JP5391541B2 - 電力変換装置及び方法並びに多相交流モータシステム - Google Patents
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Description
このリプル電流を低減し、平滑コンデンサ容量を低減するため、例えば、「インバータ装置及びその制御方法」(特許文献1参照)では、二つのインバータの平滑コンデンサを共通とし、更に、それぞれのインバータのキャリアを同期させ、変調用の三角波の山と谷を入れ替えて、一方のオンと他方のオフを同期させる等の対応を行い、これにより、リプル電流が互い違いにコンデンサに流入しキャンセルするようにしている。
この発明の目的は、インバータやスイッチアームの数が多くなっても、システムコストを増大させることのない電力変換装置及び方法、並びにこの電力変換装置を用いた多相交流モータシステムを提供することである。
図1は、この発明の第1実施の形態に係る電力変換装置の概略構成を示す模式図である。図1に示すように、電力変換装置(インバータ)10は、2つの双方向スイッチ(半導体スイッチ)11a,11bを直列接続して構成された直列スイッチング回路であるレグ11を複数個設け、各レグ11に接続されたゲート信号発生器(可変ゲート信号発生器)12を有する多レグ電力変換装置であり、入力側が平滑コンデンサ13を介して電源(図示しない)に、出力側が多相交流モータMの各相巻線14に、それぞれ接続されている。
各ゲート信号発生器12は、各レグ11毎に独立して設けられており、さらに各ゲート信号発生器12にはそれぞれPWMキャリア信号生成器19を備える。
そして、インバータ制御部40からの多相交流モータの各相の電流指令値に相当する発生電圧指令或いは電流指令a(以下、相電圧指令a)の入力と、PWMキャリア信号生成器19からのPWMキャリア信号を図示しないコンパレータ等で比較を行うことにより、可変PWMゲート信号bを発生する。
なお、後述する理由により、各キャリア信号生成器は各々基準周波数が異なるものを用いることが望ましい。
一般的な3相モータを駆動するインバータでは、インバータのレグ数自体は3としてレグに接続される巻線を並列に接続している。つまり、巻線の並列数に応じて多スロットのモータに対応しているが、本実施の形態では巻線毎にレグを設けている。
3相交流モータ(M)16には、回転角度センサ(PS)47が取り付けられており、回転角度センサ47により検出された情報は、dq→3相変換器44、3相→dq変換器45、及び速度検出器46に入力する。3相インバータ15の、U相出力にはU相電流センサ48aが、W相出力にはW相電流センサ48bが、それぞれ設置されており、検出相電流値(iu,iw)を検出して、検出値を3相→dq変換器45に出力する。
そして、各ゲート信号発生器12は、前述の通り、相電圧指令aとPWMキャリア信号生成器19からのPWMキャリアを比較して各レグ12にスイッチング素子30のON/OFF信号を出力する。
これにより、共通のキャリア信号から生成した広帯域のキャリア信号を、レグのそれぞれに繋ぐことなく、各レグを制御することができる。また、各々のPWMキャリア信号生成器19は独立しておりPWMキャリア信号生成器19同士の同期を行っていないので、同期を行うための広帯域に対応したシステムを構成する必要が無くコストの上昇を抑えることができる。よって、ON/OFF信号にノイズが混入し難くなってインバータレグが短絡し難くなる。
しかし、本発明の実施の形態では、PWMキャリア信号を出力するPWMキャリア信号生成器19をゲート信号発生器12に各々備え、且つ、同期を行っていないため、U相同士、V相同士、W相同士のPWMキャリア信号に相関関係がないので同じ相電圧指令値が入力されてもスイッチの動作タイミングが同期する虞が少なく、リプル電流の重畳を回避することができる。
つまり、ゲート信号発生器12aを共有するレグは、各々U相、V相、W相のコイルに接続されるレグを選択したものである。第2実施の形態では、一つのUVW相の組を第1レググループとすると、第1〜第4レググループが形成されることになる。
一方で、第1レググループと第2レググループのU相同士を比較した場合、異なるゲート信号発生器12aに接続されているので、キャリア信号も異なる。つまり、第1レググループのU相と第2レググループのU相のスイッチタイミングは同期することはない。なお、第1〜第4のレググループで同様の関係が成立する。
このため、キャリア周波数を変更することなく、各レグの位相を無相関にすることができるので、電圧出力の制御周期に依存する電流制御性等を再設定する必要が無い、また、各レグにおいて各瞬間に制御性能が変化することが無い等の利点を有する。これらは、デジタル的なプログラムでの実施が容易である。
つまり、上記構成を有するゲート信号生成器19をそれぞれ独立に備えた、レグ用の可変PWMゲート信号発生ブロックは、PWMキャリア信号の三角波の頂上(山)又は谷の位置(時間)を、独立して周期T内で任意に変更することができる。このため、レグ毎に異なる山又は谷の位置を前もって設定する必要がなく、レグの追加増設等も簡単に行うことができる。
11 レグ
11a,11b 双方向スイッチ
12 ゲート信号発生器
13,18 平滑コンデンサ
14 各相巻線
15 3相インバータ
16 3相交流モータ
17 スナバコンデンサ
19 PWMキャリア信号生成器
20 乱数表
21 キャリア周波数許容振れ幅設定部
22 基準キャリア周波数出力部
23 加算器
24 ラッチ部
25 切換信号発生部
30 スイッチング素子
31 モータケース
31a 内向きフランジ
32a 第1モータ蓋
32b 第2モータ蓋
33a,33b 電極端子
34 DCコネクタ
35 ステータ
36 ロータ
40 制御部
41 トルク制御器
42a,42b 減算器
43 PI制御器
44 dq→3相変換器
45 3相→dq変換器
46 速度検出器
47 回転角度センサ
48a U相電流センサ
48b W相電流センサ
M 多相交流モータ
Claims (13)
- 直流電流を多相交流電流に変換し、一つの多相交流モータに出力する電力変換装置であって、
