JP7351196B2 - Power converter and control method for power converter - Google Patents

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本発明は、モータが備える磁気軸受用の磁気浮上コイルを駆動する電力変換装置及び電力変換装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device that drives a magnetic levitation coil for a magnetic bearing included in a motor, and a method of controlling the power conversion device.

市場の省エネ要求の高まりに伴い、動力源として多く用いられるモータの運転状態に合わせて最適な回転速度、モータ出力などを調整する機能を有する電力変換装置の併用が一般的になっている。電力変換装置は、例えば工作機械、ロボットなどに設けられるものだけでなく、コントローラによって制御されるサーボ、インバータなどがある。電力変換装置は、回転速度、回転トルクなどを柔軟に調整できるため、近年では、ファン、ポンプをより高速に回転させて新しい用途に展開する電力変換装置の応用分野が登場してきた。具体的には、電力変換装置は、高速回転用モータ、ガスタービン用モータなどの駆動に利用される。 With the increasing demand for energy saving in the market, it has become common to use a power converter that has the function of adjusting the optimal rotational speed, motor output, etc. according to the operating state of the motor, which is often used as a power source. Power conversion devices include, for example, not only those installed in machine tools and robots, but also servos, inverters, and the like controlled by controllers. Power converters can flexibly adjust rotational speed, rotational torque, etc., and in recent years, applications have emerged for power converters that allow fans and pumps to rotate at higher speeds and are used for new applications. Specifically, power converters are used to drive high-speed rotation motors, gas turbine motors, and the like.

高速回転用モータを用いることで、モータのサイズを小さくすることができる。高速回転が要求されるガスタービンの駆動源として、エンジンの代わりにガスタービン用モータを用いることで、ガスタービンを電動化できるため、ガスタービンの応答性が向上し、かつ高速回転が可能になる。ただし、モータを高速回転させる場合、回転速度が一定速度以上になると軸受の摩擦の影響が無視できなくなりロータを回転させることが困難になる。非特許文献1には、ロータのシャフトを磁力によって浮上させる磁気軸受に流れる電流を高精度に制御する技術が開示されている。 By using a high-speed rotation motor, the size of the motor can be reduced. By using a gas turbine motor instead of an engine as the drive source for gas turbines that require high-speed rotation, it is possible to electrify the gas turbine, improving the responsiveness of the gas turbine and enabling high-speed rotation. . However, when the motor is rotated at high speed, when the rotation speed exceeds a certain speed, the influence of friction of the bearing cannot be ignored and it becomes difficult to rotate the rotor. Non-Patent Document 1 discloses a technique for highly accurately controlling the current flowing through a magnetic bearing that levitates the shaft of a rotor by magnetic force.

「MUTEC 磁気軸受コントローラ」[令和1年7月30日検索]インターネット<URL: http://www.mutecs.co.jp/products/mbc.html>"MUTEC Magnetic Bearing Controller" [Retrieved on July 30, 2021] Internet <URL: http://www.mutecs.co.jp/products/mbc.html>

しかしながら、この種の従来技術では、磁気軸受に使用されるコイルを励磁する必要があり、さらにX軸とY軸の合計2軸のコイルに流す電流を制御する必要があり、この制御のために単相インバータを2つ使用する必要がある。さらに従来技術では、シャフトの磁気浮上位置を検出する距離センサなどで検出された検出信号をフィードバックしてシャフトの位置を制御する必要がある。このため、2つのインバータを精密に制御する電力変換装置は、大量生産されるものではないため専用設計品となり、製造コストが高くなるという課題があった。 However, in this type of conventional technology, it is necessary to excite the coil used in the magnetic bearing, and it is also necessary to control the current flowing through the coils for a total of two axes, the X axis and the Y axis. It is necessary to use two single-phase inverters. Further, in the conventional technology, it is necessary to control the position of the shaft by feeding back a detection signal detected by a distance sensor or the like that detects the magnetically levitated position of the shaft. For this reason, the power conversion device that precisely controls the two inverters is not mass-produced and is a specially designed product, which poses a problem of high manufacturing costs.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造コストの上昇を抑制できる電力変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power conversion device that can suppress increases in manufacturing costs.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、モータのシャフトを非接触で支持する磁気軸受が有する第1コイル及び第2コイルに流れる電流を制御する電力変換装置であって、直列接続される第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続点に前記第1コイルの一端が接続される第1上下アームと、直列接続される第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子を有し前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続点に前記第1コイルの他端と前記第2コイルの一端とが接続される第2上下アームと、直列接続される第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子を有し前記第5スイッチング素子と前記第6スイッチング素子との接続点に前記第2コイルの他端が接続される第3上下アームと、を有する主回路と、前記第2上下アームのデューティ比を0%から100%までの何れかの値に固定したパルス幅変調信号と、前記第1上下アーム及び前記第3上下アームのそれぞれのデューティ比を変化させるパルス幅変調信号とを生成することで、前記第1スイッチング素子~前記第6スイッチング素子のそれぞれのオンオフ動作を制御する制御回路と、を備える。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the objects, a power conversion device according to the present invention provides a power conversion device that controls current flowing through a first coil and a second coil included in a magnetic bearing that supports a motor shaft in a non-contact manner. The device includes a first switching element and a second switching element connected in series, and one end of the first coil is connected to a connection point between the first switching element and the second switching element. an arm, and a third switching element and a fourth switching element connected in series, and the other end of the first coil and one end of the second coil are connected to a connection point between the third switching element and the fourth switching element. and a fifth switching element and a sixth switching element connected in series, the other end of the second coil being connected to a connection point between the fifth switching element and the sixth switching element. a main circuit having a third upper and lower arm connected to the main circuit; a pulse width modulation signal that fixes the duty ratio of the second upper and lower arms to any value from 0% to 100%; and a control circuit that controls on/off operations of each of the first to sixth switching elements by generating a pulse width modulation signal that changes the duty ratio of each of the third upper and lower arms.

本発明によれば、製造コストの上昇を抑制できる、という効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to suppress an increase in manufacturing costs.

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成図Configuration diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention 磁気軸受とシャフトの配置関係を示す第1図Figure 1 shows the arrangement of the magnetic bearing and shaft. 磁気軸受とシャフトの配置関係を示す第2図Figure 2 shows the arrangement relationship between the magnetic bearing and the shaft. 制御回路の機能ブロック図Functional block diagram of control circuit 制御回路の動作を説明するためのフローチャートFlowchart to explain the operation of the control circuit PWM信号のパルスパターンの一例を示す図Diagram showing an example of a pulse pattern of a PWM signal 図4の三角波比較部で比較されるキャリアの波形の一例を示す図A diagram showing an example of carrier waveforms compared in the triangular wave comparison section of FIG. 4. コイル11aに+方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図A diagram showing the operating state of the switching element when a current in the + direction flows through the coil 11a. コイル11aに-方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図A diagram showing the operating state of the switching element when a current in the − direction flows through the coil 11a. コイル12aに+方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図A diagram showing the operating state of the switching element when a current in the + direction flows through the coil 12a. コイル12aに-方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図A diagram showing the operating state of the switching element when a current in the − direction flows through the coil 12a. 指令電流をU相=2A、W相=-1Aで制御した場合のPWM信号の波形を示す図A diagram showing the waveform of the PWM signal when the command current is controlled at U phase = 2A and W phase = -1A. 本発明の実施の形態に係る電力変換装置の比較例の構成図Configuration diagram of a comparative example of a power conversion device according to an embodiment of the present invention 電流方向とデューティ比の関係を説明するための図Diagram to explain the relationship between current direction and duty ratio

以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置及び電力変換装置の制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the power converter device and the control method of a power converter device which concern on embodiment of this invention are demonstrated in detail based on drawing. Note that the present invention is not limited to this embodiment.

(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成図である。電力変換装置100は、高速回転するモータ300の磁気軸受用のコイル11a及びコイル12aへ供給する電流を制御する装置である。電力変換装置100には3相交流電源200が接続され、電力変換装置100は、3相交流電源200から供給される3相交流電流を所望の値の交流電流に変換してコイル11a及びコイル12aに供給する。なお、モータ300が備える不図示のロータの回転制御は、不図示のインバータ装置などにより行われる。
(Embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. The power conversion device 100 is a device that controls current supplied to the magnetic bearing coils 11a and 12a of the motor 300 that rotates at high speed. A 3-phase AC power supply 200 is connected to the power conversion device 100, and the power conversion device 100 converts the 3-phase AC current supplied from the 3-phase AC power supply 200 into an AC current of a desired value, and converts the 3-phase AC current supplied from the 3-phase AC power supply 200 into an AC current of a desired value, and then converts the 3-phase AC current supplied from the 3-phase AC power supply 200 into an AC current of a desired value. supply to. Note that rotation control of a rotor (not shown) included in the motor 300 is performed by an inverter device (not shown) or the like.

整流回路1は、3相交流電源200からの3相交流電圧を整流し、整流した電圧を直流母線(正極側直流母線P及び負極側直流母線N)を介して、主回路2に入力する。なお、電力変換装置100は、整流回路1を備えているが、整流回路1の代わり、不図示の直流電源から供給される直流電圧を主回路2に入力するように構成してもよい。この場合、当該直流電源の正極が正極側直流母線Pに接続され、直流電源の負極が負極側直流母線Nに接続される。 The rectifier circuit 1 rectifies a three-phase AC voltage from a three-phase AC power supply 200, and inputs the rectified voltage to the main circuit 2 via a DC bus (a positive DC bus P and a negative DC bus N). Although the power conversion device 100 includes the rectifier circuit 1, the main circuit 2 may be configured to receive a DC voltage supplied from a DC power source (not shown) instead of the rectifier circuit 1. In this case, the positive pole of the DC power supply is connected to the positive DC bus P, and the negative pole of the DC power supply is connected to the negative DC bus N.

