(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に電気的に結合されるように構成されるインダクタと、
前記インダクタに電気的につなげられたアクティブコンバータであって、前記アクティブコンバータが、前記インダクタから受け取った入力交流電力を、直流電圧を含む第１の直流電力に変換するように構成されるものと、
前記アクティブコンバータに電気的につなげられた直流（ＤＣ）リンクであって、前記ＤＣリンクが：
前記アクティブコンバータから受け取った、少なくとも部分的に前記第１の直流電力に基づいて、電気エネルギーを蓄え、
前記ＤＣリンクによって蓄えられた前記電気エネルギーを用いて、前記直流電圧をフィルタ処理することによって第２の直流電力を出力する、
ように構成されるものと、
前記ＤＣリンクに電気的につなげられたインバータであって、前記インバータが、前記ＤＣリンクから受け取った前記第２の直流電力を、電気的負荷に提供される出力交流電力に変換するように構成されるものと、
前記アクティブコンバータと通信可能につなげられた制御システムであって、前記制御システムが、
１）前記ＤＣリンクに存在するＤＣリンク電圧を決定し、
２−１）前記ＤＣリンク電圧を、ＤＣリンク電圧しきい値より低く維持し、
２−２）前記制御システムが、前記ＤＣリンク電圧のリップルの大きさが、第１のリップルしきい値を超えると判断するときに、第１のゼロでない無効電流を導入する、
２）ように前記アクティブコンバータの動作を制御する制御信号を出力する、
ように構成されるものと、
を備える、可変速駆動装置。
【請求項２】
前記ＤＣリンクに電気的につなげられ、前記制御システムに通信可能につなげられた、検知モジュールを備え、
前記検知モジュールが、前記ＤＣリンク電圧を示す、検知されたデータを出力するように構成され、
前記制御システムが、少なくとも部分的に、前記検知されたデータに基づいて前記ＤＣリンク電圧を決定するように構成される、
請求項１に記載の可変速駆動装置。
【請求項３】
前記制御システムが、前記アクティブコンバータの動作を制御する制御信号を出力して、制御システムが、前記ＤＣリンク電圧の前記リップルの大きさが、第２のリップルしきい値を超えると判断するときに、第２のゼロでない無効電流を導入するように構成され、
前記第２のリップルしきい値が、前記第１のリップルしきい値より大きいときに、前記第２のゼロでない無効電流の大きさが、前記第１のゼロでない無効電流の大きさより大きい、
請求項１に記載の可変速駆動装置。
【請求項４】
前記ＤＣリンク電圧しきい値が、８５０ボルトＤＣである、請求項１に記載の可変速駆動装置。
【請求項５】
前記アクティブコンバータが、パルス幅変調型整流器として実装される、請求項１に記載の可変速駆動装置。
【請求項６】
前記アクティブコンバータが、過変調モードで動作するように構成される、請求項５に記載の可変速駆動装置。
【請求項７】
前記出力交流電力が、交流電圧を含む、請求項１に記載の可変速駆動装置。
【請求項８】
前記アクティブコンバータが、複数の固体スイッチングデバイスを備える、請求項１に記載の可変速駆動装置。
【請求項９】
閉冷却剤ループであって、前記閉冷却剤ループが、圧縮機、凝縮器、および蒸発器を備えるものと、
前記圧縮機に機械的に接続されたモータと、
前記モータに電気的につなげられた可変速駆動装置であって、前記可変速駆動装置が、
（１）交流電源に電気的につながれるように構成されるインダクタと、
（２）前記インダクタに電気的につなげられたアクティブコンバータであって、前記アクティブコンバータが、前記インダクタから受け取った入力交流電力を、直流電圧を含む第１の直流電力に変換するように構成されるものと、
（３）前記アクティブコンバータに電気的につなげられた直流（ＤＣ）リンクであって、前記ＤＣリンクが、
少なくとも部分的に、前記アクティブコンバータから受け取った前記第１の直流電力に基づいて電気的エネルギーを蓄え、
前記ＤＣリンクによって蓄えられた前記電気的エネルギーを用いて前記直流電圧をフィルタ処理することによって第２の直流電力を出力する、
ように構成されるものと、
（４）前記ＤＣリンクに電気的につなげられたインバータであって、前記インバータが、前記ＤＣリンクから受け取った前記第２の直流電力を、電気的負荷に提供される出力交流電力に変換するように構成されるものと、
（５）前記アクティブコンバータに通信可能につなげられたコントローラであって、前記コントローラが、
前記ＤＣリンクに存在するＤＣリンク電圧を決定し、
前記アクティブコンバータの動作を制御する制御信号を出力することによって、
前記ＤＣリンク電圧を、ＤＣリンク電圧しきい値より低く維持し、
前記コントローラが、ＤＣリンク電圧のリップルの大きさが、第１のリップルしきい値を超えると判断するときに、第１のゼロでない無効電流を導入する、
ように構成されるものと、
を備える可変速駆動装置と、
を備える、可変速駆動システム。
【請求項１０】
前記ＤＣリンクに電気的につなげられ、前記コントローラに通信可能につなげられた、検知モジュールを備え、
前記検知モジュールが、前記ＤＣリンク電圧を示す、検知されたデータを出力するように構成され、
前記コントローラが、少なくとも部分的に、前記検知されたデータに基づいて前記ＤＣリンク電圧を決定するように構成される、
請求項９に記載の可変速駆動システム。
【請求項１１】
前記コントローラが、前記ＤＣリンク電圧の前記リップルの大きさが、第２のリップルしきい値を超えると判断するときに、前記コントローラが、前記アクティブコンバータの動作を制御して、第２のゼロでない無効電流を導入する、制御信号を出力するように構成され、
前記第２のリップルしきい値が、前記第１のリップルしきい値より大きいときに、前記第２のゼロでない無効電流の大きさが、前記第１のゼロでない無効電流の大きさより大きい、
