JP2015154612A - control device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は制御装置に関し、特に、小容量のコンデンサを用いたモータ駆動装置においてインバータを制御する制御装置に関する。 The present invention relates to a control device, and more particularly to a control device that controls an inverter in a motor driving device using a small-capacitance capacitor.
複数相のコイルを備えた同期モータを駆動する場合には、モータに対して適切なタイミングでモータ電流を流し、コイル端子に電圧を印加すること、すなわち通電タイミングの最適化が重要である。この通電タイミングの基準を検出する方式としては、逆起電圧を検出する方式や、ゼロクロス電流位相を検出する方式等、種々の方式がある。 When driving a synchronous motor having a plurality of phase coils, it is important to apply a motor current to the motor at an appropriate timing and apply a voltage to the coil terminal, that is, to optimize the energization timing. As a method for detecting the reference of the energization timing, there are various methods such as a method for detecting a counter electromotive voltage and a method for detecting a zero cross current phase.
たとえば、モータロータ位置センサを用いずにモータを駆動するいわゆるセンサレス駆動方式においては、モータコイルへの通電を行なう際に、モータの回転によってモータコイルに発生する逆起電圧をモータコイル端子から検出する。 For example, in a so-called sensorless driving method in which a motor is driven without using a motor rotor position sensor, a back electromotive voltage generated in the motor coil due to the rotation of the motor is detected from the motor coil terminal when the motor coil is energized.
また、特許文献1には、交流電源からリアクタコイルを介して供給される交流電圧を全波整流する整流回路と、整流回路の出力端子間に接続された大容量の平滑コンデンサと、整流回路からの直流電力を交流電力に変換して同期モータに供給するインバータとを備えたモータ駆動装置が開示されている。リアクタコイルは、交流電源からモード駆動装置に供給される交流電力の力率を改善するために設けられている。また、平滑コンデンサとしては、直流電圧波形のリップルを改善できる程度に十分大きな容量値を有するものが使用されている。
しかし、特許文献1のモータ駆動装置では、装置寸法が大きく、入力電流波形の改善が不十分であり、高力率化が困難であった。そこで、特許文献2においては、リアクタコイルを除去し、小容量のコンデンサを用いた簡易な構成で、入力電流波形の改善と、高力率化を実現し、電源高調波成分を低減化している。
However, in the motor drive device of
しかし、特許文献2においては、入力電流波形の目標値の作成、入力電流との誤差成分の演算、誤差成分を解消するための電圧作成手段が必要となり、制御装置の構成が複雑になるという問題があった。
However,
それゆえに、この発明の主たる目的は、入力電流波形の改善、高力率化、電源高調波電流の低減化、構成の簡単化を図ることが可能な制御装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a control device capable of improving the input current waveform, increasing the power factor, reducing the power supply harmonic current, and simplifying the configuration.
この発明に係る制御装置は、交流電圧を全波整流する整流回路と、整流回路の出力端子間に接続された小容量のコンデンサと、整流回路からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータとを備えたモータ駆動装置においてインバータを制御するためのものである。制御装置は、第1の波形生成部と、第2の波形生成部と、指令値生成部と、制御部とを備える。第1の波形生成部は、モータの回転数に対応する正弦波を生成する。第2の波形生成部は、上記正弦波の(12n+3)次高調波(ただし、nは0以上の整数である)を生成し、生成した(12n+3)次高調波を正弦波に重畳させてモータ電圧波形を生成する。指令値生成部は、インバータからモータに流れる交流電流と上記正弦波の位相差が0度になるようにモータ電圧振幅指令値を生成する。制御部は、第2の波形生成部で生成されたモータ電圧波形とモータ電圧振幅指令値とに基づいてインバータをPWM制御する。 A control device according to the present invention includes a rectifier circuit that full-wave rectifies an AC voltage, a small-capacitance capacitor connected between output terminals of the rectifier circuit, and converts DC power from the rectifier circuit into AC power for conversion into a motor. It is for controlling an inverter in a motor drive device provided with the supplied inverter. The control device includes a first waveform generation unit, a second waveform generation unit, a command value generation unit, and a control unit. The first waveform generation unit generates a sine wave corresponding to the rotation speed of the motor. The second waveform generation unit generates a (12n + 3) -order harmonic (where n is an integer equal to or greater than 0) of the sine wave, and superimposes the generated (12n + 3) -order harmonic on the sine wave. Generate a voltage waveform. The command value generation unit generates the motor voltage amplitude command value so that the phase difference between the alternating current flowing from the inverter to the motor and the sine wave becomes 0 degree. The control unit performs PWM control on the inverter based on the motor voltage waveform and the motor voltage amplitude command value generated by the second waveform generation unit.
この発明に係る制御装置によれば、入力電流波形の改善、高力率化、電源高調波電流の低減化、構成の簡単化を図ることができる。 According to the control device of the present invention, it is possible to improve the input current waveform, increase the power factor, reduce the power supply harmonic current, and simplify the configuration.
<第1の実施の形態>
[全体構成]
この発明の一実施の形態によるモータ駆動装置は、図1に示すように、整流回路1、コンデンサ2、直流電圧センサ3、直流電流センサ4、インバータ5、交流電流センサ6、およびコントローラ7を備える。このモータ駆動装置は、交流電源8からの単相交流電力を三相交流電力に変換して同期モータ9に供給し、同期モータ9を回転駆動させるものである。
<First Embodiment>
[overall structure]
As shown in FIG. 1, the motor drive device according to one embodiment of the present invention includes a
整流回路1は、4つのダイオードD1〜D4を含み、交流電源8からの単相交流電圧を全波整流する。コンデンサ2は、整流回路1の正側出力端子1aと負側出力端子1bの間に接続される。コンデンサ2としては、通常の平滑コンデンサの1/100程度の容量値(たとえば、10〜20μF)のものが使用される。コンデンサ2は、同期モータ9の回生エネルギーによってインバータ5が破壊されることを防止するために設けられている。リアクタコイルは設けられていない。
The
直流電圧センサ3は、コンデンサ2の端子間に現れる直流電圧Vdcの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号をコントローラ7に出力する。直流電流センサ4は、整流回路1からインバータ5に流れる直流電流Idcの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号をコントローラ7に出力する。
The
インバータ5は、コントローラ7によってPWM(pulse width modulation:パルス幅変調)制御され、整流回路1からの直流電力を三相交流電力に変換して同期モータ9に供給する。インバータ5は、6個のスイッチング素子s1〜s6と6個のダイオードd1〜d6を含む。スイッチング素子s1〜s3は、整流回路1の正側出力端子1aと同期モータ9の三相入力端子9w,9v,9uとの間にそれぞれ接続される。スイッチング素子s4〜s6は、同期モータ9の三相入力端子9w,9v,9uと整流回路1の負側出力端子1bとの間にそれぞれ接続される。ダイオードd1〜d6は、それぞれスイッチング素子s1〜s6に逆並列に接続される。スイッチング素子s1〜s6の各々は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)で構成される。
The
交流電流センサ6は、同期モータ9の三相入力端子9w,9v,9uのうちの所定の入力端子(図1では、9u)に流れる交流電流Iuの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号をコントローラ7に出力する。同期モータ9は、三相コイルを含むステータと、永久磁石を含むロータとを備える。三相入力端子9w,9v,9uを介して三相コイルに三相交流電力を供給すると、三相交流電力の周波数に応じた回転数でロータが回転駆動される。
The AC
コントローラ7は、マイクロコンピュータで構成され、センサ3,4,6の出力信号に基づいてインバータ5のスイッチング素子s1〜s6の各々をPWM制御する。コントローラ7は、回転数設定部10、正弦波生成部11、モータ出力検出部12、重畳量設定部13、高調波生成部14、および加算器15を備える。
The
回転数設定部10は、同期モータ9の目標回転数を設定する。なお、同期モータ9の回転数(rpm)は、回転数設定部10で設定される目標回転数に等しい。
The rotation
正弦波生成部11は、所定数のデータを含む正弦波データテーブルを含む。正弦波生成部11は、回転数設定部10で設定された目標回転数と時間経過に従って、正弦波データテーブルから同期モータ9のU相、V相、およびW相に対応した正弦波データを読出すとともに、U相の正弦波データに基づいてU相のモータ電圧位相情報を出力する。
The sine
高調波生成部14は、モータの目標回転数に対応する正弦波(上記の正弦波生成部11で生成される正弦波)を基本波とした場合において、下記の式より算出される次数Hnの高調波を生成する。
When the harmonic
Hn=12n+3 (ただし、n=0,1,2…) …(1)
具体的に、高調波生成部14は、正弦波生成部11と同様に、所定数のデータを含む正弦波データテーブルを含む。高調波生成部14は、回転数設定部10で設定された目標回転数の(12n+3)倍の回転数と時間経過に従って、正弦波データテーブルから正弦波データを読出す。また、高調波生成部14は、読み出した正弦波データに、重畳量設定部13で設定された重畳量kを乗算して(12n+3)次高調波データを生成する。
Hn = 12n + 3 (where n = 0, 1, 2,...) (1)
Specifically, the
なお、以下の実施例の説明では簡単のために、まず、n=0すなわちH0=3(三次高調波)の場合について説明する。 For the sake of simplicity in the description of the following embodiments, first, a case where n = 0, that is, H0 = 3 (third harmonic) will be described.
