JP7034670B2 - Rectifier, power supply, motor and air conditioner - Google Patents
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Description
本発明は、整流装置、電源装置、電動機装置及び空調装置に関する。 The present invention relates to a rectifier, a power supply, an electric motor, and an air conditioner.
近年、交流を整流する整流装置(コンバータ)は、インバータ装置と接続されて、整流装置に供給される交流の周波数と異なる周波数の交流を生成して、モータなどの駆動に用いられている。このようなモータは、空調装置(空調機)、冷蔵装置(冷蔵庫)などに広く用いられている。 In recent years, a rectifying device (converter) that rectifies alternating current is connected to an inverter device to generate alternating current having a frequency different from the frequency of alternating current supplied to the rectifying device, and is used for driving a motor or the like. Such motors are widely used in air conditioners (air conditioners), refrigerators (refrigerators), and the like.
特許文献1には、交流電源に接続されたブリッジ整流回路の(+)、(-)側端子もしくはいづれか一方の端子にインダクタンスを接続し、該インダクタンスを通して前記ブリッジ整流回路の(+)、(-)側端子に並列に2個直列に接続された第1及び第2の半導体スイッチを接続し、更に前記インダクタンスを通して前記(+)、(-)側端子に並列に第1のダイオードと第1及び第2のコンデンサ又はバッテリの直列回路をと第2のダイオードとの直列回路を接続し、前記半導体スイッチの直列回路の中点と、前記コンデンサ又はバッテリの直列回路の中点とを接続してなる倍電圧整流回路が記載されている。
In
ところで、交流を整流し、入力された交流電圧の2倍の直流電圧に昇圧する倍電圧整流装置において、昇圧だけではなく、効果的に高調波電流を抑制する力率改善(PFC:Power Factor Control)技術が重要になっている。特に、整流装置の大出力化、高密度化に伴い、力率改善のための部材の電気的、温度的負荷が大きくなるため、より一層効率のよい力率改善が図れる倍電圧整流装置が求められている。
本発明は、出力電圧を定められた値に制御しつつ、高調波電流を抑制した整流装置などを提供することを目的とする。
By the way, in a voltage doubler rectifier that rectifies alternating current and boosts it to a DC voltage that is twice the input AC voltage, power factor control (PFC: Power Factor Control) that effectively suppresses harmonic currents as well as boosting is performed. ) Technology is becoming important. In particular, as the output and density of the rectifier increase, the electrical and thermal load of the members for improving the power factor increases, so a voltage doubler rectifier that can improve the power factor even more efficiently is required. Has been done.
An object of the present invention is to provide a rectifier or the like in which a harmonic current is suppressed while controlling an output voltage to a predetermined value.
かかる目的のもと、本発明が適用される整流装置は、直列接続され、両端子間及び接続点から複数の出力電圧を供給する複数のコンデンサを備える。そして、複数の前記コンデンサを個別に充電するように、供給される交流が整流された直流をスイッチングする複数のスイッチング素子を備える。さらに、複数の前記出力電圧をそれぞれ検知する複数の電圧検知部と、前記交流又は前記直流を検知する電流検知部とを備える。また、複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する制御部を備える。そして、前記電流波形指令値は、供給される交流の周波数の3倍の周波数の正弦波の絶対値にオフセット値を加えた値、又は、供給される交流の周波数の正弦波の絶対値で表される。
これにより、上記電流波形指令値で表されない場合に比べ、高調波を容易に抑制することが可能となる。
For this purpose, the rectifier to which the present invention is applied includes a plurality of capacitors connected in series and supplying a plurality of output voltages between both terminals and from a connection point. Then, a plurality of switching elements for switching the rectified direct current of the supplied alternating current are provided so as to individually charge the plurality of the capacitors. Further, it includes a plurality of voltage detection units for detecting each of the plurality of output voltages, and a current detection unit for detecting the alternating current or the direct current. Further, the plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values set for the plurality of output voltages, respectively, and , A control unit for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements is provided based on a current waveform command value set so as to correspond to a standard for harmonics. The current waveform command value is represented by the value obtained by adding an offset value to the absolute value of the sine wave having a frequency three times the frequency of the supplied AC, or the absolute value of the sine wave having the frequency of the supplied AC. Will be done.
As a result, harmonics can be easily suppressed as compared with the case where the current waveform is not represented by the command value.
このような整流装置において、前記電流検知部は、複数の前記電圧検知部より、交流が供給される側に設けられていることを特徴とすることができる。 In such a rectifying device, the current detecting unit may be provided on the side to which alternating current is supplied from the plurality of voltage detecting units.
そして、複数の前記出力電圧の各出力電圧目標値は、複数の当該出力電圧毎に設定されることを特徴とすることができる。
これにより、複数の当該出力電圧毎に設定されない場合に比べ、接続点から中間の出力電圧を取り出すことができる。
Each output voltage target value of the plurality of output voltages may be set for each of the plurality of output voltages.
As a result, an intermediate output voltage can be taken out from the connection point as compared with the case where the output voltage is not set for each of the plurality of output voltages.
そして、前記制御部は、前記電流波形指令値を表す波形の少なくとも一周期を含むように設定された単位期間を複数の区分に分割し、当該区分毎に前記スイッチング素子を制御する前記制御量を設定することを特徴とすることができる。
これにより、区分に分けない場合に比べ、高調波の抑制が精度よく行える。
Then, the control unit divides a unit period set to include at least one cycle of the waveform representing the current waveform command value into a plurality of divisions, and controls the switching element for each division. It can be characterized by setting.
As a result, harmonics can be suppressed more accurately than in the case of not dividing into categories.
さらに、前記制御部は、前記区分における前記制御量を、前記単位期間の一つ前の単位期間において検知された電流と前記電流波形指令値との差分が積分要素によって演算された値を用いて設定することを特徴とすることができる。
これにより、高調波の抑制がより精度よく行える。
本発明が適用される整流装置は、直列接続され、両端子間及び接続点から複数の出力電圧を供給する複数のコンデンサを備える。そして、複数の前記コンデンサを個別に充電するように、供給される交流が整流された直流をスイッチングする複数のスイッチング素子を備える。さらに、複数の前記出力電圧をそれぞれ検知する複数の電圧検知部と、前記交流又は前記直流を検知する電流検知部とを備える。また、複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する複数の制御部を備る。そして、複数の前記出力電圧の各出力電圧目標値は、複数の独立した前記制御部によって当該出力電圧毎に設定され、個別に制御される。
Further, the control unit uses the control amount in the division as a value obtained by calculating the difference between the current detected in the unit period immediately before the unit period and the current waveform command value by the integral element. It can be characterized by setting.
As a result, harmonics can be suppressed more accurately.
The rectifier to which the present invention is applied includes a plurality of capacitors connected in series and supplying a plurality of output voltages between both terminals and from a connection point. Then, a plurality of switching elements for switching the rectified direct current of the supplied alternating current are provided so as to individually charge the plurality of the capacitors. Further, it includes a plurality of voltage detection units for detecting each of the plurality of output voltages, and a current detection unit for detecting the alternating current or the direct current. Further, the plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values set for the plurality of output voltages, respectively, and , A plurality of control units for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements are provided based on a current waveform command value set to correspond to a standard for harmonics. Then, each output voltage target value of the plurality of output voltages is set for each output voltage by the plurality of independent control units, and is individually controlled.
また、他の観点から捉えると、本発明が適用される電源装置は、整流部と、前記整流部の出力電圧が供給され、交流を生成するインバータ部とを備える。そして、前記整流部は、直列接続され、両端子間及び接続点から複数の出力電圧を供給する複数のコンデンサを備える。また、前記整流部は、複数の当該コンデンサを個別に充電するように、供給される交流が整流された直流をスイッチングする複数のスイッチング素子を備える。さらに、前記整流部は、複数の前記出力電圧をそれぞれ検知する複数の電圧検知部と、前記交流又は前記直流を検知する電流検知部とを備える。また、複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する制御部を備える。そして、前記電流波形指令値は、供給される交流の周波数の3倍の周波数の正弦波の絶対値にオフセット値を加えた値、又は、供給される交流の周波数の正弦波の絶対値で表される。 From another point of view, the power supply device to which the present invention is applied includes a rectifying unit and an inverter unit to which the output voltage of the rectifying unit is supplied to generate alternating current. The rectifying unit is connected in series and includes a plurality of capacitors that supply a plurality of output voltages between both terminals and from the connection point. Further, the rectifying unit includes a plurality of switching elements that switch the supplied alternating current to the rectified direct current so as to individually charge the plurality of the capacitors. Further, the rectifying unit includes a plurality of voltage detecting units for detecting each of the plurality of output voltages, and a current detecting unit for detecting the alternating current or the direct current. Further, the plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values set for the plurality of output voltages, respectively, and , A control unit for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements is provided based on a current waveform command value set so as to correspond to a standard for harmonics. The current waveform command value is represented by the value obtained by adding an offset value to the absolute value of the sine wave having a frequency three times the frequency of the supplied AC, or the absolute value of the sine wave having the frequency of the supplied AC. Will be done.
また、前記電流波形指令値の大きさは、接続される負荷に供給される電圧値に基づいて設定されることを特徴とすることができる。 Further, the magnitude of the current waveform command value can be set based on the voltage value supplied to the connected load.
また、他の観点から捉えると、本発明が適用される電動機装置は、整流部と、前記整流部の出力電圧が供給され、交流を生成するインバータ部と、前記インバータ部に生成する交流が供給される電動機とを備える。そして、前記整流部は、直列接続され、両端子間及び接続点から複数の出力電圧を供給する複数のコンデンサを備える。また、前記整流部は、複数の当該コンデンサを個別に充電するように、供給される交流が整流された直流をスイッチングする複数のスイッチング素子を備える。さらに、前記整流部は、複数の当該出力電圧をそれぞれ検知する複数の電圧検知部と、当該交流又は当該直流を検知する電流検知部とを備える。また、複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する制御部を備える。そして、前記電流波形指令値は、供給される交流の周波数の3倍の周波数の正弦波の絶対値にオフセット値を加えた値、又は、供給される交流の周波数の正弦波の絶対値で表される。 From another point of view, in the motor device to which the present invention is applied, a rectifying section, an inverter section to which the output voltage of the rectifying section is supplied, and an alternating current generated to the inverter section are supplied. It is equipped with an electric motor. The rectifying unit is connected in series and includes a plurality of capacitors that supply a plurality of output voltages between both terminals and from the connection point. Further, the rectifying unit includes a plurality of switching elements that switch the supplied alternating current to the rectified direct current so as to individually charge the plurality of the capacitors. Further, the rectifying unit includes a plurality of voltage detecting units for detecting each of the plurality of output voltages, and a current detecting unit for detecting the alternating current or the direct current. Further, the plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values set for the plurality of output voltages, respectively, and , A control unit for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements is provided based on a current waveform command value set so as to correspond to a standard for harmonics. The current waveform command value is represented by the value obtained by adding an offset value to the absolute value of the sine wave having a frequency three times the frequency of the supplied AC, or the absolute value of the sine wave having the frequency of the supplied AC. Will be done.
