JP5673114B2

JP5673114B2 - インバータ装置および電動機ドライブシステム

Info

Publication number: JP5673114B2
Application number: JP2011003979A
Authority: JP
Inventors: 田中　渉; 田中　　渉; 原　英則; 英則原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: JP2012147571A

Description

本発明は、インバータ装置および電動機ドライブシステムに関する。

従来、昇降圧コンバータのスイッチ部を制御し、電圧の昇降圧を行わない状態を維持しつつコンデンサに蓄積されている電荷を放電させる電動機駆動制御装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１では、電動機を用いて放電を行うことができない場合、電動機駆動制御装置が備えた昇降圧コンバータを下アームのスイッチング素子をオン状態とする時間を短く、上アームのスイッチング素子をオン状態とする時間を長くすることにより、放電回路を設けることなくスイッチング損失によってコンデンサに蓄積された電荷を放電させている。

特開２００５−２２９６８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の電動機駆動制御装置では、スイッチング素子を備える昇降圧コンバータを備えていない場合には適用できないという問題点がある。

そこで、この発明は、負荷である電動機が接続されていなくても、また、電力変換部を構成する複数のスイッチング素子に故障した素子があっても、特別な放電回路を備えることなく、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能なインバータ装置を提供することを目的とする。

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、直流電圧源から入力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの出力する直流電力を、複数のスイッチング素子を用いて交流電力に変換する電力変換部と、複数のスイッチング素子の制御を行うスイッチング制御部とを備え、複数のスイッチング素子の故障の有無を検出する機能を有するインバータ装置であって、スイッチング制御部は、複数のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子をＯＮ状態とし、かつ、他のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするスイッチングパターンで複数のスイッチング素子をスイッチングするとともに、ＯＮ状態とする１つのスイッチング素子を順次切り替えることにより、少なくともスイッチング素子の短絡故障の判定および故障したスイッチング素子の特定を行うように構成されており、スイッチング制御部は、直流電圧源を遮断する際に、複数のスイッチング素子に短絡故障のスイッチング素子がある場合は、短絡故障のスイッチング素子をＯＮ状態とし、短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子をＯＦＦ状態とし、短絡故障のスイッチング素子および短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子を除き、繰り返しスイッチングさせるスイッチングパターンとし、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている。

この発明の第２の局面による電動機ドライブシステムは、直流電圧源から入力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの出力する直流電力を、複数のスイッチング素子を用いて交流電力に変換する電力変換部と、複数のスイッチング素子の制御を行うスイッチング制御部とを含み、複数のスイッチング素子の故障の有無を検出する機能を有するインバータ装置と、インバータ装置に接続される電動機とを備え、スイッチング制御部は、複数のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子をＯＮ状態とし、かつ、他のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするスイッチングパターンで複数のスイッチング素子をスイッチングするとともに、ＯＮ状態とする１つのスイッチング素子を順次切り替えることにより、少なくともスイッチング素子の短絡故障の判定および故障したスイッチング素子の特定を行うように構成されており、スイッチング制御部は、直流電圧源を遮断する際に、複数のスイッチング素子に短絡故障のスイッチング素子がある場合は、短絡故障のスイッチング素子をＯＮ状態とし、短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子をＯＦＦ状態とし、短絡故障のスイッチング素子および短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子を除き、繰り返しスイッチングさせるスイッチングパターンとし、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている。

本発明によれば、直流電圧源を遮断し、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する際に、電力変換部を構成する複数のスイッチング素子の故障に応じてスイッチングする素子を選択して放電処理をするので、素子故障時においても電力変換部を２次破壊させることなく平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電することができる。また、電力変換部を構成する複数のスイッチング素子を繰り返しスイッチングさせることにより発生するスイッチング損失によって放電処理をするので、負荷である電動機が接続されていなくても、特別な放電回路を備えることなく平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電することができる。

本発明の一実施形態によるインバータ装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態によるインバータ装置が短絡故障のスイッチング素子の特定を行う際に使用する第１のスイッチングパターンを示した図である。第１のスイッチングパターンでの切り替え動作を説明するための信号波形図である。本発明の一実施形態によるインバータ装置が開放故障のスイッチング素子の特定を行う際に使用する第２のスイッチングパターンを示した図である。第２のスイッチングパターンでの切り替え動作を説明するための信号波形図である。第３のスイッチングパターンを示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による電動機ドライブシステム１００のインバータ装置１０１の構成について説明する。

