JP2007533290A - 変速駆動装置を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するコンバータ（２０２）と、コンバータ（２０２）からのエネルギーをフィルタリングし蓄積するＤＣリンク（２０４）と、複数のインバータ（２０６）とを有する変速駆動装置（１０４）が、提供される。各インバータ（２０６）は、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するように構成され、ＤＣリンク（２０４）と電気的に並列接続される。複数のインバータ（２０６）の動作と、場合によってはコンバータ（２０２）の動作も制御して、ＤＣリンク（２０４）のＲＭＳリプル電流を減少させるために、インターリーブ型のパルス幅変調制御技法が使用される。

Description

本発明は一般に、変速駆動装置の制御に関する。より詳細には、本発明は、共通のＤＣリンクに接続された能動コンバータおよび／または複数のインバータ段を有する変速駆動装置の制御技法に関する。

変速駆動装置（ＶＳＤ）は、３つの段、すなわち、コンバータ段と、ＤＣリンク段と、インバータ段とを有することができる。コンバータ段は、固定線周波数／固定線間電圧のＡＣ電源をＤＣ電源に変換する。ＤＣリンク段は、コンバータ段からのＤＣ電圧をフィルタリングする。最後に、インバータ段は、ＤＣリンク段からのＤＣ電圧を可変周波数／可変電圧のＡＣ電源に変換する。

電圧源タイプのＶＳＤは、コンバータ段のフィルタリングを行うために、ＶＳＤのＤＣリンク段において大きなキャパシタンス値を必要とすることもある。これらのキャパシタはしばしば、１つ（または複数）のインダクタと協働して大型のＶＳＤ、例えば１００ｈｐを超える馬力のＶＳＤにおける低域通過フィルタを形成する。１つ（または複数）のインダクタは、キャパシタの直前のＤＣリンク段内、コンバータ段にフィードするＡＣライン内、あるいは、ＤＣリンク段内とコンバータ段にフィードするＡＣラインうちの両方に配置されてもよい。低域通過フィルタを形成するインダクタおよびキャパシタはいずれも嵩張り、高額となり得る受動装置であり、ＶＳＤのサイズおよびコストを増大させる可能性がある。

ＶＳＤ内部で使用されるキャパシタは通常、アルミニウム電解タイプのものであり、円筒形に巻かれ円筒缶に挿置された伝導性ホイルと絶縁紙の多層「サンドイッチ」を含む。円筒缶は、液体電解質で満たされ、その上には電気接続を可能にする２つの電気端子が設けられる。伝導性ホイルは、改良表面領域を設けキャパシタうちの内部抵抗をより低くするためにエッチングされることがある。キャパシタによって放散される電力は、キャパシタがそれ自体の内部電力を排除できる能力によって制限されるので、キャパシタうちの内部抵抗は、ＶＳＤのＤＣリンク段でのキャパシタの使用に関する制限要因である。キャパシタの内部抵抗は、キャパシタを流れる電流の周波数と、キャパシタに印加される電圧とに応じて変動する。キャパシタの内部抵抗または等価直列抵抗（ＥＳＲ）は、電流の周波数が増加されるのに従って低減される。キャパシタの内部動作温度がキャパシタの寿命に影響を及ぼす可能性があることから、キャパシタの製造業者は、キャパシタの内部抵抗を減少させ、その放熱能力を改善することを望んでいる。電解キャパシタの主要な故障モードは、キャパシタ缶の封止材を通り抜ける電解の漏洩を原因とする電解損失である。キャパシタ缶からのこうした電解の漏洩は、キャパシタの内部動作温度に応じて増加する傾向があり、それにより有効キャパシタンスが減少し、最終的には装置の損耗または故障につながる恐れもある。

電圧源タイプのＶＳＤは、ＤＣリンクに収束する脈動コンバータ電流および脈動インバータ電流から生じるＤＣリンクの脈動リプル電流に対する十分なフィルタリングを行うために、複数のキャパシタを使用する。特定用途向けに選出されるＤＣリンクキャパシタのサイズおよび量は、ＤＣリンクで確認されるリプル電流の大きさに基づいていることもある。キャパシタ選択のいくつかの２次的な問題は、電圧の用役損失が生じた場合のＶＳＤの監視能力と、ＤＣリンクのフィルタうちの誘導素子および容量素子に関連する共振周波数の大きさと、モータから見たＶＳＤの出力インピーダンスとを含む。一方、キャパシタを選択する際の最も重要な要因は、リプル電流およびキャパシタの内部動作温度に基づくキャパシタの耐用年数である。単一のＤＣリンク段に接続された複数のインバータ段の使用はさらに、ＤＣリンクにおける脈動インバータ電流が増加されることにより、キャパシタうちのリプル電流の量を増加させる恐れもある。

したがって、１つの応用において、ＤＣリンクで必要とされるキャパシタンスの量を減少させるために、またはＤＣリンクキャパシタの寿命を延ばすために、共通のＤＣリンクに接続された能動コンバータおよび／または複数のインバータ段を有する変速駆動装置を制御するためのシステムおよび方法が、必要とされている。

本発明の一実施形態は、コンバータ段と、ＤＣリンク段と、インバータ段とを有する変速駆動装置を制御する方法を対象とする。前記方法は、ＤＣリンク段と電気的に並列接続された複数のインバータを有するインバータ段を提供するステップを含む。前記複数のインバータの各インバータは、対応する負荷に給電するように構成される。前記方法はまた、前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成するステップと、前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流を減少させるために、前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせるステップとを含む。前記切換信号は、前記インバータを能動化および非能動化して、前記インバータから予め選択された出力電力と、予め選択された出力周波数とを得るように動作可能である。