また、前記制御部は、前記電動機の発生する高調波を抑制する電動機高調波抑制補正値を用いて複数の前記スイッチング素子を制御する前記制御量を設定することを特徴とすることができる。
これにより、さらに高調波の抑制がより精度よく行える。
Further, the control unit can be characterized in that the control amount for controlling a plurality of the switching elements is set by using the motor harmonic suppression correction value for suppressing the harmonics generated by the motor.
As a result, harmonics can be suppressed more accurately.
さらに、他の観点から捉えると、本発明が適用される空調装置は、前記電動機装置を備え、空気を調整する。 Furthermore, from another point of view, the air conditioner to which the present invention is applied includes the motor device and regulates air.
本発明によれば、出力電圧を定められた値に制御しつつ、高調波電流を抑制した整流装置などが提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a rectifier device that suppresses harmonic current while controlling the output voltage to a predetermined value.
電源の高調波電流に関するIEC規格(高周波に対する規格)を満足するために、整流装置(コンバータ)では、一般的にリアクタなどの受動部品による高調波抑制対策が取られている。しかし、整流装置を大型の空調機のような三相交流を使用する機器に適用する場合、リアクタが大型化してしまう。このため、リアクタによる損失や発熱、装置の巨大化など、さまざまなデメリットが生じる。そこで、本実施の形態では、出力電圧(DCリンク電圧)を定められた値に制御しつつ、高調波電流を抑制するように制御している。なお、空調機とは、冷凍機・送風機(ファン)・熱交換器・加湿器・エアフィルタなどを納めたものであって、空気の温度や湿度、清浄度、気流などを調整する。冷凍機は、コンプレッサにより駆動される。 In order to satisfy the IEC standard (standard for high frequency) regarding the harmonic current of the power supply, the rectifier (converter) generally takes a harmonic suppression measure by a passive component such as a reactor. However, when the rectifier is applied to equipment that uses three-phase alternating current, such as a large air conditioner, the size of the reactor becomes large. For this reason, various disadvantages such as loss and heat generation due to the reactor and enormous size of the device occur. Therefore, in the present embodiment, the output voltage (DC link voltage) is controlled to a predetermined value, and the harmonic current is controlled to be suppressed. The air conditioner contains a refrigerator, a blower (fan), a heat exchanger, a humidifier, an air filter, etc., and adjusts the temperature, humidity, cleanliness, air flow, etc. of the air. The refrigerator is driven by a compressor.
また、近年のデバイス性能の進歩、市場からのコスト要求などにより、整流装置のコスト抑制が進んでいる。例えば、三相交流で用いられる整流装置において、400V系の電源を用いる場合、整流装置で使われるデバイスは、1200V耐圧のものを使用することになる。整流装置を大型の空調機に適用した場合、コンプレッサを駆動する出力電圧(DCリンク電圧)を、ファンの駆動用電源としても利用すると、ファンを駆動するインバータ装置も必然的に1200V耐圧のデバイスを使ったものとなる。ファンに必要な電力は、コンプレッサと比較して小さいため、低耐圧のデバイスを適用して、低コスト化を図ることが望ましい。 In addition, due to recent advances in device performance and cost demands from the market, the cost of rectifiers is being reduced. For example, in a rectifier device used for three-phase alternating current, when a 400 V system power supply is used, the device used in the rectifier device has a withstand voltage of 1200 V. When the rectifier is applied to a large air conditioner, if the output voltage (DC link voltage) that drives the compressor is also used as the power source for driving the fan, the inverter device that drives the fan will inevitably have a device with a withstand voltage of 1200 V. It will be the one used. Since the power required for a fan is smaller than that of a compressor, it is desirable to apply a device with a low withstand voltage to reduce costs.
1200V系の整流装置は、平滑のための電解コンデンサの耐圧を確保する目的で2個直列に用いられることが多く、且つ、複数並列に用いられることが多い。これは、結果的に出力電圧(DCリンク電圧)をコンデンサで分圧していることになる。そこで、直列に接続されたコンデンサで分圧された電圧を使って、ファンなどの負荷に電力を供給することが考えられる。しかし、一方のコンデンサからファンなどの負荷に電力を供給すると、他方のコンデンサとの間で電圧が不平衡の状態になってしまう。最終的に一方のコンデンサの電圧が0V、他方のコンデンサの電圧が出力電圧(DCリンク電圧)になり、そのままでは負荷に電力を供給することができないばかりでなく、コンデンサの耐圧を超えてしまう。 Two 1200V rectifiers are often used in series for the purpose of ensuring the withstand voltage of the electrolytic capacitor for smoothing, and a plurality of 1200V rectifiers are often used in parallel. As a result, the output voltage (DC link voltage) is divided by the capacitor. Therefore, it is conceivable to supply electric power to a load such as a fan by using a voltage divided by a capacitor connected in series. However, when power is supplied from one capacitor to a load such as a fan, the voltage becomes unbalanced with the other capacitor. Eventually, the voltage of one capacitor becomes 0V and the voltage of the other capacitor becomes the output voltage (DC link voltage), which not only cannot supply power to the load as it is, but also exceeds the withstand voltage of the capacitor.
そこで、本実施の形態で説明する整流装置などでは、直列接続のコンデンサの電圧を各々制御することにより、出力電圧(DCリンク電圧)を定められた値に制御しながら、直列接続されたコンデンサのそれぞれに接続された負荷に電力を供給することを可能としている。つまり、コンデンサにより分圧された電圧を使って、負荷が不平衡であっても、コンデンサの電圧を安定に制御するようにしている。これにより、分圧された電圧を用いる負荷側で低耐圧のデバイスが使用できるようにしている。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
Therefore, in the rectifier or the like described in the present embodiment, the output voltage (DC link voltage) is controlled to a predetermined value by controlling the voltage of the capacitors connected in series, and the capacitors connected in series are controlled. It is possible to supply power to the loads connected to each. That is, the voltage divided by the capacitor is used to stably control the voltage of the capacitor even if the load is unbalanced. This makes it possible to use a device with a low withstand voltage on the load side that uses the divided voltage.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施の形態>
図1は、第1の実施の形態が適用される電動機装置100の一例を示す図である。
第1の実施の形態における電動機装置100は、電源部1及び電動機(モータ)2を備えている。電動機装置100は、三相交流の電源200に接続されている。電源200は、交流電源の一例である。電源部1は、電源装置の一例である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing an example of an
The
電源部1は、電源200に接続された電磁気妨害(EMI:Electromagnetic Interference)抑制フィルタ10(以下では、EMI抑制フィルタ10と表記する。)、EMI抑制フィルタ10に接続された整流(コンバータ)部20、整流部20に接続され整流部20を制御する制御部30、及び整流部20に接続されたインバータ部40を備える。なお、電源部1は、インバータ部40を制御する制御部(不図示)を備える。さらに、電源部1から電動機2に供給する電流を検知する電流検知部50を備えてもよい。
The
整流部20は、整流装置の一例である。なお、整流装置は、整流部20に加えてEMI抑制フィルタ10を備えていてもよい。
電動機2は、インバータ部40に接続されている。電動機2は、例えばDCブラシレスモータである。
電流検知部50は、インバータ部40から電動機2に供給される三相交流(U相、V相、W相)におけるいずれか二相に流れる電流を検知(電流値を測定)する。図1では、U相とW相とを検知する。三相交流の場合、三相に流れる電流値の和は0になるので、二相の電流を検知(電流値を測定)することで、三相の電流値が求められる。
以下順に説明する。
The rectifying
The
The
This will be described in order below.
[EMI抑制フィルタ10]
EMI抑制フィルタ10は、EMIを除去する部材であって、例えば高周波のノイズの通過を阻止するチョークコイルである。他の部材であってもよい。
[EMI suppression filter 10]
The
[整流部20]
整流部20は、電源200から供給される三相交流を直流に整流する。整流部20は、インダクタL1、L2、L3、ダイオードブリッジDB、スイッチング素子SW1、SW2、ダイオードD1、D2、帰還ダイオードDf1、Df2、コンデンサC1、C2を備えている。なお、ダイオードブリッジDBは、ダイオードD11、D12、D13、D14、D15及びD16を備える。また、整流部20は、ダイオードブリッジDBの電流(出力電流)を検知する電流検知部23を備える。さらに、整流部20は、整流部20の出力電圧を検知する電圧検知部21とコンデンサC2の電圧を検知する電圧検知部22とを備える。なお、電流検知部23の代わりに、電源200の電流を検知する電流検知部24を備えてもよい。
[Rectifier 20]
The rectifying
ダイオードブリッジDBは、直列接続された2個のダイオードの組が、3個並列に接続されて構成されている。つまり、ダイオードD11、D12が接続点aで直列接続され、ダイオードD13、D14が接続点bで直列接続され、ダイオードD15、D16が接続点cで直列接続されている。そして、これらが接続点dと接続点eとの間に並列接続されている。なお、ダイオードD11~D16は、接続点eから接続点dに向かう方向に電流が流れるように接続されている。 The diode bridge DB is configured by connecting three sets of two diodes connected in series in parallel. That is, the diodes D11 and D12 are connected in series at the connection point a, the diodes D13 and D14 are connected in series at the connection point b, and the diodes D15 and D16 are connected in series at the connection point c. Then, these are connected in parallel between the connection point d and the connection point e. The diodes D11 to D16 are connected so that a current flows in the direction from the connection point e to the connection point d.
