(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相モータの第１〜第３の相においてそれぞれ上下アームを構成する複数のスイッチング素子を備えるインバータ回路と、
前記各上下アームに並列接続されるコンデンサと、
前記上アーム又は前記下アームと前記三相モータの中性点との間に設けられる直流電源と、
前記三相モータを駆動するためのインバータ電圧指令及び前記コンデンサの電圧を所望な電圧にするための昇圧指令値を分割した分割後昇圧指令値に基づいて、前記第１の相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせる第１のドライブ信号、前記第２の相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせる第２のドライブ信号、及び前記第３の相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせる第３のドライブ信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１の相に対応するスイッチング素子がオン又はオフし続けている期間に、前記第２及び第３の相にそれぞれ対応するスイッチング素子がオン、オフするＰＷＭ制御時、前記昇圧指令値の１／２を、前記第２及び第３のドライブ信号を生成するための前記分割後昇圧指令値とし、前記第１〜第３の相にそれぞれ対応するスイッチング素子がオン、オフするＰＷＭ制御時、前記昇圧指令値の１／３を、前記第１〜第３のドライブ信号を生成するための前記分割後昇圧指令値とする
ことを特徴とする中性点昇圧方式の直流−三相変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相モータの中性点に直流電源及びコンデンサが接続される中性点昇圧方式の直流−三相変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相モータのインバータ回路は、直流電圧が低くなる場合、直流電圧が低くなる前の出力と同等の出力を得るために大きな出力電流が必要になる。その対策として、電流定格の大きなスイッチング素子や昇圧回路を使用する方法がある。しかし、この方法は、スイッチング素子の体格が大きくなったり、昇圧回路を追加したりする必要があるため、回路全体が大きくなりコストが増すという懸念がある。
【０００３】
そこで、この懸念に対して、三相モータの中性点に接続される直流電源の電圧を昇圧することによりコンデンサを充電するとともに、コンデンサからの直流電力を三相電力に変換して三相モータに供給する中性点昇圧方式の直流−三相変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この中性点昇圧方式の直流−三相変換装置は、インバータ動作のゼロ電圧ベクトル期間を用いて昇圧動作を行うことにより、インバータ動作と昇圧動作の両方が可能となるため、大電流用の体格が大きなスイッチング素子は不要になる。また、昇圧動作時に使用されるリアクトルを三相モータのゼロ相インダクタンスで代用することができるため、インバータ回路の他に昇圧回路を追加する必要がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３３７０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような中性点昇圧方式の直流−三相変換装置において、昇圧比が２以下では三相モータを駆動するために必要な電圧が足りなくなる場合、電圧指令の振幅がコンデンサの電圧よりも大きくなると過変調による動作が行われる。そのため、図３に示すように、過変調領域ｔ１では、過変調のＰＷＭ制御によるインバータ動作時のＵ相の上アームのスイッチング素子のドライブ信号Ｓ１が常時ハイレベルとなりＵ相の上アームのスイッチング素子がオンし続ける。また、過変調領域ｔ２では、ドライブ信号Ｓ１が常時ローレベルとなりＵ相の上アームのスイッチング素子がオフし続ける。従って、過変調領域ｔ１では、Ｕ相の下アームのスイッチング素子がオンしないため、三相モータのインダクタンスにエネルギーを蓄えることができず昇圧動作ができない。また、過変調領域ｔ２では、Ｕ相の上アームのスイッチング素子がオンしないため、三相モータのインダクタンスからコンデンサにエネルギーを放出することができず昇圧動作ができない。Ｖ相やＷ相も同様である。このように、中性点昇圧方式の直流−三相変換装置は、過変調のＰＷＭ制御によりインバータ動作が行われると、昇圧動作ができなくなる場合があり、三相モータの運転範囲が制約されてしまう。
【０００６】