図１に示すように、インバータ装置１０１は、直流電圧源１と、平滑コンデンサ２と、電力変換部３と、スイッチング制御部４と、電流検出器５と、電圧検出器７を備えている。また、インバータ装置１０１の出力側には、電動機６が接続されている。

直流電圧源１は、交流電源１１と複数のダイオードを含む整流回路１２とを備えている。直流電圧源１の正極側には、平滑コンデンサ２の一方電極が接続されている。また、直流電圧源１の負極側には、平滑コンデンサ２の他方電極が接続されている。

平滑コンデンサ２は、直流電圧源１からの直流電圧を平滑し、平滑した直流電圧を電力変換部３へ供給する。直流電圧源１の遮断は、図示していないが、直流電圧源１と平滑コンデンサ２の間に装備されるコンタクタをＯＦＦすることにより行われる。

電力変換部３は、複数のスイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）を含み、スイッチング制御部４からのゲート信号により駆動される。スイッチング素子Ｓ１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなるトランジスタＡｕｐと、ダイオードＢｕｐとにより構成されている。同様に、スイッチング素子Ｓ２（Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）は、トランジスタＡｕｎ（Ａｖｐ、Ａｖｎ、Ａｗｐ、Ａｗｎ）と、ダイオードＢｕｎ（Ｂｖｐ、Ｂｖｎ、Ｂｗｐ、Ｂｗｎ）とにより構成されている。

スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３およびＳ５は、電力変換部３の上アームを構成し、一方端子は直流電圧源１の正極側に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ４およびＳ６は、電力変換部３の下アームを構成し、一方端子は直流電圧源１の負極側に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３およびＳ５の他方端子は、それぞれスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４およびＳ６の他方端子、および電動機６に接続されている。

なお、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２は電動機６のＵ相、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４は電動機６のＶ相、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６は電動機６のＷ相のそれぞれの電力変換を行うように構成されている。

スイッチング制御部４は、電力変換部３を構成する６つのスイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）の制御を行うように構成され、スイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）にゲート信号を出力している。このようなスイッチング制御部４は、インバータ装置１０１に一般的に設けられ、電動機６をドライブする際は、図示していないが、例えば速度制御、電流制御などを実施して生成された電圧指令Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に基づきＰＷＭ制御によって、スイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）を駆動するゲート信号を生成する。

電流検出器５は、電力変換部３と電動機６との間に接続され、電力変換部３から電動機６に供給されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出して、スイッチング制御部４に出力する。なお、図１には、電流検出器５は相毎に３つ図示しているが、例えばＩｗ=−Ｉｕ−Ｉｖの演算で１相分は演算で求めることで省略できる。

電圧検出器７は、直流電圧源１が遮断される際、平滑コンデンサ２の電圧を検出し、その電圧検出値をスイッチング制御部４に出力するように構成されている。

次に、参考までに、図２〜図５を参照して、本発明の一実施形態によるインバータ装置１０１のスイッチング制御部４によるスイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）の故障（短絡故障および開放故障）の判定動作および故障したスイッチング素子３１の特定動作について簡単に説明する。図２は短絡故障のスイッチング素子を特定するために使用する第１のスイッチングパターンを示した図、図３は第１のスイッチングパターンでの切り替え動作を説明するための信号波形図、図４は開放故障のスイッチング素子の特定を行う際に使用する第２のスイッチングパターンを示した図、図５は第２のスイッチングパターンでの切り替え動作を説明するための信号波形図であり、図２、図４に示された各スイッチングパターンは、それぞれスイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）に出力されるゲート信号に対応している。なお、ここでは、スイッチング素子３１の故障検出する機能は、スイッチング制御部４が有するとして説明するが、これに限定されるものではない。

