JP5381172B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換システムに関する。

従来より、単一の直流電源から、複数の負荷に多相交流電力をそれぞれ供給する電力変換システムが知られている。例えば、特許文献１には、２つのインバータのスイッチングキャリア位相を各々可変にする手法が開示されている。かかる手法によれば、リップル電流の低減を図ることができるので、平滑コンデンサの小型化、平滑コンデンサの負担の軽減を図ることができる。

特開２００６−５４９９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、電流検出はキャリアに同期して行われるため、電流検出のタイミングがずれることになる。ひとつのコントローラで２つのインバータを制御する場合、スイッチングキャリアをずらすと、電流検出のタイミングのずれや、計算に要する変数のバッファ、変調率の反映などのタイミングが複雑化する。そのため、コントローラの負荷が増大するという問題点があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コントローラの負荷増加を抑制しつつ、リップル電流の低減を図ることである。

かかる課題を解決するために、本発明は、電力変換手段のそれぞれについて、負荷の要求に応じて設定される各相の初期変調率指令を、各電力変換手段について異なるオフセット量にてそれぞれオフセットさせることにより、各相の変調率指令を生成する。

本発明によれば、電力変換手段のそれぞれについて、各相の初期変調率をオフセットさせるという簡単な制御の追加で、直流母線の高周波電流の位相を可変することができる。そのため、制御装置の負荷増加を抑制しつつ、リップル電流の低減を図ることができる。

第１の実施形態にかかる電力変換システムの全体構成を模式的に示す説明図 インバータ３０を中心としたシステム構成を模式的に示す説明図 変調率指令ｍu1*〜ｍw1*と直流母線電流の位相との関係を示す説明図 オフセット処理を行わない場合と行った場合とでの直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の比較を示す説明図 オフセット処理を行わない場合における直流母線電流Ｉc1，Ｉc2とコンデンサ電流Ｉccとを示す説明図 オフセット処理を行った場合における直流母線電流Ｉc1，Ｉc2とコンデンサ電流Ｉccとを示す説明図 直流母線電流の位相を示す説明図 第２の実施形態にかかる位相可変部５０の構成を示すブロック図 第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1とオフセット処理後の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*との関係を示す説明図 第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2とオフセット処理後の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*との関係を示す説明図 第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1とオフセット処理後の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*との関係を示す説明図 第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2とオフセット処理後の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*との関係を示す説明図 第３の実施形態にかかる位相可変部５０の構成を示すブロック図 第１のインバータ３０の直流母線電流Ｉc1と第２のインバータ３０ａの直流母線電流Ｉc2とを示す説明図 第１から第３のインバータに対応する直流母線電流Ｉc1，Ｉc2，Ｉc3を示す説明図 第１から第３のインバータに対応する直流母線電流Ｉc1，Ｉc2，Ｉc3を示す説明図

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電力変換システムの全体構成を模式的に示す説明図である。本実施形態にかかる電力変換システムは、電気自動車に適用されており、一対のモータ（駆動用モータ）１０，１０ａに電力をそれぞれ供給するシステムであり、一対のインバータ３０，３０ａと、一対の制御ユニット４０，４０ａとで構成されている。

この電力変換システムは、第１のモータ１０側システムと、第２のモータ１０ａ側システムとで構成されており、それぞれのシステムが第１および第２のモータ１０，１０ａを制御する。第１のモータ１０側システムは、第１のインバータ３０を介して第１のモータ１０を駆動するものであり、第１のインバータ３０は第１の制御ユニット４０によって制御される。一方、第２のモータ側システムは、第２のインバータ３０ａを介して第２のモータ１０ａを駆動するものであり、第２のインバータ３０ａは第２の制御ユニット４０ａによって制御される。なお、第１の制御ユニット４０と第２の制御ユニット４０ａとは機能的に分離していればよく、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成された単一のマイクロコンピュータ（制御装置）によって第１の制御ユニット４０および第２の制御ユニット４０ａを構成することが可能である。

ここで、第１のモータ１０側システム構成と、第２のモータ１０ａ側システム構成とは基本的に対応しており、以下、第１のモータ１０側システム構成を中心に説明を行う。この場合、特に第２のモータ１０ａ側システムとの相違を明確化する必要性がある場合を除き、第１のモータ１０側システムの構成要素の前に付される「第１の」という用語を省略する。また、第２のモータ１０ａ側のシステムにおいて、第１のモータ１０側のシステム構成と対応する構成については、その対応する符号に「ａ」を付することにより、両者を区別することとする。また、第１のモータ１０側のシステムにおいて用いられる各種のパラメータについては、種々の記号の後に「１」を付し、第２のモータ１０ａ側のシステムにおいて用いられる各種のパラメータについては、種々の記号の後に「２」を付することにより、両者を区別することとする。

