(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチング周波数を上げることなく、出力電圧及び出力電力の変動を抑制可能とする。【解決手段】三相交流電源１０を三相ダイオードブリッジ２０により整流して得た直流電圧を、半導体スイッチング素子４１の動作により交流電圧または直流電圧に変換する電力変換装置において、ダイオードブリッジ２０により整流して得た直流電圧を検出し、一定周期でサンプリングするための直流電圧検出器３１及びサンプルホールド回路３２と、サンプリングした直流電圧検出値を電源電圧の１／６周期以上記憶する手段と、を備え、最新のサンプリング点における直流電圧検出値と、１／６周期前のサンプリング点における直流電圧検出値と、１／６周期前のサンプリング点に対して１サンプリング周期以上経過したサンプリング点における直流電圧検出値と、を用いて、半導体スイッチング素子４１のスイッチング信号を生成する。【選択図】図１
2015037360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源を三相ダイオードブリッジにより整流して得た直流電圧を、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により交流電圧または直流電圧に変換する電力変換装置において、
前記三相ダイオードブリッジにより整流して得た直流電圧を検出し、一定周期でサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段により得た直流電圧検出値を、前記三相交流電源の電圧の１／６周期以上記憶する手段と、
を備え、
最新のサンプリング点における直流電圧検出値と、前記三相交流電源の電圧の１／６周期前のサンプリング点における直流電圧検出値と、前記１／６周期前のサンプリング点に対して１サンプリング周期以上経過したサンプリング点における直流電圧検出値と、を用いて、前記半導体スイッチング素子のスイッチング信号を生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記三相ダイオードブリッジの出力側の直流母線間には、コンデンサが接続されず、または、静電エネルギーが、前記三相ダイオードブリッジによる変換電力と前記１／６周期との積より小さくなるような容量のコンデンサが接続されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した電力変換装置の出力により電動機を駆動することを特徴とする電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子の動作により三相交流電力を直流電力または交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置、及び、この電力変換装置を用いて電動機を駆動する電動機駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三相交流電力を入力として直流電力または交流電力に変換する際、変換後の電圧が入力電源電圧を超えない場合には、三相交流電力を三相ダイオードブリッジにより整流して一旦、直流電力に変換し、その後にチョッパまたはインバータにより目的とする直流電力や交流電力に変換する手法がよく用いられる。
ここで、三相ダイオードブリッジを介して得られる直流電圧は、電源電圧の１／６周期で変動するため、これに伴う変換後の電力の変動が十分小さくなるように、三相ダイオードブリッジの直流母線間には、静電エネルギーが三相ダイオードブリッジによる変換電力とその変動周期との積に対して十分大きくなるような大容量の電解コンデンサを設けるのが一般的である。
【０００３】
しかし、高耐圧、大容量の電解コンデンサは、電力変換装置を構成する他の部品と比べて寿命が短いため、この電解コンデンサによって装置寿命が支配される懸念がある。また、直流電圧の変動が十分小さくなるような大容量の電解コンデンサを備えた場合、そのままでは力率が著しく低下するため、力率改善用の大容量のリアクトルも新たに必要となる。
こうしたことから、近年では、直流中間回路にコンデンサを設けないか、または、小容量で長寿命のフィルムコンデンサを接続することにより、直流電圧の変動を受け容れながら使用する電力変換方法が普及しつつある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、直流中間回路に小容量のコンデンサを使用しつつ、出力電圧に重畳する電圧リプルを抑制するようにした電動機制御装置が記載されている。
図５は、この電動機制御装置の構成を示すブロック図であり、１０１は三相交流電源、１０２はコンバータ、Ｃはフィルムコンデンサ等からなる小容量のコンデンサ、１０３はインバータ、１０４は誘導電動機等の交流電動機、１０５，１０９はＡ／Ｄコンバータ、１０６はハイパスフィルタ、１０７はローパスフィルタ、１０８はトルク電流指令補正部、１１０，１１４は座標変換部、１１１はベクトル制御部、１１２は速度制御部、１１３は出力電圧指令補正部である。
