JP6173003B2

JP6173003B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6173003B2
Application number: JP2013087083A
Authority: JP
Inventors: 友里子岡本; 佐竹　彰; 彰佐竹; 石塚　充; 充石塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: JP2014212606A

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に、回転電機に電力の供給を行うためのパルス幅変調方式による電力変換の制御を行う電力変換装置に関するものである。

ＰＷＭ（パルス幅変調：ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式を用いた電力変換装置において、出力電圧は正弦波を模擬した矩形パルスとなるため、基本波となる正弦波に加えて高調波が発生し、回転電機のトルクリプル（トルク脈動）を発生させる原因となる。

そこで、この問題を解消するために高調波低減ＰＷＭ方式が提案されている。一般的にＰＷＭ制御方式では、三角波比較ＰＷＭ方式が用いられているが、高調波低減ＰＷＭ方式では、同期ＰＷＭ方式のうち、キャリアと指令電圧の比較は行わずに変調率により適切なパルス幅を決めて固定パルスを生成させる固定パルス方式が用いられる。これは、電力変換装置のパワーデバイス素子のスイッチングの位相を適切に設計することで、所望の高調波を低減するものである。スイッチングの位相の設計は、基本波電圧が指令電圧値と一致する条件のもとで、高調波が小さくなるようにフーリエ級数展開の方程式を解くことにより行われる。このようにして設計されたスイッチング位相パターンを用いることで、回転電機（モータ等の電動機）の損失や騒音を低減する。

また、電力変換装置においては、上下アームのパワーデバイス素子の同時導通による短絡を防止する目的で、デッドタイムと呼ばれる上下アームのパワーデバイス素子同時オフ時間が設けられている。このデッドタイムの付加により、電力変換器の出力電圧と負荷へ出力すべき指令電圧との間に誤差が生じる。従って、上述の通り高調波を低減するように指令電圧が設計されていても、実際の出力電圧において、デッドタイムの付加の影響により設計とは異なって、高調波が増大してしまうという問題がある。

これらの問題を解決するために、例えば、特許文献１のインバータ装置では、デッドタイムの付加に起因する誤差電圧が、電力変換器の出力相電流の極性と逆の極性の電圧となることから、電流検出手段によって電力変換器の出力相電流を検出し、その電流の極性に基づいて、デッドタイムの付加に起因する電圧誤差を補正する方法が提案されている。これは、検出された出力相電流の極性と同じ極性の電圧を指令電圧に加え、デッドタイムの付加による電圧の低下分を補うものである。これにより、デッドタイムの付加による誤差の影響を取り除くことができる。

また、例えば、特許文献２の中性点クランプ式ＰＷＭ制御型電力変換器の制御装置では、電流極性に基づいて、デッドタイムの付加に相当する時間分スイッチングの時間を長く、もしくは短くすることでデッドタイムの付加による電圧誤差を低減するようにしている。この方法では、デッドタイムの付加により生じる電圧誤差が直接補正されるため、基本波電圧の過不足分を補うのみでなく高調波も低減することが可能である。同様に、特許文献３の電力変換器の制御装置においては、スイッチングの位相を調整することで出力電圧の誤差を減らす方法も提案されている。

しかし、電流極性によりデッドタイムの付加に起因する電圧誤差を補正する方法は、電流極性が正しく検出できることが前提となっている。実際には、電流に高調波成分がある場合には、電流極性が短時間で入れ替わることがあり、電流検出から指令電圧出力までの遅れ時間があると、実際に電力変換装置に流れている電流極性と、出力する指令電圧を演算し補正する際に想定した電流極性とが一致していない場合がある。このとき、指令電圧を加算して補正する方法の場合には、指令電圧の過不足を増大させる方に、また、スイッチング時間や位相を調整して補正する方法の場合には、指令電圧パルスの伸張を逆向きに補正してしまう可能性がある。そこで、特許文献３の電力変換器の制御装置においては、電流極性を誤判別する可能性の高い、電流零近傍において、補正する方法を変える技術が提案されている。これは、デッドタイムの付加に伴う出力電圧誤差の発生の有無を判断して、インバータの出力電圧が元の指令電圧に沿った出力電圧となるよう位相閾値を補正してデッドタイム補償を行うものである。これにより、デッドタイムを確保することに伴う出力電圧誤差の発生をなくすことができる。

