(57)【要約】【課題】それぞれ直流電源と充放電が可能な２次電池を電源とする２台の３相ＰＷＭインバータで中性点が分離された電動機を駆動するシステムにおいて、電動機の力率や電流に影響されずにインバータの出力電力を制御し、印加電圧を最大にする。【解決手段】２次電池が接続されたインバータの出力電力を、インバータ出力電圧と電動機電流の内積のみで制御すると出力電圧が力率に影響を受けるため、電動機の３相電流の和である０相電流による出力電力制御を合わせることで、電動機の力率に影響されず電動機印加電圧を最大化できる。【選択図】図１
2015167463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端にそれぞれＵ１Ｕ２とＶ１Ｖ２とＷ１Ｗ２の端子を有して互いに電気的に分離した３相対称巻線を有する交流電動機の前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から成る第１の端子群を第１の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続すると共に、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子から成る第２の端子群を第２の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続し、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータに第１の直流電圧源を接続し、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータに第２の直流電圧源を接続し、前記第１の直流電圧源と前記第２の直流電圧源との負極同士または正極同士を共通電位で短絡し、前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の方向を正として流れる前記交流電動機の各相の電流を検出して３相２相変換した電流ベクトルＩと前記各相電流の和相当の０相電流ｉｚとを出力する電流変換器と、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子からの前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子の各電圧からなる前記交流電動機の各相電圧を３相２相変換した電動機電圧ベクトルの電圧指令ベクトルＶｉｍｒを出力する電動機制御器と、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータの出力電力ｐ２の指令ｐ２ｒを出力する電力指令器と、前記０相電流の指令を生成する０相電流指令生成器と、該０相電流指令生成器出力の０相電流指令ｉｚｒに前記０相電流が追従するように前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子の各電位の和から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の各電位の和を引いたものに相当する０相電圧の指令である０相電圧指令ｖｚｒを出力する０相電流制御器と、前記電流ベクトルＩと前記０相電流ｉｚと前記電圧指令ベクトルＶｉｍｒと前記電力指令ｐ２ｒと前記０相電圧指令ｖｚｒと前記第１の直流電圧源電圧ｅ１と前記第２の直流電圧源電圧ｅ２を入力して、前記０相電圧が前記０相電圧指令ｖｚｒに一致し、前記電動機電圧ベクトルが前記電圧指令ベクトルＶｉｍｒに一致するように、前記共通電位からみた前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子と前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の電圧指令を求めて出力するとともに、前記出力電力ｐ２とその指令ｐ２ｒとの偏差相当の電力偏差信号を演算して出力するインバータ制御器とを具備し、前記０相電流指令生成器は前記電力偏差信号が小さくなるように０相電流指令ｉｚｒを求め、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータと前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータが前記インバータ制御器出力の電圧指令通りの電圧を出力する回転機高速駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２台の３相電圧形ＰＷＭインバータで中性点が分離された巻線を有する交流電動機を高速駆動するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２における従来技術について以下に説明する。