制御整流器

位相制御整流器

位相制御整流器は、パワーエレクトロニクスで使用される回路で、サイリスタの点弧角を調整することで交流電圧を直流電圧に変換します。サイリスタは、ゲート信号を使用して電流の流れを制御できる半導体デバイスです。位相制御整流器は、モータ駆動、加熱およびライティング制御、バッテリーチャージャ、電子機器の電源など、さまざまなアプリケーションで使用されています。

単相制御整流器は、単一のサイリスタを使用して電流を制御する位相制御整流器のカテゴリです。単相制御整流器は、電流を一方向にのみ流すことができるダイオード整流器とは異なり、両方向に電流を制御することができます。サイリスタの点弧角を調整することで、出力電圧と電流を管理することができ、負荷への電力調整が可能になります。単相制御整流器は、ACモータの速度制御やバッテリーチャージャに広く使用されています。

単相制御整流器

単相制御整流器は、位相制御整流器とも呼ばれ、パワーエレクトロニクスアプリケーションで重要な役割を果たします。これらのデバイスは、出力電圧を制御する能力を持つ交流 (AC) を直流 (DC) に変換するために使用されます。これは、大電流をスイッチングできる半導体デバイスであるサイリスタの点弧角 (位相角) を調整することで実現されます。

半波制御整流器

半波制御整流器は、負荷と直列に接続された単一のサイリスタを利用します。入力AC電源の正の半サイクル中に特定の角度でトリガされると、サイリスタが通電し始め、出力電圧波形は点弧角と入力AC電圧の振幅によって決まります。点弧角を調整することで、平均出力電圧を制御することができ、負荷に供給される電力量に影響を与えます。しかし、半波制御整流器では、入力AC波形の半分しか使用しないという欠点があり、高調波歪みが大きく、力率が低下します。

図7 : 単相半波制御整流器回路 (上) と波形 (下)

全波制御整流器

全波制御整流器は、2つ以上のサイリスタを使用しており、半波対応の整流器よりも効率的です。これらの整流器は、入力AC電源の正および負の半周期の両方を利用します。全波制御整流器には、中間点構成とブリッジ構成の2つの主要なタイプがあります。

中間点構成

中間点またはセンタータップ構成は、センタータップトランスと2つのサイリスタを使用する機構です。トランスの二次巻線は2つの半分に分けられ、中間点は負荷に接続されています。サイリスタは、二次巻線の端と負荷の間につながれています。この整流器は、サイリスタを順次トリガーすることにより、入力AC電源の正と負の半周期の間に通電し、点弧角を調整して出力電圧を制御することができます。しかし、この構成の欠点は、センタータップ式のトランスが必要であり、コストがかかり厄介です。

図8 : ミッドポイント構成の単相全波制御整流器 - 回路 (上) と波形 (下)

ブリッジ構成

ブリッジ構成は位相制御整流器の一種で、ブリッジトポロジーに配置された4つのサイリスタを使用します。これにより、センタータップトランスが不要になり、よりコンパクトで費用対効果の高い設計になります。ブリッジ構成では、正の半周期の間、2つの対角線上の反対側のサイリスタが導通し、負の半周期の間、他の2つのサイリスタが導通します。サイリスタの点弧角を調整することで、出力電圧を制御することができます。ミッドポイント構成と比較して、ブリッジ整流器には、より高い効率、より良い力率、およびより低い高調波歪みなどのいくつかの利点があります。

図9 : ブリッジ構成の単相全波制御整流器 - 回路 (上) と波形 (下)

単相制御整流器の性能は、平均出力電圧、出力電流、リップル率、力率、全高調波歪みなどのパラメータに基づいて評価されます。点弧角を調整するための制御技術には、一定の点弧角制御、統合サイクル制御、パルス幅変調などがあります。

定点弧角制御

定点弧角制御は、整流中にサイリスタの点弧角を一定に保つ技術です。このアプローチは、平均出力電圧を調整するための簡単な方法を提供します。しかし、特に低い出力電圧レベルでは、力率や高調波歪みの問題が発生する可能性があります。

