JP2012044785A - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デッドタイムの補償電圧の振幅を適切にチューニングすることができる電力変換器の制御装置を提供する。
【解決手段】電力変換器から電動機へ供給される電圧が前記電力変換器に設定されたデッドタイムによって歪むことを抑制するための補償電圧を記憶した記憶手段と、電流理想指令に対応した電圧指令に前記補償電圧を合算した合算電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御し、前記合算電圧指令に基づいた前記電動機の駆動力に過不足が生じた場合に、前記電力変換器から前記電動機に流れこむ駆動電流の値を調整することにより、前記駆動力を調整する調整手段と、前記駆動電流の値が調整されたときに前記駆動電流上に発生する電流脈動の値と前記電流理想指令との値の差が所定の基準値よりも小さくなるように、前記補償電圧の振幅を補正する補正手段と、を備えた。
【選択図】図３

Description

この発明は、コンバータやインバータ等の電力変換器を制御する電力変換器の制御装置に関するものである。

電力変換器のスイッチング方式には、正側と負側のスイッチング素子が同時に同通しないように、デッドタイムが設定される。このため、制御演算で求めた電圧指令値と電力変換により実際にＰＷＭ出力される電圧の値との間には、差が現れる。この差により、出力電圧が歪むとともに、電流脈動が発生する。

この問題を解決するために、電力変換器の出力電流の検出極性又は電流指令の極性を用いて、デッドタイムの補償電圧の極性を決定し、電流の大きさに応じて、補償電圧の振幅を決定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなものにおいては、設計段階でハードウエアの特性を測定して、補償電圧の振幅の基本値がチューニングされる。例えば、電力変換器のある相の出力電流が０となるように、電圧補償誤差を調整する特殊モードでの測定結果に基づいて、チューニングが行われる（例えば、特許文献２参照）。

特開平３−１３５３８９号公報 特開２０００−１８４７３２号公報

しかしながら、スイッチング素子のオンオフ時間のずれ等、ハードウエアの個体差等により、チューニングが適切に行われない場合がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、デッドタイムの補償電圧の振幅を適切にチューニングすることができる電力変換器の制御装置を提供することである。

この発明に係る電力変換器の制御装置は、電力変換器から電動機へ供給される電圧が前記電力変換器に設定されたデッドタイムによって歪むことを抑制するための補償電圧を記憶した記憶手段と、電流理想指令に対応した電圧指令に前記補償電圧を合算した合算電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御し、前記合算電圧指令に基づいた前記電動機の駆動力に過不足が生じた場合に、前記電力変換器から前記電動機に流れこむ駆動電流の値を調整することにより、前記駆動力を調整する調整手段と、前記駆動電流の値が調整されたときに前記駆動電流上に発生する電流脈動の値と前記電流理想指令との値の差が所定の基準値よりも小さくなるように、前記補償電圧の振幅を補正する補正手段と、を備えたものである。

この発明によれば、デッドタイムの補償電圧の振幅を適切にチューニングすることができる。

この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置が利用されるエレベータシステムの構成図である。 この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置に利用されるＴｄ補正演算手段のブロック図である。 デッドタイムの補償電圧の振幅が最適でない状態を説明するための図である。 デッドタイムの補償電圧の位相が最適でない状態を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置に利用されるＴｄ補正振幅演算手段のブロック図である。 この発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置に利用されるＴｄ補正位相演算手段のブロック図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置が利用されるエレベータシステムの構成図である。

図１において、１は電力変換器である。この電力変換器１は、コンバータ、直流母線、コンデンサ、インバータ（ともに図示せず）を備える。コンバータは、交流電力を整流して直流電力に変換する機能を備える。直流母線は、コンバータから入力された直流電力を伝達する機能を備える。コンデンサは、直流母線上の脈動電流等の影響を除去する機能を備える。インバータは、直流母線から入力された直流電力を適切な可変電圧可変周波数の交流電力に変換する機能を備える。

２は巻上機である。巻上機２は、エレベータの昇降路（図示せず）の上部に設けられる。巻上機２は、同期電動機３、綱車４、ブレーキ５を備える。同期電動機３のステータには、コイルが設けられる。コイルは、電力変換器１のインバータに接続される。一方、同期電動機３のロータには、永久磁石が設けられる。綱車４は、同期電動機３のロータの軸に設けられる。ブレーキ５は、綱車４の内側に設けられる。ブレーキ５は、綱車４の回転駆動を制動する機能を備える。

