JP2017093077A - Controller and control method of open winding system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三相誘導電動機などを駆動するオープン巻線システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling an open winding system for driving a three-phase induction motor or the like.
オープン巻線システムは、誘導電動機などの三相の各相の巻線をHブリッジインバータで駆動する構成である。図8、図9にオープン巻線システムの回路構成例を示す。図8では、第1および第2のHブリッジインバータ110,120(Inverter1,Inverter2)の全てのレグ、すなわち正側直流入力端子、負側直流入力端子を共通の直流電源130に接続し、第1のHブリッジインバータ110の交流各相(a相、b相、c相)の出力端子と、第2のHブリッジインバータ120の交流各相(a相、b相、c相)の出力端子との間に巻線140a,140b,140cを各々接続して構成されている。
The open winding system has a configuration in which three-phase windings such as an induction motor are driven by an H-bridge inverter. 8 and 9 show circuit configuration examples of the open winding system. In FIG. 8, all the legs of the first and second H-
図9では、第1のHブリッジインバータ110の正側直流入力端子、負側直流入力端子を第1の直流電源131に接続し、第2のHブリッジインバータ120の正側直流入力端子、負側直流入力端子を、第1の直流電源131とは絶縁された第2の直流電源132に接続し、第1のHブリッジインバータ110の交流各相(a相、b相、c相)の出力端子と、第2のHブリッジインバータ120の交流各相(a相、b相、c相)の出力端子との間に巻線140a,140b,140cを各々接続して構成されている。
In FIG. 9, the positive DC input terminal and negative DC input terminal of the first H-
前記Hブリッジインバータ110、120(以下、単にインバータ110、120と称する)は、IGBTなどのスイッチングデバイス(スイッチング素子)を備えており、各スイッチングデバイスのオン、オフ動作によってインバータ出力電圧(vi1=[vi1a,vi1b,vi1c],vi2=[vi2a,vi2b,vi2c])を生成する。
The H-
各相の巻線(140a,140b,140c)にかかる巻線電圧vs=[vsa,vsb,vsc]は前記インバータ110、120の同一相どうしの出力電圧の差である。従って、第1、第2のインバータ110、120の出力電圧をvi1=[vi1a,vi1b,vi1c],vi2=[vi2a,vi2b,vi2c]とすると、巻線電圧vsとインバータ出力電圧vi1,vi2の関係式は以下の式で表される。
The winding voltage vs = [vsa, vsb, vsc] applied to the windings (140a, 140b, 140c) of each phase is a difference in output voltage between the same phases of the
vs=vi1−vi2…(1)
前記インバータ110,120の各相の出力電圧はVdc、0の2レベルなので(これらの電圧は図8又は図9の0端子を基準とする)、巻線電圧vsは−Vdc、0、Vdcの3レベルになる。
vs = vi1-vi2 (1)
Since the output voltage of each phase of the
オープン巻線システムの先行技術としては、例えば特許文献1がある。
As a prior art of the open winding system, there is, for example,
また、三相のインバータ出力電圧vi1=[vi1a,vi1b,vi1c]は、三相/二相変換を行う下式によって、α軸成分とβ軸成分と零相(0軸成分)に変換できる。 Further, the three-phase inverter output voltage vi1 = [vi1a, vi1b, vi1c] can be converted into an α-axis component, a β-axis component, and a zero-phase component (0-axis component) by the following equation that performs three-phase / two-phase conversion.
vi1α=vi1a−1/2×vi1b−1/2×vi1c
vi1β=√3/2×vi1b−√3/2×vi1c
vi10=vi1a+vi1b+vi1c
vi2=[vi2a,vi2b,vi2c]や巻線電圧vsについても、同様の変換式を適用できる。
vi1α = vi1a−1 / 2 × vi1b−1 / 2 × vi1c
vi1β = √3 / 2 × vi1b−√3 / 2 × vi1c
vi10 = vi1a + vi1b + vi1c
A similar conversion formula can be applied to vi2 = [vi2a, vi2b, vi2c] and the winding voltage vs.
図10に、インバータ出力電圧viの2レベル空間ベクトル(左側)と巻線電圧vsの3レベル空間ベクトル(右側)を示す。これらの空間ベクトルは、α軸−β軸座標で示している。 FIG. 10 shows a two-level space vector (left side) of the inverter output voltage vi and a three-level space vector (right side) of the winding voltage vs. These space vectors are indicated by α axis-β axis coordinates.
出力可能なベクトルは図10の格子点で表される。2レベル空間ベクトルは0から7までの8つのベクトルを持ち、3レベル空間ベクトルは0から26までの27つのベクトルを持つ。 Vectors that can be output are represented by lattice points in FIG. The 2-level space vector has 8 vectors from 0 to 7, and the 3-level space vector has 27 vectors from 0 to 26.
これらの空間ベクトルは、図8(又は図9)のHブリッジインバータの各相の上、下アームのスイッチングデバイスの共通接続点電圧vi1a,vi1b,vi1c(vi2a,vi2b,vi2c)によって定まる。 These space vectors are determined by the common connection point voltages vi1a, vi1b, vi1c (vi2a, vi2b, vi2c) of the switching devices of the lower arm above each phase of the H-bridge inverter of FIG. 8 (or FIG. 9).
図8の第1のインバータ110の各相出力電圧と空間ベクトルとの関係を下記表1に示す。
The relationship between each phase output voltage of the
第2のインバータ120の各相出力電圧vi2=[vi2a,vi2b,vi2c]についても表1と同様な関係となる。
Each phase output voltage vi2 = [vi2a, vi2b, vi2c] of the
さらに、前記(1)式vs=vi1−vi2によって、図10に示す巻線電圧vsの3レベル空間ベクトルが生成される。 Further, the three-level space vector of the winding voltage vs shown in FIG. 10 is generated by the expression (1) vs = vi1-vi2.