モータ出力検出部12は、直流電圧センサ3および直流電流センサ4の出力信号に基づいて同期モータ9の出力Pを検出し、その検出値を示す信号を重畳量設定部13に与える。重畳量設定部13は、モータ出力検出部12の出力信号、すなわち同期モータ9の出力Pに基づいて、正弦波に対する三次高調波(より一般的には、(12n+3)次高調波)の重畳量kを設定する。この重畳量kは、正弦波の振幅に対する三次高調波の振幅の比である。
The
重畳量設定部13は、モータ9の出力Pが増大したことに応じて重畳量kを維持または増大させる。重畳量設定部13は、重畳量kを0.16以上で0.40以下の範囲内で変化させる。正弦波に三次高調波を重畳することにより、インバータ5の出力電圧を上げたり、電源電流の高調波成分を低減することが可能になる。この点については、後で詳細に説明する。
The superposition
加算器15は、正弦波生成部11からのU相、V相、およびW相に対応した正弦波データと、高調波生成部14からの三次高調波データとをそれぞれ加算して、U相、V相、およびW相に対応したモータ電圧波形データを生成する。
The
また、コントローラ7は、位相差検出部16、目標位相差格納部17、PI(Proportional Integral:比例積分)演算部18、電圧制限部19、およびPWM信号生成部20を含む。
The
位相差検出部16は、正弦波生成部11からのU相のモータ電圧位相情報と、交流電流センサ6からのU相電流Iuを示す信号とに基づいて、U相のモータ電圧Vuと電流Iuとの位相差を検出し、検出値を示す信号を出力する。
The phase
たとえば、位相差検出部は、2個所のモータ電圧位相期間ごとにサンプリングした各電流サンプリングデータを積算してモータ電流信号面積とし、両モータ電流信号面積の面積比から位相差を算出する(特開2001−112287号公報参照)。 For example, the phase difference detection unit integrates each current sampling data sampled every two motor voltage phase periods to obtain a motor current signal area, and calculates the phase difference from the area ratio of both motor current signal areas (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-318867). 2001-112287).
目標位相差格納部17は、目標とする位相差情報を格納している。目標位相差格納部17に格納されている目標位相差情報はPI演算部18に出力される。本実施の形態の場合、好ましくは、目標とする位相差は0度である。目標位相差を0度とすることで、モータの電圧位相とモータの電流位相とが同相となり、モータは力率1で運転する。目標位相差を0度にする理由については、図12および図13を参照して後述する。
The target phase
PI演算部18は、位相差検出部16で検出された位相差と、目標位相差格納部17に格納された目標位相差情報との誤差データを算出し、その誤差データに対して比例制御および積分制御を実行してモータ出力電圧振幅値を出力する。
The
電圧制限部19は、PI演算部18で生成されたモータ電圧振幅指令値を重畳量設定部13で設定された重畳量kに応じた上限値PWMmax以下に制限する。k=0である場合のPWMmaxを1とすると、k≧0.16の範囲においてPWMmax=3[12k/(3k+1)]0.5/(6k+2)である。この数式の導出方法については後述する。
The
PWM信号生成部20は、加算器15からのU相、V相、およびW相に対応したモータ電圧波形データと、PI演算部18で生成されたモータ電圧振幅指令値とに基づいて6個のPWM信号を生成し、それらのPWM信号をインバータ5に与える。インバータ5のスイッチング素子s1〜s6は、それぞれ6個のPWM信号に従ってオンおよびオフする。これにより、同期モータ9に三相交流電力が供給され、同期モータ9のローラが回転駆動される。
The PWM
[三次高調波とモータ相間電圧の振幅との関係]
次に、三次高調波の重畳量kとモータ相間電圧の振幅との関係について説明する。ここでは、U相モータ電圧VuとV相モータ電圧Vvに三次高調波Vhを重畳した場合における重畳量kとU−V相間電圧Vuvの振幅との関係について説明するが、V相とW相、あるいはW相とU相についても同様である。
[Relationship between third harmonic and amplitude of motor phase voltage]
Next, the relationship between the superposition amount k of the third harmonic and the amplitude of the motor phase voltage will be described. Here, the relationship between the superposition amount k and the amplitude of the U-V phase voltage Vuv when the third harmonic Vh is superimposed on the U-phase motor voltage Vu and the V-phase motor voltage Vv will be described. The same applies to the W phase and the U phase.
正弦波生成部11で生成された正弦波データに三次高調波データを重畳させない場合、つまりk=0である場合、図2に示すように、U相モータ電圧VuおよびV相モータ電圧Vvの振幅が1.0(100%)であるとき、U相とV相の間の電圧であるU−V相間電圧Vuvは振幅が1.73の正弦波となる。ここでは説明の簡単化のため、正弦波データは最大値が1で振幅が1の正弦波であるものとし、PWM信号生成部20の出力データの最大値を1とする。
When the third harmonic data is not superimposed on the sine wave data generated by the
また、正弦波データに三次高調波データを重畳させることにより、U−V相間電圧Vuvの振幅を最大化させることが可能である。すなわち図3に示すように、U相およびV相のモータ出力電圧振幅が1.0(100%)であり、重畳量kが0.16(16%、1/6)である場合、U−V相間電圧Vuvは振幅が1.73の正弦波となる。すなわち、U相モータ電圧VuおよびV相モータ電圧Vvに三次高調波Vhを重畳させても、重畳させなくても、U−V相間電圧Vuvは同じである。また、U相とV相で位相が120度ずれているので、三次高調波VhはU−V相間電圧Vuvの波形に影響を与えることがなく、U−V相間電圧Vuvの波形は正弦波となる。 Further, by superimposing the third harmonic data on the sine wave data, it is possible to maximize the amplitude of the U-V interphase voltage Vuv. That is, as shown in FIG. 3, when the U-phase and V-phase motor output voltage amplitudes are 1.0 (100%) and the superposition amount k is 0.16 (16%, 1/6), U− The V-phase voltage Vuv is a sine wave having an amplitude of 1.73. That is, the U-V phase voltage Vuv is the same whether or not the third harmonic Vh is superimposed on the U-phase motor voltage Vu and the V-phase motor voltage Vv. Further, since the phases are shifted by 120 degrees between the U phase and the V phase, the third harmonic Vh does not affect the waveform of the U-V phase voltage Vuv, and the waveform of the U-V phase voltage Vuv is a sine wave. Become.
