JP5103299B2

JP5103299B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5103299B2
Application number: JP2008168042A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎荒川; 浩一郎永田; 浩之富田; 滋久青柳; 潔坂本
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP2010011639A

Description

本発明は、電流センサなどの外部電流検出手段を用いない電動機駆動のための電力変換装置に関する。

相電流を用いたフィードバック制御により電動機を駆動する電力変換装置では、相電流の検出手段が必要となる。ここで、電流センサなどの外部電流検出手段を用いずに電動機電流を検出する方法が従来より検討されている。例えば、特許文献１には、各相のスイッチング素子のスイッチングに伴って電力変換部主回路の直流母線に流れる相電流相当のパルス状電流を、電流検出手段により検出し、得られた電流検出値を検出時のスイッチング状態から各相に分配することにより、一つの電流検出手段により３相分の相電流を検出・再現することが開示されている。また、上記方法では三相電圧指令の電圧最大値あるいは最小値と電圧中間値との差が小さい場合に、前記パルス状電流の通流時間が短くなり、検出が困難となる問題があった。そこで、例えば特許文献２では、ＰＷＭ周期の前半で電圧最大相の電圧指令値に所定値を加算する、あるいは電圧最小相の電圧指令値に所定値を減算することで、相間電圧値を広げ、パルス状電流の通流時間を一時的に長くすることで相電流を検出・再現することが開示されている。

特開平８−１９２６３号公報特許第３６６４０４０号公報

前述の従来方法では、パルス状電流はスイッチング素子の状態が切り替わらない限り、相電流値は一定と見なせると仮定されていた。しかし、実際にはＰＷＭスイッチングに伴い相電流は基本波成分を中心に増減（以下、ＰＷＭリプルと呼ぶ）しているため、パルス状電流の通流期間においても電流は増加あるいは減少している。

そのため、電動機のインピーダンスが小さく、ＰＷＭリプルが大きくなる場合、電流の基本波成分（以下、真値）からの検出誤差が無視できないものとなり、電流制御性能の低下が問題となる。

本発明の目的は、上述のＰＷＭリプルに起因する検出誤差を解消し、直流母線による相電流の高精度な検出・再現を可能ならしめる電力変換装置を提供することである。

本発明は、三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、ＰＷＭ周期の半周期を単位周期として、単位周期に２相分各１回前記直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングを、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって電流検出手段からタイミングの電流値を取り込む電流検出部とを備え、各相についての検出タイミングを、ＰＷＭ１周期前半での検出タイミングからＰＷＭ１周期の中心までの時間と、ＰＷＭ１周期の中心からＰＷＭ１周期後半検出タイミングまでの時間との差が所定値以内になるよう設定することを特徴とする。

本発明によれば、従来方法では直流母線から電流検出が適切に行えなかったインピーダンスの小さな電動機でも適切な電流検出を実現することが出来る。

本発明の電力変換装置は、三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換するＰＷＭパルス生成部４と、前記ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部５を備え、更に直流母線に電流検出手段３をもち、ＰＷＭスイッチング情報から電流検出タイミングを設定する検出タイミング生成部６と、電流検出手段による直接検出値から前述の誤差を補償する演算を行う誤差補償部８を有する。前記ＰＷＭリプルは、ＰＷＭ周期が電力変換器５の出力周波数に比べて十分速い場合、ＰＷＭ周期の前半と後半でほぼ正負対称となる特性をもつことが知られている。従って、電流検出はＰＷＭ周期の前半と後半で検出可能相の各１相につき１回ずつ実行するものとし、検出タイミングについては図１２に示すようにＰＷＭ周期の中間から前後対称となるようなタイミングをとる。この時ＰＷＭ周期前半に検出した電流値とＰＷＭ周期後半に検出した電流値は共にＰＷＭリプル分誤差を持っているが、誤差分の正負が異なっている。そのため、前記誤差補償部によりリプル分を解消して真値に近い検出値を得ることが可能となる。

以下、具体的に本発明の具体的特徴を列挙する。

本発明は、三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、ＰＷＭ周期の半周期を単位周期として、単位周期に２相分各１回直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングを、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって電流検出手段からタイミングの電流値を取り込む電流検出部とを備え、各相についての前記検出タイミングを、ＰＷＭ１周期前半での検出タイミングからＰＷＭ１周期の中心までの時間と、前記ＰＷＭ１周期の中心からＰＷＭ１周期後半検出タイミングまでの時間との差が所定値以内になるよう設定することを特徴とする。

