JP5132848B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換装置は、相電流ラインを流れる相電流を検出する電流センサと、Pラインの電位を基準とした前記相電流ラインの第1の相電圧を検出する第1の相電圧検出部と、Nラインの電位を基準とした前記相電流ラインの第2の相電圧とを検出する第2の相電圧検出部と、前記第1の相電圧の大きさ及び符号と前記第2の相電圧の大きさ及び符号とに基づいて、前記相電流ラインを流れる相電流のゼロクロス点のタイミングを推定する推定部と、前記推定されたゼロクロス点のタイミングにおける前記電流センサの検出値に応じて、前記電流センサの検出値に対する補正値を求める計算部と、前記求められた補正値を用いて、前記電流センサの検出値を補正する補正部とを備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
従来から、電力変換装置において電流センサで電流を検出することが行われている。この電流センサは、オフセットを有することが知られている。
特許文献1には、複数のモータと複数のインバータ回路とを備えたモータ駆動システムにおいて、制御回路が、各インバータ回路ごとに、電流センサが無通電状態であることと判断すると、無通電状態の電流センサの測定データを所定回サンプリングし、サンプリングされた測定データの平均値によってオフセット値を更新することが記載されている。これにより、特許文献1によれば、モータ駆動システムの動作時に、更新されたオフセット値を用いて電流センサの測定データの零点調整を行うので、各インバータ回路に対応する電流センサの零点調整を他のインバータ回路からのノイズ影響を排除して高精度に行うことができるとされている。
特開2006−258745号公報
特許文献1に記載の技術では、電流センサが無通電状態であるときにのみ電流センサの測定データをサンプリングするものであり、インバータにおいて出力電流がゼロであることを明確に判断できる期間は停止時に限られていることを前提としている。しかし、停止時にオフセット値(補正値)を求めても、長期間連続運転した際には電流センサのオフセットが温度などによりずれていき、適切な補正が行えなくなる可能性がある。適切な補正が行えないと、正確に相電流を検出することが困難になり、検出された相電流を用いてモータ駆動システム(電力変換装置)における制御動作を正確に行うことも困難になる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、運転動作を継続しながら適切な補正を行うことができる電力変換装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の1つの側面にかかる電力変換装置は、相電流ラインを流れる相電流を検出する電流センサと、Pラインの電位を基準とした前記相電流ラインの第1の相電圧を検出する第1の相電圧検出部と、Nラインの電位を基準とした前記相電流ラインの第2の相電圧とを検出する第2の相電圧検出部と、前記第1の相電圧の大きさ及び符号と前記第2の相電圧の大きさ及び符号とに基づいて、前記相電流ラインを流れる相電流のゼロクロス点のタイミングを推定する推定部と、前記推定されたゼロクロス点のタイミングにおける前記電流センサの検出値に応じて、前記電流センサの検出値に対する補正値を求める計算部と、前記求められた補正値を用いて、前記電流センサの検出値を補正する補正部とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、運転動作を継続しながら、電流センサのオフセットに対応した補正値を随時求めることができる。すなわち、運転動作を継続しながら適切な補正を行うことができる。
図1は、実施の形態1にかかる電力変換装置の構成を示す図である。 図2は、実施の形態1における電流パターンを示す図である。 図3は、実施の形態1における電流パターンと電流の向きとの関係を示す図である。 図4は、実施の形態1における第1の相電圧検出部及び第2の相電圧検出部の構成を示す図である。 図5は、実施の形態1における推定部の動作を示す図である。 図6は、実施の形態1における推定部の動作を示す図である。 図7は、実施の形態1における計算部の構成を示す図である。 図8は、実施の形態1における補正部の構成を示す図である。 図9は、実施の形態1の変形例における計算部の構成を示す図である。 図10は、実施の形態1の変形例における計算部の構成を示す図である。 図11は、実施の形態1の変形例における計算部の構成を示す図である。 図12は、実施の形態2にかかる電力変換装置の構成を示す図である。 図13は、実施の形態2における計算部の動作を示す図である。 図14は、比較例にかかる電力変換装置の構成を示す図である。
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
実施の形態1にかかる電力変換装置1について図1を用いて説明する。図1は、電力変換装置1の構成を示す図である。
電力変換装置1は、供給された電力を他の電力に変換し、変換された電力を出力する。電力変換装置1は、例えばインバータであり、供給された直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を所定の制御対象(例えば、モータなど)に出力する。あるいは、電力変換装置1は、例えばコンバータであり、供給された交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を所定の制御対象(例えば、インバータなど)に出力する。あるいは、電力変換装置1は、例えば昇圧チョッパ又は降圧チョッパであり、供給された直流電力を電圧レベルの異なる直流電力に変換し、変換された直流電力を所定の制御対象に出力する。以下では、電力変換装置1がインバータである場合について例示的に説明するが、以下の説明は、電力変換装置1が他の形態、例えばコンバータや昇圧チョッパ又は降圧チョッパなどである場合にも同様に適用可能である。
