WO2021224976A1 - 電力変換装置、及び、その制御方法 - Google Patents

電力変換装置、及び、その制御方法 Download PDF

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雄作 小沼
卓也 杉本
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株式会社日立産機システム
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-248262
  • Patent Document 1 states that it is possible to increase the fundamental wave component of the output voltage with a simple control circuit without increasing the harmonic component of the output voltage, and to realize a power conversion device that reduces torque pulsation when driving an electric motor.
  • a comparator that compares the magnitude of the three-phase voltage command and an intermediate value excluding the maximum value and the minimum value are obtained by the comparator, and the value obtained by multiplying the intermediate value by half is the value of each phase voltage command. It is described that an adder for adding to the voltage is provided and the output of the adder is newly used as a voltage command value.
  • Patent Document 1 Since the technique of Patent Document 1 can reduce the peak value of the voltage command, the maximum value of the fundamental wave component of the output voltage can be increased by increasing the voltage command. However, when the output of the adder exceeds the amplitude of the carrier wave, the fundamental wave component of the output voltage becomes lower than the voltage command, and there is a problem that the current flowing through the motor increases.
  • an object of the present invention is to provide a power conversion device capable of suppressing an increase in the current flowing through the motor even if the voltage command exceeds the amplitude of the carrier wave, and a control method thereof.
  • a DC voltage detector that detects a DC voltage in a power converter that controls the drive of a three-phase electric motor by converting a DC voltage into a voltage based on a voltage command by operating a switching circuit.
  • a norm generator that generates a voltage command norm from a voltage command
  • a modulation wave generator that generates a first modulated wave from the detected DC voltage and voltage command norm
  • operation of a switching circuit from the first modulated wave and carrier. It is equipped with a control signal generator that generates a control signal that controls the voltage, and the modulated wave generator is half the magnitude of the DC voltage detected for one phase at the timing of the maximum or minimum value of the voltage command. For the remaining two phases, the first modulated wave of the magnitude based on the detected DC voltage and voltage command norm is generated.
  • the present invention it is possible to provide a power conversion device capable of suppressing an increase in the current flowing through the motor even if the voltage command exceeds the amplitude of the carrier wave, and a control method thereof.
  • FIG. It is a block diagram of the motor drive system in Example 1.
  • FIG. It is a block diagram of the DC power source when the virtual neutral point in Example 1 is introduced. It is a figure which shows the relationship between the conventional voltage command and a carrier wave. It is a figure which shows the relationship between the voltage command and the 1st modulated wave in Example 1.
  • FIG. It is a block diagram of the motor drive system in Example 2.
  • FIG. It is a block diagram of the motor drive system in Example 3.
  • FIG. It is a figure which shows the relationship between the voltage command and the 4th modulated wave in Example 3.
  • FIG. It is a block diagram of the motor drive system in Example 4.
  • the reference phase of the three phases is the U phase
  • the phases having a phase difference of ⁇ 2 ⁇ / 3 rad from the U phase are the V phase and the W phase, respectively.
  • the Euclidean norm of the three phases (hereinafter referred to as the norm) can be obtained by squared the absolute value of each phase and the square root of the sum of them. If the sum of the three phases is not zero, the norm may be obtained after removing the zero-phase component from each phase. The zero-phase component can be obtained by dividing the sum of the three phases by three. Hereinafter, the three phases will be referred to after the zero phase is removed.
  • the norm when three phases are converted to a two-phase fixed coordinate system (Clark transformation) or further converted to a two-phase rotating coordinate system (Park transformation) is the square of the absolute value of each phase. , Can be calculated by the square root of the sum of them.
  • the norm of the three-phase phase voltage is multiplied by ⁇ 2 / ⁇ 3, so that the norm of the phase voltage of the two-phase fixed coordinate system and the norm of the phase voltage of the two-phase rotational coordinate system are the coefficients multiplied at the time of park conversion. By multiplying the value according to, it matches the amplitude of the three-phase phase voltage. Therefore, in this embodiment, the norm of the three-phase phase voltage, the norm of the phase voltage of the two-phase fixed coordinate system, the norm of the phase voltage of the two-phase rotating coordinate system, and the amplitude of the three-phase phase voltage are the same physical quantities. It will be treated as.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an electric motor drive system in this embodiment.
  • the motor drive system of this embodiment has a DC power supply 1000, a power conversion device 1010, and a three-phase motor 1020, and converts the DC voltage supplied from the DC power supply 1000 into a voltage based on the voltage command 1030 by the power conversion device 1010. It is converted and drives and controls the three-phase motor 1020.
  • the power converter 1010 includes a DC voltage detector 1040, a phase generator 1050, a norm generator 1060, a modulated wave generator 1070, a carrier wave generator 1080, a control signal generator 1090, and a switching circuit 1100.
  • the DC voltage detector 1040 detects the DC voltage input to the switching circuit 1100 and outputs the detected DC voltage 1110.
  • the phase generator 1050 generates the voltage command phase 1120 from the voltage command 1030.
  • the voltage command phase 1120 can be obtained, for example, by Clark transforming the voltage command 1030 and taking an inverse tangent. If the voltage command phase 1120 is known, it is not necessary to have the phase generator 1050.
  • the norm generator 1060 generates the voltage command norm 1130 from the voltage command 1030.
  • the modulated wave generator 1070 generates the first modulated wave 1140 from the voltage command phase 1120, the voltage command norm 1130, and the detected DC voltage 1110.
  • the carrier wave generator 1080 generates the carrier wave 1150.
