オープンループ制御

AC/ACコンバータで使用される基本的な制御方法は、「オープンループ制御」と呼ばれ、「フィードフォワード制御」とも呼ばれます。この技術では、制御動作は純粋に入力信号によって決定され、出力やその他のシステムフィードバックの影響を受けません。オープンループ制御システムでは、コントローラはシステムの中断や変更を考慮せずに、事前定義されたアルゴリズムを使用して制御信号を決定します。

オープンループ制御の特性

簡単さ : クローズドループシステムと比較して、オープンループ制御システムは設計と実装がより簡単です。出力に応じて制御信号を変更するために、高度なアルゴリズムやフィードバックセンサは必要ありません。その結果、構築、保守、トラブルシューティングがより簡単になりました。

適応性の欠如 : システムの変化や外乱に適応することが困難なことが、オープンループ制御システムの基本的な欠点の1つです。出力に基づいて制御信号が変更されないため、システムパラメータまたは外部要因に予期しない変更がある場合、システムが意図したとおりに機能しない可能性があります。

安定性 : オープンループ制御システムは、振動や不安定性を引き起こす可能性のあるフィードバックに依存しないため、通常は安定しています。しかし、衝撃やシステム特性の変化が発生した場合、この安定性は精度と適応性の低下を犠牲にしています。

AC/ACコンバータにおけるオープンループ制御のアプリケーション

オープンループ制御技術は、次のようなさまざまなAC/ACコンバータアプリケーションで採用されています。

シンプルな位相制御AC電圧コントローラ : 単純なAC電圧コントローラでは、オープンループ制御を採用することが多く、出力電圧はサイリスタの点弧角を変化させることで管理されます。この制御方法は、正確な電圧制御が必要ない場合など、暖房やライティングステムに最適です。

基本的なAC/ACチョッパ回路 : スイッチングデバイスのデューティサイクルを変更することで、オープンループ制御を簡単なAC/ACチョッパ回路に適用して出力電圧を調整することができます。このアプローチでは出力電圧要件が大きく変わることはなく、定常負荷特性がよく知られたアプリケーションに適しています。

サイクロコンバータの基本動作 : 意図した出力周波数が固定されていて事前に知られている一部のサイクロコンバータアプリケーションでは、オープンループ制御が使用される場合があります。このような状況では、フィードバックを必要とせずに目的の出力周波数を提供するように、サイクロコンバータを構築することが可能です。

オープンループ制御システムは単純で安定していますが、外乱や変動するシステム特性に直面すると精度が低下するため、正確な制御や適応性を必要とするアプリケーションには適していません。このような状況では、クローズドループ制御アプローチが一般的に好まれます。

クローズドループ制御

AC/ACコンバータでは、クローズドループ制御はフィードバック制御とも呼ばれ、制御動作が入力信号と出力フィードバックに依存するより洗練された制御方法です。目的の出力と実際の出力の間の誤差を減らすために、クローズドループ制御システムは出力を継続的にチェックし、制御信号を変更します。これにより、システムパラメータの変更や外部の障害にシステムが適応できるようになり、パフォーマンスと精度が向上します。

クローズドループ制御の特性

適応性 : クローズドループ制御システムは、システムの変化や外乱に適応するためよく知られています。これらのシステムは、出力を継続的にモニタリングし、フィードバックに基づいて制御信号を変更することにより、システムパラメータの変化や外部の影響がある場合でも、望ましい性能を維持できます。

精度 : オープンループ方式と比較して、出力に基づいて制御動作を連続的に調整するため、クローズドループ方式は高精度です。このような精密な出力制御の特性により、高精度と精密さが要求されるアプリケーションに適しています。

複雑さ : クローズドループ制御システムには、フィードバックセンサ、フィードバックを処理する制御アルゴリズム、および制御動作を実装するための追加のハードウェアまたはソフトウェア部品が必要であり、オープンループシステムよりも複雑です。したがって、システムを注意深く設計することが重要です。そうしないと、潜在的な安定性の問題、複雑さ、コストの増加につながる可能性があります。

安定性 : クローズドループ制御システムは、より優れた性能と適応性を持つ可能性がありますが、フィードバックループが正しく構成および調整されていない場合、不安定性や振動を発生させる可能性もあります。したがって、安定して最適化されたクローズドループシステムを維持することは、パフォーマンスの問題を防ぐために重要です。

AC/ACコンバータにおけるクローズドループ制御のアプリケーション

クローズドループ制御技術は、以下のようなさまざまなAC/ACコンバータアプリケーションで採用されています。

高度な位相制御AC電圧コントローラ : 位相制御AC電圧コントローラは、クローズドループ制御を使用して正確で柔軟な電圧制御を実現することができ、モータ駆動や繊細な電子機器など、可変負荷条件や厳しい電圧調整ニーズのあるアプリケーションに適しています。

高度なAC/ACチョッパ回路 : クローズドループ制御は、AC/ACチョッパ回路で使用して、入力RMS電圧または負荷状況の変化にもかかわらず、一定のRMS出力電圧または電流を維持することができます。その厳格な規制と汎用性により、クローズドループで調整されたAC/ACチョッパは、再生可能エネルギーシステムや繊細な負荷の用電源などのアプリケーションに最適です。

可変出力周波数のサイクロコンバータ : 出力からのフィードバックに基づいて異なる出力周波数を提供するために、クローズドループ制御をサイクロコンバータに使用することができます。これにより、調整可能な速度ドライブや電力システム用の周波数変換器など、調整可能な周波数制御が必要なアプリケーションに役立ちます。

オープンループ制御システムと比較して、クローズドループ制御のアプローチはより優れた適応性と精度を提供し、シフトシステムパラメータや外乱への正確な制御または適応を必要とするアプリケーションに適しています。しかし、この複雑さが増すと、安定性と理想的なパフォーマンスを維持するために、パフォーマンス向上を犠牲にしてでも慎重な設計とチューニングが必要になります。

