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平成 16 年電気学会産業応用部門大会

直接電力制御法による電流形 PWM コンバータの運転特性
学生員

中富奏明*

正員

佐藤 明

野口季彦

正 員

（長岡技術科学大学）

Operation Characteristics of Direct-Power-Controlled Current-Source PWM Converter
Somei Nakatomi*, Student Member, Akira Sato, Member, and Toshihiko Noguchi, Member (Nagaoka University of Technology)
This paper describes operation characteristics of direct-power-controlled current-source PWM converter. As a result ofexperimental tests, total power factor higher than 99 % and efficiency more than 89 % were confirmed. Theseexperimental results prove that the direct power control strategy is applicable to the current-source converter, which is adual circuit of the common voltage-source converter.
キーワード：直接電力制御法，電流形 PWM コンバータ，スイッチングテーブル，実験検証

Keywords：direct power control, current-source PWM converter, switching table, experimental verificationL

１．はじめにSa

Vrms , ωvavb

筆者らは電流形 PWM コンバータに直接電力制御法を適用したシステムを検討し，計算機シミュレーションによりその妥当性を検証してきた。

Lfiaibvc

CfIdc

２．制御原理3φ2φ 3φ2φvαvβ iαiβSaFig. 1 に直接電力制御法を用いた電QP

では，検出した電源電圧 va，vb，vc と電源電流 ia，ib，ic にskmskm

絶対変換を施し，二相量 vα，vβ および iα，iβ を得る。これ++

らの値を用いて，交流側の瞬時有効電力 P と瞬時無効電力

SbSc- Idc*
+Switching TableSp Sq Θn

P and Q Calculation

流形 PWM コンバータのシステム構成を示す。本システム∆P- +++

PIVdc*∆Q

P*
Q*- +Fig. 1. Block diagram of direct-power-controlled current-source(1)

PWM converter.

*

一方，瞬時有効電力指令値 P は直流バス電流制御系から，
*

RL

Vdc

ic'ic

本稿では，直接電力制御法による電流形 PWM コンバータ

Q を(1)により算出する。
 P   vα vβ  iα   = v − v  i α  β Q   βScib'の基本的な運転特性を実験的に検証したので報告する。

<2.1>システム構成

Sbia'**

瞬時無効電力指令値 Q は外部から直接与える。P と P，Qと Q の偏差∆P，∆Q はヒステリシス要素で二値化し量子化信号 Sp，Sq とする。また，電源電圧位相も 6 つの領域Θn に量子化して検出する。Sp，Sq およびΘn の組み合わせに応じて

αd P dQ
dt , dt,is'Sp Sq Θ1vs,is' (PON)
is' (OPN)(PNO)

is' (ONP),,,βis' (OOO)PWM コンバータのスイッチングモード Sa，Sb，Sc をスイッチングテーブルで直接決定することにより P と Q のリレー

is' (NOP)制御を行う。ここで，各レグのスイッチング関数を以下のよ,is' (NPO),11000101Sp10P*SaScSb

Θ2Θ3Θ4Θ5Θ6PON OPN NPO NOP ONP PNO
PNO PON OPN NPO NOP ONPOOO OOO OOO OOO OOO OOOONP PNO PON OPN NPO NOPSpSq
ΘnαSq
1
1
62 β
53∆P
∆Q
04

∆P+ -PQ*∆Q+ -Qva vb vc

うに定義する。
Fig. 2. dP/dt and dQ/dt in Θ1. Fig. 3. Switching table and regulators.
.

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平成 16 年電気学会産業応用部門大会

Sa,b,c =va50 (V/div)

P：正側スイッチオン，負側スイッチオフ
O：正側，負側スイッチオン（またはオフ）

0

N：正側スイッチオフ，負側スイッチオン<2.2>スイッチングテーブルの構成法

まず，（2），（3）により各電源電圧位相領域Θn における各スイッチングモードに対する有効，無効電力の傾き dP/dt，dQ/dt を算出する。
dP= 2Vrms I dc {S1 ( K1 cos ω t − ω K 2 sin ω t )dt+ S 2 ( K 1 sin ω t + ωK 2 cos ω t )}

Q

0(2)

dQ
= 2Vrms I dc {S1 ( K 2 cos ω t + ω K1 sin ω t )dt+ S 2 (ωK 2 sin ω t − K 1 cos ω t )}ia
2.5 (A/div)

(3)

1133
S1 = Sa − Sb − Sc , S 2 =Sb −Sc22221111cossin
K1 =t , K2 =t
Lf C f
Lf C f
Lf Cf
Lf Cf

Fig. 2 に例として領域Θ1 における計算結果を示す。この結PWM
2.5 (A/div)
0Idc
2.5 (A/div)

果より操作量として最適なスイッチングモードを選択する。
Fig. 3 に以上の手続きに基づいて構成された最適スイッチン
0

グテーブルと制御器を示す。

Time 5 (ms/div)

Fig. 4. Experimental results.

３．実験結果
実験は電源電圧 100 (V)，入力フィルタ Lf : 2 (mH)およびCf : 40 (µF)，直流リアクトル 40 (mH)として行われた。Fig. 4ih10 (dB/div)に直流バス電流指令値 3.5 (A)，無効電力指令値 0 (var)，負荷 270 (W)における電源電圧，電源電流，PWM 電流波形を示す。無効電力が 0 (var)に制御されているため，結果的に電0101520Frequency (kHz)Fig. 5. Frequency spectra of power source current.

源電流が電源電圧と同相となり，力率 1 制御が達成されてい流バス電流も指令値通りに一定制御されている。Fig. 5 に電源電流の FFT 解析結果を示す。高調波成分は広く分散しており，突出した高調波成分は見られない。Fig. 6 に総合入力力率を，Fig. 7 に総合効率を示す。
総合入力力率は最大で 99.5(%)，総合効率は最大で 89.5 (%)となった。効率が全般的に低いのは電源電圧が低く，各レグの直列素子数が多いことと直流リアクトルにおける銅損と鉄損が大きいためである。

Total power factor (%)

る。このときの総合入力力率は 99.5 (%)であった。また，直51009896949290050100150 200Load (W)250300Fig. 6. Total power factor.

４．まとめの基本特性を実験的に検証した。これまで筆者らは，電圧形コンバータの直接電力制御法について種々の検討をしてきたが，その双対である電流形コンバータにも直接電力制御法が適用できることを実機により確認した。今後は，電源電圧をさらに高くして運転特性を検証し，各種制御特性の改善を図る。
参考文献[1] 佐藤 明・野口季彦：「電流形 PWM コンバータの直接電力制御法」 H16 年電気学会全国大会講演論文集, vol. 4, p.p. 38-39［I - 128］

100Efficiency (%)

本稿では直接電力制御法による電流形 PWM コンバータ

95908580050100150 200 250
Load (W)Fig. 7. Total efficiency.

300