JP2017077079A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換装置の制御装置として、電流指令に基づいて誘導電動機を駆動する電圧指令を生成する電圧演算部と、前記電圧指令に基づいて電力変換回路のゲートパルス信号を出力するPWM演算部を有し、この制御装置は、励磁電流指令およびトルク電流指令の立ち下げからゼロに至るまでの遮断時に、励磁電流指令の時間変化量に応じて算出した励磁電流指令補正量を励磁電流指令に加算して求めた遮断時励磁電流指令、励磁電流指令にゲインを乗じた遮断時磁束指令およびトルク電流指令を、電圧演算部に対する電流指令とする。
【選択図】図1
Description
特許文献2に記載の技術は、電力変換装置の停止前に電動機内部の磁束を減衰させるために励磁電流を制御することにより、電動機内部の残留磁気エネルギーを十分低減させるものである。その際に、磁束センサを設けずセンサレスであるが、電動機定数などから推定した値を用いるため、電動機の温度変動によって定数が変化した場合には、推定誤差が多くなり磁束を十分に減衰できないことがある。
以上のことから、本発明の課題は以下の3点である。
(1)次回起動時に過大な電流やトルクを発生させないこと
(2)電力変換装置の停止前に十分磁束を減衰させるときに、過大な電流やトルクを発生させないこと
(3)磁気センサを必要とせず、電動機の温度変動や定数変化が起きても十分磁束を減衰できること
本発明に係る電力変換装置は、外部の直流電源から供給される直流電圧を平滑化する平滑化コンデンサ1、平滑化コンデンサ1の直流電圧Ecfを検出する直流電圧センサ2、平滑化コンデンサ1と並列に接続され平滑化コンデンサ1の直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器3、電力変換器3が供給する交流電圧によって駆動させる誘導電動機7、電力変換器3が出力する交流電流iu、ivおよびiwを検出する交流電流センサ6、直流電圧センサ2の出力および交流電流センサ6の出力を入力信号とし、電力変換器3を駆動するゲートパルスGpu1および2、Gpv1および2並びにGpw1および2を出力する制御装置14、から構成される。
電圧演算部24は、補正後のd軸電流指令Id**とd軸磁束指令Phid*とq軸電流指令Iq*およびロータ周波数推定値Frを入力信号としてd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*を出力する電圧ベクトル演算部26、電圧ベクトル演算部26の出力Vd*およびVq*を入力信号として三相交流電圧指令Vu*、Vv*およびVw*を出力する第一静止座標変換部27、d軸電流指令Id**およびq軸電流指令Iq*を入力信号として三相交流電流指令Iu*、Iv*およびIw*を出力する第二静止座標変換部28、第二静止座標変換部28の出力Iu*、Iv*およびIw*を入力信号として三相交流電圧補正量ΔVu、ΔVvおよびΔVwを出力する電圧補正部29、並びに、第一静止座標変換部27の出力Vu*、Vv*およびVw*と電圧補正部29の出力ΔVu、ΔVvおよびΔVwの和を求める加算器30、31および32、から構成される。電圧演算部24の出力に相当する加算器30、31および32の出力を、順に補正後の交流電圧指令Vu**、Vv**およびVw**とする。
定常時とは、d軸電流指令Id*およびq軸電流指令Iq*の立ち上げ時(起動時)から一定値になった定常状態までのことを指す。定常時の指令については、図1の制御装置14で第一選択スイッチ20および第二選択スイッチ21が、共に「(定常時)」の場合となる。補正後のd軸電流指令Id**は、d軸電流指令Id*と同じ値となる。d軸磁束指令Phid*は、d軸電流指令Id*に対して励磁インダクタンスLmを乗じ、二次時定数T2の一次遅れ処理を施したものである。
図7は、従来技術の一つ、特許文献1に記載の技術における、指令および状態量の動作波形を示す図である。
図7において、遮断時には、d軸電流指令Id*を一様に低減させ、d軸磁束指令Phid*もほぼ同様に低減させている。特許文献1に記載の技術では、d軸電流指令Id*に対してd軸磁束指令Phid*は、誘導電動機の一次時定数による一次遅れ処理を施しているが、誘導電動機の一次時定数は二次時定数の数十分の一程度の大きさであり、図7の時間スケールで見ると無視できるほど小さい。
