JP2013027148A - モータ駆動用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、安価な構成で効率の高いインバータ装置を実現すること。
【解決手段】モータ駆動用インバータ装置２は、交流電源１を入力とし直流電力に変換する全波整流回路と、全波整流回路に接続され複数個のスイッチング素子２３〜２８を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、全波整流回路とインバータの間に接続される小容量の平滑コンデンサ２２と、直流電力部の電圧を検出する直流電圧検出手段３１と、インバータを制御し、かつ直流電圧検出手段３１により検出された電圧が所定の値より低い場合には、スイッチング素子２３〜２８をすべてオフする機能を有したインバータ制御手段とを有することで、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成された高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個のスイッチング素子により構成され、直流電力を、所望の周波数の交流に変換し、モータなどの負荷の駆動を行うインバータ装置に関する。

一般的な従来のインバータ回路の構成図を図６に示す。このようなインバータ回路においては、単相交流電源４の入力に力率改善用リアクトル５１を用い、全波整流用のダイオードブリッジ５９で直流に変換された電力を平滑用の大容量の電解コンデンサ５２で平滑した後、６個のスイッチング素子５３〜５８および、それに並列に接続されたダイオード５３ａ〜５８ａを制御手段６０が制御し、その出力である直流電力を所望の周波数の交流に変換し、負荷であるモータ８の駆動を実現している。この回路で高調波規制をクリアするためには、非常に大きなリアクトル５１が必要であり、そのためコスト、重量、サイズの面で実用上の制約が大きい。リアクトル５１が小さいと電源電流波形は尖った波形となり多くの高調波を含むこととなる。

一方、この従来の回路のコスト、重量、サイズの点での問題を解決するために、単相交流電源を入力とする単相ダイオード全波整流回路と、これに接続される従来のダイオード全波整流回路用の平滑コンデンサの１／１００程度の小容量平滑コンデンサと、制御用ＰＷＭインバータとモータとで構成された制御回路とによって、ダイオード全波整流回路の入力力率と波形の改善を実現させたモータ駆動用インバータの制御装置が考案されていた。これにより、小型のシンプルな回路構成により、入力力率および効率の高いインバータ装置が提案されていた（例えば特許文献１参照）。

また、図７に示すように、極めて小容量のリアクタと、インバータの直流母線間に極めて小容量のコンデンサを設けたモータ駆動用インバータで、ＰＮ電圧予測手段において、インバータが、実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を直流電圧検出値の時系列データから求め、インバータ直流電圧が上昇中に必要以上のモータ電圧が印可されないようにして、モータに適正な電流を流すことによって、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置が提案されていた（例えば特許文献２参照）。

特開２００２−５１５８９号公報 特開２００５−３０４２４８号公報

このようなインバータ装置においては、直流母線間に設けられたコンデンサが極めて小容量であるため、直流部の電圧が大きく変動する。それに対して特許文献２のモータ駆動用インバータ装置では、直流電圧に応じて、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直流電圧補正係数とを乗算することにより、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ていた。

しかしながら、直流電圧がゼロ近傍まで低下する場合、そのように直流電圧の値で補正を加えてもインバータに印加できる電圧には限界があるため、モータには駆動トルクを発生させることができない。さらに、そのように直流電圧が低下した場合に、インバータの
スイッチング素子をオンオフさせて制御を行った際に、モータにトルクには寄与しない無効電流が流れる場合があった。

図７は、そのように極めて小容量なコンデンサを有したインバータ装置において、モータに無効電流が流れる様子を示した動作データ図の一例である。インバータ装置の直流部電圧値、モータ端子電圧（Ｕ相）、モータ電流（Ｕ相）の時間変化を表した図である。このように直流部の電圧値は、平滑用のコンデンサが非常に小容量なコンデンサであるため交流電源の電源周波数に対してその倍の周波数で変動し、電圧ゼロ近傍まで低下している。さらに、モータの端子電圧は、直流部の電圧を包絡線とし、モータを駆動するためのＰＷＭパルスより構成される電圧となっている。
また、モータに流れる電流は、モータの端子電圧に同期する形で構成され、電源周波数の２倍の周期で変動する電流となっている。ここで、直流部の電圧がモータの誘起電圧ＶＳに対応した電圧以下のゼロ近傍まで低下したときに、区間Ａ１およびＡ２においてモータに比較的大きな電流が流れているのが分かる。この電流は、モータのトルクに寄与しない無効電流であり、そのためにモータ、および回路の効率を低下させていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小容量のコンデンサを有した非平滑のインバータ装置において、直流部の電圧が交流電源の電源周波数に対してその倍の周波数で変動し電圧ゼロ近傍まで低下した場合においても、スイッチング素子の駆動制御を最適に行うことにより、モータおよびインバータ回路損失を低減し効率向上を行うことを目的としている。