主回路2は、正極側直流母線P及び負極側直流母線Nを介して、整流回路1から供給される電圧を3相交流電圧に変換する一般的な3相インバータ主回路である。 The main circuit 2 is a general three-phase inverter main circuit that converts the voltage supplied from the rectifier circuit 1 into a three-phase AC voltage via a positive DC bus P and a negative DC bus N.

主回路2は、第1上下アーム8a、第2上下アーム8b及び第3上下アーム8cを備える。第1上下アーム8a、第2上下アーム8b及び第3上下アーム8cを構成する6つのスイッチング素子S~Sは、3相ブリッジ接続されたスイッチング素子群である。 The main circuit 2 includes a first upper and lower arm 8a, a second upper and lower arm 8b, and a third upper and lower arm 8c. The six switching elements S 1 to S 6 that constitute the first upper and lower arms 8a, the second upper and lower arms 8b, and the third upper and lower arms 8c are a group of switching elements connected in a three-phase bridge.

3つのスイッチング素子S, 3, 5のそれぞれは、正極側直流母線Pに接続されるハイサイドスイッチング素子(上アーム)である。3つのスイッチング素子S, , のそれぞれは、負極側直流母線Nに接続されるローサイドスイッチング素子(下アーム)である。以下では、複数のスイッチング素子S~Sのそれぞれを区別しない場合、単に「スイッチング素子」と称する場合がある。スイッチング素子は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などである。スイッチング素子は、それぞれ、ゲート駆動回路6から入力されるゲート駆動信号に従って、オン又はオフ状態となる。 3 switching elements S1, S3, SFiveEach of these is a high-side switching element (upper arm) connected to the positive DC bus P. 3 switching elements S2, S4, S6Each of these is a low-side switching element (lower arm) connected to the negative DC bus N. In the following, a plurality of switching elements S1~S6If not distinguished from each other, they may be simply referred to as "switching elements." The switching element is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or the like. The switching elements are respectively turned on or off according to gate drive signals input from the gate drive circuit 6.

第1上下アーム8aは、直列接続されるスイッチング素子S(第1スイッチング素子)及びスイッチング素子S(第2スイッチング素子)を有する。スイッチング素子S及びスイッチング素子Sの接続点7aには、3相配線7の内、U相配線の一端が接続される。接続点7aは、U相配線を介して、コイル11a(第1コイル)の一端に電気的に接続される。 The first upper and lower arms 8a include a switching element S 1 (first switching element) and a switching element S 2 (second switching element) connected in series. One end of the U-phase wiring of the three-phase wiring 7 is connected to the connection point 7a between the switching element S1 and the switching element S2 . The connection point 7a is electrically connected to one end of the coil 11a (first coil) via the U-phase wiring.

第2上下アーム8bは、直列接続されるスイッチング素子S(第3スイッチング素子)及びスイッチング素子S(第4スイッチング素子)を有する。スイッチング素子S及びスイッチング素子Sの接続点7bには、3相配線7の内、V相配線の一端が接続される。接続点7bは、V相配線を介して、コイル11aの他端と、コイル12a(第2コイル)の一端とに電気的に接続される。 The second upper and lower arms 8b include a switching element S 3 (third switching element) and a switching element S 4 (fourth switching element) that are connected in series. One end of the V-phase wiring of the three- phase wiring 7 is connected to the connection point 7b between the switching element S3 and the switching element S4 . Connection point 7b is electrically connected to the other end of coil 11a and one end of coil 12a (second coil) via V-phase wiring.

第3上下アーム8cは、直列接続されるスイッチング素子S(第5スイッチング素子)及びスイッチング素子S(第6スイッチング素子)を有する。スイッチング素子S及びスイッチング素子Sの接続点7cには、3相配線7の内、W相配線の一端が接続される。接続点7cは、W相配線を介して、コイル12aの他端に電気的に接続される。 The third upper and lower arms 8c include a switching element S5 (fifth switching element) and a switching element S6 (sixth switching element) connected in series. One end of the W-phase wiring of the three-phase wiring 7 is connected to the connection point 7c between the switching element S5 and the switching element S6 . Connection point 7c is electrically connected to the other end of coil 12a via W-phase wiring.

図1に示すように、3相配線7の内、V相配線は、コイル11a及びコイル12aのそれぞれの端部に接続されるため、コイル11a及びコイル12aの共通配線(コモン配線)として使用されている。このような接続構成により、後述する単相用電力変換装置を2台利用しなくとも、汎用のインバータ主回路(主回路2)を備えた1台の電力変換装置100のみで、磁気軸受用の磁気浮上コイルであるコイル11a及びコイル12aへの通電制御が可能となる。 As shown in FIG. 1, of the three-phase wiring 7, the V-phase wiring is connected to each end of the coil 11a and the coil 12a, so it is used as a common wiring for the coil 11a and the coil 12a. ing. With such a connection configuration, one power converter 100 equipped with a general-purpose inverter main circuit (main circuit 2) can perform magnetic bearings without using two single-phase power converters (described later). It becomes possible to control the energization of the coils 11a and 12a, which are magnetic levitation coils.

ゲート駆動回路6は、制御回路5から入力されるパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)信号を、スイッチング素子を駆動可能な値の電圧信号であるゲート駆動信号に変換して、スイッチング素子に入力する回路である。 The gate drive circuit 6 converts a pulse width modulation (PWM) signal input from the control circuit 5 into a gate drive signal that is a voltage signal with a value that can drive the switching element, and inputs the gate drive signal to the switching element. This is a circuit that does this.

制御回路5は、主回路2を構成する複数のスイッチング素子S~Sのオンオフ動作を制御するための複数のPWM信号を生成して出力する回路である。制御回路5は、例えばFPGA(Field-Programmable Gate Array)で構成される。なお制御回路5は、FPGA以外にも、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)で構成されたものでもよいし、これらを組み合わせたものでもよい。 The control circuit 5 is a circuit that generates and outputs a plurality of PWM signals for controlling the on/off operations of the plurality of switching elements S 1 to S 6 forming the main circuit 2. The control circuit 5 is composed of, for example, an FPGA (Field-Programmable Gate Array). In addition to FPGA, the control circuit 5 may be composed of a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or a combination of these. It can be anything.

制御回路5は、ADC(Analog to Digital Converter)などのアナログ変換IC(Integrated Circuit)を搭載しており、電流値(電流センサ4の検出値Iu、Iw)、電圧値(電圧センサ3の検出値)、磁気浮上しているロータのシャフトからコイル11a又はコイル12aまでの距離の値(不図示の距離センサの検出値Du、Dw)など取得し、制御ソフトウェアを用いて所定の演算を行う。所定の演算により、三角波比較法、空間ベクトル変調法などのPWM生成方式を使用して、複数のスイッチング素子のそれぞれに対応するPWM信号が生成され、生成された複数のPWM信号は、ゲート駆動回路6に入力される。 The control circuit 5 is equipped with an analog conversion IC (Integrated Circuit) such as an ADC (Analog to Digital Converter), and converts current values (detected values Iu and Iw of the current sensor 4) and voltage values (detected values of the voltage sensor 3). ), the value of the distance from the shaft of the magnetically levitated rotor to the coil 11a or the coil 12a (detected values Du, Dw of a distance sensor (not shown)), etc. are acquired, and predetermined calculations are performed using control software. Through predetermined calculations, PWM signals corresponding to each of the plurality of switching elements are generated using a PWM generation method such as the triangular wave comparison method or the space vector modulation method, and the plurality of generated PWM signals are sent to the gate drive circuit. 6 is input.

複数のPWM信号には、3つの上アームPWM信号と3つの下アームPWM信号とが含まれる。3つの上アームPWM信号は、上アームを構成する3つのスイッチング素子S, 3, 5のそれぞれをオンオフ制御するための信号である。3つの下アームPWM信号は、下アームを構成する3つのスイッチング素子S, , のそれぞれをオンオフ制御するための信号である。これらのPWM信号により、各上下アームのそれぞれを構成する2つのスイッチング素子は、相補的に動作する。 The plurality of PWM signals include three upper arm PWM signals and three lower arm PWM signals. The three upper arm PWM signals are sent to the three switching elements S constituting the upper arm.1, S3, SFiveThis is a signal for on/off control of each of the following. The three lower arm PWM signals are sent to the three switching elements S constituting the lower arm.2, S4, S6This is a signal for on/off control of each of the following. These PWM signals cause the two switching elements forming each of the upper and lower arms to operate in a complementary manner.

電圧センサ3は、直流母線に印加される電圧を検出し、検出した電圧値を電圧センサ3の検出値として、制御回路5に入力する。 The voltage sensor 3 detects the voltage applied to the DC bus, and inputs the detected voltage value to the control circuit 5 as the detection value of the voltage sensor 3.

