JP6012037B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は交流電流を制御する電圧形電力変換装置に関する発明であり、特に電圧が制限された状態で最大トルクや最大電力を取得可能にするものである。

従来技術に基づく電力変換装置を永久磁石同期電動機のトルク制御に適用した際の例を図６から図９に示し、これらの図に基づき従来技術を説明する。

電流検出器２は永久磁石同期電動機１に流れる三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを検出する。電力変換装置３はトルク指令τ＊及び三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷ及び回転子角θを入力し、三相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷを出力し永久磁石同期電動機１に印加する。

永久磁石同期電動機1の固定子コイルには、ｉＵ、ｉＶ、ｉＷの三相の電流が流れるが、制御上では回転子の磁石磁束の方向をｄ軸、ｄ軸に直交する方向をｑ軸として、回転子と同期した回転座標で電流成分を分解して考える。電流成分のうち、ｄ軸成分であるｄ軸電流ｉｄは磁束を持する磁束電流であり、ｑ軸成分であるｑ軸電流ｉｑはトルク発生に比例するトルク電流である。

次に、図７に基づき電力変換装置３について説明する。電流指令変換器３１はトルク指令τ＊を入力し、トルク指令τ＊を満足するようなｑ軸電流指令ｉｑ＊とｄ軸電流指令ｉｄ＊を出力する。電流座標変換器３２は、三相の電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを回転子角θに基づきｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流指令ｉｑに変換する。

なお、回転子角θは電流・電圧から演算する手法や、センサを用いて計測する手法等が存在する。詳細は非特許文献１等に記載されているのでここでは割愛する。

電流制御器３３は、ｄ軸及びｑ軸の電流がそれぞれの電流指令に追従できるようなｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを生成する。電圧指令座標変換器３４は、ｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを回転子角θに基づき座標変換し、三相の電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を出力する。

電力変換器３５は、三相の電圧指令ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を入力し、最大電圧以下であればＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊と等価な電圧をＶＵ、ＶＶ、ＶＷとして出力し、最大電圧を超過した際には振幅が最大電圧となる三相の電圧をＶＵ、ＶＶ、ＶＷとして出力し永久磁石同期電動機１に印加する。

次に図８から図９を用いて、電流制御器３３の構成例について説明する。

図８は、電流制御器３３の一例である。ｄ軸比例増幅器３３１はｄ軸電流指令ｉｄ＊とｄ軸電流ｉｄの差を入力して比例ゲインを乗じた値を出力する。ｄ軸積分増幅器３３２はｉｄ＊とｄ軸電流ｉｄの差を入力して積分ゲインを乗じた値を出力しｄ軸積分器３３３により積分される。ｄ軸比例増幅器３３１の出力とｄ軸積分器３３３の和が、ｄ軸電圧Ｖｄとして出力される。

ｑ軸比例増幅器３３４はｑ軸電流指令ｉｑ＊とｑ軸電流ｉｑの差を入力して比例ゲインを乗じた値を出力する。ｑ軸積分増幅器３３５はｉｑ＊とｑ軸電流ｉｑの差を入力して積分ゲインを乗じた値を出力しｑ軸積分器３３６により積分される。ｑ軸比例増幅器３３４の出力とｑ軸積分器３３６の和が、ｑ軸電圧Ｖｑとして出力される。

永久磁石同期電動機1の電圧電流は、次の式になることが知られている。

Ｖｄ＝（Ｒ＋ｐ・Ｌｄ）ｉｄ−ω・Ｌｑ・ｉｑ ・・・（１）式
Ｖｑ＝ω・Ｌｄ・ｉｄ＋（Ｒ＋ｐ・Ｌｑ）ｉｑ＋ωΦ ・・・（２）式

ここで、Ｒは一次抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｐは微分演算子、Φは磁石磁束、ωは電動機角速度である。

図８の構成では、電力変換器３５の出力電圧が飽和すると、電流制御ができなくなる。それは、（１）式と（２）式の関係が拘束されて、ｄ軸電流及びｑ軸電流の独立した制御ができなくなるためである。

その問題を解決するために、図９に示す構成が提案されている。この手法は、（１）式の第２項成分及び（２）式の第２項を積極的に利用することにより、電圧が飽和した際にｄ軸電流ｉｄはｄ軸電流指令ｉｄ＊への追従を放棄し、ｑ軸電流ｉｑがｑ軸電流指令ｉｑ＊に追従できるようにすることにより、トルク制御が可能になる手法である。（特許文献１）