請求項９に記載の可変速駆動システム。
【請求項１２】
前記ＤＣリンク電圧しきい値が、８５０ボルトＤＣである、請求項９に記載の可変速駆動システム。
【請求項１３】
前記アクティブコンバータが、パルス幅変調型整流器として実装される、請求項９に記載の可変速駆動システム。
【請求項１４】
前記アクティブコンバータが、過変調モードで動作するように構成される、請求項１３に記載の可変速駆動システム。
【請求項１５】
前記出力交流電力が、交流電圧を含み、
前記アクティブコンバータが、複数の固体スイッチングデバイスを備える、
請求項９に記載の可変速駆動システム。
【請求項１６】
可変速駆動装置を動作させる方法であって、
少なくとも１つのプロセッサを用いて、アクティブコンバータに、前記アクティブコンバータと交流電源の間に電気的につなげられたインダクタから受け取った入力交流電力を、ＤＣリンクに提供される第１の直流電力に変換するように指令するステップと、
少なくとも１つのプロセッサを用いて、前記ＤＣリンクに電気的につなげられたインバータに、前記ＤＣリンクから受け取った第２の直流電力を、電気的負荷に提供される出力交流電力に変換するように指令するステップと、
少なくとも１つのプロセッサを用いて、少なくとも部分的に、前記ＤＣリンクと電気的につなげられた検知モジュールから受け取った検知されたデータに基づいて、ＤＣリンク電圧を決定するステップと、
少なくとも１つのプロセッサを用いて、前記ＤＣリンク電圧のリップルの大きさが、第１のリップルしきい値を超えるか否かを判断するステップと、
を含み、
前記アクティブコンバータに、前記入力交流電力を、前記第１の直流電力に変換するように指令するステップが、
前記アクティブコンバータに、前記ＤＣリンク電圧を、ＤＣリンク電圧しきい値より低く維持することを促進する、直流電圧を持つ前記第１の直流電力を生成するように指令するサブステップと、
前記ＤＣリンク電圧の前記リップルの大きさが、第１のリップルしきい値を超えるときに、前記アクティブコンバータに、第１のゼロでない無効電流を導入するように指令するサブステップと、
を含む、
方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのプロセッサを用いて、前記ＤＣリンク電圧のリップルの大きさが、第２のリップルしきい値を超えるか否かを決定するステップ、
を含み、
前記アクティブコンバータに、前記入力交流電力を、前記第１の直流電力に変換するように指令するステップが、前記ＤＣリンク電圧のリップルの大きさが、前記第２のリップルしきい値を超えるときに、前記アクティブコンバータに、第２のゼロでない無効電流を導入するように指令するサブステップを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２のリップルしきい値が、前記第１のリップルしきい値より大きいときに、前記第２のゼロでない無効電流の大きさが、前記第１のゼロでない無効電流の大きさより大きい、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＤＣリンク電圧しきい値が、８５０ボルトＤＣである、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本出願は、２０１５年５月８日出願のＶＡＲＩＡＢＬＥ  ＳＰＥＥＤ  ＤＲＩＶＥ  ＷＩＴＨ  ＡＣＴＩＶＥ  ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ（アクティブコンバータを有する可変速駆動装置）という名称の米国仮特許出願第６２／１５８，７４９号の優先権および利益を主張し、これは、引用により本明細書中に取り込まれている。
【０００２】
[0002]本出願は、全体として可変速駆動装置に関する。本出願は、より具体的にはアクティブコンバータを有する可変速駆動装置、および動作効率改善のための制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]可変速駆動装置（ＶＳＤ）は、同期モータおよび非同期モータの動作速度を制御するために一般に使用される。ＶＳＤは、ＡＣ線入力電圧をＤＣ電圧へ変換するためのコンバータ、ＤＣバスおよびキャパシタストレージを有するＤＣリンクバス、ならびにモータ負荷に可変ＡＣ出力電力を供給するインバータを含む。コンバータは、パッシブコンバータであってもアクティブコンバータであってもよい。アクティブコンバータが設けられる場合には、モータおよび関連機器の動作力率を制御すること、ならびに高調波雑音を減少させることなどのある種の利益が得られることがある。
【０００４】
[0004]アクティブコンバータは、典型的には、低次高調波入力電流およびＤＣバス電圧を実現するために電流をスイッチングするＩＧＢＴなどの半導体スイッチを含む。ＤＣバスの定格電圧は、ＶＳＤへのソース入力電圧およびＶＳＤがモータに供給する出力電圧の関数である。商用機器および産業用機器では、より高い入力電圧および出力電圧が必要とされ、１７００ボルト定格のＩＧＢＴモジュール、すなわち高電圧ＩＧＢＴが、モータを駆動させるための所望の出力電圧を満足するために通常必要とされる。限定しないが、ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ、およびＧａＮトランジスタを含め、他のスイッチがやはり使用されることがある。１７００ボルト定格のＩＧＢＴは、スイッチング損失の増加を引き起こし、ＶＳＤの効率特性低下という結果になる。対照的に、１２００Ｖ  ＩＧＢＴモジュール、すなわち低電圧ＩＧＢＴは、より低いスイッチング損失および効率の増加を特徴とするが、より低いＤＣバス電圧に制限される。