また、単位周期ごとに三相電圧指令に基づいて算出される第１の補正量を三相電圧指令の少なくとも一相に重畳することでパルス状電流の通流時間を所定時間以上確保する電圧指令補正部を備えることを特徴とし、第１の補正量を電圧指令に加えたことで電力変換部の出力電圧が元の電圧指令から変化した分を補償するために、第１の補正量を重畳して電流検出を行う単位周期を含めた単位周期の整数倍の期間を調整期間とし、調整期間における全補正量の平均値が零もしくは略零になるように、調整期間内で電流検出を行わない単位周期に第１の補正量に基づいた第２の補正量を電圧指令に加えることを特徴とし、或いは、単位周期の奇数倍における補正量の平均値が零もしくは略零となるような補正量を三相電圧指令に加える電圧指令補正部を備えることを特徴とする。

さらに、補正量は、補正量の平均値が零あるいは略零となる期間のうち、少なくとも１回の前記単位周期における補正量が直流母線に流れるパルス状電流の通流期間を所定時間以上確保するものであることを特徴とし、電圧指令補正部によって確保されるパルス状電流の通流時間は、スイッチング素子に起因する電流リンギングノイズの持続時間と電流検出部の検出処理時間に必要な時間から算出される時間である最小パルス幅以上であることを特徴とし、或いは、パルス状電流の通流時間を所定時間に確保する電圧指令補正部は、直流母線に現れるパルス状電流の通流時間が最小パルス幅より短く、検出タイミングによる電流検出が出来ない場合に動作することを特徴とする。

また、ＰＷＭ前半の半周期における検出とＰＷＭ後半の半周期における検出の間にＰＷＭ周期の整数倍の期間だけ電流検出を保留する電流検出保留期間を設けることを特徴とし、電流検出保留期間はＰＷＭ前半の半周期における検出とＰＷＭ後半の半周期における検出の間の時間が、電流検出部の検出処理時間より短い場合に設けることを特徴とし、或いは、ＰＷＭ周期前半で得られた直流母線に流れる電流検出値と、ＰＷＭ周期後半で得られた電流検出値とから電流検出誤差を補償する誤差補償部を有することを特徴とする。

次に、本発明は、三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、ＰＷＭ周期半周期を単位周期として単位周期に２相分各１回直流母線にパルス状に流れる相電流相当のパルス状電流を検出するための電流検出待ち時間を、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって電流検出手段からタイミングの電流値を取り込む電流検出部と、三相電圧指令に基づいた補正量を、ＰＷＭ周期半周期を単位期間として前記三相電圧指令に加えることでパルス状電流の通流時間を所定量である設定パルス幅だけ確保する電圧指令補正部と、設定パルス幅を調整する設定パルス幅調整部と電流検出値から検出精度を算出する電流検出精度演算部とを備えることを特徴とする。

また、設定パルス幅の初期値とパルス状電流の通流時間を、電流検出が十分可能である間確保できる値として設定して電動機を運転させて電流検出を行い、その電流検出値から検出精度演算部により検出精度を算出した後、設定パルス幅を減少させる処理を繰り返し、検出精度が許容精度を下回った時点で、繰り返し処理を打ち切り、最後に検出精度が許容精度を上回った設定パルス幅を以降の最小パルス幅として使用することを特徴とし、或いは、検出待ち時間を減少させて再度検出精度を算出する処理を繰り返し、検出精度が許容精度を下回った時点で、繰り返し処理を打ち切り、最後に検出精度が許容精度を上回った設定パルス幅を以降の最小パルス幅として使用することを特徴とする。

また、設定パルス幅の初期値を、電流検出部の検出処理時間程度の値として電動機を運転させて電流検出を行い、検出値から電流検出精度演算部により検出精度を算出した後、設定パルス幅及び検出待ち時間を増加させて再度検出精度を算出する処理を繰り返し、検出精度が許容精度を下回った時点で、繰り返し処理を打ち切り、最後に検出精度が許容精度を上回った設定パルス幅を以降の最小パルス幅として使用することを特徴とする。

さらに、本発明は、三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、ＰＷＭ周期半周期を単位周期として単位周期に２相分各１回直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングをはかる検出待ち時間を、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部を備え、電流検出値を保存する波形保存部を設け、三相電圧指令の周波数を零あるいは略零として電力変換部を動作させて直流母線から電流検出を行い、検出値を波形保存部に保存を行った後、検出待ち時間を変動させて再度検出値を波形保存部に保存する処理をくりかえし、波形保存部に保存された波形に基づいて最小パルス幅を設定することを特徴とする。

以下、本発明の実施例を図面を用いながら詳細に説明する。

図１に本発明の実施例の全体構成を示す。電力変換部５は各相二個ずつ計６個のスイッチング素子のブリッジ回路で構成され、これを介して直流電源１と三相交流電動機２が接続される。ブリッジ回路と電動機を繋ぐ動力線に三相平衡電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが流れる。相電流の向きは電力変換部５から交流電動機２へ流れる方向を正に取る。

