JPWO2010050086A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、特許文献1のものでは、非特許文献1に記載されているように所定のビート現象の抑制効果を得るためには、直流電圧の脈動率を小さくできるようにコンデンサ容量の大きさが決まるという制約を受ける課題がある。すなわち、交流電源周波数の2倍の周波数でビート現象が大きくなるので、その周波数において直流電圧の脈動成分を10%以下にするようにして、直流コンデンサ容量を決めている。ビート現象が最も大きくなる特定の周波数ポイントのためにコンデンサ容量が大きくなるという課題があった。
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置は、単相交流電源1からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ2、コンバータ2により整流された直流電力を貯えるコンデンサ3、コンデンサ3に貯えられた直流電力を任意の周波数の三相交流に変換するインバータ4を有する。インバータ4は、交流回転機である誘導機5を駆動する。コンバータ2は、商用周波数の交流電源1からPWM(Pulse width modulation:パルス幅変調)制御を行って直流電力に変換するものである。インバータ4は、低速域では可変電圧可変周波数(VVVF)制御を行い、高速域では定電圧可変周波数(CVVF)制御を行なう。
P=Vu*・iu+Vv*・iv+Vw*・iw (1) 有効電力演算部11の出力である有効電力Pには、コンバータ2が交流を直流に変換することに伴う脈動分に起因するモータ電流の脈動成分を含むことになる。なお、電圧と電流を回転直交座標での値を用いて、有効電力を計算してもよい。
T1=1/(2π・60) (2)
T2=1/(2π・180) (3)
コンバータ2の入力電流iAは正弦波であるとして、コンバータ2の入力電源電圧Vとコンバータ2の入力電流iAは、それぞれ次のように記載できる。
V=√2・E・cos(ωt+φ) (4)
iA=√2・I・cos(ωt) (5)
Pin=2・E・I・cos(ωt+φ)・cos(ωt)
=E・I・(cos(2ωt+φ)+cosφ) (6)
ここで、(6)式における定数項は、負荷に供給される電力を表し、ωの2倍の角周波数で変動する正弦波の成分はコンデンサ3に供給される脈動電力である。コンバータ2では力率を1に制御できるので、cosφ=1.0である。すると、定数項は、E・Iとなる。
(6)式における脈動電力成分をPin~とすると、次式で表されることになる。
Pin~=E・I・(cos(2ωt+φ) (7)
(10)式の第2項は、直流電圧Vcの脈動成分を表していることになる。脈動成分は電源周波数の2倍の周波数であり、その大きさはコンデンサ容量C、直流電圧Vcの平均値に反比例することが判る。なお、(E・I)は、コンバータ2に入力される電力であり、直流電圧Vcが変化しても一定に保たれる。
なお、(10)式、(12)式は、直流電圧Vcの脈動がインバータ4の出力側に影響しないという仮定の下での理論式であるが、インバータ4の出力電力が脈動する場合でも、ほぼ同様に成立する。
なお、後で詳しく説明するが、1パルスモードでインバータが動作している場合には、多パルスモードの場合と比較して、直流電圧を定格電圧よりも高くしてもスイッチング素子への影響は小さくなる。
β=(b−a)/a (A)
ここに、bはインバータ出力電流の変動幅であり、aはインバータ出力電流の出力周波数での変動幅である。
直流電圧を通常よりも高くする所定の周波数範囲の上限値は、直流電圧値が通常の値でのビート率が許容できる値である必要がある。所定の周波数範囲の下限値においても、同様である。また、直流電圧を通常よりも高くする周波数範囲において、その周波数における直流電圧値でのビート率が許容できる範囲とする必要がある。直流電圧を通常よりも高くする周波数範囲を広く取れば、ビート率を確実に許容範囲に収めることができる。なお、ビート率とは別の指標により、所定の範囲を決めてもよい。インバータが出力する有効電力の脈動成分を許容できる範囲に抑制できれば、どのように決めてもよい。
