JP4893219B2

JP4893219B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4893219B2
Application number: JP2006280871A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎永田; 俊昭奥山; 茂俊岡松; 晃一宮崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: CA2598099C; CA2598099A1; US7869232B2; CN101166004A; JP2008099496A; CN101166004B; US20080088291A1

Description

本発明は、電圧指令値に基づいて、電源電圧を任意の周波数の交流に変換する電力変換装置に係わり、特に電動機の可変速運転を行う際に電源電圧が変動する場合の電圧制御技術に関する。

例えば電動機を駆動するための電力変換装置における従来例を図８を用いて説明する。図８では、商用電源１からの３相交流電圧をダイオード部２で整流し、平滑コンデンサ３で平滑することで直流電圧Ｖｄｃに変換する。Ｖｄｃはインバータ部４により交流電圧に変換される。インバータからの出力電圧は電動機７に印加され、電動機を回転させる。またインバータ部４を制御するものとして、電圧指令演算部８では、電流検出器５，電圧検出器６からの検出電流ＩＦＢ，検出電圧ＶＦＢを用いて、所望の速度指令値に応じた出力電圧指令Ｖ^* を演算する。更に、ゲートパルス生成部９では、例えば電圧指令とキャリア波形を比較する事でＰＷＭ変調されたゲートパルスを発生させ、インバータ部４のスイッチング素子のオンオフを制御する。これによりインバータ出力電圧は、電圧指令値と直流電圧の積に比例したものとなる。ここで、商用電源１の電圧が変動した場合、直流電圧
Ｖｄｃが変動し、インバータ出力電圧がその影響を受け、過電流などの問題が生じる恐れがある。そこで、従来技術では、例えば、特許第３５７３０２８号公報に記載のように、電源変動やＶｄｃの変動に応じて電圧指令Ｖ^* を補正し、インバータ出力電圧の変動を抑制するものがある。これは、電圧低下時には電圧指令値を大きくし、電圧増加時には電圧指令値を小さくすることで、Ｖｄｃの変動による影響を抑え、インバータ出力電圧をほぼ一定に保とうとする。

特許３５７３０２８号公報

しかし、従来方法では、電源変動時における電圧低下に伴い、電圧指令値が大きくなる。電圧低下が小さい場合は、図９（ａ）に示すように、電圧指令値はキャリア振幅よりも小さく、それらの大小関係によって、ゲートパルス生成部９でゲートパルスが生成され、出力電圧は図のようなＰＷＭ波形となる。しかし、電圧低下が著しい場合であって、図９（ｂ）のように補正された電圧指令値がキャリア振幅より大きくなると、インバータ出力電圧が飽和した状態になる。このような、方形波状電圧の場合、出力電圧に含まれる基本波成分は最大でも方形波振幅の１.２７倍までであり、それ以上の電圧は出せない。このように、出力電圧が飽和した状態では、インバータ出力電圧が低下する。また、出力電圧が方形波に近いと、電動機トルクの脈動が生じる恐れがある。

次に、この状態で電源電圧が増加した（元に戻った）場合、従来方法ではその増加分に応じて電圧指令値を下げる。このため、出力電圧は所望の電圧指令相当の大きさになる。しかし、この時、出力電圧が低下した状態から急峻に変化（この場合は増加）する事になり、その電位差（それまでに低下していた電動機内部電圧と戻った出力電圧の差）によって大きな電流が流れる恐れがある。

本発明の目的は、電源変動が急峻且つ大きな場合においても、電圧を連続的に出力し、電動機の過大電流やトルク脈動などを防止し、安定した電動機駆動を行える電力変換装置を提供することである。

本発明の電力変換装置は、電源電圧を任意の周波数の交流に変換し、電源変動時においても出力電圧を一定に保つための機能を備えた電力変換装置において、電源電圧が所定値以下に低下した場合は出力電圧を低減し、その後、電源電圧増加時には、所定の変化率で出力電圧を増加させることを特徴とする。

本発明によれば、電動機の駆動時において、電源電圧が急峻且つ大きく変動した場合においても、出力電圧を連続的に変化させ、電動機のトルク脈動や過大電流を防止し、安定した電動機駆動を行える効果がある。