また、PWMは、制御周期の平均電圧が電圧指令に一致するように出力電圧のパルス幅(デューティ比)を制御する手法である。空間ベクトルで見ると制御周期に出力される空間ベクトルにデューティ比をかけて和をとったものが電圧指令のベクトルに一致する。これを電圧指令のPWMによる合成と呼ぶ。巻線電圧指令がvs*の時にこの電圧を合成する先行技術は大きく2つの手法に分けられる。 PWM is a technique for controlling the pulse width (duty ratio) of the output voltage so that the average voltage of the control period matches the voltage command. When viewed in terms of a space vector, the sum of the space vector output in the control cycle multiplied by the duty ratio matches the voltage command vector. This is referred to as voltage command PWM synthesis. The prior art for synthesizing this voltage when the winding voltage command is vs * is roughly divided into two methods.
1つは、2台のインバータの出力電圧のうち片方を2レベル空間ベクトルのうち外側のある空間ベクトル(図10左側の1,2,…,6)のいずれかに固定し、もう片方をPWMで合成する手法である(非特許文献2,3,4)。例えばインバータ110をある空間ベクトルvk(k=1,2,…,6)に固定するとき、各インバータ110、120の出力電圧の指令値vi1*、vi2*は,
vi1*=vk…(2)
vi2*=vk−vs*…(3)
となり、インバータ120を固定するときは、
vi1*=vs*+vk…(4)
vi2*=vk…(5)
となる。これを「手法1」とする。手法1でインバータ120の出力電圧を固定したときの例を図11に示す。図11に示した電圧指令値を合成するときに、インバータ110で出力される空間ベクトルを◇、インバータ120で出力される空間ベクトルを△、巻線電圧の空間ベクトルを○で示してある。
One is to fix one of the output voltages of the two inverters to one of the two outer space vectors (1, 2,..., 6 on the left side of FIG. 10) and the other to PWM. (Non-Patent
vi1 * = vk (2)
vi2 * = vk−vs * (3)
When fixing the
vi1 * = vs * + vk (4)
vi2 * = vk (5)
It becomes. This is referred to as “
もう1つは、2台のインバータの出力電圧指令vi1*、vi2*を下式(6)、(7)のように180°位相差として両方をPWMで合成する手法である(非特許文献1、5)。 The other is a method in which the output voltage commands vi1 * and vi2 * of two inverters are combined by PWM with a 180 ° phase difference as shown in the following equations (6) and (7) (Non-patent Document 1). 5).
vi1*=0.5*vs*…(6)
vi2*=−0.5*vs*…(7)
これを「手法2」とする。手法2で電圧指令を合成する例を図12に示す。インバータ110で出力される空間ベクトルを◇、インバータ120で出力される空間ベクトルを△、巻線電圧の空間ベクトルを○で示してある。
vi1 * = 0.5 * vs * (6)
vi2 * = − 0.5 * vs * (7)
This is referred to as “
前記図11で説明した「手法1」は、1台のインバータのみをスイッチングさせて出力電圧を合成するため、スイッチングデバイスのスイッチング損失が片方のインバータに集中してしまい、片方のインバータのスイッチングデバイスが温度上昇しやすくなり温度破壊しやすくなる。
In the “
スイッチング損失を均等にするために、出力を固定するインバータとスイッチングして電圧合成するインバータの役割を電気角に応じて交代させる手法(非特許文献4)もあるが、電気角基準なので低周波数の電圧を出力する条件では片方にスイッチング損失が集中する時間が長くなり、スイッチングデバイスが温度上昇しやすくなる。 In order to equalize the switching loss, there is also a technique (Non-patent Document 4) in which the role of the inverter that fixes the output and the inverter that switches and synthesizes the voltage is changed according to the electrical angle. Under the condition of outputting voltage, the time during which switching loss concentrates on one side becomes longer, and the temperature of the switching device is likely to rise.
前記図12で説明した「手法2」は、「手法1」のスイッチング損失の集中の問題は解決している。しかし、3レベルの空間ベクトルをα−β平面で見たとき、巻線電圧指令値vs*の三近傍以外にある空間ベクトル(図12中央の「0」位置のベクトル)も使っている。このため、指令値から離れた空間ベクトルを出力する瞬間は電圧誤差が大きくなり、巻線に流れる電流の電流リプルが増加する。
The “
この電流リプルの増加によって、誘導電動機などの巻線負荷を円滑に運転できなくなる、という問題がある。 Due to the increase in current ripple, there is a problem that winding loads such as induction motors cannot be operated smoothly.
