特許ウォッチ

公開番号2025077946
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-19
出願番号2024042864
出願日2024-03-18
発明の名称マルチインバータ駆動交流モータの給電における高調波の制御装置
出願人浙江大学,ZHEJIANG UNIVERSITY
代理人TRY国際弁理士法人
主分類H02M 7/493 20070101AFI20250512BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】マルチインバータ駆動交流モータの給電における高調波の制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置は、メインドライバと、信号プロセッサと、少なくとも1つのアクティブフィルタとを含み、信号プロセッサは、信号収集ユニットと、フィルタリングユニットと、制御ユニットと、変調ユニットとを含み、信号収集ユニットは、電流信号を取得するためのものであり、フィルタリングユニットは、電流信号内の干渉信号をフィルタアウトし、電流信号の波形を取得するか、又は電流信号に従ってフィードバック信号を生成するためのものであり、制御ユニットは、フィルタリングユニットへの入力前後の電流信号の波形に対しデータ処理を行って、電流信号の基本波電流の周波数及び位相を得て、目標高調波の調節ニーズに従って、目標高調波に必要な所与値を確定するものであり、変調ユニットは、電圧スイッチング信号をアクティブフィルタに出力するためのものである。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
マルチインバータ駆動交流モータの給電における高調波の制御装置であって、前記制御装置は、
モータを駆動して動作させるパワー電流を供給するためのメインドライバであって、交流母線に並列に接続され、前記交流母線を介して前記モータに電気的に接続されたメインドライバと、
少なくとも１つのアクティブフィルタであって、前記アクティブフィルタが前記交流母線に並列に接続され、前記アクティブフィルタと前記メインドライバとの両方により、前記モータを駆動するための電機子電流が形成され、前記アクティブフィルタは、前記モータの電機子電流内の高調波含有量が調整されて前記モータの電機子電流が所望の波形に改善されるように、高調波カスタマイズ電流を出力するためのものである少なくとも１つのアクティブフィルタと、
信号プロセッサと、を含み、
前記信号プロセッサは、
前記メインドライバのパワー電流と、前記アクティブフィルタの高調波カスタマイズ電流と、前記モータを駆動する電機子電流とが少なくとも含まれる電流信号を取得するための信号収集ユニットと、
前記電流信号内の干渉信号をフィルタアウトし、前記電流信号の波形を取得するか、又は前記電流信号に従って、前記アクティブフィルタを制御するためのフィードバック信号を生成するためのフィルタリングユニットと、
前記フィルタリングユニットへの入力前後の前記電流信号の波形に対しデータ処理を行って、前記電流信号の基本波電流の周波数及び位相を得て、目標高調波の調節ニーズに従って、前記目標高調波に必要な所与値を確定するための制御ユニットであって、前記所与値を前記アクティブフィルタに出力し、前記アクティブフィルタを制御して、前記所与値及び前記フィードバック信号に従って該当する電流制御を実行させる制御ユニットと、
前記電流制御の出力結果に従って、前記アクティブフィルタに出力される電圧スイッチング信号のパルス幅を変調するための変調ユニットとを含む
ことを特徴とする制御装置。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記アクティブフィルタには、少なくとも１つの電流コントローラが含まれ、前記アクティブフィルタにより前記電流コントローラを介して該当する次数の高調波カスタマイズ電流が制御され、前記電流コントローラは、前記メインドライバから出力される無効又は有害な電流高調波を補償するか、又は前記メインドライバが出力できない有効な電流高調波を注入するためのものである、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記電流コントローラは、比例共振コントローラであり、前記電流コントローラは、２次バンドパスフィルタとして最適化されることができ、前記目標高調波の周波数に従って、前記２次バンドパスフィルタの通過帯域が確定され、前記電流コントローラの開ループ伝達関数は、以下の関係式が満たされるものであり、
JPEG
2025077946000015.jpg
11
170
ここで、K
ik
は、ｋ次高調波に対する前記電流コントローラの共振係数を表し、K
pk
