KR101594662B1

KR101594662B1 - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR101594662B1
Application number: KR1020137021621A
Authority: KR
Inventors: 모리미츠 세키모토; 도모이사 다니구치; 히로시 히비노; 도시유키 마에다
Original assignee: 다이킨 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2016-02-16
Also published as: US20130300327A1; EP3979490A1; KR20140002736A; CN103314513B; US9214881B2; JP5212491B2; ES2894604T3; JP2012151962A; AU2012208179A1; BR112013017911A2; WO2012098873A1; RU2543502C1; EP2667502A1; EP2667502A4; EP2667502B1; AU2012208179B2; RU2013138457A; CN103314513A

Abstract

본 발명에 의하면, 컨버터 회로(2)의 출력에 병렬 접속된 콘덴서(3a)를 갖고, 맥동하는 직류 링크 전압(v_dc)을 출력하는 직류 링크부(3)를 설치한다. 직류 링크부(3)의 출력을 스위칭하여 교류로 변환하여, 접속된 모터(7)에 공급하는 인버터 회로(4)를 설치한다. 모터 전류(iu, iv, iw)가 전원 전압(v_in)의 맥동에 동기하여 맥동하도록, 인버터 회로(4)의 스위칭을 제어하는 제어부(5)를 설치한다. 제어부(5)에 의해, 모터(7)에 의한 부하, 또는 상기 모터(7)의 운전 상태에 따라, 인버터 회로(4)의 스위칭을 제어하여 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 저감시킨다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 입력된 전력을 스위칭하여 소정의 전력으로 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

컨버터 회로와 인버터 회로를 가진 전력 변환 장치에는, 직류 링크부에 비교적 소용량의 콘덴서를 설치하여 직류 링크 전압에 맥동(리플)을 발생시키면서, 상기 직류 링크 전압에 동기시켜 부하의 전류를 맥동시킴으로써, 입력 전류의 도통 폭을 확장하여 역률 개선을 실현하고 있는 것이 있다(예를 들어 특허문헌 1, 2나 비특허문헌 1을 참조).

일본 특허 공개 제2002-51589호 공보 일본 특허 공개 제2005-130666호 공보

하가, 사이토, 다카하시 「단상 다이오드 정류 회로의 전해 콘덴서리스 고(高)역률 인버터 제어법」 2003년 전기학회 전국대회 논문집 4-069(2003년 3월), P.99

그러나, 상기 예에서는, 부하로서 접속된 모터의 전류를 제로 근방으로까지 저하시켜, 큰 전류 맥동을 발생시키고 있다. 그 때문에 상기 예에서는, 모터 전류의 실효값이 증가하여, 모터 효율이 저하될 가능성이 있다.

본 발명은 상기 문제에 착안하여 이루어진 것이며, 전력 변환 장치에 있어서, 역률 개선을 도모하면서, 부하로서 접속된 모터의 효율을 개선할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해서, 제1 발명은,

교류 전원(6)의 전원 전압(v_in)을 전파 정류하는 컨버터 회로(2)와,

상기 컨버터 회로(2)의 출력에 병렬 접속된 콘덴서(3a)를 갖고, 맥동하는 직류 전압(v_dc)을 출력하는 직류 링크부(3)와,

상기 직류 링크부(3)의 출력을 스위칭하여 교류로 변환하여, 접속된 모터(7)에 공급하는 인버터 회로(4)와,

상기 모터(7)의 전류(iu, iv, iw)가 상기 전원 전압(v_in)의 맥동에 동기하여 맥동하도록, 상기 스위칭을 제어하는 제어부(5)를 구비하고,

상기 제어부(5)는 상기 모터(7)의 부하, 또는 상기 모터(7)의 운전 상태에 따라, 상기 스위칭을 제어하여 상기 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

본 구성에서는, 직류 링크 전압(v_dc)이 보다 크게 맥동하도록 콘덴서(3a)의 용량이 설정되어 있기 때문에, 컨버터 회로(2)의 전류 도통 폭이 넓어져, 역률을 개선하는 것이 가능해진다. 또한, 모터(7)의 전류(iu, iv, iw)가 전원 전압(v_in)의 맥동에 동기하여 맥동하도록, 인버터 회로(4)에 있어서의 스위칭을 제어하고 있으므로, 교류 전원(6)으로부터 전력 변환 장치(1)에 입력되는 입력 전류(i_in)의 고조파가 저감된다. 또한, 인버터 회로(4)에 접속한 모터(7)에 의한 부하, 또는 모터(7)의 운전 상태에 따라, 상기 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 저감시키도록 했으므로, 모터(7)에 흐르는 전류(iu, iv, iw)의 실효값이 저감된다.

