JP2011250657A - 永久磁石型三相交流電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクが間欠的に変化する永久磁石型三相電動機を駆動するインバータに搭載されているパワー半導体スイッチの温度変化幅を小さくしてサーマルサイクルによる熱劣化を防止する。
【解決手段】永久磁石型三相電動機を駆動するインバータに与えられるトルク指令が小さくトルク分電流であるｑ軸電流が小さい場合には、磁束分電流でありマイナスの値を有するｄ軸電流を増加させ、またトルク指令が大きくトルク分電流であるq軸電流が大きい場合には磁束分電流でありマイナスの値を有するｄ軸電流を減少させるd軸電流指令演算器を具備し、パワー半導体スイッチに流れる電流となるｑ軸電流とd軸電流のベクトル和が一定の所定値となるようにしてパワー半導体スイッチで生じる導通損失を一定とすることでパワー半導体スイッチの温度を一定に保つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型三相交流電動機を制御する電動機制御装置に係り、特にインバータに搭載されているパワー半導体スイッチのサーマルサイクルによる劣化の対策に関するものである。

図５は従来の永久磁石型三相交流電動機の制御ブロック図を示したものであり、図６は従来の永久磁石型交流電動機の制御方法により永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転した場合の動作波形を示している。図５および図６に基づいて従来の技術を説明する。

インバータ２はパワー半導体スイッチ２１とパワー半導体スイッチ２１を一定の冷却能力で冷却するための冷却装置２２から構成され、三相交流電圧指令Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆの指令に基づいてPWMを行い、永久磁石型三相交流電動機１に三相の平衡した交流電圧を印加する。

永久磁石型三相交流電動機１には三相の平衡した交流電圧が印加されることで三相交流電流が流れる。

永久磁石型三相交流電動機１に流れるＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗは電流検出器３１〜３３により検出される。

三相−ｄｑ回転座標変換器５はＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗと永久磁石型三相交流電動機１のロータ位置情報θにより、（１）と（２）式に基づいて三相―ｄｑ回転座標変換を行い、回転座標上において直流状態として扱えるｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑを出力する。

ここでｄ軸電流ｉｄとは磁束分電流を表わし、ｑ軸電流ｉｑとはトルク分電流を表わす。

トルク指令器７は永久磁石型三相交流電動機１が出力するトルクの指令を出力するもので、本例の場合は、図6に示すような間欠的なトルク指令Ｔｒｅｆが出力される。

ｄ軸電流指令器１１は、永久磁石型三相交流電動機１が逆突極性を示さない場合、すなわちＬｄ＝Ｌｑの場合はｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆとしてゼロを出力し、永久磁石型三相交流電動機１が逆突極性を示す場合、すなわちＬｄ＜Ｌｑの場合はリラクタンストルクを利用して永久磁石型三相交流電動機１が最大効率を得るためにｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆとしてはトルク指令Ｔｒｅｆに応じた負の値を出力する。

ｑ軸電流指令器８はトルク指令器７から出力されるトルク指令Ｔｒｅｆとｄ軸電流ｉｄを入力として（３）式によりトルク指令Ｔｒｅｆに応じたトルクを出力するためのｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆを演算する。

ここでＰ、φ、Ｌｄ、Ｌｑは永久磁石型三相交流電動機１の電気定数であり、Ｐは極対数、φは永久磁石の磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスを表わす。

ｄ軸電流制御器１０は、永久磁石型三相交流電動機１に流れるｄ軸電流ｉｄをフィードバックし、ｄ軸電流指令器１１で演算されたｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆと一致させるためのｄ軸電圧指令ｖｄｒｅｆを出力し、ｑ軸電流制御器９は永久磁石型三相交流電動機１に流れるｑ軸電流ｉｑをフィードバックし、ｑ軸電流指令器８で演算されたｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆと一致させるためのｑ軸電圧指令Ｖｑｒｅｆを出力する。

ｄｑ−３相回転座標変換器４はｄ軸電圧指令Ｖｄｒｅｆとｑ軸電流指令Ｖｑｒｅｆおよび永久磁石型三相交流電動機１のロータ位置情報θにより、（４）と（５）に基づいてｄｑ−三相回転座標変換を行い三相交流電圧指令Ｖｕｒｅｆ、Ｖｖｒｅｆ、Ｖｗｒｅｆを出力する。

