JP6772319B2

JP6772319B2 - インバータ制御装置

Info

Publication number: JP6772319B2
Application number: JP2019033134A
Authority: JP
Inventors: チョ、ビョン−グク
Original assignee: LS Electric Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: US10615718B2; JP2019213443A; CN110557042B; US20190372480A1; KR20190136502A; ES2942550T3; CN110557042A; EP3576295B1; EP3576295A1; KR102109575B1

Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。

通常、インバータは、電気的に直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する逆変換装置である。このうち、産業界で使用されるインバータは、商用電源から供給された電力の電圧と周波数を可変して電動機に供給することで、電動機の速度を高効率に利用するように制御する一連の装置と定義され、交流電圧の大きさと周波数を制御することができるため、可変速運転が求められるシステムに広く使用されている。

インバータが適用される電動機駆動システムにおいて、インバータの入力電源が事故等の理由で減少する場合、インバータの電圧合成性能によってインバータの出力電流の大きさが異なる。同じ負荷であるという前提下で、出力電圧の大きさが大きいほど出力電流の大きさは減少し、システムの損失が減少して、電流フォルト（ｆａｕｌｔ）現象を防止することができる。これによって、減少した入力電圧に比べてインバータの出力電圧を増加させる過変調技法に対する研究が活発に行われている。

インバータの過変調技法は、大きく動的過変調方式と静的過変調方式とに分けられる。このうち、動的過変調方式は、主に瞬時制御のためのベクトル制御に適用される反面、静的過変調方式は、誘導電動機のＶ／ｆ制御技法のような正常状態運転に主に使用される。

従来の静的過変調の場合、インバータの出力電圧が増加する場合には、変調指数が所定の大きさ以上である区間で線形性が確保されない問題点がある。線形性とは、電圧指令と同じ出力電圧を合成する性質を意味し、線形性が保障されない場合、過変調領域で電圧指令より小さい出力電圧が発生する問題点があり、これによって、負荷の駆動が制限される問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、過変調区間でインバータの出力電圧を最大にして線形性を拡張するインバータ制御装置を提供することである。

課題を解決しようとする手段

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制御装置は、所定のトポロジーに配置される複数のスイッチング素子を含み、直流端電圧を受信して、前記スイッチング素子のスイッチングによって３相交流の出力電圧を生成するインバータ部；初期電圧指令が電圧制限線の内部である場合、前記初期電圧指令に相当するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を前記インバータ部の前記スイッチング素子に提供する電圧指令出力部；前記初期電圧指令が前記電圧制限線の外部である場合、前記初期電圧指令の変調指数を修正する変調指数修正部；及び修正された変調指数によって修正された初期電圧指令（修正電圧指令）を前記電圧制限線に制限して、過変調された電圧指令（過変調電圧指令）を生成する過変調電圧指令生成部を含み、前記電圧指令出力部は、前記初期電圧指令が前記電圧制限線の外部である場合、前記過変調電圧指令に相当するＰＷＭ制御信号を前記インバータ部の前記スイッチング素子に提供することができる。

本発明の一実施形態において、前記変調指数修正部は、前記過変調電圧指令によって出力される前記インバータ部の出力電圧の変調指数が前記過変調電圧指令の変調指数と線形になるように、前記初期電圧指令の変調指数を修正することができる。

本発明の一実施形態において、前記修正電圧指令は、下記式によって決定されてもよい。

（ｍは、修正された初期電圧指令の変調指数であり、Ｖ_ｄｃは、直流端電圧である。）

本発明の一実施形態において、前記過変調電圧指令生成部は、前記電圧制限線を外れた前記修正電圧指令に対して、前記インバータ部のＰＷＭスイッチング状態を維持する方式で前記過変調電圧指令を生成することができる。

本発明の一実施形態において、前記過変調電圧指令生成部は、前記修正電圧指令のうち、最大値と中間値との差が中間値と最小値との差より大きければ、前記修正電圧指令の最大値を正の直流端電圧と決定し、前記修正電圧指令のうち、最大値と中間値との差が中間値と最小値との差より小さいか同様であれば、前記修正電圧指令の最小値を負の直流端電圧と決定して、前記過変調電圧指令を生成することができる。

本発明の一実施形態において、前記変調指数修正部は、前記初期電圧指令の変調指数を下表のように修正することができる。

本発明の一実施形態において、前記電圧制限線は、インバータの入力電源の大きさによって、前記インバータ部が最大に出力できる電圧の限界線であってもよい。

本発明の一実施形態において、前記電圧制限線は、六角形状であってもよい。

上記のような本発明は、スイッチング状態維持過変調に基づいて、初期電圧指令の変調指数を修正して、修正された変調指数に相当する修正電圧指令を過変調した過変調電圧指令を生成することで、インバータの出力電圧の線形性を確保することができる効果がある。