統合サイクル制御

統合サイクル制御は、サイリスタを一定の入力電圧サイクルの間オン / オフに切り替えることで、出力電圧を制御する方法です。この方法は力率を改善し、高調波歪みを減らすのに役立ちます。ただし、出力電圧と電流リップルが大きくなる可能性があり、アプリケーションによってはノイズや望まない影響が発生する可能性があります。

パルス幅変調

パルス幅変調 (PWM) は、サイリスタの点弧角を動的に変化させて所望の出力電圧波形を得るために使用される高度な制御技術です。点弧角を注意深く選択することにより、PWMは高調波歪みを最小限に抑え、力率を改善し、より良い出力電圧調整を提供することができます。しかし、PWM制御整流器はより複雑な制御回路を必要とし、高度なデジタルコントローラやマイクロプロセッサが必要になる場合があります。

単相制御整流器のアプリケーション

単相制御整流器は、バッテリー充電、可変速モータ駆動、電子機器用電源、電気自動車充電ステーションなど、幅広い分野で広く使用されています。これらの整流器は、出力電圧を調整し、高出力レベルを処理する能力を備えており、多様な産業、商業、および住宅アプリケーションに適しています。

結論として、単相制御整流器は、AC電源をDC電源に効率的かつ正確に変換する能力によって、パワーエレクトロニクスで広く使用されていることに留意することが重要です。エンジニアは、動作原理、性能パラメータ、および制御技術に関する知識を使用して、さまざまなアプリケーションでこれらのデバイスを設計および実装できます。技術と制御戦略が進歩し続けるにつれて、単相制御整流器は最新の電気システムの要求を満たすために重要な部品であり続けるでしょう。

セミ / デュアル / フル / 直列コンバータ

出力電圧を制御するために使用されるコンバータの種類に基づいて、単相制御整流器はいくつかのカテゴリに分類できます。これらのカテゴリには、セミコンバータ、デュアル、フル、および直列コンバータなどがあります。

単相デュアルコンバータ

デュアルコンバータは単相制御整流器のカテゴリに属し、入力電圧の正および負の半周期を負荷に供給する能力を備えています。これにより、半波コンバータよりも汎用性が高くなります。デュアルコンバータは2つのコンバータで構成されており、1つは整流器として、もう1つはインバータとして動作し、双方向の電力フローが必要なアプリケーションで使用可能です。さらに、デュアルコンバータは4象限動作用に特別に設計されており、リバーシブルおよび可変速DCドライブで一般的に使用されています。

最初の象限は前進駆動用であり、コンバータ1は整流器モードでオンになっており、サイリスタの点弧角は90度よりも低くなっています。2番目の象限は回生制動用で、コンバータ2がインバータモードでオンになっており、サイリスタの点弧角が90度を超えています。3番目の象限は逆方向駆動用で、コンバータ2が整流器モードでオンになり、サイリスタの点弧角が90度よりも低くなります。4番目の象限は回生制動用で、コンバータ1がインバータモードでオンになっており、サイリスタの点弧角が90度を超えています。

デュアルコンバータは汎用性と双方向の電力フローが向上しますが、複雑さと部品要件が高いため、セミコンバータや単相全波制御整流器と比較してコストが高く複雑になります。さらに、デュアルコンバータは、入力電流に高調波歪みを発生させる可能性があり、伝送および分配システムの電力損失の増加、および電磁障害の問題につながる可能性があります。したがって、効率的で高性能なパワーエレクトロニクスシステムを設計するためには、さまざまな整流器タイプ間のトレードオフを注意深く評価することが重要です。

単相セミコンバータ

単相セミコンバータは、2つのサイリスタまたはSCRと2つのダイオードで構成されています。ソリッドステートスイッチとして機能するSCRは、トリガされたときに電流を一方向に流すことを可能にします。これらのデバイスはサイリスタとも呼ばれます。単相セミコンバータでは、1つのダイオードと1つのSCRがAC入力電圧の正の半周期を制御し、もう1つのダイオードとSCRが負の半周期を制御します。負荷に供給される平均DC電圧は、SCRへのトリガーパルスのタイミングを制御することで調整できます。SCRの伝導角は、電流を伝導する、サイリスタが順方向バイアス状態にある期間です。AC波形のゼロクロッシングポイントに対するサイリスタトリガーパルスのタイミングによって伝導角が決まります。伝導角はトリガーパルスのタイミングを調整することで変更でき、負荷に供給される平均DC電圧を制御できます。

