| 研究課題/領域番号 |
19K04348
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| 研究機関 | 富山大学 |
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研究代表者 |
飴井 賢治 富山大学, 学術研究部工学系, 准教授 (50262499)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 部分スイッチング / 三相整流回路 / 高調波抑制 / 力率改善 / 2パルススイッチング / 高調波規制対策ガイドライン |
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| 研究実績の概要 |
令和2年度は、前年度に提案した新たな主回路構成で検討を進めた。当初検討していた回路は、入力側に取り付けられた整流回路を介して直流に変換した後に直流リンクに接続された2つのスイッチング素子により部分スイッチング動作を行い、同期整流されたMOS-FETを介して直流側のコンデンサに充電する。これに対し新たな回路構成では、部分スイッチングのための素子を交流側に配置することにより、部分スイッチング時に電流が整流用のダイオードを介さないため損失を低減でき、直流側に接続された逆流防止用のMOS-FETが不要になるなどの優位点があり、新たな主回路へ移行した。
移行した主回路では、2つのMOS-FETのソース端子どうしを接続した双方向スイッチを交流側に配置した。部分スイッチング時には、双方向スイッチの2つのMOS-FETの双方にゲート信号を与え、一方は導通用、他方は同期整流として動作させて、効率改善を図った。
当初の研究計画では、部分スイッチング制御の自動化と回路特有の問題点の解決を研究内容に掲げていた。そのため、制御の自動化に向けた動作特性の把握と問題点の抽出を新たな回路に対して実施した。実験により特性測定を行ったところ、従来回路で予見されていた問題点が新たな回路においても同様に現れた。それは低出力時に電流波形が尖頭状になり、高調波含有率が増加して力率が低下する問題である。この対策として、従来の単相部分スイッチング整流回路で提案されている「2パルススイッチング方式」を本回路に適用し、改善効果を検証した。その結果、特に低出力時に高調波が低減され力率が改善された。ただし、三相回路特有の問題として、部分スイッチングのパルス幅の増加に伴い他相との重なり期間が生じ、動作特性が急変することが確認された。
今後は、高調波抑制や高力率、昇圧、高効率などを並立する制御法を検討する予定である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和2年度はスイッチング素子を交流側に配置した新たな回路の動作特性を検証し、問題点の抽出と改善案の検討を行った。
まず本回路の問題点は低出力時の力率低下である。定格出力の2.8kW時には力率は0.97以上であるが、出力を低下させると力率が低下し500W時には約0.78まで低下した。低出力時の力率低下の要因は、入力電流の高調波の増加である。入力電流の全高調波歪み率（THD）を測定したところ、定格付近の2.8kW時では20%以下であったが、500W時では60%～80%まで増加することがわかった。部分スイッチング方式の場合、出力電力が低下すると正弦波からかけ離れた尖った波形の電流が流れる。そのために高調波の含有率が増加してしまう。しかし、高調波規制値と照らし合わせてみると、低出力から定格まで規制値以下であり、部分スイッチングが高調波の抑制に寄与していることが確認された。
低出力時の力率低下の問題を解決するため、単相の部分スイッチング整流回路の高調波抑制手法として既に発表されている、「2パルススイッチング方式」を導入した。2パルススイッチングとは、入力電圧の零クロス点から設定したパルス幅だけ導通させる1パルススイッチングに加え、僅かな休止期間後に再び微小期間だけ導通させる手法である。この2パルススイッチングを導入して実験を行ったところ、出力電力500W時における入力力率は0.8～0.86であり、0.08の改善が確認された。また定格の2.8kWでは0.98以上であり、約0.01の改善が確認された。全高調波歪み率は、500W時には38%～56%であり1パルス時の約2/3程度まで低下した。定格の2.8kW時には15%以下であり約5%の改善が確認された。
このようにして、三相部分スイッチング整流回路においても2パルススイッチング方式が高調波抑制・力率改善において有効であることが確認された。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和3年度は、当初の計画ではエアコンへの搭載を想定して、本回路の出力側に三相インバータと電動機を接続し、動作特性を検証する予定であった。しかし、新たな回路構成に移行したため、令和2年度は回路の特性評価を行った。本回路は素子数の削減により効率の改善が確認され、さらに2パルススイッチングの導入により高調波が低減されて力率が改善された。基本性能の向上が確認されたため、今年度は、制御の自動化を検討する。
現状の回路構成では、入力線間電圧のゼロクロス点を電圧センサで観測し、インプットキャプチャを介してマイコン（RX-62T）へ取り込んだ後、マイコン内部で線間電圧から相電圧を算出し、相電圧のゼロクロス点から予め設定しておいたパルス幅に従い、スイッチングを制御している。制御の自動化の意図することは、本回路の特徴である“高効率”、“高力率（つまり高調波抑制）”、“昇圧機能”の最適点を導出することであり、状態を観測するためのセンサが必要になる。効率を算出するには、入力と出力の電力を算出しなければならず、入力側の2相に電流センサを取り付ける。また出力側には電圧センサと電流センサが必要になる。それらのセンサから得られる信号を基に瞬時電力を積算して平均電力を算出し、効率が計算される。また、観測された電流をマイコン内でFFT解析して、高調波が算出される。それらの結果を基に、2パルスの各パルス幅とその間の休止期間の変化に対する各特性値への影響をシミュレーションで調べ、各制御値の最適点を求める。シミュレーションによって良好な結果が得られた後に実験回路にセンサを取り付け、ソフトウエアを作成して実験を行い、各特性値がバランス良く良好な値に制御されているかを評価する。制御の自動化が完了した後に、三相インバータと電動機負荷を接続し、実用実験を行う予定である。
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