特開平６−６２５８０号公報特開平８−２５６４８３号公報特開２０１１−１５５６６号公報

しかしながら、高調波低減ＰＷＭ方式においては、指令電圧パルスの設計において出力電圧の高調波成分を低減するように設計されていても、デッドタイムの付加による高調波が発生し、設計通りの高調波の低減を実現することができない。従来の指令電圧に補正値を加算する補正方法では、基本電圧の不足分は補正することが可能でも、デッドタイムの付加による高調波を低減することができないという問題がある。また、高調波低減ＰＷＭ方式は、高調波を低減するための指令電圧パルスを位相として設計されているため、デッドタイム補正をデッドタイムに相当する時間分の指令電圧パルスの調整により行う補正方法では、高調波低減ＰＷＭの設計法により、デッドタイムの補正を行うことは困難である。特に、電流が零近傍のときには、電流極性を誤判別する可能性が高く、高調波が増大してしまうという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電力変換装置の内部で発生するデッドタイムの付加に起因する出力電圧の高調波を補正し、設計された高調波低減ＰＷＭの指令電圧通りに電力を出力することが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、接続された回転電機に対して直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換手段と、前記交流電力の指令電圧を演算する指令電圧演算手段と、前記指令電圧に応じて前記交流電力の出力電圧の歪みを低減するように設計されたスイッチング位相パターンが記憶されているスイッチング位相記憶手段と、前記スイッチング位相記憶手段から前記指令電圧に対応する前記スイッチング位相パターンを読み出して出力するスイッチング位相出力手段と、前記交流電力の電流の極性を判別する電流極性判別手段と、前記電流極性判別手段で判別された前記電流の極性に基づいて、前記スイッチング位相パターンを補正する位相補正量を演算し、前記位相補正量を加算して前記スイッチング位相パターンの位相補正を行うスイッチング位相補正手段と、前記位相補正された前記スイッチング位相パターンの指令を前記電力変換手段に出力するスイッチ切替指令手段と、を備え、前記電流極性判別手段には、零近傍判別機能が備えられており、前記電流の極性の判別に併せて、零近傍電流閾値の範囲内に含まれるか否かをも判別し、前記電流が前記零近傍電流閾値の範囲内に含まれる場合には、前記スイッチング位相補正手段において前記スイッチング位相パターンの位相補正量を演算することを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置によれば、高調波低減ＰＷＭ方式により設計された高調波を低減するためのスイッチング位相によるパルスパターンを用いることで、出力電圧に含まれる高調波を低減することができる。また、位相の調整によってデッドタイム補正を行う構成により、デッドタイムの付加により生じる出力電圧の高調波を補正するための位相補正量についても、高調波低減ＰＷＭの設計法を用いて決定することができるため、さらに、電圧の高調波を低減することが可能である。これにより、駆動される回転電機のトルクリプル及び高調波損失を低減し、回転電機の駆動性能を向上させることができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る電力変換装置の電力変換手段の回路図である。実施の形態１におけるスイッチング位相パターン７パルスの例を示す図である。実施の形態１におけるデッドタイム補正がない場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図である。実施の形態１におけるデッドタイム補正がある場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図である。実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る電力変換装置の電流零近傍における補正を行った場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図である（その１）。実施の形態３に係る電力変換装置の電流零近傍における補正を行った場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図である（その２）。実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。実施の形態４に係る電力変換装置の電流零近傍閾値補正量の設定例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について、図１〜図１１を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図であり、図２は、電力変換手段の回路図であり、図３は、スイッチング位相パターン７パルスの例を示す図である。また、図４は、デッドタイム補正がない場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図であり、図５は、デッドタイム補正がある場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図である。

図１及び図２に示すように、電力変換装置８は、交流電力を出力する電力変換手段１と、電力変換手段１からの出力電流を検出する電流検出手段２と、交流指令電圧を演算する指令電圧演算手段３と、電力変換手段１の半導体スイッチ素子Ｔｒをオン／オフ駆動するためのスイッチング位相パターンを交流指令電圧毎に記憶しているスイッチング位相記憶手段４と、スイッチング位相記憶手段４から交流指令電圧に対応するスイッチング位相パターンを読み出して出力するスイッチング位相出力手段５と、電流検出手段２により検出された交流電力の電流の極性を判断する電流極性判別手段６と、電流極性判別手段６で判別された電流の極性に基づいて、スイッチング位相パターンを補正する位相補正量を演算し、位相補正量を加算してスイッチング位相パターンの位相補正を行うスイッチング位相補正手段７ａと、位相補正されたスイッチング位相パターンの指令を電力変換手段１に出力するスイッチ切替指令手段７ｂと、から構成されている。ここで、電力変換装置８は回転電機９に接続されており、回転電機９の駆動制御を行う。

