JP3864834B2 - Pwmサイクロコンバータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、PWMサイクロコンバータのスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差を、メインCPUもしくはスイッチングロジック作成部において補正を行い、出力電圧指令と実出力電圧との誤差を補正する、出力電圧補正方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
PWMサイクロコンバータは、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続しているために、三相交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換することが可能である。
しかしスイッチに流れている電流を強制的にスイッチングするために、独自のスイッチングシーケンスが必要である。以後、このスイッチングシーケンスを転流シーケンスと呼ぶ。PWMサイクロコンバータのスイッチングシーケンスに関しては本出願人により例えば特開平11-341807、特開2000-139076で開示されている。
この転流シーケンスの作成方法として、スイッチング素子の両端電圧の極性を判定する回路を用い、これにより得られたスイッチ間電圧極性信号を基に作成する方法と、スイッチング素子から流れ出る出力電流の向きを判定する出力電流方向検出回路により得られた出力電流方向信号を基に作成する方法などが挙げられる(例えば特開2000-2724、特開2001-165966)。
また転流シーケンスは、実際には出力されたPWM信号を基に、ロジック回路において作成されることが多い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら転流シーケンスは、スイッチング素子のスイッチング時間を考慮して、ある一定の時間をかけて行う必要がある。そのため、本来出力されるべき出力電圧指令と、実際に出力される出力電圧との間に誤差が生じてしまう。
また、その誤差は電源の基準電圧の状態や、転流シーケンスの情報源となる、スイッチング素子の両端電圧の極性や、出力電流の向きなどに依存して発生する。
さらに、双方向スイッチに電流が流れると、半導体素子の特性上、電圧降下現象が発生する。この現象により、双方向スイッチ入出力間で電圧誤差が発生し、上記と同様な出力電圧誤差が生じてしまう。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、PWMサイクロコンバータのスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差、さらに双方向スイッチ内部の電圧降下に起因する出力電圧指令と実出力電圧との誤差を補正することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本発明は、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータにおいて、入力電源電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記入力電圧検出回路により検出された電圧信号を基に作成された入力電源電圧情報信号作成回路とを備えたものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータにおいて、出力相に流れる電流を検出する出力電流検出回路と、前記出力電流検出回路により検出された電流の方向を判別する出力電流方向検出回路と、前記出力電流方向検出回路により検出された出力電流方向信号を基に双方向スイッチの切り替えの順序を変更するゲート信号作成回路とを備えたものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータの制御方法において、スイッチ間電圧検出回路で双方向スイッチの両端の電圧を検出し、前記スイッチ間電圧検出回路により検出されたスイッチ間電圧極性信号を基にゲート信号作成回路で双方向スイッチの切り替えの順序を変更するものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータの制御方法において、前記ゲート転流信号作成装置により作成されるゲート信号に、前記出力電流方向信号や前記スイッチ間電圧極性信号や前記入力電源電圧情報信号の情報を基に補正値を加減して指令電圧との出力電圧との誤差を補償するものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータの制御方法において、前記出力電流方向信号や前記スイッチ間電圧極性信号や前記入力電源電圧情報信号の情報を基に、ゲート転流信号作成装置により発生する誤差分を、あらかじめPWM演算装置において補正するものである。
これにより、PWMサイクロコンバータにおいて、電源電圧状態、またスイッチング素子間の電圧極性、もしくは出力電流方向をメインCPUもしくは転流シーケンス作成ロジック部に取り込み、スイッチング素子間で行われる転流シーケンスによる出力電圧の誤差をあらかじめ予見し補正することで、出力指令電圧と実出力電圧との誤差の補正を行うことができる。
