JP2014007827A - Power conversion device, motor drive control device, air blower, compressor, and refrigerating and air conditioning device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
従来、交流電源を直流に変換して負荷に供給する電力変換装置がある。例えば、下記特許文献1では、交流電源からの入力を全波整流する整流器と、PWM信号によりオン・オフするスイッチング素子を有した昇圧型チョッパー回路で構成され、前記整流器で整流された電圧を平滑化するアクティブフィルターと、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するPWM信号を生成して前記アクティブフィルターのPWM制御を行うアクティブフィルター制御回路と、前記アクティブフィルター制御回路で生成されるPWM信号の最大オンデューティーの制限値を前記交流電源の入力電圧に応じて変化させるデューティー変化手段と、を有する電力変換装置に関する技術が開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is a power conversion device that converts AC power into DC and supplies it to a load. For example, Patent Document 1 below includes a rectifier that full-wave rectifies an input from an AC power supply and a boost chopper circuit having a switching element that is turned on / off by a PWM signal, and smoothes the voltage rectified by the rectifier. Active filter, an active filter control circuit for generating a PWM signal for controlling on / off of the switching element to perform PWM control of the active filter, and a maximum on-duty of the PWM signal generated by the active filter control circuit A technology relating to a power conversion device having duty change means for changing the limit value of the power supply according to the input voltage of the AC power supply is disclosed.
また、近年では、電源電流に含まれる高調波成分による障害を抑制するため、高調波電流を発生する電子機器に対して、国際的に規制が設けられている。この規制をクリアするため、電源変換装置では、コンバーターにてACまたはDCでのチョッピングにより電源短絡を行い、電源電流に含まれる高調波電流を抑制する施策がとられる。また、チョッピングにより母線電圧の昇圧を行い、システム全体としての損失を抑制する方法としても用いられている。 In recent years, international regulations have been provided for electronic devices that generate harmonic currents in order to suppress disturbances due to harmonic components contained in the power supply current. In order to clear this regulation, in the power converter, a measure is taken to suppress the harmonic current contained in the power source current by short-circuiting the power source by AC or DC chopping in the converter. Further, it is also used as a method of suppressing the loss of the entire system by boosting the bus voltage by chopping.
しかしながら、上記従来の技術によれば、回路保護の観点からチョッピングのオンデューティーに制限を設けているものであり、昇圧や力率等の回路の性能向上のために制限を設けるものではなかった。 However, according to the above conventional technique, the on-duty of chopping is limited from the viewpoint of circuit protection, and is not limited for improving the circuit performance such as boosting and power factor.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、オンデューティーを制限した場合に、回路の性能向上可能な電力変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power conversion device capable of improving circuit performance when on-duty is limited.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源を整流する整流器と、スイッチング素子を含むチョッパー回路を構成する昇圧コンバーターと、前記スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、前記昇圧コンバーターの出力を平滑する平滑コンデンサーと、前記整流器が整流した整流電圧を検出する整流電圧検出手段と、前記平滑コンデンサーが平滑した母線電圧を検出する母線電圧検出手段と、を備え、前記スイッチング制御手段は、前記母線電圧の目標値である母線電圧指令値と前記母線電圧との偏差に基づいて、前記スイッチング素子のオンデューティーを算出するオンデューティー演算手段と、前記整流電圧に基づいて算出した制限値で前記オンデューティーを制限し、前記整流電圧に基づいて前記母線電圧指令値を可変する制御を行うオンデューティー制限手段と、前記オンデューティー制限手段で制限されたオンデューティーに基づいて、前記スイッチング素子を開閉する駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a rectifier that rectifies an AC power supply, a boost converter that forms a chopper circuit including a switching element, and a switching control unit that controls the operation of the switching element. And a smoothing capacitor for smoothing the output of the boost converter, a rectified voltage detecting means for detecting a rectified voltage rectified by the rectifier, and a bus voltage detecting means for detecting a bus voltage smoothed by the smoothing capacitor, The switching control means includes an on-duty calculation means for calculating an on-duty of the switching element based on a deviation between a bus voltage command value that is a target value of the bus voltage and the bus voltage, and based on the rectified voltage. Based on the rectified voltage, the on-duty is limited by the calculated limit value. On-duty limiting means for performing control to vary the bus voltage command value; and drive pulse generating means for generating a driving pulse for opening and closing the switching element based on the on-duty limited by the on-duty limiting means. It is characterized by providing.
本発明によれば、オンデューティーを制限した場合に、回路の性能を向上できる、という効果を奏する。 According to the present invention, when the on-duty is limited, the circuit performance can be improved.
