JP2014197978A - 電力変換器制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
詳細な実施の形態を説明する前に、それらの実施の形態についての基本的概念を説明する。もちろん、この基本的概念も本発明の一つの実施の形態として把握することもできる。
(ii)複素平面上において角度2π/3をなして配置される一対の非零電圧ベクトルのいずれについても、一対の非零電圧ベクトルの一方に対応するスイッチングパターンと、他方に対応するスイッチングパターンとは、一つの電流経路において共通し、他の二つの電流経路において相違する:
(iii)複素平面上において角度πをなして配置される一対の非零電圧ベクトルのいずれについても、当該一対の非零電圧ベクトルの一方に対応するスイッチングパターンと、他方に対応するスイッチングパターンとは、三つの電流経路において相違する。
π/3≦θ≦2π/3:非零電圧ベクトルV6,V2;
2π/3≦θ≦π:非零電圧ベクトルV2,V3;
π≦θ≦4π/3:非零電圧ベクトルV3,V1;
4π/3≦θ≦5π/3:非零電圧ベクトルV1,V5;
5π/3≦θ≦2π:非零電圧ベクトルV5,V4
これらの領域における磁束の制御は、角度θについてπ/3毎に同様であるので、以下では各実施の形態をも含め、0≦θ≦π/3の場合のみを例にとって説明する。この場合の説明は、単に角度θの基準をπ/3だけずらせることで他の領域にも妥当するからである。
τ6=Ks・sin(θ)・T0/2;
2・τ0+τ7=T0−2・τ4−2・τ6…(1)
例えば下式が満足される。
τ7=τ0×2…(2)
但し式(1)においては電圧制御率Ksを導入した。電圧制御率Ksは、誘導性負荷5中でY結線された三相コイルに印加される線間電圧の実効値Viを導入して次式で定義される。
図1に戻って説明を続ける。原ベクトル生成部63は原ベクトル[τV]を生成する。上記図4に即して言えば、原ベクトル[τV]は要素ベクトルτ0・V0,τ4・V4,τ6・V6,τ7・V7,τ6・V6,τ4・V4,τ0・V0で構成される。図4及び式(1)から明確なように、原ベクトル[τV]のうち、最初に登場する非零電圧ベクトルV4,V6に対応する一対の要素ベクトルτ4・V4,τ6・V6が、差分指令ΔΨ(θ(te))の半分を合成する。このように、差分指令ΔΨ(θ)の半分を合成し、それぞれが異なる非零電圧ベクトル(これらは複素平面上で角度π/3をなす)に対応する一対の原ベクトルを、原非零ベクトルと称することにする。図4では原非零ベクトルτ4・V4,τ6・V6が例示されている。
図5においてはTmin≦τ6であるので、τ6'=τ6が採用されている。つまり補正ベクトルτ6'・V6として原非零ベクトルτ6・V6が採用されている。
=2・τ0''+τ7''+τ4'+τ6'+τ4''+τ6''…(5)
例えば簡単のため、所定周期T0の開始時点において採用する無値ベクトルτ0''・V0として、原ベクトルにおいて採用された無値ベクトルτ0・V0を採用することもできる。その場合には、下式(6)が成立する必要がある。
差分指令ΔΨ(θ)の合成に係わるのは非零要素ベクトルであって、無値ベクトルではない。よって、時間の和(2・τ0''+τ7'')あるいは(τ0''+τ7'')についてそれぞれ式(5)あるいは式(6)を満足させるのであれば、時間τ0'',τ7''は自由に設定することができる。
第1の実施の形態では、スイッチングロスを低減すべく、スイッチング回数を低減する技術を紹介する。
図8乃至図10はいずれも、合成補償ベクトルVpとこれを合成する一対の補償ベクトルとを示すベクトル図である。
図11は、所定周期T0における原ベクトル(破線で示す)と補正ベクトルと合成補償ベクトルとを示すベクトル図である。ここでは合成補償ベクトルVpが、図2において電圧ベクトルV6,V2及びそれぞれの終点を結ぶ線分が形成する三角形の領域内に収まる場合を例示する。このような場合は、式(9)の関係が成立している。
