JP6795267B1 - 交流回転機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相の前記電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の前記合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の前記合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行するものである。
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、界磁の磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる座標系をdq軸座標系とし、
n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を合成したベクトルをdq軸合成電圧ベクトルとし、
前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、各組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相が、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組の前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令を設定し、各組について、前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする過電圧時制御を実行するものである。
実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1(以下、単に、制御装置1と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の概略構成図である。
交流回転機10は、ステータ18と、ステータ18の径方向内側に配置されたロータ14と、を備えている。交流回転機10は、界磁巻線型の同期回転機とされている。1つのステータ18に、m組(mは2以上の自然数)のn相の電機子巻線(nは2以上の自然数)が巻装されている。ロータ14に界磁巻線25が巻装され、電磁石が設けられている。
本実施の形態では、交流回転機10は、車両用の発電電動機とされている。交流回転機10のロータ14の回転軸は、連結機構を介して内燃機関54に連結される。また、交流回転機10の回転軸は、連結機構を介して車輪52に連結される。例えば、図3に示すように、交流回転機10の回転軸は、プーリ及びベルト機構53を介して、内燃機関54のクランク軸に連結されている。交流回転機10の回転軸は、内燃機関54及び変速装置55を介して車輪52に連結される。
m組の電機子巻線に対応して、m組のインバータが備えられている。本実施の形態では、直流電源16の直流電力と第1組の電機子巻線に供給する交流電力とを変換する第1組のインバータ21と、直流電源16の直流電力と第2組の電機子巻線に供給する交流電力とを変換する第2組のインバータ22と、が備えられている。
制御装置1は、第1組及び第2組のインバータ21、22を介して、交流回転機10を制御する。制御装置1は、図4に示すように、回転検出部31、電圧検出部32、電流検出部33、過電圧判定部34、及び電圧印加部35等の制御部を備えている。制御装置1の各機能は、制御装置1が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置1は、図5に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93、及び外部装置とデータ通信を行う通信装置94等を備えている。
回転検出部31は、ロータ14の電気角での回転角度θ(磁極位置θ)、及び回転角速度ωを検出する。本実施の形態では、回転検出部31は、角度センサ15の出力信号に基づいて、電気角での回転角度θ(磁極位置θ)及び回転角速度ωを検出する。なお、回転検出部31は、電流指令に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、角度センサを用いずに、回転角度θ(磁極位置θ)を推定するように構成されてもよい(いわゆる、センサレス方式)。
電圧印加部35は、各組のインバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する。本実施の形態では、電圧印加部35は、通常時電圧印加部351、及び過電圧時電圧印加部352を備えている。
後述する過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧状態になっていないと判定されている場合は、通常時電圧印加部351は、各組について、通常時制御を実行する。本実施の形態では、通常時電圧印加部351は、通常時の各相の電機子巻線に印加する電圧指令を算出する。具体的には、通常時電圧印加部351は、第1組について、3相の電圧指令Vu1、Vv1、Vw1を算出し、第2組について、3相の電圧指令Vu2、Vv2、Vw2を算出する。例えば、通常時電圧印加部351は、公知のベクトル制御又はV/f制御を用いて、各組の3相の電圧指令を算出する。
通常時電圧印加部351は、通常時制御の実行時に、界磁巻線25に電圧を印加する。例えば、通常時電圧印加部351は、通常時制御用のオンデューティ比のPWM信号を生成し、界磁巻線用のスイッチング信号として出力する。通常時制御用のオンデューティ比は、ロータの回転角速度等の運転状態に応じて変化されてもよい。界磁巻線用のスイッチング信号は、ゲート駆動回路を介して、界磁巻線用のスイッチング素子26のゲート端子に入力され、界磁巻線用のスイッチング素子26をオン又はオフさせる。
<過電圧の課題>
交流回転機10が発電しており、発電電力が、直流電源16、及び直流電源16に接続された各種の電気負荷(負図示)に供給されている状態で、電気負荷の消費電力が急減すると、交流回転機10の発電電力が、直流電源16及び電気負荷に吸収されず、余剰になり、直流電圧Vdcが定格電圧よりも上昇する。直流電圧Vdcが上昇し過ぎると、電気負荷に悪影響を与える可能性がある。そのため、直流電圧Vdcが過電圧状態になった場合は、早急に直流電圧Vdcを低下させることが望まれる。