또한, 제2 발명은,

제1 발명의 전력 변환 장치에 있어서,

상기 제어부(5)는 상기 모터(7)의 전류(iu, iv, iw), 전력, 속도(ω_m) 및 토크 중 적어도 하나에 따라, 상기 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

상기 모터(7)의 전류(iu, iv, iw), 전력, 속도(ω_m) 및 토크 중 어느 하나를 사용하면, 상기 모터(7)에 의한 상기 인버터 회로(4)의 부하의 크기를 검출할 수 있다. 따라서, 본 구성에서는, 이들 검출값 중 어느 하나, 또는 이들 검출값의 조합에 의해, 상기 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭의 제어가 행해지는 것이다. 그리고, 입력 교류의 위상각(θ_in), 모터(7)의 전류(iu, iv, iw), 속도(ω_m) 및 토크는, 종래부터 전력 변환 장치에 검출 기구가 구비되어 있는 경우가 많으므로, 용이하게 검출이 가능하다.

또한, 제3 발명은,

제1 또는 제2 발명의 전력 변환 장치에 있어서,

상기 제어부(5)는 상기 직류 전압(v_dc)이 제로보다도 커지도록 상기 스위칭을 제어하면서, 상기 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

본 구성에서는, 제어부(5)가 상기 직류 링크 전압(v_dc)이 제로보다도 커지도록 상기 스위칭을 제어한다. 그로 인해, 모터(7)의 전류 검출 수단으로서 소위 션트 방식을 채용한 경우에, 인버터 회로(4)의 스위칭 상태를 확실하게 검출할 수 있다.

또한, 제4 발명은,

제1 발명의 전력 변환 장치에 있어서,

상기 제어부(5)는 상기 모터(7)의 기동 시에, 상기 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

본 구성에서는, 모터(7)의 기동 시에 맥동 진폭을 저감시키므로, 기동 시에 있어서의 모터(7)의 토크를 일정하게 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 제5 발명은,

제4 발명의 전력 변환 장치에 있어서,

상기 제어부(5)는 상기 모터(7)가 기동한 후에, 상기 맥동 진폭을 서서히 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 구성에서는, 모터(7)의 기동 후에는 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동에 의해, 교류 전원(6)으로부터 전력 변환 장치(1)에 입력되는 입력 전류(i_in)의 고조파가 저감된다.

또한, 제6 발명은,

제1부터 제5 발명 중 어느 하나의 전력 변환 장치에 있어서,

상기 제어부(5)는 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어 중 적어도 하나의 제어에 의해, 상기 전류(iu, iv, iw)의 명령값(i_d ^*, i_q ^*)과 실전류값(i_d, i_q)의 편차가 작아지도록 제어하는 전류 제어기(56)를 구비하고, 상기 맥동 진폭을 저감시킬 때, 상기 제어의 제어 게인을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 구성에서는, 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어 중 적어도 하나의 제어에 의해, 모터(7)의 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭이 제어된다.

제1 발명에 의하면, 접속된 모터(7)에 의한 부하가 소정값보다도 작은 경우에, 상기 모터(7)에 흐르는 전류의 실효값이 저감되므로, 상기 모터(7)의 효율 개선이 가능해진다. 즉, 본 발명에서는, 역률 개선과 상기 모터(7)의 효율 개선의 양립이 가능해진다.

또한, 제2 발명에 의하면, 인버터 회로(4)에 가해지는 부하를 용이하게 검출하는 것이 가능해지므로, 상기 맥동 진폭의 제어가 용이해진다.

또한, 제3 발명에 의하면, 모터(7)의 전류 검출 수단으로서 소위 션트 방식을 채용한 경우에, 인버터 회로(4)의 스위칭 상태를 확실하게 검출할 수 있으므로, 모터(7)의 전류값을 확실하게 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 제4 발명에 의하면, 기동 시에 있어서의 모터(7)의 토크를 일정하게 제어하는 것이 가능해지므로, 안정적으로 모터(7)의 제어를 행하는 것이 가능해진다. 또한, 기동 시에 있어서의 효율의 저하도 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 제5 발명에 의하면, 교류 전원(6)으로부터 전력 변환 장치(1)에 입력되는 입력 전류(i_in)의 고조파가 저감되므로, 모터(7)의 기동 후에는 역률의 개선이 가능해진다.