電流センサ4は、コイル11a及びコイル12aのそれぞれに流れる電流を検出するため、例えば主回路2とモータ300とを接続する3相配線7のそれぞれに設けられるシャント抵抗などの電流検出素子である。シャント抵抗は、検出した電流の値を示す情報を電流検出値として制御回路5に入力する。なお、電流センサ4は、各相の電流を検出できるものであればよくCT(Current Transformer)等のセンサでもよい。なお、電流の検出は、3相のうち2相の電流のみを検出し、残りの1相の電流はモータ電流が3相平衡であることを利用して演算して求めてもよい。 The current sensor 4 is a current detection element such as a shunt resistor provided in each of the three-phase wiring 7 connecting the main circuit 2 and the motor 300, for example, in order to detect the current flowing through each of the coils 11a and 12a. The shunt resistor inputs information indicating the value of the detected current to the control circuit 5 as a current detection value. Note that the current sensor 4 may be any sensor such as a CT (Current Transformer) as long as it can detect the current of each phase. Note that the current may be detected by detecting only the currents of two of the three phases, and calculating the current of the remaining one phase by utilizing the fact that the motor current is in three-phase balance.

このように電力変換装置100は、汎用の整流回路1、主回路2、及びゲート駆動回路6を有して構成されている。 In this way, the power conversion device 100 is configured to include a general-purpose rectifier circuit 1, a main circuit 2, and a gate drive circuit 6.

次に図2及び図3を参照して、コイル11a及びコイル12aを備えたモータ300の構成を説明する。 Next, the configuration of the motor 300 including the coil 11a and the coil 12a will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図2は磁気軸受とシャフトの配置関係を示す第1図である。図3は磁気軸受とシャフトの配置関係を示す第2図である。図2及び図3において、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向は、それぞれ、X軸に平行な方向、Y軸に平行な方向、Z軸に平行な方向を表す。X軸方向とY軸方向とZ軸方向は、互いに直交する。XY平面、YZ平面、ZX平面は、それぞれ、X軸方向及びY軸方向に平行な仮想平面、Y軸方向及びZ軸方向に平行な仮想平面、Z軸方向及びX軸方向に平行な仮想平面を表す。X軸方向のうち、矢印で示す方向はプラスX軸方向とし、当該方向とは逆の方向はマイナスX軸方向とする。Y軸方向のうち、矢印で示す方向はプラスY軸方向とし、当該方向とは逆の方向はマイナスY軸方向とする。Z軸方向のうち、矢印で示す方向はプラスZ軸方向とし、当該方向とは逆の方向はマイナスZ軸方向とする。なお、図2及び図3では、モータ300を構成するステータ(フレーム13の内側面に設けられる固定子鉄心)及びロータ(シャフト10の外周面に設けられる回転子)の図示を省略している。 FIG. 2 is a first diagram showing the arrangement relationship between the magnetic bearing and the shaft. FIG. 3 is a second diagram showing the arrangement relationship between the magnetic bearing and the shaft. In FIGS. 2 and 3, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction represent a direction parallel to the X-axis, a direction parallel to the Y-axis, and a direction parallel to the Z-axis, respectively. The X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are orthogonal to each other. The XY plane, YZ plane, and ZX plane are, respectively, a virtual plane parallel to the X-axis direction and the Y-axis direction, a virtual plane parallel to the Y-axis direction and the Z-axis direction, and a virtual plane parallel to the Z-axis direction and the X-axis direction. represents. Among the X-axis directions, the direction indicated by the arrow is the plus X-axis direction, and the opposite direction is the minus X-axis direction. Among the Y-axis directions, the direction indicated by the arrow is the positive Y-axis direction, and the direction opposite to this direction is the negative Y-axis direction. Among the Z-axis directions, the direction indicated by the arrow is the plus Z-axis direction, and the opposite direction is the minus Z-axis direction. Note that in FIGS. 2 and 3, illustrations of a stator (a stator core provided on the inner surface of the frame 13) and a rotor (a rotor provided on the outer peripheral surface of the shaft 10) that constitute the motor 300 are omitted.

2つの磁気軸受11のそれぞれは、鉄心11bと鉄心11bに巻かれたコイル11aとを備える。2つの磁気軸受11は、シャフト10を挟み込むように互いに対向してX軸方向に離れて配置される。図2に示す2つのコイル11aの内、一方のコイル11aには第1交流電流が供給され、他方のコイル11aには不図示の第1電流反転回路で反転された第2交流電流が供給される。これにより、一方のコイル11aにはシャフト10を吸引する磁気力が発生し、他方のコイル11aにはシャフト10を反発する磁気力が発生する。その結果、シャフト10を非接触でX軸方向に支持できる。 Each of the two magnetic bearings 11 includes an iron core 11b and a coil 11a wound around the iron core 11b. The two magnetic bearings 11 are arranged opposite to each other and separated in the X-axis direction so as to sandwich the shaft 10 therebetween. Among the two coils 11a shown in FIG. 2, one coil 11a is supplied with a first alternating current, and the other coil 11a is supplied with a second alternating current that has been inverted by a first current inverting circuit (not shown). Ru. As a result, a magnetic force that attracts the shaft 10 is generated in one coil 11a, and a magnetic force that repels the shaft 10 is generated in the other coil 11a. As a result, the shaft 10 can be supported in the X-axis direction without contact.

2つの磁気軸受12のそれぞれは、鉄心12bと鉄心12bに巻かれたコイル12aとを備える。2つの磁気軸受12は、シャフト10を挟み込むように互いに対向してY軸方向に離れて配置される。図2に示す2つのコイル12aの内、一方のコイル12aには第3交流電流が供給され、他方のコイル12aには不図示の第2電流反転回路で反転された第3交流電流が供給される。これにより、一方のコイル12aにはシャフト10を吸引する磁気力が発生し、他方のコイル12aにはシャフト10を反発する磁気力が発生する。その結果、シャフト10を非接触でY軸方向に支持できる。 Each of the two magnetic bearings 12 includes an iron core 12b and a coil 12a wound around the iron core 12b. The two magnetic bearings 12 are arranged opposite to each other and separated in the Y-axis direction so as to sandwich the shaft 10 therebetween. Among the two coils 12a shown in FIG. 2, one coil 12a is supplied with a third alternating current, and the other coil 12a is supplied with a third alternating current that has been inverted by a second current inverting circuit (not shown). Ru. As a result, a magnetic force that attracts the shaft 10 is generated in one coil 12a, and a magnetic force that repels the shaft 10 is generated in the other coil 12a. As a result, the shaft 10 can be supported in the Y-axis direction without contact.

制御回路5は、コイル11a及びコイル12aに流れる電流を調整することで、シャフト10に作用する径方向(シャフトの延伸方向と直交する方向、すなわちXY平面と平行な方向)への磁力が調整され、シャフト10を非接触状態で支持できる。 The control circuit 5 adjusts the magnetic force acting on the shaft 10 in the radial direction (the direction perpendicular to the direction in which the shaft extends, that is, the direction parallel to the XY plane) by adjusting the current flowing through the coils 11a and 12a. , the shaft 10 can be supported in a non-contact manner.

なお、少なくともシャフト10の軸方向(Z軸方向)の2箇所を回転可能に支持できるように、磁気軸受11及び磁気軸受12のそれぞれは、シャフト10のZ軸方向に互いに離れて2組以上配置される。図3では、Z軸方向に互いに離れて配置される2組の磁気軸受12が示されている。なお、図3では図示を省略しているが、磁気軸受11も同様にZ軸方向に互いに離れて2組配置されている。これら2組の磁気軸受12及び磁気軸受11によってシャフト10を非接触で支持するためには、図1に示す電力変換装置100が2台利用される。 In addition, in order to rotatably support at least two locations in the axial direction (Z-axis direction) of the shaft 10, two or more magnetic bearings 11 and two or more magnetic bearings 12 are arranged apart from each other in the Z-axis direction of the shaft 10. be done. In FIG. 3, two sets of magnetic bearings 12 are shown spaced apart from each other in the Z-axis direction. Although not shown in FIG. 3, two sets of magnetic bearings 11 are similarly arranged apart from each other in the Z-axis direction. In order to support the shaft 10 in a non-contact manner by these two sets of magnetic bearings 12 and magnetic bearings 11, two power conversion devices 100 shown in FIG. 1 are used.

図2に示すように、モータ300には、磁気軸受11及び磁気軸受12以外にも、磁気軸受11とシャフト10との間のラジアル方向の距離(ギャップ)を、例えば磁気力によって検出する距離センサ14、磁気軸受12とシャフト10との間の距離を磁気力によって検出する距離センサ15などが設けられている。距離センサ14及び距離センサ15は、例えば図3に示すフレーム13に固定される。距離センサ14及び距離センサ15は、ギャップセンサとも呼ばれ、非接触で測定対象物(シャフト10)と磁気軸受との微小な距離間隔を測定する変位センサの一種である。なお、距離センサ14及び距離センサ15は、磁気力で距離を検出する方式以外にも、静電容量式、超音波式、光学式などがあり、何れの方式を採用してもよい。 As shown in FIG. 2, in addition to the magnetic bearing 11 and the magnetic bearing 12, the motor 300 includes a distance sensor that detects the distance (gap) in the radial direction between the magnetic bearing 11 and the shaft 10 using, for example, magnetic force. 14, a distance sensor 15 for detecting the distance between the magnetic bearing 12 and the shaft 10 using magnetic force is provided. The distance sensor 14 and the distance sensor 15 are fixed to the frame 13 shown in FIG. 3, for example. The distance sensor 14 and the distance sensor 15 are also called gap sensors, and are a type of displacement sensor that non-contactly measures a minute distance between the object to be measured (shaft 10) and the magnetic bearing. Note that the distance sensor 14 and the distance sensor 15 may be of a capacitive type, an ultrasonic type, an optical type, etc. in addition to a method of detecting distance using magnetic force, and any of these methods may be adopted.

