KR20150117219A - 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법 - Google Patents

전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법 Download PDF

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KR20150117219A
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가부시키가이샤 야스카와덴키
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Abstract

공진 억제를 행할 수 있는 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
실시 형태에 따른 전력 변환 장치는, 진동 성분 검출부 및 출력 전압 제어부를 구비한다. 진동 성분 검출부는, 교류 전원의 각 상과 부하의 각 상의 사이에 마련된 전력 변환부의 입력 전압에 포함되는 진동 성분 또는 교류 전원과 전력 변환부의 사이에 마련된 필터에 흐르는 전류에 포함되는 진동 성분을 검출한다. 출력 전압 제어부는, 진동 성분 검출부에 의해 검출된 진동 성분에 근거하여, 필터의 공진을 억제하도록 전력 변환부의 출력 전압을 제어한다.

Description

전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법{POWER CONVERTERPOWER CONVERTING APPARATUS, CONTROL DEVICE OF POWER CONVERTERPOWER CONVERTING APPARATUS, AND CONTROL METHOD OF POWER CONVERTERPOWER CONVERTING APPARATUS}
개시된 실시 형태는, 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 전력 변환 장치로서, 교류 전원의 전력을 임의의 주파수·전압의 교류 전력으로 직접 변환하는 매트릭스 컨버터나 교류 전원으로의 전력 회생을 행하는 회생 컨버터 등이 알려져 있다.
이러한 전력 변환 장치는, 반도체 스위치 등의 스위칭 소자를 가지고 있고, 이러한 스위칭 소자를 스위칭하는 것에 의해 전력 변환을 행하므로, 스위칭에 기인하는 고조파 노이즈가 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 전력 변환 장치에 있어서는, 입력측에 필터가 배치되는 경우가 있다.
이와 같이 입력측에 필터를 배치했을 경우, 필터를 구성하는 리액터와 콘덴서에 의한 공진에 의해 입력 전류 또는 입력 전압에 왜곡이 발생하는 경우가 있다. 예를 들면, 에너지 버퍼를 가지지 않는 매트릭스 컨버터에 있어서 입력측의 왜곡에 의해 출력측에도 왜곡이 나타난다. 이러한 왜곡의 억제 방법으로서, 예를 들면, 출력 전류에 포함되는 진동 성분을 추출하고, 이러한 진동 성분에 근거하여 출력 전류 지령을 조정하는 기술이 있다(예를 들면, 국제 공개 제2013/080744호 참조).
출력 전류에 포함되는 진동 성분에 근거하여 출력 전류 지령을 조정하는 기술은, 공진 억제 제어와 전류 제어의 간섭에 의해 전력 변환 제어의 응답성이 저하할 우려가 있다.
실시 형태의 한 형태는, 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 새로운 공진 억제 기술에 의해 공진 억제를 행할 수 있는 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태의 한 형태에 따른 전력 변환 장치는, 전력 변환부와, 제어부와, 필터를 구비한다. 상기 전력 변환부는, 교류 전원의 각 상과 부하의 각 상의 사이에 마련된다. 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 교류 전원과 상기 부하의 사이의 전력 변환 제어를 행한다. 상기 필터는, 상기 교류 전원과 상기 전력 변환부의 사이에 마련된다. 상기 제어부는, 진동 성분 검출부와, 출력 전압 제어부를 구비한다. 상기 진동 성분 검출부는, 상기 전력 변환부의 입력 전압에 포함되는 진동 성분 또는 상기 필터에 흐르는 전류에 포함되는 진동 성분을 검출한다. 상기 출력 전압 제어부는, 상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여, 상기 필터의 공진을 억제하도록 상기 전력 변환부의 출력 전압을 제어한다.
실시 형태의 한 형태에 의하면, 공진 억제를 행할 수 있는 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 제 1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 쌍방향 스위치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은, 필터의 회로도이다.
도 4(a)는, 전원상(相) 전압을 입력으로 하고, 입력상(相) 전압을 출력으로 하는 블럭도이다.
도 4(b)는, 입력상 전압을 입력상 전류에 피드백하는 구성을 추가한 블럭도이다.
도 4(c)는, 도 4(b)의 블럭도를 치환한 블럭도이다.
도 5는, 출력상 전압의 제어에 의한 입력 유효 전류의 변동의 이미지를 나타내는 도면이다.
도 6은, 도 1에 나타내는 입력 전압 추정부, 진동 성분 검출부 및 출력 전압 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은, 도 1의 전력 변환 장치에 있어서 공진 억제 제어를 행하기 전과 후에서의 전력 변환 장치의 3상 교류 출력 전압의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은, 출력 전압 제어부의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는, 도 1에 나타내는 제어부에 의한 제어예를 나타내는 플로우차트이다.
도 10은, 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 11은, 도 10에 나타내는 입력 전압 추정부, 진동 성분 검출부 및 출력 전압 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 10에 나타내는 제어부에 의한 제어예를 나타내는 플로우차트이다.
도 13은, 제 3 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 14는, 도 13에 나타내는 진동 성분 검출부 및 입력 전류 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 15는, 도 13의 전력 변환 장치에 있어서 공진 억제 제어를 행하기 전과 후에서의 전력 변환 장치의 3상 교류 출력 전압의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은, 도 13에 나타내는 제어부에 의한 제어예를 나타내는 플로우차트이다.
도 17은, 제 4 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 18은, 제 5 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
이하에, 본원이 개시하는 전력 변환 장치, 전력 변환 장치의 제어 장치 및 전력 변환 장치의 제어 방법의 실시 형태를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또한, 전력 변환 장치의 일례로서 매트릭스 컨버터를 예로 들어 설명하지만, 전력 변환 장치는 매트릭스 컨버터로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 회생 컨버터나 인버터이어도 좋다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
［1. 제 1 실시 형태］
［1.1. 전력 변환 장치의 구성례］
도 1은, 제 1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1)는, 3상 교류 전원(2)(이하, 간단히 교류 전원(2)으로 기재함)과 3상 교류 부하(3)(이하, 간단히 부하(3)로 기재함)의 사이에 마련되는 매트릭스 컨버터이다.
교류 전원(2)은, 예를 들면, 전력 계통이다. 부하(3)는, 예를 들면, 교류 전동기나 교류 발전기이다. 이하에 있어서는, 교류 전원(2)의 R상, S상 및 T상을 입력상이라고 기재하고, 부하(3)의 U상, V상 및 W상을 출력상이라고 기재한다.
전력 변환 장치(1)는, 입력 단자 Tr, Ts, Tt와, 출력 단자 Tu, Tv, Tw와, 전력 변환부(10)와, 필터(11)와, 입력 전압 검출부(12)와, 출력 전류 검출부(13)와, 제어부(20)(전력 변환 장치(1)의 제어 장치에 상당)를 구비한다.
전력 변환부(10)는, 교류 전원(2)의 각 상과 부하(3)의 각 상을 접속하는 복수의 쌍방향 스위치 Sru, Ssu, Stu, Srv, Ssv, Stv, Srw, Ssw, Stw(이하, 쌍방향 스위치 Sw라 총칭하는 경우가 있음)를 구비한다.
쌍방향 스위치 Sru, Ssu, Stu는, 교류 전원(2)의 R상, S상, T상과 부하(3)의 U상을 각각 접속한다. 쌍방향 스위치 Srv, Ssv, Stv는, 교류 전원(2)의 R상, S상, T상과 부하(3)의 V상을 각각 접속한다. 쌍방향 스위치 Srw, Ssw, Stw는, 교류 전원(2)의 R상, S상, T상과 부하(3)의 W상을 각각 접속한다.