スイッチング素子は各相に上アームと下アームの二個設けられており、二つの素子は同時にオン状態にはならないよう排他的にスイッチングされる。例えばＳｕ＋がオンであるとき、Ｓｕ−はオフとなる。

直流母線上に電流検出手段３を設け、直流母線に流れる電流を検出することができる。直流母線に流れる電流は、三相のうち１相のみが下アームオン状態の場合、その相の相電流が直接直流母線に流れる。また、三相のうち１相のみが上アームオン状態である場合、直流母線にはその相以外の２相の相電流の合計が流れる。三相平衡交流の関係
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０（数１）
から、上アームオンになっている相の正負逆の電流が流れていることになる。三角波比較ＰＷＭの場合、ＰＷＭスイッチングパターンを考慮し、電力変換部５から直流電源１の方向へ流れる向きを正に取ると、直流母線の電流波形は図２のように表される。ここで、この瞬間における三相の電圧指令のうち最大のものをＶ１、最小のものをＶ３、中間のものをＶ２とし、それに対応した相電流をそれぞれＩ１，Ｉ２，Ｉ３とした。図２より明らかに、Ｖ１とＶ２の相間電圧が相電流Ｉ１の直流母線通流時間に直接比例しており、同様にＶ２とＶ３の相間電圧がＩ３の通流時間に直接比例している。ここで、ＰＷＭ周期の前半を三角波が増加している期間として上り期間、後半を同様に下り期間とする。

図２から明らかなように、直流母線電流にはＰＷＭ１周期の半分の間に相電流２相分が各１回ずつ現れる。（数１）より、三相電流のうち２相の電流値が分かれば残り１相は算出することが出来る。ただし三相電圧指令の相間電圧が小さい場合、直流母線電流の通流時間が短くなり、所定時間よりも通流時間が短い場合は検出が不可能となる。

ここで所定時間とは、電流検出部７の処理時間、及びスイッチングに起因するリンギング、そして後述する検出タイミングから決まる時間であり、以後この電流検出可能な通流時間の最小値を最小パルス幅Ｔｐｗとする。

前述の検出可能判定部１２が、相間電圧と最小パルス幅Ｔｐｗの大小関係から電流検出が可能か否かを判定する。

また、前述の検出タイミング生成部６が呼び出され、検出タイミングを設定する。図４は検出タイミング生成部の処理フローの例である。

まずステップ１において、ＰＷＭスイッチングが行われるタイミングを算出する。ＰＷＭ周期の中心（三角波キャリアの頂点に相当するタイミング）を時刻ゼロとして、電圧最大相のブリッジがスイッチングする時間をｔ１ｓｗ、電圧中間層のブリッジがスイッチする時間をｔ２ｓｗと表記する。

続くステップ２において、次の検出が行われる期間が上り期間であるか下り期間であるかによって処理を分岐する。下り期間である場合の電圧最大相電流Ｉ１を検出する待ち時間ｔ１ｂは
ｔ１ｂ＝ｔ１ｓｗ＋ｘ（数２）
となる。ｘはスイッチング時の電圧の跳ね上がりによる誤差を避けるために設けた検出待ち時間である（ｘ＞０）。同様に電圧最小相電流Ｉ３を検出するタイミングｔ３ｂは
ｔ３ｂ＝ｔ２ｓｗ＋ｘ（数３）
と設定される。

また、電流検出期間が上り期間である時の検出待ち時間ｔ１ａは
ｔ１ａ＝Ｔｃ／２−（ｔ１ｓｗ＋ｘ）（数４）
となる。ここでＴｃはＰＷＭ周期１周期分の時間である。

同様にｔ３ａは
ｔ３ａ＝Ｔｃ／２−（ｔ２ｓｗ＋ｘ）（数５）
と表される。以上のように設定することで、上り期間の電流検出タイミングからＰＷＭ周期の中心（三角波キャリアの頂点）までの時間とＰＷＭ周期の中心から下り期間の電流検出タイミングまでの時間の差が、Ｉ１及びＩ３のそれぞれについて所定値より小さくなるようになる。ここで所定値とは、検出タイミング生成部６が設定できる検出タイミングの時間精度によって決まる値である。このとき、上り検出の電流検出値と下り検出の電流検出値にはＰＷＭリプルに起因する誤差が正負逆に現れるため、誤差補償部８により前記誤差の影響を低減することが出来る。誤差補償部８の処理については実施例４〜６に記載した。

なお、図１中では電流検出手段は下アーム側にとりつけられているが、上アーム側でも良い。また、本実施例では電流検出をＰＷＭ一周期内で各相二回行ったが、検出処理が間に合わない場合、上り検出と下り検出の間に一周期以上の検出保留期間を設けても良い。

以上の構成により、ＰＷＭリプルに起因する検出誤差を解消でき、ＰＷＭリプルの大きくなるインピーダンスの小さな電動機でも直流母線からの電流検出による制御駆動が可能となる。

