シングルフェーズ AC/ACコンバータ入門

シングルフェーズAC/ACコンバータなどのパワーエレクトロニクスデバイスは、単相交流電流 (AC) システムの電圧または電流のRMSおよび位相を調整するために使用されます。これらのコンバータは、AC波形のRMS電圧、周波数、または位相角を変更することができ、さまざまなアプリケーションで正確な制御と優れた性能を提供します。これらは、住宅、商業、および軽工業の環境で最も一般的なタイプの電源である単相AC電源システムで頻繁に使用されます。

シングルフェーズAC/ACコンバータは、動作原理に基づいて2つのカテゴリに分類されます。

• 位相制御AC電圧コントローラ
• シングルフェーズ ACコンバータ

各カテゴリには、次のセクションで説明するように、固有の特性、制御方法、およびアプリケーションがあります。

この章では、シングルフェーズAC/ACコンバータに関する基本的な考え方、指針、および制御戦略について説明します。また、さまざまな負荷がこれらのコンバータの性能にどのように影響するかについて説明し、さまざまなパワーエレクトロニクスシステムでどのように使用されているかについて概説します。技術者と学生は、シングルフェーズAC/ACコンバータの基本原理と方法を理解することで、モータ速度制御からライティングシステムなどのさまざまなアプリケーションに対応するパワーエレクトロニクスシステムを効率的に構築し、最適化することができます。

位相制御AC電圧コントローラ

動作の原理

位相制御AC電圧コントローラと呼ばれるシングルフェーズAC/ACコンバータのクラスは、位相制御レギュレータまたはサイリスタベースのACコントローラとも呼ばれ、サイリスタ、トライアック、またはシリコン制御整流器 (SCR) を使用して、RMS出力電圧を制御するために、これらのスイッチの通電角または点弧角を調整します。サイリスタがオンになり、負荷に電流が流れる時間は通電角と呼ばれ、γで示されます。点弧角を変えることで、出力電圧を必要なレベルに正確に制御し、AC波形を制御することができます。

従来の位相制御AC電圧コントローラでは、サイリスタは逆並列に結合されます。これにより、コントローラは双方向電流の流れを管理し、入力AC波形の正および負の半周期を調整することができます。サイリスタを適切な点弧角でオンにするために必要なゲート信号は、マイクロコントローラまたはデジタルシグナルプロセッサ (DSP) を頻繁に使用する制御回路によって生成されます。

負荷のタイプとその影響

コンバータに接続される負荷の種類は、位相制御AC電圧コントローラの性能に影響を与える可能性があります。抵抗負荷、誘導性負荷、および容量性負荷は、一般的な負荷タイプの例です。

抵抗負荷 : 電流波形は、完全に抵抗負荷の電圧波形に追従し、電圧と電流間の位相角はゼロです。この状況では、位相制御AC電圧コントローラは、歪みの少ないスムーズで連続的な出力電圧制御を提供できます。

図1 (左) では、サイリスタを備えたシングルフェーズAC電圧コントローラが、反並列構成で接続されています。この構成は、スイッチング素子の数が少なく、損失が最小限になるため、一般的に使用されます。この構成ではサイリスタカソードの電位がさまざまであるため、制御回路のガルバニック絶縁が必要です。出力RMS電圧を制御する背後にある考え方は、負荷が半サイクルの間、入力電圧に断続的にリンクされるだけであるという事実に基づきます。(点弧パルスを印加することによって) サイリスタがオンになったとき、その瞬間が半周期のこの部分の持続時間を決定します。この瞬間は、サイリスタが順バイアスになり始めてから点弧パルスを受け取るまでの時間を示す、点弧角αによって定義されます。