도 2는, 쌍방향 스위치 Sw의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 쌍방향 스위치 Sw는, 스위칭 소자 Q1과 다이오드 D1의 직렬 접속 회로와, 스위칭 소자 Q2와 다이오드 D2의 직렬 접속 회로를 갖고, 이러한 직렬 접속 회로는 역병렬 접속된다.
또한, 쌍방향 스위치 Sw는, 복수의 스위칭 소자를 갖고 도통 방향을 제어 가능한 구성이면 좋고, 도 2에 나타내는 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 2에 나타내는 예에서는, 다이오드 D1, D2의 음극끼리가 접속되어 있지만, 쌍방향 스위치 Sw는, 다이오드 D1, D2의 음극끼리가 접속되지 않는 구성이라도 좋다.
또한, 스위칭 소자 Q1, Q2는, 예를 들면, MOSFET(Metal-Oxide-Semicond uctor Field- Effect Transistor)나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 스위칭 소자이다. 또한, 스위칭 소자 Q1, Q2는, 예를 들면, 질화갈륨(GaN) 또는 탄화규소(SiC)를 포함하는 와이드 밴드 갭 반도체이어도 좋다. 또한, 스위칭 소자 Q1, Q2가, 예를 들면 역저지형 IGBT의 경우, 다이오드 D1, D2를 마련하지 않아도 좋다.
또한, 게이트 신호 S1∼S9는, 쌍방향 스위치 Sru, Ssu, Stu, Srv, Ssv, Stv, Srw, Ssw, Stw의 스위칭 소자 Q1의 게이트에 입력된다. 또한, 게이트 신호 S10∼S18는, 쌍방향 스위치 Sru, Ssu, Stu, Srv, Ssv, Stv, Srw, Ssw, Stw의 스위칭 소자 Q2의 게이트에 입력된다.
도 1로 돌아와서, 전력 변환 장치(1)를 계속해서 설명한다. 필터(11)는, 교류 전원(2)의 R상, S상 및 T상과 전력 변환부(10)의 사이에 마련되어, 전력 변환부(10)를 구성하는 쌍방향 스위치 Sw의 스위칭에 기인하는 스위칭 노이즈를 제거한다.
필터(11)는, 3개의 리액터 Lr, Ls, Lt와, 3개의 콘덴서 Crs, Cst, Ctr을 포함하는 LC 필터이다. 리액터 Lr, Ls, Lt는, 교류 전원(2)의 R상, S상 및 T상과 전력 변환부(10)의 사이에 각각 접속된다.
콘덴서 Crs, Cst, Ctr는, 상이한 2개의 입력상의 사이에 각각 접속된다. 구체적으로는, 콘덴서 Crs는, R상과 S상의 사이에 접속되고, 콘덴서 Cst는, S상과 T상의 사이에 접속되고, 콘덴서 Ctr는, T상과 R상의 사이에 접속된다. 또한, 필터(11)는, 도 1에 나타내는 구성으로 한정되지 않고, 다른 구성이어도 좋다.
입력 전압 검출부(12)는, 교류 전원(2)으로부터 전력 변환부(10)에 입력되는 교류 전원(2)의 R상, S상, T상의 각 상의 순간 전압값 Vr, Vs, Vt(이하, 입력상 전압 Vr, Vs, Vt라고 기재함)를 검출한다. 또한, 이하에 있어서는, 입력상 전압 Vr, Vs, Vt를 입력상 전압 Vrst라고 기재하는 경우가 있다. 또한, 전력 변환부(10)에 입력되는 교류 전원(2)의 R상, S상, T상의 각 상의 전류 Imr, Ims, Imt를 입력상 전류 Imrst라고 기재하는 경우가 있다.
출력 전류 검출부(13)는, 전력 변환부(10)와 부하(3)의 U상, V상, W상의 각각의 사이에 흐르는 전류의 순간값 Iu, Iv, Iw(이하, 출력상 전류 Iu, Iv, Iw라고 기재함)를 검출한다. 또한, 출력 전류 검출부(13)는, 예를 들면, 자전(磁電) 변환 소자인 홀 소자를 이용하여 전류를 검출한다. 또한, 이하에 있어서는, 출력상 전류 Iu, Iv, Iw를 출력상 전류 Iuvw라고 기재하는 경우가 있다.
제어부(20)는, 전력 변환부(10)를 제어하여 교류 전원(2)과 부하(3)의 사이의 전력 변환 제어를 행한다. 이러한 제어부(20)는, 실행하는 운전 모드로서, 역행 운전 모드와 회생 운전 모드를 가진다.
역행 운전 모드에 있어서, 제어부(20)는, 교류 전원(2)으로부터 입력 단자 Tr, Ts, Tt를 거쳐서 공급되는 3상 교류 전력을 임의의 전압 및 주파수의 3상 교류 전력으로 변환하여 출력 단자 Tu, Tv, Tw로부터 부하(3)에 출력하도록 전력 변환부(10)를 제어한다.
회생 운전 모드에 있어서, 제어부(20)는, 부하(3)로부터 출력 단자 Tu, Tv, Tw를 거쳐서 공급되는 회생 전력을, 교류 전원(2)의 주파수 및 전압의 3상 교류 전력으로 변환하여 입력 단자 Tr, Ts, Tt로부터 교류 전원(2)에 공급하도록 전력 변환부(10)를 제어한다.
제어부(20)는, 입력 전압 추정부(21)와, 지령 생성부(22)와, 진동 성분 검출부(23)와, 출력 전압 제어부(24)와, 스위치 구동부(25)를 구비한다.
입력 전압 추정부(21)는, 입력상 전압 Vrst에 근거하여 전원상 전압 Erst의 추정값 Erst^(이하, 전원상 추정 전압 Erst^라고 기재함)를 연산한다. 전원상 전압 Erst는, 교류 전원(2)의 R상, S상 및 T상의 전압 Er, Es, Et(이하, 전원상 전압 Er, Es, Et라고 기재함)를 포함한다. 또한, 전원상 추정 전압 Erst^는, 전원상 전압 Er, Es, Et의 추정값(이하, 전원상 추정 전압 Er^, Es^, Et^라고 기재함)을 포함한다.
지령 생성부(22)는, 예를 들면, PI(비례 적분) 제어기를 가진다. 이러한 지령 생성부(22)는, 출력상 전류 지령 Iuvw*와 출력상 전류 Iuvw의 편차가 제로로 되도록 출력상 전압 지령 Vuvw*(출력 전압 지령의 일례)를 생성한다. 또한, 출력상 전류 지령 Iuvw*는, U상, V상 및 W상의 출력상 전류 지령 Iu*, Iv*, Iw*를 포함하고, 출력상 전압 지령 Vuvw*는, U상, V상 및 W상의 출력상 전압 지령 Vu*, Vv*, Vw*를 포함한다.
진동 성분 검출부(23)는, 입력상 전압 Vrst에 포함되는 진동 성분 ΔVc를 검출한다. 구체적으로는, 진동 성분 검출부(23)는, 입력상 전압 Vrst에 포함되는 필터(11)의 공진 주파수 성분을 진동 성분 ΔVc로서 검출한다.
입력상 전압 Vrst에 포함되는 진동 성분 ΔVc는, 필터(11)의 공진에 의해 생기므로, 필터(11)를 구성하는 콘덴서 Crs, Cst, Ctr의 양단 전압으로부터도 진동 성분 ΔVc를 추출할 수 있다.
