JP6695598B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。
電力用半導体技術の発展により、高速スイッチングの可能な電力素子を用いて可変電圧可変周波数（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＶＶＶＦ）の電源を比較的に具現しやすくなった。ＶＶＶＦを発生させる回路として、主に直流電圧源を入力として交流可変電圧源を発生させる電圧型インバータが使用される。
かかる電圧型インバータは、エネルギー貯蔵システム（ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ，ＥＳＳ）、太陽光（ｐｈｏｔｏ−ｖｏｌｔａｉｃ，ＰＶ）インバータ、電動機駆動（ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ）技術に主に使用される。
このような電圧型インバータを適用するために様々な電圧変調方式が開発されて来た。電圧変調方式としては、正弦波電圧変調（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＰＷＭ）、空間ベクトル電圧変調（ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ，ＳＶＰＷＭ）等が産業界で主に使用される。上記ＳＰＷＭとＳＶＰＷＭは、連続電圧変調方式で区分される。
一方、電力用半導体のスイッチング損失を減らすために不連続電圧変調方式も用いられるが、６０°不連続電圧変調（ＤＰＷＭ）方式が最も代表的である。このような不連続電圧変調方式は、オフセット電圧と三角波比較電圧変調方式を用いた電圧変調方式でオフセット電圧を好適に選択することによって具現することができる。
これと違って、不連続電圧変調方式として、不連続電圧変調区間を調節することによって不連続電圧変調を行う方式が開示されている。この技術は、不連続電圧変調区間を自由に調節することによって、各運転点で最適の電流の全高調波歪（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ＴＨＤ）及び損失を達成することができる。この技術の場合、力率が１であるとき、常に最小損失を有するため、力率に関係なく最小損失を有するようにする必要がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、不連続変調区間を調節することによって、ユーザがスイッチング損失と電流のＴＨＤとのトレードオフを制御しながら、与えられた不連続変調区間で力率に関係なく常に最小損失を有するようにするインバータ制御装置を提供することである。
課題を解決しようとする手段
上記のような技術的課題を解決するため、本発明の一実施形態のインバータ制御装置は、直流端電圧を交流電圧に変換して、３相の上部及び下部スイッチング素子で構成されるインバータ部；前記直流端電圧、電圧変調指数、不連続変調区間を調節できる不連続変調角、及び相電圧指令と電流の位相差を用いて３相の相電圧指令を極電圧指令に変換する変換部；及び三角搬送波を用いて極電圧指令から前記上部及び下部スイッチング素子を制御する信号を生成する制御部を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態において、前記変換部は、前記相電圧指令、前記直流端電圧、前記電圧変調指数、前記不連続変調角、及び前記位相差からオフセット電圧指令を計算するオフセット電圧指令計算部；及び前記相電圧指令及び前記オフセット電圧指令から前記極電圧指令を計算する極電圧指令計算部を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態において、前記オフセット電圧指令計算部は、３相の相電圧指令を静止座標系のｄｑ軸電圧指令に変換する第１の座標変換部；前記相電圧指令と電流の位相差を仮想の位相差に変換する角変換部；前記ｄｑ軸電圧指令を前記仮想の位相差だけ回転変換する回転変換部；回転変換したｄｑ軸電圧指令を仮想の相電圧指令に変換する第２の座標変換部；及び前記相電圧指令、前記直流端電圧、前記電圧変調指数、前記不連続変調角、及び前記仮想の相電圧指令を用いて前記オフセット電圧指令を生成するオフセット電圧指令生成部を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