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、「手法1」の問題点であるスイッチング損失の集中を解決し、さらに「手法2」の問題点である電流リプルを抑制することができるオープン巻線システムの制御装置、制御方法を提供することにある。
The present invention solves the above problem, and its object is to solve the concentration of switching loss, which is a problem of “
上記課題を解決するための請求項1に記載のオープン巻線システムの制御装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換する第1および第2のインバータと、前記第1のインバータと第2のインバータの交流出力端子の間に接続されたオープン巻線とを備えたオープン巻線システムにおいて、
位相差が90°である第1および第2のキャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
前記オープン巻線の交流各相の巻線電圧指令を、位相差が180°の第1および第2のインバータの各相の出力電圧指令に各々変換する電圧指令変換部と、
交流各相毎に設けられ、前記第1および第2のインバータの同一相どうしの前記変換された出力電圧指令を比較し、第1のインバータの出力電圧指令が第2のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに前記第1および第2のキャリア信号のうち一方を選択し、第2のインバータの出力電圧指令が第1のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに前記第1および第2のキャリア信号のうち他方を選択するキャリア信号選択部と、
交流各相毎に設けられ、前記電圧指令変換部で変換された第1のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相に設けられたキャリア信号選択部により選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御させ、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御させる第1のインバータのパルス電圧指令を生成する第1のパルス電圧指令生成部と、
交流各相毎に設けられ、前記電圧指令変換部で変換された第2のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相に設けられたキャリア信号選択部により選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御させ、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御させる第2のインバータのパルス電圧指令を生成する第2のパルス電圧指令生成部と、
を備えたことを特徴としている。
The control device for an open winding system according to
A carrier signal generator for generating first and second carrier signals having a phase difference of 90 °;
A voltage command conversion unit that converts the winding voltage command of each phase of the alternating current of the open winding into an output voltage command of each phase of the first and second inverters having a phase difference of 180 °;
Provided for each AC phase, compare the converted output voltage command of the same phase of the first and second inverters, and the output voltage command of the first inverter is greater than the output voltage command of the second inverter Is selected, one of the first and second carrier signals is selected, and when the output voltage command of the second inverter is larger than the output voltage command of the first inverter, the first and second carriers A carrier signal selector for selecting the other of the signals;
The output voltage command of a phase of the first inverter provided for each AC phase and converted by the voltage command conversion unit is compared with the carrier signal selected by the carrier signal selection unit provided for the phase. When the output voltage command is larger than the carrier signal, the upper arm switching element of the phase of the first inverter is turned on and the lower arm switching element is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command. A first pulse voltage command generation unit that generates a pulse voltage command of the first inverter that turns off the switching element of the upper arm of the phase of the first inverter and turns on the switching element of the lower arm;
The output voltage command of a phase of the second inverter provided for each AC phase and converted by the voltage command conversion unit is compared with the carrier signal selected by the carrier signal selection unit provided for the phase. When the output voltage command is larger than the carrier signal, the upper arm switching element of the second inverter is turned on and the lower arm switching element is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command. A second pulse voltage command generation unit that generates a pulse voltage command of the second inverter that controls the switching element of the upper arm to be turned off and the switching element of the lower arm to be turned on;
It is characterized by having.
また、請求項2に記載のオープン巻線システムの制御装置は、請求項1において、前記第1および第2のインバータの正、負側直流入力端子は、共通の直流電源に接続されていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the control device for the open winding system according to the first aspect, wherein the positive and negative DC input terminals of the first and second inverters are connected to a common DC power source. It is characterized by.
また、請求項3に記載のオープン巻線システムの制御装置は、請求項1において、前記第1のインバータの正、負側直流入力端子は第1の直流電源に接続され、第2のインバータの正、負側直流入力端子は、第1の直流電源とは絶縁された第2の直流電源に接続されていることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the control device for the open winding system according to the first aspect, wherein the positive and negative DC input terminals of the first inverter are connected to the first DC power source, and the second inverter The positive and negative DC input terminals are connected to a second DC power source that is insulated from the first DC power source.
また、請求項4に記載のオープン巻線システムの制御方法は、直流電源の直流電力を交流電力に変換する第1および第2のインバータと、前記第1のインバータと第2のインバータの交流出力端子の間に接続されたオープン巻線とを備えたオープン巻線システムの制御方法であって、
前記オープン巻線の交流各相の巻線電圧指令を、位相差が180°の第1および第2のインバータの各相の出力電圧指令に各々変換する電圧指令変換ステップと、
前記第1および第2のインバータの同一相どうしの前記変換された出力電圧指令を比較し、第1のインバータの出力電圧指令が第2のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに、位相差が90°である第1および第2のキャリア信号のうち一方を選択し、第2のインバータの出力電圧指令が第1のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに前記第1および第2のキャリア信号のうち他方を選択する処理を交流各相で実行するキャリア信号選択ステップと、
前記電圧指令変換ステップで変換された第1のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相でキャリア信号選択ステップにより選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御し、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御する処理を交流各相で実行する第1のインバータ制御ステップと、
前記電圧指令変換ステップで変換された第2のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相でキャリア信号選択ステップにより選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御し、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御する処理を交流各相で実行する第2のインバータ制御ステップと、
を備えたことを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an open winding system control method comprising: first and second inverters that convert DC power of a DC power source into AC power; and AC outputs of the first inverter and the second inverter. A method for controlling an open winding system comprising an open winding connected between terminals,
A voltage command conversion step of converting the winding voltage command of each phase of the alternating current of the open winding into an output voltage command of each phase of the first and second inverters having a phase difference of 180 °;
When the converted output voltage command of the same phase of the first and second inverters is compared, and the output voltage command of the first inverter is larger than the output voltage command of the second inverter, the phase difference is The first and second carrier signals are selected when one of the first and second carrier signals of 90 ° is selected and the output voltage command of the second inverter is larger than the output voltage command of the first inverter. A carrier signal selection step of executing the process of selecting the other of each of the alternating current phases;
The output voltage command of a phase of the first inverter converted in the voltage command conversion step is compared with the carrier signal selected in the carrier signal selection step in the phase, and the output voltage command is larger than the carrier signal. When the upper arm switching element of the phase of the first inverter is turned on and the switching element of the lower arm is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command, the upper arm of the phase of the first inverter A first inverter control step for executing a process of turning off the switching elements of the first switch and turning on the switching elements of the lower arm in each AC phase;
The output voltage command of a phase of the second inverter converted in the voltage command conversion step is compared with the carrier signal selected in the phase by the carrier signal selection step, and the output voltage command is larger than the carrier signal. When the upper arm switching element of the second inverter is turned on and the lower arm switching element is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command, the upper arm of the phase of the second inverter A second inverter control step for performing a process of turning off the switching elements of the first arm and switching on the lower arm switching elements in each AC phase;
It is characterized by having.