출력 전압 제어부(24)는, 진동 성분 검출부(23)에 의해 검출된 진동 성분 ΔVc에 근거하여, 필터(11)의 공진을 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력 전압을 제어한다. 구체적으로는, 출력 전압 제어부(24)는, 진동 성분 ΔVc에 따른 전압 조정값을 연산한다. 출력 전압 제어부(24)는, 전압 조정값에 근거하여 출력상 전압 지령 Vuvw*를 조정하는 것에 의해 출력상 전압 지령 Vuvw1*를 생성한다. 출력상 전압 지령 Vuvw1*는, U상, V상 및 W상의 출력상 전압 지령 Vu1*, Vv1*, Vw1*를 포함한다.
스위치 구동부(25)는, 전원상 추정 전압 Erst^ 및 출력상 전압 지령 Vuvw1*에 근거하여 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다. 스위치 구동부(25)는, 생성한 게이트 신호 S1∼S18을 전력 변환부(10)의 쌍방향 스위치 Sru, Ssu, Stu, Srv, Ssv, Stv, Srw, Ssw, Stw에 출력한다.
스위치 구동부(25)는, 예를 들면, 전원상 추정 전압 Er^, Es^, Et^의 크기의 대소 관계가 변화하지 않는 기간에 있어서, 전원상 추정 전압 Er^, Es^, Et^의 크기가 큰 순서로 입력상 전압 Ep, Em, En로 한다. 스위치 구동부(25)는, 출력상 전압 지령 Vu1*, Vv1*, Vw1*를, 입력상 전압 Ep, Em, En의 각 전압값에 대응한 PWM(Pul se Width Modulation) 신호로 변환한다. 스위치 구동부(25)는, PWM 신호에 전류 제어 처리를 실시하여, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다.
제어부(20)는, 이와 같이, 진동 성분 ΔVc에 따른 전압 조정값에 의해 조정한 출력상 전압 지령 Vuvw1*에 근거하여 전력 변환부(10)의 제어를 행함으로써, 필터(11)의 공진을 억제하면서 교류 전원(2)과 부하(3)의 사이의 전력 변환을 행할 수 있다.
제어부(20)는, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 입출력 포트 등을 가지는 마이크로 컴퓨터나ASIC(Application Specific Integrated Circuit)나 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 집적 회로에 의해 실현된다.
CPU는, ROM에 기억된 프로그램을 판독하여 실행함으로써, 입력 전압 추정부(21), 지령 생성부(22), 진동 성분 검출부(23), 출력 전압 제어부(24) 및 스위치 구동부(25)의 일부 또는 전부의 기능을 실행할 수 있다. 또한, ASIC나 FPGA 등의 회로에 의해, 입력 전압 추정부(21), 지령 생성부(22), 진동 성분 검출부(23), 출력 전압 제어부(24) 및 스위치 구동부(25)의 일부 또는 전부의 기능을 실행할 수도 있다.
［1.2. 공진 억제 제어］
상술한 바와 같이, 전력 변환 장치(1)는, 진동 성분 검출부(23)에 의해 검출된 진동 성분 ΔVc에 근거하여, 필터(11)의 공진을 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력 전압을 제어한다. 이러한 공진 억제 제어에 대해, 구체적으로 설명한다.
도 3은, 필터(11)의 회로도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 필터(11)의 리액터 Lr, Ls, Lt의 인덕턴스를 Lf로 하고, 필터(11)의 콘덴서 Crs, Cst, Ctr의 캐패시턴스를 Cf로 하면, 필터(11)의 상태 방정식은, 식(1)에 나타낸 바와 같이 된다.
[수 1]
Figure pat00001
상기 식(1)으로부터, 예를 들면, R상에 있어서의 전원상 전압 Er과 입력상 전압 Vr의 관계는, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 나타낼 수 있다. 도 4(a)는, 전원상 전압 Er을 입력으로 하고, 입력상 전압 Vr을 출력으로 하는 블럭도이다. 도 4(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 필터(11)는, 공진 주파수가 √(3LfCf)이며, 공진을 억제하는 요소인 댐핑 요소가 존재하지 않는다.
도 4(a)에 나타내는 블럭도에 대해, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 입력상 전압 Vr을 입력상 전류 Imr에 피드백하는 구성을 추가한다. 도 4(b)는, 입력상 전압 Vr을 입력상 전류 Imr에 피드백하는 구성을 추가한 블럭도이다.
도 4(b)에 나타내는 블럭도는, 도 4(c)에 나타내는 블럭도로 치환할 수 있다. 도 4(c)는, 도 4(b)의 블럭도를 치환한 블럭도이다. 도 4(c)에 나타내는 블럭도에 있어서는, 「KdLfs」가 댐핑 요소로서 나타난다. 따라서, 입력상 전압 Vrst의 진동 성분 ΔVc에 의해 입력 전류 제어를 행함으로써, 필터(11)의 공진을 억제하는 것이 가능하다.
여기서, 입력 유효 전류는, 입력 유효 전력과 출력 유효 전력의 균형에 의해, 이하의 식(2), (3)에 나타낸 바와 같이 나타낼 수 있다. 또한, 「IinP」는, 입력 유효 전류이며, 「IoP」는, 출력 유효 전류이다. 또한, 「Vin」는, 입력상 전압 Vrst의 제곱 평균 평방근이며, 「Vo」는, 출력상 전압 Vuvw의 제곱 평균 평방근이다.
[수 2]
Figure pat00002
전력 변환 장치(1)의 입력측은 전압원이며, 전력 변환 장치(1)의 출력측은 전류원이므로, 입력상 전류 Irst 및 출력상 전압 Vuvw의 변화에 대해서 입력상 전압 Vrst 및 출력상 전류 Iuvw의 변화는 충분히 늦다. 그 때문에, 하기 식(4)에 나타내는 관계가 성립된다.
[수 3]
Figure pat00003
따라서, 순간적으로 출력 전압 Vo를 제어함으로써, 도 5에 나타낸 바와 같이, 입력 유효 전류 IinP를 순간적으로 제어할 수 있다. 도 5는, 출력 전압 Vo의 제어에 의한 입력 유효 전류 IinP의 변동의 이미지를 나타내는 도면이다. 제어부(20)는, 진동 성분 ΔVc에 근거하여, 진동 성분 ΔVc를 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력상 전압 Vuvw를 제어한다.
도 6은, 입력 전압 추정부(21), 진동 성분 검출부(23) 및 출력 전압 제어부(24)의 구성예를 나타내는 도면이다. 이하, 도 6을 참조하여, 입력 전압 추정부(21), 진동 성분 검출부(23) 및 출력 전압 제어부(24)의 순서로 구체적으로 설명한다.
［1.2.1. 입력 전압 추정부(21)］
입력 전압 추정부(21)는, 전압 위상 검출기(30)와, 좌표 변환기(31)를 구비한다. 전압 위상 검출기(30)는, 입력상 전압 Vrst의 위상 θ(이하, 입력 전압 위상 θ이라고 기재함)을 구한다.
전압 위상 검출기(30)는, 예를 들면, 입력상 전압 Vrst를 고정 좌표상의 직교한 2축의 αβ 성분으로 변환함으로써, α축 방향의 전압값 Vα와 β축 방향의 전압값 Vβ를 구한다. 전압 위상 검출기(30)는, 예를 들면, 전압값 Vα, Vβ를 dq축 직교 좌표계의 dq 성분으로 변환했을 경우에 d축 성분이 영으로 되도록 dq축 직교 좌표계의 위상을 연산한다. 전압 위상 검출기(30)는, 이와 같이 연산한 dq축 직교 좌표계의 위상을 입력 전압 위상 θ으로서 출력한다.
좌표 변환기(31)는, 후술하는 입력 전압 진폭값 k와 입력 전압 위상 θ에 근거하여, 전원상 추정 전압 Erst^를 연산한다. 예를 들면, 좌표 변환기(31)는, 이하의 식(5)∼(7)으로부터, 전원상 추정 전압 Erst^를 연산한다.
