(57)【要約】  実施例は、電動機駆動用インバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ、ＩＵＴ）のための電動機エミュレータに関し、電動機エミュレータは、前記ＩＵＴの出力電圧を少なくとも部分的に相殺するための電圧追従インバータ、及び前記ＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の推定電流に基づいて前記ＩＵＴの出力電流を制御する出力電流制御部を含んでよい。
2021512585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機駆動用インバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ、ＩＵＴ）のための電動機エミュレータ（Ｅｍｕｌａｔｏｒ）であって、
当該電動機エミュレータは、前記ＩＵＴの出力電圧を少なくとも部分的に相殺するための電圧追従インバータ、及び
前記ＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の推定電流に基づいて前記ＩＵＴの出力電流を制御する出力電流制御部を含む、電動機エミュレータ。
【請求項２】
前記電圧追従インバータは、
直流端子電圧源、
前記直流端子電圧源に並列接続されるとともに前記ＩＵＴの出力端子に電気的に接続された第１スイッチング部、及び
前記ＩＵＴの出力電圧と所定の閾値電圧に基づいて前記第１スイッチング部のスイッチングを制御する第１スイッチング制御部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電動機エミュレータ。
【請求項３】
前記第１スイッチング部は、直列接続された上相スイッチ及び下相スイッチを含み、
前記第１スイッチング制御部は、前記ＩＵＴの出力電圧と所定の閾値電圧とを比較して前記上相スイッチと下相スイッチとをスイッチすることを特徴とする、請求項２に記載の電動機エミュレータ。
【請求項４】
前記第１スイッチング制御部は、
前記ＩＵＴの出力電圧と前記所定の閾値電圧を入力される電子回路とで構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の電動機エミュレータ。
【請求項５】
前記出力電流制御部は、
前記ＩＵＴの出力端子に電気的に接続されたスイッチング回路、及び
前記ＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の特性に基づいてエミュレーション対象電動機の電流を推定し、推定電流に基づいて前記スイッチング回路のスイッチングを制御する第２スイッチング制御部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電動機エミュレータ。
【請求項６】
前記スイッチング回路は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されたことを特徴とする、請求項５に記載の電動機エミュレータ。
【請求項７】
前記スイッチング回路は、
フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路及び線形電力増幅器回路のうちの少なくとも一つで構成されたことを特徴とする、請求項５に記載の電動機エミュレータ。
【請求項８】
前記エミュレーション対象電動機の特性は、
電動機の鎖交磁束、磁気飽和及び空間高調波のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項５に記載の電動機エミュレータ。
【請求項９】
前記スイッチング回路に直流電圧を提供する独立の直流電圧源を更に含み、各相の独立の直流電圧源は互いに絶縁されたことを特徴とする、請求項５に記載の電動機エミュレータ。
【請求項１０】
前記ＩＵＴの出力端子と前記電圧追従インバータとの間に配置されたフィルタ部を更に含み、
前記フィルタ部は、単相インダクタ、３相インダクタ及び零相フィルタ（Ｚｅｒｏ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電動機エミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機エミュレータに係り、より具体的には、電動機駆動用インバータの出力電圧を相殺するインバータ及びエミュレーション対象電動機に対する電流を合成する回路で構成された電動機エミュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
リアルタイム電動機エミュレータ（Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ  Ｍｏｔｏｒ  Ｅｍｕｌａｔｏｒ）とは、電動機駆動用インバータ（ＩＵＴ、Ｉｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ）に結線されて実際の交流電動機の電流と類似の電流をインバータから出力させる装備である。図１は、従来の電動機エミュレータを示す。図１中の電動機エミュレータは、特許文献１（アメリカ登録特許  ＵＳ８５８７３２２  Ｂ２）に開示されており、１次側直流電圧を昇圧して２次側に出力できるように設計されていた。このような構造では、１次側電圧の中性点と２次側電圧の中性点の電位を同一にすることができ、その結果、電動機エミュレータの電圧変調可能領域をより広く確保できる。しかし、電動機の高速運転領域をエミュレートするために２次側直流電圧を昇圧した場合、２次側電圧が過度に大きくなって電動機エミュレータに用いられる半導体素子の耐電圧が非常に大きくなり得る。