インダクタL1、L2、L3の一方の端子は、EMI抑制フィルタ10を介して、電源200のR相、S相、T相にそれぞれ接続されている。そして、インダクタL1の他方の端子は、接続点aに接続され、インダクタL2の他方の端子は、接続点bに接続され、インダクタL3の他方の端子は、接続点cに接続されている。
One terminal of the inductors L1, L2, and L3 is connected to the R phase, the S phase, and the T phase of the
スイッチング素子SW1、SW2は、接続点hで直列接続され、スイッチング素子SW1側が接続点dに繋がる接続点fに接続され、スイッチング素子SW2側が接続点eに繋がる接続点gに接続されている。帰還ダイオードDf1、Df2がスイッチング素子SW1、SW2に並列に接続されている。帰還ダイオードDf1、Df2は、接続点gから接続点fに電流が流れる方向に接続されている。帰還ダイオードDf1、Df2の電流の流れる向きは、スイッチング素子SW1、SW2に電流が流れる向きの逆向きである。なお、接続点dと接続点fとは同じ電位である。また、接続点eと接続点gとは同じ電位である。 The switching elements SW1 and SW2 are connected in series at the connection point h, the switching element SW1 side is connected to the connection point f connected to the connection point d, and the switching element SW2 side is connected to the connection point g connected to the connection point e. The feedback diodes Df1 and Df2 are connected in parallel to the switching elements SW1 and SW2. The feedback diodes Df1 and Df2 are connected in a direction in which a current flows from the connection point g to the connection point f. The direction in which the current flows in the feedback diodes Df1 and Df2 is opposite to the direction in which the current flows in the switching elements SW1 and SW2. The connection point d and the connection point f have the same potential. Further, the connection point e and the connection point g have the same potential.
スイッチング素子SW1、SW2は、高耐圧の電力用のスイッチング素子である。スイッチング素子SW1、SW2には、例えば、電界効果トランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などが適用できる。スイッチング素子SW1、SW2は、3端子素子であって、オン/オフを制御する端子はゲートと呼ばれる。 The switching elements SW1 and SW2 are switching elements for high withstand voltage power. For example, a field effect transistor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or the like can be applied to the switching elements SW1 and SW2. The switching elements SW1 and SW2 are three-terminal elements, and the terminals that control on / off are called gates.
ダイオードD1は、一方の端子(アノード)が接続点fに、他方の端子(カソード)が接続点iに接続されている。また、ダイオードD2は、一方の端子(カソード)が接続点jに、他方の端子(アノード)が接続点gに接続されている。 In the diode D1, one terminal (anode) is connected to the connection point f, and the other terminal (cathode) is connected to the connection point i. Further, in the diode D2, one terminal (cathode) is connected to the connection point j and the other terminal (anode) is connected to the connection point g.
コンデンサC1、C2は、接続点kで直列接続されるとともに、コンデンサC1側が接続点iに接続され、コンデンサC2側が接続点jに接続されている。そして、コンデンサC1とコンデンサC2との接続点kは、スイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2との接続点hに接続されている。つまり、接続点hと接続点kは同じ電位である。 The capacitors C1 and C2 are connected in series at the connection point k, the capacitor C1 side is connected to the connection point i, and the capacitor C2 side is connected to the connection point j. The connection point k between the capacitor C1 and the capacitor C2 is connected to the connection point h between the switching element SW1 and the switching element SW2. That is, the connection point h and the connection point k have the same potential.
この整流部20では、接続点jを基準とした接続点iの電位(電圧)と、接続点jを基準とした接続点kの電位(電圧)との2つの電圧を取り出すことができる。すなわち、整流部20は、マルチレベルブーストコンバータ(Multi-Level Boost Converter)を構成する。なお、接続点kの電位は、接続点iの電位に比べて低いので、中間電位(Vhalf)と呼ばれる。そして、接続点i、jは、インバータ部40の入力端子P、Nに接続されている。
ここでは、接続点jに対する接続点iの電位を出力電位(出力電圧)、接続点jに対する接続点kの電位を中間電位(中間電圧)と表記することがある。
In the rectifying
Here, the potential of the connection point i with respect to the connection point j may be referred to as an output potential (output voltage), and the potential of the connection point k with respect to the connection point j may be referred to as an intermediate potential (intermediate voltage).
なお、整流部20における接続点jは、基準電位である。そして、整流部20における接続点iは、DCリンクと呼ばれる。よって、接続点jの電位(基準電圧)に対する接続点iの電位(電圧)を、DCリンク電圧と表記することがある。つまり、DCリンク電圧は、コンデンサC1の電圧(接続点iと接続点kとの間の電圧)とコンデンサC2の電圧(接続点kと接続点jとの間の電圧)とが加算された電圧である。そして、DCリンク電圧が、整流部20の出力電圧としてインバータ部40に供給される。
The connection point j in the rectifying
電流検知部23は、接続点dと接続点fとの間に設けられ、ダイオードブリッジDBの電流(出力電流)を検知(電流値を測定)する。ダイオードブリッジDBの電流は、三相交流を反映した脈流であるので、電流の波形から、三相交流における各相の電流が分かる。
The
電圧検知部21は、接続点i(接続点iとインバータ部40の入力端子Pとの間)に設けられ、直列接続されたコンデンサC1の電圧とコンデンサC2の電圧とが加算された電圧、つまり整流部20の出力電圧(DCリンク電圧)を検知(電圧値を測定)する。また、電圧検知部22は、コンデンサC2の電圧、つまり中間電位(Vhalf)を検知(電圧値を測定)する。
The
電流検知部23の代わりに備えられる電流検知部24は、電源200からEMI抑制フィルタ10に供給される三相交流(R相、S相、T相)におけるいずれか二相に流れる電流を検知(電流値を測定)する。図1では、R相とT相とを検知する。前述したように、三相交流の場合、三相に流れる電流値の和は0になるので、二相の電流を検知(電流値を測定)することで、三相の電流値が求められる。
The
電流検知部23又は電流検知部24は、電圧検知部21、22より交流を供給する電源200側(上流側)に設けられている。
The
なお、インダクタL1、L2、L3の代わりに、接続点dと接続点fとの間及び接続点eと接続点gの間のそれぞれにインダクタを設けてもよい。 Instead of the inductors L1, L2, and L3, inductors may be provided between the connection point d and the connection point f and between the connection point e and the connection point g.
[制御部30]
制御部30は、CPU、メモリなどを備えたコンピュータとして構成されている。そして、制御部30は、整流部20の電流検知部23(又は、電流検知部24)で検知された電流及び電圧検知部21、22により検知された電圧に基づいて、整流部20のスイッチング素子SW1、SW2のオン/オフを制御する。つまり、メモリに蓄積されたプログラムにより、スイッチング素子SW1、SW2のオン/オフを制御するパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)信号を生成する。
[Control unit 30]
The
制御部30は、2個の制御ユニット30A、30Bを備える。制御ユニット30A、30Bは、後述するように、同じ構成である。そして、図1に示すように、制御ユニット30Aは、接続点iの電位(DCリンク電圧)を検知する電圧検知部21に接続されている。一方、制御ユニット30Bは、接続点kの電位(中間電位(Vhalf))を検知する電圧検知部22に接続されている。なお、制御ユニット30Aには、接続点iの電位から制御ユニット30Bが検知した接続点kの電位を引いた、コンデンサC1に印加された電圧(DCリンク電圧-中間電位(Vhalf))が入力されるようになっている。また、制御ユニット30Bには、接続点kの電位から接続点jの電位(基準電位)を引いた、コンデンサC2に印加された電圧が入力されるようになっている。電圧の検知は、接続点iと接続点jとの間、及び接続点kと接続点jとの間のそれぞれに抵抗を設け、流れる電流により発生する電圧値を測定するなどにより行える。
The
そして、制御部30は、接続点d(ダイオードブリッジDBの出力)と接続点f(スイッチング素子SW1側)との間を流れる電流を検知(電流値を測定)する電流検知部23に接続されている。なお、電流検知部23が検知した電流(測定した電流値)が、制御ユニット30A、30Bに入力されるようになっている。前述したように、電流検知部23の代わりに、電流検知部24を用いてもよい。なお、電流検知部23又は電流検知部24を制御部30の制御ユニット30A、30Bのそれぞれに接続してもよい。
電流の検知(電流値の測定)は、電流が流れる経路に設けた電流センサにより行えばよい。電流センサは、例えば、電流の経路を取り囲むように設けられたコイルである。そして、電流の検知は、コイルに誘導される電圧を計測するなどにより行える。
Then, the
The current detection (measurement of the current value) may be performed by a current sensor provided in the path through which the current flows. The current sensor is, for example, a coil provided so as to surround the path of the current. Then, the current can be detected by measuring the voltage induced in the coil or the like.