|2・τ4−τ4'|≦|2・τ6−τ6'|…(9)
図12乃至図14はいずれも、合成補償ベクトルVpとこれを合成する一対の補償ベクトルとを示すベクトル図である。
図15は、所定周期T0における原ベクトル(破線で示す)と補正ベクトルと合成補償ベクトルとを示すベクトル図である。ここでは合成補償ベクトルVpが、図2において電圧ベクトルV2,V3及びそれぞれの終点を結ぶ線分が形成する三角形の領域内に収まる場合を例示する。このような場合は、式(11)の関係が成立している。
|2・τ4−τ4'|>|2・τ6−τ6'|…(11)
図16乃至図18はいずれも、合成補償ベクトルVpとこれを合成する一対の補償ベクトルとを示すベクトル図である。
図19は、所定周期T0における原ベクトル(破線で示す)と補正ベクトルと合成補償ベクトルとを示すベクトル図である。ここでは合成補償ベクトルVpが、図2において電圧ベクトルV3,V1及びそれぞれの終点を結ぶ線分が形成する三角形の領域内に収まる場合を例示する。このような場合は、式(13)の関係が成立している。
図20乃至図22はいずれも、合成補償ベクトルVpとこれを合成する一対の補償ベクトルとを示すベクトル図である。
図23は、所定周期T0における原ベクトル(破線で示す)と補正ベクトルと合成補償ベクトルとを示すベクトル図である。ここでは合成補償ベクトルVpが、図2において電圧ベクトルV1,V5及びそれぞれの終点を結ぶ線分が形成する三角形の領域内に収まる場合を例示する。このような場合は、式(15)の関係が成立している。
|2・τ4−τ4'|≦|2・τ6−τ6'|…(15)
図24乃至図26はいずれも、合成補償ベクトルVpとこれを合成する一対の補償ベクトルとを示すベクトル図である。
図27は、所定周期T0における原ベクトル(破線で示す))補正ベクトルと合成補償ベクトルとを示すベクトル図である。ここでは合成補償ベクトルVpが、図2において電圧ベクトルV5,V4及びそれぞれの終点を結ぶ線分が形成する三角形の領域内に収まる場合を例示する。このような場合は、式(17)の関係が成立している。
|2・τ4−τ4'|>|2・τ6−τ6'|…(17)
図28乃至図30はいずれも、合成補償ベクトルVpとこれを合成する一対の補償ベクトルとを示すベクトル図である。
上記の合成補償ベクトルVpについて、それぞれ式(7)(9)(11)(13)(15)(17)に対応する6つの状況において採用されることが望ましい補正ベクトル[τV]'、補償ベクトル[τV]''については以下のように纏めることができる。
第1の補償ベクトルが対応する電圧ベクトルに対応するスイッチングパターンにおいて、接続点Pu,Pv,Pwと直流母線LL(あるいは直流母線LH)との間で導通するスイッチの個数を第1数とし;
第2の前記補償ベクトルが対応する電圧ベクトルに対応するスイッチングパターンにおいて、接続点Pu,Pv,Pwと直流母線LL(あるいは直流母線LH)との間で導通するスイッチの個数を第2数とし;
第1の補償ベクトルの直前に採用されるベクトル指令が対応する電圧ベクトルに対応するスイッチングパターンにおいて、接続点Pu,Pv,Pwと直流母線LL(あるいは直流母線LH)との間で導通するスイッチの個数を第3数とすると;
(d-1)第3数が3の場合には第1数は第2数よりも大きく;
(d-2)第3数が0の場合には第1数は第2数よりも小さく;
(d-3)第3数が1もしくは2の場合は第1数は第3数と等しい。
非特許文献2では磁束の偏差が大きいほど磁気騒音が大きいことが説明されている。そこで第2の実施の形態では、磁束の偏差(指令値と実際の値との差)を低減する観点で望ましい、補償ベクトル[τV]''の選定について説明する。
