(57)【要約】【課題】直流リンク電圧の脈動の改善によりシステムの体積減少及びコストダウンが可能な回生型インバータ装置及び単位電力セルを用いたインバータ装置を提供する。【解決手段】インバータ装置は、入力された単相交流電源を直流電源にして出力するコンバータ部と、コンバータ部から出力される直流電源を緩衝するコンデンサ部と、緩衝された直流電源を合成して負荷の駆動電力として出力するインバータ部と、単相交流電源及びコンバータ部から出力される直流電源に基づいてコンバータ部を制御するコンバータ制御部とを含み、コンバータ制御部は、コンバータ部に含まれる複数のゲートを制御するコンバータゲート信号発生部と、単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を、コンバータゲート信号発生部の入力側に接続される加算器に出力する入力端高調波電圧発生部とを含む。【選択図】図３
2014054174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回生型インバータ装置において、
入力された単相交流電源を直流電源にして出力するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力される直流電源を緩衝するコンデンサ部と、
前記緩衝された直流電源を合成して負荷の駆動電力として出力するインバータ部と、
前記単相交流電源及び前記コンバータ部から出力される直流電源に基づいて前記コンバータ部を制御するコンバータ制御部とを含み、
前記コンバータ制御部は、
前記コンバータ部に含まれる複数のゲートを制御するコンバータゲート信号発生部と、
前記単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を、前記コンバータゲート信号発生部の入力側に接続される加算器に出力する入力端高調波電圧発生部と
を含む、回生型インバータ装置。
【請求項２】
前記コンバータ制御部は、
前記単相交流電源の位相情報を検出する位相検出部と、
前記検出された単相交流電源の位相情報に基づいて、前記単相交流電源の電流をｄｑ同期座標系によるｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する座標変換部と、
前記コンバータ部の出力電圧によってｄ軸制御電流及びｑ軸制御電流を発生する電圧制御部と、
前記座標変換されたｄ軸電流及びｑ軸電流と前記電圧制御部から出力されるｄ軸制御電流及びｑ軸制御電流によって前記コンバータ部の制御のための第１制御電圧を発生する電流制御部とをさらに含み、
前記入力端高調波電圧発生部は、前記単相交流電源と前記第１制御電圧に基づいて第２制御電圧を出力し、
前記加算器は、前記第１制御電圧と前記第２制御電圧を加算して前記コンバータゲート信号発生部に出力する、請求項１に記載の回生型インバータ装置。
【請求項３】
前記入力端高調波電圧発生部は、
前記第１制御電圧及び前記単相交流電源の電圧の差を出力する減算部と、
前記減算部の出力の絶対値を演算して前記基本波成分の大きさを演算する絶対値演算部と、
前記演算された基本波成分の大きさに基づいて所定の大きさの高調波電圧を出力する比例制御部と、
前記比例制御部から出力される高調波電圧が前記基本波成分の前記所定倍数となるように位相を調整して前記第２制御電圧にして出力する位相決定部と
を含む、請求項２に記載の回生型インバータ装置。
【請求項４】
前記入力端高調波電圧発生部は、
前記コンバータ追加電力の電圧の大きさ及び周波数が前記所定倍数を維持するようにする比例制御部を含む、請求項１に記載の回生型インバータ装置。
【請求項５】
前記所定倍数が３倍である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回生型インバータ装置。
【請求項６】
前記インバータ部の出力電圧に基づいて前記インバータ部を制御するインバータ制御部をさらに含み、
前記インバータ制御部は、
前記インバータ部に含まれる複数のゲートを制御するインバータゲート信号発生部と、
前記インバータ部の出力電圧の基本波成分と大きさが同一であり、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の所定倍数の周波数を有するインバータ追加電力を、前記インバータゲート信号発生部の入力側に接続される加算器に出力する出力端高調波電圧発生部と
を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回生型インバータ装置。
【請求項７】
前記コンバータ追加電力の周波数における前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数と、前記インバータ追加電力の周波数における前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の所定倍数とが、同一である、請求項６に記載の回生型インバータ装置。
【請求項８】
前記出力端高調波電圧発生部は、
前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の大きさを演算する絶対値演算部と、
前記インバータ部の出力電圧の負荷角及び前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の大きさに基づく位相調整により前記インバータ追加電力を出力する位相決定部と
を含む、請求項６又は７に記載の回生型インバータ装置。
【請求項９】
複数の単位電力セルを含むインバータ装置において、
入力電源から３相電源を受けて位相変換を行い、前記各単位電力セルに単相交流電源にして提供する位相変換変圧部と、
前記各単位電力セルから出力される電力を合成して３相駆動負荷に出力する出力端とを含み、
前記各単位電力セルは、
入力された前記単相交流電源を直流電源にして出力するコンバータ部と、
