JP2019009940A - インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの暖機が完了するまでの時間を短縮化すること。【解決手段】インバータ１０は、インバータ回路２０と、駆動回路３０とコントローラ４０と、を備える。インバータ回路２０の入力側には、バッテリ５０が接続されている。インバータ回路２０の出力側には、電動機６０が接続されている。インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を備える。コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低い場合であり、かつ、車両制御ＥＣＵ１２０から電動機６０の駆動指令を受けていない場合、コントローラ４０は、コンデンサ８０の温度を上昇させる暖機制御を行う。暖機制御では、電動機６０の巻線６１，６２，６３に直流電流を流す。コントローラ４０は、コンデンサ８０の温度が高い程、直流電流の初期値を大きく設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータに関する。

電動機を駆動するために用いられるインバータは、複数のスイッチング素子や、コンデンサなどを備える。インバータから供給される交流電流が、電動機の巻線に流れることで電動機は駆動する。

インバータの構成部品であるコンデンサは、低温環境時に等価直列抵抗（ＥＳＲ）が上昇する。等価直列抵抗が高い状態で電流が流れると、等価直列抵抗により生じるサージ電圧によってインバータがダメージを受ける。

特許文献１に開示されたインバータは、低温環境時には、電動機の巻線に直流電流を供給するようにスイッチング素子を制御することで、コンデンサの温度を上昇させる（暖機制御を行う）。そして、コンデンサの温度が上昇した後に、電動機を駆動させる。これにより、等価直列抵抗が高い状態で電動機が駆動されることを抑制し、インバータがダメージを受けることを抑制している。

特開２０１４−２３１８２号公報

ところで、コンデンサの暖機が完了するまでの時間を短縮化することが望まれている。
本発明の目的は、コンデンサの暖機が完了するまでの時間を短縮化できるインバータを提供することにある。

上記課題を解決するインバータは、インバータ回路においてブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、前記インバータ回路の入力側に、並列接続された直流電源及びコンデンサが接続され、前記インバータ回路の出力側に、電動機の各相の巻線が接続され、前記電動機の各相の巻線に交流電流を供給して前記電動機を駆動するインバータにおいて、前記電動機の駆動停止状態において、前記コンデンサの温度が規定温度よりも低い場合、前記電動機の各相の巻線に直流電流を供給するように前記インバータ回路の前記スイッチング素子を制御する暖機制御手段と、前記コンデンサの温度が高い程、前記直流電流の初期値を大きく設定する初期電流設定手段と、を備える。

低温環境下において、コンデンサの温度が高い程、等価直列抵抗は小さくなる傾向にある。したがって、コンデンサの温度が高い程、等価直列抵抗の影響によって生じるサージ電圧は低くなるといえる。これにより、コンデンサの温度が高い程、電動機の巻線に流すことができる電流（許容電流）を大きくすることができる。コンデンサの温度が高い程、電動機の巻線に流す直流電流の初期値を大きく設定することで、コンデンサの暖機が完了するまでの時間を短縮化できる。

上記インバータについて、前記直流電流の初期値が設定された後、時間経過に伴い前記直流電流を大きくしていく電流設定手段を更に備えてもよい。
電動機の巻線に直流電流が流されると、時間経過に伴い、コンデンサの温度は上昇していく。コンデンサの温度が上昇していくと、等価直列抵抗は小さくなるため、電動機に流すことができる直流電流も大きくなっていく。これに合わせて、直流電流を大きくしていくことで、コンデンサの暖機が完了するまでの時間を更に短縮化できる。

本発明によれば、コンデンサの暖機が完了するまでの時間を短縮化できる。

インバータの回路図。 コンデンサの温度とＥＳＲとの対応関係を示す模式図。 各相の電流波形を示す図。 Ｖ相の電流波形を示す図。 Ｖ相の電流波形の変形例を示す図。

以下、インバータの一実施形態について説明する。本実施形態のインバータは、フォークリフトに搭載され、フォークリフトの走行用電動機や、荷役用電動機を駆動するために用いられる。フォークリフトは、バッテリ式のフォークリフトであり、走行用電動機の駆動により走行動作が行われ、荷役用電動機の駆動により荷役動作が行われる。つまり、フォークリフトがキーオンされた状態において、オペレータがアクセルペダルを操作すると走行用電動機が駆動されて前進や後進などの走行動作が行われ、また、オペレータがリフトレバー等を操作すると荷役用電動機が駆動されてフォーク昇降などの荷役動作が行われる。また、このようなフォークリフトは、環境温度が−４０℃以下にもなるような冷凍倉庫でも使用されることがある。

