JP2011139623A - 高圧インバータの過電圧保護装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ、負荷、及びインバータと負荷との間に連結されるケーブル間のインピーダンス差によって発生する電圧波動による過電圧により負荷が損傷しないように保護する高圧インバータの過電圧保護装置及び方法を提供すること。
【解決手段】メイン制御部がデジタル信号に提供する電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換し、変換されたアナログ基準電圧を、あらかじめ設定された電圧レベル及び周波数を有するのこぎり波と比較してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を発生し、発生したＰＷＭ信号のパルス幅を判断して、あらかじめ設定された時間未満であると、ＰＷＭ信号のパルス幅をあらかじめ設定された時間幅に調節する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高圧インバータの過電圧保護装置及び方法に係り、特に、インバータ、負荷、及びインバータと負荷との間に連結されるケーブル間のインピーダンス差によって発生する電圧波動による過電圧により電動機が損傷しないように保護する高圧インバータの過電圧保護装置及び方法に関するものである。

一般に、３相電動機などのような負荷を高精度に駆動する場合にインバータが多く使用される。インバータを用いて負荷を駆動するためには、インバータと負荷との間に、インバータから出力される電圧を供給するためのケーブルが連結される。

インバータ、負荷及びケーブルのインピーダンスはそれぞれ異なる。したがって、インバータで発生してケーブルを通じて電動機に供給される電圧がインピーダンスの不連続点で反射する電圧反射現象が起こり、これによって電圧に波動が発生することになる。

このように発生する電圧波動が相互に打ち消されると、インバータが負荷を正常に駆動するのに何ら影響も与えない。しかし、発生する電圧波動が互いに重なると、負荷の絶縁耐圧を超過する過電圧が負荷に印加されるから、負荷にはストレスの蓄積による絶縁破壊及びベアリングの損傷などが発生する。

カスケード（Cascade）Ｈ−ブリッジ方式の高圧インバータは、一般のインバータに比べて単位時間当たりの電圧変化量が低い。したがって、カスケードＨ−ブリッジ方式の高圧インバータは、負荷との間に連結されるケーブル長が長くても、一般のインバータに比べて、過電圧による負荷の絶縁破壊及びベアリングの損傷が少なく発生し、周辺機器の誤動作なども少なく発生する。

しかしながら、カスケードＨ−ブリッジ方式の高圧インバータを用いても、電圧の波動を完全に除去することはできず、依然として電圧波動が発生して負荷が損傷することがある。

このような電圧波動の影響は、カスケードＨ−ブリッジ方式の高圧インバータを構成するスイッチング素子を高速でスイッチングする場合や、これらスイッチング素子をスイッチングさせるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号の幅が狭い場合に一層大きくなる。

本発明の高圧インバータの過電圧保護装置及び方法は、メイン制御部がデジタル信号として提供する電圧指令信号を、アナログ基準電圧に変換する。

そして、該変換されたアナログ基準電圧を、あらかじめ設定された電圧レベル及び周波数を有するのこぎり波と比較してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を発生し、発生したＰＷＭ信号のパルス幅を判断する。

ＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅以上の場合、該ＰＷＭ信号のパルス幅を調節せずにそのまま出力してスイッチング素子をスイッチングさせる。

そして、ＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅未満の場合、該ＰＷＭ信号のパルス幅を、あらかじめ設定された時間幅に調節した後に出力してスイッチング素子をスイッチングさせる。

したがって、本発明の一実施例に係る高圧インバータの過電圧保護装置は、あらかじめ設定された周波数及び電圧レベルを有するのこぎり波を発生するのこぎり波発生部と、メイン制御部から入力される電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換するアナログ基準電圧発生部と、前記のこぎり波と前記アナログ基準電圧との電圧レベルを比較してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を発生する比較部と、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を判断するパルス幅判断部と、前記パルス幅判断部の判断に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅を調節するＰＷＭ信号出力部と、を含む。

本発明の一実施例の一態様によれば、前記ＰＷＭ信号出力部は、前記ＰＷＭ信号のパルス幅があらかじめ設定された時間以上の場合に、前記ＰＷＭ信号をそのまま出力し、前記ＰＷＭ信号のパルス幅があらかじめ設定された時間幅未満の場合に、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を、前記あらかじめ設定された時間の幅に調節して出力する。

そして、本発明の一実施例に係る高圧インバータの過電圧保護方法は、メイン制御部がデジタル信号として提供する電圧指令信号を、アナログ基準電圧に変換するステップと、前記アナログ基準電圧を、あらかじめ設定された電圧レベル及び周波数を有するのこぎり波と比較して、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を発生するステップと、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を判断するステップと、前記ＰＷＭ信号のパルス幅があらかじめ設定された時間幅未満の場合に、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を、あらかじめ設定された時間幅を有するように変換するステップと、を含む。