原ベクトルでは原非零ベクトルτ4・V4,τ6・V6が二回採用されるので、結局、差分指令ΔΨ(θ)(不図示)が、一辺の長さTminの正三角形内に収まる場合において、第2の実施の形態が適用できることになる。
式(19),(20)から本実施の形態が採用されるのは式(13)が成立する場合(図19参照)であることが判る。
第1実施の形態とは異なり、所定周期T0で零電圧ベクトルV0を維持する期間は、所定周期T0の始期と、所定周期T0の終期とでは一般に異なっていることとする。即ち、式(22)が成立するとは限らない。
以下、本実施の形態のベクトル指令を採用することにより、第1の実施の形態で採用されたベクトル指令に比べて、磁束の偏差、より具体的には所定周期T0における磁束の偏差の時間積分(以下、「磁束偏差積分」と称す)を低減できることを説明する。
領域d2:領域d1の次にあって、非零電圧ベクトルが維持される領域;
領域d3:領域d2の次にあって、領域d2とは異なる非零電圧ベクトルが維持される領域;
領域d4:領域d3の次にあって、領域d1とは異なる零電圧ベクトルが維持される領域;
領域d5:領域d4の次にあって、領域d1〜d4とは異なる領域。
領域d2:領域d1の次にあって、非零電圧ベクトルV4が時間τ4'aで維持される領域;
領域d3:領域d2の次にあって、非零電圧ベクトルV6が時間τ6'aで維持される領域;
領域d4:領域d3の次にあって、零電圧ベクトルV7が時間τ7^で維持される領域;
領域d5:領域d4の次にあって、零電圧ベクトルV7、非零電圧ベクトルV3,V1及び零電圧ベクトルV0がこの順に採用され、時間(τ7''a−τ7^+τ3''a+τ1''a+τ0'''a)に相当する領域。
領域d2:領域d1の次にあって、非零電圧ベクトルV4が時間τ4'bで維持される領域;
領域d3:領域d2の次にあって、非零電圧ベクトルV2が時間τ2'bで維持される領域;
領域d4:領域d3の次にあって、零電圧ベクトルV7が時間τ7^で維持される領域;
領域d5:領域d4の次にあって、零電圧ベクトルV7、非零電圧ベクトルV5,V1及び零電圧ベクトルV0がこの順に採用され、時間(τ7''b−τ7^+τ5''b+τ1''b+τ0'''b)に相当する領域。
この場合、領域d1のみならず、領域d1において採用されるベクトル指令も一致するので、領域d1についての磁束偏差積分は、第1の実施の形態のベクトル指令を採用した場合と、第2の実施の形態のベクトル指令を採用した場合とで、一致する。
m2=[(xθ-x2)2+(yθ-y2)2]1/2…(25)
距離m6,m2は、それぞれ非零電圧ベクトルV6,V2が採用される期間の時点tpにおける磁束の偏差の絶対値を表している。
よって磁束ベクトルΨ(θ)の終点が領域d3に載る場合において、常に次式(27)が成立する。
これにより、領域d3についての磁束偏差積分は、第1の実施の形態のベクトル指令よりも、第2の実施の形態のベクトル指令の方が小さいことが判る。
τ1''b=Tmin−2・τ6−2・τ4…(29)
τ1''a=Tmin−2・τ6…(30)
τ1''a=τ5''b+τ1''b…(31)
上述のように領域d4については第2の実施の形態のベクトル指令を採用した場合に時間τ7^を0とすることで磁束偏差積分を零にすることができる。同様に考えて、第2の実施の形態のベクトル指令を採用した場合に時間τ7''bを0とすれば、第1の実施の形態のベクトル指令を採用した場合に時間τ7''aを0とした場合であってもなお、領域d5における磁束偏差積分は前者が後者以下となる。式(31)が成立する上に、第1の実施の形態のベクトル指令では、ベクトル指令τ3''a・V3の分だけ磁束偏差が多いからである。この観点から、第2の実施の形態においては、ベクトル統合部66が、補償ベクトルτ4'b・V4,τ2'b・V2と補正ベクトルτ5''b・V5,τ1''b・V1との間に、無値ベクトルを介在させずに、これらを統合してベクトル指令を得ることが望ましい。
