JP5321222B2

JP5321222B2 - 電力変換システムの電圧検出方法及び電圧検出装置

Info

Publication number: JP5321222B2
Application number: JP2009105094A
Authority: JP
Inventors: 泰之能登; 寿江菊地
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP2010259187A

Description

本発明は、電力変換システムの電圧検出装置に関する。

ＰＷＭインバータが出力する電圧には、デッドタイムや素子の抵抗による電圧降下があるため、ＰＷＭインバータの制御装置内部で与えられる電圧指令値とは異なる値が出力される。これは、低電圧でのインバータ駆動においてより顕著なものとなる。
そのため、例として電動機による低速運転を行う場合、良好な速度推定を行うことができなくなるなどの問題を生じる。そのために精度よく電圧を検出する技術としては、非特許文献１に記載の技術がある。
ここで図２は、非特許文献１の技術を用いて構成した、電力変換システムとしてのＰＷＭインバータの電圧検出装置の回路構成図である。
このＰＷＭインバータ1には、ＩＧＢＴなどの半導体素子を直列接続した上、下アームからなるインバータ回路１６と、このインバータ回路１６の上、下アームの両端に直流電圧Ｅｄｃを供給する整流電源などからなる直流電源２と、ＰＷＭ制御に基づいて前記上、下アームそれぞれをオンオフさせるため信号波（電圧指令値）を生成する電圧指令値生成手段１７と、このときの搬送波としての三角波を発生する三角波発生手段１８と、この電圧指令値と三角波との比較演算結果に基づいて前記ＩＧＢＴそれぞれへの駆動信号を生成する比較回路１９とを備えている。

直流電源２は、陰極側が基準電位としての零電圧に接続されている。
また、このＰＷＭインバータ１の電圧検出装置３には、インバータ回路１６を構成する上、下アームの中間接続点の電圧をこの電圧検出装置が動作するのに好適な所望の値に分圧して出力する分圧回路４と、前記分圧電圧と零電圧の何れかを選択して出力する切替スイッチ５と、前記上アームがオンしているときの前記分圧電圧（Ｖｄ）に対応した基準電圧（Ｖｒｅｆ、Ｖｄ≧Ｖｒｅｆ）を生成する基準電圧生成回路６と、前記基準電圧と零電圧の何れかを選択して出力する切替スイッチ７と、切替スイッチ５の出力値から切替スイッチ７の出力値を減算して出力する減算回路８と、減算回路８の出力値を積分演算して出力する積分回路９と、前記積分演算値が零電圧に至ったことを検知して出力する比較回路１０と、前記分圧電圧のオンオフを検出するオン／オフ検出比較器１１と、搬送波同期信号発生手段１２と、制御回路１３と、基準電圧入力時間計測カウンタ１５とを備えている。

また、この制御回路1１３には、計測カウンタ１４と、基準電圧を減算回路８に入力する時刻を調整する基準電圧入力時間調整器２０とを備えている。
搬送波同期信号発生手段１２より同期信号が発せられたときからオン／オフ検出比較器１１の出力が立ち上がるまでの時間（t１）を計測カウンタ１４が計測し、この時間（t１）を基準電圧入力時間調整器２０で記憶し、計測カウンタ１４がこの２倍の時間（２・t１）を計測した際に、基準電圧入力時間調整器２０が、基準電圧を減算回路８に入力するようスイッチ７に指令を出す。
基準電圧入力時間計測カウンタ１５は、基準電圧が前記減算回路８に入力されている時間を計測する。
この電圧検出装置３の動作を、図３を参照しつつ、以下に説明する。

