新しい単相-三相電力変換器による コンデンサ容量 ... - 長岡技術科学大学

XX-XX-XX
新 しい 単 相 - 三 相 電 力 変 換 器 による
コンデンサ 容 量 の 低 減 法 とその 基 礎 検 証
大 沼 喜 也
*
伊 東 淳 一 ( 長 岡 技 術 科 学 大 学 )
Basic Investigation and Capacitance Reduction method
of A Novel Single-Phase to Three-Phase Power Converter
Yoshiya Ohnuma * , Jun-ich Itoh, (Nagaoka University of Technology)
This paper proposes a novel single phase to three phase power converter in order to reduce volume the smoothing capacitor in
the DC link part. In case of the single-phase converter, the large smoothing capacitor is required to absorb a power ripple of twice
frequency of a power supply. The proposed method using an indirect matrix converter with an active snubber works in order to
absorb the power ripple. Therefore, the proposed system does not require a reactor and large energy buffer such as smoothing
capacitor. In this paper, the basic operation of the proposed method is confirmed by simulation and experiment.
キーワード: 単 相 三 相 電 力 変 換 器 ,インダイレクトマトリックスコンバータ,コンデンサ 容 量 低 減
(Single-phase to three-phase power converter, Indirect matrix converter, Reduce volume the smoothing capacitor)
1. はじめに
近 年 , 家 電 製 品 の 高 効 率 化 , 小 型 化 の 要 望 が 高 まってお
り,これらの 観 点 から 単 相 モータよりも, 高 効 率 で 小 型 化
が 可 能 な 三 相 モータの 適 用 が 増 加 してきている。しかし,
家 庭 用 電 源 は 単 相 交 流 であるため, 三 相 モータの 駆 動 には
単 相 - 三 相 電 力 変 換 器 が 必 要 となる。 入 力 電 力 は 電 源 周 波 数
の 2 倍 で 脈 動 するため, 単 相 - 三 相 電 力 変 換 器 においては 大
容 量 の 平 滑 コンデンサを 用 いる 必 要 がある。また, 高 調 波
規 格 対 応 の 観 点 から 力 率 改 善 形 回 路 が 必 要 となる。これら
の 要 求 を 満 たすため, 現 在 まで 様 々な 回 路 が 検 討 されてい
るが,いずれも 大 容 量 コンデンサや 昇 圧 用 リアクトルが 必
要 となり, 小 型 化 や 高 効 率 化 の 妨 げとなっている。
一 方 , 電 力 変 換 器 の 小 型 化 , 長 寿 命 化 , 高 効 率 化 を 実 現
可 能 な 直 接 形 電 力 変 換 技 術 が 注 目 され, 単 相 - 三 相 電 力 変 換
回 路 にも 応 用 されている (1) (2) 。これまで, 高 入 力 力 率 制 御 を
行 う 手 法 (1) や, 三 相 - 三 相 マトリックスコンバータの 回 路 を
用 い, 電 力 脈 動 を 補 償 する 手 法 (2) などが 提 案 されている。し
かし, 文 献 (1)では 電 力 脈 動 を 負 荷 の 慣 性 モーメントに 吸 収
させるため, 用 途 が 限 定 される。また, 文 献 (2)の 手 法 では
スイッチ 数 の 増 加 やスナバ 回 路 の 必 要 性 などからコストの
増 加 が 懸 念 される。
本 論 文 では, 直 流 部 にスナバを 付 加 したインダイレクト
マトリックスコンバータ (3) をベースにし,スナバをバッファ
回 路 としてアクティブに 動 作 することで, 単 相 交 流 で 発 生
する 2 倍 周 期 の 電 力 脈 動 を 吸 収 する 回 路 とその 制 御 法 を 提
案 する。 提 案 回 路 の 動 作 原 理 は, 電 力 脈 動 に 対 してコンデ
ンサの 電 圧 を 変 化 させ,コンデンサ 容 量 を 低 減 しており,
考 え 方 は DC アクティブフィルタと 同 様 である (4) 。 従 来 の
DC アクティブフィルタと PWM 整 流 器 のシステムは 下 記 の