上記構成において、第1および第2のインバータを同じ振幅で極性を反転させた出力電圧指令で駆動するため、2台のインバータのスイッチング損失が均等になり、インバータのスイッチング素子の温度上昇を均等化できる。これによってスイッチング素子が温度破壊しにくくなり、システムの信頼性を向上させることができる。 In the above configuration, since the first and second inverters are driven by the output voltage command in which the polarity is inverted with the same amplitude, the switching loss of the two inverters becomes equal, and the temperature rise of the switching elements of the inverters is equalized it can. This makes it difficult for the switching element to break down in temperature, and the reliability of the system can be improved.
また、第1、第2のインバータの出力電圧指令は、キャリア信号選択部(ステップ)で選択された、2レベル間を往復する1つのキャリア信号と比較しているので、2レベルキャリア比較PWMで各々合成される。 Further, since the output voltage command of the first and second inverters is compared with one carrier signal that is reciprocated between two levels selected by the carrier signal selection unit (step), the two-level carrier comparison PWM is used. Each is synthesized.
そして第1のインバータと第2のインバータの出力電圧の差が巻線電圧となることから、巻線電圧は、PD−PWM手法と同じパルス電圧指令に基づく電圧となる。 And since the difference of the output voltage of a 1st inverter and a 2nd inverter turns into a winding voltage, a winding voltage becomes a voltage based on the same pulse voltage command as the PD-PWM method.
これによって巻線電圧指令は、三相/二相変換したα−β平面における巻線電圧指令の三近傍上にある空間ベクトルを用いて合成されることになるため、α−β平面における電圧誤差が最小になり、巻線電流のリプルが小さくなる。したがって、誘導電動機などの巻線負荷を円滑に運転させることができる。 As a result, the winding voltage command is synthesized by using a space vector on the three neighborhoods of the winding voltage command in the α-β plane that has been converted into the three-phase / two-phase, so that the voltage error in the α-β plane Is minimized and the ripple of the winding current is reduced. Therefore, a winding load such as an induction motor can be smoothly operated.
本発明によれば、第1および第2のインバータを同じ振幅で極性を反転させた出力電圧指令で駆動するため、2台のインバータのスイッチング損失が均等になり、インバータのスイッチング素子の温度上昇を均等化できる。これによってスイッチング素子が温度破壊しにくくなり、システムの信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, since the first and second inverters are driven by the output voltage command with the same amplitude and the polarity reversed, the switching loss of the two inverters becomes uniform, and the temperature rise of the switching elements of the inverters is increased. Can be equalized. This makes it difficult for the switching element to break down in temperature, and the reliability of the system can be improved.
また、巻線電圧指令は、三相/二相変換したα−β平面における巻線電圧指令の三近傍上にある空間ベクトルを用いて合成されることになるため、α−β平面における電圧誤差が最小になり、巻線電流のリプルが小さくなる。したがって、誘導電動機などの巻線負荷を円滑に運転させることができる。 In addition, since the winding voltage command is synthesized by using a space vector on the three neighborhoods of the winding voltage command in the α-β plane that has been subjected to the three-phase / two-phase conversion, a voltage error in the α-β plane. Is minimized and the ripple of the winding current is reduced. Therefore, a winding load such as an induction motor can be smoothly operated.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図1は、PD−PWM(Phase Disposition−PWM)手法を利用した本実施形態例によるオープン巻線システムの制御装置のブロックダイアグラムである。図1の制御装置は例えば図8、図9のオープン巻線システムに適用される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. FIG. 1 is a block diagram of a control device of an open winding system according to the present embodiment using a PD-PWM (Phase Disposition-PWM) technique. The control device of FIG. 1 is applied to the open winding system of FIGS. 8 and 9, for example.
本実施形態例では、キャリア信号発生部200から出力される、位相の異なる2つの三角波キャリア信号(第1のキャリア信号:carrier1,第2のキャリア信号:carrier2)を用いる。第1のキャリア信号は第2のキャリア信号より90°(1/4周期)位相が進んでいる。
In the present embodiment example, two triangular wave carrier signals (first carrier signal: carrier1, second carrier signal: carrier2) output from the carrier
210は、図8、図9の三相各相の巻線140a,140b,140cの巻線電圧指令vs*=[vsa*,vsb*,vsc*]を、前記手法2と同様に180°位相差のインバータ出力電圧指令vi1*=[vi1a*,vi1b*,vi1c*]、vi2*=[vi2a*,vi2b*,vi2c*]に変換する電圧指令変換部である。
210, FIG. 8, the three-
vi1*=0.5*vs*…(8)
vi2*=−0.5*vs*…(9)
220a,220b,220cは、電圧指令変換部210から出力される第1のインバータ110の三相各相の出力電圧指令vi1a*,vi1b*,vi1c*と第2のインバータ120の三相各相の出力電圧指令vi2a*,vi2b*,vi2c*とを各相毎に比較する比較器である。
vi1 * = 0.5 * vs * (8)
vi2 * = − 0.5 * vs * (9)
220a, 220b, and 220c are output voltage commands vi1a * , vi1b * , vi1c * of the three-phase each phase of the
230a,230b,230cは、比較器220a,220b,220cの比較出力に応じてキャリア信号発生部200からの三角波キャリア信号を各相毎に選択する選択器であり、第1のインバータ110の出力電圧指令vi1*(=vi1a*,vi1b*,vi1c*)が第2のインバータ120の出力電圧指令vi2*(=vi2a*,vi2b*,vi2c*)より大きい相は第2のキャリア信号を選択し、出力電圧指令vi2*がvi1*より大きい相は第1のキャリア信号を選択する。