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a power conversion device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、本実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図1において、電力変換装置は、三相交流電源1と、三相整流器2と、昇圧コンバーター3と、平滑コンデンサー7と、整流電圧検出部8と、母線電圧検出部9と、スイッチング制御部10と、を備える。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a power conversion device according to the present embodiment. In FIG. 1, the power converter includes a three-phase AC power source 1, a three-
三相整流器2は、6個の整流ダイオード2a〜2fをブリッジ接続した構成となっており、三相交流電源1の交流電圧を整流する。昇圧コンバーター3は、昇圧リアクター4と、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のようなスイッチング素子5と、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子6と、を備えてチョッパー回路を構成する。平滑コンデンサー7は、昇圧コンバーター3の出力を平滑する。整流電圧検出部8は、三相整流器2が整流した直流電圧を検出する。母線電圧検出部9は、昇圧コンバーター3の出力電圧を平滑コンデンサー7で平滑した電圧である母線電圧を検出し、出力する。スイッチング制御部10は、整流電圧検出部8および母線電圧検出部9からの検出信号に基づいて、スイッチング素子5を動作させる駆動信号を生成する。
The three-
図2は、本実施の形態に係るスイッチング制御部10の構成例を示す図である。図2において、スイッチング制御部10は、母線電圧制御部21と、オンデューティー制限部22と、駆動パルス生成部23と、を備える。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the
母線電圧制御部21は、母線電圧検出部9の出力信号である母線電圧と母線電圧の目標値である母線電圧指令値とに基づいて、スイッチング素子5のオンデューティー(図2のduty_preに相当)を演算するオンデューティー演算部である。オンデューティーの演算は、例えば、母線電圧検出部9の出力信号である母線電圧と母線電圧指令値との偏差を比例積分制御して行う。なお、演算方法として比例積分制御を挙げたが、一例であり、これに限定するものではない。例えば、微分項を追加して比例積分微分制御とするなどの方法をとることも可能である。
Based on the bus voltage that is an output signal of the bus voltage detection unit 9 and the bus voltage command value that is the target value of the bus voltage, the bus
オンデューティー制限部22は、母線電圧制御部21で演算したオンデューティーに対して、整流電圧検出部8の検出値に基づいて算出した制限値で制限をかける。
The on-
駆動パルス生成部23は、母線電圧制御部21で演算したオンデューティーに対してオンデューティー制限部22で制限をかけた出力値(図2のDonに相当)に基づいて、スイッチング素子5を動作させる駆動パルスを生成する。駆動パルスの生成は、例えば、三角波や鋸歯波のようなキャリア信号とオンデューティーを比較し、キャリア信号よりオンデューティーが大きくなる区間だけ、スイッチング素子5がオンするようにパルス信号を出力する。
The
つづいて、昇圧コンバーター3の昇圧動作について説明する。昇圧コンバーター3の入力電圧は、三相整流器2の出力である整流電圧であり、これを整流電圧Vdsとする。また、昇圧コンバーター3の出力電圧は平滑コンデンサー7で平滑され、平滑後の電圧を母線電圧Voとする。
Next, the boost operation of the
昇圧コンバーター3では、スイッチング素子5がオンの場合、逆流防止素子6は導通が阻止され、昇圧リアクター4には整流電圧Vdsが印加される。一方、昇圧コンバーター3では、スイッチング素子5がオフの場合、逆流防止素子6は導通し、昇圧リアクター4には、整流電圧Vdsと母線電圧Voとの差分の電圧がスイッチング素子5オン時と逆向きに誘導される。
In the
このとき、エネルギーの観点からは、スイッチング素子5のオン時に昇圧リアクター4に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子5のオフ時に負荷へ移送されると見ることができる。スイッチング素子5のオン・オフ時に、昇圧リアクター4に出入りするエネルギーが等しいとすると、オンデューティーDonと、整流電圧Vdsおよび母線電圧Voとの関係は、次の式(1)のように表すことができる。
At this time, from the viewpoint of energy, it can be seen that the energy accumulated in the boost reactor 4 when the
Vo=Vds/(1−Don) …(1) Vo = Vds / (1-Don) (1)
したがって、スイッチング制御部10のオンデューティー制限部22においてスイッチング素子5のオンデューティーDonを制御することにより、昇圧コンバーター3の出力電圧を制御することができる。また、上記の式(1)をDonについて解くと次の式(2)のように表すことができる。
Therefore, the output voltage of
Don=(Vo−Vds)/Vo …(2) Don = (Vo−Vds) / Vo (2)
上記の式(2)において母線電圧Voに所望の母線電圧指令値Vo*を代入することにより、所望の母線電圧を得るためのオンデューティー理論値を得ることができる。なお、図2では、母線電圧制御部21およびオンデューティー制限部22の両方に母線電圧Voおよび母線電圧指令値Vo*が入力される構成としているが、これに限定するものではない。母線電圧制御部21に母線電圧Voおよび母線電圧指令値Vo*を入力し、母線電圧制御部21からオンデューティー制限部22に対して、演算したオンデューティーとともに母線電圧Voおよび母線電圧指令値Vo*を出力するようにしてもよい。
By substituting a desired bus voltage command value Vo * into the bus voltage Vo in the above equation (2), an on-duty theoretical value for obtaining a desired bus voltage can be obtained. In FIG. 2, the bus voltage Vo and the bus voltage command value Vo * are input to both the bus
ここで、昇圧コンバーター3動作時の電流波形について説明する。図3は、昇圧コンバーター3動作時の昇圧リアクター4に流れる電流波形を示す図である。図3(a)は、スイッチング素子5オン時の電流ILonの傾きを示し、図3(b)は、スイッチング素子5オフ時の電流ILoffの傾きを示す。また、図4は、昇圧コンバーター3においてスイッチング素子5の開閉を繰り返したときの昇圧リアクター4に流れる電流波形を示す図である。図4(a)は、スイッチング素子5がオンの期間とオフの期間での電流変化量が等しい場合を示し、図4(b)は、オンの期間の電流変化量がオフの期間の電流変化量より大きい場合を示し、図4(c)は、オンの期間の電流変化量がオフの期間の電流変化量より小さい場合を示す。