Figure pat00004
［1.2.2. 진동 성분 검출부(23)］
진동 성분 검출부(23)는, 진폭 검출기(32)와, 로우 패스 필터(LPF)(33)와, 감산기(34)를 구비한다. 로우 패스 필터(33) 및 감산기(34)는 진동 성분 추출부의 일례이다.
진폭 검출기(32)는, 입력상 전압 Vrst의 진폭 Va(이하, 입력 전압 진폭 Va라고 기재함)를 검출한다. 진폭 검출기(32)는, 예를 들면, 입력상 전압 Vrst의 제곱 평균 평방근(실효값)을 연산하여, 이러한 실효값을 입력 전압 진폭 Va로서 검출한다.
로우 패스 필터(33)는, 필터(11)의 공진 주파수보다 낮은 컷오프 주파수를 가지고 있고, 입력 전압 진폭 Va로부터 필터(11)의 공진 주파수 성분을 제거한다. 이에 의해, 로우 패스 필터(33)는, 입력상 전압 Vrst의 기본파 성분의 진폭값 k(이하, 입력 전압 진폭값 k라고 기재함)를 추출한다.
감산기(34)는, 입력 전압 진폭 Va로부터 로우 패스 필터(33)의 출력을 감산함으로써, 입력 전압 진폭 Va에 포함되는 진동 성분 ΔVc를 추출한다. 즉, 진동 성분 검출부(23)는 상기 입력 전압 진폭 Va의 변동 성분을 상기 진동 성분 ΔVc로서 추출한다. 이러한 진동 성분 ΔVc에는, 필터(11)의 공진 주파수 성분이 포함된다.
［1.2.3. 출력 전압 제어부(24)］
출력 전압 제어부(24)는, 제산기(35)와, 증폭기(36)와, 감산기(37)와, 승산기(38)를 구비한다. 또한, 제산기(35), 증폭기(36) 및 감산기(37)는 조정값 연산부의 일례이며, 승산기(38)는 지령 조정부의 일례이다.
제산기(35)는, 진동 성분 ΔVc를 입력 전압 진폭값 k로 제산하고, 입력 전압 진폭값 k에 대한 진동 성분 ΔVc의 비율 P(=ΔVc/k)를 구한다. 증폭기(36)는, 조정 이득 Kd를 가지고 있고, 제산기(35)의 제산 결과를 Kd배로 한다. 조정 이득 Kd는, 역행 운전 모드인 경우에는 0 이상의 값으로 설정되고, 회생 운전 모드인 경우에는 0 미만으로 설정된다.
감산기(37)는, 1로부터 증폭기(36)의 출력을 감산하여 전압 조정값 Vcmp(=1－ΔVc×Kd/k)를 구한다. 승산기(38)는, 출력상 전압 지령 Vuvw*에 전압 조정값 Vcmp를 승산하는 것에 의해 출력상 전압 지령 Vuvw1*를 생성한다.
이와 같이, 전력 변환 장치(1)의 제어부(20)는, 진동 성분 검출부(23)에 의해 검출된 진동 성분 ΔVc에 근거하여, 필터(11)의 공진을 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력 전압을 제어한다. 도 7은, 전력 변환 장치(1)에 있어서 공진 억제 제어를 행하기 전과 후에서의 전력 변환 장치(1)의 3상 교류 출력 전압의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 공진 억제 제어에 의해 공진이 억제되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6에 나타내는 출력 전압 제어부(24)는, 예를 들면, 도 8에 나타내는 구성이어도 좋다. 도 8은, 출력 전압 제어부(24)의 다른 구성예를 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 출력 전압 제어부(24)는, 증폭기(51)와 가산기(52)를 구비한다. 증폭기(51)는, 조정 이득 Kd＇를 가지고 있고, 진동 성분 ΔVc를 Kd＇배 하여 전압 조정값 Vcmp2를 구한다. 가산기(52)는, 출력상 전압 지령 Vuvw*에 전압 조정값 Vcmp2를 가산함으로써, 출력상 전압 지령 Vuvw1*를 생성한다.
［1.3. 제어부(20)에 의한 처리 플로우］
도 9는, 제어부(20)의 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트의 일례이다. 제어부(20)는, 도 9에 나타내는 제어 처리를 소정 주기로 반복하여 실행한다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 제어부(20)는, 출력상 전압 지령 Vuvw*를 생성하고(Step10), 입력상 전압 Vrst의 진동 성분 ΔVc를 검출한다(Step11).
다음에, 제어부(20)는, 입력상 전압 Vrst의 진동 성분 ΔVc에 근거하여, 출력상 전압 지령 Vuvw*를 조정하여, 출력상 전압 지령 Vuvw1*를 생성한다(Step12). 이러한 출력상 전압 지령 Vuvw1*에 근거하여, 제어부(20)는, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다(Step13).
제어부(20)는, 이러한 게이트 신호 S1∼S18에 의해 전력 변환부(10)를 제어함으로써, 필터(11)의 공진을 억제한 출력상 전압 Vuvw를 전력 변환부(10)로부터 출력할 수 있다. 또한, 제어부(20)는, 지령 생성부(22)에 입력되는 출력상 전류 Iuvw를 제어하지 않으므로, 공진 억제 제어와 전류 제어의 간섭에 의한 전력 변환 제어의 응답성 저하를 회피할 수 있다.
［2. 제 2 실시 형태］
다음에, 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에 대해 설명한다. 또한, 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는, 진동 성분 ΔVc에 근거하여 PWM 제어의 듀티비를 제어함으로써, 출력 전압을 제어하는 점에서 제 1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1)와 상이하다. 또한, 이하에 있어서는, 전력 변환 장치(1)와 동일 기능을 가지는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1A)는, 전력 변환부(10)와, 필터(11)와, 입력 전압 검출부(12)와, 출력 전류 검출부(13)와, 제어부(20A)를 구비한다. 제어부(20A)는, 입력 전압 추정부(21A)와, 지령 생성부(22)와, 진동 성분 검출부(23)와, 출력 전압 제어부(24A)와, 스위치 구동부(25A)를 구비한다.
출력 전압 제어부(24A)는, 진동 성분 ΔVc에 근거하여 전력 변환부(10)의 PWM 제어로 이용되는 입력 전압 진폭값 k를 조정하여, 조정 후의 입력 전압 진폭값 k1을 출력한다. 입력 전압 추정부(21A)는, 입력상 전압 Vrst와 입력 전압 진폭값 k1에 근거하여 전원상 추정 전압 Erst1^를 연산한다. 전원상 추정 전압 Erst1^는, R상, S상 및 T상의 전원상 전압 Er, Es, Et의 추정값(이하, 전원상 추정 전압 Er1^, Es1^, Et1^ 라고 기재함)를 포함한다.
스위치 구동부(25A)는, 전원상 추정 전압 Erst1^ 및 출력상 전압 지령 Vuvw* 에 근거하여 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다. 예를 들면, 스위치 구동부(25A)는, 전원상 추정 전압 Er1^, Es1^, Et1^의 크기의 대소 관계가 변화하지 않는 기간에 있어서, 전원상 추정 전압 Er1^, Es1^, Et1^를 크기가 큰 순서로 입력상 전압 Ep, Em, En(Ep＞Em＞En)로 한다.
스위치 구동부(25A)는, 출력상 전압 지령 Vu*, Vv*, Vw*를, 입력상 전압 Ep, Em, En의 각 전압값에 대응한 듀티비의 PWM 신호로 변환한다. 스위치 구동부(25A)는, PWM 신호에 전류 제어 처리를 실시하여, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다.