従来の過変調制御のためのインバータシステムの制御装置を説明するためのものである。インバータ電圧制限線と電圧指令の関係を説明するための一例示図である。インバータ電圧制限線と電圧指令の関係を説明するための一例示図である。電圧制限線を外れた電圧指令を電圧制限線上に修正することを説明するための一例示図である。最小距離過変調技法における電圧指令の変調指数に対するインバータの出力電圧の変調指数を示した各例示図である。最小距離過変調技法における電圧指令の変調指数に対するインバータの出力電圧の変調指数を示した各例示図である。スイッチング状態維持過変調技法を説明するための一例示図である。スイッチング状態維持過変調技法における電圧指令の変調指数に対するインバータの出力電圧の変調指数を示した一例示図である。スイッチング状態維持過変調技法における電圧指令の変調指数に対するインバータの出力電圧の変調指数を示した一例示図である。本発明の一実施形態による過変調電圧指令の生成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よる過変調電圧指令の生成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装置を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によって出力電圧の変調指数の性能を確認するための一例示図である。

本発明の構成及び効果を十分に理解するため、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下に開示す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、種々の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にして、本発明が属する技術分野で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。添付の図面における構成要素は、説明の便宜のためその大きさを実際より拡大して示したものであり、各構成要素の割合は、誇張するか縮小してもよい。

「第１」、「第２」等の用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されてはならない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を脱しないながら、「第１の構成要素」は「第２の構成要素」に命名されてもよいし、同様、「第２の構成要素」も「第１の構成要素」に命名されてもよい。また、単数の表現は、文脈上明白に別に表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施形態において使われる用語は、別に定義されない限り、該技術分野で通常の知識を有する者に通常知られた意味に解釈される。

図１は、従来の過変調制御のためのインバータシステムの制御装置を説明するためのものである。

通常、インバータ１は、整流部１１、平滑部１２及びインバータ部１３を含む。整流部１１は、電源部２から３相交流電源を印加されて整流し、平滑部１２は、整流部１１が整流した直流電圧を平滑化して直流リンク電圧で貯蔵する。

インバータ部１３は、平滑部１２に貯蔵された直流リンク電圧をＰＷＭ制御信号に応じて所定の電圧及び周波数を有する交流電圧を出力して、これを電動機３に提供することができる。インバータ部１３は、３相のレッグで構成されており、各レッグには、２つのスイッチング素子が直列に連結されて構成されてもよい。インバータ部１３における各相のスイッチング素子は、様々なトポロジーで構成されてもよい。

このとき、インバータ部１３には、電動機３を駆動するために電圧指令が印加される。このとき、入力電源２の大きさによって最大に出力できる電圧の大きさが制限され、初期電圧指令生成部１１０の生成する電圧指令がその制限（電圧制限線）より大きくなると、インバータ１は、過変調区間で動作する。過変調が発生しないときには、初期電圧指令生成部１１０の初期電圧指令が最終電圧指令となるものの、過変調状況では、過変調電圧指令生成部１００の電圧指令が最終電圧指令となる。

従って、最終電圧指令生成部１２０は、過変調するか否かによって初期電圧指令又は過変調電圧指令を選択して、最終的に、最終電圧指令に対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を生成してインバータ部１３に伝達する。

初期電圧指令生成部１１０の３相電圧指令をＶ_ａｓ ^＊、Ｖ_ｂｓ ^＊、Ｖ_ｃｓ ^＊と定義すると、静止座標系の電圧指令Ｖ_ｄｓ ^ｓ＊、Ｖ_ｑｓ ^ｓ＊下の座標変換式によって定義されてもよい。

かかる静止座標系の電圧からなる平面上で、Ｖ_ｄｓ ^ｓ＊、Ｖ_ｑｓ ^ｓ＊及び直流リンク電圧Ｖ_ｄｃによってインバータ１が最大に出力できる電圧の制限領域を示すと、図２及び図３のとおりである。図２及び図３は、インバータの電圧制限線と電圧指令の関係を説明するための一例示図である。

図２は、インバータ１の直流端電圧の大きさが電圧指令に比べて十分大きくて、電圧指令が電圧制限線の内部に存在する状況を示して、図３は、入力電源２の減少で直流端電圧が減少して、電圧制限線の大きさも減少したか、又は電圧指令が増加して、電圧指令が制限線の外部に存在することになり、過変調区間が発生する状況を示したものである。

