JP6132752B2 - 電力変換装置および電動車両 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および電動車両に関する。

電力変換装置は、例えば直流電源と負荷との間に接続されて直流電圧を交流電圧に変換して負荷へ交流電流を流す。電力変換装置は、直列に接続した一対のスイッチング素子を並列に接続した回路を有し、これらのスイッチング素子を切り替えて直流電圧を交流電圧へ変換している。

電力変換装置の交流電圧は、例えば、交流側の電流を検出して検出値が所望の指令値に一致するように制御される。この場合には、電力変換装置の交流側の電流を検出するための電流センサが必要となり、電力変換装置のコストが上昇したり、電力変換装置が大型化したりすることがあった。

特開平８−１９２６３号公報 特許２７１２４７０号公報

本発明の実施形態は、コストアップや大型化を回避する電力変換装置および電動車両を提供することを目的とする。

実施形態によれば、直流電源と負荷との間に接続されたインバータの複数のスイッチング素子の接続を切り替えて前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換することにより前記負荷を駆動する電力変換装置であって、前記直流電源側の直流電流値と、前記複数のスイッチング素子の駆動信号とから、前記負荷に供給されている負荷電流を検出する電流検出手段と、前記直流電源の電圧値と、前記スイッチング素子の駆動信号とから、前記負荷の電気的モデル式に基づいて前記負荷に供給されている負荷電流を推定する電流推定手段と、前記電流検出手段により負荷電流の検出が不能である期間における負荷電流を、電流推定手段において推定された負荷電流で補完する補完手段と、を備え、前記電流検出手段において検出した値を、前記電流推定手段における負荷の電気的モデル式の状態値として更新設定することを特徴とする電力変換装置が提供される。

図１は、実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、本実施形態の電力変換装置の制御演算回路の一構成例を概略的に示すブロック図である。 図３は、図２に示す相電流検出部の構成例を概略的に示すブロック図である。 図４は、相電流検出部の動作を説明するためのインバータの回路状態の一例を示す図である。 図５は、相電流検出部の動作を説明するためのインバータの回路状態の他の例を示す図である。 図６は、図２に示す負荷モデル電流推定部の構成例を概略的に示すブロック図である。 図７は、図２に示す３相電流推定部の構成例を概略的に示すブロック図である。 図８は、図２に示す３相電流推定部の構成の他の例を概略的に示すブロック図である。 図９は、相電流検出部の相電流取得不能期間の一例について説明するための図である。 図１０は、図９に示す期間ａ〜ｃ、ａ´〜ｃ´について、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の直流電流から相電流を取得可能である期間と、取得不能である期間とをまとめた図である。 図１１は、本実施形態の電力変換装置の制御演算回路の他の構成例を概略的に示すブロック図である。 図１２は、実施形態の電力変換装置の他の構成例を概略的に示す図である。

以下、実施形態の電力変換装置および電動車両について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の電力変換装置および電動車両の一構成例を概略的に示す図である。

電動車両は、電力変換装置と、インバータＩＮＶと、直流電源ＢＴと、直流電圧センサ３０と、回転角センサ４０と、負荷としての交流電動機Ｍと、車輪ＷＬと、交流電動機Ｍの回転動力を車輪ＷＬへ伝達する車軸１００と、を有している。

本実施形態の電力変換装置は直流電源ＢＴと交流電動機（負荷）Ｍとの間に接続され、直流電圧を交流電圧へ変換して負荷へ交流電流を供給する。

本実施形態の電力変換装置は、ゲート駆動回路１０と、制御演算回路ＣＴＲと、を有している。

インバータＩＮＶは、平滑コンデンサＣと、直流電流センサ２０と、複数のスイッチング素子を備えている。

複数のスイッチング素子は、Ｕ相スイッチング回路と、Ｖ相スイッチング回路と、Ｗ相スイッチング回路とを含む。Ｕ相スイッチング回路と、Ｖ相スイッチング回路と、Ｗ相スイッチング回路とは、直流電源ＢＴと並列に接続している。

