JP6448757B2 - インバータ制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、インバータ制御方法に関する。
一般的に、インバータは、商用交流電源を入力とし、これを直流電源に変換した後、再び電動機に適合した交流電源に変換して電動機に供給する電力変換装置である。かかるインバータは、電動機を効率的に制御することで、電動機の消耗電力を減らしてエネルギー効率を高める。
図１は、一般的なインバータの概略的な構成図である。
インバータ１００は３相のＡＣ電源を入力受けて、整流部１１０はこのようなＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、直流リンクキャパシター１２０は直流リンク電圧に貯蔵した後、インバータ部１３０はＡＣ電圧に変換して電動機２００を駆動する。インバータ１００は、普通、可変電圧可変周波数（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＶＶＶＦ）方式で制御されて、制御部のパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）出力によって、インバータ部１３０は、電動機２００に入力される電圧の大きさと周波数を可変して電動機２００の速度を制御する。
電動機２００のスリップ周波数は、インバータ１００で生成する指令周波数と電動機２００の回転速度の差に定義されて、電動機２００のスリップ周波数が大きく増加すると、過電流が発生してインバータ１００又は電動機２００に焼損が発生することになる。インバータ１００は、過電流に対する保護対策が立てられており、過電流が発生すれば、これを制御器が抑制するか又はトリップを発生させて、インバータ１００又は電動機２００を保護する。
図２は、過電流保護のためのインバータ制御を説明するための電流レベルを示したものである。
汎用インバータの過電流保護レベルは、電動機スリップ周波数を制御するソフトウェア過電流抑制（ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｖｅｒ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ）レベル、インバータ１００のＰＷＭを一時的に遮断するハードウェア過電流抑制（Ｈ／Ｗ ＯＣＳ）レベル、インバータ運転を停止する過電流トリップ（ｏｖｅｒ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒｉｐ、ＯＣトリップ）レベルからなり、そのレベルをそれぞれ比較すると図２のとおりである。汎用インバータ過電流の保護方法は、電動機スリップ周波数減殺（Ｓ／Ｗ ＯＣＳ動作）、一時的なインバータ出力遮断（Ｈ／Ｗ ＯＣＳ動作）及びインバータトリップ停止で構成される。
このうち、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ動作は、インバータ制御器がインバータ出力電流をモニタリングして、インバータ出力電流がＳ／Ｗ ＯＣＳレベル以上に上昇した場合、インバータ出力周波数を減殺して電動機スリップ周波数を減らすことである。Ｓ／Ｗ ＯＣＳレベルは、一般的にインバータの定格電流以上の固定したレベルである。
また、Ｈ／Ｗ ＯＣＳ動作は、入力電流がＨ／Ｗ ＯＣＳレベルより高い場合、制御器が一時的にインバータ１００の出力を遮断することにより、インバータ出力電流が減殺することである。インバータ制御器は、インバータ１００の３相出力電流の最大値のピークを入力受けて、一定の電流レベル以上で発生するハードウェア信号を感知し、一般的にＨ／Ｗ ＯＣＳレベルはＳ／Ｗ ＯＣＳレベルより高い。
最後に、インバータトリップ停止方式は、インバータ出力電流がＯＣトリップレベル以上である場合、制御器はトリップ信号を発生してインバータの運転を停止する。ＯＣトリップレベルは、Ｈ／Ｗ ＯＣＳレベルより高く、インバータ出力短絡のような急激な電流上昇が発生する場合、インバータを停止してインバータと電動機を保護することである。
このような制御方式において、従来のＳ／Ｗ ＯＣＳレベルは、インバータの定格電流以上で固定されている。Ｓ／Ｗ ＯＣＳ動作は、インバータ制御器が電流検出を通じて過電流を認識した後に行われ、したがって、電流検出回路のフィルター定数と電流演算時間によって遅延される。したがって、インバータの急加速によりＳ／Ｗ ＯＣＳレベルに至ったことを検出する前に過電流が発生する場合、Ｈ／Ｗ ＯＣＳレベル又はＯＣトリップレベルまでインバータ出力電流が上昇することになり、インバータと電動機に過電流による熱的ストレスを発生させるという問題点がある。