前記直流電源を前記出力端に出力するインバータ部と、
前記単相交流電源及び前記コンバータ部から出力される直流電源に基づいて前記コンバータ部を制御するコンバータ制御部と、
前記インバータ部の出力電圧に基づいて前記インバータ部を制御するインバータ制御部とを含み、
前記コンバータ制御部は、
前記単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を出力する入力端高調波電圧発生部を含み、
前記インバータ制御部は、
前記インバータ部の出力電圧の基本波成分と大きさが同一であり、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の所定倍数の周波数を有するインバータ追加電力を出力する出力端高調波電圧発生部を含む、単位電力セルを用いたインバータ装置。
【請求項１０】
前記各単位電力セルは、前記３相駆動負荷の各相に対応する所定のグループに分けられて前記出力端に接続される、請求項９に記載の単位電力セルを用いたインバータ装置。
【請求項１１】
前記３相駆動負荷の相電圧は、前記所定のグループに分けられた単位電力セルの電圧の和になるように合成される、請求項１０に記載の単位電力セルを用いたインバータ装置。
【請求項１２】
前記各単位電力セルに含まれる前記インバータ部及び前記コンバータ部は、カスケードＨブリッジ構造に接続される、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の単位電力セルを用いたインバータ装置。
【請求項１３】
前記３相駆動負荷は、誘導電動機又は同期電動機の少なくとも一方を含む、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の単位電力セルを用いたインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回生型インバータ装置及び単位電力セルを用いたインバータ装置に関し、特に、直流リンク電圧の脈動の改善によりシステムの体積減少及びコストダウンを図ることのできる、回生型インバータ装置及び単位電力セルを用いたインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧インバータとは、線間電圧の実効値（ＲＭＳ値）が６００Ｖ以上の入力電源を有するインバータを意味する。高圧インバータは、主にファン、ポンプ、圧縮機などの応用分野において用いられている。
【０００３】
これらの応用分野において用いられている高圧インバータにおいては、可変速運転が頻繁に行われるが、急加速運転又は急減速運転が必要な場合は回生インバータにより回生運転を行うことで急加速又は急減速をサポートする。回生運転は、例えば牽引（トラクション）、昇降（ホイスト）、コンベアなどの応用分野において必須である。
【０００４】
図７は一般的な高圧インバータ装置の接続構成を示す図である。高圧インバータ装置の種類は様々であるが、図７においては単位電力で駆動される高圧インバータ装置を示す。
【０００５】
図７に示すように、高圧インバータ装置１００は、３相電源の供給を受けて位相を変換し、電源電流の全高調波歪率を改善し、その後、変圧器により単位電力を生成し、その単位電力を３相電圧に合成して各相毎に３相電動機に供給する。
【０００６】
図８は図７の高圧インバータ装置１００の単位電力セルの構成を示す図である。
【０００７】
各単位電力セルは、入力電源部２０１から交流電力を受けて貯蔵及び供給するインダクタ２０２と、インダクタ２０２を経由した電源を直流に変換するコンバータ２０３と、コンバータ２０３を制御するコンバータ制御部２０６と、コンバータ２０３の入出力電源を緩衝するコンデンサ２０４と、直流電源を再び交流に変換して出力するインバータ２０５と、インバータ２０５を制御するインバータ制御部２０７とを含む。
【０００８】
高圧インバータ装置１００の単位電力セルは、単相電源の供給を受け、相電圧を出力する。これについての具体的な動作はコンバータ制御部２０６及びインバータ制御部２０７のスイッチング制御により行われ、その詳細については非特許文献１を参照されたい。
【０００９】
より具体的には、コンバータ制御部２０６は、コンバータ２０３の出力端であって、コンデンサ２０４に接続された直流リンク電圧を制御する。一般に、コンデンサ２０４は、入出力端の電力不均衡を解消するために用いられるが、電源側から供給される入力電力が負荷で消費される出力電力よりも大きい場合は直流リンク電圧が増加し、逆の場合は直流リンク電圧が減少するように動作することにより、緩衝作用をする。
【００１０】
図９及び図１０は直流リンク電圧を制御するためのコンバータ制御部２０６の直流リンク電圧制御器の構成を示す図である。
【００１１】
一般的な直流リンク電圧制御器は、適用分野に応じて選択的に、図９に示すように積分比例制御器で構成してもよく、図１０に示すように比例積分制御器で構成してもよい。
【００１２】
図９及び図１０において、Ｋｐは比例ゲインであり、Ｋｉは積分ゲインであり、Ｖｄｃはコンデンサ２０４に出力される直流リンク電圧の測定値であり、Ｖｄｃ＊は直流リンク電圧制御指令信号の値である。
【００１３】
ｄｑ座標系の電流を基準とすると、図９において取得されるｑ軸電流指令信号ｉｑ＊は下記数式１のように計算され、図１０において取得されるｑ軸電流指令信号ｉｑ＊は下記数式２のように計算される。
【数１】
2014054174.tif 000003
【数２】
2014054174.tif 000004
【００１４】
前述したように、直流リンクに接続されたコンデンサ２０４の電圧は直流リンク電圧制御器により制御することができ、当該直流リンク電圧制御器の出力はｑ軸電流指令信号ｉｑ＊である。コンバータ制御部２０６の電流制御器は、電流指令信号に応じて同期座標系上のｄ、ｑ軸電流をそれぞれ制御するが、ｑ軸電流成分を有効電力分電流と定義し、ｄ軸電流成分を無効電力分電流と定義する。
【００１５】