図37は、零電圧ベクトルV0が採用されない場合、即ち次式(33)が成立している場合である。
図38は、零電圧ベクトルV7が採用されない場合、即ち次式(34)が成立している場合である。
次に、第1の実施の形態において補償ベクトルτ3''a・V3に従って時間τ3''aで非零電圧ベクトルV3が維持されている期間の磁束の偏差について考察する。
時点trは時点tq以前である。これは式(31)が成立するからであり、図36乃至図38のいずれの場合にも妥当する。
(II)一対の補償ベクトルは、相互に前記複素平面上で角度π/3をなす一対の非零電圧ベクトルに対応し、
(III)一対の補正ベクトルのうち後に採用されるものが対応する非零電圧ベクトルと、一対の補償ベクトルのうち先に採用されるものが対応する前記非零電圧ベクトルとは複素平面上で角度πをなす。
(V)一対の補償ベクトルのうち後に採用されるものは、一対の原非零ベクトルの大きさの和の二倍を最小制限時間Tminから減じた大きさを有する。
以上のように、条件(I)(II)(III)を満足することによって、所定周期T0全体で考えて、第2の実施の形態のベクトル指令を採用した場合の方が、第1の実施の形態のベクトル指令を採用した場合よりも、磁束偏差積分が小さくなる。
5 誘導性負荷
6 インバータ制御装置
61 相電流演算部
62 差分指令生成部
63 原ベクトル生成部
64 補正ベクトル生成部
65 補償ベクトル生成部
66 ベクトル統合部
67 スイッチング信号生成部
LL,LH 直流母線
Pu,Pv,Pw 接続点
Tmin 最小制限時間
V0〜V7 電圧ベクトル
[τV] 原ベクトル
[τV]' 補正ベクトル
[τV]'' 補償ベクトル
[τV]* ベクトル指令
Claims (9)
- 誘導性負荷(5)へ三相電圧(Vu,Vv,Vw)を印加して三相電流(Iu,Iv,Iw)を供給する電力変換器(3)を、所定周期(T0)毎に制御する電力変換器制御装置(6)であって、
前記電力変換器は三つの電流経路を備え、その各々は、
接続点(Pu,Pv,Pw)と、
一対の直流母線(LL,LH)の間で前記接続点を介して直列に接続される一対のスイッチ(4up,4un)(4vp、4vn)(4wp、4wn)と
を有し、
前記三相電流は3対の前記スイッチの導通/非導通状態によって3つの前記接続点から出力され、前記導通/非導通状態は複数のスイッチングパターンに基づき、
前記スイッチングパターンに対応する電圧ベクトル(V0〜V7)は、一対の零電圧ベクトル(V0,V7)と、前記零電圧ベクトル以外の6つの非零電圧ベクトル(V1〜V6)とに分類され、第1の前記零電圧ベクトル(V0)は、前記誘導性負荷が第1の前記直流母線(LL)のみに接続される第1の前記スイッチングパターンに対応し、第2の前記零電圧ベクトル(V7)は、前記誘導性負荷が第2の前記直流母線(LL)のみに接続される第2の前記スイッチングパターンに対応し、
前記非零電圧ベクトルは複素平面上において前記零電圧ベクトルを始点として角度π/3毎に配置されて表され、
前記複素平面上において角度2π/3をなして配置される一対の前記非零電圧ベクトルのいずれについても、当該一対の前記非零電圧ベクトルの一方に対応する前記スイッチングパターンと、他方に対応する前記スイッチングパターンとは、一つの前記電流経路において共通し、他の二つの前記電流経路において相違し、
前記複素平面上において角度πをなして配置される一対の前記非零電圧ベクトルのいずれについても、当該一対の前記非零電圧ベクトルの一方に対応する前記スイッチングパターンと、他方に対応する前記スイッチングパターンとは、三つの前記電流経路において相違し、
前記電力変換器制御装置は、
前記誘導性負荷に印加される前記三相電圧の、前記複素平面上における一の前記所定周期での時間積分と等価の差分指令(ΔΨ(θ))を生成する差分指令生成部(62)と、