かかる過変調が発生する条件は、通常、インバータの変調指数ｍで表示可能であるが、変調指数は、下記のように定義することができ、インバータが最大に電圧を合成できる６ステップの運転を適用する場合、変調指数は、最大値１となる。

産業界で多く使用されている過変調技法として、電圧使用率が最大であると知られた最小距離過変調技法がある。これによれば、電圧制限線を外れた初期電圧指令（Ｖ^＊）と、電圧制限線上に存在する過変調後の電圧指令（Ｖ_ｎｅｗ ^＊）との差を最小にする方向に電圧指令が修正される。

図４は、電圧制限線を外れた電圧指令を電圧制限線上に修正することを説明するための一例示図である。図４の内容を数式に表現すれば、電圧指令間の差が数式３のように表れるが、このとき、数式４の３相平衡条件と、数式５の過変調条件を適用すれば、数式６を導出することができる。

数式６の静止座標系の電圧指令を３相電圧指令にさらに表現すれば、数式７のとおりであり、数式７のｂｏｕｎｄ関数は、数式８のように定義される。

かかる最小距離過変調を基準として、電圧指令の変調指数に対する出力電圧の変調指数を示すと、図５及び図６のとおりである。図５及び図６は、最小距離過変調技法における電圧指令の変調指数に対するインバータの出力電圧の変調指数を示した一例示図であって、図６は、図５のＡ領域を拡大して示したものである。

図５及び図６において、４Ａは、線形性を示す基準線であり、４Ｂは、最小距離過変調の性能を示すものである。図６を参照すれば、電圧指令の変調指数が約０．９０６７より大きい場合、線形性がなくなることが分かる。

さらに他の過変調技法として、スイッチング状態維持過変調技法を確認することができる。この方式は、電圧制限線を外れた初期電圧指令Ｖ^＊に対して、インバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）のスイッチング状態を最大限に維持する方式である。

図７は、スイッチング状態維持過変調技法を説明するための一例示図であって、スイッチング状態維持過変調による電圧指令の軌道を示す。図面に示したように、上述した最小距離過変調とは様相が異なることが分かる。

仮に、３相電圧指令のうち、最大値と中間値との差が中間値と最小値との差より大きければ、最大値を正の直流端電圧と決定することになり、これによって、スイッチング状態を最大限に維持することができる。

逆の場合には、３相電圧指令のうち、最小値を負の直流端電圧と決定してスイッチング状態を維持できるようになる。

このような過程を数式に表すと、数式９及び数式１０のとおりである。

図８及び図９は、スイッチング状態維持過変調技法における電圧指令の変調指数に対するインバータの出力電圧の変調指数を示した一例示図であって、図９は、図８のＢ領域を拡大して示したものである。

図８及び図９において、６Ａは、線形性の基準線を示して、６Ｂは、スイッチング状態維持過変調の性能を示したものであって、図４の最小距離過変調と同様、約０．９０６７後は、線形性がなくなることが分かる。

このように、従来の方式の過変調によれば、電圧指令の変調指数が０．９０６７以上である区間では、線形性が確保されない問題点がある。これは、電圧指令が電圧制限線を外れる場合、瞬時的にその差を補償する方向に電圧指令を修正するため、一周期時間単位に判断すれば、常に電圧指令と出力電圧の差が存在するしかないからである。すなわち、インバータ１が最大に出力できる変調指数が１になれないことを意味するため、線形性が確保されない問題点がある。

本発明は、上記のような従来の過変調方式の問題点を解決するためのものであって、過変調区間でインバータの出力電圧を最大にして、電圧指令に対する出力電圧の線形性を拡張するインバータ制御装置に関する。本発明のインバータ制御装置は、電圧指令を瞬時的に修正する従来の方式と違って、一週期時間単位を考慮し、スイッチング状態維持過変調方式を変形して過変調電圧指令を生成するようになる。

図１０及び図１１は、本発明の一実施形態による過変調電圧指令の生成を説明するための一例示図であって、図１０は、最小距離過変調での電圧指令の軌道を示して、図１１は、スイッチング状態維持過変調での電圧指令の軌道を示す。図１０及び図１１において、実線は、電圧制限線を、点線は、電圧指令を示すものである。

図１０を参照すれば、最小距離過変調の場合、電圧指令の変調指数が無限大に増加しても、電圧制限の六角形線上に沿って電圧指令が変動するため、インバータの最大電圧を出力できる６ステップの運転が不可能であることが分かる。インバータの６ステップの運転とは、３相インバータで出力の一週期に６つの均等なスイッチング区間が存在するように制御することを言うものであって、６ステップの運転の場合、インバータの最大電圧が出力される。

