JP5651322B2

JP5651322B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5651322B2
Application number: JP2009252574A
Authority: JP
Inventors: 祐介荒尾; 雄作小沼
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: JP2011101447A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、同期電動機を可変速駆動する電力変換装置において、同期電動機を始動させる場合、始動時に同期電動機の磁極位置と電力変換装置の出力位相とが異なると、脱調して制御できなくなるため、同期電動機を始動させる際には、始動時の磁極位置を検出してから駆動するのが一般的である。
通常、同期電動機の運転時には、電流・電圧情報から磁極位置を推定するが、運転を停止すると電流・電圧情報が得られなくなり、それまで推定していた磁極位置の情報を失ってしまうため、同期電動機を始動させる時には毎回磁極位置を推定する手段が必要となる。常に磁極の絶対位置を知ることができるセンサを持つ同期電動機ならば、電流変換装置が停止していたとしても磁極位置を検出できるが、絶対位置を知ることができないセンサもしくはセンサを持たない同期電動機においては、停止から始動する場合、磁極位置と出力位相とを合わせるために、例えば電動機に直流をかけて磁極を所定の位相に合わせ込んだ後その位相から始動する方法や、電圧を印加して磁極位置を取得しその位相から始動する方法とがある。特に、機械ブレーキ等を用いた電動機の回転を許さない用途では、磁極位置を取得してその位相から始動する必要がある。磁極位置検出方法について様々な方法が開示されている。

特許文献１には、電力変換器を通して電圧を印加し、流れる脈動電流の正側・負側のそれぞれに対し、位相の異なる少なくとも２つの直流電流値を検出し、これら２つの電流の大きさの関係、もしくは電流の変化率の関係に基づいて同期電動機の磁極位置を推定する方法が開示されている。この方法では、回転子の突極性や固定子構造など、電動機の構造に拘らず磁極位置を推定することが可能となる。

また、特許文献２には、電気的突極性を有する電動機に対し、検出した電動機電流を印加している交番電圧に対する平行成分・垂直成分に分解し、その少なくとも一方に基づいて、磁極位置を推定する。この手法では、印加する交番電圧の方向と磁極位置の方向に位相差が存在すると、印加した交番電圧に対して直交する方向にsin2θに比例した振幅を有する交流電流が発生する現象を利用して回転子磁極位置を推定する方法が開示されている。

また、特許文献３には、特許文献２で誤差の大きくなる２重特極性を有する同期電動機において、その回転子磁極位置による交番電流の軸ずれが磁極位置推定に与える影響を除去することにより、２重特極性を持つ同期電動機においても高精度な位置検出を可能にしている方法が開示されている。

また、特許文献4には、高調波を重畳して電流検出させ、電流電圧方程式の高調波成分に基づいて磁極位置を演算することで、初期磁極位置を検出する方法が開示されている。また、特許文献５には、複数のパルス電圧を各方向に出力し、それによって現れる電流の最大と最小を検出することにより、磁極位置を推定する方法が開示されている。

上記、初期磁極位置を推定する方式は、同期電動機の定数から推定に用いる電圧出力を計算するのが一般的であるが、特許文献６のように電流制御器のＡＣＲを用いて出力電流値を目標電流値へ制御し、出力すべき電圧を決める方法が提案されている。同期電動機の電流成長は、回路定数から求められる電気時定数により決まるため、電気時定数からＡＣＲのゲインを決める必要があるが、不知の電動機に対してＡＣＲのゲインが高すぎる場合等の原因で、過電流となり設定の再検討が必要となる場合がある。

電動機の回路定数情報を自動で取得するオートチューニング時にも、磁極位置の検出は不可欠である。
不知の電動機を対象とするオートチューニングでは、磁極位置を推定するのに用いる電圧、電流の指令は、回路定数情報からは決めることができない。このため磁極位置検出をオートチューニングの際にも用いる場合には、回路定数に依存しない方法での電圧、電流指令決定方法が必要となる。同様に、オートチューニングの工程における励磁の際にも、電圧決定方法が必要である。検出される電流が成長せず低い場合には、回路定数演算の精度が悪くなるからである。

特開２００６−１５８１０１号公報特許３３１２４７２号 WO０５／００８８７９特開２００５−２３７１７２号公報特開２００３−１８００９４号公報特開２００８−０５４４３０号公報

