三相 AC/ACコンバータ入門

三相 AC/ACコンバータは、三相交流 (AC) 電気システムのRMS電圧と周波数を変換および調整します。シングルフェーズAC/ACコンバータよりも高い電力レベルに耐えることができ、信頼性が高く、性能が優れているため、さまざまな産業アプリケーションで頻繁に使用されています。三相 AC/ACコンバータは、モータ駆動、無停電電源装置 (UPS)、大規模な電源システムなどの高負荷アプリケーションに適しています。

三相 AC/ACコンバータの基本的な目標は、入力周波数を維持しながら、出力電圧のRMS振幅や位相角を調整することです。これらは、三相AC電圧コントローラと三相ACチョッパの2つのタイプに分けられます。出力電圧波形を制御するために、どちらのタイプのコンバータも絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET)、サイリスタなどのパワーエレクトロニクススイッチを使用します。

このセクションでは、動作原理、負荷の種類、制御方法、電圧制御技術、および三相AC電圧コントローラと三相ACチョッパのアプリケーションについて説明します。三相AC/ACコンバータの本質的な考えと特性を理解することで、学生や技術者は、さまざまなアプリケーションのための効率的で信頼性の高いパワーエレクトロニクスシステムを設計および実装するのに役立ちます。

三相 AC電圧コントローラ

動作の原理

三相AC電圧コントローラの複数トポロジーを利用して、可変RMS AC電圧による三相負荷を提供できます。図3 (左) に示す配列の動作について、以下で説明します。この配列は、個々の位相レギュレータの電流を個別に変更できないことによって区別されます。負荷電流を確立するには、少なくとも2つのサイリスタを同時にオンにする必要があります。

各相のサイリスタの点弧パルスが三相システムジェネレータの電圧 (入力電圧) に対して同じシーケンスを持つ場合、レギュレータは対称的に動作します。したがって、サイリスタT₃、およびT₆の点弧パルスは、T₁およびT₄の点弧パルスをそれぞれ2π / 3の角度まで遅らせる必要があります。そして、サイリスタT₅、およびT₂の点弧パルスは、T₁とT₄の点弧パルスを4π / 3の角度まで遅らせる必要があります。さらに、同じ位相のサイリスタの点弧パルスはπの角度だけシフトする必要があるため、サイリスタはT₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₁、T₂...のシーケンスでオンにする必要があります (π / 3の間隔で)。少なくとも2つのサイリスタを通電する必要があることを考えると、各サイリスタは、点弧パルスに加えてπ / 3遅延する確認パルスを持たなければなりません。点弧パルスシーケンスがわかったら、点弧角を測定する基準の瞬間を決定する必要があります。最大の負荷電流は、点弧角がα = 0度の場合に求められます。これは、サイリスタが可能な限り迅速に通電するためです。負荷が入力電圧に直接つながっている場合、最大負荷電流が得られ、抵抗負荷が与えられると、独立負荷の電流は三相システムの位相電圧と同じ波形になります。その結果、α = 0度のとき、位相電圧がゼロを交差する瞬間が測定されます。このレギュレータの動作を30度の特徴的な点弧角について試験されます。図3 (右) は負荷にかかる電圧、すなわち負荷電流の波形を示しています。

図3 : 三相AC電圧コントローラ

α = 60度の点弧角の間、ωt = αで、サイリスタT₆が確認インパルスを受けとる間サイリスタT₁は点弧インパルスを得て、両方のサイリスタが通電し、ロード電圧はライン電圧uRの半分になります。サイリスタT₂は、ωt = α + π / 3の時に点弧インパルスを受けとることで、三相 (T₁、T₂、およびT₆すべてが通電し、負荷電圧が位相電圧eRになります。

同時に、位相電圧eSはゼロに低下して逆方向になり始め、T₆は通電を停止し、T₁とT₂のみが通電を継続し、負荷電圧は線間電圧uRTの半分に低下します。サイリスタT₃は、ωt = α + 2π / 3の時にアクティベートされ、電圧eRが0に等しく、逆方向になり、T1は通電を停止します。この動作モードは、60度から90度の範囲の点弧角に適しています。

三相AC電圧コントローラは、パワー半導体スイッチの点弧角を変更して出力電圧のRMSと位相角を調整するパワーエレクトロニクスコンバータです。これらのコントローラの主なスイッチングデバイスは、サイリスタまたはトライアックであり、これらは逆並列や直列などのさまざまなトポロジーで結合されています。三相AC電圧コントローラの機能は位相制御の概念に基づいており、各サイリスタの点弧角を変更して通電期間を調整し、結果として出力電圧波形を調整します。