さらに、双方向スイッチ内部の電圧降下は、素子温度や流れている電流によってことなる。通常実機において、流れている電流や素子付近温度はメインコントローラに検出される。その電流値や温度を基に、あらかじめ用意した素子データより電圧降下を計算し、電圧指令において補正することで、本来出力したい指令どおりの電圧を出力することが可能となる。
また、前記誤差分(ΔV)を次式により求めることを特徴とする請求項4または5記載のPWMサイクロコンバータの制御方法である。
ΔV=(-1)nΔEMAX(tC/T)
ただし、ΔEMAXは最小入力電圧相と最大入力電圧相の相間電圧絶対値、tC は転流時間、Tはキャリア周期、n=0(電圧極性信号が正の時)、n=1( 電圧極性信号が負の時)
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。図1はPWMサイクロコンバータのハードウエア構成と、PWM制御と本発明に必要な入力電圧と出力電流を検出するシステム構成を示す。図2はPWMサイクロコンバータのスイッチング素子構造と双方向スイッチの転流シーケンス作成のための回路構成の一例を示す。図3は図1により検出された出力電流信号から、転流シーケンス作成に必要な出力電流方向信号を作成する回路構成を示す。図4はスイッチング素子の両端電圧極性をもちいて転流シーケンスを作成する際において、本発明を実施するためのシステム構成を示したものである。図5は出力電流の方向信号をもちいて転流シーケンスを作成する際において、本発明を実施するためのシステム構成を示したものである。図8は従来のスイッチング素子の両端電圧極性をもちいて転流シーケンスを作成するためのシステム構成を示したものである。図9は従来の出力電流の方向信号をもちいて転流シーケンスを作成するためのシステム構成を示したものである。
【0006】
まず、図1について図中符号1は三相交流電源、2はPWMサイクロコンバータ、3は駆動モータ、41-3は電圧検出用トランス、51-3は電流検出器、61-3は入力電圧信号、71-3は出力電流信号である。PWMサイクロコンバータは三相交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換しモータを駆動するものである。よって、入力の電圧の状態に応じてPWM信号を作成するため、入力電圧をリアルタイムに検出し、PWM制御に用いる。また、出力電流も検出し、電流制御や速度推定に用いている。
次に、図2について、81-9はスイッチング素子、91-9はスイッチング素子両端電圧極性検出回路、101-9は91-3により検出された電圧極性信号である。また、図3について、11はコンパレータ、12は11より検出された出力電流方向信号である。PWMサイクロコンバータはスイッチング素子を用いて電源側と出力側と直接接続するため、出力電流の開放や電源電圧短絡などが起こらないようにスイッチ間において転流の順番を切り替える転流シーケンスが必要となる。その方法として、図2の10より得られた電圧極性信号を基に転流を行う方法と、図3においてコンパレータ11の出力より得られた出力電流方向信号12を基に転流を行う方法が広く用いられている。
【0007】
図6、図7はそれぞれ電圧極性信号を用いたものと、出力電流方向信号を用いた場合のPWMサイクロコンバータのシステム構成図である。13はメインコントローラ、14は13より得られた情報を基にPWM信号を作成するPWM信号作成部、15は14より得られたPWM信号を基に、それぞれ10、12の情報により転流シーケンスを作成する転流シーケンス作成ロジック部、16ゲートドライバ、17は主回路を示している。メインコントローラにて速度制御・電流制御等行い、電圧指令・電流指令を出力する。この指令を基にPWMサイクロコンバータ独自のPWM信号をPWM信号作成部にて作成する。このPWM信号を基に、スイッチ間の転流の順序を決定する転流シーケンスを転流シーケンス作成ロジック部にて作成する。この信号をゲートドライバに入力し、主回路のパワー半導体素子を駆動する。
【0008】
しかし、実際は転流シーケンスを作成する際に、シーケンスが複数のステップによって構成されるために誤差が生じ、実際に出力される電圧はメインコントローラにより出力された電圧指令と異なった電圧を出力してしまう。
これを解決する方法として、電圧極性信号を用いて転流シーケンスを作成する場合は図4のようにメインコントローラに電圧極性信号を入れ、図6中の転流誤差計算器101-3内で誤差計算を行う。転流の誤差は、スイッチングしている相のみに発生し、その誤差値ΔVは発生原理より、
ΔV=(-1)nΔEMAX(tC/T) (1)
となる。式(1)中、ΔEmaxは最小入力電圧相と最大入力電圧相の相間電圧絶対値、tcは転流時間、Tはキャリア周期を示している。また、電圧極性信号により、例えば電圧極性信号が正の場合はnを0に、負の場合はnを1と切り替えることで誤差値の正負を決定する。つまり誤差値ΔVが電圧極性信号と同符号になるようにnを決める。
【0009】
こうして求められた誤差値をメインコントローラより払い出された電圧指令から減算することで誤差を前向きに補正することができ、実際に出力される電圧は誤差なく指令電圧通りに出力することができる。
