JP6543770B2

JP6543770B2 - 電力変換器

Info

Publication number: JP6543770B2
Application number: JP2018522268A
Authority: JP
Inventors: 茂俊八木原; 啓輔田邉; 雄作小沼; 卓也杉本
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2036-06-10
Also published as: WO2017212624A1; EP3471258A1; CN108541354B; JPWO2017212624A1; EP3471258A4; CN108541354A

Description

本発明は、電力変換器に関するものである。

昨今、低炭素社会の実現のため、電動機の駆動にインバータなどの電力変換器が使用されている。その中で、ファンやポンプ等の外力により電動機が回転させられてしまう状態や、インバータの出力がない状態で電動機が慣性で回転しているような状態をフリーラン状態という。電動機がフリーラン状態においても、ショックレスでスムーズな始動をすることがインバータには求められる。

スムーズな再始動を行うためには、電動機の周波数（回転数）と位相を検出する必要がある。位置センサを使用することにより周波数および位相を検出することは可能だが、位置センサは高価であるため、電動機のフリーラン中に生じる誘起電圧（残留電圧）を検出することで、センサレスで周波数と位相を検出する方法が使用される。

特開2009-254093号公報

従来技術として、誘起電圧をパルスに変換しモータの周波数・位相を検出する方法が知られている。この方法は、誤検出防止のため、ヒステリシス特性及びフィルタ回路を設ける必要がある。そのため、低周波数帯域で誘起電圧が小さくなると検出誤差が大きくなり、さらには、検出ができない領域が存在してしまう。そのため、ショックレスでスムーズな始動をすることが困難であった。

そこで、誘起電圧をアナログ値で検出することが考えられる。これにより、常にモータの周波数と位相を検出することができ、ヒステリシス特性を設ける必要がないため検出誤差を低減することができる。しかしながら、アナログ値に変換する際に基準電圧に対してオフセット電圧が生じてしまい、検出誤差が生じてしまうという課題がある。

ここで、特許文献１では、「電力変換器の出力電圧を、その直流回路の負極電位を基準として検出する電圧検出器において、電力変換器の全出力相から負極電位を同時に出力した状態で、電圧検出器により各相出力電圧を検出して各相のオフセット電圧を求め、次に、電力変換器の全出力相から正極電位を同時に出力した状態で、電圧検出器により電力変換器の各相出力電圧を検出し、これらの出力電圧検出値から各相のオフセット電圧をそれぞれ減算して各相のオフセット補償電圧を求める。」と記載されている（要約参照）。本発明は、電力変換器の各相（出力端子）に入力される電圧（誘起電圧等）を検出するための電圧検出器であり、特許文献１とは、検出する対象が異なる。さらに、特許文献１は、出力電圧の基準電位である負極電位の誤差であり、負極電位を基準としない回路においては補正することが困難である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下の
とおりである。

直流電圧又は交流電圧を任意の電圧に変換する電力変換器であって、前記電力変換器の出力端子の電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器により検出した電圧を任意の電圧に変換する検出電圧生成部と、前記検出電圧生成部により変換された電圧を用いて、前記検出電圧生成部で生じるオフセット電圧を検出する制御部と、を備え、前記電圧検出器は、電動機により発生する誘起電圧を検出し、前記制御部は、前記オフセット電圧を用いて前記誘起電圧の検出値を補正する。

本発明によれば、電動機の周波数と位相の検出誤差を低減することができ、電動機の再始動においてもショックレスでスムーズな始動が可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例の代表構成例である。オフセット生成部（制御部）にて検出される検出電圧の概略図である。実施例１の構成例である。実施例１における１相分の相電圧の概略波形（補償なし時）である。実施例１における１相分の相電圧の概略波形（補償なし時）である。実施例１における１相分の相電圧の概略波形（補償時）である。実施例１の制御部の処理を示すフローチャートの例である。実施例２の構成例である。実施例２の制御部の処理を示すフローチャートの例である。実施例３の構成例である。実施例３の仮想中性点生成部の構成例である。実施例３における１相分の相電圧の概略波形（補償なし時）である。実施例３の制御部の処理を示すフローチャートの例である。

以下、図を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態の構成例であり、図２は図１のオフセット生成部（制御部）１３にて検出される検出電圧の概略図を示す。

