JP6518693B2 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

三相交流電動機の駆動制御を行う電力変換装置は、任意の三相交流電圧指令に基づきスイッチング回路のオン・オフを制御することで、交流又は直流電圧を任意の三相交流電圧に変換し出力する。

一般的に、スイッチング回路制御信号の生成は、各相電圧指令を三角波と比較する方法がとられるが、各相電圧指令が三角波の振幅を超えた場合には、前記制御信号を適切に生成することができない。そこで、三相交流電圧指令に零相電圧を注入し、各相電圧指令の振幅を小さくすることで、電圧の利用率を向上させる方法がある。

また、スイッチング回路の損失低減を目的とし、零相電圧を注入する場合もある。

なお、スイッチング回路の三相のうち、いずれか一相のスイッチングを休む制御方式を２相変調（二相スイッチング）、三相でスイッチングする制御方式を３相変調（三相スイッチング）と呼ぶ。

これらに代表される零相電圧の注入は、零相電圧注入の有無や、注入する零相電圧を切り替える際に、相電圧が不連続となり、三相交流電動機に流れる電流が脈動する場合や、過大な電流跳躍が発生し電力変換装置や三相交流電動機の焼損の可能性がある。

前記電流脈動や電流跳躍を抑えるため、特開２０１２−７０４９７（特許文献１）に記載の技術がある。

この公報には、「入力された交流電圧を直流化する順変換部と、直流電圧を二相スイッチング及び三相スイッチングによるPWM制御によって任意の周波数の交流電圧に変換する為の複数のスイッチング素子を有するインバータ装置において、前記二相スイッチングと三相スイッチングの切替時に、二相スイッチングと三相スイッチングの混在する遷移期間を設け、前記遷移期間においては、三相スイッチングと二相スイッチングの間の過渡処理部で生成した電圧指令を出力する事を特徴としたインバータ装置」という記載がある。

特開２０１２−７０４９７

特許文献１に記載の技術では、二相スイッチングと三相スイッチングの混在する遷移期間において、瞬間的に相電圧が不連続となるため、例えば電気時定数の小さい電動機では、前記電流脈動や電流跳躍が発生してしまう場合がある。

そこで、本発明は、電気時定数の小さい電動機においても、前記電流脈動及び電流跳躍が発生しない電力変換装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、スイッチング回路の動作により交流電圧または直流電圧を任意の電圧に変換することで電動機を制御する電力変換装置において、各相の電圧指令に注入する第一の変調の零相電圧を周波数または電圧または時間に依存させて変化させる制御回路を備えることを特徴とする電力変換装置である。

本発明により、零相電圧を切り替える際にも相電圧が不連続とならず、電動機に流れる電流の脈動及び跳躍を抑制することが可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１における実施形態構成の一例である。 実施例１における電圧指令周波数、零相電圧、電圧指令の一例である。 実施例２における実施形態構成の一例である。 実施例２における電圧指令周波数、零相電圧、電圧指令の一例である。 実施例３における実施形態構成の一例である。 実施例３における電圧指令周波数、零相電圧、電圧指令の一例である。

以下、本発明の実施例について、図を用いながら説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号を付しており、それらについての重複した説明は省略する。

図１は、実施例１における実施形態構成の一例である。

３相交流誘導電動機１１０の駆動制御を行う電力変換装置１０１は、整流回路１０２、平滑回路１０３、スイッチング回路制御器１０７、スイッチング回路１０９、零相電圧生成器１１２、零相電圧調整器１１４、零相電圧注入器１１６を有する。

単相交流電源１００から出力される単相交流電圧は、整流回路１０２により整流され、平滑回路１０３により平滑し、直流電圧を生成する。

スイッチング回路制御器１０７は、零相電圧注入後の電圧指令１０６に基づいた電圧が３相交流誘導電動機１１０に印加されるように、スイッチング回路制御信号１０８を生成する。