必要に応じて、コンバータ制御部２０６の電流制御器の動作により、交流電源端の力率も制御することができる。電源電圧と電流が正弦波の場合、力率（ＰＦ）は下記数式３のように表される。
【数３】
2014054174.tif 000005
【００１６】
ここで、ｅdq＾ｅ＝ｅd＾ｅ＋ｊｅq＾ｅ、ｉdq＾ｅ＝ｉd＾ｅ＋ｊｉq＾ｅであり、ｅdq＾ｅ・ｉdq＾ｅとは同期座標系上の電源電圧複素数ベクトルと電流複素数ベクトルの内積を意味し、｜ｅdq＾ｅ｜｜ｉdq＾ｅ｜とは各複素数ベクトルの大きさの積を意味する。上記数式３から、直流リンク電圧制御器から出力される力率制御のための同期座標系上のｄ軸電流指令信号値ｉd＾ｅ＊は下記数式４のように表される。
【数４】
2014054174.tif 000006
【００１７】
一方、コンバータ制御部２０６の電流制御器は、図１１に示すように構成してもよい。電流制御器は、前述した直流リンク電圧制御器から出力される力率制御により計算された電流指令信号と、電流センサにより測定された電流に基づいて、比例積分制御器及びフィードフォワード補償器を用いて電圧指令信号を出力する。
【００１８】
図１１において、Ｋｐｄ及びＫｐｑはそれぞれｄ軸電流指令信号の比例ゲイン値及びｑ軸電流指令信号の比例ゲイン値であり、Ｋｉｄ及びＫｉｑはそれぞれｄ軸電流指令信号の積分値及びｑ軸電流指令信号の積分値である。
【００１９】
このような図１１の電流制御器により出力される電圧指令信号値は次の通りである。
【数５】
2014054174.tif 000007
【００２０】
このように生成された電圧指令信号値は、コンバータ２０３で用いることができるように、単相静止座標系に変換されて出力されるようにしてもよい。
【００２１】
一方、コンバータ制御部２０６を含む単位電力セルの電圧の脈動は、次のように求められる。
【００２２】
まず、単位電力セルの入力電圧及び入力電流は下記数式６のように表される。
【数６】
2014054174.tif 000008
【００２３】
上記数式６において、δはコンバータ２０３の入力電圧と入力電流の位相差であり、ｗsは入力電源周波数、ｔは時間、Ｖsは入力電圧の実効値、Ｉsは入力電流の実効値である。
【００２４】
また、上記数式６から、単位電力セルの入力電力ｐs（ｔ）は下記数式７のように求められる。
【数７】
2014054174.tif 000009
【００２５】
この場合、単位電力セルの出力電圧及び出力電流は下記数式８のように表される。
【数８】
2014054174.tif 000010
【００２６】
上記数式８において、Φは負荷角、ｗoは運転周波数、ｔは時間である。また、Ｖ0は出力電圧の実効値、Ｉ0は出力電流の実効値である。
【００２７】
また、上記数式８から、単位電力セルの出力電力ｐ0（ｔ）は下記数式９のように求められる。
【数９】
2014054174.tif 000011
【００２８】
上記数式９から分かるように、単位電力セルの入力電力及び出力電力は直流成分と交流成分とからなり、入力電力の交流成分は入力周波数の２倍に相当する脈動を有し、出力電力の交流成分は運転周波数の２倍に相当する脈動を有する。
【００２９】
直流リンクに接続されたコンデンサ２０４に送られる電力は、コンバータ２０３の入力電力と出力電力の差により決定される。また、入力電力の平均値と出力電力の平均値が同じでなければならないので、残りの交流成分はコンデンサ２０４に送られる電力となる。これは下記数式１０のように表される。
【数１０】
2014054174.tif 000012
【００３０】
上記数式１０から分かるように、直流リンクには入力周波数及び運転周波数の２倍に相当する脈動がそれぞれ発生し、入力電力及び出力電力の交流成分が大きくなると直流リンク電源電圧の脈動が大きくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】Bin Wu著、High-Power Converters and AC Drives、Wiley InterScience（第7章）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
従って、単位電力セルの単相コンバータ２０３とインバータ２０５とからなる電力回路の直流リンク電圧（コンデンサ２０４に送られる電圧）には、入力端の電源周波数及び出力端の運転周波数の２倍に相当する大きな脈動が発生し、これを低減するために必要な直流リンクコンデンサの容量が大きくなる。これは、結局、システム全体の体積増加及びコストアップをもたらす。また、直流リンク電圧の脈動はインバータの出力電圧に影響を及ぼすため、システム信頼性を阻害する。
【００３３】
本発明の目的は、インバータの直流リンク電圧の脈動を低減することのできる、回生型インバータ装置及び単位電力セルを用いたインバータ装置を提供することにある。
【００３４】
本発明の他の目的は、インバータの直流リンクコンデンサの容量を低減することのできる、回生型インバータ装置及び単位電力セルを用いたインバータ装置を提供することにある。
【００３５】
本発明のさらに他の目的は、単位電力セルの能動的な電圧制御によりインバータ出力のシステム信頼性を向上させることのできる、回生型インバータ装置及び単位電力セルを用いたインバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態によるインバータ装置は、回生型インバータ装置において、入力された単相交流電源を直流電源にして出力するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力される直流電源を緩衝するコンデンサ部と、前記緩衝された直流電源を合成して負荷の駆動電力として出力するインバータ部と、前記単相交流電源及び前記コンバータ部から出力される直流電源に基づいて前記コンバータ部を制御するコンバータ制御部とを含み、前記コンバータ制御部は、前記コンバータ部に含まれる複数のゲートを制御するコンバータゲート信号発生部と、前記単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を、前記コンバータゲート信号発生部の入力側に接続される加算器に出力する入力端高調波電圧発生部とを含む。