セミコンバータは、2つのSCRと2つのダイオードを使用して負荷に供給されるDC電圧を簡単かつ効果的に制御する方法を提供します。しかし、出力電圧はピーク入力電圧の64%に制限され (以下の余談で説明)、負荷に供給される平均DC電圧は全波整流器よりも低くなります。ピーク入力電圧がV_P、SCRの点弧角がαの場合、出力電圧の平均値は次のようになります。

$$V_{DC} = \frac{V_P}{\pi} (1 + \cos\alpha)$$

したがって、最大出力電圧は次のようになります。

$$V_{DC_{max}} = \frac{2 \cdot V_P}{\pi} \approx 0.64 \cdot V_P$$

単相セミコンバータは、I象限内の順方向駆動用である1つの象限動作のみを実行します。最適な性能と効率を確保するためにパワーエレクトロニクスシステムを設計する際には、異なるタイプの整流器間のトレードオフを注意深く考慮することが不可欠です。

単相フルコンバータ

単相フルコンバータは4つのSCRを使用して一定のDC出力電圧を供給します。デュアルコンバータと同様に、フルコンバータは無停電出力電圧を提供し、双方向の電力フローに対応します。4つのSCRを実装することで、フルコンバータはAC入力電圧の正および負の半周期の両方に連続出力電圧を供給することができます。

フルコンバータは、I象限での正転運動とIV象限での逆転制動の2つの象限で動作します。正転運動の間、入力電圧は出力電圧と同じ極性で負荷に印加されます。逆転制動時には、入力電圧が出力電圧と反対の極性で負荷に印加されるため、負荷は熱としてエネルギーを放散したり、電源にエネルギーを戻したりすることができます。これにより、フルコンバータは、力行や制動動作に双方向の電力フローが必要なDCモータドライブなどのアプリケーションに適しています。

単相フルコンバータは2つの象限で動作します。1つ目は正転運動用、もう1つ目は逆転制動用です。第1象限動作では、入力電圧は出力電圧と同じ極性で負荷に供給され、第4象限動作では、入力電圧は出力電圧と反対の極性で負荷に印加されます。これにより、負荷は熱としてエネルギーを放散するか、または電源にエネルギーを戻すことができるため、フルコンバータは、力行と制動動作の両方が必要とされるDCモータ駆動のような双方向の電力フローアプリケーションに最適です。

フルコンバータは、双方向の電力フローと連続出力電圧を提供し、4つのSCRと追加の制御回路が必要です。フルコンバータは、入力電流に高調波歪みを発生させる可能性があり、電力損失の増加や電磁障害などの問題につながる可能性があります。したがって、最適な効率と性能を達成するためには、パワーエレクトロニクスシステムを設計する際に、さまざまなタイプの整流器間のトレードオフを注意深く評価することが重要です。

単相直列コンバータ

直列コンバータは、セミコンバータとデュアルコンバータの組み合わせを使用して、正と負の両方の出力電圧を供給します。これらは2つのセミコンバータと直列に接続されたデュアルコンバータで構成されています。直列コンバータは、高出力と出力電圧の正確な制御を必要とするアプリケーションで一般的に使用されます。

三相制御整流器

三相制御整流器は、三相交流電力を直流電力に変換するために利用されるパワーエレクトロニクスで広く使用されている部品です。これらの整流器は、電源、可変速ドライブ、モータコントローラなど、さまざまな分野で使用されています。三相制御整流器の基本的な構成は、ブリッジトポロジーに配置された6つのダイオードと、ダイオードと並列に接続されたサイリスタまたはその他の半導体スイッチで構成され、整流器の出力電圧を調整します。三相制御整流器には主に6パルス整流器と12パルス整流器の2種類があります。6パルス整流器は最もシンプルで、最も一般的に使用されています。整流回路の各フェーズで直列に接続された3つのサイリスタがあり、これらが順番にオンになりパルス出力電圧が生成されます。次に、出力電圧はフィルタコンデンサを使用して平滑化され、DC電圧が生成されます。

