JP4803413B2 - 交流電動機のインバータ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は出力電圧センサを持たない電力変換器における、交流電動機の抵抗測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流電動機を制御する技術として、可変電圧可変周波数による速度制御が知られている。より高精度に交流電動機を制御するべく、交流電動機に供給される一次電流を、トルクに直接関与する励磁電流（磁束を発生させる電流）とトルク電流（トルクを発生させる電流）とに分けて制御し、二次磁束とトルク電流を常に直交するように制御することで、直流交流電動機と同等の応答性を得ることのできるベクトル制御方式が実用化されている。ベクトル制御方式を採用したインバータ装置においては、一次抵抗、漏れインダクタンス、定格スリップ周波数などの交流電動機の電気的定数に基づいて制御定数が設定される。一般に、交流電動機の誘起電圧と出力周波数の比が一定になるように制御するため、交流電動機の誘起電圧を精度よく求めることが必要となる。これに対応するためには、交流電動機の電気的定数の中でも、一次側インピーダンスを精度よくインバータ装置等に設定することが特に重要となる。この場合、通常の運転前にインバータ装置を用いて交流電動機の電気定数を測定し、この値を制御定数として運転する。交流電動機の端子電圧を測定する電圧センサを用いずに適用できる一次抵抗測定方法として、特開平6-59000に記載されている。
通常、インバータ装置は、図５に示されるように、与えられた直流電圧あるいは３相交流電源からの交流電源を変換した直流電圧を、ＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この一次周波数および一次電圧を交流電動機２に供給する電圧形ＰＷＭインバータからなる電力変換器１、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相に流れる電流を検出する電流検出器 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、ベクトル制御を行う制御装置４からなる。なお、電力変換器１はパワー半導体素子(以下、IGBTと呼ぶ)から構成され、速度検出器５が交流電動機２に連結されている。
図６は、従来の制御装置４のブロック図である。制御装置４は、外部から速度指令値ωrrefが入力され、交流電動機２への一次電流（Ｕ相電流Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉw）を検出して座標変換を行なった励磁電流帰還値Ｉdfbおよびトルク電流帰還値Ｉqfbを送出する３相／２相変換器６が設けられている。
また、制御装置４は、後述するＩdref、Ｉqrefと設定された二次抵抗ｒ2からすべり周波数指令値ωsを求め、速度検出器６からの速度検出値ωrとから一次角周波数ω1を演算して出力する一次角周波数演算回路７と速度検出値ωrを入力とし磁束指令を演算する磁束指令演算器１４と、磁束指令を入力として励磁電流指令Ｉdrefを演算する係数器１５（係数値：１／Ｍ*、Ｍ*は励磁インダクタンス）を有し、励磁電流指令値Ｉdrefと３相／２相変換器６からの励磁電流帰還値Ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路（ＡＣＲ d）８が設けられている。
さらに、速度指令値ωrrefと速度検出器６からの速度検出値ωrが一致するように設けられた速度制御回路（ＡＳＲ）９の出力値をトルク電流指令値Ｉqrefとし、トルク電流指令値Ｉqrefと３相／２相変換器６が出力するトルク電流帰還値Ｉqfbとが一致するように制御するためのトルク電流制御回路（ＡＣＲ q）１０が設けられ、電圧指令補償回路１１の出力のうち、励磁電流方向成分の電圧は、励磁電流制御回路８出力と加算され励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成し、トルク電流方向成分の電圧は、トルク電流制御回路１０出力と加算されトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成する。さらに、励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向電圧指令値ＶqrefとからＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令（Ｖu，Ｖv，Ｖw）のＰＷＭ信号を生成して出力する２相／３相変換器１２が設けられている。
また、一次角周波数指令演算回路７からの一次角周波数ω１は、積算器１３により積算され、３相／２相変換器６および２相／３相変換器１２へ、位相θとして入力される。