図1 (右) には、入力電圧、点弧パルス、出力電圧 (または電流) の波形が表示されます。サイリスタT1は、入力電圧の正の半周期中に順バイアスされます。

負荷電流がゼロに低下し、入力電圧が方向をシフトすると、サイリスタT1は逆バイアスになります。このサイリスタは、ωt = αのig1パルスによってアクティブ化され、半サイクルが終わるまで通電します。サイリスタT1は、次の半周期の間、逆バイアスになります。これは、オフにするのに必要な時間よりもはるかに長い時間です。サイリスタT1が通電している間、負荷全体の電圧は入力電圧に等しくなります。同様の事イベントは入力電圧の負の半周期でも発生しますが、サイリスタT2は順バイアスを受けるため通電します。

図1 : シングルフェーズAC電圧コントローラ、抵抗 (R) 負荷

サイリスタの点弧角はα = πからα = 0に変更できるため、出力 (負荷) 電圧のRMS値を0から入力電圧のRMS値に調整できます。点弧角「α」に対する出力電圧のRMS値は次のとおりです。

$$U=\sqrt{\frac{1}{\pi}\int_{\alpha}^{\pi}{\left(\sqrt2E\ sin\ \left(\omega t\right)\ \right)^2d\left(\omega t\right)}}$$

ωt = xを変えると、次のようになります。

$$U=E \cdot \sqrt{\frac{2}{\pi}\int_{\alpha}^{\pi}{\frac{1-cos\ 2x\ }{2}dx}}$$ $$\Leftrightarrow U=E\cdot\sqrt{\frac{2}{\pi}\cdot\left(\frac{\pi-\alpha}{2}-\frac{1}{4}\cdot\left(sin\ 2\pi\ -sin\ 2\alpha\ \right)\right)}$$ $$\Leftrightarrow U=E\cdot\sqrt{1-\frac{\alpha}{\pi}+\frac{sin\ 2\alpha\ }{2\pi}}$$

ここで、Eは入力電圧のRMS値、Uは出力電圧のRMS値です。

誘導性負荷 : トランスや誘導モータなどの誘導負荷をコンバータに接続すると、電流が電圧より遅れて位相シフトが発生します。これにより、高調波歪みが大きくなり、力率が低下します。これらの影響を低減するには、インダクタ電流制御などの追加の対策が必要になる場合があります。

図2 (左) に、インダクタンスLのインダクタと抵抗Rの抵抗を直列に結合した負荷を持つ単相AC電圧コントローラを示します。入力電圧、出力電圧、電流、および点弧角αでサイリスタをオンにするために使用するトリガーパルスの波形を図2 (右) に示します。

図2 : R負荷付き単相AC電圧コントローラ

ωt = α、T1でサイリスタT1にトリガパルスを印加すると、T1は導通し、負荷電圧は入力電圧と等しくなります。サイリスタT1が導通中に電圧降下を経験すると、サイリスタT2は逆バイアスになります。これは、ωt = βの瞬間にサイリスタT1が通電を停止したときであり、サイリスタT2は入力電圧によって順バイアスされます。このときの値は次のようになります。

$$\sqrt{2}E\cdot\sin\beta$$

このサイリスタの順方向バイアス電圧の急激な上昇は、意図しないターンオンにつながるため、サイリスタと並行して適切なRC保護が必要です。

サイリスタの通電角は、次の式で定義されます。

$$\gamma=\beta-\alpha$$

サイリスタが通電すると、2つの時間間隔が発生します。最初の区間はωt = αからωt = πまで続きます。ここでは、入力 (グリッド) 電圧と出力 (負荷) 電流が同じ方向にあり、エネルギーがグリッドから取り出されて負荷に伝達されることを示します。しかし、そのエネルギーの一部は負荷の抵抗部分で消費され、他の部分は磁気エネルギーの形でインダクタに蓄積されます。

