JP5292844B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体電力変換器により電動機等の負荷を駆動するための負荷駆動装置に関するものである。
この種の負荷駆動装置としては、特許文献1,2に記載されているように、負荷としての電動機に三相交流電圧を印加する電力変換器と、その一対の直流母線間に接続されたコンデンサと、前記直流母線の一方と電動機の中性点との間に接続された直流電源と、を備え、電力変換器が零電圧ベクトルを出力するようにスイッチング動作させることにより、直流電源電圧を昇圧しながら電動機を駆動するものが知られている。
また、特許文献3に記載されているように、上記の如く構成された電力変換器を直流母線により複数台、並列接続した負荷駆動装置も知られている。
これらの負荷駆動装置では、電動機のトルクを制御するための正相分電圧指令値と昇圧動作を制御するための零相分電圧指令値とを加算して電力変換器の電圧指令値を生成する必要があるので、正相分電圧指令値に零相分電圧指令値が干渉する場合がある。この結果、電動機を駆動するための正相分出力電圧が歪み、これによって電動機のトルクリプルが大きくなったり、銅損が増加する等の問題が発生する。
この問題を回避するため、特許文献4には、零相分電圧指令値の大きさに応じて正相分電圧指令値の振幅を制限することが開示されている。
特許第3223842号公報(段落[0029],[0030]、図10等) 特許第3219039号公報(段落[0014]〜[0020]、図1〜図3等) 特開2002−10670号公報(段落[0022]〜[0029]、図1〜図3等) 特開2002−291256号公報(段落[0040]〜[0045]、図6,図7等)
正相分出力電圧を歪ませないためには、図10のように、零相分電圧指令値V (瞬時値)と正相分電圧指令値v(瞬時値)との和がPWMキャリア信号vの振幅値(1.0)以下になるように、言い換えれば、両指令値の振幅をそれぞれA,Bとすると、数式1を満たすことが必要である。
[数式1]
|A|+|B|≦1.0
このことは、正相分電圧指令値vの最大値が零相分電圧指令値V の大きさによって制約を受けることを意味しているが、例えば、負荷として電動機を駆動する場合には電力変換器が所要の電圧を出力できなくなるため、中高回転域においてトルクが制限されるという問題を生じる。
そこで、本発明の解決課題は、並列接続された複数台の電力変換器が負荷を個別に駆動するようにした負荷駆動装置において、負荷が必要とする正相分電圧値が小さく、零相分電圧指令値によって干渉を受けるおそれのない電力変換器には昇圧動作を行わせ、負荷が必要とする正相分電圧値が大きく、零相電圧指令値との干渉が避けられない電力変換器では、負荷の中性点を電源から切り離して正相分電圧により負荷を駆動することにより、電力変換器の出力電圧波形を歪ませることなく負荷に対して所要の電力を供給可能とした負荷駆動装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、並列接続された電力変換器のうち、負荷が必要とする正相分電圧値が小さく、数式1を満たす電力変換器で昇圧動作させ、一方、負荷が必要とする正相分電圧値が大きく零相電圧指令値との干渉が避けられない電力変換器では、負荷の中性点をスイッチで切り離し、従来の3相インバータとして動作させるものである。
すなわち、請求項1に係る発明は、正負極間にコンデンサが接続された直流母線を共通にして複数台の半導体電力変換器が並列に接続され、各電力変換器がその交流側にそれぞれ接続された負荷を個別に駆動するようにした負荷駆動装置において、
負荷の中性点に各一端がそれぞれ接続されたスイッチと、
これらのスイッチの各他端と前記直流母線の正極または負極との間に接続された電源と、
前記電力変換器のうち、正相分電圧指令値振幅が所定の閾値を超えない電力変換器については、当該電力変換器に対応する前記スイッチをオンして零相電圧を制御し、前記電源の電圧を昇圧して前記コンデンサに供給すると共に、他の電力変換器については、その電力変換器に対応する前記スイッチをオフして正相分電圧指令値に従ってその電力変換器を制御する制御手段と、を備えたものである。
請求項2に係る発明は、正負極間にコンデンサが接続された直流母線を共通にして複数台の半導体電力変換器が並列に接続され、各電力変換器がその交流側にそれぞれ接続された負荷を個別に駆動するようにした負荷駆動装置において、
負荷の中性点に各一端がそれぞれ接続されたスイッチと、
これらのスイッチの各他端と前記直流母線の正極または負極との間に接続された電源と、