このような永久磁石型三相交流電動機の制御方法は特許文献１などにも適用されている。

図６は図５に示す構成により永久磁石型交流電動機１を図６のＴｒｅｆに示すような間欠的な負荷状態で運転した場合のｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆ、ｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆ、出力電流の実行値Ｉｏｕｔおよびパワー半導体スイッチ２１の温度変化を示しており、（３）式から計算されるｑ軸電流指令器８の出力ｉｑｒｅｆ、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑのベクトル和である出力電流の実行値Ｉｏｕｔも図６に示すようにＴｒｅｆに同期した形で間欠的に変化する。

間欠的な負荷状態で運転されることにより、パワー半導体スイッチ２１のケース温度は図６に示すような温度変化幅ΔＴをもって上昇下降を繰り返す。

サーマルサイクルは、温度の上昇下降の繰り返しによる機械的ストレスであり、ストレスの加わる部分は、パワー半導体スイッチ２１のモジュールの冷却部（銅ベース板）と絶縁基板の間、あるいは絶縁基板とシリコンチップの半田部分である。

これはモジュールの冷却部と絶縁基板の熱膨張係数が異なるために発生するもので、これにより接合部に劣化が生じて破損に至る。

接合部の劣化の度合としては、一般的に温度変化幅ΔＴが大きいほど温度変化の繰り返し許容回数は小さくなり、寿命が短くなる。

よって永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転する場合でもパワー半導体スイッチ２１のケース温度の温度変化幅ΔＴは小さいほうが望ましい。

特許文献２においてはパワー半導体スイッチ２１の温度変化幅ΔＴを小さくする手段として軽負荷時にはＰＷＭ用の搬送周波数を高くしてパワー半導体スイッチ２１のスイッチング回数を増やしスイッチング損失を増加させてパワー半導体スイッチ２１のジャンクション温度を高くし、重負荷時には搬送周波数を低くしてパワー半導体スイッチ２１のスイッチング回数を減らしてスイッチング損失を減少させてパワー半導体スイッチ２１のジャンクション温度を低くする方法が提案されている。

軽負荷時と重負荷時におけるジャンクション温度差が少なくなるのでパワー半導体スイッチ２１のサーマルサイクル寿命が延びる。

しかしながら重負荷時に搬送周波数を低くすることで電流制御性能の劣化を招く恐れがあり、また軽負荷時に搬送周波数を高くするとしても限界があるためパワー半導体スイッチの温度を一定に保つためのスイッチング損失を発生させることは困難である。

特開平１１−１６４５９８号公報 特開２００２−１２５３６２

解決しようとする問題点は、永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転を継続してもパワー半導体スイッチの温度変化幅ΔＴを小さくし、サーマルサイクルによる劣化の度合いを低減し、また電流制御性能を劣化させないことである。

請求項１の発明によれば、パワー半導体スイッチと該パワー半導体スイッチを一定の冷却能力で冷却するための冷却装置から構成され永久磁石型三相交流電動機に三相交流電圧指令に基づいた電圧を印加するインバータと前記永久磁石型三相交流電動機に流れる三相交流電流をそれぞれ検出する電流検出器と該三相交流電流の検出値をｄ軸電流とｑ軸電流に変換する三相―ｄｑ回転座標変換器と前記ｄ軸電流をフィードバックしｄ軸電流指令値と一致するように制御するｄ軸電流制御器と前記ｑ軸電流をフィードバックしｑ軸電流指令値と一致するように制御するｑ軸電流制御器と該ｄ軸電流制御器の出力と該ｑ軸電流制御器の出力から前記三相交流電圧指令を出力するｄｑ−三相回転座標変換器と間欠的に変化するトルク指令および前記ｄ軸電流から前記ｑ軸電流指令値を演算するｑ軸電流指令演算器を具備し前記永久磁石型三相交流電動機をトルク制御する制御装置において、
前記間欠的に変化するトルク指令が入力されても前記パワー半導体スイッチに流れる電流を一定値以上に制限するための最小電流指令値を定め、該最小電流指令値および前記ｑ軸電流もしくは前記ｑ軸電流指令値を入力として前記最小電流指令値以上の電流を前記パワー半導体スイッチに流すためのマイナスの値を有する前記ｄ軸電流指令値を演算するｄ軸電流指令演算器を具備することを特徴とする永久磁石型三相交流電動機の制御装置。