図１に示すように、インバータ（三相インバータ）１０は、インバータ回路２０と、駆動回路３０と、コントローラ４０と、を備える。インバータ回路２０の入力側には、直流電源としてのバッテリ５０が接続されている。インバータ回路２０の出力側には、電動機６０が接続されている。電動機６０は、走行用電動機、又は、荷役用電動機である。電動機６０には３相交流モータが使用されている。電動機６０は巻線６１，６２，６３を有し、電動機６０の各相の巻線６１，６２，６３がインバータ回路２０の出力側に接続されている。

インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を備える。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、パワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。なお、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）を使用してもよい。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、それぞれ帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

インバータ回路２０において、第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３及び第４のスイッチング素子Ｓ４、第５のスイッチング素子Ｓ５及び第６のスイッチング素子Ｓ６は、それぞれ直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５は、バッテリ５０のプラス端子側に接続されている。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は、バッテリ５０のマイナス端子側に接続されている。このように、インバータ回路２０は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を備える。

Ｕ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の間の接続点は電動機６０のＵ相端子に、Ｖ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の間の接続点は電動機６０のＶ相端子に、Ｗ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の間の接続点は電動機６０のＷ相端子に、それぞれ接続されている。そして、インバータ１０により、電動機６０の各相の巻線６１，６２，６３に交流電流が供給されて電動機６０が駆動される。

バッテリ５０の定格電圧は、例えば４８ボルトであり、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の耐圧は、７５ボルト程度である。
インバータ１０は、インバータ回路２０と電動機６０との間に電流センサ７０，７１を備える。電流センサ７０，７１は電動機６０に供給される３相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちの２相（この実施形態ではＵ相及びＷ相）の電流Ｉｕ，Ｉｗの電流値を検出する。

インバータ回路２０の入力側には、コンデンサ８０がバッテリ５０と並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５は、コンデンサ８０のプラス端子側に接続され、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は、コンデンサ８０のマイナス端子側に接続されている。ところで、コンデンサ８０を等価的に考えると、理想的なコンデンサ成分Ｃ以外に、抵抗成分Ｒやインダクタ成分Ｌなどを含むものとして考えることができる。図１において、コンデンサ８０を、等価的に理想コンデンサＣと抵抗成分Ｒが直列接続されたものとして表している。抵抗成分Ｒがコンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）である。このように、インバータ回路２０の入力側には、並列接続されたバッテリ５０及びコンデンサ８０が接続されている。

ここで、ＥＳＲは常温〜高温では無視できるが、低温になるに従って無視できないほど大きい値となることが知られている。例えば、図２に示すように、ＥＳＲは、２０度以下の温度域では、温度が低くなるに従って指数的に増加する。なお、ＥＳＲが増加する温度域や、温度変化量に対するＥＳＲの変化量は、コンデンサの種類によって異なる。

図１に示すように、コントローラ４０はインバータ回路２０の電圧Ｖｂを検知している。この電圧Ｖｂによってコンデンサ８０のＥＳＲにより生じる過電圧（サージ電圧）を検出してスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を保護する機能を有している。即ち、コントローラ４０は電圧Ｖｂが高くなりすぎるとスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が絶縁破壊する虞があるため、サージ電圧などによりスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に印加される電圧が設定値より大きくなるとインバータ回路２０の駆動を止めるようになっている。

インバータ１０は、コンデンサ８０の温度を検出するコンデンサ温度センサ９０を備える。コンデンサ温度センサ９０は、コンデンサ８０から若干離れた位置に配置されている。コンデンサ温度センサ９０はコントローラ４０に接続され、検出結果をコントローラ４０に出力している。インバータ１０は、低温環境下で電動機６０を通常運転制御する場合に、インバータ１０を構成する各素子や電動機６０を保護するために、電動機６０への出力電流を制限する機能を有している。例えば、コンデンサ８０の温度（コンデンサ温度）が、低温（−２０℃以下）となると、電動機６０への出力電流が制限される。

コントローラ４０は、マイコンを中心に構成されている。コントローラ４０はメモリ４１を備える。メモリ４１には電動機６０を駆動するのに必要な各種制御プログラム及びその実行に必要な各種データやマップが記憶されている。制御プログラムには、通常の電動機６０を回転駆動させるための制御プログラムや、低温時に暖機制御のために電動機６０に直流を流すための制御プログラム等が含まれる。