前記電力変換器のうち、正相分電圧指令値振幅に比例する周波数指令値振幅が所定の閾値を超えない電力変換器については、当該電力変換器に対応する前記スイッチをオンして零相電圧を制御し、前記電源の電圧を昇圧して前記コンデンサに供給すると共に、他の電力変換器については、その電力変換器に対応する前記スイッチをオフして正相分電圧指令値に従ってその電力変換器を制御する制御手段と、を備えたものである。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した負荷駆動装置において、昇圧動作を行う電力変換器に対する正相分電圧指令値振幅を、当該振幅と零相分電圧指令値振幅との加算値がPWMキャリア信号の振幅を超えない値に設定することを特徴とする。
本発明によれば、並列接続された複数台の電力変換器のうち、昇圧機能を果たす電力変換器と交流出力によって負荷の駆動のみを行う電力変換器とを、電圧指令値や周波数指令値、電源電圧等に応じて切り替えることにより、出力電圧波形を歪ませることなく負荷に所要の電力を供給することができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示す回路図である。図1において、110は半導体スイッチング素子Qu1〜Qw1,Qx1〜Qz1及びコンデンサCd1を備えた第1の電力変換器、120は同じく半導体スイッチング素子Qu2〜Qw2,Qx2〜Qz2及びコンデンサCd2を備えた第2の電力変換器、M,Mはこれらの電力変換器110,120の交流出力端子に接続された負荷としての第1,第2の電動機、300は電動機M,Mの中性点と電力変換器110,120の負極の直流母線との間にそれぞれスイッチS,Sを介して接続された直流電源、111,112,121,122は電流検出手段、123は電圧検出手段である。
ここで、上記電動機M,Mは、同期電動機や誘導電動機等の交流電動機であればその種類を問わない。
図から明らかなように、この負荷駆動装置は、直流母線を共通にして2台の電力変換器110,120が並列に接続され、各電力変換器110,120が電動機M,Mを個別に駆動するように構成されている。
なお、前記コンデンサCd1,Cd2は、単一のコンデンサを共用しても良い。
また、直流電源300は、直流母線の正極とスイッチS,S同士の接続点との間に接続しても良い。
次に、200Aは、前記各検出手段111,112,121,122,123による電流または電圧検出値と電動機M,Mの駆動周波数指令値である第1,第2の周波数指令値f ,f とに基づいて、電力変換器110,120の各スイッチング素子Qu1〜Qw1,Qx1〜Qz1,Qu2〜Qw2,Qx2〜Qz2に対するゲート信号Gu1〜Gw1,Gx1〜Gz1,Gu2〜Gw2,Gx2〜Gz2とスイッチS,Sに対する制御信号S1ctl,S2ctlを生成する制御回路であり、マイコン及び記憶装置を備えている。
この制御回路200Aは、電動機M,Mに周波数指令値f ,f 通りの周波数を有する電圧を供給するために、PWM制御を行ってゲート信号Gu1〜Gw1,Gx1〜Gz1,Gu2〜Gw2,Gx2〜Gz2を生成するものである。
図2は、制御回路200Aの内部構成を示すブロック図である。この制御回路200Aは、各電動機M,Mを独立してV/f一定制御すると共に、図1における直流電源300の電圧を昇圧してコンデンサCd1,Cd2に供給するための零相電圧制御を行う機能を備えている。
図2において、外部から入力された電動機M,Mの周波数指令値f ,f からf/V変換器201,206により直流量のq軸電圧指令値(正相分電圧指令値ともいう)Vq1 ,Vq2 を演算し、座標変換器203,208に入力する。座標変換器203,208では、積分器202,207により求めた位相θ,θを用いて座標変換を行い、交流量の各相電圧指令値vu1 〜vw1 ,vu2 〜vw2 を演算する。
なお、d軸電圧指令値Vd1 ,Vd2 は0に設定されて座標変換器203,208に入力されている。
f/V変換器201,206から出力された正相分電圧指令値Vq1 ,Vq2 は切替手段としてのモード切替器211に入力されており、このモード切替器211からは前記スイッチS,Sに対する制御信号S1ctl,S2ctlが出力されるようになっている。
また、直流母線電圧指令値Edc に基づいて、電圧制御器(AVR)212は、前記電圧検出手段123による電圧検出値Edcdetが上記指令値Edc に一致するようにフィードバック制御を行い、その出力を零相分電流指令値として出力する。
上記零相分電流指令値は、前記制御信号S1ctl,S2ctlによりオンオフするスイッチS11,S12にて選択された零相電流制御器(ACR)213または214に入力される。零相電流制御器213,214は、前記電流検出手段112,122による電動機M,Mの中性点電流検出値(零相分電流検出値)ib1det,ib2detが電圧制御器212から出力された零相分電流指令値に一致するようにフィードバック制御を行い、その出力を零相分電圧指令値V01 ,V02 として出力する。
これらの零相分電圧指令値V01 ,V02 は、加算器204,209において各相電圧指令値vu1 〜vw1 ,vu2 〜vw2 とそれぞれ加算され、その加算結果が最終的な電圧指令値としてPWM演算器205,210に入力されてゲート信号Gu1〜Gw1,Gx1〜Gz1,Gu2〜Gw2,Gx2〜Gz2が演算されるものである。
