JP2009017662A - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電源部として一つ以上のコンバータと一つ以上のインバータとを有し、インバータは出力側に接続されている負荷を駆動する構成で、これらコンバータおよびインバータが電源側のコンデンサを共通にして接続されている電力変換装置に係る。 The present invention has one or more converters and one or more inverters as a power supply unit, and the inverters drive a load connected to the output side, and these converters and inverters share a capacitor on the power supply side. It concerns on the connected power converter.
DC−DCコンバータ(以下、コンバータと略記する)により所定の直流電圧を生成し、この直流電圧出力部と接地電位との間にコンデンサを接続し、このコンデンサの両端からインバータに電力を供給する構成の電力変換装置において、このインバータで電動機等負荷のPWM(Pulse Width Modulation)制御を行う電力変換装置においては、PWMに用いられるキャリア、あるいは負荷駆動に用いられる信号等によるリプル電流成分が上記のコンデンサに流れ、リプル成分が損失としてコンデンサ内で消費される。この損失分によりコンデンサは発熱する。したがって、回路構成時においてはこの発熱に対して十分余裕を持たせるように、リプル耐量の大きい高性能で大型のコンデンサの使用が必要となっていた。このため、以下のようなリプル電流を低減した電力変換装置の例が開示されている。 A configuration in which a predetermined DC voltage is generated by a DC-DC converter (hereinafter abbreviated as a converter), a capacitor is connected between the DC voltage output unit and the ground potential, and power is supplied to the inverter from both ends of the capacitor. In the power conversion device that performs PWM (Pulse Width Modulation) control of a load such as an electric motor with this inverter, the ripple current component due to the carrier used for PWM or the signal used for driving the load is the above capacitor. The ripple component is consumed in the capacitor as a loss. The capacitor generates heat due to this loss. Therefore, it is necessary to use a high-performance and large-sized capacitor having a large ripple resistance so as to provide a sufficient margin for this heat generation in the circuit configuration. For this reason, the example of the power converter device which reduced the following ripple current is disclosed.
すなわち、下記「特許文献1」においては、電力変換装置は2つの負荷を駆動するための2組の電力変換装置で構成されており、それぞれの電力変換装置は接続された負荷である電動機を駆動する三相ブリッジ回路であるインバータをそれぞれ有している。これらインバータに接続された各負荷をPWM制御するための2組の三角波発生器がそれぞれのインバータに備えられている。これら三相のインバータの各相をそれぞれ動作させるキャリア発生装置としての2組の三角波発生手段に対して、互に所定の位相差となるようにこれら三角波の位相差を切り替ることでコンデンサ端子におけるリプル電流成分を打ち消しあう構成としている。この構成によれば、リプル電流のキャリア周波数成分の抑制には効果があるが、キャリア周波数成分以外の、例えば電動機駆動の相電圧成分の周波数等に対しては効果が無いという問題があった。
That is, in the following “
また、下記「特許文献2」においては、2つのダイオードの直列接続、又はダイオードとスイッチング素子との逆並列回路を2つ直列接続した回路に、ブリッジ接続のインバータ回路を並列接続して構成された交流スイッチを用いた周波数変換回路において、交流スイッチ付属のスナバ回路のエネルギーを、負荷側又は電源側に回生させるようにする構成としている。この構成においてはスナバ回路のエネルギーの回生、すなわち電力変換装置における各相電流のリプル成分を検出し、電力変換装置の目標出力電圧を指定する指令値にあわせるためのフィードバック制御を行う構成としている。この構成においては、フィードバック系の周波数特性の影響を受け、リプル電流成分の周波数が高いほど制御ゲインが小さくなり、この結果、コンデンサ電流の低減効果が十分には得られなくなるという問題があった。
電力変換装置は、DC−DC変換を行うコンバータと負荷駆動用の電力波形生成を行うインバータとを有している。このコンバータおよびインバータにおいて用いられるキャリア周波数から発生するリプル電流成分が電源の直流電圧に重畳され、この重畳されたリプル電流成分はコンバータとインバータとの間に介在しているコンデンサにコンデンサ電流として流入し吸収される。このコンデンサ電流はコンデンサにおける損失となり、コンデンサの温度上昇を生じる原因となっていた。この問題解決のためには、この発熱に耐え得る大型で且つ高周波損失の少ない高価なコンデンサを必要としていた。また、この対策としては、電力変換装置で用いるPWM信号を生成するためのキャリア波を所定の周波数及び位相差とする方法、あるいは電力変換装置の相電圧または相電流のリプル成分を検出し、この検出した成分を電力変換装置の指令値の設定部にフィードバック制御する方法等によりリプル電流成分を低減する方法が開示されてきている。しかし、いずれの方法においても十分な低減効果が得られているとは言えなかった。
このため、本発明においては、小型で安価なコンデンサを使用し、且つ電力変換装置における制御系ループの周波数特性による制限が無く、十分に大きな低減効果が得られる電力変換装置の提供を目的とするものである。