Ｕ相スイッチング回路はスイッチング素子Ｓｕとスイッチング素子Ｓｘとを有し、スイッチング素子Ｓｕとスイッチング素子Ｓｘとは直列に接続している。スイッチング素子Ｓｕとスイッチング素子Ｓｘとの直列接続点は負荷と接続している。

Ｖ相スイッチング回路はスイッチング素子Ｓｖとスイッチング素子Ｓｙとを有し、スイッチング素子Ｓｖとスイッチング素子Ｓｙとは直列に接続している。スイッチング素子Ｓｖとスイッチング素子Ｓｙとの直列接続点は負荷と接続している。

Ｗ相スイッチング回路はスイッチング素子Ｓｗとスイッチング素子Ｓｚとを有し、スイッチング素子Ｓｗとスイッチング素子Ｓｚとは直列に接続している。スイッチング素子Ｓｗとスイッチング素子Ｓｚとの直列接続点は負荷と接続している。

平滑コンデンサＣは直流電源ＢＴと並列接続され、直流電源ＢＴの直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサＣは、静電容量に対応した電荷を蓄積する。

ゲート駆動回路１０は、後述する制御演算回路ＣＴＲから受信したゲート信号を、複数のスイッチング素子のそれぞれへ送信する。

直流電流センサ２０は、インバータＩＮＶの直流側の電流を検出する。直流電流センサ２０で検出した電流値は制御演算回路ＣＴＲへ供給される。

直流電圧センサ３０は、インバータＩＮＶの直流側の電圧、すなわち直流電源ＢＴの電圧を検出する。直流電圧センサ３０で検出した電圧値は制御演算回路ＣＴＲへ供給される。

電動機Ｍは、各相に流れる３相交流電流によって磁界が発生し、回転子との磁気的相互作用によりトルクを発生する。なお、ここでは負荷として３相交流電動機を採用した例について説明するが、負荷の種別は限定されるものではなく、単相交流負荷であってもよい。

回転角センサ４０は、レゾルバやエンコーダ等のセンサであって、交流電流の位相が分かる値として、例えば電動機Ｍの回転子の回転角度を検出する。回転角センサ４０で検出した回転角度は制御演算回路ＣＴＲへ供給される。

図１１は、本実施形態の電力変換装置の制御演算回路の他の構成例を概略的に示すブロック図である。
なお、負荷として電動機Ｍを採用しない場合には、負荷に供給する交流電流指令の周波数で同期して回転する位相角指令を上位制御系から受信することで回転角センサ４０に代えて用いることができる。

図１２は、実施形態の電力変換装置の他の構成例を概略的に示す図である。
また、他の例としては、負荷の交流位相を検出する位相検出器４２により負荷の交流位相を検出することで回転角センサ４０に代えて用いてもよい。位相検出器４２は、例えば負荷の線間電圧を検出し、線間電圧の位相を演算する等の構成を採用すればよい。

制御演算回路ＣＴＲは、負荷である電動機Ｍを制御するための演算を行い、電力変換装置の複数のスイッチング素子を駆動するゲート信号を出力する。

図２は、本実施形態の電力変換装置の制御演算回路ＣＴＲの一構成例を概略的に示すブロック図である。なお図２において、検出相電流と推定相電流と３相復元電流との通信ライン（太線矢印）は各相の信号を通信する３つの通信ラインであって、ゲート信号の通信ライン（ブロック矢印）は６ビットあるいは３ビットのビット列を並列に通信可能な通信ラインである。

制御演算回路ＣＴＲは、電流制御部５２と、相電流検出部（電流検出手段）５４と、負荷モデル電流推定部（電流推定手段）５６と、３相電流取得部（補完手段）５８と、遅延器５９と、を有している。

