JP7356395B2 - power converter - Google Patents
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Description
本発明は、三相交流電源の電圧を直流変換および昇圧するコンバータを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that includes a converter that converts and boosts the voltage of a three-phase AC power source to DC.
三相交流電源の電圧をコンバータ(PWMコンバータ)で直流変換および昇圧し、その直流電圧をインバータで所定周波数の交流電圧に変換し、その交流電圧をモータ等の負荷の駆動電力として出力する電力変換装置が知られている。 Power conversion that converts and boosts the voltage of a three-phase AC power supply to DC using a converter (PWM converter), converts the DC voltage to AC voltage at a predetermined frequency using an inverter, and outputs the AC voltage as driving power for loads such as motors. The device is known.
この電力変換装置は、電源電圧の位相(零クロス点)、コンバータの直流電圧、コンバータへの入力電流をそれぞれ検出し、コンバータが出力する直流電圧が目標値となるよう、かつコンバータへの入力電流が正弦波となるよう(高調波を抑制できるよう)、コンバータのスイッチングを正弦波変調する。すなわち、このコンバータ駆動用の正弦波変調では、上記目標値に応じて電圧レベルが変化する正弦波状のデューティ指令値を所定周波数の三角波状のキャリア信号でパルス幅変調(PWM変調;電圧比較)することにより、上記目標値に応じてパルス幅(オン,オフデューティ)が定まるスイッチング用の駆動信号を生成する。 This power conversion device detects the phase of the power supply voltage (zero cross point), the DC voltage of the converter, and the input current to the converter, and adjusts the input current to the converter so that the DC voltage output by the converter is the target value, and the input current to the converter is The switching of the converter is modulated in a sine wave so that it becomes a sine wave (so that harmonics can be suppressed). That is, in this sinusoidal modulation for driving the converter, a sinusoidal duty command value whose voltage level changes according to the target value is pulse width modulated (PWM modulation; voltage comparison) with a triangular wave carrier signal of a predetermined frequency. As a result, a switching drive signal whose pulse width (on/off duty) is determined according to the target value is generated.
さらに、上記電力変換装置は、負荷であるモータの速度がその運転に必要な目標速度となるよう、インバータをスイッチングする。 Further, the power converter switches the inverter so that the speed of the motor, which is the load, reaches a target speed necessary for its operation.
コンバータ駆動用の正弦波変調では、コンバータの直流電圧が非スイッチングによる無負荷時直流電圧の2/√3倍(約1.15倍)以下のとき、デューティ指令値がキャリア信号の電圧レベルを超える過変調の状態となる。この過変調の状態とすることで、コンバータのスイッチングによる電力ロスを低減することができる。 In sinusoidal modulation for converter drive, when the converter DC voltage is 2/√3 times (approximately 1.15 times) or less the no-load DC voltage due to non-switching, overmodulation occurs where the duty command value exceeds the voltage level of the carrier signal. The state will be as follows. By creating this overmodulation state, power loss due to switching of the converter can be reduced.
コンバータ駆動用の正弦波変調が過変調の状態にあるとき、コンバータへの入力電流に歪みが生じる。この歪みは、高調波となり、電源側に伝わり、他の機器の運転に悪影響を与える。 When the sinusoidal modulation for driving the converter is in an overmodulated state, distortion occurs in the input current to the converter. This distortion becomes harmonics that are transmitted to the power supply side and adversely affect the operation of other equipment.
本実施形態の目的は、過変調により生じる入力電流の歪みを低減できる電力変換装置を提供することである。 The purpose of this embodiment is to provide a power conversion device that can reduce input current distortion caused by overmodulation.