コントローラ４０は、駆動回路３０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲートに接続されている。コントローラ４０には電流センサ７０，７１が接続されている。そして、コントローラ４０は、各電流センサ７０，７１の検出信号に基づいて、電動機６０を目標出力となるように制御する制御信号を、駆動回路３０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に出力する。そして、インバータ回路２０はバッテリ５０及びコンデンサ８０から供給される直流を適宜の周波数の３相交流に変換して電動機６０に出力する。

フォークリフトには車両制御ＥＣＵ１２０が搭載されている。車両制御ＥＣＵ１２０は、オペレータによる操作に伴い操作センサ（図示略）から出力される操作信号を入力して車両動作を制御する。コントローラ４０は車両制御ＥＣＵ１２０と接続されている。車両制御ＥＣＵ１２０は、オペレータにより、走行動作や荷役動作の指示が行われると、コントローラ４０に電動機６０の駆動指令を送る。コントローラ４０は、電動機６０の駆動指令を受けると、電動機６０を駆動することで、フォークリフトに走行動作や、荷役動作を行わせる。

次に、本実施形態のインバータ１０の作用について、コントローラ４０が行う制御とともに説明する。
フォークリフトがキーオンされると、コントローラ４０は、コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低いか否かを判定する。コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低い場合であり、かつ、車両制御ＥＣＵ１２０から電動機６０の駆動指令を受けていない場合、コントローラ４０は、コンデンサ８０の温度を上昇させる暖機制御を行う。コントローラ４０は、電動機６０の駆動指令を受けていないため、暖機制御は、電動機６０が駆動停止状態の場合に行われる。

一方で、車両制御ＥＣＵ１２０から電動機６０の駆動指令を受けている場合、コントローラ４０は、電動機６０を駆動することで走行動作や荷役動作を行う通常運転制御を行う。コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低い状態で通常運転制御が行われる場合、出力電流には制限が課されることになる。

規定温度は、コンデンサ８０の特性（温度とＥＳＲとの対応関係）や、フォークリフトを購入する顧客の要望によって定められる。電動機６０に出力することができる電流は、ＥＳＲによって変化するため、顧客の要望する出力（電流）が得られない温度の場合には暖機制御が行われるように規定温度は設定される。規定温度は、例えば、温度の低下に伴いＥＳＲが上昇する温度である−２０℃に設定される。

図３に示すように、暖機制御時には、インバータ１０により電動機６０に対し直流電流が供給される。一方で、通常運転制御時には、インバータ１０により電動機６０に対し交流電流が供給される。

以下、暖機制御について詳細に説明を行う。
暖機制御では、コントローラ４０は、電動機６０の各相の巻線６１，６２，６３に直流電流を供給するようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してコンデンサ８０を暖める。

インバータ１０はベクトル制御を行う。ベクトル制御では、磁束を生成するための励磁電流（ｄ軸電流）と、電動機６０のトルク（モータトルク）を発生させるためのトルク電流（ｑ軸電流）を独立に制御する。コントローラ４０は、電動機６０を回転しない状態で巻線６１，６２，６３に直流電流が流れるようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。本実施形態では、トルクを発生させないように、トルク電流成分が０で、励磁電流成分のみの直流電流が電動機６０に供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。電動機６０には、直流電流が流れることになり、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作により、コンデンサ８０に電流が出入りする。電流がコンデンサ８０に出入りすることで、コンデンサ８０の温度は上昇する。従って、コントローラ４０が車両制御ＥＣＵ１２０から電動機６０の駆動指令を受けない場合でも直流電流を流すことにより、電動機６０を回転させることなく、暖機制御（昇温のための制御）を行うことができる。コントローラ４０は、暖機制御手段として機能している。

本実施形態において、コントローラ４０は暖機制御時にはＶ相に最大電流の直流電流が供給されるとともにその他の相に所定値の直流電流が供給されるようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。具体的にいえば、コントローラ４０は、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６をオン・オフ制御することで、Ｖ相に流れる直流電流を制御する。Ｕ相、及び、Ｗ相には、Ｖ相を流れた後の直流電流が分流することになる。

