JPH0739253U - アクティブフィルタの電流検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 進相コンデンサ４が設置される配電系統にお
いて、系統の配線インダクタンスや変圧器の漏れインダ
クタンスと進相コンデンサの静電容量で共振する状態で
高調波により拡大する電流を必要以上の容量のアクティ
ブフィルタを適用することなく、十分抑制できるアクテ
ィブフィルタの電流検出回路を提供する。 【構成】 進相コンデンサ設備とアクティブフィルタ５
とが接続された点より電源側で電源電流を検出する電流
検出部12′と、その出力信号に応じて前記アクティブフ
ィルタの補償指令を演算してその補償指令に応じアクテ
ィブフィルタを制御する制御装置54とを備えたアクティ
ブフィルタにおいて、前記電流検出部の出力端に直列に
接続された電流信号検出用の第１の抵抗122 と第２の抵
抗124 及び該第２の抵抗に並列に接続されたリアクトル
123 を具え、前記直列接続された信号検出用抵抗の両端
電圧を補償指令のための検出信号としたことを特徴とす
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、配電系統の力率改善用に設置されている進相コンデンサと配電系統 のインピーダンスとの共振による高調波電流の拡大、増加に伴う系統に併設され る機器の加熱や異常騒音の増加など、系統の高調波障害を防止するアクティブフ ィルタの電流検出回路の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

近年の半導体応用の各種変換装置の普及に伴って、これらの装置から発生する 高調波電流による系統に併設される他の機器に及ぼす高調波の影響が増加してき ている。これらの配電系統に流出する高調波電流を抑制する補償装置として、最 近、流出する高調波電流と逆位相の高調波電流を高速・高性能のインバータで注 入し、それを打ち消すよう制御するアクティブフィルタの適用例が増えてきてい る。

【０００３】 しかし、これら配電系統では、一般に変電所の配電変圧器あるいは需要家の受 電変圧器から複数の負荷に分岐して給電しているので、特定の負荷の高調波を補 償しても、他の分岐回路に進相コンデンサが接続されていると高調波が拡大し、 部分的な回路の高調波対策のみでは対策が不充分なことがある。

【０００４】 また、補償対象の負荷の受電端には、一般に一括して力率完全用の進相コンデ ンサ設備が設置されており、受電端に給電される系統電圧に波形歪みがあれば、 同様に特定の高調波が拡大して充分な高調波対策が達成されないことがある。

【０００５】 図２は、従来の負荷側の電流を検出してアクティブフィルタ５により高調波の 補償を行う場合のシステムの等価回路を示す。電源系統インピーダンス２を有す る系統電源１に、高調波を発生する整流装置などで構成される負荷３と、進相コ ンデンサ４及び高調波抑制用のアクティブフィルタ５が並列に接続されている。 この場合、電源系統インピーダンス２との共振によって高調波を拡大することが ある進相コンデンサ４と、高調波を発生する整流装置などで構成される負荷３と に流れる合成負荷電流を電流検出部12で検出し、アクティブフィルタ５はこの合 成負荷電流の高調波成分（Ｉ_C ＋Ｉ_L ）と逆位相の電流を注入する。

【０００６】 いま、高調波成分に注目すれば、次式が成り立つ。

【数１】

【数２】

【０００７】 ここで、Ｖ_S は系統電圧に含まれる高調波電圧、Ｚ_S は系統インピーダンス、 Ｚ_C は進相コンデンサのインピーダンスである。今、進相コンデンサを含む負荷 電流を検出し、この高調波電流を打ち消すようにアクティブフィルタ電流Ｉ_AFを 制御すれば

【数３】

【０００８】 式（３）を式（１）及び式（２）に代入すると、電源系統側に流れる電源電流 Ｉ_S は、定常時は

【数４】 となるが、系統のインダクタンスと進相コンデンサとで特定の高調波次数にて共 振時には

【数５】 となる。

【０００９】 このままでは、電源系統電圧にひずみがあり、高調波電圧Ｖ_S が存在したり、 負荷側に高調波成分が存在すれば、アクティブフィルタを投入時にはアクティブ フィルタにも共振により拡大した電流が流れる。一般には、この拡大電流は負荷 の高調波電流の５〜10倍にも達するので、必要以上の容量のアクティブフィルタ を設備する必要がある。

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は上述したような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ ろは、進相コンデンサが設置される配電系統において、系統の配線インダクタン スや変圧器の漏れインダクタンスと進相コンデンサの静電容量で共振する状態に おいて、高調波により拡大する電流を、必要以上の容量のアクティブフィルタを 適用することなく、十分抑制できるアクティブフィルタの電流検出回路を提供す ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

このため、本考案によるアクティブフィルタの電流検出回路は、配電系統内に 設けられている進相コンデンサ設備と並列に設けて共振による系統の拡大高調波 を抑制するアクティブフィルタであって、前記進相コンデンサ設備とアクティブ フィルタとが接続されている点より電源系統側の電源電流を検出する電流検出部 と、該電流検出部の出力信号に応じて前記アクティブフィルタの補償指令を演算 してその補償指令に応じてアクティブフィルタを制御する制御装置とを備えたア クティブフィルタにおいて、前記電流検出部の出力端に直列に接続された電流信 号検出用の第１の抵抗と第２の抵抗および該第２の抵抗に並列に接続されたリア クトルを具えて、前記直列接続された信号検出用抵抗の両端電圧を補償指令のた めの検出信号としたことを特徴とするものである。

