JP2012239252A - 交流モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流モータ5の力行動作時のピーク電力を抑制するために蓄電デバイス61を放電させる電流指令値を生成する力行時電力補償部633と、交流モータ5の回生動作時のピーク電力を抑制するために蓄電デバイス61を充電させる電流指令値を生成する回生時電力補償部634と、力行時電力補償部633と回生時電力補償部634とが共にピーク電力を抑制していない場合に、蓄電デバイス61を予め定められた電圧値に安定化するために蓄電デバイス61を充放電する電流指令値を生成する補充電制御部635とを備えている。
【選択図】図4
Description
図1は、本発明の実施の形態1の交流モータ駆動装置の全体を示すブロック図である。
発電所や工場内の変電設備から供給される交流の系統電源1の交流電力は、コンバータ2によって直流電力に変換され、直流母線3に出力される。直流母線3によって供給される直流電力は、インバータ4によって後述する交流モータ5に適した交流電力に変換される。インバータ4が出力する交流電力の電圧や周波数は系統電源1の交流電力の電圧や周波数と必ずしも一致するものではない。交流モータ5は、インバータ4から供給される交流電力により駆動され、加工や運搬、移動、運動などの目的に応じた動作を行う。一方、直流母線3には蓄電回路6がインバータ4と並列に接続され、蓄電回路6には直流母線電圧値Vdcとコンバータ2の出力電流値である直流母線電流値Idcとが共に入力される。
電圧差E3が正の場合には、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapが希望電圧値VcapTHより大きいことを意味しているため、蓄電デバイス61の放電のための負の値の電流指令値Icap3*を生成し、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapを低下させるようにする。逆に、電圧差E3が負の場合には、蓄電デバイス61の充電のための正の値の電流指令値Icap3*を生成し、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapを上昇させるようにする。なお、Icap3*生成部6351には、一般にはPI制御が用いられるが、PID制御でも、P制御でも、I制御でも本実施の形態の実現には支障はない。
(LSL−Pload)/Vcap<Icap3*<0 (式6)
Icap3*=0 (式7)
図11において、63841と63842とは入力の立ち上がりエッジに対して時間幅Tdだけのパルスを出力するワンショットマルチバイブレータ素子であり、63843と63844とは2入力AND素子、63845〜63847はNOT素子である。信号PWMは、ワンショットマルチバイブレータ素子63841と2入力AND素子63843とNOT素子63845にそれぞれ入力される。ワンショットマルチバイブレータ素子63841は、信号PWMの立ち上がりエッジから時間幅TdだけのパルスP1Pを出力してNOT素子63846に入力する。NOT素子63846は、パルスP1Pを反転させたパルスP1Cを出力し、2入力AND素子63843のもう1つの入力端に入力する。従って、AND素子63843は、信号PWMの「1」の状態に対して、その立ち上がりから時間幅Tdだけ「1」の状態が短い制御信号SWPを出力する。一方、信号PWMの反転信号であるNOT素子63845の出力は、ワンショットマルチバイブレータ素子63842と2入力AND素子63844とにそれぞれ入力される。ワンショットマルチバイブレータ素子63842は、信号PWMの反転信号の立ち上がりエッジ、すなわち、信号PWMの立下りエッジから時間幅TdだけのパルスP2Pを出力し、NOT素子63847に入力する。NOT素子63847は、パルスP2Pを反転させたパルスP2Cを出力し、2入力AND素子63844のもう1つの入力端に入力する。従って、AND素子63844は、信号PWMの「0」の状態に対して立下りから時間幅Tdだけ短い期間が「1」の状態となる制御信号SWNを出力する。このように、信号PWMの変化点に対して常に時間幅Tdだけ「0」の状態にするデッドタイムTdが付与された制御信号SWP、SWNが生成される。
この電力差E1に対して、力行時電力補償部633内のIcap1*生成部6331は、図12(c)に示すように、図12(a)の時刻T0〜時刻T3の期間は「0」で、時刻T3〜時刻T4の期間は負の値となり、時刻T4以降急速に増加して「0」になるとそれ以降は「0」を継続する電流指令値Icap1*を出力する。