コントローラ４０は、暖機制御時に、先ず、コンデンサ８０の温度から、直流電流の初期値を決定する。メモリ４１には、コンデンサ８０の温度と、直流電流の初期値との対応関係が例えばマップとして記憶されている。コンデンサ８０の温度と、直流電流の初期値との対応関係は、ＥＳＲと、直流電流の初期値との対応関係と捉えることもでき、ＥＳＲが高い程、直流電流の初期値が低くなるように対応付けられている。コントローラ４０は、上記した対応関係に基づき直流電流の初期値を設定する。これにより、コンデンサ８０の温度が高い程、直流電流の初期値は大きな値に設定されることになる。コントローラ４０は、初期電流設定手段として機能している。

図４に示すように、コンデンサ８０の温度が−３０℃の場合、コンデンサ８０の温度が−４０℃の場合に比べて直流電流の初期値として大きな値が設定される。コントローラ４０は、設定された直流電流が流れるようにスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６を制御する。具体的にいえば、コントローラ４０は、設定された直流電流が大きい程、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６のデューティ比（１周期におけるオン時間）が大きくなるように制御を行う。

直流電流の初期値が設定された後、コントローラ４０は、時間経過に伴い、直流電流を大きくしていく。本実施形態において、コントローラ４０は、所定時間が経過する毎に、段階的に直流電流を上昇させていく。この所定時間は、シミュレーション結果や、実験結果などに基づき設定される値である。例えば、所定時間は、直流電流を大きくすることによるサージ電圧の増大を抑制できる程度にコンデンサ８０を暖められるような時間が設定される。なお、時間経過に伴い、コンデンサ８０の温度は上昇していくため、コントローラ４０は、コンデンサ８０の温度上昇に伴い、直流電流を大きくしていくと捉えることもできる。コントローラ４０は、電流設定手段として機能している。

コントローラ４０は、コンデンサ８０が暖まると、暖機制御を終了する。暖機制御の終了は、コンデンサ８０の暖機を行った時間から判定されてもよいし、コンデンサ温度センサ９０の検出結果に基づいて判定されてもよい。

したがって、上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）低温環境下（本実施形態では−２０℃以下）において、コンデンサ８０の温度が高い程、ＥＳＲは小さくなる傾向にある。したがって、同一値の電流を流した場合にＥＳＲの影響によって生じるサージ電圧は、コンデンサ８０の温度が高い程、低くなるといえる。

仮に、コンデンサ８０の温度が規定温度以下のときに、予め定められた直流電流を流す場合、コンデンサ８０の暖機に長時間を要する。これは、ＥＳＲが極めて高い場合にも直流電流を流すことを考慮して、直流電流を低く設定する必要があるためである。即ち、ＥＳＲが極めて高い場合に生じるサージ電圧によりインバータ回路２０の駆動が止められないように直流電流を設定する必要がある。

これに対し、本実施形態のコントローラ４０は、コンデンサ８０の温度が高い程、直流電流の初期値を大きく設定する。このため、ＥＳＲが小さく、サージ電圧が生じにくい場合には、大きい直流電流を電動機６０の巻線６１，６２，６３に流すことができる。したがって、コンデンサ８０の暖機が完了するまでの時間を短縮化できる。

（２）コントローラ４０は、時間経過に伴い、直流電流を大きくする。暖機を開始した時点では、ＥＳＲの影響により電動機６０に流すことができる電流（許容電流）は小さいが、暖機が進むにつれてＥＳＲは低下していく。これに伴い、電動機６０の巻線６１，６２，６３に流すことができる直流電流は大きくなっていく。これに合わせて、直流電流を大きくしていくことで、コンデンサ８０の暖機が完了するまでの時間を更に短縮化できる。

（３）コンデンサ８０は、外装の内部に発熱部位を備える構造である。外装の熱容量の影響により、発熱部位の温度上昇に対する外装の温度上昇は低く、結果として、コンデンサ温度センサ９０で検出される温度と、発熱部位の温度には隔たりが生じることになる。これにより、コンデンサ温度センサ９０によって検出される温度に基づいて、直流電流を上昇させた場合には、直流電流を適切なタイミングで上昇できないおそれがある。これに対して、予め定められた所定時間の経過により直流電流を上昇させることで、適切なタイミングで直流電流を上昇させることができる。

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○コントローラ４０は、暖機制御時に、時間経過に伴う直流電流の上昇を行わなくてもよい。即ち、暖機制御の開始時に決定された直流電流の初期値を暖機制御の終了まで維持してもよい。この場合であっても、直流電流の初期値は、コンデンサ８０の温度が高い程、大きく設定されるため、コンデンサ８０の暖機が完了するまでの時間を短縮化できる。

