JP6032866B2 - 電力変換器の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ等の電力変換器に過大な電流が流れた場合に、その運転を完全に停止することなく継続させるための制御方法及び制御装置に関するものである。

図３は、３レグ電圧形ＰＷＭインバータの構成図を示している。図３の主回路において、１はダイオードブリッジからなる整流回路、２はＩＧＢＴ等の半導体スイッチからなるインバータ部、３はインバータ部２の交流出力電圧によって駆動される電動機、７は直流中間回路に設けられたコンデンサである。

上記構成のＰＷＭインバータにおいて、印加電圧とその周波数との比を一定にしたＶ／ｆ一定制御によって電動機３を駆動する場合、インバータ部２の出力電流は出力電圧及び出力周波数によって決まる。ところが、電動機３の急加減速時や負荷急変時には、インバータ部２や電動機３に過大な電流が流れる場合がある。

一般的に、インバータ等の電力変換器は、過電流を検出すると運転を停止して半導体スイッチや電動機等を保護する過電流保護機能を備えているが、用途によっては電力変換器や電動機の運転を継続することが望まれる場合もある。
このため、従来技術では、以下に述べるような方法によってインバータ部２の出力電流を制限し、継続的な運転を可能にしている。

すなわち、図３において、５は電動機３の電流（インバータ部２の出力電流）を検出する電流検出器であり、その電流検出値は制御装置２０内の電流制限指令生成手段６に入力されている。電流制限指令生成手段６は、例えば電動機３の急加減速や負荷の急変により電流検出値が設定値に達した場合に、電流制限指令をＣＰＵ等からなる駆動信号生成手段４に出力する。
なお、ここでは便宜的に、電流制限指令生成手段６を第１の手段、駆動信号生成手段４を第２の手段というものとする。

駆動信号生成手段４は、インバータ部２の半導体スイッチをオン／オフさせるためのゲート信号を生成するものであり、前記電流制限指令が入力されると全てのゲート信号をオフして出力電流を一旦、零にする。そして、一定時間経過後に電流制限指令を解除してゲート信号を再びオンし、通常の制御動作（ＰＷＭ制御動作）に復帰させる。この一連の動作により、インバータ部２や電動機３に流れる電流を制限するものである。

ここで、特許文献１には、インバータの出力電流に第１の過電流レベルと、これよりも大きい第２の過電流レベルとを設定し、出力電流が第１の過電流レベルを超えた場合にインバータをパルスオフすると共に、出力電流が第１の過電流レベルを超えた状態が所定時間継続した場合、または、第２の過電流レベルを超えた場合にインバータを停止するようにしたトランジスタインバータの過電流保護回路が記載されている。

特開昭６３−７１３６号公報（第２頁右上欄第１５行〜右下欄第１４行、第１図、第２図等）

従来技術によると、電流制限指令を解除して通常の制御動作に復帰させた際に全相の半導体スイッチが同時にオンする場合が生じ、そのときの転流モードによっては、過大な逆回復サージ電圧が発生することがある。

図４は、図３において、全ての半導体スイッチがオフしている状態（図４（ａ））、及び、この状態から全相の半導体スイッチが同時にオンする場合（図４（ｂ））の電流ループを示しており、８〜１３はインバータ部２を構成する半導体スイッチである。
いま、図４（ａ）に示すように、電流制限動作によって全ての半導体スイッチ８〜１３がオフしており、半導体スイッチ８，１２，１３の還流ダイオードにより矢印方向に電流ループが作られているものとする。この状態から電流制限を解除し、図４（ｂ）に示すごとく三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の半導体スイッチ１１，９，１０が同時にオンすると、インバータ部２の直流端子Ａ，Ｂ間には、三相分の還流ダイオードによる逆回復電流が流れる。このため、上記逆回復電流と端子Ａ，Ｂ間の配線インダクタンスとにより、端子Ａ，Ｂ間に過大な逆回復サージ電圧が発生して半導体スイッチ等を破壊する恐れがある。

なお、特許文献１に係る従来技術では、過電流レベルを２段階設けることで、例えば一過性の過電流による頻繁な運転停止を防ぐことが可能であるが、複数の過電流レベルが設定される過電流保護回路の構成が複雑化する等の問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、電力変換器を構成する半導体スイッチの駆動信号を制御するだけで、電流制限を解除した際の過大な逆回復サージ電圧を抑制可能とした電力変換器の制御方法及び制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る電力変換器の制御方法は、電力変換器の出力電流が設定値に達したときに発生する電流制限指令により、前記電力変換器を構成する全ての半導体スイッチをオフするようにした電力変換器の制御方法であって、
前記電流制限指令の解除時点から一定期間にわたり前記電力変換器から零電圧を出力させ、その後に、前記半導体スイッチを通常の制御動作に復帰させる制御方法において、
前記一定期間が、前記解除時点から、前記半導体スイッチ本来のスイッチング動作を行うための駆動信号の反転時点より後のキャリア半周期経過時点までの期間であることを特徴とする。