여기서, PWM 제어의 듀티비 행렬을 「D」, 입력상 전류 Imrst의 벡터 성분을 입력 전압 벡터 Vi, 출력상 전압 Vuvw의 벡터 성분을 출력 전압 벡터 Vo로 하면, 이하의 식(8)이 성립한다.
[수 4]
Figure pat00005
입력 전압 벡터 Vi가 1/k배만큼 작아진 값으로 듀티비 행렬 D를 도출하면, 하기 식(9)과 같이, 듀티비 행렬 D는 k배로 된다.
[수 5]
Figure pat00006
그러나, 입력 전압 벡터 Vi는, 실제로는 변화하지 않으므로, 상기 식(9)은, 하기 식(10)과 같이 나타낼 수 있고, 출력 전압 벡터 Vo는 k배로 된다.
[수 6]
Figure pat00007
따라서, 듀티비 연산에 이용하는 전원상 추정 전압 Erst^의 진폭을 변화시키면, 간접적으로 출력상 전압 Vuvw의 진폭을 변화시킬 수 있다. 그래서, 출력 전압 제어부(24A)는, 진동 성분 ΔVc에 근거하여 입력 전압 진폭값 k를 조정한다.
그리고, 스위치 구동부(25A)는, 조정 후의 입력 전압 진폭값 k1에 의해 생성된 전원상 추정 전압 Erst1^ 및 출력상 전압 지령 Vuvw*에 따른 듀티비의 PWM 신호를 생성한다. 이에 의해, 제어부(20A)는, 진동 성분 ΔVc에 근거하여 PWM 신호의 듀티비가 조정되어, 진동 성분 ΔVc를 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력상 전압 Vuvw를 제어할 수 있다.
이하, 스위치 구동부(25A)에 의한 PWM 신호의 생성 방법의 일례에 대해 설명한다. 스위치 구동부(25A)는, 예를 들면, 전원상 추정 전압 Er1^, Es1^, Et1^의 크기의 대소 관계가 변화하지 않는 기간에 있어서, 전원상 추정 전압 Er1^, Es1^, Et1^의 크기가 큰 순서로 입력상 전압 Ep, Em, En로 한다.
스위치 구동부(25A)는, 예를 들면, 전원상 추정 전압 Erst1^의 위상으로부터 입력 전류 분배율 α을 구하는 테이블을 가진다. 입력 전류 분배율 α은, 예를 들면, 입력상 전압 Ep으로의 접속 기간 T1과 입력상 전압 Em으로의 접속 기간 T2를 규정한다. 입력 전류 분배율 α은, 예를 들면, α=T2/T1로 나타내어진다.
스위치 구동부(25A)는, 입력 전류 분배율 α 및 입력상 전압 Ep, Em, En에 근거하여, 반송파 신호의 진폭을 조정한다. 예를 들면, Δemax=Ep－En, Δemid=Em－En로 하면, 스위치 구동부(25A)는, Δemax＋α×Δemid를 반송파 신호의 진폭으로 한다.
또한, 스위치 구동부(25A)는, 입력 전류 분배율 α 및 출력상 전압 지령 Vuvw*에 근거하여 변조파 신호를 생성한다. 예를 들면, (1＋α)×Vuvw*와, Vuvw*를 변조파 신호로 한다. 스위치 구동부(25A)는, 예를 들면, 입력상 전압 Em이 양이고, 또한, 출력상 전압 지령 Vu*, Vv*, Vw* 중 출력상 전압 지령 Vw*가 가장 낮은 경우, U상에 관해서는 (1＋α)×Vu*와 Vu*를 변조파 신호로 하고, V상에 관해서는 (1＋α)×Vv*와 Vv*를 변조파 신호로 한다.
스위치 구동부(25A)는, 반송파 신호와 변조파 신호를 비교함으로써, PWM 신호를 생성한다. 스위치 구동부(25A)는, 예를 들면, PWM 신호에 전류 처리를 실시하여 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다.
도 11은, 입력 전압 추정부(21A), 진동 성분 검출부(23) 및 출력 전압 제어부(24A)의 구성예를 나타내는 도면이다. 이하, 도 11을 참조하여, 출력 전압 제어부(24A) 및 입력 전압 추정부(21A)의 순서로 구체적으로 설명한다.
출력 전압 제어부(24A)는, 증폭기(36A)와, 가산기(39)를 구비한다. 증폭기(36A)는, 조정 이득 Kd를 가지고 있고, 진동 성분 ΔVc를 Kd배 하여 전압 조정값 Vcmp1(=ΔVc×Kd)를 생성한다. 가산기(39)는, 입력 전압 진폭값 k에 전압 조정값 Vcmp1을 가산함으로써, 입력 전압 진폭값 k를 조정한다. 가산기(39)는, 조정 후의 입력 전압 진폭값 k1(=k＋Vcmp1)을 출력한다.
입력 전압 추정부(21A)는, 전압 위상 검출기(30)와, 좌표 변환기(31A)를 구비한다. 좌표 변환기(31A)는, 입력 전압 진폭값 k1과 입력 전압 위상 θ에 근거하여, 전원상 추정 전압 Erst1^를 연산한다. 예를 들면, 입력 전압 추정부(21A)는, 상기 식(5)∼(7)에 있어서, Erst^를 Erst1^로 치환하고 또한, k를 k1로 치환한 식에 의해, 전원상 추정 전압 Erst1^를 연산한다.
도 12는, 제어부(20A)의 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트의 일례이다. 제어부(20A)는, 도 12에 나타내는 제어 처리를 소정 주기로 반복하여 실행한다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 제어부(20A)는, 출력상 전압 지령 Vuvw*를 생성하고(Step20), 입력상 전압 Vrst의 진동 성분 ΔVc를 검출한다(Step21). 또한, 제어부(20A)는, 입력 전압 진폭값 k를 검출한다(Step22).
다음에, 제어부(20A)는, 입력상 전압 Vrst의 진동 성분 ΔVc에 근거하여, 입력 전압 진폭값 k를 조정하여, 입력 전압 진폭값 k1을 생성한다(Step23). 이러한 입력 전압 진폭값 k1 및 입력 전압 위상 θ에 근거하여, 제어부(20A)는, 전원상 추정 전압 Erst1^ 를 연산한다(Step24).
그리고, 제어부(20A)는, 진동 성분 ΔVc에 따라 진폭이 조정된 전원상 추정 전압 Erst1^와 출력상 전압 지령 Vuvw*에 근거하여, 듀티비의 PWM 신호를 생성한다. 제어부(20A)는, 이러한 PWM 신호에 전류 제어 처리를 실시하여, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다(Step25).
제어부(20A)는, 이러한 게이트 신호 S1∼S18에 의해 전력 변환부(10)를 제어함으로써, 진동 성분 ΔVc에 따라 진폭이 조정된 출력상 전압 Vuvw를 전력 변환부(10)로부터 출력할 수 있다.
그 때문에, 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1A)는, 필터(11)의 공진을 억제할 수 있다. 또한, 제어부(20A)는, 지령 생성부(22)에 입력되는 출력상 전류 Iuvw를 제어하지 않으므로, 공진 억제 제어와 전류 제어의 간섭에 의한 전력 변환 제어의 응답성 저하를 회피할 수 있다.
［3. 제 3 실시 형태］
다음에, 제 3 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에 대해 설명한다. 또한, 제 3 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어에 부가하여, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어를 실행하는 점에서 제 1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1)와 상이하다. 또한, 이하에 있어서는, 전력 변환 장치(1)와 동일 기능을 가지는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 13은, 제 3 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1B)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 13에 나타낸 바와 같이 전력 변환 장치(1B)는, 전력 변환부(10)와, 필터(11)와, 입력 전압 검출부(12)와, 출력 전류 검출부(13)와, 전원 전류 검출부(14)와, 제어부(20B)를 구비한다.
