JP2003259659A - 電圧形ｐｗｍインバータの電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電圧形ＰＷＭインバータの出力電流の基本波
成分の振幅値及び位相角を簡単に検出可能とする。 【解決手段】 電圧形ＰＷＭインバータ１００の直流側
電流を検出する電流検出器１０８と、インバータの半導
体スイッチング素子に対するパルスパターンからインバ
ータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出器
３０４と、二つのサンプリング時点における直流側電流
の検出値及び電圧ベクトル、並びにインバータの出力周
波数相当値を用いて、インバータの交流出力電流の基本
波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する出
力電流振幅値・位相演算器３０５と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電圧から交流
電圧を得る電圧形ＰＷＭインバータの交流出力電流成分
を検出するための電流検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧形ＰＷＭインバータの交流出力電流
を直流側電流から検出する方法としては、特開２０００
−３５４３８０号公報に記載されたモータ制御装置のよ
うに、インバータの直流側に接続したシャント抵抗を平
滑して第１の電圧平滑値を得ると共に、制御演算器から
発生されるインバータ出力電圧を表す電圧を平滑して第
２の平滑電圧値を求め、これら第１，第２の平滑電圧値
と直流電圧とを用いた演算によりインバータの直流側電
流を検出する方法がある。また、図示されていないが、
インバータ主回路の接続方法を変更し、インバータの下
アーム全ての還流ダイオードのアノードと下アーム全て
の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ等）のエミッタと
の間の電流のピーク値や平均値等を検出する方法があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の電流検
出方法は、何れもインバータの直流側電流の平均値やピ
ーク値を検出するものであり、ＰＷＭインバータの交流
出力電流成分（振幅値、相電圧に対する位相角）を検出
することはできなかった。そこで本発明は、電圧形ＰＷ
Ｍインバータの直流側電流等を用いて交流出力電流の振
幅値や位相角を検出するようにした電流検出装置を提供
しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】まず、三相ＰＷＭインバ
ータでは、出力電圧ベクトル（上下アームのスイッチン
グ素子のオンまたはオフ（ＰＷＭパルスパターン）に応
じた瞬時空間電圧ベクトル）Ｖ_０，Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，
Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６，Ｖ_７の状態に応じて、直流側電流ｉ
_ｄｃに各相の出力電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗが現れ、その関
係は表１のようになることが知られている。なお、表１
の「ＰＷＭパルスパターン」において、「０」は各相の
下アームの半導体スイッチング素子がオン（上アームの
スイッチング素子はオフ）の状態、「１」は各相の上ア
ームの半導体スイッチング素子がオン（下アームのスイ
ッチング素子はオフ）の状態を示している。

【０００５】

【表１】

【０００６】一方、ＰＷＭインバータの出力電流基本波
が正弦波であり、かつ定常状態であるという前提のもと
で、直流側電流のサンプリング間隔をΔｔ（時間）とす
ると、数式１、数式２の関係が成り立つ。

【０００７】［数１］ ｉ_（０）＝Ａ・sin（ω_１ｔ_（０）−α−φ）

【０００８】［数２］ ｉ_（１）＝Ａ・sin（ω_１ｔ_（１）−α−φ） ＝Ａ・sin（ω_１（ｔ_（０）＋Δｔ）−α−φ）

【０００９】数式１，数式２において、ｉ_（０）：第１
回目のサンプリング時（ｔ＝ｔ_{（０ ）}）における直流側
電流検出値、ｉ_（１）：第１回目から時間△ｔを隔てた
第２回目のサンプリング時（ｔ＝ｔ_（１））における直
流側電流検出値、Ａ：基本波成分の電流振幅値、ω_１：
基本波成分の角周波数、φ：相電圧に対する電流位相
角、α：各相電流の位相差（Ｕ相電流検出時：α＝０
°、Ｖ相電流検出時：α＝１２０°、Ｗ相電流検出時：
α＝２４０°）である。

【００１０】ここで、ＰＷＭパルスパターンからその時
点で出力されている電圧ベクトルが判明し、前述した表
１から、その時点の直流側電流がどの相の出力電流に相
当するかが判明する。このことを利用して、直流側電流
のサンプリング値を２つ用い、数式１、数式２から基本
波成分の電流振幅値及び電流位相角を求めることができ
る。

【００１１】すなわち、請求項１記載の発明は、電圧形
ＰＷＭインバータの直流側電流を検出する電流検出手段
と、前記インバータの半導体スイッチング素子に対する
パルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトル
を検出する電圧ベクトル検出手段と、二つのサンプリン
グ時点における前記直流側電流の検出値及び前記電圧ベ
クトル、並びに前記インバータの出力周波数相当値を用
いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振
幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相
演算手段と、を備えたものである。

【００１２】請求項２記載の発明は、電圧形ＰＷＭイン
バータのアーム電流を検出する電流検出手段と、前記イ
ンバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパタ
ーンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する
電圧ベクトル検出手段と、二つのサンプリング時点にお
ける前記アーム電流の検出値及び前記電圧ベクトル、並
びに前記インバータの出力周波数相当値を用いて、前記
インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電
圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段
と、を備えたものである。