【００１２】 すなわち、進相コンデンサも含めた、共振電流が流れるアクティブフィルタの 接続点より電源側の電流を変流器などで検出し、該検出回路内に、検出電流に比 例する電流信号を得る抵抗と、これと直列に検出電流を微分した信号が得られる リアクトルとを設けてそれらの直列体を構成し、その直列体の両端の電圧を電流 の検出信号として、該検出信号によりアクティブフィルタの補償電流を演算し制 御するものである。

【００１３】

【作用】

図１は本考案による電流検出部12′を用いてアクティブフィルタにより高調波 の抑制を行う場合のシステムの等価回路を示す。図２と同一の符号は同一部分を 示している。この場合、アクティブフィルタ５は電流検出部12′で共振電流を含 む電源電流を検出し、この電源電流の高調波成分Ｉ_S よりアクティブフィルタの 電流Ｉ_AFを次式

【数６】 により制御する。

【００１４】 簡単にするため、図１を図３（ａ）及び（ｂ）のように式（６）の第１項及び 第２項の二つに分けて考える。

【００１５】 図３（ａ）は、負荷側に流れる高調波成分の電流Ｉ_L をアクティブフィルタが 接続される点より電源側で検出して、それを打ち消すようにアクティブフィルタ ５を制御するものである。ここで、補償後の電源電流Ｉ_S と負荷電流Ｉ_L 及びア クティブフィルタ電流Ｉ_AFの関係は、

【数７】

【００１６】 補償後の電源電流には、高調波成分の電流はかなり補償されて、ほとんど流れ ないはずである。したがって、アクティブフィルタの制御ゲインをあげて検出し た電源電流に含まれる高調波電流をＫ倍に増大させて補償したとすれば、

【数８】

【００１７】 この関係を式（７）に代入して整理すると

【数９】 となる。

【００１８】 すなわち、従来の負荷電流検出の場合と同様に検出した電源電流から単に演算 した高調波電流をそのまま打ち消すように制御する場合には、Ｋ＝１ となるの で、補償後の電源電流の高調波成分は

【数１０】 となり、このままでは、負荷電流の高調波成分の半分にしか抑制できないことに なる。

【００１９】 ここで、制御ゲインを Ｋ＝10 とすれば

【数１１】 となり、電源側に流れる高調波電流成分は、負荷側に流れる高調波電流成分の約 １／10に低減できる。

【００２０】 図３（ｂ）は、系統側から進相コンデンサ４に流入する高調波を抑制する場合 のシステム構成を示す。この時の電源電流Ｉ_S は

【数１２】

【００２１】 ここで、アクティブフィルタ５は検出した電源電流を次式で制御する。

【数１３】

【００２２】 上式中のＧ（Ｓ）は、微分特性を持たせた制御定数を伝達関数で表示したもの で、検出した電源電流の高調波電流成分Ｉ_S を微分してＧ倍し、それと逆極性の 電流をアクティブフィルタ５により供給する。すなわち、ｉ_AF及びｉ_S をそれぞ れＩ_AF及びＩ_S の瞬時値で示し、これを一旦時間領域に置き換えて表現すれば

【数１４】 ここに、ｎは共振時の高調波次数で、アクティブフィルタは基本波の角速度ωの ｎ倍の速度で時間的に変化する電流を微分した電流ｉ_AFで制御する。

【００２３】 これをｎ次成分のベクトルで表示すれば、

【数１５】

【００２４】 この関係式を式（12）に代入して整理すれば

【数１６】

【００２５】 ここで、系統側のインピーダンスＺ_S と進相コンデンサのインピーダンスＺ_C とで共振時には

【数１７】 となるが、式（15）において

【数１８】 および、進相コンデンサの静電容量ＣとインピーダンスＺ_C の関係は

【数１９】 の関係があるので、これらを式（16）に代入すると

【数２０】 が得られる。

【００２６】 すなわち、ｎ次成分の共振時に Ｚ_S ＋Ｚ_C ＝０ となれば、従来のアクティ ブフィルタの負荷電流側での検出法では、上述の式（４）で示したように、例え 共振しているコンデンサ電流Ｉ_C を検出してもそれを抑制できず、高調波が拡大 してしまったが、式（６）のように制御回路を構成することにより共振時にも電 圧ひずみに対するインピーダンスが Ｚ＝Ｇ／Ｃ の抵抗の作用となり、共振を 抑制することができる。