スイッチング回路１０９は、スイッチング回路制御信号１０８に基づき、直流電圧を３相交流電圧に変換する。

零相電圧生成器１１２は、零相電圧注入前の電圧指令１１１に基づき、スイッチング回路１０９が出力する電圧の利用率向上を目的とした零相電圧１１３を生成する。生成する零相電圧としては、例えば、零相電圧注入前の電圧指令１１１の第３次の整数倍の高調波などがある。

零相電圧調整器１１４は、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数に基づき、零相電圧１１３を調整する。零相電圧注入後の電圧指令１０６の周波数に基づき、零相電圧１１３を調整してもよい。

零相電圧注入器１１６は、零相電圧注入前の電圧指令１１１に調整後の零相電圧１１５を注入する。

ここで、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が低い場合には、零相電圧を注入しない、すなわち零相電圧がゼロ、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が高い場合には、スイッチング回路１０９が出力する電圧の利用率向上を目的とした零相電圧を注入することを考える。

図２は、実施例１における電圧指令周波数、零相電圧、電圧指令の一例である。

周波数２０１、２０２、２０３、２０４は、それぞれ電圧指令周波数２００の任意点であり、前記した順で大きくなる。

零相電圧２０５、２０６、２０７、２０８は、それぞれ周波数２０１、２０２、２０３、２０４での零相電圧である。

零相電圧注入後電圧指令２０９、２１０、２１１、２１２は、それぞれ周波数２０１、２０２、２０３、２０４での零相電圧注入後電圧指令である。

図２に示すように、電圧指令周波数２００に従って注入する零相電圧を徐々に増加させることで、電圧指令を連続的に変化させることができる。従って、３相交流誘導電動機１１０に印加する電圧が連続的に変化するので、３相交流誘導電動機１１０に流れる電流の脈動及び跳躍を抑制することが可能である。

図３は、実施例２における実施形態構成の一例である。

３相交流永久磁石同期電動機３１０の駆動制御を行う電力変換装置３０１は、直流電圧検出器３０４、スイッチング回路制御器３０７、スイッチング回路１０９、零相電圧生成器３１２、零相電圧調整器３１４、零相電圧注入器１１６を有する。

直流電源３００から出力される直流電圧は、スイッチング回路１０９に入力される。

直流電圧検出器３０４は、スイッチング回路１０９に入力される直流電圧を検出する。

スイッチング回路制御器３０７は、零相電圧注入後の電圧指令１０６に基づいた電圧が３相交流永久磁石同期電動機３１０に印加されるように、スイッチング回路制御信号１０８を生成する。

零相電圧生成器３１２は、零相電圧注入前の電圧指令１１１と検出直流電圧３０５に基づき、スイッチング回路１０９のスイッチング回数の低減を目的とした零相電圧を生成する。例えば、零相電圧注入前の電圧指令１１１の最大相とスイッチング回路１０９が出力可能な最大電圧との差分や、零相電圧注入前の電圧指令１１１の最小相とスイッチング回路１０９が出力可能な最低電圧との差分などがある。

零相電圧調整器３１４は、零相電圧注入前の電圧指令１１１のノルムに基づき、零相電圧１１３を調整する。零相電圧注入後の電圧指令１０６のノルムに基づき、零相電圧１１３を調整してもよい。

ここで、零相電圧注入前の電圧指令１１１のノルムが低い場合には、零相電圧を注入しない、すなわち零相電圧がゼロ、零相電圧注入前の電圧指令１１１のノルムが高い場合には、スイッチング回路１０９のスイッチング回数の低減を目的とした零相電圧を注入することを考える。

