JP7335403B2 - Ac-ac電力変換装置 - Google Patents
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Description
実施の形態に係るAC-AC電力変換装置の電圧制御を説明する前に、従来のAC-AC電力変換装置の電圧制御を説明する。
図2は、従来のAC-AC電力変換装置200を示すブロック図である。図1のAC-AC電力変換装置100との第1の相違点は、DCリンクキャパシタ24が大容量の電解コンデンサで構成される点である。これは後述のように、入力電力と出力電力との差をバッファして補償するためである。第2の相違点は、図1のAC-AC電力変換装置100では一体的であった制御部40が、第1制御部50と第2制御部60とに分離されている点である。第1制御部50は、DCリンク電圧制御部52と、PFC整流回路制御部54と、を備える。第2制御部60は、速度制御部66と、インバータ制御部68と、を備える。第1制御部50はPFC整流回路10を、第2制御部60はインバータ30を、それぞれ独立に制御する。AC-AC電力変換装置200のその他の構成は、AC-AC電力変換装置100の構成と共通である。特に図1および図2に示される制御部はあくまでも抽象的な機能ブロックであり、ハードウェア、ソフトウェアその他によるいかなる具体的な実現形態も、これらの図面に限定されないことに注意されたい。
入力された目標平均整流電力<PPFC>*を基に目標入力電流iG *(図示しない)を算出し、インダクタ電流差からPFC出力デューティ比dBを求め、これを出力端54cから出力する。出力されたPFC出力デューティ比dBは、パルス幅変調器(図示しない)を介してPFC整流回路10に入力されて所望の制御が実現する。
入力された目標モータ電力<PINV>*を基にインバータ出力デューティ比dU、dVおよびdWを求め、これらをそれぞれ第1出力端68c、第2出力端68dおよび第3出力端68eから出力する。出力されたインバータ出力デューティ比dU、dVおよびdWは、パルス幅変調器(図示しない)を介してインバータ30に入力されて所望の制御が実現する。
vG=VG・sin(2πfGt)
力率=1条件を満足するために、PFC整流回路10に入力される入力電流iGは、vGと同一の周波数および同一の位相を持つ正弦波となるように制御される。すなわちiGは、振幅をIGとおくと、以下のように表される。
iG=IG・sin(2πfGt)
従って、PFC整流回路10に入力される入力電力pGは、以下のようになる。
pG=vG・iG=VG・sin(2πfGt)・IG・sin(2πfGt)=P0・(1-cos(2π・2fGt))
ただしP0=VG・IG/2とおいた。
このように入力電力pGは、入力電圧vGの周波数fGの2倍の周波数2fGで振動する。一方モータ電力pMは、時間的に一定な値P0(入力電力pGの平均値)となるように第2制御部60によって制御されている。
DCリンクキャパシタ24は、内部に静電エネルギーECを蓄積する。
EC=1/2・CDC・vDC 2
ただしDCリンクキャパシタ24の容量をCDCとおいた。
これにより、DCリンク20にコンデンサ電流iCが流れる。そしてDCリンク電圧vDCには、入力電圧vGの周波数fGの2倍の周波数2fGで振動するDCリンク電圧脈動ΔvDC(リップル)が発生する。DCリンク電圧脈動ΔvDCは、平均出力電力P0、平均DCリンク電圧VDC、入力電圧vGの周波数fGおよびDCリンクキャパシタ24の容量CDCに依存し、以下のように表される
本発明の実施の形態に係る電圧制御について説明する。
図5は、図1のAC-AC電力変換装置100の制御部を示すブロック図である。DCリンク電圧制御部42は、第1入力端42bと、第2入力端42cと、出力端42dと、を備える。PFC整流回路制御部44は、入力端44bと、出力端44cと、を備える。速度制御部46は、第1入力端46bと、第2入力端46cと、出力端46dと、を備える。インバータ制御部48は、入力端48bと、第1出力端48cと、第2出力端48dと、第3出力端48eと、を備える。制御部40は、DCリンク電圧制御部42の出力端42dと、PFC整流回路制御部44の入力端44bとの間に、ローパスフィルタ43aを備える。制御部40は、速度制御部46の第2入力端46cの前段に、ローパスフィルタ43bを備える。