図３は、ＰＷＭインバータ１におけるＰＷＭ制御および搬送波同期信号発生手段１２および電圧検出装置３の動作を説明する波形図（タイムチャート）である。
三角波発生手段１８が出力する三角波の搬送波と電圧指令値生成手段１７が出力する電圧指令値との比較演算を比較回路１９が行い、この比較演算結果に基づいて前記上アーム、下アームそれぞれへの駆動信号を出力することにより上、下アームの中間接続点からの出力電圧を分圧した分圧電圧は図示のようになる。
また、搬送波同期信号発生手段１２では、三角波発生手段１８が出力する三角波の開始点毎に図示のように同期信号を出力する。
搬送波同期信号発生手段１２より同期信号が発せられたときからからオン／オフ検出比較器１１の出力が立ち上がるまでの時間をｔ１とする。

制御回路１３では、先ず、搬送波同期信号発生手段１２からの同期信号が発せられてから計測カウンタ１４が(２・t１)時間を計測する迄の区間Ｔ１には、切替スイッチ５は分圧回路４の分圧電圧を選択する。また、切替スイッチ７は前記零電圧を選択する指令を送出する。
前記区間Ｔ１が終了した後、次の同期信号が発せられる迄の区間Ｔ２には、切替スイッチ５は前記分圧電圧を選択する。
前記区間Ｔ２が終了した後、積分回路の出力が０となって、比較回路１０が動作する迄の区間Ｔ３には、切替スイッチ５は前記零電圧を選択する。
前記区間Ｔ１が終了した後、比較回路１０が動作する迄の区間には、切替スイッチ７は基準電圧を選択する。
以上により、切替スイッチ５、切替スイッチ７それぞれのオンオフ、および減算回路８の出力は図示のように変化し、従って、積分回路９の出力も図示のように変化する。
また、基準電圧入力時間計測カウンタ１５では前記区間Ｔ１が終了した後、比較回路１０が動作する迄の区間の経過時間（ｔ２）を計測する。

この時間（ｔ２）と、前記分圧回路４の分圧比bと、前記基準電圧Ｖｒｅｆと、搬送波の１周期時間ｔcとから
Ｖａｖｅ＝(Ｖｒｅｆ・t２)/(b・ｔc)
で１搬送波周期の電圧平均値Ｖａｖｅを導出することができる。
従って、ＰＷＭ制御を行う際の１搬送波周期の電圧平均値を高精度に得ることができる。

杉本英彦、田中伸幸、「三相電圧形ＰＷＭインバータの出力電圧検出回路の開発」、平成１７年電気学会産業応用部門大会論文集、１−１１３、ｐ．４１５〜ｐ．４１８

図２に示した従来の電圧検出装置３では、搬送波１周期内で放電を終わらすために、充電をするのと同じ搬送波周期で、基準電圧を減算回路に入力し、放電を行っている。基準電圧と、分圧回路出力電圧の波高値が同じであれば、搬送波周期終了と同時に放電が終わり、電圧が検出できる。しかしながら、インバータ回路の直流電源電圧が変化してしまう場合がある。例えば、電動機が回生動作している場合には、直流電源の電圧が上昇する。
従来技術の制御では、基本的に、ＰＷＭ電圧の幅と、搬送波1周期内で印加される基準電圧の幅は等しく制御される。しかし、ＰＷＭ電圧の波高値が基準電圧よりも高くなっている場合は、搬送波1周期の終了時点で、放電は終了しない。
従って、積分回路の放電が、検出を行った周期の次の搬送波周期にまたがってしまうため、同じ積分回路を２回続けて使ってＰＷＭ電圧の検出を行うことはできないという問題があった。