特開２００３−８８１９３号公報

内藤治夫ほか：実用モータドライブ制御系設計とその実際、日本テクノセンター、2006

永久磁石同期電動機で、電圧が飽和した状態で最大トルクを出すには、電圧位相をｑ軸から９０度程度まで動かす必要がある。しかしながら、特許文献１の手法で電圧位相をｑ軸から９０度動かすには、ｄ軸電圧Ｖｄを無限大にまで大きくする必要がある。そのためには、ｄ軸積分器の出力を無限大にする必要があるが、ｄ軸積分器の出力が大きくなるとｄ軸電圧指令Ｖｄ＊に対する電圧位相の変化が小さくなるため、制御の応答が劣化する。

通常積分器には発散防止のためのリミッタが設けられるが、リミッタを設けてしまうとｄ軸積分器の出力を無限大まで動かす事はできなくなる。そのため、特許文献１で電圧位相を９０度まで動かす構成は現実的には不可能である。

本制御は図１０に示すような、交流電源を直流電圧に変換する電力制御にも適用可能である。交流電源４と電力変換装置３の間にリアクトル５を設けた場合、電圧位相差が９０度の時に最大電力の取得ができる。しかしながら、上記の永久磁石同期電動機のトルク制御と同様の理由から、特許文献１の手法では最大電力の取得はできない。

請求項１の発明によれば、電力変換器から交流電流が出力もしくは入力する電圧形の電力変換装置であり、前記交流電流を前記電力変換器に接続された電動機の回転子磁束軸もしくは電源の電圧軸に基づき回転座標変換して電流制御する電力変換装置において、前記電動機の回転子磁束軸と直交する方向もしくは前記電源電圧軸方向である第一軸の電流指令と第一軸の電流の偏差を出力が±９０度の範囲で制限して積分することにより電圧位相指令を演算し、第一軸に直交する軸である第二軸の電流指令及び第一軸の電流指令から第一軸電圧指令を演算し、第一軸・第二軸平面上で前記第一軸電圧指令一定の直線と前記電力変換器の最大電圧軌跡を示す円のうち原点に近い線を結んだものを動作線とし、前記動作線上で前記電圧位相指令を満足する点の電圧指令ベクトルを出力し、前記電圧指令ベクトルを静止座標に変換したものに従い前記電力変換器が交流電圧を出力することにより、電圧振幅が最大ではない場合は第一軸および第二軸の電流を指令に追従させて電圧振幅が最大となる状態では第一軸の電流のみ指令に追従し第二軸の電流が指令に追従することを放棄することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、第一軸および第二軸のそれぞれの電流偏差を比例増幅させたものから定常成分を除去したものを、それぞれの成分の前記電圧指令ベクトルに加算した後に静止座標に変換したものに従い前記電力変換器が交流電圧を出力することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、前記第一軸電圧指令は第二軸の電流偏差に基づいて一定の範囲内で補正されることを特徴とする。

電力変換器の電圧が飽和していない状態と飽和した状態を連続的に制御でき、なおかつ電動機の最大トルクや交流電源の最大電力まで取得可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の電流制御器の一例である。 本発明の実施例１に係る電圧ベクトル生成器の動作線を示す図である。 本発明の実施例１に係る電圧ベクトル生成器の動作の一例である。 本発明の実施例１に係る電圧ベクトル生成器の動作の一例である。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の電流制御器の一例である。 電力変換装置を電動機制御に適用した際の構成例である。 従来の技術による電力変換装置の一例である。 従来の技術による電流制御器の一例である。 従来の技術による電流制御器の一例である。 電力変換装置を交流電源を直流電圧への変換に適用した際の構成例である。

以下に図面を参照して、本発明にかかる電気車制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１から図４を用いて本発明の一実施例について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。

ｑ軸電流積分器３３Ｂはｑ軸電流指令ｉｑ＊とｑ軸電流ｉｑの差にゲインを乗じたものを積分して、電圧位相指令θＶｉを生成する。電圧位相指令θＶｉは±９０度になるようにｑ軸電流積分器３３Ｂ内でリミットされる。

ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は（３）式より演算する。

Ｖｑ＊＝ω・Ｌｄ・ｉｄ＊＋Ｒ・ｉｑ＊＋ωΦ ・・・（３）式

なお、一次抵抗Ｒは他の項に比べて微小な場合が多いので、その場合無視してよい。また、表面磁石型同期電動機の場合ｉｄ＊＝０として制御する場合が多いので、その場合ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は次のようにしても良い。

Ｖｑ＊＝ωΦ ・・・（４）式

電圧ベクトル生成器３３Ｃは、電圧位相指令θＶｉとｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を入力して、ｄ軸電圧積分指令Ｖｄｉとｑ軸電圧積分指令Ｖｑｉを出力する。

図２から図４を用いて電圧ベクトル生成器３３Ｃの動作について説明する。

電圧ベクトル生成器は図２に示すように、電力変換器３５が出力可能な最大電圧振幅時のｄｑ軸軌跡である最大電圧円とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊一定の直線のうち、原点に近い方を動作線とする。原点を起点とするｑ軸より電圧位相指令θＶｉの角度を有する同作線上のベクトルを演算し、このｄ軸成分をｄ軸電圧積分指令Ｖｄｉ、ｑ軸成分をｑ軸電圧積分指令Ｖｑｉとする。

図３および図４は、それぞれｑ軸電圧指令Ｖｑ＊上および最大電圧円上に出力がある場合の状態である。

図３は、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊上に出力がある場合で、ｑ軸電圧積分指令Ｖｑｉはｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と一致する。そのため、（３）式を満足したｑ軸電圧を出力できるため、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑはそれぞれｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊指令に追従する。

一方で、図４は最大電圧円上に出力がある場合であり、電圧が飽和した状態である。この場合、ｑ軸電圧積分指令Ｖｑｉはｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と一致しないため（３）式を満足するｑ軸電圧の出力ができなくなる。しかしながら、電圧位相指令θＶｉが±９０度を超えない場合は、ｑ軸電流積分器によりｑ軸電流ｉｑをはｑ軸電圧指令ｉｑ＊に追従するように積分補償される。その結果、ｄ軸電流ｉｄをｄ軸電流指令ｉｄ＊に追従することは放棄しながら、ｑ軸電流積分器によりｑ軸電流ｉｑをはｑ軸電流指令ｉｑ＊に追従するためトルク制御は可能である。

電圧位相指令θＶｉが±９０度を超えると最大トルクを超過して脱調状態となるが、ｑ軸積分器内３３Ｂ内で電圧位相指令θＶｉは±９０度に維持されるため、脱調することなく最大トルク状態で自動的に停滞する。

ｄ軸電圧積分指令Ｖｄｉおよびｑ軸電圧積分指令Ｖｑｉをそのままｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑとして出力しても良いが、過渡的な応答や安定性の観点から比例制御と合わせるのが望ましい。

比例制御は、それぞれの軸の電流偏差をｄ軸比例増幅器３３１およびｑ軸比例増幅器３３４で増幅したものを、それぞれｄ軸電圧積分指令Ｖｄｉおよびｑ軸電圧積分指令Ｖｑｉに加算してｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑとする。しかしながら、単純に比例器を加算した場合電圧が飽和した状態でｄ軸電流ｉｄがｄ軸電流指令ｉｄ＊との間に偏差が発生して定常的な値を出力することにより、ｄ軸電圧Ｖｄがｄ軸電圧積分指令Ｖｄｉとずれてしまい、電流が適切に制御できない。

そこで、ｄ軸比例増幅器３３１およびｑ軸比例増幅器３３４の出力にハイパスフィルタ ３３Ｄを挿入して定常的な出力を取り除くことにより、定常的にｄ軸電圧Ｖｄがｄ軸電圧積分指令Ｖｄｉと一致して適切な制御が可能となる。

比例制御は、過渡的な応答および電気角速度ω成分の共振に対しての安定化に高い効果がある。そのため、ハイパスフィルタ３３Ｄのカットオフ周波数は電気角速度より低い周波数とする。

図５を用いて実施例２について説明するが、実施例１と同一部分は省略する。

電圧が飽和していない状態では、ｄ軸電流ｉｄはｄ軸電流指令ｉｄ＊に一致する。しかしながら、パラメータ誤差や軸誤差等の種々の誤差があるとｄ軸電流ｉｄはｄ軸電流指令ｉｄ＊に一致しなくなる。