そこで、本発明では、過変調のＰＷＭ制御が行われても、三相モータの運転範囲が制約されることを防止することが可能な中性点昇圧方式の直流−三相変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の中性点昇圧方式の直流−三相変換装置は、三相モータの第１〜第３の相においてそれぞれ上下アームを構成する複数のスイッチング素子を備えるインバータ回路と、前記各上下アームに並列接続されるコンデンサと、前記上アーム又は前記下アームと前記三相モータの中性点との間に設けられる直流電源と、前記三相モータを駆動するためのインバータ電圧指令及び前記コンデンサの電圧を所望な電圧にするための昇圧指令値を分割した分割後昇圧指令値に基づいて、前記第１の相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせる第１のドライブ信号、前記第２の相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせる第２のドライブ信号、及び前記第３の相に対応するスイッチング素子をオン、オフさせる第３のドライブ信号を生成する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１の相に対応するスイッチング素子がオン又はオフし続けている期間に、前記第２及び第３の相にそれぞれ対応するスイッチング素子がオン、オフするＰＷＭ制御時、前記第２及び第３のドライブ信号を生成するための前記分割後昇圧指令値を、前記第１〜第３の相にそれぞれ対応するスイッチング素子がオン、オフするＰＷＭ制御時において前記第２及び第３のドライブ信号を生成するための前記分割後昇圧指令値よりも増やす。
【０００８】
これにより、過変調のＰＷＭ制御時であっても、コンデンサの電圧を三相モータの駆動に必要な電圧にすることができ、三相モータの運転範囲が制約されることを防止することができる。また、過変調のＰＷＭ制御時の三相モータに流れる電流の歪みを改善することができるため、トルクリプルやゼロ相の電流リプル（三相モータの中性点に流れる電流のリプル）を低減することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、中性点昇圧方式の直流−三相変換装置において、過変調のＰＷＭ制御時が行われても、三相モータの運転範囲が制約されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の中性点昇圧方式の直流−三相変換装置を示す図である。
【図２】比較部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】過変調のＰＷＭ制御によりインバータ動作が行われる際のＵ相の上アームのスイッチング素子のドライブ信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態の中性点昇圧方式の直流−三相変換装置を示す図である。
図１に示す中性点昇圧方式の直流−三相変換装置１は、コンデンサ２と、インバータ回路３と、三相モータ４（例えば、コンプレッサ用モータなど）と、直流電源５と、回転角検出器６（例えば、レゾルバやエンコードなど）と、電流検出器７と、制御回路８（例えば、ＣＰＵなど）と、ドライブ回路９とを備えて構成されている。回転角検出器６が無く、演算により回転角を検出するセンサレス制御でも良い。
【００１２】
インバータ回路３は、６つのスイッチング素子１０〜１５（例えば、ＭＯＳＦＥＴやダイオードが並列接続されるバイポーラトランジスタなど）を備えて構成されている。スイッチング素子１０、１１、スイッチング素子１２、１３、及びスイッチング素子１４、１５はそれぞれ互いに直列接続されることにより三相モータ４の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）にそれぞれ対応する上下アームを構成し、コンデンサ２に並列接続されている。また、各相の下アームのスイッチング素子（スイッチング素子１１、１３、１５）の低電位側端子は直流電源５の負極側端子と接続され、直流電源５の正極側端子は三相モータ４の中性点に接続されている。
【００１３】
スイッチング素子１０〜１５がそれぞれドライブ回路９から出力されるドライブ信号Ｓ１〜Ｓ６によりオン、オフすると、コンデンサ２からの直流電力が互いに位相が１２０度ずつ異なる三相電力に変換された後、三相モータ４に供給され三相モータ４が駆動する。
【００１４】
また、三相モータ４の中性点に直流電源５が放電する方向の電流が流れているとき、ある相の下アームのスイッチング素子がオンすると、そのスイッチング素子に接続される三相モータ４のリアクトルに直流電源５からのエネルギーが蓄積される。そして、その相の下アームのスイッチング素子がオフすると、リアクトルに蓄積されたエネルギーがその相の上アームのスイッチング素子を介してコンデンサ２に蓄積される。すなわち、三相モータ４の中性点の電位が直流電源５の電位よりも低くなるように、インバータ回路３から三相モータ４へ供給される三相交流に直流成分を加えて三相モータ４を駆動することにより、三相モータ４の中性点に直流電源５が放電する方向の電流が流れ、直流電源５からのエネルギーによりコンデンサ２が充電される。なお、三相モータ４の中性点の電位が直流電源５の電位よりも高くなるように、インバータ回路３から三相モータ４へ供給される三相交流に直流成分を加えて三相モータ４を駆動すると、三相モータ４の中性点に直流電源５が充電する方向の電流が流れ、コンデンサ２からのエネルギーにより直流電源５が充電される。