Here, the current waveform during the operation of
スイッチング素子5がオンの場合、昇圧リアクター4には、整流電圧Vdsが印加される。このとき、昇圧リアクター4において、電源(図1において左側にある三相交流電源1)側から負荷側(図1において右側、以下同様とする。)に流れる電流ILonは直線的に増加し、その傾きΔILonは次の式(3)で表すことができる(図3(a))。なお、Lは昇圧リアクター4のインダクタンス値とする。
When the switching
ΔILon=Vds/L …(3) ΔILon = Vds / L (3)
また、スイッチング素子5がオフの場合、昇圧リアクター4には、整流電圧Vdsと母線電圧Voとの差分の電圧がスイッチング素子5のオン時とは逆向き(図1において右側から左側)に印加される。このとき、昇圧リアクター4において、電源側から負荷側に流れる電流ILoffは直線的に減少し、その傾きΔILoffは次の式(4)で表すことができる(図3(b))。
When the switching
ΔILoff=(Vds−Vo)/L …(4) ΔILoff = (Vds−Vo) / L (4)
これらの式(3)、(4)より、母線電圧指令値Vo*、整流電圧Vds、オンデューティーDonが、上記の式(2)の関係を満たす(イコールの)場合、スイッチング素子5がオンする期間とオフする期間での電流の変化量が等しい(図4(a))。
From these equations (3) and (4), when the bus voltage command value Vo * , the rectified voltage Vds, and the on-duty Don satisfy the relationship of the above equation (2) (equal), the switching
また、オンデューティーDonが、上記の式(2)を満たす値より大きい場合、スイッチング素子5がオンの期間における電流変化量が、オフの期間における電流変化量より大きくなるため、スイッチング素子5の開閉を繰り返すことによって、電流は次第に増加していく(図4(b))。
Further, when the on-duty Don is larger than the value satisfying the above formula (2), the current change amount during the ON period of the
また、オンデューティーDonが、上記の式(2)を満たす値より小さい場合、スイッチング素子5がオンの期間における電流変化量が、オフの期間における電流変化量より小さくなるため、スイッチング素子5の開閉を繰り返すことによって、電流は次第に減少していく(図4(c))。
Further, when the on-duty Don is smaller than the value satisfying the above equation (2), the current change amount during the ON period of the
したがって、スイッチング制御部10においてオンデューティーDonを変化させることにより、昇圧コンバーター3の昇圧リアクター4において電源側から負荷側に流れる電流の波形を変化させることが可能である。
Therefore, by changing the on-duty Don in the switching
図5は、昇圧コンバーター3が動作していないときの昇圧リアクター4に流れる電流波形を示す図である。また、図6は、昇圧コンバーター3動作時の昇圧リアクター4に流れる電流波形を示す図である。本実施の形態のように、三相交流電源1の交流電圧を、三相整流器2で整流する場合、各相の入力電流は、電源電圧周期の180度中に120度の通電区間を持つ(図5(b))。また、この通電区間における電流は、その区間での、昇圧リアクター4を電源側から負荷側に流れる電流と同一であり、各相の電流を併せると図5(a)のように表すことができる。昇圧コンバーター3動作時も同様であり、各相の入力電流は、電源電圧周期の180度中に120度の通電区間を持つ(図6(b))。また、この通電区間における電流は、その区間での、昇圧リアクター4を電源側から負荷側に流れる電流と同一であり、各相の電流を併せると図6(a)のように表すことができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a waveform of a current flowing through the boost reactor 4 when the
図3〜6に示すように、スイッチング制御部10においてオンデューティーDonを変化させることによって、昇圧リアクター4に流れる電流の波形が変化し、このとき各相の入力電流の波形も変化することになる。電力変換装置では、昇圧コンバーター3動作時の昇圧リアクター4に流れる電流波形を、図4(a)のようにスイッチング素子5がオンする期間とオフする期間での電流の変化量を等しくし、かつ、図6のように振れ幅が小さく一定の範囲で推移させる変化とすることにより、母線電圧を昇圧するだけでなく、力率の向上や、入力電流に含まれる高調波成分の低減も図ることが可能となる。
As shown in FIGS. 3 to 6, by changing the on-duty Don in the switching
昇圧コンバーター3動作時の昇圧リアクター4に流れる電流波形を振れ幅が小さく一定の範囲で変化させるため、具体的に、オンデューティー制限部22におけるオンデューティーDonを制限する処理について説明する。オンデューティーDonの制限は、例えば、三相交流電源1の交流電圧が所定の電圧値より増加した場合に必要となる。図7は、オンデューティー制限部22においてオンデューティーDonの制限がないときの各電圧との関係を示す図である。
The process of limiting the on-duty Don in the on-
三相交流電源1の交流電圧が増加すると、三相整流器2で整流した電圧である整流電圧Vdsも増加する。また、式(2)から分かるように、母線電圧指令値Vo*が一定であれば、整流電圧Vdsの増加に伴い、オンデューティーDonは0に近づく。ここで、オンデューティーDonは0〜1の範囲の値であるので、整流電圧Vdsが母線電圧指令値Vo*以上になると、オンデューティーDonが0となり、昇圧コンバーター3の動作は停止する。
When the AC voltage of the three-phase AC power source 1 increases, the rectified voltage Vds that is a voltage rectified by the three-
このように、昇圧コンバーター3が停止した場合、母線電圧Voについては所望の電圧値を得ることができるが、前述のような力率向上や入力電流の高調波低減の効果を得ることができなくなる。
As described above, when the
そのため、オンデューティー制限部22においてオンデューティーDonに下限を設け、母線電圧Voの昇圧動作を必要最低限とする制御を行う。これにより、スイッチング制御部10では、力率向上や入力電流の高調波低減といった効果を損なうことなく、昇圧コンバーター3を動作させることができる。図8は、オンデューティー制限部22においてオンデューティーDonを制限したときの各電圧との関係を示す図である。
Therefore, the on-
このときのオンデューティーDonの制限値は、例えば、式(2)に基づいて以下の式(5)のように決めることができる。 The limit value of the on-duty Don at this time can be determined as the following formula (5) based on the formula (2), for example.
