JPH03164071A - パルス幅変調形インバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は交流電動機を可変速制御するインバータ装置で
、特にパルス幅変調方式（ＰＷＭ）の電圧形インバータ
における出方電圧歪を防止する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来より、交流電動機等を駆動するインバータ装置では
、正弦波近似の出力電圧を得るために、正弦波の電圧指
令信号と、三角波の搬送波信号とを比較してパルス幅変
調（ＰＷＭ）された電圧信号を得、該信号によりインバ
ータの出力電圧及び周波数を制御する方法が知られてい
る。

第１２図は従来のＰＷＭインバータ１相分の構成を示す
。｛はトランジスタＴ，とフライホイールダイオードＦ
Ｄ等からなる主回路、２はＰＷＭ波形発生部、３は主回
路１のトランジスタＴｒｐとＴｒＮとが同時にオンにな
ることを防止するためにＰＷＭ信号に遅延時間Ｔ４を設
けるためのオンデレイ部，４はトランジスタのベースド
ライブ回路である。

第１３図はＰＷＭ制御動作を示す。ＰＷＭ信号発生部２
では電圧指令■一と搬送波Ｖｃとを比較し、上下（Ｐ，
Ｎ）のトランジスタをオン，オフする期間を制御するＰ
　Ｗ　Ｍ信号（Ｕｐｏ，　ＵＮＯ）を出力する（第１３
図（ａ），（ｂ））。さらにオンデレイ部３により上下
トランジスタの短絡を防ぐため、両トランジスタがオフ
となるオンデレイ期間Ｔｄを上記ＰＷＭ信号に考慮した
ＰＷＭ信号（ＵＰ，　ＵＮ）を出力する（第↓３図（Ｃ
））。そして、このＰＷＭ信号に基づいてベースドライ
ブ回路４によりトランジスタをオン，オフして出力電圧
をＰＷＭ制御する。

しかし、上記のようにオンデレイを設けているために、
その間間Ｔ，は上下トランジスタはオフしているが、ト
ランジスタと並列に設けられたフライホイールダイオー
ドを介して電流が流れる。

これにより、インバータ出力端電位は負荷側の出力電流
方向によって定まり、正の出力電流では負の電位に、逆
に負の出力電流では正の電位となる。

すなわち、第１３図（ｅ）のようにオンデレイ間の電圧
は出力電流１ｎに対して逆電圧となり、インバータの出
力電圧は第ｔ３図（ｄ）となる。これは理想とする第１
３図（ｂ）のＰＷＭ波形に対して、逆電圧分だけの誤差
を生じ（その誤差をオンデレイ電圧降下と呼ぶ），出力
電圧の低下や電流歪を発生する。また、オンデレイ期間
の逆電圧によってインバータ出力電圧の振幅や位相が変
化するため、電動機の乱調の発生原因にもなっている。

このオンデレイ電圧降下の補償方法が例えば特開昭６０
−１１８０８２号公報において論じられている。

この補償原理はオンデレイ回路によってＰＷＭの立上り
のパルスが第１３図（ｃ）のようにＴａ時間削られる分
を，あらかじめＰＷＭ原信号のパルス幅に補正すること
で、オンデレイによる電圧降下を補償するものである。

第１４図は補償方式のブロック図であり、オンデレイ補
償回路５１，５２はＰＷＭ原信号Ｕｐｏを共通入力とし
、補償回路５１は入力Ｕ　ｐ　ｏに対してその立上りを
オンデレイ時間だけ遅らせた出力を得，また、補償回路
５２は入力Ｕｐｏに対してその立上りをオンデレイ時間
だけ遅らせた出力を得る。

電流極性検出器６はインバータ出力電流の極性を検出し
、正極性であれば補償回路５１の出力をオンデレイ回路
３の入力とし、また、逆極性であれば補償回路５２の出
力をオンデレイ回路３とする。

これにより、出力電流極性に依存して発生するォンデレ
イ電圧降下を補償するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はオンデレイ補償回路において，ＰＷＭ信
号のパルス幅の補正時間Ｔａは一般にＴ　ａ　”Ｆ　Ｔ
　ａとした固定値が設定される。

ところで、実際に誤差電圧を発生する時間ＴＯは（１）
式で示すように、オンデレイ設定値Ｔ，からスイッチ素
子のターンオフタイムＴ。１１　とターンオンタイムＴ
　ｏ　ｎを考慮した値になる。