次に、実施の形態１に係る電力変換装置８の動作について、図１から図５を用いて説明する。まず、指令電圧演算手段３は、回転電機９を制御するための三相の交流指令電圧を演算し、交流の指令電圧振幅Ｖrefと、少なくとも１相の位相θを出力する。

スイッチング位相記憶手段４は、指令電圧演算手段３から出力される交流の指令電圧振幅Ｖrefに対応させて、高調波を低減するためのスイッチング位相パターンを、予め演算しておき、その結果を指令電圧振幅とそれに対応するスイッチング位相テーブルとして記憶しているものである。スイッチング位相パターンとは、電力変換手段１の半導体スイッチ素子Ｔｒをオン／オフ駆動する位相の組合せである。例えば、スイッチング位相をｋ個（θ1，θ2，・・・，θk）持つパターンの場合、各指令電圧振幅につきｋ個の位相の組を記憶している。ここで、ｋは、ｎを１周期あたりのパルス数とすると、
ｋ＝（ｎ−１）／２（１）
を満たす整数である。また、θ1〜θkは、
θ1＜θ2＜・・・＜θk＜π／２（２）
を満たすものとする。

スイッチング位相出力手段５は、指令電圧演算手段３から出力される交流の指令電圧振幅Ｖref に対応する高調波を低減するためのスイッチング位相パターンθ1，θ2，・・・，θk をスイッチング位相記憶手段４から読み出し、対応するスイッチング位相θswu，θswv，θsww を出力する。スイッチング位相θswu，θswv，θswwは、電力変換手段１においてスイッチを切り替えるための指令である。以下にその動作の詳細を示す。

電力変換手段１である電力変換回路１０は、図２の回路図に示すように、駆動信号出力手段１１とＵ，Ｖ，Ｗ各三相のアーム１０ａ，１０ｂ，１０ｃとで構成され、各アームは上下（ＵＰ，ＵＮ）に半導体スイッチ素子Ｔｒ（トランジスタやサイリスタなどがあるが、ここでは、トランジスタを使用する例を示す。）と、逆並列接続されたダイオードＤを備えており、１組のスイッチとして動作する。駆動信号出力手段１１の指令に基づき、電力変換回路１０に接続されたバッテリ２１ａ，２１ｂにより供給される直流電力は、振幅がバッテリ２１ａ，２１ｂの電源電圧２Ｅに等しい方形波電圧に変換される。

図２の各相アームの上側スイッチがＵＰ，ＶＰ，ＷＰで、これらをＰ側のスイッチ、下側がＵＮ，ＶＮ，ＷＮで、Ｎ側スイッチと呼ぶ。Ｐ側スイッチがオン（導通）で、Ｎ側スイッチがオフ（遮断）の場合には、出力電圧は正となり、逆にＰ側スイッチがオフで、Ｎ側スイッチがオンの場合には、出力電圧は負となる。本実施の形態において、電力変換手段１には、デッドタイム補正を施した三相分のスイッチ切替指令Ｖswu，Ｖswv，Ｖsww が入力される。入力されたスイッチ切替指令Ｖswu，Ｖswv，Ｖsww は、図２に示す電力変換回路１０に設けられた駆動信号出力手段１１に入力され、各相について、次のように、スイッチの状態が設定される駆動信号に変換される。
スイッチ切替指令Ｖswu，Ｖswv，Ｖsww が１の間、Ｐ側スイッチはオンにされ、Ｎ側スイッチはオフにされる。
スイッチ切替指令Ｖswu，Ｖswv，Ｖswwが０の間、Ｐ側スイッチはオフにされ、Ｎ側スイッチはオンにされる。

次に、図１のスイッチ切替指令手段７ｂの動作について、Ｕ相の場合を例として、入力される位相パターンθ’（位相θ1’，θ2’，・・，θk’の組）と出力するスイッチ切替指令Ｖswu の関係を説明する。位相パターンは、上述した通り、高調波を低減するように設定されている。まず、スイッチ切替指令Ｖswu は、位相パターンθ1’，θ2’，・・，θk’に対して、次のように設定される。ここで、θは、指令電圧演算手段３から出力されるＵ相の交流指令電圧Ｖref の位相とする。
０＜θ＜θ1’，π−θ1’＜θ＜π のとき、Ｖswu＝１
θ1’＜θ＜θ2’，π−θ2’＜θ＜π−θ1’ のとき、Ｖswu＝０
θ2’＜θ＜θ3’，π−θ3’＜θ＜π−θ1’ のとき、Ｖswu＝１
：：
θk-1’＜θ＜θk’，π−θk’＜θ＜π−θk-1’ のとき、Ｖswu＝０
θk’＜θ＜π−θk’ のとき、Ｖswu＝１（３）

