JP2004357358A - Inverter - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧指令信号に基づいてPWM信号を生成するインバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来からPWMインバータ装置が用いられている。このPWMインバータ装置は、出力電圧(相電圧)を指令する電圧指令信号と三角波信号などの搬送波信号とを比較してPWM信号を生成し、このPWM信号によりインバータ回路を構成する各スイッチング素子を駆動するようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このPWMインバータ装置は、出力電圧(線間電圧)を正弦波形にすることができるという利点があるが、その一方でスイッチング素子のオンオフ駆動に伴うスイッチング損失が増大し、インバータ装置の効率が低下するという問題が生じる。これに対しては、搬送波信号の周波数を低くすることが効果的であるが、単に低くするだけでは出力電圧に歪みが生じ、出力電圧ひいては出力電流の質が低下してしまう。
【0004】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、出力電圧、出力電流の歪みを抑えつつスイッチング損失を低減することができるインバータ装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載したインバータ装置は、複数のスイッチング素子を備え、これらスイッチング素子を通断電することにより交流電圧を出力するインバータ回路と、電圧指令信号に基づいて、各PWM周期がスイッチング素子の第1のオンオフ状態に対応した第1の期間と第2のオンオフ状態に対応した第2の期間とからなるPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、前記PWM信号の連続した複数のPWM周期を合わせた期間を補正PWM周期とし、その補正PWM周期が、前記連続した複数の各PWM周期における第1の期間を合わせた時間幅を持ち前記スイッチング素子の第1のオンオフ状態に対応した第1の期間と、前記連続した複数の各PWM周期における第2の期間を合わせた時間幅を持ち前記スイッチング素子の第2のオンオフ状態に対応した第2の期間とからなる補正PWM信号を生成する補正手段とを備え、前記複数のスイッチング素子のうち少なくとも1のスイッチング素子は、時間帯に応じて前記PWM信号および前記補正PWM信号の何れかを用いて駆動されるように構成されていることを特徴とする。
【0006】
この構成によれば、インバータ回路は、電圧指令信号に応じた交流電圧を出力する。そして、出力電圧(相電圧)のうちある時間帯(例えば、変化率が比較的小さくなる角度範囲として予め定められた所定の期間)においては、連続した複数のPWM周期を合わせた期間が1つの補正PWM周期となり、PWM周波数が補正前の基本PWM周波数の整数分の1となる。上記時間帯として出力電圧(相電圧)の変化率が比較的小さい時間帯が設定された場合には、PWM周波数を低くしても波形歪みが生じにくくなる。
【0007】
一方、別の時間帯(例えば、変化率が比較的大きくなる角度範囲として予め定められた所定の期間)においては、PWM周波数は基本PWM周波数のままとされるので、波形歪みが増大することはない。従って、時間帯を適当に設定することにより、出力電圧、出力電流全体について波形歪みが小さく抑えられるとともに、一部の期間においてPWM周波数を低下させた分だけスイッチング損失を低減することができる。請求項2に記載したインバータ装置についても、同様の作用、効果が得られる。
【0008】
請求項3および4に記載したインバータ装置は、ともに三相交流電圧を出力可能なインバータ回路を備えており、それぞれ2相変調および3相変調の電圧指令信号の変化率が小さくなる所定の期間にPWM周波数を下げた補正PWM信号を生成する構成を備えている。この所定の期間は、2相変調の場合には電圧指令信号の非ゼロ期間を0°から240°までとすればそのうちの60°から180°までの角度範囲であり、3相変調の場合には正弦波状の電圧指令信号の最大値を挟んで前後30°の角度範囲と最小値を挟んで前後30°の角度範囲とすることが好ましい。これにより、波形歪みが小さく且つ低損失の三相PWMインバータ装置が得られる。
【0009】
請求項5に記載したインバータ装置によれば、電圧指令信号の変化率に応じた数のPWM周期を合わせた期間が補正PWM周期となるので、出力電圧の変化率が小さくなるほど当該部分でのPWM周波数が低下する。このようにPWM周波数を段階的に可変制御すると、波形歪みの抑制とスイッチング損失の低減とをより細かく制御可能となる。
【0010】
請求項6に記載したインバータ装置によれば、交流電圧の1周期のうち第1の時間帯においては、プロセッサの第1の相の出力端子から基本PWM周波数を持つPWM信号が出力され、第2の相の出力端子から基本PWM周波数の整数分の1(=1/K(K=2、3、4、…))の周波数を持つPWM信号が出力される。また、第2の時間帯においては、第1の相の出力端子から基本PWM周波数の整数分の1の周波数を持つPWM信号が出力され、第2の相の出力端子から基本PWM周波数を持つPWM信号が出力される。その結果、第1の相電圧の変化率が小さい期間を上記第2の時間帯に対応させ、第2の相電圧の変化率が小さい期間を上記第1の時間帯に対応させた制御を行えば、上述したような波形歪みの抑制とスイッチング損失の低減を図ることができる。
【0011】
請求項7に記載したインバータ装置によれば、インバータ回路から出力される相電圧の1周期のうち第1の時間帯(例えば、電圧変化率が比較的小さくなる期間)において、プロセッサの出力端子から基本PWM周波数の整数分の1(=1/K(K=2、3、4、…))の周波数を持つPWM信号が出力され、第2の時間帯(例えば、電圧変化率が比較的大きくなる期間)において、プロセッサの出力端子から基本PWM周波数を持つPWM信号が出力される。これにより、波形歪みの抑制とスイッチング損失の低減を図ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1ないし図4を参照しながら説明する。
