特開 2023-3123 高調波抑制制御回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023003123

(43)【公開日】2023-01-11

(54)【発明の名称】高調波抑制制御回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20221228BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20221228BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Y

H02M3/155 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021104103

(22)【出願日】2021-06-23

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001081

【氏名又は名称】弁理士法人クシブチ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河村 達司

(72)【発明者】

【氏名】宮谷 和樹

【テーマコード（参考）】

5H730

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H730AS04

5H730AS13

5H730BB14

5H730BB57

5H730CC02

5H730EE57

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD41

5H730FG05

5H770AA05

5H770AA09

5H770BA01

5H770CA01

5H770CA02

5H770EA03

5H770GA02

5H770HA02W

5H770HA03W

5H770KA01Z

5H770KA03Z

(57)【要約】

【課題】５次高調波の抑制と電源力率改善を安価な回路とシンプルな制御で実現することのできる高調波抑制制御回路を提供する。
【解決手段】三相電源１５からの電源をモータ７０を駆動するインバータ１７に送る昇圧チョッパー回路１０と、インバータ１７に対して昇圧チョッパー回路１０から送られる電源に高調波成分を抑制するための補正を行う制御回路２０と、を備え、制御回路２０は、少なくとも三相電源からの電源波形を反転処理するデューティー補正演算部３０と、少なくとも三相電源からの電圧を電流値に基づいてデューティー比を規制する電圧・電流演算部４０と、デューティー補正演算部３０から送られる電源および電圧・電流演算部４０から送られる電源に基づいて演算して所定の補正値をインバータ１７に送るデューティー演算部５０と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相電源からの電源をモータを駆動するインバータに送る昇圧チョッパー回路と、
前記インバータに対して前記昇圧チョッパー回路から送られる電源に高調波成分を抑制するための補正を行う制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
少なくとも前記三相電源からの電源波形を反転処理するデューティー補正演算部と、
少なくとも前記三相電源からの電圧を電流値に基づいてデューティー比を規制する電圧・電流演算部と、
前記デューティー補正演算部から送られる電源および前記電圧・電流演算部から送られる電源に基づいて演算して所定の補正値を前記インバータに送るデューティー演算部と、を備えていることを特徴とする高調波抑制制御回路。

【請求項2】

前記昇圧チョッパー回路は、前記三相電源から三相電源を入力して、前記制御回路からの補正値で補正されることで、電流波形が電圧波形に応じた略台形状の波形に形成されるとともに、電圧波形の最大位置および最小位置に対応する部分にわずかな突起が形成された波形に成型されることを特徴とする請求項１に記載の高調波抑制制御回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高調波抑制制御回路に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、三相交流電源の整流後、ＤＣ電圧をスイッチングさせて電流波形を矩形波状に近づけることで高調波を抑制する技術を開示している。また、１つの系統電源に同回路を複数設けることで、複数台のモータを駆動させる技術を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－２３１６７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、５次高調波の抑制と電源力率改善を安価な回路とシンプルな制御で実現することのできる高調波抑制制御回路を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するため、本開示の高調波抑制制御回路は、三相電源からの電源をモータを駆動するインバータに送る昇圧チョッパー回路と、前記インバータに対して前記昇圧チョッパー回路から送られる電源に高調波成分を抑制するための補正を行う制御回路と、を備え、前記制御回路は、少なくとも前記三相電源からの電源波形を反転処理するデューティー補正演算部と、少なくとも前記三相電源からの電圧を電流値に基づいてデューティー比を規制する電圧・電流演算部と、前記デューティー補正演算部から送られる電源および前記電圧・電流演算部から送られる電源に基づいて演算して所定の補正値を前記インバータに送るデューティー演算部と、を備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、５次高調波を抑制するとともに、力率を改善することができる。そのため、次高調波を抑制することができることで、高調波の流出電流の上限値に至るまで設置できる圧縮機の台数を増やすことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施の形態１の高調波抑制制御回路を示す概略構成図