同様に出力電流方向信号用いて転流シーケンスを作成する場合も同様に転流誤差計算器121-3内で誤差計算を行う。その場合の発生誤差は原理より式(1)と同様になる。ただしこの場合は、電流方向信号によりnを0または1に切り替え、誤差値の正負を決定する。補正方法は上記と同様にして行う。
【0010】
また、他の方法として、転流シーケンス作成ロジック部にて転流シーケンスを作成する際に、入力の電圧状況と転流情報から転流誤差が分かるので、ロジック部で転流の開始や終了をずらすことにより補正を行う。転流誤差は転流時間分のPWM幅が増減することにより発生するので、具体的方法としては、PWMの幅が広がる条件のときは転流開始時間を遅らせ、狭くなる条件のときは転流終了時間を遅らせることでそれぞれ調整が可能となる。
また、出力電流信号71-3から求めた電流値と、あらかじめ用意した電圧降下値変換テーブルにより、双方向スイッチの入出力端子間電圧降下を演算する。この値をメインコントローラからの電圧指令に補正することで、誤差を前向きに補正することができ、実際に出力される電圧は誤差なく指令電圧通りに出力することができる。
【0011】
【発明の効果】
PWMサイクロコンバータにおいて、電源電圧状態、またスイッチング素子間の電圧極性、もしくは出力電流方向をメインCPUもしくは転流シーケンス作成ロジック部に取り込み、スイッチング素子間で行われる転流シーケンスによる出力電圧の誤差をあらかじめ予見するようにしたので、PWMサイクロコンバータのスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差に起因する出力電圧指令と実出力電圧との誤差を補正することができる。
出力電圧の誤差は、PWMインバータにおけるデットタイムと同じような影響をもち、特にV/f制御をもちいて高いキャリア周波数で運転する場合に、その悪影響が顕著になる。しかし、本発明を用いることで、PWMインバータのデットタイム補償と同じ効果を持ち、出力性能を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータの電圧電流検出システムを示す。
【図2】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータのスイッチング素子構造と電圧極性判別回路の構成を示す。
【図3】本発明を実施するための、出力電流方向判別回路の構成を示す。
【図4】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【図5】本発明を実施するための、PWMサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【図6】本発明を実施するための、出力電圧補正方法の一例を示す。
【図7】本発明を実施するための、出力電圧補正方法の一例を示す。
【図8】従来のPWMサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【図9】従来のPWMサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【符号の説明】
1 三相交流電源
2 PWMサイクロコンバータ
3 モータ
41-3 電圧検出用トランス
51-3 電流検出器
61-3 入力電圧信号
71-3 出力電流信号
81-9 スイッチング素子
91-9 電圧極性判別回路
101-9 電圧極性信号
111-3 コンパレータ
121-3 出力電流方向信号
13 メインコントローラ
14 PWM信号作成部
15 転流シーケンス作成ロジック部
16 ゲートドライバ
17 主回路
Claims (3)
- 交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータにおいて、
前記双方向スイッチの両端電圧の極性を検出する手段と、
転流シーケンスによって生じる出力電圧の転流誤差量、及び検出された前記双方向スイッチの両端電圧の極性に基づいて前記転流誤差量の符号とを演算する手段と、
前記演算された符号付き転流誤差量に基づいて出力電圧指令を補正する手段を備えたことを特徴とするPWMサイクロコンバータ。 - 交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をPWM制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するPWMサイクロコンバータにおいて、
出力相に流れる電流を検出する出力電流検出回路と、
前記出力電流検出回路により検出された電流の方向を判別する出力電流方向検出回路と、
転流シーケンスによって生じる出力電圧の転流誤差量、及び検出された電流の方向に基づいて前記転流誤差量の符号とを演算する手段と、
前記演算された符号付き転流誤差量に基づいて出力電圧指令を補正する手段を備えたことを特徴とするPWMサイクロコンバータ。 - 前記演算された転流誤差量は、前記交流電源の最小入力電圧相と最大入力電圧相との相間電圧絶対値に比例させたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のPWMサイクロコンバータ。
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