請求項1の電力変換装置は、コンバータおよび制御部を備える。コンバータは、三相交流電源に接続される複数のダイオード、これらダイオードに並列接続される複数のスイッチ素子を有し、前記三相交流電源の電圧をスイッチングにより直流変換および昇圧する。前記制御部は、前記コンバータが出力する直流電圧が目標値となるよう、かつ前記コンバータへの入力電流がそれぞれ正弦波となるよう、前記コンバータのスイッチングを正弦波変調するとともに、この正弦波変調が過変調の状態となる前記コンバータの運転領域において前記コンバータへの入力電流の歪みが最小となるように前記目標値を制御する。とくに、前記制御部は、前記目標値に応じて電圧レベルが変化する正弦波状のデューティ指令値を所定周期のキャリア信号で正弦波変調することにより、前記コンバータに対するスイッチング用の駆動信号を生成し;前記正弦波変調が過変調の状態となる前記コンバータの運転領域において、前記三相交流電源の各相電圧が平衡状態にある場合は前記入力電流の歪みが最小値に収まるよう前記目標値を無負荷直流電圧の所定倍を上限として所定値ずつ増減し、前記三相交流電源の各相電圧が平衡状態にない場合は前記入力電流の歪みが設定値となるよう前記目標値を所定値ずつ増減する。 A power conversion device according to a first aspect of the present invention includes a converter and a control section. The converter includes a plurality of diodes connected to a three-phase AC power supply and a plurality of switch elements connected in parallel to these diodes, and converts and boosts the voltage of the three-phase AC power supply to DC by switching. The control unit sinusoidally modulates the switching of the converter so that the DC voltage output by the converter becomes a target value and the input current to the converter becomes a sine wave, and the sine wave modulation The target value is controlled so that distortion of the input current to the converter is minimized in an operating region of the converter in which overmodulation occurs. In particular, the control unit generates a switching drive signal for the converter by sinusoidally modulating a sinusoidal duty command value whose voltage level changes according to the target value with a carrier signal of a predetermined period; In the operating range of the converter where the sine wave modulation is in an overmodulated state, when each phase voltage of the three-phase AC power supply is in a balanced state, the target value is set to zero so that the distortion of the input current is kept to a minimum value. The target value is increased or decreased by a predetermined value with the upper limit being a predetermined multiple of the load DC voltage, and if each phase voltage of the three-phase AC power supply is not in a balanced state, the target value is increased or decreased by a predetermined value so that the distortion of the input current becomes the set value. do.
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、3相交流電源1にLCフィルタ2およびリアクトル3r,3s,3tを介してコンバータ(PWMコンバータともいう)4が接続され、そのコンバータ4の出力端に平滑コンデンサ5が接続されている。そして、平滑コンデンサ5にインバータ6が接続され、そのインバータ6の出力端に負荷たとえば3相ブラシレスDCモータ(モータという)7の各相巻線が接続されている。
Hereinafter, one embodiment will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a converter (also referred to as a PWM converter) 4 is connected to a three-phase
コンバータ4は、複数のダイオードTad~Tfdのブリッジ回路、これらダイオードTad~Tfdに並列接続されたスイッチ素子(例えばIGBT)Ta~Tfを有し、3相交流電源1の電圧を昇圧および直流変換する。例えば、200Vの3相交流電圧Vcを280V程度の直流電圧に変換する。ダイオードTad~Tfdは還流ダイオードである。
The converter 4 has a bridge circuit of a plurality of diodes Tad to Tfd, switch elements (eg, IGBTs) Ta to Tf connected in parallel to these diodes Tad to Tfd, and boosts and converts the voltage of the three-phase
ダイオードTad~Tfdのブリッジ回路は、ダイオードTad,Tbdを直列接続し両ダイオードの相互接続点が3相交流電源1のR相に接続されるR相直列回路、ダイオードTcd,Tddを直列接続し両ダイオードの相互接続点が3相交流電源1のS相に接続されるS相直列回路、ダイオードTed,Tfdを直列接続し両ダイオードの相互接続点が3相交流電源1のT相に接続されるT相直列回路をブリッジ接続して構成される。
The bridge circuit of diodes Tad to Tfd is an R-phase series circuit in which diodes Tad and Tbd are connected in series and the interconnection point of both diodes is connected to the R phase of three-phase
インバータ6は、スイッチ素子(例えばIGBT)T1,T2を直列接続し両スイッチ素子の相互接続点がモータ7のU相巻線に接続されるU相直列回路、スイッチ素子T3,T4を直列接続し両スイッチ素子の相互接続点がモータ7のV相巻線に接続されるV相直列回路、スイッチ素子T5,T6を直列接続し両スイッチ素子の相互接続点がモータ7のW相巻線に接続されるW相直列回路を含み、平滑コンデンサ5の電圧を各スイッチ素子のスイッチングにより所定周波数の3相交流電圧に変換し、それをモータ7の駆動電力として出力する。なお、スイッチ素子T1~T6は還流ダイオードT1d~T6dを有する。
The inverter 6 is a U-phase series circuit in which switch elements (for example, IGBT) T1 and T2 are connected in series and the interconnection point of both switch elements is connected to the U-phase winding of the motor 7, and switch elements T3 and T4 are connected in series. A V-phase series circuit in which the interconnection point of both switch elements is connected to the V-phase winding of motor 7, switch elements T5 and T6 are connected in series, and the interconnection point of both switch elements is connected to the W-phase winding of motor 7. The voltage of the
モータ7は、星形結線された3つの相巻線を有する固定子、および永久磁石を有する回転子により構成され、インバータ6の出力により動作する。 The motor 7 includes a stator having three star-connected phase windings and a rotor having permanent magnets, and is operated by the output of the inverter 6.