2番目の区間はωt = πからωt = βまでで、グリッド電圧と負荷電流の方向が異なるため、インダクタからの磁気エネルギーが部分的にグリッドに戻され、負荷の抵抗部分で部分的に消費されることがわかります。インダクタからのすべての磁気エネルギーが消費されると、電流はゼロに減少し、サイリスタは通電を停止します。したがって、サイリスタの点弧角が低いほど、インダクタに蓄えられるエネルギーが多くなり、そのエネルギーを燃焼させるのに時間がかかります。つまり、角度βが増加します。角度βがπ + αのとき、サイリスタの通電角はπに等しく、これ以上負荷電流の中断がないことを意味し、負荷が直接グリッド電圧に接続されている場合と同じです。

容量性負荷 : 容量性フィルタなどの容量性負荷は、リード電圧への電流を引き起こし、高調波歪みが増加し、力率が低下します。補償戦略は、これらの懸念に対処するために使用できます。

制御戦略

与えられたアプリケーションの特定のニーズに基づいて、さまざまな制御戦略を使用して、位相制御AC電圧コントローラの性能を最適化できます。一般的な制御方法には以下があります。

オンオフ制御 : この技術を使用して、サイリスタは電圧波形がゼロを横切ると、所定の点弧角でオンになり、オフになります。この方法は簡単ですが、電圧変動が大きく、負荷管理が不十分になる可能性があります。

位相角制御 : この方法は、可変負荷状況下で一定のRMS出力電圧を維持するために、点弧角を継続的に変更します。オン / オフ制御と比較して、このアプローチはより大きな負荷管理と低い電圧変動を提供します。

統合サイクル制御 : サイリスタは一定の全周期の間オンされ、その後所定の周期数の間オフされるため、出力電圧のデューティサイクルが変化します。このアプローチは、低周波制御を必要とするアプリケーションに適しており、他のソリューションよりも低い高調波歪みを提供できます。

位相制御AC電圧コントローラは、適切な制御方法を選択することにより、モータ速度制御からライティングシステムなど、多くのアプリケーションの個々の要求に適合するように適応させることができます。

シングルフェーズ ACコンバータ

動作の原理

パワーエレクトロニクススイッチは、AC/ACコンバータの一種であるシングルフェーズACチョッパに使用され、入力周波数を変更することなく出力電圧波形を変更します。出力電圧を適切に制御するために、これらのコンバータは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) などの高速スイッチングデバイスを使用して、入力波形をより小さなセグメントに分割します。

電圧制御技術

シングルフェーズACチョッパの出力電圧を管理するには、電圧制御方法が重要です。パルス幅変調 (PWM) は、ACチョッパで最も頻繁に使用される制御メカニズムです。PWM制御は、RMS出力電圧を管理するために、オン時間とスイッチング期間の合計期間の比率であるデューティサイクルを変更する必要があります。位相角制御と比較して、PWMはより優れた電圧制御と低高調波歪みを提供します。アプリケーションの要件に応じて、ヒステリシス制御や周波数制御などの他の電圧制御技術も使用できます。

アプリケーション

パワーエレクトロニクスは、正確な電圧調整と迅速な動的応答を提供する汎用性のため、シングルフェーズACチョッパーを使用しています。一般的なアプリケーションには、次のようなものがあります。

ライティングシステム : ACチョッパは、輝度レベルを調整するために正確な電圧調整が必要な白熱灯や発光ダイオード (LED) の調光制御システムに採用されています。

モータスピード制御 : シングルフェーズ交流チョッパは、モータ速度制御アプリケーションで使用して、モータに供給される電圧を調整し、その速度を管理することができます。これは、ファン、ポンプ、およびコンベアを含むアプリケーションで特に役に立ちます。

電源 : ACチョッパは、電子機器の電源に使用して、入力電圧や負荷状況に関係なく、一定のRMS出力電圧を維持することができます。これにより、電気機器が安定して信頼できる方法で動作することが保証されます。

加熱システム : ACチョッパは、電気ヒータの温度制御システムの発熱体に供給される電圧を管理するために使用でき、温度を制御します。これは、産業用炉や家庭用暖房システムなどのアプリケーションで役立ちます。