JP2005304248A - Motor drive inverter control device and electrical equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】極めて小容量のリアクタ11と、インバータ3の直流母線間に極めて小容量のコンデンサ12を設けたモータ駆動用インバータで、PN電圧予測手段19において、インバータ3が、実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を直流電圧検出値の時系列データから求め、インバータ直流電圧が上昇中に必要以上のモータ電圧が印可されないようにして、モータ4に適正な電流を流すことによって、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置においても、過電流保護停止動作に至りにくいシステム構築ができるものである。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a motor drive inverter control device that is small, light, and low in cost.
An inverter for driving a motor having a very small capacity reactor and a capacitor having a very small capacity between DC buses of the inverter. In a PN voltage predicting means, the inverter actually outputs a voltage. By calculating the predicted DC voltage value at the timing from the time-series data of the detected DC voltage value and applying an appropriate current to the motor 4 so that an excessive motor voltage is not applied while the inverter DC voltage is rising, a small size can be obtained.・ Even in a lightweight and low-cost motor drive inverter control device, it is possible to construct a system that does not easily cause an overcurrent protection stop operation.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いたモータ駆動用インバータ制御装置に関するものである。 The present invention relates to a motor drive inverter control device using a small capacity reactor and a small capacity capacitor.
汎用インバータなどで用いられている一般的なモータ駆動用インバータ制御装置として、図8に示すようなモータ駆動用インバータ制御装置がよく知られている。 As a general motor drive inverter control device used in a general-purpose inverter or the like, a motor drive inverter control device as shown in FIG. 8 is well known.
図8において、主回路は直流電源装置113と、インバータ3とモータ4とから構成されており、直流電源装置113については、交流電源1と、整流回路2と、インバータ3の直流電圧源のために電気エネルギーを蓄積する平滑コンデンサ112と、交流電源1の力率改善用リアクタ111から構成されている。
In FIG. 8, the main circuit is composed of a DC power supply device 113, an
一方、制御回路では、外部から与えられたモータ4の速度指令 に基づいてモータ4の各相電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段14と、モータ電圧作成手段14から作成された各相電圧指令値に基づいてインバータ3のPWM信号を生成するPWM制御手段18から構成されている。
On the other hand, in the control circuit, motor
ここで、交流電源1が220V(交流電源周波数50Hz)、インバータ3の入力が1.5kW、平滑コンデンサ112が1500μFのとき、力率改善用リアクタ111が5mHおよび20mHの場合における交流電源電流の高調波成分と交流電源周波数に対する次数との関係を図9に示す。
Here, when the
図9はIEC(国際電気標準会議)規格と併せて示したもので、力率改善用リアクタ111が5mHの場合には特に第3高調波成分がIEC規格のそれを大きく上回っているが、20mHの場合には40次までの高調波成分においてIEC規格をクリアしていることがわかる。
FIG. 9 is shown together with the IEC (International Electrotechnical Commission) standard. When the power
そのため特に高負荷時においてもIEC規格をクリアするためには力率改善用リアクタ111のインダクタンス値をさらに大きくするなどの対策を取る必要があり、インバータ装置の大型化や重量増加、さらにはコストUPを招くという不都合があった。
For this reason, it is necessary to take measures such as further increasing the inductance value of the power
そこで、力率改善用リアクタ111のインダクタンス値の増加を抑え、電源高調波成分の低減と高力率化を達成する直流電源装置として、図10に示すように記載されている直流電源装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
Therefore, a direct current power supply device described as shown in FIG. 10 is proposed as a direct current power supply device that suppresses an increase in inductance value of the power
図10において、交流電源1の交流電源電圧を、ダイオードD1〜D4をブリッジ接続してなる全波整流回路の交流入力端子に印加し、その出力をリアクトルLinを介して中間コンデンサCに充電し、この中間コンデンサCの電荷を平滑コンデンサCDに放電して、負荷抵抗RLに直流電圧を供給する。この場合、リアクトルLinの負荷側と中間コンデンサCを接続する正負の直流電流経路にトランジスタQ1を接続し、このトランジスタQ1をベース駆動回路G1で駆動する構成となっている。
In FIG. 10, the AC power supply voltage of the
また、ベース駆動回路G1にパルス電圧を印加するパルス発生回路I1、I2と、ダミー抵抗Rdmとをさらに備えており、パルス発生回路I1、I2は、それぞれ交流電源電圧のゼロクロス点を検出する回路と、ゼロクロス点の検出から交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサCの両端電圧と等しくなるまでダミー抵抗Rdmにパルス電流を流すパルス
電流回路とで構成されている。
The circuit further includes pulse generation circuits I1 and I2 for applying a pulse voltage to the base drive circuit G1, and a dummy resistor Rdm. The pulse generation circuits I1 and I2 are circuits for detecting a zero cross point of the AC power supply voltage, respectively. From the detection of the zero cross point, the pulse current circuit is configured to flow a pulse current through the dummy resistor Rdm until the instantaneous value of the AC power supply voltage becomes equal to the voltage across the intermediate capacitor C.