また、モータ300には、給電停止時などに磁気軸受11及び磁気軸受12に代わってシャフトを支持する不図示のタッチダウン軸受が設けられているものとする。 It is also assumed that the motor 300 is provided with a touchdown bearing (not shown) that supports the shaft in place of the magnetic bearings 11 and 12 when power supply is stopped.

次に図4を参照して制御回路5の構成例について説明する。図4は制御回路の機能ブロック図である。なお、ここでは、V相の上下アームのオンデューティ(Duty)比を50%に固定して、U相及びW相のそれぞれの上下アームのDuty比を変化させることで、U相とV相の間に接続されるコイル11aに流れる電流を制御すると共に、W相とV相の間に接続されるコイル12aに流れる電流を制御する構成例について説明する。Duty比は、制御回路5により生成されるPWM信号の周期(パルス周期)に対するPWM信号のパルス幅(オン時間)の割合である。 Next, a configuration example of the control circuit 5 will be described with reference to FIG. 4. FIG. 4 is a functional block diagram of the control circuit. Note that here, by fixing the on-duty ratio of the upper and lower arms of the V phase to 50% and changing the duty ratio of the upper and lower arms of the U phase and W phase, the U phase and V phase A configuration example will be described in which the current flowing through the coil 11a connected between the W phase and the V phase is controlled, and the current flowing through the coil 12a connected between the W phase and the V phase is controlled. The duty ratio is the ratio of the pulse width (on time) of the PWM signal to the period (pulse period) of the PWM signal generated by the control circuit 5.

汎用のインバータでは、例えば3相のモータを駆動するために、電流センサからの各相電流検出信号を二相(dq軸)の実電流値に座標変換し、そして、座標変換後の電流指令値と実電流値とに基づくフィードバック制御により、ゲート駆動回路への制御信号を生成する。これに対して、本実施の形態に係る電力変換装置100の制御回路5は、コイル11a及びコイル12aを個別に電流制御するため、コイル11a及びコイル12aのそれぞれの制御系に、減算部51、位置調節部52(Automatic Position Controller)、減算部53、及び電流調節部54(Automatic Current Regulator)を有する。また、制御回路5は、三角波比較部55を有する。 In a general-purpose inverter, for example, in order to drive a three-phase motor, the coordinates of each phase current detection signal from a current sensor are transformed into two-phase (dq-axes) actual current values, and the current command value after the coordinate transformation is A control signal to the gate drive circuit is generated by feedback control based on the current value and the actual current value. On the other hand, the control circuit 5 of the power conversion device 100 according to the present embodiment controls the current of the coil 11a and the coil 12a individually, so that the control system of the coil 11a and the coil 12a includes a subtraction unit 51, It has a position adjustment section 52 (Automatic Position Controller), a subtraction section 53, and a current adjustment section 54 (Automatic Current Regulator). Further, the control circuit 5 includes a triangular wave comparator 55.

次に図5を参照して、制御回路5の動作を説明する。図5は制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。 Next, the operation of the control circuit 5 will be explained with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the control circuit.

図5に示すステップS1の処理が実行されるタイミングは、例えば、図1に示す電力変換装置100からモータ300への通電が開始されたときである。ステップS1において、減算部51は、指令距離と、距離センサ14,15からの検出値Du又は検出値Dwとを入力する。 The timing at which the process of step S1 shown in FIG. 5 is executed is, for example, when power supply to the motor 300 from the power conversion device 100 shown in FIG. 1 is started. In step S1, the subtraction unit 51 inputs the command distance and the detected value Du or Dw from the distance sensors 14 and 15.

ステップS2において、減算部51は、入力した指令距離と検出値Du又は検出値Dwとの距離偏差を演算する。距離偏差は、距離偏差=指令距離-検出値Du、又は距離偏差=指令距離-検出値Dwにより求めることができる。検出値Duは、例えば図2に示す距離センサ14で検出されるX軸方向の隙間の距離を示す情報である。検出値Dwは、例えば図2に示す距離センサ15で検出されるY軸方向の隙間の距離を示す情報である。減算部51で演算された距離偏差は、位置調節部52に入力される。 In step S2, the subtraction unit 51 calculates a distance deviation between the input command distance and the detected value Du or Dw. The distance deviation can be determined by distance deviation=command distance−detection value Du, or distance deviation=command distance−detection value Dw. The detected value Du is information indicating the distance of the gap in the X-axis direction detected by the distance sensor 14 shown in FIG. 2, for example. The detected value Dw is information indicating the distance of the gap in the Y-axis direction detected by the distance sensor 15 shown in FIG. 2, for example. The distance deviation calculated by the subtraction section 51 is input to the position adjustment section 52.

ステップS3において、位置調節部52は、入力した距離偏差がゼロになるように、例えばPI(Proportional Integral)制御、PID(Proportional Integral Derivative)制御などにより、電流の設定値(指令電流)を演算して、減算部53に入力する。 In step S3, the position adjustment unit 52 calculates a current set value (command current) using, for example, PI (Proportional Integral) control, PID (Proportional Integral Derivative) control, etc. so that the input distance deviation becomes zero. and input it to the subtraction section 53.

ステップS4において、減算部53は、入力した位置調節部52で演算された指令電流と、電流センサからの検出値Iu又は検出値Iwとの電流偏差を演算する。電流偏差は、電流偏差=指令電流-検出値Iu、又は電流偏差=指令電流-検出値Iwにより求めることができる。減算部53で演算された電流偏差は、電流調節部54に入力される。 In step S4, the subtraction unit 53 calculates a current deviation between the input command current calculated by the position adjustment unit 52 and the detected value Iu or Iw from the current sensor. The current deviation can be determined by current deviation = commanded current - detected value Iu, or current deviation = commanded current - detected value Iw. The current deviation calculated by the subtraction unit 53 is input to the current adjustment unit 54.

ステップS5において、電流調節部54は、入力した電流偏差がゼロになるように、例えばPI制御、PID制御などにより、U相の電圧指令値とW相の電圧指令値とを演算する。さらに電流調節部54は、演算したU相の電圧指令値とW相の電圧指令値のそれぞれを、電圧センサ3の検出値Vdc(直流電圧)で除算することによって、Duty比として算出した後、それぞれをU相の指令電圧、W相の指令電圧として、三角波比較部55に入力する。 In step S5, the current regulator 54 calculates the U-phase voltage command value and the W-phase voltage command value using, for example, PI control or PID control so that the input current deviation becomes zero. Furthermore, the current regulator 54 calculates the duty ratio by dividing each of the calculated U-phase voltage command value and W-phase voltage command value by the detected value Vdc (DC voltage) of the voltage sensor 3. These are input to the triangular wave comparator 55 as the U-phase command voltage and the W-phase command voltage, respectively.

ステップS6において、三角波比較部55は、所定の周期を有する三角波と、電流調節部54からのU相及びW相のそれぞれの指令電圧と、V相の上下アームのDuty比を50%に設定する指令電圧とを入力する。そして、三角波比較部55は、三角波比較法により、U相、V相及びW相のそれぞれの上下アームを構成するスイッチング素子のオンオフ動作を制御するためのPWM信号を生成する。 In step S6, the triangular wave comparator 55 sets the duty ratio of the triangular wave having a predetermined period, the command voltages of the U phase and W phase from the current regulator 54, and the upper and lower arms of the V phase to 50%. Input the command voltage. Then, the triangular wave comparator 55 generates a PWM signal for controlling the on/off operations of the switching elements forming the upper and lower arms of each of the U-phase, V-phase, and W-phase, using the triangular wave comparison method.

例えば、シャフト10からコイル11aまでの隙間の基準値(浮上させる上での理想値)が10μmである場合、距離センサ14からの検出値に基づき算出される隙間距離が10μmから9μm又は11μm変化すると、1μm分の隙間距離を補正するように位置調節及び電流調節が行われる。そして、V相の上下アームのDuty比を50%に設定した状態で、電流調節部54からの電圧指令に従って、U相の上下アームのDuty比の増減調整が行われる。 For example, if the standard value (ideal value for levitation) of the gap from the shaft 10 to the coil 11a is 10 μm, if the gap distance calculated based on the detected value from the distance sensor 14 changes from 10 μm to 9 μm or 11 μm. , position adjustment and current adjustment are performed to correct the gap distance of 1 μm. Then, with the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase set to 50%, the duty ratio of the upper and lower arms of the U phase is adjusted to increase or decrease according to the voltage command from the current adjustment section 54.

また、例えばシャフト10からコイル12aまでの隙間の基準値(浮上させる上での理想値)が10μmである場合、距離センサ15からの検出値に基づき算出される隙間距離が10μmから9μm又は11μm変化すると、1μm分の隙間距離を補正するように位置調節及び電流調節が行われる。そして、V相の上下アームのDuty比を50%に設定した状態で、電流調節部54からの電圧指令に従って、W相の上下アームのDuty比の増減調整が行われる。 For example, if the reference value (ideal value for levitation) of the gap from the shaft 10 to the coil 12a is 10 μm, the gap distance calculated based on the detected value from the distance sensor 15 changes from 10 μm to 9 μm or 11 μm. Then, position adjustment and current adjustment are performed so as to correct the gap distance of 1 μm. Then, with the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase set to 50%, the duty ratio of the upper and lower arms of the W phase is adjusted to increase or decrease according to the voltage command from the current adjustment section 54.

なお、V相の上下アームのDuty比は、例えば50%に固定してもよいが、50%以外の値、例えば51~60%又は49%~40%までの任意の値に固定してもよい。 Note that the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase may be fixed to, for example, 50%, but it may also be fixed to any value other than 50%, for example, from 51 to 60% or from 49% to 40%. good.

