JP4186714B2

JP4186714B2 - AC motor drive system

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Publication number: JP4186714B2
Application number: JP2003153676A
Authority: JP
Inventors: 敏文吉川; 博長瀬; 大沼　　直人; 定夫保苅; 三根　　俊介
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP2004357442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流モータ駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流モータを可変速駆動する場合、コンバータ（交流／直流変換器）によって電源の交流電力を一度直流電力に変換し、さらにパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式によるインバータ（直流／交流変換器）によって直流電力を可変電圧でかつ可変周波数の交流電力に変換するような交流モータ駆動システムが適用される。このような交流モータ駆動システムにおいて、インバータの変調率を高めるために、直流電圧を可変に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１，特許文献２，特許文献３を参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２２２４９９号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６８６０号公報
【特許文献３】
特開２００２−１８６２８６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
上記従来技術は、モータにかかる負荷の変動が少ない場合には、高め変調率によるインバータ運転が可能であるが、エレベータのように負荷量が大きく変化する場合には、制御の信頼性が低かった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、確実に高い変調率でインバータを運転できる交流モータ駆動システムを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、交流電力を、パルス幅変調制御によって直流電力に変換する交流／直流変換器と、直流電力を、パルス幅変調制御によって交流電力に変換する前記直流／交流変換器と、前記直流／交流変換器が出力する交流電力によって駆動される交流モータと、前記交流モータの目標値となる速度指令と速度検出値とに基づくインバータ電流指令と、該インバータ電流指令とインバータ電流センサにより検出されるインバータ電流検出値と、を比較して定められる電圧出力指令に応じて前記直流電力の電圧を可変に制御する直流電圧制御手段と、を有し、前記直流電圧制御手段は、前記電圧出力指令の振幅に比例するように直流電圧指令を作成し、前記直流電力の電圧の検出値が前記直流電圧指令に一致するように前記直流電力の電圧を可変に制御する交流モータ駆動システムにおいて、前記電圧出力指令と直流電圧検出値とに基づくコンバータ電流指令と、該コンバータ電流指令とコンバータ電流センサにより検出されるコンバータ電流検出値、とを比較して定められるコンバータ電圧出力指令を得て、前記コンバータ電圧出力指令と直流電圧センサで検出される前記直流電力の電圧の検出値との比により演算される前記交流／直流変換器の変調率と、前記電圧出力指令と前記直流電力の電圧の検出値との比から演算される前記直流／交流変換器の出力電圧に対するパルス幅変調の変調率と、のうち大きい方の変調率で前記交流／直流変換器をパルス幅変調してスイッチング駆動するものである。
【０００８】
本発明による交流モータ駆動システムの他の特徴は、以下の記載より明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による交流モータ駆動システムの第一の実施例を表している。
【００１０】
図１に示された交流モータ駆動システムは、ＰＷＭコンバータ２，平滑コンデンサ３，ＰＷＭインバータ４，交流モータ５によって構成されている。ＰＷＭコンバータ２はＩＧＢＴやトランジスタなどのスイッチング素子２Ａで構成されており、交流電源１から入力した交流電力を直流電力に変換する。平滑コンデンサ３はＰＷＭコンバータ２で変換された直流電力を平滑化する。ＰＷＭインバータ４は、ＰＷＭコンバータ２と同様の回路構成であるが、直流電力をスイッチング作用によって可変電圧，可変周波数の交流電力に変換する。交流モータ５は、この交流電力によって任意に可変速駆動される。ここで、交流モータ５としては、永久磁石同期モータや誘導モータ等が適用される。交流モータ５はエレベータシステムの動力となっており、モータ軸を介して綱車６を回転させて、ロープで結ばれたかごと釣り合い錘をつるべ式の原理で上下に移動させる。
【００１１】
次に、ＰＷＭコンバータ２とＰＷＭインバータ４に対する制御ブロックの概要を説明する。ＰＷＭコンバータ２は、直流側電圧が、目標値である直流電圧指令に従うように制御される。具体的には、直流電圧制御回路２０４において、直流電圧指令と直流電圧検出値を比較して両者を一致させるようなコンバータ電流指令（電源電流指令）を出力する。電流制御回路２０３は、コンバータ電流指令とコンバータ電流検出値（電流センサ９により検出）を比較して両者を一致させるようなコンバータ電圧指令を出力する。ＰＷＭ制御回路２０２は、コンバータ電圧指令をパルス幅変調（ＰＷＭ）により、ゲートパルス信号に変換する。ゲート回路２０１は、ＰＷＭ制御回路２０２より出力されたゲートパルス信号に従ってＰＷＭコンバータをスイッチング駆動する。
【００１２】
ＰＷＭインバータ４は、交流モータ５の速度が目標値である速度指令に従うように制御される。具体的には、速度制御回路４０４において、速度指令と速度検出値をフィードバック制御し、インバータ電流指令を出力する。電流制御回路
４０３は、インバータ電流指令とインバータ電流検出値（電流センサ１１により検出）を比較して両者を一致させるようなインバータ電圧指令を出力する。PWM制御回路４０２は、インバータ電圧指令をパルス幅変調（ＰＷＭ）により、ゲートパルス信号に変換する。ゲート回路４０１では、ＰＷＭ制御回路４０２より出力されたゲートパルス信号に従ってＰＷＭインバータをスイッチング駆動する。
【００１３】
次に、直流電圧可変方式のＰＷＭインバータ制御について説明する。図１の
ＰＷＭインバータ側の制御ブロックにおいて、電流制御回路４０３からインバータ電圧指令が出力され、これをＰＷＭ制御回路４０２でパルス幅変調波に変換する。ＰＷＭインバータ４はこのパルス幅変調波と同じ電圧波形を出力する。ここで、パルス幅変調とは、波形の高さをパルスの幅に変換する変調である。つまり、電圧指令の振幅が大きいほど、パルスの幅が広いパルス幅変調波が生じる。図１１（イ）はその様子を示している。図１１（イ）のようにＰＷＭの変調率が低い場合は、インバータの出力電圧波形のパルス幅は狭くなる。一方、図１１(ロ)のようにＰＷＭの変調率が高い場合は、インバータの出力電圧のパルス幅は広くなる。どちらの波形も低域通過フィルタにより、高周波成分を取り除くと、変調前と同じ波形（正弦波）が現れる。つまり、パルス幅変調波は、変調前の正弦波と高周波成分によって合成された波形となっている。尚、変調率とは直流電圧をＶｄｃ、ＰＷＭインバータの出力電圧の振幅を｜ｖｉ｜とすると、次式のように表される。
【００１４】
変調率ｋ＝｜ｖｉ｜／Ｖｄｃ（但し、ｋ≦１.０）（１）