特 徴 を 有 する。
(a) バッファは 小 容 量 のフィルムコンデンサを 使 用 可 能
(b) 入 力 電 流 は 力 率 1の 正 弦 波
これに 加 え, 本 論 文 はインダイレクトマトリックスコン
バータをベースにすることにより 以 下 の 特 徴 を 有 する。
(a) 昇 圧 用 リアクトルが 不 要
(b) バッファ 回 路 はゼロ 電 流 スイッチング 動 作 なので 高
効 率 が 期 待 できる。
(c) 整 流 器 部 はダイオード 整 流 器 でよい
(d) DC アクティブフィルタ 部 のスイッチング 素 子 は1
つでよい
ここでは,シミュレーションおよび 実 験 により 提 案 回 路
とその 制 御 法 について, 有 効 性 を 確 認 したので 報 告 する。
1/6

2. 回 路 構 成
〈2・1〉 従 来 回 路
図 1 に 単 相 三 相 電 力 変 換 器 の 代 表 的 な 従 来 回 路 を 示 す。
最 も 簡 単 な 単 相 三 相 変 換 回 路 は, 図 1(a)に 示 すダイオード 整
流 器 と 三 相 電 圧 形 インバータから 成 る 回 路 である。しかし,
図 1(a)では 入 力 電 流 に 多 くの 高 調 波 が 含 まれるため, 高 調 波
規 制 を 満 足 できない。そこで, 図 1(b)のように 力 率 改 善 形 回
路 として 昇 圧 チョッパを 付 加 する 回 路 も 良 く 使 用 される。
この 回 路 では 昇 圧 チョッパを 付 加 したことにより, 入 力 電
流 は 正 弦 波 化 できるが, 装 置 の 大 型 化 や 損 失 の 増 加 が 問 題
となる。どちらの 回 路 も, 直 流 中 間 に 後 述 する 電 力 脈 動 を
吸 収 するため, 大 容 量 の 電 解 コンデンサが 必 要 となる。
〈2・2〉 提 案 回 路
図 2 に 提 案 システムのブロック 図 を 示 す。 提 案 システム
は, 単 相 電 流 形 整 流 器 と 三 相 電 圧 形 インバータの 直 流 部 に,
コンデンサとスイッチによるバッファ 回 路 を 接 続 した 構 成
である。 入 力 部 にスイッチング 周 波 数 の 高 調 波 を 除 去 する
フィルタは 必 要 であるが, 図 1(b)の 昇 圧 リアクトルほど 大 型
化 しない。 提 案 回 路 では,バッファ 回 路 にてアクティブに
脈 動 電 力 を 吸 収 する。 例 えば, 図 1(a)において 単 相 入 力 100
V の 場 合 , 直 流 部 の 電 圧 リプル 率 を 5 % 以 下 に 抑 えるため
のコンデンサ 容 量 と 比 較 すると, 約 1/60 程 度 の 容 量 まで 削
減 できる。
図 3 に 提 案 システムの 主 回 路 図 を 示 す。 多 くの 単 相 用 途
では, 電 力 を 回 生 する 必 要 がないため, 整 流 器 側 はダイオ
ード 整 流 器 で 構 成 することができ, 低 コスト 化 が 可 能 とな
る。また,インダイレクトマトリックスコンバータと 同 様
に,ゼロ 電 圧 期 間 中 にバッファ 回 路 のスイッチ S buf がスイッ
チングするため,S buf はゼロ 電 圧 スイッチングとなり,スイ
ッチング 損 失 が 発 生 しない。また,ダイオード 整 流 器 にお
ける 逆 回 復 損 失 も 発 生 せず, 高 効 率 化 が 望 める。
3. 制 御 原 理
〈3・1〉 電 力 脈 動 の 補 償 原 理
図 4 に 入 力 電 圧 と 電 流 がそれぞれ 正 弦 波 で, 対 称 三 相 負
荷 に 電 力 を 供 給 したときの 入 力 電 力 と 出 力 電 力 ,およびそ
の 差 分 電 力 (=バッファに 出 入 りする 電 力 )の 関 係 図 を 示 す。
入 力 力 率 1 の 条 件 では, 瞬 時 入 力 電 力 p in は(1) 式 で 表 せる。
p = V I sin
2 ωt
in
IN
IN
( )
1 1
= VIN
I
IN
− VIN
I
IN
cos(2ωt)
································(1)
2 2
ただし,V IN は 入 力 電 圧 最 大 値 ,I IN は 入 力 電 流 最 大 値 ,ω
は 電 源 角 周 波 数 である。(1) 式 から 明 らかなように, 入 力 電
力 は 電 源 周 波 数 の 2 倍 で 脈 動 する。 一 方 , 出 力 側 は 三 相 平
衡 負 荷 であれば, 負 荷 電 力 が 一 定 であるから, 入 力 電 力 の
脈 動 を 打 ち 消 すためには,バッファ 瞬 時 電 力 p buf は(2) 式 で 制
御 すればよい。
p
buf
1
= VIN
I
IN
cos( 2ωt
) ··············································(2)
2
Single
phase
Rectifier
Inverter
(a) Diode rectifier & Inverter type.
