JP2012070497A

JP2012070497A - インバータ装置及び制御方法

Info

Publication number: JP2012070497A
Application number: JP2010211558A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Kamezawa; 友哉亀澤; Mutsuo Tokashiki; 睦男渡嘉敷
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP5506619B2

Abstract

【課題】三相誘導電動機を駆動するインバータ装置において、三相全てをスイッチングする三相ＰＷＭ制御から一相のスイッチングを休む二相ＰＷＭ制御への遷移時にインバータ装置の出力電流が脈動し、過大な電流が流れるのを抑制する。
【解決手段】直流電圧をＰＷＭ制御によって任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ装置において、出力周波数指令と出力電圧指令からインバータの出力相電圧波形を算出する三相ＰＷＭ用相電圧波形生成処理ブロック２０１と、二相ＰＷＭ用相電圧波形生成処理ブロック２０２と、三相⇔二相遷移用相電圧波形過渡処理ブロック２０３と、で演算した相電圧波形を、切替判断処理ブロック２０４からの信号にもとづいて、ＰＷＭ出力ブロック２０５で切り替えてＰＷＭ出力生成ブロック２０７に出力し、ＰＷＭ波形を生成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、インバータ装置及びその制御方法に関する。

三相誘導電動機又は同期電動機を可変電圧可変周波数で駆動するインバータ装置は、任意の周波数の三相交流電圧を出力して電動機を制御する。三相交流電圧はインバータ装置内において、内部の直流電圧を、出力周波数及び出力電圧の各指令値に基づき、三相ある内蔵半導体素子を搬送波周波数を基準にスイッチングすることでパルス幅変調(以下PWMとする)し、擬似的な三相交流電圧として得られる。

その際、スイッチング制御を行なうマイコンの演算は、スイッチングの回数に応じた長い演算時が間必要である事、また、内蔵半導体素子はスイッチングの回数によって損失が発生し発熱をする。前記演算時間と発熱を抑制する為に、三相ある内蔵半導体素子のうち、一相のスイッチングを休むことで、スイッチングの回数を2/3に減らす事が出来る制御方式が考案されている。

図７は一般的なインバータ装置の主回路部分の構成を示している。
インバータ装置では三相(以下、それぞれU相、V相、W相とする)分の出力用スイッチング素子を有する。以下、それぞれ100、101、102、103、104、105とする。インバータ装置では交流電源106から順変換部107を通じ直流電圧が電解コンデンサ108に蓄えられる。もしくは直流電源109から電解コンデンサ108に直流電圧が蓄えられる。

上記直流電圧を100、101、102、103、104、105のスイッチング素子を制御する事で任意の周波数の三相交流電圧を出力する。このとき、インバータ装置はPWM方式(パルス幅変調方式)にて出力交流電圧を得るものとする。

三相誘導電動機を制御するインバータ装置では、出力電圧と出力周波数に比例関係、もしくはある定数に比例する関係を持たせている。それは一般的に可変周波数可変電圧(VVVF)制御と呼ばれ、出力周波数が低い時には出力電圧も低く、出力周波数が高い時には出力電圧も高い事が一般的である。前記インバータ装置は出力の線間電圧を正弦波にするように制御する。従来の三相スイッチング方式は、出力電圧、出力周波数が高くなると電解コンデンサ108に蓄えられた直流電圧の利用率が悪くなる為、周波数がある程度高くなったときに二相でのスイッチングに切替える事が〔特許文献1〕で説明されている。また、二相スイッチングに変更することで100、101、102、103、104、105のスイッチング素子もそれぞれスイッチングの回数が2/3となり、発熱を抑える事が出来る。

ただし、インバータ装置の運転中に二相スイッチングと三相スイッチングを切替えた場合、その切替時にインバータ装置の出力電流が脈動する。その結果、インバータ装置の故障や、インバータ装置に接続した三相誘導モータのトルクを脈動させる、などの問題を発生する事がある。

図1は三相スイッチング時の各出力相電圧の波形である。また、図2は二相スイッチングに遷移した後の各出力相電圧波形の一例を示す。図1と図2を比較すると、二相スイッチングを行なっている間は、スイッチングを行なっていない一つの相は60度の間、連続的にオン又はオフしている状態である事がわかる。この連続オン、オフの期間は、100、101、102、103、104、105のスイッチング素子を交互に連続オンの状態にすることにより決まる為、360°の六分割で60°と決まる。この為、出力である相電圧波形が低い周波数である場合、60°の波長も長くなる為、連続オン、オフの時間は必然的に長くなる。

