JP5968010B2 - 電力変換器制御装置 - Google Patents
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また、スイッチングのパルス位相を適切に設計する方法として、スイッチングのタイミングを電動機の回転位相に同期させる同期PWM制御によってスイッチング位相を制御し、スイッチングのオン・オフ位相を適切に設計することにより、特定次数の高調波成分を低減する装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、目標の高次高調波次数の高調波成分を低減するために、三角波比較PWMのスイッチング位相に位相ずれを与えて、電圧利用率を改善しつつ高調波を低減する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
このため、特定の高調波次数の高調波成分を抑制する従来の方式にあっては、可変速で駆動制御される電動機で発生する騒音や損失を有効に低減することができないという問題点があった。
電動機の回転子の磁極位置を検出する位置検出器、位置検出器からの磁極位置信号から電動機の回転速度を演算する速度演算部、指令部からの出力と速度演算部からの電動機の回転速度とに基づき、電動機への出力の基本周波数に対して所定の次数の高調波成分を抑制するためのスイッチング素子のスイッチングタイミングを決定するスイッチングパルスのパルスパターンを演算するパルスパターン演算部、およびパルスパターン演算部からのパルスパターンと位置検出器からの磁極位置信号とに基づきスイッチング素子をオンオフ駆動するゲートパルスを出力するゲートパルス出力部を備え、
パルスパターン演算部は、その周波数が人間の可聴域に相当する周波数範囲内となる次数の高調波成分が存在する、電動機の回転速度が比較的低速域では、当該次数の高調波成分を抑制するようパルスパターンを演算し、その周波数が人間の可聴域に相当する周波数範囲内となる次数の高調波成分が存在しない、電動機の回転速度が比較的高速域では、電動機が発生する損失を低減するため、その周波数が、損失の増大をもたらす周波数範囲内となる次数の高調波成分を抑制するよう電動機の回転速度に応じて異なる次数の高調波成分を抑制するようパルスパターンを演算するものである。
図1は、この発明の実施の形態1における電力変換器制御装置の全体構成を示すシステム構成図である。先ず、図1により、全体構成の概要を説明する。スイッチング素子を備えた電力変換器8は、直流電源からの直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換し電動機9に供給する。なお、この直流電源は、本願発明では、特に関係ないので図示していないが、例えば、交流電力系統からの交流電圧を別途の電力変換器で直流電圧に変換して直流電源とすればよい。
なお、電圧指令部1と変調率演算部2とで、本願請求項の指令部を構成する。
選択回路30は、速度演算部10の演算した回転速度信号ωeにしたがって、複数の高調波抑制パルスパターン部31、32・・3nの出力するパルスパターンのいずれかひとつを選択し、ゲートパルス出力部7に出力する。
以上のように、パルスパターン切換制御部3は、変調率演算部2からの変調率mと速度演算部10からの回転速度信号ωeとに基づき、適切なパルスパターンを選択してゲートパルス出力部7に出力する。
なお、実施の形態1では、電動機9の回転子の磁極位置を検出する位置センサ11として、例えば、インクリメンタルエンコーダやレゾルバが用いられる。
先ず、図1の電圧指令部1からパルスパターン切換制御部3に至る動作について説明する。
図1において、電圧指令部1では、制御系上位からのトルク指令あるいは速度指令に基づき、直交二相座標系で表された電圧指令Vd*、Vq*が生成される。一般的に、直交二相座標系は、回転座標系のd−q軸が用いられ、Vd*はd軸上で、Vq*はq軸上で表された、電動機9を制御するための電圧指令である。
なお、この発明の実施の形態1では、制御は同期PWM方式であるため、各高調波抑制パルスパターン部が出力するパルスパターンは、電動機9の回転子の回転位相を基準に演算される。このパルスパターンは、電力変換器8における電流の特定次数の高調波成分を低減するようなパターンになるように演算される。
そして、この発明の実施の形態1では、電動機9の回転子の回転速度に応じたパルスパターンを選択しており、回転速度の低速度域と高速度域とで異なる次数の高調波の低減に対応することができる。