230a, 230b, and 230c are selectors that select a triangular wave carrier signal from the
前記比較器220a,220b,220cおよび選択器230a,230b,230cによってキャリア信号選択部を構成している。
The
241a,241b,241cは、各相の選択器230a,230b,230cで選択された三角波キャリア信号と、第1のインバータ110の各相の出力電圧指令vi1a*,vi1b*,vi1c*を各々比較して、第1のインバータ110の各相のパルス電圧指令を生成する比較器である。
241a, 241b, and 241c respectively compare the triangular wave carrier signal selected by the
242a,242b,242cは、各相の選択器230a,230b,230cで選択された三角波キャリア信号と、第2のインバータ120の各相の出力電圧指令vi2a*,vi2b*,vi2c*を各々比較して、第2のインバータ120の各相のパルス電圧指令を生成する比較器である。
242a, 242b, and 242c respectively compare the triangular wave carrier signal selected by the
前記比較器241a,241b,241cによって第1のパルス電圧指令生成部を構成し、前記比較器242a,242b,242cによって第2のパルス電圧指令生成部を構成している。
The
第1のパルス電圧指令生成部の、例えばa相では、a相出力電圧指令vi1a*>選択器230aにより選択された三角波キャリア信号 であるときは1を出力し、インバータ110のa相の上アームのスイッチングデバイスをオン、下アームのスイッチングデバイスをオフさせる。
For example, in the a phase of the first pulse voltage command generation unit, when the a phase output voltage command vi1a * > is the triangular wave carrier signal selected by the
また、a相出力電圧指令vi1a*<選択器230aにより選択された三角波キャリア信号 であるときは0を出力し、インバータ110のa相の上アームのスイッチングデバイスをオフ、下アームのスイッチングデバイスをオンさせる。
Also, when the a-phase output voltage command vi1a * <the triangular wave carrier signal selected by the
他のb相、c相のパルス電圧指令も同様の動作を行う。 Other b-phase and c-phase pulse voltage commands perform the same operation.
また、第2のパルス電圧指令部の、例えばa相では、a相出力電圧指令vi2a*>選択器230aにより選択された三角波キャリア信号 であるときは1を出力し、インバータ120のa相の上アームのスイッチングデバイスをオン、下アームのスイッチングデバイスをオフさせる。
Further, in the second pulse voltage command section, for example, in the a phase, when the a phase output voltage command vi2a * > is the triangular wave carrier signal selected by the
また、a相出力電圧指令vi2a*<選択器230aにより選択された三角波キャリア信号 であるときは0を出力し、インバータ120のa相の上アームのスイッチングデバイスをオフ、下アームのスイッチングデバイスをオンさせる。
Also, when the a-phase output voltage command vi2a * <the triangular wave carrier signal selected by the
他のb相、c相のパルス電圧指令も同様の動作を行う。 Other b-phase and c-phase pulse voltage commands perform the same operation.
一般的な3レベルインバータのPWM手法にPD−PWM(in−phase disposition PWM)がある。図2にPD−PWMの三角波キャリア波形と三相指令電圧を示す。このPD−PWM手法では、三相電圧指令(va*,vb*,vc*)の値と2種類の三角波キャリア波形、キャリアA、キャリアBの値との比較を行い、下記表2に示すパルス電圧指令を生成する。 PD-PWM (in-phase disposition PWM) is a general three-level inverter PWM method. FIG. 2 shows a triangular wave carrier waveform of PD-PWM and a three-phase command voltage. In this PD-PWM method, the values of the three-phase voltage commands (va * , vb * , vc * ) are compared with the values of two types of triangular carrier waveforms, carrier A and carrier B, and the pulses shown in Table 2 below are compared. Generate a voltage command.
さらにこのパルス電圧指令に基づいて、3レベルインバータの各スイッチングデバイスをオンオフさせるゲート信号を生成し、そのゲート信号でスイッチングデバイスを制御することによって、3レベルインバータの出力相に3レベルの電圧を出力させる。 Furthermore, based on this pulse voltage command, a gate signal for turning on / off each switching device of the three-level inverter is generated, and by controlling the switching device with the gate signal, a three-level voltage is output to the output phase of the three-level inverter. Let
図7に、特許文献2に記載されている3レベルインバータの代表構成を示す。この構成の場合、表2のパルス電圧指令と出力電圧(AB端子間電圧)の関係は下記表3となる。
FIG. 7 shows a representative configuration of the three-level inverter described in
次に、図12のような空間ベクトルを用いてゲート信号を生成する方法について説明する。 Next, a method for generating a gate signal using a space vector as shown in FIG. 12 will be described.
三相電圧指令(va*,vb*,vc*)を三相/二相変換し、α−β軸に変換する。α−β平面において巻線電圧指令(図11、図12のvs*)の三近傍にある空間ベクトル(図12では、1,7,8,19)が選択される。さらに、選択された空間ベクトルにデューティ比をかけて和をとったものを電圧指令のベクトルに一致させることによって、電圧指令が合成される。また空間ベクトルには、前記表1に示すような各相の電圧条件(すなわちスイッチングデバイスのオンオフ条件)があるため、インバータ内の各スイッチングデバイスのオンオフ条件(ゲート信号)を定めることができる。この方法では、三近傍にある空間ベクトルのみを選択することになるので、α−β平面上における電圧誤差を最小にできる。 Three-phase voltage commands (va * , vb * , vc * ) are three-phase / two-phase converted to α-β axes. A space vector (1, 7, 8, 19 in FIG. 12) in the vicinity of the winding voltage command (vs * in FIGS. 11 and 12) on the α-β plane is selected. Furthermore, the voltage command is synthesized by matching the sum of the selected space vector with the duty ratio and the voltage vector. Further, since the space vector has a voltage condition of each phase as shown in Table 1 (that is, an on / off condition of the switching device), an on / off condition (gate signal) of each switching device in the inverter can be determined. In this method, only space vectors in three neighborhoods are selected, so that the voltage error on the α-β plane can be minimized.