本発明の別の実施形態は、コンバータ段と、ＤＣリンク段と、インバータ段とを有する変速駆動装置を制御する方法を対象とする。前記方法は、ＤＣリンク段に接続された能動コンバータを有するコンバータ段を提供するステップと、前記ＤＣリンク段と電気的に並列接続された少なくとも１つのインバータを有するインバータ段を提供するステップとを含む。前記方法はまた、前記能動コンバータ用の第１の切換信号を生成するステップと、前記少なくとも１つのインバータ用の第２の切換信号を生成するステップと、前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流を減少させるために、前記第１の切換信号と前記第２の切換信号とをインターリーブさせるステップとを含む。前記第１の切換信号は、前記能動コンバータを能動化および非能動化して、前記ＤＣリンク段で予め選択されたＤＣ電圧を生成するように動作可能であり、前記第２の切換信号は、前記少なくとも１つのインバータを能動化および非能動化して、前記少なくとも１つのインバータから予め選択された出力電力と、予め選択された出力周波数とを得るように動作可能である。

本発明の他の実施形態は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するコンバータ段と、前記コンバータ段からのエネルギーをフィルタリングし蓄積するＤＣリンク段と、前記ＤＣリンク段と電気的に並列接続された複数のインバータを備えるインバータ段とを有する変速駆動装置を対象とする。前記コンバータ段は、ＡＣ電源と電気的に接続可能であるように構成され、前記ＤＣリンク段は、前記コンバータ段と電気的に接続される。前記複数のインバータの各インバータは、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して対応する負荷に給電するように構成される。前記変速駆動装置はさらに、前記インバータ段の動作を制御する制御システムも含む。前記制御システムは、前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成するように構成される。前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号は、前記複数のインバータのうちのその他のインバータ用の前記切換信号とインターリーブされる。

本発明の他の実施形態は、閉冷媒ループの形で接続された第１のモータによって駆動される第１の圧縮機と、第１の凝縮器配置と、第１の蒸発器配置とを備える第１の冷媒回路と、閉冷媒ループの形で接続された第２のモータによって駆動される第２の圧縮機と、第２の凝縮器配置と、第２の蒸発器配置とを備える第２の冷媒回路とを有する冷却システムを対象とする。前記冷却システムはまた、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するコンバータ段と、前記コンバータ段からのエネルギーをフィルタリングし蓄積するＤＣリンク段と、前記ＤＣリンク段とそれぞれ電気的に並列接続された第１のインバータと第２のインバータとを備えるインバータ段とを有する変速駆動装置を含む。前記コンバータ段は、ＡＣ電源と電気的に接続可能であるように構成され、前記ＤＣリンク段は、前記コンバータ段と電気的に接続される。前記第１のインバータは、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して前記第１のモータに給電するように構成され、前記第２のインバータは、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して前記第２のモータに給電するように構成される。前記冷却システムはさらに、前記変速駆動装置の動作を制御する制御パネルも含む。前記制御システムは、前記第１のインバータおよび前記第２のインバータ用の切換信号を生成するように構成され、前記第１のインバータ用の前記切換信号は、前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流を減少させるために、前記第２のインバータ用の前記切換信号とインターリーブされる。

本発明の１つの利点は、ＤＣリンクで確認されるリプル電流のＲＭＳ値を減少させることができる点である。
本発明の別の利点は、変速駆動装置が、より高額な大型の設計で見受けられるＤＣリンクキャパシタと同様のコア温度閾値を保持しながらも、より低廉な小型の設計を有することができる点である。

本発明の他の利点は、キャパシタと変速駆動装置の両方の動作寿命を拡大することができる点である。
本発明のその他の特徴および利点は、好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明を、本発明の諸原理を例示的に示す添付の図面と併せて解釈すれば明らかとなるであろう。

添付の図面の全体を通して、同じ参照番号は、可能な限り同じまたは同様の部分を参照するのに使用される。
図１は、本発明と共に使用され得る応用例を全体的に示す。ＡＣ電源１０２は、変速駆動装置（ＶＳＤ）１０４に電力を供給し、ＶＳＤ １０４は、複数のモータ１０６に給電する。モータ１０６は、冷凍または冷却システムで使用され得る対応する圧縮機を駆動するのに使用されることが好ましい。制御パネル１１０は、ＶＳＤ １０４の動作を制御するのに使用されてもよく、モータ１０６および圧縮機の動作を監視および／または制御することができる。

ＡＣ電源１０２は、あるサイトに所在するＡＣ電力グリッドまたは配電系統からＶＳＤ １０４に対して、単一位相または多位相（例えば、３位相）の固定電圧／固定周波数のＡＣ電力を供給する。ＡＣ電源１０２は好ましいことに、対応するＡＣ電力グリッドに応じて５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの線周波数で、２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖ、または６００ＶのＡＣ電圧または線間電圧をＶＳＤ １０４に供給することができる。

ＶＳＤ １０４は、ＡＣ電源１０２から特定の固定線間電圧と固定線周波数とを有するＡＣ電力を受信し、いずれも個々の要件を満足するように変更され得る所望の電圧および所望の周波数で、モータ１０６のそれぞれにＡＣ電力を供給する。好ましいことに、ＶＳＤ １０４は、各モータ１０６の定格電圧および定格周波数よりも高い電圧および周波数を有していても、それよりも低い電圧および周波数を有していてもよいＡＣ電力を、モータ１０６のそれぞれに供給することができる。別の実施形態では、ＶＳＤ １０４はやはり、より高い周波数あるいはより低い周波数を供給することができるが、各モータ１０６の定格電圧および定格周波数と同じまたはそれよりも低い電圧しか供給することができない。

モータ１０６は、変速で動作可能な誘導モータであることが好ましい。誘導モータは、２極、４極、または６極を含めた任意の適当な極配列を有することができる。ただし、変速で動作され得る適当なモータであれば、どのようなモータが本発明と共に使用されてもよい。