一般的に、同期PWM制御において、電流における特定次数の高調波成分を消去するときには、基本波の1/2サイクルの中心であるπ/2で対称なパルス位相でスイッチングを行う。1/2サイクルのスイッチング回数をk回(kは、3以上の奇数)とすると、1/4サイクル中には(k−1)/2回のスイッチングを行い、電気角位相0[rad]を基準にしてパルスパターンを決定するパルス位相θ1〜θnを定義し、このパルス位相θ1〜θnを適切に演算することにより高調波を低減する。
PWM制御される電力変換器8の出力波形におけるn次の高調波成分Eは、1/2サイクルのスイッチング回数kを用いて式(3)で表される。
この場合は、5次、7次の高調波成分が騒音域内で発生する比較的低速域では、5次、7次の低次高調波をもっとも低減したパルス位相で電力変換器8の制御を行い、それ以上の中・高速域では、特定次数の高調波成分を抑制し、電動機9の損失低減を優先したパルス位相による電力変換器8の制御を行うことになる。
図6に、ゲートパルス出力部7の内部構成を示す。
そして、U相に関しては、パルス位相θ1〜θnと加算器17の出力する電圧位相θのU相との相対関係比較からスイッチングのオン・オフがU相の判定回路21で判定される。V相に関しては、パルス位相θ1〜θnと120°位相進み回路19の出力する120°進んだ電圧位相θのV相との相対関係比較からスイッチングのオン・オフがV相の判定回路22で判定される。W相に関しては、パルス位相θ1〜θnと120°位相遅れ回路20の出力する120°遅れた電圧位相θのW相との相対関係比較からスイッチングのオン・オフがW相の判定回路23で判定される。
そして、先に、図3〜図5で説明した各ケースとの対応を例示すると次の通りである。
即ち、図7において、5000、6000[rpm]の速度範囲は、図3で示したケースが該当し、電動機9の騒音が大きくなる5次と7次の高調波成分を抑制するためのパルスパターンを第2の高調波抑制パルスパターン部32が演算し、選択回路30がこれを選択する。また、3000、4000[rpm]の低域速度範囲は、図4で示したケースが該当し、電動機9の騒音が比較的大きくなる11次と13次の高調波成分を抑制するためのパルスパターンを第1の高調波抑制パルスパターン部31が演算し、選択回路30がこれを選択する。更に、7000、8000[rpm]の高域速度範囲は、図5で示したケースが該当し、電動機9の損失が大きくなる特定の次数の高調波成分を抑制するためのパルスパターンを第nの高調波抑制パルスパターン部3nが演算し、選択回路30がこれを選択する。
例えば、3次関数の式(7)を用いて、近似的にθ1〜θ3を計算することができる。
従って、第1の高調波抑制パルスパターン部31は、予め設定された係数a1〜a3、b1〜b3、c1〜c3、d1〜d3を使用して、近似式(7)を用いて、このパルスパターンのパルス位相θ1〜θ3を計算し、選択回路30に出力する。
また、第2の高調波抑制パルスパターン部32も、同様の近似を行い、パルスパターンのパルス位相θ1〜θ3を計算して選択回路30に出力することが可能である。
また、式(4)では、5次と7次の2種類の次数の高調波成分を抑制するため、1/4サイクルに3回のスイッチング(パルス位相θ1、θ2、θ3)を行うパルスパターンを設定したが、1/4サイクルに5回以上のスイッチングを行うことを条件に、3種類以上の次数の高調波成分を抑制するパルスパターンを設定するようにしても良い。
実施の形態2に係る電力変換器制御装置は、実施の形態1とは異なり、上位よりトルク指令が入力されて電力変換器8をPWM制御する構成としたものである。
以下、本願発明の実施の形態2について、電力変換器制御装置に係るシステム構成図である図8およびパルスパターン切換えテーブルである図9に基づいて説明する。
先ず、本願発明の実施の形態2に係る電力変換器制御装置を含む全体システム構成について説明する。図8において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付して個々の説明は適宜省略するものとする。
図8において、指令部としてのトルク指令部4では、上位からの速度指令等に基づき、トルク指令tが生成される。電圧指令演算部5は、トルク指令部4からのトルク指令tに基づき直交二相座標系で表された電圧指令Vd*、Vq*を演算する。
同様に、第2の高調波抑制パルスパターン部62は、トルク指令部4からのトルク指令tに基づき、第1の高調波抑制パルスパターン部61とは異なるスイッチングパルスのパルスパターンを演算して、選択回路60に出力する。
同様に、第nの高調波抑制パルスパターン部6nは、トルク指令部30からのトルク指令tに基づき、他の高調波抑制パルスパターン部とは異なるスイッチングパルスのパルスパターンを演算して、選択回路60に出力する。
なお、図9において、図7と同様に、回転速度1000、2000[rpm]の欄が空欄となっているが、低速度領域では同期PWM制御が難しく、非同期PWM制御を適用する方が適切であり、この発明によるパルスパターンの選択の対象外としているためである。