図1は、インバータ装置の電気的構成を示している。このインバータ装置1は、負荷として接続されたブラシレスモータ2を駆動するものであって、直流電源回路3、インバータ回路4、制御部5、ゲート駆動回路6および電流検出部7から構成されている。
【0013】
このうち直流電源回路3は、ダイオードブリッジ9とコンデンサ10、11とから構成される倍電圧整流回路であり、その入力端子にはリアクトル12を介して単相交流電源13が接続されるようになっている。この直流電源回路3は、電源線14、15に対し直流電圧を出力するようになっており、電源線14と15との間にはインバータ回路4が接続されている。
【0014】
インバータ回路4は、電源線14と15との間にIGBTQ1〜Q6を三相ブリッジ接続して構成されており、三相交流電圧を出力可能となっている。IGBTQ1〜Q3は上アーム側のスイッチング素子に相当し、IGBTQ4〜Q6は下アーム側のスイッチング素子に相当する。IGBTQ1〜Q6には、それぞれ図示極性の還流用のダイオードD1〜D6が接続(若しくは素子として一体に構成)されている。このインバータ回路4のU相、V相、W相の各出力端子4u、4v、4wには、それぞれブラシレスモータ2の巻線2u、2v、2wが接続されるようになっている。
【0015】
電流検出部7は、ホールICやホールセンサなどの電流センサ16u、16vから構成されている。これらの電流センサ16u、16vは、それぞれインバータ回路4から巻線2u、2vに流れる電流に応じた電圧を出力するようになっている。
【0016】
制御部5は、DSP(Digital Signal Processor)などの高速演算可能なプロセッサ17により構成されている。このプロセッサ17は、A/D変換器18、CPU19、ブラシレスモータ2を制御する実行プログラムが格納された書き換え可能な不揮発性メモリ20、一時的なデータが格納される揮発性メモリ21などを備えている。このプロセッサ17は、後述する補正PWM信号Cup、Cun、Cvp、Cvn、Cwp、Cwnを出力するための6つの出力端子を備えている。
【0017】
図2は、プロセッサ17の機能を表すブロック図である。すなわち、プロセッサ17は、そのハードウェア回路および不揮発性メモリ20に記憶されているプログラムやデータなどにより、検出電流演算部22、指令電流演算部23、電圧指令信号生成部24、PWM信号生成部25およびPWM補正部26としての機能を実現するようになっている。
【0018】
検出電流演算部22は、電流センサ16u、16vの出力電圧をA/D変換器18(前置増幅回路を含む)によってディジタルデータに変換し、ブラシレスモータ2の巻線2に流れる電流Iu、Iv、Iwを検出するものである。指令電流演算部23は、検出した電流Iu、Iv、Iwに基づいて例えばベクトル制御に係る演算を行い、指令電流Iur、Ivr、Iwrを演算するものである。このベクトル制御系は、速度制御ループと電流制御ループとを備えている。
【0019】
電圧指令信号生成部24は、指令電流Iur、Ivr、Iwrを用いて各相の出力電圧に応じた電圧指令信号Vu、Vv、Vwを演算するものである。本実施形態では2相変調方式を採用しており、これら電圧指令信号Vu、Vv、Vwの波形は図3に示すようになっている。PWM信号生成部25(PWM信号生成手段に相当)は、この電圧指令信号Vu、Vv、Vwと搬送波信号である三角波信号Scとの比較に基づいてPWM信号Dup、Dun、Dvp、Dvn、Dwp、Dwnを生成し、PWM補正部26(補正手段に相当)は、このPWM信号Dup、Dun、Dvp、Dvn、Dwp、Dwnに基づいて、補正PWM信号Cup、Cun、Cvp、Cvn、Cwp、Cwnを生成するものである。
【0020】
ゲート駆動回路6は、プロセッサ17から補正PWM信号Cup〜Cwnを入力してレベル変換を行い、IGBTQ1〜Q6のゲートに与える駆動信号Gup〜Gwnを生成するようになっている。IGBTQ1〜Q6は、それぞれ補正PWM信号Cup〜CwnがHレベルのときにオン駆動され、Lレベルのときにオフ駆動される。各相について、上アーム側の補正PWM信号と下アーム側の補正PWM信号が同時にHレベルとなることはなく、デッドタイム期間を除けば上アーム側の補正PWM信号と下アーム側の補正PWM信号の何れか一方がHレベルとなっている。
【0021】
なお、ブラシレスモータ2のロータ近傍には、ホールICなどから構成される位置検出器27が取り付けられており、電圧指令信号生成部24は、この位置検出器27からの位置信号に基づいて上記電圧指令信号Vu、Vv、Vwの位相を決定するようになっている。
【0022】
次に、本実施形態の作用について図3および図4も参照しながら説明する。
PWM信号生成部25によって生成された図3に示す電圧指令信号Vu、Vv、Vwは、それぞれインバータ回路4が出力する相電圧を指令する信号である。相電圧をこのような波形に制御すると、インバータ回路4が出力する線間電圧を正弦波形とすることができる。この場合、インバータ回路4が出力する相電圧を電圧指令信号Vu、Vv、Vwと精度よく一致させるためには、PWM信号生成部25が用いる三角波信号Scの周波数(キャリア周波数fc)を高く設定することが好ましい。しかしながら、キャリア周波数fcを高くするとスイッチング損失が増大する。そこで、PWM補正部26は、以下の手段によりPWM信号Dup〜Dwnに基づく補正PWM信号Cup〜Cwnを生成している。
【0023】
IGBTQ1〜Q6のオンオフ状態はPWM周期を単位として制御されるが、相電圧の変化が比較的緩やかな期間ではPWM周期を長くしても相電圧と電圧指令信号Vu、Vv、Vwとのずれが生じにくい。この点に着目し、PWM補正部26は、各相ごとに相電圧すなわち電圧指令信号Vu、Vv、Vwの変化率が比較的小さくなる角度範囲として予め定められた所定の期間において、PWM周期が長くなるように補正する。
【0024】
この所定期間は、電圧指令信号Vu、Vv、Vwの非ゼロ期間を0°から240°までとすれば、そのうちの60°から180°までの角度範囲である。図3に示す位相角(電気角)の下では、U相、V相、W相についてそれぞれ60°から180°までの角度範囲、180°から300°までの角度範囲、300°から420°(つまり60°)の角度範囲となる。
【0025】
