JPWO2016185924A1 - 電力変換装置およびこれを適用した車両駆動システム - Google Patents
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Abstract
Description
従って、いずれの文献も、制御性能の向上に十分寄与しうるものとは言えない。
前記制御部は、電圧指令値と第一搬送波とに基づく第一スイッチング信号および電圧指令値と第一搬送波の周波数と異なる周波数の第二搬送波とに基づく第二スイッチング信号を生成可能とするとともに、
第一スイッチング信号によりスイッチング素子を駆動したとき求まる電力変換部の第一動作特性および第二スイッチング信号によりスイッチング素子を駆動したとき求まる電力変換部の第二動作特性に基づき、電動機の抵抗値およびデッドタイムの実効値と設定値との差であるデッドタイム誤差のいずれか一方または双方を推定演算する特性演算部を備えたものである。
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。図1において、電力変換部1は、直流電源3の電圧を変換して電動機7に供給し、その内部構成は公知であるのでその図示は省略するが、直流電源3の両極間にIGBT、MOSFET等のスイッチング素子を互いに直列に接続してなるブリッジを備え、直流電源3から供給される直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して電動機7に供給する機能を有する。なお、上記の可変電圧可変周波数の交流電力の周波数は0Hzの直流電力を含む。
ここで、本発明では、d軸は電動機7の回転子磁束の方向を示す軸であり、q軸はd軸に対して直交する方向で、電動機7の出力トルクを制御する軸と定義する。
電流制御器42は、電流検出部2で検出された電流検出値と電流指令値との偏差が零となるよう電圧指令値を生成し、具体的には、dq軸電流Id、Iqと所望の電流指令値Id*、Iq*の差分を受けて電圧指令値Vd*、Vq*を以下の(1)式の演算式で出力する。
下記(2)式中のωccは、制御部4によって制御されるdq軸電流Id、Iqの応答速度を設計するための所定の電流応答目標値であり、後述するPWM制御器44の搬送波周波数と、電動機7に供給する電流を制御するための要求仕様を加味して決定する。
また、下記(2)式中のLsは、誘導電動機の一次側インダクタンスであり、誘導電動機の相互インダクタンスと一次漏れインダクタンスとの和である。
図2において、電力変換部1は、スイッチング素子である上位スイッチング部11と下位スイッチング部12とが直流電源3に対して互いに直列に接続されブリッジを形成しており、その中間端子13が電動機7に接続される。
そこで、図2に示すPWM制御器44は上記を勘案にて構成されたもので、以下、図2を参照してその構成および動作を説明する。
デッドタイム補正回路443は、デッドタイムにより発生する出力電圧誤差を補償するように前段スイッチング信号Su1を補正して後段スイッチング信号Su2を生成する。
しかしながら、実際にはデッドタイム生成回路445にて設定付加されるデッドタイムの設定値と電力変換部1で実際に発生するデッドタイムの実効値とは以下に述べるような理由により同じにはならない。本明細書ではこの誤差をデッドタイム誤差ΔTdと呼ぶことにする。
図3において、上段は、デッドタイム補正回路443の動作、即ち、スイッチング信号生成回路442からの前段スイッチング信号Su1に、Td(補正量)の補正を施して後段スイッチング信号Su2を出力する動作を示している。
中段は、デッドタイム生成回路445の動作、即ち、デッドタイム補正回路443からの後段スイッチング信号Su2、Sx2にTd(設定量)を設定付加してそれぞれ上位スイッチング部11および下位スイッチング部12に送出するスイッチング信号SuおよびSxを出力する動作を示している。
このデッドタイム実効値=デッドタイム誤差をΔTdとすると、このΔTdにより発生する出力電圧誤差ΔVtdは、(5)式により求まる。
抵抗値演算部5は、電圧指令値Vd*とd軸電流Idと搬送波切替え信号とから電動機7の抵抗値を算出する。デッドタイム誤差演算部6は、電圧指令値Vd*と搬送波切替え信号とからデッドタイム誤差を算出する。
