JP2005033984A - 誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステム（ａｖｅｃｔｏｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｕａｌｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ） - Google Patents

誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステム（ａｖｅｃｔｏｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｕａｌｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ） Download PDF

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Abstract

【課題】逆起電力補償及び無効電力補償を別個のインバータで行うことにより、無効電力補償による誘導電動機の出力の減少を防止し、合せて逆起電力補償による電動機のトルクの減少を防止した誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステムを提供する。
【解決手段】一端及び他端を有する第１インバータシステムと、一端及び他端を有する第２インバータシステムとを含み、前記第１インバータシステムは、その前記一端が前記誘導電動機の固定子捲線の一側に連結されて、前記誘導電動機の逆起電力補償を行い、前記第２インバータシステムは、その前記一端が前記誘導電動機の固定子捲線の他側に連結されて、誘導電動機の無効電力補償を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステムに係り、より詳しくは、ベクトル制御型インバータを利用して誘導電動機の速度及びトルクを制御する誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステムに関するものである。
ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ；Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）に適用される誘導電動機、または４２Ｖ電源システムを備えた車両に適用されるＩＳＡ（Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、内燃機関に連結されて、起動電動機、発電機、トルクのアシスターの役割を果たす。
前記ＩＳＡとして誘導電動機を使用する場合、誘導電動機の回転数が低い場合には逆起電力成分及び無効電力成分が大きくないが、回転数が増加すると逆起電力成分及び無効電力成分が増加し、バッテリーの直流電圧を利用してモータに供給することができる最大電圧より逆起電力のほうが値が大きい場合には、誘導電動機の制御が不可能になる。
また、制御可能な場合にも、前記誘導電動機の回転数の増加と共に増加する無効電力成分の補償と逆起電力成分の補償とが、一つのインバータシステムで行なわれるので、無効電力成分が増加した分だけインバータの出力が減少するという問題点があった。
上記の問題点を解決するための方法として、逆起電力定数を減少させる方法があるが、逆起電力定数が減少する場合、トルク定数も共に減少して、前記誘導電動機の出力トルクが減少するようになり、また、前記誘導電動機を発電機として使用する場合には回生出力まで減少する。
さらに、前記誘導電動機の出力トルクの減少を補償するために、減速ギヤを適用してトルクを増加させることができるが、減速ギヤを使用する場合、機械的動力伝達過程によるエネルギー損失が増加して、システム全体のエネルギー効率が減少する。
特公平０４−０１３９５４号公報
本発明は上記の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、逆起電力補償及び無効電力補償を別個のインバータで行うことにより、無効電力補償による誘導電動機の出力の減少を防止し、合せて逆起電力補償による電動機のトルクの減少を防止することにある。
