JP6176663B2 - AC motor drive system - Google Patents
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Description
本発明は、2台の3相電圧形PWMインバータで中性点が分離された巻線を有する交流電動機を駆動するシステムに関する。 The present invention relates to a system for driving an AC motor having a winding with a neutral point separated by two three-phase voltage type PWM inverters.
図2における従来技術について以下に説明する。交流電動機1は、中性点が分離した端子U1、U2のU相巻線と端子V1、V2のV相巻線と端子W1、W2のW相巻線が施されており、端子U1、V1、W1が3相PWMインバータ7の出力に接続されていて、端子U2、V2、W2が3相PWMインバータ8の出力に接続されている。3相PWMインバータ7には電圧E1の直流電圧源2から電力が供給されていて、3相PWMインバータ8には電圧E2のキャパシタ4から電力が供給されている。端子U1、V1、W1から端子U2、V2、W2へ流れる方向を正とする各相巻線iu、iv、iwの電流は、電流検出器5により検出され、座標変換器13で式1を用いて電流ベクトルIの各成分ia、ibとなり、式2で静止座標のa軸からの位相差θのd軸とそれに直交するq軸の成分に変換される。
The prior art in FIG. 2 will be described below. The AC motor 1 is provided with a U-phase winding of terminals U1 and U2, a terminal V1, a V-phase winding of V2, and a W-phase winding of terminals W1 and W2 separated from neutral points. , W1 are connected to the output of the three-
電流指令演算器11は、トルク指令Trと2次鎖交磁束の大きさ指令φ2rを入力し、交流電動機1の出力トルクTと2次鎖交磁束ベクトルの大きさφ2がそれぞれ前記指令に一致するように、前記d軸の電流の指令idrとq軸の電流指令iqrを求めて出力する。キャパシタ4の電圧とその指令E2rとの差が減算器38で求められ、比例積分増幅器24で増幅されてキャパシタ電圧制御電流icが得られる。3相PWMインバータ7用のd軸電流指令idr1は、加算器27でキャパシタ電圧制御電流icとd軸電流指令idrとの和で得られる。3相PWMインバータ7用のq軸電流指令iqr1は、減算器37でq軸電流指令iqrからキャパシタ電圧制御電流icを引くことで得られる。また3相PWMインバータ8用のd軸電流指令idr2は、減算器39でキャパシタ電圧制御電流icからq軸電流指令iqrを引くことで得られ、3相PWMインバータ8用のq軸電流指令iqr2は、加算器32でのキャパシタ電圧制御電流icとd軸電流指令idrとの和で得られる。電流指令idr1、iqr1と座標変換器13出力のid、iqとの偏差が減算器35、36で求められて、それぞれ比例積分増幅器20、21で増幅されて、非干渉制御器55の出力との和を加算器29、28で求めることで3相PWMインバータ7用のd軸電圧指令vdr1とq軸電圧指令vqr1となる。同様に電流指令idr2、iqr2と座標変換器13出力のid、iqとの偏差が減算器41、40で求められて、それぞれ比例積分増幅器22、23で増幅されて、非干渉制御器56の出力との和を加算器31、30で求めることで3相PWMインバータ8用のd軸電圧指令vdr2とq軸電圧指令vqr2となる。vdr1とvqr1は、座標変換器12により、静止座標の電圧成分を持つ電圧指令ベクトルVi1rに変換されて3相PWMインバータ7に出力される。3相PWMインバータ7は、入力した電圧指令ベクトル相当の電圧を出力する。vdr2とvqr2は、座標変換器14により、静止座標の電圧成分を持つ電圧指令ベクトルVi2rに変換されて3相PWMインバータ8に出力される。3相PWMインバータ8は、入力した電圧指令ベクトル相当の電圧を出力する。座標演算器57は、d軸位相θを求めて座標変換器12、13、14に出力する。
The
このような構成にすることで、交流電動機1の出力トルクがトルク指令Trに追従するようになり、キャパシタ4の電圧E2はその指令E2rに一致するようになる。よって、交流電動機1が低い電圧しか必要としない低い回転数の時は、キャパシタ4の電圧を低い値に制御し、回転速度に応じてキャパシタ電圧を上げることで、交流電動機1の印加電圧の高調波成分を小さくすることができる。
With such a configuration, the output torque of the AC motor 1 follows the torque command Tr, and the voltage E2 of the
図2に示されている従来技術においては、キャパシタ4の電圧制御の為に、各軸の電流指令が補正されており、その電流指令に追従するように交流電動機1の電流を制御しているので、キャパシタ電圧制御によって電動機電流が変化し電動機制御特性が変化することとなる。つまり、電動機制御とキャパシタ電圧制御が分離されていないので、それぞれの制御が他方の制御に影響を及ぼすこととなり、比例積分増幅器24の調整が困難となる。また、例えばd軸電流を制御するために20と22の2つの比例積分増幅器を使用していることから両者が干渉しあって制御が不安定になる可能性がある。
In the prior art shown in FIG. 2, the current command of each axis is corrected for voltage control of the
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、両端にそれぞれU1U2とV1V2とW1W2の端子を有して互いに電気的に分離した3相対称巻線を有する交流電動機の前記U1、V1、W1端子から成る第1の端子群を第1の3相電圧形PWMインバータに接続すると共に、前記U2、V2、W2端子から成る第2の端子群を第2の3相電圧形PWMインバータに接続し、前記第1の3相電圧形PWMインバータの直流電圧源と前記第2の3相電圧形PWMインバータの直流電圧源とを分離した交流電動機ドライブシステムにおいて、前記U1、V1、W1端子から前記U2、V2、W2端子の方向を正として流れる前記交流電動機の各相の電流を検出して3相2相変換して電流ベクトルIを出力する電流変換器と、前記U2、V2、W2端子からの前記U1、V1、W1端子の各電圧からなる前記交流電動機の各相電圧を3相2相変換した電圧ベクトルの電圧指令ベクトルVmrを出力する電動機電圧指令生成器と、前記第2の3相電圧形PWMインバータの出力電力である電力指令P2を出力する電力指令器と、前記電流ベクトルIと前記電圧指令ベクトルVmrと前記電力指令P2とを入力して、第1の電圧指令ベクトルVi1rと第2の電圧指令ベクトルVi2rとの差を前記電圧指令ベクトルVmrに一致させ、前記第2の電圧指令ベクトルVi2rと前記電流ベクトルIとの内積を前記電力指令P2の極性反転に一致させ、前記第2の電圧指令ベクトルVi2rの大きさを前記第2の3相電圧形PWMインバータが出力可能な最大電圧ベクトルの大きさに制限した上で前記第1の電圧指令ベクトルVi1rの大きさを最小とするような前記第1の電圧指令ベクトルVi1rと前記第2の電圧指令ベクトルVi2rとを出力するベクトル演算器とを具備し、前記第1の3相電圧形PWMインバータは前記第1の電圧指令ベクトルVi1rを出力するように動作させ、前記第2の3相電圧形PWMインバータは前記第2の電圧指令ベクトルVi2rを出力するように動作させることを特徴とする交流電動機ドライブシステム。