3相交流電源1とリアクトル3r,3sとの間のR相・S相通電ラインに、コンバータ4への入力電流Ir,Isを検知する電流センサ11r,11sが配置されている。インバータ6の出力端とモータ7との間の通電路に、モータ7のU相・V相巻線に流れる電流いわゆるモータ電流を検知する電流センサ12u,12vが配置されている。これら電流センサ11r,11s,12u,12vの検知結果が制御部10に供給される。
制御部10は、マイクロコンピュータおよびその周辺部からなり、コンバータ4の直流電圧Vdcが目標値Vdctとなるよう、かつコンバータ4への入力電流Ir,Is,Itがそれぞれ正弦波となるよう、コンバータ4のスイッチングを正弦波変調するとともに、この正弦波変調が過変調の状態となるコンバータ4の運転領域においてコンバータ4への入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪δ(%)が最小となるように上記目標値Vdctを制御する。
The
この制御の具体的な手段として、制御部10は、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtの位相の零クロス点を検出する位相検出部21、電流センサ11r,11sの検知電流(入力電流)Ir,Isを無効成分電流Iqおよび有効成分電流Idに変換する座標変換部22、この座標変換部22で得た無効成分電流Iqと無効成分電流目標値Iqrefとの偏差ΔIqを求める減算部23、上記座標変換部22で得た有効成分電流Idと後述のPI制御部33から供給される有効成分電流目標値Idrefとの偏差ΔIdを求める減算部24、これら減算部23,24で求めた偏差ΔIq,ΔIdをそれぞれ比例・積分制御(PI制御)演算することによりコンバータ4から出力するべき直流電圧Vdcの無効成分(q軸成分)Vqおよび有効成分(d軸成分)Vdを求めるPI制御部25,26、このPI制御部25,26で求めた無効成分Vqおよび有効成分Vdに応じたレベルの正弦波状の交流電圧指令値Er,Es,Etを設定する座標変換部27、この座標変換部27で設定した交流電圧指令値Er,Es,Etに基づく正弦波変調によりコンバータ4のスイッチ素子Ta~Tfに対するスイッチング用の駆動信号Sr,Ss,Stを生成する正弦波変調部28を含む。
As a specific means for this control, the
正弦波変調部28は、具体的には、図2に示すように、各交流電圧指令値Er,Es,Etを正規化するための除算部28d、所定周波数のキャリア信号(三角波信号)Eoを出力するキヤリア信号発生部28a、比較部28b及び比較部28bの出力を反転する反転部(NOT回路)28cからなる。各交流電圧指令値Er,Es,Etは除算部28dによってコンバータ4の出力するべき直流電圧Vdcで除算され、デューティ指令値Dr,Ds,Dtとして正規化される。デューティ指令値Dr,Ds,Dtは、コンバータ4のスイッチ素子Ta~Tfのオン時間、すなわちデューティーを決定するものである。各デューティ指令値Dr,Ds,Dtは、それぞれ比較部28bにおいて、ヤリア信号発生部28aから出力されるキャリア信号Eoと比較される。ここでキャリア信号Eoは、“+1”から“-1”の幅で変化する三角波である。なお、キヤリア信号は、三角波の1種であるのこぎり波でもよい。それぞれの比較部28bは、キャリア信号Eoと正規化後のデューティ指令値Dr,Ds,Dtを比較し、その大小関係に応じて“1”または“0”を出力する。
Specifically, as shown in FIG. 2, the sine
各比較部28bの出力は2分され、一方はそのまま上側スイッチング素子Ta,Tb,Tcの各々の駆動信号Sa,Sc,Seとなり、他方の出力は反転部28cにて論理反転されて下側スイッチング素子Tb,Td,Tfの駆動信号Sb,Sd,Sfとなる。この際、“1”の信号は各スイッチング素子Ta~Tfのオン信号となり、“0”の信号は各スイッチング素子Ta~Tfのオフ信号となる。なお、実際のスイッチング素子の駆動においては、上下のスイッチング素子、例えばスイッチング素子Taとスイッチング素子Tbが同時にオンしないようにオン信号に遅延が設けられる。
The output of each
図3に各部の出力波形を示す。この正弦波変調では、コンバータ4の直流電圧Vdcが非スイッチングによる無負荷時直流電圧Vdc(st)の2/√3倍(約1.15倍)以下のとき、図3に破線で示すように正規化されたデューティ指令値Dr(Ds,Dt)がキャリア信号Eoの電圧レベルを超える過変調の状態となる。コンバータ4の出力電圧Vdcを高める必要のない低負荷時はこの過変調状態とすることで、コンバータ4のスイッチングによる電力ロスを低減することができる。 Figure 3 shows the output waveforms of each part. In this sine wave modulation, when the DC voltage Vdc of the converter 4 is 2/√3 times (approximately 1.15 times) or less the no-load DC voltage Vdc(st) due to non-switching, normalization is performed as shown by the broken line in Figure 3. A state of overmodulation occurs in which the duty command value Dr (Ds, Dt) exceeds the voltage level of the carrier signal Eo. By entering this overmodulation state during low load times when there is no need to increase the output voltage Vdc of the converter 4, power loss due to switching of the converter 4 can be reduced.
