JP5476788B2

JP5476788B2 - インバータ装置

Info

Publication number: JP5476788B2
Application number: JP2009116156A
Authority: JP
Inventors: 吉弘松本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: JP2010268551A

Description

この発明は、半導体スイッチング素子により構成され、少なくともＶ／ｆ制御方式とベクトル制御方式の２種類の制御方式を備え、制御方式を切り換えて電動機を駆動することができるインバータ装置に関し、特に低速領域において半導体スイッチング素子の過熱保護を考慮したインバータ装置に関する。

従来の電動機を駆動するインバータ装置の制御方式として、インバータ装置の出力電圧Ｖと出力周波数ｆとの比率を所定の値にして電動機を可変速制御する、いわゆるＶ／ｆ制御方式と、交流量である電動機の１次電流を磁束に平行な励磁電流成分と磁束に直交するトルク電流成分とに分けて、両電流成分を独立に制御して電動機を可変速制御する、いわゆるベクトル制御方式とがある。
図３は、Ｖ／ｆ制御方式のインバータ装置の従来例を示すものであり、１は商用電源等の交流電源、２はインバータ装置により駆動される電動機、３は交流電源１からの交流電圧を整流するダイオードよりなる３相ブリッジ構成のコンバータ部、４は直流母線間に接続されてコンバータ部３の出力を平滑する平滑コンデンサ、５は平滑コンデンサ４の両端の平滑された直流電圧を入力として所望の周波数と電圧とをもつ交流電圧に変換するインバータ部であり、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子と還流用ダイオードとの逆並列回路を３相ブリッジ接続したものである。

また、１０はインバータ装置が出力する３相交流電圧の周波数を指令する周波数設定器、２１は周波数設定器１０の周波数指令値に基づき電動機２への電圧Ｖと周波数ｆとの比
率が予め定めた所定の値になるような３相の交流信号を生成するＶ／ｆ制御回路、３０は例えば三角波状のキャリア周波数信号を発生するキャリア周波数発生回路、４０はＶ／ｆ制御回路２１が出力する３相の交流信号とキャリア周波数発生回路３０が出力するキャリア周波数信号とを比較演算してパルス幅変調（ＰＷＭ）したパルス信号を出力するＰＷＭ制御回路、５０はＰＷＭ制御回路４０のパルス信号からインバータ部５を構成する各半導体スイッチング素子への駆動信号を生成する駆動回路である。
このような回路において、Ｖ／ｆ制御回路２１では、周波数設定器１０からの周波数指令値に基づいて出力電圧Ｖと出力周波数ｆとが一定の比率になる３相の交流信号を生成す
る。この交流信号はＰＷＭ制御回路４０に入力され、キャリア周波数発生回路３０が出力するキャリア周波数信号と比較されて各相の上下アームの半導体スイッチング素子に対するパルス信号が生成される。このパルス信号に従ってインバータ部５を構成する各半導体スイッチング素子が駆動回路５０を介してオン・オフ制御されることにより、インバータ装置の出力電圧がその指令値に一致するような制御が行われる。

また、図４はベクトル制御方式のインバータ装置の従来例を示すものであり、図３と同一機能を有するものについては同一の符号を付してその説明を省略する。図４では、図３に示したＶ／ｆ制御方式に代えてベクトル制御方式を行うものであり、Ｖ／ｆ制御回路２１に代わりベクトル制御回路２２が備えられ、ベクトル制御のためにインバータ部５から電動機２への出力電流を検出するための電流検出器６と、電動機２の回転速度および回転子位相を検出する速度検出器７が付加されている。なお、速度検出器７を省略して、既に周知となっている電圧指令、電流検出値および電動機の電気的定数等を用いて速度・位相を推定してベクトル制御演算する速度センサレスベクトル制御を行うようにしてもよい。
このような回路において、ベクトル制御回路２２では、周波数設定器１０からの周波数指令値と速度検出器７からの電動機２の速度信号との偏差に基づく速度調節演算を行い、この調節演算結果と位相検出値と電流検出器６からの電流検出値とに基づくベクトル制御演算を行い、このベクトル制御演算結果としての３相の交流信号をＰＷＭ制御回路４０へ送出している。この演算内容の詳細については周知の技術であるのでここでの説明は省略する。そして、ＰＷＭ制御回路４０および駆動回路５０を介してインバータ部５を構成する各半導体スイッチング素子がオン・オフ制御されることにより、インバータ装置の出力電圧がその指令値に一致するような制御が行われる。