そこで、図５に示すようにｄ軸電流積分器３３Ｅを設けてｄ軸電流偏差を補償する。ｄ軸電流積分器３３Ｅ はｄ軸電流ｉｄとｄ軸電流指令ｉｄ＊の偏差にゲインを乗じたものを積分することによりｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力する。なお、電圧が飽和するとｄ軸電流ｉｄがｄ軸電流指令ｉｄ＊に追従しなくなり誤差が蓄積されるため、ｄ軸電流積分器内にリミッタを設ける。ｄ軸電流積分器３３Ｅ内のリミッタの幅は（３）式もしくは（４）式の値を中心として幅を狭めに設定する。また、ｄ軸電流の積分制御は過渡的なトルク応答には影響しないため、ｄ軸電流積分器３３Ｅの積分制御ゲインはｑ軸電流積分器に比べて小さくする。

本発明は、図１０に示すような交流電源４と電力変換装置３の間にリアクトル４を有する、交流電源４を直流電圧に変換する電力変換装置３にも適用可能である。その場合、実施例１もしくは実施例２のｑ軸を交流電源の電圧の成分、ｄ軸をその直交成分とすれば良い。また（３）式もしくは（４）式においては、磁石起電力ωΦを交流電源の電圧と読み替えれば良い。

本発明を交流電源の電力制御に適用してｄ軸電流指令をゼロとすると、電圧が飽和していない状態では電源力率１制御を実現でき、電圧が飽和すると力率を変化させて有効電流を追従させることが可能となる。また、最大電力を超える指令が入力されると、最大電力付近である電源電圧と電力変換器の位相差が９０度となる状態で自動的に停止する。

本発明は，永久磁石同期電動機だけでなく，誘導電動機やリラクタンスモータにも適用可能であるため様々な電動機の制御が可能である。また，交流電源に対する電力変換に関して，三相電源だけでなく単相電源や他の相数の交流電源に適用可能であるため，幅広い分野へ利用可能である。

１ 永久磁石同期電動機
２ 電流検出器
３ 電力変換装置
３１ 電流指令変換器
３２ 電流座標変換器
３３ 電流制御器
３３１ ｄ軸比例増幅器
３３２ ｄ軸積分増幅器
３３３ ｄ軸積分器
３３４ ｑ軸比例増幅器
３３５ ｑ軸積分増幅器
３３６ ｑ軸積分器
３３７ ｄｑ軸積分増幅器
３３８ ｑｄ軸積分増幅器
３３９ スイッチ
３３Ａ リミッタ
３３Ｂ ｑ軸電流積分器
３３Ｃ 電圧ベクトル生成器
３３Ｄ ハイパスフィルタ
３３Ｅ ｄ軸電流積分器
３４ 電圧指令座標変換器
３５ 電力変換器
４ 交流電源
５ リアクトル

Claims (3)

1. 電力変換器から交流電流が出力もしくは入力する電圧形の電力変換装置であり、前記交流電流を前記電力変換器に接続された電動機の回転子磁束軸もしくは電源の電圧軸に基づき回転座標変換して電流制御する電力変換装置において、前記電動機の回転子磁束軸と直交する方向もしくは前記電源電圧軸方向である第一軸の電流指令と第一軸の電流の偏差を出力が±９０度の範囲で制限して積分することにより電圧位相指令を演算し、第一軸に直交する軸である第二軸の電流指令及び第一軸の電流指令から第一軸電圧指令を演算し、第一軸・第二軸平面上で前記第一軸電圧指令一定の直線と前記電力変換器の最大電圧軌跡を示す円のうち原点に近い線を結んだものを動作線とし、前記動作線上で前記電圧位相指令を満足する点の電圧指令ベクトルを出力し、前記電圧指令ベクトルを静止座標に変換したものに従い前記電力変換器が交流電圧を出力することにより、電圧振幅が最大ではない場合は第一軸および第二軸の電流を指令に追従させて電圧振幅が最大となる状態では第一軸の電流のみ指令に追従し第二軸の電流が指令に追従することを放棄することを特徴とする電力変換装置。
   
2. 第一軸および第二軸のそれぞれの電流偏差を比例増幅させたものから定常成分を除去したものを、
   それぞれの成分の前記電圧指令ベクトルに加算した後に静止座標に変換したものに従い前記電力変換器が交流電圧を出力することを特徴とする
   請求項１に記載の電力変換装置。
   
3. 前記第一軸電圧指令は第二軸の電流偏差に基づいて一定の範囲内で補正されることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の電力変換装置。
   
   

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