JP5871832B2

JP5871832B2 - アクティブフィルタ

Info

Publication number: JP5871832B2
Application number: JP2013014765A
Authority: JP
Inventors: 康夫中嶋; 晋平大谷
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: JP2014147234A

Description

この発明は、負荷電流に含まれる高調波成分を低減するアクティブフィルタに関する。

図４は、アクティブフィルタ１の基本的な導入例を示している。アクティブフィルタ１は、電源２と、高調波を発生する高調波発生負荷３との間に接続され、高調波発生負荷３から出力された負荷電流ｉ_Ｌを負荷電流検出部１１で検出、高調波成分を抽出するとともに、その高調波成分の逆位相の補償電流ｉ_ＡＦを電源２側に注入することで総合電流ｉ_Ｓにおける高調波電流を低減するものである（例えば特許文献１参照）。

特開平６−１１３４６０号公報

ところで、アクティブフィルタは、通常、補償電流が瞬間的に過大となる場合に、瞬時に出力を停止させる過電流保護機能を備えている。これは、過大な電流による装置の故障を防止して安全性の確保を図るためのものであり、いずれかの相の電流値が予め設定してある値を超えた場合に出力を停止するようになっている。

また、その他に、アクティブフィルタの出力電流が定格以上である場合に補償電流の実効値を自動的に定格以下に抑える出力抑制機能を備えている。この機能は、アクティブフィルタの内部発熱を抑制することを主目的としたものであるため、内部発熱に最も関係する各相の電流実効値をもとに補償電流の実効値を制御するようになっているが、結果として、過電流保護機能が動作する前に出力を抑制することに繋がるため、装置の安定的な動作にも寄与するものである。

そして、従来のアクティブフィルタにおいては、上記２つの機能により、装置の安定的な動作と安全性の確保を図っていたが、電源電圧の不平衡等によって負荷電流が歪み、高調波が歪むことにより、各相の電流実効値は低いものの特定相の電流波高値のみが突出しているような場合（図３（ａ）参照）には、出力抑制機能が動作せず、過電流保護機能の動作による装置の停止が多くなる可能性があり、装置を安定して動作させるといった点では改善の余地があった。

そこで、この発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、電源電圧が不平衡等であっても安定した動作を可能とするアクティブフィルタの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のアクティブフィルタ１は、電源２に接続され、負荷３から出力される負荷電流ｉ_Ｌを検出し、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流を打ち消す補償電流ｉ_ＡＦを電源２側に注入するアクティブフィルタであって、上記負荷電流ｉ_Ｌを検出する負荷電流検出部１１と、上記補償電流ｉ_ＡＦを出力する電流出力部１３と、上記電流出力部１３の出力電流を検出する出力電流検出部１５と、上記電流出力部１３を制御する制御部１２とを具備し、上記制御部１２は、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流と、電流出力部１３の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値が第１の電流値より小である場合には、上記電流出力部１３の出力ゲインを増加させ、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流と、電流出力部１３の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が、上記第１の電流値を超えるが、第１の電流値より大とされた第２の電流値以下である場合には、上記電流出力部１３の出力ゲインを低下させ、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流と、電流出力部１３の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が上記第２の電流値を超える場合には、上記電流出力部１３の出力を停止させることを特徴としている。

この発明のアクティブフィルタでは、制御部において、負荷電流に含まれる高調波電流と、電流出力部の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が、第１の電流値を超えるが、第１の電流値より大とされた第２の電流値以下である場合には、電流出力部の出力ゲインを低下させるといった制御を行うことから、電源電圧の不平衡等によって、各相の電流実効値は低いものの特定相の電流波高値のみが突出しているような場合であっても、補償電流の電流値を低下させることができ、結果、過電流保護機能の動作による装置の停止を極力抑え、安定した動作を実現することができる。また、負荷電流に含まれる高調波電流と、電流出力部の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が第２の電流値を超える場合には、電流出力部の出力を停止させるため、過電流による装置の故障を防止して安全性の確保を図ることができる。さらに、負荷電流に含まれる高調波電流と、電流出力部の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値が第１の電流値より小さい場合には、電流出力部の出力ゲインを増加させるため、高調波抑制機能を良好に維持することができる。

本発明の一実施形態に係るアクティブフィルタの構成を示す回路図である。同じくそのアクティブフィルタの制御部の動作を示すフローチャート図である。補償電流の各相の電流値を示すグラフであって、（ａ）は出力ゲインを一定にした状態を示し、（ｂ）は設定値に応じて出力ゲインを下げた状態を示す。アクティブフィルタの基本的な使用状態を示す回路図である。