図12の(c)、(e)、(f)から判るように、加算部636の出力である統合電流指令値Icap*は、図12(g)に示すようになる。この統合電流指令値Icap*に基づいて電圧指令値生成部637で電圧指令値Vcap*が生成されるので、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapは、図12(h)に示すように制御される。この両端電圧値Vcapの変動に応じた蓄電デバイス61の充放電により、コンバータ2の出力側の電力Pcnvは、図12(j)に示すように、上限が力行時電力補償閾値LPUを、下限が回生時電力補償閾値LPLをそれぞれ越えないように抑制される。
本発明の交流モータ駆動装置において、安定した制御を可能にする実施例を説明する。なお、この実施の形態2において、実施の形態1と同一または同等の機能を有するブロックや回路もしくは素子については同一の番号付与することとする。
その他の構成については実施の形態1と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
前述の実施の形態1では充放電制御回路63の制御信号生成部638において、電圧指令値Vcap*から制御信号SWP、SWNを生成しているが、この実施の形態3では、さらに直流母線電圧値Vdcをも用いる場合について説明する。なお、この実施の形態3では、前記の実施の形態1あるいは実施の形態2のいずれに対しても適用が可能であるが、説明の簡便性に着目して、実施の形態1に適用した場合で説明する。また、この実施の形態3において、実施の形態1と同一または同等の機能を有するブロックや回路もしくは素子については同一の番号を付与することとする。
この実施の形態3の特徴として直流母線電圧値Vdcは、乗算部631の外に制御信号生成部638にも入力される。
本発明の交流モータ駆動装置のチョッパ回路62が、図3に示したような降圧双方向チョッパ回路の場合、負荷Ploadが無負荷、即ち「0」の状態で、かつ蓄電デバイス61に対する充放電がない状態では、下記の(式11)の関係が成立する。
なお、その他の構成については実施の形態1と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
前記の実施の形態1乃至実施の形態3は、チョッパ回路62が単相の場合について説明したが、本発明に係る交流モータ駆動装置におけるチョッパ回路62は、このような単相に限定されるものでないため、ここでは一例として、説明の簡便性に着目して、実施の形態1に適用した場合で、チョッパ回路62が3相の場合について説明する。なお、この実施の形態4において、実施の形態1と同一または同等の機能を有するブロックや回路もしくは素子については同一の番号付与することとする。
比較器6383aは、前記実施の形態1で説明した場合と同様に、正規化信号NolAと三角波生成部6382aから出力される三角波信号TriAとを比較して、NolA≧TriAの場合に状態「1」であり、NolA<TriAの場合に状態「0」である信号PWMaをデッドタイム生成部6384aに出力する。
同様に、比較器6383bは、正規化信号NolBと三角波生成部6382bから出力される三角波信号TriBとを比較して、信号PWMbをデッドタイム生成部6384bに出力する。但し、この三角波信号TriBは、先の三角波信号TriAに対して、位相が周期の1/3、即ち、120°遅れていることが異なるだけで振幅と周波数は同一である。
同様に、比較器6383cは、正規化信号NolCと三角波生成部6382cから出力される三角波信号TriCとを比較して、信号PWMcをデッドタイム生成部6384cに出力する。但し、この三角波信号TriCは、先の三角波信号TriAに対して、位相が周期の2/3、即ち、240°遅れていることが異なるだけで振幅と周波数は同一である。
前記の実施の形態1乃至実施の形態4では、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapを昇圧する場合あるいは降圧する場合には、SWPやSWNなどの全ての制御信号が常にスイッチング素子621、622を「通」状態と「断」状態とを繰り返すように制御している。
