JP6533867B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流または交流の入力電圧を任意の交流電圧に変換する電力変換装置及び電力変換方法に関する。

本発明が属する技術分野の背景技術として、特開平１０−２８５９８２号公報（特許文献１）に記載された技術がある。この公報には、「電流極性検出回路１７は、トランジスタＴ４に流れる電流の有無からモータ８の巻線電流の極性を検出し、電流位相差検出部１５は、その極性と通電信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗとに基づきインバータ主回路７の出力電圧Ｖに対するモータ８の巻線電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの位相差θｉを検出する。誘起電圧位相差演算部１１は、電流位相差θｉに基づき出力電圧Ｖに対するモータ８の誘起電圧Ｅの位相差θｅを演算し、周波数指令決定部１３が、その位相差θｅと電流位相差θｉとの差から周波数指令ｆｅを決定すると、通電信号形成部１０は、周波数指令ｆｅから正弦波に応じた電圧率の振幅を有する通電信号Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗを形成し、インバータ主回路７を介してモータ８を駆動する。」と記載されている（要約参照）。

特開平１０−２８５９８２号公報

上記特許文献１には、電流位相、電圧位相に基づいて電動機の周波数を演算する技術について記載されている。しかし、特許文献１に記載されている技術は、例えば、検出した電流または電圧にノイズが混入し重畳した場合、演算する位相に対してもノイズが表れるため、演算される位相およびそれに基づいた周波数は正確とはいえない。
そこで、本発明は、特許文献１に記載の技術を始めとする従来の技術と比較して、検出した電流または電圧にノイズが混入し重畳したとしても正確な位相を演算することが可能な電力変換装置を提供する。

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、検出または推定した電気信号を当該電気信号の位相の時間変位を表す一次関数に変換する一次関数変換部と、一次関数変換部で変換した一次関数から傾きを抽出する傾き抽出部と、一次関数変換部で変換した一次関数から切片を抽出する切片抽出部と、少なくとも傾き抽出部で抽出した傾きに対してフィルタ処理を施す傾きフィルタ処理部および切片抽出部で抽出した切片に対してフィルタ処理を施す切片フィルタ処理部のいずれかを有するフィルタ処理部と、フィルタ処理部が傾きフィルタ処理部および切片フィルタ処理部を有する場合は、当該傾きフィルタ処理部でフィルタ処理を施した傾きと当該切片フィルタ処理部でフィルタ処理を施した切片とを用いて、あるいは、フィルタ処理部が傾きフィルタ処理部または切片フィルタ処理部を有する場合は、当該傾きフィルタ処理部または当該切片フィルタ処理部でフィルタ処理を施した傾きまたは切片と当該フィルタ処理を施さない傾きまたは切片として傾き抽出部または切片抽出部で抽出した傾きまたは切片とを用いて、一次関数に戻す一次関数逆変換部と、一次関数逆変換部で逆変換した一次関数を位相の時間変位に戻す位相逆変換部とを備え、位相逆変換部で逆変換した逆変換位相を用いて電力変換装置の出力電圧を制御することを特徴とする。

本発明によれば、検出または推定した電流または電圧にノイズが混入していたとしても、位相を演算する際にフィルタ処理を施すことによりノイズの影響を除去し、正確な位相を使用して駆動制御することが可能な電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果については、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の実施例に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。 図２は、実施例に係る電力変換装置の位相演算部１０８の構成の一例を示す図である。 図３は、位相を位相演算部１０８内の一次関数変換部２０２によりランプ位相に変換する動作態様を示す図である。 図４は、ランプフィルタ位相を位相演算部１０８内の位相逆変換部２０８によって位相逆変換する動作態様を示す図である。

以下、本発明の実施の形態として、実施例について図を用いながら説明する。

本実施例では、検出または推定した電流にノイズが混入していた場合においても、より正確に位相を演算することを可能とする電力変換装置の構成の一例を説明する。
図１は、実施例１に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。

交流電動機１０５を駆動する電力変換装置１０１は、平滑コンデンサ１０２、電力変換器１０３、電流検出器１０４および制御装置１０６を有する。
平滑コンデンサ１０２は、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサである。平滑コンデンサを介することなく直流電圧を直接入力してもよい。

