JP2745691B2 - 電圧形インバータの電流制限方式 - Google Patents

電圧形インバータの電流制限方式

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電圧形インバータの電流制限方式にかかり、
詳しくは、周波数設定値の変更や負荷の急変等によって
増加するインバータの出力電流を制限するための電流制
限方式に関する。
（従来の技術） 発明者等は、先に特開昭62−123965号として、電圧形
PWM（パルス幅変調）制御インバータにおける電流制限
方式を提案した。この電流制限方式が適用されるPWM制
御インバータの主回路を図示すると第14図のとおりであ
り、図においてE1は直流電源、INVはインバータ、Tr1〜
Tr6はトランジスタ、D1〜D6はトランジスタTr1〜Tr6に
それぞれ逆並列接続された還流ダイオード、IMは負荷と
しての三相誘導電動機（以下、単にモータという）を示
している。
このインバータINVでは周知のV/f（電圧／周波数）一
定制御が行なわれており、出力電圧の周波数設定値に基
づいてインバータINVの出力電圧指令値が生成され、こ
の指令値とキャリア波形との比較によりPWM信号が生成
されると共に、かかるPWM信号に従ってトランジスタTr1
〜Tr6を駆動することにより、インバータINVの出力電圧
が前記出力電圧指令値に一致するような制御が行なわれ
る。
そしてインバータINVの出力電流の制限方式として
は、各相（u,v,w）毎に電流iu,iv,iwの大きさが制限値
を越えたことを変流器等によりそれぞれ検出し、各相電
流iu,iv,iwがそれぞれ正の制限値を越えた場合には当該
相の上アームのトランジスタをオフし、負の制限値を越
えた場合には当該相の下アームのトランジスタをオフす
る方式がとられていた。以下、この方式を具体的に説明
する。
まず、このインバータINVでモータIMを駆動した場合
において、図示の各電流方向を正方向とする。いま、ｕ
相,v相,w相を構成する上下アームのトランジスタTr1,Tr
4及びTr2,Tr5並びにTr3,Tr6のスイッチングパターンを
（Su Sv Sw）にて表わすものとし、Su,Sv,Swはそれぞれ
“1"で上アームのトランジスタがオン、“0"で下アーム
のトランジスタがオンであるとする。
仮りにスイッチングパターンが（1 0 0）のとき（す
なわちトランジスタTr1,Tr5,Tr6がオンのとき）、ｕ相
電流が正の制限値を越えたとすると、ｕ相のスイッチン
グパターンを“1"から強制的に“0"にする。すなわち、
（0 0 0）のスイッチングパターンにより、ｕ相の上ア
ームのトランジスタTr1をオフしてｕ相電流を減少させ
ようとしている。ここで、ｕ相につきスイッチングパタ
ーンを“1"から“0"にすることは上アームのトランジス
タTr1をオフすると同時に下アームのトランジスタTr4を
オンすることを意味するが、電流が正方向に流れている
時はトランジスタTr1をオフすることで電流は他相の下
アームのトランジスタ及びｕ相の下アームのダイオード
D4を通って流れるためトランジスタTr4をオンすること
に積極的な意味はなく、実質上、上アームのトランジス
タTr1をオフしたことによって電流を減少させようのす
るものである。
なお、ｕ相電流が負の制限値を越えた場合には、下ア
ームのトランジスタTr4をオフすることによって電流を
減少させている。
ここで、モータIMに流れる電流ベクトルｉの変化率は
インバータINVの出力電圧ベクトルＶとモータIMの逆起
電力ベクトルｅ及びモータの漏れリアクタンスｌから、
近似的に次式の如く表わされる。
ｌ・di/dt（Ｖ−ｅ） ……（１） 一方、第14図に示したインバータINVが出力し得る電
圧は、スイッチングパターンが８通り（23）あることか
ら８種類あり、これを電圧ベクトルによって示すと、第
15図のようにπ/3〔rad〕ずつ異なる電圧ベクトルV1〜V
6及び零電圧ベクトルV0,V7となる。なお、同図において
は第14図に示した各相電流iu,iv,iwも共に示してある。
そして、この種のPWMインバータINVにおいて任意の電
圧ベクトルＶを出力する場合には、前記８種類の電圧ベ
クトルV0〜V7のうち隣合うベクトル（例えば電圧ベクト
ルＶが第15図の位置にあるとすると、このベクトルに隣
合う電圧ベクトルV3,V4）と零ベクトルV0,V7とを一定期
間内で時分割して選択することにより、所望の大きさ及
び位相を有する等価的な電圧ベクトルＶを得ている。そ
して、これらの電圧ベクトルV3,V4,V0,V7に応じたスイ
ッチングパターンに従ってインバータINVを制御してい
る。
（発明が解決しようとする課題） いま、上記インバータにより第14図のモータIMを運転
する場合において、インバータの出力電流を制限する場
合の作用を、第16図のベクトル図によって考えてみる。
まず、モータIMの駆動時において、インバータが第16
図における電圧Vaを出力するために電圧ベクトルV1（ス
イッチングパターン（1 0 0））を時分割で選択して出
力しているものとし、この時にｕ相電流iuが正の制限値
を越えたとする。この場合、電圧ベクトルは、ｕ相のス
イッチングパターンSuを“0"にした（0 0 0）であるV0
が選択され、この時のdi/dtは、前述した（１）式と逆
起電力e1及びV0により、（ｌ・di/dt）１の方向にな
り、ｕ相電流iuを減少させる方向に作用する。
一方、モータIMの制動時において、インバータINVが
電圧ベクトルVbを出力するために電圧ベクトルV3（スイ
ッチングパターン（0 1 0））を時分割で選択して出力
しているものとし、この時にｕ相電流iuが正の制限値を
越えたとする。この場合、従来の方式ではｕ相のスイッ
チングパターンSuを“0"にするものであるが、このパタ