例えば電動機に対する負荷が小さく低速に制御されている場合、電圧指令が小さくなり、直流母線にパルス状電流が現れる時間も短くなるため、検出処理時間が間に合わず、正確な電流検出が困難となる。

図５に本発明の実施例の構成を示す。実施例１の構成に加えて、電圧指令補正部５１を有する。検出可能判定部１２がＩ１あるいはＩ３の少なくとも１相分の電流を正確に検出することが不可能であると判断した場合、電圧指令補正部５１が検出不可能相の直流母線通流時間を所定時間以上確保するよう電圧指令を補正する。例えば、電圧最大相電流Ｉ１が検出不可能と判断された場合、電圧指令補正部は単位周期のみ電圧最大相指令Ｖ１^*に電圧補正量ＤＶ１を重畳して電圧指令をＶ１^**＝Ｖ１^*＋ＤＶ１に更新する。これによりＶ１^**と電圧中間相指令Ｖ２^*との相間電圧は
Ｖ１^*−Ｖ２^*＋ＤＶ１（数６）
となりＤＶ１分だけ大きくなる。よって電圧補正量ＤＶ１は（数６）が前記最小パルス幅Ｔｐｗ相当の電圧量より大きくなるよう設定すればよい。

また、ある期間における出力電圧平均値が総じて補正前と変動しないように、単位周期の整数倍の期間における全補正量の平均値が零あるいは略零となるように補償を行う。ここで略零とは、電圧指令生成部が出力する電圧指令値の量子化誤差などで決まる誤差範囲よりも小さいことを意味している。上の例では前後いずれかのＰＷＭ半周期において、重畳した分の電圧を補償してＶ１^**＝Ｖ１^*−ＤＶ１とする。これによりＰＷＭ１周期での出力電圧平均値は元のＶ１^*と等価となる。この際のＰＷＭ１周期のように、注入電圧と補償電圧の釣り合いの基準となる時間を以下、調整期間と呼ぶ。

電圧最小相Ｉ３が検出不可能と判断された場合は電圧最小相指令Ｖ３^*に所定値電圧ＤＶ３を減算し、Ｖ３^**＝Ｖ３^*−ＤＶ３に更新する（以下、電流検出を行うＰＷＭ半周期を「パルス注入期間」、注入した分の電圧を補償するＰＷＭ半周期を「パルス引抜期間」と呼ぶ）。

パルス注入期間とパルス引抜期間はどちらが先にきても良く、検出処理が間に合わない場合には上り検出と下り検出の間にＰＷＭ周期の整数倍期間の電流検出保留期間を設けても良い。図６に上り検出と下り検出の間にＰＷＭ２周期の検出保留期間を設けた場合の電圧最大相相電流Ｉ１波形及び直流母線電流，検出タイミングを示す。

ここで実施例１と同様に検出タイミングを設定して誤差補償することで、無負荷で低速運転時においても、直流母線からの高精度の電流検出が可能となる。

実施例２と異なる部分を説明する。検出可能判定部１２がＩ１あるいはＩ３の少なくとも１相分の電流を検出不可能と判断した場合、実施例２と同様ＰＷＭ半周期を単位周期として、所定値ＤＶ１あるいはＤＶ３をＶ１^*あるいはＶ３^*に単位周期間重畳して電流検出を行い、検出を行った単位周期を挟んだ前後単位周期ｎ個分、計単位周期２ｎ＋１個分の期間における補正量の平均が零あるいは略零となるように、補償量を重畳する。ここでの略零とは実施例２にて説明した誤差範囲よりも小さいことを意味している。例えば検出を行った単位周期以外の調整期間ではＤＶ１／（２ｎ）もしくはＤＶ３／（２ｎ）を補償する。ここでｎは自然数である。例えばｎ＝１の場合、電圧最大相電流Ｉ１が検出不可能と判断された場合、電圧パルス注入部は、直流母線に現れるＩ１の持続時間を延長して検出を可能とするように、ＰＷＭ半周期間のみＶ１^**＝Ｖ１^*＋ＤＶ１に更新し、電流検出を行う。かつその直前と直後のＰＷＭ半周期において、Ｖ１^**＝Ｖ１^*−ＤＶ１／２とする。これにより調整期間（単位周期３個分）での電圧重畳分の平均は零であり、出力電圧の平均は元のＶ１^*と等価としながら電流検出を可能となる。電圧最小相が検出不可能な場合は実施例２と同様、注入するパルスの正負を逆に設定すればよい。

なお、下り検出と上り検出の間を行う単位周期にはＰＷＭ周期の整数倍の検出保留期間があってもよい。

図７にｎ＝１、前記検出保留期間がＰＷＭ１周期の場合を示す。この場合では前記検出保留期間はパルス引抜期間に一致する。ここで実施例１と同様に検出タイミングを設定することで、パルス注入による電流リプルを抑制し、更にＰＷＭリプルに起因する誤差を抑制することで更に精度の高い電流検出が可能となる。