  • the carrier wave 1150 of this embodiment uses a triangular wave having a period within the fundamental wave period of the voltage command 1030 or the first modulated wave 1140, but a sawtooth wave may also be used.
  • the control signal generator 1090 generates a control signal 1160 that controls the on / off of the switching circuit 1100 by comparing the first modulated wave 1140 with the carrier wave 1150.
  • the control signal 1160 is a signal modulated by a modulation method called PWM, and since this modulation method is a method well known to those skilled in the art, the details of the control signal generator 1090 will be omitted.
  • the switching circuit 1100 switches on and off according to the control signal 1160, and converts the DC voltage supplied from the DC power supply 1000 into a voltage based on the voltage command 1030.
  • a single-phase or multi-phase AC power supply may be used instead of the DC power supply 1000.
  • a DC voltage can be obtained by adding a rectifier circuit and a smoothing circuit to the power converter 1010, rectifying the AC voltage output from the AC power supply with the rectifier circuit, and smoothing the AC voltage with the smoothing circuit.
  • the three-phase electric motor 1020 includes a three-phase induction motor, a three-phase permanent magnet synchronous motor, a three-phase synchronous reluctance motor, and the like.
  • the voltage command 1030 that controls the drive of the three-phase motor 1020 is, for example, a power converter 1010 that uses V / f constant control (only for a three-phase induction motor) and a current detector that detects the current flowing through the three-phase motor 1020. It is possible to obtain sensorless vector control by adding the current detector and a position detector that detects the rotor position of the three-phase motor 1020 to the power converter 1010 by vector control.
  • the current detector detects three-phase current, but in addition to the method of directly detecting three-phase, it detects two-phase and uses the fact that the sum of the two-phase to three-phase is zero to detect the remaining one phase. You may use the method of finding.
  • a shunt resistor may be provided on the positive electrode side or the negative electrode side of the switching circuit 1100, and a three-phase current may be obtained from the current flowing through the shunt resistor.
  • the position detector may detect the rotor speed of the three-phase motor 1020 and obtain the rotor position by using the fact that the speed and the position have a calculus relationship.
  • a virtual neutral point 2170 is introduced into the DC power supply 1000.
  • the DC power supply 2000 and the DC power supply 2001 output half the voltage of the DC power supply 1000, and the amplitude of the carrier wave 1150 can be considered as half the output voltage of the DC power supply 1000.
  • the control signal generator 1090 compares the voltage command 1030, which is a modulated wave, with the carrier wave 1150, and outputs the control signal 1160. As shown in FIG. 3, when the amplitude of the voltage command 1030 becomes large, the voltage command 1030 is output. Originally, the broken line is limited by the amplitude of the carrier wave 1150, and the control signal 1160 corresponding to the solid line of the voltage command 1030 is output.
  • the voltage command to be the modulated wave is a sine (cosine) wave
  • the percentage of the voltage command norm 1130 and half of the voltage output from the DC power supply 1000 (hereinafter referred to as the voltage utilization rate) exceeds 100%.
  • the voltage utilization rate the percentage of the voltage command norm 1130 and half of the voltage output from the DC power supply 1000
  • the voltage utilization rate exceeds 100%.
  • the output voltage norm the norm of the voltage applied to the three-phase electric motor 1020
  • the output voltage norm is smaller than the voltage command norm 1130.
  • the fundamental wave component of the output voltage can be increased by 2 / ⁇ 3 times as compared with the conventional technique, but when the voltage utilization rate exceeds 200 / ⁇ 3%, the conventional technique is used.
  • the output voltage norm is smaller than the voltage command norm 1130. Therefore, the current flowing through the three-phase motor 1020 becomes large.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the voltage command 1030 and the first modulated wave 1140 generated by the modulated wave generator 1070 in this embodiment.
  • the modulated wave generator 1070 generates a convex waveform having the same phase as the voltage command 1030 as shown in FIG. 4, and outputs it as the first modulated wave 1140. It is desirable that the phases of the voltage command 1030 and the first modulated wave 1140 are the same, but the voltage (pulse form) applied to the three-phase electric motor 1020 is set by the period of the voltage pulse (the same as the period of the carrier wave 1150). This does not apply if the voltage demodulated and observed is a convex waveform as shown in FIG.
  • the amplitude A indicating the maximum value of the convex waveform generated by the modulated wave generator 1070 is 1/2 of the DC voltage (amplitude of the carrier 1150), and both ends B of the voltage command norm 1130.
  • the voltage utilization rate is within 400/3%, the voltage command norm 1130 and the output voltage norm are compared with the conventional technology.
  • the relationship between the three phases of the first modulated wave 1140 generated by the modulated wave generator 1070 is for one phase (this is called the maximum phase or the minimum phase) at the timing of the maximum value or the minimum value of the voltage command.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the motor drive system in this embodiment.
  • the same reference numerals are given to the configurations having the same functions as those in FIG. 1, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 5 is different from FIG. 1 in that it has a voltage utilization calculator 5180, a zero-phase voltage injector 5190, and a modulated wave controller 5200.
  • the voltage utilization rate calculator 5180 calculates the voltage utilization rate from the voltage command norm 1130 and the detected DC voltage 1110, and outputs it as the calculated voltage utilization rate 5210.
  • the zero-phase voltage injector 5190 injects a zero-phase voltage into the voltage command 1030 and outputs it as a second modulated wave 5140.