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the U1 of the AC motor having three-phase symmetrical windings having terminals U1U2, V1V2 and W1W2 at both ends and electrically separated from each other, A first terminal group consisting of V1 and W1 terminals is connected to a first three-phase voltage source PWM inverter, and a second terminal group consisting of U2, V2 and W2 terminals is connected to a second three-phase voltage source PWM inverter. In the AC motor drive system in which the DC voltage source of the first three-phase voltage source PWM inverter and the DC voltage source of the second three-phase voltage source PWM inverter are separated, the U1, V1, and W1 terminals A current converter for detecting a current of each phase of the AC motor flowing with the directions of the U2, V2, and W2 terminals being positive from each other and performing three-phase to two-phase conversion to output a current vector I; U2 A motor voltage command generator that outputs a voltage command vector Vmr of a voltage vector obtained by three-phase to two-phase conversion of each phase voltage of the AC motor consisting of voltages of the U1, V1, and W1 terminals from the V2 and W2 terminals; A power command device that outputs a power command P2 that is output power of the second three-phase voltage source PWM inverter, the current vector I, the voltage command vector Vmr, and the power command P2 are input, and the first voltage The difference between the command vector Vi1r and the second voltage command vector Vi2r is matched with the voltage command vector Vmr, and the inner product of the second voltage command vector Vi2r and the current vector I is matched with the polarity inversion of the power command P2. And the magnitude of the second voltage command vector Vi2r is the magnitude of the maximum voltage vector that can be output by the second three-phase voltage source PWM inverter. A vector calculator that outputs the first voltage command vector Vi1r and the second voltage command vector Vi2r so as to minimize the magnitude of the first voltage command vector Vi1r; The first three-phase voltage source PWM inverter is operated to output the first voltage command vector Vi1r, and the second three-phase voltage source PWM inverter is configured to output the second voltage command vector Vi2r. AC motor drive system characterized in that
本発明により、電圧指令生成器出力の電動機電圧指令ベクトルと第2の3相電圧形PWMインバータが出力する電力の指令から、ベクトル演算器により第1及び第2の3相電圧形PWMインバータの出力すべき電圧ベクトルを得ることができるので、電動機電圧制御とキャパシタ電圧制御を完全に切り離すことができ、電圧指令生成器に電動機制御機能を入れることで、電動機のトルク制御や電流制御からキャパシタ電圧制御を完全に切り離すことができる。 According to the present invention, from the motor voltage command vector output from the voltage command generator and the power command output from the second three-phase voltage source PWM inverter, the vector calculator outputs the first and second three-phase voltage source PWM inverters. Since the voltage vector to be obtained can be obtained, the motor voltage control and the capacitor voltage control can be completely separated, and by adding the motor control function to the voltage command generator, the capacitor voltage control from the torque control and current control of the motor Can be completely separated.
