アクティブバッファを用いた 単相三相電力変換器の ... - 長岡技術科学大学

アクティブバッファを 用 いた
単 相 三 相 電 力 変 換 器 の 出 力 波 形 改 善 法
◎ 大 沼 喜 也
伊 東 淳 一
長 岡 技 術 科 学 大 学 工 学 研 究 科
ohnuma@stn.nagaokaut.ac.jp
1. はじめに
エアコンや 冷 蔵 庫 など 電 動 機 による 消 費 は 家
庭 における 消 費 電 力 の 約 4 割 を 占 め, 現 在 は 単 相
電 動 機 に 代 わり 高 効 率 で 小 型 な 三 相 電 動 機 の 使
用 が 進 められている (1) 。しかし, 家 庭 用 電 源 は 単
相 交 流 で 供 給 されるため, 三 相 電 動 機 を 高 効 率 で
高 性 能 に 駆 動 するには 単 相 三 相 電 力 変 換 が 必 要
となる。これらの 変 換 器 は 様 々な 回 路 が 研 究 され
てきたが, 単 相 交 流 の 電 力 脈 動 に 起 因 する 大 容 量
の 平 滑 コンデンサや 高 調 波 規 制 対 応 のための 力
率 改 善 回 路 が 必 要 となり,さらなる 小 型 化 , 長 寿
命 化 , 高 効 率 化 が 難 しい (2) 。
そこで 著 者 らは,インダイレクトマトリックス
コンバータを 元 にアクティブに 電 力 脈 動 を 補 償
する 回 路 (アクティブバッファ)を 直 流 リンクに
並 列 に 接 続 した 新 しい 回 路 を 提 案 した (3) 。 提 案 回
路 はアクティブバッファの 動 作 により, 入 出 力 波
形 を 正 弦 波 化 でき,さらに 下 記 の 特 長 を 有 する。
(a) 大 型 なリアクトルや 大 容 量 の 平 滑 コンデ
ンサが 必 要 ないためシステムの 小 型 化 が 可 能
(b) 電 力 の 半 分 はダイオード 整 流 器 からイン
バータに 直 接 供 給 され, 補 償 回 路 の 損 失 は 少 ない
ので 高 効 率 化 が 望 める
(c) 出 力 電 圧 は 入 力 電 圧 の 0.707 倍 出 力 可 能
(d) アクティブバッファの 制 御 に 電 流 センサ
やフィードバック 制 御 は 不 要
本 論 文 では, 提 案 回 路 の 高 性 能 化 の 手 法 として,
スイッチングパターンを 工 夫 することにより, 性
能 を 悪 化 することなく, 出 力 電 圧 波 形 を 改 善 する
手 法 を 提 案 する。ここでは 出 力 電 圧 で 発 生 する 誤
差 原 因 を 解 明 し, 改 善 法 を 提 案 する。その 後 , 実
験 により 従 来 方 式 との 比 較 を 行 い,その 有 用 性 を
確 認 したので 報 告 する。
2. 回 路 構 成
図 1 に 提 案 回 路 の 回 路 構 成 図 を 示 す。 提 案 回 路
は, 電 流 形 として 動 作 するダイオード 整 流 器 と 電
圧 形 で 動 作 する 三 相 インバータの 直 流 中 間 部 に,
アクティブバッファ 回 路 を 並 列 接 続 した 構 成 と
なっている。アクティブバッファ 回 路 は, 放 電 回
路 と 充 電 回 路 を 別 々に 有 する。 放 電 回 路 は 中 間 部
に 直 列 にコンデンサとスイッチを 接 続 , 充 電 回 路
は 中 間 部 からコンデンサに 一 般 的 な 昇 圧 回 路 で
構 成 する。 本 提 案 回 路 の 特 徴 として,ダイオード
からインバータへ 流 れる 電 流 の 主 経 路 にリアク
トルやパワー 素 子 を 含 まないため, 導 通 損 失 を 小
さくできる。バッファ 回 路 は 電 力 の 脈 動 成 分 のみ
しか 変 換 を 行 わない。また, 充 電 回 路 と 放 電 回 路
は 1/4 周 期 ごと 交 互 に 動 作 するため, 一 般 的 な
PFC 回 路 と 比 べ 小 型 , 高 効 率 化 が 望 める。
3. 制 御 原 理
3.1 スイッチデューティ 算 出 法
提 案 回 路 は, 入 力 電 流 を 力 率 1 の 正 弦 波 にする
ため,バッファ 回 路 で 脈 動 分 の 電 力 を 補 償 する。
そのため,バッファ 瞬 時 電 力 pbuf は 出 力 が 三 相 平
衡 負 荷 であれば,(1) 式 で 表 せる。
Fig. 1. Circuit configuration of proposed circuit.

