この発明は、交流負荷に交流電力を供給する電力変換器に関するものである。
電力変換器では、出力段に設けられる電力変換手段を構成する上下アームのパワーデバイス素子が、電圧指令に基づきスイッチング動作を行って交流電圧を生成し、交流負荷に出力するが、上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡防止を目的として、上下アームのパワーデバイス素子を同時にオフ動作状態に制御する期間を設けている。この期間は、デッドタイムと呼ばれているが、このデッドタイムによって、電力変換手段が受ける電圧指令とそれに基づき電力変換手段が実際に負荷に出力する電圧との間に誤差が生じることが知られている。このデッドタイムに起因する誤差電圧は、電力変換手段の出力相電流の極性と逆極性の電圧となる。
そして、このデッドタイムに起因する電圧誤差を補正するために、電力変換器に備わっている電流検出手段によって電力変換手段の出力相電流を検出し、検出した前記出力相電流の極性と同じ極性の電圧を電圧指令に加えて補正した電圧指令を電力変換手段に与える方法が知られている(例えば非特許文献1)。なお、電流検出の方法としては、電力変換手段の出力相電流を直接検出する他に、電力変換器のDCリンク電流から検出する方法も知られている(例えば非特許文献2)。
しかし、出力相電流の極性が切り換わる電流零クロス近傍では、出力相電流の絶対値が小さいので、電流検出手段によって前記出力相電流の極性を正確に検出することが困難である。また、電流零クロス近傍では、前記出力相電流がチャタリングを起こすので、出力相電流の極性と同じ極性の電圧を電圧指令に加える前記の補正方法では、電圧指令に加える補正電圧の極性誤りが発生したり、補正電圧の極性が正負交互に連続して切り換わる現象が発生したりすることが起こる。
そこで、従来から、前記出力相電流の絶対値が小さい電流零クロス近傍におけるデッドタイム補正の問題点を回避するために、種々の提案がなされている(例えば特許文献1〜4等)。
すなわち、特許文献1では、インバータ装置の出力電圧の短絡防止期間に起因する出力電圧誤差を補正するインバータ装置の出力電圧誤差補正装置を、インバータ装置の出力電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段にて検出された出力電流の極性を判別する電流極性判別手段と、出力電流に対し設定した閾値に対し、インバータ装置の出力電流が閾値外であれば、判別した出力電流の極性により出力電圧誤差の補正を行い、閾値内であれば電圧指令の極性により出力電圧補正を行う電圧誤差補正手段とで構成した例が開示されている。
また、特許文献2では、半導体スイッチング素子であるアームをブリッジ接続して直流を交流に変換するインバータを構成し、電圧指令信号とキャリア信号との大小関係の比較で得られるパルス幅変調した電圧信号を前記ブリッジ接続の上側アーム素子又は下側アーム素子に与えて前記インバータを制御する際に、上側アーム素子と下側アーム素子との同時オンを防止するオン遅延時間を設けているパルス幅変調制御インバータの制御回路を、前記インバータの出力電流が正又は負の所定値を超えた場合にこの出力電流の極性を判別する信号を出力する電流極性判別手段と、前記電圧指令信号の極性を判別する信号を出力する電圧極性判別手段と、前記オン遅延時間が原因で当該インバータの出力電圧に生じる誤差電圧を補償する量を演算する第1の補償量演算手段と、この第1補償量演算値の極性を前記電流極性と電圧極性とに対応させて出力する補償量分配手段と、前記電圧指令信号にこの補償量分配手段の出力値を加算した値を新たな電圧指令信号とする加算手段とで構成した例が開示されている。
また、特許文献3では、ACモータへ流れる電流を検出する電流検出手段と、指令電流と検出電流とから偏差電流を計算する偏差電流演算手段と、前記偏差電流から指令電圧の演算を行う電流制御部と、電流極性を決める電流極性判断手段を有し、デッドタイム補償電圧を出力するデッドタイム補償手段と、前記電流制御部から計算された指令電圧に前記デッドタイム補償電圧を加えて最終指令電圧を演算する電圧加算演算手段と、前記電圧加算演算手段により得られた最終指令電圧の情報を用い直流電圧から交流電圧への変換を行うPWM電力変換装置とを備えたACモータ駆動装置において、前記デッドタイム補償手段を、指令電流から指令電流極性を判断する指令電流極性判断手段と、検出電流から検出電流極性を判断する検出電流極性判断手段と、前記指令電流極性と検出電流極性との情報から最終電流極性を判断する最終電流極性判断手段とで構成した例が開示されている。
また、特許文献4では、上下アーム短絡防止期間とPWMキャリア周波数と直流電圧とを用いて算出した誤差電圧によりインバータ出力電圧を補正する電圧補正手段が、インバータ出力電流の絶対値が所定値より大きいときはインバータ出力電流の極性に応じてインバータ出力電圧を補正し、インバータ出力電流の絶対値が所定値よりも小さいときはインバータ出力電圧の極性に応じてインバータ出力電圧を補正するPWM制御インバータ装置において、前記PWMキャリア周波数を設定するPWMキャリア設定手段を、誤差電圧がインバータ出力電圧よりも小さいときはPWMキャリア周波数をその値に保ち、誤差電圧がインバータ出力電圧よりも大きくなるときは誤差電圧とインバータ出力電圧との比を一定に保つようにPWMキャリア周波数を変化させるように構成した例が開示されている。
しかしながら、このような従来提案されている補正方法では、前記出力相電流の零クロスにおいて確実に補正電圧の極性を切り換えることができず、その極性の反転する瞬間が前記出力相電流の零クロスの前後にずれるので、出力相電流の零クロス近傍においては、電力変換手段に入力する補正した電圧指令、つまり補正電圧を加算した電圧指令と電力変換手段からの出力電圧との間に電圧誤差が生ずる。
特に、この電圧誤差は、電力変換手段から低い周波数の交流電力を出力する場合に顕著となる。回転機を接続した場合に、この電圧誤差によって回転ムラが大きくなり、駆動性能が低下する。また、低速駆動時に回転ムラが顕著となるなどの問題がある。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、出力電流の零クロス近傍におけるデッドタイムに起因する電圧誤差を精度良く補正し、電力変換手段が電圧指令の通りに交流電力を出力できる電力変換器を得ることを目的とする。
上述した目的を達成するために、この発明は、入力する交流電圧指令に従って交流負荷に供給する交流電力を生成する電力変換手段と、前記電力変換手段に与えるべき周波数fの交流電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、前記電力変換手段が前記交流負荷に供給する交流電力における電流成分である出力電流を得る電流検出手段とを備える電力変換器において、前記電力変換手段と前記電圧指令演算手段との間に、前記出力電流に基づいて電圧指令演算手段が求めた交流電圧指令を補正する補正電圧を演算し、前記補正電圧を前記電圧指令演算手段が求めた交流電圧指令に加算して前記電力変換手段に与える電圧指令補正手段を設け、前記電圧指令補正手段は、前記出力電流に対してそのゼロレベルを含む所定の電流範囲を設け、前記出力電流の値が前記電流範囲の外部から内部に入る第1の時刻に、前記第1の時刻と前記周波数fとを用いて前記出力電流の零クロスタイミングを求め、求めた前記零クロスタイミングに前記補正電圧の極性を切り換える時刻を設定することを特徴とする。
この発明によれば、検出された出力電流が零となる瞬間に、交流電圧指令を補正する補正電圧の極性を切り換えることができるので、つまり、出力電流の零クロスの前後において出力電流の極性と同極性の補正電圧で交流電圧指令を補正するので、出力電流の零クロス近傍において電力変換手段に与える補正した交流電圧指令と電力変換手段が出力する電圧との間のデッドタイムに起因する電圧誤差を低減でき、電力変換手段は交流電圧指令の通りに交流電力を出力できるようになる。したがって、電力変換手段の出力を回転機に与える場合は、当該回転機の回転ムラを低減でき、運転性能を向上させることができる。
この発明によれば、出力電流の零クロス近傍におけるデッドタイムに起因する電圧誤差を精度良く補正できるので、電力変換手段は電圧指令の通りに交流電力を出力できるという効果を奏する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換器の構成を示すブロック図である。
図2は、図1に示す電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図3は、図2に示すST10〜ST16での処理内容を説明する図である。
図4は、図2に示すST16の処理で用いる周波数と補正係数K1との関係特性テーブルの一例を示す図である。
図5は、図2に示すST16の処理で用いる出力電流と補正係数K2との関係特性テーブルの一例を示す図である。
図6は、図2に示すST16の処理において負荷が誘導機である場合に用いる周波数と時間変化量taとの関係特性テーブルの一例を示す図である。
図7は、図2に示す補正処理によって実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。
図8は、この発明の実施の形態2による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図9は、この発明の実施の形態3による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図10は、この発明の実施の形態4による電力変換器の構成を示すブロック図である。
図11は、図10に示す電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図12は、この発明の実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図13は、図12に示す補正処理にて実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。
図14は、この発明の実施の形態6による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図15は、この発明の実施の形態7による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図16は、この発明の実施の形態8として、補正電圧の振幅調整を行う必要性を説明する図である。
図17は、補正電圧の振幅調整で用いる補正電圧の振幅と出力電流の値との関係特性テーブルの一例を示す図である。
符号の説明
1a,1b 電力変換器
2a 交流負荷
2b 交流負荷の一例としての回転機
3 電力変換手段
4 電流検出手段
5a,5b 制御装置
6a,6b 電圧指令演算手段
7a,7b 電圧指令補正手段
8 トルク指令設定手段
以下に図面を参照して、この発明にかかる電力変換器の好適な実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換器の構成を示すブロック図である。なお、この実施の形態1及び以降に示す各実施の形態では、三相交流電力を出力する電力変換器を例に挙げて説明するが、その内容は、単相交流電力を出力する電力変換器にも同様に適用できるものである。
図1に示す電力変換器1aは、三相の交流負荷2aが接続される電力変換手段3と、電流検出手段4と、電力変換手段3を制御して電力変換手段3から交流負荷2aへの交流電力の供給制御を実行する制御装置5aとを備え、制御装置5aは、電圧指令演算手段6aと電圧指令補正手段7aとで構成されている。電圧指令補正手段7aは、電圧指令演算手段6aの出力側と電力変換手段3の入力側との間に設けられている。
電力変換手段3は、上下アームのパワーデバイス素子が、制御装置5aから入力する交流電圧指令(図1では、電圧指令補正手段7aが出力する交流電圧指令vu**,vv**,vw**)に基づきスイッチング動作を行って交流電圧を生成し、交流負荷2aに出力するが、制御装置5aは、上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡防止を目的として、電力変換手段3に与える交流電圧指令(図1では、電圧指令補正手段7aが出力する交流電圧指令vu**,vv**,vw**)に、上下アームのパワーデバイス素子を同時にオフ動作状態に制御するデッドタイム電圧指令を含ませている。
電流検出手段4は、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報を得るこの発明で言う電流検出手段の一例である。そして、この明細書では、制御装置5aに設けた電圧指令補正手段7aの説明を行うことが主目的であるので、電流検出手段4の出力(三相の出力電流iu,iv,iw)は電圧指令補正手段7aに与えられるとしている。
以下、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報を得るこの発明で言う電流検出手段の具体的な内容を示す。図1では、具体的な一例として、電力変換手段3から出力電流を直接検出する電流検出手段4を示した。そして、直接検出する場合において、図1では、電流検出手段4は、電力変換手段3からの三相の出力電流iu,iv,iwの全てを検出するように三相出力線の全てに配置する場合を示したが、必ずしも三相出力線の全てに配置する必要はなく、iu+iv+iw=0の関係があるので、三相の内の二相出力線に電流検出手段4を配置してその二相の出力電流を検出し、残りの一相の出力電流を演算する方法でも良い。
また、図1では、各相の電流を直接検出する場合を示すが、その他に、例えば非特許文献2に紹介されている電力変換手段3のDCリンク電流から前記出力電流を検出する方法を用いても良い。さらに、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報は、電圧指令演算手段6aの構成法との関連で種々の態様があるので、それを示す。
まず、電圧指令演算手段6aは、電力変換手段3に本来的に与えるべき、周波数fの(三相)交流電圧指令vu*,vv*,vw*を演算するが、この交流電圧指令vu*,vv*,vw*を、電流検出手段4が求めた三相の出力電流iu,iv,iwと電力変換手段3から出力したい電流指令iu*,iv*,iw*との偏差を増幅して出力する構成を採ることができる。この場合には、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報は、出力電流iu,iv,iw、あるいは、電流指令iu*,iv*,iw*のどちらでも良い。
また、電圧指令演算手段6aは、交流負荷2aが三相回転機の場合には、内部に磁束オブザーバを構成し、推定した前記回転機内部の磁束と前記回転機の定数とを用いて換算した出力電流iu,iv,iwを用いて交流電圧指令vu*,vv*,vw*を演算する構成も採ることができる。このような演算で求めた出力電流iu,iv,iwも電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報に含まれる。
以上説明した各種の方法で得られる出力電流iu,iv,iwや電流指令iu*,iv*,iw*は、電力変換手段3が交流負荷2aに供給する交流電力における電流成分を示す情報であり、この発明で言う電流検出手段は、以上説明した出力電流iu,iv,iwや電流指令iu*,iv*,iw*を得る手段の全てを含むものである。このことは、電力変換器1aが単相交流電力を出力するものであっても同様である。以降では、理解を容易にするため、図1に示す構成に従って、電流検出手段4が直接検出した三相の出力電流iu,iv,iwを電圧指令補正手段7aに与えるとして説明する。
次に、電圧指令演算手段6aが用いる周波数fは、交流電圧指令vu*,vv*,vw*の周波数、すなわち、電力変換手段3から出力される交流電力の周波数である。定常状態では、出力電流iu,iv,iw、電流指令iu*,iv*,iw*、電力変換手段3からの出力電圧vu,vv,vwの周波数と同じである。交流負荷2aが同期機の場合には、回転周波数(電気角)とも同じとなる。
また、交流負荷2aが誘導機の場合には、電力変換手段3から出力される交流電力の周波数と、前記誘導機の回転周波数(電気角)とは、すべり周波数の分だけ差異が生じる。公知の技術を用いてすべり周波数を算出し、そのすべり周波数を回転周波数に加えて電力変換手段3から出力される交流電力の周波数を求め、それを周波数fとしても良い。
さて、電圧指令補正手段7aは、電圧指令演算手段6aが求めた交流電圧指令vu*,vv*,vw*を補正する補正電圧Δvu,Δvv,Δvwを演算し、その補正電圧Δvu,Δvv,Δvwを交流電圧指令vu*,vv*,vw*の対応する相毎に加算して補正した交流電圧指令vu**,vv**,vw**を電力変換手段3に出力する。つまり交流電圧指令vu**は、vu**=vu*+Δvuであり、交流電圧指令vv**は、vv**=vv*+Δvvであり、交流電圧指令vw**は、vw**=vw*+Δvwである。
その際に、電圧指令補正手段7aは、例えば図2に示す手順で、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡防止を目的として設定されるデッドタイムに起因する出力電流iu,iv,iwの零クロス近傍における電圧誤差を精度良く低減する処理を出力電流iu,iv,iwに基づき実行する。
以下、図1〜図7を参照して、この実施の形態1による電圧指令補正手段7aが行うデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作について説明する。但し、補正動作は、u,v,wの相毎に実施するので、説明を容易化するために、u,v,wの各相をxと表記して説明する。すなわち、各相の電流は、ixと表記し、各相の電圧は、vxと表記して説明する。
図2は、電圧指令補正手段7aの補正動作手順を説明するフローチャートである。図2では、処理手順を示すステップは、STと略記している。図3は、図2に示すST10〜ST16での処理内容を説明する図である。図4は、図2に示すST16の処理で用いる周波数と補正係数K1との関係特性テーブルの一例を示す図である。図5は、図2に示すST16の処理で用いる出力電流と補正係数K2との関係特性テーブルの一例を示す図である。図6は、図2に示すST16の処理において負荷が誘導機である場合に用いる周波数と時間変化量taとの関係特性テーブルの一例を示す図である。図7は、図2に示す補正処理によって実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。