また、制御装置４は、図７に示す出力電流に対するＩＧＢＴオン電圧降下量
の特性を内蔵する電圧降下記憶手段２０、一次抵抗のチューニング動作をコントロールするチューニング処理部３０、チューニング処理部３０からの切り替え指令１〜３によりそれぞれ、励磁電流指令値Ｉdref、トルク電流指令値Ｉqref、位相θの信号を切り替える信号切り替え器３１〜３３を内蔵している。
次に、特開平6-59000に記載されている一次抵抗測定方法を適用した、運転前に行う一次抵抗測定の動作について、チューニング処理部３０の動作を中心に説明する。一次抵抗チューニングが指示されると、チューニング処理部３０は、一次抵抗測定の対象となる交流電動機とインバータの定格電流値を基に、抵抗測定の際に流す直流電流の大きさを決め、信号切り替え器３１〜３３の出力により信号をａからbに切り替えて運転を開始する。信号の切り替えにより、トルク電流指令値Ｉqref、励磁電流指令値Ｉdref、位相θの信号を、それぞれ、０、チューニング処理部３０からの出力値、０とし、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2となるようにする。制御装置４は、電流検出器３Ａ，３Ｂ、３Ｃからの電流検出値と上記電流指令値が一致するように電圧指令を制御する。次に、オン電圧降下記憶手段２０は、電圧指令値ＶdrefとＶqrefを取り込み、√（Ｖdref2＋Ｖqref2）でＶrefを、Ｗ相の電流検出値Ｉwを取り込み、IGBTのオン電圧降下量Ｖpを図７の特性図を用いて求める。チューニング処理部３０は、電圧指令値Ｖref、オン電圧降下量ＶpとＷ相の電流検出値Ｉwを取り込み、（Ｖref−Ｖp）とＩwの比で抵抗値を演算する。
なお、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2となるように運転しているので、IGBTのオン電圧降下量Ｖpは、
Ｖp ＝ （Ｗ相でのオン電圧降下量） ＋ （Ｕ相またはＶ相でのオン電圧降下量）
＝（電流Ｉwでのオン電圧降下量） ＋ （電流Ｉw/２でのオン電圧降下量）
＝ Ｖp（Ｉw） ＋ Ｖp（Ｉw/2）
として求める。
また、交流電動機に異なる直流電流Ｉ1、Ｉ2を流すように運転し、Ｉ1、Ｉ2におけるそれぞれの直流電流に対応したIGBTのオン電圧降下量をオン電圧降下記憶手段２０でＶp1、Ｖp2として求め、（Ｖref2−Ｖp2）−（Ｖref1−Ｖp1）と（Ｉ2−Ｉ1）の比から交流電動機の一次抵抗を演算測定する方法もあるが、前述の方法と同様に実施できるのでここでは説明を省略する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが通常、抵抗測定時に流す直流電流の大きさの領域では、出力電圧に対するIGBTのオン電圧降下量特性には線形性がない。このため、出力電流に対するIGBTのオン電圧降下量特性を線形とした従来技術の図７を用いると、電圧指令は大きな誤差を含むようになり、精度よく一次抵抗を測定することはできない。一方、出力電流に対するオン電圧降下量特性が線形になる領域を用いると、モータ容量やインバータ容量に対して大きな電流を流すことになるためモータ焼損の懸念、抵抗自体の発熱による誤差拡大、IGBTの破壊や寿命に与える影響の懸念等の問題が発生することになる。特に、一次抵抗による電圧降下が小さい大容量の電動機の抵抗測定時や、IGBT定格電流基準では小さな直流電流値となる、例えば電動機容量に対するインバータ装置容量の比が大きい場合の抵抗測定時は更に、精度が悪くなっていた。本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は出力電流に対するIGBTのオン電圧降下量の非線形特性を補正することにより、非常に精度のよい抵抗測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるインバータ装置は、出力電圧の大きさ、周波数および位相の制御が可能なパワー半導体素子から構成され、直流電圧を交流又は直流に変換し、交流電動機へ供給するための電力変換器と、パワー半導体素子の定格電流を基準とした電流の大きさを対数関数とした変数の多項式で近似した特性式と、対数演算用の関数テーブルと、を用いて求める。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。
図１は本発明の交流電動機を駆動するインバータ装置の全体構成を示すブロック図である。従来の構成ブロック図である図６と異なるところは、オン電圧降下記憶手段２０をオン電圧特性演算部２０’に変更したことと、オン電圧特性演算部２０’でのオン電圧降下量特性演算の際にＬＮ（自然対数）関数を用いることができるようにしたことである。図１において、従来の構成ブロック図である図６と同一名称には同一符号を付し、重複説明を省略する。