The power converter includes a converter that performs DC-DC conversion and an inverter that generates a power waveform for driving a load. The ripple current component generated from the carrier frequency used in this converter and inverter is superimposed on the DC voltage of the power source, and this superimposed ripple current component flows into the capacitor interposed between the converter and the inverter as a capacitor current. Absorbed. This capacitor current becomes a loss in the capacitor and causes a rise in the temperature of the capacitor. In order to solve this problem, an expensive capacitor that can withstand this heat generation and that has low high-frequency loss is required. In addition, as a countermeasure, a method of setting a carrier wave for generating a PWM signal used in the power converter to a predetermined frequency and phase difference, or detecting a ripple component of the phase voltage or phase current of the power converter, A method of reducing a ripple current component by a method of feedback-controlling a detected component to a command value setting unit of a power converter has been disclosed. However, it cannot be said that a sufficient reduction effect is obtained by any of the methods.
Therefore, an object of the present invention is to provide a power conversion device that uses a small and inexpensive capacitor and is not limited by the frequency characteristics of the control loop in the power conversion device, and can provide a sufficiently large reduction effect. Is.
前記目的を達成するために、本発明においては、負荷を駆動するインバータの制御器で使用されるコンデンサ電圧、相電圧指令値、相電流指令値、キャリア周波数の各パラメータを取得し、この取得されたパラメータを用いてリプル成分を打ち消す成分となる交流指令値を生成し、コンバータに送出するオブザーバをインバータの制御部に接続する。オブザーバから送出された交流指令値は、コンバータにおける制御器に送出され、この交流指令値をコンバータにおける昇圧指令値に重畳することによりリプル成分の打消しを行う構成としている。 In order to achieve the above object, in the present invention, parameters of a capacitor voltage, a phase voltage command value, a phase current command value, and a carrier frequency used in a controller of an inverter that drives a load are obtained and obtained. An AC command value that is a component that cancels the ripple component is generated using the parameters, and an observer that is sent to the converter is connected to the control unit of the inverter. The AC command value sent from the observer is sent to the controller in the converter, and this AC command value is superimposed on the boost command value in the converter to cancel the ripple component.
本発明による電力変換装置においては、始めにインバータの制御変数を元にして交流成分、すなわちリプル成分を抑圧する交流指令値をコンバータの昇圧指令値に重畳する手法としている。さらに、この交流指令値の重畳はオブザーバによるフィードフォーワードを用いているため、従来のようにフィードバックループの周波数特性による利得低減の制限が無く、全周波数帯域に対して制御利得を無限大とすることができ、高調波成分および側帯波成分も含めてリプル電流成分を十分に低減する事が可能となった。 In the power conversion device according to the present invention, the AC command value for suppressing the AC component, that is, the ripple component, is first superposed on the boost command value of the converter based on the control variable of the inverter. Furthermore, since this AC command value superimposition uses a feedforward by an observer, there is no limit on gain reduction due to the frequency characteristics of the feedback loop as in the past, and the control gain is made infinite for the entire frequency band. Therefore, the ripple current component including the harmonic component and the sideband component can be sufficiently reduced.
