JP4203278B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置に係り、特に電力変換装置が発生するサージ電圧による負荷への影響を軽減するようにした電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、インバータ装置のPWM制御技術の進歩は目覚しく、これを用いて電動機を駆動することは当たり前のごとく行われるようになってきた。しかしながら、いわゆる電圧型と呼ばれるインバータ装置は、スイッチング素子のオン・オフを行う度に出力にサージ電圧が発生し、電動機の絶縁を脅かすという問題も顕在化してきている。
【0003】
インバータ装置のPWM波形を得る場合、得ようとする相電圧波形に対応した三相電圧基準が一般的に用いられ、この三相電圧基準とキャリア波とを比較してスイッチング素子の点弧パルスを得ている。図10はこの三相電圧基準の波形を示したものである。いま、図10に破線で示した領域、すなわち、U相電圧基準とV相電圧基準の差が0となる近傍における点弧パルスを考えると、U相素子点弧パルス波形、V相素子点弧パルス波形、およびそのとき負荷7に印加される線間電圧パルス波形はそれぞれ図11(a)、図11(b)、図11(c)に示すようになる。
【0004】
ところで任意の二つの相電圧基準値の差が0近傍の場合、図11(c)の中央部に示すような幅の狭いパルス状の線間電圧パルスが電動機に印加されていた。これは、図10の破線部のPWMパルス生成を考えた場合、U相電圧基準は最大値近くから零近くまで向かうため、U相素子点弧パルスは図11(a)に示すような広幅パルスから狭幅パルスへと推移し、逆にV相電圧基準が零近くから最大値近くまで向かう時、V相素子点弧パルスは、図11(b)のように狭幅パルスから広幅パルスへと推移するため、U相とV相の差である線間電圧パルスは図11(C)のように狭幅パルスとなるためである。
【0005】
図12はこの幅の狭い線間電圧パルスの周波数と、駆動する電動機あるいは接続ケーブルのインダクタンスやキャパシタンス分などの回路条件で決まるインピーダンスが共振した場合の電圧波形を示したものである。この共振現象が発生すると、狭幅パルスの立下りと回路条件で決まる過渡電圧のアンダーシュートの立下りのタイミングが一致するため、図12に示したように、線間電圧に大きな負側サージ電圧が発生する。
【0006】
尚、特開平9−84360号公報の図7に記載されているようなPWMパルス制御技術が知られているが、この技術は相電圧が零近傍の時のオンパルスに一定のリミットを設け、スイッチング素子を保護することを目的とした制御技術であり、電動機に印加されるサージ電圧の低減については何ら考慮されていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、負側サージ電圧の発生により、駆動される電動機の絶縁劣化、損傷が発生し、場合によっては絶縁破壊による焼損などに至る恐れがあった。これを防止するため、電動機の絶縁強度を強化することが考えられるが、その場合には電動機の外形の大型化やコストの増加などの問題があった。
【0008】
尚、一般に前述したインピーダンスは小さいので、共振を起こし悪影響を及ぼすパルス幅は、数十マイクロ秒以下と狭いのが普通である。
【0009】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、サージ電圧による電動機絶縁の影響を軽減するようにした電力変換装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部とから構成され、前記制御部は、キャリア波を生成するキャリア発生手段と、三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、前記基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段と、
前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを備え、前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち電圧基準が中間の値である中間相を基準とし、前記中間相と同符号な電圧基準を持つ同符号相に対して絶対値が小さくなる方向へ電圧マージンを加算し、この加算結果と前記中間相の電圧基準を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合には、前記加算結果を前記中間相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、比較的簡単な制御手段により、電力変換装置が発生するサージ電圧が電動機絶縁へ与える影響を軽減するようにした電力変換装置を提供することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下に本発明による電力変換装置の第1の実施の形態を図1乃至図3及び図10乃至図11を参照して説明する。
【0013】
図1は、本発明の電力変換装置のブロック構成図である。図1に示すように、電力変換装置の主回路部Aは直流電源装置1と、直流電圧を任意の周波数の交流電力に変換するインバータ2とから構成される。インバータ2の主回路にはスイッチング素子6が使用されており、その出力は電動機7に給電されている。
【0014】
次に、電力変換装置の制御部Bの構成を説明する。制御回路3には、電動機7の速度センサSSからの速度検出信号Sfと速度基準Srとを比較するいわゆるフィードバック制御に基づいて三相電圧基準Vrを生成する機能がある。この三相電圧基準Vrを線間電圧リミット処理回路8で受け、補正三相電圧基準Vcをコンパレータ5に出力する。このコンパレータ5は、前記補正三相電圧基準Vcとキャリア発生回路4の出力であるキャリア波Cwとを比較して前記インバータ2のスイッチング素子6のゲートパルス指令Gpを生成する。
【0015】