【０００５】
[0005]現在３つの異なる解決策がＶＳＤを制御するために使用される。いくつかの用途では、ＶＳＤコンバータにおいて３水準のスイッチを利用し、これは低い方の定格では２倍の数のＩＧＢＴを必要とする。この場合は低電圧ＩＧＢＴが使用され得るが、この方法はＶＳＤの複雑さおよびコストを増加させる。もう１つの解決策では、パッシブフロントエンドが利用されることがあるが、しかしながら、高調波電流は、電力システムへと反射して戻り、高調波規格を満足するために電圧ソースのところに追加のフィルタを必要とすることになる。最後に、第３の手法は、高電圧ＩＧＢＴモジュールを利用し、ＶＳＤに関連するより大きな損失および追加コストという結果をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0006]本開示は、インバータから増加したＡＣ電圧出力を供給するために十分なＤＣリンク電圧を今までどおりに実現しつつ、ＶＳＤにおいて使用されるべき低電圧ＩＧＢＴを適応させるためにＶＳＤのＤＣバス電圧を低下させるための方法およびシステムを提供する。
【０００７】
[0007]開示したシステムおよび／または方法の意図した利点は、これらのニーズのうちの１つまたは複数を満足させるまたは別の有利な特徴を提供する。他の特徴および利点は、本明細書から明らかにされるであろう。開示された教示は、実施形態が前述のニーズのうちの１つもしくは複数を達成するかどうかに拘わらず、特許請求の範囲の範囲内になるこれらの実施形態にも及ぶ。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[0008]１つの実施形態は、コントローラ、インダクタ、電力段、ＤＣリンク、およびインバータを含むアクティブコンバータを有するＶＳＤに関する。アクティブコンバータは、入力ＡＣ電圧を受電し、昇圧したＤＣ電圧を出力するように制御される。入力電圧は、８５０ＶＤＣに至るまでＤＣリンクを調整するために２４０Ｖから６３５Ｖ  ｒｍｓまで変わることができる。インバータは、この電圧を０から５７５ボルトまでのＡＣに変換する。コントローラは、ゼロに等しい無効入力電流の大きさで動作するように通常は構成される。
【０００９】
[0009]本明細書において説明する実施形態のある種の利点は、ＶＳＤの入力電流に無効電流成分を加えるようにアクティブコンバータを制御するための戦略的ソフトウェア修正を介して実装されてもよい解決策を含む。
【００１０】
[0010]開示のもう１つの利点は、電圧ソースコンバータのＤＣバス動作電圧の低下であり、ＶＳＤの入力端および出力端に低電圧、例えば、１２００Ｖ定格のＩＧＢＴモジュールの使用を可能にし、非効率的な高電圧ＩＧＢＴと比較して損失を小さくする。
【００１１】
[0011]さらにもう１つの利点は、ＶＳＤの動作効率の向上である。
[0012]代替の例示的な実施形態は、特許請求の範囲に全体が列挙され得るような、他の特徴および特徴の組み合わせに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】[0013]本発明の概略的なシステム構成の模式図である。
【図２】[0014]本発明の可変速駆動装置の実施形態の模式図である。
【図３】[0015]本発明で使用され得る冷却システムの模式図である。
【図４】[0016]アクティブコンバータ装置の例示的な実施形態の図である。
【図５】[0017]減電圧半導体スイッチを有するアクティブコンバータを実装するための例示的なＰＷＭスイッチングネットワークの図である。
【図６】[0018]フル負荷での例示的なＶＳＤ動作のベクトル表示の図である。
【図７】[0019]軽い負荷でのＶＳＤの例示的な動作のベクトル表示の図である。
【図８】[0020]ＰＷＭ変調アルゴリズムへと挿入した無効電流を用いた軽い負荷でのＶＳＤ動作のベクトル表示の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0021]図１および図２は、本発明のシステム構成の全体を図示する。ＡＣ電源１０２は、ＶＳＤ１０４にＡＣ電力を供給し、ＶＳＤ１０４は順にモータ１０６にＡＣ電力を供給する。モータ１０６は、冷却システムまたはチラーシステムの対応する圧縮機を駆動するために好ましくは使用される。ＡＣ電源１０２は、ＡＣ電力グリッドまたは現場に存在する配電システムからＶＳＤ１０４へ三相、固定電圧、かつ固定周波数のＡＣ電力を供給する。ＡＣ電力グリッドは、電気事業者から直接与えられることがある、または電気事業者とＡＣ電力グリッドとの間の１つまたは複数の変電所から与えられることがある。ＡＣ電源１０２は、対応するＡＣ電力グリッドに応じてＶＳＤ１０４へ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの線周波数で２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖ、または６００Ｖの三相ＡＣ電圧または三相線電圧を好ましくは供給できる。ＡＣ電源１０２は、ＡＣ電力グリッドの構成に応じてＶＳＤ１０４へ任意の適した固定線電圧または固定線周波数を与えることができることが理解されるべきである。加えて、特定のサイトは、異なる線電圧要求および線周波数要求を満足させることができる多数のＡＣ電力グリッドを有することができる。例えば、サイトは、ある種の用途に対処するために２３０ＶＡＣ電力グリッドを、そして他の用途に対処するために４６０ＶＡＣ電力グリッドを有することがある。
【００１４】
