JP2022127679A - 電動機駆動システムおよび電動機駆動システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機駆動システムにおいて、システムの大型化や通常運転時の損失増大を抑制しつつ、電動機の低速運転時に課題となるインバータおよび電動機の損失増大を抑制し、電動機の中速以上運転時は直流リンク電圧を昇圧することで電動機損失の増大を抑制する。【解決手段】交流系統１に直列変圧器８の一次側の一端が接続される。直列変圧器８の一次側の他端には連系リアクトル２を介して整流器３が接続される。整流器３の直流側には直流リンク部４が接続され、直流リンク部４にはインバータ５の直流側が接続される。インバータ５の交流側に電動機６が接続される。直列変圧器８の二次側には電圧型電力変換装置９の交流側が接続され、電圧型電力変換装置９の直流側は直流リンク部４に接続される。電動機６の回転速度が閾値以下の場合、電圧型電力変換装置９は、系統電圧と逆相の電圧を直列変圧器８の一次側に印加するように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機駆動システムにおける電圧型電力変換装置および電圧型電力変換装置の直流リンク電圧抑制制御に関する。

図６に、一般的な電動機駆動システムの構成例を示す。交流系統１には連系リアクトル２を介して整流器３が接続されている。整流器３では交流から直流に電力変換する。整流器３の直流側とインバータ５の直流側は直流リンク部４を介して接続される。直流リンク部４にはコンデンサＣが接続されている。インバータ５において直流から交流に再度電力変換を行うことで、電動機６を可変速駆動する。

先行技術文献において、電動機駆動システムを高効率に運用する方法が検討されている。図７に、特許文献１における電動機駆動システムの構成例を示す。図７は図６に対し、整流器３とインバータ５の間に昇圧回路７が挿入される点に特徴がある。

昇圧回路７を用いることで直流リンク電圧を回転速度に併せて制御可能となる。低速域では直流リンク電圧を低減するＰＷＭ制御を適用し、高速域では直流リンク電圧を昇圧するＰＡＭ制御を適用している。その結果、低速域では直流電圧を低減し、高速域ではスイッチング回数を低減することができる。

特開２０００－３５０４８６号公報 特開２０１０－５７２６８号公報 特開平１０－４２４６７号公報 特開平４－３３４９３０号公報

しかし、特許文献１では、高速域においてインバータは１２０度通電制御を行っており、ＰＷＭ制御と比較してトルクリプルが増大する。

上記課題を解決する方法としては、全速度領域においてインバータ５でＰＷＭ制御を適用する方法が挙げられる。電動機駆動システムの高効率運用のためには、特許文献１のように、低速域では直流リンク電圧を低減し、高速域では直流リンクを増大することが望ましい。

しかし、直流リンク電圧制御のためにＰＷＭ整流器や昇圧回路７を適用する場合、これらの回路は昇圧動作のみを行い最小昇圧比が１のため、直流リンク電圧の最小値は整流器３のダイオード整流動作時の電圧（以降、ダイオード整流電圧と称する）で既定される。そのため、直流リンク電圧を低減するためには下記２つの方式が考えられる。
（１）図６の構成（一般的な電動機駆動システム）における系統電圧を低減してダイオード整流電圧を低減する。
（２）図６の構成（一般的な電動機駆動システム）に降圧回路を追加、または、図７の構成（特許文献１の電動機駆動システム）の昇圧回路７を降圧回路に置換する。