また、V相の上下アームのDuty比は、50%に固定してもよいが、例えば60%~40%までの範囲で最適な値に逐次変化させてもよい。例えば、モータ300の回転数が変化すると、シャフト10やロータの寸法公差などに起因して、シャフト10からコイル11a又はコイル12aまでの隙間が変化する場合がある。そのため、その隙間の変動量に応じて最適なDuty比を選定すればよい。具体的には、例えば、制御回路5に、電流値とDuty比補正量とを対応付けたテーブル情報を設定し、制御回路5は、当該テーブルを参照して、速度変化によって検出される電流が変化すると、その電流に対応するDuty比補正量をテーブルから読み出して、読み出したDuty比補正量を三角波比較部55に入力して、三角波比較部55は、入力したDuty比補正量を考慮して、V相の上下アームのDuty比を逐次補正して、補正後のDuty比と指令電圧とを比較することで、PWM信号を生成する。 Further, the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase may be fixed at 50%, but may be successively changed to an optimal value within a range of, for example, 60% to 40%. For example, when the rotation speed of the motor 300 changes, the gap from the shaft 10 to the coil 11a or the coil 12a may change due to dimensional tolerances of the shaft 10 or the rotor. Therefore, the optimum duty ratio may be selected according to the amount of variation in the gap. Specifically, for example, table information in which current values and duty ratio correction amounts are associated is set in the control circuit 5, and the control circuit 5 refers to the table to determine whether the current detected by the speed change is When the current changes, the duty ratio correction amount corresponding to the current is read out from the table, and the read duty ratio correction amount is input to the triangular wave comparison section 55. The triangular wave comparison section 55 takes into account the input duty ratio correction amount. , the PWM signal is generated by sequentially correcting the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase and comparing the corrected duty ratio with the command voltage.

制御回路5が有する減算部51、位置調節部52、減算部53、電流調節部54及び三角波比較部55は、これらの機能を実現するプログラムをメモリに格納しておき、制御回路5の動作を司るCPU(Central Processing Unit)が当該プログラムを読み出して実行することによって実現される。 The subtraction unit 51, position adjustment unit 52, subtraction unit 53, current adjustment unit 54, and triangular wave comparison unit 55 included in the control circuit 5 store programs for realizing these functions in memory, and control the operation of the control circuit 5. This is realized by a controlling CPU (Central Processing Unit) reading and executing the program.

次に図6~図9を参照して、V相のDuty比を50%に設定した状態でコイル11a及びコイル12aに流れる電流の具体例を説明する。 Next, a specific example of the current flowing through the coil 11a and the coil 12a with the V-phase duty ratio set to 50% will be described with reference to FIGS. 6 to 9.

図6はPWM信号のパルスパターンの一例を示す図である。図7は図4の三角波比較部で比較されるキャリアの波形の一例を示す図である。図8Aはコイル11aに+方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図である。図8Bはコイル11aに-方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図である。図8Cはコイル12aに+方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図である。図8Dはコイル12aに-方向の電流を流すときのスイッチング素子の動作状態を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of a pulse pattern of a PWM signal. FIG. 7 is a diagram showing an example of carrier waveforms compared by the triangular wave comparison section of FIG. 4. FIG. 8A is a diagram showing the operating state of the switching element when a current in the + direction is passed through the coil 11a. FIG. 8B is a diagram showing the operating state of the switching element when a current in the negative direction is passed through the coil 11a. FIG. 8C is a diagram showing the operating state of the switching element when a positive current is passed through the coil 12a. FIG. 8D is a diagram showing the operating state of the switching element when a current in the negative direction is passed through the coil 12a.

通常、変調度を50%に設定して主回路2を駆動した場合、ゼロベクトル状態となるため、主回路2から電流が出力されない。しかしながら、この場合でも、スイッチング素子のスイッチング自体は行われているため、U相、V相及びW相の各相の上下アームが互いに同じスイッチ状態となるように制御されて、出力線(3相配線7)から見て各相の上下アームに電位差は発生しない。 Normally, when the main circuit 2 is driven with the degree of modulation set to 50%, no current is output from the main circuit 2 because it is in a zero vector state. However, even in this case, since the switching itself of the switching element is being performed, the upper and lower arms of the U, V, and W phases are controlled so that they are in the same switch state, and the output lines (3-phase No potential difference occurs between the upper and lower arms of each phase when viewed from the wiring 7).

ここでは、図8A及び図8Bに示すようにコイル11aに+又は-方向の電流を流すように制御し、また図8C及び図8Dに示すようにコイル12aに+又は-方向の電流を流すように制御を行いつつ、V相の上下アームをDuty比50%でスイッチングを行わせる場合の動作例を説明する。なお、前述したように、V相配線は、2つのコイル11a及びコイル12aの共通配線(コモン)として使用されていると仮定する。 Here, as shown in FIGS. 8A and 8B, the current is controlled to flow in the + or - direction through the coil 11a, and the current is controlled to flow in the + or - direction through the coil 12a as shown in FIGS. 8C and 8D. An example of operation will be described in which the upper and lower arms of the V phase are switched at a duty ratio of 50% while controlling. Note that, as described above, it is assumed that the V-phase wiring is used as a common wiring (common) for the two coils 11a and 12a.

このように電流を流すときのPWM信号のパルスパターンの例を図6に示す。また、三角波比較部55で用いられるキャリアの波形と、Duty比が50%の指令電圧とを図7に示す。 FIG. 6 shows an example of a pulse pattern of a PWM signal when a current is caused to flow in this manner. Further, FIG. 7 shows the carrier waveform used in the triangular wave comparator 55 and the command voltage with a duty ratio of 50%.

V相のDuty比は50%に固定されているため、U相のDuty比が50%未満の場合、U相配線の電位がV相配線の電位よりも高くなるため、キャリアの山の区間では、図8A及び図8Bに示すように、Duty比の差分の電流がコイル11aに流れ込む。 The duty ratio of the V phase is fixed at 50%, so if the duty ratio of the U phase is less than 50%, the potential of the U phase wiring will be higher than the potential of the V phase wiring, so in the section where the carrier peaks. , as shown in FIGS. 8A and 8B, a current corresponding to the difference in duty ratio flows into the coil 11a.

一方、W相のDuty比が50%超の場合、W相配線の電位がV相配線の電位よりも高くなるため、キャリアの谷の区間では、図8C及び図8Dに示すように、Duty比の差分の電流がコイル12aに流れ込む。 On the other hand, when the duty ratio of the W phase is more than 50%, the potential of the W phase wiring is higher than the potential of the V phase wiring, so in the carrier valley section, the duty ratio is A current corresponding to the difference flows into the coil 12a.

このように、U相とW相のそれぞれのDuty比を、50%を基準にして調整することで、U相とW相に、任意の方向に電流を流すことができ、さらに任意の値の電流を流すことができる。すなわち、3相の内の特定の1相のDuty比を例えば50%などに固定した状態で残りの2相のDuty比を増減させることで、2つのコイルを個別に電流制御することができる。 In this way, by adjusting the duty ratio of each of the U phase and W phase based on 50%, it is possible to flow current in any direction in the U phase and W phase, and furthermore, it is possible to flow current in any direction to any value. Can conduct current. That is, by fixing the duty ratio of one specific phase among the three phases to, for example, 50%, and increasing or decreasing the duty ratios of the remaining two phases, it is possible to individually control the current of the two coils.

図9は指令電流をU相=2A、W相=-1Aで制御した場合のPWM信号の波形を示す図である。図9(1)には、U相に流れる電流、V相に流れる電流、及びW相に流れる電流のそれぞれが実線、一点鎖線、及び破線で示される。縦軸は指令電流、横軸は時間である。図9(2)には、U相、V相、及びW相のそれぞれの上下アームの動作を制御するDuty比が実線、破線及び一点鎖線で示される。縦軸はDuty比、横軸は時間である。図9(3)には、U相、V相、及びW相のそれぞれのPWM信号の波形を表す。縦軸はPWM信号の値、横軸は時間である。 FIG. 9 is a diagram showing the waveform of the PWM signal when the command current is controlled at U phase = 2A and W phase = -1A. In FIG. 9(1), the current flowing in the U phase, the current flowing in the V phase, and the current flowing in the W phase are each shown by a solid line, a dashed line, and a broken line. The vertical axis is the command current, and the horizontal axis is time. In FIG. 9(2), the duty ratios for controlling the operations of the upper and lower arms of each of the U-phase, V-phase, and W-phase are shown by solid lines, broken lines, and dashed-dotted lines. The vertical axis is the duty ratio, and the horizontal axis is time. FIG. 9(3) shows the waveforms of the U-phase, V-phase, and W-phase PWM signals. The vertical axis is the value of the PWM signal, and the horizontal axis is time.

V相のDuty比を50%に固定して、U相=2A、W相=-1Aを目標電流として、PI制御した場合、V相には-1Aが流れるため、Iu(U相電流)+Iv(V相電流)+Iw(W相電流)=2A+(-1A)+(-1A)=0となる。 When the duty ratio of the V phase is fixed at 50% and PI control is performed with U phase = 2A and W phase = -1A as target currents, -1A flows through the V phase, so Iu (U phase current) + Iv (V phase current) + Iw (W phase current) = 2A + (-1A) + (-1A) = 0.