電動機の回路定数をオートチューニングする工程においては、操作者が設定する工数を削減するために、過電流とならずに出力電圧を決める方法が必要であるが、電動機に必要な出力電圧を決定する際、複雑な制御器を用いるほど設定項目が多くなってしまう傾向にある。基本的な制御器は電動機の回路定数をもとにして制御を行うものであるから、不知の電動機に対して制御を行うと過電流もしくは電流不足などの現象が起き、何度も再設定をする必要が生じてしまう。

本発明の目的は、このように、電動機により、個別に設定する必要のある出力電圧レベルなどを、自動的に調整し、当該電動機に対し最適な条件により初期磁極位置を検出することにある。

上記目的を達成する為に、本発明では、直流を3相交流に変換するインバータ部を備え、永久磁石同期電動機を可変速駆動可能な電力変換装置において、前記電動機に交流電圧ないしはパルス電圧を印加する電圧印加手段と、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、磁極位置検出基準電流の設定機能を備え、前記電動機の始動時の磁極位置推定を行う際に、前記電流検出手段により検出された電流が、前記基準電流設定機能により設定された電流値になるように、前記電圧印加手段による出力電圧値またはキャリア周波数を可変制御し電圧パルスもしくは交流電圧を可変制御するという構成をとる。

本発明により、永久磁石同期電動機を可変速駆動可能な電力変換装置において、初期磁極位置情報を推定する際に、最適な出力電圧状態を駆動する電動機に応じて、自動的に目標となる電流値にあわせた電圧出力を行うことが可能となるため、電流の増大、不足等により操作者の手を煩わせることなく、最適な初期磁極位置の検出が可能となり、初期磁極位置の検出精度も向上させることができる。

本発明の実施例１の構成図である。実施例１におけるフローチャート図である。実施例1における出力したいパルスの様子である。実施例1における出力電圧を上昇させる様子である。実施例1における出力電圧とキャリア変更の様子である。実施例２におけるフローチャート図である。実施例２における出力したいパルスの様子である。実施例２における出力電圧を上昇させる様子である。

以下、本発明の詳細を、図面を用いながら説明する。

図１は、本発明による一実施形態を示すブロック回路図である。
インバータ回路２は、平滑コンデンサ３に充電された直流電圧をパルス電圧とし、同期電動機１に印加する。MCU４は、印加された電圧パルスに対して流れる電流を検出するホールCTやシャント抵抗などの検出素子から得られた情報を検出する電流検出部５と、操作者が基準電流値を設定する基準電流設定部６と、電流検出部５で検出した検出電流値と基準電流設定部６で設定された基準電流値とを比較する電流比較制御部７と、その結果から出力を決定するPWM制御部８で構成される。電流比較制御部７は、電流検出部５で得られた検出電流値が、基準電流値を超えるまで、PWM制御部８に指令を与え、基準電流値を超えた時点でPWM制御部８に遮断指令を送る。この時、PWM制御部は最後に出力された出力状態を、出力状態記憶部９に記憶させる。

図２に初期磁極位置推定前に行う処理の流れを示す。初期磁極位置推定やオートチューニングに用いる出力方法には、例えば図３に示すような、任意のモータ軸（ここではU軸）方向に電圧パルスを発生させる方法がある。
図３では、PWM制御部８がU軸方向に出力を行うことにより、同期電動機1に現れる電流がU軸を主軸として流れる様子を示している。PWM制御部８は、流すべき電流によって出力状態（例えば、U軸に限定せず任意に決めた位相に出力する等）を変化させ出力を行うこともできる。PWM制御部8は、電流比較制御部７の指令を受け、設定された位相、出力電圧、キャリア周波数等の出力情報によりインバータ回路２に出力する（10）。

電流比較制御部７には、基準電流設定部６で設定された値（例えばモータの定格電流の100％の値等）が送られる（11）。PWM制御部８は、電流比較制御部７から指令を受け、設定された出力情報により出力を開始する（12）。
電流検出部5は任意の位置の電流値（図4では例えば矢印の位置のピーク電流値）を検出し電流比較制御部７に送り、電流比較制御部７は、基準電流設定部６で設定された基準電流値と電流検出部５で得られた検出電流値を常に監視しておく。