さらに、制御部10は、電圧検知部31、減算部32、PI制御部33、目標値設定部40、高調波検出部41、およびモータ制御部50を含む。電圧検知部31は、コンバータ4の直流電圧(平滑コンデンサ5の電圧)Vdcを検知する。減算部32は、電圧検知部31の検知電圧Vdcと目標値設定部40で設定される目標値Vdctとの偏差ΔVdcを求める。PI制御部33は、減算部32で求めた偏差ΔVdcを比例・積分制御(PI制御)演算することにより、上記有効成分電流Idに対する有効成分電流目標値Idrefを求める。
Further, the
目標値設定部40は、モータ制御部50からの指示に基づいてコンバータ4の直流電圧Vdcに対する目標値Vdctを設定する。さらに、目標値設定部40は、正弦波変調が過変調の状態となるコンバータ4の運転領域において、高調波検出部41で検出される高調波から入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪みδ(%)を検出(算出)し、検出した歪みδ(%)が後述する谷間の変化における最小値となるよう、上記設定した目標値Vdctを補正する。
Target
高調波検出部41は、電流センサ11r,11sの検知電流Ir,Isおよびその検知電流Ir,Isから求まる入力電流Itの変化をフーリエ展開することにより、入力電流Ir,Is,Itに含まれる高調波成分を検出する。
The
モータ制御部50は、電流センサ12u,12vの検知電流(モータ電流)からモータ7の速度を推定し、この推定速度がモータ7の負荷たとえば圧縮機の運転に必要な目標速度となるよう、インバータ6を所定のスイッチング動作させることでモータ7を目標速度に制御する。3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtが互いにほぼ同じ平衡状態にあるときの入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪みδとコンバータ4の昇圧比αとの関係を図4に示す。入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪みδは互いにほぼ一致するので、1つの相の入力電流の歪みδのみ示している。
The
昇圧比αは、コンバータ4のスイッチングが停止しているときのコンバータ4の直流電圧いわゆる無負荷時直流電圧Vdc(st)と、コンバータ4のスイッチングにより得られるコンバータ4の直流電圧Vdcとの比である。 The step-up ratio α is the ratio between the DC voltage of the converter 4 when switching of the converter 4 is stopped, so-called no-load DC voltage Vdc(st), and the DC voltage of the converter 4 obtained by switching the converter 4. be.
歪みδは、入力電流Ir,Is,Itのそれぞれn次高調波成分をInとすると、次式で算出することができる。
Distortion δ can be calculated by the following equation, where In is the n-th harmonic component of each of the input currents Ir, Is, and It.
昇圧比αが“1.15”未満の範囲にあるとき、正弦波変調が過変調の状態となる。この過変調の運転領域において、歪みδは、昇圧比αの上昇方向の変化に伴い、一旦下降してから上昇に転じて谷間を形成し、その谷間から山なりに上昇して再び下降していく。その後、歪みδは、過変調領域から脱したところで、上記谷間の最小値より十分に低い値で安定する。
When the step-up ratio α is in a range less than “1.15”, the sine wave modulation becomes overmodulated. In this overmodulated operating region, the strain δ, as the step-up ratio α changes in the upward direction, once decreases, then begins to increase, forming a valley, and from that valley rises like a mountain and then decreases again. go. Thereafter, the distortion δ is stabilized at a value sufficiently lower than the minimum value of the valley after exiting the overmodulation region.