  • the zero-phase voltage to be injected is, for example, the intermediate value obtained by obtaining an intermediate value excluding the maximum value and the minimum value with a comparator for comparing the magnitude of the three-phase voltage command described in Patent Document 1 and the comparator.
  • the voltage command 1030 may be output as it is as the second modulated wave 5140.
  • the modulated wave controller 5200 controls switching between the first modulated wave 1140 and the second modulated wave 5140 based on the calculated voltage utilization rate 5210, and outputs the third modulated wave 5141.
  • the carrier wave 1150 generated has a period within the fundamental wave period of the voltage command 1030, the first modulated wave 1140, the second modulated wave 5140, or the third modulated wave 5141.
  • a triangular wave is used, but a saw wave may be used.
  • control signal generator 1090 in the present embodiment generates a control signal 1160 for controlling the on / off of the switching circuit 1100 by comparing the third modulated wave 5141 with the carrier wave 1150.
  • the second modulated wave 5140 is output as the third modulated wave 5141, and if it exceeds 100% to 200 / ⁇ 3%.
  • the transition from the second modulated wave 5140 to the first modulated wave 1140 may be performed according to the calculated voltage utilization rate 5210. Further, as described above, if the calculated voltage utilization rate 5210 is within 400/3% by using the technique of this embodiment, the voltage command norm 1130 and the output voltage norm match, so that the calculated voltage utilization rate 5210 is 400. The transition to the first modulated wave 1140 may be completed at / 3%.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the motor drive system in this embodiment.
  • the same reference numerals are given to the configurations having the same functions as those in FIG. 1, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 6 is different from FIG. 1 in that it has a modulated wave generator 1330, and the power converter 6010 has a modulated wave generator 1330, a control signal generator 1090, and a switching circuit 1100.
  • the modulated wave generator 1330 generates a fourth modulated wave 1340 based on the norm of the voltage command 1030 (hereinafter referred to as the voltage command norm).
  • the control signal generator 1090 in this embodiment generates a control signal 1160 that controls the on / off of the switching circuit 1100 by comparing the fourth modulated wave 1340 with the carrier wave 1150.
  • the voltage command norm and the phase of the voltage command (hereinafter referred to as voltage phase) are obtained from the voltage command, and a square wave having an amplitude based on the voltage command norm and a phase based on the voltage phase is generated, and the fourth Is output as a modulated wave of 1340.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the voltage command and the fourth modulated wave in this embodiment.
  • the phases of the voltage command 1030 and the fourth modulated wave 1340 are the same, but the voltage (pulse shape) applied to the three-phase electric motor 1020 is the period of the voltage pulse (carrier wave). This does not apply if the voltage demolished and observed in the same period as 1150) is a square wave.
  • the voltage phase can be obtained, for example, by performing coordinate transformation (Clark transformation) of three phases into two-phase alternating current and taking an inverse tangent.
  • a square wave having a phase difference of ⁇ 2 ⁇ / 3rad may be generated for the remaining two phases. If the voltage command norm and the voltage phase are known in advance, the voltage command norm and the voltage phase may be directly input to the modulation wave generator 1330 instead of the voltage command 1030.
  • the amplitude of the square wave generated by the modulated wave generator 1330 that is, the amplitude of the fourth modulated wave 1340 is 3/4 of the voltage command norm, and the voltage utilization rate is within 400/3%, the voltage command norm.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the motor drive system in this embodiment.
  • the same reference numerals are given to the parts common to those in FIGS. 5 and 6, and the description thereof will be omitted.
  • the power conversion device 8010 that controls the drive of the three-phase motor 1020 includes a DC voltage detector 1040, a voltage utilization rate calculator 5180, a modulated wave generator 1330, a zero-phase voltage injector 5190, and a control signal generator 5390. , Has a switching circuit 1100.
  • the voltage utilization rate calculator 5180 calculates the calculated voltage utilization rate 5210 from the voltage command 1030 and the detected DC voltage 1110. If the voltage command norm is known in advance, the voltage command norm may be directly input to the voltage utilization calculator 5180 instead of the voltage command 1030.
  • the zero-phase voltage injector 5190 injects a zero-phase voltage into the voltage command 1030 and outputs it as a fifth modulated wave 1341.
  • the control signal generator 5390 controls switching between the fourth modulated wave 1340 and the fifth modulated wave 1341 based on the calculated voltage utilization rate 5210, and compares the switched modulated wave with the carrier wave to compare the switching circuit. It generates a control signal 1160 that controls the on and off of the 1100.
  • the carrier wave uses a triangular wave having a period within the fundamental wave period of the switched modulated wave.
  • a sawtooth wave may be used instead of the triangular wave.
  • the voltage command norm and the output voltage norm match. Therefore, if the calculated voltage utilization rate 5210 is within 100% to 200 / ⁇ 3%, the fifth modulated wave 1341 is selected, and if it exceeds 100% to 200 / ⁇ 3%, the fourth modulated wave 1340 is selected.
  • the voltage command norm and the output voltage norm are matched, and when the calculated voltage utilization rate 5210 is low, the voltage corresponding to the sine (cosine) wave is set to the three-phase electric motor 1020. Can be applied to.
  • the calculated voltage utilization rate 5210 exceeds 100% to 200 / ⁇ 3% for the purpose of preventing the discontinuity of the modulated wave when switching between the fourth modulated wave 1340 and the fifth modulated wave 1341.
  • the fourth modulated wave 1340 and the fifth modulated wave 1341 may be transitioned according to the calculated voltage utilization rate 5210. Further, as described above, if the calculated voltage utilization rate 5210 is within 400/3% by using the technique of this embodiment, the voltage command norm and the output voltage norm match, so that the calculated voltage utilization rate 5210 is 400 /.