図２は、ＶＳＤ １０４の一実施形態における構成部品の一部を概略的に示す。ＶＳＤ １０４は、次の３つの段を、すなわち、コンバータまたは整流器段２０２と、ＤＣリンク段２０４と、複数のインバータ２０６を有する出力段とを有することができる。コンバータ２０２は、ＡＣ電源１０２からの固定線周波数、固定線電圧のＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。コンバータ２０２は、シリコン制御整流器を使用する場合にはゲーティングによって、あるいはダイオードを使用する場合には順方向バイアスによってオンに切り換えられ得る電子スイッチから構成される、整流器配置内にあってもよい。代わりに、コンバータ２０２は、制御ＤＣ電圧を生成し、それが望まれる場合は入力電流信号の波形が正弦曲線として現れるようにするために、オンとオフの両方にゲーティングされ得る電子スイッチから構成される、能動コンバータ配置内にあってもよい。コンバータ２０２の能動コンバータ配置は、ＡＣ電力がＤＣ電力に整流され得るだけでなく、ＤＣ電圧レベルも特定の値に制御され得る点で、整流器機構よりも高いレベルの柔軟性を有する。本発明の一実施形態では、ダイオードおよびシリコン制御整流器（ＳＣＲ）が、コンバータ２０２に大電流サージの許容能力を提供し、低い故障率をもたらすことができる。別の実施形態では、ＶＳＤ １０４の入力電圧よりも大きい出力電圧をＶＳＤ １０４から得るために、コンバータ２０２は、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータに結合されたダイオードまたはサイリスタ整流器あるいはパルス幅変調昇圧整流器を利用して、昇圧されたＤＣ電圧をＤＣリンク２０４に供給することができる。

ＤＣリンク２０４は、コンバータ２０２からのＤＣ電力をフィルタリングし、エネルギー蓄積用構成部品を形成する。ＤＣリンク２０４は、高い信頼率および非常に低い故障率を示す受動装置であるキャパシタおよびインダクタから構成されてもよい。最後に、インバータ２０６は、ＤＣリンク２０４上で並列接続されており、各インバータ２０６は、ＤＣリンク２０４からのＤＣ電力を、対応するモータ１０６用の可変周波数、可変電圧のＡＣ電力に変換する。インバータ２０６は、ダイオードが逆並列接続されたパワートランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラ型パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）の電力スイッチを含むことができる電力モジュールである。さらに、上述され図２に示される内容から、ＶＳＤ １０４のインバータ２０６が適切な出力電圧および周波数をモータ１０６に供給することができる限り、ＶＳＤ １０４は異なる構成部品を組み込み得ることが理解されるはずである。

ＶＳＤ １０４から給電されるべき各モータ１０６に関しては、対応するインバータ２０６が、ＶＳＤ １０４の出力段に存在する。ＶＳＤ １０４から給電され得るモータ１０６の数は、ＶＳＤ １０４内に組み込まれるインバータ２０６の数に依存する。好ましい一実施形態では、ＤＣリンク２０４と並列接続され、対応するモータ１０６に給電するのに使用される２つまたは３つのインバータ２０６が存在してもよい。ＶＳＤ １０４は、２つから３つのインバータ２０６を有することが好ましいが、ＤＣリンク２０４がインバータ２０６のそれぞれに適切なＤＣ電圧を供給しこれを維持することができる限り、４つ以上のインバータ２０６が使用されてもよいことが、理解されるはずである。

好ましい一実施形態では、インバータ２０６は共通して、以下でより詳細に論じるように、インバータ２０６に供給された共通の制御信号または制御命令に基づいて、それぞれのインバータ２０６が所望の同じ電圧および周波数で対応するモータにＡＣ電力を供給するように、制御システムによって制御される。インバータ２０６の制御は、制御パネル１１０から行われても、上記の制御システムを組み込んだ他の適当な制御装置から行われてもよい。

ＶＳＤ １０４は、モータ１０６の起動中に大きな突入電流がモータ１０６に到達するのを防ぐことができる。さらに、ＶＳＤ １０４のインバータ２０６は、ＡＣ電源１０２に力率を約１とする電力を供給することができる。最後に、モータ１０６によって受信された入力電圧と入力周波数の両方をＶＳＤ １０４が調整できる能力により、異なる電源毎にモータ１０６を改変する必要なく、ＶＳＤ １０４を備えるシステムを外国および国内の様々な電力グリッド上で動作させることが可能になる。

図４Ａおよび４Ｂは、ＶＳＤ １０４の一実施形態に関する回路図を示す。ＶＳＤ １０４に関するこの実施形態では、３相ＡＣ電源１０２からの入力ラインＬ１〜Ｌ３が、回路遮断器４０２に接続されており、この回路遮断器４０２は、過剰な電流、電圧、または電力がＶＳＤ １０４に供給されたときはＡＣ電源１０２からＶＳＤ １０４を切断することができ、すなわちシステム切断スイッチとして使用することができる。次いで、回路遮断器４０２は、任意選択の単巻変圧器４０４に接続されてもよい。単巻変圧器４０４が使用される場合は、単巻変圧器４０４は、ＡＣ電源１０２からの入力電圧を所望の入力電圧に調整（昇圧または降圧）するのに使用されることが好ましい。各ライン毎のヒューズ４０６は、当該ラインうちの過電流に応答して、ＶＳＤ １０４の当該入力相またはラインを切断するのに使用されてもよい。各ライン毎のインダクタ４０８は、ＶＳＤの対応するラインの電流を平滑化するのに使用される。次いで、各相の入力ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するために、インダクタ４０８のそれぞれの出力が、コンバータ２０２うちの対応するＳＣＲ／ダイオード４１０に供給される。コンバータ２０２は、ＳＣＲ／ダイオードモジュール４１０と、制御パネル１１０への対応する接続とを使用して、ＳＣＲ ４１０の切換えを制御するコンバータ構成を有する。ＳＣＲ／ダイオードモジュール４１０のそれぞれは、ＤＣバス４１２の正端子またはレールに接続された１つの出力と、ＤＣバス４１２の負端子またはレールに接続された第２の出力とを有する。