（短絡故障のスイッチング素子の特定動作）
まず、スイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）の短絡故障の判定および短絡故障したスイッチング素子の特定が行われる。このとき、スイッチング制御部４は、６つのスイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）のうちの１つのスイッチング素子３１をＯＮ状態とし、かつ、他のスイッチング素子３１をＯＦＦ状態とする第１のスイッチングパターン（図２参照）を用いて６つのスイッチング素子３１をスイッチングし、ＯＮ状態とする１つのスイッチング素子３１を順次切り替える（時間ｔ１毎に切り替える（図３参照））。なお、時間ｔ１は、スイッチング素子３１に大きい電流（たとえば、上下アームの短絡電流）が流れた場合でもスイッチング素子３１が破壊されない長さの時間である。なお、図３には、デッドタイムを考慮していない原理的なスイッチングパターンを示している。

（開放故障のスイッチング素子の特定動作）
次に、スイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）の開放故障の判定および開放故障したスイッチング素子の特定が行われる。このとき、スイッチング制御部４は、３つの相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）のうちの１つの相の上アームまたは下アームの一方のスイッチング素子３１をＯＮ状態とし、かつ、他方のスイッチング素子３１をＯＦＦ状態とするとともに、その１つの相以外の２つの相の上アームまたは下アームの一方の２つのスイッチング素子３１をＯＦＦ状態とし、かつ、他方の２つのスイッチング素子３１をＯＮ状態とする。すなわち、スイッチング制御部４は、３つの相のうちの１つの相のＯＮ状態とする側のアームを他の２つの相と異なるようにした第２のスイッチングパターン（図４参照）で６つのスイッチング素子３１をスイッチングする。そして、ＯＮ状態とする側のアームを他の２つの相と異なるようにした１つの相と、その１つの相のＯＮ状態とする側のアームとを順次切り替える（時間ｔ２毎に切り替える（図５参照））。なお、図５には、デッドタイムを考慮していない原理的なスイッチングパターンを示している。

次に、本発明の一実施形態によるインバータ装置１０１での直流電圧源１が遮断された時の平滑コンデンサ２に蓄積された電荷の放電動作について説明する。

（故障と判定されたスイッチング素子がある場合の放電動作）
スイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）のうち、短絡故障と判定されたスイッチング素子３１がある場合には、上述の参考までに説明したスイッチング素子３１の判定動作および特定動作で使用したスイッチングパターン（第２のスイッチングパターン（パターンＢ１〜Ｂ６）（図４参照））のうち、短絡故障のスイッチング素子３１をＯＮ状態とし、短絡故障のスイッチング素子３１と逆アームのスイッチング素子３１をＯＦＦ状態とし、かつ、残り４つのスイッチング素子３１の各上下アームを同時にＯＮ状態とさせないスイッチングパターン（たとえば、スイッチング素子Ｓ１が短絡故障している場合はパターンＢ１、Ｂ５およびＢ６）で繰り返しスイッチングする動作が行われる。

また、スイッチング素子３１（Ｓ１〜Ｓ６）のうち、開放故障と判定されたスイッチング素子３１がある場合には、同じく図４に示している第２のスイッチングパターン（パターンＢ１〜Ｂ６）のうち、開放故障のスイッチング素子３１をＯＦＦ状態とし、開放故障のスイッチング素子３１と逆アームのスイッチング素子３１をＯＮ状態とし、かつ、残り４つのスイッチング素子３１の各上下アームを同時にＯＮ状態とさせないスイッチングパターン（たとえば、スイッチング素子Ｓ１が開放故障していた場合には、パターンＢ２、Ｂ３およびＢ４）で繰り返しスイッチングするスイッチング動作が行われる。

なお、短絡故障しているスイッチング素子３１に対してＯＮ状態、開放故障しているスイッチング素子３１に対してＯＦＦ状態にすることは、完全に短絡、あるいは開放していないスイッチング素子３１もあることを考慮すると、非常に有効である。

これにより、スイッチング制御部４は、故障していないスイッチング素子３１のみを用いたスイッチング素子３１によるスイッチング損失によって、平滑コンデンサ２に蓄積された電荷を放電する。