電力変換装置1は、図1に示すように、インバータ回路90、電流センサ10−u、10−v、10−w、第1の相電圧検出部20、第2の相電圧検出部30、推定部40、計算部50、補正部60、制御系70、及びPWM回路80を備える。
インバータ回路90は、それぞれ母線であるPラインLp及びNラインLnを介して直流電力を受ける。この直流電力は、端子P、Nを介して供給され平滑コンデンサCにより平滑化されたものである。インバータ回路90は、受けた直流電力を交流電力に変換する。
具体的には、インバータ回路90は、複数のスイッチング素子Q1−u、Q1−v、Q1−w、Q2−u、Q2−v、Q2−w、及び複数の還流ダイオードD1−u、D1−v、D1−w、D2−u、D2−v、D2−wを有する。複数のスイッチング素子Q1−u、Q1−v、Q1−wは、上アームの複数のスイッチング素子を構成し、複数のスイッチング素子Q2−u、Q2−v、Q2−wは、下アームの複数のスイッチング素子を構成する。複数のスイッチング素子Q1−u、Q1−v、Q1−w、Q2−u、Q2−v、Q2−wは、PWM回路80から供給されるPWM信号に応じて、それぞれ所定のタイミングでオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Q1−u、Q2−uは、U相電流に対応したオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Q1−v、Q2−vは、V相電流に対応したオン・オフ動作を行う。スイッチング素子Q1−w、Q2−wは、W相電流に対応したオン・オフ動作を行う。これにより、直流電力が、U相電流、V相電流、W相電流を含む交流電力に変換される。
インバータ回路90は、変換された交流電力をU相電流ラインL−u、V相電流ラインL−v、W相電流ラインL−w経由で制御対象(図示せず)に出力する。
電流センサ10−u、10−v、10−wは、それぞれ、U相電流ラインL−u、V相電流ラインL−v、W相電流ラインL−wを流れるU相電流、V相電流、W相電流を検出する。電流センサ10−u、10−v、10−wは、例えば、ホール素子を使用したものであってもよいし、シャント抵抗を使用したものであってもよい。電流センサ10−u、10−v、10−wは、それぞれ、U相電流、V相電流、W相電流の検出値を計算部50及び補正部60へ供給する。
第1の相電圧検出部20は、PラインLpの電位を基準とした相電流ラインの第1の相電圧を検出する。例えば、第1の相電圧検出部20は、PラインLpの電位を基準としたU相電流ラインL−uの第1のU相電圧V1−uを検出する。例えば、他の第1の相電圧(第1のV相電圧、第1のW相電圧)についても同様に検出する。すなわち、第1の相電圧検出部20は、複数の第1の相電圧(第1のU相電圧、第1のV相電圧、第1のW相電圧)のそれぞれを並行して検出してもよい。そして、第1の相電圧検出部20は、検出された結果を推定部40へ供給する。
第2の相電圧検出部30は、NラインLnの電位を基準とした相電流ラインの第2の相電圧を検出する。例えば、第2の相電圧検出部30は、NラインLnの電位を基準としたU相電流ラインL−uの第2のU相電圧V2−uを検出する。例えば、他の第2の相電圧(第2のV相電圧、第2のW相電圧)についても同様に検出する。すなわち、第2の相電圧検出部30は、複数の第2の相電圧(第2のU相電圧、第2のV相電圧、第2のW相電圧)のそれぞれを並行して検出してもよい。そして、第2の相電圧検出部30は、検出された結果を推定部40へ供給する。
推定部40は、第1の相電圧の検出結果を第1の相電圧検出部20から受け、第2の相電圧の検出結果を第2の相電圧検出部30から受ける。推定部40は、第1の相電圧の検出結果から第1の相電圧の大きさ及び符号を特定し、第2の相電圧の検出結果から第2の相電圧の大きさ及び符号を特定する。推定部40は、第1の相電圧の大きさ及び符号と第2の相電圧の大きさ及び符号とに基づいて、相電流ラインを流れる相電流のゼロクロス点のタイミングを推定する。例えば、推定部40は、第1の相電圧V1−uの大きさ及び符号と第2の相電圧V2−uの大きさ及び符号とに基づいて、U相電流ラインL−uを流れるU相電流のゼロクロス点のタイミングを推定する。例えば、他の相電流(V相電流、W相電流)についても同様に推定する。すなわち、推定部40は、複数の相電流(U相電流、V相電流、W相電流)のそれぞれについてゼロクロス点のタイミングを並行して推定してもよい。
具体的には、推定部40は、第1の相電圧の大きさ及び符号と第2の相電圧の大きさ及び符号とに基づいて相電流ラインを流れる相電流の向きを推定し、推定される相電流の向きが反転するタイミングを相電流のゼロクロス点のタイミングとして推定する。推定部40は、推定されたゼロクロス点のタイミングを示す信号(例えば、変化検出信号)を計算部50へ供給する。
計算部50は、推定されたゼロクロス点のタイミングを示す信号を推定部40から受け、U相電流、V相電流、W相電流の検出値をそれぞれ電流センサ10−u、10−v、10−wから受ける。計算部50は、推定部40により推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサの検出値を取り込む。例えば、計算部50は、推定されたU相電流のゼロクロス点のタイミングで電流センサ10−uの検出値を取り込み、取り込まれた検出値を用いて、U相電流の検出値に対する補正値を求める。例えば、他の相電流(V相電流、W相電流)についても同様に補正値を求める。すなわち、計算部50は、複数の相電流(U相電流、V相電流、W相電流)のそれぞれについて検出値に対する補正値を求める処理を並行して行ってもよい。そして、計算部50は、求められた補正値を補正部60へ供給する。
補正部60は、求められた補正値を計算部50から受け、U相電流、V相電流、W相電流の検出値をそれぞれ電流センサ10−u、10−v、10−wから受ける。補正部60は、受けた補正値を用いて、電流センサの検出値を補正する。例えば、補正部60は、U相電流の補正値を用いて、電流センサ10−uの検出値を補正する。例えば、他の相電流(V相電流、W相電流)についても同様に補正する。すなわち、補正部60は、複数の相電流(U相電流、V相電流、W相電流)のそれぞれについて検出値の補正処理を並行して行ってもよい。そして、補正部60は、補正された相電流の検出値を制御系70へ供給する。
