JP2015073373A - 交流電動機ドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】中性点分離電動機を駆動する２台の３相ＰＷＭインバータにおいて、電動機の電圧を簡単な構成で制御するとともに、片方の３相ＰＷＭインバータの出力電力制御と電動機制御を独立させる。【解決手段】交流電動機の電流ベクトルと交流電動機の電圧指令ベクトルと電力指令とを入力して、第１の電圧指令ベクトルＶｉ１ｒと第２の電圧指令ベクトルＶｉ２ｒとを出力するベクトル演算器を具備し、第１の３相電圧形ＰＷＭインバータは前記電圧指令ベクトルＶｉ１ｒを出力するように動作させ、第２の３相電圧形ＰＷＭインバータは前記電圧指令ベクトルＶｉ２ｒを出力するように動作させる。【選択図】図１

Description

本発明は、２台の３相電圧形ＰＷＭインバータで中性点が分離された巻線を有する交流電動機を駆動するシステムに関する。

図２における従来技術について以下に説明する。交流電動機１は、中性点が分離した端子Ｕ１、Ｕ２のＵ相巻線と端子Ｖ１、Ｖ２のＶ相巻線と端子Ｗ１、Ｗ２のＷ相巻線が施されており、端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１が３相ＰＷＭインバータ７の出力に接続されていて、端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２が３相ＰＷＭインバータ８の出力に接続されている。３相ＰＷＭインバータ７には電圧Ｅ１の直流電圧源２から電力が供給されていて、３相ＰＷＭインバータ８には電圧Ｅ２のキャパシタ４から電力が供給されている。端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１から端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２へ流れる方向を正とする各相巻線ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの電流は、電流検出器５により検出され、座標変換器１３で式１を用いて電流ベクトルＩの各成分ｉａ、ｉｂとなり、式２で静止座標のａ軸からの位相差θのｄ軸とそれに直交するｑ軸の成分に変換される。

電流指令演算器１１は、トルク指令Ｔｒと２次鎖交磁束の大きさ指令φ２ｒを入力し、交流電動機１の出力トルクＴと２次鎖交磁束ベクトルの大きさφ２がそれぞれ前記指令に一致するように、前記ｄ軸の電流の指令ｉｄｒとｑ軸の電流指令ｉｑｒを求めて出力する。キャパシタ４の電圧とその指令Ｅ２ｒとの差が減算器３８で求められ、比例積分増幅器２４で増幅されてキャパシタ電圧制御電流ｉｃが得られる。３相ＰＷＭインバータ７用のｄ軸電流指令ｉｄｒ１は、加算器２７でキャパシタ電圧制御電流ｉｃとｄ軸電流指令ｉｄｒとの和で得られる。３相ＰＷＭインバータ７用のｑ軸電流指令ｉｑｒ１は、減算器３７でｑ軸電流指令ｉｑｒからキャパシタ電圧制御電流ｉｃを引くことで得られる。また３相ＰＷＭインバータ８用のｄ軸電流指令ｉｄｒ２は、減算器３９でキャパシタ電圧制御電流ｉｃからｑ軸電流指令ｉｑｒを引くことで得られ、３相ＰＷＭインバータ８用のｑ軸電流指令ｉｑｒ２は、加算器３２でのキャパシタ電圧制御電流ｉｃとｄ軸電流指令ｉｄｒとの和で得られる。電流指令ｉｄｒ１、ｉｑｒ１と座標変換器１３出力のｉｄ、ｉｑとの偏差が減算器３５、３６で求められて、それぞれ比例積分増幅器２０、２１で増幅されて、非干渉制御器５５の出力との和を加算器２９、２８で求めることで３相ＰＷＭインバータ７用のｄ軸電圧指令ｖｄｒ１とｑ軸電圧指令ｖｑｒ１となる。同様に電流指令ｉｄｒ２、ｉｑｒ２と座標変換器１３出力のｉｄ、ｉｑとの偏差が減算器４１、４０で求められて、それぞれ比例積分増幅器２２、２３で増幅されて、非干渉制御器５６の出力との和を加算器３１、３０で求めることで３相ＰＷＭインバータ８用のｄ軸電圧指令ｖｄｒ２とｑ軸電圧指令ｖｑｒ２となる。ｖｄｒ１とｖｑｒ１は、座標変換器１２により、静止座標の電圧成分を持つ電圧指令ベクトルＶｉ１ｒに変換されて３相ＰＷＭインバータ７に出力される。３相ＰＷＭインバータ７は、入力した電圧指令ベクトル相当の電圧を出力する。ｖｄｒ２とｖｑｒ２は、座標変換器１４により、静止座標の電圧成分を持つ電圧指令ベクトルＶｉ２ｒに変換されて３相ＰＷＭインバータ８に出力される。３相ＰＷＭインバータ８は、入力した電圧指令ベクトル相当の電圧を出力する。座標演算器５７は、ｄ軸位相θを求めて座標変換器１２、１３、１４に出力する。