次に、この発明のアクティブフィルタ１の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明のアクティブフィルタ１は、従来のアクティブフィルタ同様、電源２と、高調波を発生する高調波発生負荷３との間に接続され、高調波発生負荷３から出力された負荷電流ｉ_Ｌを検出、高調波電流を抽出するとともに、その高調波電流の逆位相の補償電流ｉ_ＡＦを電源２側に注入することで総合電流ｉ_Ｓに含まれる高調波電流を低減するものである。

上記アクティブフィルタ１は、図１に示すように、負荷電流検出部１１と、制御部１２と、電流出力部１３とを備えている。負荷電流検出部１１は、電源２と高調波発生負荷３との間に接続されたＡＣＣＴであって、高調波発生負荷３から出力された負荷電流ｉ_Ｌを検出するものであり、制御部１２は、負荷電流検出部１１によって検出された負荷電流ｉ_Ｌから高調波電流を抽出し、この高調波電流に基づいて電流出力部１３に対してＰＷＭパルス信号を発するものであり、電流出力部１３は、この信号に基づいて出力電流を出力し、リアクトル１４を介して高調波電流の逆位相となる補償電流ｉ_ＡＦを電源２側に出力するものである。

ところで、本発明のアクティブフィルタ１は、負荷電流検出部１１や制御部１２、電流出力部１３の他に出力電流検出部１５を備えている。出力電流検出部１５は、図１に示すように、電流出力部１３とリアクトル１４との間に設けられたＤＣＣＴであり、リアクトル１４を通過前の電流値、すなわち、電流出力部１３の出力電流の電流値を検出し、制御部１２へと提供するものである。

そして、制御部１２は、出力電流検出部１５からの電流値（電流波高値）をもとに電流出力部１３を制御していく。電流出力部１３の制御にあたっては、図２に示すように、まず、電流出力部１３の出力電流の各相の電流値を出力電流検出部１５にて検出する（Ｓ１）。次に、これら電流値と予め設定された設定値とを比較する。設定値としては、高調波電流の打ち消しや装置の維持に好ましい電流値である第１の電流値と、この第１の電流値より大とされ、安全性を確保するための上限値である第２の電流値とが予め設定されており、まず、電流出力部１３の出力電流の各相の電流値の全てが第１の電流値より小さいかどうかを判断する（Ｓ２）。そして、各相の電流値が全て第１の電流値より小さい場合には、各相の出力ゲインを増加させ（Ｓ３）、この出力ゲインをもとに電流出力部１３に対してＰＷＭパルス信号を発し（Ｓ４）、Ｓ１に戻る。

各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が第１の電流値を超えている場合には、次に、当該相の電流値が第２の電流値以下であるかどうかを判断する（Ｓ５）。そして、電流出力部１３の出力電流の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が第１の電流値を超えるが第２の電流値以下である場合には、各相の出力ゲインを低下させ（Ｓ６）、この出力ゲインに基づいてＰＷＭパルス信号を発し（Ｓ４）、Ｓ１に戻る。

Ｓ５の条件に該当しなかったものについては、過電流保護機能の動作条件に該当するかどうか判断する（Ｓ７）。具体的には、電流出力部１３の出力電流の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が第２の電流値を超えるかどうかを判断する。そして、ある１相の電流値が第２の電流値を超える場合には、過電流保護機能によって電流出力部１３の各相の出力（全出力）を停止させる（Ｓ８）。条件を満たさない場合、すなわち、各相の電流値が第１の電流値と同値である場合には、そのままの出力ゲインでＰＷＭパルス信号を出力し（Ｓ４）、Ｓ１に戻るといった制御を繰り返し行う。

従って、上記制御部１２を用いた場合、電流出力部１３の出力電流のいずれかの相の電流波高値が第１の電流値を超えると、制御部１２により瞬時に全部の相の出力ゲインを一定割合（例えば１％程度）下げることができ、電流波高値が過電流保護機能の動作条件に該当し難くなる（過電流保護機能の閾値を超え難くなる）。特に、フィードバック制御であるため、出力ゲインを下げても電流波高値が設定値を超えている場合には、さらに出力ゲインを下げることができ、これを繰り返すことにより、図３（ｂ）に示すように、補償電流の電流値を適正な値（図３（ｂ）においてはｉ２）内に維持し続けることができる。従って、装置の停止を極力抑えることができ、装置の安定した動作を実現することができる。なお、出力ゲインを下げることで高調波抑制機能は低下するが、一定の電源電圧不平衡環境下でも過電流保護機能を動作させることなく運転を良好に維持することができることから、停止による無補償期間を生じさせる場合に比べて有益である。

また、負荷の急変等により急峻に電流値が上昇し、出力ゲインの低減動作が追随できず、電流出力部１３の出力電流の電流波高値が第２の電流値を超えた場合には、過電流保護機能が有効に動作し電流出力部１３の出力を停止させることができるため、装置の故障を防止して安全性を確保することができる。