上記の目的を達成するための本発明による誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステムは、一端及び他端を有する第１インバータシステムと、一端及び他端を有する第２インバータシステムとを含み、前記第１インバータシステムは、その前記一端が前記誘導電動機の固定子捲線の一側に連結されて、前記誘導電動機の逆起電力補償を行い、前記第２インバータシステムは、その前記一端が前記誘導電動機の固定子捲線の他側に連結されて、誘導電動機の無効電力補償を行うことを特徴とする。
好ましくは、前記第１インバータシステムの前記他端はバッテリーに連結され、前記第２インバータシステムの前記他端はキャパシターに連結されることを特徴とする。
好ましくは、前記第１インバータシステムは、トルク分指令電流とトルク分電流との差を受信して比例積分制御及び逆起電力補償を行い、第１トルク分指令電圧を出力するトルク分電流制御部；弱界磁制御による指令磁束と、磁束との差を受信して比例積分制御を行い、磁束分指令電流を出力する磁束制御部；前記磁束分指令電流と磁束分電流との差を受信して比例積分制御を行い、第１磁束分指令電圧を出力する磁束分電流制御部；前記第１トルク分指令電圧と前記第１磁束分指令電圧とを受信して第１の３相指令電圧に変換して出力する第１の２／３相変換部；前記第１の３相指令電圧に基づいて、前記バッテリーからの直流電圧を３相交流電圧に変換して、前記誘導電動機に前記固定子捲線の一側を通じて供給する第１インバータ部；及び前記第１インバータ部から前記誘導電動機に流れる３相電流を検出し、検出された前記３相電流を２相電流に変換して、前記磁束分電流と前記トルク分電流として出力する３／２相変換部を含み、
前記第２インバータシステムは、キャパシターに対する直流指令電圧と直流電圧との差を受信して比例積分制御を行なって電圧指令ベクトルを算出し、これを磁束成分とトルク成分とに分解する電圧制御部；前記磁束成分と前記トルク成分とを無効電力補償して、第２トルク分指令電圧と第２磁束分指令電圧とを出力する無効電力補償部；前記第２トルク分指令電圧と前記第２磁束分指令電圧とを受信して、第２の３相指令電圧に変換して出力する第２の２／３相変換部；及び前記第２の３相指令電圧に基づいて前記キャパシターからの直流電圧を３相交流電源に変換して、前記誘導電動機に前記固定子捲線の他側を通じて供給する第２インバータ部；を含むことを特徴とする。
好ましくは、前記トルク分電流制御部が前記逆起電力補償を行う際の逆起電力補償電圧は、次の数式によって制御されることを特徴とする。
逆起電力補償電圧＝ωｅ・Ｌｍ／Ｌｒ・λｄｒ ｅ
但し、
ωｅ： 回転子磁束角速度
Ｌｍ： 相互インダクタンス
Ｌｒ： 回転子インダクタンス
λｄｒ ｅ： 回転子磁束
好ましくは、前記無効電力補償部が出力する前記第２トルク分指令電圧と前記第２磁束分指令電圧は、次の数式によって制御されることを特徴とする。
Ｖｄｓ２ ｅ＊＝（ｉｄｓ ｅ／｜ｉｓ｜）（ｋｖｐ＋ｋｉｖ／ｓ）（Ｖｄｃ２ ＊−Ｖｄｃ２）＋ωｅσＬｓｉｑｓ ｅ
Ｖｑｓ２ ｅ＊＝（ｉｑｓ ｅ／｜ｉｓ｜）（ｋｖｐ＋ｋｉｖ／ｓ）（Ｖｄｃ２ ＊−Ｖｄｃ２）−ωｅσＬｓｉｄｓ ｅ
但し、
Ｖｄｓ２ ｅ＊： 第２磁束分指令電圧
Ｖｑｓ２ ｅ＊： 第２トルク分指令電圧
ｉｄｓ ｅ： 磁束分電流
ｉｑｓ ｅ： トルク分電流
Ｖｄｃ２ ＊： 第２インバータ指令電圧
Ｖｄｃ２： 第２インバータ電圧
ｋｖｐ、ｋｉｖ／ｓ： 電圧制御器の比例、積分利得係数（‘ｓ’は微分記号）
ｉｓ： 固定子電流
ωｅ： 回転子磁束角速度
σＬｓ： 総漏洩インダクタンス
上記の構成による誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステムによれば、上記の第１インバータシステム１２０では逆起電力補償が行われ、前記第２インバータシステム１４０では無効電力補償が行われて、インバータによって変換されて供給される電源の不足現象を防止することができ、さらに、３相交流電動機がハイブリッド自動車のＩＳＡとして採用される場合、出力不足現象を防止することができる。