p
buf
1
= VIN
I
IN
cos( 2ωt
)
(1)
2
ただし,VIN は 入 力 電 圧 最 大 値 ,IIN は 入 力 電 流 最
大 値 ,ωは 電 源 角 周 波 数 である。(1) 式 より pbuf
が 正 の 期 間 (-π/2

T +
ZZ
= T1 Z
+ T2
Z
TZ
(9)
また, 充 電 期 間 中 dc はゼロになる。このこと
から, 充 電 期 間 中 は 3 つのベクトル, 放 電 期 間 中
は 5 つのベクトルで 出 力 電 圧 を 形 成 する。
3.3 提 案 するスイッチパルス 生 成 方 式
図 3 に 従 来 方 式 と 提 案 方 式 のスイッチングパ
ターンを 示 す。 放 電 期 間 中 は 5 つのベクトルを 出
力 する 必 要 がある。 従 来 はインバータのゼロ 電 圧
期 間 中 にスイッチ SC をスイッチングする 方 式 を
提 案 している( 従 来 方 式 )。
一 方 提 案 方 式 は,インバータでは 同 一 の 基 本 ベ
クトルを 出 力 し,スイッチ SC をハードスイッチ
させ,インバータの 印 加 電 圧 を 変 化 させて 出 力 ベ
クトルを 移 行 させる。 図 3 より, 提 案 方 式 は 従 来
方 式 に 比 べインバータのスイッチ 回 数 が 少 ない
ことが 特 徴 となる。
図 4 に 制 御 ブロック 図 を 示 す。 電 源 電 圧 vin 及
び, 設 定 したコンデンサ 電 圧 最 大 値 VCmax * ならび
に 検 出 した 瞬 時 コンデンサ 電 圧 vC から, 各 デュ
ーティ 指 令 を 求 める。その 後 ,インバータ 指 令 よ
り 各 ベクトル 出 力 時 間 比 を 計 算 し, 三 角 波 とスイ
ッチングテーブルを 用 いてスイッチングパター
ンを 生 成 する。
4. 電 圧 誤 差 の 原 因
出 力 電 圧 の 誤 差 の 原 因 はデットタイムによる
影 響 が 挙 げられる。そのため, 様 々な 誤 差 補 償 法
が 提 案 されている (6)(7) 。しかし,どの 方 式 もデッ
トタイムより 狭 いパルスは 補 償 できない。
従 来 方 式 では 1 方 向 のベクトルを drec 分 と dc
分 の 2 回 に 分 けて 出 力 する。drec や dc はゼロから
大 きく 変 化 するので,デットタイムより 狭 いパル
スが 多 く 発 生 する。そのため 出 力 波 形 は, 誤 差 補
償 法 を 適 用 してもひずみが 残 る。
しかし, 提 案 方 式 は 1 方 向 のベクトルを 出 力 中
に,スイッチ SC をあえてハードスイッチングさ
せ,drec 分 と dc 分 のベクトルを 出 力 するのでイン
バータのパルス 幅 は 狭 くならない。スイッチ SC
はデットタイムが 必 要 ないので, 提 案 方 式 はイン
T 1rec +T 2rec +T zz +T 1c
T 1rec +T 2rec +T zz
T 1rec +T 2rec
T 2rec
(d l =0)
0
1
S Up 0
1
S Vp 0
S 1
Wp
0
1
S C
0
1
S L 0
(a) Conventional method (discharge mode)
Carrier
T 1rec +T 1c +T 2rec +T 2c
T 1rec +T 1c +T 2c
T 1rec +T 1c
T 1rec
(d l =0)
0
1
S Up 0
1
S Vp
S Wp
0
1
0
S
1 C
0
1
S L
0
ZCS
ZCS
Carrier
(b) Proposed method (discharge mode)
Fig. 3. Switching pattern of conventional and proposed method.
V cmax
*
d l + s L
s
v C
v* Space vector
modulation
T 2
T z
T zz
Carrier
Duty cal.
v in
Eq.(2),(3), d rec
(4),(5)
d c
5
1-(d d z
+
c+d rec)
PLL
T 1rec ,T 1c ,
T 1
T 2rec ,T 2c ,
Eq.(7)
Vector info.