直流電圧を通常よりも高くする周波数範囲は、許容するビート率β、交流電源周波数の2倍の周波数での脈動率δの目標値、直流電圧の通常値と最大値の比などを考慮して適切に決める。この実施の形態のように、ビート率βを1.2以下、交流電源周波数の2倍の周波数での脈動率を10%、直流電圧の通常値と最大値の比が1.2の場合は、先に説明したように直流電圧を最大値にする周波数の範囲の幅を10Hzとすることで十分である。
直流電圧制御部17には、直流電圧指令部16の出力である直流電圧指令値Vc*と直流電圧検出部15で検出された直流電圧Vcとが入力される。直流電圧制御部17では、直流電圧指令値Vc*と直流電圧Vcとの差を求め、この差がゼロになるようにコンバータ2を制御する。
Rs:モータの一次抵抗値
Ls:モータの一次インダクタンス
M:モータの相互インダクタンス
Lr:モータの二次インダクタンス
Rr:モータの二次抵抗値
σ=1−M・M/Ls/Lr
ωs*=(Iq*/Id*)・(Rr/Lr) (13)
すべり角周波数指令値ωs*と角周波数ωと脈動検出部8から得た脈動量P_BEETの所定の係数Kfを乗じて得た補正量F_BEETを減算することにより、インバータ4は出力する電圧の周波数に相当するインバータ角周波数ωinvを演算する。すなわち、インバータ角周波数ωinvは、(14)式で演算する。
ωinv=ω+ωs*−F_BEET (14)
F_BEET=Kf・P_BEET (15)
インバータ角周波数ωinv、トルク電流指令値Iq*、磁束電流指令値Id*から、回転二軸上のd軸電圧指令値Vd*、q軸電圧指令値Vq*を、以下の(16)、(17)式で演算することができる。
Vd*=Rs・Id*−ωinv・σ・Ls・Iq* (16)
Vq*=Rs・Iq*+ωinv・Ls・Id* (17)
θv=θ+tan-1(Vd*/Vq*) (19)
(19)式で得られた電圧位相θvとd軸電圧指令値Vd*、q軸電圧指令値Vq*から三相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*は(20)式で算出する。
脈動検出部8から得た脈動成分に基づいてインバータ4が出力する電圧の周波数が補正されるため、インバータ4の出力側のモータ電流およびトルクの脈動を抑制することが可能となる。図6に、脈動検出部と直流電圧指令部の動作を説明する図を示す。図6では、Kf=1としている。インバータ4の出力側のモータ電流およびトルクの脈動と同期した脈動検出部8から得た脈動成分P_BEETが正であれば、インバータ角周波数ωinvを減少させるように調整し、電圧制御部7の出力する三相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*の周波数は小さくなる。逆に脈動検出部8から得た脈動成分P_BEETが負であれば、インバータ角周波数ωinvを増加させるように調整し、電圧制御部7の出力する三相電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*の周波数は大きくなる。そのことにより、インバータ4の出力側のモータ電流およびトルクの脈動に応じて、制御を行なうことができ、インバータ4の出力側のモータ電流およびトルクの脈動を抑制することができる。
また、ビート現象が大きくなる周波数をインバータが出力する期間すなわちコンデンサの電圧が脈動する期間だけ直流電圧を大きくすることにより、ビート現象を許容できる範囲に抑えるために必要となるコンデンサ容量を低減することができる。そのため、電力変換装置を小型、低コスト化を実現できる。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
図8は、実施の形態2に係る電力変換装置に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図9は、この発明の実施の形態2に係る電力変換装置における脈動検出部の構成を説明する図である。この実施の形態2では、実施の形態1の場合と比較して、脈動検出部8A、電圧制御部7A、直流電圧指令部16Aが異なる。実施の形態1では、三相電圧指令値と三相電流から有効電力を演算し、その有効電力から脈動成分を検出し、その脈動成分により周波数を補正していた。この実施の形態2では、脈動検出部8Aにおいてdq軸電圧指令値とdq軸電流から有効電力を演算し、その有効電力の脈動成分に応じて電圧指令値の振幅を電圧制御部7Aが補正する。また、その演算された有効電力の値に応じて直流電圧を操作し、有効電力Pが小さくビート現象が許容できる範囲内の場合は直流電圧を通常の値とするように直流電圧指令部16Aが動作する。なお、他の構成は実施の形態1と同様であり、図面も同一符号で示し、ここでは異なる部分のみ説明する。