図1に本発明による電力変換装置の構成を示す。図1に示す電力変換装置は、第1の電力変換部としてのDC−DCコンバータであるコンバータ102と、第2の電力変換部としての三相ブリッジを含む電圧型三相PWMインバータ104(以下、インバータと略記する)と、直流電源部101と、リプル電流成分抑圧用として用いられる波形を生成するオブザーバ111と、コンバータ102とインバータ104との直流電源101に共通に接続されている平滑用のコンデンサ103とが接続されている。
FIG. 1 shows a configuration of a power converter according to the present invention. 1 includes a
図1において、直流電源101は例えばバッテリ(蓄電池)あるいは燃料電池等であり、この直流電圧はDC−DCコンバータであるコンバータ102で昇圧した後コンデンサ103を経て、インバータ104により電動機105を駆動する。
In FIG. 1, a
コンバータ102は、リアクトル106と、2個のIGBT(Insulated Gate Bipoler Transister)で構成された半導体装置107と、コンバータ側の制御器108とで構成されており、制御器108は電源101のON−OFFあるいは電源電圧等の電圧状態と、コンデンサ103の電圧状態と、後述のオブザーバ111からの交流指令値とを元に半導体装置107の導通制御を行う。
The
インバータ104はIGBTを6個(各相2個)用いた半導体装置109と、インバータ104の制御器110とで構成されている。インバータの制御器110はコンデンサ103の電圧状態と電動機105の回転数、回転角、トルクを元に半導体装置109の導通制御を行い、かつ、オブザーバ111に半導体装置109の導通制御に関わる制御変数を送る。オブザーバ111においては、インバータ104の制御器110から取得した制御変数を元に予め設定されている参照表としてのMAPを参照するか、もしくは後述の予め設定されている数式による演算処理を行い、コンバータ102側の制御器108にこれにより得られた半導体装置107の導通制御の指令を送る。すなわち、インバータに起因するリプル電流成分抑圧のためのインバータ制御変数を取得し、さらにこの制御変数を元にリプル電流成分抑圧用の交流指令値の生成がオブザーバ111において行なわれる。この交流指令値はオブザーバ111からコンバータ102の制御器108に送出され、コンバータ102で用いられる昇圧指令値に重畳し、リプル電流成分を抑圧した波形となるようにコンバータ102の昇圧指令値(最終的な昇圧指令値)を生成している。この昇圧指令値をキャリアと電圧比較器で比較することによりリプル電流成分を抑圧した負荷駆動電力を得ている。
The
以下、図1に示す構成の電力変換装置の動作について、まず、コンバータ102のみによるリプル電流について説明し、次いで、インバータによるリプル電流について説明し、次いで、これらを統合したものとして全リプル電流成分の場合について説明する。
In the following, the operation of the power conversion device having the configuration shown in FIG. 1 will be described first with respect to the ripple current due to the
図2により、まず、一般的なコンバータの制御について説明する。ここで、図1におけるコンバータ102側の制御器108は、図2に示すように昇圧指令値生成部201、キャリア生成部202、電圧比較器208、バッファ回路209、および反転回路210有しており、バッファ回路209および反転回路210の出力はコンバータ102の半導体装置203を構成している半導体素子(上アーム204、下アーム205)の制御電極にそれぞれ接続されている。
First, general control of the converter will be described with reference to FIG. Here, the
コンバータ102は、電源電圧Vin206とコンデンサ電圧Vc207を元にして昇圧指令値生成部201において昇圧指令値Dを決定し、この昇圧指令値Dとキャリア生成部202において発生された三角波のキャリアとの比較を電圧比較器208で行い、この比較結果によりコンバータの半導体装置203の導通制御を行う。なお、この導通制御において半導体装置203における上アーム204が導通状態のときは下アーム205は非導通状態となり、上アーム204が非導通状態のときは下アーム205は導通状態となり、両アームが同時に導通状態となることはないように制御される。
Converter 102 determines boost command value D in boost command
図3は図1に示した昇圧コンバータ102において昇圧指令値D301とキャリア302とを図2における電圧比較器208で比較する状態を示すものである。図3において、横軸は時間軸であり、縦軸は振幅を示す電圧軸である。キャリア302は所定の周波数で、振幅は任意スケールで0から1までの値をとる三角波である。また、昇圧指令値D301は昇圧比に応じて任意スケールで0から1の間の値をとり、昇圧指令値D301とキャリア302の値を図2の電圧比較器208で比較し、昇圧指令値D301がキャリア302より大きい場合は電圧比較器208の出力は論理“0”であり、これにより上アーム204が非導通であり、下アームが導通となる。したがって、昇圧指令値D301が0の場合は、電圧比較器208の出力は常に論理“1”であるから、電源電圧Vin206とコンデンサ電圧Vc207とは同じ電圧となり、昇圧指令値D301が1に近いほどデューティ比α(α=TON/T)は1に近くなり、したがってコンデンサ電圧Vc207は高くなる。ここで、Tはキャリア302の周期、TONは上アーム204が導通状態となっている時間を示している。