図2において、ST10では、電圧指令補正手段7aは、電流検出手段4にて検出された三相の出力電流のうち、一相の出力電流ixを取り上げ、その電流値を検出する。図3では、横軸は時間t、位相θを示し、縦軸は検出した一相の出力電流ixの振幅(実効値Irms)を示すが、図3に示す符号29は、そのようにして検出した一相の出力電流ixの1サイクルにおける波形を示す。
ST11では、電圧指令補正手段7aは、図3に示す一相の出力電流29の1サイクルにおいて、零レベルを含む所定の電流範囲30を、零レベルから正極側への上限値ΔI1と零レベルから負極側への下限値−ΔI2とをそれぞれ調整・設定することで定める。なお、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の値(絶対値)は、同じ値に設定にしても良い。また、電流検出手段4の性能によって出力電流ixにオフセットが上乗せされて検出されることがあることに鑑み、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の値(絶対値)は、各々異なる値に調整しても良い。いずれにせよ、電流範囲30の上下限値は、電流検出手段4にて出力電流ixにオフセットが重畳されて検出される現象によって、あるいは、電流の零クロス近傍の電流チャタリング現象によって、出力電流ixの極性の検出を誤ることがないように調整・設定することが重要である。零レベルを含む所定の電流範囲30の具体的な調整・設定方法には、各種あるので、それらをまとめて後述する。
ST12では、電圧指令補正手段7aは、出力電流ixの値が上限値ΔI1以上であるか否か、または、下限値−ΔI2以下であるか否か、すなわち、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が電流範囲30の範囲外か否かを判定する。その結果、出力電流ixの値が電流範囲30の範囲外である場合(ST12:Yes)は、その出力電流ixの極性を極性設定信号signに記録し(ST13)、ST21〜ST23の各処理を実行し、前回のサンプルタイミングにて検出した出力電流ixの値を当該サンプルタイミングにて検出した出力電流ixの値で更新し、次のサンプルタイミングでのST10の処理に移行する。
その後のあるサンプルタイミングにて実行されたST10,ST11を経由したST12において、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が電流範囲30の範囲内である場合(ST12:No)は、電圧指令補正手段7aは、ST14において、1サンプリング前の出力電流ixの検出値ix[N−1]の値が、上限値ΔI1以上であるか否か、または、下限値−ΔI2以下であるか否か、つまり、1サンプリング前の出力電流ixの値が電流範囲30の範囲外であったか否かを判定する。
すなわち、ST14では、電圧指令補正手段7aは、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が電流範囲30の範囲内である場合(ST12:No)は、それが、当該サンプルタイミングにて初めて電流範囲30の範囲外から範囲内に入ったと検出されたことを意味しているのか否か、或いは、1サンプル前のタイミングにて既に電流範囲30の範囲外から範囲内に入っており、当該サンプルタイミングでは電流範囲30の範囲内に入った状態を維持しているのを検出したことを意味しているのか否かを調べる。
そして、電圧指令補正手段7aは、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が、当該サンプルタイミングにて初めて電流範囲30の範囲外から範囲内に入ったと判定した場合(ST14:Yes)は、電流範囲30の範囲外から範囲内に入った時刻を第1の時刻(図3に示す符号32,34)として検出し、ST15,ST16の各処理を実行する。ST15とST16の処理順序は、入れ替わってもよいが、ST15では、1サンプリング前の出力電流ixの検出値ix[N−1]の極性を極性設定信号signに記録し、ST16では、電流範囲30の範囲外から範囲内に入った時刻である第1の時刻(図3に示す符号32,34)において、交流電圧指令vx*を補正する補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を次のようにして設定する。
出力電流ixの零クロス近傍において発生するデッドタイムに起因する交流電圧指令vx*と電力変換手段3からの出力電圧vxとの電圧誤差は、主に出力電流ixの極性と逆極性の電圧で発生するので、精度良く電圧補正を行うには、図3において、出力電流ixの零クロス31の前後において、出力電流ixの極性と同一の極性を有する補正電圧Δvxを交流電圧指令vx*に加算すれば良い。つまり、出力電流ixの零クロス31は、理想的な補正電圧極性切換時刻である。ST16では、このことを踏まえ、第1の時刻32,34において、出力電流ixの極性が切り換わる時刻、すなわち出力電流ixの零クロス31を、第1の時刻32と周波数fと出力電流ixとに基づいて求め、出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31のタイミングに合わせるように、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定する。
この補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定では、まず、第1の時刻32,34から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの時間変化量ないしは位相変化量を正確に求める必要があるので、次のように理論値として求める。
図3において、出力電流ixが正極性である場合にその値(実効値Irms)が電流範囲30の範囲外から範囲内へ入る場合の第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの位相変化量θaは、出力電流ixの値(実効値Irms)と上限値ΔI1とを式(1)に適用して得られる。なお、式(1)を求めるにあたり、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの期間は、交流の周期に対し十分短いと仮定した。
そして、式(1)を用いて得られる位相変化量θaから、周波数fでの第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる時刻31までに変化する時間変化量taへの換算を行うと、式(2)が得られる。ただし、πは円周率を表す。
なお、出力電流ixが負極性である場合にその値(実効値Irms)が電流範囲30の範囲外から範囲内へ入る場合の第1の時刻34から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの位相変化量θbを求める式は、式(1)中の上限値ΔI1を下限値−ΔI2に置き換えた式となり、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの時間変化量tbを求める式は、式(2)中のθaをθbに、上限値ΔI1を下限値−ΔI2にそれぞれ置き換えた式となる。
補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定は、式(1)または式(2)を用いて行うことができる。まず、式(2)を用いて設定する方法を説明する。すなわち、出力電流ixが正極性である場合に第1の時刻32を時刻t1とし、この時刻t1を基準に、式(2)で求まる時間変化量taの後の時刻t1+taを、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2として設定する。出力電流ixが負極性である場合は、第1の時刻34を時刻t1とし、時間変化量tbの後の時刻t1+tbを、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2として設定する。このような方法で補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定すれば、出力電流ixの極性が切り換わる零クロス31の時刻に補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を精度良く合わせることができる。なお、以降では、第1の時刻は、区別する必要のない限り、符号32のみで示す。
次に、式(1)を用いた設定方法について説明する。この場合は、第1の時刻32である時刻t1を任意の位相に換算し、時間経過を位相変化として捉えることを繰り返し実行し、式(1)にて得られる位相変化量θaを確認できた位相での時刻を補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻として設定する。位相変化量θbを用いる場合も同様である。
例えば、出力電流ixが正極性である場合に、第1の時刻32である時刻t1における位相を0と設定すれば、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2に対応する位相は、式(1)で得られる位相変化量θaとなる。そこで、時刻t1から時刻t2までの間における任意の時刻をtxとすると、時刻txにおける位相θxは、周波数fを用いて表記すると、θx=2πf・(tx−t1)となる。なお、周波数fは、一定と仮定している。この任意の時刻txにおける位相θxを逐次求めることによって時間経過を位相変化として捉えることを位相θxと位相変化量θaとが一致するまで繰り返し実行する。位相θxと位相変化量θaとが一致すれば、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2に達したと判断できるので、位相θxと位相変化量θaとが一致した時刻t2を、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻として設定する。
このように、式(1)を用いた設定方法では、式(2)による換算を要せずに、式(2)を用いた設定方法と同様の精度で補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定することができる。なお、第1の時刻32における位相を0ではなく、出力電流ixあるいは電圧指令vx*の位相と同じ値に設定しても良い。この場合は、時間変化を出力電流ixの位相の変化、あるいは、電圧指令vx*の位相の変化として捉えることになる。
以上は、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の基本的な設定方法であるが、次に、式(2)を用いる場合の具体的な設定方法の例を2つ示す。まず、式(2)の演算では、分母に周波数f、出力電流ixの値(実効値Irms)が含まれているので、除算を用いた演算が必要である。そこで、制御装置5aでの演算量を低減することを目的として、電圧指令補正手段7aに、周波数fに応じて変化する補正係数K1の特性テーブル(図4参照)と、出力電流ixの値(実効値Irms)に応じて変化する補正係数K2の特性テーブル(図5参照)とを記憶させ、両方または一方の特性テーブルを式(2)に適用した次の式(3)に基づいて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定する方法を用いても良い。
図4は、周波数fに応じて変化する補正係数K1の特性テーブルの一例である。また、図5は、出力電流ixの値(実効値Irms)に応じて変化する補正係数K2の特性テーブルの一例である。式(2)と式(3)から、周波数fと補正係数K1との関係は「K1=1/f」となるので、図4に示す理論値の曲線を描く。また、出力電流ixの値(実効値Irms)と補正係数K2との関係は「K2=1/出力電流ixの値(実効値Irms)」となるので、図5に示す理論値の曲線を描く。そして、電圧指令補正手段7aに記憶させるデータ量を低減する目的で、補正係数K1,K2に関する特性テーブルを簡単化して、図4または図5に示すような近似直線に置き換えても良い。
次に、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定を簡単化する方法を説明する。これは、出力電流ixの値(実効値Irms)を補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定に使用することなく、上記の時間変化量taを周波数fから求める方法である。
例えば、出力電流ix(三相電流iu,iv,iw)を、周波数fと電圧指令vu*,vv*,vw*に対する三相電流iu,iv,iwの位相とに基づき磁束を発生させるのに必要な励磁電流id(d軸電流)と、交流負荷2aが回転機の場合の負荷トルクに比例するトルク電流iq(q軸電流)とに公知のベクトル演算を用いて分割すると、出力電流ixの値(実効値Irms)と励磁電流id及びトルク電流iqとの関係は、式(4)で表される。
交流負荷2aが誘導機の場合は、励磁電流idは、無負荷運転の場合に流れる一定電流値(この値をid0とする)に設定すれば良い。この一定電流値id0は、各々の回転機(誘導機)に固有の値で既知の定数である。この場合、励磁電流idが一定電流値id0となることから、出力電流ixの値(実効値Irms)は、交流負荷(誘導機)2aから発生するトルクに応じて流れるトルク電流iqによって変化する。しかし、ここでは、トルク電流iqの変化を周波数fに依存する値と見なし、出力電流ixの値(実効値Irms)、励磁電流id、トルク電流iq等、出力電流ixから求まる電流に関する情報を用いずに、周波数fに基づいて前記の時間変化量taを求める方法を以下に示す。
図6は、定格容量が3.7kW、定格すべり周波数が3Hzの誘導機において、●印で示す無負荷時(id=id0,iq=0)と、○印で示す定格負荷時(id=id0,iq=定格トルク電流(力行))との2通りの駆動条件における周波数fに対する時間変化量taの値をプロットした図である。図6の作成にあたり、上限値ΔI1(下限値−ΔI2)は、定格電流の6%(一定値)としたが、必ずしも一定値である必要はなく、上限値ΔI1(下限値−ΔI2)との値が交流負荷(誘導機)2aの出力状態に応じて逐次変化する場合は、時間変化量taの値を上限値ΔI1に応じて、時間変化量tbの値を下限値−ΔI2に応じて、それぞれ調整すれば良い。
図6に○印で示す定格負荷時において、周波数fが定格すべり周波数3Hz以下になる範囲もプロットしてあるが、実際の誘導機では、定格すべり周波数が3Hzならば、定格力行負荷時の周波数fは3Hz以上となるので、周波数fが定格すべり周波数(3Hz)以下の範囲で、定格力行負荷駆動はできない。したがって、周波数fが定格すべり周波数(3Hz)以下の範囲では、負荷が小さくなり、トルク電流iqも定格トルク電流よりも小さくなる。すなわち、負荷駆動時において、負荷は定格よりも小さくなるので、図6に○印で示す定格負荷時の特性よりも時間変化量taは大きくなり、より●印で示す無負荷時の特性に近づく。
そこで、具体的な実施においては、概ね無負荷時と定格負荷時の各々の特性からの誤差が小さくなるように、図6に■印で示す近似折れ線を設定し、電圧指令補正手段7aに周波数fに対して変化するような時間変化量taの特性テーブルを記憶させ、その特性テーブルから周波数fに応じて時間変化量taを求めるようにする。
このようにすれば、出力電流ixの値(実効値Irms)、励磁電流id、トルク電流iq等、出力電流ixから求まる電流に関する情報を用いることなく、周波数fを用いて時間変化量taを求めることができ、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定することができる。
なお、図6に■印で示す近似折れ線は、●印で示す無負荷時と○印で示す定格負荷時との各々の特性からの誤差が小さくなるような設定としたが、必ずしも前記近似折れ線を求める基準は、無負荷時、あるいは、定格負荷時でなくても良く、負荷範囲に応じて前記近似折れ線を求める基準を変えても良い。また、前記近似折れ線は、電圧指令補正手段7aの記憶容量に応じて、データ点数を増やし、近似曲線としても良い。さらに、式(1)を用いて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を位相変化量θaで設定する場合は、前記近似折れ線から求めた時間変化量taからθa=2πftaの関係を用いて換算すれば良い。
そして、時間変化量taを、出力電流ixの値(実効値Irms)、励磁電流id、トルク電流iq等、出力電流ixから求まる電流に関する情報を用いずに、周波数fを用いて求めることによって、制御装置5aで行う演算量を低減できるので、制御装置5aに格納するマイクロコンピュータをはじめとする計算機の負荷を低減できる効果が得られる。以上が、ST16における補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定方法である。設定を終了すると、ST21〜ST23の各処理を実行し、必要な更新処理を実行して次のサンプルタイミングでの処理に移行する。
一方、ST14において、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が当該サンプルタイミングでは電流範囲30の範囲内に入った状態を維持していると判定した場合(ST14:No)は、電圧指令補正手段7aは、上記したように既に補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻は設定されているので、その補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過したか否かを判定する(ST17)。
その結果、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過していない場合(ST17:No)は、補正電圧Δvxの極性切換を行わないので、補正電圧Δvxの極性を第1の時刻32以前と同じ極性に合わせる。すなわち、ST15にて極性設定信号signxに記録した極性と今回の補正電圧Δvxの極性とを合わせる(ST20)。終了すると、ST21〜ST23の各処理を実行し、必要な更新処理を実行して次のサンプルタイミングでの処理に移行する。