過電圧判定部34は、直流電圧Vdcが、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する。過電圧判定閾値は、直流電源16の定格電圧よりも大きい電圧に予め設定されている。
電圧印加部35は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、過電圧時制御を実行するように構成されている。以下で、過電圧時制御について詳細に説明する。
そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相(本例では3相)の電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する。
式(3)のように、dq軸合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定すると共に、d軸電圧指令及びq軸電圧指令を一定値に設定する場合には、第1組のd軸電圧指令の一定値V1及びq軸電圧指令の一定値V2を次式のように表すことができる。
交流回転機の突極性がない場合は、式(18)が成り立ち、合計トルクを表す式(7)の第2項がゼロになり、3相短絡の場合の合計トルクと同じになる。よって、交流回転機に突極性がないものが用いられてもよい。突極性がない交流回転機を用いると、過電圧時制御の実行時の、合計トルクの大きさを低減することができる。
各組の3相の電圧指令にオフセット電圧を加えても、線間電圧は変化しないため、同様の合計トルク及び合計銅損の結果が得られる。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、少なくとも1相の正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する。この構成によれば、スイッチング損失を低減することができる。
過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御の実行時に、界磁巻線25に電圧を印加する。例えば、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御用のオンデューティ比のPWM信号を生成し、界磁巻線用のスイッチング信号として出力する。
次に、実施の形態2に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、過電圧時制御における電圧指令の設定方法が実施の形態1と異なる。
実施の形態1では、dq軸座標系上で、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令が一定値に設定される場合について理論説明を行ったが、本実施の形態では、次式に示すように、各組の3相の電圧指令が一定値に設定される場合について、理論説明を行う。
比較例として、第1組の3相の電圧指令を合成した第1組の合成電圧ベクトルと、第2組の3相の電圧指令を合成した第2組の合成電圧ベクトルとを、同相に設定する場合を考える。この比較例の3相電圧指令を、dq軸座標系上のd軸電圧指令及びq軸電圧指令に座標変換を行うと、式(23)を得る。そして、式(23)に基づいて、各組のdq軸電流、合計トルク、及び合計銅損を導出すると、式(24)、式(25)、及び式(26)を得る。
次に、式(19)のように第1組及び第2組の3相電圧指令を逆相に設定する場合(以下、逆相電圧の場合と称す)、式(23)のように第1組及び第2組の3相電圧指令を同相に設定する場合(以下、同相電圧の場合と称す)、及び3相短絡の場合を比較する。図7に3つの場合について、合計トルク、合計銅損、第1組及び第2組のインバータから直流電源16に流れる電源電流の挙動を示す。横軸は、磁極位置θを示す。
そこで、実施の形態1と同様に、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相(本例では3相)の電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する。
図7に示したように、合計トルクを負トルクの範囲で振動させるためには、式(21)の合計トルクTの最大値(sin(2θ−2β)=−1の時に最大値になる)がゼロ以下になればよい(T≦0)。式(21)から、次式が得られる。
交流回転機の突極性がない場合は、式(18)が成り立ち、合計トルクを表す式(21)の第2項がゼロになり、2次の交流成分を無くすことができ、3相短絡の場合の合計トルクと同じになる。よって、実施の形態2においても、交流回転機に突極性がないものが用いられてもよい。
各組の3相の電圧指令にオフセット電圧を加えても、線間電圧は変化しないため、同様の合計トルク及び合計銅損の結果が得られる。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、各組について、少なくとも1相の正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する。この構成によれば、スイッチング損失を低減することができる。
各相の電圧指令を一定値に設定すると、電圧指令が大きい相の正極側のスイッチング素子あるいは電圧指令が小さい相の負極側のスイッチング素子に発熱が集中する懸念がある。また、スイッチング素子をオン又はオフに固定すると、オンに固定されたスイッチング素子に発熱が集中する懸念がある。そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧時制御において、一定時間ごとに、各組の各相の電機子巻線への印加電圧を切り替えてもよい。この構成によれば、スイッチング素子の発熱の偏りを抑制することができる。
また、図9に示すように、同じ合計銅損を得るための電圧指令の設定方法が様々であるため、いずれかのスイッチング素子が短絡故障又は開放故障した場合にも、過電圧時制御は実施可能である。なお、制御装置1は、各スイッチング素子の短絡故障及び開放故障を検出する。例えば、制御装置1は、各スイッチング素子のオンオフ制御情報及び電流検出値に基づいて、各スイッチング素子の故障を検出する。