なお、制御回路5の機能は、汎用インバータが備える制御回路のハードウェア構成に変更を加えることなくソフトウェアの変更のみで実現できる。電圧センサ3、電流センサ4などの入力インタフェイスについても、汎用インバータに通常備わっているアナログ入力機能などを利用することができるため、ハードウェア構成の変更が不要である。 Note that the functions of the control circuit 5 can be realized only by changing the software without changing the hardware configuration of the control circuit included in the general-purpose inverter. As for input interfaces such as the voltage sensor 3 and current sensor 4, analog input functions normally provided in general-purpose inverters can be used, so there is no need to change the hardware configuration.

なお、本実施の形態では、V相の上下アームのDuty比を50%に固定して、残りの2つの相のそれぞれの上下アームのDuty比を変化させる場合の制御回路5の構成例について説明したが、制御回路5の構成例はこれに限定されるものではない。すなわち、制御回路5は、3相の上下アームの内、特定の1つの相の上下アームのDuty比を例えば50%に固定した状態で、残りの2つの相のそれぞれの上下アームのDuty比を変化させるように構成してもよい。すなわち、V相以外の1つの相をDuty比50%に固定して、残りの2つの相のDuty比を変化させるように構成してもよい。 In this embodiment, a configuration example of the control circuit 5 will be described in which the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase is fixed at 50% and the duty ratio of the upper and lower arms of each of the remaining two phases is changed. However, the configuration example of the control circuit 5 is not limited to this. That is, the control circuit 5 fixes the duty ratio of the upper and lower arms of one specific phase to, for example, 50% among the upper and lower arms of the three phases, and sets the duty ratio of the upper and lower arms of each of the remaining two phases. It may be configured to change. That is, it may be configured such that one phase other than the V phase is fixed at a duty ratio of 50%, and the duty ratios of the remaining two phases are changed.

また、本実施の形態では、U、V及びW相のそれぞれの上下アームが第1上下アーム、第2上下アーム及び第3上下アームである場合の構成例について説明したが、各相と3つの上下アームとの対応関係はこれに限定されるものではない。 Furthermore, in this embodiment, a configuration example has been described in which the upper and lower arms of each of the U, V, and W phases are the first upper and lower arms, the second upper and lower arms, and the third upper and lower arms. The correspondence relationship with the upper and lower arms is not limited to this.

例えば、U、V及びW相のそれぞれの上下アームを、第3上下アーム、第2上下アーム及び第1上下アームとして、V相の上下アームのDuty比を特定の値に固定した状態で、U相の上下アーム及びW相の上下アームのそれぞれのDuty比を変化させてもよい。 For example, if the upper and lower arms of the U, V, and W phases are set as the third upper and lower arms, the second upper and lower arms, and the first upper and lower arms, and the duty ratio of the V-phase upper and lower arms is fixed to a specific value, the U The duty ratio of each of the upper and lower arms of the phase and the upper and lower arms of the W phase may be changed.

また、例えば、U、V及びW相のそれぞれの上下アームを、第2上下アーム、第1上下アーム及び第3上下アームとして、U相の上下アームのDuty比を特定の値に固定した状態で、V相の上下アーム及びW相の上下アームのそれぞれのDuty比を変化させてもよい。この場合、U相の上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコモン配線が接続され、他の2つの上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコイル11aとコイル12aが接続される。 Further, for example, the upper and lower arms of the U, V, and W phases are respectively set as the second upper and lower arms, the first upper and lower arms, and the third upper and lower arms, and the duty ratio of the upper and lower arms of the U phase is fixed to a specific value. , the duty ratio of each of the V-phase upper and lower arms and the W-phase upper and lower arms may be changed. In this case, the common wiring is connected to the connection point of the two switching elements that make up the upper and lower arms of the U phase, and the coils 11a and 12a are connected to the connection points of the two switching elements that make up the other two upper and lower arms. Ru.

また、例えば、U、V及びW相のそれぞれの上下アームを、第3上下アーム、第1上下アーム及び第2上下アームとして、W相の上下アームのDuty比を特定の値に固定した状態で、V相の上下アーム及びU相の上下アームのそれぞれのDuty比を変化させてもよい。この場合、W相の上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコモン配線が接続され、他の2つの上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコイル11aとコイル12aが接続される。 Further, for example, the upper and lower arms of the U, V, and W phases are respectively set as the third upper and lower arms, the first upper and lower arms, and the second upper and lower arms, and the duty ratio of the upper and lower arms of the W phase is fixed to a specific value. , the duty ratio of each of the V-phase upper and lower arms and the U-phase upper and lower arms may be changed. In this case, the common wiring is connected to the connection point of two switching elements forming the upper and lower arms of the W phase, and the coil 11a and the coil 12a are connected to the connection point of the two switching elements forming the other two upper and lower arms. Ru.

また、例えば、U、V及びW相のそれぞれの上下アームを、第2上下アーム、第3上下アーム及び第1上下アームとして、U相の上下アームのDuty比を特定の値に固定した状態で、V相の上下アーム及びW相の上下アームのそれぞれのDuty比を変化させてもよい。この場合、U相の上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコモン配線が接続され、他の2つの上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコイル11aとコイル12aが接続される。 Further, for example, the upper and lower arms of the U, V, and W phases are respectively set as the second upper and lower arms, the third upper and lower arms, and the first upper and lower arms, and the duty ratio of the upper and lower arms of the U phase is fixed to a specific value. , the duty ratio of each of the V-phase upper and lower arms and the W-phase upper and lower arms may be changed. In this case, the common wiring is connected to the connection point of the two switching elements that make up the upper and lower arms of the U phase, and the coils 11a and 12a are connected to the connection points of the two switching elements that make up the other two upper and lower arms. Ru.

また、例えば、U、V及びW相のそれぞれの上下アームを、第3上下アーム、第2上下アーム及び第1上下アームとして、V相の上下アームのDuty比を特定の値に固定した状態で、U相の上下アーム及びW相の上下アームのそれぞれのDuty比を変化させてもよい。この場合、V相の上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコモン配線が接続され、他の2つの上下アームを構成する2つのスイッチング素子の接続点にコイル11aとコイル12aが接続される。 Further, for example, the upper and lower arms of the U, V, and W phases are set as the third upper and lower arms, the second upper and lower arms, and the first upper and lower arms, and the duty ratio of the V-phase upper and lower arms is fixed to a specific value. , the duty ratio of each of the U-phase upper and lower arms and the W-phase upper and lower arms may be changed. In this case, the common wiring is connected to the connection point of two switching elements forming the upper and lower arms of the V phase, and the coil 11a and the coil 12a are connected to the connection point of the two switching elements forming the other two upper and lower arms. Ru.

次に電力変換装置100の比較例の構成について説明する。図10は本発明の実施の形態に係る電力変換装置の比較例の構成図である。以下では、上記の実施の形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について述べる。 Next, the configuration of a comparative example of the power conversion device 100 will be described. FIG. 10 is a configuration diagram of a comparative example of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. In the following, parts that are the same as those in the embodiment described above will be given the same reference numerals, explanations thereof will be omitted, and different parts will be described.

比較例に係る単相用電力変換装置100Aは、主回路2、制御回路5、及びゲート駆動回路6の代わりに、主回路2A、制御回路5A、及びゲート駆動回路6Aを備える。 A single-phase power conversion device 100A according to a comparative example includes a main circuit 2A, a control circuit 5A, and a gate drive circuit 6A instead of the main circuit 2, control circuit 5, and gate drive circuit 6.

主回路2Aは、正極側直流母線P及び負極側直流母線Nを介して、整流回路1から供給される電圧を単相の交流電圧に変換する、所謂単相インバータである。主回路2Aは、2つの上下アーム(例えば第1上下アーム8a及び第2上下アーム8b)を備える。 The main circuit 2A is a so-called single-phase inverter that converts the voltage supplied from the rectifier circuit 1 into a single-phase AC voltage via a positive DC bus P and a negative DC bus N. The main circuit 2A includes two upper and lower arms (for example, a first upper and lower arm 8a and a second upper and lower arm 8b).

第1上下アーム8aの接続点7aは、単相配線7Aを介して、コイル11aの一端に電気的に接続される。第2上下アーム8bの接続点7bは、単相配線7Aを介して、コイル11aの他端に電気的に接続される。 The connection point 7a of the first upper and lower arms 8a is electrically connected to one end of the coil 11a via the single-phase wiring 7A. The connection point 7b of the second upper and lower arms 8b is electrically connected to the other end of the coil 11a via the single-phase wiring 7A.

なお、コイル12aには、コイル11aに接続される単相用電力変換装置100Aと同様の装置が接続されている。 Note that a device similar to the single-phase power conversion device 100A connected to the coil 11a is connected to the coil 12a.

制御回路5Aは、主回路2Aを構成する複数のスイッチング素子S~S4のオンオフ動作を制御するための複数のPWM信号を生成して出力する回路である。 The control circuit 5A is a circuit that generates and outputs a plurality of PWM signals for controlling the on/off operations of the plurality of switching elements S 1 to S 4 forming the main circuit 2A.

ゲート駆動回路6Aは、制御回路5Aから入力されるPWM信号を、複数のスイッチング素子S~S4を駆動可能な値の電圧信号であるゲート駆動信号に変換して、スイッチング素子に入力する回路である。 The gate drive circuit 6A is a circuit that converts the PWM signal input from the control circuit 5A into a gate drive signal that is a voltage signal with a value that can drive the plurality of switching elements S 1 to S 4 and inputs the gate drive signal to the switching elements. It is.