図4は、電力変換器3の一相分のオンオフ動作の詳細を示す図で、一般的なスイッチング素子を用いた2レベル三相インバータの一相分である。2つのスイッチング素子を直列に並べて、上アームを構成するスイッチング素子(以下、「上アーム素子」という)は、電源電圧の正極電位と負荷側を接続している。下アームを構成するスイッチング素子(以下、「下アーム素子」という)は、電源電圧の負極電位と負荷側を接続している。図4では、IGBTとそれに逆並列に接続したダイオードを組み合わせて一つのスイッチング素子とみなしている。
(1)上アーム素子:オン、下アーム素子:オフ
(2)上アーム素子:オフ、下アーム素子:オン
(3)上・下両アーム素子:オフ
これと電流極性が正/負の2通りあることから、これらの組み合わせで、図4に示すとおり、3×2=6通りの状態が存在することになる。ここで、電流極性は、電力変換器から負荷に流れる方向を正とする。
上アーム素子:オン、下アーム素子:オフおよび電流極性が正のとき、電流は直流電源の正極側から上アーム素子のIGBT側を通過して負荷側に流れる。電力変換器の負荷側端子の電位Vは、直流電源の正極電位Eとなる。
上アーム素子:オン、下アーム素子:オフおよび電流極性が負のとき、電流は負荷側から上アーム素子のダイオード側を通過して直流電源の正極側に流れる。電力変換器の負荷側端子の電位Vは、直流電源の正極電位Eとなる。
上アーム素子:オフ、下アーム素子:オンおよび電流極性が正のとき、電流は直流電源の負極側から下アーム素子のダイオード側を通過して負荷側に流れる。電力変換器の負荷側端子の電位Vは、直流電源の負極電位0となる。
上アーム素子:オフ、下アーム素子:オンおよび電流極性が負のとき、電流は負荷側から下アーム素子のIGBT側を通過して直流電源の負極側に流れる。電力変換器の負荷側端子の電位Vは、直流電源の負極電位0となる。
上アーム素子:オフ、下アーム素子:オフおよび電流極性が正のとき、電流は直流電源の負極側から下アーム素子のダイオード側を通過して負荷側に流れる。電力変換器の負荷側端子の電位Vは、直流電源の負極電位0となる。
上アーム素子:オフ、下アーム素子:オフおよび電流極性が負のとき、電流は負荷側から上アーム素子のダイオード側を通過して直流電源の正極側に流れる。電力変換器の負荷側端子の電位Vは、直流電源の正極電位Eとなる。
U相電圧指令Vu*として理想的な正弦波電圧を与えていたとしても、実際に流れるU相電流Iuは、その指令値Iu*よりも振幅が小さくなってしまう。この現象は、スイッチング周期が一定かつ上・下アーム素子が両方ともオフの期間が一定ならば、出力電圧の小さい低速域において顕在化する。この結果、先にも述べたように、図7において、d軸電流Idは、遮断の途中で電流振幅が減少してゼロに張り付いてしまい、その後は負側にも流れなくなってしまう。
すなわち、図2に示すように、本発明の電圧演算部24は、誘導電動機のd軸電流指令Id**、q軸電流指令Iq*、d軸磁束指令Phid*およびロータ周波数推定値Frを入力信号とし、これらと電動機定数を組み合わせて三相交流電圧指令Vu*、Vv*およびVw*を求める。
また、d軸電流指令Id**およびq軸電流指令Iq*を座標変換して三相交流電流指令Iu*、Iv*およびIw*を求める。そして、三相交流電流指令Iu*、Iv*およびIw*の極性に応じて三相交流電圧補正量ΔVu、ΔVvおよびΔVwを算出し、三相交流電圧指令Vu*、Vv*およびVw*に対してこれら三相交流電圧補正量ΔVu、ΔVvおよびΔVwを加算する。
Iu*>0のとき、ΔVu= Ecf×Δt/Tc
Iu*<0のとき、ΔVu=−Ecf×Δt/Tc
ここで、Ecfは直流電源電圧、Δtは上・下アーム素子が両方ともオフの期間、Tcはスイッチング周期である。
図6は、制御装置14内の電圧演算部24における一相分(U相)の電圧/電流指令の動作波形を示す図である。
U相電圧指令Vu**(図6の実線)は、元の電圧指令Vu*(図6の点線)に対して、Iu*>0の領域ではΔVuだけ正側に平行移動し、Iu*<0の領域ではΔVuだけ負側に平行移動した形となる。この結果、実際のU相電流Iuは、指令値Iu*の通りに流れることになる。
図1の第一ゲイン16の定数Kとして、誘導電動機の二次時定数を与える。ところが、先に述べたように、二次時定数は誘導電動機の温度によって変動するため、どの温度の時の値を採用するのか問題となる。それに対して、誘導電動機の動作範囲内における最低温度時の値を採用すればよい。実際に、誘導電動機の温度が最低温度の場合は、第一ゲイン16の定数Kが二次時定数と一致していることになるから問題ない。一方、誘導電動機の温度が最低温度より高い場合でも問題はないことを、図8を用いて説明する。