本発明に係るモータ駆動用インバータ装置は、交流電源を入力とし直流電力に変換する全波整流回路と、全波整流回路に接続され複数個のスイッチング素子を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、全波整流回路とインバータの間に接続される小容量の平滑コンデンサと、直流電力部の電圧を検出する直流電圧検出手段と、インバータを制御し、かつ直流電圧検出手段により検出された電圧が所定の値より低い場合には、スイッチング素子をすべてオフする機能を有したインバータ制御手段とを有したものである。
この構成によれば、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成された高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現される。

前記モータ駆動用インバータ装置においては、スイッチング素子をすべてオフする際の直流電圧の所定の値を、出力負荷となるモータの回転数により変更することを特徴とするインバータ制御手段を備えればよい。
このことにより、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成され、モータ駆動回転数に依らず常に高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現される。
スイッチング素子をすべてオフする際の直流電圧の所定の値が、出力負荷となるモータが発生する誘起電圧の値と同等と設定するインバータ制御手段を備えたモータ駆動用インバータ装置である。
この構成によれば、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成され、モータ仕様に依らず常に高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現される。

前記モータ駆動用インバータ装置においては、直流電圧部の電圧の最小値が、出力負荷となるモータにより発生する誘起電圧の値と同等以下まで低下する容量の平滑コンデンサを有すればよい。
この構成によれば、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成され、常に高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現される。

以上のように本発明によれば、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成され、常に高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現される。

本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置の構成図 同、モータ駆動用インバータ装置の制御手段３０の詳細構成を示すブロック構成図 同、モータ駆動用インバータ装置の制御手段３０の動作タイミングを示すタイミングチャート図 同、モータ駆動用インバータ装置において回転数と制御開始電圧の値の関連を示した特性図 同、モータ駆動用インバータ装置における制御結果である動作データ図 従来の一般的なインバータ回路の構成図 従来の極めて小容量なコンデンサを有したインバータ装置における動作データ図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置の詳細構成を示す構成図である。
交流電源１より与えられる交流電力は、力率改善用のリアクトル２１を通して全波整流用のダイオードブリッジ２９で直流に変換される。この直流部の両端には極めて小容量の平滑コンデンサ２２が接続される。その容量は、例えば１０μＦ程度の容量であり、寿命に課題がある電解コンデンサではなく、フィルムコンデンサを使用することができる。

また、この小容量であることにより、交流電源から流れ込む電流にコンデンサの充電電流の影響が少なくなるため、高調波成分は大幅に低減され、いわゆる高調波規制をクリアすることができる。また、リアクトル２１も高調波電流が大幅に低減されることから、０．１ｍＨ程度の小型のものでよく、モータ駆動用インバータ装置２の装置全体としての大きさは非常に小さくできる。

この直流電力は、スイッチング素子２３〜２５および、それに並列に接続されたダイオード２３ａ〜２５ａにより構成される上アーム側のスイッチング回路と下アーム側のスイッチング素子２６〜２８および、それに並列に接続されたダイオード２６ａ〜２８ａによる直列回路を３相分有し、これら直列回路における上アームと下アームの相互接続点が、負荷であるモータ３に接続された回路に供給される。

制御手段３０は、モータ３が所望の回転数で回転するような交流電力を回路が出力するように、スイッチング素子２３〜２８のスイッチングを制御する。スイッチングの方法としては、素子の駆動パルスの時間幅により出力電圧を制御する、一般的なパルス幅変調（ＰＷＭ）方式が用いられる。

さらに直流部の両端の電圧を検出する直流電圧検出手段３１が備えられる。直流部の電圧は、平滑コンデンサ２２が極めて小容量であるため十分には平滑されず非平滑の状態となり、その電圧は交流電源１の電圧をＡＣ１００Ｖとしたときに、０Ｖ〜１４１Ｖまで変動する。その変動周期は、交流電源１の電圧周波数を６０Ｈｚとしたときに、その倍の１２０Ｈｚとなる。直流電圧検出手段３１は、その大きく変動する直流部の電圧を検出し、制御手段３０に出力する。