【０００５】
この従来技術では、コンデンサＣが小容量であるため、インバータ１０３に入力される直流電圧は電源電圧の１／６周期で変動するが、ベクトル制御部１１１から出力される電圧指令値ｖｓｄｒｅｆ，ｖｓｑｒｅｆを出力電圧指令補正部１１３によってｖ’ｓｄｒｅｆ，ｖ’ｓｑｒｅｆに補正することにより、インバータ１０３の出力電圧を安定化している。
また、コンデンサＣを小容量にすると、コンデンサＣと交流電源１０１の電源インピーダンスや配線インピーダンスとの間で比較的高い周波数での振動が発生して系が不安定になり、出力電圧指令補正部１１３は上記の振動を増大させる。このため、直流電圧ｖｄｃのうち直流部の定数により定まる共振角周波数を遮断するためのローパスフィルタ１０７を設けている。
【０００６】
更に、上記の共振角周波数帯での振動を積極的に抑えるため、直流電圧ｖｄｃをハイパスフィルタ１０６に通して得た擬似微分値に応じたトルク電流補正値ｉｓｑｒｅｆｄをトルク電流指令ｉｓｑｒｅｆに加算するトルク電流指令補正部１０８を設けている。ハイパスフィルタ１０６は、少なくとも共振角周波数帯を通過させる特性を持っているので、直流電圧ｖｄｃが上昇するとインバータ１０３出力が増加して直流電圧ｖｄｃの上昇を抑え、逆に直流電圧ｖｄｃが下降するとインバータ１０３の出力が減少して直流電圧ｖｄｃの下降を抑えることにより、直流電圧の振動抑制作用を果たしている。
【０００７】
このように、図５に示した従来技術では、直流電圧の変動周期に対して十分短い間隔で直流電圧ｖｄｃを検出し、その検出結果を、ハイパスフィルタ１０６、ローパスフィルタ１０７、トルク電流指令補正部１０８、出力電圧補正指令部１１３等により制御に随時反映させてインバータ１０３の出力電圧の変動を抑制し、交流電動機１０４に対して高調波の少ない高品質の正弦波電圧を供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４７５０５５３号公報（段落[０１１６]〜[０１２０]、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さて、半導体スイッチング素子の動作により直流電力から所望の電力を得る場合において、スイッチングに伴う変動が許容される範囲では、スイッチング周期を長くするほど電力変換効率を向上させることができる。この場合、スイッチングに伴う検出誤差の発生を回避するため、直流電圧の検出間隔も電力変換装置のスイッチング周期と等しくすることが望ましい。
【００１０】
しかしながら、直流電圧の検出間隔がスイッチング周期と等しい場合には、最新の直流電圧検出結果から生成したスイッチング信号によるスイッチング動作を電力変換に反映させるには、少なくとも１スイッチング周期分の遅れが発生する。例えば、周波数が６０[Ｈｚ]の三相交流電源の交流電力を、スイッチング周波数が５[ｋＨz]の電力変換装置により変換する場合、最新の直流電圧検出値を反映させて電力変換を行うためには、少なくとも１スイッチング周期に相当する０．２[ｍｓ]の遅れが発生する。この遅れ時間は直流電圧の変動周期２．８[ｍｓ]に対して十分短いとは言えないので、遅れ時間内の直流電圧の変動が出力電圧や出力電力に無視できない変動をもたらすこととなる。
上記の遅れ時間を短くするためには、電力変換装置のスイッチング周波数を高くすることが考えられるが、その場合にはスイッチング損失が増大するという新たな問題を生じる。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、スイッチング周波数を上げることなく、出力電圧及び出力電力の変動を抑制可能とした電力変換装置及び電動機駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る電力変換装置は、三相交流電源を三相ダイオードブリッジにより整流して得た直流電圧を、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により交流電圧または直流電圧に変換する電力変換装置において、
前記三相ダイオードブリッジにより整流して得た直流電圧を検出し、一定周期でサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段により得た直流電圧検出値を、前記三相交流電源の電圧の１／６周期以上記憶する手段と、を備え、
最新のサンプリング時刻における直流電圧検出値と、前記三相交流電源の電圧の１／６周期前のサンプリング時刻における直流電圧検出値と、前記１／６周期前のサンプリング時刻に対して１サンプリング周期以上経過したサンプリング時刻における直流電圧検出値と、を用いて、前記半導体スイッチング素子のスイッチング信号を生成するものである。
