JP2008167630A - 電力変換器の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流電動機の電流制限値と電流検出値とを用いて、前記電圧指令値の各軸成分に対する電圧補正値を演算する電圧調整手段を備えた制御装置において、電圧調整手段3Aは、電動機60の電流制限値ベクトルの大きさと電流検出値から求めた電流ベクトルの大きさとの偏差を用いて、電圧補正値の振幅を演算するPI制御手段33と、回転座標系の電流検出値の各軸成分id,iqを用いて電圧補正値の位相を調整するための乗算手段と、を備え、振幅及び位相が調整された電圧補正値を用いて元の電圧指令値の各軸成分を補正することにより、交流電動機の電流を制限値以下に制限する。
【選択図】図3
Description
この問題を解決するため、従来では、例えば特許文献1に記載されている方法(以下、第1の従来技術という)により電動機電流の増加を抑制している。
図9は、特許文献1に記載されている電圧形PWMインバータの電流制限を行うためのブロック図である。図9において、301は直流電源、302はトランジスタTr1〜Tr6及び環流ダイオードD1〜D6からなる三相電圧形PWMインバータ、IMは負荷としての三相誘導電動機を示している。
上記PWM信号に従ってトランジスタTr1〜Tr6を駆動することにより、インバータ302の出力電圧がその指令値に一致するような制御が行われている。
インバータ302の各相出力電流は電流検出器303により検出され、電流制限値に相当する不感帯を持つ係数器304〜306によって前記電流制限値を超える偏差がその極性と共に検出される。この偏差は、各相のPWMパターン発生回路309〜311内の加算器309aに入力され、出力電圧指令値に対するオフセットとして作用することにより、出力電圧指令値が補正される。
第1の従来技術では、このようにして電動機電流を制限する方法が採られていた。
例えば、U相の上アームのスイッチング素子がオン、V相、W相の下アームのスイッチング素子がオンである場合、スイッチングパターン(SuSvSw)は(100)となる。なお、図10において、C1,C2は図9における直流電源301としての分圧用コンデンサである。
[数式1]
di/dt=(V−e)/L
図12においてI,II,III,IVは出力電圧ベクトルVが属する座標上の領域である。
しかし、上記時間変化率ベクトルdi/dtは、図12から判るようにu相電流iuの正方向成分を有しているので、出力電流ベクトルiはu相電流方向に増加することになり、結果として電流制限がかからず、インバータの電流定格を増加せざるを得ないといった問題が生じる。
以下、この第2の従来技術を、図13を参照しつつ説明する。
[数式2]
ΔVq=−ΔV×Iq/I1
ΔVd=−ΔV×Id/I1
第2の従来技術では、d軸,q軸電流Id,Iqを用いているので、力行時と回生時とでIqの符号が異なっている。よって、力行時にはΔVd,ΔVqは負となり(Imax−I1においてI1が大きいため、ΔVが負になる)であり、回生時にはΔVqは正、ΔVdは負となり、力行、回生どちらの場合でも、電流ベクトルIが減少する方向に電圧指令値が補正される。これにより、電動機電流が抑制されることになる。
また、第2の従来技術では、電動機モデルの一部(比例項)のみしか考慮していないため、制限機能の高精度化に限界があると共に、過渡項を無視しているため、電流実際値が過大になる始動時や負荷急変時などで制御遅れが発生し、電動機の運転を継続できずに異常停止する恐れもある。
前記電圧調整手段は、
交流電動機の電流制限値ベクトルの大きさと前記電流検出値から求めた電流ベクトルの大きさとの偏差を用いて、前記電圧補正値の振幅を演算する比例積分演算手段と、
回転座標系の電流検出値の各軸成分を用いて、前記電圧補正値の位相を調整する手段と、を備え、
振幅及び位相が調整された前記電圧補正値を用いて元の電圧指令値の各軸成分を補正することにより、交流電動機の電流を前記電流制限値以下に制限するものである。
まず、図1は本発明の実施形態を示すブロック図である。図1において、50は電圧形インバータ等の電力変換器、60は誘導電動機等の交流電動機であり、電動機60の制御方法としては、印加電圧の大きさと周波数との比を一定に保つことにより電動機60の主磁束の大きさを一定にして可変速駆動する一般的なV/f一定制御を用いている。
上記電圧指令値vU *,vV *,vW *は、PWMパルス発生手段5により、電力変換器50を構成する電力用半導体スイッチング素子のオンオフ指令に変換される。電力変換器50は、上記オンオフ指令に基づいて所定のスイッチング素子をオンオフすることにより、直流入力端子P,Nの直流電圧を三相交流電圧に変換して電動機60に供給する。