【０００３】
電動機エミュレータによってエミュレートされる電流は、電動機の運転周波数帯域電流とスイッチング周波数帯域電流とに分けられる。エミュレーション対象電動機の基本波電気角周波数は、通常、最大１ｋＨｚ程度であるが、第５、第７高調波電流も制御に影響を及ぼし得る。したがって、制御性能の正確なエミュレーションのためには、０Ｈｚ〜７ｋＨｚ程度の周波数帯域の電流をエミュレートする必要がある。
【０００４】
スイッチング帯域を含む正確な電流エミュレーションのためには、次のような技術的な限界がある。
【０００５】
−電動機エミュレータは、ＩＵＴのスイッチング周波数帯域（通常５〜１０ｋＨｚ）の電流を合成するために十分に高いスイッチング周波数を有する必要がある。
【０００６】
−実電動機の磁束の空間高調波（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）による高調波電流とＩＵＴのスイッチング周波数電流とを合成するために適切な回路方式（Ｔｏｐｏｌｏｇｙ）及び高性能制御技法を用いる必要がある。
【０００７】
しかし、既存の電動機エミュレータの場合、スイッチング周波数が２０ｋＨｚ前後と比較的低く、回路方式や制御技法の限界から、実質的な電流エミュレーション可能帯域が最大約４ｋＨｚ程度に限定された。したがって、既存の電動機エミュレータの用途は、主にＩＵＴの耐久性検証（Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ）程度に限定されており、電動機の高調波電流及び制御の過度応答エミュレーションには限界があった。
【０００８】
２０ｋＨｚのスイッチング周波数の限界は、最近のＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ）素子技術の発展で克服された。高速スイッチングが可能な高電圧、大電流のＳｉＣ素子を電動機エミュレータに適用すれば、放熱条件によってはスイッチング周波数を１００ｋＨｚ以上に高められる。
【０００９】
しかし、スイッチング素子を変えるとしても、既存の電動機エミュレータの技術的な問題は依然として存在する。電動機エミュレータの高周波電流エミュレーション性能のために、電動機エミュレータのインダクタンスはエミュレーション対象電動機のインダクタンスと類似の値（０．９ｐｕ〜１．１ｐｕ）を用いた方がよいが、電動機エミュレータが合成しなければならない電圧指令の大きさは、インダクタンスが大きくなるにつれて大きくなる。したがって、中・高速の運転条件をエミュレートするためには、昇圧回路を介して直流端子電圧を更に大きくする必要がある。前述したように素子の耐電圧によって直流端子電圧の大きさが制限されるようになる。このように直流端子電圧が素子の耐電圧によって制限される場合、エミュレーション対象電動機の全ての運転条件をエミュレートできなくなる。
【００１０】
電動機エミュレータのインダクタンスを小さく（０．１ｐｕ〜０．３ｐｕ）すれば電圧不足の問題は解決されるものの、このときは、図２に示すような問題が生じるようになる。図２は、ＩＵＴの出力電圧がスイッチング（Ｏｎ−Ｏｆｆ）するときの電動機エミュレータの電流と実電動機の電流を示す。図２を参照すると、電動機エミュレータが電圧を合成するまでの間にデジタル信号処理によって２サンプル（ｓａｍｐｌｅ）の時間遅延（Ｔｉｍｅ  ｄｅｌａｙ）が生じ、該時間遅延の間は大きな電流リップルが発生する。該リップルの大きさがインダクタンスの大きさに反比例するため、電動機エミュレータのインダクタンスが小さくなるほど時間遅延による電流脈動は大きくなる。このような理由から、既存の回路方式を用いることによって電動機エミュレータのインダクタンスを低減することができず、これはエミュレーション可能な運転速度を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記の問題を克服するために、本発明では、電動機の中・高速の運転エミュレーションの際に直流端子電圧が不足することなく、デジタル制御により発生する電流脈動を低減させる方案を提案する。
【００１２】
本発明の技術的課題は以上で言及したことなどに限定されず、言及していない他の技術的課題は以下の記載から当業者にとって明確に理解できるはずである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施例に係る電動機駆動用インバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ、ＩＵＴ）のための電動機エミュレータ（Ｅｍｕｌａｔｏｒ）は、前記ＩＵＴの出力電圧を少なくとも部分的に相殺するための電圧追従インバータ、及び前記ＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の推定電流に基づいて前記ＩＵＴの出力電流を制御する出力電流制御部を含んでよい。
