JP5658224B2 - 回生型高圧インバータの制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、回生型高圧インバータを制御する装置に関するものである。
一般に、高圧インバータ（ｍｅｄｉｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）は線間電圧失効値が６００Ｖ以上の入力電源を有するインバータであり、ファン（ｆａｎ）、ポンプ（ｐｕｍｐ）、圧縮機（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）等の応用分野に主に用いられる。
このような応用分野では、可変速（ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ）運転が頻繁に生じるが、特に急減速（ｆａｓｔ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）が行われる場合に、回生運転（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）が発生する。
図１は、従来の直列型Ｈ‐ブリッジ高圧インバータシステムの構成図であり、図２は、図１の単位セルの詳細構成図である。図１は、２段の単位電力セル１２０で構成された場合を示した。
図１の位相置換変圧器１１０は、線間電圧失効値が６００Ｖ以上の高圧の入力電源２００から受信される高圧の入力電源を単位電力セル１２０のニーズに合わせて電圧の位相（ｐｈａｓｅ）と大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を変換する。
位相置換変圧器１１０の出力電圧は、各々単位電力セル１２０の入力電源となり、単位電力セル１２０は、入力電圧を合成して３相電動機３００に電力を供給する。
高圧インバータ１００のａ、ｂ及びｃ各々の出力相電圧は、各相に対する単位電力セル１２０の出力電圧の和である。
図２の位相検出部（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ、ＰＬＬ）１２１は、３相静止座標系において２相の同期座標系（回転座標系）に変換する場合、求められる電源の位相角情報を提供する。ＰＬＬ１２１で推定された各情報は、全体システム制御に用いられる。
直流端キャパシタ１２８は、入出力端の電力不均衡解消のためのものであるが、電源側から供給される入力電力が負荷で消費される出力電力より大きい場合には、直流端電圧が増加し、逆の場合には、直流端電圧が減少する。このような直流端キャパシタ１２８の電圧は、直流端電圧制御部１２４によって制御され、直流端電圧制御部１２４の出力は、電流制御部１２５のｑ軸電流指令となる。
図３Ａ及び図３Ｂは、各々図２の直流端電圧制御部１２４の詳細構成図である。図面に示したように、積分比例（Ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｎｄ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ、ＩＰ）制御器（図３Ａ）、または比例積分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｌ、ＰＩ）制御器（図３Ｂ）を用いることができ、適用分野に応じて選択可能である。図３Ａ及び図３Ｂの出力は、下記の式（１）及び式（２）の通りである。
電流制御部１２５は、同期座標系上のｄ及びｑ軸電流を各々制御するが、ｑ軸電流成分を有効電力分電流と定義し、ｄ軸電流成分を無効電力分電流と定義する。
電流制御部１２５では、必要である場合、交流電源端の力率も制御することができる。電源電圧と電流が正弦波（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｗａｖｅ）の場合、力率を下記式（３）のように表現することができる。
式（３）から力率制御のための同期座標系上のｄ軸電流指令は、下記式（４）のように生成される。
図４は、図２の電流制御部の詳細構成図である。座標変換部１２２は、電流センサーを介して測定された実電流を同期座標系に変換する。電流制御部１２５は、直流端電圧制御部１２４と力率制御によって計算された指令電流を受信し、ＰＩ制御器とフィードフォワード（ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ）補償を用いて電圧指令を計算する。
各制御器によって生成された各出力は、下記式のようになる。
