JP4265395B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流電源をＰＷＭインバータにより所望の周波数、電圧の交流に変換して誘導電動機を可変速制御するインバータ装置に関し、特にＰＷＭインバータの起動、または交流電源の瞬時停電が回復した際のインバータの再起動を動作信頼性高く行うインバータ装置に関する。

従来のインバータ装置では、起動時にＰＷＭインバータが過負荷で非常停止する恐れや、電動機に不要なショックを与えるなどの不具合を回避するために、ＰＷＭインバータを起動させるとき、または交流電源の瞬時停電が回復したときにＰＷＭインバータを再起動させるときに、誘導電動機の回転速度情報に基づいて、ＰＷＭインバータを起動させるように制御している。

特許文献１に記載の誘導電動機の速度制御装置は、速度制御装置に自励発振用の電圧発生手段と、回転速度演算手段とを付加し、電圧発生手段が出力する固定座標軸上の直交した２軸（α軸、β軸）それぞれの電圧指令値に基づいて速度制御装置を介したＰＷＭインバータから誘導電動機に供した電圧により、電動機の一次電流を自励発振させ、回転速度演算手段により、電動機の自励発振した一次電流のα軸成分とβ軸成分のいずれか一方もしくは双方の周波数を検出し、この検出値から電動機の回転速度情報を演算し、この演算した回転速度情報に基づいてＰＷＭインバータを起動させる。

特許文献１に記載の誘導電動機の速度制御装置において、電圧発生手段と、２相３相変換手段と、ＰＷＭインバータと、誘導電動機と、電流検出手段と、３相２相変換手段とからなる一巡ループで自励発振回路の機能を形成させると、この自励発振回路は角周波数がω（＝２πｆ）で発振動作を持続し、このときの３相２相変換手段の出力である誘導電動機の一次電流のα軸成分またはβ軸成分の周波数を回転速度演算手段で計測することにより誘導電動機の回転速度情報が得られ、また、その振幅も減衰しないので、誘導電動機が低速回転時にも回転速度情報を確実に演算することができる。さらに、上述の発振動作中のα軸成分とβ軸成分との位相関係を回転方向判別手段により検知し、正転／逆転を判別する。この方向極性と、回転速度演算手段で得られた回転速度情報とを乗算演算器で乗算することにより符号付きの回転速度情報が得られる。

また、特許文献２には、コンバータ、平滑コンデンサ、インバータ、電流検出器を有するインバータ装置において、瞬時停電発生時、インバータ部の上アームトランジスタのみに同時にオン信号を送り、流れる短絡電流の方向を電流方向反転検出回路で検出し、この信号に基づいて残留電圧周波数および位相を検知し、検知された周波数および位相と停電検出回路の復電信号に基づいて再始動されるように構成されたインバータ装置が記載されている。

また、電圧形インバータにおいて、電流検出器をインバータ主回路内に設けたものとして特許文献３に記載のものがある。特許文献３は、インバータの出力側に電流検出器を設けることにより出力電流を検出し、さらに電圧との位相差を検出してインバータの出力電流の力率を検出していた従来のインバータの出力電流の力率検出方法において、検出器をインバータの出力側（スイッチング素子の外部）に取付けるための特別な検出器設置スペースを確保する必要があるだけでなく、力率検出のために電圧位相との比較を行う比較器が必要になるという問題点を課題としたものである。