仮に、位相検出部21から座標変換部27のフィードバック制御がない状態で理想的な正弦波形の交流電圧指令値が正弦波変調部28に入力されるようなオープンループ制御であれば、歪みδは、昇圧比α=“0.97”辺りで谷間の変化の最小値となり、昇圧比α=“1.03”辺りで山なり変化の最大値となる。
If the open-loop control is such that an ideal sinusoidal waveform AC voltage command value is input to the
位相検出部21から座標変換部27のフィードバック制御があってその制御ゲインが“1”の場合は、歪みδは、オープンループ制御の場合より減少し、昇圧比α=“0.97”辺りで谷間の変化の最小値となり、昇圧比α=“1.03”辺りで山なり変化の最大値となる。同様にフィードバック制御があってその制御ゲインが“2”の場合は、歪みδは、制御ゲイン“1”の場合より減少し、昇圧比α=“0.98”辺りで谷間の変化の最小値となり、昇圧比α=“1.03”辺りで山なり変化の最大値となる。
When there is feedback control from the
3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtが平衡状態にないときの入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪みδとコンバータ4の昇圧比αとの関係の一例を図5に示す。入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪みδを3つの線で示している。昇圧比αが“1.15”未満の範囲にあるとき、正弦波変調が過変調の状態となる。
FIG. 5 shows an example of the relationship between the distortions δ of the input currents Ir, Is, and It, respectively, and the step-up ratio α of the converter 4 when the phase voltages Vr, Vs, and Vt of the three-phase
この過変調の運転領域において、入力電流Irの歪みδは、昇圧比αの上昇方向の変化に伴い、一旦下降してから上昇に転じて谷間を形成し、その谷間から山なりに上昇して再び下降していく。入力電流Isの歪みδは、昇圧比αの上昇方向の変化に伴い、谷間を形成することなく連続的に下降していく。入力電流Itの歪みδは、昇圧比αの上昇方向の変化に伴い、下降の途中で一旦平坦となり、そこから再び下降していく。すなわち、入力電流Irの歪みδには谷間の変化の最小値が存在するが、入力電流Is,Itの歪みδには谷間の変化の最小値が存在しない。 In this overmodulation operating region, the distortion δ of the input current Ir, as the step-up ratio α changes in the upward direction, once decreases and then begins to increase, forming a valley, and then rising from the valley in the form of a mountain. It goes down again. The distortion δ of the input current Is continuously decreases without forming a valley as the step-up ratio α changes in the upward direction. As the step-up ratio α changes in the upward direction, the distortion δ of the input current It temporarily becomes flat during the downward movement, and then decreases again. That is, the distortion δ of the input current Ir has a minimum value of the change in the valley, but the distortion δ of the input currents Is and It does not have the minimum value of the change in the valley.
このように、入力電流Ir,Is,Itの歪み特性は、フィードバック制御の制御ゲインによって異なり、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtの平衡状態によっても異なる。
In this way, the distortion characteristics of the input currents Ir, Is, It vary depending on the control gain of the feedback control, and also vary depending on the balanced state of the phase voltages Vr, Vs, Vt of the three-phase
ここで、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtの値νについては、正弦波変調の交流電圧指令値Er,Es,Etを正規化したデューティ指令値Dr,Ds,Dtのそれぞれ振幅Dとキャリア信号Eoの振幅(電圧レベル)との関係性から推定することが可能である。正弦波変調が過変調の状態とならないコンバータ4の通常運転領域において、相電圧Vr,Vs,Vtの値νは次式で表わされる。デューティ指令値Dr,Ds,Dtのそれぞれ振幅Dは、制御部10を構成するマイクロコンピュータの内部演算変数であって、制御部10が自ら認識できる値である。
Here, for the values ν of the phase voltages Vr, Vs, and Vt of the three-phase
したがって、直接的な検出手段を要することなく、相電圧Vr,Vs,Vtの値νを推定することができる。
Therefore, the values ν of the phase voltages Vr, Vs, and Vt can be estimated without requiring direct detection means.
