インバータコントローラ

インバータ制御のシステムは 2 つの機能回路で構成されます。 1つは交流電圧の「原点波発生器」、もう1つは目的の交流電圧波を生成する「交流発生器」です。 Origin Wave Generator は、高さは同じですが、幅はジェネレーターによって選択される一連のパルスを作成します。 一連のパルスは、対象となる交流波の「原点波」です。 各パルスの幅は、後で説明する特別な計算によって決定されます。
そして交流発電機は原点波を交流波に変化させます。 この回路には、内部に複数のスイッチのペアがあります。 説明を簡単にするために、機能回路内に 2 つのスイッチのペアが 1 つだけ存在する場合を考えます。 1 つのスイッチの端子の 1 つは DC 電圧源 (V+) に接続され、もう 1 つのスイッチの端子はグランド レベルに接続されます。 両方のスイッチのもう一方の端子は互いに接続され、AC ジェネレーターの出力端子となります。 各スイッチは、Origin Wave の Modification Wave によって制御されます。 この構成では、DC 電圧レベル (V+)、グランド レベル、および V+ とグランドの間の中間レベルの 3 つの電圧レベルを生成できます。
この説明は 2 つのスイッチのみに特化していますが、より多くのスイッチと高度なスイッチ制御により、単純な DC レベルと GND レベルからより複雑な AC 波が生成されることは明らかです。

サインカーブ
多くの場合、ターゲットとなる AC 波は正弦波になります。 たとえば、理想的な正弦曲線では最も静かな回転、または最小の電力消費が得られるため、モーター制御システムではモーターを駆動するために正弦波が必要になります。 また、商用電力線に60Hzの正弦波を発生させるパワーコンディショナーもその例です。
サインカーブの原点波は以下のように生成されます。
最初に、何らかの定義を行う必要があります。 AC ジェネレーターの最大出力レベルと最小出力レベルはそれぞれ +V と -V です。 また、出力となるサインカーブの振幅は値 2 x V より小さくなります。
次に二等辺三角形を用意します。 三角形の高さは 2 x V で、水平軸 (時間軸) に沿って繰り返し、底辺は固定時間間隔です。 正弦曲線は、三角形の背景とともにチャート上に配置されます。
三角形の値と正弦曲線の値を比較し、正弦曲線が三角形より大きい場合は「1」、そうでない場合は「0」と定義します。 これにより、正弦曲線の原点波である単位高さのパルスが連続して取得されます。
Origin Wave (Signal S) は、サインカーブの値が大きいほど幅の広いパルスが現れるのが特徴です。 パルスの面積を変更せずに隣接する空間を埋めるようにパルスが変更されるかどうかをよりよく理解するために、正弦曲線の形状が現れます (信号 Sa)。 容易に想像できるように、二等辺三角形が急峻になる（底辺が小さくなる）ほど、その形状はサインカーブに近づきます。 なお、信号Ｓａは現実の波ではなく概念的な波である。
Origin Wave のような、一定の高さと可変幅のパルスで構成される波を生成する技術は、PWM (パルス幅変調) と呼ばれます。 PWM技術によりインバータ制御を実現。

フィードバック制御
インバータ制御の基本的な機能は、原点波発生器が PWM 原点波を生成し、AC 発生器が原点波によって変換された正弦波を生成することです。 実際の実装ではこれがすべてではありません。 制御システムの内部には、電気の世界では「負荷」と呼ばれるモーターなどの装置が組み込まれています。 負荷が動作すると、AC 発電機の出力の正弦波が歪みます。 正弦波の振幅が減少したり、位相がわずかに変化したり、周波数が不安定になったりする可能性があります。
理想的な正弦波曲線を取得するには、システムにさらにいくつかの機能が必要です。 交流発電機（負荷の入力）の出力波形のモニター機能です。 次に、監視された信号を理想的な波形と比較する必要があります。 その結果、監視される信号の振幅が小さい場合、Origin Wave Generator の出力である PWM パルスは長くなるはずであり、その逆も同様です。 このプロセスを繰り返すと、出力波形は理想波形に非常に近くなり、波形を同じ形状に保つように努めます。
上述のようなループは、一般的に「フィードバック制御」システムとしてよく知られている。 フィードバック制御により、インバータ制御はさまざまな異なる負荷値に適用できます。