特開平１１−３４６５００号公報（図１、図９） 特開平５−２６８７９４号公報（図１） 特開平４−５４４６１号公報（第１図）

特許文献１に記載の誘導電動機の速度制御装置は、誘導電動機に給電するＰＷＭインバータの起動時もしくは再起動時に、任意の周波数成分を含む電圧を初期電圧として、自励発振を励起することにより、高速のマイクロコンピュータを必要とする演算をせずに、電動機が低速回転でも電動機の回転速度情報と回転方向とを的確に検知することが可能としたものである。しかしながら、出力電流を検出する高価な検出器を必要とし、高価な回路構成となってしまうという問題点があった。
また、特許文献２に記載のインバータ装置は、瞬時停電再始動機能を有するインバータに用いられている位相検出器のための電圧検出用トランスあるいはフォトカプラを用いた回路を不要とし、小形、低価格、高信頼性のインバータ装置を提供するたものであるが、出力電流を検出する高価な検出器を必要とし、高価な回路構成となってしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、瞬時停電再始動機能を有する小形、低価格、高信頼性のインバータ装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係るインバータ装置は、直流電圧を所望の周波数、電圧の交流電力に変換し、電動機を可変速駆動するインバータ装置において、主回路スイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路と、電圧形インバータの直流母線の一部を主回路スイッチング素子が接続される第１の母線と、前記主回路スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードが接続される第２の母線とに分離するとともに、前記第１母線に流れるスイッチング素子の電流を検出する電流検出手段と、前記電圧形インバータの出力電流の電流方向を検出する電流方向判別手段と、を備え、
前記制御回路は始動時に前記電流方向判別手段を備えた相を含む２相分の第１母線に接続されたスイッチング素子をオンし、前記電流検出手段から出力される検出電流と前記電流方向判別手段から出力される出力信号とから前記電動機の回転情報を演算するようにしたことを特徴とするものである。

この発明のインバータ装置は、電流検出器をインバータ装置に接続しなくとも、電動機の回転速度情報と回転方向とを検知することができるので、瞬時停電再始動機能を小形、低価格で実現できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るインバータ装置の回路構成を示す図である。図１において、インバータ装置は、直流電源Ｐ，Ｎから、インバータ部１を構成する上アームのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３および下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６をＰＷＭ発生器２でオン／オフ制御することにより、所定の周波数、電圧の交流電源に変換し、負荷としての誘導電動機３を可変速駆動する。また、インバータ部１のインバータブリッジを構成する各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６にそれぞれダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列に接続される。
直流電源Ｐ，Ｎの内、直流母線（電源）Ｐ側はインバータ部１の上アームのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に接続され、また、直流母線（電源）Ｎ側は、下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が接続される第１の母線４と、ダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６が接続される第２の母線５とに分岐される。

また、電流検出をするために、第１の母線４の直流電源と下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６との間に、シャント抵抗６を接続する。
シャント抵抗６には、下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６に流れる電流により電圧が生じ、このシャント抵抗６に生じた電圧を、Ａ／Ｄコンバータ７で、デジタル値に変換する。また、Ｕ相に電流方向判別回路８を接続して、Ｕ相に流れる電流の方向を検出する。
また、制御回路９はＡ／Ｄコンバータ７で変換したデジタル値を基にスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６に流れる合計電流を演算する。

インバータ装置が誘導電動機を可変速駆動しているとき、電源に瞬時停電が発生すると、瞬時停電運転継続保証時間経過後、インバータ部に備わったスイッチング素子は全てベース電流が遮断され、誘導電動機はフリーラン状態となる。しかし、誘導電動機のロータに流れる２次電流はロータ自体の電気的時定数に従って電流が減少していくため残留磁束が通常０．１〜１秒間は残る。この残留磁束により、誘導電動機の１次側には残留電圧が発生する。

図２はこの発明の実施の形態１に係るインバータ装置において誘導電動機正転時の動作波形を示す図、図３は誘導電動機逆転時の動作波形を示す図である。図２、図３において、（ａ）は残留電圧の波形、（ｂ）は相電流の波形、（ｃ）は検出電流の波形、（ｄ）は電流判別信号の波形である。

図１〜図３により、この発明の実施の形態１におけるインバータ装置の動作について説明する。
瞬時停電が回復したときに再始動に先立ち、下アームのＵ相スイッチング素子Ｔ４およびＶ相スイッチング素子Ｔ５をオンする。ただし、その際、上アームのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３および下アームのＷ相スイッチング素子Ｔ６はオフのままとする。

