JP2006081328A

JP2006081328A - モータ駆動用インバータ制御装置

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Publication number: JP2006081328A
Application number: JP2004263612A
Authority: JP
Inventors: Hideo Matsushiro; 英夫松城; Takashi Fukue; 貴史福榮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】小型・軽量・低コスト化を実現しつつ、交流電源電流の高調波規制も満足するモータ駆動用インバータ制御装置を提供する。
【解決手段】極めて小容量のリアクタ１１とインバータ２の直流母線間には極めて小容量のコンデンサ１２が設けられたモータ駆動用インバータで、モータ４の極数と相数と回転周波数とを乗算した結果で表される周波数の脈動成分を重畳させるモータ電圧指令補正手段１４を備えることによって、小容量コンデンサ１２および小容量リアクタ１１を用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータ４の駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータ４に印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータ２を動作させ、モータ４の駆動を維持することが可能であり、さらに、交流電源電流の高調波成分を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いたモータ駆動用インバータ制御装置に関するものである。

汎用インバータなどで用いられている一般的なモータ駆動用インバータ制御装置として、図９に示すようなモータ駆動用インバータ制御装置がよく知られている。

図９において、主回路は直流電源装置１１３と、インバータ３とモータ４とから構成されており、直流電源装置１１３については、交流電源１と、整流回路２と、インバータ３の直流電圧源のために電気エネルギーを蓄積する平滑コンデンサ１１２と、交流電源１の力率改善用リアクタ１１１から構成されている。

一方、制御回路では、外部から与えられたモータ４の速度指令に基づいてモータ４の各相電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段１４と、モータ電圧作成手段１４から作成された各相電圧指令値に基づいてインバータ３のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段１８から構成されている。

ここで、交流電源１が２２０Ｖ（交流電源周波数５０Ｈｚ）、インバータ３の入力が１．５ｋＷ、平滑コンデンサ１１２が１５００μＦのとき、力率改善用リアクタ１１１が５ｍＨおよび２０ｍＨの場合における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を図１０に示す。図１０はＩＥＣ（国際電気標準会議）規格と併せて示したもので、力率改善用リアクタ１１１が５ｍＨの場合には特に第３高調波成分がＩＥＣ規格のそれを大きく上回っているが、２０ｍＨの場合には４０次までの高調波成分においてＩＥＣ規格をクリアしていることがわかる。

そのため特に高負荷時においてもＩＥＣ規格をクリアするためには力率改善用リアクタ１１１のインダクタンス値をさらに大きくするなどの対策を取る必要があり、インバータ装置の大型化や重量増加、さらにはコストＵＰを招くという不都合があった。

そこで、力率改善用リアクタ１１１のインダクタンス値の増加を抑え、電源高調波成分の低減と高力率化を達成する直流電源装置として、例えば図１１に示すような特許文献１に記載されている直流電源装置が提案されている。

図１１において、交流電源１の交流電源電圧を、ダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続してなる全波整流回路の交流入力端子に印加し、その出力をリアクトルＬｉｎを介して中間コンデンサＣに充電し、この中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電して、負荷抵抗ＲＬに直流電圧を供給する。この場合、リアクトルＬｉｎの負荷側と中間コンデンサＣを接続する正負の直流電流経路にトランジスタＱ１を接続し、このトランジスタＱ１をベース駆動回路Ｇ１で駆動する構成となっている。

また、ベース駆動回路Ｇ１にパルス電圧を印加するパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２と、ダミー抵抗Ｒｄｍとをさらに備えており、パルス発生回路Ｉ１、Ｉ２は、それぞれ交流電源電圧のゼロクロス点を検出する回路と、ゼロクロス点の検出から交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧と等しくなるまでダミー抵抗Ｒｄｍにパルス電流を流すパルス電流回路とで構成されている。

ここで、パルス発生回路Ｉ１は交流電源電圧の半サイクルの前半にてパルス電圧を発生させ、パルス発生Ｉ２は交流電源電圧の半サイクルの後半にてパルス電圧を発生させるようになっている。

なお、トランジスタＱ１をオン状態にしてリアクトルＬｉｎに強制的に電流を流す場合、中間コンデンサＣの電荷がトランジスタＱ１を通して放電することのないように逆流防止用ダイオードＤ５が接続され、さらに、中間コンデンサＣの電荷を平滑コンデンサＣＤに放電する経路に、逆流防止用ダイオードＤ６と、平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃが直列に接続されている。

上記の構成によって、交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサＣの両端電圧を超えない位相区間の一部または全部においてトランジスタＱ１をオン状態にすることによって、装置の大型化を抑えたままで、高調波成分の低減と高力率化を達成することができる。
特開平９−２６６６７４号公報インバータドライブハンドブック編集委員会編「インバータドライブハンドブック」日刊工業新聞社出版、１９９５年初版

