JP2007318957A - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＶＶＦ制御する交流電動機の制御装置において電圧変換のための損失を小さくし装置全体の効率の向上を図る。
【解決手段】キャパシタ蓄電電源１と３相インバータ４を用いた交流電動機５の制御装置であって、充放電を行う複数のキャパシタ及び複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うスイッチ回路からなり複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを可能にしたキャパシタ蓄電電源１と、キャパシタ蓄電電源１の放電出力を３相交流に変換して交流電動機５を駆動する３相インバータ４と、交流電動機５の指令速度に応じてキャパシタ蓄電電源１のスイッチ回路を切り替え制御して前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うとともに、ＰＷＭ信号を発生させて３相インバータ４を制御する制御手段８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置に関する。

交流電動機に対しＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）制御を行う速度制御装置では、交流電源と交流電動機との間に交流電圧を整流して所定の直流電圧に変換するコンバータとそのコンバータ出力を各相に対応してＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う３相インバータとが接続される（例えば、特許文献１参照）。この装置においては、交流電動機の仕様を高速域に合わせると低速域において電動機の効率が著しく低下することを考慮して、交流電動機の仕様を低速域に合わせると共に、コンバータの後段に昇圧チョッパを設けてインバータの入力電圧を高くして、高速域の運転もできるようにしている。そしてさらに、この場合の低速域での回路の効率の低下に対しては、昇圧チョッパをオフにすることでインバータに入力する直流電圧を低くしている。
特開２０００−１４６３９２号公報

交流電源にコンバータと３相インバータとを組み合わせ交流電動機をＶＶＶＦ制御する装置では、インバータに入力する直流電圧を速度に見合った電圧にするのが好ましいが、上記従来装置のような回路では、その構成上、電圧変換のためのスイッチングロス（変換損失）が発生してしまう。しかも、コンバータの出力電圧を昇圧するにしても降圧するにしても、その昇降圧幅が大きいと変換損失も大きくなってしまうという問題がある。

そこで、一般には、同じ電力でも、電流の小さい方が変換損失を少なく、つまり電圧の高い方が変換損失を少なくすることができることから、整流回路では使用最大電力まで昇圧してから所望の電圧に降圧することが多い。しかし、この場合にも、最低使用電圧まで降圧する際に変換損失が最も大きくなる。最低使用電圧はまた、その目的が省エネであったりするので、目的と実現手段となる技術とに矛盾が生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決するものであって、ＶＶＶＦ制御する交流電動機の制御装置において電圧変換のための損失を小さくし装置全体の効率の向上を図るものである。

そのために本発明は、キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置であって、充放電を行う複数のキャパシタ及び前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うスイッチ回路からなり前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを可能にしたキャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源の放電出力を３相交流に変換して交流電動機を駆動する３相インバータと、前記交流電動機の指令速度に応じて前記キャパシタ蓄電電源の前記スイッチ回路を切り替え制御して前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うとともに、ＰＷＭ信号を発生させて前記３相インバータを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

前記制御手段は、前記交流電動機の指令速度に比例した周波数の正弦波信号を発生させ、一定周波数の三角波の搬送波信号との比較によりＰＷＭ信号を発生させることを特徴とし、前記正弦波信号の振幅を前記キャパシタ蓄電電源の電圧低下や前記交流電動機の速度低下に対応して大きくし、前記制御手段は、前記キャパシタ蓄電電源の電圧低下を補うように前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うことを特徴とする。

また、キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置であって、充放電を行う複数のキャパシタ及び前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うスイッチ回路からなり前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを可能にしたキャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記交流電動機の出力速度を検出する速度検出手段と、前記キャパシタ蓄電電源の放電出力を３相交流に変換して交流電動機を駆動する３相インバータと、前記交流電動機の指令速度に対応する電圧信号及び周波数信号を発生させて、前記電圧信号に基づき前記複数のキャパシタの接続を切り替え制御するとともに、前記周波数信号に基づきＰＷＭ信号を発生させて前記３相インバータを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