図４は、実施例２における電圧指令ノルム、零相電圧、電圧指令の一例である。

ノルム４０１、４０２、４０３、４０４は、それぞれ電圧指令ノルム４００の任意点であり、前記した順で大きくなる。

零相電圧４０５、４０６、４０７、４０８は、それぞれノルム４０１、４０２、４０３、４０４での零相電圧である。

零相電圧注入後電圧指令４０９、４１０、４１１、４１２は、それぞれノルム４０１、４０２、４０３、４０４での零相電圧注入後電圧指令である。

図４に示すように、電圧指令ノルム４００に従って注入する零相電圧を徐々に増加させることで、電圧指令を連続的に変化させることができる。従って、３相交流永久磁石同期電動機３１０に印加する電圧が連続的に変化するので、３相交流永久磁石同期電動機３１０に流れる電流の脈動及び跳躍を抑制することが可能である。

図５は、実施例３における実施形態構成の一例である。

３相交流誘導電動機１１０の駆動制御を行う電力変換装置５０１は、整流回路１０２、平滑回路１０３、直流電圧検出器３０４、スイッチング回路制御器１０７、スイッチング回路１０９、零相電圧生成器５１２、零相電圧調整器５１４、零相電圧注入器１１６を有する。

３相交流電源５００から出力される３相交流電圧は、整流回路１０２により整流される。

零相電圧生成器５１２は、零相電圧注入前の電圧指令１１１と検出直流電圧３０５に基づき、スイッチング回路１０９が出力する電圧の利用率向上を目的とした零相電圧１１３、及び、スイッチング回路１０９のスイッチング回数の低減を目的とした零相電圧を生成する。このように生成する零相電圧１１３は、２つ又は複数であってもよい。

零相電圧調整器５１４は、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が所定値に到達後からの時間に基づき、零相電圧１１３を調整する。零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数の代わりに、零相電圧注入前の電圧指令１１１のノルムであってもよい。所定値や零相電圧調整が完了するまでの時間は、内部に予め設定、もしくは、外部から設定されてもよく、例えば直流電圧や電圧指令といった電力変換装置の状態や、例えば電流といった電動機の状態に依存して変化してもよい。

ここで、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が低い場合には、スイッチング回路１０９が出力する電圧の利用率向上を目的とした零相電圧を、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が高い場合には、スイッチング回路１０９のスイッチング回数の低減を目的とした零相電圧を注入することを考える。

図６は、実施例３における電圧指令周波数、零相電圧、電圧指令の一例である。

時間６０１、６０２、６０３、６０４は、それぞれ零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が所定値に到達後からの時間６００の任意点であり、前記した順で大きくなる。

零相電圧６０５、６０６、６０７、６０８は、それぞれ時間６０１、６０２、６０３、６０４での零相電圧である。

零相電圧注入後電圧指令６０９、６１０、６１１、６１２は、それぞれ時間６０１、６０２、６０３、６０４での零相電圧注入後電圧指令である。

図６に示すように、零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が所定値に到達後からの時間６００に従って注入する零相電圧を徐々に変化させることで、電圧指令を連続的に変化させることができる。従って、３相交流誘導電動機１１０に印加する電圧が連続的に変化するので、３相交流誘導電動機１１０に流れる電流の脈動及び跳躍を抑制することが可能である。

前記において、零相電圧は、スイッチング回路に入力される直流電圧、電圧指令に基づき生成するものであったが、電動機に流れる電流を検出又は推定し、検出又は推定電流に基づき生成してもよい。また、３つ以上の零相電圧を生成し、それぞれを周波数やノルムで、連続的に変化させてもよい。

