JP2007181355A - インバータ装置 - Google Patents

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修 横井
Masaaki Ichinoseki
雅章 一ノ関
Tomohiro Goto
後藤 智宏
Yoichi Goshi
郷司 陽一
Hiromichi Nishimura
博道 西村
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Abstract

【課題】整流回路の出力を平滑化するコンデンサを小容量とすることができ、且つ直流電圧の脈動の影響を受けない一定振幅の歪のない正弦波電圧を出力することのできるインバータ装置を提供する。
【解決手段】交流電源の出力を整流する整流回路(3)と、該整流回路より直流母線(10、11)を経由して送られた直流電圧(Vdc)をスイッチングして交流電圧に変換するインバータ主回路(5)と、該インバータ主回路より出力される前記交流電圧が前記直流電圧の変動の影響を受けない一定振幅の正弦波となるように前記直流電圧の値により補正したゲート駆動信号を前記インバータ主回路に出力するインバータ制御回路(6)と、を備え、更に、前記インバータ主回路と前記直流母線との接続部近傍に前記直流電圧を受けるフィルムコンデンサ(4)を接続する。
【選択図】図3

Description

本発明は、交流電圧を整流して得た直流電圧をスイッチングすることにより可変電圧、可変周波数の交流電圧を出力するインバータ装置に係り、特に整流回路の平滑用コンデンサの容量を低減することを可能にしたインバータ装置に関する。
従来より、三相交流電動機を可変速制御するために交流電圧を整流して得た直流電圧をスイッチングして可変電圧、可変周波数の三相交流電圧を出力するインバータ装置が広く利用されている。図8は、そのようなインバータ装置の基本構成を示したものである。インバータ装置100は、商用電源101から供給される電圧を全波整流する整流回路102、突入電流防止用のリアクトル103、平滑用コンデンサ104、直流電圧をスイッチングして三相交流電圧に変換するインバータ主回路105、そのインバータ主回路105から所望周波数の三相交流電圧が出力されるようにゲート駆動信号を生成するインバータ制御回路106により構成される。
インバータ制御回路106は、正弦波三角波比較方式によりゲート駆動信号を生成する回路で、基準正弦波生成回路108、三角波生成回路109、比較回路110、ゲート駆動回路111により構成される。基準正弦波生成回路108は希望する出力周波数の基準正弦波電圧を生成し、三角波生成回路109は出力周波数より十分高い周波数の三角波電圧をゼロVを基準として正負対称に出力する。基準正弦波電圧と三角波電圧は比較回路110にて比較され、パルス幅変調された正弦波信号が出力される。出力された信号はゲート駆動回路111にてレベル変換され、インバータ主回路105内のスイッチング素子を駆動するゲート駆動信号として出力される。図のインバータ制御回路106は1相分しか示していないがゲート駆動信号は三相分が生成される。
インバータ主回路105内の各スイッチング素子がこのようにパルス幅変調された正弦波信号を基に生成されたゲート駆動信号を受けて直流母線電圧Vdcをスイッチングすることにより、出力にはパルス幅変調された三相交流電圧が出力される。パルス幅変調された三相交流電圧はローパスフィルタ(図示せず。)を通すことで正弦波形の三相交流電圧に変換できる。
ところで、平滑用コンデンサ104両端の電圧である直流母線電圧Vdcは、平滑用コンデンサ104の容量及びリアクトル103のインダクタンスが小さい場合には図9の(1)に示すような電源周波数の6倍の周波数の脈動(リプル)を含む波形となる。インバータ主回路105はこの脈動を含んだ直流母線電圧Vdcをスイッチングして交流電圧に変換するため、出力される交流電圧(ある一相電圧)は図9の(2)に示すような電源周波数の6倍の周波数のひずみ成分を含んだ波形となる。