Rectifier Boost chopper Inverter
(b) Diode rectifier & Boost chopper & Inverter type.
AC/DC
converter
(Current source
rectifier)
図 1 従 来 回 路
Fig. 1. Conventional Circuit.
Energy Flow
Buffer circuit
DC/AC
converter
(Voltage source
inverter)
Energy Flow
図 2 提 案 するシステム 図
Fig. 2. Block diagram of proposed system.
図 3 提 案 回 路
Fig. 3. Proposed circuit with single switch in buffer.
図 4 電 力 脈 動 の 補 償 原 理
Fig. 4. Compensation principle of power ripple.
M
M
M
Three
phase
(2) 式 から 明 らかなように,バッファはエネルギーを 充 放
電 するだけで, 平 均 電 力 はゼロとなるのでバッファにはコ
ンデンサが 使 用 できる。この 結 果 , 瞬 時 出 力 電 力 p out は,(3)
式 となり, 入 力 電 力 の 平 均 値 で 一 定 となる。
p
out
1
= VIN
I
IN
·····························································(3)
2
2/6

〈3・2〉 制 御 方 法
図 5 に 提 案 システムの 等 価 回 路 を 示 す。 提 案 回 路 は S buf
によりインバータの 入 力 電 流 をコンデンサと 整 流 器 に 振 り
分 ける。ただし,ゼロ 電 流 期 間 (インバータのゼロ 電 圧 ベ
クトル 出 力 期 間 )が 存 在 するので, 図 5 のような 等 価 回 路
が 得 られる。i rec は 整 流 した 入 力 電 流 ,i c はコンデンサ 電 流 ,
i z はゼロ 相 電 流 である。 等 価 回 路 のスイッチ S REC ,S C ,S Z の
デューティをそれぞれ d REC , d C , d Z とすると, 電 流 方 程 式 は(4)
式 となる。
⎡irec
⎤ ⎡d
REC ⎤
⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ·········································· (4)
⎢
ic
⎥
=
⎢
dC
⎥
⋅ I
dc
⎢
⎣ i ⎥ ⎢
z ⎦ ⎣ d ⎥
Z ⎦
また,I dc は 連 続 電 流 なので(5) 式 が 成 立 する。
d
REC
+ dC
+ d
Z
= 1 ·········································· (5)
入 力 電 流 を 正 弦 波 にするには,i rec は(6) 式 となればよく,
(4) 式 より d REC は(7) 式 で 制 御 すればよい。
i = I sin( ωt)
··········································· (6)
rec
m
I
m
d
REC
= sin( ωt)
······································· (7)
I
dc
一 方 ,d C は,(2) 式 により 生 じる 電 力 脈 動 を 打 ち 消 すよう
に 制 御 する。つまり,コンデンサの 瞬 時 電 力 と 脈 動 電 力 が
一 致 すればよいので,このとき i c は(8) 式 にて 求 められる。
VmI
m
ic
= cos(2ωt)
······································· (8)
2V
C
i c は 正 負 となるが,I dc を 一 方 向 の 直 流 と 仮 定 すると,i c を
負 に 制 御 できない。そこで,i c が 負 の 期 間 は I dc を 逆 方 向 に
流 すようにインバータを 制 御 する。その 結 果 ,スイッチ S c
のデューティは(9) 式 で 制 御 できる。
VmI
m
dC
= cos(2ωt)
····································· (9)
2V
C
I
dc
最 後 に,d Z は,(5) 式 より(10) 式 となる。
d
Z
=1 − dC
− d
REC ········································· (10)
ところで, 電 圧 利 用 率 を 最 大 にするには,ゼロ 電 圧 期 間
が 短 い 方 が 望 ましい。よって,d Z =0 とすれば,(7),(9),(10)
より,(11) 式 が 得 られる。
I
m
2V
C
= ············································ (11)
I
dc 2 VC
+ Vm
電 圧 利 用 率 最 大 の 観 点 から, 最 終 的 に d REC と d C は,(7) 式 ,
(9) 式 および(11) 式 から(12) 式 で 制 御 する。
⎧ 2V
C
⎪dREC
= sin( ωt)
2V
C
+ Vm
⎨
······························· (12)
⎪ Vm
dC
= cos(2ωt)
⎪
⎩ 2V
C
+ Vm
〈3・3〉 電 圧 利 用 率
脈 動 補 償 を 行 った 場 合 , 直 流 中 間 電 圧 Vdc と 直 流 中 間 電 流
Idc は 電 力 一 定 となるので,Vdc は(13) 式 により 求 められる。
1
I
dcVdc
= VmI
m
2
······································ (13)
VC
Vdc
= Vm
2V
+ V
C
m
図 7 に,Vm=141[V]の 場 合 の(13) 式 により 求 めたコンデン
サ 電 圧 と 直 流 電 圧 の 関 係 を 示 す。VC を 無 限 大 にしても 最 大
値 は Vm /2 となり, 電 圧 利 用 率 は 1/2 以 下 となる。
〈3・4〉 パルスの 生 成 法
図 7 に, 各 デューティ 比 に 応 じたパルスを 得 る 方 法 を 示
す。 独 立 変 数 が 二 つあるので 2 つの 指 令 値 が 必 要 である。
三 角 波 比 較 法 により 所 望 のパルスを 得 るには, 指 令 値 は d REC
と(d REC +d Z )とすればよい。 三 角 波 と d REC を 比 較 して 得 られ
たパルス s REC を,(d REC +d Z )と 比 較 して 得 られたパルスを
s RECZ とすれば,d C ,d Z に 対 応 するするパルス s C ,s Z は(14)
式 にて 得 られる。
⎪⎧
sC
= sRECZ
⎨
⎪⎩ sZ
= s ⋅
REC
s
図 5 提 案 システムの 等 価 回 路
Fig. 5. Equivalent circuit of proposed system.