以下本発明の詳細について図面を用いながら説明する。

本実施例の電力変換装置について、図１から図４を用いて、図８の従来例と異なる部分について説明する。図１は全体図を、図２は動作、図３は本実施例の構成の一部を示す。また、図４では電源変動時の電流について、従来技術と本発明におけるシミュレーション結果を示す。図１では、電圧指令演算部８とゲートパルス生成部９の間に、電圧指令補正部１０を設ける。電圧指令補正部１０の内部について以下に説明する。直流電圧推定部
２１では、インバータ出力電圧検出値ＶＦＢと最終的な電圧指令値Ｖ^*** を用いて、直流電圧推定値Ｖｄｃ＾を演算する（図２（ａ））。図２では一例として、電源電圧が定格
（１倍）から１／１.３倍に低下し、その後１倍に戻った場合を示す。例えば、Ｖｄｃ＾はＶＦＢとＶ^*** の大きさの比｜ＶＦＢ｜／｜Ｖ^*** ｜を用い、数１のように演算する。尚、大きさとは各々の成分の２乗和の平方根に比例する値とする。

Ｖｄｃ＾＝｜ＶＦＢ｜／｜Ｖ^***｜×Ｖｄｃ定格値（数１）
電圧指令補正値演算部Ａ２２では、Ｖｄｃ＾を用いて、出力電圧を一定に保つための電圧指令補正値ｘＶ^* を演算する（図２（ｂ））。例えば、ｘＶ^* は数２のように設定し、図２（ｂ）では、ｘＶ^* ＝１.３となる。

ｘＶ^* ＝Ｖｄｃ定格値／Ｖｄｃ＾（数２）
電圧指令補正部Ａ２４では、ｘＶ^* を用いて電圧指令Ｖ^* を補正し、電圧指令Ｖ^**を演算する。これにより電圧指令Ｖ^* は［電源電圧所定値（本実施例ではＶｄｃ定格値）／検出された電源電圧（本実施例ではＶｄｃ＾）］倍することで、電源電圧の増減に応じて電圧指令を補正し、出力電圧を一定に保つ。

次に、電圧指令補正値演算部Ｂ２３では、電源電圧低下時にＶ^**が所定値（最大出力電圧相当）よりも大きくなり、出力電圧が飽和しそうな場合は、飽和しないようにＶ^**を低減補正するための補正量ｘＶ^**を出力する（図２(ｃ)）。図２（ｃ）では、Ｖ^* が１.１倍になった場合、所定値（最大出力電圧相当）を超え、飽和するとして、飽和時における電圧指令値が上記所定値相当になるように、ｘＶ^**＝１.１／１.３とする。また、該電源電圧が低下した状態から電圧が増加した際には、出力電圧の急峻な変化を防止するため、電圧増加直前のｘＶ^**を初期値とし、徐々にｘＶ^**を増加させる。（図２（ｃ））。具体例としては、電圧指令補正値演算部Ｂ２３では図３のようにｘＶ^**を演算する。図３では、飽和時電圧指令補正項演算部１０１で、Ｖ^**の大きさ｜Ｖ^**｜が出力最大電圧相当より大きくなる場合は出力電圧が飽和すると判断し、補正項ｘＶ^**として、例えば、出力最大電圧／｜Ｖ^**｜を出力する（飽和しない場合には１となる）。また、電圧増加時電圧指令補正項演算部１０２では、例えばＶ^**が低下した場合、電圧が増加したと判断し、飽和時電圧指令補正項演算部１０１による低減分と同じ補正分を出力し、その後所定の変化率で上記補正分を０にする。この所定の変化率は、所定の時定数や階段状に変化するものでよい。またこの変化率を、Ｖｄｃ＾が増加した際の変化率よりも遅くすることで、インバータと電動機の間に急峻な電位差を発生させず、過大電流を防止する。電圧指令補正項演算部１０３では、これらの和をとりｘＶ^**を演算する。そして図１の電圧指令補正部Ｂ２５ではＶ^**とｘＶ^**を用い、最終的な電圧指令値Ｖ^*** を演算する。