このようなひずみ成分を含んだ電圧でもって交流電動機113を駆動した場合には、負荷によっては共振による振動やトルク脈動が問題となる。このため、一般的には平滑用コンデンサ104として大容量の電解コンデンサを取り付け、脈動を抑制した直流電圧をインバータ主回路105に与えるようにしている。しかし、コンデンサ容量の増大はコンデンサの寸法と重量の増大を伴う。また、電解コンデンサは周囲温度の高い環境では寿命が問題となるため温度の高いインバータ主回路内のスイッチング素子近傍への配置が困難という問題もあり適切とは言い難い。
本発明はこのような背景からなされたもので、その課題は、整流回路の出力を平滑化するコンデンサを小容量とすることができ、且つ直流電圧の脈動の影響を受けない交流電圧を出力することのできるインバータ装置を提供することにある。
前記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、交流電源の出力を整流する整流回路(3)と、該整流回路より直流母線(10、11)を経由して送られた直流電圧(Vdc)をスイッチングして交流電圧に変換するインバータ主回路(5)と、該インバータ主回路より出力される前記交流電圧が前記直流電圧の変動の影響を受けないように前記直流電圧の値により補正したゲート駆動信号を前記インバータ主回路に出力するインバータ制御回路(6)と、を備え、更に、前記インバータ主回路と前記直流母線との接続部近傍に前記直流電圧を受けるフィルムコンデンサ(4)を接続したことを特徴とする。
このような構成のインバータ装置によれば、整流回路の出力する直流電圧の値によってインバータ主回路に与えられるゲート駆動信号の補正が行なわれるので、インバータ主回路の出力には直流電圧の脈動の影響を受けない交流出力電圧を得ることができる。また、そのような補正が行なえば直流電圧には脈動が含まれていてもよいため整流回路には平滑用コンデンサを必要としなくなる。従って、サージ電圧による電圧変動を抑制できる程度の小さい容量のコンデンサで済ますことができる。本構成ではそのコンデンサとして周波数特性が良好で信頼性の高いフィルムコンデンサをインバータ制御回路の入力端子近傍に接続する構成とした。従って、インバータ装置の信頼性が高まると同時にサージ電圧による電圧変動も効果的に抑制することができる。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のインバータ装置において、前記フィルムコンデンサの端子形状を前記インバータ主回路が前記直流電圧を受ける入力端子(TP、TN)に直接接続できる形状として、前記フィルムコンデンサを前記入力端子に直接接続したことを特徴とする。
このような構成とすれば、フィルムコンデンサとインバータ主回路内のスイッチング素子との間の配線が短くなるのでサージ電圧を効果的に抑制することができる。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のインバータ装置において、前記フィルムコンデンサの電極(31a 、32a)を前記直流母線(10、11)を兼ねる形状に形成し、該フィルムコンデンサの電極にて前記整流回路(3)の出力端子(TP1、TN1)と前記インバータ主回路の入力端子(TP、TN)との間を接続したことを特徴とする。
このような構成とすれば、単独の直流母線を取り付ける必要がなくなる。また、フィルムコンデンサとインバータ主回路内のスイッチング素子との間の配線が短くなるのでサージ電圧を効果的に抑制することができる。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のインバータ装置において、前記整流回路(3)の出力端子と前記インバータ主回路の入力端子との間に更に別の直流母線(10a、11a)を並列接続したことを特徴とする。