制御系70は、補正された相電流の検出値を補正部60から受ける。すなわち、取り込み部71は、補正された相電流の検出値を取り込む。また、制御系70は、上位のコントローラ(図示せず)から所定の指令を受ける。制御系70は、補正された相電流の検出値に基づいて、所定の指令に従った所定の制御動作を行い、所定の制御信号をPWM回路80へ供給する。
PWM回路80は、所定の制御信号を制御系70から受ける。PWM回路80は、所定の制御信号に従い、PWM信号を生成してインバータ回路90へ供給する。
なお、上記の説明において、「−u」、「−v」、「−w」は、それぞれ、U相、V相、W相を表すものである。以下の説明では、これらの添え字を省略するとともにU相について例示的に説明するが、他の相(V相、W相)についても同様である。
次に、電力変換装置1における相電流のゼロクロス点の推定原理について図2及び図3を用いて説明する。図2(a)〜(f)は、それぞれ、互に異なる電流パターンを示す図である。図3は、互に異なる複数の電流パターンについて、電流パターンと電流の向きとの関係を示す図である。
電力変換装置1(図1参照)では、PラインLpの電位から見た相電圧を第1の相電圧V1、NラインLnの電位から見た相電圧を第2の相電圧V2として、第1の相電圧検出部20及び第2の相電圧検出部30によりこれら第1の相電圧V1、第2の相電圧V2の電圧レベル及び符号を監視し、推定部40により相電流の流れる向きを推定する。推定部40は、推定された相電流の符号(向き)が変化した時点(ほぼ電流ゼロの瞬間と見なせる)の電流センサの出力(検出値)を取り込むことで、その値を元に電流センサのオフセット値に対応した補正値を求めることが可能となり、運転動作を継続中に電流センサの検出値に対する補正値の更新を行うことができる。
電力変換装置1における相電流の電流パターンは、例えば、図2(a)〜(f)に示すような6種類の電流パターンCP1〜CP6を含む。
電流パターンCP1は、上アームのスイッチング素子Q1がオンしているとともに下アームのスイッチング素子Q2がオフしており、PラインLpからスイッチング素子Q1経由で相電流ラインLへ相電流が流れ出るようなパターンである(図2(a)参照)。すなわち、電流パターンCP1は、インバータ回路90(図1参照)から相電流ラインLへ相電流が流れ出るようなパターンである。
電流パターンCP2は、上アームのスイッチング素子Q1がオフしているとともに下アームのスイッチング素子Q2がオフしており、NラインLnから還流ダイオードD2経由で相電流ラインLへ相電流が流れ出るようなパターンである(図2(b)参照)。すなわち、電流パターンCP2は、インバータ回路90(図1参照)から相電流ラインLへ相電流が流れ出るようなパターンである。
電流パターンCP3は、上アームのスイッチング素子Q1がオフしているとともに下アームのスイッチング素子Q2がオンしており、相電流ラインLからスイッチング素子Q2経由でNラインLnへ相電流が流れるようなパターンである(図2(c)参照)。すなわち、電流パターンCP3は、相電流ラインLからインバータ回路90(図1参照)へ相電流が流れ入るようなパターンである。
電流パターンCP4は、上アームのスイッチング素子Q1がオフしているとともに下アームのスイッチング素子Q2がオフしており、相電流ラインLから還流ダイオードD1経由でPラインLpへ相電流が流れるようなパターンである(図2(d)参照)。すなわち、電流パターンCP4は、相電流ラインLからインバータ回路90(図1参照)へ相電流が流れ入るようなパターンである。
電流パターンCP5は、上アームのスイッチング素子Q1がオンしているとともに下アームのスイッチング素子Q2がオンしており、PラインLpからスイッチング素子Q1及びスイッチング素子Q2経由でNラインLnへ短絡電流が流れるようなパターン(故障時)である。
電流パターンCP6は、上アームのスイッチング素子Q1がオフしているとともに下アームのスイッチング素子Q2がオフしており、相電流が流れないようなパターン(相電流=0、又は故障時又は停止時)である。
また、電流パターンCP1〜CP6における第1の相電圧V1、第2の相電圧V2の大きさ及び符号と、相電流の向きとの関係は、図3に示す表のようになる。図3に示す表において、Vaはスイッチング素子および還流ダイオードのオン電圧を示し、Vbは直流母線電圧からVaを引いた電圧を示している。一般的には、Va=数V、Vb=数百Vとなり、Va<<Vbの関係がある。
図2及び図3に示されるように、電力変換装置1の運転動作を継続中において電力変換装置1の故障が発生していなければ、電力変換装置1における相電流の電流パターンは、電流パターンCP1〜CP4のいずれかになっていると考えられる(運転中の電流パターンCP5の発生期間は極めて短いため無視できる)。そこで、推定部40は、主として、第1の相電圧V1の大きさ及び符号と第2の相電圧V2の大きさ及び符号とに基づいて、相電流の電流パターンが電流パターンCP1〜CP4のいずれであるのかを推定し、それにより相電流ラインを流れる相電流の向きを推定できる。
なお、電力変換装置1の運転動作を継続中において電力変換装置1の故障や出力断線が発生している場合、電力変換装置1における相電流の電流パターンは、電流パターンCP5(長時間)、CP6になり得る。そこで、推定部40は、第1の相電圧V1の大きさ及び符号と第2の相電圧V2の大きさ及び符号とに基づいて、相電流の電流パターンが電流パターンCP5(長時間)、CP6のいずれであることを推定した場合、電力変換装置1に故障や出力断線が発生していると推定してもよい。この場合、電力変換装置1において、故障や出力断線が発生していることを所定の報知手段(例えば、LEDランプ)により報知してもよい。
次に、第1の相電圧検出部20及び第2の相電圧検出部30の構成について図4を用いて説明する。図4(a)は、第1の相電圧検出部20の構成を示す図であり、図4(b)は、第2の相電圧検出部30の構成を示す図である。
