JP4626259B2 - 電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、前述の構成においては、DCDCコンバータを使っているため、電源と電力変換装置、モータを全て含めたシステム全体の体積が大きくなるとともに、バッテリーを充放電するためにはDCDCコンバータを通過するために損失が発生する。
第1および第2の直流電源をそなえ、前記第1の直流電源の正極と前記第2の直流電源の負極とを接続して形成される極と、前記第1の直流電源の負極と、前記第2の直流電源の正極から、負荷(モータなど)へ接続する極を切り替えて電圧を印加する電力変換装置の制御方法であって、
電圧指令が前記第1の直流電源から出力される電位未満のとき、前記第1の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記電圧指令が前記第1の直流電源から出力される電位以上のとき、前記第2の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記決定するステップによって前記負荷へ接続する極を切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする。
第1および第2の直流電源をそなえ、下段搬送波と上段搬送波の2つの搬送波を使用し、前記第1の直流電源の正極と第2の直流電源の負極とを接続して形成される極と、前記第1の直流電源の負極と、前記第2の直流電源の正極から、負荷へ接続する極を切り替えて電圧を印加する電力変換装置の制御方法であって、
電圧指令と前記下段搬送波との比較によって、第1の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記電圧指令と前記上段搬送波との比較によって、第2の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記決定するステップによって前記負荷へ接続する極を切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする。
第1と第2の直流電源をそなえ、下段搬送波と上段搬送波の2つの搬送波を使用する電力変換装置であって、前記第1の直流電源の正極と前記第2の直流電源の負極とを共通母線に接続して極を形成し、前記第1の直流電源の負極母線と出力端子との間にこの出力端子から前記第1の直流電源の負極母線へ導通するスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続されたダイオードと、前記出力端子と前記共通母線との間に双方向への導通を選択可能なスイッチと、前記出力端子と第2の直流電源の正極母線との間に、双方向への導通を選択可能なスイッチとをそなえ、負荷へ接続する極を切り替えて電圧を印加する電力変換装置の制御方法であって、
電圧指令と前記下段搬送波との比較によって前記第1の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記電圧指令と前記上段搬送波との比較によって前記第2の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記決定するステップによって前記負荷へ接続する極を切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする。
下段搬送波の下限値を前記第1の直流電源の負極の電位に設定するステップと、
下段搬送波の上限値と上段搬送波の下限値とを、前記第1の直流電源の正極と第2の直流電源の負極とを接続して形成される極の電位に設定するステップと、
上段搬送波の上限値を前記第2の直流電源の正極の電位に設定するステップと、
を含むことを特徴とする。
前記下段搬送波と前記上段搬送波は三角波である、ことを特徴とする。
少なくとも前記第1及び第2の直流電源の電力配分指令値に基づいて、電力配分指令(例えば、オフセット電圧指令など)を生成する電力配分指令生成ステップと、
トルク指令値、モータ速度などに基づき前記電力変換装置の電圧指令を生成する電圧指令生成ステップと、
前記電力配分指令に前記電圧指令を加算して電圧指令を生成するステップと、
を含むことを特徴とする。
回路図
図1は、本発明による電力変換装置の制御方法の使用に適した電力変換装置の回路図である。第2の直流電源11の負極と第1の直流電源10の正極とが共通母線15に接続され極を形成している。第1の直流電源の負極母線14と3相交流モータ(負荷)17の各相端子間には、一般的に知られている3相インバータの下アームと同様に、半導体スイッチ7a/8a/9aとダイオード7b/8b/9bの組が接続される。共通母線15と3相交流モータ17の各相端子間とは、双方向の導通を制御可能な半導体スイッチ1a/1b,2a/2b,3a/3bでそれぞれ接続する。また、第2の直流電源の正極母線16と3相交流モータ17の各相端子間にも、双方向の導通を制御可能な半導体スイッチ4a/4b,5a/5b,6a/6bをそれぞれ接続する。
