JP4300903B2 - Method of detecting output current of three-phase PWM inverter and three-phase PWM inverter device using the same - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭインバータの直流母線の電流検出器により検出された電流に基づいて、三相各相の電流を新たな回路を追加することなしに各相の電流を検出する三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法及びそれを用いた三相ＰＷＭインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法の例として、例えば特開平０７−２９８６３１号公報（特許文献１）には、三相ＰＷＭ電圧発生回路において、１２０度位相差のある２種類の基本電圧ベクトルと、スイッチング状態の１相のみをスイッチングして得られる大きさを持たないゼロベクトルの、合計３種類の基本電圧ベクトルを用いて、２相分の電流を検出する方法が提案されている。また、特開平０８−１９２６３公報（特許文献２）のＰＷＭインバータの出力電流検出装置では、サンプリングホールド回路を用いて主回路スイッチング前後の電流の変化から各相の電流を検出する方法が提案されている。
さらに、特開２００２−８４７６０公報（特許文献３）のＰＷＭインバータの出力電流検出装置では、スイッチング素子のスイッチングタイミングを表す三相電圧状態を検出するスイッチングタイミング検出手段からの三相電圧状態に基づいて、電流を取り込むタイミングを決定する電流検出タイミング決定手段と、その電流検出タイミングにおける直流母線電流値と三相電圧状態とから、各相電流を演算する方法が提案されている。
【０００３】
図３は従来の三相ＰＷＭインバータ装置の構成例を示す回路図である。図３において、従来の三相ＰＷＭインバータ装置は、スイッチング素子６個からなるインバータ１と、入力された直流電圧の＋側電圧を前記インバータ１に供給する＋側直流母線２と、入力された直流電圧の−側電圧を前記インバータ１に供給する−側直流母線３と、前記−側直流母線３に挿入された電流検出器４と、前記インバータ２をＰＷＭ駆動することにより駆動される交流電動機５から構成されている。一般にＰＷＭパターンは、任意の電圧指令Ｖ*に対して、図３の各スイッチング素子のオンまたはオフにより作られる６０度おきの６個の電圧ベクトルを使って、ＰＷＭ半周期毎に時間平均的に目的の任意の電圧指令Ｖ*を出力できるように演算されている。
【０００４】
例えば図４の任意の電圧指令Ｖ*を出力するために、この任意の電圧指令Ｖ*を挟む２つの電圧ベクトルである（１，０，０）をＴa時間と、（１，１，０）をＴb時間、残りの時間を２つのゼロ電圧ベクトル（０，０，０）または（１，１，１）により構成し、時間平均的に任意の電圧ベクトルを作っている。
また、前掲の特許文献１の三相ＰＷＭ電圧発生回路では、任意の電圧指令Ｖ*を挟む１２０度位相の離れた２つの電圧ベクトル（１，０，０）を（Ｔa＋Ｔb）時間、（０，１，０）をＴb時間と、残りの時間を２つのゼロ電圧ベクトルである（０，０，０）と（１，１，１）により構成し、時間平均的に任意の電圧ベクトルを作るようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０７−２９８６３１号公報
【特許文献２】
特開平０８−１９２６３号公報
【特許文献３】
特開２００２−８４７６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前掲の特許文献１において提案された三相ＰＷＭ電圧発生回路では、スイッチングのパターンによっては１相当りのスイッチング時間が短く電流検出ができない場合があり、また、同時に２相分の電流しか検出できないという問題がある。
また、特許文献２において提案されたＰＷＭインバータの出力電流検出装置では、サンプリングホールド回路など特別な回路が必要となる。
さらに、特許文献３において提案されたＰＷＭインバータの出力電流検出装置では、スイッチングタイミング検出手段が必要である。
上記問題を解決するため、本発明は、直流母線の電流検出器により検出された直流電流から三相分の電流を検出し、インバータの制御や保護に使用できる三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、直流母線上に挿入された電流検出器を備え、スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより、三相電圧を出力する三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法において、電圧指令に基づいて所定のＰＷＭスイッチングパターンを演算し、前記電流検出器により検出された直流母線電流を前記ＰＷＭスイッチングパターンに基づいて相電流変換して三相各相に流れる電流を演算し、前記三相ＰＷＭインバータにおけるＰＷＭスイッチングパターンの１周期の前半半周期では任意の電圧指令を１２０度位相差のある２種類の基本電圧ベクトルに１相変調する工程と、前記ＰＷＭスイッチングパターンの１周期の後半半周期では任意の電圧指令を挟む２種類の基本電圧ベクトルを２相変調する工程とを交互に行うＰＷＭスイッチングパターンにより、三相各相に流れる電流を検出することを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法において、１相変調時には電圧指令を不足するように設定し、２相変調時には１相変調時に不足させた電圧指令を補った電圧指令に設定し、演算したＰＷＭスイッチングパターンにより、三相各相に流れる電流を検出することを特徴としている。
請求項３記載の発明は、直流母線上に挿入された電流検出器を備え、スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより、三相電圧を出力する三相ＰＷＭインバータ装置において、電圧指令に基づいて所定のＰＷＭスイッチングパターンを演算するスイッチングパターン演算手段と、前記電流検出器により検出された直流母線電流を前記ＰＷＭスイッチングパターンに基づいて相電流変換する相電流変換手段とを備え、前記スイッチングパターン演算手段は、前記三相ＰＷＭインバータにおけるＰＷＭスイッチングパターンの１周期の前半半周期では任意の電圧指令を１２０度位相差のある２種類の基本電圧ベクトルに１相変調する処理と、前記ＰＷＭスイッチングパターンの１周期の後半半周期では任意の電圧指令を挟む２種類の基本電圧ベクトルを２相変調する処理とを交互に行うＰＷＭスイッチングパターンを生成することを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の三相ＰＷＭインバータ装置において、前記ＰＷＭスイッチングパターンは、１相変調時には電圧指令を不足するように設定し、２相変調時には１相変調時に不足させた電圧指令を補った電圧指令に設定して演算したＰＷＭスイッチングパターンであることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明における三相ＰＷＭインバータ装置の実施形態の構成を示す回路図、図２は本発明におけるＰＷＭパターンの例を示すタイムチャートである。
