JP6487074B2 - インバータの出力電流検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インバータの出力電流検出装置に関する。
インバータは、代表的な電力変換装置であって、交流電源を入力受けて直流電源に変換した後、電力系統を制御するために、変換された直流電源をさらに交流に変換して電力系統を制御する装置である。
インバータはファン、ポンプ、エレベーター、移送装置、生産ラインなど、産業全般にわたって様々な形態に使用される。
インバータは、交流電源を整流する整流部、整流部とインバータ部の間に配置されて整流された電源を平滑する直流リンク（ＤＣ−ｌｉｎｋ）のキャパシタ及びインバータ部を含む。
直流リンクでインバータ部に連結される出力端には、高電位側（ＤＣＰ）と低電位側（ＤＣＮ）が存在する。シャント抵抗（Ｓｈｕｎｔ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）は、低電位側に連結されて出力電流を感知する。
シャント抵抗の検出においては、サンプリング時点を選択することが重要である。これは、インバータのハードウェア（Ｈａｒｄｗａｒｅ）の構造上、パワースイッチのオン／オフ時にデッドタイム（Ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）、ターンオンタイム（Ｔｕｒｎ ｏｎ Ｔｉｍｅ）、電圧信号の安定化時間などが存在するため、これら時間に電流をサンプリングすることは、測定誤差を大きくする可能性がある。したがって、電流のサンプリングは、有効ベクトルの開始点ではなく、有効ベクトルの開始点から一定時間遅延した時点で行われる。
しかし、有効ベクトルの開始点から一定時間遅延（ｄｅｌａｙ）した後に電流のサンプリングが行われても、ハードウェア的な遅延要素によって電流検出誤差が生じ得る。
本発明が解決しようとする技術的課題は、回路遅延要素が生じた場合も、電流検出誤差を防止することができるインバータの出力電流検出装置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、本発明の一実施形態のインバータの出力電流検出装置は、直流リンクのキャパシタ出力端に連結されたシャント抵抗；前記シャント抵抗に連結されて出力電流を検出する検出部；及び前記検出部の電流サンプリング時点を調節する制御部；を含むものの、前記制御部は、スイッチング電圧に関する有効ベクトルの長さを既設定値と比較して、前記有効ベクトルの長さを変調することができる。
本発明の一実施形態において、前記シャント抵抗は低電位側に連結される。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記有効ベクトルの中間値を基準として、設定時間だけ遅延した時点で前記電流をサンプリングする。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記有効ベクトルの長さを前記有効ベクトルによる電流が安定化する時間より大きい値に変調することができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記遅延した時点を前記有効ベクトルによる電流が安定化する時間の半分より大きい値に決定することができる。
本発明は、電流検出誤差の可能性を最小限にして、インバータ部への出力電流を正確に測定できる効果がある。
本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出装置を示した図面である。 インバータ部に連結されたスイッチング素子の配置を示した図面である。 ｄｑ軸変換された電圧と、それに相当するベクトルを示した図面である。 ＰＷＭ変調されたスイッチング電圧パターンを示した図面である。 本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出方法を示した手順図である。 有効ベクトルの大きさが十分である場合の電流サンプリング時点を示した図面である。 有効ベクトルの大きさが十分でない場合のＰＷＭ変調及び電流サンプリング時点を示した図面である。
本発明は、様々な変更を加えることができ、色々な実施形態を有することができるところ、特定実施形態らを図面に例示して詳細な説明で詳説する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物ないし代替物を含むものと理解しなければならない。
以下、添付図面を参照して、本発明による望ましい一実施形態を詳説する。
図１は、本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出装置を示した図面である。
図１を参照すれば、整流部２１０は、３相交流電源３００（Ｒ相、Ｓ相及びＴ相）を整流する。整流された電源は、高電位側（ＤＣＰ）と低電位側（ＤＣＮ）を連結する直流リンク（ＤＣ−ｌｉｎｋ）でキャパシタによって平滑される。
平滑された直流電源は、インバータ部２２０に提供されて、インバータ部２２０は、直流電源をさらに３相の交流電源に切り換えて、電力系統４００に提供する。
本発明は、かかるインバータにおいて、インバータ部２２０への出力電流を検出するインバータの出力電流検出装置に関する。
インバータの出力電流検出装置は、シャント抵抗１１０、検出部１２０、制御部１３０、制御電源供給部１４０、貯蔵部１５０及び表示部１６０を含む。
シャント抵抗１１０は、キャパシタが配置された直流リンクの低電位側（ＤＣＮ）とインバータ部２２０の間に連結される。
シャント（Ｓｈｕｎｔ）抵抗１１０は、その大きさがとても低い抵抗であって、電流測定に使用されるものである。
検出部１２０は、シャント抵抗１１０及び制御部１３０と連結される。
検出部１２０は、シャント抵抗１１０両端の信号を利用して電流を検出する。検出部１２０は、電流のサンプリングを通じて電流を検出して、これを制御部１３０に提供する。