【００１３】
請求項２に係る電力変換装置は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記三相ダイオードブリッジの出力側の直流母線間には、コンデンサが接続されず、または、静電エネルギーが、前記三相ダイオードブリッジによる変換電力と前記１／６周期との積より小さくなるような容量のコンデンサが接続されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る電動機駆動装置は、請求項１または請求項２に記載した電力変換装置の出力により電動機を駆動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、直流母線間にコンデンサが接続されないか、あるいは、小容量のコンデンサが接続されている電力変換装置において、三相交流電源を整流した後の直流電圧が周期的に変動する場合でも、その変動周期と直流電圧のサンプリング周期とを考慮して演算したオンデューティ信号により半導体スイッチング素子を駆動するため、スイッチング周波数を高くする方法によらずに、出力電圧及び出力電力の変動を抑制して電動機等の負荷に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を示す電力変換装置の構成図である。
【図２】図１における各相デューティ演算手段の構成を示すブロック図である。
【図３】図２の各相デューティ演算手段による直流電圧の予測処理を説明するための概念図である。
【図４】図１における各相デューティ演算手段の構成を示すブロック図である。
【図５】特許文献１に記載された従来技術の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、三相の交流電動機５０に交流電力を供給するための電力変換装置の構成図である。図１において、三相交流電源１０には、ダイオード２１からなる三相ダイオードブリッジ（整流回路）２０が接続されている。ダイオードブリッジ２０の正負の直流出力端子間には、フィルムコンデンサ等からなる小容量のコンデンサＣが接続されている。
コンデンサＣの両端には、制御装置３０を介して、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子４１からなるインバータ４０が接続されており、その三相の交流出力端子には、誘導電動機や同期電動機等の交流電動機５０が接続されている。
【００１８】
次に、制御装置３０の構成について説明する。
制御装置３０において、正負の直流母線間の直流電圧は、直流電圧検出器３１及びサンプルホールド回路３２によって一定周期でサンプリングされ、ホールドされる。ここで、直流電圧検出器３１及びサンプルホールド回路３２をまとめて請求項におけるサンプリング手段という。このサンプリング手段から出力された直流電圧検出値ａは、各相デューティ演算手段３５に入力されている。
【００１９】
また、交流電動機５０の回転数指令（速度指令）が回転数制御手段３３に入力され、この制御手段３３により生成された出力電流指令ｂが出力電流制御手段３４に入力されている。
出力電流制御手段３４は出力電圧指令ｃを生成し、この出力電圧指令ｃは各相デューティ演算手段３５に入力されている。各相デューティ演算手段３５は、出力電圧指令ｃとサンプルホールド回路３２からの直流電圧検出値ａとに基づいて、インバータ４０の各相の半導体スイッチング素子４１に対するオンデユーティ信号ｄを演算する。ゲート回路３６は、上記オンデユーティ信号ｄに基づいてゲート信号ｅを生成し、このゲート信号ｅを各相の半導体スイッチング素子４１に分配する。なお、図１では一相分のゲート信号ｅのみを示してあり、他相のゲート信号ｅについては図示を省略してある。
【００２０】
サンプルホールド回路３２、各相デューティ演算手段３５及びゲート回路３６には同一のクロックが入力されており、直流電圧検出値ａをサンプリングするタイミング、オンデユーティ信号ｄを演算するタイミング、ゲート信号ｅを演算するタイミング（スイッチングのタイミング）は全て同期している。
【００２１】
ここで、直流電圧検出値ａを同一のスイッチング周期におけるデューティ演算に反映できる場合、言い換えれば、直流電圧検出のタイミングとデューティ演算のタイミングとが同一のスイッチング周期に収まる場合には、図２に示す各相デューティ演算手段３５Ａによってオンデユーティ信号ｄを演算し、このオンデユーティ信号ｄを用いて、次のスイッチング周期にインバータ４０をスイッチングする。
【００２２】
図２は、各相デューティ演算手段３５Ａによるオンデユーティ信号ｄの演算方法を概念的に示したものであり、「ｚ−１」は、取り込んだデータを１サンプリング周期分遅らせて出力する処理を表わしている。図２において、３５１は除算手段、３５２は加減算手段であり、この加減算手段３５２に直接入力されている直流電圧検出値ａを最新のデータとすると、加減算手段３５２に最も近い処理「ｚ−１」によって入力されるデータａ１は電源電圧の１／６周期前にサンプリングされた直流電圧検出値、その左側の「ｚ−１」のブロックから入力されるデータａ２は、データａ１の次のサンプリング点による直流電圧検出値（以下、同様）である。