このような構成にすることで、交流電動機１の出力トルクがトルク指令Ｔｒに追従するようになり、キャパシタ４の電圧Ｅ２はその指令Ｅ２ｒに一致するようになる。よって、交流電動機１が低い電圧しか必要としない低い回転数の時は、キャパシタ４の電圧を低い値に制御し、回転速度に応じてキャパシタ電圧を上げることで、交流電動機１の印加電圧の高調波成分を小さくすることができる。

町屋孟、芳賀仁、近藤正示著、「キャパシタ電圧と一定電圧源で駆動するオープン巻線誘導機の可変速制御法」、電気学会全国大会論文集第４分冊、２０１３年、ｐ．１８４

図２に示されている従来技術においては、キャパシタ４の電圧制御の為に、各軸の電流指令が補正されており、その電流指令に追従するように交流電動機１の電流を制御しているので、キャパシタ電圧制御によって電動機電流が変化し電動機制御特性が変化することとなる。つまり、電動機制御とキャパシタ電圧制御が分離されていないので、それぞれの制御が他方の制御に影響を及ぼすこととなり、比例積分増幅器２４の調整が困難となる。また、例えばｄ軸電流を制御するために２０と２２の２つの比例積分増幅器を使用していることから両者が干渉しあって制御が不安定になる可能性がある。

本発明は上記問題点を解決するために成されたものであり、両端にそれぞれＵ１Ｕ２とＶ１Ｖ２とＷ１Ｗ２の端子を有して互いに電気的に分離した３相対称巻線を有する交流電動機の前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から成る第１の端子群を第１の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続すると共に、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子から成る第２の端子群を第２の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続し、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータの直流電圧源と前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータの直流電圧源を分離した交流電動機ドライブシステムにおいて、前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の方向を正として流れる前記交流電動機の各相の電流を検出して３相２相変換して電流ベクトルＩを出力する電流変換器と、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子からの前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子の各電圧からなる前記交流電動機の各相電圧を３相２相変換した電圧ベクトルの電圧指令ベクトルＶｍｒを出力する電動機電圧指令生成器と、入力した前記電流ベクトルＩと前記電動機電圧指令ベクトルＶｍｒとが原点Ｏを基準に描かれたベクトル図上で、前記電動機電圧指令ベクトルＶｍｒの頂点Ａを通る前記電流ベクトルＩに平行な線ａを描き、該線ａ上で前記電流ベクトルＩの逆向きを正として前記頂点Ａからの距離を、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータが出力する電力の指令Ｐ２を前記電流ベクトルＩの大きさで除した値とした点Ｂをとり、前記点Ｂから前記線ａに垂直な垂線ｂを描き、原点Ｏを通り前記電流ベクトルＩに平行な線ｃと前記垂線ｂとの交点をＣとし、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータ出力の電圧ベクトルの最大の大きさＶｉ２ｘを半径として前記頂点Ａを中心とする円弧ｄと前記垂線ｂとの交点をＤとし、前記交点Ｃと前記交点Ｄのなかで前記頂点Ａからの距離が短い方を交点Ｅとし、前記頂点Ａから前記交点Ｅに向くベクトルを電圧指令ベクトルＶｉ２ｒとして出力し、原点Ｏから前記交点Ｅに向くベクトルを電圧指令ベクトルＶｉ１ｒとして出力するベクトル演算器とを具備し、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータは前記電圧指令ベクトルＶｉ１ｒを出力するように動作させ、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータは前記電圧指令ベクトルＶｉ２ｒを出力するように動作させることを特徴とする。