そして、第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過する直前までの期間が経過したST17において、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過していると判定すると(ST17:Yes)、電圧指令補正手段7aは、ST18とST19の各処理を実行する。ST18とST19の処理順序は、入れ替わってもよいが、ST18では、出力電流ixの値(実効値Irms)が電流範囲30の外に出るまでの期間における処理として、補正電圧Δvxの極性をST15にて極性設定信号signxに記録した極性と反転した極性に設定し、ST19では、先に設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻をリセットする。終了すると、ST21〜ST23の各処理を実行し、必要な更新処理を実行して次のサンプルタイミングでの処理に移行する。
ST21〜ST23では、次のような処理が行われる。すなわち、ST21では、補正電圧Δvxの振幅|Δvx|を設定する。交流電圧指令vx*と電力変換手段3からの出力電圧vxとの間にデッドタイムに起因して生ずる誤差の大きさ(絶対値)は、理論上、キャリア周波数[Hz]と電力変換手段3のDCリンク電圧[V]とデッドタイム[sec]との積で得られる。これを踏まえ、これら3者の積から得られた値を|Verr|とすると、補正電圧の振幅|Δvx|を値|Verr|に基づき設定すれば良い。
ST22では、極性設定信号signxに設定した極性を有する電圧振幅|Δvx|の補正電圧Δvxを交流電圧指令vx*に加算し、交流電圧指令vx**を求める。そしてST23では、加算後の交流電圧指令vx**を電力変換手段3に出力する。
電圧指令補正手段7aは、以上説明したST10〜ST23の一連の処理を、u,v,wの相毎に逐次実施し、電力変換手段3に、デッドタイムに起因した電圧誤差を補正した交流電圧指令vu**,vv**,vw**をそれぞれ出力する。
次に、図7を参照して電圧指令補正手段7aが補正電圧の極性を切り換える場面を具体的に説明する。図7では、ST10にて電流検出手段4から受け取る一相の出力電流ixと、電圧指令演算手段6aが出力する一相の交流電圧指令vx*と、電圧指令補正手段7aが上記の手順で定める補正電圧の極性との関係が示されている。出力電流ixと交流電圧指令vx*との間には、ある位相差が存在している。
出力電流ixに対して0レベルを含む電流範囲30がST11にて設定されるが、出力電流ixの値と電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2とが一致する時刻35,32,36,34,37のうち、時刻35,37は、出力電流ixの値が上限値ΔI1を超えて電流範囲30の上方側外部に出る時刻であり、時刻36は、出力電流ixの値が下限値−ΔI2を超えて電流範囲30の下方側外部に出る時刻である。また、時刻32は、出力電流ixの値が電流範囲30の上方側外部から電流範囲30の内側に入る第1の時刻であり、時刻34は、出力電流ixの値が電流範囲30の下方側外部から電流範囲30の内側に入る第1の時刻である。
期間(1)は、出力電流ixの値が電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の外側に位置している期間である。この期間(1)は、ST11にて設定した電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2と、ST12で用いる出力電流ixの今回サンプリング時での値とに基づき判断した時刻35,32,36,34によって特定され、この期間(1)での補正電圧Δvxの極性は、ST13にて、ST12で用いる出力電流ixの今回サンプリング時での値と同じ極性に設定される。
期間(2)は、出力電流ixの今回サンプリング時での値が第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38の直前に到達するまでの期間であり、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38に到達すると、補正電圧Δvxの極性の切り換えが行われる。この期間(2)では、ST12,ST14,ST15及びST16の各処理が行われる。すなわち、この期間(2)での補正電圧Δvxの極性は、ST12にて出力電流ixの今回サンプリング時での値が電流範囲30の内側に入っていると判断されたが、ST14にて出力電流ixの1サンプリング前の値は電流範囲30の内側に入っていないと判断されたので、期間(1)と同様に、ST12で用いる出力電流ixの今回サンプリング時での値と同じ極性に設定される(ST15)。並行して、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38は、第1の時刻32と周波数fと(必ずしも必要ではないが出力電流ixの今回サンプリング時での値と)に基づき電流零クロス31に極めて近い時刻に設定される(ST16)。先に示した特許文献1,2等では、この期間(2)が存在しないことから誤差補正の精度が良くなかった。
期間(3)は、出力電流ixの今回サンプリング時での値が、補正電圧Δvxの極性を切り換えた時刻38後の電流零クロス31から電流範囲30の外に出る時刻35,36,37に到達するまでの期間である。この期間(3)は、ST17にて期間(2)の経過が確認されると、補正電圧Δvxの極性を期間(1)とは逆の極性に設定し(ST18)、並行して、先に定めた補正電圧Δvxの極性を切り換えた時刻38をリセットすることが行われる(ST19)。
以上のように、実施の形態1によれば、電力変換手段3とこの電力変換手段3への交流電圧指令を演算出力する電圧指令演算手段6aとの間に設けた電圧指令補正手段7aは、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子に与えるデッドタイム電圧に起因して発生する前記電圧指令と電力変換手段3からの出力電圧との誤差を補正する目的で、検出された出力電流に対して零レベルを含む所定の電流範囲を設け、前記出力電流の値が前記電流範囲の外部から内部に入る第1の時刻において、前記第1の時刻と周波数fとに基づいて、前記交流電圧指令を補正する補正電圧の極性を切り換える時刻を前記出力電流の零クロスのタイミング(時刻または位相)に設定し、つまり、デッドタイムに起因する電圧誤差を補正する補正電圧の極性切換を前記出力電流の零クロスにおいて実施し、前記出力電流の零クロスの前後において前記出力電流の極性と同極性の補正電圧で前記交流電圧指令の補正を実施するので、前記出力電流の零クロス近傍におけるデッドタイムに起因する前記電圧誤差を精度良く低減することができる。これによって、電力変換器に回転機を接続した場合に、前記出力電流の零クロス近傍での回転ムラを低減できるので、駆動性能が向上する従来にない顕著な効果を奏する。
そして、補正電圧の極性を切り換える時刻を、前記出力電流も加えて求めるようにすれば、前記出力電流の零クロスのタイミングを直接的に求めることができるので、前記出力電流の零クロスを更に精度良く求めることができ、前記出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
また、前記電流範囲は、検出された出力電流に対して零レベルを含む所定の電流範囲として設定する、つまり、検出された出力電流の零レベルから正極側の上限値及び負極側の下限値で囲まれた電流範囲として設定するので、電流零クロス近傍で発生するチャタリング現象による電流極性検出誤りの影響を受けることなく、前記補正電圧の極性を正しく設定できる効果が得られる。
実施の形態2.
図8は、この発明の実施の形態2による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図8では、図2に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態2に関わる部分を中心に説明する。
図8に示すように、この実施の形態2による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図2に示した処理手順において、ST14からST17への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST30の処理を実施してから、ST17に進むようになっている。
ST30では、図7を参照して説明すると、第1の時刻32から補正電圧極性切換時刻38に至る期間(2)において、出力電流ixの値に応じて補正電圧極性切換時刻38の補正処理を実施する。なお、出力電流ixの値は、実効値、振幅値、瞬時値のいずれを用いても良い。また、出力電流ixに代えて前記した電流指令ix*を用いても良い。
出力電流ixが一定ではなく、その値(実効値Irms)が変化する場合は、その値(実効値Irms)は、時間tの関数となっている。つまり、Irms=Irms(t)となっている。
そこで、この実施の形態2では、この場合は、式(2)の代わりに式(5)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38に到達するまでの時間変化量taを、一定周波数fの下で出力電流ixの値(実効値Irms)の変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を補正するようにした。但し、式(5)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(補正電圧極性切換時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この実施の形態2によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、検出された出力電流の値に応じて補正電圧の極性を切り換える時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって出力電流が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図9では、図2に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態3に関わる部分を中心に説明する。
図9に示すように、この実施の形態3による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図2に示した処理手順において、ST14からST17への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST40の処理を実施してから、ST17に進むようになっている。
ST40では、図7を参照して説明すると、第1の時刻32から補正電圧極性切換時刻38に至る期間(2)において、サンプルタイミング毎の周波数fに応じて補正電圧極性切換時刻38の補正処理を実施する。なお、周波数fは、定常状態において、出力電流ix、電流指令ix*、出力電圧vx、電圧指令vx*の周波数と同じであるので、いずれの周波数を用いて補正しても良い。
周波数fが一定ではなく、その値が変化する場合は、周波数fは、時間tの関数となっている。つまり、f=f(t)となっている。そこで、この実施の形態3では、この場合は、式(2)の代わりに式(6)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38に到達するまでの時間変化量taを、出力電流ixの値(実効値Irms)が一定であるとしてサンプルタイミング毎の周波数fの変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を補正するようにした。但し、式(6)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(補正電圧極性切換時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この実施の形態3によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、周波数の変化に応じて補正電圧の極性を切り換える時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって周波数が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態4.
図10は、この発明の実施の形態4による電力変換器の構成を示すブロック図である。なお、図10では、図1(実施の形態1)に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態4に関わる部分を中心に説明する。
図10に示すように、この実施の形態4による電力変換器1bは、図1(実施の形態1)に示した構成において、交流負荷2aに代えてその一例として回転機2bが設けられ、また、制御装置5aに代えて制御装置5bが設けられている。制御装置5bでは、符号を変えた電圧指令演算手段6b及び電圧指令補正手段7bにトルク指令τ*を与えるトルク指令設定手段8が設けられている。
この実施の形態4では、電圧指令補正手段7bは、図2のST16に相当する処理として、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を第1の時刻32と周波数fとトルク指令τ*とに基づいて設定する処理(1)と、図8のST30または図9のST40に相当する処理として、実施の形態1(図2)に示す方法で設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38をトルク指令τ*に応じて補正する処理(2)との双方またはいずれか一方を行うようになっている。ここでは、双方を実施する場合について説明する。
まず、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を第1の時刻32と周波数fとトルク指令τ*とに基づいて設定する処理(1)について説明する。実施の形態1では、出力電流ixの値(実効値Irms)と励磁電流id及びトルク電流iqとの関係が式(4)で表されることを示したが、トルク電流iqと回転機2bの負荷トルクτとの関係は式(7)で表される。但し、式(7)に示すKtは、回転機2b固有のトルク定数である。
回転機2bが誘導機の場合は、励磁電流idを実施の形態1にて説明したように、各々の回転機に固有の固定値に設定し、また回転機2bが永久磁石同期機の場合は、励磁電流idを0に設定し、公知の最大効率制御方式などによって励磁電流idを一定値に制御する。そして、図10に示す電力変換器1bにおいて、回転機2bの負荷トルクτがトルク指令τ*に一致するように制御されているとすると、式(4)と式(7)とから次の式(8)の関係が成り立つ。
式(8)において、変数はトルク指令τ*のみであるので、トルク指令τ*に応じて出力電流ixの値(実効値Irms)が変化する。このことから、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を設定しても、図2のST16にて説明した出力電流ixに応じて設定する場合と同様の精度で、出力電流の零クロス31を求めて切換時刻38を設定することができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を精度よく低減できる。
なお、処理(1)では、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を設定する方法を示したが、その他、例えば回転機2bの負荷トルクτを何らかの方法で検出し、負荷トルクτに応じて調整する、あるいは、式(4)または式(7)に基づきトルク電流iqを求め、そのトルク電流iqに応じて設定する方法でも良い。
次に、実施の形態1(図2)に示す方法で設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38をトルク指令τ*に応じて補正する処理(2)について説明する。出力電流ixの値(実効値Irms)は、式(8)に示す関係で、トルク指令τ*に応じて変化するので、上記処理(1)にて説明したこの実施の形態4による方法によって設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を、図2のST14での判定が否定(No)の場合に、トルク指令τ*に応じて補正してからST17の処理に進むようにする。
これによれば、補正電圧の極性を切り換える前に、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻をサンプルタイミング毎に逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、実施の形態2,3と同様に、負荷変動、速度変動によって出力電流が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
なお、処理(2)では、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を補正する方法を示したが、その他、例えば回転機2bの負荷トルクτを何らかの方法で検出し、負荷トルクτに応じて補正する、あるいは、式(4)または式(7)に基づきトルク電流iqを求め、そのトルク電流iqに応じて補正する方法でも良い。
図11は、以上説明した処理(1)と処理(2)の双方を図2に取り込んだこの実施の形態3による電圧指令補正手段7bの補正動作手順を説明するフローチャートである。図11において、図2に示したST16に代えたST50では、処理(1)にて説明した方法でトルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を設定する。また、ST14とST17との間に設けたST51では、処理(2)にて説明した方法で、トルク指令τ*に応じて、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を補正する。
以上のように、この実施の形態4によれば、トルク指令に応じて、実施の形態1と同様の精度で、出力電流の零クロス31を求めることができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を精度よく低減できる。また、実施の形態2,3と同様に、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態5.