モータ１０は、例えば、中性点を中心に星形結線された複数の相巻線（本実施形態では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる３つの相巻線）を有する３相交流同期モータである。このモータ１０は、インバータ３０から、３相の交流電力が各相巻線にそれぞれ供給されることにより生じる磁界と、回転子の永久磁石が作る磁界との相互作用により駆動する。

インバータ３０は、電源２０に接続されており、この電源２０の直流電力から、後述する各スイッチ３１〜３６の導通状態に応じた３相の交流電流を生成する。なお、第１のモータ１０側システムと、第２のモータ１０ａ側システムとは、単一の電源２０を共有しており、第２のモータ１０ａ側システムの第２のインバータ３０ａも、同一の電源２０に接続されている。

ここで、電源２０は、直流電源であり、電源２０としては、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池といったバッテリを用いることができる。電源２０の負極は負極母線が接続され、電源２０の正極は正極母線が接続されている。正極母線と負極母線との間には、電源２０に流れる電流を平滑する平滑コンデンサ２１が設けられている。

図２は、インバータ３０を中心としたシステム構成を模式的に示す説明図である。同図（ａ）に示すように、電源２０の正極に接続する正極母線と、３相に対応する各出力端子との間には、一方向の導通を制御可能な単方向スイッチ３１〜３３がそれぞれ接続されている。また、電源２０の負極に接続された負極母線と、３相に対応する各出力端子との間にも、単方向スイッチ３４〜３６がそれぞれ接続されている。個々の単方向スイッチ３１〜３６は、半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴ等のトランジスタといったスイッチング素子）を主体に構成されており、個々の半導体スイッチは、還流用ダイオードが逆並列接続されている。

各スイッチ３１〜３６のオンオフ状態、すなわち、導通および遮断の切り替え（スイッチング動作）は、制御ユニット４０から出力されるゲート駆動信号を通じて制御される。個々のスイッチ３１〜３６は、制御ユニット４０によってオンされることにより導通状態となり、オフされることにより非導通状態（遮断状態）となる。

再び図１を参照するに、制御ユニット４０は、インバータ３０を制御する制御手段であり、外部から供給されるモータ１０のトルク指令値に基づいて、各スイッチ３１〜３６に関するゲート駆動信号を生成し、このゲート駆動信号を通じてインバータ３０が備える各スイッチ３１〜３６の導通状態を制御する。これにより、制御ユニット４０は、インバータ３０を介して負荷であるモータ１０の出力トルクを制御する。この制御ユニット４０による演算処理は、インバータ３０のキャリア周波数（スイッチング周波数）ｆｃと同じ周波数のディジタル制御にて行う。

制御ユニット４０には、各種のセンサ（図示せず）によって検出されるセンサ信号が入力されている。モータ１０における各相の電流Ｉu1，Ｉv1，Ｉw1、具体的には、Ｕ相の電流Ｉu1、Ｖ相の電流Ｉv1、Ｗ相の電流Ｉw1は、電流センサによって検出され、これが制御ユニット４０に入力されている。また、モータ１０の電気的な回転位相（電気角）θe1は、モータ１０に取り付けられた位置センサ（例えば、レゾルバ）によって検出され、これが制御ユニット４０に入力されている。

制御ユニット４０は、これを機能的に捉えた場合、ＰＩ制御部４１と、３相／ｄｑ変換部４２と、非干渉制御部４３と、微分演算部４４と、ｄｑ／３相変換部４５と、変調率演算部４６と、ＰＷＭ生成部４７と、位相可変部５０とを有している。

ＰＩ制御部４１には、モータ１０の電流指令値であるｄ軸およびｑ軸電流指令値ｉd_cmd1，ｉq_cmd1から、モータ１０の実電流値であるｄ軸およびｑ軸電流ｉd1，ｉq1をそれぞれ減算したｄ軸およびｑ軸の電流偏差が入力されている。ここで、ｄ軸およびｑ軸電流指令値ｉd_cmd1，ｉq_cmd1は、モータ１０のトルク指令値とモータ回転数とに基づいてｄ軸およびｑ軸電流指令値ｉd_cmd1，ｉq_cmd1を出力するトルク制御部（図示せず）によって演算されている。一方、ｄ軸およびｑ軸電流ｉd1，ｉq1は、３相／ｄｑ変換部４２が、３相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電気角θe1に基づいて座標変換を行うことにより演算される。

