JP2023025444A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】制御可能な回転数の上限を高める。【解決手段】センサレス型のモータに電力を供給する電力変換装置1は、スイッチング素子51及びダイオード52が互いに並列接続された複数の回路要素21、22、31、32、41、42を備える。複数の回路要素21、22、31、32、41、42は、三相交流を出力可能に接続される。回路要素21、22、31、32、41、42は、スイッチング素子51に対して並列接続であると共にダイオード52に対して直列接続である抵抗器53をそれぞれ有する。【選択図】図1
Description
本開示は、電力変換装置に関する。
近年、ブラシ付きモータに代わって、ブラシレスモータの利用が進んでいる。ブラシ付きモータは、コイルに供給する電流の方向をブラシによって切り替えている。一方、ブラシレスモータは、コイルに流す電流の方向を制御回路によって電気的に切り替えている。特許文献1~5は、ブラシレスモータに電流を供給する駆動装置を開示する。
モータの基本的な性能には、トルクや回転数がある。モータの技術分野では、制御可能な回転数の上限を高めることが望まれている。そこで、本開示は、制御可能な回転数の上限を高めることが可能な電力変換装置を説明する。
本開示のセンサレス型のモータに電力を供給する電力変換装置は、スイッチング素子及びダイオードが互いに並列接続された複数の回路要素を備え、複数の回路要素は、三相交流を出力可能に接続され、回路要素は、スイッチング素子に対して並列接続であると共にダイオードに対して直列接続である抵抗器を有する。
電力変換装置は、U相、V相、W相として示される三相交流を出力する。これらの出力は、通電する通電期間と通電しない非通電期間とを交互に繰り返す。通電期間から非通電期間に切り替わったとき、モータから電力変換装置に還流電流が流れる。この還流電流は、モータのコイルと電力変換回路の抵抗器とが直列に接続された回路を流れる。コイルと抵抗器とが直列に接続された回路の時定数は、コイルのリアクタンスを分子とし、抵抗器の抵抗値を分母とした式で示される。そうすると、抵抗器の存在によって、時定数は小さくなる。つまり、還流電流の収束期間が短くなる。還流電流の収束期間が短くなると、還流電流に起因する電圧の上昇によって見えなくなっていた誘起電圧が早く見えるようになる。センサレス型のモータは、この誘起電圧を利用してロータの位置を把握している。そうすると、電力変換装置からモータへ提供する三相交流の周波数を高めた場合であっても、誘起電圧が確認可能であるからロータの位置を把握することが可能である。ロータの位置を把握することが可能ということは、換言するとモータが制御可能であるということである。つまり、電力変換装置は、抵抗器の配置によってRL直列回路の時定数が小さくなるという作用の結果、還流電流の収束が早まるので、モータの制御に必要な誘起電圧を早期に確認できるようになるから、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
上記の電力変換装置の抵抗器は、ダイオードのカソードとスイッチング素子との間に配置されていてもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
上記の電力変換装置の抵抗器は、ダイオードのアノードとスイッチング素子との間に配置されていてもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
上記の電力変換装置のスイッチング素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであってもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
本開示の電力変換装置によれば、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
以下、添付図面を参照しながら本開示の電力変換装置を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1に示すように、電力変換装置1は、電源91とモータ92との間に配置されている。電力変換装置1は、電源91から受けた電力の態様をモータ92が要求する電力の態様に変換する。例えば、電源91は、直流の電力を出力する。モータ92は、いわゆる三相交流の電力を要求する。そこで、電力変換装置1は、直流の電力を三相交流の電力に変換する。電力変換装置1は、いわゆるDC-ACインバータである。
モータ92は、ブラシレス型である。モータ92は、ロータとステータとを有する。ロータは、回転軸と共に回転する磁石を含む。ステータは、例えば、スター結線とされたU相コイル92u、V相コイル92v及びW相コイル92wを含む。なお、ステータは、デルタ結線であってもよい。
モータ92は、ブラシレス型であるから、それぞれのコイルに提供する電流の向きを電気的に切り替える。電流の向きは、ロータの回転位置に対応する必要がある。従って、ロータの回転位置を得る必要がある。ロータの回転位置を得る手段として、例えば、ホールセンサといった磁気センサを用いる場合がある。一方、磁気センサを用いることなく、ロータの回転位置を得る手段もある。磁気センサを要しない手段は、センサレス位置検出と呼ばれる。センサレス位置検出では、モータが発生する誘起電圧を利用する。
