JP4780305B2

JP4780305B2 - インバータ装置

Info

Publication number: JP4780305B2
Application number: JP2006042504A
Authority: JP
Inventors: 栄治山本; 英則原; 貴裕内野
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: JP2007221969A

Description

本発明は、半導体スイッチのダメージが少ないインバータ装置に関する。

従来のインバータ装置とその制御方法で開示されたものには特許文献１がある。特許文献１について図を用いて説明する。図１１に示す三相電圧形ＰＷＭインバータにおけるトランジスタＱ１〜Ｑ６のスイッチングモードはｕ，ｖ，ｗの各相において、直流電源Ｅd の正側に接続されたトランジスタ（正相）がオンするか、負側に接続されたトランジスタ（負相）がオンするかの２通りあり、それが３相分あるので２^３＝８通りある。そのスイッチングパターンを図１２の図表に示す。このスイッチングパターンに対応する電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７は図１３に示される。Ｖ１〜Ｖ６はπ／３［ｒａｄ］ずつ位相差を持ちステップ的に回転するベクトルで、Ｖ０，Ｖ７は大きさがゼロの電圧ベクトルでゼロ電圧ベクトルと呼ばれている。ゼロ電圧ベクトルでは、正相又は負相のどちらかの全相が導通するため、モータ端子間を短絡した状態となる。電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６のスイッチングパターンからゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７に切り換えた場合、モータのｕ相、ｖ相、ｗ相の各コイルに蓄えられたエネルギーは還流用のダイオードＤ１、Ｄ３，Ｄ５又はＤ２，Ｄ４，Ｄ６を通して還流する。ゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７を用いることによって、インバータに対する電流増加を抑制する電流制限制御を行うことができる。電流制限制御は、図１１に示す三相電圧形インバータによるモータ制御において、瞬時過負荷や、急加速時の過電流により電流が制限値を超えたときにはインバータ出力電圧ベクトルを強制的にゼロ電圧ベクトルでモータの端子間を短絡し、電源からの電流供給を遮断し、電流の増加を抑制するというものである。

図３は，インバータにおける従来の電流制限動作を示すシステム構成図である。出力電流が規定値を超えた場合，電流制限動作判断器２１で半導体スイッチＳｐｕ，Ｓｐｖ，Ｓｐｗの３つのハイサイドスイッチ群をＯＮする指令が出される。モータ出力端子は，図３で示すように，短絡状態となり，電流が減流する。図５は，ＰＷＭサイクロコンバータにおける従来の電流制限動作を示すシステム構成図である。出力電流が規定値を超えた場合，電流制限動作判断器２１で双方向スイッチＳｕｒ，Ｓｖｒ，Ｓｗｒの３つのＲサイドスイッチ群をＯＮする指令が出される。モータ出力端子は，図６で示すように，短絡状態となり，電流が減流する。
また、インバータが動作中に，出力電流が規定値を超えて増加した場合，出力電流を監視しておき，あらかじめ設定された電流値を超えた場合，電流を抑制するような運転モードに切替える。例えばソフトウェアにより加速時間を延ばすなどの処理を行うというものもある。
特開平１１−４６４８３号公報

しかしながら、これらの従来例では，いずれも電流制限状態になった場合，常に３つ素子に電流が流れるため，これら３つの素子の電流負荷率が増加してしまう。一般に半導体素子は電流が流れると温度が上昇し，この温度上昇が繰り返し発生すると，破壊する。従って電流制限動作が頻繁に発生した場合，素子寿命が短くなる問題がある。また、ゼロ電圧ベクトルを使用する従来例はＰＷＭサイクロコンバータのような主回路の異なる電力変換装置にはそのまま適用できず、ソフトウエアにより加速時間を延ばすものは、ソフトウェア処理のため急激な電流変化には追随できないという問題がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電流制限動作を繰り返しても寿命が長いインバータ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、交流電源から任意の電圧、周波数の交流出力を生成しモータを駆動する電力変換器と、前記交流出力の出力電流を検出し電流信号を生成する電流検出器と、指令と前記電流信号から前記電力変換器を制御する制御器と、を備え、ゼロ電圧ベクトルを用いて電流制限動作をさせるインバータ装置において、前記電流信号に応じて電流制限を行うかどうか判断する電流制限動作判断器と、前記電流制限の制限回数を数える電流制限回数計数器と、前記制限回数に応じて電流制限動作を切替える電流制限動作切替器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記電力変換器は、ＰＷＭサイクロコンバータであり、前記電流制限動作切替器は、交流電源の各相に接続されるスイッチ群を順次選択していずれか１相だけをオンにすることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記電力変換器は、ＰＷＭサイクロコンバータであり、前記電流制限動作はゼロ電圧ベクトルを用いるものであり、前記電流制限回数計数器は電源の各相ごとに備えられ、前記電流制限動作切替器は制限回数の最も少ない相に接続される双方向スイッチ群を選択してオンにすることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のインバータ装置において、前記電力変換器は、前記交流電源から直流電源を生成する整流器と、前記直流電源から任意の電圧、周波数の交流出力を生成しモータを駆動するインバータ部とを備え、前記電流制限動作切替器は前記インバータの正極側半導体スイッチ群をハイサイドスイッチ群、負極側半導体スイッチ群をローサイドスイッチ群としたとき、ハイサイドスイッチ群オンでローサイドスイッチ群オフと、ハイサイドスイッチ群オフでローサイドスイッチ群オンのゼロ電圧ベクトルを交互に切替ることを特徴とするものである。