本発明により、電圧指令生成器出力の電動機電圧指令ベクトルと第２の３相電圧形ＰＷＭインバータが出力する電力の指令から、ベクトル演算器により第１及び第２の３相電圧形ＰＷＭインバータの出力すべき電圧ベクトルを得ることができるので、電動機電圧制御とキャパシタ電圧制御を完全に切り離すことができ、電圧指令生成器に電動機制御機能を入れることで、電動機のトルク制御や電流制御からキャパシタ電圧制御を完全に切り離すことができる。

本発明の交流電動機ドライブシステムを示した説明図である。（実施例１） 従来の交流電動機ドライブシステムを示した説明図である。

図１は、本発明の交流電動機ドライブシステムを示した説明図であり、この図に基づいて実施例１の説明を以下に示す。電圧指令生成器７０は、式３に示されるＶｍａ、Ｖｍｂを成分とする交流電動機１の電圧ベクトルＶｍの指令Ｖｍｒを出力する。電圧指令生成器７０において、例えばＶ／ｆ一定制御を行うのであればその結果としての電圧指令ベクトルを、または交流電動機１の出力トルク制御を行うのであればその為のベクトル制御演算結果としての電圧指令ベクトルを出力することとなる。電流検出器５で検出した交流電動機１の電流から電流ベクトル変換器６６は、式１の演算でｉａ、ｉｂを成分とする電流ベクトルＩを出力する。減算器４５でキャパシタ４の電圧Ｅ２とその指令Ｅ２ｒとの偏差を求め、比例積分増幅器２６で増幅して３相ＰＷＭインバータ８の出力電力の指令Ｐ２が得られる。つまり、３相ＰＷＭインバータ８の出力電力がＰ２に追従するならば、Ｐ２が正ならばキャパシタ４の電圧Ｅ２は減少し、Ｐ２が負ならばＥ２は増加することとなる。ベクトル演算器８０は、電流ベクトルＩと電圧指令ベクトルＶｍｒと３相ＰＷＭインバータ８出力電力指令Ｐ２とを入力して以下の手順で３相ＰＷＭインバータ７の出力電圧ベクトルの指令Ｖｉ１ｒと３相ＰＷＭインバータ８の出力電圧ベクトルの指令Ｖｉ２ｒを出力する。

ベクトル演算器８０において、電流ベクトルＩと電圧指令ベクトルＶｍｒとが原点Ｏを基準に描かれたベクトル図上で、電圧指令ベクトルＶｍｒの頂点Ａを通る電流ベクトルＩに平行な線ａを描き、該線ａ上で電流ベクトルＩの逆向きを正として頂点Ａからの距離を、電力指令Ｐ２を電流ベクトルＩの大きさで除した値とした点Ｂをとり、点Ｂから前記線ａに垂直な垂線ｂを描き、原点Ｏを通り電流ベクトルＩに平行な線ｃと垂線ｂとの交点をＣとし、３相電圧形ＰＷＭインバータ８が出力できる電圧ベクトルの最大の大きさＶｉ２ｘを半径として頂点Ａを中心とする円弧ｄと垂線ｂとの交点をＤとし、交点Ｃと交点Ｄのなかで頂点Ａからの距離が短い方を交点Ｅとし、頂点Ａから交点Ｅに向くベクトルを電圧指令ベクトルＶｉ２ｒとして出力し、原点Ｏから交点Ｅに向くベクトルを電圧指令ベクトルＶｉ１ｒとして出力する。