図１は、直流電圧又は交流電圧を任意の電圧に変換する電力変換器の一例であり、交流電源２０１及び電動機２０４が接続される。交流電源２０１は、例えば電力会社から供給される三相交流電圧や発電機から供給される交流電圧であり、直流変換部２０２に交流電圧を出力する。直流変換部２０２は、直流変換回路と平滑コンデンサからなる。直流変換回路は、ダイオードで構成された回路で構成され、交流電源２０１から入力された交流電圧を直流電圧に変換し、平滑コンデンサに出力する。図１では、ダイオードで構成された回路を示しているが、ＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた回路でもよい。平滑コンデンサは、直流電圧を平滑化し、交流変換部２０３に直流電圧を出力する。交流変換部２０３は、例えばＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた交流変換回路２０５〜２１０で構成され、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換し、電動機２０４に出力する。

電力変換器の出力端子に接続された電動機２０４がフリーラン状態で回転しているとき、電動機より誘起電圧が発生する。この誘起電圧を検出し、再始動を行うまでの一つの例を以下に述べる。

電圧検出部１１は、出力端子から入力される誘起電圧を検出し、制御部１３に入力可能な電圧に変換する。検出電圧生成部１２は、変換した電圧に対して基準電圧を設け、相電圧や線間電圧に変換し、制御部１３に入力する。制御部１３は、入力された値を演算し、誘起電圧の周波数及び位相を算出する。この周波数（電動機の回転数）及び位相に、出力電圧を同期させることでショックレスな再始動を行うことが可能となる。

しかし、誘起電圧をアナログ値で検出するとき、電圧検出部１１および検出電圧生成部１２にてオフセット電圧が生じてしまう。このため、図１に示したオフセット生成部（制御部）１３に入力される実検出電圧２２として、図２のように理想検出電圧２３にオフセット電圧２４が重畳された値が検出される。このオフセット電圧により、周波数及び位相の算出に誤差が生じてしまうため、制御部１３は、誘起電圧と同期した出力電圧を発生することができない。これにより、電動機には過大な電流が流れ、ショックレスな再始動を行うことができない。

そこで、このオフセット電圧２４を事前に検出し、検出したオフセット電圧を用いて誘起電圧の検出値を補正する方法について、実施例を用いて以下に記載する。また、実施例では、検出電圧生成部１２では相電圧を生成しオフセット生成部（制御部）１３に入力する回路構成とする。しかし、本発明は様々な形態に変形が可能であるため、実施例に示す形態に限定するものではない。

実施例１は、仮想中性点を生成する回路構成とする。そして、三相下アームを全てオンして、電力変換器の全ての出力相に負極電位を出力し、三相平衡状態にする。これにより、制御部に入力される基準電圧が仮想中性点と等しくなることを用いて、オフセット電圧を検出する方法について述べる。

図３は相電圧検出を行う場合の電力変換器の構成例を示し、図４〜６は制御部３４にて検出される相電圧の一相分の概略図を示し、図７は制御部の処理のフローチャートの例を示した図である。

電動機の誘起電圧は平衡状態であるため、例えば三相電動機における各相誘起電圧をＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗとし、仮想中性点をＶｎｅｕｔｒａｌとするとそれぞれの関係は数１となる。

（数１）
Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ＝Ｖｎｅｕｔｒａｌ＝０
この関係を利用して、相電圧生成部３３は相電圧を生成する。具体的には、仮想中性点生成部３２が仮想中性点を生成し、電圧検出部３１および相電圧生成部３３が、制御部３４に入力できる電圧範囲内に電圧ゲインの調整を行う。そして、相電圧生成部３３が、仮想中性点を用いて相電圧を生成し、基準電圧を設ける。なお、基準電圧は任意の電圧を設定可能である。また、仮想中性点の生成方法や電圧ゲインの調整方法は、公知の手法を採用すればよいため、ここでは説明を省略する。

これにより、各相の理想相電圧検出値をＶｕ（ｉｄｅａｌ）、Ｖｖ（ｉｄｅａｌ）、Ｖｗ（ｉｄｅａｌ）とし、電圧ゲインをＡ、基準電圧４１をＶｒｅｆとすると、制御部３４にて検出される理想相電圧検出値４３は、図４に示すように、基準電圧に対して数２〜４のようになる。