誤差補償部８について説明する。上り期間に検出した値Ｉ１ａ（またはＩ３ａ）と下り期間に検出した値Ｉ１ｂ（またはＩ３ｂ）は前述のようにＰＷＭに起因する誤差をもっており、例えば
Ｉ１ａ＝Ｉ１ｒｅ＋Ｄｐｗｍ１（数７）
Ｉ１ｂ＝Ｉ１ｒｅ−Ｄｐｗｍ１（数８）
である。ここでＩ１ｒｅは実電流Ｉ１の真値、Ｄｐｗｍ１はキャリアＰＷＭリプルの大きさである。なお、ここではＩ１ａを検出してからＩ１ｂを検出するまでの時間において電圧指令が大きく変化していないものと仮定している。よって
Ｉ１＝（Ｉ１ａ＋Ｉ１ｂ）／２（数９）
とすることで検出値Ｉ１はＩ１ｒｅに等しくなり、正しい値が検出できたことになる。これはＩ３についても同様である。

誤差補償部８の別の実施形態について説明する。検出値Ｉ１ａ及びＩ１ｂに検出順にＩ１ａ[１]，Ｉ１ｂ[１]，Ｉ１ａ[２]，Ｉ１ｂ[２]，…と表す。Ｉ１ｂ[１]を検出してからＩ１ａ[２]を検出するまでの時間が大きくない場合、両者に含まれるＰＷＭリプルの絶対値はほぼ同等で正負が逆転している。よって、前回値あるいは奇数個の前回値との逐次平均をとることで、ＰＷＭリプルを相殺し、真値に近い値を得ることが可能となる。これはＩ３についても同様である。

誤差補償部８の別の実施形態について説明する。誤差補償部において
Ｄｐｗｍ１＝｜Ｉ１ａ−Ｉ１ｂ｜／２（数１０）
とすることで検出値に含まれるＰＷＭリプル誤差の大きさを得ることが出来る。よって、更に
Ｉ１＝Ｉ１ｂ＋Ｄｐｗｍ１あるいはＩ１＝Ｉ１ａ−Ｄｐｗｍ１（数１１）
として電流真値を得る。

Ｄｐｗｍ３＝｜Ｉ３ａ−Ｉ３ｂ｜／２（数１２）
Ｉ３＝−Ｉ３ａ＋Ｄｐｗｍ３あるいはＩ３＝−Ｉ３ｂ−Ｄｐｗｍ３（数１３）
とすることで真値を得られる。

仮にＩ１ａが検出不可能な場合、次の検出値Ｉ１ｂについては、前回算出したＤｐｗｍ１を用いて上記の演算を行うことで補償が可能となる。

本実施例の構成を図８に示す。実施例２及び３と異なる箇所について説明する。直流母線電流のリンギングノイズが未知である場合、仮に設定する最小パルス幅を設定パルス幅と定義する。設定パルス幅Ｔｐｗを設定する設定パルス幅設定部８２と、検出精度を演算する検出精度演算部８１を備える。設定パルス幅の初期値Ｔｐｗ[０]は、電流検出が十分可能な値とし、実際に電流検出を行う。この時パルス注入パターン及び検出タイミングは実施例２及び実施例３に記載の方法のいずれでも良い。この時点での電流検出値をＩｒｅｆ[０]として保存しておく。続いて設定パルス幅を所定量Ｄｔｐｗ（例えばＩｄｃ通流時間１マイクロ秒相当）だけ小さくして
Ｔｐｗ[１]＝Ｔｐｗ[０]−Ｄｔｐｗ（数１４）
として、再度電流検出を行う。この時得られた電流値をＩｒｅｆ[１]としてＩｒｅｆ[０]と比較する。検出精度Ａｃｃ[１]＝Ｉｒｅｆ[１]−Ｉｒｅｆ[０]の絶対量が所定値（例えば定格電流の１０％）以下であれば、更にＴｐｗ[２]＝Ｔｐｗ[１]−Ｄｔｐｗとして電流検出を行う。

上記のようにＴｐｗを徐々に減少させる単純減少列Ｔｐｗ[ｋ]に対して、各場合の電流検出値Ｉｒｅｆ[ｋ]を得る。各Ｉｒｅｆ[ｋ]に対して誤差Ａｃｃ[ｋ]を
Ａｃｃ[ｋ]＝Ｉｒｅｆ[ｋ]−Ｉｒｅｆ[０] （数１５）
と求める処理を、Ａｃｃ[ｋ]の絶対値が所定値より大きくなるまで繰り返し演算，測定を行う。もしＡｃｃ[ｎ]の絶対値において所定値よりも上回った場合、その直前の設定パルス幅Ｔｐｗ[ｎ−１]を以降の最小パルス幅の設定値として使用する。