図12は、この発明の実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図12では、図2に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態5に関わる部分を中心に説明する。
この実施の形態5による電力変換器は、構成要素は、図1(実施の形態1)に示した電力変換器1aあるいは図10(実施の形態4)に示した電力変換器1bと同様であるが、この実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、電圧指令補正手段7a,7bとは、若干異なる動作を行う。すなわち、図12において、この実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図2(図11)に示した処理手順において、ST16(ST50)の処理に代えてST60の処理を行い、ST17に代えてST61の処理を行い、ST18に代えてST62の処理を行い、ST19に代えてST63の処理を行うようになっている。
ST60では、実施の形態1にて説明した交流電圧指令vx*を補正する補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定方法と同じ方法を用いて第2の時刻を設定する。ST61では、第2の時刻を経過したか否かを判定する。ST62では、交流電圧指令vx*の極性を極性設定信号signxに記録する。ST63では、第2の時刻をリセットする。
すなわち、この実施の形態5による電圧指令補正手段は、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が、当該サンプルタイミングにて初めて電流範囲30の範囲外から範囲内に入ったと判定した場合(ST14:Yes)は、ST15、ST60の各処理を実行し、ST21に進む。ST15とST60の処理順序は、入れ替わってもよいが、ST15では、1サンプリング前の出力電流ixの検出値ix[N−1]の極性を極性設定信号signに記録し、ST60では、電流範囲30の範囲外から範囲内に入った時刻である第1の時刻(図3に示す符号32,34)において、実施の形態1にて説明した交流電圧指令vx*を補正する補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻(図7に示す符号38)の設定方法と同じ方法で第2の時刻を設定する。
また、ST14において、この実施の形態5による電圧指令補正手段は、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が、当該サンプルタイミングでは電流範囲30の範囲内に入った状態を維持していると判定した場合(ST14:No)は、上記したように既に第2の時刻は設定されているので、その第2の時刻を経過したか否かを判定する(ST61)。
その結果、第2の時刻を経過していない場合(ST61:No)は、補正電圧Δvxの極性切換を行わないので、補正電圧Δvxの極性を第1の時刻32以前と同じ補正電圧Δvxの極性に合わせる。すなわち、ST15にて極性設定信号signxに記録した極性と補正電圧Δvxの極性とを一致させる(ST20)。
そして、第1の時刻32以降、第2の時刻を経過する直前までの期間が経過したST61において、第2の時刻を経過していると判定すると(ST61:Yes)、この実施の形態5による電圧指令補正手段は、出力電流ixの値(実効値Irms)が電流範囲30の外に出るまでの期間における処理として、交流電圧指令vx*の極性を極性設定信号signxに記録する(ST62)。つまり、補正電圧Δvxの極性を交流電圧指令vx*の極性に合わせる。そして、先に設定した第2の時刻をリセットする(ST63)。
次に、図13は、図12に示す補正処理にて実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。なお、図13では、図7に示したのと同様の内容が示されている。異なる点は、図7に示した補正電圧極性切換時刻38が、図13では、第2の時刻40となっている点と、期間(3)での補正電圧Δvxの極性が、図7では期間(1)で設定する極性を反転した極性であるのに対し、図13では、交流電圧指令vx*の極性と同じである点である。
この実施の形態5による処理手順では、出力電流ixの値が第2の時刻40に到達しているか否かを判断するときに、第2の時刻40における補正電圧Δvxの極性及び交流電圧指令vx*の極性を比較する。その結果、交流電圧指令vx*の極性が反転している場合には、第2の時刻40を経過すると補正電圧Δvxの極性が切り換わる。一方、同一極性の場合には、交流電圧指令vx*の極性が切り換わる時に補正電圧Δvxの極性が切り換わる。そのため、第2の時刻40に対し補正電圧Δvxの極性を切り換える動作が遅れる。これによって、出力電流ixと交流電圧指令vx*(出力電圧vx)との位相差が大きい場合に、実施の形態1や実施の形態4と同様に、出力電流ixの零クロス近傍で補正電圧Δvxの極性を切り換えることができる。
したがって、この実施の形態5によれば、出力電流と交流電圧指令(出力電圧)との位相差が大きい場合に、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を低減できるので、回転機を接続した場合に、回転ムラを低減でき、駆動性能が向上する効果が得られる。
実施の形態6.
図14は、この発明の実施の形態6による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図14では、図12に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態14に関わる部分を中心に説明する。
図14に示すように、この実施の形態6による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図12に示した処理手順において、ST14からST61への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST70の処理を実施してから、ST61に進むようになっている。
ST70では、図13を参照して説明すると、第1の時刻32から第2の40に至る期間(2)において、出力電流ixの値に応じて第2の時刻40の補正処理を実施する。なお、出力電流ixの値は、実効値、振幅値、瞬時値のいずれを用いても良い。また、出力電流ixに代えて前記した電流指令ix*を用いても良い。
出力電流ixの値に応じた第2の時刻40の補正は、図8におけるST30にて説明した補正電圧切換時刻の補正方法と同様の考えで実施できる。すなわち、出力電流ixが一定ではなく、その値(実効値Irms)が変化する場合は、同様に式(5)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から第2の時刻40に到達するまでの時間変化量taを、一定周波数fの下で出力電流ixの値(実効値Irms)の変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき第2の時刻40を補正する。但し、式(5)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(第2の時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この実施の形態6によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、検出された出力電流の値に応じて第2の時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって出力電流が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態7.
図15は、この発明の実施の形態7による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図15では、図12に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態7に関わる部分を中心に説明する。
図15に示すように、この実施の形態7による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図12に示した処理手順において、ST14からST61への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST80の処理を実施してから、ST61に進むようになっている。
ST80では、図13を参照して説明すると、第1の時刻32から第2の時刻40に至る期間(2)において、サンプルタイミング毎の周波数fに応じて第2の時刻40の補正処理を実施する。なお、周波数fは、定常状態において、出力電流ix、電流指令ix*、出力電圧vx、電圧指令vx*の周波数と同じであるので、いずれの周波数を用いて補正しても良い。
周波数fに応じた第2の時刻40の補正は、図9におけるST40にて説明した補正電圧切換時刻の補正方法と同様の考えで実施できる。すなわち、周波数fが一定ではなく、その値が変化する場合は、同様に式(6)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から第2の時刻40に到達するまでの時間変化量taを、出力電流ixの値(実効値Irms)が一定であるとしてサンプルタイミング毎の周波数fの変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき第2の時刻40を補正する。但し、式(6)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(第2の時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この実施の形態7によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、周波数の変化に応じて第2の時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって周波数が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態8.
この実施の形態8では、図16と図17を参照して、以上説明した電圧指令補正手段がその生成する補正電圧の振幅を調整する方法について説明する。なお、図16は、この発明の実施の形態8として、補正電圧の振幅調整を行う必要性を説明する図である。図17は、補正電圧の振幅調整で用いる補正電圧の振幅と出力電流の値との関係特性テーブルの一例を示す図である。
実施の形態1にて説明したように、電圧指令演算手段6aが出力する交流電圧指令vx*と電力変換手段3の出力電圧vxとの間に生ずるデッドタイムに起因する誤差の大きさ(絶対値)は、理論上、キャリア周波数[Hz]と電力変換手段3のDCリンク電圧[V]とデッドタイム[sec]との積|Verr|で得られる。しかし、前記の理論の前提には、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子の実際にオン・オフ動作するタイミングが、駆動信号が指定する所望のタイミングと一致しているとの仮定がある。
図16では、駆動信号である上下のアームON信号と実際に行われる上下アームのON動作との関係、及び、設定したデッドタイム42と実際に発生するデッドタイム43との関係が示されている。図16に示すように、デッドタイム42,43は、上アームのオフ動作時と下アームのオン動作時との間の時間間隔として規定される。
電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子には、スイッチング遅れがあるので、図16に示すように、駆動信号である上下のアームON信号が指定するオン(ON)・オフ(OFF)の動作タイミングに対して、実際に行われる上下アームのオン・オフの動作タイミングがスイッチング時間だけ遅れる。このスイッチング遅れの時間は、オン動作時とオフ動作時とで異なることが多く、また、出力電流ixの大きさによって変化する。そのため、設定したデッドタイム42と実際に発生するデッドタイム43との間には、図16に示すように、誤差が発生する。
したがって、積|Verr|と同じ大きさに補正電圧Δvxの振幅|Δvx|を設定すると、実際に発生している電圧誤差に対し、補正過剰または補正不足になることがあり、電圧補正による誤差が生じる。
そこで、電圧補正による誤差を低減するため、例えば図17に示すように、予め出力電流ixに応じて変化する補正電圧Δvxの振幅|Δvx|の特性テーブルを電圧指令補正手段7a,7bに記憶させ、補正電圧Δvxの振幅|Δvx|をサンプルタイミング毎の出力電流ixに応じて逐次演算して調整できるようにする。
このようにすれば、補正電圧Δvxの振幅|Δvx|をサンプルタイミング毎に最適値に調整できるので、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子のスイッチング遅れに起因する補正電圧の振幅誤差を低減でき、電圧誤差の補正精度が更に向上する。なお、出力電流ixの代わりに電流指令ix*を用いて図17に示すような特性テーブルに作成し、電流指令ix*に応じて補正電圧Δvxの振幅|Δvx|を調整することでも良い。
次に、図2、図8、図9、図11、図12、図14及び図15におけるST11の処理では、各種の態様を採ることができるので、図3を参照して、それらを以下にまとめて説明する。
(A)ST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、出力電流ixに応じて調整・設定しても良い。実施の形態1では、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38は、第1の時刻32と式(1)〜式(3)の何れかの式とに基づいて調整すれば良いことを示した。しかし、式(1)または式(2)を適用して求めた第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる零クロス31までの期間は、前記した通り交流の周期に対し十分短いと仮定の上で求めた理論時間である。
このことから、出力電流ixが小さい場合には、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を小さくするように調整・設定し、第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38までの期間を交流の周期に対し長くならないようにするのが望ましい。
そこで、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2をサンプルタイミング毎の出力電流ixに応じて逐次演算して増減調整し電流範囲30を設定すれば、出力電流ixの値に関係なく、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる時刻である零クロス31までの期間が交流の周期に対し長くなり過ぎず、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を精度良く零クロス31に設定できるような、最適な上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を有する電流範囲30を調整・設定することができる。
なお、電流範囲30の上限値ΔI1と下限値−ΔI2とを調整する際の出力電流ixの値は、実効値、振幅値、瞬時値のいずれでも良い。あるいは、電流指令ix*を用いても良い。
(B)ST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、周波数fに応じて調整・設定しても良い。この場合、周波数fは、定常状態において、出力電流ix、電流指令ix*、出力電圧vx、電圧指令vx*の周波数と同じであるので、いずれの周波数を用いても良い。
例えば、電圧指令演算手段6a,6bを交流電圧指令vx*と周波数fの比が一定になるように制御すると、周波数fが大きくなるのに従って出力電圧vxも大きくなる。それに対し、補正電圧Δvxは、周波数fに関係なく、ほぼ一定値となるので、相対的に出力電圧vxに対する補正電圧Δvxが小さくなる。したがって、補正電圧Δvxの極性が切り換わる時刻38において、補正電圧Δvxの変化量が小さくなり、出力電流ixの変化が小さく、電流の零クロス31近傍で電流チャタリング現象が発生し易い傾向にある。
そこで、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を、サンプルタイミング毎の例えば交流電圧指令vx*の周波数fに応じて逐次演算して増減調整し電流範囲30を設定すれば、周波数fが大きくなるのに従って電流範囲30を広げるように調整することができるので、電流の零クロス31で発生するチャタリング現象を抑えることができる。
(C)ST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、一定値に設定しても良い。この場合、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の値は、同じ一定値に設定にしても良いし、電流検出手段4の性能によって出力電流ixにオフセットが上乗せされて検出されることがあることを鑑み、上限値ΔI1と下限値−ΔI2の各値は、各々異なる値に設定しても良い。
電流検出手段4によって出力電流ixにオフセットが重畳されて検出される現象によって、あるいは、電流の零クロス31近傍の電流チャタリング現象によって、出力電流ixの極性が誤って検出されることのないような電流範囲30を予め測定等によって求めておき、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の各値を設定することが望ましい。
また、出力電流ixの極性の誤検出がないような電流範囲30と、電力変換器1a,1bの定格、あるいは、交流負荷2a,2bの定格との関係が分かれば、これらの定格を基準に上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の各値を設定しても良い。