図10の比較例では、図1に示すコイル11a及びコイル12aの共通配線(コモン配線)が利用されず、コイル11a及びコイル12aのそれぞれに1台の単相用電力変換装置100Aが接続されている。すなわち、磁気軸受用の磁気浮上コイルであるコイル11a及びコイル12aへの通電制御には、2台の単相用電力変換装置100Aが必要である。 In the comparative example shown in FIG. 10, the common wiring between the coil 11a and the coil 12a shown in FIG. 1 is not used, and one single-phase power converter 100A is connected to each of the coil 11a and the coil 12a. There is. That is, two single-phase power converters 100A are required to control the energization of the coils 11a and 12a, which are magnetic levitation coils for magnetic bearings.

従って、図10の比較例では、3相モータ駆動用の汎用のインバータを利用できず、構造が複雑化する。また2台の単相用電力変換装置100Aのそれぞれの制御回路5Aが連携してコイル11a及び12aへの通電制御を行う必要があるため、制御が複雑化する。従って、信頼性の低下や製造時の歩留まり低下が懸念される。 Therefore, in the comparative example of FIG. 10, a general-purpose inverter for driving a three-phase motor cannot be used, and the structure becomes complicated. Furthermore, since the control circuits 5A of the two single-phase power converters 100A must cooperate to control the energization of the coils 11a and 12a, the control becomes complicated. Therefore, there are concerns about a decrease in reliability and a decrease in yield during manufacturing.

これに対して、本実施の形態の電力変換装置100の主回路2は、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との接続点に第1コイルの一端が接続される第1上下アームと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との接続点に第1コイルの他端と第2コイルの一端とが接続される第2上下アームと、第5スイッチング素子と第6スイッチング素子との接続点に第2コイルの他端が接続される第3上下アームとを有する。そのため、既存のモータ300への結線方法を変えることで、1台の汎用的な3相インバータを利用しながら、磁気軸受用の磁気浮上コイルであるコイル11a及びコイル12aへの通電制御が可能となる。 On the other hand, the main circuit 2 of the power conversion device 100 of the present embodiment includes a first upper and lower arm to which one end of the first coil is connected to a connection point between the first switching element and the second switching element, and a first upper and lower arm. a second upper and lower arm to which the other end of the first coil and one end of the second coil are connected to the connection point between the third switching element and the fourth switching element; and the second upper and lower arms to which the fifth and sixth switching elements connect. and a third upper and lower arm to which the other end of the second coil is connected. Therefore, by changing the connection method to the existing motor 300, it is possible to control the energization of the coils 11a and 12a, which are magnetic levitation coils for magnetic bearings, while using one general-purpose three-phase inverter. Become.

従って、電力変換装置100の開発に伴う設計工数の増加を抑制できると共に、磁気軸受用の磁気浮上コイルへの通電を実現するシステムの製造コストが増大することを抑制できる。またインバータの数が半分になるため、インバータの設置スペースの増加を抑制できる。また、インバータの構造が簡素化されて、また制御も簡素化されるため、信頼性の低下や製造時の歩留まり低下などを抑制できる。 Therefore, it is possible to suppress an increase in design man-hours associated with the development of the power conversion device 100, and it is also possible to suppress an increase in manufacturing cost of a system that implements energization of a magnetic levitation coil for a magnetic bearing. Furthermore, since the number of inverters is halved, an increase in the installation space for inverters can be suppressed. Further, since the structure of the inverter is simplified and the control is also simplified, it is possible to suppress a decrease in reliability and a decrease in manufacturing yield.

また本実施の形態の電力変換装置100の制御回路5は、第2上下アームのDuty比を特定の値に固定した状態で、第1上下アーム及び第3上下アームのそれぞれのDuty比を変化させる。第1上下アーム及び第3上下アームのそれぞれのDuty比は、任意の浮上距離となるように、第1コイル及び第2コイルに流れる電流を制御する値に設定するように構成してもよい。 Furthermore, the control circuit 5 of the power converter 100 of the present embodiment changes the respective Duty ratios of the first and third upper and lower arms while fixing the Duty ratio of the second and lower arms to a specific value. . The duty ratio of each of the first upper and lower arms and the third upper and lower arms may be configured to be set to a value that controls the current flowing through the first coil and the second coil so as to obtain an arbitrary flying distance.

この構成により、第2上下アームのDuty比が固定されるため、制御回路5の演算処理の負担が軽減され、処理能力が低い安価なCPUなどを利用して制御回路5を構成でき、高速回転するシャフト10の磁気浮上距離を確保しながら、電力変換装置100の製造コストの上昇を抑制できる。 With this configuration, the duty ratio of the second upper and lower arms is fixed, so the burden of arithmetic processing on the control circuit 5 is reduced, and the control circuit 5 can be configured using an inexpensive CPU with low processing capacity, resulting in high-speed rotation. It is possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the power converter 100 while ensuring the magnetic levitation distance of the shaft 10.

また本実施の形態の電力変換装置100の制御回路5は、第2上下アームのDuty比を50%に固定するように構成してもよい。この構成により、第2上下アームのDuty比を50%に固定した状態で、第1上下アーム及び第3上下アームのそれぞれのDuty比の調整ができるため、制御回路5の演算処理の負担がより軽減され、より安価なCPUなどを利用でき、さらにDuty比の設定が不要になり調整手間が省けるため、電力変換装置100の製造コストの上昇をより一層抑制できる。 Further, the control circuit 5 of the power conversion device 100 of the present embodiment may be configured to fix the duty ratio of the second upper and lower arms to 50%. With this configuration, the duty ratio of each of the first and third vertical arms can be adjusted while the duty ratio of the second vertical arm is fixed at 50%, so the burden of calculation processing on the control circuit 5 is reduced. It is possible to use a cheaper CPU and the like, and furthermore, there is no need to set the duty ratio, which saves the adjustment effort, so that it is possible to further suppress an increase in the manufacturing cost of the power conversion device 100.

また本実施の形態に係る電力変換装置100の制御方法は、直列接続される第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との接続点にモータのシャフトを非接触で支持する磁気軸受の第1コイルの一端が接続される第1上下アームと、直列接続される第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子を有し第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との接続点に第1コイルの他端と磁気軸受用の第2コイルの一端とが接続される第2上下アームと、直列接続される第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子を有し第5スイッチング素子と第6スイッチング素子との接続点に第2コイルの他端が接続される第3上下アームと、を有する主回路を備えた電力変換装置の制御方法であって、第1コイル及び第2コイルの少なくとも一方とシャフトとの隙間の距離と指令距離との偏差がゼロになる指令電流を演算するステップと、第1コイル及び第2コイルの少なくとも一方に流れる電流と指令電流との偏差がゼロになる3相の内、2相の指令電圧を演算するステップと、2つ相のそれぞれの指令電圧と、残りの1つ相の上下アームのDuty比を0%から100%までの何れかの値に固定する指令電圧とに基づき、第2上下アームのDuty比を0%から100%までの何れかの値に固定したパルス幅変調信号と、第1上下アーム及び第3上下アームのそれぞれのDuty比を変化させるパルス幅変調信号とを生成するステップと、を含む。 Furthermore, the method for controlling the power conversion device 100 according to the present embodiment includes a first switching element and a second switching element connected in series, and a motor shaft is connected to a connection point between the first switching element and the second switching element. A first upper and lower arm to which one end of a first coil of a magnetic bearing supported in a non-contact manner is connected, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and a third switching element and a fourth switching element. a second upper and lower arm to which the other end of the first coil and one end of the second coil for magnetic bearing are connected to the connection point; and a fifth switching element having a fifth switching element and a sixth switching element connected in series. and a third upper and lower arm to which the other end of the second coil is connected to the connection point with the sixth switching element. calculating a command current such that the deviation between the distance between the gap between at least one of the first coil and the shaft and the command distance becomes zero, and the deviation between the command current and the current flowing through at least one of the first coil and the second coil becomes zero. A step of calculating the command voltage of two phases out of the three phases, and setting the command voltage of each of the two phases and the duty ratio of the upper and lower arms of the remaining one phase to any value from 0% to 100%. A pulse width modulation signal with the duty ratio of the second upper and lower arms fixed at any value from 0% to 100% based on the command voltage fixed to and generating a pulse width modulated signal that changes the ratio.

図11は電流方向とDuty比の関係を説明するための図である。制御回路5は、例えば、コイルに流す電流の向きが、U相とW相で同じ場合、V相の上下アームのDuty比を、50%に固定せずに、0%から49%までの何れかの値に固定し、又は51%から100%までの何れかの値に固定するように構成してもよい。 FIG. 11 is a diagram for explaining the relationship between the current direction and the duty ratio. For example, when the direction of the current flowing through the coil is the same in the U phase and the W phase, the control circuit 5 does not fix the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase to 50%, but sets it to any value from 0% to 49%. It may be configured to be fixed at this value or at any value from 51% to 100%.

例えば、V相の上下アームのDuty比を、0%又は100%に設定すると、交流を作ることができるインバータであるが、+又は-の方向を限定した直流を出力するインバータとして動かすこともできる。このように動かすと、電圧利用率を上げることができるため、実際に使用する電圧の2倍程度に上げる必要があった直流中間電圧を下げることができ、また、電流のリプルも低減できる。 For example, if the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase is set to 0% or 100%, the inverter can generate alternating current, but it can also be operated as an inverter that outputs direct current with limited + or - directions. . By moving in this manner, the voltage utilization rate can be increased, so the DC intermediate voltage, which had to be raised to about twice the voltage actually used, can be lowered, and current ripple can also be reduced.