  • the transition to the fourth modulated wave may be completed at 3%.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned examples, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described for the purpose of explaining the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • each of the above configurations and functions may be realized by software that the processor interprets and executes a program that realizes each function, or may be realized by hardware by designing with an integrated circuit, for example.

Abstract

電圧指令が搬送波の振幅を超えても、電動機に流れる電流の増加を抑制できる電力変換装置の提供を目的とする。　上記目的を達成するために、スイッチング回路の動作により直流電圧を電圧指令に基づいた電圧に変換することで三相電動機の駆動制御を行う電力変換装置において、直流電圧を検出する直流電圧検出器と、電圧指令から電圧指令ノルムを生成するノルム生成器と、検出した直流電圧と電圧指令ノルムから第一の変調波を生成する変調波生成器と、第一の変調波と搬送波からスイッチング回路の動作を制御する制御信号を生成する制御信号生成器を備え、変調波生成器は、電圧指令の最大値もしくは最小値のタイミングでの１つの相に対して検出した直流電圧の１／２の大きさの第一の変調波を生成し、残りの二相に対しては検出した直流電圧と電圧指令ノルムに基づいた大きさの第一の変調波を生成する。

Description

電力変換装置、及び、その制御方法
　本発明は、電力変換装置に関する。
　本技術分野の背景技術として、特開平１０－２４８２６２号公報（特許文献１）がある。
　特許文献１には、出力電圧の高調波成分を増加させることなく、簡単な制御回路で出力電圧の基本波成分を大きくでき、しかも電動機駆動時のトルク脈動を小さな電力変換装置を実現することを目的に、三相の電圧指令の大小を比較する比較器と、前記比較器で最大値と最小値を除いた中間値を求め、前記中間値を２分の１倍した値を各相電圧指令に加算する加算器を設け、前記加算器の出力を新たに電圧指令値とする点が記載されている。
特開平１０－２４８２６２号公報
　特許文献１の技術は、電圧指令のピーク値を小さくすることができるため、電圧指令を大きくすることによって、出力電圧の基本波成分の最大値を大きくすることができる。しかしながら、前記加算器の出力が搬送波の振幅を超えると、出力電圧の基本波成分は電圧指令よりも低くなり、電動機に流れる電流が増加するという問題点がある。
　そこで、本発明は、電圧指令が搬送波の振幅を超えても、電動機に流れる電流の増加を抑制できる電力変換装置、及び、その制御方法の提供を目的とする。
　上記目的を達成する一例として、スイッチング回路の動作により直流電圧を電圧指令に基づいた電圧に変換することで三相電動機の駆動制御を行う電力変換装置において、直流電圧を検出する直流電圧検出器と、電圧指令から電圧指令ノルムを生成するノルム生成器と、検出した直流電圧と電圧指令ノルムから第一の変調波を生成する変調波生成器と、第一の変調波と搬送波からスイッチング回路の動作を制御する制御信号を生成する制御信号生成器を備え、変調波生成器は、電圧指令の最大値もしくは最小値のタイミングでの１つの相に対して検出した直流電圧の１／２の大きさの第一の変調波を生成し、残りの二相に対しては検出した直流電圧と電圧指令ノルムに基づいた大きさの第一の変調波を生成する。
　本発明によれば、電圧指令が搬送波の振幅を超えても、電動機に流れる電流の増加を抑制できる電力変換装置、及び、その制御方法を提供できる。
実施例１における電動機駆動システムの構成図である。 実施例１における仮想中性点を導入した場合の直流電源の構成図である。 従来の電圧指令と搬送波の関係を示す図である。 実施例１における電圧指令と第一の変調波の関係を示す図である。 実施例２における電動機駆動システムの構成図である。 実施例３における電動機駆動システムの構成図である。 実施例３における電圧指令と第四の変調波の関係を示す図である。 実施例４における電動機駆動システムの構成図である。
　以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
　以下の説明の前提として、三相の基準となる相をＵ相、Ｕ相から±２π／３ｒａｄの位相差にある相をそれぞれＶ相、Ｗ相とする。
　また、三相の総和が零である場合、三相のユークリッドノルム（以下、ノルムと称する）は、各相の絶対値を二乗し、それらの総和の平方根にて求めることができる。三相の総和が零でない場合は、各相から零相分を除去してからノルムを求めればよい。零相分は、三相の総和を３で除することで求めることができる。以下、三相は零相除去後を指すこととする。三相を二相の固定座標系に変換（クラーク変換）されている場合や、さらに二相の回転座標系に変換（パーク変換）されている場合のノルムは、各相の絶対値を二乗し、それらの総和の平方根にて求めることができる。
　さらに、三相の相電圧のノルムは√２／√３を乗ずることで、二相の固定座標系の相電圧のノルムと二相の回転座標系の相電圧のノルムはパーク変換時に乗じた係数に応じた値を乗ずることで、三相の相電圧の振幅と一致する。そのため、本実施例では、三相の相電圧のノルムと二相の固定座標系の相電圧のノルムと二相の回転座標系の相電圧のノルムと三相の相電圧の振幅は、同じ物理量として扱うこととする。