以上の図1の構成における動作について以下説明する。制御回路3の出力である三相電圧基準Vrは、図10に示したような正弦波であるが、これを線間電圧リミット処理回路8に通すことにより、線間電圧が零となる近傍で補正をかけ、補正三相電圧基準Vcを得るようにしている。ここで得られる補正三相電圧基準Vcとキャリア発生回路4の出力であるキャリア波Cwとをコンパレータ5で比較して得られるスイッチング素子6のゲートパルス指令Gpには、インバータ2の出力の線間電圧が零近傍の時の狭い幅のパルスは無く、一定幅以上のパルスが得られるようになる。すなわち、リミット処理回路8は、図11(c)の中央部に示したような幅の狭いパルスを出力しないように、すなわち一定幅以下のパルスは出力しないように作用している。以下この線間電圧リミット処理回路8の内部の具体動作を、図1とともに図2のフローチャート及び図3の電圧波形を用いて説明する。
【0016】
図2は本発明の第1の実施の形態における線間電圧リミット処理回路8の演算動作を示すフローチャートである。図1における制御回路3が生成するU相、V相、及びW相の三相電圧基準Vrの中で、その値が中間の相を求め、これを中間相とする(ST1)。次に前記中間相と同符号である相を求め、これを同符号相とする(ST2)。次いで中間相の電圧基準が正か負かで場合分けする(ST3)。中間相の電圧基準が正の場合は、同符号相から電圧マージンを引いた値と中間相の値を比較し(ST4)、中間相の方が大きければ中間相の電圧基準を同符号相から電圧マージンを引いた値に補正する(ST5)。ステップST4で中間相の方が小さければ補正は行わない。一方、中間相の電圧基準が負の場合は、同符号相に電圧マージンを加えた値と、中間相の値を比較し(ST6)、中間相の方が小さければ中間相の電圧基準を同符号相に電圧マージンを加えた値に補正する(ST7)。ステップST6で中間相の方が大きければ補正は行わない。
【0017】
図3は本発明の第1の実施の形態における三相電圧基準Vr及び補正三相電圧基準Vcの波形図である。すなわち、図2のフローチャートに従って演算処理を行うと、線間電圧リミット処理回路8の入力である三相電圧基準Vrを補正三相電圧基準Vcの波形に置き換えることができる。斜線部分は任意の二相の相電圧基準の差、すなわち線間電圧が0近傍になるのを防止するための電圧マージンである。中間相の値がこの電圧マージン内に入った場合、すなわち、斜線部の領域を横切った時は、この電圧マージンを本来の電圧基準に加算した値が中間相の補正電圧基準となる。
【0018】
このような処理を行った結果得られるV相の補正電圧基準の波形Vc(V相)を図3の太線で示す。尚、図を見易くするため、補正電圧基準はV相のみを太線で示した。
【0019】
これにより、任意の二相の相電圧基準の差が0近傍になることを防止可能であり、その結果、線間電圧パルスが狭く出力されることを防止でき、負側サージ電圧が抑制され、電動機絶縁への影響を軽減することができる。
【0020】
尚、図1では、直流電源装置1の図を電池の記号で示してあるが、これは商用交流電源からコンバータ回路を介して得たものでも何ら差し支えない。
【0021】
また、図1に記載の実施の形態では、速度検出信号Sfは電動機Mの速度検出器SSから得られるものとしたが、これは電動機の入力電流などから演算された推定信号を用いても良い。
【0022】
(第2の実施の形態)
次に、本発明による電力変換装置の第2の実施の形態について、図1、図4および図5を用いて説明する。
【0023】
図4は本発明による電力変換装置の第2の実施の形態における線間電圧リミット処理回路8内部での演算処理をフローチャートにしたものである。第一の実施の形態との違いは、中間相の電圧基準が正の場合(ST3)、中間相に電圧マージンを加えた値と、同符号相の値を比較し(ST8)、同符号相の方が小さければ同符号相の電圧基準を中間相に電圧マージンを加えた値に補正する(ST9)点、また、中間相の電圧基準が負の場合、中間相から電圧マージンを引いた値と、同符号相の値を比較し(ST10)、同符号相の方が大きければ同符号相の電圧基準を中間相から電圧マージンを引いた値に補正する(ST11)ようにした点である。尚、ステップST8で同符号相の方が大きい場合、またステップST10で同符号相の方が小さい場合は補正は行わない。
【0024】
図5は本発明の第2の実施の形態における三相電圧基準Vr及び補正三相電圧基準Vcの波形図である。すなわち、図4のフローチャートに従った演算処理を行うことによって、線間電圧リミット処理回路8の入力である三相電圧基準Vrを補正三相電圧基準Vcの波形に置き換えることができる。尚、図4においてもV相の補正電圧基準Vc(V相)のみを太線で示した。
【0025】
このようにしても、第1の実施の形態と同様、線間電圧パルスが狭く出力されることを防止でき、負側サージ電圧の抑制を図ることができ、電動機絶縁への影響を軽減できる。
【0026】
(第3の実施の形態)
次に、本発明による電力変換装置の第3の実施の形態について、図1、図6および図7を用いて説明する。
【0027】
図6は本発明による電力変換装置の第3の実施の形態における線間電圧リミット処理回路8内部での演算処理をフローチャートにしたものである。まず制御回路3が生成する三相電圧基準Vrの中で任意の一相を基準相とする。その基準相の値の絶対値が三相電圧基準Vrの中で最大であるかどうか判定する(ST12)。最大の場合は三相電圧基準Vrの中で絶対値が中間の相を求め(ST13)、基準相と中間相以外の残りの一相を最小相とする(ST14)。次に中間相の値が正か負かを判定(ST15)し、正ならば中間相から電圧マージンを引いた値が最小相の値よりも小さいかを判定し(ST16)、小さければ最小相の電圧基準を中間相から電圧マージンを引いた値に補正する(ST17)。ステップST16で中間相から電圧マージンを引いた値が最小相の値よりも大きければ、補正は行わない。前記ステップST15における判定で中間相が負であった場合は、中間相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも大きいかを判定(ST18)し、大きければ最小相の電圧基準を中間相に電圧マージンを加えた値に補正する(ST19)。ステップST18で中間相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも小さければ、補正は行なわない。
【0028】