ーンSuは本来的に“0"であるため、全体のスイッチング
パターンは（0 1 0）のままであり、換言すればV3を引
き続き出力することになる。この時のdi/dtは、前述の
（１）式と逆起電力e2及びV3により（ｌ・di/dt）２の
方向になり、ｕ相電流iuの正方向成分を有しているた
め、この電流iuを制限する（減少させる）ことができな
いという問題があった。
本発明は上記問題点を解決するために提案されたもの
で、その目的とするところは、モータの駆動時、制動時
及び選択されていた電圧ベクトルの位置等に拘らず出力
電流を確実に減少させることができる電圧形インバータ
の電流制限方式を提供することにある。
（発明を解決するための手段） 電圧形インバータの出力電流ベクトルの大きさが制限
値を越えたことを検出する手段と、前記出力電流ベクト
ルの位置を検出する手段と、前記電圧形インバータの負
荷の逆起電力ベクトルの位置を検出する手段とを備え、
前記出力電流ベクトルの大きさが前記制限値を越えた際
に、前記出力電流ベクトルの位置及び逆起電力ベクトル
の位置に基づいて、前記出力電流を減少させ、かつその
減少率が最小となる電圧ベクトルを選択して前記電圧形
インバータに出力させるものである。
また、第２の発明は、電圧形インバータの各相の出力
電流ベクトルの多きさが正の制限値を越えた際に前記イ
ンバータの当該相の上アームのスイッチング素子をオフ
させると共に、前記出力電流ベクトルの大きさが負の制
限値を越えた際に前記インバータの当該相の下アームの
スイッチング素子をオフさせる第１の電流制限回路と、
出力電流ベクトルの大きさが制限値を越えた際に出力電
流ベクトルの反対方向のベクトルに位置が最も近い電圧
ベクトルを選択して電圧形インバータに出力させる第２
の電流制限回路とを備え、電圧形インバータにより運転
されるモータの駆動時には第１の電流制限回路を動作さ
せ、前記モータの制動時には第２の電流制限回路を動作
させて電流制限を行なうものである。
更に、第３の発明は、上記第１及び第２の電流制限回
路を備え、前記出力電流ベクトルの大きさが制限値を越
えた時の電圧形インバータのスイッチングパターンと、
どの相の電流が正または負の制限値を越えたかの検出結
果とに応じて第１の電流制限回路と第２の電流制限回路
とを切り換えて電流制限を行うものである。
そして第４の発明は、上記第１の電流制限回路とある
相の出力電流が制限値を越えた際にすべての相のスイッ
チング素子をオフさせる全素子オフ回路とを備え、前記
モータの駆動時には第１の電流制限回路を動作させ、前
記モータの制動時には前記全素子オフ回路を動作させて
電流制限を行なうものである。
（作用） 出力電流ベクトルの位置及び逆起電力ベクトルの位置
に応じて、制限値を越えた相の電流を減少させ、かつそ
の減少率が最小となる電圧ベクトルが予め判明している
ため、電流が制限値を越えた場合にインバータの出力か
ら電流ベクトルの位置及び逆起電力ベクトルの位置を求
めることにより、最適の電圧ベクトルを求めてインバー
タに出力させるべく作用する。
第２の発明によれば、モータの制動時に電流制限にか
かった場合には、出力電流ベクトルの反対方向のベクト
ルに位置が最も近い電圧ベクトルを出力させて電流を制
限し、また、モータの駆動時には電流の減少率をより小
さくして所定の制限値に保つような電流制限作用をな
す。
更に第３の発明によれば、電流制限にかかった際にそ
の時のスイッチングパターンと、どの相の電流が正また
は負の制限値を越えたかという検出結果とに基づいて最
適な電流制限方式を判断し、前記第１及び第２の電流制
限回路を切換えて電流制限を行う。
そして第４の発明によれば、モータの駆動時には前記
第１の電流制限回路による電流制限を行い、また、モー
タの制動時にはインバータの全スイッチング素子をオフ
させて各相出力電流を強制的に減少させるものである。
（実施例） 以下、図に沿って本発明の実施例を説明する。
まず、第１図は本発明（特に第２、第３の発明）の電
流制限の原理を説明するための電流制限回路20をインバ
ータ等と共に示したブロック図であり、図において、１
は所定の電圧指令Ｖ＊が入力されるPWM回路、２はPWM回
路１からのスイッチングパターンまたは後述する出力パ
ターン発生回路10からのスイッチングパターンとを選択
的に切り換えて出力する切り換え回路、INVは前記同様
にPWM制御される電圧形インバータ、４はその出力側に
設けられた電流検出器、IMは負荷としての誘導電動機の
如きモータ、５は整流回路、６は各相電流が制限値を越
えたことを検出するコンパレータ、７は３相/2相変換
器、８は電流ベクトルを解析してその位相を検出するス
ペクトルアナライザ、９は電流ベクトルの位置を判別す
るためのゾーン判別回路、10は電流制限時に所定のスイ
ッチングパターンを出力する出力パターン発生回路であ
る。
次に、この動作を第２図及び第３図を参照しつつ説明
する。ここで、第２図はモータIMの駆動時のベクトル
図、第３図は同様に制動時のベクトル図であり、第15図
と同様にV0〜V7は８種類のスイッチングパターンに対応
する電圧ベクトル、ＶはインバータINVの出力電圧ベク
トル、ｅはモータIMの逆起電力ベクトル、ｉはインバー
タINVの出力電流ベクトル、ｌ・di/dtは電流ベクトルｉ
の変化率に存在するベクトルをそれぞれ示している。
まず、PWM回路１は、通常は電圧指令値Ｖ＊に従い、
インバータINVの半導体スイッチング素子を駆動する所
定のスイッチングパターンを出力し、これによってイン
バータINVの出力電圧を電圧指令値Ｖ＊に一致させるよ
うな制御が行なわれている。インバータINVの各相を流
れる電流は電流検出器４により検出されており、これら
の電流は整流回路５及びコンパレータ６により電流制限
値を越えたか否かが常時監視されている。そして、電流
の大きさが制限値を越えた場合には検出信号が切り換え