変更したオン電圧特性演算部２０’の動作の説明にあたり、まず、IGBTのオン電圧降下量の近似式と、オン電圧降下量特性演算の際に用いるＬＮ関数について説明する。
▲１▼IGBTのオン電圧降下量の近似式について
IGBTのオン電圧降下量特性は、IGBTに流れる直流電流Ｉに対して図８に示すように、電流値が非常に小さいところでは、IGBTのオン電圧降下量は急激に変化する特性をもっている。
そこで、前もってIGBTのオン電圧降下量をカタログや特性データを参考に、直流電流Ｉに対してＬＮ（自然対数）あるいは、ＬＯＧ（常用対数）スケールとした二次式で近似し、この近似式を内蔵する。以下、ＬＮスケールとした場合を説明する。
１式は、IGBTのオン電圧降下量を直流電流Ｉに対してＬＮ関数で近似した式である。
Ｖp（Ｉ）＝ａ×LN(Ｉ)2＋ｂ×LN(Ｉ)＋ｃ …（１）
ただし、Ｉ：IGBT基準の電流値［%］を示す。
なお、係数ａ、ｂ、ｃは、１式がＩＧＢＴのトランジスタ特性とダイオード特性の平均値と一致するように求めた値である。
図４は、１式で近似したIGBTのオン電圧降下量の特性を横軸にＩ、ＬＮ(Ｉ)にそれぞれとって示したものである。比較のため、図８に示したカタログ特性を併せて示しているが、両者は非常によく近似できていることがわかる。
【０００６】
▲２▼オン電圧特性演算の際に用いるＬＮ関数について
ＬＮ関数は、通常のCPUでは準備されていない関数であるので、ＥＸＰテーブルを記憶しておき、この間を直線近似することでＬＮ演算可能とする。
図９に示したオン電圧特性演算部２０’内に記憶されたＥＸＰテーブルを用い、直流電流ＩがＩＧＢＴの定格の８．５％電流である場合を例にしてＬＮ関数の計算方法を説明する。８．５は、図９より７．３８９と９．０２５の間であるので、この２点を用いて下式で直線近似し、２．１３５８を求める。なお、電卓で計算したＬＮ（８．５）は、２．１４０である。
（2.2−2.0）／（9.025−7.389）×（8.5−7.389）＋2.0＝2.１３５８
次にオン電圧特性演算部２０’の動作について説明する。
オン電圧特性演算部２０’では、電流Ｉが入力されると、まず、ＩＧＢＴ定格電流基準で何[％]かを演算し（ｘ％とする）、先に説明した要領でＬＮ（ｘ）の値をＥＸＰテーブルを用いて直線近似補間して求めた後、１式に代入してオン電圧降下量Ｖp（ｘ）を求める。
また、Ｖdref、Ｖqrefが入力されると、√（Ｖdref2＋Ｖqref2）でＶrefを求める。
【０００７】
次に本発明第１の実施例の動作を図２に基づいて説明する。
図２は、本発明第１の実施例での抵抗チューニングのフローチャートである。チューニング動作は、従来技術とほぼ同じであるので、重複するところは簡潔に順を追って説明する。
一次抵抗チューニングが指示されると、チューニング処理部３０は、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2とするために、信号切り替え器３１〜３３にａからｂに切り替えを指令する。これにより、トルク電流指令値Ｉqref＝０、位相θ＝０とし、運転を開始する（ステップ１）。制御装置４は、電流指令通りに電流が流れるように電圧指令を制御する（ステップ２）。次に、オン電圧特性演算部２０’は、電圧指令値ＶdrefとＶqrefからＶrefを、Ｗ相の電流検出値ＩwからIGBTオン電圧降下量Ｖpを演算する。演算は、Ｗ相電流検出値ＩwをIBGT定格電流基準の[%]単位に変換後、Ｉwに対応するIGBTオン電圧降下量Ｖp（Ｉw）と、同様にＵ、Ｖ相電流検出値に対応するＩw /2に対応するIGBTオン電圧降下量Ｖp（Ｉw/2）を演算し、その和としてIGBTオン電圧降下量Ｖpを求める。Ｖp＝Ｖp（Ｉw）＋Ｖp（Ｉw/2）（ステップ３）。チューニング処理部３０は電圧指令値Ｖref、オン電圧降下量ＶpとＷ相の電流検出値Ｉwを取り込み、（Ｖref−Ｖp）とＩwの比で抵抗値を演算する（ステップ４）。以上のようにして、本発明の第１の実施例は実施される。
【０００８】
次に、本発明第２の実施例の動作を図３に基づいて説明する。なお、第２の実施例を実施するインバータ装置は第１と全く同様であるので説明は省略する。
図３は、本発明第２の実施例での抵抗チューニングのフローチャートである。以下、順を追って説明する。