昇降路上部の綱車４近傍には、必要に応じて、そらせ車(図示せず)が設けられる。綱車４とそらせ車には、吊りロープ６が巻き回される。吊りロープ６の一端には、釣合い錘７が連結される。釣合い錘７は、昇降路内に配置される。一方、吊りロープ６の他端には、カゴ８が連結される。カゴ８も、昇降路内に配置される。なお、ローピングの方式は、１：１方式や２：１方式等任意である。また、トラクション式のエレベータに限らず、巻動式等のエレベータでもよい。

綱車４近傍には、エンコーダ９が設けられる。エンコーダ９は、同期電動機３の回転速度を検出する機能を備える。このエンコーダ９には、制御ブロック１０が接続される。制御ブロック１０は、回転速度・磁極位置演算手段１１、カゴ位置演算手段１２、カゴ負荷検出手段１３、速度パターン生成手段１４、速度制御器１５、電流制御器１６、２相３相変換器１７、Ｔｄ補正演算手段１８を備える。

上記エレベータにおいては、回転速度・磁極位置演算手段１１は、エンコーダ９の出力に基づいて、同期電動機３の回転速度および磁極位置を演算する。カゴ位置演算手段１２は、エンコーダ９の出力に基づいて、カゴ８の位置を演算する。カゴ負荷検出手段１３は、乗客を含むカゴ重量をカゴ負荷として計測する。速度パターン生成手段１４は、カゴ負荷、カゴ位置、次回停止位置情報に基づいて、カゴ８の速度パターンを生成する。

速度制御器１５は、速度パターン生成手段１４から得られた速度指令と回転速度・磁極位置演算手段１１から得られた回転速度とに基づいて、電流指令（ｑ軸電流指令）を演算する。電流制御器１６は、速度制御器１５から得られた電流指令と同期電動機３に流れ込む電流値（ｑ軸電流値）とを比較する。この比較結果と回転速度・磁極位置演算手段１１から得られた磁極位置とに基づいて、電流制御器１６は、適切な２相電圧指令を演算する。

この２相電圧指令は、２相３相変換器１７によって３相電圧指令に変換される。また、Ｔｄ補正演算手段１８は、速度制御器１５から得られたモータ周波数と電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌと同期電動機３に流れ込む電流値等に基づいて、電力変換器１に設定されたデッドタイムによって供給電圧が歪むことを防止するための補償電圧として、Ｔｄ補正量を演算する。そして、３相電圧指令にＴｄ補正量が合算された合算電圧指令に基づいて、電力変換器１は、同期電動機３のコイルに電流を供給する。

この電流供給により、同期電動機３のロータが回転する。この回転に追従して、綱車４が回転する。この回転に追従して、吊りロープ６が移動する。この移動に追従して、釣合い錘７とカゴ８とが互いに反対方向に昇降する。

次に、図２を用いて、Ｔｄ補正演算手段１８を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置に利用されるＴｄ補正演算手段のブロック図である。
図２に示すように、Ｔｄ補正演算手段１８は、Ｔｄ補正振幅演算手段１９とＴｄ補正位相演算手段２０とを備える。

Ｔｄ補正振幅演算手段１９には、速度制御器１５からモータ周波数と電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌが流れる。この電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌは、速度制御器１５から電流制御器１６に送出される電流指令と同じものである。また、Ｔｄ補正演算手段１８には、同期電動機３に流れ込む電流検出値が入力される。Ｔｄ補正振幅演算手段１９は、モータ周波数、電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌ、電流検出値に基づいて、デッドタイムの補償電圧の振幅を最適化する。最適化されたものは、第１Ｔｄ補正量として送出される。最適化完了時には、補正振幅調整完了信号が送出される。

Ｔｄ補正位相演算手段２０には、速度制御器１５からＴｄ補正振幅演算手段１９を介してモータ周波数が入力される。Ｔｄ補正位相演算手段２０には、Ｔｄ補正振幅演算手段１９を介して同期電動機３に流れ込む電流検出値が入力される。Ｔｄ補正位相演算手段２０には、Ｔｄ補正振幅演算手段１９から、第１Ｔｄ補正量と、補正振幅調整完了信号が入力される。Ｔｄ補正振幅演算手段１９は、モータ周波数、電流検出値に基づいて、デッドタイムの補償電圧の位相を最適化する。最適化されたものは、第２Ｔｄ補正量として送出される。

ここで、図３と図４とを用いて、デッドタイムの補償電圧が最適化されていない場合を説明する。
図３はデッドタイムの補償電圧の振幅が最適でない状態を説明するための図である。
図３の横軸は時間を表す。図３の縦軸は電流量である。