또한, 제6 발명에 의하면, 일반적으로 인버터 회로(4)가 구비하는 전류 제어기(56)에 의해, 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 제어하므로, 용이하게 상기 맥동 진폭의 제어를 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는, 후술하는 수학식 (1)에 있어서 k=1로 한 경우의 직류 링크 전압과 구동 전류 명령값의 파형을 도시하는 도면이다.
도 3은, 후술하는 수학식 (1)에 있어서 k를 1보다도 작게 한 경우의 직류 링크 전압과 구동 전류 명령값의 파형을 도시하는 도면이다.
도 4는, 리플량과 부하의 관계를 도시한 타이밍 차트이다.
도 5는, 모터의 기동 시에 있어서의, 리플량과, dq축 전류 제어부에 있어서의 제어 게인의 관계를 도시하는 타이밍 차트이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.

《발명의 실시 형태 1》

《구성》

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치(1)의 구성을 도시하는 블록도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이 전력 변환 장치(1)는 컨버터 회로(2), 직류 링크부(3), 인버터 회로(4) 및 제어부(5)를 구비하고, 단상의 교류 전원(6)으로부터 공급된 교류의 전력을 소정의 주파수의 전력으로 변환하여, 모터(7)에 공급하도록 되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 모터(7)는 3상 교류 모터이며, 공기 조화기의 냉매 회로에 설치된 압축기를 구동하기 위한 것이다.

<컨버터 회로(2)>

컨버터 회로(2)는 교류 전원(6)에 접속되고, 교류 전원(6)이 출력한 교류를 직류에 전파 정류한다. 본 예에서는, 컨버터 회로(2)는 복수(본 실시 형태에서는 4개)의 다이오드(D1 내지 D4)가 브리지 형상으로 결선된 다이오드 브리지 회로이다. 이들 다이오드(D1 내지 D4)는 교류 전원(6)의 교류 전압을 전파 정류하여, 직류 전압으로 변환한다.

<직류 링크부(3)>

직류 링크부(3)는 콘덴서(3a)를 구비하고 있다. 콘덴서(3a)는 컨버터 회로(2)의 출력에 병렬 접속되고, 상기 콘덴서(3a)의 양단부에 발생한 직류 전압(직류 링크 전압(v_dc))이 인버터 회로(4)의 입력 노드에 접속되어 있다. 콘덴서(3a)는 예를 들어 필름 콘덴서에 의해 구성되어 있다. 이 콘덴서(3a)는 인버터 회로(4)의 스위칭 소자(후술)가 스위칭 동작할 때 스위칭 주파수에 대응하여 발생하는 리플 전압(전압 변동)만을 평활화 가능한 정전 용량을 갖고 있다. 즉, 콘덴서(3a)는 컨버터 회로(2)에 의해 정류된 전압(전원 전압에 기인하는 전압 변동)을 평활화하는 정전 용량을 갖지 않는 소용량의 콘덴서이다. 그 때문에, 직류 링크부(3)가 출력하는 직류 링크 전압(v_dc)은 그 최대값이 그 최소값의 2배 이상으로 되는 큰 맥동을 갖고 있다.

<인버터 회로(4)>

인버터 회로(4)는 입력 노드가 직류 링크부(3)의 콘덴서(3a)에 병렬로 접속되고, 직류 링크부(3)의 출력을 스위칭하여 3상 교류로 변환하여, 접속된 모터(7)에 공급하도록 되어 있다. 본 실시 형태의 인버터 회로(4)는 복수의 스위칭 소자가 브리지 결선되어 구성되어 있다. 이 인버터 회로(4)는 3상 교류를 모터(7)에 출력하므로, 6개의 스위칭 소자(Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz)를 구비하고 있다. 상세히는, 인버터 회로(4)는 2개의 스위칭 소자를 서로 직렬 접속하여 이루어지는 3개의 스위칭 레그를 구비하고, 각 스위칭 레그에 있어서 상측 아암의 스위칭 소자(Su, Sv, Sw)와 하측 아암의 스위칭 소자(Sx, Sy, Sz)의 중간점이, 각각 모터(7)의 각 상(相)의 코일(도시는 생략)에 접속되어 있다. 또한, 각 스위칭 소자(Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz)에는, 환류 다이오드(Du, Dv, Dw, Dx, Dy, Dz)가 역병렬로 접속되어 있다. 그리고, 인버터 회로(4)는 이들 스위칭 소자(Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz)의 온/오프 동작에 의해, 직류 링크부(3)로부터 입력된 직류 링크 전압(v_dc)을 스위칭하여 3상 교류 전압으로 변환하여, 모터(7)에 공급한다. 또한, 이 온/오프 동작의 제어는, 제어부(5)가 행한다.