この発明の目的は、上記問題点を解消した電力変換システムの電圧検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明では、電力変換装置のキャリア信号と同期させて、電力変換装置の回路から分圧回路を経て得られる分圧電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値に基づいて、電力変換装置の電圧を検出する電圧検出装置であって、前記積分した値が所定値に到達する時刻と、前記キャリア信号の周期の終了時刻とが一致するように、前記分圧電圧値と比較する基準電圧の入力時間を調整する手段を備える。
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電圧検出装置において、積分手段の出力が所定値に達する時刻と、前記キャリア周期の終了時刻との差を積分し、この積分値に基づいて基準電圧の入力時間を調整する手段を備える。
また、請求項３に記載の発明では、電力変換装置のキャリア信号と同期させて、電力変換装置の回路から分圧回路を経て得られる分圧電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値に基づいて、電力変換装置の電圧を検出する電圧検出方法であって、前記積分した値が所定値に到達する時刻と、前記キャリア信号の周期の終了時刻とが一致するように、前記分圧電圧値と比較する基準電圧の入力時間を調整する。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の電圧検出方法において、積分手段の出力が所定値に達する時刻と、前記キャリア周期の終了時刻との差を積分し、この積分値に基づいて基準電圧の入力時間を調整する。

本発明によれば、基準電圧と、分圧回路出力電圧の波高値が異なる場合でも、搬送波周期終了と同時に放電が終わり、確実に電圧を検出できる。

本発明による第１の実施形態を示す構成図である。従来技術を用いて構成した電圧検出装置の構成図である。従来技術を用いて構成した電圧検出装置の動作を説明する波形図である。本発明の第一の実施形態の動作を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、この発明の第１の実施例を示す電力変換システムとしてのＰＷＭインバータの電圧検出装置の回路構成図であり、この図において、図２に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。
電圧検出装置３aが図２に示した電圧検出装置３と異なる点は、エラー時間計測カウンタ２１と、積分手段２２と、基準電圧入力時刻補正器２３とを備え、切替スイッチ５に変えて切替スイッチ５aを用いていることである。
エラー時間計測カウンタ２１は、前記積分回路９の出力が０となって前記比較回路１０が動作する時刻と、前記三角波の周期が終了する時刻の差を計測する。
積分手段２２は、この時刻の差を積分し、出力する。
基準電圧入力時刻補正器２３は、この積分手段２２の出力を用いて前記基準電圧入力時間調整器２０が、基準電圧を減算回路８に入力するようスイッチ７に指令を出す時刻を補正する。これにより、前記比較回路１０が動作する時刻と、前記三角波の周期が終了する時刻が一致するように、調整する。
前記積分手段２２の出力を用いて前記基準電圧入力時間調整器２０が、基準電圧を減算回路８に入力するようスイッチ７に指令を出す時刻(t３)が（数１）となるように
補正する。

ここで、（数１）の積分周期としては、例えば電圧検出周期（搬送波周期）とすること
が考えられる。積分手段２２は積分回路９の出力が０となる時と三角波周期終了時との時間差[(２t₁+t₂)-t_C]を計測し、これを積分周期で積分し、Ｋ倍したものを次周期の２t₁から引き、これを次周期のt₃とする。
これにより、[(２t₁+t₂)-t_C]の定常的な時間差を０にすることができる。
電圧検出装置３a の動作を、図４を参照しつつ、以下に説明する。
図４は、ＰＷＭインバータ１におけるＰＷＭ制御および搬送波同期信号発生手段１２および電圧検出装置３aの動作を説明する波形図（タイムチャート）である。