（故障と判定されたスイッチング素子がない場合の放電動作）
スイッチング素子３１に、短絡故障あるいは開放故障と判定されたスイッチング素子３１がない場合（全てのスイッチング素子３１が正常な場合）には、上述の参考までに説明したスイッチング素子３１のスイッチングパターン（第２のスイッチングパターン（パターンＢ１〜Ｂ６）（図４参照））で６つの全てのスイッチング素子３１を繰り返しスイッチングする動作が行われる。

これにより、スイッチング制御部４は、６つのスイッチング素子３１により生じるスイッチング損失によって、平滑コンデンサ２に蓄積された電荷を放電する。なお、６つのスイッチング素子３１のうち、いくつかのスイッチング素子３１の状態を固定して放電処理をしてもよい。

なお、平滑コンデンサ２の蓄積電荷の放電を行う際、上述したように故障したスイッチング素子３１を用いないようにすれば、図４に示す第２のスイッチングパターン（Ｂ１〜Ｂ６）に限らず、図２に示す第１のスイッチングパターン（Ａ１〜Ａ６）や、図６に示す第３のスイッチングパターン（Ｃ１、Ｃ２）を基本としたパターンを繰り返しスイッチングするようにしてもよい。

次に、本発明の一実施形態によるインバータ装置１０１での直流電圧源１が遮断された時の平滑コンデンサ２の異常判定動作について説明する。

電圧検出器７は、直流電圧源１が遮断される際、平滑コンデンサ２の電圧検出値を所定時間毎にスイッチング制御部４に出力する。スイッチング制御部４は、電圧検出値が所定値１から所定値２になる時間を、平滑コンデンサ２の蓄積電荷の放電時間として測定する。この測定された放電時間が所定値以下である場合に、平滑コンデンサ２に異常（たとえば、コンデンサの容量抜け）があると判定する。

なお、放電時間と比較される所定値は、平滑コンデンサ２を正常な平滑コンデンサ２と交換した場合の測定値、あるいは設計値など寿命により劣化する前の状態での放電時間が事前に記憶されるようになっている。さらに、この放電時間と比較される所定値は、スイッチング素子３１すべての単位時間あたりのスイッチング回数と、スイッチング周波数の少なくともいずれか一方を考慮して決められる。なお、電圧検出値の電位を決める所定値１、所定値２は、予め決められた値であればよい。

また、電圧検出値が所定値１から所定値２になる時間を、平滑コンデンサ２の蓄積電荷の放電時間として、平滑コンデンサ２に異常があるとしたが、上述した放電処理により所定時間内に変化した電圧検出値の変化量を比較するようにしてもよい。

上記実施形態では、直流電圧源１が、交流電源を整流回路により整流することにより直流を供給する例を示したが、整流回路に代えてＰＷＭコンバータであってもよいし、バッテリーなどの直流電源により直流を供給してもよい。また３相の交流電源を用いて３相の交流を出力する例を示したが、３相以外の相数の交流電源を用いるインバータ装置に適用可能であるとともに、３相以外の相数の交流を出力するインバータ装置にも適用可能である。

本発明の実施形態はこのように構成されているので、本実施形態に係るインバータ装置１０１は、故障していないスイッチング素子３１を用い、スイッチング損失だけで平滑コンデンサ２に蓄積された電荷の放電を迅速に行うことができるので、電動機６を負荷として接続しておく必要はないし、故障したスイッチング素子３１を無条件にスイッチングすることによる電力変換部の２次的破壊を防止でき、さらに電荷放電のための放電回路を別途設けることを不要とできる。

さらに、平滑コンデンサ２の蓄積電荷の放電時間と、平滑コンデンサ２の電圧を測定するだけで平滑コンデンサ２の異常を容易に判定することができる。これは、平滑コンデンサ２の静電容量を計算し、その計算により取得した静電容量に基づいて平滑コンデンサ２の異常を判定する場合に比べ容易に実施できる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを含むスイッチング素子を用いる例を示したが、たとえば、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含むスイッチング素子を用いてもよい。また、電動機を負荷としてインバータ装置に接続する例を示したが、電動機以外の負荷をインバータ装置に接続してもよい。

１直流電圧源
２平滑コンデンサ
３電力変換部
４スイッチング制御部
６電動機
７電圧検出器
３１、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６スイッチング素子