<제어부(5)>

제어부(5)는 모터(7)에 흐르는 전류(모터 전류(iu, iv, iw))가 전원 전압(v_in)의 맥동에 동기하여 맥동하도록, 인버터 회로(4)에 있어서의 스위칭(온/오프 동작)을 제어한다. 본 예에서는, 제어부(5)는 속도 제어 연산부(50), 전류 명령 생성부(51), 승산기(52), dq 전류 명령값 생성부(54), 좌표 변환부(55), dq축 전류 제어부(56) 및 PWM 연산부(57)를 구비하고 있다.

-속도 제어 연산부(50)-

속도 제어 연산부(50)는 감산기(50a)과 PI 연산부(50b)를 구비하고 있다. 이 속도 제어 연산부(50)에서는, 감산기(50a)로, 모터(7)의 기계각의 회전각 주파수(ω_m)와, 기계각의 명령값(ω_m ^*)과의 차를 구함과 아울러, PI 연산부(50b)에서, 감산기(50a)의 연산 결과에 비례·적분 연산(PI 연산)을 행하여 제1 전류 명령값(i_m ^*)을 승산기(52)에 출력한다.

-전류 명령 생성부(51)-

전류 명령 생성부(51)는 전원 전압(v_in)의 위상각(θ_in)의 정현값(sin(θ_in))이 입력되고, 상기 입력값에 기초하여 하기의 수학식 (1)로 표현되는 변조 계수(ripple)를 구하여 승산기(52)에 출력하도록 되어 있다.

수학식 (1)에 있어서, k는, 0 <k≤1인 실수이며, 전류 명령 생성부(51)는 나중에 상세히 설명하는 바와 같이, 모터(7)에 의한 부하의 크기에 따라 k의 값(이하, 리플량이라고도 부름)을 변경하도록 되어 있다. 본 예에서는, 전류 명령 생성부(51)는 상기 부하가 소정값 이상인 경우에는 k를 일정값으로 하고, 상기 소정값보다도 작은 경우에는, k의 값을 저감시킨다. 그리고, k의 값을 저감시키는 모드에서는, 전류 명령 생성부(51)는 나중에 상세히 설명하는 바와 같이, 직류 링크 전압(v_dc)을 확인하고, k의 설정값을 연속적으로 변경한다. 즉, k의 값을 저감시키는 모드에서는, 전류 명령 생성부(51)는 부하에 따라, 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 제어하고 있다. 또한, 상기 부하의 크기는, 모터(7)의 속도(ω_m), 토크, 모터 전류(iu, iv, iw), 전력 중 적어도 하나의 검출값, 또는 이들 검출값의 조합에 기초하여 알 수 있다.

-승산기(52)-

승산기(52)는 속도 제어 연산부(50)가 출력한 제1 전류 명령값(i_m ^*)과, 전류 명령 생성부(51)가 출력한 변조 계수(ripple)를 승산하여, (구동 전류 명령값(i_dq ^*))을 dq 전류 명령값 생성부(54)에 출력한다. 구동 전류 명령값(i_dq ^*)의 값은, 다음 수학식 (2)로 나타낼 수 있다.

-dq 전류 명령값 생성부(54)-

dq 전류 명령값 생성부(54)는 구동 전류 명령값(i_dq ^*)과, 후술하는 전류 위상 명령값(β^*)으로부터, 다음 수학식 (3)에 기초하여 d축 전류 명령값(i_d ^*)과 q축 전류 명령값(i_q ^*)을 구하여, dq축 전류 제어부(56)에 출력하도록 되어 있다. 상세히는, dq 전류 명령값 생성부(54)는 구동 전류 명령값(i_dq ^*)에 대하여 소정값(β^*)의 부의 정현값(-sinβ^*)과 여현값(cosβ^*)을 곱하여, 각각 d축 전류 명령값(i_d ^*)과 q축 전류 명령값(i_q ^*)을 생성한다. 여기서, β^*는, 모터(7)에 흐르게 하는 전류의 위상 β의 명령값이다.

-좌표 변환부(55)-

좌표 변환부(55)는 모터(7)의 회전자(도시는 생략)의 회전각(전기각(θ_e))과, 모터 전류(iu, iv, iw)로부터, d축 전류(i_d)와 q축 전류(i_q)를 구하도록 되어 있다. 구체적으로는, 좌표 변환부(55)는 다음 수학식(4)에 기초하여, d축 전류(i_d)와 q축 전류(i_q)를 구한다.

