(57)【要約】【課題】電力インバータ制御装置は、入力電力を調整し、出力電力とともに追跡し、インバータDCバスのためのエネルギー処理要件を低減する。【解決手段】電力インバータ回路への入力電力は測定され、インバータ出力電力の測定と比較される。比較結果は、力率補正回路に適用され、入力電力を調整し、出力電力により追跡される。一方、電力インバータ回路のための好適な力率が得られる。DCバスにおける、エネルギー要件と、リプル電圧と、リプル電流が低減され、DCバスにおけるエネルギー保存受動部品の定格仕様の低減させる。
2005534270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電力を所望の電力状態に切換えるための入力電力調整回路と、
前記電力調整回路への入力電力を制御するべく、電力調整回路に接続された電力制御回路と、
前記電力制御回路に接続され、入力電力を示す入力信号と、
前記電力制御回路に接続され、出力電力を示す出力信号とを備え、前記電力制御回路が、入力電力が出力電力により追跡されるように、前記電力調整回路を制御するようになっている、電力伝達装置のための電力制御回路。
【請求項２】
電力制御回路により供給されたDC電力を伝達するべく、電力調整回路に接続されたDCバスと、DCバスから得られる測定に基づき、出力電力を表示する出力信号を提供するべく、DCバスに接続されたエスチメータ回路とを、更に備える請求項１に記載の回路。
【請求項３】
電力調整回路が力率補正電力コンバータである請求項１記載の回路。
【請求項４】
入力電力を示す入力信号が、電力調整回路への入力電流を示す入力電流信号と、電力調整回路に供給される電圧を示す入力電圧信号を含む請求項１記載の回路。
【請求項５】
入力電流と入力電圧が互に同じ位相である請求項４記載の回路。
【請求項６】
入力電力を示す入力電力信号が、入力電流と入力電圧による演算により得られる請求項５記載の回路。
【請求項７】
切換えた電力出力を提供するべく、DCバスに接続された電力インバータを、更に備える請求項２記載の回路。
【請求項８】
電力インバータに接続され、低減された特定の定格を、更に有する請求項７記載の回路。
【請求項９】
電力インバータに接続され、低減された特定の定格を有し、DCバスに設けたインダクタを、更に備える請求項７記載の回路。
【請求項１０】
出力電力を示す電力出力信号が、電力インバータに接続されたモータの速度とトルクを直接に測定することにより得られる請求項７記載の回路。
【請求項１１】
電力伝達装置において電力を制御する方法において、
前記電力制御装置に供給された入力電力の表示を得る段階と、
前記電力伝達装置から送られる出力電力の表示を得る段階と、
入力電力の表示と出力電力の表示に基づき、電力変換装置を制御して、出力電力とともに追跡する出力電力を引き出す段階とを含む方法。
【請求項１２】
電力伝達装置における受動部品のエネルギー要件を最小にする方法において、
電力伝達装置への入力電力の表示を得る段階と、
電力伝達装置により供給される出力電力の表示を得る段階と、
入力電力に接続された電力変換回路を制御して、入力電力と出力電力の各表示に基づき、入力電力が出力電力により追跡されるように、入力電力を引き出す段階とを含む方法。
【請求項１３】
力率補正回路に入力電力を供給するべく、力率補正回路の入力に接続された入力電力ラインと、
前記力率補正回路から出力電力を受け取るべく、力率補正回路の出力に接続されたDCバスと、
DCバスに、電力を貯えたり、送るべく、DCバスに接続された受動部品と、
DCバスにおける電力に関する出力電力表示に基づき、前記力率補正回路を制御して、入力電力ラインからの電力を引き出すべく、力率補正回路に接続された電力制御信号入力と備える回路。
【請求項１４】
出力電力表示がDCバスの測定により求められる請求項１３記載の回路。
【請求項１５】
出力電力表示が、トルクと速度出力のうちの少なくとも１つの測定により求められる請求項１３記載の回路。
【請求項１６】
電力伝達回路における電力を制御するための電力制御回路であって、
入力電力を表示するべく、入力電流と入力電圧のうちの少なくとも１つの表示と、
前記電力伝達回路の電力出力に関する入力電力信号と、