は、ｋ次高調波に対する前記電流コントローラの比例係数を表し、ω
e
は、基本波電流の角周波数を表す、ことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
ゼロ極相殺が満たされる場合、前記電流コントローラの閉ループ伝達関数は、２次バンドパスフィルタとして最適化されることができ、前記２次バンドパスフィルタの伝達関数に従って、前記２次バンドパスフィルタの通過帯域内に前記目標高調波の周波数が収まることが保証され、２次バンドパスフィルタの伝達関数は、以下の関係式が満たされるものであり、
JPEG
2025077946000016.jpg
11
170
JPEG
2025077946000017.jpg
5
170
は、前記電流コントローラに与えられるｋ次高調波電流の前記所与値であり、Ｌは、前記電流コントローラによって制御される前記アクティブフィルタ内の三相インダクタンスのインダクタンス値である、ことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
異なる前記電流コントローラを介して該当する高調波を前記アクティブフィルタが補償する場合、異なる前記電流コントローラは相互重畳され、且つ各前記電流コントローラのゼロ極相殺後の通過帯域は互いに重なる状態にならず、前記電流コントローラの相互重畳は、以下の関係式が満たされるものであり、
JPEG
2025077946000018.jpg
13
170
ここで、i
hn
は高調波の周波数を表す、ことを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
前記アクティブフィルタの直流側の母線電圧は、前記メインドライバの直流側の母線電圧以上、前記メインドライバの直流側の母線電圧の２倍以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項７】
異なる前記アクティブフィルタは、ハードウェア接続トポロジーが一致する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項８】
前記メインドライバには、三相フル制御ブリッジインバータが含まれ、前記三相フル制御ブリッジインバータの直流側が直流電源に接続され、前記三相フル制御ブリッジインバータの交流側が三相母線インダクタンスを介して前記交流母線に並列に接続され、前記三相フル制御ブリッジインバータの直流側には、大容量の直流フィルタリングコンデンサが設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項９】
前記制御ユニットは、前記フィルタリングユニットへの入力前後の前記電流信号の波形の差分に従って、前記電流信号の基本波電流の波形を確定し、前記制御ユニットは、前記基本波電流の波形に従って前記基本波電流の周波数及び位相を確定し、前記目標高調波のニーズに従って所与波形を確定し、
前記制御ユニットは、具体的に、前記所与波形と前記メインドライバのパワー電流内の高調波電流とを差分して第一偏差値を得るためのものであり、前記制御ユニットは、前記所与波形と前記モータの電機子電流内の高調波電流とを差分して第二偏差値を得て、前記第一偏差値と前記第二偏差値との合計に従って前記所与値を確定するためのものでもある、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項１０】
前記変調ユニットは、前記電流制御の出力結果をＳＶＰＷＭ方法で変調して電圧ＰＷＭスイッチング信号を形成し、前記ＰＷＭスイッチング信号を前記アクティブフィルタに送り出す、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーエレクトロニクス電流変換の領域に関し、特に、マルチインバータ駆動交流モータの給電における高調波の制御装置に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
産業の電気化が継続的に進むにつれて、より高いパワーやより高い周波数等の高い性能制御要件を満たすモータがより多く必要とされている。このような状況下では、従来のインバータのパワー容量及び従来のシングルインバータ駆動方式は、ますます限界を迎えている。
【０００３】
高性能の電流制御が必要なモータでは、例えば高い電流含有量、高い電流周波数、又は高性能制御による低いキャリア比を必要とする場合、インバータには、高いハードウェア要件が求められる。
【０００４】