さらに、上記のＶ／ｆ制御方式とベクトル制御方式との両制御方式を備え、Ｖ／ｆ制御方式とベクトル制御方式とを切り換えて電動機を運転することができるインバータ装置が例えば、特許文献１に開示されている。
一方、インバータ部を構成する半導体スイッチング素子は低速領域、すなわち出力周波数が低い領域では、温度リプルが大きくなりジャンクション温度が高くなって半導体スイッチング素子が損傷する危険があるので、半導体スイッチング素子の過熱保護を図る必要がある。この低速領域において半導体スイッチング素子の過熱保護を図る方法として、インバータ装置の動作周波数が数Ｈｚ程度の低周波数領域になるときに、その最大電流値を制限する電流制限値を熱破損に至らない範囲に下げることが行われている（例えば、特許文献２）。

しかしながら、特許文献２のように低速領域で最大電流値を制限する電流制限値を下げた場合には、低速領域で電流不足になるという問題があり、特に低速領域まで高応答，高精度なトルクおよび速度の制御が要求されるベクトル制御方式では、電動機の制御性能上で問題になることがある。
そこで、特許文献３には、インバータ装置の運転周波数が低周波数になるときに、半導体スイッチング素子の動作周波数を決めるキャリア周波数を熱破損に至らない範囲まで下げることにより、半導体スイッチング素子の過熱保護を図ることが開示されている。

特開平２-２８０６８８号公報特開平５-２６８７７４号公報特開平５-３１６７４４号公報

しかしながら、キャリア周波数を数ｋＨｚ程度まで低下させると電動機からキャリア周波数に起因する可聴域の電磁音が発生する。特許文献３のように、過熱保護を図るために低速領域でキャリア周波数を低下させると、電動機を高速で運転している状態から減速停止させる際に最後の低速領域で電磁音が発生するため、用途によっては電磁音が騒音となって問題になることがある。
本発明は、少なくともＶ／ｆ制御方式とベクトル制御方式との２種類の制御方式を備えたインバータ装置において、出力周波数が低い領域における半導体スイッチング素子の過熱保護をその制御方式の切り換えに応じて適切に行うことができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、半導体スイッチング素子により構成され、少なくともＶ／ｆ制御方式とベクトル制御方式の２種類の制御方式を備え、制御方式を切り換えて運転を行うことができるインバータ装置において、前記Ｖ／ｆ制御方式のときには出力周波数の低い領域で最大電流値を制限する電流制限値を低下させ、前記ベクトル制御方式のときには前記出力周波数の低い領域で前記半導体スイッチング素子の動作周波数を決めるキャリア周波数を低下させるものとする。

この発明によれば、半導体スイッチング素子の動作周波数を決めるキャリア周波数信号および最大電流値を制限する電流制限値を、Ｖ／ｆ制御方式とベクトル制御方式とに応じて切り換えることにより、用途に応じた半導体スイッチング素子の過熱保護を図ることができる。
具体的には、低速領域の出力電流をあまり問題としないＶ/ｆ制御方式では、低速領域でもキャリア周波数は低下させずに騒音の発生を防止し、運転周波数が基準値よりも低いときに電流制限値を低下させることによって、低速領域の半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制して半導体スイッチング素子の過熱保護を図る。
また、低速領域においてもトルクおよび速度の高応答，高精度な制御を必要とするベクトル制御方式では、低速領域でも電流制限値を低下させずに電流を確保できるようにし、運転周波数が基準値よりも低いときにキャリア周波数を低下させることによって、騒音を犠牲にしても半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制し、低速領域の半導体スイッチング素子の過熱保護を図る。

