JP6247323B2 - インバータのトリップの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータのトリップの制御方法に関し、より詳細には、インバータの温度を考慮してインバータのトリップを制御する方法に関する。

インバータは、交流電圧を直流電圧に変換し、スイッチング素子がＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によって変換された直流電圧をスイッチングして交流電圧を生成し、生成された交流電圧を負荷に出力する回路で構成され、ユーザの所望の電圧及び周波数の交流電圧を負荷に供給し、負荷の駆動を精密に制御することができる。

このようなインバータの運転時、必要以上に高い過電流がインバータ内に流れると、インバータの温度が上昇してインバータが過熱される。このような過熱の発生時、インバータに組み込まれた保護機能によってトリップが発生する。トリップが発生すると、インバータの運転は停止する。インバータのトリップの制御（以下、単に「トリップ制御」とも称する）は、種々のタイプで具現され得るが、代表的な例としては、過熱によるトリップの発生後、リセット（Ｒｅｓｅｔ）を通してのみトリップ状態を解除できるラッチ（Ｌａｔｃｈ）タイプと、過熱が解消されると、トリップ状態が自動で解除されるレベル（Ｌｅｖｅｌ）タイプが挙げられる。

特に、ラッチタイプのトリップ制御を用いるインバータの場合、過熱によるトリップが発生すると、ユーザが直接リセット動作を行わなければならないので、不要なトリップの発生を防止する必要がある。しかし、従来の技術に係るインバータのトリップの制御方法によると、実際測定された温度ではなく、間接的に推定されたインバータの温度に基づいてインバータのトリップの発生の要否を判断するので、正確なトリップ制御が難しいという問題があった。

特開平７−１２３７３０号公報

本発明は、インバータの運転時に測定されるインバータの実際の温度を反映し、より正確にインバータのトリップの発生を制御することのできるインバータのトリップの制御方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、インバータの実際の温度の反映を通してインバータの動作点を改善することで、不要なトリップの発生を減らすと同時に、インバータの過熱時に、トリップ発生までの時間を短縮してインバータの焼損を防止することのできるインバータのトリップの制御方法を提供することを他の目的とする。

本発明の目的は、以上において言及した目的に制限されず、言及されていない本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに理解できるだろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせにより実現できることが容易に分かるだろう。

このような目的を達成するために、本発明は、スイッチング素子及び温度センシング回路を含むインバータのトリップの制御方法において、前記温度センシング回路を用いて過負荷電流測定時間の間の前記インバータの温度変化量を検出するステップ、前記温度変化量を用いて前記インバータの発熱量を決定するステップ、前記過負荷電流測定時間の間に消費される前記インバータの電気エネルギーを決定するステップ、前記発熱量及び前記電気エネルギーを用いて補償基準時間を決定するステップ、及び前記補償基準時間と前記過負荷電流測定時間との比較結果に基づいて前記インバータのトリップを発生させるステップを含むことを特徴とする。

前述したような本発明によると、インバータの運転時に測定されるインバータの実際の温度を反映し、より正確にインバータのトリップの発生を制御することのできる長所がある。

また、本発明によると、インバータの実際の温度の反映を通してインバータの動作点を改善することで、不要なトリップの発生を減らすと同時に、インバータの過熱時に、トリップの発生までの時間を短縮してインバータの焼損を防止することのできる長所がある。

本発明の一実施形態において、トリップ制御方法が適用されるインバータのパワーモジュールの回路図である。 図１のインバータに含まれたスイッチング素子のスイッチング周波数に対する基準負荷率の変化を示すグラフである。 インバータの実際負荷率によるインバータのトリップが発生するまでの時間を示すグラフである。 従来の技術に係るインバータのトリップ制御方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態において、インバータの温度を測定するために用いられる温度センシング回路の回路図である。 本発明の一実施形態に係るインバータのトリップ制御方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態において、過負荷電流測定時間の間、インバータの実際発熱量が、測定された電流により計算された電気エネルギーより大きい場合における、トリップの動作点の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態において、過負荷電流測定時間の間、インバータの温度情報による過熱判断基準が、出力電流情報による過熱判断基準より小さい場合における、トリップの動作点の変化を示すグラフである。

前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これによって、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が、本発明の技術的思想を容易に実施することができるだろう。本発明を説明するにあたって、本発明と関連した公知の技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にするおそれがあると判断される場合は、詳細な説明を省略する。以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい実施形態を詳細に説明する。図面において同一の参照符号は、同一または類似した構成要素を示すものとして用いられる。