ここで、パルス発生回路I1は交流電源電圧の半サイクルの前半にてパルス電圧を発生させ、パルス発生I2は交流電源電圧の半サイクルの後半にてパルス電圧を発生させるようになっている。 Here, the pulse generation circuit I1 generates a pulse voltage in the first half of the half cycle of the AC power supply voltage, and the pulse generation I2 generates a pulse voltage in the second half of the half cycle of the AC power supply voltage.
なお、トランジスタQ1をオン状態にしてリアクトルLinに強制的に電流を流す場合、中間コンデンサCの電荷がトランジスタQ1を通して放電することのないように逆流防止用ダイオードD5が接続され、さらに、中間コンデンサCの電荷を平滑コンデンサCDに放電する経路に、逆流防止用ダイオードD6と、平滑効果を高めるリアクトルLdcが直列に接続されている。 When the transistor Q1 is turned on and a current is forced to flow through the reactor Lin, a backflow prevention diode D5 is connected so that the charge of the intermediate capacitor C is not discharged through the transistor Q1, and further, the intermediate capacitor C A backflow prevention diode D6 and a reactor Ldc for enhancing the smoothing effect are connected in series to a path for discharging the electric charge of the current to the smoothing capacitor CD.
上記の構成によって、交流電源電圧の瞬時値が中間コンデンサCの両端電圧を超えない位相区間の一部または全部においてトランジスタQ1をオン状態にすることによって、装置の大型化を抑えたままで、高調波成分の低減と高力率化を達成することができる。
しかしながら、上記従来の構成では、容量の大きな平滑用コンデンサCDとリアクトルLin(特許文献1では1500μF、6.2mH時のシミュレーション結果について記載されている)とを依然として有したままであり、さらに中間コンデンサCとトランジスタQ1とベース駆動回路G1とパルス発生回路I1、I2とダミー抵抗Rdmと逆流防止用ダイオードD5、D6と平滑効果を高めるリアクトルLdcとを具備することで、装置の大型化や部品点数の増加に伴なうコストUPを招くという課題を有していた。 However, the above-described conventional configuration still has the smoothing capacitor CD having a large capacity and the reactor Lin (described in the simulation result at 1500 μF and 6.2 mH in Patent Document 1), and further the intermediate capacitor. C, transistor Q1, base drive circuit G1, pulse generation circuits I1 and I2, dummy resistor Rdm, backflow prevention diodes D5 and D6, and a reactor Ldc that enhances the smoothing effect, thereby increasing the size of the device and the number of parts. There has been a problem of incurring a cost increase accompanying the increase.
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を提供することを目的とする。 The present invention solves such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a motor drive inverter control device that is small, light, and low in cost.