この発明の実施の形態を示すブロック図図１の動作を説明する特性図従来のＶ／ｆ制御方式のインバータ装置を示すブロック図従来のベクトル制御方式のインバータ装置を示すブロック図

図１はこの発明の実施の形態を示すインバータ装置のブロック図であり、従来例と同一機能を有するものについては同一の符号を付してその説明を省略する。
図において、２０は制御回路であり、周波数設定器１０の周波数指令値に基づいて出力電圧Ｖと出力周波数ｆとの比率が予め定めた所定の値になるような３相の交流信号を生成
するＶ／ｆ制御回路２１と、周波数設定器１０の周波数指令値に基づいてベクトル制御演算を行って３相の交流信号を生成するベクトル制御回路２２とを備えている。なお、この実施の形態のベクトル制御方式は、速度検出器を省略した速度センサレスベクトル制御を行うようにしているが、図４に示すような速度検出器７を備えるものであってもよい。また、１１はインバータ装置の制御方式を切り換える制御方式切換器であり、Ｖ／ｆ制御回路２１とベクトル制御回路２２とのいずれかを選択するものである。６０は電流検出器６で検出した出力電流検出値に基づいてインバータ装置の出力電流を制限する電流制限回路であり、出力電流検出値と出力電流制限値との偏差をＰＷＭ制御回路４０へ送出している。

ここで、図２に示すように、電流制限回路６０は、出力周波数ｆに関係なく一定レベルの電流制限値ｉ_LIM1と、出力周波数ｆが予め定めた基準値ｆ_L以上のときは制限レベルが
一定で、かつ出力周波数ｆが予め定めた基準値ｆ_Lよりも低いときに制限レベルを連続的あるいは段階的に低下させる電流制限値ｉ_LIM2とを備え、選択された制御方式に応じて電
流制限値を切り換えるものである。また、半導体スイッチング素子の動作周波数を決めるキャリア周波数発生回路３０は、出力周波数ｆが予め定めた基準値ｆ_L以上のときはキャリア周波数が一定で、かつ出力周波数ｆが基準値ｆ_Lよりも低いときにキャリア周波数を連続的あるいは段階的に低下させるキャリア周波数信号ｆ_C1と、出力周波数ｆに関係なく一定の周波数のキャリア周波数信号ｆ_C2とを備え、選択された制御方式に応じてキャリア周波数信号を切り換えるものである。さらに詳細に説明すると、制御方式切換器１１によりＶ／ｆ制御回路２１が選択されてインバータ装置がＶ／ｆ制御方式により駆動される場合には、Ｖ／ｆ制御方式を選択した信号が電流制限回路６０に入力されて電流制限値ｉ_LI
_M2が選択されるとともに、Ｖ／ｆ制御方式を選択した信号がキャリア周波数発生回路３０に入力されてキャリア周波数信号ｆ_C2が選択される。一方、制御方式切換器１１によりベクトル制御回路２２が選択されてインバータ装置がベクトル制御方式により駆動される場合には、ベクトル制御方式を選択した信号が電流制限回路６０に入力されて電流制限値ｉ
_LIM1が選択されるとともに、ベクトル制御方式を選択した信号がキャリア周波数発生回路３０に入力されてキャリア周波数信号ｆ_C1が選択される。

このような構成において、まず、インバータ装置がＶ／ｆ制御方式により駆動される場合について説明する。制御方式切換器１１によりＶ／ｆ制御回路２１が選択されると、上記のように電流制限値ｉ_LIM2およびキャリア周波数信号ｆ_C2が選択される。そして、運転
開始指令が入力されると、Ｖ／ｆ制御回路２１は周波数設定器１０により設定された周波数指令値に基づいて出力電圧Ｖと出力周波数ｆとが一定の比率になる３相の交流信号を生
成する。この交流信号はＰＷＭ制御回路４０に入力され、キャリア周波数発生回路３０が出力するキャリア周波数信号と比較されて各相の上下アームの半導体スイッチング素子に対するよりパルス信号が生成される。このパルス信号に従ってインバータ部５を構成する各半導体スイッチング素子が駆動回路５０を介してオン・オフ制御されることにより、インバータ装置の出力電圧がその指令値に一致するような制御が行われる。