以下、添付した図面を参考して本発明による一実施例について説明する。
図１には本発明によるベクトル制御型デュアルインバータシステムの概略図が示されている。
図１に示すように、前記デュアルインバータシステムは、第１インバータシステム１２０及び第２インバータシステム１４０を含む。
３相交流電源によって駆動される誘導電動機１３０の固定子捲線の一側は第１インバータシステム１２０の一端に連結され、前記固定子捲線の他側は第２インバータシステム１４０の一端に連結される。
バッテリー１１０は、前記第１インバータシステム１２０の他端に連結されて、直流電圧Ｖｄｃ１を前記第１インバータシステム１２０に供給する。
前記第１インバータシステム１２０は、前記バッテリー１１０からの直流電圧Ｖｄｃ１を３相交流電源に変換し、逆起電力補償を行なって前記誘導電動機１３０の固定子捲線の一側に供給する。
また、キャパシター１５０が、第２インバータ１４０に連結されて、直流電圧Ｖｄｃ２を前記第２インバータシステムに供給する。
前記第２インバータシステム１４０は、前記キャパシター１５０からの直流電圧Ｖｄｃ２を３相交流電圧に変換し、無効電力補償を行なった後、３相交流電源を前記誘導電動機１３０の固定子捲線の他側に供給する。
図２を参照すると、前記第１インバータシステム１２０は、トルク分電流制御部２０６、磁束制御部２１５、磁束分電流制御部２２４、第１の２／３相変換部２０７、第１インバータ２３０、及び３／２相変換部２３６を含む。
第１インバータシステムの構成及び動作について説明すると、前記誘導電動機１３０の回転数が増加すると、前記誘導電動機１３０の回転子磁束λｄｒ ｅ及び回転子磁束角速度ωｅの積に比例して逆起電力が発生する。発生する前記逆起電力の大きさが、前記バッテリー１１０の前記直流電源（Ｖｄｃ１）を利用して前記誘導電動機に供給される最大電圧より大きい場合には、誘導電動機の制御が不可能になる。
そこで本実施例では最初に、第２減算器２２１は、磁束分指令電流ｉｄｓ ｅ＊と磁束分電流ｉｄｓ ｅとの差を出力する。
磁束分指令電流ｉｄｓ ｅ＊と磁束分電流ｉｄｓ ｅとの差は磁束分電流制御部２２４に入力され、磁束分電流制御部２２４は、比例積分制御を通じて第１磁束分指令電圧Ｖｄｓ１ ｅ＊を出力する。
次に、前記逆起電力に対する電圧の制限に基づいて弱界磁制御器２０９によって指令磁束λｄｒ ｅ＊が決定され、第１減算器２１２は、前記指令磁束λｄｒ ｅ＊から磁束λｄｒ ｅを差し引いてその差を出力する。
前記指令磁束λｄｒ ｅ＊と磁束λｄｒ ｅとの差は磁束制御部２１５に入力され、前記磁束制御部２１５は、前記指令磁束λｄｒ ｅ＊と磁束λｄｒ ｅとの差を比例積分して磁束分指令電流ｉｄｓ ｅ＊を出力する。
一方、第３減算器２０３は、トルク分指令電流ｉｑｓ ｅ＊からトルク分電流ｉｑｓ ｅを差し引いてその差を出力する。
前記トルク分指令電流ｉｑｓ ｅ＊とトルク分電流ｉｑｓ ｅと差はトルク分電流制御部２０６に入力され、トルク分電流制御部２０６は、比例積分制御及び後述する逆起電力補償を通じて第１トルク分指令電圧Ｖｑｓ１ ｅ＊を出力する。
前記第１磁束分指令電圧Ｖｄｓ１ ｅ＊と前記第１トルク分指令電圧Ｖｑｓ１ ｅ＊は、第１の２／３相変換部２０７に供給されて、３相固定座標系の第１の３相指令電圧Ｖａ１ ＊、Ｖｂ１ ＊、Ｖｃ１ ＊に変換され、第１インバータ２３０に印加される。
第１インバータ２３０に印加される前記第１の３相指令電圧Ｖａ１ ＊、Ｖｂ１ ＊、Ｖｃ１ ＊は、前記第１インバータのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の入力信号として用いられる。
前記第１インバータ部２３０から誘導電動機２３３に流れる３相電流ｉａｓ、ｉｂｓ、ｉｃｓが検出されて３／２相変換部２３６に入力され、２相の、磁束分電流ｉｄｓ ｅとトルク分電流ｉｑｓ ｅとに変換され、磁束分電流ｉｄｓ ｅは第２減算器２２１、及び磁束演算部２１８にフィードバックされ、トルク分電流ｉｑｓ ｅは第３減算器２０３にフィードバックされる。
磁束演算部２１８は、フィードバックされた磁束分電流ｉｄｓ ｅ＊に基づいて磁束λｄｒ ｅを演算する。
