JP2007110827A

JP2007110827A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2007110827A
Application number: JP2005298641A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukue; 貴史福榮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: JP4892920B2

Abstract

【課題】出力電圧が大きく脈動する平滑手段を用いながら、電動機の電流歪みを抑制するインバータ装置を提供すること。
【解決手段】電動機５の極対数と電動機５の回転数の積を整数倍した周波数信号の振幅、位相を電動機５の位相（実回転数）、電流指令値、平滑手段３の出力電圧位相により調整したものを電圧指令値に重畳させる電圧指令補償手段１１を備え、脈動電圧による位相演算誤差を含めた電圧指令補償を行なうことで、電動機５の電流歪みを抑制した滑らかな電動機５の駆動を実現させるもので、平滑手段３の出力電圧脈動に関わらず、電動機５の電流歪みの抑制を実現することが出来るインバータ装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流手段の出力端子に著しく小容量のコンデンサ、リアクタで構成される平滑手段を接続し出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するようなインバータ装置において、電動機に流れる電流の歪みを抑制し、より円滑に電動機を駆動することを目的とする。

従来、電流指令値により電圧指令値の補償量（振幅）を算出する電圧指令補償手段を有したインバータ装置では、コスト削減・小型化のために出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような平滑手段を用いた場合、電動機の電流歪みを十分抑制することが出来ない。

図６は、従来のインバータ装置の電圧指令補償機能を有するインバータ装置のブロック図を示したものである。一般的には電流指令値により電圧指令値（振幅）の補償を行いインバータ装置を動作させる（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−８４３８５号公報

しかしながら、前記従来の構成によるインバータ装置の駆動では、出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するような平滑手段を用いた場合、脈動電圧による電動機５の位相演算誤差が生じ、電動機５の電流歪みを十分抑制することが出来ないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、出力電圧が大きく脈動する平滑手段を用いながら、電動機の電流歪みを抑制するインバータ装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が脈動する平滑手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、指示回転数と前記位相演算手段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段の検出値とに基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電動機の極対数と電動機回転数の積を整数倍した周波数信号を、前記電圧指令値に重畳させる電圧指令補償手段とを備えたことを特徴とするもので、これにより平滑手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するインバータ装置において、脈動電圧による位相演算誤差を含めた電圧指令補償を行なうことで、電動機の電流歪みを抑制した滑らかな電動機駆動を実現できる。

本発明によれば、平滑手段の出力電圧脈動に関わらず電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来るインバータ装置を提供できる。

第１の発明は、交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が脈動する平滑手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、指示回転数と前記位相演算手
段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段の検出値とに基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電動機の極対数と電動機回転数の積を整数倍した周波数信号を、前記電圧指令値に重畳させる電圧指令補償手段とを備えたことを特徴とするもので、これにより平滑手段からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するインバータ装置において、脈動電圧による位相演算誤差を含めた電圧指令補償を行なうことで、電動機の電流歪みを抑制した滑らかな電動機駆動を実現できる。

第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、電圧指令補償手段は、電圧指令値に重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を調整できることを特徴とするもので、脈動電圧により位相演算誤差が生じた場合においても、電圧指令補償により電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。

第３の発明は、第１または第２の発明のインバータ装置において電圧指令補償手段は、電動機の回転数、電流検出値、電流指令値の少なくとも１つの変化に伴い、電圧指令値に重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を調整することを特徴とするもので、脈動電圧により位相演算誤差が生じた場合においても、誤差程度に応じた電圧指令補償により電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。

第４の発明は、第１から第３のいずれかのインバータ装置において、平滑手段より出力される脈動電圧位相を算出する電圧位相演算手段を備え、前記電圧指令補償手段は、該電圧位相値に基づき電圧指令値へ重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を可変させることを特徴とするもので、脈動電圧による位相演算誤差に応じて電圧指令への補償信号の振幅・位相を調整することが可能になり、電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。

第５の発明は、第１から第４のいずれかのインバータ装置において、電圧指令補償手段は、電動機の極対数と電動機回転数の積を略５倍した周波数信号を電圧指令値へ重畳させることを特徴とするもので、ＰＷＭスイッチング制御におけるデッドタイムによる電動機の電流歪みの抑制を実現することが出来る。

第６の発明は、第１から第５のいずれかのインバータ装置において、平滑手段は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を、交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定したことを特徴とするもので、整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。