Ｔｏ＝　Ｔ　ｄ−　Ｔａｒｔ　＋　Ｔｏｎ　　　　　　
　　＝’　（１）ここで使用するスイッチ素子のＴｏｚ
ｉ＋　Ｔｏｎの特性が電流によって変化しないか、また
は同じ方向で変化するものであればオンデレイ補正時間
Ｔａ（＝Ｔｏ）を一定に設定しても問題がない。しかし
、特にトランジスタの場合にはスイッチング特性が第１
５図に示されるように、低電流になるに従いＴ　ｏ　ｎ
に比べＴ。Ｈが大きくなる。そのため、低電流では誤差
電圧の発生時間Ｔｏが小さくなり、オンデレイ補償時間
Ｔ＆を一定に設定していたのでは、補償電圧が過大とな
る。これにより、特に低周波数，軽負荷で電ｔｌｌ機を
駆動したときには、電動機の電圧指令Ｖｕ”よりもオン
デレイ補償電圧の方が大きくなるため、補償電圧の過補
償は電動機の過電流につながり問題となる。さらに出力
電流の変極点近傍では第９図に示すように誤差電圧に対
して補償電圧が過大となり、電流のはね上りが発生し、
正弦波に対して波形歪が生じ、これによってトルクの脈
動が発生するといった問題がある。

本発明の目的は、ＰＷＭ電圧制御におけるオンデレイ補
償を適切に行うことにより、過大電流や脈動トルクが発
生しない電動機駆動用のＰＷＭインバータを提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達或するために，インバータ出力電流の極性
と大きさ（振幅値）を検出し，オンデレイ補償回路にお
けるＰＷＭパルス幅の補正時間を電流の大きさによって
変えるようにしたものである。

また、上記目的を達成するためにインバータ出力電流の
位相を検出し、オンデレイ補償回路におけるＰＷＭパル
ス幅の補正時間を位相の大きさによって変えるようにし
たものである。

〔作用〕

本発明におけるオンデレイ補償は、ＰＷＭ電圧制御のパ
ルス幅期間を補正する．その補正時間Ｔａはインバータ
主回路のスイッチ素子の特性に合せて出力電流の振幅値
に対応して大きさが変化する。したがって、低周波数，
低電流の状態でもインバータの誤差電圧とオンデレイ補
正電流は一致するので電流の過剰や波形歪が生じること
がない。

また，出力電流の位相θＣよりオンデレイ補償する手段
によれば、出力電流の変極点０．１８０度位相近傍にお
いて，ＰＷＭパルス補正時間Ｔａが変化する。これによ
って，電流変極点近傍でのオンデレイ過補償に伴う波形
歪が解消される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。第１図はＰＷＭ’
ｌ圧制御形インバータのＰＷＭ制御回路の１相分の要部
を示す。ここでオンデレイ補償回路５１．５２はＰＷＭ
発生器２の電圧指令■。事と搬送波ＶＣによるパルス幅
変調により得るＰＷＭ波形原信号Ｕｐｏを共通入力とし
、そして、両回路からのＰＷＭ出力信号Ｕｐａはインバ
ータ出力電流極性検出器６からの極性に応じて選択され
る。さらに、そのＰＷＭ信号はオンデレイ回路３によっ
て主回路スイッチ素子の短絡防止を考慮したＰ　Ｗ　Ｍ
信号ＵＰ，ＵＮを作或し、そのＰＷＭ信号に基づきドラ
イブ回路４よりスイッチング素子を動作させる。以上の
構成は前記した第ｌ２図の従来例と同一である。本発明
はさらにオンデレイ補償回路５１．５２のオンデレイ補
正時間Ｔ＆をインバータ出力電流の大きさに応じて変化
させるため、絶対値回路７により出力電流１８の絶対値
１ｉｕを検出し、そのｌｉ．Ｉの入力の大きさに応じて
関数器８からオンデレイ補正時間Ｔａ　を出力する。

ここで、関数器８のＴａはインバータ主回路スイッチ素
子の出力電流（コレクタ電流■ｃ）とＴ。０，Ｔａｘｉ
の関係からなるスイッチング特性及びオンデレイ回路で
設定するオンデレイ時間Ｔ．に基づく（２）式の関数と
する。

’ｒａ（ｒｅ）＝Ｔｄ−Ｔｏ１ｚ（ｒｅ）＋Ｔｏｎ（Ｉ
ｃ）−（２）例えば、第ｌ５図で示すトランジスタを用
いた場合における、オンデレイ補正時間Ｔ＆の特性を求
めると概略的に第２図となり，コレクタ電流Ｉｃ　が小
さくなるに従いＴ＆も小さくなる。これは一般のトラン
ジスタでも同様な傾向を示す。