EKIN=1/2・JTOT・ω2
逆にモータトルクtMが負荷トルクtL=T0より小さいとき負荷500は減速され、負荷500が持つ運動エネルギーEKINはモータ400に供給される。こうしてモータ400の速度ωは、平均速度Ωを中心に周波数2fGで振動する脈動(リップル)Δωを持つ。このモータ速度の脈動Δωは、平均モータ電力P0、平均速度Ω、入力電圧vGの周波数fGおよびイナーシャJTOTに依存し、以下のように表される。
前述の実施の形態では、入力電力およびDCリンク電力の脈動をモータに入力し、モータまたはその負荷のイナーシャを用いてDCリンクの電圧脈動を補償したが、本発明はこれに限られない。例えば、DCリンクの脈動のみが抽出されて、モータに入力されてもよい。この場合も、モータまたはその負荷のイナーシャを用いてDCリンクの電圧脈動を吸収し補償することができる。
前述の実施の形態では、DCリンク電圧の脈動をすべてモータを用いて補償した。しかしながら、モータによる補償には、前述のようにモータの速度が入力電圧の周波数の2倍の周波数で脈動するというトレードオフが伴う(図6(c))。これはアプリケーションによっては好ましくない場合もある。モータ速度の脈動を抑制するために、入力電力脈動の全部でなく一部のみをモータで補償し、残りをDCリンクキャパシタで補償してもよい。
pM,AC=k・pPFC,AC
ただしpM,AC、pPFC,ACはそれぞれ、モータ電力pMと整流電力PPFCの平均値からの変動を表す(pM=<pM>+pM,AC、PPFC=<PPFC>+pPFC,AC)。
従ってモータ出力は以下のようになる。
pM=<pM>+pM,AC=<pM>+k・pPFC,AC=<PPFC>-<pc>+k・(PPFC-<PPFC>)
=k・pPFC,AC-<pc>+(1-k)・<PPFC>
分配係数kを適当な値で選択することにより、モータとDCリンクキャパシタとの間で、所望の割合でDCリンク電圧脈動の補償を分配することができる。
pM *=k・pPFC-<PC>*+(1-k)<PPFC>*
前述の実施の形態では、入力電圧の周波数の2倍の周波数で振動するDCリンク電圧の脈動をモータで補償することにより、DCリンク電圧の平滑化を実現した。しかしながら実際の実現形態では、DCリンク電圧の脈動が入力電圧の周波数の4倍(2次高周波)、8倍(4次高周波)、12倍(6次高周波)といった高周波成分を持つこともある。これらの高周波成分が共振することによって発生する高周波ノイズは、前述の手法だけでは完全に抑制することができない。この場合、DCリンクキャパシタ電圧の完全な平滑化は困難となる。これを解決するために、高周波ノイズを抑制するための共振制御が、DCリンク電圧制御に追加されてもよい。
共振制御部49からは、各次数の高周波に関する目標キャパシタ電力が出力される。出力された各次数の高周波に関する目標キャパシタ電力は、DCリンク電圧制御部42から出力された目標キャパシタ電力に加算される。これにより高周波ノイズが抑制された目標キャパシタ電力PC *が生成される。その他の制御と信号の流れは、図5の制御部40と共通である。
前述の実施の形態では、DCリンク電圧は入力電圧と同じであった。本発明の電圧制御によれば、DCリンクの直流電圧の脈動が抑制されているため、例えばDCリンクの後段に直流昇圧回路を配置することにより、目標DCリンク電圧を入力電圧より高い値に設定することができる。
本発明の一変形例は、AC-AC電力変換システムを制御する方法である。すなわち本発明のある態様の方法は、AC-AC電力変換システムを制御する方法であって、AC-AC電力変換システムは、単相交流電圧を整流して整流電圧を生成する整流回路と、整流電圧から三相交流電圧を生成するインバータと、整流回路とインバータとの間の中間段階としてのDCリンクキャパシタと、を備え、該方法は、単相交流電圧から正弦波の入力電流を生成するステップと、平均入力電力および入力電力の脈動をインバータの出力側に供給するステップと、整流電圧を基準整流電圧に一致させるステップと、を備える。