-dq축 전류 제어부(56)-

dq축 전류 제어부(56)는 본 발명의 전류 제어기의 일례이다. dq축 전류 제어부(56)는 모터 전류(iu, iv, iw)의 명령값(i_d ^*, i_q ^*)과 실전류값의 편차가 작아지도록, PWM 연산부(57)을 통하여, 인버터 회로(4)의 제어를 행한다. 본 실시 형태에서는, dq축 전류 제어부(56)에는, 비례 제어기, 적분 제어기 및 미분 제어기의 3개의 제어기를 설치하였다. 즉, dq축 전류 제어부(56)에서는 PID 제어를 행한다. 상세히는, dq축 전류 제어부(56)는 모터(7)의 속도인 전기각의 각속도(ω_e), d축 전류(i_d), q축 전류(i_q), d축 전류 명령값(i_d ^*), 및 q축 전류 명령값(i_q ^*)이 입력되고, 다음 수학식 (5)에 기초하여 d축 전압 명령값(v_d ^*) 및 q축 전압 명령값(v_q ^*)을 PWM 연산부(57)에 출력한다. 단, 수학식 (5)에서는, Ld, Lq는 각각 d축 및 q축의 모터 인덕턴스이며, φa는 모터 역기전압 상수이다. R_a는 모터 권선 저항이다. s는 미분 연산자이다. 또한, K_Pd, K_Id, K_Dd는, 각각, 비례 제어 게인, 적분 제어 게인, 미분 제어 게인이다. 수학식 (5)에서는, 우변의 1항과 2항이 일반적인 모터 모델에 기초하는 항이며, 3항이 PID 제어에 의한 항이다.

-PWM 연산부(57)-

PWM 연산부(57)는 d축 전압 명령값(v_d ^*), q축 전압 명령값(v_q ^*), 직류 링크 전압(v_dc) 및 상기 전기각(θ_e)이 입력되고 있고, 이들 값에 기초하여, 각 스위칭 소자(Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz)의 온/오프 동작을 제어하는 명령값 신호(Tu, Tv, Tw)를 생성한다. 구체적으로는, PWM 연산부(57)는 우선, 다음 수학식 (6)에 기초하여 각 상(相)의 상전압 명령값(v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*)을 구한다.

그리고, PWM 연산부(57)는 각 상전압 명령값(v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*)과, 직류 링크 전압(v_dc)으로부터, 다음 수학식 (7)을 사용하여, 각 상(相)의 상측 아암측의 스위칭 소자(Su, Sv, Sw)의 온 시간 τ_j를 구한다. 수학식 (7)에 있어서, Tc는 캐리어 주기이다. 또한, 수학식 (7)에 있어서, j=u, v, w이며, 예를 들어 τ_u는, U상(相)의 상측 아암의 스위칭 소자(Su)를 온으로 하는 시간을 나타내고 있다.

단, PWM 연산부(57)는 수학식 (7)에 의한 연산 결과가 캐리어 주기(Tc)를 초과하는 경우에는, 온 시간 τ_j를 캐리어 주기(Tc)로 하고, 연산 결과가 0 미만으로 되는 경우에는 온 시간 τ_j를 0으로 한다.

그리고, PWM 연산부(57)는 캐리어 주기(Tc)마다, 구한 온 시간 τ_j에 따라, 각 상(相)의 스위칭 소자(Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz)를 온/오프 동작시키는 명령값 신호(Tu, Tv, Tw)를 인버터 회로(4)에 출력한다.

《전력 변환 장치(1)의 동작》

본 실시 형태에서는, 직류 링크부에 소용량의 콘덴서(3a)를 설치하였기 때문에, 직류 링크 전압(v_dc)이 보다 크게 맥동한다. 그리고, 직류 링크 전압(v_dc)의 맥동에 의해, 컨버터 회로(2)의 다이오드(D1 내지 D4)의 전류 도통 폭이 넓어지고, 그 결과 역률이 개선된다. 또한 제어부(5)는 모터 전류(iu, iv, iw)가 전원 전압(v_in)의 맥동에 동기하여 맥동하도록, 인버터 회로(4)에 있어서의 스위칭을 제어한다. 이것에 의해, 교류 전원(6)으로부터 전력 변환 장치(1)에 입력되는 입력 전류(i_in)의 고조파가 저감된다. 본 실시 형태는, 모터(7)의 저속 운전 시 등의 경부하 시에 있어서의 인버터 회로(4)의 제어에 특징이 있다. 따라서, 이하에서는, 경부하 시에 있어서의 전력 변환 장치(1)의 동작을 설명한다.