本発明によると、電流制限動作を繰り返してもスイッチング素子へのストレスを分散できるので寿命が長いインバータ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の構成を示すブロック図である。図１において、１は電力変換器、２は電流検出器、３は制御器、４は電流制限動作判断器、５は電流制限動作切替器、６は電流制限回数計数器、７は交流電源、８はモータである。
次に動作について説明する。制御器３は上位システムの速度指令と速度信号の差を制御処理をして、ｄ−ｑ軸電流指令を生成する。次に、電流検出器２が生成する３相電流信号を座標変換して、ｄーｑ軸電流とする。次にｄ−ｑ軸電流指令とｄ−ｑ軸電流信号の差を制御処理をし、ｄ−ｑ軸電圧指令を生成する。次に、ｄ−ｑ軸電圧信号からＵＶＷ３相電圧指令を生成する。次にＵＶＷ３相電圧信号から電圧ベクトル信号を生成する。次に、電圧ベクトル信号と３相交流電源電圧信号からＰＷＭゲート信号を生成し、電力変換器１のゲート信号を生成する。電力変換器は、ゲート信号により駆動され、モータに電力を供給するというのが基本的な動作である。さらに、電流制限動作判断器４は３相電流信号が所定値を超えた場合に電流制限トリガを生成する。電流制限回数計数器５は、電流制限トリガを計数して、電流制限の制限回数を数え、電流制限動作切替器５は電流制限動作のモードを切替える。電流制限動作のモードには、電力変換器１がインバータの場合はハイサイドスイッチ群オフでローサイドスイッチ群オンのＶ０モードとハイサイドスイッチ群オンでローサイドスイッチ群オフのＶ７モードを交互に繰り返し、電力変換器がＰＷＭサイクロコンバータの場合は、３相電源Ｒ相に接続される双方向スイッチ群をＲサイドスイッチ群、Ｓ相に接続される双方向スイッチ群をＳサイドスイッチ、Ｔ相に接続される双方向スイッチ群をＴサイドスイッチ群とすれば、Ｒサイドスイッチ群オンでＳサイドスイッチ群とＴサイドスイッチ群はオフのモードと、Ｓサイドスイッチ群オンでＲサイドスイッチ群とＴサイドスイッチ群はオフのモードと、Ｔサイドスイッチ群オンでＲサイドスイッチ群とＳサイドスイッチ群はオフのモードの３モードを順次選択する。

図２，図４は、本発明が対象とする電力変換装置をそれぞれインバータまたはＰＷＭサイクロコンバータとした場合のシステム構成図である。図２において、三相交流電源１１は、整流器である入力側ダイオードブリッジ１２で整流され，電解コンデンサ１３に充電され直流電圧となる。インバータ部である出力側スイッチ群１４（６個の半導体スイッチＳｐｕ〜Ｓｎｗから構成される）により，ＰＷＭ（パスル幅変調）制御により，任意の電圧と周波数を負荷モータ１５に印加可能で，負荷モータ１５は可変速運転が可能となる。また図４においては，三相交流電源１１は入力フィルタ１６を介して，双方向スイッチ郡１７（９個の双方向スイッチＳｕｒ〜Ｓｗｔから構成される）に接続される。９個の双方向スイッチＳｕｒ〜Ｓｗｔは独立にＯＮ，ＯＦＦが可能であり，ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により，任意の電圧と周波数を負荷モータ１５に印加可能で，負荷モータ１５は可変速運転が可能となる。双方向スイッチ郡１７を構成する９個の双方向スイッチは，図５に示すように，逆阻止形ＩＧＢＴ７１を逆並列接続したものを用いても良いし，ＩＧＢＴ７２とダイオード７３を直列接続したものを逆並列接続したものを用いても良い。

図２，４に示すインバータまたはＰＷＭサイクロコンバータで，負荷モータ１５を運転している時，何らかの原因で出力電流が規定値を超えた場合，電流を抑制する必要がある。所定値を超えた電流が流れ続けると，半導体スイッチＳｐｕ〜Ｓｎｗや双方向スイッチＳｕｒ〜Ｓｗｔが破壊する恐れがあるためである。図１０は出力電流が規定値を超えた場合に電流制限を行うフローを示している。一般にモータ出力電流を検出するためにインバータやＰＷＭサイクロコンバータには，電流検出器２０が具備されており，この電流検出器２０の検出値を電流制限動作判断器２１により所定値を超えたかどうかを判断し，ゲート駆動回路２２に伝える。ゲート駆動回路２２の出力は，半導体スイッチＳｐｕ〜Ｓｎｗや双方向スイッチＳｕｒ〜Ｓｗｔへの半導体素子駆動信号となる。