[0022]次に図２を参照すると、ＶＳＤ１０４は、ＡＣ電源１０２から特定の固定線電圧および固定線周波数を有するＡＣ電力を受電し、所望の電圧および所望の周波数でモータ１０６へＡＣ電力を供給し、この両者は、特定の必要条件を満足させるために変えられてもよい。好ましくは、ＶＳＤ１０４は、ＡＣ電源１０２から受電した固定電圧および固定周波数よりも高い電圧および周波数または低い電圧および周波数を有するＡＣ電力をモータ１０６に供給できる。図２は、ＶＳＤ１０４の１つの実施形態における構成要素のうちのいくつかを模式的に図示する。ＶＳＤ１０４は、３段：コンバータ２０２、ＤＣリンク２０４およびインバータ２０６を有することができる。コンバータ２０２は、ＡＣ電源１０２からの固定線周波数、固定線電圧ＡＣ電力をＤＣ電力へと変換する。ＤＣリンク２０４は、コンバータ２０２からのＤＣ電力をフィルタ処理し、キャパシタ２０８および／またはインダクタ（図示せず）などのエネルギー貯蔵部品に供給する。インバータ２０６は、ＤＣリンク２０４からのＤＣ電力をモータ１０６用の可変周波数、可変電圧ＡＣ電力へと変換する。
【００１５】
[0023]モータ１０６は、可変速度で駆動されることが可能である誘導モータであってもよい。誘導モータは、２極、４極または６極を含め任意の適した極配列を有することができる。誘導モータは、負荷、好ましくは図３に示したような冷却システムまたはチラーシステムの圧縮機を駆動するために使用される。図３は、冷却システムに接続された本発明のシステムの全体を図示する。
【００１６】
[0024]図３に示したように、ＨＶＡＣ、冷却システムまたは液体チラーシステム３００は、圧縮機３０２、凝縮器３０４、蒸発器３０６、および制御パネル３０８を含む。制御パネル３０８は、冷却システム３００の動作を制御するために、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、およびインターフェースボードなどの様々な異なる構成要素を含むことができる。制御パネル３０８は、ＶＳＤ１０４およびモータ１０６の動作を制御するためにやはり使用されることがある。
【００１７】
[0025]圧縮機３０２は、冷却剤蒸気を圧縮し、排出ラインを介して凝縮器３０４へ蒸気を配送する。圧縮機３０２は、好ましくは遠心圧縮機であるが、任意の適切なタイプの圧縮機、例えば、スクリュー圧縮機、往復圧縮機、等であってもよい。凝縮器３０４へ圧縮機３０２により配送された冷却剤蒸気は、流体、例えば、空気または水との熱交換関係へと入り、流体との熱交換関係の結果として冷却剤液への相変化を受ける。凝縮器３０４からの凝縮された液体冷却剤は、蒸発器３０６へ膨張装置（図示せず）を通って流れる。
【００１８】
[0026]蒸発器３０６は、冷却負荷の供給ラインおよび戻りライン用の接続部を含むことができる。二次液、例えば、水、エチレン、塩化カルシウムブラインまたは塩化ナトリウムブラインは、戻りラインを介して蒸発器３０６へと進み、供給ラインを介して蒸発器３０６を出る。蒸発器３０６内の液体冷却剤は、二次液の温度を下げるために二次液との熱交換関係へと入る。蒸発器３０６内の冷却剤液は、二次液との熱交換関係の結果として冷却剤蒸気への相変化を受ける。蒸発器３０６内の蒸気冷却剤は、蒸発器３０６を出て、吸引ラインにより圧縮機３０２へと戻り、循環を完了する。凝縮器３０４および蒸発器３０６の任意の適切な構成が、システム３００内で使用されることがあり、凝縮器３０４および蒸発器３０６内の冷却剤の適切な相変化が得られるように形成されてもよいことが、理解されるべきである。
【００１９】
[0027]ＨＶＡＣ、冷却システムまたは液体チラーシステム３００は、図３には示されていない多くの他の構成を含むことができる。これらの構成は、図を容易にするため図面を単純化するために故意に省略されている。さらにその上、図３が単一の冷却剤回路に接続された１つの圧縮機を有するようにＨＶＡＣ、冷却システムまたは液体チラーシステム３００を図示しているとはいえ、システム３００は、１つまたは複数の冷却剤回路の各々へと接続され、１つのＶＳＤまたは多数のＶＳＤにより電力を供給される多数の圧縮機を有することができることが、理解されるべきである。
【００２０】
[0028]好ましくは、制御パネル３０８、マイクロプロセッサまたはコントローラは、制御パネル３０８により受信される特定のセンサ読み値に応じてＶＳＤ１０４およびモータ１０６用の最適な動作設定を行うために、ＶＳＤ１０４へ制御信号を与えることができ、ＶＳＤ１０４（そしておそらくモータ１０６）の動作を制御することができる。例えば、図３の冷却システム３００では、制御パネル３０８は、ＶＳＤ１０４の出力電圧および周波数を調節することができ、冷却システムの条件の変更に対応させることができる、すなわち、制御パネル３０８は、モータ１０６の所望の動作速度および圧縮機３０２の所望の負荷出力を得るために、圧縮機３０２の負荷状態を増加させることまたは減少させることに応じてＶＳＤ１０４の出力電圧および周波数を増加させるまたは減少させることができる。
【００２１】
[0029]図２に戻って参照すると、コンバータ２０２は、パルス幅変調型（ＰＷＭ）昇圧コンバータまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有する整流器であってもよく、ＤＣリンク２０４へ昇圧したＤＣ電圧を供給して、ＶＳＤ１０４の公称ＲＭＳ基本入力電圧よりも大きい最大基本ＲＭＳ出力電圧をＶＳＤ１０４から得ることができる。本発明の好ましい実施形態では、ＶＳＤ１０４は、ＶＳＤ１０４に供給される固定の公称基本ＲＭＳ入力電圧よりも大きい最大出力電圧およびＶＳＤ１０４に供給される固定の入力周波数よりも大きい最大基本ＲＭＳ出力周波数を供給することができる。さらにその上、ＶＳＤ１０４が適切な出力電圧および周波数をモータ１０６に供給することができる限り、ＶＳＤ１０４は、図２に示したものとは異なる構成要素を組み込むことができることが、理解されるべきである。
