JP2017225236A - Motor drive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機駆動用のインバータを過電圧及び過電流から保護するための技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for protecting an inverter for driving an electric motor from overvoltage and overcurrent.
図6は、特許文献1に記載された電気機械用インバータの構成図であり、例えばハイブリッド車両に搭載されるインバータを示している。
図6において、1Aは電動機を含む電気機械、2は電気機械1Aを駆動する三相のインバータ、3は三相各相に対応して設けられた出力段ユニット、4は制御ユニット、5は給電ユニット、6は蓄電要素を備えたエネルギー供給網、7はメインスイッチ、8はバッテリー等のエネルギー蓄積器である。
FIG. 6 is a configuration diagram of an inverter for an electric machine described in
In FIG. 6, 1A is an electric machine including an electric motor, 2 is a three-phase inverter that drives the
図7は、一相分の出力段ユニット3の構成を示している。
図7において、3aは相給電ユニット、3bはエネルギー供給網6に接続された緊急動作時給電部、3cは緊急動作時制御部、3dは相給電ユニット3aの出力電圧を閾値Aと比較する比較ユニット、3eは緊急動作時給電部3bの出力電圧を閾値Bと比較する比較ユニット、3fは出力段駆動制御部、3gは、制御ユニット4からの通常時制御信号と緊急時制御信号Cとの何れかを比較ユニット3eの出力により選択する切替スイッチ、3hは、切替スイッチ3gからの制御信号に従って駆動指令を生成する駆動部、3iは、駆動指令によりオン・オフして直流/交流変換を行う複数の半導体スイッチング素子からなる出力段であり、この出力段3iから図5の電気機械1Aに交流電力が供給される。
FIG. 7 shows the configuration of the
In FIG. 7, 3a is a phase power supply unit, 3b is an emergency operation power supply unit connected to the
この従来技術では、制御ユニット4や給電ユニット5等に故障が発生すると、比較ユニット3eの出力により切替スイッチ3gが緊急時制御信号C側に切り替わると共に、緊急動作時給電部3bから給電された駆動部3hが、全相の上アームまたは下アームのスイッチング素子をオンさせて電気機械1A内の電動機巻線を短絡させるように各相の出力段3iを制御する。このため、電動機の誘起電圧によりエネルギー供給網6(蓄電要素)が過電圧になるのを防止してインバータ2を保護することができる。
In this prior art, when a failure occurs in the
ここで、図8は、前述した出力段3iを三相分備えたインバータの主回路構成図であり、例えば、永久磁石同期電動機1を駆動する駆動装置を示している。
図8において、Eは直流電源、Cは平滑コンデンサ、Ryp,Rynはリレー、Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,QzはIGBT等の半導体スイッチング素子、Fu,Fv,Fw,Fx,Fy,Fzはスイッチング素子Qu〜Qzのセンスエミッタに接続された異常検出回路である。
Here, FIG. 8 is a main circuit configuration diagram of an inverter provided with the above-described output stage 3i for three phases, and shows, for example, a drive device for driving the permanent magnet
In FIG. 8, E is a direct current power supply, C is a smoothing capacitor, Ry p, Ry n relay, Q u, Q v, Q w, Q x, Q y, Q z is a semiconductor switching element such as an IGBT, F u, F v, F w, F x , F y, F z is the abnormality detection circuit connected to the sense emitter of the switching element Q u to Q z.
図8の回路では、異常検出回路Fu〜Fzの何れかにより、制御回路や電源回路、スイッチング素子等の異常を検出すると、リレーRypまたはRynを開放して直流電源Eからの給電を停止する。そして、リレーRypまたはRynの開放を検出したら、全相の上アームのスイッチング素子Qu,Qv,Qwまたは下アームのスイッチング素子Qx,Qy,Qzをオンさせて電動機1の巻線を短絡させ、電動機1の誘起電圧により直流母線電圧(平滑コンデンサCの電圧)が過大になるのを防止している。
In the circuit of Figure 8, by any of the abnormality detection circuit F u to F z, the control circuit and a power supply circuit, when detecting an abnormality such as a switching element, power supply from the DC power source E by opening the relay Ry p or Ry n To stop. Then, upon detecting the opening of the relay Ry p or Ry n, the switching element Q u of the upper arm of all phases, Q v, Q w or lower arm switching element Q x, Q y, turns on the Q z
特許文献1に記載された電気機械用インバータや図8の回路では、インバータの故障発生に伴う電動機巻線の短絡制御時に、電動機の過渡時定数によって決まる一定期間にわたり、電動機の誘起電圧及び過渡リアクタンスに応じて大きな電流が流れる。
図9は、インバータの各相の出力電流iu,iv,iw及び平滑コンデンサCの電圧の時間的な変化を示した波形図であり、t0は故障検出によりリレーを開放した時刻、t1は例えば全相の上アームのスイッチング素子Qu,Qv,Qwをオンさせて電動機巻線の短絡制御を開始した時刻である。
図9によれば、出力電流iu,iv,iwは時刻t1以後の期間Δtにわたって大きな値となり、その後、永久短絡電流として収束する。特に、破線で囲んだ部分Pから明らかなように、短絡制御の開始直後には出力電流が著しく大きくなる。
In the inverter for electric machines described in
FIG. 9 is a waveform diagram showing temporal changes in the output currents i u , i v , i w of each phase of the inverter and the voltage of the smoothing capacitor C, where t 0 is the time when the relay is opened due to failure detection, t 1 is, for example, the time when the switching elements Q u , Q v , Q w of the upper arms of all phases are turned on to start the short-circuit control of the motor windings.