三角波発生手段１８が出力する三角波の搬送波と電圧指令値生成手段１７が出力する電圧指令値との比較演算を比較回路１９が行い、この比較演算結果に基づいて前記上アーム、下アームそれぞれへの駆動信号を出力することにより上、下アームの中間接続点からの出力電圧を分圧した分圧電圧は図示のようになる。
また、搬送波同期信号発生手段１２では、三角波発生手段１８が出力する三角波の開始点毎に図示のように同期信号を出力する。
搬送波同期信号発生手段１２より同期信号が発せられたときからからオン／オフ検出比較器１１の出力が立ち上がるまでの時間をｔ１とする。
搬送波同期信号発生手段１２からの同期信号が発せられてから上記の時間(t３)が経過する迄の区間Ｔ１には、切替スイッチ７は前記零電圧を選択する指令を送出する。
前記区間Ｔ１が終了した後、比較回路１０が動作する迄の区間には、切替スイッチ７は基準電圧を選択する指令を送出する。
切替スイッチ５aは、基本的にONとし、搬送波同期信号発生手段１２より同期信号が発せられるタイミングと比較回路１０が動作するタイミングの間の期間のみ、OFFとする。
なお、搬送波一周期の区間でのインバータ回路の直流電源電圧の変動は微小であるため、上記の期間切替スイッチ５aをOFFとする影響は小さい。
以上により、切替スイッチ５a、切替スイッチ７それぞれのオンオフ、および減算回路８の出力は図示のように変化し、従って、積分回路９の出力も図示のように変化する。
また、基準電圧入力時間計測カウンタ１５では前記区間Ｔ１が終了した後、比較回路１０が動作する迄の区間の経過時間（ｔ２）を計測する。
この時間（ｔ２）と、前記分圧回路４の分圧比bと、前記基準電圧Ｖｒｅｆと、搬送波の１周期時間ｔcとから、
Ｖａｖｅ＝(Ｖｒｅｆ・t２)/(b・ｔc))
で１搬送波周期の電圧平均値Ｖａｖｅを導出する。

１…ＰＷＭインバータ、２…直流電源、３、３ａ…電圧検出装置、４…分圧回路、５、５ａ…切り替えスイッチ、６…基準電圧生成回路、７…切り替えスイッチ、８…減算回路、９…積分回路、１０…比較回路、１１…オン／オフ検出比較器、１２…搬送波同期信号発生回路、１３、１３ａ…制御回路、１４…計測カウンタ、１５…基準電圧入力時間計測カウンタ、１６…インバータ回路、１７…電圧指令値生成手段、１８…三角波発生手段、１９…比較回路、２０…基準電圧入力時間調整器、２１…エラー時間計測カウンタ、２２…積分手段、２３…基準電圧入力時間補正器

Claims

電力変換装置のキャリア信号と同期させて、電力変換装置の回路から得られる電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値に基づいて、電力変換装置の電圧を検出する電圧検出装置であって、
前記分圧電圧値と比較する基準電圧の入力時間を調整する手段と、前記積分した値が所定値に到達する時刻と、前記キャリア信号の周期の終了時刻とを一致させる手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の電圧検出装置。
請求項１に記載の電圧検出装置において、
電力変換装置の回路から得られる電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値が所定値に達する時刻と、前記キャリア周期の終了時刻との差に基づいて基準電圧の入力時間を調整する手段を備えたことを特徴とする電力変換回路の電圧検出装置。
請求項１または２に記載の電圧検出装置において、
電力変換装置の回路から得られる電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値が所定値に達する時刻と、前記キャリア周期の終了時刻との差を積分する積分手段を備え、
この積分手段の出力に基づいて基準電圧の入力時間を調整する手段を備えたことを特徴とする電力変換回路の電圧検出装置。
電力変換装置のキャリア信号と同期させて、電力変換装置の回路から得られる電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値に基づいて、電力変換装置の電圧を検出する電圧検出方法であって、
前記分圧電圧値と比較する基準電圧の入力時間を調整することにより、前記積分した値が所定値に到達する時刻と、前記キャリア信号の周期の終了時刻とを一致させることを特徴とする電力変換装置の電圧検出方法。
請求項４に記載の電圧検出方法において、
積分手段の出力が所定値に達する時刻と、前記キャリア周期の終了時刻との差に基づいて基準電圧の入力時間を調整することを特徴とする電力変換回路の電圧検出方法。
請求項４または５に記載の電圧検出方法において、
電力変換装置の回路から得られる電圧値と基準電圧との差電圧を積分した値が所定値に達する時刻と、前記キャリア周期の終了時刻との差を積分し、この積分した出力に基づいて基準電圧の入力時間を調整することを特徴とする電力変換回路の電圧検出方法。