交流電動機１は中性点が分離した端子Ｕ１、Ｕ２のＵ相巻線と端子Ｖ１、Ｖ２のＶ相巻線と端子Ｗ１、Ｗ２のＷ相巻線が施されており、端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１が第１の３相ＰＷＭインバータ２ａに接続されていて、端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２が第２の３相ＰＷＭインバータ２ｂに接続されている。３相ＰＷＭインバータ２ａには直流電源３から電力が供給されていて、３相ＰＷＭインバータ２ｂにはキャパシタ１２から電力が供給されている。前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の方向を正として流れる前記交流電動機１の各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは電流検出器２４により検出され、ＵＶＷ−ｄｑ座標変換器１３により式１を用いてｄ軸成分の電流とそれに直交するｑ軸成分の電流に変換される。ここでθは、ｄ軸とＵ相軸との位相差であり軸位置推定器２３により出力される。
【０００３】
(数１)
2015167463.tif 000003
【０００４】
電流指令生成器１４はトルク指令Ｔｒを入力しｄ軸電流指令ｉｄｒとｑ軸電流指令ｉｑｒを出力する。キャパシタ１２の電圧ｅ２がその指令ｅ２ｒに追従するように電圧制御器１５でキャパシタ電圧制御電流ｉｃが得られる。３相ＰＷＭインバータ２ａのｄ軸電流指令ｉｄｒ１は、加算器１７でキャパシタ電圧制御電流ｉｃとｄ軸電流指令ｉｄｒとの和で得られ、ｑ軸電流指令ｉｑｒ１は、減算器１６でｑ軸電流指令ｉｑｒからキャパシタ電圧制御電流ｉｃを引くことで得られる。また３相ＰＷＭインバータ２ｂのｄ軸電流指令ｉｄｒ２は、減算器１８でキャパシタ電圧制御電流ｉｃからｑ軸電流指令ｉｑｒを引くことで得られ、ｑ軸電流指令ｉｑｒ２は加算器１９でキャパシタ電圧制御電流ｉｃとｄ軸電流指令ｉｄｒの和で得られる。電流指令ｉｄｒ１、ｉｑｒ１にＵＶＷ−ｄｑ座標変換器１３出力の電流ｉｄ、ｉｑが追従するようにｄｑ軸電流制御器２０ａによって電圧指令ｖｄｒ１、ｖｑｒ１が出力され、非干渉補償器２１ａにより干渉成分を補償する項を足し合わせることで、３相ＰＷＭインバータ２ａのｄ軸電圧指令ｖｄｒｒ１とｑ軸電圧指令ｖｑｒｒ１を得る。同様に、電流指令ｉｄｒ２、ｉｑｒ２に前記電流ｉｄ、ｉｑが追従するようにｄｑ軸電流制御器２０ｂによって電圧指令ｖｄｒ２、ｖｑｒ２が出力され、非干渉補償器２１ｂにより干渉成分を補償する項を足し合わせることで、３相ＰＷＭインバータ２ｂのｄ軸電圧指令ｖｄｒｒ２とｑ軸電圧指令ｖｑｒｒ２を得る。２２ａは、式２により直流電源３の中間電位を基準とした各相電圧指令ｖｕｒ１、ｖｖｒ１、ｖｗｒ１を求めて出力し、２２ｂは、式３によりキャパシタ１２の中間電位を基準とした各相電圧指令ｖｕｒ２、ｖｖｒ２、ｖｗｒ２を求めて出力する。３相ＰＷＭインバータ２ａと２ｂは、入力した指令通りの電圧を出力する。
【０００５】
(数２)
2015167463.tif 000004
(数３)
2015167463.tif 000005
【０００６】
このように構成することで、力率条件によっては電源電圧以上の電圧を電動機に印加できる。また、交流電動機１の出力トルクを制御するとともに、キャパシタ１２の電圧ｅ２はその指令ｅ２ｒに追従する。よって、交流電動機１が低い電圧しか必要としない低回転運転時は、キャパシタ電圧ｅ２を０に制御し、回転速度の上昇に応じてキャパシタ電圧ｅ２を挙げることで、交流電動機１の印加電圧の高調波成分を小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】町屋孟、芳賀仁、近藤正示著、「キャパシタ電圧と一定電圧源で駆動するオープン巻線誘導機の可変速制御法」、電気学会全国大会論文集第４分冊、２０１３年、ｐ．１８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする問題点は、インバータ２ｂの出力電力は交流電動機のＵ１、Ｖ１、Ｗ１端子からＵ２、Ｖ２、Ｗ２端子の方向を正として流れる電流ベクトルＩとインバータ２ｂの出力電圧ベクトルＶｉ２との内積なので、電流ベクトルＩが０の時はキャパシタの電圧制御ができない点ある。
【０００９】
