(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
前記双方向スイッチの両端電圧の極性を検出する手段と、
転流シーケンスによって生じる出力電圧の転流誤差量、及び検出された前記双方向スイッチの両端電圧の極性に基づいて前記転流誤差量の符号とを演算する手段と、
前記演算された符号付き転流誤差量に基づいて出力電圧指令を補正する手段を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項２】
交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
出力相に流れる電流を検出する出力電流検出回路と、
前記出力電流検出回路により検出された電流の方向を判別する出力電流方向検出回路と、
転流シーケンスによって生じる出力電圧の転流誤差量、及び検出された電流の方向に基づいて前記転流誤差量の符号とを演算する手段と、
前記演算された符号付き転流誤差量に基づいて出力電圧指令を補正する手段を備えたことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項３】
前記演算された転流誤差量は、前記交流電源の最小入力電圧相と最大入力電圧相との相間電圧絶対値に比例させたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のＰＷＭサイクロコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータのスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差を、メインＣＰＵもしくはスイッチングロジック作成部において補正を行い、出力電圧指令と実出力電圧との誤差を補正する、出力電圧補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＷＭサイクロコンバータは、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続しているために、三相交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換することが可能である。
しかしスイッチに流れている電流を強制的にスイッチングするために、独自のスイッチングシーケンスが必要である。以後、このスイッチングシーケンスを転流シーケンスと呼ぶ。ＰＷＭサイクロコンバータのスイッチングシーケンスに関しては本出願人により例えば特開平11-341807、特開2000-139076で開示されている。
この転流シーケンスの作成方法として、スイッチング素子の両端電圧の極性を判定する回路を用い、これにより得られたスイッチ間電圧極性信号を基に作成する方法と、スイッチング素子から流れ出る出力電流の向きを判定する出力電流方向検出回路により得られた出力電流方向信号を基に作成する方法などが挙げられる（例えば特開2000-2724、特開2001-165966）。
また転流シーケンスは、実際には出力されたＰＷＭ信号を基に、ロジック回路において作成されることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら転流シーケンスは、スイッチング素子のスイッチング時間を考慮して、ある一定の時間をかけて行う必要がある。そのため、本来出力されるべき出力電圧指令と、実際に出力される出力電圧との間に誤差が生じてしまう。
また、その誤差は電源の基準電圧の状態や、転流シーケンスの情報源となる、スイッチング素子の両端電圧の極性や、出力電流の向きなどに依存して発生する。
さらに、双方向スイッチに電流が流れると、半導体素子の特性上、電圧降下現象が発生する。この現象により、双方向スイッチ入出力間で電圧誤差が発生し、上記と同様な出力電圧誤差が生じてしまう。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＰＷＭサイクロコンバータのスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差、さらに双方向スイッチ内部の電圧降下に起因する出力電圧指令と実出力電圧との誤差を補正することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本発明は、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、入力電源電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記入力電圧検出回路により検出された電圧信号を基に作成された入力電源電圧情報信号作成回路とを備えたものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータにおいて、出力相に流れる電流を検出する出力電流検出回路と、前記出力電流検出回路により検出された電流の方向を判別する出力電流方向検出回路と、前記出力電流方向検出回路により検出された出力電流方向信号を基に双方向スイッチの切り替えの順序を変更するゲート信号作成回路とを備えたものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、スイッチ間電圧検出回路で双方向スイッチの両端の電圧を検出し、前記スイッチ間電圧検出回路により検出されたスイッチ間電圧極性信号を基にゲート信号作成回路で双方向スイッチの切り替えの順序を変更するものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、前記ゲート転流信号作成装置により作成されるゲート信号に、前記出力電流方向信号や前記スイッチ間電圧極性信号や前記入力電源電圧情報信号の情報を基に補正値を加減して指令電圧との出力電圧との誤差を補償するものである。