なお、正弦波変調が過変調の状態にあるときは、デューティ指令値Dr,Ds,Dtの台形波状の基本波成分γが寄与することから、相電圧Vr,Vs,Vtの値νは次式で表わされる。 Note that when the sine wave modulation is in an overmodulated state, the trapezoidal fundamental wave component γ of the duty command values Dr, Ds, and Dt contributes, so the values ν of the phase voltages Vr, Vs, and Vt are determined by the following equation. It is expressed as
ただし、上式はオープンループ制御時に成立するもので、デューティ指令値Dr,Ds,Dtの波形に変形を加えるフィードバック制御においては上式が必ずしも成立しない。このため、フィードバック制御がある場合は相電圧Vr,Vs,Vtの値νを推定することが難しい。
However, the above equation holds true during open-loop control, and does not necessarily hold true during feedback control that deforms the waveforms of the duty command values Dr, Ds, and Dt. Therefore, when there is feedback control, it is difficult to estimate the values ν of the phase voltages Vr, Vs, and Vt.
コンバータ4のスイッチングによる電力ロスを低減するためにコンバータ4を過変調で運転する場合、入力電流Ir,Is,Itのそれぞれ歪みδが上記谷間の変化の最小値となるように昇圧比αを探索すればよいが、上記したように、歪みδの谷間の変化の最小値は制御ゲインによって異なり、しかも相電圧Vr,Vs,Vtが平衡状態にない場合は入力電流の歪みδが谷間の変化なく連続的に下降することもあり、昇圧比αの探索は難しい。 When operating the converter 4 with overmodulation in order to reduce power loss due to switching of the converter 4, the step-up ratio α is searched so that the distortion δ of each of the input currents Ir, Is, and It becomes the minimum value of the change between the above valleys. However, as mentioned above, the minimum value of the change in the valley of the strain δ varies depending on the control gain, and if the phase voltages Vr, Vs, and Vt are not in an equilibrium state, the input current distortion δ will not change in the valley. It is difficult to search for the step-up ratio α because it may drop continuously.
そこで、目標値設定部40は、正弦波変調が過変調の状態となるコンバータ4の運転領域において、かつモータ7の速度(推定速度)が一定の状態を保っていることを条件に(モータ負荷の変動に伴う入力電流の変化がないことを条件に)、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtが互いにほぼ同じ平衡状態にあるか否かを判定する。
Therefore, the target
この平衡状態の判定は、各相のデューティ指令値Dr,Ds,Dtのそれぞれ振幅Dの比較、および入力電流Ir,Is,Itの比較のうち、少なくとも一方を用いて行う。例えば、図6に示すように、相電圧Vr,Vs,Vtが互いにほぼ同じ平衡状態にある場合、デューティ指令値Dr,Ds,Dtのそれぞれ振幅Dのピーク値は互いにほぼ同じとなり、入力電流Ir,Is,Itも互いにほぼ同じとなる。これに対し、相電圧Vtが相電圧Vr,Vsに対して所定値以上ずれた不平衡状態では、デューティ指令値Drの振幅Dがデューティ指令値Ds,Dtのそれぞれ振幅Dから所定値以上ずれた状態になり、入力電流Ir,Is,Itも互いに所定値以上ずれた状態となる。 This equilibrium state is determined using at least one of a comparison of the amplitudes D of the duty command values Dr, Ds, and Dt of each phase, and a comparison of the input currents Ir, Is, and It. For example, as shown in FIG. 6, when the phase voltages Vr, Vs, and Vt are in substantially the same equilibrium state, the peak values of the amplitudes D of the duty command values Dr, Ds, and Dt are substantially the same, and the input current Ir , Is, and It are also almost the same. On the other hand, in an unbalanced state where the phase voltage Vt deviates from the phase voltages Vr and Vs by more than a predetermined value, the amplitude D of the duty command value Dr deviates from the amplitude D of each of the duty command values Ds and Dt by more than a predetermined value. The input currents Ir, Is, and It also deviate from each other by a predetermined value or more.