電流制御部５２は、負荷の電流応答値と上位制御部からの電流指令とが一致するように制御演算を行い、ゲート信号を出力する。具体的には、電流制御部５２は、例えば、電動機の回転子の位相に基づいた回転座標系において、電流および電圧を直流量として、電流指令値と電流応答値との差分を比例積分（ＰＩ）制御などの制御により出力電圧指令を演算する。電流制御部５２は、演算した出力電圧指令をキャリア（三角波）と比較してゲート信号を生成して出力する。電流制御部５２は、６つのスイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。

相電流検出部５４は、直流電流センサ２０で検出した直流電流値と、ゲート駆動回路１０に入力されるゲート信号とから、後述する通電相選択信号と、ゲート信号によって決まる相の電流とを演算し、出力する。

負荷モデル電流推定部５６は、負荷である電動機の電気的モデル式に基づいて、ゲート信号、回転角度、直流電圧、遅延器５９から出力された１サンプル前の３相復元電流値を入力として負荷の状態量である相電流値を演算する。

３相電流取得部５８は、相電流検出部５４で取得した検出相電流値と、通電相選択信号と、負荷モデル電流推定部５６で演算した推定相電流値とから、３相復元電流を演算して出力する。

遅延器５９は、３相電流取得部５８が出力した３相復元電流を受信して、１サンプルタイミング遅延させて負荷モデル電流推定部５６へ出力する。

図３は、図２に示す相電流検出部５４の構成例を概略的に示すブロック図である。
相電流検出部５４は、単独通電相特定部５４２と、直流電流／特定相電流選択変換部５４４と、反転回路５４６と、を備えている。

単独通電相特定部５４２は、ゲート信号に基づいて、単独通電相およびその相の通電方向を特定して各々に対応した信号を出力する。単独通電相特定部５４２に入力されるゲート信号は並列に入力され、ゲート信号のそれぞれは例えば「０」または「１」の値を示す。

直流電流／特定相電流選択変換部５４４は、直流電流センサ２０で検出した直流電流値およびその符号反転値と、単独通電相特定部５４２からの入力に基づいて、単独通電相の電流値を演算し、出力する。単独通電相以外の相の電流値は、前回値を出力する。

図４は、相電流検出部の動作を説明するためのインバータの回路状態の一例を示す図である。

この例では、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙ、Ｓｚが導通し、スイッチング素子Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｗが絶縁している。この時のゲート信号は「１，０，０，１，０，１」であって、対応するスイッチング素子が「Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ」の順となるように、０又は１の値で表される。ゲート信号が１のときに対応するスイッチング素子が導通し、ゲート信号が０のときに対応するスイッチング素子が絶縁する。

単独通電相とは、直流側からインバータ側を閉回路と見たときに、直流電流源とインバータの相電流値とが一致する相である。この例ではＵ相が単独通電相である。換言すると、直流電流値をその相の電流値として直接置換できる相である。Ｖ相およびＷ相については、両相の電流の和が直流電流値となっているため、直流電流値からそれぞれの相電流値を特定することができず、単独通電相には該当しない。また、インバータＩＮＶへの入出力電流の符号について、直流側は入力方向を正、交流側は出力方向を正とする。

単独通電相特定部５４２は、単独通電相の上側と下側とのどちらのスイッチング素子が導通しているかを特定して、直流電流／特定相電流選択変換部５４４へ出力する。図４に示す例では、Ｕ相の上側のスイッチング素子のみを１とした通電相選択信号、例えば「１，０，０，０，０，０」という６ビットのビット列を直列あるいは並列に出力する。単独通電相特定部５４２が並列にビット列を出力する場合には、単独通電相特定部５４２と直流電流／特定相電流選択変換部５４４との間に６ビットのビット列を並列に送信可能な通信ラインが必要となる。

直流電流／特定相電流選択変換部５４４は、単独通電相特定部５４２の出力信号に基づいて、直流電流値をそのまま使用するか、反転回路５４６を介して符号が反転した直流電流値を使用するかを選択する。すなわち、直流電流／特定相電流選択変換部５４４は、単独通電相において上側のスイッチング素子が導通しているか、下側のスイッチング素子が導通しているかによって、直流電流値の符号を選択する。