電力制御回路への入力に基づき、電力制御信号を電力伝達回路に送って、出力電力により追跡される入力電力を引き出すべく、電力伝達回路に接続された制御操作回路とを備える電力制御回路。
【請求項１７】
電力伝達回路の出力電力を表示するべく、電力制御回路に接続されたエスチメータ回路を、更に備える請求項１６記載の回路。
【請求項１８】
インバータ制御器であって、
切換え信号を電力インバータに送るインバータ制御装置と、
前記インバータ制御器に接続され、電力インバータに供給されるバス電圧を表示するDC電圧入力と、
前記電力インバータ回路における電力を制御するための制御信号を送る電力制御回路と、
インバータ回路への入力電力を表示するべく、前記電力制御回路に接続された入力電力信号と、
インバータ回路の出力電力を表示するべく、電力制御回路に接続された出力電力信号とを備え、電力制御回路による信号が、入力及び出力電力信号により影響され、電力インバータ回路における電力を制御して、入力電力を出力電力により追跡するようになっているインバータ制御器。
【請求項１９】
請求項１８の制御器を備える、電力インバータ回路を制御するための集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、2002年７月29日に出願され、「エネルギー容量を減少させたインバータ」なる発明の名称の米国仮特許願第60/388,747号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明はエネルギー伝達装置、特に部品定格を低減した電力インバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００３】
入力と出力の間でエネルギーを伝達する代表的な電力システムは、ＤＣ入力で、単相若しくは多相に切換え出力をする電力インバータを、使用している。例えば、図１には、三相モータMを駆動するインバータが、インバータ10として図示されている。インバータ10は、モータMを操作するべく、プラスとマイナスのDCバスラインにより、供給される電力を切換えることにより、操作される。
【０００４】
スイッチ12a〜12fは、所望の電力出力、制御スキーム、DCバス電力及び高性能のモータ駆動を得るための他のパラメータに基づき、モータへの、あるいはモータからの電力を、切換える。＋DCBUSラインと−DCBUSラインの間に接続された各対のスイッチは、電力をモータラインU,V,Wに送るスイッチ・ハーフ・ブリッジを形成する。例えば、スイッチ12a,12bは、モータラインUで、電力信号を駆動するスイッチ・ハーフ・ブリッジを形成する。
【０００５】
スイッチ12a〜12bにより形成されたハーフ・ブリッジは、標準的なスイッチ技術により操作され、切換えの際の損失のような部品の欠陥を克服し、システムの性能を改良する。
【０００６】
従って、スイッチ12a,12bは、モータ駆動における電流のショートを避けるべく、決して同時には切換わることはない。更に、両方がハーフ・ブリッジ変化状態で切換わる時に、スイッチ間隔にデッドタイムが設けられる。例えば、スイッチ12aが開き、スイッチ12bが閉じている場合、これらの状態は同時には生じず、スイッチ12aが開いている時と、スイッチ12bが閉じている時に遅れを生じさせる。高周波数インバータドライブが、高性能モータを制御する際には、上記のような欠陥を生じずに、切換え周波数を改良することが重要である。
【０００７】
高周波数スイッチングは、インバータからモータへ、またはその逆に送られる電力を敏速に変化させる。送られる電力における、これらの敏速な変化は、インバータのスイッチのための高電力定格の必要性を意味し、広い範囲の電力変動を取扱う。
【０００８】
同様に、エネルギー保存受動部品のような、インバータに接続された他の部品が、高いピーク電流、電圧及び大きなリプル電流、電圧を含む大きな電力変動に耐えるように設定される。
【０００９】
図2A,2Bには、電気エネルギー保存受動部品が、インバータ10に接続され、入力エネルギーを保存したり、保存されたエネルギーを、インバータ10を介して供給するようになっている。図２Ａには、電力インバータ10に入力する、DCバスラインの間に設けたコンデンサCBUSが示され、図２Ｂには、電力インバータ10に接続された受動DCバスラインに設けたインダクタLiが示されている。
【００１０】
