JP5334093B2

JP5334093B2 - インバータ

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Publication number: JP5334093B2
Application number: JP2008129523A
Authority: JP
Inventors: 重幸杉本; 敏史伊瀬; 佑介河野; 優里小川
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: JP2009278825A

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータに関し、特に出力交流電流を制限している期間において出力交流電圧の低下を少なくする技術に関するものである。

従来、直流電力を交流電力に変換するインバータが知られている（例えば非特許文献１、２、３参照）。インバータに変圧器や誘導電動機などのように投入時や起動時に大きな突入電流が流れる負荷が接続されていると、インバータの過電流保護によりインバータが停止する場合がある。そのため、このような過大な出力交流電流が流れた場合には、出力交流電流値が電流リミッタのレベル（一定値）を超えたときは、インバータを構成する半導体スイッチング素子のゲートに加える電圧を変えて半導体スイッチング素子をオフにし（ゲートブロック）、出力交流電流値が電流リミッタのレベルを下まわったときには、インバータを構成する半導体スイッチング素子のゲートに加える電圧を変えてスイッチング素子をオンに（デブロック）することにより、出力交流電流をある一定値に制限し、インバータが停止しないようにする手法が用いられている。
電気工学ハンドブック第６版社団法人電気学会２００１年２月２０日発行８３０〜８３５頁平紗多賀男編「パワーエレクトロニクス」共立出版株式会社１９９５年１０月５日発行３２〜３８頁正田英介、深尾正、嶋田隆一、河村篤男監修「パワーエレクトロニクスのすべて」オーム社平成７年１０月２０日発行２８〜２９頁

しかし、上述の手法では、出力交流電流を制限している期間はインバータの出力交流電圧が大きく低下し、他の負荷機器に影響を及ぼし、他の負荷機器が停止したり、その動作が不安定になったりする可能性があるという問題があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上述の問題点を解決し、出力交流電流を制限している期間のインバータの出力交流電圧の低下を従来よりも少なくすることができるインバータを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明における第１の発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータにおいて、インバータの出力段の半導体スイッチング素子の温度が所定の温度まで上昇したときにエラー信号を発生するエラー信号発生手段と、インバータから負荷に供給される交流電流の目標値となるインバータの電流指令値が所定値を超えたときにはこの電流指令値に前記所定値で制限をかけ、前記電流指令値が前記所定値以下のときは前記電流指令値に制限をかけないで、かつ、前記エラー信号がある場合には前記電流指令値の前記所定値を小さくし、前記エラー信号がない場合には前記電流指令値の前記所定値を大きくする制御が繰り返し行われる電流制限手段とを備えることを特徴とするインバータである。ここで、「半導体スイッチング素子」は、例えばＩＧＢＴ、サイスタ、ＧＴＯである。

上記第１の発明により、直流電力を交流電力に変換するインバータにおいて、電流制限手段がインバータから負荷に供給される交流電流の目標値となるインバータの電流指令値が所定値を超えたときにはこの電流指令値に前記所定値で制限をかけ、前記電流指令値が前記所定値以下のときは前記電流指令値に制限をかけないようにする。さらに、エラー信号発生手段がインバータの出力段の半導体スイッチング素子の温度が所定の温度まで上昇したときにエラー信号を発生し、前記電流制限手段においては、前記エラー信号がある場合には前記電流指令値の前記所定値を小さくし、前記エラー信号がない場合には前記電流指令値の前記所定値を大きくする制御が繰り返し行われるので、半導体スイッチング素子の温度が所定値を超えることを防ぎ、出力交流電流を制限しているときの出力交流電圧の低下を少なくすることができ、さらに、半導体スイッチング素子の能力ぎりぎりまでインバータから出力交流電流を出力できる。

さらに、本発明における第２の発明は、上記第１の発明として記載したインバータであって、前記エラー信号発生手段は、前記半導体スイッチング素子と同じチップにダイオードを形成し、前記ダイオードに順方向電流を供給したときに前記ダイオードの順方向電圧降下を測定して前記ダイオードの温度を測定し、測定した前記ダイオードの温度を前記半導体スイッチング素子の温度とみなしてこの測定した温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号を発生することを特徴とするインバータである。