同じく図２を参照して、第２インバータシステム１４０の構成及び動作について説明すると、第４減算器２３９は、キャパシター１５０に対する直流指令電圧（第２インバータ指令電圧）Ｖｄｃ２ ＊からキャパシター１５０の直流電圧（第２インバータ電圧）Ｖｄｃ２を差し引いてその差を出力する。
電圧制御部２４２は、前記差に基づいて比例積分制御を行い、電圧指令ベクトルＶ２ ＊を算出して磁束成分とトルク成分とに分解する。
無効電力補償部２４５は、磁束成分とトルク成分とに分解された電圧指令ベクトルＶ２ ＊を無効電力補償して、第２磁束分指令電圧Ｖｄｓ２ ｅ＊と第２トルク分指令電圧Ｖｑｓ２ ｅ＊とを出力する。
第２磁束分指令電圧Ｖｄｓ２ ｅ＊と第２トルク分指令電圧Ｖｑｓ２ ｅ＊とは第２の２／３相変換部２０７に入力されて、３相固定座標系の第２の３相指令電圧Ｖａ２ ＊、Ｖｂ２ ＊、Ｖｃ２ ＊に変換され、第２インバータ２５１に印加される。
第２インバータ２５１に印加される第２の３相指令電圧Ｖａ２ ＊、Ｖｂ２ ＊、Ｖｃ２ ＊は、前記第２インバータのＰＷＭの入力信号として用いられる。
図３には、第１インバータシステム１２０のトルク分電流制御部２０６で行われる逆起電力補償に対する動作及び構成が詳細に示されている。前記トルク分電流制御部２０６は比例積分制御器３０３と逆起電力補償器３０６とを含む。
比例積分制御器３０３は、第３減算器２０３から出力される前記トルク分指令電流ｉｑｓ ｅ＊とトルク分電流ｉｑｓ ｅとの差を比例積分し、逆起電力補償器３０６は、前記比例積分した値に逆起電力補償電圧を加算して前記第１トルク分指令電圧Ｖｑｓ１ ｅ＊を出力する。この時、前記逆起電力補償器３０６で加算される逆起電力補償電圧は次の式の通りである。
［数１］
逆起電力補償電圧＝ωｅ・Ｌｍ／Ｌｒ・λｄｒ ｅ
但し、
ωｅ： 回転子磁束角速度
Ｌｍ： 相互インダクタンス
Ｌｒ： 回転子インダクタンス
λｄｒ ｅ： 回転子磁束
図４には、第２インバータシステム１４０の電圧制御部２４２と無効電力補償部２４５との構成及び動作が詳細に示されている。
第２インバータシステム１４０は、単に誘導電動機１３０の無効電力を制御するだけなので、バッテリーのような別個の直流電源を必要としない。
無効電力補償のためにキャパシター１５０の充電／放電が必要な場合、前記無効電圧制御部２４２と前記無効電力補償部２４５とは次の数式によって制御される。
［数２］
Ｖｄｓ２ ｅ＊＝（ｉｄｓ ｅ／｜ｉｓ｜）（ｋｖｐ＋ｋｉｖ／ｓ）（Ｖｄｃ２ ＊−Ｖｄｃ２）＋ωｅσＬｓｉｑｓ ｅ
Ｖｑｓ２ ｅ＊＝（ｉｑｓ ｅ／｜ｉｓ｜）（ｋｖｐ＋ｋｉｖ／ｓ）（Ｖｄｃ２ ＊−Ｖｄｃ２）−ωｅσＬｓｉｄｓ ｅ
但し、
Ｖｄｓ２ ｅ＊： 第２磁束分指令電圧
Ｖｑｓ２ ｅ＊： 第２トルク分指令電圧
ｉｄｓ ｅ： 磁束分電流
ｉｑｓ ｅ： トルク分電流
Ｖｄｃ２ ＊： 第２インバータ指令電圧（キャパシターに対する直流指令電圧）
Ｖｄｃ２： 第２インバータ電圧（キャパシターの直流電圧）
ｋｖｐ、ｋｉｖ／ｓ： 電圧制御器の比例、積分利得係数（‘ｓ’は微分記号）
ｉｓ： 固定子電流
ωｅ： 回転子磁束角速度
σＬｓ： 総漏洩インダクタンス
本発明の実施例によるデュアルインバータシステムのブロック図である。 本発明の実施例によるデュアルインバータシステムの制御ブロック図である。 図２のトルク分電流制御部を詳細に示した図面である。 図２の電圧制御部と無効電力補償部とを詳細に示した図面である。
符号の説明
１１０ バッテリー
１２０ 第１インバータシステム
１３０、２３３ 誘導電動機
１４０ 第２インバータシステム
１５０ キャパシター
２０６ トルク分電流制御部
２０７ 第１の２／３相変換部
２０９ 弱界磁制御器
２１５ 磁束制御部
２１２、２２１、２０３、２３９ 第１、２、３、４減算器
２１８ 磁束演算部
２２４ 磁束分電流制御部
２３０ 第１インバータ
２３６ ３／２相変換部
２４２ 電圧制御部
２４５ 無効電力補償部
２４８ 第２の２／３相変換部
２５１ 第２インバータ
３０３ 比例積分制御器
３０６ 逆起電力補償器

Claims (5)

  1. 誘導電動機のベクトル制御型デュアルインバータシステムにおいて、
    一端及び他端を有する第１インバータシステムと、一端及び他端を有する第２インバータシステムとを含み、