ＰＩ制御部４１は、ＰＩ制御を用いて、ｄ軸およびｑ軸の電流偏差がそれぞれ０となるようなｄ軸およびｑ軸電圧指令値をそれぞれ演算する。演算されたｄ軸およびｑ軸電圧指令値は、後述するｄ軸およびｑ軸補償電圧がそれぞれ加算されることにより、最終的なｄ軸およびｑ軸電圧指令値Ｖd1，Ｖq1としてｄｑ／３相変換部４５に出力される。

一方、ｄ軸およびｑ軸電流指令値ｉd_cmd1，ｉq_cmd1は、非干渉制御部４３にも入力される。非干渉制御部４３は、モータ１０の速度起電力に対するフィードフォーワード補償部であり、電気的な角速度ωe1に基づいて、ｄ軸およびｑ軸補償電圧をそれぞれ演算する。ここで、電気的な角速度ωe1は、微分演算部４４が電気角θe1を微分演算することにより求められる。演算されたｄ軸およびｑ軸補償電圧は、ＰＩ制御部４１において演算されたｄ軸およびｑ軸電圧指令値に加算される。

ｄｑ／３相変換部４５は、電気角θe1を参照した上で、ｄ軸およびｑ軸電圧指令値Ｖd1，Ｖq1から、各相に対応する電圧指令値Ｖu1，Ｖv1，Ｖw1に座標変換を行う。各相の電圧指令値Ｖu1〜Ｖw1は、変調率演算部４６に出力される。

変調率演算部４６は、各相の電圧指令値Ｖu1〜Ｖw1を電源２０の電圧でそれぞれ規格化することにより、３相の初期変調率指令ｍu1，ｍv1，ｍw1を演算する。具体的には、変調率演算部４６は、各相の電圧指令値Ｖu1〜Ｖw1を電源２０の電圧の半分の値で除算することにより、３相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1を演算する。３相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1は、後述する位相可変部５０によってオフセット処理がそれぞれ行われ、オフセット処理後の各相の値が、最終手的な３相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*としてＰＷＭ生成部４７に出力される。３相の変調率指令は、インバータ３０を構成する各相のスイッチ３１〜３６の導通時間比率を決定するためのパラメータである。

ＰＷＭ生成部４７は、各変調率指令ｍu1*〜ｍw1*と、キャリア周期Ｔｃ（１／ｆｃ）のキャリアＣ１とに基づいて、インバータ３０の各スイッチ３１〜３６の導通期間を設定するゲート駆動信号を生成する。そして、ＰＷＭ生成部４７は、生成されたゲート駆動信号を通じてインバータ３０の各スイッチ３１〜３６の導通状態、すなわち、導通期間（オン期間）を制御する。これにより、電源２０からモータ１０の各相の端子に印加する出力電圧を生成する。本実施形態において、キャリアＣ１は、下限を「−１」、上限を「１」とする三角波である。

図２（ｂ）を参照するに、ＰＷＭ生成部４７は、各変調率指令ｍu1*〜ｍw1*と、キャリアＣ１とを比較し、ゲート駆動信号を生成する。以下、Ｕ相に着目して説明を行うが、他の相についても同様である。この図２（ｂ）において、Ｕ相の各スイッチ３１，３４に関するゲート駆動信号Ｓ31，Ｓ34がHighレベルのときに、各スイッチ３１，３４がオンとなる。

ＰＷＭ生成部４７は、キャリアＣ１よりもＵ相も変調率指令ｍu1*が大きい場合（Ｃ１＜ｍu1*）、上アームに相当するスイッチ３１がオンするようにゲート駆動信号Ｓ31を出力する。また、ＰＷＭ生成部４７は、キャリアＣ１よりも変調率指令値ｍu1*が小さい場合（Ｃ１＞ｍu1*）、上アームに相当するスイッチ３１をオフするようにゲート駆動信号Ｓ31を出力する。一方、ＰＷＭ生成部４７は、スイッチ３４のゲート駆動信号Ｓ34として、スイッチ３１のゲート駆動信号Ｓ31を反転出力する。

なお、上アームに相当するスイッチ３１と、下アームに相当するスイッチ３４とが同時にオンとなることで短絡が発生する可能性があるので、両スイッチ３１，３４が同時にオンすることがないように短絡防止期間（デッドタイム）が付加されている。

以下、本実施形態の特徴の一つである位相可変部５０による処理を説明する。なお、位相可変部５０は、第１の制御ユニット４０と第２の制御ユニット４０ａとに共通化された構成となっている。位相可変部５０は、オフセット生成部５１と、加算部５２とを構成されている。