特徴的であるのは、U相モータ電圧Vuに三次高調波Vhを重畳した後の合成U相波Vuhの最大値が0.86となり、V相モータ電圧Vvに三次高調波Vhを重畳した後の合成V相波Vvhの最大値が0.86となることである。つまり、三次高調波Vhを正弦波に重畳させると合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhの最大値が1よりも小さくなる。このため、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhの振幅を1にすることにより、U−V相間電圧Vuvの振幅を1.73よりも大きくすることができる。 What is characteristic is that the maximum value of the combined U-phase wave Vuh after superimposing the third-order harmonic Vh on the U-phase motor voltage Vu becomes 0.86, and after the third-order harmonic Vh is superimposed on the V-phase motor voltage Vv. The maximum value of the combined V-phase wave Vvh is 0.86. That is, when the third harmonic Vh is superimposed on the sine wave, the maximum values of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh are smaller than 1. Therefore, by setting the amplitudes of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh to 1, the amplitude of the U-V phase voltage Vuv can be made larger than 1.73.
具体的には、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhのモータ出力電圧振幅を1.16(=1/0.86,116%)にしたとき、U−V相間電圧Vuvは振幅が2.0の正弦波となる。このように、三次高調波VhをU相モータ電圧VuおよびV相モータ電圧Vvに16%重畳させることにより、U−V相間電圧Vuvの振幅を、三次高調波Vhを重畳させない場合より16%上昇させ、直流電圧Vdcを最大限利用することができる。ただし、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhのモータ出力電圧振幅を1.16よりも大きくすると、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhの波形が歪むので、それらのモータ出力電圧振幅は1.16以下に制限する必要がある。 Specifically, when the motor output voltage amplitude of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh is 1.16 (= 1 / 0.86, 116%), the U-V interphase voltage Vuv has an amplitude of 2. 0.0 sine wave. Thus, by superimposing the third harmonic Vh on the U-phase motor voltage Vu and the V-phase motor voltage Vv by 16%, the amplitude of the U-V interphase voltage Vuv is increased by 16% compared to the case where the third harmonic Vh is not superimposed. The DC voltage Vdc can be utilized to the maximum. However, if the motor output voltage amplitudes of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh are larger than 1.16, the waveforms of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh are distorted. Must be limited to 1.16 or less.
図4は、三次高調波Vhの重畳量kとU−V相間電圧Vuvの最大値Auvとの関係を示す図である。図4では、k=0のときのU−V相間電圧Vuvの最大値Auvを1としている。図4から分かるように、kを0から増加させていくVuvの最大値Auvが徐々に増大し、k=0.16であるときにVuvの最大値Auvがピークとなる。kを0.16から増大させていくとVuvの最大値Auvが徐々に減少し、k=0.4ではVuvの最大値Auvはk=0のときの値(すなわち1)とほぼ等しくなる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the superposition amount k of the third harmonic Vh and the maximum value Auv of the U-V interphase voltage Vuv. In FIG. 4, the maximum value Auv of the U-V phase voltage Vuv when k = 0 is set to 1. As can be seen from FIG. 4, the maximum value Auv of Vuv that increases k from 0 gradually increases, and the maximum value Auv of Vuv peaks when k = 0.16. As k is increased from 0.16, the maximum value Auv of Vuv gradually decreases, and when k = 0.4, the maximum value of Vuv Auv becomes substantially equal to the value when k = 0 (ie, 1).
[三次高調波の重畳量とモータ出力電圧振幅の上限値との関係]
上述のように、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhのモータ出力電圧振幅を1.16(=1/0.86,116%)にしたとき、U−V相間電圧Vuvは振幅が2.0の正弦波となる。ただし、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhのモータ出力電圧振幅を1.16よりも大きくすると、合成U相波Vuhおよび合成V相波Vvhの振幅が1を超えてしまい、1を超えた部分が1に制限されるので、それらの波形が歪む。したがって、この場合は、モータ出力電圧振幅を1.16以下に制限する必要がある。ここで、三次高調波の重畳量kとモータ出力電圧振幅の上限値との関係について説明する。
[Relationship between amount of superposition of third harmonic and upper limit of motor output voltage amplitude]
As described above, when the motor output voltage amplitude of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh is 1.16 (= 1 / 0.86, 116%), the U-V phase voltage Vuv has an amplitude of 2 0.0 sine wave. However, if the motor output voltage amplitudes of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh are larger than 1.16, the amplitudes of the combined U-phase wave Vuh and the combined V-phase wave Vvh exceed 1 and exceed 1. Since these parts are limited to 1, their waveforms are distorted. Therefore, in this case, it is necessary to limit the motor output voltage amplitude to 1.16 or less. Here, the relationship between the superposition amount k of the third harmonic and the upper limit value of the motor output voltage amplitude will be described.
正弦波をsinθとし、三次高調波をsin3θとし、正弦波と三次高調波の合成波をyとすると、yは次式(2)で表わされる。
y=sinθ+ksin3θ …(2)
上式(2)を微分すると、y′=cosθ+3kcos3θ=cosθ(1+12kcos2θ−9k)となる。ここで、yが極値を持つとして、y′=0とすると、cosθ=0よりθ=π/2,3π/2となり、1+12kcos2θ−9k=0よりcos2θ=(9k−1)/12kとなる。θ=π/2,3π/2のときyは極小値となり、cos2θ=(9k−1)/12kのときyは極大値となる。
When the sine wave is sin θ, the third harmonic is sin 3θ, and the combined wave of the sine wave and the third harmonic is y, y is expressed by the following equation (2).
y = sin θ + ksin 3θ (2)
Differentiating the above equation (2) yields y ′ = cos θ + 3 k cos 3θ = cos θ (1 + 12 k cos 2 θ−9 k). Assuming that y has an extreme value and y ′ = 0, θ = π / 2 and 3π / 2 from cos θ = 0, and cos 2 θ = (9k−1) from 1 + 12 kcos 2 θ−9k = 0. / 12k. When θ = π / 2, 3π / 2, y is a minimum value, and when cos 2 θ = (9k−1) / 12k, y is a maximum value.
1≧cos2θ≧0であるので、1≧(9k−1)/12k≧0である。9k−1≧0であるからk≧1/9である。また、9k−1≦12kであるからk≧−1/3である。したがって、k≧1/9である。k≧1/9は、yの半周期においてyのピークが2つに分散する条件である。なお、k<1/9である場合は、yのピークはθ=θ=π/2,3π/2のみであり、yの半周期においてピークは2つに分散しない。 Since 1 ≧ cos 2 θ ≧ 0, 1 ≧ (9k−1) / 12k ≧ 0. Since 9k-1 ≧ 0, k ≧ 1/9. Further, since 9k-1 ≦ 12k, k ≧ −1 / 3. Therefore, k ≧ 1/9. k ≧ 1/9 is a condition in which y peaks are dispersed into two in a half cycle of y. When k <1/9, the peak of y is only θ = θ = π / 2, 3π / 2, and the peak is not dispersed into two in the half cycle of y.