電力変換器１０３は、半導体スイッチング素子から構成され、この半導体スイッチング素子のオン・オフの組み合わせに応じて、入力直流電圧を任意周波数の電圧に変換する。なお、本実施例では上記の構成を一例として示したが、入力を交流電圧として任意周波数の電圧に変換してもよい。この場合の入力交流電圧は、三相交流電圧でも単相交流電圧でもよい。

電流検出器１０４は、例えばシャント抵抗やホールＣＴであって、電力変換器１０３の三相出力電流を検出する。二相のみを検出し、三相交流の総和が零であることから、残りの一相を算出してもよい。また、電力変換器１０３の入力側の正極または負極にシャント抵抗を配置し、シャント抵抗に流れる電流から三相出力電流を推定してもよい。

制御装置１０６は、交流電動機制御部１０７、位相演算部１０８、ゲート信号制御部１０９および設定部１１０から構成される。
交流電動機制御部１０７は、交流電動機１０５の速度またはトルクを任意に制御するために、三相出力電流に基づいた電圧指令を出力する。

位相演算部１０８は、設定部１１０で設定されたフィルタ時定数と、電流検出器１０４にて検出した三相出力電流とを入力として、フィルタ処理を施した位相情報を交流電動機制御部１０７に出力する。

ゲート信号制御部１０９は、交流電動機制御部１０７より電圧指令を受け取り、交流電動機１０５にこの電圧指令に基づいた電圧が印加されるように、電力変換器１０３を構成する半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する。

図２は、図１に示した電力変換装置の位相演算部１０８の構成の一例を示す図である。
位相演算部１０８は、位相生成部２０１、一次関数変換部２０２、傾き抽出部２０３、切片抽出部２０４、傾きフィルタ処理部２０５、切片フィルタ処理部２０６、一次関数逆変換部２０７および位相逆変換部２０８から構成される。

位相生成部２０１は、例えば三相出力電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗを入力とする場合、二相座標変換部２０９と位相変換部２１０とから構成される。二相座標変換部２０９は、三相出力電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗを二相出力電流ｉ_α、ｉ_βに変換し、位相変換部２１０は、二相出力電流ｉ_α、ｉ_βから位相θに変換する。なお、本実施例では、二相座標変換結果から位相θに変換したが、二相座標変換結果を二相回転座標系に変換した結果から位相θに変換してもよい。また、三相のままから直接位相θに変換してもよい。

次に、一次関数変換部２０２が実行する動作態様について説明する。
図３は、位相の時間変化の様子および一次関数変換部２０２が位相をランプ位相に変換する動作態様を示す図である。位相変換部２１０から入力される位相θ３０８は、一般的に一周期位相分３０１に達したら初期位相に戻る動作を繰り返す。すなわち、波形的には、のこぎり波形を呈することとなる。そこで、Ａ区間３０２において一周期位相分３０１に達したら初期位相に戻さずに、このＡ区間の一周期位相分に対して前の一周期位相分３０１をプラスするように操作する。次に、Ｂ区間３０３も同様にして、Ａ区間までの二周期位相分３０５分をプラスし、Ｃ区間３０４では、Ｂ区間までの三周期位相分３０６をプラスする。この操作を繰り返すことにより、のこぎり波形をランプ位相θ_ｒｍｐ３０７に変換する。

一次関数変換部２０２で変換したランプ位相θ_ｒｍｐ３０７は、傾き抽出部２０３および切片抽出部２０４に入力される。
傾き抽出部２０３は、図３に示したランプ位相θ_ｒｍｐ３０７から傾きａを抽出する。傾きａは、以下の数式１の演算にて抽出（算出）することができる。数式１において、Δθ_ｒｍｐは、単位時間当たりの位相増分値、Δｔは単位時間である。数式１から明らかなように、傾きａは、位相の周波数、すなわち、原信号（本実施例では、図２の位相生成部２０１に入力される電流信号）の周波数を表している。

一方で、切片抽出部２０４は、図３に示したランプ位相θ_ｒｍｐ３０７および傾き抽出部２０３で抽出した傾きａを入力として切片ｂを抽出する。切片ｂは、以下の数式２の演算にて抽出（算出）することができる。数式２において、ｔは時間である。数式２から明らかなように、切片ｂは、検出開始時点の位相の大きさを表している。