【００１３】請求項３記載の発明は、電圧形ＰＷＭイン
バータのアーム電流を検出する第１の電流検出手段と、
前記アーム電流を検出していない他のアームにより構成
される回路の直流電流を検出する第２の電流検出手段
と、前記インバータの半導体スイッチング素子に対する
パルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトル
を検出する電圧ベクトル検出手段と、二つのサンプリン
グ時点における前記第１または第２の電流検出手段の電
流検出値及び前記電圧ベクトル、並びに前記インバータ
の出力周波数相当値を用いて、前記インバータの交流出
力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角と
を演算する振幅値・位相演算手段と、を備えたものであ
る。

【００１４】請求項４記載の発明は、請求項１または３
に記載した電圧形ＰＷＭインバータの電流検出装置にお
いて、前記振幅値・位相演算手段は、前記電圧ベクトル
検出手段により特定の電圧ベクトルを検出したときの前
記電流検出手段による電流検出値を用いて演算を行うも
のである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。まず、図１は請求項１に相当する本発明
の第１実施形態を示す回路図である。図１において、１
００は三相の電圧形ＰＷＭインバータであり、環流ダイ
オードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチ
ング素子１０１〜１０６をｕ，ｖ，ｗ相の上下アームに
それぞれ備えている。１０７は直流電圧Ｅ_ｄｃを有する
直流電源、Ｐ，Ｎは直流端子、１０８はスイッチング素
子１０２と直流端子Ｎとの間に設けられた電流検出器で
ある。また、前記上下アームの各相出力端子には、誘導
電動機等の三相の交流電動機２００が接続されている。

【００１６】一方、インバータ１００の出力電圧の角周
波数指令値ω_１が電圧指令発生器３０１に入力されてお
り、周波数と振幅が変化する電圧指令値が生成されて出
力される。なお、角周波数指令値ω_１は、後述する出力
電流振幅値・位相演算器３０５にも入力されている。

【００１７】上記電圧指令値と、キャリア波発生器３０
２から出力されたキャリア波とがＰＷＭ変調器３０３に
入力され、両者の比較によってＰＷＭパルスが演算され
る。このＰＷＭパルスはインバータ１００の各スイッチ
ング素子１０１〜１０６に与えられて電圧を発生し、そ
の出力電圧により交流電動機２００が駆動される。

【００１８】先の表１に示したように、インバータ１０
０の直流側電流ｉ_ｄｃは、電圧ベクトルすなわちＰＷＭ
パルスパターンに従って、電圧ベクトルＶ_０，Ｖ_７以外
は何れかの相の電流に等しい。ここで、ＰＷＭ変調器３
０３から出力されるＰＷＭパルスからＰＷＭパルスパタ
ーンが判明し、電圧ベクトル検出器３０４により電圧ベ
クトルＶ_０〜Ｖ_７が検出されることになる。

【００１９】そして、電流検出器１０８により検出した
直流側電流と電圧ベクトル検出器３０４により検出した
電圧ベクトルとを角周波数指令値ω_１と共に出力電流振
幅値・位相演算器３０５に入力し、前述の数式１、数式
２の関係から、基本波成分の電流振幅値Ａと相電圧に対
する位相角（電流位相角）φとを演算により検出する。

【００２０】すなわち、電流検出器１０８による電流検
出値がゼロでない限り、第１回目のサンプリング時に検
出した直流側電流ｉ_（０）がｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相
電流の何れであるかは電圧ベクトルに基づいて判定で
き、これがｕ相電流の場合には、数式１におけるα＝０
°、ｖ相電流の場合にはα＝１２０°、ｗ相電流の場合
にはα＝２４０°と置くことにより、数式１は電流振幅
値Ａ及び電流位相角φに関する２元１次方程式となる。
同様にして、第２回目のサンプリング時に検出した直流
側電流ｉ_（１）に関しても、この電流ｉ_（１）とそのと
きの電圧ベクトル及び角周波数指令値ω_１を用いること
により、数式２は電流振幅値Ａ及び電流位相角φに関す
る２元１次方程式となる。

【００２１】よって、これらの数式１、数式２を解け
ば、基本波成分の電流振幅値Ａ及び電流位相角φを求め
ることができる。なお、角周波数指令値ω_１の代わりに
角周波数検出値や定常状態における交流電動機２００の
速度検出値を用いても良い。

【００２２】次に、図２は請求項２に相当する本発明の
第２実施形態を示す回路図である。この実施形態では、
電流検出器をアーム電流検出器１０８Ａとして電圧形Ｐ
ＷＭインバータ１００Ａのアーム（例えばｕ相アーム）
に接続し、そのアームの電流検出値を出力電流振幅値・
位相演算器３０５に取り込むようにした点である。な
お、他の構成は図１と同様であるため、説明を省略す
る。