Calculate of output
vector duty Eq.(8)
Fig. 4. Control block diagram.
Switching
table
バータのデットタイムによる 影 響 は 受 けにくく
なり, 出 力 波 形 を 改 善 することができる。なお,
SC はハードスイッチングとなるが,キャリア 一
周 期 内 でのスイッチング 回 数 が 減 少 するので, 損
失 は 増 加 しない。
5. 実 験 結 果
提 案 方 式 の 有 用 性 を 確 認 するため, 定 格 1 kW
の 試 作 機 を 用 い, 従 来 方 式 との 比 較 検 討 を 行 った。
実 験 条 件 を 表 1 に 示 す。 実 験 ではデットタイムの
誤 差 補 償 として,パルス 幅 補 償 を 適 用 している。
この 方 式 は, 誤 差 分 のパルス 幅 を 出 力 パルスに 直
接 加 減 算 し 補 償 する 方 式 である (7) 。
図 5 に 従 来 方 式 と 提 案 方 式 の 実 験 結 果 を 示 す。
出 力 電 圧 波 形 は 2 次 の ロ ー パ ス フ ィ ル タ
1
1
s
s
s
s
s
s

Table 1. Experimental parameters.
Input
current i in
[20A/div]
0
Output
voltage v uv
[500V/div]
Output
voltage
v uv(LPF)
[200V/div]
Output
current i u
[10A/div]
0
0
0
(a)Conventional method.
[10ms/div]
(b)Proposed method.
Fig. 5. Experimental results.
(LPF)(カットオフ 周 波 数 1kHz)を 観 測 用 に 用 い
ている。 従 来 方 式 では,LPF で 観 測 した 出 力 電
圧 波 形 や 出 力 電 流 波 形 にひずみが 発 生 している
のに 対 し, 提 案 方 式 は 波 形 のひずみが 改 善 されて
いることが 分 かる。
図 6 に 入 力 電 流 の 総 合 ひずみ 率 (THD) 及 び, 出
力 電 流 の THD の 結 果 を 示 す。 結 果 より, 入 力 電
流 THD はどの 方 式 も 低 い 値 を 示 しているのに 対
し, 出 力 電 流 THD は, 軽 負 荷 時 に 約 9%と 大 き
く 改 善 できる。
図 7 に 提 案 回 路 の 効 率 と 入 力 力 率 の 測 定 結 果
を 示 す。 結 果 より, 入 力 力 率 , 効 率 の 差 異 は 無 く,
提 案 方 式 は 従 来 方 式 と 同 等 の 入 力 力 率 0.99, 最
高 効 率 94.6% を 得 られる。
6. まとめ
本 論 文 では, 提 案 する 単 相 三 相 電 力 変 換 器 にお
いて,スイッチングパターンの 変 更 のみで, 入 力
力 率 や 効 率 が 低 下 することなく, 出 力 波 形 を 改 善
できる 方 式 を 提 案 した。また 実 験 により, 出 力 波
形 の 改 善 を 確 認 し, 提 案 方 式 の 有 用 性 を 確 認 した。
なお, 本 研 究 の 一 部 は 平 成 21 年 度 産 業 技 術 研
Total harmonic distortion [%]
Efficiency and input power factor [%]
Fig. 6. Total harmonic distortion.
Fig. 7. Efficiency and Input power factor of proposed circuit.
究 助 成 事 業 の 支 援 を 受 けており, 関 係 各 位 に 感 謝
の 意 を 表 します。
文
(1) 大 森 英 樹 ・ 岩 井 利 明 ・ 中 島 昇 : 電 学 論 D,Vol.124,No.11,
pp.1087-1093(2004)
(2) 大 沼 ・ 伊 東 : 平 成 22 年 電 気 学 会 全 国 大 会 ,4-057,2010
(3) 植 杉 ・ 金 澤 ・ 蛭 間 ・ 宮 崎 ・ 神 戸 : 電 学 論 D,Vol.119,No.5,
pp.592-598(1999)
(4) 中 野 ・ 佐 藤 ・ 難 波 江 : 電 学 論 D,Vol.115,No.5,pp.562-569(1995)
(5) Y. Ohnuma, J. Itoh: IPEC Sapporo ,2010
(6) 電 気 学 会 半 導 体 電 力 変 換 調 査 専 門 委 員 会 編 :「パワーエレクトロ
ニクス 回 路 」 オーム 社 2000
(7) 加 藤 , 伊 東 : 電 学 論 D,128 巻 ,5 号 ,pp. 623-630,2008.
献