Don>(Vo−Vds)/Vo …(5) Don> (Vo−Vds) / Vo (5)
ここで、Voには母線電圧指令値Vo*を入れ、その値は整流電圧Vdsを基準として、例えば、1.1倍、1.5倍といった定数倍、または、+10V、+50Vといった一定差分の値とする。すなわち、通常は母線電圧指令値Vo*の値を一定としておき、整流電圧Vdsと母線電圧指令値Vo*との差分が前記の定数倍または一定差分以下となる場合に、母線電圧指令値Vo*の値を整流電圧Vdsの値に基づいて可変する。オンデューティー制限部22は、図示しない母線電圧指令値Vo*の生成部に対して母線電圧指令値Vo*の値を可変する制御を行う。
Here, the bus voltage command value Vo * is inserted into Vo, and the value is a constant multiple such as 1.1 times or 1.5 times or a constant difference value such as +10 V or +50 V with respect to the rectified voltage Vds. And That is, normally, when the value of the bus voltage command value Vo * is kept constant, and the difference between the rectified voltage Vds and the bus voltage command value Vo * is equal to or smaller than the constant multiple or the constant difference, the bus voltage command value Vo * is set . Is varied based on the value of the rectified voltage Vds. The on-
前述のように、式(2)を満たすとき、スイッチング素子5がオンの期間における電流変化量が、オフの期間における電流変化量と等しくなることから、式(5)のような下限値を設けることで、昇圧リアクター4に流れる電流は、少なくとも連続モードとなる。
As described above, when the expression (2) is satisfied, the current change amount in the on-period of the
また、オンデューティーDonの制限値は、例えば、三相交流電源1の交流電圧が所定の電圧値より減少した場合に必要となる。図9は、オンデューティー制限部22においてオンデューティーDonの制限がないときの各電圧との関係を示す図である。
Further, the limit value of the on-duty Don is required, for example, when the AC voltage of the three-phase AC power source 1 is decreased from a predetermined voltage value. FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship with each voltage when the on-
三相交流電源1の交流電圧が減少すると、三相整流器2で整流した電圧である整流電圧Vdsも減少する。また、図9から分かるように、母線電圧指令値Vo*が一定であれば、整流電圧Vdsの減少に伴い、昇圧比が増加する。このとき、母線電圧Voの昇圧が母線電圧指令値Vo*が一定とした場合の電圧値より低くてよい場合には、必要以上に昇圧することになる。オンデューティー制限部22において、母線電圧Voの昇圧が母線電圧指令値Vo*が一定とした場合の電圧値より低くてよいかどうかを判断する方法としては、例えば、実施の形態2で後述するように、負荷側から取得した交流電圧の指令値などを用いて行うことができる。
When the AC voltage of the three-phase AC power source 1 decreases, the rectified voltage Vds that is a voltage rectified by the three-
そのため、オンデューティー制限部22においてオンデューティーDonに上限を設け、母線電圧Voの昇圧動作を必要最低限とする制御を行う。これにより、スイッチング制御部10では、昇圧コンバーター3の昇圧動作に伴う損失を最小限に抑制することができる。図10は、オンデューティー制限部22においてオンデューティーDonを制限したときの各電圧との関係を示す図である。
For this reason, the on-
このときのオンデューティーDonの制限値は、例えば、式(2)に基づいて以下の式(6)のように決めることができる。 The limit value of the on-duty Don at this time can be determined as in the following formula (6) based on the formula (2), for example.