【００１４】
好ましい一実施例において、前記電圧追従インバータは、直流端子電圧源、前記直流端子電圧源に並列接続されるとともに前記ＩＵＴの出力端子に電気的に接続された第１スイッチング部、及び前記ＩＵＴの出力電圧と所定の閾値電圧に基づいて前記スイッチング部のスイッチングを制御する第１スイッチング制御部を含んでよい。
【００１５】
好ましい一実施例において、前記第１スイッチング部は、直列接続された上相スイッチ及び下相スイッチを含み、前記第１スイッチング制御部は、前記ＩＵＴの出力電圧と所定の閾値電圧とを比較して前記上相スイッチと下相スイッチとをスイッチしてよい。
【００１６】
好ましい一実施例において、前記第１スイッチング制御部は、前記ＩＵＴの出力電圧と前記所定の閾値電圧を入力される電子回路で構成されてもよい。ここで、前記電子回路は、アナログ回路であってよい。
【００１７】
好ましい一実施例において、前記出力電流制御部は、前記ＩＵＴの出力端子に電気的に接続されたスイッチング回路及び前記ＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の特性に基づいてエミュレーション対象電動機の電流を推定し、推定電流に基づいて前記スイッチング回路のスイッチングを制御する第２スイッチング制御部を含んでよい。
【００１８】
好ましい一実施例において、前記スイッチング回路は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されてもよい。
【００１９】
好ましい一実施例において、前記スイッチング回路は、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路及び線形電力増幅器回路のうちの少なくとも一つで構成されてもよい。
【００２０】
好ましい一実施例において、前記エミュレーション対象電動機の特性は、電動機の鎖交磁束、磁気飽和及び空間高調波のうちの少なくとも一つを含んでよい。
【００２１】
好ましい一実施例において、前記スイッチング回路に直流電圧を供給する独立の直流電圧源を更に含み、各相の独立の直流電圧源は互いに絶縁されたものであってよい。
【００２２】
好ましい一実施例において、前記ＩＵＴの出力端子と前記電圧追従インバータとの間に配置されたフィルタ部を更に含み、前記フィルタ部は、単相インダクタ、３相インダクタ及び零相フィルタ（Ｚｅｒｏ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）のうちの少なくとも一つを含んでよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の実施例に係る電動機エミュレータによれば、同じ直流端子電圧で従来よりも広い電圧変調領域を確保でき、且つエミュレーション可能な運転速度を上げることができ、より高いスイッチング周波数領域の電流まで精度よいエミュレーションが可能であるという利点がある。
【００２４】
これにより実現された電動機エミュレータは、電動機の可能な全ての運転条件を含む実験的に実現が危険であるか困難な動作条件でも、正常状態及び過度状態まで精度よくエミュレートすることができるので、ＩＵＴの耐久性検証だけではなく、ＩＵＴを用いた電動機制御性能、安全性検証にまで活用することができる。
【００２５】
本発明の効果は以上で言及した効果などに制限されず、言及していない他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者にとって明確に理解できるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、従来の電動機エミュレータを示す。
【図２】図２は、ＩＵＴの出力電圧がスイッチング（Ｏｎ−Ｏｆｆ）するときの従来の電動機エミュレータの電流と実電動機の電流を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施例に係る電動機駆動用インバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ、ＩＵＴ）のための電動機エミュレータのブロック図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例に係る電圧追従インバータを示す。
【図５】図５は、電圧追従インバータの任意の１つの相（ｘ）でのゲート信号の生成の例を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施例に係る出力電流制御部の詳細な回路図を示す。