態において、前記オフセット電圧指令生成部は、前記相電圧指令の最大値及び最小値を決定する第１の決定部；前記仮想の相電圧指令の最大値及び最小値を決定する第２の決定部；及び前記直流端電圧、前記電圧変調指数、前記不連続変調角、前記相電圧指令の最大値及び最小値、及び前記仮想の相電圧指令の最大値及び最小値を用いて前記オフセット電圧指令を決定する第３の決定部を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態において、前記第３の決定部は、下記の数式によって前記オフセット電圧指令を決定することができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記極電圧指令と三角搬送波を比較して、前記極電圧指令と前記三角搬送波の差が正数であれば、前記上部スイッチング素子のスイッチング関数で１を出力して、陰数であれば、０を出力する比較部；及び前記比較部の出力を反転して、前記下部スイッチング素子のスイッチング関数で出力する反転部を含んでいてもよい。
上記のような本発明は、実際の相電圧指令を回転変換を用いて仮想の相電圧指令を生成し、この回転変換に用いられた回転角は、電圧指令と電流の位相差と不連続変調角を用いて決定されてもよい。また、仮想の相電圧指令と実際の相電圧指令及び不連続変調角を用いて電圧変調を行うことで、不連続変調区間を調節することによって、好適にスイッチング損失と電流のＴＨＤとのトレードオフを制御することができる。のみならず、与えられた不連続変調区間で力率に関係なく常に最小損失を示すようにする効果がある。
２レベル３相電圧型インバータの概略的な回路図である。 図１のＰＷＭ制御部が三角波比較電圧変調方式を説明するための一例示図である。 スイッチング関数による出力相電圧を空間上にベクトルで示した例示図である。 相電圧指令を空間ベクトルに電圧指令ベクトルＶ＊で示したとき、ａ相を基準として６０°不連続電圧変調方式の動作を示す。 不連続電圧変調方式の他の具現例を説明するための例示図である。 他の不連続電圧変調方式であるＡＤＰＷＭ（Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ＰＷＭ）を説明するための例示図である。 ＡＤＰＷＭを具現した構成図である。 本発明の一実施形態のインバータ制御装置において、相電圧指令を極電圧指令に変更することを説明するための一例示図である。 図８のオフセット電圧指令計算部の詳細構成図である。 図９のオフセット電圧指令生成部の一実施形態である詳細構成図である。 本発明の一実施形態において、電圧指令と電流の位相差Φと、仮想の相電圧指令生成に用いられる角情報である仮想の位相差ΦＶの関係を説明するための一例示図である。 図９の角変換部の動作を説明するための一例示図である。 本発明の一実施形態のインバータ制御装置のスイッチング損失を説明するための一例示図である。
本発明の構成及び効果を十分に理解するため、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下に開示する実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に具現することができ、種々の変更を加えることができる。但し、本実施形態に対する説明は、本発明の開示を完全にして、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付の図面における構成要素は、説明の便宜のためその大きさを実際より拡大して示したものであり、各構成要素の割合は、誇張するか縮小してもよい。
「第１」、「第２」等の用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されてはならない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を脱しないながら、「第１の構成要素」は「第２の構成要素」に命名されてもよいし、同様、「第２の構成要素」も「第１の構成要素」に命名されてもよい。また、単数の表現は、文脈上明白に別に表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施形態において使われる用語は、別に定義されない限り、該技術分野で通常の知識を有する者に通常知られた意味に解釈される。