【００２３】本実施形態によれば、アーム電流検出器１
０８Ａにより検出される電流の相が固定されるので、出
力電流振幅値・位相演算器３０５によって演算される数
式１、数式２のαを固定することができ、第１実施形態
よりも演算処理を簡略化できる利点がある。

【００２４】図３は、請求項３に相当する本発明の第３
実施形態を示す回路図である。本実施形態では、電圧形
ＰＷＭインバータ１００Ｂが、１相のアームに設けられ
た第１の電流検出手段としてのアーム電流検出器１０８
Ａと、アーム電流が検出されていない他の２相のアーム
を有する回路の直流電流を検出する第２の電流検出手段
としての電流検出器１０８Ｂとを備えている。

【００２５】第２実施形態ではスイッチング素子１０２
がオフの期間はアーム電流検出器１０８Ａから電流が検
出されないため、結果的に検出応答性や精度が悪くなる
おそれがある。そこで本実施形態では、２つの電流検出
器１０８Ａ，１０８Ｂにより常時、電流を検出可能にし
てサンプル数を増やし、検出応答性や精度を向上させる
ようにした。なお、出力電流振幅値・位相演算器３０５
における演算内容は第１，第２実施形態と同様である。

【００２６】次に、請求項４に相当する本発明の第４実
施形態を説明する。この実施形態では、出力電流振幅値
・位相演算器３０５で電流振幅値Ａ及び電流位相角φを
演算する際に、特定の相電流が検出できる電圧ベクトル
が発生している時に検出した電流を演算に用いるもので
ある。

【００２７】例えば、図１または図３の構成において、
電圧ベクトル検出器３０４により電圧ベクトルＶ_１また
はＶ_４が検出される場合、そのときの電流検出器１０８
または１０８Ｂによる検出電流は前述の表１からｕ相電
流に相当することが明らかであり、これによって出力電
流振幅値・位相演算器３０５が前記数式１、数式２の演
算を行う時にα＝０°に固定することができる。同様に
して、電圧ベクトルにより直流側電流がｖ相電流または
ｗ相電流に相当する場合にもα＝１２０°または２４０
°に固定することができる。このため、数式１、数式２
の演算処理を簡略化することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電圧形Ｐ
ＷＭインバータのパルスパターンや直流側電流、アーム
電流等を用いることにより、インバータの交流出力電流
の振幅値や位相角を容易に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。

【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。

【図３】本発明の第３実施形態を示す回路図である。

【符号の説明】

１００，１００Ａ，１００Ｂ 電圧形ＰＷＭインバータ １０１〜１０６ 半導体スイッチング素子 １０７ 直流電源 １０８，１０８Ａ，１０８Ｂ 電流検出器 ３０１ 電圧指令発生器 ３０２ キャリア波発生器 ３０３ ＰＷＭ変調器 ３０４ 電圧ベクトル検出器 ３０５ 出力電流振幅値・位相演算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 吉弘 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 市原 孝男 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 樋口 新一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H007 AA12 BB06 CA01 CB02 CB05 DB02 DC02 EA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧形ＰＷＭインバータの直流側電流を検
   出する電流検出手段と、 前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパル
   スパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検
   出する電圧ベクトル検出手段と、 二つのサンプリング時点における前記直流側電流の検出
   値及び前記電圧ベクトル、並びに前記インバータの出力
   周波数相当値を用いて、前記インバータの交流出力電流
   の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算
   する振幅値・位相演算手段と、 を備えたことを検出する電圧形ＰＷＭインバータの電流
   検出装置。
2. 【請求項２】電圧形ＰＷＭインバータのアーム電流を検
   出する電流検出手段と、 前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパル
   スパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検
   出する電圧ベクトル検出手段と、 二つのサンプリング時点における前記アーム電流の検出
   値及び前記電圧ベクトル、並びに前記インバータの出力
   周波数相当値を用いて、前記インバータの交流出力電流
   の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算
   する振幅値・位相演算手段と、 を備えたことを検出する電圧形ＰＷＭインバータの電流
   検出装置。
3. 【請求項３】電圧形ＰＷＭインバータのアーム電流を検
   出する第１の電流検出手段と、 前記アーム電流を検出していない他のアームにより構成
   される回路の直流電流を検出する第２の電流検出手段
   と、 前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパル
   スパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検
   出する電圧ベクトル検出手段と、 二つのサンプリング時点における前記第１または第２の
   電流検出手段の電流検出値及び前記電圧ベクトル、並び
   に前記インバータの出力周波数相当値を用いて、前記イ
   ンバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧
   に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、 を備えたことを検出する電圧形ＰＷＭインバータの電流
   検出装置。
4. 【請求項４】請求項１または３に記載した電圧形ＰＷＭ
   インバータの電流検出装置において、 前記振幅値・位相演算手段は、前記電圧ベクトル検出手
   段により特定の電圧ベクトルを検出したときの前記電流
   検出手段による電流検出値を用いて演算を行うことを特
   徴とする電圧形ＰＷＭインバータの電流検出装置。