制御部１３０は、検出部１２０、表示部１６０、制御電源供給部１４０、貯蔵部１５０及びインバータ部２２０と連結される。
制御部１３０は、制御電源供給部１４０から提供される電源を利用して、検出部１２０から検出された電流を受信し、貯蔵部１５０、表示部１６０及びインバータ部２２０を制御する。
制御部１３０は、検出部１２０の電流サンプリング時点を調節する。また、制御部１３０は、スイッチング電圧に関する有効ベクトルの長さを既設定値と比較して、有効ベクトルの長さを変調する。
制御電源供給部１４０は、制御部１３０と連結されて、制御部１３０に制御に必要な電源を供給する。
貯蔵部１５０は、制御部１３０と連結されて、電流サンプリング時点に使用される遅延時間、有効ベクトルの長さに関する既設定値などを貯蔵する。
表示部１６０は、制御部１３０と連結されて、制御部１３０の制御によってサンプリングされた電流に関する情報を使用者に視覚的に表示する。
図２は、インバータ部２２０に連結されたスイッチング素子の配置を示した図面である。
図２を参照すれば、インバータ部２２０に連結されたスイッチング素子は、３相それぞれ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に対する出力線とキャパシタの高電位側の間にそれぞれ配置される上端スイッチング素子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）、及び３相それぞれ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に対する出力線とキャパシタの低電位側の間にそれぞれ配置される下端スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を含む。
本明細書の同列に配置されるスイッチング素子は、同相に対する出力線に連結されて、Ｕ相に対する上端及び下端のスイッチング素子をＳａ、Ｖ相に対する上端及び下端のスイッチング素子をＳｂ、それからＷ相に対する上端及び下端のスイッチング素子をＳｃに表示する。
スイッチング電圧に関するベクトルは、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの状態によって表す。すなわち、上端スイッチング素子をターンオン（Ｔｕｒｎ ｏｎ）する場合は１、下端スイッチング素子をターンオン（Ｔｕｒｎ ｏｎ）する場合を０に表示すれば、スイッチング電圧は１００、１００などに表す。このとき、１００は、Ｓａの上端スイッチング素子、Ｓｂの下端スイッチング素子、Ｓｃの下端スイッチング素子がターンオン（Ｔｕｒｎ ｏｎ）されたことを意味する。すなわち、１００は、Ｓ１、Ｓ５、Ｓ６がターンオン（Ｔｕｒｎ ｏｎ）された状態を意味する。
図３は、ｄｑ軸変換された電圧とそれに相当するベクトルを示した図面である。
図３を参照すれば、ｄｑ軸変換されたＶ０（０００）、Ｖ１（１００）、Ｖ２（１１０）、Ｖ３（０１０）、Ｖ４（０１１）、Ｖ５（００１）、Ｖ６（１０１）、Ｖ７（１１１）が表示されている。
Ｖ０（０００）及びＶ７（１１１）は、これによってスイッチング素子をターンオンしても、電力系統４００に電流が流れないため有効ベクトルには定義されない。
Ｖ１ないしＶ６は、有効ベクトルに定義することができ、Ｖ１とＶ２の間、Ｖ２とＶ３の間、Ｖ３とＶ４の間、Ｖ４とＶ５の間、Ｖ５とＶ６の間及びＶ６とＶ１の間をそれぞれセクター（ｓｅｃｔｏｒ）１ないし６に定義することができ、陰影区間を除く区間で出力電流を検出する。
次の表１は、各セクターに定義される有効ベクトルと、それによる検出電流、それから検出電流と３相出力電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）との関係を表す。
例えば、セクター１では、有効ベクトル１００でシャント抵抗１１０に流れる電流（ＩＤＣ）を測定すると、Ｕ相に流れる電流Ｉｕ＝ＩＤＣであることが分かる。また、有効ベクトル１１０でシャント抵抗１１０に流れる電流（ＩＤＣ）を測定すると、Ｗ相に流れる電流Ｉｗ＝−ＩＤＣからＩｗを求めることができる。セクター１において、Ｕ相に流れる電流とＷ相に流れる電流を求めたら、３相平衡であることを仮定するとき、Ｖ相に流れる電流はＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０である関係から求めることができる。
図４は、ＰＷＭ変調されたスイッチング電圧パターンを示した図面である。
図４を参照すれば、制御部１３０は、有効ベクトルの大きさ（時間的長さ）が小さく、電流のサンプリング時間を確保できない場合、スイッチング電圧に対してＰＷＭ（Ｐｈａｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調して、サンプリング時間より長い有効ベクトルの長さを確保することができる。
図５は、本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出方法を示した手順図である。
本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出方法は、本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出装置によって行うことができる。ここに、本発明の一実施形態によるインバータの出力電流検出方法は、インバータの出力電流検出装置の検出部１２０及び制御部１３０を主体として説明する。
Ｓ５０１ステップにおいて、制御部１３０は有効ベクトルの大きさを検出する。
Ｓ５０３ステップにおいて、制御部１３０は、有効ベクトルの大きさをＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさと比較する。有効ベクトルの大きさが、ＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさ以下である場合はＳ５０５ステップに進めて、以下でない場合はＳ５０７ステップに進める。