図１１（イ）と（ロ）のインバータの出力電圧波形を比較すると、図１１(イ)の波形のように、パルス幅が狭くかつ時間当たりのパルス数が多いとその分、不要な高周波成分が多く含まれることになる。この不要な高周波成分の電圧は、交流モータに印加されると、銅損や鉄損の損失となるため、効率が低下する。そこで、できるだけ図１１（ロ）の波形のように、変調率の高い状態で運転させて、効率を向上させようというのが、直流電圧可変方式のＰＷＭインバータ制御である。具体的には、（１）式において、直流電圧Ｖｄｃを適切に下げることで、変調率を高めに設定できる。
【００１５】
図１において、インバータ変調率演算回路１５０３は、インバータ電圧指令と直流電圧検出信号（直流電圧センサ１０で検出）により、ＰＷＭインバータ４のＰＷＭの変調率を演算して推定する。コンバータ変調率演算回路１５０５は、コンバータ電圧指令と直流電圧検出信号（直流電圧センサ１０で検出）により、
ＰＷＭコンバータ２のＰＷＭの変調率を演算して推定する。最大値選択回路1502は、ＰＷＭインバータ４のＰＷＭの変調率とＰＷＭコンバータ２のＰＷＭの変調率とを比較して値の大きい方を選択する。変調率制御回路１５０１は、変調率指令出力回路１５０４より出力された変調率指令と最大値選択回路１５０２で選択された大きい方の変調率とを比較し、両者が一致するような直流電圧指令を演算し、この指令をＰＷＭコンバータ２の制御系の直流電圧制御回路２０４へ出力する。ＰＷＭコンバータ２は、直流電圧制御回路２０４以下の働きによって、与えられた直流電圧指令に従うように直流電圧を制御する。
【００１６】
次に、上記制御ブロックにおける処理方法を説明する。ＰＷＭコンバータ２のＰＷＭ変調率をｋ＿ｃｏｎｖ、ＰＷＭインバータ４のＰＷＭ変調率をｋ＿ｉｎｖ、ＰＷＭコンバータ２の交流側電圧振幅を｜ｖｃ｜、ＰＷＭインバータ４の交流側電圧振幅を｜ｖｉ｜、直流電圧をＶｄｃとすると、ｋ＿ｉｎｖとｋ＿ｃｏｎｖはそれぞれ次のように表される。
【００１７】
ｋ＿ｉｎｖ＝｜ｖｉ｜／Ｖｄｃ（但し、ｋ＿ｉｎｖ≦１.０）（２）
ｋ＿ｃｏｎｖ＝｜ｖｃ｜／Ｖｄｃ (但し、ｋ＿ｃｏｎｖ≦１.０)（３）
ＰＷＭインバータ４の変調率ｋ＿ｉｎｖを高め運転させるためには、Ｖｄｃを可変制御（基本的には下げ方向に制御）する。しかし、図１のようなＰＷＭコンバータ２とＰＷＭインバータ４を組み合わせた構成では、Ｖｄｃは任意に変えられるわけではなく、（３）式で決まるＰＷＭコンバータ２の変調率ｋ＿ｃｏｎｖの制約を考慮する必要がある。具体的に述べると、（２）式でｋ＿ｉｎｖを上げるためにＶｄｃを下げていった場合、（３）式で表されるｋ＿ｃｏｎｖも上がっていく。仮に｜ｖｉ｜＜｜ｖｃ｜とすると、ｋ＿ｉｎｖを上限値１.０まで上げた場合、ｋ＿ｃｏｎｖは上限値１.０を超えてしまう。こうなるとＰＷＭコンバータ２は過変調となり、波形が乱れてしまう。従って、ｋ＿ｉｎｖとｋ＿convの両方をチェックして、どちらも上限値を超えないような範囲で直流電圧を可変制御することが好ましい。本実施例においては、最大値選択回路１５０２により、インバータ変調率演算回路１５０３で演算されたｋ＿ｉｎｖとコンバータ変調率演算回路１５０５で演算されたｋ＿ｃｏｎｖのうちの大きい方を選択して、これを高くするためにＶｄｃを下げるので、ＰＷＭコンバータ２が過変調にならずに、ＰＷＭインバータ４を高い変調率で運転できる。
【００１８】
次に、インバータ変調率演算回路１５０３とコンバータ変調率演算回路1505の詳細について説明するが、はじめにＰＷＭインバータの制御ブロックとＰＷＭコンバータの制御ブロックの詳細について説明する。
【００１９】
図１３はＰＷＭインバータ４の制御ブロックの詳細を表している。図１３において、図１と同じ番号のものは同じ要素を表している。電流センサ１１で検出した交流３相のインバータ電流ｉｉｕ，ｉｉｖ，ｉｉｗはｄｑ変換回路４０３１によりｄ軸電流成分（励磁に関わる電流成分）ｉｉｄとｑ軸電流成分（トルクに関わる電流成分）ｉｉｑの直流２相に変換される(それぞれの成分は直交している)。一方、インバータのｄ軸電流に対する電流指令ｉｉｄ^* はｄ軸電流指令発生器１８０１から出力され、ｑ軸電流に対する電流指令ｉｉｑ^* は速度制御回路404から出力される。ｄ軸成分について、ｉｉｄ^* とｉｉｄの偏差が減算器４０３２で演算され、比例積分器４０３３を介してこの偏差を零にするようなｄ軸電圧指令ｖｉｄ^* が演算される。ｑ軸成分についても、ｉｉｑ^* とｉｉｑの偏差が減算器４０３４で演算され、比例積分器４０３５を介してこの偏差を零にするようなｑ軸電圧指令ｖｉｑ^* が演算される。逆ｄｑ変換回路１８０２は、ｖｉｄ^* とｖｉｑ^* を逆ｄｑ変換して、交流３相の電圧指令ｖｉｕ^* ，ｖｉｖ^* ，ｖｉｗ^* に変換し、その出力がＰＷＭ制御回路４０２の入力となりＰＷＭパルスに変換される。
【００２０】
図１２はＰＷＭコンバータ２の制御ブロックの詳細を表している。図１２において、図１と同じ番号のものは同じ要素を表している。電流センサ９で検出した交流３相のコンバータ電流ｉｃｕ，ｉｃｖ，ｉｃｗはｄｑ変換回路２０３１によりｄ軸電流成分（励磁に関わる電流成分）ｉｃｄとｑ軸電流成分（トルクに関わる電流成分）ｉｃｑの直流２相に変換される。一方、コンバータのｄ軸電流に対する電流指令ｉｃｄ^* はｄ軸電流指令発生器１７０１から出力され、ｑ軸電流に対する電流指令ｉｃｑ^* は直流電圧制御回路２０４から出力される。ｄ軸成分について、ｉｃｄ^* とｉｃｄの偏差が減算器２０３２で演算され、比例積分器2033を介してこの偏差を零にするようなｄ軸電圧指令ｖｃｄ^* が演算される。ｑ軸成分についても、ｉｃｑ^* とｉｃｑの偏差が減算器２０３４で演算され、比例積分器２０３５を介してこの偏差を零にするようなｑ軸電圧指令ｖｃｑ^* が演算される。逆ｄｑ変換回路１７０２は、ｖｃｄ^* とｖｃｑ^* を逆ｄｑ変換して、交流３相の電圧指令ｖｃｕ^* ，ｖｃｖ^* ，ｖｃｗ^* に変換し、その出力がＰＷＭ制御回路２０２の入力となりＰＷＭパルスに変換される。
【００２１】
以上、説明したＰＷＭインバータ４とＰＷＭコンバータ２の制御ブロックの内容を基にして、インバータ変調率演算回路１５０３とコンバータ変調率演算回路１５０５の詳細について説明する。
【００２２】
まずインバータ変調率演算回路１５０３の詳細を説明する。図４はインバータ変調率演算回路１５０３の詳細を表している。インバータ変調率演算回路1503で実際に用いるインバータ電圧指令は、図１３で説明したｄ軸電圧指令ｖｉｄ^* とｑ軸電圧指令ｖｉｑ^* の直流量の２相成分を用いる。このｄ軸，ｑ軸成分を用いると、ｖｉｄ^* とｖｉｑ^* が直流量であるため、電圧振幅｜ｖｉ^* ｜は（４）式のように簡単に演算できる。
【００２３】
｜ｖｉ^* ｜＝α・√（ｖｉｄ^*2＋ｖｉｑ^*2）（αは定数）（４）
図４中のインバータ電圧振幅演算回路１５０３Ａと補正係数乗算器１５０３Ｂは、(４)式の処理を行っており、その結果、インバータ電圧指令の振幅｜ｖi^*｜を演算できる。ＰＷＭインバータ４の変調率をｋ＿ｉｎｖとすると、ｋ＿ｉｎｖは次式により演算できる。
【００２４】
ｋ＿ｉｎｖ＝｜ｖｉ^* ｜／Ｖｄｃ（５）
除算器１５０３Ｃは（５）式の処理を実行しており、その結果、ｋ＿ｉｎｖを演算できる。以上のように、図４に示したインバータ変調率演算回路１５０３を用いることにより、交流電圧センサを用いることなく簡単な処理でＰＷＭインバータの変調率を演算することができる。
【００２５】
次に、コンバータ変調率演算回路１５０５の詳細を図５を用いて説明する。入力と出力が変わるだけで、コンバータ変調率演算回路１５０５の動作は、インバータ変調率演算回路１５０３の動作と同様である。用いるコンバータ電圧指令は、図１２で説明したｄ軸電圧指令ｖｃｄ^* とｑ軸電圧指令ｖｃｑ^* の直流２相を用いる。このとき電圧振幅｜ｖｃ^* ｜は（６）式のように簡単に演算できる。
【００２６】
｜ｖｃ^* ｜＝α・√（ｖｃｄ^*2＋ｖｃｑ^*2）（αは定数）（６）