高圧インバータの構成を示す図である。 高圧インバータにおける複数個の電圧発生部のそれぞれの構成を示す図である。 本発明の過電圧保護装置に係る単位制御部の好ましい実施例を示す構成図である。 本発明の過電圧保護方法による単位制御部の一動作例を示すフローチャートである。

以下の詳細な説明は、例示的なもので、本発明の実施例を開示するものに過ぎない。また、本発明の原理と概念は、最も有用で容易に説明される。

そのために、本発明の基本理解のための説明において余分の詳細な構造は省略し、また、当該技術分野における通常の知識を有する者が、本発明の実体において実施しうる様々な形態を図面を通じて例示する。

図１は、高圧インバータの構成を示す図である。ここで、符号１００は負荷である。例えば、負荷は、３相交流電圧によって駆動される３相交流電動機である。

符号１１０は、メイン制御部である。メイン制御部１１０は、負荷１００の駆動状態を判断し、判断した駆動状態によって、ＰＷＭ信号を発生する基準電圧を含む電圧指令信号を発生する。

符号１２０，１２２，１２４は、複数個の電圧発生部である。複数個の電圧発生部１２０，１２２，１２４は、例えば、それぞれ、Ｒ相電圧、Ｓ相電圧及びＴ相電圧を発生する電圧発生部で、メイン制御部１１０からの電圧指令信号によってＲ相電圧、Ｓ相電圧及びＴ相電圧を発生して負荷１００に出力する。

このような構成を有する高圧インバータは、メイン制御部１１０が、負荷１００である電動機の駆動状態を判断し、判断した駆動状態及びユーザが命令する駆動命令（図示せず）に応じて基準電圧を含む電圧指令信号を発生する。

メイン制御部１１０で発生する電圧指令信号は、複数個の電圧発生部１２０，１２２，１２４に入力され、複数個の電圧発生部１２０，１２２，１２４は、当該電圧指令信号によってそれぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相の３相電圧を発生する。

このように発生するＲ相、Ｓ相及びＴ相の３相電圧は、負荷１００である電動機に印加されて負荷１００を駆動する。

図２は、複数個の電圧発生部１２０，１２２，１２４のそれぞれの構成を示す図である。ここで、符号２００−１，２００−２，…，２００−Ｎは、複数個の単位制御部である。複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれは、メイン制御部１００から出力される電圧指令信号に応じて複数個のスイッチング信号を発生する。

符号２１０−１，２１０−２，…，２１０−Ｎは、複数個のスイッチング部である。複数個のスイッチング部２１０−１，２１０−２，…，２１０−Ｎは、負荷１００と接地との間に直列接続され、複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎからそれぞれ出力されるスイッチング信号によって電源端子Ｖ_ＤＤの電圧をスイッチングして、負荷１００に３相電圧を出力する。

複数個のスイッチング部２１０−１，２１０−２，…，２１０−Ｎのそれぞれは、電源端子Ｖ_ＤＤと接地との間に、スイッチング素子（ＳＷ２１０−１１，ＳＷ２１０−１２）（ＳＷ２１０−１３，ＳＷ２１０−１４），（ＳＷ２１０−２１，ＳＷ２１０−２２）（ＳＷ２１０−２３，ＳＷ２１０−２４），…，（ＳＷ２１０−Ｎ１，ＳＷ２１０−Ｎ２）（ＳＷ２１０−Ｎ３，ＳＷ２１０−Ｎ４）がそれぞれ直列接続される。

スイッチング素子（ＳＷ２１０−１１〜ＳＷ２１０−１４）（ＳＷ２１０−２１〜ＳＷ２１０−２４）…（ＳＷ２１０−Ｎ１〜ＳＷ２１０−Ｎ４）のベースには、複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれから出力される複数のスイッチング信号がそれぞれ印加されるように構成される。

スイッチング素子ＳＷ２１０−１３のエミッタとスイッチング素子ＳＷ２１０−１４のコレクタとの接続点は、負荷１００に接続される。そして、スイッチング素子（ＳＷ２１０−１１）（ＳＷ２１０−２１）…のエミッタとスイッチング素子（ＳＷ２１０−１２）（ＳＷ２１０−２２）…のコレクタとの接続点は、スイッチング素子（ＳＷ２１０−２３）（ＳＷ２１０−３３）…のエミッタとスイッチング素子（ＳＷ２１０−２４）（ＳＷ２１０−３４）…のコレクタとの接続点にそれぞれ接続される。また、スイッチング素子ＳＷ２１０−Ｎ２のエミッタとスイッチング素子ＳＷ２１０−Ｎ４のエミッタとの接続点は、接地に接続される。