位相可変部５０には、第１の変調率演算部４６において演算された第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1と、第２の変調率演算部４６ａにおいて演算された第２の初期変調率指令値ｍu2〜ｍw2とが入力される。オフセット生成部５１は、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1と、第２の初期変調率指令値ｍu2〜ｍw2とに基づいて、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1をオフセットさせるためのオフセット量を規定する第１のオフセット値と、第２の初期変調率指令をオフセットさせるためのオフセット量を規定する第２のオフセット値とをそれぞれ演算する。

そして、位相可変部５０は、各オフセット値に基づいて、第１および第２の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1，ｍu2〜ｍw2をそれぞれオフセットさせるオフセット処理を行う。具体的には、加算部５２により、第１のオフセット値が第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1にそれぞれ加算され、第２のオフセット値が第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2にそれぞれ加算される。このオフセット処理の結果、第１の変調率指令値ｍu1*〜ｍw1*および第２の変調率指令値ｍu2*〜ｍw2*がそれぞれ生成され、それぞれの値が対応するＰＷＭ生成部４７に入力される。これにより、第１のインバータ３０および第２のインバータ３０ａの直流母線電流の位相をそれぞれ可変する。

図３は、変調率指令ｍu1*〜ｍw1*と直流母線電流の位相との関係を示す説明図である。以下、第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*と直流母線電流の位相との関係を説明するが、第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*と直流母線電流の位相との関係も同様である。上述したように、ＰＷＭ生成部４７は、各相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*と、キャリアＣ１とを比較することにより、スイッチ３１〜３６の導通状態を制御する。同図において、Ｓ31〜Ｓ33は、インバータ３０の各上アームのスイッチ３１〜３３に対するゲート駆動信号を示している。

まず、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の上アームに対応するスイッチ３１〜３３がすべてオフとなる区間Ｔ１では、インバータ３０の３相の下アームのスイッチ３４〜３６および還流ダイオードと、モータ１０との間で電流が還流する。このため、直流母線電流Ｉｃ１は０となる。次に、区間Ｔ２において、Ｕ相のスイッチ３１がオンすると、直流母線に電流ｉｕが通電され、続く区間Ｔ３において、Ｖ相のスイッチ３２がオンすると、直流母線の電流Ｉc1は「ｉｕ＋ｉｖ」となる。そして、区間Ｔ４において、３相のスイッチ３１〜３３がすべてオンとなると、３相の上アームのスイッチ３１〜３３および還流ダイオードと、モータ１０との間で電流が還流する。このため、直流母線電流Ｉc1は０となる。また、区間Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７は、それぞれ区間Ｔ３，Ｔ２，Ｔ１と同様の状態となる。

ここで、３相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*をそれぞれ上側にオフセット、すなわち、各値ｍu1*〜ｍw1*をそれぞれ増加させることにより、区間Ｔ４が長くなり、区間Ｔ１、Ｔ７がそれぞれ短くなることが分かる。また、３相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*をそれぞれ下側にオフセット、すなわち、各値ｍu1*〜ｍw1*をそれぞれ減少させることにより、区間Ｔ４が短くなり、区間Ｔ１、Ｔ７がそれぞれ長くなることが分かる。なお、上下いずれのケースにおいても、その他の区間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ６は同じ長さのままとなる。

このようにして、３相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*がオフセットすることで直流母線電流Ｉc1の位相をずらすことができる。なお、３相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*のオフセット量がそれぞれ同じであれば、モータ１０の線間電圧は変化しないため、モータ制御に影響が生じることはない。

図４は、オフセット処理を行わない場合と行った場合とでの直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の比較を示す説明図である。同図において、（ａ）は、第１のインバータ３０の直流母線電流Ｉc1を示しており、（ｂ）は、第２のインバータ３０における直流母線電流Ｉc2を示している。また、同図において、「Ｌ−ＯＮ」は、第１のインバータ３０または第２のインバータ３０ａにおいて、各相の下側アームに対応するスイッチがすべてオンとなっている状態を指し、「Ｕ−ＯＮ」は、第１のインバータ３０または第２のインバータ３０ａにおいて、各相の上側アームに対応するスイッチがすべてオンとなっている状態を指す。

まず、オフセット処理を行わない場合について述べる。第１および第２のモータ１０に関するトルク指令が同じである場合、第１のインバータ３０における直流母線電流Ｉc1と、第２のインバータ３０ａにおける直流母線電流Ｉc2とは、上述した区間Ｔ２，３（区間Ｔ５，６）が同期した状態となる。