また、上式(2)を変形すると、y=sinθ+k(4cos2θ−1)sinθとなる。ここで、cos2θ=(9k−1)/12kのときyは極大値となり、sin2θ=1−cos2θ=(3k+1)/12kである。yの極大値ymaxは、次式(3)で表わされる。
ymax=[(3k+1)/12k]0.5(6k+2)/3 …(3)
ymaxの逆数をPWMmaxとすると、PWMmaxは次式(4)で表わされる。モータ出力電圧振幅は、PWMmax以下に制限する必要がある。
PWMmax=3[12k/(3k+1)]0.5/(6k+2) …(4)
たとえばk=0.16であるとき、ymax=0.86であり、モータ出力電圧振幅を1/0.86=1.16にすると相間電圧が最大になる。ただし、モータ出力電圧振幅が1.16を超えると合成波の波形が歪むのでモータ出力電圧振幅を1.16以下に制限する必要がある。
Further, when the above equation (2) is modified, y = sin θ + k (4 cos 2 θ−1) sin θ. Here, when cos 2 θ = (9k−1) / 12k, y becomes a maximum value, and sin 2 θ = 1−cos 2 θ = (3k + 1) / 12k. The maximum value ymax of y is expressed by the following equation (3).
ymax = [(3k + 1) / 12k] 0.5 (6k + 2) / 3 (3)
When the reciprocal of ymax is PWMmax, PWMmax is expressed by the following equation (4). The motor output voltage amplitude must be limited to PWMmax or less.
PWMmax = 3 [12k / (3k + 1)] 0.5 / (6k + 2) (4)
For example, when k = 0.16, ymax = 0.86, and when the motor output voltage amplitude is 1 / 0.86 = 1.16, the interphase voltage becomes maximum. However, if the motor output voltage amplitude exceeds 1.16, the waveform of the composite wave is distorted, so it is necessary to limit the motor output voltage amplitude to 1.16 or less.
モータ出力電圧振幅が上限値PWMmaxを超えると、相間電圧が正弦波とはならず電圧歪みが発生し、モータ電流に多くの高調波成分が重畳され電源高調波が増加する。そこで、本実施の形態では、電圧制限部19においてモータ出力電圧振幅を上限値PWMmax以下に制限する。
When the motor output voltage amplitude exceeds the upper limit value PWMmax, the interphase voltage does not become a sine wave but voltage distortion occurs, and many harmonic components are superimposed on the motor current and the power supply harmonics increase. Therefore, in the present embodiment, the
[三次高調波と直流電流の関係]
次に、三次高調波とインバータ5に流れる直流電流Idcとの関係について説明する。図5(a)(b)は、三次高調波の重畳量kが0.16である場合における直流電流Idcなどの波形を示すタイムチャートである。特に、図5(a)は、合成U相波Vuh、合成V相波Vvh、合成W相波Vwh、および三角波Vtの波形を示し、図5(b)は、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、直流電流Idc、および交流電圧Vacの波形を示している。なお、図5(a)(b)においてモータ電圧とモータ電流との位相差は45度である。
[Relationship between third harmonic and DC current]
Next, the relationship between the third harmonic and the direct current Idc flowing through the
本実施の形態では、コンデンサ2の容量値が小さいので、直流電圧Vdcは交流電圧Vacと略同じ波形であり、交流電圧Vacの2倍の周波数で変動する。また、直流電流Idcの最大値は、合成波Vuh,Vvh,Vwhと同様に変化する。
In the present embodiment, since the capacitance value of
各相の端子電圧は、各相の電圧に応じてキャリア周波数で変調されたPWM信号により制御される。PWM変調されたインバータ出力電圧に応じて、直流電流IdcにはU、V、W相のうちの最大電圧相のモータ電流と最小電圧相のモータ電流の逆符号成分とが観測される。たとえば、U相モータ電圧Vuが最大電圧となり、W相モータ電圧Vwが最小電圧となる区間では、直流電流IdcにはU相電流IuとW相電流Iwの逆符号成分とが観測される。 The terminal voltage of each phase is controlled by a PWM signal modulated at a carrier frequency according to the voltage of each phase. In accordance with the PWM-modulated inverter output voltage, the DC current Idc is observed with a motor current in the maximum voltage phase of U, V, and W phases and an inverse sign component of the motor current in the minimum voltage phase. For example, in the section where the U-phase motor voltage Vu is the maximum voltage and the W-phase motor voltage Vw is the minimum voltage, the U-phase current Iu and the opposite sign components of the W-phase current Iw are observed in the DC current Idc.
図6(a)(b)は、三次高調波の重畳量kが0.4である場合における直流電流Idcなどの波形を示すタイムチャートであって、図5(a)(b)と対比される図である。図6(a)(b)の場合、モータ電圧とモータ電流との位相差は45度である。図6(a)(b)から分かるように、重畳量を増大させることにより、各相の電圧波形のピークが2つに分散する点が明瞭になっている。また、各相のピークが2つに分散したことにより、キャリア変調された各相のPWM波形も同様に変化し、k=0.16の場合と比較して直流電流Idcにも分散効果が明瞭になっている。 FIGS. 6A and 6B are time charts showing waveforms of the direct current Idc and the like in the case where the superposition amount k of the third harmonic is 0.4, and are compared with FIGS. 5A and 5B. FIG. 6A and 6B, the phase difference between the motor voltage and the motor current is 45 degrees. As can be seen from FIGS. 6A and 6B, it is clear that the peak of the voltage waveform of each phase is dispersed into two by increasing the amount of superposition. In addition, since the peak of each phase is dispersed into two, the PWM waveform of each phase subjected to carrier modulation changes in the same manner, and the dispersion effect is also clearly seen in the DC current Idc as compared with the case of k = 0.16. It has become.
電圧波形のピークが2つに分散したため、各相の端子電圧の変動が緩和され、PWM変調された直流電流波形にもキャリア周波数単位でのオン/オフ幅の変動が緩和され、直流電流Idcの密度が分散している。このように、三次高調波を各相の基本波の正弦波に大きく重畳させることで、直流電流Idcの疎密の分布を意図的に発生させ、密度を分散させることができる。 Since the peak of the voltage waveform is dispersed into two, fluctuations in the terminal voltage of each phase are mitigated, and fluctuations in the on / off width in carrier frequency units are also mitigated in the PWM-modulated DC current waveform, and the DC current Idc The density is dispersed. Thus, by superimposing the third harmonic on the sine wave of the fundamental wave of each phase, it is possible to intentionally generate a sparse / dense distribution of the direct current Idc and disperse the density.
本実施の形態のモータ駆動装置では、リアクタコイルを除去し、小容量のコンデンサ2を使用しているので、インバータ5の出力電流であるモータ電流Iu,Iv,Iwと、インバータ5の入力電流である直流電流Idcは、整流回路1の入力電流である交流電流に高調波電流Ihを生じさせる。
In the motor drive device of the present embodiment, the reactor coil is removed and the small-
各相のモータ電圧波形の最大となる相のモータ電流と、最少となる相のモータ電流の逆符号成分とが直流電流Idcに現れる。したがって、位相が120度ずつずれた3相の電流波形で最大、最少の2つの電流が出現すると、モータ電圧波形1周期で直流電流Idcは3相×2の6回変動する。すなわちモータ電気角周波数の6倍の周波数で直流電流Idcが変動する。機械角ではモータ極数の1/2の周期で1回転することから、4極モータの場合、電気角2周期で1回転となる。 The motor current of the phase having the maximum motor voltage waveform of each phase and the inverse sign component of the motor current of the minimum phase appear in the DC current Idc. Therefore, when the maximum and minimum two currents appear in the three-phase current waveform whose phases are shifted by 120 degrees, the DC current Idc fluctuates six times of three phases × 2 in one cycle of the motor voltage waveform. That is, the direct current Idc fluctuates at a frequency six times the motor electrical angular frequency. Since the mechanical angle makes one revolution with a period of ½ of the number of motor poles, in the case of a four-pole motor, it makes one revolution with two electrical angles.