전원 전류 검출부(14)는, 교류 전원(2)으로부터 전력 변환 장치(1B)에 공급되는 R상, S상 및 T상의 전류의 순간값 Ir, Is, It(이하, 입력상 전류 Irst라고 기재하는 경우가 있음)를 검출한다. 또한, 전원 전류 검출부(14)는, 예를 들면, 자전 변환 소자인 홀 소자를 이용하여 전류를 검출한다.
제어부(20B)는, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어에 부가하여, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어를 실행한다. 이러한 제어부(20B)는, 입력 전압 추정부(21)와, 지령 생성부(22)와, 진동 성분 검출부(23)와, 출력 전압 제어부(24)와, 스위치 구동부(25B)와, 진동 성분 검출부(27)와, 입력 전류 제어부(28)를 구비한다.
진동 성분 검출부(27)는, 입력상 전류 Irst에 포함되는 진동 성분 ΔIc를 추출한다. 구체적으로는, 진동 성분 검출부(27)는, 입력상 전류 Irst에 포함되는 필터(11)의 공진 주파수 성분을 진동 성분 ΔIc로서 검출한다.
입력상 전류 Irst에 포함되는 진동 성분 ΔIc는, 필터(11)와의 공진에 의해 생기므로, 필터(11)를 구성하는 콘덴서 Crs, Cst, Ctr에 흐르는 전류(이하, 콘덴서 전류 Ic라고 기재함)로부터도 추출할 수 있다. 전원 전류 검출부(14)는, 전력 변환 장치(1B)에 입력되는 입력상 전류 Irst를 검출하지만, 전원 전류 검출부(14)는, 콘덴서 Crs, Cst, Ctr에 흐르는 전류를 검출하도록 해도 좋다. 이 경우, 진동 성분 검출부(27)는, 콘덴서 전류 Ic의 진동 성분을 진동 성분 ΔIc로서 추출한다.
또한, 진동 성분 검출부(27)는, 예를 들면, 도 6에 나타내는 진동 성분 검출부(23)와 마찬가지의 구성이다. 또한, 진동 성분 검출부(27)는, 필터(11)의 공진 주파수 성분을 통과시키는 필터(예를 들면, 밴드 패스 필터나 하이 패스 필터)이어도 좋다.
입력 전류 제어부(28)는, 진동 성분 검출부(27)에 의해 검출된 진동 성분 ΔIc에 근거하여, 필터(11)의 공진을 억제하도록 전력 변환부(10)의 입력 전류 위상을 제어한다. 구체적으로는, 입력 전류 제어부(28)는, 진동 성분 ΔIc에 따른 위상 조정값을 연산한다. 입력 전류 제어부(28)는, 전원상 추정 전압 Erst^를 위상 조정값분만큼 위상을 쉬프트하여 입력상 전류 지령 Irst*를 생성하고, 스위치 구동부(25B)에 출력한다. 입력상 전류 지령 Irst*는, R상, S상 및 T상의 입력상 전류 지령 Ir*, Is*, It*를 포함한다.
스위치 구동부(25B)는, 전원상 추정 전압 Erst^, 입력상 전류 지령 Irst* 및 출력상 전압 지령 Vuvw1*에 근거하여, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다. 이에 의해, 제어부(20B)는, 진동 성분 ΔIc에 근거하여 PWM 신호의 듀티비가 조정되어, 진동 성분 ΔIc를 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력상 전압 Vuvw를 제어할 수 있다.
이하, 스위치 구동부(25B)에 의한 PWM 신호의 생성 방법의 일례에 대해 설명한다. 스위치 구동부(25B)는, 예를 들면, 전원상 추정 전압 Er^, Es^, Et^의 크기의 대소 관계가 변화하지 않는 기간에 있어서, 전원상 추정 전압 Er^, Es^, Et^의 크기가 큰 순서로 입력상 전압 Ep, Em, En으로 한다.
스위치 구동부(25B)는, 예를 들면, 입력상 전류 지령 Irst*의 위상으로부터 입력 전류 분배율 α을 구하는 테이블을 가진다. 입력 전류 분배율 α은, 예를 들면, 입력상 전압 Ep으로의 접속 기간 T1과 입력상 전압 Em으로의 접속 기간 T2를 규정한다. 입력 전류 분배율 α은, 예를 들면, α=T2/T1로 나타내어진다.
스위치 구동부(25B)는, 스위치 구동부(25A)와 마찬가지로, 입력 전류 분배율 α 및 입력상 전압 Ep, Em, En에 근거하여, 반송파 신호의 진폭을 조정한다. 또한, 스위치 구동부(25B)는, 스위치 구동부(25A)와 마찬가지로, 입력 전류 분배율 α 및 출력상 전압 지령 Vuvw1*에 근거하여 변조파 신호를 생성한다.
스위치 구동부(25B)는, 반송파 신호와 변조파 신호를 비교함으로써, PWM 신호를 생성한다. 스위치 구동부(25B)는, 예를 들면, PWM 신호에 전류 처리를 실시하여 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다.
도 14는, 도 13에 나타내는 진동 성분 검출부(27) 및 입력 전류 제어부(28)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 14에 나타내는 예에서는, 3상을 dq 좌표 변화하여 연산 처리하는 예를 나타낸다. dq 좌표는 입력 전압 위상 θ에 따라 회전하는 직교 2축의 좌표이다.
진동 성분 검출부(27)는, 전압 위상 검출기(40)와, 좌표 변환기(41)와, 하이 패스 필터(HPF)(42)를 구비한다. 입력 전류 제어부(28)는, 전압 위상 검출기(40)와, 좌표 변환기(41)와, sign 함수 연산기(43)와, 승산기(44)와, 증폭기(45)와, 좌표 변환기(46)를 구비한다. 도 14에 나타내는 예에서는, 진동 성분 검출부(27)과 입력 전류 제어부(28)는, 전압 위상 검출기(40) 및 좌표 변환기(41)를 공용하고 있지만, 이들을 따로따로 가지는 구성이어도 좋다.
전압 위상 검출기(40)는, 전원상 추정 전압 Erst^에 근거하여 입력 전압 위상 θ을 검출한다. 전압 위상 검출기(40)는, 전압 위상 검출기(30)와 마찬가지로, 예를 들면, 전원상 추정 전압 Erst^를 고정 좌표상의 직교한 2축의 αβ 성분으로 변환하고, 또한 dq축 직교 좌표계의 dq 성분으로 변환했을 경우에 d축 성분이 영으로 되도록 dq축 직교 좌표계의 위상을 연산한다.
전압 위상 검출기(40)는, 이와 같이 연산한 dq축 직교 좌표계의 위상을 입력 전압 위상 θ으로서 출력한다. 또한, 전압 위상 검출기(30)에 의해 검출되는 입력 전압 위상 θ을 이용하는 경우, 전압 위상 검출기(40)는 불필요하다.
좌표 변환기(41)는, 입력상 전류 Irst를 고정 좌표상의 직교한 2축의 αβ 성분으로 변환한 후, 입력 전압 위상 θ에 근거하여, 입력 전압 위상 θ에 따라 회전하는 직교 2축의 dq 성분으로 변환한다. 이에 의해, 입력상 전류 Irst가 d축 전원 전류 Id와 q축 전원 전류 Iq으로 변환된다.