上記課題を解決するために本発明は、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジ、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量リアクタで構成される整流回路と、直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータにより変換された交流電力により駆動するモータと、前記インバータの直流母線間に設けた小容量のコンデンサと、前記インバータの直流電圧値を検出するPN電圧検出手段と、前記PN電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値の時系列データから前記インバータが実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を演算するPN電圧予測手段と、外部から与えられる前記モータの速度指令値に基づき、前記モータの各相電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値と前記PN電圧予測手段から得られる前記インバータの直流電圧予測値との比較からPN電圧補正係数を導出するPN電圧補正手段と、前記モータ電圧指令作成手段から得られる各相電圧指令値と、前記PN電圧補正手段の出力値であるPN電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なうモータ電圧指令補正手段とを備えたモータ駆動用インバータ制御装置である。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an AC power source as an input, a rectifier circuit including a diode bridge, a small-capacity reactor connected to an AC input side or a DC output side of the diode bridge, and DC power to AC An inverter that converts power, a motor that is driven by AC power converted by the inverter, a small-capacitance capacitor provided between the DC buses of the inverter, and a PN voltage detection means that detects a DC voltage value of the inverter PN voltage prediction means for calculating a DC voltage prediction value at a timing at which the inverter actually outputs a voltage from time series data of the DC voltage detection value of the inverter obtained from the PN voltage detection means; Based on the speed command value of the motor, the motor voltage command value that creates the voltage command value for each phase of the motor is generated. PN voltage correction means for deriving a PN voltage correction coefficient from a comparison between a preset DC voltage reference value of the inverter and a DC voltage prediction value of the inverter obtained from the PN voltage prediction means, and the motor voltage Motor voltage command correction means for correcting each phase voltage command value by multiplying each phase voltage command value obtained from the command creation means by a PN voltage correction coefficient that is an output value of the PN voltage correction means. This is an inverter controller for driving a motor.
この構成によって、小容量コンデンサおよび小容量リアクタを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現し、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータ駆動の維持を図ることができる。 With this configuration, a small, lightweight, and low cost motor drive inverter control device is realized by using a small capacitor and small capacitor, and the inverter DC voltage fluctuates greatly, making it difficult or impossible to drive the motor. Even in this case, it is possible to maintain the motor drive by operating the inverter so that the voltage applied to the motor is substantially constant.
本発明によれば、小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a motor drive inverter control device that is small, light, and low in cost.
第1の発明は、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジ、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量リアクタで構成される整流回路と、直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータにより変換された交流電力により駆動するモータと、前記インバータの直流母線間に設けた小容量のコンデンサと、前記インバータの直流電圧値を検出するPN電圧検出手段と、前記PN電圧検出手段から得られる前記インバータの直流電圧検出値の時系列データから前記インバータが実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を演算するPN電圧予測手段と、外部から与えられる前記モータの速度指令値に基づき、前記モータの各相電圧指令値を作成するモータ電圧指令作成手段と、予め設定された前記インバータの直流電圧基準値と前記PN電圧予測手段から得られる前記インバータの直流電圧予測値との比較からPN電圧補正係数を導出するPN電圧補正手段と、前記モータ電圧指令作成手段から得られる各相電圧指令値と、前記PN電圧補正手段の出力値であるPN電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なうモータ電圧指令補正手段とを備えたものである。 A first invention is a rectifier circuit comprising an AC power supply as an input, a diode bridge, a small capacity reactor connected to the AC input side or DC output side of the diode bridge, and an inverter for converting DC power to AC power A motor driven by AC power converted by the inverter, a small-capacitance capacitor provided between the DC buses of the inverter, PN voltage detection means for detecting a DC voltage value of the inverter, and the PN voltage detection PN voltage prediction means for calculating a DC voltage prediction value at a timing at which the inverter actually outputs a voltage from time series data of the DC voltage detection value of the inverter obtained from the means, and a speed command value of the motor given from the outside Motor voltage command generating means for generating each phase voltage command value of the motor based on PN voltage correction means for deriving a PN voltage correction coefficient from a comparison between the DC voltage reference value of the inverter and the DC voltage prediction value of the inverter obtained from the PN voltage prediction means, and obtained from the motor voltage command preparation means. Motor voltage command correction means for correcting each phase voltage command value by multiplying each phase voltage command value by a PN voltage correction coefficient that is an output value of the PN voltage correction means.
これにより、各相電圧指令値の補正を行なうモータ電圧指令補正手段とを備えることにより、小容量コンデンサおよび小容量リアクタにより小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータの駆動を維持することが可能である。 Thus, by providing a motor voltage command correction means for correcting each phase voltage command value, a small, lightweight and low cost motor drive inverter control device can be realized by a small capacitor and a small reactor, and an inverter DC Even when the voltage fluctuates greatly and it becomes difficult or impossible to drive the motor, it is possible to operate the inverter so that the voltage applied to the motor becomes substantially constant and to keep the motor driven.