第７の発明は、第１から第６のいずれかのインバータ装置において、平滑手段を構成するコンデンサに、フィルムコンデンサを用いたことを特徴とするもので、温度による寿命特性への影響を気にせず使用環境を選択することが出来る。

第８の発明は、第１から第７のいずれかのインバータ装置を空気調和機が有するもので、平滑手段を構成するコンデンサおよびリアクタの容量低減による装置サイズの小型化・低コスト化と、電動機の電流歪みを抑制し整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現させることが出来る。

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）
図１は、本発明の実施の形態におけるインバータ装置の制御ブロック図を示したもので
ある。該インバータ装置は、単相交流電源である商用電源などの交流電源１より電力を供給され、供給された交流電源を全波整流するダイオードブリッジで構成された整流手段２と、前記整流手段２からの出力電圧が交流電圧の２倍周波で大きく脈動する平滑手段３と、前記平滑手段３からの出力電圧を電動機５の駆動のために所望の交流電圧に変換する半導体スイッチング素子により構成される直交変換手段４と、電動機５に流れる電流を検出するための電流検出手段６を有している。

さらに、前記電流検出手段６からの検出値に基づき電動機５の回転位相を演算する位相演算手段７と、外部からの指示回転数と前記位相演算手段７から演算される実回転数より電動機５を駆動するための電流指令値を演算する電流指令演算手段８と、前記電流指令値と電流検出値に基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段９と、前記電圧指令値から直交変換手段を駆動する信号を生成するＰＷＭ信号発生手段１０と、前記平滑手段３より出力される脈動電圧の位相を演算する電圧位相演算手段１２と、電動機５の極対数と電動機５の回転数の整数倍した周波数信号の振幅・位相を電流検出値、電動機位相、電流指令値、脈動電圧位相などにより可変させて電圧指令値へ重畳する電圧指令補償手段１１を有している。

ここで、電圧指令補償手段１１より出力される補償信号は、正弦波波形に限らず周期的な繰返し波形全般を含む。更に、前記電流検出手段６は、電動機５の相電流を直接電流センサなどで検出することに限らず、前記直交変換手段４の母線電流からの推定検出を含む。更に、前記平滑手段３は、共振周波数が交流電源周波数の４０倍以上になるように設定された０．４μＦ以上で１００μＦ以下の小容量のコンデンサと、該コンデンサへの突入充放電電流のピーク値を下げるための２ｍＨ以下の小容量のリアクタを有している。なお、前記平滑手段３を構成するリアクタは交流電源１と平滑手段３を構成するコンデンサの間に挿入するため、整流手段２の前後どちらでも構わない。

以上のように構成されたインバータ装置について、以下にその動作、作用を説明する。

まず、図２は本実施の形態における電圧指令補償手段１１の前後における指令値の変化を示したものである。図２は、電圧指令演算手段１１より出力される補償前の電圧指令値と、電圧指令補償手段１１より出力される補償信号と、補償後にＰＷＭ信号発生手段１０へ入力される電圧指令値を示す。

上記のように、電圧指令演算手段９より出力される電圧指令値に、該電圧指令値の整数倍（５倍）の補償信号を重畳させた電圧指令値をＰＷＭ信号発生手段１０へ入力することで、デッドタイムの影響により生じる電動機５の電流の歪みを抑制する。

次に、電圧指令補償手段１１からの補償信号の振幅・位相について図３から図６を用いて説明する。ここでまず平滑手段３からの出力電圧の脈動について説明する。

交流電源１に交流電源周波数５０Ｈｚの商用電源を用いた場合、平滑手段３を構成するリアクタとコンデンサの値は、その共振周波数fｃ＝１／（２π×√（Ｌ１×Ｃ１））が交流電源周波数の４０倍以上、すなわち２０００Ｈｚ以上になるように設定する。このためリアクタンス値０.５ｍＨ、キャパシタンス値１０μＦのリアクタとコンデンサを用いることで、fｃ（＝２２５０Ｈｚ）＞４０×交流電源周波数（５０Ｈｚ）とする。

このように平滑手段３のコンデンサ容量を著しく小さくすることで、図３に示すように交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動（リップル率８０％以上）する。このように、平滑手段３からの出力電圧が大きく脈動する場合、電圧指令補償手段１１からの補償信号は、脈動電圧位相により位相・振幅を調整する。ここで図３は電圧指令補償手段１１からの
補償信号１と、補償信号１と異なる位相の補償信号２、補償信号２と異なる振幅の補償信号３である。