P=Vd*・Id+Vq*・Iq (21)
(21)式の演算を行なうために、有効電力演算部11Aは、乗算器22a、22bと加算器23を有する。乗算器22aでVd*とIdを掛けて、乗算器22bでVq*とIqを掛けて、それぞれの乗算値を加算器23で足し合わせ、加算器23の出力を有効電力Pとして出力する。
なお、有効電力演算部11Aの出力である有効電力Pには、コンバータ2が交流を直流に変換することに伴う脈動分に起因するモータ電流の脈動ならびにトルク脈動成分を含むことになる。
また、減算器24は、有効電力演算部11Aの出力から帯域通過フィルタの出力P_BEETを減算し、脈動成分を含まない有効電力Pとして、減算器24の出力を直流電圧指令部16Aに出力する。
すべり角周波数指令値ωs*と角周波数ωとを加算して、インバータ4は出力する電圧の周波数に相当するインバータ角周波数ωinvを演算する。すなわち、インバータ角周波数ωinvは、下に示す(22)式で演算する。
ωinv=ω+ωs* (22)
直流電圧指令部16Aには、脈動検出部8Aの出力である脈動を除いた有効電力Pと角周波数ωが入力される。直流電圧指令部16Aの絶対値器18、直流電圧値設定テーブル19は、実施の形態1の場合と同様である。この実施の形態2の直流電圧指令部16Aは、直流電圧を上昇させる期間を実施の形態1よりも限定することに加えて、有効電力に応じて電圧を上昇させる幅を変化させることによりインバータ4を構成するスイッチング素子の負担を軽減することを目的としている。本実施の形態は、ビート現象がモータの発生する電力もしくはトルクにより変化すること、すなわち、同じ速度で電力が大きければビート現象は大きくなることに基づいている。逆にいうと、電力が小さい場合には直流電圧が定格電圧でも脈動率が許容できる範囲内にあることになる。非特許文献1の図7でも、電圧が一定の場合にコンバータの出力が大きいほど脈動率が大きくなることが示されている。
(12)式によると、脈動率はインバータが出力する有効電力に比例し直流電圧の2乗に反比例するので、係数Kpが有効電力の平方根に比例するようにしてやれば、有効電力が大きい場合に有効電力によらず脈動率がほぼ同じになる。
なお、本実施の形態では、有効電力が大きくなると直流電圧指令値を大きくなるようにしたが、有効電力以外では電流値やトルク指令値、もしくはトルク電流指令値、トルク電流値などが大きくなると直流電圧指令値を大きくなるようにしても、同様の効果が期待できる。これは、以下の実施の形態でも同様である。
図11は、実施の形態3に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。この実施の形態3は、実施の形態2と直流電圧指令部16Bのみが異なることになる。この実施の形態3では、演算された有効電力の値に応じて直流電圧を操作する条件を有効電力が正の値の場合と更に限定を行なって直流電圧値設定テーブル19が動作する。すなわち、直流電圧を上昇させるのを力行時のみに限定して、回生時は直流電圧を定格値の3000Vに固定する。本実施の形態では、回生時には力行時に比較してビート現象が小さいことと回生時は省エネルギーの観点からエネルギーをできるだけ交流電源に戻したほうが省エネルギーを実現できることを目的に本実施の形態が成されている。なお、他の構成は実施の形態2と同様であり、図面も同一符号で示し、ここでは異なる部分のみ説明する。
比較器30は、有効電力Pが0より大きければ、すなわち力行時は1の信号を出力して、切り替え部31をAの設定になるようにする。また、比較器30は、Pが0以下、すなわち、惰行もしくは回生時であると0の信号を出力して、切り替え部31をBの設定になるようにする。
図13は、実施の形態4に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図14は、この発明の実施の形態4に係る電力変換装置における脈動検出部の構成を説明する図である。この実施の形態4では、実施の形態2の場合と比較して、脈動検出部8B、脈動検出部16Cが異なる。