（１）の対応では、系統電圧低減前と同一電力得るために必要な電流が増大するため、整流器損失の増大や、システムの大型化が懸念される。

（２）の対応では、図６の構成（一般的な電動機駆動システム）に対して電力変換回数が２回から３回に増大するため、システム効率の低下が懸念される。

以上示したようなことから、電動機駆動システムにおいて、システムの大型化や通常運転時の損失増大を抑制しつつ、電動機の低速運転時に課題となるインバータおよび電動機の損失増大を抑制し、電動機の中速以上運転時は直流リンク電圧を昇圧することで電動機損失の増大を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、電動機を駆動する電動機駆動システムであって、交流系統に一次側の一端が接続された直列変圧器と、前記直列変圧器の一次側の他端に連系リアクトルを介して接続された整流器と、前記整流器の直流側に接続され、コンデンサを有する直流リンク部と、前記直流リンク部に直流側が接続されたインバータと、前記インバータの交流側に接続された前記電動機と、前記直列変圧器の二次側に交流側が接続され、直流側が前記直流リンク部に接続された電圧型電力変換装置と、前記交流系統の電圧位相を検出する位相検出器と、を備え、前記電動機の回転速度が閾値未満の場合、前記電圧型電力変換装置は系統電圧と逆相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする。

また、その一態様として、前記整流器はダイオードを有するダイオード整流器であり、前記電動機の前記回転速度が前記閾値以上の場合、前記電圧型電力変換装置は前記系統電圧と同相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする。

また、他の態様として、前記整流器はスイッチング素子を有するＰＷＭ整流器であり、前記電動機の前記回転速度が前記閾値以上の場合、前記整流器は前記回転速度の増大に伴い前記直流リンク部の電圧を増大させるように直流リンク電圧制御を行い、前記電圧型電力変換装置は運転停止することを特徴とする。

また、他の態様として、前記整流器はスイッチング素子を有するＰＷＭ整流器であり、前記電動機の前記回転速度が前記閾値以上の場合、前記整流器は前記回転速度の増大に伴い前記直流リンク部の電圧を増大させるように直流リンク電圧制御を行い、前記電圧型電力変換装置は前記系統電圧と同相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする。

本発明によれば、電動機駆動システムにおいて、システムの大型化や通常運転時の損失増大を抑制しつつ、電動機の低速運転時に課題となるインバータおよび電動機の損失増大を抑制し、電動機の中速以上運転時は直流リンク電圧を昇圧することで電動機損失の増大を抑制することが可能となる。

実施形態１，２における電動機駆動システムを示す構成図。 回転速度が中速以上の場合での電圧型電力変換装置の動作を示す図。 回転速度が中速以上の場合での各種電圧波形を示す図。 回転速度が低速未満の場合での電圧型電力変換装置の動作を示す図。 回転速度が低速未満の場合での各種電圧波形を示す図。 一般的な電動機駆動システムの一例を示す図。 一般的な電動機駆動システムの他例を示す図。

以下、本願発明における電動機駆動システムの実施形態１～２を図１～図５に基づいて詳述する。

［実施形態１］
本実施形態１における電動機駆動システムの構成例を図１に示す。図１（ａ）に示すように、交流系統１に直列変圧器８の一次側の一端が接続される。直列変圧器８の一次側の他端に連系リアクトル２を介して整流器３が接続される。整流器３の直流側には直流リンク部４が接続される。直流リンク部４はコンデンサＣを有し、インバータ５の直流側と接続される。インバータ５の交流側には電動機６が接続される。直列変圧器８の二次側に電圧型電力変換装置９の交流側が接続される。電圧型電力変換装置９の直流側は直流リンク部４に接続される。

図１に示す本実施形態１の電動機駆動システムは、図６の構成（一般的な電動機駆動システム）に対して、整流器３の交流側に直列変圧器８を挿入し、その２次側には電圧源動作をする電圧型電力変換装置９を適用する点に特徴がある。

本構成の類似技術として、特許文献２～特許文献４が挙げられる。特許文献２では、直列変圧器をコモンモードトランスとして利用し、装置コモンモード電圧を相殺する。特許文献３では、直列変圧器を適用することで、系統電圧と無効電力を調整する。特許文献４では、系統－整流器間に直列型アクティブフィルタを挿入することで、整流器による高調波電流を抑制するように電圧制御を行う。