一方、オープン巻線システムの巻線電圧vsも3レベルである。したがって、オープン巻線システムにおいて、巻線電圧vsがPD−PWMと同じパルス電圧指令に基づく電圧になるようにインバータ110とインバータ120の電圧を出力すれば、α−β平面上における電圧誤差を最小にできる。
On the other hand, the winding voltage vs of the open winding system is also three levels. Therefore, in the open winding system, if the voltages of the
図3は、インバータ出力電圧指令vi1a*、vi2a*と巻線電圧指令vs*の関係が前記式(8)、(9)のときに、両者の三角波比較PWMの対応関係を1つの相について示したものである。図3上段の2レベルのキャリア比較と図3下段の3レベルのキャリア比較(PD−PWM)との間の数字(0,1,−1)は巻線電圧vsのパルス電圧指令である。 FIG. 3 shows the corresponding relationship of the triangular wave comparison PWM for one phase when the relationship between the inverter output voltage commands vi1a * and vi2a * and the winding voltage command vs * is the expressions (8) and (9). It is a thing. The numbers (0, 1, −1) between the two-level carrier comparison in the upper part of FIG. 3 and the three-level carrier comparison (PD-PWM) in the lower part of FIG. 3 are pulse voltage commands for the winding voltage vs.
(1)インバータ出力電圧指令(vi1*またはvi2*)と1種類のキャリア信号を比較する2レベルキャリア比較(図3上段の方式)
(2)巻線電圧指令vs*と2種類のキャリア信号を比較する3レベルキャリ比較(図3下段の方式)
のいずれの方法からも、同一の巻線電圧のパルス電圧指令が得られている。
(1) Two-level carrier comparison that compares the inverter output voltage command (vi1 * or vi2 * ) with one type of carrier signal (the upper method in FIG. 3)
(2) Three-level carry comparison that compares the winding voltage command vs * and two types of carrier signals (lower method in FIG. 3)
From any of these methods, a pulse voltage command of the same winding voltage is obtained.
なお、(1)の2レベルキャリア比較方式では、インバータ出力電圧指令>キャリア信号時に、インバータのパルス電圧指令=1、インバータ出力電圧指令<キャリア信号時に、インバータのパルス電圧指令=0となる。 In the two-level carrier comparison method (1), the inverter pulse voltage command = 1 when the inverter output voltage command> carrier signal, and the inverter pulse voltage command = 0 when the inverter output voltage command <carrier signal.
例えば、図3上段左側のチャートの左端の領域では、vi1*>キャリア信号>vi2*であるので、インバータ110のパルス電圧指令=1、インバータ120のパルス電圧指令=0である。
For example, in the left end region of the left chart in the upper part of FIG. 3, since vi1 * > carrier signal> vi2 * , the pulse voltage command of the
このため、巻線電圧のパルス電圧指令=インバータ110のパルス電圧指令−インバータ120のパルス電圧指令=1−0=1となる。
For this reason, the pulse voltage command of the winding voltage = the pulse voltage command of the
したがって、オープン巻線システムにおいて、第1および第2のインバータ(110,120)の出力電圧指令をこの2レベルキャリア比較PWMで合成すれば、巻線にはPD−PWMのパルス電圧指令が出力されることになる。 Therefore, in an open winding system, if the output voltage commands of the first and second inverters (110, 120) are synthesized by this two-level carrier comparison PWM, a PD-PWM pulse voltage command is output to the winding. Will be.
さらに、図3上段の2レベルキャリア比較の三角波キャリア信号は、vi1*とvi2*の大小関係で変化させる。図3下段の3レベルキャリア比較の三角波キャリア信号を基準に見ると、図3上段右図(vi1*<vi2*)のキャリア信号は図3上段左図(vi1*>vi2*)のキャリア信号より位相が90°(1/4周期)進んでいることがわかる。よって図3に示すように、vi1*とvi2*の大小関係に基づいてキャリア信号の位相を変化させる必要がある。 Furthermore, the two-level carrier comparison triangular wave carrier signal in the upper part of FIG. 3 is changed according to the magnitude relationship between vi1 * and vi2 * . Looking at the triangular wave carrier signal of the three-level carrier comparison in the lower part of FIG. 3, the carrier signal in the upper right part of FIG. 3 (vi1 * <vi2 * ) is from the carrier signal in the upper left part of FIG. 3 (vi1 * > vi2 * ). It can be seen that the phase has advanced by 90 ° (1/4 period). Therefore, as shown in FIG. 3, it is necessary to change the phase of the carrier signal based on the magnitude relationship between vi1 * and vi2 * .
そこで本実施形態例の図1のブロックダイアグラムでは、位相が90°異なる2つのキャリア信号(carrier1とcarrier2)を設け、vi1*とvi2*の大小関係に基づいて2つのキャリア信号を選択するようにしている。 Therefore, in the block diagram of FIG. 1 of the present embodiment, two carrier signals (carrier1 and carrier2) having a phase difference of 90 ° are provided, and the two carrier signals are selected based on the magnitude relationship between vi1 * and vi2 *. ing.