【００２２】
[0030]次に図４を参照すると、アクティブコンバータまたは整流器モジュール２０２の１つの実施形態が示される。電力スイッチの各対の電力スイッチのうちの一方は、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２に接続されたＩＧＢＴ４５０である。逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２は、ＶＳＤ１０４がパルス幅変調モードで動作されるときに他方の電力スイッチ、ＩＧＢＴ４５０がオフになった後で、電流を伝導させるために使用される。ＩＧＢＴ４５０および逆ダイオード４５２は、回路保護装置および三相線インダクタ４１６の出力とＤＣバス４１２の負レールとの間に接続される。しかしながら、本発明のもう１つの実施形態では、多数のＩＧＢＴ４５０および逆ダイオード４５２は、図４に示したように、回路保護装置および三相線インダクタ４１６の出力とＤＣバスの正レール４１２ａとの間に接続されてもよい。回路保護装置４１６は、インダクタ、回路遮断器、フューズ、および装置４１６の負荷側に接続されたＶＳＤ回路構成要素を保護するための他の装置を含むことができる。
【００２３】
[0031]次に図５を参照すると、パルス幅変調技術がコントローラ３０８によりコンバータ２０２に実装されて、三相昇圧整流器を形成する。三相ＰＷＭ昇圧整流器の閉ループ制御が、コントローラに設置されたディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）において実施されることがある。ＰＷＭ制御法の１つの例示的な実施形態に関して、例えば、「Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ  ＰＷＭ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」、Ｓｉｌｖａ  Ｈｉｔｉ、Ｐｈ．Ｄ．Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ、Ｖｉｒｇｉｎｉａ  Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ａｎｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、Ｂｌａｃｋｓｂｕｒｇ、ＶＡ、１９９５を参照のこと。
【００２４】
[0032]三相昇圧整流器／コンバータ２０２の電力段は、三相スイッチングネットワークを含む。このスイッチングネットワークは、ＰＷＭ変調器１０により生成される６つのＰＷＭゲーティング信号１２を必要とする。ＰＷＭ変調器１０は、昇圧整流器の制御ループにより与えられる入力（ｄｑおよびｄｄ）に基づいてゲート信号１２を生成する。昇圧整流器動作は、半導体プリチャージ装置がゲートを連続的に開いた後で、または電源コンタクタ（図示せず）が補助ＩＧＢＴを用いずにコンバータに対して閉じられた後で、有効にされてもよい。１つの実施形態では、ＰＷＭ変調器１０は、信号ｄα＿ｓａｔ、およびｄβ＿ｓａｔを受信する。信号ｄα＿ｓａｔ、およびｄβ＿ｓａｔは、直交座標系から極座標系への変換を使用して座標変換１４から求められる。ゲーティング信号１２は、変数ｇａｐ、ｇａｎ、ｇｂｐ、ｇｂｎ、ｇｃｐ、およびｇｃｎにより表されることがあり、ここでは、ｇｘｙはそれぞれのゲーティング信号を表し、ｘは整流器の位相を示し、ｙはゲーティング信号が正ｄｃレール（ｐ）または負ｄｃレール（ｎ）に接続されたＩＧＢＴ用のゲーティング信号であるかどうかを示す。
【００２５】
[0033]ＰＷＭ変調器法が、ＶＳＤサイズおよびフル負荷アンペア（ＦＬＡ）設定値に基づいて選択されることがある。ＦＬＡが所定のしきい値よりも小さい場合には、ＰＷＭ変調器は、連続空間ベクトル変調であってもよく、ＦＬＡが所定のしきい値以上である場合には、不連続空間ベクトル変調が適用されてもよい。過変調モードで動作するＰＷＭ変調器は、ＶＳＤの安定性範囲を広げるより高い入力電力線電圧で安定なＤＣバス電圧を実現するためにやはり使用されることがある。
【００２６】
[0034]ＰＷＭ変調器は、空間ベクトル変調（ＳＶＭ）を利用する。ＳＶＭでは、ｄα＿ｓａｔおよびｄβ＿ｓａｔは、複素平面（ｄα＋ｊ・ｄβ）におけるベクトルｄの実数部および虚数部として規定される。ゲーティング信号ｇａｐ、ｇａｎ、ｇｂｐ、ｇｂｎ、ｇｃｐ、およびｇｃｎは、そのときにはｄの大きさおよび位相に基づいて生成される。ＳＶＭは、周波数が昇圧整流器のスイッチング周波数であるアップダウンカウンタ上で動作する。カウンタの周期は、整流器のスイッチング周期、またはスイッチングサイクル、Ｔｓｗである。スイッチング周期Ｔｓｗの半分が、サンプリング周期、Ｔｓｍｐである。各サンプリング周期では、ゲーティング信号ｇａｐ、ｇａｎ、ｇｂｐ、ｇｂｎ、ｇｃｐ、およびｇｃｎが、次に続くサンプリング周期に対して決定される。
【００２７】
[0035]制御システム３０８は、センシングモジュール２０において入力電圧νＡおよびνＢを検知する電力システム電圧位相追跡アルゴリズム１８をやはり含む。入力電流は、センシングモジュール２４において検知され、そしてＤＣリンクの電圧は、センシングモジュール２６において検知される。検知データフィルタ２２が、入力電圧および電流に適用され、所望のフォーマットへと、例えば、直交座標またはａｂｃから極座標または静止ｄｑ座標、ｄチャネルおよびｑチャネル電圧および電流とも呼ばれる、へと変換される。
【００２８】
