JP2022072026A - Ａｃ－ａｃコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化・高密度化されたＡＣ－ＡＣコンバータを提供する。【解決手段】ＡＣ－ＡＣコンバータは、３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電圧をＤＣ電圧に変換する３の倍数個の整流回路モジュールと、ＤＣ電圧を３相ＡＣ出力電圧に変換する整流回路モジュールと同数のインバータ回路モジュールとを備える。整流回路モジュールのそれぞれが有する３つの入力端子の各々は、３相ＡＣ電源の各相の出力端子と、当該整流回路モジュールと異なる整流回路モジュールの入力端子とインダクタを介して接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＣ－ＡＣコンバータに関する。
３相モータは、ファン、ポンプ、ＦＡ機器等の産業機器で広く使われている。このような３相モータを駆動するためのモータ駆動システムは、一般に、３相ＡＣ電圧を整流してＤＣ電圧（整流電圧）を生成する整流回路、その後段のＤＣリンク、およびＤＣリンク電圧から３相ＡＣ電圧を生成するインバータ回路で構成されるＡＣ－ＡＣコンバータを含む。
Ｍ.Ｇｕａｃｃｉ、Ｄ.Ｂｏｒｔｉｓ、ａｎｄ Ｊ.Ｗ.Ｋｏｌａｒ、"Ｈｉｇｈ－Ｅｃｉｅｎｃｙ Ｗｅｉｇｈｔ－Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｆａｕｌｔ－Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｅｌｌ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ ＧａＮ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ," ｉｎ Ｐｒｏｃ. ｏｆ ＩＥＥＥ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＥＣＣＥ－ＵＳＡ）、Ｐｏｒｔｌａｎｄ、ＯＲ、ＵＳＡ、Ｓｅｐｔ.２０１８、ｐｐ.１３３４－１３４１. Ｊ.Ｗ.Ｋｏｌａｒ ａｎｄ Ｔ.Ｆｒｉｅｄｌｉ"Ｔｈｅ Ｅｓｓｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ ＰＦＣ Ｒｅｃｔｉｆｉｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ－Ｐａｒｔ Ｉ," ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ. ２８、ｎｏ.１、１,ｐｐ.１７６－１９８、Ｊａｎ. ２０１３. Ｊ. Ｗｅｎ ａｎｄ Ｋ.Ｓｍｅｄｌｅｙ、"Ａ Ｎｅｗ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ－Ｈｅｘａｇｒａｍ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｕｍ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＰａｒｔＩＩ.Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ," ｉｎ Ｐｒｏｃ. ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＰＥＳＣ）、Ｏｒｌａｎｄｏ、ＦＬ、ＵＳＡ、Ｊｕｎｅ ２００７、ｐｐ.１５７１－１５７７. Ｊ.Ｗｅｎ ａｎｄ Ｋ.Ｍ.Ｓｍｅｄｌｅｙ、,"Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ－ａｎｄ/ｏｒ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｂｌｏｃｋｓ、"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ.２３、ｎｏ.３、ｐｐ.１２４７－１２５６、Ｍａｙ ２００８.
モータ駆動システムでは、低耐圧な素子が使用できること、設計工数が低減できること、部品が共通化できることなどを目的として、モータ駆動システム全体を小型化・高密度化できることが求められる。これを実現する技術の１つとして、モータを３相巻線のセグメントごとに独立させたモジュラーモータで構成し、各セグメントをモジュラーごとに駆動するために、インバータ回路をモジュラー化した「モジュラーモータ駆動システム（ＭＭＤ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ）」が提案されている（例えば非特許文献１参照）。しかしながらこのタイプのＭＭＤでは、インバータ回路はモジュラー化されているものの、整流回路はモジュラー化されていない。この場合、整流回路に高耐圧の半導体素子が必要となるため、モータ駆動システム全体の小型化・高密度化は困難である。
３相ブリッジ構成の整流回路をモジュラー化する方法としては、６スイッチ昇圧型整流回路が提案されている（例えば非特許文献２参照）。この回路では、昇圧用インダクタとしてフィルタ用インダクタを利用する。この場合、昇圧動作を実現するためには、整流回路の出力電圧（すなわちインバータ回路のＤＣリンク電圧の合計）を、入力電圧の線間ピーク電圧より大きく取らなければならない。このため整流回路を高電圧で動作させなければならず、高耐圧の素子が必要となる。その結果、モータ駆動システム全体の小型化・高密度化が困難となるとともに、入力電圧に応じた専用設計が必要となり、設計・製造コストが増す。