傾き抽出部２０３で抽出した傾きａは、傾きフィルタ処理部２０５でローパスフィルタ処理を施す。このフィルタ処理を施した傾きａを「フィルタ傾きａ_ｆｉｌ」と呼ぶ。また、切片抽出部２０４で抽出した切片ｂは、切片フィルタ処理部２０６でローパスフィルタ処理を施す。このフィルタ処理を施した切片ｂを「フィルタ切片ｂ_ｆｉｌ」と呼ぶ。
ここで、傾きフィルタ処理部２０５で用いるフィルタ時定数および切片フィルタ処理部２０６で用いるフィルタ時定数は、図１に示した設定部１１０においてユーザがパラメータ等で任意に設定した値を用いる。なお、双方の時定数共に、設定部１１０において設定した値でなく、予め定めた値を用いてもよい。

また、傾きフィルタ処理部２０５および切片フィルタ処理部２０６の各フィルタ処理として、ローパスフィルタによる処理を示したが、例えば、必要に応じてバンドパスフィルタなどによるフィルタ処理に変更してもよい。
さらに、上記では、抽出した傾きａおよび切片ｂの両方に対してもフィルタ処理を施す構成例を示したが、傾きａのみにフィルタ処理を施し切片ｂはフィルタ処理なしに抽出したそのものを用いるようにしてもよく、逆に、切片ｂのみにフィルタ処理を施し傾きａはフィルタ処理なしに抽出したそのものを用いるようにしてもよい。

一次関数逆変換部２０７は、フィルタ処理を施した傾きａ_ｆｉｌおよび切片ｂ_ｆｉｌを入力としてランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}に逆変換する。

次に、位相演算部１０８内の位相逆変換部２０８が実行する動作態様につい説明する。図４は、ランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}４０７を位相逆変換部２０８が位相逆変換する動作態様を示す図である。ランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}４０７から一般的な位相波形（のこぎり波形)に変換するために、Ｄ区間４０２では、ランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}４０７から一周期位相分４０１を引く。同様にして、Ｅ区間４０３では、ランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}４０７から二周期位相分４０５を引く。そして、Ｆ区間４０４では、ランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}４０７から三周期位相分４０６を引く。これにより、逆変換位相θ_fil４０８に変換することができる。

以上、位相演算部１０８で演算されるフィルタ位相θ_filを使って、交流電動機制御部１０７は交流電動機１０５の駆動制御を実施する。すなわち、交流電動機制御部１０７は、フィルタ処理によりノイズを除去した位相を使用して制御することとなり、従来に比べ、検出信号に混入し重畳したノイズによる影響を抑制でき、より正確に交流電動機１０５の駆動制御が可能となる。

なお、傾き抽出部２０３で抽出した傾きａおよび傾きフィルタ処理部２０５で導出したフィルタ傾きａ_ｆｉｌは、単位時間当たりの位相増分値である。すなわち、その位相の周波数を意味している。よって、交流電動機制御部１０７に対して、逆変換位相θ_fil４０８だけでなく、傾きａまたはフィルタ傾きａ_ｆｉｌを用いて交流電動機１０５を制御してもよい。

また、本実施例では、検出もしくは推定した電流における例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば交流電動機から発生する誘起電圧や残留電圧を電圧検出器で検出もしくは推定した電圧から得る位相に対しても、同様な処理を施して交流電動機の制御に適用することも可能である。さらには、例えば交流電動機の速度を検出する速度検出器や位置を検出する位置検出器で検出もしくは推定した各信号から得る位相に対しても、同様な処理を施して交流電動機の制御に適用することも可能である。また、上記した電流、電圧、速度および位置の複数の信号を使用する場合にも、それぞれから得る位相に対して適用することができる。

なお、上記実施の形態では、交流電動機に適用した場合につき説明したが、本発明は、電動機全般において適用可能であり、また、電動機だけでなく発電機や電源においても同様に適用が可能である。

本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…電力変換装置、１０２…平滑コンデンサ、１０３…電力変換器、１０４…電流検出器、１０５…交流電動機、１０６…制御装置、１０７…交流電動機制御部、１０８…位相演算部、１０９…ゲート信号制御部、１１０…設定部、２０１…位相生成部、２０２…一次関数変換部、２０３…傾き抽出部、２０４…切片抽出部、２０５…傾きフィルタ処理部、２０６…切片フィルタ処理部、２０７…一次関数逆変換部、２０８…位相逆変換部、２０９…二相座標変換部、２１０…位相変換部、３０１、４０１…一周期位相分、３０２…Ａ区間、３０３…Ｂ区間、３０４…Ｃ区間、３０５、４０５…二周期位相分、３０６、４０６…三周期位相分、３０７…ランプ位相θ_ｒｍｐ、３０８…位相θ、４０２…Ｄ区間、４０３…Ｅ区間、４０４…Ｆ区間、４０７…ランプフィルタ位相θ_{ｒｍｐｆｉｌ}、４０８…逆変換位相θ_fil

