5-118

平成 31 年電気学会全国大会

バッテリーとキャパシタを直流バスにもつデュアルインバータモータドライブの MTPA 制御
笹谷

大音 慶明＊，野口 季彦(静岡大学)，卓也，山田 隆弘，風岡 諒哉（株式会社デンソー）

MTPA Control of Dual Inverter Motor Drive with Battery and Capacitor across DC-Buses
Yoshiaki Oto, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University),
Takanari Sasaya, Takahiro Yamada, Ryoya Kazaoka (DENSO CORPORATION)
Open-EndWinding Motor

１．はじめに近年，ハイブリッド車の燃費向上や自動運転技術に注目

Capacitor
150 VBattery
300 Vが集まる中，オープン巻線をもつ PM モータを 2 台のインバータで駆動するデュアルインバータ方式の研究が進めら

INV1 (u1, v1, w1)

れている。これまで，筆者らは一方のインバータ直流バス(u2, v2, w2) INV2Fig. 1. Studied dual inverter system.

バッテリーをキャパシタに置き換えたデュアルインバータ方式に注目し，その空間ベクトル変調法（SVM）を検討しSVM 1 Periodてきた。本論文では，検討回路において PM モータの MTPA

V0制御時の動作を実機検証により確認したので報告する。

V0in

V30(000)(011) (-)(110)(010) (-)(100)(000) (0)(111)(011) (-)

２．回路構成・・・(111)(011) (-)(100)(101) (+)(100)(111) (0)(100)(100) (+)

Fig. 1 に検討回路を示す。検討回路では，左側のインバー

V0in(000)(011) (-)

HoldDischarge(100)(100) (+)

ChargeDischarge

タを INV1，右側のインバータを INV2 とし，INV2 の直流(+): Charging Mode(-): Discharging Mode(0): Holding Mode

バスバッテリーをキャパシタに置き換えている。このとき，Capacitor Voltage Command

INV2 のキャパシタ電圧を INV1 のバッテリー電圧に対してFig. 2. Capacitor voltage control with SVM.

半分に制御する。また，スイッチングモードを(u1, v1, w1)

Current
Polarity B
U＋V＋W(u2, v2, w2)’と表記し，各相の上アームが ON している状態
V60を 1，OFF している状態を 0 として各レグを相補的にスイッチングする。

V60in

デュアルインバータのスイッチングモードには冗長性がIaVzあり，特定の電圧ベクトルを複数の異なるスイッチングモードで出力できる。したがって，Fig. 2 に示すように SVM

V0in

V300inのスイッチングパターンが構成されるとき，その SVM 周期V

Current
Polarity

Current
Polarity AU＋V0 VWIf

にて特定の電圧ベクトルを出力する際に，冗長なモードの中から適切にキャパシタを充放電するモードを選択することで，モータにマルチレベル電圧波形を形成しつつキャパCurrent
Polarity F
U＋
V
W＋＋: Current direction from INV1 to INV2－: Current direction from INV2 to INV1

シタ電圧一定制御を実現できる。

（1，1，0） （0，1，0）

U＋
W－

A

U＋Charging

U＋

Discharging

V＋U＋Charging

W－

W － Discharging
V－F（1，0，0） （1，0，1）

W－
V－

V330
V300

Redundant switching states generating V30
V＋

B

V30Ib

Capacitor Voltage

U＋V－
U＋Charging

W＋W ＋ Discharging

V－３．モータ瞬時力率とキャパシタ充放電モードの関係

Fig. 3. Relationship between capacitor charging/discharging
modes and instantaneous motor power factor.

しかし，本論文の制御対象はモータでありモータは誘導電流方向の関係を示す。また，デュアルインバータが出力性負荷であるため，SVM で出力した電圧ベクトルに対して可能な電圧ベクトルを黒色で示し，灰色で示した電圧ベク

モータ電流ベクトルの位相は遅れる。また，MTPA 制御でトル V を斜線部の領域に出力する場合を考える。このとき，は d 軸に負の電流を流すため，電圧ベクトルに対して電流電流ベクトルの位相は電圧ベクトルに対して最大で 90 度遅進角制御が行われる。

れるため，電流方向は A または F になる。さらに，MTPA

Fig. 3 の左にモータ電流ベクトルの位相と各相のモータ

2019/3/12～14

北海道

制御時の電流進角制御では電流方向が B になることも考え-207-©2019 IEE Japan

5-118平成 31 年電気学会全国大会6られる。Fig. 3 の右図は電圧ベクトル V30 を出力する冗長q-axis current iq (A)5な 2 つのスイッチングモードのキャパシタ充放電モードを示している。例えば，(1, 1, 0) (0, 1, 0)’は電流方向 A またはF のときキャパシタを放電するモードであるが，電流方向が B に変化するとキャパシタを充電するモードになる。し432
1

たがって，SVM によりマルチレベルの電圧波形を形成しつ

0-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0d-axis current id (A)つキャパシタ電圧を一定に制御する際には，モータの瞬時

Fig. 4. MTPA operating points.