本発明の一実施形態では、ＶＳＤ １０４の定常動作中は、ＳＣＲ／ダイオードモジュール４１０からのＳＣＲが、完全に「オン」にゲーティングされ、ダイオードと同様の働きをするので、コンバータ２０２は、受動コンバータとなる。一方、ＶＳＤ １０４の初期作動または給電中は、ＳＣＲへのゲート信号が、ＤＣリンク２０４におけるキャパシタ４１４の緩慢充電を可能とし、したがってＤＣリンク電圧の緩慢充電を可能とするように制御されるので、コンバータ２０２は、能動コンバータとなる。キャパシタ４１４およびＤＣリンク電圧の緩慢充電は、コンバータ２０２内でダイオードだけが使用されている場合に発生する恐れのある大電流サージが、ＶＳＤ １０４の初期作動または給電中にキャパシタ４１４に到達するのを防ぐ。

ＳＣＲ／ダイオードモジュール４１０の出力には、ＤＣリンク２０４が並列接続される。この実施形態のＤＣリンク２０４は、ＤＣバス４１２からのＤＣ電力をフィルタリングし、ＤＣバス４１２からのエネルギーを蓄積する、キャパシタ４１４と抵抗器４１６とを含む。抵抗器４１６は、キャパシタバンク４１４間で実質的に等しいＤＣリンク電圧を維持する電圧平衡装置として機能することができる。抵抗器４１６は、ＡＣ電源１０２から電力が取り除かれたときにキャパシタバンク４１４内に蓄積された電圧を「ブリードオフ」する電荷空乏デバイスとして機能することもできる。ＤＣバス４１２には、２つのインバータ区域２０６も接続されており、これらの区域は、ＤＣバス４１２上のＤＣ電力を圧縮機モータ用の３相ＡＣ電力に変換する。図４Ａおよび４Ｂに示される実施形態では、２つのインバータ区画またはモジュール２０６が、使用される。ただし、図４Ｂに示されるインバータモジュール２０６に追加のインバータモジュール２０６が加えられてもよく、その場合も同様の回路表現を有するはずである。インバータモジュール２０６は、３対（各出力位相毎に１対）のＩＧＢＴ電力スイッチおよび逆ダイオードを含む。インバータモジュール２０６は、ＩＧＢＴ電力スイッチの切換えを制御する制御パネル１１０への対応する接続も含む。

インバータモジュール２０６は、各インバータモジュール２０６から所望のＡＣ電圧および周波数を得るための変調スキームを使用して、インバータモジュール２０６うちのＩＧＢＴ電力スイッチのそれぞれを「オン」位置すなわち能動化位置と、「オフ」位置すなわち非能動化位置との間で選択的に切り換えることによって、ＤＣバス４１２上のＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換する。ゲート信号または切換信号は、制御パネル１１０が変調スキームに基づいてＩＧＢＴ電力スイッチを「オン」位置と「オフ」位置との間で切り換えることによって、ＩＧＢＴ電力スイッチへと供給される。ＩＧＢＴ電力スイッチは、切換信号が「Ｈｉｇｈ」すなわち論理１であるときは「オン」位置にあることが好ましく、切換信号が「Ｌｏｗ」すなわち論理０であるときは「オフ」位置にあることが好ましい。しかしながら、ＩＧＢＴ電力スイッチの能動化および非能動化は、それぞれ切換信号の反対の状態に基づいていてもよいことが、理解されるはずである。同様に、コンバータ２０２について能動コンバータが使用される場合では、ＩＧＢＴモジュールは、受動コンバータ、例えば図４Ａに示されるＳＣＲ／ダイオード段と置き換えられるはずであり、ＶＳＤ １０４のインバータ区域２０６うちのＩＧＢＴ電力スイッチと同様の様式で、対応する「オン」と「オフ」の状態の間で切り換えられ得る。

本発明の好ましい一実施形態では、制御パネル１１０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）技法を使用して、インバータモジュール２０６うちのＩＧＢＴ電力スイッチ用の切換信号を生成する。制御パネル１１０は、各インバータモジュール２０６毎のＰＷＭ変調器（図４Ｂを参照）に、インバータモジュール２０６うちのＩＧＢＴ電力スイッチ用の対応する切換信号を生成させることが好ましい。同様に、能動コンバータが使用される場合も、制御パネル１１０は、ＰＷＭ変調器に、コンバータ２０２うちのＩＧＢＴモジュール用の切換信号を生成させる。ＰＷＭ変調器は、第３高調波注入を用いる正弦波／三角波変調器であることが好ましい。しかしながら、ＩＧＢＴ電力スイッチおよび能動コンバータモジュール用の切換信号を生成するために、任意の適当なＰＷＭ変調器が使用されてもよいことが、理解されるはずである。

各ＰＷＭ変調器は、入力として搬送波波形と変調波形とを有し、出力として切換信号または波形を生成する。切換信号は、搬送波波形と変調波形との比較に基づいて生成される。切換信号は、変調波形の振幅が搬送波波形の振幅よりも大きい場合には、「ハイ」すなわち論理１となる。同様に、切換信号は、変調波形の振幅が搬送波波形の振幅よりも小さい場合には、「ロウ」すなわち論理０となる。変調波形と搬送波波形のどちらの振幅および周波数も、ＰＷＭ変調器から出力される切換信号に関する所望の周波数および形状に基づいて選択されてもよいことが、理解されるはずである。

本発明の一実施形態では、ＰＷＭ変調器によって切換信号が生成された後、制御パネル１１０は次いで、インバータモジュール２０６のＩＧＢＴ電力スイッチまたは能動コンバータモジュールに適した形に切換信号を調整する追加的な処理のために、制御パネル１１０内に組み込まれていても組み込まれていなくてもよい別の回路に切換信号を供給することができる。例えば、切換信号は、切換信号のレベルシフトを行い、切換信号を隔離した後に、ＩＧＢＴ電力スイッチに切換信号を供給するように動作するドライバ基板に供給されてもよい。