また、モータ電流のピークが抑えられることによって、過電流保護停止動作に至らない運転領域が拡大できるとともに、インバータの電流容量を下げることができればより安価なシステム構築が可能となる。本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、PN電圧補正手段によりモータに印加する電圧をほぼ一定にすることでモータの駆動を維持することが可能となる。 Further, by suppressing the peak of the motor current, it is possible to expand the operation region where the overcurrent protection stop operation does not occur, and it is possible to construct a cheaper system if the current capacity of the inverter can be reduced. The motor drive inverter control device of the present invention can realize a small, light, and low cost motor drive inverter control device by using a small-capacity reactor and a small-capacitance capacitor. Even when the driving is difficult or impossible, the driving of the motor can be maintained by making the voltage applied to the motor almost constant by the PN voltage correcting means.
さらに、PN電圧予測手段においてインバータが実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を直流電圧検出値の時系列データから導出しているため、インバータ直流電圧が上昇中において必要以上のモータ電圧を印可することなく、モータに適正な電流を流すことができるので、過電流保護停止動作に至らない運転領域が拡大するという効果、更にはインバータの電流容量を下げることによってより安価なシステムが構築できるという効果を奏する。 Furthermore, since the predicted DC voltage at the timing when the inverter actually outputs voltage is derived from the time series data of the detected DC voltage in the PN voltage predicting means, an unnecessarily high motor voltage can be obtained while the inverter DC voltage is rising. Since an appropriate current can be supplied to the motor without applying it, the effect of expanding the operating range that does not lead to overcurrent protection stop operation can be achieved, and a more inexpensive system can be constructed by lowering the current capacity of the inverter. There is an effect.
第2の発明は、外部から与えられるモータの速度指令値から求まるインバータ運転周波数が、交流電源周波数の偶数倍となる共振周波数と、前記共振周波数を中心としてその前後に予め設定された周波数幅を持たせた周波数範囲内で、定常的に固定されるのを回避することを特徴とするもので、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することができる。 According to a second aspect of the present invention, an inverter operating frequency obtained from an externally provided motor speed command value is a resonance frequency that is an even multiple of an AC power supply frequency, and a frequency width that is set in advance around the resonance frequency. It is characterized by avoiding being fixed steadily within the given frequency range, preventing the unstable phenomenon of the motor by avoiding the resonance phenomenon between the inverter frequency and the AC power supply frequency, Stable driving can be realized.
第3の発明は、小容量リアクタと小容量コンデンサとの共振周波数が、交流電源周波数の40倍よりも大きくなるように、前記小容量リアクタおよび前記小容量コンデンサの組み合わせを決定することを特徴とするもので、交流電源電流の高調波成分を抑制し、IEC規格をクリアすることができる。 3rd invention determines the combination of the said small capacity reactor and the said small capacity capacitor so that the resonant frequency of a small capacity reactor and a small capacity capacitor may become larger than 40 times the alternating current power supply frequency, Therefore, the harmonic component of the AC power supply current can be suppressed and the IEC standard can be cleared.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
本発明の第1の実施の形態を示すモータ駆動用インバータ制御装置のシステム構成図を図1に示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a system configuration diagram of a motor drive inverter control apparatus showing a first embodiment of the present invention.
図1において、主回路は交流電源1と、交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ2と、2mH以下の小容量リアクタ11と、100μF以下の小容量コンデンサ12と、直流電力を交流電力に変換するインバータ3と、インバータ3により変換された交流電力により駆動するモータ4から構成されている。
In FIG. 1, the main circuit is an
一方、制御回路では、外部から与えられるモータ4の速度指令ω*に基づいてモータ4の各相電圧指令値を作成するモータ電圧作成手段14と、インバータ3の直流電圧値を検出するPN電圧検出手段15と、インバータ3が実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を演算するPN電圧予測手段19と、予め設定されたインバータ3の直流電圧基準値をPN電圧予測手段19から得られるインバータ3の直流電圧予測値で除算することによりPN電圧補正係数を導出し、直流電圧検出値がゼロ以下の場合にはPN電圧補正係数に予め設定されたPN電圧補正係数の最大値を設定するPN電圧補正手段16と、モータ電圧指令作成手段14から得られる各相電圧指令値とPN電圧補正手段16の出力値であるPN電圧補正係数とを乗算することにより各相電圧指令値の補正を行なうモータ電圧指令補正手段17と、モータ電圧指令補正手段17から作成されたモータ電圧指令補正値がモータ4に印加されるようなインバータ3のPWM信号を生成するPWM制御手段18から構成されている。
On the other hand, in the control circuit, motor voltage generating means 14 for generating each phase voltage command value of the
PN電圧検出手段15においてはノイズ除去を目的としたローパスフィルタが具備されているのが望ましく、さらに、このローパスフィルタをマイコンやDSPなどの演算装置にて実現されるデジタルフィルタであればコスト的にも有利である。 The PN voltage detection means 15 is preferably provided with a low-pass filter for the purpose of noise removal. Further, if the low-pass filter is a digital filter realized by an arithmetic unit such as a microcomputer or DSP, the cost is low. Is also advantageous.