図１は、本発明の一実施形態に係るトリップの制御方法が適用されたインバータ１０２のパワー入出力を担当するパワーモジュールの回路図である。

図１に示すように、インバータ１０２には、多数のスイッチング素子１１〜１７が含まれる。インバータ１０２において用いられるスイッチング素子１１〜１７の例示としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が挙げられるが、本実施形態において用いられるスイッチング素子１１〜１７は、これに限定されるものではない。図１に示すスイッチング素子１１〜１７は、反復的なスイッチング動作を通して直流電圧をスイッチングさせ、交流電圧を生成する。このとき、定められた時間の間、スイッチング素子１１〜１７のスイッチング回数が高いほど、言い換えると、スイッチング素子１１〜１７のスイッチング周波数が高いほど、スイッチング素子１１〜１７の発熱量が高くなり、これによって、インバータ１０２の温度も上昇することとなる。

図２は、図１のインバータ１０２に含まれるスイッチング素子１１〜１７のスイッチング周波数に対する基準負荷率の変化を示すグラフである。

本発明の一実施形態においては、インバータ１０２の実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆを基準負荷率と比較し、比較結果に基づいてインバータ１０２のトリップを制御するか否かを決定する。ここで、実際負荷率は、スイッチング素子１１〜１７に流れる出力電流Ｉ_ｏとインバータ１０２の定格電流Ｉ_ｒｅｆの比率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆで定義される。そして、基準負荷率は、インバータ１０２のトリップを制御するか否かを決定するために設定される基準値であって、基本設定値は、１００％である。

前述したように、スイッチング素子のスイッチング周波数が高くなるほど、スイッチング素子の発熱量も増加するようになる。そこで、図２に示すように、スイッチング周波数が基準周波数（例えば、６ｋＨｚ）を超える場合、基準負荷率を補正して、基準負荷率を１００％以下に低くする。

図３は、インバータ１０２の実際負荷率に対するインバータ１０２のトリップが発生するまでの時間を示すグラフである。

先に図２を通して説明したように、スイッチング素子１１〜１７のスイッチング周波数によって基準負荷率が決定される。また、前述したように、インバータ１０２の実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆを基準負荷率と比較し、比較結果に基づいてインバータ１０２のトリップを制御するか否か及びインバータ１０２のトリップが発生するまでの時間（以下、「トリップ発生時間」とも称する）が変わることとなる。図３に示すように、実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆが高くなるほど、トリップ発生時間は短くなる。

図４は、従来の技術に係るインバータのトリップの制御方法のフローチャートである。

図４を参照すると、先ず、インバータに含まれたスイッチング素子のスイッチング周波数ｆ_ｓを基準周波数ｆ_ｃと比較する（４０２）。ここで、基準周波数ｆ_ｃは、スイッチング素子のスイッチング周波数ｆ_ｓによるインバータの過熱有無を判断するための基準値であって、任意に設定され得る。仮に、スイッチング周波数ｆ_ｓが基準周波数ｆ_ｃより大きくなければ、基準負荷率は、予め設定された値（例えば、１００％）に設定される（４０４）。しかし、スイッチング周波数ｆ_ｓが基準周波数ｆ_ｃより大きければ、基準負荷率は、予め指定された割合で補正される（４０６）。

次に、ステップ４０４または４０６を通して定められた基準負荷率を、スイッチング素子に流れる出力電流Ｉ_ｏとインバータの定格電流Ｉ_ｒｅｆの比率である実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆと比較する（４０８）。仮に、実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆが基準負荷率より大きくなければ、以後のトリップ制御のステップは行われず、ステップ４０２が再び行われる。しかし、ステップ４０８で実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆが基準負荷率より大きければ、これは、インバータの過熱を意味するので、過負荷電流測定時間ｔとトリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆとの比較（４１０）を通してトリップ制御の要否判定が行われる。このとき、過負荷電流測定時間ｔは、スイッチング素子に出力電流Ｉ_ｏが流れる時間を意味し、トリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆは、下記のように定義される。

［数１］において、ｔ_ｒｅｆは、トリップ発生基準時間、Ｅ_ｒｅｆは、トリップ判断基準エネルギー、Ｃは、比例定数、Ｉ_ｏは、スイッチング素子に流れる出力電流を意味する。参考までに、［数１］は、Ｅ［Ｊ］＝Ｉ_ｏ ^２×Ｒ×ｔ（但し、Ｅは、電気エネルギー、Ｒは、インバータの抵抗値）のような数式から誘導された時間推定式である。