しかしながら、上記従来の構成では、容量の大きな平滑用コンデンサＣＤとリアクトルＬｉｎ（特許文献１では１５００μＦ、６．２ｍＨ時のシミュレーション結果について記載されている）とを依然として有したままであり、さらに中間コンデンサＣとトランジスタＱ１とベース駆動回路Ｇ１とパルス発生回路Ｉ１、Ｉ２とダミー抵抗Ｒｄｍと逆流防止用ダイオードＤ５、Ｄ６と平滑効果を高めるリアクトルＬｄｃとを具備することで、装置の大型化や部品点数の増加に伴なうコストＵＰを招くという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、整流回路はダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成され、インバータの直流母線間には小容量のコンデンサを設け、インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、外部から与えられるモータの速度指令値に基づき、モータの各相電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、予め設定されたインバータの直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値との比較からＰＮ電圧補正係数を導出するＰＮ電圧補正手段と、モータ電圧指令作成手段から得られる各相電圧指令値とＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なう第１のモータ電圧指令補正手段と、第１のモータ電圧指令補正手段から得られる各相電圧指令値の第１の補正値にモータの極数と相数と回転周波数とを乗算した結果で表される周波数の脈動成分を重畳させる第２のモータ電圧指令補正手段とを備えるものである。

上記の構成によって、小容量コンデンサおよび小容量リアクタを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現し、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータ駆動の維持を図り、さらに、交流電源電流の高調波成分を抑制することを目的とする。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、ＰＮ電圧補正手段によりモータに印加する電圧をほぼ一定にすることで、モータの駆動を維持することが可能となり、さらに交流電源電流の高調波成分を抑制することができ、システムの信頼性向上が図れるという効果を奏する。

第１の発明は、交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、整流回路はダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成され、インバータの直流母線間には小容量のコンデンサを設け、インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、外部から与えられるモータの速度指令値に基づき、モータの各相電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、予め設定されたインバータの直流電圧基準値とＰＮ電圧検出手段から得られるインバータの直流電圧検出値との比較からＰＮ電圧補正係数を導出するＰＮ電圧補正手段と、モータ電圧指令作成手段から得られる各相電圧指令値とＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なう第１のモータ電圧指令補正手段と、第１のモータ電圧指令補正手段から得られる各相電圧指令値の第１の補正値にモータの極数と相数と回転周波数とを乗算した結果で表される周波数の脈動成分を重畳させる第２のモータ電圧指令補正手段とを備えることにより、小容量コンデンサおよび小容量リアクタを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータの駆動を維持することが可能であり、さらに、交流電源電流の高調波成分を抑制することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のモータ駆動用インバータ制御装置において、各相電圧指令値の第１の補正値に重畳させる脈動成分の振幅量を決定する脈動振幅決定手段と位相を決定する脈動位相決定手段の少なくともどちらか一方を加えたことを特徴とするものであり、モータの種類や運転状況などが変化した場合においても交流電源電流の高調波成分を抑制することができる。

第３の発明は、特に、第１あるいは第２の発明のモータ駆動用インバータ制御装置において、小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように小容量リアクタおよび小容量コンデンサの組み合わせを決定するものであり、交流電源電流の高調波成分を抑制し、ＩＥＣ規格をクリアすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図を図１に示す。

図１において、主回路は交流電源１と、交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ２と、２ｍＨ以下の小容量リアクタ１１と、１００μＦ以下の小容量コンデンサ１２と、直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、インバータ３により変換された交流電力により駆動するモータ４から構成されている。

一方、制御回路では、モータ４の速度指令ω*に基づいてモータ４の各相電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段１４と、インバータ３の直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段１５と、予め設定されたインバータ３の直流電圧基準値をＰＮ電圧検出手段１５から得られるインバータ３の直流電圧検出値で除算することによりＰＮ電圧補正係数を導出し、直流電圧検出値がゼロ以下の場合にはＰＮ電圧補正係数に予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定するＰＮ電圧補正手段１６と、モータ電圧指令作成手段１４から得られる各相電圧指令値とＰＮ電圧補正手段１６の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なう第１のモータ電圧指令補正手段１７と、第１のモータ電圧指令補正手段１７から作成された第１モータ電圧指令補正値にモータの極数と相数と回転周波数とを乗算した結果で表される周波数の脈動成分を重畳させる第２のモータ電圧指令補正手段１９と、第２のモータ電圧指令補正手段１９から作成された第２モータ電圧指令補正値がモータ４に印加されるようなインバータ３のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段１８から構成されている。