図５中のコンバータ電圧振幅演算回路１５０５Ａと補正係数乗算器１５０５Ｂは、(６)式の処理を行っており、その結果、コンバータ電圧指令の振幅｜ｖc^*｜を演算できる。ＰＷＭコンバータ２の変調率をｋ＿ｃｏｎｖとすると、ｋ＿convは次式により演算できる。
【００２７】
ｋ＿ｃｏｎｖ＝｜ｖｃ^* ｜／Ｖｄｃ（７）
除算器１５０５Ｃは（７）式の処理を実行しており、その結果、ｋ＿ｃｏｎｖを演算できる。以上のように、図５に示したコンバータ変調率演算回路１５０５を用いることにより、交流電圧センサを用いることなく簡単な処理でＰＷＭコンバータの変調率を演算することができる。
【００２８】
続いて、図１に示された変調率指令出力回路１５０４と変調率制御回路1501の詳細について説明する。
【００２９】
変調率指令出力回路１５０４は、図１のＰＷＭインバータ４が高め変調率運転をするための変調率指令を出力する手段であり、本実施例では変調率の上限値１.０を指令値として出力する。
【００３０】
変調率制御回路１５０１の詳細構成を図６に示す。ここでは、ＰＷＭインバータの変調率とＰＷＭコンバータの変調率のうちの大きい方を、変調率指令に従うように調整する働きがなされる。そして、このように変調率を直接にフィードバック制御するため、交流モータの速度（周波数）と負荷量に対応して、確実な直流電圧可変制御が可能となる。以下、具体的に説明する。減算器１５０１Ａでは、変調率指令出力回路１５０４より入力された変調率指令ｋ^* と、ＰＷＭインバータ４の変調率ｋ＿ｉｎｖとＰＷＭコンバータ２の変調率ｋ＿ｃｏｎｖのうちの大きい方の変調率値との偏差が取られる。この偏差は、係数乗算器１５０１Ａで符号反転された後、比例積分補償器１５０１Ｃに入力される。比例積分補償器１５０１Ｃでは、比例積分補償により、偏差を零にするような直流電圧指令修正値△Ｖｄｃ^* が演算される。直流電圧指令Ｖｄｃ^* は、△Ｖｄｃ^* と直流電圧基準値Ｖｄｃ０^* との和を加算器１５０１Ｅで演算し、さらにリミッタ回路1501Ｆを通して直流電圧の下限と上限の範囲内に抑えることによって得ることができる。直流電圧基準値Ｖｄｃ０^* を後から加算する理由は、制御の始動時に比例積分補償器の出力が確定しない時でも、あらかじめ所定の直流電圧指令を与えることで、安定化させるためである。また、直流電圧指令が逸脱した値を取らないように、リミッタ回路１５０１Ｆで範囲を限定する。図６に示すような変調率制御回路１５０１を用いることにより、変調率を変調率指令に一致させるような直流電圧指令を得ることができ、かつ制御の始動時にも安定して直流電圧指令を得ることができる。また、直流電圧指令の値が逸脱することも避けることができる。
【００３１】
以上説明した実施例によれば、高い変調率ｋ＿ｉｎｖでＰＷＭインバータ４を駆動させるため、インバータ出力電圧に含まれる不要な高周波成分を抑制でき、銅損や鉄損を低減できる。従って、システムを省エネ化できる。
【００３２】
なお、上記実施例では、電圧指令を用いて変調率を演算して求めたが、交流電圧センサを用いて検出した電圧を用いて変調率検出値を求めても良い。この場合も、変調率を直接フィードバックするので、ＰＷＭインバータを確実に高め変調率で運転できる。
【００３３】
図８は、図１に示した実施例の効果の様子を示したものである。この図８は、本実施例におけるＰＷＭインバータの出力電圧波形をシミュレーションで解析した結果で、左側に直流電圧を固定した場合の結果、右側に本実施例による結果を比較して示している。波形は上の段からそれぞれ、イ）インバータの出力電圧波形、ロ）上記波形に対する基本波成分の周波数解析結果、ハ）高周波成分領域の周波数解析結果、ニ）ロ）において２ｆｃ周波数成分付近を拡大した結果を表している。
【００３４】
まず、インバータの出力電圧波形について比較すると、本実施例による結果の方は、インバータの変調率を高め運転とするために、直流電圧を下げており、波形の振幅（高さ）が小さくなっている。他方、図中の波形では確認できないが、振幅が小さくなった分、パルスの幅は本実施例の結果の方が広くなっている。
【００３５】
次に基本波成分の周波数解析結果を比較すると、基本波成分については、共に同じ程度の出力である。
【００３６】
ＰＷＭインバータで問題となる高周波領域（ＰＷＭ搬送波以上）の周波数解析結果を比較すると、本実施例による結果の方が高周波成分を全体にわたって小さい。これは、既に説明したように、直流電圧を下げて高め変調率運転を実施した効果による。
【００３７】
２ｆｃ成分（ｆｃはＰＷＭインバータのＰＷＭ搬送波周波数）付近の周波数解析結果を見ると、直流電圧を固定した場合に比べ、本実施例の場合では、２ｆｃ成分を大きく低減できている。
【００３８】
以上、図８が示すように、本実施例によれば、速度と負荷量に対応して直流電圧を可変制御することで、ＰＷＭインバータの高め変調率運転を実現でき、その結果、出力電圧中に含まれる高周波成分を大きく抑制することができる。従って、交流モータの鉄損，銅損を低減することができるので、システムを省エネ化できる。
【００３９】
次に、図２を用いて、本発明による交流モータ駆動システムの第二の実施例について説明する。図２において、図１と同じ構成要素は同じ番号で表しており、説明を省略する。図２の構成が図１と異なる部分は、まず変換器システムの構成において、ダイオード整流器１２，昇降圧チョッパ１３，ＰＷＭインバータ４によって構成されている点にある。ダイオード整流器１２は交流電源１から入力した交流電力を直流電力に変換する。ダイオード整流器１２は、整流作用のあるダイオード１２Ａで構成されており、変換された直流電圧は交流電源１の線間電圧ピーク値に固定される。昇降圧チョッパ１３はダイオード整流器１２が出力した直流電圧を昇降圧させてＰＷＭインバータ４側へ出力する。昇降圧チョッパ１３は、直流リアクトル１３Ｂ，昇降圧用のスイッチング素子（ＩＧＢＴ，トランジスタ等）１３Ｃ，１３Ｄで構成され、直流リアクトル１３Ｂに電流の形態で電気エネルギーを蓄積して、この電流をスイッチング素子１３Ｃと１３Ｄで交互に切り換えることで、図中左から右へもしくは右から左へ電力を受け渡すことができる。電力が左から右へ流れた場合はインバータ側の直流電圧は昇圧となり、電力が右から左へ流れた場合はインバータ側の直流電圧は降圧となる。このような動作により、昇降圧チョッパ１３はＰＷＭインバータ４側の直流電圧を昇降圧することが可能である。
【００４０】
次に、昇降圧チョッパ１３に対する制御ブロックを説明する。直流電圧制御回路１３０４は、直流電圧指令を電圧センサ１０で検出した直流電圧検出値との偏差が零になるような直流電流指令を演算する。電流制御回路１３０３は、直流電圧制御回路１３０４より出力された直流電流指令と電流センサ１３Ａで検出した直流電流検出値とを用いて、両者の偏差が零になるような電圧指令を演算する。ＰＷＭ制御回路１３０２は、電流制御回路１３０３より出力された電圧指令をパルス幅変調してゲートパルス信号に変換する。ゲート回路１３０１は、ＰＷＭ制御回路１３０２より出力されたゲートパルス信号に従って昇降圧チョッパ１３をスイッチング駆動する。
【００４１】
次に、図２に示された交流モータ駆動システムの制御について説明する。直流電圧指令をＶｄｃ^* 、ＰＷＭインバータの電圧指令の振幅を｜ｖｉ^* ｜、所望とする高め変調率をｋ＊とすると、｜ｖｉ^* ｜に対して、所望とする高め変調率をｋ＊を実現するような直流電圧指令は次式により与えられる。
【００４２】
Ｖｄｃ^* ＝｜ｖｉ^* ｜／ｋ^* （８）
インバータ電圧指令の中に交流モータの速度と負荷量による効果が含まれており、交流モータの速度と負荷量の両方に対応した高めＰＷＭ変調率運転が実現できる。また、電圧指令を用いるため交流電圧センサが不要となる。尚、図２の構成の場合は、ＰＷＭインバータ４とダイオード整流器１２の間に昇降圧チョッパ１３が挿入されているため、ＰＷＭインバータ４側の直流電圧は原理的には任意に変えることができる。この点が図１とは異なる。
【００４３】
