JP2016103912A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧センサ及び詳細なインダクタンス-電流データマップがなくても、ロータの初期位置を検出する。【解決手段】直流電力を駆動電力に変換し、スイッチトリラクタンス回転機に供給する電力変換装置であって、スイッチトリラクタンス回転機の回転開始時に、スイッチトリラクタンス回転機の各相に同じ電圧を印加し、各相に流れる電流の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機のロータの初期位置を判断する判断部を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

下記特許文献１には、スイッチトリラクタンスモータの相電圧及び相電流を検出し、相電圧と相電流と、予め作成されたインダクタンス−電流データマップに基づいてスイッチトリラクタンスモータのロータの初期位置を検出するセンサレスモータの制御方法が開示されている。

特開２００４−３６４４９８号公報

ところで、上記従来技術では、ロータの初期位置を相電圧に基づいて検出するため、構成要素として、電圧センサが必ず設けられていなければならなかった。また、上記従来技術では、コンピュータ等による解析を行って、電流、ロータ位置に対する磁束、インダクタンス及び電圧の関係を明らかにして、詳細なインダクタンス−電流データマップを作成する必要があり、大きな労力が必要であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電圧センサ及び詳細なインダクタンス−電流データマップがなくても、ロータの初期位置を検出することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、直流電力を駆動電力に変換し、スイッチトリラクタンス回転機に供給する電力変換装置であって、前記スイッチトリラクタンス回転機の回転開始時に、前記スイッチトリラクタンス回転機の各相に同じ電圧を印加し、各相に流れる電流の大小関係に基づいて前記スイッチトリラクタンス回転機のロータの初期位置を判断する判断部を具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記判断部は、前記ロータの初期位置を判断した後、前記ロータの回転方向に応じて最初の励磁対象となるステータの相を判断する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記判断部は、前記ステータの相のうちの２相あるいは１相を、最初の励磁対象となる前記ステータの相と判断する、という手段を採用する。

本発明によれば、スイッチトリラクタンス回転機の回転開始時に、スイッチトリラクタンス回転機の各相に同じ電圧を印加し、各相に流れる電流の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機のロータの初期位置を判断する判断部を具備することによって、電圧センサ及び詳細なインダクタンス−電流データマップがなくても、ロータの初期位置を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の動作を示すフローチャートである。 スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータを機械角θを１５度ずつ回転させた場合のステータとロータとの位置関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置のロータの初期位置に応じた最初の励磁対象となる相を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置のロータの初期位置に応じた最初の励磁対象となる相を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る電力変換装置は、直流電源Ｅｎによって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎに供給するものである。このような電力変換装置は、図１に示すように、駆動回路Ｄｖ、Ｕ相電流センサＳｕ、Ｖ相電流センサＳｖ、Ｗ相電流センサＳｗ及び駆動回路制御部Ｃｎから構成されている。

上記スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎは、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相のモータであり、ステータ側の極数が６個、ロータ側の極数が４個の３相６／４極構造となっている。また、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎは、例えば、モータとして、あるいは回転軸に風車が接続されて風力発電における発電機として使用されるものである。スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎを発電機として使用して電力を得るためには、風車によって回転するスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎに電力変換装置から励磁電力を供給する必要がある。スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎでは、ロータが、磁化されたステータに引き付けられる吸引力に逆らって、風車から得られる機械的な力によって回転することで発電する。また、上記直流電源Ｅｎは、例えば、１つあるいは複数の電池セルが直列接続されたバッテリである。

駆動回路Ｄｖは、駆動回路制御部Ｃｎから供給されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチングすることにより、直流電源Ｅｎから供給される直流電力をＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の駆動電力に変換して、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎに供給する。
Ｕ相電流センサＳｕは、駆動回路Ｄｖとスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎとを接続するＵ相電力線に流れるＵ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部Ｃｎに出力する。

Ｖ相電流センサＳｖは、駆動回路Ｄｖとスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎとを接続するＶ相電力線に流れるＶ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部Ｃｎに出力する。
Ｗ相電流センサＳｗは、駆動回路Ｄｖとスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎとを接続するＷ相電力線に流れるＷ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部Ｃｎに出力する。