さらに巻線にPD−PWMのパルス電圧指令に基づく電圧を出力できる本発明の手法では、巻線電圧指令はα−β平面における指令電圧の三近傍上にある空間ベクトルのみを用いることになる。 Furthermore, in the method of the present invention that can output a voltage based on the pulse voltage command of PD-PWM to the winding, the winding voltage command uses only a space vector on the vicinity of the command voltage in the α-β plane.
また、2台のインバータ出力電圧指令は式(8)、(9)より同じ振幅で極性を反転させたものである。従って、どちらのインバータも同じ回数スイッチングすることになり、本発明の手法では2つのインバータのスイッチング損失は均等になる。 Further, the two inverter output voltage commands are obtained by reversing the polarity with the same amplitude from the equations (8) and (9). Therefore, both inverters are switched the same number of times, and the switching loss of the two inverters becomes equal in the method of the present invention.
図4、図5、図6に、手法1(PD−PWM clamped)、手法2(APOD−PWM;Altemative Phase Opposition Disposition PWM)、本発明手法(PD−PWM)を比較した実験結果を示す。 4, 5, and 6 show experimental results comparing the method 1 (PD-PWM clamped), the method 2 (APOD-PWM; Intelligent Phase Opposition Disposition PWM), and the method of the present invention (PD-PWM).
図4は、a相の巻線指令電圧(上段)、第1のインバータ110(Inverter1)の出力電圧(中段)、第2のインバータ120(Inverter2)の出力電圧(下段)を各々示している。図4中央の手法1では、正弦波状の巻線電圧指令の半周期毎に第1のインバータ110か第2のインバータ120のどちらかのみのスイッチング動作となるが、図4右側の本発明の手法では全周期においてどちらのインバータでもスイッチングしていることがわかる。
FIG. 4 shows the a-phase winding command voltage (upper stage), the output voltage (middle stage) of the first inverter 110 (Inverter 1), and the output voltage (lower stage) of the second inverter 120 (Inverter 2). In the
図5は、巻線電圧を3レベル空間ベクトルで示したものである。あるキャリア信号の周期に出力された空間ベクトルを×で示してある。図5左側の手法2(APOD−PWM)では、円の中央のベクトル(ベクトル0)が選択されているが、図5の右側の本発明手法(PD−PWM)では選択されていない。本発明の手法は、図5中央の手法1と同様にα−β平面における三近傍上の空間ベクトルを用いていることが確認できる。
FIG. 5 shows the winding voltage as a three-level space vector. A space vector output in a certain carrier signal period is indicated by x. In the method 2 (APOD-PWM) on the left side of FIG. 5, the center vector (vector 0) of the circle is selected, but not selected in the method (PD-PWM) of the present invention on the right side of FIG. It can be confirmed that the method of the present invention uses space vectors on three neighborhoods in the α-β plane as in the
図6は、巻線に流れるα−β軸の電流であり、上段は手法2(APOD−PWM)、中段は手法1(PD−PWM clamped)、下段は本発明手法を示している。正弦波状の波形が、α軸の巻線電流is.αとβ軸の巻線電流is.βである。またTHDiαは、α軸の巻線電流is.αの歪率である。 FIG. 6 shows the α-β-axis current flowing through the windings. The upper part shows method 2 (APOD-PWM), the middle part shows method 1 (PD-PWM clamped), and the lower part shows the method of the present invention. The sinusoidal waveform indicates the α axis winding current is. α and β axis winding current is. β. Also, THDiα is the winding current is. The distortion rate of α.
図6下段の本発明の手法は、図6上段の手法2に比べてTHDiαが低いため、α軸の電流リプルが小さくなる。β軸の電流リプルについても同様である。
The method of the present invention in the lower part of FIG. 6 has a lower TFDiα than the
以上のように本実施形態例によれば、オープン巻線システムにおいて、第1および第2のインバータの出力電圧指令を2レベルキャリア比較PWMで合成し、巻線にPD−PWMのパルス電圧指令が出力されるように構成したので、第1および第2のインバータを同じ振幅で極性を反転させた出力電圧指令で駆動することができ、2台のインバータのスイッチング損失が均等になり、インバータのスイッチング素子の温度上昇を均等化できる。これによってスイッチング素子が温度破壊しにくくなり、システムの信頼性を向上させることができる。 As described above, according to this embodiment, in the open winding system, the output voltage commands of the first and second inverters are synthesized by the two-level carrier comparison PWM, and the pulse voltage command of PD-PWM is applied to the winding. Since it is configured to output, the first and second inverters can be driven with an output voltage command in which the polarity is inverted with the same amplitude, and the switching loss of the two inverters becomes equal, and the inverter switching The temperature rise of the element can be equalized. This makes it difficult for the switching element to break down in temperature, and the reliability of the system can be improved.
また、巻線電圧指令は、三相/二相変換したα−β平面における巻線電圧指令の三近傍上にある空間ベクトルを用いて合成されることになるため、α−β平面における電圧誤差が最小になり、巻線電流のリプルが小さくなる。したがって、誘導電動機などの巻線負荷を円滑に運転させることができる。 In addition, since the winding voltage command is synthesized by using a space vector on the three neighborhoods of the winding voltage command in the α-β plane that has been subjected to the three-phase / two-phase conversion, a voltage error in the α-β plane. Is minimized and the ripple of the winding current is reduced. Therefore, a winding load such as an induction motor can be smoothly operated.
