JP4168253B2 - モータ駆動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、高入力力率で高効率にモータを駆動する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日では、電気供給のネットワークに種々の消費物が接続されている。一方、これらの消費物は、電力品質のための異なる要求を有している。他方、それらは送電設備網への種々の影響を有している。これらの影響は電力品質へのインパクトを有する。
【0003】
送電設備網上で、ユーザーの高度な環境上の意識に種々の影響を付加すれば、エネルギー節約装置の要求が増加される。したがって、インバータ技術および高効率モータを採用することは、空気調和機のような家庭用電気器具製品のみならず、種々の分野において増加している。
【0004】
インバータ技術の魅力的な点は、ドライブの全体効率を高める磁束最適化のために出力周波数および出力電圧を変化させる能力、およびエネルギー効率のために所望の速度でモータを駆動する能力である。
【0005】
認められているように、インバータ技術は、低コスト/低性能の技術と高コスト/高性能の技術との2つに大別される。
【0006】
低コスト/低性能の技術は、ダイオードブリッジ、電解コンデンサ、およびインバータからなる。ダイオードブリッジの入力は送電設備網に接続され、出力は電解コンデンサに接続され、それ自身は、ユーザーの要求にしたがう負荷エネルギー制御のために使用されるインバータへの給電のために使用される。
【0007】
高コスト/高性能の技術は、送電設備網とインバータとの間に挟みこまれた力率修正回路からなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来から、中間の、および低い電圧を分配するネットワークにおけるパワー電子装置は、ユーザーサイドにおける消費電力品質を制御することによって、および送電設備網サイドでの影響を除去することによって、効率を改善するために使用される。
【0009】
最も理想的なのは、図1に示すようなバックトゥーバック・インバータタイプのものである。この技術は、価格および効率において、単純なダイオードブリッジ、および1つの直流リアクトルまたは3つの交流リアクトルからなる従来のパッシブ力率修正技術には太刀打ちできない。それは、高価で複雑な制御が必要な多くのスイッチの使用によるものである。その結果、総製造コストが増加し、信頼性および効率が低下する。したがって、種々の分野における低コストの力率修正回路としては、大型交流インダクタ(または直流インダクタ)を伴うコンデンサ入力型の整流回路が依然として好ましい(図2参照)。
【0010】
しかし、現在、状況は変化しつつある。具体的には、パワー装置技術においては、容量性構成要素と比較すれば、高速効率が増加し、コストが減少する。
【0011】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、IEC規格に適合する高力率を伴い、電力消費を低減し、低コストで信頼性を改善するとともに、寿命を長くすることができるモータ駆動装置を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1のモータ駆動装置は、3レベル電力モジュールと、3レベル電力モジュールの出力端子間に互いに直列接続された1対のコンデンサと、3レベル電力モジュールの入力端子とコンデンサどうしの接続点との間に接続された3つのアクティブスイッチ手段と、コンデンサにより動作電圧が与えられる2相電力モジュールとを含み、2相電力モジュールの出力端子およびコンデンサどうしの接続点にモータの3相端子を接続してなり、前記3レベル電力モジュールは、3相ダイオードフルブリッジの各相のダイオードと、各相のダイオードどうしの間に接続された各相のダイオードと順極性の1対の入力側ダイオードの直列接続回路と、各相のダイオードどうしの間に接続された各相のダイオードと順極性の1対の出力側ダイオードの直列接続回路とを含み、1対の入力側ダイオードどうしの接続点を電源と接続し、1対の出力側ダイオードどうしの接続点をコンデンサどうしの接続点に接続してなるものである。
【0013】
請求項2のモータ駆動装置は、前記3レベル電力モジュールが、入力リアクトルを介して交流電源に接続されたものである。