制御パネル１１０は、ＰＷＭ変調器の動作、特にＰＷＭ変調器に供給される変調波形および搬送波波形を制御する１つ（または複数）の制御アルゴリズムまたはソフトウェアを実行し、ＤＣリンク２０４のＲＭＳリプル電流値を減少させ、それによってＤＣリンク２０４のキャパシタ４１４に必要とされるキャパシタンスの量を低減させる。一実施形態では、１つ（または複数）の制御アルゴリズムは、制御パネル１１０の不揮発性メモリに記憶されるコンピュータプログラムまたはソフトウェアであっても、制御パネル１１０のマイクロプロセッサによって実行可能な一連の命令を含むものであってもよい。制御アルゴリズムは、１つ（または複数）のコンピュータプログラム内で実施され、マイクロプロセッサによって実行されることが好ましいが、デジタルおよび／またはアナログハードウェアを使用して実装および実行されてもよいことが、当業者には理解されるはずである。制御アルゴリズムを実行するのにハードウェアが使用される場合は、対応する制御パネル１１０の構成を変更して、必要な構成部品が組み込まれてもよく、もはや必要とされなくなった可能性のある構成部品があれば、それらの構成部品が取り除かれてもよい。

本発明の制御アルゴリズムは、ＰＷＭ変調器に供給される変調波形および搬送波波形を制御して、互いにインターリーブされたＰＷＭ変調器からの切換信号を生成する。ＰＷＭ変調器からの切換信号のインターリーブは、ＤＣリンク２０４におけるＲＭＳリプル電流の量を減少させ、それにより、切換信号のインターリーブがなされない場合には通常必要とされるキャパシタ４１４うちのキャパシタンス値よりも、小さい値のキャパシタンスをＤＣリンク２０４が使用することが可能となり、あるいは、キャパシタ４１４内で生成される最大温度を下げることにより、ＤＣリンク２０４がより長いサービス寿命を有することが可能となる。さらに、切換信号のインターリーブは、ＤＣリンク２０４で確認されるＤＣリンク電流の有効周波数を増加させることができる。

本発明の一実施形態では、制御アルゴリズムは、複数のインバータのＶＳＤ １０４において、各インバータモジュール２０６に供給される切換信号をインターリーブさせる。インバータモジュール２０６用の切換信号は、各ＰＷＭ変調器に共通の変調信号と移相または時間シフトされた搬送波信号とを供給することによってインターリーブされてもよい。別の実施形態では、インバータモジュール２０６用の切換信号は、各ＰＷＭ変調器に共通の搬送波信号と移相または時間シフトされた変調信号とを供給することによってインターリーブされてもよい。２つのインバータモジュールが使用される場合には、搬送波信号（または変調信号）は、約３０度〜約９０度の間で互いに移相されてもよい。信号間の偏移は、好ましくは約７２度の好ましい偏移を含む約６０度〜約９０度の間であり、最も好ましくは約９０度である。対照的に、３つ以上のインバータモジュールが使用される場合には、少なくとも１つのインバータモジュールの搬送波信号（または変調信号）は、約３０度〜約９０度の間でその他のインバータモジュールと移相されてもよい。各信号間の偏移は、好ましくは約４５度〜約７５度の間であり、最も好ましくは約６０度である。他の実施形態では、インバータモジュール２０６用の切換信号は、一方のインバータモジュール２０６用の切換信号を生成し、次いで、その切換信号に対する単純なデジタル遅延ラインを使用して移相または時間シフトされた他方のインバータモジュール２０６用の切換信号を生成する、制御アルゴリズムによってインターリーブされてもよい。

図５Ａ〜５Ｃは、図４Ａおよび４Ｂに示されるような２つのインバータモジュール２０６を有する変速駆動装置１０４におけるＰＷＭ変調器用の変調波形および搬送波波形の様々な構成を示す。図５Ａ〜５Ｃは、ＰＷＭ変調器によって生成され、それに対応するインバータモジュール２０６へと供給される、対応する切換波形も示す。図５Ａでは、ＰＷＭ変調器は、共通の変調波形と共通の搬送波波形の両方を受信し、切換信号の何らのインターリーブも用いずに、実質的に同一の切換信号を生成する。図５Ｂでは、ＰＷＭ変調器は、７２度移相された共通の変調波形と搬送波波形とを受信する。搬送波波形に関する７２度の移相は、図５Ｂに示されるようなインバータモジュール２０６について、対応する切換信号の移相およびインターリーブを行う。図５Ｃでは、ＰＷＭ変調器は、９０度移相された共通の変調波形と搬送波波形とを受信する。搬送波波形に関する９０度の移相は、図５Ｃに示されるようなインバータモジュール２０６について、対応する切換信号の移相およびインターリーブを行う。

図５Ａ〜５Ｃで生成された切換信号はその後、図４Ａ〜４Ｂに示されるＶＳＤと同様の構成であり、対応するモータに接続されたＶＳＤの性能をシミュレートするシミュレーションプログラムのＳａｂｅｒ ２００３．６に印加された。このシミュレーションプログラムで使用したパラメータは、線間電圧：４６０Ｖ、線周波数：６０Ｈｚ、線間インダクタンス：１１５μＨ／相、ＤＣリンクキャパシタンス：１８ｍＦ、モータ固定子抵抗：２５モーム(mohm)、モータ固定子漏れインダクタンス：１６６μＨ、モータ回転子抵抗：２７モーム、モータ回転子漏れインダクタンス：１９６μＨ、モータ励磁インダクタンス：６．２８ｍＨ、モータのすべり：３．４％、インバータ出力周波数：２００Ｈｚ、およびインバータ切換周波数：３１２５Ｈｚである。

図６Ａ〜６Ｃは、上記で詳細に説明されるようなＶＳＤのシミュレーションでシミュレートされた対応するＤＣリンクのリプル電流値を示す。図６Ａでは、ＤＣリンク電流のＲＭＳ値は、２１０．０９Ａである。図６Ｂでは、ＤＣリンク電流のＲＭＳ値は、１６３．９５Ａである。図６Ｃでは、ＤＣリンク電流のＲＭＳ値は、１５５．８７Ａである。したがって、ＰＷＭ変調器に供給される対応する搬送波信号を移相させることによってインバータモジュール２０６の切換信号をインターリーブさせることは、ＤＣリンク２０４におけるＲＭＳのＤＣリンクリプル電流を減少させる。