【図７】図７は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータの簡略な回路図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の一実施例に係る電圧追従インバータとＩＵＴのスイッチング特性を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の一実施例に係る電圧追従インバータとＩＵＴのスイッチング特性を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、エミュレーションに用いられた電動機の出力曲線を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、エミュレーションに用いられた電動機の出力曲線を示す。
【図１０】図１０は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータのエミュレーション結果を示す。
【図１１】図１１は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータのエミュレーション結果を示す。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータのエミュレーション結果を示す。
【図１３】図１３は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータのエミュレーション結果を示す。
【図１４】図１４は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータのエミュレーション結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本明細書において用いられた用語は、単に特定の実施例を説明するために用いられたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数形の表現は、文脈上、明らかに別異に解されない限り、複数形の表現をも含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらの組み合わせが存在することを示すために用いたものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらの組み合わせたなどの存在または付加可能性をあらかじめ排除するものではないと理解されるべきである。
【００２８】
本明細書に記述された実施例は、全体的にハードウェアであるか、部分的にハードウェアで部分的にソフトウェアであるか、または全体的にソフトウェアである側面を有し得る。本明細書において「部（ｕｎｉｔ）」、「モジュール（ｍｏｄｕｌｅ）」、「装置」または「システム」などは、ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ、またはソフトウェアなどのコンピュータ関連エンティティー（ｅｎｔｉｔｙ）を指す。例えば、本明細書において部、モジュール、装置またはシステムなどは、実行中のプロセス、プロセッサ、オブジェクト（ｏｂｊｅｃｔ）、実行ファイル（ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅ）、実行スレッド（ｔｈｒｅａｄ  ｏｆ  ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ）、プログラム（ｐｒｏｇｒａｍ）、及び／またはコンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）であってよいが、これらに限定されるものではない。例えば、コンピュータで実行中のアプリケーション（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）及びコンピュータの両方とも、本明細書の部、モジュール、装置、システムなどに該当し得る。
【００２９】
後述する本発明に係る詳細な説明は、本発明が実施できる特定の実施例を例示として示す添付の図面を参照する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるようにする上で十分且つ詳細に説明されている。本発明の種々の実施例は、互いに異なるものの、相互排他的である必要はないことが理解されるべきである。例えば、ここに記載されている特定の形状、構造、及び特性は、一実施例に関連して本発明の精神や範囲を逸脱することなく他の実施例で実現され得る。
【００３０】
また、各開示の実施例中の個々の構成要素の位置または配置は、本発明の精神や範囲を逸脱することなく変更されてよいことが理解されるべきである。したがって、後述する詳細な説明は、限定的な意味として捉えられるものではなく、また、本発明の範囲は、適切に説明されていれば、当該請求項で主張するのと均等な全ての範囲と共に添付の請求項だけによって限定される。図中の類似の参照符号は、種々の側面に亘って同一か類似の機能を指し示す。
【００３１】
図３は、本発明の一実施例に係る電動機駆動用インバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ、ＩＵＴ）のための電動機エミュレータのブロック図である。図１を参照すると、電動機エミュレータ１０００は、ＩＵＴの出力電圧ｖa、ｖb、ｖcを少なくとも部分的に相殺するための電圧追従インバータ１００及びＩＵＴの出力電圧ｖa、ｖb、ｖcとエミュレーション対象電動機１０００の推定電流に基づいてＩＵＴの出力電流ｉa、ｉb、ｉcを制御する出力電流制御部２００を含んでよい。