なお，関数器８の設定においては（２）式のような関数
式でもよいが、第２図の特性曲線をあらかじめテーブル
化してもよい。

次にオンデレイ補償法の動作を第３図より説明する。こ
こでは代表して出力電流が正極性の場合について述べる
。したがって、オンデレイ補償回路は５１が選択され，
オンデレイ補正時間ＴａはＰＷＭ原信号の立下り時間が
Ｔ＆時間だけ長くなる（第３図（Ｃ））。そのＴ＆の時
間は出方電流の大きさＩｃｚ，　工ｅｚ，　　Ｉｃａ・
・・の大さに応じたＴ１！，Ｔａ２＋　Ｔ’ａａ・・・
が設定される。そして、オンデレイ回路３においてはイ
ンバータ主回路の上下トランジスタＰ，Ｎをオン，オフ
するＰＷＭ信号を作成すると共に、短絡防止のためのオ
ンデレイ時間Ｔ，（デットタイム）がＰＷＭパルス立上
り点から差し引かれ（第３図（ｄ））．このＰＷＭ信号
ＵＰ，ＵＮに基づいてトランジスタをスイッチング動作
させ、出力電圧をＰＷＭ制御する。この時のＵ相のＰＷ
Ｍ出力電圧波形はトランジスタのターンオン，ターンオ
フタイムＴｏｎ＋　Ｔａｘｉの遅れを考慮すると第３図
（ｅ）となり、これは第３図（ｂ）のＰＷＭ原信号Ｕｐ
ｏと略一致した波形となる。すなわち、それはＰとＮ側
のトランジスタが同時にオフになる時間Ｔｏ　（＝　Ｔ
ｄ　Ｔｏｔｉ＋Ｔｏｎ）において逆電圧の誤差電圧が発
生するが、ＰＷＭのオン時間をＴｏと鴫等しいＴａ時間
長くして誤差電圧に相当した電圧を補償した結果である
。

したがって、本実施例によればオンデレイに伴う特に低
電流時においての出力電圧降下及び出力電流の波形歪を
防止できる効果がある。

次に本発明の変形例を第４図により説明する。

前記本発明一実施例を異なるところは、オンデレ？回路
３におけるオンデレイ時間Ｔ，の設定を、関数器９によ
りインバータ出力電流の大きさに応じて変化させるよう
にしたことにある。ここで関数器９のＴｄは第１５図で
示すようなインバータ主回路のスイッチ素子のスイッチ
ング特性（Ｉｃ−Ｔ　ｏ　ｎ　，　Ｔ　ｏ　ｔ　ｔ　）
と短絡防止時間Ｔａｏより決定され、その関数式は（３
）式で示される。

Ｔｄ（Ｉｃ）＝Ｔａｏ＋Ｔｏｚｚ（Ｉｃ）　　Ｔｏ−（
Ｉｃ）　　　”（３）なお、オンデレイ補償回路５１．
５２における，オンデレイ補正時間Ｔａは短絡防止時間
Ｔａｏを固定値で設定する。

以上の構戊によれば、使用するスイッチ素子のスイッチ
ング特性に基づいて、オンデレイ時間Ｔｄが設定される
ため，第５図中斜線部における時間（Ｔ０，■一Ｔｏｎ
）は実機スイッチ素子のスイッチング遅れ時間が相殺さ
れるため誤差電圧は発生せず、最小限に設定した短絡防
止時間Ｔａｏで誤差電圧が発生する。しかし、その電圧
分は前段階のオンデレイ補償回路５１．５２で補償する
よう設定されているので、誤差電圧による電圧降下は生
しない。

本発明によれば、インバータ主回路のスイッチ素子の電
流一スイッチング応答時間特性に合せてオンデレイ設定
時間を変化させるため、出力電流の大きさに対して誤差
電圧が一定となるという効果がある。

次に本発明の他の実施例を第６図により説明する。前記
本発明の一実施例と異なるところは、インバータ出力電
流の位相検出器１０及び関数器ｌ１により、オンデレイ
補償回路５１におけるオンデレイ補正時間Ｔａを出力電
流位相に応じて変化させることにある．ここで、関数器
１■の入出力の特性は第傑７図あるいは第８図のような
形で設定し、どちらも位相θＣが零や１８０度近傍にお
いてＴａを変化させるようにしており、第７図は連続的
に第８図はステップ的にＴａを変化させ、位相が９０’
及び２７０’においてＴａの絶対値が最大となるように
設定されている。

本発明の基動動作は第１図と同一であるが特に出力電流
の変極点近傍（例えば±１０度，１８０±１０度以内）
でのオンデレイ補償を簡易的に実現でき、また前記発明
のように出力電流の正確が値がわからなくても補償でき
るという効果がある。

また、第９図は本発明の他の実施例を示す。前記、第６
図の発明と異なるところは、インバータ出力電流の位相
検出信号θ。に基づき、その変極点から極性判別し、オ
ンデレイ補償回路５１，５２の出力を選択すると共に、
位相θＣを入方とする関数器↓２からの出力Ｔｄにより
、オンデレイ回路３のオンデレイ時間Ｔ．ｉ　を設定す
るものである。ここで、関数器ｌ２の人出力特性は第１
０図あるいは第１ｌ図のような形で設定し、どちらも位
相θ。が零や１８０度近傍においてＴ，が大きく，９０
及び２７０度において最小のオンデレイ時ｒ′ＪＪＴイ
◇とし、第１０図は連続的に、第１１図はステップ的に
Ｔ，がθＣに対して変化する。