上記第２の発明により、前記エラー信号発生手段は、前記半導体スイッチング素子と同じチップに形成されたダイオードに順方向電流を供給したときに前記ダイオードの順方向電圧降下を測定して前記ダイオードの温度を測定し、測定した前記ダイオードの温度を前記半導体スイッチング素子の温度とみなしてこの測定した温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号を発生するので、前記半導体スイッチング素子の温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号を発生することができる。

さらに、本発明における第３の発明は、上記第１の発明として記載したインバータであって、前記エラー信号が発生したときに、所定の時間前記半導体スイッチング素子をオフにすることを特徴とするインバータである。

上記第３の発明により、前記エラー信号が発生したときに、所定の時間前記半導体スイッチング素子をオフにするので、前記半導体スイッチング素子の温度が許容値を超えて前記半導体スイッチング素子が破壊されることを確実に防ぐことができる。

上述した第１の発明によれば、インバータの出力交流電流を制限しているときの出力交流電圧の低下を従来よりも少なくすることができ、さらに、半導体スイッチング素子の能力ぎりぎりまでインバータから出力交流電流を出力できる。
さらに、上述した第２の発明によれば、上記第１の発明の効果とともに、前記半導体スイッチング素子の温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号を発生することができる。
さらに、上述した第３の発明によれば、上記第１の発明の効果とともに、前記半導体スイッチング素子が温度上昇により破壊されることを確実に防ぐことができる。

以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るインバータのブロック図であり、図２は図１の一部分の詳細回路図であり、図３は図１のインバータの１相分のエラー信号発生手段を示し、図４は図１のインバータの動作を示すフローチャートである。図５は図１のインバータの出力交流電流および出力交流電圧を示す。さらに、図６は電流リミッタ（電流制限値）を７５Ａ一定にした場合の実験結果を示し、図７は初期電流リミッタを９０Ａ、エラー信号１ステップで電流リミッタの値を１５Ａ下げる設定での実験結果であり、図８は電流リミッタを初期値７５Ａに設定し、エラー信号が検出されないと仮定して実験と同じ条件でシミュレーションを行った結果である。さらに、図９は初期電流リミッタを７０Ａに設定し、エラー信号１回で電流リミッタを１０Ａ下げた実験結果であり、図１０は初期電流リミッタを７０Ａに設定し、エラー信号１回で電流リミッタを１０Ａ下げ、１秒間で電流リミッタを１０Ａ上げた実験結果である。

図１に示すように、本発明のインバータ１０は、直流電力を交流電力に変換するものであり、出力段２０と制御回路３０を備える。そして、制御回路３０はＰＷＭ制御回路３１、電流制御回路３２、電圧制御回路３３、電流制限手段（電流リミッタ回路）３５およびエラー信号発生手段４０（図３参照）を備えている。なお、制御回路３０は出力段２０に接続されている。

出力段２０は三相モジュールであるＩＰＭ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）であり、各相の半導体スイッチング素子２２はＩＧＢＴである。なお、ＩＧＢＴに逆並列にダイオード２３が接続されている。
具体的には、図２に示すように、直流電源１としてコンデンサ２に貯えられた直流電圧が使用されている。直流電源１は出力段２０の半導体スイッチング素子２２に供給される。コンデンサ２は例えば電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）である。なお、具体的には、
図３に示すように、三相交流電源（ＡＣ電源）３の交流電圧を整流回路４で整流して得た直流電圧によりコンデンサ２が充電されている。

なお、図２に示すように、変圧器６２は、インバータ１０から供給される交流電圧の大きさを負荷５０に最適な大きさの交流電圧に変換する。また、フィルタ６３はリアクトル６３ａとコンデンサ６３ｂで構成され、インバータ１０から負荷５０に供給される交流電圧や交流電流の高調波を吸収し、きれいな正弦波の交流電圧や交流電流にする。なお、リアクトル６３ａは各相の送電線に直列に接続され、コンデンサ６３ｂは各相の送電線間に接続されている。

図１に示す制御回路３０の電圧制御回路３３は以下の動作をする。すなわち、電圧指令値とフィルタ６３のコンデンサ６３ｂの電圧（負荷５０の交流電圧）値との電圧差分を取り、この電圧差分を電圧制御回路３３に入力する。電圧制御回路３３は前記電圧差分値を基に負荷５０の交流電圧が電圧指令値に等しくなるように、電流指令値を調整して出力する。具体的には、電圧差分値が正の場合（負荷５０の交流電圧が電圧指令値より低い場合）は、電流指令値を上げ、電圧差分値が負の場合（負荷５０の交流電圧が電圧指令値より高い場合）は、電流指令値を下げる。