図２において、（８）式の処理を実行するのが直流電圧指令作成回路１６０１と電圧振幅演算回路１６０２である。電圧振幅演算回路１６０２では、インバータ電圧指令の振幅を演算する。直流電圧指令作成回路１６０１では、演算したインバータ電圧指令の振幅から直流電圧指令を作成する。作成された直流電圧指令は、昇降圧チョッパ１３に対する制御ブロック内の直流電圧制御回路１３０４に入力する。そして、昇降圧チョッパ１３は、ＰＷＭインバータ４側の直流電圧を直流電圧指令に一致させるように制御する。この結果、ＰＷＭインバータ４側の直流電圧は、ＰＷＭインバータ４を高め変調率で運転するように、可変制御される。
【００４４】
図７は、電圧振幅演算回路１６０２と直流電圧指令作成回路１６０１の詳細を示した図を表している。電圧振幅演算回路１６０２で実際に用いるインバータ電圧指令は、図１３で説明したｄ軸電圧指令ｖｉｄ^* とｑ軸電圧指令ｖｉｑ^* の直流量の２相成分を用いる。このｄ軸，ｑ軸成分を用いると、電圧指令の振幅｜ｖｉ^* ｜は既に示した（４）式のように簡単ｉ演算できる。交流量を用いると時間と共に値が変わるため、振幅を求めるのは容易ではないが、ｖｉｄ^* とｖｉｑ^* が直流量であるために、（４）式により容易に振幅を求めることができる。直流電圧指令作成回路１６０１は、インバータ電圧指令の振幅｜ｖｉ^* ｜から、（８）式に従って所望の高め変調率ｋ^* を実現する直流電圧指令Ｖｄｃ^* を演算する。
【００４５】
直流電圧指令作成回路１６０１の具体的な入出力特性の例を図９に示す。図９において、左側のグラフは直流電圧指令作成回路１６０１の入出力特性、即ち｜ｖｉ^* ｜に対するＶｄｃ^* の特性を示したものであり、右側のグラフは左側の入出力特性の基になっている目標とする変調率ｋ^* の｜ｖｉ^* ｜に対する特性を表している。
【００４６】
図９の特性においては、直流電圧指令Ｖｄｃ＊が下限値Ｖｄｃ^* ＿ｍｉｎに達するまでは変調率ｋ^* ＝１.０を保持させるように、（８）式に従ってＶｄｃ^* を変える。直流電圧指令Ｖｄｃ＊が下限値Ｖｄｃ^*＿ｍｉｎに達すると、Ｖｄｃ^*＝Ｖｄｃ^*＿ｍｉｎと一定にする。これを数式で表すと下記のようになる。
【００４７】
Ｖｄｃ^* ≧Ｖｄｃ^*＿ｍｉｎならばＶｄｃ^* ＝｜ｖｉ^*｜（ｋ^* ＝１を満たすように制御）（９）
Ｖｄｃ^* ＜Ｖｄｃ^*＿ｍｉｎならばＶｄｃ^*＿ｍｉｎ（１０）この特性により、直流電圧指令Ｖｄｃ^* が下限値Ｖｄｃ^*＿ｍｉｎを下回るまでは、ｋ^* ＝１の高め変調率で運転させて、それよりさらにＶｄｃ^* を下げる場合は、Ｖｄｃ^*を下限値Ｖｄｃ^*＿ｍｉｎに維持することを優先させるというような適応的なＶｄｃ^* の調整が可能となる。ＰＷＭインバータ４の直流電圧Ｖｄｃをあまり下げすぎると、ＰＷＭインバータ４の上アームと下アームの並列ダイオードの両端電圧の差が小さくなり、ダイオードのスイッチング動作が不安定になる可能性がある。これはＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）やトランジスタでも同様である。従って、直流電圧はある程度の値以上に保持することが望ましく、図９に示すように、Ｖｄｃ^* に下限値を持たせる方法が有効である。
【００４８】
図１０は、直流電圧指令作成回路１６０１の入出力特性の、図９とは異なる例を表している。この場合は、図１０の右側に示すｋ^* の特性より、目標とする変調率ｋ^* を常にｋ^* ＝１.０として、（８）式にしたがってＶｄｃ^*を決める。従って、図１０の左側に示す｜ｖｉ^* ｜に対するＶｄｃ^*の特性のように、Ｖｄｃ^*は零値まで可変となる。この場合、直流電圧が零値付近になってもＰＷＭインバータ４のダイオードやＩＧＢＴの動作が不安定化しないような工夫をする必要があるが、常に高め変調率で運転できるため、省エネ効果を高めることができる。
【００４９】
図２に示した実施例によれば、ＰＷＭインバータの変調率は確実に高い値（本実施例では１.０）を保つようになり、インバータ出力電圧に含まれる不要な高周波成分を抑制でき、銅損や鉄損を低減できる。従って、システムを省エネ化できる。また、この方法では、インバータ電圧指令を用いて直流電圧指令を演算しており、このインバータ電圧指令の中に交流モータの負荷量の影響も含まれているため、交流モータの速度と負荷量に応じて直流電圧を可変制御することが可能である。そして、電圧指令を用いているため交流電圧センサが不要となる。
【００５０】
次に、図３を用いて本発明による交流モータ駆動システムの第三の実施例について説明する。図３のシステムは図２のシステムとほぼ同じ構成であり、異なる点は、ダイオード整流器１２がＰＷＭコンバータ２に入れ替わっている点にある。
【００５１】
図３の実施例では、ＰＷＭコンバータ２とＰＷＭインバータ４の間に昇降圧チョッパ１３が挿入されているため、ＰＷＭインバータ４の直流側電圧は比較的自由に変えることができる。従って、図２に示した直流電圧可変制御方法をそのまま適用することができる。その結果、図３のシステムでは、図２のシステムと同様の効果を得ることができる。
【００５２】
図３における昇降圧チョッパにおけるスイッチング素子に、半導体基板材料としてＳｉＣ（炭化珪素）結晶などのワイドギャップ半導体を用いた非常に低損失のスイッチング素子を適用すれば、直流電圧可変範囲を広げた制御を実施でき、より省エネ効果を向上できる。
【００５３】
上記各実施例では、変調率がほぼ１となるようにインバータまたはコンバータが運転しているが、個々のシステムにおける回路や半導体素子の特性などに応じて、１以外の値に設定しても良い。
【００５４】
なお、上記各実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形例が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、モータにかかる負荷が変化するような場合であっても、負荷に応じて適切に直流電圧を可変制御して、確実にインバータのＰＷＭ変調率を高め運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による交流モータ駆動システムの第一の実施例。
【図２】本発明による交流モータ駆動システムの第ニの実施例。
【図３】本発明による交流モータ駆動システムの第三の実施例。
【図４】インバータの変調率演算回路。
【図５】コンバータの変調率演算回路。
【図６】変調率制御回路。
【図７】電圧振幅演算回路と直流電圧指令作成回路。
【図８】実施例における出力電圧波形の解析結果。
【図９】直流電圧指令作成回路の入出力特性例。
【図１０】直流電圧指令作成回路の入出力特性例。
【図１１】変調率の違いによるＰＷＭパルス波形の違いを表した図。
【図１２】ＰＷＭコンバータの制御ブロック。
【図１３】ＰＷＭインバータの制御ブロック。
【符号の説明】
１…交流電源、２…ＰＷＭコンバータ、３…平滑コンデンサ、４…ＰＷＭインバータ、５…交流モータ、６…エレベータの綱車、７…エレベータのかご、８…釣り合い錘、９，１１…電流センサ、１０…直流電圧センサ、１３…昇降圧チョッパ、２０１，１３０１…ゲート回路、２０２，４０２，１３０２…ＰＷＭ制御回路、２０３，４０３…電流制御回路、２０４，１３０４…直流電圧制御回路、４０１…ゲート回路、４０４…速度制御回路、１５０１…変調率制御回路、1502…最大値選択回路、１５０３…インバータ変調率演算回路、１５０４…変調率指令出力回路、１５０５…コンバータ変調率演算回路、１６０１…直流電圧指令作成回路、１６０２…電圧振幅演算回路、１７０１，１８０１…インバータ側のｄ軸電流指令発生器、１７０２，１８０２…逆ｄｑ変換回路、２０３１，４０３１…ｄｑ変換回路、２０３２，２０３４，４０３２，４０３４…減算器、２０３３，２０３５，４０３３，４０３５…比例積分補償器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an AC motor drive system.