この実施の形態5の充放電制御回路63では、加算部636から制御信号生成部638に対して2つの信号EnableP、EnableNが出力されることが、実施の形態2の場合と異なる。この実施の形態5の加算部636は、図14に示した実施の形態2の加算部636の構成と比較すると、図27に示すように、3つの電流指令値Icap1*、Icap2*、Icap3*の和である統合電流指令値Icap*と予め定められた閾値IEとを入力して2つの信号EnableP、EnableNを出力するゲート信号生成部6363が新たに追加されている。説明の都合上、閾値IEは正の値としておく。
同様に、実施の形態1〜4で説明した制御信号SWNに対して、他方の許可信号EnableNと信号DisableCとの両信号で、3入力AND素子63850を用いてゲートした新しい制御信号SWNを生成する。すなわち、統合電流指令値Icap*が前述の(式10)の範囲から外れた大きな値を有して無効化信号Disableが「0」の状態で、かつ許可信号EnableNが「1」のときに、他方の制御信号SWNが出力される。
その他の構成および動作は実施の形態2の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
この実施の形態6の特徴は、回生動作開始時に大きな電力が回生される際、回生時電力補償部634において生成される電流指令値Icap2*がPI制御などで実現されるIcap2*生成部6341の積分要因によって徐々にしか変化できないことを改良し、コンバータ2の出力側の電力Pcnvに急峻な回生電力ピークが発生する現象に対して有効に対応できるようにしたものである。
このIcap2*生成部6341は、上記の(式12)に従ってPI制御を行うもので、比例ゲイン乗算器63411が、電力差E2をKp倍した信号E2pを積分ゲイン乗算器63412と加算器63415にそれぞれ出力し、積分ゲイン乗算器63412は、その信号E2pに(D/Ti)倍した信号E2iを加算器63414に出力する。加算器63414は、この信号E2iと後述する遅延回路63413の出力である信号E2dとを加算した信号E2qを生成して、遅延回路63413と加算器63415に出力する。遅延回路63413は、信号E2qを時間Dだけ遅延させた信号E2dを生成する。加算器63415は、両信号E2p、E2qの和を計算して電流指令値Icap2*として出力する。
なお、この場合の閾値Icap_maxは、チョッパ回路62のリアクトル623の許容電流量以下の値に設定する。また、実施の形態4に示したように、多重化されたチョッパ回路の場合には、この閾値Icap_maxはチョッパ回路62内の各リアクトルの許容電流量をそれぞれ加算した値以下に設定する。このように、振幅制限を施されたリミッタ63417の出力を信号E2rとする。この信号E2rは、スイッチ63416の一方の入力端に出力される。スイッチ63416は、前述の比較器6342から出力された判別信号sの状態により、2つの入力を切り替えて片方の入力のみを信号E2sとして出力する。スイッチ63416の他方の入力端には、予め定められた回生時電流指令値積分成分初期値Icap2iが入力されている。
スイッチ63416は、前述の判別信号sが「0」の状態の場合には、信号E2rを出力し、逆に、判別信号sが「1」の状態の場合には回生時電流指令値積分成分初期値Icap2iを出力する。スイッチ63416の出力である信号E2sは、遅延回路63413と加算器63415とにそれぞれ出力される。遅延回路63413は、入力された信号E2sを所定時間Dだけ遅延させた信号E2dを生成する。加算器63415は、信号E2pと信号E2sとの和を計算して、信号E2tとしてリミッタ63418に出力する。リミッタ63418は、リミッタ63417と同一の機能を有し、入力された信号E2tを電流指令値Icap2*として出力する。
コンバータ2の出力側には、蓄電デバイス61よりも静電容量が小さいながらも、直流母線電圧値Vdcを安定させるための平滑コンデンサが存在する(図示せず)。交流モータ駆動装置が力行動作も回生動作も行わない時、即ち、無負荷の状態での直流母線電圧値をここでは特にVdc0と表わすこととする。蓄電デバイス61の充放電処理があったとしても、制御の遅れや蓄電デバイス61の応答性の影響により、交流モータ駆動装置が力行動作の場合の直流母線電圧値VdcはVdc0より低い値に保持され、交流モータ駆動装置が回生動作の場合の直流母線電圧値VdcはVdc0よりも高い値に保持される。