一次抵抗チューニングが指示されると、チューニング処理部３０は、Ｉw＝Ｉdref1、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref1/2とするために、信号切り替え器３１〜３３にａからｂに切り替えを指令する。これにより、トルク電流指令値Ｉqref＝０、位相θ＝０とし、運転を開始する（ステップ１）。 制御装置４は、電流指令通りに電流が流れるように電圧指令を制御する（ステップ２）。次に、オン電圧特性演算部２０’は、電圧指令値Ｖdref1とＶqref1を取り込み、√（Ｖdref12＋Ｖqref12）でＶref1を演算し、Ｗ相の電流検出値Ｉw1を取り込み、IGBTオン電圧降下量Ｖp1を演算する（ステップ３）。次に第２の大きさの直流電流Ｉdref2が流れるように運転する（ステップ４）。制御装置４は、電流指令通りに電流が流れるように電圧指令を制御する（ステップ５）。次に、オン電圧特性演算部２０’は、取り込んだＶdref2、Ｖqref2からＶref2を演算し、Ｗ相の電流検出値Ｉw2を取り込み、IGBTオン電圧降下量Ｖp2を演算する（ステップ６）。チューニング処理部３０は取り込んだＶref1、Ｖref2、Ｖp1、Ｖp2、Ｉw1、Ｉw2から、（Ｖref2−Ｖp2）−（Ｖref1−Ｖp1）と（Ｉw2−Ｉw1）を演算しその振幅比で抵抗値を演算する（ステップ７）。
【０００９】
以上、IGBTのオン電圧降下量特性を直流電流ＩのＬＮ関数の２次式で近似したが、ＬＯＧ関数で近似してもよいし、３次式以上に近似しても本発明は同様に適用できる。
また、√（Ｖdref2＋Ｖqref2）として電圧指令値Ｖrefを求めたが、制御装置４内に制御量としてＶrefがあればそれを用いてもよいし、ｑ軸電流指令値Ｉqref＝０となるように制御しているので、一次抵抗測定時はＶqref＝０になることを利用し、出力電圧指令値Ｖrefの替わりにｄ軸電圧指令値Ｖdrefを用いてもよい。
これまで一次抵抗を測定する際、電流指令を与えその結果として指令される電圧指令を出力電圧指令値Ｖrefとしたが、電流制御をしない一次抵抗測定方法でも、電圧指令補償回路１１により、直接電圧指令を出力し、その値を出力電圧指令値Ｖrefとすればそのまま適用できる。
また、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2とするために、Ｉqref＝０、位相θ＝０としたが、Ｉdrefと同じ大きさにする相をＷ相の替わりに他の相にしても適用できるし、Ｉw＝Ｉqref、Ｉdref＝０となるように、位相θの値を変更して適用できることは当然である。
以上のようにして、交流電動機の一次抵抗値は測定演算され、演算された一次抵抗値は、インバータ装置の記憶要素（図示せず）に記憶され、通常運転時の制御定数として使用される。
【００１０】
【発明の効果】
出力電流に対するパワー半導体素子のオン電圧降下量の非線形特性を補正することにより、非常に精度よく抵抗測定ができる。なお、本発明によれば、パワー半導体素子のオン電圧降下量を、前もって準備したパワー半導体素子の定格電流を基準とした電流の大きさを対数関数とした変数の多項式で近似した特性式と、対数演算用の関数テーブルとを用い、パワー半導体素子のオン電圧降下量の特性が線形性のない領域でも、オン電圧降下量を精度よく演算し補正するので、大容量の電動機の抵抗測定時や電動機容量に対するインバータ容量の比が大きい場合の測定でも、非常に精度よく抵抗が測定できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施例を示す抵抗チューニングのフローチャート
【図３】本発明の第２の実施例を示す抵抗チューニングのフローチャート
【図４】本発明の実施例で用いるIGBTオン電圧降下量の特性図の例
【図５】従来のインバータ装置の構成を示すブロック図
【図６】従来の制御装置の構成を示すブロック図
【図７】従来装置で用いるIGBTオン電圧降下量の特性図の例
【図８】IGBTオン電圧降下量の特性図（カタログ値）の例
【図９】本発明の実施例でＬＮ関数を演算する際に用いるＥＸＰテーブルの例
【符号の説明】
１ 電力変換器
２ 交流電動機
３Ａ，３Ｂ、３Ｃ 電流検出器
４ 制御装置
５ 速度検出器
６ ３相／２相変換器
７ 一次角周波数演算回路
８ 励磁電流制御回路
９ 速度制御回路
１０ トルク電流制御回路
１１ 電圧指令補償回路
１２ ２相／３相変換器
１３ 積算器
１４ 磁束指令演算器
１５ 係数器
２０ オン電圧降下量記憶手段
２０’ オン電圧特性演算部
３０ チューニング処理部
３１〜３３ 信号切り替え器
【発明の属する技術分野】
本発明は出力電圧センサを持たない電力変換器における、交流電動機の抵抗測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流電動機を制御する技術として、可変電圧可変周波数による速度制御が知られている。より高精度に交流電動機を制御するべく、交流電動機に供給される一次電流を、トルクに直接関与する励磁電流（磁束を発生させる電流）とトルク電流（トルクを発生させる電流）とに分けて制御し、二次磁束とトルク電流を常に直交するように制御することで、直流交流電動機と同等の応答性を得ることのできるベクトル制御方式が実用化されている。ベクトル制御方式を採用したインバータ装置においては、一次抵抗、漏れインダクタンス、定格スリップ周波数などの交流電動機の電気的定数に基づいて制御定数が設定される。一般に、交流電動機の誘起電圧と出力周波数の比が一定になるように制御するため、交流電動機の誘起電圧を精度よく求めることが必要となる。これに対応するためには、交流電動機の電気的定数の中でも、一次側インピーダンスを精度よくインバータ装置等に設定することが特に重要となる。この場合、通常の運転前にインバータ装置を用いて交流電動機の電気定数を測定し、この値を制御定数として運転する。交流電動機の端子電圧を測定する電圧センサを用いずに適用できる一次抵抗測定方法として、特開平6-59000に記載されている。