According to FIG. 9, the output currents i u , i v , i w become large over a period Δt after time t 1 and then converge as a permanent short-circuit current. In particular, as is apparent from the portion P surrounded by the broken line, the output current becomes extremely large immediately after the start of the short-circuit control.
一方、この種のインバータは、通常、出力電流が過大になったことを検出して全てのスイッチング素子をオフ(いわゆる全ゲートオフ)させる過電流保護機能を備えている。このため、図9に示したごとく、時刻t1以後に出力電流が過大になって所定の過電流閾値を超えると、全ゲートオフ動作が実行されて短絡制御がキャンセルされることになり、結果として、インバータを過電圧から保護する機能が働かなくなるおそれがあった。 On the other hand, this type of inverter usually has an overcurrent protection function that detects that the output current has become excessive and turns off all switching elements (so-called all gate off). Therefore, as shown in FIG. 9, exceeds a predetermined overcurrent threshold becomes excessive output current at time t 1 after, will be all the gate-off operation short circuit control is executed is canceled, as a result The function of protecting the inverter from overvoltage may not work.
そこで、本発明の解決課題は、インバータに対する過電流保護機能と、インバータの故障時に電動機巻線を短絡して直流回路への過電圧印加を防止する過電圧保護機能とを備えた電動機駆動装置において、過電流閾値の大きさやその有効期間等を調整することにより、短絡制御による過電圧保護機能を毀損することがないようにした電動機駆動装置を提供することにある。 Accordingly, the problem to be solved by the present invention is that an overcurrent protection function for an inverter and an overvoltage protection function for preventing overvoltage application to a DC circuit by short-circuiting the motor winding when the inverter fails are overdriven. It is an object of the present invention to provide an electric motor drive device that does not impair an overvoltage protection function by short-circuit control by adjusting the magnitude of a current threshold, its effective period, and the like.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、インバータにより電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
前記インバータの出力電流が過電流閾値を超えたことを出力過電流検出手段により検出して前記インバータの過電流保護動作を行う第1の保護手段と、前記インバータの故障時に全相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて前記電動機の巻線を短絡することにより前記インバータの過電圧保護動作を行う第2の保護手段と、を有する電動機駆動装置において、
前記インバータの故障検出時に、前記電動機の巻線を短絡させるためのアーム選択指令及び短絡制御指令を出力する短絡制御手段と、
前記短絡制御指令が出力された直後に、前記過電流閾値としての通常時閾値を当該過電流閾値より大きい短絡制御時閾値に変更する閾値変更手段と、を備え、
前記出力過電流検出手段は、
前記短絡制御指令の有無に応じて、前記短絡制御時閾値または前記通常時閾値を前記インバータの出力電流と比較するものである。
In order to solve the above problems, the invention according to
A first protection means for detecting that the output current of the inverter has exceeded an overcurrent threshold by an output overcurrent detection means and performing an overcurrent protection operation of the inverter; In the electric motor drive device comprising: a second protection means for performing an overvoltage protection operation of the inverter by turning on the semiconductor switching element of the lower arm and short-circuiting the winding of the electric motor;
Short-circuit control means for outputting an arm selection command and a short-circuit control command for short-circuiting the winding of the electric motor when detecting a failure of the inverter;
Immediately after the short-circuit control command is output, threshold value changing means for changing the normal-time threshold value as the over-current threshold value to a short-circuit control time threshold value greater than the over-current threshold value,
The output overcurrent detection means includes
According to the presence or absence of the short-circuit control command, the short-circuit control threshold value or the normal-time threshold value is compared with the output current of the inverter.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した電動機駆動装置において、前記閾値変更手段は、前記短絡制御指令が出力された直後に、前記通常時閾値を一定期間にわたり前記短絡制御時閾値に変更し、前記一定期間の経過後に前記通常時閾値に復帰させるものである。 According to a second aspect of the present invention, in the electric motor drive device according to the first aspect, the threshold value changing means sets the normal time threshold value to the short circuit control time threshold value for a certain period immediately after the short circuit control command is output. The threshold value is changed and restored to the normal threshold value after the lapse of the predetermined period.
請求項3に係る発明は、インバータにより電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
前記インバータの出力電流が過電流閾値を超えたことを出力過電流検出手段により検出して前記インバータの過電流保護動作を行う第1の保護手段と、前記インバータの故障時に全相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて前記電動機の巻線を短絡することにより前記インバータの過電圧保護動作を行う第2の保護手段と、を有する電動機駆動装置において、
前記インバータの故障検出時に、前記電動機の巻線を短絡させるためのアーム選択指令及び短絡制御指令を出力する短絡制御手段と、
前記短絡制御指令により前記第2の保護手段が動作している間に、前記第1の保護手段の動作を一定期間、無効にする手段と、
を備えたものである。
The invention according to
A first protection means for detecting that the output current of the inverter has exceeded an overcurrent threshold by an output overcurrent detection means and performing an overcurrent protection operation of the inverter; In the electric motor drive device comprising: a second protection means for performing an overvoltage protection operation of the inverter by turning on the semiconductor switching element of the lower arm and short-circuiting the winding of the electric motor;
Short-circuit control means for outputting an arm selection command and a short-circuit control command for short-circuiting the winding of the electric motor when detecting a failure of the inverter;
Means for disabling the operation of the first protection means for a certain period while the second protection means is operating according to the short-circuit control command;
It is equipped with.