Don<(Vo−Vds)/Vo …(6) Don <(Vo−Vds) / Vo (6)
ここで、Voには母線電圧指令値Vo*を入れ、その値は整流電圧Vdsを基準として、例えば、1.1倍、1.5倍といった定数倍、または、+10V、+50Vといった一定差分の値とする。すなわち、通常は母線電圧指令値Vo*の値を一定としておき、整流電圧Vdsと母線電圧指令値Vo*との差分が前記の定数倍または一定差分以上となる場合に、母線電圧指令値Vo*の値を整流電圧Vdsの値に基づいて可変する。オンデューティー制限部22は、図示しない母線電圧指令値Vo*の生成部に対して母線電圧指令値Vo*の値を可変する制御を行う。
Here, the bus voltage command value Vo * is inserted into Vo, and the value is a constant multiple such as 1.1 times or 1.5 times or a constant difference value such as +10 V or +50 V with respect to the rectified voltage Vds. And That is, normally, when the value of the bus voltage command value Vo * is constant, and the difference between the rectified voltage Vds and the bus voltage command value Vo * is equal to or more than the above-mentioned constant multiple or a certain difference, the bus voltage command value Vo *. Is varied based on the value of the rectified voltage Vds. The on-
なお、三相交流電源1の交流電圧が安定しており一定のレベルで推移している場合、すなわち、図7や図9に示す状態に至らない場合、オンデューティー制限部22は、オンデューティーDonを制限する必要はないため、母線電圧制御部21で演算したオンデューティー(duty_pre)をオンデューティーDonとして駆動パルス生成部23へ出力する。
When the AC voltage of the three-phase AC power source 1 is stable and changes at a certain level, that is, when the state shown in FIGS. 7 and 9 is not reached, the on-
以上説明したように、本実施の形態によれば、電力変換装置では、昇圧コンバーターのスイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御部は、オンディーティーを制御して昇圧コンバーターに流れる電流波形を変化させ、昇圧コンバーターに入力される整流電圧の値に応じてオンディーティーに制限をかける。このとき、昇圧コンバーターに流れる電流波形を一定の振れ幅で推移するようにスイッチング素子の開閉を制御する。また、母線電圧指令値について、整流電圧との関係に応じて可変する制御を行う。これにより、回路性能の向上として、昇圧コンバーターのチョッパー回路における損失を最小限に抑制し、母線電圧を昇圧するだけでなく、力率の向上や、入力電流に含まれる高調波成分の低減が可能となる。 As described above, according to the present embodiment, in the power conversion device, the switching control unit that controls the operation of the switching element of the boost converter changes the current waveform flowing through the boost converter by controlling on-deity, The on-duty is limited according to the value of the rectified voltage input to the boost converter. At this time, switching of the switching element is controlled so that the waveform of the current flowing through the boost converter changes with a constant amplitude. Further, the bus voltage command value is controlled to vary depending on the relationship with the rectified voltage. This improves circuit performance by minimizing losses in the chopper circuit of the boost converter and boosting the bus voltage, as well as improving the power factor and reducing harmonic components in the input current. It becomes.
実施の形態2.
本実施の形態では、具体的に、電力変換装置に接続する負荷について説明する。実施の形態1と異なる部分について説明する。
In the present embodiment, specifically, a load connected to the power conversion device will be described. A different part from Embodiment 1 is demonstrated.
図11は、電力変換装置に、インバーター、モーターおよびインバーター制御部を接続した状態を示す図である。一例として、電力変換装置に接続する負荷として、直流電圧を交流電圧に変換するインバーター31と、インバーター31の出力である交流電圧が印加されることで駆動するモーター32とを接続し、インバーター31には、インバーター制御部33が接続されている。また、電力変換装置側では、スイッチング制御部10に替えてスイッチング制御部10aを備える。ここでは、図11全体としてモーター駆動制御装置を構成するものとする。
FIG. 11 is a diagram illustrating a state where an inverter, a motor, and an inverter control unit are connected to the power conversion device. As an example, as a load connected to the power converter, an
インバーター31は、例えば、IGBTのようなスイッチング素子を三相ブリッジ構成もしくは二相ブリッジ構成とする。インバーター31を制御するインバーター制御部33は、例えば、インバーター31からモーター32に流れる電流を検出するモーター電流検出部34を用いて、モーター32が所望の回転数にて回転するような電圧指令を演算して、インバーター31内のスイッチング素子を駆動するパルスを生成する。
The
スイッチング制御部10aの構成はスイッチング制御部10同様とするが、オンデューティー制限部22が、さらに、インバーター制御部33からの電圧指令を取得して昇圧コンバーター3の制御を行う。
Although the configuration of the switching
なお、スイッチング制御部10aによるコンバーター制御やインバーター制御部33によるインバーター制御は、例えば、マイコンのような演算手段を用いて実現することが可能である。
Note that the converter control by the switching
通常、モーター32の回転数を上げるには、回転数に伴い、インバーター31から出力される交流電圧も高い電圧が必要となる。インバーター31から出力される交流電圧の大きさは、インバーター31に印加される電圧、すなわち、平滑コンデンサー7の出力である直流電圧(母線電圧Vo)により制限される。
Usually, in order to increase the rotation speed of the
本実施の形態では、モーター駆動制御装置において、モーター32の回転数を上げるため、インバーター31から出力する交流電圧として、前述の平滑コンデンサー7からの出力である母線電圧Voによって制限される電圧以上の電圧が必要な場合に、スイッチング制御部10aが、インバーター制御部33からの電圧指令を取得して昇圧コンバーター3の昇圧動作を制御する。これにより、インバーター31において出力電圧を制限させないようにすることができる。
In the present embodiment, in the motor drive control device, in order to increase the rotation speed of the
