(57)【要約】【課題】ＩＥＣ規格に応じる高力率な負荷駆動システムを提供する。【解決手段】３つのインダクタＬｆおよびＹ接続の３つの小コンデンサＣｆからなる３相ローパスフィルタが接続された３相電流源電力モジュールＣＳＣＭを含み、ＣＳＣＭの出力側は、自身が直列接続されたダイオードＤｄおよび負荷ＬＬが接続される小サイズのコンデンサＣｄに接続される並列な小サイズリアクトルＬｄに接続されている。【選択図】  図３
2004215407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相２レベル電力コンバータ回路（ＣＳＣＭ）と、
３相２レベル電力コンバータ回路（ＣＳＣＭ）の出力端子に接続された直流リアクトル（Ｌｄ）と、
３相２レベル電力コンバータ回路（ＣＳＣＭ）の出力端子に逆極性で接続された第１ダイオード（Ｄｄ）と、
平滑用コンデンサ（Ｃｄ）と、
平滑用コンデンサ（Ｃｄ）の端子間電圧を入力とする３相インバータ回路（ＶＳＩＭ）と、
３相２レベル電力コンバータ回路（ＣＳＣＭ）および３相インバータ回路（ＶＳＩＭ）を制御する制御手段と
を含むことを特徴とする３相ＰＡＭ負荷駆動システム。
【請求項２】
ＰＷＭスイッチングに起因する電流リプルをフィルタ処理する３相インダクター（Ｌｆ）および３つのコンデンサ（Ｃｆ）が系統電源に接続されている請求項１に記載の３相ＰＡＭ負荷駆動システム。
【請求項３】
前記３相２レベル電力コンバータ回路（ＣＳＣＭ）は、各相毎に、１つのスイッチング手段（Ｓ（ｃｏｎ））と、このスイッチング手段（Ｓ（ｃｏｎ））を挟んで順直列接続された２つの第２ダイオード（Ｄ１）（Ｄ２）と、スイッチング手段（Ｓ（ｃｏｎ））と並列に、逆直列接続された２つの第３ダイオード（Ｄ３）（Ｄ４）とを含んでいる請求項１に記載の３相ＰＡＭ負荷駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は３相ＰＡＭ負荷駆動システムに関し、さらに詳細にいえば、高入力力率で高効率に負荷を駆動する３相ＰＡＭ負荷駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、種々の消費物が電力供給ネットワークに接続されている。一方、これらの消費物は、電力の質の異なる要求を有している。他方、これらは、送電設備網上で種々の影響を有している。これらの影響は、電力の質に対するインパクトを有している。
【０００３】
ユーザーの高い環境の意識に送電設備網上で種々の影響を加えることは、エネルギー節約装置の要求を増加することになる。従って、インバーター技術と高効率モータの採択は、空気調和装置のような家庭電気器具製品だけでなく、種々の分野において成功する。
【０００４】
インバータ・テクノロジーの魅力的な点は、ドライブの全体的な効率を増加させて、エネルギー効率のために求められている速度でモーターを駆動する磁束最適化のための可変の出力周波数および電圧を生成する能力である。
【０００５】
他の分野の場合のように、インバーター技術は、低コスト／低パフォーマンスおよび高コスト／高パフォーマンスのブランドを有する。低コスト／低パフォーマンスのブランドはダイオードブリッジ、電解コンデンサおよびインバータからなる。ダイオードブリッジの入力は送電設備網に接続され、出力は、ユーザーデマンドにしたがう負荷エネルギー制御（例えば、モータ）のために用いられるインバータに給電する電解コンデンサに接続されている。高コスト／高パフォーマンスの技術は、送電設備網とインバータとの間に挟まれた力率修正回路からなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
慣習的に、中間および低い電圧分配ネットワークの中の電力素子は、ユーザー側の消費された電力品質を制御し、送電設備網側の影響を除去することによって効率を改善するのに用いられる。
【０００７】
最もよく知られたものは、図１に示すように、バックトゥーバックの電圧源インバータータイプである。この技術は、コストと効率においてまだ競争的でない。それも、直流電圧を、ゼロから入力電圧の最大値までは制御することができない。したがって、ＰＡＭとして知られているパルス振幅変調制御ストラテジーは、実現することができない。したがって、図２に示すように、送電設備網側電流源コンバータを使用することは、ある解決策として考慮されている。しかしながら、電流源トポロジーは、その貧しい効率パフォーマンスと高いコストにより知られている。現在、状況は、速い効率増加が起こっている電力装置技術の速い進展のために変わっている。しかし、コストは、限られた数のテクノロジー大量生産のために、さらに非競争的である。上記の変化を考慮して我々のテクノロジーを更新するために、我々は力率１の新しい高効率３相ＰＡＭ負荷ドライブ・システムを提案する。