図10 : 三相 6パルス全波制御整流器

一方、12パルス整流器には、2つの6パルス整流器が並列に接続されており、よりスムーズなDC出力電圧を生成します。

図11 : 三相 12パルス全波制御整流器

三相制御整流器には、単相制御整流器に比べて、より高い出力、より低い高調波歪み、より高い効率など、いくつかの利点があります。しかし、それらはより複雑で、より高度な制御システムを必要とします。さらに、それらはより多くの半導体スイッチを必要とし、整流回路のコストを増加させる可能性があります。

入力電流高調波歪み

産業用アプリケーションでは、調整可能な電力で調整可能なDC電圧を提供できるため、三相制御整流器が広く利用されています。しかし、これらの整流器は入力電流高調波歪みという形式の大きな欠点を持っています。整流回路の非線形性により、入力電流に高調波が含まれ、電力システムに障害が発生し、他の接続機器の性能に悪影響を及ぼす可能性があります。全高調波歪み (THD) 係数を使用して、入力電流高調波歪みを測定できます。THD係数は、入力電流の高調波成分の2乗平均平方根 (RMS) 値と基本周波数成分のRMS値の比率を表します。THD係数が高いと、電圧歪みが発生し、電力品質が低下し、電力損失が増加する可能性があります。

したがって、電源システムの性能と信頼性を向上させるには、THDの要素を最小限に抑えることが不可欠です。高調波注入、パルススキップ、空間ベクトル変調など、三相制御整流器の入力電流高調波歪みを低減するために、異なる制御方式を使用することができます。

出力リップル電圧

三相制御整流器の出力リップル電圧とは、意図したDC出力電圧の定数値からの変動のことを指します。このリップル電圧は、サイリスタのスイッチング動作によって生じる整流された出力波形のパルス特性の結果です。

三相制御整流器の出力リップル電圧の振幅は、負荷電流とAC入力電圧の周波数の両方に正比例します。したがって、負荷電流が増加したり、入力電圧周波数が低下したりすると、出力リップル電圧の振幅も増加します。このリップル電圧の増加により、DC出力電圧の全体的な品質が低下します。

三相制御整流器の出力リップル電圧を低減するために、容量性、誘導性、LCフィルタリングなどのさまざまな技術が利用されています。これらのフィルタリング技術は、コンデンサやインダクタなどの受動素子を利用して、パルスDC出力波形を平滑化し、出力リップル電圧の振幅を低減します。

フィルタリング技術の選択は、特定のアプリケーションと必要なリップル低減のレベルによって異なります。容量性フィルタリングは、シンプルで費用対効果の高い方法ですが、高次高調波を低減するのには効果的ではありません。誘導性フィルタリングは高次高調波を低減するのに効果的ですが、より複雑で高価です。LCフィルタリングは、最高レベルのリップル低減を実現しますが、最も複雑で高価なフィルタリング技術でもあります。

三相制御整流器で安定した一定のDC出力電圧を維持するには、出力リップル電圧を低減することが重要です。フィルタリング技術の実装は、出力リップル電圧の振幅を効果的に減少させ、DC出力電圧の全体的な品質を向上させることができます。

効率

効率は三相制御整流器の設計と動作において重要な要素です。整流器の効率は、DC出力電力と総入力電力の比率として定義されます。三相制御整流器では、採用されている制御方式、負荷特性、スイッチング周波数など、いくつかの要因が効率に影響を与える場合があります。

通常、出力電圧と電流が一定であり、損失が最小限に抑えられている場合に、最高の整流器効率が達成されます。しかし、実際のアプリケーションでは、出力電圧と電流が一定ではなく、スイッチングや伝導などによって整流器が損失を被ることがあります。効率を向上させるためには、整流回路の損失を減らす必要があります。

パルス幅変調 (PWM) 制御などの高周波スイッチング方式を利用することで、スイッチング損失を低減し、整流器の効率を高め、損失を低減することができます。さらに、共振スイッチングなどのソフトスイッチング技術を実装することで、スイッチングデバイスの電圧と電流のストレスを低減し、整流器の全体的な効率を向上させることができます。