また、モーター32の回転数が低く、インバーター31で必要な出力電圧が平滑コンデンサー7からの出力である母線電圧Voによって制限される電圧以下であって、昇圧コンバーター3の昇圧動作による力率向上や入力電流の高調波低減といった効果が必要な場合に、スイッチング制御部10aでは、インバーター31の出力電圧を制限させない前述の動作と比較して、母線電圧指令値Vo*を下げて昇圧コンバーター3を動作させる制御を行う。
Further, the
これにより、昇圧コンバーター3の動作に伴う損失を最低限に抑えて、力率向上や入力電流の高調波低減といった効果を得ることができる。なお、このような場合、通常より母線電圧指令値Vo*が小さく設定されるため、電源電圧変動により整流電圧Vdsが増加すると、母線電圧Voを超過しやすくなる。そのため、実施の形態1で説明したように、オンデューティーDonの下限を設けることが有効となる。
As a result, it is possible to minimize the loss associated with the operation of the
また、この区間では、母線電圧Voの昇圧より、力率向上や入力電流の高調波低減といった効果を得ることが主目的である。そのため、電源電圧変動により整流電圧Vdsが減少すると、必要以上に母線電圧Voの昇圧を行うことになる。したがって、実施の形態1で説明したように、オンデューティーDonの上限を設けることで、必要以上に昇圧コンバーター3の損失を発生させることがなくなる。
Further, in this section, the main purpose is to obtain effects such as improvement of power factor and reduction of harmonics of the input current by boosting the bus voltage Vo. For this reason, when the rectified voltage Vds decreases due to power supply voltage fluctuation, the bus voltage Vo is boosted more than necessary. Therefore, as described in the first embodiment, by providing the upper limit of the on-duty Don, the loss of the
本実施の形態では、モーター駆動制御装置において、モーターの回転数が低く、インバーターの出力電圧が、平滑コンデンサーの出力である直流電圧による制限値以下である場合に、オンデューティーDonの下限・上限を設けることで、実施の形態1と同様、損失が小さく、力率向上や入力電流の高調波低減といった効果を有効に得ることができる。このようなモーター駆動制御装置を、送風機もしくは圧縮機のモーターの少なくとも1つを駆動するのに用いて、空気調和機や冷蔵庫、冷凍庫を構成しても同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment, in the motor drive control device, when the rotational speed of the motor is low and the output voltage of the inverter is less than or equal to the limit value by the DC voltage that is the output of the smoothing capacitor, the lower limit and the upper limit of the on-duty Don are set. By providing, as in the first embodiment, the loss is small, and effects such as power factor improvement and harmonic reduction of the input current can be effectively obtained. Even if such an air conditioner, a refrigerator, or a freezer is configured by using such a motor drive control device to drive at least one of a motor of a blower or a compressor, the same effect can be obtained.
実施の形態3.
本実施の形態では、電力変換装置において、昇圧コンバーターを並列接続する構成について説明する。実施の形態1と異なる部分について説明する。
In the present embodiment, a configuration in which boost converters are connected in parallel in a power conversion device will be described. A different part from Embodiment 1 is demonstrated.
図12は、本実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図12に示すように、電力変換装置は、昇圧コンバーター3に替えて昇圧コンバーター3´を備え、昇圧コンバーター3´を、昇圧リアクター4aとスイッチング素子5aと逆流防止素子6aとからなる昇圧コンバーター3aと、昇圧リアクター4bとスイッチング素子5bと逆流防止素子6bとからなる昇圧コンバーター3bとを、並列接続する構成とすることも可能である。この場合、電力変換装置では、スイッチング制御部10に替えて2つのスイッチング素子を制御可能なスイッチング制御部10bを備える。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of the power conversion device according to the present embodiment. As shown in FIG. 12, the power converter includes a
昇圧コンバーター3a、3bのそれぞれにおいて、スイッチング素子5a、5bをオン・オフした場合の挙動は実施の形態1と同様となる。ただし、電源各相の導通区間に現れる電流波形は、昇圧リアクター4aの電流と昇圧リアクター4bの電流との加算となる。図13は、昇圧コンバーター3´内のスイッチング素子5a、5bのオン・オフおよび昇圧リアクター4a、4bの電流の状態を示す図である。図13(a)はスイッチング素子5aのオンデューティーを示し、図13(b)は昇圧リアクター4aの電流波形を示し、
図13(c)はスイッチング素子5bのオンデューティーを示し、図13(d)は昇圧リアクター4bの電流波形を示し、図13(e)は昇圧リアクター4a、4bの加算電流波形を示す。
In each of
13C shows the on-duty of the
特に、スイッチング素子5a、5bの互いのオンタイミング位相をずらすことで、昇圧リアクター4aの電流と昇圧リアクター4bの電流との加算電流におけるスイッチングリプルは相殺し合い、スイッチング素子5a、5bのスイッチングが同一のオンデューティーで、180度の位相をもってずれた場合に、加算電流のスイッチングリプルが最も小さくなる。また、このときの加算電流の、スイッチングに起因する電流リプルは、スイッチング周期Tswの1/2倍となる。
In particular, by shifting the on-timing phases of the
ここで、オンデューティーが50%未満の場合、スイッチング素子5aとスイッチング素子5bのオン・オフの組合せは、オン−オフとオフーオフの2通りの組合せとなる。スイッチング素子5aと5bのオン時の傾きやオフ時の傾きは、昇圧リアクター4a、4bが同じインダクタンス値であれば同じである。そのため、オン−オフの組合せとなる区間においては、加算電流の傾きΔIdcupは、前述のΔILonとΔILoffの加算で求めることができ、次の式(7)で表すことができる。
Here, when the on-duty is less than 50%, the on / off combinations of the
ΔIdcup=ΔILon+ΔILoff=(2*Vds−Vo)/L …(7) ΔIdcup = ΔILon + ΔILoff = (2 * Vds−Vo) / L (7)
また、オフ−オフの組合せとなる区間においては、加算電流の傾きΔIdcdownは、前述のΔILoffの2倍で求めることができ、次の式(8)で表すことができる。 Further, in the section that is an off-off combination, the slope ΔIdcdown of the addition current can be obtained by twice the above-described ΔILoff, and can be expressed by the following equation (8).