そして、制御ユニット30Aは、スイッチング素子SW2のゲートに、スイッチング素子SW2のオン/オフを制御するPWM信号を生成して供給する。一方、制御ユニット30Bは、スイッチング素子SW1のゲートに、スイッチング素子SW1をオン/オフするPWM信号を生成し、供給する。つまり、制御ユニット30Aは、コンデンサC1の電圧を検知して、スイッチング素子SW2をオン/オフし、コンデンサC1の電圧を制御する。制御ユニット30Bは、コンデンサC2の電圧を検知して、スイッチング素子SW1をオン/オフし、コンデンサC2の電圧を制御する。
Then, the
なお、制御ユニット30A、30Bは、それぞれが異なるコンピュータ(マイクロコンピュータ)で構成されてもよく、1つのコンピュータ(マイクロコンピュータ)で構成され、仮想的に制御ユニット30A、30Bが構成されてもよい。
The
[インバータ部40]
インバータ部40は、整流部20が供給する直流をスイッチングして、負荷である電動機2を駆動する交流を生成する。ここでは、インバータ部40は、三相交流(U相、V相及びW相)を生成する。
インバータ部40は、スイッチング素子SW3~SW8及びそれらに並列に接続された帰還ダイオード(符号なし)を備える。そして、直列接続された2個のスイッチング素子の組が、3個並列に接続されている。つまり、スイッチング素子SW3、SW4が直列接続され、スイッチング素子SW5、SW6が直列接続され、スイッチング素子SW7、SW8が直列接続されている。そして、これらがインバータ部40の入力端子P、N間に並列接続されている。スイッチング素子SW3~SW8及びそれらに並列に接続された帰還ダイオード(符号なし)は、入力端子Pから入力端子Nに電流が流れる方向に接続されている。この帰還ダイオードの電流の流れる向きは、スイッチング素子SW3~SW8に電流が流れる向きに対して逆向きである。
[Inverter unit 40]
The
The
そして、スイッチング素子SW3、SW4の接続点がU相、スイッチング素子SW5、SW6の接続点がV相、及び、スイッチング素子SW7、SW8の接続点がW相として、電動機2に接続されている。
インバータ部40を制御する制御部により、スイッチング素子SW3~SW8のゲートにPWM信号が供給される。これにより、インバータ部40は、三相交流(U相、V相及びW相)を生成する。
The connection points of the switching elements SW3 and SW4 are connected to the
A PWM signal is supplied to the gates of the switching elements SW3 to SW8 by the control unit that controls the
[電動機装置100の動作]
電動機装置100の動作を説明する。
電源200からEMI抑制フィルタ10を介して交流が供給されると、整流部20は、交流を整流して、接続点iと接続点jとの間に直流の出力電圧(DCリンク電圧)を生成する。このとき、整流部20は、スイッチング素子SW1、SW2及びコンデンサC1、C2を備えることで、交流電圧をダイオードブリッジDBで整流した場合に得られる電圧に対して昇圧比1以上の任意に設定された電圧が得られる。例えば、電源200が供給する交流電圧の線間実効値が380Vrmsである場合、交流電圧をダイオードブリッジDBで整流した場合に得られる直流電圧のピーク値は、理想的には537Vである。これに対して、整流部20で得られる直流の出力電圧(DCリンク電圧)は、537V以上の任意に設定された電圧とすることが可能である。
[Operation of motor device 100]
The operation of the
When alternating current is supplied from the
インバータ部40は、整流部20が生成した直流の出力電圧(DCリンク電圧)を、3個の直列接続されたスイッチング素子の組のオン/オフにより、三相交流(U相、V相及びW相)を生成する。そして、インバータ部40は、三相交流(U相、V相及びW相)を電動機2に供給する。なお、3組のスイッチング素子の組とは、スイッチング素子SW3、SW4の組、スイッチング素子SW5、SW6の組、及びスイッチング素子SW7、SW8の組である。
電動機2は、インバータ部40が供給する交流(U相、V相及びW相)により、回転する。インバータ部40を制御する制御部(不図示)により、インバータ部40が供給する交流(U相、V相及びW相)の周波数を変えることで、電動機2の回転数が変わる。
インバータ部40の動作については、公知であるので詳細な説明を省略し、以下では、電源部1における整流部20の動作を詳細に説明する。
The
The
Since the operation of the
(整流部20の動作)
図2は、電源部1における整流部20の基本動作を説明する図である。図2(a)は、インダクタL1、L3及びコンデンサC1の充電モード、図2(b)は、インダクタL1、L3の放電モード、図2(c)は、インダクタL1、L3及びコンデンサC2の充電モード、図2(d)は、インダクタL1、L3の放電モードである。図2(a)~(d)は、R相の電位がT相の電位より高い場合である。以下順に説明する。
(Operation of rectifying unit 20)
FIG. 2 is a diagram illustrating the basic operation of the rectifying
インバータ部40(入力端子P、N間)には、直列接続されたコンデンサC1の電圧(接続点iと接続点kとの間の電圧)とコンデンサC2の電圧(接続点kと接続点jとの間の電圧)とが加算された電圧が印加される。 The voltage of the capacitor C1 (voltage between the connection point i and the connection point k) and the voltage of the capacitor C2 (the connection point k and the connection point j) connected in series to the inverter section 40 (between the input terminals P and N) A voltage is applied that is the sum of the voltage between them).
(a)インダクタL1、L3及びコンデンサC1の充電モード
図2(a)に示すインダクタL1、L3及びコンデンサC1の充電モードでは、制御部30(図1参照)により、スイッチング素子SW1がオフ、スイッチング素子SW2がオンに設定されている。すると、電源200(図1参照)のR相から、インダクタL1、ダイオードD11、ダイオードD1、コンデンサC1、スイッチング素子SW2、ダイオードD16、インダクタL3を順に経由し、電源200のT相に戻る経路で電流が流れる。このとき、インダクタL1、L3に電磁エネルギが蓄積されるとともに、コンデンサC1が充電される。コンデンサC1には、電源200の交流電圧をダイオードブリッジDBで整流した場合に得られる直流電圧から、スイッチング素子SW2がオンである時間(オンデューティ時間)において電荷が供給される。なお、オンデューティ時間とは、スイッチング素子SW2がオンとオフとを繰り返す周期において、オンである時間である。つまり、コンデンサC1は、スイッチング素子SW2がオンである時間によって電圧制御が可能となる。
(A) Charging mode of inductors L1, L3 and capacitor C1 In the charging mode of inductors L1, L3 and capacitor C1 shown in FIG. 2A, the switching element SW1 is turned off by the control unit 30 (see FIG. 1), and the switching element is switched. SW2 is set to on. Then, from the R phase of the power supply 200 (see FIG. 1), the current passes through the inductor L1, the diode D11, the diode D1, the capacitor C1, the switching element SW2, the diode D16, and the inductor L3 in this order, and returns to the T phase of the
このとき、ダイオードD2は電流が流れる経路に対して逆方向に接続されているので、コンデンサC2が放電することはない。 At this time, since the diode D2 is connected in the direction opposite to the path through which the current flows, the capacitor C2 does not discharge.
(b)インダクタL1、L3の放電モード
図2(b)に示すインダクタL1、L3の放電モードでは、制御部30により、オンであったスイッチング素子SW2がオフに設定される。つまり、スイッチング素子SW1、SW2がともにオフの状態になる。スイッチング素子SW2がオンからオフに移行することにより、スイッチング素子SW2を経由する電流経路が遮断される。このため、電源200のR相から、インダクタL1、ダイオードD1、コンデンサC1、C2、ダイオードD2、ダイオードD16、インダクタL3を経由して電源200のT相に戻る経路で電流が流れることで、インダクタL1、L3に蓄積された電磁エネルギが放出(放電)される。これにより、直列接続されたコンデンサC1、C2がさらに充電される。インダクタL1、L3のインダクタンスの値によっては、直列接続されたコンデンサC1、C2の電圧(接続点iと接続点jとの間の電圧)が上昇する。
(B) Discharge Modes of Inductors L1 and L3 In the discharge modes of the inductors L1 and L3 shown in FIG. 2B, the
(c)インダクタL1、L3及びコンデンサC2の充電モード
図2(c)に示すインダクタL1、L3及びコンデンサC2の充電モードでは、制御部30により、オフであったスイッチング素子SW1がオンに設定される。つまり、スイッチング素子SW1がオン、スイッチング素子SW2がオフの状態になる。すると、電源200のR相から、インダクタL1、ダイオードD11、スイッチング素子SW1、コンデンサC2、ダイオードD2、ダイオードD16、インダクタL3を順に経由し、電源200のT相に戻る経路で電流が流れる。このとき、インダクタL1、L3に電磁エネルギが蓄積されるとともに、コンデンサC2が充電される。コンデンサC2には、電源200の交流電圧をダイオードブリッジDBで整流した場合に得られる直流電圧から、スイッチング素子SW1がオンである時間(オンデューティ時間)において電荷が供給される。つまり、コンデンサC2は、スイッチング素子SW1がオンである時間によって電圧制御が可能となる。
以上から、コンデンサC1とコンデンサC2とで、それぞれが電圧制御可能となるため、コンデンサC1及びコンデンサC2のそれぞれの電圧が任意の設定電圧に制御可能であるばかりでなく、接続点iと接続点jとの間の電圧(DCリンク電圧)が、昇圧比1以上の電圧に制御できる。
(C) Charging Mode of Inductors L1, L3 and Capacitor C2 In the charging mode of the inductors L1, L3 and the capacitor C2 shown in FIG. 2C, the
From the above, since the voltage of the capacitor C1 and the capacitor C2 can be controlled respectively, not only the voltage of each of the capacitor C1 and the capacitor C2 can be controlled to an arbitrary set voltage, but also the connection point i and the connection point j. The voltage between and (DC link voltage) can be controlled to a voltage with a boost ratio of 1 or more.
(d)インダクタL1、L3の放電モード
図2(d)に示すインダクタL1の放電モードでは、制御部30により、オンであったスイッチング素子SW1がオフに設定される。つまり、スイッチング素子SW1、SW2がともにオフの状態になる。スイッチング素子SW1がオンからオフに移行することにより、スイッチング素子SW1を経由する電流経路が遮断される。このため、電源200のR相から、インダクタL1、ダイオードD1、コンデンサC1、C2、ダイオードD2、ダイオードD16、インダクタL3を経由して電源200のT相に戻る経路で電流が流れることで、インダクタL1、L3に蓄積された電磁エネルギが放出(放電)される。これにより、直列接続されたコンデンサC1、C2がさらに充電される。インダクタL1、L3のインダクタンスの値によっては、直列接続されたコンデンサC1、C2の電圧(接続点iと接続点jとの間の電圧)が上昇する。
(D) Discharge Mode of Inductors L1 and L3 In the discharge mode of the inductor L1 shown in FIG. 2D, the
以上においては、R相とT相との間において、R相の電位がT相の電位より高いとし説明したが、三相(R相、S相及びT相)において、電位の関係が他の組み合わせとなった場合においても同様である。よって説明を省略する。 In the above, it has been explained that the potential of the R phase is higher than the potential of the T phase between the R phase and the T phase, but in the three phases (R phase, S phase and T phase), the potential relationship is other. The same applies to the case of a combination. Therefore, the description will be omitted.