しかし、時刻T4で力行動作が終了してIcap3*生成部6351が動作し始めると、補充電制御部635は正の値の電流指令値Icap3*を出力して、蓄電デバイス61の充電を開始するが、このとき、Icap3*生成部6351のゲインが小さいので、図35(e)に示すように、電流指令値Icap3*は小さな値(Icap3*b)しか出力せず、図35(f)に示すように、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapは少しづつにしか上昇せず、回生動作開始時刻T5までに希望電圧値VcapTHには回復しない。時刻T4〜時刻T5の期間中、常に蓄電デバイス61への充電状態が継続するため、直流母線電圧値VdcはVdc0より低い値を持続して、回生動作開始時刻T5を迎える。回生動作開始時刻T5になると、制御の遅れや蓄電デバイス61の応答性の影響により、直流母線電圧値Vdcは直ちに上昇するが、上昇開始電圧値がVdc0より低い電圧値であることから、直流母線電圧値VdcがVdc0+VΔに達するまで、少し時間がかかる。
図36(a)に示すように、負荷Ploadの回生時のピーク値(図35(a)参照)をPload_min(<0)とする。また、蓄電デバイス61の充電制御用の電流指令値Icap2*は、図36(b)に示すように、制御の遅延により時刻T52から上昇を始め、時刻T54で定常値になったとする。図36(c)と(d)とは、それぞれ回生動作開始時刻T5において直流母線電圧値VdcがVdc0に復帰している場合の直流母線電圧Vdcとコンバータ2の出力側の電力Pcnvの振る舞いをそれぞれ表わし、図36(e)と(f)とは、それぞれ回生動作開始時刻T5において直流母線電圧値VdcがVdc0に復帰していない場合の直流母線電圧Vdcとコンバータ2の出力側の電力Pcnvの振る舞いをそれぞれ表わす。
このように、交流モータ駆動装置をこの実施の形態7のように構成することにより、力行時のピーク電力量や回生時のピーク電力量を抑制することが可能になると共に、回生動作開始時のピーク電力の抑制を確実に実現させることが可能になる。
上記の実施の形態1〜7において説明した力行時電力補償閾値LPU、回生時電力補償閾値LPL、希望電圧値VcapTH、力行時補充電制御部動作閾値LSU、回生時補充電制御部動作閾値LSL、デッドタイムTd、さらにはIΔ、IE、VΔ、TΔ、電流指令値の最大値に相当するIcap_max、回生時電流指令値積分成分初期値Icap2i、またIcap1*生成部6331、Icap2*生成部6341、Icap3*生成部6351、Vcap*生成部6371の各ゲインに関する値などは、交流モータ5の負荷電力量や蓄電デバイス61の静電容量や内部抵抗およびリアクトル623のインダクタンスや飽和電流量などによって定めるべき値であり、これらの値は交流モータ駆動装置の使用環境に応じて適切な値に設定すべきものであるので、予め一義的に決めるのではなく、それらの値の一部あるいは全部は、ボタンやスイッチあるいはシリアル通信を介して、交流モータ駆動装置の使用者がその都度設定するようにすることが好ましい。
上記の各実施の形態1〜8における充放電制御回路63は、全てハードウエアで実現する場合について説明した。充放電制御回路63は、入力として直流母線電圧値Vdc、コンバータ2の出力側の直流母線電流値Idc、蓄電デバイス61の両端電圧値Vcap、および蓄電デバイス61の充放電電流値Icapに対して、スイッチング素子621(621a〜621c)、622(622a〜622c)を「通」状態と「断」状態との2つの状態に制御する制御信号SWP(SWPa〜SWPc)、SWN(SWNa〜SWNc)を出力する機能であるので、充放電制御回路63の一部または全部をソフトウエアで実現することもできる。ここでは、実施の形態1に適用した場合について説明する。なお、実施の形態1と同一または同等の機能を有するブロックについては同一の番号を付与することとする。
次に、ステップS11において、図37に示すディジタル化された直流母線電圧値Vdcとディジタル化されたコンバータ2の出力側の直流母線電流値Idcとを入力し、ステップS12においてコンバータ2の出力側の電力Pcnv(=Vdc×Idc)を算出する。
ステップS13において、その電力Pcnvを力行時電力補償閾値LPUや回生時電力補償閾値LPLと比較する。電力Pcnvが力行時電力補償閾値LPUより大きい場合には、後述するステップS14の処理に移行する。これに対して、ステップS13で電力Pcnvが回生時電力補償閾値LPLより小さい場合には、後述するステップS15の処理に移行する。また、ステップS13において、電力量Pcnvが回生時電力補償閾値LPL以上で力行時電力補償閾値LPU以下の場合には、後述するステップS16の処理に移行する。
ステップS14では、前述の実施の形態1〜7に記載の力行時電力補償部633と同様の処理を実行し、蓄電デバイス61の放電制御用の電流指令値Icap1*を算出して、後述するステップS20に移行する。ステップS15では、前述の実施の形態1〜7に記載の回生時電力補償部634と同様の処理を実行し、充電制御用の電流指令値Icap2*を算出して、後述するステップS20に移行する。