以下に、具体的な動作、演算方法について説明する。 Specific operations and calculation methods will be described below.
モータ電圧指令作成手段14では式(1)で表される演算により各相電圧指令値を作成する。
The motor voltage
ここで、Vmはモータ電圧値であり、また、式(2)で表されるように速度指令ω*を時間積分することで導出する。 Here, Vm is a motor voltage value, and is derived by time-integrating the speed command ω * as represented by Expression (2).
また、図2は本発明に係るPN電圧補正手段16の第1の実施例を示した図で、PN電圧補正手段16では予め設定されたインバータ3の直流電圧基準値VpnoとPN電圧予測手段19から得られるインバータ3の直流電圧予測値Vpnを用いて式(3)のようにPN電圧補正係数Kpnを導出する。
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the PN voltage correcting means 16 according to the present invention. In the PN voltage correcting means 16, the preset DC voltage reference value Vpno of the
ここで、本発明では小容量コンデンサを用いているため、直流電圧予測値がゼロとなる場合が生じるので、ゼロ割防止のための微小項を設定しておく必要がある。なお、式(3)の微小項の代わりに、直流電圧予測値がゼロ以下の場合においてPN電圧補正係数に予め設定されたPN電圧補正係数の最大値を設定することでゼロ割防止を図ることができる。 Here, since a small-capacitance capacitor is used in the present invention, there is a case where the predicted DC voltage value becomes zero, so it is necessary to set a minute term for preventing zero splitting. It should be noted that, instead of the minute term in equation (3), when the predicted DC voltage value is less than or equal to zero, the maximum value of the preset PN voltage correction coefficient is set as the PN voltage correction coefficient to prevent zero splitting. Can do.
即ち、式(4)のようにPN電圧補正係数Kpnを導出しても良い。 That is, the PN voltage correction coefficient Kpn may be derived as shown in Equation (4).
ここで、Kpn_maxは予め設定されたPN電圧補正係数の最大値である。 Here, Kpn_max is a maximum value of a preset PN voltage correction coefficient.
また、モータ電圧指令補正手段17では各相電圧指令値とPN電圧補正係数を用いて式(5)のようにモータ電圧指令補正値を導出する。 Further, the motor voltage command correction means 17 derives a motor voltage command correction value as shown in Equation (5) using each phase voltage command value and the PN voltage correction coefficient.
以上により、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなモータ駆動用インバータ制御装置を実現でき、インバータ直流電圧が大幅に変動してモータの駆動が困難あるいは不可能となる場合でも、モータに印加する電圧がほぼ一定となるようにインバータを動作させ、モータの駆動を維持することが可能となる。 As described above, by using a small capacity reactor and a small capacity capacitor, it is possible to realize a motor drive inverter control apparatus that is small, light, and low in cost, and the inverter DC voltage fluctuates greatly, making it difficult or impossible to drive the motor. Even in this case, the inverter can be operated so that the voltage applied to the motor is substantially constant, and the motor can be maintained.
さらに、PN電圧予測手段19の動作について説明する。 Further, the operation of the PN voltage predicting means 19 will be described.
図3は、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置に用いたマイクロコンピュータのモータ制御用PWMタイマの動作を示したものである。 FIG. 3 shows the operation of the motor-control PWM timer of the microcomputer used in the motor drive inverter control apparatus of the present invention.
PWMタイマのカウント値は、アップダウン動作を繰り返し、PWM出力のデューティ値が反映されるのはダウンカウントからアップカウントへ移行するタイミング、すなわちPWMタイマがアンダーフローしたタイミングとなっている。 The count value of the PWM timer repeats the up / down operation, and the duty value of the PWM output is reflected at the timing of shifting from the down count to the up count, that is, the timing at which the PWM timer underflows.