請求項4に係る発明は、請求項1または請求項2に記載した電動機駆動装置において、前記インバータの出力電流が前記短絡制御時閾値を超えた時に保護動作異常信号を出力する手段を備えたものである。 According to a fourth aspect of the invention, there is provided the electric motor drive device according to the first or second aspect, further comprising means for outputting a protective operation abnormality signal when an output current of the inverter exceeds the short-circuit control threshold value. It is.
請求項5に係る発明は、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載した電動機駆動装置において、前記インバータの直流電圧が過電圧閾値を超えた時に保護動作異常信号を出力する手段を備えたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the electric motor drive device according to any one of the first to fourth aspects, a means for outputting a protective operation abnormality signal when a DC voltage of the inverter exceeds an overvoltage threshold is provided. It is a thing.
請求項6に係る発明は、請求項1,請求項2または請求項4に記載した電動機駆動装置において、前記短絡制御時閾値を、少なくとも、前記第2の保護手段による短絡制御の開始時における前記電動機の端子電圧及び過渡リアクタンスに基づいて設定するものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the electric motor drive device according to the first, second, or fourth aspect, the short-circuit control time threshold is set to at least the short-circuit control start time by the second protection means. It is set based on the terminal voltage and transient reactance of the electric motor.
請求項7に係る発明は、請求項2または請求項4に記載した電動機駆動装置において、前記閾値変更手段により変更される短絡制御時閾値の有効期間を、少なくとも前記電動機の短絡過渡時定数に基づいて設定するものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the electric motor drive device according to the second or fourth aspect, the effective period of the short-circuit control threshold value changed by the threshold value changing means is based on at least a short-circuit transient time constant of the electric motor. Is set.
請求項8に係る発明は、請求項3に記載した電動機駆動装置において、前記第1の保護手段の動作を無効にする一定期間を、少なくとも前記電動機の短絡過渡時定数に基づいて設定するものである。 According to an eighth aspect of the present invention, in the electric motor drive device according to the third aspect, the fixed period for invalidating the operation of the first protection means is set based on at least the short-circuit transient time constant of the electric motor. is there.
請求項9に係る発明は、請求項4または請求項5に記載した電動機駆動装置において、前記保護動作異常信号に基づいて、前記第2の保護手段によりオンさせる全相の半導体スイッチング素子が属するアームを切り替えるものである。
The invention according to claim 9 is the electric motor drive device according to
本発明によれば、インバータの故障時に電動機巻線を短絡制御する場合には過電流閾値の大きさを調整し、または過電流閾値をマスクすることにより、インバータのスイッチング素子の動作による短絡制御を有効にしてインバータの直流回路に過電圧が印加されるのを防止し、過電圧保護を確実に実行することができる。 According to the present invention, when the motor winding is short-circuit controlled at the time of failure of the inverter, the short-circuit control by the operation of the switching element of the inverter is performed by adjusting the magnitude of the over-current threshold or masking the over-current threshold. It is possible to prevent the overvoltage from being applied to the DC circuit of the inverter and to reliably perform the overvoltage protection.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本実施形態に係る駆動装置の構成図である。この駆動装置は、例えば、三相のインバータ(電圧形インバータ)INVにより永久磁石同期電動機等の電動機1を駆動するためのものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a drive device according to the present embodiment. This drive device is for driving the
インバータINVの主回路において、直流電源Eの両極間には、リレーRyp,Rynを介して平滑コンデンサCが接続されている。平滑コンデンサCの両端には、IGBT等の半導体スイッチング素子Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qzが三相ブリッジ接続され、その交流出力端には電動機1が接続されている。なお、2u,2v,2wはインバータINVの各相の出力電流iu,iv,iwを検出する電流検出器である。
In the main circuit of the inverter INV, is between both electrodes of the DC power source E, a smoothing capacitor C is connected via the relay Ry p, Ry n. Semiconductor switching elements Q u , Q v , Q w , Q x , Q y , Q z such as IGBTs are connected to both ends of the smoothing capacitor C by a three-phase bridge, and the
リレーRyp,Rynの両端にはリレー状態検出器3p,3nがそれぞれ接続され、リレーRyp,Rynの開放時にリレー状態検出器3p,3nからリレー開放信号Fp,Fnが出力されるようになっている。ここで、リレーRyp,Rynは、電源電圧の異常や制御装置の故障、スイッチング素子Qu〜Qzの故障等が発生した場合に開放され、直流電源Eからの給電を停止する。 Relay Ry p, at both ends of Ry n connected relay state detector 3 p, 3 n, respectively, the relay Ry p, relay opening signal from Ry n relay state detector upon opening of the 3 p, 3 n F p, F n is output. Here, the relay Ry p, Ry n is the failure of the abnormality and the control device of the power supply voltage, is opened when the failure of the switching element Q u to Q z occurs, it stops the power supply from the DC power source E.
