インバータの原理について教えて下さい

質問

インバータについて、以下を教えて下さい。
（１）PWMコンバータの動作原理
（２）PWMコンバータを使用すると、ダイオードブリッジを使用した整流回路に比べて、高調波成分が減るのでしょうか？その理由は？
（３）PAMインバータの動作原理

回答No.3

foobar · ベストアンサー

「整流器（順変換）」＋「DCDCコンバータ」＋「インバータ（逆変換）」の構成に対応させると
ダイオード整流器＋チョッパの構成だと、チョッパがDCDCコンバータに対応します。

また、順変換に能動的な変換器を使う場合には、DCDCコンバータ（昇圧）の機能も、順変換の中で実現することになります。

電圧源型のPAMインバータの構成は、他にもあるかと思います。
が、いずれにせよ直流リンク電圧を出力に応じて変化させる必要があり、その追従特性があまり早くない（直流リンクには大容量のコンデンサが繋がっていることが多いので）のもそれほど使われない一因かと思います。

補足

ご回答有難うございます。

＞「整流器（順変換）」＋「DCDCコンバータ」＋「インバータ（逆変換）」の構成に対応させるとダイオード整流器＋チョッパの構成だと、チョッパがDCDCコンバータに対応します。

了解しました。

＞また、順変換に能動的な変換器を使う場合には、DCDCコンバータ（昇圧）の機能も、順変換の中で実現することになります。

了解しました。この順変換に能動的な変換器を使う場合のDCDCコンバータは、どのような名称なのでしょうか？

＞電圧源型のPAMインバータの構成は、他にもあるかと思います。
が、いずれにせよ直流リンク電圧を出力に応じて変化させる必要があり、その追従特性があまり早くない（直流リンクには大容量のコンデンサが繋がっていることが多いので）のもそれほど使われない一因かと思います。

了解しました。

図１は、直流を単相交流に変換するインバータ「フルブリッジインバータ」の原理図です。また、下記はその動作原理です。PWMコンバータは、下記の反対の動作をするものと理解して良いでしょうか？

まず、すべてのスイッチを全部閉じた状態から、Ｓ1とＳ4を同時に閉じれば、 負荷に対してＡからＢの方向に電源電圧Eが加えられ、実線→の方向に電流ｉが流れる。
次に、Ｔ/2秒後にＳ2とＳ3を閉じると同時に、 Ｓ1とＳ4を開くと負荷に加えられる電圧はＢからＡの方向へと切り替わる。したがって、電流も破線→の方向に流れる。
更にＴ/2秒後にＳ1とＳ4を閉じると同時に、Ｓ2とＳ3を開く。これを繰り返すと、周期Tの単相交流が得られる。

http://www.shasej.org/gakkaishi/0011/0011-koza-02.html

回答No.2

foobar

＃１です。（どういう説明が一番しっくり来るか。チョッパで説明してみます。）

まず、（電圧型の）PWMコンバータは、一方が直流、もう一方が交流になっていて、直流電圧＞交流電圧ピーク値、になっています。
PWMのスイッチング周期が十分短いとすると、スイッチング1周期中は交流側の電圧は変化せず、交流の一線分に着目すると昇圧チョッパと同じ作用になっています。（コンバータが交流側から見ると短時間短絡して、交流側のリアクトルの電流が上昇、次に短絡していたスイッチがOPENになってリアクトルの出力が直流リンクにつながり、電流が直流リンクに流れこむ。同時にリアクトルの電流が減少する。）
この時のPWMパターンを見ると、交流側の電圧が低い時には昇圧比を大きくするため、短絡の期間が長くなり（ということは直流リンクとつながる時間が短い）、交流側の電圧が高くなるにつれ短絡の期間が短くなり、直流リンクにつながる時間が長くなります。
このPWMの様相を一旦交流回路と切り離してみると、ちょうど直流リンクの電圧をPWMして入力の交流電圧と同じ電圧を出している状況になっています。
（これが、＃１で書いた、「入力交流電圧とほぼ等しい電圧を作る」に相当します。）