【００３７】
前記コンバータ制御部は、前記単相交流電源の位相情報を検出する位相検出部と、前記検出された単相交流電源の位相情報に基づいて、前記単相交流電源の電流をｄｑ同期座標系によるｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する座標変換部と、前記コンバータ部の出力電圧によってｄ軸制御電流及びｑ軸制御電流を発生する電圧制御部と、前記座標変換されたｄ軸電流及びｑ軸電流と前記電圧制御部から出力されるｄ軸制御電流及びｑ軸制御電流によって前記コンバータ部の制御のための第１制御電圧を発生する電流制御部とをさらに含み、前記入力端高調波電圧発生部は、前記単相交流電源と前記第１制御電圧に基づいて第２制御電圧を出力し、前記加算器は、前記第１制御電圧と前記第２制御電圧を加算して前記コンバータゲート信号発生部に出力するようにすることが好ましい。
【００３８】
前記入力端高調波電圧発生部は、前記第１制御電圧及び前記単相交流電源の電圧の差を出力する減算部と、前記減算部の出力の絶対値を演算して前記基本波成分の大きさを演算する絶対値演算部と、前記演算された基本波成分の大きさに基づいて所定の大きさの高調波電圧を出力する比例制御部と、前記比例制御部から出力される高調波電圧が前記基本波成分の前記所定倍数となるように位相を調整して前記第２制御電圧にして出力する位相決定部とを含むことが好ましい。
【００３９】
前記入力端高調波電圧発生部は、前記コンバータ追加電力の電圧の大きさ及び周波数が前記所定倍数を維持するようにする比例制御部を含むことが好ましい。
【００４０】
前記所定倍数は、３倍であることが好ましい。
【００４１】
本発明の実施形態によるインバータ装置は、前記インバータ部の出力電圧に基づいて前記インバータ部を制御するインバータ制御部をさらに含み、前記インバータ制御部は、前記インバータ部に含まれる複数のゲートを制御するインバータゲート信号発生部と、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分と大きさが同一であり、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の所定倍数の周波数を有するインバータ追加電力を、前記インバータゲート信号発生部の入力側に接続される加算器に出力する出力端高調波電圧発生部とを含むようにしてもよい。
【００４２】
前記コンバータ追加電力の周波数における前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数と、前記インバータ追加電力の周波数における前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の所定倍数とは、同一であることが好ましい。
【００４３】
前記出力端高調波電圧発生部は、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の大きさを演算する絶対値演算部と、前記インバータ部の出力電圧の負荷角及び前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の大きさに基づく位相調整により前記インバータ追加電力を出力する位相決定部とを含むことが好ましい。
【００４４】
また、上記目的を達成するために、本発明の実施形態によるインバータ装置は、複数の単位電力セルを含むインバータ装置において、入力電源から３相電源を受けて位相変換を行い、前記各単位電力セルに単相交流電源にして提供する位相変換変圧部と、前記各単位電力セルから出力される電力を合成して３相駆動負荷に出力する出力端とを含み、前記各単位電力セルは、入力された前記単相交流電源を直流電源にして出力するコンバータ部と、前記直流電源を前記出力端に出力するインバータ部と、前記単相交流電源及び前記コンバータ部から出力される直流電源に基づいて前記コンバータ部を制御するコンバータ制御部と、前記インバータ部の出力電圧に基づいて前記インバータ部を制御するインバータ制御部とを含み、前記コンバータ制御部は、前記単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を出力する入力端高調波電圧発生部を含み、前記インバータ制御部は、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分と大きさが同一であり、前記インバータ部の出力電圧の基本波成分の所定倍数の周波数を有するインバータ追加電力を出力する出力端高調波電圧発生部を含む。
【００４５】
前記各単位電力セルは、前記３相駆動負荷の各相に対応する所定のグループに分けられて前記出力端に接続されることが好ましい。前記３相駆動負荷の相電圧は、前記所定のグループに分けられた単位電力セルの電圧の和になるように合成されることが好ましい。
【００４６】
前記各単位電力セルに含まれる前記インバータ部及び前記コンバータ部は、カスケードＨブリッジ構造に接続されることが好ましい。
【００４７】
前記３相駆動負荷は、誘導電動機又は同期電動機の少なくとも一方を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の一実施形態によれば、入力端高調波電圧発生器を用いて脈動電力の周波数を高めることにより、コンバータの直流リンク電圧の脈動を小さくすることができる。
【００４９】
また、本発明の他の実施形態によれば、入力端高調波電圧発生器及び出力端高調波電圧発生器を用いて脈動電力の周波数を高めることにより、コンバータの直流リンク電圧の脈動を小さくすることができる。
【００５０】