図２AのコンデンサCBUSは、電圧形インバータとして作用する電力インバータ10のための電気エネルギーを貯え、図2BのインダクタLiは、電流形インバータとして作用する電力インバータ10のためのDCリンクインダクタとして機能する。前述したような，電力インバータ10におけるエネルギー伝達に伴う困難性のために、保存部品CBUS及びLiの電力定格は、エネルギー保存受動部品を損なうことなく、電力変動を処理するに十分に高いように選択される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電力インバータ10に使用される定格受動部品を適宜選択する際に、好適な定格の部品は、特に大型で、値段も高い。例えば、代表的なバスコンデンサCBUSは、モータ駆動装置において、大きさと価格において大きな割合を占める。モータ駆動装置に使用される受動部品の、定格、即ち大きさと価格を減少することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、電力インバータのためのエネルギー伝達装置における受動部品の主要な目的は、負荷の適用される、インバータの瞬時入力電力と出力電力の間の相違点を吸収し出力することにより、達成されることがわかった。負荷に適用される出力電力は、モータ若しくは電力供給負荷に送られることが可能である。
【００１３】
瞬時入力電力は、瞬時出力電力により追跡される時に、瞬時入力電力と瞬時出力電力との間の相違点を最小にすることが出来る。従って、バスコンデンサ若しくはDCリンクインダクタのような受動部品により貯えられ、出力されるエネルギーは最小化される。例えば、DCバスリプル電圧は、DCリンクリプル電流とともに、最小化されうる。特定の応用で許容される特定の電圧若しくは電流リプルレベルを決定することにより、DCバスコンデンサ若しくはDCリンクインダクタの大きさも最小化される。
【００１４】
本発明は、電力インバータに接続されたDCバスに電力を供給するための積極的な前面制御装置を提供するものである。前面制御装置は、電力伝達装置が、入力電力ラインへの純粋な抵抗負荷として現れるように、力率補正装置(PFC)とともに、電力コンバータを備えているとよい。PFC電力コンバータは、瞬時入力電力を制御し、瞬時入力電力と瞬時出力電力との間の相違点を最小化し、それにより、DCバスに接続された受動部品の要件を低減させる。
【００１５】
瞬時出力電力は、出力電流若しくは電圧のようなパラメータ値を得ることにより、測定され、計算される。特に、１つ以上のパラメータは、検知されたパラメータによる閉ループフィードバックによる高性能が達成される時に、ほとんどの電力伝達装置、特にモータ駆動装置において測定される。
【００１６】
リプル電流及び電圧と瞬時入力及び出力電力を低減することにより、定格の受動部品は、非常に低い値で特定され、全体の大きさを減少させ、コストの削減を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図３には、モータ駆動装置31の制御装置30が示されている。この制御装置30は、インバータ制御装置32と、エスチメータ33と、電力制御装置34とを備えている。インバータ制御装置32は、電力インバータ10のための閉ループ制御装置であり、フィードバック信号として、バス電圧VDC及びバス電流IDCを使用している。インバータ制御装置32からは、モータMのための所望の制御出力を得るべく、インバータ10における電力スイッチを切換えるための適当な形状の信号が出力される。
【００１８】
例えば、モータMは、バスフィードバック信号VDC及びIDCについてインバータ制御装置32から得られる切換信号に基づき、トルク制御や速度制御のために操作されることが可能である。インバータ制御装置32は、切換えにおける損失を避けるべく、軟らかな切換え、若しくはゼロ電流による切換えを実現する。インバータ制御装置32は、単相若しくは多相電源として、インバータ10を操作する切換え信号を出力する。
【００１９】
モータ駆動装置31における電力インバータ10は、バスコンデンサCBUSの存在による、電圧形インバータである。コンデンサCBUSは、力率補正(PFC)電力コンバータ35からのエネルギーを貯え、インバータ10にエネルギーを供給し、インバータ10の電力スイッチの操作により調整された出力信号を駆動する。そこで、コンデンサCBUSは、バス電圧の状態とコンデンサCBUSに貯えられたエネルギーの量に応じ、モータ駆動装置31の操作の間に、荷電したり、放電したりする。