つぎに、オフセット処理を行う場合について述べる。ここで、第１のオフセット値として、各相の第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1をそれぞれ上側にオフセットさせる値を考え、第２のオフセット値として、各相の第２の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1をそれぞれ下側にオフセットさせる値とする。第１のオフセット値により、第１のインバータ３０における直流母線電流Ｉc1は、区間Ｔ４が長くなり、区間Ｔ１、Ｔ７がそれぞれ短くなる。一方で、第２のオフセット値により、第２のインバータ３０ａにおける直流母線電流Ｉc2は、区間Ｔ４が短くなり、区間Ｔ１、Ｔ７がそれぞれ長くなる。

これにより、同図に示すように、第１のインバータ３０の直流母線電流Ｉc1の位相と、第２のインバータ３０ａの直流母線電流Ｉc2の位相とをずらすことができる。換言すれば、モータ１０，１０ａの電流から発生する直流母線の高周波電流の位相を相互にずらすことができる。この場合、平滑コンデンサ２１に流れるリップル成分を打ち消すことができる。すなわち、第１のインバータ３０の制御におけるオフセット値と、第２のインバータ３０ａの制御におけるオフセット値とをそれぞれ異ならせることにより、直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の位相をずらすことができる。もっとも、このような位相可変部５０の制御は、インバータ３０，３０ａのそれぞれについて、各相に関するスイッチ手段の導通時間のパターンを、各インバータ３０ａ，３０ａについて異なる時間パターンに制御することと等価である。

したがって、各直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の和が打ち消されるように、各３相から発生する直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の位相を可変すればコンデンサ電流のリップルを打ち消すことができる。これにより、平滑コンデンサ２１の小型化を図ることができる。

図５は、オフセット処理を行わない場合における直流母線電流Ｉc1，Ｉc2とコンデンサ電流Ｉccとを示す説明図である。また、図６は、オフセット処理を行った場合における直流母線電流Ｉc1，Ｉc2とコンデンサ電流Ｉccとを示す説明図である。図５，６の比較から分かるように、オフセット処理により直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の位相を可変をすることで平滑コンデンサ２１に流れる電流Ｉccを少なくすることができる。

このように本実施形態において、第１および第２の制御ユニット４０，４０ａは、インバータ３０，３０ａのそれぞれについて、負荷の要求（トルク指令値）に応じて設定される各相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1，ｍu2〜ｍw2をそれぞれオフセットさせることにより、最終的な各相の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*，ｍu2*〜ｍw2*を生成する。かかる構成によれば、インバータ３０，３０ａのそれぞれについて、各相の初期変調率ｍu1〜ｍw1，ｍu2〜ｍw2を上下にオフセットさせるという簡単な制御の追加で、直流母線の高周波電流の位相を可変することができる。そのため、制御装置の負荷増加を抑制しつつ、リップル電流の低減を図ることができる。

この場合、第１および第２の制御ユニット４０，４０ａは、インバータ３０，３０ａのそれぞれについて異なるオフセット量を用いて、各相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1，ｍu2〜ｍw2をそれぞれオフセットさせる。かかる構成によれば、それぞれの三相インバータの直流母線電流の位相が異なる位置に配置されることとなるため、コンデンサ電流の打ち消しが発生する範囲を広げることができる。

また、本実施形態において、第１および第２の制御ユニット４０，４０ａは、各相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1，ｍu2〜ｍw2をオフセットさせることにより、インバータ３０，３０ａのそれぞれについて、各相に関するスイッチ３１〜３６の導通時間のパターンを、各インバータ３０ａ，３０ａについて異なる時間パターンに制御する。特に本実施形態では、位相可変部５０は、インバータ３０，３０ａのそれぞれについて、３相の上アームに対応するスイッチ３１〜３３の全てを導通する時間、または３相の下アームに対応するスイッチ３４〜３６の全てを導通する時間を、各インバータ３０，３０ａについて異なる時間に制御している。かかる構成によれば、図４に示すように、直流母線の高周波電流の位相を可変することができ、コンデンサ電流の高周波電流を打ち消すことができる。

なお、本実施形態では、３相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1をそれぞれ上下にオフセットさせることにより、区間Ｔ４および区間Ｔ１，Ｔ７の長さを調整しているが、図７に示すように、直流母線電流の幅（すなわち、区間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ６）を調整してもよい。このように構成することで、直流母線の高周波電流が流れる期間の長さを可変することで、高周波電流の重なる区間や、インバータ３０，３０ａともに直流母線電流Ｉc1，Ｉc2が０となる区間をなくすことができる。これにより、コンデンサ電流の打ち消しが発生する範囲を広げることができる。