図１（ｂ）－１は、交流系統１が単相の場合の整流器３の一例を示す構成図である。直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が直列接続される。また、直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４が直列接続される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点とスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点は連系リアクトル２に接続される。

図１（ｂ）－２は、交流系統１が三相の場合の整流器３の一例を示す構成図である。図１（ｂ）－２では、図１（ｂ）－１に対して、直流リンク部４の正極端子と負極端子との間に接続されたスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が追加されている。スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点は、連系リアクトル２に接続される。なお、図１（ｂ）－１と図１（ｂ）－２はスイッチング素子を有するＰＷＭ整流器を示しているが、図１（ｂ）－１と図１（ｂ）－２のスイッチング素子Ｓ１～Ｓ６をダイオードに置換してダイオード整流器としてもよい。

図１（ｃ）はインバータ５の一例を示す構成図である。直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８が直列接続される。また、直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１０が直列接続される。さらに、直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２が直列接続される。スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８の接続点、スイッチング素子Ｓ９，Ｓ１０の接続点、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の接続点は、電動機６に接続される。

図１（ｄ）－１は、交流系統１が単相の場合の直列変圧器８の一例を示す構成図である。交流系統１（単相のうち何れか一方）と連系リアクトル２との間には直列変圧器８の一次側が接続される。直列変圧器８の二次側は電圧型電力変換装置９に接続される。

図１（ｄ）－２は、交流系統１が三相の場合の直列変圧器８の一例を示す構成図である。交流系統１の各相と各相の連系リアクトル２との間には、直列変圧器８ｕ，８ｖ，８ｗの一次側がそれぞれ接続される。各相の直列変圧器８ｕ，８ｖ，８ｗの二次側の一端は、電圧型電力変換装置９の各相に接続される。また、各相の直列変圧器８ｕ，８ｖ，８ｗの二次側の他端同士は接続される。

図１（ｄ）－３は、交流系統１が三相の場合の直列変圧器８の他例を示す構成図である。交流系統１の各相と各相の連系リアクトル２との間には、直列変圧器８ｕ，８ｖ，８ｗの一次側がそれぞれ接続される。各相の直列変圧器８ｕ，８ｖ，８ｗの二次側の一端は、電圧型電力変換装置９の各相に接続される。Ｕ相の直列変圧器８ｕの二次側の他端はＶ相の直列変圧器８ｖの二次側の一端に接続される。Ｖ相の直列変圧器８ｖの二次側の他端はＷ相の直列変圧器８ｗの二次側の一端に接続される。Ｗ相の直列変圧器８ｗの二次側の他端はＵ相の直列変圧器８ｕの二次側の一端に接続される。

図１（ｅ）－１は、交流系統１が単相の場合の電圧型電力変換装置９の一例を示す構成図である。直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４が直列接続される。また、直流リンク部４の正極端子と負極端子との間には、スイッチング素子Ｓ１５，Ｓ１６が直列接続される。スイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４の接続点とスイッチング素子Ｓ１５，Ｓ１６の接続点が直列変圧器８の二次側に接続される。

図１（ｅ）－２は、交流系統１が三相の場合の電圧型電力変換装置９の一例を示す構成図である。図１（ｅ）－２は、図１（ｅ）－１に対して、直流リンク部４の正極端子と負極端子との間に接続されたスイッチング素子Ｓ１７，Ｓ１８が追加されている。スイッチング素子Ｓ１７，Ｓ１８の接続点は直列変圧器８の二次側に接続される。

交流系統１が三相交流の場合を考える。この場合、図１（ａ）の構成に対して、図１（ｂ）－２の整流器、図１（ｃ）のインバータ、図１（ｄ）－２または図１（ｄ）－３の直列変圧器、図１（ｅ）－２の電圧型電力変換装置をそれぞれ適用する。