各々が前記電圧ベクトルの時間積分であって、前記差分指令を合成する複数のベクトル指令([τV]*)を出力するベクトル指令生成部(63,64,65)と、
前記ベクトル指令に基づいて、前記3対のスイッチの前記導通/非導通状態を制御するスイッチング信号(Gup,Gvp,Gwp,Gun,Gvn,Gwn)を生成するスイッチング信号生成部(67)と、
前記直流母線に流れる電流(Id)を検出し、前記電流及び前記ベクトル指令に基づいて、前記三相電流の推定値を得る相電流演算部(61)と、
を備え、
前記ベクトル指令のうち異なる前記非零電圧ベクトルの時間積分であるものの少なくとも二つの大きさが、前記電流を前記相電流演算部が検出するために前記スイッチングパターンを最低限維持することが必要な時間に対応する所定値(Tmin)以上である、電力変換器制御装置。 - 前記ベクトル指令生成部は、
前記所定周期(T0)毎に一対の原非零ベクトル(τ4・V4,τ6・V6)を含む原ベクトル(τ0・V0,τ7・V7,τ4・V4,τ6・V6)を生成する原ベクトル生成部(63)と、
前記所定周期(T0)毎に一対の補正ベクトル(τ4'・V4,τ6'・V6)(τ4'a・V4,τ6'a・V6)(τ4'b・V4,τ2'b・V2)(τ6'b・V6,τ5'b・V5)を出力する補正ベクトル生成部(64)と、
前記所定周期(T0)毎に一対の補償ベクトル(τ4''・V4,τ6''・V6)(τ3''a・V3,τ1''a・V1)(τ5''b・V5,τ1''b・V1)(τ2''b・V2,τ3''b・V3)を出力する補償ベクトル生成部(65)と、
前記一対の前記補正ベクトルと、前記一対の前記補償ベクトルと、少なくとも一つの無値ベクトル(τ0・V0)(τ7・V7)とを統合して、前記ベクトル指令を出力するベクトル統合部(66)と
を有し、
前記一対の前記原非零ベクトルは、いずれも前記非零電圧ベクトルの時間積分であって、前記複素平面上で相互に角度π/3をなし、前記差分指令(ΔΨ(θ))の半分を合成し、
前記一対の前記補正ベクトルは、いずれも前記非零電圧ベクトルの時間積分であってその大きさが前記所定値(Tmin)以上であり、互いに異なる前記非零電圧ベクトルに対応し、一の前記一対の前記補正ベクトル(τ4'・V4)(τ6'・V6)(τ4'a・V4)(τ6'a・V6)(τ4'b・V4)(τ6'b・V6)が対応する前記非零電圧ベクトルと、一の前記原非零ベクトル(τ4・V4)(τ6・V6)が対応する前記非零電圧ベクトルとは一致し、
前記一対の前記補償ベクトルは、いずれも前記非零電圧ベクトルの時間積分であって、互いに異なる前記非零電圧ベクトルに対応し、前記一対の前記補正ベクトルと相まって前記差分指令を合成し、
前記無値ベクトルの各々は前記零電圧ベクトル(V0)(V7)の時間積分であって、かつ大きさを有しない請求項1記載の電力変換器制御装置。 - 前記ベクトル指令において、前記所定周期の開始時点(ts)及び/又は前記所定周期の終了時点(te)において前記無値ベクトルが採用され、
前記ベクトル指令において、前記無値ベクトルが対応する前記電圧ベクトル(V0)(V7)に対応する前記スイッチングパターンにおいて前記接続点と前記直流母線の一方との間で導通する前記スイッチの個数と、前記無値ベクトルの直後に採用される前記ベクトル指令が対応する前記電圧ベクトル(V4)(V6)に対応する前記スイッチングパターンにおいて前記接続点と前記直流母線の前記一方との間で導通する前記スイッチの個数との差が1である、請求項2記載の電力変換器制御装置。 - 前記一対の前記補正ベクトルが対応する前記非零電圧ベクトル(V4,V6)の各々は、前記一対の前記原非零ベクトルが対応する前記非零電圧ベクトル(V4,V6)の各々と一致し、