ここで、定常状態における回転座標上の電圧,電流ベクトル図は、図2のようになる。
この時、電動機電流の大きさを制限するためには、電力変換器50の出力電圧ベクトルVが電動機60の誘起電圧ベクトルeに近付くようにその大きさ及び位相を調整すれば、図2から明らかなようにid,iqを減少させることができ、電動機電流の増加を抑制することができる。
従って、この実施形態では、図1の電圧調整手段3において、電流検出手段6及び座標変換手段7を介して検出した回転座標系の各軸電流id,iqのベクトル和である電流の大きさIlが予め設定した電流制限値Ilim *を超えた場合には、上記電流id,iqや電流制限値Ilim *に応じて生成した各軸の電圧補正値Δvd,Δvqにより回転座標系の電圧指令値vd *,vq *を補正し、電力変換器50の出力電圧ベクトルVの大きさ及び位相を調整することにより、電動機電流Ilを電流制限値Ilim *以下の所望の値に制限する。
図3において、図1の座標変換手段7から出力された回転座標上のd軸,q軸電流id,iqは演算手段31に入力され、数式4によって電流ベクトルの大きさI1が演算される。ここで、I1は座標変換を行う前の静止座標上の電流成分から演算しても良い。
これにより、数式6で示される電圧補正値Δvd(=ΔVid−ΔViq)によりvd *が補正されて最終的なd軸電圧指令値vd **として図1の座標変換手段4に出力され、同じく電圧補正値Δvq(=ΔVid+ΔViq)によりvq *が補正されて最終的なq軸電圧指令値vq **として座標変換手段4に出力される。
以上の構成が、請求項1の実施形態に相当する。
これにより、数式7に示す如く、乗算手段351d,351qの出力信号が過渡項として数式6の右辺に加算された信号が電圧補正値Δvd,Δvqとなり、これらの電圧補正値Δvd,Δvqによりvd *,vq *が補正されて最終的なd軸,q軸電圧指令値vd **,vq **が生成されて座標変換手段4に出力される。数式7において、G(s)はハイパスフィルタ34の伝達関数である。
以上の構成が、請求項2の実施形態に相当する。
この先願発明の一実施例では、図1における電圧調整手段3が、Ilim *とI1との偏差から電圧補正値の大きさを決定し、各軸電流id,iq及び電動機定数に相当するゲインK1〜K3を用いた演算により、出力電圧ベクトルが誘起電圧ベクトルに近付くように補正電圧ベクトルの角度を決定すると共に、上記電圧補正値の大きさ及び角度を用いて各軸の電圧補正値Δvd,Δvqを求めている。そして、各軸電流id,iqが入力される微分演算手段またはハイパスフィルタ(伝達関数をG(s)とする)を備え、これらの出力を上記角度の調整に用いている。
図4(b)によれば、電流制限動作が働いている間に定常的な電流偏差が存在しているが、図4(a)の第1実施例によれば、電流ベクトルの大きさが設定値によって制限されているのがわかる。
従って、第1実施例によれば、先願発明よりも高精度な電流制限が可能である。
この第2実施例では、PI制御手段33及びハイパスフィルタ34の出力側にリミッタ(上限リミッタ)361,362がそれぞれ設けられており、その他の構成は図3と同一である。なお、リミッタ361,362は何れか一方のみを設けても良い。これらのリミッタ361,362は、電流制限機能が有効になった後に負荷が変化して電流制限の必要がなくなり、電流制限機能を解除する際に働くものである。
この第3実施例は、第2実施例の構成に加えて、演算手段31の出力により「1」を除算する除算手段353を設けると共に、乗算手段351d,351qの前段に乗算手段354d,354qを設け、各軸電流id,iqに除算手段353の出力を乗算することにより、各軸電流id,iqを電流ベクトルの大きさにより規格化することを特徴としている。
この第3実施例における電圧補正値Δvd,Δvqは、数式9となる。
すなわち、電流ベクトルの大きさではなく電流ベクトルの位相を変化させずに電流を制限するため、電動機の磁束軸及びトルク軸を最適に制御することができる。
この第3実施例は、図3に示した第1実施例にも適用可能である。
この第4実施例では、第3実施例の構成に加えて、乗算手段352d,352qの出力側に乗算手段355q,355dを設け、これらの乗算手段355q,355dにより、一次周波数f1に応じた係数(|ω1pu *|)を乗算手段352d,352qの出力に乗算して各軸の電圧補正値Δvq,Δvdに加算するように構成されている。