本実施例によれば、未知のシステムにおいて直流母線電流による電流検出を行った場合でも、リンギング等の誤差要因による精度劣化に対して必要な精度を確保し、かつ必要な電圧パルス補償量を最低限に抑えることで、パルス注入による音の発生を最小限に抑えることが可能となる。

実施例７と異なる部分について説明する。設定パルス幅の初期値Ｔｐｗ[０]は、電流検出が十分可能な値とし、また検出タイミングｔ１ａ[ｋ]，ｔ１ｂ[ｋ]，ｔ３ａ[ｋ]，ｔ３ｂ[ｋ]は図９のようにそれぞれ（数１６），（数１７），（数１８），（数１９）のように書ける。

ｔ１ａ[ｋ]＝ｔ２ｓｗａ＋ｘ[ｋ] （数１６）
ｔ１ｂ[ｋ]＝ｔ１ｓｗｂ＋ｘ[ｋ] （数１７）
ｔ３ａ[ｋ]＝ｔ３ｓｗａ＋ｘ[ｋ] （数１８）
ｔ３ｂ[ｋ]＝ｔ２ｓｗｂ＋ｘ[ｋ] （数１９）
と直流母線電流パルスの立ち上がり時間から一定の期間ｘだけ経た時刻とする。初期状態ｋ＝０ではこの検出タイミングｘ[０]＝Ｔｐｗ[０]とする。この状態で実際に電流検出を行う。この時点での電流値をＩｒｅｆ[０]として保存しておく。続いて最小パルス幅はそのままとして検出タイミングｘ[１]を所定量Ｄｘ（例えば１マイクロ秒程度）減少させ、
ｘ[１]＝ｘ[０]−Ｄｘ（数２０）
のように更新して、再度電流検出を行う。この時得られた電流値をＩｒｅｆ[１]としてＩｒｅｆ[０]と比較する。検出精度Ａｃｃ[１]＝Ｉｒｅｆ[１]−Ｉｒｅｆ[０]の絶対量が所定値（例えば定格電流の１０％）以下であれば、更にｘ[２]＝ｘ[１]−Ｄｘとして電流検出を行う。

上記のように徐々に減少する検出タイミングｘ[ｋ]に対して、各場合の電流検出値Ｉｒｅｆ[ｋ]を得る。各Ｉｒｅｆ[ｋ]に対して誤差Ａｃｃ[ｋ]を
Ａｃｃ[ｋ]＝Ｉｒｅｆ[ｋ]−Ｉｒｅｆ[０] （数２１）
と求める処理を、Ａｃｃ[ｋ]の絶対値が所定値より大きくなるまで繰り返し演算，測定を行う。もしＡｃｃ[ｎ]の絶対値において所定値よりも上回った場合、その直前の検出タイミングｘ[ｎ−１]を以降の最小パルス幅の設定値として使用する。

本実施例によれば、リンギング持続時間が長い環境において直流母線電流による電流検出を行った場合でも、リンギング等の誤差要因による精度劣化に対して必要な精度を確保し、かつ必要な電圧パルス補償量を最低限に抑えることで、パルス注入による音の発生を最小限に抑えることが可能となる。

本実施例と実施例７，８と異なる部分について説明する。実施例９の必要な構成を図１０に示す。各検出タイミングの初期値ｘ[０]は、検出処理に必要な時間程度とし、電動機に直流電流を流す運転を行い、実際に電流検出を行う。電流検出は数回（例えば５回程度）行い、その検出結果を元に電流検出精度演算部がその平均値と分散を演算し、それぞれＡｖｇ[０]，Ｓｒｅｆ[０]として保存しておく。続いて、検出タイミングを所定量Ｄｘ（例えば直流母線電流の通流時間１マイクロ秒相当）だけ大きくして
ｘ[１]＝ｘ[０]＋Ｄｘ
として、再度電流検出を行う。この時得られた電流値の平均及び分散をＡｖｇ[１]，Ｓｒｅｆ[１]として記録する。

上記のように徐々に増加させる検出タイミングｘ[ｋ]に対して、各場合の電流平均及び分散Ａｖｇ[ｋ]，Ｓｒｅｆ[ｋ]を得る処理を繰り返し行う。

もしｎ回目の処理における電流分散Ｓｒｅｆ[ｎ]が所定値よりも下回り、その時の電流平均Ａｖｇ[ｎ]と前回値Ａｖｇ[ｎ−１]の差分が略零であった場合、その時の検出タイミングｘを以降の最小パルス幅の設定値として使用する。

