JP2005348479A - Ｐｗｍサイクロコンバータおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】零電流近傍においても過補償を引き起こすことのない、転流誤差が小さくなるようなスイッチング動作をするＰＷＭサイクロコンバータを提供する。
【課題】 交流電源１の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラ７でＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出する電流検出装置４と、これから出力される電流信号を基に電流の絶対値を検出できる電流値検出器とを有し、ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流の絶対値がある一定の値以下の場合、先にオンしている双方向スイッチを同時にオフし、一定の時間の後、次にオンしたい双方向スイッチを同時にオンさせるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータの動作時の特に電流が少ない状態においてスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差を小さくする、もしくは効果的に補正することにより、指令通りの電圧出力を可能にするＰＷＭサイクロコンバータおよびその制御方法に関するものである。

ＰＷＭサイクロコンバータは、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続しているために、三相交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換することが可能である。
しかしスイッチに流れている電流を強制的にスイッチングするために、独自のスイッチング動作が必要である。この一連のスイッチング動作を転流と呼ぶ。
この転流の作成方法として、スイッチング素子から流れ出る出力電流の向きを判定する出力電流方向検出回路により得られた出力電流方向信号を基に作成する方法などが挙げられる。
また、実際の転流は、PWM信号出力を基に、ロジック回路において作成するのが一般的である。
しかしながら、実際に転流を行う際、スイッチング素子のスイッチング時間を考慮して、ある一定の遅延時間を設ける必要がある。そのため、本来出力されるべき出力電圧指令と、実際に出力される出力電圧との間に誤差が生じてしまう。
また、その誤差は、電源の基準電圧の状態や転流の情報源となる出力電流の向きや電源電圧の大小関係などに依存して発生する。
このような技術課題に対し、電流の方向や電圧の状態をあらかじめ制御器で検出し、あらかじめ指令電圧に補正をして出力電圧の誤差を補正する補正方法が提案されている(特許文献１参照)。
特開２００３−３０９９７５号公報

図７は特許文献１記載の発明が行っている従来の電流方向検出方法による転流動作の作成方法を示す図である。
ＩＧＢＴ素子に逆電圧阻止能力がある場合、双方向スイッチの構成は図７の構成８のように、ＩＧＢＴ素子２個を逆並列接続した回路で１アームを構成し、この１アームを複数個（図では２個を示す。）接続したその接続点を負荷モータ側と接続し、両他端を交流電源側の各相電力線に接続すればよい。
この２つの双方向スイッチのゲートに図中のようなＳ１指令・Ｓ２指令とＳ３指令・Ｓ４指令が入力された場合を例に示す。
電流方向信号と転流パターンを状態判別パターン１１として表に表した。
表において、まず、状態１である場合はパターン１を選択する。
パターン１の動作は、はじめに指令Ｓ１に電流が流れているので電流が流れていない指令Ｓ２をＯＦＦし、十分時間がたったところで、次に電流が流れる指令Ｓ３をＯＮする。
次に、指令Ｓ３のＯＮから時間がたった後、指令Ｓ１をＯＦＦし、最後に指令Ｓ４を入れる。
この一連の動作により転流を完了する。
状態２の場合は電流の方向が逆になるため、パターン２のようにパターン１の指令Ｓ１とＳ２が、指令Ｓ３とＳ４が入れ替わった構成となる。
ところが、従来は電流の方向を表わす電流方向信号が１つしかなかったため、電流が大きい値なのか零近傍なのかを判別することができなかった。そのため実際の微小な電流と、転流の補正値の極性が一致せず、結果過補償を引き起こす可能性があった。

以上のように、特許文献１開示の補正方法は電流の方向を正しく検出できた場合のみ有効であるが、この検出自体を間違うと、過補償を引き起こして、逆に電圧誤差を増大させてしまう問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、電流方向を間違え易い零電流近傍での電流方向検出や、零電流近傍においても、過補償を引き起こすことのない、転流誤差が小さくなるようなスイッチング動作を実現するＰＷＭサイクロコンバータとその制御方法を提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、請求項１記載のＰＷＭサイクロコンバータの発明は、交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出する電流検出装置と、前記電流検出装置から出力される電流信号を基に電流の絶対値を検出できる電流値検出器とを有し、前記コントローラが、前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流の絶対値がある一定の値以下の場合、先にオンしている双方向スイッチを同時にオフし、一定の時間の後、次にオンしたい双方向スイッチを同時にオンさせることを特徴とする。