ここで、ＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさは、サンプリング時間を確保するための最小時間を考慮して設定することができる。例えば、ＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさは、電流サンプリングのための最小時間より１μｓさらに大きいものに設定することができる。但し、本発明はこれに限定されるものではない。
一方、サンプリング時間のための最小時間は、スイッチのオン／オフ時にデッドタイム（Ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）、ターンオンタイム（Ｔｕｒｎ ｏｎ Ｔｉｍｅ）、電圧信号の安定化時間を含む時間を意味する。
Ｓ５０５ステップにおいて、制御部１３０は、有効ベクトルの十分な長さを確保するためにＰＷＭ変調する。したがって、制御部１３０は、有効ベクトルの大きさをＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさに変調することができる。すなわち、制御部１３０は、電流が安定化する時間より大きい時間で有効ベクトルの大きさを変調するものである。
Ｓ５０７ステップにおいて、制御部１３０は、有効ベクトルの大きさの中間値を演算する。制御部１３０は、有効ベクトルがＰＷＭ変調されない場合にはその大きさとおり中間値を演算して、有効ベクトルがＰＷＭ変調された場合には変調された有効ベクトルに対して中間値を演算する。
Ｓ５０９ステップにおいて、制御部１３０は、有効ベクトルの中間値から遅延時間（ｄｅｌａｙ）を適用してサンプリング時点を決定する。この場合、制御部１３０は、遅延時間をＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさの半分よりやや小さい値に決定する。
例えば、制御部１３０は、サンプリングのための最小時間が１０μｓあれば、ＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさは１２μｓに決定して、遅延時間は５μｓに決定する。この場合、サンプリング時点は、有効ベクトルの大きさが１０μｓであれば、有効ベクトルは１２μｓの大きさに変調されて、中間値である６μｓから遅延時間５μｓが適用された１１μｓ時点になる。但し、本発明は、これに限定されるものではなく、遅延時間は、中間値より小さい範囲で自由に決定されてもよい。
Ｓ５１１ステップにおいて、検出部１２０は、決定されたサンプリング時点に対応して、電流をサンプリングして制御部１３０に提供する。
図６は、有効ベクトルの大きさが十分である場合の電流サンプリング時点を示した図面である。
図６を参照すれば、有効ベクトルの開始点からサンプリングのための最小時間以後（時点１（丸付き１）に該当する）にサンプリングをしても、電流の誤差が生じ得る状況を例示した。
しかし、本発明の一実施形態のように、制御部１３０は、有効ベクトルの大きさ（点線で区切った区間）の中間値（一点鎖線）から遅延時間以後（時点２（丸付き２）に該当する）をサンプリング時点に決定するため、検出される電流の誤差が減る。
図７は、有効ベクトルの大きさが十分でない場合、ＰＷＭ変調及び電流サンプリング時点を示した図面である。
図７を参照すれば、制御部１３０は、有効ベクトルの大きさが十分でなく、ＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさに有効ベクトルを変調したことが分かる。
制御部１３０は、有効ベクトルをＰＷＭ変調有効ベクトルの大きさに変調するだけでなく、変調された有効ベクトルの中間値から遅延時間以後（時点３（丸付き３）に該当する）をサンプリング時点に決定するため、他の有効ベクトルでサンプリングされるか、サンプリングされる電流値に誤差が生じることを防止することができる。
また、これを通じて、本発明は、電流検出誤差の可能性を最小限にして、インバータ部への出力電流を正確に測定することができる。
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、当該分野で通常的知識を有する者であれば、これより様々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保護範囲は、次の特許請求の範囲によって定めるべきである 。
１１０：シャント抵抗
１２０：検出部
１３０：制御部
１４０：制御電源供給部
１５０：貯蔵部
１６０：表示部
２１０：整流部
２２０：インバータ部
３００:３相交流電源
４００：電力系統

Claims (4)

  1. 直流リンクのキャパシタ出力端に連結されたシャント抵抗；
    前記シャント抵抗に連結されて出力電流を検出する検出部；及び
    前記検出部の電流サンプリング時点を調節する制御部；を含むものの、
    前記制御部は、スイッチング電圧に関する有効ベクトルの長さを既設定値と比較して、前記有効ベクトルの長さを変調し、
    前記制御部は、前記有効ベクトルの中間値を基準として、設定時間だけ遅延した時点で前記電流をサンプリングする、インバータの出力電流検出装置。
  2. 前記シャント抵抗は、低電位側に連結されたことを特徴とする、請求項１に記載のインバータの出力電流検出装置。
  3. 前記制御部は、前記有効ベクトルの長さを、前記有効ベクトルによる電流が安定化する時間より大きい値に変調することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のインバータの出力電流検出装置。
  4. 前記制御部は、前記遅延した時点を、前記有効ベクトルによる電流が安定化する時間の半分より大きい値に決定することを特徴とする、請求項１に記載のインバータの出力電流検出装置。
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