一方、スイッチング素子Qu〜Qzの駆動信号(ゲート信号)を生成する制御装置は、電動機制御手段11、PWM(パルス幅変調)生成手段12、駆動信号制御手段13、故障検出手段14、短絡制御手段15、及び、各相に対応する出力過電流検出手段16u,16v,16wを備えている。
以下、上述した各手段の機能について説明する。
On the other hand, a control device that generates drive signals (gate signals) for the switching elements Q u to Q z includes an electric motor control means 11, a PWM (pulse width modulation) generation means 12, a drive signal control means 13, a failure detection means 14, and a short circuit. control means 15, and has an output overcurrent detector 16 u, 16 v, 16 w corresponding to each phase.
Hereinafter, the function of each means described above will be described.
まず、電動機制御手段11は、電動機1を所定の速度、トルクにて駆動するための制御指令を生成する。PWM生成手段12は、上記制御指令とキャリア信号とを用いてPWM信号を生成する。
駆動信号制御手段13は、PWM信号と後述する各指令とに基づいてスイッチング素子Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qzをオン・オフする駆動信号を生成し、出力する。
First, the motor control means 11 generates a control command for driving the
The drive signal control means 13 generates and outputs a drive signal for turning on / off the switching elements Q u , Q v , Q w , Q x , Q y , Q z based on the PWM signal and each command described later. .
故障検出手段14は、リレー開放信号Fp,Fnに基づいてインバータINVに故障が発生したことを検出し、故障検出信号Fを短絡制御手段15に出力する。
短絡制御手段15は、故障検出信号Fに応じて、全相の上アームのスイッチング素子Qu,Qv,Qwを短絡させる上アーム選択指令Sp、または、全相の下アームのスイッチング素子Qx,Qy,Qzを短絡させる下アーム選択指令Snの何れかを駆動信号制御手段13に送出する。同時に、短絡制御手段15は、上記選択指令SpまたはSnにより短絡させるアームに応じて、上アームまたは下アームに対する短絡制御を開始する旨の短絡制御指令Ssを生成し、各相の出力過電流検出手段16u,16v,16wに送出する。
The failure detection means 14 detects that a failure has occurred in the inverter INV based on the relay open signals F p and F n and outputs a failure detection signal F to the short-circuit control means 15.
The short-circuit control means 15 responds to the failure detection signal F to the upper-arm selection command S p for short-circuiting the upper-arm switching elements Q u , Q v , and Q w for all phases, or the lower-arm switching elements for all phases. Q x, Q y, and sends one of the lower arm selection command S n shorting Q z to the drive signal control means 13. At the same time, short
出力過電流検出手段16u,16v,16wの構成は、U,V,W相の何れも同一であるため、ここでは、U相の出力過電流検出手段16uについて説明する。
出力過電流検出手段16uは、短絡制御指令Ssが入力される閾値変更手段161と、その出力によって直流電圧、すなわち過電流閾値が変化する可変電源162と、可変電源162による正の過電流閾値の極性を反転させて負の過電流閾値を得る極性反転手段163と、可変電源162による正の過電流閾値が正入力端子に印加され、U相出力電流iuに相当する電圧が負入力端子に印加される第1の比較手段164と、極性反転手段163から出力される負の過電流閾値が負入力端子に印加され、U相出力電流iuに相当する電圧が正入力端子に印加される第2の比較手段165と、を備えている。そして、第1,第2の比較手段164,165の出力信号の論理和がU相遮断指令Suoffとして駆動信号制御手段13に送出される。
Since the configurations of the output overcurrent detection means 16 u , 16 v , and 16 w are the same for all of the U, V, and W phases, the U-phase output overcurrent detection means 16 u will be described here.
The output overcurrent detection means 16 u includes a threshold change means 161 to which the short-circuit control command S s is input, a
他のV相,W相の出力過電流検出手段16v,16wにおいては、第1,第2の比較手段164,165への入力信号がV相,W相出力電流iv,iwに相当する電圧にそれぞれ変わるだけであり、U相の出力過電流検出手段16uと構成、機能は同一である。これらのV相,W相の出力過電流検出手段16v,16wによって生成されるV相遮断指令Svoff,W相遮断指令Swoffも、駆動信号制御手段13に送出される。
なお、U相遮断指令Suoff,V相遮断指令Svoff,W相遮断指令Swoffは、例えば「Low」レベルであるときに、対応する相の上アームまたは下アームのスイッチング素子をオフさせるものとする。
In the other V-phase and W-phase output overcurrent detection means 16 v and 16 w , the input signals to the first and second comparison means 164 and 165 become V-phase and W-phase output currents i v and i w , respectively. Only the corresponding voltage is changed, and the configuration and function are the same as those of the U-phase output overcurrent detection means 16 u . These V-phase, W-phase output overcurrent detector 16 v, 16 V-phase cutoff command S voff generated by w, also W-phase disconnection command S woff, is sent to the drive signal control means 13.
