磁気部分ヒステリシス損失との連成制御による分散電源用インバータの高効率化

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15560251
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 清水 敏久 東京都立大学, 工学研究科, 助教授 (30254155)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 和田 圭二 東京工業大学, 理工学研究科, 助手 (00326018)
• Keywords: 磁気部分ヒステリシス / インバータ / チョッパ / 分散電源

Research Abstract

本研究はインバータ等の半導体電力変換装置で使用される磁性材料の損失発生特性とインバータの変調動作とを錬成解析することにより、インバータ効率を総合的に改善し、将来の半導体電力変換装置の超高電力密度化を実現するための基板技術を確立することである。本年度の研究は、現時点までに定性的に把握されている電力用磁性体の部分ヒステリシス損失に関する知見に基づいて、(1)部分ヒステリシス特性の精密測定技術の確立、(2)チョッパ回路におけるリアクトル損失と制御方式との関連性の検証、に関する研究を行った。これに関する研究成果は以下のように要約される。
1.部分ヒステリシス特性の精密測定技術
インバータやチョッパ回路などに使用される電力用リアクトルが矩形波電圧の条件下で発生する部分ヒステリシスを正確に計測する手法が確立していなかった。そこで、本研究では、従来の正弦波励磁を想定した汎用のB-Hアナライザと直流チョッパ回路とを組み合わせることにより、チョッパ回路の実際の運転中にリアクトルに生じる部分ヒステリシスを直接計測する手法を開発した。その過程では、本計測方法で重要となる磁化電流の検出に使用する電流検出器の特性比較と改良を行い、10kHz程度までの矩形波電圧による励磁電流の正確な検出に成功した。ただし、10kHzを超える周波数に関しては未だ十分に高精度な検出が行えていないので、来年度も引き続き高精度電流検出法の開発を行う予定である。上記のごとく、10kHz帯域までの動作周波数においては、代表的な運転状態における部分ヒステリシス特性を正確に計測することに成功し、ヒステリシス損失の極めて小さな磁性体である、ダスト系コア材(東邦亜鉛H-Kコア)とフェライトコアを資料として、実際の部分ヒステリシス曲線と損失値の計測を行い、それぞれに固有の損失特性を明確にした。
2.チョッパ回路におけるリアクトル損失と制御方式との関連性
降圧形直流チョッパによって励磁される平滑リアクトルの部分ヒステリシス特性を計測・評価した。すなわち、チョッパ出力電流が増加して、リアクトルが磁気飽和する領域までの範囲に於いて、磁気部分ヒステリシス曲線およびヒステリシス損失が、直流バイアス(直流出力電流)値、磁束密を変動幅、磁界強度変動幅などの動作パラメータによって変動する様子を計測した。その結果、これらの運転条件の与え方によって直流チョッパ回路の総合効率に影響を与え得ることを明らかにした。来年度は、磁気的なパラメータとチョッパ回路の総合効率との関係を定量的に示すための研究を行う予定である。

Research Products

• [Publications] Toshihisa Shimizu: "Mitigation of Inductor Loss based on Minor-Loop Hysteresis Characteristics."IEEE Proceedings of the International Telecommunications Energy Conference (INTELEC'03). Vol.1. 834-839 (2003)
• [Publications] 津野 康一: "インダクティブストレージ方式を適用したリプル電力補償形PWM整流器の定常特性"電気学会平成16年全国大会講演論文集. Vol.4. 49-50 (2004)
• [Publications] 居安 誠二: "チョッパ回路用リアクトルの鉄損評価"電気学会平成16年全国大学講演論文集. Vol.4. 134 (2004)