例えば、図４に示した例の場合、Ｕ相の上側のスイッチング素子Ｓｕが導通しており、直流電流は正方向（閉回路の時計回り方向）であって、Ｕ相電流が正方向（電源から負荷へ流れる方向）であり、直流電流とＵ相電流との符号は共に正で一致している。

図５は、相電流検出部の動作を説明するためのインバータの回路状態の他の例を示す図である。

この例では、スイッチング素子Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｗが導通し、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｙ、Ｓｚが絶縁している。この時のゲート信号は「０，１，１，０，１，０」である。この例においても、単独通電相はＵ相となる。単独通電相であるＵ相の下側のスイッチング素子Ｓｘが導通しており、直流電流は負方向（閉回路の逆時計回り方向）であって、Ｕ相電流が正方向（電源から負荷へ流れる方向）であり、直流電流とＵ相電流との符号は異なっている。

したがって、直流電流／特定相電流選択変換部５４４は、単独通電相において上側のスイッチング素子が導通しているときには、直流電流の符号を反転しない値を用い、下側のスイッチング素子が導通しているときには、直流電流値の符号を反転した値を用いる。

直流電流／特定相電流選択変換部５４４は、上記のように選択した値を、Ｕ相検出電流、Ｖ相検出電流、或いは、Ｗ相検出電流として出力する。

図６は、図２に示す負荷モデル電流推定部５６の構成例を概略的に示すブロック図である。
負荷モデル電流推定部５６は、印加電圧演算部５６２と、３相／ｄｑ変換部５６４、５６８と、負荷電圧方程式演算部５６６と、ｄｑ／３相変換部５６０と、を備えている。

印加電圧演算部５６２は、ゲート信号と直流電圧とから、各相に印加される印加電圧値を計算する。なお、印加電圧値は、ゲート信号を[Ｇｕ，Ｇｖ，Ｇｗ]^Ｔ（Ｇは０あるいは１であり、０は下側スイッチング素子が導通、１は上側スイッチング素子が導通していることを示す）としたとき、下記式（１）のように計算することができる。

上記式（１）において、０．５は、出力電圧のゼロ基準点を直流電圧の中点（１／２の点）とするための補正である。

なお、ゲート信号は、厳密には６個のスイッチング素子のゲート信号を全て含んだ信号としなくてもよい。例えば、各相の上側のスイッチがオンしているときを「１」とし、下側のスイッチがオンしているときを「０」とすると、例えば「１，０，０，１，０，１」は「１，０，０」の３ビットのビット列で表すことが可能である。

インバータＩＮＶでは同じ相の上側と下側とのスイッチング素子を同時にオンすることができないため、両スイッチング素子をオフしておくデッドタイム期間を設けるのが一般的であるからである。デッドタイムを無視する場合は、３ビットで表した上記ゲート信号を６ビットの場合と同様に採用可能である。デッドタイムを無視しない場合は、デッドタイム期間中であっても３ビットのゲート信号は０あるいは１のどちらかの状態となり、デッドタイムを表現することができない。しかし各相に電流が流れている場合、デッドタイム期間中の各相の交流出力端の電位はスイッチング素子Ｓｕ〜Ｓｚと並列に設けられているダイオードＤｕ〜Ｄｚによって、直流側のプラス側電位とマイナス側電位とのいずれかとなっている。すなわち、デッドタイム期間中でも、相電流の方向を考慮することによってゲート信号を０と１とのどちらかに確定できるということであり、デッドタイムを無視しない場合には相電流によってゲート信号を復元可能である。

３相／ｄｑ変換部５６４は、回転角センサ４０で検出した回転角度に基づいて、３相印加電圧をｄ軸印加電圧およびｑ軸印加電圧に変換する。ここで、回転角度は、負荷である電動機の電気角に換算した角度を用いる。一般的には、式（２）のような演算を行えばよい。