また、Ｓ／Ｗ ＯＣＳレベルが低い場合、電動機スリップ周波数の増加による過電流をＨ／Ｗ ＯＣＳレベル前に検出して、インバータ出力周波数減殺を通じて過電流を抑制することができる。但し、この場合、インバータ連続過負荷動作が Ｓ／Ｗ ＯＣＳレベルによって制限されるという問題点がある。また、Ｓ／Ｗ ＯＣＳレベルが高い場合、インバータ連続過負荷動作を増加することができるが、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ検出時間が制限されてインバータ急加速によるスリップ周波数が急変するとき、Ｈ／Ｗ ＯＣＳレベル又はＯＣトリップレベルまで電流が上昇するという問題点がある。
一方、単相入力型インバータの３相出力電流は、直流リンク電圧リップルによって不平衡が生じる。図３は、単相入力型インバータにおける出力電流の不平衡を説明するための波形図である。
Ｈ／Ｗ ＯＣＳ動作は、インバータ３相出力電流最大値のピークに基づくため、３相出力電流不平衡３Ａが生じるとき、Ｈ／Ｗ ＯＣＳレベルとＳ／Ｗ ＯＣＳレベルの間のマージンが減少し、比較的に３相出力電流の不平衡の少ない３相入力型インバータよりＨ／Ｗ ＯＣＳ動作が頻繁に発生するようになる。Ｈ／Ｗ ＯＣＳ動作は、インバータ出力を一時的に遮断する方式であるため、遮断時間の間大きい逆方向トークが印加される際には電動機スリップ周波数が大きく上昇して、持続的なＨ／Ｗ ＯＣＳ動作が発生すると電動機２００が停止するという問題点がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、ソフトウェア過電流抑制動作レベルをインバータ出力電流レベルによって可変する、インバータ制御方法を提供することである。
上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態のインバータ制御方法は、インバータの各相の出力電流から最大電流を演算する段階；前記インバータの各相の出力電流をＤＱ変換して、ＤＱ変換された出力電流に変更許容値を加算して可変レベルの上限を決定する段階；前記インバータの出力電流が可変レベルの上限に至る場合、相別最大電流と前記可変レベルの上限の差を出力周波数減殺変化量に決定する段階；及び前記出力周波数減殺変化量に基づいて、出力周波数を決定する段階を含むことができる。
本発明の一実施形態において、前記可変レベルの上限を決定する段階は、前記可変レベルの上限から可変レベルバンドを差し引きして、可変レベルの下限をさらに決定することができる。
本発明の一実施形態のインバータ制御方法は、前記インバータの出力電流が可変レベルの下限から上限まで上昇する場合、出力周波数を維持する段階をさらに含むことができる。
本発明の一実施形態のインバータ制御方法は、前記インバータの出力電流が可変レベルの下限以下に減少する場合、出力周波数を設定によって上昇し、目的周波数レベルまで増加させる段階をさらに含むことができる。
本発明の一実施形態のインバータ制御方法は、前記インバータの出力電流が可変レベルの下限を維持する場合、出力周波数を目的周波数レベルに維持する段階をさらに含むことができる。
上記のような本発明は、可変過電流抑制によるＳ／Ｗ ＯＣＳを適用するとき、電動機スリップ周波数が急変するインバータ急加速動作において、不要なインバータ出力電流の上昇を抑制させる効果がある。
また、本発明は、加速時間による電動機スリップ周波数が大きくなる、大きい慣性負荷が印加された状況においても安定的にインバータを加速することができ、可変過電流抑制によるＳ／Ｗ ＯＣＳ動作によって連続してインバータを制御することで、安定的に電動機の制御性能を確保させる効果がある。
一般的なインバータの概略的な構成図である。 過電流保護のためのインバータ制御を説明するための電流レベルを示した図面である。 単相入力型インバータにおける出力電流の不平衡を説明するための波形図である。 本発明の一実施形態の制御装置が適用されるインバータシステムを概略的に説明するための構成図である。 本発明の一実施形態のインバータ制御装置を説明するための一例示図である。 図５のレベル決定部がソフトウェア過電流抑制動作レベルを決定することを説明するための概念図である。 本発明の一実施形態のソフトウェア過電圧抑制動作を制御する過程を説明するための一例示図である。 本発明の一実施形態に従い、インバータの出力周波数を調整する方法を説明するための一例示図である。 本発明の一実施形態のインバータ制御方法を説明するための流れ図であって、制御装置１でＳ／Ｗ ＯＣＳ動作を制御することを示した図である。
本発明の構成及び効果を十分理解するために、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態らを説明する。しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に具現することができ、多様な変更を加えることができる。但し、本実施形態に対する説明は、本発明の開示を完全なものにして、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付図面において、構成要素は、説明の便宜のためそのサイズを実際より拡大して示しており、各構成要素の割合は、誇張されるか縮小され得る。