以上より、機械角1回転中に直流電流Idcの変動は(モータの相数×2)×(極数/2)回発生し、電流波形の脈動を周波数に換算すると(モータの相数)×(極数)×(回転数)で表され、交流電流に電源高調波電流Ihとなって現れる。 As described above, the fluctuation of the DC current Idc occurs during one rotation of the mechanical angle (number of motor phases × 2) × (number of poles / 2) times, and the pulsation of the current waveform is converted into frequency (number of motor phases) × It is represented by (number of poles) × (number of rotations) and appears as a power supply harmonic current Ih in the alternating current.
[三次高調波と電源高調波電流の関係]
次に、三次高調波と電源高調波電流Ihの関係について説明する。電源高調波電流Ihとは、交流電源8の正弦波波形の整数倍の周波数成分を持つ電流のことをいうが、エレクトロニクス機器においては、その高調波電流Ihに対して規制値が設けられている。
[Relationship between third harmonic and power supply harmonic current]
Next, the relationship between the third harmonic and the power supply harmonic current Ih will be described. The power supply harmonic current Ih refers to a current having a frequency component that is an integral multiple of the sine wave waveform of the
本実施の形態のモータ駆動装置では、リアクタコイルを除去し、小容量のコンデンサ2を使用しているので、モータ電流Iu,Iv,Iwおよび直流電流Idcの影響によって交流電流に高調波電流Ihが発生する。このため、交流電流の脈動が、交流電源8の正弦波波形の整数倍の周波数となれば規制値Ihmaxを満足できない可能性がでてくる。そこで、本実施の形態では、モータの出力Pに応じて三次高調波の重畳量kを調整することにより、インバータ5で発生する電流脈動に起因する電源高調波電流Ihを抑制し規制値Ihmaxをクリアする。
In the motor drive device of the present embodiment, the reactor coil is removed and the small-
具体的には、三次高調波を各相の基本波の正弦波に大きく重畳させて直流電流Idcの疎密の分布を意図的に発生させ、密度を分散させることで、(モータの相数)×(極数)×(回転数)で表される周波数の高調波成分を抑制する。 Specifically, the third harmonic is largely superimposed on the sine wave of the fundamental wave of each phase to intentionally generate a sparse / dense distribution of the DC current Idc, and the density is dispersed, thereby (the number of motor phases) × The harmonic component of the frequency represented by (the number of poles) × (the number of rotations) is suppressed.
なお、三次高調波の重畳量kが大きいほど直流電流Idcの疎密の分布は大きくなり、電源高調波電流Ihを低減させる効果は高くなるが、図4で示したように、k=0.16を境に相間電圧振幅は低下する。したがって、極端に大きな重畳量kで三次高調波を重畳させると、相間電圧振幅が低下し、電圧不足でモータ相電流が増加し、その結果、電源高調波電流Ihが逆に増加する可能性がある。よって、直流電流Idcの粗密の分布の増加とモータ相電流の増加とのトレードオフを考慮し、実験により確認して重畳量kを決定する。 Note that as the superposition amount k of the third harmonic becomes larger, the density distribution of the direct current Idc becomes larger and the effect of reducing the power supply harmonic current Ih becomes higher. However, as shown in FIG. 4, k = 0.16. The phase-to-phase voltage amplitude decreases at the boundary. Therefore, if the third harmonic is superposed with an extremely large superposition amount k, the interphase voltage amplitude decreases, the motor phase current increases due to insufficient voltage, and as a result, the power harmonic current Ih may increase conversely. is there. Therefore, in consideration of a tradeoff between an increase in the density distribution of the direct current Idc and an increase in the motor phase current, the superposition amount k is determined by confirmation through experiments.
図7(a)(b)は、重畳量kを0,0.16,0.30の三段階で変えた場合における2〜40次数の電源高調波電流Ihの変化を示す図である。特に図7(a)は0〜40次数の高調波電流Ihを示し、図7(b)は10〜22次数の高調波電流Ihを示している。電源周波数は50Hzである。実験では、4極モータを使用し、回転数を4500rpmとし、モータ出力電圧振幅を最大値の1.0(100%)に設定した。この場合、回転数に起因する電源高調波電流Ihは18次(3相×4極×4500rpm/60/50Hz)となる。 FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating changes in the power harmonic currents Ih of the 2nd to 40th orders when the superposition amount k is changed in three stages of 0, 0.16, and 0.30. In particular, FIG. 7A shows the harmonic current Ih of the 0th to 40th order, and FIG. 7B shows the harmonic current Ih of the 10th to 22nd order. The power supply frequency is 50 Hz. In the experiment, a 4-pole motor was used, the rotation speed was 4500 rpm, and the motor output voltage amplitude was set to 1.0 (100%) of the maximum value. In this case, the power supply harmonic current Ih resulting from the rotational speed is 18th order (3 phases × 4 poles × 4500 rpm / 60/50 Hz).
図7(a)(b)から分かるように、回転数に起因する周波数近辺の高調波成分はモータ印加電圧に重畳させる三次高調波の重畳量kを大きくするほど小さくなった。たとえば、三次高調波の重畳量kを0から0.30へ増加させると17次の高調波電流の成分は0.17Aから0.07Aに減少した。図8は、重畳量kと15次高調波電流Ih(15)および17次高調波電流Ih(17)との関係を示す図である。図8から分かるように、重畳量kの増大に伴って高調波電流Ihは単調に減少した。 As can be seen from FIGS. 7 (a) and 7 (b), the harmonic component in the vicinity of the frequency due to the rotational speed becomes smaller as the amount of superposition of the third harmonic superimposed on the motor applied voltage is increased. For example, when the superposition amount k of the third harmonic is increased from 0 to 0.30, the component of the 17th harmonic current is decreased from 0.17 A to 0.07 A. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the superposition amount k, the 15th harmonic current Ih (15), and the 17th harmonic current Ih (17). As can be seen from FIG. 8, the harmonic current Ih monotonously decreased as the amount of superposition k increased.
[モータ出力と重畳量の関係]
重畳量kを一定に保ってモータ9の出力Pを増大させると、直流電流Idcが増大し、電源高調波電流Ihも増大する。そこで、本実施の形態では、モータ9の出力Pの増大に応じて重畳量kを増大させ、電源高調波電流Ihの増大を抑制する。
[Relationship between motor output and superposition amount]
When the superposition amount k is kept constant and the output P of the motor 9 is increased, the direct current Idc increases and the power supply harmonic current Ih also increases. Therefore, in the present embodiment, the superposition amount k is increased in accordance with the increase in the output P of the motor 9, and the increase in the power supply harmonic current Ih is suppressed.
図9は、モータ9の出力Pと重畳量kとの関係を示す図である。図9に示すように、重畳量設定部13は、モータ9の出力Pに応じて重畳量kを変化させる。モータ9の出力Pは、モータ出力検出部12により、直流電圧センサ3および直流電流センサ4からの信号に基づいて検出される。モータ9の出力Pが0〜800[W]である場合はk=0.16一定とする。これにより、相間電圧が正弦波となる最大電圧を高くすることができ、モータ9を高速駆動することができる。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the output P of the motor 9 and the superposition amount k. As shown in FIG. 9, the superposition
また、モータ9の出力Pが800〜1600[W]である場合は、モータ9の出力Pに比例してkを0.16から0.40まで単調に増大させる。これにより、モータ9の出力Pに伴う電源高調波電流Ihの増大を抑制することができる。モータ9の出力Pが1600〜2000[W]である場合は、k=0.40一定とする。これにより、過大な三次高調波の重畳を抑え、必要以上に高調波電流Ihを抑制することを防止することで正弦波状の相間電圧を大きくとり、モータ9をより高速駆動させることができる。 When the output P of the motor 9 is 800 to 1600 [W], k is monotonously increased from 0.16 to 0.40 in proportion to the output P of the motor 9. Thereby, the increase in the power supply harmonic current Ih accompanying the output P of the motor 9 can be suppressed. When the output P of the motor 9 is 1600 to 2000 [W], k = 0.40 is constant. Thereby, the superposition of an excessive third-order harmonic is suppressed, and the harmonic current Ih is prevented from being suppressed more than necessary, so that a sinusoidal interphase voltage can be increased and the motor 9 can be driven at a higher speed.