図３（ａ）には、デッドタイムの補償電圧の過小となっている場合の電流指令ｉｑｓが示される。この場合、同期電動機３はトルク（駆動力）不足となる。この状況は、電流帰還ループにより、一定期間補償される。この補償のため、電流脈動が発生する。すなわち、電流制御器１６により送出される電流指令ｉｑｓは、電流値がマイナスからプラスにゼロクロスする時点から一定期間上昇した後に下降する。この電流指令ｉｑｓの変化がモータ周波数の６倍周期で繰り返される。

図３（ｂ）には、デッドタイムの補償電圧の振幅が過大となっている場合の電流指令ｉｑｓが示される。この場合、同期電動機３はトルク（駆動力）過剰となる。この状況は、電流帰還ループにより、一定期間補償される。この補償のため、電流脈動が発生する。すなわち、電流制御器１６により送出される電流指令ｉｑｓは、電流値がマイナスからプラスにゼロクロスする時点から一定期間下降した後に上昇する。この電流指令ｉｑｓの変化がモータ周波数の６倍周期で繰り返される。

このように、電流制御器１６は、同期電動機３のトルク（駆動力）を調整する調整手段としても機能する。そして、本実施の形態においては、電流指令ｉｑｓの値と電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌとの値の偏差が所定のＴｄ補正量偏差基準値Ａよりも小さくなるように、Ｔｄ補正振幅演算手段１９がデッドタイムの補償電圧の振幅を補正する。

図４はデッドタイムの補償電圧の位相が最適でない状態を説明するための図である。
図４の横軸は時間を表す。図４の縦軸は電流量である。

図４には、デッドタイムの補償電圧の位相が遅れている場合の電流検出値ｉｑが示される。本来、電流検出値ｉｑの正負が逆転する時点で、デッドタイムの補償電圧の極性が反転する。しかしながら、デッドタイムの補償電圧の位相が遅れている場合、補正方向が逆となる。この状況は、電流帰還ループにより、一定時間補償される。この補償のため、電流脈動が発生する。すなわち、電流検出値ｉｑは、電流値がマイナスからプラスにゼロクロスする時点から一定期間下降した後に上昇したり、一定期間上昇した後に下降したりする。この電流検出値ｉｑの変化がモータ周波数の６倍周期で繰り返される。なお、デッドタイムの補償電圧の位相が進んでいる場合も同様である。

本実施の形態においては、電流検出値ｉｑの値と電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌとの値の差が所定のＴｄ補正量偏差基準値Ｂ以上である場合、Ｔｄ補正位相演算手段２０が電流検出値ｉｑの値の正負が逆転する時点から所定の位相基準時間Ｔｐｈ内に電流脈動が発生しているか否かを判定する。位相基準時間Ｔｐｈ内に電流脈動が発生していない場合、脈動電流が位相基準時間Ｔｐｈ内に発生するように、デッドタイムの補償電圧の位相が補正される。

次に、デッドタイムの補償電圧を最適化する方法を具体的に説明する。
まず、図５を用いて、補償電圧の振幅の最適化を説明する。
図５はこの発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置に利用されるＴｄ補正振幅演算手段のブロック図である。

図５に示すように、Ｔｄ補正振幅演算手段１９は、記憶手段２１、電流ゼロクロス判定手段２２、６倍周期判定手段２３、補正振幅過不足判定手段２４を備える。

記憶手段２１は、デッドタイムの補償電圧の値（設計Ｔｄ）を記憶する。電流ゼロクロス判定手段２２には、電流Ｉｕ、電流Ｉｖの検出値が入力される。電流ゼロクロス判定手段２２は、０から電流Ｉｕの値と電流Ｉｖの値を差し引いて、電流Ｉｗの値を求める。電流ゼロクロス判定手段２２は、電流Ｉｕの値、電流Ｉｖの値、電流Ｉｗの値がマイナスからプラスに判定するタイミングを判定する。

６倍周期判定手段２３には、モータ周波数が入力される。６倍周期判定手段２３は、モータ周波数が電流ゼロクロス判定手段２２で判定したタイミングと同期していることを判定する。これにより、デッドタイムの補償電圧の過不足により脈動電流が発生していることがわかる。すなわち、６倍周期判定手段２３は、脈動電流を検出する検出手段として機能する。

補正振幅過不足判定手段２４には、速度制御器１５から電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌが入力される。補正振幅過不足判定手段２４には、電流制御器１６から電流指令ｉｑｓが入力される。補正振幅過不足判定手段２４は、電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌと電流指令ｉｑｓとの偏差を演算する。補正振幅過不足判定手段２４は、演算した偏差とＴｄ補正量偏差基準値Ａとを比較する。