さらに、電流波高値が第１の電流値以下の場合である場合には、全部の相の出力ゲインを一定割合（例えば１％程度）上げることにより（出力ゲインの上限は１）、高調波抑制機能を良好に発揮させることができる。

上記制御は、負荷電流検出部１１によって検出された負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流をもとに行っても良い。具体的には、上記制御においては、電流出力部１３の出力電流を用いていたが、これに代えて負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流を用いても良い。この場合、図２のＳ１において、負荷電流検出部１１にて負荷電流ｉ_Ｌを検出するとともに、制御部１２において負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流の各相の電流値を抽出しておき、Ｓ２以降は、図２に示す過程に則って判断を行っていく。また、電流出力部１３の出力電流の各相の電流値と、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流の各相の電流値の双方をもとに制御を行うようにしても良い。さらに、例えばＳ２では、出力電流の電流値を用い、Ｓ５では、高調波電流の電流値を用い、Ｓ７では双方の電流値を用いるといった制御を行っても良い。これら場合においても、上記制御と同様の作用効果を得られる。

以上に、この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記アクティブフィルタ１に、従来から用いられている出力抑制機能を付加しても良い。この場合、過電流保護機能が動作する前に出力を低下させる機能が追加されることとなるため、装置のより安定した動作を実現することができる。また、第１、第２の電流値は、ジャンパーピン等により自由に設定できるようにすることも可能であり、使用状態に合わせて適宜変更可能である。また、図１において、電流出力部１３として、ＩＰＭ等の電力用半導体素子を用いていたが、これに限らず公知の種々のものを用いることができる。その他、負荷電流検出部１１としてＡＣＣＴ、出力電流検出部１５としてＤＣＣＴが用いられていたが、あくまで例示であってこれに限らず種々の公知のものを使用可能である。また、制御部１２に対して、電流出力部１３側からのＤＣ電圧や、電流出力部１３からの出力であってリアクトル１４を通過したもののＡＣ電圧が入力されていたが、その他、制御に必要なものがあれば適宜入力可能である。

また、上記実施例の制御部１２は、はじめに電流値が第１の電流値より小さいか否かを判断していたが、あくまで例示であって、例えば、はじめに電流値が第２の電流値を超えているか否かを判断するようにしても良い。また、上記実施例では、一連の流れの中で３つの条件のあてはめを行っていたが、これら条件を独立して同時並行的に判断するようにしても良い。すなわち、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流と、電流出力部１３の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値が第１の電流値より小さい場合には、電流出力部１３の出力ゲインを増加させ、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流と、電流出力部１３の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が第１の電流値を超えるが第２の電流値以下である場合には、電流出力部１３の出力ゲインを低下させ、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流と、電流出力部１３の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が第２の電流値を超える場合には、電流出力部１３の出力を停止させるといった判断を個々に行うようにしても良い。この場合、瞬時の対応が可能となるため、急峻な電流値変化にも追随しやすくなる。

１・・アクティブフィルタ、２・・電源、３・・高調波発生負荷、１１・・負荷電流検出部、１２・・制御部、１３・・電流出力部、１５・・出力電流検出部

Claims

電源（２）に接続され、負荷（３）から出力される負荷電流（ｉ_Ｌ）を検出し、負荷電流（ｉ_Ｌ）に含まれる高調波電流を打ち消す補償電流（ｉ_ＡＦ）を電源（２）側に注入するアクティブフィルタであって、上記負荷電流（ｉ_Ｌ）を検出する負荷電流検出部（１１）と、上記補償電流（ｉ_ＡＦ）を出力する電流出力部（１３）と、上記電流出力部（１３）の出力電流を検出する出力電流検出部（１５）と、上記電流出力部（１３）を制御する制御部（１２）とを具備し、上記制御部（１２）は、負荷電流（ｉ_Ｌ）に含まれる高調波電流と、電流出力部（１３）の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値が第１の電流値より小である場合には、上記電流出力部（１３）の出力ゲインを増加させ、負荷電流（ｉ_Ｌ）に含まれる高調波電流と、電流出力部（１３）の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が、上記第１の電流値を超えるが、第１の電流値より大とされた第２の電流値以下である場合には、上記電流出力部（１３）の出力ゲインを低下させ、負荷電流（ｉ_Ｌ）に含まれる高調波電流と、電流出力部（１３）の出力電流のいずれか一方又は双方の各相の電流値のうち少なくとも１相の電流値が上記第２の電流値を超える場合には、上記電流出力部（１３）の出力を停止させることを特徴とするアクティブフィルタ。