このような構成を有する複数個の電圧発生部１２０、１２２、１２４のそれぞれの電源端子Ｖ_ＤＤに動作電圧が印加された状態で、複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎはそれぞれ、メイン制御部１１０から出力される電圧指令信号に応じて、所定のスイッチング信号としてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を発生する。

複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれがスイッチング信号として発生するＰＷＭ信号は、複数個のスイッチング部（２１０−１）（２１０−２）…（２１０−Ｎ）のそれぞれのスイッチング素子（ＳＷ２１０−１１〜ＳＷ２１０−１４）（ＳＷ２１０−２１〜ＳＷ２１０−２４）…（ＳＷ２１０−Ｎ１〜ＳＷ２１０−Ｎ４）のベースに印加される。

すると、複数個のスイッチング部（２１０−１）（２１０−２）…（２１０−Ｎ）のそれぞれに設けられている複数個のスイッチング素子（ＳＷ２１０−１１〜ＳＷ２１０−１４）（ＳＷ２１０−２１〜ＳＷ２１０−２４）…（ＳＷ２１０−Ｎ１〜ＳＷ２１０−Ｎ４）は、このＰＷＭ信号によって選択的にターンオン及びターンオフして電源端子Ｖ_ＤＤの動作電圧をスイッチングする。そして、複数個のスイッチング部（２１０−１）（２１０−２）…（２１０−Ｎ）のそれぞれから出力され電圧は、互いに重なり合って負荷１００に出力される。

図３は、本発明の過電圧保護装置に係る単位制御部の好適な実施例を示す構成図である。ここで、符号３００は、のこぎり波発生部である。のこぎり波発生部３００は、所定の周波数を有するのこぎり波を発生する。

符号３１０は、アナログ基準電圧発生部である。アナログ基準電圧発生部３１０は、メイン制御部１１０から入力される電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換する。

符号３２０は比較部である。比較部３２０は、のこぎり波発生部３００で発生するのこぎり波とアナログ基準電圧発生部３１０で変換されたアナログ基準電圧との電圧レベルを比較してＰＷＭ信号を発生する。

符号３３０は、パルス幅判断部である。パルス幅判断部３３０は、比較部３２０から出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅以下であるか否か判断して、判断信号を発生する。

符号３４０は、ＰＷＭ信号出力部である。ＰＷＭ信号出力部３４０は、パルス幅判断部３３０で判断したパルス幅が、あらかじめ設定された時間以上であると、比較部３２０で発生したＰＷＭ信号をスイッチング信号として出力する。しかし、パルス幅判断部３３０で判断したパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅未満であると、ＰＷＭ信号出力部３４０は、比較部３２０で発生したＰＷＭ信号の幅を、あらかじめ設定された時間幅に調節して出力する。

このような構成を有する本発明は、のこぎり波発生部３００が、あらかじめ設定された所定の周波数を有するのこぎり波を発生し、該のこぎり波は比較部３２０に入力される。

そして、メイン制御部１１０から出力される電圧指令信号がアナログ基準電圧発生部３１０に入力される。

すると、アナログ基準電圧発生部３１０は、この電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換する。

すなわち、メイン制御部１１０は、負荷１００に３相電圧を供給するために、可変する電圧レベルの電圧指令信号をデジタル信号として複数の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎに提供する。すると、複数の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれに設けられているアナログ基準電圧発生部３１０は、メイン制御部１１０からデジタル信号として提供される電圧指令信号を受信してアナログ基準電圧に変換する。

アナログ基準電圧発生部３１０で変換されたアナログ基準電圧は、比較部３２０に入力される。

すると、比較部３２０は、のこぎり波発生部３００で発生したのこぎり波とアナログ基準電圧発生部３１０で変換されたアナログ基準電圧との電圧レベルを比較し、比較結果に基づいて所定の幅を有するＰＷＭ信号を発生する。

例えば、比較部３２０は、のこぎり波とアナログ基準電圧との電圧レベルを比較し、のこぎり波の電圧レベルがアナログ基準電圧の電圧レベルよりも高い時間範囲に該当するパルス幅を有するＰＷＭ信号を発生する。

比較部３２０で発生するＰＷＭ信号は、パルス幅判断部３３０及びＰＷＭ信号出力部３４０にそれぞれ入力される。

パルス幅判断部３３０は、比較部３２０で発生するＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅以上かまたは未満かを判断し、判断信号をＰＷＭ信号出力部３４０に出力する。

すると、ＰＷＭ信号出力部３４０は、パルス幅判断部３３０の判断信号によって、比較部３２０で発生したＰＷＭ信号のパルス幅を変換せずにそのまま出力する、または、比較部３２０で発生したＰＷＭ信号のパルス幅を、あらかじめ設定された時間幅に調節して出力する。