Vm=((√6)/π)・Vc (25)
Tmax ∝ (Vc/ω)2 (26)
直流電圧Vcを一定とした時には、最大トルクTmaxは角周波数ωの2乗に反比例する。したがって、特に高速域においてトルクの減少が著しくなり、高速域で十分なトルクが得にくい。
インバータ4を構成するスイッチグ素子には、自己消弧機能を有するIGBT(insulated gate bipolar transistor)が用いられている。
図16に示すIGBT素子が電流Iを遮断した時の素子のコレクタ−エミッタ間電圧波形Vceのピーク値Vpは、経験的に以下の式で表される。
Vp=Vc+I・√(L/C) (27)
なお、LはIGBTの浮遊インダクタンスのインダクタンス値、CはIGBTの浮遊コンデンサの浮遊容量である。
Ip=1.5・√2・Im (28)
Iq=0.7・√2・Im (29)
(28)式と(29)式とにおいて、Imはパルスモードによって変化しないと仮定すると、以下が成立する。
Ip≒2.1・Iq (30)
1パルスモードへ移行すると、(27)式における過充電成分I・√(L/C)が小さくなるので、その分、直流電圧Vcを上昇させてもIGBTのコレクタ−エミッタ間電圧のピーク値Vpは大きくならない。
また、ビート現象が大きくなる周波数をインバータが出力する期間において直流電圧を大きくすることにより、ビート現象を許容できる範囲に抑えるために必要となるコンデンサ容量を低減することができる。そのため、電力変換装置を小型、低コスト化を実現できる効果を得られる。さらに、1パルスモードで動作する周波数において直流電圧Vcを高くすることで、スイッチング素子に負担を増加させることなく、損失を低減でき、より大きなトルクを出せるようになる。
3 :コンデンサ、 4 :インバータ
5 :誘導機(交流回転機)、 6a:電流検出部
6b:電流検出部、 6c:電流検出部
7 :電圧制御部、 7A:電圧制御部
8 :脈動検出部、 8A:脈動検出部
9a:乗算器、 9b:乗算器
9c:乗算器、 10 :加算器
11 :有効電力演算部、 11A:有効電力演算部
12 :帯域通過フィルタ、 13 :高域通過フィルタ
14 :低域通過フィルタ、 15 :直流電圧検出部
16 :直流電圧指令部、 16A:直流電圧指令部
16B:直流電圧指令部、 16C:直流電圧指令部
17 :直流電圧制御部、
18 :絶対値器、 18b:絶対値器
19 :直流電圧値設定テーブル、 19B:直流電圧値設定テーブル
20 :位相演算部
21 :三相dq軸変換演算部、 22a:乗算器
22b:乗算器、 23 :加算器
24 :減算器、 25 :除算器
26 :リミッタ、 27 :乗算器
28 :リミッタ、 29 :リミッタ
30 :比較器、 31 :切り替え部
32 :補正ゲイン演算部 33 :乗算器
Claims (15)
- 交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
該コンバータが出力する直流電力を貯えるコンデンサと、
該コンデンサに貯えられた直流電力を交流電力に変換するインバータと、
該インバータが出力する交流電圧の指令値を求めてこの指令値を出力するように前記インバータを制御する電圧制御部と、
前記インバータが出力する交流電流を計測する電流計測器と、
前記電圧制御部が求める交流電圧の指令値と前記電流計測器が計測する交流電流とが入力されて前記インバータが出力する有効電力の脈動を検出する脈動検出部と、
前記コンデンサの電圧を計測する電圧計測器と、
前記インバータが出力する交流電圧の周波数に応じて前記コンデンサの電圧の指令値を求める直流電圧指令部と、
前記電圧計測器が計測する電圧と前記直流電圧指令部が求める指令値とが入力されて前記コンデンサの電圧が指令値になるように前記コンバータを制御する直流電圧制御部とを備え、
前記直流電圧指令部は、前記インバータが出力する交流電圧の周波数が、前記コンデンサの電圧が脈動する周波数を含む所定の範囲内である場合に、前記コンデンサの電圧の指令値を通常よりも高くし、