図1は、本発明の交流電動機ドライブシステムを示した説明図であり、この図に基づいて実施例1の説明を以下に示す。電圧指令生成器70は、式3に示されるVma、Vmbを成分とする交流電動機1の電圧ベクトルVmの指令Vmrを出力する。電圧指令生成器70において、例えばV/f一定制御を行うのであればその結果としての電圧指令ベクトルを、または交流電動機1の出力トルク制御を行うのであればその為のベクトル制御演算結果としての電圧指令ベクトルを出力することとなる。電流検出器5で検出した交流電動機1の電流から電流ベクトル変換器66は、式1の演算でia、ibを成分とする電流ベクトルIを出力する。減算器45でキャパシタ4の電圧E2とその指令E2rとの偏差を求め、比例積分増幅器26で増幅して3相PWMインバータ8の出力電力の指令P2が得られる。つまり、3相PWMインバータ8の出力電力がP2に追従するならば、P2が正ならばキャパシタ4の電圧E2は減少し、P2が負ならばE2は増加することとなる。ベクトル演算器80は、電流ベクトルIと電圧指令ベクトルVmrと3相PWMインバータ8出力電力指令P2とを入力して以下の手順で3相PWMインバータ7の出力電圧ベクトルの指令Vi1rと3相PWMインバータ8の出力電圧ベクトルの指令Vi2rを出力する。
FIG. 1 is an explanatory view showing an AC motor drive system of the present invention, and a description of the first embodiment will be given below based on this figure. The
ベクトル演算器80において、電流ベクトルIと電圧指令ベクトルVmrとが原点Oを基準に描かれたベクトル図上で、電圧指令ベクトルVmrの頂点Aを通る電流ベクトルIに平行な線aを描き、該線a上で電流ベクトルIの逆向きを正として頂点Aからの距離を、電力指令P2を電流ベクトルIの大きさで除した値とした点Bをとり、点Bから前記線aに垂直な垂線bを描き、原点Oを通り電流ベクトルIに平行な線cと垂線bとの交点をCとし、3相電圧形PWMインバータ8が出力できる電圧ベクトルの最大の大きさVi2xを半径として頂点Aを中心とする円弧dと垂線bとの交点をDとし、交点Cと交点Dのなかで頂点Aからの距離が短い方を交点Eとし、頂点Aから交点Eに向くベクトルを電圧指令ベクトルVi2rとして出力し、原点Oから交点Eに向くベクトルを電圧指令ベクトルVi1rとして出力する。
In the
3相PWMインバータ7は、入力した電圧指令ベクトルVi1r通りの電圧を出力し、3相PWMインバータ8は、入力した電圧指令ベクトルVi2r通りの電圧を出力する。 The three-phase PWM inverter 7 outputs a voltage according to the input voltage command vector Vi1r, and the three-phase PWM inverter 8 outputs a voltage according to the input voltage command vector Vi2r.
以上の構成により、ベクトル演算器80において、Vi1r=Vmr+Vi2rの関係があり、3相PWMインバータ7の出力電圧ベクトルVi1と3相PWMインバータ8の出力電圧ベクトルVi2と交流電動機1の電圧ベクトルVmにはVi1=Vm+Vi2の関係があり、3相PWMインバータ7や3相PWMインバータ8はVi1=Vi1r、Vi2=Vi2rとするので、電圧指令ベクトルVmr通りの電圧が交流電動機1に印加されることとなる。また、ベクトル演算器80において、電流ベクトルIと電圧指令ベクトルVi2rとの内積が(−P2)と一致するようにしているので、3相PWMインバータ8の出力電力をP2とすることができる。しかも、交流電動機1の印加電圧ベクトルと3相PWMインバータ8の出力電力をそれぞれ指令通りとした上で、3相PWMインバータ7が出力する電圧指令ベクトルVi1の大きさを最小とすることができるため、3相PWMインバータ7の直流電圧源2の電圧E1を最小限にすることができる。
With the above configuration, the
本発明により、電源が区別された2台の3相電圧形PWMインバータで中性点が分離された巻線を有する交流電動機を駆動するシステムにおいて、交流電動機制御とは無関係に片方の3相電圧形PWMインバータの出力電力制御が可能となる。これによって例えば片方の3相電圧形PWMインバータの電源を燃料電池とし、他方の3相電圧形PWMインバータの電源をキャパシタやバッテリとした電気自動車の交流電動機に適用した場合、交流電動機制御と独立してキャパシタやバッテリの充放電電力を制御できるようになるだけでなく、交流電動機には、燃料電池電圧とキャパシタやバッテリの電圧との和の電圧を印加できるようになり、交流電動機の高速運転が可能となる。 According to the present invention, in a system for driving an AC motor having windings with neutral points separated by two three-phase voltage type PWM inverters with different power sources, one of the three-phase voltages is independent of the AC motor control. The output power of the PWM inverter can be controlled. Thus, for example, when applied to an AC motor of an electric vehicle in which the power source of one of the three-phase voltage source PWM inverters is a fuel cell and the power source of the other three-phase voltage source PWM inverter is a capacitor or a battery, it is independent of the AC motor control. In addition to being able to control the charge / discharge power of the capacitor and battery, the AC motor can be applied with the sum of the fuel cell voltage and the voltage of the capacitor and battery, enabling high-speed operation of the AC motor. It becomes possible.