本実施の形態では、第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間には位相差がない場合を説明した。第1組の3相の電機子巻線と、第2組の3相の電機子巻線との間に、任意の位相差があってもよい。この場合でも、各組の合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように各組の各相の電圧指令が設定されればよく、各組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組の各相の電圧指令が設定されればよい。
次に、実施の形態3に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、過電圧時制御における電圧指令の設定方法が実施の形態1と異なる。
実施の形態1では、dq軸座標系上で、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令が逆相に設定される場合について理論説明を行った。しかし、本実施の形態では、図10及び次式に示すように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令が同相に設定される場合について、理論説明を行う。この場合は、2つの組の合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルはゼロにならない。
次に、各組のdq軸合成電圧ベクトルの位相βを、式(35)のように設定する場合(以下、q軸電圧のみの場合と称す)、及び3相短絡の場合を比較する。図11に2つの場合について、合計トルク、合計銅損、第1組及び第2組のインバータから直流電源16に流れる電源電流の挙動を示す。横軸は、磁極位置θを示す。
そこで、過電圧時電圧印加部352は、過電圧判定部34により直流電圧Vdcが過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、各組のdq軸合成電圧ベクトルのd軸に対する位相βが、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組のd軸電圧指令及びq軸電圧指令を設定する過電圧時制御を実行する。
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (20)
- m組(mは2以上の自然数)のn相の電機子巻線(nは2以上の自然数)を有する交流回転機を、m組のインバータを介して制御する交流回転機の制御装置であって、
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、n相の前記電機子巻線に印加する電圧を、各組について合成した合成電圧ベクトルが、2組以上についてゼロ以外になると共に、全ての組の前記合成電圧ベクトルを合計した場合に、各組の前記合成電圧ベクトルが互いに弱め合うように、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する過電圧時制御を実行する交流回転機の制御装置。 - 前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、全ての組の前記合成電圧ベクトルを合計した合計合成電圧ベクトルがゼロになるように、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する請求項1に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電圧印加部は、界磁の磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる座標系をdq軸座標系とし、
前記過電圧時制御において、n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を一定値に設定し、
各組について、前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - m組は2組であり、
前記電圧印加部は、n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したベクトルをdq軸合成電圧ベクトルとし、
前記過電圧時制御において、第1組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相を、π/4よりも大きく、3/4πよりも小さく設定し、第2組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相を、5π/4よりも大きく、7/4πよりも小さく設定する請求項3に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、第1組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相を、π/2に設定し、第2組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相を、3π/2に設定する請求項4に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、各相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を一定値に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - 各組の前記インバータは、直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の巻線に接続される直列回路を、n相に対応してnセット設け、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、各組の前記インバータについて、少なくとも1相の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - m組は2組であり、n相は3相であり、
第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線との間には、位相差がなく、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、
U2相の電圧指令=−U1相の電圧指令、
V2相の電圧指令=−V1相の電圧指令、
W2相の電圧指令=−W1相の電圧指令、
