JP2010532654A - 回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステム及び方法。様々な実施形態によれば、このシステムには、複数の入力変数と少なくとも１つの出力変数を有する調整器と、調整器と通じている累算器が含まれており、累算器によって、迅速な出力を促進するように調整器の出力がプリセットされ、更に、複数の入力変数に関連した誤差値が累算されて、累算器による累算値に基づく少なくとも１つの出力変数への変更が容易になる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００７年７月５日に提出された米国特許仮出願第６０／９４８，０７２号の優先権の特典を主張するものである。

本発明は、一般に及び様々な実施形態において、回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステム及び方法に関する。

ＡＣモータ駆動装置のような電力供給装置は、一般に完全回生システム又は非回生システムとして入手可能である。非回生システムの場合、入力電力が入力電力源から負荷に流れ、負荷により生じる電力は入力電源への還流を阻止される。完全回生システムの場合、入力電力が入力電源から負荷に流れ、負荷により生じる電力は入力電力源に還流することが可能である。

当該技術において既知のように、こうした完全回生システムには回生電流を制御する能動フロントエンドが含まれている。しかしながら、能動フロントエンドは、ある程度の入力ＡＣ電力の歪みを生じることになりがちである。歪みを低減し、ＡＣ入力の各脚部における入力を平滑化するため、ＡＣ入力の各脚部毎にラインリアクトルを利用することも知られている。しかしながら、ラインリアクトルは、歪み問題にとって比較的かさばり、コストが高くつく解決策になる。

大多数の用途にとって、制動等のために必要とされるのは負荷によって生じる電力の一部だけである。こうした用途において、回生システムは、一般に必要とされるよりもはるかに多くの回生能力を提供する。従って、大部分の回生システムは、必要とする回生能力が限定的な用途にとってコスト効率があまり良くない。

回生能力が限定的な駆動装置を実現するため、回生セルと非回生セルを組み合わせた駆動装置を構成することが知られている。例えば、先行技術文献にはこうした駆動装置を開示したものがある（例えば特許文献１）。特許文献１に記載の駆動装置は、駆動装置における非回生セルに対する回生セルの数を変えることで、様々なレベルの回生能力を備えるように構成することができ、各回生電力セルには、パルス幅変調によって制御されるスイッチング素子を含む能動フロントエンドを含むことが可能である。特許文献１に開示の駆動装置は、必要とする回生能力が限定的な用途にとりコスト効率の良い解決策を提供するが、必要な能動フロントエンドにより生じる歪みを低減すべく駆動装置にラインリアクトルを用いると、システムのサイズ及びコストが増大することになる。

先行技術文献には、回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電流を平滑化するための方法を開示したものがあるが（例えば特許文献２）、この方法を利用すると、回生電力セルの入力にラインリアクトルを用いる必要がなくなる。この方法が利用される場合、電力供給装置は６ステップモードで動作していると看做し得る。

図１は、特許文献２に記載の方法に利用可能な回生４象限電力セルの様々な実施形態を例示する。回生電力セルのフロントエンドには、６つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｑａｐ、Ｑｂｐ、Ｑｃｐ、Ｑａｎ、Ｑｂｎ、及び、Ｑｃｎ）と６つのダイオードが含まれている。駆動装置が起動していて、電力がセル入力からセル出力に流れている場合、フロントエンドのフリーホイーリングダイオードに電流が流れている。駆動装置が回生していて、電力がセル出力からセル入力に流れている場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに電流が流れている。回生電力セルのフロントエンドが６ステップモードでスイッチしている際には、セル入力リアクトルは、この方法の性質により不要になる。フロントエンドの絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、６ステップモードでスイッチしているときは、非回生セルの三相ダイオード整流器においてダイオードが自然に行うようにオン／オフしている。

図２は、図１の回生電力セルのフロントエンドに関するスイッチング順序の様々な実施形態を例示している。図２に示すように、１／６基本サイクル（６０度）毎に、上方ブリッジの１つと、下方ブリッジのもう１つの１対の絶縁ゲートバイポーラトランジスタがオンになり、その結果、ＤＣバスに最高のライン間電圧が印加される。従って、基本サイクル（３６０度）は、各ウィンドウが６０度で、異なる１対の絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオンにする６つのウィンドウに分割されるものと看做すことができる。