【0014】
請求項3のモータ駆動装置は、1対のコンデンサにより前記2相電力モジュールに対する動作電圧を与えるものである。
【0015】
請求項4のモータ駆動装置は、一方のコンデンサにより前記2相電力モジュールに対する動作電圧を与えるものである。
【0016】
【作用】
請求項1のモータ駆動装置であれば、3レベル電力モジュールと、3レベル電力モジュールの出力端子間に互いに直列接続された1対のコンデンサと、3レベル電力モジュールの入力端子とコンデンサどうしの接続点との間に接続された3つのアクティブスイッチ手段と、コンデンサにより動作電圧が与えられる2相電力モジュールとを含み、2相電力モジュールの出力端子およびコンデンサどうしの接続点にモータの3相端子を接続してなり、前記3レベル電力モジュールは、3相ダイオードフルブリッジの各相のダイオードと、各相のダイオードどうしの間に接続された各相のダイオードと順極性の1対の入力側ダイオードの直列接続回路と、各相のダイオードどうしの間に接続された各相のダイオードと順極性の1対の出力側ダイオードの直列接続回路とを含み、1対の入力側ダイオードどうしの接続点を電源と接続し、1対の出力側ダイオードどうしの接続点をコンデンサどうしの接続点に接続してなるのであるから、IEC規制を全領域でクリアすることができ、総スイッチング素子の数を少なくして効率を改善することができ、リアクトル、コンデンサの容量低減などによりコストダウンを達成することができる。
【0017】
請求項2のモータ駆動装置であれば、前記3レベル電力モジュールが、入力リアクトルを介して交流電源に接続されているので、請求項1と同様の作用を達成することができる。
【0018】
請求項3のモータ駆動装置であれば、1対のコンデンサにより前記2相電力モジュールに対する動作電圧を与えるので、昇圧動作を達成できるほか、請求項1と同様の作用を達成することができる。
【0019】
請求項4のモータ駆動装置であれば、一方のコンデンサにより前記2相電力モジュールに対する動作電圧を与えるので、降圧動作を達成できるほか、請求項1と同様の作用を達成することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のモータ駆動装置の実施の形態を詳細に説明する。
【0021】
図3はこの発明のモータ駆動装置の一実施形態の電気回路図である。
【0022】
このモータ駆動装置は、入力端子をリアクトル2を介して3相電源(図示せず)の各出力端子に接続した3相ダイオードフルブリッジ1と、3相ダイオードフルブリッジ1の出力端子間に直列接続した1対のコンデンサ3と、3相ダイオードフルブリッジ1の各入力端子とコンデンサ3どうしの接続点との間に接続された双方向スイッチ4とを有し、1対のコンデンサ3の端子間電圧を直流モータ5に印加している。
【0023】
図4はこの発明のモータ駆動装置の他の実施形態の電気回路図である。
【0024】
このモータ駆動装置は、3レベル電力モジュールユニット100と、3レベル電力モジュールユニット100の出力端子間に互いに直列接続された1対のコンデンサ300と、3レベル電力モジュールユニット100の入力端子とコンデンサ300どうしの接続点との間に接続された3つのアクティブスイッチ400と、1対のコンデンサ300の端子間電圧を駆動電圧とする2相電力モジュール600とを含み、2相電力モジュール600の出力端子およびコンデンサ300どうしの接続点に3相モータ700の3相端子を接続してなる。
【0025】
前記3レベル電力モジュールユニット100およびアクティブスイッチ400は、3相ダイオードフルブリッジの各相のダイオード101どうしの接続点に逆極性のスイッチング素子401を直列接続し、スイッチング素子401と並列に、各相のダイオード101と順極性の1対の入力側ダイオード102の直列接続回路、および各相のダイオード101と順極性の1対の出力側ダイオード103の直列接続回路を接続している。また、スイッチング素子401を制御するコントローラ(図示せず)を有している。
【0026】
そして、1対の入力側ダイオード102の接続点をリアクトル104を介して3相交流電源105の出力端子に接続し、1対の出力側ダイオード103の接続点をコンデンサ300どうしの接続点に接続している。なお、3相交流電源105の出力端子間にコンデンサ106を接続している。
【0027】