通常、インバータ装置は、図５に示されるように、与えられた直流電圧あるいは３相交流電源からの交流電源を変換した直流電圧を、ＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に再度変換し、この一次周波数および一次電圧を交流電動機２に供給する電圧形ＰＷＭインバータからなる電力変換器１、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相に流れる電流を検出する電流検出器 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、ベクトル制御を行う制御装置４からなる。なお、電力変換器１はパワー半導体素子(以下、IGBTと呼ぶ)から構成され、速度検出器５が交流電動機２に連結されている。
図６は、従来の制御装置４のブロック図である。制御装置４は、外部から速度指令値ωrrefが入力され、交流電動機２への一次電流（Ｕ相電流Ｉu、Ｖ相電流Ｉv、Ｗ相電流Ｉw）を検出して座標変換を行なった励磁電流帰還値Ｉdfbおよびトルク電流帰還値Ｉqfbを送出する３相／２相変換器６が設けられている。
また、制御装置４は、後述するＩdref、Ｉqrefと設定された二次抵抗ｒ2からすべり周波数指令値ωsを求め、速度検出器６からの速度検出値ωrとから一次角周波数ω1を演算して出力する一次角周波数演算回路７と速度検出値ωrを入力とし磁束指令を演算する磁束指令演算器１４と、磁束指令を入力として励磁電流指令Ｉdrefを演算する係数器１５（係数値：１／Ｍ*、Ｍ*は励磁インダクタンス）を有し、励磁電流指令値Ｉdrefと３相／２相変換器６からの励磁電流帰還値Ｉdfbとが一致するように励磁電流方向電圧を制御する励磁電流制御回路（ＡＣＲ d）８が設けられている。
さらに、速度指令値ωrrefと速度検出器６からの速度検出値ωrが一致するように設けられた速度制御回路（ＡＳＲ）９の出力値をトルク電流指令値Ｉqrefとし、トルク電流指令値Ｉqrefと３相／２相変換器６が出力するトルク電流帰還値Ｉqfbとが一致するように制御するためのトルク電流制御回路（ＡＣＲ q）１０が設けられ、電圧指令補償回路１１の出力のうち、励磁電流方向成分の電圧は、励磁電流制御回路８出力と加算され励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefを生成し、トルク電流方向成分の電圧は、トルク電流制御回路１０出力と加算されトルク電流方向電圧指令値Ｖqrefを生成する。さらに、励磁電流方向電圧指令値Ｖdrefとトルク電流方向電圧指令値ＶqrefとからＵ，Ｖ，Ｗの各相の電圧指令（Ｖu，Ｖv，Ｖw）のＰＷＭ信号を生成して出力する２相／３相変換器１２が設けられている。
また、一次角周波数指令演算回路７からの一次角周波数ω１は、積算器１３により積算され、３相／２相変換器６および２相／３相変換器１２へ、位相θとして入力される。
また、制御装置４は、図７に示す出力電流に対するＩＧＢＴオン電圧降下量
の特性を内蔵する電圧降下記憶手段２０、一次抵抗のチューニング動作をコントロールするチューニング処理部３０、チューニング処理部３０からの切り替え指令１〜３によりそれぞれ、励磁電流指令値Ｉdref、トルク電流指令値Ｉqref、位相θの信号を切り替える信号切り替え器３１〜３３を内蔵している。
次に、特開平6-59000に記載されている一次抵抗測定方法を適用した、運転前に行う一次抵抗測定の動作について、チューニング処理部３０の動作を中心に説明する。一次抵抗チューニングが指示されると、チューニング処理部３０は、一次抵抗測定の対象となる交流電動機とインバータの定格電流値を基に、抵抗測定の際に流す直流電流の大きさを決め、信号切り替え器３１〜３３の出力により信号をａからbに切り替えて運転を開始する。信号の切り替えにより、トルク電流指令値Ｉqref、励磁電流指令値Ｉdref、位相θの信号を、それぞれ、０、チューニング処理部３０からの出力値、０とし、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2となるようにする。制御装置４は、電流検出器３Ａ，３Ｂ、３Ｃからの電流検出値と上記電流指令値が一致するように電圧指令を制御する。次に、オン電圧降下記憶手段２０は、電圧指令値ＶdrefとＶqrefを取り込み、√（Ｖdref2＋Ｖqref2）でＶrefを、Ｗ相の電流検出値Ｉwを取り込み、IGBTのオン電圧降下量Ｖpを図７の特性図を用いて求める。チューニング処理部３０は、電圧指令値Ｖref、オン電圧降下量ＶpとＷ相の電流検出値Ｉwを取り込み、（Ｖref−Ｖp）とＩwの比で抵抗値を演算する。