駆動回路制御部Ｃｎは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この駆動回路制御部Ｃｎは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に駆動回路Ｄｖと通信を行うことにより駆動回路Ｄｖの全体動作を制御する。

詳細については後述するが、例えば、駆動回路制御部Ｃｎは、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの回転開始時、各相に同じ電圧を印加するように駆動回路Ｄｖを制御し、Ｕ相電流センサＳｕ、Ｖ相電流センサＳｖ及びＷ相電流センサＳｗによる検出結果に基づいてスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの初期位置を判断する。

次に、このように構成された本電力変換装置の動作について図２、図３及び図４を参照して説明する。
本電力変換装置は、直流電源Ｅｎから出力される直流電力を駆動電力である交流電力に変換してスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎに供給するものであり、以下の特徴的な処理を実行する。

まず、電力変換装置において、駆動回路制御部Ｃｎは、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの回転開始時、各相に同じ電圧を印加するように駆動回路Ｄｖを制御し（ステップＳ１）、Ｕ相電流センサＳｕ、Ｖ相電流センサＳｖ及びＷ相電流センサＳｗによる検出結果の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの初期位置を判断する（ステップＳ２）。

図３は、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの機械角θを１５度ずつ回転させた場合のロータとステータとの位置関係を示す模式図である。図３に示す各状態Ａ〜Ｌにおいて、各相のインダクタンスは、ステータの各相の突極とロータの突極との距離によって決まる。同じ電圧を各相に印加した場合、電流は、各相のインダクタンスによって決まる。

例えば、状態ＡではステータのＵ相突極とロータの突極とが対向していて距離が最短となるので、Ｕ相のインダクタンスは最大となり、Ｖ相、Ｗ相のインダクタンスはＵ相突極より小さくなると共に同値となる。つまり、各相に同じ電圧を印加した場合、各相の電流、つまり、Ｕ相電流センサＳｕ、Ｖ相電流センサＳｖ及びＷ相電流センサＳｗによる検出結果を比較すると、Ｕ相が最小で、Ｖ相、Ｗ相はＵ相より大きく同値となる。

図４には、各状態Ａ〜Ｌにおいて、同じ電圧を各相に印加した場合、電流の大小を比較して、電流の小さい相から順番に番号を割り振ったものを示している。駆動回路制御部Ｃｎは、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの回転開始時、各相に同じ電圧を印加するように駆動回路Ｄｖを制御し、Ｕ相電流センサＳｕ、Ｖ相電流センサＳｖ及びＷ相電流センサＳｗによる検出結果を比較し、図４に示すように、検出結果の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの初期位置を判断する。

続いて、駆動回路制御部Ｃｎは、ロータの初期位置を判断した後、ロータの回転方向に応じて最初の励磁対象となるステータの相を判断する（ステップＳ３）。例えば、状態Ａでは、電流大小比較の結果、Ｕ相「１」、Ｖ相「２」、Ｗ相「２」となる。この状態から、時計回り（ＣＷ）に回転させる場合には、Ｖ相を通電して励磁し、一方、反時計回り（ＣＣＷ）に回転させる場合には、Ｗ相を通電して励磁すればよい。
図４には、各状態Ａ〜Ｌにおける最初の励磁対象となる相を示している。つまり、駆動回路制御部Ｃｎは、ロータの初期位置を判断した後、図４に示す最初の励磁対象である各相に駆動電力を供給するように駆動回路Ｄｖを制御することで、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータに回転を開始させる。

このような本実施形態によれば、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの回転開始時に、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの各相に同じ電圧を印加し、各相に流れる電流の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの初期位置を判断する判断部を具備することによって、電圧センサ及び詳細なインダクタンス−電流データマップがなくても、ロータの初期位置を検出することができる。

また、本実施形態によれば、ロータの初期位置を判断した後、ロータの回転方向に応じて最初の励磁対象となるステータの相を判断することによって、電圧センサ及び詳細なインダクタンス-電流データマップがなくても、最初の励磁対象となるステータの相を判断できる。

次に、このように構成された本電力変換装置の動作の変形例について図５を参照して説明する。

まず、電力変換装置において、駆動回路制御部Ｃｎは、上述した動作と同様、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの回転開始時、各相に同じ電圧を印加するように駆動回路Ｄｖを制御し、Ｕ相電流センサＳｕ、Ｖ相電流センサＳｖ及びＷ相電流センサＳｗによる検出結果の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの初期位置を判断する。