３相／ｄｑ変換部５６８も、上述の式（２）と同様の演算を行う。すなわち、回転角センサ４０で検出した回転角度に基づいて、３相復元電流をｄ軸復元電流およびｑ軸復元電流に変換する。

負荷電圧方程式演算部５６６は、負荷の電気的モデル式に基づいて電流推定値を演算する。永久磁石同期電動機を負荷として用いる場合のモデル式を式（３）に示す。なお、下記式（３）に入力されるｄ軸電流l_d1およびｑ軸電流l_q1は前回（１サンプルタイミング前）の演算により得られた復元電流に基づく値であって、式（３）の演算によって得られるｄ軸電流l_d2およびｑ軸電流l_q2が新たに演算される値である。負荷電圧方程式演算部５６６は、内部で回転角度θｒを回転速度ω（ω＝ｄθｒ／ｄｔ）に変換して用いる。

ここで、Ｒ：電機子巻線抵抗，
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス，
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス，
Φ：永久磁石磁束，
ω：回転速度（ω＝ｄθｒ／ｄｔ）
である。

負荷電圧方程式演算部５６６は、式（３）によって得られた微分値を積分して、ｄ軸電流推定値およびｑ軸電流推定値を演算して出力する。

なお、上記式（３）を電動機とは異なる負荷にも適用可能に一般化すると下記式（３）´となる。
Ｉ_ｄ（ｎ）＝Ｉ_ｄ（ｎ−１）＋（ｄＩ_ｄ（ｎ）／ｄｔ）×Δｔ
Ｉ_ｑ（ｎ）＝Ｉ_ｑ（ｎ−１）＋（ｄＩ_ｑ（ｎ）／ｄｔ）×Δｔ ・・・（３）´
ここでＩ_ｄ（ｎ−１）およびＩ_ｑ（ｎ−１）は前回（１サンプルタイミング前）の演算により得られた復元電流に基づく値であり、Ｉ_ｄ（ｎ）およびＩ_ｑ（ｎ）は今回演算する復元電流となる。

ｄｑ／３相変換部５６０は、負荷電圧方程式演算部５６６からｄ軸電流推定値およびｑ軸電流推定値を受信して、式（２）の逆変換を演算することにより３相推定電流を演算する。

図７は、図２に示す３相電流取得部５８の構成例を概略的に示すブロック図である。
３相電流取得部５８は、Ｕ相通電相判定部５８１と、Ｕ相スイッチ５８２と、Ｖ相通電相判定部５８３と、Ｖ相スイッチ５８４と、Ｗ相通電相判定部５８５と、Ｗ相スイッチ５８６と、を備えている。

Ｕ相スイッチ５８２にはＵ相検出電流とＵ相推定電流とが入力され、Ｕ相スイッチ５８２は、Ｕ相通電相判定部５８１からの切替信号により、Ｕ相検出電流とＵ相推定電流との入力の一方をＵ相復元電流として出力する。

Ｕ相通電相判定部５８１は、通電相選択信号を受信し、Ｕ相が単独通電相であるときにＵ相検出電流がＵ相復元電流として出力されるようにＵ相スイッチ５８２を切り替える。Ｕ相が単独通電相でないときには、Ｕ相推定電流がＵ相復元電流として出力されるようＵ相スイッチ５８２を切り替える。

Ｖ相スイッチ５８４にはＶ相検出電流とＶ相推定電流とが入力され、Ｖ相スイッチ５８４は、Ｖ相通電相判定部５８３からの切替信号により、Ｖ相検出電流とＶ相推定電流との入力の一方をＶ相復元電流として出力する。

Ｖ相通電相判定部５８３は、通電相選択信号を受信し、Ｖ相が単独通電相であるときにＶ相検出電流がＶ相復元電流として出力されるようにＶ相スイッチ５８４を切り替える。Ｖ相が単独通電相でないときには、Ｖ相推定電流がＶ相復元電流として出力されるようＶ相スイッチ５８４を切り替える。