３相ＰＷＭインバータ７は、入力した電圧指令ベクトルＶｉ１ｒ通りの電圧を出力し、３相ＰＷＭインバータ８は、入力した電圧指令ベクトルＶｉ２ｒ通りの電圧を出力する。

以上の構成により、ベクトル演算器８０において、Ｖｉ１ｒ＝Ｖｍｒ＋Ｖｉ２ｒの関係があり、３相ＰＷＭインバータ７の出力電圧ベクトルＶｉ１と３相ＰＷＭインバータ８の出力電圧ベクトルＶｉ２と交流電動機１の電圧ベクトルＶｍにはＶｉ１＝Ｖｍ＋Ｖｉ２の関係があり、３相ＰＷＭインバータ７や３相ＰＷＭインバータ８はＶｉ１＝Ｖｉ１ｒ、Ｖｉ２＝Ｖｉ２ｒとするので、電圧指令ベクトルＶｍｒ通りの電圧が交流電動機１に印加されることとなる。また、ベクトル演算器８０において、電流ベクトルＩと電圧指令ベクトルＶｉ２ｒとの内積が（−Ｐ２）と一致するようにしているので、３相ＰＷＭインバータ８の出力電力をＰ２とすることができる。しかも、交流電動機１の印加電圧ベクトルと３相ＰＷＭインバータ８の出力電力をそれぞれ指令通りとした上で、３相ＰＷＭインバータ７が出力する電圧指令ベクトルＶｉ１の大きさを最小とすることができるため、３相ＰＷＭインバータ７の直流電圧源２の電圧Ｅ１を最小限にすることができる。

本発明により、電源が区別された２台の３相電圧形ＰＷＭインバータで中性点が分離された巻線を有する交流電動機を駆動するシステムにおいて、交流電動機制御とは無関係に片方の３相電圧形ＰＷＭインバータの出力電力制御が可能となる。これによって例えば片方の３相電圧形ＰＷＭインバータの電源を燃料電池とし、他方の３相電圧形ＰＷＭインバータの電源をキャパシタやバッテリとした電気自動車の交流電動機に適用した場合、交流電動機制御と独立してキャパシタやバッテリの充放電電力を制御できるようになるだけでなく、交流電動機には、燃料電池電圧とキャパシタやバッテリの電圧との和の電圧を印加できるようになり、交流電動機の高速運転が可能となる。

１ 交流電動機
２、３ 直流電圧源
４ キャパシタ
５ 電流検出器
７、８ ３相ＰＷＭインバータ
１１ 電流指令演算器
１２〜１４ 座標変換器
２０〜２４、２６ 比例積分増幅器
２７〜３２ 加算器
３５〜４１、４５ 減算器
５５、５６ 非干渉制御器
５７ 座標演算器
６６ 電流ベクトル変換器
７０ 電圧指令生成器
８０ ベクトル演算器

Claims (1)

1. 両端にそれぞれＵ１Ｕ２とＶ１Ｖ２とＷ１Ｗ２の端子を有して互いに電気的に分離した３相対称巻線を有する交流電動機の前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から成る第１の端子群を第１の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続すると共に、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子から成る第２の端子群を第２の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続し、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータの直流電圧源と前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータの直流電圧源とを分離した交流電動機ドライブシステムにおいて、
   前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の方向を正として流れる前記交流電動機の各相の電流を検出して３相２相変換して電流ベクトルＩを出力する電流変換器と、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子からの前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子の各電圧からなる前記交流電動機の各相電圧を３相２相変換した電圧ベクトルの電圧指令ベクトルＶｍｒを出力する電動機電圧指令生成器と、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータの出力電力の指令Ｐ２を出力する電力指令器と、前記電流ベクトルＩと前記電圧指令ベクトルＶｍｒと前記電力指令Ｐ２とを入力して、第１の電圧指令ベクトルＶｉ１ｒと第２の電圧指令ベクトルＶｉ２ｒとの差を前記電圧指令ベクトルＶｍｒに一致させ、前記第２の電圧指令ベクトルＶｉ２ｒと前記電流ベクトルＩとの内積を前記電力指令Ｐ２の極性反転に一致させ、前記第２の電圧指令ベクトルＶｉ２ｒの大きさを前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータが出力可能な最大電圧ベクトルの大きさに制限した上で前記第１の電圧指令ベクトルＶｉ１ｒの大きさを最小とするような前記第１の電圧指令ベクトルＶｉ１ｒと前記第２の電圧指令ベクトルＶｉ２ｒとを出力するベクトル演算器とを具備し、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータは前記第１の電圧指令ベクトルＶｉ１ｒを出力するように動作させ、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータは前記第２の電圧指令ベクトルＶｉ２ｒを出力するように動作させることを特徴とする交流電動機ドライブシステム。

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