本実施形態における三相ＰＷＭインバータ装置は、スイッチング素子６個からなるインバータ１と、入力された直流電圧の＋側電圧を前記インバータ１に供給する＋側直流母線２と、入力された直流電圧の−側電圧を前記インバータ１に供給する−側直流母線３と、前記−側直流母線３に挿入された電流検出器４と、前記インバータ２をＰＷＭ駆動することにより駆動される交流電動機５と、任意の電圧指令Ｖ*からインバータ１の各スイッチング素子のスイッチングパターンを決定するスイッチングパターン演算手段６と、そのスイッチングパターンに基づき、インバータ１を駆動するとともに、電流検出器４から出力される電流検出値を取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器７と、スイッチングパターン演算手段６から出力されるスイッチングパターンとＡ／Ｄ変換器７で検出した直流母線電流を相電流に変換する相電流変換手段８とから構成されている。
【０００９】
この実施形態のスイッチングパターン演算手段６において、任意の電圧指令Ｖ*が与えられた場合におけるＰＷＭパターンの作り方について以下に説明する。
本実施形態では、最初のＰＷＭ周期半周期では任意の電圧指令Ｖ*を挟む１２０度位相の離れた２つの電圧ベクトル（１，０，０）を（Ｔa＋Ｔb）時間とすべきところをＴa時間減らしたＴb時間、（０，１，０）をＴb時間、残りの時間を２つのゼロ電圧ベクトル（０，０，０）または（１，１，１）により１相変調で構成する。
次に、後半のＰＷＭ周期半周期では、同じく任意の電圧指令Ｖ*を挟む２つの電圧ベクトル（１，０，０）をＴa時間と最初のＰＷＭ周期半周期で減らしたＴa時間分を加えた２Ｔa時間、（１，１，０）をＴb時間、残りの時間を２つのゼロ電圧ベクトル（０，０，０）と（１，１，１）により２相変調で構成する。
このＰＷＭパターンの例を図２に示す。この方式にすることにより、任意の電圧ベクトルを指令通りに出力できるだけでなく、２つの１相のみオンした状態と１相のみオフした状態をすべて同じＴb時間確保することができる。このときに前記−側直流母線３に流れる電流を電流検出器４で計測することにより、三相各相に流れる電流をＰＷＭ周期１周期中に検出することができる。
基本の電圧ベクトルと電流検出器４で計測される電流の相の関係は表１の通りである。
【００１０】
【表１】
このようにＰＷＭ周期１周期毎に時間平均的に任意の電圧指令Ｖ*を１相変調と２相変調を交互に出力し、且つ１相変調時には電圧指令を不足させ、２相変調時には不足させた電圧指令を補正することで、同じ時間各相の電流を検出する時間が確保できるので、ＰＷＭ１周期毎に各相の電流を検出することができ、交流電動機５の制御やインバータの保護をすることができる。
なお、本実施形態では、インバータ１が交流電動機５を駆動する例であったが、交流電動機５でなくても三相の誘導負荷であったり、インバータ１をアクティブフイルタの形で使用する場合であっても、同様に使用することができる。
また、本実施形態では−側直流母線３に電流検出器４を挿入したが、＋側直流母線２に電流検出器４を挿入しても同じ効果が得られる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように本発明の三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法及び装置によれば、直流母線上に挿入された電流検出器を備え、スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより、三相電圧を出力する三相ＰＷＭインバータの出力電流検出を行う際に、電圧指令に基づいて所定のＰＷＭスイッチングパターンを演算し、前記電流検出器により検出された直流母線電流を前記ＰＷＭスイッチングパターンに基づいて相電流変換して三相各相に流れる電流を演算することにより、新たな回路を追加せずに三相各相の電流を確実に検出することができ、かつ検出誤差が三相共に均一となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における三相ＰＷＭインバータ装置の実施形態を示す回路図である。
【図２】 本発明におけるＰＷＭパターンの例を示すタイムチャートである。
【図３】 従来の三相ＰＷＭインバータ装置の構成例を示す回路図である。
【図４】 従来における任意の電圧指令を作るための電圧ベクトル図である。
【符号の説明】
１ インバータ
２ ＋側直流母線
３ −側直流母線
４ 電流検出器
５ 交流電動機
６ スイッチングパターン演算手段
７ Ａ／Ｄ変換器
８ 相電流変換手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a three-phase PWM inverter that detects the current of each phase without adding a new circuit based on the current detected by the current detector of the DC bus of the PWM inverter. The present invention relates to an output current detection method and a three-phase PWM inverter device using the same.
[0002]
[Prior art]
As an example of a conventional three-phase PWM inverter output current detection method, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-298863 (Patent Document 1) discloses two basic voltages having a phase difference of 120 degrees in a three-phase PWM voltage generation circuit. There has been proposed a method of detecting currents for two phases using a total of three types of basic voltage vectors, which are a vector and a zero vector having no magnitude obtained by switching only one phase in a switching state. In addition, in the output current detection device for a PWM inverter disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-19263 (Patent Document 2), a method for detecting a current of each phase from a change in current before and after main circuit switching using a sampling hold circuit is proposed. Yes.