このように電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を一定値にすると、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を一度電圧指令補正手段7a、7bに記憶させれば、電力変換器1a,1bの動作中、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を常に演算する必要がなくなる。したがって、電力変換器1a,1bの制御装置5a,5bで行う演算量を低減でき、制御装置5a,5bに格納するマイクロコンピュータをはじめとする計算機の負荷を低減することができる。
(D)実施の形態4では、トルク指令τ*に応じて出力電流ixの値(実効値Irms)が変化することを式(8)によって示した。このことから、図11(実施の形態4)におけるST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、サンプルタイミング毎のトルク指令τ*に応じて逐次演算して調整・設定しても良い。
この方法によっても、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる時刻である零クロス31までの期間が交流の周期に対し長くなり過ぎず、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を精度良く電流零クロス31の近傍に設定できるような、最適な上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を有する電流範囲30を調整・設定することができる。
なお、図11(実施の形態4)におけるST50,ST41と同様に、トルク指令τ*に代えて、回転機2bの負荷トルクτを何らかの方法で検出し、負荷トルクτに応じて調整する、あるいは、式(4)または式(7)に基づきトルク電流iqを求め、そのトルク電流iqに応じて電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を調整しても良い。
以上のように、この発明にかかる電力変換器は、出力電流の零クロス近傍における値デッドタイムに起因する電圧誤差を少なくして電力変換手段が交流電圧指令の通りに交流電力を出力する電力変換器として有用である。
この発明は、交流負荷に交流電力を供給する電力変換器に関するものである。
電力変換器では、出力段に設けられる電力変換手段を構成する上下アームのパワーデバイス素子が、電圧指令に基づきスイッチング動作を行って交流電圧を生成し、交流負荷に出力するが、上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡防止を目的として、上下アームのパワーデバイス素子を同時にオフ動作状態に制御する期間を設けている。この期間は、デッドタイムと呼ばれているが、このデッドタイムによって、電力変換手段が受ける電圧指令とそれに基づき電力変換手段が実際に負荷に出力する電圧との間に誤差が生じることが知られている。このデッドタイムに起因する誤差電圧は,電力変換手段の出力相電流の極性と逆極性の電圧となる。
そして、このデッドタイムに起因する電圧誤差を補正するために、電力変換器に備わっている電流検出手段によって電力変換手段の出力相電流を検出し、検出した前記出力相電流の極性と同じ極性の電圧を電圧指令に加えて補正した電圧指令を電力変換手段に与える方法が知られている(例えば非特許文献1)。なお、電流検出の方法としては、電力変換手段の出力相電流を直接検出する他に、電力変換器のDCリンク電流から検出する方法も知られている(例えば非特許文献2)。
しかし、出力相電流の極性が切り換わる電流零クロス近傍では、出力相電流の絶対値が小さいので、電流検出手段によって前記出力相電流の極性を正確に検出することが困難である。また、電流零クロス近傍では、前記出力相電流がチャタリングを起こすので、出力相電流の極性と同じ極性の電圧を電圧指令に加える前記の補正方法では、電圧指令に加える補正電圧の極性誤りが発生したり、補正電圧の極性が正負交互に連続して切り換わる現象が発生したりすることが起こる。
そこで、従来から、前記出力相電流の絶対値が小さい電流零クロス近傍におけるデッドタイム補正の問題点を回避するために、種々の提案がなされている(例えば特許文献1〜4等)。
すなわち、特許文献1では、インバータ装置の出力電圧の短絡防止期間に起因する出力電圧誤差を補正するインバータ装置の出力電圧誤差補正装置を、インバータ装置の出力電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段にて検出された出力電流の極性を判別する電流極性判別手段と、出力電流に対し設定した閾値に対し、インバータ装置の出力電流が閾値外であれば、判別した出力電流の極性により出力電圧誤差の補正を行い、閾値内であれば電圧指令の極性により出力電圧補正を行う電圧誤差補正手段とで構成した例が開示されている。
また、特許文献2では、半導体スイッチング素子であるアームをブリッジ接続して直流を交流に変換するインバータを構成し、電圧指令信号とキャリア信号との大小関係の比較で得られるパルス幅変調した電圧信号を前記ブリッジ接続の上側アーム素子又は下側アーム素子に与えて前記インバータを制御する際に、上側アーム素子と下側アーム素子との同時オンを防止するオン遅延時間を設けているパルス幅変調制御インバータの制御回路を、前記インバータの出力電流が正又は負の所定値を超えた場合にこの出力電流の極性を判別する信号を出力する電流極性判別手段と、前記電圧指令信号の極性を判別する信号を出力する電圧極性判別手段と、前記オン遅延時間が原因で当該インバータの出力電圧に生じる誤差電圧を補償する量を演算する第1の補償量演算手段と、この第1補償量演算値の極性を前記電流極性と電圧極性とに対応させて出力する補償量分配手段と、前記電圧指令信号にこの補償量分配手段の出力値を加算した値を新たな電圧指令信号とする加算手段とで構成した例が開示されている。
また、特許文献3では、ACモータへ流れる電流を検出する電流検出手段と、指令電流と検出電流とから偏差電流を計算する偏差電流演算手段と、前記偏差電流から指令電圧の演算を行う電流制御部と、電流極性を決める電流極性判断手段を有し、デッドタイム補償電圧を出力するデッドタイム補償手段と、前記電流制御部から計算された指令電圧に前記デッドタイム補償電圧を加えて最終指令電圧を演算する電圧加算演算手段と、前記電圧加算演算手段により得られた最終指令電圧の情報を用い直流電圧から交流電圧への変換を行うPWM電力変換装置とを備えたACモータ駆動装置において、前記デッドタイム補償手段を、指令電流から指令電流極性を判断する指令電流極性判断手段と、検出電流から検出電流極性を判断する検出電流極性判断手段と、前記指令電流極性と検出電流極性との情報から最終電流極性を判断する最終電流極性判断手段とで構成した例が開示されている。
また、特許文献4では、上下アーム短絡防止期間とPWMキャリア周波数と直流電圧とを用いて算出した誤差電圧によりインバータ出力電圧を補正する電圧補正手段が、インバータ出力電流の絶対値が所定値より大きいときはインバータ出力電流の極性に応じてインバータ出力電圧を補正し、インバータ出力電流の絶対値が所定値よりも小さいときはインバータ出力電圧の極性に応じてインバータ出力電圧を補正するPWM制御インバータ装置において、前記PWMキャリア周波数を設定するPWMキャリア設定手段を、誤差電圧がインバータ出力電圧よりも小さいときはPWMキャリア周波数をその値に保ち、誤差電圧がインバータ出力電圧よりも大きくなるときは誤差電圧とインバータ出力電圧との比を一定に保つようにPWMキャリア周波数を変化させるように構成した例が開示されている。
しかしながら、このような従来提案されている補正方法では、前記出力相電流の零クロスにおいて確実に補正電圧の極性を切り換えることができず、その極性の反転する瞬間が前記出力相電流の零クロスの前後にずれるので、出力相電流の零クロス近傍においては、電力変換手段に入力する補正した電圧指令、つまり補正電圧を加算した電圧指令と電力変換手段からの出力電圧との間に電圧誤差が生ずる。
特に、この電圧誤差は、電力変換手段から低い周波数の交流電力を出力する場合に顕著となる。回転機を接続した場合に、この電圧誤差によって回転ムラが大きくなり、駆動性能が低下する。また、低速駆動時に回転ムラが顕著となるなどの問題がある。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、出力電流の零クロス近傍におけるデッドタイムに起因する電圧誤差を精度良く補正し、電力変換手段が電圧指令の通りに交流電力を出力できる電力変換器を得ることを目的とする。
上述した目的を達成するために、この発明は、入力する交流電圧指令に従って交流負荷に供給する交流電力を生成する電力変換手段と、前記電力変換手段に与えるべき周波数fの交流電圧指令を演算する電圧指令演算手段と、前記電力変換手段が前記交流負荷に供給する交流電力における電流成分である出力電流を得る電流検出手段とを備える電力変換器において、前記電力変換手段と前記電圧指令演算手段との間に、前記出力電流に基づいて電圧指令演算手段が求めた交流電圧指令を補正する補正電圧を、前記電力変換手段におけるデッドタイムに起因する電圧誤差に基づいて演算し、該補正電圧を前記電圧指令演算手段が求めた交流電圧指令に加算して前記電力変換手段に与える電圧指令補正手段を設け、前記電圧指令補正手段は、前記出力電流に対してそのゼロレベルを含む所定の電流範囲を設け、前記出力電流の値が前記電流範囲の外部から内部に入る第1の時刻に、前記第1の時刻と前記周波数fとを用いて前記出力電流の零クロスタイミングを求め、求めた前記零クロスタイミングを前記補正電圧の極性を切り換える時刻に設定することを特徴とする。
この発明によれば、検出された出力電流が零となる瞬間に、交流電圧指令を補正する補正電圧の極性を切り換えることができるので、つまり、出力電流の零クロスの前後において出力電流の極性と同極性の補正電圧で交流電圧指令を補正するので、出力電流の零クロス近傍において電力変換手段に与える補正した交流電圧指令と電力変換手段が出力する電圧との間のデッドタイムに起因する電圧誤差を低減でき、電力変換手段は交流電圧指令の通りに交流電力を出力できるようになる。したがって、電力変換手段の出力を回転機に与える場合は、当該回転機の回転ムラを低減でき、運転性能を向上させることができる。
この発明によれば、出力電流の零クロス近傍におけるデッドタイムに起因する電圧誤差を精度良く補正できるので、電力変換手段は電圧指令の通りに交流電力を出力できるという効果を奏する。
以下に図面を参照して、この発明にかかる電力変換器の好適な実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換器の構成を示すブロック図である。なお、この実施の形態1及び以降に示す各実施の形態では、三相交流電力を出力する電力変換器を例に挙げて説明するが、その内容は、単相交流電力を出力する電力変換器にも同様に適用できるものである。
図1に示す電力変換器1aは、三相の交流負荷2aが接続される電力変換手段3と、電流検出手段4と、電力変換手段3を制御して電力変換手段3から交流負荷2aへの交流電力の供給制御を実行する制御装置5aとを備え、制御装置5aは、電圧指令演算手段6aと電圧指令補正手段7aとで構成されている。電圧指令補正手段7aは、電圧指令演算手段6aの出力側と電力変換手段3の入力側との間に設けられている。
電力変換手段3は、上下アームのパワーデバイス素子が、制御装置5aから入力する交流電圧指令(図1では、電圧指令補正手段7aが出力する交流電圧指令vu**,vv**,vw**)に基づきスイッチング動作を行って交流電圧を生成し、交流負荷2aに出力するが、制御装置5aは、上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡防止を目的として、電力変換手段3に与える交流電圧指令(図1では、電圧指令補正手段7aが出力する交流電圧指令vu**,vv**,vw**)に、上下アームのパワーデバイス素子を同時にオフ動作状態に制御するデッドタイム電圧指令を含ませている。
電流検出手段4は、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報を得るこの発明で言う電流検出手段の一例である。そして、この明細書では、制御装置5aに設けた電圧指令補正手段7aの説明を行うことが主目的であるので、電流検出手段4の出力(三相の出力電流iu,iv,iw)は電圧指令補正手段7aに与えられるとしている。
以下、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報を得るこの発明で言う電流検出手段の具体的な内容を示す。図1では、具体的な一例として、電力変換手段3から出力電流を直接検出する電流検出手段4を示した。そして、直接検出する場合において、図1では、電流検出手段4は、電力変換手段3からの三相の出力電流iu,iv,iwの全てを検出するように三相出力線の全てに配置する場合を示したが、必ずしも三相出力線の全てに配置する必要はなく、iu+iv+iw=0の関係があるので、三相の内の二相出力線に電流検出手段4を配置してその二相の出力電流を検出し、残りの一相の出力電流を演算する方法でも良い。
また、図1では、各相の電流を直接検出する場合を示すが、その他に、例えば非特許文献2に紹介されている電力変換手段3のDCリンク電流から前記出力電流を検出する方法を用いても良い。さらに、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報は、電圧指令演算手段6aの構成法との関連で種々の態様があるので、それを示す。
まず、電圧指令演算手段6aは、電力変換手段3に本来的に与えるべき、周波数fの(三相)交流電圧指令vu*,vv*,vw*を演算するが、この交流電圧指令vu*,vv*,vw*を、電流検出手段4が求めた三相の出力電流iu,iv,iwと電力変換手段3から出力したい電流指令iu*,iv*,iw*との偏差を増幅して出力する構成を採ることができる。この場合には、電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報は、出力電流iu,iv,iw、あるいは、電流指令iu*,iv*,iw*のどちらでも良い。
また、電圧指令演算手段6aは、交流負荷2aが三相回転機の場合には、内部に磁束オブザーバを構成し、推定した前記回転機内部の磁束と前記回転機の定数とを用いて換算した出力電流iu,iv,iwを用いて交流電圧指令vu*,vv*,vw*を演算する構成も採ることができる。このような演算で求めた出力電流iu,iv,iwも電力変換器1a(制御装置5a)がこの発明を実施する際に必要な電流情報に含まれる。
以上説明した各種の方法で得られる出力電流iu,iv,iwや電流指令iu*,iv*,iw*は、電力変換手段3が交流負荷2aに供給する交流電力における電流成分を示す情報であり、この発明で言う電流検出手段は、以上説明した出力電流iu,iv,iwや電流指令iu*,iv*,iw*を得る手段の全てを含むものである。このことは、電力変換器1aが単相交流電力を出力するものであっても同様である。以降では、理解を容易にするため、図1に示す構成に従って、電流検出手段4が直接検出した三相の出力電流iu,iv,iwを電圧指令補正手段7aに与えるとして説明する。
次に、電圧指令演算手段6aが用いる周波数fは、交流電圧指令vu*,vv*,vw*の周波数、すなわち、電力変換手段3から出力される交流電力の周波数である。定常状態では、出力電流iu,iv,iw、電流指令iu*,iv*,iw*、電力変換手段3からの出力電圧vu,vv,vwの周波数と同じである。交流負荷2aが同期機の場合には、回転周波数(電気角)とも同じとなる。
また、交流負荷2aが誘導機の場合には、電力変換手段3から出力される交流電力の周波数と、前記誘導機の回転周波数(電気角)とは、すべり周波数の分だけ差異が生じる。公知の技術を用いてすべり周波数を算出し、そのすべり周波数を回転周波数に加えて電力変換手段3から出力される交流電力の周波数を求め、それを周波数fとしても良い。
さて、電圧指令補正手段7aは、電圧指令演算手段6aが求めた交流電圧指令vu*,vv*,vw*を補正する補正電圧Δvu,Δvv,Δvwを演算し、その補正電圧Δvu,Δvv,Δvwを交流電圧指令vu*,vv*,vw*の対応する相毎に加算して補正した交流電圧指令vu**,vv**,vw**を電力変換手段3に出力する。つまり交流電圧指令vu**は、vu**=vu*+Δvuであり、交流電圧指令vv**は、vv**=vv*+Δvvであり、交流電圧指令vw**は、vw**=vw*+Δvwである。
その際に、電圧指令補正手段7aは、例えば図2に示す手順で、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡防止を目的として設定されるデッドタイムに起因する出力電流iu,iv,iwの零クロス近傍における電圧誤差を精度良く低減する処理を出力電流iu,iv,iwに基づき実行する。
以下、図1〜図7を参照して、この実施の形態1による電圧指令補正手段7aが行うデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作について説明する。但し、補正動作は、u,v,wの相毎に実施するので、説明を容易化するために、u,v,wの各相をxと表記して説明する。すなわち、各相の電流は、ixと表記し、各相の電圧は、vxと表記して説明する。
図2は、電圧指令補正手段7aの補正動作手順を説明するフローチャートである。図2では、処理手順を示すステップは、STと略記している。図3は、図2に示すST10〜ST16での処理内容を説明する図である。図4は、図2に示すST16の処理で用いる周波数と補正係数K1との関係特性テーブルの一例を示す図である。図5は、図2に示すST16の処理で用いる出力電流と補正係数K2との関係特性テーブルの一例を示す図である。図6は、図2に示すST16の処理において負荷が誘導機である場合に用いる周波数と時間変化量taとの関係特性テーブルの一例を示す図である。図7は、図2に示す補正処理によって実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。
図2において、ST10では、電圧指令補正手段7aは、電流検出手段4にて検出された三相の出力電流のうち、一相の出力電流ixを取り上げ、その電流値を検出する。図3では、横軸は時間t、位相θを示し、縦軸は検出した一相の出力電流ixの振幅(実効値Irms)を示すが、図3に示す符号29は、そのようにして検出した一相の出力電流ixの1サイクルにおける波形を示す。