図4(a)、(b)に示すような構成にて、上アーム、下アームにそれぞれ比較器を設け、比較器の出力“H”、“L”により第1の相電圧V1、第2の相電圧V2の大きさ及び符号を特定し、第1の相電圧V1、第2の相電圧V2の大きさ及び符号の組合せにより相電流の向きを推定する。
具体的には、図4(a)に示すように、第1の相電圧検出部20は、比較器21、比較器22、負荷素子23、クランプ素子24、及び電圧発生素子25を有する。比較器21の反転入力端子はPラインLpに接続され、比較器22の反転入力端子は電圧発生素子25を介してPラインLpに接続されている。電圧発生素子25は、比較器21の反転入力端子側が比較器22の反転入力端子側より電位が高くなるような電圧Vcを発生させる。電圧Vcは、スイッチング素子および還流ダイオードのオン電圧Vaよりも十分大きい値(Va<Vc)とする。
比較器21の非反転入力端子と比較器22の非反転入力端子とは、負荷素子23の一端及びクランプ素子24の一端に共通接続されている。負荷素子23の他端は相電流ラインLに接続されている。クランプ素子24の他端は、所定のクランプ電圧−Vdに接続されている。クランプ電圧−Vdの絶対値(Vd)は、スイッチング素子および還流ダイオードのオン電圧Vaより大きく、直流母線電圧からVaを引いた電圧Vbより小さい電圧(Vc<Vd<Vb)とする。これにより、クランプ素子24は、比較器21及び比較器22の非反転入力端子側の電位をクランプ電圧Vdでクランプすることで、比較器21及び比較器22に対して過電圧が印加されにくいようにする過電圧保護用素子として機能する。
図4(a)に示す第1の相電圧検出部20において、比較器21、比較器22は、それぞれ、比較動作を行い比較結果S21、S22を出力する。
図4(b)に示すように、第2の相電圧検出部30は、比較器31、比較器32、負荷素子33、クランプ素子34、及び電圧発生素子35を有する。比較器31の反転入力端子は電圧発生素子35を介してNラインLnに接続され、比較器32の反転入力端子はNラインLnに接続されている。電圧発生素子35は、比較器31の反転入力端子側が比較器32の反転入力端子側より電位が高くなるような電圧Vcを発生させる。電圧Vcは、スイッチング素子および還流ダイオードのオン電圧Vaよりも十分大きい値(Va<Vc)とする。
比較器31の非反転入力端子と比較器32の非反転入力端子とは、負荷素子33の一端及びクランプ素子34の一端に共通接続されている。負荷素子33の他端は相電流ラインLに接続されている。クランプ素子34の他端は、所定のクランプ電圧Vdに接続されている。クランプ電圧Vdは、スイッチング素子および還流ダイオードのオン電圧Vaより大きく、直流母線電圧からVaを引いた電圧Vbより小さい電圧(Vc<Vd<Vb)とする。これにより、クランプ素子34は、比較器31及び比較器32の非反転入力端子側の電位をクランプ電圧Vdでクランプすることで、比較器31及び比較器32に対して過電圧が印加されにくいようにする過電圧保護用素子として機能する。
図4(b)に示す第2の相電圧検出部30において、比較器31、比較器32は、それぞれ、比較動作を行い比較結果S31、S32を出力する。
次に、推定部40の動作について図5及び図6を用いて説明する。
推定部40は、第1の相電圧検出部20からの比較結果S21、S22に応じて、図5(a)、図6(a)に示すように、電流パターンを特定し、それにより相電流の向きを推定する。図6(a)に示す表では、存在しない場合を「×」、電流の向きが判定できない場合を「不定」として示している。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22がともに“H”レベルである場合、第1の相電圧V1の符号が正であり大きさが電圧Va程度であると推定されるので、電流パターンがCP4であると推定する(図3参照)。それにより、推定部40は、相電流の向きがインバータ回路90へ流れ入る向きであると推定する(図2(d)参照)。
あるいは、例えば、推定部40は、比較結果S21が“L”レベルであり比較結果S22が “H”レベルである場合、第1の相電圧V1の符号が負であり大きさが電圧−Va程度であると推定されるので、電流パターンがCP1、CP5であると推定する(図3参照)。それにより、推定部40は、電力変換装置1に故障が発生していると推定されなければ、相電流の向きがインバータ回路90から流れ出す向きであると推定する(図2(a)参照)。
あるいは、例えば、推定部40は、比較結果S21、S22がともに“L”レベルである場合、第1の相電圧V1の符号が負であり大きさが電圧−Vb程度であると推定されるので、電流パターンがCP2、CP3であると推定する(図3参照)。それにより、推定部40は、相電流の向きがインバータ回路90に対して流れ出す向き又は流れ入る向き(すなわち、向きが「不定」)であると推定する(図2(b)、(c)参照)。
また、推定部40は、第2の相電圧検出部30からの比較結果S31、S32に応じて、図5(b)、図6(b)に示すように、電流パターンを特定し、それにより相電流の向きを推定する。図6(b)に示す表では、存在しない場合を「×」、電流の向きが判定できない場合を「不定」として示している。
例えば、推定部40は、比較結果S31、S32がともに“L”レベルである場合、第2の相電圧V2の符号が負であり大きさが電圧−Va程度であると推定されるので、電流パターンがCP2であると推定する(図3参照)。それにより、推定部40は、相電流の向きがインバータ回路90から流れ出す向きであると推定する(図2(b)参照)。
あるいは、例えば、推定部40は、比較結果S31が“L”レベルであり比較結果S32が “H”レベルである場合、第2の相電圧V2の符号が正であり大きさが電圧Va程度であると推定されるので、電流パターンがCP3、CP5であると推定する(図3参照)。それにより、推定部40は、電力変換装置1に故障が発生していると推定されなければ、相電流の向きがインバータ回路90へ流れ入る向きであると推定する(図2(c)参照)。
あるいは、例えば、推定部40は、比較結果S31、S32がともに“H”レベルである場合、第2の相電圧V2の符号が正であり大きさが電圧Vb程度であると推定されるので、電流パターンがCP1、CP4であると推定する(図3参照)。それにより、推定部40は、相電流の向きがインバータ回路90に対して流れ出す向き又は流れ入る向き(すなわち、向きが「不定」)であると推定する(図2(a)、(d)参照)。