【００３２】
図３では、３相電動機と３相インバータを示しているが、本発明の電動機エミュレータが３相回路に制限されるものではなく、単相または他の多相（５相、６相、７相など）回路にも適用されてよい。
【００３３】
図４及び図５は、本発明の一実施例に係る電圧追従インバータ１００を示す。具体的には、図４は、各相の出力端子が接続された状態を示し、図５は、ある１つの相に対する具体化された回路図を示す。図５中のｘは、ａｂｃ相のうちのいずれか１つの相であってよい。
【００３４】
電圧追従インバータ１００は、ＩＵＴの出力電圧を少なくとも部分的に相殺することができる。
【００３５】
一実施例において電圧追従インバータ１００は、直流端子電圧源１００（ｖ２）及び直流端子電圧源１００に並列接続されるとともに前記ＩＵＴの出力端子に電気的に接続された第１スイッチング部１２０（１２０a、１２０b,１２０c）、及びＩＵＴの出力電圧と所定の閾値電圧に基づいて前記スイッチング部１２０のスイッチングを制御する第１スイッチング制御部１３０を含む。
【００３６】
図４を参照すると、直流端子電圧源１１０は、ＩＵＴの直流端子電圧源ｖ１と両端を共有する。第１スイッチング部１２０は、各相毎に２つのスイッチを含むスイッチ対１２０a、１２０b、１２０cを含んでよい。本明細書において、各スイッチ対を構成する２つのスイッチは、上相スイッチ１２１a、１２１b、１２１c及び下相スイッチ１２２a、１２２b、１２２cで表す。
【００３７】
図４に示したように、各相のスイッチ対１２０a、１２０b、１２０cは、並列接続され、上相スイッチと下相スイッチとは直列接続されてよい。上相スイッチと下相スイッチとの間にＩＵＴの各相の出力端子が接続されてよい。
【００３８】
第１スイッチング制御部１３０は、ＩＵＴの出力電圧ｖxと所定の閾値電圧ｖthとを比較して上相スイッチ１２１xと下相スイッチ１２２xとをスイッチすることができる。
【００３９】
図５を参照すると、ＩＵＴのｘ相出力電圧が、０〜ｖ１の間に設定された任意の閾値電圧ｖthを超えると、スイッチ対のうちの上相スイッチ１２１xはオンし、下相スイッチ１２２xはオフする。逆に、ＩＵＴのｘ相出力電圧がｖthよりも小さくなると、上相スイッチ１２１xはオフし、下相スイッチ１２２xはオンする。このとき、電圧追従インバータ１００とＩＵＴが直流端子を共有しているため（スイッチングだけ同時になされると）、電圧追従インバータは、ＩＵＴの出力電圧を少なくとも部分的に相殺することができる。
【００４０】
好ましい一実施例において、電圧追従インバータ１００は、ＩＵＴの出力電圧を全て相殺するように動作することができるが、本発明がこれに限定されるものではなく、ＩＵＴの出力電圧の任意の比率分だけ相殺するように動作することもできる。該任意の比率は、出力電流制御部２００の動作特性に応じて決められてもよい。例えば、電圧追従インバータ１００がＩＵＴの出力電圧の８０％を相殺し、残りの２０％は出力電流制御部２００の動作によって相殺してもよい。
【００４１】
図５に示すように、一実施例において、第１スイッチング制御部１３０はアナログ回路で構成されてもよいが、本発明がこれに限定されるものではない。なお、電動機エミュレータの性能において、電圧追従部１００にスイッチング信号が伝送されるまでの間に発生する遅延時間を最小化することが重要である。したがって、電圧追従インバータ１００のスイッチング信号はＣＰＵやＤＳＰの演算処理を介することなく、アナログ回路を介してデジタル遅延なしに伝送されることが好ましい。
【００４２】
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の一実施例に係る電圧追従インバータ１００とＩＵＴのスイッチング特性を示す。図８Ａにおいて、ＩＵＴと電圧追従インバータ１００の直流端子電圧は３１０Ｖであり、図８Ｂは、図８Ａの時間軸を１０倍拡大した図である。
【００４３】
図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、電圧追従インバータ１００がＩＵＴのスイッチングを４００ｎｓ内で追従し、ＩＵＴの出力電圧を完全に相殺する。したがって、電圧追従インバータ１００が正常に動作しているとすると、ＩＵＴがどのような電圧を合成したとしてもＩＵＴの出力電流が受ける影響は無視できるほどの水準になるということを確認することができる。
【００４４】
以上のように、電圧追従インバータ１００がＩＵＴの電圧を完全に相殺すると、ＩＵＴの出力電流は、出力電流制御部２００が合成する電圧によって決められ得る。
【００４５】
図６は、本発明の一実施例に係る出力電流制御部２００の詳細な回路図を示す。出力電流制御部２００は、エミュレーション対象電動機の電流を合成するものであって、ＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の推定電流に基づいて前記ＩＵＴの出力電流を制御することができる。
【００４６】