回路２に相られるようになっている。
一方、電流検出器４の電流検出信号は３相/2相変換器
７により２相に変換されたうえ、ベクトルアナライザ８
を経て電流ベクトルの位置が求められる。次いで、この
電流ベクトルが、第２図に示すπ/3〔rad〕間隔の６つ
のゾーン〜のうちどのゾーンに属するかがゾーン判
別回路９により判別される。このゾーン判別回路９の判
別結果により、出力パターン発生回路10は所定のスイッ
チングパターンを出力するが、このスイッチングパター
ンは電流ベクトルｉの位置（ゾーン）に従って次表のよ
うに決定される。
すなわち、モータIMの駆動時において、例えばｕ相電
流が正の電流制限値を越えた場合、このときの電流ベク
トルｉが第２図に示す如くゾーンにあり、また、出力
電圧ベクトルＶ、逆起電力ベクトルｅが図示の位置にあ
ったとすると、電流ベクトルｉの反対方向のベクトルを
想定してそのベクトルと最も位置が近い電圧ベクトルV4
を選択してそのスイッチングパターン（0 1 1）を採用
すれば、先の（１）式により電流ベクトルｉの変化率に
依存するｌ・di/dtはｕ相電流を減少させる方向に働く
ことになる。従って、出力パターン発生回路10はこの電
圧ベクトルV4にかかるスイッチングパターン（0 1 1）
を切り換え回路２に出力する。
この時、整流回路５及びコンパレータ６を介して、切
り換え回路２には電流制限を越えたことを示す検出信号
が加えられており、切り換え回路２ではこの検出信号を
認識してPWM回路１側から出力パターン発生回路10側に
そのスイッチングパターンを切り換える。これにより、
電圧形インバータとしては電圧ベクトルV4を出力するよ
うに動作し、このベクトルV4及び逆起電力ベクトルｅの
関係からｕ相電流を減少させることができる。
次に、第３図はモータIMの制動時におけるベクトル図
である。この場合においても、電圧ベクトルV3の選択時
にｕ相電流が正の制限値を越えた際、電流ベクトルｉの
反対方向のベクトルと最も位置が近い電圧ベクトルV4を
選択すれば、前記同様にｌ・di/dtはｕ相電流を減少さ
せる方向に作用するため、出力電流を減少させることが
できる。また、この動作は、電流制限を越えた際に仮り
に電圧ベクトルV0またはV7が選択されていたとしても同
様である。
次いで、第４図は前記電流制限回路20と共通した電流
制限原理を有する電流制限回路20′をインバータINV等
と共に示したものである。重複を避けるために第１図と
異なる部分のみを説明すると、電流検出器４の電流検出
信号は各相の正負ごとに設けられた総計６個のコンパレ
ータ11に入力されており、これらのコンパレータ11では
各相の電流が正負の電流制限にかかったか否かが検出さ
れる。すなわち第４図の例では、電流が制限値を越えた
ことを示す検出信号がどのコンパレータから出力された
かによってその時の電流ベクトルのｉの属するゾーンが
判定され、これに基づいて、第１図の例と同様に反対方
向の電圧ベクトルが選択され、対応するスイッチングパ
ターンが出力パターン発生回路10から出力されるように
なっている。
また、各相正負のコンパレータ11の出力信号はOR回路
12に入力されており、このOR回路12は、何れかの相の正
または負の電流制限値超過時に、切り換え回路２におい
て前記出力パターン発生回路10からのスイッチングパタ
ーンに切り換えるべく検出信号を出力する。
従って、例えばｕ相電流が制限値を越えた場合には、
前記同様にその時の電流ベクトルｉの属するゾーンがコ
ンパレータ11により判定され、この電流ベクトルｉの反
対方向のベクトルに最も位置が近い電圧ベクトルが選択
されてそのスイッチングパターンが出力パターン発生回
路10から出力される。これと同時に、OR回路12を介して
切り換え回路２に検出信号が送られ、出力パターン発生
回路10からのスイッチングパターンに従ってインバータ
INVが駆動されることにより、出力電流が減少する方向
に制御が行なわれる。
さて、第５図〜第７図は第１の発明の一実施例を示す
ものである。この発明は、第１図、第４図の場合と同様
にモータの駆動時、制動時をとわずインバータの出力電
流を減少させると共に、電流制限時の電流減少率が最小
となるような電圧ベクトルを求めて出力させることによ
り、電流制限時の電流リプルを低減させるようにしたも
のである。
まず、第５図はこの実施例に用いられる電流制限回路
20Aをインバータ等と共に示したブロック図であり、図
において、31は、電流検出器４の電流検出信号とインバ
ータINVの出力電圧とからモータIMの逆起電力ベクトル
ｅを求める逆起電力ベクトル検出回路、32は、電流ベク
トルのゾーン判別回路９からの後述する回転角信号ｒと
逆起電力ベクトルｅとから逆起電力ベクトルの位置を判
別するための逆起電力ベクトルゾーン判別回路、33は、
前記回転角信号ｒと逆起電力ベクトルゾーン判別回路32
の出力とから後述する第２表に従って選択した電圧ベク
トルのスイッチングパターンを出力する出力パターン発
生回路である。
次に、この実施例における電流制限の作用を第６図及
び第７図を参照しつつ説明する。まず、第６図はモータ
IMの駆動時の電圧ベクトル及び電流ベクトルを示すもの
であり、力率角は電気角で90゜以下となっている。な
お、同図においては電圧ベクトル座標上に電流ベクトル
を併せて示してある。
いま、第６図においてｕ相電流が制限値を越えたもの
とし、その時にインバータINVが出力していた電圧ベク
トルがV2であるとする。この電圧ベクトルV2のスイッチ
ングパターンは（1 1 0）であるから、従来の方式であ
れば、強制的にｕ相アームのスイッチングパターンを１
→０としてスイッチングパターンが（0 1 0）である電
圧ベクトルV3を出力させれば、電流の変化率である（ｌ
・di/dt）″が図示の方向であるから電流は一応、確実
に減少することになる。