ステップS16では、図38に示すディジタル化された蓄電デバイス61の両端電圧値Vcapと入出力電流Icapとを入力し、ステップS17において、入出力電力Pcap(=Vcap×Icap)を算出し、この入出力電力PcapとステップS11で算出した電力Pcnvとから負荷Pload(=Pcnv−Pcap)を算出して、ステップS18に移行する。
ステップS18では、負荷量Ploadが回生時補充電制御部動作閾値LSLより大きく力行時補充電制御部動作閾値LSUより小さい場合には、後述するステップS19に移行し、その他の場合には前述のステップS11に戻る。
ステップS19では、前述の実施の形態1〜7に記載の補充電制御部635と同様の処理を実行して蓄電デバイス61の電流指令値Icap3*を算出して、後述するステップS20に移行する。
ステップS20では、ステップS14で算出した電流指令値Icap1*と、ステップS15で算出した電流指令値Icap2*と、ステップS19で算出した電流指令値Icap3*とから、前述の実施の形態1〜7に記載の加算部636と同様の処理を実行して統合電流指令値Icap*を生成する。また、ステップS20では、必要に応じて、前述の実施の形態2または実施の形態5に記載の無効化信号Disableや許可信号EnableP、EnableNをも生成して、ステップS21に移行する。
ステップS21では、前述の実施の形態1〜7に記載の電圧指令値生成部637と同様の処理を実行して電圧指令値Vcap*を算出して、後述するステップS22に移行する。
ステップS22では、前述の実施の形態1〜6に記載の制御信号生成部638と同様の処理を実行して各制御信号SWP、SWNとを生成して、図38に示すドライバ66、67にそれぞれ出力し、次のステップS23に移行する。
ステップS23では、交流モータ駆動装置の一連の動作が終了したか否かを判断し、終了していなければ前述のステップS11に戻り、終了していれば、そのまま交流モータ駆動回路の動作を終了する。
6 蓄電回路、61 蓄電デバイス、62 チョッパ回路、63 充放電制御回路、
633 力行時電力補償部、634 回生時電力補償部、635 補充電制御部、
637 電圧指令値生成部、638 制御信号生成部。
Claims (4)
- 交流系統電力を直流電力に変換するコンバータと、上記コンバータで得られる直流電力を交流モータに適した電圧や周波数の交流電力に変換して上記交流モータに供給するインバータと、上記インバータに並列接続されて上記交流モータの力行動作時には内部に備えた蓄電デバイスの放電動作により力行電力の一部を補助し、かつ、上記交流モータの回生動作時には上記蓄電デバイスの充電動作により回生電力の一部を蓄電する蓄電回路と、を備えた交流モータ駆動装置において、
上記蓄電回路は、
予め設定した第1の閾値よりも大きい力行電力が上記交流モータで使用される場合には、上記コンバータの出力側の直流電力の電圧値と電流値とに基づき上記蓄電デバイスを放電させる電流指令値を生成する力行時電力補償部と、
予め設定した第2の閾値より絶対値が大きい回生電力が上記交流モータから回生される場合には、コンバータの出力側の直流電力の電圧値と電流値とに基づき上記蓄電デバイスを充電させる電流指令値を生成する回生時電力補償部と、
予め設定した第3の閾値と第4の閾値との範囲内で上記コンバータの出力側の直流電力の電圧値と電流値と上記蓄電デバイスの両端電圧値と入出力電流値とに基づき上記蓄電デバイスの両端電圧値を予め定められた電圧値にするために上記蓄電デバイスを充放電させる電流指令値を生成する補充電制御部と、
を含む交流モータ駆動装置。 - 上記回生時電力補償部は、回生動作開始時には上記電流指令値として予め設定された「0」でない初期値を使用する請求項1に記載の交流モータ駆動装置。
- 上記補充電制御部は、回生動作開始直前に上記蓄電デバイスを充電動作状態になるように制御するものである請求項1または請求項2に記載の交流モータ駆動装置。
- 上記蓄電回路を構成する上記力行時電力補償手段、上記回生時電力補償手段、および上記補充電制御手段の一部もしくは全部がソフトウエアで構成されている請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の交流モータ駆動装置。
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