JP6171999B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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複数のスイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)を有したインバータ回路(4)と、前記スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)のスイッチングを制御するスイッチング制御部(9)と、所定の電流リミット値(Imax)を超えないように前記スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)に流れる電流を制限する電流制限部(10)とを備えた電力変換装置において、
前記スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)で発生する損失の増減を当該電力変換装置の運転中に検出する機能を有し、該損失が同一電流値において増加する場合は前記電流リミット値(Imax)を動的に減少させ、前記損失が同一電流値において減少する場合は前記電流リミット値(Imax)を動的に増加させる電流リミット値制御部(8)を備えたことを特徴とする。
第1の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング制御部(9)は、前記損失が同一電流値において互いに異なる複数種類のスイッチング制御モードを適宜切替えて前記スイッチングを制御し、
前記電流リミット値制御部(8)は、前記スイッチング制御モードの切替わりに基づいて前記損失の増減を検出し、前記スイッチング制御モードの切替わりに応じて、前記電流リミット値(Imax)を変更することを特徴とする。
第1又は請求項2の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング制御部(9)は、キャリア周波数(fc)を適宜変更して前記スイッチングを制御し、
前記電流リミット値制御部(8)は、前記キャリア周波数(fc)に基づいて前記損失の増減を検出し、キャリア周波数(fc)がより低いほど前記電流リミット値(Imax)を、より大きくすることを特徴とする。
第1から第3の何れかの電力変換装置において、
前記電流リミット値制御部(8)は、前記インバータ回路(4)への入力電圧に基づいて前記損失の増減を検出し、前記インバータ回路(4)への入力電圧がより低いほど前記電流リミット値(Imax)を、より大きくすることを特徴とする。
図1は、本発明の実施形態1に係る電力変換装置(1)の構成例を示している。電力変換装置(1)は、入力交流電圧(この例では、三相の交流電源(20)からの電源電圧)を所定の出力交流電圧(この例では、三相交流電圧)に変換してモータ(30)に供給するものである。この例では、モータ(30)は、例えば、DCブラシレスモータであり、空気調和機の冷媒回路に設けられた圧縮機を駆動するために用いられる。
電力変換装置(1)は、コンバータ回路(2)、直流リンク部(3)、インバータ回路(4)、電流検出部(5)、制御部(6)、ドライバ回路(7)、及び電流リミット値制御部(8)を備えている。
コンバータ回路(2)は、交流電源(20)に接続され、交流電源(20)からの入力を全波整流する。この例では、コンバータ回路(2)は、ブリッジ状に結線された6個のダイオード(D1,D2,D3,D4,D5,D6)を備えている。
直流リンク部(3)は、コンバータ回路(2)の出力ノードに並列に接続されたコンデンサ(3a)を有し、コンバータ回路(2)の出力を受けて直流リンク電圧(Vdc)を生成する。なお、直流リンク部(3)には必ずしもコンデンサを接続する必要はない。
インバータ回路(4)の入力ノードは、コンデンサ(3a)に並列に接続されている。インバータ回路(4)は、スイッチング動作により直流リンク部(3)からの直流リンク電圧(Vdc)を出力交流電圧(この例では、三相交流電圧)に変換してモータ(30)に供給する。なお、本文において、このインバータ回路(4)の入力ノードに印加される電圧を入力電圧と表現する。
電流検出部(5)は、例えば、カレントトランスや、いわゆるシャント抵抗を用いて構成され、相電流を検出するようになっている。電流検出部(5)の検出値は、制御部(6)に入力されている。
ドライバ回路(7)は、その出力(G)が、インバータ回路(4)の各スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)の制御端子(ゲート)に入力されており、出力(G)によってオンオフを制御する。ドライバ回路(7)の出力(G)の制御は、制御部(6)が行う。
スイッチング制御部(9)は、ドライバ回路(7)を介して、各スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)のスイッチングを制御する。その際、各スイッチングレグでは、上アームのスイッチング素子(Su,Sv,Sw)と、下アームのスイッチング素子(Sx,Sy,Sz)とを相補的にスイッチングさせる。すなわち、各スイッチングレグでは、上アームのスイッチング素子(Su,Sv,Sw)がオンの時には、下アームのスイッチング素子(Sx,Sy,Sz)がオフであり、下アームのスイッチング素子(Sx,Sy,Sz)がオンの時には、上アームのスイッチング素子(Su,Sv,Sw)がオフである。
二相変調モードでは、3相のうちの2つの相でスイッチングを行い、残りの1つの相は、一定期間、オン状態又はオフ状態の何れかに固定する制御モードである。二相変調モードでは、キャリア周期内の平均電圧が出力したい電圧となるようにスイッチングを行っている。二相変調モードでは、一定の区間、1つの相のスイッチングを固定(インバータ回路(4)への入力電圧または0Vとする)して、他の二つの相でスイッチングすることにより、相間電圧を正弦波にコントロールする変調方式である。なお、通常は、モータ(30)の制御は、相間電圧でコントロールしている。図2に示した二相変調モードでは、正弦波トップ部の60度区間で、出力を入力電圧に固定し、正弦波ボトム部の60度区間で0Vに固定する方式を例に挙げている。なお、図示の相がスイッチングしているときは、他の2相の何れか一方の相が固定されている。
過変調制御モードでは、インバータ回路(4)の出力が、キャリア信号の1周期を通して、全相ともオン、或いは全相ともオフのパターン(いわゆる零ベクトル)が現れない状態に制御する。図2に示した過変調制御モードでのスイッチング波形は、過変調で出力できる最大の矩形波の波形となる。二相変調モードと過変調制御モードのスイッチング波形を比べると、過変調制御モードの方が、二相変調モードよりもスイッチング回数が少ない。