図２は、本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置の制御手段３０の詳細構成を示すブロック構成図である。
外部から与えられる回転数指令に基づき変調率演算手段１０８は、モータ３に出力するべき電圧に対応した変調率の値を、直流電圧検出手段３１の出力である直流電圧値とから演算する。演算方法としては、回転数指令に比例した電圧を出力する方法として、式１に示した演算方法にて出力変調率Ｈを求める。この出力電圧比例係数ａは、回転数が最高回転数となる条件で、出力変調率Ｈがほぼ１となり出力電圧が最大となるように設定される。Ｈ＝ａ×ω／Ｖｄｃ ・・・（式１）
ａ：出力電圧比例係数
ω：回転数指令
Ｖｄｃ：直流電圧値
三角波カウンタ１０１は、スイッチング素子２３〜２８のスイッチングを一般的なパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で行うためのキャリア波を三角波として生成する。得られた三角波と、変調率演算手段１０８により演算された出力変調率とを、比較器１０２において比較することにより、上アーム側のスイッチング素子の駆動パルスである正相パルス信号、および、下アーム側のスイッチング素子の駆動パルスである負相パルス信号を生成する。

図３は、本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置の制御手段３０の動作タイミングを示すタイミングチャート図である。時刻ｔ０からｔ３、ｔ３からｔ６、ｔ６からｔ７の時間間隔はキャリア周期であり、この周期でキャリア波である三角波が三角波カウンタ１０１により生成される。比較器１０２において、三角波と出力変調率が比較され、時刻ｔ１からｔ２の間、および時刻ｔ４からｔ５の間、オン出力する正相パルス信号（Ｘ）および、オフ出力する負相パルス信号（Ｙ）が生成される。上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子は、同時にオン状態になると、直流電力を短絡することになるため、同時オンを避けるために遅延時間が設けられる。正相遅延タイマ１０３および負相遅延タイマ１０４は、その遅延時間を設ける機能を有する。

図３における正相出力パルス信号（Ｘ２）および負相出力パルス信号（Ｙ２）は、正相遅延タイマ１０３および負相遅延タイマ１０４により遅延時間、いわゆるデッドタイムを設定された信号である。三角波カウンタ１０１から出力されるＵＰ／ＤＯＷＮ信号により、三角波の立ち上がりの場合には、正相出力パルス信号に遅延時間が設けられ、逆に三角波の立ち下がりの場合には、負相出力パルス信号に遅延時間が設けられる。

これにより、上アームと下アームの同時導通の発生しないパルスが生成される。正相遅延タイマ１０３および負相遅延タイマ１０４により出力されたパルス信号を用いてスイッチング素子２３〜２８をドライブするための上アーム素子駆動信号、および下アーム素子駆動信号がドライバ１０５、１０６により出力される。このようにして、回転数指令を実現するべくモータ駆動用インバータ装置が動作する。

本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置においては、さらに制御手段３０においてモータ３に流れる無効電流を抑制するための制御が実行される。ＳＷオフ制御手段１０７においては、直流電圧検出手段３１の出力である直流電圧値と、外部から与えられる回転数指令値からスイッチング素子２３〜２８をすべてオフとする場合かどうかを判定する。

図４に示すのは、本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置において回転数と制御開始電圧の値の関連を示した特性図の一例である。駆動するモータ３が、モータＡ５の場合、回転数に対して制御開始電圧は、回転数Ｗ１の時に電圧ＶＡとなるような傾きを持つ１次直線で設定される。ＳＷオフ制御手段１０７においては、この制御開始電圧と、直流電圧検出手段３１の出力である直流電圧値を比較し、直流電圧値が制御開始電圧より低
い場合には、オフ指令を出力する。このオフ指令が発生すると比較器１０２は、正相パルス信号（Ｘ）および、オフ出力する負相パルス信号（Ｙ）の出力を停止する。図３に示すタイミングチャート図における時刻ｔ６以降においては、この条件が成立し正相パルス信号（Ｘ）および、オフ出力する負相パルス信号（Ｙ）の出力を停止されている。これにより正相出力パルス信号（Ｘ２）および負相出力パルス信号（Ｙ２）も出力が抑制され、スイッチング素子２３〜２８がすべてオフとされる。