110…第1のインバータ
120…第2のインバータ
130,131,132…直流電源
140a,140b,140c…巻線
200…キャリア信号発生部
210…電圧指令変換部
220a,220b,220c,241a,241b,241c,242a,242b,242c…比較器
230a,230b,230c…選択器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
位相差が90°である第1および第2のキャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
前記オープン巻線の交流各相の巻線電圧指令を、位相差が180°の第1および第2のインバータの各相の出力電圧指令に各々変換する電圧指令変換部と、
交流各相毎に設けられ、前記第1および第2のインバータの同一相どうしの前記変換された出力電圧指令を比較し、第1のインバータの出力電圧指令が第2のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに前記第1および第2のキャリア信号のうち一方を選択し、第2のインバータの出力電圧指令が第1のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに前記第1および第2のキャリア信号のうち他方を選択するキャリア信号選択部と、
交流各相毎に設けられ、前記電圧指令変換部で変換された第1のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相に設けられたキャリア信号選択部により選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御させ、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御させる第1のインバータのパルス電圧指令を生成する第1のパルス電圧指令生成部と、
交流各相毎に設けられ、前記電圧指令変換部で変換された第2のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相に設けられたキャリア信号選択部により選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御させ、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御させる第2のインバータのパルス電圧指令を生成する第2のパルス電圧指令生成部と、
を備えたことを特徴とするオープン巻線システムの制御装置。 Open winding comprising: first and second inverters for converting DC power of a DC power source into AC power; and an open winding connected between the first inverter and the AC output terminal of the second inverter. In the system,
A carrier signal generator for generating first and second carrier signals having a phase difference of 90 °;
A voltage command conversion unit that converts the winding voltage command of each phase of the alternating current of the open winding into an output voltage command of each phase of the first and second inverters having a phase difference of 180 °;
Provided for each AC phase, compare the converted output voltage command of the same phase of the first and second inverters, and the output voltage command of the first inverter is greater than the output voltage command of the second inverter Is selected, one of the first and second carrier signals is selected, and when the output voltage command of the second inverter is larger than the output voltage command of the first inverter, the first and second carriers A carrier signal selector for selecting the other of the signals;
The output voltage command of a phase of the first inverter provided for each AC phase and converted by the voltage command conversion unit is compared with the carrier signal selected by the carrier signal selection unit provided for the phase. When the output voltage command is larger than the carrier signal, the upper arm switching element of the phase of the first inverter is turned on and the lower arm switching element is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command. A first pulse voltage command generation unit that generates a pulse voltage command of the first inverter that turns off the switching element of the upper arm of the phase of the first inverter and turns on the switching element of the lower arm;
The output voltage command of a phase of the second inverter provided for each AC phase and converted by the voltage command conversion unit is compared with the carrier signal selected by the carrier signal selection unit provided for the phase. When the output voltage command is larger than the carrier signal, the upper arm switching element of the second inverter is turned on and the lower arm switching element is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command. A second pulse voltage command generation unit that generates a pulse voltage command of the second inverter that controls the switching element of the upper arm to be turned off and the switching element of the lower arm to be turned on;
A control device for an open winding system, comprising:
前記オープン巻線の交流各相の巻線電圧指令を、位相差が180°の第1および第2のインバータの各相の出力電圧指令に各々変換する電圧指令変換ステップと、
前記第1および第2のインバータの同一相どうしの前記変換された出力電圧指令を比較し、第1のインバータの出力電圧指令が第2のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに、位相差が90°である第1および第2のキャリア信号のうち一方を選択し、第2のインバータの出力電圧指令が第1のインバータの出力電圧指令よりも大きいときに前記第1および第2のキャリア信号のうち他方を選択する処理を交流各相で実行するキャリア信号選択ステップと、
前記電圧指令変換ステップで変換された第1のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相でキャリア信号選択ステップにより選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御し、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第1のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御する処理を交流各相で実行する第1のインバータ制御ステップと、
前記電圧指令変換ステップで変換された第2のインバータのある相の出力電圧指令と、当該相でキャリア信号選択ステップにより選択されたキャリア信号とを比較し、前記出力電圧指令がキャリア信号よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオン、下アームのスイッチング素子をオフ制御し、前記キャリア信号が出力電圧指令よりも大きいとき、第2のインバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御する処理を交流各相で実行する第2のインバータ制御ステップと、
を備えたことを特徴とするオープン巻線システムの制御方法。 Open winding comprising: first and second inverters for converting DC power of a DC power source into AC power; and an open winding connected between the first inverter and the AC output terminal of the second inverter. A system control method comprising:
A voltage command conversion step of converting the winding voltage command of each phase of the alternating current of the open winding into an output voltage command of each phase of the first and second inverters having a phase difference of 180 °;
When the converted output voltage command of the same phase of the first and second inverters is compared, and the output voltage command of the first inverter is larger than the output voltage command of the second inverter, the phase difference is The first and second carrier signals are selected when one of the first and second carrier signals of 90 ° is selected and the output voltage command of the second inverter is larger than the output voltage command of the first inverter. A carrier signal selection step of executing the process of selecting the other of each of the alternating current phases;
The output voltage command of a phase of the first inverter converted in the voltage command conversion step is compared with the carrier signal selected in the carrier signal selection step in the phase, and the output voltage command is larger than the carrier signal. When the upper arm switching element of the phase of the first inverter is turned on and the switching element of the lower arm is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command, the upper arm of the phase of the first inverter A first inverter control step for executing a process of turning off the switching elements of the first switch and turning on the switching elements of the lower arm in each AC phase;
The output voltage command of a phase of the second inverter converted in the voltage command conversion step is compared with the carrier signal selected in the phase by the carrier signal selection step, and the output voltage command is larger than the carrier signal. When the upper arm switching element of the second inverter is turned on and the lower arm switching element is turned off, and the carrier signal is larger than the output voltage command, the upper arm of the phase of the second inverter A second inverter control step for performing a process of turning off the switching elements of the first arm and switching on the lower arm switching elements in each AC phase;
A method for controlling an open winding system, comprising:
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