このような構成とすれば、直流母線を兼ねるフィルムコンデンサの電極の電流容量の不足を補うことができる。また、フィルムコンデンサとインバータ主回路内のスイッチング素子との間の配線が短くなるのでサージ電圧を効果的に抑制することができる。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4の何れかに記載のインバータ装置において、前記整流回路は三相交流電源を全波整流する三相全波整流回路とし、前記インバータ制御回路は前記三相全波整流回路が出力する直流電圧を前記三相交流電源の周波数の少なくとも18倍の周波数でサンプリングし、該サンプリングで検出した直流電圧の値でもって前記補正を行なうことを特徴とする。
三相全波整流回路の出力する直流電圧には三相交流電源の周波数の6倍の周波数の脈動が含まれるが、このように電源周波数の18倍以上の周波数でサンプリングした直流電圧でもって脈動の影響を無くす補正を行なえば出力には脈動の影響を殆ど受けない交流電圧を得ることができる。
以下、本発明に係るインバータ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図1はそのインバータ装置の回路構成をブロック図を交えて示したものである。本実施形態のインバータ装置1は、整流回路3、コンデンサ4、インバータ主回路5、インバータ制御回路6を備えて構成される。
整流回路3は6個のダイオードを樹脂モールドによりモジュール化した全波整流回路であり、三相商用電源9から供給される三相電圧を整流して直流電圧Vdcに変換し直流母線10、11に供給する。インバータ主回路5はフリーホィールダイオード8をそれぞれ逆接続した6個のスイッチング素子7で構成される周知のブリッジ回路であり、直流母線10、11を介して供給された直流電圧Vdcをスイッチングして三相交流電圧に変換して出力する。
インバータ制御回路6は、インバータ主回路5からパルス幅変調された指定周波数の三相交流電圧が出力されるようにその内部の各スイッチング素子7のON/OFF動作を制御するゲート駆動信号を生成する回路である。インバータ制御回路6はそのゲート駆動信号を正弦波三角波比較方式により生成する。そのためにインバータ制御回路6は、基準正弦波生成回路13、三角波生成回路14、電圧検出回路15、割算回路17、掛算回路18、比較回路19、ゲート駆動回路20を備えて構成される。
基準正弦波生成回路13はインバータ主回路5に出力させる三相交流電圧の周波数に等しい周波数で振幅一定の基準正弦波電圧を生成して出力する。三角波生成回路14はその基準正弦波電圧の周波数より十分に高い周波数で振幅一定のキャリア三角波電圧をゼロVを基準として正負対称に出力する。電圧検出回路15は直流母線10、11間の直流電圧Vdcを検出して出力する。
割算回路17は、電圧検出回路15が出力する直流電圧Vdcを、直流母線10、11間の基準直流電圧Vdcoで割算して結果を出力する。掛算回路18は、三角波生成回路14の出力するキャリア三角波電圧と割算回路17の演算結果を掛算した値を出力する。比較回路19は、基準正弦波生成回路13の出力した基準正弦波電圧を掛算回路18の出力と比較することによりキャリア三角波電圧の周波数でパルス幅変調された正弦波信号を出力する。
パルス幅変調された正弦波信号はゲート駆動回路20にてレベル変換されゲート駆動信号としてインバータ主回路5内の各スイッチング素子7を駆動する。図のインバータ制御回路6は1相分しか示していないがゲート駆動信号は三相分が生成される。インバータ主回路5内のスイッチング素子7がそのゲート駆動信号に従ってスイッチング動作を行なうことで、出力からはパルス幅変調された三相交流電圧が出力される。
ここで、電圧検出回路15で検出した直流母線10、11間の直流電圧Vdcの値を演算に使用する割算回路15、掛算回路18を設けている意味を説明する。最初に「背景技術」で説明した図8の回路構成と同様に三角波生成回路14の出力するキャリア三角波電圧が直接に比較回路19に入力されて基準正弦波生成回路13の出力する基準正弦波電圧と比較される場合を考える。
基準正弦波電圧の振幅をA、周波数をf、キャリア三角波電圧の振幅をB(但し、B≧Aとする。)とすると、この場合にインバータ主回路5より出力されるパルス幅変調された三相交流電圧の基本波(周波数f成分)の相電圧Voutは、次のように表わされる。