ここで、記憶部9は、電動機7の電気回路定数や制御に必要なパラメータ、上記の処理を記述したプログラムなどが記憶されたメモリーにより構成される。処理部8は、マイコン(マイクロコンピュータ)やDSP(Digital Signal Processor)、FPGAなどのハードウェア回路に論理構成されたプロセッサにより構成される。また、複数の処理部8および複数の記憶部9が連携して上記機能を実行してもよい。
また、抵抗値演算部5やデッドタイム誤差演算部6で算出された抵抗値やデッドタイム誤差を一旦記憶部9に記憶させ、通常制御の処理に抵抗値やデッドタイム誤差を制御パラメータとして用いても良い。
その基本的な原理は以下の通りである。即ち、制御部4に、PWM制御のための搬送波として、第一搬送波とこの第一搬送波の周波数と異なる周波数の第二搬送波とを選択して出力する選択器45を備え、PWM制御器44は、入力される電圧指令値と第一搬送波とに基づく第一スイッチング信号および電圧指令値と第二搬送波とに基づく第二スイッチング信号を生成出来るようにする。
これら動作特性としては種々のものが対象となり得るが、先ず、この実施の形態1では、図1に示す、電流制御器42を備えた電力変換装置を使用した場合を例にとり説明する。
即ち、ここでは、両動作特性は、電流検出部2で検出される電流検出値を電流指令値に追従させる制御の条件下で求められるものを使用する。
なお、この場合、座標変換器41、43に入力する位相θとしては、各相電流が零にならないような位相θ0の一定値に設定する。このように設定する理由は、一般的に、電流値の零付近のデッドタイム期間中の誤差電圧は非線形かつ誤差の符号判定が困難なため、デッドタイム補正が正しく補正できない場合があり、デッドタイム誤差ΔTdの影響が非常に大きく表れるためである。
この場合、図1の構成では、前述のように公知である直交2軸のdq軸回転座標系を用いた制御系で構成しており、制御部4によって制御される直交2軸の電流値である上記IdおよびIqの応答を所定の電流応答目標値で制御することが可能になる。これにより、所望の期間内に電流値を一定値に制定できるため、通常の運転に支障の生じないよう瞬時に電動機の抵抗値およびデッドタイム誤差を推定することが可能になる。
例えば、(2)式の電流応答目標値ωccを500rad/s程度に設計すれば、第一動作特性および第二動作特性を、それぞれ10〜100msec程度で獲得することが出来る。従って、L/Rの時定数に関係なく電流を応答させることができ、抵抗値およびデッドタイム誤差の推定演算に必要な時間の短縮が可能になる。
そして、この第二動作特性から、d軸電流Id2およびd軸電圧指令値Vd2*を入手し、(10)式により第二抵抗値R2を演算する。
=R1−(√2/3×ΔTd×Fc1×EFC)/Id*
・・・(11)
Rs=(Vd2*−ΔVtd2)/Id*
=R2−(√2/3×ΔTd×Fc2×EFC)/Id*
・・・(12)
・・・(13)
ΔTd=(Vd1*−Vd2*)/{√2/3×(Fc1−Fc2)
×EFC} [sec]・・・(14)
また、電流指令値Id*を互いに同一値に設定して第一動作特性および第二動作特性を求め、第一動作特性における電圧指令値Vd1*と第二動作特性における電圧指令値Vd2*との差からデッドタイム誤差ΔTdを演算することができる訳である。
この場合の出力電圧誤差の補償は、デッドタイム実効値、従って、Td(実際量)に基づく出力電圧誤差=Td(実際量)×Fc×EFCの値を使って、例えば、電圧指令値を補正する等の対策が考えられる。
時刻T0迄は、電力変換部1はスイッチング動作が停止しており、例えば、鉄道車両の例では、車両が停車している状態である。そして、後述する時刻T2から通常制御、例えば、運転を開始する。従って、この図4の例では、通常制御開始直前の電動機7の回転停止状態で推定演算を実施するものである。図4の例とは異なるが、通常制御終了直後の電動機7の回転停止状態で推定演算することもできるのは当然である。
ここで、時刻T0からT0aまでの期間は、d軸電流Id1が所望の一定値になるまでの過渡応答期間である。この過渡応答期間では抵抗値も一定値ではなく正しく抵抗値を推定することが困難であることが分かる。
なお、この過渡応答期間は前述のように電流応答目標値ωccの設定によって短縮可能であり、電動機7のL/Rの時定数よりも十分短くなるように設定されている。