FIG. 3 shows a state in which the boost command value D301 and the
次に、図4により一般的なインバータの動作を三相のうちの任意の一相について説明する。インバータ104は、コンデンサ電圧Vc406と着目している相の相電流Iu407とを元にして相電圧指令値生成部401で相電圧指令値Vu *を決定し、この相電圧指令値Vu *とキャリア生成部402で発生された三角波形のキャリア402とを電圧比較器408により比較し、この比較結果により半導体装置403の各スイッチング素子の導通制御を行う。なお、半導体装置403においても図2のコンバータの場合と同様に、上アーム404が導通の時は、下アーム405は非導通となり、上アーム404が非導通時において下アームは導通となり、両アームは同時に導通状態になることはないように制御される。
Next, the operation of a general inverter will be described for any one of the three phases with reference to FIG. The
図5は、図4に示すインバータ(図1における104)において電圧比較器408の入力側における相電圧指令値Vu *501と三角波形のキャリア502との関係を例示したもので、横軸は時間を、縦軸は電圧を示している。キャリア502は0からコンデンサ電圧Vcまでの値をとる三角波であり、相電圧指令値Vu *501は電動機105に接続されている出力側の交流電圧に応じて変化しその振幅は最大でコンデンサ電圧Vcとなる波形である。そして、相電圧指令値Vu *501とキャリア502との値を比較して、例えば、相電圧指令値Vu *501が大きい場合には上アーム404が導通状態となり、下アームが非導通となる。
FIG. 5 illustrates the relationship between the phase voltage
図6は横軸に周波数、縦軸にコンデンサ電流すなわちリプル電流の周波数成分を実効値で示したもので、コンバータ102が20kHzのキャリア周波数で動作している場合の、昇圧コンバータ102に起因するコンデンサ103に流れるリプル電流の周波数分析結果を示したものである。コンデンサ103を流れるリプル電流は、コンバータ102のキャリア周波数を逓倍した成分601により構成されている。
FIG. 6 shows the frequency on the horizontal axis and the effective frequency component of the capacitor current, that is, the ripple current on the vertical axis. The capacitor caused by the
図7は図6と同じく、横軸に周波数、縦軸にコンデンサ電流であるリプル電流の周波数成分の実効値をとり、インバータ104が10kHzのキャリア周波数で動作している場合のインバータに起因するリプル電流の周波数分析結果を示したものである。コンデンサ103を流れるリプル電流は、インバータ104のキャリア周波数×2の逓倍成分701と、キャリア周波数の逓倍周波数を中心とした相電圧周波数×3の逓倍周波数の上下側波帯702および703とにより構成されている。
FIG. 7 shows the ripple caused by the inverter when the frequency is plotted on the horizontal axis and the effective value of the frequency component of the ripple current which is the capacitor current is plotted on the vertical axis, and the
前記特許文献1と同じ手法を用いることにより、コンバータ102のキャリア周波数の成分601と、インバータ104のキャリア周波数×2の成分701とを打ち消しあうようにしてリプル電流を低減することができるが、キャリア周波数以外の周波数成分を打ち消す効果は無いため、リプル電流低減の効果としては不十分であった。
By using the same method as in
そこで、本発明においては、コンバータ102の昇圧指令値にリプル電流に対応する交流成分を重畳することで、インバータ104のキャリア周波数とその逓倍の周波数を中心とした相電圧周波数×3の側帯波の成分(例えば図7における702,703等)を打ち消す手法を開示するものである。
Therefore, in the present invention, the AC voltage component corresponding to the ripple current is superimposed on the boost command value of the
ここで、上記の交流成分の周波数、振幅、位相をコンバータ以外の電力変換器の制御変数を用いて決定する。このために、オブザーバ111が下記パラメータをインバータから制御変数として取得する。
・ コンデンサ電圧 Vc
・ 相電圧指令値Vu * Vcos(2πfot+θv)
・ 相電流指令値Iu * Icos(2πfot+θi)
・ キャリア周波数 fc
ただし、相電流指令値Iu *は相電圧指令値Vu *が上記式で表されるとした場合を示している。上式における各変数は以下の通りである。
Here, the frequency, amplitude, and phase of the AC component are determined using control variables of a power converter other than the converter. For this purpose, the
・ Capacitor voltage V c