【００２７】

【実施例】

以下、本考案の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図４は、本考案が 適用されたアクティブフィルタの制御回路に入力する電流検出部12′の具体的な 要素構成を示す図である。図５は、本考案に係るアクティブフィルタの電流検出 回路を使用したアクティブフィルタ５の主回路構成の一例を示す。図６は従来に おけるアクティブフィルタ装置の主回路構成を示す。図５及び図６において、１ は系統電源、２は電源系統インピーダンス（Ｚ_S ）、３は高調波を発生する整流 装置などで構成される負荷、４は力率改善用に負荷と並列に接続設置された進相 コンデンサ（インピーダンスはＺ_C ）であり、５は高調波抑制用のアクティブフ ィルタである。

【００２８】 アクティブフィルタ５は高速スイッチング素子で構成されるインバータ52と、 その直流側に接続された直流コンデンサ53と、インバータによる補償電流Ｉ_AFを 制御する制御回路54とを有し、インバータ52の交流側は交流リアクトル51を介し て系統電源１に接続されるとともに、このリアクトル51と並列に高周波フィルタ 55が接続されて、インバータ52のスイッチングリップルを吸収するように構成さ れている。負荷３と進相コンデンサ４とアクティブフィルタ５とに流れる合成電 流を検出する電流検出器12′が設けられているとともに、インバータ52の交流側 電流を検出する電流検出器11が設けられている。

【００２９】 電流検出器12′により検出された電流ｉ_S に基づいて高調波電流を演算検出し て、それを抑制するための補償電流指令値と電流検出器11で検出されたアクティ ブフィルタ電流ｉ_AFとが等しくなるようインバータ52の電流を制御している。

【００３０】 図４は、本考案によるアクティブフィルタの電流検出回路に使用する電流検出 器12′の詳細を示す図で、負荷３と進相コンデンサ４とアクティブフィルタ５と に流れる合成電流を検出する電流検出器121 の出力端に、直列接続された第１の 抵抗122 と第２の抵抗124 および該第２の抵抗124 に並列に接続されたリアクト ル123 とからなる回路を接続し、電流検出器121 により検出された電流の高調波 成分を含む電流を、制御回路54に検出信号ｉ_S として供給している。

【００３１】 図６に示したような、アクティブフィルタ５の接続点よりも負荷側に検出回路 12を設けた従来のシステム構成では、共振により拡大された電流を補償しようと するので、共振電流に見合う容量のアクティブフィルタが必要であったが、電流 検出器12′により負荷３と進相コンデンサ４とアクティブフィルタ５とに流れる 合成電流を検出するようにするとともに、負荷側の高調波を第１の抵抗122 で検 出するほか、図４で示したようにリアクトル123 と抵抗124 とからなる微分回路 を付加することにより、システムに制動抵抗の作用を持たせて共振拡大を抑制さ せることができる。

【００３２】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案のアクティブフィルタの電流検出回路によれば、 進相コンデンサ４が電源系統側のインピーダンスで共振しても、電流検出器12′ をアクティブフィルタ５の系統側に構成させ、従来の負荷の高調波を電源側で検 出するほか、電流検出器に微分回路を付加することにより、制動抵抗の作用を持 たせて共振電流の拡大を抑制することができる。したがって、系統の電圧ひずみ を悪化させたり、系統に併設される他の電気機器に及ぼす高調波障害を抑制する ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による電流検出部を用いてアクティブフ
ィルタにより高調波の抑制を行う場合のシステムの等価
回路を示す。

【図２】従来の負荷側の電流を検出してアクティブフィ
ルタにより高調波の補償を行う場合のシステムの等価回
路を示す。

【図３】式の理解を簡単にするために、図１を図３
（ａ）及び（ｂ）のように式（６）の第１項及び第２項
の二つに分けて示した図である。

【図４】本考案が適用されたアクティブフィルタの制御
回路に入力する電流検出部の具体的な要素構成を示す図
である。

【図５】本考案に係るアクティブフィルタの電流検出回
路を使用したアクティブフィルタの主回路構成の一例を
示す。

【図６】従来におけるアクティブフィルタ装置の主回路
構成を示す。

【符号の説明】

１ 系統電源 ２ 電源系統インピーダンス ３ 高調波を発生する負荷 ４ 進相コンデンサ ５ アクティブフィルタ 12，12′電流検出部 51 交流リアクトル 52 インバータ 53 直流コンデンサ 54 制御回路 55 高周波フィルタ 121 電流検出器 122 第１の抵抗 123 リアクトル 124 第２の抵抗

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 配電系統内に設けられている進相コンデ
   ンサ設備と並列に設けて共振による系統の拡大高調波を
   抑制するアクティブフィルタであって、前記進相コンデ
   ンサ設備とアクティブフィルタとが接続されている点よ
   り電源系統側の電源電流を検出する電流検出部と、該電
   流検出部の出力信号に応じて前記アクティブフィルタの
   補償指令を演算してその補償指令に応じてアクティブフ
   ィルタを制御する制御装置とを備えたアクティブフィル
   タにおいて、前記電流検出部の出力端に直列に接続され
   た電流信号検出用の第１の抵抗と第２の抵抗および該第
   ２の抵抗に並列に接続されたリアクトルを具え、前記直
   列接続された信号検出用抵抗の両端電圧を補償指令のた
   めの検出信号としたことを特徴とするアクティブフィル
   タの電流検出回路。