一方ステップST12における判定で基準相の値の絶対値が三相電圧基準Vrの中で最大でなかった場合、基準相の絶対値が三相電圧基準Vrの中で最小であるか判定する(ST20)。最小の場合は三相電圧基準Vrの中で絶対値が中間の相を求め(ST21)、基準相の値が正か負かを判定する(ST22)。基準相の値が正の場合、基準相に電圧マージンを加えた値が中間相よりも大きいか否かを判定し(ST23)、大きければ中間相の電圧基準を基準相に電圧マージンを加えた値に補正する(ST24)。ステップST23で基準相に電圧マージンを加えた値が中間相よりも小さければ、補正は行わない。ST22における判定で基準相が負の場合は、基準相から電圧マージンを引いた値が中間相の値よりも小さいか否かを判定し(ST25)、小さければ中間相の電圧基準を基準相から電圧マージンを引いた値に補正する(ST26)。ステップST25で基準相から電圧マージンを引いた値が中間相の値よりも大きければ、補正は行わない。
【0029】
次にステップST20における判定で基準相の値の絶対値が三相電圧基準Vrの中で最小でなかった場合、三相電圧基準Vrの中で絶対値が最小の相を求め(ST27)、基準相の値が正か負かを判定する(ST28)。正であれば基準相から電圧マージンを引いた値と最小相の値とを比較判定し(ST29)、小さければ最小相の電圧基準を基準相から電圧マージンを引いた値に補正する(ST30)。
【0030】
ステップST29で基準相から電圧マージンを引いた値の方が最小相よりも大きければ、補正は行わない。ST28における判定で基準相が負であった場合は、基準相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも大きいかを判定し(ST31)、大きければ最小相の電圧基準を基準相に電圧マージンを加えた値に補正する(ST32)。ステップST31で基準相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも小さければ、補正は行わない。
【0031】
図7は本発明の第3の実施の形態における三相電圧基準Vr及び補正三相電圧基準Vcの波形図である。すなわち、図6のフローチャートに従った演算処理を行うと、線間電圧リミット処理回路8の入力である三相電圧基準Vrは補正三相電圧基準Vcの波形に置き換えられる。ここでもV相の補正電圧基準Vc(V相)のみを太線で示した。
【0032】
このようにすれば線間電圧パルスが狭く出力されることを防止でき、第1、第2の実施の形態と同様に負側サージ電圧の抑制を図ることができ、電動機絶縁への影響を軽減できる。
【0033】
(第4の実施の形態)
更に、本発明による電力変換装置の第4の実施の形態について、図1、図8および図9を用いて説明する。
【0034】
図8は本発明による電力変換装置の第4の実施の形態における線間電圧リミット処理回路8内部での演算処理をフローチャートにしたものである。第3の実施の形態との違いはステップST33において最小相の値が負の場合、最小相から電圧マージンを引いた値が中間相よりも小さいか否かを判定し(ST34)、小さい場合は中間相の電圧基準を最小相からに電圧マージンを引いた値に補正する(ST35)点、並びに、ステップST33の判定において最小相の値が正の場合、最小相に電圧マージンを加えた値が中間相の値よりも大きいかを判定し(ST36)、大きい場合は中間相の電圧基準を最小相に電圧マージンを加えた値に補正する(ST37)点である。ステップST34で最小相から電圧マージンを引いた値が中間相よりも大きい場合、またステップST36で最小相に電圧マージンを加えた値が中間相の値よりも小さい場合は、補正は行わない。
【0035】
図9は本発明の第4の実施の形態における三相電圧基準Vr及び補正三相電圧基準Vcの波形図である。すなわち、図8のフローチャートに従って演算処理を行うと、線間電圧リミット処理回路8の入力である三相電圧基準Vrは補正三相電圧基準Vcの波形に置き換えられる。ここでもV相の補正電圧基準Vc(V相)のみを太線で示した。
【0036】
この場合も線間電圧パルスが短く出力されることを防止でき、負側サージ電圧の抑制を図ることができ、電動機絶縁への影響を軽減できる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、比較的簡単な制御手段により、電力変換装置が発生するサージ電圧による電動機絶縁への影響を軽減し得る電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の電力変換装置のブロック構成図。
【図2】 本発明の第1の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図3】 本発明の第1の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図4】 本発明の第2の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図5】 本発明の第2の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図6】 本発明の第3の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図7】 本発明の第3の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図8】 本発明の第4の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図9】 本発明の第4の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図10】 三相電圧基準の波形図。
【図11】 素子点弧パルスと線間電圧パルスの波形図。
【図12】 負側サージ電圧を説明する波形図。
【符号の説明】
1 直流電源装置
2 インバータ
3 制御回路
4 キャリア発生回路
5 コンパレータ
6 スイッチング素子
7 電動機
8 線間電圧リミット処理回路
Claims (4)
- 直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部とから構成され、
前記制御部は、
キャリア波を生成するキャリア発生手段と、