先ずは、PN電圧予測手段19を設けなかったときの動作について説明する。 First, the operation when the PN voltage predicting means 19 is not provided will be described.
図3の1のタイミングにおいて、PN電圧検出手段15によりインバータ3の直流電圧値が検出される。その後3のタイミングまでに、PN電圧補正手段16やモータ電圧指令補正手段17などでの演算が行われ、3のタイミングにおいて、最終的にPWM制御手段18によって生成されたインバータ3のPWM信号が出力されることになる。このように、1のタイミングで検出されたインバータ3の直流電圧値を基に補正演算されたPWM信号が出力されるのは3のタイミングであり、1キャリア周期分の制御遅れが生じてしまう。
At the timing of 1 in FIG. 3, the PN voltage detection means 15 detects the DC voltage value of the
本発明においては、極めて小容量のリアクタ11とコンデンサ12によって主回路が構成されているため、インバータ直流電圧が大幅に変動することになり、上述した1キャリア周期分の制御遅れによって生じるインバータ直流電圧の変化が無視できないものになるのである。
In the present invention, since the main circuit is constituted by the reactor 11 and the
図4は、交流電源1の電圧が200V、周波数が50Hz、インバータ3のPWM信号のキャリア周波数を5kHzとしたときのキャリア周期毎に検出されるインバータ3の直流電圧値をプロットしたものである。上記の条件によれば、1キャリア周期の期間中に最大18V程度の直流電圧値の変化が発生することが図4から分かる。
FIG. 4 is a plot of the DC voltage value of the
例えば、予め設定したインバータ3の直流電圧基準値が280V、図3における1のタイミングでの直流電圧値を18V、同じく3のタイミングでの直流電圧値を36Vであっ
たとすると、タイミング4における式(4)から求まるPN電圧補正係数は本来7.78(=280/36)でなければならないが、1キャリア周期前の1のタイミングで得られた直流電圧値によって演算されるため15.56(=280/18)となってしまい、PN電圧補正係数が2倍異なることになる。
For example, if the preset DC voltage reference value of the
PN電圧補正係数が2倍異なるということは、その後モータ電圧指令補正手段17で演算されるモータ電圧指令補正値が各相電圧指令値とPN電圧補正係数を式(5)のように乗算して求められることから、モータ4への最終的な出力電圧が2倍大きくなる結果を招いてしまう。
The fact that the PN voltage correction coefficient is two times different means that the motor voltage command correction value calculated by the motor voltage command correction means 17 is multiplied by each phase voltage command value and the PN voltage correction coefficient as shown in Equation (5). As a result, the final output voltage to the
特に、インバータ3の直流電圧値が上昇しているときにはPN電圧補正係数が大きめに計算されてしまうため、必要以上の電圧をモータ4へ与えることになり、モータ電流の跳ね上がりが発生してしまう結果となる。上述した不具合を解消するために、本発明の第1の実施の形態においてはインバータ3が実際に電圧出力するタイミングでの直流電圧予測値を演算するPN電圧予測手段19を設け、モータ4への出力電圧の過不足をなくした。
In particular, when the DC voltage value of the
また、PN電圧予測手段19においては、PN電圧検出手段15で検出された直流電圧値に、1キャリア周期前の直流電圧値との差分を加算した結果を直流電圧予測値とするようにした。
Further, in the PN voltage predicting means 19, the result of adding the difference from the DC voltage value one carrier cycle before to the DC voltage value detected by the PN
具体的には、予め設定したインバータ3の直流電圧基準値が280V、図3における1のタイミングでの直流電圧値を18V、同じく3のタイミングでの直流電圧値を36Vであったとすると、タイミング5における直流電圧予測値を54V(=36+(36―18))とし、タイミング6におけるPN電圧補正係数を5.19=(280/54)と導出するようにした。
Specifically, if the preset DC voltage reference value of the
図5は、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置においてPN電圧予測手段19を設けないときのモータ駆動用インバータ制御装置の動作結果であり、図6は、本発明のモータ駆動用インバータ制御装置においてPN電圧予測手段19を設けたときの動作結果である。 FIG. 5 shows an operation result of the motor drive inverter control device when the PN voltage predicting means 19 is not provided in the motor drive inverter control device of the present invention, and FIG. 6 shows the motor drive inverter control device of the present invention. It is an operation result when the PN voltage prediction means 19 is provided.