    前記第１インバータシステムは、その前記一端が前記誘導電動機の固定子捲線の一側に連結されて、前記誘導電動機の逆起電力補償を行い、
    前記第２インバータシステムは、その前記一端が前記誘導電動機の固定子捲線の他側に連結されて、誘導電動機の無効電力補償を行う、
    ことを特徴とする誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステム。
  2. 前記第１インバータシステムの前記他端はバッテリーに連結され、前記第２インバータシステムの前記他端はキャパシターに連結されることを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステム。
  3. 前記第１インバータシステムは、
    トルク分指令電流とトルク分電流との差を受信して比例積分制御及び逆起電力補償を行い、第１トルク分指令電圧を出力するトルク分電流制御部；
    弱界磁制御による指令磁束と、磁束との差を受信して比例積分制御を行い、磁束分指令電流を出力する磁束制御部；
    前記磁束分指令電流と磁束分電流との差を受信して比例積分制御を行い、第１磁束分指令電圧を出力する磁束分電流制御部；
    前記第１トルク分指令電圧と前記第１磁束分指令電圧とを受信して第１の３相指令電圧に変換して出力する第１の２／３相変換部；
    前記第１の３相指令電圧に基づいて、前記バッテリーからの直流電圧を３相交流電圧に変換して、前記誘導電動機に前記固定子捲線の一側を通じて供給する第１インバータ部；及び
    前記第１インバータ部から前記誘導電動機に流れる３相電流を検出し、検出された前記３相電流を２相電流に変換して、前記磁束分電流と前記トルク分電流として出力する３／２相変換部を含み、
    前記第２インバータシステムは、
    キャパシターに対する直流指令電圧と直流電圧との差を受信して比例積分制御を行なって電圧指令ベクトルを算出し、これを磁束成分とトルク成分とに分解する電圧制御部；
    前記磁束成分と前記トルク成分とを無効電力補償して、第２トルク分指令電圧と第２磁束分指令電圧とを出力する無効電力補償部；
    前記第２トルク分指令電圧と前記第２磁束分指令電圧とを受信して、第２の３相指令電圧に変換して出力する第２の２／３相変換部；及び
    前記第２の３相指令電圧に基づいて前記キャパシターからの直流電圧を３相交流電源に変換して、前記誘導電動機に前記固定子捲線の他側を通じて供給する第２インバータ部；
    を含むことを特徴とする請求項２に記載の誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステム。
  4. 前記トルク分電流制御部が前記逆起電力補償を行う際の逆起電力補償電圧は、次の数式によって制御されることを特徴とする、請求項３に記載のインバータシステム。
    逆起電力補償電圧＝ωｅ・Ｌｍ／Ｌｒ・λｄｒ ｅ
    但し、
    ωｅ： 回転子磁束角速度
    Ｌｍ： 相互インダクタンス
    Ｌｒ： 回転子インダクタンス
    λｄｒ ｅ： 回転子磁束
  5. 前記無効電力補償部が出力する前記第２トルク分指令電圧と前記第２磁束分指令電圧は、次の数式によって制御されることを特徴とする、請求項３に記載の誘導電動機用ベクトル制御型デュアルインバータシステム。
    Ｖｄｓ２ ｅ＊＝（ｉｄｓ ｅ／｜ｉｓ｜）（ｋｖｐ＋ｋｉｖ／ｓ）（Ｖｄｃ２ ＊−Ｖｄｃ２）＋ωｅσＬｓｉｑｓ ｅ
    Ｖｑｓ２ ｅ＊＝（ｉｑｓ ｅ／｜ｉｓ｜）（ｋｖｐ＋ｋｉｖ／ｓ）（Ｖｄｃ２ ＊−Ｖｄｃ２）−ωｅσＬｓｉｄｓ ｅ
    但し、
    Ｖｄｓ２ ｅ＊： 第２磁束分指令電圧
    Ｖｑｓ２ ｅ＊： 第２トルク分指令電圧
    ｉｄｓ ｅ： 磁束分電流
    ｉｑｓ ｅ： トルク分電流
    Ｖｄｃ２ ＊： 第２インバータ指令電圧
    Ｖｄｃ２： 第２インバータ電圧
    ｋｖｐ、ｋｉｖ／ｓ： 電圧制御器の比例、積分利得係数（‘ｓ’は微分記号）
    ｉｓ： 固定子電流
    ωｅ： 回転子磁束角速度
    σＬｓ： 総漏洩インダクタンス
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