【０００８】
【発明の目的】
この発明の目的は、ＩＥＣ規格に応じる高力率な負荷駆動システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の３相ＰＡＭ負荷駆動システムは、３相２レベル電力モジュールと、３相２レベル電力モジュールの出力端子に接続された直流リアクトルと、３相２レベル電力モジュールの出力端子に逆極性で接続された第１ダイオードと、平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサの端子間電圧を入力とする３相インバータ回路と、３相２レベル電力モジュールおよび３相インバータ回路を制御する制御手段とを含むものである。
【００１０】
請求項２の３相ＰＡＭ負荷駆動システムは、ＰＷＭスイッチングに起因する電流リプルをフィルタ処理する３相インダクターおよび３つのコンデンサが系統電源に接続されているものである。
【００１１】
請求項３の３相ＰＡＭ負荷駆動システムは、前記３相２レベル電力モジュールとして、各相毎に、１つのスイッチング手段と、このスイッチング手段を挟んで順直列接続された２つの第２ダイオードと、スイッチング手段と並列に、逆直列接続された２つの第３ダイオードとを含むものを採用するものである。
【００１２】
【作用】
請求項１の３相ＰＡＭ負荷駆動システムであれば、３相２レベル電力モジュールと、３相２レベル電力モジュールの出力端子に接続された直流リアクトルと、３相２レベル電力モジュールの出力端子に逆極性で接続された第１ダイオードと、平滑用コンデンサとでコンバータ装置を構成するので、直流電圧を広範囲にわたって変化させることができ、平滑用コンデンサの端子間電圧を入力とする３相インバータ回路によって、負荷を駆動するための交流電圧を得ることができる。
【００１３】
したがって、負荷としてモータを採用した場合に、高入力力率で高効率にモータを駆動することができる。また、系統側でアクティブに電力変換を行うので、出力負荷の広い範囲で入力力率を高く維持することができる。さらに、系統側の電力変換を３個のスイッチングトランジスタのみで構成しているので、コスト低減を達成することができ、しかも交流リアクトルを小さくできるので、小型化およびさらなるコスト低減を達成することができる。
【００１４】
請求項２の３相ＰＡＭ負荷駆動システムであれば、ＰＷＭスイッチングに起因する電流リプルをフィルタ処理する３相インダクターおよび３つのコンデンサが系統電源に接続されているのであるから、全範囲にわたってＩＥＣ規格を満足することができるほか、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００１５】
請求項３の３相ＰＡＭ負荷駆動システムであれば、前記３相２レベル電力モジュールとして、各相毎に、１つのスイッチング手段と、このスイッチング手段を挟んで順直列接続された２つの第２ダイオードと、スイッチング手段と並列に、逆直列接続された２つの第３ダイオードとを含むものを採用するのであるから、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の３相ＰＡＭ負荷駆動システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
この発明は、一般に電力回路に関し、さらに詳細には、電力の負荷への効率的な配送のための力率修正および３相ＡＣ／ＡＣ電力変換の回路に関する。
【００１８】
図３に示すこの発明の回路は、ＡＣからＤＣへの電力変換のために使用され、３つのインダクタＬｆおよびＹ接続の３つの小コンデンサＣｆからなる３相ローパスフィルタが接続された３相電流源電力モジュール（３相２レベル電力コンバータ回路）ＣＳＣＭを含む。ＣＳＣＭの出力側は、自身が直列接続されたダイオードＤｄおよび負荷ＬＬが接続される小サイズのコンデンサＣｄに接続される並列な小サイズリアクトルＬｄに接続されている。負荷ＬＬは可変交流電圧を発生するのに用いられる３相の電力モジュール３ＰＰＭであり得る。
【００１９】