上記のように、第1の相電圧検出部20からの比較結果S21、S22と、第2の相電圧検出部30からの比較結果S31、S32との一方だけでは、相電流の向きを推定できない場合が生じる。そこで、推定部40は、図6(c)に示すように、第1の相電圧検出部20からの比較結果S21、S22と、第2の相電圧検出部30からの比較結果S31、S32との両方を用いて、相電流の向きを推定する。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“HHLH”レベルである場合、電流パターンがCP3、CP4であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、相電流の向きがインバータ回路90へ流れ入る向きであると推定する(図2(c)、(d)参照)。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“HHHH”レベルである場合、電流パターンがCP4であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、相電流の向きがインバータ回路90へ流れ入る向きであると推定する(図2(d)参照)。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“LLLH”レベルである場合、電流パターンがCP3であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、相電流の向きがインバータ回路90へ流れ入る向きであると推定する(図2(c)参照)。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“LHLL”レベルである場合、電力変換装置1に故障が発生していなければ、電流パターンがCP1、CP2であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、相電流の向きがインバータ回路90から流れ出す向きであると推定する(図2(a)、(b)参照)。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“LLLL”レベルである場合、電流パターンがCP2であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、相電流の向きがインバータ回路90から流れ出す向きであると推定する(図2(b)参照)。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“LHHH”レベルである場合、電流パターンがCP1であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、相電流の向きがインバータ回路90から流れ出す向きであると推定する(図2(a)参照)。
例えば、推定部40は、比較結果S21、S22、S31、S32がそれぞれ“LHLH”レベルである場合、電流パターンがCP5であると推定し(図5(a)、(b)参照)、それにより、電力変換装置1に故障(短絡)が発生していると推定する(図2(e)参照)。
このように、推定部40において、比較器21、22、31、32の出力(比較結果S21、S22、S31、S32)を監視することにより、電流の向きの変化(入→出および出→入)が推定可能となる。推定部40は、推定される相電流の向きが反転するタイミングを相電流のゼロクロス点のタイミングとして推定する。推定部40は、推定されたゼロクロス点のタイミングを示す信号(例えば、変化検出信号)を計算部50へ供給する。
次に、計算部50の構成について図7を用いて説明する。図7は、計算部50の構成を示す図である。
計算部50は、取り込み部53及び補正値決定部54を有する。取り込み部53は、推定されたゼロクロス点のタイミングを示す信号を推定部40から受ける。取り込み部53は、推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサ10の検出値を取り込み補正値決定部54へ供給する。計算部50は、例えば図7に示すように、電流センサ10の出力(検出値)をA/Dコンバータを介してマイコンに取り込む。すなわち、取り込み部53は、A/Dコンバータ51を有する。補正値決定部54は、マイコン52の一部を有する。なお、A/Dコンバータ51は、マイコン52に内蔵されていてもよい。
A/Dコンバータ51は、推定されたゼロクロス点のタイミングを示す信号として例えばサンプリング指令を推定部40から受ける。A/Dコンバータ51は、サンプリング指令に従って電流センサ10の検出値(アナログ信号)をA/D変換し、変換された電流センサ10の検出値(デジタル信号)をマイコン52へ供給する。これにより、取り込み部53は、電流センサ10の検出値(デジタル信号)を取り込みマイコン52へ供給する。
このように、電流の向きの変化にてサンプリング指令を生成して電流センサ10の検出値を取り込むことで、電流ゼロクロス点での電流センサ10の検出値を取り込むことが可能となる。
そして、補正値決定部54は、例えば、取り込まれた検出値をそのまま補正値として決定する。すなわち、補正値決定部54は、取り込まれた検出値をそのまま用いて補正値を求める。補正値決定部54は、求められた補正値を補正部60へ供給する。
なお、電流ゼロクロス点での電流センサ10の検出値を、そのままオフセット値として補正値に決定する際に、取り込まれた検出値をそのまま補正値として決定する代わりに、複数回に渡って取り込まれた検出値を平均化した値をそのまま補正値として決定してもよい。あるいは、取り込まれた検出値に対してローパスフィルタをかけた値をそのまま補正値として決定してもよい。
次に、補正部60の構成について図8を用いて説明する。図8は、補正部60の構成を示す図である。