上記のように、０＜θ＜πの範囲において、Ｖswu を定め、さらに、π＜θ＜２πの範囲でθ＝πについて、奇対称となるようにＶswu を定める。例として、１周期７パルスとすると、Ｖswu の波形は、図３に示すようになる。１周期あたりのパルス数が７パルス以外の場合においても、同様に、スイッチ切替指令を設定することができる。また、上記では、三相の内、Ｕ相を例として説明したが、Ｖ相、Ｗ相もＵ相に対して１２０°ずつ位相をずらして、同様に、Ｖswv ，Ｖsww を設定し、スイッチの切替を行う。

上記のスイッチ切替を行った結果、回転電機９に対して、三相電圧Ｖu，Ｖv，Ｖw が印加される。次に、電流検出手段２により電力変換手段１から出力される三相電流が検出され、電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw として、電流極性判別手段６に出力される。ここで、電流は、図２の電力変換手段１の回路図に示す矢印の電流方向、つまり、上アーム通電時の電流方向を正として定義する。電流極性判別手段６は、電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwの極性を判別して、電流極性信号Ｉu_sign，Ｉv_sign，Ｉw_sign を出力する。例えば、Ｉu＜０ならＩu_sign＝０、Ｉu＞０ならＩu_sign＝１とし、Ｖ相、Ｗ相についても同様とする。

スイッチング位相補正手段７ａは、スイッチング位相出力手段５から出力されるスイッチング位相θswu，θswv，θsww を電流極性判別手段６から出力される信号に基づいて位相補正を行う。補正の詳細について、位相補正量をΔθとして、デッドタイム補正の有無による目的とする電圧位相と出力電圧位相との関係について、Ｕ相の場合を例に説明する（図４、図５）。図４に示すように位相補正を行わない場合には、電力変換手段１から出力しようとする目的の電圧位相に対し、実際には、電力変換手段１の回路の各スイッチがオフからオンに切り替わる際にデッドタイムが付加されているため、出力電圧位相に誤差が生じていた。この誤差をなくすため、図５の斜線部に示すように、次の補正を行う。
Ｉu_sign＝０の場合、ＵＰのスイッチをオフに切り替える位相をΔθ早くする。
ＵＮのスイッチをオンに切り替える位相をΔθ早くする。
Ｉu_sign＝１の場合、ＵＰのスイッチをオンに切り替える位相をΔθ早くする。
ＵＮのスイッチをオフに切り替える位相をΔθ早くする。

つまり、電流が負の場合は、スイッチング位相θswu が１から０に切り替わる位相がΔθ早く、電流が正の場合は、スイッチング位相θswu が０から１に切り替わる位相がΔθ早くなるようにθswu が補正される。この補正を行った結果、図５に示すように、出力電圧位相は目的とする電圧位相と等しくなる。補正量Δθは、デッドタイム時間ｔd により生じる高調波を低減させるように設定される。スイッチングパターンの設計においては、高調波を低減するようなパターンを位相として選ぶため、本実施の形態においては、デッドタイム補正も同様にスイッチングの位相を調整して行うこととしている。例えば、回転電機９の回転角速度をωとすると、Δθ＝ｔd×ωとすれば、デッドタイムに相当する位相分の補正が可能である。位相として補正することで、デッドタイムの付加によって生じる高調波も含め所望の高調波を低減できるように、スイッチング位相パターンとデッドタイム補正量Δθを共に設計できるという効果が得られる。

上記補正はＶ相、Ｗ相についても同様に行う。スイッチング位相補正手段７ａによって、上記のとおり補正されたスイッチング位相θswu’，θswv’，θsww’がスイッチ切替指令手段７ｂに出力される。

