JP6529614B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
前記電力変換器は、
前記多相巻線の第1の巻線群の第1の相に接続される第1のスイッチング素子と第2の巻線群の第2の相に接続される第2のスイッチング素子とに接続され、前記第1のスイッチング素子に流れる電流値と前記第2のスイッチング素子に流れる電流値との合計値を検出する電流検出器を有し、
前記電力変換器制御部は、
前記第1の巻線群に対して第1のキャリア信号を用いて制御し、前記第2の巻線群に対して第2のキャリア信号を用いて制御し、前記電流検出器によって検出される電流に応じて前記PWM信号を発生し、前記第1のキャリア信号の位相と前記第2のキャリア信号の位相を異なる位相にずらし、
前記電流検出器は、
前記第1のスイッチング素子がオン状態かつ第2のスイッチング素子がオフ状態であるときおよび前記第1のスイッチング素子がオフ状態かつ第2のスイッチング素子がオン状態であるときに電流を検出することで、一方の群又は他方の群のそれぞれの電流のみを検出するように構成している。
実施の形態1は、複数相の巻線を有する電動機として、1台の電動機に3相巻線を2重に配置した電動機に電力を供給する電力変換装置を対象としている。この電力変換装置では、PWM制御によってスイッチング素子をオン・オフ制御する電力変換器に対して、3個の電流検出器を用いて6相の電流を検出する構成として、この電流検出器によって検出した電流値に応じて電力変換器のスイッチング素子のPWM制御を行う電力変換器制御部を備えている。
電動機3の制御については、電動機3の巻線群における一群の3相巻線の制御方法と二群の3相巻線の制御方法が、電流の検出タイミングのみ異なり、電圧指令の計算方法は同じであるため、ここでは、一群の3相巻線の制御方法のみについて説明する。
図1において、電力変換器制御部1では、上位から入力されるトルク指令と磁極位置信号θeとから3相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*が計算される。電圧指令Vu*、Vv*、Vw*の計算方法としては、電力変換器と電動機の間に流れる相電流値を用いて電流制御ループを構成し、相電流を電流指令値どおりに流れるよう制御することが一般的である。
電流指令部8から、直交2相座標系で表された電流指令id*、iq*が、電流制御部9に入力されており、電流制御部9では、電流検出部12で検出した相電流値iu、iv、iwを直交2相座標系で表された電流検出値id、iqに変換した後、電流偏差をPI制御器により指令値vd*、vq*を生成する。
一般に2相d−q座標系からu−v−wの3相交流座標系に変換する座標変換式は、(3)式として計算される。
電流検出部12は、PWM制御部10でのPWM処理に用いるキャリア信号のタイミングに合わせて電流検出抵抗5、6、7に流れる電流をサンプリングして電流検出する。一般的に、電流検出抵抗5、6、7としては、安価なシャント抵抗が用いられる。電流検出抵抗5、6、7にシャント抵抗を用いた場合、このシャント抵抗の片側は、電力変換器2の負側に接続されているため、絶縁処理が不要となる。
なお、二群の3相巻線のTon2の区間と、一群の3相巻線のToff1の区間が重なっているが、Ton2区間であっても、Toff1でない区間では、両群の電流が電流検出抵抗に流れているので、電流検出を行うことができない。従って、この例の二群の電流検出可能な区間Ti2は、Toff1となる。
また、一群の3相巻線のV相電圧が最大値になる位相付近では、二群の3相巻線のW相電圧が、もっとも小さく、一群の3相巻線のW相電圧が最大値になる位相付近では、二群の3相巻線のU相電圧が、もっとも小さい。
条件1は、Vu*>Vv*>Vw*の場合であり、Pmax>Vu*であれば、3相すべての電流を検出することができる。また、Vu*>PmaxかつPmax>Vv*であれば、2相の電流を検出することができる。中間電圧指令が、Pmaxを越える場合は、最大の電圧指令が、1.6以上の過変調の状態である。条件2、3、4、5、6においても同様に、3相すべての電流を検出できる場合と、2相の電流が検出できる場合を示している。
実施の形態2に係る電力変換装置101は、回転子に界磁巻線を有する電動機13を制御する構成としたものである。以下、この発明の実施の形態2を図7に基づいて説明する。
なお、界磁電流制御部14は、内部にある界磁電流検出器(図示せず)において検出した界磁電流をフィードバック制御する方法や、あるいは界磁巻線に所定の電圧を印加しておおよその電流値になるよう制御する方式など、いくつかの制御方法がある。
実施の形態3に係る電力変換装置102は、2つの独立した電動機を15、16制御する構成としたものである。以下、この発明の実施の形態3について、図8に、電力変換装置102の電力変換器制御部1に係るシステム構成図を示して説明する。