[15次、27次高調波の場合]
前述の式(1)で説明したHn次の高調波は、n=0,1,2,…として、
sin(Hn・θ)=sin(3(4n+1)・θ) …(5)
と表わされる。ここで、基本波sin(θ)が極大となるθ=90度のとき、式(5)で表わされるHn次の高調波の位相は270度となる。すなわち、基本波が極大のとき、Hn次の高調波は極小となる。一方、基本波sin(θ)が極小となるθ=270度(または、−90度)のとき、式(5)で表わされるHn次の高調波の位相は90度となる。すなわち、基本波が極小のとき、Hn次の高調波は極大となる。よって、基本波にHn次の高調波を重畳させることによって、基本波のピーク値(極大値および極小値)の大きさを低減させことができる。これによって、電源高調波電流は小さくなると考えられる。具体的に、n=1の15次高調波の場合と、n=2の27次高調波の場合について説明する。
[For 15th and 27th harmonics]
The Hn-order harmonic described in the above equation (1) is n = 0, 1, 2,.
sin (Hn · θ) = sin (3 (4n + 1) · θ) (5)
It is expressed as Here, when θ = 90 degrees at which the fundamental wave sin (θ) is maximized, the phase of the Hn-order harmonic represented by Expression (5) is 270 degrees. That is, when the fundamental wave is maximal, the Hn-order harmonic becomes minimal. On the other hand, when θ = 270 degrees (or −90 degrees) at which the fundamental wave sin (θ) is minimized, the phase of the Hn-order harmonic represented by the equation (5) is 90 degrees. That is, when the fundamental wave is minimum, the Hn-order harmonic becomes maximum. Therefore, the magnitude of the peak value (maximum value and minimum value) of the fundamental wave can be reduced by superimposing the Hn-order harmonic on the fundamental wave. This is considered to reduce the power supply harmonic current. Specifically, the case of the 15th harmonic of n = 1 and the case of the 27th harmonic of n = 2 will be described.
図10は、15次高調波Vh3を使用した場合の合成U相波Vuh3、合成V相波Vvh3、U−V相間電圧Vuvを示す図である。また、図11は、27次高調波Vh4を使用した場合の合成U相波Vuh4、合成V相波Vvh4、U−V相間電圧Vuvを示す図である。いずれの場合においても、モータ相電圧のピークが1つから複数に分散されることで電源高調波電流Ihを小さくすることができる。 FIG. 10 is a diagram illustrating the combined U-phase wave Vuh3, the combined V-phase wave Vvh3, and the U-V phase voltage Vuv when the 15th harmonic Vh3 is used. FIG. 11 is a diagram showing a combined U-phase wave Vuh4, a combined V-phase wave Vvh4, and a U-V phase voltage Vuv when the 27th harmonic Vh4 is used. In any case, the power supply harmonic current Ih can be reduced by dispersing the peak of the motor phase voltage from one to a plurality.
ただし、nが過大になると却ってピーク分散効果が小さくなるので、電源高調波電流Ihの抑制効果を測定し、その測定結果に基づいてnを決定するとよい。 However, since the peak dispersion effect becomes smaller when n becomes excessive, it is preferable to measure the suppression effect of the power supply harmonic current Ih and determine n based on the measurement result.
また、図10および図11に示すように、モータ電圧Vu,Vv,Vwの振幅が1.0(100%)であってもnが大きくなると合成波Vuh,Vvh,Vwhの最大値が1.0を超えてしまう。合成波Vuh,Vvh,Vwhの最大値が1.0を超えると、合成波Vuh,Vvh,Vwhの波形が歪み、電源高調波が増大する。したがって、nを1以上にする場合は、合成波Vuh,Vvh,Vwhの最大値が1.0を超えないように、モータ電圧Vu,Vv,Vwの振幅を1.0(100%)以下に制限する必要がある。 Further, as shown in FIGS. 10 and 11, even when the amplitude of the motor voltages Vu, Vv, Vw is 1.0 (100%), the maximum value of the combined waves Vuh, Vvh, Vwh is 1. It will exceed zero. When the maximum value of the synthesized waves Vuh, Vvh, Vwh exceeds 1.0, the waveforms of the synthesized waves Vuh, Vvh, Vwh are distorted and the power supply harmonics are increased. Therefore, when n is 1 or more, the amplitudes of the motor voltages Vu, Vv, and Vw are set to 1.0 (100%) or less so that the maximum value of the combined waves Vuh, Vvh, and Vwh does not exceed 1.0. Need to be restricted.
[モータ力率と高調波電流との関係について]
次に、モータ電圧とモータ電流との位相差(モータ力率)と、高調波電流との関係について説明する。
[Relationship between motor power factor and harmonic current]
Next, the relationship between the phase difference (motor power factor) between the motor voltage and motor current and the harmonic current will be described.
図5、図6で説明したように、基本波に三次高調波成分を重畳することによって電圧波形のピークが大きく2つに分散する。この結果、各相の端子電圧の変動が緩和され、PWM変調されたDC電流波形にもキャリア周波数単位でのON/OFF幅の変動が緩和され、DC電流の密度が分散する。このように、三次高調波を各相の基本波の正弦波に大きく重畳させることで、DC電流の疎密の分布を意図的に発生させ、密度を分散させる効果がある。 As described with reference to FIGS. 5 and 6, the peak of the voltage waveform is largely dispersed into two by superimposing the third harmonic component on the fundamental wave. As a result, fluctuations in the terminal voltage of each phase are alleviated, fluctuations in the ON / OFF width in carrier frequency units are also mitigated in the PWM-modulated DC current waveform, and the DC current density is dispersed. As described above, the third harmonic is largely superimposed on the sine wave of the fundamental wave of each phase, so that the density of DC current is intentionally generated and the density is dispersed.
しかしながら、図5、図6の場合には、モータ電圧とモータ電流との位相差が45度であるために、依然としてDC電流に粗密が存在しており、この結果、電源高調波電流が増加していると考えられる。以下、具体例を挙げて説明する。 However, in the case of FIG. 5 and FIG. 6, since the phase difference between the motor voltage and the motor current is 45 degrees, the DC current still exists, and as a result, the power supply harmonic current increases. It is thought that. Hereinafter, a specific example will be described.
図12は、三次高調波の重畳率が0.40である場合において、目標位相差を0度としたときの直流電流などの波形を示す図である。図12(a)(b)の波形図は、図6(a)(b)の波形図と対比されるものである。 FIG. 12 is a diagram showing a waveform of a direct current or the like when the target phase difference is 0 degree when the superposition ratio of the third harmonic is 0.40. The waveform diagrams of FIGS. 12 (a) and 12 (b) are compared with the waveform diagrams of FIGS. 6 (a) and 6 (b).