ある構成要素が他の構成要素の「上に」あるか「接して」いると記載された場合、他の構成要素の上に直接相接しているか又は連結されていてもよいが、中間にさらに他の構成要素が存在できると理解されなければならない。一方、ある構成要素が他の構成要素の「真上に」あるか「直接接して」いると記載された場合は、中間にさらに他の構成要素は存在しないと理解されてもよい。構成要素間の関係を説明する他の表現、例えば、「〜間に」や「直接〜の間に」等も同様に解釈される。
「第１」、「第２」等の用語は、多様な構成要素を説明することに使われるが、上記構成要素は、上記用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用することができる。例えば、本発明の権利範囲を脱しないながら「第１構成要素」は「第２構成要素」に命名されてもよいし、同様に「第２構成要素」も「第１構成要素」に命名されてもよい。
単数の表現は、文脈上明白に別途表現しない限り、複数の表現を含む。「含む」 又は「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品、又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためであり、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品、又はこれらを組み合わせたものが加えると解釈されてもよい。
本発明の実施形態において使われる用語は、別途定義されない限り、当該技術分野において通常の知識を有する者に通常的に知られた意味に解釈することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明することで、本発明を詳説する。
図４は、本発明の一実施形態の制御装置が適用されるインバータシステムを概略的に説明するための構成図である。
図面に示されたように、本発明の一実施形態が適用されるシステムは、３相電源３がインバータ２に印加されて、インバータ２の出力が電動機４に印加されるものであって、インバータ２の３相出力電流が制御装置１に印加されると、ＰＷＭ制御信号はインバータ２のインバータ部２Ｃに出力されてもよい。
インバータ２は、３相電源３からＡＣ電源を入力受けて、整流部２ＡはこのようなＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換して、直流リンクキャパシター２Ｂは直流リンク電圧に貯蔵した後、インバータ部２ＣはＡＣ電圧に変換して電動機４に出力することができる。
制御装置１から出力されるＰＷＭ信号は、インバータ部２Ｃの複数のスイッチング素子のオン・オフを制御して、電動機４に所定の出力周波数を有する交流電圧を出力することができる。
図５は、本発明の一実施形態のインバータ制御装置を説明するための一例示図である。
図面に示されたように、本発明の一実施形態の制御装置は、最大電流演算部１０、レベル比較部２０、比例積分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ、ＰＩ）制御器３０、出力周波数減殺変化量演算部４０、変換部５０、及びレベル決定部６０を含むことができる。
最大電流演算部１０は、インバータ２から出力される相別出力電流から最大電流を演算することができる。一方、変換部５０は、インバータ２から出力される相別出力電流をＤＱ座標軸に変換することができる。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、変換部５０は、３相出力電流を２相出力電流（例えば、αβ座標軸）に変換することができる。但し、以下では、変換部５０で相別出力電流をＤＱ座標軸に変換することを例にあげて説明する。
レベル決定部６０は、３相の平均であるＤＱ変換された出力電流から、ソフトウェア過電流抑制（Ｓ／Ｗ ＯＣＳ）動作レベルを決定することができる。
図６は、図５のレベル決定部がソフトウェア過電流抑制動作レベル（Ｓ／Ｗ ＯＣＳ）を決定することを説明するための概念図である。
図面に示されたように、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ最大電流変更許容値と、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルバンドは、予め設定されて決定部７０に貯蔵されていてもよい。決定部７０は、ＤＱ変換されたインバータ２の出力電流を受信して、これにＳ／Ｗ ＯＣＳ最大電流変更許容値を加算し、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルハイ（ＨＩＧＨ）を決定して、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルバンドを差し引きしてＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルロー（ＬＯＷ）を決定することができる。このようなレベル決定部６０は、例えばタイムインターラプトで行われてもよい。