請求項２に係る電力変換器の制御方法は、請求項１に記載した電力変換器の制御方法において、前記電力変換器から零電圧を出力させる方法は、前記電力変換器を構成する各相の上アームの半導体スイッチを全て、または、各相の下アームの半導体スイッチを全て、オンさせる方法であることを特徴とする。

請求項３に係る電力変換器の制御装置は、電力変換器の出力電流が設定値に達したときに電流制限指令を生成する第１の手段と、 前記電力変換器を構成する半導体スイッチをオン／オフさせるための駆動信号を生成する手段であって、前記電流制限指令により、前記電力変換器を構成する全ての半導体スイッチをオフさせるようにした第２の手段と、を備えた電力変換器の制御装置であって、
前記第２の手段が、前記電流制限指令の解除時点から、一定期間にわたり前記電力変換器から零電圧を出力させ、その後に、前記半導体スイッチを通常の制御動作に復帰させるような駆動信号を出力する制御装置において、
前記一定期間が、前記解除時点から、前記半導体スイッチ本来のスイッチング動作を行うための駆動信号の反転時点より後のキャリア半周期経過時点までの期間であることを特徴とする。
また、請求項４に係る電力変換器の制御装置は、請求項３に記載した電力変換器の制御装置において、前記電力変換器から零電圧を出力させる手段として、前記電力変換器を構成する各相の上アームの半導体スイッチを全て、または、各相の下アームの半導体スイッチを全て、オンさせる手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電流制限指令の発生時に電力変換器の全ての半導体スイッチを一旦オフした後に、電力変換器から一定期間、零電圧を出力させることにより、過大な逆回復サージ電圧が発生するのを防止することができる。また、零電圧を出力させる期間の終期の前後にわたって半導体スイッチのオンまたはオフ状態を変更せずに一定期間、維持することにより、上下アームの短絡防止が可能になる。
これらの動作は、駆動信号生成手段におけるソフトウェアを一部変更するだけで実現可能であり、特許文献１に記載されているような複雑な過電流保護回路を用いる必要がないので、回路構成の簡略化、コストの低減に寄与することができる。

本発明の実施形態において、インバータ部により零電圧を出力後、上下アームが短絡するおそれがある場合の動作説明図である。 本発明の実施形態において、インバータ部により零電圧を出力後、上下アームが短絡することを防ぐ場合の動作説明図である。 ３レグ電圧形ＰＷＭインバータの構成図である。 図３において、全ての半導体スイッチがオフしている状態から全相の半導体スイッチが同時にオンした場合の電流ループを示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
本実施形態では、電流制限指令を解除した時に図４（ｂ）のように全相の半導体スイッチが同時にオンするのを回避するために、インバータ部２により零電圧を出力させる。ここで、インバータ部２による零電圧の発生は、図４（ａ），（ｂ）における三相の上アームの半導体スイッチ８，９，１０を全てオン（下アームの半導体スイッチ１１，１２，１３を全てオフ）または下アームの半導体スイッチ１１，１２，１３を全てオン（上アームの半導体スイッチ８，９，１０を全てオフ）すればよく、これらのオン／オフ動作は図３における駆動信号生成手段４によって実現可能である。

このようにインバータ部２から零電圧を出力させる期間を設ければ、例えば図４（ｂ）に示したような全相の半導体スイッチ１１，９，１０の同時オンを防止し、三相分の還流ダイオードによる逆回復電流に起因した過大な逆回復サージ電圧が端子Ａ，Ｂ間に発生するのを防止することができる。

図１は、本実施形態において、インバータ部２により零電圧を出力させるための動作説明図であり、図１（ａ）は零電圧を出力させるゲート信号の解除タイミングがキャリアの谷の場合、図１（ｂ）は上記解除タイミングがキャリアの山の場合を示している。なお、図１（ａ），（ｂ）は、電圧指令がキャリアより大きい場合に上アームゲート信号をオンさせる例である。
また、図１（ａ），（ｂ）において、動作モード１はＰＷＭ制御による通常のスイッチング動作期間、動作モード２は電流制限指令が動作状態になったことによるスイッチング休止期間（上アーム、下アーム共にオフ）、動作モード３はインバータ部２の零電圧発生期間を示している。更に、上アームゲート信号及び下アームゲート信号内に示した破線部分は、電流制限指令がない場合の通常のスイッチング動作によるゲート信号である。