　なお、二相の固定座標系もしくは二相の回転座標系の場合は、三相に逆変換し、三相として扱ってもよい。
　図１は、本実施例における電動機駆動システムの構成図である。
　本実施例の電動機駆動システムは、直流電源１０００と電力変換装置１０１０と三相電動機１０２０とを有し、直流電源１０００から供給された直流電圧を電力変換装置１０１０によって電圧指令１０３０に基づいた電圧に変換され、三相電動機１０２０を駆動制御する。
　図１において、電力変換装置１０１０は、直流電圧検出器１０４０、位相生成器１０５０、ノルム生成器１０６０、変調波生成器１０７０、搬送波生成器１０８０、制御信号生成器１０９０、スイッチング回路１１００を有する。
　直流電圧検出器１０４０は、スイッチング回路１１００に入力される直流電圧を検出し、検出直流電圧１１１０を出力する。
　位相生成器１０５０は、電圧指令１０３０から電圧指令位相１１２０を生成する。電圧指令位相１１２０は、例えば電圧指令１０３０をクラーク変換し、逆正接をとることで得ることができる。電圧指令位相１１２０が既知である場合には、位相生成器１０５０を有さなくてもよい。
　ノルム生成器１０６０は、電圧指令１０３０から電圧指令ノルム１１３０を生成する。
　変調波生成器１０７０は、電圧指令位相１１２０、電圧指令ノルム１１３０、検出直流電圧１１１０から、第一の変調波１１４０を生成する。
　搬送波生成器１０８０は、搬送波１１５０を生成する。本実施例の搬送波１１５０は、電圧指令１０３０もしくは第一の変調波１１４０の基本波周期以内の周期の三角波を用いるが、鋸波を用いてもよい。
　制御信号生成器１０９０は、第一の変調波１１４０と搬送波１１５０とを比較することで、スイッチング回路１１００のオンとオフを制御する制御信号１１６０を生成する。なお、この制御信号１１６０は、いわゆるＰＷＭと呼ばれる変調方式によって変調された信号であり、この変調方式は、当業者間によく知られた手法であるため制御信号生成器１０９０の詳細は省略する。
　スイッチング回路１１００は、制御信号１１６０に従ってオンとオフを切り替え、直流電源１０００から供給される直流電圧を、電圧指令１０３０に基づいた電圧に変換する。
　なお、本実施例では直流電源１０００を用いたが、直流電源１０００の変わりに単相または多相の交流電源を用いてもよい。その場合、電力変換装置１０１０に整流回路と平滑回路を追加し、交流電源から出力される交流電圧を整流回路で整流、平滑回路で平滑することで、直流電圧を得ることができる。
　三相電動機１０２０は、三相誘導電動機、三相永久磁石同期電動機、三相同期リラクタンス電動機などがある。
　三相電動機１０２０の駆動制御を行う電圧指令１０３０は、例えば、Ｖ／ｆ一定制御（三相誘導電動機の場合のみ）や、三相電動機１０２０に流れる電流を検出する電流検出器を電力変換装置１０１０に追加することでセンサレスベクトル制御、さらに前記電流検出器と三相電動機１０２０の回転子位置を検出する位置検出器を電力変換装置１０１０に追加することでベクトル制御にて得ることが可能である。電流検出器は三相電流を検出するが、三相を直接検出する方法の他、二相を検出し、その二相から三相の総和が零であることを利用して残りの一相を求める方法を用いてもよい。また、スイッチング回路１１００の正極側または負極側にシャント抵抗を設け、シャント抵抗に流れる電流から、三相電流を得てもよい。位置検出器は、三相電動機１０２０の回転子速度を検出し、速度と位置は微積分の関係であることを用いて回転子位置を得てもよい。
　以下、本実施例における効果について説明する。説明を簡単にするために、図２に示すように、直流電源１０００に仮想中性点２１７０を導入する。この場合、直流電源２０００と直流電源２００１は、直流電源１０００の半分の電圧を出力し、搬送波１１５０の振幅は直流電源１０００の出力電圧の半分として考えることができる。
　先ず、本実施例の技術を用いない場合、すなわち第一の変調波１１４０の代わりに、電圧指令１０３０を制御信号生成器１０９０に入力（以下、従来の技術と称する）した場合を説明する。
　制御信号生成器１０９０では、変調波となる電圧指令１０３０と搬送波１１５０とを比較し、制御信号１１６０を出力するが、図３に示すように、電圧指令１０３０の振幅が大きくなると、電圧指令１０３０は、本来破線のはずが、搬送波１１５０の振幅で制限され、電圧指令１０３０の実線に相当する制御信号１１６０が出力されることになる。
　変調波となる電圧指令が正弦（余弦）波の場合、電圧指令ノルム１１３０と直流電源１０００から出力される電圧の半分との百分率（以下、電圧利用率と称する）が１００％を超えると、前記の通り搬送波１１５０の振幅で制限されるため、三相電動機１０２０に印加される電圧のノルム（以下、出力電圧ノルムと称する）は電圧指令ノルム１１３０よりも小さくなる。特許文献１記載の技術を用いた場合においても、出力電圧の基本波成分は従来の技術に比べ２／√３倍に大きくできるが、電圧利用率が２００／√３％を超えると、従来の技術と同様に出力電圧ノルムは電圧指令ノルム１１３０よりも小さくなる。従って、三相電動機１０２０に流れる電流が大きくなる。
　次に、本実施例の技術を用いる場合について説明する。
　図４は、本実施例における電圧指令１０３０と変調波生成器１０７０で生成される第一の変調波１１４０の関係を示す図である。変調波生成器１０７０では、図４に示すような、電圧指令１０３０と位相が同一の凸形の波形を生成し、第一の変調波１１４０として出力する。電圧指令１０３０と第一の変調波１１４０の位相は同一であることが望ましいが、三相電動機１０２０に印加される電圧（パルス状）を、その電圧パルスの周期（搬送波１１５０の周期と同一）で復調し観測した電圧が図４に示すような凸形の波形であれば、この限りではない。なお、三相は±２π／３ｒａｄの位相差であることから、ある一相の凸形の波形を生成し、残りの二相は±２π／３ｒａｄの位相差の凸形の波形を生成してもよい。