このように、実施の形態１に係る電力変換装置では、同期ＰＷＭによる電圧歪みが低減されるスイッチング位相パターンを用いて電力変換手段を駆動させることで、電力変換手段に回転電機を接続した場合に、回転ムラが低減でき、駆動性能の向上を図ることができる。さらに、デッドタイムがスイッチング位相パターンに付加されるのに伴って生じる電圧歪みを、スイッチング位相を補正することによって低減する。同期ＰＷＭによる電圧歪みを低減するスイッチングのタイミングは位相として設計されているため、デッドタイムの付加による電圧歪みの補正も位相を操作して行うことで、所望の高調波を低減することができるという顕著な効果がある。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
実施の形態２に係る電力変換装置においては、図６に示す実施の形態１の図１に設けられている電流検出手段２及び電流極性判別手段６がなく、替わりに電流極性を推定する電流極性判別手段１３が設けられている。電流極性判別手段１３により、指令電圧演算手段３から出力される交流の指令電圧振幅と、少なくとも１相の位相に基づいて電流極性が推定される。また、スイッチング位相補正手段７ａにより、スイッチング位相出力手段５から出力されるスイッチング位相と電流極性判別手段１３とから出力される信号に基づいてスイッチング位相パターンの位相補正を行い、スイッチ切替指令手段７ｂで位相補正されたスイッチング位相パターンの指令が電力変換手段１に出力される点を除いて、実施の形態１の図１と同様であるので、他の構成要素については説明を省略する。

次に、実施の形態２に係る電力変換装置１２における電流極性を推定する方法について説明する。電流極性判別手段１３により、指令電圧演算手段３から出力される指令電圧振幅Ｖref と、少なくとも１相の位相θに基づいて電流極性が推定される。

まず、指令電圧演算手段３から与えられる位相θが、Ｕ相電圧位相θＵであるとする。このとき、Ｖ相電圧位相θＶ、Ｗ相電圧位相θＷについては、それぞれ、
θＶ＝θＵ−１２０°， θＷ＝θＵ−２４０° （４）
として求めることができる。次に、各相の電流位相を計算する。各相の電流位相θＩＵ，θＩＶ，θＩＷは、次式により計算される。
θＩＵ＝θＵ＋θＰ，θＩＶ＝θＶ＋θＰ，θＩＷ＝θＷ＋θＰ（５）
ここでθＰは、電圧と電流の位相差であり、力率を計算することにより求めることができる。上記電流位相θＩＵ，θＩＶ，θＩＷから次の通りに電流極性の判別を行う。
０＜θＩＵ＜πのときＩu_sign＝１、 π＜θＩＵ＜２πのときＩu_sign＝０
０＜θＩＶ＜πのときＩv_sign＝１、 π＜θＩＶ＜２πのときＩv_sign＝０
０＜θＩＷ＜πのときＩw_sign＝１、 π＜θＩＷ＜２πのときＩw_sign＝０
（６）

上記電流極性を推定する方法を用いて、電流極性判別手段１３により、電流極性信号Ｉu_sign，Ｉv_sign，Ｉw_sign が出力され、スイッチング位相補正手段７ａにおいて、実施の形態１と同様にスイッチング位相の補正が行われる。本実施の形態においては、電流極性判別手段１３により指令電圧演算手段３を用いて電流極性が推定され、電流極性信号が出力されることが特徴であり、これにより、電流高調波が大きくなる場合においても、電流極性が正確に推定でき、電流極性に応じた適切なデッドタイム補正を行うことができる。

このように、実施の形態２に係る電力変換装置では、実施の形態１の場合と同様にスイッチング位相の補正が行われるとともに、同期ＰＷＭを用いることで電流更新周期が長くなり、電流高調波が大きくなる場合においても、電流極性判別手段において指令電圧演算手段を用いて電流極性が正確に推定されることにより、電流極性に応じた適切なスイッチング位相パターンの位相補正を行うことができ、デッドタイム補正が可能であるという顕著な効果がある。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図８は、電流零近傍における補正を行った場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図であり（その１）、図９は、電流零近傍における補正を行った場合の電力変換手段のスイッチの動作を説明する図である（その２）。
実施の形態３に係る電力変換装置においては、図７に示す実施の形態１の図１に設けられている電流極性判別手段６は、電流極性判別機能に、近傍判別機能が加えられた電流極性・零近傍判別手段１４となっている。電流極性・零近傍判別手段１４は、電流検出手段２によって検出された電流の極性及び予め設定された電流の零を中心とする所定の電流閾値（零近傍電流閾値）の範囲内にあるか否かを判別する。また、スイッチング位相補正手段１５により、スイッチング位相出力手段５から出力されるスイッチング位相と電流極性・零近傍判別手段１４とから出力される信号とに基づいてスイッチング位相パターンの位相補正を行い、スイッチ切替指令手段７ｂで位相補正されたスイッチング位相パターンの指令が電力変換手段１に出力される点を除いて、実施の形態１の図１と同様であるので、他の構成要素については説明を省略する。