（１）電動機６の回転速度が閾値以上（以下、中速以上と称する）の場合
整流器３がＰＷＭ整流器の場合、ＰＷＭ整流器の直流リンク電圧制御を用いて、回転速度増大に伴い直流リンク電圧を増大させていく。これにより、インバータ５は電動機６の駆動に必要最小限の直流リンク電圧を用いてＰＷＭ制御をすることで、スイッチング損失を低減できる。この際、直列変圧器８を介して接続される電圧型電力変換装置９は運転停止状態としても、後述の整流器３がダイオード整流器の場合と同様の動作としてもよい。

整流器３がダイオード整流器の場合、直列変圧器８を介して接続される電圧型電力変換装置９を運転し、整流器３の印加電圧を制御する。具体的には、系統電圧と同相電圧を直列変圧器８の１次側（＝交流系統１側）に印加するよう電圧型電力変換装置９を制御することで、図２（ａ）に示すように整流器３の印加電圧を系統電圧よりも増大させる。その結果、電圧型電力変換装置９の運転停止時と比較して直流リンク電圧を増大させることができる。

これにより、回転速度増大に伴い直流リンク電圧を増大させることが可能となる。なお、この運転モードにおいて電圧型電力変換装置９は系統電圧と同位相の電圧を出力して直列変圧器８に印加するため、電圧型電力変換装置９の制御回路には系統電圧位相を検出する機能（位相検出器）を備えている。

なお、上記動作により電圧型電力変換装置９から有効電力を供給する動作となるため、図２（ｂ）に示すように電圧型電力変換装置９の供給電力を整流器３－インバータ５間の直流リンク部４から取得する動作となる。そのため、整流器３はインバータ５での使用電力以上の電力を扱う必要がある。

図３に、回転速度が中速以上の場合での電動機駆動システムの各部電圧波形例を示す。Ｖｕｖ＿ｇｒｉｄ、Ｖｖｗ＿ｇｒｉｄ、Ｖｗｕ＿ｇｒｉｄは系統電圧の各種線間電圧、Ｖｕ＿ｔｒａｎｓ、Ｖｖ＿ｔｒａｎｓ、Ｖｗ＿ｔｒａｎｓは各相の直列変圧器出力電圧、Ｖｕｖ＿ｒｅｃ、Ｖｖｗ＿ｒｅｃ、Ｖｗｕ＿ｒｅｃは整流器印加電圧の各種線間電圧、Ｖｄｃは直流リンク電圧波形であり、縦軸および横軸の縮尺は同一としている。

時刻０［ｓ］～０．０５［ｓ］までの区間、電圧型電力変換装置９は停止しており、直列変圧器８の出力電圧も０となる。時刻０．０５［ｓ］から電圧型電力変換装置９を運転させ、直列変圧器８の出力電圧が系統電圧の相電圧と同相になるように制御する。その結果、図３（ｃ）のように整流器３の印加電圧が増大し、直流リンク電圧が昇圧する。

（２）回転速度が閾値未満（以下、低速と称する）の場合
回転速度が低速の場合、整流器３がＰＷＭ整流器であっても直流リンク電圧はダイオード整流電圧以上にしか制御することができず、直流リンク電圧の最低電圧はダイオード整流電圧に既定される。そのため、直列変圧器８を介して接続される電圧型電力変換装置９を運転し、整流器３の印加電圧を制御する。

具体的には、系統電圧と逆相の電圧を直列変圧器８の１次側（＝系統側）に印加するよう電圧型電力変換装置９を制御することで、図４（ａ）に示すように整流器３の印加電圧を系統電圧から低減させ、その結果、電圧型電力変換装置９の運転停止時と比較して直流リンク電圧を低減させることができる。

これにより、低速時には直流リンク電圧をダイオード整流電圧以下に低減し、インバータ損失を低減することが可能となる。なお、この運転モードにおいて電圧型電力変換装置９は系統電圧と逆位相の電圧を出力して直列変圧器８に印加するため、電圧型電力変換装置９の制御回路には系統電圧位相を検出する機能（位相検出器）を備えている。