また、時刻T0からT1までの期間では、デッドタイム誤差ΔTdの演算はできないので零としている。
この場合、第一動作特性と第二動作特性とは、互いに同一の電流値の条件で得られるので、後述する実施の形態2の両者で電流値が異なる場合に比較して抵抗値とデッドタイム誤差の推定精度を向上させることができる。
また、両動作特性における電圧指令値Vd1*、Vd2*、更には、両周波数Fc1、Fc2、直流電源3の電圧EFCとから上述の式(14)によりデッドタイム誤差ΔTdを算出できる。
この時、搬送波周波数に関しても、図4に図示していないが、通常制御の搬送波周波数Fc3に切替えるようにしている。このように構成する理由としては、通常制御の搬送波周波数Fc3を設けることで通常制御に要求されている電流応答目標値に応じた搬送波周波数の設定が可能になり、制御系設計における設計自由度が向上するのに加えて、抵抗値デッドタイム誤差推定期間の電流応答目標値と分けて設計できる。
また、図4に図示しているように、抵抗値デッドタイム誤差推定期間から通常制御へ連続的に移行するように構成することで、電力変換部1がスイッチング停止状態から電力変換部1をスイッチング動作させて電動機7を制御する通常制御へ短時間で移行させることができる。
また、これら各搬送波周波数として実際の装置で採用される値は、500Hz〜数10kHz程度である。
また、上記の推定演算にあたっては、直交2軸のdq軸回転座標上のVdおよびIdから算出しているが、これに限定するものではなく、各相の相電圧、相電流から算出してもよい。
×EFC}[sec] ・・・(16)
更には、電動機の出力トルクや速度制御精度の向上による安全性向上、高効率による省エネ化、低騒音による環境負荷低減等が得られる。
図5は、本発明の実施の形態2による電力変換装置の構成を示す図である。先の実施の形態1では、第一動作特性および第二動作特性を、電流検出部2で検出される電流検出値を電流指令値に追従させる制御の条件下で求めるようにしたのに対し、この実施の形態2では、第一動作特性および第二動作特性を、電圧指令値を一定とする制御の条件下で求めるようにした点が異なる。以下、具体的な構成および推定演算の動作について説明する。
図6は、図5の構成において、電力変換部1と電動機7の動作が定常状態に達したときの等価回路を示す図である。ここで、図6のRは電動機7の巻線の抵抗値である。
=(V*−ΔTd×Fc1×EFC)/Iu1 ・・・(17)
Rs=(V*−ΔVtd2)/Iu2
=(V*−ΔTd×Fc2×EFC)/Iu2 ・・・(18)
/(Fc1×Iu2−Fc2×Iu1)[Ω] ・・・(19)
ΔTd=V*×(Iu1−Iu2)
/{EFC×(Fc2×Iu1−Fc1×Iu2)}[sec]
・・・(20)
また、電圧指令値V*を互いに同一値に設定して第一動作特性および第二動作特性を求め、第一動作特性における電流検出部2で検出された第一電流検出値Iu1と第二動作特性における電流検出部2で検出された第二電流検出値Iu2との差からデッドタイム誤差ΔTdを演算することができる訳である。
この実施の形態3では、先の実施の形態での電力変換部1に具備されるスイッチング素子の素材に炭化珪素(SiC)等のワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子を適用した場合について説明する。
なお、図面上の構成は先の実施の形態の場合と変わりがないので、ここでは説明を割愛する。
ここで、ワイドバンドギャップ半導体の一つである炭化珪素は、珪素と比較して半導体素子で発生する損失を大幅に低減できるとともに高温での使用が可能であるという特徴を有しているので、電力変換部に具備されるスイッチング素子として炭化珪素を素材とするものを用いれば、スイッチング素子モジュールの許容動作温度を高温側に引き上げることができるので、搬送波周波数を高めて、電動機の運転効率を向上させることが可能である。
先の実施の形態1でも説明したように、同定演算を短時間で実行するためには電動機7に供給する電流をできるだけ早く制定させることが重要であり、そのためには、制御部4によって制御される上記IdおよびIqの応答を設計するための所定の電流応答目標値ωccをできるだけ大きくすることで達成される。しかしながら、電流応答目標値ωccの設定は搬送波周波数により制約される。