また、本実施形態では、形式的には変調率指令を操作しているが、変調率指令は、電圧指令値が規格化されたものであり、その操作は、電圧指令値を操作していることと同じである。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる電力変換システムについて説明する。第２の実施形態にかかる電力変換システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、位相可変部５０の構成である。第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図８は、第２の実施形態にかかる位相可変部５０の構成を示すブロック図である。位相可変部５０は、最大値演算部５３と、最小値演算部５４とを主体に構成されている。

第１の変調率演算部４６において演算された第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1は、最大値演算部５３に入力される。この最大値演算部５３は、各相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1のうち、最も大きい初期変調率指令（最大初期変調率指令）を特定する。つぎに、減算部５５において、「１」から最大初期変調率指令を減算することにより、減算値が演算される。そして、加算部５６において、演算された減算値を各相の第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1にそれぞれ加算することにより、最終的な各相の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*が演算される。

また、第２の変調率演算部４６ａにおいて演算された第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2は、最小値演算部５４に入力される。この最小値演算部５４は、各相の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2のうち、最も小さい初期変調率指令（最小初期変調率指令）を特定する。つぎに、減算部５５において、「−１」から最小初期変調率指令を減算することにより、減算値が演算される。そして、加算部５６において、演算された減算値を各相の第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2にそれぞれ加算することにより、最終的な各相の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*が演算される。

図９は、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1と、オフセット処理後の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*との関係を示す説明図であり、図１０は、第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2と、オフセット処理後の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*との関係を示す説明図である。同図に示すように、本実施形態によれば、第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*は、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1へ上側へオフセットすることにより生成される。具体的には、３相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1のうち最大値に対応する相の変調率指令がキャリアの上限（「１」）と対応するように、３相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1がオフセット処理される。これにより、３相の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1のうち最大値に対応する相の上アームのスイッチがオンに固定される。これに対して、第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*は、第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2へ上側へオフセットすることにより生成される。具体的には、３相の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2のうち最小値に対応する相の変調率指令がキャリアの下限（「−１」）と対応するように、３相の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2がオフセット処理される。これにより、３相の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2のうち最小値に対応する相の上アームのスイッチがオフに固定される。

かかる構成によれば、第１の実施形態と同様に、オフセット処理により、直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の位相を可変をすることで平滑コンデンサ２１に流れる電流Ｉccを少なくすることができる。コンデンサ電流のリップルを打ち消すことができる。これにより、平滑コンデンサ２１の小型化を図ることができる。また、各相のスイッチのオンまたはオフに固定することによって、スイッチングしない相が発生する。これにより、スイッチング損失の低減を図ることができ、インバータ３０，３０ａを高効率で駆動することができる。

図１１は、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1と、オフセット処理後の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*との関係を示す説明図であり、図１２は、第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2と、オフセット処理後の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*との関係を示す説明図である。上述した実施形態では、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1については上側へのオフセット、すなわち、「１」への固定とし、第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2については下側へのオフセット、すなわち、「−１」への固定としている。しかしながら、図１１，１２に示すように、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1および第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2をそれぞれオフセットさせる場合、上側オフセットと下側オフセットとを交互に時間切り替えしてもよい。

かかる構成によれば、オンに固定する相は、インバータ３０，３０ａの上アーム側に負荷の還流電流が流れ、オフに固定する相には、インバータ３０，３０ａの下アーム側に負荷の還流電流が流れる。これを時間切り替えすることによって、還流電流により発生する熱を分散することができ、ひとつの相への熱集中を抑制することができる。そのため、耐熱性の高い高価なデバイスを使用する必要がなくなる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換システムについて説明する。第３の実施形態にかかる電力変換システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、位相可変部５０の構成である。第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図１３は、第３の実施形態にかかる位相可変部５０の構成を示すブロック図である。位相可変部５０は、最大値演算部５３と、最小値演算部５４とを主体に構成されている。

第１の変調率演算部４６において演算された第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1は、最大値演算部５３に入力される。この最大値演算部５３は、各相の第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1のうち、最も大きい初期変調率指令（最大初期変調率指令）を特定する。一方、第２の変調率演算部４６ａにおいて演算された第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2は、最小値演算部５４に入力される。この最小値演算部５４は、各相の第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2のうち、最も小さい初期変調率指令（最小初期変調率指令）を特定する。