請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバータの発明は、交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出する電流検出装置と、前記電流検出装置から出力される電流信号を基に電流の方向を判別する電流方向検出回路と、前記電流検出装置から出力される電流信号を基に電流の絶対値を検出できる電流値検出器と、前記電流検出装置から出力される電流信号の絶対値対出力電圧指令に関する補正テーブルとを有し、前記コントローラが、前記電流方向検出器により検出された電流方向信号を基にスイッチングの順序を切り替え、かつ、前記電流信号の絶対値が小さい場合、その絶対値に応じた前記補正テーブルにより出力電圧指令に対し補正を行うことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバータにおいて、前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記補正値を決定する前記電流信号の方向を決定する際，前記電流方向検出器の検出結果を電圧指令を取り込み，その取り込み結果に応じた補正値を電圧指令に対し補正することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバータにおいて、前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記出力電流信号を基に、前記電流方向検出器のしきい値と同じしきい値をソフトウエアで構成し、前記電流方向信号を検出しなくても、それに準ずる方向信号をソフトウエア的に作成し、電圧補正決定用信号として用いることを特徴とする。
請求項５記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法の発明は、交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出し、検出された出力電流信号を基に出力電流絶対値を演算し、前記出力電流絶対値がある一定の値以下の場合、先にオンしている双方向スイッチを同時にオフし、一定の時間の後、次にオンしたい双方向スイッチを同時にオンさせることを特徴とする。

請求項６記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法の発明は、交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出し、検出された出力電流信号を基に前記出力電流の方向と出力電流絶対値を求め、前記電流検出装置から出力される電流信号の絶対値対出力電圧指令に関する補正テーブルによって前記電流信号の絶対値が小さい場合、その絶対値に応じた前記補正テーブルにより出力電圧指令に対し補正を行うことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記補正値を決定する前記電流信号の方向を決定する際，前記電流方向検出器の検出結果を電圧指令を取り込み，その取り込み結果に応じた補正値を電圧指令に対し補正することを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項６記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記出力電流信号を基に、前記電流方向検出器のしきい値と同じしきい値をソフトウエアで構成し、前記電流方向信号を検出しなくても、それに準ずる方向信号をソフトウエア的に作成し、電圧補正決定用信号として用いることを特徴とする。

以上述べたような構成にすることにより、特に零電流近傍での出力電圧誤差を小さくすることが可能となる。
また、発生した電圧誤差を正確に補正することで検出ミスによる過補償を抑制し、転流誤差による負荷モータのトルクリップルを抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例を実現するためのＰＷＭサイクロコンバータの回路構成図である。
図において、１は三相交流電源、２は入力フィルタ、３はマトリクスサイクロコンバータ主回路、４は電流方向検出器群、５は負荷としてのモータ、６はゲートドライバ、７はゲートドライバ６を制御する本発明に係るコントローラである。コントローラ７は、７−１の転流作成ロジック、７−２のＰＷＭ演算器、７−３の電流方向検出器を備えている。
ＰＷＭサイクロコンバータは、三相交流電源１から入力フィルタ２を介しＰＷＭサイクロコンバータ主回路３が接続された形状となっている。負荷であるモータ５を駆動する際には、通常、ＰＷＭサイクロコンバータ出力段に電流検出器群４を設置して出力電流の検出を行い、この出力電流を基にコントローラ７において電流制御と過電流保護を行う。
コントローラ７は、電流検出器群４によって検出された電流をＡ／Ｄ変換し、ＰＷＭ演算器７−２にて電流制御を行う。ＰＷＭ演算器７−２より出力されたＰＷＭ信号は、ＰＷＭサイクロコンバータ独自の転流動作を形成するために、転流作成ロジック７−１に入力される。転流動作を行うための情報として、電流方向検出器７−３により検出された電流方向情報が必要となる。
コントローラ７からの出力信号をゲートドライバ６により双方向スイッチの点弧信号として出力し双方向スイッチを駆動している。

図２は図１の電流方向検出器７−３について説明する図で、（ａ）はその内部構成を示し、（ｂ）は正弦波の電流信号の場合における電流方向検出器７−３の検出する信号１と信号２の関係を示す図である。
電流信号をそれぞれ正の基準電圧および負の基準電圧と比較することで、電流方向が正であることを判別する電流方向信号１と負であることを判別する電流方向信号２の２種類を作成する。電流方向が正である電流信号は（１．０）で表され、電流方向が負である電流信号は（０．１）で表され、正の基準電圧および負の基準電圧以下の電流信号は（０．０）で表される。
したがって、図２（ｂ）に示されたような正弦波の電流信号の場合は、電流方向信号１と２の状態は（１．０）、（０．１）、（０．０）の３パターンが存在することになる。