（数２）
Ｖｕ（ｉｄｅａｌ）=Ａ×Ｖｕ＋Ｖｒｅｆ
（数３）
Ｖｖ（ｉｄｅａｌ）=Ａ×Ｖｖ＋Ｖｒｅｆ
（数４）
Ｖｗ（ｉｄｅａｌ）=Ａ×Ｖｗ＋Ｖｒｅｆ
しかし、電圧検出部３１、仮想中性点生成部３２、及び相電圧検出部３３にて、オフセット電圧が生じるため、制御部３４に入力される相電圧（実相電圧検出値）は理想相電圧検出値４３にオフセット電圧４４が重畳した値となる。よって、各相の実相電圧検出値４２をそれぞれＶｕ（ｒｅａｌ）、Ｖｖ（ｒｅａｌ）、Ｖｗ（ｒｅａｌ）とし、各相のオフセット電圧をＶｕ（ｏｆｆｓｅｔ）、Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）、Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）とすると、基準電圧に対し実相電圧検出値４２は数５〜７となる。

（数５）
Ｖｕ（ｒｅａｌ）=Ｖｕ（ｉｄｅａｌ）＋Ｖｕ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数６）
Ｖｖ（ｒｅａｌ）=Ｖｖ（ｉｄｅａｌ）＋Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数７）
Ｖｗ（ｒｅａｌ）=Ｖｗ（ｉｄｅａｌ）＋Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）
このように、実相電圧検出値には、オフセット電圧による検出誤差が含まれるため、オフセット電圧を検出して減算する必要がある。そこで、図５〜７を用いて、制御部がオフセット電圧を検出する処理の流れを説明する。

検出を開始すると（Ｓ７１）、出力端子が開放もしくは電圧を発生していない状態で、交流変換部２０３のスイッチング素子である三相下アーム２０８〜２１０をオンとする（Ｓ７２）。これにより、電力変換器の全ての出力相に負極電位が出力され、三相平衡状態となる。そのため、この状態で相電圧検出を行うと（Ｓ７３）、制御部３４に入力される電圧は、図５に示すように、基準電圧５１と仮想中性点５１と理想相電圧検出値５３が等しくなる。しかしながら、数５〜７で説明したように、実相電圧検出値５２は、理想相電圧検出値５３にオフセット電圧５４が重畳したものとなる。上述したように、基準電圧５１は理想相電圧検出値５３と等しいことから、数８〜１０に示すように、実相電圧検出値５２は、基準電圧５１にオフセット電圧５４を加えたものとなる。

（数８）
Ｖｕ（ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｕ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数９）
Ｖｖ（ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数１０）
Ｖｗ（ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）
そのため、実相電圧検出値５２から基準電圧５１を減算することにより、制御部３４はオフセット電圧５４を検出することができる（Ｓ７４）。この値をオフセット電圧補正値として、予め記憶部（図示省略）に記憶し（Ｓ７５）、終了する（Ｓ７６）。

そして、電動機の誘起電圧を検出した時、その検出値からオフセット電圧を減算する。これにより、図６に示すように、基準電圧６１に対して、理想相電圧検出値６３と実相電圧検出値６２が等しくなり、オフセット電圧による検出誤差を低減することができる。この補正された誘起電圧の検出値を用いて、電動機の周波数と位相を演算することにより、ショックレスでスムーズな再始動を行うことが可能となる。

なお、この方法は、三相の相電圧を生成する場合だけでなく、二相の相電圧を生成する場合でも、適用可能である。

実施例２は、仮想中性点を生成する回路構成とする。そして、出力端子に電動機を接続して、三相平衡状態である電圧を電力変換器に入力する。これにより、制御部に入力される基準電圧が仮想中性点と等しくなることを用いて、オフセット電圧を検出する方法について述べる。なお、電動機以外に、発電機や電源など、三相平衡状態である電圧を入力可能な電圧発生源が接続されてもよい。

図８は出力端子から電圧を入力する場合の電力変換器の構成例を示し、図９は制御部の処理のフローチャートを示した図である。

図９を用いて、制御部８４がオフセット電圧を検出する処理の流れを説明する。検出を開始すると（Ｓ９１）、交流変換部２０３のスイッチング素子である全相２０５〜２１０がオフの状態で、出力端子から電動機２０４の三相平衡状態にある電圧を入力する（Ｓ９２）。電圧検出部８１がその電圧を検出し、仮想中性点生成部８２が仮想中性点を生成し、相電圧生成部８３が、生成された仮想中性点を用いて相電圧を生成する（Ｓ９３）。前述した数１の通り、電動機の誘起電圧のように三相平衡状態にある電圧は三相和０となることは明らかであり、仮想中性点電位は０となる。また、誘起電圧等の正弦波交流の平均値は０となる。そのため、平均理想相電圧検出値Ｖ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）と、仮想中性点及び基準電圧との関係は、数１１となる。