前記制御手段は、前記電圧信号と前記電圧検出手段により検出された検出電圧に基づき前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替え信号を発生させ、前記前記スイッチ回路を制御することを特徴とし、前記制御手段は、前記交流電動機の指令速度と前記速度検出手段により検出された検出速度とを比較して誤差を求め、前記検出電圧と前記周波数信号と前記誤差信号に基づき正弦波信号を発生させて、前記正弦波信号と一定周波数の三角波の搬送波信号に基づきＰＷＭ信号を発生させ、前記３相インバータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、交流電動機の速度に応じてキャパシタ蓄電電源の複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行ってインバータの入力する電圧を適正な電圧に調整するので、複数のキャパシタの接続の直並列を切り替えるだけであり、切り替えた後は、コンバータやチョッパなどによりインバータの入力する電圧を適正な電圧に変換する従来のものにおいて生じる電圧変換のための損失をなくすことができる。また、電気車両等を駆動する場合にも、複数のキャパシタの接続の直並列切り替えにより速度に見合う直流電圧を発生して力行および回生制御を効率よく行う手段を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る交流電動機の制御装置の実施の形態を説明する図、図２はキャパシタ蓄電電源を構成する複数のキャパシタの接続のバンク切り替えを説明する図、図３は交流電動機の速度に対応して交流電動機に印加する電圧、制御周波数との関係を示す図、図４は正弦波信号と搬送波信号により発生させるＰＷＭ信号を説明する図である。図中、１はキャパシタ蓄電電源、２は交流電源、３はコンバータ、４はインバータ、５は交流電動機、６は速度検出器、７は充電制御部、８は電動機制御部、Ｖc はキャパシタ電源電圧を示す。

図１において、キャパシタ蓄電電源１は、例えば複数の電気二重層キャパシタとそれらの接続の直並列切り替えを行うスイッチ回路からなるバンク切り替え型の蓄電電源装置である。そして、交流電源２を充電電源として、交流電源２から交流を直流に整流変換するコンバータ３を通してキャパシタ蓄電電源１の各電気二重層キャパシタを満充電電圧まで充電して蓄電し、このキャパシタ蓄電電源１の各電気二重層キャパシタに蓄電した直流出力を３相交流に変換するインバータ４を通して放電することにより指令速度に交流電動機５の速度を制御し駆動する。

充電制御部７は、コンバータ３及びキャパシタ蓄電電源１のスイッチ回路を制御することにより、複数の電気二重層キャパシタの接続の直並列切り替えを行う、所謂バンク切り替えを行いながら充電を制御するものである。電動機制御部８は、例えば交流電動機５の回転軸に連結されて交流電動機５の回転速度を検出する速度検出器（タコジェネＴＧ）６の信号及び電動機を運転する指令速度に基づきキャパシタ蓄電電源１のスイッチ回路及びインバータ４を制御することにより、複数の電気二重層キャパシタのバンク切り替えを行い、インバータ４を指令速度、入力電圧に応じて生成されるＰＷＭ信号により制御し交流電動機５を所望の速度に制御するものである。

バンク切り替え型のキャパシタ蓄電電源１は、充電制御部７による充電制御において、各電気二重層キャパシタのバンク（セル）電圧が低い充電開始時には例えば図２（ｄ）に示すように各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列に接続し、電圧が上昇するにしたがって図２（ｃ）→（ｂ）→（ａ）に示すように直列から順次並列に接続を切り替える。このようなキャパシタ蓄電装置は、既に本出願人等により提案されており（例えば、特許第３４８７７８０号公報、特開２００５−２８７１１０号公報参照）、効率のよい充電を実現している。

このようにして電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ４の各バンクを満充電電圧まで充電したキャパシタ蓄電電源１では、各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ４を図２（ａ）に示すようにすべて並列に接続すると、バンクの満充電電圧に等しい電圧をキャパシタ電源電圧Ｖc としてインバータ４に入力する電圧にすることができる。また、図２（ｂ）に示すように電気二重層キャパシタＣ１−Ｃ２の直列回路とＣ３−Ｃ４の直列回路とを並列にする接続に切り替えると、インバータ４に入力する電圧を２倍にし、さらに図２（ｃ）に示すように電気二重層キャパシタＣ１−Ｃ２−Ｃ４の直列回路のＣ２にＣ３を並列にする接続に切り替えると、インバータ４に入力する電圧を３倍に、図２（ｄ）に示すように電気二重層キャパシタＣ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４の直列にする接続に切り替えると、インバータ４に入力する電圧を４倍にすることができる。

本実施形態において、電動機制御部８は、インバータ４を通して交流電動機５に印加する電圧及び制御周波数が速度に比例した値になるようにキャパシタ蓄電電源１のバンク切り替え制御、インバータ４のＰＷＭ制御を行うものである。例えば図３において、横軸の速度がＮi の場合に、それに対応する縦軸のＶi とｆi に交流電動機５に印加電圧する電圧と周波数が選択、制御される。