図4は、図3に示す位相角Aの時点における(a)PWM信号Du、Dv、Dwおよび(b)補正PWM信号Cu、Cv、Cwを示している。ここで、PWM信号Du、Dv、Dwおよび補正PWM信号Cu、Cv、Cwは、上アーム側のIGBTQ1、Q2、Q3がオンする状態を1で表し、下アーム側のIGBTQ4、Q5、Q6がオンする状態を0で表したものであり、それぞれPWM信号Dup〜Dwnおよび補正PWM信号Cup〜Cwnと等価な信号である。
【0026】
位相角Aの時点では、V相の電圧指令信号Vvが0であるため、PWM周期Tc(=1/fc)の期間PWM信号Dvおよび補正PWM信号Cvが0のままとなり、V相下アーム側のIGBTQ5がオンし続ける。これに対し、W相のPWM信号Dwは、PWM周期TcのうちTw1の期間(第1の期間に相当)で1となり、残る(Tc−Tw1)の期間(第2の期間に相当)で0となる。しかし、W相の相電圧すなわち電圧指令信号Vwの変化率は比較的大きいので、PWM補正部26は、PWM信号Dwをそのまま補正PWM信号Cwとして出力する。
【0027】
U相のPWM信号Duは、PWM周期TcのうちTu1の期間(第1の期間に相当)で1となり、残る(Tc−Tu1)の期間(第2の期間に相当)で0となる。Tu1の期間は、上アーム側のIGBTQ1がオン、下アーム側のIGBTQ4がオフとなる第1のオンオフ状態に相当し、(Tc−Tu1)の期間は、上アーム側のIGBTQ1がオフ、下アーム側のIGBTQ4がオンとなる第2のオンオフ状態に相当する。その次のPWM周期でも同様に、PWM信号Duは、PWM周期TcのうちTu2の期間で1となり、残る(Tc−Tu2)の期間で0となる。
【0028】
位相角Aの時点は、上述したようにU相の相電圧すなわち電圧指令信号Vuの変化率が比較的小さくなる角度範囲に含まれている。このため、PWM補正部26は、U相について2つのPWM周期Tcを合わせた2・Tcの期間を補正PWM周期とし、上記時間Tu1とTu2とを合わせたTuの期間(補正後の第1の期間に相当)で1となり、残る(2・Tc−Tu)の期間(補正後の第2の期間に相当)で0となる補正PWM信号Cuを生成する。このようなU相の補正は、図3に示す位相角60°から180°の期間において行われる。その結果、この期間におけるU相のPWM周波数は基本PWM周波数であるfcの1/2となり、V相およびW相のPWM周波数は基本PWM周波数であるfcのままとなる。
【0029】
同様に、図3に示す位相角180°から300°の期間では、V相についてPWM周期が補正されてV相のPWM周波数がfc/2となり、位相角300°から420°(つまり60°)の期間では、W相についてPWM周期が補正されてW相のPWM周波数がfc/2となる。補正PWM周期において各相の上アーム側のIGBTがオンしている時間と下アーム側のIGBTがオンしている時間との比は、補正前のPWM周期において各相の上アーム側のIGBTがオンしている時間と下アーム側のIGBTがオンしている時間との比に等しいため、インバータ回路4が出力する実効的な電圧値は変化しない。
【0030】
結局、このような補正が施されると、インバータ回路4から出力される交流電圧の1周期のうち図3に示す位相角60°から180°の期間(第1の時間帯に相当)では、プロセッサ17のV相とW相に係る出力端子(第1の出力端子に相当)からは、基本PWM周波数fcを持つ補正PWM信号Cvp、Cvn、Cwp、Cwnが出力され、U相に係る出力端子(第2の出力端子に相当)からは、基本PWM周波数fcの1/2のPWM周波数を持つ補正PWM信号Cup、Cunが出力される。
【0031】
また、位相角180°から300°の期間(第2の時間帯に相当)では、プロセッサ17のU相とW相に係る出力端子からは、基本PWM周波数fcを持つ補正PWM信号Cup、Cun、Cwp、Cwnが出力され、V相に係る出力端子からは、基本PWM周波数fcの1/2のPWM周波数を持つ補正PWM信号Cvp、Cvnが出力される。位相角300°から420(つまり60°)°の期間を第2の時間帯とした場合も同様である。
【0032】
以上説明したように、本実施形態によれば各相について相電圧の変化率が比較的小さくなる角度範囲において、2つの連続したPWM周期Tcを合わせた期間を1つの補正PWM周期としてIGBTQ1〜Q6をスイッチングするように構成したので、当該角度範囲においてPWM周波数が補正前のPWM周波数fcの1/2となる。従って、三相のインバータ回路4全体として見ると、IGBTQ1〜Q6のスイッチング回数は従来構成のものに比べて3/4に低減し、その分だけスイッチング損失を低減することができる。
【0033】
このようにPWM周波数を低くしても、当該期間では出力電圧(相電圧)の変化率が比較的小さいため、電圧、電流の波形歪みが生じにくい。一方、上記所定の期間以外では、PWM周波数はPWM周波数fcのままとされるため波形歪みが増大することはない。その結果、出力電圧、出力電流の全体について波形歪みが小さく抑えられる。
【0034】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について図5、図6を参照しながら説明する。本実施形態に係るインバータ装置は、第1の実施形態に係るインバータ装置1と同じ電気的構成を備えているが、電圧指令生成部の機能としてPWM信号Du、Dv、Dwを3相変調により生成している点が異なっている。3相変調の場合も、PWM補正部は、各相ごとに電圧指令信号Vu、Vv、Vwの変化率が比較的小さくなる角度範囲として予め定められた所定の期間においてPWM周期を2・Tcとなるように補正する。
【0035】
この所定期間は、図5に示す正弦波状の電圧指令信号Vu、Vv、Vwそれぞれの最大値を挟んで前後30°の角度範囲と最小値を挟んで前後30°の角度範囲に設定されている。すなわち、図5に示す位相角(電気角)の下では、U相については60°から120°までの角度範囲と240°から300°までの角度範囲、V相については0°から60°までの角度範囲と180°から240°までの角度範囲、W相については120°から180°までの角度範囲と300°から360°までの角度範囲となる。
【0036】
図6は、図5に示す位相角Bの時点における(a)PWM信号Du、Dv、Dwおよび(b)補正PWM信号Cu、Cv、Cwを示している。位相角Bの時点は、U相の相電圧すなわち電圧指令信号Vuの変化率が比較的小さくなる角度範囲に含まれている。このため、PWM補正部は、U相について2つのPWM周期Tcを合わせた2・Tcの期間を補正PWM周期とし、補正前の時間Tu1とTu2とを合わせたTuの期間で1(上アーム側のIGBTQ1がオン)となり、残る(2・Tc−Tu)の期間で0(下アーム側のIGBTQ4がオン)となる補正PWM信号Cuを生成する。