さらに、コンバータの直流リンク電圧の脈動の低減により直流リンクコンデンサの容量を低減することができ、従って、システム全体の体積減少及びコストダウンを図ることができるという効果がある。
【００５１】
さらに、コンバータの直流リンク電圧の脈動の低減によりシステム信頼性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態によるインバータ装置を含む全体システムの一例を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるインバータ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態によるインバータ装置の単位電力セルの構成をより詳細に示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるインバータ装置の入力端高調波電圧発生部の動作を説明するための制御図である。
【図５】本発明の一実施形態によるインバータ装置の出力端高調波電圧発生部の動作を説明するための制御図である。
【図６】本発明の一実施形態によるインバータ装置のゲート信号発生動作を説明するための制御図である。
【図７】一般的な高圧インバータ装置の接続構成を示す図である。
【図８】図７の高圧インバータ装置の単位電力セルの構成を示す図である。
【図９】図８の単位電力セルのコンバータ制御部の直流リンク電圧制御器の構成の一例を示す図である。
【図１０】図８の単位電力セルのコンバータ制御部の直流リンク電圧制御器の構成の他の例を示す図である。
【図１１】図８の単位電力セルのコンバータ制御部の電流制御器の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、単に本発明の原理を例示する。よって、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本明細書に明確に説明又は図示されていないとしても本発明の原理を実現して本発明の概念及び範囲に含まれる様々な装置を発明することができるであろう。また、本明細書に記載される全ての条件付き用語及び実施形態は原則的に本発明の概念の理解を助ける目的でのみ用いられるものであり、本明細書に記載された実施形態及び態様により本発明の思想が制限されるように解釈されるべきではない。
【００５４】
さらに、本発明の原理、観点及び実施形態、並びに特定の実施形態についての詳細な説明は、それらの構造的及び機能的均等物を含むように意図されたものと理解されるべきである。なお、これらの均等物は、公知の均等物だけでなく、将来開発される均等物、すなわち構造に関係なく同じ機能を果たすように発明された全ての素子を含むものと理解されるべきである。
【００５５】
つまり、例えば本明細書のブロック図は、本発明の原理を具体化する例示的な回路の概念的な観点を示すものと理解されるべきである。これと同様に、本明細書のフロー図、状態遷移図、疑似コードなどは、コンピュータ可読媒体で実現することができ、コンピュータ又はプロセッサが明確に図示されているか否かを問わず、コンピュータ又はプロセッサにより行われる様々なプロセスを示すものと理解されるべきである。
【００５６】
本発明の目的、特徴及び利点は、後述する発明の詳細な説明及び添付図面によりさらに明確になるであろう。よって、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を容易に実施できるであろう。なお、本発明を説明するにあたって、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい一実施形態を詳細に説明する。
【００５８】
図１は本発明の一実施形態によるインバータ装置を含む全体システムの一例を概略的に示す図である。
【００５９】
図１に示すように、本発明の一実施形態によるインバータ装置７０１を含む全体システムは、電源入力部７０５、位相変換変圧部７０３、複数の単位電力セルａ１〜ｃ３及び３相電動機７０２を含む。
【００６０】
電源入力部７０５は、電源供給業者から３相電圧を受けて位相変換変圧部７０３に送る。高圧インバータの場合、電源入力部７０５は、線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の３相電圧を受ける。
【００６１】
位相変換変圧部７０３は、入力端から供給される電源入力部７０５の電力の高調波を低減して電源電流の全高調波歪率を改善し、変圧過程を行って各単位電力セルに単相電源を供給する。また、位相変換変圧部７０３は、電源入力部７０５の入力端とインバータ装置７０１との電気的絶縁を提供することもできる。
【００６２】
また、各単位電力セルａ１〜ｃ３は、単相電力を受けて相電圧を出力する。相電圧は、各相に対応する単位電力セルａ１〜ｃ３の電圧の和になるように合成され、３相電動機７０２に出力されるようにしてもよい。
【００６３】
よって、単位電力セルａ１〜ｃ３はグループ化される。例えば、単位電力セルグループ７０４ａが単位電力セルａ１、ａ２、ａ３を含み、単位電力セルグループ７０４ａに含まれる単位電力セルａ１、ａ２、ａ３の出力が１つの相に対応して合成され、単相電力が３相電動機７０２に出力されるようにしてもよい。また、各単位電力セルグループ７０４ａ〜７０４ｃの電圧は、３相電力を形成するために、１２０°の位相差を有するようにしてもよい。
【００６４】
以下、図２〜図６を参照して本発明の一実施形態によるインバータ装置の単位電力セルの構成をより詳細に説明する。
【００６５】
図２は本発明の一実施形態によるインバータ装置の単位電力セルの構成を示すブロック図である。
【００６６】
図２に示すように、本発明の一実施形態によるインバータ装置は、入力された単相交流電源を貯蔵及び供給するインダクタ部８０２と、インダクタ部８０２の出力を直流電源に変換及び昇圧して出力するコンバータ部８０３と、前記昇圧された直流電源を再び交流電源に変換して出力するインバータ部８０５と、前記単相交流電源及びコンバータ部８０３の出力電力に基づいてコンバータ部８０３を制御するコンバータ制御部８２０と、インバータ部８０５の出力電圧に基づいてインバータ部８０５を制御するインバータ制御部８３０とを含む。