しかるに、この変化率（ｌ・di/dt）″は、むしろス
イッチングパターンが（0 0 0）である電圧ベクトルV0
または同（1 1 1）である電圧ベクトルV7を出力した場
合の変化率（ｌ・di/dt）′よりも大きいため、電流制
限時の電流リプルが大きくなる。すなわち、電流が制限
値を越えた場合において、電流ベクトルｉの位置と逆起
電力ベクトルｅの位置とが判明すれば、電流を制限し、
かつ電流リプルが少なくなるような電圧ベクトルを求め
ることができる。
この場合、電流ベクトルｉの位置は、第２図に示した
ゾーン〜のうちどこにあるかを判別することとす
る。また、逆起電力ベクトルｅの位置は、電流ベクトル
ｉがどのゾーンにあるかによって決定することができ
る。
すなわち、第７図において、I,II,III,IV,I′,II′,I
II′,IV′の８つのゾーンは、電流ベクトルｉが第２図
のゾーン〜のうちどこにあるかによって決まり、例
えば電流ベクトルｉがゾーン内にある場合、第７図に
おけるVn＝V1としてゾーン分けを行なう。また、電流ベ
クトルｉがゾーン内にある場合、第７図におけるVn＝
V3としてゾーン分けを行なう。
つまり、逆起電力ベクトルｅのゾーン判別にあたって
は、電流ベクトルｉが存在するゾーンにある電圧ベクト
ルをVnとして行なわれ、具体的には、第２図のV1を基準
として電流ベクトルｉのゾーンにより座標を回転し、第
７図に示したゾーン判別のための座標に一致させて判別
するものである。
一例として、電流ベクトルｉがゾーン内にある場合
について考えてみる。この場合の電力ベクトルの配置は
第７図において括弧書きで示してある。第７図におい
て、縦方向に分けた４つのゾーンI,I′、II,II′、III,
III′、IV,IV′により、逆起電力ベクトルｅが存在する
ゾーンの右側にある電圧ベクトルは電流を増加させるこ
とがわかる。
すなわち、電流ベクトルｉがゾーン内にある状態で
仮りに逆起電圧ベクトルｅがゾーンII内にあれば、この
逆起電力ベクトルｅの先端から電圧ベクトルV1,V2,V6に
向かう電流の変化率ｌ・di/dtは電流ベクトルｉの正方
向成分を有するため、上記電圧ベクトルV1,V2,V3はｕ相
電流を増加させる方向に作用する。従って、これ以外の
電圧ベクトルV0,V7,V3,V4,V5を選択すればｕ相電流を減
少させることができ、中でも零電圧ベクトルV0,V7を選
択すれば上記変化率（減少率）ｌ・di/dtの大きさが最
小となって電流リプルを少なくすることができる。
更に別の例として、逆起電力ベクトルｅがゾーンＩに
あれば、電圧ベクトルV2,V6を選択した際にｕ相電流の
減少率で見れば電流ベクトルｉの負方向成分が等しいた
め同じになるが、変化率di/dtで見た場合、電圧ベクト
ルV2を選択することによってdi/dtの大きさがより小さ
くなることが明らかである。
上述した原理は、電流ベクトルｉが他のゾーン〜
にある場合にも同様であり、このように電流ベクトルｉ
の位置に応じて、逆起電力ベクトルｅの位置が第７図に
示した８つのゾーンのどれに属するかを判別することに
より、di/dtが最も小さく、しかも電流の減少が可能な
電圧ベクトルを求めることができる。
以上のようにして、すべての電流ベクトルｉの位置及
び逆起電力ベクトルｅの位置に対して、di/dtが最小に
なり、かつ電流を減少させ得る最適な電圧ベクトルが第
２表のように求められる。なお、この第２表において、
零電圧ベクトルはV0,V7の何れか一方のみを用いること
としても良い。
上述した最適な電圧ベクトルの検出は、第５図の電流
制限回路20Aにおいて以下のように実現される。すなわ
ち、電流検出器４により検出されたインバータINVの出
力電流が制限値を越えると、コンパレータ６から切り換
え回路２に信号が送られる。また、前記出力電流は３相
/2相変換器７、ベクトルアナライザ８を介してゾーン判
別回路９に入力され、電流ベクトルｉが前述したゾーン
〜のどれに属するかが検出される。同時に、この電
流ベクトルｉの位置から、逆起電力ベクトルｅを何度回
転すれば良いかを示す回転角信号ｒが逆起電力ベクトル
ゾーン判別回路32に入力される。
一方、インバータINVの出力電流及び出力電圧は逆起
電力ベクトル検出回路31に入力されて逆起電力ベクトル
ｅが求められ、逆起電力ベクトルゾーン判別回路32で
は、この逆起電力ベクトルｅと前記回転角信号ｒとから
逆起電力ベクトルｅが前述したゾーンＩ〜IV、Ｉ′〜I
V′のどれに属するかが検出される。
そして、電流ベクトルのゾーン判別回路９の出力及び
逆起電力ベクトルゾーン判別回路32の出力は出力パター
ン発生回路33に入力され、先の第２表に示した最適な電
圧ベクトルに対応するスイッチングパターンを切り換え
回路２に向けて出力する。切り換え回路２では、コンパ
レータ６の出力信号を受けてPWM回路１からの出力を出
力パターン発生回路33からの出力に切り換え、これによ
りインバータINVを制御することによって電流制御を行
なうための電圧ベクトルを出力するものである。
次に、第８図及び第９図は第２の発明の一実施例を示
すものである。
前述した第１図〜第４図の電流制限原理により、モー
タIMの駆動時及び制動時の何れの場合にもインバータIN
Vの出力電流を確実に減少させることが可能になった。
しかしながら、第２図のｌ・di/dtと第16図の（ｌ・di/
dt）１との比較からわかるように、第１図〜第４図の電
流制限原理ではモータIMの駆動時におけるdi/dtが第16
図の場合よりも大きくなっている。
これは、トランジスタのスイッチング時間が同一であ
るとすれば、制限時におけるインバータINVの出力電流
の減少量が、第16図の従来技術よりも第１図〜第４図の
電流制限原理の方が大きいことを意味している。しかる
に、電流制限時には電流はできるだけ制限値に保たれる
ことが望ましいことから、第１図〜第４図の電流制限原