【００１５】
このように、本実施形態の中性点昇圧方式の直流−三相変換装置１は、直流電源５の電圧を昇圧してコンデンサ２を充電しつつ、そのコンデンサ２からの直流電力を三相電力に変換して三相モータ４に供給することができるため、インバータ回路３以外に昇圧回路や降圧回路を別途設ける必要がなく回路全体の小型化を図ることができる。
【００１６】
次に、制御回路８について説明する。
制御回路８は、回転速度計算部１６と、３／２軸変換部１７と、電圧指令部１８と、比較部１９と、ドライブ信号生成部２０とを備えて構成されている。なお、制御回路８がドライブ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成する周期は、ドライブ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成する際に用いられる三角波の２分の１周期と同じ程度か、又は、その三角波の２分の１周期よりも長い周期とする。また、回転角検出器６は、三相モータ４のロータの回転角θを検出する。また、電流検出器７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗや三相モータ４の中性点に流れる電流Ｉｄｃを検出する。また、電流検出器７により電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、Ｉｄｃのうち３つの電流を検出して、その３つの電流から残りの１つの電流を計算により求めてもよい。
【００１７】
回転速度計算部１６は、回転角θと三相モータ４の駆動時間とに基づいて三相モータ４のロータの回転速度ωを計算する。
３／２軸変換部１７は、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを三相モータ４の磁界と同方向の電流成分である電流Ｉｄと三相モータ４の磁界と直角方向の電流成分である電流Ｉｑとに変換する。
【００１８】
電圧指令部１８は、電流制御部２１と、２／３軸変換部２２とを備えて構成されている。
電流制御部２１は、外部（上位制御回路など）から入力されるトルク指令Ｔ、回転速度ω、及び電流Ｉｄ、Ｉｑに基づいて電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを生成する。
【００１９】
例えば、まず、電流制御部２１は、トルク指令Ｔと電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とが対応付けられているテーブルなどを用いてトルク指令Ｔに対応する電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を求める。
【００２０】
次に、電流制御部２１は、電流指令Ｉｄ＊と電流Ｉｄとの差分ΔＩｄを求めるとともに、電流指令Ｉｑ＊と電流Ｉｑとの差分ΔＩｑを求める。
そして、電流制御部２１は、差分ΔＩｄ、ΔＩｑがそれぞれゼロになるような電圧指令Ｖｄ、ＶｑをＰＩ制御により求める。例えば、下記数１及び数２により電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを求める。
【００２１】
【数１】
0005505042.tif 000002
【００２２】
【数２】
0005505042.tif 000003
【００２３】
なお、Ｋｐを比例項の定数、Ｋｉを積分項の定数、Ｌｄをｄ軸インダクタンス、Ｌｑをｑ軸インダクタンス、Ｉｄをｄ軸電流、Ｉｑをｑ軸電流、Ｋｅを誘起電圧の定数とする。
【００２４】
２／３軸変換部２２は、電圧指令Ｖｄ、ＶｑをＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応するインバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。
比較部１９は、インバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと、コンデンサ２の電圧Ｖｉｎｖと、昇圧指令Ｖ＊とに基づいて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める。なお、昇圧指令Ｖ＊は、外部から入力される所望なコンデンサ２の電圧と実際のコンデンサ２の電圧との差分をゼロにさせるための電圧指令値とする。
【００２５】
図２は、比較部１９の動作を説明するためのフローチャートである。