相電圧Vout=(2/3)1/2 ・Vdc・A・sin(2πft)/B (1)式
即ち、相電圧Voutは、直流母線10、11間の直流電圧Vdcと基準正弦波電圧の振幅Aに比例し、キャリア三角波電圧の振幅Bに反比例する。
この場合、振幅A、振幅Bは所望の出力電圧に対しては共に一定であるので相電圧Voutは直流母線10、11間の直流電圧Vdcに比例する。従って、直流電圧Vdcに図9の(1)に示すような脈動が含まれていると、相電圧Voutの波形は図9の(2)に示したようなひずみ成分を含んだ波形となる。
これに対して図1に示した本実施形態の回路構成の場合には、比較回路19に入力されるキャリア三角波電圧の振幅はB・Vdc/Vdcoとなる。この場合の相電圧Voutは、(1)式におけるBの代わりにB・Vdc/Vdcoを代入して次のように表わされる。
相電圧Vout=(2/3)1/2 ・Vdco・A・sin(2πft)/B (2)式
Vdco、A、Bは共に一定値であるので相電圧Voutは、直流母線10、11間の直流電圧Vdcの値に無関係な振幅一定の正弦波となる。即ち、図1に示すように直流母線10、11間の直流電圧Vdcを検出してキャリア三角波電圧に補正を加えると、直流電圧Vdcが変動したり脈動が含まれたりした場合でも相電圧Voutとしてその影響を受けない一定振幅の正弦波を得ることができる。
図2は、前記補正の仕方を変えたインバータ装置の実施形態である。このインバータ装置1aが図1に示したインバータ装置1と異なる点はインバータ制御回路6aの構成にある。本実施形態のインバータ制御回路6aでは、三角波生成回路14の出力するキャリア三角波電圧は直接に比較回路19に入力し、反対に基準正弦波生成回路13の出力する基準正弦波電圧は、割算回路20の出力であるVdc/Vdcoの値で割算して比較回路19に入力している。
この場合における出力の相電圧Voutは、(1)式におけるA・sin(2πft)の代わりにA・sin(2πft)/(Vdc/Vdco)を代入して次のように表わされる(但し、B≧A/(Vdc/Vdco)となるようにA、Bの値を決めておく。)。
相電圧Vout=(2/3)1/2 ・Vdco・A・sin(2πft)/B (3)式
この(3)式は前記(2)式と同一である。即ち、この場合も相電圧Voutは、直流母線10、11間の直流電圧Vdcの値に無関係な振幅一定の正弦波となる。従って、直流電圧Vdcが変動したり脈動が含まれたりした場合でも相電圧Voutとしてその影響を受けない一定振幅の正弦波を得ることができる。
このようにインバータ主回路5内のインバータ制御回路6、6aが生成するゲート駆動信号に対して直流母線10、11間の直流電圧Vdcによる補正を加えることで、インバータ装置の出力には直流電圧Vdcの変動の影響を受けない正弦波三相交流電圧を生成させることができる。
なお、インバータ制御回路6内の基準正弦波生成回路13、三角波生成回路14、割算回路17、21、掛算回路18、比較回路19の回路部分はアナログ回路で構成してもよいが、DSP(Digital Signal Processor)、高速のマイクロプロセッサを使用してディジタル演算で行なうように構成すると良い。
ディジタル演算で行なう場合、前記補正の計算は演算サイクル毎に直流電圧Vdcをサンプリングして実行してもよいが、直流電圧Vdcのサンプリング・サイクルを演算サイクルより遅くし、新たなサンプリング値を得るまでは前回のサンプリング値を用いて補正するようにしてもよい。但し、そのように直流電圧Vdcのサンプリング・サイクルを演算サイクルより遅くする場合でも三相交流電源を電源とする場合には、補正精度を確保するためにその電源周波数の少なくとも18倍の周波数でサンプリングを行なうとよい。