式（５）及び式（６）の通り生成された電圧指令は、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）コンバータ１２７の各相で用いられるように静止座標系に変換される。即ち、ゲート信号発生部１２６で前記のように計算された電圧指令を用いる。従来は、電圧変調（ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式中、空間ベクトル電圧変調方式（Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ）を用いた。
図５は、図２のゲート信号発生部の詳細構成図であり、空間ベクトル電圧変調方式で具現されたものを示し、オフセット電圧と三角波比較を用いたのを説明した図面である。
図面に示したように、ゲート信号発生部１２６は、与えられた相電圧指令からオフセット電圧決定部５０１が適切なオフセット電圧を決めて、電圧変調の一周期内に平均的概念で具現する。即ち、各相電圧指令からオフセット電圧をどのように決めるかによりスイッチングを決める電圧指令が変化する。
オフセット電圧は、下記の式（９）によって決定される。
前記のように、ゲート信号発生部１２６は、電流制御部１２５から発生した電圧指令に該当する電圧を合成するようにゲート信号を発生する。
インダクタ１２３は、３相電源２００から供給する電力と、ＰＷＭコンバータ１２７の出力電力間バッファリングを行い、これによりＰＷＭコンバータ１２７の出力直流端電圧を昇圧する。
ＰＷＭコンバータ１２７は、３相昇圧型で、６つの電力半導体（ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）で構成され、双方向電力伝達（ｂｉ‐ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ）が可能である。即ち、電源側電流制御により、直流端電圧を制御することができる。
直流端キャパシタ１２８は、ＰＷＭコンバータ１２７と、インバータ１２９電力間緩衝役割を果たす。インバータ１２９は、単相フルブリッジ構造であるため、直流端電圧は、下記ようなの電圧脈動（ｒｉｐｐｌｅ）を有する。
この時、φは負荷角であり、ωは運転周波数で、ｔは時間、ＶoとＩoは出力電圧と出力電流の失効値（ｒｍｓ ｖａｌｕｅ）である。
式（１０）及び式（１１）から、単位電力セル１２０の出力電力は下記式（１２）の通り与えられる。
式（１２）から確認できるように、単位電力セル１２０の出力電力は、直流成分のＶ0Ｉ0ｃｏｓφと交流成分のＶ0Ｉ0ｃｏｓ（２ωｔ−φ）に分かれており、交流成分は、運転周波数の２倍に該当する脈動を有することが分かる。これから直流端に流れる電流は下記式（１３）の通り求められる。
式（１２）と式（１３）から、直流端には運転周波数の２倍に該当する脈動が発生することが分かり、出力電圧の大きさと出力電流の大きさが大きくなる場合、直流端電源電圧の脈動大きさが増加する。このような影響を減らすためには、単位電力セル１２０の直流端キャパシタ１２８のキャパシタンスが大きくなるべきであり、これは結局全体システムの体積及びコスト増となり、システム信頼性を減少させる問題がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、回生型高圧インバータの単位電力セルの能動的な電圧制御により直流端電源電圧脈動の大きさを減らし、これを基に直流端キャパシタの容量を減らす、回生型高圧インバータの制御装置を提供することである。
前記のような技術的課題を解決するために、本発明の制御装置は、複数の電力素子を含み、印加される３相電源を直流電圧に変換するコンバータ部、前記複数の電力素子のスイッチ信号のＰＷＭ信号を出力するゲート信号発生部、電流指令と測定電流から電圧指令を生成して前記ゲート信号発生部に印加する電流制御部、及び前記コンバータ部の入力と出力の電力差を補償する電圧を生成して、前記電流制御部に提供する生成部を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、電圧指令と測定電圧を利用して、同期座標系上の前記電流指令を生成する電圧制御部をさらに含んでもよい。
本発明の一実施形態において、入力電源の位相角情報を提供する位相検出部、及び前記入力電源を静止座標系から同期座標系に変換して、前記電流制御部に提供する第１座標変換部をさらに含んでもよい。
本発明の一実施形態におい、前記生成部は、前記コンバータ部の入出力間電力差から補償電圧の大きさを決める大きさ決定部、前記補償電圧の位相を決める第１及び第２位相決定部、大きさ及び位相が決定された補償電圧を、静止座標系から同期座標系に変換する第２座標変換部を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、前記大きさ決定部は、比例制御を行い、比例ゲインの大きさに応じて補償電圧の大きさが決定されてもよい。