請求項２の発明によれば、パワー半導体スイッチと該パワー半導体スイッチを一定の冷却能力で冷却するための冷却装置から構成され永久磁石型三相交流電動機に三相交流電圧指令に基づいた電圧を印加するインバータと前記永久磁石型三相交流電動機に流れる三相交流電流をそれぞれ検出する電流検出器と該三相交流電流の検出値をｄ軸電流とｑ軸電流に変換する三相―ｄｑ回転座標変換器と前記ｄ軸電流をフィードバックしｄ軸電流指令値と一致するように制御するｄ軸電流制御器と前記ｑ軸電流をフィードバックしｑ軸電流指令値と一致するように制御するｑ軸電流制御器と該ｄ軸電流制御器の出力と該ｑ軸電流制御器の出力から前記三相交流電圧指令を出力するｄｑ−三相回転座標変換器と間欠的に変化するトルク指令および前記ｄ軸電流から前記ｑ軸電流指令値を演算するｑ軸電流指令演算器を具備し前記永久磁石型三相交流電動機をトルク制御する制御装置において、
前記間欠的に変化するトルク指令が入力されても前記パワー半導体スイッチの温度変化を小さくするための温度所定値を定め、前記パワー半導体スイッチの温度を検出する温度検出器を設けて該温度検出器で検出した温度をフィードバックし前記温度所定値と一致するようにマイナスの値を有する前記ｄ軸電流指令値を演算するｄ軸電流指令演算器を具備することを特徴とする永久磁石型三相交流電動機の制御装置。

パワー半導体スイッチから構成されるインバータにより制御される永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転を継続されても、パワー半導体スイッチの急激な温度変化を防ぎ、サーマルサイクルによるパワー半導体スイッチの劣化を防止する。

請求項１の構成を示したブロック図である。（実施例１） 請求項１の動作を示した図である。（実施例１） 請求項２の構成を示したブロック図である（実施例２） 請求項２の動作を示した図である（実施例２） 背景技術の構成を示したブロック図である。 背景技術の動作を示した図である

パワー半導体スイッチから構成されるインバータにより制御される永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転を継続されてもパワー半導体スイッチの温度を一定に保ち、サーマルサイクルによるパワー半導体スイッチの劣化を防ぐという目的を実現した。

図１に本発明の請求項１を永久磁石型三相交流電動機の間欠的な負荷状態の運転に適用した実施例を示し、図１および図２に基づいて本発明の詳細な説明をする。

永久磁石型三相交流電動機１、インバータ２、電流検出器３１〜３３、ｄｑ−三相回転座標変換器４、三相―ｄｑ回転座標変換器５、トルク指令器７、ｑ軸電流指令器８、ｑ軸電流制御器９、ｄ軸電流制御器１０は従来技術と同様の役割を果たす。

電流所定値１２はインバータのパワー半導体スイッチ２１および永久磁石型三相交流電動機１に流れる電流の大きさを決めるもので、間欠的な負荷状態においてもパワー半導体スイッチの温度の変化が小さくなるような値Ｉｂｒｅｆが設定される。

ｄ軸電流指令器１１は、電流所定値Ｉｂｒｅｆとｑ軸電流ｉｑを入力として、（６）式のように求める。

ｄ軸電流指令器１１での演算では（６）で用いられるｑ軸電流ｉｑの代わりにｑ軸電流指令器８の出力であるｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆを用いても良い。

またリラクタンストルクを持つ埋め込み永久磁石型三相交流電動機においてｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆを（６）式のように変化させても、トルク分電流となるｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆを（３）のようにｄ軸電流ｉｄを考慮して演算しているのでトルク指令器７からのトルク指令Ｔｒｅｆに応じたトルクを出力できる。

図２にはトルク指令器７からＴｒｅｆのような間欠的なトルク指令が出力された例を示しており、（３）式から計算されるｑ軸電流指令器８の出力ｉｑｒｅｆも図２に示すようにＴｒｅｆに同期した形で間欠的に変化する。