Incidentally, U-phase interruption command S uoff, V-phase interruption command S voff, W-phase disconnection instruction S woff, for example when it is "Low" level, which turns off the switching elements of the arm or the lower arm on the corresponding phase And
駆動信号制御手段13は、インバータINVに故障が発生していない通常時には、PWM生成手段12からのPWM信号に従ってスイッチング素子Qu〜Qzの駆動信号を生成する。そして、通常時においてインバータINVの出力電流が過電流閾値を超えた場合には、出力過電流検出手段16u,16v,16wから出力される遮断指令Suoff,Svoff,Swoffに従って全相の上下アームのスイッチング素子Qu〜Qzをオフさせ、インバータINVに故障が発生した場合には、上アーム選択指令Spまたは下アーム選択指令Snにより選択された一方のアームの全相のスイッチング素子をオンさせて電動機巻線の短絡制御を行うように動作する。
The drive signal control means 13 generates drive signals for the switching elements Q u to Q z in accordance with the PWM signal from the PWM generation means 12 at normal times when no failure has occurred in the inverter INV. Then, when the output current of the inverter INV in normal time exceeds the over-current threshold, the
上記の構成において、主として出力過電流検出手段16u,16v,16w、駆動信号制御手段13は、請求項における第1の保護手段を構成し、故障検出手段14、短絡制御手段15、駆動信号制御手段13は、同じく第2の保護手段を構成している。 In the above configuration, the output overcurrent detection means 16 u , 16 v , 16 w and the drive signal control means 13 mainly constitute the first protection means in the claims, and include the failure detection means 14, the short-circuit control means 15, and the drive. Similarly, the signal control means 13 constitutes a second protection means.
次に、出力過電流検出手段16u,16v,16wの動作を、実施例1〜実施例3として図2〜図4を参照しつつ詳細に説明する。 Next, the operation of the output overcurrent detection means 16 u , 16 v , 16 w will be described in detail as Example 1 to Example 3 with reference to FIGS.
図2は、実施例1におけるインバータINVの出力電流及び平滑コンデンサCの電圧を示す波形図である。
前述したように、インバータINVの故障検出に伴い時刻t0でリレーを開放し、直後の時刻t1で、例えば上アーム選択指令Spに基づき全相の上アームのスイッチング素子Qu,Qv,Qwをオンさせて電動機巻線の短絡制御を開始すると、図2の上段に示すようにインバータINVの出力電流iu,iv,iwは過大になる。
FIG. 2 is a waveform diagram showing the output current of the inverter INV and the voltage of the smoothing capacitor C in the first embodiment.
As described above, by opening the relay at time t 0 with the fault detection of the inverter INV, at time t 1 immediately after, for example, the upper arm selection instruction S switching elements of p upper arm of all phases on the basis of Q u, Q v , Qw are turned on to start short circuit control of the motor windings, the output currents i u , i v , i w of the inverter INV become excessive as shown in the upper part of FIG.
この時、図1における出力過電流検出手段16u,16v,16wの閾値変更手段161には、短絡制御手段15からの短絡制御指令Ssが入力されている。これにより、各相の閾値変更手段161は、可変電源162を操作して通常時の正側過電流閾値(正側の通常時閾値)TH0 +をそれよりも大きい正側過電流閾値(正側の短絡制御時閾値)TH1 +に変更すると共に、極性反転手段163を介して、通常時の負側過電流閾値(負側の通常時閾値)TH0 −をTH1 +の極性反転信号である負側過電流閾値TH1 −(負側の短絡制御時閾値)に変更する。
At this time, the short-circuit control command S s from the short-circuit control means 15 is input to the threshold value changing means 161 of the output overcurrent detection means 16 u , 16 v and 16 w in FIG. As a result, the threshold value changing means 161 for each phase operates the
ここで、正側,負側の短絡制御時閾値TH1 +,TH1 −の大きさを、図2に破線で囲んだ部分Pに示す短絡電流の最大値よりも大きい値に設定することにより、出力過電流検出手段16u,16v,16wの比較手段164,165の出力の論理和、言い換えれば各相の遮断指令Suoff,Svoff,Swoffは「High」レベルとなる。
従って、スイッチング素子Qu〜Qzが強制的にオフされることはなく、例えば全相の上アームのスイッチング素子Qu,Qv,Qwをオンさせた状態の短絡制御はそのまま維持されることになる。なお、図示するように、平滑コンデンサCの電圧は時刻t0〜t1の期間に若干増加するが、時刻t1以後は徐々に低下していき、インバータINVの直流回路に設定される過電圧閾値を超える恐れはない。
Here, by setting the magnitudes of the short-circuit control thresholds TH 1 + and TH 1 − on the positive side and the negative side to a value larger than the maximum value of the short-circuit current indicated by the portion P surrounded by a broken line in FIG. output
Therefore, the switching elements Q u to Q z are not forcibly turned off. For example, the short-circuit control in a state where the switching elements Q u , Q v , and Q w of the upper arms of all phases are turned on is maintained as it is. It will be. Incidentally, as shown, over-voltage threshold will be increased slightly to voltage period time t 0 ~t 1 of the smoothing capacitor C, a time t 1 after that gradually decreases, which is set to the DC circuit of the inverter INV There is no fear of exceeding.
