JP7224391B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1は実施の形態1による電力変換装置を車両に搭載した場合の全体システム構成図である。図1において、回転電機201は、シャフトあるいはプーリおよびベルトを介した動力伝達部104によって車両用の内燃機関101にトルクを授受可能な状態で結合されている。交流と直流とを電力変換する電力変換装置204は、直流側がバッテリあるいはキャパシタなどの蓄電機能を備えた直流電源103に接続されており、交流側が回転電機201に接続されている。回転電機201は、車両用の内燃機関101を始動および補助する電動機、および直流電源103を充電する発電機として機能する。なお、直流電源103は、他の車両負荷と共用するものであっても、回転電機201専用であってもよい。
Vq=RaIq+ω(LdId+ψ) ・・・式(2)
ここで、Raは電機子抵抗、ωは電気角速度、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、ψは永久磁石磁束である。
Trq=ψ・Iq+(Ld-Lq)・Id・Iq ・・・式(3)
Idc=(Vd・Id+Vq・Iq)/(Vdc・η) ・・・式(4)
Ia=√(Id 2+Iq 2)・・・式(5)
Id=-Ia・sinθ ・・・式(6)
Iq= Ia・cosθ ・・・式(7)
ここでTrqは出力トルク、Idcはインバータの直流側の電流(直流電流)、Vdcはインバータの直流側の電圧(直流電圧)、Iaは電機子電流、ηは効率、θはd-q座標上におけるIaのq軸からの位相、である。
Idc=[(RaId―ωLqIq)Id+{RaIq+ω(LdId+ψ)}Iq]/(Vdc・η)
=(RaId 2-ωLqIdIq+RaIq 2+ωLdIdIq +ωψIq)/(Vdc・η)
Idc={Ra・(Id 2+Iq 2)+ω・Trq}/(Vdc・η) ・・・式(8)
Trq=ψIa・cosθ+{(Lq-Ld)・Ia 2・sin2θ}/2
・・・式(9)
Idc=[RaIa 2+ω{ψIa・cosθ+(Lq-Ld)・Ia 2・sin2θ}/2}]/(Vdc・η) ・・・式(10)
となる。
dTrq/dIa=ψ・cosθ+(Lq-Ld)・Ia・sin2θ
・・・式(11)
dIdc/dIa=2Ra・Ia+ω{ψcosθ+(Lq-Ld)・Ia・sin2θ)
=2Ra・Ia+ω(dTrq/dIa) ・・・式(12)
ψcosθ+(Lq-Ld)・Ia・sin2θ<0 ・・・式(13)
が成り立つ。cosθ=0の時、式(13)は成立しないので、cosθ≠0と言える。
ψ+2(Lq-Ld)・Ia・sinθ>0 ・・・式(14)
を得る。以降、(Lq-Ld)・sinθの符号によって条件が分岐するが、ここでは、(Lq-Ld)・sinθ<0の場合について考える。
Ld<Lqかつ180°<θ<270°(逆突極性かつ強め磁束発電領域)の時である。
Ia・{2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θ}+ωψcosθ≧0
・・・式(15)
が成り立つ。前提条件から2Ra≧0、Lq-Ld>0、sin2θ>0となり、2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θは正値となるため、式(15)を正値2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θで除すると、
Ia≧-ωψcosθ/{2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θ} ・・・式(16)
となる。一方で、トルクの条件から、Ia<-ψ/{2(Lq-Ld)sinθ}となる。
-ωψcosθ/{2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θ}≦Ia<-ψ/{2(Lq-Ld)sinθ} ・・・条件(1)
の時、dTrq/dIa<0かつdIdc/dIa≧0となる。
図7は、実施の形態2による電力変換装置204の回転電機201を含む構成を示すブロック図である。本実施の形態2による電力変換装置の制御器200は、第一制御器220と第二制御器230を備えている。第一制御器220と第二制御器230の電圧指令生成部207は共通であり、第一制御器220の電流指令生成部は、第一電流指令生成部602であり、第二制御器230の電流指令生成部は、第二電流指令生成部603である。この第一電流指令生成部602と第二電流指令生成部603を切替スイッチ601で切り替えるよう構成されている。第一電流指令生成部602は、実施の形態1における電流指令生成部206と同様の構成、すなわち、回転電機201のトルクの増加に従って直流電流が減少する動作領域を避けて制御するよう、電流指令Idref1、Iqref1を生成する。一方、第二電流指令生成部603は、トルク指令Trefに常に追従するような電流指令Idref2、Iqref2を生成する。図6では、第一制御器220と第二制御器230で一つの電圧指令生成部207を用いるようにしたが、第一制御器220と第二制御器230それぞれに電圧指令生成部を有するようにしても良く、第一制御器220と第二制御器230の制御を切り替える構成であればよい。
図8は、実施の形態3による電力変換装置204の回転電機201を含む構成を示すブロック図である。実施の形態1では、あらかじめ特性が逆転しないような指令を記憶した指令値マップを備える場合について説明したが、本実施の形態3では特性が逆転しないようにリアルタイムで計算を実施する場合について説明する。
図9は、実施の形態4による電力変換装置204の回転電機201を含む構成を示すブロック図である。実施の形態4では、特性の逆転を検知してそれ以降の指令値が一定になるよう、または制限することで特性が逆転する領域での運転が継続しないような制御を実施する。本実施の形態4における電力変換装置は、図9に示すように、直流電流推定部801を有する。直流電流推定部801は、電機子電流検出値Iu、Iv、Iwを三相二相変換したId、Iq、d軸、q軸電圧指令生成部270で算出したVdref、Vqref、および端子電圧VBを入力として、式(17)によって直流電流推定値Idcestを算出する。
Idcest=(Vdref・Id+Vqref・Iq)/VB ・・・式(17)
図11は実施の形態5による電力変換装置504の回転電機501を含む構成を示すブロック図である。実施の形態1では、回転電機としてPMSMを用いる場合について説明したが、本実施の形態5においては、巻線界磁型の同期電動機を用いる場合について説明する。