ST11では、電圧指令補正手段7aは、図3に示す一相の出力電流29の1サイクルにおいて、零レベルを含む所定の電流範囲30を、零レベルから正極側への上限値ΔI1と零レベルから負極側への下限値−ΔI2とをそれぞれ調整・設定することで定める。なお、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の値(絶対値)は、同じ値に設定にしても良い。また、電流検出手段4の性能によって出力電流ixにオフセットが上乗せされて検出されることがあることに鑑み、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の値(絶対値)は、各々異なる値に調整しても良い。いずれにせよ、電流範囲30の上下限値は、電流検出手段4にて出力電流ixにオフセットが重畳されて検出される現象によって、あるいは、電流の零クロス近傍の電流チャタリング現象によって、出力電流ixの極性の検出を誤ることがないように調整・設定することが重要である。零レベルを含む所定の電流範囲30の具体的な調整・設定方法には、各種あるので、それらをまとめて後述する。
ST12では、電圧指令補正手段7aは、出力電流ixの値が上限値ΔI1以上であるか否か、または、下限値−ΔI2以下であるか否か、すなわち、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が電流範囲30の範囲外か否かを判定する。その結果、出力電流ixの値が電流範囲30の範囲外である場合(ST12:Yes)は、その出力電流ixの極性を極性設定信号signに記録し(ST13)、ST21〜ST23の各処理を実行し、前回のサンプルタイミングにて検出した出力電流ixの値を当該サンプルタイミングにて検出した出力電流ixの値で更新し、次のサンプルタイミングでのST10の処理に移行する。
その後のあるサンプルタイミングにて実行されたST10,ST11を経由したST12において、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が電流範囲30の範囲内である場合(ST12:No)は、電圧指令補正手段7aは、ST14において、1サンプリング前の出力電流ixの検出値ix[N−1]の値が、上限値ΔI1以上であるか否か、または、下限値−ΔI2以下であるか否か、つまり、1サンプリング前の出力電流ixの値が電流範囲30の範囲外であったか否かを判定する。
すなわち、ST14では、電圧指令補正手段7aは、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が電流範囲30の範囲内である場合(ST12:No)は、それが、当該サンプルタイミングにて初めて電流範囲30の範囲外から範囲内に入ったと検出されたことを意味しているのか否か、或いは、1サンプル前のタイミングにて既に電流範囲30の範囲外から範囲内に入っており、当該サンプルタイミングでは電流範囲30の範囲内に入った状態を維持しているのを検出したことを意味しているのか否かを調べる。
そして、電圧指令補正手段7aは、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が、当該サンプルタイミングにて初めて電流範囲30の範囲外から範囲内に入ったと判定した場合(ST14:Yes)は、電流範囲30の範囲外から範囲内に入った時刻を第1の時刻(図3に示す符号32,34)として検出し、ST15,ST16の各処理を実行する。ST15とST16の処理順序は、入れ替わってもよいが、ST15では、1サンプリング前の出力電流ixの検出値ix[N−1]の極性を極性設定信号signに記録し、ST16では、電流範囲30の範囲外から範囲内に入った時刻である第1の時刻(図3に示す符号32,34)において、交流電圧指令vx*を補正する補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を次のようにして設定する。
出力電流ixの零クロス近傍において発生するデッドタイムに起因する交流電圧指令vx*と電力変換手段3からの出力電圧vxとの電圧誤差は、主に出力電流ixの極性と逆極性の電圧で発生するので、精度良く電圧補正を行うには、図3において、出力電流ixの零クロス31の前後において、出力電流ixの極性と同一の極性を有する補正電圧Δvxを交流電圧指令vx*に加算すれば良い。つまり、出力電流ixの零クロス31は、理想的な補正電圧極性切換時刻である。ST16では、このことを踏まえ、第1の時刻32,34において、出力電流ixの極性が切り換わる時刻、すなわち出力電流ixの零クロス31を、第1の時刻32と周波数fと出力電流ixとに基づいて求め、出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31のタイミングに合わせるように、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定する。
この補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定では、まず、第1の時刻32,34から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの時間変化量ないしは位相変化量を正確に求める必要があるので、次のように理論値として求める。
図3において、出力電流ixが正極性である場合にその値(実効値Irms)が電流範囲30の範囲外から範囲内へ入る場合の第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの位相変化量θaは、出力電流ixの値(実効値Irms)と上限値ΔI1とを式(1)に適用して得られる。なお、式(1)を求めるにあたり、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの期間は、交流の周期に対し十分短いと仮定した。
そして、式(1)を用いて得られる位相変化量θaから、周波数fでの第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる時刻31までに変化する時間変化量taへの換算を行うと、式(2)が得られる。ただし、πは円周率を表す。
なお、出力電流ixが負極性である場合にその値(実効値Irms)が電流範囲30の範囲外から範囲内へ入る場合の第1の時刻34から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの位相変化量θbを求める式は、式(1)中の上限値ΔI1を下限値−ΔI2に置き換えた式となり、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる電流零クロス31までの時間変化量tbを求める式は、式(2)中のθaをθbに、上限値ΔI1を下限値−ΔI2にそれぞれ置き換えた式となる。
補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定は、式(1)または式(2)を用いて行うことができる。まず、式(2)を用いて設定する方法を説明する。すなわち、出力電流ixが正極性である場合に第1の時刻32を時刻t1とし、この時刻t1を基準に、式(2)で求まる時間変化量taの後の時刻t1+taを、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2として設定する。出力電流ixが負極性である場合は、第1の時刻34を時刻t1とし、時間変化量tbの後の時刻t1+tbを、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2として設定する。このような方法で補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定すれば、出力電流ixの極性が切り換わる零クロス31の時刻に補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を精度良く合わせることができる。なお、以降では、第1の時刻は、区別する必要のない限り、符号32のみで示す。
次に、式(1)を用いた設定方法について説明する。この場合は、第1の時刻32である時刻t1を任意の位相に換算し、時間経過を位相変化として捉えることを繰り返し実行し、式(1)にて得られる位相変化量θaを確認できた位相での時刻を補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻として設定する。位相変化量θbを用いる場合も同様である。
例えば、出力電流ixが正極性である場合に、第1の時刻32である時刻t1における位相を0と設定すれば、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2に対応する位相は、式(1)で得られる位相変化量θaとなる。そこで、時刻t1から時刻t2までの間における任意の時刻をtxとすると、時刻txにおける位相θxは、周波数fを用いて表記すると、θx=2πf・(tx−t1)となる。なお、周波数fは、一定と仮定している。この任意の時刻txにおける位相θxを逐次求めることによって時間経過を位相変化として捉えることを位相θxと位相変化量θaとが一致するまで繰り返し実行する。位相θxと位相変化量θaとが一致すれば、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻t2に達したと判断できるので、位相θxと位相変化量θaとが一致した時刻t2を、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻として設定する。
このように、式(1)を用いた設定方法では、式(2)による換算を要せずに、式(2)を用いた設定方法と同様の精度で補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定することができる。なお、第1の時刻32における位相を0ではなく、出力電流ixあるいは電圧指令vx*の位相と同じ値に設定しても良い。この場合は、時間変化を出力電流ixの位相の変化、あるいは、電圧指令vx*の位相の変化として捉えることになる。
以上は、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の基本的な設定方法であるが、次に、式(2)を用いる場合の具体的な設定方法の例を2つ示す。まず、式(2)の演算では、分母に周波数f、出力電流ixの値(実効値Irms)が含まれているので、除算を用いた演算が必要である。そこで、制御装置5aでの演算量を低減することを目的として、電圧指令補正手段7aに、周波数fに応じて変化する補正係数K1の特性テーブル(図4参照)と、出力電流ixの値(実効値Irms)に応じて変化する補正係数K2の特性テーブル(図5参照)とを記憶させ、両方または一方の特性テーブルを式(2)に適用した次の式(3)に基づいて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定する方法を用いても良い。
図4は、周波数fに応じて変化する補正係数K1の特性テーブルの一例である。また、図5は、出力電流ixの値(実効値Irms)に応じて変化する補正係数K2の特性テーブルの一例である。式(2)と式(3)から、周波数fと補正係数K1との関係は「K1=1/f」となるので、図4に示す理論値の曲線を描く。また、出力電流ixの値(実効値Irms)と補正係数K2との関係は「K2=1/出力電流ixの値(実効値Irms)」となるので、図5に示す理論値の曲線を描く。そして、電圧指令補正手段7aに記憶させるデータ量を低減する目的で、補正係数K1,K2に関する特性テーブルを簡単化して、図4または図5に示すような近似直線に置き換えても良い。
次に、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定を簡単化する方法を説明する。これは、出力電流ixの値(実効値Irms)を補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定に使用することなく、上記の時間変化量taを周波数fから求める方法である。
例えば、出力電流ix(三相電流iu,iv,iw)を、周波数fと電圧指令vu*,vv*,vw*に対する三相電流iu,iv,iwの位相とに基づき磁束を発生させるのに必要な励磁電流id(d軸電流)と、交流負荷2aが回転機の場合の負荷トルクに比例するトルク電流iq(q軸電流)とに公知のベクトル演算を用いて分割すると、出力電流ixの値(実効値Irms)と励磁電流id及びトルク電流iqとの関係は、式(4)で表される。
交流負荷2aが誘導機の場合は、励磁電流idは、無負荷運転の場合に流れる一定電流値(この値をid0とする)に設定すれば良い。この一定電流値id0は、各々の回転機(誘導機)に固有の値で既知の定数である。この場合、励磁電流idが一定電流値id0となることから、出力電流ixの値(実効値Irms)は、交流負荷(誘導機)2aから発生するトルクに応じて流れるトルク電流iqによって変化する。しかし、ここでは、トルク電流iqの変化を周波数fに依存する値と見なし、出力電流ixの値(実効値Irms)、励磁電流id、トルク電流iq等、出力電流ixから求まる電流に関する情報を用いずに、周波数fに基づいて前記の時間変化量taを求める方法を以下に示す。
図6は、定格容量が3.7kW、定格すべり周波数が3Hzの誘導機において、●印で示す無負荷時(id=id0,iq=0)と、○印で示す定格負荷時(id=id0,iq=定格トルク電流(力行))との2通りの駆動条件における周波数fに対する時間変化量taの値をプロットした図である。図6の作成にあたり、上限値ΔI1(下限値−ΔI2)は、定格電流の6%(一定値)としたが、必ずしも一定値である必要はなく、上限値ΔI1(下限値−ΔI2)との値が交流負荷(誘導機)2aの出力状態に応じて逐次変化する場合は、時間変化量taの値を上限値ΔI1に応じて、時間変化量tbの値を下限値−ΔI2に応じて、それぞれ調整すれば良い。
図6に○印で示す定格負荷時において、周波数fが定格すべり周波数3Hz以下になる範囲もプロットしてあるが、実際の誘導機では、定格すべり周波数が3Hzならば、定格力行負荷時の周波数fは3Hz以上となるので、周波数fが定格すべり周波数(3Hz)以下の範囲で、定格力行負荷駆動はできない。したがって、周波数fが定格すべり周波数(3Hz)以下の範囲では、負荷が小さくなり、トルク電流iqも定格トルク電流よりも小さくなる。すなわち、負荷駆動時において、負荷は定格よりも小さくなるので、図6に○印で示す定格負荷時の特性よりも時間変化量taは大きくなり、より●印で示す無負荷時の特性に近づく。
そこで、具体的な実施においては、概ね無負荷時と定格負荷時の各々の特性からの誤差が小さくなるように、図6に黒□印で示す近似折れ線を設定し、電圧指令補正手段7aに周波数fに対して変化するような時間変化量taの特性テーブルを記憶させ、その特性テーブルから周波数fに応じて時間変化量taを求めるようにする。
このようにすれば、出力電流ixの値(実効値Irms)、励磁電流id、トルク電流iq等、出力電流ixから求まる電流に関する情報を用いることなく、周波数fを用いて時間変化量taを求めることができ、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を設定することができる。
なお、図6に黒□印で示す近似折れ線は、●印で示す無負荷時と○印で示す定格負荷時との各々の特性からの誤差が小さくなるような設定としたが、必ずしも前記近似折れ線を求める基準は、無負荷時、あるいは、定格負荷時でなくても良く、負荷範囲に応じて前記近似折れ線を求める基準を変えても良い。また、前記近似折れ線は、電圧指令補正手段7aの記憶容量に応じて、データ点数を増やし、近似曲線としても良い。さらに、式(1)を用いて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を位相変化量θaで設定する場合は、前記近似折れ線から求めた時間変化量taからθa=2πftaの関係を用いて換算すれば良い。
そして、時間変化量taを、出力電流ixの値(実効値Irms)、励磁電流id、トルク電流iq等、出力電流ixから求まる電流に関する情報を用いずに、周波数fを用いて求めることによって、制御装置5aで行う演算量を低減できるので、制御装置5aに格納するマイクロコンピュータをはじめとする計算機の負荷を低減できる効果が得られる。以上が、ST16における補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定方法である。設定を終了すると、ST21〜ST23の各処理を実行し、必要な更新処理を実行して次のサンプルタイミングでの処理に移行する。
一方、ST14において、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が当該サンプルタイミングでは電流範囲30の範囲内に入った状態を維持していると判定した場合(ST14:No)は、電圧指令補正手段7aは、上記したように既に補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻は設定されているので、その補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過したか否かを判定する(ST17)。
その結果、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過していない場合(ST17:No)は、補正電圧Δvxの極性切換を行わないので、補正電圧Δvxの極性を第1の時刻32以前と同じ極性に合わせる。すなわち、ST15にて極性設定信号signxに記録した極性と今回の補正電圧Δvxの極性とを合わせる(ST20)。終了すると、ST21〜ST23の各処理を実行し、必要な更新処理を実行して次のサンプルタイミングでの処理に移行する。