次に、実施の形態３に係る電力変換装置１６において、電流極性及び電流が所定の電流閾値の範囲内に含まれるか否かを判別する方法について説明する。電流極性・零近傍判別手段１４によって、電流検出手段２によって検出された電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw の極性及び電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw が予め設定された電流の零を中心とする所定の電流閾値（零近傍電流閾値）の範囲内に含まれるか否かの判別が行われる。以下に、その詳細について述べる。

まず、零近傍電流閾値の範囲の下限をＩ０low、上限をＩ０up とすると、
Ｕ相について、
Ｉu＜Ｉ0low の場合Ｉu_sign＝０、Ｉ0up＜Ｉu の場合Ｉu_sign＝１
Ｉ0low＜Ｉu＜０の場合Ｉu_sign＝２、０＜Ｉu＜Ｉ0up の場合Ｉu_sign＝３（７）
Ｖ相について、
Ｉv＜Ｉ0low の場合Ｉv_sign＝０、Ｉ0up＜Ｉv の場合Ｉv_sign＝１
Ｉ0low＜Ｉv＜０の場合Ｉv_sign＝２、０＜Ｉv＜Ｉ0up の場合Ｉv_sign＝３（８）
Ｗ相について、
Ｉw＜Ｉ0low の場合Ｉw_sign＝０、Ｉ0up＜Ｉw の場合Ｉw_sign＝１
Ｉ0low＜Ｉw＜０の場合Ｉw_sign＝２、０＜Ｉw＜Ｉ0up の場合Ｉw_sign＝３（９）
として電流極性・零近傍判別信号Ｉu_sign，Ｉv_sign，Ｉw_sign が出力される。つまり、これらの信号が２または３の場合が、電流が零近傍の電流閾値の範囲内を示している。電流が零の近傍の電流閾値の範囲内の場合には、電流高調波の影響で、電流極性を誤って判別されてしまう可能性がある。そのため、本実施の形態においては、以下に述べるように、電流が零近傍の電流閾値の範囲内では、スイッチング位相パターンの補正量が調整される。

スイッチング位相補正手段１５により、電流極性・零近傍判別信号Ｉu_sign，Ｉv_sign，Ｉw_sign に基づいて、スイッチング位相θswu，θswv，θsww が補正される。補正の詳細として、Ｕ相の場合を例に、図２の電力変換手段１の回路図のスイッチの動作について以下に説明する。

Ｉu_sign＝０の場合、ＵＰのスイッチをオフに切り替える位相をΔθ早くする。
ＵＮのスイッチをオンに切り替える位相をΔθ早くする。
Ｉu_sign＝１の場合、ＵＰのスイッチをオンに切り替える位相をΔθ早くする。
ＵＮのスイッチをオフに切り替える位相をΔθ早くする。
Ｉu_sign＝２の場合、ＵＰのスイッチをオフに切り替える位相をΔθ1早くする。
ＵＮのスイッチをオンに切り替える位相をΔθ1早くする。
Ｉu_sign＝３の場合、ＵＰのスイッチをオンに切り替える位相をΔθ2早くする。
ＵＮのスイッチをオフに切り替える位相をΔθ2早くする。
上記Δθは、実施の形態１、２における位相の補正量Δθと同一である。

本実施の形態では、電流が零近傍の電流閾値の範囲内、つまりＩu_sign＝２となる場合には、位相の補正量をΔθからΔθ1 に変更し、Ｉu_sign＝３となる場合には、Δθ2 に変更する。Ｉu_sign＝２の場合を例として、図８にΔθとΔθ1の関係を示す。θが目的とするスイッチング位相である。この場合、ＵＰとＵＮのスイッチの切替えをΔθ１早くするように補正する。さらに、オンからオフに切り替わる側のスイッチ、つまり、ＵＮには、デッドタイムθｔｄが付加されるため、スイッチ切り替えの位相はθｔｄ分遅くなる。両スイッチオフ期間は電流が負の場合は、出力電圧が高、電流が正の場合は、出力電圧が低となるため、電流の符号により出力は、図８の下図の通りとなる。ここで、Δθ1 ，Δθ2 は、例えば、Δθ1 ＝ｔd×ω×（Ｉｕ／Ｉ０ low），Δθ2 ＝ｔd×ω×（Ｉｕ／Ｉ０ up）で表され、電流に比例するように設定する。
また、別の例としては、Δθ1 ，Δθ2 のデッドタイム補正を行った場合に、増加する高調波を最小にするように、Δθ1 ，Δθ2 を選ぶ。このときの高調波増加Ｋは、Δθ1の場合、図８に示すとおり電流零近傍におけるスイッチ切替えの電圧位相をθとして次のように表すことができる。