整流回路をモジュラー化する別の方法としては、整流回路とインバータ回路に同一の低電圧素子回路を用いたＢａｃｋ ｔｏ Ｂａｃｋ Ｈｅｘａｇｒａｍ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒがある（例えば非特許文献３参照）。しかしながらこの構成は、絶縁されたオープンデルタ接続が必要とするため、小型化・高密度化やコスト面で不利である。
整流回路をモジュラー化するさらに別の方法としては、いくつかの相互接続された３相ＡＣ―ＤＣ整流器セルを用いるものがある（例えば非特許文献４参照）。この相互接続は整流器セルの耐圧を下げることができるため、整流器セルとインバータに同じセルを用いることができる。しかしながら、入力に並列接続されたインバータセルを用いて１つの負荷を駆動するためには、絶縁された追加的なＤＣ－ＤＣコンバータが必要となる。この追加的なＤＣ－ＤＣコンバータは、モータ駆動システム全体の小型化・高密度化を妨げる原因となる。
以上述べたように、従来の整流回路には、モータ駆動システムを十分小型化・高密度化できないという課題がある。本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータ駆動システムを小型化・高密度化することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様のＡＣ－ＡＣコンバータは、３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電圧をＤＣ電圧に変換する３の倍数個の整流回路モジュールと、ＤＣ電圧を３相ＡＣ出力電圧に変換する整流回路モジュールと同数のインバータ回路モジュールとを備える。整流回路モジュールのそれぞれが有する３つの入力端子の各々は、３相ＡＣ電源の各相の出力端子と、当該整流回路モジュールと異なる前記整流回路モジュールの入力端子とインダクタを介して接続される。
実施の形態のＡＣ－ＡＣコンバータは、ＤＣ電圧を一定のＤＣ電圧とし、ＡＣ電源から入力される３相入力電流と前記３相ＡＣ電圧との位相が一致するように整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する制御部を備えてもよい。
制御部は、制御部は、３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を外部のモータの負荷を用いて吸収するように整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。
制御部は、整流回路モジュールの後段に設けられたＤＣリンクのＤＣリンク電圧と目標リンク電圧との差を基に目標キャパシタ電力を計算し、目標ＤＣ電力から目標キャパシタ電力を引くことにより目標モータ電力を計算し、目標キャパシタ電力と目標モータ電力を基にＤＣリンクの電圧脈動外部のモータの負荷を用いて吸収するように整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御してもよい。
ＤＣリンクはコンデンサを備え、コンデンサは３相ＡＣ電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を吸収してもよい。
整流回路モジュールの数は３であってもよい。
整流回路モジュールのそれぞれは、３つの入力端子のうちの１つに接続され、３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電力のエネルギーをバッファリングして整流回路モジュールに過剰な電力が入力することを防ぐためのエネルギーバッファ回路を備えてもよい。
整流回路モジュールの前段にローパスフィルタが設けられていてもよい。
ローパスフィルタはＬＣローパスフィルタであってもよい。
インバータ回路モジュールの各々は、２つのＡＣ－ＡＣ変換サブモジュールとともにモジュール化されていてもよい。
整流回路モジュールとインバータ回路モジュールとが同じ回路で構成されてもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、モータ駆動システムを小型化・高密度化することができる。
第１の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。 比較例に係るＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。 （ａ）は、第１の３相ＡＣ電圧の時間的変化を示すグラフである。（ｂ）は、（ａ）の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。 （ａ）は、整流回路モジュールが３個の場合の第１の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。（ｂ）は整流回路モジュールが６個の場合の第１の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。（ｃ）は整流回路モジュールが９個の場合の第１の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。 第２の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。 第３の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータにおける制御部の機能ブロック図である。 