Ｗ相スイッチ５８６にはＷ相検出電流とＷ相推定電流とが入力され、Ｗ相スイッチ５８６は、Ｗ相通電相判定部５８５からの切替信号により、Ｗ相検出電流とＷ相推定電流との入力の一方をＷ相復元電流として出力する。

Ｗ相通電相判定部５８５は、通電相選択信号を受信し、Ｗ相が単独通電相であるときにＷ相検出電流がＷ相復元電流として出力されるようにＷ相スイッチ５８６を切り替える。Ｗ相が単独通電相でないときには、Ｗ相推定電流がＷ相復元電流として出力されるようＷ相スイッチ５８６を切り替える。

上記のように３相復元電流を選択すると、相電流検出部５４による推定電流は、直流電流を直流電流センサ２０で検出した値であるため、実際の電流値との誤差を少なくすることができる。

図８は、図２に示す３相電流取得部５８の構成の他の例を概略的に示すブロック図である。
この例では、３相電流推定部５８は、第２Ｕ相スイッチ５８７と、第２Ｖ相スイッチ５８９と、第２Ｗ相スイッチ５８０と、を更に備えている。

第２Ｕ相スイッチ５８７には、Ｕ相スイッチ５８２の出力値と、Ｖ相スイッチ５８４の出力の符号反転値とＷ相スイッチ５８６の出力の符号反転値との和と、が入力される。第２Ｕ相スイッチ５８７は、Ｕ相通電相判定部５８１の切替信号により、Ｕ相スイッチ５８２の出力値と、Ｖ相スイッチ５８４の出力の符号反転値とＷ相スイッチ５８６の出力の符号反転値との和とのいずれか一方をＵ相復元電流として出力する。

第２Ｖ相スイッチ５８９には、Ｖ相スイッチ５８４の出力値と、Ｕ相スイッチ５８２の出力の符号反転値とＷ相スイッチ５８６の出力の符号反転値との和と、が入力される。第２Ｖ相スイッチ５８９は、Ｖ相通電相判定部５８３の切替信号により、Ｖ相スイッチ５８４の出力値と、Ｕ相スイッチ５８２の出力の符号反転値とＷ相スイッチ５８６の出力の符号反転値との和とのいずれか一方をＶ相復元電流として出力する。

第２Ｗ相スイッチ５８０には、Ｗ相スイッチ５８６の出力値と、Ｕ相スイッチ５８２の出力の符号反転値とＶ相スイッチ５８４の出力の符号反転値との和と、が入力される。第２Ｗ相スイッチ５８０は、Ｗ相通電相判定部５８５の切替信号により、Ｗ相スイッチ５８６の出力値と、Ｕ相スイッチ５８２の出力の符号反転値とＶ相スイッチ５８４の出力の符号反転値との和とのいずれか一方をＷ相復元電流として出力する。

上記の演算は、下記式（４）に示すように各相電流の総和がゼロとなる３相平行負荷を用いた場合に採用可能である。
ｌｕ＋ｌｖ＋ｌｗ＝０・・・（４）
例えば、負荷がＮ相（Ｎは３以上の整数）の交流負荷である場合には、上記式（４）は下記式（５）に書き換えることができる。
ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３＋…＋ｌ_Ｎ＝０・・・（５）
この場合には、単独通電相以外のＫ相（１≦Ｋ≦Ｎ）の相電流は、相電流検出部５４で演算した単独通電相の電流値の符号を反転した値と、単独通電相とＫ相以外のＮ−２相の負荷モデル電流推定部５６で演算した相電流の符号を反転した値との和となる。

上記のように３相復元電流を演算すると、単独通電相については検出した電流値を使用し、単独通電相以外の相についても検出した電流値を用いた演算により復元電流を取得することができるため、例えば、負荷電圧方程式演算部５６６で用いたパラメータの誤差等に起因して復元電流の誤差を低減することができる。