종래의 전력 변환 장치의 경부하 시에 있어서의 동작은, 수학식 (1)에 있어서 k=1로 한 경우에 상당한다. 도 2는 수학식 (1)에 있어서 k=1로 한 경우의 직류 링크 전압(v_dc)과 구동 전류 명령값(i_dq ^*)의 파형을 도시하는 도면이다. k=1로 한 경우에는, 동 도면에 도시한 바와 같이, 구동 전류 명령값(i_dq ^*)이 제로 근방으로까지 저하되어, 모터 전류가 크게 맥동하게 된다. 그 결과, 종래의 전력 변환 장치에서는, 경부하 시에 모터 전류의 실효값이 증가하여, 모터 효율이 저하될 가능성이 있다. 또한, 본 실시 형태의 전력 변환 장치(1)에서도, 운전 상황(예를 들어 고부하 시 등)에 따라, k=1로서 인버터 회로(4)를 동작시키는 경우가 있다.

그런데, 일반적으로는, 직류 링크부(3)의 콘덴서(3a)의 정전 용량은, 상기 부하가 최대인 경우에, 스위칭 소자(Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz)의 스위칭에 수반하는 리플을 평활화할 수 있도록 설정한다고 생각된다. 이러한 용량 설정으로는, 경부하 시에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 교류 전원(6)의 전압의 제로 크로스 부근에 있어서, 직류 링크 전압(v_dc)이 제로까지 저하되지 않고, 어느 정도는 콘덴서(3a)가 충전된 상태로 된다. 종래의 전력 변환 장치는, 직류 링크 전압(v_dc)이 어느 정도 존재하는 기간에, 부하로서 접속된 모터(7)의 전류를 제로 근방으로까지 저하시켜, 큰 전류 맥동을 발생시키고 있었으므로, 이 상태에서는, 상기 제로 크로스 부근에서 모터(7)에 토크를 발생시킬 수 없었다.

그러나, 상기 제로 크로스 부근에 있어서 콘덴서(3a)가 충전된 상태이면, 콘덴서(3a)의 충전 전압을 이용하여, 모터(7)에 토크를 발생시킬 수 있다고 생각된다. 구체적으로는, 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동(리플)을 저감시킴으로써 콘덴서(3a)를 방전시키는 것이다. 이것에 의해, 동 토크를 발생시키는 데 필요한 모터 전류(iu, iv, iw)의 실효값을, 종래보다도 저감시키는 것이 가능해진다.

보다 상세히는, 전력 변환 장치(1)에서는, 제어부(5)의 전류 명령 생성부(51)는 수학식 (1)에 있어서의 k의 값을 경부하 시에는 고부하 시보다도 작게 하여, 변조 계수(ripple)를 구한다. k의 값이 보다 작아지면, 교류 전원(6)으로부터 입력된 교류의 전압의 제로 크로스 부근에 있어서의 변조 계수(ripple)의 값이, k=1인 경우와 비교하여, 보다 커진다. 즉, 변조 계수(ripple)의 진폭이 보다 작아진다. 도 3은 수학식 (1)에 있어서 k를 1보다도 작게 한 경우의 직류 링크 전압(v_dc)과 구동 전류 명령값(i_dq ^*)의 파형을 도시하는 도면이다. 동 도면에 도시한 바와 같이, 구동 전류 명령값(i_dq ^*)은 상기 제로 크로스 부근에서는, k=1인 경우와 비교하여, 보다 커진다.

이미 설명한 바와 같이, 상기 부하의 크기는, 모터(7)의 속도(ω_m), 토크, 모터 전류(iu, iv, iw), 전력 중 적어도 하나의 검출값, 또는 이들 검출값의 조합에 기초하여 알 수 있다. 도 4는 리플량(k)과 부하의 관계를 도시한 타이밍 차트이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 부하가 소정값으로부터 저하되기 시작하면, 제어부(5)는 k의 값을 서서히 저하시키고 있다.

이와 같이, 상기 제로 크로스 부근에 있어서 구동 전류 명령값(i_dq ^*)이 보다 커지면, dq 전류 명령값 생성부(54)가 출력하는 d축 전류 명령값(i_d ^*), 및 q축 전류 명령값(i_q ^*)이 보다 커진다(수학식 (3)을 참조). 그 결과, dq축 전류 제어부(56)가 출력하는 d축 전압 명령값(v_d ^*)이나 q축 전압 명령값(v_q ^*)도 상기 제로 크로스 부근에서는, k=1인 경우에 비하여, 보다 커진다(수학식 (5)를 참조). 이것에 의해, 소정의 상(相)의 상측 아암측 스위칭 소자(Su, Sv, Sw)의 온 시간이 길어져, 콘덴서(3a)에 충전되어 있는 전하가 방전되고, 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭이 저감된다. 이와 같이, 맥동 진폭이 저감되어 모터 전류(iu, iv, iw)의 실효값이 작아지면, 모터(7)의 동손이 개선되어, 모터 효율이 개선된다.