図１（ａ），（ｂ）のようなスイッチング動作とすれば、電流制限指令が解除された後にインバータ部２から零電圧が出力されるので、前述したように過大な逆回復サージ電圧が端子Ａ，Ｂ間に発生するのを防止することができる。
しかし、この場合、零電圧発生期間を解除して本来のスイッチング動作に移行する時（動作モード３から動作モード１への移行時）、図１（ａ），（ｂ）に符号ｃにて示す如く、上アームゲート信号がオフからオンに反転するタイミングで下アームゲート信号がオンからオフに反転し（図１（ａ））、上アームゲート信号がオンからオフに反転するタイミングで下アームゲート信号がオフからオンに反転する（図１（ｂ））こととなり、いずれの場合も上下アームが短絡する恐れがある。

そこで、上下アームを短絡させないためには、図２に示すようなスイッチング動作とすることが望ましい。
図２（ａ）は零電圧を発生させるゲート信号の解除タイミングがキャリアの谷の場合、図２（ｂ）は上記解除タイミングがキャリアの山の場合であり、前記同様に、動作モード１はＰＷＭ制御による本来のスイッチング動作期間、動作モード２は電流制限指令が動作状態になったことによるスイッチング休止期間（上アーム、下アーム共にオフ）、動作モード３はインバータ部２の零電圧発生期間を示している。また、上アームゲート信号及び下アームゲート信号内に示した破線部分は、電流制限指令がない場合のＰＷＭ制御によるゲート信号である。

本実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に符号ｄにて示すように、零電圧発生期間から本来のスイッチング動作に移行する時（動作モード３から動作モード１への移行時）に、上アームゲート信号及び下アームゲート信号のオン／オフ状態を変化させずに零電圧発生状態を維持することとし、零電圧発生期間を、本来のスイッチング動作を行うためのゲート信号の反転時点からキャリアの半周期を経過した時点まで延長する。具体的には、図２（ａ）では上アームゲート信号のオンによる零電圧発生期間を延長し、図２（ｂ）では下アームゲート信号のオンによる零電圧発生期間を延長する。

上記処理により、インバータ部２が零電圧を出力している状態からＰＷＭ制御による通常のスイッチング動作に移行した際に、上アーム及び下アームの半導体スイッチのオン／オフ状態は変化しなくなるので、上下アームが短絡する恐れがなくなる。なお、通常のスイッチング動作時にはいわゆるデッドタイムを設けることが一般的であるため、例えば図２（ａ），（ｂ）における符号ｄの期間の終期などに上下アームが短絡する恐れもないものである。

以上説明したような上下アームのゲート信号の生成処理は、図３の駆動信号生成手段４によって実現されるものであるが、駆動信号生成手段４としては、ＣＰＵ以外にＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いても良い。

１：整流回路
２：インバータ部
３：電動機
４：駆動信号生成手段
５：電流検出器
６：電流制限指令生成手段
７：コンデンサ
８〜１３：半導体スイッチ
２０：制御装置
Ａ，Ｂ：直流端子

Claims (4)

1. 電力変換器の出力電流が設定値に達したときに発生する電流制限指令により、前記電力変換器を構成する全ての半導体スイッチをオフするようにした電力変換器の制御方法であって、
   前記電流制限指令の解除時点から一定期間にわたり前記電力変換器から零電圧を出力させ、その後に、前記半導体スイッチを通常の制御動作に復帰させる制御方法において、
   前記一定期間が、前記解除時点から、前記半導体スイッチ本来のスイッチング動作を行うための駆動信号の反転時点より後のキャリア半周期経過時点までの期間であることを特徴とする電力変換器の制御方法。
2. 請求項１に記載した電力変換器の制御方法において、
   前記電力変換器から零電圧を出力させる方法は、前記電力変換器を構成する各相の上アームの半導体スイッチを全て、または、各相の下アームの半導体スイッチを全て、オンさせる方法であることを特徴とする電力変換器の制御方法。
3. 電力変換器の出力電流が設定値に達したときに電流制限指令を生成する第１の手段と、 前記電力変換器を構成する半導体スイッチをオン／オフさせるための駆動信号を生成する手段であって、前記電流制限指令により、前記電力変換器を構成する全ての半導体スイッチをオフさせるようにした第２の手段と、を備えた電力変換器の制御装置であって、
   前記第２の手段が、前記電流制限指令の解除時点から、一定期間にわたり前記電力変換器から零電圧を出力させ、その後に、前記半導体スイッチを通常の制御動作に復帰させるような駆動信号を出力する制御装置において、
   前記一定期間が、前記解除時点から、前記半導体スイッチ本来のスイッチング動作を行うための駆動信号の反転時点より後のキャリア半周期経過時点までの期間であることを特徴とする電力変換器の制御装置。
4. 請求項３に記載した電力変換器の制御装置において、
   前記電力変換器から零電圧を出力させる手段として、前記電力変換器を構成する各相の上アームの半導体スイッチを全て、または、各相の下アームの半導体スイッチを全て、オンさせる手段を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。

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