図９は、相電流検出部の相電流取得不能期間の一例について説明するための図である。

図９では、横軸を時間軸として、キャリアと３相電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊と、ゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗとを示している。

キャリアは、インバータＩＮＶのスイッチング素子へのゲート信号を決定するための三角波ＰＷＭ処理のための三角波キャリアである。

３相電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊は、負荷を駆動するための３相電圧指令である。ここでは示している期間が非常に短いため一定値としているが、実際は負荷を駆動する交流波形である。

ゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗは、三角波ＰＷＭ処理の結果として得られるゲート信号である。簡略化のためにデッドタイム考慮しないものとすると、ゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｗはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上下スイッチング素子の駆動信号とみなすことができ、例えば、Ｈレベルのときに上側のスイッチング素子が導通し、Ｌレベルのときに下側のスイッチング素子が導通する。

上記のゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、ＧｗによりインバータＩＮＶのスイッチング素子を制御するとき、例えば、期間ａと期間ａ´とでは、図４に示すスイッチング素子の状態と同様となる。すなわち、ゲート信号は「１，０，０，１，０，１」である。なお、各相の電流方向については、ここでは考慮しないものとする。このとき、Ｕ相の相電流は直流電流から取得可能であるが、Ｖ相とＷ相の相電流は直流電流から取得不能である。すなわち、通電相選択信号は「１，０，０，０，０，０」となる。

同様に、期間ｂと期間ｂ´とでは、ゲート信号は「１，０，１，０，０，１」であって、Ｗ相の相電流が直流電流から取得可能であり、Ｕ相とＶ相の相電流は直流電流から取得不能である。すなわち、通電相選択信号は「０，０，０，０，０，１」となる。

期間ｃと期間ｃ´とでは、ゲート信号は「１，０，１，０，１，０」あるいは「０，１，０，１，０，１」であって、全ての相で上側あるいは下側のスイッチング素子が同時に導通状態であるため、いずれの相も直流電流から相電流を取得不能である。すなわち、通電相選択信号は「０，０，０，０，０，０」となる。

図１０は、図９に示す期間ａ〜ｃ、ａ´〜ｃ´について、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の直流電流から相電流を取得可能である期間と、取得不能である期間とをまとめた図である。図１０では、「○」は直流電流から相電流を取得可能である期間であり、「×」は直流電流から相電流を取得不能である期間としている。

期間ａ〜ｃ、ａ´〜ｃ´のいずれも、直流電流から相電流を取得不能である相を含んでいる。本実施形態では、各相について、上記の取得可能期間においては相電流検出部５４で検出された電流値を復元相電流に採用し、取得不能期間においては負荷モデル電流推定部５６で演算した電流値を復元相電流に採用することにより、すべての期間において各相の復元相電流を取得することが可能である。

以上のように、本実施形態の電力変換装置によれば、直流電流センサと負荷モデルとから、負荷に供給される交流電流を取得することが可能である。その結果、取得した値を電流制御部において電流制御に用いることにより、交流側の電流センサを削減可能である。

すなわち、直流電圧を交流電圧に変換して負荷を駆動する電力変換装置では、交流側の電流を検知し、検知した交流電流が所望の指令値に一致するよう、交流電圧を制御するのが制御手法の一つである。この制御手法を採用する電力変換装置の場合、交流出力側の電流を検出する電流センサが必要となり、電力変換装置のコストアップや大型化を招いていた。

一方、電力変換装置の直流側の電流を検出する電流センサを備え、インバータのスイッチング素子のスイッチ状態に基づいて、検出した直流電流から交流電流を取得する手法が提案されている。しかしながら、インバータのスイッチング状態に応じて直流電流値から交流側の各相電流を取得する場合、どの相電流も直流電流値と一致しない期間、いわゆるゼロ電圧ベクトルモードの際には電流の取得が不可能であった。