また、電流制限手段３５は、インバータ１０から負荷５０に供給される交流電流の目標値となるインバータ１０の電流指令値が所定値を超えたときにはインバータ１０の電流指令値に前記所定値で制限をかけ、インバータ１０の電流指令値が前記所定値以下のときにはインバータ１０の電流指令値に制限をかけないようにする。
具体的には、電圧制御回路３３が出す電流指令値は電流制限手段３５に入力され、電流制限手段３５は、前記電流指令値が電流リミッタ値（所定値）より低い場合は、そのまま電流指令値を出力し、電流指令値が電流リミッタ値（所定値）より高い場合は、電流指令値を電流リミッタ値（所定値）に置き換えて出力する。
また、変流器６１がインバータ１０の出力交流電流を検知し、検知した出力交流電流値を一定の比率で小さくした値を制御回路３０に導き、この制御回路３０に導かれた値が電流制限手段３５の出力と比較され、インバータ１０から出力される交流電流が所定値で制限されることになる。

電流制限手段３５から出力された電流指令値と変流器６１により検知されたインバータ１０の出力交流電流との差分をとり、この差分を電流制御回路３２に入力する。電流制御回路３２は電流差分値を基にインバータ１０の出力交流電流が電流指令値に等しくなるように、基準信号（例えば正弦波信号）の振幅を調整して出力する。具体的には、電流差分値が正の場合（インバータ１０の出力交流電流が電流指令値より低い場合）には、基準信号の振幅を大きくし、電流差分値が負の場合（インバータ１０の出力交流電流が電流指令値より高い場合）には、基準信号の振幅を小さくする。
この基準信号は、ＰＷＭ制御回路３１に入力され、ＰＷＭ制御回路３１にて搬送波信号（例えば三角波信号）と比較することにより、パルス状のＰＷＭ制御信号が作成される。このＰＷＭ制御信号が半導体スイッチング素子２２となるＩＧＢＴのゲートに入力される。

エラー信号発生手段４０は半導体スイッチング素子２２の温度が所定の温度まで上昇したときにエラー信号Ｆｏを発生する。
エラー信号Ｆｏは電流制限手段３５に入力される。エラー信号Ｆｏがある場合には、電流制限手段３５の電流リミッタ値（所定値）を小さくし、エラー信号Ｆｏがない場合には、電流制限手段３５のリミッタ値（所定値）を大きくする制御を行う。これにより、インバータ１０の出力交流電流の制限レベルを半導体スイッチング素子２２の温度に応じて上げ下げして、半導体スイチング素子２２の能力ぎりぎりまでインバータ１０から出力交流電流を出力できるようにしている。
すなわち、電流制限手段３５は、エラー信号Ｆｏがある場合にはインバータ１０から負荷５０に供給される交流電流の前記所定値を小さくし、エラー信号Ｆｏがない場合にはインバータ１０から負荷５０に供給される交流電流の前記所定値を大きくする。
このように、半導体スイッチング素子２２の温度に応じて、ダイナミックにレベルが変化する電流リミッタ値を用いて、半導体スイッチング素子２２となるＩＧＢＴのゲートブロックとデブロックを繰り返すことにより、電流制限制御を行う。

図３に示すように、エラー信号発生手段４０は、半導体スイッチング素子２２と同じチップ２１に形成されたダイオード４１に順方向電流を供給したときにダイオード４１の順方向電圧降下を測定してダイオード４１の温度を測定し、測定したダイオード４１の温度を半導体スイッチング素子２２の温度とみなしてこの測定した温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号Ｆｏを発生する。
なお、具体的には、ダイオード４１がシリコンダイオードの場合には、ダイオード４１の順方向電流Ｉｆを一定とすると、ダイオード４１の順方向電圧Ｖｆは絶対温度Ｔに比例するので、基準となる温度での順方向電圧Ｖｆを予め測定しておき、半導体スイッチング素子２２が動作しているときのダイオード４１の順方向電圧Ｖｆを測定して比較すれば、半導体スイッチング素子２２の動作時のダイオード４１の温度すなわち半導体スイッチング素子２２の動作時の温度を測定することができる。
さらに、エラー信号Ｆｏが発生したときに、所定の時間(例えば数ｍｓ)半導体スイッチング素子２２をオフにする。