ただし、ｎは考慮する任意の高調波の次数であり、Δａ_ｎ(θ，dθ)は位相θにおいてスイッチを切り替える際に、目的とする電圧位相より切替がdθ早くなることにより生じる高調波増加をフーリエ級数により表した関数で、次の式で定義される。
Δａ_ｎ(θ，dθ)＝[sin{n(θ−dθ)}−sin(ｎθ)]／(ｎπ)
（１０）式の第一項は正しく補正された場合の高調波、第二項は電流が実際は正であり誤補正となったときの高調波の増大を表す。この高調波の増加Ｋを最小にするΔθ1は直接方程式を解くことが困難な場合には数値計算により求めることが出来る。Δθ2についても同様に設定する。以上により電流零近傍の高調波の増大を抑えることができる。
これらの補正は位相を操作することで行っているため、次数領域で高調波を処理している。したがって回転速度に依らず、次数により決まる高調波をより容易に扱うことができる。

上記のスイッチのオン、オフの動作をさせるために、Ｕ相の場合を例とすると、スイッチング位相θswu は、電流が零近傍の電流閾値の範囲外にあるとき（Ｉu_sign＝０及び１の場合）には、図５に示すように、実施の形態１及び２と同様に設定される。電流が零近傍の電流閾値の範囲内にあるとき（Ｉu_sign＝２及び３の場合）には、図９に示すように、スイッチの動作が設定される。つまり、電流が負（Ｉu_sign＝２）の場合は、スイッチング位相θswu が１から０に切り替わる位相をΔθ1 早くし、電流が正（Ｉu_sign＝３）の場合は、スイッチング位相θswu が０から１に切り替わる位相をΔθ2 早くなるように位相補正が行われる。

スイッチの動作やスイッチング位相θswu の位相補正については、Ｕ相の場合を例としたが、Ｖ相、Ｗ相についても、同様にデッドタイム補正を行うものとする。

このように、実施の形態３における電力変換装置では、実施の形態１、実施の形態２の場合と同様にスイッチング位相の補正が行われるとともに、電流高調波により電流極性を誤って判別する可能性がある問題に対処するため、電流零近傍では、デッドタイム補正において、スイッチング位相パターンの位相補正量を電流極性信号に応じて変更し、スイッチング位相で位相補正することによって、電流極性を誤って判別することによる高調波の増大を抑えることができるという効果が得られる。

実施の形態４．
図１０は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１１は、電流零近傍閾値補正量の設定例を示す図である。
実施の形態４に係る電力変換装置においては、図１０に示す実施の形態３の図７に加えて零近傍電流閾値演算手段１８と速度検出手段１９とが設けられている。速度検出手段１９により回転電機９の回転速度が検出され、その回転速度に応じて、零近傍電流閾値演算手段１８により電流の零を中心とする（零近傍）電流閾値の範囲が調整され、電流極性・零近傍判別手段１７に出力される。電流極性・零近傍判別手段１７は、電流検出手段２によって検出された電流の極性及び調整された電流閾値の範囲内に含まれるか否かを判別する。また、スイッチング位相補正手段１５により、スイッチング位相出力手段５から出力されるスイッチング位相と電流極性・零近傍判別手段１７とから出力される信号とに基づいてスイッチング位相パターンの位相補正を行い、スイッチ切替指令手段７ｂで位相補正されたスイッチング位相パターンの指令が電力変換手段１に出力される点を除いて、実施の形態１の図１と同様であるので、他の構成要素については説明を省略する。

次に、実施の形態４に係る電力変換装置２０における電流極性及び電流の零近傍で設けられた電流閾値の範囲内にあるか否かを判別する方法について説明する。まず、速度検出手段１９により、回転電機９の回転速度ωが検出され、零近傍電流閾値演算手段１８に出力される。零近傍電流閾値演算手段１８により、回転速度ωに基づいて零近傍電流閾値の補正量ΔＩ0 が演算される。この補正量ΔＩ0 により、零近傍電流閾値Ｉ０up，Ｉ０low が次の通りに補正される。
Ｉ０up’ ＝Ｉ０up ＋ ΔＩ0 （１１）
Ｉ０low’＝Ｉ０low − ΔＩ0 （１２）
（１１），（１２）式により補正された零近傍電流閾値Ｉ０up’，Ｉ０low’が、電流極性・零近傍判別手段１４に出力される。