平衡状態にある場合、目標値設定部40は、歪みδに上記谷間の変化が生じるとの判断の下に、歪みδを高調波からの演算により逐次に検出しながらその歪みδが上記谷間の変化の最小値に収まるよう目標値Vdctを無負荷直流電圧Vdc(st)の1.03倍を上限として所定値ΔVずつ増減する。1.03倍は、歪みδが上記山なり変化の最大値にあるときの昇圧比αである。歪みδの探索に際して目標値Vdctが無負荷直流電圧Vdc(st)の1.03倍の値を超えてしまうと、歪みδの探索を谷間の変化の最小値側に戻せなくなることから、そのような不具合が生じないよう、無負荷直流電圧Vdc(st)の1.03倍の値を歪み探索の上限としている。また、この上限の設定により、昇圧比αの不要な増加を防ぎ、ひいては無駄なスイッチングによる電力ロスを低減するようにしている。
When in an equilibrium state, the target
平衡状態にない場合、目標値設定部40は、歪みδに上記谷間の変化が生じない可能性があるとの判断の下に、歪みδを高調波Inからの演算により逐次に検出しながらその歪みδが予め定めた設定値δsに収まるよう目標値Vdctを所定値ΔVずつ増減する。
If the equilibrium state is not reached, the target
目標値設定部40が実行する制御を図7のフローチャートを参照しながら説明する。
The control executed by the target
目標値設定部40は、正弦波変調が過変調の状態となるコンバータ4の運転領域において、かつモータ7の速度(推定速度)が一定の状態を保っていることを条件に(モータ負荷の変動に伴う入力電流の変化がないことを条件に)、目標値Vdctとして無負荷直流電圧Vdc(st)を初期設定し(S1)、デューティ指令値Dr,Ds,Dtのそれぞれ振幅Dを互いに比較する(S2)。この比較において所定値以上のずれがない場合、目標値設定部40は、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtが互いにほぼ同じ平衡状態にあると判定する(S3のYES)。上記比較において所定値以上のずれがある場合、目標値設定部40は、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtが平衡状態にないと判定する(S3のNO)。
The target
平衡状態にある場合(S3のYES)、目標値設定部40は、歪みδを“δ1”として検出するとともに(S4)、目標値Vdctに所定値ΔVを加える(S6)。続いて、目標値設定部40は、昇圧比αが歪み探索の上限である“1.03”以下であることを条件に(S6のNO)、歪みδを“δ2”として検出し(S11)、その歪みδ2と先に検出した歪みδ1とを比較する(S12)。後で検出した歪みδ2が先に検出した歪みδ1より小さい場合(S12のYES)、目標値設定部40は、後に検出した歪みδ2を“δ1”に置き換える(S14)。後に検出した歪みδ2が先に検出した歪みδ1と同じまたはそれより大きい場合(S12のNO)、目標値設定部40は、所定値ΔVをそれまでの+値から-値に反転する(S13)。そして、目標値設定部40は、後で検出した歪みδ2を“δ1”に置き換えるとともに(S14)、デューティ指令値Dr,Ds,Dtのそれぞれ振幅Dを互いに比較する(S15)。この比較において所定値以上のずれがない場合、目標値設定部40は、平衡状態にあるとの判断の下に(S16のNO)、上記S5に戻って目標値Vdctに所定値ΔVを加える(S5)。以後、昇圧比αが歪み探索の上限である“1.03”以下であることを条件に(S6のNO)、上記S11~S16の処理を繰り返す。この繰り返しにより、歪みδが谷間の変化の最小値に向かって低下していく。
When in the equilibrium state (YES in S3), the target
上記S6の判定において、昇圧比αが歪み探索の上限である“1.03”より大きい場合(S6のYES)、目標値設定部40は、無負荷直流電圧Vdc(st)の1.03倍の値を目標値Vdctとして設定する(S7)。続いて、目標値設定部40は、歪みδを“δ1”として検出するとともに(S8)、所定値ΔVを-値に設定し(S9)、それを目標値Vdctに加える(S10)。そして、目標値設定部40は、歪みδを“δ2”として検出し(S11)、その歪みδ2と上記S8で検出した歪みδ1とを比較する(S12)。以後、上記同様の処理を繰り返す。この繰り返しにより、歪みδが谷間の変化の最小値に向かって低下していく。
In the determination in S6 above, if the step-up ratio α is larger than "1.03" which is the upper limit of the distortion search (YES in S6), the target
上記S3の判定または上記S16の判定において平衡状態でない場合(S3のNOまたはS16のYES)、目標値設定部40は、目標値Vdctに所定値ΔVを加える(S17)。続いて、目標値設定部40は、歪みδを検出し(S18)、その歪みδと設定値δsとを比較する(S19)。歪みδが設定値δsより大きい場合(S19のYES)、目標値設定部40は、上記S2からの処理を繰り返す。歪みδが設定値δsと同じまたはそれより小さい場合(S19のYES)、目標値設定部40は、所定値ΔVをそれまでの+値または-値から反転し(S20)、上記S2からの処理を繰り返す。この繰り返しにより、歪みδが設定値δsに向かって低下していく。
If the equilibrium state is not determined in the determination in S3 or S16 (NO in S3 or YES in S16), the target
以上のように、3相交流電源1の相電圧Vr,Vs,Vtが平衡状態にあってもなくても、過変調により生じる歪みδを谷間の変化の最小値または設定値δsへと確実に低減させることができる。
As described above, regardless of whether the phase voltages Vr, Vs, and Vt of the three-phase
上記実施形態では、負荷が3相ブラシレスDCモータである場合を例に説明したが、負荷に限定はなく、種々の電気機器への適用も可能である。 In the above embodiment, the load is a three-phase brushless DC motor, but the load is not limited and the present invention can be applied to various electrical devices.