前記2相電力モジュール600は、各相毎に直列接続された1対のスイッチング素子601を有し、各スイッチング素子601に対して逆極性のダイオード602を並列接続している。そして、1対のスイッチング素子601の接続点を出力端子としている。
【0028】
図5はこの発明のモータ駆動装置の他の実施形態の電気回路図である。
【0029】
このモータ駆動装置が図4のモータ駆動装置と異なる点は、1対のコンデンサ300の端子間電圧を2相電力モジュール600の駆動電圧とする代わりに、一方のコンデンサ300の端子間電圧を2相電力モジュール600の駆動電圧とした点のみである。したがって、図4のモータ駆動装置が昇圧動作を達成できるのに対して、図5のモータ駆動装置は2相電力モジュール600の駆動電圧を半減することができる。
【0030】
図6は図4のモータ駆動装置をさらに詳細に説明するブロック図である。なお、主回路構成の説明を省略し、コントローラの構成を説明する。
【0031】
1対のコンデンサの一方の端子間電圧VDCを検出する第1電圧検出部801と、2相電力モジュール600の入力電流Idを検出する第1電流検出部802と、2相電力モジュール600からの出力電流Iv、Iwを検出する第2電流検出部803、804と、3相交流電源105の各相電圧Va、Vb、Vcを検出する第2電圧検出部805、806、807と、1対のコンデンサの一方の端子間電圧VDC、端子間電圧指令値VDC*、2相電力モジュール600の入力電流Idを入力として(VDC*)2/(2VDC/Id)の演算を行って2相電力モジュール600側の電力の指令値PR*を算出する電力指令算出部808と、端子間電圧指令値VDC*と端子間電圧VDCとの差分を算出する差分算出部809と、算出された差分を入力として比例・積分演算を行って3レベル電力モジュールユニット100側の電力の指令値を出力するPI演算部810と、両電力指令値を加算して総電力指令値P*を出力する加算部811と、総電力指令値P*および3相交流電源105の各相電圧Va、Vb、Vcを入力としてコンバータ指令値制御演算を行って各相電圧指令値Va*、Vb*、Vc*を出力するコンバータ指令値制御部812と、三角波信号を出力する三角波発生部813と、各相電圧指令値Va*、Vb*、Vc*および三角波信号を入力として各相のスイッチング素子401に供給すべきゲートドライブ信号を出力するゲートドライブ信号発生部814と、トルク指令値TM*、効率指令η*、および3相モータ700の回転子の回転角速度ωを入力としてd軸電流指令値id*およびq軸電流指令値iq*を出力するdq電流指令発生部815と、2相電力モジュール600からの出力電流Iv、Iw、d軸電流指令値id*、q軸電流指令値iq*、3相モータ700の回転子の磁極位置θ、および3相モータ700の回転子の回転角速度ωを入力としてインバータ指令値制御演算を行って各相電圧指令値Va*、Vb*、Vc*を出力するインバータ指令値制御部816と、各相電圧指令値Va*、Vb*、Vc*、1対のコンデンサの一方の端子間電圧VDC、および2相電力モジュール600からの出力電流Iv、Iwを入力として過電圧制御、過電流制御、および指令値制御を行って各相電圧指令値を出力するインバータ用制御部817と、各相電圧指令値および三角波信号を入力として各相のスイッチング素子601に供給すべきゲートドライブ信号を出力するゲートドライブ信号発生部818とを有している。
【0032】
電源側に接続されたコンバータ(3レベル電力モジュールユニット100)は、ライン電圧を伴って相の正弦波電流を吸収するように動作する。負荷側のインバータ(2相電力モジュール600)は、可能な限り適正な負荷電圧および負荷電流に近い電圧および電流を生成するよう制御される。両者は、正確な波形および早いダイナミック応答を得るためにPWM技術により制御される。したがって、電力制御技術と組み合わされるPWM制御は、電源側コンバータに採用されて、特にコンデンサが小容量である場合のDCリンク電圧の大幅な変化をもたらす入出力電力アンバランスを防止すべく、良好な精度、および小さい遅延時間を確実にする。
【0033】
何れの場合にも、DC電圧の変化は避けることができないが、出力性能に影響を及ぼさないようにすることができる。そのために、指令値を、パワー装置の最大電圧により受け入れ可能な最大許容値に設定する。このゆえに、負荷側パワー装置の電流定格を低減できる。また、効率を高めることができる。
【0034】