【図2】実施の形態１のデューティー補正演算部の構成を示す概略構成図

【図3】デューティー補正演算部の変形例を示す概略構成図

【図4】実施の形態１の電圧・電流演算部の構成を示す概略構成図

【図5】実施の形態１のデューティー演算部の構成を示す概略構成図

【図6】図６（ａ）は、三相交流電圧波形を示すグラフ、図６（ｂ）は反転処理後の波形を示すグラフ、図６（ｃ）は、デューティー補正演算部から出力される波形を示すグラフ

【図7】実施の形態１の制御回路からの出力される電圧・電流波形を示すグラフ

【図8】図８（ａ）は実施の形態１によるモータを駆動した場合の高調波を測定した場合の実験結果を示すグラフ、図８（ｂ）は、実施の形態１の制御を行わない場合の実験結果を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0008】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、三相交流電源の整流後、ＤＣ電圧をスイッチングさせて電流波形を矩形波状に近づけることで高調波を抑制する技術があった。

【0009】

しかしながら、三相交流機器において、電源高調波の中でも影響度の大きい５次高調波を抑制するため電流波形を矩形波状に近づけても、高次高調波に対して５次高調波成分が大きくなってしまう。
また、電流波形を矩形波状に近づけるだけでは電圧波形との乖離が大きいため、力率改善を含めた柔軟性のある制御を実現することができない。さらに、大電力容量機器においては各部品コストが割高となり、一般電気機器での活用は困難であるという課題を発明者らは発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。
本開示は、５次高調波の抑制と電源力率改善を安価な回路とシンプルな制御で実現することのできる高調波抑制制御回路を提供する。

【0010】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0011】

（実施の形態１）
［１－１．構成］
図１は、実施の形態１の高調波抑制制御回路を示す概略構成図である。
図１に示すように、高調波抑制制御回路１は、昇圧チョッパー回路１０と、制御回路２０とを備えている。
昇圧チョッパー回路１０は、コイル１１と、スイッチング回路１２と、平滑コンデンサ回路１３とを備えている。三相電源１５からの三相交流電圧は、三相ブリッジ回路１６を介して平滑化されてＤＣ電圧としてコイル１１に送られ、スイッチング回路１２、平滑コンデンサ回路１３を介してインバータ１７に送られる。
制御回路２０は、デューティー補正演算部３０と、電圧・電流演算部４０と、デューティー演算部５０と、インバータ制御部６０とを備えている。

【0012】

図２は、デューティー補正演算部３０の構成を示す概略構成図である。
図２に示すように、デューティー補正演算部３０は、反転処理部３１と、正規化処理部３２と、ローパスフィルタ３３と、オフセット処理部３４と、ディレイ処理部３５とを備えている。
反転処理部３１は、三相ブリッジ回路２１を通り整流され電圧センサ２２を通過した後のＤＣ電圧を反転処理する。
正規化処理部３２は、反転処理部３１により反転処理されたＤＣ電圧を所定のレンジ範囲に収まるように正規化する。

【0013】

ローパスフィルタ３３は、フィルタ係数演算部３６によるフィルタ係数に基づいて、正規化されたＤＣ電圧波形の頂点部分を丸くなるように補正し、無駄な高調波成分を除去する。
オフセット処理部３４は、オフセット演算部３７によりオフセット量に基づいて、電流に応じてゲインを調整する。
ディレイ処理部３５は、ディレイ演算部３８のディレイ量に応じて、ソフトウェアの演算速度に応じた遅延調整を行う。
このようにＤＣ電圧を処理した後、デューティー演算部５０に送られる。

【0014】

なお、フィルタ係数演算部３６のフィルタ係数、オフセット演算部３７のオフセット量、ディレイ演算部３８のディレイ量は、あらかじめデータテーブルなどに記憶されている。

【0015】

この場合に、図３示すように、電流センサ２３により電流値に応じて、フィルタ係数演算部３６のフィルタ係数、オフセット演算部３７のオフセット量、ディレイ演算部３８のディレイ量を逐次演算して求めるようにしてもよい。