なお、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2となるように運転しているので、IGBTのオン電圧降下量Ｖpは、
Ｖp ＝ （Ｗ相でのオン電圧降下量） ＋ （Ｕ相またはＶ相でのオン電圧降下量）
＝（電流Ｉwでのオン電圧降下量） ＋ （電流Ｉw/２でのオン電圧降下量）
＝ Ｖp（Ｉw） ＋ Ｖp（Ｉw/2）
として求める。
また、交流電動機に異なる直流電流Ｉ1、Ｉ2を流すように運転し、Ｉ1、Ｉ2におけるそれぞれの直流電流に対応したIGBTのオン電圧降下量をオン電圧降下記憶手段２０でＶp1、Ｖp2として求め、（Ｖref2−Ｖp2）−（Ｖref1−Ｖp1）と（Ｉ2−Ｉ1）の比から交流電動機の一次抵抗を演算測定する方法もあるが、前述の方法と同様に実施できるのでここでは説明を省略する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが通常、抵抗測定時に流す直流電流の大きさの領域では、出力電圧に対するIGBTのオン電圧降下量特性には線形性がない。このため、出力電流に対するIGBTのオン電圧降下量特性を線形とした従来技術の図７を用いると、電圧指令は大きな誤差を含むようになり、精度よく一次抵抗を測定することはできない。一方、出力電流に対するオン電圧降下量特性が線形になる領域を用いると、モータ容量やインバータ容量に対して大きな電流を流すことになるためモータ焼損の懸念、抵抗自体の発熱による誤差拡大、IGBTの破壊や寿命に与える影響の懸念等の問題が発生することになる。特に、一次抵抗による電圧降下が小さい大容量の電動機の抵抗測定時や、IGBT定格電流基準では小さな直流電流値となる、例えば電動機容量に対するインバータ装置容量の比が大きい場合の抵抗測定時は更に、精度が悪くなっていた。本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は出力電流に対するIGBTのオン電圧降下量の非線形特性を補正することにより、非常に精度のよい抵抗測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるインバータ装置は、出力電圧の大きさ、周波数および位相の制御が可能なパワー半導体素子から構成され、直流電圧を交流又は直流に変換し、交流電動機へ供給するための電力変換器と、パワー半導体素子の定格電流を基準とした電流の大きさを対数関数とした変数の多項式で近似した特性式と、対数演算用の関数テーブルと、を用いて求める。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。
図１は本発明の交流電動機を駆動するインバータ装置の全体構成を示すブロック図である。従来の構成ブロック図である図６と異なるところは、オン電圧降下記憶手段２０をオン電圧特性演算部２０’に変更したことと、オン電圧特性演算部２０’でのオン電圧降下量特性演算の際にＬＮ（自然対数）関数を用いることができるようにしたことである。図１において、従来の構成ブロック図である図６と同一名称には同一符号を付し、重複説明を省略する。
変更したオン電圧特性演算部２０’の動作の説明にあたり、まず、IGBTのオン電圧降下量の近似式と、オン電圧降下量特性演算の際に用いるＬＮ関数について説明する。
▲１▼IGBTのオン電圧降下量の近似式について
IGBTのオン電圧降下量特性は、IGBTに流れる直流電流Ｉに対して図８に示すように、電流値が非常に小さいところでは、IGBTのオン電圧降下量は急激に変化する特性をもっている。
そこで、前もってIGBTのオン電圧降下量をカタログや特性データを参考に、直流電流Ｉに対してＬＮ（自然対数）あるいは、ＬＯＧ（常用対数）スケールとした二次式で近似し、この近似式を内蔵する。以下、ＬＮスケールとした場合を説明する。
１式は、IGBTのオン電圧降下量を直流電流Ｉに対してＬＮ関数で近似した式である。
Ｖp（Ｉ）＝ａ×LN(Ｉ)2＋ｂ×LN(Ｉ)＋ｃ …（１）
ただし、Ｉ：IGBT基準の電流値［%］を示す。
なお、係数ａ、ｂ、ｃは、１式がＩＧＢＴのトランジスタ特性とダイオード特性の平均値と一致するように求めた値である。
図４は、１式で近似したIGBTのオン電圧降下量の特性を横軸にＩ、ＬＮ(Ｉ)にそれぞれとって示したものである。比較のため、図８に示したカタログ特性を併せて示しているが、両者は非常によく近似できていることがわかる。