-Phase voltage command value V u * Vcos (2πf o t + θ v)
-Phase current command value I u * I cos (2πf o t + θ i )
Carrier frequency f c
However, the phase current command value I u * indicates a case where the phase voltage command value V u * is expressed by the above formula. Each variable in the above equation is as follows.
fo:相電圧、相電流周波数(Hz)
fc:キャリア周波数(Hz)
V :相電圧振幅(V)
I :相電流振幅(A)
θv:相電圧位相角(rad)
θi:相電流位相角(rad)
t :時間(sec)
続いて、下側帯波702を打ち消す場合には、図1におけるオブザーバ111において上記インバータ制御変数を元に下記(数3)式で示す演算を行い、下側帯波702の周波数Freqと振幅Ampと位相Phaseを推定する。ここで、振幅推定式中の定数0.992は実験的に求めた値であり、実質的にこの値に近いものであれば良い。
f o : phase voltage, phase current frequency (Hz)
f c : carrier frequency (Hz)
V: Phase voltage amplitude (V)
I: Phase current amplitude (A)
θ v : phase voltage phase angle (rad)
θ i : Phase current phase angle (rad)
t: Time (sec)
Subsequently, when canceling the
さらに、もう一方の上側帯波成分703も打ち消す場合には、上記と同様にして昇圧コンバータの昇圧指令値に下記交流指令値に下記(数7)式で示す交流指令値D+を重畳する。
Further, when canceling the other
図10は横軸を時間軸とし、昇圧指令値Dと上下側帯波に対応する交流指令値D−およびD+とを加算した全指令値(D+D−+D+)とキャリア波形との関係を示している。図11はこのコンバータ102におけるコンデンサ電流の周波数分析結果を示すものである。この分析結果から、コンデンサに流れるリプル電流成分に対応する交流指令値は、本来のコンバータ102のキャリア周波数の逓倍の他に、0倍(直流成分)を含むキャリア周波数の逓倍を中心とした下側帯波に対応した交流指令値D−の周波数の逓倍の側帯波成分と、0倍(直流成分)を含むキャリア周波数の逓倍を中心とした上側帯波に対応した交流指令値D+の周波数の逓倍の側帯波成分と、を含む構成であることが読み取れる。
Figure 10 is a horizontal axis is a time axis, the AC command value D corresponding to the boost command value D vertical side bands - and D + and total command value obtained by adding the (D + D - + D +) and shows the relationship between the carrier wave ing. FIG. 11 shows the frequency analysis result of the capacitor current in the
以上、図1に示したように、IGBTおよびオブザーバを用いた電力変換装置を構成した場合を例に本発明を説明したが、この構成に限定するものではない。例えば、IGBTの代わりにパワーMOSFETを用いる構成、あるいは本実施の形態においてはオブザーバ111により演算処理で求める手法について開示したが、予め取得したインバータ制御変数と直流成分を含む交流指令値との関係を与える表、すなわちMAPを用いてオブザーバ111がそのMAPを参照して交流指令値D−、D+を求めてリプル電流成分を打ち消す手法を用いることも可能である。
As described above, as shown in FIG. 1, the present invention has been described by taking as an example a case where a power conversion device using an IGBT and an observer is configured. For example, a configuration using a power MOSFET instead of an IGBT, or a method for calculating by an arithmetic process using the
101:電源 102:コンバータ
103:コンデンサ 104:インバータ
105:電動機 106:リアクトル
107:コンバータ側半導体装置 108:コンバータの制御器
109:インバータ側半導体装置 110:インバータの制御器
111:オブザーバ 201:昇圧指令値生成部
202:キャリア生成部 203:半導体装置
204:上アーム 205:下アーム
206:電源 207:コンデンサ電圧
208:電圧比較器 401:相電圧指令値生成部
402:キャリア生成部 403:半導体装置
404:上アーム 405:下アーム
406:コンデンサ電圧 407:相電流