前記電圧制御部は、前記脈動検出部が出力する脈動成分が入力されて前記脈動成分を抑制するように前記インバータが出力する交流電圧の指令値を求めることを特徴とする電力変換装置。 - 前記所定の範囲が、前記脈動成分が許容できる範囲となるように決められることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記所定の範囲内で、前記インバータが1パルスモードで動作する周波数の範囲の少なくとも一部で、前記指令値を通常よりも高く、かつ前記インバータが有するスイッチング素子への負担を増加させない範囲の上限の電圧値以下とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記直流電圧指令部が、前記インバータが出力する有効電力の絶対値が所定値以下の場合に、前記コンデンサの電圧を通常の値とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記直流電圧指令部が、前記インバータが出力する有効電力が負の場合に、前記コンデンサの電圧を通常の値とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記直流電圧指令部が、前記インバータが出力する交流電圧の周波数から出力する前記指令値を求める直流電圧値設定テーブルを持ち、
前記直流電圧値設定テーブルにおいて、前記所定の範囲内において前記指令値を最大にする範囲を有し、この前記指令値を最大にする範囲よりも周波数が低い側の前記所定の範囲において周波数の増加に対して前記指令値が増加することを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の電力変換装置。 - 前記指令値を最大にする範囲よりも周波数が高い側の前記所定の範囲において周波数の増加に対して前記指令値が減少することを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記脈動検出部が、前記インバータが出力する有効電力を求める有効電力演算部と、前記有効電力演算部の出力から脈動を検出する帯域通過フィルタを有するものであることを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記有効電力演算部が、前記電流計測器が計測する3相の交流電流と前記電圧制御部が求める交流電圧の3相の指令値のそれぞれを乗じたものの和を取って有効電力を求めるものであることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記有効電力演算部が、前記電流計測器が計測する3相の交流電流を回転直交座標系での値に変換したものと、回転直交座標系での前記電圧制御部が求める交流電圧の指令値をそれぞれ乗じたものの和を取って有効電力を求めるものであることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記帯域通過フィルタが、通過させる帯域の下限と関係する第1の時定数の第1の1次遅れフィルタと前記第1の1次遅れフィルタの入力から前記第1の1次遅れフィルタの出力を引く減算器とを有する高域通過フィルタと、通過させる帯域の上限と関係する第2の時定数の第2の1次遅れフィルタを有する高域通過フィルタを直列に接続したものであることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記脈動検出部が、補正ゲインを演算する補正ゲイン演算部、前記帯域通過フィルタの出力と前記補正ゲイン演算部が出力する前記補正ゲインを乗算する乗算器を有し、
前記乗算器の出力が前記脈動検出部の出力となることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記補正ゲイン演算部が出力する前記補正ゲインが、前記インバータが出力する交流電圧の周波数により変化することを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
- 前記電圧制御部が、前記脈動成分に応じて前記インバータが出力する交流電圧の周波数の指令値を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記電圧制御部が、前記脈動成分に応じて前記インバータが出力する交流電圧の振幅の指令値を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の電力変換装置。
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