本発明におけるコンデンサ12は、極めて容量の小さいものを用いているため交流電源電圧のゼロクロス付近におけインバータ3の直流電圧値は大きく落ち込み、交流電源周期の2倍の周波数のリップルが生じている。
Since the
図5のモータ電流波形では直流電圧値の予測が行われていないため、特にインバータ3の直流電圧値が上昇中である円で囲んだ部分などにおいて尖鋭的な電流が流れる結果となっているが、図6の同様な箇所については直流電圧値の予測が行われており、適正な電圧がモータ4に与えられていることから、モータ電流波形のピークが抑えられているのが分かる。
Since the DC voltage value is not predicted in the motor current waveform of FIG. 5, a sharp current flows particularly in a circled part where the DC voltage value of the
(実施の形態2)
本発明に係るインバータ運転周波数の設定に関する具体的な方法について以下に説明する。
(Embodiment 2)
A specific method for setting the inverter operating frequency according to the present invention will be described below.
本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では小容量コンデンサを用いているため、図5や図6のようにインバータ直流電圧は交流電源周波数の2倍の周波数で大きく脈動する。そのため、外部から与えられるモータの速度指令ω*から求まるインバータ運転周波数f1が交流電源周波数fsの偶数倍となる周波数では、インバータ直流電圧が脈動する周波数(交流電源周波数の2倍の周波数)と同期し共振現象が生じてしまう。 Since the inverter controller for driving the motor of the present invention uses a small-capacitance capacitor, the inverter DC voltage greatly pulsates at twice the frequency of the AC power supply frequency as shown in FIGS. Therefore, when the inverter operating frequency f1 obtained from the motor speed command ω * given from the outside is an even multiple of the AC power supply frequency fs, it is synchronized with the frequency at which the inverter DC voltage pulsates (a frequency twice the AC power supply frequency). Then, a resonance phenomenon occurs.
図7はインバータ運転周波数が交流電源周波数の2倍となる場合の動作結果で、インバータ直流電圧が脈動する周波数と同期して共振現象が生じ、モータ電流においては負の直流成分が重畳されていることがわかる。そのため、モータにはブレーキトルクが発生し、出力トルクの減少やモータ損失が増加するといった悪影響が生じてしまう。 FIG. 7 shows an operation result when the inverter operating frequency is twice the AC power supply frequency. A resonance phenomenon occurs in synchronization with the frequency at which the inverter DC voltage pulsates, and a negative DC component is superimposed on the motor current. I understand that. Therefore, the brake torque is generated in the motor, and adverse effects such as a decrease in output torque and an increase in motor loss occur.
なお、このときの諸元としては、小容量リアクタのインダクタンス値は0.5mH、小容量コンデンサの容量は10μF、交流電源は220V(50Hz)、インバータ運転周波数は100Hz(ここではモータの極数は2極のため、インバータ運転周波数とモータ速度指令値は等しい)、インバータキャリア周波数は5kHzである。 The specifications at this time are as follows: the inductance value of the small capacity reactor is 0.5 mH, the capacity of the small capacity capacitor is 10 μF, the AC power source is 220 V (50 Hz), the inverter operating frequency is 100 Hz (here, the number of poles of the motor is Because of the two poles, the inverter operating frequency is equal to the motor speed command value), and the inverter carrier frequency is 5 kHz.
そこで、インバータ運転周波数f1の設定において、インバータ運転周波数が式(6)となるような場合で定常的に固定されるのを回避する必要がある。 Therefore, in setting the inverter operating frequency f1, it is necessary to avoid being fixed constantly in the case where the inverter operating frequency is represented by the equation (6).
ここで、nは整数、△fは予め設定された周波数幅であり、周波数幅に関しては基本的には上述の共振現象の影響が少なくなるように設定しておく。また、インバータ運転周波数が式(6)で求められる共振周波数を越える場合には、加速あるいは減速といった過渡状態で一気にインバータ運転周波数を変更させ、共振周波数で固定することを回避する。なお、周波数幅は必ずしも設定する必要はなく、運転状況(軽負荷時など)によっては設定しなくとも良い(この場合は、△f=0とすれば良い)。 Here, n is an integer, Δf is a preset frequency width, and the frequency width is basically set so that the influence of the resonance phenomenon described above is reduced. Further, when the inverter operating frequency exceeds the resonance frequency obtained by the equation (6), it is avoided that the inverter operating frequency is changed at a stroke in a transient state such as acceleration or deceleration and fixed at the resonance frequency. Note that the frequency width does not necessarily need to be set, and may not be set depending on the operation status (light load, etc.) (in this case, Δf = 0 may be set).