ＶＳＤ １０４が能動コンバータ２０２と、複数のインバータモジュール２０６とを有する本発明の別の実施形態では、制御アルゴリズムは、対応するＰＷＭ変調器から各インバータモジュール２０６に切換信号が供給されるようにして、ＰＷＭ変調器から能動コンバータ２０２へと供給される切換信号をインターリーブさせることができる。インバータモジュール２０６および能動コンバータ２０２用の切換信号は、各ＰＷＭ変調器に移相または時間シフトされた搬送波信号を供給することによってインターリーブされてもよい。搬送波信号は、約３０度〜約９０度の間で互いに移相されてもよい。信号間の移相は、約６０度〜約９０度の間であることが好ましい。

ＶＳＤが能動コンバータと、単一のインバータだけを有する本発明の他の実施形態では、制御アルゴリズムは、ＰＷＭ変調器からインバータに切換信号が供給されるようにして、ＰＷＭ変調器から能動コンバータへと供給される切換信号をインターリーブさせることができる。インバータおよび能動コンバータ用の切換信号は、各ＰＷＭ変調器に移相または時間シフトされた搬送波信号を供給することによってインターリーブされてもよい。搬送波信号は、約３０度〜約９０度の間で互いに移相されてもよい。信号間の移相は、好ましくは約６０度〜約９０度の間であり、最も好ましくは約９０度である。本発明の関連する一実施形態では、切換信号を複数のインバータモジュールに供給するのに単一のＰＷＭ変調器が使用される場合は、能動コンバータおよび複数のインバータモジュール用の切換信号は、単一のインバータについて上述されたようにインターリーブされてもよい。

図３は、冷凍システム内に組み込まれた本発明の一実施形態を全体的に示す。図３に示されるように、ＨＶＡＣ冷凍または液体冷却システム３００は、対応する冷媒回路内に組み込まれた２つの圧縮機を有するが、システム３００は、所望のシステム負荷を提供する１つの冷媒回路または３つ以上の冷媒回路を有することができ、対応する冷媒回路毎に２つ以上の圧縮機を有することもできることが、理解されるはずである。システム３００は、第１の圧縮機３０２と、第２の圧縮機３０３と、凝縮器配置３０８と、膨張装置と、水冷冷却器または蒸発器配置３１０と、制御パネル１１０とを含む。制御パネル１１０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換機と、マイクロプロセッサと、不揮発性メモリと、冷凍システム３００の動作を制御するインターフェイス基板とを含むことができる。制御パネル１１０は、ＶＳＤ １０４、モータ１０６、ならびに圧縮機３０２および３０３の動作を制御するのに使用されてもよい。従来のＨＶＡＣ冷凍または液体冷却システム３００は、図３には示されていない他の多くの特徴を含む。これらの特徴は、図面を簡略化し説明を分かりやすくするために意図的に省略されている。

圧縮機３０２および３０３は、冷媒蒸気を圧縮し、それを凝縮器３０８に引き渡す。圧縮機３０２および３０３は、別々の冷凍回路内で接続されることが好ましく、すなわち、圧縮機３０２および３０３からの冷媒出力が混合されず、システム３００の別々の回路内を移動した後に、圧縮機３０２および３０３内に再び入って別のサイクルを開始することが好ましい。別々の冷凍回路は、対応する熱交換用の単一の凝縮器配置３０８と、単一の蒸発器配置３１０とを使用することが好ましい。凝縮器配置３０８および蒸発器配置３１０は、パーティションを使用して、あるいはそれに相当する配置または分離コイル配置を伴う他の分割手段を使用して、別々の冷媒回路を維持する。本発明の別の実施形態では、圧縮機３０２および３０３からの冷媒出力は、それぞれシステム３００内を移動した後に分離されて、圧縮機３０２および３０３内に再び入るように、単一の冷媒回路内で組み合わされてもよい。

圧縮機３０２および３０３は、スクリュー圧縮機または遠心圧縮機であることが好ましいが、往復圧縮機、スクロール圧縮機、回転圧縮機、または他のタイプの圧縮機を含めた任意の適当なタイプの圧縮機であってもよい。圧縮機３０２および３０３の出力容量は、ＶＳＤ １０４のインバータ２０６によって駆動されるモータ１０６の出力速度に依存する、圧縮機３０２および３０３の動作速度に基づいていてもよい。凝縮器３０８に引き渡される冷媒蒸気は、流体、例えば空気または水との熱交換関係に入り、流体との熱交換関係を経た結果、冷媒液体への相変化を受ける。凝縮器３０８からの凝縮された液体冷媒は、対応する膨張装置を経て蒸発器３１０に流れ込む。

蒸発器３１０は、冷房負荷の供給ライン用および戻りライン用の結線を含むことができる。２次液体は、水であることが好ましいが、他の任意の適当な２次液体、例えばエチレン、塩化カルシウムブライン、または塩化ナトリウムブラインであってもよく、戻りラインを介して蒸発器３１０内に入り、供給ラインを介して蒸発器３１０内から出る。蒸発器３１０うちの液体冷媒は、２次液体の温度を冷却するために、２次液体との熱交換関係に入る。蒸発器３１０うちの冷媒液体は、２次液体との熱交換関係を経た結果、冷媒蒸気への相変化を受ける。次いで、蒸発器３１０うちの蒸気冷媒は、圧縮機３０２および３０３に戻ってサイクルを完了する。凝縮器３０４および蒸発器３０６うちの冷媒の適切な相変化が得られることを条件として、システム３００内では任意の適当な構成の凝縮器３０８および蒸発器３１０が使用され得ることが、理解されるはずである。

本発明は、好ましい一実施形態を参照して説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することのない様々な変更が加えられてもよく、また、本発明の諸要素が諸種の等価物によって置き換えられてもよいことが、当業者には理解されるであろう。さらに、個々の状況または材料に適合するように、本発明の本質的な範囲から逸脱することのない多くの修正が、本発明の教示に加えられてもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として本明細書に開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内にある全ての実施形態を含むことが意図されている。