하이 패스 필터(42)는, 컷오프 주파수가 필터(11)의 공진 주파수보다도 낮게 설정되어, 입력상 전류 Irst에 포함되는 기본파 성분을 제거한다. 이에 의해, 필터(11)의 공진 주파수분을 포함하는 진동 성분 ΔId(ΔIc의 일례)가 추출된다.
sign 함수 연산기(43)는, q축 전원 전류 Iq의 극성이 정극성인 경우, High 레벨의 극성 신호 Ai를 승산기(44)에 출력한다. 또한, sign 함수 연산기(43)는, q축 전원 전류 Iq의 극성이 부극성인 경우, Low 레벨의 극성 신호 Ai를 승산기(44)에 출력한다. 또한, 역행 운전 모드인 경우, q축 전원 전류 Iq의 극성이 정극성이며, 회생 운전 모드인 경우, q축 전원 전류 Iq의 극성이 부극성이다.
승산기(44)는, 진동 성분 ΔId와 극성 신호 Ai를 승산하고, 승산 결과를 진동 성분 ΔId1로서 출력한다. 이에 의해, 진동 성분 ΔId1는, q축 전원 전류 Iq의 극성에 따라 양음이 바뀌므로, 운전 모드에 따라 적절한 방향으로 입력상 전류 지령 Irst*의 위상을 쉬프트할 수 있다.
증폭기(45)는, 조정 이득 Kd1을 가지고 있고, 진동 성분 ΔId1을 Kd1배 한다. 좌표 변환기(46)는, q축 성분으로서 1을 입력하고, d축 성분으로서 ΔId1을 입력한다. 좌표 변환기(46)는, 입력 전압 위상 θ에 근거하여, 입력한 dq 성분을 좌표 변화함으로써, 입력상 전류 지령 Irst*를 생성한다.
이와 같이, 전력 변환 장치(1B)는, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어에 부가하여, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어를 실행한다. 출력 전압 진폭의 제어와 입력 전류 위상의 제어는 간섭하지 않으므로, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어만의 경우에 비해, 공진 억제의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 15는, 전력 변환 장치(1B)에 있어서 공진 억제 제어를 행하기 전과 후에서의 전력 변환 장치(1B)의 3상 교류 출력 전압의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 공진 억제 제어에 의해 공진이 억제되는 것을 알 수 있다. 또한, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어만의 경우에 비해, 출력 전압 진폭의 제어와 입력 전류 위상의 제어를 병용했을 경우가, 공진 억제 효과가 높은 것을 알 수 있다.
도 16은, 제어부(20B)의 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트의 일례이다. 제어부(20B)는, 도 16에 나타내는 제어 처리를 소정 주기로 반복하여 실행한다. 또한, 도 16에 나타내는 제어는, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어를 주로 하는 것으로, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어는 도 12에 나타내는 경우와 마찬가지이다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 제어부(20B)는, 입력상 전류 Irst의 진동 성분 ΔIc를 검출한다(Step30). 다음에, 제어부(20B)는, 입력상 전류 Irst의 진동 성분 ΔIc에 근거하여 위상을 조정한 입력상 전류 지령 Irst*를 생성한다(Step31).
제어부(20B)는, 입력상 전류 지령 Irst*에 근거하여, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다(Step32). 제어부(20B)는, 이러한 게이트 신호 S1∼S18에 의해 전력 변환부(10)를 제어함으로써, 필터(11)의 공진을 억제한 출력상 전압 Vuvw를 전력 변환부(10)로부터 출력할 수 있다.
［4. 제 4 실시 형태］
다음에, 제 4 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에 대해 설명한다. 또한, 제 4 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어에 부가하여, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어를 실행하는 점에서 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1A)와 상이하다. 또한, 이하에 있어서는, 전력 변환 장치(1A, 1B)와 동일 기능을 가지는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 17은, 제 4 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1C)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 17에 나타낸 바와 같이 전력 변환 장치(1C)는, 전력 변환부(10)와, 필터(11)와, 입력 전압 검출부(12)와, 출력 전류 검출부(13)와, 전원 전류 검출부(14)와, 제어부(20C)를 구비한다.
제어부(20C)는, 입력 전압 추정부(21A)와, 지령 생성부(22)와, 진동 성분 검출부(23)와, 출력 전압 제어부(24A)와, 스위치 구동부(25C)와, 진동 성분 검출부(27)와, 입력 전류 제어부(28)를 구비한다.
스위치 구동부(25C)는, 진동 성분 ΔVc에 근거하여 진폭이 조정된 전원상 추정 전압 Erst1^와 출력상 전압 지령 Vuvw*에 근거하여, 듀티비의 PWM 신호를 생성한다. 스위치 구동부(25C)는, 생성한 PWM 신호에 전류 제어 처리를 실시하여, 게이트 신호 S1∼S18을 생성한다. 스위치 구동부(25C)는, 이러한 게이트 신호 S1∼S18에 의해 전력 변환부(10)를 제어함으로써, 필터(11)의 공진을 억제한 출력상 전압 Vuvw를 전력 변환부(10)로부터 출력할 수 있다.
제 4 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1C)는, 제 3 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1B)와 마찬가지로, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어에 부가하여, 입력 전류 위상을 제어하는 공진 억제 제어를 가진다. 이에 의해, 출력 전압 진폭을 제어하는 공진 억제 제어만의 경우에 비해, 공진 억제의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
［5. 제 5 실시 형태］
다음에, 제 5 실시 형태에 따른 전력 변환 장치에 대해 설명한다. 또한, 제 5 실시 형태에 따른 전력 변환 장치는, 입력상 전압 Vrst에 포함되는 진동 성분 ΔVc 대신에 입력상 전류 Irst의 진동 성분 ΔIc에 의해 공진 억제 제어를 실행하는 점에서 제 1 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1)와 상이하다. 또한, 이하에 있어서는, 전력 변환 장치(1)와 동일 기능을 가지는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 18은, 제 5 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1D)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 18에 나타낸 바와 같이 전력 변환 장치(1D)는, 전력 변환부(10)와, 필터(11)와, 입력 전압 검출부(12)와, 출력 전류 검출부(13)와, 전원 전류 검출부(14)와, 제어부(20D)를 구비한다.
제어부(20D)는, 입력 전압 추정부(21)와, 지령 생성부(22)와, 진동 성분 검출부(23D)와, 출력 전압 제어부(24D)와, 스위치 구동부(25)를 구비한다.
진동 성분 검출부(23D)는, 입력상 전류 Irst에 포함되는 진동 성분 ΔIc를 추출한다. 구체적으로는, 진동 성분 검출부(23D)는, 입력상 전류 Irst에 포함되는 필터(11)의 공진 주파수 성분을 진동 성분 ΔIc로서 검출한다.
또한, 진동 성분 검출부(23D)는, 예를 들면, 도 6에 나타내는 진동 성분 검출부(23)과 마찬가지의 구성이다. 또한, 진동 성분 검출부(23D)는, 필터(11)의 공진 주파수 성분을 통과시키는 필터(예를 들면, 밴드 패스 필터나 하이 패스 필터)이어도 좋다.
또한, 전원 전류 검출부(14)는, 전력 변환 장치(1D)에 입력되는 입력상 전류 Irst를 검출하도록 했지만, 전원 전류 검출부(14)는, 콘덴서 Crs, Cst, Ctr에 흐르는 전류를 검출하도록 해도 좋다. 이 경우, 진동 성분 검출부(23D)는, 콘덴서 Crs, Cst, Ctr에 흐르는 전류로부터 콘덴서 전류 Ic의 진동 성분 ΔIc로서 추출한다.
출력 전압 제어부(24D)는, 진동 성분 검출부(23D)에 의해 검출된 진동 성분 ΔIc에 근거하여, 필터(11)의 공진을 억제하도록 전력 변환부(10)의 출력 전압을 제어한다. 출력 전압 제어부(24D)는, 예를 들면, 진동 성분 ΔIc에 따른 전압 조정값을 연산하여, 전압 조정값을 출력상 전압 지령 Vuvw*에 승산하는 것에 의해 출력상 전압 지령 Vuvw1*를 생성한다. 출력 전압 제어부(24D)는, 예를 들면, 도 6에 나타내는 출력 전압 제어부(24)와 마찬가지의 구성이다.
