昇圧形マトリックスコンバータを用いた 永久磁石同期 ... - 長岡技術科学大学

昇 圧 形 マトリックスコンバータを 用 いた
永 久 磁 石 同 期 電 動 機 駆 動 システムの 有 効 性 の 検 討
◎ 小 岩 一 広 伊 東 淳 一
長 岡 技 術 科 学 大 学 工 学 部 電 気 電 子 情 報 工 学 専 攻
newkoiwa@stn.nagaokaut.ac.jp
1. はじめに
近 年 , 大 容 量 のエネルギーバッファを 用 いない
マトリックスコンバータ( 以 下 MC)の 研 究 が 盛 ん
に 行 われている (1) 。しかしながら,MC の 入 出 力
電 圧 比 は 0.866 に 制 限 される 問 題 がある。モータ
を 負 荷 とする 場 合 , 速 度 起 電 力 に 対 して 電 圧 が 低
く,モータ 性 能 が 低 下 する。 弱 め 磁 束 制 御 を 適 用
することで,モータ 性 能 を 上 げることが 可 能 であ
るが,モータ 電 流 が 増 大 し, 損 失 が 増 加 する。 著
者 らは MC の 電 圧 利 用 率 の 問 題 を 解 決 するため,
MC の 前 段 に V 結 線 チョッパを 接 続 する 方 式 を 提
案 した (1) 。
本 稿 では, 従 来 の MC( 以 下 CMC)に 対 する 提 案
回 路 の 有 用 範 囲 を, 効 率 の 観 点 から 検 討 する。 具
体 的 には,シミュレーションにより 3.7kW 埋 込
永 久 磁 石 同 期 電 動 機 ( 以 下 IPM モータ)を 駆 動 さ
せた 場 合 の 損 失 を 解 析 したので, 報 告 する。
2. 回 路 方 式 および 制 御 方 法
図 1 に 提 案 回 路 を 示 す。 提 案 回 路 では 昇 圧 機 能
を 実 現 するため,MC の 入 力 側 に V 結 線 型 の 交 流
チョッパを 接 続 する。チョッパを V 結 線 型 にす
ることで MC に 追 加 する 素 子 は 双 方 向 スイッチ 4
つのみとなる。よって, 提 案 回 路 は MC の 利 点 で
ある 小 型 化 を 維 持 できる。
図 2 に IPM モータの 弱 め 磁 束 制 御 適 用 時 のフ
ェーザ 図 を 示 す。ここで,e q は IPM モータの 逆
起 電 力 であり,v は 弱 め 磁 束 制 御 を 適 用 しない 場
合 の IPM モータ 端 子 電 圧 ,v’は 弱 め 磁 束 制 御 を 適
用 した 場 合 の IPM モータの 端 子 電 圧 である。IPM
モータの 弱 め 磁 束 制 御 は d 軸 に 負 の 電 流 を 流 す
と d 軸 電 機 子 鎖 交 磁 束 が 永 久 磁 石 の 磁 束 を 見 か
け 上 減 少 させるように 働 くことで 等 価 的 に 界 磁
を 弱 めることができ, 速 度 制 御 範 囲 を 拡 大 する 制
御 である。フェーザ 図 より, 次 式 が 成 り 立 つ。
eq
Vom
2
2
( ) ( Lqiq
)
id
Ld
ここで,V om は 誘 起 電 圧 の 上 限 値 である。
(1)
Fig. 1. Configuration of the proposed circuit.
Fig. 2. Vector diagram of field-weakening control.