補正部60は、求められた補正値、すなわち更新された補正値を計算部50から受け、電流センサ10の検出値を電流センサ10から受ける。補正部60は、更新された補正値を用いて、電流センサ10の検出値を補正して制御系70に供給することで、例えば本来の制御系70の電流検出回路(すなわち、取り込み部71)に反映させる。
具体的には、補正部60は、減算器61を有する。減算器61は、電流センサ10の検出値を電流センサ10から受け、補正値を計算部50から受け、電流センサ10の検出値から補正値を減算する。これにより、補正部60は、電流センサ10の検出値からオフセット量をキャンセルすることができる。
ここで、仮に、図14に示すように、電力変換器900が停止している時のみに、電流センサ10のオフセットを測定する場合について考える。すなわち、取り込み部910は、電力変換器900が停止していることを確認し、電力変換器900が停止している期間に電流センサ10の検出値を取り込み、取り込まれた検出値を補正値決定部920へ供給する。補正値決定部920は、取り込まれた検出値をそのまま補正値として決定し補正部960へ供給する。補正部960は、供給された補正値を保持する。その後、電力変換器900が運転動作を開始すると、補正部960は、保持している補正値を用いて電流センサ10の検出値を補正して制御系70へ供給する。すなわち、補正部960は、保持している補正値を固定値として補正をかけている。この場合、長期間連続運転した際には、電流センサ10のオフセットが温度などによりずれていき、適切な補正が行えなくなる可能性がある。
適切な補正が行えないと、正確に相電流を検出することが困難になり、検出された相電流を用いて電力変換装置900における制御動作を正確に行うことも困難になる。
それに対して、実施の形態1では、電力変換器1において、第1の相電圧検出部20が、PラインLpの電位を基準とした相電流ラインLの第1の相電圧V1を検出し、第2の相電圧検出部30が、NラインLnの電位を基準とした相電流ラインLの第2の相電圧V2とをそれぞれ検出し、推定部40が、第1の相電圧V1の大きさ及び符号と第2の相電圧V2の大きさ及び符号とに基づいて、相電流ラインLを流れる相電流のゼロクロス点のタイミングを推定する。計算部50が、推定されたゼロクロス点のタイミングにおける電流センサ10の検出値に応じて、電流センサ10の検出値に対する補正値を求める。補正部60が、求められた補正値を用いて、電流センサ10の検出値を補正する。これにより、運転動作を継続しながら、電流センサのオフセットに対応した補正値を随時求めることができる。すなわち、運転動作を継続しながら適切な補正を行うことができる。
したがって、長期間連続運転した際に電流センサのオフセットが温度などによりずれていった場合でも、補正の精度を随時向上できるので、正確に相電流の検出を行うことができ、検出された相電流を用いて電力変換装置900における制御動作を正確に行うことができる。
あるいは、仮に、例えば、電流センサ10として安価なものを用いた場合について考える。この場合、検出値の温度ドリフトが大きく、短時間の連続運転した際であっても、電流センサ10のオフセットが温度などにより容易にずれていき、適切な補正が行えなくなる可能性が高い。
それに対して、実施の形態1では、運転動作を継続しながら、電流センサ10のオフセットに対応した補正値を随時求めることができるので、電流センサ10として安価なものを用いた場合であっても、運転動作を継続しながら適切な補正を行うことができる。すなわち、電力変換装置1の製造コストを低減できるとともに、運転動作を継続しながら適切な補正を行うことができる。
また、実施の形態1では、推定部40が、第1の相電圧V1の大きさ及び符号と第2の相電圧V2の大きさ及び符号とに基づいて相電流ラインLを流れる相電流の向きを推定し、推定される相電流の向きが反転するタイミングを相電流のゼロクロス点のタイミングとして推定する。これにより、簡易な構成で、相電流のゼロクロス点のタイミングを推定することができる。
また、実施の形態1では、計算部50が、推定部40により推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサ10の検出値を取り込み、取り込まれた検出値を用いて補正値を求める。例えば、計算部50において、取り込み部53が、推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサ10の検出値を取り込み、補正値決定部54が、取り込まれた検出値をそのまま補正値として決定する。これにより、簡易な構成で、電流センサ10の検出値に対する補正値を求めることができる。
なお、図9に示すように、計算部50iは、取り込んだ検出値(もしくは取り込んだ検出値に対して平均化、ローパスフィルタをかけた値)の一定割合を補正値としてもよい。この場合、計算部50iは、取り込み部53、一定割合演算部55i、及び補正値決定部54を有する。取り込み部53は、推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサ10の検出値を取り込み一定割合演算部55iへ供給する。一定割合演算部55iは、取り込まれた検出値に一定の係数Kを乗算して、取り込まれた検出値に対する一定割合の値を求める。一定の係数Kは、ゼロクロス点のタイミングにおける電流センサ10の検出値と電流センサ10のオフセットとの相関を予め実験的に取得することで求められた係数であり、例えば0より大きく1.5以下の値(例えば、0.7の値)を有する。一定割合演算部55iは、求められた値を補正値決定部54へ供給する。補正値決定部54は、求められた値、すなわち取り込まれた検出値に対する一定割合の値を補正値として決定する。
これにより、推定部40による電流の向きの変化の推定処理における誤差や、計算部50iによる電流センサ10の検出値の取り込み処理における誤差が存在する場合に、過補正を避けるために、取り込まれた検出値を若干小さくしたものを補正値とすることができる。あるいは、補正不足を避けるために、取り込まれた検出値を若干大きくしたものを補正値とすることができる。すなわち、推定部40による電流の向きの変化の推定処理における誤差や、計算部50iによる電流センサ10の検出値の取り込み処理における誤差が存在する場合に、それらの誤差を考慮しながら補正を行うことができるので、運転動作を継続しながらさらに適切な補正を行うことができる。