【００６７】
また、コンバータ制御部８２０は、前記単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を出力する入力端高調波電圧発生部を含んでもよい。
【００６８】
また、インバータ制御部８３０は、インバータ部８０５の出力電圧の基本波成分と大きさが同一であり、インバータ部８０５の出力電圧の基本波成分の所定倍数の周波数を有するインバータ追加電力を出力する出力端高調波電圧発生部を含んでもよい。
【００６９】
このようなコンバータ制御部８２０及びインバータ制御部８３０の動作により、コンバータ部８０３から出力される直流電圧の脈動を低減することができる。
【００７０】
以下、図２を参照して説明した本発明の一実施形態によるインバータ装置の構成要素のうち、コンバータ制御部８２０及びインバータ制御部８３０について図３を参照してより詳細に説明し、他の構成要素についてはその説明を省略する。
【００７１】
図３は本発明の一実施形態によるインバータ装置の単位電力セルの構成をより詳細に示す図である。
【００７２】
まず、コンバータ制御部８２０は、位相検出部８０６、座標変換部８０７、電圧制御部８０８、電流制御部８０９、入力端高調波電圧発生部８１４、第１加算器８１２及びコンバータゲート信号発生部８１０を含む。
【００７３】
位相検出部８０６は、単位電力セルの入力電源８０１に接続され、入力電源８０１から入力される単相電力の電圧を測定して位相情報を取得し、座標変換部８０７に提供する。
【００７４】
座標変換部８０７は、位相検出部８０６及び単位電力セルの入力電源８０１に接続される。座標変換部８０７は、位相検出部８０６からの位相情報に基づいて、単相静止座標系上で送られる単位電力セルの入力電源８０１の電流をｄｑ同期座標系上での電流に変換する。
【００７５】
電圧制御部８０８は、コンバータ部８０３の出力端の直流リンク電圧によって電流制御指令信号を生成し、電流制御部８０９に出力する。電圧制御部８０８は、コンバータ部８０３の出力端の直流リンク電圧から測定された電圧及び直流リンク電圧制御指令信号Ｖｄｃ＊に基づいて、同期座標系上のｄ軸電流指令信号ｉｄ＊及びｑ軸電流指令信号ｉｑ＊を発生する。前記直流リンク電圧制御指令信号は、使用者から受信するようにしてもよく、メイン制御システムから受信するようにしてもよく、予め値が設定されるようにしてもよい。また、電圧制御部８０８は、基本波成分の電流指令信号のみを出力するためのバンドパスフィルタを含んでもよい。
【００７６】
本発明の実施形態において、電圧指令信号とは、電圧制御のための特定の値の制御電圧をいい、電流指令信号とは、電流制御のための特定の値の制御電流をいう。説明の便宜上、制御電圧は電圧指令信号といい、制御電流は電流指令信号という。
【００７７】
電流制御部８０９は、電圧制御部８０８及び座標変換部８０７に接続される。電流制御部８０９は、電圧制御部８０８から電流指令信号を受信する。また、電流制御部８０９は、受信した電流指令信号及び座標変換部８０７により座標変換された電流に基づいて電圧指令信号を生成し、生成された電圧指令信号Ｖａ＊を出力する。
【００７８】
コンバータゲート信号発生部８１０は、コンバータ部８０３に含まれる各電力素子、とりわけ複数のスイッチ８０３ａ〜８０３ｄを制御するためのスイッチング信号を生成し、コンバータ部８０３に入力する。コンバータゲート信号発生部８１０は、第１加算器８１２に接続される。コンバータゲート信号発生部８１０は、第１加算器８１２により電流制御部８０９の出力信号と入力端高調波電圧発生部８１４の出力信号とが加算された電圧指令信号を受信し、それに基づいてＰＷＭ信号を生成してコンバータ部８０３のスイッチング動作を制御する。
【００７９】
第１加算器８１２は、電流制御部８０９の出力信号と入力端高調波電圧発生部８１４の出力信号を加算し、その結果信号をコンバータゲート信号発生部８１０に送る。
【００８０】
入力端高調波電圧発生部８１４は、前記単相交流電源の基本波成分と大きさが同一であり、前記単相交流電源の基本波成分の所定倍数の周波数を有するコンバータ追加電力を、コンバータゲート信号発生部８１０の入力側に接続される第１加算器８１２に出力する。よって、コンバータ部８０３から出力される直流リンク電力の脈動を低減することができ、コンデンサ部８０４を小さくすることができる。このような入力端高調波電圧発生部８１４の動作のための具体的な構成については後述する。
【００８１】
一方、インバータ制御部８３０は、インバータゲート信号発生部８１１、第２加算器８１３及び出力端高調波電圧発生部８１５を含む。
【００８２】
インバータゲート信号発生部８１１は、第２加算器８１３を介して出力電圧指令信号を受信する。インバータゲート信号発生部８１１は、インバータ部８０５に含まれる各電力素子、とりわけ複数のスイッチ８０５ａ〜８０５ｄを制御するためのスイッチング信号を生成し、インバータ部８０５に入力する。
【００８３】
第２加算器８１３は、出力端高調波電圧発生部８１５の出力信号とインバータ部８０５の出力電圧に対する電圧指令信号Ｖｏ＊を加算した信号をインバータゲート信号発生部８１１に出力する。インバータ部８０５の出力電圧に対する電圧指令信号は、回生型インバータ方式によりインバータ部８０５の出力電圧をそのまま含むようにしてもよい。しかし、電圧指令信号は、必要に応じて、使用者により設定されるようにしてもよく、その他の制御システムに接続された場合、制御システムの制御によって決定されるようにしてもよい。
【００８４】