３相電流源電力モジュールＣＳＣＭは、出力端子間に順接続ダイオードＤ１、スイッチングトランジスタＳ（ｃｏｎ）、および順接続ダイオードＤ２がこの順に直列接続されているとともに、１対の逆接続ダイオードＤ３、Ｄ４がスイッチングトランジスタＳ（ｃｏｎ）に対して逆極性となるよう直列接続されている各相分の回路を互いに並列接続し、１対の逆接続ダイオードＤ３、Ｄ４の接続点が対応するインダクタＬｆを介して３相交流電源の対応する相に接続されている。小サイズリアクトルＬｄは、好ましくは、ブースト／バック・モードのために使用される。ダイオードＤｄは、好ましくは、ブースト／バック・モードを助ける。
【００２０】
この発明によれば、３相の電流源コンバータモジュールが提案される。その出力電圧は、ゼロから入力電圧の最大値より高い電圧まで制御される。したがって、ＰＡＭ制御ストラテジーが使われ得る。
【００２１】
基本的モータ駆動およびその制御構成を図４に示す。
【００２２】
図４には、図３に示す回路（ただし、ダイオードＤｄと小サイズリアクトルＬｄとが入れ替えられている）におけるスイッチングトランジスタＳ（ｃｏｎ）を制御するための制御部が示されている。したがって、ここでは、制御部のみを説明する。
【００２３】
この制御部は、３相電流源電力モジュールＣＳＣＭ  の出力電流を検出する電流検出部ＩＤと、コンデンサＣｄの端子間電圧を検出する電圧検出部ＶＤと、３相交流電圧をΔ−Ｙ変換するΔ−Ｙ変換部ΔＹと、直流参照電圧出力部ＤＣｒと、直流参照電圧（直流指令電圧）から電圧検出部ＶＤにより検出された電圧ＶＬを減算する減算部ＳＴと、減算部ＳＴからの出力を入力として比例・積分演算を行うＰＩ演算部ＰＩと、Δ−Ｙ変換部ΔＹから出力される各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、ＶｃとＰＩ演算部ＰＩによるＰＩ演算結果とを乗算して各相乗算結果Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊（図５中Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊参照）を出力する乗算部Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃと、鋸歯状波を発生する鋸歯状波発生器ＳＧと、電流検出部ＩＤにより検出された電流ＩＬと鋸歯状波発生器ＳＧにより発生された鋸歯状波とを乗算して乗算結果Ｖｃａｒ（図５中Ｖｃａｒ参照）を出力する乗算部Ｍｒと、乗算部Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃから出力される各相乗算結果Ｖａ＊、Ｖｂ＊、Ｖｃ＊と乗算部Ｍｒから出力される乗算結果Ｖｃａｒとを比較し、比較結果信号Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａ（図５中Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａ参照）を出力するコンパレータＣＰａ、ＣＰｂ、ＣＰｃと、２つの比較結果信号を入力として所定の論理演算を行って対応する相のスイッチングトランジスタＳ（ｃｏｎ）に対する制御信号Ｓ（ｃｏｎ）  ａ、Ｓ（ｃｏｎ）ｂ、Ｓ（ｃｏｎ）ｃ｛図５中Ｓ（ｃｏｎ）  ａ、Ｓ（ｃｏｎ）ｂ、Ｓ（ｃｏｎ）ｃ参照｝を出力する論理ゲートＬＧａ、ＬＧｂ、ＬＧｃとを有している。
【００２４】
したがって、電圧検出部ＶＤにより検出される電圧ＶＤＣが直流参照電圧出力部ＤＣｒから出力される直流参照電圧（直流指令電圧）と等しくなるように制御信号Ｓ（ｃｏｎ）  ａ、Ｓ（ｃｏｎ）ｂ、Ｓ（ｃｏｎ）ｃを出力して各相のスイッチングトランジスタＳ（ｃｏｎ）を制御することができる。
【００２５】
この結果、負荷としてモータを採用した場合に、高入力力率で高効率にモータを駆動することができる。また、系統側でアクティブに電力変換を行うので、出力負荷の広い範囲で入力力率を高く維持することができる。さらに、系統側の電力変換を３個のスイッチングトランジスタのみで構成しているので、コスト低減を達成することができ、しかも交流リアクトルを小さくできるので、小型化およびさらなるコスト低減を達成することができる。また、全範囲にわたってＩＥＣ規格を満足することができる。
【００２６】
図６はコンバータ装置ＣＳＣＭとインバータ装置ＶＳＩＭとを組み合わせた回路構成の一例を示す図である。
【００２７】