60
40
20
RECZ
·········································· (14)
インバータのゼロ 電 圧 を 確 実 に 発 生 させるため,S Z がオ
ンの 期 間 , 図 7 で 示 すようにインバータのキャリアを1も
しくは 0 に 設 定 する。また, 入 力 電 圧 と,コンデンサ 電 圧
が 異 なるため, 同 じ 出 力 電 圧 を 得 るにはキャリアの 傾 き 電
圧 比 に 応 じて 変 化 させ,パルスの 幅 を 調 節 する。その 結 果 ,
インバータキャリアは 図 7 のような 変 形 した 台 形 波 となる。
一 方 ,インバータの 電 圧 指 令 は 従 来 の 3 相 インバータの
電 圧 指 令 と 同 様 , 三 相 電 圧 の 指 令 値 をキャリアと 比 較 して
得 る。ただし,(9) 式 の i c が 負 の 期 間 に 対 応 するため,i c が 負
の 期 間 のみ,S C がオン 時 にインバータ 指 令 を 反 転 する。
図 3 に 示 す 提 案 回 路 では,バッファのスイッチ S buf とイン
バータのゼロ 電 圧 期 間 S zt を 利 用 し,バッファのスイッチ1
つで 制 御 を 行 う。そのため,コンデンサ 電 圧 は 入 力 電 圧 よ
り 高 く 制 御 する。コンデンサ 電 圧 が 入 力 電 圧 より 高 ければ,
S buf がオン 時 ,i c が 流 れ,S buf がオフ 時 に i rec からインバータ
に 電 流 が 流 入 する。しかし,ゼロ 電 圧 期 間 S Z は,S buf がオン
していてもコンデンサ 電 流 i c は 流 れないので, sbuf
≠ sC
であ
ることに 注 意 が 必 要 である。 以 上 をまとめると,s REC と s C
は s buf の 関 係 は(15) 式 にて 表 される。
Controllable
area
0 141 300 450 600 750
Capacitor voltage V
図 6 コンデンサ 電 圧 と 直 流 電 圧 の 関 係 図
Fig. 6. Relation between capacitor voltage and direct
voltage.
3/6

⎪
⎧sREC
= sbuf
⎨ ················································ (15)
⎪⎩
sC
= sbuf
sz
よって,s buf は(16) 式 で 求 められる。
s
buf
= s REC ················································· (16)
図 8 に 制 御 方 法 をまとめたブロック 図 を 示 す。 制 御 は,
入 力 の 電 源 位 相 と 入 力 電 圧 の 大 きさ V m ,コンデンサ 電 圧 V C
から, 各 デューティ 指 令 をもとめる。その 後 ,キャリアと
比 較 し, 対 応 するスイッチングパルス s REC , s Z ,s C を 得 る。イ
ンバータキャリアは s REC , s Z ,s C の 信 号 に 応 じてカウントダウ
ン, 停 止 ,カウントアップを 行 い, 変 形 台 形 波 を 生 成 する。
また,s buf のパルスは s REC を 反 転 することで 得 られる。