408:電圧比較器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101: Power supply 102: Converter 103: Capacitor 104: Inverter 105: Electric motor 106: Reactor 107: Converter side semiconductor device 108: Converter controller 109: Inverter side semiconductor device 110: Inverter controller 111: Observer 201: Boost command value Generation unit 202: Carrier generation unit 203: Semiconductor device 204: Upper arm 205: Lower arm 206: Power supply 207: Capacitor voltage
208: Voltage comparator 401: Phase voltage command value generation unit 402: Carrier generation unit 403: Semiconductor device 404: Upper arm 405: Lower arm 406: Capacitor voltage 407: Phase current 408: Voltage comparator
Claims (3)
前記PWM制御を行う際に生じる前記平滑用コンデンサに流入する交流成分を抑圧させる波形を交流指令値としてオブザーバで生成し、該交流指令値を前記コンバータの昇圧指令値に重畳することを特徴とする電力変換装置。 The power converter includes a plurality of power converters including at least one DC-DC converter and an inverter that drives a load, and the plurality of power converters are connected with a power supply smoothing capacitor in common. In the power conversion device that controls the drive by PWM,
A waveform that suppresses an AC component flowing into the smoothing capacitor that is generated when the PWM control is performed is generated as an AC command value by an observer, and the AC command value is superimposed on a boost command value of the converter. Power conversion device.
前記交流成分の周波数、振幅、位相は前記コンバータ以外の電力変換器の制御変数を用いて以下の手順により決定されるものとし、
該制御変数を
コンデンサ電圧Vc
相電圧指令値Vu *=Vcos(2πfot+θv)
相電流指令値Iu *=Icos(2πfot+θi)
キャリア周波数fc
とし、また、D−およびD+をそれぞれ下側帯波成分および上側帯波成分を打ち消すための交流指令値、θv、θiは相電圧指令値および相電流指令値の位相成分、foを相電圧、相電流の周波数として、下側帯波成分を打ち消す場合の交流指令値D−は(数1)式により
The frequency, amplitude, and phase of the AC component are determined by the following procedure using control variables of a power converter other than the converter,
The control variable is the capacitor voltage V c
Phase voltage command value V u * = V cos (2πf o t + θ v )
Phase current command value I u * = I cos (2πf o t + θ i )
The carrier frequency f c
And, also, D - and D + AC command value for canceling the sideband component and the upper sideband component under each, theta v, theta i is the phase component of the phase voltage command value and the phase current command value, the f o As the frequency of the phase voltage and phase current, the AC command value D − in the case of canceling the lower sideband component is expressed by the equation (1).
前記重畳する交流指令値と前記制御変数との関係を予め参照表としてオブザーバに設定されているMAPを参照して決定することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power conversion device, wherein a relationship between the AC command value to be superimposed and the control variable is determined with reference to a MAP set in an observer in advance as a reference table.
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