あるいは、図10に示すように、計算部50jは、直前の補正値の更新タイミング時点での補正値と、今回取り込んだ検出値(もしくは取り込んだ検出値に対して平均化、ローパスフィルタをかけた値)とを比較し、その差に応じて補正量を一定値で調整してもよい。この場合、計算部50jは、取り込み部53、記憶部58j、差計算部56j、調整部57j、及び補正値決定部54を有する。取り込み部53は、推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサ10の検出値を取り込み差計算部56jへ供給する。記憶部58jは、直前の補正値の更新タイミング時点での補正値、すなわち補正値決定部54により直前に求められた補正値を記憶している。差計算部56jは、取り込まれた検出値を取り込み部53から受けたら、記憶部58jを参照して直前に求められた補正値を取得する。差計算部56jは、直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差を求める。例えば、差計算部56jは、直前に求められた補正値から取り込まれた検出値を減算することで両者の差を求める。差計算部56jは、求められた差を調整部57jへ供給する。
調整部57jは、求められた差の符号に応じて、調整後に差計算部56jにより求められる差の絶対値が現在の差(求められた差)より小さくなるように、一定値を用いて、直前に求められた補正値を調整する。一定値は、電流センサ10のオフセットに対して相対的に小さい値に予め決定されている。例えば、調整部57jは、求められた差が直前に求められた補正値から取り込まれた検出値を減算することで求められたものである場合、求められた差の符号が正であれば、直前に求められた補正値に一定値を減算し、求められた差の符号が負であれば、直前に求められた補正値に一定値を加算する。調整部57jは、調整された補正値を補正値決定部54へ供給する。補正値決定部54は、調整された補正値、すなわち直前に求められた補正値に一定値が加減算された値を補正値として決定する。
これにより、計算部50による直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差の演算処理における誤差が存在する場合に、過補正を避けるために、補正値を複数回に渡って徐々に調整することができる。すなわち、計算部50による直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差の演算処理における誤差が存在する場合に、その誤差を考慮しながら補正を行うことができるので、運転動作を継続しながらさらに適切な補正を行うことができる。
あるいは、図11に示すように、計算部50kは、直前の補正値の更新タイミング時点での補正値と、今回取り込んだ検出値(もしくは取り込んだ検出値に対して平均化、ローパスフィルタをかけた値)とを比較し、その差に応じて補正量をその差に対する一定割合の値で調整してもよい。この場合、計算部50kは、取り込み部53、記憶部58j、差計算部56j、一定割合演算部55k、調整部57k、及び補正値決定部54を有する。取り込み部53は、推定されたゼロクロス点のタイミングで電流センサ10の検出値を取り込み差計算部56jへ供給する。記憶部58jは、直前の補正値の更新タイミング時点での補正値、すなわち補正値決定部54により直前に求められた補正値を記憶している。差計算部56jは、取り込まれた検出値を取り込み部53から受けたら、記憶部58jを参照して直前に求められた補正値を取得する。差計算部56jは、直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差を求める。例えば、差計算部56jは、直前に求められた補正値から取り込まれた検出値を減算することで両者の差を求める。差計算部56jは、求められた差を一定割合演算部55k及び調整部57kへ供給する。
一定割合演算部55kは、求められた差に一定の係数K1を乗算して、求められた差に対する一定割合の値を求める。一定の係数K1は、差計算部56jにより求められる差と電流センサ10のオフセットとの相関を予め実験的に取得することで求められた係数であり、例えば0より大きく1より小さい値(例えば、0.7の値)を有する。一定割合演算部55kは、求められた値を調整部57kへ供給する。
調整部57kは、求められた差の符号に応じて、調整後に差計算部56jにより求められる差の絶対値が現在の差(求められた差)より小さくなるように、一定割合演算部55kにより求められた値を用いて、直前に求められた補正値を調整する。すなわち、調整部57kは、求められた差の符号に応じて、求められた差に対する一定割合の値を用いて、直前に求められた補正値を調整する。例えば、調整部57kは、求められた差が直前に求められた補正値から取り込まれた検出値を減算することで求められたものである場合、求められた差の符号が正であれば、求められた差に対する一定割合の値を直前に求められた補正値から減算し、求められた差の符号が負であれば、求められた差に対する一定割合の値を直前に求められた補正値に加算する。調整部57kは、調整された補正値を補正値決定部54へ供給する。補正値決定部54は、調整された補正値、すなわち直前に求められた補正値に求められた差の一定割合の値が加減算された値を補正値として決定する。
これにより、計算部50による直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差の演算処理における誤差が存在する場合に、過補正を避けるために、求められた差が小さくなるに従って徐々に調整の精度を向上させながら、補正値を複数回に渡って徐々に調整することができる。すなわち、計算部50による直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差の演算処理における誤差が存在する場合に、その誤差を考慮しながらかつ調整の精度を考慮しながら補正を行うことができるので、運転動作を継続しながらさらに適切な補正を行うことができる。
実施の形態2.