誘導電動機が正転時の場合について、以下説明する。
誘導電動機が正転時の残留電圧が、図２（ａ）に示すようにＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗのように発生しているとすると、Ｗ相の下アームのスイッチング素子Ｔ６がオフしているため、Ｗ相電流ＩｗはＷ相の残留電圧Ｖｗが正の時は電流が流れず、残留電圧Ｖｗが負の時だけ逆並列ダイオードＤ６を通してＷ相電流Ｉｗが流れることになるため、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは図２（ｂ）に示すような波形となる。また、このとき第１の母線４の直流電源と下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６との間に接続したシャント抵抗６には、図２（ｃ）に示すような検出電流Ｉｓが流れる。
実施の形態１におけるインバータ装置の回路構成には、相電流を検出する手段を備えておらず、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは検出できないが、シャント抵抗６により各相電流が正に流れている値の合計となる検出電流Ｉｓを検出するようにしたものである。
また、Ｕ相に流れる電流の方向を検出する電流方向判別回路４の出力信号は、図２（ｄ）に示すｓｇｎの波形となる。

次に、誘導電動機が逆転時の場合について、以下説明する。
誘導電動機が逆転時の残留電圧は、図３（ａ）に示すようにＶｕ，Ｖｗ，Ｖｖとなり、正転時の残留電圧の波形を示す図２（ａ）に対してＶｖ、Ｖｗの相順が入れ替わった波形となる。また、図３（ｂ）に示す相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗや、図３（ｃ）に示すシャント抵抗６に流れる検出電流Ｉｓや、図３（ｄ）に示す電流方向判別回路８の出力信号ｓｇｎは、誘導電動機が正転時の動作波形である図２の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対し位相が異なったものとなる。

次に、再始動において必要となる回転数と回転方向の検出方法について説明する。
制御回路９では、電流方向判別回路８から出力される出力信号ｓｇｎの立ち上りから次の出力信号ｓｇｎの立ち上りまでの間隔を計測することにより、誘導電動機の回転数を検出する。誘導電動機の回転数の検出においては、制御回路９に具備されたタイマー機能を使用するか、回転数の逆数である回転周期に対し十分短い一定サンプリングで取り込み、Ｓ／Ｗ処理する。

また、回転方向については、図２および図３に示す出力信号ｓｇｎと検出電流Ｉｓとの関係より判断する。下アームのＵ相スイッチング素子Ｔ４およびＶ相スイッチング素子Ｔ５のみオンしていることから、図２（ｄ）および図３（ｄ）に示す出力信号ｓｇｎと図２（ｃ）および図３（ｃ）に示す検出電流Ｉｓとは次の関係がある。
正転時：
出力信号ｓｇｎの立ち下り（Ｕ相電流が正→負）では、検出電流Ｉｓは大。
出力信号ｓｇｎの立ち上り（Ｕ相電流が負→正）では、検出電流Ｉｓは小。
逆転時：
出力信号ｓｇｎの立ち下り（Ｕ相電流が正→負）では、検出電流Ｉｓは小。
出力信号ｓｇｎの立ち上り（Ｕ相電流が負→正）では、検出電流Ｉｓは大。

制御回路９は、上記の出力信号ｓｇｎと検出電流Ｉｓとの関係より、電流方向判別回路８の出力信号ｓｇｎの立ち下りの瞬間に検出した検出電流Ｉｓと立ち上りの瞬間に検出した検出電流Ｉｓとの差が、正であれば正転、負であれば逆転として、回転方向を検出する。

制御回路９は、上記によりフリーラン状態となっている電動機の回転情報（回転数、回転方向）を演算し、インバータ部１のインバータブリッジを構成する各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を、演算した回転情報に合わせオン／オフ制御する。

また、出力信号ｓｇｎが残留電圧Ｖｕの位相と同期していることを利用して、出力信号ｓｇｎの立ち上りや立ち下りを使用して、再始動する際の電圧位相を同期させることも可能である。

上記のように、この発明の実施の形態１におけるインバータ装置は、出力電流を検出する高価な検出器を使用せずに、瞬時停電が回復したときの再始動時に誘導電動機の回転数、回転方向を検出し、検出した回転数、回転方向に合わせたスムーズな始動を行うことができる。

ところで、上記説明では、直流母線（電源）Ｎ側を、下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が接続される第１の母線４と、ダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６が接続される第２の母線５とに分岐し、第１の母線４の直流電源と下アームのスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６との間に、電流検出をするためのシャント抵抗６を接続した例について述べたが、直流母線（電源）Ｐ側を分岐し、上アームのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の電流検出をしてもよい。