本発明の一実施形態において、前記大きさ決定部は、前記コンバータ部の入出力間電力差を電源端電流の大きさで分けて指令電圧の大きさを決めることができる。
本発明の一実施形態において、前記第１位相決定部は、正弦関数を利用して位相を決めることができる。
本発明の一実施形態において、前記第２位相決定部は、余弦関数を利用して位相を決めることができる。
また、前記の技術的課題を解決するために、高圧インバータの出力電圧を合成する単位電力セルの直流端電圧の脈動を減らすための本発明の制御装置は、コンバータ部の入力と出力の電力差を補償する電圧を生成して、前記コンバータ部のスイッチングを制御する電力補償電圧発生部を含んでもよい。
本発明は、電力補償電圧発生部で計算された追加電圧を利用して、直流端キャパシタにおける電力不均衡を除去することによって、直流端電源電圧の脈動を低減し、直流端電源電圧の脈動を除去して、直流端キャパシタを小型化させる。
本発明は、種々の変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示し、詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。
本発明は、高圧インバータ中の一つである回生可能な直列型Ｈ‐ブリッジ高圧インバータの新しい電力セル制御を提案する。本発明で提案する単位電力セル制御は、回生運転と入力電源端の力率制御が可能で、出力直流端電圧を制御することができる。
本発明の高圧インバータ制御は、直流端電源電圧の脈動を抑制して、相対的に直流端キャパシタの容量を減らすことができ、これによって全体システムの体積とコストダウンが可能となる。
以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図６は、本発明に係る制御装置が適用される高圧インバータシステムの単位電力セルの一実施形態構成図であり、従来の３相昇圧型ＰＷＭコンバータトポロジーが適用されてもよい。図６の単位電力セルは、図１のインバータシステムに適用されるが、その他のインバータシステムに対する適用を排除するものではない。
先ず図１を説明すると、本発明が適用される高圧インバータ１００は、入力電源２００から受信した電力を変換して３相電動機３００に３相電源を供給するものである。３相電動機３００は、誘導電動機（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）あるいは同期電動機（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ）であってもよいが、必ずしもこれに限定されるのではない。
位相置換変圧部（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）１１０は、入力電源２００と高圧インバータ１００との間の電気的絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を提供し、入力端の高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）を低減して、電源電流の全高調波歪率（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ、ＴＨＤ）を改善する。また、各単位電力セル１２０に３相電源を提供する。
単位電力セル１２０は、位相置換変圧部１１０から受信した電力を電動機３００の相電圧（ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ）に出力する。相電圧は、各相の単位電力セルの電圧の和に合成される。図１の例の場合、高圧インバータ１００のａ相出力電圧は、直列連結された単位電力セル（１２０ａ１と１２０ａ２）の出力電圧の和で、ｂ相とｃ相の出力電圧は、各々１２０ｂ１と１２０ｂ２、１２０ｃ１と１２０ｃ２の出力電圧の和である。合成されたａ、ｂ、ｃ相電圧は、互いに１２０度位相差を有する。
図１では、２段の単位電力セルが構成されたものを例示したが、これに限定されるのではなく、出力電圧に応じて複数段の単位電力セルを含むことができることは、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者には自明である。
本発明は、図１の単位電力セルのＰＷＭコンバータ部を制御するための電圧指令を生成するためのものである。