Claims (8)

1. 直流または交流の入力電圧を任意周波数の電圧に変換する電力変換装置において、
   検出または推定した電気信号を当該電気信号の位相の時間変位を表す一次関数に変換する一次関数変換部と、
   前記一次関数変換部で変換した一次関数から傾きを抽出する傾き抽出部と、
   前記一次関数変換部で変換した一次関数から切片を抽出する切片抽出部と、
   少なくとも前記傾き抽出部で抽出した傾きに対してフィルタ処理を施す傾きフィルタ処理部および前記切片抽出部で抽出した切片に対してフィルタ処理を施す切片フィルタ処理部のいずれかを有するフィルタ処理部と、
   前記フィルタ処理部が前記傾きフィルタ処理部および前記切片フィルタ処理部を有する場合は、当該傾きフィルタ処理部でフィルタ処理を施した傾きと当該切片フィルタ処理部でフィルタ処理を施した切片とを用いて、あるいは、前記フィルタ処理部が前記傾きフィルタ処理部または前記切片フィルタ処理部を有する場合は、当該傾きフィルタ処理部または当該切片フィルタ処理部でフィルタ処理を施した傾きまたは切片と当該フィルタ処理を施さない傾きまたは切片として前記傾き抽出部または前記切片抽出部で抽出した傾きまたは切片とを用いて、一次関数に戻す一次関数逆変換部と、
   前記一次関数逆変換部で逆変換した一次関数を位相の時間変位に戻す位相逆変換部と
   を備え、
   前記位相逆変換部で逆変換した逆変換位相を用いて前記電力変換装置の出力電圧を制御する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記検出または推定した電気信号は、少なくとも前記電力変換装置の出力電流または出力電圧、前記電力変換装置によって駆動される電動機または発電機の速度または位置もしくは電源の周波数のいずれかである
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記傾きフィルタ処理部および前記切片フィルタ処理部で用いるフィルタは、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタである
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記傾きフィルタ処理部および前記切片フィルタ処理部のフィルタ時定数は、任意に設定する値である
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 直流または交流の入力電圧を任意周波数の電圧に変換する電力変換装置の制御方法において、
   検出または推定した電気信号の位相の時間変位を一次関数に変換する第１のステップと、
   前記第１のステップで変換した前記一次関数から傾きおよび切片を抽出する第２のステップと、
   少なくとも前記第２のステップで抽出した前記傾きおよび切片のいずれかに対してフィルタ処理を施す第３のステップと、
   前記第３のステップで前記傾きおよび切片に対してフィルタ処理を施した場合は、当該フィルタ処理を施した傾きおよび切片を用いて、あるいは、前記第３のステップで前記傾きまたは前記切片に対してフィルタ処理を施した場合は、当該フィルタ処理を施した傾きまたは切片と当該フィルタ処理を施さない傾きまたは切片として前記第２のステップで抽出した傾きまたは切片とを用いて、一次関数に戻す逆変換を施す第４のステップと、
   前記第４のステップで逆変換した一次関数を位相の時間変位に戻す逆変換を施す第５のステップと、
   前記第５のステップで逆変換した逆変換位相を用いて前記電力変換装置の出力電圧を制御する第６のステップと
   を有することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
6. 請求項５に記載の電力変換装置の制御方法において、
   前記検出または推定した電気信号は、少なくとも前記電力変換装置の出力電流または出力電圧、前記電力変換装置によって駆動される電動機または発電機の速度または位置もしくは電源の周波数のいずれかである
   ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
7. 請求項５または６に記載の電力変換装置の制御方法において、
   前記第３のステップで施すフィルタ処理は、ローパスフィルタ処理またはバンドパスフィルタ処理である
   ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置の制御方法において、
   前記第３のステップで施すフィルタ処理のフィルタ時定数は、任意に設定する
   ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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