本発明の一変形例は、AC-AC電力変換システムを制御する方法である。すなわち本発明のある態様の方法は、AC-AC電力変換システムを制御する方法であって、AC-AC電力変換システムは、単相交流電圧を整流して整流電圧を生成する整流回路と、整流電圧から三相交流電圧を生成するインバータと、入力電力の脈動の一部を補償するためのDCリンクキャパシタと、を備え、該方法は、単相交流電圧から正弦波の入力電流を生成するステップと、平均入力電力および入力電力の脈動の調整可能な部分をインバータの出力側に供給するステップと、平均整流電圧を基準整流電圧に一致させるステップと、を備える。
Claims (7)
- 第1の交流電圧を第2の交流電圧に変換するAC-AC電力変換装置であって、
前記第1の交流電圧を整流して整流電圧を生成する整流回路と、
前記整流電圧から前記第2の交流電圧を生成するインバータと、
前記整流回路および前記インバータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、目標整流電力から目標キャパシタ電力を減算した目標モータ電力を基に、前記第1の交流電圧が発生する電力および前記整流電圧が発生する電力の持つ脈動を外部機器に出力するように前記整流回路および前記インバータを制御する
ことを特徴とするAC-AC電力変換装置。 - 第1の交流電圧を第2の交流電圧に変換するAC-AC電力変換装置であって、
前記第1の交流電圧を整流して整流電圧を生成する整流回路と、
前記整流電圧から前記第2の交流電圧を生成するインバータと、
前記整流回路および前記インバータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、目標整流電力から目標キャパシタ電力を減算した目標モータ電力を基に、前記整流電圧が発生する電力の持つ脈動を外部機器に出力するように前記整流回路および前記インバータを制御する
ことを特徴とするAC-AC電力変換装置。 - 前記整流回路は、前記第1の交流電圧を整流してDCリンク電圧を生成し、
前記制御部には、モータの目標平均速度と現在の平均速度とが入力され、
前記制御部は、目標DCリンク電圧と現在のDCリンク電圧との差分を基に、前記目標キャパシタ電力を求め、
前記モータの目標平均速度と現在の平均速度とに基づいて目標平均インバータ出力を求め、
前記DCリンク電圧の脈動がゼロとなり、前記インバータの出力電力が前記整流回路の入力電力と一致するように前記整流回路と前記インバータとを制御することを特徴とする請求項1または2に記載のAC-AC電力変換装置。 - 前記整流回路と前記インバータとの間に、DCリンクキャパシタを備えるDCリンクが設けられている
ことを特徴とする請求項1または2に記載のAC-AC電力変換装置。 - 前記制御部は、前記第1の交流電圧が発生する電力の値を、外部機器と前記DCリンクとに分散して出力するように前記整流回路および前記インバータを制御する
ことを特徴とする請求項4に記載のAC-AC電力変換装置。 - 前記制御部は、前記整流回路に出力される電力の脈動値に含まれる高周波を抑制する共振制御部をさらに備える
ことを特徴とする請求項1または2に記載のAC-AC電力変換装置。 - 前記整流回路と前記インバータとの間に、昇圧回路が設けられている
ことを特徴とする請求項1または2に記載のAC-AC電力変換装置。
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US20010001227A1 (en) | 1998-04-02 | 2001-05-17 | Yasuo Notohara | Motor controller |
JP2012151962A (ja) | 2011-01-18 | 2012-08-09 | Daikin Ind Ltd | 電力変換装置 |
JP2015084637A (ja) | 2013-09-19 | 2015-04-30 | ダイキン工業株式会社 | 電力変換装置 |
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