【０００６】
▲２▼オン電圧特性演算の際に用いるＬＮ関数について
ＬＮ関数は、通常のCPUでは準備されていない関数であるので、ＥＸＰテーブルを記憶しておき、この間を直線近似することでＬＮ演算可能とする。
図９に示したオン電圧特性演算部２０’内に記憶されたＥＸＰテーブルを用い、直流電流ＩがＩＧＢＴの定格の８．５％電流である場合を例にしてＬＮ関数の計算方法を説明する。８．５は、図９より７．３８９と９．０２５の間であるので、この２点を用いて下式で直線近似し、２．１３５８を求める。なお、電卓で計算したＬＮ（８．５）は、２．１４０である。
（2.2−2.0）／（9.025−7.389）×（8.5−7.389）＋2.0＝2.１３５８
次にオン電圧特性演算部２０’の動作について説明する。
オン電圧特性演算部２０’では、電流Ｉが入力されると、まず、ＩＧＢＴ定格電流基準で何[％]かを演算し（ｘ％とする）、先に説明した要領でＬＮ（ｘ）の値をＥＸＰテーブルを用いて直線近似補間して求めた後、１式に代入してオン電圧降下量Ｖp（ｘ）を求める。
また、Ｖdref、Ｖqrefが入力されると、√（Ｖdref2＋Ｖqref2）でＶrefを求める。
【０００７】
次に本発明第１の実施例の動作を図２に基づいて説明する。
図２は、本発明第１の実施例での抵抗チューニングのフローチャートである。チューニング動作は、従来技術とほぼ同じであるので、重複するところは簡潔に順を追って説明する。
一次抵抗チューニングが指示されると、チューニング処理部３０は、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2とするために、信号切り替え器３１〜３３にａからｂに切り替えを指令する。これにより、トルク電流指令値Ｉqref＝０、位相θ＝０とし、運転を開始する（ステップ１）。制御装置４は、電流指令通りに電流が流れるように電圧指令を制御する（ステップ２）。次に、オン電圧特性演算部２０’は、電圧指令値ＶdrefとＶqrefからＶrefを、Ｗ相の電流検出値ＩwからIGBTオン電圧降下量Ｖpを演算する。演算は、Ｗ相電流検出値ＩwをIBGT定格電流基準の[%]単位に変換後、Ｉwに対応するIGBTオン電圧降下量Ｖp（Ｉw）と、同様にＵ、Ｖ相電流検出値に対応するＩw /2に対応するIGBTオン電圧降下量Ｖp（Ｉw/2）を演算し、その和としてIGBTオン電圧降下量Ｖpを求める。Ｖp＝Ｖp（Ｉw）＋Ｖp（Ｉw/2）（ステップ３）。チューニング処理部３０は電圧指令値Ｖref、オン電圧降下量ＶpとＷ相の電流検出値Ｉwを取り込み、（Ｖref−Ｖp）とＩwの比で抵抗値を演算する（ステップ４）。以上のようにして、本発明の第１の実施例は実施される。
【０００８】
次に、本発明第２の実施例の動作を図３に基づいて説明する。なお、第２の実施例を実施するインバータ装置は第１と全く同様であるので説明は省略する。
図３は、本発明第２の実施例での抵抗チューニングのフローチャートである。以下、順を追って説明する。
一次抵抗チューニングが指示されると、チューニング処理部３０は、Ｉw＝Ｉdref1、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref1/2とするために、信号切り替え器３１〜３３にａからｂに切り替えを指令する。これにより、トルク電流指令値Ｉqref＝０、位相θ＝０とし、運転を開始する（ステップ１）。 制御装置４は、電流指令通りに電流が流れるように電圧指令を制御する（ステップ２）。次に、オン電圧特性演算部２０’は、電圧指令値Ｖdref1とＶqref1を取り込み、√（Ｖdref12＋Ｖqref12）でＶref1を演算し、Ｗ相の電流検出値Ｉw1を取り込み、IGBTオン電圧降下量Ｖp1を演算する（ステップ３）。次に第２の大きさの直流電流Ｉdref2が流れるように運転する（ステップ４）。制御装置４は、電流指令通りに電流が流れるように電圧指令を制御する（ステップ５）。次に、オン電圧特性演算部２０’は、取り込んだＶdref2、Ｖqref2からＶref2を演算し、Ｗ相の電流検出値Ｉw2を取り込み、IGBTオン電圧降下量Ｖp2を演算する（ステップ６）。チューニング処理部３０は取り込んだＶref1、Ｖref2、Ｖp1、Ｖp2、Ｉw1、Ｉw2から、（Ｖref2−Ｖp2）−（Ｖref1−Ｖp1）と（Ｉw2−Ｉw1）を演算しその振幅比で抵抗値を演算する（ステップ７）。
【０００９】
以上、IGBTのオン電圧降下量特性を直流電流ＩのＬＮ関数の２次式で近似したが、ＬＯＧ関数で近似してもよいし、３次式以上に近似しても本発明は同様に適用できる。
また、√（Ｖdref2＋Ｖqref2）として電圧指令値Ｖrefを求めたが、制御装置４内に制御量としてＶrefがあればそれを用いてもよいし、ｑ軸電流指令値Ｉqref＝０となるように制御しているので、一次抵抗測定時はＶqref＝０になることを利用し、出力電圧指令値Ｖrefの替わりにｄ軸電圧指令値Ｖdrefを用いてもよい。