以上説明したように、整流部20は、スイッチング素子SW1、SW2のそれぞれがオンである時間(オンデューティ時間)を制御することでコンデンサC1、C2のそれぞれの電圧を制御可能としている。よって、コンデンサC1、C2のそれぞれに負荷を接続した場合において、コンデンサC1、C2の間で電圧が不平衡の状態であっても、安定した電圧を維持することが可能となる。そして、コンデンサC1の電圧とコンデンサC2の電圧の和(接続点iと接続点jの間の電圧)が、整流部20の出力電圧(DCリンク電圧)となり、インバータ部40の入力電圧(入力端子P、N間の電圧)となる。
As described above, the rectifying
ここでは、インダクタL1、L2、L3を備えている。インダクタL1、L2、L3は、スイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2とのいずれか一方がオンの状態において電磁エネルギを蓄積し、スイッチング素子SW1、SW2がともにオフの状態において蓄積した電磁エネルギを放出(放電)して、コンデンサC1、C2を充電する。つまり、負荷に供給する電力にも影響されるが、負荷が極端に小さい場合において、スイッチング素子SW1、SW2のオンの時間を制御すると、インダクタL1、L2、L3のインダクタンス値にもよるが、整流部20の出力電圧(DCリンク電圧)は、コンデンサC1の電圧とコンデンサC2の電圧の和(接続点iと接続点jとの間の電圧)であるため、電源200の交流電圧のピーク値の2倍以上まで容易に昇圧されうる。このとき、例えば交流電圧をダイオードブリッジDBで整流した直流電圧のピーク値を537V(380V*√2)とし、整流部20からの出力電圧(DCリンク電圧)の目標値を600Vとした場合、ピーク値の537Vを、スイッチング素子SW1、SW2のオンの時間でコンデンサC1、C2のそれぞれに供給できるため、コンデンサC1、C2のそれぞれの電圧を、最大537Vとすることが可能である。よって、インダクタL1、L2、L3からのエネルギの供給は、原理的にほぼ不要とできる。なお、「*」は積を表す。
Here, the inductors L1, L2, and L3 are provided. The inductors L1, L2, and L3 store electromagnetic energy when either the switching element SW1 or the switching element SW2 is on, and discharge (discharge) the stored electromagnetic energy when both the switching elements SW1 and SW2 are off. ), And charges the capacitors C1 and C2. That is, although it is affected by the power supplied to the load, when the on time of the switching elements SW1 and SW2 is controlled when the load is extremely small, it is rectified although it depends on the inductance values of the inductors L1, L2 and L3. Since the output voltage (DC link voltage) of
整流部20に昇圧機能を設ける方法として、2個のコンデンサC1、C2の代わりに1個のコンデンサを用い、インダクタで昇圧する方法がある。この方法では、交流電圧をダイオードブリッジDBで整流した直流電圧のピーク電圧より昇圧する分のエネルギは、インダクタから供給することになる。例えばダイオードブリッジDBで整流した直流電圧のピーク値を537V(380V*√2)とし、整流部20からの出力電圧(DCリンク電圧)の目標値を600Vとした場合、インダクタは、537Vを基準にそれ以上に昇圧する分のエネルギを供給する必要がある。よって、1個のコンデンサを用いる方法では、上記の2個のコンデンサC1、C2を用いた場合と比較して、インダクタから供給するエネルギが大きくなる。つまり、1個のコンデンサを用いる方法では、大きいインダクタンス値、つまり大きな形状のインダクタを使用することが必要になる。
As a method of providing a boosting function to the rectifying
以上のように、第1の実施の形態が適用される電動機装置100における整流部20のインダクタL1、L2、L3には、インダクタンス値の小さいインダクタを用いればよく、小型化できる。
As described above, an inductor having a small inductance value may be used for the inductors L1, L2, and L3 of the rectifying
また、スイッチング素子SW1、SW2のそれぞれの両端にかかる電圧は、コンデンサC1、C2で分圧された電圧と等しくなるため、400V系の電源200を用いた場合であっても、スイッチング素子SW1、SW2にはDCリンク電圧(接続点i、j間の電圧)の1/2の電圧しかかからない。よって、出力電圧(DCリンク電圧)の目標値が、最大1000Vであっても、スイッチング素子SW1、SW2の耐圧は、500V以上であればよい。つまり、600V耐圧のスイッチング素子を用いることができる。
一方、スイッチング素子が1個の場合では、スイッチング素子に1000Vが印加されることになり、1200V耐圧のスイッチング素子を用いることが必要となる。スイッチング素子は、耐圧が低い程高速であるので、第1の実施の形態が適用される2個のコンデンサC1、C2を用いる方法は、高速化できるメリットもある。
Further, since the voltage applied across each of the switching elements SW1 and SW2 is equal to the voltage divided by the capacitors C1 and C2, the switching elements SW1 and SW2 are used even when the
On the other hand, when there is only one switching element, 1000V is applied to the switching element, and it is necessary to use a switching element having a withstand voltage of 1200V. Since the switching element has a higher speed as the withstand voltage is lower, the method using two capacitors C1 and C2 to which the first embodiment is applied also has an advantage that the speed can be increased.
次に、電源部1における整流部20を制御する制御部30の動作を詳細に説明する。
(制御部30の動作)
図3は、電源部1における制御部30のブロック線図である。なお、上述したように、制御部30は、2個の制御ユニット(制御ユニット30A、30B)を備える。ここに示すブロック線図は、2個の制御ユニット(制御ユニット30A、30B)のうち、制御ユニット30Aを示す。なお、制御ユニット30Bも、下記に示す部分を除いて、制御ユニット30Aと同様なブロック線図で表される。よって、制御ユニット30Bについては説明を省略する。
Next, the operation of the
(Operation of control unit 30)
FIG. 3 is a block diagram of the
制御ユニット30Aは、整流部20が出力する直流の出力電圧を制御する電圧制御ブロック31、電流に発生する高調波を制御するために電流波形を制御する電流波形制御ブロック32、電流を制御する電流制御ブロック33、及び、電動機2から発生する高調波を制御する電動機高調波制御ブロック34を備える。なお、電動機高調波制御ブロック34は、電動機2を制御する場合に用いられる。よって、電動機2を制御しない場合には、電動機高調波制御ブロック34を備えることを要しない。以下順に説明する。
The
前述したように、制御ユニット30Aは、整流部20の接続点iの電圧を検出し、スイッチング素子SW2のオン/オフを設定するPWM信号のデューティ比を制御して、コンデンサC1の電圧(接続点iの電圧と接続点kとの間の電圧)を定められた電圧に制御するとともに、電流に表れる高調波をIEC規格に適合するように制御する。なお、デューティ比とは、オンとオフとの繰り返し周期に対するオンである時間の比である。
As described above, the
{電圧制御ブロック31}
電圧制御ブロック31は、コンデンサC1の電圧を制御する制御量として電圧差分値を出力する。電圧制御ブロック31は、比較器311、積分要素(積分器)312、比例要素(比例器)313及び加算器314を備える。そして、比較器311に、コンデンサC1に対して定められた電圧目標値(出力電圧目標値)と、電圧検知部21(図1参照)により検知(測定)されたコンデンサC1の電圧(電圧測定値)とが入力される。すると、比較器311は、電圧目標値と電圧測定値との差分(偏差)を演算する。積分要素312は、伝達関数(Ki_v*1/s)で表される要素であって、比較器311で求められた差分に対して積分演算する。比例要素313は、伝達関数(Kp_v)で表される要素であって、比較器311で求められた差分に対して比例演算する。そして、加算器314は、積分要素312による積分演算の結果と比例要素313による比例演算の結果とを加算して、制御すべき制御値として電圧差分値を出力する。
つまり、電圧制御ブロック31は、コンデンサC1の電圧を定められた電圧に制御するための比例積分(PI)制御を行う。
{Voltage control block 31}
The
That is, the
出力される電力(出力電力)の大きさによりコンデンサC1の電圧(DCリンク電圧)が低下しても、その電圧を電圧目標値になるように電圧差分値を制御する。よって、出力電力に応じた電圧差分値となる。また、コンデンサC1の電圧(DCリンク電圧)は、電動機2の効率が最大になるように制御される。よって、出力電力が小さくても高い電圧が必要な場合にそれに応じて電圧差分値が設定されることとなり、電動機2の制御において、効率を向上させることができる。
Even if the voltage of the capacitor C1 (DC link voltage) drops due to the magnitude of the output power (output power), the voltage difference value is controlled so that the voltage becomes the voltage target value. Therefore, the voltage difference value corresponds to the output power. Further, the voltage of the capacitor C1 (DC link voltage) is controlled so that the efficiency of the
なお、制御ユニット30Bでは、比較器311には、コンデンサC1の代わりにコンデンサC2に対して定められた電圧目標値と、電圧検知部21(図1参照)により検知(測定)されたコンデンサC2の電圧(電圧測定値)とが入力される。
制御ユニット30A,30Bとで、電圧目標値をそれぞれ別の値に設定することで、DCリンク電圧を制御しながら、コンデンサC1、C2とで分圧された電圧(Vhalf)を制御することができる。このため、コンデンサC1、C2との接続点k(分圧点)から負荷への電力の供給が可能となっている。
In the
By setting the voltage target values to different values for the
{電流波形制御ブロック32}
電流波形制御ブロック32は、電流波形に出現する高調波をIEC規格に適合させるために、電流波形を制御する。IEC規格では、総合高調波歪(THD:Total Harmonic Distortion)や部分加重高調波歪(PWHD:Partial Weighted Harmonic Distortion)が定められた値以下になるように規定されている。
{Current waveform control block 32}
The current
電流波形制御ブロック32は、電流波形設定要素321及び加算器322を備える。電流波形設定要素321は、電源200が三相交流の場合、三相交流の3倍の周波数成分の絶対値(A*|sin(3θ)|)の伝達関数で表される要素により演算される電流波形補正値を出力する。なお、電流波形設定要素321は、比例器として機能する。ここで、θは、交流電圧の時間を表す角度である。θ=2πで一周期である。そして、加算器322は、この電流波形補正値と、電圧制御ブロック31により得られた電圧差分値とを加算して、電流波形指令値を出力する。電圧差分値は、電流に対するオフセット値である。つまり、電流波形指令値は、(A*|sin(3θ)|)+電流に対するオフセット値で表される。電流波形補正値は電流波形を設定するものであり、電流に対するオフセット値は電圧制御ブロック31により得られた電圧差分値により電流の大きさを設定する(バイアスである)。ここでは、(A*|sin(3θ)|)+電流に対するオフセット値で表される電流波形指令値の平均値を、電流波形指令値の大きさと呼ぶ。図3では電流に対するオフセット値をオフセット値と表記する。
The current
なお、上記の振幅Aは、電流波形の振幅を設定するパラメータであって、可変できるようになっている。つまり、電流が大きくなれば、高調波に対する規格を満足するために、振幅Aを大きく設定することが必要となる。そこで、振幅Aは、電圧差分値に対応して可変できるようになっている。振幅Aは、負荷に供給される電圧値(出力電圧目標値)から演算によって求められてもよく、負荷に供給される電圧値に対して設けられたテーブルを参照しで求められてもよい。
すなわち、制御部30は、振幅Aを電圧差分値(電流に対するオフセット値)に関連付けて変更する。言い換えると、制御部30は、電流波形指令値の大きさを変更する。これにより、交流電圧波形に対する電流波形のわずかな位相のずれなどが補正できる。
The amplitude A is a parameter for setting the amplitude of the current waveform and can be changed. That is, if the current becomes large, it is necessary to set the amplitude A to be large in order to satisfy the standard for harmonics. Therefore, the amplitude A can be changed according to the voltage difference value. The amplitude A may be obtained by calculation from the voltage value supplied to the load (output voltage target value), or may be obtained by referring to a table provided for the voltage value supplied to the load.