第1の負極母線14と共通母線15の間には平滑コンデンサ12を設け、第2の直流電源の正極母線16と共通母線15の間にも平滑コンデンサ13を設ける。また、電力変換装置の負荷として3相交流モータ17が接続される。
このようにして構成される電力変換装置の出力端子の電位については、第1の直流電源の電圧をE1、第2の直流電源の電圧をE2とし、U相端子に着目すると、次のように考えることができる。
図3は、4a/4bがオフ、1bがオンの状態である。この場合、U相端子21の電位は、直流電源E1を元に、スイッチ1aと7aのオン/オフによって動作するインバータと同等に動作させることが可能である。
図4は、7aがオフ、1aと4bがオンの状態である。この場合、U相端子21の電位は、直流電源E2を元に、スイッチ1bと4aのオン/オフによって動作するインバータと同等に動作させることが可能である。
これらの動作は、他の相の端子についても、同じように考えることができ、2つの電源を同時に利用して、または片方のみの電源を利用して、モータを駆動することができる。
図1の電力変換装置の各スイッチをオン/オフさせる駆動信号は、モータのトルク指令と、モータを駆動する際に必要となる電力を2つの電源に分担させる電力配分指令に基づいて生成される。
図7は、図1の電力変換装置におけるこれらの過程を示す制御ブロック図である。モータのトルク指令とモータ回転速度に基づいて、モータに印加する交流電圧を演算するモータ制御器102の細部の構成には、一般的に知られているベクトル制御を用いる。3相交流モータのモータ制御電圧は、3相交流の交流電圧指令値として演算される。
一方、電力配分オフセット制御器101は、2つの電源の電力配分指令値に基づいて、電力配分を実現するオフセット電圧指令値を演算する。このオフセット電圧指令値は、電力配分指令とトルク指令値、モータ回転速度を入力として、オフセット電圧指令値のテーブルを参照することによって得られる。電力配分指令値は、例えば、2つの電源が蓄電池である場合、その充電状態によって、出力電力の配分を調整することで、充放電量を制御するための指令値である。
これら交流電圧指令値とオフセット電圧指令値を加算器103で加算して、電圧指令値変調信号を求め、比較器104の入力とする。
比較器104の動作の詳細を以下に説明する。図5は、電圧指令変調信号の三角波比較によるU相スイッチのオン/オフ動作を示すタイミングチャートである。図5に示すように、比較器104は、180度の位相差がついた上段三角波と下段三角波を持っており、この下段三角波の振幅は第1の直流電源の電圧と等しく、上段三角波の振幅は第2の直流電源の電圧と等しい。これら三角波の底辺及び頂点は、図1の各極母線の電位に相当している。なお、上段三角波と下段三角波には、位相差を設けずとも、同様な電位切替動作が可能である。
まず、第1の直流電源のみで構成するインバータ回路を下段三角波と電圧指令変調信号との比較で駆動する場合を考える。スイッチ1bはオン、4aはオフの状態であり、スイッチ1aと7aのオン/オフを次のように決定する。
・電圧指令変調信号 < 下段三角波 である場合
1a=オフ/7a=オン 1b=オン 4a=オフ 4b=オフ
・電圧指令変調信号 ≧ 下段三角波 である場合
1a=オン/7a=オフ 1b=オン 4a=オフ 4b=オフ
・電圧指令変調信号 < 上段三角波 である場合
4a=オフ/1b=オン 4b=オフ 1a=オン 7a=オフ
・電圧指令変調信号 ≧ 上段三角波 である場合
4a=オン/1b=オフ 4b=オン 1a=オン 7a=オフ
以上の2つの三角波比較をまとめると、以下のようなスイッチの選択方法を得る。
・電圧指令変調信号 < 下段三角波 である場合
1a=オフ/7a=オン 1b=オン 4a=オフ
・下段三角波 < 電圧指令変調信号 < 上段三角波 である場合
1a=オン/7a=オフ 1b=オン 4a=オフ 4b=オフ
・電圧指令変調信号 ≧ 上段三角波 である場合
1a=オン/7a=オフ 1b=オフ 4a=オン 4b=オン
図5は、これらU相スイッチのオン/オフ動作を示したものである。図5において、オン信号がハイのときに、各スイッチがオンする。
図6に、オフセット電圧指令値を加算した電圧指令変調信号と三角波比較の一例をタイミングチャートで示す。図6中のAは、オフセット電圧指令値は第1の直流電源電圧E1の1/2であり、交流電圧指令値の振幅がE1/2よりも小さい時には、電圧指令変調信号は下段三角波とのみの比較となる。
この場合、スイッチ4a/4bはオフの状態であるため、第2の直流電源の出力電力は0となり、電力配分比は、
第1の直流電源:第2の直流電源=100:0
となる。
この場合、スイッチ7aはオフの状態であるため、第1の直流電源の出力電力は0となり、電力配分比は、
第1の直流電源:第2の直流電源=0:100
となる。
第1の直流電源:第2の直流電源=50:50
となる。
さらに、モータ回転数を上昇させると、モータの誘起電圧がそれに伴って上昇するため、モータで同じトルクを出力するためには、回転数上昇とともに、モータへ印加する端子電圧も上昇させなければならない。このような電圧上昇への要求に対しては、DCDCコンバータで昇圧する方法も知られているが、この場合には、インダクタンスや半導体素子での損失と、装置の容積が増大する。