[0036]力率１を実現するために、従来型のＰＷＭコントローラは、アクティブコンバータ線電流の位相をソース電圧の位相に一致させる。力率１を達成するために、基準電流ｉｑ＿ｒｅｆは、電力システム無効および有効電流成分制御モジュール１６の電流検知ループ内でゼロに設定される。アクティブコンバータ２０２は、ＤＣリンク上に、８５０Ｖへと昇圧したＤＣ電圧を供給するように構成される。フル負荷動作において６３５Ｖ電源入力電圧で、コンバータは、１２００Ｖ定格の半導体スイッチについての定格限界内で動作することができ、そして例えば、８５０ＶＤＣの安定したＤＣリンク電圧を依然として維持することができる。これは、電源インピーダンスをまたぐ電圧降下のために普通である。しかしながら、少ない負荷では、許容可能な電圧レベルにインバータ出力を維持するために、ＤＣバス電圧は、８７０ＶＤＣまで上昇されなければならず、これは、従来の動作パラメータ下では、半導体スイッチにとってより高い定格電圧−すなわち、１７００Ｖ−を必要とするはずである。
【００２９】
[0037]同じ出力電圧を維持しかつ最大で８５０ＶＤＣにＤＣリンクを調節するために、基準電流ｉｑ＿ｒｅｆが、ゼロでない大きさまたは値に設定されてもよく、三相スイッチングネットワークを通る電流に無効成分を加えることができる。
【００３０】
[0038]図６および図７は、それぞれ、フル負荷（図６）および軽いまたは少ない負荷（図７）での、６３５Ｖ入力ｒｍｓ線電圧におけるＶＳＤ動作についてのベクトル表示を図示する。図６では、フル負荷でまたは近くで動作するＶＳＤを用いて、ＶＳＤ１０４の安定な動作を維持しながら、８５０ＶＤＣのＤＣバス電圧が、過変調技術を使用して達成可能である。図６は、例示的なフル負荷パラメータを示し、ＶＳＤがほぼ１４１０アンペアのフル負荷電流で動作することをともなう。インダクタＬｃに印加されるＡＣソース電圧（Ｖｉｎｐ）１０２は、４９８．４Ｖ位相電圧ピークである。インダクタＬｃをまたぐ電圧降下（Ｖｉｎｄ）は、２２．３Ｖ位相電圧ピークであり、入力電圧ベクトル（Ｖｉｎｐ）に直交する位相角をともない、ベクトルＶｉｎｐとＶｉｎｄとの和は、４９８．９位相電圧ピークのコンバータ電圧Ｖｃｏｎｖを生み出す。４９８．９ボルトのコンバータ電圧は、ＰＷＭ過変調技術を使用して図６に示した例ではこのように達成可能である。このように、フル負荷動作では、ＶＳＤは安定な動作を維持する。
【００３１】
[0039]次に図７を参照すると、この例では、ＶＳＤ１０４は、軽い負荷で、例えば、８９．７３アンペアの入力電流で動作している。８５０ＶＤＣのところにＤＣリンクを制御するために、Ｖｉｎｐは５１４Ｖピークであり、Ｖｉｎｄは１．４２Ｖピークである。したがって、Ｖｃｏｎｖは、５１４Ｖピークでなければならず、過変調ありでもなしでも達成できない大きさでなくてはならない。５１４Ｖに制御されるＶｃｏｎｖに関して、ＤＣバス電圧は、８７０ＶＤＣまで増加されなければならず、許容可能な信頼性で実現するために使用されるべき１７００Ｖ定格の半導体スイッチを通常必要とするはずである。１７００Ｖ半導体スイッチがＶＳＤ用途にとって望ましくないので、代替方法が、所望の動作パラメータを実現するために開示される。
【００３２】
[0040]図８を参照すると、８５０Ｖ  ＤＣバス電圧での安定なコンバータ動作を実現するために、８５０Ｖ  ＤＣバスで実現可能な値まで必要とされるコンバータ電圧（Ｖｃｏｎｖ）を低くする無効電流が導入されることがある。インダクタをまたぐ電圧ベクトルＶｉｎｄおよびＶｉｎｐが、必要とされるコンバータ電圧ベクトル（Ｖｃｏｎｖ）を生み出す。システムに加えた無効電流を用いると、入力インダクタ電圧と入力線電圧とのベクトル和は、より低いＶｃｏｎｖ電圧（図８参照）を生み出す。図８に示した例では、９２アンペアの無効電流成分、Ｉｒを加えると、Ｖｉｎｄは、電流ベクトル（Ｉｔｏｔａｌ）に対して９０°の角度だけ位相シフトされ、これが８５０Ｖ  ＤＣバスで実現可能な５１２．６ＶのＶｃｏｎｃという結果になる。Ｉｉｎｐの無効電流成分は、コントローラ内の直交電流用の所定の大きさの基準電流（ｉｑ＿ｒｅｆ）を挿入することにより生成され、これがＶｉｎｄに関する所望の位相シフトΘを生成する。
【００３３】
[0041]制御システム３０８は、可変速駆動装置１０４の安定性の指標としてＤＣリンク電圧のＤＣリップルをモニタする。可変速駆動装置の負荷が大きいときには、ＤＣリンク電圧のリップルは比較的小さく、可変速駆動システムは、図６から図８の説明に示したように安定している。可変速駆動装置の負荷が大きくそして減少しているときには、ＤＣリンク電圧のリップルは、所定のしきい値リップルをやがては超えるであろう。電力システム無効および有効電流成分制御１６は、ＤＣリンク電圧を安定化させるために無効電流を注入し始める。さらなる負荷減少は、ＤＣリンク電圧のリップルが所定のしきい値リップルをやがては超えるという結果になり、ＤＣリンク電圧を安定化させしたがって可変速駆動装置１０４の安定性を安定化させるために電力システム無効および有効電流成分制御１６により注入される無効電流のさらなる増加を必要にしている。
【００３４】
[0042]逆に、可変速駆動装置１０４の負荷が小さくそして増加しているときには、注入した無効電流のレベルでＤＣリップルが第２の所定のしきい値リップルの下に減少すると、第２の所定のしきい値リップルが所定のしきい値リップルよりも小さく、電力システム無効および電流成分制御１６は、注入される電流の大きさを減少させる。このプロセスは、注入される無効電流がＤＣリンク電圧の安定性したがって可変速駆動装置の安定性を維持するためにもはや必要なくなるまで一連のステップで生じることがある。可変速駆動装置１０４の動作に関する図６から図８の説明を参照のこと。
【００３５】