4. コンデンサ 容 量 の 検 討 と 性 能 改 善
〈4・1〉 所 要 コンデンサ 容 量 の 導 出
電 力 脈 動 を 補 償 するために 必 要 なコンデンサの 容 量 は,
補 償 する 電 力 量 とコンデンサの 許 容 可 能 な 変 動 電 圧 分 によ
り 求 められる。 電 力 脈 動 の 補 償 に 必 要 な 電 力 量 W c は, 電 力
脈 動 の 半 周 期 分 あればよいので,(17) 式 より 得 られる。
W
C
= V
I
1
4 f
IN IN
0
VIN
I
IN
Pout
= =
2ω
ω
∫
sin
( 2ωt
)
dt
····························· (17)
また,コンデンサの 電 力 量 はコンデンサの 電 力 と 電 圧 の
関 係 から(18) 式 にて 求 められる。
1
2 1
2
WC
= CVC
max
− CVC
min ························ (18)
2 2
ただし Vc max は 許 容 可 能 な 電 圧 変 動 の 最 高 値 を,Vc min は 最
低 値 を 表 す。(17) 式 と(18) 式 より 必 要 なコンデンサの 容 量 は,
(19) 式 となる。
2W
C
C =
2
2 ······································ (19)
V −V
C max
C min
図 9 に 例 として,Vc max を 400 V,Vc min を 150 V とした 場
合 の 出 力 電 力 とコンデンサ 容 量 の 関 係 を 示 す。これより,1
kW 出 力 の 必 要 コンデンサ 容 量 は 46.3 μF となり, 小 容 量 の
フィルムコンデンサで 電 力 脈 動 を 補 償 可 能 である。
次 に 補 償 時 のコンデンサ 電 圧 を 求 める。コンデンサ 電 力
量 W com は(2) 式 (3) 式 を 積 分 して,(20) 式 より 得 られる。
Pout
Wcom
= Wpri
− sin(2ωt)
································ (20)
2ω
ただし,W pri は 初 期 (t=0)のコンデンサ 電 力 量 であり,コンデ
ンサの 平 均 電 圧 を V buf0 とすれば,(21) 式 となる。
1 2
W
pri
= CV buf 0 ··········································· (21)
2
よって,コンデンサ 電 圧 v buf は,(22) 式 にて 求 められる。
1 2
2
buf
buf 0
−
Cv
2
v
buf
1
= CV
2
Pout
sin(2ωt)
2ω
2 pout
= Vbuf
0
− sin(2ωt)
························· (22)
ωC
+
1
0
1
Vu*
Vv*
Inverter side
carrier
Vw*
0
Inverted commands
Vw*
Vv*
Vu*
Zero voltage
area
Inverted commands
Zero voltage
area
図 7 デューティとインバータキャリア・ 指 令 値 の 関 係
Fig. 7. Relationship of Duty commands and
inverter side carrier and inverter commands.