この場合には、コンバータ装置ＣＳＣＭにより出力される直流電圧を大きく変化させることができるので（ステップアップのみならずステップダウンを行うことができるので）、定格電圧が大幅に異なるモータを駆動することができる。
【００２８】
図７はコンバータ装置ＣＳＣＭとインバータ装置ＶＳＩＭとを組み合わせた回路構成の他の例を示す図である。
【００２９】
この場合には、コンバータ装置ＣＳＣＭにより出力される直流電圧の可変範囲が図６の場合と比較して小さくなるので、駆動できるモータの定格範囲が図６の場合よりも狭くなる。
【００３０】
基本的モータ駆動およびその制御構成を図８に示す。
【００３１】
図８には、図６に示す回路のインバータ装置ＶＳＩＭにおけるスイッチングトランジスタＳ（ｉｎｖ）を制御するための制御部が示されている。なお、コンバータ装置ＣＳＣＭを制御する制御部の構成は図４の制御部と同様であるから説明を省略する。したがって、ここでは、インバータ装置ＶＳＩＭを制御する制御部のみを説明する。
【００３２】
この制御部は、２相分のインバータ出力電流Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流検出部ＩＤｖ、ＩＤｗと、２相分のインバータ出力電流Ｉｖ、Ｉｗを用いて他の１相のインバータ出力電流Ｉｕを算出する電流算出部ＩＤｕと、３相分のインバータ出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび位置センサ（図示せず）または位置検出装置（図示せず）により検出された回転子の磁極位置を示す位置信号θを用いて３相／２相変換を行い、ｄ軸電流ｉｄ０およびｑ軸電流ｉｑ０を出力する３相／２相変換部ＴＲ１と、ｄ軸電流ｉｄ０、ｑ軸電流ｉｑ０およびモータの回転速度ωを入力としてＶｑ０＝ωＬｄｉｄ＋ωφ、およびＶｄ０＝−ωＬｑｉｑ＋ωφの演算を行ってｄ軸電圧Ｖｄ０およびｑ軸電圧Ｖｑ０を算出する電圧算出部ＶＣと、効率指令η＊、オルタネーター回転速度ω、およびオルタネータートルクＴＭを入力として効率指令β＊を出力する効率指令テーブルＥＲと、効率指令β＊およびトルク指令ＴＭ＊を入力とし、かつＴＭ＊＝｛φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ＊｝ｉｑ＊、およびβ＊＝ｔａｎ−１（−ｉｄ＊／ｉｑ＊）を有して、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊、ｑ軸電流指令ｉｑ０＊を出力するオルタネーターモデルＡＭと、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊とｄ軸電流ｉｄ０との差を算出するｄ軸差算出部ＳＴｄと、ｑ軸電流指令ｉｑ０＊とｑ軸電流ｉｑ０との差を算出するｑ軸差算出部ＳＴｑと、ｄ軸差算出部ＳＴｄから出力される差信号を入力として比例・積分演算を行うＰＩ演算部ＰＩｄと、ｑ軸差算出部ＳＴｑから出力される差信号を入力として比例・積分演算を行うＰＩ演算部ＰＩｑと、ＰＩ演算部ＰＩｄからの出力とｄ軸電圧Ｖｄ０とを加算してｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を出力するｄ軸加算部ＡＤｄと、ＰＩ演算部ＰＩｑからの出力とｑ軸電圧Ｖｑ０とを加算してｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力するｑ軸加算部ＡＤｑと、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊および位置信号θを用いて２相／３相変換を行い、３相分の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを出力する２相／３相変換部ＴＲ２と、３相分の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、電圧検出部ＶＤにより検出される電圧ＶＤＣ、および２相分のインバータ出力電流Ｉｖ、Ｉｗを入力として従来公知の過電圧、過電流制御を行うとともに、指令制御を行って、３相分の制御信号を出力する制御部ＣＴＲと、三角波発生器ＴＷＧと、３相分の制御信号と三角波信号との差を算出してインバータ装置ＶＳＩＭの３相の上アームのスイッチングトランジスタに対するスイッチング指令Ｓ（ｉｎｖ）  ａ＋、Ｓ（ｉｎｖ）  ｂ＋、Ｓ（ｉｎｖ）  ｃ＋を出力する差算出部ＳＴａ、ＳＴｂ、ＳＴｃと、スイッチング指令Ｓ（ｉｎｖ）  ａ＋、Ｓ（ｉｎｖ）  ｂ＋、Ｓ（ｉｎｖ）ｃ＋を反転させてインバータ装置ＶＳＩＭの３相の下アームのスイッチングトランジスタに対するスイッチング指令Ｓ（ｉｎｖ）  ａ−、Ｓ（ｉｎｖ）  ｂ−、Ｓ（ｉｎｖ）  ｃ−を出力するインバータ部ＩＶａ、ＩＶｂ、ＩＶｃとを有している。