図９は，本発明の電流制限動作を示すフローチャートである。電流制限動作判断器２１で電流制限になった場合，電流制限発生回数に応じて，電流制限モードを切替える。電流制限モードは３つあり，それぞれ図６，図７，図８に示す。すなわち電流制限モード１は，Ｒサイドスイッチ群Ｓｕｒ，Ｓｖｒ，ＳｗｒをＯＮし，その他はＯＦＦする。電流制限モード２は，Ｓサイドスイッチ群Ｓｕｓ，Ｓｖｓ，ＳｗｓをＯＮし，その他はＯＦＦする。電流制限モード３は，Ｔサイドスイッチ群Ｓｕｔ，Ｓｖｔ，ＳｗｔをＯＮし，その他はＯＦＦする。このように，電流制限になる毎にＯＮする双方向スイッチを切替えるので，常に決まった素子に電流が集中して流れることがなく，素子寿命を延ばすことができる。これまで，電流制限時に流れる素子への電流分散について説明してきたが，電流制限モードを適切に選択することによって，出力側コモンモード電圧の変動を抑えるようにスイッチングすることも可能である。例えば、図１４、１５は３相電源の中性点が接地された場合で各相スイッチ群選択を変えた場合のモータ巻線の中性点電圧を太線で示したものである。３相電源がＳ相接地の場合はＳサイドスイッチを選択することで出力側コモンモード電圧の変動をほぼ０に抑えられる。

本発明は、電流制限動作を繰り返しても寿命が長いインバータ装置を提供できるので、一般産業機械をはじめとして幅広い用途への適用が期待できる。

本発明の構成を示すブロック図本発明の電力変換装置をインバータとした場合のシステム構成図従来の電流制限時のスイッチング動作を示すシステム構成図（インバータ）本発明の電力変換装置をＰＷＭサイクロコンバータとした場合のシステム構成図双方向スイッチ構成図従来の電流制限時のスイッチング動作を示すシステム構成図（ＰＷＭサイクロコンバータ）本発明の電流制限時のスイッチング動作を示すシステム構成図（ＰＷＭサイクロコンバータ）本発明の電流制限時のスイッチング動作を示すシステム構成図（ＰＷＭサイクロコンバータ）本発明の電流制限時のスイッチング動作を決定するフローチャート本発明の電流制限判断を決定するフローチャート従来技術の原理を説明する図ゼロ電圧ベクトルを説明する図ゼロ電圧ベクトルを説明する図出力コモンモード電圧を説明する図出力コモンモード電圧を説明する図

符号の説明

１電力変換器
２電流検出器
３制御器
４、２１電流制限動作判断器
５電流制限動作切替器
６電流制限回数計数器
７交流電源
８モータ
１１三相交流電源
１２入力側ダイオードブリッジ
１３電解コンデンサ
１４出力側スイッチ群
１５負荷モータ
１６入力フィルタ
１７双方向スイッチ群
７１逆阻止ＩＧＢＴ
７２ＩＧＢＴ
７３ダイオード
２０電流検出器
２２ゲート駆動回路
Ｓｐｕ〜Ｓｎｗ半導体スイッチ
Ｓｕｒ〜Ｓｗｔ双方向スイッチ

Claims

交流電源から任意の電圧、周波数の交流出力を生成しモータを駆動する電力変換器と、前記交流出力の出力電流を検出し電流信号を生成する電流検出器と、指令と前記電流信号から前記電力変換器を制御する制御器とを備え、ゼロ電圧ベクトルを用いて電流制限動作をさせるインバータ装置において、
前記電流信号に応じて電流制限を行うかどうか判断する電流制限動作判断器と、
前記電流制限の制限回数を数える電流制限回数計数器と、
前記制限回数に応じて電流制限動作を切替える電流制限動作切替器と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。
前記電力変換器は、ＰＷＭサイクロコンバータであり、前記電流制限動作切替器は、交流電源の各相に接続されるスイッチ群を順次選択していずれか１相だけをオンにすることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記電力変換器は、ＰＷＭサイクロコンバータであり、前記電流制限動作は、ゼロ電圧ベクトルを用いるものであり、前記電流制限回数計数器は、電源の各相ごとに備えられ、前記電流制限動作切替器は、制限回数の最も少ない相のスイッチ群を選択してオンにすることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記電力変換器は、前記交流電源から直流電源を生成する整流器と、前記直流電源から任意の電圧、周波数の交流出力を生成しモータを駆動するインバータ部とを備え、前記電流制限動作切替器は前記インバータの正極側半導体スイッチ群をハイサイドスイッチ群、負極側半導体スイッチ群をローサイドスイッチ群としたとき、ハイサイドスイッチ群オンでローサイドスイッチ群オフと、ハイサイドスイッチ群オフでローサイドスイッチ群オンのゼロ電圧ベクトルを交互に切替ることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。