また、定常的にキャパシタの電圧を変化させる必要がない場合はインバータ２ｂの出力電力ｐ２を０にしなければならない。インバータ２ｂの出力電力ｐ２を０とするには、インバータ２ｂの出力電圧ベクトルＶｉ２は電流ベクトルＩに直交する必要がある。一方電動機電圧ベクトルＶｉｍはインバータ２ａの出力電圧ベクトルＶｉ１からインバータ２ｂの出力電圧ベクトルＶｉ２を引いたものである。従って，例えば電動機の力率が１の場合は，ＶｉｍとＩは同一方向を向くので図３に示されるように｜Ｖｉｍ｜≦｜Ｖｉ１｜となる。つまり、電動機の力率が１の場合はキャパシタ１２の電圧に関係なく電動機に印加可能電圧はインバータ２ａの出力最大電圧以下に制限されてしまい、電源電圧以上の電圧を電動機に印加できるという特徴が無くなる点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記問題点を解決するために成されたものであり、両端にそれぞれＵ１Ｕ２とＶ１Ｖ２とＷ１Ｗ２の端子を有して互いに電気的に分離した３相対称巻線を有する交流電動機の前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から成る第１の端子群を第１の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続すると共に、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子から成る第２の端子群を第２の３相電圧形ＰＷＭインバータに接続し、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータに第１の直流電圧源を接続し、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータに第２の直流電圧源を接続し、前記第１の直流電圧源と前記第２の直流電圧源との負極同士または正極同士を共通電位で短絡し、前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の方向を正として流れる前記交流電動機の各相の電流を検出して３相２相変換した電流ベクトルＩと前記各相電流の和相当の０相電流ｉｚとを出力する電流変換器と、前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子からの前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子の各電圧からなる前記交流電動機の各相電圧を３相２相変換した電動機電圧ベクトルの電圧指令ベクトルＶｉｍｒを出力する電動機制御器と、前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータの出力電力ｐ２の指令ｐ２ｒを出力する電力指令器と、前記０相電流の指令を生成する０相電流指令生成器と、該０相電流指令生成器出力の０相電流指令ｉｚｒに前記０相電流が追従するように前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子の各電位の和から前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の各電位の和を引いたものに相当する０相電圧の指令である０相電圧指令ｖｚｒを出力する０相電流制御器と、前記電流ベクトルＩと前記０相電流ｉｚと前記電圧指令ベクトルＶｉｍｒと前記電力指令ｐ２ｒと前記０相電圧指令ｖｚｒと前記第１の直流電圧源電圧ｅ１と前記第２の直流電圧源電圧ｅ２を入力して、前記０相電圧が前記０相電圧指令ｖｚｒに一致し、前記電動機電圧ベクトルが前記電圧指令ベクトルＶｉｍｒに一致するように、前記共通電位からみた前記Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１端子と前記Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２端子の電圧指令を求めて出力するとともに、前記出力電力ｐ２とその指令ｐ２ｒとの偏差相当の電力偏差信号を演算して出力するインバータ制御器とを具備し、前記０相電流指令生成器は前記電力偏差信号が小さくなるように０相電流指令ｉｚｒを求め、前記第１の３相電圧形ＰＷＭインバータと前記第２の３相電圧形ＰＷＭインバータが前記インバータ制御器出力の電圧指令通りの電圧を出力する。
【発明の効果】
【００１１】
第１の直流電圧源と第２の直流電圧源との負極同士を共通電位で短絡した場合で、共通電位からの端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の電圧の和相当であるインバータ２ｂの出力０相電圧ｖ２ｚを用いて、インバータ２ｂの出力電力ｐ２は式４で表される。