また、図５においてレベル比較部３０は、相別最大電流とＳ／Ｗ ＯＣＳレベルの差を決定することができる。ＰＩ制御器４０は、レベル比較部３０の出力の誤差を減らすものであって、柔軟に目標値が近付く比例動作と、微細な誤差を累積しているうちに一定の値を超えると制御を開始する積分動作とが組み合わされたものである。ＰＩ制御器４０の一般的な動作は、広く知られたとおりであり、その詳説を省略する。
このように、出力周波数減殺変化量演算部５０は、相別最大電流とＳ／Ｗ ＯＣＳレベルの差を出力周波数減殺変化量に決定して、ＰＷＭ出力部８０は、出力周波数によってＰＷＭ制御信号を生成して、これをインバータ部２Ｃに出力することができる。インバータ部２Ｃの複数のスイッチング素子は、ＰＷＭ制御信号によってオン又はオフされて、変化された出力周波数を有する交流電圧を電動機４に出力することができる。
図７は、本発明の一実施形態のソフトウェア過電圧抑制動作を制御する過程を説明するための一例示図である。
本発明の一実施形態の制御装置１は、インバータの出力電流によってＳ／Ｗ ＯＣＳレベルを可変的に運営することで、不要なインバータ出力過電流を抑制することができる。可変過電流抑制によるＳ／Ｗ ＯＣＳ動作レベルは、インバータ出力電流のレベルによって可変することができ、出力電流が正常動作レベル内で増加する場合、これに比例して動作することができる。可変過電流抑制によるＳ／Ｗ ＯＣＳ動作レベルは、インバータ電流検出回路のフィルター定数と、電流演算時間７Ａによる遅延要素を考慮して設定することができる。
図８は、本発明の一実施形態に従い、インバータの出力周波数を調整する方法を説明するための一例示図である。
図面に示されたように、可変過電流抑制のためのＳ／Ｗ ＯＣＳ動作レベルは、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）とＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの下限（ＬＯＷ）からなり、本発明の一実施形態の制御装置１は、出力電流の状態によってインバータ２の出力周波数を調整することができる。
インバータ２の出力電流がＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの下限（ＬＯＷ）に進入する区間８Ａでは、制御装置１は、インバータ出力周波数を固定して、追加的な電動機４のスリップ周波数の上昇を抑制し、インバータ２の出力電流を抑制することができる。
インバータ２の出力電流がＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）に進入する区間８Ｂでは、インバータ２の出力周波数を減殺して、電動機４のスリップ周波数を減らすことで、インバータ２出力電流を減殺することができる。このとき、インバータ２の出力周波数減殺を判断するためのＳ／Ｗ ＯＣＳ ＨＩＧＨフラッグを設定して、インバータ２出力電流がＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの下限（ＬＯＷ）以下に落ちるまでインバータ２出力周波数を減殺することができる。インバータ２の出力電流がＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベル以下になると、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ ＨＩＧＨフラッグをリセットすることができる。
インバータ２の出力電流は、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）からＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの下限（ＬＯＷ）以下に減少する区間８Ｃでは、インバータ２の出力周波数を設定済み加速時間によって上昇させて、目的周波数レベル８Ｅまで増加させることができる。
インバータ２の出力電流がＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの下限（ＬＯＷ）に進入する区間８Ｄにおいて、インバータ出力周波数を目的周波数レベル８Ｅで維持することができる。
図９は、本発明の一実施形態のインバータ制御方法を説明するための流れ図であって、制御装置１でＳ／Ｗ ＯＣＳ動作を制御することを示したものである。
