単相 PWM インバータにおけるインピーダンス電圧補償と電圧振動抑制制御の実験結果正員村松真希＊正員中田篤史＊＊上級会員鳥井昭宏＊＊＊終身会員植田明照＊＊＊ Experimental results of Impedance Voltage Compensation and Voltage Vibration Suppression Control in a Single-phase PWM Inverter Maki Muramatsu*, Member , Atsushi Nakata**, Member, Akihiro Torii***, Senior Member , Akiteru Ueda***, Life Member キーワード：単相 PWM インバータ，インピーダンス電圧補償，電圧振動抑制制御 Keywords：single-phase PWM inverter, impedance voltage compensation, voltage vibration suppression control 1. 無停電電源システムの規格(JEC-2433)(2)では，ダイオードまえがき整流器の交流側（または直流側）に 4%の抵抗 Rrec を挿入し，近年，家庭用小型発電機などに高周波スイッチングの単直流電圧リプルを 5%にすると定められている。実験では抵相 PWM インバータが用いられている。一般的に，出力過電抗 Rrec を 0.3Ω(4.5%)，コンデンサ容量 Crec を 9,100µF，また圧と過電流保護のために検出器を必要とする。本論文では整流器の負荷 Irec は電子負荷を用いて 0.65A の電流源としこの 2 つのセンサを用いて，単相 PWM インバータにコンデた。ンサインプット型整流器を接続した場合のインピーダンス電圧補償及び電圧振動抑制制御による実験結果と，フィードバック制御を追加した場合の実験結果を報告する。 2. 回路構成と制御定数 Fig.1 に主回路構成，Fig.2 に制御ブロック線図を示す。直流電圧 Vdc が 200V，定格出力 Vo, Io が 100Vrms，15Arms の装置を想定しているが，ここでは 20V，10Vrms，1.5Arms のミニ Fig.1. Inverter main circuits. モデルにて実験を行う。負荷電流 Io が流れると，フィルタリアクトル Lf による電圧降下 VL が発生し，出力電圧 Vo がひずむ原因となる。また， LC フィルタの共振により出力電圧 Vo に振動成分が生じる。本論文では，Fig.2 に示すようにインバータ電流 Iinv と出力電圧 Vo をセンサで取り込み，不完全微分を用いてフィルタリアクトル Lf による電圧降下 VL とコンデンサ電流 Ic を推定す Fig.2. Configuration of control. ることで，インピーダンス電圧補償と電圧振動抑制制御を Table 1. Parameters. 行う。回路定数および制御定数を Table.1 に示す。50Hz,60Hz の周波数を出力するために，キャリア周波数はそれらの整数倍である必要がある。また，一般的に出力電圧のひずみ率は 40 次まで測定されるため，2.4kHz まで制御可能なキャリア周波数を選定する。さらに「キャリア周波数／出力正弦波周波数≧9」 (1)の関係から，2.4kHz までを制御するには 21.6kHz 以上のスイッチングが必要となる。キャリア周波数を 12kHz としユニポーラ変調をすると，インバータ出力のスイッチングリプル周波数は 24kHz になる。サンプリング時間は，キャリアの山谷で割り込みを行うと 41.67µs となる。 ASTI 株式会社〒432-8056 浜松市南区米津町 2804 番地＊＊静岡理工科大学〒437-8555 袋井市豊沢 2200-2 ＊＊＊愛知工業大学〒470-0392 豊田市八草町八千草 1247 3. 実験結果 Fig.3 にオープンループ制御(TL, KDe, KC, P=0)の電圧電流波形を示す。出力電圧は 7.00Vrms，THD は 12.2%である。定格電圧 10Vrms に対して 3Vrms 低下している。これはフィルタ＊リアクトル Lf による電圧降下，デッドタイム電圧による電圧降下，スイッチング素子の順方向電圧が主な原因として考えられ，これらの要因により THD が大きくなると考えられる。 (a) Output voltage waveform. (a) Output voltage waveform. (b) Inverter current waveform. Fig.3. Voltage and current waveforms in the case of open-loop control. (b) Inverter current waveform. Fig.5. Voltage and current waveforms in the case of Feed-forward Fig.4 に，インピーダンス電圧補償，電圧振動抑制制御， control(KDe=0.15). デッドタイム電圧補償(理論値 KDe=2fc･Tdt=0.072)によるフィードフォワード制御(P=0)を行ったときの電圧電流波形を示す。THD は 7.2%まで改善した。JEC-2433 では，THD は 8% 以下と定められており，その基準を満たすことができた。しかし，定格出力に対して 2Vrms 低下している。この結果は，著者等が以前報告したフィードフォワード制御でのシミュレーション結果(3)97.1Vrms(9.71Vrms 相当)，THD が 4.31%と差 (a) Output voltage waveform. 異がある。この要因を，還流ダイオードの順方向電圧 VF が原因であると考え，デッドタイム電圧補償ゲインを大きくすることで対策した。THD が最小となる実験結果から，デッドタイム電圧補償ゲインを KDe=0.15 とした。Fig.5 に KDe=0.15 としたときの電圧電流波形を示す。この結果，出力電圧は 8.8Vrms，THD は 5.6%まで改善した。シミュレーシ (b) Inverter current waveform. ョン結果に対して出力電圧が低いのは，IGBT のコレクタ・ Fig.6. Voltage and current waveforms in the case of Feed-forward and エミッタ間飽和電圧 VCE によるものと考えられる。 Fig.6 に Fig.5 の制御条件にフィードバック制御を追加し Feed-back control(KDe=0.15). 4. まとめたときの電圧電流波形を示す。提案制御ではフィードフォワード制御にてできるだけ正弦波へ近づけ，フィードバッ単相 PWM インバータにコンデンサインプット型整流器ク制御を補助的に用いる。この意図としては，サンプルアを接続した場合における，インピーダンス電圧補償及び電ンドホールドの遅延によりゲインを大きくできず，また圧振動抑制制御の実験結果を示した。フィードフォワード様々な負荷条件で制御の安定を保つためである。この結果，制御のみで，出力電圧は 8.8Vrms，THD は 5.6%まで改善され出力電圧はほぼ定格電圧となり，THD は 3.3%に改善できた。た。また，フィードフォワード制御で補償しきれない部分を補助的なフィードバック制御を追加することでさらに改善できることも確認できた。文 (a) Output voltage waveform. (1) (2) (3) (b) Inverter current waveform. Fig.4. Voltage and current waveforms in the case of Feed-forward control(KDe=0.072). 献杉本，小山，玉井：「AC サーボシステムの理論と設計の実際」，総合電機出版社，p.44(1990-5) 電気学会電気規格調査会 2003：「JEC-2433 無停電電源システム」，電気書院(2003-10) 中田，藤永，鳥井，植田：「不完全微分を用いた単相 PWM インバータのインピーダンス電圧補償と電圧振動抑制制御」，電気学会産業応用部門大会，1-60，(2014-8）