【００１２】
(数４)
2015167463.tif 000006
【００１３】
ここで●はベクトル内積演算を意味する。電流ベクトルＩが０の時において、０相電流ｉｚが０の場合では、式４よりｐ２＝０となって指令通りの電力をインバータ２ｂは出力できないが、０相電流指令を増加させることで式４の第２項によってインバータ２ｂの出力電力を指令通りとすることが可能となる。従って、第２の直流電圧源がキャパシタの場合で電流ベクトルＩが０の場合でもキャパシタの電圧制御が可能となる。式４に示されるように、ｐ２＝０であっても０相電流ｉｚを流すことでＩとＶｉ２を必ずしも直交させる必要なくなるので、例えば図４のように電圧ベクトルＶｉ１とＶｉ２を選択することで｜Ｖｉ１｜よりも大きな電圧ベクトルを電動機に印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の交流電動機ドライブシステムを示した説明図である。
【図２】従来の交流電動機ドライブシステムを示した説明図である。
【図３】従来の交流電動機ドライブシステムの電圧電流ベクトル図である。
【図４】本発明の交流電動機ドライブシステムの電圧電流ベクトル図である。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の交流電動機ドライブシステムを示した図であり、従来例と共通部分を除いてこの図に基づいて実施例１の説明を以下に示す。
【００１６】
インバータ制御器４は以下の処理を行う。まず、式５と式６でインバータ２ａの出力０相電圧ｖ１ｚとインバータ２ｂの出力０相電圧ｖ２ｚを得る。ここでＭＩＮは（）内の最小値を選択することを意味する。ｖ１ｚは、第１の直流電圧源３ａと第２の直流電圧源３ｂとの負極同士を共通電位で短絡した場合で、共通電位からの端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の電圧の和相当である。同様に、ｖ２ｚは共通電位からの端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の電圧の和相当である。
【００１７】
(数５)
2015167463.tif 000007
(数６)
2015167463.tif 000008
【００１８】
次に、インバータ２ａの出力電圧ベクトルＶｉ１とインバータ２ｂの出力電圧ベクトルＶｉ２と電動機電圧ベクトルＶｉｍには式７の関係がある。この式を満たすＶｉ１とＶｉ２は無数にあるので例えば、式８、式９とする。
【００１９】
(数７)
2015167463.tif 000009
(数８)
2015167463.tif 000010
(数９)
2015167463.tif 000011
【００２０】
Ｖｉ１は直交するｄｑ軸の各成分のｖ１ｄｒとｖ１ｑｒに分解され、ｖ１ｚとともに式１０で共通電位からみたＵ１、Ｖ１、Ｗ１端子の電圧指令ｖｕｒ１、ｖｖｒ１、ｖｗｒ１を求めて出力する。Ｖｉ２は直交するｄｑ軸の各成分のｖ２ｄｒとｖ２ｑｒに分解され、ｖ２ｚとともに式１１で共通電位からみたＵ２、Ｖ２、Ｗ２端子の電圧指令ｖｕｒ２、ｖｖｒ２、ｖｗｒ２を求めて出力する。ここでθは、ｄ軸とＵ相軸との位相差である。
【００２１】
(数１０)
2015167463.tif 000012
(数１１)
2015167463.tif 000013
【００２２】
そして式４でインバータ２ｂの出力電力ｐ２を求め、該指令ｐ２ｒとの偏差を求めて電力偏差信号Ｓとして０相電流指令生成器９に出力する。０相電流指令生成器９は、例えば電力偏差信号Ｓを比例積分増幅して０相電流指令ｉｚｒを出力する。
【実施例２】
【００２３】
実施例１では電動機に電流ベクトルＩと０相電流ｉｚの和が流れるが、インバータや電動機の許容電流を考えると前記０相電流は０であることが好ましい。そこでＶｉ１とＶｉ２だけで電動機電圧Ｖｉｍとインバータ２ｂの出力電力ｐ２を指令通りとすることを原則とし、それができない時のみ０相電流ｉｚによるインバータ２ｂの出力電力ｐ２の制御を行う実施例２の説明を以下に示す。
【００２４】
インバータ制御器４は以下の処理を行う。まず、式５と式６でインバータ２ａの出力０相電圧ｖ１ｚとインバータ２ｂの出力０相電圧ｖ２ｚを得る。また式１２と式１３でインバータ２ａの出力可能最大電圧ベクトルの大きさｖ１ｍとインバータ２ｂの出力可能最大電圧ベクトルの大きさｖ２ｍを得る。
【００２５】
(数１２)
2015167463.tif 000014
(数１３)
2015167463.tif 000015
【００２６】