Vq=RaIq+ω(LdId+ψf) ・・・式(2a)
Vf=RfIf・・・式(18)
ここで、ψfは界磁磁束、Rfは界磁抵抗、Ifは界磁電流である。
Trq=ψf・Iq+(Ld-Lq)・Id・Iq ・・・式(3a)
Idc=(Vd・Id+Vq・Iq+Vf・If)/(Vdc・η)
・・・式(4a)
Ia=√(Id 2+Iq 2) ・・・式(5)
Idc=[(RaId―ωLqIq)Id+{RaIq+ω(LdId+ψ)}Iq+RfIf 2]/(Vdc・η)
Idc={Ra・(Id 2+Iq 2)+ω・Trq+RfIf 2}/(Vdc・η)
・・・式(8a)
Trq=ψfIa・cosθ+{(Ld-Lq)・Ia 2・sin2θ}/2
・・・式(9a)
Idc=[RaIa 2+ω{ψfIa・cosθ+(Ld-Lq)・Ia 2・sin2θ/2}+RfIf 2]/(Vdc・η) ・・・式(10a)
となる。
dTrq/dIa=ψf・cosθ+(Lq-Ld)・Ia・sin2θ
・・・式(11a)
dIdc/dIa=2Ra・Ia+ω{ψfcosθ+(Lq-Ld)・Ia・sin2θ)
=2Ra・Ia+ω(dTrq/dIa) ・・・式(12a)
式(11a)、(12a)において2Ra・Ia≧0であるため、実施の形態1と同様に、dTrq/dIa<0のときdIdc/dIa≧0となる点は存在しうる。
ψfcosθ+(Lq-Ld)・Ia・sin2θ<0 ・・・式(13a)
が成り立つ。cosθ=0の時、式(13a)は成立しないので、cosθ≠0と言える。
ψf+2(Lq-Ld)・Ia・sinθ>0 ・・・式(14a)
を得る。
Ia・{2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θ}+ωψfcosθ≧0
・・・式(15a)
が成り立つ。前提条件から2Ra≧0、Lq-Ld<0、sin2θ<0となり、2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θは正値となる。式(15´)を正値2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θで除すると、
Ia≧-ωψfcosθ/{2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θ}
・・・式(16)
となる。一方で、トルクの条件から、Ia<-ψ/{2(Lq-Ld)sinθ}となる。
-ωψcosθ/{2Ra+ω(Lq-Ld)・sin2θ}≦Ia<-ψ/{2(Lq-Ld)sinθ} ・・・条件(2)
の時、dTrq/dIa<0かつdIdc/dIa≧0となる。
Claims (8)
- 回転電機が接続される交流側の交流電力と、直流電源が接続される直流側の直流電力とを変換するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御器とを備えた電力変換装置であって、
前記制御器は、前記インバータに接続される前記回転電機が前記回転電機から前記インバータを介して前記直流電源に電力を供給する発電機として動作するときに、前記インバータに接続される前記回転電機のトルクと前記インバータに接続される前記直流電源に流れる直流電流との関係における動作として、前記回転電機のトルクの増加に従って、前記直流電流が減少する動作領域が存在する場合において、前記動作領域を避けて制御する電力変換装置。 - 前記制御器は、前記直流電流が、前記トルクが最大となる直流電流よりも小さい動作領域のみで制御する請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御器は、前記交流電力と、前記直流電力とを変換する動作を制御するための複数のパラメータの間の関係を記憶したマップを参照して制御するよう構成されており、前記マップは、前記トルクの増加に従って前記直流電流が減少する動作領域以外の動作領域のみにおける、前記複数のパラメータの間の関係を記憶している請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 前記制御器は、前記交流電力と、前記直流電力とを変換する動作を制御するための複数のパラメータの間の関係をリアルタイム計算により演算して制御するよう構成されており、前記演算は演算結果が、前記トルクの増加に従って前記直流電流が減少する動作領域以外の動作領域となる演算である請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 回転電機が接続される交流側の交流電力と、直流電源が接続される直流側の直流電力とを変換するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御器とを備えた電力変換装置であって、
前記制御器は、前記インバータに接続される前記回転電機が前記回転電機から前記インバータを介して前記直流電源に電力を供給する発電機として動作するときに、前記インバータに接続される前記回転電機のトルクの増加に従って、前記インバータに接続される前記直流電源に流れる直流電流が減少する動作領域を検知した場合、前記直流電流を一定値に保持するよう制御する電力変換装置。 - 回転電機が接続される交流側の交流電力と、直流電源が接続される直流側の直流電力とを変換するインバータと、前記インバータの動作を制御する制御器とを備えた電力変換装置であって、
前記制御器は、前記インバータに接続される前記回転電機が前記回転電機から前記インバータを介して前記直流電源に電力を供給する発電機として動作するときに、前記インバータに接続される前記回転電機のトルクの増加に従って前記インバータに接続される前記直流電源に流れる直流電流が減少する動作領域を避けて制御する第一制御器と、前記トルクの増加に従って前記直流電流が減少する動作領域と、前記トルクの増加に従って前記直流電流が減少する動作領域以外の動作領域を含んで制御する第二制御器とを備え、前記第一制御器による制御と前記第二制御器による制御を切り替えて制御する電力変換装置。 - 前記インバータに接続される前記回転電機は、動力伝達機構を介して内燃機関と接続されており、前記インバータに接続される前記直流電源は直流電源である請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記インバータに接続される前記回転電機は、回転子に界磁巻線を有する回転電機である請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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