さらに、全領域でIEC規制をクリアすることができる。
【0035】
上記の構成のモータ駆動装置を採用すれば、スイッチング周波数を高くできること、および回路の3レベルトポロジーに起因して、3相リアクトルのサイズを最低レベルにまで小さくすることができる。
【0036】
また、電源側および負荷側のスイッチング素子の数を減少させているとともに、電源側の各スイッチング素子のスイッチング時間を減少させているので、効率が向上する。
【0037】
以下によって、コストを低減することができる。
【0038】
スイッチング周波数を高くできること、および3レベル構成の回路を使用することによって、交流リアクトルのサイズを大幅に小さくできる。同じ周波数でスイッチングされる従来の2レベル電圧源PWMコンバータと比較して、自動的に半分のサイズにまで小さくすることができる。
【0039】
スイッチング素子の数を減少させることができる。
【0040】
電源および負荷の間の電力の流れを瞬時制御することによりDCリンクコンデンサのダウンサイジングを実現できる。
【0041】
【発明の効果】
請求項1の発明は、IEC規制を全領域でクリアすることができ、総スイッチング素子の数を少なくして効率を改善することができ、リアクトル、コンデンサの容量低減などによりコストダウンを達成することができるという特有の効果を奏する。
【0042】
請求項2の発明は、請求項1と同様の効果を奏する。
【0043】
請求項3の発明は、昇圧動作を達成できるほか、請求項1と同様の効果を奏する。
【0044】
請求項4の発明は、降圧動作を達成できるほか、請求項1と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】バックトゥーバックインバータ技術を示す電気回路図である。
【図2】ダイオードブリッジおよび大型交流リアクトルを含むインバータ技術を示す電気回路図である。
【図3】この発明のモータ駆動装置の一実施形態の電気回路図である。
【図4】この発明のモータ駆動装置の他の実施形態の電気回路図である。
【図5】この発明のモータ駆動装置のさらに他の実施形態の電気回路図である。
【図6】図4のモータ駆動装置をさらに詳細に説明するブロック図である。
【符号の説明】
100 3レベル電力モジュールユニット 104 リアクトル
105 3相交流電源 300 コンデンサ
400 アクティブスイッチ 600 2相電力モジュール
700 3相モータ
Claims (4)
- 3レベル電力モジュール(100)と、3レベル電力モジュール(100)の出力端子間に互いに直列接続された1対のコンデンサ(300)と、3レベル電力モジュール(100)の入力端子とコンデンサ(300)どうしの接続点との間に接続された3つのアクティブスイッチ手段(400)と、コンデンサ(300)により動作電圧が与えられる2相電力モジュール(600)とを含み、2相電力モジュール(600)の出力端子およびコンデンサ(300)どうしの接続点にモータ(700)の3相端子を接続してなり、前記3レベル電力モジュール(100)は、3相ダイオードフルブリッジの各相のダイオード(101)と、各相のダイオード(101)どうしの間に接続された各相のダイオード(101)と順極性の1対の入力側ダイオード(102)の直列接続回路と、各相のダイオード(101)どうしの間に接続された各相のダイオード(101)と順極性の1対の出力側ダイオード(103)の直列接続回路とを含み、1対の入力側ダイオード(102)どうしの接続点を電源と接続し、1対の出力側ダイオード(103)どうしの接続点をコンデンサ(300)どうしの接続点に接続してなることを特徴とするモータ駆動装置。
- 前記3レベル電力モジュール(100)は、入力リアクトル(104)を介して交流電源(105)に接続されている請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記2相電力モジュール(600)は、1対のコンデンサ(300)により動作電圧が与えられている請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記2相電力モジュール(600)は、一方のコンデンサ(300)により動作電圧が与えられている請求項1に記載のモータ駆動装置。
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