ステップ４１０で過負荷電流測定時間ｔがトリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆより大きくなければ、トリップ制御は行われず、ステップ４０２が再び行われる。しかし、ステップ４１０で過負荷電流測定時間ｔがトリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆより大きければ、インバータのトリップが発生し（４１２）、これによって、インバータの運転は停止する。

図４を通して説明された従来の技術によると、過負荷電流測定時間ｔをトリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆと比較して、インバータの過熱の有無及びそれによるトリップ発生の要否が決定される。このとき、トリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆは、［数１］のように、出力電流Ｉ_ｏに基づいて定義される。これは、インバータが消費する電気エネルギーが、Ｅ［Ｊ］＝Ｉ_ｏ ^２×Ｒ×ｔ（但し、Ｒは、インバータの抵抗値）のように定義され、このような電気エネルギーＥは、１Ｊ＝０．２４ｃａｌのような関係式により、インバータの発熱量Ｑに変換され得るという点に着目したものである。参考までに、インバータの発熱量Ｑ［ｃａｌ］＝ｃ×ｍ×Δｔ（但し、ｃは、インバータの比熱、ｍは、インバータの質量、Δｔは、インバータの温度変化量）と定義される。結局、インバータが消費する電気エネルギーＥを発熱量Ｑに変換することで、温度変化量Δｔの推定が可能となる。

即ち、従来の技術においては、過負荷電流測定時間ｔの間にインバータが消費する電気エネルギーＥを通して、過負荷電流測定時間ｔの間のインバータの温度変化量Δｔを推定してトリップ動作を制御する。しかし、このような従来の技術のインバータのトリップの制御方法によると、インバータの温度を直接測定するのではなく、出力電流Ｉ_ｏを通して温度変化量Δｔを推定するという点で、正確なインバータのトリップ制御が不可能である。また、従来の技術によると、Ｅ［Ｊ］＝Ｉ_ｏ ^２×Ｒ×ｔのように、負荷によるインバータの電気エネルギーの消費を抵抗の観点のみから考慮している。しかし、実際、インバータに連結される負荷（例えば、電動機）は、等価回路上の抵抗Ｒだけでなく、インダクタンスＬも含まれるので、このような電気エネルギーを用いたインバータ温度の推定は、実際の温度変化を正確に反映していない。

これに対し、本発明の一実施形態においては、インバータ１０２の温度変化を直接測定し、これをインバータ１０２のトリップ制御に反映するために、温度センシング回路を用いて、過負荷電流測定時間ｔの間、インバータ１０２の温度変化量Δｔを検出する。

図５は、本発明の一実施形態において、インバータ１０２の温度を測定するために用いられる温度センシング回路の回路図である。

図５を参照すると、本発明の一実施形態において、インバータ１０２の温度を測定するために用いられる温度センシング回路は、互いに直列に連結される第１抵抗５０２及び第２抵抗５０４、そして、第２抵抗５０４と並列に連結される第３抵抗５０６を含む。ここで、第３抵抗５０６は、測定対象、例えば、インバータ１０２の温度と反比例する抵抗値を有するＮＴＣ抵抗のような可変抵抗であってもよい。

本発明の一実施形態においては、図５のような温度センシング回路を用いてインバータ１０２の温度を測定することができる。例えば、第１抵抗５０２の抵抗値をＲ１、第２抵抗５０４の抵抗値をＲ２、第３抵抗５０６の抵抗値をＲ３とするとき、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、下記のように計算され得る。

本発明の一実施形態においては、このように出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔを予め定められたテーブル、例えば、下記［表１］のようなテーブルの出力電圧の範囲と比較して、対応する温度をインバータ１０２の温度に決定することができる。参考までに、［表１］のようなそれぞれの出力電圧の範囲及びこれに対応する温度の範囲は、実施形態によって異なるように設定され得る。

インバータ１０２の温度測定のために、本実施形態に示す図５の温度センシング回路ではなく、他の温度センシング装置が用いられてもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係るインバータ１０２のトリップの制御方法のフローチャートである。

図６を参照すると、先ず、インバータ１０２に含まれたスイッチング素子１１〜１７のスイッチング周波数ｆ_ｓを基準周波数ｆ_ｃと比較する（６０２）。仮に、スイッチング周波数ｆ_ｓが基準周波数ｆ_ｃより大きくなければ、基準負荷率は、予め設定された値（例えば、１００％）に設定される（６０４）。しかし、スイッチング周波数ｆ_ｓが基準周波数ｆ_ｃより大きければ、基準負荷率は、予め指定された割合で補正される（６０６）。