次に、式４と式７の関係式があり、ｐ２をｐ２ｒに一致させＶｉｍをＶｉｍｒに一致させるインバータ２ａの出力電圧ベクトルＶｉ１とインバータ２ｂの出力電圧ベクトルＶｉ２は無数に存在する。そこで、Ｖｉ１の大きさが最小となるようにＩとＶｉ１との位相差を０と仮定して、ｐ２をｐ２ｒに、ＶｉｍをＶｉｍｒに置き換えて式４に式７を代入すると式１４となり、式１５となり、ＩとＶｉ１との位相差を０と仮定しているので式１６でインバータ２ａの仮の出力電圧ベクトルＶｉ１’を得る。
【００２７】
(数１４)
2015167463.tif 000016
(数１５)
2015167463.tif 000017
(数１６)
2015167463.tif 000018
(数１７)
2015167463.tif 000019
【００２８】
Ｖｉ１’の大きさがｖ１ｍ以下ならば、それを式１７のＶｉ１に代入して得られたＶｉ２をインバータ２ｂの仮の出力電圧ベクトルＶｉ２’として、Ｖｉ２’の大きさがｖ２ｍ以下ならばＶｉ１’やＶｉ２’をそれぞれＶｉ１とＶｉ２とする。Ｖｉ２’の大きさがｖ２ｍを超過している場合は、｜Ｖｉ２｜＝ｖ２ｍと式４を満たすＶｉ２の中でＶｉ２’に近い方を選択して式１７より得られたＶｉ１をＶｉ１”とする。このＶｉ１”の大きさがｖ１ｍ以下ならばＶｉ１”をＶｉ１とする。Ｖｉ１”の大きさがｖ１ｍを超過している場合は、｜Ｖｉ２｜＝ｖ２ｍで｜Ｖｉ１｜＝ｖ１ｍで式１７を満たすＶｉ１とＶｉ２を選択する。
【００２９】
Ｖｉ１’の大きさがｖ１ｍを超過している場合は、大きさをｖ１ｍでＶｉ１’と同じ向きのベクトルをＶｉ１とし、式１７より得られたＶｉ２をＶｉ２”とする。このＶｉ２”の大きさがｖ２ｍ以下の場合はＶｉ２”をＶｉ２とする。Ｖｉ２”の大きさがｖ２ｍを超過している場合は、｜Ｖｉ２｜＝ｖ２ｍで｜Ｖｉ１｜＝ｖ１ｍで式１７を満たすＶｉ１とＶｉ２を選択する。以上でインバータ２ａの出力電圧ベクトルＶｉ１とインバータ２ｂの出力電圧ベクトルＶｉ２を決定できる。
【００３０】
式４よりインバータ２ｂの出力電力ｐ２を求めて、ｐ２ｒ＞ｐ２の場合に電力偏差信号Ｓ＝−１、ｐ２ｒ＜ｐ２の場合に電力偏差信号Ｓ＝１、ｐ２ｒ＝ｐ２の場合に電力偏差信号Ｓ＝０とする。Ｖｉ１は直交するｄｑ軸の各成分のｖ１ｄｒとｖ１ｑｒに分解され、ｖ１ｚとともに式１０で共通電位からみたＵ１、Ｖ１、Ｗ１端子の電圧指令ｖｕｒ１、ｖｖｒ１、ｖｗｒ１を求めて出力する。Ｖｉ２は直交するｄｑ軸の各成分のｖ２ｄｒとｖ２ｑｒに分解され、ｖ２ｚとともに式１１で共通電位からみたＵ２、Ｖ２、Ｗ２端子の電圧指令ｖｕｒ２、ｖｖｒ２、ｖｗｒ２を求めて出力する。０相電流指令生成器９は、例えば電力偏差信号Ｓを入力し、Ｓ＝０の時は出力する０相電流指令ｉｚｒを徐々に０に近づけて、Ｓ＝１の時は０相電流指令ｉｚｒを徐々に正に増加させ、Ｓ＝−１の時は０相電流指令ｉｚｒを徐々に負に増加させる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
第１の３相ＰＷＭインバータの電源として放電のみが可能な直流電源と、第２の３相ＰＷＭインバータの電源として充放電が可能な２次電池が接続された、中性点が分離された巻線を有する交流電動機を駆動するシステムにおいて、交流電動機制御とは個別に２次電池の充放電電力を制御できるとともに、交流電動機の力率に関係なく印加できる電圧を上昇させることが可能となる。たとえば第１の３相ＰＷＭインバータの直流電源を燃料電池またはエンジン発電機とし、第２の３相ＰＷＭインバータの２次電池をキャパシタやバッテリとした電気自動車に適応した場合、交流電動機制御とバッテリの充放電を個別に制御できるだけでなく、電気自動車の最高速度を高めることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    交流電動機
２ａ、２ｂ  ３相ＰＷＭインバータ
３、３ａ、３ｂ    直流電源
４    インバータ制御器
５、２４    電流検出器
６    電流変換器
７    電力指令器
８    電動機制御器
９    ０相電流指令生成器
１０  ０相電流制御器
１１ａ、１１ｂ  電圧検出器
１２  キャパシタ
１３  ＵＶＷ−ｄｑ座標変換器
１４  電流指令生成器
１５  電圧制御器
１６、１８  減算器
１７、１９  加算器
２０ａ、２０ｂ  ｄｑ軸電流制御器
２１ａ、２１ｂ  非干渉補償器
２２ａ、２２ｂ  ｄｑ−ＵＶＷ座標変換器
２３  軸位置推定器
【図１】
2015167463.tif 000020
【図２】
2015167463.tif 000021
【図３】
2015167463.tif 000022
【図４】
2015167463.tif 000023