80
60
40
20
Capacitance of buffer uF100
46.3[uF]
図 8 制 御 ブロック 図
Fig. 8. Control block diagrams.
0 500 1000 1500 2000
Output power W
図 9 必 要 コンデンサ 容 量 と 出 力 電 圧 の 関 係
(Vc max =300 V, Vc min =150 V 時 )
Fig. 9. Relationship between necessary capacitor and output
voltage. When Vc max =300 V and Vc min =150 V.
4/6

〈4・2〉 コンデンサ 電 圧 制 御 による 性 能 改 善
実 際 には 提 案 回 路 はインバータのデッドタイムによりゼ
ロ 電 圧 ベクトルの 長 さが 変 化 し, 十 分 な 補 償 効 果 が 得 られ
ない。 入 力 電 流 を 正 弦 波 と 仮 定 した 場 合 ,コンデンサ 電 圧
が 理 論 値 と 一 致 すればデッドタイムの 影 響 を 除 去 できたこ
とになる。そこで,PI 制 御 を 用 いて, 理 論 式 と 実 際 のコン
デンサ 電 圧 の 偏 差 がゼロになるように 制 御 することで, 制
御 誤 差 による 影 響 を 抑 制 する。
(22) 式 によって 求 めたコンデンサ 電 圧 指 令 値 と, 検 出 した
コンデンサ 電 圧 を 比 較 し,PI 調 節 器 に 入 力 し,(12) 式 にて 求
めた d C に 加 算 する。
5. シミュレーション 結 果
提 案 回 路 の 動 作 を 確 認 するため,シミュレーションによ
る 検 証 を 行 った。 表 1 にシミュレーション 条 件 を 示 す。こ
こで,コンデンサ 容 量 は 50 uF とし,コンデンサ 電 圧 制 御
を 行 った。(22) 式 より,この 条 件 におけるコンデンサの 最 高
値 は 392 V, 最 低 値 は 163 V となる。ただし, 転 流 は 理 想 転
流 とし,デッドタイムは 付 加 していない。
図 10 にシミュレーション 結 果 を 示 す。 波 形 は 上 から 入 力
電 圧 v in ,1 次 の 観 測 用 ローパスフィルタ(LPF)(カットオフ 周
波 数 1kHz)を 介 した 入 力 電 流 i in(LPF) ,コンデンサ 電 圧 v c ,
U-V 間 出 力 線 間 電 圧 v uv ,および LPF を 介 した U-V 間 出 力 線
間 電 圧 v uv(LPF), U 相 出 力 電 流 i u ,である。 結 果 より,コンデン
サ 電 圧 は 理 論 値 通 り 振 動 しており, 良 好 な 制 御 が 行 われて
いることがわかる。また, 入 力 電 流 , 出 力 電 圧 ともに 正 弦
波 状 となり, 電 力 脈 動 を 補 償 できていいることがわかる。
図 11 に 定 常 状 態 における 入 力 電 流 と 出 力 線 間 電 圧 の 高 調
波 解 析 結 果 を 示 す。 結 果 より 1 kHz 以 下 の 総 合 ひずみ 率 は,
入 力 電 流 , 出 力 線 間 電 圧 ともに 2 % 以 下 であり, 理 論 の 妥 当
性 が 確 認 できる。
6. 実 験 結 果