これまで一次抵抗を測定する際、電流指令を与えその結果として指令される電圧指令を出力電圧指令値Ｖrefとしたが、電流制御をしない一次抵抗測定方法でも、電圧指令補償回路１１により、直接電圧指令を出力し、その値を出力電圧指令値Ｖrefとすればそのまま適用できる。
また、Ｉw＝Ｉdref、Ｉu＝Ｉv＝−Ｉdref/2とするために、Ｉqref＝０、位相θ＝０としたが、Ｉdrefと同じ大きさにする相をＷ相の替わりに他の相にしても適用できるし、Ｉw＝Ｉqref、Ｉdref＝０となるように、位相θの値を変更して適用できることは当然である。
以上のようにして、交流電動機の一次抵抗値は測定演算され、演算された一次抵抗値は、インバータ装置の記憶要素（図示せず）に記憶され、通常運転時の制御定数として使用される。
【００１０】
【発明の効果】
出力電流に対するパワー半導体素子のオン電圧降下量の非線形特性を補正することにより、非常に精度よく抵抗測定ができる。なお、本発明によれば、パワー半導体素子のオン電圧降下量を、前もって準備したパワー半導体素子の定格電流を基準とした電流の大きさを対数関数とした変数の多項式で近似した特性式と、対数演算用の関数テーブルとを用い、パワー半導体素子のオン電圧降下量の特性が線形性のない領域でも、オン電圧降下量を精度よく演算し補正するので、大容量の電動機の抵抗測定時や電動機容量に対するインバータ容量の比が大きい場合の測定でも、非常に精度よく抵抗が測定できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施例を示す抵抗チューニングのフローチャート
【図３】本発明の第２の実施例を示す抵抗チューニングのフローチャート
【図４】本発明の実施例で用いるIGBTオン電圧降下量の特性図の例
【図５】従来のインバータ装置の構成を示すブロック図
【図６】従来の制御装置の構成を示すブロック図
【図７】従来装置で用いるIGBTオン電圧降下量の特性図の例
【図８】IGBTオン電圧降下量の特性図（カタログ値）の例
【図９】本発明の実施例でＬＮ関数を演算する際に用いるＥＸＰテーブルの例
【符号の説明】
１ 電力変換器
２ 交流電動機
３Ａ，３Ｂ、３Ｃ 電流検出器
４ 制御装置
５ 速度検出器
６ ３相／２相変換器
７ 一次角周波数演算回路
８ 励磁電流制御回路
９ 速度制御回路
１０ トルク電流制御回路
１１ 電圧指令補償回路
１２ ２相／３相変換器
１３ 積算器
１４ 磁束指令演算器
１５ 係数器
２０ オン電圧降下量記憶手段
２０’ オン電圧特性演算部
３０ チューニング処理部
３１〜３３ 信号切り替え器
Claims (3)
- 出力電圧の大きさ、周波数および位相の制御が可能なパワー半導体素子から構成され、
直流電圧を交流又は直流に変換し、交流電動機へ供給するための電力変換器と、
前記パワー半導体素子のオン電圧降下量を、前記パワー半導体素子の定格電流を基準とした電流の大きさを対数関数とした変数の多項式で近似した特性式と、対数演算用の関数テーブルと、を用いて求めることを特徴とする交流電動機のインバータ装置。 - 前記インバータ装置は、さらに、前記電力変換器が出力する電流を検出し、出力電流として出力する電流検出器を備え、
直流電流を流すように周波数と位相を固定した交流電圧を指令信号として出力し、前記電力変換器を介して前記交流電動機に直流電圧を供給し、その際の前記電流検出器により検出された出力電流Ｉを用いて前記パワー半導体素子のオン電圧降下量の特性式から電圧降下量Ｖpを求め、その際の出力電圧指令値Ｖrefから前記電圧降下量Ｖpを減じた値（Ｖref−Ｖp）と前記出力電流Ｉの振幅比から前記交流電動機の一次抵抗値を測定演算することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。 - 前記インバータ装置は、さらに、前記電力変換器が出力する電流を検出し、出力電流として出力する電流検出器を備え、
順次、異なる２つの直流電流を流すように周波数と位相を固定した交流電圧を指令信号として出力し、前記電力変換器を介して前記交流電動機に直流電圧を供給し、その際の前記電流検出器により検出されたそれぞれの出力電流Ｉ1、Ｉ2を用いて前記パワー半導体素子のオン電圧降下量の特性式から電圧降下量Ｖp1、Ｖp2を求め、その際のそれぞれの出力電圧指令値Ｖref1、Ｖref2から前記電圧降下量Ｖp1，Ｖp2を減じて求めた値の差分（Ｖref2−Ｖp2）−（Ｖref1−Ｖp1）と前記出力電流Ｉ1、Ｉ2の差分（Ｉ2−Ｉ1）の振幅比から前記交流電動機の一次抵抗値を測定演算することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
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