[0002]
[Prior art]
When driving an AC motor at a variable speed, the converter (AC / DC converter) converts the AC power of the power source into DC power once, and then an inverter (DC / AC converter) using a pulse width modulation (PWM) method ), An AC motor drive system that converts DC power into variable voltage and variable frequency AC power is applied. In such an AC motor drive system, a technique for variably controlling the DC voltage is known in order to increase the modulation rate of the inverter (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-4-222499
[Patent Document 2]
JP 2001-16860 A
[Patent Document 3]
JP 2002-186286 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, when the fluctuation of the load on the motor is small, the inverter operation with a high modulation rate is possible. However, when the load changes greatly like an elevator, the control reliability is low. .
[0005]
The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an AC motor drive system that can reliably operate an inverter with a high modulation rate.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides:An AC / DC converter that converts AC power to DC power by pulse width modulation control, the DC / AC converter that converts DC power to AC power by pulse width modulation control, and the DC / AC converter An AC motor driven by the output AC power, an inverter current command based on a speed command and a speed detection value as a target value of the AC motor, and an inverter current detection value detected by the inverter current command and the inverter current sensor And DC voltage control means for variably controlling the voltage of the DC power in accordance with a voltage output command determined by comparing the voltage output command, and the DC voltage control means is proportional to the amplitude of the voltage output command. The DC voltage command is created as described above, and the DC power voltage is variably controlled so that the detected value of the DC power voltage matches the DC voltage command. In a motor drive system, a converter voltage output command determined by comparing a converter current command based on the voltage output command and a DC voltage detection value with the converter current command and a converter current detection value detected by a converter current sensor. And obtaining a modulation factor of the AC / DC converter calculated by a ratio between the converter voltage output command and the detected value of the voltage of the DC power detected by the DC voltage sensor, the voltage output command, and the DC The AC / DC converter is pulse-width modulated at a larger modulation rate of the modulation rate of the pulse width modulation with respect to the output voltage of the DC / AC converter calculated from the ratio with the detected value of the power voltage. Switching driving.
[0008]
Other features of the AC motor drive system according to the present invention will become apparent from the following description.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a first embodiment of an AC motor drive system according to the present invention.
[0010]
The AC motor drive system shown in FIG. 1 includes a PWM converter 2, a smoothing capacitor 3, a PWM inverter 4, and an AC motor 5. The PWM converter 2 includes a switching element 2A such as an IGBT or a transistor, and converts AC power input from the AC power source 1 into DC power. The smoothing capacitor 3 smoothes the DC power converted by the PWM converter 2. The PWM inverter 4 has a circuit configuration similar to that of the PWM converter 2, but converts DC power into AC power having a variable voltage and variable frequency by a switching action. The AC motor 5 is arbitrarily variable-speed driven by this AC power. Here, as the AC motor 5, a permanent magnet synchronous motor, an induction motor, or the like is applied. The AC motor 5 is the power of the elevator system, and the sheave 6 is rotated via the motor shaft, and the counterweight is moved up and down according to the principle of a vine type as well as being tied with a rope.
[0011]
Next, an outline of control blocks for the PWM converter 2 and the PWM inverter 4 will be described. The PWM converter 2 is controlled such that the DC side voltage follows a DC voltage command that is a target value. Specifically, the DC voltage control circuit 204 compares the DC voltage command with the detected DC voltage value and outputs a converter current command (power supply current command) that matches the two. The current control circuit 203 compares the converter current command with the converter current detection value (detected by the current sensor 9) and outputs a converter voltage command that matches the two. The PWM control circuit 202 converts the converter voltage command into a gate pulse signal by pulse width modulation (PWM). The gate circuit 201 performs switching driving of the PWM converter according to the gate pulse signal output from the PWM control circuit 202.
[0012]
The PWM inverter 4 is controlled such that the speed of the AC motor 5 follows a speed command that is a target value. Specifically, the speed control circuit 404 feedback-controls the speed command and the speed detection value, and outputs an inverter current command. Current control circuit
403 compares the inverter current command and the inverter current detection value (detected by the current sensor 11), and outputs an inverter voltage command that matches the two. The PWM control circuit 402 converts the inverter voltage command into a gate pulse signal by pulse width modulation (PWM). The gate circuit 401 performs switching driving of the PWM inverter in accordance with the gate pulse signal output from the PWM control circuit 402.
[0013]
Next, the DC voltage variable type PWM inverter control will be described. Of FIG.
In the control block on the PWM inverter side, an inverter voltage command is output from the current control circuit 403, and this is converted into a pulse width modulated wave by the PWM control circuit 402. The PWM inverter 4 outputs the same voltage waveform as this pulse width modulation wave. Here, the pulse width modulation is modulation that converts the height of the waveform into the width of the pulse. That is, as the amplitude of the voltage command is larger, a pulse width modulated wave having a wider pulse width is generated. FIG. 11 (a) shows the situation. When the PWM modulation rate is low as shown in FIG. 11A, the pulse width of the output voltage waveform of the inverter becomes narrow. On the other hand, when the PWM modulation rate is high as shown in FIG. 11B, the pulse width of the output voltage of the inverter becomes wide. In both waveforms, when a high-frequency component is removed by a low-pass filter, the same waveform (sine wave) as before modulation appears. That is, the pulse width modulated wave is a waveform synthesized by the sine wave before modulation and the high frequency component. The modulation rate is expressed by the following equation where the DC voltage is Vdc and the amplitude of the output voltage of the PWM inverter is | vi |.
[0014]
Modulation factor k = | vi | / Vdc (where k ≦ 1.0) (1)
Comparing the output voltage waveforms of the inverters in FIGS. 11A and 11B, if the pulse width is narrow and the number of pulses per time is large as shown in FIG. Will be included. When this unnecessary high-frequency component voltage is applied to an AC motor, it causes loss of copper loss and iron loss, so that the efficiency decreases. Therefore, the DC voltage variable type PWM inverter control is to improve the efficiency by operating in a state where the modulation factor is as high as possible as shown in the waveform of FIG. Specifically, in Equation (1), the modulation factor can be set higher by appropriately reducing the DC voltage Vdc.
[0015]
In FIG. 1, an inverter modulation rate calculation circuit 1503 calculates and estimates the PWM modulation rate of the PWM inverter 4 based on an inverter voltage command and a DC voltage detection signal (detected by the DC voltage sensor 10). The converter modulation factor calculation circuit 1505 is based on a converter voltage command and a DC voltage detection signal (detected by the DC voltage sensor 10).
The PWM modulation rate of the PWM converter 2 is calculated and estimated. The maximum value selection circuit 1502 compares the PWM modulation rate of the PWM inverter 4 with the PWM modulation rate of the PWM converter 2 and selects the larger one. The modulation rate control circuit 1501 compares the modulation rate command output from the modulation rate command output circuit 1504 with the larger modulation rate selected by the maximum value selection circuit 1502, and outputs a DC voltage command that matches both. The calculation is performed and this command is output to the DC voltage control circuit 204 of the control system of the PWM converter 2. The PWM converter 2 controls the DC voltage so as to follow a given DC voltage command by the operation below the DC voltage control circuit 204.