次に、実施の形態2にかかる電力変換装置100について説明する。以下では、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態1では、計算部50において、相電流のゼロクロス点での電流センサ10の検出値をサンプリングするために専用の電流検出回路、すなわち取り込み部53におけるA/Dコンバータ51(図7参照)などが必要となるが、実際の装置においてはコストなどの制約によって、専用のA/Dコンバータなどを用意できない場合がある。
そこで、実施の形態2では、このような制約条件下において、推定されたゼロクロス点のタイミングにおける電流センサの検出値を推定することにより、擬似的に相電流のゼロクロス点での電流センサ10の検出値を得る。
具体的には、電力変換装置100は、計算部150を備える。計算部150において、電流センサ10の検出値を推定する機能を追加することで、専用のA/Dコンバータなどの取り込み部53を省略したものである。すなわち、計算部150は、電流推定部151及び補正値決定部152を有する。
電流推定部151は、図13に示すように、本来の制御系70が使用している電流検出回路(取り込み部71)から得られた検出値と、制御系70が出力している電圧、負荷条件、制御状態等を元に、相電流の変化を推定する。
具体的には、電流推定部151は、取り込み部71により取り込まれた電流センサ10の検出値を制御系70から受ける。電流推定部151は、取り込まれた電流センサ10の検出値を「直前の値」として図13に示す出力電流−時刻平面内にプロットする。また、電流推定部151は、制御系70が出力している電圧、負荷条件、制御状態等の情報を制御系70から受ける。電流推定部151は、それらの情報に応じて相電流の変化の傾きを推定する。さらに、電流推定部151は、PWM信号をPWM回路80から受ける。電流推定部151は、PWM信号に基づいて、相電流の変化の傾きの符号が変化する時刻を推定する。電流推定部151は、それらの推定結果に基づいて図13に示すような相電流の変化の波形を推定し、時刻の経過に応じた現在の電流センサ10の検出値を随時推定する。そして、電流推定部151は、推定されたゼロクロス点のタイミングを示す信号(例えば、変化検出信号)を受けたら、そのタイミングで推定した電流センサ10の検出値を補正値決定部152へ供給する。すなわち、電流推定部151は、推定されたゼロクロス点のタイミングにおける電流センサの検出値を推定して補正値決定部152へ供給する。
補正値決定部152は、推定された検出値を用いて補正値を求める。補正値決定部152は、例えば、推定された検出値をそのまま用いて補正値を求める。補正値決定部152は、求められた補正値を補正部60へ供給する。
このように、実施の形態2では、計算部150が、直前の電流検出値を元にして、その後の出力電圧と負荷条件から電流変化を推定し、ゼロクロス点のタイミングを示す信号(例えば、変化検出信号)が入力された際に、その推定値を補正値として利用するようにする。これにより、専用の電流検出回路(例えば、専用のA/Dコンバータ)が無い場合でも、電流センサの検出値に対する補正値を更新することができる。すなわち、オフセット補正のための専用の電流検出回路(取り込み部53)を用意すること無く、本来の制御系70で使用している電流検出回路(取り込み71)をオフセット補正のための電流検出回路として併用することで、オフセット補正が実現できる。
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、電流センサの検出値の補正に有用である。
1 電力変換装置
10 電流センサ
20 第1の相電圧検出部
21 比較器
22 比較器
23 負荷素子
24 クランプ素子
25 電圧発生素子
30 第2の相電圧検出部
31 比較器
32 比較器
33 負荷素子
34 クランプ素子
35 電圧発生素子
40 推定部
50、50i、50j、50k 計算部
51 A/Dコンバータ
52、52i、52j、52k マイコン
53 取り込み部
54 補正値決定部
55i 一定割合演算部
56j 差計算部
57j、57k 調整部
58j 記憶部
60 補正部
61 減算器
70 制御系
71 取り込み部
80 PWM回路
90 インバータ回路
100 電力変換装置
150 計算部
151 電流推定部
152 補正値決定部
900 電力変換器
910 取り込み部
920 補正値決定部
960 補正部

Claims (8)

  1. 相電流ラインを流れる相電流を検出する電流センサと、
    Pラインの電位を基準とした前記相電流ラインの第1の相電圧を検出する第1の相電圧検出部と、
    Nラインの電位を基準とした前記相電流ラインの第2の相電圧とを検出する第2の相電圧検出部と、
    前記第1の相電圧の大きさ及び符号と前記第2の相電圧の大きさ及び符号とに基づいて、前記相電流ラインを流れる相電流のゼロクロス点のタイミングを推定する推定部と、
    前記推定されたゼロクロス点のタイミングにおける前記電流センサの検出値に応じて、前記電流センサの検出値に対する補正値を求める計算部と、
    前記求められた補正値を用いて、前記電流センサの検出値を補正する補正部と、
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記推定部は、前記第1の相電圧の大きさ及び符号と前記第2の相電圧の大きさ及び符号とに基づいて前記相電流ラインを流れる相電流の向きを推定し、推定される相電流の向きが反転するタイミングを前記ゼロクロス点のタイミングとして推定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記計算部は、前記推定されたゼロクロス点のタイミングで前記電流センサの検出値を取り込み、取り込まれた検出値を用いて前記補正値を求める
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  4. 前記計算部は、前記推定されたゼロクロス点のタイミングにおける前記電流センサの検出値を推定し、推定された検出値を用いて前記補正値を求める
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  5. 前記計算部は、取り込まれた検出値をそのまま用いて前記補正値を求める
    ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  6. 前記計算部は、取り込まれた検出値に対する一定割合の値を用いて前記補正値を求める
    ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  7. 前記計算部は、
    直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差を求める差計算部と、
    前記差計算部により求められる差の符号に応じて、一定値を用いて、前記直前に求められた補正値を調整する調整部と、
    ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  8. 前記計算部は、
    直前に求められた補正値と取り込まれた検出値との差を求める差計算部と、
    前記差計算部により求められる差の符号に応じて、前記求められた差に対する一定割合の値を用いて、前記直前に求められた補正値を調整する調整部と、
    ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
JP2012539123A 2012-04-11 2012-04-11 電力変換装置 Expired - Fee Related JP5132848B1 (ja)

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