이와 같이, 제 5 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1D)는, 입력상 전류 Irst에 포함되는 진동 성분 ΔIc에 따른 전압 조정값에 근거하여 출력상 전압 지령 Vuvw*를 조정함으로써, 출력상 전압 지령 Vuvw1*를 생성한다. 이에 의해, 전력 변환 장치(1D)는, 필터(11)의 공진을 억제한 출력상 전압 Vuvw를 전력 변환부(10)로부터 출력할 수 있다.
또한, 제 2 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1A)의 구성에, 전원 전류 검출부(14)를 부가하고, 또한 진동 성분 검출부(23)를 진동 성분 검출부(23D)로 치환하는 구성에서도, 전력 변환 장치(1D)와 마찬가지로 공진 억제를 행할 수 있다. 또한, 이 경우, 출력 전압 제어부(24A)는, 진동 성분 ΔVc를 진동 성분 ΔIc로 치환하여, 진동 성분 ΔIc에 따른 조정 이득 Kd를 가진다.
또한, 제 3 및 제 4 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(1B, 1C)의 구성에 있어서, 진동 성분 검출부(23)를 삭제하고, 진동 성분 검출부(27)로부터의 진동 성분 ΔIc를 출력 전압 제어부(24A)에 입력하는 구성에서도, 전력 변환 장치(1D)와 마찬가지로 공진 억제를 행할 수 있다. 또한, 이 경우, 출력 전압 제어부(24, 24A)는, 진동 성분 ΔVc를 진동 성분 ΔIc로 치환하여, 진동 성분 ΔIc에 따른 조정 이득 Kd를 가진다.
［6. 그 외］
상술의 실시 형태에서는, 입력 전압 검출부(12)의 일례로서, 필터(11)와 전력 변환부(10)의 사이의 R상, S상 및 T상의 전압을 검출하는 구성을 설명했지만, 입력 전압 검출부(12)는, 교류 전원(2)과 필터(11)의 사이의 R상, S상 및 T상의 전압을 검출하는 구성이어도 좋다. 이 경우도, 전원 임피던스의 영향에 의해 입력 전압 검출부(12)에 의해 검출된 전압으로부터 진동 성분 ΔVc를 검출할 수 있다.
추가적인 효과나 변형예는, 당업자에 의해 용이하게 도출될 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 보다 광범위한 형태는, 이상과 같이 나타내고 또한 기술한 특정의 상세 및 대표적인 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 첨부된 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정의되는 총괄적인 발명의 개념의 정신 또는 범위로부터 일탈하는 일 없이, 여러 가지 변경이 가능하다.
1, 1A, 1B, 1C, 1D : 전력 변환 장치
2 : 3상 교류 전원
3 : 3상 교류 부하
10 : 전력 변환부
11 : 필터
12 : 입력 전압 검출부
13 : 출력 전류 검출부
14 : 전원 전류 검출부
20, 20A, 20B, 20C, 20D : 제어부
21, 21A : 입력 전압 추정부
22 : 지령 생성부
23, 23D, 27 : 진동 성분 검출부
24, 24A, 24D : 출력 전압 제어부
25, 25A, 25B, 25C : 스위치 구동부
28 : 입력 전류 제어부

Claims (11)

  1. 교류 전원의 각 상과 부하의 각 상의 사이에 마련된 전력 변환부와,
    상기 전력 변환부를 제어하여 상기 교류 전원과 상기 부하의 사이의 전력 변환 제어를 행하는 제어부와,
    상기 교류 전원과 상기 전력 변환부의 사이에 마련된 필터를 구비하며,
    상기 제어부는,
    상기 전력 변환부의 입력 전압에 포함되는 진동 성분 또는 상기 필터에 흐르는 전류에 포함되는 진동 성분을 검출하는 진동 성분 검출부와,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여, 상기 필터의 공진을 억제하도록 상기 전력 변환부의 출력 전압을 제어하는 출력 전압 제어부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    출력 전압 지령을 생성하는 지령 생성부와,
    상기 출력 전압 지령에 근거하여 상기 전력 변환부의 출력 전압을 제어하는 스위치 구동부를 구비하며,
    상기 출력 전압 제어부는,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여 상기 출력 전압 지령을 조정하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 출력 전압 제어부는,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분과 상기 입력 전압의 비율에 근거한 전압 조정값을 연산하는 조정값 연산부와,
    상기 전압 조정값을 상기 출력 전압 지령에 승산함으로써, 상기 출력 전압 지령을 조정하는 지령 조정부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    출력 전압 지령을 생성하는 지령 생성부와,
    상기 출력 전압 지령에 근거하여 상기 전력 변환부를 PWM 제어하는 스위치 구동부를 구비하며,
    상기 출력 전압 제어부는,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여 상기 PWM 제어의 듀티비를 제어함으로써, 상기 출력 전압을 제어하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출력 전압 제어부는,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여 상기 PWM 제어에서 이용되는 상기 입력 전압의 상기 진폭값을 조정하는 것에 의해 상기 PWM 제어의 듀티비를 조정하고,
    상기 스위치 구동부는,
    상기 입력 전압의 상기 진폭값과 상기 출력 전압 지령에 따른 듀티비에 의해 상기 PWM 제어를 행하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 성분 검출부는,
    상기 입력 전압의 진폭 또는 상기 필터에 흐르는 전류의 진폭을 검출하는 진폭 검출부와,
    상기 진폭 검출부에 의해 검출된 상기 진폭의 변동 성분을 상기 진동 성분으로서 추출하는 진동 성분 추출부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여, 상기 필터의 공진을 억제하도록 상기 전력 변환부의 입력 전류의 위상을 제어하는 입력 전류 제어부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 교류 전원의 각 상과 부하의 각 상의 사이에 마련된 전력 변환부와, 상기 교류 전원과 상기 전력 변환부 사이에 마련된 필터를 갖는 전력 변환 장치에 사용되는 제어 장치로서,
    상기 전력 변환부의 입력 전압에 포함되는 진동 성분 또는 상기 필터에 흐르는 전류에 포함되는 진동 성분을 검출하는 진동 성분 검출부와,
    상기 진동 성분 검출부에 의해 검출된 상기 진동 성분에 근거하여, 상기 필터의 공진을 억제하도록 상기 전력 변환부의 출력 전압을 제어하는 출력 전압 제어부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 장치.
  9. 교류 전원의 각 상과 부하의 각 상의 사이에 마련된 전력 변환부의 입력 전압에 포함되는 진동 성분 또는 상기 교류 전원과 상기 전력 변환부의 사이에 마련된 필터에 흐르는 전류에 포함되는 진동 성분을 검출하는 공정과,
    상기 검출된 상기 진동 성분에 근거하여, 상기 필터의 공진을 억제하도록 상기 전력 변환부의 출력 전압을 제어하는 공정을 가지는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 출력 전압의 지령인 출력 전압 지령을 생성하는 공정과,
    상기 검출된 진동 성분에 근거하여 조정된 상기 출력 전압 지령에 근거하여 상기 전력 변환부를 제어하는 공정을 갖는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.

  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 출력 전압의 지령인 출력 전압 지령을 생성하는 공정과,
    상기 출력 전압 지령에 근거하여 상기 전력 변환부를 PWM 제어하는 공정을 갖고,
    상기 출력 전압을 제어하는 공정은,
    상기 검출된 상기 진동 성분에 근거하여 상기 PWM 제어의 듀티비를 제어함으로써, 상기 출력 전압을 제어하는 공정을 포함하는
    것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
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