Furthermore, in the output current detection device of the PWM inverter disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-84760 (Patent Document 3), based on the three-phase voltage state from the switching timing detection means for detecting the three-phase voltage state representing the switching timing of the switching element. A method of calculating each phase current from current detection timing determining means for determining the timing for taking in current and a DC bus current value and a three-phase voltage state at the current detection timing has been proposed.
[0003]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of a conventional three-phase PWM inverter device. In FIG. 3, a conventional three-phase PWM inverter device includes an inverter 1 composed of six switching elements, a + side DC bus 2 that supplies a + side voltage of the input DC voltage to the inverter 1, and an input DC. -Side DC bus 3 for supplying a-side voltage of the voltage to the inverter 1, a current detector 4 inserted in the-side DC bus 3, and an AC motor 5 driven by PWM driving the inverter 2. It is composed of Generally PWM pattern for any of the voltage command V *, by using the six voltage vectors of 60-degree intervals produced by the ON or OFF the switching elements in FIG. 3, the time average, for each half PWM cycle The calculation is performed so that the desired voltage command V * can be output.
[0004]
For example in order to output any voltage command V * in FIG. 4, and a two voltage vectors sandwiching the arbitrary voltage command V * to (1, 0, 0) T a time, (1,1,0 ) and T b time, the remaining time is constituted by two zero voltage vectors (0,0,0) or (1,1,1) is making a time average to any voltage vector.
In the three-phase PWM voltage generation circuit of Patent Document 1 described above, two voltage vectors (1, 0, 0) that are 120 degrees apart and sandwich an arbitrary voltage command V * are (T a + T b ) time, (0,1,0) and a T b time, constituted by the remaining time which is two zero voltage vectors (0,0,0) and (1,1,1), the time average, any voltage I try to make a vector.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 07-298631 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 08-19263 [Patent Document 3]
JP-A-2002-84760 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the three-phase PWM voltage generation circuit proposed in the above-mentioned Patent Document 1, depending on the switching pattern, there is a case where the switching time corresponding to 1 is short and current cannot be detected, and only current for two phases can be detected at the same time. There's a problem.
The PWM inverter output current detection device proposed in Patent Document 2 requires a special circuit such as a sampling hold circuit.
Furthermore, the PWM inverter output current detection device proposed in Patent Document 3 requires a switching timing detection means.