電流所定値Ｉｂｒｅｆとｑ軸電流ｉｑもしくはｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆにより（６）式から計算されるｄ軸電流指令器１１の出力ｉｄｒｅｆは図２のようにｑ軸電流ｉｑもしくはｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆが小さい時には大きく、ｑ軸電流ｉｑもしくはｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆが大きい時には小さくなるように変化する。

パワー半導体スイッチ２１と永久磁石三相交流電動機１に流れる電流の実効値Ｉｏｕｔはｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑのベクトル和で求められ、電流所定値Ｉｂｒｅｆ以上の値を維持する。

パワー半導体スイッチ２１と永久磁石三相交流電動機１に流れる電流の実効値Ｉｏｕｔが電流所定値Ｉｂｒｅｆ以上の値を維持されることで、パワー半導体スイッチ２１で生じる導通損失は一定の値以上となり、パワー半導体スイッチの温度も一定の値以上を維持することができる。

パワー半導体スイッチから構成されるインバータで永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転を継続する場合に本発明の請求項１を適用することで、パワー半導体スイッチに流れる電流および永久磁石型三相交流電動機に流れる電流を一定の電流所定値の値に近づけることができ、パワー半導体スイッチの急激な温度変化を招くことがなくなり、サーマルサイクルによるパワー半導体スイッチの劣化を防ぐことができる。

図３に本発明の請求項２を永久磁石型三相交流電動機の間欠的な負荷状態の運転に適用した実施例を示し、図３および図４に基づいて本発明の詳細な説明をする。

インバータ２はパワー半導体スイッチ２１とパワー半導体スイッチ２１を一定の冷却能力で冷却するための冷却装置２２とパワー半導体スイッチ２１の温度を検出する温度検出器２３から構成される。

温度検出器２３で検出された温度ｔｅｍｐをフィードバックし、温度所定値１３の出力であるパワー半導体スイッチの温度指令ｔｅｍｐｒｅｆと一致するようにｄ軸電流指令器１１にて（７）式により、ｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆを演算する。

ここで、ｄ軸電流指令は弱め磁束制御を行うことを前提として係数Ｋにマイナスを乗じている。

ｄ軸電流指令器１１の出力はｄ軸電流指令制限値１４で制限される。ｄ軸電流制限値１４としてはｄ軸電流とｑ軸電流のベクトル和がインバータ定格電流を超過しないためのｄ軸電流値や、永久磁石型三相交流電動機に流すことが可能なｄ軸電流値などが設定される。

永久磁石型三相交流電動機１、インバータ２、電流検出器３１〜３３、ｄｑ−三相回転座標変換器４、三相―ｄｑ回転座標変換器５、トルク指令器７、ｑ軸電流指令器８、ｑ軸電流制御器９、ｄ軸電流制御器１０は従来技術と同様の役割を果たす。

図４にはトルク指令器７からＴｒｅｆのような間欠的なトルク指令が出力された例を示しており、（３）式から計算されるｑ軸電流指令器８の出力ｉｑｒｅｆも図４に示すようにＴｒｅｆに同期した形で間欠的に変化する。

（７）式から演算されるｄ軸電流指令器１１の出力ｉｄｒｅｆは温度検出器２３で検出するパワー半導体スイッチ２１の温度ｔｅｍｐが低く、温度所定値１３の出力であるパワー半導体スイッチの温度指令ｔｅｍｐｒｅｆとの差が大きい場合には、ｄ軸電流制限値１４で制限されるｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆが出力される。

ｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆに応じたｄ軸電流が流れることによりパワー半導体スイッチで導通損失が生じ、パワー半導体スイッチの温度ｔｅｍｐが上昇する。

温度所定値１３とパワー半導体スイッチの温度ｔｅｍｐが近い状態でトルク指令が大きく、（３）式から計算されるｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆが大きい場合にはｄ軸電流指令は減少し、トルク指令が小さく、（３）式から計算されるｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆも小さくなる場合にはｄ軸電流指令は負の方向に増加することで、パワー半導体スイッチで生じる導通損失が調整され、パワー半導体スイッチの温度は温度所定値に近い値を維持する。

またリラクタンストルクを持つ埋め込み永久磁石型三相交流電動機においてｄ軸電流指令ｉｄｒｅｆを図４のように変化させても、トルク分電流となるｑ軸電流指令ｉｑｒｅｆを（３）のようにｄ軸電流ｉｄを考慮して演算しているのでトルク指令器７からのトルク指令Ｔｒｅｆに応じたトルクを出力できる。