そして、第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過する直前までの期間が経過したST17において、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を経過していると判定すると(ST17:Yes)、電圧指令補正手段7aは、ST18とST19の各処理を実行する。ST18とST19の処理順序は、入れ替わってもよいが、ST18では、出力電流ixの値(実効値Irms)が電流範囲30の外に出るまでの期間における処理として、補正電圧Δvxの極性をST15にて極性設定信号signxに記録した極性と反転した極性に設定し、ST19では、先に設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻をリセットする。終了すると、ST21〜ST23の各処理を実行し、必要な更新処理を実行して次のサンプルタイミングでの処理に移行する。
ST21〜ST23では、次のような処理が行われる。すなわち、ST21では、補正電圧Δvxの振幅|Δvx|を設定する。交流電圧指令vx*と電力変換手段3からの出力電圧vxとの間にデッドタイムに起因して生ずる誤差の大きさ(絶対値)は、理論上、キャリア周波数[Hz]と電力変換手段3のDCリンク電圧[V]とデッドタイム[sec]との積で得られる。これを踏まえ、これら3者の積から得られた値を|Verr|とすると、補正電圧の振幅|Δvx|を値|Verr|に基づき設定すれば良い。
ST22では、極性設定信号signxに設定した極性を有する電圧振幅|Δvx|の補正電圧Δvxを交流電圧指令vx*に加算し、交流電圧指令vx**を求める。そしてST23では、加算後の交流電圧指令vx**を電力変換手段3に出力する。
電圧指令補正手段7aは、以上説明したST10〜ST23の一連の処理を、u,v,wの相毎に逐次実施し、電力変換手段3に、デッドタイムに起因した電圧誤差を補正した交流電圧指令vu**,vv**,vw**をそれぞれ出力する。
次に、図7を参照して電圧指令補正手段7aが補正電圧の極性を切り換える場面を具体的に説明する。図7では、ST10にて電流検出手段4から受け取る一相の出力電流ixと、電圧指令演算手段6aが出力する一相の交流電圧指令vx*と、電圧指令補正手段7aが上記の手順で定める補正電圧の極性との関係が示されている。出力電流ixと交流電圧指令vx*との間には、ある位相差が存在している。
出力電流ixに対して0レベルを含む電流範囲30がST11にて設定されるが、出力電流ixの値と電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2とが一致する時刻35,32,36,34,37のうち、時刻35,37は、出力電流ixの値が上限値ΔI1を超えて電流範囲30の上方側外部に出る時刻であり、時刻36は、出力電流ixの値が下限値−ΔI2を超えて電流範囲30の下方側外部に出る時刻である。また、時刻32は、出力電流ixの値が電流範囲30の上方側外部から電流範囲30の内側に入る第1の時刻であり、時刻34は、出力電流ixの値が電流範囲30の下方側外部から電流範囲30の内側に入る第1の時刻である。
期間(1)は、出力電流ixの値が電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の外側に位置している期間である。この期間(1)は、ST11にて設定した電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2と、ST12で用いる出力電流ixの今回サンプリング時での値とに基づき判断した時刻35,32,36,34によって特定され、この期間(1)での補正電圧Δvxの極性は、ST13にて、ST12で用いる出力電流ixの今回サンプリング時での値と同じ極性に設定される。
期間(2)は、出力電流ixの今回サンプリング時での値が第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38の直前に到達するまでの期間であり、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38に到達すると、補正電圧Δvxの極性の切り換えが行われる。この期間(2)では、ST12,ST14,ST15及びST16の各処理が行われる。すなわち、この期間(2)での補正電圧Δvxの極性は、ST12にて出力電流ixの今回サンプリング時での値が電流範囲30の内側に入っていると判断されたが、ST14にて出力電流ixの1サンプリング前の値は電流範囲30の内側に入っていないと判断されたので、期間(1)と同様に、ST12で用いる出力電流ixの今回サンプリング時での値と同じ極性に設定される(ST15)。並行して、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38は、第1の時刻32と周波数fと(必ずしも必要ではないが出力電流ixの今回サンプリング時での値と)に基づき電流零クロス31に極めて近い時刻に設定される(ST16)。先に示した特許文献1,2等では、この期間(2)が存在しないことから誤差補正の精度が良くなかった。
期間(3)は、出力電流ixの今回サンプリング時での値が、補正電圧Δvxの極性を切り換えた時刻38後の電流零クロス31から電流範囲30の外に出る時刻35,36,37に到達するまでの期間である。この期間(3)は、ST17にて期間(2)の経過が確認されると、補正電圧Δvxの極性を期間(1)とは逆の極性に設定し(ST18)、並行して、先に定めた補正電圧Δvxの極性を切り換えた時刻38をリセットすることが行われる(ST19)。
以上のように、実施の形態1によれば、電力変換手段3とこの電力変換手段3への交流電圧指令を演算出力する電圧指令演算手段6aとの間に設けた電圧指令補正手段7aは、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子に与えるデッドタイム電圧に起因して発生する前記電圧指令と電力変換手段3からの出力電圧との誤差を補正する目的で、検出された出力電流に対して零レベルを含む所定の電流範囲を設け、前記出力電流の値が前記電流範囲の外部から内部に入る第1の時刻において、前記第1の時刻と周波数fとに基づいて、前記交流電圧指令を補正する補正電圧の極性を切り換える時刻を前記出力電流の零クロスのタイミング(時刻または位相)に設定し、つまり、デッドタイムに起因する電圧誤差を補正する補正電圧の極性切換を前記出力電流の零クロスにおいて実施し、前記出力電流の零クロスの前後において前記出力電流の極性と同極性の補正電圧で前記交流電圧指令の補正を実施するので、前記出力電流の零クロス近傍におけるデッドタイムに起因する前記電圧誤差を精度良く低減することができる。これによって、電力変換器に回転機を接続した場合に、前記出力電流の零クロス近傍での回転ムラを低減できるので、駆動性能が向上する従来にない顕著な効果を奏する。
そして、補正電圧の極性を切り換える時刻を、前記出力電流も加えて求めるようにすれば、前記出力電流の零クロスのタイミングを直接的に求めることができるので、前記出力電流の零クロスを更に精度良く求めることができ、前記出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
また、前記電流範囲は、検出された出力電流に対して零レベルを含む所定の電流範囲として設定する、つまり、検出された出力電流の零レベルから正極側の上限値及び負極側の下限値で囲まれた電流範囲として設定するので、電流零クロス近傍で発生するチャタリング現象による電流極性検出誤りの影響を受けることなく、前記補正電圧の極性を正しく設定できる効果が得られる。
実施の形態2.
図8は、この発明の実施の形態2による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図8では、図2に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態2に関わる部分を中心に説明する。
図8に示すように、この実施の形態2による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図2に示した処理手順において、ST14からST17への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST30の処理を実施してから、ST17に進むようになっている。
ST30では、図7を参照して説明すると、第1の時刻32から補正電圧極性切換時刻38に至る期間(2)において、出力電流ixの値に応じて補正電圧極性切換時刻38の補正処理を実施する。なお、出力電流ixの値は、実効値、振幅値、瞬時値のいずれを用いても良い。また、出力電流ixに代えて前記した電流指令ix*を用いても良い。
出力電流ixが一定ではなく、その値(実効値Irms)が変化する場合は、その値(実効値Irms)は、時間tの関数となっている。つまり、Irms=Irms(t)となっている。
そこで、この実施の形態2では、この場合は、式(2)の代わりに式(5)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38に到達するまでの時間変化量taを、一定周波数fの下で出力電流ixの値(実効値Irms)の変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を補正するようにした。但し、式(5)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(補正電圧極性切換時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この実施の形態2によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、検出された出力電流の値に応じて補正電圧の極性を切り換える時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって出力電流が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図9では、図2に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態3に関わる部分を中心に説明する。
図9に示すように、この実施の形態3による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図2に示した処理手順において、ST14からST17への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST40の処理を実施してから、ST17に進むようになっている。
ST40では、図7を参照して説明すると、第1の時刻32から補正電圧極性切換時刻38に至る期間(2)において、サンプルタイミング毎の周波数fに応じて補正電圧極性切換時刻38の補正処理を実施する。なお、周波数fは、定常状態において、出力電流ix、電流指令ix*、出力電圧vx、電圧指令vx*の周波数と同じであるので、いずれの周波数を用いて補正しても良い。
周波数fが一定ではなく、その値が変化する場合は、周波数fは、時間tの関数となっている。つまり、f=f(t)となっている。そこで、この実施の形態3では、この場合は、式(2)の代わりに式(6)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38に到達するまでの時間変化量taを、出力電流ixの値(実効値Irms)が一定であるとしてサンプルタイミング毎の周波数fの変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を補正するようにした。但し、式(6)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(補正電圧極性切換時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この形態の実施3によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、周波数の変化に応じて補正電圧の極性を切り換える時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって周波数が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態4.
図10は、この発明の実施の形態4による電力変換器の構成を示すブロック図である。なお、図10では、図1(実施の形態1)に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態4に関わる部分を中心に説明する。
図10に示すように、この実施の形態4による電力変換器1bは、図1(実施の形態1)に示した構成において、交流負荷2aに代えてその一例として回転機2bが設けられ、また、制御装置5aに代えて制御装置5bが設けられている。制御装置5bでは、符号を変えた電圧指令演算手段6b及び電圧指令補正手段7bにトルク指令τ*を与えるトルク指令設定手段8が設けられている。
この実施の形態4では、電圧指令補正手段7bは、図2のST16に相当する処理として、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を第1の時刻32と周波数fとトルク指令τ*とに基づいて設定する処理(1)と、図8のST30または図9のST40に相当する処理として、実施の形態1(図2)に示す方法で設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38をトルク指令τ*に応じて補正する処理(2)との双方またはいずれか一方を行うようになっている。ここでは、双方を実施する場合について説明する。
まず、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を第1の時刻32と周波数fとトルク指令τ*とに基づいて設定する処理(1)について説明する。実施の形態1では、出力電流ixの値(実効値Irms)と励磁電流id及びトルク電流iqとの関係が式(4)で表されることを示したが、トルク電流iqと回転機2bの負荷トルクτとの関係は式(7)で表される。但し、式(7)に示すKtは、回転機2b固有のトルク定数である。
回転機2bが誘導機の場合は、励磁電流idを実施の形態1にて説明したように、各々の回転機に固有の固定値に設定し、また回転機2bが永久磁石同期機の場合は、励磁電流idを0に設定し、公知の最大効率制御方式などによって励磁電流idを一定値に制御する。そして、図10に示す電力変換器1bにおいて、回転機2bの負荷トルクτがトルク指令τ*に一致するように制御されているとすると、式(4)と式(7)とから次の式(8)の関係が成り立つ。
式(8)において、変数はトルク指令τ*のみであるので、トルク指令τ*に応じて出力電流ixの値(実効値Irms)が変化する。このことから、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を設定しても、図2のST16にて説明した出力電流ixに応じて設定する場合と同様の精度で、出力電流の零クロス31を求めて切換時刻38を設定することができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を精度よく低減できる。
なお、処理(1)では、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を設定する方法を示したが、その他、例えば回転機2bの負荷トルクτを何らかの方法で検出し、負荷トルクτに応じて調整する、あるいは、式(4)または式(7)に基づきトルク電流iqを求め、そのトルク電流iqに応じて設定する方法でも良い。
次に、実施の形態1(図2)に示す方法で設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38をトルク指令τ*に応じて補正する処理(2)について説明する。出力電流ixの値(実効値Irms)は、式(8)に示す関係で、トルク指令τ*に応じて変化するので、上記処理(1)にて説明したこの実施の形態4による方法によって設定した補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を、図2のST14での判定が否定(No)の場合に、トルク指令τ*に応じて補正してからST17の処理に進むようにする。
これによれば、補正電圧の極性を切り換える前に、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻をサンプルタイミング毎に逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、実施の形態2,3と同様に、負荷変動、速度変動によって出力電流が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
なお、処理(2)では、トルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻を補正する方法を示したが、その他、例えば回転機2bの負荷トルクτを何らかの方法で検出し、負荷トルクτに応じて補正する、あるいは、式(4)または式(7)に基づきトルク電流iqを求め、そのトルク電流iqに応じて補正する方法でも良い。
図11は、以上説明した処理(1)と処理(2)の双方を図2に取り込んだこの実施の形態3による電圧指令補正手段7bの補正動作手順を説明するフローチャートである。図11において、図2に示したST16に代えたST50では、処理(1)にて説明した方法でトルク指令τ*に応じて補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を設定する。また、ST14とST17との間に設けたST51では、処理(2)にて説明した方法で、トルク指令τ*に応じて、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を補正する。
以上のように、この実施の形態4によれば、トルク指令に応じて、実施の形態1と同様の精度で、出力電流の零クロス31を求めることができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を精度よく低減できる。また、実施の形態2,3と同様に、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができるので、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態5.