なお、正側,負側の短絡制御時閾値TH1 +,TH1 −の大きさを決定するために考慮する短絡電流の最大値は、短絡直前の電動機1の速度(角速度)言い換えれば電動機1の端子電圧(誘起電圧)、過渡電流及び過渡時定数によって決まり、過渡電流及び過渡時定数は電動機1の初期過渡リアクタンスや過渡リアクタンス等によって決まることが知られている(例えば、加賀貞広,鈴木正材,「同期機」,p.99〜p.105,東京電機大学出版局,昭和42年12月20日,初版発行、あるいは、「電気機器工学II(電気学会大学講座)」,p.59〜p.63,社団法人電気学会,昭和53年2月20日,第21版発行)。なお、短絡の種類(三相短絡、線間短絡、一相/中性点短絡)に応じて流れる短絡電流の大きさは異なるが、この実施例における短絡制御は三相短絡によるものと考えて良い。
Note that the maximum value of the short-circuit current considered for determining the magnitudes of the positive and negative short-circuit control thresholds TH 1 + and TH 1 − is the speed (angular speed) of the
従って、電動機1の短絡電流の最大値は、電動機1の速度検出値(速度推定値または速度指令値)、過渡リアクタンス等に基づいて算出可能であるから、閾値変更手段161は、これらに基づいて算出した短絡電流の最大値よりも大きい値を正側,負側の短絡制御時閾値TH1 +,TH1 −に設定すれば良い。
なお、短絡制御によりオンされるスイッチング素子には一時的に過大な短絡電流が流れることになるが、各スイッチング素子には上記短絡電流に対する過電流耐性を有するものを選定することは言うまでもない。
Accordingly, the maximum value of the short circuit current of the
An excessively short circuit current temporarily flows through the switching element that is turned on by the short circuit control. Needless to say, each switching element is selected to have an overcurrent resistance against the short circuit current.
以上のように、この実施例1によれば、インバータINVの故障時に過電流保護のための通常時閾値を短絡制御時閾値に変更することによって短絡制御が支障なく行われるようにしているため、平滑コンデンサCの電圧が上昇するのを防いで適切な過電圧保護を行うことができる。 As described above, according to the first embodiment, the short-circuit control is performed without any trouble by changing the normal threshold for overcurrent protection to the short-circuit control threshold when the inverter INV fails. Appropriate overvoltage protection can be performed by preventing the voltage of the smoothing capacitor C from rising.
次に、図3は、実施例2におけるインバータINVの出力電流及び平滑コンデンサCの電圧を示す波形図である。
実施例2では、閾値変更手段161、可変電源162及び極性反転手段163の動作により、時刻t1以後は、実施例1と同様に正側,負側の通常時閾値TH0 +,TH0 −を正側,負側の短絡制御時閾値TH1 +,TH1 −にそれぞれ変更し、短絡電流が過大である期間Δtaの経過後に、通常時閾値TH0 +,TH0 −に復帰させる処理を行う。
上記の期間Δtaは、短絡電流が十分に減衰する時間とするために、例えば、電動機1の短絡時過渡時定数の3倍程度の時間とし、閾値変更手段161にタイマ機能を持たせて期間Δtaを設定すれば良い。
Next, FIG. 3 is a waveform diagram showing the output current of the inverter INV and the voltage of the smoothing capacitor C in the second embodiment.
In the second embodiment, due to the operations of the
The above period Delta] t a in order to time the short-circuit current is sufficiently attenuated, for example, about three times the time of the short circuit during the transient time constant of the
実施例2によれば、期間Δtaでは、実施例1と同様に短絡制御により平滑コンデンサCの電圧上昇を抑制して過電圧保護を行い、また、期間Δtaの経過後は、通常時閾値TH0 +,TH0 −を用いた過電流保護を行うことができる。 According to the second embodiment, the period Delta] t in a, performs an overvoltage protection by suppressing the voltage rise of the smoothing capacitor C similarly by short-circuit control in Example 1, also, after the lapse of the period Delta] t a is normal threshold TH Overcurrent protection using 0 + and TH 0 − can be performed.
更に、実施例1または実施例2において、インバータINVの出力電流が短絡制御時閾値TH1 +,TH1 −を超えるような場合には、通常の過電流保護動作では対応できないことを示す保護動作異常信号を出力させても良い。
このような事態が発生した時は、例えば一方のアームのスイッチング素子のオン・オフ制御が不能になっている可能性があり、その場合には、上記の保護動作異常信号を用いて、他方のアームの全相のスイッチング素子をオンさせることにより短絡制御を行っても良い。つまり、保護動作異常信号から一方のアームのスイッチング素子の故障を検出した時に、図1の短絡制御手段15がアーム選択指令SpまたはSnを切り替え、他方のアームの全相のスイッチング素子をオンさせて短絡制御を行うことができる。
Further, in the first embodiment or the second embodiment, when the output current of the inverter INV exceeds the thresholds TH 1 + and TH 1 − at the time of the short-circuit control, the protection operation indicating that the normal overcurrent protection operation cannot be used. An abnormal signal may be output.
When such a situation occurs, for example, there is a possibility that the on / off control of the switching element of one arm may be disabled, and in that case, using the above-described protection operation abnormality signal, Short-circuit control may be performed by turning on the switching elements of all phases of the arm. On other words, the protection operation abnormality signal when it detects a failure of the switching elements of one arm, the short
次いで、図4は、実施例3におけるインバータINVの出力電流及び平滑コンデンサCの電圧を示す波形図である。
実施例3では、閾値変更手段161が、時刻t1以後も正側,負側の通常時閾値TH0 +,TH0 −を維持する(閾値変更機能を働かせずに閾値を固定する)一方で、出力過電流検出手段16u,16v,16wが、時刻t1から時刻t2までの期間Δtbにわたって過電流検出機能(過電流保護機能)をマスクして無効とする。具体的には、期間Δtbにわたり比較手段164,165の動作を停止するものである。
FIG. 4 is a waveform diagram showing the output current of the inverter INV and the voltage of the smoothing capacitor C in the third embodiment.