本 論 文 で 提 案 する 回 路 とその 制 御 方 式 を 確 認 するため,
実 際 に 定 格 1 kW の 試 作 機 を 製 作 し 実 験 を 行 った。 実 験 パラ
メータはシミュレーション 同 様 であり, 表 1に 示 したとお
りである。 出 力 には R-L 負 荷 を 接 続 した。ただし, 実 験 で
はインバータ 部 にデッドタイム 3 μs を 付 加 している。
図 12 に, 従 来 回 路 図 1(a)において 直 流 中 間 コンデンサを
小 容 量 の 50 μF とした 場 合 の 実 験 結 果 を 示 す。 波 形 は 上 から
入 力 電 圧 v in , 入 力 電 流 i in ,U-V 間 出 力 線 間 電 圧 v uv ,U 相 出
力 電 流 i u である。 実 験 結 果 より, 入 力 電 圧 がゼロクロス 時
に 出 力 電 圧 , 電 流 波 形 が 大 きく 歪 み, 電 力 脈 動 の 影 響 が 発
生 していることがわかる。
図 13 に, 提 案 回 路 の 基 本 的 な 動 作 の 確 認 のため,バッフ
ァには 直 流 電 源 を 用 い,コンデンサ 電 圧 一 定 の 場 合 の 実 験
を 行 った 際 の 動 作 波 形 を 示 す。 実 験 結 果 より,デッドタイ
ム 誤 差 による 歪 みが 残 るものの,シミュレーションとほぼ
同 等 の 波 形 がえられている。また, 従 来 回 路 で 発 生 してい
た 出 力 波 形 のひずみは,バッファで 補 償 され, 電 力 脈 動 は
vin
V
iin (LPF)
A
vC
V
vuv
V
vuv (LPF)
V
iu
A
100
0
-100
15
0
-15
450
300
150
300
0
-300
75
0
-75
20
0
-20
100%
1%
0.01%
100%
1%
0.01%
0 25 50 75 100
Time ms
図 10 シミュレーション 結 果
Fig. 10. Simulation results.
0 200 400 600 800 1000
Frequency [Hz]
図 11 高 調 波 解 析 結 果
Fig. 11.harmonic analysis results.
表 1 シミュレーション・ 実 験 パラメータ
Table 1. Simulation parameters.
Input voltage
100 V
Input frequency
50 Hz
Output frequency
30 Hz
Output R-load
1 Ω
Output L-load
Output power
Buffer capacitor
1 mH
1 kW
50 μF
発 生 していない。さらに, 入 力 電 流 も 良 好 な 波 形 が 得 られ
ていることから, 制 御 方 式 の 妥 当 性 が 確 認 できる。また,
このときの 入 力 電 流 ひずみ 率 (THD)は 6.7 %, 出 力 電 圧 THD
5/6

図 12 実 験 結 果 ( 従 来 回 路 )
Fig. 12.Experiment results. (Conventional Circuit)
(a) 入 出 力 波 形
図 13 実 験 結 果 (コンデンサ 電 圧 一 定 )
Fig. 13. Experiment results.