以下では、図２ａ〜図５を参照して、本発明の一実施形態によるインバータ制御装置及び方法を説明する。
図１は、２レベル３相電圧型インバータの概略的な回路図であって、ＥＳＳ、太陽光インバータ、電動機の駆動に用いられるインバータの一例である。
３相の電圧指令は、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御部１１０に入力される。前記ＰＷＭ制御部１１０は、インバータ部１０２に印加されるスイッチング関数を決定してインバータ部１０２に提供する。
前記ＰＷＭ制御部１１０の三角波比較変調を図２を参照して説明する。
図２は、図１のＰＷＭ制御部が三角波比較電圧変調方式を説明するための一例示図である。図２の（ａ）は、極電圧の構成を説明するための一例示図であり、（ｂ）は、三角波比較電圧変調方式を示したものである。
オフセット電圧は、３相の極電圧に共通して存在する成分である。オフセット電圧は、零相分電圧を意味するため、線間電圧の合成には影響を及ぼさない。
反転部１１４は、インバータ部１０２の下部スイッチング素子のスイッチング関数を求めることができる。下部スイッチング素子は、上部スイッチング素子と相補的に動作するため、比較部１１３の出力を反転して求めることができる。
図３は、スイッチング関数による出力相電圧を空間上にベクトルで示した例示図である。スイッチング関数による出力相電圧は、下記の数式５のとおりである。
図２のオフセット電圧指令計算部１１１が計算するオフセット電圧指令は、非常に様々である。
正弦波電圧変調方式（ＳＰＷＭ）におけるオフセット電圧指令は、次の数式６のとおりである。
空間ベクトル電圧変調方式（ＳＶＰＷＭ）におけるオフセット電圧指令は、次の数式７のとおりである。
一方、数式６及び数式７のオフセット電圧指令は、搬送波の一週期の間、あらゆる相のスイッチング関数が変わるようになる連続電圧変調方式である。
スイッチング損失を減らすために、１つの相のスイッチング関数が変わらない電圧変調方式を不連続電圧変調方式と言う。代表的な不連続電圧変調方式は、次のとおりである。
取りあえず、相電圧指令は、下記の数式８のように、相電流は、下記の数式９のように定義されると仮定する。
代表的な不連続電圧変調方式である６０°不連続電圧変調方式（ＤＰＷＭ）は、交流周波数の周期を３６０°としたとき、相電圧指令の最大値を基準として６０°のスイッチング不連続区間を有する方式であって、当該方式のオフセット電圧指令は、次の数式１０のように与えられる。このようなＤＰＷＭは、相電圧指令と相電流位相差φが０°であるとき、スイッチング損失を最小限にする電圧変調方式である。
図４の陰影領域で確認するように、ａ相の相電圧指令が正の値であり、その絶対値が３相のうち最大である場合、ａ相のスイッチング関数Ｓａは、１となり、当該区間の間、常にオン状態である。また、ａ相の相電圧指令が負の値であり、その絶対値が３相のうち最大である場合、ａ相のスイッチング関数Ｓａは、０となり、当該区間の間、常にオフ状態となる。
このような不連続電圧変調方式は、スイッチング損失を減少させるが、電流の全高調波歪（ＴＨＤ）が増加するという短所が存在する。連続電圧変調方式は、電流のＴＨＤが不連続電圧変調方式に比べて低い。しかし、そのスイッチング損失が増加するという短所が存在する。
また、既存のオフセット電圧指令を用いた不連続電圧変調方式を用いる場合、常に不連続電圧変調区間が基本派の一週期の１／３である１２０°と定める。これによって、通常、電圧変調指数が低いとき、不連続電圧変調を適用する際、電流のＴＨＤは、非常に大きい。
一方、不連続変調区間を調節することによって、スイッチング損失と電流のＴＨＤとの好適な選択のための自由度を提供する。これによって、電圧変調指数が低い領域において、スイッチング損失を連続電圧変調方式に比べて減少させる。また、不連続電圧変調方式に比べて電流のＴＨＤを減少させる方法が開示されている。
電圧変調指数は、次の数式１１のとおりに定義される。
従って、ａ相の電圧指令である５Ａが５Ｅより大きいとき、ａ相のスイッチング関数は、常に１となる。また、５Ａが５Ｅの負の値より小さい場合、常に０となる。これは、ｂ相の電圧指令である５Ｂ、ｃ相の電圧指令である５Ｃの場合も同様である。
従って、６０°不連続電圧変調方式の具現は、次の数式１２のとおりに再定義することができる。