なお、上記動作により電圧型電力変換装置９に有効電力が流入する動作となるため、図４（ｂ）に示すように電圧型電力変換装置９の流入電力を整流器３－インバータ５間の直流リンク部４に返還する動作となる。

図５に、回転速度が低速の場合での電動機駆動システムの各部電圧波形例を示す。Ｖｕｖ＿ｇｒｉｄ、Ｖｖｗ＿ｇｒｉｄ、Ｖｗｕ＿ｇｒｉｄは系統電圧の各種線間電圧、Ｖｕ＿ｔｒａｎｓ、Ｖｖ＿ｔｒａｎｓ、Ｖｗ＿ｔｒａｎｓは各相の直列変圧器出力電圧、Ｖｕｖ＿ｒｅｃ、Ｖｖｗ＿ｒｅｃ、Ｖｗｕ＿ｒｅｃは整流器印加電圧の各種線間電圧、Ｖｄｃは直流リンク電圧波形であり、縦軸および横軸の縮尺は同一としている。

時刻０［ｓ］～０．０５［ｓ］までの区間、電圧型電力変換装置９は停止しており、直列変圧器８の出力電圧も０となる。時刻０．０５［ｓ］から電圧型電力変換装置９を運転させ、直列変圧器８の出力電圧が系統電圧の相電圧と逆相になるように制御する。その結果、図５（ｃ）に示すように整流器印加電圧が低減し、直流リンク電圧が降圧される。

以上、本実施形態１の電圧型電力変換装置９は、（１）回転速度が中速以上の場合での系統電圧と同位相の電圧を出力する運転モード、（２）回転速度が低速の場合での系統電圧と逆位相の電圧を出力する運転モード、の２種類の運転モードを備えている。いずれの運転モードを選択実施するのかは、システム全体の制御を行う上位制御装置からの運転モード指令を受信して行う。

また、直列変圧器８に印加する出力電圧の指令値も、上位制御装置から受信する。上位制御装置は、電動機の回転速度指令や直流リンク電圧値等に応じて、電圧型電力変換装置９へ運転モード指令と出力電圧指令値を送信する。

［実施形態２］
交流系統１が単相交流の場合を考える。この場合、図１（ａ）の構成に対して、図１（ｂ）－１の整流器、図１（ｃ）のインバータ、図１（ｄ）－１の直列変圧器、図１（ｅ）－１の電圧型電力変換装置をそれぞれ適用する。制御方法については、実施形態１と同一のため、記述を省略する。

以上示したように、本実施形態１，２によれば、整流器３の交流側に直列変圧器８および電圧型電力変換装置９を挿入することで、整流器３の出力電圧である直流リンク電圧をダイオード整流器動作時電圧（本文中、ダイオード整流電圧）以下に低減することが可能となる。その結果、電動機の回転速度が低速時のインバータ５および電動機６の損失増大を抑制し、システム効率向上を実現できる。また、電動機の中速以上運転時は直流リンク電圧を昇圧することで電動機損失の増大を抑制できる。

また、低速時は、モータの誘起電圧（ωＬに起因）が小さいため、駆動に必要な電圧は小さい。一方、ダイナモの極低速試験などのように低速でパワーを取る場合には、電圧に反比例した大電流が要求されるため、直流リンク電圧を下げて、インバータ損失を低減する。

中速以上は、電動機６の誘起電圧が大きくなる一方、インバータ５の出力可能電圧には上限があるため、高速になるに従い、弱め界磁制御により誘起電圧を抑制する。弱め界磁制御による電流はトルクに寄与しないため効率が低下するので、解決策として、直流リンク電圧昇圧によるインバータ出力可能電圧を増大させる。

「発明が解決しようとする課題」で記載したように、特許文献１において、電動機回転速度に応じて直流リンク電圧を制御する方式が開示されている。直列変圧器８および電圧型電力変換装置９を用いる本実施形態１，２では、上記特許文献１に対して下記の点で優位である。