三相制御整流器の効率は、負荷条件によって変動する可能性があることに留意することが重要です。例えば、回路のアイドル損失は、低負荷条件での効率を大幅に低下させる可能性があります。そのため、三相制御整流器の設計・運転を行う際には、負荷条件を考慮して効率を最適化することが必須です。

セミ / デュアル / フル / 直列コンバータ

三相セミコンバータ

半制御コンバータとも呼ばれる三相セミコンバータは、ダイオードとサイリスタの両方を使用して三相AC電圧を整流します。これらのコンバータには、3つのダイオードと3つのサイリスタからなるブリッジ構成が含まれています。サイリスタを特定の角度αで点弧することで、負荷を流れる電流を制御することができます。セミコンバータは、バッテリ充電器やDCモータドライブなど、単方向の電力フローを必要とし、誘導負荷を持つアプリケーションで一般的に使用されます。

三相セミコンバータのメリットは次のとおりです。

フルコンバータと比較して回路を簡略化し、全体的なコストが削減
単相コンバータと比較して、出力電圧波形が滑らかで高調波を低減

ただし、三相セミコンバータは出力電流が不連続であるため、追加のフィルタリングが必要になる場合があります。

三相フルコンバータ

三相フルコンバータは、セミコンバータとは異なり、ブリッジ構成で6個のサイリスタを使用して、整流プロセスを完全に制御します。サイリスタの点弧角を調整することで、出力電圧を精密に制御することができます。これらのコンバータは、回生制動システム、可変周波数ドライブ、高電力バッテリーチャージャなど、双方向の電力フローと正確な電圧制御を必要とするアプリケーションに最適です。

三相フルコンバータのメリットは次のとおりです。

連続的で制御可能な出力電流
出力電圧と力率の制御を強化
双方向の電力フローによる効率向上

しかし、フルコンバータはセミコンバータに比べて高調波成分が高く、より複雑な制御回路が必要になります。

三相デュアルコンバータ

三相デュアルコンバータは、2つの三相フルコンバータで構成されており、並列または直列に接続して4象限動作を可能にします。この構成により、出力電圧の大きさだけでなく極性も制御できるため、大型クレーン、エレベータ、電気自動車など、急速な方向反転や動的トルク制御が必要なアプリケーションに最適です。

三相デュアルコンバータのメリットは次のとおりです。

4象限動作により、モータのトルクと速度をより細かく制御
回生ブレーキシステムのエネルギー回収を可能にする双方向電力フロー
電圧と極性を独立して制御することにより、動的応答が向上

ただし、三相デュアルコンバータは、他の制御整流器に比べて複雑で高価なため、精密な制御と迅速な応答が不可欠な高性能アプリケーションに適しています。

高調波低減および力率改善用の高度な制御

消弧角制御

消弧角制御は、交流電力システムの力率を高め、高調波歪みを低減するために使用されるパワーエレクトロニクス技術です。通常、AC電圧レギュレータおよびACモータ速度コントローラで使用されます。この方法では、AC波形の半周期ごとに、制御整流回路内のサイリスタのターンオン時間を遅らせることが含まれます。この遅延を消弧角といい、調整することで負荷に供給される電力を調整することができ、力率の向上と高調波歪みの低減につながります。

消弧角制御は、特に高電力アプリケーションでAC電圧レギュレータの出力電圧を調整するのに便利な方法です。これにより、負荷の変化にもかかわらず安定した出力電圧を維持しながら、力率と高調波歪みを許容レベルに維持することができます。この技術は、効率を高め、電力の質を向上させ、電磁障害を最小限に抑えるため、パワーエレクトロニクスエンジニアにとって貴重なツールです。これらはすべて、最新の電力システムにとって重要です。

対称角制御

電力系統で対称角制御を使用すると、力率を高め、高調波を減少させることがでます。基本的に、この方法では、入力電流波形が入力電圧波形に似ることを保証するために、パワーコンバータ内のスイッチングデバイス (サイリスタやIGBTなど) のタイミングを管理する必要があります。このプロセスにより、力率が向上し、システム内の高調波が減少します。