第４の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータの機能ブロック図である。 第５の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータにおけるエネルギーバッファ回路を含む整流回路の機能ブロック図である。 第６の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータにおける整流回路の機能ブロック図である。 第７の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータにおけるＡＣ－ＡＣ変換サブモジュールの機能ブロック図である。 複数の実施の形態のＡＣ－ＡＣコンバータにおける整流回路モジュールの回路構成を示す図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示である。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項の中で「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するだけのためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータ１の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣコンバータ１は、整流回路１００と、インバータ回路３００と、を備える。整流回路１００は、商用電源などの３相ＡＣ電源からの３相ＡＣ入力電圧（以下、「第１の３相ＡＣ入力電圧」という）から、ＤＣ電圧を生成する。このＤＣ電圧はインバータ回路３００に出力される。インバータ回路３００は、整流回路１００から出力されたＤＣ電圧を、３相ＡＣ入力電圧（以下、「第２の３相ＡＣ電圧」という）に変換する。第２の３相ＡＣ出力電圧により、３相モータが駆動される。
整流回路１００はモジュール化されている。すなわち整流回路１００は、第１の整流回路モジュール１１と、第２の整流回路モジュール１２と、第３の整流回路モジュール１３と、インダクタ２０、２１、２２、２３、２４、２５と、を備える。後述するように、第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３の各々は例えば、６個のスイッチング素子で構成された３相ブリッジ回路であり、３つの入力端子と２つの出力端子とを備える。第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３はすべて、各々がインダクタを介して互いに接続される。すなわち、第１の整流回路モジュール１１は、インダクタ２３を介して第２の整流回路モジュール１２と接続され、インダクタ２５を介して第３の整流回路モジュール１３と接続される。第２の整流回路モジュール１２は、インダクタ２４を介して第３の整流回路モジュール１３と接続され、インダクタ２３を介して第１の整流回路モジュール１１と接続される。第３の整流回路モジュール１３は、インダクタ２５を介して第１の整流回路モジュール１１と接続され、インダクタ２４を介して第２の整流回路モジュール１２と接続される。以下、このようにすべての素子や回路が他のすべての素子や回路と相互接続されている接続形態を「メッシュ接続」という。すなわちこの実施の形態では、第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３は、インダクタを介してメッシュ接続される。
第１の整流回路モジュール１１の入力端子の１つは、インダクタ２０を介して３相ＡＣ電源のＵ相の出力端子に接続される。第１の整流回路モジュール１１には、インダクタ２０を介して３相電源のＵ相５００Ｕが入力する。第１の整流回路モジュール１１への入力電圧をｖｕ、入力電流をｉｕとする。第２の整流回路モジュール１２の入力端子の１つはインダクタ２１を介して３相ＡＣ電源のＶ相の出力端子に接続される。第２の整流回路モジュール１２には、インダクタ２１を介して３相電源のＶ相５００Ｖが入力する。第２の整流回路モジュール１２への入力電圧をｖｖ、入力電流をｉｖとする。第３の整流回路モジュール１３の入力端子の１つは、インダクタ２２を介して３相ＡＣ電源のＷ相の出力端子に接続される。第３の整流回路モジュール１３には、インダクタ２２を介して３相電源のＷ相５００Ｗが入力する。第３の整流回路モジュール１３への入力電圧をｖｗ、入力電流をｉｗとする。
第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３の後段には、それぞれＤＣリンクｖｄｃ１、ｖｄｃ２、ｖｄｃ３が設けられている。
第１の整流回路モジュール１１は、入力電圧ｖｕおよび入力電流ｉｕに起因する電力脈動を脈動を除去し、第１のＤＣ電圧を生成する。第２の整流回路モジュール１２は、入力電圧ｖｖおよび入力電流ｉｖに起因する電力脈動を脈動を除去し、第２のＤＣ電圧を生成する。第３の整流回路モジュール１３は、入力電圧ｖｗおよび入力電流をｉｗに起因する電力脈動を脈動を除去し、第３のＤＣ電圧を生成する。第１、第２および第３のＤＣ電圧はそれぞれ、整流回路１０１の外部にある、第１、第２および第３のＤＣリンクに出力する。第１、第２および第３のＤＣリンクの電圧（ＤＣリンク電圧）をそれぞれｖｄｃ１、ｖｄｃ２およびｖｄｃ３とする。第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３がインダクタを介してメッシュ接続されることにより、各ＤＣリンク電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２およびｖｄｃ３は均等なものとなる。