[0016]
Next, a processing method in the control block will be described. The PWM modulation rate of the PWM converter 2 is k_conv, the PWM modulation rate of the PWM inverter 4 is k_inv, the AC side voltage amplitude of the PWM converter 2 is | vc |, the AC side voltage amplitude of the PWM inverter 4 is | vi |, and the DC voltage is Vdc. Then, k_inv and k_conv are expressed as follows, respectively.
[0017]
k_inv = | vi | / Vdc (where k_inv ≦ 1.0) (2)
k_conv = | vc | / Vdc (where k_conv ≦ 1.0) (3)
In order to increase the modulation factor k_inv of the PWM inverter 4 and operate it, Vdc is variably controlled (basically controlled in the downward direction). However, in the configuration in which the PWM converter 2 and the PWM inverter 4 are combined as shown in FIG. 1, Vdc is not arbitrarily changed, and it is necessary to consider the restriction on the modulation factor k_conv of the PWM converter 2 determined by the equation (3). is there. More specifically, when Vdc is lowered in order to increase k_inv in equation (2), k_conv expressed in equation (3) also increases. If | vi | <| vc |, if k_inv is increased to the upper limit value 1.0, k_conv will exceed the upper limit value 1.0. In this case, the PWM converter 2 is overmodulated and the waveform is disturbed. Therefore, it is preferable to check both k_inv and k_conv and to variably control the DC voltage within a range in which neither exceeds the upper limit value. In this embodiment, the maximum value selection circuit 1502 selects the larger one of k_inv calculated by the inverter modulation factor calculation circuit 1503 and k_conv calculated by the converter modulation factor calculation circuit 1505, and raises it. Therefore, Vdc is lowered, and the PWM inverter 4 can be operated at a high modulation rate without the PWM converter 2 being overmodulated.
[0018]
Next, details of the inverter modulation factor calculation circuit 1503 and the converter modulation factor calculation circuit 1505 will be described. First, details of the control block of the PWM inverter and the control block of the PWM converter will be described.
[0019]
FIG. 13 shows details of a control block of the PWM inverter 4. In FIG. 13, the same numbers as those in FIG. 1 represent the same elements. The AC three-phase inverter currents iiu, iiv, and iiw detected by the current sensor 11 are dq converted by a dq conversion circuit 4031 into a d-axis current component (current component related to excitation) iid and a q-axis current component (current component related to torque) iiq. Converted to two phases (each component is orthogonal). On the other hand, the current command iid for the d-axis current of the inverter^* Is output from the d-axis current command generator 1801 and the current command iq for the q-axis current.^* Is output from the speed control circuit 404. For the d-axis component, iid^* Is calculated by a subtractor 4032, and a d-axis voltage command vid that makes this deviation zero through a proportional integrator 4033.^* Is calculated. For q-axis component, iq^* Qq voltage command viq such that the deviation between eq. And iq is calculated by a subtractor 4034 and this deviation is made zero via a proportional integrator 4035.^* Is calculated. The inverse dq conversion circuit 1802 receives the vid^* And viq^* Is subjected to inverse dq conversion, and an AC three-phase voltage command viu^* , Viv^* , Viw^* The output becomes an input to the PWM control circuit 402 and is converted into a PWM pulse.
[0020]
FIG. 12 shows details of a control block of the PWM converter 2. 12, the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same elements. The AC three-phase converter currents icu, icv, icw detected by the current sensor 9 are converted by the dq conversion circuit 2031 into the direct current of the d-axis current component (current component related to excitation) icd and the q-axis current component (current component related to torque) icq. Converted to two phases. On the other hand, the current command icd for the d-axis current of the converter^* Is output from the d-axis current command generator 1701 and the current command icq for the q-axis current.^* Is output from the DC voltage control circuit 204. For d-axis component, icd^* Is calculated by a subtractor 2032 and a d-axis voltage command vcd is set to zero through the proportional integrator 2033.^* Is calculated. For the q-axis component, icq^* The q-axis voltage command vcq is calculated by the subtractor 2034, and the deviation is made zero via the proportional integrator 2035.^* Is calculated. The inverse dq conversion circuit 1702 has a vcd^* And vcq^* Is subjected to inverse dq conversion, and an AC three-phase voltage command vcu^* , Vcv^* , Vcw^* The output becomes an input to the PWM control circuit 202 and is converted into a PWM pulse.
[0021]
The details of the inverter modulation rate calculation circuit 1503 and the converter modulation rate calculation circuit 1505 will be described based on the contents of the control blocks of the PWM inverter 4 and the PWM converter 2 described above.
[0022]
First, details of the inverter modulation factor calculation circuit 1503 will be described. FIG. 4 shows details of the inverter modulation factor calculation circuit 1503. The inverter voltage command actually used in the inverter modulation factor calculation circuit 1503 is the d-axis voltage command vid described in FIG.^* And q-axis voltage command viq^* The two-phase component of the direct current amount is used. Using the d-axis and q-axis components, vid^* And viq^* Is a DC quantity, so the voltage amplitude | vi^* | Can be easily calculated as in equation (4).
[0023]
| Vi^* │ = α ・ √ (vid^{* 2}+ Viq^{* 2}(Α is a constant) (4)
The inverter voltage amplitude calculation circuit 1503A and the correction coefficient multiplier 1503B in FIG. 4 perform the processing of the equation (4). As a result, the amplitude of the inverter voltage command | vi^*| Can be calculated. If the modulation rate of the PWM inverter 4 is k_inv, k_inv can be calculated by the following equation.
[0024]
k_inv = | vi^* | / Vdc (5)
The divider 1503C executes the processing of equation (5), and as a result, k_inv can be calculated. As described above, by using the inverter modulation factor calculation circuit 1503 shown in FIG. 4, the modulation factor of the PWM inverter can be calculated by a simple process without using an AC voltage sensor.
[0025]
Next, details of converter modulation factor calculation circuit 1505 will be described with reference to FIG. The operation of the converter modulation factor calculation circuit 1505 is the same as the operation of the inverter modulation factor calculation circuit 1503 only by changing the input and output. The converter voltage command to be used is the d-axis voltage command vcd described in FIG.^* And q-axis voltage command vcq^* The two direct current phases are used. At this time, the voltage amplitude | vc^* | Can be easily calculated as shown in equation (6).
[0026]
| Vc^* | = Α · √ (vcd^{* 2}+ Vcq^{* 2}(Α is a constant) (6)
The converter voltage amplitude calculation circuit 1505A and the correction coefficient multiplier 1505B in FIG. 5 perform the processing of equation (6), and as a result, the amplitude | vc of the converter voltage command^*| Can be calculated. If the modulation rate of the PWM converter 2 is k_conv, k_conv can be calculated by the following equation.
[0027]
k_conv = | vc^* | / Vdc (7)
The divider 1505C executes the processing of equation (7), and as a result, k_conv can be calculated. As described above, by using the converter modulation factor calculation circuit 1505 shown in FIG. 5, the modulation factor of the PWM converter can be calculated by a simple process without using an AC voltage sensor.
[0028]
Next, details of the modulation rate command output circuit 1504 and the modulation rate control circuit 1501 shown in FIG. 1 will be described.
[0029]
The modulation rate command output circuit 1504 is a means for outputting a modulation rate command for the modulation rate operation to be increased by the PWM inverter 4 of FIG. 1, and in this embodiment, the modulation rate upper limit value 1.0 is output as a command value. To do.