【００３３】
なお、この実施形態においては三角波発生器ＴＷＧを採用しているが、鋸歯状波発生器を採用することが可能である。
【００３４】
したがって、効率指令およびトルク指令に基づいてモータを制御することができる。また、ＰＡＭ制御とＰＷＭ制御との使用によって、適当な負荷電圧と電流とを生じさせることができる。さらに、正確な波形創造、速いダイナミックな応答を実現することができる。コンバータ制御により一定の直流電圧を保っている間、コンデンサＣｄが適当な制限の下で直流電圧リプルを保つために必要なエネルギー保管のために使われる。また、付加的な電力制御技術は、送電設備網側コンバータが良い精度と小さい遅れ時間を確実にして、特にコストおよび長寿命の面をもってコンデンサが小さくされた場合に直流電圧の大きな変化をもたらす入出力電力アンバランスを防止する。
【００３５】
いずれにせよ、直流電圧の変化は避けることができないだけでなく、出力パフォーマンスに影響を及ぼさない。そのリファレンスは、電力装置の最大の電圧によって受け入れられることができる最も許された値に落ち着いている。それゆえに、負荷側のパワー装置の実効電流は現象されることができ、さらに効率は増加される。
【００３６】
何れの実施形態においても、３相リアクトルは、高いスイッチング周波数に起因して、最小限のレベルまでサイズを低減できる。スイッチ数を減少させるとともに、送電設備網と負荷側で非常に効率的なダイオードを使用することによって、効率を高めることができる。
【００３７】
高いスイッチング周波数に起因するＡＣリアクトルサイズの大幅な低減、総スイッチ数の減少、定格低減、送電設備網と負荷との間での電力の流れの瞬時制御の採用によるＤＣリンクコンデンサの小型化によって、コストを低減することができる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１の発明は、負荷としてモータを採用した場合に、高入力力率で高効率にモータを駆動することができ、また、系統側でアクティブに電力変換を行うので、出力負荷の広い範囲で入力力率を高く維持することができ、さらに、系統側の電力変換を３個のスイッチングトランジスタのみで構成しているので、コスト低減を達成することができ、しかも交流リアクトルを小さくできるので、小型化およびさらなるコスト低減を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００３９】
請求項２の発明は、全範囲にわたってＩＥＣ規格を満足することができるほか、請求項１と同様の効果を奏する。
【００４０】
請求項３の発明は、請求項１と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のバックトゥーバックの電圧源インバータータイプの装置を示す図である。
【図２】従来の送電設備網側電流源コンバータを示す図である。
【図３】この発明の３相ＰＡＭ負荷駆動システムの系統側の回路構成を示す図である。
【図４】この発明の３相ＰＡＭ負荷駆動システムの系統側をより詳細に示す図である。
【図５】図４のシステムの要部の信号波形を示す図である。
【図６】この発明の３相ＰＡＭ負荷駆動システムの系統側および負荷側の回路構成の一例を示す図である。
【図７】この発明の３相ＰＡＭ負荷駆動システムの系統側および負荷側の回路構成の他の例を示す図である。
【図８】この発明の３相ＰＡＭ負荷駆動システムの負荷側をより詳細に示す図である。
【符号の説明】
ＣＳＣＭ  ３相電流源電力モジュール
Ｃｄ、Ｃｆ  コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄｄ  ダイオード
Ｌｄ  リアクトル
Ｌｆ  インダクタ
Ｓ（ｃｏｎ）  スイッチングトランジスタ
【図１】
2004215407.tif 000003
【図２】
2004215407.tif 000004
【図３】
2004215407.tif 000005
【図４】
2004215407.tif 000006
【図５】
2004215407.tif 000007
【図６】
2004215407.tif 000008
【図７】
2004215407.tif 000009
【図８】
2004215407.tif 000010