インバータ装置の出力周波数が、ある任意の周波数に到達した時に、図1から図2の波形に遷移するとすれば、スイッチングを行なっていない一つの相は、スイッチングに起因する損失を低減する事が出来、インバータ装置の発熱を抑える事が出来る。しかしながら、図１から図2への切替える周波数が低い場合、三相スイッチング時の短いオン時間から、二相スイッチング時の長い連続するオン時間に急激に変化してしまう事から、インバータ装置の出力電流が瞬間的に大きくなる事がある。

図１１は従来のインバータ装置における二相スイッチングと三相スイッチングの切替のブロック図、及び図９がその概念図である。出力電圧指令と出力周波数指令の双方、もしくはどちらか一方により決定される切替ポイントによって、二相スイッチングと三相スイッチングを選択し、相電圧出力を生成する。また、この切替ポイントはヒステリシスを持つ場合もある。その結果、図９に示すように二相スイッチングと三相スイッチングは急激に切り替わる事になる。

特開平8-289588

三相誘導電動機を駆動するインバータ装置において、三相のうち一相のスイッチングを休む制御方式は(特許文献１)に紹介されている。しかしながら前記制御方法は三相全てをスイッチングする制御から一相のスイッチングを休む二相スイッチングでの制御への遷移時に、インバータ装置の出力電流が脈動し、過大な電流が流れる事がある。この電流は三相誘導電動機の出力トルクを変動させ、インバータ装置の過電流保護機能を動作させ、インバータ装置を停止させる、もしくはインバータ装置の故障に至る原因となる場合がある。本発明は上記の理由から前記電流の脈動を抑える事を課題とする。

特許文献１に開示されている通りの制御を行うにあたり、二相スイッチングから三相スイッチング、あるいは三相スイッチングから二相スイッチングへの切替時に遷移期間を設け、三相スイッチングから徐々に二相スイッチング時間を延ばしていく、あるいは二相でのスイッチングから徐々に二相でのスイッチング時間を短縮して行き、三相でのスイッチングへの切り替えることで達成される。

本発明によれば三相でのスイッチングから二相でのスイッチングへの遷移、あるいは二相でのスイッチングからから三相でのスイッチングへの遷移がスムーズになり、前記遷移時に発生する出力電流の脈動を抑制する事が出来る。

三相スイッチング時の相電圧波形二相スイッチング時の相電圧波形本発明による二相スイッチングと三相スイッチング間の遷移時の相電圧波形本発明による二相スイッチングと三相スイッチング間の遷移時の相電圧波形本発明による二相スイッチングと三相スイッチング間の遷移時の相電圧波形本発明による二相スイッチングと三相スイッチング間の遷移時の相電圧波形インバータ装置のハードウェア構成図本発明インバータ装置における相電圧指令生成ブロック図従来のインバータ装置における二相、三相スイッチングの切替概念図本発明のインバータ装置における二相、三相スイッチングの切替概念図従来のインバータ装置における相電圧指令生成ブロック図

以下実施例を図面を用いて説明する。

図８は本発明インバータ装置における二相スイッチングと三相スイッチングの切替のブロック図、及び図１０がその概念図である。図８に示すように三相⇔二相遷移過渡処理203を追加したことで、図１０に示すように、二相スイッチングから三相スイッチングへ遷移する間に過渡期を設ける。このことにより、インバータ装置の出力電流の脈動を抑制する事が可能となる。

図3は本発明による、図1から図2へ遷移する間に入れる遷移期間の波形の一例である。連続的にオンとなる時間は、図2において二相スイッチングする60°の期間の初めと終わりのそれぞれ5度のみとし、それ以外の50°は三相スイッチングを行なう事としている。例えばインバータ装置の出力周波数が0Hzから10Hzの間では図1の三相スイッチングとし、10Hzから20Hzの間はこの波形を適用する。

図4は図3の次に遷移する遷移期間の波形である。図3では5°であったが図4では10°の期間連続オンすることとしている。よって、残りの40°が三相スイッチングとなる。例えばインバータ装置の出力周波数が20Hzから30Hzの間はこの波形を適用する事とし、その後30Hzを超えたときに図2の出力電圧波形となる。

この為、連続オンする時間は全期間での二相スイッチングよりも短く出来る為、出力電流の急激な成長を抑える事が出来る。また、本実施例は2段階の遷移期間を追加しているが、任意の段階数を追加したとしても本発明の意図するところは変わらない。

本実施例では、図８における三相⇔二相遷移過渡処理203の動作として、段階的に二相スイッチングに遷移するのではなく、連続的に二相スイッチングに遷移する例を説明する。相電圧波形が、図1から図2への遷移する際に、図2に遷移した時点の連続オン時間t2を固定値とし、図3、図4の連続オン時間t3とt4の合計が常にt2と等しくなるように制御した時も本発明の意図するところは達成される。