図8において、誘導電動機の温度は定格温度だが、第一ゲイン16の定数Kとして与える二次時定数は誘導電動機の最低温度時の値を適用している。この結果、第一ゲイン16の定数Kはオーバーゲインとなり、必要以上にd軸電流Idを負側に流すことになる(図8のIdの太線部分)。また、d軸磁束Phidもゼロを通り過ぎて負側に振れてしまい(図8のPhidの太線部分)、残留磁束を完全にゼロにすることはできない。ところが、誘導電動機の温度が高いと抵抗値が大きいため、残留磁束が残っていても素早く自然減衰していく効果が期待できる。
7 誘導電動機、14 制御装置、15 微分器、16 第一ゲイン、17 加算器、
18 第二ゲイン、19 ローパスフィルタ、20 第一選択スイッチ、21 第二選択スイッチ、22 回転座標変換部、23 速度推定部、24 電圧演算部、25 PWM演算部、26 電圧ベクトル演算部、27 第一静止座標変換部、28 第二静止座標変換部、29 電圧補正部、30、31、32 加算器
Ecf 平滑化コンデンサ電圧、Gpu1 U相上アームゲートパルス指令、Gpu2 U相下アームゲートパルス指令、Gpv1 V相上アームゲートパルス指令、Gpv2 V相下アームゲートパルス指令、Gpw1 W相上アームゲートパルス指令、Gpw2 W相下アームゲートパルス指令、Id* d軸電流指令、Id** d軸電流指令(補正後)、Iq* q軸電流指令、iu U相電流検出値、iv V相電流検出値、iw W相電流検出値、Lm 励磁インダクタンス、T2 二次時定数、Phid* d軸磁束指令、Phid d軸磁束、Fr ロータ周波数推定値、Vd* d軸電圧指令、Vq* q軸電圧指令、Vu* U相電圧指令、ΔVu U相電圧補正量、Vu**U相電圧指令(補正後)、Vv* V相電圧指令、ΔVv V相電圧補正量、Vv** V相電圧指令(補正後)、Vw* W相電圧指令、ΔVw W相電圧補正量、Vw** W相電圧指令(補正後)
Claims (5)
- 直流電力を交流電力に変換して誘導電動機を駆動する電力変換回路と、
前記電力変換回路を駆動するゲートパルス信号を出力する制御装置を
備える電力変換装置であって、
前記制御装置は、電流指令に基づいて前記誘導電動機を駆動する電圧指令を生成する電圧演算部と、前記電圧指令に基づいて前記ゲートパルス信号を出力するPWM演算部を有し、
前記制御装置は、励磁電流指令およびトルク電流指令の立ち下げからゼロに至るまでの遮断時に、前記励磁電流指令の時間変化量に応じて算出した励磁電流指令補正量を前記励磁電流指令に加算して求めた遮断時励磁電流指令、前記励磁電流指令にゲインを乗じた遮断時磁束指令および前記トルク電流指令を、前記電圧演算部に対する前記電流指令とする
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記制御装置は、前記励磁電流指令および前記トルク電流指令の立ち上げから一定値になった定常状態までの定常時に、前記励磁電流指令、前記励磁電流指令に一次遅れ処理を施して算出した磁束指令および前記トルク電流指令を、前記電圧演算部に対する前記電流指令とする
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記電圧演算部は、
前記遮断時励磁電流指令、前記遮断時磁束指令および前記トルク電流指令から交流電圧指令を生成すると共に、前記遮断時励磁電流指令および前記トルク電流指令から交流電流指令を生成し、
前記交流電流指令が正の時には前記交流電圧指令を正側に一定量平行移動させ、前記交流電流指令が負の時には前記交流電圧指令を負側に一定量平行移動させることにより、前記電圧指令を生成する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または3に記載の電力変換装置であって、
前記励磁電流指令補正量は、前記励磁電流指令の時間変化量に前記誘導電動機の二次時定数を乗じて算出され、当該二次時定数としては前記誘導電動機の使用温度範囲内における最低温度時の値が用いられる
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記誘導電動機に流れる電流を検出する電流検出回路を更に備え、
前記制御装置は、前記電流検出回路からの検出電流に基づいて前記誘導電動機の回転速度を推定する速度推定部を更に有し、
前記電圧演算部は、前記電圧指令を生成する際に前記回転速度を用いる
ことを特徴とする電力変換装置。
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