【0037】
これに対し、V相とW相の相電圧すなわち電圧指令信号Vv、Vwの変化率は比較的大きいので、PWM補正部は、PWM信号Dv、Dwをそのまま補正PWM信号Cv、Cwとして出力する。このようなU相の補正は、上述したように図5に示す位相角60°から120°までの期間と240°から300°までの期間において行われる。その結果、この期間におけるU相のPWM周波数はfc/2となり、V相またはW相のPWM周波数はfcのままとなる。その他の角度範囲については、V相またはW相のPWM周波数がfc/2となる。
【0038】
このように3相変調を用いた本実施形態によっても、三相のインバータ回路全体として見ると、IGBTQ1〜Q6のスイッチング回数は従来構成のものに比べて5/6に低減し、その分だけスイッチング損失を低減することができる。また、第1の実施形態と同様の作用により、出力電圧、出力電流の波形歪みを小さく抑えることができる。
【0039】
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
各相について相電圧の変化率が比較的小さくなる角度範囲において、2つの連続したPWM周期Tcを合わせた期間を1つの補正PWM周期としたが、3つ以上の連続したPWM周期Tcを合わせた期間を1つの補正PWM周期としてもよい。また、電圧指令信号Vu、Vv、Vwの変化率に応じた数の連続したPWM周期Tcを合わせた期間を補正PWM周期としてもよい。このようにPWM周波数を段階的に可変制御すると、出力電圧(相電圧)の変化率が小さくなるほど当該部分でのPWM周波数が低下し、波形歪みの抑制とスイッチング損失の低減とをより細かく制御可能となる。
【0040】
各実施形態において、電圧指令信号Vu、Vv、Vwの変化率が比較的小さくなる角度範囲を具体的な数値を挙げて説明したが、この角度数値は一例を示したものであり、波形歪みとスイッチング損失とに応じて適宜この角度範囲よりも狭く設定しまたは広く設定してもよい。
【0041】
三相インバータ装置のみならず一般に多相インバータ装置に適用できる。また、インバータ回路4の構成はフルブリッジの回路形態に限定されない。
PWM信号生成部25で用いる搬送波信号は、三角波信号Scに限らず鋸波信号であってもよい。
モータはブラシレスモータに限らず、誘導電動機や同期電動機などであってもよい。さらに、インバータ装置1の負荷はモータに限られない。
【0042】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のインバータ装置は、PWM信号の連続した複数のPWM周期を合わせた期間を補正PWM周期として補正PWM信号を生成し、時間帯に応じてPWM信号および補正PWM信号の何れかを用いてスイッチング素子を駆動するので、出力電圧、出力電流の波形歪みを小さく抑えつつスイッチング損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すインバータ装置の電気的構成図
【図2】プロセッサの機能を示すブロック図
【図3】2相変調の場合の電圧指令信号Vu、Vv、Vwの波形を示す図
【図4】補正前後のPWM信号を示す図
【図5】本発明の第2の実施形態について3相変調の場合の電圧指令信号Vu、Vv、Vwの波形を示す図
【図6】図4相当図
【符号の説明】
1はインバータ装置、4はインバータ回路、17はプロセッサ、25はPWM信号生成部(PWM信号生成手段)、26はPWM補正部(補正手段)、Q1〜Q6はIGBT(スイッチング素子)である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter device that generates a PWM signal based on a voltage command signal.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a PWM inverter device has been used. This PWM inverter device generates a PWM signal by comparing a voltage command signal for commanding an output voltage (phase voltage) with a carrier signal such as a triangular wave signal, and drives each switching element forming an inverter circuit by the PWM signal. It is supposed to.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
This PWM inverter has the advantage that the output voltage (line voltage) can have a sinusoidal waveform, but on the other hand, the switching loss due to the on / off driving of the switching element increases, and the efficiency of the inverter decreases. The problem arises. To cope with this, it is effective to lower the frequency of the carrier wave signal. However, simply lowering the frequency causes distortion in the output voltage, and lowers the quality of the output voltage and thus the output current.