力率を考慮して冗長なモードの中から適切にキャパシタを充放電するモードを選択しなければならない。特に，MTPA制御時には電流進角制御も考慮したモード選択が必要である。

４．実機検証結果
Fig. 5. Experimental setup.

MTPA 動作点にて電流制御する。電流振幅|i| = 1, 3, 5 A としたときの実験結果を Fig. 6 から Fig. 8 にそれぞれ示す。それぞれの図では上から順にモータ電流，キャパシタ電圧，U 相巻線両端電圧を表している。INV1 のバッテリー電圧が 300 V の場合のキャパシタ電圧指令値は 150±5 V であMotor Current(A)

543210-1-2-3-4
irms = 0.58 A-5180
170
160
150
140130120110
100
300

200
1000-100-200-300

10

結果よりモータの瞬時力率に応じて冗長なスイッチングモードの中から適切にキャパシタを充放電するモードを選択することで，MTPA 制御時に電流進角制御になった場合で304050Time (ms)2001000-100-200-300

iuiv
iw

Motor Current(A)

Motor Current(A)

irms = 1.76 A

2001000-100THD = 8.63 %-200
0102030-300
50 040

THD = 10.05 %1020304050Time (ms)543210-1-2-3-4irms = 2.88 A
-5180
170
160
150
140130
120
110
100
300

200
100
0-100-200-300

iuiv
iw

iuiv
iw

irms = 2.92 A

Capacitor Voltage
Vcap (V)

Motor Current
(A)

5432
10-1-2-3-4-5
180
170
160
150
140
130120110
100
300

U-Phase Voltage
Vu (V)

Motor Current(A)(3) 水越・芳賀：「デュアルインバータ駆動オープン巻線誘導機の低変調率時における電圧波形改善法」平成 29 年電気学会産業応用部門大会論文集，no. 3-51，pp. 257-260（2017）20(a) 800 r/min(b) 1600 r/min
Fig. 7. Experimental results at |i| = 3 A.

U-Phase Voltage
Vu (V)(2) 大音・野口・青山・笹谷・山田・風岡：「高変調時のマルチレベル電圧波形を改善するデュアルインバータの空間ベクトル変調法と実機検証」電気学会東海支部連合大会（2018）

THD = 9.41 %10Time (ms)Capacitor Voltage
Vcap (V)(1) 大音・野口・笹谷・山田・風岡：「Compensation for Multilevel
Voltage Waveform Generated by Dual Inverter System 」
ICEMS2018，pp. 1295-1300（2018）-300
50 0405iu 43iv 2iw 10-1-2-3irms = 1.73 A -4-5180
170
160
150140130120110100300

電圧を一定に制御できることを確認した。
献30543210-1-2-3-4-5180
170160150140130120110100300

も巻線にマルチレベルの電圧波形を形成しつつキャパシタ

文20Capacitor Voltage
Vcap (V)ュアルインバータによる MTPA 制御を実機検証した。実験

0-100-200

U-Phase Voltage
Vu (V)

一方のインバータ直流バスをキャパシタに置き換えたデCapacitor Voltage
Vcap (V)

５．まとめ

200
100(a) 800 r/min(b) 1600 r/min
Fig. 6. Experimental results at |i| = 1 A.

U-Phase Voltage
Vu (V)

パシタ電圧を一定に制御できることを確認した。

irms = 0.63 A

Time (ms)

ためキャパシタ電圧の指令値も変化している。実験結果よにより巻線にマルチレベルの電圧波形を形成しつつキャiuiviw

THD = 10.30 %0るが，実際は INV1 のバッテリー電圧がわずかに変動する
り，MTPA 制御時に電流進角制御になった場合でも，SVM

iuiv
iw

Capacitor Voltage
Vcap (V)

一定回転数に速度制御された供試モータを Fig. 4 に示した

5432
10-1-2-3-4-5180
170160150140130120110100
300

U-Phase Voltage
Vu (V)

圧指令値を Vdc2 = Vdc1/2±5 V とし，負荷モータによってCapacitor Voltage
Vcap (V)のバッテリー電圧を Vdc1 = 300 V，INV2 のキャパシタ電

U-Phase Voltage
Vu (V)

供試モータを 5 kVA のインバータ 2 台で制御する。INV1

Motor Current(A)Fig. 5. に実験装置の外観を示す。実機検証では 1 kW の200
1000-100-200

THD = 9.36 %0102030Time (ms)40-30050 0

THD = 9.26 %1020304050Time (ms)(a) 800 r/min(b) 1600 r/min
Fig. 8. Experimental results at |i| = 5 A.

2019/3/12～14

北海道-208-©2019 IEE Japan