電流指令ｉｑｓ−電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌ＞＋Ａの場合、補正振幅過不足判定手段２４は、「＋ΔＴｄ」を選択する。電流指令ｉｑｓ−電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌ＞−Ａの場合、補正振幅過不足判定手段２４は、「−ΔＴｄ」を選択する。選択された各値は、記憶手段２１に記憶された補償電圧と合算される。この合算値は、第１Ｔｄ補正量として送出される。また、合算値によって、記憶手段２１内の補償電圧の値が書き換えられる。

｜電流指令ｉｑｓ−電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌ｜＜Ａの場合、補正振幅過不足判定手段２４は、「０」を選択する。この場合は、補正振幅調整完了信号が送出される。

本実施の形態においては、上記動作が繰り返される。これにより、デッドタイムの補償電圧の振幅が確定される。

次に、図６を用いて、補償電圧の位相の最適化を説明する。
図６はこの発明の実施の形態１における電力変換器の制御装置に利用されるＴｄ補正位相演算手段のブロック図である。

Ｔｄ補正位相演算手段２０は、極性判定手段２５、電流ゼロクロス判定手段２６、６倍周期判定手段２７、第１補正位相判定手段２８、第２補正位相判定手段２９を備える。

極性判定手段２５は、Ｉｕ極性判定手段２５ａ、Ｉｖ極性判定手段２５ｂ、Ｉｗ極性判定手段２５ｃを備える。Ｉｕ極性判定手段２５ａには、電流Ｉｕの検出値が入力される。Ｉｕ極性判定手段２５ａは、電流Ｉｕの極性からＴｄ補正量の補正方向を決定する。Ｉｖ極性判定手段２５ｂには、電流Ｉｖの検出値が入力される。Ｉｖ極性判定手段２５ｂは、電流Ｉｖの極性からＴｄ補正量の補正方向を決定する。Ｉｗ極性判定手段２５ｃには、電流Ｉｕの検出値、電流Ｉｖの検出値が入力される。Ｉｗ極性判定手段２５ｃは、０から電流Ｉｕの値と電流Ｉｖの値を差し引いて、電流Ｉｗの値を求める。Ｉｗ極性判定手段２５ｃは、電流Ｉｗの極性からＴｄ補正量の補正方向を決定する。

電流ゼロクロス判定手段２６には、電流Ｉｕの検出値、電流Ｉｖの検出値が入力される。電流ゼロクロス判定手段２６は、０から電流Ｉｕの値と電流Ｉｖの値を差し引いて、電流Ｉｗの値を求める。電流ゼロクロス判定手段２６は、電流Ｉｕの値、電流Ｉｖの値、電流Ｉｗの値がマイナスからプラス、あるいは、プラスからマイナスとなるタイミングを判定する。

６倍周期判定手段２７には、モータ周波数が入力される。６倍周期判定手段２７は、モータ周波数が電流ゼロクロス判定手段２６で判定したタイミングと同期していることを判定する。これにより、デッドタイムの補償電圧の過不足により脈動電流が発生していることがわかる。すなわち、６倍周期判定手段２７は、脈動電流を検出する検出手段として機能する。

第１補正位相判定手段２８には、速度制御器１５から電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌが入力される。第１補正位相判定手段２８には、電流制御器１６から電流指令ｉｑｓが入力される。第１補正位相判定手段２８は、電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌと電流指令ｉｑｓとの偏差を演算する。第１補正位相判定手段２８は、演算した偏差と所定のＴｄ補正量偏差基準値Ｂとを比較する。｜電流指令ｉｑｓ−電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌ｜＞Ｂの場合、第１補正位相判定手段２８は、補償電圧の位相が最適でないと判断する。

第２補正位相判定手段２９は、補正振幅調整完了信号が入力されているときのみ動作する。すなわち、補正振幅調整完了信号は、デッドタイムの補償電圧の位相を行う際のトリガ信号となっている。補償電圧の補正が最適でないと判断された場合、第２補正位相判定手段２９は、補償電圧の位相を補正する。

具体的には、偏差の発生が、電流ゼロクロス判定手段２６に判定されたタイミングよりもより位相基準時間Ｔｐｈ以上進んでいる場合、第２補正位相判定手段２９は、「＋Δθ」を選択する。偏差の発生が、電流ゼロクロス判定手段２６に判定されたタイミングよりもより位相基準時間Ｔｐｈ以上遅れている場合、第２補正位相判定手段２９は、「−Δθ」を選択する。偏差の発生が、位相基準時間Ｔｐｈ内の場合、第２補正位相は、「０」を選択する。