【0016】

図４は、電圧・電流演算部４０の構成を示す概略構成図である。
図４に示すように、電圧・電流演算部４０は、電圧センサ２２から送られるＤＣ電圧をフィルタリングするローパスフィルタ４１と、エラーアンプ４２と、リミッター４３と、を備えている。
電圧・電流演算部４０は、電流センサ２３から送られるＤＣ電流をフィルタリングするローパスフィルタ４４と、電流値に基づいてリミッター値を演算するリミッター演算部４５とを備えている。

【0017】

ＤＣ電圧は、ローパスフィルタ４１、エラーアンプ４２に送られ、基準電圧４６に基づいてエラーアンプ４２でフィルタリングされる。そして、リミッター４３により、リミッター演算部４５から送られるリミッター値に基づいて、昇圧後のデューティー比に制限を加えた後、デューティー演算部５０に送られる。

【0018】

図５は、デューティー演算部５０の構成を示す概略構成図である。
図５に示すように、デューティー演算部５０は、乗算機５１と、リミッター５２と、ＰＷＭ生成部５３と、を備えている。
デューティー演算部５０においては、デューティー補正演算部３０から送られるＤＣ電圧と、電圧・電流演算部４０から送られるＤＣ電圧とを、乗算機５１により演算し、最大デューティー閾値５４に基づいてリミッター５２により、最大デューティー比に補正した後、ＰＷＭ生成部５３を介してインバータ制御部６０に送られる。

【0019】

［１－２．作用］
次に、実施の形態１の作用について説明する。
本実施の形態において、三相電源１５からの三相交流電圧は、三相ブリッジ回路１６を介して平滑化されてＤＣ電圧としてコイル１１に送られ、スイッチング回路１２、平滑コンデンサ回路１３を介してインバータ１７に送られる。図６（ａ）は、三相交流電圧波形を示している。
一方、三相電源からの三相交流電圧は、電圧センサ２２を介してデューティー補正演算部３０に送られる。

【0020】

デューティー補正演算部３０において、三相ブリッジ回路２１から送られるＤＣ電圧は、反転処理部３１により整流されたＤＣ電圧を反転処理され（図６（ｂ）参照）、正規化処理部３２により、所定のレンジ範囲に収まるように正規化される。

【0021】

その後、ＤＣ電圧は、ローパスフィルタ３３により、フィル係数演算部によるフィルタ係数に基づいて、正規化されたＤＣ電圧波形の頂点部分を丸くなるように補正され、無駄な高調波成分が除去される。
そして、ＤＣ電圧は、オフセット処理部３４により、オフセット演算部３７によるオフセット量に基づいて、電流に応じてゲインが調整された後、ディレイ処理部３５により、ディレイ演算部３８のディレイ量に応じて、ソフトウェアの演算速度に応じた遅延調整が行われ、デューティー演算部５０に送られる。
このようにＤＣ電圧を処理することで、図６（ｃ）に示す電圧波形を得ることができる。

【0022】

電圧・電流演算部４０において、電圧センサ２２から送られるＤＣ電圧は、ローパスフィルタ４１により、基準電圧４６に基づいてエラーアンプ４２でフィルタリングされ、リミッター演算部４５から送られるリミッター値に基づくリミッター４３により、昇圧後のデューティー比に制限を加えた後、デューティー演算部５０に送られる。

【0023】

デューティ演算部において、デューティー補正演算部３０から送られるＤＣ電圧と、電圧・電流演算部４０から送られるＤＣ電圧とを、乗算機５１により演算し、最大デューティー閾値５４に基づいて、リミッター５２により最大デューティー比に補正した後、ＰＷＭ生成部５３を介してインバータ制御部６０に送られる。