第１、第２および第３の外部のＤＣリンク電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２およびｖｄｃ３は、インバータ回路３００に入力する。インバータ回路３００はモジュール化されており、第１のインバータ回路モジュール３１と、第２のインバータ回路モジュール３２と、第３のインバータ回路モジュール３３と、を備える。第１、第２および第３の外部のＤＣリンク電圧ｖｄｃ１、ｖｄｃ２およびｖｄｃ３はそれぞれ、インバータ回路３００の第１、第２および第３のインバータ回路モジュール３１、３２、３３に入力する。第１のインバータ回路モジュール３１は、第１のＤＣリンク電圧ｖｄｃ１から３相ＡＣ電圧ｖ１１ａ、ｖ１１ｂおよびｖ１１ｃを生成する。第２のインバータ回路モジュール３２は、第２のＤＣリンク電圧ｖｄｃ２から３相ＡＣ電圧ｖ１２ａ、ｖ１２ｂおよびｖ１２ｃを変換生成する。第３のインバータ回路モジュール３３は、第３のＤＣリンク電圧ｖｄｃ３から３相ＡＣ電圧ｖ１３ａ、ｖ１３ｂおよびｖ１３ｃを生成する。
３相ＡＣ電圧ｖ１１ａ、ｖ１１ｂおよびｖ１１ｃは、３相モータ６００の第１の巻線ＷＳ１に供給される。３相ＡＣ電圧ｖ１２ａ、ｖ１２ｂおよびｖ１２ｃは、３相モータ６００の第２の巻線ＷＳ２に供給される。３相ＡＣ電圧ｖ１３ａ、ｖ１３ｂおよびｖ１３ｃは、３相モータ６００の第３の巻線ＷＳ３に供給される。このようにして、３相モータ６００は、第１、第２および第３の巻線ＷＳ１、ＷＳ２およびＷＳ３に供給される３相出力によって駆動される。
前述の実施の形態では、整流回路モジュールの数およびインバータ回路モジュールの数はともに３個であった。しかしこれに限られず、整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールの数は、両者が同数であれば任意の３の倍数であってよい。
［比較例］
図２は、比較例に係るＡＣ－ＡＣコンバータ２の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣコンバータ２は、本発明に至る過程で案出されたものである。比較例に係るＡＣ－ＡＣコンバータ２は、実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータ１の第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３に代えて、整流器１２０を備える。すなわち比較例の整流器１２０は、モジュラー化されておらず単一のＤＣバスで構成されている点で、実施の形態と異なる。ＡＣ－ＡＣコンバータ２のその他の構成はＡＣ－ＡＣコンバータ１と同じであるので、重複する説明は省く。
整流器１２０には、それぞれインダクタ２０、２１および２２を介して、３相電源のＵ相５００Ｕ、Ｖ相５００ＶおよびＷ相５００Ｗが入力する。整流器１２０は、Ｕ相５００Ｕの入力電圧ｖｕおよび入力電流ｉｕに起因する電力脈動、Ｖ相５００Ｖの入力電圧ｖｖおよび入力電流ｉｖに起因する電力脈動、ならびにＷ相５００Ｗの入力電圧ｖｗおよび入力電流ｉｗに起因する電力脈動を除去し、ＤＣ電圧を生成する。
前述のように、整流器１２０はモジュラー化されておらず、１つのＤＣバスで構成される。この場合、入出力ピーク電圧は高電圧となるため、整流器１２０に使用される回路素子は高耐圧であることが要求される。これに対し整流回路１００は、３つの整流回路モジュール１１、１２および１３でモジュール化されているため、個々のモジュールの耐電圧を入出力ピーク電圧１／３にまで下げることができる。従って、インバータ回路を含めたすべてのモジュールは、低耐圧の回路素子を使用することができる。これにより、モータ駆動システム全体の小型化・高密度化を実現することができる。このように、本実施の形態によれば、モータ駆動システムを小型化・高密度化することができる。
整流回路モジュールの数は、３の倍数である。以下、この点について説明する。図３（ａ）は、第１の３相ＡＣ電圧の時間的変化を示すグラフである。図示される通り、第１の３相ＡＣ電圧ｖＲｉＡ、ｖＲｉＢ、ｖＲｉＣはそれぞれ、１２０度ずつ互いに位相がずれている。図３（ｂ）は、図３（ａ）の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。フェーザ表示は、時間の経過とともに電源周波数ｆＧで回転する。図３（ｂ）は、電源周期をＴＧとしたき、ｔ＝ＴＧにおける３相ＡＣ電圧を示す。図３（ｂ）の正三角形の各辺は線間電圧となる点に注意する。
図４（ａ）は、第１の実施の形態において、第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３をインダクタを介してメッシュ接続したときの、第１の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。このグラフは、３個の正三角形Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を組み合わせた形となる。線間電圧を示す各辺は、一直線かつ対称的に揃っている。図４（ｂ）は、６個の整流回路モジュールをインダクタを介してメッシュ接続したときの、第１の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。このグラフは、６個の正三角形Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６を組み合わせた形となる。この場合も線間電圧を示す各辺は、一直線かつ対称的に揃っている。図４（ｃ）は、９個の整流回路モジュールをインダクタを介してメッシュ接続したときの、第１の３相ＡＣ電圧のフェーザ表示である。このグラフは、９個の正三角形Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９を組み合わせた形となる。この場合も線間電圧を示す各辺は、一直線かつ対称的に揃っている。このように整流回路モジュールの数を３の倍数とすることにより、線間電圧を示すフェーザ表示の各辺を一直線かつ対称的に揃えることができる。これにより、入力電圧の各位相を乱すことなくスムーズに保つことができる。