図12は、この発明の実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図12では、図2に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態5に関わる部分を中心に説明する。
この実施の形態5による電力変換器は、構成要素は、図1(実施の形態1)に示した電力変換器1aあるいは図10(実施の形態4)に示した電力変換器1bと同様であるが、この実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、電圧指令補正手段7a,7bとは、若干異なる動作を行う。すなわち、図12において、この実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図2(図11)に示した処理手順において、ST16(ST50)の処理に代えてST60の処理を行い、ST17に代えてST61の処理を行い、ST18に代えてST62の処理を行い、ST19に代えてST63の処理を行うようになっている。
ST60では、実施の形態1にて説明した交流電圧指令vx*を補正する補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻の設定方法と同じ方法を用いて第2の時刻を設定する。ST61では、第2の時刻を経過したか否かを判定する。ST62では、交流電圧指令vx*の極性を極性設定信号signxに記録する。ST63では、第2の時刻をリセットする。
すなわち、この実施の形態5による電圧指令補正手段は、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が、当該サンプルタイミングにて初めて電流範囲30の範囲外から範囲内に入ったと判定した場合(ST14:Yes)は、ST15、ST60の各処理を実行し、ST21に進む。ST15とST60の処理順序は、入れ替わってもよいが、ST15では、1サンプリング前の出力電流ixの検出値ix[N−1]の極性を極性設定信号signに記録し、ST60では、電流範囲30の範囲外から範囲内に入った時刻である第1の時刻(図3に示す符号32,34)において、実施の形態1にて説明した交流電圧指令vx*を補正する補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻(図7に示す符号38)の設定方法と同じ方法で第2の時刻を設定する。
また、ST14において、この実施の形態5による電圧指令補正手段は、当該サンプルタイミングにて検出された出力電流ixの値が、当該サンプルタイミングでは電流範囲30の範囲内に入った状態を維持していると判定した場合(ST14:No)は、上記したように既に第2の時刻は設定されているので、その第2の時刻を経過したか否かを判定する(ST61)。
その結果、第2の時刻を経過していない場合(ST61:No)は、補正電圧Δvxの極性切換を行わないので、補正電圧Δvxの極性を第1の時刻32以前と同じ補正電圧Δvxの極性に合わせる。すなわち、ST15にて極性設定信号signxに記録した極性と補正電圧Δvxの極性とを一致させる(ST20)。
そして、第1の時刻32以降、第2の時刻を経過する直前までの期間が経過したST61において、第2の時刻を経過していると判定すると(ST61:Yes)、この実施の形態5による電圧指令補正手段は、出力電流ixの値(実効値Irms)が電流範囲30の外に出るまでの期間における処理として、交流電圧指令vx*の極性を極性設定信号signxに記録する(ST62)。つまり、補正電圧Δvxの極性を交流電圧指令vx*の極性に合わせる。そして、先に設定した第2の時刻をリセットする(ST63)。
次に、図13は、図12に示す補正処理にて実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。なお、図13では、図7に示したのと同様の内容が示されている。異なる点は、図7に示した補正電圧極性切換時刻38が、図13では、第2の時刻40となっている点と、期間(3)での補正電圧Δvxの極性が、図7では期間(1)で設定する極性を反転した極性であるのに対し、図13では、交流電圧指令vx*の極性と同じである点である。
この実施の形態5による処理手順では、出力電流ixの値が第2の時刻40に到達しているか否かを判断するときに、第2の時刻40における補正電圧Δvxの極性及び交流電圧指令vx*の極性を比較する。その結果、交流電圧指令vx*の極性が反転している場合には、第2の時刻40を経過すると補正電圧Δvxの極性が切り換わる。一方、同一極性の場合には、交流電圧指令vx*の極性が切り換わる時に補正電圧Δvxの極性が切り換わる。そのため、第2の時刻40に対し補正電圧Δvxの極性を切り換える動作が遅れる。これによって、出力電流ixと交流電圧指令vx*(出力電圧vx)との位相差が大きい場合に、実施の形態1や実施の形態4と同様に、出力電流ixの零クロス近傍で補正電圧Δvxの極性を切り換えることができる。
したがって、この実施の形態5によれば、出力電流と交流電圧指令(出力電圧)との位相差が大きい場合に、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を低減できるので、回転機を接続した場合に、回転ムラを低減でき、駆動性能が向上する効果が得られる。
実施の形態6.
図14は、この発明の実施の形態6による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図14では、図12に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態14に関わる部分を中心に説明する。
図14に示すように、この実施の形態6による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図12に示した処理手順において、ST14からST61への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST70の処理を実施してから、ST61に進むようになっている。
ST70では、図13を参照して説明すると、第1の時刻32から第2の40に至る期間(2)において、出力電流ixの値に応じて第2の時刻40の補正処理を実施する。なお、出力電流ixの値は、実効値、振幅値、瞬時値のいずれを用いても良い。また、出力電流ixに代えて前記した電流指令ix*を用いても良い。
出力電流ixの値に応じた第2の時刻40の補正は、図8におけるST30にて説明した補正電圧切換時刻の補正方法と同様の考えで実施できる。すなわち、出力電流ixが一定ではなく、その値(実効値Irms)が変化する場合は、同様に式(5)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から第2の時刻40に到達するまでの時間変化量taを、一定周波数fの下で出力電流ixの値(実効値Irms)の変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき第2の時刻40を補正する。但し、式(5)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(第2の時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この実施の形態6によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、検出された出力電流の値に応じて第2の時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって出力電流が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態7.
図15は、この発明の実施の形態7による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。なお、図15では、図12に示した処理手順と同一ないしは同等である処理手順には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態7に関わる部分を中心に説明する。
図15に示すように、この実施の形態7による電力変換器が備える電圧指令補正手段は、図12に示した処理手順において、ST14からST61への移行過程において、ST14での判定が否定(No)の場合に、ST80の処理を実施してから、ST61に進むようになっている。
ST80では、図13を参照して説明すると、第1の時刻32から第2の時刻40に至る期間(2)において、サンプルタイミング毎の周波数fに応じて第2の時刻40の補正処理を実施する。なお、周波数fは、定常状態において、出力電流ix、電流指令ix*、出力電圧vx、電圧指令vx*の周波数と同じであるので、いずれの周波数を用いて補正しても良い。
周波数fに応じた第2の時刻40の補正は、図9におけるST40にて説明した補正電圧切換時刻の補正方法と同様の考えで実施できる。すなわち、周波数fが一定ではなく、その値が変化する場合は、同様に式(6)を用いて、出力電流ixの値(実効値Irms)が第1の時刻32から第2の時刻40に到達するまでの時間変化量taを、出力電流ixの値(実効値Irms)が一定であるとしてサンプルタイミング毎の周波数fの変化を逐次積算する形で演算し、その演算結果に基づき第2の時刻40を補正する。但し、式(6)に示す時刻txは、時刻t1(第1の時刻)から時刻t2(第2の時刻)間に存在する任意の時刻である。
以上のように、この形態の実施7によれば、補正電圧の極性を切り換える前に、周波数の変化に応じて第2の時刻を逐次補正し、それに基づき補正電圧の極性を切り換えるので、負荷変動、速度変動によって周波数が変動した場合においても、補正電圧の極性をより精度良く切り換えることができ、出力電流の零クロス近傍での電圧誤差を更に低減できる効果が得られる。
実施の形態8.
この実施の形態8では、図16と図17を参照して、以上説明した電圧指令補正手段がその生成する補正電圧の振幅を調整する方法について説明する。なお、図16は、この発明の実施の形態8として、補正電圧の振幅調整を行う必要性を説明する図である。図17は、補正電圧の振幅調整で用いる補正電圧の振幅と出力電流の値との関係特性テーブルの一例を示す図である。
実施の形態1にて説明したように、電圧指令演算手段6aが出力する交流電圧指令vx*と電力変換手段3の出力電圧vxとの間に生ずるデッドタイムに起因する誤差の大きさ(絶対値)は、理論上、キャリア周波数[Hz]と電力変換手段3のDCリンク電圧[V]とデッドタイム[sec]との積|Verr|で得られる。しかし、前記の理論の前提には、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子の実際にオン・オフ動作するタイミングが、駆動信号が指定する所望のタイミングと一致しているとの仮定がある。
図16では、駆動信号である上下のアームON信号と実際に行われる上下アームのON動作との関係、及び、設定したデッドタイム42と実際に発生するデッドタイム43との関係が示されている。図16に示すように、デッドタイム42,43は、上アームのオフ動作時と下アームのオン動作時との間の時間間隔として規定される。
電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子には、スイッチング遅れがあるので、図16に示すように、駆動信号である上下のアームON信号が指定するオン(ON)・オフ(OFF)の動作タイミングに対して、実際に行われる上下アームのオン・オフの動作タイミングがスイッチング時間だけ遅れる。このスイッチング遅れの時間は、オン動作時とオフ動作時とで異なることが多く、また、出力電流ixの大きさによって変化する。そのため、設定したデッドタイム42と実際に発生するデッドタイム43との間には、図16に示すように、誤差が発生する。
したがって、積|Verr|と同じ大きさに補正電圧Δvxの振幅|Δvx|を設定すると、実際に発生している電圧誤差に対し、補正過剰または補正不足になることがあり、電圧補正による誤差が生じる。
そこで、電圧補正による誤差を低減するため、例えば図17に示すように、予め出力電流ixに応じて変化する補正電圧Δvxの振幅|Δvx|の特性テーブルを電圧指令補正手段7a,7bに記憶させ、補正電圧Δvxの振幅|Δvx|をサンプルタイミング毎の出力電流ixに応じて逐次演算して調整できるようにする。
このようにすれば、補正電圧Δvxの振幅|Δvx|をサンプルタイミング毎に最適値に調整できるので、電力変換手段3を構成する上下アームのパワーデバイス素子のスイッチング遅れに起因する補正電圧の振幅誤差を低減でき、電圧誤差の補正精度が更に向上する。なお、出力電流ixの代わりに電流指令ix*を用いて図17に示すような特性テーブルに作成し、電流指令ix*に応じて補正電圧Δvxの振幅|Δvx|を調整することでも良い。
次に、図2、図8、図9、図11、図12、図14及び図15おけるST11の処理では、各種の態様を採ることができるので、図3を参照して、それらを以下にまとめて説明する。
(A)ST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、出力電流ixに応じて調整・設定しても良い。実施の形態1では、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38は、第1の時刻32と式(1)〜式(3)の何れかの式とに基づいて調整すれば良いことを示した。しかし、式(1)または式(2)を適用して求めた第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる零クロス31までの期間は、前記した通り交流の周期に対し十分短いと仮定の上で求めた理論時間である。
このことから、出力電流ixが小さい場合には、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を小さくするように調整・設定し、第1の時刻32から補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38までの期間を交流の周期に対し長くならないようにするのが望ましい。
そこで、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2をサンプルタイミング毎の出力電流ixに応じて逐次演算して増減調整し電流範囲30を設定すれば、出力電流ixの値に関係なく、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる時刻である零クロス31までの期間が交流の周期に対し長くなり過ぎず、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を精度良く零クロス31に設定できるような、最適な上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を有する電流範囲30を調整・設定することができる。
なお、電流範囲30の上限値ΔI1と下限値−ΔI2とを調整する際の出力電流ixの値は、実効値、振幅値、瞬時値のいずれでも良い。あるいは、電流指令ix*を用いても良い。
(B)ST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、周波数fに応じて調整・設定しても良い。この場合、周波数fは、定常状態において、出力電流ix、電流指令ix*、出力電圧vx、電圧指令vx*の周波数と同じであるので、いずれの周波数を用いても良い。
例えば、電圧指令演算手段6a,6bを交流電圧指令vx*と周波数fの比が一定になるように制御すると、周波数fが大きくなるのに従って出力電圧vxも大きくなる。それに対し、補正電圧Δvxは、周波数fに関係なく、ほぼ一定値となるので、相対的に出力電圧vxに対する補正電圧Δvxが小さくなる。したがって、補正電圧Δvxの極性が切り換わる時刻38において、補正電圧Δvxの変化量が小さくなり、出力電流ixの変化が小さく、電流の零クロス31近傍で電流チャタリング現象が発生し易い傾向にある。
そこで、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を、サンプルタイミング毎の例えば交流電圧指令vx*の周波数fに応じて逐次演算して増減調整し電流範囲30を設定すれば、周波数fが大きくなるのに従って電流範囲30を広げるように調整することができるので、電流の零クロス31で発生するチャタリング現象を抑えることができる。
(C)ST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、一定値に設定しても良い。この場合、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の値は、同じ一定値に設定にしても良いし、電流検出手段4の性能によって出力電流ixにオフセットが上乗せされて検出されることがあることを鑑み、上限値ΔI1と下限値−ΔI2の各値は、各々異なる値に設定しても良い。
電流検出手段4によって出力電流ixにオフセットが重畳されて検出される現象によって、あるいは、電流の零クロス31近傍の電流チャタリング現象によって、出力電流ixの極性が誤って検出されることのないような電流範囲30を予め測定等によって求めておき、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の各値を設定することが望ましい。
また、出力電流ixの極性の誤検出がないような電流範囲30と、電力変換器1a,1bの定格、あるいは、交流負荷2a,2bの定格との関係が分かれば、これらの定格を基準に上限値ΔI1及び下限値−ΔI2の各値を設定しても良い。
このように電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を一定値にすると、上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を一度電圧指令補正手段7a、7bに記憶させれば、電力変換器1a,1bの動作中、電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を常に演算する必要がなくなる。したがって、電力変換器1a,1bの制御装置5a,5bで行う演算量を低減でき、制御装置5a,5bに格納するマイクロコンピュータをはじめとする計算機の負荷を低減することができる。
(D)実施の形態4では、トルク指令τ*に応じて出力電流ixの値(実効値Irms)が変化することを式(8)によって示した。このことから、図11(実施の形態4)におけるST11にて設定する電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2は、サンプルタイミング毎のトルク指令τ*に応じて逐次演算して調整・設定しても良い。
この方法によっても、第1の時刻32から出力電流ixの極性が切り換わる時刻である零クロス31までの期間が交流の周期に対し長くなり過ぎず、補正電圧Δvxの極性を切り換える時刻38を精度良く電流零クロス31の近傍に設定できるような、最適な上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を有する電流範囲30を調整・設定することができる。
なお、図11(実施の形態4)におけるST50,ST41と同様に、トルク指令τ*に代えて、回転機2bの負荷トルクτを何らかの方法で検出し、負荷トルクτに応じて調整する、あるいは、式(4)または式(7)に基づきトルク電流iqを求め、そのトルク電流iqに応じて電流範囲30の上限値ΔI1及び下限値−ΔI2を調整しても良い。
以上のように、この発明にかかる電力変換器は、出力電流の零クロス近傍における値デッドタイムに起因する電圧誤差を少なくして電力変換手段が交流電圧指令の通りに交流電力を出力する電力変換器として有用である。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換器の構成を示すブロック図である。
図2は、図1に示す電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図3は、図2に示すST10〜ST16での処理内容を説明する図である。
図4は、図2に示すST16の処理で用いる周波数と補正係数K1との関係特性テーブルの一例を示す図である。
図5は、図2に示すST16の処理で用いる出力電流と補正係数K2との関係特性テーブルの一例を示す図である。
図6は、図2に示すST16の処理において負荷が誘導機である場合に用いる周波数と時間変化量taとの関係特性テーブルの一例を示す図である。
図7は、図2に示す補正処理によって実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。
図8は、この発明の実施の形態2による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図9は、この発明の実施の形態3による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図10は、この発明の実施の形態4による電力変換器の構成を示すブロック図である。
図11は、図10に示す電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図12は、この発明の実施の形態5による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図13は、図12に示す補正処理にて実現されるデッドタイムに起因する電圧誤差の補正動作をまとめて説明するタイムチャートである。
図14は、この発明の実施の形態6による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図15は、この発明の実施の形態7による電力変換器が備える電圧指令補正手段の補正動作手順を説明するフローチャートである。
図16は、この発明の実施の形態8として、補正電圧の振幅調整を行う必要性を説明する図である。
図17は、補正電圧の振幅調整で用いる補正電圧の振幅と出力電流の値との関係特性テーブルの一例を示す図である。
符号の説明
1a,1b 電力変換器
2a 交流負荷
2b 交流負荷の一例としての回転機
3 電力変換手段
4 電流検出手段
5a,5b 制御装置
6a,6b 電圧指令演算手段
7a,7b 電圧指令補正手段
8 トルク指令設定手段