一方、図６は、他の不連続電圧変調方式であるＡＤＰＷＭ（Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｕｎｏｕｓ ＰＷＭ）を説明するための例示図である。
また、図６において、６Ｆは、特定の相がスイッチング動作をしない区間を意味する。６Ｇは、特定の相が正常にスイッチング動作をする区間を意味する。ａ相の電圧指令である６Ａが６Ｅより大きい場合、ａ相のスイッチング関数は、常に１となり、スイッチング動作をしない区間である６Ｆで動作する。６Ａが６Ｅの負の値より小さい場合、ａ相のスイッチング関数は、常に０となり、同様、スイッチング動作をしない区間である６Ｆで動作する。これは、ｂ相の電圧指令である６Ｂとｃ相の電圧指令である６Ｃの場合も同様である。
従って、ＡＤＰＷＭの具現は、次の数式１３のとおりに再定義することができる。
図７は、ＡＤＰＷＭを具現した構成図である。
オフセット電圧指令計算部７１１は、ＡＤＰＷＭのために３相の相電圧指令（７Ａ）、直流端電圧及び数式１３で定義されたｋを受信してオフセット電圧指令を計算する。また、極電圧指令計算部７１２は、相電圧指令（７Ａ）にオフセット電圧指令を加算して３相の極電圧指令（７Ｂ）を計算する。
上述した不連続電圧変調方式は、スイッチング損失を減少させるが、電流のＴＨＤが増加するという短所を有する。かかる短所を解決するために、不連続変調区間を調節することによって、ユーザが好適にスイッチング損失と電流のＴＨＤとのトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）を制御できるという長所が存在する。
特に、電圧変調指数が小さい場合、スイッチング損失を減少するために不連続電圧変調方式を用いることができる。このとき、不連続電圧変調方式を用いる場合、電流のＴＨＤの悪化を考慮しなければならない。しかし、当該方法によって電圧変調指数が低い領域において、スイッチング損失を連続電圧変調方式に比べて減少させることができる。また、不連続電圧変調方式に比べて電流のＴＨＤを減少させることができる。
上記のような従来の技術は、電圧と電流の位相差が０°であり、力率１である状態で最小損失を有するという問題点がある。
本発明は、不連続変調区間を調節することによって、ユーザが好適にスイッチング損失と電流のＴＨＤとのトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）を制御することができる。また、与えられた不連続変調区間で力率に関係なく常に最小損失を有するインバータ制御装置を提供することができる。
本発明のインバータ制御装置は、図１のようなＥＳＳ、太陽光インバータ、電動機の駆動に用いられる２レベル３相電圧型インバータに適用される。基本的に、オフセット電圧を適用した三角波比較電圧変調方式である。従って、極電圧指令と三角波を比較する図３は、本発明に同様に適用される。
図８は、本発明の一実施形態のインバータ制御装置において、相電圧指令を極電圧指令に変更することを説明するための一例示図である。
図面に示したように、本発明の一実施形態のインバータ制御装置は、オフセット電圧指令計算部１０と極電圧指令計算部２０を含んでいてもよい。
極電圧指令計算部２０は、オフセット電圧指令と相電圧指令（８Ａ）を加算して極電圧指令（８Ｂ）を生成することができる。
図９は、図８のオフセット電圧指令計算部１０の詳細構成図である。
図面に示したように、本発明の一実施形態のオフセット電圧指令計算部１０は、第１の座標変換部１１、回転変換部１２、角変換部１３、第２の座標変換部１４及びオフセット電圧指令生成部１５を含んでいてもよい。
第１の座標変換部１１は、ａ、ｂ、ｃ相変数を静止座標系のｄ、ｑ軸変数に変換することができ、下記の数式１４のように示すことができる。
従って、３相の相電圧指令は、第１の座標変換部１１によって、次の数式１５のようにｄ、ｑ軸電圧指令に変更されてもよい。
第２の座標変換部１４は、ｄ、ｑ軸変数をａ、ｂ、ｃ相変数に座標変換することができ、次の数式１８のように示すことができる。
このとき、角変換部１３は、電圧と電流の位相差φを受信して、回転変換のために用いられる角情報を生成することができる。これについては、追ってより詳説する。
図１０は、図９のオフセット電圧指令生成部１５の一実施形態である詳細構成図である。
図面に示したように、本発明の一実施形態のオフセット電圧指令生成部１５は、第１の決定部３１、第２の決定部３２及び第３の決定部３３を含んでいてもよい。