高速モータを例にすると、高速モータは、その高周波電流特性により、高周波スイッチング可能なデバイスで制御される必要があり、従来のシングルインバータ駆動制御の状況下では、これに起因して、インバータには、非常に大きな電圧変調圧力がもたらされる。一方、例えばコンプレッサやタービンシステムのような大パワー牽引伝動システムでは、インバータの最高スイッチング周波数は、パワーエレクトロニクスデバイスのスイッチング周波数からの影響を受けるだけでなく、通常は放熱条件等の要因によっても制限され、モータの回転速度ととともに増加できない。このような状況下では、モータの回転速度が増加し続けると、モータの角周波数が徐々にインバータパワーデバイスのスイッチング周波数に近づき、インバータから出力される制御電圧の波形が低いキャリア比になるように変調されるため、モータの電機子巻線電流には、大量の低次高調波が含まれることになる。
【０００５】
関連技術において、主流の改良方向は、基本的にシングルインバータをベースにした改良であり、このような改良には、モータの三相母線へのパッシブフィルタリング装置の付装、マルチレベル技術を用いたインバータ設計、又は、インバータへのより高いターンオフ速度やより良好な放熱性能となるデバイスの取り替えが含まれる。
【０００６】
しかし、上記解決態様では、フィルタリング効果が十分に明らかではなく、システム内の高調波電流をある程度で抑制することしかできない。又は、より多くのパワーエレクトロニクスデバイスを使用する必要があり、信頼性要件が高く、コストが高く、運用及び保守が困難である。現在は、低いコスト及び優れたフィルタリング効果を両立させた高調波カスタマイズ態様は未だにない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行技術の欠点を解決するために、本発明の目的は、ハードウェアコストが低く、優れたフィルタリング効果を有するマルチインバータ駆動交流モータの給電における高調波の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願は、マルチインバータ駆動交流モータの給電における高調波の制御装置であって、前記制御装置は、
モータを駆動して動作させるパワー電流を供給するためのメインドライバであって、交流母線に並列に接続され、交流母線を介してモータに電気的に接続されたメインドライバと、
少なくとも１つのアクティブフィルタであって、アクティブフィルタが交流母線に並列に接続され、アクティブフィルタとメインドライバとの両方により、モータを駆動するための電機子電流が形成され、アクティブフィルタは、モータの電機子電流内の高調波含有量が調整されてモータの電機子電流が所望の波形に改善されるように、高調波カスタマイズ電流を出力するためのものである少なくとも１つのアクティブフィルタと、
信号プロセッサと、を含み、
前記信号プロセッサは、
メインドライバのパワー電流と、アクティブフィルタの高調波カスタマイズ電流と、モータを駆動する電機子電流とが少なくとも含まれる電流信号を取得するための信号収集ユニットと、
電流信号内の干渉信号をフィルタアウトし、電流信号の波形を取得し、又は電流信号に従って、アクティブフィルタを制御するためのフィードバック信号を生成するためのフィルタリングユニットと、
フィルタリングユニットへの入力前後の電流信号の波形に対しデータ処理を行って、電流信号の基本波電流の周波数及び位相を得て、目標高調波の調節ニーズに従って、目標高調波に必要な所与値を確定するための制御ユニットであって、所与値をアクティブフィルタに出力し、アクティブフィルタを制御して、所与値及びフィードバック信号に従って該当する電流制御を実行させる制御ユニットと、
電流制御の出力結果に従って、アクティブフィルタに出力される電圧スイッチング信号のパルス幅を変調するための変調ユニットとを含む
ことを特徴とする制御装置を提供している。
【０００９】
更に、アクティブフィルタには、少なくとも１つの電流コントローラが含まれ、アクティブフィルタにより電流コントローラを介して該当する次数の高調波カスタマイズ電流が制御され、電流コントローラは、メインドライバから出力される無効又は有害な電流高調波を補償するか、又はメインドライバが出力できない有効な電流高調波を注入するためのものである。
【００１０】
更に、電流コントローラは、比例共振コントローラであり、電流コントローラは、２次バンドパスフィルタとして最適化されることができ、目標高調波の周波数に従って、２次バンドパスフィルタの通過帯域が確定され、電流コントローラの開ループ伝達関数は、以下の関係式が満たされるものであり、
JPEG
2025077946000002.jpg
10
170
ここで、K
ik
は、ｋ次高調波に対する電流コントローラの共振係数を表し、K
pk
は、ｋ次高調波に対する電流コントローラの比例係数を表し、ω
e
は、基本波電流の角周波数を表す。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許