ΔIdcdown=2*ΔILoff=2*(Vds−Vo)/L …(8) ΔIdcdown = 2 * ΔILoff = 2 * (Vds−Vo) / L (8)
ここで、オン−オフの組合せとなる区間Tonoffは、スイッチング素子5a、5bのオン時間と同一時間となり、次の式(9)で表すことができる。
Here, the section Tonoff, which is an ON-OFF combination, is the same time as the ON time of the
Tonoff=Don*Tsw …(9) Tonoff = Don * Tsw (9)
また、オフ−オフの組合せとなる区間Toffoffは、次の式(10)で表すことができる。 Further, the section Toffoff that is an off-off combination can be expressed by the following equation (10).
Toffoff=(1/2−Don)*Tsw …(10) Toffoff = (1 / 2−Don) * Tsw (10)
このとき、スイッチング制御部10bを、例えば、図14のように構成することができる。図14は、本実施の形態に係るスイッチング制御部10bの構成例を示す図である。駆動パルス生成部23に替えて駆動パルス生成部23a、23bを備える点が、スイッチング制御部10と異なる。スイッチング制御部10bでは、駆動パルス生成部23a、23bにおいて、オンデューティーと比較する三角波や鋸歯波のキャリア信号を、駆動パルス生成部23aと23bで位相をずらすことで、所定の位相だけずれた、スイッチング素子5a、5bの駆動パルスを生成することができる。なお、同一のキャリア信号に対してオンデューティーをDonと1−Donのようにしてもよい。いずれの場合にもおいても、前述したオンデューティーを制限することによる回路性能向上の効果を得ることができる。
At this time, the switching
また、スイッチング制御部では、さらに母線電流を用いてオンデューティーを得ることも可能である。図15、16は、母線電流検出部を備えた電力変換装置の構成例を示す図である。また、図17、18は、母線電流検出部から検出値を入力するスイッチング制御部の構成例を示す図である。図17において、スイッチング制御部10cは、母線電圧制御部21aと、母線電流制御部42と、オンデューティー制限部22と、駆動パルス生成部23と、を備える。また、図18において、スイッチング制御部10dは、母線電圧制御部21aと、母線電流制御部42と、オンデューティー制限部22と、駆動パルス生成部23a、23bと、を備える。図15、17は昇圧コンバーター3の構成に対応し、図16、18は昇圧コンバーター3´の構成に対応する。
In the switching control unit, it is also possible to obtain an on-duty by using a bus current. 15 and 16 are diagrams illustrating a configuration example of the power conversion device including the bus current detection unit. 17 and 18 are diagrams illustrating a configuration example of a switching control unit that inputs a detection value from the bus current detection unit. In FIG. 17, the switching
図15、16に示すように、母線電流検出部41は、三相整流器2から昇圧リアクタ4に流れる電流値idcを検出し、スイッチング制御部10cまたはスイッチング制御部10dへ出力する。
As shown in FIGS. 15 and 16, the bus
図17、18において、母線電圧制御部21aは、母線電圧指令値Vo*と母線電圧検出部9からの検出値(母線電圧Vo)との偏差に基づいて母線電流指令値idc*を算出する。母線電流制御部42は、該母線電流指令値idc*と母線電流検出部41の検出値(母線電流)idcとの偏差を、例えば、比例積分制御などを行うことによって制限前のオンデューティーを得る。オンデューティー制限部22以降の動作は、実施の形態1、2と同様である。
17 and 18, the
これにより、実施の形態1、2と同様、母線電流制御を行うことができ、力率向上や入力電流の高調波低減といった効果を高めることができる。なお、このような構成においても、同様に、前述したオンデューティーを制限することによる回路性能向上の効果を得ることができる。 As a result, the bus current control can be performed as in the first and second embodiments, and the effects of improving the power factor and reducing the harmonics of the input current can be enhanced. Even in such a configuration, the effect of improving the circuit performance by limiting the above-described on-duty can be obtained.
なお、本実施の形態では、母線電圧制御部21aと母線電流制御部42とを用いて制限前のオンデューティーを得ているが、これに限定するものではない。例えば、母線電圧制御部において、母線電圧指令値Vo*、母線電圧Vo、および母線電流idcを入力し、制限前のオンデューティーを得るようにしてもよい。
In the present embodiment, the on-duty before the limit is obtained using the
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電力の変換に有用であり、特に、交流電源と接続する場合に適している。 As described above, the power conversion device according to the present invention is useful for power conversion, and is particularly suitable for connection to an AC power supply.