ただし、制御の状況によっては、どちらかの相をマイナス(プラス)方向に電流を流さなければならないときは、対応できない。「制御の状況によっては、どちらかの相をマイナス(プラス)方向に電流を流さなければならないとき」とは、固定した第2上下アームのデューティ比では電流が流せないと判断した場合である。このように電流を流すのは、もともと想定していない方向に電流が流れる場合、V相の上下アームのDuty比を0%又は100%に固定することができないためである。この場合、V相の上下アームのDuty比を50%に戻すことで、対応できる。ただし、出力できる電流値の最大値は、Duty比が50%のときには、V相の上下アームのDuty比を0%又は100%に固定したときに出せる電流最大値に対して、半分までとなる。 However, depending on the control situation, it may not be possible to handle cases where current must flow in either phase in the negative (plus) direction. "Depending on the control situation, it is necessary to flow current in either phase in the negative (plus) direction" is a case where it is determined that the current cannot flow with the fixed duty ratio of the second upper and lower arms. The reason why the current flows in this way is that if the current flows in a direction that is not originally expected, the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase cannot be fixed at 0% or 100%. In this case, it can be handled by returning the duty ratio of the V-phase upper and lower arms to 50%. However, when the duty ratio is 50%, the maximum current value that can be output is up to half of the maximum current value that can be output when the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase is fixed at 0% or 100%. .

例えば、実際の運用において、プラス方向に流す電流の大きさが8:2の割合で多い場合、V相の上下アームのDuty比を20%などで固定することもできる。Duty比を20%にすると電流が0となるので、20%から100%までのプラス側の電流制御と、0%から20%までのマイナス側の電流制御を行うようにすることとなる。 For example, in actual operation, if the magnitude of the current flowing in the positive direction is large at a ratio of 8:2, the duty ratio of the upper and lower arms of the V phase may be fixed at 20% or the like. When the duty ratio is set to 20%, the current becomes 0, so positive current control from 20% to 100% and negative current control from 0% to 20% are performed.

もし、Duty比が50%に固定される場合、その分、容量の大きいインバータ回路が必要となるため、固定するV相のDuty比の値を可変にするメリットは大きい。 If the duty ratio is fixed at 50%, an inverter circuit with a correspondingly large capacity is required, so there is a great advantage of making the value of the fixed duty ratio of the V phase variable.

制御回路5は、V相のDuty比を、運転中に変更しても良い。ただし、Duty比の切り替わり(変更)の際、制御回路5は、U相とW相のDuty比の値を指令電圧に基づいて制御回路内部(制御回路5の内部)で換算する際に使用するゲイン係数や出力リミッタの値を変更する。これは、出力できる電流の範囲や大きさが変化するためである。 The control circuit 5 may change the duty ratio of the V phase during operation. However, when switching (changing) the duty ratio, the control circuit 5 uses the value of the duty ratio of the U phase and W phase to be converted inside the control circuit (inside the control circuit 5) based on the command voltage. Change the gain coefficient and output limiter values. This is because the range and magnitude of the current that can be output changes.

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configurations shown in the embodiments above are examples of the contents of the present invention, and can be combined with other known techniques, and the configurations can be modified without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change parts.

1 :整流回路
2,2A :主回路
3 :電圧センサ
4 :電流センサ
5,5A :制御回路
6,6A :ゲート駆動回路
7 :3相配線
7A :単相配線
7a,7b,7c :接続点
8a :第1上下アーム
8b :第2上下アーム
8c :第3上下アーム
10 :シャフト
11,12 :磁気軸受
11a,12a :コイル
11b,12b :鉄心
13 :フレーム
14,15 :距離センサ
51,53 :減算部
52 :位置調節部
54 :電流調節部
55 :三角波比較部
100 :電力変換装置
100A :単相用電力変換装置
300 :モータ
Du,Dw :検出値
Iu,Iw :検出値
N :負極側直流母線
P :正極側直流母線
1: Rectifier circuit 2, 2A: Main circuit 3: Voltage sensor 4: Current sensor 5, 5A: Control circuit 6, 6A: Gate drive circuit 7: 3-phase wiring 7A: Single-phase wiring 7a, 7b, 7c: Connection point 8a : First vertical arm 8b : Second vertical arm 8c : Third vertical arm 10 : Shafts 11, 12 : Magnetic bearings 11a, 12a : Coils 11b, 12b : Iron core 13 : Frames 14, 15 : Distance sensors 51, 53 : Subtraction Section 52: Position adjustment section 54: Current adjustment section 55: Triangular wave comparison section 100: Power conversion device 100A: Single-phase power conversion device 300: Motor Du, Dw: Detection values Iu, Iw: Detection value N: Negative electrode side DC bus P: Positive side DC bus bar

Claims (2)

モータのシャフトを非接触で支持する磁気軸受が有する第1コイル及び第2コイルに流れる電流を制御する電力変換装置であって、
直列接続される第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続点に前記第1コイルの一端が接続される第1上下アームと、直列接続される第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子を有し前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続点に前記第1コイルの他端と前記第2コイルの一端とが接続される第2上下アームと、直列接続される第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子を有し前記第5スイッチング素子と前記第6スイッチング素子との接続点に前記第2コイルの他端が接続される第3上下アームと、を有する主回路と、
前記第2上下アームのデューティ比を0%から100%までの何れかの値に固定したパルス幅変調信号と、前記第1上下アーム及び前記第3上下アームのそれぞれのデューティ比を変化させるパルス幅変調信号とを生成することで、前記第1スイッチング素子から前記第6スイッチング素子のそれぞれのオンオフ動作を制御する制御回路と、
を備え
前記制御回路は、固定した前記第2上下アームのデューティ比では電流が流せないと判断した場合、50%以外の値に固定した前記第2上下アームのデューティ比を、50%に戻す処理を行う、電力変換装置。
A power conversion device that controls current flowing through a first coil and a second coil included in a magnetic bearing that supports a motor shaft in a non-contact manner,
a first upper and lower arm having a first switching element and a second switching element connected in series, and one end of the first coil being connected to a connection point between the first switching element and the second switching element; a third switching element and a fourth switching element, the other end of the first coil and one end of the second coil being connected to a connection point between the third switching element and the fourth switching element; 2 upper and lower arms, and a third coil having a fifth switching element and a sixth switching element connected in series, and the other end of the second coil is connected to a connection point between the fifth switching element and the sixth switching element. a main circuit having an upper and lower arm;
a pulse width modulation signal that fixes the duty ratio of the second upper and lower arms to any value from 0% to 100%; and a pulse width that changes the duty ratio of each of the first and third upper and lower arms. a control circuit that controls on/off operations of each of the first switching element to the sixth switching element by generating a modulation signal;
Equipped with
When the control circuit determines that current cannot flow with the fixed duty ratio of the second upper and lower arms, it performs processing to return the duty ratio of the second upper and lower arms, which was fixed to a value other than 50%, to 50%. , power converter.
直列接続される第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続点にモータのシャフトを非接触で支持する磁気軸受が有する第1コイルの一端が接続される第1上下アームと、直列接続される第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子を有し前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続点に前記第1コイルの他端と前記磁気軸受が有する第2コイルの一端とが接続される第2上下アームと、直列接続される第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子を有し前記第5スイッチング素子と前記第6スイッチング素子との接続点に前記第2コイルの他端が接続される第3上下アームと、を有する主回路を備えた電力変換装置の制御方法であって、
前記第1コイル及び前記第2コイルの少なくとも一方と前記シャフトとの隙間の距離と指令距離との偏差がゼロになる指令電流を演算するステップと、
前記第1コイル及び前記第2コイルの少なくとも一方に流れる電流と前記指令電流との偏差がゼロになる3つ相の内、2つ相の指令電圧を演算するステップと、
前記2つ相のそれぞれの指令電圧と、残りの1つ相の上下アームのデューティ比を0%から100%までの何れかの値に固定する指令電圧とに基づき、前記第2上下アームのデューティ比を0%から100%までの何れかの値に固定したパルス幅変調信号と、前記第1上下アーム及び前記第3上下アームのそれぞれのデューティ比を変化させるパルス幅変調信号とを生成するステップと、
を含み、
固定した前記第2上下アームのデューティ比では電流が流せないと判断した場合、50%以外の値に固定した前記第2上下アームのデューティ比を、50%に戻す処理を行う、電力変換装置の制御方法。
One end of a first coil included in a magnetic bearing that includes a first switching element and a second switching element connected in series and supports a shaft of a motor in a non-contact manner at a connection point between the first switching element and the second switching element. and a third switching element and a fourth switching element connected in series, the other end of the first coil being connected to the connection point of the third switching element and the fourth switching element. a second upper and lower arm connected to one end of a second coil of the magnetic bearing; a fifth switching element and a sixth switching element connected in series; A method for controlling a power conversion device comprising a main circuit having a third upper and lower arm to which the other end of the second coil is connected to a connection point,
calculating a command current such that a deviation between a command distance and a gap distance between at least one of the first coil and the second coil and the shaft is zero;
calculating command voltages for two of the three phases such that the deviation between the current flowing through at least one of the first coil and the second coil and the command current is zero;
The duty of the second upper and lower arms is determined based on the command voltage of each of the two phases and the command voltage that fixes the duty ratio of the upper and lower arms of the remaining one phase to any value from 0% to 100%. a step of generating a pulse width modulation signal whose ratio is fixed at any value from 0% to 100%, and a pulse width modulation signal which changes the duty ratio of each of the first upper and lower arms and the third upper and lower arms; and,
including;
If it is determined that current cannot flow with the fixed duty ratio of the second upper and lower arms, the power converter performs processing to return the duty ratio of the second upper and lower arms, which has been fixed to a value other than 50%, to 50%. Control method.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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