本実施例では、図８における三相⇔二相遷移過渡処理203の動作として、三相スイッチングと二相スイッチングの遷移期間の相電圧波形において、二相スイッチングを行なう期間を60°の二相スイッチング期間の中央に設ける例を説明する。インバータ装置のハードウエアは実施例1と同じく、図７で示す。

図5は本発明による図1〜図2へ遷移する間に入れる遷移期間の波形の一例である。連続でオンとなる期間は図2において二相スイッチングする60°の期間の中心例えば30°とする。それ以外の30°は三相スイッチングを行なう。例えばインバータ装置の出力周波数が10Hzから20Hzの間はこの波形を適用する。

図6は図5の次に遷移する遷移期間の波形である。図5では30°であったが図6では50°の期間連続オンすることとしている。よって残りの10°が三相スイッチングとなる。例えばインバータ装置の出力周波数が20Hzから30Hzの間はこの波形を適用する事とし、その後30Hzを超えたときに図2の出力電圧波形となる。

本実施例では、図８における三相⇔二相遷移過渡処理203の動作として、段階的に二相スイッチングに遷移するのではなく、連続的に二相スイッチングに遷移する例を説明する。

相電圧波形が、図1から図2への遷移する際に、図2に遷移した時点の連続オン時間t2を固定値とし、図5、図6の連続オン時間t5が常にt2と等しくなるように制御した時も本発明の意図するところは達成される。

尚、本発明は上記した実施例に限定される物ではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記実施例は本発明をわかりやすく説明する為に詳細に説明した物であり、必ずしも説明した全ての構成を備える物に限定される物ではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、またある実施例の構成に他の実施例の構成を加える事も可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられる物を示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示している物ではない。

100 スイッチング素子QU(U相上側)
101 スイッチング素子QV(V相上側)
102 スイッチング素子QW(W相上側)
103 スイッチング素子QX(U相下側)
104 スイッチング素子QY(V相下側)
105 スイッチング素子QZ(W相下側)
106 三相交流電源
107 順変換部
108 平滑コンデンサ
109 直流電源
200 インバータ装置
201 三相PWM生成処理ブロック
202 二相PWM生成処理ブロック
203 三相⇔二相遷移過渡処理ブロック
204 切替判断処理ブロック
205 PWM出力切替ブロック
206 搬送波生成ブロック
207 PWM出力生成ブロック

Claims

入力された交流電圧を直流化する順変換部と、直流電圧を二相スイッチング及び三相スイッチングによるPWM制御によって任意の周波数の交流電圧に変換する為の複数のスイッチング素子を有するインバータ装置において、前記二相スイッチングと三相スイッチングの切替時に、二相スイッチングと三相スイッチングの混在する遷移期間を設け、前記遷移期間においては、三相スイッチングと二相スイッチングの間の過渡処理部で生成した電圧指令を出力する事を特徴としたインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置であって、前記過渡処理部では各相の相電圧波形のピークを中心とした６０°の範囲において、その最初と最後に二相スイッチングの範囲を設け、出力周波数指令に従い、段階的に二相スイッチングの期間を変化させていく事を特徴としたインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置であって、前記過渡処理部では、各相の相電圧波形のピークを中心とした６０°の範囲において、その最初と最後に二相スイッチングの期間を設け、その二相スイッチングをする時間を固定し、出力周波数を変化させる事で連続的に二相スイッチングに遷移することを特徴としたインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置の制御方法であって、前記過渡処理部では各相の相電圧波形のピークを中心とした６０°の範囲において、その最初と最後に二相スイッチングの範囲を設け、出力周波数指令に従い、段階的に二相スイッチングの期間を変化させていく事を特徴とする制御方法。
請求項１に記載のインバータ装置の制御方法であって、前記過渡処理部では各相の相電圧波形のピークを中心とした６０°の範囲において、その最初と最後に二相スイッチングの期間を設け、その二相スイッチングをする時間を固定し、出力周波数を変化させる事で連続的に二相スイッチングに遷移することを特徴とする制御方法。
請求項１に記載のインバータ装置の制御方法であって、前記過渡処理部では、各相の相電圧波形のピークを中心とした６０°の範囲において、その中心の一定の期間で二相スイッチングを行ない、段階的に二相スイッチングの期間を変化させていく事を特徴とした制御方法。
請求項１に記載のインバータ装置の制御方法であって、前記過渡処理部では、各相の相電圧波形のピークを中心とした６０°の範囲において、その中心の一定の期間で二相スイッチングを行ない、その時間を固定し、出力周波数を変化させる事で連続的に二相スイッチングに遷移することを特徴とした制御方法。