図４に示すように、駆動するモータが別の仕様、この場合、モータＡ５よりも誘起電圧が低いモータＢ６の場合には、回転数に対して制御開始電圧は、回転数Ｗ１の時に電圧ＶＢとなるような傾きを持つ１次直線で設定される。また、さらにモータＢ６よりも誘起電圧が低いモータＣ７の場合には、回転数に対して制御開始電圧は、回転数Ｗ１の時に電圧ＶＣとなるような傾きを持つ１次直線で設定される。これらの一時直線は、モータ３の誘起電圧とほぼ同等の値となるように設定される。モータ３の誘起電圧はモータ３の回転数に略比例するため、このような１次直線で設定される。このようにして、直流電圧検出手段３１の出力である直流電圧値が、回転数指令値から図４で与えられるモータの誘起電圧よりも低い場合には、スイッチング素子２３〜２８をすべてオフとする制御が実行される。

以上のような制御により、本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置においては、制御手段３０においてモータ３に流れる無効電流を抑制するための制御が実行される。無効電流は、モータ３が発生する誘起電圧よりも直流電圧検出手段３１の出力である直流電圧値が低い場合に多く発生する。それは、モータ３に供給する電圧が誘起電圧より高くないとモータ３に電力が供給されず、有効電流が発生しないからである。

図５に、本実施の形態に係るモータ駆動用インバータ装置における制御結果である動作データ図の一例を示す。インバータ装置の直流部電圧値、モータ端子電圧（Ｕ相）、モータ電流（Ｕ相）の時間変化を表した図である。このように小容量コンデンサを有したインバータ装置において、平滑用のコンデンサが非常に小容量なコンデンサであるため交流電源の電源周波数に対してその倍の周波数で変動しているが、制御手段３０の制御により無効電流の発生が抑えられている。直流部の電圧がモータの誘起電圧ＶＳに対応した電圧以下まで低下したときに、区間Ａ１およびＡ２においてスイッチング素子２３〜２８をすべてオフとする制御が実行される。これにより、モータの電流はゼロとなり、この区間は流れない。これによりモータのトルクに寄与しない無効電流が流れることなく、無駄な電力が消費されないため、モータ効率、および回路効率共に高効率となるものである。

このように、本実施形態におけるモータ駆動用インバータ装置においては、交流電源を入力とし直流電力に変換する全波整流回路と、全波整流回路に接続され複数個のスイッチング素子を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、インバータにより駆動されるモータと、全波整流回路とインバータの間に接続される小容量の平滑コンデンサと、直流電力部の電圧を検出する直流電圧検出手段とを有し、インバータを制御し、かつ直流電圧検出手段により検出された電圧が所定の値より低い場合には、スイッチング素子をすべてオフする機能を有したインバータ制御手段とを有することにより、高調波が少なく、小型、低コストの回路で構成され、無効電流の少ない高効率なモータ駆動用インバータ装置が実現されるものである。

なお、上記実施の形態における、制御手段３０は、マイコンのようなソフトウェア論理で動作するもので実現されてもよいし、ハードウェア論理回路により実現されても良いことはいうまでもない。

以上説明したように本発明は、モータを駆動するインバータ装置に関し、特にインバータ装置の直流部には極めて小容量のコンデンサが設けられ、電源高調波を抑えながら小型、低コストの回路を実現するインバータ装置に用いられ、高調波の少ない小型、低コストで、効率の高いインバータ装置に関して有用である。

１ 交流電源
２ モータ駆動用インバータ装置
３ モータ
５ モータＡ
６ モータＢ
７ モータＣ
２１ リアクトル
２２ 平滑コンデンサ
２３〜２８ スイッチング素子
２３ａ〜２８ａ ダイオード
２９ ダイオードブリッジ
３０ 制御手段
３１ 直流電圧検出手段

Claims (4)

1. 交流電源を入力とし直流電力に変換する全波整流回路と、前記全波整流回路に接続され複数個のスイッチング素子を有し直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記全波整流回路と前記インバータの間に接続される小容量の平滑コンデンサと、前記直流電力の電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記インバータを制御し、かつ前記直流電圧検出手段により検出された電圧が所定の値より低い場合には、前記スイッチング素子をすべてオフする機能を有したインバータ制御手段とを備えたモータ駆動用インバータ装置。
2. 前記インバータ制御手段により前記スイッチング素子をすべてオフする際の直流電圧の所定の値を、出力負荷となるモータの回転数により変更する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装置。
3. 前記インバータ制御手段により前記スイッチング素子をすべてオフする際の直流電圧の所定の値が、出力負荷となるモータが発生する誘起電圧の値と同等の値に設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装置。
4. 前記平滑コンデンサの容量は、前記直流電圧の電圧の最小値が、出力負荷となるモータにより発生する誘起電圧の値と同等以下まで低下する容量としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ駆動用インバータ装置。