また、交流電源の各相と出力側の各々の相を自己消弧能力をもつ双方向スイッチで直接接続し、出力電圧指令に応じて交流電源電圧をＰＷＭ制御し、任意の交流及び直流電圧を出力するＰＷＭサイクロコンバータの制御方法において、前記出力電流方向信号や前記スイッチ間電圧極性信号や前記入力電源電圧情報信号の情報を基に、ゲート転流信号作成装置により発生する誤差分を、あらかじめＰＷＭ演算装置において補正するものである。
これにより、ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、電源電圧状態、またスイッチング素子間の電圧極性、もしくは出力電流方向をメインＣＰＵもしくは転流シーケンス作成ロジック部に取り込み、スイッチング素子間で行われる転流シーケンスによる出力電圧の誤差をあらかじめ予見し補正することで、出力指令電圧と実出力電圧との誤差の補正を行うことができる。
さらに、双方向スイッチ内部の電圧降下は、素子温度や流れている電流によってことなる。通常実機において、流れている電流や素子付近温度はメインコントローラに検出される。その電流値や温度を基に、あらかじめ用意した素子データより電圧降下を計算し、電圧指令において補正することで、本来出力したい指令どおりの電圧を出力することが可能となる。
また、前記誤差分（ΔＶ）を次式により求めることを特徴とする請求項４または５記載のＰＷＭサイクロコンバータの制御方法である。
ΔＶ＝(-1)nΔＥMAX（tC／Ｔ）
ただし、ΔＥMAXは最小入力電圧相と最大入力電圧相の相間電圧絶対値、tC  は転流時間、Ｔはキャリア周期、ｎ＝０（電圧極性信号が正の時）、ｎ＝１（  電圧極性信号が負の時）
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１はＰＷＭサイクロコンバータのハードウエア構成と、ＰＷＭ制御と本発明に必要な入力電圧と出力電流を検出するシステム構成を示す。図２はＰＷＭサイクロコンバータのスイッチング素子構造と双方向スイッチの転流シーケンス作成のための回路構成の一例を示す。図３は図１により検出された出力電流信号から、転流シーケンス作成に必要な出力電流方向信号を作成する回路構成を示す。図４はスイッチング素子の両端電圧極性をもちいて転流シーケンスを作成する際において、本発明を実施するためのシステム構成を示したものである。図５は出力電流の方向信号をもちいて転流シーケンスを作成する際において、本発明を実施するためのシステム構成を示したものである。図８は従来のスイッチング素子の両端電圧極性をもちいて転流シーケンスを作成するためのシステム構成を示したものである。図９は従来の出力電流の方向信号をもちいて転流シーケンスを作成するためのシステム構成を示したものである。
【０００６】
まず、図１について図中符号１は三相交流電源、２はＰＷＭサイクロコンバータ、３は駆動モータ、４1-3は電圧検出用トランス、５1-3は電流検出器、６1-3は入力電圧信号、７1-3は出力電流信号である。ＰＷＭサイクロコンバータは三相交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換しモータを駆動するものである。よって、入力の電圧の状態に応じてＰＷＭ信号を作成するため、入力電圧をリアルタイムに検出し、ＰＷＭ制御に用いる。また、出力電流も検出し、電流制御や速度推定に用いている。
次に、図２について、８1-9はスイッチング素子、９1-9はスイッチング素子両端電圧極性検出回路、１０1-9は９1-3により検出された電圧極性信号である。また、図３について、１１はコンパレータ、１２は１１より検出された出力電流方向信号である。ＰＷＭサイクロコンバータはスイッチング素子を用いて電源側と出力側と直接接続するため、出力電流の開放や電源電圧短絡などが起こらないようにスイッチ間において転流の順番を切り替える転流シーケンスが必要となる。その方法として、図２の１０より得られた電圧極性信号を基に転流を行う方法と、図３においてコンパレータ１１の出力より得られた出力電流方向信号１２を基に転流を行う方法が広く用いられている。
【０００７】
図６、図７はそれぞれ電圧極性信号を用いたものと、出力電流方向信号を用いた場合のＰＷＭサイクロコンバータのシステム構成図である。１３はメインコントローラ、１４は１３より得られた情報を基にＰＷＭ信号を作成するＰＷＭ信号作成部、１５は１４より得られたＰＷＭ信号を基に、それぞれ１０、１２の情報により転流シーケンスを作成する転流シーケンス作成ロジック部、１６ゲートドライバ、１７は主回路を示している。メインコントローラにて速度制御・電流制御等行い、電圧指令・電流指令を出力する。この指令を基にＰＷＭサイクロコンバータ独自のＰＷＭ信号をＰＷＭ信号作成部にて作成する。このＰＷＭ信号を基に、スイッチ間の転流の順序を決定する転流シーケンスを転流シーケンス作成ロジック部にて作成する。この信号をゲートドライバに入力し、主回路のパワー半導体素子を駆動する。