前記一対の前記補償ベクトル(τ4''・V4,τ6''・V6)(τ6''・V6,τ2''・V2)(τ2''・V2,τ3''・V3)(τ3''・V3,τ1''・V1)(τ1''・V1,τ5''・V5)(τ5''・V5,τ4''・V4)は、相互に前記複素平面上で角度π/3をなし、
前記一対の前記補償ベクトルのうち、第1の前記補償ベクトル(τ6''・V6)(τ3''・V3)(τ5''・V5)が第2の前記補償ベクトル(τ4''・V4)(τ2''・V2)(τ1''・V1)よりも先に採用され、
前記第1の前記補償ベクトルが対応する前記電圧ベクトル(V6)(V3)(V5)に対応するスイッチングパターンにおいて、前記接続点と前記直流母線の前記一方との間で導通する前記スイッチの個数を第1数とし、
前記第2の前記補償ベクトルが対応する前記電圧ベクトル(V4)(V2)(V1)に対応するスイッチングパターンにおいて、前記接続点と前記直流母線の前記一方との間で導通する前記スイッチの個数を第2数とし、
前記第1の前記補償ベクトルの直前に採用される前記ベクトル指令(τ7''・V7)(τ7a''・V7)(τ0a''・V0)(τ6'・V6)(τ4'・V4)(τ6'a・V6)(τ4'a・V4)が対応する前記電圧ベクトル(V7)(V6)(V4)に対応する前記スイッチングパターンにおいて、前記接続点と前記直流母線の前記一方との間で導通する前記スイッチの個数を第3数とすると、
前記第3数が3の場合には前記第1数は前記第2数よりも大きく、
前記第3数が0の場合には前記第1数は前記第2数よりも小さく、
前記第3数が1もしくは2の場合は前記第1数は前記第3数と等しい、請求項3記載の電力変換器制御装置。 - 前記一対の前記原非零ベクトルの大きさ(τ4+τ6)の和が前記所定値の半分(Tmin/2)以下である場合に、
一対の前記補正ベクトル(τ4'b・V4,τ2'b・V2)(τ6'b・V6,τ5'b・V5)は、相互に前記複素平面上で角度2π/3をなす一対の前記非零電圧ベクトルに対応し、
一対の前記補償ベクトル(τ5''b・V5,τ1''b・V1)(τ2''b・V2,τ3''b・V3)は、相互に前記複素平面上で角度π/3をなす一対の前記非零電圧ベクトルに対応し、
前記一対の補正ベクトルのうち後に採用されるもの(τ2'b・V2)(τ5'b・V5)が対応する前記非零電圧ベクトル(V2)(V5)と、前記一対の補償ベクトルのうち先に採用されるもの(τ5''b・V5)(τ2''b・V2)が対応する前記非零電圧ベクトル(V5)(V2)とは前記複素平面上で角度πをなす、請求項3記載の電力変換器制御装置。 - 前記一対の前記補正ベクトルは、いずれも前記所定値(Tmin)に等しい大きさを有し、
前記一対の前記補償ベクトルのうち後に採用されるもの(τ1''b・V1)(τ3''b・V3)は、前記一対の前記原非零ベクトルの大きさ(τ4+τ6)の和の二倍を前記所定値(Tmin)から減じた大きさ(Tmin−2(τ4+τ6))を有する、請求項5記載の電力変換器制御装置。 - 一の前記所定周期中の前記ベクトル指令において、前記一対の前記補償ベクトルと前記一対の前記補正ベクトルの間には前記無値ベクトルが介在しない、請求項6記載の電力変換器制御装置。
- 前記所定値(Tmin)以上の大きさを有する前記原非零ベクトルを、前記補正ベクトルとして採用する、請求項2乃至請求項7のいずれか一つに記載の電力変換器制御装置。
- 前記原ベクトルは、前記所定周期の前記開始時点(ts)及び前記終了時点(te)において採用され、互いに等しい一対の前記無値ベクトル(τ0・V0)(τ7・V7)を更に含み、
前記ベクトル指令において少なくとも前記所定周期の前記開始時点(ts)には、前記原ベクトルに含まれる一の前記一対の前記無値ベクトルが採用される、請求項3乃至請求項7のいずれか一つに記載の電力変換器制御装置。
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