これに対し、先の実施の形態1で説明した本発明に係る技術によれば、PWM制御を行う電力変換装置において、炭化珪素を素材とするスイッチング素子を用いて搬送波周波数を増大させ、上述のような同定時間の短縮を図ったとしても、第一搬送波でPWM制御を実施して第一動作特性を求める第一期間と第二搬送波でPWM制御を実施して第二動作特性を求める第二期間とを有することで、電動機の抵抗値とデッドタイム誤差を精度よく同定することが可能となる。
なお、以上の実施の形態1〜3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。
図7は、本発明の実施の形態1から3に係る電力変換装置を鉄道車両に適用した車両駆動システムの一構成例を示す図である。この実施の形態4に係る車両駆動システムは、交流電動機101、電力変換部102、制御部108および入力回路103を備えている。
制御部108は、図1に示した制御部4、処理部8および記憶部9をすべて含むもので、電力変換部102のスイッチング素子104a〜106bをオンオフ制御するためのスイッチング信号SWU、SWV、SWWを生成する。
電力変換部102は、入力回路103から供給された直流電圧を任意周波数および任意電圧の交流電圧に変換して交流電動機101を駆動する。
更には、以上のような制御性能の劣化も防止することにより、電動機の出力トルクや速度制御精度の向上による安全性向上、乗り心地の向上、高効率による省エネ化、低騒音による環境負荷低減等が得られる車両制御を実現することができる。
Claims (19)
- 直流電源の両極間にスイッチング素子を互いに直列に接続してなるブリッジを備え前記直流電源の電圧を変換して電動機に供給する電力変換部、前記電動機に流入する電流を検出する電流検出部、および前記ブリッジを構成する前記スイッチング素子による直流短絡を防止するためのデッドタイムを設定付加するとともに電圧指令値と搬送波とに基づきPWM制御により前記スイッチング素子をオンオフ駆動するためのスイッチング信号を生成する制御部を備えた電力変換装置であって、
前記制御部は、前記電圧指令値と第一搬送波とに基づく第一スイッチング信号および前記電圧指令値と前記第一搬送波の周波数と異なる周波数の第二搬送波とに基づく第二スイッチング信号を生成可能とするとともに、
前記第一スイッチング信号により前記スイッチング素子を駆動したとき求まる前記電力変換部の第一動作特性および前記第二スイッチング信号により前記スイッチング素子を駆動したとき求まる前記電力変換部の第二動作特性に基づき、前記電動機の抵抗値および前記デッドタイムの実効値と前記デッドタイムの設定値との差であるデッドタイム誤差のいずれか一方または双方を推定演算する特性演算部を備えた電力変換装置。 - 前記特性演算部は、前記電動機の抵抗値を推定演算する請求項1記載の電力変換装置。
- 前記特性演算部は、更に、前記デッドタイム誤差を推定演算する請求項2記載の電力変換装置。
- 前記第一動作特性および前記第二動作特性は、前記電流検出部で検出される電流検出値を電流指令値に追従させる制御の条件下で求めるようにした請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記電流検出部で検出された前記電流検出値と前記電流指令値との偏差が零となるよう前記電圧指令値を生成する電流制御器、前記第一搬送波と前記第二搬送波とを選択して出力する選択器、および前記電圧指令値と前記選択器から出力された搬送波とに基づき前記スイッチング信号を生成するPWM制御器を備え、