以下では、具体的な方法について説明する。

モータ電圧指令作成手段１４では式（１）で表される演算により各相電圧指令値ｖu*、ｖv*、ｖw*を作成する。

ここで、Ｖmはモータ電圧値であり、θ1は式（２）で表されるように速度指令ω*を時間積分することで導出する。

また、図２は本発明に係るＰＮ電圧補正手段１６の第１の実施例を示した図で、ＰＮ電圧補正手段１６では予め設定されたインバータ３の直流電圧基準値Ｖpn0とＰＮ電圧検出
手段１５から得られるインバータ３の直流電圧検出値ｖpnを用いて式（３）のようにＰＮ電圧補正係数ｋpnを導出する。

ここで、本発明では小容量コンデンサを用いているため、直流電圧検出値ｖpnがゼロとなる場合が生じるので、ゼロ割防止のための微小項δ0を設定しておく必要がある。

なお、式（３）の微小項δ0の代わりに、直流電圧検出値ｖpnがゼロ以下の場合におい
てＰＮ電圧補正係数ｋpnに予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値を設定することでゼロ割防止を図ることができる。

即ち、式（４）のようにＰＮ電圧補正係数ｋpnを導出しても良い。

ここで、ｋpn-maxは予め設定されたＰＮ電圧補正係数の最大値である。

また、モータ電圧指令補正手段１７では各相電圧指令値ｖu*、ｖv*、ｖw*とＰＮ電圧補正係数ｋpnを用いて式（５）のようにモータ電圧指令補正値ｖuh*、ｖvh*、ｖwh*を導出
する。

以上により、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータの駆動を維持することが可能となる。

図３は、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置の第１の動作結果であるが、本発明におけるコンデンサ１２は、極めて容量の小さいものを用いているためインバータ直流電圧は交流電源周波数ｆｓ（＝５０Ｈｚ）の２倍の周波数で大きく脈動している様子がわかる。また交流電源電流に関しては、コンデンサ１２が小容量で充放電時間が極めて短いため電流休止期間がほとんどなく、高力率を実現している。

図４は、交流電源周波数が５０Ｈｚにおいて、６極の３相モータを４０Ｈｚ駆動したときの波形であるが、ここで交流電源電流に関してさらに詳しく観測すると、インバータのキャリア成分よりも大きい周期Ｔの脈動が現れているのが分かる。

この脈動の周波数は７２０Ｈｚで、モータの相数と極数と回転数の積、すなわち、３（相）×６（極）×４０（Ｈｚ）で求まるのであるが、これについて、インバータ３の母線に流れる電流を模式的に表した図５を用いて説明する。

インバータ３はＰＷＭ制御されるが、そのＰＷＭ制御によってモータ電流がほぼ正弦波状に流れていたとすると、インバータ母線にはスイッチング動作に同期してモータの電流が図５の実線ような波形でパルス状に現れる。

３相モータを例えば２相変調方式で駆動する場合には、図６に示すように電気角１周期中に６個のスイッチングパターンが存在し、そのスイッチングパターン毎にインバータ母線に現れるモータの相電流が切り替わることになる。

図５では、そのスイッチングパターンの切り替わりタイミングを矢印で示したが、この
タイミング毎にインバータ母線に流れるモータ電流の相が変化するとともに、その電流量（モータ電流２相分の総和：図５の破線）も減少しているのが分かる。

この電流量の減少はスイッチングパターンの切り替わり毎に起こるので電気角１周期にはモータ相数の２倍の回数、３相モータの場合６回発生することになる。

さらに、機械角ではモータ極数の１／２の周期で１回転することから、６極モータの場合、電気角３周期で１回転となる。

すなわち、機械角１周期中にこの電流量の減少は（モータの相数×２）×（極数／２）回発生し、電流波形の脈動としては式を簡略化し（モータの相数）×（極数）×（回転数）で表される周波数のものとなる。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置においては、極めて小容量のリアクタとコンデンサを用いていることから、上述してきた電流の脈動が交流電源電流に現れやすくなっているのである。

次に、交流電源電流の高調波規制について考える。

高調波電流とは、交流電源の正弦波波形の整数倍の周波数成分を持つ電流のことを示すが、エレクトロニクス機器においては、その高調波電流に対して規制値が設けられている。

これまで説明してきた交流電源電流の脈動が、交流電源の正弦波波形の整数倍の周波数となれば規制値を満足できない可能性がでてくる。

そこで本発明においては、第２のモータ電圧指令補正手段１９で第１モータ電圧指令補正値に（モータの相数）×（極数）×（回転数）で表される周波数の脈動成分を重畳させ、交流電源電流に現れていた脈動が打ち消されるようにした。