まず、比較部１９は、インバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがコンデンサ２の電圧Ｖｉｎｖよりも大きいか否かを判断する（Ｓ１）。
【００２６】
インバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがコンデンサ２の電圧Ｖｉｎｖよりも大きくない（過変調でない通常のＰＷＭ制御時（３相にそれぞれ対応するスイッチング素子がオン、オフするＰＷＭ制御時））と判断すると（Ｓ１がＮｏ）、比較部１９は、昇圧指令Ｖ＊を１／３にした後、その１／３にした昇圧指令Ｖ＊（分割後昇圧指令値）と電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとに基づいて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める（Ｓ２）。例えば、比較部１９は、１／３にした昇圧指令Ｖ＊を電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにそれぞれ加算して電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める。
【００２７】
一方、インバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがコンデンサ２の電圧Ｖｉｎｖよりも大きい（過変調のＰＷＭ制御時（１相に対応するスイッチング素子がオン又はオフし続けている期間に、残りの２相にそれぞれ対応するスイッチング素子がオン、オフするＰＷＭ制御時））と判断すると（Ｓ１がＹｅｓ）、比較部１９は、Ｕ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けているか否かを判断する（Ｓ３）。例えば、比較部１９は、Ｕ相のインバータ電圧指令Ｖｕが電圧Ｖｉｎｖよりも大きいとき、Ｕ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けている（Ｕ相ベタオン）と判断する。
【００２８】
Ｕ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けていると判断すると（Ｓ３がＹｅｓ）、比較部１９は、昇圧指令Ｖ＊を１／２にした後、その１／２にした昇圧指令Ｖ＊（分割後昇圧指令値）とインバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとに基づいて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める（Ｓ４）。例えば、比較部１９は、１／２にした昇圧指令Ｖ＊をインバータ電圧指令Ｖｖ、Ｖｗにそれぞれ加算して電圧指令Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求めるとともに、インバータ電圧指令Ｖｕをそのまま電圧指令Ｖｕ＊とする。
【００２９】
一方、Ｕ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けていないと判断すると（Ｓ３がＮｏ）、比較部１９は、Ｖ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けているか否かを判断する（Ｓ５）。例えば、比較部１９は、Ｖ相のインバータ電圧指令Ｖｖが電圧Ｖｉｎｖよりも大きいとき、Ｖ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けている（Ｖ相ベタオン）と判断する。
【００３０】
Ｖ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けていると判断すると（Ｓ５がＹｅｓ）、比較部１９は、昇圧指令Ｖ＊を１／２にした後、その１／２にした昇圧指令Ｖ＊（分割後昇圧指令値）とインバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとに基づいて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める（Ｓ６）。例えば、比較部１９は、１／２にした昇圧指令Ｖ＊をインバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｗにそれぞれ加算して電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｗ＊を求めるとともに、インバータ電圧指令Ｖｖをそのまま電圧指令Ｖｖ＊とする。
【００３１】