パワー半導体スイッチから構成されるインバータで永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転を継続する場合に本発明の請求項２を適用することで、パワー半導体スイッチの温度を一定の温度所定値の値に近づけることができ、パワー半導体スイッチの急激な温度変化を招くことがなくなり、サーマルサイクルによるパワー半導体スイッチの劣化を防ぐことができる。

本発明によりパワー半導体スイッチから構成されるインバータで永久磁石型三相交流電動機を間欠的な負荷状態で運転を継続する場合でも、サーマルサイクルによる劣化を招くことが少なくなり、パワー半導体スイッチの寿命を延ばすことができるので産業上の利用の可能性は大いにある。

１ 永久磁石型三相交流電動機
２ インバータ
２１ パワー半導体スイッチ
２２ 冷却装置
２３ 温度検出器
３１〜３３ 電流検出器
４ ｄｑ−三相回転座標変換器
５ 三相―ｄｑ回転座標変換器
６ 位置検出器
７ トルク指令器
８ ｑ軸電流指令器
９ ｑ軸電流制御器
１０ ｄ軸電流制御器
１１ ｄ軸電流制指令器
１２ 電流所定値
１３ 温度所定値
１４ ｄ軸電流指令制限値

Claims (2)

1. パワー半導体スイッチと該パワー半導体スイッチを一定の冷却能力で冷却するための冷却装置から構成され永久磁石型三相交流電動機に三相交流電圧指令に基づいた電圧を印加するインバータと前記永久磁石型三相交流電動機に流れる三相交流電流をそれぞれ検出する電流検出器と該三相交流電流の検出値をｄ軸電流とｑ軸電流に変換する三相―ｄｑ回転座標変換器と前記ｄ軸電流をフィードバックしｄ軸電流指令値と一致するように制御するｄ軸電流制御器と前記ｑ軸電流をフィードバックしｑ軸電流指令値と一致するように制御するｑ軸電流制御器と該d軸電流制御器の出力と該q軸電流制御器の出力から前記三相交流電圧指令を出力するｄｑ−三相回転座標変換器と間欠的に変化するトルク指令および前記d軸電流から前記q軸電流指令値を演算するq軸電流指令演算器を具備し前記永久磁石型三相交流電動機をトルク制御する制御装置において、
   前記間欠的に変化するトルク指令が入力されても前記パワー半導体スイッチに流れる電流を一定値以上に制限するための最小電流指令値を定め、該最小電流指令値および前記ｑ軸電流もしくは前記q軸電流指令値を入力として前記最小電流指令値以上の電流を前記パワー半導体スイッチに流すためのマイナスの値を有する前記d軸電流指令値を演算するd軸電流指令演算器を具備することを特徴とする永久磁石型三相交流電動機の制御装置。
2. パワー半導体スイッチと該パワー半導体スイッチを一定の冷却能力で冷却するための冷却装置から構成され永久磁石型三相交流電動機に三相交流電圧指令に基づいた電圧を印加するインバータと前記永久磁石型三相交流電動機に流れる三相交流電流をそれぞれ検出する電流検出器と該三相交流電流の検出値をｄ軸電流とｑ軸電流に変換する三相―ｄｑ回転座標変換器と前記ｄ軸電流をフィードバックしｄ軸電流指令値と一致するように制御するｄ軸電流制御器と前記ｑ軸電流をフィードバックしｑ軸電流指令値と一致するように制御するｑ軸電流制御器と該d軸電流制御器の出力と該q軸電流制御器の出力から前記三相交流電圧指令を出力するｄｑ−三相回転座標変換器と間欠的に変化するトルク指令および前記d軸電流から前記q軸電流指令値を演算するq軸電流指令演算器を具備し前記永久磁石型三相交流電動機をトルク制御する制御装置において、
   前記間欠的に変化するトルク指令が入力されても前記パワー半導体スイッチの温度変化を小さくするための温度所定値を定め、前記パワー半導体スイッチの温度を検出する温度検出器を設けて該温度検出器で検出した温度をフィードバックし前記温度所定値と一致するようにマイナスの値を有する前記d軸電流指令値を演算するd軸電流指令演算器を具備することを特徴とする永久磁石型三相交流電動機の制御装置。