[0030]
A detailed configuration of the modulation rate control circuit 1501 is shown in FIG. Here, the larger one of the modulation rate of the PWM inverter and the modulation rate of the PWM converter is adjusted so as to comply with the modulation rate command. Since the modulation factor is directly feedback-controlled in this way, reliable DC voltage variable control is possible in accordance with the speed (frequency) of the AC motor and the load amount. This will be specifically described below. In the subtractor 1501A, the modulation rate command k input from the modulation rate command output circuit 1504.^* And the deviation between the larger modulation factor value of the modulation factor k_inv of the PWM inverter 4 and the modulation factor k_conv of the PWM converter 2 is taken. The deviation is inverted in sign by the coefficient multiplier 1501A and then input to the proportional-integral compensator 1501C. In the proportional integral compensator 1501C, the DC voltage command correction value ΔVdc which makes the deviation zero by proportional integral compensation.^* Is calculated. DC voltage command Vdc^* Is ΔVdc^* And DC voltage reference value Vdc0^* Is calculated by an adder 1501E, and is further suppressed by a limiter circuit 1501F within the lower and upper limits of the DC voltage. DC voltage reference value Vdc0^* The reason why the value is added later is to stabilize the output by giving a predetermined DC voltage command in advance even when the output of the proportional integral compensator is not fixed at the start of control. Further, the range is limited by the limiter circuit 1501F so that the DC voltage command does not take a deviated value. By using the modulation rate control circuit 1501 as shown in FIG. 6, it is possible to obtain a DC voltage command that makes the modulation rate coincide with the modulation rate command, and to obtain the DC voltage command stably at the start of control. be able to. Further, deviation of the value of the DC voltage command can be avoided.
[0031]
According to the embodiment described above, since the PWM inverter 4 is driven with a high modulation rate k_inv, unnecessary high frequency components included in the inverter output voltage can be suppressed, and copper loss and iron loss can be reduced. Therefore, the system can save energy.
[0032]
In the above embodiment, the modulation factor is calculated by using the voltage command, but the modulation factor detection value may be obtained by using the voltage detected by the AC voltage sensor. Also in this case, since the modulation rate is directly fed back, the PWM inverter can be reliably increased and operated at the modulation rate.
[0033]
FIG. 8 shows the effect of the embodiment shown in FIG. FIG. 8 shows the result of analyzing the output voltage waveform of the PWM inverter in the present embodiment by simulation. The result in the case where the DC voltage is fixed on the left side and the result in the present embodiment are compared on the right side. Waveforms from the upper stage are as follows: a) output voltage waveform of the inverter, b) frequency analysis result of fundamental wave component for the above waveform, c) frequency analysis result of high frequency component region, and b) expansion of 2fc frequency component vicinity. Represents the result.
[0034]
First, when comparing the output voltage waveform of the inverter, the result of this example shows that the DC voltage is lowered and the waveform amplitude (height) is reduced in order to increase the modulation rate of the inverter and operate. Yes. On the other hand, although it cannot be confirmed with the waveform in the figure, the width of the pulse of the result of the present embodiment is wider as the amplitude becomes smaller.
[0035]
Next, when the frequency analysis results of the fundamental wave components are compared, both the fundamental wave components have the same level of output.
[0036]
When comparing the frequency analysis results in the high frequency region (above the PWM carrier wave) that is a problem with the PWM inverter, the results of this example have a smaller high frequency component over the whole. As described above, this is due to the effect of increasing the modulation factor operation by lowering the DC voltage.
[0037]
Looking at the frequency analysis result in the vicinity of the 2fc component (fc is the PWM carrier frequency of the PWM inverter), the 2fc component can be greatly reduced in this embodiment as compared to the case where the DC voltage is fixed.
[0038]
As described above, as shown in FIG. 8, according to the present embodiment, it is possible to realize a high modulation rate operation of the PWM inverter by variably controlling the DC voltage in accordance with the speed and the load amount. The high frequency component contained in can be greatly suppressed. Therefore, the iron loss and copper loss of the AC motor can be reduced, so that the system can save energy.
[0039]
Next, a second embodiment of the AC motor drive system according to the present invention will be described with reference to FIG. 2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. 2 differs from FIG. 1 in that the converter system is configured by a diode rectifier 12, a step-up / down chopper 13, and a PWM inverter 4. FIG. The diode rectifier 12 converts AC power input from the AC power source 1 into DC power. The diode rectifier 12 includes a rectifying diode 12 </ b> A, and the converted DC voltage is fixed to the line voltage peak value of the AC power supply 1. The step-up / down chopper 13 steps up / down the DC voltage output from the diode rectifier 12 and outputs it to the PWM inverter 4 side. The step-up / down chopper 13 is composed of a DC reactor 13B and step-up / step-down switching elements (IGBT, transistors, etc.) 13C, 13D. Electric energy is accumulated in the DC reactor 13B in the form of current, and this current is exchanged with the switching element 13C. By alternately switching in 13D, power can be transferred from left to right or from right to left in the figure. When power flows from left to right, the DC voltage on the inverter side is boosted, and when power flows from right to left, the DC voltage on the inverter side is stepped down. By such an operation, the step-up / step-down chopper 13 can step-up / step-down the DC voltage on the PWM inverter 4 side.
[0040]
Next, a control block for the step-up / down chopper 13 will be described. The DC voltage control circuit 1304 calculates a DC current command such that the deviation from the DC voltage detection value detected by the voltage sensor 10 becomes zero. The current control circuit 1303 uses the DC current command output from the DC voltage control circuit 1304 and the DC current detection value detected by the current sensor 13A to calculate a voltage command so that the deviation between them is zero. The PWM control circuit 1302 performs pulse width modulation on the voltage command output from the current control circuit 1303 and converts it into a gate pulse signal. The gate circuit 1301 performs switching driving of the step-up / step-down chopper 13 in accordance with the gate pulse signal output from the PWM control circuit 1302.
[0041]
Next, the control of the AC motor drive system shown in FIG. 2 will be described. DC voltage command is Vdc^* , The amplitude of the voltage command of the PWM inverter | vi^* |, Where k * is a desired high modulation rate, | vi^* For |, a DC voltage command for realizing a desired high modulation rate k * is given by the following equation.
[0042]
Vdc^* = | Vi^* | / K^* (8)
The inverter voltage command includes the effect of the speed and load amount of the AC motor, and an enhanced PWM modulation rate operation corresponding to both the speed and load amount of the AC motor can be realized. Moreover, since a voltage command is used, an AC voltage sensor is not required. In the case of the configuration of FIG. 2, since the step-up / step-down chopper 13 is inserted between the PWM inverter 4 and the diode rectifier 12, the DC voltage on the PWM inverter 4 side can be arbitrarily changed in principle. This is different from FIG.
[0043]
In FIG. 2, the DC voltage command generation circuit 1601 and the voltage amplitude calculation circuit 1602 execute the processing of the equation (8). The voltage amplitude calculation circuit 1602 calculates the amplitude of the inverter voltage command. The DC voltage command creation circuit 1601 creates a DC voltage command from the calculated amplitude of the inverter voltage command. The created DC voltage command is input to the DC voltage control circuit 1304 in the control block for the step-up / down chopper 13. Then, the step-up / step-down chopper 13 performs control so that the DC voltage on the PWM inverter 4 side matches the DC voltage command. As a result, the DC voltage on the PWM inverter 4 side is variably controlled so that the PWM inverter 4 is operated at a high modulation rate.
[0044]
FIG. 7 is a diagram illustrating details of the voltage amplitude calculation circuit 1602 and the DC voltage command generation circuit 1601. The inverter voltage command actually used in the voltage amplitude calculation circuit 1602 is the d-axis voltage command vid described in FIG.^* And q-axis voltage command viq^* The two-phase component of the direct current amount is used. Using these d-axis and q-axis components, the amplitude of the voltage command | vi^* | Can be simply i-calculated as shown in equation (4). If the amount of alternating current is used, the value changes with time, so it is not easy to obtain the amplitude, but vid^* And viq^* Is a direct current amount, the amplitude can be easily obtained from the equation (4). The DC voltage command generation circuit 1601 determines the amplitude of the inverter voltage command | vi^* From |, the desired higher modulation factor k according to equation (8)^* DC voltage command Vdc to realize^* Is calculated.
[0045]
An example of specific input / output characteristics of the DC voltage command generation circuit 1601 is shown in FIG. In FIG. 9, the left graph shows the input / output characteristics of the DC voltage command generation circuit 1601, that is, | vi^* Vdc for |^* The right graph shows the target modulation factor k based on the left input / output characteristics.^* | Vi^* Represents the characteristic for |.