上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The embodiments and modifications described above are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This new embodiment and modification examples can be implemented in various other forms, and various omissions, rewrites, and changes can be made without departing from the gist of the invention. The scope of these embodiments and modifications is included in the gist of the invention, and is also included in the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1…3相交流電源、4…コンバータ、6…インバータ、7…3相ブラシレスDCモータ、11r,11s…電流センサ、21…位相検出部、28…正弦波変調部、31…電圧検出部、40…目標値設定部、41…高調波検出部、50…モータ制御部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記コンバータの直流電圧が目標値となるよう、かつ前記コンバータへの入力電流がそれぞれ正弦波となるよう、前記コンバータのスイッチングを正弦波変調するとともに、この正弦波変調が過変調の状態となる前記コンバータの運転領域において前記コンバータへの入力電流の歪みが最小となるように前記目標値を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記目標値に応じて電圧レベルが変化する正弦波状のデューティ指令値を所定周期のキャリア信号で正弦波変調することにより、前記コンバータに対するスイッチング用の駆動信号を生成し、
前記正弦波変調が過変調の状態となる前記コンバータの運転領域において、前記三相交流電源の各相電圧が平衡状態にある場合は前記入力電流の歪みが最小値に収まるよう前記目標値を無負荷直流電圧の所定倍を上限として所定値ずつ増減し、前記三相交流電源の各相電圧が平衡状態にない場合は前記入力電流の歪みが設定値となるよう前記目標値を所定値ずつ増減する、
ことを特徴とする電力変換装置。 A converter that has a plurality of diodes connected to a three-phase AC power supply and a plurality of switch elements connected in parallel to these diodes, and converts the three-phase AC power supply into DC and boosts the voltage by switching,
The switching of the converter is modulated in a sine wave so that the DC voltage of the converter becomes a target value and the input current to the converter becomes a sine wave, and the sine wave modulation becomes an overmodulation state. a control unit that controls the target value so that distortion of the input current to the converter is minimized in the operating range of the converter;
Equipped with
The control unit includes:
generating a switching drive signal for the converter by sinusoidally modulating a sinusoidal duty command value whose voltage level changes according to the target value with a carrier signal of a predetermined period;
In the operating range of the converter where the sine wave modulation is in an overmodulated state, when each phase voltage of the three-phase AC power supply is in a balanced state, the target value is set to zero so that the distortion of the input current is kept to a minimum value. The target value is increased or decreased by a predetermined value with the upper limit being a predetermined multiple of the load DC voltage, and if each phase voltage of the three-phase AC power supply is not in a balanced state, the target value is increased or decreased by a predetermined value so that the distortion of the input current becomes the set value. do,
A power conversion device characterized by:
をさらに備え、
前記制御部は、
前記正弦波変調が過変調の状態となる前記コンバータの運転領域において、かつ前記モータの速度が一定の状態を保っていることを条件に、前記三相交流電源の各相電圧が平衡状態にあるか否かを判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 an inverter that converts the DC voltage output by the converter into an AC voltage of a predetermined frequency and outputs it as driving power for the motor;
Furthermore,
The control unit includes:
In an operating range of the converter where the sine wave modulation is in an overmodulated state, and on the condition that the speed of the motor remains constant, the voltages of each phase of the three-phase AC power supply are in a balanced state. determine whether or not
The power conversion device according to claim 1 , characterized in that:
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