本発明の一般的な応用例を示す図である。 本発明と共に使用される変速駆動装置の概略図である。 冷凍または冷却システムと共に使用される本発明の一実施形態を示す図である。 本発明と共に使用される変速駆動装置の一実施形態を示す図である。 本発明と共に使用される変速駆動装置の一実施形態を示す図である。 ＰＷＭ変調器において切換信号を生成するための変調波形および搬送波波形の構成を示す図である。 ＰＷＭ変調器において切換信号を生成するための変調波形および搬送波波形の構成を示す図である。 ＰＷＭ変調器において切換信号を生成するための変調波形および搬送波波形の構成を示す図である。 図５Ａ〜５Ｃで生成された切換信号に応答してシミュレートされた、ＤＣリンクキャパシタのリプル電流値を示す図である。 図５Ａ〜５Ｃで生成された切換信号に応答してシミュレートされた、ＤＣリンクキャパシタのリプル電流値を示す図である。 図５Ａ〜５Ｃで生成された切換信号に応答してシミュレートされた、ＤＣリンクキャパシタのリプル電流値を示す図である。

Claims (37)

1. ＤＣリンク段と電気的に並列接続され、誘導モータに電力を給電するようにそれぞれ構成された複数のインバータを有する、インバータ段を提供するステップと、
   対応するインバータを能動化および非能動化するように動作可能である、前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成するステップと、
   前記切換信号に基づいて可変である予め選択された出力電力と、前記切換信号に基づいて可変である予め選択された出力周波数とを前記インバータから得るように、対応する切換信号を用いて前記複数のインバータの各インバータを動作させるステップと、
   前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流を減少させるために、前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせるステップと
   を含むコンバータ段と、ＤＣリンク段と、インバータ段とを有する変速駆動装置を制御する方法。
2. 前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成する前記ステップは、前記複数のインバータの各インバータ毎に、前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号を生成する変調器を提供するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成する前記ステップは、
   提供された各変調器に搬送波信号を入力するステップと、
   提供された各変調器に変調信号を入力するステップと
   をさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせる前記ステップは、提供された各変調器に入力される前記搬送波信号を所定の移相分だけシフトさせるステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記搬送波信号に関する前記所定の移相分は、約３０度〜約９０度の間である、請求項４に記載の方法。
6. 前記複数のインバータは、２つのインバータを備え、前記所定の移相分は、約９０度である、請求項４に記載の方法。
7. 前記複数のインバータは、３つのインバータを備え、前記所定の移相分は、約６０度である、請求項４に記載の方法。
8. 前記複数のインバータは、２つのインバータを備え、前記所定の移相分は、約７２度である、請求項４に記載の方法。
9. 前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせる前記ステップは、提供された各変調器に入力される前記変調信号を所定の移相分だけシフトさせるステップを含む、請求項３に記載の方法。
10. 前記変調信号に関する前記所定の移相分は、約３０度〜約９０度の間である、請求項９に記載の方法。
11. 前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせる前記ステップは、提供される各変調器に入力される前記搬送波信号を所定の時間シフト分だけシフトさせるステップを含む、請求項３に記載の方法。
12. 前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせる前記ステップは、提供される各変調器に入力される前記変調信号を所定の時間シフト分だけシフトさせるステップを含む、請求項３に記載の方法。
13. 前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成する前記ステップは、単一の切換信号を生成する変調器を提供するステップを含み、
    前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号をインターリーブさせる前記ステップは、
    前記単一の切換信号を前記複数のインバータのうちの１つのインバータに供給するステップと、
    前記単一の切換信号を所定の量だけ遅延させた後、遅延された前記単一の切換信号を前記複数のインバータのうちの残りのインバータに供給するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
14. ＡＣ電力グリッドとＤＣリンク段の間に接続された能動コンバータを有する、コンバータ段を提供するステップと、
    前記ＤＣリンク段と電気的に並列接続された少なくとも１つのインバータを有する、インバータ段を提供するステップと、
    前記能動コンバータを能動化および非能動化するように動作可能である、前記能動コンバータ用の第１の切換信号を生成するステップと、
    前記第１の切換信号に基づいて可変である予め選択されたＤＣ電圧を前記ＤＣリンク段において生成するように、前記第１の切換信号を用いて前記能動コンバータを動作させるステップと、
    前記少なくとも１つのインバータを能動化および非能動化するように動作可能である、前記少なくとも１つのインバータ用の第２の切換信号を生成するステップと、
    前記第２の切換信号に基づいて可変である予め選択された出力電力と、前記第２の切換信号に基づいて可変である予め選択された出力周波数とを前記少なくとも１つのインバータから得るように、前記第２の切換信号を用いて前記少なくとも１つのインバータを動作させるステップと、
    前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流を減少させるために、前記第１の切換信号と前記第２の切換信号とをインターリーブさせるステップと
    を含む、コンバータ段と、ＤＣリンク段と、インバータ段とを有する変速駆動装置を制御する方法。
15. 前記能動コンバータ用の第１の切換信号を生成する前記ステップは、
    前記能動コンバータ用の前記第１の切換信号を生成する第１の変調器を提供するステップと、
    前記第１の変調器に搬送波信号を入力するステップと
    を含み、
    前記少なくとも１つのインバータ用の第２の切換信号を生成する前記ステップは、
    前記少なくとも１つのインバータ用の前記第２の切換信号を生成する第２の変調器を提供するステップと、