1 三相交流電源
2 三相整流器
2a〜2f 整流ダイオード
3、3´、3a、3b 昇圧コンバーター
4、4a、4b 昇圧リアクター
5、5a、5b スイッチング素子
6、6a、6b 逆流防止素子
7 平滑コンデンサー
8 整流電圧検出部
9 母線電圧検出部
10、10a、10b、10c スイッチング制御部
21、21a 母線電圧制御部
22 オンデューティー制限部
23 駆動パルス生成部
31 インバーター
32 モーター
33 インバーター制御部
34 モーター電流検出部
41 母線電流検出部
42 母線電流制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Three-phase alternating
Claims (11)
スイッチング素子を含むチョッパー回路を構成する昇圧コンバーターと、
前記スイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、
前記昇圧コンバーターの出力を平滑する平滑コンデンサーと、
前記整流器が整流した整流電圧を検出する整流電圧検出手段と、
前記平滑コンデンサーが平滑した母線電圧を検出する母線電圧検出手段と、
を備え、
前記スイッチング制御手段は、
前記母線電圧の目標値である母線電圧指令値と前記母線電圧との偏差に基づいて、前記スイッチング素子のオンデューティーを算出するオンデューティー演算手段と、
前記整流電圧に基づいて算出した制限値で前記オンデューティーを制限し、前記整流電圧に基づいて前記母線電圧指令値を可変する制御を行うオンデューティー制限手段と、
前記オンデューティー制限手段で制限されたオンデューティーに基づいて、前記スイッチング素子を開閉する駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 A rectifier for rectifying the AC power supply;
A boost converter constituting a chopper circuit including a switching element;
Switching control means for controlling the operation of the switching element;
A smoothing capacitor for smoothing the output of the boost converter;
Rectified voltage detecting means for detecting a rectified voltage rectified by the rectifier;
A bus voltage detecting means for detecting a bus voltage smoothed by the smoothing capacitor;
With
The switching control means includes
An on-duty calculation means for calculating an on-duty of the switching element based on a deviation between a bus voltage command value which is a target value of the bus voltage and the bus voltage;
On-duty limiting means for limiting the on-duty with a limit value calculated based on the rectified voltage and performing control to vary the bus voltage command value based on the rectified voltage;
Drive pulse generating means for generating a drive pulse for opening and closing the switching element based on the on-duty limited by the on-duty limiting means;
A power conversion device comprising:
第一のスイッチング素子を含むチョッパー回路を構成する第一の昇圧コンバーターと、
第二のスイッチング素子を含むチョッパー回路を構成し、前記第一の昇圧コンバーターと並列に接続された第二の昇圧コンバーターと、
前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子の動作を制御するスイッチング制御手段と、
前記昇圧コンバーターの出力を平滑する平滑コンデンサーと、
前記整流器が整流した整流電圧を検出する整流電圧検出手段と、
前記平滑コンデンサーが平滑した母線電圧を検出する母線電圧検出手段と、
を備え、
前記スイッチング制御手段は、
前記母線電圧の目標値である母線電圧指令値と前記母線電圧との偏差に基づいて、前記スイッチング素子のオンデューティーを算出するオンデューティー演算手段と、
前記整流電圧に基づいて算出した制限値で前記オンデューティーを制限し、前記整流電圧に基づいて前記母線電圧指令値を可変する制御を行うオンデューティー制限手段と、
前記オンデューティー制限手段で制限されたオンデューティーに基づいて、前記スイッチング素子を開閉する駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 A rectifier for rectifying the AC power supply;
A first boost converter constituting a chopper circuit including a first switching element;
Constituting a chopper circuit including a second switching element, a second boost converter connected in parallel with the first boost converter;
Switching control means for controlling operations of the first switching element and the second switching element;
A smoothing capacitor for smoothing the output of the boost converter;
Rectified voltage detecting means for detecting a rectified voltage rectified by the rectifier;
A bus voltage detecting means for detecting a bus voltage smoothed by the smoothing capacitor;
With
The switching control means includes
An on-duty calculation means for calculating an on-duty of the switching element based on a deviation between a bus voltage command value which is a target value of the bus voltage and the bus voltage;
On-duty limiting means for limiting the on-duty with a limit value calculated based on the rectified voltage and performing control to vary the bus voltage command value based on the rectified voltage;
Drive pulse generating means for generating a drive pulse for opening and closing the switching element based on the on-duty limited by the on-duty limiting means;
A power conversion device comprising:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。 The on-duty limiting means sets the value calculated so that the rectified voltage and the bus voltage have a predetermined difference as the limiting value.
The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is a power conversion device.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。 The on-duty limiting means sets the value calculated so that the bus current mode is a predetermined current mode as the limiting value.
The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is a power conversion device.
ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。 The predetermined current mode is a continuous mode,
The power conversion device according to claim 4, wherein:
を備え、
前記オンデューティー演算手段は、さらに前記母線電流を用いて前記オンデューティーを算出する、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の電力変換装置。 A bus current detecting means for detecting a bus current which is a current of a rectified voltage rectified by the rectifier;
With
The on-duty calculation means further calculates the on-duty using the bus current.
The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is a power conversion device.
スイッチング素子を含み、前記電力変換装置の出力である直流電圧を交流電圧に変換するインバーターと、
前記インバーターのスイッチング素子を制御するインバーター制御手段と、
前記インバーターの出力である交流電圧に基づいて駆動するモーターと、
を備えることを特徴とするモーター駆動制御装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 6,
An inverter that includes a switching element and converts a DC voltage that is an output of the power converter to an AC voltage;
Inverter control means for controlling a switching element of the inverter;
A motor that is driven based on an AC voltage that is an output of the inverter;
A motor drive control device comprising:
ことを特徴とする請求項7に記載のモーター駆動制御装置。 The on-duty limiting means has a ratio between a DC voltage applied to the inverter and an AC voltage output from the inverter based on a command value of the AC voltage output to the motor obtained from the inverter control means. Enable the limit value in a section that is less than or equal to a predetermined value.
The motor drive control device according to claim 7.
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