図12(a)(b)から分かるように、DC電流の粗密の分布が図6に示す位相差45度の場合よりも分散されている。この理由は次のように考えられる。図12の場合には、位相差が0度であるためにモータ電圧とモータ電流とが同期し(モータ力率=1)、モータ電圧制御用のPWM信号のパルス幅が広い区間ではモータ電流が大きく、モータ電圧制御用のPWM信号のパスル幅が狭い区間ではモータ電流が小さくなっている。これに対して、図6の場合にはモータ電圧とモータ電流との位相差が45度であるために、モータ電圧制御用のPWM信号のパルス幅が広い区間ではモータ電流が小さく、モータ電圧制御用のPWM信号のパスル幅が狭い区間ではモータ電流が大きくなっている。このため、図6の場合には、DC電流の粗密が存在していると考えられる。 As can be seen from FIGS. 12 (a) and 12 (b), the density distribution of the DC current is more dispersed than in the case of the phase difference of 45 degrees shown in FIG. The reason is considered as follows. In the case of FIG. 12, since the phase difference is 0 degree, the motor voltage and the motor current are synchronized (motor power factor = 1), and the motor current is in a section where the pulse width of the PWM signal for motor voltage control is wide. The motor current is small in a section where the pulse width of the PWM signal for controlling the motor voltage is large. On the other hand, in the case of FIG. 6, since the phase difference between the motor voltage and the motor current is 45 degrees, the motor current is small in the section where the pulse width of the PWM signal for motor voltage control is wide. The motor current is large in the section where the pulse width of the PWM signal is narrow. For this reason, in the case of FIG. 6, it is thought that the density of DC current exists.
図13は、位相差0の場合において、電源高調波電流の測定結果を示す図である。実験では、4極モータを使用し、回転数を5166rpmとした。モータ出力電圧の振幅については、0.9(DUTY 90%)に設定した場合と、最大値である1.0(DUTY 100%)に設定した場合との両方について実験を行った。
FIG. 13 is a diagram illustrating a measurement result of the power supply harmonic current when the phase difference is zero. In the experiment, a 4-pole motor was used, and the rotation speed was 5166 rpm. With respect to the amplitude of the motor output voltage, an experiment was performed both when set to 0.9 (
なお、図13において、縦軸は電源高調波電流Ihの大きさ[A]を示し、横軸は電源高調波電流Ihの次数を示す。モータ出力電圧の振幅が0.9の場合を細い実線で示し、1.0の場合を破線で示している。さらに、電源高調波電流の規制値Ihmaxを太い実線で表わしている。 In FIG. 13, the vertical axis indicates the magnitude [A] of the power supply harmonic current Ih, and the horizontal axis indicates the order of the power supply harmonic current Ih. A case where the amplitude of the motor output voltage is 0.9 is indicated by a thin solid line, and a case where the amplitude is 1.0 is indicated by a broken line. Furthermore, the regulation value Ihmax of the power supply harmonic current is represented by a thick solid line.
実験条件から、回転数に起因する電源高調波電流Ihは31次(3相×4極×5166rpm/60/50Hz)となる。図13の実験結果を参照すると、回転数に起因する周波数(31次)近辺の高調波成分は、モータの力率が1により近いモータの印加電圧が高い方(振幅1.0の方)が小さくなったことが分かる。 From the experimental conditions, the power supply harmonic current Ih resulting from the rotational speed is the 31st order (3 phases × 4 poles × 5166 rpm / 60/50 Hz). Referring to the experimental results shown in FIG. 13, the harmonic component near the frequency (31st order) due to the rotational speed is higher when the applied voltage of the motor is closer to 1 (the amplitude is 1.0). You can see that it has become smaller.
[効果]
以上のように、本実施の形態では、モータ9の出力Pの増大に応じて(12n+3)次高調波の重畳量kを増大させるので、電源高調波電流Ihの増大を抑制することができる。また、モータ電圧振幅を重畳量kに応じた上限値PMWmax以下に制限するので、モータ電圧の波形が歪んで電源高調波電流Ihが増大するのを防止することができる。したがって、リアクタコイルを使用せず、小容量のコンデンサ2を使用しながら、電源高調波電流Ihを低減して規制値Ihmax以下に抑制することができる。
[effect]
As described above, in the present embodiment, the amount of superposition of the (12n + 3) -order harmonic is increased in accordance with the increase in the output P of the motor 9, so that an increase in the power supply harmonic current Ih can be suppressed. Further, since the motor voltage amplitude is limited to the upper limit value PMWmax or less corresponding to the superposition amount k, it is possible to prevent the waveform of the motor voltage from being distorted and the power supply harmonic current Ih from increasing. Therefore, the power supply harmonic current Ih can be reduced and suppressed to the regulation value Ihmax or less while using the
特に、モータ電圧とモータ電流との位相差の目標値を0度に設定する(すなわち、モータの力率を1に近付ける)ことによって、DC電流の粗密の分布をより分散させることができる。これによって、電源高調波電流Ihをさらに低減させることができる。 In particular, by setting the target value of the phase difference between the motor voltage and the motor current to 0 degree (that is, bringing the power factor of the motor closer to 1), the distribution of the DC current density can be further dispersed. Thereby, the power supply harmonic current Ih can be further reduced.
また、リアクタコイルを使用せず、小容量のコンデンサ2を使用するので、入力電流波形の改善および高力率化を図ることができる。また、入力電流波形の目標値の作成、入力電流との誤差成分の演算、誤差成分を解消するための電圧作成手段が不要であるので、特許文献2に記載されている装置に比べ、装置構成の簡単化を図ることができる。
In addition, since the
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態では、モータ9の出力Pに応じて重畳量kを変化させたが、重畳量kを一定値に固定してもよい。本願発明者による実験では、k=0.35に設定した場合が最適であり、電源高調波電流Ihを低減することができ、かつ高いモータ電圧を得ることができた。この場合は、予め三次高調波を重畳した正弦波データを正弦波生成部11に格納しておけば、三次高調波の重畳に必要な計算処理を省略することができ、計算処理の負荷を軽減することができる。また、モータ出力検出部12、高調波生成部14、および加算器15を除去することができ、構成の簡単化を図ることができる。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, the superposition amount k is changed according to the output P of the motor 9, but the superposition amount k may be fixed to a constant value. In the experiment by the inventor of the present application, the case where k = 0.35 is optimal, the power supply harmonic current Ih can be reduced, and a high motor voltage can be obtained. In this case, if the sine wave data on which the third harmonic is superimposed in advance is stored in the
<第3の実施の形態>
第1および第2の実施の形態によるモータ駆動用のインバータ制御装置は、たとえば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等に適用可能である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品設計の自由度が向上し、部品点数の削減により製品品質・寿命を向上させることができ、さらに安価な製品を提供することができる。
<Third Embodiment>
The inverter control apparatus for driving a motor according to the first and second embodiments includes, for example, an air conditioner, an refrigerator, an electric washing machine, an electric dryer, a vacuum cleaner, a blower, a heat pump water heater and the like equipped with an inverter circuit. It is applicable to. For any product, the motor drive inverter device can be reduced in size and weight to increase the degree of freedom in product design, reduce the number of parts, improve product quality and life, and make it cheaper. Can be provided.
[付記]
以下、上記の各実施の形態に記載した内容の一部を列挙する。
[Appendix]
Hereinafter, a part of the contents described in each of the above embodiments will be listed.