That is, the
以上説明したように、電流波形制御ブロック32は、電流波形に現れる高調波が定められた規格に適合するように、電流波形を設定する電流指令値を出力する。そして、電流波形制御ブロック32は、入力された電圧を制御する電圧差分値を、電流を制御する電流指令値に変換する。
As described above, the current
ここで、電流波形設定要素321は、電圧制御ブロック31により得られた電圧差分値に、三相交流の3倍の周波数成分の絶対値(A*|sin(3θ)|)を伝達関数とした。これは一例であって、電流に現れる高調波が規格を満すように電流波形を補正する電流波形補正値を出力すればよい。ここでは、電流に現れる高調波が規格を満す波形を設定し、この波形になるように電流波形補正値を出力すればよい。つまり、高調波の規格を満たすように、高調波を加えている。よって、電流波形補正値は、上記のように電流波形を表す関数から演算により出力されてもよく、定められた電流波形を設定するテーブルにより与えてもよい。電流波形補正値及び電流波形指令値については、後に詳述する。
Here, the current
{電流制御ブロック33}
電流制御ブロック33は、整流部20に流れる電流を制御する制御量として電流差分値を出力する。電流制御ブロック33は、比較器331、比例要素(比例器)332、積分要素(積分器)333、及び記憶器(メモリ)334及び加算器335を備える。そして、比較器331に、電流波形制御ブロック32の出力する電流波形指令値と、電流検知部23で検知(測定)された電流値(電流測定値)とが入力される。すると、比較器331は、電流指令値と電流測定値との差分を演算する。比例要素332は、伝達関数(Kp_i)で表される要素であって、比較器331で求められた差分を比例演算する。積分要素333は、伝達関数(Ki_i*1/s)で表される要素であって、比較器331で求められた差分を積分演算する。そして、記憶器334は、電源200の交流電圧のタイミング(後述する区分)毎に、積分演算の結果を蓄積するとともに、次のタイミング(次の区分)に対してすでに蓄積されていた次の区分の積分演算の結果を出力する。加算器335は、比例要素332による比例演算の結果と記憶器334から出力された積分演算の結果とを加算して、制御すべき制御値として電流差分値を出力する。つまり、区分毎に比例積分制御を行う。なお、区分については、後述する。
なお、記憶器334は、制御部30が備えるメモリに構成される。
{Current control block 33}
The
The
制御ユニット30Bでも、比較器331には、電流検知部23で検知(測定)された電流値(電流測定値)が入力される。
なお、電流測定値は、前述したように、電流検知部23の代わりに電流検知部24で検知された電流値であってもよい。
Also in the
As described above, the current measurement value may be the current value detected by the
{電動機高調波制御ブロック34}
電動機2は、磁界の変化を示す電気角の周波数(f)の6倍の高調波(6f)を発生しやすく、この高調波(6f)が電源部1に流れてしまう場合がある。電流は、コンデンサC1、C2より電源200側に設けられた電流検知部23(図1参照)で検出される。よって、検出される電流には、電源200の交流電圧の周期と異なる周期の、高調波(6f)が外乱として混入する。そこで、電動機高調波制御ブロック34を設け、電動機2から発生する6倍の高調波(6f)を抑制している。このようにすることで、電流制御ブロック33において、安定した周期性の電流波形とすることが可能になる。よって、電流制御ブロック33における制御の安定性が向上する。
{Motor harmonic control block 34}
The
電動機高調波制御ブロック34は、比較器341を備える。比較器341は、電流制御ブロック33が出力する電流差分値と6倍の高調波(6f)を抑制するための補正値(高調波(6f)抑制補正値)との差を出力する。なお、電動機2の高調波(6f)の周波数は、電動機2側の電流を検知することで分かる。そこで、高調波(6f)抑制補正値は、電流検知部50で検知(測定)した電動機2の高調波(6f)の周波数に基づいて設定される。そして、スイッチング素子SW2をオン/オフを制御する制御量としての信号(PWM信号)を生成する。言い換えれば、制御量は、スイッチング素子SW2をオン/オフするPWM信号のデューティ比である。
The motor
なお、制御ユニット30Aは、電圧制御ブロック31、電流波形制御ブロック32、電流制御ブロック33及び電動機高調波制御ブロック34のすべてを備えなくてもよい。電動機高調波制御ブロック34を備えない場合には、電流制御ブロック33が出力する電流差分値をスイッチング素子SW2のオン/オフを制御する信号(PWM信号)となるように構成すればよい。また、電流波形制御ブロック32を備えない場合には、電圧制御ブロック31の出力する電圧差分値を電流指令値として構成して、電流制御ブロック33に入力すればよい。
制御ユニット30Bも同様である。
The
The same applies to the
{電流制御ブロック33における記憶器334の動作}
以下では、電流制御ブロック33における記憶器334の動作を詳細に説明する。
電流制御ブロック33は、前述したように力率改善を行う。力率改善(PFC)では、交流相電圧の波形(交流相電圧波形)に合わせて電流波形を制御する。つまり、交流相電圧波形に位相を合わせて電流波形を設定することが必要となる。
{Operation of
Hereinafter, the operation of the
The
図4は、電流制御ブロック33における記憶器334の動作を説明する図である。図4では、電源200の三相交流の電圧波形における一相(交流相電圧波形)の一周期を示している。そして、電流波形制御ブロック32から出力される電流波形指令値を合わせて示している。電流波形指令値は、電流波形補正値(A*|sin(3θ)|)+電流に対するオフセット値である。電流に対するオフセット値は、電流波形補正値に比べて変動が小さい。よって、電流波形指令値は、電流波形補正値の周期性を有している。また、図4の下部には、記憶器334の一部及び電動機高調波制御ブロック34がスイッチング素子SW2のゲートに出力するPWM信号の一部を示している。
FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the
ここでは、電流波形指令値は、電源200の交流電圧に対して3倍の周波数の周期性を有し、交流相電圧波形(図4では、交流相電圧と表記する。)と位相が合わせられている。つまり、電流波形指令値が0となる時点が、交流相電圧波形が0Vとなる時点(ゼロクロス)と一致するようにしている。
Here, the current waveform command value has a periodicity of a frequency three times that of the AC voltage of the
ここでは、一例として交流相電圧波形の一周期(位相)を繰り返しの単位期間とし、一単位期間を266の区間に分割している。つまり、交流相電圧波形の一周期を266に分割して、分割された区間ごとに、スイッチング素子SW2を制御するPWM信号を設定する。そして、記憶器334は、266の記憶領域を有している。ここでは、分割された区間を区間1~266と、区間1~266のそれぞれの開始時点を時刻t1~t266と表記する。そして、記憶領域のそれぞれを記憶領域#1~#266と表記する。なお、周期性を有する電流の一周期(図4においては、電流波形補正値の一周期であって交流相電圧の一周期の1/3)を単位期間としてもよい。つまり、単位期間は、電流波形指令値を表す波形の少なくとも一周期を含むように設定されればよい。
Here, as an example, one cycle (phase) of the AC phase voltage waveform is set as a repeating unit period, and one unit period is divided into 266 sections. That is, one cycle of the AC phase voltage waveform is divided into 266, and a PWM signal for controlling the switching element SW2 is set for each divided section. The
以下では、図3を参照しつつ、図4を説明する。
時刻t1において、比較器331に実測された電流測定値が入力される。すると、積分要素333は、比較器331の出力する電流波形指令値と電流測定値との差分(誤差)を伝達関数(Ki_i*1/s)により積分演算する。そして、新たに演算して求めた時刻t1に対する電流積分値N(1)を、記憶器334の記憶領域#1に蓄積する。一方、記憶器334は、記憶領域#2にすでに蓄積されていた電流積分値O(2)を加算器335に出力する。すると、加算器335は、電流積分値O(2)に基づいて、時刻t2から始まる区間2の電流差分値を出力する。電流差分値は、電動機高調波制御ブロック34により、PWM信号に変換されて出力される。なお、時刻tx(xは、1~266の整数)において測定された電流測定値により新たに演算される電流積分値を電流積分値N(x)とし、時刻txにおいて、すでに記憶器334に蓄積されている電流積分値を電流積分値O(x)とする。
In the following, FIG. 4 will be described with reference to FIG.
At time t 1 , the measured current value actually measured is input to the
記憶器334に蓄積されていた電流積分値O(2)は、時刻t2より一単位期間(ここでは、交流相電圧波形の一周期)前に蓄積された電流積分値に当たる。このように一単位期間前の電流積分値O(x)を使用する理由を、x=1の場合で以下に説明する。
時刻t1で実測された電流測定値に基づいて、区間1に適用する電流積分値を演算して、区間1に適用することが理想的である。しかし、制御部30において電流積分値を演算するには、時間がかかる。このため、制御部30によって区間1に対する電流積分値が演算され出力されるタイミングは、区間1に適用するには遅すぎるおそれがある。もし、区間1に適用すべき電流積分値が、区間2など、区間1以外の区間に適用されると、交流相電圧波形と電流波形とで位相がずれてしまう。ここでは、三相交流の3倍の周波数成分(A*|sin(3θ)|)を含むように、電流波形指令値が設定されている。このため、図4に示すように、電流の変化が大きい。よって、区間1に適用すべき電流積分値が、区間2など、区間1以外の区間に適用されると、交流相電圧波形と電流波形とで位相がずれてしまい、高調波に対する規格を満たさなくなってしまう。つまり、交流相電圧波形と電流波形との位相のずれが小さいことが求められる。
The current integral value O ( 2 ) stored in the
Ideally, the current integral value applied to the
そこで、第1の実施の形態では、実測した電流測定値に基づいて演算した電流積分値を記憶器334に蓄積し、一単位期間(ここでは、交流相電圧波形の一周期)前に記憶器334に蓄積した電流積分値を用いて電流差分値を演算するようにしている。これは、隣接する単位期間の間において電流測定値に差があっても、上記した位相がずれる場合に比べて、高調波に対する規格を満たしやすいためである。
Therefore, in the first embodiment, the current integrated value calculated based on the measured current measurement value is stored in the
つまり、時刻txにおける電流測定値から電流積分値N(x)を演算して記憶領域#xに蓄積し、記憶領域#(x+1)に蓄積されていた一単位期間前の電流積分値O(x+1)を出力して、時刻tx+1からの区間(x+1)に適用する電流指令値を演算している。このように、記憶器334における記憶領域#xは、蓄積されていた電流積分値O(x)が出力された後に、新たな電流積分値N(x)が蓄積される。
That is, the current integral value N (x) is calculated from the current measurement value at time t x and stored in the storage area # x, and the current integral value O (one unit period before) stored in the storage area # (x + 1) is used. x + 1) is output, and the current command value applied to the interval (x + 1) from the time t x + 1 is calculated. In this way, in the storage area # x in the
一例として交流相電圧の一周期(位相)を一単位期間として266の区間に分割したが、区間数は、大きいほどよい。つまり、積分要素333で演算される電流積分値は、一単位期間前の値を使用する。しかし、図3の電流制御ブロック33に示すように、比例要素332で演算される電流比例値は記憶器を備えない。よって、電流が実測された区間の値を次の区間で使用することになる。このため、電流差分値は、一単位時間前の電流積分値と一区間前の電流比例値との和になる。つまり、電流比例値は、1区間分の誤差をふくむことから、区間数が多ければ多いほど、電流差分値の精度が向上する。なお、区間数は、この精度と制御部30の演算能力によって定めればよい。
As an example, one cycle (phase) of the AC phase voltage is divided into 266 sections as one unit period, but the larger the number of sections, the better. That is, the current integral value calculated by the
以上説明したように、周期性を持った電流波形であれば、実際の電流波形を電流波形指令値で設定される波形に制御することができる。この方法によれば、高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)など演算の負荷が大きい演算をせずに高調波を抑制できる。よって、このアルゴリズムを実行するプログラムは、演算能力が低い安価なマイクロコンピュータにも実装可能である。 As described above, if the current waveform has periodicity, the actual current waveform can be controlled to the waveform set by the current waveform command value. According to this method, harmonics can be suppressed without performing a heavy calculation load such as a fast Fourier transform (FFT). Therefore, the program that executes this algorithm can be implemented on an inexpensive microcomputer with low computing power.