【0024】

これにより、図７に示すような電圧波形となる。また、電流波形は、略台形状の波形に成型され、三相電圧の最大位置および最小位置に対応する部分にわずかな突起が形成された波形に成型されることになる。
このように成型された波形により、インバータ制御部６０からインバータ１７を制御して、モータ７０が駆動される。

【0025】

図８は、実施の形態１による電圧波形によりモータ７０を駆動した場合の高調波を測定した場合の実験結果を示すグラフである。図８（ａ）は実施の形態１による実験結果であり、図８（ｂ）は、実施の形態１の制御を行わない場合の実験結果を示している。
図８（ｂ）に示すように、実施の形態１の制御を行わない場合において、高調波成分の内、特に、５次高調波の値が極めて多くなっている。
これに対して、図８（ａ）に示すように、実施の形態１の場合は、５次高調波が約半分程度に抑制されていることがわかる。

【0026】

契約電力１ｋＷ当たりの高調波流出電流の上限値は、あらかじめ決められており、それを超えて運転することはできない。
そのため、本実施の形態のように５次高調波を抑制することができると、高調波の流出電流の上限値に至るまで設置できるモータ７０の台数を増やすことが可能となる。
例えば、モータ７０の駆動により圧縮機を駆動して空調を行う空調機器において、圧縮機が設置される室外機の台数を増やすことが可能となる。

【0027】

［１－３．効果］
以上説明したように、本実施の形態においては、三相電源１５からの電源をモータ７０を駆動するインバータ１７に送る昇圧チョッパー回路１０と、インバータ１７に対して昇圧チョッパー回路１０から送られる電源に高調波成分を抑制するための補正を行う制御回路２０と、を備え、制御回路２０は、少なくとも三相電源１５からの電源波形を反転処理するデューティー補正演算部３０と、少なくとも三相電源１５からの電圧を電流値に基づいてデューティー比を規制する電圧・電流演算部４０と、デューティー補正演算部３０から送られる電源および電圧・電流演算部４０から送られる電源に基づいて演算して所定の補正値をインバータ１７に送るデューティー演算部５０と、を備えている。

【0028】

これにより、５次高調波を抑制するとともに、力率を改善することができる。そのため、次高調波を抑制することができることで、高調波の流出電流の上限値に至るまで設置できる圧縮機の台数を増やすことが可能となる。

【0029】

また、本実施の形態においては、昇圧チョッパー回路１０は、三相電源１５から三相電源１５を入力して、制御回路２０からの補正値で補正されることで、電流波形が電圧波形に応じた略台形状の波形に形成されるとともに、電圧波形の最大位置および最小位置に対応する部分にわずかな突起が形成された波形に成型される。
これにより、電流波形を突起が形成されるような波形に成型することで、５次高調波を大幅に削減することが可能となる。

【0030】

なお、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0031】

以上のように、本発明に係る高調波抑制制御回路は、高調波特に５次高調波を大幅に抑制することができる高調波抑制制御回路として好適に利用可能である。

【符号の説明】

【0032】

１ 高調波抑制制御回路
１０ 昇圧チョッパー回路
１１ コイル
１２ スイッチング回路
１３ 平滑コンデンサ回路
１５ 三相電源
１６ 三相ブリッジ回路
１７ インバータ
２０ 制御回路
２１ 三相ブリッジ回路
２２ 電圧センサ
２３ 電流センサ
３０ デューティー補正演算部
３１ 反転処理部
３２ 正規化処理部
３３ ローパスフィルタ
３４ オフセット処理部
３５ ディレイ処理部
３６ フィルタ係数演算部
３７ オフセット演算部
３８ ディレイ演算部
４０ 電圧・電流演算部
４１ ローパスフィルタ
４２ エラーアンプ
４３，５２ リミッター
４４ ローパスフィルタ
４５ リミッター演算部
４６ 基準電圧
５０ デューティー演算部
５１ 乗算機
５３ ＰＷＭ生成部
６０ インバータ制御部
７０ モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】