[0043]ＰＷＭの例示的なバージョンが上に開示されるとはいえ、開示した方法およびシステムは、特定のＰＷＭ法に限定されない。他のＰＷＭ法が、「Ａ  Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  ＰＷＭ  Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ  ｉｎ  ＡＣ  Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ｓｐｅｅｄ  Ｄｒｉｖｅｓ」、Ｍ．Ｍａｌｉｎｏｗｓｋｉ  ｅｔ  ａｌ．、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．６（２００３年１１月）に開示されている。
【００３６】
[0044]用途が、明細書に記述したまたは図に図示した詳細または方法に限定されないことが、理解されるはずである。本明細書において採用した語法および用語は、説明だけの目的のためであり、限定するようには見なされるはずではないこともやはり理解されるはずである。
【００３７】
[0045]図に図示しそして本明細書において説明した例示的な実施形態が現在のところ好ましいとはいえ、これらの実施形態が単に例として提供されることが理解されるはずである。したがって、本出願は、特定の実施形態に限定されないだけでなく、それにも拘わらず別記の特許請求の範囲の範囲内になる様々な修正形態にまで広がる。任意のプロセスまたは方法のステップの順番または順序は、代替の実施形態にしたがって変えられるまたは並べ替えられてもよい。
【００３８】
[0046]本出願は、その動作を行うための方法、システムおよび任意の機械可読媒体上のプログラム製品を考慮している。本出願の実施形態は、この目的もしくは別の目的のためにまたは結線接続されたシステムにより組み込まれた、既存のコンピュータプロセッサを使用して、または適切なシステム用の専用コンピュータプロセッサにより実装されてもよい。
【００３９】
[0047]様々な例示的な実施形態に示したような可変速駆動装置の構成および配置が、単に例示であることに留意することが重要である。２、３の実施形態だけが、この開示では詳細に説明されてきているとはいえ、この開示を概観する者は、多くの修正形態（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状およびプロポーション、パラメータの値、取り付け方法、材料の使用、色彩、向き、等の変形形態）が、特許請求の範囲に列挙された主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱せずに可能であることを容易に認識するであろう。例えば、一体的に形成したように示した要素は、多数の部品または要素から構成されてもよく、要素の位置は、逆にされるまたはそうでなければ変えられてもよく、そして個々の要素の性質もしくは数または位置は、変更されるまたは変えられてもよい。したがって、すべてのそのような修正形態は、本出願の範囲内に含まれるものとする。いずれかのプロセスまたは方法ステップの順番または順序は、代替実施形態にしたがって変えられるまたは並べ替えられてもよい。特許請求の範囲では、いずれかの手段プラス機能節は、列挙した機能を実行するように本明細書において記述した構造、および構造的な等価物だけでなく等価な構造も包含するものとする。他の置き換え、修正、変更および省略は、本出願の範囲から逸脱せずに例示的な実施形態の設計、動作条件および配置に行われてもよい。
【００４０】
[0048]本明細書の図が方法ステップの特定の順番を示すことができるとはいえ、これらのステップの順番は、描かれたものとは異なってもよいことが理解されることに留意すべきである。また２つ以上のステップが、同時にまたは部分的に同時に実行されてもよい。このような変形形態は、選択したソフトウェアおよびハードウェアシステムに、そして設計者の選択に依存するであろう。すべてのこのような変形形態は、本出願の範囲内であることが理解される。同様に、ソフトウェア実装形態は、様々な接続ステップ、処理ステップ、比較ステップおよび判断ステップを成し遂げるために、ルールベースの論理および他の論理を用いる標準プログラミング技術で成し遂げられてもよい。
本願発明の実施例には、以下の態様が含まれるが、これに限定されない：
［発明１］
電源から入力交流電力を受電するためのアクティブコンバータであって、前記入力交流電力を昇圧された調整ＤＣ電圧へと変換するように構成されたアクティブコンバータと、
前記コンバータにつなげられたDCリンクであって、前記DCリンクが前記ＤＣ電圧を受電しかつフィルタ処理するように、および前記コンバータからのエネルギーを蓄えるように構成されたDCリンクと、
前記DCリンク電圧を検知するため、および所定のDCリンク電圧を超えないように前記ＤＣ電圧を制御するために前記コンバータへ制御信号を与えるためのコントローラであって、前記コントローラが前記DCリンク電圧のリップルに応じてゼロでない無効入力電流値を加え、所定のDCリンク電圧を超えないように前記ＤＣ電圧を制御することが前記コンバータ内の固体デバイスの定格電圧を超えることを防止する、コントローラと、
前記電源と前記コンバータとの間につなげられたインダクタであって、前記入力電力が前記インダクタを通過し、位相電流が前記インダクタのコンバータ端のところで前記コントローラにより検知され、前記インダクタをまたぐ電圧降下がインダクタンス、前記位相電流および前記入力電源の周波数に基づいて前記コントローラにより決定される、インダクタと、
前記DCリンクに接続されたインバータであって、前記DCリンクからのＤＣ電圧を出力電力へと変換するように構成されたインバータと
を備える、可変速駆動装置。
［発明２］
前記可変速駆動装置の負荷が減少し、かつ前記DCリンク電圧のリップルが所定のしきい値リップルを超えると、制御システムが、前記DCリンク電圧を安定化させるために前記DCリンクに加えられる無効電流の値を増加させる、発明１に記載の可変速駆動装置。