６ステップモードの場合、電力セルのＤＣバス電圧は制御されない。従って、ラインインピーダンスが高く、駆動装置がかなり回生している（出力トルクが大きい）場合、一次回生電流が最大になるほぼ定格速度において、駆動装置入力電圧は、ＤＣバス過電圧故障で電力セルの１つ以上の引き外しが生じる程度にまで上昇する可能性がある。

米国特許出願公開第１１／４１９，０６４号明細書 米国特許出願公開第１１／５４０，２３２号明細書

一般的な観点の１つから、本出願は、回生能力を備える電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステムを開示する。様々な実施形態によれば、このシステムには、複数の入力変数と少なくとも１つの出力変数を有する調整器と、調整器と通じている累算器が含まれており、累算器によって、出力を促進するように調整器の出力がプリセットされ更に、複数の入力変数に関連した誤差値が累算されて、累算器による累算値に基づく少なくとも１つの出力変数への変更が容易になる。

一般的なもう１つの観点から、本出願は、回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するための方法を開示する。様々な実施形態によれば、この方法は、駆動装置入力電力値を決定するステップと、辺値を決定するステップと、辺値に基づいて最大電力値を決定するステップと、最大電力値及び駆動装置入力電力値に基づいて誤差値を決定するステップと、誤差値に基づいてトルク基準値を制限するステップとを含む。

本発明の態様は、コンピュータデバイス及び／又はコンピュータ記録媒体に記憶されているコンピュータプログラムによって実施することが可能である。コンピュータ記録媒体には、ディスク、デバイス及び／又は伝搬信号を含むことが可能である。

ここでは、下記の図に関連して、例証のため本発明の様々な実施形態について述べる。

回生４象限電力セルの様々な実施形態を例示した図である。 図１の回生電力セルのフロントエンドに関するスイッチング順序の様々な実施形態を例示した図である。 回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステムの様々な実施形態を例示した図である。 回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するための方法の様々な実施形態を例示した図である。

本方法、システム及び材料について述べる前に理解しておくべきは、説明する特定の方法、システム及び材料は変わる場合があるので、本開示がこれらに制限されることはないという点である。更に理解すべきは、説明に用いる用語は、特定のバージョン又は実施形態のみを説明するためのものであり、その範囲を制限することを意図したものではないという点である。例えば本明細書及び付属の請求項において用いる限り、「１つの」、「ある」及び「その」といった単数形には、文脈において他に特に明確な指示がない限り複数の言及対象が含まれる。更に、本書において用いられる限りにおいて「が含まれる」という用語は、「を含有するが、それに制限されない」ということを表わすように意図したものである。別段の規定がない限り、本書において用いる全ての技術及び科学用語は、通常の当該技術者が一般に理解しているのと同じ意味を有している。

図３は、回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステム１０の様々な実施形態を例示している。様々な実施形態によれば、システム１０には、電源の一部を含むことが可能である。例えばシステム１０には、ＡＣモータ駆動装置の一部を含むことが可能である。解り易さのため、システム１０については、三相駆動装置に関連して説明し、駆動装置に対する入力及び出力は単線形式で示す。

システム１０には調整器１２が含まれており、様々な実施形態によれば、調整器１２には内蔵累算器１４が含まれる。調整器１２と累算器１４は、任意の適合する方法（例えばハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの組合せ）によって実施可能である。やはり留意すべきは、累算器を、単なる一例として調整器の一体部分として示している点である。調整器及び累算器は２つの独立した構成部品として形成してもよい。

図３に示すように、調整器１２には、駆動装置入力電力フィードバック、入力電力基準値及びスケーリングを施されたトルク目標値（例えばＩｑｓ Ｒｅｆ）が与えられる。駆動装置入力電力フィードバックは、任意の適合する方法で得ることができる。例えば様々な実施形態によれば、駆動装置入力電力フィードバックは、電圧減衰器及び変流器により３つの入力電力線から得ることが可能である。入力電力基準値は、駆動装置入力電圧に基づいて計算された値とすることが可能である。スケーリングを施されたトルク目標値は、例えば駆動装置の速度調整器から受信してもよい。