また、検出した直流電流値から同時刻に取得可能な相電流はスイッチング状態から決まる特定の１相の電流であり、その他の相の電流は取得できないため、その他の相の電流は取得時刻をずらして異なるスイッチング状態を作り出すことにより取得するか、前回値などを使わざるを得なかった。前者の対応策は、交流電圧を作り出すために特殊なＰＷＭ法を採用せざるを得ず、システムの演算コストの増加や出力電圧の高調波成分の増加を招くことがあった。また後者の対応策は、同時刻における各相電流取得値に誤差が発生することがあった。

これに対し、本実施形態の電力変換装置によれば、上述のように、交流側の電流センサを必要とせず、電力変換装置のコストアップや大型化を回避することができる。また、本実施形態の電力変換装置によれば、システムの演算を複雑にすることなく同時刻における各相電流の復元値をより精度よく演算することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＢＴ…直流電源、Ｍ…交流電動機（負荷）、ＩＮＶ…インバータ、ＣＴＲ…制御演算回路、Ｃ…平滑コンデンサ、Ｓｕ〜Ｓｚ…スイッチング素子、θｒ…回転角度、ω…回転速度、１０…ゲート駆動回路、２０…直流電流センサ、３０…直流電圧センサ、４０…回転角センサ、５２…電流制御部、５４…相電流検出部、５４２…単独通電相特定部、５４４…特定相電流選択変換部、５４６…反転回路、５６…負荷モデル電流推定部、５６０…ｄｑ／３相変換部、５６２…印加電圧演算部、５６４、５６４…３相／ｄｑ変換部、５６６…負荷電圧方程式演算部、５６８…３相／ｄｑ変換部、５８…３相電流取得部、５８０…Ｗ相スイッチ、５８１…Ｕ相通電相判定部、５８２…Ｕ相スイッチ、５８３…Ｖ相通電相判定部、５８４…Ｖ相スイッチ、５８５…Ｗ相通電相判定部、５８６…第２Ｗ相スイッチ、５８７…第２Ｕ相スイッチ、５８９…第２Ｖ相スイッチ、５９…遅延器。

Claims (3)

1. 直流電源と負荷との間に接続されたインバータの複数のスイッチング素子の接続を切り替えて前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換することにより前記負荷を駆動する電力変換装置であって、
   前記直流電源側の直流電流値と、前記複数のスイッチング素子の駆動信号とから、前記負荷に供給されている負荷電流を検出する電流検出手段と、
   前記直流電源の電圧値と、前記スイッチング素子の駆動信号とから、前記負荷の電気的モデル式に基づいて前記負荷に供給されている負荷電流の推定値を演算する電流推定手段と、
   前記直流電源側の直流電流値より負荷電流の検出が不能である期間における負荷電流を、電流推定手段において演算された負荷電流の推定値で補完する補完手段と、を備え、
   前記電流検出手段において検出した値を、前記電流推定手段における前記負荷の電気的モデル式の状態値として更新設定することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電流検出手段において検出した電流検出値と、前記電流推定手段において演算した電流推定値とを比較した結果に基づいて、前記電流推定手段における前記負荷の電気的モデルのパラメータを修正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. 直流電源と負荷との間に接続されたインバータの複数のスイッチング素子の接続を切り替えて前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換することにより前記負荷を駆動する電力変換装置であって、
   前記直流電源側の直流電流値と、前記複数のスイッチング素子の駆動信号とから、前記負荷に供給されている負荷電流を検出する電流検出手段と、
   前記直流電源の電圧値と、前記スイッチング素子の駆動信号とから、前記負荷の電気的モデル式に基づいて前記負荷に供給されている負荷電流の推定値を演算する電流推定手段と、
   前記直流電源側の直流電流値より負荷電流の検出が不能である期間における負荷電流を、電流推定手段において演算された負荷電流の推定値で補完する補完手段と、を備え、
   前記電流検出手段において検出した電流検出値と、前記電流推定手段において演算した電流推定値とを比較した結果に基づいて、前記電流推定手段における前記負荷の電気的モデルのパラメータを修正することを特徴とする電力変換装置。