器１６を備えている。
【００２３】
このアクティブリアクトル１２は、電源出力の電圧指令値と電圧検出値との比較により得られた差分を積分する積分器１３と、その積分器１３からの出力値を仮想インダクタンス値で除算する除算器１４と、その除算器１４から出力される電流指令値と電流制御部１１からの電流検出値との比較により得られた差分を増幅する増幅器１５とを備え、電流制御部１１の増幅器１６の出力値を電圧指令値に変換する電圧変換器１７を設けている。
【００２４】
この直流電源装置２１の電流制御部１１では、電源出力の電流指令値と負荷電流の検出値との差分を増幅器１６により増幅する。これにより、電流制御部１１では、負荷電流を電流指令値に一致させる電流制御が行われる。
【００２５】
一方、アクティブリアクトル１２では、電源出力の電圧指令値と負荷電圧の検出値との差分を積分器１３で積分し、その積分値を除算器１４により仮想インダクタンス値で除算することにより、仮想リアクトル電流の目標値を得る。この仮想リアクトル電流の目標値から負荷電流の検出値を減算し、その差分を増幅器１５により増幅した値を電流制御部１２の出力値に加算することにより、電源電圧の指令値としている。
【００２６】
以上の回路構成により、仮想インダクタンス値と同一のインダクタンス値を持つリアクトルを直流電源装置２１の出力端に実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有するリアクトルを電子的に形成したアクティブリアクトル１２を実現している。このアクティブリアクトル１２は、ハードウェアで回路構成する以外に、ソフトウェア（プログラム）によりその制御機能を実現することも可能である。
【００２７】
第一の実施形態におけるアクティブリアクトル１２では、電流制御部１１の出力値を電圧変化器１７により変換した値を電圧指令値としている。このように、電流制御部１１の出力値を電圧指令値に変換する電圧変換器１７を設けたことにより、電流制御部１１の出力値を変換した電圧指令値がその電流制御部１１の出力値に追従することになるため、直流電源装置２１における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動があった場合でも、直流電源装置２１の出力端にリアクトルを実際に設置した場合と同等の電流・電圧特性を有する仮想リアクトルを確実に形成することができ、直流電源装置２１における電源電圧の変更や電流制御による電源電圧の変動に容易に対応できる。
【００２８】
図２は第二の実施形態におけるアクティブリアクトル１２で、積分器１３と除算器１４との間に、積分器１３での積分処理を飽和させるリミッタ１８を挿入接続した構成を具備する。なお、図１に示す第一の実施形態と同一または相当部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。
【００２９】
このアクティブリアクトル１２における積分器１３はその入力が零にならない限り常に積分するため、積分値が増大した場合にその積分値の増大に制限がかからずにワインドアップが生じ、アクティブリアクトル１２の応答が遅くなる可能性がある。これは、アクティブリアクトル１２を、マイコン・ＤＳＰ等を用いてソフトウェア（プログラム）によりその制御機能を実現したデジタル制御回路に実装した場合に顕著である。
【００３０】
そこで、この第二の実施形態では、積分器１３と除算器１４との間に、積分器１３での積分処理を飽和させるリミッタ１８を挿入接続した構成としている。このように、積分器１３での積分処理を飽和させるリミッタ１８を積分器１３の出力側に設けることにより、積分値が増大した場合であってもその積分値の増大に制限を加えることができることから積分器１３のワインドアップ発生を抑制し、アクティブリアクトル１２の応答遅れを未然に防止できる。
【００３１】
なお、以上で説明した実施形態では、アクティブリアクトルを直流電源装置に組み込んだ場合を例示したが、本発明はこれに限定されることなく、直流電源装置以外の他の各種制御装置、つまり、制御装置の出力端にリアクトルを実際に設置する場合にアクティブリアクトルを組み込みことが可能である。
【００３２】
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第一の実施形態で、直流電源装置の電流制御部に組み込まれたアクティブリアクトルの概略構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第二の実施形態で、直流電源装置の電流制御部に組み込まれたリミッタ付きアクティブリアクトルの概略構成を示す回路図である。
【図３】第一および第二の実施形態におけるアクティブリアクトルを組み込んだ直流電源装置の概略構成を示す回路図である。
【図４】従来のアクティブリアクトルの概略構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１  制御部（電流制御部）
１２  アクティブリアクトル
１３  積分器
１４  除算器
１５  増幅器
１７  電圧変換器
１８  リミッタ
２１  直流電源装置
２５  直流交流変換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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