そのため、電動機制御部８では、例えば図３におけるＮi の速度に対し、インバータ４に入力する電圧として、電圧Ｖi がキャパシタ蓄電電源１から供給される切り替え段、例えば図２（ｃ）に示す直並列回路になるようにキャパシタ蓄電電源１のバンク切り替え制御を行う。さらには、周波数ｆi の正弦波信号を発生させ、速度検出器６から検出される検出速度と指令速度との誤差に基づき正弦波信号の振幅を調整しながら、図４に示すように正弦波信号と三角波の搬送波信号により３相のＰＷＭ信号を発生させる。そして、そのＰＷＭ信号によりインバータ４を制御して３相交流を発生させ交流電動機５を駆動し指令速度、例えばＮi に制御する。

キャパシタ蓄電電源１は、指令速度にしたがってインバータ４をＰＷＭ制御して交流電動機５を運転することにより放電をすると、各電気二重層キャパシタのバンク電圧が徐々に低下し、インバータ４に入力するキャパシタ電源電圧Ｖc が低下する。したがって、キャパシタ蓄電電源１における複数の電気二重層キャパシタの直並列の接続段が当初は図３に示す電圧の関係にあっても、放電にともないキャパシタ電源電圧Ｖc が速度に対応して交流電動機５に印加電圧する電圧より低くなってくる。そこで、電動機制御部８は、キャパシタ蓄電電源１に対してキャパシタ電源電圧Ｖc と交流電動機５に印加電圧する電圧とを比較して、キャパシタ電源電圧Ｖc が低下してくると、バンク切り替えを例えば図２の（ａ）→……→（ｄ）に順次シフトする制御を行うことにより電圧低下を補う。

また、電動機制御部８においてインバータ４を制御するＰＷＭ信号は、図４に示すように三角波の搬送波信号と正弦波信号とを比較して発生し、このＰＷＭ信号をインバータ４の各相のスイッチングのタイミング信号とする。このインバータ４に入力する電圧が変動すると、すなわち、キャパシタ蓄電電源１からインバータ４に入力するキャパシタ電源電圧Ｖc が放電により徐々に低下すると、交流電動機５に印加する電圧が低下するので、電動機制御部８では、キャパシタ電源電圧Ｖc の低下に応じて正弦波信号の振幅を大きくすることによりこの低下を補う。つまりキャパシタ電源電圧Ｖc に応じて正弦波信号の振幅を調整する。

次に、バンク切り替え信号及びＰＷＭ信号を発生する回路の実施の形態について説明する。図５は電動機制御部におけるバンク切り替え信号及びＰＷＭ信号を発生する回路の実施の形態を示す図であり、１１は指令速度保持部、１２は電圧信号発生部、１３は端子電圧保持部、１４はバンク切替信号発生部、１５は周波数信号発生部、１６は比較演算部、１７は比例制御部、１８は正弦波信号発生部、１９は搬送波信号発生部、２０はＰＷＭ信号発生部を示す。

図５において、指令速度保持部１１は、交流電動機５の速度を制御する目標値として与えられる指令速度Ｎi を保持するものであり、例えばレジスタである。電圧信号発生部１２は、指令速度Ｎi から図３に示す横軸の指令速度Ｎi に対応する縦軸の電圧Ｖi の電圧信号を発生するものである。端子電圧保持部１３は、インバータ４に入力するキャパシタ電源電圧Ｖc をキャパシタ蓄電電源１の出力端子から検出して保持するものであり、例えばレジスタである。バンク切替信号発生部１４は、電圧信号発生部１２により発生した電圧信号Ｖi と端子電圧保持部１３に保持したキャパシタ電源電圧Ｖc とを比較してキャパシタ電源電圧Ｖc が電圧信号Ｖi を下回らないようにバンク切替信号を発生するものである。例えば図３に示すようにキャパシタ電源電圧Ｖc がＶの線より低くならない電圧となるバンク切替信号を発生する。

キャパシタ蓄電電源１の各電気二重層キャパシタが満充電電圧に充電されている場合において、図３に示す速度Ｎに対応する電圧Ｖの線を下回らないキャパシタ電源電圧Ｖc にする複数の電気二重層キャパシタ直並列の接続段は、例えば図示（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のように決まる。しかし、放電に伴いキャパシタ電源電圧Ｖc は低下するので、バンク切替信号発生部１４によりある速度においてＶの線の電圧とキャパシタ電源電圧Ｖc とを比較してキャパシタ電源電圧Ｖc がＶの線を下回るようになると、複数の電気二重層キャパシタの直並列の接続段を、例えば図２、図３に示す（ａ）→（ｂ）に、……、（ｃ）→（ｄ）のように１段直列接続側にシフトする信号を発生させてキャパシタ蓄電電源１のバンク切り替え制御を行う。