本発明による電力変換器の制御方法を用いる事で、2つの電源の電圧を加算した電圧を利用してモータを駆動できるため、DCDCコンバータを用いずとも、モータの出力範囲を広くとることが可能になる。従って、本方法を用いることによって装置容積の低減、損失の低減を図ることができる。
7b,8b,9b:ダイオード
10:第1の直流電源
11:第2の直流電源
12,13:平滑コンデンサ
14:第1の直流電源の負極母線
15:共通母線
16:第2の直流電源の正極母線
17:3相交流モータ(負荷)
101:電力配分オフセット制御器
102:モータ制御器
103:加算器
104:比較器
Claims (6)
- 第1および第2の直流電源をそなえ、前記第1の直流電源の正極と前記第2の直流電源の負極とを接続して形成される極と、前記第1の直流電源の負極と、前記第2の直流電源の正極から、負荷へ接続する極を切り替えて電圧を印加する電力変換装置の制御方法であって、
電圧指令が前記第1の直流電源から出力される電位未満のとき、前記第1の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記電圧指令が前記第1の直流電源から出力される電位以上のとき、前記第2の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記決定するステップによって前記負荷へ接続する極を切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 第1および第2の直流電源をそなえ、下段搬送波と上段搬送波の2つの搬送波を使用し、前記第1の直流電源の正極と第2の直流電源の負極とを接続して形成される極と、前記第1の直流電源の負極と、前記第2の直流電源の正極から、負荷へ接続する極を切り替えて電圧を印加する電力変換装置の制御方法であって、
電圧指令と前記下段搬送波との比較によって、第1の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記電圧指令と前記上段搬送波との比較によって、第2の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記決定するステップによって前記負荷へ接続する極を切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 第1と第2の直流電源をそなえ、下段搬送波と上段搬送波の2つの搬送波を使用する電力変換装置であって、前記第1の直流電源の正極と前記第2の直流電源の負極とを共通母線に接続して極を形成し、前記第1の直流電源の負極母線と出力端子との間にこの出力端子から前記第1の直流電源の負極母線へ導通するスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続されたダイオードと、前記出力端子と前記共通母線との間に双方向への導通を選択可能なスイッチと、前記出力端子と第2の直流電源の正極母線との間に、双方向への導通を選択可能なスイッチとをそなえ、負荷へ接続する極を切り替えて電圧を印加する電力変換装置の制御方法であって、
電圧指令と前記下段搬送波との比較によって前記第1の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記電圧指令と前記上段搬送波との比較によって前記第2の直流電源の正極と負極との間のスイッチの導通を決定するステップと、
前記決定するステップによって前記負荷へ接続する極を切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置の制御方法において、
下段搬送波の下限値を前記第1の直流電源の負極の電位に設定するステップと、
下段搬送波の上限値と上段搬送波の下限値とを、前記第1の直流電源の正極と第2の直流電源の負極とを接続して形成される極の電位に設定するステップと、
上段搬送波の上限値を前記第2の直流電源の正極の電位に設定するステップと、
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項2〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記下段搬送波と前記上段搬送波は三角波である、
ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置の制御方法において、
少なくとも前記第1及び第2の直流電源の電力配分指令値に基づいて、電力配分指令を生成する電力配分指令生成ステップと、
前記電力変換装置の電圧指令を生成する電圧指令生成ステップと、
前記電力配分指令に前記電圧指令を加算して電圧指令を生成するステップと、
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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