3. シミュレーション 結 果
図 3(a)に CMC を 用 いて IPM モータを 回 転 させ
た 場 合 , 図 3(b)に 出 力 電 圧 が 240V のときの 提 案
回 路 のシミュレーション 結 果 を 示 す。ここで,モ
ータの 回 転 速 度 は 定 格 回 転 速 度 (1800rpm),d 軸 お
よび q 軸 電 流 は 定 格 電 流 (14.2A)でそれぞれ 規 格
化 した。 結 果 より,CMC は 高 速 領 域 において 弱
め 磁 束 制 御 が 適 用 されていることがわかる。 一 方 ,
提 案 回 路 は 高 速 領 域 でも 弱 め 磁 束 制 御 を 適 用 す
ることなく, 安 定 な 動 作 が 得 られている。IPM モ
ータのトルクは 次 式 で 表 せる。
T Pn
[
aiq
( Ld
Lq
) idiq
]
(2)
ここで,P n は 極 数 , a は 永 久 磁 石 による 鎖 交 磁
束 である。 図 3(a)は 弱 め 磁 束 制 御 を 適 用 し,d 軸
電 流 を 流 れている。 図 3(b)と 比 べると,d 軸 電 流
の 増 加 に 伴 いトルクを 一 定 に 保 つため,q 軸 電 流
が 減 少 している。

図 4 に 変 換 器 効 率 とモータ 効 率 を 考 慮 した 効
率 特 性 を 示 す。ただし,フィルタ 損 失 および 鉄 損
は 考 慮 していない。ここで, 機 械 出 力 は 2kW 一
定 である。また, 損 失 は 変 換 器 損 失 とモータの 1
次 銅 損 を 考 慮 した。 出 力 電 圧 が 240V で 制 限 され
る 提 案 回 路 の 最 高 効 率 は 回 転 速 度 が 1.11pu にお
いて 91.1%であり,CMC と 比 較 して 12%の 効 率
が 向 上 している。これは,CMC が 弱 め 磁 束 制 御
を 適 用 しており,モータ 負 荷 電 流 が 増 加 している
のに 対 して, 提 案 回 路 は 弱 め 磁 束 制 御 を 適 用 せず,
モータ 負 荷 電 流 が 増 加 しないため, 高 効 率 となる。
図 5 に 回 転 速 度 1.11pu において 各 変 換 器 で IPM
モータを 駆 動 させた 場 合 の 損 失 分 離 した 結 果 を
示 す。 提 案 回 路 はチョッパの 損 失 が 発 生 するが,
MC の 導 通 損 失 およびモータの 1 次 銅 損 が CMC
と 比 較 して 低 下 している。 以 上 より, 弱 め 磁 束 制
御 を 適 用 すると,モータ 負 荷 電 流 が 増 加 し, 損 失
が 増 大 することが 確 認 できる。したがって, 弱 め
磁 束 制 御 を 適 用 するより 昇 圧 機 能 を 付 加 した 方
が 高 効 率 を 実 現 できる。
4. 結 論
本 論 文 では,CMC および 昇 圧 機 能 を 付 加 した
MC で IPM モータを 駆 動 させた 場 合 の 損 失 を 解
析 した。その 結 果 , 提 案 回 路 の 効 率 は CMC と 比
較 して,12%の 効 率 向 上 を 確 認 した。
今 後 は, 以 上 のシミュレーションで 得 られた 知
見 を 実 機 で 検 証 する 予 定 である。なお, 本 研 究 の
一 部 は 平 成 21 年 度 産 業 技 術 研 究 助 成 事 業 の 支 援
を 受 けており, 関 係 各 位 に 感 謝 の 意 を 表 します。
Fig. 3. Operation waveforms in the simulation result.
90
86
82
78
74
参 考 文 献
Proposed circuit (240V)
Proposed circuit (200V)
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Rotating speed (p.u.)
Fig. 4. Efficiency characteristics.
Fig. 5. Property of the loss.
Conventional
matrix converter (173V)
(1) 小 岩 一 広 , 伊 東 淳 一 :「V 結 線 チョッパを 用 いた 昇 圧 形
マトリックスコンバータの 実 機 検 証 」 平 成 22 年 半 導 体 電
力 変 換 研 究 会 ,SPC-10-129,2010