JP5289567B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、二つの電流センサを設けると、その分コストが高くなりと体積が増加するという問題がある。この問題を解消するため、インバータの直流母線に電流センサを一つ設けて、この直流母線電流とインバータの半導体スイッチング素子のスイッチング状態とから三相電流を再生する方法が開発された。
具体的には、異なる二つの相電流が直流母線電流に流れるスイッチングパターンにおいて電流を検出すれば、三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を検出することができる(例えば、特許文献1参照)。
そこで、PWM(パルス幅変調)周期前半において三相電圧指令の差が電流を検出するのに十分な大きさになるよう補正し、PWM周期後半において、前半と後半の電圧指令の平均が元の電圧指令と等しくなるように補正する方法が開発された。この方法によれば、毎PWM周期において、異なる二相の電流を検出し、三相電流を演算することができる(例えば、特許文献2参照)。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、インバータの直流側に設けられた一つの電流センサを用いて交流側の各相電流を演算で求めるという簡便な電流検出方法を採用する場合に、各相電流検出タイミングが異なることにより発生する誤差を低減できる電力変換装置を得ることを目的とする。
誘導性負荷に流れる各相電流を検出するタイミングを設定するタイミング信号を作成するオンオフ信号作成部のタイミング信号作成手段、当該タイミング信号で設定されたタイミングに電流センサに流れる電流の相種別を判定する相判定信号を作成するオンオフ信号作成部の相判定信号作成手段、およびタイミング信号および相判定信号に基づき当該タイミング信号で設定されたタイミングにおける電流センサからの電流検出値と当該電流検出値の相種別とを求め、所定の周期内において求められた各タイミングでの各相電流検出値を所定の基準タイミングにおける値に補正する検出電流補正部を備えたものである。
図1は、この発明の実施の形態1における電力変換装置の構成を示す回路構成図である。この電力変換装置は、直流電源1とインバータ2と電流センサ3と制御部4とから構成され、その出力が誘導性負荷5に供給される。
インバータ2は、一端が直流電源1の正側に接続されたn(nは3以上の整数)相分の上アームスイッチング素子6と、各相の上アームスイッチング素子6と直列に接続され一端が直流電源1の負側に接続されたn相分の下アームスイッチング素子7とから構成される。
なお、直流電源1としては、バッテリーやダイオード整流回路、PWMコンバータなど様々なものが考えられる。
制御部4は、オンオフ信号作成部8と検出電流補正部9と電流制御部11とインダクタンス記憶部12とから構成される。
オンオフ信号生成部8では、上アームスイッチング素子6のQp1、Qp2、・・・、Qpnおよび下アームスイッチング素子7のQn1、Qn2、・・・、Qnnをオンオフするオンオフ信号を作成する。
また、この例では、オン期間t1、・・・、tn−1は、電流センサ3から電流検出値を取得するに十分な長さを有しているが、オン期間tnは短いため電流検出値の取得は不可能であるとしている。また、図2中のi1、・・・、inは、インバータ2から誘導性負荷5に出力される各相電流の波形で、オンオフ信号によってインバータ2が出力する電圧により、各相交流電流が変化する様子を示している。
図2の例では、タイミング信号ts1によって電流センサ3から検出できる電流は第1相電流i1、タイミング信号ts2においては第2相電流i2、・・・、タイミング信号tsn−1においては第n−1相電流in−1である。
また、m番目(mは1からnの整数)のタイミング信号tsmは、m番目にHになるオン信号の立ち上がりタイミングからtdelaymだけ遅れているとする。
検出電流補正部9では、そのサンプルホールド部に、タイミング信号ts1、ts2、・・・、tsn−1が入力されると、その時点の電流センサ3からの電流検出値をホールドして直流ホールド電流idc1、idc2、・・・、idcn−1として出力する。
検出電流補正部9の電流演算部では、直流ホールド電流idc1、idc2、・・・、idcn−1と相判定信号ph1、ph2、・・・、phn−1とインダクタンス記憶部12で記憶している誘導性負荷5のインダクタンスLとから、後述する要領により交流側の各相電流を補正演算する。
図2の例では、ph1=1であるので直流ホールド電流idc1から第1相電流i1を、idc2からi2を、・・・、idcn−1からin−1を求め、n相分の電流の和がゼロであることを利用してinを求める。
この実施の形態1では、上アームスイッチング素子6あるいは下アームスイッチング素子7の各相のオン期間に互いに重なりが生じないようにオンオフ信号が作成されているので、例えば、第1相の電流を検出するタイミングts1を想定すると、このタイミングにおいては、上アームスイッチング素子6の内、第1相のQp1はオン、他の素子は全てオフ、下アームスイッチング素子7の内、第1相のQn1はオフ、他の全ての素子はオンとなっている。