図３は図２の電流方向検出器により検出された電流方向信号により、どのようなＰＷＭパターンを選択するかを示す図である。
ＩＧＢＴ素子に逆電圧阻止能力がある場合、双方向スイッチの構成は図３の構成８のように、ＩＧＢＴ素子２個を逆並列接続した回路で１アームを構成し、この１アームを複数個（図では２個を示す。）接続したその接続点を負荷モータ側と接続し、両他端を交流電源側の各相電力線に接続すればよい。
この２つの双方向スイッチのゲートに図中のようなＳ１指令・Ｓ２指令とＳ３指令・Ｓ４指令が入力された場合を例に示す。
電流方向信号と転流パターンを状態判別パターン９として表に表した。
表において、まず、状態１である場合はパターン１を選択する。パターン１の動作は、はじめに指令Ｓ１に電流が流れているので電流が流れていない指令Ｓ２をＯＦＦし、十分時間がたったところで、次に電流が流れる指令Ｓ３をＯＮする。
次に、指令Ｓ３のＯＮから時間がたった後、指令Ｓ１をＯＦＦし、最後に指令Ｓ４を入れる。
この一連の動作により転流を完了する。
状態２の場合は電流の方向が逆になるため、パターン２のようにパターン１の指令Ｓ１とＳ２が、指令Ｓ３とＳ４が入れ替わった構成となる。
さらに、第１実施例の特徴である状態３を検出した場合、そもそもＩＧＢＴ素子に流れる電流はほぼ零であるため、パターン１や２のように複雑な転流動作を行う必要がなくなる。その場合、パターン３のように指令Ｓ１とＳ２を同時にＯＦＦし、しばらくして後、指令Ｓ３とＳ４を同時にＯＮすることでスイッチング完了とすることが出来る。
電流の零付近では、正確に電流の正負を判別することは困難であるため、このような方式を採用することでより正確なスイッチング動作が可能となり、零電流付近での出力電圧精度の向上につながる。

図４は本発明の第２の実施例を実現するためのコントローラ内部のブロック図を示す。
図において、コントローラ７は図１と同じく転流作成ロジック７−１、電流方向検出器７−３と、第２の実施例に係るＰＷＭ演算器７−２を備えている。
ＰＷＭ演算器７−２に取り込まれた電流信号により電圧指令に対する補正を行う。検出された電流信号を基に、予め容易した補正テーブルより補正値を決定する。決定された補正値は本来出力したい電圧指令に加算する。
電圧指令に対して実際に出力される電圧は、その電流の向きと絶対値により誤差を含んでしまう。よって、この誤差を補正するために、電流値による誤差を予め演算し、補正値テーブルを作成する。図４の補正テーブルでは横軸に電流値、縦軸に補正値を取っている。そこで、検出された電流値をこの補正テーブルに入力し、出力された補正値を電圧指令に加減することにより補正を行う。
この加算する場所はｄ−ｑ軸の制御系でも３相電圧指令でもいずれでも可能である。
これらの補正を加えた電圧指令を基にＰＷＭを作成し、図１のようにＩＧＢＴ素子の駆動を行う。

図５は本発明の第３の実施例を実現するためのコントローラ内部のブロック図を示す。
この第３の実施例はＰＷＭ演算器内部で演算用に検出された電流を基に補正を行うのではなく、電流方向検出器の検出信号を基に補正を行う点が特徴である。
電流方向検出器７−３の検出結果をＰＷＭ演算器に入力し、その状態により補正値を決定し電圧指令に加算し補正を行う。実際の電流方向信号と図４のような演算された電流方向とが異なった場合、補正が逆向きに行われ、結果過補償となり電圧誤差を増大させることになる。
しかし、図５のような方法を用いれば、同じ信号を基に転流の作成と誤差の補正を行うことになるので補正方向を間違うことがなくなるというメリットがある。実際の電圧誤差は、電流の方向によりその極性が、またその絶対値によりその値が決定される。また、その値はある一定以上の電流では同一であるため、電流値により方向を間違えた場合の影響は大きい。よって方向判別のみ、実際の信号によって行うことにより、より正確な補正が行われる。