出力開始後、電流比較制御部７は、電流検出部５で得られた検出電流値と、基準電流設定部６の基準電流値とを比較し（13）、検出電流値が基準電流値を超えていれば、直ちにPWM制御部８に遮断指令を与えるとともに、最終的な出力状態を決定し、出力状態記憶部９に記憶させる（14）。出力状態記憶部９は、例えばMCU４内の内蔵RAMや、記憶媒体であるEEPROM等を用い、記憶させる。
検出電流値が基準電流値に届かない場合、PWM制御部８は、出力電圧がキャリア周波数を切り替える電圧レベル以上かを判定し（15）、判定レベルに達しない場合には、図４に示すように低い電圧から徐々に出力電圧を上げていく（17）。

この時、電流比較制御部７は、前回検出された電流と今回検出された電流とを比較し、その差分値から電流の増加量を求め、例えば電流増加量が大きい場合には、電圧増加量を小さくするなどして、電流が成長し過ぎないようにしながら電圧を増加させる（16）。また、増加割合は操作者の設定した割合によって電圧を増加させてもよい。
PWM制御部８は、出力電圧が決められたキャリア切り替えレベル、例えば最大定格出力の80％になっても、電流が成長しない場合には、図５に示すように、出力電圧とキャリア周波数とを同時に変化させ、出力される線間電圧パルスを一定に保ちながら出力を行う（19）。この方法だと、PWM制御部８は、キャリア周波数切り替え毎に０から出力電圧を上げていく必要がなくなり、迅速に出力状態を決定できる。

また、PWM制御部8は、決められたキャリア周波数（MCUのタイマ構成により制限される例えば0.5kHzといった任意の値）を大きくしても、電流値が決められた下限値、例えば基準電流の10％に到達しない場合には、モータが付いていない、もしくは電流値が検出できない等の要因と判断して、検出不能と判断することができる（18,20）。
上記動作において、複数の基準電流値（例えば定格電流の50％、75％及び100％）に対する出力状態を記憶したい場合には、基準電流設定部６に複数の基準電流値を設定しておき、検出電流が基準電流値の小さい基準電流値（例えば、定格電流の50％、75％、100％であれば50％、75％、100％の順番）に到達するたびに出力状態を記憶させ、最大の基準電流値に到達した時点で最後の出力状態を記憶させ、検出を終了させることもできる。また、上記とは別の位相（例えばV軸方向の位相）が必要な場合には、再度出力情報の設定を行い、上記動作を行うことにより、複数の情報を記憶させることができる。

図６に、実施例２にかかわる初期磁極位置推定時に行う処理の流れを示す。
初期磁極位置推定やオートチューニングに用いる出力方法には、例えば図７に示すような、任意のモータ軸（ここではU軸）方向に高周波の交流電圧を印加する方法がある。図７では、図1のPWM制御部８がU軸方向に出力を行うことにより、同期電動機1に現れる電流がU軸を主軸として流れる様子を示している。PWM制御部8は、流すべき電流によって出力状態（例えば、U軸に限定せず任意に決めた位相に出力する等）を変化させ出力を行うこともできる。PWM制御部8は、電流比較制御部7の指令を受け、設定された位相角方向、出力電圧、キャリア周波数等の基本情報によりインバータ回路２に出力する（21）。

電流比較制御部７には、基準電流設定部６で設定された値（例えばモータの定格電流の100％の値等）が送られる（22）。PWM制御部８は、電流比較制御部７から指令を受け、設定された出力情報により出力を開始する（23）。電流検出部5は任意の位置の電流値（図８では例えば矢印の位置のピーク電流値）を検出し電流比較制御部７に送り、電流比較制御部７は、基準電流設定部６で設定された基準電流値と電流検出部５で得られた検出電流値を常に監視しておく。

出力開始後、電流比較制御部７は、電流検出部５で得られた検出電流値と、基準電流設定部６の基準電流値とを比較し（24）、検出電流値が基準電流値を超えていれば、直ちにPWM制御部８に遮断指令を与えるとともに、最終的な出力条件を決定し、出力状態記憶部９に記憶させる（25）。出力状態記憶部９は、例えばMCU４内の内蔵RAMや、記憶媒体であるEEPROM等を用い、記憶させる。