（数１１）
Ｖｎｅｕｔｒａｌ＝Ｖｒｅｆ＝Ｖ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）
しかし、制御部８４に入力される平均相電圧（平均実相電圧検出値）は、平均理想相電圧検出値にオフセット電圧が重畳されている。そのため、各相の平均実相電圧検出値をＶｕ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）、Ｖｖ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）、Ｖｗ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）とし、各相の平均理想相電圧検出をＶｕ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）、Ｖｖ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）、Ｖｗ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）とし、各相のオフセット電圧をＶｕ（ｏｆｆｓｅｔ）、Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）、Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）とすると、平均実相電圧検出値は数１２〜１４となる。

（数１２）
Ｖｕ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）=Ｖｕ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）＋Ｖｕ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数１３）
Ｖｖ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）=Ｖｖ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）＋Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数１４）
Ｖｗ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）=Ｖｗ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）＋Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）
ここで、平均理想相電圧検出値Ｖ（ａｖｅ−ｉｄｅａｌ）は、数１１より、基準電圧と等しくなることから、平均実相電圧検出値は、基準電圧にオフセット電圧を加えたものとなる。

（数１５）
Ｖｕ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｕ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数１６）
Ｖｖ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数１７）
Ｖｗ（ａｖｅ−ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）
そのため、平均実相電圧検出値から基準電圧を減算することにより、制御部８４はオフセット電圧を検出することができる（Ｓ９４）。この値をオフセット電圧補正値として、予め記憶部（図示省略）に記憶し（Ｓ９５）、終了する（Ｓ９６）。

そして、電動機の誘起電圧（三相平衡状態）を検出した値から、オフセット電圧を補正する。これにより、理想相電圧検出値と実相電圧検出値が等しくなり、オフセット電圧による検出誤差を低減することができる。この補正された誘起電圧の検出値を用いて、電動機の周波数と位相を演算することにより、ショックレスでスムーズな再始動を行うことが可能となる。

実施例３は、仮想中性点を生成する回路構成とする。そして、三相上アームを全てオンすることで、制御部に入力される基準電圧が仮想中性点と等しくならない場合に、直流電圧の検出値を用いて、オフセット電圧を検出する方法について述べる。

この方法の１つとして、実施例１で述べた回路構成に直流電圧検出部１０５を追加した回路構成を、図１０に示す。この直流電圧検出部１０５は直流変換部２０２の負極電位基準で正極電位の電圧を検出するものである。

図１３を用いて、制御部１０４がオフセット電圧を検出する処理の流れを説明する。検出を開始すると（Ｓ１３１）、交流変換部２０３のスイッチング素子である三相上アーム２０５〜２０７をオンする（Ｓ１３２）。この時出力端子に電動機等が接続されている場合、電動機に電圧が印加されてしまうため、開放状態で行うことが望ましい。これにより、出力端子には直流変換部２０２の正極電位の電圧が出力され、電圧検出部１０１に印可される。

図１１は、仮想中性点生成部１０２の構成例を示す。この仮想中性点生成部によれば、仮想中性点１１５の電圧は交流変換部２０３の出力端子から出力される直流変換部の電圧と抵抗１１１〜１１４の分圧比により決定される。例えば、Ｒｕ（１１１）＝Ｒｖ（１１２）＝Ｒｗ（１１３）＝３Ｒｎ（１１４）の関係を満たす抵抗を接続した場合、仮想中性点１１５の電圧は直流変換部の電圧の半分の値となる。

よって、相電圧生成部１０３で生成され、制御部１０４に入力される理想相電圧検出値１２５は、図１２に示すように、基準電圧１２１に直流変換部の電圧の半分の値１２２が重畳した値となる。そのため、直流電圧検出部１０５にて検出した電圧をＶｄｃとすると、基準電圧Ｖｒｅｆに対して、各相の理想相電圧検出値Ｖ（ｉｄｅａｌ）は数１８〜２０となる。

（数１８）
Ｖｕ（ｉｄｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｄｃ/２
（数１９）
Ｖｖ（ｉｄｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｄｃ/２
（数２０）
Ｖｗ（ｉｄｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｄｃ/２
しかし、実際に制御部１０４に入力される相電圧（実相電圧検出値１２３）は、数２１〜２３のように理想相電圧検出値１２５にオフセット電圧１２４が重畳した値となる（Ｓ１３３）。