図６に示したように、本発明の制御装置が適用される単位電力セル１２０は、位相検出部（ＰＬＬ）１１、座標変換部１２、インダクタ１３、直流端電圧制御部１４、電流制御部１５、ゲート信号発生部１６、ＰＷＭコンバータ部１７、直流端キャパシタ１８、インバータ部１９及び電力補償電圧発生部２０を含む。
ＰＬＬ１１は、単位電力セル１２０に入力される入力電源の位相角情報を提供する。座標変換部１２は、３相静止座標系電流を同期座標系電流に変換する。インダクタ１３は、直流端電圧を昇圧し、電流の全高調波歪率（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ、ＴＨＤ）を改善する。
直流端電圧制御部１４は、直流端電圧指令と測定された直流端電圧を利用して、同期座標系上のｄ軸及びｑ軸電流指令を生成する。
電流制御部１５は、直流端電圧制御部１４から印加された電流指令と、測定された実際電流から電圧指令を発生する。
ゲート信号発生部１６は、ＰＷＭコンバータ部１７の各電力素子のスイッチ信号を発生するもので、ＰＷＭ信号を出力する。
ＰＷＭコンバータ部１７は、本発明の制御対象であり、印加される電源をゲート信号発生部１６のＰＷＭ信号によって直流電圧に変換する。
直流端キャパシタ１８は、入出力端の電力不均衡解消のためのもので、電源側から供給される入力電力が負荷において消費される出力電力より大きい場合には、直流端電圧が増加し、逆の場合には直流端電圧が減少する。
インバータ部１９は、単相フルブリッジ形式で、直流端キャパシタ１８の直流端電圧から電力スイッチ（１９ａ〜１９ｄ）を介して出力電圧を生成する。
電力補償電圧発生部２０は、ＰＷＭコンバータ部１７の入出力間差を減らすために、電圧指令を生成して電流制御部１５に提供する。
図７は、図６の電力補償電圧発生部の一実施形態詳細構成図である。
図面に示したように、本発明の電力補償電圧発生部２０は、大きさ決定部２１、第１及び第２位相決定部２２、２３及び座標変換部２４を含む。
大きさ決定部２１は、ＰＷＭコンバータ部１７の入出力間電力差から補償電圧の大きさを決めるための比例制御を行い、電源端電流の大きさで分けて、補償電圧の大きさを決める。例えば、大きさ決定部２１は、比例制御を行うことができ、比例ゲイン（ｋ）の大きさに応じて補償電圧の大きさが決定できる。
第１及び第２位相決定部２２、２３は、電力補償のための補償電圧の位相を決める。第１位相決定部２２は正弦（ｓｉｎｅ）関数を利用して、第２位相決定部２３は、余弦（ｃｏｓｉｎｅ）関数を利用して補償電圧に対する電圧指令を発生する。
座標変換部２４は、第１及び第２位相決定部２２、２３が決めた補償電圧に対する電圧指令を静止座標系から同期座標系に変換する。
以下、図６及び図７の動作を考察する。本発明が適用される単位電力セルは、電力補償電圧発生部２０が図２の構成に追加されたものであることが分かる。
電力補償電圧発生部２０は、電流制御部１５の出力に、ＰＷＭコンバータ部１７の入力と出力の電力差を補償するための電圧を追加して、直流端電源電圧の脈動を制御する。このような補償電圧指令を発生するために、ＰＷＭコンバータ部１７の入力と出力との間の電力差が要求されるが、これは直流端キャパシタ１８の電力を計算したり、ＰＷＭコンバータ部１７の入力端とインバータ部１９の出力端電力を直接計算して求められる。
直流端キャパシタ１８の電力は、下記式（１４）の通りキャパシタ電力に関する式で決めることができる。
前記式（１４）をテイラー級数を用いて２次以上の項を無視して近似させると、下記式（１５）のようになる。
入力端電力と出力端電力を直接計算する場合は、下記の通り求められる。
ここで、ｅa、ｅb、ｅcとｉa、ｉb、ｉcは、入力端電圧と電流を示す。入力と出力との間の電力差は、システム構成により前記の二つの方式（直流端キャパシタ１８の電力を計算したり、ＰＷＭコンバータ部１７の入力端とインバータ部１９の出力端電力を直接計算）のうちいずれか一つを選択して求められる。このように求めた電力は、図７の大きさ決定部２１がＰＩ制御を行い、電源端電流の大きさで分けて、指令電圧の大きさが決定される。
第１位相決定部２２及び第２位相決定部２３は、大きさ決定部２１により大きさが決定された指令電圧の位相を決める。下記式（１８）及び（１９）は、各々第１及び第２位相決定部２２、２３により決定された位相を示す。
式（１７）〜（１９）によって決定された電圧指令を座標変換部２４が静止座標系に変換して、電流制御部１５の出力電圧に追加する。
本発明の電力補償電圧発生部２０の動作を除くと、図２の単位電力セルの各構成要素とその動作が同様であるため、詳細な説明は省略する。
このように、本発明の制御装置によると、電力補償電圧発生部２０で計算された追加電圧を利用して直流端キャパシタにおける電力不均衡を除去することによって、直流端電源電圧の脈動を低減することができ、これによって、直流端キャパシタを小型化することができる。