Claims

直流電圧源から入力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの出力する直流電力を、複数のスイッチング素子を用いて交流電力に変換する電力変換部と、
前記複数のスイッチング素子の制御を行うスイッチング制御部と、を備え、
前記複数のスイッチング素子の故障の有無を検出する機能を有するインバータ装置であって、
前記スイッチング制御部は、前記複数のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子をＯＮ状態とし、かつ、他のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするスイッチングパターンで前記複数のスイッチング素子をスイッチングするとともに、前記ＯＮ状態とする１つのスイッチング素子を順次切り替えることにより、少なくとも前記スイッチング素子の短絡故障の判定および故障したスイッチング素子の特定を行うように構成されており、
前記スイッチング制御部は、前記直流電圧源を遮断する際に、
前記複数のスイッチング素子に短絡故障のスイッチング素子がある場合は、短絡故障の前記スイッチング素子をＯＮ状態とし、短絡故障のスイッチング素子と逆アームの前記スイッチング素子をＯＦＦ状態とし、前記短絡故障のスイッチング素子および前記短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子を除き、繰り返しスイッチングさせるスイッチングパターンとし、
前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている、インバータ装置。
前記スイッチングパターンは、
短絡故障のスイッチング素子をＯＮ状態、かつ前記短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子をＯＦＦ状態とし、
開放故障のスイッチング素子をＯＦＦ状態、かつ前記開放故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子をＯＮ状態とし、
他のスイッチング素子は、前記複数のスイッチング素子の各上下アームが同時にはＯＮ状態とならないスイッチングパターンである、請求項１に記載のインバータ装置。
前記スイッチング制御部は、前記直流電圧源を遮断する際に、
前記複数のスイッチング素子に故障のスイッチング素子がない場合は、前記複数のスイッチング素子の全てを繰り返しスイッチングさせるスイッチングパターンとし、
前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている、請求項１または２に記載のインバータ装置。
前記平滑コンデンサの電圧を検出し、電圧検出値として出力する電圧検出器を備え、
前記スイッチング制御部は、前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する際、前記電圧検出値が所定の大きさ変化する時間を放電時間とし、前記放電時間が所定値以下である場合に、前記平滑コンデンサに異常があると判定するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
前記平滑コンデンサに異常があると判定する所定値は、前記スイッチング素子すべての単位時間あたりのスイッチング回数と、スイッチング周波数の少なくともいずれか一方を考慮して決められている、請求項４に記載のインバータ装置。
前記平滑コンデンサの電圧を検出し、電圧検出値として出力する電圧検出器を備え、
前記スイッチング制御部は、前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を所定時間放電させた際の、前記電圧検出値の変化量が所定値以下である場合に、前記平滑コンデンサに異常があると判定するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
前記平滑コンデンサに異常があると判定する所定値は、前記スイッチング素子すべての単位時間あたりのスイッチング回数と、スイッチング周波数の少なくともいずれか一方を考慮して決められている、請求項６に記載のインバータ装置。
直流電圧源から入力される直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの出力する直流電力を、複数のスイッチング素子を用いて交流電力に変換する電力変換部と、
前記複数のスイッチング素子の制御を行うスイッチング制御部と、を含み、
前記複数のスイッチング素子の故障の有無を検出する機能を有するインバータ装置と、
前記インバータ装置に接続される電動機と、を備え、
前記スイッチング制御部は、前記複数のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子をＯＮ状態とし、かつ、他のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするスイッチングパターンで前記複数のスイッチング素子をスイッチングするとともに、前記ＯＮ状態とする１つのスイッチング素子を順次切り替えることにより、少なくとも前記スイッチング素子の短絡故障の判定および故障したスイッチング素子の特定を行うように構成されており、
前記スイッチング制御部は、前記直流電圧源を遮断する際に、
前記複数のスイッチング素子に短絡故障のスイッチング素子がある場合は、短絡故障の前記スイッチング素子をＯＮ状態とし、短絡故障のスイッチング素子と逆アームの前記スイッチング素子をＯＦＦ状態とし、前記短絡故障のスイッチング素子および前記短絡故障のスイッチング素子と逆アームのスイッチング素子を除き、繰り返しスイッチングさせるスイッチングパターンとし、
前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するように構成されている、電動機ドライブシステム。