（数２１）
Ｖｕ（ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｄｃ/２＋Ｖｕ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数２２）
Ｖｖ（ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｄｃ/２＋Ｖｖ（ｏｆｆｓｅｔ）
（数２３）
Ｖｗ（ｒｅａｌ）=Ｖｒｅｆ＋Ｖｄｃ/２＋Ｖｗ（ｏｆｆｓｅｔ）
ここで、直流電圧検出部１０５は、検出した電圧Ｖｄｃを制御部１０４に入力する。そして、制御部１０４は、この検出値の半分の値を演算し、その値と基準電圧を実相電圧検出値１２３から引くことにより、オフセット電圧１２４を検出することができる（Ｓ１３４）。この値をオフセット電圧補正値として、予め記憶部に記憶し（Ｓ１３５）、終了する（Ｓ１３６）。

そして、実施例１、２と同様に、電動機の誘起電圧を検出した時、その検出値からオフセット電圧を減算することにより、オフセット電圧による検出誤差を低減することができる。この補正された誘起電圧の検出値を用いて、電動機の周波数と位相を演算することにより、ショックレスでスムーズな再始動を行うことが可能となる。

１１電圧検出部
１２検出電圧生成部
１３制御部
２０１交流電源
２０２直流変換部
２０３交流変換部
２０４−２１０交流変換回路
３２、８２、１０２仮想中性点生成部
３３、８３、１０３相電圧生成部

Claims

直流電圧又は交流電圧を任意の電圧に変換する電力変換器であって、
前記電力変換器の出力端子の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器により検出した電圧を任意の電圧に変換する検出電圧生成部と、
前記検出電圧生成部により変換された電圧を用いて、前記検出電圧生成部で生じるオフセット電圧を検出する制御部と、を備え、
仮想中性点を生成する仮想中性点生成部を備え、
前記電力変換器は、前記電力変換器の全ての出力相に負極電位を出力し、
前記検出電圧生成部は、前記仮想中性点を用いて前記電圧検出器により検出された電圧から全ての出力相の相電圧を生成し、
前記制御部は、前記相電圧を用いて、前記オフセット電圧を検出し、
前記電圧検出器は、電動機により発生する誘起電圧を検出し、
前記制御部は、前記オフセット電圧を用いて、前記誘起電圧の検出値を補正することを特徴とする電力変換器。
直流電圧又は交流電圧を任意の電圧に変換する電力変換器であって、
前記電力変換器の出力端子の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器により検出した電圧を任意の電圧に変換する検出電圧生成部と、
前記検出電圧生成部により変換された電圧を用いて、前記検出電圧生成部で生じるオフセット電圧を検出する制御部と、を備え、
仮想中性点を生成する仮想中性点生成部と、
前記電力変換器の直流電圧を検出する直流電圧検出器と、を備え、
前記電力変換器は、前記電力変換器の全ての出力相に正極電位を出力し、
前記検出電圧生成部は、前記仮想中性点を用いて前記電圧検出器により検出された電圧から全ての出力相の相電圧を生成し、
前記制御部は、前記相電圧と前記検出された直流電圧を用いて、前記オフセット電圧を検出し、
前記電圧検出器は、電動機により発生する誘起電圧を検出し、
前記制御部は、前記オフセット電圧を用いて、前記誘起電圧の検出値を補正することを特徴とする電力変換器。
直流電圧又は交流電圧を任意の電圧に変換する電力変換器であって、
前記電力変換器の出力端子の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電圧検出器により検出した電圧を任意の電圧に変換する検出電圧生成部と、
前記検出電圧生成部により変換された電圧を用いて、前記検出電圧生成部で生じるオフセット電圧を検出する制御部と、を備え、
前記電力変換器の出力端子に、三相平衡状態である電圧を入力可能な電圧発生源が接続された場合、
前記電圧検出器は、前記電力変換器に出力端子側から入力された電圧を検出し、
前記制御部は、前記入力された電圧を用いて、前記オフセット電圧を検出し、
前記電圧検出器は、電圧発生源により発生する誘起電圧を検出し、
前記制御部は、前記オフセット電圧を用いて前記誘起電圧の検出値を補正することを特徴とする電力変換器。
請求項３において、
前記電圧発生源は、電動機、発電機、又は電源であることを特徴とする電力変換器。