JP4529525B2 - 直接変換器の制御装置 - Google Patents
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図7において、vmaxは最大電圧相(例えば、ある時点における三相交流電源のR相)の入力端子、vmidは中間電圧相(同S相)の入力端子、vminは最小電圧相(同T相)の入力端子、vUはU相出力端子(なお、それぞれの電圧値についても同じ符号で表す)、iloadは負荷電流(U相電流iu)、S1,S2,S3は交流スイッチ、S1A,S1B,S2A/B,S2B/A,S3A,S3Bは各交流スイッチを構成するIGBT等の単方向スイッチである。
IGBTモードとは、コレクタ−エミッタ間に順電圧が印加されている(コレクタ電圧がエミッタ電圧より高い)状態の動作モードをいい、ゲートオンと同時に電流が流れる動作モードである。また、還流ダイオードモードとは、IGBTモードのスイッチのコレクタ−エミッタ間に逆電圧が印加されている(コレクタ電圧がエミッタ電圧より低い)状態の動作モードをいい、この場合には、順電圧が印加されてゲートオンしないと電流が流れず、インバータにおける還流ダイオードとほぼ同様の作用になることから、還流ダイオードモードと称している。
例えば、交流スイッチS1が上アーム、同S2が下アームでスイッチングする場合には、スイッチS2B/AがIGBTモード、同S2A/Bがダイオードモードにて動作し、交流スイッチS2が上アーム、同S3が下アームでスイッチングする場合には、スイッチS2A/BがIGBTモード、同S2B/Aがダイオードモードにて動作する。
すなわち、電源が短絡すると過大な短絡電流が発生してスイッチを破損し、負荷が誘導性負荷の場合には、誘導性負荷に蓄えられたエネルギーの還流経路が負荷端の開放により消失するため、過大なサージ電圧としてスイッチに印加され、スイッチを破壊する。
このため、各単方向スイッチのオンオフのタイミングを適切に制御するための転流動作が重要になる。
図8は、各交流スイッチS1,S2に対するスイッチングパターンの指令値と、それぞれの単方向スイッチS1A,S1B,S2A/B,S2B/Aに対する指令値と、U相出力電圧指令値vu *と、負荷電流iload(以下において、特に断らない限り、U相負荷電流すなわちiuを指す)が正及び負の場合のU相出力電圧vuとを示している。
最大電圧相から中間電圧相へ転流する場合の単方向スイッチのオンオフする順番は、図8に示すように、
(1)S2A/Bオン
(2)S1Aオフ
(3)S2B/Aオン
(4)S1Bオフ
となっており、各単方向スイッチのオンオフのタイミングをずらすことで電源の短絡及び負荷端の開放を防止している。
この点は、中間電圧相(交流スイッチS2)から最小電圧相(同S3)へ転流する場合も同様である。
中間電圧相から最大電圧相へ転流する場合の単方向スイッチのオンオフする順番は、図9に示すように、
(1)S1Bオン
(2)S2B/Aオフ
(3)S1Aオン
(4)S2A/Bオフ
となる。
この先願に記載された転流方法では、図7における単方向スイッチS1B,S3Bを常にオンすることで出力端の開放を防ぎ、また、中間電圧相に接続されるスイッチS2A/B,S2B/Aを同時にオンオフする方法を採っている。この転流方法では、(1)転流元のIGBTモードの単方向スイッチをオフする(2)転流先のIGBTモードの単方向スイッチをオンする、という2段階の動作で転流を行うため、転流時間の短縮や制御回路の簡略化、スイッチング損失の低減等が可能である(先願明細書の段落[0033]〜[0036]、図3、図4参照)。
図10は、上記先願の転流方法により最大電圧相から中間電圧相へ転流する場合、図11は、中間電圧相から最大電圧相へ転流する場合の、各交流スイッチS1,S2に対するスイッチングパターンの指令値と、単方向スイッチS1A,S1B,S2A/B,S2B/Aに対する指令値と、U相出力電圧指令値vu *と、負荷電流iloadが正及び負の場合のU相出力電圧vuとをそれぞれ示している。
(1)S1Aオフ
(2)S2A/B,S2B/Aオン
負荷電流iloadが正の時は、S1Aがオフすると常時オンであるS3Bが導通し、S2A/B,S2B/AがオンするとS2A/Bが導通する。一方、負荷電流が負の時は、S2A/B,S2B/AがオンするとS2B/Aが導通する。この転流方法の場合、最大電圧相から中間電圧相へ転流する際、負荷電流iloadの正負によらず、図示する如くU相出力電圧指令値vU *に対して電圧誤差が発生する。
(1)S2A/B,S2B/Aオフ
(2)S1Aオン
この場合、負荷電流iloadが正の時はU相出力電圧指令値vU *に対して電圧誤差が発生するのに対し、負荷電流iloadが負の時は電圧誤差は発生しない。
この従来技術は、PWMサイクロコンバータにおいて、出力電流方向信号や双方向スイッチ間電圧極性信号(出力電流の方向から決定される)に基づいて双方向スイッチの切替順序を切り替えるべく転流パターン(転流シーケンス)を作成するものであり、転流時に発生する出力電圧誤差を、前記出力電流方向信号や双方向スイッチ間電圧極性信号、入力電源電圧情報信号等に基づいて補償している。
更に、特許文献1の請求項8には、上記補償量を演算するために相間電圧絶対値や転流時間、キャリア周期、電圧極性等を用いた演算式が開示されているが、この従来技術はそもそも、出力電流の方向(正負)に応じて転流パターンを決定する、いわゆる電流転流を基本としており、非特許文献1における「電圧検出方式」や先願発明のように、電源電圧の大小に応じて転流パターンを決定する電圧転流には適用することができない。