各々独立してキャリア信号を生成し送信する複数のキャリア信号生成器と、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれと各々結合して前記キャリア信号を受信し、前記多相交流電流の各相指令値と対応する前記キャリア信号を比較してオン・オフ信号を生成する複数のゲート信号発生器と、
前記複数のゲート信号発生器のそれぞれに接続され、前記各ゲート信号発生器により送信された前記オン・オフ信号に基づいて動作することで、前記直流電流を多相交流の各相電流に変換し、前記一つの多相交流モータに出力する複数のレグとを有し、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記複数のレグ毎に独立して、それぞれ設けられ、互いに異なる周波数の前記キャリア信号を生成する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載された電力変換装置において、
前記複数のレグは、前記多相交流の各相電流に対応したレグからなるレググループを複数備え、
前記複数のゲート信号発生器は、前記複数のレググループに一つずつ配置され、前記キャリア信号と前記各相指令値を比較して前記複数のレググループのそれぞれに対する前記オン・オフ信号を生成する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載された電力変換装置において、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記キャリア信号の周波数の内で一番低い周波数を、可聴帯域より高く設定することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載された電力変換装置において、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記キャリア信号の周波数を、任意の周期間隔で変更することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載された電力変換装置において、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記キャリア信号の周波数を、一定期間毎に、任意に変更することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載された電力変換装置において、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記キャリア信号の三角波の頂上又は谷の位置を、各々で変更することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載された電力変換装置において、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記キャリア信号の三角波の頂上又は谷の位置を、周期内で任意に変更することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載された電力変換装置において、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記キャリア信号の三角波の頂上又は谷の位置を周期毎に異ならせる速度を、変更することを特徴とする電力変換装置。 - 直流電流に接続する入力端子と、
多相交流電流に対応する各相コイルと、
前記入力端子と前記各相コイルの間に配置される複数のレグと、
前記入力端子と前記複数のレグの間に配置されるコンデンサと、
各々独立して複数のキャリア信号を生成し送信する複数のキャリア信号生成器と、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれと各々結合し、受信したキャリア信号と前記多相交流電流の各相指令値を比較して、オン・オフ信号を生成し送信する複数のゲート信号発生器と
を有し、
前記複数のレグは、
前記複数のゲート信号発生器のそれぞれに接続され、前記各ゲート信号発生器により送信された前記オン・オフ信号に基づいて動作することで、前記直流電流を多相交流の各相電流に変換し、前記多相コイルを備えた一つの多相交流モータに出力し、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれは、
前記複数のレグ毎に独立して、それぞれ設けられ、互いに異なる周波数の前記キャリア信号を生成する多相交流モータシステム。 - 請求項9記載された多相交流モータシステムにおいて、
前記各相コイルは、
前記多相交流電流の1つの相に対応して複数のコイルを並列に備え、
前記複数のレグは、
前記多相交流電流の各相に対応したレグからなるレググループを複数備え、
前記複数のゲート信号発生器は、
前記レググループに各々接続し、
前記キャリア信号生成器は、
前記ゲート信号発生器に対応するキャリア信号を独立して生成して送信する
ことを特徴とする多相交流モータシステム。 - 請求項9または10に記載された多相交流モータシステムにおいて、
前記各相コイルと、前記複数のレグと、前記コンデンサと、前記キャリア信号生成器と、前記ゲート信号発生器とを一体化して保持するケースを備えることを特徴とする多相交流モータシステム。 - 請求項9から11のいずれか一項に記載された多相交流モータシステムにおいて、
前記各相コイルは集中巻コイルであり、
前記複数のレグは集中巻コイルの各々にレグを備える
ことを特徴とする多相交流モータシステム。 - 直流電流を多相交流電流に変換する電力変換方法であって、
複数のレグ毎にそれぞれ独立して設けられた複数のキャリア信号生成器のそれぞれが互いに異なる周波数のキャリア信号を生成して送信し、
前記複数のキャリア信号生成器のそれぞれと各々結合する複数のゲート信号発生器が、前記キャリア信号を受信し、前記多相交流電流の各相指令値と対応する前記キャリア信号を比較してオン・オフ信号を生成し、
前記複数のゲート信号発生器のそれぞれに接続された複数のレグが、前記各ゲート信号発生器により送信された前記オン・オフ信号に基づいて動作することで、前記直流電流を多相交流の各相電流に変換し、一つの多相交流モータに出力する電力変換方法。
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