モータ92は、いわゆる120°通電と称される矩形波駆動方式によって駆動される。矩形波駆動方式では、例えば、U相は、位相にして120°の通電期間と、位相にして60°の非通電期間と、を繰り返す。V相、W相も同様である。
たとえば、U相が非通電期間であるとき、V相及びW相は通電期間である。非通電期間であるU相の端子には、所定の電圧が生じている。この電圧は、U相コイル92uに回転しているロータの磁石からの磁界が鎖交するために生じる誘起電圧である。
センサレス位置検出では、誘起電圧を基準電圧と比較することによって、ロータの回転位置を得る。例えば、基準電圧を0Vとした場合、基準電圧に誘起電圧が交差する点を、ゼロクロスと称する。センサレス位置検出では、ゼロクロスを基準としてモータの回転位置を得る。
電力変換装置1は、ハイ側入力端子11aと、ロー側入力端子11bと、U相端子12uと、V相端子12vと、W相端子12wと、を有する。ハイ側入力端子11aは、電源91の正極に接続されている。ロー側入力端子11bは、電源91の負極に接続されている。なお、ハイ側入力端子11aとロー側入力端子11bには、キャパシタ93が接続されていてもよい。U相端子12uは、モータ92のU相コイル92uに接続されている。V相端子12vは、モータ92のV相コイル92vに接続されている。W相端子12wは、モータ92のW相コイル92wに接続されている。
電力変換装置1は、6個の回路要素を有する。具体的には、電力変換装置1は、ハイ側U相回路要素21、ロー側U相回路要素22と、ハイ側V相回路要素31と、ロー側V相回路要素32と、ハイ側W相回路要素41と、ロー側W相回路要素42と、を有する。
ハイ側U相回路要素21は、ロー側U相回路要素22に対して直列に接続されている。ハイ側U相回路要素21は、ハイ側入力端子11a及びU相接続点23に接続されている。ロー側U相回路要素22は、ロー側入力端子11b及びU相接続点23に接続されている。ハイ側U相回路要素21とロー側U相回路要素22とが互いに接続されたU相接続点23は、U相端子12uに接続されている。なお、V相は、V相接続点33などを含み、U相と同様の接続構成を有する。W相も、W相接続点43などを含み、U相と同様の接続構成を有する。従って、V相及びW相の接続構成について、詳細な説明は省略する。
6個の回路要素は、それぞれ同じ構成要素を含み、接続構成も同じである。そこで、ハイ側U相回路要素21を例に詳細に説明する。
ハイ側U相回路要素21は、スイッチング素子51と、ダイオード52と、抵抗器53と、を有する。スイッチング素子51は、制御信号φの入力に応じて導通と絶縁とを切り替える。スイッチング素子51として、トランジスタを用いてよい。本開示では、スイッチング素子51が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)であるとして説明する。スイッチング素子51のコレクタは、ハイ側入力端子11aに接続されている。スイッチング素子51のエミッタは、U相接続点23に接続されている。スイッチング素子51のゲートは、コントローラ13から制御信号φを受ける。制御信号φに応じて、コレクタからエミッタへ向かう電流の許可と停止とを切り替えることができる。
ダイオード52は、一方の方向へ電流が流れること許可すると共に、他方の方向へ電流が流れること禁止する。ダイオード52のアノードは、U相接続点23に接続されている。ダイオード52のカソードは、抵抗器53を介してハイ側入力端子11aに接続されている。換言すると、ダイオード52のカソードは、抵抗器53を介してスイッチング素子51のコレクタに接続されている。つまり、ダイオード52は、スイッチング素子51に対して並列接続されている。より詳細には、ダイオード52は、スイッチング素子51に対して逆並列接続されている。
抵抗器53は、ダイオード52のカソードとハイ側入力端子11aの間に配置されている。換言すると、抵抗器53は、ダイオード52のカソードとスイッチング素子51のコレクタとに接続されている。そうすると、抵抗器53は、ダイオード52に対して直列接続されている。また、抵抗器53は、スイッチング素子51に対して並列接続されている。
このようなスイッチング素子51とダイオード52の接続によれば、U相接続点23からハイ側入力端子11aの側に向かう電流は常に許可される。一方、ハイ側入力端子11aの側から、U相接続点23に向かう電流はスイッチング素子51の状態によって、許可又は禁止される。
以下、電力変換装置1の作用効果について説明する。モータ92はセンサレス型であることは既に述べた。図2(a)は、U相端子12uにおける端子電圧を示す。グラフDtは、端子電圧を示す。グラフDnは、誘起電圧を示す。図2(a)に示すように、センサレス型である場合には、誘起電圧(グラフDn)のゼロクロスCを基準として、モータ92のロータの回転位置を得る。つまり、モータ92を制御するためには、ゼロクロスCが検出できることが前提となる。
モータ92の説明時に、誘起電圧(グラフDn)はコイルの非通電期間S1に確認できると説明した。しかし、誘起電圧(グラフDn)は、非通電期間S1のすべてにわたって確認できるものではない。いま、U相コイル92u及びW相コイル92wに電流が供給されている(つまり、通電期間)であるとする。この場合の回路を、図3に示す。このとき、電流は、電源91、ハイ側W相回路要素41、W相端子12w、W相コイル92w、U相コイル92u、U相端子12u、ロー側U相回路要素22及びロー側入力端子11bを含む回路を流れる。