모터 전류(iu, iv, iw)의 실효값은, 수학식 (1)에 있어서의 k의 값이 작을수록, 보다 작아지므로, 모터 효율의 개선의 효과는 k의 값이 작을수록 커진다고도 생각된다. 그러나, k의 값을 지나치게 작게 하면, 즉 모터 전류(iu, iv, iw)의 리플을 지나치게 저감하면, 콘덴서(3a)가 완전히 방전되어 버려, 직류 링크 전압(v_dc)이 제로인 상태로 된다. 직류 링크 전압(v_dc)이 제로인 상태로 되면, 예를 들어 모터(7)의 전류 검출 수단으로서 션트 저항을 사용하는 방식(소위 션트 방식)을 채용한 경우에, 인버터 회로(4)의 스위칭 상태(인버터 회로(4)의 상하측 아암 중 어느 쪽이 온인지)를 알 수 없게 되어, 모터(7)의 전류 검출을 할 수 없게 되어 버린다. 그 때문에, 션트 방식을 채용한 경우에는, 직류 링크 전압(v_dc)을 제로보다도 크게 유지할 수 있도록, 인버터 회로(4)에 있어서의 스위칭을 제어할 필요가 있다(도 3을 참조).

따라서, 본 실시 형태에서 션트 방식을 채용하는 경우에는, k의 값은, 직류 링크 전압(v_dc)이 제로보다도 크게 유지되도록 조정할 필요가 있다. 일례로서는, 환류 다이오드(Du, Dv, Dw, Dx, Dy, Dz)의 온 전압 정도의 직류 링크 전압(v_dc)이 되도록 k의 값을 설정하는 것이 생각된다. 본 실시 형태에서는, 전류 명령 생성부(51)는 k의 값을 저감하는 모드에서는, 직류 링크 전압(v_dc)의 전압을 확인하면서 k의 설정값을 연속적으로 변경한다.

또한, k의 값을 지나치게 작게 하면, 전원 역률이 저하되거나, 입력 전류의 고조파 성분이 증가하는 경우가 있기 때문에, 운전 상황에 따라 k의 값을 설정할 필요도 있다.

《본 실시 형태에 있어서의 효과》

이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 직류 링크부(3)에 있어서 직류 링크 전압(v_dc)을 크게 맥동시켜, 컨버터 회로(2)에 있어서의 전류 도통 폭을 넓게 함으로써, 역률을 개선하는 것이 가능해진다. 또한, 경부하 시에는, 모터(7)에 흐르는 전류의 실효값을 저감하여, 상기 모터(7)의 효율의 개선이 가능해진다.

《발명의 실시 형태 2》

실시 형태 2에서는, 모터(7)의 기동 시에 있어서의 제어예를 설명한다. 본 실시 형태에서도 전력 변환 장치(1)의 회로 구성 자체는 실시 형태 1의 장치와 같다.

예를 들어, 직류 링크부의 콘덴서의 용량이 작은 인버터 회로에서, 전원에 동기시켜 모터 전류를 맥동시키면, 모터의 기동 시 등의 경부하 시에는, 효율의 저하나 제어의 불안정화가 우려된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 모터(7)의 기동 시에는 토크, 즉 모터 전류(iu, iv, iw)가 일정해지도록 인버터 회로(4)를 제어한다.

도 5는 모터(7)의 기동 시에 있어서의, 리플량(k)과, dq축 전류 제어부(56)에 있어서의 제어 게인의 관계를 도시하는 타이밍 차트이다. 여기서, dq축 전류 제어부(56)는 예를 들어 비례 제어, 적분 제어, 미분 제어 중 적어도 하나의 제어기를 설치하고, 모터 전류(iu, iv, iw)의 명령값(i_d ^*, i_q ^*)과 실전류값의 편차가 작아지도록, 상기 제어기가 제어를 행하도록 구성한다. dq축 전류 제어부(56)의 제어 게인이란, 예를 들어 dq축 전류 제어부(56)에 있어서 상기 제어 중 어느 하나가 행해지는 경우에는 그 제어의 제어 게인이다. 또한, dq축 전류 제어부(56)에 있어서, 복수 종류의 제어가 조합되어 행해지는 경우에는, 적어도 어느 하나의 제어에 있어서의 제어 게인이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 기동 처리를 행하고 있는 기간(기동 처리 기간)에는 dq축 전류 제어부(56)에 의해, 제어 게인이 비교적 크게 설정된다. 또한, 기동 처리한, 모터(7)를 정지 상태로부터 기동 목표 회전수에 도달시키기 위한 처리이다.