［発明３］
前記可変速駆動装置の負荷が増加し、かつ前記DCリンク電圧のリップルが第２の所定のしきい値リップルよりも下に減少すると、制御システムが、前記DCリンク電圧を安定化させるために前記DCリンクに加えられる無効電流の値を減少させる、発明１に記載の可変速駆動装置。
［発明４］
前記コンバータが、８５０ボルトＤＣを超えない前記DCリンク電圧を調整するように制御される、発明１に記載の可変速駆動装置。
［発明５］
前記コンバータが、パルス幅変調型整流器として実装される、発明１に記載の可変速駆動装置。
［発明６］
前記コンバータが、過変調モードで動作する、発明５に記載の可変速駆動装置。
［発明７］
前記出力電力の形態が、交流電圧である、発明１に記載の可変速駆動装置。
［発明８］
前記出力電力の形態が、直流電圧である、発明１に記載の可変速駆動装置。
［発明９］
閉冷却剤ループにおいて接続された圧縮機、凝縮器、および蒸発器、ならびに制御システムと、
前記圧縮機に動力を与えるために前記圧縮機に接続されたモータと、
前記モータに接続された可変速駆動装置であって、電源から入力交流電力を受電するためのアクティブコンバータを備え、前記コンバータが前記入力交流電力を昇圧された調整ＤＣ電圧へと変換するように構成された可変速駆動装置と、
前記コンバータにつなげられたDCリンクであって、前記ＤＣ電圧を受電しかつフィルタ処理するように、および前記コンバータからのエネルギーを蓄えるように構成されたDCリンクと、
前記DCリンク電圧を検知するため、および所定のDCリンク電圧を超えないように前記ＤＣ電圧を制御するために前記コンバータへ制御信号を与えるためのコントローラであって、前記コントローラが前記DCリンク電圧のリップルに応じてゼロでない無効入力電流値を加え、所定のDCリンク電圧を超えないように前記ＤＣ電圧を制御することが前記コンバータ内の固体デバイスの定格電圧を超えることを防止する、コントローラと、
前記電源と前記コンバータとの間につなげられたインダクタであって、前記入力電力が前記インダクタを通過し、位相電流が前記インダクタのコンバータ端のところで前記コントローラにより検知され、前記インダクタをまたぐ電圧降下がインダクタンス、前記位相電流および前記入力電源の周波数に基づいて前記コントローラにより決定される、インダクタと、
前記DCリンクに接続されたインバータであって、前記DCリンクからのＤＣ電圧を前記モータに動力を与える出力へと変換するように構成されたインバータと
を備える、可変速駆動システム。
［発明１０］
前記可変速駆動装置の負荷が減少し、かつ前記DCリンク電圧のリップルが所定のしきい値リップルを超えると、前記制御システムが、前記DCリンク電圧を安定化させるために注入される無効電流の大きさを増加させる、発明９に記載の可変速駆動システム。
［発明１１］
前記可変速駆動装置の負荷が増加し、かつ前記DCリンク電圧のリップルが第２の所定のしきい値リップルよりも下に減少すると、前記制御システムが、前記DCリンク電圧を安定化させるために注入される無効電流の大きさを減少させる、発明９に記載の可変速駆動システム。
［発明１２］
前記コンバータが、８５０ボルトＤＣを超えない前記DCリンク電圧を調整するように制御される、発明９に記載の可変速駆動システム。
［発明１３］
前記コンバータが、パルス幅変調型整流器として実装される、発明９に記載の可変速駆動システム。
［発明１４］
前記コンバータが、過変調モードで動作する、発明１３に記載の可変速駆動システム。
［発明１５］
前記出力電力の形態が、交流電圧および直流電圧から構成される群から選択される、発明９に記載の可変速駆動システム。
［発明１６］
可変速駆動装置を制御する方法であって、
供給源から入力電力を受電するアクティブコンバータを用意するステップと、
前記入力電力が誘導部品を通過するステップと、
前記入力電力から昇圧された調整ＤＣ電圧を発生させるステップと、
前記ＤＣ電圧をフィルタ処理しかつエネルギーを蓄えるために、DCリンクへ前記ＤＣ電圧を給電するステップと、
前記ＤＣ電圧が所定の電圧を超えることを防止するために前記調整ＤＣ電圧発生を制御するステップと、
すべてのリップルを含め、前記DCリンクの前記電圧を検知するステップと、
前記リップルが所定のしきい値リップルを超える場合には、前記昇圧された調整ＤＣ電圧にゼロでない無効電流値を加えるステップと、
前記DCリンクからの前記ＤＣ電圧を出力電力へと変換するステップと
を含む、方法。
［発明１７］
前記可変速駆動装置の負荷が減少し、かつ前記DCリンク電圧のリップルが所定のしきい値リップルを超えると、制御システムが、前記DCリンク電圧を安定化させるために注入される無効電流の大きさを増加させる、発明１６に記載の方法。
［発明１８］
前記可変速駆動装置の負荷が増加し、かつ前記DCリンク電圧のリップルが第２の所定のしきい値リップルよりも下に減少すると、制御システムが、前記DCリンク電圧を安定化させるために注入される無効電流の大きさを減少させる、発明１６に記載の方法。
［発明１９］
前記ＤＣ電圧が所定の電圧を超えることを防止するために前記調整ＤＣ電圧発生を制御するステップが、８５０ボルトＤＣを超えない前記DCリンク電圧を調整するように前記コンバータを制御するステップを含む、発明１６に記載の方法。
［発明２０］
昇圧された調整ＤＣ電圧を発生させるステップが、パルス幅変調型整流器として前記コンバータを実装するステップを含む、発明１６に記載の方法。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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