[1] 制御装置(7)は、交流電圧を全波整流する整流回路(1)と、整流回路(1)の出力端子間に接続された小容量のコンデンサ(2)と、整流回路(1)からの直流電力を交流電力に変換してモータ(9)に供給するインバータ(5)とを備えたモータ駆動装置において、インバータ(5)を制御する。制御装置(7)は、モータの回転数に対応する正弦波を生成する第1の波形生成部(11)と、正弦波の(12n+3)次高調波(ただし、nは0以上の整数である)を生成し、生成した(12n+3)次高調波を正弦波に重畳させてモータ電圧波形を生成する第2の波形生成部(14,15)とを備える。制御装置(7)は、さらに、インバータ(5)からモータ(9)に流れる交流電流と正弦波の位相差が0度になるようにモータ電圧振幅指令値を生成する指令値生成部(18)と、第2の波形生成部(14,15)で生成されたモータ電圧波形とモータ電圧振幅指令値とに基づいてインバータをPWM制御する制御部(20)とを備える。 [1] The control device (7) includes a rectifier circuit (1) for full-wave rectification of an AC voltage, a small-capacitance capacitor (2) connected between output terminals of the rectifier circuit (1), and a rectifier circuit (1 The inverter (5) is controlled in a motor drive device that includes an inverter (5) that converts the DC power from) into AC power and supplies it to the motor (9). The control device (7) includes a first waveform generation unit (11) that generates a sine wave corresponding to the rotational speed of the motor, and a (12n + 3) -order harmonic of the sine wave (where n is an integer of 0 or more) ) And a second waveform generator (14, 15) that generates the motor voltage waveform by superimposing the generated (12n + 3) -order harmonic on the sine wave. The control device (7) further includes a command value generation unit (18) that generates a motor voltage amplitude command value so that the phase difference between the alternating current flowing from the inverter (5) to the motor (9) and the sine wave becomes 0 degrees. And a control unit (20) that PWM-controls the inverter based on the motor voltage waveform and the motor voltage amplitude command value generated by the second waveform generation unit (14, 15).
上記の構成によれば、基本波に(12+3)次高調波を重畳させるとともにモータ電圧とモータ電流との位相差が0になるようにモータ電圧を制御するので、簡単な構成で電源高調波電流を低減することができる。 According to the above configuration, the (12 + 3) -order harmonic is superimposed on the fundamental wave and the motor voltage is controlled so that the phase difference between the motor voltage and the motor current becomes zero. Can be reduced.
[2] [1]の制御装置(7)において、nは0である。
[3] [1]または[2]の制御装置(7)は、正弦波に対する(12n+3)次高調波の重畳量を設定する重畳量設定部(13)と、指令値生成部(18)で生成されたモータ電圧振幅指令値を重畳量設定部(13)で設定された重畳量に応じた上限値以下に制限する電圧制限部(19)とをさらに備える。制御部(20)は、第2の波形生成部(14,15)で生成されたモータ電圧波形と電圧制限部(19)で上限値以下に制限されたモータ電圧振幅指令値とに基づいてインバータ(5)をPWM制御する。
[2] In the control device (7) of [1], n is 0.
[3] The control device (7) according to [1] or [2] includes a superposition amount setting unit (13) that sets a superposition amount of the (12n + 3) -order harmonic with respect to the sine wave, and a command value generation unit (18). A voltage limiting unit (19) for limiting the generated motor voltage amplitude command value to an upper limit value or less corresponding to the superposition amount set by the superposition amount setting unit (13); The control unit (20) generates an inverter based on the motor voltage waveform generated by the second waveform generation unit (14, 15) and the motor voltage amplitude command value limited to the upper limit value or less by the voltage limiting unit (19). (5) is PWM controlled.
上記の構成によれば、高調波の重畳率に応じてモータ電圧の振幅を制限することによって、モータ電圧波形が歪まないようにすることができる。 According to the above configuration, the motor voltage waveform can be prevented from being distorted by limiting the amplitude of the motor voltage in accordance with the harmonic superposition rate.
[4] [3]の制御装置(7)は、モータの出力を検出するモータ出力検出部(12)をさらに備える。重畳量設定部(13)は、モータ出力検出部(12)によって検出されたモータの出力に基づいて重畳量を設定する。 [4] The control device (7) according to [3] further includes a motor output detection unit (12) that detects the output of the motor. The superposition amount setting unit (13) sets the superposition amount based on the motor output detected by the motor output detection unit (12).
上記の構成によれば、モータ出力に応じた適度な重畳率を設定することによって、過大な三次高調波の重畳を抑えてモータをより高速駆動することができる。 According to said structure, by setting the suitable superimposition rate according to a motor output, superimposition of an excessive 3rd harmonic can be suppressed and a motor can be driven at higher speed.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 整流回路、2 コンデンサ、3 直流電圧センサ、4 直流電流センサ、5 インバータ、6 交流電流センサ、7 コントローラ、8 交流電源、9 同期モータ、D1〜D4,d1〜d6 ダイオード、s1〜s6 スイッチング素子、10 回転数設定部、11 正弦波生成部、12 モータ出力検出部、13 重畳量設定部、14 高調波生成部、15 加算器、16 位相差検出部、17 目標位相差格納部、18 PI演算部、19 電圧制限部、20 PWM信号生成部。
1 rectifier circuit, 2 capacitor, 3 DC voltage sensor, 4 DC current sensor, 5 inverter, 6 AC current sensor, 7 controller, 8 AC power supply, 9 synchronous motor, D1 to D4, d1 to d6 diode, s1 to
Claims (4)
前記モータの回転数に対応する正弦波を生成する第1の波形生成部と、
前記正弦波の(12n+3)次高調波(ただし、nは0以上の整数である)を生成し、生成した前記(12n+3)次高調波を前記正弦波に重畳させてモータ電圧波形を生成する第2の波形生成部と、
前記インバータから前記モータに流れる交流電流と前記正弦波の位相差が0度になるようにモータ電圧振幅指令値を生成する指令値生成部と、
前記第2の波形生成部で生成されたモータ電圧波形と前記モータ電圧振幅指令値とに基づいて前記インバータをPWM制御する制御部とを備える、制御装置。 A rectifier circuit for full-wave rectification of an AC voltage, a small-capacitance capacitor connected between output terminals of the rectifier circuit, and an inverter that converts DC power from the rectifier circuit into AC power and supplies the AC power to a motor. A control device for controlling the inverter in the motor drive device,
A first waveform generator that generates a sine wave corresponding to the rotational speed of the motor;
A (12n + 3) order harmonic of the sine wave (where n is an integer greater than or equal to 0) is generated, and the motor voltage waveform is generated by superimposing the generated (12n + 3) order harmonic on the sine wave. Two waveform generators;
A command value generator for generating a motor voltage amplitude command value so that the phase difference between the alternating current flowing from the inverter to the motor and the sine wave is 0 degree;
A control apparatus comprising: a control unit that performs PWM control of the inverter based on the motor voltage waveform generated by the second waveform generation unit and the motor voltage amplitude command value.
前記指令値生成部で生成されたモータ電圧振幅指令値を前記重畳量設定部で設定された重畳量に応じた上限値以下に制限する電圧制限部とをさらに備え、
前記制御部は、前記第2の波形生成部で生成されたモータ電圧波形と前記電圧制限部で前記上限値以下に制限されたモータ電圧振幅指令値とに基づいて前記インバータをPWM制御する、請求項1または2に記載の制御装置。 A superposition amount setting unit for setting a superposition amount of the (12n + 3) -order harmonic with respect to the sine wave;
A voltage limiting unit that limits the motor voltage amplitude command value generated by the command value generation unit to an upper limit value or less according to the superposition amount set by the superposition amount setting unit;
The control unit performs PWM control of the inverter based on a motor voltage waveform generated by the second waveform generation unit and a motor voltage amplitude command value limited to the upper limit value or less by the voltage limiting unit. Item 3. The control device according to Item 1 or 2.
前記重畳量設定部は、前記モータ出力検出部によって検出された前記モータの出力に基づいて前記重畳量を設定する、請求項3に記載の制御装置。 A motor output detector for detecting the output of the motor;
The control device according to claim 3, wherein the superposition amount setting unit sets the superposition amount based on an output of the motor detected by the motor output detection unit.
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JP2018528342A (en) * | 2015-09-23 | 2018-09-27 | プラッサー ウント トイラー エクスポート フォン バーンバウマシーネン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングPlasser & Theurer, Export von Bahnbaumaschinen, Gesellschaft m.b.H. | Track construction machines that provide autonomous and redundant energy supply |
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