様々な実施形態によれば、調整器１２に対する入力の各々は累算器１４に送られる。累算器１４は入力を処理し、入力信号において検出された誤差を累算する。誤差は、入力電力基準値又は入力電力フィードバックの揺らぎを表わしていてもよい。累算器は誤差を合計し、この誤差は調整器１２がトルク目標値としてどんな値を出力するかを決定する因子として用いられる。累算器を追加すると、調整器は、駆動装置に接続されたモータへの又はモータからのトルク量を制御するトルク基準値を制限するように構成される。調整器１２によりトルク基準値が制限されると、駆動装置を通じて還流する回生電力に影響し、この結果、更に、駆動装置への入力線におけるインピーダンスのために駆動装置に対する入力電圧が影響を受けることになる。調整器１２及び累算器１４の働きについては、下記の図４の論考において更に説明する。

図４は、回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するための方法２０の様々な実施形態を例示している。この方法２０は、ＤＣバス過電圧故障を阻止すべく、駆動装置出力トルクが過電圧を生じなくなる程度に低減するまで回生電流により生じる駆動装置入力電圧の上昇を制限するのに利用することができる。この程度にまで達すると、方法２０の操作によって生じるトルク制限が無効になり、全制動トルクが利用可能になる。システム１０を利用して方法２０を実施してもよい。様々な実施形態では、調整器１２の応答速度を速めるためにプリセット方式が利用可能である。方法２０を実施するための条件が存在するが、調整器１２の出力が駆動装置出力トルク基準値を抑制していないとき、累算器１４をその瞬間における駆動装置出力トルク基準値にプリセットしてもよい。

図４に示すように、ブロック２２におけるプロセスの開始時に、駆動装置が６ステップモードで動作しているか否かが判定される。駆動装置が６ステップモードで動作している場合、プロセスはブロック２４に進み、駆動装置入力電力がゼロ未満であるか否かを判定する。駆動装置入力がゼロ未満の場合、プロセスはブロック２６に進み、Ｅｒｍｓ、即ち入力電圧が所定の値を超えるか否かが判定される。ブロック２６には所定の値が１．０８と示されているが、勿論、所定の値は１．０８以外の値としてもよい。ブロック２２〜２６でなされる判定のどれかが肯定でない場合、プロセスはブロック２８に進み、トルク電流の下限がＩｑＭａｘに設定される。

ブロック２６において、Ｅｒｍｓが所定の値を超えると判定されると、プロセスはブロック２６からブロック３０に進み、最大電力値が決定される。最大電力値はＥｒｍｓに基づく。ブロック３０において、最大電力値は式［−８．７５^*Ｅｒｍｓ＋１０．５］に基づくものとして示しているが、最大電力値はＥｒｍｓに関連した他の式に基づくことも可能である。

プロセスはブロック３０からブロック３２に進み、最大電力値と駆動装置入力電力に基づく値とを合計して、誤差値を生成する。駆動装置入力電力に基づく値は、駆動装置入力電力に−１を掛けたものに相当する値として示しているが、他の駆動装置入力電力値を利用してもよい。

プロセスはブロック３２からブロック３４に進み、誤差値がゼロ未満か否かが判定される。誤差値がゼロ未満でなければ、プロセスはブロック３４からブロック３６に進み、調整器１２がトルク電流の下限値を設定するように動作する。しかしながら、ブロック３４において、誤差値がゼロ未満であると判定されると、プロセスはブロック３４からブロック３８に進み、下限値の絶対値とトルク電流基準値の絶対値との差が所定の値を超えるか否かが判定される。ブロック３８では、所定の値が０．０１として示されているが、他の所定の値を利用してもよいことは明らかである。

ブロック３８において、差が所定の値を超えないと判定されると、プロセスはブロック３８からブロック３６に進み、調整器１２は上述のように働く。しかしながら、ブロック３８において差が所定の値を超えると判定されると、プロセスはブロック３８からブロック４０に進み、累算器１４がトルク電流基準値の絶対値に設定される。累算器をトルク電流基準値の絶対値に設定することによって、累算器１４は、例えばトルク基準値の即時変更といった調整器１２の迅速な変更を容易にする働きをする。プロセスはブロック４０からブロック３６に進み、調整器１２は上述のように働く。