[0004]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an inverter device that can reduce switching loss while suppressing distortion of output voltage and output current.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an inverter device according to
[0006]
According to this configuration, the inverter circuit outputs an AC voltage according to the voltage command signal. In a certain time zone of the output voltage (phase voltage) (for example, a predetermined period that is predetermined as an angle range in which the rate of change is relatively small), a period obtained by combining a plurality of continuous PWM cycles is one. The corrected PWM cycle is reached, and the PWM frequency becomes an integral one of the basic PWM frequency before correction. If a time zone in which the rate of change of the output voltage (phase voltage) is relatively small is set as the time zone, waveform distortion is unlikely to occur even if the PWM frequency is lowered.
[0007]
On the other hand, in another time zone (for example, a predetermined period predetermined as an angle range in which the rate of change is relatively large), the PWM frequency is kept at the basic PWM frequency, so that the waveform distortion does not increase. Absent. Therefore, by appropriately setting the time zone, the waveform distortion can be reduced for the entire output voltage and output current, and the switching loss can be reduced by the decrease in the PWM frequency in a part of the period. The same operation and effect can be obtained for the inverter device according to the second aspect.
[0008]
The inverter device according to the third and fourth aspects includes an inverter circuit capable of outputting a three-phase AC voltage, and the inverter circuit is capable of outputting a three-phase AC voltage during a predetermined period in which the rate of change of the two-phase modulation and three-phase modulation voltage command signals is small. A configuration for generating a corrected PWM signal with a reduced PWM frequency is provided. This predetermined period is an angle range from 60 ° to 180 ° if the non-zero period of the voltage command signal is 0 ° to 240 ° in the case of two-phase modulation. Is preferably an angle range of 30 ° before and after the maximum value of the sinusoidal voltage command signal and an angle range of 30 ° before and after the minimum value. Thus, a three-phase PWM inverter device with small waveform distortion and low loss can be obtained.
[0009]
According to the inverter device of the fifth aspect, the period in which the number of PWM cycles corresponding to the rate of change of the voltage command signal is combined is the corrected PWM cycle. Frequency drops. When the PWM frequency is variably controlled stepwise, the suppression of the waveform distortion and the reduction of the switching loss can be more finely controlled.