実施の形態4に係る電力変換装置103は、電流検出器19、20、21を電力変換器2の上アームのスイッチング素子の正の電源4側に備えて、電動機3を制御する構成としたものである。以下、この発明の実施の形態4について、電力変換装置103に係るシステム構成図である図9に基づいて説明する。
電力変換器制御部1は、電流指令部8、電流制御部9、PWM制御部10、相電流演算部11、電流検出部12から構成される。
実施の形態5に係る電力変換装置は、直流電源電圧を制御する構成としたものである。この実施の形態5では、3相電圧指令の最大電圧が大きく、キャリア周期における電流検出区間Tiが不足するような条件では、直流電源を昇圧することにより3相電圧指令の変調率が低くなるよう制御し、電流検出区間Tiが、最低電流検出区間以上の長さとなるよう制御する。
実施の形態6に係る電力変換装置104は、スイッチング素子を複数内蔵したパワーモジュールを用いて、電動機3を制御する構成としたものである。ここでは、スイッチング素子を2個内蔵し、電流検出のための抵抗を内蔵しないモジュールを用いて構成している。以下、この発明の実施の形態6について、電力変換装置104に係るシステム構成図である図11に基づいて説明する。
図11において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。図11は、実施の形態1と異なり、6個のパワーモジュール32、33、34、35、36、37で構成した電力変換器38のスイッチング動作を行い、電流検出器5、6、7により相電流を検出する電力変換器制御部1を備えた電力変換装置104のシステム構成を示している。
各々の3相電圧指令は、PWM制御部10において、PWM処理により各々のゲート信号GU1、GV1、GW1、GU2、GV2、GW3に変換されて、電力変換器38に出力され、電力変換器38を構成している6個のパワーモジュール32、33、34、35、36、37を駆動する。
以上説明したように、実施の形態6に係る電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵したモジュールを用いて制御する構成としており、実施の形態1と同様の制御を、より少ない部品で構成しているため、安価に電動機を制御することを可能とする。
実施の形態7に係る電力変換装置105は、実施の形態6と同様にスイッチング素子を複数内蔵したパワーモジュールを用いて、電動機3を制御する構成としたものである。ここでは、スイッチング素子を4個、および電流検出抵抗を1個内蔵したモジュールを用いて構成している。以下、この発明の実施の形態7について、電力変換装置105に係るシステム構成図である図13に基づいて説明する。
この実施の形態7では、電流検出部12は、PWM制御部10の各群のキャリア信号出力のタイミングに従い、モジュール内部の電流検出抵抗により発生する各々の電圧Vs1、Vs2、Vs3を用いて、電力変換器43の内部を流れる電流値I1、I2、I3を、PWM制御の1キャリア周期内に2回検出し、各群の3相電流iu、iv、iwの電流を出力し、実施の形態1と同様に、電圧指令の演算を行う。各々の3相電圧指令は、PWM制御部10において、PWM処理により各々のゲート信号GU1、GV1、GW1、GU2、GV2、GW3に変換されて、電力変換器43に出力され、電力変換器43を構成している各パワーモジュール40、41、42を駆動する。
以上説明したように、実施の形態7に係る電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵したモジュールを用いて制御する構成としており、実施の形態1と同様の制御を、より少ない部品で構成しているため、安価に電動機を制御することを可能とする。
実施の形態8に係る電力変換装置106は、実施の形態6と同様にスイッチング素子を複数内蔵したパワーモジュールを用いて、電動機3を制御する構成としたものである。ここでは、スイッチング素子を6個内蔵し、電流検出のための抵抗を内蔵しないモジュールを用いて構成している。以下、この発明の実施の形態8について、電力変換装置106に係るシステム構成図である図15に基づいて説明する。
図15において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。図15は、実施の形態1と異なり、2個のパワーモジュール45、46で構成した電力変換器47のスイッチング動作を行い、電流検出器5、6、7により相電流を検出する電力変換器制御部1を備えた電力変換装置106のシステム構成を示している。