ここで、図3は、図2に示すモード切替器211の動作説明図である。f/V変換器201,206により生成される正相分電圧指令値Vq1 ,Vq2 に応じて制御信号S1ctl,S2ctlがオンまたはオフとなり、スイッチS(S11)及びスイッチS(S12)のオンオフパターンを決定する。
例えば、Vq1 >第1の閾値、かつ、Vq2 <第1の閾値のとき、制御信号S1ctl,S2ctlによってスイッチS(S11)をオフ、スイッチS(S12)をオンさせる。これにより、図1における電動機Mは直流電源300から切り離されると共に、電動機Mの中性点が直流電源300に接続されることになり、第2の電力変換器120が昇圧動作を行う。具体的には、前述した特許文献1,2等に記載されているように、第2の電力変換器120がその上アームのスイッチング素子または下アームのスイッチング素子を全てオンさせることにより零電圧ベクトルを出力させ、直流電源300とコンデンサCd2との間で零相電力を授受することで直流電源300の電圧Vを昇圧し、コンデンサCd2に供給する。
なお、上述した第1の閾値とは、正相分電圧指令値の振幅と零相分電圧指令値の振幅との加算値が、PWMキャリア信号vの振幅(1.0)を超えないような正相分電圧指令値の振幅の限界値と定義する。
このときの各電圧指令値及びPWMキャリア信号の波形を図4に示す。なお、図4(a)は第1の電力変換器110、図4(b)は第2の電力変換器120に関するものである。
前述したようにVq1 >第1の閾値、かつ、Vq2 <第1の閾値のとき、第1の電力変換器110の零相分電圧指令値V01 は零になるので、正相分電圧指令値Vq1 (電圧指令値v )が零相分電圧指令値の干渉を受けることなく電動機Mを運転することができる。他方、第2の電力変換器120は昇圧動作を行うため、その正相分電圧指令値Vq2 は零相分電圧指令値V02 の干渉を受けるが、正相分電圧指令値Vq2 自体が小さいため、これらを加算した電圧指令値v に歪みは発生しない。
なお、各電力変換器110,120の正相分電圧指令値Vq1 ,Vq2 の両方で第1の閾値以上の値が必要とされた場合には、どちらを優先するかを予め決めておき、優先順位の低い方の正相分電圧指令値を第1の閾値以下とすれば良い。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。本実施形態の全体的な回路構成は第1実施形態の図1と同様である。
図5は、この第2実施形態における制御回路の構成を示している。第1実施形態の制御回路200Aとの相違点は、モード切替器211が、周波数指令値f ,f に応じてスイッチS(S11)及びスイッチS(S12)のオンオフパターンを決定することにある。
V/f一定制御を行う場合、正相分電圧指令値と周波数指令値とは比例関係にあるので、第1実施形態における正相分電圧指令値Vq1 ,Vq2 に代えて周波数指令値f ,f によりモード切替を行うようにしたものである。
この制御回路の動作は、モード切替器211の入力が異なるだけで図2の制御回路200Aと基本的に同一であるため、説明を省略する。
図6は、本発明の第3実施形態を示す回路図である。この実施形態が前記各実施形態と異なるのは、直流電源300の電圧Vを検出する電圧検出手段124を設けた点である。なお、電圧検出手段124による電源電圧検出値Vbdetは制御回路200Cに入力されている。
前述したように、正相分電圧指令値が零相分電圧指令値の干渉を受けないようにするために零相分電圧指令値を0とすると、電力変換器110,120の直流母線電圧は電源電圧の2倍(固定値)になるので、直流母線電圧は電源電圧が低下するとそれに比例して低下する。この結果、電力変換器が所要の正相分電圧を出力できずに電動機のトルクが不足するという問題を生じる。
そこで、本実施形態では、制御回路200Cが直流電源300の電圧を監視し、電源電圧検出値Vbdetが予め設定した第2の閾値を下回ったら、スイッチS(S11),S(S12)のオンオフパターンを切り替えるようにした。
具体的には、前述した図2のモード切替器211の入力信号(Vq1 ,Vq2 )や図5のモード切替器211の入力信号(f ,f )に代えて電源電圧検出値Vbdetを入力し、これを第2の閾値と比較して制御信号S1ctl,S2ctlを出力するものである。
図7は、本実施形態の動作説明図である。
いま、スイッチS,Sが共にオンであったとする。時刻tから電源電圧が低下していき、時刻tで電源電圧検出値Vbdetが第2の閾値以下になった時点で、スイッチS(S11)をオフすることにより、オン状態の第2の電力変換器120だけに昇圧動作を行わせる。
第2の電力変換器120では、昇圧比が2以上になるように昇圧動作を行うため、正相分電圧指令値Vq2 は零相分電圧指令値V02 の干渉を受けるので低下させなければならないが、第1の電力変換器110側では零相分電圧指令値V01 を零にするので、第2の電力変換器120による昇圧動作により所要の正相分電圧を出力することができる。