この基本動作は第４図と同一であるが、特に出力電流の
変極点近傍（例えば±１０度，１８０±１０度以内）に
おいてのオンデレイ補償が簡易的にでき、出力電流の大
きさに対して誤差電圧を略一定にすることができるとい
う効果がある。

なお、上述した発明では、出力電流の極性と大きさ及び
位相をインバータ各相の出力電流から直接検出するよう
なブロック図で示したが、出力電流には一般にＰＷＭ電
圧制御に伴う高調波成分が基本波に重畳すること、及び
瞬時値を扱うこと等から誤動作の懸念がある。そこで出
力電流の基本波成分を以下に示すようにして検出し，こ
れに基づいて、本発明を実施してもよい。

例えば三和インバータによる電動機運転時の１次電流の
基本波成分を精度良く検出する方法としては、（４）式
により固定子座標から回転子座標（ｄ−ｑ直交座標）に
変換することで、交流量を直流量として検出できる。し
たがってこれに基づき基本波の大きさ、並びに位相は次
式より求めることができる。

・・・（４） ？こに、０：電圧位相θｓ　　９０’ これより４電流の大きさＩｔ，位相θＣはエ■＝Ｊ曹”
＋ｉｑ”　　　　　　　　　・・・（５）ｉｑ θ０＝θ＋ｊａｎ−”一　　　　　　　　　　　・・・
（６）１ｄ として得られる。

また、本発明の実施例では、パワートランジスタをイン
バータ主回路のスイッチ素子の使用例として説明したが
、他のスイッチ素子（Ｇ　Ｔ　Ｏ　，ＦＥＴ，ＩＧＢＴ
等）においても同様にこれらのスイッチング特性を本発
明の関数器８，９，１１．１２に考慮して、オンデレイ
補償時間あるいはオンデレイ時間を電流あるいは電流位
相に応じて変化させても本発明と同様な効果が得られる
ことはもちろんである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＰＷＭ電圧制御形インバータにおける
オンデレイ電圧降下を出力電流の状態に応じて補償する
ことにより，特に低周波数や軽負荷での過大電流や電流
歪及び脈動トルクが防止できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
関数器の特性図、第３図は本発明の動作の説明図、第４
図は他の実施例を示すブロック図、第５図は関数器の特
性図、第６図は他の実施例を示すブロック図、第７図，
第８図は関数器の特性図、第９図は他の実施例を示すブ
ロック図、第１０図，第１工図は関数器の特性図、第１
２図は従来のＰＷＭ制御ブロック図、第１３図はその動
作説明図，第ｌ４図は従来技術のオンデレイ補償のブロ
ック図，第１５図はトランジスタのスイッチング特性図
，第１６図は従来オンデレイ補償による動作説明図であ
る。 ３・・・オンデレイ回路、５１．５２・・・オンデレイ
補償回路、８，９，１１，１２・・・関数器。 茗１図 Ｒ ａ２　図 粥 ３ 図 錫 ４ 図 彌） ５ 図 第６ 図 第７図 第８図 ζ；９図 Ｚτ二〇図 拮１１図 ′七：１２図 第 １３ 図 男 １４ 図 コレ７？電流 工Ｃ ０４冫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可変周波数、可変電圧の交流を出力するＰＷＭ制御
   のインバータであつて、該インバータスイッチ素子の短
   絡を防止するオンデレイ（デッドタイム）によつて発生
   する電圧降下を補償するオンデレイ補償回路において、
   ＰＷＭ波形信号のパルス幅をインバータ出力電流の大き
   さ、あるいは該出力電流の位相に応じて修正するように
   したことを特徴とするパルス幅変調形インバータの制御
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記修正手段をイ
   ンバータスイッチ素子のスイッチング特性（ターンオン
   、ターンオフタイム等）に基づいてパルス幅を修正する
   ようにしたことを特徴とするパルス幅変調形インバータ
   の制御方法。 ３、可変周波数、可変電圧の交流を出力するＰＷＭ制御
   インバータであつて、該インバータのスイッチ素子の短
   絡を防止するオンデレイ回路において、ＰＷＭ波形信号
   のオンデレイ時間（Ｔ＿ｄ）をインバータ出力電流の大
   きさ、あるいは該出力電流の位相に基づいて設定するよ
   うにしたことを特徴とするパルス幅変調形インバータの
   制御方法。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記オンデレイ時
   間の設定手段をインバータスイッチ素子のスイッチング
   特性（ターンオン、ターンオフタイム等）に基づいて行
   うようにしたことを特徴とするパルス幅変調形インバー
   タの制御方法。