特に実施の形態の整流回路を用いたモータ駆動装置で３相モータを駆動する場合、整流回路モジュールを３の倍数とすることにより、モータの巻線の数の整数倍の駆動電圧を生成することができる。これによりスムーズなモータ駆動を実現することができる。そして整流回路モジュールの数を３、６、９、…と増やすほど、各モジュールの耐電圧は１／３、１／６、１／９、…と小さくなる。従って、より低耐圧の回路素子を使用することができる。
特に整流回路モジュールの数は３であってよい。この場合、最小限の整流回路モジュールでスムーズなモータ駆動を実現することができる。これにより、部品点数を削減することができる。
［第２の実施の形態］
図５は、第２の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータ３の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣコンバータ３は、図１のＡＣ－ＡＣコンバータ１の構成に追加して、制御部４０を備える。ＡＣ－ＡＣコンバータ３のその他の構成はＡＣ－ＡＣコンバータ１と同じであるので、重複する説明は省く。
制御部４０は、ＤＣ電圧を一定とし、ＡＣ電源から入力される３相入力電流と第１の３相ＡＣ電圧との位相が一致するように、整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール３１、３２、３３を構成するスイッチング素子を制御する。図５では、１個の制御部４０が、整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール３１、３２、３３を構成するスイッチング素子をまとめて制御する形態が示されている。しかしこれに限られず、例えば、６個の制御部が与えられ、これらがそれぞれ個別に整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール３１、３２、３３を構成するスイッチング素子を制御してもよい。
このように制御部４０が整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール３１、３２、３３を構成するスイッチング素子を制御することにより、整流回路モジュール１１、１２および１３が生成したＤＣ電圧が発生する電力の脈動を除去することができる。これにより、整流回路１００をＰＦＣ整流回路とすることができ、力率＝１の制御を実現することができる。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、図５の制御部４０は、第１の３相ＡＣ電圧に関する３相ＡＣ電力およびＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を外部のモータの負荷を用いて除去するように、整流回路モジュールおよびインバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する。この実施の形態によれば、大容量のＤＣリンクキャパシタを用いることなく、電力脈動を除去することができる。
以下、図６を用いて、第３の実施の形態における制御部４０の構成と動作を詳しく説明する。図６は、制御部４０の詳細な機能ブロック図である。制御部４０は、ＤＣリンク電圧制御部４２と、整流回路制御部４４と、速度制御部４６と、インバータ制御部４８と、を備える。制御部４０は、整流回路モジュール１１、１２、１３およびインバータ回路モジュール３１、３２、３３を構成するスイッチング素子を制御して、生成されるＤＣ電圧および３相ＡＣ電圧を調整する。
ＤＣリンク電圧制御部４２は、第１入力端４２ｂと、第２入力端４２ｃと、出力端４２ｄと、を備える。整流回路制御部４４は、入力端４４ｂと、出力端４４ｃと、を備える。速度制御部４６は、第１入力端４６ｂと、第２入力端４６ｃと、出力端４６ｄと、を備える。インバータ制御部４８は、入力端４８ｂと、第１出力端４８ｃと、第２出力端４８ｄと、第３出力端４８ｅと、を備える。制御部４０は、ＤＣリンク電圧制御部４２の出力端４２ｄと、整流回路制御部４４の入力端４４ｂとの間に、ローパスフィルタ４３ａを備える。制御部４０は、速度制御部４６の第２入力端４６ｃの前段に、ローパスフィルタ４３ｂを備える。
ＤＣリンク電圧制御部４２の第１入力端４２ｂには、目標ＤＣリンク電圧ｖＤＣ ＊が入力される。第２入力端４２ｃには、現在のＤＣリンク電圧ｖＤＣが入力される。ＤＣリンク電圧制御部４２は、ｖＤＣ ＊とｖＤＣとの差分ΔｖＤＣ（図示しない）を基に、目標キャパシタ電力ｐＣ ＊を求め、これを出力端４２ｄから出力する。