In order to solve the above problems, the present invention detects a three-phase current from a DC current detected by a DC bus current detector and can be used for inverter control and protection. And an apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, an invention according to claim 1 of the present application includes a current detector inserted on a DC bus, and a three-phase PWM inverter that outputs a three-phase voltage by PWM driving a switching element. In the output current detection method, a predetermined PWM switching pattern is calculated based on a voltage command, and a DC bus current detected by the current detector is converted into a phase current based on the PWM switching pattern to flow to each of the three phases. A step of calculating a current and performing one-phase modulation of an arbitrary voltage command into two basic voltage vectors having a phase difference of 120 degrees in the first half of one cycle of the PWM switching pattern in the three-phase PWM inverter; and the PWM switching Two-phase modulation of two types of basic voltage vectors sandwiching an arbitrary voltage command is performed in the latter half of one cycle of the pattern The PWM switching pattern for performing the extent alternately, is characterized by detecting a current flowing through the three-phase phase.
According to a second aspect of the invention, the output current detecting method of the three-phase PWM inverter according to claim 1, configured to insufficient voltage command at the time of 1-phase modulation, at the time of two-phase modulation voltage obtained by insufficient when one phase modulator It is characterized in that a voltage command complementing the command is set, and the current flowing in each of the three phases is detected by the calculated PWM switching pattern.
According to a third aspect of the present invention, in a three-phase PWM inverter device that includes a current detector inserted on a DC bus and outputs a three-phase voltage by PWM driving a switching element, a predetermined command based on a voltage command is provided. and the switching pattern calculating means for calculating a PWM switching pattern, the DC bus current detected by said current detector and a phase current converting means for phase current converted on the basis of the PWM switching pattern, before Symbol switching pattern calculation means In the first half of one cycle of the PWM switching pattern in the three-phase PWM inverter, a process for modulating one phase of an arbitrary voltage command into two kinds of basic voltage vectors having a phase difference of 120 degrees, and one cycle of the PWM switching pattern In the latter half of the cycle, two types of basic voltage vectors sandwiching an arbitrary voltage command It is characterized by generating a PWM switching pattern and a process of two-phase modulation Le alternately.
The invention of claim 4, wherein, in the three-phase PWM inverter apparatus according to claim 3, wherein the PWM switching pattern is set to missing a voltage command at the time of 1-phase modulation, at the time of two-phase modulation is missing at the time of 1-phase modulation The PWM switching pattern is calculated by setting the voltage command to compensate for the voltage command.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an embodiment of a three-phase PWM inverter device according to the present invention, and FIG. 2 is a time chart showing an example of a PWM pattern according to the present invention.
The three-phase PWM inverter device according to the present embodiment includes an inverter 1 composed of six switching elements, a + side DC bus 2 that supplies a + side voltage of the input DC voltage to the inverter 1, and an input DC voltage. A -side DC bus 3 for supplying a -side voltage to the inverter 1; a current detector 4 inserted in the -side DC bus 3; an AC motor 5 driven by PWM driving the inverter 2; Switching pattern calculation means 6 for determining the switching pattern of each switching element of the inverter 1 from an arbitrary voltage command V * , and the inverter 1 is driven based on the switching pattern, and the current detection value output from the current detector 4 Output from the A / D converter 7 and the switching pattern calculation means 6 That is a switching pattern and A / D converter 7 a phase current converting means 8 which converts the DC bus current to the phase current detected by.
[0009]
In the switching pattern calculation means 6 of this embodiment, how to create a PWM pattern when an arbitrary voltage command V * is given will be described below.
In the present embodiment, in the first half of the PWM period, two voltage vectors (1, 0, 0) that are 120 degrees apart and sandwich an arbitrary voltage command V * should be (T a + T b ) time. T b time reduced T a time, a T b time, the remaining time by two zero voltage vectors (0,0,0) or (1,1,1) in 1-phase modulation (0,1,0) Constitute.
Then, the PWM cycle half-period of the second half, also a T a time period with a reduced two voltage vectors sandwiching any voltage command V * to (1,0,0) in T a time and the first PWM cycle half-period 2T a time plus, composed of two-phase modulation by (1,1,0) and T b time, the remaining time two zero voltage vectors (0, 0, 0) (1,1,1).
An example of this PWM pattern is shown in FIG. By adopting this method, it is possible not only to output an arbitrary voltage vector as commanded, but also to ensure the same Tb time for both the two-phase-on state and the one-phase-off state. At this time, the current flowing through the negative side DC bus 3 is measured by the current detector 4, so that the current flowing through each of the three phases can be detected during one PWM cycle.