【００２３】
図２に示した各相デューティ演算手段３５Ａでは、出力電圧指令ｃを最新の直流電圧検出値ａにより直接除算してオンデューティ信号ｄを求めるのではなく、出力電圧指令ｃを、
Ａ＝（最新の直流電圧検出値ａ）−（電源電圧の１／６周期前にサンプリングされた直流電圧検出値ａ１）＋（直流電圧検出値ａ１の次のサンプリング点においてサンプリングされた直流電圧検出値ａ２）
により除算して、オンデユーティ信号ｄを演算する。
【００２４】
このことは、直流電圧が電源電圧の１／６周期ごとに変動するという周期性を利用して、次のスイッチングが実行されるタイミングにおける直流電圧を予測し、その値（上記のＡ）により出力電圧指令ｃを除算してデューティを決定することに相当する。
言い換えると、図２の構成によれば、１／６周期前における直流電圧検出値の変化量を最新の直流電圧検出値ａに加算することで、次のスイッチングが実行されるタイミングにおける直流電圧を予測することができる。なお、直流電圧の変動が完全な周期関数であれば、１／６周期前の検出結果をそのまま使用してオンデューティ信号ｄを求めればよいが、実際には１／６周期の電圧変動以外にもそれより長い周期の緩やかな電圧変動がある。このため、図２の示すように、１／６周期前における直流電圧検出値の変化量を最新の直流電圧検出値ａに加算することで、直流電圧に緩やかな変動がある場合でも次のスイッチングタイミングにおける直流電圧をほぼ正確に予測することができる。
図３は、上述した直流電圧の予測処理を説明するための概念図であり、最新の直流電圧を検出したタイミング（デューティ演算を実行するタイミング）において、そのデューティ演算結果がスイッチングに反映されるタイミングの直流電圧を予測するものである。
【００２５】
上記のようにして求めたオンデューティ信号ｄを用いてスイッチングすることにより、スイッチング周波数を高くすることなく、インバータ４０の出力電圧の変動を抑制することができる。
【００２６】
また、直流電圧検出値ａを同一のスイッチング周期におけるデューティ演算に反映できない場合、言い換えれば、直流電圧検出のタイミングとデューティ演算のタイミングとが同一のスイッチング周期に収まらない場合には、１サンプリング周期前の直流電圧検出値をデューティ演算に使い、その結果を反映させてスイッチングを行うのは１サンプリング周期後の時刻になる。すなわち、結果として、直流電圧検出のタイミングとスイッチングのタイミングとは２サンプリング周期分ずれる。
【００２７】
従って、この場合には、図４に示す構成の各相デューティ演算手段３５Ｂを用い、出力電圧指令ｃを、
Ａ’＝（最新の直流電圧検出値ａ）−（電源電圧の１／６周期前にサンプリングされた直流電圧検出値ａ１）＋（直流電圧検出値ａ２の次のサンプリング点においてサンプリングされた直流電圧検出値ａ３）
により除算して、オンデユーティ信号ｄを演算すればよい。
【００２８】
この実施形態では、直流母線間に接続されるコンデンサＣが小容量であるものとして説明したが、本発明は、直流母線間にコンデンサが接続されていない電力変換装置に対しても前記同様の原理によって適用可能である。
また、電力変換装置により駆動される負荷は電動機に限定されるものではないが、本発明を、例えば冷凍機や空調機、ポンプ等の電動機をインバータにより駆動する電動機駆動装置として構成すれば好適である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、直流電圧検出値の変動が電力変換装置の出力電圧及び出力電力の変動に影響しないように半導体スイッチング素子のデューティを決定するものであるため、三相ダイオードブリッジの出力側の直流回路（直流中間回路）に接続される電力変換部は、インバータ等による直流−交流変換動作、またはコンバータ等による直流−直流変換動作の何れを行っても良い。すなわち、本発明は、各種の変換形式の電力変換装置及び電動機駆動装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０：三相交流電源
２０：三相ダイオードブリッジ（整流回路）
２１：ダイオード
３０：制御装置
３１：直流電圧検出器
３２：サンプルホールド回路
３３：回転数制御手段
３４：出力電流制御手段
３５，３５Ａ，３５Ｂ：各相デューティ演算手段
３６：ゲート回路
４０：インバータ
４１：半導体スイッチング素子
５０：交流電動機
３５１：除算手段
３５２：加減算手段
Ｃ：コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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