スイッチング状態維持過変調の場合、図７及び図１１を参照すれば、過変調状態で不連続電圧指令が生成し、最終的に、電圧制限線の六角形の６つの頂点に電圧指令を修正することができるため、６ステップの運転が可能となる。

従って、本発明の一実施形態のインバータ制御装置は、スイッチング状態維持過変調の特性を利用して、過変調区間で線形性を確保できるように従来のスイッチング状態維持過変調を変形するものである。

図１２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構成図である。

図面に示したように、本発明の一実施形態の制御装置は、インバータ１を制御するためのものであって、変調指数修正部１０、過変調電圧指令生成部２０及び電圧指令出力部３０を含んでいてもよい。

インバータ１内の整流部１１は、電源部２から３相交流電源を印加されて整流し、インバータ１内の平滑部１２は、整流部１１が整流した直流電圧を平滑化して直流リンク電圧で貯蔵することができる。

インバータ１内のインバータ部１３は、平滑部１２に貯蔵された直流リンク電圧をＰＷＭ制御信号に応じて所定の電圧及び周波数を有する交流電圧を出力して、これを電動機３に提供することができる。インバータ部１３は、３相のレッグで構成されており、各レッグには、２つのスイッチング素子が直列に連結されて構成されてもよい。インバータ部１３における各相のスイッチング素子は、様々なトポロジーで構成されてもよい。

このとき、インバータ部１３には、電動機３を駆動するために電圧指令が印加されてもよい。このとき、入力電源２の大きさによって最大に出力できる電圧の大きさが制限され、電圧指令出力部３０は、上位制御部（未図示）から電圧指令を受信して、電圧指令が電圧制限線の内部である場合（すなわち、変調指数が０．９０６７以下である場合）、電圧指令に相当するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号をインバータ１に出力することができる。インバータ１内のインバータ部１３は、電圧指令出力部３０から受信されるＰＷＭ制御信号に応じてスイッチングし、交流電圧を電動機３に出力することができる。

上位制御部（未図示）から提供される電圧指令が電圧制限線の外部である場合（すなわち、変調指数が０．９０６７以上である場合）、インバータ１は、過変調区間で動作するようになる。

図９を参照すれば、このときのスイッチング状態維持過変調の性能は、出力電圧の変調指数が０．９３５を示すため、電圧指令の変調指数より約０．０１５位小さくなる。すなわち、出力電圧の変調指数が電圧指令の変調指数と同様ではないため、線形性が確保されないわけである。仮に、実際の変調指数が０．９５である電圧指令の代わりに、仮想の変調指数が０．９８９である電圧指令を印加すれば、インバータ１の出力電圧の変調指数は、０．９５となるため、電圧指令の変調指数との線形性が確保される。

すなわち、電圧指令の変調指数が０．９５である場合、インバータが出力する出力電圧の変調指数も０．９５である場合に線形性が確保されるが、このため、本発明の一実施形態によれば、電圧指令の変調指数を０．９５の代わりに０．９８９に修正してインバータに提供することができる。これによって、出力電圧の変調指数が０．９５となり、実際の電圧指令の変調指数と一致するようになる。

すなわち、本発明の一実施形態の変調指数修正部１０は、最初電圧指令の変調指数を修正して、仮に修正された電圧指令の変調指数を出力することができる。このとき、変調指数修正部１０は、変調指数を修正するため、入力される最初電圧指令に比べて、出力電圧の変調指数を線形的に出力するための修正変調指数をテーブルに貯蔵することができる。表１は、修正変調指数の一例である。

上記表１では、３１個の地点を選定して具現したが、本発明がこれに限定されるものではなく、上下限を参照して、その中間値の場合、好適に選定されてもよい。

変調指数修正部１０によって初期電圧指令の変調指数が修正されると、数式２によって電圧指令の大きさが修正されてもよい。

過変調電圧指令生成部２０は、修正された電圧指令の大きさを用いて、修正された電圧指令が電圧制限線に制限されるように過変調された電圧指令を生成することができる。すなわち、修正電圧指令のうち、最大値と中間値との差が中間値と最小値との差より大きければ、最大値を正の直流端電圧と決定することになり、これによって、スイッチング状態を最大限に維持することができる。逆の場合は、修正電圧指令の最小値を負の直流端電圧と決定して、スイッチング状態を維持することができるようになる。

但し、本発明の過変調電圧指令生成部２０の生成する過変調電圧指令がスイッチング状態維持過変調によって電圧指令を過変調することに限定されるものではなく、最小距離過変調によっても電圧指令を過変調して出力することができる。