본 예에서는, 기동 처리 기간에는, 제어부(5)는 k=0으로서 인버터 회로(4)의 제어를 행하고 있다. 이것에 의해, 기동 처리 기간에는, 모터 전류(iu, iv, iw)가 맥동하지 않도록 할 수 있다. 그리고, 기동 처리가 종료되면, 즉 모터(7)가 목표의 회전수로 되면, dq축 전류 제어부(56)는 제어 게인을 서서히 저하시킨다. 한편, 제어부(5)는 기동 처리가 종료된 후에는 부하의 크기에 맞춰 k의 값을 서서히 증가시킨다. 이것에 의해 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭은 서서히 커진다. 본 예에서는, k(리플량)의 값이 1로 제어되고 있다.

《본 실시 형태에 있어서의 효과》

이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 모터(7)가 기동되어 소정의 회전수로 되기까지는, 모터 전류(iu, iv, iw)가 맥동하지 않도록 제어된다. 그로 인해, 본 실시 형태에서는, 기동 시에는 모터(7)의 토크를 일정하게 제어할 수 있어, 안정적으로 모터(7)의 제어를 행하는 것이 가능해진다. 또한, 기동 시에 있어서의 효율의 저하도 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 기동 처리의 종료 후에는 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 서서히 크게 하므로, 기동 후에는 역률을 개선하는 것이 가능해진다.

《그 외의 실시 형태》

또한, 변조 계수(ripple)를 구하는 방법(수학식 (1))은 예시이다. 예를 들어, 수학식 (1)에 있어서, 위상각(θ_in)의 정현값의 절댓값 대신에 당해 정현값의 2승의 값을 사용하는 등, 다양한 산정 방법을 채용할 수 있다. 요는, 부하 또는 모터(7)의 운전 상태에 따라, 모터 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭이 변화되도록 변조 계수(ripple)를 설정하면 되는 것이다.

또한, dq축 전류 제어부(56)의 구성은 예시이다. 예를 들어, dq축 전류 제어부(56)를 비례 제어기, 적분 제어기, 미분 제어기 중 어느 하나로 구성하거나, 비례 제어기, 적분 제어기, 미분 제어기 중 어느 것인가를 조합하고 구성하거나 하여, 모터 전류(iu, iv, iw)의 명령값(i_d ^*, i_q ^*)과 실전류값의 편차가 작아지도록 제어하면 된다.

<산업상 이용가능성>

본 발명은 입력된 전력을 스위칭하여 소정의 전력으로 변환하는 전력 변환 장치로서 유용하다.

1: 전력 변환 장치
2: 컨버터 회로
3: 직류 링크부
3a: 콘덴서
4: 인버터 회로
5: 제어부
7: 모터
56: dq축 전류 제어부(전류 제어기)

Claims

교류 전원(6)의 전원 전압(v_in)을 전파 정류하는 컨버터 회로(2)와,
상기 컨버터 회로(2)의 출력에 병렬 접속된 콘덴서(3a)를 갖고, 맥동하는 직류 전압(v_dc)을 출력하는 직류 링크부(3)와,
상기 직류 링크부(3)의 출력을 스위칭하여 교류로 변환하여, 접속된 모터(7)에 공급하는 인버터 회로(4)와,
상기 모터(7)의 전류(iu, iv, iw)가 상기 전원 전압(v_in)의 맥동에 동기하여 맥동하도록, 상기 스위칭을 제어하는 제어부(5)를 구비하고,
상기 제어부(5)는 상기 모터(7)의 부하의 저하에 따라, 상기 스위칭을 제어하여 상기 전류(iu, iv, iw)의 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부(5)는 상기 모터(7)의 전류(iu, iv, iw), 전력, 속도(ω_m) 및 토크 중 적어도 하나에 따라, 상기 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부(5)는 상기 직류 전압(v_dc)이 제로보다도 커지도록 상기 스위칭을 제어하면서, 상기 맥동 진폭을 저감시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부(5)는 상기 모터(7)의 기동 시에, 상기 맥동 진폭을 없애는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부(5)는 상기 모터(7)가 기동한 후에, 상기 맥동 진폭을 서서히 증가시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부(5)는 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어 중 적어도 하나의 제어에 의해, 상기 전류(iu, iv, iw)의 명령값(i_d ^*, i_q ^*)과 실전류값(i_d, i_q)의 편차가 작아지도록 제어하는 전류 제어기(56)를 구비하고, 상기 맥동 진폭이 보다 작을수록, 상기 제어의 제어 게인을 보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.