選択された値は、極性判定手段２５に決定された方向の位相に合算される。この位相に対応したＴｄ補正量が、最終的な第２Ｔｄ補正量として送出される。合算された位相は、デフォルト位相差として、極性判定手段２５に記憶される。

本実施の形態においては、上記動作が繰り返される。これにより、デッドタイムの補償電圧の位相が確定される。

以上で説明した実施の形態１によれば、電流脈動の値と電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌとの値の差が所定の基準値よりも小さくなるように、デッドタイムの補償電圧の振幅が補正される。このため、電圧を測定する機器を利用することなく、デッドタイムの補償電圧の振幅を最適にチューニングすることができる。これにより、設計段階のパラメータ確認において自動化が可能となる。すなわち、設計省力化を実現することができる。

電力変換器１の個体差による性能のばらつきを改善することができる。具体的には、インバータ側では、モータ周波数の６倍周期のトルク脈動の発生を抑制できる。このため、モータの振動を抑制できる。また、コンバータ側では、電源周波数の６倍周期の電源脈動を抑制できる。このため、高周波成分が電源側に伝播することを抑制できる。

また、駆動電流の値の正負が逆転する時点から所定の時間内に電流脈動が発生するように、補償電圧の位相が補正される。このため、デッドタイムの補償電圧の位相を最適にチューニングすることができる。

さらに、デッドタイムの補償電圧の振幅の補正が完了した後に、デッドタイムの補償電圧の位相が補正される。このため、パラメータ調整を効率的に行うことができる。

さらに、電流脈動の開始点が駆動電流の値の正負が逆転する時点に同期している場合に、脈動電流の発生が検出される。このため、突発的なノイズ等により、デッドタイムの補償電圧がチューニングされることを防止できる。

なお、電流理想指令Ｉｑｉｄｅａｌと比較する脈動電流の値として、電流制御器１６の電流指令Ｉｑｓの値、実際の電流検出値のどちらを使用しても、上記効果を得ることができる。

１ 電力変換器
２ 巻上機
３ 同期電動機
４ 綱車
５ ブレーキ
６ 吊りロープ
７ 釣合い錘
８ カゴ
９ エンコーダ
１０ 制御ブロック
１１ 回転速度・磁極位置演算手段
１２ カゴ位置演算手段
１３ カゴ負荷検出手段
１４ 速度パターン生成手段
１５ 速度制御器
１６ 電流制御器
１７ ２相３相変換器
１８ Ｔｄ補正演算手段
１９ Ｔｄ補正振幅演算手段
２０ Ｔｄ補正位相演算手段
２１ 記憶手段
２２ 電流ゼロクロス判定手段
２３ ６倍周期判定手段
２４ 補正振幅過不足判定手段
２５ 極性判定手段
２５ａ Ｉｕ極性判定手段
２５ｂ Ｉｖ極性判定手段
２５ｃ Ｉｗ極性判定手段
２６ 電流ゼロクロス判定手段
２７ ６倍周期判定手段
２８ 第１補正位相判定手段
２９ 第２補正位相判定手段

Claims (4)

1. 電力変換器から電動機へ供給される電圧が前記電力変換器に設定されたデッドタイムによって歪むことを抑制するための補償電圧を記憶した記憶手段と、
   電流理想指令に対応した電圧指令に前記補償電圧を合算した合算電圧指令に基づいて前記電力変換器を制御し、前記合算電圧指令に基づいた前記電動機の駆動力に過不足が生じた場合に、前記電力変換器から前記電動機に流れこむ駆動電流の値を調整することにより、前記駆動力を調整する調整手段と、
   前記駆動電流の値が調整されたときに前記駆動電流上に発生する電流脈動の値と前記電流理想指令との値の差が所定の基準値よりも小さくなるように、前記補償電圧の振幅を補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
2. 前記補正手段は、前記駆動電流の値の正負が逆転する時点から所定の時間内に前記電流脈動が発生するように、前記補償電圧の位相を補正することを特徴とする請求項１記載の電力変換器の制御装置。
3. 前記補正手段は、前記電流脈動の値と前記電流理想指令との値の差が所定の基準値よりも小さくなるように、前記補償電圧の振幅の補正を完了した後に、前記補償電圧の位相を補正することを特徴とする請求項２記載の電力変換器の制御装置。
4. 前記補正手段は、前記電流脈動の開始点が前記駆動電流の値の正負が逆転する時点に同期している場合に、前記電流脈動の発生を検出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電力変換器の制御装置。

Images