三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、
前記基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段と、
前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを備え、
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち電圧基準が中間の値である中間相を基準とし、前記中間相と同符号な電圧基準を持つ同符号相に対して絶対値が小さくなる方向へ電圧マージンを加算し、この加算結果と前記中間相の電圧基準を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合には、前記加算結果を前記中間相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部とから構成され、
前記制御部は、
キャリア波を生成するキャリア発生手段と、
三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、
前記基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段と、
前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを備え、
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち電圧基準が中間の値である中間相を基準とし、前記中間相の絶対値が大きくなる方向へ電圧マージンを加算し、前記中間相と同符号な電圧基準を持つ同符号相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記同符号相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合には、前記加算結果を同符号相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部とから構成され、
前記制御部は、
キャリア波を生成するキャリア発生手段と、
三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、
前記基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段と、
前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを備え、
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち任意の一相を基準相とし、前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最大である場合には、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相に対して絶対値が小さくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準値と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合は前記加算結果を最小相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である場合には、前記基準相に対して絶対値が大きくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合は前記加算結果を中間相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である場合には、前記基準相に対して絶対値が小さくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合は前記加算結果を最小相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部とから構成され、
前記制御部は、
キャリア波を生成するキャリア発生手段と、
三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、
前記基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段と、
前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを備え、
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち任意の一相を基準相とし、前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最大である場合には、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準値に対して絶対値が大きくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相の電圧基準値と前記加算結果を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合は前記加算結果を中間相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である場合には、前記基準相に対して絶対値が大きくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合は前記加算結果を中間相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である場合には、前記基準相に対して絶対値が小さくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合は前記加算結果を最小相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする電力変換装置。
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