一方、Ｖ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けていないと判断すると（Ｓ５がＮｏ）、比較部１９は、Ｗ相の上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続ける（Ｗ相ベタオン）と判断して、昇圧指令Ｖ＊を１／２にした後、その１／２にした昇圧指令Ｖ＊（分割後昇圧指令値）とインバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとに基づいて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める（Ｓ７）。例えば、比較部１９は、１／２にした昇圧指令Ｖ＊をインバータ電圧指令Ｖｕ、Ｖｖにそれぞれ加算して電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊を求めるとともに、インバータ電圧指令Ｖｗをそのまま電圧指令Ｖｗ＊とする。
【００３２】
このように、過変調のＰＷＭ制御時において、上アーム又は下アームのスイッチング素子がオンし続けている相以外の各相のインバータ電圧指令に対して、均等に分割した昇圧指令をそれぞれ加算している。これにより、過変調のＰＷＭ制御時において、三相モータ４を駆動しつつコンデンサ２の電圧を所望な電圧とすることができる。
【００３３】
また、図１のドライブ信号生成部２０は、比較部１９から出力される電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と三角波とを比較することにより、各相にそれぞれ対応するドライブ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ（第１〜第３のドライブ信号）を生成する。例えば、ドライブ信号生成部２０は、電圧指令Ｖｕ＊が三角波よりも大きいときハイレベル、電圧指令Ｖｕ＊が三角波よりも小さいときローレベルになるドライブ信号Ｓｕを生成し、電圧指令Ｖｖ＊が三角波よりも大きいときハイレベル、電圧指令Ｖｖ＊が三角波よりも小さいときローレベルになるドライブ信号Ｓｖを生成し、電圧指令Ｖｗ＊が三角波よりも大きいときハイレベル、電圧指令Ｖｗ＊が三角波よりも小さいときローレベルになるドライブ信号Ｓｗを生成する。
【００３４】
ドライブ回路８は、ドライブ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗをそれぞれ反転することによりドライブ信号Ｓ１〜Ｓ６を生成しスイッチング素子１０〜１５に出力する。例えば、ドライブ回路８は、ドライブ信号Ｓｕをドライブ信号Ｓ１としてスイッチング素子１０に出力し、ドライブ信号Ｓｕの反転信号をドライブ信号Ｓ２としてスイッチング素子１１に出力し、ドライブ信号Ｓｖをドライブ信号Ｓ３としてスイッチング素子１２に出力し、ドライブ信号Ｓｖの反転信号をドライブ信号Ｓ４としてスイッチング素子１３に出力し、ドライブ信号Ｓｗをドライブ信号Ｓ５としてスイッチング素子１４に出力し、ドライブ信号Ｓｗの反転信号をドライブ信号Ｓ６としてスイッチング素子１５に出力する。
【００３５】
このように、本実施形態の中性点昇圧方式の直流−三相変換装置１では、過変調のＰＷＭ制御時において、三相モータ４を駆動するようにドライブ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを生成しつつ、それらドライブ信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗのうちスイッチング素子がオンし続ける相以外の各相のドライブ信号にそれぞれ対応する昇圧指令を増やしてコンデンサ２の電圧を所望な電圧にさせている。これにより、過変調のＰＷＭ制御時であっても、コンデンサ２の電圧を三相モータ４の駆動に必要な電圧にすることができ、三相モータ４の運転範囲が制約されることを防止することができる。また、過変調のＰＷＭ制御時の三相モータ４に流れる電流の歪みを改善することができるため、トルクリプルやゼロ相の電流リプル（三相モータ４の中性点に流れる電流のリプル）を低減することができる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、直流電源５が三相モータ４の中性点とインバータ回路３の下アーム（スイッチング素子１１、１３、１５）との間に設けられる構成であるが、直流電源５を三相モータ４の中性点とインバータ回路３の上アーム（スイッチング素子１０、１２、１４）との間に設けてもよい。このように構成する場合、制御回路８は、三相モータ４の中性点に流れる電流が正側にオフセットするように、スイッチング素子１０〜１５をオン、オフさせる。
【符号の説明】
【００３７】
１  直流−三相変換装置
２  コンデンサ
３  インバータ回路
４  三相モータ
５  直流電源
６  回転角検出器
７  電流検出器
８  制御回路
９  ドライブ回路
１０〜１５  スイッチング素子
１６  回転速度計算部
１７  ３／２軸変換部
１８  電圧指令部
１９  比較部
２０  ドライブ信号生成部
２１  電流制御部
２２  ２／３軸変換部
【図１】
0005505042.tif 000004
【図２】
0005505042.tif 000005
【図３】
0005505042.tif 000006