次に、通電期間S2から非通電期間S1に切り替える。この場合の回路を、図4に示す。具体的には、ロー側U相回路要素22のスイッチング素子51を非導通状態に切り替える。この回路は、ハイ側U相回路要素21、ハイ側W相回路要素41、W相端子12w、W相コイル92w、U相コイル92u及びU相端子12uを含む。この回路は、電源91を含んでいない。しかし、直前まで電流が供給されていたU相コイル92u及びW相コイル92wには、エネルギが蓄積された状態である。その結果、U相コイル92u及びW相コイル92wに蓄積されたエネルギが、電流となって放出される。この電流を、還流電流と称する。還流電流が流れている期間を、転流期間S1aとも称する。
図2(a)のグラフDtに示されるように、60°である非通電期間S1と、120°である通電期間S2とが繰り返されている。非通電期間S1は、転流期間S1aと、非転流期間S1bと、を含む。転流期間S1aの間、還流電流は、ハイ側U相回路要素21のダイオード52を流れる。このとき、ハイ側U相回路要素21のダイオード52のカソードは、電源91の電圧であるから、転流期間S1aが流れる期間は、ダイオード52のアノード電位まで上昇する。つまり、U相コイル92uの端子電圧は、電源91の電圧まで上昇する。この電圧は、誘起電圧(グラフDn)より大きい。従って、転流期間S1aは、誘起電圧(グラフDn)を確認できない。
転流期間S1aは、モータ92のコイルの特性によって決まる。つまり、モータ92の回転数には関係しない。例えば、モータ92の回転数が低い場合を仮定する。モータ92の回転数は、電力変換装置1が出力する電流の周波数に基づく。モータ92を低い回転数で動作させるときには、電力変換装置1は、低い周波数の電流を出力する。このとき、非通電期間S1は、十分に長いので、非転流期間S1bに、誘起電圧(グラフDn)のゼロクロスCが現れる。つまり、センサレス位置検出動作が可能である。
次に、図2(b)に示すように、モータ92の回転数が高い場合を仮定する。周波数が高くなるに伴って、非通電期間S1は短くなる。前述したように、転流期間S1aは回転数や周波数には影響されないので、非通電期間S1が短くなっても、転流期間S1aの時間は変わらないから、非転流期間S1bの時間が短くなる。その結果、誘起電圧(グラフDn)のゼロクロスCが生じるタイミングが転流期間S1aに含まれることも生じ得る。この場合には、ゼロクロスCを検出することができない。つまり、センサレス位置検出動作が不可能である。要するに、モータ92の回転数を高めると、誘起電圧(グラフDn)が還流電流に起因する電圧に埋もれてしまうので、ゼロクロスCが検出できなくなってしまう。
そこで、電力変換装置1は、転流期間S1aを短くすることにより、ゼロクロスCを検出可能な周波数帯域を広げる。図4に示す回路において、U相コイル92u、W相コイル92w及びハイ側U相回路要素21の抵抗器53に注目する。これらの接続構成は、いわゆるRL直列回路の接続構成である。RL直列回路の時定数(t)は、コイルのリアクタンス(L)と抵抗器の抵抗値(R)とを含む下記式によって示される。
t=L/R・・・(1)
t=L/R・・・(1)
そうすると、抵抗器53の存在によって、時定数が小さくなることがわかる。図2(c)に示すように、還流電流が早期に収束する。換言すると、転流期間S1aが短縮される。その結果、非通電期間S1における非転流期間S1bが長くなるので、周波数を高めた場合でもゼロクロスCが転流期間S1aに埋もれることがない。従って、制御可能な回転数の上限を拡大することができる。
要するに、センサレス型のブラシレスモータに電力を供給する電力変換装置1は、スイッチング素子51及びダイオード52が互いに並列接続された複数の回路要素を備える。複数の回路要素は、三相交流を出力可能に接続されている。回路要素は、スイッチング素子51に対して並列接続であると共にダイオード52に対して直列接続である抵抗器53を有する。
電力変換装置1は、U相、V相、W相として示される三相交流を出力する。これらの出力は、通電する通電期間S2と通電しない非通電期間S1とを交互に繰り返す。通電期間S2から非通電期間S1に切り替わったとき、モータ92から電力変換装置1に還流電流が流れる。この還流電流は、モータ92のいずれかのコイル92u、92v、92wと電力変換装置1のいずれかの抵抗器53とが直列に接続された回路を流れる。いずれかのコイル92u、92v、92wと抵抗器53とが直列に接続された回路の時定数は、コイル92u、92v、92wのリアクタンスを分子とし、抵抗器53の抵抗値を分母とした式で示される。そうすると、抵抗器53の存在によって、時定数は小さくなる。つまり、還流電流の収束期間(転流期間S1a)が短くなる。転流期間S1aが短くなると、還流電流に起因する電圧の上昇によって見えなくなっていた誘起電圧(グラフDn)が早く見えるようになる。センサレス型のモータ92は、この誘起電圧(グラフDn)を利用してロータの位置を把握している。そうすると、電力変換装置1からモータ92へ提供する三相交流の周波数を高めた場合であっても、誘起電圧(グラフDn)のゼロクロスCが確認可能であるからロータの位置を把握することが可能である。ロータの位置を把握することが可能ということは、換言するとモータ92が制御可能であるということである。つまり、電力変換装置1は、抵抗器53の配置によってRL直列回路の時定数が小さくなるという作用の結果、転流期間S1aが短くなるので、モータ92の制御に必要な誘起電圧(グラフDn)のゼロクロスCを早期に確認できるようになるから、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