図４によって例示した上述のプロセスは、関連メモリを備えたプロセッサによって実施可能である。変数（例えばＥＲＭＳ、Ｉｑｓ ｒｅｆ）をメモリに記憶し、プロセッサにより適宜に処理を施して、トルク基準値の適切な変更を決定してもよい。プロセッサは、上述のように駆動装置コントローラに直接この情報を送るように構成してもよい。

例証のため、本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、当該技術者には明らかなように、付属の請求項によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正、変更及び適応を実現することが可能である。

１０ 入力電圧制限システム、１２ 調整器、１４ 累算器、２２〜４０ ブロック

Claims (17)

1. 回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステムであって、
   複数の入力変数と少なくとも１つの出力変数を有する調整器と、
   前記調整器と通じていて、前記調整器にプリセットされた出力変数を出力し、特定の瞬間における前記調整器のより迅速な出力を促進するように構成されている累算器にして、更に、前記複数の入力変数に関連した値を累算して、前記調整器による前記累算値に基づく前記少なくとも１つの変数に対する変更を容易にするように構成されている累算器と、
   前記調整器と通じていて、前記調整器から前記出力変数を受信し、前記出力変数に応答して特定機能を実施する駆動装置コントローラと
   が含まれているシステム。
2. 前記累算器が更に前記複数の入力変数に関連した誤差値を累算することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記誤差値が前記電力供給装置の電流性能を示すことを特徴とする請求項２記載のシステム。
4. 前記複数の入力値に、入力電力基準値、駆動装置入力電力フィードバック及びトルク電流基準値の少なくとも１つが含まれることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記出力値に出力トルク基準値が含まれることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記出力トルク基準値がモータの制御に用いられることを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記累算器が前記調整器と一体化されていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するための方法であって、
   駆動装置入力電力値を決定するステップと、
   Ｅｒｍｓ値を決定するステップと、
   調整器において、前記Ｅｒｍｓ値に基づいて最大電力値を決定するステップと、
   累算器からプリセットされた駆動装置出力トルク基準値を出力して、特定の瞬間における前記調整器からの出力変数を促進するステップと、
   前記累算器において、前記最大電力値及び前記駆動装置入力電力値に基づいて誤差値を決定し、前記誤差値を前記調整器に送るステップと、
   前記調整器において前記誤差値を処理し、前記誤差値に基づいて前記トルク基準値を制限するステップと、
   駆動装置コントローラにおいて前記出力トルク基準値を処理し、前記出力変数に応答して特定機能を実施するステップと
   を含む方法。
9. ある時間期間にわたって累算器で前記誤差値を合計するステップを更に含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記トルク基準値の制限が前記合計された誤差値に基づくことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記トルク基準値に関して最大レベルと最低レベルを決定するステップを更に含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
12. 前記誤差値を所定の誤差値と比較し、その比較結果に基づいて前記トルク基準値を制限するステップを更に含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 回生能力を備えた電力供給装置に対する入力電圧を制限するためのシステムであって、
    複数の入力変数と少なくとも１つの出力変数を備え、前記複数の入力変数に基づいて最大電力値を決定する調整器と、
    前記調整器に通じていて、前記調整器のプリセットされた出力変数を出力して、特定の瞬間における前記調整器のより迅速な出力を促進するように構成された累算器にして、更に、前記複数の入力変数に関連した値を累算して、前記調整器による前記累算値に基づく前記少なくとも１つの変数に対する変更を容易にするように構成されている累算器と、
    前記調整器と通じていて、前記調整器から前記出力変数を受信し、前記出力変数に応答して特定機能を実施する駆動装置コントローラと
    を含むシステム。
14. 前記複数の入力値に、入力電力基準値、駆動装置入力電力フィードバック及びトルク電流基準値の少なくとも１つが含まれることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
15. 前記出力値に、出力トルク基準値が含まれることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
16. 前記出力トルク基準値を用いて、モータが制御されることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. 前記累算器が前記調整器と一体化されていることを特徴とする請求項１３記載のシステム。

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