図７はその様子を示すものであるが、図４の交流電源電流においてキャリア周波数成分を省略した波形（ａ）と、第２のモータ電圧指令補正手段１９で第１モータ電圧指令補正値に重畳させる脈動成分（ｂ）、さらにその脈動成分を重畳させた結果の交流電源電流波形（ｃ）を現している。

区間Ｔｘにおいて、交流電源電流（ａ）が大なるタイミングでは第１モータ電圧指令補正値に重畳させる量（ｂ）を小に、逆に、交流電源電流（ａ）が小なるタイミングでは第１モータ電圧指令補正値に重畳させる量（ｂ）を大にすることによって交流電源電流の（モータの相数）×（極数）×（回転数）で表される高調波成分を抑制するようにした。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、実施の形態１に第１モータ電圧指令補正値に重畳させる脈動成分（ｂ）の振幅量を決定する脈動振幅決定手段２０と位相を決定する脈動位相決定手段２１を付加した。

本実施の形態においては、モータ４の種類や速度、負荷状態などによって脈動成分を第１モータ電圧指令補正値に重畳させる量やそのタイミングを適正に可変させることによって、より高い信頼性を確保したモータ駆動用インバータ制御装置を実現している。

（実施の形態３）
本発明に係る小容量コンデンサおよび小容量リアクタの仕様決定に関する具体的な方法について以下に説明する。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアするために、小容量コンデンサと小容量リアクタとの共振周波数ｆ_LC（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数ｆｓの４０倍よりも大きくなるように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定する。

ここで、小容量コンデンサの容量をＣ［Ｆ］、小容量リアクタのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、ＬＣ共振周波数ｆ_LCは式（６）のように表される。

即ち、ｆ_LC＞４０ｆｓを満たすように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定するものである。（ＩＥＣ規格では交流電源電流の高調波成分において第４０次高調波まで規定されているため）
以上により、小容量コンデンサおよび小容量リアクタの組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。

なお、実施の形態１や実施の形態２で説明した本発明は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。

以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータの駆動を維持することが可能となり、さらに交流電源電流の高調波成分を抑制することができ、システムの信頼性向上が図れるため、パルスジェネレータ等の速度センサを使用することができない場合に限らず、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合においても本発明は適用できる。

本発明の第1の実施形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図本発明の第１の実施形態におけるＰＮ電圧補正係数の導出方法を示す図本発明の第１の実施形態における第１の動作結果を示す図本発明の第１の実施形態における第２の動作結果を示す図本発明の第１の実施形態におけるインバータ母線電流を示す図本発明の第１の実施形態におけるインバータのスイッチングパターンを示す図本発明の第１の実施形態における第３の動作結果を示す図本発明の第２の実施形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図一般的なモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図図９のモータ駆動用インバータ装置における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を示した線図装置の大型化を抑制したままで高調波成分の低減と高力率化を達成することのできる従来の直流電源装置の回路図

符号の説明

１交流電源
２整流回路
３インバータ
４モータ
１１小容量リアクタ
１２小容量コンデンサ
１３過電圧保護手段
１４モータ電圧指令作成手段
１５ＰＮ電圧検出手段
１６ＰＮ電圧補正手段
１７第１のモータ電圧指令補正手段
１８ＰＷＭ制御手段
１９第２のモータ電圧指令補正手段
２０脈動振幅決定手段
２１脈動位相決定手段
１１１リアクタ
１１２平滑コンデンサ
１１３直流電源装置

Claims

交流電源を入力とする整流回路と直流電力から交流電力に変換するインバータとモータとを含み、前記整流回路はダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成され、前記インバータの直流母線間には小容量のコンデンサを設け、前記インバータの直流電圧値を検出するＰＮ電圧検出手段と、外部から与えられるモータの速度指令値に基づき、前記モータの各相電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値と前記ＰＮ電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値との比較からＰＮ電圧補正係数を導出するＰＮ電圧補正手段と、前記モータ電圧指令作成手段から得られる各相電圧指令値と前記ＰＮ電圧補正手段の出力値であるＰＮ電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なう第１のモータ電圧指令補正手段と、前記第１のモータ電圧指令補正手段から得られる各相電圧指令値の第１の補正値に前記モータの極数と相数と回転周波数とを乗算した結果で表される周波数の脈動成分を重畳させる第２のモータ電圧指令補正手段とを備えたモータ駆動用インバータ制御装置。
各相電圧指令値の第１の補正値に重畳させる脈動成分の振幅量を決定する脈動振幅決定手段と位相を決定する脈動位相決定手段の少なくともどちらか一方を加えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。
小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるように、前記小容量リアクタおよび前記小容量コンデンサの組み合わせを決定することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。