{実施例}
図5は、実施例を説明する図である。図5(a)は、電源200が電動機装置100に供給する交流相電圧、図5(b)は、図3の制御部30による制御を行わない場合に電動機装置100に入力する入力電流A、図5(c)は、図3の制御部30において、電圧制御ブロック31及び電流制御ブロック33を用いた場合に電動機装置100に入力する入力電流B、図5(d)は、図3の制御部30において、電圧制御ブロック31と電流制御ブロック33とに加え、電動機高調波制御ブロック34を用いた場合に電動機装置100に入力する入力電流C、図5(e)は、図3の制御部30において、電圧制御ブロック31、電流制御ブロック33及び電動機高調波制御ブロック34に加え、電流波形制御ブロック32を用いた場合に電動機装置100に入力する入力電流Dの波形である。
{Example}
FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment. 5A shows an AC phase voltage supplied by the
図5(a)に示すように、ここでは、サイン波の交流相電圧波形の二周期を示している。
図5(b)に示す、図3に示す制御を行わない場合、電動機装置100に入力する入力電流Aの波形は、電動機2の電気角の周波数(f)の6倍の高調波(6f)を含むとともに、交流相電圧波形に対する追従性の悪い波形となっている。なお、高調波(6f)は、入力電流Aに現れる周波数の高い振動である。
As shown in FIG. 5A, here, two cycles of the AC phase voltage waveform of the sine wave are shown.
When the control shown in FIG. 3 shown in FIG. 5B is not performed, the waveform of the input current A input to the
図5(c)に示す、図3の制御部30において電圧制御ブロック31及び電流制御ブロック33を用いた場合、電動機装置100に入力する入力電流Bの波形は、交流相電圧波形にやや近づくが、電動機2の電気角の周波数(f)の6倍の高調波(6f)を含んだ波形となっている。なお、電源200のインピーダンスとコンデンサC1、C2との共振により、入力電流が発信することがある。ここでは、入力電流Bは、電流制御ブロック33を用いることで、共振を抑制するとともに、電圧制御ブロック31によりDCリンク電圧の変動を抑制している。これにより、電源200のインピーダンスが異なる場合であっても、安定した電圧制御及び/又は電流制御が可能となっている。
When the
図5(d)に示す、図3の制御部30において電圧制御ブロック31と電流制御ブロック33とに加え、電動機高調波制御ブロック34を用いた場合、電動機装置100に入力する入力電流Cの波形は、電動機2の電気角の周波数(f)の6倍の高調波(6f)が抑制されている。
When the motor
図5(e)に示す、図3の制御部30において電圧制御ブロック31、電流制御ブロック33及び電動機高調波制御ブロック34に加え、電流波形制御ブロック32を用いた場合、電動機装置100に入力する入力電流Dの波形は、交流相電圧波形に追従性の高い波形になっている。
When the current
つまり、制御部30において、電圧制御ブロック31及び電流制御ブロック33を用いることで、電流波形(入力電流B、C)は交流相電圧波形に追従する波形に近づくが、電流波形制御ブロック32を加えることで電流波形(入力電流D)が、より交流相電圧波形に追従する波形になることが分かる。
That is, by using the
ここでは、電流波形制御ブロック32において、交流電圧の3倍の周波数を有する電流波形指令値を加えている。これは、電源200が三相交流である場合、各相において電流が流れないタイミング(期間)が生じるためである。例えば、図5(b)~(e)における区間1、2、3では、電流が流れていない。よって、交流電圧の3倍の周波数を有する電流波形指令値を適用して電流波形を制御することで、高調波に関する規格を満たすようにしている。
Here, in the current
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態では、電源200は、三相交流であった。第2の実施の形態では、電源210は、単相交流である。
図6は、第2の実施の形態が適用される電動機装置110の一例を示す図である。
第2の実施の形態における電動機装置110は、電源部1及び電動機(モータ)2を備えている。電動機装置100は、単相交流の電源210に接続されている。電源210は、交流電源の他の一例である。三相が単相になる部分を除く、他の構成は第1の実施の形態と同様であるので同じ符号を付して、説明を省略する。
<Second embodiment>
In the first embodiment, the
FIG. 6 is a diagram showing an example of the
The
第2の実施の形態では、図3に示したブロック線図において、電流波形制御ブロック32における電流波形設定要素321の伝達関数をA*|sin(θ)|とすればよい。単相交流の場合、各相において電流の流れない期間が生じないため、高調波に関する規格を満たしやすい。
In the second embodiment, in the block diagram shown in FIG. 3, the transfer function of the current
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態の電動機装置120は、第1の実施の形態が適用される電動機装置100と整流部20の構成が異なる。
図7は、第3の実施の形態が適用される電動機装置120の一例を示す図である。第1の実施の形態が適用される電動機装置100と同様の部分は、同じ符号を付して説明を省略する。なお、第1の実施の形態と同様に、電源200は、三相交流である。
<Third embodiment>
The
FIG. 7 is a diagram showing an example of the
電動機装置120の整流部20は、第1の実施の形態が適用される電動機装置100の整流部20に、さらにダイオードD21~D26を備える。そして、ダイオードD21、D22が接続点lで直列接続され、ダイオードD23、D24が接続点mで直列接続され、ダイオードD25、D26が接続点nで直列接続されている。これらが、接続点oと接続点pとの間に並列接続されている。ダイオードD21~D26は、接続点pから接続点oに向かって電流が流れる方向で接続されている。そして、直列接続されたダイオードD21、D22の接続点lが、インダクタL1及びEMI抑制フィルタ10を介して、電源200のR相に接続されている。直列接続されたダイオードD23、D24の接続点mが、インダクタL2及びEMI抑制フィルタ10を介して、電源200のS相に接続されている。直列接続されたダイオードD25、D26の接続点nが、インダクタL3及びEMI抑制フィルタ10を介して、電源200のT相に接続されている。
The rectifying
そして、直列接続されたスイッチング素子SW1、SW2は、接続点oと接続点pとの間に接続されている。なお、直列接続されたコンデンサC1、C2は、第1の実施の形態が適用される電動機装置100と同様に、接続点iと接続点jとの間に接続されている。そして、スイッチング素子SW1、SW2の接続点hと、コンデンサC1、C2の接続点kとが接続されている。そして、接続点kから中間電位Vhalfが取り出せるようになっている。
The switching elements SW1 and SW2 connected in series are connected between the connection point o and the connection point p. The capacitors C1 and C2 connected in series are connected between the connection point i and the connection point j, as in the
電動機装置120の動作を説明する。
ここでは、図2に示したように、R相の電位がT相の電位に比べて高い場合を説明する。
スイッチング素子SW1がオフ、スイッチング素子SW2がオンの状態であると、インダクタL1、L3に電磁エネルギが蓄積されるとともに、コンデンサC1が充電されるモードになる。つまり、R相からインダクタL1、コンデンサC1、スイッチング素子SW2、ダイオードD26、インダクタL3を経由してT相に電流が流れる。これにより、インダクタL1、L3に電磁エネルギが蓄積されるとともに、コンデンサC1を電源200の交流電圧で充電される。
The operation of the
Here, as shown in FIG. 2, the case where the potential of the R phase is higher than the potential of the T phase will be described.
When the switching element SW1 is off and the switching element SW2 is on, electromagnetic energy is accumulated in the inductors L1 and L3, and the capacitor C1 is charged. That is, a current flows from the R phase to the T phase via the inductor L1, the capacitor C1, the switching element SW2, the diode D26, and the inductor L3. As a result, electromagnetic energy is accumulated in the inductors L1 and L3, and the capacitor C1 is charged by the AC voltage of the
ここで、スイッチング素子SW2がオフになって、スイッチング素子SW1、SW2がオフの状態になると、インダクタL1、L3に蓄積された電磁エネルギが放電(放出)される。つまり、R相からインダクタL1、ダイオードD11、コンデンサC1、C2、ダイオードD16、インダクタL3を経由してT相に電流が流れる。これにより、コンデンサC1、C2が充電される。 Here, when the switching elements SW2 are turned off and the switching elements SW1 and SW2 are turned off, the electromagnetic energy stored in the inductors L1 and L3 is discharged (released). That is, a current flows from the R phase to the T phase via the inductor L1, the diode D11, the capacitors C1, C2, the diode D16, and the inductor L3. As a result, the capacitors C1 and C2 are charged.
次に、スイッチング素子SW1がオンになって、スイッチング素子SW1がオン、スイッチング素子SW2がオフの状態になると、インダクタL1、L3に電磁エネルギが蓄積されるとともに、コンデンサC2が充電されるモードになる。つまり、R相からインダクタL1、ダイオードD21、スイッチング素子SW1、コンデンサC2、ダイオードD16、インダクタL3を経由してT相に電流が流れる。これにより、インダクタL1、L3に電磁エネルギが蓄積されるとともに、コンデンサC2を電源200の交流電圧で充電される。
Next, when the switching element SW1 is turned on, the switching element SW1 is turned on, and the switching element SW2 is turned off, electromagnetic energy is accumulated in the inductors L1 and L3, and the capacitor C2 is charged. .. That is, a current flows from the R phase to the T phase via the inductor L1, the diode D21, the switching element SW1, the capacitor C2, the diode D16, and the inductor L3. As a result, electromagnetic energy is accumulated in the inductors L1 and L3, and the capacitor C2 is charged by the AC voltage of the
ここで、スイッチング素子SW1がオフになって、スイッチング素子SW1、SW2がオフの状態になると、インダクタL1、L3に蓄積された電磁エネルギが放電(放出)される。つまり、R相からインダクタL1、ダイオードD11、コンデンサC1、C2、ダイオードD16、インダクタL3を経由してT相に電流が流れる。これにより、コンデンサC1、C2が充電される。 Here, when the switching elements SW1 are turned off and the switching elements SW1 and SW2 are turned off, the electromagnetic energy stored in the inductors L1 and L3 is discharged (released). That is, a current flows from the R phase to the T phase via the inductor L1, the diode D11, the capacitors C1, C2, the diode D16, and the inductor L3. As a result, the capacitors C1 and C2 are charged.