なお、この実施形態において、電源電圧の代わりに直流母線電圧を監視して所定の閾値と比較することによりモード切替を行っても良いことは言うまでもない。
次いで、図8は本発明の第4実施形態を示す回路図である。
各実施形態との相違点は、制御回路200Dに外部からモード切替信号modeを入力し、スイッチS(S11),S(S12)を制御するようにしたことである。この実施形態において、電動機Mまたは電動機Mにより高出力を得たい場合には、外部からモード切替信号modeを加えて強制的にスイッチS(S11),S(S12)を制御する。
図9は、この実施形態における制御回路200Dの内部構成を示すブロック図であり、モード切替器211に外部からモード切替信号modeが入力されている点以外は、前記各実施形態と構成は同一である。
例えば、電動機M側で高出力を得たい場合の動作を説明する。この場合には、外部からのモード切替信号modeをモード切替器211に入力し、スイッチS(S11)をオフしてスイッチS(S12)をオンする。この結果、昇圧動作は第2の電力変換器120のみが行い、第1の電力変換器110は昇圧動作を行わないため零相分電圧指令値の干渉を受けることはない。
従って、正相分電圧指令値の変調率を最大値(PWMキャリア信号の振幅)にとることができ、第1の電力変換器110は高電圧出力が可能となって電動機Mを高出力にて駆動することができる。
本発明の第1実施形態を示す回路図である。 図1における制御回路の内部構成を示すブロック図である。 図2におけるモード切替器の動作説明図である。 第1実施形態における電圧指令値及びPWMキャリア信号の波形図である。 本発明の第2実施形態における制御回路の内部構成を示すブロック図である。 本発明の第3実施形態を示す回路図である。 第3実施形態におけるモード切替器の動作説明図である。 本発明の第4実施形態を示す回路図である。 図8における制御回路の内部構成を示すブロック図である。 従来技術における電圧指令値及びPWMキャリア信号の波形図である。
符号の説明
110,120:電力変換器
111,112,121,122:電流検出手段
123,124:電圧検出手段
200A,200C,200D:制御回路
201,206:f/V変換器
202,207:積分器
203,208:座標変換器
204,209:加算器
205,210:PWM演算器
211:モード切替器
212:電圧制御器(AVR)
213,214:零相電流制御器(ACR)
300:直流電源
,M:電動機
d1,Cd2:コンデンサ
u1〜Qw1,Qx1〜Qz1,Qu2〜Qw2,Qx2〜Qz2:半導体スイッチング素子
,S,S11,S12:スイッチ

Claims (3)

  1. 正負極間にコンデンサが接続された直流母線を共通にして複数台の半導体電力変換器が並列に接続され、各電力変換器がその交流側にそれぞれ接続された負荷を個別に駆動するようにした負荷駆動装置において、
    負荷の中性点に各一端がそれぞれ接続されたスイッチと、
    これらのスイッチの各他端と前記直流母線の正極または負極との間に接続された電源と、
    前記電力変換器のうち、正相分電圧指令値振幅が所定の閾値を超えない電力変換器については、当該電力変換器に対応する前記スイッチをオンして零相電圧を制御し、前記電源の電圧を昇圧して前記コンデンサに供給すると共に、他の電力変換器については、その電力変換器に対応する前記スイッチをオフして正相分電圧指令値に従ってその電力変換器を制御する制御手段と、
    を備えたことを特徴とする負荷駆動装置。
  2. 正負極間にコンデンサが接続された直流母線を共通にして複数台の半導体電力変換器が並列に接続され、各電力変換器がその交流側にそれぞれ接続された負荷を個別に駆動するようにした負荷駆動装置において、
    負荷の中性点に各一端がそれぞれ接続されたスイッチと、
    これらのスイッチの各他端と前記直流母線の正極または負極との間に接続された電源と、
    前記電力変換器のうち、正相分電圧指令値振幅に比例する周波数指令値振幅が所定の閾値を超えない電力変換器については、当該電力変換器に対応する前記スイッチをオンして零相電圧を制御し、前記電源の電圧を昇圧して前記コンデンサに供給すると共に、他の電力変換器については、その電力変換器に対応する前記スイッチをオフして正相分電圧指令値に従ってその電力変換器を制御する制御手段と、
    を備えたことを特徴とする負荷駆動装置。
  3. 請求項1または2に記載した負荷駆動装置において、
    昇圧動作を行う電力変換器に対する正相分電圧指令値振幅を、当該振幅と零相分電圧指令値振幅との加算値がPWMキャリア信号の振幅を超えない値に設定することを特徴とする負荷駆動装置。
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