本実施例によれば、未知のシステムにおいて直流母線電流による電流検出を行う場合でも、リンギング等の誤差要因による精度劣化を最小限に留める最小パルス幅を決定でき、また、最小パルス幅同定の際に電圧パルス注入等を必要としないため、音を発生することなく最小パルス幅設定処理を行うことが出来る。

本実施例の実施例９と異なる部分について説明する。本実施例の構成例を図１０に示す。実施例９と異なり、電流検出精度演算部の代わりに検出タイミング及び検出値を保存する直流母線電流波形保存部１１１を備える。検出タイミングは実施例８に記載のように変数ｘ[ｋ]により設定される。ここで電圧指令生成部１１において三相電圧指令の周波数が零あるいは略零となるように出力をさせる。この場合の略零とは、ＰＷＭ周期毎のＰＷＭパルスが十分同じ波形であると見なせるほど、電圧指令のＰＷＭ周期に対する周波数が小さいことを意味する。その際の検出値Ｉｒｅｆ[ｋ]と検出タイミングを直流母線電流波形保存部１１１に保存する。この作業をｘ[ｋ]を変動させながら繰り返し、検出タイミングｘ[ｋ]とそれに対応する検出値Ｉｒｅｆ[ｋ]を得る。これを保存した直流母線電流波形保存部１１１内部には、ｘ[ｋ]と共に推移する電流リンギングに相当する波形が記録される。この波形に基づいて、設定パルス幅設定部１１２が最小パルス幅を決定する。

本実施例によれば、リンギングノイズが定常的な波形として現れる場合でも、誤動作することなく最小パルス幅を決定することが出来る。

実施例１１では、実施例８〜１０で決定された最小パルス幅では設定値の２倍の値を最小パルス幅として設定することで、実施例１〜６の検出タイミングによる直流母線電流が可能となり、更に高精度な電流検出が可能となる。

本発明の実施例１における構成図である。直流母線電流と三相電圧の関係に関する説明図である。本発明における検出タイミングに関する説明図である。本発明の実施例１における検出タイミング生成部６の動作を表すフロー図である。本発明の実施例２における構成図である。本発明の実施例２における電流指令値の変更方法と検出タイミングの説明図である。本発明の実施例３における電流指令値の変更方法と検出タイミングの説明図である。本発明の実施例８における構成図である。本発明の実施例８，９，１０における検出タイミングの説明図である。本発明の実施例１０における構成図である。本発明の実施例１１における構成図である。従来技術との比較による本発明の説明図である。

符号の説明

１直流電源
２交流電動機
３電流検出手段
４ＰＷＭパルス生成部
５電力変換部
６検出タイミング生成部
７電流検出部
８誤差補償部
９電流再現部
１０電流制御部
１１電圧指令生成部
１２検出可能判定部
５１電圧指令補正部
８１検出精度演算部
８２，１０２，１１２設定パルス幅設定部
１０１電流検出精度演算部
１１１波形保存部