　図４に示すように、変調波生成器１０７０で生成された凸形の波形の最大値を示す振幅Ａが直流電圧の１／２（搬送波１１５０の振幅）、その両端Ｂが電圧指令ノルム１１３０の３／２と直流電圧の１／２（搬送波１１５０の振幅）との差の場合、電圧利用率が４００／３％以内であれば、従来の技術と比較し、電圧指令ノルム１１３０と出力電圧ノルムが一致する電圧利用率が、４／３倍（＝（４００／３％）／（１００％））になる。
　特許文献１の技術と比較しても、電圧指令ノルム１１３０と出力電圧ノルムが一致する電圧利用率が２／√３倍（＝（４００／３％）／（２００／√３％））になる。
　また、４００／３％以上電圧利用率になった場合でも、従来の技術や特許文献１の技術よりも、出力電圧ノルムの低下を抑制することができる。
　なお、変調波生成器１０７０で生成する第一の変調波１１４０の三相における関係は、電圧指令の最大値もしくは最小値のタイミングでの1つの相(これを最大相または最小相という）に対して直流電圧の１／２の大きさの第一の変調波を生成し、残りの二相に対しては、±２π／３ｒａｄの位相差であるから、電圧指令ノルム１１３０の３／２と直流電圧の１／２との差、すなわち、直流電圧と電圧指令ノルムに基づいた大きさの第一の変調波を生成する。
　以上のように、本実施例の技術を用いることで、電圧指令１０３０が搬送波１１５０の振幅を超えても、三相電動機１０２０に流れる電流の増加を抑制することが可能となる。
　図５は、本実施例における電動機駆動システムの構成図である。図５において、図１と同じ機能を有する構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。図５において、図１と異なる点は、電圧利用率算出器５１８０、零相電圧注入器５１９０、変調波制御器５２００を有する点である。
　図５において、電圧利用率算出器５１８０は、電圧指令ノルム１１３０と検出直流電圧１１１０から、電圧利用率を算出し、算出電圧利用率５２１０として出力する。
　零相電圧注入器５１９０は、電圧指令１０３０に零相電圧を注入し、第二の変調波５１４０として出力する。注入する零相電圧は、例えば、特許文献１に記載の「三相の電圧指令の大小を比較する比較器と、前記比較器で最大値と最小値を除いた中間値を求め、前記中間値を２分の１倍した値」や、電圧指令１０３０の第三次高調波、また、電圧指令１０３０の最大相と検出直流電圧１１１０の半分との差、電圧指令１０３０の最小相と検出直流電圧１１１０の半分に－１を乗じたものとの差などがあるが、零すなわち電圧指令１０３０をそのまま第二の変調波５１４０として出力してもよい。
　変調波制御器５２００は、算出電圧利用率５２１０に基づいて、第一の変調波１１４０と第二の変調波５１４０の切り替えを制御し、第三の変調波５１４１を出力する。
　なお、本実施例における搬送波生成器１０８０は、生成する搬送波１１５０は、電圧指令１０３０もしくは第一の変調波１１４０もしくは第二の変調波５１４０もしくは第三の変調波５１４１の基本波周期以内の周期の三角波を用いるが、鋸波を用いてもよい。
　また、本実施例における制御信号生成器１０９０は、第三の変調波５１４１と搬送波１１５０とを比較することで、スイッチング回路１１００のオンとオフを制御する制御信号１１６０を生成する。
　以下、算出電圧利用率５２１０に基づいた、第一の変調波１１４０と第二の変調波５１４０の切り替えの制御について説明する。
　前記の通り、算出電圧利用率５２１０が、従来の技術では１００％以内、特許文献１の技術では２００／√３％以内であれば、電圧指令ノルム１１３０と出力電圧ノルムは一致する。従って、算出電圧利用率５２１０が１００％乃至２００／√３％以内であれば第二の変調波５１４０を第三の変調波５１４１として出力し、１００％乃至２００／√３％を超えた場合には第一の変調波１１４０を第三の変調波５１４１として出力することで、電圧指令ノルム１１３０と出力電圧ノルムは一致させつつ、算出電圧利用率５２１０が低い場合には正弦（余弦）波に相当する電圧を三相電動機１０２０に印加することが可能となる。
　また、第一の変調波１１４０と第二の変調波５１４０を切り替える際に、変調波の不連続の防止を目的として、算出電圧利用率５２１０が１００％乃至２００／√３％を超えた場合に、算出電圧利用率５２１０に応じて、第二の変調波５１４０から第一の変調波１１４０へ遷移させてもよい。また、前記したように、本実施例の技術を用いることで算出電圧利用率５２１０が４００／３％以内であれば電圧指令ノルム１１３０と出力電圧ノルムは一致するため、算出電圧利用率５２１０が４００／３％で第一の変調波１１４０への遷移を完了させてもよい。
　図６は、本実施例における電動機駆動システムの構成図である。図６において、図１と同じ機能を有する構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。
　図６において、図１と異なる点は、変調波生成器１３３０を有する点であり、電力変換装置６０１０は、変調波生成器１３３０、制御信号生成器１０９０、スイッチング回路１１００を有する。
　変調波生成器１３３０は電圧指令１０３０のノルム（以下、電圧指令ノルム）に基づいた第四の変調波１３４０を生成する。
　本実施例における制御信号生成器１０９０は、第四の変調波１３４０と搬送波１１５０とを比較することで、スイッチング回路１１００のオンとオフを制御する制御信号１１６０を生成する。
　変調波生成器１３３０では、電圧指令から電圧指令ノルムと電圧指令の位相（以下、電圧位相）を求め、電圧指令ノルムに基づいた振幅、電圧位相に基づいた位相の矩形波を生成し、第四の変調波１３４０として出力する。
　図７は、本実施例における電圧指令と第四の変調波の関係を示す図である。図７に示すように、電圧指令１０３０と第四の変調波１３４０の位相は同一であることが望ましいが、三相電動機１０２０に印加される電圧（パルス状）を、その電圧パルスの周期（搬送波１１５０の周期と同一）で復調し観測した電圧が矩形波であれば、この限りではない。電圧位相は、例えば三相を二相交流に座標変換（クラーク変換）し、逆正接をとることで求めることができる。三相は±２π／３ｒａｄの位相差であることから、ある一相の矩形波を生成し、残りの二相は±２π／３ｒａｄの位相差の矩形波を生成すればよい。電圧指令ノルムと電圧位相が予め既知である場合は、電圧指令１０３０の代わりに電圧指令ノルムと電圧位相を変調波生成器１３３０に直接入力してもよい。