理におけるモータIMの駆動時の電流制限動作において電
流リプルが大きいことが問題となる。
第２の発明は上記の点を考慮してなされたもので、以
下、その一実施例を説明する。
第８図において、第２の電流制限回路20′は第４図に
示した電流制限回路20′であり、前記同様にインバータ
INVの出力側からの電流ベクトルｉと、PWM回路１からの
スイッチングパターンとが入力されている。また、第２
の電流制限回路20′とは別に第１の電流制限回路21が設
けられており、この第１の電流制限回路21には、第２の
電流制限回路20′内の前記コンパレータ11の出力とPWM
回路１からのスイッチングパターンとが入力されてい
る。
更に、第１及び第２の電流制限回路21,20′の出力は
制限方式切り換え回路22に入力され、この切り換え回路
22はモータIMの駆動／制動判別信号によって入力を切り
換え可能となっている。ここで、モータIMの駆動／制動
判別信号は、例えば電圧指令値Ｖ＊を演算するマイクロ
コンピュータ等から与えられるものである。そして、制
限方式切り換え回路22の出力はオンディレー回路23を介
してインバータINVに加えられている。
次に、第９図は第１の電流制限回路21の構成を示すも
のである。図において、コンパレータ11の出力線Lu1,Lu
2、Lv1,Lv2、Lw1,Lw2はインバータINVの各相（u,v,w
相）出力電流の正負に対応しており、出力線（Lu1とL
u2）、（Lv1とLv2）、（Lw1とLw2）は制限時のコンパレ
ータ出力を“1"とすると各相ごと（0,0），（1,0），
（0,1）の３通りの状態をとる。これらの出力線のうちL
u1,Lv1,Lw1はアンドゲート211,212,213の各反転入力端
子にそれぞれ接続され、また、Lu2,Lv2,Lw2はオアゲー
ト214,215,216の各一入力端子にそれぞれ接続されてい
る。
一方、PWM回路１からの各相のスイッチングパターン
は出力線Pu,Pv,Pwから供給され、これらの出力線Pu,Pv,
Pwはアンドゲート211,212,213の各他入力端子に接続さ
れている、また、アンドゲート211,212,213の出力端子
はオアゲート214,215,216の各他入力端子にそれぞれ接
続されており、かかるオアゲート214,215,216の出力端
子が制限方式切り換え回路22に接続されている。
この実施例の動作を説明すると、モータIMの駆動時に
は制限方式切り換え回路22の入力が第１の電流制限回路
21側に切り換えられ、この電流制限回路21によって電流
制限動作が行われる。すなわち、インバータINVの各相
電流が電流制限にかからない場合、PWM回路１からのス
イッチングパターン、例えば（1 0 0）は電流制限回路2
1を介してそのまま制限方式切り換え回路22及びオンデ
ィレー回路23に加えられ、インバータINVに出力され
る。
また、例えばｕ相電流が正の制限値を越えたとする
と、出力線Lu1の論理が“0"から“1"へ、オアゲート214
の出力は論理“0"となり、電流制限回路21の出力は（0
0 0）に変化する。
すなわち、ｕ相のスイッチングパターンが強制的に
“1"から“0"へ変わることになり、従来技術において詳
述したようにｕ相の上アームのトランジスタをオフして
ｕ相電流を減少させる。このときのｌ・di/dtは第16図
の（ｌ・di/dt）１に相当しており、di/dtが第２図の場
合に比べて小さくなるため、電流を制限値に保つことが
できる。
次いで、モータIMの制動時には制限方式切り換え回路
22の入力が第２の電流制限回路20′側に切り換えられ、
この電流制限回路20′によって前述した電流制限動作が
行われる。重複を避けるために詳述はしないが、例えば
ｕ相電流が正の制限値を越えたときの作用は第３図に示
したとおりであり、電流を確実に減少させることができ
るものである。
次に、第10図及び第11図は第３の発明の一実施例を示
している。この発明は上述した第２の発明と同様に、第
１の電流制限回路と、第２の電流制限回路とを切り換え
て使い分けることにより、いかなる場合にも確実に電流
を制限し、かつ電流の減少量を少なくして制限時の電流
リプルを小さくするようにしたものである。
すなわち、第10図において、第２の発明にかかる第８
図の実施例と異なる部分は、主に方式判断回路24が設け
られている点である。なお、第10図において、第２の電
流制限回路20″とコンパレータ11とを組み合わせたもの
が第８図の第２の電流制限回路20′に相当している。
ここで、方式判断回路24には、インバータINVの各相
電流が正または負の値を越えたか否かを検出するコンパ
レータ11の６本の出力線と、PWM回路１からの各相のス
イッチングパターンが出力される３本の出力線とが接続
されており、方式判断回路24は、これらの出力線からの
信号に基づいて第１の電流制限回路21と第２の電流制限
回路20″との何れによって電流制限を行うかを判断し、
制限方式切り換え回路22を動作させる信号を出力する。
なお、制限方式切り換え回路22は、方式判断回路24の出
力信号の論理が“1"の場合にスイッチを第２の電流制限
回路20″側に、また前記論理が“0"の場合にスイッチを
第１の電流制限回路21側に切り換えるように動作する。
次に、第11図は方式判断回路24の具体例を示してお
り、同図において241〜246はアンドゲートである。PWM
回路１からの各相のスイッチングパターンは出力線Pu,P
v,Pwから供給されるもので、各スイッチングパターンは
図示するごとく反転及び非反転の状態でアンドゲート24
1〜246の各一入力端子にそれぞれ入力されている。
更に、コンパレータ11からの出力線Lu1,Lu2、Lv1,L
v2、Lw1,Lw2は各相電流が正または負の制限値を越えた
か否かに対応しており、これらの出力線Lu1〜Lw2はアン