    前記第２の変調器に前記搬送波信号を入力するステップと
    を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の切換信号と前記第２の切換信号とをインターリーブさせる前記ステップは、前記第２の変調器に入力される前記搬送波信号を所定の移相分だけシフトさせるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２のモジュールに入力される前記搬送波信号に関する前記所定の移相分は、約３０度〜約９０度の間である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第２のモジュールに入力される前記搬送波信号に関する前記所定の移相分は、約９０度である、請求項１７に記載の方法。
19. ＡＣ電源と電気的に接続可能であるように構成され、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するコンバータ段と、
    前記コンバータ段と電気的に接続され、前記コンバータ段からのエネルギーをフィルタリングし蓄積するＤＣリンク段と、
    前記ＤＣリンク段と電気的に並列接続され、ＤＣ電圧を可変周波数の可変ＡＣ電圧に変換して、誘導モータを変速で動作させるようにそれぞれ構成された複数のインバータを備えるインバータ段と、
    前記インバータ段の動作を制御し、前記複数のインバータの各インバータ用の切換信号を生成して、前記可変周波数の前記可変ＡＣ電圧を得るように構成された制御システムと
    を備え、
    前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号は、前記複数のインバータのうちのその他のインバータ用の前記切換信号とインターリーブされる、
    変速駆動装置。
20. 前記制御システムは、それぞれが前記複数のインバータのうちのあるインバータに対応し、それぞれに対応する前記インバータ用の切換信号を生成するように構成され、搬送波信号を受信する搬送波信号入力と、変調信号を受信する変調信号入力とを含む、複数のパルス幅変調（ＰＷＭ）変調器を備える、請求項１９に記載の変速駆動装置。
21. 前記制御システムは、前記複数のＰＷＭ変調器の前記搬送波信号入力に供給される前記搬送波信号を所定の移相分だけシフトさせるように構成される、請求項２０に記載の変速駆動装置。
22. 前記搬送波信号に関する前記所定の移相分は、約３０度〜約９０度の間である、請求項２１に記載の変速駆動装置。
23. 前記複数のインバータは、２つのインバータを備え、前記所定の移相分は、約９０度である、請求項２２に記載の変速駆動装置。
24. 前記複数のインバータは、３つのインバータを備え、前記所定の移相分は、約６０度である、請求項２２に記載の変速駆動装置。
25. 前記複数のインバータは、２つのインバータを備え、前記所定の移相分は、約７２度である、請求項２２に記載の変速駆動装置。
26. 前記制御システムは、前記複数のＰＷＭ変調器の前記変調信号入力に供給される前記変調信号を所定の移相分だけシフトさせるように構成される、請求項２０に記載の変速駆動装置。
27. 前記変調信号に関する前記所定の移相分は、約３０度〜約９０度の間である、請求項２６に記載の変速駆動装置。
28. 前記制御システムは、前記複数のＰＷＭ変調器の前記搬送波信号入力に供給される前記搬送波信号を所定の時間シフト分だけシフトさせるように構成される、請求項２０に記載の変速駆動装置。
29. 前記制御システムは、前記複数のＰＷＭ変調器の前記変調信号入力に供給される前記変調信号を所定の時間シフト分だけシフトさせるように構成される、請求項２０に記載の変速駆動装置。
30. 前記複数のインバータの各インバータ用の前記切換信号に関する前記インターリーブの結果、前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流が減少する、請求項１９に記載の変速駆動装置。
31. 閉冷媒ループの形で接続された第１のモータによって駆動される第１の圧縮機と、第１の凝縮器配置と、第１の蒸発器配置とを備える第１の冷媒回路と、
    閉冷媒ループの形で接続された第２のモータによって駆動される第２の圧縮機と、第２の凝縮器配置と、第２の蒸発器配置とを備える第２の冷媒回路と、
    ＡＣ電力グリッドと電気的に接続可能であるように構成され、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するコンバータ段と、
    前記コンバータ段と電気的に接続され、前記コンバータ段からのエネルギーをフィルタリングし蓄積するＤＣリンク段と、
    それぞれ前記ＤＣリンク段と電気的に並列接続された、ＤＣ電圧を可変周波数の可変ＡＣ電圧に変換して、変速の前記第１のモータに給電するように構成された第１のインバータと、ＤＣ電圧を可変周波数の可変ＡＣ電圧に変換して、変速の前記第２のモータに給電するように構成された第２のインバータとを備えるインバータ段と
    を備える変速駆動装置と、
    前記変速駆動装置の動作を制御し、前記第１のインバータおよび前記第２のインバータ用の切換信号を生成して、前記第１のインバータおよび前記第２のインバータから前記可変周波数の前記可変ＡＣ電圧を得るように構成された制御パネルと、
    を備え、
    前記第１のインバータ用の前記切換信号は、前記ＤＣリンク段のＲＭＳリプル電流を減少させるために、前記第２のインバータ用の前記切換信号とインターリーブされる、
    冷却システム。
32. 前記制御パネルは、それぞれ搬送波信号を受信する搬送波信号入力と、変調信号を受信する変調信号入力とを含む、前記第１のインバータ用の切換信号を生成する第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）変調器と、前記第２のインバータ用の切換信号を生成する第２のＰＷＭ変調器とを備える、請求項３１に記載の冷却システム。
33. 前記制御パネルは、前記第１のＰＷＭ変調器と、前記第２のＰＷＭ変調器とのうちの１つに供給される前記搬送波信号をシフトさせるように構成される、請求項３２に記載の冷却システム。
34. 前記搬送波信号は、所定の移相分または所定の時間シフト分のうちのひとつだけシフトされる、請求項３３に記載の冷却システム。
35. 前記所定の移相分は、約３０度〜約９０度の間である、請求項３４に記載の冷却システム。
36. 前記制御パネルは、前記第１のＰＷＭ変調器と、前記第２のＰＷＭ変調器とのうちの１つに供給される前記変調信号をシフトさせるように構成される、請求項３２に記載の冷却システム。
37. 前記コンバータ段は、能動コンバータを備え、
    前記制御パネルは、搬送波信号を受信する搬送波信号入力と、変調信号を受信する変調信号入力とを含む、前記能動コンバータ用の切換信号を生成する第３のＰＷＭ変調器を備え、
    前記制御パネルは、前記第３のＰＷＭ変調器に供給される前記搬送波信号をシフトさせて、前記能動コンバータ用の前記切換信号を前記第１のインバータおよび前記第２のインバータ用の前記切換信号とインターリーブさせるように構成される、
    請求項３２に記載の冷却システム。

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