また、上記説明では、電流方向判別回路８をＵ相に接続した例について述べたが、電流方向判別回路８を他のＶ相、Ｗ相に接続してもよい。

また、上記説明では、出力信号ｓｇｎの立ち下りの瞬間に検出した検出電流Ｉｓと立ち上りの瞬間に検出した検出電流Ｉｓとの差を利用した場合について述べたが、下アームのＵ相スイッチング素子Ｔ４およびＶ相スイッチング素子Ｔ５をオンして電流を流すことで、残留電圧は減少するため、検出電流Ｉｓを常時監視しておき、出力信号ｓｇｎの立ち上りの瞬間に取込んだ電流Ｉｓに対し、一時的に電流増加することが観測されたら正転、電流増加が観測されない場合は逆転と判断するようにしてもよい。

また、上記説明では、瞬時停電が回復したときの再始動に先立ち、フリーラン状態となっている誘導電動機の回転数、回転方向を検出する例について述べたが、始動時に誘導電動機の回転数、回転方向を検出するようにしてもよい。

また、上記説明では、インバータ装置の負荷としての誘導電動機を可変速駆動する例について述べたが、同期電動機を制御してもよい。

この発明のインバータ装置は、電流検出器をインバータ装置に接続しなくとも、瞬時停電再始動機能を実現できるので、インバータ装置の非制御時にフリーラン状態となる電動機を可変速駆動する用途に適用できる。

この発明の実施の形態１に係るインバータ装置の回路構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るインバータ装置において誘導電動機正転時の動作波形を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るインバータ装置において誘導電動機逆転時の動作波形を示す図である。

符号の説明

１ インバータ部、 ２ ＰＷＭ発生器、 ３ 誘導電動機、 ４ 第１の母線、 ５ 第２の母線、 ６ シャント抵抗、 ７ Ａ／Ｄコンバータ、 ８ 電流方向判別回路、 ９ 制御回路、
Ｐ，Ｎ 直流電源、 Ｔ１〜Ｔ６ スイッチング素子、 Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード。

Claims (5)

1. 直流電圧を所望の周波数、電圧の交流電力に変換し、電動機を可変速駆動するインバータ装置において、
   主回路スイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路と、
   電圧形インバータの直流母線の一部を主回路スイッチング素子が接続される第１の母線と、前記主回路スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードが接続される第２の母線とに分離するとともに、
   前記第１母線に流れるスイッチング素子の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧形インバータの出力電流の電流方向を検出する電流方向判別手段と、を備え、
   前記制御回路は始動時に前記電流方向判別手段を備えた相を含む２相分の第１母線に接続されたスイッチング素子をオンし、
   前記電流検出手段から出力される検出電流と前記電流方向判別手段から出力される出力信号とから前記電動機の回転情報を演算するようにしたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記制御回路は、始動時に前記電流方向判別手段を備えた相を含む２相分の第１母線に接続されたスイッチング素子をオンし、
   前記電流方向判別手段の出力信号が変化する間隔により前記電動機の回転数を検出するとともに、前記電流方向判別手段からの出力信号の変化と前記電流検出手段から出力される検出電流とから前記電動機の回転方向を検出して、前記電動機の回転情報を演算するようにしたことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記制御回路は、始動時に演算した前記電動機の回転情報により前記電動機を始動するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のインバータ装置。
4. 前記制御回路は、停電発生後の再始動時に前記電流方向判別手段を備えた相を含む２相分の第１母線に接続されたスイッチング素子をオンし、
   前記電流方向判別手段の出力信号が変化する間隔により前記電動機の回転数を検出するとともに、前記電流方向判別手段からの出力信号の変化と前記電流検出手段から出力される検出電流とから前記電動機の回転方向を検出して、前記電動機の回転情報を演算するようにしたことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
5. 前記制御回路は、停電発生後の再始動時に演算した前記電動機の回転情報により前記電動機を始動するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項４記載のインバータ装置。

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