この場合の等価回路は、直流電源1の電圧をVdc、誘導性負荷5の各相インピーダンスは等しくこれをZとすると図3のように表される。
この図3から、第1相にかかる電圧V1は、誘導性負荷5の仮想中性点を基準として次式で与えられる。
また、本実施の形態では、各相のオン期間から、n相分の電流の内、(n−1)相分の電流が検出可能で1相分の電流が検出不可能とした場合について説明したが、各相のオン期間が十分確保でき、n相分全ての電流が検出可能な場合にも、本発明のように電流の補正が可能である。
先に実施の形態1では、オンオフ信号が、上アームスイッチング素子6あるいは下アームスイッチング素子7の各相のオン期間に互いに重なりが生じないように作成されていたが、この実施の形態2では、各相のオン期間に一部重なりが生じる場合の電流補正の要領について説明する。
図4に、オンオフ信号作成部8により作成されるオンオフ信号を、タイミング信号と交流電流とあわせて示す。ここでは、相数nを3としている。
上アームスイッチング素子6をオンする信号Gp1、Gp2、Gp3は、全てがLの状態から、それぞれtminずつずれたタイミングでHになる。tminは、電流センサ3の検出出力から交流側の電流を検出するために必要な最小時間である。この最小時間は、インバータ主回路のサージ電圧やリンギング時間、また電流センサの性能などによって決まる。
なお、本実施の形態2では、n=3の場合について説明したが、n=4以上においても同様である。
また、上アームスイッチング素子をオンする信号Gp1、Gp2、Gp3が、全てLの状態からそれぞれtminずつずれたタイミングでHになる順番は、任意である。
以下の実施の形態例では、先の実施の形態例で説明した電流補正演算を利用した電力変換装置の更なる適用例を紹介するものである。
先ず、この発明の実施の形態3では、上アームスイッチング素子6をオンする信号Gp1、Gp2、・・・、Gpnが、全てLの状態からそれぞれtminずつずれたタイミングでHになる相の順番を、オンする時間であるオン期間t1、t2、・・・、tnの長い順にしたものである。このようにすれば、先の実施の形態2において、インバータ2の出力電圧を最大にできる。
図5中の任意の期間tcにおいて、上アームスイッチング素子6をオンにできる時間は、最初にオンになる第1相のGp1がtc、2番目にオンになる第2相のGp2がtc−tmin、最後にオンになる第3相のGp3がtc−tmin×2となる。つまり、各相が出力できる電圧は、オンになる順番に大きい。
なお、ここでは、n=3の場合について説明したが、n=4以上の場合でも同様である。
この発明の実施の形態4は、先の実施の形態2において、上アームスイッチング素子6をオンする信号Gp1、Gp2、・・・、Gpnが、全てLの状態からそれぞれtminずつずれたタイミングでHになる相の順番を、周期的に変化させるものである。このようにすれば、Hになるタイミングをずらしたことにより発生するリプル電流の周波数を滑らかにでき、リプル電流による騒音や振動を小さくできる。
図7では、表1の通りに順番を変化させている。表1は、何回目のオンオフ過程に、どの相を何番目にオンするかを示している。ただし、オンオフ過程とは、全ての上アームスイッチング素子6がオフの状態から、それぞれがオンとオフを1回ずつ行い、全ての上アームスイッチング素子6がオフの状態になる過程としている。また、表1では、3回目のオンオフ過程の次は1回目のオンオフ過程に戻る。例えば、第1相がHになる順番は、1回目のオンオフ過程では1番目、2回目では3番目、3回目では2番目、次はまた1回目で1番目である。
この発明の実施の形態5における電力変換装置の構成を図8に示す。先の実施の形態1〜4と異なるところは、誘導性負荷が回転機13であることと、回転子位置推定手段14を備えていることと、電流制御部11の動作である。このようにすれば、回転機13に位置センサを取り付けることなく回転機13の位置を推定して、回転機13を所望の状態、例えば、トルク、速度、位置などを所望の状態とする制御動作が可能となる。
回転機13が埋込磁石型同期機の場合、固定直交座標(α−β軸)での電圧方程式は式(6)のように表せる。
先の実施の形態例で検出された電流値からフーリエ変換により、固定直交座標電流iαs、iβsの振幅Iαs、Iβsを抽出する。そして、抽出したIαs、Iβsより、式(11)に示すような演算を施すことにより、位置情報θのみを含んだ項を抽出する。
なお、θの演算は逆余弦演算ではなく、cos2θの値を記憶したテーブルを用意し、その記憶装置に記憶されたcos2θの値に基づいて位置情報θを求めて推定位置θeとしてもよい。
以上のように、本実施の形態5によれば、直流側に設けた電流センサ3から誤差の少ない交流電流を演算し、回転センサを取り付けることなく回転機を所望の状態に制御できる部品点数の少ない電力変換装置を構成することができる。
また、以上の各実施の形態例では、直流電源1の電圧の値と誘導性負荷5のインダクタンスの値とに基づいて交流電流の電流補正を行っているが、誘導性負荷5が回転機13の場合は、直流電源1の電圧に回転機13の誘起電圧も含めた電圧の値と誘導性負荷5のインダクタンスの値とに基づいて交流電流の電流補正を行うようにすればより正確な電流値が得られる。