例えば、あらかじめ設定された時間幅を１ｍｓに設定しておき、パルス幅判断部３３０は、比較部３２０で発生するＰＷＭ信号のパルス幅が１ｍｓ以上かまたは１ｍｓ未満かを判断して判断信号を発生する。

パルス幅判断部３３０が、ＰＷＭ信号のパルス幅が１ｍｓ以上であると判断する場合、ＰＷＭ信号出力部３４０は、比較部３２０で発生したＰＷＭ信号のパルス幅を変換せずにそのまま出力する。

パルス幅判断部３３０が、ＰＷＭ信号のパルス幅が１ｍｓ未満であると判断する場合、ＰＷＭ信号出力部３４０は、比較部３２０で発生したＰＷＭ信号のパルス幅を１ｍｓに変換して出力する。

このようにしてＰＷＭ信号出力部３４０が出力する、最小限の幅を有するＰＷＭ信号は、複数個のスイッチング部（２１０−１）（２１０−２）…（２１０−Ｎ）のそれぞれのスイッチング素子（ＳＷ２１０−１１，ＳＷ２１０−１２，ＳＷ２１０−１３，ＳＷ２１０−１４），（ＳＷ２１０−２１，ＳＷ２１０−２２，ＳＷ２１０−２３，ＳＷ２１０−２４），…，（ＳＷ２１０−Ｎ１，ＳＷ２１０−Ｎ２，ＳＷ２１０−Ｎ３，ＳＷ２１０−Ｎ４）のベースに印加されてそれらをスイッチングさせる。

図４は、本発明の過電圧保護方法による単位制御部の一動作例を示すフローチャートである。

図４を参照すると、メイン制御部１１０から複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれに電圧指令信号が入力されると（Ｓ４００）、アナログ基準電圧発生部３１０は、この電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換する（Ｓ４０２）。

続いて、複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれは、当該変換されたアナログ基準電圧とのこぎり波発生部３００で発生するのこぎり波との電圧レベルを比較して、ＰＷＭ信号を生成し（Ｓ４０４）、この生成されたＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅以上であるか否か判断する（Ｓ４０６）。

Ｓ４０６の判断結果、生成されたＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅以上であると、複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれは、該生成されたＰＷＭ信号をそのまま出力する（Ｓ４１０）。

一方、Ｓ４０６の判断結果、生成されたＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅以上でないと、複数個の単位制御部２００−１，２００−２，…，２００−Ｎのそれぞれは、該生成されたＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅になるように調節し（Ｓ４０８）、このパルス幅の調節されたＰＷＭ信号を出力する（Ｓ４１０）。

以上では代表的な実施例に挙げて本発明について詳細に説明してきたが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には、それらの実施例に限定されず、本発明の範ちゅうを逸脱しない限度内で様々な変形実施ができるということが理解できる。

したがって、本発明の権利範囲は、以上の実施例によって定められてはならず、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲で定められるべきである。

Claims (3)

1. あらかじめ設定された周波数及び電圧レベルを有するのこぎり波を発生するのこぎり波発生部と、
   メイン制御部から入力される電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換するアナログ基準電圧発生部と、
   前記のこぎり波と前記アナログ基準電圧との電圧レベルを比較してＰＷＭ信号を発生する比較部と、
   前記ＰＷＭ信号のパルス幅を判断するパルス幅判断部と、
   前記パルス幅判断部の判断に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅を調節するＰＷＭ信号出力部と、
   を含む、高圧インバータの過電圧保護装置。
2. 前記ＰＷＭ信号出力部は、
   前記ＰＷＭ信号のパルス幅があらかじめ設定された時間幅以上の場合に、前記ＰＷＭ信号をそのまま出力し、前記ＰＷＭ信号のパルス幅があらかじめ設定された時間幅未満の場合に、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を、前記あらかじめ設定された時間の幅を有するように調節して出力することを特徴とする、請求項１に記載の高圧インバータの過電圧保護装置。
3. メイン制御部がデジタル信号として提供する電圧指令信号をアナログ基準電圧に変換するステップと、
   前記アナログ基準電圧を、あらかじめ設定された電圧レベル及び周波数を有するのこぎり波と比較してＰＷＭ信号を発生するステップと、
   前記ＰＷＭ信号のパルス幅を判断するステップと、
   前記ＰＷＭ信号のパルス幅が、あらかじめ設定された時間幅未満の場合に、前記ＰＷＭ信号のパルス幅を、あらかじめ設定された時間幅を有するように変換するステップと、
   を含む、高圧インバータの過電圧保護方法。