ところで、電源が三相交流電源であり整流回路3がその全波整流回路である場合には、整流された直流電圧は図9の(1)に示したような約14%の比較的少ない脈動を含む直流電圧となる。従って、この程度の脈動であれば前記補正を行なうことで整流回路3の後に平滑用コンデンサを付加しなくても歪のない正弦波三相交流電圧を発生させ得るようにも考えられる。しかし、インバータ主回路5がスイッチング動作を行なうため、回路の配線が有するインダクタンスによって直流母線10、11間にサージ電圧が発生することがある。流回路3が全波整流回路の場合には、直流母線10、11に流れ込んだ回生電流を三相商用電源9に流すことはできない。このため直流母線10、11間の直流電圧Vdcが異常上昇することがある。
こうしたサージ電圧による直流母線10、11間の直流電圧Vdcの異常変動を防止するために直流母線10、11間には周波数特性の良いコンデンサを接続しておくことが必要となる。但し、このコンデンサは、サージ電圧や回生電流による直流電圧Vdcの異常変動を防止することを主目的とするものであって、前述したように整流回路3の出力する直流電圧の脈動を少なくすることを主目的とするものではない。従って、その容量は小さい値で済む。但し、サージ電圧は高い周波数成分を含むために付加するコンデンサは周波数特性の良いことが要求される。
こうしたことから本実施形態のインバータ装置1、1aでは、インバータ主回路5と直流母線10、11との接続部近傍に小容量のフィルムコンデンサ4を接続している。フィルムコンデンサは電解コンデンサに比べて周波数が良好で比較的高温でも使用でき、且つ経年変化が少なくて信頼性が高いなどの優れた特性を有する。
直流母線10、11間に発生するサージ電圧を抑制するには、フィルムコンデンサ4はインバータ主回路5内のスイッチング素子7までの距離が短くなるようにして取り付けておく必要がある。図3、図4は、フィルムコンデンサ4の取り付け方の実施例を示すものである。インバータ主回路5は、図3の分解斜視図に示すように樹脂モールドにより平板な直方体形状にモジュール化されたものを使用している。その上面の一方の端近くには直流母線10、11を接続するための2個の入力端子TP、TNが設けられている。入力端子TP、TNには螺子穴が螺設されており、直流母線10、11を螺子止め接続できる構造となっている。上面の他方の端近くには3個の出力端子TU、TV、TWが設けられている。
フィルムコンデンサ4も図3の分解斜視図に示すように平板な直方体形状に形成してある。そして、その一側面の上部には幅狭で短い板状の接続端子31、32が突設して設けてある。接続端子31、32には取り付け螺子33、34を通す貫通孔が設けられ、それらの間隔はインバータ主回路5の前記入力端子TP、TNの間隔と同じにされている。フィルムコンデンサ4は、図4に示すようにその貫通孔を使用して直流母線10、11と共にインバータ主回路5の入力端子TP、TNに螺子止め接続して固定される。このようにしてフィルムコンデンサ4をインバータ主回路5に接続すれば、フィルムコンデンサ4とインバータ主回路5内のスイッチング素子7との間の配線距離を最短とすることができフィルムコンデンサ4によるサージ電圧抑制の効果を高めることができる。
図5、図6は、フィルムコンデンサ4の取り付け方の他の実施例を示すものである。この実施例ではフィルムコンデンサ4に直流母線10、11の役割を兼ねさせる形で取り付けを行なっている。フィルムコンデンサ4は図5の分解斜視図に示すように平板な直方体形状に形成してあり、その両側面を貫通して帯状の2本のコンデンサ電極31a、32aが設けられてある。コンデンサ電極31a、32aはフィルムコンデンサ4の電極であると同時に、各コンデンサ電極31a、32aの一方の端から他方の端に電流を流す直流母線としての役割も果たせるように電流容量を大きくして形成してある。直流母線を兼ねる各コンデンサ電極31a、32aの両端部には、螺子止め固定するための合計4個の貫通孔が設けられている。
フィルムコンデンサ4は図6の組立後の斜視図に示すように、一方の側面から突出しているコンデンサ電極31a、32a部分をその貫通孔を利用してインバータ主回路5の入力端子TP、TNに螺子止め接続して固定する。同時に、他方の側面から突出しているコンデンサ電極31a、32a部分もその貫通孔を利用して整流回路3の出力端子TP1、TN1に螺子止め接続して固定する。