（１）特許文献１では、電動機駆動に必要な電力のすべてが昇圧回路を通過するため電力変換の回数は３回となっていた。一方、本実施形態１，２では、電動機駆動に必要な電力の一部が電圧型電力変換装置９を通過するため、特許文献１に対して電力変換回数を低減でき、損失の低減や装置の小型化に寄与する。

（２）整流器３にＰＷＭ整流器を使用した場合、整流器３を構成するスイッチング素子が１か所で短絡故障した場合には、短絡故障を起こしたアーム（上アーム／下アーム）のスイッチング素子をすべての相でＯＮ状態、対向アームをＯＦＦ状態とすることで、直列変圧器８を介して接続される電圧型電力変換装置９を用いて交流系統１と直流リンク部４間で電力融通を行うことができ、直流リンク電圧制御を担うことができる。

（３）整流器３にＰＷＭ整流器を使用した場合、整流器３を構成するスイッチング素子が１か所で開放故障した場合には、開放故障を起こしたアーム（上アーム／下アーム）のスイッチング素子をすべての相でＯＦＦ状態、対向アームでＯＮ状態とすることで、（２）と同様の動作が可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…交流系統
２…連系リアクトル
３…整流器
４…直流リンク部
５…インバータ
６…電動機
７…昇圧回路
８…直列変圧器
９…電圧型電力変換装置
Ｃ…コンデンサ

Claims (5)

1. 電動機を駆動する電動機駆動システムであって、
   交流系統に一次側の一端が接続された直列変圧器と、
   前記直列変圧器の一次側の他端に連系リアクトルを介して接続された整流器と、
   前記整流器の直流側に接続され、コンデンサを有する直流リンク部と、
   前記直流リンク部に直流側が接続されたインバータと、
   前記インバータの交流側に接続された前記電動機と、
   前記直列変圧器の二次側に交流側が接続され、直流側が前記直流リンク部に接続された電圧型電力変換装置と、
   前記交流系統の電圧位相を検出する位相検出器と、
   を備え、
   前記電動機の回転速度が閾値未満の場合、前記電圧型電力変換装置は系統電圧と逆相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする電動機駆動システム。
2. 前記整流器はダイオードを有するダイオード整流器であり、
   前記電動機の前記回転速度が前記閾値以上の場合、前記電圧型電力変換装置は前記系統電圧と同相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
3. 前記整流器はスイッチング素子を有するＰＷＭ整流器であり、
   前記電動機の前記回転速度が前記閾値以上の場合、前記整流器は前記回転速度の増大に伴い前記直流リンク部の電圧を増大させるように直流リンク電圧制御を行い、前記電圧型電力変換装置は運転停止することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
4. 前記整流器はスイッチング素子を有するＰＷＭ整流器であり、
   前記電動機の前記回転速度が前記閾値以上の場合、前記整流器は前記回転速度の増大に伴い前記直流リンク部の電圧を増大させるように直流リンク電圧制御を行い、前記電圧型電力変換装置は前記系統電圧と同相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
5. 交流系統に一次側の一端が接続された直列変圧器と、
   前記直列変圧器の一次側の他端に連系リアクトルを介して接続された整流器と、
   前記整流器の直流側に接続され、コンデンサを有する直流リンク部と、
   前記直流リンク部に直流側が接続されたインバータと、
   前記インバータの交流側に接続された電動機と、
   前記直列変圧器の二次側に交流側が接続され、直流側が前記直流リンク部に接続された電圧型電力変換装置と、
   前記交流系統の電圧位相を検出する位相検出器と、
   を備えた電動機駆動システムの制御方法であって、
   前記電動機の回転速度が閾値未満の場合、前記電圧型電力変換装置は系統電圧と逆相の電圧を前記直列変圧器の一次側に印加するように制御することを特徴とする電動機駆動システムの制御方法。

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