続いて、駆動回路制御部Ｃｎは、ロータの初期位置を判断した後、ロータの回転方向に応じて最初の励磁対象となるステータの相を判断する。ここで、変形例（図５参照）は、時計回りでは状態Ｃ、Ｇ、Ｋにおいて、反時計回りでは状態Ｂ、Ｆ、Ｊにおいて２相を励磁する点で相違する。つまり、駆動回路制御部Ｃｎは、変形例において、ステータの相のうちの２相あるいは１相を、最初の励磁対象となるステータの相と判断する。

例えば、状態Ｃにおいて、ステータのＷ相の突極は、ロータの突極の中間に位置し、Ｗ相を励磁しても回転トルクは得られない。しかしながら、この状態から少しでもずれた場合、回転トルクを発生することができる。よって、時計回り（ＣＷ）に回転させる場合、状態Ｃから状態Ｄに移行すれば、励磁すべき相はＷ相になるので、予め状態ＣにおいてもＷ相を励磁しておく。

このような本実施形態によれば、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの回転開始時に、スイッチトリラクタンス回転機Ｇｎの各相に同じ電圧を印加し、各相に流れる電流の大小関係に基づいてスイッチトリラクタンス回転機Ｇｎのロータの初期位置を判断する判断部を具備することによって、電圧センサ及び詳細なインダクタンス-電流データマップがなくても、ロータの初期位置を検出することができる。

また、本実施形態によれば、ロータの初期位置を判断した後、ロータの回転方向に応じて最初の励磁対象となるステータの相を判断することによって、電圧センサ及び詳細なインダクタンス−電流データマップがなくても、最初の励磁対象となるステータの相を判断する。さらに、本実施形態によれば、例えば、状態Ｃにおいて、ロータを時計回り（ＣＷ）に回転させる場合、Ｖ相及びＷ相という２相を励磁することによって、ロータをスムーズに回転させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
上記実施形態では、動作の変形例として、例えば、状態Ｃにおいて、時計回り（ＣＷ）に回転させる場合、Ｖ相に加えて、Ｗ相を励磁したが、Ｖ相とＷ相とを同時に励磁するようにしてもよいし、またＶ相とＷ相との励磁のタイミングをずらすようにしてもよい。

例えば、駆動回路制御部Ｃｎは、状態Ｃにおいて、Ｖ相を励磁した後に、タイミングをずらしてＷ相を励磁するようにしてもよい。その後、駆動回路制御部Ｃｎは、Ｗ相よりも先に、Ｖ相の励磁を停止する。このようにすることで、時計回り方向に回転するロータがＶ相に引きつけられた後に、続いて、Ｗ相に引きつけられ、その後、ロータの時計回り方向への回転を阻害しないように、Ｖ相の励磁が停止されるので、ロータをスムーズに回転させることができる。

また、駆動回路制御部Ｃｎは、Ｖ相とＷ相とを同時に励磁を開始する場合であっても、Ｖ相の励磁のオンとオフを断続的に繰り返すようにしてもよい。このようにすることで、回転開始後、時計回り方向に回転するロータがＶ相に引きつけられて回転が阻害されることを防止することができる。

Ｄｖ…駆動回路、Ｓｕ…Ｕ相電流センサ、Ｓｖ…Ｖ相電流センサ、Ｓｗ…Ｗ相電流センサ、Ｃｎ…駆動回路制御部、Ｅｎ…直流電源、Ｇｎ…スイッチトリラクタンス回転機

Claims (3)

1. 直流電力を駆動電力に変換し、スイッチトリラクタンス回転機に供給する電力変換装置であって、
   前記スイッチトリラクタンス回転機の回転開始時に、前記スイッチトリラクタンス回転機の各相に同じ電圧を印加し、各相に流れる電流の大小関係に基づいて前記スイッチトリラクタンス回転機のロータの初期位置を判断する判断部を具備することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記判断部は、前記ロータの初期位置を判断した後、前記ロータの回転方向に応じて最初の励磁対象となるステータの相を判断することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記判断部は、前記ステータの相のうちの２相あるいは１相を、最初の励磁対象となる前記ステータの相と判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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