に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項2に記載の交流回転機の制御装置。 - m組は2組であり、n相は3相であり、
第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線との間には、π/3の位相差があり、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、
U2相の電圧指令=W1相の電圧指令、
V2相の電圧指令=U1相の電圧指令、
W2相の電圧指令=V1相の電圧指令、
に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項2に記載の交流回転機の制御装置。 - 各組の前記インバータは、直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の巻線に接続される直列回路を、3相に対応して3セット設け、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、各組の前記インバータについて、各相の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の一方をオンに固定し、他方をオフに固定する請求項8又は9に記載の交流回転機の制御装置。 - m組は2組であり、n相は3相であり、
第1組のU1相、V1相、及びW1相の3相の電機子巻線と、第2組のU2相、V2相、及びW2相の3相の電機子巻線との間には、π/6の位相差があり、
前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、
U2相の電圧指令=(W1相の電圧指令−U1相の電圧指令)/√3、
V2相の電圧指令=(U1相の電圧指令−V1相の電圧指令)/√3、
W2相の電圧指令=(V1相の電圧指令−W1相の電圧指令)/√3、
に設定し、
各組について、各相の前記電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする請求項2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、電気角の1周期に亘って正トルクが発生しないように、各組の前記合成電圧ベクトルの大きさを設定する請求項6から9、及び11のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、一定時間ごとに、各組の各相の前記電機子巻線への印加電圧を切り替える請求項6から12のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電圧印加部は、1つの前記スイッチング素子の短絡故障が検知されている状態で前記過電圧時制御を行う場合は、短絡故障が発生した相について、短絡故障が発生していない前記スイッチング素子をオフに固定し、
短絡故障が発生した相を含む、各組の前記合成電圧ベクトルを考慮して、短絡故障が発生していない相の前記電機子巻線に電圧を印加する請求項1、2、及び6から13のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧印加部は、1つの前記スイッチング素子の開放故障が検知されている状態で前記過電圧時制御を行う場合は、開放故障が発生した相について、開放故障が発生していない前記スイッチング素子をオンに固定し、
開放故障が発生した相を含む、各組の前記合成電圧ベクトルを考慮して、開放故障が発生していない相の前記電機子巻線に電圧を印加する請求項1、2、及び6から14のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - m組(mは2以上の自然数)のn相の電機子巻線(nは3以上の自然数)を有する交流回転機を、m組のインバータを介して制御する交流回転機の制御装置であって、
各組の前記インバータに供給される直流電圧を検出する電圧検出部と、
各組の前記インバータが有する複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、各組の各相の前記電機子巻線に電圧を印加する電圧印加部と、
前記直流電圧が、過電圧判定閾値以上になったか否かを判定する過電圧判定部と、を備え、
前記電圧印加部は、界磁の磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなる座標系をdq軸座標系とし、
n相の前記電機子巻線に印加する電圧指令を、各組について前記dq軸座標系で表したd軸電圧指令及びq軸電圧指令を合成したベクトルをdq軸合成電圧ベクトルとし、
前記直流電圧が前記過電圧判定閾値以上になったと判定された場合に、各組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相が、πよりも大きく、2πよりも小さくなるように、各組の前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令を設定し、各組について、前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令に基づいて、複数の前記スイッチング素子をオンオフする過電圧時制御を実行する交流回転機の制御装置。 - 前記電圧印加部は、前記過電圧時制御において、各組の前記dq軸合成電圧ベクトルの前記d軸に対する位相が、3π/2になるように、各組の前記d軸電圧指令及び前記q軸電圧指令を設定する請求項16に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記交流回転機は、界磁巻線を有し、
前記電圧印加部は、前記界磁巻線に電圧を印加し、
前記過電圧時制御の実行時は、前記過電圧時制御の不実行時よりも、前記界磁巻線の印加電圧を増加させる請求項1から17のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記交流回転機は、突極性が無い請求項1から18のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記交流回転機は、車両用の発電電動機である請求項1から19のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
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