フィルムコンデンサ4をこのような構成にして取り付ければ、フィルムコンデンサ4のコンデンサ電極31a、32aが整流回路3の出力端子TP1、TN1とインバータ主回路5の入力端子TP、TNとを結ぶ直流母線10、11としての役割も果たす。このため、別途独立して直流母線を設ける必要がなくなる。また、フィルムコンデンサ4はインバータ主回路5の入力端子TP、TNに直接接続されていることになるため、フィルムコンデンサ4とインバータ主回路5内のスイッチング素子7との間の配線距離が最短となってサージ電圧抑制の効果を高めることができる。
なお、フィルムコンデンサ4のコンデンサ電極31a、32aの電流容量が直流母線10、11に要求される電流容量を満たさない場合には、その不足分を補うために図7に示すように別の直流母線10a、11aを各コンデンサ電極31a、32aに並列に接続すればよい。
本発明に係るインバータ装置の回路構成を示すブロック図である。 本発明に係るインバータ装置の他の回路構成を示すブロック図である。 フィルムコンデンサ4の取り付け方の実施例を示す分解斜視図である。 図3に示す部品の取り付け後の斜視図である。 フィルムコンデンサ4の取り付け方の他の実施例を示す分解斜視図である。 図5に示す部品の取り付け後の斜視図である。 図5の構成に対して更に直流母線を追加した構成の斜視図である。 従来技術に係る図1相当図である。 整流回路の出力電圧に含まれる脈動及びその影響による出力電圧波形の歪の例である。
符号の説明
図面中、1、1aはインバータ装置、3は整流回路、4はフィルムコンデンサ、5はインバータ主回路、6はインバータ制御回路、10、10a、11、11aは直流母線、13は基準正弦波生成回路、14は三角波生成回路、15は電圧検出回路、19は比較回路、31a、32aはフィルムコンデンサの電極、TP、TNはインバータ主回路の入力端子、TP1、TN1は整流回路の出力端子、Vdcは直流電圧を示す。

Claims (5)

  1. 交流電源の出力を整流する整流回路(3)と、
    該整流回路より直流母線(10、11)を経由して送られた直流電圧(Vdc)をスイッチングして交流電圧に変換するインバータ主回路(5)と、
    該インバータ主回路より出力される前記交流電圧が前記直流電圧の変動の影響を受けないように前記直流電圧の値により補正したゲート駆動信号を前記インバータ主回路に出力するインバータ制御回路(6)と、を備え、
    更に、前記インバータ主回路と前記直流母線との接続部近傍に前記直流電圧を受けるフィルムコンデンサ(4)を接続したことを特徴とするインバータ装置。
  2. 請求項1に記載のインバータ装置において、前記フィルムコンデンサの端子形状を前記インバータ主回路が前記直流電圧を受ける入力端子(TP、TN)に直接接続できる形状として、前記フィルムコンデンサを前記入力端子に直接接続したことを特徴とするインバータ装置。
  3. 請求項1に記載のインバータ装置において、前記フィルムコンデンサの電極(31a
    、32a)を前記直流母線(10、11)を兼ねる形状に形成し、該フィルムコンデンサの電極にて前記整流回路(3)の出力端子(TP1、TN1)と前記インバータ主回路の入力端子(TP、TN)との間を接続したことを特徴とするインバータ装置。
  4. 請求項3に記載のインバータ装置において、前記整流回路(3)の出力端子と前記インバータ主回路の入力端子との間に更に別の直流母線(10a、11a)を並列接続したことを特徴とするインバータ装置。
  5. 請求項1乃至4の何れかに記載のインバータ装置において、前記整流回路は三相交流電源を全波整流する三相全波整流回路とし、前記インバータ制御回路は前記三相全波整流回路が出力する直流電圧を前記三相交流電源の周波数の少なくとも18倍の周波数でサンプリングし、該サンプリングで検出した直流電圧の値でもって前記補正を行なうことを特徴とするインバータ装置。
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