ここで、ｘＶ^* とｘＶ^**の積、ｘＶ^*** はＶ^* がＶ^*** に直接変換される場合の補正項となる（図２（ｄ））。ｘＶ^*** は、電圧低下時においては、その低下分に応じて増加させるが、その増加分が大きく出力電圧が飽和しそうな場合は、飽和しないように低減補正される。図２（ｄ）では、ｘＶ^*** は１.１倍より大きいと飽和するため、ｘＶ^*** ＝
１.１となる。これにより、出力電圧は変動前の１.１／１.３倍に下がる（図２(ｅ)）。またこのように電源電圧が下がった状態から元に戻った場合、ｘＶ^*** は、１.１／１.３を初期値として徐々に１になり（図２（ｄ））、出力電圧は急峻に変動せず、電源電圧増加前の値を初期値として徐々に増加する（図２（ｅ））。

以上により、本実施例では、出力電圧を一定に保つために電圧指令を補正するが、電圧低下時に出力電圧が飽和しそうな場合は電圧指令を低減制御して出力電圧飽和を防止し、その後の電圧増加時においては、出力電圧を連続的に増加させる。これにより、従来の課題で述べたような過大電流やトルク脈動は発生しない。図４に本発明の効果を示すため、電源変動により直流電圧が８０％から１１０％に変動した場合の電流について、シミュレーションを行った結果を示す。従来方法（図４（ａ））では、電流が定格値の２５０％流れる条件に対し、本発明（図４（ｂ））を用いる事により１５０％に低減できる。

次に、本発明の第２の実施例について、第１の実施例と異なる点について説明する。第１の実施例では、ｘＶ^* やｘＶ^**を別々に演算し、Ｖ^* に各々積算して、最終的な電圧指令Ｖ^***を演算しているが、これ以外にも、ｘＶ^* ×ｘＶ^**に相当するものを直接求め、Ｖ^*からＶ^***を直接演算しても良い。またＶ^* に対する補正比としてｘＶ^* ，ｘＶ^**を求め、Ｖ^* に積算するのではなく、Ｖ^* に和算して補正するように補正項を求めても良い。また、Ｖ^* ，Ｖ^**は交流でもよく、また、一般的なｄ軸，ｑ軸にベクトル制御された直流の電圧指令値でもよい。Ｖ^*** がｄ，ｑ軸の直流電圧の場合、Ｖ^*** は交流に座標変換して出力する。本実施例では第１の実施例と同等の効果を得ることが出来る。

次に、本発明の第３の実施例について、図５を用い、電圧指令補正部３０における動作について述べる。本実施例では、電源電圧推定及び電圧指令演算については、実施例１と同様、直流電圧推定部２１，電圧指令補正値演算部Ａ２２，電圧指令補正部Ａ２４を用いて、出力電圧を一定に保つための電圧指令Ｖ^**を演算する。電圧指令補正部Ｃ３１では、電源電圧低下時には出力電圧が飽和しないように、電圧指令Ｖ^**を低減する。第１の実施例と異なる点として、電圧指令補正部Ｃ３１では、電源電圧増加時には電圧増加直前の
｜ＶＦＢ｜を初期値として、その後徐々に出力電圧を増加させるようにＶ^**を補正し、
Ｖ^*** を出力する。その増加変化率はＶｄｃ＾の増加変化率より遅ければよい。

以上により、本実施例では、電圧検出値ＶＦＢを用いて、電源電圧増加時における出力電圧を連続的に変化させることを特徴とし、実施例１と同様に、電源電圧低下時においては、出力電圧の飽和を防止し、電源電圧増加時には出力電圧の急峻な変動を防止する事で、過大電流やトルク脈動を防止するという効果がある。

次に、本発明の第４の実施例について、第１の実施例と異なる点について説明する。図６では、電圧検出器４１を用い、商用電源１の電圧を検出する。この電圧検出値を用い、電圧指令補正部１０内の電源変動演算部４２において、商用電源の変動を検出する。本実施例では、検出した商用電源の変動に比例してＶｄｃが変動すると考え、電圧指令演算部４３で、実施例１と同様な制御を行う事で、実施例１と同様、電源変動時における過大電流を防止する効果がある。尚、商用電源電圧を検出せずに、Ｖｄｃを直接検出しても同様の効果を得ることが出来る。