○コントローラ４０は、暖機制御時に、コンデンサ温度センサ９０によって検出される温度が高くなるにつれて、直流電流を大きくしてもよい。上記したように、コンデンサ温度センサ９０によって検出される温度と、発熱部位との温度には隔たりが生じる。このため、コントローラ４０は、コンデンサ温度センサ９０によって検出される温度を補正して、発熱部位の温度を導出し、これに基づき直流電流を大きくしてもよい。なお、コンデンサ８０の温度は、時間経過に伴い上昇していくため、コンデンサ８０の温度上昇に伴い直流電流を上昇させることは、時間経過に伴い直流電流を上昇させると捉えることもできる。

○図５に破線Ｌ１で示すように、コントローラ４０は、暖機制御時に、時間経過に伴い直流電流を線形（比例的）に上昇させてもよい。図５に実線Ｌ２で示すように、コントローラ４０は、暖機制御時に、時間経過に伴い直流電流を指数的に上昇させてもよい。図５に二点鎖線Ｌ３で示すように、コントローラ４０は、暖機制御時に、時間経過に伴い直流電流を対数的に上昇させてもよい。なお、これらの場合であっても、ＥＳＲと、コンデンサ８０の温度との対応関係に基づいて、時間経過に対する直流電流の上昇具合が設定される。

○暖機制御は、通常運転制御が行われた後に、コンデンサ８０の温度が規定温度未満の場合に行われてもよい。例えば、フォークリフトをキーオンした後、コンデンサ８０の暖機が完了する前に電動機６０の駆動指令を受けると、コントローラ４０は、通常運転制御を行う。この場合、コンデンサ８０の暖機は完了していないため、電動機６０への出力電流が制限された状態で通常運転制御が行われる。通常運転制御が行われた後、コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低く、かつ、車両制御ＥＣＵ１２０から電動機６０の駆動指令を受けていない場合、コントローラ４０は暖機制御を行う。

○コントローラ４０は、暖機制御が終了しないと通常運転制御が行われないように制御を行ってもよい。
○図１に示すように、インバータ１０は、環境温度を検出する温度センサである環境温度センサ９１を備えていてもよい。フォークリフトが長期間に亘って停止している場合、コンデンサ８０の温度と、環境温度とは同一とみなすことができる。したがって、直流電流の初期値は、環境温度に基づいて決定されてもよい。インバータ１０は、環境温度センサ９１や、コンデンサ温度センサ９０等、コンデンサ８０の温度を検出（推定）できる温度検出手段（温度推定手段）を備えていればよい。

○インバータ１０は、コンデンサ８０以外の周辺機器（電動機６０、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、コントローラ４０が搭載される基板などの機能部品）の温度を検出する温度センサを備えていてもよい。そして、コントローラ４０は、温度センサにより検出されたコンデンサ８０の周辺機器の温度が閾値よりも高くなると、暖機制御を終了させてもよい。この場合、コンデンサ８０の周辺機器が過熱されるのを防止することができる。

○コントローラ４０は、Ｕ相の電流や、Ｗ相の電流を制御することで、コンデンサ８０の暖機を行ってもよい。
○インバータ１０は、電動機６０を搭載する装置であれば、どのような装置に用いられてもよい。

○電動機６０が回転しない状態で電動機６０に電流を供給することができれば、トルク電流成分は０でなくてもよい。

Ｓ１〜Ｓ６…スイッチング素子、１０…インバータ、２０…インバータ回路、４０…コントローラ、５０…バッテリ、６０…電動機、６１，６２，６３…巻線、８０…コンデンサ、９０…コンデンサ温度センサ。

Claims (2)

1. インバータ回路においてブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、前記インバータ回路の入力側に、並列接続された直流電源及びコンデンサが接続され、前記インバータ回路の出力側に、電動機の各相の巻線が接続され、前記電動機の各相の巻線に交流電流を供給して前記電動機を駆動するインバータにおいて、
   前記電動機の駆動停止状態において、前記コンデンサの温度が規定温度よりも低い場合、前記電動機の各相の巻線に直流電流を供給するように前記インバータ回路の前記スイッチング素子を制御する暖機制御手段と、
   前記コンデンサの温度が高い程、前記直流電流の初期値を大きく設定する初期電流設定手段と、を備えるインバータ。
2. 前記直流電流の初期値が設定された後、時間経過に伴い前記直流電流を大きくしていく電流設定手段を更に備える請求項１に記載のインバータ。