JP4669723B2

JP4669723B2 - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP4669723B2
Application number: JP2005084254A
Authority: JP
Inventors: まり小島; 昭彦黒岩
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP2006271083A

Description

本発明は、交直変換器により交流を直流に変換し、平滑コンデンサで平滑した後単相インバータにより交流に変換する単位インバータを複数組合せたインバータ装置により電動機を可変速制御する電動機制御装置に関する。

従来、交流電動機を可変速制御する電動機制御装置として、ダイオードブリッジ回路により交流を直流に変換し、平滑コンデンサで平滑した後交流に変換して単相出力を得る単位インバータを三相スター結線してなるインバータ装置がある（例えば、特許文献１）。
特開平１１−１２２９４３号公報

通常の三相出力のインバータ装置において、電源出力を三相のダイオードブリッジ回路により直流に変換し、平滑コンデンサで平滑して得られる直流電圧は、電源周波数の６倍のリップル電圧でその振幅は１５％程度であり、三相インバータの出力を合成すれば、ほぼフラットになり、問題は生じない。

しかし、上記のように単相出力を得る単位インバータを複数組合せたインバータ装置では、各相毎の電力脈動が１００％の振幅で、その周波数は２倍と低い。その結果、単位インバータの出力周波数が交流電源側インダクタンスと平滑コンデンサで構成される共振回路の共振周波数に接近し、直流電圧のリップルが過大になる問題がある。

このため、電圧リップルの最大値に合せて定格容量を増大させたり、あるいは装置容量を低減したりして使用せざるを得ないという問題があった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、単位インバータの出力周波数の２倍周波数で脈動する直流電圧を共振させることなく、装置の定格容量を有効に使用して交流電動機を可変速制御できる電動機制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により電動機制御装置を構成するものである。

本発明に対応する電動機制御装置は、交流を直流に変換する複数の交直変換器と、前記複数の交直変換器により変換された直流をそれぞれ平滑する複数の平滑コンデンサと、前記複数の平滑コンデンサにより平滑された直流をそれぞれ単相交流に変換し、それぞれの単相交流が合成された交流が電動機に供給される複数の単位インバータと、前記複数の交直変換器と前記複数の平滑コンデンサとのそれぞれの間に設けられ、前記交直変換器の交流側のインダクタンスと前記平滑コンデンサで構成される共振回路の共振周波数に、前記単位インバータによる電圧脈動の周波数が接近して共振することを抑制するためのダンピング効果を有する回路を設ける。

本発明によれば、単位インバータの出力周波数の２倍周波数による直流電圧の脈動が共振現象により大きくならないように抑制することができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による電動機制御装置の第１の実施形態を示す回路構成図である。

図１において、ＡＣは交流電源で、この交流電源ＡＣより単相交流がＡ，Ｂ，Ｃ各相の入力リアクトル１Ａ，１Ｂ，１Ｃを介してダイオードブリッジからなる交直変換器２Ａ，２Ｂ，２Ｃに入力され、直流に変換される。この交直変換器２Ａ，２Ｂ，２Ｃより出力される直流は平滑コンデンサ４Ａ，４Ｂ，４Ｃにより平滑されて単相インバータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃに入力され、直流を単相交流に変換して出力される。

ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ各相の交直変換器２Ａ，２Ｂ，２Ｃ、平滑コンデンサ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び単相インバータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、それぞれ一つの単位インバータとして構成され、これら３つの単位インバータをスター結線して交流電動機６に接続し、この交流電動機６を駆動制御する。

このような構成の電動機制御装置において、本実施形態ではＡ，Ｂ，Ｃ各相の交直変換器２Ａ，２Ｂ，２Ｃと平滑コンデンサ４Ａ，４Ｂ，４Ｃとの間に単相インバータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの出力周波数の２倍の電力脈動による電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路３Ａ，３Ｂ，３Ｃを設けると共に、Ａ，Ｂ，Ｃ各相の単位インバータの直流電気量を検出する検出手段７を設け、この検出手段７により検出された直流電気量を制御回路８に取込んで、ダンピング効果を有する回路３Ａ，３Ｂ，３Ｃを制御するようにしたものである。

次に作用について述べる。

いま、上述した単位インバータを等価回路で示すと図２のように表すことができる。すなわち、図２において、ダイオードブリッジからなる交直変換器２を直流電源、単相インバータ５を交流電流源として表すことができ、また直流電気量を検出する検出手段として平滑コンデンサ４に流れる電流を検出する電流検出回路１０を設け、電流検出回路１０により検出された電流を制御回路８に取込む場合について示している。