出力端高調波電圧発生部８１５は、インバータ部８０５の出力電圧の基本波成分と大きさが同一であり、インバータ部８０５の出力電圧の基本波成分の所定倍数の周波数を有するインバータ追加電力を、インバータゲート信号発生部８１１の入力側に接続される第２加算器８１３に出力する。よって、出力周波数を高めることにより、コンバータ部８０３から出力される直流リンク電力の脈動をさらに低減することができ、コンデンサ部８０４をさらに小さくすることができる。このような出力端高調波電圧発生部８１５の動作のための具体的な構成については後述する。
【００８５】
図４は本発明の一実施形態によるインバータ装置の入力端高調波電圧発生部８１４の動作を説明するための制御図である。
【００８６】
図４に示すように、本発明の一実施形態によるインバータ装置の入力端高調波電圧発生部８１４は、第１減算部９０１、第１絶対値演算部９０２、第１比例制御部９０３及び第１位相決定部９０４を含む。
【００８７】
第１減算部９０１は、電流制御部８０９から出力される電圧指令信号Ｖａ＊と単相交流電源８０１の入力電圧との差を演算し、第１絶対値演算部９０２に出力する。
【００８８】
第１絶対値演算部９０２は、第１減算部９０１からの出力を受け、その絶対値を演算し、比例制御部９０３に信号出力する。第１絶対値演算部９０２により演算された絶対値は、コンバータ部８０３の入力巻線に印加されるコンバータ電圧の基本波成分の大きさを示す。
【００８９】
第１比例制御部９０３は、第１絶対値演算部９０２から受信したコンバータ電圧の基本波成分の大きさを示す絶対値信号に基づいて、その大きさが比例制御された高調波電圧を第１位相決定部９０４に出力する。比例定数は、例えばＫであり、Ｋ値は、第１比例制御部９０３の出力がコンバータ電圧の基本波成分の大きさの所定倍数を維持するように決定される。
【００９０】
第１位相決定部９０４は、位相検出部８０６に接続され、位相検出部８０６から出力される電源位相角情報を受信する。また、第１位相決定部９０４は、第１比例制御部９０３から出力される高調波電圧信号によって、その基本波成分の３倍に相当する高調波電圧の位相を決定し、決定された電圧の位相に基づいて、第１比例制御部９０３から出力される高調波電圧信号の位相及び座標を変換し、第１加算器８１２に出力する。
【００９１】
図５は本発明の一実施形態によるインバータ装置の出力端高調波電圧発生部８１５の動作を説明するための制御図である。
【００９２】
図５に示すように、本発明の一実施形態によるインバータ装置の出力端高調波電圧発生部８１５は、第２絶対値演算部１００１及び第２位相決定部１００２を含む。
【００９３】
第２絶対値演算部１００１は、インバータ部８０５から出力されるインバータ部８０５の出力電圧を電圧指令信号Ｖｏ＊として受信し、受信したインバータ部８０５の出力電圧の絶対値を演算し、第２位相決定部１００２に信号出力する。出力される絶対値信号は、インバータ部８０５の出力電圧の基本波成分の大きさを示す。
【００９４】
第２位相決定部１００２は、第２絶対値演算部１００１から出力される電圧の大きさ信号を受信し、インバータ部８０５の出力電圧の基本波成分の大きさ及びインバータ部８０５の出力端に接続された負荷の負荷角に基づいて、インバータ部８０５の出力電圧の周波数の３倍に相当する高調波電圧の位相を決定する。また、第２位相決定部１００２は、決定された電圧の位相に基づいて、第２絶対値演算部１００１から出力される高調波電圧信号の位相及び座標を変換し、第２加算器８１３に出力する。
【００９５】
入力端高調波電圧発生部８１４及び出力端高調波電圧発生部８１５により、入力電源及び出力電源は次のように調整される。
【００９６】
まず、入力端高調波電圧発生部８１４の動作により、コンバータ部８０３の入力電力の交流成分の周波数を高めるために必要な電圧指令が生成される。当該電圧指令は、電源電流の基本波成分の大きさと同じ大きさの第３高調波電流を発生することができ、このためには、基本波電流の大きさを決定する電圧の大きさを必要とする。その大きさはコンバータ部８０３の入力巻線の電圧方程式である下記数式１１から分かる。
【数１１】
2014054174.tif 000013
【００９７】
ここで、ｖa（ｔ）はコンバータ部８０３の入力巻線の電圧を示す。
【００９８】
上記数式１１から、コンバータ部８０３の入力電力の電流に影響を及ぼす電圧の大きさは、コンバータ部８０３の入力電圧と単相入力電源ｖsの電圧との差により決定されることが分かる。
【００９９】
従って、入力端高調波電圧発生部８１４は、インダクタ部８０２を流れる電流に影響を及ぼす基本波電圧の大きさ及び周波数がそれぞれ３倍である電圧を、コンバータ部８０３を介して入力巻線に印加し、第３高調波成分の電流が流れるようにすることができる。
【０１００】
また、入力端高調波電圧発生部８１４は、基本波電流の大きさと同じ大きさの第３高調波成分の電流が流れるようにするための電圧の大きさが周波数又は動作環境に応じて変化することがあるため、比例制御器を用いて正確に制御することができる。このような入力端高調波電圧発生部８１４の出力電圧指令は、電流制御部８０９の出力電圧指令に加算されるようにしてもよい。ここで、コンバータ部８０３の入力電圧、電流及び電力は、下記数式１２のように表される。
【数１２】
2014054174.tif 000014
【０１０１】
一方、出力端高調波電圧発生部８１５は、インバータ部８０５の出力電圧に対する電圧指令信号と大きさは同じであるが周波数は３倍である電圧指令信号を、インバータ部８０５の出力電圧に対する電圧指令信号に追加して供給することができる。ここで、追加される電圧指令信号は、負荷角に基づいて決定されるようにしてもよい。ここで、インバータ部８０５の出力電圧、電流及び電力は、下記数式１３のように表される。
【数１３】
2014054174.tif 000015
【０１０２】
また、上記数式１２の電力式及び上記数式１３の電力式から、コンバータ部８０３の直流出力端のコンデンサ部８０４に印加される脈動電力を計算すると、下記数式１４の通りである。
【数１４】
2014054174.tif 000016
【０１０３】