前記特性演算部は、前記電流指令値として直流値を設定し、前記PWM制御器からの前記第一スイッチング信号により求まる前記第一動作特性および前記PWM制御器からの前記第二スイッチング信号により求まる前記第二動作特性に基づき、前記電動機の前記抵抗値および前記デッドタイム誤差のいずれか一方または双方を推定演算する請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記PWM制御器は、前記電圧指令値を前記直流電源の電圧値で規格化して変調波を出力する変調波生成回路、前記変調波と前記搬送波とに基づき前記PWM制御により前段スイッチング信号を生成するスイッチング信号生成回路、前記デッドタイムにより発生する出力電圧誤差を補償するように前記前段スイッチング信号を補正して後段スイッチング信号を生成するデッドタイム補正回路、および前記後段スイッチング信号にデッドタイム設定値を設定付加して前記スイッチング素子をオンオフ駆動するための前記スイッチング信号を生成するデッドタイム生成回路を備えた請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記電流制御器の電流応答に係る時定数を前記電動機の抵抗値とインダクタンス値とで決まる時定数より小さく設定した請求項5または請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記特性演算部は、前記電動機の前記抵抗値を演算し、
前記電流指令値を互いに同一値に設定して前記第一動作特性および前記第二動作特性を求め、前記第一動作特性における前記電圧指令値と前記電流指令値とから第一抵抗値を演算し、前記第二動作特性における前記電圧指令値と前記電流指令値とから第二抵抗値を演算し、前記第一抵抗値と前記第二抵抗値とから前記電動機の前記抵抗値を演算するようにした請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記特性演算部は、前記デッドタイム誤差を演算し、
前記電流指令値を互いに同一値に設定して前記第一動作特性および前記第二動作特性を求め、前記第一動作特性における前記電圧指令値と前記第二動作特性における前記電圧指令値との差から前記デッドタイム誤差を演算するようにした請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第一動作特性および前記第二動作特性は、前記電圧指令値を一定とする制御の条件下で求めるようにした請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記特性演算部は、前記電動機の前記抵抗値を演算し、
前記電圧指令値を互いに同一値に設定して前記第一動作特性および前記第二動作特性を求め、前記第一動作特性における前記電流検出部で検出された第一電流検出値と、前記第二動作特性における前記電流検出部で検出された第二電流検出値とから前記電動機の前記抵抗値を演算するようにした請求項10に記載の電力変換装置。 - 前記特性演算部は、前記デッドタイム誤差を演算し、
前記電圧指令値を互いに同一値に設定して前記第一動作特性および前記第二動作特性を求め、前記第一動作特性における前記電流検出部で検出された第一電流検出値と前記第二動作特性における前記電流検出部で検出された第二電流検出値との差から前記デッドタイム誤差を演算するようにした請求項10に記載の電力変換装置。 - 前記特性演算部は、第一期間で前記第一動作特性を求め、前記第一期間に続く第二期間で前記第二動作特性を求めるようにした請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第一期間および前記第二期間は、前記電動機の通常制御開始直前に設定した請求項13に記載の電力変換装置。
- 前記第一期間および前記第二期間は、前記電動機の通常制御終了直後に設定した請求項13に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体で形成した請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、または、ダイヤモンドを用いた半導体である請求項16に記載の電力変換装置。
- 前記第一搬送波および前記第二搬送波の周波数を、前記スイッチング素子を非ワイドバンドギャップ半導体で形成した場合より高く設定した請求項16または請求項17に記載の電力変換装置。
- 請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の電力変換装置、饋電回路と前記電力変換装置との間に接続され前記電力変換装置への電力を生成する入力回路、および前記電力変換装置によって駆動される電動機を備えた車両駆動システム。
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