ドゲート241〜246の各他入力端子にそれぞれ接続されて
いる。そして、アンドゲート241〜246の出力信号はオア
ゲート247に入力され、このオアゲート247の出力信号が
制限方式切り換え回路22に加えられるようになってい
る。
なお、出力線Lu1〜Lw2は、ｕ相電流が正の制限値を越
えた場合にLu1の論理が“1"、負の制限値を越えた場合
にLu2の論理が“1"、以下同様にｖ相電流が正の制限値
を越えた場合にLv1の論理が“1"、負の制限値を越えた
場合にLv2の論理が“1"、ｗ相電流が正の制限値を越え
た場合にLw1の論理が“1"、負の制限値を越えた場合にL
w2の論理が“1"となるものである。
この動作を説明すると、例えばインバータINVが第２
図及び第３図に示す電圧ベクトルV3（スイッチングパタ
ーンは（0 1 0））を出力している場合にｕ相電流が正
の制限値を越えたとすると、出力線Lu1が“1"になると
共に、このときの出力線Puは“0"であるため、アンドゲ
ート241の出力信号は“1"となり、オアゲート247からは
論理“1"の信号が出力される。そして、この信号は制限
方式切り換え回路22に出力される。なお、このとき、他
のアンドゲート242〜246の出力信号は“0"となってい
る。
オアゲート247からの信号を受けた制限方式切り換え
回路22では、スイッチを第２の電流制限回路20″側に切
り換え、第２の電流制限回路20″による制限動作が実行
される。すなわち、第２の電流制限回路20″では、第１
図〜第４図の電流制限原理において述べたように電流ベ
クトルｉの反対方向のベクトルと最も位置が近い電圧ベ
クトルであるV4（スイッチングパターンは（0 1 1））
を選択してこのスイッチングパターン（0 1 1）を切り
換え回路22に出力する。これにより、インバータINVは
以後V4を出力するように動作するため、第１図〜第４図
の電流制限原理によってｕ相電流が減少することにな
る。
また、仮りにインバータINVが電圧ベクトルV1（1 0
0）を出力中にｕ相電流が正の制限値を越えたとする
と、出力線Lu1が“1"になるが出力Puは“1"であるた
め、アンドゲート241の出力信号は“0"となり、また、
他のアンドゲート242〜246の出力信号も“0"となる。従
って、オアゲート247の出力信号は“0"となって制限方
式切り換え回路22に加えられるため、制限方式切り換え
回路22がスイッチを第１の電流制限回路21側に切り換え
ることにより、この制限回路による電流制限動作が実行
される。
すなわち既に述べたように、電圧ベクトルをそれまで
のV1（1 0 0）からV0（0 0 0）に切り換えることによ
り、制限時の電流減少量を小さくして電流制限を行うこ
とができるため、電流リプルを小さくすることが可能と
なる。
なお、各相電流が制限にかからない場合において、第
１及び第２の電流制限回路21,20″はPWM回路１からのス
イッチングパターンをそのまま通過させることは言うま
でもない。
次いで、第12図び第13図は第４の発明の一実施例を示
している。前記第１の電流制限回路21により、モータIM
の駆動時においてインバータINVの出力電流を制限でき
ることは既に説明した。一方、モータIMの制動時におい
ても前記各発明により所望の電流制限作用を得ることが
できる。
ここで、電圧形インバータを異常出力電流から保護
し、インバータINVの出力電流を急速に減少させる他の
方式として、インバータINVを構成するスイッチング素
子の駆動パルスを全相オフする（全相パルスオフ）方式
が考えられる。この方式を採る場合、モータIMの駆動、
制動時にかかわりなくスイッチング素子の強制的なオフ
によってインバータINVの出力電流を確実に減少させる
ことが可能である。
しかしながら、モータIMの駆動時に着目した場合、全
相パルスオフ方式では第１の電流制限回路21による電流
制限時に比べて電流減少量が大きくなってしまう。これ
は、電流制限時のトランジスタのスイッチング時間を第
１の電流制限回路21による電流制限時と同一に設定する
ならば、全相パルスオフ方式の方が電流減少量が大きく
なり、電流リプルの増加という新たな問題を生じること
を示している。前述したように、電流制限時には電流が
制限値に保たれることが望ましいことから、全相パルス
オフ方式をモータIMの駆動時及び制動時に一様に適用す
ることはできない。
第４の発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、
要するにモータIMの駆動時には第１の電流制限回路21に
よる電流制限方式を、また、モータIMの制動時にはスイ
ッチング素子を全相パルスオフする電流制限方式を採る
ものである。
すなわち、第12図において、電流検出器４からの電流
検出信号はコンパレータ11に入力され、各相電流が正ま
たは負の電流制限にかかったか否かが検出されるように
なっている。そして、コンパレータ11からの６つの制御
信号は、第９図と同様に構成された第１の電流制限回路
21に入力されている。ここで、前記制御信号は制限値を
越えた場合に論理が“1"となるものであり、第１の電流
制限回路21では、駆動時、制動時共に各相電流が何れも
制限にかからなければ、PWM回路１からのスイッチング
パターンをそのまま通過させる。
一方、コンパレータ11からの６つの制御信号はOR回路
25にも入力されており、制動時において６つの制御信号
のうち１つでも論理が“1"である場合、すなわち何れか
の相電流が正または負の制限にかかった場合には全スイ
ッチング素子をオフさせるべく論理“0"の全相パルスオ
フ信号Ｂを出力するものである。
このOR回路25及び前記電流制限回路21の出力側には、
スイッチから成る切り換え回路26が接続されており、こ
の切り換え回路26では、モータIMの駆動状態または制動
状態に応じた駆動／制動判別信号に従って切り換え動作