　変調波生成器１３３０で生成された矩形波の振幅、すなわち第四の変調波１３４０の振幅が電圧指令ノルムの３／４の場合、電圧利用率が４００／３％以内であれば、電圧指令ノルムと出力電圧ノルムが一致するため、従来の技術と比較し、電圧指令ノルムと出力電圧ノルムが一致する電圧利用率が、４／３倍（＝（４００／３％）／（１００％））になる。
　特許文献１の技術と比較しても、電圧指令ノルムと出力電圧ノルムが一致する電圧利用率が２／√３倍（＝（４００／３％）／（２００／√３％））になる。
　また、４００／３％以上電圧利用率になった場合でも、従来の技術や特許文献１の技術よりも、出力電圧ノルムの低下を抑制することができる。
　以上のように、本実施例の技術を用いることで、電圧指令１０３０が搬送波１１５０の振幅を超えても、三相電動機１０２０に流れる電流の増加を抑制することが可能となる。
　図８は、本実施例における電動機駆動システムの構成図である。図８において、図５、図６と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
　図８において、三相電動機１０２０の駆動制御を行う電力変換装置８０１０は、直流電圧検出器１０４０、電圧利用率算出器５１８０、変調波生成器１３３０、零相電圧注入器５１９０、制御信号生成器５３９０、スイッチング回路１１００を有する。
　電圧利用率算出器５１８０は、電圧指令１０３０と検出直流電圧１１１０から、算出電圧利用率５２１０を算出する。電圧指令ノルムが予め既知である場合は、電圧指令１０３０の代わりに電圧指令ノルムを電圧利用率算出器５１８０に直接入力してもよい。
　零相電圧注入器５１９０は、電圧指令１０３０に零相電圧を注入し、第五の変調波１３４１として出力する。
　制御信号生成器５３９０は、算出電圧利用率５２１０に基づいて、第四の変調波１３４０と第五の変調波１３４１の切り替えを制御し、切り替えた変調波と搬送波とを比較することで、スイッチング回路１１００のオンとオフを制御する制御信号１１６０を生成する。一般的に搬送波は、切り替えられた変調波の基本波周期以内の周期の三角波を用いる。三角波の代わりに、鋸波を用いてもよい。
　以下、算出電圧利用率５２１０に基づいた、第四の変調波１３４０と第五の変調波１３４１の切り替えの制御について説明する。
　前記の通り、算出電圧利用率５２１０が、従来の技術では１００％以内、特許文献１の技術では２００／√３％以内であれば、電圧指令ノルムと出力電圧ノルムは一致する。従って、算出電圧利用率５２１０が１００％乃至２００／√３％以内であれば第五の変調波１３４１、１００％乃至２００／√３％を超えた場合には第四の変調波１３４０を選択し、選択した変調波と搬送波とを比較することで、電圧指令ノルムと出力電圧ノルムは一致させつつ、算出電圧利用率５２１０が低い場合には正弦（余弦）波に相当する電圧を三相電動機１０２０に印加することが可能となる。
　また、第四の変調波１３４０と第五の変調波１３４１を切り替える際に、変調波の不連続の防止を目的として、算出電圧利用率５２１０が１００％乃至２００／√３％を超えた場合に、算出電圧利用率５２１０に応じて、第四の変調波１３４０と第五の変調波１３４１を遷移させてもよい。また、前記したように、本実施例の技術を用いることで算出電圧利用率５２１０が４００／３％以内であれば電圧指令ノルムと出力電圧ノルムは一致するため、算出電圧利用率５２１０が４００／３％で第四の変調波への遷移を完了させてもよい。
　以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記の各構成、機能は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行するソフトウェアで実現してもよいし、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。
１０００：直流電源、１０１０：電力変換装置、１０２０：三相電動機、１０３０：電圧指令、１０４０：直流電圧検出器、１０５０：位相生成器、１０６０：ノルム生成器、１０７０：変調波生成器、１０８０：搬送波生成器、１０９０：制御信号生成器、１１００：スイッチング回路、１１１０：検出直流電圧、１１２０：電圧指令位相、１１３０：電圧指令ノルム、１１４０：第一の変調波、１１５０：搬送波、１１６０：制御信号、１３３０：変調波生成器、１３４０：第四の変調波、１３４１：第五の変調波、２０００：直流電源、２００１：直流電源、２１７０：仮想中性点、５０１０：電力変換装置、５１４０：第二の変調波、５１４１：第三の変調波、５１８０：電圧利用率算出器、５１９０：零相電圧注入器、５２００：変調波制御器、５２１０：算出電圧利用率、５３９０：制御信号生成器

Claims (14)

  1. 　スイッチング回路の動作により直流電圧を電圧指令に基づいた電圧に変換することで三相電動機の駆動制御を行う電力変換装置であって、
    　前記直流電圧を検出する直流電圧検出器と、
    　前記電圧指令から電圧指令ノルムを生成するノルム生成器と、
    　前記検出した直流電圧と前記電圧指令ノルムから第一の変調波を生成する変調波生成器と、
    　前記第一の変調波と搬送波から前記スイッチング回路の動作を制御する制御信号を生成する制御信号生成器を備え、
    　前記変調波生成器は、前記電圧指令の最大値もしくは最小値のタイミングでの１つの相に対して前記検出した直流電圧の１／２の大きさの第一の変調波を生成し、残りの二相に対しては前記検出した直流電圧と前記電圧指令ノルムに基づいた大きさの第一の変調波を生成することを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
    　前記変調波生成器で生成する前記残りの二相に対する第一の変調波は、前記電圧指令ノルムの３／２と前記検出した直流電圧の１／２との差の大きさの変調波であることを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１または２に記載の電力変換装置において、