スイッチングデバイスのオン時間とオフ時間の調整は、意図した入力電流波形を達成するために対称角制御に不可欠です。この調整は一般的に、電圧波形と電流波形の間の位相角または遅延を変更することによって実行されます。これは、点弧角または伝導角とも呼ばれます。点弧角を正確に制御することで、入力電流波形をより正弦波形状に整形し、高調波歪みを低減することができます。

対称角制御は、主にシステム効率を高め、電磁障害を最小限に抑えるために、モータ駆動などの高出力アプリケーションでよく使用される技術です。複雑な制御方式であり、高度な制御アルゴリズムとスイッチングデバイスの正確なタイミング制御が必要となります。しかし、適切に適用すると、対称角制御は力率を向上させ、高調波歪みを抑制することができます。

定電圧制御

定電圧制御は、入力AC電圧や負荷条件の変化に関係なく、整流器の出力DC電圧を一定の値に調整するために使用される技術です。これは、出力DC電圧を常に監視し、希望の値を維持するように調整するフィードバックループを使用して実現されます。通常、電圧レギュレータは定電圧制御を実装するために使用されます。定電圧制御は整流器の出力DC電圧を入力として受け取り、それを目的の出力電圧を表す基準電圧と比較します。出力DC電圧と基準電圧の間に偏差がある場合、電圧レギュレータは出力を調整して偏差を修正し、出力DC電圧を希望の値に戻します。

電圧レギュレータには、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの2つの主要なタイプがあります。リニアレギュレータはトランジスタを使用して出力電圧を制御し、スイッチングレギュレータはパルス幅変調 (PWM) 技術を使用して出力電圧を調整します。各タイプの電圧レギュレータには利点と欠点があり、選択は特定のアプリケーション要件に依存します。リニアレギュレータでは、トランジスタのベースに一定の電圧がツェナーダイオードによって供給され、連続的な電流の流れが必要です。コレクタの電流は負荷電流とツェナーダイオード電流の合計であり、直列制限抵抗により不必要な電力損失が発生します。

図12 : PWM電圧レギュレータ回路 (ブロック図)

リニアレギュレータに固有の非効率性を排除するには、パルス幅変調回路が必要です。

基準周波数の三角形 / 台形波は、発振器によって生成されます。基準電圧を出力電圧と比較します。両方の信号は、これらの値の差を増幅するエラーアンプに送られます。生成された信号 (エラーアンプから送信される信号) はパルス幅変調器に送信されます。PMWは、生成された信号振幅とオシレータによって生成された台形信号を比較して、パルスが回路から出てくる時間を決定します。

出力電圧は、次の式を使用して計算されます。

$$V_{out} = \frac{V_{in} \cdot T_{on}}{T_{on} + T_{off}}$$

ここで :

V_in – 入力電圧

T_on – エラーアンプから送信される信号が発振器によって生成される信号よりも低い間の時間間隔 (1サイクル)

T_off - エラーアンプから送信される信号が発振器によって生成される信号よりも大きい間の時間間隔 (1サイクル)

時間間隔T_onの間、スイッチは閉じます。インダクタは充電を開始し、磁場を作ります。また、コンデンサは充電を開始し、電界を作り出します。これで、スイッチをオフにすると (時間間隔T_offの間)、インダクタの磁場が崩壊し、ツェナーダイオードを通ってグラウンドに電流が流れます。そのため、インダクタに蓄積されたエネルギーを、グランドからV_out電位の方向で負荷に供給します。コンデンサの電気エネルギーは放電し、電流は負荷を同じ方向に流れます。与えられた負荷電流では、出力電圧は安定した状態を維持します。したがって、パルス全体が希望の出力電圧値を提供するのには十分です。

負荷が上昇すると、より大きな電流需要があると出力電圧値が低下します。基準電圧と出力電圧の差は誤差より大きくなり、エラーアンプの出力に誤差電圧が発生します。PWMの台形信号と比較して、合計電圧値が低下します。そのため、時間間隔T_offも減少し、時間間隔T_onも増加します。これは、インダクタの磁界とコンデンサの電界が、新しいT_off期間中の負荷要求を満たすのに十分な大きさになることを意味します。このようにして、負荷が増加しても出力電圧は安定した状態を維持します。入力電圧が変化した場合にも同じアプローチが適用されます。