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を検出する最大電圧検出手段と、入力電圧相のうち最小電圧相の電圧を検出する最小電圧検出手段と、負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、前記各検出手段により検出した最大電圧、最小電圧、負荷電流の極性、及び、スイッチング周波数並びに転流時間を用いて、直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、を備えたものである。
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧の位相を検出する位相検出手段と、この位相検出手段の出力を用いて、入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を予測する最大電圧予測手段、及び、最小電圧相の電圧を予測する最小電圧予測手段と、負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、前記各予測手段により予測した最大電圧、最小電圧、前記極性検出手段により検出した負荷電流の極性、及び、スイッチング周波数並びに転流時間を用いて、直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、を備えたものである。
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を検出する最大電圧検出手段と、前記入力電圧相のうち中間電圧相の電圧を検出する中間電圧検出手段と、前記入力電圧相のうち最小電圧相の電圧を検出する最小電圧検出手段と、負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、前記各検出手段により検出した最大電圧、中間電圧、最小電圧、負荷電流の極性、及び、前記直接変換器のスイッチング周波数並びに転流時間を用いて、前記直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、を備え、
前記補償量は、負荷電流の極性に応じた極性を有し、かつ、負荷電流の極性に応じて大きさが異なることを特徴とする。
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧の位相を検出する位相検出手段と、この位相検出手段の出力を用いて、入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を予測する最大電圧予測手段、中間電圧相の電圧を予測する中間電圧予測手段、及び、最小電圧相の電圧を予測する最小電圧予測手段と、負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、前記各予測手段により予測した最大電圧、中間電圧、最小電圧、前記極性検出手段により検出した負荷電流の極性、及び、スイッチング周波数並びに転流時間を用いて、直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、を備えたものである。
前記演算手段は、負荷電流の極性に応じた極性を有し、かつ、負荷電流の極性に関わらず大きさが等しい補償量を演算するものである。
図1は、本発明の第1実施形態の構成を示すブロック図であり、請求項1,5の発明に相当する。この実施形態は、例えば、前述した非特許文献1に記載された電圧転流時の出力電圧誤差をなくすためのものである。
上記加算手段40の出力は、乗算手段30に入力されてTcomm×fS(Tcomm:転流時間、fS:スイッチング周波数)が乗算され、その出力は乗算手段31〜33に入力されている。
一方、各相の負荷電流iu,iv,iwは極性検出手段21〜23にそれぞれ入力され、これらの判別手段21〜23内の符号関数の出力である極性判別信号が乗算手段31〜33に入力されて前述した乗算手段30の出力信号と乗算される。
乗算手段31〜33の出力はそれぞれ電圧指令値補償量として加算手段41〜43に入力されており、これらの加算手段41〜43により各相出力電圧指令値vu *,vv *,vw *とそれぞれ加算されて最終的な出力電圧指令値vu **,vv **,vw **が得られるように構成されている。
前述のように、負荷電流が正の時は、最小電圧相から中間電圧相や、中間電圧相から最大電圧相への転流時に電圧誤差が発生する。すなわち、出力電圧が削られる結果、出力電圧指令値に対して実際の出力電圧は減少する。
一方、負荷電流が負の時は、最大電圧相から中間電圧相や、中間電圧相から最小電圧相への転流時に電圧誤差が発生する。すなわち、出力電圧が増加する結果、出力電圧指令値に対して実際の出力電圧は増加することとなる。
図2には、これらの電圧誤差をハッチングにて示してある。
いま、出力電圧誤差(誤差電圧)をΔVとすると、この誤差電圧ΔVは数式1によって表される。
図2に示した範囲がキャリア1周期であるため、各相出力電圧指令値に対する補償量vuc *,vvc *,vwc *は、誤差電圧ΔVを示す数式1にスイッチング周波数fsと負荷電流の極性判別信号とを乗じればよく、数式2によって表すことができる。
更に、最終的な補償後の出力電圧指令値vu **,vv **,vw **は、補償前の電圧指令値をvu *,vv *,vw *とすると、数式3となる。
この実施形態は、例えば、前述した先願の転流方法による出力電圧誤差をなくすためのものである。
11は最大電圧検出手段、12は中間電圧検出手段、13は最小電圧検出手段、31〜37は乗算手段、44〜47は加算手段であり、加算手段45の出力は切替手段61〜63に共通する「正」側端子(負荷電流の極性が「正」の場合の切替先となる)に接続されていると共に、乗算手段37の出力は切替手段61〜63に共通する「負」側端子(負荷電流の極性が「負」の場合の切替先となる)に接続されている。
ここで、乗算手段34は入力信号に「2」を、乗算手段35は入力信号に「3」を、乗算手段36は入力信号に「3」を、乗算手段37は入力信号に「−1」を、それぞれ乗じて出力する。