例えば、図３に示すように、電圧位相により１から３の区間に分け、区間１では補償信号３、区間２では補償信号２、区間３では補償信号１と各区間の状態に合わせて位相・振幅の異なる補償信号を電圧指令補償手段より出力し電圧指令値に重畳させることで電動機５の電流の歪みを効果的に抑制することが出来る。

次に電動機５の回転数による補償信号の振幅・位相調整について図４を用いて説明する。ここで図４は、電動機５の回転数、電圧指令補償手段１１からの補償信号１、補償信号１と異なる位相の補償信号２である。例えば、図４に示すように電動機５の回転数が、状態１から状態２へ推移した場合、状態１では補償信号１、状態２では補償信号２と各回転数状態に合わせて位相のことなる補償信号を、電圧指令補償手段１１より出力し電圧指令値に重畳させることで電動機５の電流の歪みを効果的に抑制することが出来る。

次に電流指令値、電流検出値による補償信号の振幅・位相調整について図５を用いて説明する。ここで図５は、電流指令値あるいは電流検出値、電圧指令補償手段１１からの補償信号１、補償信号１と異なる位相の補償信号２、補償信号２と異なる振幅の補償信号３である。例えば、図５に示すように、電流指令値が状態１から状態２へ推移した場合、状態１では補償信号１、状態２では補償信号３と各電流指令値あるいは電流検出値に合わせて振幅・位相の異なる補償信号を電圧指令補償手段より出力し電圧指令値に重畳させることで、電動機５の電流の歪みを効果的に抑制することが出来る。

以上のように本実施の形態においては平滑手段３から出力される脈動電圧位相、電動機回転数、電流指令値、電流検出値により振幅・位相を調整した補償信号を電圧指令値へ重畳させる電圧指令補償手段１１を備えることにより、平滑手段３からの出力電圧が交流電源周波数の２倍周波で大きく脈動するようなインバータ装置において、電動機の電流の歪みを抑止した駆動を実現させることが出来る。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、電動機電流の歪みを抑制し、装置の低コスト化・小型化が可能であるため、装置の低コスト化・小型化が求められる電動機を有するあらゆるインバータ装置に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ装置の制御ブロック図同電圧指令補償手段の指令の前後比較波形図同電圧指令補償手段の動作波形図同電圧指令補償手段の他の動作波形図同電圧指令補償手段の他の動作例波形図従来のインバータ装置の制御ブロック図

符号の説明

１交流電源
２整流手段
３平滑手段
４直交変換手段
５電動機
６電流検出手段
７位相演算手段
８電流指令演算手段
９電圧指令演算手段
１０ＰＷＭ信号発生手段
１１電圧指令補償手段
１２電圧位相演算手段

Claims

交流電源を整流する整流手段と、前記整流手段からの出力電圧が脈動する平滑手段と、前記電動機の電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出値に基づき前記電動機の回転位相を演算する位相演算手段と、指示回転数と前記位相演算手段から演算される実回転数より電流指令値を演算する電流指令演算手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段の検出値とに基づき電圧指令値を算出する電圧指令演算手段と、前記電動機の極対数と電動機回転数の積を整数倍した周波数信号を、前記電圧指令値に重畳させる電圧指令補償手段とを備えたことを特徴とするインバータ装置。
電圧指令補償手段は、電圧指令値に重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を調整できることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
電圧指令補償手段は、電動機の回転数、電流検出値、電流指令値の少なくとも１つの変化に伴い、電圧指令値に重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を調整す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。
平滑手段より出力される脈動電圧位相を算出する電圧位相演算手段を備え、前記電圧指令補償手段は、該電圧位相値に基づき電圧指令値へ重畳させる信号の振幅、位相の少なくとも一方を可変させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
電圧指令補償手段は、電動機の極対数と電動機回転数の積を略５倍した周波数信号を電圧指令値へ重畳させることを特徴とする請求項１〜４記載のいずれか１項に記載のインバータ装置。
平滑手段は、コンデンサおよびリアクタで構成され、該コンデンサおよびリアクタより求められる共振周波数を、交流電源周波数の４０倍以上になるよう設定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
平滑手段を構成するコンデンサに、フィルムコンデンサを用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のインバータ装置。
請求請１〜７のいずれか１項に記載のインバータ装置を設けた空気調和機。