周波数信号発生部１５は、制御目標値として与えられた指令速度Ｎi に対応する周波数信号ｆi を発生するものである。比較演算部１６は、制御目標値として与えられた指令速度Ｎi と速度検出器６により検出された交流電動機５の速度Ｎd とを比較しその誤差Δｎを演算するものであり、比例制御部１７は、速度誤差Δｎから帰還信号αを発生するものである。正弦波信号発生部１８は、端子電圧保持部１３に保持されたキャパシタ電源電圧Ｖc と周波数信号発生部１５により発生した周波数信号ｆi と比例制御部１７により発生した帰還信号αに基づき正弦波信号を発生し、搬送波信号発生部１９は、一定の周波数、例えば１５００Ｈｚの三角波の搬送波信号を発生するものであり、ＰＷＭ信号発生部２０は、正弦波信号発生部１８によりした正弦波信号と搬送波信号発生部１９により発生した搬送波信号に基づきＰＷＭ信号を発生するものである。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、交流電源からキャパシタ蓄電装置を充電して蓄電し、そのキャパシタ蓄電装置から複数の電気二重層キャパシタの接続の直並列切り替えを行うことにより電圧を調整してインバータに所望の電圧を給電するものとして説明したが、交流電源からキャパシタ蓄電装置を充電するコンバータ部でも電圧変換できるようにし、交流電動機の運転モードによっては、キャパシタ蓄電装置からの給電と交流電源からコンバータ部を通した給電とを併用できるようにしてもよい。また、電気車両等の駆動を行う場合には、回生時も同様に、速度に応じて複数の電気二重層キャパシタの接続の直並列切り替えを行い、回生電力を受けるように制御してもよい。

本発明に係る交流電動機の制御装置の実施の形態を説明する図である。 キャパシタ蓄電電源を構成する複数のキャパシタの接続のバンク切り替えを説明する図である。 交流電動機の速度に対応して交流電動機に印加する電圧、制御周波数との関係を示す図である。 正弦波信号と搬送波信号により発生させるＰＷＭ信号を説明する図である。 電動機制御部におけるバンク切り替え信号及びＰＷＭ信号を発生する回路の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１…キャパシタ蓄電電源、２…交流電源、３…コンバータ、４…インバータ、５…交流電動機、６…速度検出器、７…充電制御部、８…電動機制御部、Ｖc …キャパシタ電源電圧

そのために本発明は、キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置であって、充放電を行う複数のキャパシタ及び切替信号により前記複数のキャパシタを複数の直並列の接続段に切り替えるスイッチ回路からなるキャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記交流電動機の出力速度を検出する速度検出手段と、前記交流電動機の指令速度に対応する電圧信号及び周波数信号を発生する電圧・周波数信号発生手段と、前記電圧信号と前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧とを比較して前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧が前記電圧信号より低くならない電圧となる切り替え段とする前記切替信号を発生する切替信号発生手段と、前記キャパシタ蓄電電源の放電出力を３相交流に変換して交流電動機を駆動する３相インバータと、前記周波数信号及び前記キャパシタ蓄電電源の電圧と前記交流電動機の指令速度と出力速度に応じた振幅の正弦波信号を発生して一定周波数の三角波の搬送波信号と前記正弦波信号に基づきＰＷＭ信号を発生し前記３相インバータを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

前記制御手段は、前記正弦波信号の振幅を前記キャパシタ蓄電電源の電圧低下に応じ、また前記交流電動機の出力速度の指令速度からの低下に応じて大きくすることを特徴とする。

切替信号発生手段は、前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧の低下を補う切り替え段とする切替信号を発生することを特徴とする。