(Capacitor voltage constant)
は 18.6 %, 出 力 電 流 THD は 11.8 %となった。
図 14 に,コンデンサ 電 圧 を 変 動 させた 場 合 の 実 験 結 果 を
示 す。コンデンサ 容 量 は 50 μF を 用 いた。 図 14(a)より, 入
力 電 圧 と 入 力 電 流 の 位 相 は,ほぼ 一 致 しており, 力 率 1の
正 弦 波 の 電 流 が 得 られている。また, 出 力 電 圧 波 形 , 出 力
電 流 波 形 は,シミュレーションとほぼ 一 致 し, 電 力 脈 動 が
抑 制 されていることを 確 認 している。 加 えて 図 14(b)より,
コンデンサ 電 圧 は 制 御 範 囲 内 で 振 動 しており, 安 定 して 制
御 が 行 われていることがわかる。
7. まとめ
本 論 文 では, 電 力 脈 動 をアクティブに 吸 収 する 単 相 - 三 相
電 力 変 換 器 を 提 案 した。 提 案 回 路 は, 力 率 改 善 形 回 路 を 付
加 した 従 来 回 路 に 比 べ, 小 型 化 や 高 効 率 化 ,コストの 面 で
有 利 である。その 基 本 動 作 をシミュレーションにより 確 認
した。また, 試 作 機 を 製 作 し 実 験 により 動 作 検 証 を 行 った。
その 結 果 ,1 kW の 電 力 脈 動 を 50 uF のコンデンサで 補 償 で
きることを 確 認 し, 提 案 システムの 有 用 性 を 確 認 した。 今
後 は, 波 形 改 善 のため 電 圧 誤 差 の 補 償 法 や, 動 特 性 , 静 特
性 を 取 得 し, 提 案 回 路 の 特 徴 を 明 らかにしていく。さらに,
従 来 方 式 と 変 換 効 率 や 体 積 の 比 較 を 行 う 予 定 である。
(b) 入 力 波 形 とコンデンサ 電 圧 波 形
図 14 提 案 回 路 の 実 験 結 果
Fig. 14. Experiment results. (Proposed circuit)
文
(1) 芳 賀 ・ 高 橋 ・ 大 石 :「 高 入 力 力 率 を 実 現 する 単 相 - 三 相 マトリックス
コンバータの 一 制 御 法 」 電 学 論 D,Vol.124,No.5,pp.510-516(2004)
(2) 斎 藤 :「 単 相 / 三 相 マトリックスコンバータによる 誘 導 機 のベクトル
制 御 」 平 成 19 年 電 気 学 会 産 業 応 用 部 門 大 会 ,pp.I-103 - I-108(2007)
(3) 加 藤 ・ 伊 東 :「 直 接 形 電 力 変 換 器 を 用 いたマルチ 電 源 連 系 システムの
一 制 御 法 」 半 導 体 電 力 変 換 研 究 会 ,SPC-08-11(2008)
(4) 北 野 ・ 松 井 :「DC アクティブフィルタ 機 能 を 備 えた 単 相 PWM コン
バータのコンデンサ 容 量 低 減 」 平 成 8 年 電 気 学 会 全 国 大 会 ,
No.715,pp4-10(1996)
(5) 伊 東 ・ 佐 藤 ・ 大 口 ・ 佐 藤 ・ 小 高 ・ 江 口 :「キャリア 比 較 方 式 を 用 いた
仮 想 AC/DC/AC 変 換 方 式 によるマトリックスコンバータの 制 御 法 」
電 学 論 D,Vol.124,No.5,pp.457-463(2004)
(6) 小 高 ・ 佐 藤 ・ 大 口 ・ 玉 井 ・ 美 根 ・ 伊 東 :「 仮 想 AC/DC/AC 変 換 方 式
に 基 づいたマトリックスコンバータの PAM 制 御 法 」, 電 学 論 D,
Vol.126,No.9,pp.1185-1192(2006)
(7) Thiwanka Wijekoon, Christian Klumpner, Patric Wheeler: “Improvement
of output voltage capability of a two stage direct power converter under
unbalanced input voltage”, EPE2005, No.597, (2005 )
(8) Lixiang Wei, Thomas A.Lipo: “Investigation of 9-switch Dual-bridge
Matrix Converter Operating under Low Output Power Factor”, IEEE
Industry Applications Society IAS’03,pp.176-181 (2005 )
(9) 大 沼 ・ 伊 東 :「アクティブスナバを 利 用 した 単 相 - 三 相 電 力 変 換 器 の
制 御 法 」 平 成 20 年 電 気 学 会 産 業 応 用 部 門 大 会 ,pp.I-155 -
I-158(2008)
(10) 大 沼 ・ 伊 東 :「アクティブバッファを 用 いた 単 相 三 相 電 力 変 換 回 路 の
簡 単 化 」 平 成 20 年 度 電 気 関 係 学 会 北 陸 支 部 連 合 大 会 ,pp.A-65(2008)
献
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