以上により、インバータ周波数と交流電源周波数との共振現象を回避することでモータの不安定動作を防止し、安定した駆動を実現することが可能となる。 As described above, by avoiding the resonance phenomenon between the inverter frequency and the AC power supply frequency, unstable operation of the motor can be prevented and stable driving can be realized.
(実施の形態3)
本発明に係る小容量コンデンサおよび小容量リアクタの仕様決定に関する具体的な方法について以下に説明する。
(Embodiment 3)
A specific method for determining the specifications of the small-capacity capacitor and small-capacity reactor according to the present invention will be described below.
本発明のモータ駆動用インバータ制御装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してIEC規格をクリアするために、小容量コンデンサと小容量リアクタとの共振周波数(LC共振周波数)を交流電源周波数の40倍よりも大きくなるように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定する。ここで、小容量コンデンサの容量をC[F]、小容量リアクタのインダクタンス値をL[H]とすると、LC共振周波数は式(7)のように表される。 In the motor drive inverter control device of the present invention, the resonance frequency (LC resonance frequency) of the small capacitor and the small reactor is set to the AC power frequency in order to suppress the harmonic component of the AC power source current and clear the IEC standard. The combination of the small-capacity capacitor and the small-capacity reactor is determined so as to be larger than 40 times. Here, when the capacitance of the small-capacitance capacitor is C [F] and the inductance value of the small-capacity reactor is L [H], the LC resonance frequency is expressed as shown in Expression (7).
即ち、LC共振周波数が交流電源周波数の40倍よりも大きいを満たすように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定するものである。(IEC規格では交流電源電流の高調波成分において第40次高調波まで規定されているため)
以上により、小容量コンデンサおよび小容量リアクタの組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、IEC規格をクリアすることが可能となる。
That is, the combination of the small-capacitance capacitor and the small-capacity reactor is determined so that the LC resonance frequency is larger than 40 times the AC power supply frequency. (Because the IEC standard specifies the 40th harmonic in the harmonic component of the AC power supply current)
As described above, by determining the combination of the small-capacitance capacitor and the small-capacity reactor, the harmonic component of the AC power supply current can be suppressed and the IEC standard can be cleared.
なお、実施の形態1から実施の形態3で説明した本発明は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等の電気機器である。いずれの電気機器においても、モータ駆動用インバータ装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。 Note that the present invention described in the first to third embodiments can be applied to a motor driving inverter control device that drives a motor using an inverter circuit. For example, it is an electric device such as an air conditioner equipped with an inverter circuit, a refrigerator, an electric washing machine, an electric dryer, an electric vacuum cleaner, a blower, and a heat pump water heater. In any of the electrical devices, the motor drive inverter device can be reduced in size and weight, so that the degree of freedom in product design can be improved and an inexpensive product can be provided.
以上のように、本発明にかかるモータ駆動用インバータ制御装置は、小容量リアクタおよび小容量コンデンサを用いることで小型・軽量・低コストなシステムを構築できるため、空気調和機における圧縮機駆動モータなどのようにパルスジェネレータ等の速度センサを使用することができない場合に限らず、サーボドライブなどのように速度センサを具備することができる場合においても本発明は適用できる。 As described above, the motor drive inverter control apparatus according to the present invention can construct a small, light, and low cost system by using a small capacity reactor and a small capacity capacitor. Thus, the present invention can be applied not only to a case where a speed sensor such as a pulse generator cannot be used but also to a case where a speed sensor can be provided such as a servo drive.
1 交流電源
2 整流回路
3 インバータ
4 モータ
11 小容量リアクタ
12 小容量コンデンサ
13 過電圧保護手段
14 モータ電圧指令作成手段
15 PN電圧検出手段
16 PN電圧補正手段
17 モータ電圧指令補正手段
18 PWM制御手段
19 PN電圧予測手段
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