また、本発明は、交流から交流に直接変換する電力変換装置や、１相に複数のスイッチング素子を搭載する多重電力変換装置にも適用可能である。

また、上記説明は主に三相交流電動機の場合について説明したが、多相交流電動機の場合にも適用可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１００・・・単相交流電源、
１０１・・・電力変換装置、
１０２・・・整流回路、
１０３・・・平滑回路、
１０６・・・零相電圧注入後の電圧指令、
１０７・・・スイッチング回路制御器、
１０８・・・スイッチング回路制御信号、
１０９・・・スイッチング回路、
１１０・・・３相交流誘導電動機、
１１１・・・零相電圧注入前の電圧指令、
１１２・・・零相電圧生成器、
１１３・・・零相電圧、
１１４・・・零相電圧調整器、
１１５・・・調整後の零相電圧、
１１６・・・零相電圧注入器、
２００・・・電圧指令周波数、
２０１，２０２，２０３，２０４・・・周波数、
２０５，２０６，２０７，２０８・・・零相電圧、
２０９，２１０，２１１，２１２・・・零相電圧注入後電圧指令、
３００・・・３相交流永久磁石同期電動機、
３０４・・・直流電圧検出器、
３０５・・・検出直流電圧、
３０７・・・スイッチング回路制御器、
３１０・・・３相交流永久磁石同期電動機、
３１２・・・零相電圧生成器、
３１４・・・零相電圧調整器、
４００・・・電圧指令ノルム、
４０１，４０２，４０３，４０４・・・ノルム、
４０５，４０６，４０７，４０８・・・零相電圧、
４０９，４１０，４１１，４１２・・・零相電圧注入後電圧指令、
５００・・・３相交流電源、
５０１・・・電力変換装置、
５１２・・・零相電圧生成器、
５１４・・・零相電圧調整器、
６００・・・零相電圧注入前の電圧指令１１１の周波数が所定値に到達後からの時間、
６０１，６０２，６０３，６０４・・・時間、
６０５，６０６，６０７，６０８・・・零相電圧、
６０９，６１０，６１１，６１２・・・零相電圧注入後電圧指令。

Claims (6)

1. スイッチング回路の動作により交流電圧または直流電圧を任意の電圧に変換することで電動機を制御する電力変換装置において、
   第一の零相電圧および第二の零相電圧を生成し各相の電圧指令に注入する制御回路を備え、
   前記第一の零相電圧は該電力変換装置が出力する電圧の利用率を向上させる電圧であり、
   前記第二の零相電圧は前記スイッチング回路によるスイッチング回数を低減させる電圧であり、
   前記制御回路では、注入する零相電圧を、周波数または電圧または時間に依存させて連続的に変化させることにより、前記第一の零相電圧から前記第二の零相電圧に切り替えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置であって、
   前記第一の零相電圧および前記第二の零相電圧は３相変調または２相変調のいずれかであることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
   さらに、零相電圧調整器を備え、
   前記零相電圧調整器は、零相電圧注入前又は零相電圧注入後の電圧指令周波数または電圧指令ノルムまたは電圧指令周波数が所定値となってからの時間または指令電圧ノルムが所定値となってからの時間のいずれかに基づき零相電圧を調整することを特徴とする電力変換装置。
4. スイッチング回路の動作により交流電圧または直流電圧を任意の電圧に変換することで電動機を制御する電力変換装置の制御方法において、
   第一の零相電圧および第二の零相電圧を生成し各相の電圧指令に注入する制御工程を備え、
   前記第一の零相電圧は該電力変換装置が出力する電圧の利用率を向上させる電圧であり、
   前記第二の零相電圧は前記スイッチング回路によるスイッチング回数を低減させる電圧であり、
   前記制御工程では、注入する零相電圧を、周波数または電圧または時間に依存させて連続的に変化させることにより、前記第一の零相電圧から前記第二の零相電圧に切り替えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
5. 請求項４記載の電力変換装置の制御方法であって、
   前記第一の零相電圧および前記第二の零相電圧は３相変調または２相変調のいずれかであることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の電力変換装置の制御方法であって、
   さらに、零相電圧調整工程を備え、
   前記零相電圧調整工程では、零相電圧注入前又は零相電圧注入後の電圧指令周波数または電圧指令ノルムまたは電圧指令周波数が所定値となってからの時間または指令電圧ノルムが所定値となってからの時間のいずれかに基づき零相電圧を調整することを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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