インバータ制御に必要な回路
交流発電機の出力を監視する監視回路、二等辺三角形生成器、監視信号と二等辺三角形の比較回路（信号Sの生成器）、監視信号の信号Sと理想信号Sの比較器正弦波、理想信号 S の保存、PWM パルス発生器、そしてもちろん AC 発生器自体も含まれます。
AC ジェネレーター出力のモニター回路は、モニターされたアナログ信号をデジタル値に変換する AD コンバーターになります。 この変換により、変換値と二等辺三角形の値（デジタル値）の大小比較が容易になります。
二等辺三角形を作るためにカウンタ回路を使用します。 カウンタはかなり速い周波数クロックでパルスをカウントする必要があり、事前に定義されたカウント値に達するまでインクリメントし、カウント値に到達するとデクリメントします。 二等辺三角形を生成します。
比較はデジタル計算回路によって行われます。
理想的なサインカーブの信号Ｓは記憶メモリに記憶される。
また、PWM パルスは、一連の PWM パルスの制御専用の特別な回路によって生成されます。

制御目標
パワーエレクトロニクス インバータ制御の主な目的は、出力電圧または出力電流を調整し、系統または負荷と同期し、高調波歪みとスイッチング損失を最小限に抑え、システムの安定性と信頼性を確保することです。 アプリケーションと動作条件に応じて、さまざまな制御戦略と技術を適用して、これらの目的を達成できます。 一般的なものとしては、パルス幅変調 (PWM)、ヒステリシス制御、空間ベクトル変調 (SVM)、ドループ制御などがあります。

制御方法
パワーエレクトロニクス インバータの制御方式は、線形と非線形の 2 つのカテゴリに分類できます。 線形制御方法では、比例積分 (PI) コントローラーや比例積分微分 (PID) コントローラーなどの線形フィードバック コントローラーを使用して、出力電圧または電流を調整します。 シンプルで実装は簡単ですが、堅牢性、帯域幅、動的パフォーマンスの点で制限があります。 非線形制御方法では、スライディング モード制御 (SMC) やファジー ロジック制御 (FLC) などの非線形フィードバック コントローラーを使用して、出力電圧または電流を調整します。

制御ループ
パワーエレクトロニクス インバーターの制御ループは、内部と外部の 2 つのレベルに分割できます。 内部制御ループは、基準信号とフィードバック信号に基づいて、インバータ スイッチのスイッチング信号を生成する役割を果たします。 外側の制御ループは、必要な出力電圧または電流に基づいて、内側の制御ループの基準信号を生成する役割を果たします。 内側の制御ループは通常、外側の制御ループよりも高い周波数で動作し、高速かつ正確な応答を保証します。

コントロールの課題
パワーエレクトロニクス インバータの制御は、パラメータの変動、非線形性、不確実性、外乱、制約などのいくつかの課題に直面しています。 これらの要因はシステムのパフォーマンスと安定性に影響を与える可能性があり、適応的で堅牢な制御技術が必要です。 さらに、パワーエレクトロニクス インバータの制御には、効率、品質、信頼性などの相反する目標間のトレードオフも関係します。 これらのトレードオフには、最適化と多目的制御技術が必要です。

インバータがどのように DC 電力を AC に変換するかを理解する簡単な方法は、インバータ回路を 2 つのスイッチの 2 組、合計 4 つのスイッチとして見ることです。 スイッチ 1 と 3 が閉じるとスイッチ 2 と 4 が開くように、スイッチはペアになっています。 次に、1 と 3 が開くと、2 と 4 が閉じます。 スイッチの各ペアは、閉じると電流の方向を切り替えます。

インバータ回路では実際にはスイッチは使用されません。 スイッチの代わりに、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBP) や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) などのトランジスタがスイッチとして機能します。

これらのトランジスタは、開閉時に電流を徐々に増減させることもできます。 これは、電流出力が正弦波の形になるために必要です。 トランジスタが瞬時に開閉すると、インバータからの出力は方形波となり、多くのデバイスでは AC 電流として安全に動作しません。

最後に、インバータの電圧レベルを 120 VAC に上げる必要があります。 インバーターはそれを実現するために昇圧トランスを使用します。