Claims

三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、
前記ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、
ＰＷＭ周期の半周期を単位周期として、単位周期に２相分各１回前記直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングを、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、
前記電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって前記電流検出手段から前記タイミングの電流値を取り込む電流検出部と、を備え、
各相についての前記検出タイミングを、ＰＷＭ１周期前半での検出タイミングからＰＷＭ１周期の中心までの時間と、前記ＰＷＭ１周期の中心からＰＷＭ１周期後半検出タイミングまでの時間との差が所定値以内になるよう設定し、
前記単位周期ごとに三相電圧指令に基づいて算出される第１の補正量を前記三相電圧指令の少なくとも一相に重畳することで、前記パルス状電流の通流時間を、前記スイッチング素子に起因する電流リンギングノイズの持続時間と前記電流検出部の検出処理時間に必要な時間から算出される時間である最小パルス幅の２倍以上を確保する電圧指令補正部を備える電力変換装置。
前記第１の補正量を前記電圧指令に加えたことで電力変換部の出力電圧が元の電圧指令から変化した分を補償するために、前記第１の補正量を重畳して電流検出を行う単位周期を含めた前記単位周期の整数倍の期間を調整期間とし、調整期間における全補正量の平均値が零もしくは略零になるように、前記調整期間内で電流検出を行わない単位周期に前記第１の補正量に基づいた第２の補正量を前記電圧指令に加えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記単位周期の奇数倍における補正量の平均値が零もしくは略零となるような前記補正量を前記三相電圧指令に加える電圧指令補正部を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記補正量は、補正量の平均値が零あるいは略零となる期間のうち、少なくとも１回の前記単位周期における補正量が直流母線に流れる前記パルス状電流の通流期間を所定時間以上確保するものであることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記パルス状電流の通流時間を所定時間に確保する前記電圧指令補正部は、直流母線に現れる前記パルス状電流の通流時間が前記最小パルス幅より短く、上記検出タイミングによる電流検出ができない場合に動作することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、
前記ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、
ＰＷＭ周期の半周期を単位周期として、単位周期に２相分各１回前記直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングを、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、
前記電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって前記電流検出手段から前記タイミングの電流値を取り込む電流検出部と、を備え、
各相についての前記検出タイミングを、ＰＷＭ１周期前半での検出タイミングからＰＷＭ１周期の中心までの時間と、前記ＰＷＭ１周期の中心からＰＷＭ１周期後半検出タイミングまでの時間との差が所定値以内になるよう設定し、
前記ＰＷＭ前半の半周期における検出と前記ＰＷＭ後半の半周期における検出の間にＰＷＭ周期の整数倍の期間だけ電流検出を保留する電流検出保留期間を設けることを特徴とする電力変換装置。
前記電流検出保留期間は前記ＰＷＭ前半の半周期における検出と前記ＰＷＭ後半の半周期における検出の間の時間が、前記電流検出部の検出処理時間より短い場合に設けることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、
前記ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、
ＰＷＭ周期の半周期を単位周期として、単位周期に２相分各１回前記直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングを、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、
前記電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって前記電流検出手段から前記タイミングの電流値を取り込む電流検出部と、を備え、
各相についての前記検出タイミングを、ＰＷＭ１周期前半での検出タイミングからＰＷＭ１周期の中心までの時間と、前記ＰＷＭ１周期の中心からＰＷＭ１周期後半検出タイミングまでの時間との差が所定値以内になるよう設定し、
ＰＷＭ周期前半で得られた直流母線に流れる電流検出値と、ＰＷＭ周期後半で得られた電流検出値と、から電流検出誤差を補償する誤差補償部を有することを特徴とする電力変換装置。
三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、
前記ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、
ＰＷＭ周期半周期を単位周期として単位周期に２相分各１回前記直流母線にパルス状に流れる相電流相当のパルス状電流を検出するための電流検出待ち時間を、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部と、
前記電流検出タイミング生成部の設定するタイミングによって前記電流検出手段から前記タイミングの電流値を取り込む電流検出部と、
三相電圧指令に基づいた補正量を、ＰＷＭ周期半周期を単位期間として前記三相電圧指令に加えることで前記パルス状電流の通流時間を所定量である設定パルス幅だけ確保する電圧指令補正部と、
前記設定パルス幅を調整する設定パルス幅調整部と電流検出値から検出精度を算出する電流検出精度演算部と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記設定パルス幅の初期値とパルス状電流の通流時間とを、電流検出が十分可能である間確保できる値として設定して電動機を運転させて電流検出を行い、その電流検出値から前記検出精度演算部により検出精度を算出した後、前記設定パルス幅を減少させる処理を繰り返し、検出精度が許容精度を下回った時点で、繰り返し処理を打ち切り、最後に検出精度が許容精度を上回った前記設定パルス幅を以降の最小パルス幅として使用することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
前記設定パルス幅の初期値を、パルス状電流の通流時間を、電流検出が十分可能である間確保できる値として設定し電動機を運転させて電流検出を行い、検出値から前記電流検出精度演算部により検出精度を算出した後、前記検出待ち時間を減少させて再度検出精度を算出する処理を繰り返し、検出精度が許容精度を下回った時点で、繰り返し処理を打ち切り、最後に検出精度が許容精度を上回った前記設定パルス幅を以降の最小パルス幅として使用することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
前記設定パルス幅の初期値を、前記電流検出部の検出処理時間程度の値として電動機を運転させて電流検出を行い、検出値から前記電流検出精度演算部により検出精度を算出した後、前記設定パルス幅及び前記検出待ち時間を増加させて再度検出精度を算出する処理を繰り返し、検出精度が許容精度を下回った時点で、繰り返し処理を打ち切り、最後に検出精度が許容精度を上回った前記設定パルス幅を以降の最小パルス幅として使用することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
三相電圧指令を搬送波と比較してＰＷＭパルスに変換する手段と、
前記ＰＷＭパルスに基づきスイッチング素子を駆動し直流電圧を三相交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部主回路の直流母線に流れる電流を検出する手段と、
ＰＷＭ周期半周期を単位周期として単位周期に２相分各１回前記直流母線にパルス状に流れる相電流と同量のパルス状電流を検出するタイミングをはかる検出待ち時間を、三相電圧指令に基づいて設定する電流検出タイミング生成部を備え、
電流検出値を保存する波形保存部を設け、前記三相電圧指令の周波数を零あるいは略零として前記電力変換部を動作させて直流母線から電流検出を行い、検出値を前記波形保存部に保存を行った後、前記検出待ち時間を変動させて再度検出値を波形保存部に保存する処理を繰り返し、前記波形保存部に保存された波形に基づいて最小パルス幅を設定することを特徴とする電力変換装置。