し、スイッチングパターンＡまたは全相パルスオフ信号
Ｂを出力するようになっている。なお、駆動／制動判別
信号は電圧指令値Ｖ＊を演算するマイクロコンピュータ
等から与えられ、モータIMの駆動時には駆動／制動判別
信号の論理が“1"となってPWM回路１あるいは電流制限
時に電流制限回路21からの出力がスイッチングパターン
Ａとして切り換え回路26から出力される。また、モータ
IMの制動時には駆動／制動判別信号の論理が“0"とな
り、各相電流が制限にかからなければPWM回路１からの
スイッチングパターンＡがそのまま出力されるが、制限
にかかった場合には前述のようにOR回路25からの全相パ
ルスオフ信号Ｂが出力される。
これらのスイッチングパターンＡ及び全相パルスオフ
信号は、次段のAND回路27に入力されている、なお、前
記OR回路25、切り換え回路26及びAND回路27は、ある相
の出力電流が正または負の制限値を越えた際に全スイッ
チング素子をオフさせるように作用する全素子オフ回路
を構成している。
上記AND回路27は、第13図に示すようにスイッチング
パターンＡの出力線Pu,Pv,Pwが入力側にそれぞれ接続さ
れた３つの否定回路271〜273と、前記出力線Pu,Pv,Pwが
各一入力端子にそれぞれ接続され、かつ全相パルスオフ
信号Ｂが各他入力端子にそれぞれ入力されるアンドゲー
ト274,376,278と、前記否定回路271〜273の出力側が各
一入力端子にそれぞれ接続され、かつ全相パルスオフ信
号Ｂが各他入力端子にそれぞれ入力されるアンドゲート
275,277,279とから構成されている。そして、６つのア
ンドゲート274〜279の出力が、インバータINVの各相上
アームのスイッチング素子を駆動するための駆動回路28
に入力されている。
次にこの実施例の動作を第13図のAND回路27の作用と
共に説明する。まず、モータIMの駆動時においては、電
流制限回路21による電流制限方式が選択される。すなわ
ち、駆動／制動判別信号により、切り換え回路26内のス
イッチは電流制限回路21側またはPWM回路１側に接続さ
れる。具体的には、各相電流が電流制限にかからない場
合にはPWM回路１からのスイッチングパターンがそのま
ま、また、例えばｕ相電流が正の制限値を越えた場合に
は当該相の上アームのスイッチング素子をオフさせ、負
の制限値を越えた場合には当該相の下アームのスイッチ
ング素子をオフさせるような電流制限回路21からのスイ
ッチングパターンが、スイッチングパターンＡとしてAN
D回路27に入力される。
いま、電流が制限にかかっていなければOR回路25から
の全相パルスオフ信号Ｂは“1"であるから、AND回路27
からは前記スイッチングパターンＡとそれらの論理を反
転させた合計６つの信号が駆動回路28に向けて出力さ
れ、これらの信号に基づいて各相上下アームのスイッチ
ング素子が駆動されることになる。これにより、モータ
IMの駆動時に電流が制限にかかった場合には、電流制限
回路21からの所定のスイッチングパターンＡによってｌ
・di/dtを第16図の（ｌ・di/dt）１のようにすることが
でき、電流を確実に減少させることができる。
一方、モータIMの制動時においては、全素子オフ回路
を構成するOR回路25からの全相パルスオフ信号Ｂに基づ
く電流制限方式が選択される。つまり、何れかの相電流
が正または負の制限にかかった場合には、OR回路25から
の全相パルスオフ信号Ｂが“0"となる結果、スイッチン
グパターンＡはAND回路27を通過せず、AND回路27の出力
はすべて“0"で全相パルスオフとなる。よってインバー
タINVのスイッチング素子は強制的にオフされることに
なり、モータIMの制動時におけるインバータの異常出力
電流を急速に減少させることが可能になる。
なお、上記各発明の実施例ではｕ相電流が正の制限値
を越えた場合についてのみ説明したが、本発明は負の制
限値を越えた場合にも勿論適用可能であり、これは他の
ｖ相、ｗ相についても同時である。更に、本発明は上記
実施例のようなハードウェアのみならず、電流制限値を
越えた際に予め記憶させておいた電圧ベクトルに対応す
るスイッチングパターンを選択する等の一連の処理を、
ソフトウェアによっても実現できるのは言うまでもな
い。加えて、電圧形インバータの負荷は誘導電動機に限
定されず、同期電動機であってもよいのは勿論である。
（発明の効果） 以上述べたように第１〜第４の発明によれば、モータ
の駆動時、制動時及び選択されていた電圧ベクトルの位
置等に拘らず、インバータの出力電流を確実に減少させ
ることができる。
特に、第１〜第３の発明では、同一のスイッチング周
波数のもとで出力電流の減少率をより小さくして所定の
制限値を保ち、かつ制限時の電流リプルを小さくするこ
とができる。
これに加えて第４の発明では、全相パルスオフによる
電流制限方式のみをモータの駆動時及び制動時に区別な
く適用する場合に比べ、モータの駆動時には第１の電流
制限回路による制限方式を採っているため、全体として
電力電流の減少率を小さくして制限時の電流リプルを小
さくできる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明（特に第２、第３の発明）における電流
制限原理を説明するための電流制限回路等のブロック
図、第２図及び第３図は第１図の電流制限作用を説明す
るための電圧、電流等のベクトル図、第４図は第１図の
変形例を示す電流制限回路等のブロック図、第５図は第
１の発明の一実施例に用いられる電流制限回路等のブロ
ック図、第６図は第５図の実施例における電流制限作用
を説明するための電圧、電流等のベクトル図、第７図は
電流ベクトルのゾーンの説明図、第８図は第２の発明の
一実施例に用いられる電流制限回路等のブロック図、第
９図は第８図の実施例における第１の電流制限回路の構