なお、数式10において、R1:一次抵抗、Lσ:漏れインダクタンス、p:微分演算子、e2d,e2q:誘起電圧である。
更に、より電動機モデルに近付けるため、R1やLσのパラメータを用いて数式10に近付けて構成しても良い。
この第4実施例は、図3の第1実施例,図5の第2実施例にも適用可能である。
この第5実施例では、第4実施例の構成に加えて、電流制限値Ilim *が入力される目標値フィルタ37を設け、その出力を目標値として加算手段32に入力することにより、電流制限開始直後のオーバーシュート量を低減するようにした。
そこで、第5実施例では、上記オーバーシュートを低減するために目標値フィルタ37を設けている。その具体的な作用としては、電流制限が開始されると、もとの電流制限値Ilim *よりも低い目標値を初期値として目標値フィルタ37に代入する。時定数は、例えば電動機の電気定数に設定し、その時定数で目標値フィルタ37の出力を上記目標値に収束させる。
PI制御手段33は、目標値フィルタ37から出力される目標値と電流ベクトルの大きさI1との偏差を抑制するように動作する。
なお、この第5実施例は、前述した第1〜第3実施例にも適用可能である。
2:積分手段
3,3A,3B,3C,3D,3E:電圧調整手段
3d,3q:加算手段
31:演算手段
32:加算手段
33:PI制御手段
34:ハイパスフィルタ
351d,352d,354d,355d,351q,352q,354q,355q:乗算手段
353:除算手段
361,362:リミッタ
37:目標値フィルタ
4,7:座標変換手段
5:PWMパルス発生手段
6:電流検出手段
50:電力変換器
60:交流電動機
Claims (6)
- 交流電動機を可変速駆動する電力変換器の半導体スイッチング素子に対する駆動信号を、回転座標系の電圧指令値に従って生成する電力変換器の制御装置であって、交流電動機の電流制限値と電流検出値とを用いて、前記電圧指令値の各軸成分に対する電圧補正値を演算する電圧調整手段を備えた制御装置において、
前記電圧調整手段は、
交流電動機の電流制限値ベクトルの大きさと前記電流検出値から求めた電流ベクトルの大きさとの偏差を用いて、前記電圧補正値の振幅を演算する比例積分演算手段と、
回転座標系の電流検出値の各軸成分を用いて、前記電圧補正値の位相を調整する手段と、を備え、
振幅及び位相が調整された前記電圧補正値を用いて元の電圧指令値の各軸成分を補正することにより、交流電動機の電流を前記電流制限値以下に制限することを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 請求項1に記載した電力変換器の制御装置において、
前記電圧調整手段は、前記偏差が入力されるハイパスフィルタまたは微分演算手段を備え、これらのハイパスフィルタまたは微分演算手段の出力を前記電圧補正値の調整に用いることを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換器の制御装置において、
前記比例積分手段、ハイパスフィルタまたは微分演算手段の出力のうち少なくとも一つの上限値を制限する手段を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した電力変換器の制御装置において、
回転座標系の電流検出値の各軸成分を前記電流ベクトルの大きさにより除算して規格化し、この規格化された各軸成分を用いて前記電圧補正値を調整することを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した電力変換器の制御装置において、
前記比例積分演算手段の出力と回転座標系の電流検出値の各軸成分との積に、一次周波数に比例した係数を乗じて前記電圧補正値を生成することを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載した電力変換器の制御装置において、
前記電流制限値が入力される目標値フィルタを備え、
前記電流検出値から求めた電流ベクトルの大きさが電流制限値ベクトルの大きさを超過した際に、この電流制限値ベクトルの大きさよりも低い値を目標値として前記目標値フィルタから出力させ、前記目標値と前記電流検出値から求めた電流ベクトルの大きさとの偏差を比例積分演算手段に入力して電流制限動作の開始直後における電動機電流のオーバーシュートを抑制するような電圧補正値を生成することを特徴とする電力変換器の制御装置。
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