次に、ステップ６０４または６０６を通して定められた基準負荷率を、スイッチング素子１１〜１７に流れる出力電流Ｉ_ｏとインバータ１０２の定格電流Ｉ_ｒｅｆの比率である実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆと比較する（６０８）。仮に、実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆが基準負荷率より大きくなければ、以後のトリップ制御のステップは行われず、ステップ６０２が再び行われる。しかし、ステップ６０８で実際負荷率Ｉ_ｏ／Ｉ_ｒｅｆが基準負荷率より大きければ、これは、インバータ１０２の過熱を意味するので、過負荷電流測定時間ｔと補償基準時間ｔ_ｒｅｆ＋ｔ_ｃとの比較（６１０）を通してトリップ制御の要否判定が行われる。

一方、図６の実施形態においては、先に図５を通して説明したように、直接測定されたインバータ１０２の温度を用いて、過負荷電流測定時間ｔの間のインバータ１０２の温度変化量Δｔを検出し、下記のように過負荷電流測定時間ｔの間のインバータ１０２の発熱量Ｑを計算する。

ここで、ｃは、インバータ１０２の比熱、ｍは、インバータ１０２の質量、Δｔは、インバータ１０２の温度変化量を意味する。

また、過負荷電流測定時間ｔの間にインバータ１０２によって消費された電気エネルギーＥは、下記のように計算され得る。

ここで、Ｒは、インバータ１０２の抵抗値を意味する。

本発明の実施形態においては、このように計算された過負荷電流測定時間ｔの間のインバータ１０２の実際発熱量Ｑ及び計算された電気エネルギーＥを用いて、下記のように補償時間ｔ_ｃを計算する。

ここで、Ｃは、比例定数を意味する。また、インバータ１０２の計算された電気エネルギーＥ及び実際発熱量Ｑの間の差、即ち、Ｅ−Ｑを求める時は、１Ｊ＝０．２４ｃａｌまたは１ｃａｌ＝４．１８６Ｊのような関係式によって、ＱとＥの単位を一致させることができる。

このように補償時間ｔ_ｃが計算されると、本発明の実施形態においては、従来のトリップ発生基準時間ｔ_ｒｅｆ（［数１］参照）に補償時間ｔ_ｃを加算することによって補償基準時間ｔ_ｒｅｆ＋ｔ_ｃを算出し、算出された補償基準時間ｔ_ｒｅｆ＋ｔ_ｃと過負荷電流測定時間ｔとを比較して、インバータ１０２のトリップ発生の要否を判断する（６１０）。即ち、過負荷電流測定時間ｔが補償基準時間ｔ_ｒｅｆ＋ｔ_ｃより大きい場合は、インバータ１０２が過熱したとみなし、トリップを発生させてインバータ１０２を停止させ（６１２）、そうではない場合は、ステップ６０２に復帰する。

このように、本発明の実施形態においては、過負荷電流測定時間ｔの間のインバータ１０２の計算された電気エネルギーＥ及び実際発熱量Ｑの間の差Ｅ−Ｑに基づいて、トリップ発生基準時間ｔ_refに補償時間ｔ_cを加えて補償することで、従来の技術に比べてより正確なインバータ１０２のトリップ制御が可能である。

図７は、本発明の一実施形態において、過負荷電流測定時間の間のインバータ１０２の実際発熱量が、測定された電流により計算された電気エネルギーより大きい場合における、トリップの動作点の変化を示すグラフである。

前述したように、本発明の実施形態においては、インバータ１０２の計算された電気エネルギーＥ及び実際発熱量Ｑの間の差Ｅ−Ｑに基づいて算出した補償時間ｔ_cによりトリップ発生基準時間ｔ_refを補償し、これは、結果的にインバータ１０２のトリップの動作点の調節につながることとなる。例えば、インバータ１０２の実際発熱量Ｑが、計算された電気エネルギーＥより小さい場合、補償時間ｔ_cは正数になるので、補償基準時間ｔ_ref＋ｔ_cは、トリップ発生基準時間ｔ_refより大きくなる。この場合、図７のように、補償されたトリップ発生時間基準曲線７０６は、従来のトリップ発生時間基準曲線７０４に比べて右側に移動することとなる。これによって、従来のトリップ発生時間基準曲線７０４により過負荷と認知された過負荷信号７０２は、新たなトリップ発生時間基準曲線７０６により過負荷と認知されない。結局、本発明の実施形態によると、インバータ１０２の実際発熱量Ｑが、計算された電気エネルギーＥより小さい場合は、インバータ１０２の温度が正常範囲内にあるにもかかわらず、誤った温度情報の反映による不要なトリップ発生の回数が減少する効果を得ることができる。