上記数式１４から、上記数式７及び数式９と比較して、従来に比べて入力電力及び出力電力の交流成分の周波数がそれぞれ増加することが分かる。
【０１０４】
つまり、入力端高調波電圧発生部８１４及び出力端高調波電圧発生部８１５により計算された電圧指令がそれぞれコンバータ及びインバータの電圧指令に追加されることにより、前述したような結果となることを確認することができる。これを従来の電力回路の直流リンクコンデンサにおける脈動電力である上記数式１０と比較すると、直流リンク周波数が２倍大きくなったことが分かる。
【０１０５】
直流リンクに用いられる電解コンデンサは、数ｋＨｚ未満の領域でインピーダンスの大きさが減少することがある。例えば、電力回路の入力端周波数は５０／６０Ｈｚであり、出力端周波数は２００Ｈｚ未満である。この場合、上記数式１４のような出力が形成されると、直流リンクコンデンサのインピーダンスは脈動電力の周波数が高くなるにつれて減少することがある。
【０１０６】
従って、このような直流リンクコンデンサの特性により、脈動電力の周波数が高くなるほど直流リンク電源電圧の脈動が低減されるという効果を奏する。これにより、同じ負荷電力が要求され、同じ直流リンクコンデンサを有する状況での直流リンク電源電圧の脈動を低減することができ、コンデンサに要求される大きさが減少することにより、体積減少及びコストダウンを図ることができるという効果がある。
【０１０７】
一方、図６は本発明の一実施形態によるインバータ装置のゲート信号発生動作を説明するための制御図であり、本発明の一実施形態によるコンバータゲート信号発生部８１０の構成を示す。
【０１０８】
なお、コンバータゲート信号発生部８１０及びインバータゲート信号発生部８１１は、同じ回路を含んでもよい。コンバータゲート信号発生部８１０及びインバータゲート信号発生部８１１は、例えば同じ単極スイッチング方式で動作するようにしてもよい。よって、以下ではコンバータゲート信号発生部８１０の動作を中心に説明するが、これはインバータゲート信号発生部８１１の動作にも同様に適用することができる。
【０１０９】
コンバータゲート信号発生部８１０は、三角波発生部６０１、反転部６０２、第３減算部６０３、第４減算部６０４、第１ゲート信号発生部６０５、第２ゲート信号発生部６０６、第１ＮＯＴゲート６０７及び第２ＮＯＴゲート６０８を含む。
【０１１０】
三角波発生部６０１は、直流リンク電圧指令信号Ｖａ＊と比較するための三角波信号を生成し、第３減算部６０３及び第４減算部６０４に出力する。
【０１１１】
反転部６０２は、直流リンク電圧指令信号Ｖａ＊を受信し、反転した電圧を出力する。
【０１１２】
第３減算部６０３は、直流リンク電圧指令信号Ｖａ＊を受信し、三角波発生部６０１の出力との差演算を行い、正の値又は負の値を有する信号を第１ゲート信号発生部６０５に出力する。
【０１１３】
第４減算部６０４は、反転部６０２により反転した電圧を受け、三角波発生部６０１の出力との差演算を行い、正の値又は負の値を有する信号を第２ゲート信号発生部６０６に出力する。
【０１１４】
第１ゲート信号発生部６０５は、第３減算部６０３の出力に応じてスイッチ状態値を決定し、コンバータ部８０３のスイッチ８０３ａ（インバータの場合、スイッチ８０５ａ）に出力し、ＮＯＴゲート６０７により反転した状態値をコンバータ部８０３のスイッチ８０３ｂ（インバータの場合、スイッチ８０５ｂ）に出力する。
【０１１５】
第２ゲート信号発生部６０６は、第４減算部６０４の出力に応じてスイッチ状態値を決定し、コンバータ部８０３のスイッチ８０３ｃ（インバータの場合、スイッチ８０５ｃ）に出力し、ＮＯＴゲート６０７により反転した状態値をコンバータ部８０３のスイッチ８０３ｄ（インバータの場合、スイッチ８０５ｄ）に出力する。
【０１１６】
このような入力端高調波電圧発生部８１４及び出力端高調波電圧発生部８１５による回路内の各ゲートのスイッチングのためのゲート信号発生動作により、コンバータ部８０３の入力端周波数及び出力端周波数が高くなる。従って、前述したような直流リンク電源電圧の脈動が低減される効果を回路により実現することができる。
【０１１７】
以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に定義された本発明の要旨から外れない限り、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者により様々な変形実施が可能であることはもとより、これらの変形実施は本発明の技術的思想や展望と個別に理解されるべきではない。
【符号の説明】
【０１１８】
８０３    コンバータ部
８０４    コンデンサ部
８０５    インバータ部
８０６    位相検出部
８０７    座標変換部
８０８    電圧制御部
８０９    電流制御部
８１０    コンバータゲート信号発生部
８１１    インバータゲート信号発生部
８１２    第１加算器
８１３    第２加算器
８１４    入力端高調波電圧発生部
８１５    出力端高調波電圧発生部
８２０    コンバータ制御部
８３０    インバータ制御部
９０１    第１減算部
９０２    第１絶対値演算部
９０３    第１比例制御部
９０４    第１位相決定部
１００１    第２絶対値演算部
１００２    第２位相決定部
【図１】
2014054174.tif 000017
【図２】
2014054174.tif 000018
【図３】
2014054174.tif 000019
【図４】
2014054174.tif 000020
【図５】
2014054174.tif 000021
【図６】
2014054174.tif 000022
【図７】
2014054174.tif 000023
【図８】
2014054174.tif 000024
【図９】
2014054174.tif 000025
【図１０】
2014054174.tif 000026
【図１１】
2014054174.tif 000027