次に、本発明の第５の実施例について、第１の実施例と異なる点について説明する。図７では、多重巻き線トランス５１を用い、単相インバータ５２を多重接続した多重電力変換装置を示す。単相インバータ５２は、各相あたり１つ以上設置する。更に、実施例１と同様に、電圧変動による直流電圧の変動に応じて、電圧指令Ｖ^*** を演算する。尚、VFBを用い、Ｖｄｃ＾の平均値を検出し、Ｖ^*** を制御する。また、実施例３で述べたように、商用電源１の電圧検出値から電源変動を検出してもよく、全てもしくは複数のＶｄｃを直接検出して、Ｖ^*** 演算に用いても良い。このように、実施例１では三相出力の２レベルインバータでの構成を示していたが、本実施例のように多重型の変換器でも、本発明を適用する事により、実施例１と同様の効果を得ることが出来る。また、これ以外に、電源電圧を任意の周波数の交流に変換する変換器であれば、例えば、中性点クランプ型の３レベルインバータやマトリクスコンバータなどにも適用できる。また、交流→直流変換部はダイオード整流を図示したが、スイッチング素子を用いたコンバータでもよい。またスイッチング素子として、記号ではＩＧＢＴを示したが、これ以外にＧＴＯ，ＳｉＣといったパワーエレクトロニクスで用いられるスイッチング素子であれば同様の効果を得る事が出来る。

実施例１の電力変換装置の構成図である。実施例１に係わる電圧指令補正用の波形を示す図である。実施例１に係わる電圧指令補正値演算部Ｂ２３を示す図である。本発明の効果を示すシミュレーション波形である。実施例３の電圧指令補正部に係わる部分を示した図である。実施例４の電力変換装置の構成図である。実施例５の電力変換装置の構成図である。従来技術の電力変換装置の構成図である。出力電圧飽和時の波形を示した図である。

符号の説明

１商用電源
２ダイオード部
３平滑コンデンサ
４インバータ部
５電流検出器
６，４１電圧検出器
７電動機
８，４３電圧指令演算部
９ゲートパルス生成部
１０，３０電圧指令補正部
２１直流電圧推定部
２２電圧指令補正値演算部Ａ
２３電圧指令補正値演算部Ｂ
２４電圧指令補正部Ａ
２５電圧指令補正部Ｂ
３１電圧指令補正部Ｃ
４２電源変動演算部
５１多重巻き線トランス
５２単相インバータ
１０１飽和時電圧指令補正項演算部
１０２電圧増加時電圧指令補正項演算部
１０３電圧指令補正項演算部

Claims

電源電圧を任意の周波数の交流に変換する電力変換装置において、その出力が電圧指令に応じて制御されるものであって、前記電源電圧が低下したときに前記電圧指令値を増加させ、前記電源電圧が前記低下から回復したときに前記電圧指令値を減少させるものであり、
前記電源電圧が低下して前記電圧指令値を増加させるとき、前記電圧指令値の増加によって前記出力電圧が飽和しそうな場合、前記電圧指令値の増加を抑制させるように前記電圧指令値に対して第１の補正を行い、
前記電源電圧が低下から回復して前記電圧指令値を減少させるとき、前記電圧指令値をさらに減少させ、且つ、前記第１の補正量が小さければそれに応じて小さい補正量となる第２の補正を、前記電圧指令値に対して行い、
さらに、所定の変化率で前記出力電圧が増加するように前記電圧指令値に対して第３の補正を行うことを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記所定の変化率での出力電圧の増加は、電源電圧増加前の出力電圧を初期値とすることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記所定の変化率は、所定の時定数又は階段状であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記電源電圧は交流電源から検出することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記電源電圧の低下は、電力変換器の直流電圧が所定値以下であることを特徴とする電力変換装置。
請求項５において、
前記直流電圧は、電力変換器の直流電圧を直接検出することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記電源電圧の低下は、電力変換器の直流電圧推定値が所定値以下であることを特徴とする電力変換装置。
請求項７において、
前記直流電圧推定値は、電力変換器の出力電圧検出値と電力変換器の出力電圧指令値との比とから求められることを特徴とする電力変換装置。