[0010]
According to the inverter device described in
[0011]
According to the inverter device according to the seventh aspect, the output terminal of the processor in the first time zone (for example, the period in which the voltage change rate is relatively small) in one cycle of the phase voltage output from the inverter circuit. A PWM signal having a frequency that is a fraction of the basic PWM frequency (= 1 / K (K = 2, 3, 4,...)) Is output, and the second time period (for example, the voltage change rate is relatively large) During this period, a PWM signal having a basic PWM frequency is output from the output terminal of the processor. As a result, it is possible to suppress waveform distortion and reduce switching loss.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows an electrical configuration of the inverter device. The
[0013]
The DC power supply circuit 3 is a voltage doubler rectifier circuit composed of a diode bridge 9 and
[0014]
The
[0015]
The current detection unit 7 includes current sensors 16u and 16v such as a Hall IC and a Hall sensor. These current sensors 16u and 16v output voltages corresponding to the currents flowing from the
[0016]
The
[0017]
FIG. 2 is a block diagram illustrating functions of the
[0018]
The detection
[0019]
The voltage command
[0020]
The
[0021]
A
[0022]
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
The voltage command signals Vu, Vv, Vw shown in FIG. 3 generated by the PWM
[0023]
The on / off states of the IGBTs Q1 to Q6 are controlled in units of the PWM cycle. However, in a period in which the phase voltage change is relatively gradual, even if the PWM cycle is lengthened, the deviation between the phase voltage and the voltage command signals Vu, Vv, Vw may vary. It is unlikely to occur. Focusing on this point, the
[0024]
This predetermined period is an angle range from 60 ° to 180 °, provided that the non-zero period of the voltage command signals Vu, Vv, Vw is from 0 ° to 240 °. Under the phase angles (electrical angles) shown in FIG. 3, the U phase, the V phase, and the W phase each have an angle range from 60 ° to 180 °, an angle range from 180 ° to 300 °, and 300 ° to 420 ° ( That is, the angle range is 60 °).
[0025]
FIG. 4 shows (a) the PWM signals Du, Dv, Dw and (b) the corrected PWM signals Cu, Cv, Cw at the phase angle A shown in FIG. Here, the PWM signals Du, Dv, Dw and the corrected PWM signals Cu, Cv, Cw indicate that the upper arm IGBTs Q1, Q2, Q3 are turned on by 1, and the lower arm IGBTs Q4, Q5, Q6 are turned on. This is a signal equivalent to the PWM signals Dup to Dwn and the corrected PWM signals Cup to Cwn, respectively.
[0026]
At the time of the phase angle A, since the V-phase voltage command signal Vv is 0, the PWM signal Dv and the corrected PWM signal Cv during the period of the PWM cycle Tc (= 1 / fc) remain 0, and the V-phase lower arm side IGBT Q5 keeps on. On the other hand, the W-phase PWM signal Dw becomes 1 during the period Tw1 (corresponding to the first period) of the PWM cycle Tc, and becomes 0 during the remaining (Tc−Tw1) period (corresponding to the second period). It becomes. However, since the change rate of the W-phase voltage, that is, the voltage command signal Vw, is relatively large, the
[0027]
The U-phase PWM signal Du becomes 1 during the period of Tu1 (corresponding to the first period) in the PWM cycle Tc, and becomes 0 during the remaining (Tc−Tu1) period (corresponding to the second period). The period of Tu1 corresponds to a first on / off state in which the upper arm IGBT Q1 is turned on and the lower arm IGBT Q4 is turned off. During the period (Tc-Tu1), the upper arm IGBT Q1 is turned off and the lower arm is turned off. This corresponds to a second on / off state in which the IGBT Q4 on the side is turned on. Similarly, in the next PWM cycle, the PWM signal Du becomes 1 during the period of Tu2 in the PWM cycle Tc, and becomes 0 during the remaining (Tc−Tu2).
[0028]
The time point of the phase angle A is included in the angle range in which the change rate of the U-phase voltage, that is, the voltage command signal Vu is relatively small, as described above. For this reason, the
[0029]
Similarly, in the period from the phase angle of 180 ° to 300 ° shown in FIG. 3, the PWM cycle of the V phase is corrected, the PWM frequency of the V phase becomes fc / 2, and the phase angle of 300 ° to 420 ° (that is, 60 °). In the period, the PWM cycle of the W phase is corrected, and the PWM frequency of the W phase becomes fc / 2. The ratio of the time during which the upper arm IGBT of each phase is on in the corrected PWM cycle to the time during which the lower arm IGBT is on is determined by the upper arm IGBT of each phase in the pre-correction PWM cycle. Since the ratio is equal to the ratio of the on-time to the on-time of the lower arm IGBT, the effective voltage output from the
[0030]
After all, when such a correction is performed, in one period of the AC voltage output from the
[0031]
In the period from the phase angle of 180 ° to 300 ° (corresponding to the second time zone), the output terminals of the
[0032]
As described above, according to the present embodiment, in the angle range where the rate of change of the phase voltage for each phase is relatively small, the period in which two consecutive PWM cycles Tc are combined is set as one correction PWM cycle, and the IGBTs Q1 to Q6 are used. Is switched, so that the PWM frequency is の of the PWM frequency fc before correction in the angle range. Therefore, when viewed as a whole of the three-
[0033]
Even if the PWM frequency is reduced in this way, the change rate of the output voltage (phase voltage) is relatively small during the period, so that voltage and current waveform distortions are less likely to occur. On the other hand, during periods other than the predetermined period, the PWM frequency remains at the PWM frequency fc, so that the waveform distortion does not increase. As a result, the waveform distortion of the entire output voltage and output current is reduced.
[0034]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The inverter device according to the present embodiment has the same electrical configuration as the
[0035]
This predetermined period is set to an angle range of 30 ° before and after the maximum value of each of the sinusoidal voltage command signals Vu, Vv, and Vw shown in FIG. 5 and an angle range of 30 ° before and after the minimum value. . That is, under the phase angle (electrical angle) shown in FIG. 5, the angle range from 60 ° to 120 ° and the angle range from 240 ° to 300 ° for the U phase, and the angle range from 0 ° to 60 ° for the V phase. And the angle range from 180 ° to 240 °, and the W phase has an angle range from 120 ° to 180 ° and an angle range from 300 ° to 360 °.