本実施形態では、スイッチング制御モードは、モータ(30)の回転数に応じて切替えている。具体的には、所定の回転数よりも低い速度領域では、二相変調モードを選択し、前記所定の回転数よりも回転数が大きな速度領域では過変調制御モードを選択する。ここで、回転数により二相変調モードと過変調制御モードを切替えているのは、同一電流条件を仮定しており、インバータ回路(4)の出力電圧の増減が回転数に依存するためである。過変調制御モードは、インバータ回路(4)の出力の一次成分(基本波成分ともいう)の振幅を、直流リンク電圧(Vdc)で発生できる正弦波の最大振幅よりも大きくできる。すなわち、過変調制御モードは、より大きな回転数を必要とする場合に有効な制御方法である。
電流制限部(10)は、相電流が、与えられた閾値(以下、電流リミット値(Imax)という)を超えると、スイッチング制御部(9)に、所定の指令(S)を出力するようになっている。電流リミット値(Imax)は、電流制限部(10)の外部から設定、更新が可能に構成されている。本実施形態では、後述する電流リミット値制御部(8)が、電流制限部(10)に電流リミット値(Imax)を設定する。
電流リミット値制御部(8)は、マイクロコンピュータとそれを動作させるプログラムで構成される。なお、このマイクロコンピュータは、制御部(6)と同じものを共用してもよいし、別個に設けてもよい。
図5は、モータ(30)の回転数と電流リミット値(Imax)との関係を示す図である。同図の回転数R1、R2、及びR3は、図4のものと同じである。すなわち、R1は、二相変調モードから過変調制御モードに制御モードが切替わる速度であり、R2は、電流位相(β)を進める制御が開始される回転数である。
図7は、回転数と、モータ(30)のトルクとの関係を示す図である。同図において、実線で示したラインは、本実施形態の電流リミット値制御を適用した場合のモータトルクを例示し、破線で示したラインは、電流リミット値を一定とした場合(説明の便宜のため従来例とよぶ)のモータトルクを例示している。従来例では、電流リミット値が一定であるため、電流を増大させることができない。一方、本実施形態の電力変換装置(1)は、図7の例ではモータ(30)の回転数が70rpsを超えたあたりで電流リミット値(Imax)が、第1電流リミット(L1)から第2電流リミット(L2)に変更されている。その結果、本実施形態では、インバータ回路(4)の電流を増大させることができ、モータトルクも向上している。
なお、過変調制御モードに移行したかどうか(損失が低減したかどうか)は、スイッチング制御におけるデューティーを用いて判断してもよい。
本発明の実施形態2の電力変換装置(1)は、二相変調モード、及び過変調制御モードに加え、いわゆる三相変調モードでもスイッチングを制御し、これらのスイッチング制御モードの切替わりに応じて、前記電流リミット値(Imax)を変更する。三相変調モードでは、キャリア周期内の平均電圧が出力したい電圧になるように、3相のそれぞれのスイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)をスイッチングさせる。三相変調モードは、三つの相でスイッチングすることにより、相間電圧を正弦波にコントロールする変調方式である。
本発明の実施形態3の電力変換装置(1)は、二相変調モード、及び過変調制御モードでスイッチングを制御し、これらのスイッチング制御モードの切替わりに応じて、前記電流リミット値(Imax)を変更する。さらに、本実施形態の電力変換装置(1)では、キャリア周波数を適宜変更するようになっている。具体的には、キャリア周波数の制御では、3KHzと6kHzの何れかを選択するようになっている。
図11は、本発明の実施形態4に係る電力変換装置(1)の構成例を示している。本実施形態の電力変換装置(1)は、実施形態1の電力変換装置(1)に、電圧検出部(11)を追加するとともに、電流リミット値制御部(8)の構成に変更を加えている。
4 インバータ回路
8 電流リミット値制御部
9 スイッチング制御部
10 電流制限部
Claims (4)
- 複数のスイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)を有したインバータ回路(4)と、前記スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)のスイッチングを制御するスイッチング制御部(9)と、所定の電流リミット値(Imax)を超えないように前記スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)に流れる電流を制限する電流制限部(10)とを備えた電力変換装置において、
前記スイッチング素子(Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz)で発生する損失の増減を当該電力変換装置の運転中に検出する機能を有し、該損失が同一電流値において増加する場合は前記電流リミット値(Imax)を動的に減少させ、前記損失が同一電流値において減少する場合は前記電流リミット値(Imax)を動的に増加させる電流リミット値制御部(8)を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1の電力変換装置において、
前記スイッチング制御部(9)は、前記損失が同一電流値において互いに異なる複数種類のスイッチング制御モードを適宜切替えて前記スイッチングを制御し、
前記電流リミット値制御部(8)は、前記スイッチング制御モードの切替わりに基づいて前記損失の増減を検出し、前記スイッチング制御モードの切替わりに応じて、前記電流リミット値(Imax)を変更することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は請求項2の電力変換装置において、
前記スイッチング制御部(9)は、キャリア周波数(fc)を適宜変更して前記スイッチングを制御し、
前記電流リミット値制御部(8)は、前記キャリア周波数(fc)に基づいて前記損失の増減を検出し、キャリア周波数(fc)がより低いほど前記電流リミット値(Imax)を、より大きくすることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項3の何れかの電力変換装置において、
前記電流リミット値制御部(8)は、前記インバータ回路(4)への入力電圧に基づいて前記損失の増減を検出し、前記インバータ回路(4)への入力電圧がより低いほど前記電流リミット値(Imax)を、より大きくすることを特徴とする電力変換装置。
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