負荷のタイプとその影響

三相交流電圧コントローラは、誘導性負荷、抵抗負荷、容量性負荷など、さまざまな負荷で使用されます。負荷タイプは、電圧コントローラの性能と特性に大きな影響を与えます。

抵抗負荷 : 完全に抵抗負荷では、電流波形は位相シフトなしで電圧波形に追従します。コントローラの機能は簡単なままで、高調波歪みは最小限に抑えられます。

誘導性負荷 : 例えば、モータやトランスは電圧波形と電流波形の間に位相シフトをもたらし、点弧角や通電時間に影響を与えます。これにより、高調波歪みが大きくなり、力率が低下する可能性があり、追加の制御およびフィルタリング対策が必要になります。

容量性負荷 : 容量性負荷は電圧波形と電流波形の位相がずれ、制御方式が複雑になり、電圧コントローラが不安定になる可能性があります。

制御戦略

三相AC電圧コントローラでは、性能を最適化し、高調波歪みを最小限に抑え、力率を向上するために。いくつかの制御アルゴリズムを使用できます。定期的に使用される制御方法は次のとおりです。

位相角制御 : 出力電圧を管理するために、このアプローチには各サイリスタの点弧角の変更を含みます。点弧角を遅らせることで、実効出力電圧を減少させ、出力電圧を連続的に調整することができます。

統合サイクル制御 : このアプローチには、サイリスタを所定のサイクル数だけオン / オフすることが含まれており、結果として出力電圧を個別に制御することができます。位相角制御と比較して、高調波歪みを低減するため、低周波アプリケーションに最適です。

ヒステリシス制御 : このアプローチは、サイリスタの点弧角を変更して、RMS出力電圧をプリセットされたヒステリシス帯域内に維持することによって機能します。この方策は動的応答性を向上させますが、高調波歪みを増加させる可能性があります。

適切な制御技術は、負荷タイプ、希望の出力電圧幅、システムの安定性など、固有のアプリケーション要件によって決定されます。

三相ACチョッパ

動作の原理

三相ACチョッパは、入力電圧波形を切り刻んで三相ACシステムの出力電圧を調整するパワーエレクトロニクスデバイスです。これらのコンバータでは、IGBTや MOSFETなどの高速半導体スイッチを使用して、各半周期中に一定時間入力電圧を遮断し、出力電圧を制御します。三相ACチョッパは、パルス幅変調 (PWM) の原理で動作します。この原理では、スイッチのデューティサイクルが変更されて出力電圧が調整されます。

電圧制御技術

三相ACチョッパでは、性能の最適化、高調波歪みの低減、力率向上のために、さまざまな電圧制御アプローチを使用できます。最も一般的な電圧制御方法には、次のものがあります。

正弦波PWM: このアプローチでは、正弦波基準信号と三角波キャリア信号を比較することにより、PWMパルスを生成します。RMS出力電圧と周波数は、それぞれリファレンス信号の振幅と周波数によって決定されます。

空間ベクトル変調 (SVM): SVMは、三相電圧を2次元平面上のベクトルとして表す高度な電圧制御アプローチです。ベクトルの位置と大きさを調整することで、出力電圧を正常に制御できます。

ヒステリシス制御 : このアプローチは、スイッチのデューティサイクルを変更して、出力電圧をプリセットされたヒステリシス幅内に維持することによって機能します。この戦略は動的応答性を向上させますが、高調波歪みを増加させる可能性があります。

アプリケーション

出力電圧を高効率かつ高速な動的応答で制御できるため、三相ACチョッパは幅広いアプリケーションで使用されています。最も重要な用途は次のとおりです。

モータ駆動 : 誘導モータ駆動や同期モータ駆動などの可変速モータ駆動は、三相ACチョッパを使用して、RMS出力電圧と周波数を変更することでモータの速度とトルクを変更します。

力率補正 : 三相ACチョッパは、入力電流に合わせて出力電圧を調整することで、産業機器や商用機器の力率補正に使用できます。

再生可能エネルギーシステム : 三相ACチョッパは、風力エネルギーや太陽光発電システムで、出力電圧を管理し、特にグリッドに接続されている場合に許容可能な電力品質を維持するために使用することができます。

無停電電源装置 (UPS) : 三相交流 (AC) チョッパをUPSシステムで使用すると、出力電圧を調整し、電圧変動や電力系統の中断から敏感な負荷を保護することができます。