手段で、正確な交流各相電流の検出が可能となり、また、その電流検出値を利用した種々の制御動作が可能となる。
Claims (11)
- 直流電源、一端が前記直流電源の正側に接続されたn(nは3以上の整数)相分の上アームスイッチング素子と前記各相の上アームスイッチング素子と直列に接続され一端が前記直流電源の負側に接続されたn相分の下アームスイッチング素子とを有し前記各相の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点に誘導性負荷を接続し前記上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とをオンオフ制御することにより前記誘導性負荷にn相交流電圧を供給するインバータ、前記直流電源と前記インバータとの間に流れる電流を検出する電流センサ、および前記上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とにオンオフ信号を出力するオンオフ信号作成部を備えた電力変換装置であって、
前記誘導性負荷に流れる各相電流を検出するタイミングを設定するタイミング信号を作成する前記オンオフ信号作成部のタイミング信号作成手段、当該タイミング信号で設定されたタイミングに前記電流センサに流れる電流の相種別を判定する相判定信号を作成する前記オンオフ信号作成部の相判定信号作成手段、および前記タイミング信号および前記相判定信号に基づき当該タイミング信号で設定されたタイミングにおける前記電流センサからの電流検出値と当該電流検出値の相種別とを求め、所定の周期内において求められた前記各タイミングでの前記各相電流検出値を所定の基準タイミングにおける値に補正する検出電流補正部を備えた電力変換装置。 - 前記検出電流補正部は、前記直流電源の電圧の値および前記誘導性負荷のインダクタンスの値に基づき、前記所定の周期内において求められた前記各タイミングでの前記各相電流検出値を前記所定の基準タイミングにおける値に補正する請求項1記載の電力変換装置。
- 前記誘導性負荷が回転機である場合、前記検出電流補正部は、前記直流電源の電圧の値、前記回転機の誘起電圧の値および前記誘導性負荷のインダクタンスの値に基づき、前記所定の周期内において求められた前記各タイミングでの前記各相電流検出値を前記所定の基準タイミングにおける値に補正する請求項1記載の電力変換装置。
- 前記インバータがパルス幅変調(PWM)制御を採用する場合、前記検出電流補正部は、前記PWM周期毎に当該PWM周期内において求められた前記各タイミングでの前記各相電流検出値を所定の基準タイミングにおける値に補正する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記オンオフ信号作成部は、前記上アームスイッチング素子あるいは前記下アームスイッチング素子のすべての相がオフの状態から各相が順次所定のタイミング間隔でオンとなるオンオフ信号を作成する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記オンオフ信号作成部は、前記上アームスイッチング素子あるいは前記下アームスイッチング素子のすべての相がオフの状態からそのオン期間が長い相の順に所定のタイミング間隔でオンとなるオンオフ信号を作成する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記オンオフ信号作成部は、前記上アームスイッチング素子あるいは前記下アームスイッチング素子のすべての相がオフの状態から各相が順次所定のタイミング間隔でオンとなり、かつ、前記順次オンする相の順序を所定の周期毎に変更するオンオフ信号を作成する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記上アームスイッチング素子あるいは前記下アームスイッチング素子の各相のオン期間に互いに重なりが生じないようにした請求項5記載の電力変換装置。
- 前記n相分の電流の内(n−1)相分の電流は、前記検出電流補正部で前記基準タイミングにおける値に補正した値を採用し、残りの1相分の電流は、(前記補正した(n−1)相分の電流値の総和)×(−1)の値とした請求項5記載の電力変換装置。
- 前記誘導性負荷に所望のn相交流電圧を供給するように、前記検出電流補正部で前記基準タイミングにおける値に補正された各相電流検出値に基づき前記上アームスイッチング素子および前記下アームスイッチング素子の各相オン期間を演算して前記オンオフ信号作成部に出力する電流制御部を備えた請求項1ないし9のいずれか1項に
記載の電力変換装置。 - 前記誘導性負荷が回転機である場合、前記オンオフ信号作成部は、前記回転機の運転周波数とは異なる周波数の電圧成分が前記インバータの出力電圧に重畳するように前記オンオフ信号を作成し、
前記検出電流補正部で前記基準タイミングにおける値に補正された各相電流検出値から抽出した前記重畳電圧周波数成分に基づき前記回転機の回転位置を推定演算する回転子位置推定手段を備えた請求項1ないし10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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