図６を参照すると、出力電流制御部２００は、ＩＵＴの出力端子に電気的に接続されたスイッチング回路２１０（２１０a、２１０b、２１０c）及びＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の特性に基づいてエミュレーション対象電動機の電流を推定し、推定電流と実際に測定した電流に基づいて前記スイッチング回路のスイッチングを制御する第２スイッチング制御部２２０を含んでよい。
【００４７】
図６において、スイッチング回路２１０をフルブリッジ回路として図示したが、これは、本発明の種々の実施例の一つの例に過ぎず、スイッチング回路２１０としては、ハーフブリッジ回路または線形電力増幅器回路などの種々の回路が用いられてよい。以下では、スイッチング回路２１０がフルブリッジ回路で構成された場合を例に挙げて説明する。
【００４８】
本発明の一実施例において、スイッチング回路２１０は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されたものであってもよい。ＩＵＴスイッチング周波数の十倍である１００ｋＨｚスイッチング周波数でスイッチング回路２１０を動作させると、出力電流制御部２００は、１０ｋＨｚのＩＵＴスイッチング周波数帯域の電流まで合成することができる。また、電動機エミュレータ１０００の回路方式において、実際に負荷に印加される電圧は、一般的な３レベルコンバータによるものと同一であるので、電動機エミュレータによるスイッチング電流リップルも極めて小さくなる。また、電動機エミュレータ１０００の回路方式は、同一の直流端子電源を用いる一般的な３相コンバータに比べて約２〜３倍の電圧変調領域を有するので、既存の回路方式に比べて遥かに広い速度範囲にて電動機をエミュレートすることができる。
【００４９】
本発明の一実施例において、第２スイッチング制御部２２０は、スイッチング回路２１０及びＩＵＴの出力電圧とエミュレーション対象電動機の特性に基づいてエミュレーション対象電動機の電流を推定し、推定電流と実際に測定した電流に基づいて前記スイッチング回路のスイッチングを制御することができる。ここで、エミュレーション対象電動機の特性は、鎖交磁束参照表（Ｌｏｏｋ−Ｕｐ Ｔａｂｌｅ：ＬＵＴ）を含んでよい。鎖交磁束参照表は、電動機の磁気飽和、空間高調波などの電動機の磁気的な性質を含んでよい。
【００５０】
例えば、第２スイッチング制御部２２０は、ＩＵＴの出力電圧測定値を電動機の状態観測器の入力として用いるとともに鎖交磁束参照表に適用して電動機の電流及びトルクを推定することができる。また、第２スイッチング制御部２２０は、実ＩＵＴ電流が電動機モデルから推定した電流と同一になるように出力電流を制御することができる。また、第２スイッチング制御部２２０は、仮想の電動機のトルクと負荷トルクを用いて、慣性、摩擦係数、ねじり係数などによって決められる電動機の速度及び位置を推定することができる。
【００５１】
図６を参照すると、出力電流制御部２００は、各スイッチング回路２１０a、２１０b、２１０cに直流電圧を提供する独立の直流電圧源２３０（ｖ3a、ｖ3b、ｖ3c）を含んでよい。ここで、独立の直流電圧源２３０（ｖ3a、ｖ3b、ｖ3c）は互いに絶縁される。
【００５２】
図７は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータ１００の簡略な回路図である。図７を参照すると、独立の直流電圧源ｖ3a、ｖ3b、ｖ3cが高周波変圧器を用いたＤＣ／ＤＣコンバータで実現されたものが示されている。
【００５３】
スイッチング回路２１０の出力端子から見た電動機エミュレータ１００は、ＩＵＴの出力電圧と電圧追従インバータ１００の出力電圧との差分（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、すなわち、フィルタインダクタンス及び線路抵抗に印加される電圧が存在するが、電圧追従インバータ１００が十分にＩＵＴに追従している場合、両出力電圧の差分は極めて小さい。
【００５４】
したがって、スイッチング回路２１０が電動機エミュレータ１０００から消費する有効電力は極めて小さい。よって、前述した独立の直流電圧源が出力電流制御部に供給する有効電力は、電動機エミュレータがエミュレートする電動機の電力容量の数％に過ぎない。また、無効電力発生分は、スイッチング回路の直流端子コンデンサＣが吸収するので、ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチングによるスイッチング回路の損失と電圧の差分によって生じる有効電力だけを供給すればよい。
【００５５】
したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力電力は、電動機エミュレータの電力容量の数％未満であり且つＤＣ／ＤＣコンバータを介して回生される電力がないので、電動機エミュレータのＤＣ／ＤＣコンバータは単方向電力供給方式でも実現可能である。
【００５６】