ＤＣリンク電圧制御部４２の出力端４２ｄから出力された目標キャパシタ電力ＰＣ ＊は分岐点ｖ３で２つに分岐され、一方は、ローパスフィルタ４３ａに入力される。ローパスフィルタ４３ａは、ＰＣ ＊から高周波成分を除去して目標平均キャパシタ電力＜ＰＣ＞＊を生成し、これを出力する。ローパスフィルタ４３ａから出力された＜ＰＣ＞＊は分岐点ｖ４で２つに分岐され、一方は、速度制御部４６の出力端４６ｄから出力された目標平均インバータ出力＜ＰＩＮＶ＞＊と足し合わされる。その結果、目標平均整流電力＜ＰＰＦＣ＞＊が、＜ＰＰＦＣ＞＊＝＜ＰＣ＞＊＋＜ＰＩＮＶ＞＊として算出される。算出された＜ＰＰＦＣ＞＊は、整流回路制御部４４の入力端４４ｂに入力される。分岐点ｖ４で分岐された＜ＰＣ＞＊の他方は、分岐点ｖ３で分岐されたＰＣ ＊の他方から減算され、入力電力脈動ｐＣ，ＡＣが生成される。すなわち入力電力脈動ｐＣ，ＡＣは、目標キャパシタ電力ＰＣ ＊からその脈動部分のみを抽出したものである。入力電力脈動ｐＣ，ＡＣは、目標整流電力ｐＰＦＣ ＊から減算されて、目標モータ電力ｐＭ ＊が算出される（ｐＭ ＊＝ｐＰＦＣ ＊－ｐＣ，ＡＣ）。算出されたｐＭ ＊は、インバータ制御部４８の入力端４８ｂに入力される。
このように、インバータ制御部４８に入力される目標モータ電力ｐＭ ＊は、目標整流電力ｐＰＦＣ ＊から入力電力脈動ｐＣ，ＡＣを減算したものである。すなわち、３相モータ６００には、ＤＣリンクの脈動ΔｐＤＣが入力される。３相モータ６００は、３相モータ６００に接続された負荷が持つイナーシャによりこの脈動を補償する。その結果ＤＣリンクの脈動は吸収され、ｐＭ＝ｐＧが成立する。すなわち、モータ電力ｐＭは入力電力ｐＧに一致する。
３相モータ６００の速度ωは、３相モータ６００による入力電力ｐＧの補償に起因して、入力電力ｐＧの周波数ｆＧの２倍の周波数２ｆＧで脈動する。そこで、以下のようにローパスフィルタを用いてωの高周波成分を除去する。現在のモータの速度ωはローパスフィルタ４３ｂに入力される。ローパスフィルタ４３ｂは、ωから高周波成分を除去して現在のモータの平均速度＜ω＞を生成し、これを速度制御部４６の第２入力端４６ｃに入力する。速度制御部４６の第１入力端４６ｂには、３相モータ６００の目標平均速度＜ω＞＊が入力される。速度制御部４６は、＜ω＞＊と＜ω＞との差分Δω（図示しない）を基に目標平均インバータ出力＜ＰＩＮＶ＞＊を求め、これを出力端４６ｄから出力する。
整流回路制御部４４は、フィードフォワードでＤＣリンク電圧ｖＤＣを一定に保つように整流回路１０を制御する。速度制御部４６の出力端４６ｄから出力された目標平均インバータ出力＜ＰＩＮＶ＞＊は、ローパスフィルタ４３ａから出力された目標平均キャパシタ電力＜ＰＣ＞＊と足し合わされる。その結果、目標平均整流電力＜ＰＰＦＣ＞＊が、＜ＰＰＦＣ＞＊＝＜ＰＣ＞＊＋＜ＰＩＮＶ＞＊として算出される。算出された＜ＰＰＦＣ＞＊は、整流回路制御部４４の入力端４４ｂに入力される。整流回路制御部４４は、入力された＜ＰＰＦＣ＞＊を基に目標入力電流ｉＧ ＊（図示しない）を算出し、インダクタ電流差から出力デューティ比ｄＢを求め、これを出力端４４ｃから出力する。出力された出力デューティ比ｄＢは、パルス幅変調器（図示しない）を介して整流回路１００に入力されて所望の制御が実現する。
本実施の形態によれば、上記のように具体的に構成した制御部により、電力脈動をモータの負荷を用いて除去することができる。これにより、大容量のＤＣリンクキャパシタを用いる必要がなくなり、モータ駆動システム全体のさらなる小型化・高密度化、低コスト化、長寿命化が可能となる。
［第４の実施の形態］
図７は、第４の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータ４の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣコンバータ１は、整流回路１０１と、インバータ回路３００と、を備える。整流回路１０１は、図１の整流回路１００に対して、各整流回路モジュール１１、１２および１３の後段に、それぞれコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を備えたＤＣリンクが設けられている。コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、入力３相ＡＣ電圧が発生する電力および整流回路モジュール１１、１２および１３が生成したＤＣ電力の脈動を除去する。
典型的な例では、整流回路１０３が数ｋＷおよび数１００Ｖで動作する場合、これらのコンデンサの容量はｍＦのオーダである。本実施の形態によれば、特別な制御部を設けることなく、電力脈動を除去することができる。
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態では、ＡＣ－ＡＣコンバータは、エネルギーバッファ回路を備える。図８は、エネルギーバッファ回路１４を含む整流回路の機能ブロック図である。エネルギーバッファ回路１４は、整流回路モジュール１１、１２、１３の３つの入力端子のうちの１つに接続される。エネルギーバッファ回路１４は、整流回路モジュールと同様に、例えば６個のスイッチング素子で構成された３相ブリッジ回路である。
エネルギーバッファ回路１４は、３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電力のエネルギーをバッファリングして、整流回路モジュール１１、１２、１３に過剰な電力が入力することを防ぐ。本実施の形態によれば、入力電力が整流回路モジュールに入力する前段で、エネルギーをバッファリングすることができるので、よりスムーズな電圧制御を実現することができる。
［第６の実施の形態］