[0036]
FIG. 6 shows (a) the PWM signals Du, Dv, Dw and (b) the corrected PWM signals Cu, Cv, Cw at the phase angle B shown in FIG. The time point of the phase angle B is included in the angle range where the change rate of the U-phase phase voltage, that is, the voltage command signal Vu is relatively small. For this reason, the PWM correction unit sets the period of 2 · Tc, which is the sum of the two PWM periods Tc for the U phase, as the corrected PWM period, and sets 1 (the upper arm side) in the period of Tu, which is the sum of the times Tu1 and Tu2 before correction. IGBT Q1 is turned on), and a corrected PWM signal Cu that is 0 (the lower arm IGBT Q4 is turned on) during the remaining (2 · Tc−Tu) period is generated.
[0037]
On the other hand, since the change rates of the phase voltages of the V phase and the W phase, that is, the voltage command signals Vv and Vw are relatively large, the PWM correction unit outputs the PWM signals Dv and Dw as they are as the corrected PWM signals Cv and Cw. Such correction of the U-phase is performed during the period from 60 ° to 120 ° and the period from 240 ° to 300 ° shown in FIG. 5 as described above. As a result, the U-phase PWM frequency during this period is fc / 2, and the V-phase or W-phase PWM frequency remains at fc. For other angle ranges, the V-phase or W-phase PWM frequency is fc / 2.
[0038]
As described above, according to the present embodiment using three-phase modulation, the switching frequency of the IGBTs Q1 to Q6 is reduced to 5/6 as compared with the conventional configuration when viewed as the whole three-phase inverter circuit. Loss can be reduced. Further, the waveform distortion of the output voltage and the output current can be suppressed small by the same operation as that of the first embodiment.
[0039]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings. For example, the present invention can be modified or expanded as follows.
In the angle range where the rate of change of the phase voltage for each phase is relatively small, the period in which two consecutive PWM periods Tc are combined is set as one corrected PWM period, but three or more consecutive PWM periods Tc are combined. The period may be one correction PWM cycle. Further, a period in which the number of consecutive PWM cycles Tc according to the change rates of the voltage command signals Vu, Vv, and Vw may be set as the corrected PWM cycle. When the PWM frequency is stepwise variably controlled in this manner, the smaller the rate of change of the output voltage (phase voltage) is, the lower the PWM frequency in the relevant portion is, so that the suppression of waveform distortion and the reduction of switching loss can be more finely controlled. It becomes.
[0040]
In each embodiment, the angle range in which the rate of change of the voltage command signals Vu, Vv, Vw is relatively small has been described using specific numerical values. However, this angle numerical value is an example, and waveform distortion and The angle range may be set to be narrower or wider than this angle range depending on the switching loss.
[0041]
The invention can be generally applied to not only a three-phase inverter device but also a polyphase inverter device. Further, the configuration of the
The carrier signal used in the
The motor is not limited to a brushless motor, but may be an induction motor or a synchronous motor. Further, the load of the
[0042]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the inverter device of the present invention generates a corrected PWM signal by using a period obtained by combining a plurality of continuous PWM periods of the PWM signal as the corrected PWM period, and generates the corrected PWM signal and the corrected PWM signal in accordance with the time zone. Since the switching element is driven using any of the PWM signals, the switching loss can be reduced while suppressing the waveform distortion of the output voltage and the output current.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical configuration diagram of an inverter device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a block diagram illustrating functions of a processor; FIG. 3 is voltage command signals Vu, Vv, and Vw in the case of two-phase modulation; FIG. 4 is a diagram showing PWM signals before and after correction. FIG. 5 is a diagram showing waveforms of voltage command signals Vu, Vv, Vw in the case of three-phase modulation according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG.
1 is an inverter device, 4 is an inverter circuit, 17 is a processor, 25 is a PWM signal generation unit (PWM signal generation unit), 26 is a PWM correction unit (correction unit), and Q1 to Q6 are IGBTs (switching elements).
Claims (7)
電圧指令信号に基づいて、各PWM周期が前記スイッチング素子の第1のオンオフ状態に対応した第1の期間と第2のオンオフ状態に対応した第2の期間とからなるPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、
前記PWM信号の連続した複数のPWM周期を合わせた期間を補正PWM周期とし、その補正PWM周期が、前記連続した複数の各PWM周期における第1の期間を合わせた時間幅を持ち前記スイッチング素子の第1のオンオフ状態に対応した第1の期間と、前記連続した複数の各PWM周期における第2の期間を合わせた時間幅を持ち前記スイッチング素子の第2のオンオフ状態に対応した第2の期間とからなる補正PWM信号を生成する補正手段とを備え、
前記複数のスイッチング素子のうち少なくとも1のスイッチング素子は、時間帯に応じて前記PWM信号および前記補正PWM信号の何れかを用いて駆動されるように構成されていることを特徴とするインバータ装置。An inverter circuit that includes a plurality of switching elements and outputs an AC voltage by turning off these switching elements;
A PWM signal that generates a PWM signal in which each PWM cycle includes a first period corresponding to a first on / off state of the switching element and a second period corresponding to a second on / off state based on a voltage command signal. Generating means;
A period obtained by combining a plurality of continuous PWM cycles of the PWM signal is a corrected PWM cycle, and the corrected PWM cycle has a time width corresponding to a first period in each of the plurality of continuous PWM cycles, and A second period corresponding to a first period corresponding to a first on / off state and a second period in each of the plurality of continuous PWM cycles, and having a time width corresponding to a second on / off state of the switching element. Correction means for generating a correction PWM signal comprising:
An inverter device, wherein at least one switching element of the plurality of switching elements is configured to be driven using one of the PWM signal and the corrected PWM signal in accordance with a time zone.