具体的には、ＩＰＭはセンサ回路４２からのトリガ信号を受けると、加熱保護回路４３の状態をセットし、エラー信号出力回路４４がエラー信号Ｆｏを出力すると同時に、ＰＷＭ制御入力信号を無効にして駆動回路４５（半導体スイッチング素子２２となるＩＧＢＴのゲートを駆動する）を停止させる。加熱保護において、トリップしてから数ｍｓ後に設定値以下であれば、加熱保護回路４３の状態はリセットされ、通常動作に復帰する。なお、駆動回路４５は電源回路４６から電源電圧を供給される。また、エラー信号Ｆｏはインターフェース（Ｉ／Ｆ）４７を経由して取り出される。

上記構成のインバータ１０は下記の動作をする。
図２のように、インバータ１０の出力側に変圧器６２を接続し、三相スイッチ５１により誘導電動機５２を負荷５０に並列に接続する（図４のステップＳ１）。このとき、誘導電動機５２と負荷５０を並列に接続したものがインバータ１０の負荷となる。そして、インバータ１０を動作させる。つぎに、電流リミッタ（電流制限値）の初期設定をする（図４のステップＳ２）。
電流制限手段３５がインバータ１０から負荷（５０，５２）に供給される交流電流の目標値となるインバータ１０の電流指令値が所定値を超えたときにはこの電流指令値に前記所定値で制限をかけ、前記電流指令値が前記所定値以下のときは前記電流指令値に制限をかけないようにする（図４のステップＳ３）。
さらに、エラー信号発生手段４０がインバータ１０の出力段２０の半導体スイッチング素子２２の温度が所定の温度まで上昇したときにエラー信号Ｆｏを発生する。そして、エラー信号Ｆｏがある場合には（図４のステップＳ４）、電流制限手段３５が前記電流指令値の前記所定値を小さくし（図４のステップＳ６）、エラー信号Ｆｏがない場合には（図４のステップＳ４）、電流制限手段３５が前記電流指令値の前記所定値を大きくする（図４のステップＳ７）ので、半導体スイッチング素子２２の温度が所定値を超えることを防ぎ、出力交流電流を制限しているときの出力交流電圧の低下を少なくすることができる。

さらに、エラー信号Ｆｏが発生したときに、所定の時間半導体スイッチング素子２２をオフにする（図４のステップＳ５）ので、半導体スイッチング素子２２の温度が許容値を超えて半導体スイッチング素子２２が破壊されることを確実に防ぐことができる。

さらに、エラー信号発生手段４０は、半導体スイッチング素子２２と同じチップ２１に作成されたダイオード４１とこのダイオード４１に電流を供給したときにダイオード４１の電圧降下を測定してダイオード４１の温度を測定し、測定したダイオード４１の温度を半導体スイッチング素子２２の温度とみなしてこの測定した温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号Ｆｏを発生するので、半導体スイッチング素子２２の温度が所定の許容値を超えたときにエラー信号Ｆｏを発生することができる。

このようにして、図５に示すような、誘導電動機５２の起動時のインバータ１０の出力交流電流および出力交流電圧が得られる。なお、ここで、横軸は時間(秒)であり、縦軸は電流(Ａ)および電圧（Ｖ）である。このように、インバータ１０の直流交流変換動作時において、インバータ１０の出力交流電流を制限している期間の出力交流電圧の一時的な低下も少なくでき、負荷５０（他の負荷機器を含む）の動作に及ぼす影響も最小限に抑えることができる。

さらに、１００Ｖまで充電したコンデンサ２から電流値を１Ａに設定した負荷５０に電力を供給している際に、無負荷の誘導電動機５２を起動し、突入電流を発生させた。それぞれのインバータ電流、負荷線間電圧、負荷線間電圧実効値の波形を以下に示す。負荷線間電圧実効値は移動平均を用いて、一周期前までの電圧値から算出した。

図６は電流リミッタを７５Ａ一定に設定した場合の実験結果である。誘導電動機５２の投入後に電流リミッタにより過電流は抑制できており、エラー信号Ｆｏが出ることなくスイチングは停止しなかった。