検出電流値が基準電流値に届かない場合、PWM制御部８は、出力電圧が検出不能電圧レベル以上かを判定し（26）、判定レベルに達しない場合には、図８に示すように低い電圧から徐々に出力電圧を上げていく（28）。

この時、電流比較制御部７は、前回検出された電流と今回検出された電流とを比較し、その差分値から電流の増加量を求め、例えば電流増加量が大きい場合には、電圧増加量を小さくするなどして、電流が成長し過ぎないようにしながら電圧を増加させる（27）。また、増加割合は操作者の設定した割合によって電圧を増加させてもよい。

また、PWM制御部8は、決められた出力電圧の上限値、例えば定格出力の80％を超えても、電流値が決められた下限値、例えば基準電流の10％に到達しない場合には、モータが付いていない、もしくは電流値が検出できない等の要因と判断して、検出不能と判断することができる（26,29）。

上記動作において、複数の基準電流値に対する出力状態を記憶したい場合には、基準電流設定部６に複数の基準電流値を設定しておき、検出電流が基準電流値の小さい基準電流値に到達するたびに出力状態を記憶させ、最大の基準電流値に到達した時点で最後の出力状態を記憶させ、検出を終了させることもできる。また、上記とは別の出力パターン（例えばV軸方向の位相）が必要な場合には、再度出力情報の設定を行い、上記動作を行うことにより、複数の情報を記憶させることができる。

１…同期電動機、２…インバータ回路、３…平滑コンデンサ、４…MCU、５…電流検出部、６…基準電流設定部、７…電流比較制御部、８…PWM制御部

Claims

永久磁石同期電動機を可変速駆動可能な電力変換装置において、
直流を三相交流に変換するインバータ部と、
前記永久磁石同期電動機に交流電圧またはパルス電圧を印加する電圧印加部と、
前記永久磁石同期電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
磁極位置検出基準電流を設定する基準電流設定部と、
前記永久磁石同期電動機の始動時の磁極位置推定を行う際に、前記電流検出部にて検出した電流と前記基準電流設定部にて設定された磁極位置検出基準電流とを比較し、前記電流検出部により検出された電流が、前記基準電流設定部により設定された電流値になるように、比較結果に基づき、前記電圧印加部による出力電圧値またはキャリア周波数を可変制御し、前記電圧印加部から印加する交流電圧またはパルス電圧を徐々に大きくするよう制御するＰＷＭ制御部と、
を備える電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記ＰＷＭ制御部では、前記電流検出部にて検出した電流と前記基準電流設定部にて設定された磁極位置検出基準電流とを比較し、キャリア周波数を切り替える電圧レベルに達しているか否かを判定し、判定結果に基づき前記電圧印加部から印加する交流電圧またはパルス電圧を徐々に大きくするよう制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記ＰＷＭ制御部では、前記電流検出部にて検出した電流が前記基準電流設定部にて設定された磁極位置検出基準電流よりも小さく、キャリア周波数を切り替える電圧レベルに達していない場合に、前記電圧印加部から印加する交流電圧またはパルス電圧を徐々に大きくするよう制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記ＰＷＭ制御部は、前記電圧印加部から印加する交流電圧またはパルス電圧を徐々に大きくするよう制御したことにより、電圧パルスが所定値を超えても前記電流検出部により検出される電流値が前記基準電流設定部により設定された磁極位置検出基準電流に到達しない場合に、キャリア周波数および出力電圧を変更し、電圧パルスを一定に保つように制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記ＰＷＭ制御部は、前記電圧印加部から印加する交流電圧またはパルス電圧を徐々に大きくするよう制御したことにより、出力電圧が所定値を超えても前記電流検出部により検出される電流値が前記基準電流設定部により設定された磁極位置検出基準電流に到達しない場合に、キャリアまたは出力電圧を変更して電圧パルスを広げ、キャリア周波数および出力電圧が予め定めた閾値に達しても前記電流検出部により検出される電流値が前記基準電流設定部により設定された磁極位置検出基準電流に到達しない場合には、測定不能と判定することを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記ＰＷＭ制御部は、前記電圧印加部から印加する交流電圧またはパルス電圧を徐々に大きくするよう制御する場合に、前記基準電流設定部にて設定された磁極位置検出基準電流毎に出力状態を記録することを特徴とする電力変換装置。