まず、上記等価回路において、ダンピング効果を有する回路３及び制御回路８がない場合には単相インバータ５の出力周波数の２倍周波数によって図３（ａ）に示すように平滑コンデンサ４の電圧Ｖｃは脈動する。つまり、直流電源よりリアクトル１を通して流れる電流Ｉｒｅｃは交流電流源に流れる電流Ｉｉｎｖに対して位相遅れが生じ、平滑コンデンサ４の電圧Ｖｃが脈動する。この電圧の周波数が入力リアクトル１と平滑コンデンサ４の共振周波数に近いと共振し、電圧リプルが上記理論値よりも大幅に増大する。

次にダンピング効果を有する回路３及び制御回路８が設けられている場合には、電流検出回路１０により検出された電流が制御回路８に取込まれると、この制御回路８は検出電流値に応じて制御信号を生成してダンピング効果を有する回路３を制御し、図３（ｂ）に示すようにダンピング効果を有する回路３を通して流れる電流Ｉｒｅｃは早く立ち上がり、交流電流源に流れる電流Ｉｉｎｖに対してほぼ同相となり、平滑コンデンサ４の電圧Ｖｃの変動が抑制される。

上記ダンピング効果を有する回路３は、平滑コンデンサ４の両端子間の電圧を一定に制御する目的で使用されるのではなく、平滑コンデンサ４の電圧リプルが共振によって大きくならないように電流Ｉｒｅｃを早く立上げるためのものである。

従って、交直変換器２と平滑コンデンサ４との間に単相インバータ５の出力周波数の２倍の電力脈動による電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路３を設けることにより、交直変換器２や単相インバータ５の定格容量を増大したり、あるいは装置の容量を低減したりする必要がなく、既存の装置により交流電動機の可変速制御を行うことができる。

図４は本発明による電動機制御装置の第２の実施形態を示す回路構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第２の実施形態では、電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路として、リアクトル、ダイオード及びスイッチング素子からなる昇圧チョッパ９Ａ，９Ｂ，９Ｃを設け、またＡ，Ｂ，Ｃ各相の単位インバータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの直流電気量を検出する検出手段として、平滑コンデンサ４に流れる電流を検出する電流検出回路１０を設け、この電流検出回路１０により検出された電流を制御回路８に取込んで制御信号を生成し、昇圧チョッパ９Ａ，９Ｂ，９Ｃを制御するようにしたものである。

ここで、上記昇圧チョッパ９を制御する制御回路としては、図５に示すように平滑コンデンサ４に流れる電流Ｉｃと基準値（０値）とを比較し、その差信号に係数ｋを乗じてＰＷＭ回路に入力し、このＰＷＭ回路よりチョッパのスイッチング信号を生成して昇圧チョッパ９を平滑コンデンサ４に流れる電流Ｉｃが零になるように制御する。

このような構成としても第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

図６は本発明による電動機制御装置の第３の実施形態を示す１相分の回路構成図で、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第３の実施形態においては、電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路として、ダイオード及びスイッチング素子からなる昇圧チョッパ１１を設け、また単位インバータ５の直流電気量を検出する検出手段として、平滑コンデンサ４に流れる電流を検出する電流検出回路１０を設け、この電流検出回路１０により検出された電流を制御回路８に取込んで制御信号を生成し、昇圧チョッパ９を制御するようにしたものである。

この実施形態では、昇圧チョッパ１１からリアクトルを省略し、入力リアクトル１に担わせていることに特徴がある。昇圧チョッパのリアクトルには回路の全電流が流れるので、リアクトルを省略できることのメリットは大きい。

図７は本発明による電動機制御装置の第４の実施形態を示す１相分の回路構成図で、図６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第４の実施形態においては、電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路として、単相インバータとリアクトルからなる回路１２を設け、また単位インバータ５の直流電気量を検出する検出手段として、平滑コンデンサ４に流れる電流を検出する電流検出回路１０を設け、この電流検出回路１０により検出された電流を制御回路８に取込んで制御信号を生成し、単相インバータとリアクトルからなる回路１２を制御するようにしたものである。

図８は本発明による電動機制御装置の第５の実施形態を示す１相分の回路構成図で、図６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第５の実施形態においては、電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路として、ダイオードとスイッチング素子からなる回路１３を設け、また単位インバータ５の直流電気量を検出する検出手段として、平滑コンデンサ４に流れる電流を検出する電流検出回路１０を設け、この電流検出回路１０により検出された電流を制御回路８に取込んで制御信号を生成し、ダイオードとスイッチング素子からなる回路１３を制御するようにしたものである。