[0046]
In the characteristics of FIG. 9, the DC voltage command Vdc * is lower limit value Vdc.^* Modulation rate k until _min is reached^* = Vdc according to equation (8) so as to hold 1.0^* change. DC voltage command Vdc * is lower limit value Vdc^*When _min is reached, Vdc^*= Vdc^*_Min is constant. This is expressed by the following formula.
[0047]
Vdc^* ≧ Vdc^*If _min, Vdc^* = | Vi^*｜ (k^* = 1) (9)
Vdc^* <Vdc^*If _min, Vdc^*_Min (10) Due to this characteristic, the DC voltage command Vdc^* Is the lower limit Vdc^*Until it falls below _min, k^* = 1 driving at a higher modulation factor, then Vdc^* To decrease the Vdc^*Is the lower limit value Vdc^*Adaptive Vdc that prioritizes maintaining _min^* Can be adjusted. If the DC voltage Vdc of the PWM inverter 4 is too low, the voltage difference between the parallel diodes of the upper arm and the lower arm of the PWM inverter 4 becomes small, and the diode switching operation may become unstable. The same applies to IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and transistors. Therefore, it is desirable to maintain the DC voltage at a certain level or more, as shown in FIG.^* It is effective to have a lower limit value for.
[0048]
FIG. 10 shows an example of the input / output characteristics of the DC voltage command generation circuit 1601 that is different from FIG. In this case, k shown on the right side of FIG.^* Target modulation factor k^* Always k^* = 1.0, Vdc according to equation (8)^*Decide. Therefore, | vi shown on the left side of FIG.^* Vdc for |^*Like the characteristics of Vdc^*Is variable up to zero. In this case, it is necessary to devise measures so that the operation of the diode of the PWM inverter 4 and the IGBT does not become unstable even when the DC voltage becomes close to zero value. be able to.
[0049]
According to the embodiment shown in FIG. 2, the modulation rate of the PWM inverter is surely kept at a high value (1.0 in this embodiment), and unnecessary high frequency components included in the inverter output voltage can be suppressed. Copper loss and iron loss can be reduced. Therefore, the system can save energy. In this method, the DC voltage command is calculated using the inverter voltage command, and the influence of the load amount of the AC motor is included in the inverter voltage command. Accordingly, the DC voltage can be variably controlled. And since the voltage command is used, an AC voltage sensor becomes unnecessary.
[0050]
Next, a third embodiment of the AC motor drive system according to the present invention will be described with reference to FIG. The system in FIG. 3 has almost the same configuration as the system in FIG. 2, and the difference is that the diode rectifier 12 is replaced with the PWM converter 2.
[0051]
In the embodiment of FIG. 3, since the step-up / step-down chopper 13 is inserted between the PWM converter 2 and the PWM inverter 4, the DC side voltage of the PWM inverter 4 can be changed relatively freely. Therefore, the DC voltage variable control method shown in FIG. 2 can be applied as it is. As a result, the system of FIG. 3 can obtain the same effects as the system of FIG.
[0052]
If a very low loss switching element using a wide gap semiconductor such as SiC (silicon carbide) crystal as a semiconductor substrate material is applied to the switching element in the buck-boost chopper in FIG. It can be implemented and energy saving effect can be improved.
[0053]
In each of the above embodiments, the inverter or the converter is operated so that the modulation factor is approximately 1. However, the value may be set to a value other than 1 depending on the characteristics of the circuits and semiconductor elements in each system. .
[0054]
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when the load applied to the motor changes, the DC voltage can be appropriately variably controlled according to the load, and the PWM modulation rate of the inverter can be reliably increased and operated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a first embodiment of an AC motor drive system according to the present invention.
FIG. 2 shows a second embodiment of an AC motor drive system according to the present invention.
FIG. 3 shows a third embodiment of an AC motor drive system according to the present invention.
FIG. 4 is an inverter modulation factor calculation circuit.
FIG. 5 is a modulation rate calculation circuit of a converter.
FIG. 6 shows a modulation rate control circuit.
FIG. 7 shows a voltage amplitude calculation circuit and a DC voltage command generation circuit.
FIG. 8 shows an analysis result of an output voltage waveform in the example.
FIG. 9 is an example of input / output characteristics of a DC voltage command generation circuit.
FIG. 10 is an example of input / output characteristics of a DC voltage command generation circuit.
FIG. 11 is a diagram showing a difference in PWM pulse waveform due to a difference in modulation rate.
FIG. 12 is a control block of the PWM converter.
FIG. 13 is a control block of a PWM inverter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... AC power source, 2 ... PWM converter, 3 ... Smoothing capacitor, 4 ... PWM inverter, 5 ... AC motor, 6 ... Elevator sheave, 7 ... Elevator car, 8 ... Counterweight, 9, 11 ... Current sensor, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... DC voltage sensor, 13 ... Buck-boost chopper, 201, 1301 ... Gate circuit, 202, 402, 1302 ... PWM control circuit, 203, 403 ... Current control circuit, 204, 1304 ... DC voltage control circuit, 401 ... Gate circuit , 404 ... speed control circuit, 1501 ... modulation rate control circuit, 1502 ... maximum value selection circuit, 1503 ... inverter modulation rate calculation circuit, 1504 ... modulation rate command output circuit, 1505 ... converter modulation rate calculation circuit, 1601 ... DC voltage command Creation circuit, 1602... Voltage amplitude calculation circuit, 1701, 1801... D-axis current command generator on the inverter side, 17 02, 1802 ... Inverse dq conversion circuit, 2031, 4031 ... dq conversion circuit, 2032, 2034, 4032, 4034 ... subtractor, 2033, 2035, 4033, 4035 ... proportional integral compensator.

Claims

An AC / DC converter that converts AC power to DC power by pulse width modulation control, a DC / AC converter that converts DC power to AC power by pulse width modulation control, and the DC / AC converter output An AC motor driven by AC power, an inverter current command based on a speed command and a speed detection value as a target value of the AC motor, an inverter current command and an inverter current detection value detected by an inverter current sensor, has, a DC voltage control means for variably controlling the voltage of the DC power according to the voltage output command determined by comparing the DC voltage control means, so as to proportional to the amplitude of the voltage output command A DC voltage command is created for the DC power, and the DC power voltage is variably controlled so that the detected value of the DC power voltage matches the DC voltage command. In the motor drive system,
Obtaining a converter voltage output command determined by comparing the converter current command based on the voltage output command and the DC voltage detection value and the converter current command and the converter current detection value detected by the converter current sensor, A modulation rate of the AC / DC converter calculated by a ratio between a converter voltage output command and a detected value of the DC power voltage detected by a DC voltage sensor;
The AC / DC at the larger modulation rate of the modulation rate of pulse width modulation with respect to the output voltage of the DC / AC converter calculated from the ratio of the voltage output command and the detected value of the voltage of the DC power AC motor drive system that drives the converter by pulse width modulation .

A DC / AC converter that converts DC power into three-phase AC power;
An AC motor driven by AC power output from the DC / AC converter;
A voltage output command determined by comparing the inverter current command based on the speed command and the speed detection value, which is the target value of the AC motor, with the inverter current command and the inverter current detection value detected by the inverter current sensor. And an AC motor drive system having DC voltage control means for variably controlling the voltage of the DC power accordingly.
A voltage amplitude calculation circuit that calculates a voltage command amplitude from a two-phase component of a DC amount that is a d-axis voltage command and a q-axis voltage command of the voltage output command;
Increase the modulation rate,
DC voltage command = the calculated voltage command amplitude / the determined high modulation rate
A DC voltage command creation circuit for calculating a DC voltage command so that
An AC motor drive system that variably controls the voltage of the DC power so that the detected voltage value of the DC power matches the calculated DC voltage command .

3. The apparatus according to claim 2 , wherein the DC power is input from the AC / DC converter that converts AC power into DC power via the step-up / step-down means to the DC / AC converter. The AC motor drive system, wherein the voltage is an output voltage of the step-up / step-down means.