そして、位相可変部５０は、減算部５７において、最大初期変調率指令から最小初期変調率指令を減算することにより、減算値を演算する。この減算値は積算部５８に出力され、積算部５８おいて、減算値と「１／２」とが積算され、積算値が生成される。そして、位相可変部５０は、加算部５９において、演算された積算値を各相の第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1にそれぞれ加算することにより、最終的な各相の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*を演算する。また、位相可変部５０は、減算部５７において、各相の第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2から演算された積算値を減算することにより、最終的な各相の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*を演算する。

図１４は、第１のインバータ３０の直流母線電流Ｉc1と第２のインバータ３０ａの直流母線電流Ｉc2とを示す説明図である。同図において、Ｐmax1は、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1のうちの最大初期変調率指令に対応する相のスイッチ駆動信号を示し、Ｐmin1は、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1のうちの最小初期変調率指令に対応する相のスイッチ駆動信号を示す。同様に、Ｐmax2は、第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2のうちの最大初期変調率指令に対応する相のスイッチ駆動信号を示し、Ｐmin2は、第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2のうちの最小初期変調率指令に対応する相のスイッチ駆動信号を示す。

このように本実施形態において、第１および第２の制御ユニット４０，４０ａは、各相の第１の変調率指令ｍu1*〜ｍw1*のうちの最小値と、各相の第２の変調率指令ｍu2*〜ｍw2*のうちの最大値とが対応するように、第１の初期変調率指令ｍu1〜ｍw1および第２の初期変調率指令ｍu2〜ｍw2に対してオフセット処理を行う。

第１の実施形態と同様に、オフセット処理により、直流母線電流Ｉc1，Ｉc2の位相を可変をすることで平滑コンデンサ２１に流れる電流Ｉccを少なくすることができる。コンデンサ電流のリップルを打ち消すことができる。これにより、平滑コンデンサ２１の小型化を図ることができる。また、直流母線電流が重なることなく、コンデンサ電流の打ち消しが発生する範囲を広げることができる。

なお、上述した各実施形態では、また、２つのモータ１０，１０ａに対応して、電源２０を共有する２つのインバータ３０，３０ａを用いる構成であれば、負荷の数に応じて、電源２０を共有する３つ以上のインバータ構成としてもよい。ここで、図１５は、第１から第３のインバータに対応する直流母線電流Ｉc1，Ｉc2，Ｉc3を示す説明図である。同図（ａ）〜（ｃ）に示すように、各インバータの直流母線電流Ｉc1〜Ｉc3の位相をそれぞれ同期しないようにずらすことが好ましい。例えば、図１６に示すように、第１のインバータに関する各相の変調率指令のうちの最小値と、第２のインバータに関する各相の変調率指令のうちの最大値とを対応させ、第２のインバータに関する各相の変調率指令のうちの最小値と、第３のインバータに関する各相の変調率指令のうちの最大値とを対応させると行った如くである。また、図１５（ｄ）に示すように、３つのインバータのうち、少なくとも一つの直流母線電流Ｉc3の位相を、他の直流母線電流Ｉc1，Ｉc2からずらしてもよい。

また、複数のインバータのうちのいずれか一つのインバータに関する制御について、キャリア上限への固定を行う、残余のインバータのうちの一つのインバータに関する制御について、キャリア下限への固定を行えばよい。また、複数のインバータについて、このような２つの制御パターンを時間毎に切り替えてもよい。

さらに、上述した各実施形態では、３相の交流電力を出力するインバータを例示して説明を行ったが、６相、９相といったように３ｍ（ｍ：自然数）相交流を出力するインバータであってもよい。この場合には、単独のインバータ制御であっても、上述した実施形態に示す個別の３相インバータの制御のように、３相をセットとして、一方の３相から発生する直流母線電流の位相と他方の３相から発生する直流母線電流の位相とをずらすようにしてもよい。

１０…第１のモータ
１０ａ…第２のモータ
２０…電源
２１…平滑コンデンサ
３０…第１のインバータ
３０ａ…第２のインバータ
３１〜３６…スイッチ
４０…第１の制御ユニット
４０ａ…第２の制御ユニット
４１…ＰＩ制御部
４２…３相／ｄｐ変換部
４３…非干渉制御部
４４…微分演算部
４５…ｄｐ／３相変換部
４６…変調率演算部
４７…ＰＷＭ生成部
５０…位相可変部

Claims (9)