成図、第10図の第３の発明の一実施例に用いられる電流
制限回路等のブロック図、第11図は第10図の実施例にお
ける方式判断回路の構成図、第12図は第４の発明の一実
施例に用いられる電流制限回路等のブロック図、第13図
は第12図の実施例におけるAND回路の構成図、第14図は
従来技術を説明するための電圧形インバータの主回路構
成を示す回路図、第15図及び第16図は従来技術における
電圧、電流等のベクトル図である。 INV……電圧形インバータ、IM……モータ １……PWM回路、2,26……切り換え回路 ４……電流検出器、５……整流回路 6,11……コンパレータ、７……３相/2相変換器 ８……ベクトルアナライザ、９……ゾーン判別回路 10,33……出力パターン発生回路 12,25……OR回路 20,20A,20′,20″,21……電流制限回路 22……制限方式切り換え回路 23……オンディレー回路、24……方式判断回路 27……AND回路、28……駆動回路 31……逆起電力ベクトル検出回路 32……逆起電力ベクトルゾーン判別回路 211〜213,241〜246,274〜279……アンドゲート 214〜216,247……オアゲート 271〜273……否定回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平1−53521 (32)優先日 平１(1989)３月６日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平1−135045 (32)優先日 平１(1989)５月29日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 石井 新一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 長尾 義伸 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−123965（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−39278（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電圧形インバータの出力電流ベクトルの大
    きさが制限値を越えたことを検出する手段と、前記出力
    電流ベクトルの位置を検出する手段と、前記電圧形イン
    バータの負荷の逆起電力ベクトルの位置を検出する手段
    とを備え、 前記出力電流ベクトルの大きさが前記制限値を越えた際
    に、前記出力電流ベクトルの位置及び逆起電力ベクトル
    の位置に基づいて、前記出力電流を減少させ、かつその
    減少率が最小となる電圧ベクトルを選択して前記電圧形
    インバータに出力させることを特徴とする電圧形インバ
    ータの電流制限方式。
  2. 【請求項２】電圧形インバータの各相の出力電流ベクト
    ルの大きさが正の制限値を越えた際に前記インバータの
    当該相の上アームのスイッチング素子をオフさせると共
    に、前記出力電流ベクトルの大きさが負の制限値を越え
    た際に前記インバータの当該相の下アームのスイッチン
    グ素子をオフさせる第１の電流制限回路と、 電圧形インバータの出力電流ベクトルの大きさが制限値
    を越えた際に前記出力電流ベクトルの反対方向のベクト
    ルに位置が最も近い電圧ベクトルを選択して前記電圧形
    インバータに出力させる第２の電流制限回路とを備え、 前記電圧形インバータにより運転されるモータの駆動時
    には前記第１の電流制限回路により電流制限を行い、前
    記モータの制動時には前記第２の電流制限回路により電
    流制限を行うことを特徴とする電圧形インバータの電流
    制限方式。
  3. 【請求項３】電圧形インバータの各相の出力電流ベクト
    ルの大きさが正の制限値を越えた際に前記インバータの
    当該相の上アームのスイッチング素子をオフさせると共
    に、前記出力電流ベクトルの大きさが負の制限値を越え
    た際に前記インバータの当該相の下アームのスイッチン
    グ素子をオフさせる第１の電流制限回路と、 電圧形インバータの出力電流ベクトルの大きさが制限値
    を越えた際に前記出力電流ベクトルの反対方向のベクト
    ルに位置が最も近い電圧ベクトルを選択して前記電圧形
    インバータに出力させる第２の電流制限回路とを備え、 前記出力電流ベクトルの大きさが制限値を越えた時の電
    圧形インバータのスイッチングパターンと、どの相の電
    流が正または負の制限値を越えたかの検出結果とに応じ
    て第１の電流制限回路と第２の電流制限回路とを切り換
    えて電流制限を行うことを特徴とする電圧形インバータ
    の電流制限方式。
  4. 【請求項４】電圧形インバータの各相の出力電流ベクト
    ルの大きさが正の制限値を越えた際に前記インバータの
    当該相の上アームのスイッチング素子をオフさせると共
    に、前記出力電流ベクトルの大きさが負の制限値を越え
    た際に前記インバータの当該相の下アームのスイッチン
    グ素子をオフさせる第１の電流制限回路と、 ある相の出力電流ベクトルの大きさが制限値を越えた際
    にすべての相のスイッチング素子をオフさせる全素子オ
    フ回路とを備え、 前記電圧形インバータにより運転されるモータの駆動時
    には前記第１の電流制限回路により電流制限を行い、前
    記モータの制動時には前記全素子オフ回路により電流制
    限を行うことを特徴とする電圧形インバータの電流制限
    方式。
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