なお、図７に示したコンバータの形態は例示に過ぎず、三つの絶縁された電圧源を安定して得ることができる種々の実施例がこれに含まれ得る。すなわち、本発明の実施例において、互いに絶縁された独立の直流電圧源ｖ3a、ｖ3b、ｖ3cは、種々の形態で実現されてもよい。一例として、簡単な商用電源を、変圧器を用いて絶縁して適切な大きさの交流電圧にした後、整流回路を介して直流端子電圧を得ることもできる。
【００５７】
図３を再び参照すると、電動機エミュレータ１０００は、前記ＩＵＴの出力端子と前記電圧追従インバータとの間に配置されたフィルタ部３００を更に含んでよい。ＩＵＴの出力端子と電圧追従インバータ１００との間にフィルタ部３００が構成される場合、ＩＵＴの出力電流はフィルタ部３００の影響も受けることがある。フィルタ部３００は、単相インダクタ、３相インダクタ及び零相フィルタ（Ｚｅｒｏ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）のうちの少なくとも一つを含んでよいが、これらに限定されるものではない。なお、零相電流が流れ得ることから、フィルタ部３００は、零相フィルタを含むことが好ましい。
【００５８】
シミュレーション結果
本シミュレーションに用いられた電動機のハードウェア特性は下の表１の通りであり、出力曲線（Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ  ｃｕｒｖｅ）及び動作電流は、図９Ａ及び図９Ｂに示す通りである。図１０〜図１４は、本発明の一実施例に係る電動機エミュレータ１０００のシミュレーション結果を示す。
【００５９】
本シミュレーションにおいて、直流端子電圧は３１０Ｖであり、ＩＵＴのスイッチング周波数は１０ｋＨｚに選定され、電動機エミュレータ１０００のシミュレーション条件でフィルタインダクタのインダクタンスは８２μＨ（０．３ｐｕ）に選定し、電動機エミュレータ１０００のスイッチング周波数は１００ｋＨｚであり、サンプリングは２００ｋＨｚのダブルサンプリングを適用した。
【００６０】
【表１】
2021512585.tif 000003
【００６１】
図１０は、トルク制御状況のシミュレーション結果を示す図であって、電動機の速度は４２００ｒ／ｍｉｎであり、トルク指令は０、０．２５、０．５、０．７５、１（ｐ.ｕ.）と順次増加させている。本発明に係る電動機エミュレータを用いたとき、実電動機の駆動波形とほとんど差異がない程度に電動機が精度よくエミュレートできる。
【００６２】
図１１は、前記図１０の条件で実電動機と電動機エミュレータをそれぞれ駆動した場合における電流を示す。中間のグラフは、部分１１ａの拡大図であり、最後のグラフは、部分１１ｂの拡大図である。本発明に係る電動機エミュレータによって高周波の電流脈動まで正確にエミュレートできることがわかる。
【００６３】
図１２は、速度制御状況のシミュレーション結果を示す図であって、負荷トルクが０．１ｐ.ｕ.であり、速度指令を０、１０００、２０００、３０００、４０００（ｒ／ｍｉｎ）と順次増加させた結果である。本発明に係る電動機エミュレータによって仮想の機械慣性システムも正確にシミュレートできることがわかる。
【００６４】
図１３は、信号注入センサレス状況のシミュレーション結果を示す図であって、電動機速度が２００ｒ／ｍｉｎであり、トルク指令を２０ｐｕ／ｓスルーレート（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ）で０から３ｐ．ｕ．に増加させた結果である。本発明に係る電動機エミュレータによってセンサレス運転時における各推定性能と発散条件も正確にシミュレートできることがわかる。
【００６５】
図１４は、前記図１３の条件で実電動機と電動機エミュレータをそれぞれ駆動した場合における電流を示す。中間グラフは、部分１４ａの拡大図であり、最後のグラフは、部分１４ｂの拡大図である。
【００６６】
以上、本発明に関して、具体的な構成要素などのような特定事項と限定された実施例及び図面に基づいて説明してきたが、これらは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものであるに過ぎず、本発明が前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野における通常的な知識を有する者であれば、このような記載から種々な変更及び変形を図ることができる。
【００６７】
したがって、本発明の思想は、前記説明された実施例に限定されず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等に又は等価的に変形されたあらゆるものが本発明の思想の範囲に属するといえる。
【符号の説明】
【００６８】
１０００    電動機エミュレータ
１００    電圧追従インバータ
１１０    直流端子電圧源
１２０    第１スイッチング部
１２１    上相スイッチ
１２２    下相スイッチ
１３０    第１スイッチング制御部
２００    出力電流制御部
２１０    スイッチング回路
２２０    第２スイッチング制御部
２３０    独立の直流電圧源
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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