In the third embodiment, the threshold
上記のマスク期間Δtbは、少なくとも図4に破線で囲んだ部分Pを含み、過大な短絡電流が正側過電流閾値TH0 +または負側過電流閾値TH0 −を超える可能性のある期間である。このマスク期間Δtbについても、電動機1の短絡時過渡時定数に基づいて設定することができ、実施例3における期間Δtaと等しくしても良い。
The mask period Δt b includes at least a portion P surrounded by a broken line in FIG. 4 and is a period in which an excessive short circuit current may exceed the positive overcurrent threshold TH 0 + or the negative overcurrent threshold TH 0 −. It is. This mask period Delta] t b also can be set on the basis of the short-circuit transition time constant of the
図4に示すように、上アーム選択指令Spまたは下アーム選択指令Snは、時刻t0以前はオフであり、時刻t1以後はオンとなる。また、各相の遮断指令Suoff,Svoff,Swoffは、マスク期間Δtbを含んでその前後にわたり、オフ(「High」レベル)となっている。
この実施例3によれば、過電流閾値を固定しておくことができるため、出力過電流検出手段16u,16v,16wの構成を簡略化することができる。
As shown in FIG. 4, the upper arm selection instruction S p or lower arm selection command S n, the time t 0 before is off, the time t 1 thereafter turned on. Further, each phase of the shutoff S uoff, S voff, S woff is over its longitudinal comprise mask period Delta] t b, in the off ( "High" level).
According to the third embodiment, since the overcurrent threshold can be fixed, the configuration of the output overcurrent detection means 16 u , 16 v , 16 w can be simplified.
次に、図5は本発明の他の実施形態に係る駆動装置の構成図である。
この実施形態では、図1の構成に、インバータINVの直流回路の過電圧検出・保護機能が追加されている。
図5において、主回路の平滑コンデンサCの両端には電圧検出器17が接続されている。この電圧検出器17による直流電圧検出値Vdcは過電圧検出手段18に入力され、その出力信号は短絡制御手段15に入力されている。また、出力過電流検出手段16u,16v,16wから出力される全相の遮断指令Suoff,Svoff,SwoffがANDゲート19に入力され、その出力信号が短絡制御手段15に入力されている。
Next, FIG. 5 is a configuration diagram of a driving apparatus according to another embodiment of the present invention.
In this embodiment, an overvoltage detection / protection function of the DC circuit of the inverter INV is added to the configuration of FIG.
In FIG. 5, a
ここで、過電圧検出手段18は、直流電圧検出値Vdcが図2〜図4に示す過電圧閾値を超えた時に過電圧検出信号を出力する機能を有し、請求項5における保護動作異常信号(過電圧に関する保護動作異常信号)を出力する手段に相当する。また、ANDゲート19は、インバータINVの全ゲートオフを検出することにより、請求項4における保護動作異常信号(過電流に関する保護動作異常信号)を出力する手段に相当する。
Here, the overvoltage detection means 18 has a function of outputting an overvoltage detection signal when the DC voltage detection value V dc exceeds the overvoltage threshold shown in FIGS. 2 to 4. This corresponds to a means for outputting a protection operation abnormality signal). The AND
この実施形態においては、インバータINVの故障検出時に短絡制御を行っても平滑コンデンサCの電圧が低下しないような異常時に、短絡制御手段15を介してアーム選択指令SpまたはSnを切り替えて短絡制御を再度行わせる動作が可能である。また、全ゲートオフ時には、ANDゲート19の出力信号を用いて短絡制御を停止させる動作を行うことができる。
In this embodiment, the arm selection command Sp or Sn is switched via the short-circuit control means 15 in the event that the voltage of the smoothing capacitor C does not decrease even if short-circuit control is performed when a failure of the inverter INV is detected. An operation for performing the control again is possible. Further, when all the gates are turned off, an operation for stopping the short-circuit control using the output signal of the AND
本発明は、車両用電動機や産業機械用電動機等をインバータにより駆動する駆動装置であって、インバータの過電流保護機能、及び、電動機の巻線短絡による過電圧保護機能を備えた各種の電動機駆動装置として利用することができる。 The present invention is a drive device for driving a motor for a vehicle, a motor for an industrial machine or the like by an inverter, and various motor drive devices having an overcurrent protection function of the inverter and an overvoltage protection function due to a short circuit of the winding of the motor. Can be used as
INV:インバータ
E:直流電源
C:平滑コンデンサ
Ryp,Ryn:リレー
Fp,Fn:リレー開放信号
Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qz:半導体スイッチング素子
1:電動機
2u,2v,2w:電流検出器
3p,3n:リレー状態検出器
11:電動機制御手段
12:PWM生成手段
13:駆動信号制御手段
14:故障検出手段
15:短絡制御手段
16u,16v,16w:出力過電流検出手段
161:閾値変更手段
162:可変電源
163:極性反転手段
164,165:比較手段
17:電圧検出器
18:過電圧検出手段
19:ANDゲート
INV: Inverter E: DC power source C: smoothing capacitor Ry p, Ry n: Relay F p, F n: relay opening signal Q u, Q v, Q w , Q x, Q y, Q z: semiconductor switching element 1:
Claims (9)
前記インバータの出力電流が過電流閾値を超えたことを出力過電流検出手段により検出して前記インバータの過電流保護動作を行う第1の保護手段と、前記インバータの故障時に全相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて前記電動機の巻線を短絡することにより前記インバータの過電圧保護動作を行う第2の保護手段と、を有する電動機駆動装置において、
前記インバータの故障検出時に、前記電動機の巻線を短絡させるためのアーム選択指令及び短絡制御指令を出力する短絡制御手段と、
前記短絡制御指令が出力された直後に、前記過電流閾値としての通常時閾値を当該過電流閾値より大きい短絡制御時閾値に変更する閾値変更手段と、を備え、
前記出力過電流検出手段は、
前記短絡制御指令の有無に応じて、前記短絡制御時閾値または前記通常時閾値を前記インバータの出力電流と比較することを特徴とする電動機駆動装置。 An electric motor drive device for driving an electric motor by an inverter,
A first protection means for detecting that the output current of the inverter has exceeded an overcurrent threshold by an output overcurrent detection means and performing an overcurrent protection operation of the inverter; In the electric motor drive device comprising: a second protection means for performing an overvoltage protection operation of the inverter by turning on the semiconductor switching element of the lower arm and short-circuiting the winding of the electric motor;
Short-circuit control means for outputting an arm selection command and a short-circuit control command for short-circuiting the winding of the electric motor when detecting a failure of the inverter;
Immediately after the short-circuit control command is output, threshold value changing means for changing the normal-time threshold value as the over-current threshold value to a short-circuit control time threshold value greater than the over-current threshold value,
The output overcurrent detection means includes
The electric motor drive device, wherein the short-circuit control threshold value or the normal-time threshold value is compared with an output current of the inverter according to the presence or absence of the short-circuit control command.