上記の零近傍電流閾値補正量ΔＩ0 の詳細について、以下に説明する。同期ＰＷＭを用いて回転電機９を駆動する際、その回転速度が小さい場合には、電流検出手段２が電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw を取り込む更新周期が長くなる。それに伴って、電流高調波が増加するため、電流極性の誤判別の発生がし易くなる。そこで、例えば、図１１の零近傍電流閾値補正量ΔＩ0 の設定例に示すように、回転電機９の回転が低速のときは、零近傍電流閾値補正量ΔＩ0 を大きく取り、高速になる程、ΔＩ0 を小さく設定する。

電流極性・零近傍判別手段１４は、電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw 及び補正された零近傍電流閾値Ｉ０up’，Ｉ０low’に基づいて電流極性・零近傍判別信号Ｉu_sign，Ｉv_sign，Ｉw_sign を出力する。電流極性・零近傍判別信号Ｉu_sign，Ｉv_sign，Ｉw_sign は、実施の形態３の電流極性・零近傍判別手段１４におけると同様に電流極性・零近傍について判別される。つまり、本実施の形態では、実施の形態３における零近傍電流閾値Ｉ０up，Ｉ０low を、
Ｉ０up’ ＝Ｉ０up 、Ｉ０low’＝Ｉ０low
として、式（７），（８），（９）により判別を行う。

このように、実施の形態４における電力変換装置では、実施の形態３の場合と同様にスイッチング位相の補正が行われるとともに、零近傍の電流閾値の範囲を回転電機の回転速度に応じて調整することで、低速回転時に電流高調波が大きい場合においても、デッドタイム補正の精度を維持することができ、電流の零近傍での電圧歪み増大を防止する効果が得られる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１電力変換手段、２電流検出手段、３指令電圧演算手段、４スイッチング位相記憶手段、５スイッチング位相出力手段、６，１３電流極性判別手段、７ａ，１５スイッチング位相補正手段、７ｂスイッチ切替指令手段、８，１２，１６，２０電力変換装置、９回転電機、１０電力変換回路、１０ａＵ相アーム、１０ｂＶ相アーム、１０ｃＷ相アーム、１１駆動信号出力手段、１４，１７電流極性・零近傍判別手段、１８零近傍電流閾値演算手段、１９速度検出手段、２１ａ，２１ｂバッテリ。

Claims

接続された回転電機に対して直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換手段と、
前記交流電力の指令電圧を演算する指令電圧演算手段と、
前記指令電圧に応じて前記交流電力の出力電圧の歪みを低減するように設計されたスイッチング位相パターンが記憶されているスイッチング位相記憶手段と、
前記スイッチング位相記憶手段から前記指令電圧に対応する前記スイッチング位相パターンを読み出して出力するスイッチング位相出力手段と、
前記交流電力の電流の極性を判別する電流極性判別手段と、
前記電流極性判別手段で判別された前記電流の極性に基づいて、前記スイッチング位相パターンを補正する位相補正量を演算し、前記位相補正量を加算して前記スイッチング位相パターンの位相補正を行うスイッチング位相補正手段と、
前記位相補正された前記スイッチング位相パターンの指令を前記電力変換手段に出力するスイッチ切替指令手段と、を備え、
前記電流極性判別手段には、零近傍判別機能が備えられており、前記電流の極性の判別に併せて、零近傍電流閾値の範囲内に含まれるか否かをも判別し、前記電流が前記零近傍電流閾値の範囲内に含まれる場合には、前記スイッチング位相補正手段において前記スイッチング位相パターンの位相補正量を演算することを特徴とする電力変換装置。
前記交流電力の電流を検出する電流検出手段が設けられ、前記電流極性判別手段は、検出された前記電流により極性を判別することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電流極性判別手段は、前記指令電圧から前記交流電力の電流の極性を推定して判別するものであることを特徴とする請求項１に電力変換装置。
前記零近傍電流閾値が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記回転電機の回転速度を検出する速度検出手段と、前記零近傍電流閾値を演算する零近傍電流閾値演算手段とが設けられ、前記回転速度に応じて前記零近傍電流閾値が調整されることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。