図８は、本発明の一実施形態において、過負荷電流測定時間の間、インバータ１０２の温度情報による過熱判断基準が、出力電流情報による過熱判断基準より小さい場合における、トリップの動作点の変化を示すグラフである。

図７と逆に、インバータの実際発熱量Ｑが、計算された電気エネルギーＥより大きい場合、補償時間ｔ_cは負数になるので、補償基準時間ｔ_ref＋ｔ_cは、トリップ発生基準時間ｔ_refより小さくなる。この場合、図８のように、補償されたトリップ発生時間基準曲線８０４は、従来のトリップ発生時間基準曲線８０６に比べて左側に移動することとなる。これによって、従来のトリップ発生時間基準曲線８０６により過負荷と認知されなかった過負荷信号８０２は、新たなトリップ発生時間基準曲線８０４により過負荷と認知される。結局、本発明の実施形態において、インバータの実際発熱量Ｑが、計算された電気エネルギーＥより大きい場合は、従来のインバータ制御方法で、インバータが過熱状態であるにもかかわらず、それを正常状態と判断することによって発生していたインバータの焼損及び製品の故障を防止することができる。

前述した本発明は、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が、本発明の技術的思想を外れない範囲内で種々の置換、変形及び変更が可能であるので、前述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではない。

Claims (8)

1. スイッチング素子及び温度センシング回路を含むインバータのトリップ制御方法において、
   前記温度センシング回路を用いて過負荷電流測定時間の間の前記インバータの温度変化量を直接測定するステップ；
   前記温度変化量を用いて前記インバータの発熱量を決定するステップ；
   前記過負荷電流測定時間の間に消費される前記インバータの電気エネルギーを決定するステップ；
   前記発熱量と前記電気エネルギーとの間の差を用いて補償基準時間を決定するステップ；及び
   前記補償基準時間と前記過負荷電流測定時間との比較結果に基づいて前記インバータのトリップを発生させるステップ；
   を含む、インバータのトリップの制御方法。
2. 前記補償基準時間は、トリップ発生基準時間に補償時間を加算して決定される、請求項１に記載のインバータのトリップの制御方法。
3. 前記補償時間は、下記［数１］により決定される、請求項２に記載のインバータのトリップの制御方法。
   ［数１］
   ｔ_c＝（Ｅ−Ｑ）／（Ｃ×Ｉ_o ²）
   （但し、ｔ_cは、前記補償時間、Ｑは、前記発熱量、Ｅは、前記電気エネルギー、Ｃは、比例定数、Ｉ_oは、前記スイッチング素子に流れる出力電流である。）
4. 前記トリップ発生基準時間は、下記［数２］により決定される、請求項２に記載のインバータのトリップの制御方法。
   ［数２］
   ｔ_ref＝Ｅ_ref／（Ｃ×Ｉ_o ²）
   （但し、ｔ_refは、前記トリップ発生基準時間、Ｅ_refは、トリップ判断基準エネルギー、Ｃは、比例定数、Ｉ_oは、前記スイッチング素子に流れる出力電流である。）
5. 前記温度センシング回路は、
   互いに直列に連結される第１抵抗及び第２抵抗；及び
   前記第２抵抗と並列に連結される第３抵抗；
   を含む、請求項１に記載のインバータのトリップの制御方法。
6. 前記第３抵抗は、前記インバータの温度と反比例する抵抗値を有する可変抵抗である、請求項５に記載のインバータのトリップの制御方法。
7. 前記スイッチング素子に流れる出力電流及び前記インバータの定格電流の比率を用いて実際負荷率を計算するステップ；及び
   前記実際負荷率と基準負荷率とを比較するステップ；及び
   前記比較するステップの結果に基づいて前記インバータのトリップを制御するか否かを決定するステップ；
   をさらに含む、請求項１に記載のインバータのトリップの制御方法。
8. 前記スイッチング素子のスイッチング周波数を基準周波数と比較するステップ；及び
   前記スイッチング周波数と前記基準周波数との比較結果に基づいて前記基準負荷率を補正するか否かを決定するステップ；
   をさらに含む、請求項７に記載のインバータのトリップの制御方法。