図９は本発明による電動機制御装置の第６の実施形態を示す回路構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第６の実施形態においては、電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路３（３Ａ〜３Ｃ）として、第２の実施形態の昇圧チョッパ９、又は第３の実施形態のリアクトルの持たない昇圧チョッパ１１、又は第３の実施形態の単相インバータとリアクトルからなる回路１２或いは第４の実施形態のダイオードとスイッチング素子からなる回路１３を設け、また単相インバータ５の直流電気量を検出する検出手段として、平滑コンデンサ４（４Ａ〜４Ｃ）の電圧を検出する電圧検出回路１４を設け、この電圧検出回路１４により検出された電圧を制御回路８に取込んで制御信号を生成し、ダンピング効果を有する回路３（３Ａ〜３Ｃ）を制御するようにしたものである。

図１０は本発明による電動機制御装置の第７の実施形態を示す回路構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第７の実施形態においては、電圧リプルの共振を抑制するダンピング効果を有する回路３（３Ａ〜３Ｃ）として、第２の実施形態の昇圧チョッパ９、又は第３の実施形態のリアクトルの持たない昇圧チョッパ１１、又は第３の実施形態の単相インバータとリアクトルからなる回路１２或いは第４の実施形態のダイオードとスイッチング素子からなる回路１３を設け、また単相インバータ５（５Ａ〜５Ｃ）の直流電気量を検出する検出手段として、単相インバータ電圧と電流を検出する回路１５を設け、この検出回路１５により検出された単相インバータ電圧及び電流情報を制御回路８に取込んで演算により電力を求め、この電力をもとに制御信号を生成し、ダンピング効果を有する回路３を制御するようにしたものである。

なお、上述した第１の実施形態乃至第７の実施形態では、３つの単位インバータをスター結線した回路構成について述べたが、本発明はかかる回路構成に限定されず、単相マルチレベルインバータや単相のインバータにおいても適用することができ、前述と同様の効果を発揮させることができる。

本発明による電動機制御装置の第１の実施形態を示す回路構成図。同実施形態において、一つの単位インバータの等価回路図。同実施形態の作用をダンピング効果を有する回路ない場合と比較して説明するための波形図。本発明による電動機制御装置の第２の実施形態を示す回路構成図。同実施形態における制御回路の構成図。本発明による電動機制御装置の第３の実施形態を示す１相分の回路構成図。本発明による電動機制御装置の第４の実施形態を示す１相分の回路構成図。本発明による電動機制御装置の第５の実施形態を示す１相分の回路構成図。本発明による電動機制御装置の第６の実施形態を示す回路構成図。本発明による電動機制御装置の第７の実施形態を示す回路構成図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…入力リアクトル、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…ダイオードブリッジからなる交直変換器、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…ダンピング効果を有する回路、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…平滑コンデンサ、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…単相インバータ、６…交流電動機、７…検出手段、８…制御回路、９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…昇圧チョッパ、１０…平滑コンデンサに流れる電流を検出する電流検出回路、１１…昇圧チョッパ、１２…単相インバータとリアクトルからなる回路、１３…ダイオードとスイッチング素子からなる回路、１４…平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出回路、１５…単相インバータ電圧と電流を検出する回路。

Claims

交流を直流に変換する複数の交直変換器と、
前記複数の交直変換器により変換された直流をそれぞれ平滑する複数の平滑コンデンサと、
前記複数の平滑コンデンサにより平滑された直流をそれぞれ単相交流に変換し、それぞれの単相交流が合成された交流が電動機に供給される複数の単位インバータと、
前記複数の交直変換器と前記複数の平滑コンデンサとのそれぞれの間に設けられ、前記交直変換器の交流側のインダクタンスと前記平滑コンデンサで構成される共振回路の共振周波数に、前記単位インバータによる電圧脈動の周波数が接近して共振することを抑制するためのダンピング効果を有する回路
を設けたことを特徴とする電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、出力する電流の脈動成分が前記単位インバータに入力される電流の脈動成分と同相となるように制御されること
を特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、昇圧チョッパであること
を特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、前記平滑コンデンサに流れる電流が零になるように制御されること
を特徴とする請求項３記載の電動機制御装置。
前記複数の交直変換器の入力側にそれぞれ入力リアクトルを備え、
前記ダンピング効果を有する回路は、前記交直変換器と前記平滑コンデンサとの間にはリアクトルを設けずに、前記入力リアクトルを利用して昇圧する昇圧チョッパであること
を特徴とする請求項３記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、単相インバータとリアクトルで構成されたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、ダイオードとスイッチング素子で構成されたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、前記平滑コンデンサに流れる電流に基づいて制御されること
を特徴とする請求項３又は請求項５から請求項７のいずれか１項記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、前記平滑コンデンサの電圧に基づいて制御されること
を特徴とする請求項３又は請求項５から請求項７のいずれか１項記載の電動機制御装置。
前記ダンピング効果を有する回路は、前記単位インバータの出力電力に基づいて制御されること
を特徴とする請求項３又は請求項５から請求項７のいずれか１項記載の電動機制御装置。