そして、直列接続されたコンデンサC1、C2の両端子(接続点iと接続点jとの)間の電圧は、スイッチング素子SW1、SW2のそれぞれがオンである時間(オンデューティ時間)により制御される(昇圧される)。さらに、直列接続されたコンデンサC1、C2の接続点kから、中間電位Vhalfを取り出すことができる。 The voltage between both terminals (connection point i and connection point j) of the capacitors C1 and C2 connected in series is controlled by the time (on-duty time) when each of the switching elements SW1 and SW2 is on. (Boosted). Further, the intermediate potential V half can be taken out from the connection point k of the capacitors C1 and C2 connected in series.
以上説明したように、電動機装置120の整流部20でも、第1の実施の形態が適用される電動機装置100と同様に、直列接続されたコンデンサC1、C2を備え、コンデンサC1、C2のそれぞれをスイッチング素子SW1、SW2により切り替えて充電するようになっている。よって、電動機装置120は、第1の実施の形態が適用される電動機装置100と同様の制御部30(制御ユニット30A、30B)を備えることにより、第1の実施の形態が適用される電動機装置100と同様に制御される。なお、制御部30(制御ユニット30A、30B)は、整流部20の接続点dと接続点iとの間で流れる電流を検知するように構成されている。
As described above, the rectifying
なお、第3の実施の形態が適用される電動機装置120は、三相交流の電源200に接続されているが、第2の実施の形態が適用される電動機装置110と同様に、単相交流の電源210に接続されるように変更されてもよい。
The
第1の実施の形態から第3の実施の形態が適用される電動機装置100、110.120の電源部1における整流部20のコンデンサC1、C2は、電解コンデンサであってもよいが、制御部30によってコンデンサC1、C2の充電が常に行われることから、電解コンデンサに比べて容量の小さいフィルムコンデンサやセラミックコンデンサでも安定したDCリンク電圧が得られる。フィルムコンデンサやセラミックコンデンサは、電解コンデンサに比べて小型であるとともに寿命が長い。また、前述したように、インダクタL1、L2、L3には、インダクタンスが小さい小型のインダクタを用いうる。よって、電動機装置100、110、120などを小型化できるとともに寿命を長くできる。
The capacitors C1 and C2 of the rectifying
また、第1の実施の形態から第3の実施の形態が適用される電動機装置100、110.120の電源部1における整流部20では、2個のコンデンサC1、C2と2個のスイッチング素子SW1、SW2とを用いて、昇圧比1以上の任意の出力電圧(DCリンク電圧)を得た。それぞれが2個を超えるコンデンサとスイッチング素子とを用いて、さらに高電圧の出力電圧(DCリンク電圧)を得るようにしてもよい。
Further, in the rectifying
なお、図1、図7に示す三相交流の電源200は、星形(スター)結線であるが、環状(デルタ)結線であってもよい。そして、高調波に対する規格を満足するように入力電流の位相を調整すればよい。
The three-phase alternating
そして、第1の実施の形態から第3の実施の形態では、電動機装置100、110、120としたが、電源部1が電源装置として電動機2以外に出力を供給してもよい。また、電源部1の整流部20が整流装置として使用されてもよい。
また、電動機装置100、110、120は、空調装置(空調機)などに組み込んで用いられる。
Then, although the
Further, the
1…電源部、2…電動機(モータ)、10…EMI抑制フィルタ、20…整流(コンバータ)部、21、22…電圧検知部、23、24…電流検知部、30…制御部、30A、30B…制御ユニット、31…電圧制御ブロック、32…電流波形制御ブロック、33…電流制御ブロック、34…電動機高調波制御ブロック、40…インバータ部、100、110、120…電動機装置、200、210…電源、311、331、341…比較器、312、333…積分要素(積分器)、313、332…比例要素(比例器)、314、322、335…加算器、321…電流波形設定要素、334…記憶器(メモリ)、C1、C2…コンデンサ、D1、D2、D11~D16、D21~D26…ダイオード、DB…ダイオードブリッジ、Df1、Df2…帰還ダイオード、L1~L3…インダクタ、SW1~SW8…スイッチング素子、Vhalf…中間電位 1 ... Power supply unit, 2 ... Electric motor (motor), 10 ... EMI suppression filter, 20 ... Rectifier (converter) unit, 21, 22 ... Voltage detection unit, 23, 24 ... Current detection unit, 30 ... Control unit, 30A, 30B ... control unit, 31 ... voltage control block, 32 ... current waveform control block, 33 ... current control block, 34 ... electric machine harmonic control block, 40 ... inverter unit, 100, 110, 120 ... electric motor device, 200, 210 ... power supply , 311, 331, 341 ... comparer, 312, 333 ... integrating element (integrator), 313, 332 ... proportional element (proportional device), 314, 322, 335 ... adder, 321 ... current waveform setting element, 334 ... Storage (memory), C1, C2 ... Condenser, D1, D2, D11 to D16, D21 to D26 ... Diode, DB ... Diode bridge, Df1, Df2 ... Feedback diode, L1 to L3 ... Inductor, SW1 to SW8 ... Switching element , V half ... Intermediate potential
Claims (11)
複数の前記コンデンサを個別に充電するように、供給される交流が整流された直流をスイッチングする複数のスイッチング素子と、
複数の前記出力電圧をそれぞれ検知する複数の電圧検知部と、
前記交流又は前記直流を検知する電流検知部と、
複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する制御部と、を備え、
前記電流波形指令値は、供給される交流の周波数の3倍の周波数の正弦波の絶対値にオフセット値を加えた値、又は、供給される交流の周波数の正弦波の絶対値で表される
整流装置。 Multiple capacitors that are connected in series and supply multiple output voltages between both terminals and from the connection point,
A plurality of switching elements for switching a rectified direct current of the supplied alternating current so as to individually charge the plurality of the capacitors, and a plurality of switching elements.
A plurality of voltage detectors that detect each of the plurality of output voltages, and
A current detector that detects alternating current or direct current , and
The plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values and harmonics set for each of the plurality of output voltages. A control unit for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements based on a current waveform command value set to correspond to a standard for waves is provided .
The current waveform command value is represented by a value obtained by adding an offset value to an absolute value of a sine wave having a frequency three times the frequency of the supplied AC, or an absolute value of a sine wave having a frequency of the supplied AC.
Rectifier.
複数の前記コンデンサを個別に充電するように、供給される交流が整流された直流をスイッチングする複数のスイッチング素子と、A plurality of switching elements for switching a rectified direct current of the supplied alternating current so as to individually charge the plurality of the capacitors, and a plurality of switching elements.
複数の前記出力電圧をそれぞれ検知する複数の電圧検知部と、A plurality of voltage detectors that detect each of the plurality of output voltages, and
前記交流又は前記直流を検知する電流検知部と、A current detector that detects alternating current or direct current, and
複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する複数の制御部と、を備え、The plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values and harmonics set for each of the plurality of output voltages. A plurality of control units for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements based on a current waveform command value set to correspond to a standard for waves are provided.
複数の前記出力電圧の各出力電圧目標値は、複数の独立した前記制御部によって当該出力電圧毎に設定され、個別に制御されるEach output voltage target value of the plurality of output voltages is set for each output voltage by the plurality of independent control units and is individually controlled.
整流装置。Rectifier.
複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する制御部と、を備え、
前記電流波形指令値は、供給される交流の周波数の3倍の周波数の正弦波の絶対値にオフセット値を加えた値、又は、供給される交流の周波数の正弦波の絶対値で表される整流部と、
前記整流部の前記出力電圧が供給され、交流を生成するインバータ部と
を備える電源装置。 Multiple capacitors that are connected in series and supply multiple output voltages between both terminals and from the connection point, and multiple switches that switch the supplied alternating current to rectified direct current so as to charge the plurality of capacitors individually. An element, a plurality of voltage detectors for detecting each of a plurality of the output voltages, and a current detector for detecting the alternating current or the direct current.
The plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values and harmonics set for each of the plurality of output voltages. A control unit for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements based on a current waveform command value set to correspond to a standard for waves is provided .
The current waveform command value is represented by a value obtained by adding an offset value to an absolute value of a sine wave having a frequency three times the frequency of the supplied AC, or an absolute value of a sine wave having a frequency of the supplied AC. The rectifying part and
A power supply unit including an inverter unit to which the output voltage of the rectifying unit is supplied and an alternating current is generated.
複数の前記電圧検知部により検知された複数の前記出力電圧、及び、前記電流検知部により検知された電流、並びに、複数の当該出力電圧に対してそれぞれ定められた出力電圧目標値、及び、高調波に対する規格に対応するように設定された電流波形指令値に基づいて、複数の前記スイッチング素子を制御する制御量を設定する制御部と、を備え、
前記電流波形指令値は、供給される交流の周波数の3倍の周波数の正弦波の絶対値にオフセット値を加えた値、又は、供給される交流の周波数の正弦波の絶対値で表される整流部と、
前記整流部の前記出力電圧が供給され、交流を生成するインバータ部と、
前記インバータ部が生成する交流が供給される電動機と
を備える電動機装置。 Multiple capacitors that are connected in series and supply multiple output voltages between both terminals and from the connection point, and multiple switches that switch the supplied alternating current to rectified direct current so as to charge the plurality of capacitors individually. An element, a plurality of voltage detectors for detecting each of a plurality of the output voltages, and a current detector for detecting the alternating current or the direct current.
The plurality of output voltages detected by the plurality of voltage detectors, the current detected by the current detectors, and the output voltage target values and harmonics set for each of the plurality of output voltages. A control unit for setting a control amount for controlling a plurality of the switching elements based on a current waveform command value set to correspond to a standard for waves is provided .
The current waveform command value is represented by a value obtained by adding an offset value to an absolute value of a sine wave having a frequency three times the frequency of the supplied AC, or an absolute value of a sine wave having a frequency of the supplied AC. The rectifying part and
An inverter unit to which the output voltage of the rectifying unit is supplied to generate alternating current,
An electric motor device including an electric motor to which an alternating current generated by the inverter unit is supplied.
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