前記閾値変更手段は、前記短絡制御指令が出力された直後に、前記通常時閾値を一定期間にわたり前記短絡制御時閾値に変更し、前記一定期間の経過後に前記通常時閾値に復帰させることを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to claim 1,
The threshold value changing means changes the normal time threshold value to the short circuit control time threshold value for a certain period immediately after the short circuit control command is output, and returns to the normal time threshold value after the elapse of the certain time period. An electric motor drive device.
前記インバータの出力電流が過電流閾値を超えたことを出力過電流検出手段により検出して前記インバータの過電流保護動作を行う第1の保護手段と、前記インバータの故障時に全相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて前記電動機の巻線を短絡することにより前記インバータの過電圧保護動作を行う第2の保護手段と、を有する電動機駆動装置において、
前記インバータの故障検出時に、前記電動機の巻線を短絡させるためのアーム選択指令及び短絡制御指令を出力する短絡制御手段と、
前記短絡制御指令により前記第2の保護手段が動作している間に、前記第1の保護手段の動作を一定期間、無効にする手段と、
を備えたことを特徴とする電動機駆動装置。 An electric motor drive device for driving an electric motor by an inverter,
A first protection means for detecting that the output current of the inverter has exceeded an overcurrent threshold by an output overcurrent detection means and performing an overcurrent protection operation of the inverter; In the electric motor drive device comprising: a second protection means for performing an overvoltage protection operation of the inverter by turning on the semiconductor switching element of the lower arm and short-circuiting the winding of the electric motor;
Short-circuit control means for outputting an arm selection command and a short-circuit control command for short-circuiting the winding of the electric motor when detecting a failure of the inverter;
Means for disabling the operation of the first protection means for a certain period while the second protection means is operating according to the short-circuit control command;
An electric motor drive device comprising:
前記インバータの出力電流が前記短絡制御時閾値を超えた時に保護動作異常信号を出力する手段を備えたことを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to claim 1 or 2,
An electric motor drive device comprising means for outputting a protective operation abnormality signal when an output current of the inverter exceeds the short-circuit control threshold value.
前記インバータの直流電圧が過電圧閾値を超えた時に保護動作異常信号を出力する手段を備えたことを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to any one of claims 1 to 4,
An electric motor drive device comprising means for outputting a protective operation abnormality signal when a DC voltage of the inverter exceeds an overvoltage threshold.
前記短絡制御時閾値を、少なくとも、前記第2の保護手段による短絡制御の開始時における前記電動機の端子電圧及び過渡リアクタンスに基づいて設定することを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to claim 1, claim 2 or claim 4,
The electric motor drive device characterized in that the short-circuit control threshold is set based on at least a terminal voltage and a transient reactance of the electric motor at the start of the short-circuit control by the second protection means.
前記閾値変更手段により変更される短絡制御時閾値の有効期間を、少なくとも前記電動機の短絡過渡時定数に基づいて設定することを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to claim 2 or 4,
An electric motor drive apparatus characterized in that an effective period of a short-circuit control threshold value changed by the threshold value changing means is set based on at least a short-circuit transient time constant of the electric motor.
前記第1の保護手段の動作を無効にする一定期間を、少なくとも前記電動機の短絡過渡時定数に基づいて設定することを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to claim 3,
An electric motor driving apparatus characterized in that a fixed period for invalidating the operation of the first protection means is set based on at least a short-circuit transient time constant of the electric motor.
前記保護動作異常信号に基づいて、前記第2の保護手段によりオンさせる全相の半導体スイッチング素子が属するアームを切り替えることを特徴とする電動機駆動装置。 In the electric motor drive device according to claim 4 or 5,
An electric motor driving apparatus that switches an arm to which all-phase semiconductor switching elements that are turned on by the second protection means belong based on the protection operation abnormality signal.
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