前記制御手段は、前記交流電動機の指令速度と前記出力速度とを比較して誤差を求め、前記誤差に応じた振幅の正弦波信号を発生することを特徴とする。

そのために本発明は、キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置であって、充放電を行う複数のキャパシタ及び切替信号により前記複数のキャパシタを複数の直並列の接続段に切り換えるスイッチ回路からなり、前記接続段の切り換えにより前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧を切り換えるキャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記交流電動機の出力速度を検出する速度検出手段と、前記交流電動機の指令速度に対応する電圧信号及び周波数信号を発生する電圧・周波数信号発生手段と、前記指令速度に対応する電圧と前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧とを比較して前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧が前記指令速度に対応する電圧より低くならない電圧となる直近の電圧の接続段に切り替える前記切替信号を発生する切替信号発生手段と、前記キャパシタ蓄電電源の放電出力を３相交流に変換して交流電動機を駆動する３相インバータと、前記指令速度に対応する周波数で、前記キャパシタ蓄電電源の端子電圧と前記交流電動機の指令速度に対する出力速度の速度誤差とに応じた振幅を有する正弦波信号を発生して一定周波数の三角波の搬送波信号と前記正弦波信号に基づきＰＷＭ信号を発生し前記３相インバータを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

図５において、指令速度保持部１１は、交流電動機５の速度を制御する目標値として与えられる指令速度Ｎi を保持するものであり、例えばレジスタである。電圧信号発生部１２は、指令速度Ｎi から図３に示す横軸の指令速度Ｎi に対応する縦軸の電圧Ｖi の電圧信号を発生するものである。端子電圧保持部１３は、インバータ４に入力するキャパシタ電源電圧Ｖc をキャパシタ蓄電電源１の出力端子から検出して保持するものであり、例えばレジスタである。バンク切替信号発生部１４は、電圧信号発生部１２により発生した電圧信号Ｖi と端子電圧保持部１３に保持したキャパシタ電源電圧Ｖc とを比較してキャパシタ電源電圧Ｖc が電圧信号Ｖi を下回らないようにバンク切替信号を発生するものである。例えば図３に示すようにキャパシタ電源電圧Ｖc がＶの線より低くならない電圧となる直近の電圧の接続段に切り替えるバンク切替信号を発生する。

Claims (8)

1. キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置であって、
   充放電を行う複数のキャパシタ及び前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うスイッチ回路からなり前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを可能にしたキャパシタ蓄電電源と、
   前記キャパシタ蓄電電源の放電出力を３相交流に変換して交流電動機を駆動する３相インバータと、
   前記交流電動機の指令速度に応じて前記キャパシタ蓄電電源の前記スイッチ回路を切り替え制御して前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うとともに、ＰＷＭ信号を発生させて前記３相インバータを制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記交流電動機の指令速度に比例した周波数の正弦波信号を発生させ、一定周波数の三角波の搬送波信号との比較によりＰＷＭ信号を発生させることを特徴とする請求項１記載の交流電動機の制御装置。
3. 前記正弦波信号の振幅を前記キャパシタ蓄電電源の電圧低下に対応して大きくすることを特徴とする請求項２記載の交流電動機の制御装置。
4. 前記正弦波信号の振幅を前記交流電動機の速度低下に対応して大きくすることを特徴とする請求項２記載の交流電動機の制御装置。
5. 前記制御手段は、前記キャパシタ蓄電電源の電圧低下を補うように前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うことを特徴とする請求項１記載の交流電動機の制御装置。
6. キャパシタ蓄電電源と３相インバータを用いた交流電動機の制御装置であって、
   充放電を行う複数のキャパシタ及び前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを行うスイッチ回路からなり前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを可能にしたキャパシタ蓄電電源と、
   前記キャパシタ蓄電電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記交流電動機の出力速度を検出する速度検出手段と、
   前記キャパシタ蓄電電源の放電出力を３相交流に変換して交流電動機を駆動する３相インバータと、
   前記交流電動機の指令速度に対応する電圧信号及び周波数信号を発生させて、前記電圧信号に基づき前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替えを制御するとともに、前記周波数信号に基づきＰＷＭ信号を発生させて前記３相インバータを制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする交流電動機の制御装置。
7. 前記制御手段は、前記電圧信号と前記電圧検出手段により検出された検出電圧に基づき前記複数のキャパシタの接続の直並列切り替え信号を発生させ、前記前記スイッチ回路を制御することを特徴とする請求項６記載の交流電動機の制御装置。
8. 前記制御手段は、前記交流電動機の指令速度と前記速度検出手段により検出された検出速度とを比較して誤差を求め、前記検出電圧と前記周波数信号と前記誤差信号に基づき正弦波信号を発生させて、前記正弦波信号と一定周波数の三角波の搬送波信号に基づきＰＷＭ信号を発生させ、前記３相インバータを制御することを特徴とする請求項６記載の交流電動機の制御装置。

Images