トルク指令tは、電動機9に流れる電流に直接関係するので、回転速度が低い領域でも高調波抑制効果の強いパルスパターンを選択することになる。従って、同じ回転速度範囲であっても、電圧指令で制御するときには、例えば、11次、13次の高調波成分を抑制するためのパルスパターンを選択するが、トルク指令で制御するときには、例えば、5次、7次の高調波成分を抑制するためのパルスパターンを選択することも考えられる。
実施の形態3の電力変換器制御装置は、実施の形態1に係る電力変換器制御装置に対して、図1におけるパルスパターン切換制御部3の動作を、パルスパターン演算部としての、ひとつの高調波抑制パルスパターン部71で行うよう構成したものである。実施の形態3の高調波抑制パルスパターン部71は、図7に示すパルスパターンテーブルに基づき、パルス位相をゲートパルス出力部7に出力する。
実施の形態4の電力変換器制御装置は、実施の形態2に係る電力変換器制御装置に対して、図8におけるパルスパターン切換制御部6の動作を、パルスパターン演算部としての、ひとつの高調波抑制パルスパターン部72で行うよう構成したものである。実施の形態4の高調波抑制パルスパターン部72は、図9に示すパルスパターンテーブルに基づき、パルス位相をゲートパルス出力部7に出力する。
30 選択回路、
31,32・・3n 第1、第2・・第nの高調波抑制パルスパターン部、
4 トルク指令部、5 電圧指令演算部、6 パルスパターン切換制御部、
60 選択回路、
61,62・・6n 第1、第2・・第nの高調波抑制パルスパターン部、
7 ゲートパルス出力部、8 電力変換器、9 電動機、10 速度演算部、
11 位置センサ、71,72 高調波抑制パルスパターン部。
Claims (5)
- スイッチング素子を備え、指令部からの出力に基づき電動機を可変速で駆動するため前記スイッチング素子のスイッチング動作で可変周波数の出力を前記電動機に供給する電力変換器を制御するものであって、
前記電動機の回転子の磁極位置を検出する位置検出器、前記位置検出器からの磁極位置信号から前記電動機の回転速度を演算する速度演算部、前記指令部からの出力と前記速度演算部からの前記電動機の回転速度とに基づき、前記電動機への出力の基本周波数に対して所定の次数の高調波成分を抑制するための前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを決定するスイッチングパルスのパルスパターンを演算するパルスパターン演算部、および前記パルスパターン演算部からの前記パルスパターンと前記位置検出器からの前記磁極位置信号とに基づき前記スイッチング素子をオンオフ駆動するゲートパルスを出力するゲートパルス出力部を備え、
前記パルスパターン演算部は、その周波数が人間の可聴域に相当する周波数範囲内となる次数の高調波成分が存在する、前記電動機の回転速度が比較的低速域では、当該次数の高調波成分を抑制するよう前記パルスパターンを演算し、その周波数が人間の可聴域に相当する周波数範囲内となる次数の高調波成分が存在しない、前記電動機の回転速度が比較的高速域では、前記電動機が発生する損失を低減するため、その周波数が、損失の増大をもたらす周波数範囲内となる次数の高調波成分を抑制するよう前記電動機の回転速度に応じて異なる次数の高調波成分を抑制するよう前記パルスパターンを演算することを特徴とする電力変換器制御装置。 - 前記パルスパターン演算部は、前記指令部からの出力と前記速度演算部からの前記電動機の回転速度とを変数として予め計算された結果を保存したパルス位相テーブルを参照して前記パルスパターンを演算することを特徴とする請求項1記載の電力変換器制御装置。
- 前記パルスパターン演算部は、前記指令部からの出力と前記速度演算部からの前記電動機の回転速度とを変数として予め設定された近似式を用いて前記パルスパターンを演算することを特徴とする請求項1記載の電力変換器制御装置。
- 前記指令部は、電圧指令を発生する電圧指令部、および前記電圧指令部からの電圧指令に基づき変調率を演算し該変調率を前記指令部からの出力として前記パルスパターン演算部に出力する変調率演算部を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換器制御装置。
- 前記指令部は、トルク指令を発生し該トルク指令を前記指令部からの出力として前記パルスパターン演算部に出力するトルク指令部を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換器制御装置。
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