1 交流電動機
2、3 直流電圧源
4 キャパシタ
5 電流検出器
7、8 3相PWMインバータ
11 電流指令演算器
12〜14 座標変換器
20〜24、26 比例積分増幅器
27〜32 加算器
35〜41、45 減算器
55、56 非干渉制御器
57 座標演算器
66 電流ベクトル変換器
70 電圧指令生成器
80 ベクトル演算器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (1)
前記U1、V1、W1端子から前記U2、V2、W2端子の方向を正として流れる前記交流電動機の各相の電流を検出して3相2相変換して電流ベクトルIを出力する電流変換器と、前記U2、V2、W2端子からの前記U1、V1、W1端子の各電圧からなる前記交流電動機の各相電圧を3相2相変換した電圧ベクトルの電圧指令ベクトルVmrを出力する電動機電圧指令生成器と、前記第2の3相電圧形PWMインバータの出力電力である電力指令P2を出力する電力指令器と、前記電流ベクトルIと前記電圧指令ベクトルVmrと前記電力指令P2とを入力して、第1の電圧指令ベクトルVi1rと第2の電圧指令ベクトルVi2rとの差を前記電圧指令ベクトルVmrに一致させ、前記第2の電圧指令ベクトルVi2rと前記電流ベクトルIとの内積を前記電力指令P2の極性反転に一致させ、前記第2の電圧指令ベクトルVi2rの大きさを前記第2の3相電圧形PWMインバータが出力可能な最大電圧ベクトルの大きさに制限した上で前記第1の電圧指令ベクトルVi1rの大きさを最小とするような前記第1の電圧指令ベクトルVi1rと前記第2の電圧指令ベクトルVi2rとを出力するベクトル演算器とを具備し、前記第1の3相電圧形PWMインバータは前記第1の電圧指令ベクトルVi1rを出力するように動作させ、前記第2の3相電圧形PWMインバータは前記第2の電圧指令ベクトルVi2rを出力するように動作させることを特徴とする交流電動機ドライブシステム。
A first terminal group consisting of the U1, V1, and W1 terminals of an AC motor having three-phase symmetrical windings that have U1U2, V1V2, and W1W2 terminals at both ends and electrically separated from each other is defined as a first three-phase. A DC voltage of the first three-phase voltage source PWM inverter is connected to a voltage type PWM inverter and a second terminal group consisting of the U2, V2 and W2 terminals is connected to a second three-phase voltage source PWM inverter. AC motor drive system in which a power source and a DC voltage source of the second three-phase voltage source PWM inverter are separated,
A current converter for detecting a current of each phase of the AC motor flowing from the U1, V1, W1 terminals as positive in the direction of the U2, V2, W2 terminals, converting the current into three phases and two phases, and outputting a current vector I; Motor voltage command generation that outputs a voltage command vector Vmr of a voltage vector obtained by three-phase to two-phase conversion of each phase voltage of the AC motor composed of the voltages of the U1, V1, and W1 terminals from the U2, V2, and W2 terminals A power command device that outputs a power command P2 that is output power of the second three-phase voltage source PWM inverter, the current vector I, the voltage command vector Vmr, and the power command P2. The difference between the first voltage command vector Vi1r and the second voltage command vector Vi2r is made to coincide with the voltage command vector Vmr, and the second voltage command vector Vi2r and the current vector are matched. The inner product with the torque I coincides with the polarity inversion of the power command P2, and the magnitude of the second voltage command vector Vi2r is set to the magnitude of the maximum voltage vector that can be output by the second three-phase voltage source PWM inverter. A vector calculator that outputs the first voltage command vector Vi1r and the second voltage command vector Vi2r so as to minimize the magnitude of the first voltage command vector Vi1r; The first three-phase voltage source PWM inverter is operated to output the first voltage command vector Vi1r, and the second three-phase voltage source PWM inverter is configured to output the second voltage command vector Vi2r. AC motor drive system characterized in that
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