ここで、インバータ装置の出力電流は次のようにして制限される。インバータ装置の各相出力電流は電流検出器６により検出され、電流制限値ｉ_LIM2と比較されて電流制限値ｉ
_LIM2を超える偏差分が検出される。この偏差分はＰＷＭ制御回路４０に入力され、Ｖ／ｆ制御回路２１で生成された交流信号が前記偏差分により補正されて出力電流を減少させる方向に制御が働いてインバータ装置の出力電流が制限される。
このとき、Ｖ/ｆ制御方式では、低速領域の出力電流をあまり問題としないので、インバータ装置の出力周波数が基準値ｆ_Lよりも低いときに電流制限値を低下させることにより、低速領域の半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制して半導体スイッチング素子の過熱保護を図ることができる。また、Ｖ／ｆ制御方式の場合、キャリア周波数発生回路３０が出力するキャリア周波数信号は、出力周波数ｆに関係なく一定の周波数のキャリア周波数信号ｆ_C2であるので、低速領域でも騒音が問題になることはない。

次に、インバータ装置がベクトル制御方式により駆動される場合について説明する。制御方式切換器１１によりベクトル制御回路２２が選択されると、上記のように電流制限値ｉ_LIM1およびキャリア周波数信号ｆ_C1が選択される。そして、運転開始指令が入力される
と、ベクトル制御回路２２は周波数設定器１０により設定された周波数指令値に基づいてベクトル制御演算を行って３相の交流信号を生成する。この交流信号はＰＷＭ制御回路４０に入力され、キャリア周波数発生回路３０が出力するキャリア周波数信号と比較されて各相の上下アームの半導体スイッチング素子に対するよりパルス信号が生成される。このパルス信号に従ってインバータ部５を構成する各半導体スイッチング素子が駆動回路５０を介してオン・オフ制御されることにより、インバータ装置の出力電圧がその指令値に一致するような制御が行われる。

ここで、ベクトル制御方式における電流制限回路６０は、出力周波数ｆに関係なく一定レベルの電流制限値ｉ_LIM1とすることにより低速領域でも電流を確保できるので、低速領
域においても高応答，高精度な制御が可能になる。また、キャリア周波数発生回路３０が出力するキャリア周波数信号は、出力周波数ｆが基準値ｆ_Lよりも低いときにキャリア周波数を低下させるキャリア周波数信号ｆ_C1とすることにより、低速領域の半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制して半導体スイッチング素子の過熱保護を図ることができる。

３…コンバータ部、４…平滑コンデンサ、５…インバータ部、６…電流検出器、１０…周波数設定器、１１…制御方式切換器、２０…制御回路、２１…Ｖ／ｆ制御回路、２２…ベクトル制御回路、３０…キャリア周波数発生回路、４０…ＰＷＭ制御回路、５０…駆動回路、６０…電流制限回路。

Claims

半導体スイッチング素子により構成され、少なくともＶ／ｆ制御方式とベクトル制御方式の２種類の制御方式を備え、制御方式を切り換えて運転を行うことができるインバータ装置において、前記Ｖ／ｆ制御方式のときには出力周波数の低い領域で最大電流値を制限する電流制限値を低下させ、前記ベクトル制御方式のときには前記出力周波数の低い領域で前記半導体スイッチング素子の動作周波数を決めるキャリア周波数を低下させることを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、前記Ｖ／ｆ制御方式では出力周波数が基準値よりも低いときに前記キャリア周波数を一定に維持しつつ前記電流制限値を低下させることを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、前記ベクトル制御方式では出力周波数が基準値よりも低いときに前記電流制限値を一定に維持しつつ前記キャリア周波数を低下させることを特徴とするインバータ装置。