第１の決定部３１は、３相の相電圧指令の最大値及び最小値を次のように決定することができる。
第２の決定部３２は、仮想の３相の相電圧指令の最大値及び最小値を次のように決定することができる。
このように、本発明の一実施形態のオフセット電圧指令の生成は、３相の相電圧指令を用いることができる。
このように、本発明は、電圧指令と電流の位相差と不連続電圧変調区間を調節するために用いられる不連続変調角を用いる。また、生成された仮想の電圧指令を用いることで、与えられた不連続電圧変調区間で力率に関係なく常に可能な最小損失を示すようにする。
本発明の一実施形態によれば、実際の相電圧指令を回転変換を用いて仮想の相電圧指令を生成する。この回転変換に用いられた回転角は、電圧指令と電流の位相差と不連続変調角を用いて決定することができる。このように、仮想の相電圧指令と実際の相電圧指令及び不連続変調角を用いて電圧変調を行う。また、不連続変調区間を調節することによって、好適にスイッチング損失と電流のＴＨＤとのトレードオフを制御することができる。のみならず、与えられた不連続変調区間で力率に関係なく常に最小損失を示すようにすることができる。
以上では、本発明による実施形態を説明したが、これは、例示的なものに過ぎないし、当該分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解することができる。従って、本発明の真の技術的保護の範囲は、次の請求範囲によって定めるべきである。
１０ オフセット電圧指令計算部
２０ 極電圧指令計算部
１１、１４ 座標変換部
１２ 回転変換部
１３ 角変換部
１５ オフセット電圧指令生成部
３１、３２、３３ 決定部

Claims (10)

  1. 直流端電圧を交流電圧に変換して、３相の上部及び下部スイッチング素子で構成されるインバータ部；
    前記直流端電圧、電圧変調指数、不連続変調区間を調節できる不連続変調角、及び相電圧指令と前記インバータ部の出力電流の位相差を用いて３相の相電圧指令を極電圧指令に変換する変換部；及び、
    三角搬送波を用いて極電圧指令から前記上部及び下部スイッチング素子を制御する信号を生成する制御部を含むインバータ制御装置。
  2. 前記変換部は、
    前記相電圧指令、前記直流端電圧、前記電圧変調指数、前記不連続変調角、及び前記位相差からオフセット電圧指令を計算するオフセット電圧指令計算部；及び、
    前記相電圧指令及び前記オフセット電圧指令から前記極電圧指令を計算する極電圧指令計算部を含む、請求項１に記載のインバータ制御装置。
  3. 前記オフセット電圧指令計算部は、
    ３相の相電圧指令を静止座標系のｄｑ軸電圧指令に変換する第１の座標変換部；
    前記相電圧指令と電流の位相差を仮想の位相差に変換する角変換部；
    前記ｄｑ軸電圧指令を前記仮想の位相差だけ回転変換する回転変換部；
    回転変換したｄｑ軸電圧指令を仮想の相電圧指令に変換する第２の座標変換部；及び、
    前記相電圧指令、前記直流端電圧、前記電圧変調指数、前記不連続変調角、及び前記仮想の相電圧指令を用いて前記オフセット電圧指令を生成するオフセット電圧指令生成部を含む、請求項２に記載のインバータ制御装置。
  4. 前記オフセット電圧指令生成部は、
    前記相電圧指令の最大値及び最小値を決定する第１の決定部；
    前記仮想の相電圧指令の最大値及び最小値を決定する第２の決定部；及び、
    前記直流端電圧、前記電圧変調指数、前記不連続変調角、前記相電圧指令の最大値及び最小値、及び前記仮想の相電圧指令の最大値及び最小値を用いて前記オフセット電圧指令を決定する第３の決定部を含む、請求項３に記載のインバータ制御装置。
  5. 前記第３の決定部は、
    下記の数式によって前記オフセット電圧指令を決定する、請求項４に記載のインバータ制御装置。

  9. 前記制御部は、
    前記極電圧指令と三角搬送波を比較して、前記極電圧指令と前記三角搬送波の差が正数であれば、前記上部スイッチング素子のスイッチング関数で１を出力して、負数であれば、０を出力する比較部；及び、
    前記比較部の出力を反転して、前記下部スイッチング素子のスイッチング関数で出力する反転部を含む、請求項１に記載のインバータ制御装置。
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