電圧指令出力部３０は、上述したように、上位制御部（未図示）から受信する初期電圧指令が電圧制限線の内部である場合（すなわち、変調指数が０．９０６７以下である場合）、当該初期電圧指令に相当するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号をインバータ１に出力することができる。インバータ１は、電圧指令出力部３０から受信されるＰＷＭ制御信号に応じてインバータ部１３のスイッチングを行い、交流電圧を電動機３に出力することができる。

また、電圧指令出力部３０は、上位制御部（未図示）から受信する初期電圧指令が電圧制限線の外部である場合（すなわち、変調指数が０．９０６７以上である場合）には、変調指数修正部１０によって修正された変調指数を用いて修正された電圧指令（修正電圧指令）を過変調して、過変調電圧指令生成部２０が過変調電圧指令を生成し、電圧指令出力部３０は、過変調電圧指令に相当するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号をインバータ部１３に出力することができる。インバータ部１３は、電圧指令出力部３０から受信されるＰＷＭ制御信号に応じてスイッチングして、交流電圧を電動機３に出力することができる。

図１３は、本発明の一実施形態のインバータ制御装置によって出力電圧の変調指数の性能を確認するための一例示図である。

図１３において、９Ａは、線形性基準線、９Ｂは、従来のスイッチング状態維持過変調による電圧指令の変調指数に対応する出力電圧の変調指数、９Ｃは、本発明の一実施形態による電圧指令の変調指数に対応する出力電圧の変調指数を示す。図面において、９Ａと９Ｃは、同じ軌跡を示すものであり、重なって示していることを確認することができる。

図面に示したように、本発明の一実施形態によって出力される電圧の変調指数が線形性基準線と同様となるため、インバータの出力電圧の線形性が確保されることが分かる。

以上では、本発明による実施形態を説明したが、これは、例示的なものに過ぎないし、当該分野で通常の知識を有する者であれば、これから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ことができる。従って、本発明の真の技術的保護の範囲は、次の請求範囲によって定めるべきである。

Claims

複数のスイッチング素子を含み、直流端電圧を受信して、前記スイッチング素子のスイッチングによって３相交流の出力電圧を生成するインバータ部；
初期電圧指令が電圧制限線の内部である場合、前記初期電圧指令に相当するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を前記インバータ部の前記スイッチング素子に提供する電圧指令出力部；
前記初期電圧指令が前記電圧制限線の外部である場合、予め設定された修正指数テーブルを参照してより大きく前記初期電圧指令の変調指数を修正する変調指数修正部；及び、
修正された変調指数によって修正された初期電圧指令（修正電圧指令）を前記電圧制限線に制限して、過変調された電圧指令（過変調電圧指令）を生成する過変調電圧指令生成部を含み、
前記電圧指令出力部は、前記初期電圧指令が前記電圧制限線の外部である場合、前記過変調電圧指令に相当するＰＷＭ制御信号を前記インバータ部の前記スイッチング素子に提供するインバータ制御装置。
前記変調指数修正部は、
前記過変調電圧指令によって出力される前記インバータ部の出力電圧の変調指数が前記過変調電圧指令の変調指数と線形になるように、前記初期電圧指令の変調指数を修正する、請求項１に記載のインバータ制御装置。
前記修正電圧指令は、下記数式１によって決定される、請求項１又は請求項２に記載のインバータ制御装置。
（ｍは、修正された初期電圧指令の変調指数であり、Ｖ_ｄｃは、直流端電圧である。）
前記過変調電圧指令生成部は、
前記電圧制限線を外れた前記修正電圧指令に対して、前記インバータ部のＰＷＭスイッチング状態を維持する方式で前記過変調電圧指令を生成する、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
前記過変調電圧指令生成部は、
前記修正電圧指令のうち、最大値と中間値との差が中間値と最小値との差より大きければ、前記修正電圧指令の最大値を正の直流端電圧と決定し、前記修正電圧指令のうち、最大値と中間値との差が中間値と最小値との差より小さいか同様であれば、前記修正電圧指令の最小値を負の直流端電圧と決定して、前記過変調電圧指令を生成する、請求項４に記載のインバータ制御装置。
前記変調指数修正部は、
前記初期電圧指令の変調指数を下表１のように修正する、請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
前記電圧制限線は、
インバータの入力電源の大きさによって前記インバータ部が最大に出力できる電圧の限界線である、請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載のインバータ制御装置。
前記電圧制限線は、六角形状である、請求項７に記載のインバータ制御装置。