定電圧制御は、整流器の出力DC電圧を調整する基本的な側面であり、入力AC電圧の変動や負荷変化に直面しても安定性と信頼性を確保します。この機能は、正確で一貫性のあるDC電圧供給を必要とするアプリケーションで特に重要です。定電圧制御は、電力損失を低減し力率を向上させることにより、エネルギー効率を向上させ、長期的に運用コストを削減することができます。

結論として、連続電圧制御の原理と実装を理解することは、効率的で高品質のパワーエレクトロニクスシステムを設計および維持する上で重要です。電圧レギュレータの選択は、希望のレベルの定電圧制御を達成するために重要です。整流回路の適切な設計と制御は、さまざまなアプリケーションで信頼性の高い動作を保証するために不可欠です。

定電流制御

三相ダイオード整流器で広く使用されている制御技術には、入力AC電圧や負荷条件の変動に関係なく、固定DC出力を維持することを目的とした定電流制御があります。

定電流制御を実現する1つの方法は、直流出力をモニタし、目的の値を維持するように調整するフィードバックループを使用することです。このフィードバックループは、出力の直流電流を目的の出力を表す基準電流と比較する電流レギュレータを使用して実装できます。出力DCが基準電流と異なる場合、レギュレータは出力を調整して差を補正し、出力DCを目的の値に戻します。

アプリケーションの特定のニーズに応じて、定電流制御を実装するためのさまざまな方法があります。広く使われている技術は、シャント抵抗の抵抗を変更して出力電流を管理するリニアレギュレータであるシャントレギュレータを利用することです。もう1つのアプローチは、降圧コンバータや昇圧コンバータなどのスイッチングレギュレータを使用することです。これは、スイッチングトランジスタのデューティサイクルを調整して、出力電流をより効率的に調整します。

定電流制御は、主に正確な電流制御が必要なアプリケーションや、非常に可変負荷が関与するアプリケーションで、他の制御方法と比較して有利な制御方法です。整流器の出力電流を調整することにより、定電流制御はシステムの安定性と信頼性を高め、過負荷や過熱のリスクを低減し、短絡などの障害に対するより良い保護を提供します。さらに、定電流制御はシステムの力率を向上させることができ、全体的な電力損失を低減し、エネルギー効率を向上させることができます。

要約すると、三相ダイオード整流器の場合、特に精密な電流レギュレーションや非常に可変な負荷を必要とするアプリケーションでは、定電流制御は重要な制御方法です。効率的で高品質なパワーエレクトロニクスシステムを設計および維持するには、定電流制御の原理と実装に精通している必要があります。

電圧- PWM制御

電圧供給パルス幅変調 (PWM) 制御は、三相ダイオード整流器を調整するための一般的な方法であり、その動作原理は簡単です。制御システムは、高周波パルス発生器を使用して、整流器のスイッチングデバイスを動作させるPWM信号を生成します。パルスジェネレータは、スイッチングデバイスのオン / オフ時間を決定する一定の周波数と可変デューティサイクルの信号を生成します。PWM信号のデューティサイクルが上昇すると、負荷に供給される電圧も増加します。

電圧供給PWM制御を実装するには、パルスジェネレータとスイッチングデバイスの2つのプライマリステージがあります。パルス発生器は、マイクロコントローラを使用したアナログまたはデジタル回路を通じて実現できます。アナログ回路は、基準電圧と比較してPWM信号を生成するノコギリ波形を生成します。逆に、デジタル回路はマイクロコントローラと一連の事前に決定されたアルゴリズムを利用してPWM信号を生成します。

電圧供給パルス幅変調 (PWM) 制御は、パワーエレクトロニクスアプリケーションに広く使用されています。PWM制御に使用されるスイッチングデバイスは、電圧出力を調整するため、このシステムの重要な部品です。これらのスイッチングデバイスを実装するためには、バイポーラジャンクショントランジスタ (BJT)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) など、さまざまな技術が利用可能です。

MOSFETとIGBTは、利用可能な技術の中で、電圧供給 PWM制御で最も頻繁に使用されるスイッチングデバイスです。その高効率がその理由の1つであり、低電力損失アプリケーションに適した選択肢となっています。MOSFETとIGBTは、高速スイッチング速度を有しており、高周波で動作することもできます。

