力率の補正

シミュレーションを使用した力率の補正アルゴリズムの設計、調整、および検証

AC 回路の力率は、電気負荷により使用される瞬間の有効電力の回路を流れる皮相電力に対する比率になります。これは、配電網に付随する負荷により、どれほど効率的に電力が伝達され使用されているかの指標になります。

\[Power \; Factor = \frac{Real \; Power \; (kW)}{Apparent \; Power \; (kVA)}\]

純粋に線形な回路では次のようになります。

\[Power \; Factor = \frac{Real \; Power \; (kW)}{Apparent \; Power \; (kVA)}\]

\(θ\) が下のベクトル電力三角形における有効電力と皮相電力の間の角度になります。

ベクトル電力三角形。

1 に近い力率は、電力網より引き出される電力を最大限に利用します。低い力率は、回路の誘導性および容量素子が、電流の電圧からの遅れまたは進みを引き起こしていることを示しており、使用可能な即時の有効電力を減らし、ケーブルで必要の無い電流容量を消費します。

進みおよび遅れ力率の平均的な電力プロファイル

非線形回路では、力率は線電流での高調波により引き起こされる別の歪み成分により影響されます。

\[Power \; Factor = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + Total \; Harmonic \; Distortion^2}}\]

たとえば、サイズ、コスト、および効率性などの利点のため、スイッチモード電源のような負荷が幅広く使用されます。しかし、力率補正のないスイッチモード電源の不利な点の一つは、MOSFET などの半導体からのスイッチングのため負荷電流に高調波を発生させることにあります。これは負荷電流内の全高調波の歪みを増加させ、電力品質を低下させます。

エンジニアは異なった手法を使用して、そのような電気装置の電力品質を向上させます。線形負荷のための力率改善は、反応性の電力補償によって遅れまたは進み VAR を補償することで可能です。しかし、高調波を発生させる非線形負荷は、高調波を軽減して電力品質を改善するため、調整またはアクティブ高調波フィルターのような力率補正手法を必要とします。そのような力率補正手法は、アナログまたはデジタル コントローラーで制御されたパワー エレクトロニクスに依拠しています。

Simulink® を用いたデジタル力率補正制御設計により、マルチレート シミュレーションを使用したデジタル制御アルゴリズムの設計と調整が可能で、入力電流波形を調整し、損失を少なく保って電力品質を望む値まで向上することができます。またこのアプローチにより、ハードウェアに制御アルゴリズムを展開する前に、さまざまな負荷と入力電圧でコントローラーをテストして検証することができます。

デジタル制御された上方力率補正 Simulink モデル

電流 (青) でと高調波の歪みと力率補正後 (黄)

Simulink では、次のような作業が可能です。

  • スイッチモード電源、AC モーター、および分配システムにおける他の負荷などの正確なシミュレーション モデルを構築
  • 高調波の解析を実施して、回路での全高調波の歪みを調査
  • 電力コンバーターの受動コンポーネントのサイズを調整し、出力電圧リップルのような期待する信号特性を確認
  • AC スイープと自動 PID チューニングを使用したこれらの電力コンバーターのためのデジタル コントローラーの設計
  • ラピッド プロトタイピング、およびコントローラーの本番環境での実装のための、ANSI、ISO、またはプロセッサ最適化された C コードおよび HDL の自動生成

10 Ways to Speed Up Power Conversion Control Design with Simulink

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