各々の3相電圧指令は、PWM制御部10において、PWM処理により各々のゲート信号GU1、GV1、GW1、GU2、GV2、GW3に変換されて、電力変換器47に出力され、電力変換器47を構成している各パワーモジュール45、46を駆動する。
以上説明したように、実施の形態8に係る電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵したモジュールを用いて制御する構成としており、実施の形態1と同様の制御を、より少ない部品で構成しているため、安価に電動機を制御することを可能とする。
また、電流指令部8、電流制御部9、PWM制御部10、相電流演算部11、電流検出部12の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、前述の各機能を実現することができる。
また、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。
Claims (9)
- ブリッジ接続された複数のスイッチング素子によって電動機の複数の多相巻線に電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器を制御するPWM信号を発生する電力変換器制御部を備え、
前記電力変換器は、
前記多相巻線の第1の巻線群の第1の相に接続される第1のスイッチング素子と第2の巻線群の第2の相に接続される第2のスイッチング素子とに接続され、前記第1のスイッチング素子に流れる電流値と前記第2のスイッチング素子に流れる電流値との合計値を検出する電流検出器を有し、
前記電力変換器制御部は、
前記第1の巻線群に対して第1のキャリア信号を用いて制御し、前記第2の巻線群に対して第2のキャリア信号を用いて制御し、前記電流検出器によって検出される電流に応じて前記PWM信号を発生し、前記第1のキャリア信号の位相と前記第2のキャリア信号の位相を異なる位相にずらし、
前記電流検出器は、
前記第1のスイッチング素子がオン状態かつ第2のスイッチング素子がオフ状態であるときおよび前記第1のスイッチング素子がオフ状態かつ第2のスイッチング素子がオン状態であるときに電流を検出することで、一方の群又は他方の群のそれぞれの電流のみを検出する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記電力変換器制御部は、前記電流検出器に流れる2つの特定の相を接続するとき、前記電力変換器制御部に与えられるキャリア信号の位相が互いに150度から210度までの範囲の位相で離れている前記第1の巻線群の特定の相と前記第2の巻線群の特定の相とを組み合わせることにより、一周期中にいずれかひとつの相電流だけが前記電流検出器に流れている時間が多くなるよう選択することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記複数の多相巻線が複数の異なる電動機の多相巻線で、前記電力変換器は、複数の前記電動機を制御するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器制御部は、前記電動機の界磁巻線に流れる電流を抑制することにより、一周期中に、複数の前記電流検出器のうち少なくとも2相の電流が電流検出器に流れるよう制御するようにしたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記多相巻線が2相以上の巻線群で、複数多重化されて前記電力変換器に接続され、前記巻線群の間の電気的な位相差を20度から40度までの範囲の位相差とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器制御部は、前記電力変換器に印加する電圧の変調率を予め定められた一定値以下に抑制することにより、一周期中に、少なくとも2相の電流が同一の前記電流検出器に流れるよう制御するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器制御部は、前記電力変換器に印加する電圧を昇圧することにより、一周期中に、少なくとも2相の電流が同一の前記電流検出器に流れるよう制御するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、複数のスイッチング素子を内蔵するモジュールを備え、前記電流検出器は、前記モジュールの外部に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器は、複数のスイッチング素子と電流検出抵抗とを備えたモジュール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。
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