【００２０】
入力AC電圧と同位相である正弦電流を生成し、高力率を得る一方、PFC電力コンバータ35は、DCバスにおける電力を切換え、電力インバータ10で使用される全波整流入力信号の電力変換を効果的に行う。従って、モータ駆動装置31は、全波整流器36に接続されたAC入力ラインに対する抵抗負荷として現れる。瞬時入力値は、入力電圧Vinと入力電流Iinによる簡単な計算で、全波整流器36で容易に測定されることが可能である。
【００２１】
図３に示すように、入力電流Iinと入力電圧Vinを示す信号は、互に乗算され、Pinの信号を生成する。次に、Pinは電力制御装置34に送られる。電力制御装置34は、測定されたバス電流IDCに基づき、エスチメータ33から、瞬時出力の推定値を受け取る。
【００２２】
電力制御装置34は、入力値Pinとインバータ出力値Poを示す信号を受け取り、バス調整と制御命令をPFC電力コンバータ35に送り、DCバス電圧を駆動し、瞬時入力値Pinが、瞬時出力値Poにより追跡される。入力値Pinを出力値Poで追跡することにより、PFC電力コンバータ35は、バスコンデンサCBUSにより処理されるDCバスにおけるエネルギーを制御する。このようにして、バスコンデンサCBUSにおけるエネルギーが最小化される。
【００２３】
入力電圧Vinと入力電流Iinが普通に測定され、PFC電力コンバータ35のための閉ループ制御を得、好適な力率が得られる。そこで、入力電流Iinと入力電圧Vinを示す入力信号が、モータ駆動装置31において得られる。更に、モータ速度とトルクがセンサにより直接に測定される。この例では、エスチメータ33は、出力値Poを示す信号を得るのに必要でない。即ち、直接に測定されたモータ速度とトルクが、適当な信号を出力し、出力値Poを示す信号を生成する。モータ速度とトルクはモータ駆動装置31における代表的な測定対象なので、制御装置30は更に単純化される。
【００２４】
本発明は、インバータ電力伝達装置において使用される受動部品の定格要件を低減させるための簡単な技術を提供する。受動部品が、電圧形インバータのためのバスコンデンサであるか電流形インバータのためのDCリンクインダクタであるかにかかわらず、本発明は、部品に必要とされる最大定格を低減する。必要とされる受動部品が、システムのコストと大きさに占める割合が大きいので、部品定格要件の減少は、モータ駆動装置の大きさを顕著に減少させ、更に全費用を大幅に削減する。
【００２５】
PFC電力コンバータの操作は、出力値に対する入力値の追跡を保証するように、わずかに変更され、一方、正弦入力電流を入力電圧と同じ位相にする。DCバスリプル電圧若しくはDCリンクリプル電流が最小化され、受動部品のための低リプル要件を生成する。更に、受動部品により取り扱われるエネルギーは、使用の際に最小化され、受動部品のための減少された定格を定める。
【００２６】
以上のように、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者によれば、幾多の変更及び修正が可能である。本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲にのみ拘束されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】モータに接続された電力インバータの回路図。
【図２Ａ】電圧形インバータを示すモータ駆動装置の回路図。
【図２Ｂ】電流形インバータを示すモータ駆動装置の回路図。
【図３】本発明による回路図。
【符号の説明】
【００２８】
Ｍ  モータ
１０  インバータ
１２a〜１２f  スイッチ
３０  制御装置
３１  モータ駆動装置
３２  インバータ制御装置
３３  エスチメータ
３４  電力制御装置
３５  PFC電力コンバータ
３６  全波整流器
【図１】
2005534270.tif 000003
【図２Ａ】
2005534270.tif 000004
【図２Ｂ】
2005534270.tif 000005
【図３】
2005534270.tif 000006
【国際調査報告】
2005534270.tif 000007