Table 1 shows the relationship between the basic voltage vector and the current phase measured by the current detector 4.
[0010]
[Table 1]
As described above, an arbitrary voltage command V * is output alternately on a time average basis for each PWM cycle, one-phase modulation and two-phase modulation are output alternately, and the voltage command is insufficient during one-phase modulation, and is insufficient during two-phase modulation. By correcting the voltage command, the time for detecting the current of each phase can be secured for the same time, so that the current of each phase can be detected every PWM 1 period, and the AC motor 5 is controlled and the inverter is protected. be able to.
In the present embodiment, the inverter 1 is an example of driving the AC motor 5. However, even if the inverter 1 is not the AC motor 5, it is a three-phase inductive load or the inverter 1 is used in the form of an active filter. Even if it exists, it can be used similarly.
In the present embodiment, the current detector 4 is inserted into the negative DC bus 3, but the same effect can be obtained by inserting the current detector 4 into the positive DC bus 2.
[0012]
【The invention's effect】
As described above, according to the three-phase PWM inverter output current detection method and apparatus of the present invention, the current detector inserted on the DC bus is provided, and the switching element is PWM-driven to output the three-phase voltage. When detecting the output current of the three-phase PWM inverter, a predetermined PWM switching pattern is calculated based on the voltage command, and the DC bus current detected by the current detector is converted into a phase current based on the PWM switching pattern. By calculating the current flowing through each of the three phases, the current of each of the three phases can be reliably detected without adding a new circuit, and the detection error is uniform for all three phases.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a three-phase PWM inverter device according to the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing an example of a PWM pattern in the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of a conventional three-phase PWM inverter device.
FIG. 4 is a voltage vector diagram for creating an arbitrary voltage command in the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inverter 2 + side DC bus 3-side DC bus 4 Current detector 5 AC motor 6 Switching pattern calculation means 7 A / D converter 8 Phase current conversion means
Claims (4)
前記三相ＰＷＭインバータにおけるＰＷＭスイッチングパターンの１周期の前半半周期では任意の電圧指令を１２０度位相差のある２種類の基本電圧ベクトルに１相変調する工程と、前記ＰＷＭスイッチングパターンの１周期の後半半周期では任意の電圧指令を挟む２種類の基本電圧ベクトルを２相変調する工程とを交互に行うＰＷＭスイッチングパターンにより、三相各相に流れる電流を検出することを特徴とする三相ＰＷＭインバータの出力電流検出方法。In a method of detecting an output current of a three-phase PWM inverter that includes a current detector inserted on a DC bus and outputs a three-phase voltage by PWM driving a switching element, a predetermined PWM switching pattern is generated based on a voltage command. Calculate the current flowing in each phase of the three phases by converting the DC bus current detected by the current detector into a phase current based on the PWM switching pattern ,
In the first half of one cycle of the PWM switching pattern in the three-phase PWM inverter, a step of modulating one phase of an arbitrary voltage command into two types of basic voltage vectors having a phase difference of 120 degrees, and one cycle of the PWM switching pattern In the latter half cycle, a three-phase PWM is characterized in that a current flowing in each phase of the three phases is detected by a PWM switching pattern that alternately performs a two-phase modulation process on two kinds of basic voltage vectors sandwiching an arbitrary voltage command. Inverter output current detection method.
前記スイッチングパターン演算手段は、前記三相ＰＷＭインバータにおけるＰＷＭスイッチングパターンの１周期の前半半周期では任意の電圧指令を１２０度位相差のある２種類の基本電圧ベクトルに１相変調する処理と、前記ＰＷＭスイッチングパターンの１周期の後半半周期では任意の電圧指令を挟む２種類の基本電圧ベクトルを２相変調する処理とを交互に行うＰＷＭスイッチングパターンを生成するものであることを特徴とする三相ＰＷＭインバータ装置。A switching pattern for calculating a predetermined PWM switching pattern based on a voltage command in a three-phase PWM inverter device having a current detector inserted on a DC bus and outputting a three-phase voltage by PWM driving a switching element Arithmetic means, and phase current conversion means for converting the DC bus current detected by the current detector into a phase current based on the PWM switching pattern ,
The switching pattern calculating means performs a one-phase modulation of an arbitrary voltage command into two types of basic voltage vectors having a phase difference of 120 degrees in the first half of one cycle of the PWM switching pattern in the three-phase PWM inverter; In the latter half of one cycle of the PWM switching pattern, a three-phase PWM switching pattern is generated in which two types of basic voltage vectors sandwiching an arbitrary voltage command and two-phase modulation processing are generated alternately. PWM inverter device.
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