図６は本発明の第４の実施例を実現するためのコントローラ内部のブロック図を示す。
ここでは、ＰＷＭ制御器に取り込んだ電流信号を、電流方向検出器と同じヒステリシス等のノイズ除去方式を導入し、先述のような実際の電流方向信号と演算された電流方向とが異なるという状況を抑制する。すなわち、７−３の電流方向検出器はハードウエアで構成するため、実際のノイズの影響を受けやすく、そのためヒステリシス等のノイズ除去方式を用いている。そこで電流方向判別器にも同等のヒステリシスを用いることにより、結果的に７−３の電流方向検出器の出力との差異を抑制できる。

は本発明の第１の実施例を実現するためのＰＷＭサイクロコンバータの回路構成図である。 図１の電流方向検出器７−３について説明する図で、（ａ）はその内部構成を示し、（ｂ）は正弦波の電流信号の場合における電流方向検出器７−３の検出する信号１と２の関係を示す図である。 出力電流方向信号により選択される本発明に係るＰＷＭパターン１〜３を説明する図である。 本発明の第２の実施例を実現するためのコントローラ内部のブロック図を示す。 本発明の第３の実施例を実現するためのコントローラ内部のブロック図を示す。 本発明の第４の実施例を実現するためのコントローラ内部のブロック図を示す。 従来の電流方向検出方法による転流動作の作成方法を示す図である。

符号の説明

１ 三相交流電源
２ 入力フィルタ
３ ＰＷＭサイクロコンバータ主回路
４ 電流方向検出器
５ 負荷モータ
６ ゲートドライバ
７ コントローラ
７−１ 転流作成ロジック
７−２ ＰＷＭ演算器
７−２−１ 電流方向判別器
７−３ 電流方向検出器
８ 双方向スイッチ構成
９ 状態判別パターン
１０ 転流動作作成例
１１ 従来の状態判別パターン
１２ 従来の転流動作作成例

Claims (8)

1. 交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
   前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出する電流検出装置と、前記電流検出装置から出力される電流信号を基に電流の絶対値を検出できる電流値検出器とを有し、
   前記コントローラが、前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流の絶対値がある一定の値以下の場合、先にオンしている双方向スイッチを同時にオフし、一定の時間の後、次にオンしたい双方向スイッチを同時にオンさせることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
2. 交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
   前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出する電流検出装置と、前記電流検出装置から出力される電流信号を基に電流の方向を判別する電流方向検出回路と、前記電流検出装置から出力される電流信号を基に電流の絶対値を検出できる電流値検出器と、前記電流検出装置から出力される電流信号の絶対値対出力電圧指令に関する補正テーブルとを有し、
   前記コントローラが、前記電流方向検出器により検出された電流方向信号を基にスイッチングの順序を切り替え、かつ、前記電流信号の絶対値が小さい場合、その絶対値に応じた前記補正テーブルにより出力電圧指令に対し補正を行うことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
3. 前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記補正値を決定する前記電流信号の方向を決定する際，前記電流方向検出器の検出結果を電圧指令を取り込み，その取り込み結果に応じた補正値を電圧指令に対し補正することを特徴とする請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
4. 前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記出力電流信号を基に、前記電流方向検出器のしきい値と同じしきい値をソフトウエアで構成し、前記電流方向信号を検出しなくても、それに準ずる方向信号をソフトウエア的に作成し、電圧補正決定用信号として用いることを特徴とする請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
5. 交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、
   前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出し、検出された出力電流信号を基に出力電流絶対値を演算し、
   前記出力電流絶対値がある一定の値以下の場合、先にオンしている双方向スイッチを同時にオフし、一定の時間の後、次にオンしたい双方向スイッチを同時にオンさせることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータの制御方法。
6. 交流電源と入力側にＬＣフィルタを備え、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をコントローラでＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、
   前記ＰＷＭサイクロコンバータの出力電流を検出し、検出された出力電流信号を基に前記出力電流の方向と出力電流絶対値を求め、前記電流検出装置から出力される電流信号の絶対値対出力電圧指令に関する補正テーブルによって前記電流信号の絶対値が小さい場合、その絶対値に応じた前記補正テーブルにより出力電圧指令に対し補正を行うことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータの制御方法。
7. 前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記補正値を決定する前記電流信号の方向を決定する際，前記電流方向検出器の検出結果を電圧指令を取り込み，その取り込み結果に応じた補正値を電圧指令に対し補正することを特徴とする請求項６記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法。
8. 前記電流方向検出器をハードウエアで構成する場合、前記コントローラが、前記出力電流信号を基に、前記電流方向検出器のしきい値と同じしきい値をソフトウエアで構成し、前記電流方向信号を検出しなくても、それに準ずる方向信号をソフトウエア的に作成し、電圧補正決定用信号として用いることを特徴とする請求項６記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法。

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