また、切替手段61〜63の切替操作は、極性検出手段21〜23から出力される極性判別信号によって行われるようになっている。
図5においては、図2と同様に、負荷電流が正の時は出力電圧が減少するのに対し、負荷電流が負の時は出力電圧が増加する。しかし、電圧誤差の大きさは、負荷電流の正負によって異なっている。
なお、これらの補償量ΔVpc,ΔVncは、各相ごとの補償量vuc *,vvc *,vwc *(図4参照)である。例えば、図4におけるU相の補償量vuc *は、負荷電流の極性に応じて数式6の補償量ΔVpcまたは数式7の補償量ΔVncとなる。
なお、この第3実施形態では、負荷電流の極性判別信号を切替手段61〜63による正負の切替のみに用いており、第1実施形態の符号関数(数式2)における「x<0でy=−1,x>0でy=1」という極性反転作用を果たさないため、負荷電流が負の場合に補償量に−1を乗じるべく図4の乗算手段37を設けている。
従って、負荷電流が負の場合の極性判別信号を活かす場合には、乗算手段37を除去すると共に、極性検出手段21〜23の出力側に第1実施形態と同様に乗算手段を設け、極性判別信号と加算手段47の出力との乗算結果を負荷電流が負の場合の補償量として選択するように構成しても良い。
12:中間電圧検出手段
13:最小電圧検出手段
11A:最大電圧予測手段
12A:中間電圧予測手段
13A:最小電圧予測手段
21〜23:極性検出手段
30〜37:乗算手段
40〜47:加算手段
51:入力電圧位相検出手段
61〜63:切替手段
Claims (6)
- 交流電圧を任意の周波数及び大きさを有する交流電圧に直接変換する直接変換器の制御装置において、
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を検出する最大電圧検出手段と、
前記入力電圧相のうち最小電圧相の電圧を検出する最小電圧検出手段と、
負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、
前記各検出手段により検出した最大電圧、最小電圧、負荷電流の極性、及び、前記直接変換器のスイッチング周波数並びに転流時間を用いて、前記直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする直接変換器の制御装置。 - 交流電圧を任意の周波数及び大きさを有する交流電圧に直接変換する直接変換器の制御装置において、
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧の位相を検出する位相検出手段と、
この位相検出手段の出力を用いて、入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を予測する最大電圧予測手段、及び、最小電圧相の電圧を予測する最小電圧予測手段と、
負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、
前記各予測手段により予測した最大電圧、最小電圧、前記極性検出手段により検出した負荷電流の極性、及び、前記直接変換器のスイッチング周波数並びに転流時間を用いて、前記直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする直接変換器の制御装置。 - 交流電圧を任意の周波数及び大きさを有する交流電圧に直接変換する直接変換器の制御装置において、
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を検出する最大電圧検出手段と、
前記入力電圧相のうち中間電圧相の電圧を検出する中間電圧検出手段と、
前記入力電圧相のうち最小電圧相の電圧を検出する最小電圧検出手段と、
負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、
前記各検出手段により検出した最大電圧、中間電圧、最小電圧、負荷電流の極性、及び、前記直接変換器のスイッチング周波数並びに転流時間を用いて、前記直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、
を備え、
前記補償量は、負荷電流の極性に応じた極性を有し、かつ、負荷電流の極性に応じて大きさが異なることを特徴とする直接変換器の制御装置。 - 交流電圧を任意の周波数及び大きさを有する交流電圧に直接変換する直接変換器の制御装置において、
前記制御装置は、
前記直接変換器の入力電圧の位相を検出する位相検出手段と、
この位相検出手段の出力を用いて、入力電圧相のうち最大電圧相の電圧を予測する最大電圧予測手段、中間電圧相の電圧を予測する中間電圧予測手段、及び、最小電圧相の電圧を予測する最小電圧予測手段と、
負荷電流の極性を検出する極性検出手段と、
前記各予測手段により予測した最大電圧、中間電圧、最小電圧、前記極性検出手段により検出した負荷電流の極性、及び、前記直接変換器のスイッチング周波数並びに転流時間を用いて、前記直接変換器の出力電圧に生じる電圧誤差を補償する補償量を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする直接変換器の制御装置。 - 請求項1または2に記載した直接変換器の制御装置において、
前記演算手段は、
負荷電流の極性に応じた極性を有し、かつ、負荷電流の極性に関わらず大きさが等しい補償量を演算することを特徴とする直接変換器の制御装置。 - 請求項4に記載した直接変換器の制御装置において、
前記演算手段は、
負荷電流の極性に応じた極性を有し、かつ、負荷電流の極性に応じて大きさが異なる補償量を演算することを特徴とする直接変換器の制御装置。
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