図７は初期電流リミッタを９０Ａ、エラー信号Ｆｏ１ステップで１５Ａリミッタの値を下げる設定での実験結果である。エラー信号Ｆｏが１回検出され、その際にインバータ１０のスイッチングが１．８ｍｓ間停止し、電流リミッタの値が９０Ａから７５Ａに低下し、過電流が抑制されている。しかしながら、電圧実効値に関しては、７５Ａ一定の場合の電圧実効値よりも定常状態に戻るのに時間を要した。これは７５Ａ一定の場合はエラー信号Ｆｏが検出されず、インバータ１０が停止することなく安定に動作したためであると考えられる。

図８は電流リミッタを初期値７５Ａに設定し、エラー信号Ｆｏが検出されないと仮定して実験と同じ条件でシミュレーションを行った結果である。誘導電動機５２を投入後０．１秒後に電流リミッタを１５Ａ上げることとし、７５Ａから９０Ａに変化させた。負荷電圧の実効値が電流リミッタを上げた際に投入前の状態に戻っていることから、リミッタを上げることにより固定した場合に比べて負荷５０への影響を小さくできるといえる。

図９に示すように、初期電流リミッタを７０Ａに設定し、エラー信号Ｆｏが１回発生する毎に電流リミッタを１０Ａ下げると、エラー信号Ｆｏは３回出力されたが、誘導電動機５２は正常に回転し、１．７５秒後に負荷電圧が通常状態に復帰している。なお、図９において最初のエラー信号Ｆｏ１と２番目のエラー信号Ｆｏ２が重なって表示され、３番目のエラー信号Ｆｏ３が遅れて表示されている。

図１０に示すように、初期電流リミッタを７０Ａに設定し、エラー信号Ｆｏが１回発生する毎に電流リミッタを１０Ａ下げ、１秒間で電流リミッタを１０Ａ徐々に上げる制御をすると、エラー信号Ｆｏは３回出力されたが、誘導電動機５２は正常に運転し、０．８秒後に負荷電圧も通常状態に復帰した。したがって、図９の場合よりも図１０の場合のほうが早く負荷電圧が通常状態に復帰した。なお、図１０において最初のエラー信号Ｆｏ１、２番目エラー信号Ｆｏ２および３回目のエラー信号Ｆｏ３はそれぞれ別個に表示されている。

なお、上記実施の形態において、半導体スイッチング素子２２としてＩＧＢＴを使用しているが、これに限定されず、任意の電力用スイッチング素子を使用することができる。

本発明の実施の形態に係るインバータのブロック図である。図１の一部分の詳細回路図である。図１のインバータの１相分のエラー信号発生手段を示す説明図である。図１のインバータの動作を示すフローチャートである。図１のインバータの出力交流電流および出力交流電圧を示すグラフである。電流リミッタを７５Ａ一定にした場合の実験結果を示す。初期電流リミッタを９０Ａ、エラー信号１ステップで電流リミッタの値を１５Ａ下げる設定での実験結果である。電流リミッタを初期値７５Ａに設定し、エラー信号が検出されないと仮定して実験と同じ条件でシミュレーションを行った結果である。初期電流リミッタを７０Ａに設定し、エラー信号１回で電流リミッタを１０Ａ下げた実験結果である。初期電流リミッタを７０Ａに設定し、エラー信号１回で電流リミッタを１０Ａ下げ、１秒間で電流リミッタを１０Ａ上げた実験結果である。

符号の説明

１０インバータ
２０出力段
２１チップ
２２半導体スイッチング素子
３０制御回路
３１ＰＷＭ制御回路
３２電流制御回路
３３電圧制御回路
３５電流制限手段
４０エラー信号発生手段
４１ダイオード

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータにおいて、
インバータの出力段の半導体スイッチング素子の温度が所定の温度まで上昇したときにエラー信号を発生するエラー信号発生手段と、
インバータから負荷に供給される交流電流の目標値となるインバータの電流指令値が所定値を超えたときにはこの電流指令値に前記所定値で制限をかけ、前記電流指令値が前記所定値以下のときは前記電流指令値に制限をかけないで、かつ、前記エラー信号がある場合には前記電流指令値の前記所定値を小さくし、前記エラー信号がない場合には前記電流指令値の前記所定値を大きくする制御が繰り返し行われる電流制限手段とを備えることを特徴とするインバータ。
請求項１に記載したインバータであって、
前記エラー信号が発生したときに、所定の時間前記半導体スイッチング素子をオフにすることを特徴とするインバータ。