図面に示されたように、本発明の一実施形態の制御方法は、インバータ２に提供するＰＷＭ出力によりインバータ２が動作して（Ｓ１１）、これにより、インバータ２の出力電流が検出されると（Ｓ１２）、最大電流演算部１０は、各相の出力電流から最大電流を演算することができる（Ｓ１３）。インバータ２の各相の出力電流の最大電流によってＳ／Ｗ ＯＣＳ動作有無が判断されるが、インバータ２最大電流は、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）に至る場合、フラッグを１に設定して（Ｓ１６）、出力周波数減殺変化量を演算することができる（Ｓ１７）。
このとき、変換部５０は出力電流をＤＱ変換する（Ｓ１４）。
次いで、このＤＱ変換された出力電流をレベル決定部７０は、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ最大電流変更許容値を加算して、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルバンドを差し引きし、Ｓ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）とＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの下限（ＬＯＷ）を決定することができる（Ｓ１５）。
次いで、このように決定されたＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルバンドは、出力周波数減殺変化量の決定（Ｓ１７）に使用することができる。すなわち、出力周波数減殺変化量演算部４０は、相別最大電流とＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）の差を出力周波数減殺変化量に決定することができる。
このように、決定された減殺変化量に基づいて、出力周波数を演算することができる（Ｓ１８）。
また、Ｓ１６でインバータ２最大電流がＳ／Ｗ ＯＣＳ可変レベルの上限（ＨＩＧＨ）ではない場合、出力周波数の変化なしに出力周波数を演算することができる（Ｓ１８）。すなわち、図８の区間８Ａにおいて、出力周波数を維持しながら出力周波数を出力することができる。
このように、決定済み出力周波数を利用して、ＰＷＭ出力部７０は、インバータ２のインバータ部２Ｃに出力するためのＰＷＭ信号を出力することができる（Ｓ１９）。
本発明の一実施形態は、可変過電流抑制によるＳ／Ｗ ＯＣＳを適用するとき、電動機スリップ周波数が急変するインバータ急加速動作において、不要なインバータ出力電流の上昇を抑制することができる。
また、加速時間による電動機スリップ周波数が大きくなる、大きい慣性負荷が印加された状況においても安定的にインバータを加速することができ、可変過電流抑制によるＳ／Ｗ ＯＣＳ動作により連続してインバータを制御することで、安定的に電動機の制御性能を確保することができる。
以上、本発明による実施形態らを説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野において通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解するだろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、次の請求範囲によって定めるべきである。
１０：最大電流演算部
３０：ＰＩ制御器
４０：出力周波数減殺変化量演算部
５０：変換部
６０：レベル決定部
７０：ＰＷＭ出力部

Claims (5)

  1. インバータの各相の出力電流から最大電流を演算する段階；
    前記インバータの各相の出力電流をＤＱ変換して、ＤＱ変換された出力電流に変更許容値を加算して可変レベルの上限を決定する段階；
    前記インバータの出力電流が前記可変レベルの上限に至る場合、相別最大電流と前記可変レベルの上限の差を出力周波数減殺変化量に決定する段階；及び
    前記出力周波数減殺変化量に基づいて、出力周波数を決定する段階を含む、インバータ制御方法。
  2. 前記可変レベルの上限を決定する段階は、
    前記可変レベルの上限から可変レベルバンドを差し引きして、可変レベルの下限を決定することをさらに含む、請求項１に記載のインバータ制御方法。
  3. 前記インバータの出力電流は、前記可変レベルの下限から前記可変レベルの上限まで上昇する場合、出力周波数を維持する段階をさらに含む、請求項２に記載のインバータ制御方法。
  4. 前記インバータの出力電流が前記可変レベルの下限以下に減少する場合、前記出力周波数を設定によって上昇させ、目的周波数レベルまで増加させる段階をさらに含む、請求項２に記載のインバータ制御方法。
  5. 前記インバータの出力電流が前記可変レベルの下限を維持する場合、前記出力周波数を前記目的周波数レベルに維持する段階をさらに含む、請求項２に記載のインバータ制御方法。
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