図９は、第６の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣコンバータにおける整流回路１０２の機能ブロック図である。整流回路１０２では、図１の整流回路１００の第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３の前段に、それぞれ第１、第２および第３のローパスフィルタ７１、７２および７３が設けられている。第１のローパスフィルタ７１は、インダクタＬ１１、Ｌ１２およびＬ１３、ならびにコンデンサＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４およびＣ１５から構成されるπ型フィルタである。第２のローパスフィルタ７２は、インダクタＬ２１、Ｌ２２およびＬ２３、ならびにコンデンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４およびＣ２５から構成されるπ型フィルタである。第３のローパスフィルタ７３は、インダクタＬ３１、Ｌ３２およびＬ３３、ならびにコンデンサＣ３１、Ｃ３２、Ｃ３３、Ｃ３４およびＣ３５から構成されるπ型フィルタである。整流回路１０２のその他の構成は整流回路１００と同じであるので、重複する説明は省く。
第１、第２および第３のローパスフィルタ７１、７２および７３はそれぞれ、入力ＡＣ電圧から高周波成分を除去して、ノイズ除去された入力ＡＣ電圧を生成する。第１、第２および第３の整流回路モジュール１１、１２および１３は、このノイズ除去された入力ＡＣ電圧からＤＣ電圧を生成する。本実施の形態によれば、よりノイズの少ないＤＣ電圧を生成することができる。
図９に示されるローパスフィルタ７１、７２および７３は、インダクタとコンデンサで構成されるシンプルなＬＣローパスフィルタである。この場合、ローパスフィルタ７１、７２および７３を低コストで簡単に実現することができる。しかしながらこれに限られず、ローパスフィルタはオペアンプなど他の好適な任意の方法で実現されてもよい。さらに図６のＬＣローパスフィルタはπ型ローパスフィルタであるが、これに限られず、Ｌ型、Ｔ型など、他の好適な任意のタイプのＬＣローパスフィルタであってよい。
［第７の実施の形態］
第７の実施の形態のＡＣ－ＡＣコンバータでは、インバータ回路モジュールの各々は、２つのＡＣ－ＡＣ変換サブモジュールとともにモジュール化されている。図１０は、第７の実施の形態に係るＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１、８０２の機能ブロック図である。ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１は、整流回路サブモジュールＰＦＣ１１と、インバータサブモジュールＩＮＶ１１と、を備える。ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０２は、整流回路サブモジュールＰＦＣ１２と、インバータサブモジュールＩＮＶ１２と、を備える。ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１および８０２はそれぞれ、図７のインバータ回路モジュール３１とともにモジュール化される。
整流回路サブモジュールＰＦＣ１１およびＰＦＣ１２は、整流回路モジュール１１と同じ回路で構成される。インバータサブモジュールＩＮＶ１１およびＩＮＶ１２は、インバータ回路モジュール３１と同じ回路で構成される。ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１および８０２はそれぞれ、インバータ回路モジュール３１により生成された３相ＡＣ電圧から３相ＡＣ電圧を生成する。ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１および８０２により生成された３相ＡＣ電圧はそれぞれ、モータの二重巻線ＷＳ１１およびＷＳ１２に供給される。
インバータ回路モジュール３２および３３（例えば、図７参照）もそれぞれ、ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１および８０２と同様の構成の２つのＡＣ－ＡＣ変換サブモジュールとともにモジュール化される。ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュールの動作は、上記のＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール８０１および８０２と同様である。
本実施形態によれば、二重巻線を持つモータのための小型で高密度のモータ駆動装置を実現することができる。
図１１に、前述の各実施の形態の整流回路モジュール１１の回路構成の例を示す。整流回路モジュール１１は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５およびＳＷ６で構成される３相ブリッジ回路である。しかしこれに限られず、整流回路モジュールは、ブリッジレス回路など他の好適な任意の回路で構成されてもよい。
ある実施の形態では、すべての整流回路モジュールとインバータ回路モジュールが同じ回路で構成される。この実施の形態によれば、回路部品を共通化できるため、設計や製造に係るコストを低減することができる。
以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
以下、変形例について説明する。変形例の図面および説明では、実施の形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施の形態と重複する説明を適宜省略し、実施の形態と相違する構成について重点的に説明する。