以上、代表的な実施形態を持って、本発明を詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、前述した実施形態に対し本発明の範囲から逸脱しない限り多様な変形ができることを理解するだろう。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物によって定められるべきである。
１００ 高圧インバータ
２００ 入力電源
３００ ３相電動機
１２０ 単位電力セル
１１，１１０ 位相置換変圧部
１２ 座標変換部
１３ インダクタ
１４ 直流端電圧制御部
１５ 電流制御部
１６ ゲート信号発生部
１７ ＰＷＭコンバータ部
１８ 直流端キャパシタ
１９ インバータ部
１９ａ〜１９ｄ 電力スイッチ
２０ 電力補償電圧発生部
２１ 大きさ決定部
２２、２３ 位相決定部
２４ 座標変換部
１１０ 位相置換変圧器
１２０ 単位電力セル
１２１ 位相検出部
１２３ インダクタ
１２４ 直流端電圧制御部
１２５ 電流制御部
１２６ ゲート信号発生部
１２７ ＰＷＭコンバータ
１２８ 直流端キャパシタ
１２９ インバータ
２００ 入力電源
３００ ３相電動機
１２０ 単位電力セル
１１，１１０ 位相置換変圧部
１２ 座標変換部
１３ インダクタ
１４ 直流端電圧制御部
１５ 電流制御部
１６ ゲート信号発生部
１７ ＰＷＭコンバータ部
１８ 直流端キャパシタ
１９ インバータ部
１９ａ〜１９ｄ 電力スイッチ
２０ 電力補償電圧発生部
２１ 大きさ決定部
２２、２３ 位相決定部
２４ 座標変換部
１１０ 位相置換変圧器
１２０ 単位電力セル
１２１ 位相検出部
１２３ インダクタ
１２４ 直流端電圧制御部
１２５ 電流制御部
１２６ ゲート信号発生部
１２７ ＰＷＭコンバータ
１２８ 直流端キャパシタ
１２９ インバータ
Claims (9)
- 複数の電力素子を含み、印加される３相電源を直流電圧に変換するコンバータ部、
前記複数の電力素子のスイッチ信号のＰＷＭ信号を出力するゲート信号発生部、
電流指令と測定電流から電圧指令を生成して、前記ゲート信号発生部に印加する電流制御部、及び
前記コンバータ部の入力と出力の電力差を補償する電圧を生成して、前記電流制御部に提供する生成部を含み、前記生成部の出力は、前記電流制御部の出力である電圧指令に追加されて前記ゲート信号発生部に印加されることを特徴とする、制御装置。 - 電圧指令と測定電圧を利用して、同期座標系上の前記電流指令を生成する電圧制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
- 入力電源の位相角情報を提供する位相検出部、及び
前記入力電源を静止座標系から同期座標系に変換して、前記電流制御部に提供する第１座標変換部をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の制御装置。 - 前記生成部は、
前記コンバータ部の入出力間電力差から補償電圧の大きさを決める大きさ決定部、
前記補償電圧の位相を決める第１及び第２位相決定部、及び
大きさ及び位相が決定された補償電圧を、静止座標系から同期座標系に変換する第２座標変換部を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記大きさ決定部は、比例制御を行い、比例ゲインの大きさに応じて補償電圧の大きさが決定されることを特徴とする、請求項４に記載の制御装置。
- 前記大きさ決定部は、前記コンバータ部の入出力間電力差を電源端電流の大きさで分けて指令電圧の大きさを決めることを特徴とする、請求項４または５に記載の制御装置。
- 前記第１位相決定部は、正弦関数を利用して位相を決めることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記第２位相決定部は、余弦関数を利用して位相を決めることを特徴とする、請求項７に記載の制御装置。
- 高圧インバータの出力電圧を合成する単位電力セルの直流端電圧の脈動を減らすための制御装置において、
前記単位電力セルに含まれるコンバータ部の入力と出力の電力差を補償する補償電圧を生成する電力補償電圧発生部、及び
前記補償電圧を前記コンバータのスイッチングを制御する指令電圧に加えて修正された指令電圧に応じて、前記コンバータのスイッチングを制御するゲート信号発生部を含むことを特徴とする、制御装置。
Applications Claiming Priority (2)
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