交流と交流
これは、交流リアクトルの左右を見たときの様相です。
リアクトルの一方は交流の商用電源に、他方はコンバータの交流側につながっています。
（コンバータは、交流と直流を橋渡しするもの、と捉えるのが良いかと思います。電力がどちらの向きに流れるか（交流→直流か、直流→交流か）は制御の仕方でどうにでもできますので。）

入力電流
今、整流器動作として考えているので、入力側が交流、出力側が直流になっています。

PAM制御と整流器
PAM制御するためには、直流リンク電圧を制御できる必要があります。
そのためには、ダイオード整流器ではなくて能動的なコンバータを使用するか、あるいは直流リンクにチョッパを入れて電圧を可変にする（その場合には整流回路はダイオードでもOK）必要があるかと思います。
インバータ入力電圧の自由度で言えば、直流リンクに昇降圧チョッパを入れるほうが、制御の幅は広くなるかと思います。（整流器に能動的な回路を使った場合、交流ピーク値以下の直流電圧にはできないけど、昇降圧チョッパを途中に入れれば、直流電圧を上げることも下げることも可能になるので。）

補足

お返事ありがとう御座います。

＞PAM制御と整流器
＞PAM制御するためには、直流リンク電圧を制御できる必要があります。
一般的にインバータは、
「コンバータ」＋「PWM制御インバータ」
になっております。しかし学術的にはPWM制御インバータと言えば、「PWM制御インバータ」の部分だけを言います。
PAM制御インバータは、
「（順変換）コンバータ」＋「DCDCコンバータ」＋「PWM制御インバータ」
の構成でよろしいでしょうか？

＞そのためには、ダイオード整流器ではなくて能動的なコンバータを使用するか、
これは、「（順変換）コンバータ」＋「DCDCコンバータ」のどの部分になるのでしょうか？

＞あるいは直流リンクにチョッパを入れて電圧を可変にする（その場合には整流回路はダイオードでもOK）必要があるかと思います。
これは、「（順変換）コンバータ」＋「DCDCコンバータ」のどの部分になるのでしょうか？

PAM制御って、あまり使用されていないのでしょうか？そんなに名前を聞きません。

＞＃１です。（どういう説明が一番しっくり来るか。チョッパで説明してみます。）
お手数をお掛けしてすいません。ゆっくりと考えさせて頂きます。

回答No.1

foobar

１．コンバータを整流器として使っている部分については、直流電流をPWM波形でスイッチングすることで、スイッチング中の平均電圧が入力交流電圧とほぼ等しい電圧を作る。この交流と交流系統をリアクタンスをつないで接続し、変換器の交流側電圧の位相と振幅を調節することで、所定の交流電流を取り込み、直流リンクに供給できるようになる。
2. コンバータ入力電圧を正弦波に近付けることができるので、低次の高調波電流は小さくなる。
高次成分は、ACリアクトル（やコンデンサも使ったフィルタ）で効果的に除去できる。
3.整流器にPWMコンバータを使うことで、直流電圧を任意に調節できる。
そこで、直流電圧可変の電源とインバータを組み合わせることで、インバータの出力パルスの振幅自体を変化できるPAM制御が可能になる。
ということかなと思います。

補足

ご回答有難うございます。
＞１．コンバータを整流器として使っている部分については、直流電流をPWM波形でスイッチングすることで、スイッチング中の平均電圧が入力交流電圧とほぼ等しい電圧を作る。
「直流電流をPWM波形でスイッチングすることで、」
この部分がよくわからないです。ようするに、チョッパすることなのでしょうか？
基本的なことですいませんが、PWMコンバータは、交流を直流に変換するのですね。
この変換は、どのようにするのでしょうか？

＞この交流と交流系統をリアクタンスをつないで接続し、変換器の交流側電圧の位相と振幅を調節することで、所定の交流電流を取り込み、直流リンクに供給できるようになる。
上記では、直流を作るのですね。なぜ、交流と交流なのでしょうか？
位相を調整するとは、サイリスタが使用されるのでしょうか？

＞2. コンバータ入力電圧を正弦波に近付けることができるので、低次の高調波電流は小さくなる。
入力電圧ではなく、出力電圧ではないでしょうか？

＞3.整流器にPWMコンバータを使うことで、直流電圧を任意に調節できる。
PAM制御には、必ずPWMコンバータが使用されるのでしょうか？