【０００８】
しかし、実際は転流シーケンスを作成する際に、シーケンスが複数のステップによって構成されるために誤差が生じ、実際に出力される電圧はメインコントローラにより出力された電圧指令と異なった電圧を出力してしまう。
これを解決する方法として、電圧極性信号を用いて転流シーケンスを作成する場合は図４のようにメインコントローラに電圧極性信号を入れ、図６中の転流誤差計算器１０1-3内で誤差計算を行う。転流の誤差は、スイッチングしている相のみに発生し、その誤差値ΔＶは発生原理より、
ΔＶ＝(-1)nΔＥMAX（tC／Ｔ）        （１）
となる。式(1)中、ΔEmaxは最小入力電圧相と最大入力電圧相の相間電圧絶対値、tcは転流時間、Tはキャリア周期を示している。また、電圧極性信号により、例えば電圧極性信号が正の場合はnを0に、負の場合はnを1と切り替えることで誤差値の正負を決定する。つまり誤差値ΔＶが電圧極性信号と同符号になるようにnを決める。
【０００９】
こうして求められた誤差値をメインコントローラより払い出された電圧指令から減算することで誤差を前向きに補正することができ、実際に出力される電圧は誤差なく指令電圧通りに出力することができる。
同様に出力電流方向信号用いて転流シーケンスを作成する場合も同様に転流誤差計算器１２1-3内で誤差計算を行う。その場合の発生誤差は原理より式(1)と同様になる。ただしこの場合は、電流方向信号によりnを0または1に切り替え、誤差値の正負を決定する。補正方法は上記と同様にして行う。
【００１０】
また、他の方法として、転流シーケンス作成ロジック部にて転流シーケンスを作成する際に、入力の電圧状況と転流情報から転流誤差が分かるので、ロジック部で転流の開始や終了をずらすことにより補正を行う。転流誤差は転流時間分のPWM幅が増減することにより発生するので、具体的方法としては、PWMの幅が広がる条件のときは転流開始時間を遅らせ、狭くなる条件のときは転流終了時間を遅らせることでそれぞれ調整が可能となる。
また、出力電流信号７1-3から求めた電流値と、あらかじめ用意した電圧降下値変換テーブルにより、双方向スイッチの入出力端子間電圧降下を演算する。この値をメインコントローラからの電圧指令に補正することで、誤差を前向きに補正することができ、実際に出力される電圧は誤差なく指令電圧通りに出力することができる。
【００１１】
【発明の効果】
ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、電源電圧状態、またスイッチング素子間の電圧極性、もしくは出力電流方向をメインＣＰＵもしくは転流シーケンス作成ロジック部に取り込み、スイッチング素子間で行われる転流シーケンスによる出力電圧の誤差をあらかじめ予見するようにしたので、ＰＷＭサイクロコンバータのスイッチ間電流転流時間に発生する転流誤差に起因する出力電圧指令と実出力電圧との誤差を補正することができる。
出力電圧の誤差は、ＰＷＭインバータにおけるデットタイムと同じような影響をもち、特にＶ／ｆ制御をもちいて高いキャリア周波数で運転する場合に、その悪影響が顕著になる。しかし、本発明を用いることで、ＰＷＭインバータのデットタイム補償と同じ効果を持ち、出力性能を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータの電圧電流検出システムを示す。
【図２】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータのスイッチング素子構造と電圧極性判別回路の構成を示す。
【図３】本発明を実施するための、出力電流方向判別回路の構成を示す。
【図４】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【図５】本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【図６】本発明を実施するための、出力電圧補正方法の一例を示す。
【図７】本発明を実施するための、出力電圧補正方法の一例を示す。
【図８】従来のＰＷＭサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【図９】従来のＰＷＭサイクロコンバータ制御部ハードウエア構成図の一例を示す。
【符号の説明】
１  三相交流電源
２  ＰＷＭサイクロコンバータ
３  モータ
４1-3  電圧検出用トランス
５1-3  電流検出器
６1-3  入力電圧信号
７1-3  出力電流信号
８1-9  スイッチング素子
９1-9  電圧極性判別回路
１０1-9  電圧極性信号
１１1-3  コンパレータ
１２1-3  出力電流方向信号
１３  メインコントローラ
１４  ＰＷＭ信号作成部
１５  転流シーケンス作成ロジック部
１６  ゲートドライバ
１７  主回路
【図１】
0003864834.tif 000002
【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】
0003864834.tif 000007
【図７】
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【図８】
0003864834.tif 000009
【図９】
0003864834.tif 000010