位相制御および周波数制御技術

AC/ACコンバータで適切なRMS出力電圧または周波数を実現するには、位相制御と周波数制御技術が不可欠です。入力AC波形の位相角や周波数を変えることで、これらの制御方法を利用して出力に影響を与えます。両方のアプローチの基礎とアプリケーションを理解することは、効率的なAC/ACコンバータシステムを作成するために不可欠です。なぜなら、各戦略にはパワーエレクトロニクスにおける特定のメリットと用途があるからです。

位相制御

入力電圧波形と出力電圧波形の位相角を変えることで、出力電圧を制御するAC/ACコンバータでは位相制御が広く使われています。パワー半導体デバイス (SCRやトライアックなど) の点弧角は、位相制御AC電圧コントローラやサイクロコンバータで変化し、出力に送信される入力AC波形の量を調整して、RMS出力電圧を変化させます。

位相制御の利点: 位相制御は、複雑な制御アルゴリズムや追加部品を必要とせずに、AC/ACコンバータのRMS出力電圧を簡単かつ効率的に変更する方法を提供します。位相制御は、迅速な電圧調整も可能なため、高速な動的応答を必要とするアプリケーションに適しています。

位相制御の制限: 位相制御の主な欠点は、出力波形の非正弦波特性のために生成される高調波です。これらの高調波は負荷に不利な影響を与え、パワー半導体により多くの歪みを与える可能性があります。さらに、位相制御では周波数制御ができず、出力電圧の大きさを変更するためにのみ使用できます。

周波数制御

AC/ACコンバータでは、入力AC波形の周波数を変更して出力周波数を変更するために、周波数制御と呼ばれる技術が使用されます。この制御方式は、可変速モータ駆動、再生可能エネルギー源、電力システム周波数コンバータなど、負荷特性や性能の制約により可変周波数を必要とするアプリケーションに特に有利です。

周波数制御のメリット : 出力周波数を出力電圧とは無関係に変更できるため、周波数制御により負荷特性やシステム性能の制御が向上します。この制御技術は、力率を高め、高調波成分を低減し、モータ駆動のよりスムーズで効率的な動作を可能にします。

周波数制御の制限: 位相制御アプローチと比較すると、周波数制御技術は複雑な制御アルゴリズムとより多くの部品を必要とすることが多く、複雑さとコストが増大します。さらに、コンバータトポロジーとパワー半導体部品によって、実現可能な周波数幅が制限される可能性があります。

電力系統との同期

AC/ACコンバータを制御するには、特にグリッド接続モータ駆動、再生可能エネルギー源、エネルギー貯蔵デバイスなどの配電システムや発電システムを扱う場合に、電力系統同期が必要です。グリッドとコンバータは、同期によって中断することなく電力を交換することができます。これにより、AC/ACコンバータの出力電圧波形が、周波数、位相、振幅においてグリッドの電圧波形と一致することが保証されます。

同期の重要性

電気システムが安定して信頼性を維持するためには、同期が不可欠です。これにより、電力グリッドとAC/ACコンバータ間の電力伝達が効率的になり、中断や不安定の可能性が低減されます。さらに、同期化により、AC/ACコンバータがグリッドの電圧および周波数基準内で動作することが保証されます。これは、規制を遵守し、電力システムの安全性と有効性を保証するために不可欠です。

同期技術

電力系統およびAC/ACコンバータは、PLL (フェーズロックループ)、ゼロクロッシング検出器、周波数リレーなどのさまざまな方法を使用して同期されます。これらの方法では、グリッドの波形をコンバータの出力電圧波形に揃えるために、いくつかの制御方式を使用します。

PLL (フェーズロックループ) : PLLは、グリッドの周波数と位相を追跡するための信頼性が高く正確な方法を提供するため、同期のためにAC/ACコンバータで頻繁に使用されます。コンバータの出力電圧の位相角は、グリッドの電圧波形から生成された基準信号とPLLによって比較されます。コンバータの出力は、次にグリッドの周波数と位相に一致するようにPLLの制御信号によって変更されます。

ゼロクロッシング検出器 : コンバータの出力をグリッドに合わせるために、ゼロクロッシング検出器を使用して、グリッド電圧波形がゼロを横切る正確な瞬間を検出します。グリッドとの同期を維持するために、コンバータはゼロクロッシングの場所を特定することで出力を変更できます。

周波数リレー : グリッドの周波数がプリセットされた幅から逸脱すると、周波数リレーはグリッドを追跡し、制御信号を送信します。AC/ACコンバータの出力は、制御信号を使用して変更し、グリッドと同期させることができます。

課題と考慮事項

電力グリッドとの同期が困難な場合があります。特に、障害が発生した場合や、グリッドの状態が急速に変化している場合です。同期するためには、特定の要因を考慮に入れることが重要です。

グリッド電圧と周波数の変動 : 電力グリッドの電圧と周波数は、負荷変動やその他の外乱の結果として変化する可能性があるため、同期化はより困難です。異なるグリッド設定では、同期を維持するために適応制御技術が必要になる場合があります。

高調波とグリッド歪み: 同期の精度は、グリッドの電圧波形の高調波やその他の乱れによって影響を受ける可能性があります。歪んだグリッド条件下では、適切な同期を確保するためにフィルタリングと高度な制御方法が必要になる場合があります。

コンバータ制御アルゴリズム : AC/ACコンバータの性能と安定性は、同期用の制御アルゴリズムオプションによって大きく影響される可能性があります。そのため、多様な動作条件下で正確で信頼性の高い同期を実現する適切な制御方式を選択することが不可欠です。