1. 単一の直流電源から、複数の負荷に多相交流電力をそれぞれ供給する電力変換システムにおいて、
   前記複数の負荷に対応して設けられ、それぞれが各相毎に設けられたスイッチ手段の導通状態に応じて前記直流電源からの直流電力を多相交流電力に変換して出力する複数の電力変換手段と、
   前記電源に流れる電流を平滑するコンデンサと、
   前記電力変換手段のそれぞれを制御対象として、各相のスイッチ手段の導通時間比率をそれぞれ規定する各相の変調率指令に基づいて前記各相のスイッチ手段の導通状態を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記電力変換手段のそれぞれについて、前記負荷の要求に応じて設定される各相の初期変調率指令を、各電力変換手段について異なるオフセット量にてそれぞれオフセットさせることにより、前記各相の変調率指令を生成するとともに、前記複数の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段に関する各相の変調率指令のうちの最小値と、残余の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段に関する各相の変調率指令のうちの最大値とが対応するように、各相の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせることを特徴とする電力変換システム。
2. 単一の直流電源から、複数の負荷に多相交流電力をそれぞれ供給する電力変換システムにおいて、
   前記複数の負荷に対応して設けられ、それぞれが各相毎に設けられたスイッチ手段の導通状態に応じて前記直流電源からの直流電力を多相交流電力に変換して出力する複数の電力変換手段と、
   前記電源に流れる電流を平滑するコンデンサと、
   前記電力変換手段のそれぞれを制御対象として、各相のスイッチ手段の導通時間比率をそれぞれ規定する各相の変調率指令に基づいて前記各相のスイッチ手段の導通状態を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記電力変換手段のそれぞれについて、前記各相に関するスイッチ手段の導通時間のパターンを、各電力変換手段について異なる時間パターンに制御するとともに、前記複数の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段に関する各相の変調率指令のうちの最小値と、残余の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段に関する各相の変調率指令のうちの最大値とが対応するように、各相の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせることを特徴とする電力変換システム。
3. 前記制御手段は、前記電力変換手段のそれぞれについて、前記負荷の要求に応じて設定される各相の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせることにより、前記各相の変調率指令を生成することを特徴とする請求項２に記載された電力変換システム。
4. 前記制御手段は、前記電力変換手段のそれぞれについて異なるオフセット量を用いて各相の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせることを特徴とする請求項３に記載された電力変換システム。
5. 前記電力変換手段のそれぞれは、上下一対のアームを３つ備える３相の電力変換手段であり、
   前記制御手段は、前記電力変換手段のそれぞれについて、３相の上アームに対応するスイッチ手段の全てを導通する時間、または３相の下アームに対応するスイッチ手段の全てを導通する時間を、各電力変換手段について異なる時間に制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された電力変換システム。
6. 前記制御手段は、前記複数の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段である第１の電力変換手段について、各相の初期変調率指令のうち最大値となる相の初期変調率指令が、キャリアの上限と対応するように各相の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせ、残余の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段である第２の電力変換手段について、各相の初期変調率指令のうち最小値となる相の初期変調率指令が、キャリアの下限と対応するように各相の初期変調率指令をそれぞれオフセットさせることを特徴とする請求項１または４に記載された電力変換システム。
7. 前記制御手段は、前記複数の電力変換手段のうちの一つの電力変換手段である第１の電力変換手段について、各相の初期変調率指令のうち最大値となる相に対応する上アームのスイッチ手段を導通状態に固定し、残余の電力変換手段のうち一つの電力変換手段である第２の電力変換手段について、各相の初期変調率指令のうち最小値となる相に対応する上アームのスイッチ手段を非道通状態に固定することを特徴とする請求項５に記載された電力変換システム。
8. 前記制御手段は、前記複数の電力変換手段において、前記第１の電力変換手段に該当する電力変換手段と、前記第２の電力変換手段に該当する電力変換手段とを時間毎に切り替えることを特徴とする請求項６または７に記載された電力変換システム。
9. 単一の直流電源から、複数の負荷に多相交流電力をそれぞれ供給する電力変換システムにおいて、
   前記複数の負荷に対応して設けられ、それぞれが各相毎に設けられたスイッチ手段の導通状態に応じて前記直流電源からの直流電力を多相交流電力に変換して出力する複数の電力変換手段と、
   前記電源に流れる電流を平滑するコンデンサと、
   前記電力変換手段のそれぞれを制御対象として、各相のスイッチ手段の導通時間比率をそれぞれ規定する各相の変調率指令に基づいて前記各相のスイッチ手段の導通状態を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記電力変換手段のそれぞれについて、前記負荷の電流から発生する直流母線の高周波電流の位相を各電力変換手段について異なるように制御するとともに、前記直流母線の高周波電流が流れる期間の長さを可変することを特徴とする電力変換システム。

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