抵抗器53は、ダイオード52のカソードとスイッチング素子51との間に配置されている。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
電力変換装置1のスイッチング素子51は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。この構成によれば、抵抗器53を備えた回路要素21、22、31、32、41、42を構成することができる。
以上、本開示の電力変換装置をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本開示の電力変換装置は上記の内容に限定されるものではない。その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
例えば、電力変換装置1の抵抗器53は、ダイオード52のアノードとスイッチング素子51との間に配置されていてもよい。この構成によっても、制御可能な回転数の上限を高めることができる。
1 電力変換装置
11a ハイ側入力端子
11b ロー側入力端子
12u U相端子
12v V相端子
12w W相端子
13 コントローラ
21 ハイ側U相回路要素
22 ロー側U相回路要素
23 U相接続点
31 ハイ側V相回路要素
32 ロー側V相回路要素
33 V相接続点
41 ハイ側W相回路要素
42 ロー側W相回路要素
43 W相接続点
51 スイッチング素子
52 ダイオード
53 抵抗器
91 電源
92 モータ
92u U相コイル
92v V相コイル
92w W相コイル
93 キャパシタ
C ゼロクロス
S1 非通電期間
S1a 転流期間
S1b 非転流期間
S2 通電期間
φ 制御信号
11a ハイ側入力端子
11b ロー側入力端子
12u U相端子
12v V相端子
12w W相端子
13 コントローラ
21 ハイ側U相回路要素
22 ロー側U相回路要素
23 U相接続点
31 ハイ側V相回路要素
32 ロー側V相回路要素
33 V相接続点
41 ハイ側W相回路要素
42 ロー側W相回路要素
43 W相接続点
51 スイッチング素子
52 ダイオード
53 抵抗器
91 電源
92 モータ
92u U相コイル
92v V相コイル
92w W相コイル
93 キャパシタ
C ゼロクロス
S1 非通電期間
S1a 転流期間
S1b 非転流期間
S2 通電期間
φ 制御信号
Claims (4)
- センサレス型のモータに電力を供給する電力変換装置であって、
スイッチング素子及びダイオードが互いに並列接続された複数の回路要素を備え、
複数の前記回路要素は、三相交流を出力可能に接続され、
前記回路要素は、前記スイッチング素子に対して並列接続であると共に前記ダイオードに対して直列接続である抵抗器を有する、電力変換装置。 - 前記抵抗器は、前記ダイオードのカソードと前記スイッチング素子との間に配置されている、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記抵抗器は、前記ダイオードのアノードと前記スイッチング素子との間に配置されている、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチング素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである、請求項1~3の何れか一項に記載の電力変換装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021130699A JP2023025444A (ja) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021130699A JP2023025444A (ja) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 電力変換装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023025444A true JP2023025444A (ja) | 2023-02-22 |
Family
ID=85251408
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021130699A Pending JP2023025444A (ja) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 電力変換装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023025444A (ja) |
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2021
- 2021-08-10 JP JP2021130699A patent/JP2023025444A/ja active Pending
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