    　さらに、前記電圧指令と前記直流電圧から電圧利用率を算出する電圧利用率算出器と、
    　前記電圧指令に零相電圧を注入し第二の変調波を生成する零相電圧注入器と、
    　前記第一の変調波と前記第二の変調波と前記電圧利用率に基づいて第三の変調波を生成する変調波制御器を備え、
    　前記制御信号生成器には前記第一の変調波の代わりに前記第三の変調波を入力することを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項３に記載の電力変換装置において、
    　前記制御信号生成器は、前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％以内の場合に前記第二の変調波を前記第三の変調波として生成し、前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％を超えた場合に前記第一の変調波を前記第三の変調波として生成することを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項３に記載の電力変換装置において、
    　前記制御信号生成器は、前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％以内の場合に前記第二の変調波を前記第三の変調波として生成し、前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％を超えた場合に前記第二の変調波から前記第一の変調波へ遷移させて前記第三の変調波を生成することを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項５に記載の電力変換装置において、
    　前記制御信号生成器は、前記第二の変調波から前記第一の変調波へ遷移は、前記電圧利用率に応じて行うことを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項６に記載の電力変換装置において、
    　前記制御信号生成器は、前記第二の変調波から前記第一の変調波へ遷移は、前記電圧利用率が４００／３％で前記第一の変調波への遷移を完了させることを特徴とする電力変換装置。
  8. 　スイッチング回路の動作により直流電圧を電圧指令に基づいた電圧に変換することで三相電動機の駆動制御を行う電力変換装置の制御方法であって、
    　前記直流電圧を検出し、
    　前記電圧指令から電圧指令ノルムを生成し、
    　前記電圧指令の最大値もしくは最小値のタイミングでの１つの相に対して前記検出した直流電圧の１／２の大きさの第一の変調波を生成し、残りの二相に対しては前記検出した直流電圧と前記電圧指令ノルムに基づいた大きさの第一の変調波を生成し、
    　前記第一の変調波と搬送波から前記スイッチング回路の動作を制御する制御信号を生成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  9. 　請求項８に記載の電力変換装置の制御方法において、
    　前記残りの二相に対する第一の変調波は、前記電圧指令ノルムの３／２と前記検出した直流電圧の１／２との差の大きさの変調波であることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  10. 　請求項８または９に記載の電力変換装置の制御方法において、
    　さらに、前記電圧指令と前記直流電圧から電圧利用率を算出し、
    　前記電圧指令に零相電圧を注入し第二の変調波を生成し、
    　前記第一の変調波と前記第二の変調波と前記電圧利用率に基づいて第三の変調波を生成し、
    　前記第一の変調波の代わりに前記第三の変調波と搬送波から前記スイッチング回路の動作を制御する制御信号を生成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  11. 　請求項１０に記載の電力変換装置の制御方法において、
    　前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％以内の場合に前記第二の変調波を前記第三の変調波として生成し、前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％を超えた場合に前記第一の変調波を前記第三の変調波として生成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  12. 　請求項１０に記載の電力変換装置の制御方法において、
    　前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％以内の場合に前記第二の変調波を前記第三の変調波として生成し、前記電圧利用率が１００％乃至２００／√３％を超えた場合に前記第二の変調波から前記第一の変調波へ遷移させて前記第三の変調波を生成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  13. 　請求項１２に記載の電力変換装置の制御方法において、
    　前記第二の変調波から前記第一の変調波へ遷移は、前記電圧利用率に応じて行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  14. 　請求項１３に記載の電力変換装置の制御方法において、
    　前記第二の変調波から前記第一の変調波へ遷移は、前記電圧利用率が４００／３％で前記第一の変調波への遷移を完了させることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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