電圧供給PWM制御でこれらのデバイスが広く使用されるようになったもう1つの要因は、実装の容易さです。MOSFETとIGBTには、さまざまなサイズと定格電圧があり、異なるアプリケーションに汎用性があり適応できます。

電圧供給 PWM制御は、三相ダイオード整流器の調整に多くのメリットをもたらします。高周波PWM信号は、出力電圧波形の高調波歪みを最小限に抑え、効率を向上させ、ノイズを低減します。PWM信号の可変デューティサイクルは出力電圧を調整するため、制御システムは、入力電圧と負荷条件が変化しても一定の出力電圧を維持できます。

電圧供給PWM制御は、三相ダイオード整流器のレギュレーションに非常に効果的であり、効率の向上、高調波歪みの低減、正確な出力電圧調整などの利点により、さまざまなパワーエレクトロニクスアプリケーションに人気のある選択肢となっています。電圧供給PWM制御の原理と実装を理解することは、高品質で効率的なパワーエレクトロニクスシステムの開発と維持に不可欠です。

電流供給PWMコントロール

電流供給パルス幅変調 (PWM) 制御は、出力電流を正確に制御する三相ダイオード整流器で広く使用されている制御方式です。整流回路への入力電圧を調整するフィードバックループを介して出力電流を制御します。

電流供給 PWM制御では、整流回路への入力電圧は直列共振回路を使用して制御されます。この共振回路は、ソースと整流器の間に挿入され、バッファとして機能します。入力電圧の周波数に同調され、共振回路を横切る電圧を使用して整流器のスイッチングを制御します。この制御方式により、入力電流と電圧をより適切に管理できるため、効率が向上し、電磁障害が低減されます。さらに、ソフトスイッチングを可能にするような共振回路の設計が可能であり、スイッチングデバイスの負担を軽減し、寿命を延ばすことができます。電流供給PWM制御は、通常、モータドライブや電源などの高電力アプリケーションで使用されます。一定の出力電流を確保するために、PWM信号はスイッチング信号のデューティサイクルを変更することで整流器のスイッチングを調整します。

電流供給PWM制御でのPWM信号の生成には、出力電流を継続的にモニタし、基準電流に応じてスイッチング信号のデューティサイクルを調整する必要があります。このフィードバックループにより、入力電圧や負荷が変化しても、一定の出力電流を維持することができます。

他の三相ダイオード整流器を制御する方法と比較して、電流供給PWM制御は、高効率、低高調波歪み、および出力電流の正確な制御を提供し、整流器回路が電力システムに与える影響を低減するのに役立ちます。ただし、この方法にはいくつかの制限があります。整流器のスイッチングを制御するために入力電圧の周波数に同調する、バッファとして機能する共振回路を使用する必要があります。共振回路の実装は困難でコストがかかる場合があります。さらに、負荷の変動によって出力電流の安定性が影響を受け、アプリケーションによっては信頼性が制限される場合があります。

結論として、電流供給PWM制御は、正確な出力電流制御と高効率を提供する三相ダイオード整流器の効果的な制御方法です。しかし、そのアプリケーションは複雑で負荷の変化の影響を受けやすい場合があります。したがって、効率的なパワーエレクトロニクスシステムを設計および維持するためには、電流供給PWM制御の原理と実装を理解することが重要です。

SPWM制御

正弦波パルス幅変調 (SPWM) は、パワーエレクトロニクスの力率を改善し、高調波歪みを低減するための一般的な手法です。SPWMでは、基準波形を高周波三角波形と比較し、その差を使用して幅の異なる一連のパルスを生成します。これらのパルスは、MOSFETやIGBTなどのスイッチングデバイスに印加され、出力電圧または電流波形を制御します。SPWMは、基準波形と搬送波波形の振幅と周波数を調整することにより、最小の高調波歪みと高い力率で高品質の正弦波波形を生成することができます。SPWMは、パワーエレクトロニクスシステムの効率と信頼性を大幅に向上させることができるため、モータードライブや再生可能エネルギーシステムなどのアプリケーションで特に役立ちます。

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