実施の形態の整流回路モジュールは、インダクタを介してメッシュ接続されている。これに限られず整流回路モジュールは、ダイオードを介してメッシュ接続されてもよい。この場合、小型で高密度の整流回路をより低コストで実現することができる。
変形例は実施の形態と同様の作用・効果を奏する。
上述した各実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる各実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。
１、２、３、４・・ＡＣ－ＡＣコンバータ、
１１・・第１の整流回路モジュール、
１２・・第２の整流回路モジュール、
１３・・第３の整流回路モジュール、
２０、２１、２２、２３、２４、２５・・インダクタ、
３１・・第１のインバータ回路モジュール、
３２・・第２のインバータ回路モジュール、
３３・・第３のインバータ回路モジュール、
４０・・制御部、
１００、１０１、１０２・・整流回路、
３００・・インバータ回路、
６００・・３相モータ、
８０１、８０２・・ＡＣ－ＡＣ変換サブモジュール。

Claims (11)

  1. ３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電圧をＤＣ電圧に変換する、３の倍数個の整流回路モジュールと、
    前記ＤＣ電圧を３相ＡＣ出力電圧に変換する前記整流回路モジュールと同数のインバータ回路モジュールとを備え、
    前記整流回路モジュールのそれぞれが有する３つの入力端子の各々は、前記３相ＡＣ電源の各相の出力端子と、当該整流回路モジュールと異なる前記整流回路モジュールの入力端子とインダクタを介して接続されるＡＣ－ＡＣコンバータ。
  2. 前記ＤＣ電圧を一定のＤＣ電圧とし、ＡＣ電源から入力される３相入力電流と前記３相ＡＣ入力電圧との位相が一致するように前記整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する制御部を備える請求項１に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  3. 前記制御部は、前記３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力および前記ＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を外部のモータの負荷を用いて吸収するように前記整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御する請求項２に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  4. 前記制御部は、前記整流回路モジュールの後段に設けられたＤＣリンクのＤＣリンク電圧と目標リンク電圧との差を基に目標キャパシタ電力を計算し、目標ＤＣ電力から前記目標キャパシタ電力を引くことにより目標モータ電力を計算し、前記目標キャパシタ電力と前記目標モータ電力を基に前記ＤＣリンクの電圧脈動を外部のモータの負荷を用いて吸収するように前記整流回路モジュールおよび前記インバータ回路モジュールを構成するスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項３に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  5. ＤＣリンクはコンデンサを備え、
    前記コンデンサは前記３相ＡＣ入力電圧に関する３相ＡＣ電力および前記ＤＣ電圧に関するＤＣ電力の脈動を吸収することを特徴とする請求項１に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  6. 前記整流回路モジュールの数は３であることを特徴とする請求項１に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  7. 前記整流回路モジュールの各々は、前記整流回路モジュールの３つの入力端子のうちの１つに接続され、前記３相ＡＣ電源から供給される３相ＡＣ入力電力のエネルギーをバッファリングして前記整流回路モジュールに過剰な電力が入力することを防ぐためのエネルギーバッファ回路を備える請求項１から６のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  8. 前記整流回路モジュールの前段にローパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  9. 前記ローパスフィルタはＬＣローパスフィルタであることを特徴とする請求項８に記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  10. 前記インバータ回路モジュールの各々は、２つのＡＣ－ＡＣ変換サブモジュールとともにモジュール化されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
  11. 前記整流回路モジュールと前記インバータ回路モジュールとが同じ回路で構成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のＡＣ－ＡＣコンバータ。
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