このスイッチング素子がオンしている第1の期間と、このスイッチング素子がオフしている第2の期間とを合わせた時間を1PWM周期として、前記スイッチング素子を駆動するためのPWM信号を生成するPWM信号生成手段と、
複数のPWM周期を合わせた時間を補正PWM周期とし、連続した前記複数のPWM周期のうち各PWM周期における前記第1の期間を合わせた時間幅で前記スイッチング素子をオンさせ、各PWM周期における前記第2の時間を合わせた時間幅で前記スイッチング素子をオフさせるための補正PWM信号を生成する補正手段とを備え、
時間帯に応じて前記PWM信号および前記補正PWM信号の何れかを用いて前記スイッチング素子を駆動するように構成されていることを特徴とするインバータ装置。An inverter circuit including at least one switching element;
A PWM that generates a PWM signal for driving the switching element, with a total time of a first period in which the switching element is on and a second period in which the switching element is off being taken as one PWM cycle. Signal generation means;
A time obtained by combining a plurality of PWM cycles is set as a corrected PWM cycle, and the switching element is turned on with a time width obtained by adding the first period in each PWM cycle among the plurality of continuous PWM cycles. Correction means for generating a correction PWM signal for turning off the switching element in a time width obtained by combining the second time,
An inverter device configured to drive the switching element using one of the PWM signal and the corrected PWM signal according to a time zone.
前記補正手段は、各相の電圧指令信号についてその非ゼロ期間を0°から240°までとすれば、そのうちの60°から180°までの角度範囲において前記補正PWM信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のインバータ装置。The inverter circuit is configured to output a three-phase AC voltage, and the PWM signal generating unit is configured to generate the PWM signal based on a voltage command signal of two-phase modulation,
The correcting means is configured to generate the corrected PWM signal in an angle range from 60 ° to 180 ° of the non-zero period of the voltage command signal of each phase from 0 ° to 240 °. The inverter device according to claim 1 or 2, wherein:
前記補正手段は、各相の電圧指令信号についてその最大値を挟んで前後30°の角度範囲と最小値を挟んで前後30°の角度範囲において前記補正PWM信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のインバータ装置。The inverter circuit is configured to output a three-phase AC voltage, and the PWM signal generation unit is configured to generate the PWM signal based on a sinusoidal voltage command signal for three-phase modulation,
The correction means is configured to generate the corrected PWM signal in an angle range of 30 ° before and after the maximum value of the voltage command signal of each phase and an angle range of 30 ° before and after the minimum value. The inverter device according to claim 1 or 2, wherein:
前記プロセッサは、前記インバータ回路から出力される交流電圧の1周期のうち第1の時間帯において、第1の出力端子から基本PWM周波数を持つPWM信号を出力し、第2の出力端子から前記基本PWM周波数の整数分の1の周波数を持つPWM信号を出力し、前記交流電圧の1周期のうち第2の時間帯において、前記第1の出力端子から前記基本PWM周波数の整数分の1の周波数を持つPWM信号を出力し、前記第2の出力端子から前記基本PWM周波数を持つPWM信号を出力するように構成されていることを特徴とするインバータ装置。A processor having at least two output terminals for outputting PWM signals of different phases, and an inverter circuit having a switching element driven based on the PWM signal;
The processor outputs a PWM signal having a basic PWM frequency from a first output terminal in a first time zone of one cycle of the AC voltage output from the inverter circuit, and outputs the PWM signal from a second output terminal. A PWM signal having a frequency that is an integer fraction of the PWM frequency is output, and a frequency that is an integer fraction of the basic PWM frequency is output from the first output terminal in a second time zone of one cycle of the AC voltage. An inverter device configured to output a PWM signal having the basic PWM frequency from the second output terminal.
前記プロセッサは、各相について、前記インバータ回路から出力される相電圧の1周期のうち第1の時間帯において、前記出力端子から基本PWM周波数の整数分の1の周波数を持つPWM信号を出力し、第2の時間帯において、前記出力端子から前記基本PWM周波数を持つPWM信号を出力するように構成されていることを特徴とするインバータ装置。A processor having an output terminal for outputting a PWM signal, and an inverter circuit having a switching element driven based on the PWM signal;
The processor outputs, for each phase, a PWM signal having a frequency that is an integer fraction of a basic PWM frequency from the output terminal in a first time zone of one cycle of a phase voltage output from the inverter circuit. An inverter device configured to output a PWM signal having the basic PWM frequency from the output terminal in a second time zone.
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